-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschallsignalverarbeitung,
insbesondere für
Ultraschallmessvorrichtungen wie Durchflussmesser. Genauer gesagt,
wird eine Signalverarbeitungstechnik zur Verbesserung des Verhältnisses
von Signal zu Geräusch
in Ultraschallmessvorrichtungen, die in einer geräuschreichen
Umgebung arbeiten, zum Beispiel Ultraschalldurchflussmessern in
der Nähe
eines Druckreduzierventils, offenbart.
-
Ultraschallgasdurchflussmesser
messen den Gasfluss mit Hilfe von Ultraschallsignalen. Zu diesem
Zweck weist ein Ultraschallgasdurchflussmesser einen oder mehrere
akustische Pfade auf, wobei jeder Pfad zwischen einem Paar Ultraschall-Transducern festgelegt
ist. Jeder Transducer eines solchen Paares ist in der Lage, Signale
zum anderen Transducer zu übertragen
und von ihm zu empfangen. Im Betrieb übertragen und empfangen beide
Transducer im Wechsel, so dass ein akustisches Signal entsteht,
das den akustischen Pfad entlang läuft – entweder parallel oder winklig – innerhalb des
Messgerätekörpers in
Flussrichtung (stromabwärts)
und gegen die Flussrichtung (stromaufwärts). Der Unterschied in der
Laufzeit für
beide Übertragungsrichtungen
ist proportional zur Gasgeschwindigkeit. Um auch niedrige Gasgeschwindigkeiten
exakt messen zu können,
müssen
die Laufzeiten selber oder der Unterschied in der Laufzeit mit sehr
hoher Genauigkeit und Auflösung
rechtzeitig gemessen werden.
-
Typischerweise
arbeiten Ultraschallgasdurchflussmesser unter Verwendung einer Anzahl von
kurzen Impulsen von Hochfrequenzsignalen (beispielsweise 5 Zyklen
lang). Typischerweise liegt die Betriebsfrequenz von Ultraschall-Transducern im Bereich
zwischen 50 kHz und 500 kHz. Da in Ultraschallgasdurchflussmessern
Unterschiede in den Laufgeschwindigkeiten extrem genau gemessen werden
müssen,
ist eine hochgenaue Bestimmung oder Auflösung in der Laufzeitmessung
ein Muss. Dies kann nicht erreicht werden, wenn man die Hüllkurve
des empfangenen Impulssignals verwendet, auch wenn diese kurz ist.
Um eine befriedigende Auflösung
zu erhalten, ist die genaue Zeit der Nullpunktskreuzungen im Impulssignal
notwendig. Da typischerweise Mehrfachnullpunktskreuzungen im Impulssignal
vorhanden sind, entsteht so das Problem, eine oder mehrere spezielle
Nullpunktskreuzungen zu identifizieren und zu orten, die als Bezugspunkt(e) für die Laufzeitmessung
verwendet werden können. Dies
kann mit Hilfe der Form der Hüllkurve
des Impulssignals gelöst
werden.
-
In
einer Gaspipeline kann ein Ultraschallgeräusch von verschiedenen anderen
Quellen ausgesandt werden. Das Frequenzspektrum eines solchen Geräusches kann
bis in den Frequenzbereich ragen, in dem Ultraschall-Transducer
arbeiten. Ein solches Geräusch
kann ein flussinduziertes Geräusch
sein oder ein Geräusch,
das von der Ausrüstung
induziert ist, wie ein Geräusch,
das von Druckreduzierventilen ausgesandt wird. Die letztere Art
von Störgeräuschen ist
gravierender, insbesondere, wenn solche Druckreduzierventile bei
hohen Druckdifferentialen arbeiten, beispielsweise über 10 oder
20 bar. Unter diesen Umständen
kann die Menge an verlorener Energie ziemlich erheblich sein. Selbst
wenn nur ein sehr kleiner Anteil davon in akustische Energie umgewandelt
wird, kann immer noch eine ernstzunehmende Menge an Geräusch ausgesandt
werden.
-
Das
Geräusch
von solchen Ventilen kann dadurch charakterisiert werden, dass es
einige vorherrschende Spitzen bei diskreten (niederen) Frequenzen
aufweist, es wird aber passender als Breitbandgeräusch beschrieben.
Die Hüllkurve
des Frequenzspektrums weist typischerweise ein Maximum im Bereich
zwischen 30 kHz und 80 kHz auf. Das zeigt an, dass sogar außerhalb
dieses Frequenzbereiches beträchtliche
Mengen an Ultraschallenergie vorhanden sein können.
-
Das
gleiche gilt für
Ventile, die so ausgelegt sind, dass sie sogenannte „stille
Ventile" sind. Das Wort „still" bezieht sich typischerweise
auf das Geräusch
im hörbaren
Bereich. Manchmal wird eine Reduzierung des Geräusches im hörbaren Bereich durch Auslegungsvariationen
erreicht, die die Aussendung von Geräusch zu höheren Frequenzen verschieben.
