DE4114233C2 - Anordnung zur Ultraschall-Durchflußmessung - Google Patents
Anordnung zur Ultraschall-DurchflußmessungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ultraschall-Durchflußmessung gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine nach diesem Verfahren arbeitende Anordnung, die Ausgangspunkt der vor
liegenden Erfindung ist, ist aus der DE 25 47 892 A1 bekannt. Das Blockschalt
bild einer solchen Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Meßeinrichtung enthält
zwei Ultraschallwandler 1 und 2, die einander gegenüberliegend auf der Rohrlei
tung, in der die Geschwindigkeit des strömenden Mediums bestimmt werden soll,
angebracht sind und die im Sendebetrieb ein elektrisches Signal in ein akusti
sches Signal und im Empfangsbetrieb ein akustisches Signal in ein elektrisches
Signal umsetzen. Beide Ultraschallwandler sind mit einer Umschalteinrichtung 3
verbunden, über die die Änderung der Durchlaufrichtung der Schallwelle durch
das strömende Medium erfolgt. Durch die Meßablaufsteuerungsschaltung 8 wird
über die Sendepulsformung 4 ein Anregungsimpuls ausgelöst, der durch den
Ultraschallwandler 1 oder 2 in eine Schallwelle umgeformt wird. Gleichzeitig wird
durch die Meßablaufsteuerungsschaltung 8 über die Torschaltung 10 die Zähler
schaltung 11 gestartet, die durch den Oszillator 9 getaktet wird. Nach dem
Durchlauf der Schallstrecke gelangt die Schallwelle über den Empfangswandler
1 oder 2 und die Umschalteinrichtung 3 an den Empfangsverstärker 5, der das
Eingangssignal für den Trigger 6 erzeugt. Durch den Trigger 6 wird der Eintreff
zeitpunkt des Empfangssignals festgelegt, eine entsprechende Information über
den Eintreffzeitpunkt an die Meßablaufsteuerungsschaltung 8 gegeben und ent
sprechend dem Sing-around-Prinzip über die Torschaltung 7 ein Folgepuls
generiert. Bei Ablauf einer bestimmten Anzahl von Signalumläufen durch den
oben beschriebenen Signalkreis wird von der Meßablaufsteuerungsschaltung 8
über die Torschaltung 7 der Signalkreis verriegelt und damit der Signalumlauf
gestoppt. Bei Eintreffen des letzten Empfangssignals nach der Verrieglung des
Signalkreises wird nach der Ermittlung des Eintreffzeitpunktes durch den Trigger
6 über die Meßablaufsteuerungsschaltung 8 und die Torschaltung 10 der Zähl
vorgang der Zählerschaltung 11 unterbrochen. Der Zählwert wird in die Verrech
nungsschaltung 12 übernommen, durch die Meßablaufsteuerungsschaltung 8
über die Umschalteinrichtung 3 die Signaldurchlaufrichtung geändert und der
oben beschriebene Meßablauf mit entgegengesetzter Signaldurchlaufrichtung
erneut ausgeführt. Nach Übernahme des in entgegengesetzter Signaldurchlauf
richtung ermittelten Zählwertes in die Verrechnungsschaltung 12 kann von der
Verrechnungsschaltung 12 die Laufzeitdifferenz des Signals in beiden Umlauf
richtungen und damit die Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung bestimmt
werden.
Besonders bei sehr großer Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen in
Bezug auf die zu messende Strömungsgeschwindigkeit werden sehr hohe Anfor
derungen an eine exakte Zeitmessung gestellt. Es ist wichtig, während der Mes
sung immer den richtigen Eintreffzeitpunkt des Signals zu detektieren, was spe
ziell bei bandbegrenzten Signalen, die starken Amplitudenfluktuationen unterlie
gen, unter Verwendung eines herkömmlichen Amplituden-
Nulldurchgangstriggers große Meßfehler verursachen kann. Auch durch die
Verwendung einer bekannten Signalamplitudenüberwachungs-Einheit kann die
falsche Bestimmung des Eintreffzeitpunktes des Empfangssignals, speziell bei
Anordnungen, die mit von außen auf der Rohrwand befestigten Schallwandlern
arbeiten und für den flexiblen Einsatz vorgesehen sind, nicht ausgeschlossen
werden, da auch die Signalform Veränderungen unterworfen ist.
