EP1728053A2 - Bestimmung der laufzeitdifferenz bei einem ultraschall-str m ungssensor mit mehrfacher nulldurchgangsdetektion - Google Patents

Bestimmung der laufzeitdifferenz bei einem ultraschall-str m ungssensor mit mehrfacher nulldurchgangsdetektion

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EP1728053A2
EP1728053A2 EP05701551A EP05701551A EP1728053A2 EP 1728053 A2 EP1728053 A2 EP 1728053A2 EP 05701551 A EP05701551 A EP 05701551A EP 05701551 A EP05701551 A EP 05701551A EP 1728053 A2 EP1728053 A2 EP 1728053A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
counter
time
ultrasound
reception
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05701551A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Lang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1728053A2 publication Critical patent/EP1728053A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
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    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/245—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by measuring transit time of acoustical waves
    • G01P5/247—Sing-around-systems

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic flow sensor according to the preamble of patent claim 1 and a method for evaluating the ultrasonic signals in such an ultrasonic flow sensor according to the preamble of patent claim 9.
  • Ultrasonic flow sensors are used to measure in particular the volume or mass flow or the flow velocity of a gaseous or liquid medium that flows through a pipeline.
  • a known type of ultrasound flow sensors comprises two ultrasound transducers arranged offset in the flow direction, each of which generates ultrasound signals and transmits them to the other ultrasound transducer.
  • the ultrasonic signals are received by the other transducer and evaluated using electronics.
  • the transit time difference between the ultrasonic signal in the flow direction and the ultrasonic signal in the opposite direction is a measure of the flow speed.
  • the desired measurement variable e.g. a volume flow can be calculated.
  • Fig. 1 shows a typical arrangement of an ultrasonic flow sensor with two ultrasonic transducers A, B, which are arranged within a pipe 3 and face each other at a distance L.
  • a fluid 1 flows in the pipeline 3 at a speed v in the direction of the Arrow 2.
  • the measuring section L is inclined at an angle ⁇ with respect to the flow direction 2.
  • the ultrasonic transducers A, B send ultrasonic pulses to one another, which depending on the direction are either slowed down or accelerated by the flow.
  • the signal transit times are a measure of the flow rate to be determined.
  • FIG. 2 shows a greatly simplified schematic illustration of a converter arrangement with an associated control and evaluation electronics 4.
  • the sensor works according to the so-called "sing-around" method.
  • the reception of an ultrasound signal S1 or S2 at one of the transducers A, B triggers an ultrasound signal in the opposite direction.
  • a flow measurement essentially proceeds as follows:
  • the electronics 4 outputs an electrical pulse to the converter A, which then generates an ultrasound signal S1 and sends it out to the second converter B.
  • the signal S1 is received by the second converter B.
  • the flow velocity v can finally according to
  • 3 shows the signal curve of an individual ultrasound signal S1, S2 and the manner in which a reception time is determined for such a signal.
  • the so-called zero crossing detection zero crossing detection
  • the "time of reception" of the signal is defined as the first zero crossing of the signal after the amplitude has exceeded a predetermined threshold value SW (the so-called pretrigger level).
  • SW the so-called pretrigger level
  • an elongated ultrasound signal is therefore preferably generated at the ultrasound transducers, as shown in FIG. 4.
  • a signal S1, S2 is received at the other transducer, a plurality of reception times per ultrasonic signal are then detected.
  • the excitation signal P is shown in the upper part and the ultrasound signal S1 or S2 generated thereby in the lower part of the figure.
  • the frequency of the ultrasound signal A1, B1 corresponds to that of the excitation signal P.
  • the ultrasound signal A1, B1 also has a substantially constant maximum amplitude over several periods.
  • the control and evaluation circuit 4 is implemented, for example, such that each time an ultrasound signal S1 or S2 crosses zero (after the amplitude of the signal has exceeded a predetermined threshold value SW), a reception time t-t n is detected.
  • FIG. 5 shows the reception times of the signals S1, S2 in the order in which they arrive at the ultrasonic transducers A, B.
  • the signal S2 arrives at the converter A several signal periods earlier than the signal S1 at the converter B.
  • the associated reception times ti ', ti " .... t n ' , t n " each result in a transit time difference ⁇ t ⁇ .. .. ⁇ t n determined.
  • n counters are usually required, with which the runtime differences ti of reception events belonging together are counted. This is relatively time-consuming and complicated.
  • Running times may also be possible in unfavorable flow conditions or when the flow direction is reversed.
  • An essential aspect of the invention is to provide a control and evaluation unit with two counters, the first of which is the number of full intervals of a first Signal (for example a reference signal or a first ultrasound signal) counts at least until the first reception time of an ultrasound signal, and the second counter counts the time period between a first and a second of several switching or reception times of the two signals combined in pairs. Because the transit time or transit time difference of the ultrasound signals is determined from a plurality of time periods that do not overlap in time, the transit time or transit time difference can be determined with only two counters and consequently with very little technical effort.
  • a first Signal for example a reference signal or a first ultrasound signal
  • An ultrasonic flow sensor which works according to the measurement principle described above, can be operated in different ways.
  • a first possibility is to send an ultrasonic signal to the two ultrasonic transducers at the same time and to measure the transit time difference of the ultrasonic signals using the two counters.
  • a second possibility is to first transmit an ultrasonic signal to only one of the transducers and to measure its transit time taking into account a clock signal, and then to carry out the same transit time measurement on the other transducer.
  • the first counter counts the number of full intervals (defined by two successive reception times in each case) of the ultrasound signal arriving first at least until the first reception time of the ultrasound signal arriving later, and the second counter in each case the period between a first and a second of several reception times of different ultrasound signals combined in pairs.
  • the reception times (reception pairs) combined in pairs, the time span of which is measured by the second counter preferably each include a reception time of the one ultrasound signal and a reception time of the other ultrasound signal immediately following.
  • the receiving pairs are preferably selected such that they follow one another directly, without omitting individual reception times.
  • the evaluation and control unit preferably forms an average value from the measured time periods between the receiving pairs. A relatively precise value for the transit time difference of the ultrasound signals can thus be determined from the counter reading of the first counter and the averaged counter reading of the second counter.
  • the pairing assignment of two reception times is carried out according to the following rule:
  • the control and evaluation unit first checks whether the first reception time of the signal arriving later is closer in time to the previous one or closer to the following
  • the time of reception of the ultrasound signal that first arrived is a predetermined time threshold
  • the first counter in the first case representing the length of time (or number of full intervals) from the first time of reception of the first signal to the time of reception of the first
  • the first counter therefore counts the number of full intervals of the first ultrasound signal up to the first reception time of the later arriving ultrasound signal or one more interval, depending on the position of the first reception time of the later arriving ultrasound signal in the interval of the first ultrasound signal.
  • the second counter preferably counts the time periods between two successive reception times of different signals. (The order of the reception times from which a reception pair is formed can change due to signal shift during the measurement).
  • the transit time difference is in the first case from the counter reading of the first counter and an average of the counter reading of the second counter by addition, in the second case by
  • Subtraction is formed, taking into account the different values of the two counters.
  • the different selection of the first pair of receivers depending on the relative position of the first time of reception of the ultrasound signal arriving later has the significant advantage that the evaluation is very robust against signal jitter (noise or trembling of the signal) or turbulent flow. The frequency of errors is thus significantly reduced.
  • the second counter is preferably implemented as an up / down counter, which changes the counting direction depending on the order of the reception times combined in pairs and counts either upwards or downwards. In this way, in particular, shifts in the elongated ultrasonic signals, e.g. due to turbulent flow.
  • An explicit addition or subtraction of both counter readings can preferably be dispensed with, in that the first counter is also implemented as an up / down counter, which receives a transfer in the positive or negative direction from the second counter when the counter limits of the second counter are exceeded.
  • the second counter accumulates the time spans of p pairs of reception times, where p is a power of two.
  • the mean value of the counter reading of the second counter is then obtained after division by p. If p was chosen as the power of two, the mean value can be easily formed by a shift register operation in which the decimal place is shifted by log 2 p places.
  • an elongated ultrasound signal is generated by means of a clock signal (excitation signal).
  • This clock signal can itself serve as a reference signal.
  • the reference signal can be derived from the clock signal by generating a voltage pulse with a defined edge (e.g. positive) on both the positive and negative edges of the clock signal.
  • the ultrasonic signal is initially only transmitted by one of the transducers and received by the other transducer.
  • the first counter then counts the number of full intervals of the reference signal at least until the first reception time of the incoming ultrasound signal, and the second counter in each case the time period between a first and a second of several switching or reception times of the signals combined in pairs.
  • the first counter therefore counts the number of full clock periods, and the second counter the remaining time until the ultrasound signal arrives, taking into account several pairs of clock edges and reception times (reception pairs).
  • the result of this measurement is the transit time of the ultrasound signal in one direction.
  • the transit time of an ultrasonic signal is then measured in the other direction and the measured variable sought is calculated from the two transit times.
  • Evaluation circuit usually set a digital signal (e.g. from low to high) that indicates the exact time of reception of the reception event.