Da dieses Geräusch
von Natur aus Breitband ist, reicht es leicht in den Frequenzbereich,
in dem Ultraschall-Transducer
für Ultraschallgasdurchflussmesser
arbeiten können.
-
Bedingt
durch die praktischen Grenzen ist die Kraft der Signale, die in
einem Ultraschalldurchflussmesser verwendet werden, auf bestimmte
Ebenen beschränkt.
Es ergibt sich das Problem, dass entweder das Geräusch die
Ultraschallsignale des Durchflussmessers stört, oder die Ultraschallsignale des
Durchflussmessers können
sogar vollständig durch
das Geräusch überdeckt
oder maskiert sein. Das Ergebnis davon ist, dass die Ultraschallsignale, die
vom Durchflussmesser verwendet werden, unentdeckbar werden und deshalb
das Messgerät
unbrauchbar werden kann.
-
Bis
heute sind auf verschiedenen Wegen Versuch gemacht worden, das Problem
des akustischen Geräusches,
das die Signale eines Ultraschalldurchflussmessers stört, zu lösen.
-
Versuche
wurden angestellt, um das Problem der akustischen Geräusche, die
die Signale eines Ultraschalldurchflussmessers stören, dadurch
zu lösen,
dass der Ultraschallgasdurchflussmesser und die Geräuschquelle
räumlich
getrennt werden. Das bedeutet, dass beide durch das Einsetzen eines
langen Rohrstückes
zwischen dem Messgerät
und der Geräuschquelle
getrennt werden, vorzugsweise auch unter Verwendung von Rohrbogen
und T-Stücken.
Da der vorhandene Raum nicht immer einen solchen Versuch zulässt, kann
sich diese Methode nicht nur als kostspielig herausstellen, sondern
ist oft auch nicht durchführbar,
Es wurde auch versucht, die Betriebsfrequenz des Durchflussmessers
vom Frequenzbereich des Ultraschallgeräusches weg zu bewegen. Bedingt
durch die ansteigende Dämpfung des
Ultraschallsignals im Fluid bei steigender Frequenz, wird für den praktischen
Einsatz der brauchbare Frequenzbereich auf ein Maximum von etwa 300
bis 500 kHz begrenzt. Das begrenzt den Vorteil, der auf diese Weise
erhalten werden kann.
-
Spezielle
Vorrichtungen zur Geräuschvermeidung
wurden entwickelt, um die Geräuschquelle und
den Ultraschalldurchflussmesser jeweils voneinander zu trennen.
Die Effektivität
solcher Vorrichtungen ist begrenzt, da diese Vorrichtungen bei höheren Gasgeschwindigkeiten
selber Geräusche
erzeugen können
(flussinduziertes Geräusch),
und sie können wiederum
beträchtliche
Kosten beinhalten.
-
Auch
wurden Versuche gemacht, eine Anzahl verschiedener Signalverarbeitungstechniken einzusetzen,
um das Verhältnis
von Signal zu Geräusch
zu verbessern, die als Filtern, Durchschnittsbildung, Stapeln und
Korrelation bezeichnet werden.
-
Die
Anwendung von Filtertechniken im Frequenzbereich bietet keine große Verbesserung,
da das Frequenzspektrum des Geräusches
oft mit der Betriebsfrequenz des Ultraschalldurchflussmessers überlappt.
Typischerweise arbeiten auch die Ultraschall-Transducer in einem
Resonanzmodus, um die höchste
Effizienz zu erreichen, als Folge daraus wirken die Transducer selber
als Frequenzselektionsvorrichtungen. Deshalb ist der Einsatz von
zusätzlicher
elektronischer Schalttechnik oder Software zur Filterung des Signals
im Frequenzbereich nicht sehr effektiv.
-
Eine
Verbesserung des Verhältnisses
von Signal zu Geräusch
kann durch die Vergrößerung der Menge
an Ultraschallenergie durch die Verlängerung der Dauer des Impulssignals
erreicht werden. Das leidet unter dem Problem, dass es schwieriger
wird, einzeln eine spezielle Nullpunktskreuzung mit Hilfe der Form
der Hüllkurve
zu identifizieren und zu orten, oder es leidet unter Zweideutigkeit,
wenn Phasenerkennungstechniken verwendet werden, da die zu messende
Laufzeit multiple Perioden des Signals darstellt und die Phasenverschiebung
ein Vielfaches von 2π ist.
