EP1846734A1 - Ultraschallstr\mungssensor mit modulo-2pi-restnachführung - Google Patents

Ultraschallstr\mungssensor mit modulo-2pi-restnachführung

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EP1846734A1
EP1846734A1 EP05816309A EP05816309A EP1846734A1 EP 1846734 A1 EP1846734 A1 EP 1846734A1 EP 05816309 A EP05816309 A EP 05816309A EP 05816309 A EP05816309 A EP 05816309A EP 1846734 A1 EP1846734 A1 EP 1846734A1
Authority
EP
European Patent Office
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signal
ultrasonic
ultrasound
determined
flow sensor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05816309A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Konzelmann
Tobias Lang
Sami Radwan
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 EP1846734A1 publication Critical patent/EP1846734A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • 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
    • 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
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    • G01N2291/02836—Flow rate, liquid level

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the transit time of an ultrasonic signal of an ultrasonic flow sensor according to the preamble of patent claim 1 and to an ultrasonic flow sensor according to the preamble of patent claim 10.
  • ultrasonic flow sensors are used to measure the volume or mass flow or flow rate of a gaseous or liquid medium flowing through a pipeline.
  • One known type of ultrasonic flow sensor comprises two ultrasound transducers arranged offset in the direction of flow, which in each case generate ultrasound signals and these each at the other
  • the ultrasonic signals are received by each other transducer and evaluated by means of electronics.
  • the transit time difference between the signal in the flow direction and the signal in the opposite direction is a measure of the flow velocity of the fluid.
  • Fig. 1 shows a typical arrangement of an ultrasonic flow sensor with two ultrasonic transducers A, B, which are arranged within a pipeline 3 and face each other at a distance L.
  • a fluid 1 flows at a speed v in the direction of the arrow 2.
  • the measuring path L is inclined with respect to the flow direction 2 by an angle OC.
  • the ultrasonic transducers A, B send each other
  • Fig. 2 shows a greatly simplified schematic representation of the electrical connection of the arrangement of FIG. 1.
  • the two ultrasonic transducers A, B are connected to a control and evaluation electronics 4 and are excited by an oscillator with a predetermined clock frequency 8 (square wave signal).
  • the ultrasonic signals 15 generated thereby (here only the envelope 16 of the ultrasonic signals 15 are shown) pass through the measuring path L and are detected by the other ultrasonic transducers A, B in each case.
  • the running time ti2 resp. t2i of the signals 15 measured.
  • the reception time of the ultrasound signal 15 is unambiguously and accurately determined.
  • different events can be set. From the prior art, it is z. B.
  • the first zero crossing N o of the ultrasound signal 15 is a "reception time" after the signal amplitude has exceeded a predetermined threshold value
  • the time of the maximum amplitude or the center of gravity t s of the envelope 16 of the ultrasound signal 15 may be
  • Conventional methods for transit time measurement are usually realized in a relatively expensive manner or are not sufficiently robust with respect to interference signals.
  • Ultrasonic signal in an ultrasonic flow sensor and to provide an ultrasonic flow sensor with a special signal evaluation, the or. which is particularly easy to implement and also has a high robustness to interference.
  • An essential idea of the invention is to determine the phase angle ( ⁇ ) of an ultrasonic signal relative to a reference clock by means of a quadrature demodulation method and to calculate the total transit time of the ultrasonic signal from the phase position ( ⁇ ) and a residual component (r (t)) integer multiple of 2pi is. to
  • the ultrasonic signal is inverted in sections with the aid of a clock signal and a phase-shifted clock signal.
  • the partially inverted signals are then preferably integrated or filtered and the phase angle ( ⁇ ) determined by trigonometric calculation.
  • the residual portion (r (t)) is inventively from a predetermined reception event of the ultrasonic signal, such. B. the reception time of the center of gravity of an envelope, determined.
  • the receiving event of the ultrasound signal, from which finally the residual portion (n - 2pi) is calculated is preferably a size of the ultrasound signal which is independent of the signal amplitude, such. B. the center of gravity of the received ultrasound signal, the centroid of an envelope of the signal, or the timing of another variable that is independent of the signal amplitude. This has the advantage that the reception time does not shift at different signal amplitudes.
  • the function f preferably comprises a rounding function (eg, round) with which a value is rounded to the nearest whole number.
  • the evaluation unit calculates a scattering parameter that indicates the extent of the rounding.
  • the runtime calculation is particularly accurate and robust if this scattering parameter is as small as possible.
  • it is therefore proposed to regulate the scattering parameter to small values and to set the offset value (to) accordingly.
  • the offset value (to) is preferably varied when the absolute value of the scattering parameter exceeds a predetermined threshold in the time average.
  • the time average of the amount of the scattering parameter (s) is preferably calculated. Alternatively or additionally, the time average of the scattering parameter (s) can also be calculated.
  • the ultrasound signals inverted to the phase-shifted reference clock are preferably fed in each case to an integrator which integrates the signal over a plurality of phases, preferably over the entire duration of the ultrasound signal. From the
  • Output signals of the integrators is then preferably the phase position ( ⁇ ) determined.
  • a filter circuit may also be provided instead of the integrators.