  • the edge of this signal is subject to newspaper inaccuracy (jitter). Aliasing effects occur when the signal is sampled if the clock rate of the sampling signal is not chosen to be sufficiently high (Nyquist criterion).
  • it is proposed to sample the electrical signal at a sampling rate that is significantly higher than the reciprocal of the newspaper inaccuracy of a reception event. This can significantly increase the accuracy of the flow measurement.
  • Figure 1 shows a typical example of an ultrasonic flow sensor with two ultrasonic transducers according to the prior art.
  • FIG. 7 shows a control and evaluation circuit for determining the transit time difference according to FIG. 6;
  • FIG. 9 shows a control and evaluation unit for determining the transit time difference between two ultrasonic signals according to the method of FIG. 8;
  • FIG. 11 shows the evaluation of the transit time difference in the case of two non-uniform ultrasonic signals according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 12 shows a control and evaluation circuit for determining the transit time difference between two ultrasound signals according to the method from FIG. 11;
  • 13 is a schematic representation of a single receive event
  • FIG. 6 shows an example of the time profile of the ultrasonic signals S1, S2 received at the ultrasonic transducers A, B, which were emitted simultaneously at the other transducer B, A.
  • the positive edges of the digital pulses AI-An or Bl-Bn each indicate the reception of a zero crossing of the ultrasound signals S1 or S2 at the times ti 'or ti ".
  • the difference in transit time ⁇ t of the two ultrasound signals S1, S2 is equal to the time period from Pulse AI up to pulse Bl.
  • ⁇ t ⁇ t' + ⁇ t ".
  • S1, S2 are taken into account and several remaining time periods ⁇ t ′′ are measured, which are finally averaged.
  • the transit time difference ⁇ t of the ultrasonic signals S1, S2 thus results from the value of ⁇ t ′ and the mean of the times ⁇ tj ′′ .
  • the duration of the times ⁇ t 'or ti can be measured in a simple manner by means of two counters 5a, 5b.
  • the first counter 5a counts the duration of the full intervals (an interval corresponds to the duration between two successive pulses, e.g. A1, A2, of the same ultrasound signal) until the arrival of the first pulse B1 of the ultrasound signal S1 arriving later.
  • the counter reading of the first counter 5a forms a rough estimate of the transit time difference ⁇ t of the two ultrasound signals S1, S2.
  • a second counter continuously measures the time periods ⁇ tj . "between two pulses A4, B2; A5, B3; etc., which are combined in pairs, thereby adding up the
  • the pulse pairs are directly on top of each other chosen below.
  • an average value is formed from the final counter value, which is added to the counter reading of the first counter 5a.
  • the counter reading of the first counter 5a preferably forms the high-order bits (hsb: high significant bits) and the counter reading of the second counter the low-order bits (lsb: least significant bits).
  • the lsb bits of the second Counter directly attached to the hsb bits of the first counter and assembled into a single binary number that is proportional to the transit time difference ⁇ t.
  • the counter reading of the second counter 5b can also be averaged particularly easily if a total of p measurements of p intervals ⁇ ti "are carried out and the number p is a power of two.
  • the averaging of the binary counter value corresponds to a shift register operation by log 2 p, in which the decimal place is shifted to the left by log 2 p digits.
  • the final transit time difference ⁇ t thus results from the counter reading of the first counter. 5a and the high-order bits (here 10 bits) of the second counter 5b in units of the period of the lsb counter clock, the 5 low-order bits of the second counter being corresponding decimal places.
  • the transit time difference ⁇ t of the signals S1, S2 could also be represented as the difference between the time spans [AI to A4] and [B1 to A4].
  • the first counter 5a would have to count an interval more than until the arrival of the first pulse B1, i.e. from AI to A4, and the second counter 5b each the intervals between B2, A5; B3, A6; etc.
  • ⁇ t t [Al, A4] - t [Bl, A4].
  • the same principles apply as are described with reference to FIGS. 6 to 15.
  • the transit time ⁇ t of an ultrasonic signal e.g. S1
  • the transit time ⁇ t of an ultrasonic signal e.g. S2
  • the signal S2 should be regarded as the reference signal P, which was derived from the same clock signal with which the elongated ultrasound signal S1 was generated, with the reception times AI in this case switching times (e.g. positive edges ) of the reference signal P. (A separate illustration was therefore omitted).
  • the first counter 5a counts the number of full intervals of the reference signal P at least up to the first reception time B1 of the incoming one
  • Ultrasonic signal Sl, and the second counter 5b each measure the time period ⁇ ti between a first and a second of a plurality of switching or reception times Ai, Bi of the signals P, S1 combined in pairs.
  • the first counter therefore counts the number of full periods of the reference signal and the second counter the remaining time ⁇ ti "until the ultrasound signal arrives. The result of this measurement is
  • Fig. 7 shows an embodiment of a control and evaluation circuit 4 with two digital counters 5a, 5b
  • the circuit has that Inputs input A for signal S2 and input B for signal S1.
  • the circuit module 6 receives the pulses Ai and Bi from the converters A, B at the inputs "Input A” and “Input B”, passes the first arriving pulses (here A1-A3) except for the first pulse at all (ie here : A2-A3) and passes this on to the first counter 5a until the first pulse (here B1) of the later arriving ultrasound signal S1 arrives at the other input "Input B".
  • the first counter thus counts to 2 (two full intervals) and then stops counting.
  • the counter reading hsb of the first counter 5a is identified by reference numeral 14.
  • Counter 5a corresponds to the frequency of the ultrasonic signals S1, S2.
  • the module 6 After the arrival of the first pulse B1 of the signal S1, the module 6 activates a second module 7 by means of a
  • the second module 7 also receives the pulses Ai, Bi at the inputs “Input A” and “Input B” and activates the second counter 5b during the periods A4, B2; A5, B3, etc. (the output “Cnt enable “then goes high).
  • the "cnt enable” output is connected to an AND gate 10, the output of which is connected to the clock input Clk of the second counter 5b.
  • the second counter 5b thus counts up with the clock rate "clock” supplied at the input 16, as long as the "cnt enable” output of the second module 7 is high and the number of measured intervals ⁇ ti "is smaller than a predetermined number of intervals, ⁇ ti" , which can be specified at input 11.
  • the number of the intervals ⁇ ti "already measured is counted by the counter 12, which is connected to the" cnt enable "output of the second module 7.
  • the inverted output of a flip-flop 9 is high until the measured number of intervals ⁇ ti" is equal is the number of intervals specified at input 11.
  • the equality of the number is recognized by a logic gate 8, which sets the flip-flop 9.
  • the inverted output IQ thus goes low and the second counter 5b stops counting.
  • the counter reading lsb des second counter 5b is finally read out at output 13 and, as described above, can be averaged by a shift register operation.
  • the circuit is reset via the "start" input so that a new measurement can begin.
  • the modules 6, 7 receive e.g. at the input "Input A" instead of the converter output signal S2, the reference signal P.
  • the circuit of FIG. 7 otherwise works in the same way as in the first operating mode.
  • the counter reading lsb of the second counter 5b is again averaged. If p is a power of two, the counter readings of the hsb counter 5a and the lsb counter 5b can simply be combined into a single binary number without further arithmetic operation, as shown in Fig. 8 below, the binary number then being proportional to the transit time difference or flow rate.
  • FIG. 9 shows an embodiment of an evaluation unit 4 for carrying out the method described above with reference to FIG. 8.
  • the generation of the ultrasonic signals S1, S2 from the clock of a quartz oscillator and the sequence control of the entire measuring process have been omitted for reasons of clarity.
  • the evaluation circuit is essentially identical to the evaluation circuit of FIG. 7, to which reference is made here.
  • the electrical pulses Ai, Bi generated by the converters A, B are fed in at the inputs "Input A” and “Input B” of the modules 6 and 7.
  • the circuit module 7 passes the pulses arriving first except for the very first (here A2-A3) and passes on corresponding signals to the first counter 5a until the first pulse B1 of the other ultrasound signal S1 arrives.
  • the counting direction of the first counter 5a is specified by the module 6 via the output +/-. (The counting direction is positive or negative, depending on which signal S1, S2 arrives first).
  • the module 7 also recognizes the sequence of the pulses Ai, Bi of a pair of pulses Ai, Bi and accordingly outputs either a positive or a negative sign at the output +/- for each pair of pulses.
  • the sign is passed via an XOR gate 17 and an NOT gate 18 to the second counter 5b, which counts up or down accordingly.
  • the clock "clock” at input 16 only reaches the second counter 5b via the AND gate 10 during the time intervals ⁇ ti ".
  • the clock” clock is received by the module 7 during the time intervals ⁇ ti” released at the "Cnt enable” output and thus reaches the second counter 5b.
  • the first counter 5a counts the number of full intervals (from AI-A3) of the first arriving signal S2 until the first pulse B1 arrives and then stops counting.
  • the second counter 5b then counts during the interval A4, B2 e.g. by 8 counters, during the interval
  • the reason for the incorrect evaluation is that the first pulse B1 of the signal S1 is only briefly present the next signal A4 of the other signal S2 arrives and overlapping time periods (A5, B3 and A6, B4) are already generated by a slight signal shift.
  • the evaluation unit 4 checks whether the first pulse B1 of the ultrasound signal S1 arriving later is closer in time to the previous pulse A3 or closer to the subsequent pulse A4 of the other signal S2.