-
Ein
anderes bekanntes Verfahren zur Verbesserung des Verhältnisses
von Signal zu Geräusch
wird als Stapelung bezeichnet. Das bedeutet eine Durchschnittbildung
des Signals, die durch wiederholtes Senden und Empfangen eines Ultraschallsignals
erhalten wird. Es wird angenommen, dass die empfangenen Impulssignale
so korreliert sind, dass diese Addition des vielfach empfangenen
Impulssignals als Ergebnis ein verstärktes Signal ergibt, während das
Geräusch
unkorreliert ist und deshalb reduziert wird, wenn vielfach empfangene
Signale addiert werden. Die empfangenen Signale werden addiert, indem
die Zeit des Aussendens als Bezugspunkt genommen wird, um die empfangenen
Impulssignale zu synchronisieren, während diese addiert werden.
-
Auch
dieses Verfahren hat seine Grenzen wegen der natürlichen Turbulenz im Gasfluss.
Die Turbulenz hat als Ergebnis eine Veränderlichkeit der Laufzeit (auch
bekannt als „Flimmern") zur Folge, als deren
Ergebnis die empfangenen Impulssignale unkorreliert werden. Das
bedeutet, wenn die Zeit des Aussendens als Bezugspunkt genommen
wird, dass die empfangenen Signale nicht zufällig genau zusammen fallen,
wenn sie addiert werden. Die Durchschnittsbildungs- oder Stapelungstechnik
ist deshalb nur in einer kurzen Zeitskala effektiv: einer Zeitskala, die
kurz genug ist im Vergleich mit der Periodizität des Turbulenzphänomens,
um die Varianzen in der Laufzeit auf Werte zu begrenzen, die wesentlich
kleiner sind als eine Periode der Frequenz im Impulssignal. Das
begrenzt die Anzahl der empfangenen Impulssignale, die effektiv
addiert werden können,
um das Verhältnis
von Signal zu Geräusch
zu steigern.
-
In
der Beschreibung des oben angegebenen Verfahrens wurde angenommen,
dass jeder Zyklus des Aussendens eines Ultraschallimpulssignals
und des Empfangens des gleichen Signals vollendet ist, bevor der
nächste
initiiert wird. Deshalb kann ein neuer Zyklus nur beginnen, nachdem
das akustische Signal durch das Fluid entlang des akustischen Pfades
gelaufen ist, was bis zu einigen Millisekunden dauern kann, insbesondere
bei einem großen
Messgerät,
das lange akustische Pfade aufweist. Das begrenzt die Anzahl von
Pulsen auf die Anzahl, die innerhalb eines speziellen Zeitintervalls
geschickt werden kann, das heißt
die Zeit, die das akustische Signal wie erhalten als korreliert
erachtet werden kann.
-
Als
Alternative zu diesem Verfahren, kann der Prozess des Sendens und
Empfangens eines akustischen Pulses verschachtelt oder überlappt werden,
das heißt,
dass akustische Pulse (Impulssignale) abgesendet werden, während frühere akustische
Pulse immer noch durch das Gas laufen. Das Ergebnis ist, dass eine
Sequenz von akustischen Pulsen am Empfänger ankommt. Das Problem bei diesem
alternativen Verfahren ist es allerdings, jeden der Pulse aus einer
Sequenz zu identifizieren, wenn sie ankommen, da sie durch das akustische
Geräusch
stark verzerrt sein können,
oder sogar durch das akustische Geräusch überdeckt oder maskiert sein
können.
Die Durchschnittsbildung der einzelnen Impulssignale innerhalb einer
Folge unter Verwendung der bekannten Wiederholungsrate des Abfeuerns
der Pulse hilft die Pulse aus dem Geräusch zurück zu gewinnen und die Pulse
auffindbar zu machen, doch das resultiert in Zweideutigkeit. Das
bedeutet, dass das Impulssignal an verschiedenen Punkten rechtzeitig
wieder aufgefunden werden kann, während es nicht möglich ist,
zu entdecken, welches tatsächlich
die Laufzeit darstellt.
-
Korrelationstechniken
sind Allzwecksignalverarbeitungsmethoden, die auf verschiedene elektronischen
Messungen angewendet werden können. Hauptverwendungen
sind das Aufspüren
der Anwesenheit und die Ortung von Signalen, die von Geräusch überdeckt
sind. Die Wellenform des Signals ist im Allgemeinen bekannt, beispielsweise
das Signal, das von einem Ultraschall-Transducer übermittelt
wird. Der Korrelationsprozess schiebt zusätzlich die Bezugswellenform über das
Signal, das verarbeitet werden soll, und hält nach dem passenden Signal Ausschau.
Signale, die nicht mit der Bezugswellenform in Bezug stehen, ergeben
einen Korrelationswert von 0. Wird ein passendes Signal gefunden, steigert
sich der Korrelationswert auf einen maximalen Wert von 1 für eine perfekte Übereinstimmung und
auf –1
für eine
passende, aber invertierte Wellenform. Der maximale Wert der Korrelationsfunktion dient
beiden Zwecken. Wenn der maximale Wert nahe 1 ist, ist das gewünschte Signal
anwesend, und die Ortung des Maximums ist ein Maß für die Verzögerung der Ausbreitung (oder
Laufzeit).