  • the partially inverted ultrasonic signals are preferably also supplied to a second pair of integrators which in each case integrate the signals over a period of the reference clock. From the output signals of these integrators, an envelope is preferably calculated whose center of gravity (t s ) represents the reception time of the ultrasound signal.
  • An ultrasound flow sensor constructed in accordance with the invention in which the propagation time of the ultrasound signals from the phase position ( ⁇ ) of a received signal relative to a reference clock and a residual component (r (t)) is calculated, comprises at least one ultrasound transducer for emitting and / or receiving ultrasound signals, a connected to the ultrasonic transducer oscillator which generates a clock signal, and a control and evaluation.
  • Evaluation unit comprises a device (circuit or software) which determines the phase position ( ⁇ ) of the ultrasonic signal according to the quadrature demodulation method, wherein a received ultrasonic signal at the frequency of the clock signal or. a pi / 2 shifted clock signal is partially inverted, as well as a device (circuit or software), the receiving event, such as. B. the center of gravity of an envelope, and calculates the remainder (r (t)).
  • the control and evaluation unit is implemented such that one or more of the aforementioned functions can be performed.
  • Fig. 1 shows an ultrasonic flow sensor with two ultrasonic transducers known from the prior art
  • FIG. 2 shows an ultrasonic flow sensor with associated control and reception electronics
  • FIG. 3 shows the signal curve of a single ultrasound signal with its envelope curve
  • FIG. 4 shows a special embodiment of an ultrasonic flow sensor with evaluation electronics operating in the quadrature demodulation method
  • Fig. 5a a diagram for the representation of the phase angle calculation
  • Fig. 5b shows the course of the output signals of the integrators of FIG. 4;
  • Fig. 5c shows the course of an envelope calculated from the ultrasound signal
  • Fig. 6 shows the time average of a scattering parameter
  • Fig. 7 shows the course of the scattering parameter
  • Fig. 4 shows an embodiment of an ultrasonic flow sensor 6 with two ultrasonic transducers A, B and a control and evaluation electronics 4.
  • the electronics 4 comprises an oscillator 7 which generates a clock signal 8 with which the transducers A, B are excited.
  • the two transducers A thereby generate ultrasound signals 15, which in each case are transmitted to other transducers and detected there. From the transit time ti2 of a signal 15 in one direction and the transit time t2i in the other direction can finally
  • the transit time t of an ultrasound signal 15 can also be represented as a phase, where:
  • ⁇ is the phase position of the received
  • Ultrasonic signal 15 with respect to a reference clock 8 and n - 2pi or. r (t) is the residual part of the total phase, where n is the number of whole wave trains within the runtime t.
  • the phase angle ⁇ is determined here in the quadrature demodulation method by means of two integrators 12, 13.
  • the quadrature demodulation method could alternatively be implemented analogously, for example, by inverting or non-inverting amplifiers.
  • the residual component r (t) is determined from a variable characterizing the ultrasonic signal 15, such as, for example, FIG. B. the reception time of the center of gravity of the envelope 16, calculated.
  • the electronics 4 comprise an A / D converter 14, with which the received signal 15 is digitized, as well as further elements 10-13, which are explained below.
  • the digitized received signal is divided into two signal paths and depending on the state of a reference clock 8 and. a shifted by pi / 2 (90 °) phases reference clock 9 either passed unchanged or inverted. This is the digitized
  • Received signal z. B. in the state "high” passed unchanged and inverted in the state "low”.
  • the reference clock signal 8 and the clock signal 9 shifted by pi / 2 are generated by a unit 20 from the oscillator clock 8.
  • the unchanged passing on resp. Inversion of the digitized received signal 15 corresponds to a multiplication by the values +1 and -1.
  • the associated signal operation is therefore represented by two multipliers 10, 11.
  • the sections inverted signals are then two downstream integrators 12 and. 13, which integrate the signals over their entire signal duration. (Alternatively to integration, low-pass filtering could also be used).
  • the two integral values Ui and U2 represent the components of a vector u whose angle in the coordinate system is precisely the phase position ⁇ .
  • Fig. 5a shows the vector u and the components Ui, U2 and the angle ⁇ .
  • Electronics such. B. a microcontroller (not shown) performed.
  • Fig. 5b shows the temporal integration course over an ultrasound signal 15.
  • U2 can via a trigonometric function, such as. B. arctane (U1 / U2) or atan2 (ui, U2) the phase angle ⁇ can be calculated.
  • a trigonometric function such as. B. arctane (U1 / U2) or atan2 (ui, U2) the phase angle ⁇ can be calculated.
  • the following relationship is set:
  • the digitized and partially inverted signals are in each case fed to an integrator 18 and / or. 19 and integrated in each case one period of the reference clock 8. Integration is restarted from zero in each period. From the output signals Ui '(i) resp. U2 '(i) results in the in Fig.
  • the integrator 18 and 19 are connected to the multipliers 10 and 11 and are clocked at their clock input with the reference clock 8, i is a running number for the j e ownership period of the ultrasonic signal 15th
  • the characteristic time t s provides a rough measure of the total transit time t mes of the ultrasonic signal. For example, the following equation can be used for the center of gravity t s :
  • T 0 is a constant offset value, which will be explained later.
  • This residual maturity t res t is a rough measure of the total transit time t of the ultrasonic signal 15 minus the exact phase shift ⁇ .