  • a time threshold ts which in this example lies in the middle of the interval A3, A4, serves as a benchmark in this case.
  • the first counter 5a counts the number of full intervals until the first pulse B1 arrives. Thereafter, all subsequent pulses are in the order of their On arrival, interpreted as pulse pairs Ai, Bi, whose assigned time intervals [Ai, Bi] are measured by the second counter 5b. In Fig. 8 e.g. A4, B2 is the first of these pulse pairs. This method corresponds to the method of FIG. 8 or FIG. 10. The counter reading of the first counter 5a and the second counter 5b are finally added (after averaging), taking into account the different values of the two counters, or simply put together.
  • the first counter 5a In the second case (the first pulse B1 arrives after the time threshold ts), the first counter 5a counts an interval further, ie all full intervals [Ai, A i + ⁇ ] up to and including the interval [A 3 , A 4 ] of the signal S2, in which the first pulse B1 of the later ultrasonic signal S1 falls.
  • the counter reading hsb of the first counter 5a thus counts to three. From this point in time, all further pulses are assigned to one another in the order of their arrival as pairs Ai, Bi. In the example in FIG. 11, B2, A5 is the first of these pulse pairs.
  • the second counter 5b then counts again during the period of a pulse pair Ai, Bi, the counter reading being counted up or down depending on the sequence of the pulses Ai, Bi
  • Pulse pairs in the order Bi, Ai are counted downwards and pulse pairs in the order Ai, Bi upwards.
  • Fig. 12 shows an embodiment of a control and evaluation circuit 4, which is almost identical to the evaluation circuit of Fig. 9.
  • the generation of the ultrasonic signals S1, S2 from the clock of a crystal oscillator, and the sequence control is omitted for reasons of clarity.
  • Identical components are provided with the same reference symbols.
  • the module 6 of the evaluation circuit of FIG. 12 comprises an additional clock input "clock", which enables an additional time measurement in order to decide whether the first pulse B1 of the ultrasound signal S1 arriving later before or after that in FIG. 11 shown time threshold ts arrives.
  • clock For the purposes of Time measurement, for example, can again be a counter that can be integrated in module 6.
  • the output "enable" of the module 6 thus becomes active sooner or later, depending on the position of the first reception time B1 of the signal S1.
  • FIG. 13 shows an internal signal of the evaluation circuit 4, which is switched from low to high when a received event (eg a zero crossing) of a received ultrasound signal S1, S2 is detected.
  • a received event eg a zero crossing
  • the time of the rising signal edge has a certain newspaper inaccuracy ⁇ t j due to signal jitter (signal jitter or noise).
  • FIG. 15 shows the jitter-related frequency distribution of the detected point in time for the zero crossing in the case of several measurements carried out in succession.
  • the standard deviation is given as +/- ⁇ t j .
  • the frequency distribution can, for example, correspond to a normal distribution with the corresponding characteristic of a Gaussian function.
  • the internal detection signal of FIG. 13 is usually sampled with a high-frequency clock, as shown in FIG. 14 above.
  • This clock corresponds to the clock at the clock input in FIG. 9 and FIG. 12.
  • a clock signal with a relatively low frequency f 1 is selected, a relatively high aliasing error can result in the runtime measurement.
  • the reception event is only detected by the evaluation circuit 4 after a time ⁇ t a .
  • the accuracy of the measurement can be further increased by this oversampling, although the spread is +/- ⁇ t j of the frequency distribution of the

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungssensor, insbesondere zum Messen eines Volumen- oder Massestroms eines Fluids (1), mit zwei in Strömungsrichtung (2) versetzt angeordneten Ultraschall-Wandlern (A,13), die jeweils ein periodisches Ultraschallsignal (S1,S2) an den anderen Ultraschall-Wandler (B,A) aussenden, und einer Steuer- und Auswerteeinheit (4), die bei Empfang eines Ultraschallsignals (S1,S2) an einem der Ultraschallwandler (A,B) jeweils mehrere Empfangszeitpunkte (ti', ti') pro Ultraschallsignal (SI,S2) detektiert, aus denen eine Messgröße (S) ermittelt wird. Die Genauigkeit der Messung kann wesentlich verbessert werden, wenn die Steuer- und Auswerteeinheit (4) wenigstens zwei Zähler (5a,5b) umfasst, von denen der erste eine Zeitdauer (Δt') von einem ersten Schalt- bzw. Empfangszeitpunkt (t1') eines Signals (S2,P) wenigstens bis zum ersten Empfangszeitpunkt (t1') des Ultraschallsignals (S1) zählt, und der zweite Zähler jeweils die Zeitspanne (Δt') zwischen einem ersten und einem zweiten von mehreren paarweisen zusammengefassten Zeitpunkten (ti', ti') der Signale (SI,S2,P) ermittelt.

Description

Beschreibung
Bestimmung der Laufzeitdifferenz bei einem Ultraschall- Strömungssensor mit mehrfacher Nulldurchgangsdetektion
Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Auswerten der Ultraschallsignale bei einem solchen Ultraschall-Strömungssensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Ultraschall-Strömungssensoren werden eingesetzt, um insbesondere den Volumen- oder Massestrom oder die Strömungsgeschwindigkeit eines gasförmigen oder flüssigen Mediums zu messen, das durch eine Rohrleitung strömt. Ein bekannter Typ von Ultraschall-Strömungssensoren umfasst zwei in Strömungsrichtung versetzt angeordnete Ultraschallwandler, die jeweils Ultraschallsignale erzeugen und diese an den jeweils anderen Ultraschallwandler aussenden. Die Ultraschallsignale werden vom jeweils anderen Wandler empfangen und mittels einer Elektronik ausgewertet. Der Laufzeitunterschied zwischen dem Ultraschallsignal in Strömungsrichtung und dem Ultraschallsignal in Gegenrichtung ist dabei ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Daraus kann die gewünschte Messgröße, wie z.B. ein Volumenstrom, berechnet werden.
Fig. 1 zeigt eine typische Anordnung eines Ultraschall- Strömungssensors mit zwei Ultraschallwandlern A, B, die innerhalb einer Rohrleitung 3 angeordnet sind und sich in einem Abstand L gegenüberstehen. In der Rohrleitung 3 strömt ein Fluid 1 mit einer Geschwindigkeit v in Richtung des Pfeils 2. Die Messstrecke L ist gegenüber der Strömungsrichtung 2 um einen Winkel α geneigt. Während einer Messung senden sich die Ultraschallwandler A,B gegenseitig Ultraschallimpulse zu, die je nach Richtung von der Strömung entweder verlangsamt oder beschleunigt werden. Die Signallaufzeiten sind dabei ein Maß für die zu bestimmende Strömungsgeschwindigkeit .
Fig. 2 zeigt eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Wandleranordnung mit einer daran angeschlossenen Steuer- und Auswerteelektronik 4. Der Sensor arbeitet nach dem sogenannten "sing-around" Verfahren. Dabei wird durch den Empfang eines Ultraschallsignals Sl bzw. S2 an einem der Wandler A,B unmittelbar ein Ultraschallsignal in Gegenrichtung ausgelöst.
Eine Strömungsmessung läuft im wesentlichen wie folgt ab: Die Elektronik 4 gibt einen elektrischen Impuls an den Wandler A aus, der daraufhin ein Ultraschallsignal Sl generiert und an den zweiten Wandler B aussendet. Nach einer Streckenlaufzeit ti2 wird das Signal Sl vom zweiten Wandler B empfangen. Unmittelbar darauf generiert " der zweite Wandler B ein Ultraschallsignal S2, das nach einer Streckenlaufzeit t2ι am ersten Wandler A ankommt. Sind tι2 und t2i die Schalllaufzeiten der Signale von A nach B bzw. umgekehrt, so ergibt sich daraus ein Laufzeitunterschied Ott = tι2-t2ι. Die Strömungsgeschwindigkeit v kann schließlich gemäß
2L Δt 1 v = - cosα (∑t)2 s
berechnet werden. Dabei ist αt = tι2+t2ι die Summenlaufzeit für einen Umlauf oder Umlaufzeit, und s ein Korrekturfaktor mit s=l- (αt/αt)2. Fig. 3 zeigt den Signalverlauf eines einzelnen Ultraschallsignals S1,S2 und die Art und Weise der Bestimmung eines EmpfangsZeitpunktes bei einem solchen Signal. Dargestellt ist hier die sogenannte Zero-Crossing-Detektion (Nulldurchgangsdetektion) . Dabei ist der "Empfangszeitpunkt" des Signals als der erste Nulldurchgang des Signals definiert, nachdem die Amplitude einen vorgegebenen Schwellenwert SW (den sogenannten pretrigger level) überschritten hat. Der EmpfangsZeitpunkt bei diesem Beispiel wäre somit der Zeitpunkt to.
Wegen des Rauschanteils R, der dem Signal überlagert ist, führt die Zero-Crossing-Detektion jedoch zu einer relativ hohen zeitlichen Unscharfe αtj in der Pulsflankenerkennung. Normalerweise ist die Unscharfe αtj so groß, dass mit einer einzigen Messung, insbesondere bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten, keine brauchbare Messgenauigkeit erreicht werden kann.