-
Die
Anwendung der Korrelationsfunktion auf die Laufzeitmessung in einem
Ultraschallmessgerät leidet
unter verschiedenen Nachteilen. Sie ist Computer-intensiv (sie braucht
beispielsweise eine Menge Verarbeitungsleistung) und, wenn man die
sehr hohe Zeitauflösung
bedenkt, die für
die Laufzeitmessung notwendig ist, braucht sie sehr hohe Abfragefrequenzen.
-
Die
Druckschrift US-A-5818735 beschreibt ein Verfahren zur Signalverarbeitung
eines Ultraschalldurchflussmessers.
-
Im
Hinblick auf die oben genannten Nachteile im Stand der Technik ist
es Aufgabe der Erfindung, eine Ultraschallsignalverarbeitungstechnik
vorzusehen, die das Verhältnis
von Signal zu Geräusch
verbessert, insbesondere unter geräuschintensiven Umständen.
-
Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Ultraschallsignalverarbeitungstechnik
vorzusehen, die die eindeutige Identifizierung eines einzelnen Ultraschallimpulssignals
innerhalb eines empfangenen Signals erlaubt, das eine Reihe von
nacheinander übertragenen
Impulssignalen darstellt.
-
Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine genaue Messung der Laufzeit
eines Ultraschallsignals vorzusehen.
-
Noch
ein weiteres Ziel ist es, ein genaues Bestimmungsverfahren für eine Fließeigenschaft
eines Fluids wie eines Gases oder einer Flüssigkeit vorzusehen, zum Beispiel
die Fließgeschwindigkeit, unter
Verwendung einer Ultraschallmesstechnik.
-
Und
noch ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung vorzusehen,
die in der Lage ist, solche Verfahren oder Messungen auszuführen.
-
Entsprechend
einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Signalverarbeitungsverfahren
zur Verbesserung des Verhältnisses
von Signal zu Geräusch
bei Ultraschallmessungen, wobei das Verfahren umfasst: die Übertragung
einer vorbestimmten, zeitlich festgelegten Sequenz einer Anzahl
von Ultraschallimpulssignale zu einem ersten Transducer, wobei die
Zeiträume
zwischen den nacheinander übertragenen
Impulssignalen dieser Sequenz entsprechend einem nicht einheitlichem
Muster festgelegt sind, wobei zumindest ein Zeitraum sich von einem anderen
Zeitraum unterscheidet, und den Empfang eines Signals, das diese übertragenen
Sequenz von Ultraschallimpulssignalen zu einem zweiten Transducer
darstellt, die Addition von mehrfach zeitverschobenen Kopien des
empfangenen Signals zu diesem ursprünglich empfangenem Signal,
um eine Summe des ursprünglich
empfangenen Signals und seiner zeitverschobenen Kopien zu bekommen,
wobei die Zeitverschiebung einer Kopie in Bezug zu dem vorherbestimmten
Muster steht, und die Rekonstruierung eines ursprünglichen
Impulssignals, das aus dieser Summe ein verbessertes Verhältnis von
Signal zu Geräusch
aufweist.
-
Das
Signalverarbeitungsverfahren gemäß der Erfindung
schließt
das Übertragen
einer Sequenz von kurzen Impulssignalen in einem relativ kurzen Zeitintervall
ein. In dieser Sequenz kann ein nächster Impuls übertragen
werden, bevor der vorhergehende Impuls am empfangenden Transducer
angekommen ist. Als Ergebnis kann das Zeitintervall, in dem die komplette
Sequenz von Impulssignalen ausgesandt wurde, mit dem Zeitintervall überlappen,
in dem die Sequenz von Impulssignalen am empfangenden Transducer
empfangen wird. Gemäß der Erfindung werden
die Ultraschallimpulssignale entsprechend einem nicht einheitlichem
Muster übertragen.
Das bedeutet, dass der Zeitraum zwischen nacheinander übertragenen
Ultraschall-Impulssignalen nicht konstant ist. Anstelle davon unterscheidet
sich mindestens ein Zeitraum von den anderen Zeiträumen.
-
Während ein
Transducer eines Transducer-Paares, das den akustischen Pfad definiert,
eine Sequenz von Impulssignalen aussendet, wird ein Signal, das
die Sequenz von Impulssignalen darstellt, die am anderen Transducer
empfangen werden, digitalisiert und zur weiteren Verarbeitung in
einem Speicher gespeichert. Dieses gespeicherte Signal enthält die vollständige Serie
von Impulssignalen, wie sie ausgesendet wurden, obwohl auf den ersten
Blick die einzelnen Impulssignale aus der übertragenen Sequenz wegen des
vorhandenen Geräusches
nicht erkennbar sein mögen.