  • step function r (t) is therefore not defined directly by tr est (t), but preferably by a rounding function, where:
  • the function "round” is a rounding function which rounds up or rounds a numerical value to the nearest whole number.
  • the offset value t 0 the following should be noted: If the remaining running time t rest assumes values which are exactly at the limit of the rounding function (between rounding up and rounding off), a jump may occur in the residual component r (t). To avoid a signal jump, the offset value t 0 Therefore chosen so that the extent of rounding in the function r (t) is as small as possible on average over time. To determine the extent of the rounding, a scattering parameter s is defined below, with:
  • the scattering parameter s thus indicates how far rounded or rounded is. how far rest is away from the ideal step function r (t).
  • the offset value to is chosen favorably if
  • Runtime measurements is as small as possible. In this case, it will be rounded up and down about as often.
  • the envelope 17 may change over time. This may in turn lead to signal jumps. It is therefore proposed to vary the offset parameter to and to control the scattering parameter s to the smallest possible values. It can be provided, the time average of
  • also be kept to a minimum (against zero).
  • Fig. 6 shows the course of the time average of
  • according to arrow A to a higher value.
  • the offset value to is changed in such a way that the time average of the scattering parameter
  • Fig. 7a shows the course of the mean value of
  • FIG. 7b shows the corresponding curves for the variation of the time average s with weak signal disturbances (curve 27) and strong signal disturbances (curve 28).
  • the mean value ⁇ s ⁇ can be changed immediately by a change of t 0 by H-3/4 - pi into a range
  • the change of t 0 must be in the positive direction if

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Laufzeit (t) eines Ultraschallsignals (15) eines Ultraschall- Strömungssensors (6), das von einem Ultraschallwandler (A,B) in eine Messstrecke (S) eingekoppelt wurde, wobei die Phasenlage (ΔΦ) des Ultraschallsignals (15) gegenüber einem Referenztakt (8) und ein Restanteil (r(t)) als Maß für die Laufzeit (tmes) des Ultraschallsignals (15) ermittelt wird. Die Laufzeitmessung kann besonders robust und mit geringem Hardwareaufwand realisiert werden, wenn die Phasenlage (ΔΦ) mittels eines Quadratur-Demodulationsverfahrens ermittelt wird, bei dem das empfangene Signal (15) mit Hilfe eines Taktsignals (8) und eines Phasen verschobenen Taktsignals (9) abschnittsweise invertiert und der Restanteil (r(t)) aus einer charakteristischen Größe (ts) des Ultraschallsignals (15) ermittelt wird.

Description

Beschreibung
Ultraschallströmungssensor mit Modulo-2pi-Restnachführung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals eines Ultraschall- Strömungssensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Ultraschall-Strömungssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
Ultraschall-Strömungssensoren dienen insbesondere dazu, 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 j eweils Ultraschall- signale erzeugen und diese an den j eweils anderen
Ultraschallwandler aussenden . Die Ultraschallsignale werden vom j eweils anderen Wandler empfangen und mittels einer Elektronik ausgewertet . Der Laufzeitunterschied zwischen dem Signal in Strömungsrichtung und dem Signal in Gegenrichtung ist dabei ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids .
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 Messtrecke L ist gegenüber der Strömungsrichtung 2 um eine Winkel OC geneigt . Während einer Messung senden sich die Ultraschallwandler A, B gegenseitig
Ultraschallsignale zu, die j e nach Richtung von der Strömung entweder verlangsamt oder beschleunigt werden . Die Laufzeiten der Schallsignale sind dabei ein Maß für die zu bestimmende Strömungsgeschwindigkeit .
Fig . 2 zeigt eine stark vereinfachte schematische Darstellung der elektrischen Verschaltung der Anordnung von Fig . 1. Die beiden Ultraschallwandler A, B sind mit einer Steuer- und Auswerteelektronik 4 verbunden und werden von einem Oszillator mit einer vorgegebenen Taktfrequenz 8 (Rechtecksignal) angeregt . Die dadurch erzeugten Ultraschallsignale 15 (hier ist nur die Hüllkurve 16 der Ultraschallsignale 15 dargestellt) durchlaufen die Messstrecke L und werden vom j eweils anderen Ultraschallwandler A, B detektiert . Dabei wird die Laufzeit ti2 bzw . t2i der Signale 15 gemessen .
Für die Laufzeitmessung eines Ultraschallsignals 15 ist es von wesentlicher Bedeutung, dass der EmpfangsZeitpunkt des Ultraschallsignals 15 eindeutig und genau bestimmt wird. Als EmpfangsZeitpunkt eines Ultraschallsignals können unterschiedliche Ereignisse festgelegt werden . Aus dem Stand der Technik ist es z . B . bekannt, den ersten Nulldurchgang N0 des Ultraschallsignals 15 als „Empfangszeitpunkt" zu definieren, nachdem die Signalamplitude einen vorgegebenen Schwellenwert überschritten hat . Alternativ kann z . B . auch der Zeitpunkt der maximalen Amplitude oder der Schwerpunkt ts der Hüllkurve 16 des Ultraschallsignals 15 als EmpfangsZeitpunkt definiert werden . Darüber hinaus ist es bekannt, die Laufzeit des Ultraschallsignals 15 durch Auswertung der Phase des Signals gegenüber dem Referenztakt 8 zu bestimmen . Herkömmliche Verfahren zur Laufzeitmessung sind üblicherweise relativ aufwendig realisiert oder nicht ausreichend robust gegenüber Störsignalen .
