DE69110697T2

DE69110697T2 - Verfahren und System zum digitalen Laufzeitmessen von akustischen Impulsen in einem flüssigen Medium.

Info

Publication number: DE69110697T2
Application number: DE69110697T
Authority: DE
Inventors: William S Woodward
Original assignee: CURTIN MATHESON SCIENT Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1990-02-09
Filing date: 1991-01-31
Publication date: 1996-01-11
Anticipated expiration: 2011-02-01
Also published as: DE69110697D1; CA2035773C; EP0441531B1; EP0441531A3; JPH06180324A; CA2035773A1; US5035147A; JP3023569B2; EP0441531A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Fluidfluß-Geschwindigkeitsmessung.
Verschiedene Typen von Flußmeßgeräten sind in der Vergangenheit zum Messen der Zeit des Laufes eines akustischen Signals zwischen einem Paar beabstandeter Wandler eingesetzt worden. Typische Beispiele solcher Systeme sind das US-Patent Nr. 4,452,090; 3,901,078; 3,738,169; und 4,661,496. Im allgemeinen werden akustische oder Ultraschall-Impulse entweder abwechselnd oder gleichzeitig in stromabwärtiger oder stromaufwärtiger Richtung zwischen zwei Wandlern gesendet. Die Laufzeit in der stromabwärtigen Richtung und in der stromaufwärtigen Richtung wird bestimmt, und die sich ergebenden Werte werden kombiniert, um entweder den Flußgeschwindigkeitswert oder die Schallgeschwindigkeit in dem fluiden Medium zu bestimmen. Diese Information kann auch verwendet werden, um die Zusammensetzung einer binären Gasmischung zu bestimmen, von der angenommen wird, daß sie bewegungslos sei. Sowohl analoge als auch digitale Systeme sind für diesen Zweck konstruiert worden, und zwar mit unterschiedlichem Erfolg.
Die aus GB-A-2167857 (D2) bekannte Vorrichtung arbeitet, indem ein Ultraschallstrahl an einem ersten Ort erzeugt wird, der Strahl an einem zweiten Ort empfangen wird, die Phase der empfangenen Modulation mit der Phase der gesendeten Modulation verglichen wird und der modulierende Oszillator eingestellt wird, um die Modulation auf einen konstanten Phasenwert zu ändern. Die erforderliche Frequenzänderung, um die konstante Phasenbeziehung zu erreichen, ist ein Maß der Laufzeit zwischen zwei Ultraschallwandlern. Dieser Prozeß wird für entgegengesetzte Strahlrichtungen in abwechselnden Meßzyklen wiederholt, und Frequenzänderungen werden akkumuliert, um die Differenz in den Laufzeiten zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Flußrichtungen zu erhalten.
Man wird auch erkennen, daß es in D2 für den über eine ausreichende Zeitperiode zu sendenden Ultraschallstrahl notwendig ist, daß das Signal vom Empfängerwandler befähigt wird, mit einem Signal vom Senderwandler phasenmäßig verglichen zu werden, um die Frequenzeinstellung zurück auf eine konstante Phasenbeziehung zu bewirken. Somit kann auf Seite 1, Zeilen 111 bis 112 von D2 gesehen werden, daß ein Trägersignal bei einer Frequenz von 60 KHz verwendet wird, um die Sender anzusteuern. Das gemessene Signal wird dann über eine Zeitperiode akkumuliert. Wie aus dem auf Seite 4, Zeilen 9 bis 56 von D2 beschriebenen Ausführungsbeispiel gesehen werden kann, ist jeder Meßimpuls in zehn gleiche Zeitperioden unterteilt. Diese Perioden sind notwendig, um eine Einstellung der Frequenz des modulierenden Oszillators zu ermöglichen, um die Modulationsfrequenz so zu ändern, daß die Phasen des gesendeten und des empfangenen frequenzmodulierten Ultraschallstrahls gleich sind.
Bekannte Vorrichtungen des obigen Typs leiden unter verschiedenen Nachteilen. Zunächst sind viele der analogen Vorrichtungen hochempfindlich gegenüber Signalrauschen und Drift, insbesondere bei solchen Anwendungen, bei denen die Umgebung ziemlich verrauscht ist bzw. laut ist und sich ändernden Umgebungen ausgesetzt ist. Obwohl digitale Vorrichtungen dazu neigen, weniger empfindlich auf Rauschen zu sein, ist das Fehlen von Stabilität immer noch ein Problem bei solchen Vorrichtungen. Weiterhin leiden die meisten bekannten Vorrichtungen unter einem begrenzten Dynamikbereich, der nicht gut geeignet für eine breite Vielfalt von Anwendungen oder für bestimmte Anwendungen ist, bei denen die Flußgeschwindigkeiten einer breiten Variierung ausgesetzt sind (z.B. in einer Spirometrie-Anwendung). Weiterhin leiden bekannte Vorrichtungen unter einer begrenzten Meßgenauigkeit aufgrund einer Vielfalt von Faktoren, einschließlich Phasenänderungen oder Frequenzänderungen im akustischen Signal während der Ubertragung und des Empfangs zwischen Abtaständerungen mit einer Größe, welche größer ist als die Fähigkeit der Meßvoirichtung, diese eindeutig zu erfassen, sowie einer relativ geringe Auflösungsfähigkeit.
Die Erfindung umfaßt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Laufzeit zwischen Wandlern eines Paars von Bündein akustischer Signale, welche die oben erwähnten Nachteile nicht aufweisen und welche relativ unaufwendig zu implementieren und hochzuverlässig im Betrieb sind.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen der Laufzeit einer akustischen Welle in einem Fluid angegeben, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