Nach der DE 29 20 176 A1 ist eine Anordnung bekannt, die nach dem Phasenre
gelverfahren arbeitet. Aufgabe des dort angegebenen Ultraschall-Strömungs
meßgerätes ist es, daß es auch bei auftretenden Störungen in der Schallstrecke
frei von Meßfehlern arbeitet.
Dazu enthält diese Anordnung eine Prüfeinrichtung zur Feststellung einer Fehl
triggerung, eine steuerbare Amplituden-Erfassungseinrichtung und eine steuer
bare Übertragungs-Überwachungseinrichtung. Mit Hilfe von Fig. 5 soll das Prin
zip der Störunterdrückung bei dieser Anordnung kurz erläutert werden. Durch
die Prüfeinrichtung wird festgestellt, ob eine Fehltriggerung von der ersten auf
die zweite oder von der zweiten auf die erste Halbwelle des Signals stattgefun
den hat. Das geschieht durch die Feststellung der Veränderung des Triggerzeit
punktes durch einen Integrationsprozeß. Durch ein Zeitfenster, das aus der
VCO-Frequenz und einem vorbestimmten Zählwert abgeleitet wird, wird ein Inte
grator gestartet, der zum Triggerzeitpunkt wieder gestoppt wird. Anschließend
wird die Integratorspannung mit vorgegebenen Bezugspegeln verglichen. In Fig.
5(A) ist dargestellt, wie die Triggerung des Empfangssignals auf der zweiten
Halbwelle erfolgt, obwohl eine Triggerung auf der ersten Halbwelle erwartet
wird. Erkannt wird die Fehltriggerung mit Hilfe des oben beschriebenen Integra
tionsprozesses. Bei einer Fehltriggerung wird durch die Prüfeinrichtung die Be
zugsspannung für die Amplitudenerfassungseinrichtung E2 bzw. für die Übertra
gungs-Überwachungseinrichtung geschaltet und, es wird angenommen, daß
damit das nachfolgende Signal wieder richtig getriggert werden kann, in unse
rem Beispiel auf der ersten Halbwelle des Signals, wie in Fig. 5(B) dargestellt.
Bei Anordnungen, die mit von außen auf der Rohrwand befestigten Schallwand
lern arbeiten und für den flexiblen Einsatz vorgesehen sind, ist ein solches Ver
fahren zur Störunterdrückung nicht geeignet. Die Form des Empfangssignals ist
weitestgehend von den Ankopplungsbedingungen der Schallwandler auf der
Rohrleitung abhängig, die bei einer solchen Anordnung sehr unterschiedlich
sein können. Das bedeutet, daß es bei einer solchen Anordnung nicht bekannt
ist, ob für den Fall einer normalen Erfassung des Empfangssignals diese Erfas
sung durch die erste, zweite, dritte oder vierte usw. Halbwelle des Signals er
folgt, durch eine Störung eine Umtriggerung auf die erste, zweite, dritte oder
vierte usw. Halbwelle des Signals verursacht wird und durch das Schalten des
Bezugspegels der Verstärkungsregelung bzw. der Triggerschwelle von einem
fest vorgegebenen auf einen zweiten fest vorgegebenen Pegel diese Störung
kompensiert werden kann.