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines
Ultraschallsignals in einem Ultraschall-Strömungssensor, sowie einen Ultraschall-Strömungssensor mit einer speziellen Signalauswertung zu schaffen, das bzw . der besonders einfach zu realisieren ist und darüber hinaus eine hohe Robustheit gegenüber Störungen aufweist .
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 10 angegebenen Merkmale . Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen .
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, die Phasenlage (ΔΦ) eines Ultraschallsignals gegenüber einem Referenztakt mittels eines Quadratur-Demodulationsverfahrens zu bestimmen und die Gesamtlaufzeit des Ultraschallsignals aus der Phasenlage (ΔΦ) und einem Restanteil (r (t) ) zu berechnen, der ein ganzzahliges Vielfaches von 2pi ist . Zur
Bestimmung der Phasenlage (ΔΦ) wird das Ultraschallsignal mit Hilfe eines Taktsignals und eines phasenverschobenen Taktsignals abschnittsweise invertiert . Die abschnittsweise invertierten Signale werden dann vorzugsweise integriert oder gefiltert und die Phasenlage (ΔΦ) durch trigonometrische Berechnung ermittelt . Der Restanteil (r (t) ) wird erfindungsgemäß aus einem vorgegebenen Empfangsereignis des Ultraschallsignals , wie z . B . dem EmpfangsZeitpunkt des Schwerpunkts einer Hüllkurve, ermittelt . Ein besonderer Vorteil der Quadratur-Demodulation besteht darin, dass diese Technik wie ein besonders schmalbandiger Filter gegenüber Störsignalen wirkt, ohne j edoch eine Phasenverschiebung des Signals zu verursachen . Eine herkömmliche Bandpassfilterung mit RC-Gliedern würde z . B . eine Phasenverschiebung hervorrufen, die mit der Temperatur driften würde, was potentiell zu Fehlern bei der Laufzeitmessung führen würde . Trotz der außerordentlichen Robustheit des Quadratur- Demodulationsverfahrens gegenüber Störsignalen ist der dazu benötigte Hardwareaufwand relativ gering im Vergleich zu ähnlich robusten Verfahren, wie z . B . der Kreuzkorrelation . Das Empfangsereignis des Ultraschallsignals , aus dem schließlich der Restanteil (n - 2pi) berechnet wird, ist vorzugsweise eine Größe des Ultraschallsignals , die von der Signalamplitude unabhängig ist, wie z . B . der Schwerpunkt des empfangenen Ultraschallsignals , der Schwerpunkt einer Hüllkurve des Signals oder der Zeitpunkt einer anderen Größe, die von der Signalamplitude unabhängig ist . Dies hat den Vorteil, dass sich der EmpfangsZeitpunkt bei unterschiedlichen Signalamplituden nicht verschiebt .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Restanteil (r (t) =n - 2pi) aus dem Schwerpunkt einer Hüllkurve des Ultraschallsignals bestimmt .
Der Restanteil r (t) wird vorzugsweise als eine Funktion des Empfangsereignisses (ts) , der Phasenlage (ΔΦ) und eines Offsetwerts (t0) berechnet, wobei gilt : r (t) =f (ts, ΔΦ, t0) .
Die Funktion f umfasst vorzugsweise eine Rundungsfunktion (z . B . round) , mit der ein Wert auf die nächste ganze Zahl gerundet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung berechnet die Auswerteeinheit einen Streuparameter, der das Ausmaß der Rundung angibt . Die Laufzeitberechnung ist besonders genau und robust, wenn dieser Streuparameter möglichst klein ist . Gemäß der Erfindung wird daher vorgeschlagen, den Streuparameter auf kleine Werte zu regeln und hierzu den Offsetwert (to) entsprechend einzustellen . Der Offsetwert (to) wird vorzugsweise variiert, wenn der Absolutwert des Streuparameters im zeitlichen Mittel einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet .
Im Rahmen der Streuparameter-Regelung wird vorzugsweise das zeitliche Mittel des Betrags des Streuparameters (s ) berechnet . Alternativ oder zusätzlich kann auch das zeitliche Mittel des Streuparameters (s ) berechnet werden . Die mit dem Referenztakt bzw . dem phasenverschobenen Referenztakt invertierten Ultraschallsignale werden vorzugsweise j eweils einem Integrator zugeführt, der das Signal über mehrere Phasen, vorzugsweise über die gesamte Dauer des Ultraschallsignals integriert . Aus den
Ausgangssignalen der Integratoren wird dann vorzugsweise die Phasenlage (ΔΦ) ermittelt . Anstelle der Integratoren kann wahlweise auch eine Filterschaltung vorgesehen sein .
Die abschnittsweise invertierten Ultraschallsignale werden vorzugsweise außerdem einem zweiten Paar von Integratoren zugeführt, die die Signale j eweils über eine Periode des Referenztakts integrieren . Aus den Ausgangssignalen dieser Integratoren wird vorzugsweise eine Hüllkurve berechnet, deren Schwerpunkt (ts) den EmpfangsZeitpunkt des Ultraschallsignals darstellt .
