DE4403344C2

DE4403344C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallwellenmessung

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Publication number: DE4403344C2
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: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2014-02-04
Also published as: JP3129563B2; DE4403344A1; US5557047A; JPH06235721A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zur Ultraschallwellenmessung, um die Geschwindigkeit des Schalls in einem Meßmedium zu erhalten. Letzteres kann ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff sein. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen es, die Komponenten, Konzen trationen und den Elastizitätsmodul eines Gases oder einer Flüssigkeit zu bestimmen bzw. den Elastizitätsmodul, die Fe stigkeit, Ermüdung, Spannungs- und Belastungsgeschichte sowie die Lebensdauer eines Feststoffes zu bestimmen.

Bei einem Verfahren zur Ultraschallwellenmessung werden auf einanderfolgend auf der Basis einer von einem Ultraschallwel lensender durch ein Meßmedium ausgesendeten Welle Mehrfach echos erzeugt, die Echos werden in einem Ultraschallwellen empfänger empfangen, und die Geschwindigkeit (V) von Schall, der sich durch das Medium fortgepflanzt hat, wird aus einer von den Echos erhaltenen Fortpflanzungs- bzw. Laufzeit t_t und dem Schallweg L erhalten.

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

Das z. B. in der US 3 697 936 beschriebene Sing-around-Ver fahren beruht auf Laufzeitdifferenzbestimmungen, die dem Sen dezeitpunkt und der Laufzeit reflektierter Schallwellen zuge ordnet sind. Es ist bislang aufgrund seiner Meßstabilität und des Bedarfs einer automatischen Messung umfangreich verwendet worden. Dieses Verfahren unterliegt jedoch dem Einfluß exter ner Faktoren. Die Überlappungs- und Überlagerungsverfahren un terliegen dem Einfluß externer Faktoren weniger, gestatten je doch keine automatische Messung aufgrund verhindernder Fakto ren wie Kosten und technischer Schwierigkeiten.

Aus der DE 29 08 319 A1 ist ein elektronisches Meßverfahren zur Bestimmung der Zeitdifferenz zwischen zwei durch Ultra schallmessung erfaßten Ereignissen bekannt geworden, bei dem zur Erhöhung der Meßgenauigkeit mit Eintritt jedes Ereignisses jeweils Zählimpulse mit unterschiedlicher Periodendauer er zeugt werden. Bei Koinzidenz der jeweiligen Zählimpulse wird dann die Zahl der jeweiligen Zählimpulse gemessen und die Zeitdifferenz ermittelt.

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

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren und ei ner Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 2 ge löst.

Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren zur Ultraschallwellen messung zur Verfügung gestellt, bei dem vorgegebenen Schall wegen zugeordnete Echos, einschließlich Mehrfachechos, die periodisch auf der Basis von einem Ultraschallwellensender durch ein Meßmedium gesendeten Impulsen erzeugt und in einem Ultraschallwellenempfänger empfangen werden, um die Geschwin digkeit (V) des Schalls, der sich durch das Medium ausgebrei tet hat, auf der Basis der Laufzeit t_t des Schalls zu bestim men, die aus den Echos und dem Schallweg L bestimmt wird. Das Verfahren umfaßt, daß zwei Echos derselben bestimmten Ordnung für jeden gesendeten Impuls ausgewählt werden, ein elektri sches Dauerschwingungssignal einer Periode t₃ ausgegeben wird, welche dem Zeitintervall zwischen den benachbarten Echos be stimmter Ordnungen in bezug auf denselben gesendeten Impuls entspricht, und ein Zeitintervall zwischen Echos gleicher Ord nung in bezug auf zeitlich benachbart gesendete Impulse, das t₁ entspricht, derart gesteuert bzw. geregelt wird, daß es gleich einem ganzzahligen Vielfachen von t₃ ist, so daß sich t_t = t₃ ergibt.