Aus der DE 34 14 988 C2 ist eine Anordnung bekannt, die nach dem Phasenre
gelverfahren arbeitet. Bei dieser Anordnung wird in einer Selbstlernfunktion zu
Beginn der Messung der optimale Bezugspegel für die Durchführung der Mes
sung bestimmt und während der Messung ein ständiger Vergleich des
Empfangssignals mit einem vorbestimmten Muster durchgeführt.
Kriterium für die richtige Bestimmung des Eintreffzeitpunktes des Empfangssi
gnals ist die Anzahl der Überschreitungen des Empfangssignals über den
Bezugspegel. Der Bezugspegel wird in der Selbstlernfunktion zu Beginn der
Messung so festgelegt daß ein möglichst großer Störabstand bezüglich einer
konstanten Anzahl der Überschreitungen bei Amplitudenfluktuationen des
Empfangssignals erreicht wird.
Mit Hilfe von Fig. 6 soll das Prinzip dieses Verfahrens kurz erläutert werden. In
Fig. 6(A) ist ein mögliches Empfangssignal und der dazugehörige Bezugspegel
dargestellt. Die Zahl der Überschreitungen im Normalfall, Bezugszählung, ent
spricht drei. Alle Signale mit drei Überschreitungen des Bezugspegels werden
als richtig akzeptiert, bei abweichender Zahl der Überschreitungen wird das
Signal verworfen.
In Fig. 6(B) ist eine mögliche Veränderung des Empfangssignals dargestellt.
Die Zahl der Überschreitungen beträgt in diesem Fall zwei, das Signal wird ver
worfen, obwohl eine richtige Triggerung erfolgt. Der entgegengesetzte Fall ist in
Fig. 6(C) dargestellt. Das Signal wird als richtig akzeptiert, obwohl eine Fehl
triggerung vorliegt.
Sowohl bei der Anordnung nach der DE 29 20 176 A1 als auch bei der Anord
nung nach der DE 34 14 988 C2 erfolgt die Triggerung des Signals mit einer wäh
rend des Eintreffzeitpunktes des Signals konstanten Triggerschwelle. Bei diesen
Anordnungen ist der maximal mögliche Störabstand bei der Signaltriggerung
folglich gleich der Spannungsdifferenz zwischen der Amplitude der Halbwelle
des Empfangssignals, auf der die Triggerung erfolgt und der Triggerschwelle,
bzw. der Triggerschwelle und der Amplitude der vorherigen Halbwelle. Bei un
günstigen Signalformen, z. B. kommt es bei der Messung an verzinkten Rohrlei
tungen zu Mehrfachreflexionen in der Zinkschicht, und damit verbundene
Signalüberlagerungen erzeugen ein Empfangssignal, bei dem die Amplituden
der einzelnen Halbwellen sehr langsam auf die maximale Signalamplitude an
wachsen und wieder abklingen, ist dieser Störabstand sehr klein und Signal
fluktuationen führen dazu, daß keine richtige Triggerung des Empfangssignals
erfolgen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zur Ultraschall-Durchfluß
messung so auszuführen, daß auch bei stark gestörter Strömung eine sichere
Messung möglich ist. Es soll realisiert werden, daß bei der Bestimmung des
Eintreffzeitpunktes des Empfangssignals ein größtmöglicher Störabstand gegen
Amplitudenfluktuationen erreicht wird. Auftretende Fehlbestimmungen des Ein
treffzeitpunktes des Empfangssignals sollen registriert und dadurch
hervorgerufene Meßfehler ausgeschlossen werden.
Diese Aufgabe wird durch die Anordnung nach dem Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 4 enthalten.
Dabei enthält die angegebene Anordnung zur Ultraschall-Durchflußmessung
eine Empfangssignalerkennungsschaltung, die eine Erhöhung des Störabstan
des bezüglich der Bestimmung des nachfolgenden Nulldurchganges des Signals
auf eine der Energie der vorangegangenen positiven oder negativen Halbwelle
des Signals entsprechenden Spannungsdifferenz zuzüglich der Amplituden
differenz zwischen der den Triggervorgang auslösenden und der vorangegan
genen Halbwelle erreicht.