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit wird daher vorzugsweise ein langgezogenes Ultraschallsignal an den Ultraschallwandlern erzeugt, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Beim Empfang eines solchen Signals S1,S2 am anderen Wandler werden dann mehrere EmpfangsZeitpunkte pro Ultraschallsignal detektiert. Bei einer Messung stehen somit mehrere LaufZeitinformationen zur Verfügung, aus denen ein Messwert mit höherer Genauigkeit bestimmt werden kann, wobei die Messdauer im Vergleich zu mehreren Einzelmessungen wesentlich geringer ist.
Fig. 4 zeigt die Signale P,S1,S2 nochmals in vergrößerter
Darstellung, wobei das Erregersignal P im oberen Teil und das damit erzeugte Ultraschallsignal Sl bzw. S2 im unteren Teil der Fig. dargestellt ist. Wie zu erkennen ist, entspricht die Frequenz des Ultraschallsignals A1,B1 derjenigen des Erregersignals P. Das Ultraschallsignal A1,B1 hat außerdem eine über mehrere Perioden im wesentlichen gleichbleibende maximale Amplitude.
In Bezug auf die Detektion der Signale S1,S2 ist die Steuer- und Auswerteschaltung 4 z.B. derart realisiert, dass bei jedem Nulldurchgang eines Ultraschallsignals Sl bzw. S2 (nachdem die Amplitude des Signals einen vorgegebenen Schwellenwert SW überschritten hat) ein EmpfangsZeitpunkt tι-tn detektiert wird.
Fig. 5 zeigt die Empfangszeitpunkte der Signale S1,S2 in der Reihenfolge ihres Eintreffens an den Ultraschallwandlern A,B. Das Signal S2 kommt in diesem Beispiel um mehrere Signalperioden früher am Wandler A an als das Signal Sl am Wandler B. Aus den zusammengehörigen EmpfangsZeitpunkten ti' , ti" .... tn ' , tn" wird jeweils eine Laufzeitdifferenz αtι....αtn ermittelt. Hierzu sind üblicherweise n Zähler erforderlich, mit denen die Laufzeitunterschiede ti zusammengehöriger Empfangsereignisse gezählt werden. Dies ist relativ aufwändig und kompliziert.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschall-Strömungssensor bzw. ein entsprechendes Verfahren zu schaffen, mit dem die Laufzeiten zweier langgezogener Ultraschallsignale mit möglichst geringem technischen Aufwand bestimmt werden können. Dabei sollte die Bestimmung der
Laufzeiten auch bei ungünstigen Strömungsbedingungen oder bei einer Umkehr der Strömungsrichtung möglich sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 9 angegebenen
Merkmale gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Steuer- und Auswerteeinheit mit zwei Zählern vorzusehen, von denen der erste die Anzahl der vollen Intervalle eines ersten Signals (z.B. eines Referenzsignals oder eines ersten Ultraschallsignals) wenigstens bis zum ersten EmpfangsZeitpunkt eines Ultraschallsignals zählt, und der zweite Zähler jeweils die Zeitspanne zwischen jeweils einem ersten und einem zweiten von mehreren paarweise zusammengefassten Schalt- bzw. EmpfangsZeitpunkten der beiden Signale zählt. Dadurch, dass die Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz der Ultraschallsignale aus mehreren Zeitdauern ermittelt wird, die sich zeitlich nicht überlappen, kann die Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz mit nur zwei Zählern und folglich mit sehr geringem technischen Aufwand ermittelt werden.
Ein Ultraschall-Strömungssensor, der nach dem vorstehend beschriebenen Messprinzip arbeitet, kann auf unterschiedliche Art und Weise betrieben werden. Eine erste Möglichkeit besteht darin, an den beiden Ultraschallwandlern gleichzeitig je ein Ultraschallsignal auszusenden und die Laufzeitdifferenz der Ultraschallsignale mittels der zwei Zähler zu messen. Ein zweite Möglichkeit besteht darin, zunächst nur an einem der Wandler ein Ultraschallsignal auszusenden und dessen Laufzeit unter Berücksichtigung eines Taktsignals zu messen, und danach die gleiche LaufZeitmessung am anderen Wandler durchzuführen.
Im Folgenden wird zunächst auf diejenige Betriebsart des
Strömungssensors eingegangen, bei der die Ultraschallsignale gleichzeitig von den Wandlern ausgesendet werden. In diesem Fall zählt der erste Zähler die Anzahl der vollen Intervalle (definiert durch jeweils zwei aufeinander folgende EmpfangsZeitpunkte) des zuerst eintreffenden Ultraschallsignals wenigstens bis zum ersten EmpfangsZeitpunkt des später eintreffenden Ultraschallsignals, und der zweite Zähler jeweils die Zeitspanne zwischen jeweils einem ersten und einem zweiten von mehreren paarweise zusammengefassten EmpfangsZeitpunkten unterschiedlicher Ultraschallsignale . Die paarweise zusammengefassten EmpfangsZeitpunkte (Empfangspaare) , deren Zeitspanne vom zweiten Zähler gemessen wird, umfassen vorzugsweise jeweils einen EmpfangsZeitpunkt des einen Ultraschallsignals und einen unmittelbar darauf folgenden EmpfangsZeitpunkt des anderen Ultraschallsignals. Die Empfangspaare sind vorzugsweise derart ausgewählt, dass sie unmittelbar aufeinander folgen, ohne Auslassung einzelner EmpfangsZeitpunkte. Die Auswerte- und Steuereinheit bildet aus den gemessenen Zeitspannen zwischen den Empfangspaaren vorzugsweise einen Mittelwert. Aus dem Zählerstand des ersten Zählers und dem gemittelten Zählerstand des zweiten Zählers kann somit ein relativ genauer Wert für die Laufzeitdifferenz der Ultraschallsignale bestimmt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die paarweise Zuordnung jeweils zweier EmpfangsZeitpunkte gemäß folgender Regel durchgeführt: Die Steuer- und Auswerteeinheit prüft zunächst, ob der erste EmpfangsZeitpunkt des später eintreffenden Signals zeitlich näher am vorhergehenden oder näher am folgenden
EmpfangsZeitpunkt des zuerst eingetroffenen Ultraschallsignals als eine vorgegebene Zeitschwelle liegt, wobei der erste Zähler im ersten Fall die Zeitdauer (bzw. Anzahl der vollen Intervalle) vom ersten EmpfangsZeitpunkt des ersten Signals bis zu demjenigen EmpfangsZeitpunkt des ersten
Signals bestimmt, der dem ersten EmpfangsZeitpunkt des später eintreffenden Ultraschallsignals vorhergeht, und im anderen Fall bis zu demjenigen Empfangszeitpunkt des ersten Ultraschallsignals zählt, der dem ersten EmpfangsZeitpunkt des später eintreffenden Ultraschallsignals folgt. Der erste Zähler zählt also die Anzahl der vollen Intervalle des ersten Ultraschallsignals bis zum ersten EmpfangsZeitpunkt des später eintreffenden Ultraschallsignals oder ein Intervall mehr, je nach Lage des ersten Empfangszeitpunkts des später eintreffenden Ultraschallsignals im Intervall des ersten Ultraschallsignals . Der zweite Zähler zählt vorzugsweise die Zeitdauern zwischen je zwei aufeinanderfolgenden EmpfangsZeitpunkten unterschiedlicher Signale. (Die Reihenfolge der EmpfangsZeitpunkte, aus denen ein Empfangspaar gebildet wird, kann sich aufgrund von Signalverschiebung während der Messung ändern) .
Die Laufzeitdifferenz wird im ersten Fall aus dem Zählerstand des ersten Zählers und einem Mittelwert des Zählerstands des zweiten Zählers durch Addition, im zweiten Fall durch
Subtraktion gebildet, wobei die unterschiedliche Wertigkeit beider Zähler zu berücksichtigen ist. Die unterschiedliche Auswahl des ersten Empfangspaares in Abhängigkeit von der relativen Lage des ersten EmpfangsZeitpunkts des später ankommenden Ultraschallsignals hat den wesentlichen Vorteil, dass die Auswertung sehr robust gegenüber einem Signaljitter (Rauschen oder Zittern des Signals) oder turbulenter Strömung ist. Die Fehlerhäufigkeit wird somit wesentlich reduziert.
Der zweite Zähler ist vorzugsweise als Aufwärts/AbwärtsZähler realisiert, der in Abhängigkeit von der Reihenfolge der paarweise zusammengefassten Empfangszeitpunkte die Zählrichtung ändert und entweder aufwärts oder abwärts zählt. Auf diese Weise können insbesondere Verschiebungen in den langgezogenen Ultraschallsignalen z.B. aufgrund von turbulenter Strömung, berücksichtigt werden.
