DE4322849C1

DE4322849C1 - Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit von Schallsignalen und Schallwellen-Laufzeit-Bestimmungsvorrichtung

Info

Publication number: DE4322849C1
Application number: DE19934322849
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl Ing Becker; Ralf Dipl Ing Heuser-Lindner; Davorin Dipl Ing Jaksic
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1993-07-08
Filing date: 1993-07-08
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2013-07-09

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit von Schallsignalen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Schallwellen-Laufzeit-Bestimmungsvor richtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 7.

Zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen werden im allgemeinen zwei Ultraschallwandler, von denen zu einer Zeit jeweils einer als Schallsender und der andere als Schallempfänger arbeitet und welche periodisch in ihrer Funktion als Schallsender und Schallwandler umgeschaltet werden, unter einem Winkel α von typischerweise 45° zur Strömungsrichtung mit einem Abstand L voneinander in dem strömenden Gas angeordnet (messen, prüfen, automatisieren, Dez. 1985, Seiten 682-685). Durch Messung der Ultraschall- Laufzeiten t1, t2 in beiden Richtungen kann die Strömungs geschwindigkeit v nach folgender Formel berechnet werden:

v = (1/t1-1/t2) _* L/(2 _* cos α).

Die Verwendung von Korrelationsfunktionen stellt bei Signallaufzeitmessungen ein gängiges Verfahren dar. Zur Erzielung verläßlicher Meßergebnisse ist es jedoch erforderlich, daß die Korrelationsfunktion, die vom Referenz- und Sendesignal abhängt, gut definiert ist. Je schlechter diese Bedingung eingehalten wird, um so ungenauer ist die mittels dieses Verfahrens erhaltene Signallaufzeit. Besonders problematisch sind die Signalverformungen, die durch die Schallsender und Schallempfänger hervorgerufen werden. Derartige Verformungen treten insbesondere bei wegen ihrer Robustheit besonders bevorzugten Schallsendern und -empfängern auf, da diese sehr schmalbandige Übertrager darstellen.

Weiter ist bereits eine Positionsbestimmungsvorrichtung bekannt (US-PS 4 238 844), welche eine verschobene Position durch Erzeugung eines Ultraschallsignals in einem magneto striktiven Draht und Messung der Ausbreitungszeit des erzeugten Signals feststellt. Die Vorrichtung umfaßt einen elektro-akustischen Wandler zur Erzeugung eines Ultraschall signals in dem magnotstriktiven Draht, erste und zweite elektro-akustische Empfangswandler zur Aufnahme des in dem magnetostriktiven Draht erzeugten Ultraschallsignals durch den elektro-akustischen Sendewandler, ein Mittel zur Änderung des Abstandes zwischen dem elektro-akustischen Sendewandler und jedem der ersten und zweiten elektro- akustischen Empfangswandler entsprechend einer mechanischen Verschiebung und eine elektrische Auswerteschaltung zur Erzeugung eines Signals, welches für die Zeitperioden repräsentativ ist, die das erzeugte Ultraschallsignal braucht, um den ersten und zweiten elektro-akustischen Empfangswandler zu erreichen.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei denen die Meßungenauigkeiten, die durch vom Schallsender und Schallempfänger hervorgerufenen Signalverformungen bedingt sind, weitgehend eliminiert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale der kennzeichnen den Teile der Ansprüche 1 oder 7 vorgesehen.

Die Erfindung schafft ein Verfahren, mittels dessen es möglich ist, ein Referenzsignal zu gewinnen, mit dem die Laufzeit, insbesondere von Schallsignalen, über die Korrelationsfunktion von Referenz- und über die Meßstrecke übertragenem Signal erhalten werden kann, wobei zur Signal übertragung Übertrager mit unbekanntem Übertragungsverhalten zum Einsatz kommen können, da durch die Übertrager bedingte Signalverformungen erfindungsgemäß eliminiert werden. Dadurch kann der durch die unvollkommenen Übertragungseigen schaften von Schallsender und/oder Schallempfänger bedingte systematische Meßfehler nahezu zum Verschwinden gebracht werden. Dies gilt unabhängig vom gewählten Übertragungsver fahren und der anschließenden Signalbearbeitung.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ver fahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 und vorteil hafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Patentansprüche 8 bis 15 angegeben.

