DE4403344A1

DE4403344A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallwellenmessung

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Publication number: DE4403344A1
Application number: DE4403344A
Authority: DE
Original assignee: Fuji Ultrasonic Engineering Co Ltd
Current assignee: Fuji Ultrasonic Engineering Co Ltd
Priority date: 1993-02-10
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2014-02-04
Also published as: US5557047A; DE4403344C2; JP3129563B2; JPH06235721A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschallwellenmessung, das insbesondere zur Messung der Geschwindigkeit von Schall geeignet ist, der sich durch ein einer Messung unterzogenes Medium wie ein Gas, eine Flüssigkeit oder einen Feststoff ausgebreitet hat. Das Verfahren und die Vorrichtung sind dazu geeignet, die Komponenten, Konzentrationen, Elastizitätsmodule eines Gases oder einer Flüssigkeit zu bestimmen und den Elastizitätsmo dul, Festigkeit, Ermüdung, Spannungs- und Belastungsge schichte, Lebensdauer eines Feststoffes zu bestimmen.

Bei einem Verfahren zur Ultraschallwellenmessung werden auf einanderfolgend auf der Basis einer von einem Ultraschall wellensender durch ein Meßmedium ausgesendeten Welle Mehr fachreflexionssignale erzeugt, die Wellen werden in einem Ultraschallwellenempfänger empfangen, und die Absolutge schwindigkeit (V) von Schall, der sich durch das Medium fortgepflanzt hat, wird aus einer von den empfangenen Wellen erhaltenen Fortpflanzungs- bzw. Laufzeit (t_t) und einem Fortpflanzungsabstand bzw. einer Distanz (L) erhalten.

Unter den bekannten Verfahren zur Messung der Laufzeit gibt es ein Sing-around-Verfahren, ein Überlappungsverfahren und ein Überlagerungsverfahren.

Das Sing-around-Verfahren ist bislang aufgrund seiner Meß stabilität und des Bedarfs einer automatischen Messung um fangreich verwendet worden. Dieses Verfahren unterliegt je doch dem Einfluß externer Faktoren. Die Überlappungs- und Überlagerungsverfahren unterliegen dem Einfluß externer Fak toren weniger, gestatten jedoch keine automatische Messung aufgrund verhindernder Faktoren wie Kosten und technischer Schwierigkeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit hoher Genauig keit und hoher Stabilität eine automatische Messung der Ul traschallwellenlaufzeit zu erzielen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren und einer Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 2 gelöst.

Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren zur Ultraschallwel lenmessung zur Verfügung gestellt, bei dem Mehrfachreflexi onssignale, die aufeinanderfolgend auf der Basis von von ei nem Ultraschallwellensender durch ein in Messung befind liches Medium ausgesendeten Wellen erzeugt worden sind, in einem Ultraschallwellenempfänger empfangen werden, um eine Absolutgeschwindigkeit (V) von Schall, der sich durch das Medium ausgebreitet hat, auf der Basis einer Laufzeit (t_t) zu bestimmen, die aus den empfangenen Wellen und einer Aus breitungsstrecke bzw. -distanz (L) bestimmt wird. Das Ver fahren umfaßt, daß wenigstens zwei Mehrfachempfangswellen spezieller Ordnungen für jede ausgesendete Welle ausgewählt werden, eine kontinuierliche Schwingungswelle ausgegeben wird, ein Zeitintervall zwischen empfangenen Wellen gleicher Ordnung, die in bezug auf benachbarte gesendete Wellen aus gewählt worden sind, so gesteuert bzw. geregelt wird, daß es gleich einem ganzzahligen Vielfachen einer Periode (t₃) der kontinuierlichen Schwingungswelle ist, ein Zeitintervall zwischen empfangenen Wellen benachbarter Ordnung, die in bezug auf dieselbe gesendete Welle ausgewählt worden sind, so gesteuert bzw. geregelt wird, daß es gleich der Periode (t₃) der kontinuierlichen Schwingungswelle ist, die Periode (t₃) der kontinuierlichen Schwingungswelle gemessen wird, die in dem obigen Steuerungs/Regelungszustand erhalten wer den kann, und das Meßergebnis als die Laufzeit (t_t) zur Be stimmung der absoluten Schallgeschwindigkeit (V) verwendet wird.

Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Ultraschallwel lenmessung geschaffen worden, bei der Mehrfachreflexionssi gnale, die aufeinanderfolgend auf der Basis von von einem Ultraschallwellensender durch ein in Messung befindliches Medium übertragenen Wellen erzeugt worden sind, in einem Ul traschallwellenempfänger empfangen werden, um eine Absolut geschwindigkeit (V) von Schall, der sich durch das Medium ausgebreitet hat, auf der Basis einer aus den empfangenen Wellen bestimmten Laufzeit (t_t) und einer Fortpflanzungsdi stanz (L) zu bestimmen. Die Vorrichtung umfaßt eine kontinu ierliche Schwingungssteuer/Regelungseinrichtung, um wenig stens zwei Wellen mit einer speziellen Ordnung aus einer An zahl von mehrfach empfangenen Wellen, die für jede gesendete Welle erzeugt werden, auszuwählen, eine kontinuierliche Schwingungswelle auszugeben, ein Zeitintervall zwischen emp fangenen Wellen gleicher Ordnung, die in bezug auf benach barte gesendete Wellen ausgewählt worden sind, so zu steu ern, daß es gleich einem ganzzahligen Vielfachen einer Peri ode (t₃) der kontinuierlichen Schwingungswelle ist, und ein Zeitintervall zwischen empfangenen Wellen benachbarter Ord nung, die in bezug auf dieselbe gesendete Welle ausgewählt worden sind, so zu steuern bzw. zu regeln, daß es gleich der Periode (t₃) der kontinuierlichen Schwingungswelle ist, einen Zeitmeßkreis zum Messen der Periode (t₃) der kontinu ierlichen Schwingungswelle als eine Laufzeit (t_t), während die Steuerungs/Regelungsvorgänge durch die kontinuierliche Schwingungssteuerungs/Regelungseinrichtung in Kraft sind, und einen Funktions- bzw. Verarbeitungskreis zum Bestimmen der absoluten Schallgeschwindigkeit unter Verwendung des Meßergebnisses durch den Zeitmeßkreis.

Gemäß der Erfindung kann einer von mehreren Ultraschallwel lenempfängern verwendet werden. Der in Fig. 4A gezeigte Ul traschallwellenempfänger umfaßt einen Ultraschallwellensen deabschnitt 1A und einen Ultraschallwellenempfangsabschnitt 1B, die sich in einen Abstand L voneinander entfernt ange ordnet befinden. Der in Fig. 4B gezeigte Ultraschallwellen empfänger umfaßt einen Ultraschallwellen-Sender/Empfänger 1 und einen Reflektor 4, der sich von diesem in einem Abstand L entfernt angeordnet befindet. Der in Fig. 4C gezeigte Ul traschallwellen-Enpfänger umfaßt einen Ultraschallwellen- Sender/Empfänger 1 und einen Festkörperreflektor 4, der sich von diesem in einem Abstand L entfernt angeordnet befindet. Die in Fig. 4A und 4B gezeigten Ultraschallwellen-Empfänger sind bei einem gasförmigen, flüssigen und festen Medium an wendbar. Der in Fig. 4C gezeigte Empfänger ist bei einem Feststoffmedium, d. h. einem Medium in festem Aggregatzu stand, anwendbar.

Wenn auf den Ultraschall-Sender/Empfänger ein elektrisches Bündelimpuls- bzw. Burstsignal aufgeprägt wird, führt dies dazu, daß sich ein Ultraschallwellensignal durch das in Mes sung befindliche Medium fortpflanzt bzw. ausbreitet. Das Si gnal wird am Reflektor reflektiert, so daß es sich durch das Medium zurück zum Sender/Empfänger fortpflanzt, wo das Si gnal wieder reflektiert wird. Es wird somit ein Mehrfachre flexionssignal erzeugt, das wiederholt wechselseitig reflek tiert wird, bis es aufgrund von Wellendämpfung verschwindet. In Fig. 2 sind gesendete und empfangene Wellen bei 101 ge zeigt, die in einem mit dem Ultraschall-Sender/Empfänger verbundenen Meßkreis erfaßt werden. Burstwellen, die bei ei nem Zeitintervall t1 intermittierend gesendet werden, sind mit W_S1 und W_S2 bezeichnet. Mehrfachreflexionswellen (eine erste, eine zweite, . . . empfangene Welle), die aufeinander folgend auf der Basis der Welle W_S1 erzeugt worden sind, sind mit W_J1, W_J2, . . . bezeichnet. Mehrfachreflexionswellen (eine erste, eine zweite, . . . empfangene Welle), die aufein anderfolgend auf der Basis der Welle W_S2 erzeugt worden sind, sind mit W_J3, W_J4 bezeichnet. Gemäß der Erfindung wird dieses Mehrfachreflexionssignal dazu verwendet, die Fort pflanzungsgeschwindigkeit einer Ultraschallwelle durch das in Messung befindliche Medium zu bestimmen.