a) Erzeugen eines Paares akustischer Wellenbündel an zwei unterschiedlichen Stellen in einem fluiden Medium;
b) Festlegen einer Phasendifferenz;
c) Empfangen jedes Bündels an einem Ort, der sich vom Erzeugungsort dieses Bündels unterscheidet;
d) Vergleichen von Abschnitten jedes empfangenen Bündels mit der Phasenreferenz, um die Phasendifferenz dazwischen zu bestimmen;
wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:
e) Wählen eines Startzeitpunktes für jedes Bündel, das als nächstes in jedem Ort erzeugt werden soll, was jegliche Phasendifferenz, die in Schritt (d) bestimmt wird, auf im wesentlichen Null reduziert; und
f) Verwenden des Ergebnisses von Schritt (d), um die Laufzeit zu bestimmen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Bestimmen der Laufzeit einer akustischen Welle in einem Fluid angegeben, wobei das System aufweist:
Wandlereinrichtungen zum Erzeugen aufeinanderfolgender Paare akustischer Wellenbündel an zwei unterschiedlichen Orten in einem fluiden Medium und zum Empfangen der Bündel nach Durchlaufen des fluiden Mediums;
Einrichtungen zum Festlegen einer Phasenreferenz;
eine Einrichtung zum Vergleichen von Teilen jedes empfangenen Bündels mit der Phasenreferenz, um die Phasendifferenz dazwischen zu bestimmen;
wobei das System weiterhin gekennzeichnet ist durch:
eine Einrichtung zum Wählen eines Startzeitpunktes für jedes Bündel, welches als nächstes durch die Wandlereinrichtungen erzeugt werden soll, was jegliche Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Bündelteil und der Phasenreferenz auf im wesentlichen den Wert Null reduziert; und eine Einrichtung zum Speichern des Phasenbestimmungsergebnisses, welches von den Vergleichseinrichtungen erhalten ist.
Vorzugsweise weist das System eine erste und eine zweite Wandlereinrichtung zum Senden und Empfangen akustischer Bündel durch ein Fluid entlang dem Fluidweg auf, wobei eine der Wandlereinrichtungen benachbart einem ersten Ort in dem Fluidweg angeordnet ist, die andere der Wandlereinrichtungen benachbart einem zweiten Ort in dem Fluidweg beabstandet vom ersten Ort angeordnet ist, wobei jede der Wandlereinrichtungen so angeordnet ist, um die akustischen Bündel, welche von der anderen Wandlereinrichtung gesendet werden und durch den Fluidweg laufen, zu empfangen und um die empfangenen Bündel in äquivalente Bündelsignale umzuwandeln;
wobei die Einrichtungen zum Festlegen einer Phasenreferenz aufweisen: Einrichtungen zum Erzeugen einer Vielzahl von Systemsignalen einschließlich eines Paares von Phasenreferenzsignalen in Phasenquadratur und Ansteuersignalen für die erste und die zweite Wandlereinrichtung;
Einrichtungen zum periodischen Koppeln der Ansteuersignale an die erste und die zweite Wandlereinrichtung;
wobei die Einrichtungen zum Vergleichen der Teile aufweist:
Einrichtungen, die mit den Wandlereinrichtungen und den Erzeugungseinis richtungen gekoppelt sind, zum Vergleichen der äquivalenten Bündelsignale von der ersten und zweiten Wandlereinrichtung mit dem Paar von Phasenreferenzsignalen, um die Phasendifferenz dazwischen zu bestimmen;
wobei die Einrichtung zum Wählen eines Startzeitpunktes aufweist:
eine Rückkopplungseinrichtung, die mit den Vergleichseinrichtungen und den Erzeugungseinrichtungen gekoppelt ist, zum Einstellen der Phase der Ansteuersignale, um die ermittelte Phasendifferenz auf einen Wert von im wesentlichen Null zu reduzieren;
und wobei die Einrichtung zum Speichern aufweist:
eine Einrichtung zum Berechnen des Wertes des Fluidstromes entlang des Fluidweges L zwischen der ersten und der zweiten Wandlereinrichtung aus der ermittelten Phasendifferenz zwischen den empfangenen Bündeln und dem Paar von Phasendifferenzsignalen.
Die Erfindung stellt ein Laufzeit-Meßsystem von extrem hoher Genauigkeit, feiner Auflösung, eines breiten Dynamlkbereichs und relativ geringer Verwundbarkeit gegenüber Rauschsignalen bereit.
Für ein vollständigeres Verstehen der Natur und der Vorteile der Erfindung sollte Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung genommen werden, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu nehmen ist.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Systems veranschaulicht, welches gemäß der Erfindung hergestellt ist; und