Sofern gemäß Anspruch 5 zwei Ultraschallwandler, von denen zu einer Zeit immer einer als Schallsender, der andere als Schallempfänger arbeitet, periodisch zwischen Sendung und Empfang geschaltet werden, wobei die Strömungsgeschwindig keit gemäß obiger Formel aus der Differenz der Kehrwerte zweier Ultraschall-Laufzeiten ermittelt wird, wird für jede Richtung ein eigenes Referenzsignal aufgenommen.

Erfindungsgemäß können also als Schallsender und/oder Schall empfänger Sensoren verwendet werden, die sehr schmalbandige Übertrager darstellen. Derartige Sensoren sind zur Signal übertragung im Rahmen eines sehr genau arbeitenden Meßverfah rens eigentlich ungeeignet, werden aber wegen ihrer Robust heit vor allem bei problematischen Medien gerne eingesetzt.

Sowohl der Schallsender als auch der Schallempfänger wirken hier jedoch auf das übertragene Schallsignal verzerrend ein. Da die Verzerrung von verschiedenen Parametern der Über trager abhängt (individuelle Resonanzeigenschaften, Tempera tur, Signalenergie etc.) und auch nicht langzeitstabil ist, ist es normalerweise nahezu unmöglich, ein deterministisches Signal zu übertragen. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden jedoch diese Verzerrungen weitgehend eliminiert.

Die Spule und der Magnet bzw. die Piezo-Sensoren nach den Ansprüchen 9, 10 müssen so angebracht sein, daß sie die Be wegung der schallabstrahlenden Fläche detektieren. Das kann nicht nur durch unmittelbare Verbindung mit der schallab strahlenden Fläche, sondern auch an einer anderen, konstruk tiv besser zu realisierenden Stelle geschehen. Es muß ledig lich gewährleistet sein, daß die Bewegung der schallabstrah lenden Fläche an diesem Ort mit hinreichender Genauigkeit wiedergegeben wird.

Das auf elektrischem Wege gewonnene Referenzsignal wird normalerweise in einem Speicher abgelegt und später zur Korrelation mit dem über den Meßweg transportierten Signal verwendet.

Die Übertragung des Referenzsignals erfolgt bevorzugt auf elektrischem Weg über ein Kabel. Dies ist bei den in der Praxis vorkommenden Meßstrecken bis zu 15 m ausreichend.

Grundsätzlich könnte aber das Referenzsignal auch auf anderem, z. B. optischem Wege übertragen werden.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische, blockschaltbildartige Darstellung einer Schallwellen-Laufzeit- Bestimmungsvorrichtung, welche zur Beschrei bung der prinzipiellen Zusammenhänge besonders einfach aufgebaut ist,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer besonders bevor zugten Ausführungsform einer erfindungsge mäßen Schallwellen-Laufzeit-Bestimmungsvor richtung,wobei die Schalterstellungen während einer ersten Referenznahme einge zeichnet sind,

Fig. 3 das gleiche Blockschaltbild, wobei jedoch die Schalterstellungen während der zweiten Referenznahme eingezeichnet sind,

Fig. 4 das gleiche Blockschaltbild wie die Fig. 2 und 3, wobei die Schalterstellungen für die Meßwertnahme in der ersten Richtung eingezeichnet sind,

Fig. 5 das gleiche Blockschaltbild wie die Fig. 2 bis 4, wobei die Schalterstellungen für die Meßwertnahme in der zweiten Richtung eingezeichnet sind, und

Fig. 6 Intensitäts-Zeit-Diagramme der in der erfindungsgemäßen Schallwellen-Laufzeit- Bestimmungsvorrichtung an verschiedenen Stellen auftretenden Schallimpulsformen.

Nach Fig. 1 sind an den beiden Enden einer Meßstrecke 11, bei der es sich z. B. um einen Abgaskanal handeln kann, in dem Rauchgase 31 aufsteigen, deren Geschwindigkeit gemessen werden soll, ein Schallsender 12 und ein Schallempfänger 13 angeordnet. Die Strömungsrichtung 51 der Rauchgase 31 schließt einen Winkel α, der deutlich kleiner als 90 sein muß und insbesondere bei 45° liegt, mit der Richtung 52 der vom Schallsender 12 zum Schallempfänger 13 laufenden Schallimpulse ein.