Bei dem Ultraschallwellenmeßsystem ist jedoch zwischen dem Ultraschallwellen-Sender/Empfänger und dem Meßkreis ein Si gnalübertragungsmittel, zum Beispiel ein Kabel, vorgesehen. Daher umfaßt bei den gesendeten und empfangenen Wellen (Re ferenzwellenform 101), die im Meßkreis erfaßt werden, das Zeitintervall von der gesendeten Burstwelle W_S1 bis zur er sten empfangenen Welle W_J1 eine Übertragungszeit t_w eines elektrischen Signals durch das Kabel oder ein anderes Übertragungsmittel von dem Ultraschallwellen-Sender/Empfänger zu einer Erfassungsstelle (Punkt 28 in Fig. 1) im Meßkreis. Es ist daher erforderlich, eine Zeit 2t_w zu streichen oder un gültig zu machen, die dem wechselseitigen Übertragungsweg, z. B. dem Kabel, entspricht, um eine genaue Ultraschallwel lenlaufzeit zu erhalten. Wenn das Zeitintervall zwischen der ersten und zweiten empfangenen Welle W_J1 und W_J2 zum Strei chen der Zeit t_w gemessen werden soll, kann die Fortpflan zungszeit der Ultraschallwelle durch das in Messung befind liche einzige oder Grundmedium bei Aufhebung der Zeit t_w er halten werden. Es ist somit möglich, eine Absolutmessung der Laufzeit außer einer Relativmessung von dieser zu erhalten. Wenn die Absolutmessung der Ultraschallwellenlaufzeit (t_t) erhalten werden kann, kann die Fortpflanzungsgeschwindigkeit V der Ultraschallwelle einfach mittels untenstehender Glei chung (1 erhalten werden, indem die Fortpflanzungsstrecke bzw. -distanz L genau gemessen wird.

V = 2L/t_t (1)

Gemäß der Erfindung wird zur Absolutmessung der Laufzeit t_t eine kontinuierliche Schwingungswelle erzeugt derart, daß ihre Periode t₃ gleich dem Zeitintervall t_t zwischen den er sten und zweiten empfangenen Wellen W_J1 und W_J2 ist. Die Laufzeit t_t wird erhalten, indem die Periodenzeit t₃ gemes sen wird. Fig. 2 ist ein Wellenformdiagramm in einem Zu stand, in dem die Schwingungsperiode t₃ und die Laufzeit t_t gleich werden. In Fig. 2 ist die kontinuierliche Schwin gungswelle mit der Periode t₃ gleich der Laufzeit t_t mit 105 bezeichnet. Die Laufzeit t_t kann gemessen werden, indem die Periode t₃ der Welle 105 gemessen wird. Die Wellenform 105 befindet sich mit Wellen W₁ und W₂ in Phase, die durch For men der Wellen W_J1 und W_J2 der Wellenform 101 erhalten wer den. Zum Erzielen dieses Zustandes ist es erforderlich, zwei durch die folgenden Gleichungen (2) und (3) gegebene Bedin gungen zu erfüllen.

t₁ = t₂ = t₃ × m (wobei m ganzzahlig ist) (2)

f_out = 1/t₃ (3)

wobei t₁ das Zeitintervall zwischen den gesendeten Burstwel len W_S1 und W_S2 ist, t₂ das Zeitintervall zwischen der er sten geformten empfangenen Welle W₁ basierend auf W_S1 und der ersten geformten empfangenen Welle W₃ basierend auf W_S2 ist und t₃ die Periode der kontinuierlichen Schwingungswelle ist. Der Wert m, eine ganze Zahl, wird durch solche Faktoren wie die Dämpfung der Mehrfachwellen der empfangenen Wellen bestimmt. Wenn die Dämpfung der Mehrfachwellen nicht zu stark ist, wird der Wert von m erhöht, um den Einfluß der Mehrfachwellen herabzusetzen.

Um die Gleichungen (2) und (3) zu erfüllen, wird gemäß der Erfindung das Zeitintervall zwischen empfangenen Wellen gleicher Ordnung, die in bezug auf benachbarte gesendete Burstwellen ausgewählt werden, so gesteuert, daß es gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Periode t₃ der kontinuier lichen Schwingungswelle ist. Auch das Zeitintervall der emp fangenen Wellen benachbarter Ordnungen, die in bezug auf dieselbe gesendete Burstwelle ausgewählt werden, wird so ge steuert, daß es gleich der Periode t₃ der kontinuierlichen Schwingungswelle ist. Die Bedingung der Gleichung (3) kann nicht allein erfüllt werden, sondern wird gleichzeitig mit der Bedingung der Gleichung (2) erfüllt. Durch Messung der Periode (t₃) der kontinuierlichen Schwingungswelle, wenn die Laufzeit t_t und die kontinuierliche Schwingungswellenperiode t₃ somit gleich werden, kann die Fortpflanzungszeit t_t ge messen werden als t_t = t₃.