-
Das
Signalverarbeitungsverfahren schließt das Erzeugen von vielfach
zeitverschobenen Kopien des empfangenen Signals ein, die die übertragene Sequenz
der Impulssignale darstellen. Die Zeitverschiebungen zwischen den
Kopien des empfangenen Signals stehen in Bezug zu dem nicht einheitlichen
Muster, so dass eindeutig ein oder mehrere Signalimpulse (jedoch
vorzugsweise einer), der ein verbessertes Verhältnis von Signal-zu-Geräusch-Signal
aufweist, rekonstruiert werden kann. Als Ergebnis der Addition wird
in der resultierenden Summe ein rekonstruiertes, vergrößertes Signal
erhalten, das einen Signalimpuls von der ursprünglich übertragenen Sequenz darstellt,
während
der verbleibende Teil des ursprünglich
empfangenen Signals, der das Geräusch
und die anderen Signalimpulse von der anfangs übertragenen Sequenz darstellt,
gedämpft oder
gelöscht
wird. So kann die genaue Laufzeit dieses rekonstruierten Signals
gemessen werden und, zum Beispiel für die Berechnung der zurückgelegten Entfernung
oder einer Fliesseigenschaft, verwendet werden.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sind alle Zeiträume
zwischen nacheinander übertragenen Signale
dieser Sequenz unterschiedlich. Bei dieser Ausführungsform ist keiner der Zeiträume gleich, aber
sie sind alle auf verschiedene Werte eingestellt. Zum Beispiel wachsen
die Zeiträume
zusätzlich
im Hinblick auf den vorhergehenden Zeitraum. So kann nur ein Impulssignal
aus dem kompletten, empfangenen Signal rekonstruiert werden.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Anzahl von Kopien gleich der Anzahl der Impulssignale in
der Sequenz minus eins, so dass die Anzahl der Faktoren, die hinzugefügt werden
müssen,
das heißt
das ursprünglich
empfangene Signal und seine Kopien, gleich ist der Gesamtzahl der
Impulssignale in der übertragenen
Sequenz.
-
Günstiger
ist es, wenn die Zeitverschiebungen proportional sind, am besten
identisch, zu den Zeiträumen.
Das bedeutet, dass das nicht einheitliche Muster so ausgewählt wird,
dass in jeder zeitverschobenen Kopie des empfangenen Signals nur
ein Impulssignal der ganzen Sequenz mit einem speziellen des ursprünglich erhaltenen
Signals zusammenfällt.
Wenn man die zeitverschobenen Kopien der Sequenz dazurechnet, so
erhält
man eine Reduzierung oder sogar eine Auslöschung des Geräusches,
während
das gewählte
Impulssignal, das zusammenfällt, sich
jedes Mal in der Amplitude vergrößert. Auf
diese Weise wird das Verhältnis
von Signal zu Geräusch verbessert,
und das ursprüngliche
Impulssignal wird ohne Zweideutigkeit rekonstruiert.
-
Es
ist von Vorteil, die Form eines ursprünglichen Impulssignals zu rekonstruieren,
da dadurch zumindest eine spezielle Nullpunktskreuzung, als Bezug
definiert werden kann, die zum Beispiel zur Feststellung der Laufzeit
des akustischen Signals verwendet werden kann.
-
Das
Signalverarbeitungsverfahren gemäß der Erfindung
hat eine gewisse Ähnlichkeit
mit dem „Durchschnittsbildungs-" oder „Stapelungs-" Verfahren, das oben
diskutiert wurde. Allerdings enthält im Verfahren nach der Erfindung
die übertragene
Sequenz von Impulssignalen besondere Zeitmessinformationen, die
die Rekonstruktion eines speziellen Musters aus der Sequenz erlauben.
Das Verfahren weist also eine gewisse Ähnlichkeit mit der Korrelationstechnik
auf, da das empfangene Signal unter Verwendung des ursprünglich übertragenen
Signals rekonstruiert wird. Allerdings ist bei der Korrelationstechnik
eine Korrelationsfunktion eine Funktion von zwei Variablen, und
das Ergebnis muss keinerlei Ähnlichkeit
mit dem Originalimpulssignal aufweisen, während bei dieser Erfindung
die vielfach zeitverschobenen Kopien dazu verwendet werden, die
ursprüngliche
Signalform zu rekonstruieren. Das rekonstruierte Signal kann dann
dazu verwendet werden eine spezielle Nullpunktskreuzung als Bezugspunkt
zur Messung der Laufzeit des akustischen Signals zu identifizieren,
zum Beispiel in einem Ultraschalldurchflussmesser zur Bestimmung
der Fliesseigenschaften eines Fluids, wie Gas, in einer Leitung.
-
Zusätzlich zu
den Durchflussmessern kann das Ultraschallverarbeitungsverfahren
gemäß der Erfindung
auch bei Ultraschallabstandsmessvorrichtungen eingesetzt werden.