Vorzugsweise kann auf eine explizite Addition oder Subtraktion beider Zählerstände verzichtet werden, indem der erste Zähler ebenfalls als Aufwärts/Abwärtszähler realisiert wird, der bei Überschreiten der Zählergrenzen des zweiten Zählers einen Übertrag in positiver oder negativer Richtung vom zweiten Zähler erhält.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung akkumuliert der zweite Zähler die Zeitspannen von p Paaren von Empfangszeitpunkten, wobei p eine Zweierpotenz ist. Der Mittelwert des Zählerstandes des zweiten Zählers ergibt sich dann nach einer Division durch p. Wenn p als Zweierpotenz gewählt wurde, kann der Mittelwert in einfacher Weise durch eine Schieberegisteroperation gebildet werden, bei welcher die Kommastelle um log2p Stellen verschoben wird.
Im Folgenden wird nun auf diejenige Betriebsart des Strömungssensors eingegangen, bei der die Ultraschallsignale nacheinander ausgesendet und die Signallaufzeiten unter Berücksichtigung eines Referenzsignals ermittelt werden. Wie auch in der ersten Betriebsart wird ein langgezogenes Ultraschallsignal mittels eines Taktsignals (Erregersignals) erzeugt. Dieses Taktsignal kann selbst als Referenzsignal dienen. Alternativ kann aus dem Taktsignal das Referenzsignal abgeleitet werden, indem sowohl bei den positiven als auch negativen Flanken des Taktsignals ein Spannungspuls mit einer definierten Flanke (z.B. positiv) erzeugt wird. Das Ultraschallsignal wird zunächst nur von einem der Wandler ausgesendet und am anderen Wandler empfangen.
Der erste Zähler zählt dann die Anzahl der vollen Intervalle des Referenzsignals wenigstens bis zum ersten EmpfangsZeitpunkt des eintreffenden Ultraschallsignals, und der zweite Zähler jeweils die Zeitspanne zwischen jeweils einem ersten und einem zweiten von mehreren paarweise zusammengefassten Schalt- bzw. EmpfangsZeitpunkten der Signale. Der erste Zähler zählt also die Anzahl der vollen Taktperioden, und der zweite Zähler die Restzeit bis zum Eintreffen des Ultraschallsignals unter Berücksichtigung mehrerer Taktflanken-Empfangszeitpunkt-Paare (Empfangspaare) . Das Ergebnis dieser Messung ist die Laufzeit des Ultraschallsignals in der einen Richtung. Danach wird die Laufzeit eines Ultraschallsignals in der anderen Richtung gemessen und aus den beiden Laufzeiten die gesuchte Messgröße berechnet. Die vorstehend bezüglich der ersten Betriebsart aufgeführten Ausführungsmöglichkeiten gelten in entsprechender Weise auch für die zweite Betriebsart.
Bei der Detektion eines Empfangsereignisses (z.B. Nulldurchgangs) eines Ultraschallsignals wird in der
Auswerteschaltung üblicherweise eine digitales Signal gesetzt (z.B. von low auf high), das den genauen EmpfangsZeitpunkt des Empfangsereignisses anzeigt. Die Flanke dieses Signals ist mit einer Zeitungenauigkeit (jitter) behaftet. Bei der Abtastung des Signal kommt es zu Aliasing-Effekten, wenn die Taktrate des Abtastsignals nicht ausreichend hoch gewählt wird (Nyquist-Kriterium) . Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, das elektrische Signal mit einer Abtastrate abzutasten, die deutlich höher ist als der Kehrwert der Zeitungenauigkeit eines Empfangsereignisses. Dadurch kann die Genauigkeit der Strömungsmessung wesentlich erhöht werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein typisches Beispiel eines Ultraschall- Strömungssensors mit zwei Ultraschallwandlern gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 einen Ultraschall-Strömungssensor mit einer zugehörigen Steuer- und Auswerteschaltung;
Fig. 3 ein typisches Ultraschallsignal gemäß dem Stand der Technik und die Detektion des EmpfangsZeitpunkts;
Fig. 4 ein langgezogenes Ultraschallsignal mit mehreren zur Zeitmessung genutzten Nulldurchgängen;
Fig. 5 die Ermittlung von n Differenzlaufzeiten mittels n Zählern; Fig. 6 die Ermittlung der Differenzlaufzeit der
Ultraschallsignale mittels zweier Zähler gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 eine Steuer- und Auswerteschaltung für die Bestimmung der Laufzeitdifferenz gemäß Fig. 6;
Fig. 8 die Bestimmung der Laufzeitdifferenz zweier Ultraschallsignale gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 9 eine Steuer- und Auswerteeinheit für die Bestimmung der Laufzeitdifferenz zweier Ultraschallsignale gemäß dem Verfahren von Fig. 8;
Fig. 10 ein Beispiel einer fehlerhaften Auswertung der Laufzeitdifferenz bei sich verschiebenden EmpfangsZeitpunkten;
Fig. 11 die Auswertung der Laufzeitdifferenz bei zwei ungleichmäßigen Ultraschallsignalen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 12 eine Steuer- und Auswerteschaltung zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz zweier Ultraschallsignale gemäß dem Verfahren von Fig. 11;
Fig. 13 eine schematische Darstellung eines einzelnen Empfangsereignisses;
Fig. 14 ein Abtastsignal mit niedrigerer und höherer Frequenz; und
Fig. 15 die Normalverteilung der Zeitungenauigkeit bei der Detektion einzelner Empfangsereignisse. Bezüglich der Erläuterung der Fig. 1 bis 5 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen .
Fig. 6 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der an den Ultraschallswandlern A,B empfangenen Ultraschallsignale S1,S2, die gleichzeitig am jeweils anderen Wandler B,A ausgesendet wurden. Die positiven Flanken der digitalen Pulse AI-An bzw. Bl-Bn kennzeichnen jeweils den Empfang eines Nulldurchgangs der Ultraschallsignale Sl bzw. S2 zu den Zeitpunkten ti' bzw. ti" . Der Laufzeitunterschied αt der beiden Ultraschallsignale S1,S2 ist gleich der Zeitdauer vom Puls AI bis zum Puls Bl .
Der Laufzeitunterschied kann ausgedrückt werden als eine Zeitdauer αt' von Puls AI bis A3 plus ein Restwert αt zwischen den Pulsen A3 und Bl, wobei gilt αt = αt' + αt" . Um den statistischen Messfehler zu verringern, werden hier möglichst viele Nulldurchgänge der Signale S1,S2 berücksichtigt und mehrere Rest-Zeitdauern αt' ' gemessen, die schließlich gemittelt werden. Der Laufzeitunterschied αt der Ultraschallsignale S1,S2 ergibt sich somit aus dem Wert von αt' und dem Mittelwert der Zeiten αtj".
Die Dauer der Zeiten αt' bzw. ti kann in einfacher Weise mittels zweier Zähler 5a, 5b gemessen werden. Der erste Zähler 5a zählt dabei die Dauer der vollen Intervalle (ein Intervall entspricht der Dauer zwischen zwei aufeinander folgenden Pulsen, z.B. A1,A2, des selben Ultraschallsignals) bis zum Eintreffen des ersten Pulses Bl des später ankommenden Ultraschallsignals Sl. Der Zählerstand des ersten Zählers 5a bildet dabei eine grobe Abschätzung der Laufzeitdifferenz αt der beiden Ultraschallsignale S1,S2.
Ein zweiter Zähler misst jeweils fortlaufend die Zeitspannen αtj." zwischen jeweils zwei paarweise zusammengefassten Pulsen A4,B2;A5,B3; etc. und summiert dadurch gleichzeitig die
Messwerte. Die Pulspaare sind dabei unmittelbar aufeinander folgend gewählt. Aus dem endgültigen Zählerwert wird schließlich ein Mittelwert gebildet, der zum Zählerstand des ersten Zählers 5a hinzu addiert wird. Bei Verwendung digitaler Zähler 5a, 5b bildet der Zählerstand des ersten Zählers 5a vorzugsweise die höherwertigen Bits (hsb: high significant bits) und der Zählerstand des zweiten Zählers die niederwertigen Bits (lsb: least significant bits) . Unter den zwei Voraussetzungen, dass erstens die Bitbreiten des ersten Zählers 5a und des zweiten Zählers 5b richtig aneinander angepasst sind und zweitens die Ultraschallfrequenz mittels Teilung durch eine 2er-Potenz aus dem Zählertakt des lsb- Zählers erzeugt wurde, können die lsb-Bits des zweiten Zählers direkt an die hsb-Bits des ersten Zählers angefügt und zu einer einzigen Binärzahl zusammengesetzt werden, die proportional zur Laufzeitdifferenz αt ist.
Der Zählerstand des zweiten Zählers 5b kann darüber hinaus besonders einfach gemittelt werden, wenn insgesamt p Messungen von p Intervallen αti" durchgeführt werden und die Anzahl p eine Zweierpotenz ist. In diesem Fall entspricht die Mittelung des binären Zählerwerts (Teilung durch p) gleich einer Schieberegisteroperation um log2p, bei der die Kommastelle um log2p-Stellen nach links verschoben wird. Im dargestellten Beispiel von Fig. 6 werden p = 25 = 32 Messungen von αti" durchgeführt und somit die Kommastelle um 5 Bit nach links verschoben. Die endgültige Laufzeitdifferenz αt ergibt sich somit aus dem Zählerstand des ersten Zählers. 5a und den höherwertigen Bits (hier 10 Bit) des zweiten Zählers 5b in Einheiten der Periodendauer des lsb- Zählertaktes, wobei die 5 niederwertigen Bits des zweiten Zählers entsprechende Nachkommastellen sind.
