JP2013507624A

JP2013507624A - 改善された超音波伝播時間差測定のための方法と装置

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Publication number: JP2013507624A
Application number: JP2012533539A
Authority: JP
Inventors: ミュラーローラント; ヒュフトレゲアハート; ホアストブリンクミヒャエル; ラングトビアス; ラドワンサミ; キュンツルベアント; ヴァーニャローラント
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2013-03-04
Anticipated expiration: 2030-08-18
Also published as: WO2011045109A1; DE102009049067A1; EP2488834A1; US20120266676A1; JP5490246B2

Abstract

本方法では、送信基準時点が設けられており、且つ、エンベロープ及び搬送周波数を有する送信超音波パルスが空間領域に送出され、空間領域を通り伝送された送信超音波パルスに対応する受信超音波パルスが受信される。粗い時間差は、相互に反対の伝送方向でもって実施される、送出及び受信の少なくとも二つのステップについて、送信基準時点を受信超音波パルスのエンベロープと比較した結果として提供される。精密な時間差は、相互に反対の伝送方向でもって実施される、送出及び受信の少なくとも二つのステップについて、送信基準時点を受信超音波パルスの瞬時経過と比較した結果として提供される。反対の伝送方向について提供される複数の精密な時間差の結合体が単一結合体として提供され、同様に反対の伝送方向について提供される複数の粗い時間差の結合体が単一結合体として提供される。伝播時間差は複数の単一結合体の結合体として提供される。

Description

技術的な音響学の分野から、超音波を空間に送出し、空間内を伝播する音波に基づき空間の特性を推量することが公知である。空間内を伝播することによる信号の変化は、空間特性を検出するための物理的な基礎を形成する。

この物理的な基礎は、特に伝播時間又は伝播時間差を検出し、そこから空間内の流れの特性を検出するために使用される。これは例えば自動車技術において使用され、そこでは、流入する空気量を検出するため、又は燃料又は燃料混合気の調量のために流量センサが使用される。基本的に、超音波流量センサを（以下において記述する本発明に従い構成されている超音波流量センサも）、フローレート又は流れ速度又は空間内の他の流れ特性が検出されるべき技術の全ての分野において使用することができる。

この種の超音波センサを用いて達成することができる精度は、超音波変換器の精度によって、また、センサ外部の障害によって惹起される雑音信号強度によって制限されている。この種の障害は例えば、周囲から放出される障害、また特に、流れ雑音、弁、ポンプ等による障害である。コスト上の理由並びにスペース上の理由から変換器に無制限の精度及び送信出力を備えさせることはできず、その結果、従来技術による超音波流量センサでは精度に関する問題が生じる。この精度の問題は、高精度センサ、従って高価なセンサによっても完全には補償することはできない。

刊行物DE 10 2005 037458 A1からは、超音波フローセンサにドリフト補償部を設け、超音波変換器のオフセットエラーを検出し、伝播時間測定の際に考慮することが公知である。この刊行物に記載されている装置は、信号間の位相シフトの検出を基礎とする評価電子装置を有している。発明に応じた結合は、制御特性に影響を及ぼす変換器の経年劣化を考慮するために使用される。

刊行物10 2007 027188 A1には同様に超音波センサが開示されており、この超音波センサは、受信信号と送信信号との間の位相シフトの検出を基礎とする。この刊行物においては、種々の復調周波数を使用し、いわゆるバーニヤユニットを用いて複数の超音波周期の一義的な位相測定領域を実現することが提案されている。

刊行物10 2004 014 674 A1には、超音波信号のローパスフィルタリングされた信号振幅が所定の閾値を上回った後に、超音波信号の０通過が受信時点として検出される超音波フローセンサが開示されている。

従来技術に記載されている、エラーを結合するためのメカニズムでは専ら位相が考慮されるので、このメカニズムは達成される精度に関して制限されており、また同様に、伝播時間の制限的な一義的な検出しか達成できない。