In einem Ultraschallabstandsmessystem genügt die Laufzeit einer Sequenz von
Impulssignalen, die in einer Richtung von einem ersten Transducer
losgeschickt werden, und anschließend von demselben oder einem
anderen Transducer empfangen werden, um den Abstand, der gemessen
werden soll, zu bestimmen.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung
der Fließeigenschaft
eines Fluids in einer Leitung unter Verwendung einer Ultraschallmessvorrichtung,
die umfasst: die Übertragung
einer zeitlich festgelegten Sequenz einer Anzahl von Ultraschallimpulssignalen
zu einem ersten Transducer, so dass die Zeiträume zwischen den nacheinander übertragenen
Impulssignalen dieser Sequenz entsprechend einem nicht einheitlichem Muster
eingestellt werden, und das Empfangen eines Signals, das die Sequenz
von Ultraschallimpulssignalen bei einem zweiten Transducer enthält, die
Addition mehrfach zeitverschobener Kopien des empfangenen Signals,
um eine Summe des ursprünglich empfangenen
Signal und seiner zeitverschobenen Kopien zu erhalten, wobei die
Zeitverschiebungen sich auf dieses vorbestimmte Muster beziehen,
die Rekonstruktion eines ursprünglichen
Impulssignals, die Bestimmung der Laufzeit dieses rekonstruierten ursprünglichen
Impulssignals und die Berechnung der Fließeigenschaft unter Verwendung
dieser Laufzeit. Da in diesem Verfahren gemäß der Erfindung die Grundsätze des
Ultraschallsignalverarbeitungsverfahrens gemäß der Erfindung, wie sie oben
diskutiert wurden, eingesetzt werden, kann das ursprüngliche
Impulssignal exakt und eindeutig rekonstruiert werden, mit dem Ergebnis,
dass die Laufzeit exakt berechnet werden kann, ebenso wie die Fließeigenschaft,
die in Bezug zur Laufzeit steht. Beispiele einer solchen Fließeigenschaft
sind die Fließgeschwindigkeit
und der Fließdurchsatz,
der Energiegehalt eines brennbaren Gases wie Erdgas und dergleichen.
-
Die
oben bezeichneten, bevorzugten Ausführungsformen des Signalverarbeitungsverfahrens gemäß der Erfindung
lassen sich in gleicher Weise auf diesen zweiten Aspekt der Erfindung
anwenden.
-
Ein
weiterer Aspekt der Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung
zur Bestimmung der Fließeigenschaft
eines Fluids in einer Leitung, die einschließt: Ultraschallübertragungsmittel
zum Erstellen einer vorgegebenen, zeitlich festgelegten Sequenz
einer Anzahl von Ultraschallimpulssignalen zur Einleitung in das
Fluid, Zeitmessmittel zur Festlegung der Übertragungszeit jedes Impulssignals
dieser Sequenz gemäß einem
vorher festgelegten, nicht einheitlichem Muster, Ultraschallempfangsvorrichtungen
zum Empfang eines Signals, das diese Sequenz von Ultraschallimpulssignalen
darstellt, und Signalverarbeitungsmitteln zur Verarbeitung dieses
Signals, um die Fließeigenschaft
dieses Signals zu bestimmen, wobei die Signalverarbeitungsmittel
Mittel zur Erstellung mehrfach zeitverschobener Kopien des empfangenen
Signals umfassen, wobei diese Kopien gemäß einem vorher festgelegten
Bezug mit dem nicht einheitlichem Muster zeitverschoben sind, und
zur Addition der mehrfach zeitverschobenen Kopien des empfangenen
Signals zum empfangenen Signal und zur Rekonstruktion eines ursprünglichen
Impulssignals und zur Berechnung der Fließeigenschaft unter Verwendung
des rekonstruierten ursprünglichen
Impulssignals.
-
Bei
dieser Vorrichtung gemäß der Erfindung sind
die Signalverarbeitungsmittel so ausgebildet, dass eine Anzahl von
zeitverschobenen Kopien des empfangenen Signals erzeugt werden.
Diese Kopien werden zum ursprünglich
empfangenen Signal addiert. Aus der Summe wird ein ursprünglich abgesandtes
Impulssignal erhalten, aus dem wiederum die gewünschte Fließeigenschaft berechnet wird. Beispielsweise
kann die Fließgeschwindigkeit
aus der Differenz in der Laufzeit einer Sequenz von Impulssignalen
erhalten werden, die in die Richtung des Flusses (stromabwärts) übertragen
werden und einer Sequenz von Impulssignalen, die in der Gegenrichtung
(stromaufwärts) übertragen
werden.
-
Vorzugsweise
sind die Mittel so ausgebildet, dass mit ihnen die Ausführung der
bevorzugten Ausführungsbeispiele
des Verfahrens gemäß der Erfindung,
wie oben beschrieben, möglich
ist.