Bei der vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung wird
durch das Ausgangssignal des Komparators über einen Multiplexer die Trigger
schwelle geschaltet und damit die Rückflanke des Ausgangssignals des Kompa
rators auf den Signalnulldurchgang synchronisiert. Dadurch kann mit nur einem
Komparator sowohl die Amplituden- als auch die Nulldurchgangstriggerung
realisiert werden.
Zur Bereitstellung der Steuerspannung für die Empfangssignalerkennungsschal
tung enthält die Anordnung eine Signalbewertungsschaltung die die Steuer
spannung in einem Lernprozeß zu Beginn der Messung so bestimmt, daß der
größte Störabstand bezüglich der Veränderung des signifikanten Nulldurchgan
ges erreicht wird. Dazu werden die Zählerstände der Zählerschaltung während
des Eintreffzeitpunktes des Empfangssignals durch die synchrone Zählwertüber
nahmeschaltung übernommen und der Signalbewertungsschaltung zugeführt.
Die Bestimmung des für die Messung optimalen Wertes der Steuerspannung
erfolgt durch die Ermittlung von Signalamplitudenbereichen, die sich durch kon
stante Laufzeit bezüglich des nachfolgenden Nulldurchganges des Signals aus
zeichnen. Die Ermittlung dieser Signalamplitudenbereiche erfolgt in beiden
Signalumlaufrichtungen.
Während der Messung erfolgt über die die synchrone Zählwertübernahmeschal
tung eine ständige Kontrolle der Signallaufzeit.
Die Zuordnung der in beiden Signalumlaufrichtungen ermittelten zueinander ge
hörenden Amplitudenbereiche erfolgt durch die Bewertung der über einen Inte
grationsprozeß ermittelten Signalenergie.
Dazu wird durch das Triggersignal eine Integratorschaltung gestartet, die nach
der Schließung eines vordefinierten Fensters wieder gestoppt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird
im folgenden beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Anordnung des Standes der Technik,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zur Ultra
schalldurchflußmessung mit einer Empfangssignalerkennungsschaltung,
einer Signalbewertungsschaltung und einer synchronen Zählwertüber
nahmeschaltung,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Empfangssignalerkennungsschaltung ge
mäß Fig. 2 mit einer dynamischen Schwellenerniedrigung,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Empfangssignalerkennungsschal
tung,
Fig. 5 ein erstes Beispiel für die Triggerung des Empfangssignals nach dem
Stand der Technik,
Fig. 6 ein zweites Beispiel für die Triggerung des Empfangssignals nach dem
Stand der Technik.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind Teile, die mit denen nach Fig. 1
übereinstimmen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild einer Ausführungsform der
Erfindung. Die Anordnung nach Fig. 2 enthält eine Empfangssignalerkennungs
schaltung 15, die sich durch eine besonders hohe Störsicherheit gegen Amplitu
denschwankungen bei der Bestimmung des Eintreffzeitpunktes bandbegrenzter
Signale auszeichnet.
Das Blockschaltbild einer Ausführungsform der Empfangs
signalerkennungsschaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Über eine dynamische
Schwellenerniedrigung 16 kann eine wesentliche Erhöhung des Störabstandes,
bezüglich der Bestimmung des nachfolgenden Nulldurchganges dem Signals, auf
eine der Energie der vorangegangenen positiven oder negativen Halbwelle des
Signals entsprechenden Spannungsdifferenz zuzüglich der Amplitudendifferenz
zwischen der den Triggervorgang auslösenden und der vorangegangenen Halb
welle erreicht werden. Ausgehend von einer Steuerspannung wird durch die
dynamische Schwellenerniedrigung 16 die in den positiven oder negativen
Signalhalbwellen enthaltene Energie in Spannungsdifferenzen umgeformt und
dem Komparator 17, mit dem die Amplitudentriggerung des Signals vorgenom
men wird, als Triggerschwelle zugeführt.