Durch Verwendung eines Verfahrens, bei dem eine Anzahl von Perioden der kontinuierlichen Schwingungswelle mit einem Zähler unter Verwendung eines Referenztaktes gemessen und gemittelt werden, um die Zykluszeit t₃ zu erhalten, ist es möglich, eine Messung mit höherer Genauigkeit als die Refe renztaktfrequenz zu erhalten. Dies ist ein wirkungsvolles Merkmal der Erfindung. Bei der Messung mittels des einfachen Impulsverfahrens kann die Meßgenauigkeit nicht durch Ausmit teln erhöht werden, sondern sie hängt von der Frequenz des Basistaktes ab. Wie oben gezeigt ist, wird die Fortpflan zungszeit t_t in der Gleichung (1) auf obige Weise erhalten.

Die Fortpflanzungsentfernung bzw. -distanz L in der Glei chung (1) wird andererseits wie folgt erhalten. Die Distanz L ändert sich mit der Temperatur. Die Änderung mit der Tem peratur basiert auf dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials, das die Fortpflanzungsdistanz bestimmt. Die Ände rung der Länge des Materials, einschließlich des Wärmeaus dehnungskoeffizienten, ist durch die Gleichung (4) gegeben:

L = L₀ (1 + αR) (4)

wobei α der Wärmeausdehnungskoeffizient ist, R die Tempera tur ist und L₀ die Länge bei der Referenztemperatur ist.

Hier kann α vorbestimmt werden, denn es ist der Wärmeaus dehnungskoeffizient des Materials, womit L bestimmt ist. L₀ hat einen Wert, der dem Ultraschall-Sender/Empfänger eigen ist, der durch Schwankungen zur Zeit der Herstellung be stimmt ist und leicht unter Verwendung von Wasser gemessen werden kann. Mit anderen Worten, die Schallgeschwindigkeit durch Wasser ist als Literaturwert bekannt, wie durch die Gleichung (5) gezeigt ist.

V = 1402,736 + 5,03358 R - 0,0579506R² + 3,31636 × 10^-4R³ - 1,45262 × 10^-6R⁴ + 3,0449 × 10^-9R⁵ (5)

Es ist somit möglich, den Wert von L ausgehend von der Tem peratur R von bestimmtem Wasser, der Schallgeschwindigkeit V durch das Wasser basierend auf dem Literaturwert und der tatsächlichen Messung der Laufzeit zu bestimmen, und auch den Wert von L₀ aus der Gleichung (4) zu bestimmen, der ein dem Ultraschall-Sender/Empfänger eigener Wert ist. Wenn ein mal die Werte von L₀ und α bei diesem Verfahren bestimmt sind, kann der Wert von L durch Messung der Temperatur des Ultraschall-Senders/Empfängers bestimmt werden.

Mit den obigen Messungen der Laufzeit t_t und der Fortpflan zungs- bzw. Ausbreitungsdistanz L kann die Ultraschallwel lengeschwindigkeit V mit hoher Genauigkeit und hoher Stabi lität unter Verwendung der Gleichung (1) gemessen werden.

Die Erfindung wird im folgenden weiter anhand der untenste hend gegebenen detaillierten Beschreibung und der begleiten den Zeichnungen verständlich, die jedoch nicht als Beschrän kung der Erfindung angesehen werden sollen, sondern ledig lich zu deren Erläuterung und Verständnis dienen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der Vorrichtung zur Ultraschallwellenmessung zeigt;

Fig. 2 ein Wellenformdiagramm für die Ultraschallwellen meßvorrichtung,

Fig. 3 ein Schaltbild, das eine kontinuierliche Schwin gungssteuerungs-/Regelungseinrichtung zeigt, und

Fig. 4A, 4B und 4C schematische Ansichten, die Ultraschall wellen-Sender/Empfänger zeigen.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel be schrieben. Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Dort ist eine Ultraschallwellenmeßvorrichtung gezeigt, die einen Ultra schallwellen-Sender/Empfänger 100 und einen Meßkreis 200 zeigt.

In dem Ultraschall-Sender/Empfänger 100 sind ein Oszillator bzw. Schwinger 3 und ein Reflektor 4 derart angeordnet, daß sie einander gegenüberliegen und in einem Abstand L vonein ander getrennt liegen, der mit einem zur Messung vorgese henen Medium ausgefüllt ist (entweder Gas, Flüssigkeit oder Feststoff). Der Ultraschall-Sender/Empfänger 100 enthält weiter einen Temperatursensor 5.