Ein erfindungsgemäß aufgebauter Ultraschall-Strömungssensor, bei dem die Laufzeit der Ultraschallsignale aus der Phasenlage (ΔΦ) eines empfangenen Signals gegenüber einem Referenztakt und einem Restanteil (r (t) ) berechnet wird, umfasst wenigstens einen Ultraschallswandler zum Aussenden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen, einen mit dem Ultraschallwandler verbundenen Oszillator, der ein Taktsignal erzeugt, sowie eine Steuer- und Auswerteeinheit . Die
Auswerteeinheit umfasst erfindungsgemäß eine Einrichtung (Schaltung oder Software) die die Phasenlage (ΔΦ) des Ultraschallsignals gemäß dem Quadratur-Demodulationsverfahren bestimmt, wobei ein empfangenes Ultraschallsignal mit der Frequenz des Taktsignals bzw . eines um pi/2 verschobenen Taktsignals abschnittsweise invertiert wird, sowie eine Einrichtung (Schaltung oder Software) , die ein Empfangsereignis , wie z . B . den Schwerpunkt einer Hüllkurve, ermittelt und daraus den Restanteil (r (t) ) berechnet . Die Steuer- und Auswerteeinheit ist im Übrigen derart realisiert, dass eine oder mehrere der vorstehend genannten Funktionen ausgeführt werden können .
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert . Es zeigen :
Fig . 1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschall- Strömungssensor mit zwei Ultraschallwandlern;
Fig . 2 einen Ultraschall-Strömungssensor mit zugehöriger Steuer- und Empfangselektronik;
Fig . 3 den Signalverlauf eines einzelnen Ultraschallsignals mit dessen Hüllkurve;
Fig . 4 eine spezielle Ausführungsform eines Ultraschall- Strömungssensors mit einer Auswerteelektronik, die im Quadratur-Demodulationsverfahren arbeitet;
Fig . 5a ein Diagramm zur Darstellung der Phasenlagenberechnung
Fig . 5b den Verlauf der Ausgangssignale der Integratoren von Fig . 4 ;
Fig . 5c den Verlauf einer aus dem Ultraschallsignal berechneten Hüllkurve;
Fig . 6 den zeitlichen Mittelwert eines Streuparameters | s | in Abhängigkeit vom Offsetwert t0.
Fig . 7 den Verlauf des Streuparameters | s | in Abhängigkeit vom Offsetwert t0 bei unterschiedlichen Signalstörungen; und Fig . 8 den Verlauf des mittleren Streuparameters s in
Abhängigkeit vom Offsetwert t0 bei unterschiedlich starken Störungen .
Bezüglich der Erläuterung der Fig . 1 bis 3 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen .
Fig . 4 zeigt eine Ausführungsform eines Ultraschall- Strömungssensors 6 mit zwei Ultraschallwandlern A, B und einer Steuer- und Auswerteelektronik 4. Die Elektronik 4 umfasst einen Oszillator 7 , der ein Taktsignal 8 erzeugt, mit dem die Wandler A, B angeregt werden . Die beiden Wandler A erzeugen dadurch Ultraschallsignale 15, die zum j eweils anderen Wandler übertragen und dort detektiert werden . Aus der Laufzeit ti2 eines Signals 15 in die eine Richtung und der Laufzeit t2i in die andere Richtung kann schließlich die
Strömungsgeschwindigkeit v bzw . der Massestrom des strömenden Mediums 1 berechnet werden .
Die Laufzeit t eines Ultraschallsignals 15 lässt sich auch als Phase darstellen, wobei gilt :
t ~ n - 2pi + ΔΦ bzw . t ~ r (t) + ΔΦ
Dabei ist ΔΦ die Phasenlage des empfangenen
Ultraschallsignals 15 gegenüber einem Referenztakt 8 und n - 2pi bzw . r (t) der Restanteil der Gesamtphase, wobei n die Anzahl der ganzen Wellenzüge innerhalb der Laufzeit t ist .
Die Phasenlage ΔΦ wir hier im Quadratur-Demodulations- verfahren mittels zweier Integrierer 12 , 13 bestimmt . (Das Quadratur-Demodulationsverfahren ließe sich alternativ analog z . B . auch durch invertierende bzw . nicht-invertierende Verstärker realisieren . ) Der Restanteil r (t) wird aus einer das Ultraschallsignal 15 charakterisierenden Größe, wie z . B . dem EmpfangsZeitpunkt des Schwerpunkts der Hüllkurve 16, berechnet .
Zur Bestimmung der Phasenlage ΔΦ umfasst die Elektronik 4 einen A/D-Wandler 14 , mit dem das Empfangssignal 15 digitalisiert wird, sowie weitere Elemente 10-13, die im folgenden erläutert werden . Das digitalisierte Empfangssignal wird in zwei Signalpfade aufgeteilt und in Abhängigkeit vom Zustand eines Referenztakts 8 bzw . eines um pi/2 ( 90 ° ) Phasen verschobenen Referenztakts 9 entweder unverändert weiter- gegeben oder invertiert . Dabei wird das digitalisierte
Empfangssignal z . B . im Zustand „high" unverändert weitergegeben und im Zustand „low" invertiert . Das Referenztaktsignal 8 und das um pi/2 verschobene Taktsignal 9 werden von einer Einheit 20 aus dem Oszillatortakt 8 erzeugt . Die unveränderte Weitergabe bzw . Invertierung des digitalisierten Empfangssignals 15 entspricht einer Multiplikation mit den Werten +1 und -1. Die zugehörige Signaloperation ist daher durch zwei Multiplizierer 10 , 11 dargestellt .