Alternativ zur Darstellung von Fig. 6 könnte die Laufzeitdifferenz αt der Signale S1,S2 auch als Differenz der Zeitspannen [AI bis A4] und [Bl bis A4] dargestellt werden. Der erste Zähler 5a müsste ein Intervall mehr als bis zum Eintreffen des ersten Pulses Bl, also von AI bis A4 zählen, und der zweite Zähler 5b jeweils die Intervalle zwischen B2,A5;B3,A6; etc.. Hierbei gilt: αt = t[Al,A4] - t[Bl,A4].
In einer zweiten Betriebsart des Ultraschall-Strömungssensors, in der die Ultraschallsignale S1,S2 nicht gleichzeitig, sondern nacheinander ausgesendet werden, gelten die gleichen Grundsätze, wie sie bezüglich der Fig. 6 bis 15 beschrieben werden. In diesem Fall wird jedoch zunächst die Laufzeit αt eines Ultraschallsignals (z.B. Sl) in einer Richtung und danach die Laufzeit αt eines Ultraschallsignals (z.B. S2) in der Gegenrichtung unter Berücksichtigung eines Referenzsignals (P) gemessen. In Fig. 6,8,10 oder 11 wäre das Signal S2 als das Referenzsignal P zu betrachten, welches aus dem selben Taktsignal abgeleitet wurde, mit dem das langgezogene Ultraschallsignal Sl erzeugt wurde, wobei die Empfangzeitpunkte AI in diesem Fall Schaltzeitpunkte (z.B. positive Flanken) des Referenzsignals P wären. (Auf eine separate Darstellung wurde daher verzichtet) .
Der erste Zähler 5a zählt wie in der ersten Betriebsart die Anzahl der vollen Intervalle des Referenzsignals P wenigstens bis zum ersten EmpfangsZeitpunkt Bl des eintreffenden
Ultraschallsignals Sl, und der zweite Zähler 5b misst jeweils die Zeitspanne αti zwischen jeweils einem ersten und einem zweiten von mehreren paarweise zusammengefassten Schalt- bzw. Empfangszeitpunkten Ai,Bi der Signale P,S1. Der erste Zähler zählt also die Anzahl der vollen Perioden des Referenzsignals und der zweite Zähler die Restzeit αti" bis zum Eintreffen des Ultraschallsignals. Das Ergebnis dieser Messung ist die
Laufzeit αt des Ultraschallsignals Sl . Danach wird die Laufzeit des Ultraschallsignals S2 in der anderen Richtung gemessen und aus den beiden Laufzeiten αt die gesuchte
Messgröße berechnet.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Steuer- und Auswerteschaltung 4 mit zwei digitalen Zählern 5a, 5b zur
Bestimmung der Laufzeitdifferenz αt. Die Schaltung hat die Eingänge Input A für das Signal S2 und Input B für das Signal Sl. Das Schaltungsmodul 6 erhält die Pulse Ai und Bi von den Wandlern A,B an den Eingängen "Input A" bzw. "Input B", lässt die zuerst ankommenden Pulse (hier A1-A3) bis auf den ersten Puls überhaupt durch (d.h. hier: A2-A3) und gibt diese an den ersten Zähler 5a weiter, bis am anderen Eingang "Input B" der erste Puls (hier Bl) des später ankommenden Ultraschallsignals Sl eintrifft. Der erste Zähler zählt somit bis 2 (zwei volle Intervalle) und hört danach auf zu zählen. Der Zählerstand hsb des ersten Zählers 5a ist mit dem Bezugszeichen 14 gekennzeichnet Die Zählrate des ersten
Zählers 5a entspricht der Frequenz der Ultraschallsignale S1,S2.
Nach dem Eintreffen der ersten Pulses Bl des Signals Sl aktiviert das Modul 6 ein zweites Modul 7 mittels eines
Signals "enable". Das zweite Modul 7 erhält ebenfalls die Pulse Ai,Bi an den Eingängen "Input A" bzw. "Input B" und aktiviert jeweils den zweiten Zähler 5b während der Zeitspannen A4,B2;A5,B3, etc. (Der Ausgang "Cnt enable" wird dann high) . Der Ausgang "cnt enable" ist mit einem AND-Gatter 10 verbunden, dessen Ausgang mit dem Takteingang Clk des zweiten Zählers 5b verbunden ist. Der zweite Zähler 5b zählt somit mit der am Eingang 16 zugeführten Taktrate "clock" aufwärts, solange der Ausgang "cnt enable" des zweiten Moduls 7 high ist und die Anzahl der gemessenen Intervalle αti" kleiner ist als eine vorgegebene Anzahl von Intervallen, αti", die am Eingang 11 vorgegeben werden kann. Die Anzahl der bereits gemessenen Intervalle αti" wird vom Zähler 12 gezählt, der mit dem Ausgang "cnt enable" des zweiten Moduls 7 verbunden ist. Der invertierte Ausgang eines Flip-Flops 9 ist solange high, bis die gemessene Anzahl der Intervalle αti" gleich der am Eingang 11 vorgegebenen Anzahl von Intervallen ist. Die Gleichheit der Anzahl wird von einem Logikgatter 8 erkannt, das das Flip-Flop 9 setzt. Der invertierte Ausgang IQ geht somit in den Zustand low und der zweite Zähler 5b hört auf zu zählen. Der Zählerstand lsb des zweiten Zählers 5b wird schließlich am Ausgang 13 ausgelesen und kann, wie vorstehend beschrieben, durch eine Schieberegisteroperation gemittelt werden. Die Schaltung wird über den Eingang "start" zurückgesetzt, so dass eine neue Messung beginnen kann.
Sofern die Messung gemäß der vorstehend beschriebenen zweiten Betriebsart durchgeführt wird, erhalten die Module 6,7 z.B. am Eingang "Input A" anstelle des Wandler-Ausgangssignals S2 das Referenzsignal P. Die Schaltung von Fig. 7 arbeitet ansonsten in gleicher Weise wie in der ersten Betriebsart.
Fig. 8 zeigt zwei an den Wandlern A,B empfangene Ultraschallsignale S1,S2, deren EmpfangsZeitpunkte A1-A8 bzw. B1-B6 sich im Verlauf der Signale S1,S2 gegeneinander verschieben. Eine derartige Signalverschiebung kann insbesondere durch turbulente Strömungsverhältnisse hervorgerufen werden, die einen Signaljitter (zeitliches Rauschen oder Zittern) im Signal S1,S2 bewirken. Dadurch kann sich auch die Reihenfolge der einzelnen Pulse A1-A8 gegenüber den Pulsen B1-B6 vertauschen. Bei einer Auswertung der
Intervalle αti" gemäß dem Verfahren von Fig. 6 würde der zweite Zähler 5b die Intervalle A4,B2;A5,B4;A6,B5, etc. und damit falsche Intervalle auswerten, wodurch ein erheblicher Messfehler entstehen würde.
Gemäß dem in Fig. 8 dargestellten Verfahren wird daher vorgeschlagen, die Pulse Ai des ersten Signals S2 und die Pulse Bi des zweiten Signals Sl wiederum jeweils paarweise zusammenzufassen, so dass aus jeweils zwei aufeinander folgenden Pulsen Ai,Bi unterschiedlicher Signale ein Pulspaar gebildet wird, und jedem Pulspaar A4,B2;B3,A5; etc. ein Vorzeichen (+/-) gemäß der Reihenfolge des Auftretens der beiden Pulse Ai,Bi zuzuordnen. Der zweite Zähler 5b wird dann abhängig von diesem Vorzeichen (+/-) während der zugehörigen Zeitdauer αti" eines Pulspaares Ai,Bi entweder hoch- oder heruntergezählt. Die einzelnen Zählwerte für die Zeiten αti werden vom zweiten Zähler 5b vorzugsweise akkumuliert. Überschreitet der Zählerstand des zweiten Zählers 5b die Zählergrenzen des Zählers 5b (entweder 0 oder den durch die Bitbreite des Zählers gegebenen maximalen Zählerstand) erfolgt ein Übertrag an den ersten Zähler 5a, d.h. der erste Zähler 5a wird um eins hoch- oder heruntergezählt.
Nach Auswertung von p Zeitintervallen αti" wird der Zählerstand lsb des zweiten Zählers 5b wiederum gemittelt. Sofern p eine Zweierpotenz ist, können die Zählerstände des hsb-Zählers 5a und des lsb-Zählers 5b ohne weitere arithmetische Operation einfach zu einer einzelnen Binärzahl zusammengefügt werden, wie dies in Fig. 8 unten dargestellt ist, wobei die Binärzahl dann proportional zur Laufzeitdifferenz oder Durchflussrate ist.
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform einer Auswerteeinheit 4 zur Durchführung des vorstehend bezüglich Fig. 8 beschriebenen Verfahrens. Die Erzeugung der Ultraschallsignale S1,S2 aus dem Takt eines Quarzoszillators sowie die Ablaufsteuerung des gesamten Messvorgangs wurden dabei aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.