Von dem Schwingungserzeuger bzw. Schwinger 3 in dem Ultra schall-Sender/Empfänger 100 ausgesendete Wellen werden zwi schen dem Schwinger 3 und dem Reflektor 4 wiederholt reflek tiert, bis sie aufgrund von Dämpfung erschöpft bzw. ver braucht sind. Der Ultraschallwellen-Sender/Empfänger 100 empfängt dieses Mehrfachreflexionssignal.

Der Meßkreis 200 umfaßt einen Vorverstärker 6, AGC-Verstär ker 7 und 8 mit Gate, Detektoren 9 und 10, einen kontinuier lichen Schwingungsregler 27, einen Sendekreis 22, einen Tem peraturmeßkreis 14, einen Zeitmeßkreis 24, einen digitalen Funktions- bzw. Verarbeitungskreis 25 und eine Ausgabeein heit 26.

Der Vorverstärker 6 verstärkt das Ultraschallwellenempfangs signal.

Die AGC-Verstärker 7 und 8 verstärken lediglich die ersten empfangenen Wellen (W_J1, W_J3) und die zweiten empfangenen Wellen (W_J2, W_J4) unter den Mehrfachempfangswellen, die für jede gesende Burstwelle erzeugt werden. Zu dieser Zeit sind die AGC-Verstärker 7 und 8 wirksam, einen konstanten Signal amplitudenpegel unabhängig von Änderungen des Ultraschall wellenempfangssignalpegels bei Änderungen im Medium zu hal ten (siehe Wellenformen 102 und 103).

Die Detektoren 9 und 10 sind grundsätzlich Analogkomparato ren. Ihr Referenzpegel ist derart eingestellt, daß die er sten und zweiten empfangenen Wellen beide bei derselben Wel lenformposition verglichen werden, um die Signale, die in den AGC-Verstärkern 7 und 8 verstärkt worden sind, zu einem digitalen Einzelimpulssignal umzuwandeln (siehe Wellenform 104).

Das so erhaltene digitale Signal wird in den kontinuierli chen Schwingungsregler 27 eingegeben, damit es auf die durch die Gleichungen (1) bis (6) gezeigte Weise für ein kontinu ierliches Schwingungssignal mit einer Frequenz f_out verar beitet wird, wobei die Ultraschallwellenlaufzeit t_t gleich der Periode t₃ ist. Das so erhaltene kontinuierliche Schwin gungssignal wird in den Zeitmeßkreis (24) eingegeben.

(1) Die bei 106 und 107 in Fig. 2 gezeigten digitalisierten ersten und zweiten empfangenen Wellensignale werden im Si gnalseparator 11 für die Eingabe in Phasenkomparatoren 19 und 13 in PLL-Kreisen 21 bzw. 16 getrennt.
(2) Das kontinuierliche Schwingungssignal 105, das von ei nem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 15 ausgegeben worden ist, wird durch m frequenzgeteilt, um als Wellenform 108 aus ei nem Signalselektor 17 zum Phasenkomparator 19 eingegeben zu werden.
(3) Der Phasenkomparator 19 vergleicht die Wellenformen 105 und 108. Um die Phase dieser Wellenformen in Übereinstimmung (Koinzidenz) zu bringen, wird ein Spannungs-Frequenz-Umsetzer 20 derart gesteuert, daß das Zeitintervall t₁ zwischen den ersten empfangenen Wellen W_J1 und W_J3 der gleichen Ordnung unter den empfangenen Wellen (W_J1, W_J2) und (W_J3, W_J4)₁ die in bezug auf die benachbarten gesendeten Bursts W_S1 und Ws₂ ausgewählt worden sind, gleich m mal die Periode t₃ der kon tinuierlichen Schwingungswelle ist. Das Ausgangssignal des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 20 wird ein Trigger- bzw. Steu ersignal 110, und vom Sendekreis 22 wird ein Ultraschallwel lensignal 101 gesendet. Da die Wellenformen 106 und 108 in der Phase zur Übereinstimmung (Koinzidenz) gebracht worden sind, hat man t₁ = t₂ = t₃ × m, und die Bedingung der obigen Gleichung (2) ist somit erfüllt.
(4) Das kontinuierliche Schwingungssignal 105, das vom Spannungs-Frequenz-Umsetzer 15 ausgehend ausgegeben worden ist, wird wie das Signal 108 durch m frequenzgeteilt, um als Signal 109, wobei es um eine Periode vom Signal 108 verzö gert, aus dem Signalselektor 17 zum Phasenkomparator 13 aus gegeben zu werden.
(5) Der Phasenkomparator 13 vergleicht die Signale 107 und 109 und steuert den Spannungs-Frequenz-Umsetzer 15 derart, daß er diese Signale in der Phase in Koinzidenz bringt. So mit sind W₅ und W₉ in den entsprechenden Wellenformen 107 und 109 in der Phase in Koinzidenz gebracht, und W₁₁ ist um einen Zyklus der kontinuierlichen Schwingungssignalfrequenz f_out von W₉ verzögert und in der Phase mit W₇ in Koinzidenz gebracht. Somit wird die Periode t₃ der kontinuierlichen Schwingungswelle 103 gleich dem Zeitintervall t_t der empfan genen Welle 101. (Das heißt, das Zeitintervall t_t zwischen den benachbarten ersten und zweiten empfangenen Wellen W_J1 und W_J2, die in bezug auf dieselbe gesendete Burstwelle W_S1 ausgewählt worden sind, wird gleich der Periode t₃ der kon tinuierlichen Schwingungswelle.) Die Ultraschallwellenlauf zeit t_t kann somit gemessen werden, indem die Periode der kontinuierlichen Schwingungswelle f_out gemessen wird.