本発明の課題は、改善された超音波伝播時間測定又は超音波伝播時間差測定のための方法と装置を提供することである。

発明の概要
この課題は請求項１に記載されている方法及び請求項９に記載されている伝播時間差測定装置によって解決される。

本発明は、コストの掛かる高精度の超音波変換器、また、相応に正確な算出回路を使用する必要なく、超音波伝播時間測定の精度を著しく改善することができる。特に本発明は、大きい測定領域にわたる、即ち、複数の超音波周期にわたる伝播時間差を一義的に検出することを実現する。基本的に本発明は、低下した精度を甘受する必要無く、実質的に無限の測定領域にわたる伝播時間差の検出を実現する。特に有利には、本発明を廉価で簡単に実現できるだけでなく、更に本発明は、センサの伝播時間差測定に関する精度又は測定領域が低減されることなく、計算の手間を従来技術に比べて遥かに簡単に低減することができる。更に本発明の特別な実施の形態では、処理すべきデータの低い時間分解能が設定されるか、又は、サンプリングされた変換器信号の時間分解能が著しく低減され、これによって処理の手間が低減され、また廉価な構造を使用することができるが、この際に精度の相当の劣化を甘受する必要はない。

特に本発明は、差分評価又は反対方向に伝送される音波パルスの本発明による結合評価が実施されることによって、経年劣化過程並びに変換器によって形成された歪み（特に変換器の応答特性による遅延）を補償することができる。この場合、相互に反対の二つの波伝播方向における伝播時間の評価は変換器特性、特に、反対向きの音波パルスの複数の精密な時間差の結合並びに反対向きの音波パルスの複数の粗い時間差の結合を補償する。この際に、伝播時間差を検出するために、それら二つの結合体が再び適切に結合される。

本発明が基礎とするコンセプトは、エンベロープに基づいて検出された伝播時間を、送信時点と受信パルスとの間の位相関係に基づいて検出された伝播時間、即ち、同一の送信パルス／受信パルスの瞬時振幅の位相を測定することにより検出された伝播時間と結合することであり、このことは相互に反対方向である二つの伝播方向における音波パルスに対して実施される。

同一の音波パルスの伝播時間を求めるが、しかしながら所属の変換器信号の異なる特性を基礎として（即ち、エンベロープと瞬時位相経過を基礎として）伝播時間を求めることは異なる検出モードを表す。従って、瞬時振幅経過の位相考察に基づき、又は、同一の受信パルスにおけるエンベロープの検出に基づき実施される、異なる検出モードで二つの時間差を求めることは、ある伝送方向における超音波パルスと、それとは反対の方向における超音波パルスについて実施される。求められた時間差の結果が結合され、変換器特性によって惹起されるエラーに関するエラー補償作用が生じる。求められた時間差を本発明に従い結合させることによって、それぞれが同一の検出モードに基づき検出されるが、反対の伝送方向について検出される複数の時間差が同一の検出モードの単一結合体へと結合され、また、伝播時間差を伝播時間差検出方法の結果として提供するために、二つの検出モードの得られた単一結合体が相互に結合される。詳細には、特に減算又は加算によって、異なる伝送方向の音波パルスの（瞬時振幅経過の考察によって求められた）複数の精密な時間差が結合され、また、異なる伝送方向の音波パルスの（エンベロープの考察によって求められた）複数の粗い時間差が単一結合体へと結合される。

それらの単一結合体は最終結果（即ち伝播時間差）を求めるために、上位の結合によって、例えば減算によって一緒に結合される。この上位の結合では、粗い時間差の単一結合体（即ち、粗い時間差の差分又は粗い伝播時間差）を含む項が丸められ、丸められた項が精密な時間差の単一結合体（即ち、精密な時間差の差分又は精密な伝播時間差）と、有利には加算によって結合される。更に有利には、丸めるべき項は、項内の粗い伝播時間差が減算された精密な伝播時間差を含む。項内の精密な伝播時間差、粗い伝播時間差又はその両方の伝播時間差を適合係数と乗算することができるので、乗算後には二つの伝播時間差が同一のドメイン、例えば角度記述又は時間記述で表されている。