-
Die
Erfindung wird weiter anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
-
1 die
grundlegenden Elemente eines Einpfad-Ultraschalldurchflussmessers;
-
2 ein
Blockdiagramm eines Ultraschalldurchflussmesser gemäß der Erfindung;
-
3 die übertragenen
und empfangenen Wellenformen eines Ultraschallfluss messers gemäß dem Stand
der Technik;
-
4 die übertragenen
und empfangenen Wellenformen gemäß der Erfindung;
und
-
5 die verarbeiteten Wellenformen gemäß der Erfindung.
-
1 zeigt
die grundlegenden Elemente eines Beispiels eines Durchflussmesssystems
zur Bestimmung des Fluidflusses in einer zylindrischen Leitung 1.
Von einem Paar Transducer 2a, 2b ist jeder durch
elektrische Leitungen 4a, bzw. 4b mit einer Signalverarbeitungseinheit
verbunden, die als Ganzes mit Bezugsziffer 100 bezeichnet
ist. Die Transducer 2a, 2b sind so positioniert,
dass sie einen Abfrageweg 3 mit genau festgelegten geometrischen
Abmessungen definieren. Der Abfrageweg, der in 1 gezeigt
ist, ist ein Mittellinienweg vom Rückpralltyp. Es sind jedoch
auch andere Anordnungen von Transducern und Wegkonfigurationen möglich, zum
Beispiel ein Innenkreisdreieck (das zwei Rückpraller gegen die Wand der
Leitung aufweist).
-
2 ist
ein Blockdiagramm eines Ultraschalldurchflussmessers gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ein Paar Transducer 2a, 2b wird auf eine Leitung 1 montiert,
die den Abfrageweg 3 festlegt. Die Transducer 2a, 2b sind
mit elektrischen Leitungen 4a, 4b sowohl mit dem
Messgenerator 5 als auch mit dem Signalempfänger 11 verbunden.
Der Messgenerator 5 wird von der Zeitmess- und Steuerungseinheit
(TCU) 21 über
Steuerung und Datenbus 22 gesteuert, um den oder die Transducer 2a, 2b mit
einem Ultraschallsignal zu bestimmten Momenten rechtzeitig zu versorgen.
Das Übertragungssignal selbst
wird durch eine digitalen Signalprozessor (DSP) 23 berechnet
und in den RAM 7 des Messgenerators durch direkten Speicherzugriff
(DMA) 6 geladen. Gesteuert von der TCU 21 verschiebt
der Messgenerator 5 das Übertragungssignal, das in der RAM 7 gespeichert
ist, sequentiell zum Digital/Analog-Umwandler (DAC) 8.
Der Ausstoß des
DAC 8 wird durch den Kraftverstärker 9 verstärkt. Ein Übertragungs-Multiplexer 10 versieht
ein oder mehrere Transducer 2a, 2b mit dem zu übertragenden
Ultraschallsignal.
-
Die
Transducer 2a, 2b sind ebenfalls mit dem Signalempfänger 11 verbunden.
Der Signalempfänger 11 besteht
aus Puffern/Vorverstärkern 12a, 12b und
einem Empfangs-Multiplexer 13. Ähnlich wie
der Messgenerator 5 wird der Signalempfänger 11 durch die
TCU 21 gesteuert, um einen Signalverstärker 14 mit den entsprechenden
Transducer-Signalen
zu versehen. Der Signalverstärker 14 wird
von einer automatischen Verstärkungssteuerung
(AGC) 16 gesteuert. Das verstärkte Signal wird dann durch
den Signalumwandler 17 digitalisiert. Gesteuert durch die
TCU 21 schreibt der Digital/Analog-Umwandler (ADC) 18 das
gesammelte Signal auf einen RAM 19. Der Inhalt des RAM 19 ist
durch den direkten Speicherzugriff (DMA) 20 zugänglich.
Die digitale Signalverarbeitungseinheit DSP 23 verarbeitet
die gesammelten Daten von RAM 19 gemäß der Erfindung. Daten in verschiedenen
Stadien der Verarbeitung können
an der Benutzerschnittstelle durch die Input/Output-Einheit 24 erhalten
werden.
-
3 zeigt die übertragenen und empfangenen
Wellenformen eines herkömmlichen
Ultraschalldurchflussmessers.
-
3a zeigt
ein Beispiel einer übertragenen Wellenform
eines Ultraschall-Transducers mit einer Mittelfrequenz von annähernd 200
kHz und einer Bandbreite von annähernd
40 kHz. Die Impulsantwort (Y-Achse) eines Transducer 2a, 2b wird als
Funktion der Zeit dargestellt (X-Achse, Sekunden).