Gemäß der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Ultra schallwellenmessung geschaffen worden, bei der vorgegebenen Schallwegen zugeordnete Echos, einschließlich Mehrfachechos, die periodisch auf der Basis von von einem Ultraschallwellen sender durch ein Meßmedium übertragenen Impulsen erzeugt und von einem Ultraschallwellenempfänger empfangen werden, um die Geschwindigkeit (V) des Schalls, der sich durch das Medium ausgebreitet hat, auf der Basis der aus den Echos bestimmter Laufzeit t_t des Schalls und des Schallwegs L zu bestimmen. Das Zeitintervall t_t zwischen den periodisch gesendeten Impulsen ist größer als die den zu erfassenden Echos höchster Ordnung zugeordnete Laufzeit. Die Vorrichtung umfaßt eine Regelungs einrichtung für eine Dauerschwingung, um wenigstens zwei Echos derselben bestimmten Ordnung aus den Echos für jeden gesende ten Impuls auszuwählen, ein elektrisches Dauerschwingungs signal einer Periode t₃ auszugeben, die dem Zeitintervall t_t zwischen den Echos bestimmter Ordnungen in bezug auf den gesen deten Impuls entspricht, das Zeitintervall zwischen Echos gleicher Ordnung in bezug auf zeitlich benachbart gesendete Impulse, das t₁ entspricht, derart zu steuern, daß es gleich einem ganzzahligen Vielfachen von t₃ ist, und ein Zeitintervall zwischen einander benachbarten Echos so zu steuern, daß sich t_t = t₃ ergibt. Weiter umfaßt die Vorrichtung einen Zeitmeßkreis zum Messen der Periode t₃ der Dauerschwingung als Laufzeit t_t, während die Regelungsvorgänge durch den Dauerschwingungsregler in Kraft sind, und einen Funktions- bzw. Verarbeitungskreis zum Bestimmen der absoluten Geschwindigkeit unter Verwendung des Meßergebnisses des Zeitmeßkreises.

Gemäß der Erfindung kann einer von mehreren Ultraschallwellen sendern und -empfängern verwendet werden. Der in Fig. 4A ge zeigte Ultraschallwellensender und -empfänger umfaßt einen Ultraschallwellensendeabschnitt 1A und einen Ultraschallwel lenempfangsabschnitt 1B, die sich in einem Abstand L vonein ander entfernt angeordnet befinden. Der in Fig. 4B gezeigte Ultraschallwellensender und -empfänger umfaßt einen Ultra schallwellen-Sender/Empfängerabschnitt 1 und einen Reflektor 4, der sich von diesem in einem Abstand L entfernt angeordnet befindet. Der in Fig. 4C gezeigte Ultraschallwellensender und -empfänger umfaßt einen Ultraschallwellen-Sender/Empfängerab schnitt 1 und einen Festkörperreflektor 4, der sich von diesem in einem Abstand L entfernt angeordnet befindet. Der in Fig. 4A gezeigte Ultraschallwellensender und -empfänger ist bei ei nem gasförmigen, flüssigen und festen Medium anwendbar, derje nige nach Fig. 4B bei gasförmigem und flüssigem Medium und derjenige nach Fig. 4C bei einem Feststoffmedium, d. h. einem Medium in festem Aggregatzustand.

Wenn auf den Ultraschall-Sender/Empfänger ein elektrisches Burstsignal aufgeprägt wird, führt dies dazu, daß sich ein Ultraschallwellensignal durch das in Messung befindliche Medium fortpflanzt bzw. ausbreitet. Das Signal wird am Reflek tor reflektiert, so daß es sich durch das Medium zurück zum Sender/Empfänger fortpflanzt, wo das Signal wieder reflektiert wird. Es wird somit ein Mehrfachecho erzeugt, durch wieder holte Hin- und Her-Reflexion, bis es aufgrund von Wellendämp fung verschwindet. In Fig. 2 sind gesendete und empfangene Impulse bei 101 gezeigt, die in einem mit dem Ultraschall-Sen der/Empfänger verbundenen Meßkreis erfaßt werden. Burstimpul se, die bei einem Zeitintervall t₁ intermittierend gesendet werden, sind mit W_S1 und W_S2 bezeichnet. Mehrfachechos, die aufeinanderfolgend auf der Basis des Impulses W_S1 erzeugt wor den sind, sind mit W_J11, W_J12, ... bezeichnet (W_J11 erstes Echo, W_J12 zweites Echo, ...). Mehrfachechos, die aufeinanderfolgend auf der Basis des Impulses W_S2 erzeugt worden sind, sind mit W_J21, W_J21 bezeichnet (W_J21 erstes Echo, W_J22 zweites Echo, ...) gemäß der Erfindung werden diese Mehrfachechos dazu verwendet, die Fortpflanzungsgeschwindigkeit eines Ultraschallimpulses durch das in Messung befindliche Medium zu bestimmen.