Dadurch wird die Triggerschwelle des zur Amplitudentriggerung verwendeten
Komparators 17 durch das Signal, auf das getriggert werden soll, erniedrigt, der
Störabstand um eine der Energie der vorhergehenden positiven oder negativen
Signalhalbwelle proportionalen Spannung erhöht und dementsprechend die
Wahrscheinlichkeit der Fehltriggerung bei Amplitudenfluktuationen des
Empfangssignals verringert. Durch den Komparator 17 wird über die Torschal
tung 19 der Nulldurchgangstrigger 18 freigegeben, der mit dem nachfolgenden
Signalnulldurchgang schaltet.
Das Blockschaltbild einer vorteilhaften Ausführungsform der
Empfangssignalerkennungsschaltung ist in Fig. 4 dargestellt. In dieser Ausfüh
rungsform wird durch das Ausgangssignal des Komparators 21 über den Multi
plexer 20 die Triggerschwelle des Komparators 21 geschaltet und damit die
Rückflanke des Ausgangssignals des Komparators auf den Nulldurchgang syn
chronisiert. Dadurch kann mit nur einem Komparator sowohl die Amplituden- als
auch die Nulldurchgangstriggerung realisiert werden.
Die Anordnung nach Fig. 2 enthält eine Signalbewertungsschaltung 14, die die
Steuerspannung für die Empfangssignalerkennungsschaltung 15 generiert. Über
die synchrone Zählwertübernahmeschaltung 13 wird die Durchlaufzeit eines
jeden Schallimpulses durch die Schallstrecke aus der Zählerbaugruppe 11 über
nommen und der Signalbewertungsschaltung 14 zugeführt. Durch Veränderung
der Steuerspannung für die Empfangssignalerkennungsschaltung 15 werden in
einem Lernprozeß durch die Signalbewertungsschaltung 14 Signalamplitudenbe
reiche ermittelt, in denen die über die synchrone Zählwertübernahmeschaltung
13 aus der Zählerbaugruppe 11 übernommenen Durchlaufzeiten der Schallim
pulse durch die Schallstrecke konstant sind. Die Ermittlung der Signalamplitu
denbereiche wird in beiden Signaldurchlaufrichtungen ausgeführt.
Für die Messung wird durch die Signalbewertungsschaltung 14 das größte
Signalamplitudenbereichepaar ausgewählt und die Steuerspannung für die
Empfangssignalerkennungsschaltung 15 so bestimmt, daß der größte Störab
stand bezüglich der Veränderung des signifikanten Nulldurchganges erreicht
wird.
Die paarweise Zuordnung der Signalamplitudenbereiche erfolgt in beiden
Signaldurchlaufrichtungen durch die Bewertung der Signalenergie vom Augen
blick des Triggerns bis zur Schließung eines vordefinierten Fensters. Dazu ent
hält die Signalbewertungsschaltung 14 eine Integratorschaltung, die mit dem
durch die Empfangssignalerkennungsschaltung 15 ausgewählten Signalnull
durchgang gestartet und nach Schließung eines vordefinierten Fensters ge
stoppt wird. Das Ausgangssignal dieser Integratorschaltung ist folglich
proportional der ausgehend vom signifikanten Nulldurchgang im Empfangssignal
enthaltenen Signalenergie. Dadurch wird erreicht, daß nicht nur die Signalampli
tude, sondern auch die Signalform bei der Zuordnung der Signalamplitudenbe
reiche berücksichtigt wird.