-
3b zeigt
die Wellenform der 3a, jedoch „gezoomt" auf ungefähr 10 Zyklen (der 200 kHz Transducer-Frequenz)
jeweils sowohl vor (t < 0)
als auch nach (t > 0)
dem Auslösen
des Transducers.
-
3c zeigt
die empfangene Wellenform bei einem mittleren Verhältnis von
Signal zu Geräusch. Die
Ausbreitungszeit eines Signals zwischen einem Paar von Transducern
beträgt
eine Millisekunde (ms).
-
3d zeigt
die Wellenform der 3c, jedoch „gezoomt" auf etwa 10 Zyklen der 200 kHz Transducer-Frequenz,
jeweils vor und nach der Ausbreitungsverzögerung. Die empfangene Wellenform zeigt
gute Konformität
mit der übertragenen
Wellenform. Verschiedene Verfahren lassen sich zur Entdeckung der
Anwesenheit dieser Wellenform und der Abschätzung der Ausbreitungsverzögerung einsetzen,
einschließlich
des sehr einfachen Angleichens des Grenzbereichs des Signals.
-
3e zeigt
die empfangene Wellenform bei einem sehr niedrigen Verhältnis von
Signal zu Geräusch.
Die Signalverzögerungszeit
beträgt
wiederum eine Millisekunde (ms). Es ist offensichtlich, dass die
Wellenform des ursprünglich übertragenen
Signals komplett von Geräusch überdeckt
ist. Deshalb ist es nicht möglich,
die Anwesenheit und die Ausbreitungsverzögerung des übertragenen Signals zu entdecken.
-
4 zeigt die übertragenen und empfangenen
Wellenformen gemäß der Erfindung.
-
4a zeigt
eine übertragene
Wellenformprobe, die aus 8 einzelnen Impulsen mit Wellenformen ähnlich der Übertragungswellenform
der 3a und 3b besteht.
In anderen Worten, die Sequenz besteht aus 8 Ultraschallimpulssignalen.
In diesem Beispiel der Erfindung ist der Abstand der einzelnen Wellenformen
nicht einheitlich sondern zeitabgelenkt, das heißt alle Abstände sind
unterschiedlich.
-
4b stellt
die Wellenform der 4a dar, doch wiederum „gezoomt", um die einzelnen
kleinen Wellen oder Ultraschallimpulssignale und die dazugehörenden Abstände genauer
zu zeigen.
-
4c zeigt
die empfangene Wellenform bei einem sehr niedrigen Verhältnis von
Signal zu Geräusch
(vergleichbar mit dem Verhältnis
von Signal zu Geräusch
zu dem in 3e gezeigten). Die Ausbreitungsverzögerung beträgt eine
Millisekunde (ms). Genau wie im Fall, der in 3e dargestellt, sind
im Signal, wie es empfangen worden ist, die übertragenen, einzelnen kleinen
Wellen durch Geräusch überdeckt.
-
4d zeigt
die Wellenform der 4c, jedoch „gezoomt" auf ungefähr 10 Zyklen (der 200 kHz Transducer-Frequenz),
jeweils vor und nach der Ausbreitungsverzögerung.
-
5 zeigt die Wellenformen, wie sie gemäß der Erfindung
verarbeitet worden sind.
-
In 5a ist
die oberste Kurve identisch mit der empfangenen Wellenform, die
in 4c gezeigt wurde. Die 7 Kurven unter
der obersten Kurve sind zeitverschobene Kopien der empfangenen Wellenform.
Die Zeitverschiebungen sind identisch mit den Abständen der übertragenen
einzelnen kleinen Wellen (4a und 4b).
Die unterste Kurve stellt die Summe der ursprünglich empfangenen Wellenform und
ihrer zeitverschobenen Kopien dar.
-
5b zeigt
die gleiche verarbeitete Wellenform wie sie in der unteren Kurve
der 5a gezeigt ist: die Summe der ursprünglich empfangenen
Wellenform und ihrer zeitverschobenen Kopien. Diese verarbeitete „empfangene" Wellenform weist
alle Eigenschaften der empfangenen Wellenform auf, die sich aus
der Übertragung
einer einzelnen kleinen Welle ergeben, jedoch bei einem verbesserten
Verhältnis
von Signal zu Geräusch.
-
5c zeigt
die Wellenform der 5b, jedoch „gezoomt" auf etwa 10 Zyklen (der 200 kHz Transducer-Frequenz),
jeweils vor und nach der Ausbreitungsverzögerung.
-
Es
ist offensichtlich, dass das Signalverarbeitungsverfahren gemäß der Erfindung
die Rekonstruktion eines Impulssignals aus der ursprünglich übertragenen
Serie, die nicht maskiert, vergraben oder anderweitig von Geräusch verdeckt
ist, oder eines anderen übertragenen
Impulssignals aus der Serie zum Ergebnis hat. Die Laufzeit dieses
rekonstruierten Signals kann exakt bestimmt werden.