Bei dem Ultraschallwellenmeßsystem ist jedoch zwischen dem Ul traschallwellen-Sender/Empfänger und dem Meßkreis ein Signal übertragungsmittel, zum Beispiel ein Kabel, vorgesehen. Daher umfaßt bei den gesendeten und empfangenen Impulsen (Referenz wellenform 101), die im Meßkreis erfaßt werden, das Zeitinter vall von dem gesendeten Burstimpuls W_S1 bis zum ersten empfan genen Impuls W_J1 eine Übertragungszeit t_w eines elektrischen Signals durch das Kabel oder ein anderes Übertragungsmittel von dem Ultraschallwellen-Sender/Empfänger zu einer Erfas sungsstelle (Punkt 28 in Fig. 1) im Meßkreis. Es ist daher er forderlich, eine Zeit 2t_w zu streichen oder ungültig zu machen, die dem wechselseitigen Übertragungsweg, z. B. dem Kabel, ent spricht, um eine genaue Ultraschallwellenlaufzeit zu erhalten. Wenn das Zeitintervall zwischen dem ersten und zweiten Echo W_J11 und W_J12 zum Streichen der Zeit t_w gemessen werden soll, kann die Fortpflanzungszeit des Ultraschallwellenimpulses durch das in Messung befindliche einzige oder Grundmedium bei Aufhebung der Zeit t_w erhalten werden. Es ist somit möglich, eine Abso lutmessung der Laufzeit außer einer Relativmessung von dieser zu erhalten. Andererseits ist das Zeitintervall zwischen dem gesendeten Impuls und dem ersten Echo nicht konform mit der Ultraschallwellenlaufzeit t_t durch das Medium, sondern länger. Wenn die Absolutmessung der Ultraschallwellenlaufzeit (t_t) erhalten werden kann, kann die Geschwindigkeit V des Ultra schallimpulses einfach mittels untenstehender Gleichung (1) erhalten werden, indem der Schallweg 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 t₃gleich dem Zeitintervall t_t zwischen dem ersten und zweiten Echo W_J11und W_J12 ist. Die Laufzeit t_t wird erhalten, indem die Periodenzeit t₃ gemessen wird. Fig. 2 ist ein Wellen formdiagramm in einem Zustand, in dem die Schwingungsperiode t₃ und die Laufzeit t_t gleich werden. In Fig. 2 ist mit 105 die Dauerschwingung mit der Periode t₃gleich der Laufzeit t_t be zeichnet. Die Laufzeit t_t kann gemessen werden, indem die Periode t₃ des Impulses 105 gemessen wird. Die Wellenform 105 befindet sich mit Wellen W_f11 und W_f12 in Phase, die durch Formen der Wellen W_J11 und W_J12 der Wellenform 101 erhalten werden. Zum Erzielen dieses Zustandes ist es erforderlich, zwei durch die folgenden Gleichungen (2) und (3) gegebene Bedingungen zu er füllen.

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

fout = 1/t₃(3)

wobei t₁ das Zeitintervall zwischen den gesendeten Burstimpul sen W_S1 und W_S2 ist, t₂ das Zeitintervall zwischen dem ersten geformten Echo W_f11 basierend auf W_S1 und dem ersten geformten Echo W_f21 basierend auf W_S2 ist und t₃ die Periode der Dauer schwingung ist. Der Wert m, eine ganze Zahl, wird durch solche Faktoren wie die Dämpfung der Mehrfachechos (z. B. W_J11, W_J12, W_J13, ...) bestimmt. Wenn die Dämpfung der Mehrfachechos nicht zu stark ist, wird der Wert von m erhöht, um den Einfluß der Mehrfachechos herabzusetzen.