Sowohl der Schallsender 12 als auch der Schallempfänger 13 sind durch einen stabförmigen Verbundschwinger gebildet, der aus einem Endstück 25 bzw. 28 aus Stahl, einem davor angeord neten Piezokeramikelement 27 bzw. 30 und einem Vorderteil 26 bzw. 29 aus Aluminium besteht.

Das Piezokeramikelement 27 des Schallsenders 12 wird von einem Signalgenerator 15 mit einem eine Frequenz im Schall-, insbesondere Ultraschallbereich aufweisenden elektrischen Signal f(t) beaufschlagt, wodurch der Schallsender 12 zu einer entsprechenden Longitudinalschwingung angeregt wird. Auf diese Weise wird von der durch die freie Stirnseite des Vorderteils 26 gebildeten schallabstrahlenden Fläche 23 ein Schallsignal g(t) abgestrahlt, welches jedoch aufgrund der Schmalbandigkeit des verwendeten Verbundschwingers gegenüber dem anregenden Signal f(t) stark und relativ undefiniert verzerrt ist.

Das Meß-Sende-Signal g(t) wird vom am Ende der Meßstrecke 11 angeordneten Schallempfänger 13 empfangen, welcher zu diesem Zweck eine schallaufnehmende Fläche 24 aufweist, die durch die freie Stirnseite des Vorderteils 29 gebildet ist. Hierdurch wird der Schallempfänger 13 zu einer mechanischen Longitudinalschwingung angeregt, die durch das Piezokeramik element 30 in ein entsprechendes elektrisches Meß-Empfangs- Schallsignal h(t) umgewandelt wird, welches aufgrund der Schmalbandigkeit des Schallempfängers 13 gegenüber dem bereits verformten Schallsignal g(t) weiter verzerrt ist. Das Meß-Empfangs-Schallsignal h(t) ist einem Korrelator 16 zugeführt, der über eine Steuerleitung 32 auch mit dem Ausgangssignal f(t) des Signalgenerators 15 beaufschlagt wird, um die zeitliche Beziehung zwischen der Aussendung des Meß-Sende-Signals und des im folgenden beschriebenen Referenz-Sende-Signals zu erfassen.

Im Bereich der schallabstrahlenden bzw. schallaufnehmenden Flächen 23, 24 sind die Vorderteile 26, 29 des Schallsenders 12 und des Schallempfängers 13 von einer fest mit ihnen verbundenen Magnetspule 19, 20 umgeben, deren Anschlüsse über eine als Kabel ausgebildete Referenzstrecke 14 mitein ander verbunden sind. Die Spulen 19, 20 sind durch statio när, beispielsweise am nicht dargestellten Gehäuse der Vor richtung angeordnete ringförmige Permanentmagnete 21 bzw. 22 umgeben, deren Magnetfeld mit den Spulen 19, 20 zusammen wirkt.

Die Spulen 19, 20 und die Permanentmagnete 21, 22 bilden jeweils akusto-elektrische bzw. elektro-akustische Wandler 17 bzw. 18.

Vor dem Schallsender 12 ist ein Schieber 33 angeordnet, der über eine vom Signalgenerator 15 kommende Steuerleitung 34 aus der in Fig. 1 dargestellten unwirksamen Position vor die schallabstrahlende Fläche 23 des Schallsenders 12 geschoben werden kann, um während dieser Zeit ein Signal über die Referenzstrecke 14 vom Schallsender 12 zum Schall empfänger 13 zu leiten.

In die Referenzstrecke 14 ist ein Schalter 35 eingeschaltet, der über eine Steuerleitung 36 vom Signalgenerator wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann.

Wenn der Schieber 33 vor den Schallsender 12 geschoben ist und dadurch eine Übertragung des Schallsignals vom Schall sender 12 zum Schallempfänger 13 verhindert, ist der Schalter 35 geschlossen, so daß in diesem Zeitraum die Signalüber tragung nur über die Referenzstrecke 14 erfolgt.

Sobald der Schieber 33 aus seiner Position vor der schall abstrahlenden Fläche 23 in die aus Fig. 1 ersichtliche Position zurückgezogen ist, wird der Schalter 35 geöffnet, so daß nunmehr die Signalübertragung nur über die Meßstrecke 11 erfolgen kann.