Fig. 2A und 2B sind repräsentative Wellenformdiagrarnme, welche den Betrieb des Systems von Fig. 1 veranschaulichen.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist Fig. 1 ein Blockdiagramm, welches ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Systems zeigt, welches die Erfindung enthält. Wie aus der Figur ersichtlich, sind ein Paar Wandler 10, 12 entlang eines Flußwegs angeordnet und sind durch einen konstanten Abstand L getrennt. Die Wandler 10, 12 können irgendeinen geeigneten Wandler aufweisen, der in der Lage ist, ein Bündel akustischer Wellen einer vorbestimmten Frequenz über einen gewünschten Wiederholungsratenbereich in einem fluiden Medium zu erzeugen. Da solche Wandler dem Fachmann wohlbekannt sind, werden sie nicht weiter beschrieben. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel enthalten die akustischen Wellen, die von den Wandlern 10, 12 erzeugt sind, ein Bündel aus etwa 20 Zyklen eines 40 KHz Signals, wobei die Wiederholungsrate jedes Bündels im Bereich von etwa 0 bis 300 Hz liegt. Diese Werte haben sich als brauchbar für Spirometer-Anwendungen der Erfindung erwiesen.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, tritt jeglicher Fluidfluß entlang dem Flußweg bei einer Geschwindigkeit v auf, und es ist ein Zweck der Erfindung, diesen Wert zu messen. Wie ausführlicher unten beschrieben wird, wird der Fluidfluß v durch Bestimmen der Laufzeit jedes Bündels vom Wandler 10 zum Wandler 12 in der parallelen Richtung (von links nach rechts in Fig. 1) und vom Wandler 12 zum Wandler 10 in der antiparallelen Richtung (von rechts nach links in Fig. 1) gemessen. Es wird verstanden, daß der Flußweg jegliche Leitung sein kann, wie z.B. eine Spirometer-Röhre oder ähnliches, durch welche ein Fluid mit einer Geschwindigkeit v fließen kann.
Jeder Wandler 10, 12 wird sowohl in einem Sendemodus als auch in einem Empfangsmodus betrieben. Idealerweise wird bei Nullfluß-Bedingungen jeder Wandler 10, 12 gleichzeitig im Sendemodus betrieben, um ein akustisches Bündel an jedem Ort gleichzeitig zu erzeugen. Wenn es einen Fluß entlang einer gegebenen Richtung gibt (wie z.B. die veranschaulichte parallele Richtung), dann werden die Wandler 10, 12 im Sendemodus zu unterschiedlichen Zeiten als Teil der neuartigen Funktion der Erfindung betrieben.
Jeder Wandler wird auch für eine ausreichende Zeitperiode im Empfangsmodus betrieben, um das akustische Bündel, welches entlang dem Flußweg vom entgegengesetzten Wandler fließt, zu erfassen. Die empfangenen akustischen Bündel werden in äquivalente elektrische Signale mit der gleichen Frequenz und Phase wie die empfangenen akustischen Bündelwellen umgewandelt.
Jeder Wandler 10, 12 wird im Sendemodus durch einen zugehörigen programmierbaren Zeitgeber 13, 14 über einen zugehörigen Pufferverstärker 16, 17 und einen zugehörigen Sendeschalter 19, 20 angesteuert, welche durch ein getrenntes Sendefreigabesignal bedient werden, welches von einer Mikroprozessoreinheit 25 geliefert wird. Jeder programmierbare Zeitgeber 13, 14 ist mit einer hochfrequenten (8 MHz) Frequenzreferenz F versehen, welche von einem Systemoszillator 26, vorzugsweise ein Quarzkristall-gesteuerter Oszillator, geliefert wird. Jeder programmierbare Zeitgeber 13, 14 ist ebenso mit geeigneten Steuersignalen von der Mikroprozessoreinlieit 25 über den Systembus 27 versehen. Jeder Zeitgeber 13, 14 hat eine Doppelfunktion: erstens, um das 40 KHz Sendesignal zu erzeugen, welches dem zugehörigen Wandler zugeführt wird; und zweitens, um Phasenreferenzsignale Si und Sq bereitzustellen, welche verwendet werden, um die akustischen Bündellaufzeiten entlang dem Flußweg auf eine unten beschriebene Weise festzulegen. Diese Phasenreferenzsignale Si und Sq sind ebenso 40 KHz Signale und sind in Phasenquadratur angeordnet, d.h., das Referenzsignal Sq ist vom Referenzsignal Si um 90º phasenversetzt.
Im Empfangsmodus werden die Ausgabesignale, die vom Wandler 10, 12 in Antwort auf empfangene akustische Bündel erzeugt sind, über darauf abgestellte Verstärker 31, 32 an zugehörige Nulldurchgangs-Detektoren 33, 34 gekoppelt, in welchen die empfangenen äquivalenten Signale Rechtecken angenähert werden, um binäre Wellenzüge entsprechend den empfangenen Signalen zu erzeugen. Die Ausgabe der Nulldurchgangs- Detektoren 33, 34 wird an ein zugehöriges Paar von Phasendetektoren in der folgenden Weise gekoppelt. Die Ausgabesignale vom Nulldurchgangs- Detektor 33, welche den empfangenen Signalen entsprechend dem akustischen Bündel, welches ursprünglich vom Wandler 12 gesendet wurde, darstellen, werden als eine erste Eingabe an ein Paar Phasendetektoren 36, 37 gekoppelt, welche im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Paar exkiusiver OR-Gatter ist. Die andere Eingabe an den Phasendetektor 36 ist das Nullphasen-Referenzsignal Si, welches vom programmlerbaren Zeitgeber 13 geliefert wird; die andere Eingabe an den Phasendetektor 37 ist das Quadraturreferenzsignal Sq vom programmlerbaren Zeitgeber 14. In ähnlicher Weise ist der Ausgang des Nulldurchgangs-Detektors 34, welcher die empfangene Version des akustischen Bündels, welches ursprünglich vom Wandler 10 erzeugt ist, darstellt, mit einem ersten Eingang eines Paars zugehöriger Phasendetektoren 38, 39 gekoppelt. Die ioandere Eingabe an den Phasendetektor 38 ist das Phasenreferenzsignal Si; wobei die andere Eingabe an den Phasendetektor 39 das Quadraturphasenreferenzsignal Sq ist.