Die Auswerteschaltung ist in wesentlichen Teilen identisch aufgebaut wie die Auswerteschaltung von Fig. 7, auf die hier verwiesen wird. Die von den Wandlern A, B erzeugten elektrischen Pulse Ai,Bi werden an den Eingängen "Input A" und "Input B" der Module 6 und 7 eingespeist. Das Schaltungsmodul 7 lässt die zuerst ankommenden Pulse bis auf den aller ersten (hier A2-A3) durch und gibt entsprechende Signale an den ersten Zähler 5a weiter, bis der erste Puls Bl des anderen Ultraschallsignals Sl eintrifft. Die Zählrichtung des ersten Zählers 5a wird vom Modul 6 über den Ausgang +/- vorgegeben. (Die Zählrichtung ist positiv oder negativ, je nachdem, welches Signal S1,S2 zuerst ankommt). Das Modul 7 erkennt ebenfalls die Reihenfolge der Pulse Ai,Bi eines Pulspaares Ai,Bi und gibt entsprechend für jedes Pulspaar individuell entweder ein positives oder ein negatives Vorzeichen am Ausgang +/- aus. Das Vorzeichen wird über ein XOR-Glied 17 und ein NOT-Glied 18 an den zweiten Zähler 5b geleitet, der entsprechend aufwärts oder abwärts zählt. Der Takt "clock" am Eingang 16 gelangt, wie bereits zu Fig. 7 beschrieben wurde, nur während der Zeitintervalle αti" über das AND-Gatter 10 zum zweiten Zähler 5b. Der Takt "clock" wird während der Zeitintervalle αti" vom Modul 7 am Ausgang "Cnt enable" freigegeben und gelangt somit zum zweiten Zähler 5b.
Fig. 10 zeigt zwei nacheinander an den Ultraschallwandlern A bzw. B ankommende Ultraschallsignale S2 bzw. Sl, deren Nulldurchgänge nicht gleichmäßig an den Wandlern A,B ankommen, sondern gegeneinander verschoben sind. Die Pulse A1-A8 bzw. B1-B8 treffen dabei zeitlich so an den Ultraschallwandlern A,B ein, dass sich die Intervalle αti" der Pulspaare A5,B3 und A6,B4 zeitlich überlappen. Zeitlich überlappende Intervalle αti" können jedoch nicht von einem einzigen Zähler gezählt werden. Es kommt daher zu einem Auswertefehler, wie anhand der Zählerstände hsb und lsb des ersten 5a bzw. zweiten Zählers 5b zu erkennen ist.
Der erste Zähler 5a zählt, wie bisher, die Anzahl der vollen Intervalle (von AI-A3) des zuerst ankommenden Signals S2, bis zum Eintreffen des ersten Pulses Bl und hört danach auf zu zählen. Der endgültige Zählerstand des ersten Zählers 5a ist daher hsb = 2. Der zweite Zähler 5b zählt dann während des Intervalls A4,B2 z.B. um 8 Zähler, während des Intervalls
A5,B3 um weitere 9 Zähler nach oben, überspringt den Puls A6 und zählt dann wieder im Intervall A7,B4 um 2 Zähler nach oben, so dass der Gesamtzählerstand lsb = 19 ist.
Der Grund für die fehlerhafte Auswertung liegt in diesem Fall darin, dass der erste Puls Bl des Signals Sl erst kurz vor dem nächsten Signal A4 des anderen Signals S2 eintrifft und bereits durch eine geringe Signalverschiebung überlappende Zeitdauern (A5,B3 und A6,B4) erzeugt werden.
Fig. 11 zeigt ein verbessertes Auswerteverfahren, bei dem derartige zeitliche Überlappungen vermieden werden können.
Hierzu prüft die Auswerteeinheit 4, ob der erste Puls Bl des später eintreffenden Ultraschallsignals Sl zeitlich näher am vorhergehenden Puls A3 oder näher am nachfolgenden Puls A4 des anderen Signals S2 liegt. Eine Zeitschwelle ts, die in diesem Beispiel in der Mitte des Intervalls A3,A4 liegt, dient in diesem Fall als Vergleichsmaßstab. Je nach Lage des ersten EmpfangsZeitpunkts Bl des später eintreffenden Ultraschallsignals Sl im Intervall des ersten Ultraschallsignals S2, zählt der erste Zähler 5a die Anzahl der vollen Intervalle bis zum ersten EmpfangsZeitpunkt Bl oder ein Intervall mehr. Für die Auswertung gilt entweder αt = αti' + αti" (nicht gezeigt, vergleichbar z.B. mit Fig. 6) oder αt = αt' - αt", wobei αt' drei Intervalle umfassen würde .
Im ersten Fall (der Puls Bl liegt zeitlich vor ts, nicht gezeigt, vergleichbar z.B. mit Fig. 8) zählt der erste Zähler 5a die Anzahl der vollen Intervalle bis zum Eintreffen des ersten Pulses Bl. Danach werden alle weiter folgenden Pulse entsprechend der Reihenfolge ihres Eintreffens als Pulspaare Ai,Bi interpretiert, deren zugeordnete Zeitintervalle [Ai,Bi] vom zweiten Zähler 5b gemessen werden. In Fig. 8. z.B. ist A4,B2 das erste dieser Pulspaare. Dieses Verfahren entspricht dem Verfahren von Fig. 8 oder Fig. 10. Der Zählerstand des ersten Zählers 5a und des zweiten Zählers 5b werden (nach einer Mittelung) schließlich unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Wertigkeiten der beiden Zähler addiert bzw. einfach zusammengesetzt.
Im zweiten Fall (der erste Puls Bl kommt zeitlich nach der Zeitschwelle ts an) zählt der erste Zähler 5a ein Intervall weiter, d.h. alle vollen Intervalle [Ai,Ai+ι] bis einschließlich des Intervalls [A3,A4] des Signals S2, in das der erste Puls Bl des späteren Ultraschallsignals Sl fällt. Der Zählerstand hsb des ersten Zählers 5a zählt hier somit bis drei. Ab diesem Zeitpunkt werden wiederum alle weiteren Pulse in der Reihenfolge ihres Eintreffens als Paare Ai,Bi einander zugeordnet. Im Beispiel in Fig. 11. ist also B2,A5 das erste dieser Pulspaare. Der zweite Zähler 5b zählt dann wiederum während der Zeitdauer eines Pulspaares Ai,Bi, wobei der Zählerstand in Abhängigkeit von der Reihenfolge der Pulse Ai,Bi entweder aufwärts oder abwärts gezählt wird
Pulspaare in der Reihenfolge Bi,Ai werden abwärts und Pulspaare in der Reihenfolge Ai,Bi aufwärts gezählt. Der Zählerstand lsb des zweiten Zählers 5b wird daher zunächst negativ (z.B. lsb = -2), zählt während des zweiten Intervalls A6,B3 dann zurück auf 0 und während des dritten Intervalls A7,B4 um 2 Zähler nach oben auf z.B. lsb = 2. Der erste Zähler 5a erhält bei Überschreiten der Zählergrenzen des zweiten Zählers 5b jeweils einen Übertrag und zählt somit zunächst zurück auf einen Zählerstand hsb = 2 und danach wieder auf einen Zählerstand hsb = 3.
Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Steuer- und Auswerteschaltung 4, die nahezu identisch aufgebaut ist wie die Auswerteschaltung von Fig. 9. Wie auch bei den Fig. 7 und 9 wurde die Erzeugung der Ultraschallsignale S1,S2 aus dem Takt eines Quarzoszillators, sowie die Ablaufsteuerung aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Gleiche Bestandteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Unterschied zu Fig. 9 umfasst das Modul 6 der Auswerteschaltung von Fig. 12 einen zusätzlichen Takteingang "clock", der eine zusätzliche Zeitmessung ermöglicht, um zu entscheiden, ob der erste Puls Bl des später ankommenden Ultraschallsignals Sl vor oder nach der in Fig. 11 eingezeichneten Zeitschwelle ts eintrifft. Zu Zwecken der Zeitmessung kann z.B. wiederum ein Zähler vorgesehen sein, der im Modul 6 integriert sein kann. Der Ausgang "enable" des Moduls 6 wird somit je nach Lage des ersten Empfangszeitpunkts Bl des Signal Sl früher oder später aktiv.
Fig. 13 zeigt ein internes Signal der Auswerteschaltung 4, das bei der Detektion eines Empfangsereignisses (z.B. eines Nulldurchganges) eines empfangenen Ultraschallsignals Sl, S2 von low auf high geschaltet wird. Der Zeitpunkt der steigenden Signalflanke hat aufgrund von Signaljitter (Signalzittern bzw. -rauschen) eine gewisse Zeitungenauigkeit αtj .
Figur 15 zeigt die jitter-bedingte Häufigkeitsverteilung des detektierten Zeitpunkts für den Nulldurchgang im Falle mehrerer nacheinander durchgeführter Messungen. Die
Standardabweichung ist dabei mit +/- αtj angegeben. Die Häufigkeitsverteilung kann z.B. einer Normalverteilung mit der entsprechenden Charakteristik einer Gauss-Funktion entsprechen.