Wenn der Schieber 33 vor die schallabstrahlende Fläche 23 verschoben und der Schalter 35 geschlossen ist, geht die Signalübertragung vom Schallsender 12 zum Schallempfänger 13 wie folgt vor sich:
Durch die Longitudinalschwingung des Schallsenders 12 führt die mit seinem Vorderteil fest verbundene Spule 19 eine entsprechende Longitudinalschwingung auf, so daß eine entsprechende Relativbewegung zum Permanentmagneten 21 stattfindet, die dazu führt, daß in der Spule 19 eine elektrische Wechselspannung g′(t) induziert wird, die, da sie von der mechanischen Schwingung des Schallsenders 12 abgeleitet ist, im wesentlichen die gleichen Verzerrungen und Unvollkommenheiten aufweist, wie das abgestrahlte Schallsignal g(t).

Das elektrische Signal g′(t) ist also hinsichtlich seiner Verzerrungen dem Schallsignal g(t) äquivalent.

Dieses äquivalente elektrische Signal g′(t) wird nun über die Referenzstrecke 14 an die Spule 20 des Schallempfängers 13 angelegt, wodurch der Verbundschwinger 28, 29, 30 zu einer entsprechenden Longitudinalschwingung angeregt wird, weil das an die Spule 20 angelegte elektrische Wechselsignal durch Zusammenwirkung mit dem fest angeordneten Permanent magneten 22 entsprechende axiale Wechselkräfte auf die freie Stirnseite des Vorderteils 29 ausübt. Auf diese Weise wird der Schallempfänger 13 zu einer Schwingung angeregt, die genauso verzerrt ist wie die, die durch das über die Meßstrecke 11 gegangene Schallsignal g(t) erzeugt wird.

Die entsprechende mechanische Schwingung des Schallempfän gers 13 wird durch das Piezokeramikelement 30 in eine elektrische Schwingung umgewandelt, welche entsprechend den Übertragungseigenschaften des Schallsenders 12 und des Schallempfängers 13 verzerrt ist und als Signal h′(t) an den Korrelator 16 angelegt wird.

Aufgrund der beschriebenen Anordnung weisen die an dem Korrelator 16 angelegten Signale h(t) und h′(t) analoge Signalverformungen auf, so daß diese bei der anschließenden Korrelation im Korrelator 16 keinen die Meßgenauigkeit beeinträchtigenden Einfluß ausüben können. Am Ausgang des Korrelators 16 liegt somit ein der tatsächlichen Laufzeit des Schallsignals über die Meßstrecke 11 entsprechendes Signal T vor. Während aus Gründen des besseren Verständnis ses vorstehend ein hardwaremäßig realisiertes Ausführungsbei spiel beschrieben wurde, ist es bevorzugt, wenn der Korrelator durch einen Software-Algorithmus realisiert wird, während die Steuerleitung 32 durch einen Laufzeitzähler in einem Mikroprozessor (40 in den Fig. 2 bis 4) und eine entsprechende Ablaufsteuerung in der Mikroprozessor-Software ersetzt wird. Die Signale h(t) und h′(t) werden digitali siert und in einem Speicher abgelegt, bevor sie dem Korrelations-Algorithmus unterworfen werden.

Wie anhand der Fig. 2 bis 5 im einzelnen erläutert wird, besteht die Referenzstrecke 14 physikalisch aus einem Vor verstärker, einem Schalter, einem einstellbaren Verstärker, einem Spannungs-Stromwandler, dem eigentlichen Kabel, einem Stromspannungswandler und einem zweiten Schalter sowie einer Endstufe zur Ansteuerung der zweiten Spule 20.

Auf den Schieber 33 mit seiner Steuerleitung 34 kann verzichtet werden, wenn die Länge der Meßstrecke 11 so groß ist, daß das Referenzsignal h′(t) schon aufgenommen ist, bevor das Meßschallsignal h(t) den Schallempfänger 13 erreicht hat.