Der Ausgang des Phasendetektors 36 ist mit dem Gattereingang eines ersten digitalen Integrators 41 gekoppelt, welcher im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein inkrementierbarer Hochgeschwindigkeitszähler ist. Der Abtasttakt- oder Zähleingang zum Integrator 41 ist das Hochfrequenz-Referenzsignal, welches von Oszillator 26 erzeugt ist. Auf eine ähnliche Weise hat ein digitaler Integrator 42 einen Takteingang zum Empfangen des Hochgeschwindigkeits-Taktsignals F und einen Gattereingang, um die Ausgabe des Phasendetektors 37 zu empfangen. Die Digitalintegratoren 43 und 44 sind in ähnlicher Weise angeordnet, um die Hochgeschwindigkeits-Takteingabe F bzw. die Ausgabe von den Phasendetektoren 38, 39 zu empfangen.
Jeder digitale Integrator 41 bis 44 ist so angeordnet, um Zählungen zu akkumulieren, immer wenn eine Phasendifferenz zwischen den zwei Eingängen an den jeweiligen Phasendetektor besteht. Somit akkumuliert der digitale Integrator 41 Zählungen über eine Vergleichsperiode, welche der Gesamtphasendifferenz zwischen dem Phasenreferenzsignal Si und den durch den Wandler 10 vom Wandler 12 empfangenen Signalen entsprechenden; der Integrator 42 akkumuliert eine Zählung über eine Vergleichsperiode entsprechend der Gesamtphasendifferenz zwischen dem Quadraturphasen-Referenzsignal Sq und den durch den Wandler 10 vom Wandler 12 empfangenen Signalen; der digitale Integrator 43 akkumuliert eine Zählung, welche eine Gesamtphasendifferenz zwischen dem Phasenreferenzsignal Si und den durch den Wandler 12 vom Wandler 10 empfangenen Signalen darstellt; und der Integrator 44 akkumuliert eine Zählung, welche die Gesamtphasendifferenz zwischen dem Quadraturphasen-Referenzsignal Sq und den durch den Wandler 12 vom Wandler 10 empfangenen Signalen darstellt. Die Integratoren 41 bis 44 sind unter der Steuerung der Mikroprozessoreinheit 25 über den Bus 27. Zusätzlich werden die akkumulierten Ergebnisse am Ende einer Vergleichsperiode über den Bus 27 an die Mikroprozessoreinheit 25 für Berechnungszwecke transferiert, und die Ergebnisse werden über den Bus 27 durch eine geeignete I/O-Vorrichtung 29 an eine geeignete Folgeeinheit, wie z.B. ein Streifendiagramm-Rekorder, ein Drucker oder ähnliches, ausgegeben.
Das System von Fig. 1 wird auf eine solche Weise betrieben, daß die Laufzeit einer akustischen Welle entlang dem Flußweg zwischen den Wandlern 10 und 12 in beiden Richtungen zu einer großen Genauigkeit gemessen wird (in der Größenordnung von 4,0 ns für eine 40 KHz Welle und eine Systemfrequenz F von 8 MHz). Diese Laufzeiten in entgegengesetzten Richtungen werden dann verwendet, um interessierende Werte, wie z.B. Flußgeschwindigkeit, tatsächliche Schallgeschwindigkeit, Flußvolumen oder ähnliches, zu berechnen. Um z.B. die Flußgeschwindigkeit zu berechnen, kann die folgende Formel verwendet werden:
wobei v die Flußgeschwindigkeit ist, L der Abstand zwischen den Wandlern 10 und 12 ist, Tp die Wellenlaufzeit in der parallelen Richtung zwischen dem Wandler 10 und dem Wandler 12 ist, Ta die Wellenlaufzeit zwischen dem Wandler 12 und dem Wandler 10 in der antiparallelen Richtung ist. In ähnlicher Weise kann die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid gemäß der folgenden Formel berechnet werden:
wobei c die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid ist, und die übrigen Variablen die gleiche Bedeutung haben, wie oben angemerkt.
is Fig. 2A veranschaulicht repräsentative Systemsignale im Falle keines Flusses entlang dem Flußweg. In dieser Figur, genauso wie in Fig. 2B, ist das mit Sa bezeichnete Signal das akustische Signal, welches in der antiparallelen Richtung erzeugt ist, das Signal Sp ist das akustische Signal, welches in der parallelen Flußwegrichtung erzeugt ist, das Signal Si stellt die Ausgabe des programmierbaren Zeitgebers 13 dar, und das Signal Sq stellt die Signalausgabe vom programmierbaren Zeitgeber 14 dar. In Fig. 2A ist ebenso das Sendefreigabesignal gezeigt, welches während der ersten Halbperiode einer Abtastperiode im bevorzugten Ausführungsbeispiel aktiv ist. Wie aus Fig. 2A ersichtlich, erzeugt nach Begiim der Abtastperiode, welche durch den Aktivpegel des Sendefreigabesignals bezeichnet ist, der Wandler 10 ein 40 KHz Bündel akustischer Wellen Sp über eine Zeitperiode, welche kürzer als die Dauer des Sendefreigabesignals während der Abtastperiode ist. In ähnlicher Weise strahlt im Falle keines Flusses von Fig. 2A zur gleichen Zeit der Wandler 12 ein Bündel mehrerer Zyklen akustischer Wellen Sa über im wesentlichen die gleiche Periode aus. In beiden Fällen wird für jeden Wandler wird das Bündel in Antwort auf den Empfang des 40 KHz Ansteuersignals vom zugehörigen programmlerbaren Zeitgeber erzeugt. Dieses Signal wird durch den zugehörigen Zeitgeber 13, 14 für eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen erzeugt, welcher im bevorzugten Ausführungsbeispiel 20 Zyklen beträgt. Die Zeitgeber-Ansteuersignale sind direkt unterhalb der Sendeimpulse in den Signalen Si (Ausgabe des Zeitgebers 13) und Sq (Ausgabe des Zeitgebers 14) veranschaulicht. Wie aus der Figur ersichtlich fährt jeder Wandler 10, 12 nach der Beendigung der Ansteuersignale Si und Sq mit einem Abschwingen für eine meßbare Zeitperiode fort, nach der jeder Wandler 10, 12 bereit ist, das akustische Bündel, welches gerade durch das Fluid entlang dem Flußweg läuft, vom entgegengesetzten Wandler zu empfangen.