Um die Gleichungen (2) und (3) zu erfüllen, wird gemäß der Er findung das Zeitintervall zwischen Echos gleicher Ordnung (z. B. W_J11 und W_J21), die in bezug auf benachbart gesendete Impulse ausgewählt werden, so gesteuert, daß es gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Periode t₃ der Dauerschwingung ist. Auch das Zeitintervall t_t zwischen Echos benachbarter Ordnungen (z. B. W_J11 und W_J12), die in bezug auf denselben gesendeten Impuls ausgewählt werden, wird so gesteuert, daß es gleich der Periode t₃ der Dauerschwingung ist. Die Bedingung der Gleichung (3) kann nicht allein erfüllt werden, sondern wird gleichzei tig mit der Bedingung der Gleichung (2) erfüllt. Durch Messung der Periode t₃ der Dauerschwingung, wenn die Laufzeit t_t und die Dauerschwingungsperiode t₃ somit gleich werden, kann die Laufzeit t_t gemessen werden als t_t = t₃. Somit kann die Laufzeit t_t gemessen werden.

Durch Verwendung eines Verfahrens, bei dem eine Anzahl von Pe rioden der Dauerschwingung mit einem Zähler unter Verwendung eines Referenztaktes gemessen und gemittelt werden, um die Zy kluszeit t₃ zu erhalten, ist es möglich, eine Messung mit hö herer Genauigkeit als die Referenztaktfrequenz zu erhalten. Dies ist ein wirkungsvolles Merkmal der Erfindung. Bei der Messung mittels des einfachen Impulsverfahrens kann die Meß genauigkeit nicht durch Ausmitteln erhöht werden, sondern sie hängt von der Frequenz des Basistaktes ab. Wie oben gezeigt ist, wird die Laufzeit t_t in der Gleichung (1) auf obige Weise erhalten.

Der Schallweg L in der Gleichung (1) wird andererseits wie folgt erhalten. Der Schallweg L ändert sich mit der Tempera tur. Die Änderung mit der Temperatur basiert auf dem Wärmeaus dehnungskoeffizienten des Materials, das die Distanz bestimmt. Die Änderung der Länge des Materials, einschließlich des Wär meausdehnungskoeffizienten, ist durch die Gleichung (4) gege ben:

L = L_o (1 + αθ) (4)

wobei α der Wärmeausdehnungskoeffizient ist, θ die Temperatur in °C ist und L_o die Länge bei der Referenztemperatur ist.

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

V = 1402,736 + 5,03358 θ - 0,0579506θ² + 3,31636 × 10^-4θ³-1,45262 × 10^-6θ⁴+ 3,0449 × 10^-9θ⁵ (5)

Es ist somit möglich, den Wert von L ausgehend von der Tem peratur θ von bestimmtem Wasser, der Schallgeschwindigkeit V durch das Wasser basierend auf dem Literaturwert und der tat sächlichen Messung der Laufzeit zu bestimmen, und auch den Wert von L_o aus der Gleichung (4) zu bestimmen, der ein dem Ultraschall-Sender/Empfänger eigener Wert ist. Wenn einmal die Werte von L_o und α bei diesem Verfahren bestimmt sind, kann der Wert von L durch Messung der Temperatur des Ultraschall-Sen ders/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 untenstehend gegebenen detaillierten Beschreibung und der begleitenden Figu ren beispielhaft erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

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

Fig. 2 ein Wellenformdiagramm für die Ultraschallwellenmeß vorrichtung,

Fig. 3 ein Schaltbild, das eine Dauerschwingungsregelungs einrichtung 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 Schallkopf 3 und ein Reflektor 4 derart angeordnet, daß sie einander gegen überliegen und in einem Abstand L voneinander getrennt liegen, der mit einem zur Messung vorgesehenen Medium ausgefüllt ist (entweder Gas, Flüssigkeit oder Feststoff). Der Ultraschall- Sender/Empfänger 100 enthält weiter einen Temperatursensor 5.

Von dem Schallkopf 3 in dem Ultraschall-Sender/Empfänger 100 ausgesendete Wellen werden zwischen dem Schallkopf 3 und dem Reflektor 4 wiederholt reflektiert, bis sie aufgrund von Däm pfung erschöpft bzw. verbraucht sind. Der Ultraschallwellen- Sender/Empfänger 100 empfängt diese Mehrfachechos.