Der kontinuierliche Schwingungsregler 27 wiederholt die obi gen Operationen (1) bis (5) kontinuierlich für jede gesen dete Burstwelle.

Der Zeitmeßkreis 24 umfaßt einen Referenztaktgeber und einen Zähler. Zur Erhöhung der Genauigkeit der Zeitmessung der Pe riode t₃ des Eingangssignals mißt der Kreis 24 die Zeit ei ner vorbestimmten Anzahl von Perioden (beispielsweise 1000 Perioden) und berechnet das Mittel einer vorbestimmten Peri odenzahl (beispielsweise 1000 Perioden), die im digitalen Verarbeitungskreis 25 der nachfolgenden Stufe eingestellt wird.

Der digitale Funktions- bzw. Verarbeitungskreis 25 berechnet die Temperatur des Fortpflanzungsmediums gemäß dem Signal aus dem Temperaturmeßkreis 14 und berechnet ausgehend von der berechneten Temperatur die temperaturkompensierte Ultra schallwellenfortpflanzungsdistanz L. Unter Verwendung der Gleichung (3) wird aus dem obigen Berechnungsergebnis die Ultraschallwellenfortpflanzungsgeschwindigkeit berechnet. Das Ergebnis wird von der Ausgabeeinheit 26 ausgegeben.

Es wird nun im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 3 die Steueroperation des kontinuierlichen Schwingungsreglers 27 beschrieben, der den Meßkreis 200 bildet.

Die ersten und zweiten empfangenen Wellen als Ultraschall wellen werden durch die AGC-Verstärker 7 und 8 geführt, und es wird aus den Detektoren 9 und 10 eine digitalisierte Im pulswelle (siehe Wellenform 104) zu einem Abschnitt wie in Fig. 3 gezeigt eingegeben. Diese Impulswellenform wird in einen Signalselektor IC2 eingegeben, der durch Steuerkreise IC1-1 und IC1-2 gesteuert wird. Digitalisierte Wellenformen W₂ und W₄ (siehe Wellenform 104), die von den zweiten emp fangenen Wellen erhalten werden, werden zu S3 von IC2 ausge geben, um Wellenformen W7 und W8 (siehe Wellenform 106) zu werden, die durch einen Puffer IC3-3 zu einem Phasenkompara tor IC5 gekuppelt werden. Bei IC6-1 ist ein spannungsgesteu erter Oszillations-IC gekennzeichnet, der bei einer Frequenz entsprechend einer Ausgangsgleichspannung von IC5 (siehe Wellenform 105) schwingt. Diese kontinuierliche Schwingungs welle wird durch Puffer IC8-1 und IC8-2 zur Ausgabe zum Si gnalselektor IC12 geführt.

Zähler IC7-1 und IC7-2 zur Einstellung der Periode t₁ des gesendeten Signals (siehe Wellenform 101) auf m mal die Laufzeit durch Frequenzteilung durch m und die Steuerkreise IC10-1, IC10-2, IC10-3, IC11-1, IC11-2, IC8-3 und IC8-4 steuern einen IC12 derart, daß das Ausgangssignal S2 des Si gnalselektors IC12 ein Signal ist, das in der Phase dem Aus gangssignal S3 um eine Schwingungsperiode im spannungsge steuerten Oszillator IC6-1 (siehe Wellenform 108, 109) nach läuft. Der m-Wert des m-Frequenzteilzählers kann auf einen gewünschten Wert, beispielsweise 4, 8 oder 16 eingestellt werden. Er ist derart eingestellt, daß die Mehrfachwellen nicht durch die Fortpflanzungsdistanz L, die Dämpfung des Ausbreitungsmediums, etc. beeinträchtigt werden.