Die durch die Wandler 10, 12 empfangen Impulse sind gezeigt in Fig. 2A zur Rechten der Sendeimpulse beabstandet um einen Abstand gleich der Flußweglänge L dividiert durch die Schallgeschwindigkeit c in dem Fluid. Die Wandler 10, 12 erzeugen das elektrische Äquivalent zu den akustischen Signalen, welche die für die Signale Sa und Sp veranschaulichte Paketform haben. Diese Signale werden mit den jeweiligen Phasendetektoren 36 bis 39 gekoppelt, wo die Phase jedes Signals mit den Quadraturphasen-Referenzsignalen Si und Sq verglichen wird. Die Nullphasen-Referenz (die Inphase-Referenz) wird durch den Zeitgeber 13 erzeugt, wohingegen die Quadratur-Referenz (welche sich in der Phase von der Inphase-Referenz um + 90º unterscheidet) durch den Zeitgeber 14 erzeugt wird. Jedes empfangene Bündelpaket wird in der Phase mit beiden Phasenreferenzen über eine vorbestimmten Anzahl von 40 KHz Zyklen verglichen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Anzahl der Zyklen, über welche der Phasenvergleich durchgeführt wird, 16, und diese 16 Zyklen werden durch die Mikroprozessoreinheit 25 ausgewählt, um um den erwarteten Mittelabschnitt des Bündelpakets zentriert zu werden. Somit enthalten im Falle keines Flusses bei idealen Bedingungen die 16 Zyklen, über welche der Phasenvergleich ausgeführt wird, den dritten bis achtzehnten Zyklus im Bündelpaket. Für jeden Zyklus eines gegebenen Bündelpakets akkumulieren die digitalen Inphase- und Quadratur-Integratoren die Zählungen, immer wenn eine Außer- Phase-Bedingung zwischen den zwei Eingaben an jedem Phasendetektor besteht. Somit akkumuliert für das Bündelpaket, welches durch den Wandler 10 empfangen wird, der Integrator 41 die Zählungen, immer wenn das empfangene Bündel außer Phase bezüglich dem Inphase-Referenzsignal Si ist, wohingegen der Integrator 42 die Zählungen akkumuliert, immer wenn das empfangene Signal außer Phase bezüglich der Quadraturphasen-Referenz Sq ist. Da der Phasenvergleich über eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen ausgeführt wird, werden Zeit-variierende Effekte gemittelt. Wenn z.B. die tatsächliche Frequenz des 40 KHz Signals innerhalb des Bündelpakets über die Vergleichsperiode von 16 Zyklen variieren sollte, werden somit solche Variationen in den Integratoren 41, 42 gemittelt. Das gleiche gilt hinsichtlich der Integratoren 43, 44 und der durch den Wandler 12 empfangene Signale.
Nachdem der Phasenvergleich abgeschlossen ist werden die Inhalte der Integratoren 41 bis 44 untersucht, um die Phasendifferenz zwischen den empfangenen Signalen und den Referenzsignalen zu bestimmen. Da die empfangenen Signale mit Quadratur-bezogenen Phasenreferenzsignalen verglichen werden, kann nicht nur die Größe der Phasendifferenz sondern auch die Richtung bestimmt werden. Folglich ist das Ergebnis der Untersuchung der Inhalte der digitalen Integratoren 41 bis 44 durch das Mikroprozessorsystem 25 ein direktes Maß der Differenz in der Laufzeit in der parallelen und der antiparallelen Richtung. Diese Differenz wird für jeden Abtastzyklus bemerkt, und Änderungen von Zyklus zu Zyklus können gemessen und akkumuliert werden. Mit den 40 KHz Ansteuersignalen und den verwendeten Phasenreferenzsignalen und einer 8 MHz Systemfrequenz F beträgt die Genauigkeit der Messung über 16 Zyklen 200 Zähiungen pro Zyklus mal 16 oder 3200 Zählungen insgesamt. Die kleinste erfaßbare Phasenänderung dividiert durch die größte erfaßbare Phasenänderung in diesem System beträgt 1 dividiert durch 3200, was ziemlich genau ist.
Einer der bedeutenden Aspekte der Signalverarbeitung der Erfindung ist die Weise, in der Änderungen in der Signallaufzeit zwischen den Wandlern 10, 12 verfolgt werden. Insbesondere, immer wenn das Ergebnis einer Phasenvergleichsmessung zeigt, daß sich die Laufzeit zwischen den Wandler geändert hat (was aufgrund entweder einer Anderung in der Flußgeschwindigkeit, einer Änderung in der Schallgeschwindigkeit des Fluids oder beiden sein kann), wird die Startzeit des als nächsten auszusendenden akustischen Bündels geändert, um die gemessene Änderung in der Phase zu kompensieren. Genauer gesagt, wenn das Ergebnis des Phasenvergleichs anzeigt, daß die Phase des empfangenen Signals bezüglich der Phase des Referenzsignals vorgelaufen ist (was anzeigt, daß die Flußgeschwindigkeit v die Schallgeschwindigkeit c oder beides seit dem letzten Abtastzyklus zugenommen haben), wird die Startzeit des als nächstes auszusendenden Signals für diesen Wandler um einen Betrag verzögert, welcher die vorlaufende Phasendifferenz