Claims (4)
1. Anordnung zur Ultraschalldurchflußmessung, bestehend aus Schallwandlern
zum Senden und Empfangen von Ultraschall (1, 2), die über eine Umschaltein
richtung (3) mit einer Sendepulsformung (4) und einem Empfangsverstärker (5)
verbunden sind, einer Torschaltung (7) zur Schließung des Signalkreises zwi
schen der Sendepulsformung (4) und dem Empfangsverstärker (5), einer Zähler
baugruppe, bestehend aus Zählerschaltung (11), Torschaltung (10) und Oszilla
tor (9) zur Bestimmung der Signallaufzeit, einer Meßablaufsteuerung (8), einer
Verrechnungsschaltung (12) und einer Empfangssignalerkennungsschaltung
(15)
dadurch gekennzeichnet, daß eine dynamische Schwellenerniedrigung (16) in der Empfangssignalerkennungsschaltung (15) enthalten ist, wobei ausgehend von einer vorbestimmten Steuerspannung durch die dynamische Schwellener niedrigung während des Eintreffzeitpunktes des Signals, auf das getriggert wer den soll, die Triggerschwelle des Komparators (17) zur Triggerung dieses Signals proportional zu der in diesem Signal enthaltenen Signalenergie verän dert wird und beim Schnittpunkt des Momentanwertes des Signals mit der von diesem Signal selbst beeinflußten Triggerschwelle durch den Komparator (17) ein Freigabesignal für den Nulldurchgangstrigger (18) erzeugt wird.
dadurch gekennzeichnet, daß eine dynamische Schwellenerniedrigung (16) in der Empfangssignalerkennungsschaltung (15) enthalten ist, wobei ausgehend von einer vorbestimmten Steuerspannung durch die dynamische Schwellener niedrigung während des Eintreffzeitpunktes des Signals, auf das getriggert wer den soll, die Triggerschwelle des Komparators (17) zur Triggerung dieses Signals proportional zu der in diesem Signal enthaltenen Signalenergie verän dert wird und beim Schnittpunkt des Momentanwertes des Signals mit der von diesem Signal selbst beeinflußten Triggerschwelle durch den Komparator (17) ein Freigabesignal für den Nulldurchgangstrigger (18) erzeugt wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der
Empfangssignalerkennungsschaltung (15) durch das Komparatorausgangssignal
über einen Multiplexer (20) die Triggerschwelle geschaltet wird und dadurch die
Rückflanke des Komparatorausgangssignals auf den Signalnulldurchgang syn
chronisiert wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalbe
wertungsschaltung (14) in einem Lernprozeß vor der Messung über eine syn
chrone Zählwertübernahmeschaltung (13) in beiden Umlaufrichtungen
Signalamplitudenbereiche, die sich durch konstante Laufzeit bezüglich des
nachfolgenden Nulldurchganges des Signals auszeichnen, ermittelt, die beiden
in verschiedenen Umlaufrichtungen ermittelten zueinander gehörenden Amplitu
denbereiche zuordnet, für die Messung das Amplitudenbereichepaar mit dem
größten Störabstand bezüglich der Veränderung des signifikanten Nulldurch
ganges auswählt, ausgehend von diesem Amplitudenbereichepaar die Steuer
spannung für die Empfangssignalerkennungsschaltung (15) bestimmt und wäh
rend der Messung über die synchrone Zählwertübernahmeschaltung (13) eine
ständige Kontrolle der Signallaufzeit durchführt.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalbewer
tungsschaltung (14) eine Integratorschaltung enthält, die die Zuordnung der in
verschiedenen Umlaufrichtungen ermittelten zueinander gehörenden Amplitu
denbereiche durch die Bewertung der über einen Integrationsprozeß ermittelten
Signalenergie vom Augenblick des Triggerns bis zur Schließung eines vordefi
nierten Fensters vornimmt.
Priority Applications (1)
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DE19914114233 DE4114233C2 (de) | 1991-04-26 | 1991-04-26 | Anordnung zur Ultraschall-Durchflußmessung |
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DE4114233A1 DE4114233A1 (de) | 1992-11-05 |
DE4114233C2 true DE4114233C2 (de) | 1996-05-02 |
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