Im einzelnen geht bei der in erster Linie zur Erläuterung des Prinzips dienenden Darstellung gemäß Fig. 1 die Messung wie folgt vor sich:
Zunächst wird der Schieber 33 vor die schallabstrahlende Fläche 23 geschoben und der Schalter 35 geschlossen. Nunmehr wird der Schallsender 12 in Betrieb gesetzt und das am Ausgang der Spule 19 erscheinende elektrische Signal über die Referenzstrecke 14 an die Spule 20 angelegt, wodurch der Schallempfänger 13 eine entsprechende Schwingung ausführt und vom Piezokeramikelement 30 ein Referenz-Empfangs-Signal h′(t) an den Eingang des Korrelators 16 angelegt wird. Das auf elektrischem Wege gewonnene Signal h′(t) wird dort in einem Speicher abgelegt.

Anschließend wird dann der Schieber 33 von seiner Position vor der schallabstrahlenden Fläche 23 in die aus Fig. 1 ersichtliche Position weggezogen und der Schalter 35 geöffnet.

Wird nunmehr der Signalgenerator 15 in Betrieb gesetzt, so strahlt der Schallsender 12 ein Schallsignal g(t) über die Meßstrecke 11 ab, welches vom Schallsender 13 empfangen und als elektrisches Meß-Empfangs-Signal h(t) an den Korrelator 16 angelegt wird.

Dieses Signal wird nunmehr im Korrelator 16 mit dem dort im Speicher abgelegten Signal h′(t) korreliert. Im Zusammenhang mit dem Anlegen des Anregungssignals f(t) an den Korrelator 16 kann so die Laufzeit T des Schallsignals über die Meß strecke 11 exakt bestimmt werden.

Wesentlich für die Erfindung ist, daß das vom Schallempfän ger 13 gelieferte elektrische Signal h′(t) alle Verzer rungen, die auch das empfangende Schallsignal h(t) (mit Ausnahme der auf der Meßstrecke 11 erlittenen Verformungen) enthält. Die Korrelation des Schallsignals mit dem so gewon nenen Referenzsignal stellt bei vom Medium unbeeinflußten Schallsignalen eine perfekte Autokorrelationsfunktion dar, die insbesondere ihre Symmetrieeigenschaften unabhängig von dem Übertragungsverhalten des Schallsenders 12 bzw. Schall empfängers 13 beibehält. Dadurch ist es möglich, die individuellen Geräteeigenschaften nahezu vollständig zu eliminieren und die tatsächliche Signallaufzeit T zu ermitteln.

Bei der in den Fig. 2 bis 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung übernimmt ein Mikroprozessor 40 die gesamte Steuerung und Auswertung.

Der Mikroprozessor 40 steuert einen Oszillator 15′ an, der über einen Umschalter 47 wahlweise mit einer Leistungsend stufe 15′′a oder einer Leistungsendstufe 15′′b verbindbar ist. Vor den Leistungsendstufen 15′′a, 15′′b befindet sich jeweils ein weiterer Umschalter 45 bzw. 46, der entweder die Verbindung zum Umschalter 47 oder zu einem weiteren Umschal ter 48 herzustellen gestattet, der an den Ausgang eines Referenzverstärkers 39 angeschlossen ist.

Die Ausgänge der Leistungsendstufen 15′′a, 15′′b sind über weitere Umschalter 41 bzw. 44 wahlweise an den Schallsender 12 bzw. den Schallempfänger 13 oder den Wandler 17 bzw. 18 anschließbar.

Die Ausgänge der Wandler 17, 18 sind über weitere Umschalter 42 bzw. 43 an den Eingang eines Vorverstärkers 37a bzw. 37b anlegbar, an den durch Umlegen des Umschalters 42 bzw. 43 in die andere Position auch der Schallsender 12 bzw. der Schallempfänger 13 anschließbar ist.

Die Ausgänge der Vorverstärker 37a, 37b sind über weitere Umschalter 49, 50 wahlweise an einen Demodulator 38 oder an den Eingang des Referenzverstärkers 39 angeschlossen, dessen Verstärkungsgrad einstellbar ist.

Der Ausgang des Demodulators 38 liegt am Eingang des Mikroprozessors 40, welcher im übrigen die Schaltstellungen der verschiedenen Umschalter 41 bis 50 in geeigneter Weise steuert, was durch gestrichelte Steuerleitungen angedeutet ist.