im empfangenen Signal auf Null reduziert. In ähnlicher Weise wird, wenn das Ergebnis des Phasenvergleichs anzeigt, daß die Flußgeschwindigkeit v, die Schallgeschwindigkeit c oder beides abgenommen haben, was durch eine zurückhängende Phasendifferenz signalisiert wird, dann wird die Startzeit der Signale vom entsprechenden Wandler während des nächsten Zyklus um einen Betrag vorgeschoben, der erforderlich ist, um diese Differenz auf Null zu reduzieren. Auf diese Weise beginnt jeder Abtastzyklus mit den gleichen Anfangsbedingungen: Wenn es nämlich keine Änderung in der Geschwindigkeit oder in Geschwindigkeitsparametern seit dem letzten Abtastzyklus gibt, sollte die Phasendifferenz zwischen den empfangenen Signalen und den Phasenreferenzsignalen Null betragen.
Fig. 2B veranschaulicht in einem vergrößerten Maßstab die Startzeit- Einstellung, nachdem ein Phasenvergleich eine Bestimmung zur Folge hatte, daß die Flußgeschwindigkeit v in der parallelen Richtung zwischen Abtastungen zugenommen hat. Wie aus dieser Figur ersichtlich, wird nach Berechnung des Betrags der Phasendifferenz zwischen den empfangenen Signalen und den Referenzsignalen der Sendezeitpunkt des Bündels vom Wandler 10 um einen Betrag verzögert, der im wesentlichen gleich der Phasendifferenz zwischen den durch den Wandler 12 empfangenen Signalen und den Phasenreferenzen ist. In ähnlicher Weise wird der Sendezeitpunkt des akustischen Bündels vom Wandler 12 um einen Betrag vorgeschoben, welcher gleich der Phasendifferenz zwischen den durch den Wandler 10 empfangenen Signalen (die in stromaufwärtiger Richtung fließen) und den Phasenreferenzsignalen ist. Auf diese Weise wird die erwartete Ankunftszeit jedes akustischen Bündels an jedem Wandler relativ zu den Phasenreferenzsignalen und dem Integrationsintervall konstant gehalten.
Wie man nun erkennt stellt die Erfindung eine hochgenaue Messung der Laufzeit akustischer Impulse zwischen zwei Orten in einem Fluidflußweg bereit. Insbesondere können beim bestimmten oben beschriebenen Ausführungsbeispiel mit einer Referenz- und Ansteuersignalfrequenz von 40 KHz und einer Systemtaktfrequenz von 8 MHz maximal 200 Zählungen pro Zyklus in jedem der digitalen Integratoren 41 bis 44 akkumuliert werden. Da 16 aufeinanderfolgende Zyklen als die Phasenmeßperiode verwendet werden, ist die Gesamtheit von 3200 Zählungen die maximale Anzahi, welche akkumuliert werden könnte. Folglich beträgt das Verhältnis zwischen der kleinsten erfaßbaren Phasenänderung und der größten erfaßbaren Phasenänderung 1 dividiert durch 3200. Ebenso beträgt für einen gegebenen Zyklus des 40 KHz Signals die entsprechende Periode 25 Mikrosekunden, und die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden 8 MHz Taktimpulsen beträgt 125 Nanosekunden, welches die untere Grenze der Auflösung der Phasendifferenzgröße pro Zyklus des Ansteuersignals ist. Da weiterhin die Wandleransteuersignale vor dem erwarteten Akkunftszeitpunkt eines Impulses an einem gegebenen Wandler beendet sein müssen, können die programmlerbaren Zeitgeber 13, 14, welche verwendet werden, um die Ansteuersignale von dem relativ hohen Frequenzsystemtakt 26 abzuleiten, auch verwendet werden, um die Phasenreferenzsignale zu erzeugen, was Hardware-Kosten spart. Da auch das gesamte System unter Steuerung der Mikroprozessoreinheit 125 ist, können Berechnungsänderungen leicht zu implementieren sein.
Der mit den digitalen Integratoren 41 bis 44 des Systems von Fig. 1 für eine Spirometer-Anwendung eingesetzte Algorithmus ist relativ einfach. Wenn P gleich der zusammengesetzten Phasenmessung ist, R die reelle (Inphase-) Komponente von P ist, und Q die Quadraturphasenkomponente von P ist, dann können die folgenden Regeln angewandt werden, um die zusammengesetzte Phasenmessung zu erhalten:
wenn R ≥ 0 oder Q = 0, dann P = Q
wenn R < 0 und Q > 0, dann P = Q-2R
wenn R ≤ 0 und Q < 0, dann P = Q+2R.
Die erste Ungleichung deckt den Bereich von Phasenwinkeln von -90º bis +90º ab; die mittlere Ungleichung deckt den Phasenbereich von +90º bis +180º ab; und die letzte Ungleichung deckt den Bereich von -90º bis -180º ab. Es sollte verstanden werden, daß dieser Algorithmus nur beispielhaft ist und daß andere Algorithmen je nach Wunsch eingesetzt werden können.
Während die obige Beschreibung eine ganze und vollständige Offenbarung der bevorzugten Ausfühmngsbeispiele der Erfindung liefert, werden verschiedene Abänderungen, alternative Konstruktionen und Äquivalente dem Fachmann gegenwärtig. Insbesondere können andere Systemfrequenzen als jene oben beschriebenen verwendet werden, abhängig von den Erfordernissen einer gegebenen Anwendung. Daher sollte die obige Beschreibung nicht als für die Erfindung begrenzend angesehen werden, welche durch die angehängten Ansprüche festgelegt ist.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Laufzeit einer akustischen Welle in einem Fluid, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