Das Ausgangssignal des Signalselektors IC12 wird in den Pha senkomparator IC5 für einen Phasenvergleich mit dem Aus gangssignal des Puffers IC3-3 eingegeben. Der Phasenkompara tor IC5 steuert das Ausgangssignal des IC5 und die Gleich spannung derart, daß dies Signale in Phase gebracht werden, und steuert auch den spannungsgesteuerten Oszillator IC6-1 der nächsten Stufe. Das Ausgangssignal von S3 des Signals elektors IC12 wird in einen Phasenkomparator IC9 eingegeben. Der Phasenkomparator IC9 vergleicht die erste empfangene Welle der von dem Puffer IC3-4 ausgegebenen Ultraschallwelle mit dem digitalisierten Signal, und der Phasenkomparator IC9 steuert die ausgegebene Gleichspannung derart, daß die ein gegebenen Wellenformen in Phase sind, und steuert auch die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators IC6-3 der nächsten Stufe. Das Abfallsignal des Schwingungssignals von IC6-2 (siehe Wellenform 110) wird ein Trigger- bzw. Steuer signal zur Steuerung der Zeitsteuerung des Ultraschallwel lensendesignals. Ein Zustand, in dem die Eingangsphasen von IC5 und IC9 auf dieselbe Phase verriegelt sind, entspricht einem Zustand, in dem die Ultraschallwellenlaufzeit t_t (siehe Wellenform 101) und die Periode der Schwingungsfre quenz f_out des spannungsgesteuerten Oszillators IC6-1 einan der gleich sind. Durch Messung der Schwingungsperiode t₃ ist es somit möglich, die Ultraschallwellenlaufzeit t_t zu messen und auch eine automatische Messung der absoluten Ultra schallwellenfortpflanzungsgeschwindigkeit zu erhalten.

Es werden nun die Wirkungen des Ausführungsbeispiels be schrieben.

1. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur absoluten Schallgeschwindigkeitsmessung, bei dem lediglich die Lauf zeit durch ein Meßmedium gemessen wird. Somit ist. Die Lauf zeitmessung von einem Fehler frei, der sich aus dem Vorhan densein eines Kabels oder einer ähnlichen Signalübertra gungseinrichtung zwischen dem Ultraschallwellen-Sender/Emp fänger und dem Meßkreis ergeben kann. Es ist somit möglich, Änderungen in der Signalübertragungseinrichtung wie der Kabellänge zu begegnen.
2. Da die Laufzeit in die Frequenz der kontinuierlichen Schwingungswelle mit der Laufzeit als der Periode umgewan delt wird, ist es möglich, eine Verbesserung der Meßgenauig keit durch Mittelung der Meßzeit zu erhalten, was bei dem Impulsverfahren nicht so sehr wirksam war.
3. Aufgrund des Verfahrens zur absoluten Schallgeschwindig keitsmessung ist es möglich, eine außerordentlich genaue Messung in einem großen Bereich zu erhalten. Es ist außerdem möglich, eine rasche Schallgeschwindigkeitsmessung als auto matische Messung zu erhalten.
4. Es ist möglich, den Temperaturkompensationsfaktor (oder Spannungserzeugungskompensationsfaktor, etc.) der Fortpflan zungsdistanz, der dem Ultraschallwellen-Sender/Empfänger ei gen ist, leicht zu bestimmen, was bei der Instandhaltung oder Wartung wie beim Austausch des Ultraschall-Senders/Emp fängers sehr wirksam ist.

Wie vorstehend beschrieben worden ist, ist es gemäß der Er findung möglich, eine automatische Messung einer Ultra schallwellenlaufzeit bei sehr hoher Genauigkeit und mit hoher Stabilität zu erhalten.