Der Meßkreis 200 umfaßt einen Vorverstärker 6, AGC-Verstärker 7 und 8 mit Gate, Detektoren 9 und 10, einen Dauerschwingungs regler 27, einen Sendekreis 22, einen Temperaturmeßkreis 14, einen Zeitmeßkreis 24, einen digitalen Funktions- bzw. Verar beitungskreis 25 und eine Ausgabeeinheit 26.

Der Vorverstärker 6 verstärkt die Mehrfachechos.

Die AGC-Verstärker 7 und 8 verstärken von den Mehrfachechos, die mit jedem Sendeburst erzeugt werden, lediglich die ersten Echos (W_J11, W_J21) und die zweiten Echos (W_J12, W_J22). Zu diesen Zeiten sind die AGC-Verstärker 7 und 8 wirksam, um einen kon stanten Signalamplitudenpegel unabhängig von Änderungen des Echopegels bei Änderungen im Medium zu halten (siehe Wellen formen 102 und 103).

Die Detektoren 9 und 10 sind grundsätzlich Analogkomparatoren. Ihr Referenzpegel ist derart eingestellt, daß die ersten und zweiten Echos beide bei derselben Wellenformposition vergli chen 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 Dauerschwingungs regler 27 eingegeben, um auf die durch die Operationen (1) bis (5) gezeigte Weise für die Umsetzung in ein Dauerschwingungs signal mit einer Frequenz f_out zu verarbeiten, wobei die Ultra schallwellenlaufzeit t_t gleich der Periode t₃ ist. Das so er haltene Dauerschwingungssignal 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 Dauerschwingungssignal 105, das von einem Spannungs- Frequenz-Umsetzer 15 ausgegeben worden ist, wird durch m fre quenzgeteilt, um als Wellenform 108 aus einem Signalselektor 17 einem Phasenkomparator 19 eingegeben zu werden.
3. Der Phasenkomparator 19 vergleicht die Wellenformen 106 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 er sten Echos W_J11 und W_J21 der gleichen Ordnung unter den Echos (W_J11, W_J12) und (W_J21, W_J22), die in bezug auf die benachbarten gesendeten Bursts W_S1 und W_S2 ausgewählt worden sind, gleich m mal die Periode t₃der kontinuierlichen Schwingungswelle ist. Das Ausgangssignal des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 20 wird ein Trigger- bzw. Steuersignal 110, und vom Sendekreis 22 wird ein Ultraschallwellensignal 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 Bedin gung der obigen Gleichung (6) ist somit erfüllt.
4. Das Dauerschwingungssignal 105, das vom Spannungs-Fre quenz-Umsetzer 15 ausgehend ausgegeben worden ist, wird wie das Signal 108 durch m frequenzgeteilt, um als Signal 109, das um eine Periode gegenüber dem Signal 108 verzögert ist, aus dem Signalselektor 17 zum Phasenkomparator 13 ausgegeben 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. Somit sind W_d11 und W_p11 in den entsprechenden Wellenformen 106 und 108 in der Phase in Koinzidenz gebracht, und W_p12 ist um einen Zyklus der Dauerschwingungssignalfrequenz f_out von W_p11 verzögert und in der Phase mit W_d12 in Koinzidenz gebracht. Somit wird die Pe riode t₃ der Dauerschwingung 103 gleich dem Zeitintervall t_t des Echos des Signals 101. (Das heißt, das Zeitintervall t_t zwischen den benachbarten ersten und zweiten empfangenen Wel len W_J11 und W_J12, die in bezug auf dieselbe gesendete Burstwelle W_S1 ausgewählt worden sind, wird gleich der Periode t₃ der Dauerschwingung. Die Ultraschallwellenlaufzeit t_t kann somit gemessen werden, indem die Periode der Dauerschwingung f_out gemessen wird.