a) Erzeugen eines Paares akustischer Wellenbündel an zwei unterschiedlichen Stellen in einem fluiden Medium;

b) Festlegen einer Phasenreferenz;

c) Empfangen jedes Bündels an einem Ort, der sich vom Erzeugungsort dieses Bündels unterscheidet;

d) Vergleichen von Abschnitten jedes empfangenen Bündels mit der Phasenreferenz, um die Phasendifferenz dazwischen zu bestimmen;

wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

e) Wählen eines Startzeitpunktes für jedes Bündel, das als nächstes in jedem Ort erzeugt werden soll, was jegliche Phasendifferenz, die in Schritt (d) bestimmt wird, auf im wesentlichen Null reduziert; und

f) Verwenden des Ergebnisses von Schritt (d), um die Laufzeit zu bestimmen.

2. System zum Bestimmen der Laufzeit einer akustischen Welle in einem Fluid, wobei das System aufweist:

Wandlereinrichtungen (10, 12) zum Erzeugen aufeinanderfolgender Paare akustischer Wellenbündel an zwei unterschiedlichen Orten in einem fluiden Medium und zum Empfangen der Bündel nach Durchlaufen des fluiden Mediums;

Einrichtungen (13, 14, 26) zum Festlegen einer Phasenreferenz;

eine Einrichtung (31-42) zum Vergleichen von Teilen jedes empfangenen Bündels mit der Phasenreferenz, um die Phasendifferenz dazwischen zu bestimmen;

wobei das System weiterhin gekennzeichnet ist durch:

eine Einrichtung zum Wählen eines Startzeitpunktes für jedes Bündel, welches als nächstes durch die Wandlereinrichtungen (10, 12) erzeugt werden soll, was jegliche Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Bündelteil und der Phasenreferenz auf im wesentlichen den Wert Null reduziert; und

eine Einrichtung (25) zum Speichern des Phasenbestimmungsergebnisses, welches von den Vergleichseinrichtungen erhalten ist.

3. System gemäß Anspruch 2, wobei die Wandlereinrichtung aufweist:

eine erste und eine zweite Wandlereinrichtung (10, 12) zum Senden und Empfangen akustischer Bündel durch ein Fluid entlang des Fluidweges, wobei eine der Wandlereinrichtungen (10) benachbart einem ersten Ort in dem Fluidweg angeordnet ist, wobei die andere Wandlereinrichtung (12) benachbart einem zweiten Ort in dem Fluidweg und beabstandet vom ersten Ort angeordnet ist, wobei jede Wandlereinrichtung (10, 12) so angeordnet ist, um die akustischen Bündel, die von der anderen Wandlereinrichtung (12, 10) ausgestrahlt sind und durch den Fluidweg laufen, zu empfangen und um die empfangenen Bündel in äquivalente Bündelsignale umzuwandeln;

wobei die Einrichtung zum Festlegen einer Phasenreferenz aufweist:

Einrichtungen (13, 14) zum Erzeugen einer Vielzahl von Systemsignalen einschließlich eines Paares von Phasenreferenzsignalen (Si, Sq) in Phasenquadratur- und Ansteuersignalen für die erste und die zweite Wandlereinrichtung (10, 12);

Einrichtungen (19, 21, 20, 22) zum periodischen Koppeln der Ansteuersignale an die erste und die zweite Wandlereinrichtung;

wobei die Einrichtungen zum Vergleichen der Teile aufweist:

Einrichtungen (31-42), die mit den Wandlereinrichtungen (10, 12) und den Erzeugungseinrichtungen (13, 14) gekoppelt sind, zum Vergleichen der äquivalenten Bündelsignale von der ersten und zweiten Wandlereinrichtung (10, 12) mit dem Paar von Phasenreferenzsignalen (Si, Sq), um die Phasendifferenz dazwischen zu bestimmen;

wobei die Einrichtung zum Wählen eines Startzeitpunktes aufweist:

eine Rückkopplungseinrichtung, die mit den Vergleichseinrichtungen und den Erzeugungseinrichtungen (13, 14) gekoppelt ist, zum Einstellen der Phase der Ansteuersignale, um die ermittelte Phasendifferenz auf einen Wert von im wesentlichen Null zu reduzieren;

und wobei die Einrichtung zum Speichern aufweist:

eine Einrichtung zum Berechnen des Wertes des Fluidstromes entlang des Fluidweges L zwischen der ersten und der zweiten Wandlereinrichtung (10, 12) aus der ermittelten Phasendifferenz zwischen den empfangenen Bündein und dem Paar von Phasenreferenzsignalen (Si, Sq).

4. System gemäß Anspruch 3, wobei die Ansteuersignale eine vorbestimmte Frequenz (F) haben; und wobei die Kopplungseinrichtung eine Schalteinrichtung (19, 20) aufweist zum Koppeln der Ansteuersignale an die erste und die zweite Wandlereinrichtung (10, 12) über eine vorbestimmte Ansteuerperiode.

5. System gemäß Anspruch 4, wobei die vorbestimmte Ansteuerperiode einen Wert hat, der größer als eine vorbestimmte Anzahl N von Ansteuersignalzyklen ist, wobei N eine ganze Zahl ist, und kleiner als eine vorgewählte Laufzeit für ein akustisches Bündel zwischen dem ersten und dem zweiten Ort ist.

6. System gemäß Anspruch 5, wobei die Vergleichseinrichtung (31-42) eine Einrichtung zum Ausführen des Phasenvergleiches für N aufeinanderfolgende Zyklen äquivalenter Bündelsignale aufweist.