Die abschnittsweise invertierten Signale werden dann zwei nachgeschalteten Integratoren 12 bzw . 13 zugeführt, die die Signale über ihre gesamte Signaldauer integrieren . (Alternativ zur Integration könnte auch eine Tiefpassfilterung angewendet werden) .
Die beiden Integralwerte Ui und U2 stellen dabei die Komponenten eines Vektors u dar, dessen Winkel im Koordinatensystem gerade die Phasenlage ΔΦ ist . Fig . 5a zeigt den Vektor u und die Komponenten Ui, U2, sowie den Winkel ΔΦ . Die Auswertung der der Signale u, u' wird von einer
Elektronik, wie z . B . einem MikroController (nicht gezeigt) durchgeführt .
Fig . 5b zeigt den zeitlichen Integrationsverlauf über ein Ultraschallsignal 15. Aus den Endwerten Ui, U2 kann über eine trigonometrische Funktion, wie z . B . arctan (U1/U2) oder atan2 (ui, U2) die Phasenlage ΔΦ berechnet werden . Vorzugsweise wird folgende Beziehung angesetzt :
ΔΦ = atan2 (ui, U2)
Diese Funktion ist nicht eindeutig und periodisch moldulo- 2pi .
Der Restanteil (r (t) = n - 2pi, mit n als ganze Zahl) wird hier aus dem Schwerpunkt ts der Hüllkurve des Ultraschallsignals 15 berechnet . (Wahlweise könnte auch eine andere Größe herangezogen werden, die von der Signalamplitude unabhängig ist) . Hierzu werden die digitalisierten und abschnittsweise invertierten Signale j eweils einem Integrator 18 bzw . 19 zugeführt und über j eweils eine Periode des Referenztakts 8 integriert . Die Integration wird dabei in j eder Periode neu von Null begonnen . Aus den Ausgangssignalen Ui' (i) bzw . U2' (i) ergibt sich die in Fig . 5c dargestellte Hüllkurve 17. Die Integratoren 18 und 19 sind mit den Multiplizierern 10 und 11 verbunden und werden an ihrem Takteingang mit dem Referenztakt 8 getaktet , i ist dabei eine Laufzahl für die j eweilige Periode des Ultraschallsignals 15.
Aus dieser Hüllkurve 17 wird nun der Schwerpunkt ts als charakteristischer Zeitpunkt ermittelt . Der charakteristische Zeitpunkt ts liefert dabei ein grobes Maß für die Gesamtlaufzeit tmes des Ultraschallsignals . Für den Schwerpunkt ts kann beispielsweise folgende Gleichung angesetzt werden :
n n ts = 2pi - £ i • h(i) / £ h(i) , i=l i=l
wobei h (i) =ui' (i) 2+U2' (i) 2 ist . Zur Reduzierung der Rechenschritte (Ui, U2) und zur überproportionalen Gewichtung größerer Signalamplituden wurde hier nicht die Hüllkurve, sondern die quadrierte Hüllkurve h (i) angesetzt . Aufgrund der erwähnten Modulo-2pi-Mehrdeutigkeit der Phasenlage ΔΦ = atan2 (ui, U2) würde die Gesamtlaufzeit einen sägezahnartigen Verlauf gegenüber der Strömungsrate aufweisen . Um eine kontinuierliche lineare Kennlinie für die Laufzeit zu erhalten, muss zu der gemessenen Phasenlage ΔΦ eine Treppenfunktion r (t) addiert werden . Dabei ist es wichtig, dass die Sprünge der Treppenfunktion r (t) immer gleichzeitig mit den Sprüngen der Sägezahnkurve ΔΦ (t) erfolgen . Der gewünschte Restanteil r (t) lässt sich z . B . aus einer Größe trest (Restlaufzeit) ableiten, wobei gilt :
r (t) =f (trest) , mit trest=ts-ΔΦ+to
Dabei ist t0 ein konstanter Offsetwert, der später näher erläutert wird. Diese Restlaufzeit trest ist ein grobes Maß für die Gesamtlaufzeit t des Ultraschallsignals 15 abzüglich der genauen Phasenverschiebung ΔΦ .
Die Funktion trest (t) ist zwar treppenähnlich, j edoch überlagert von einem Rauschen, das durch Störsignale,
Turbulenzen oder Änderungen der Hüllkurvenform verursacht wird. Die Treppenfunktion r (t) wird daher nicht direkt durch trest (t) definiert, sondern vorzugsweise durch eine Rundungsfunktion, wobei gilt :
r (t) =2pi - round (trest (t) /2pi) •
Dabei ist die Funktion „round" eine Rundungsfunktion, die einen Zahlenwert auf die nächste ganze Zahl auf- oder abrundet .