Der Dauerschwingungsregler 27 wiederholt die obigen Operatio nen (1) bis (5) kontinuierlich für jede gesendete 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 einer vorbestimmten Anzahl von Perioden (beispielsweise 1000 Perio den) und berechnet das Mittel einer vorbestimmten Periodenzahl (beispielsweise 1000 Perioden), die im digitalen Verarbei tungskreis 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 be rechneten Temperatur den temperaturkompensierten Schallweg. Unter Verwendung der Gleichung (3) wird aus dem obigen Berech nungsergebnis die Ultraschallwellengeschwindigkeit berechnet. Das Ergebnis wird von der Ausgabeeinheit 26 ausgegeben.

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

Die ersten und zweiten als Ultraschallwellen empfangenen Echos werden durch die AGC-Verstärker 7 und 8 geführt, und es wird aus den Detektoren 9 und 10 eine digitalisierte Impulswelle (siehe Wellenform 104) zu einem Abschnitt wie in Fig. 3 ge zeigt eingegeben. Diese Impulswellenform wird in einen Signal selektor IC2 eingegeben, der durch Steuerkreise IC1-1 und IC1- 2 gesteuert wird. Digitalisierte Wellenformen W_f12 und W_f22 (siehe Wellenform 104), die von den zweiten empfangenen Wellen erhalten werden, werden zu S3 von IC2 ausgegeben, um Wellen formen W_d12 und W_d22 (siehe Wellenform 107) zu werden, die durch einen Puffer IC3-3 zu einem Phasenkomparator IC5 gekoppelt werden. Bei IC6-1 ist ein spannungsgesteuerter Oszillations-IC gekennzeichnet, der bei einer Frequenz entsprechend einer Aus gangsgleichspannung von IC5 (siehe Wellenform 105) schwingt. Diese Dauerschwingung wird durch Puffer IC8-1 und IC8-2 zur Ausgabe zum Signalselektor IC12 geführt.

Zähler IC7-1 und IC7-2 zur Einstellung der Periode t₁ des ge sendeten 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 Signalselektors IC12 ein Signal ist, das in der Phase dem Ausgangssignal S3 um eine Schwingungsperiode im spannungsgesteuerten Oszillator IC6-1 (siehe Wellenform 108, 109) nachläuft. Der m-Wert des m- Frequenzteilzählers kann auf einen gewünschten Wert, bei spielsweise 4, 8 oder 16 eingestellt werden. Er ist derart eingestellt, daß die Mehrfachechos nicht durch den Schallweg L, die Dämpfung des Ausbreitungsmediums, etc. beeinträchtigt werden.

Das Ausgangssignal S2 des Signalselektors IC12 wird in den Phasenkomparator IC5 für einen Phasenvergleich mit dem Aus gangssignal des Puffers IC3-3 eingegeben. Der Phasenkomparator IC5 steuert das Ausgangssignal des IC5 und die Gleichspannung derart, daß die Signale in Phase gebracht werden, und steuert auch den spannungsgesteuerten Oszillator IC6-1 der nächsten Stufe. Das Ausgangssignal von S3 des Signalselektors IC12 wird in einen Phasenkomparator IC9 eingegeben. Der Phasenkomparator IC9 vergleicht das von dem Puffer IC3-4 ausgegebenen erste Echo der Ultraschallwelle mit dem digitalisierten Signal, und der Phasenkomparator IC9 steuert die ausgegebene Gleichspan nung derart, daß die eingegebenen Wellenformen in Phase sind, und steuert auch die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszil lators IC6-3 der nächsten Stufe. Das Abfallsignal des Schwin gungssignals von IC6-2 (siehe Wellenform 110) wird ein Trig ger- bzw. Steuersignal zur Steuerung der Zeitsteuerung des Ul traschallwellensendesignals. Ein Zustand, in dem die Eingangs phasen 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 einander gleich sind. Durch Messung der Schwingungsperiode t₃ ist es somit möglich, die Ultraschallwellenlaufzeit t_t zu messen und auch eine automatische Messung der absoluten Geschwindigkeit der Ultraschallwellen zu erhalten.

Es werden nun die Wirkungen des Ausführungsbeispiels beschrie ben.