7. System gemäß Anspruch 6, wobei die Vergleichseinrichtung aufweist:

einen ersten Phasendetektor (36), der einen ersten Eingang, der mit der Erzeugungseinrichtung (13) zum Empfang eines Signals (Si) des Paares von Phasenreferenzsignalen gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang aufweist, der mit dem Ausgang der ersten Wandlereinrichtung (10) gekoppelt ist;

einen zweiten Phasendetektor (37), der einen ersten Eingang, der mit der Erzeugungseinrichtung zum Empfangen des anderen Signals (Sq) des Paares von Phasenreferenzsignalen gekoppelt ist und einen zweiten Eingang aufweist, der mit dem Ausgang der ersten Wandlereinrichtung (10) gekoppelt ist;

einen dritten Phasendetektor (38), der einen ersten Eingang, der mit einem Signal des Paares von Phasenreferenzsignalen gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang aufweist, der mit dem Ausgang der zweiten Wandlereinrichtung (12) gekoppelt ist; und

einen vierten Phasendetektor (39), der einen ersten Eingang, der mit der Erzeugungseinrichtung zum Empfangen des anderen Signals der Phasenreferenzsignale gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang aufweist, der mit dem Ausgang der zweiten Wandlereinrichtung (12) gekoppelt ist.

8. System gemäß Anspruch 7, wobei die Erzeugungseinrichtung (13, 14) eine Einrichtung (26) zum Erzeugen eines Systemtaktsignals mit relativ hoher Frequenz aufweist; und

wobei die Vergleichseinrichtung weiterhin aufweist:

eine erste Sammeleinrichtung (41) mit einem Freigabeeingang, der mit dem Ausgang des ersten Phasendetektors (36) gekoppelt ist und einem Zähleingang, der mit dem Taktsignalgenerator (26) gekoppelt ist, zum Sammeln eines gespeicherten Wertes, der für die Phasendifferenz zwischen einem der Phasenreferenzsignale (Si) und den äquivalenten Bündelsignalen von der ersten Wandlereinrichtung (10) repräsentativ ist;

eine zweite Sammeleinrichtung (42) mit einem Freigabeeingang, der mit dem Ausgang des zweiten Phasendetektors (37) gekoppelt ist, und einem Zähler, der mit dem Taktsignalgenerator (26) gekoppelt ist, zum Sammeln eines gespeicherten Wertes, der für die Phasendifferenz zwischen dem anderen Signal (Sq) der Phasenreferenzsignale und den äquivalenten Bündelsignalen von der ersten Wandlereinrichtung (10) repräsentativ ist;

eine dritte Sammeleinrichtung (43) mit einem Freigabeeingang, der mit dem Ausgang des dritten Phasendetektors (38) gekoppelt ist, und einem Zähleingang, der mit dem Taktsignalgenerator (26) gekoppelt ist, zum Sammeln eines gespeicherten Wertes, der für die Phasendifferenz zwischen dem einen Phasenreferenzsignal (Si) und den äquivalenten Bündelsignalen von der zweiten Wandlereinrichtung repräsentativ ist; und

eine vierte Sammeleinrichtung (44) mit einem Freigabeeingang, der mit dem Ausgang des vierten Phasendetektors (39) gekoppelt ist, und einem Zähleingang, der mit dem Taktsignalgenerator gekoppelt ist, zum Sammeln eines gespeicherten Wertes, der für die Phasendifferenz zwischen dem anderen Signal (Sq) der Phasenreferenzsignale und den äquivalenten Bündelsignalen von der zweiten Wandlereinrichtung (12) repräsentativ ist.

9. System gemäß Anspruch 8, wobei die Erzeugungseinrichtung aufweist:

eine erste programinierbare Zeitgebereinrichtung (13) zum Erzeugen eines der Phasenreferenzsignale (Si) und der Ansteuersignale für die erste Wandlereinrichtung (10) und eine zweite programmlerbare Zeitgebereinrichtung (14) zum Erzeugen des anderen Signals der Phasenreferenzsignale (Sq) und der Ansteuersignale für die zweite Wandlereinrichtung (12).

10. System gemäß Anspruch 9, wobei die Ansteuersignale eine vorbestimmte Frequenz haben; und wobei die Kopplungseinrichtung aufweist:

eine erste Schalteinrichtung (19) zum Koppeln der Ansteuersignale vom ersten programmlerbaren Zeitgeber (13) mit der ersten Wandlereinrichtung (10) für eine vorbestimmte Ansteuerperiode und eine zweite Schalteinrichtung (20) zum Koppeln der Ansteuersignale von dem zweiten programmlerbaren Zeitgeber (14) mit der zweiten Wandlereinrichtung (12) für eine vorbestimmte Ansteuerperiode.

11. System gemäß Anspruch 10, wobei die Rückkopplungseinrichtung aufweist:

eine Einrichtung zum individuellen Einstellen der Phase der Ansteuersignale, die von der ersten programrnierbaren Zeitgebereinrichtung (13) ausgegeben werden, und der Ansteuersignale, die von der zweiten programmierbaren Zeitgebereinrichtung (14) ausgegeben werden, so daß die Ansteuersignale für die erste Wandlereinrichtung (10) auf eine im wesentlichen Nullphase zwischen den äquivalenten Bündelsignalen vom zweiten Wandler (12) und den Phasenreferenzsignalen (Si, Sq) eingestellt werden und so daß die Ansteuersignale für die zweite Wandlereinrichtung (12) auf eine im wesentlichen Nullphase zwischen den äquivalenten Bündelsignalen vom ersten Wandler (10) und den Phasenreferenzsignalen (Si, Sq) eingestellt werden.