Das interne Detektionssignal von Fig. 13 wird üblicherweise mit einem hochfrequenten Takt abgetastet, wie er in Fig. 14 oben dargestellt ist. Dieser Takt entspricht dem Takt am clock-Eingang in Fig. 9. Und Fig. 12. Wird ein Taktsignal mit einer relativ niedrigen Frequenz fl gewählt, kann sich bei der Laufzeitmessung ein relativ hoher Aliasing-Fehler ergeben. Das Empfangsereignis wird in diesem Fall erst nach einer Zeit αta von der Auswerteschaltung 4 erfasst. Zur Vermeidung von Aliasing-Fehlern wird vorgeschlagen, ein Abtastsignal mit einer Frequenz f2 (siehe Fig. 14 unten) zu verwenden, die deutlich höher ist als der Kehrwert der Zeitungenauigkeit (jitter) bei der Detektion einzelner Empfangsereignisse. Die Genauigkeit der Messung kann durch diese Überabtastung weiter erhöht werden, obwohl die Streubreite +/- αtj der Häufigkeitsverteilung der
Eingangsmessgrößen gemäss Fig. 15. unverändert groß bleibt. Durch die vorstehend beschriebenen Verfahren zur Pulsauswertung kann die Messgenauigkeit eines Ultraschall- Strömungssensors wesentlich verbessert und insbesondere Fehlmessungen verhindert werden.
Bezugszeichenliste
1 Fluid
2 Strömungsrichtung
3 Rohrleitung 4 Steuer- und Auswerteschaltung
5a erster Zähler
5b zweiter Zähler
6 Modul zur Ansteuerung des ersten Zählers
7 Modul zur Ansteuerung des zweiten Zählers 8 Vergleichsgatter
9 RS-Flip-Flop
10 AND-Gatter
11 Anzahl der Pulspaare
12 Pulspaar-Zähler 13 Zählerstand lsb
14 Zählerstand hsb
15 Ready-Ausgang
16 Takteingang
17 XOR-Gatter 18 NOT-Gatter
19 OR-Gatter
20 Nulldurchgangssignal tl' EmpfangsZeitpunkt des zuerst ankommenden Signals S2 ti" EmpfangsZeitpunkte des später ankommenden Signals Sl αt' grobe Abschätzung der Laufzeitdifferenz αti" Zeitintervall eines Pulspaares αt Laufzeitdifferenz Ai Pulse des zuerst ankommenden Signals S2
Bi Pulse des später ankommenden Signals Sl

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschall-Strömungssensor, insbesondere zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Fluids (1) , das durch eine Rohrleitung (3) strömt, mit zwei in Strömungsrichtung (2) versetzt angeordneten Ultraschallwandlern (A, B) die jeweils ein periodisches Ultraschallsignal (S1,S2) an den anderen Ultraschallwandler (A,B) aussenden, und einer Steuer- und Auswerteschaltung (4) , die bei Empfang eines Ultraschallsignals (S1,S2) an einem der Ultraschallwandler (A,B) mehrere Empfangszeitpunkte (ti',ti") pro Ultraschallsignal (S1,S2) detektiert, aus denen eine Messgröße (S) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (4) wenigstens zwei Zähler (5a, 5b) umfasst, von denen der erste (5a) die vollen Intervalle ( [ti' , ti+i' ] ) eines ersten Signals (S2,P) wenigstens bis zum ersten
EmpfangsZeitpunkt (t2") eines Ultraschallssignals (Sl) zählt, und der zweite Zähler (5b) jeweils eine Zeitspanne (αt") zwischen einem ersten (A4) und einem zweiten (B2) von mehreren paarweise zusammengefassten Schalt- bzw. Empfangszeitpunkten (tι',ti") der Signale (S1,S2,P) ermittelt.
2. Ultraschall-Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal (S2,P) bei einer ersten Betriebsart ein Ultraschallsignal (S2) ist, das gleichzeitig mit dem anderen Ultraschallsignal (Sl) ausgesendet wird, oder bei einer zweiten Betriebsart ein Referenzsignal (P) ist, das aus dem selben Taktsignal erzeugt wird aus dem auch das Ultraschallsignal (Sl) erzeugt wird.
3. Ultraschall-Strömungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die paarweise zusammengefassten EmpfangsZeitpunkte (ti',ti") jeweils einen Schalt- bzw. EmpfangsZeitpunkt (Ai) des Signals (S2,P) und einen darauf folgenden Empfangszeitpunkt (Bi) des Ultraschallsignals (Sl) umfassen.
4. Ultraschall-Strömungssensor nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteschaltung (4) prüft, ob der erste Empfangszeitpunkt (ti ) des Ultraschallsignals (Sl) zeitlich näher am vorhergehenden (t3') oder am folgenden Schalt- bzw. Empfangszeitpunkt (t') des Signals (S2,P) als eine vorgegebene Zeitschwelle (tO) liegt, wobei im ersten Fall der erste Zähler (5a) die Zeitdauer (αt') vom ersten Schalt- bzw. Empfangszeitpunkt (ti') bis zu demjenigen Schalt- bzw. Empfangszeitpunkt (t3) des Signals (S2,P) zählt, der dem EmpfangsZeitpunkt (ti") des Ultraschallsignals (Sl) vorhergeht, und im anderen Fall bis zu demjenigen Schalt- bzw. EmpfangsZeitpunkt (t4 ) zählt, der dem ersten EmpfangsZeitpunkt (ti") des Ultraschallsignals (Sl) folgt.
5. Ultraschall-Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zähler (5b) ein Aufwärts/Abwärtszähler ist, der in Abhängigkeit von der Reihenfolge von paarweise zusammengefassten
EmpfangsZeitpunkten (ti',ti ) bzw. (ti',ti') entweder aufwärts oder abwärts zählt.
6. Ultraschall-Strömungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zähler (5a) ein
Aufwärts/Abwärtszähler ist, der sowohl einen positiven als auch einen negativen Übertrag vom zweiten Zähler (5b) erhalten kann .
7. Ultraschall-Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zähler die Zeitdauer (αt") der Intervalle akkumuliert, die von p Paaren von EmpfangsZeitpunkten (ti',ti") gebildet werden, wobei p eine Zweierpotenz ist.
8. Ultraschall-Strömungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Messung der Zeitdauer der aus p Paaren gebildeten Intervalle der Zählerstand des zweiten Zählers (5b) durch eine Schieberegisteroperation oder durch Weglassen von Binärstellen oder durch eine geänderte Interpretation der Wertigkeit der Binärstellen gemittelt wird.
9. Verfahren zum Ermitteln der Laufzeitdifferenz (αt) zweier Ultraschallsignale (S1,S2) eines Ultraschall-Strömungssensors mit zwei in Strömungsrichtung (2) versetzt angeordneten Ultraschallwandlern (A,B) die jeweils ein Ultraschallsignal (S1,S2) an den anderen Ultraschallwandler (B,A) aussenden, und einer Steuer- und Auswerteschaltung (4), die bei Empfang eines Ultraschallsignals (S1,S2) an einem der Ultraschallwandler (A,B) mehrere EmpfangsZeitpunkte (ti',ti") pro Ultraschallsignal (S1,S2) detektiert, aus denen eine Messgröße (S) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines ersten Zählers (5a) eine Zeitdauer (αt') der vollen Intervalle ( [ti' , ti+i' ] ) eines Signals (S2,P) bis wenigstens zum ersten EmpfangsZeitpunkt (ti") eines Ultraschallsignals (Sl) gezählt wird, und mittels eines zweiten Zählers (5b) jeweils die Zeitspannen (αt") zwischen einem ersten und einem zweiten von mehreren paarweise zusammengefassten Empfangszeitpunkten (ti',ti") ermittelt werden .
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zähler (5b) die Zeitdauern (αti") zwischen mehreren paarweise zusammengefassten Zeitpunkten (ti',ti ) misst, die jeweils einen Schalt- bzw. EmpfangsZeitpunkt (ti') des Signals (S2,P) und einen EmpfangsZeitpunkt (ti") des Ultraschallsignals (Sl) umfassen.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass geprüft wird, ob der erste Empfangszeitpunkt (ti") des Ultraschallsignals (Sl) zeitlich näher am vorhergehenden (t3') oder am folgenden Schalt- bzw. EmpfangsZeitpunkt (t ) des Signals (S2,P) als eine vorgegebene Zeitschwelle (tO) liegt, wobei im ersten Fall der erste Zähler (5a) die Zeitdauer (αt') vom ersten Schalt- bzw. EmpfangsZeitpunkt (t ) bis zu demjenigen Schalt- bzw. EmpfangsZeitpunkt (t3') des Signals (S2,P) zählt, der dem EmpfangsZeitpunkt (ti") des Ultraschallsignals (Sl) vorhergeht, und im anderen Fall bis zu demjenigen Schaltbzw. EmpfangsZeitpunkt (t') zählt, der dem ersten EmpfangsZeitpunkt (ti") des Ultraschallsignals (Sl) folgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß ein digitales Signal der Auswerteschaltung (4), das den Empfang eines
Empfangsereignisses (Ai, Bi) anzeigt, mit einem Abtastsignal abgetastet wird, dessen Frequenz deutlich höher ist als der Kehrwert der Zeitungenauigkeit (αtj) des Signals (20) .
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