Erfindungsgemäß kann nun der Schallsender 12 auch als Schall empfänger und der Schallempfänger 13 auch als Schallsender verwendet werden, was in den Fig. 2 bis 5 dadurch zum Ausdruck gebracht ist, daß hinter der Bezugszahl für den Schallsender 12 bzw. den Schallempfänger 13 jeweils auch die Bezugszahl für den Schallempfänger 13 bzw. den Schallsender 12 angegeben ist. Die Erzeugung der Sendesignale, die Verarbeitung der Empfangssignale, die Gewinnung der Referenzsignale, die Berechnung der Laufzeiten mittels Korrelation erfolgen durch Software im Mikroprozessor 40.

Die vom Oszillator 15′ abgegebenen Sendesignale sind Bursts mit einer Länge von 2 ms mit der Resonanzfrequenz des Schallsenders 12 bzw. Schallempfängers 13. Dieses Sendesignal f(t) ist im obersten Diagramm der Fig. 6 schematisch wiedergegeben.

Das zweite Diagramm in Fig. 6 gibt das Signal g(t) bzw. g′(t) wieder und zeigt die Verzerrungen des Impulses durch den Schallsender 12. Das dritte Signal h′(t) gibt die Verzerrungen beim Empfang wieder. Hierdurch wird der Impuls auf ca. 5 ms verlängert.

Die Anordnung von Schallsender 12 und Schallempfänger 13 im Abgaskanal erfolgt nun so, daß deren Abstand L immer mindestens 3 m beträgt. Die Laufzeit der Ultraschallsignale ist so auch bei erhöhten Temperaturen immer größer als 5 ms. Dadurch ist es möglich, das Referenzsignal aufzunehmen, bevor das Schallsignal über die Meßstrecke 11 am empfan genden Wandler ankommt. Dies ist im untersten Diagramm der Fig. 6 angedeutet. Bei einer derartigen Anordnung ist der in Fig. 1 gezeigte Schieber 33 entbehrlich.

Fig. 2 zeigt zunächst die Schalterstellungen zur ersten Referenznahme. Zur Aufnahme des Referenzsignals wird demnach die Referenzstrecke aktiviert, indem der Oszillator 15′ über die Umschalter 47, 45 die Leistungsendstufe 15′′a beauf schlagt, welche über den Umschalter 41 an den Schallsender 12 angeschlossen ist, so daß dieser erregt wird. Das hier durch im Wandler 17 erzeugte Signal wird über den Umschalter 42 und dem Vorverstärker 37a sowie den Umschalter 50 an den Eingang des Referenzverstärkers 39 gegeben, dessen Ausgang über den Umschalter 48 und den Umschalter 46 an den Eingang der weiteren Leistungsendstufe 15′′b angelegt ist. Deren Ausgang liegt über den Umschalter 44 am empfangsseitigen Wandler 18 an, welcher daraufhin den Schallempfänger 13 zu einer entsprechenden Schwingung anregt. Der Schallempfänger 13 liefert dann über den Umschalter 43, den Vorverstärker 37b und den Umschalter 49 ein entsprechendes Signal an den Demodulator 38, der das demodulierte Signal dem Mikroprozessor 40 zuführt. Gleichzeitig mit dem Beginn des Sendesignals wird das Digitalisieren und Speichern des vom Schallempfänger 13 erhaltenen Referenzsignals gestartet. Nach 5 ms wird das Einlesen des Referenzsignals beendet.

In Fig. 3 befinden sich die Schalter in Positionen, bei denen der Schallempfänger 13 über die Leistungsendstufe 15′′b als Schallsender betrieben wird und über den Wandler 18 und dem Referenzverstärker 39 am Ausgang der Endstufe 15′′a ein Ausgangssignal erzeugt, das über den Wandler 17 den nunmehr als Empfänger wirkenden Schallsender 12 zu einer entsprechenden Schwingung anregt, die über den Vorverstärker 37a und den Demodulator 38 im Mikroprozessor 40 registriert, digitalisiert und gespeichert wird.

Nachdem so die beiden Referenzsignale abgespeichert worden sind, kann gemäß den Fig. 4 und 5 die Laufzeitmessung erfolgen. In Fig. 4 sind die Schalterstellungen für die Messung der Laufzeit bei Verwendung des Schallsenders 12 als Sender und des Schallempfängers 13 als Empfänger eingezeich net. Fig. 5 zeigt die Position der Schalter 41 bis 50 für den Fall, daß der Schallempfänger 13 als Sender und der zunächst als Schallsender fungierende Ultraschallwandler als Schallempfänger verwendet wird.