Bezüglich des Offsetwerts t0 ist folgendes zu bemerken : Wenn die Restlaufzeit trest Werte annimmt, die genau an der Grenze der Rundungsfunktion (zwischen Aufrunden und Abrunden) liegen, kann es zu einem Sprung im Restanteil r (t) kommen . Zur Vermeindung eines Signalsprungs wird der Offsetwert t0 daher so gewählt, dass das Ausmaß der Rundung in der Funktion r (t) im zeitlichem Mittel möglichst gering ist . Zur Bestimmung des Ausmaßes der Rundung wird im Folgenden ein Streuparameter s definiert, mit :
s = g (ts, t0, ΔΦ) = round (trest/2pi) -trest/2pi .
Der Streuparameter s gibt also an, wie weit gerundet wird bzw . wie weit trest von der idealen Treppenfunktion r (t) entfernt liegt . Der Offsetwert to ist genau dann günstig gewählt, wenn | s | in zeitlichem Mittel über mehrere
Laufzeitmessungen möglichst klein ist . In diesem Fall wird etwa genauso oft auf- wie abgerundet .
Aufgrund von Änderungen der Dämpfungsparameter der Ultraschallwandler A, B kann sich die Hüllkurve 17 mit der Zeit ändern . Dadurch kann es wiederum zu Signalsprüngen kommen . Es wird daher vorgeschlagen, den Offsetparameter to zu variieren und den Streuparameter s auf möglichst kleine Werte zu regeln . Dabei kann vorgesehen sein, den zeitlichen Mittelwert von | s | mit einem vorgegebenen Schwellenwert smax zu vergleichen und den Offsetparameter to zu ändern, wenn der zeitliche Mittelwert von | s | den Schwellenwert smax überschreitet . Der Schwellenwert smax kann beispielsweise bei etwa smax=0 , 3 festgelegt sein . Wahlweise könnte der Mittelwert von | s | auch auf ein Minimum (gegen Null) geregelt werden .
Fig . 6 zeigt den Verlauf des zeitlichen Mittelwerts von | s | , wobei die Kurve 22 einen zeitlich früheren Zustand und die Kurve 23 einen zeitlich späteren Zustand darstellt, in dem sich die Form der Hüllkurve 17 geändert hat . Bei Kurve 23 steigt der zeitliche Mittelwert | s | entsprechend Pfeil A auf einen höheren Wert . Im Rahmen der Regelung wird der Offsetwert to nun derart verändert, dass der zeitliche Mittelwert des Streuparameters | s | minimal wird (siehe Pfeil b) . Fig . 7a zeigt den Verlauf des Mittelwerts von | s | für unterschiedlich starke Störeinflüsse, wobei die Kurve 24 einen Zustand mit relativ schwachen Signalstörungen und die Kurve 25 einen Zustand mit starken Signalstörungen repräsentiert . Wie zu erkennen ist, sind die Minima der Kurve 25 weniger stark gekrümmt und daher ungenauer definiert .
Fig . 7b zeigt die entsprechenden Kurven für den Verlauf des zeitlichen Mittelwerts s bei schwachen Signalstörungen (Kurve 27 ) und starken Signalstörungen (Kurve 28 ) .
In den Bereichen der Minimas der Kurve 25 hängt s linear vom Offsetparameter t0 ab und wird nur wenig von der Stärke der Signalstörungen beeinflusst . In diesem Fall ist es die beste Regelstrategie, den Offsetparameter t0 so zu variieren, dass s =0 wird. Der zeitliche Mittelwert des Absolutwerts \ s \ wird allerdings weiterhin benötigt, um überhaupt in diesen Regelbereich zu gelangen . Ist z . B . \ s \ maximal, so ist ebenfalls s =0 , aber der Offsetwert t0 schlecht gewählt . Um dies zu berücksichtigen, kann z . B . zunächst geprüft werden, ob I s I größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, z . B .
| _ϊ | >0 , 25. In diesem Fall kann der Mittelwert \ s \ durch eine Änderung von t0 um H—3/4 - pi sofort in einen Bereich | ≤0 , 25 gebracht werden . Die Änderung von t0 muss in positiver Richtung verlaufen, falls | £ | <0 ist, und in negativer Richtung, falls | s | >0 ist .