1. Da lediglich die Laufzeit durch ein Meßmedium gemessen wird, ist die Laufzeitmessung von einem Fehler frei, der sich aus dem Vorhandensein eines Kabels oder einer ähnlichen Si gnalübertragungseinrichtung zwischen dem Ultraschallwellen- Sender/Empfänger 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 Dauerschwingung mit der Laufzeit als der Periode umgewandelt wird, ist es möglich, eine hohe Meßgenauigkeit durch Mittelung der Meßzeit zu erzie len.
3. Eine außerordentlich genaue Messung in einem großen Be reich kann erhalten werden. Es ist außerdem möglich, eine ra sche Schallgeschwindigkeitsmessung als automatische Messung zu erhalten.
4. Es ist möglich, den Temperaturkompensationsfaktor (oder Spannungserzeugungskompensationsfaktor, etc.) des Schallwegs, der dem Ultraschallwellen-Sender/Empfänger eigen ist, leicht zu bestimmen, was bei der Instandhaltung oder Wartung wie beim Austausch des Ultraschall-Senders/Empfängers sehr wirksam ist.

Claims

1. Verfahren zur Ultraschallwellenmessung, bei dem vorgegebe nen Schallwegen zugeordnete Echos, einschließlich Mehrfach echos, die periodisch auf der Basis von von einem Ultraschall wellensender durch ein Meßmedium gesendeten Impulsen erzeugt und von einem Ultraschallwellenempfänger empfangen werden, um die Geschwindigkeit (V) des Schalls, der sich durch das Medium fortgepflanzt hat, auf der Basis der aus den Echos bestimmten Laufzeit t_t des Schalls und des Schallwegs L zu bestimmen, wobei das Zeitintervall t₁ zwischen den periodisch gesendeten Impul sen größer ist als die dem zu erfassenden Echo höchster Ordnung zugeordnete Laufzeit,
aus den Echos zwei derselben bestimmten Ordnungen für jeden gesendeten Impuls ausgewählt werden,
ein elektrisches Dauerschwingungssignal einer Periode t₃ ausgegeben wird, welche dem Zeitintervall zwischen den Echos bestimmter Ordnungen in bezug auf denselben gesendeten Impuls entspricht, und das Zeitintervall zwischen Echos gleicher Ord nung in bezug auf zeitlich benachbart gesendete Impulse, das t₁ entspricht, derart gesteuert wird, daß es gleich einem ganzzah ligen Vielfachen von t₃ ist, so daß sich t_t = t₃ ergibt.

2. Vorrichtung zur Ultraschallwellenmessung, bei der vorgege benen Schallwegen zugeordnete Echos, einschließlich Mehrfach echos, die periodisch auf der Basis von von einem Ultraschall wellensender durch ein Meßmedium gesendeten Impulsen erzeugt und von einem Ultraschallwellenempfänger empfangen werden, um die Geschwindigkeit (V) des Schalls, der sich durch das Medium fortgepflanzt hat, auf der Basis der aus den Echos bestimmten Laufzeit t_t des Schalls und des Schallwegs L zu bestimmen, wobei das Zeitintervall t₁ zwischen den periodisch gesendeten Impul sen größer ist als die dem zu erfassenden Echo höchster Ordnung zugeordnete Laufzeit, wobei die Vorrichtung umfaßt:
eine Dauerschwingungs-Regelungseinrichtung (27) zum Auswäh len von zwei Echos derselben bestimmten Ordnung aus den Echos für jeden gesendeten Impuls, Ausgeben eines elektrischen Dauer schwingungssignals einer Periode t₃, welche dem Zeitintervall t_t zwischen den Echos bestimmter Ordnungen in bezug auf densel ben gesendeten Impuls entspricht, zur Steuerung des Zeitintervalls zwischen Echos gleicher Ordnung in bezug auf zeitlich benach bart gesendete Impulse, das t₁ entspricht, derart, daß es gleich einem ganzzahligen Vielfachen von t₃ ist, und zur Steuerung eines Zeitintervalls zwischen einander benachbarten Echos, so daß sich t_t = t₃ ergibt,
einen Zeitmeßkreis (24) zum Messen der Periode t₃ des Dauerschwingungssignals als die Laufzeit t_t, während die Steue rung durch die Dauerschwingungs-Regelungseinrichtung (27) in Kraft ist, und
eine Verarbeitungsschaltungseinrichtung (25) zum Bestimmen der Geschwindigkeit (V) durch Verwenden des Meßergebnisses des Zeitmeßkreises (24).