In beiden Schalterpositionen wird jeweils ein 2 ms Bursts als Sendesignal an die Schallsender (12 bzw. 13) angelegt. Gleichzeitig mit dem Beginn des Sendesignals beginnt im Mikroprozessor 40 ein Zeitzähler zu laufen. Nach Ablauf der Laufzeit aus einer vorherigen Messung wird 5 ms lang das Empfangssignal des Empfangswandlers (12 oder 13) digitalisiert und eingelesen. Dies funktioniert einwandfrei nur dann, wenn die Laufzeit sich gegenüber der letzten Messung nur wenig geändert hat, was aber in der Praxis bei etwa drei Messungen pro Sekunde stets der Fall ist. Dieses gespeicherte Empfangssignal wird nun mit dem schon vorliegenden Referenzsignal einer Kreuzkorrelation unterworfen und daraus die zeitliche Verschiebung der beiden Signale bestimmt, was nur bei der erfindungsgemäß verwirklichten nahezu identischen Form der beiden Signale möglich ist. Diese Zeitverschiebung, die im übrigen vorzeichenbehaftet ist, wird zu der vorhergehenden Laufzeit addiert und ergibt damit die aktuelle Laufzeit des Schallsignals, gleichzeitig aber auch die Startzeit für das Einlesen des Schallsignals der nächsten Laufzeitmessung.

Für die Laufzeitmessung in der Gegenrichtung (Fig. 5) gilt das beschriebene Verfahren wieder entsprechend.

Das beschriebene Verfahren funktioniert unabhängig vom eingesetzten Modulationsverfahren und ist auch dann anwendbar, wenn der Korrelationsfunktion ein amplituden- oder frequenzmoduliertes Trägersignal zugrundegelegt wird, um eine verbesserte Störunabhängigkeit zu erreichen.

Bezugszeichenliste

11 Meßstrecke
12 Schallsender
13 Schallempfänger
14 Referenzstrecke
15 Signalgenerator
15′ Oszillator
15′′ Leistungsendstufe
16 Korrelator
17 Wandler
18 Wandler
19 Magnetspule
20 Magnetspule
21 Permanentmagnet
22 Permanentmagnet
23 Fläche
24 Fläche
25 Endstück
26 Vorderteil
27 Piezokeramikelement
28 Endstück
29 Vorderteil
30 Piezokeramikelement
31 Rauchgas
32 Steuerleitung
33 Schieber
34 Steuerleitung
35 Schalter
36
37a Vorverstärker
37b Vorverstärker
38 Demodulator
39 Referenzverstärker
40 Mikroprozessor
41-50 Schalter
51 Strömungsrichtung
52 Schallrichtung

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit von Schallsignalen über eine Meßstrecke (11), die sich zwischen wenigstens einem, von einem Signalgenerator (15) gespeisten Schallsender (12) und wenigstens einem Schallempfänger (13) erstreckt, wobei ein in einer vorbekannten Zeit über eine Referenzstrecke (14) gelaufenes, vom Signal generator (15) abgeleitetes Referenz-Empfangs-Signal h′(t) mit dem über die Meßstrecke (11) gelaufenen Meß- Empfangs-Schallsignal h(t) korreliert wird, um aus dem Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion die Zeitverschie bung (T) der beiden Signale und daraus die Laufzeit (t1, t2) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß ein zum in die Meßstrecke (11) abgestrahlten Meß- Sende-Schallsignal g(t) äquivalentes Referenz-Sende- Signal g′(t) gebildet und nach dem Durchlaufen der Referenzstrecke (14) so an den Schallempfänger (13) angelegt wird, daß die Wirkung dem Empfang des über die Meßstrecke (11) gelaufenen Meß-Sende-Schallsignals g(t) entspricht, derart, daß auch im Referenz-Empfangs-Schall signal h′(t) zumindest im wesentlichen alle vom Schall sender (12) und Schallempfänger (13) herrührenden Signal veränderungen enthalten sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Schwingungen des Schallsenders (12) in elektrische Schwingungen umgewandelt werden, die nach Durchlaufen der Referenzstrecke (14) im Schallempfänger (13) wieder in mechanische Schwingungen zurückverwandelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Schwingungen des Schallsenders (12) auf elektromagnetischem Wege berührungslos in elek trische Schwingungen umgewandelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Schwingungen nach Durchlaufen der Referenzstrecke (14) auf elektromagnetischem Wege wieder in mechanische Schwingungen zurückgewandelt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß periodisch die Funktion von Schallsender (12) und Schallempfänger (13) vertauscht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke (11) so lang und/oder die Referenzstrecke so kurz gewählt wird, daß bei gleichzeitiger Abgabe eines Signals an die Meß- und Referenzstrecke (11, 14) das Referenzsignal schon vollständig vom Schallempfänger (13) empfangen worden ist, bevor das Meßsignal dort ankommt.