Zusammengefaßt: Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschallwellenmessung, bei denen das Zeitintervall zwischen empfangenen Wellen gleicher Ordnung, die in bezug auf benachbarte gesendete Wellen ausgewählt worden sind, so gesteuert wird, daß es gleich einem ganzzah ligen Vielfachen einer Periode t₃ einer kontinuierlichen Schwingungswelle ist. Außerdem wird das Zeitintervall zwi schen empfangenen Wellen benachbarter Ordnung, die in bezug auf dieselbe gesendete Welle ausgewählt worden sind, so ge steuert, daß es gleich der Periode t₃ der kontinuierlichen Schwingungswelle ist. Die Periode t₃ der kontinuierlichen Schwingungswelle, die in dem obigen gesteuerten Zustand er hältlich ist, wird gemessen, und das Ergebnis der Messung wird als Ultraschallwellenlaufzeit verwendet, um die abso lute Schallgeschwindigkeit zu erhalten.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene exem plarische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden ist, ist es für den Fachmann verständlich, daß das Vorstehende und viele weitere Änderungen, Fortlassungen und Zusätze zur vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne von deren Gehalt und Umfang abzuweichen. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht auf das oben dargelegte spe zielle Ausführungsbeispiel beschränkt angesehen werden, son dern, daß die Erfindung sämtliche Ausführungsformen umfaßt, die in einem Umfang verkörpert sein können, und deren Äqui valente, wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

1. Verfahren zur Ultraschallwellenmessung, bei dem Mehr fachreflexionssignale, die aufeinanderfolgend auf der Basis von von einem Ultraschallwellensender durch ein Meßmedium gesendeten Wellen erzeugt werden, in einem Ultraschallwel lenempfänger empfangen werden, um eine Absolutgeschwindig keit (V) von Schall, der sich durch das Medium fortgepflanzt hat, auf der Basis einer aus den empfangenen Wellen bestimm ten Laufzeit (t_t) und einer Fortpflanzungsdistanz (L) zu be stimmen, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß

- wenigstens zwei von mehrfach empfangenen Wellen von spe ziellen Ordnungen für jede gesendete Welle ausgewählt werden,
- eine kontinuierliche Schwingungswelle ausgegeben wird,
- ein Zeitintervall zwischen empfangenen Wellen gleicher Ordnung, ausgewählt in bezug auf benachbarte gesendete Wellen, gesteuert wird, so daß es gleich einem ganzzahli gen Vielfachen einer Periode (t₃) der kontinuierlichen Schwingungswelle ist;
- ein Zeitintervall zwischen empfangenen Wellen benachbar ter Ordnung, ausgewählt in bezug auf die gesendete Welle, gesteuert wird, so daß es gleich der Periode (t₃) der kontinuierlichen Schwingungswelle ist,
- die Periode (t₃) der kontinuierlichen Schwingungswelle gemessen wird, die in dem obigen gesteuerten Zustand er hältlich ist, und
- das Ergebnis der Messung als die Laufzeit (t_t) zur Be stimmung der absoluten Schallgeschwindigkeit (V) verwen det wird.

2. Vorrichtung zur Ultraschallwellenmessung, bei der Mehr fachreflexionssignale, die aufeinanderfolgend auf der Basis von von einem Ultraschallwellensender durch ein Meßmedium gesendeten Wellen erzeugt werden, in einem Ultraschallwel lenempfänger empfangen werden, um eine Absolutgeschwindig keit (V) von Schall, der sich durch das Medium fortgepflanzt hat, auf der Basis einer aus den empfangenen Wellen bestimm ten Laufzeit (t_t) und einer Fortpflanzungsdistanz (L) zu be stimmen,
wobei die Vorrichtung umfaßt

- eine kontinuierliche Schwingungssteuereinrichtung (27) zum Auswählen von wenigstens zwei (W_J1, W_J3; W_J2, W_J4) mit spezieller Ordnung aus einer Anzahl von mehrfach em pfangenen Wellen, die für jede gesendete Welle erzeugt werden, Ausgeben einer kontinuierlichen Schwingungswelle, Steuerung eines Zeitintervalls (t_t) zwischen empfangenen Wellen gleicher Ordnung, die in bezug auf benachbarte ge sendete Wellen ausgewählt sind, so daß es gleich einem ganzzahligen Vielfachen einer Periode (t₃) der kontinu ierlichen Schwingungswelle ist, und Steuerung eines Zeitintervalls zwischen empfangenen Wellen benachbarter Ordnung, die in bezug auf dieselbe gesendete Welle ausge wählt sind, so daß es gleich der Periode (t₃) der konti nuierlichen Schwingungswelle ist,
- eine Zeitmeßschaltungseinrichtung (24) zum Messen der Periode (t₃) der kontinuierlichen Schwingungswelle als die Laufzeit (t_t), während die Steuerungen durch die kon tinuierlichen Schwingungssteuereinrichtung (27) in Kraft ist, und
- eine Funktions/Bearbeitungsschaltungseinrichtung (25) zum Bestimmen einer absoluten Schallgeschwindigkeit (V) durch Verwenden des Meßergebnisses durch den Zeitmeßkreis (24).