Ist der Mittelwert | s | dagegen kleiner als der Schwellenwert, z . B . | ,s | ≤0 , 25, dann wird t0 durch to-2pi ■ | s | ersetzt . Auf diese Weise wird \ s \ immer unmittelbar in das nächstgelegene Minimum nachjustiert, ohne dass dabei Regelschwingungen auftreten . Bezugszeichenliste
1 strömendes Fluid 2 Strömungsrichtung 3 Rohrleitung 4 Steuer- und Auswerteeinheit 5 Wandler-Ausgangssignal
Ultraschall-Strömungssensor
Oszillator
Taktsignal
9 Phasen verschobenes Taktsignal
10 Multiplizierer
11 Multiplizierer
12 Integrator
13 Integrator
14 A/D-Wandler
15 Ultraschallsignal
16 Hüllkurve
17 berechnete Hüllkurve
18 Integrator
19 Integrator
20 ZeitSteuereinheit
21 ODER-Gatter
22 Kurvenverlauf von s im Ausgangszustand
23 Kurvenverlauf von \ s \ im veränderten Zustand
24 Verlauf von s bei geringen Störungen
25 Verlauf von | s | bei starken Störungen
27 Verlauf von s bei geringen Störungen
28 Verlauf von s bei starken Störungen
L Messstrecke
A, B Ultraschallwandler ts Schwerpunkt der Hüllkurve

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen der Laufzeit (t) eines Ultraschallsignals (15) eines Ultraschallsensors ( 6) , das von einem Ultraschallwandler (A, B) in eine Messstrecke (L) eingekoppelt wurde, wobei die Phasenverschiebung (ΔΦ) des Ultraschallsignals (15) gegenüber einem Referenztakt (8 ) und ein Restanteil (r (t) ) als Maß für die Laufzeit (t) des Ultraschallsignals (15) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Phasenverschiebung (ΔΦ) mittels eines Quadratur- Demodulationsverfahrens ermittelt wird, bei dem das empfangene Ultraschallsignal (15) mit Hilfe eines Taktsignals (8 ) und eines phasenverschobenen Taktsignals ( 9) abschnittsweise invertiert wird, und der Restanteil (r (t) ) aus einer charakteristischen Größe (ts) des Ultraschallsignals (15) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Restanteil (r (t) ) aus einer Größe des Ultraschallsignals (15) ermittelt wird, die unabhängig von der Amplitude des empfangenen Ultraschallsignals (15) ist .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Restanteil (r (t) ) eine Funktion der charakteristischen Größe (ts) , der Phasenverschiebung (ΔΦ) und eines Offsetwerts (to) ist .
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Offsetwert (to) variabel ist .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Restanteil (r (t) ) eine Rundungsfunktion (round) umfasst .
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Streuparameter (s ) berechnet wird, der das Ausmaß der
Rundungen angibt .
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Streuparameter (s ) auf einen kleinen Wert geregelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Regelung das zeitliche Mittel der Streuparameter
(s ) mehrerer aufeinander folgender Messungen berechnet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abschnittsweise invertierten Ultraschallsignale (15) j eweils mittels eines Integrators (18 , 19) integriert werden, wobei die Integration in j eder Periode des Taktsignals (8 ) neu begonnen wird, und der Restanteil (r (t) ) aus den Ausgangssignalen der Integratoren (18 , 19) bestimmt werden .
10. Ultraschallsensor, insbesondere zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit (v) eines durch eine Rohrleitung (3) strömenden Mediums (1 ) , umfassend wenigstens einen
Ultraschallwandler (A, B) zum Aussenden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen (15) , einen mit dem Ultraschallwandler (A, B) verbundenen Oszillator (7 ) und einer Auswerteeinheit (4 ) , die eine Phasenverschiebung (ΔΦ) des empfangenen Ultraschallsignals (15) gegenüber einem Taktsignal (8 ) und einen Restanteil (r (t) ) als Maß für die Laufzeit (t) des Ultraschallsignals (15) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4 ) eine Einrichtung (10-13) , die die Phasenverschiebung (ΔΦ) gemäß einem Quadratur- Demodulationsverfahren bestimmt, sowie eine Einrichtung (18 , 19) umfasst, die eine charakteristische Größe (ts) ermittelt, aus der der Restanteil (r (t) ) der Laufzeit (t) berechnet wird.
11. Ultraschall-Strömungssensor nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4 ) den Schwerpunkt (ts) einer Hüllkurve (17 ) des empfangenen Ultraschallsignals (15) ermittelt .
12. Ultraschall-Strömungssensor nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4 ) einen Invertierer (10 , 11 ) , der das empfangene Ultraschallsignal (15) mit Hilfe eines Taktsignals bzw . eines phasenverschobenen Taktsignals ( 9) abschnittsweise invertiert, sowie einen ersten Integrierer (12 ) , dem das mit Hilfe des Taktsignals (8 ) invertierte Ultraschallsignal (15) , und einen zweiten Integrierer (13) , dem das mit Hilfe des phasenverschobenen Taktsignals ( 9) invertierte Ultraschallsignal (15) zugeführt wird, umfasst .
13. Ultraschall-Strömungssensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4 ) einen Integrierer (18 ) , dem das mit Hilfe des Taktsignals (8 ) invertierte Ultraschallsignal (15) , sowie einen Integrierer (19) , dem das mit Hilfe des phasenverschobenen Taktsignals ( 9) invertierte Ultraschallsignal (15) zugeführt wird, umfasst, wobei die Integration in j eder Periode des Signals (15) neu begonnen wird.
14. Ultraschall-Strömungssensor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4 ) den Restanteil (r (t) ) als Funktion des Empfangsereignisses (ts) , der Phasenverschiebung (ΔΦ) und eines Offsetwerts (to) berechnet .
15. Ultraschall-Strömungssensor nach einem der Ansprüche 10 bis 14 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4 ) den Restwert (r (t) ) mit einer Rundungsfunktion (round) berechnet .
16. Ultraschall-Strömungssensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4 ) einen Streuparameter (s ) berechnet, der das Ausmaß der Rundungen angibt .
17. Ultraschall-Strömungssensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4 ) den Streuparameter (s ) regelt .
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