7. Schallwellen-Laufzeit-Bestimmungsvorrichtung mit wenigstens einem von einem Signalgenerator (15) gespeisten Schallsender (12) und wenigstens einem an einen Korrelator (16) angeschlossenen Schallempfänger (13), zwischen denen eine Meßstrecke (11) und eine Referenzstrecke (14) vorgesehen ist zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Schallsender (12) ein mit dem Eingang der Referenz strecke (14) verbundener akusto-elektrischer Wandler (17), der die mechanischen Schwingungen des Schallsenders (12) in elektrische Schwingungen umwandelt, und am Schallempfänger (13) ein mit dem Ausgang der Referenzstrecke (14) ver bundener elektro-akustischer Wandler (18), der die elektrischen Schwingungen nach Durchlaufen der Referenz strecke (14) im Schallempfänger wieder in mechanische Schwingungen zurückwandelt, vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Schallsender (12) und/oder am Schallempfänger (13) ein Spulen (19, 20)-Magnet (21, 22)-System als akusto-elektrischer bzw. elektro-akustischer Wandler (17, 18) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die schallabstrahlende Fläche (23, 24) des Schallsenders (12) und/oder des Schallempfängers (13) von einer fest mit ihnen verbundenen Spule (19, 20) oder einem fest mit ihnen verbundenen Permanentmagneten (21) umgeben sind, die bzw. der mit einem sie umgebenden, stationär angeordneten Permanentmagneten (21, 22) bzw. einer sie umgebenden stationär angeordneten Spule zusammenwirken, und daß der Ausgang bzw. Eingang der Spule (19, 20) mit dem Eingang bzw. Ausgang der Referenz strecke (14) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die akusto-elektrischen bzw. elektro-akustischen Wandler aus Piezo-Keramik oder Piezo-Folien bestehen, welche direkt an der schallabstrahlenden bzw. -empfangenden Fläche (23, 24) angebracht sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallsender (12) und der Schallempfänger (13) gleich ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallsender (12) und/oder der Schallempfänger (13) aus einem stabförmigen Schwingkörper (25, 26 bzw. 28, 29) und daran angeordneten Piezokeramikelementen (27, 30) bestehen, die an den Signalgenerator (15) bzw. den Korrelator (16) angeschlossen sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallsender (12) und/oder der Schallempfänger (13) Verbundschwinger mit einem Vorderteil (26, 29) aus Aluminium, einem Endstück (25, 28) aus Stahl und dazwischen angeordneten Piezokeramikelementen (27, 30) ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallsender (12) und der Schallempfänger (13) im periodischen Wechsel als Schallempfänger bzw. Schallsender umschaltbar sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallsender (12, 13) und der zugeordnete Wandler (17) sowie der Schallempfänger (13, 12) und der zugeordnete Wandler (18) über Schalter (41, 42, 43, 44) wahlweise mit einer Endstufe (15′′a, 15′′b) bzw. einem Vorverstärker (37a, 37b) verbindbar sind, welche ihrer seits über Schalter (45, 46, 47, 48, 49; 49, 50) wahl weise mit dem Ausgang eines vorzugsweise einstellbaren Referenzverstärkers (39) oder einem Oszillator (15′) bzw. dem Eingang des Referenzverstärkers (39) oder einem Demodulator (38) verbindbar ist und daß der Ausgang des Demodulators (38) mit einem Mikroprozessor (40) ver bunden ist, der den Oszillator (15) und die Schalter (41-50) ansteuert und die Signalauswertung vornimmt.