丸めるべき項は更に丸め補償定数を含んでおり、この丸め補償定数は更新される。丸め補償定数は、この丸め補償定数によって、丸めるべき項を平均して、又は、平滑化された平均値によって、丸めの二つの丸め境界間の中央に保つために、丸めるべき項又は丸め独立変数から丸められた項又は隣接する丸め境界までの距離に応じて更新される。これによって、通常の散乱によって惹起される、次の離散的な丸め値までの跳躍的な変化が回避される。特に、加算すべき値の形態において丸め独立変数に加算される定数の更新は、緩慢に変化する変換器特性、又は、例えば流れに基づく音波伝送に関する非対称性を惹起する、位相ドリフト又は時間ドリフトを少なくとも部分的に補償することができる。同一の時間的な特性を必然的に示すこの種のドリフトは定数によって受容される。定数を含めた丸め独立変数定数と、隣にある二つの丸め境界との間の二つの距離が少なくとも１回の測定に対して求められることによって、定数を更新することができる。距離は、例えば、平滑化された平均値又はローパスを用いて累算される。後続の伝播時間差検出に関しては、以前に行われた測定についての定数が丸め境界間の実質的に中央にある独立変数を設定するように（例えば定数が低減されることによって、又は、定数が増大されることによって）定数が設定され、またこの定数が後続の伝播時間差測定に関して使用される。差分形成によって反対の方向の精密な時間差及び粗い時間差を結合する場合、二つの所属の定数が少なくとも部分的に相殺されるので、丸め独立変数内の更新すべき定数は必ずしも必要ではない。完全な相殺は原理的に、対称性又は相関が非常に強い伝送状況に対してのみ生じる。この理想的な状態は等方性の伝送媒体の場合にしか存在しない。即ち、この伝送媒体は例えば巨視的な流れ状態を有することは許されない。これに対して流れが生じていると、場合によっては（測定すべき）伝播時間差の外側で、丸め独立変数もそれぞれ隣接する二つの丸め境界間の中央から離れるように移動する可能性がある。このことは例えば、流れ方向と共に、また流れ方向とは反対方向に異なる強さの放射ドリフトが生じることによって惹起される可能性があるので、二つの伝送方向においては、超音波変換器の空間的な放射特性又は受信特性の異なる領域、従って僅かに異なる伝達関数が効果的である。従って有利には、更新時に二つの丸め境界間の中央に（目標設定として）合わせられている、更新すべき定数が使用される。

従って本発明によれば、粗い時間差及び精密な時間差が相互に反対の方向に関して検出され、先ず、各検出モードに関して別個に、反対の伝送方向に対応付けられている時間差が結合される。各検出モードについて個別に実施される結合は、上位の結合において再び相互に結合される。ここでは、粗い時間差の（減算として行われた）結合と、精密な時間差の（減算として行われた）結合とが結合され、有利には（加算すべき）丸め補償定数を含めて結合され、また得られた結合体が丸められる。丸めの結果は加算によって精密な時間差と結合される。従って、伝播時間差の検出は、異なる方向に伝送される二つの時間差の減算としての時間差の結合しか含んでいない。この差分測定方式によって、絶対的な測定方式と比べると、送信器としてまた受信器として同程度有している変換器特性が補償される。時間差とは、送信から受信までの間に生じる期間を表す。

異なる検出モードを使用することによって、位相測定の多義性は、伝播時間検出によって得られる情報に基づき完全に補償され、また、伝播時間測定の不正確性が位相測定の精度によって完全に補償される。位相測定に由来する情報を伝播時間測定に由来する情報と合致させることができるようにするために、送信超音波パルス／受信超音波パルスのエンベロープが考察され、伝播時間測定に由来する第１の粗い時間情報を得ることができる。この情報は精度を高めるために、位相測定から得られる情報によって補完される。別のアプローチによれば、位相測定に由来する、正確ではあるが多義的な情報を、この情報をエンベロープの考察より得られる粗い情報と結合することによって、比較的大きい伝播時間領域のために使用することができる。エンベロープに由来する情報は、搬送信号の周期性に基づいてエンベロープの広範なコンテキストに多義的な位相情報を生じさせることができるので、必要に応じて（それ自体で）多義的な位相情報を、（粗い）伝播時間情報を用いて非常に大きい測定領域に一義的に拡張することができる。

例えば、時間基準時点が波経過において算出又は形成されることによって、位相及び時点又は受信超音波のエンベロープが実際に検出されるが、送信超音波パルスの検出では、時間基準時点、即ち、例えば時間マークのトリガパルスの形態又は変換器の電気的な制御信号に基づいて送信基準時点が供給される。変換器によって制御信号の形が基本的に変形され、また（例えば発振器が接続されることによって、また、変換器の共振器特性によって）制御信号に遅延がもたらされるので、受信超音波パルスの（時間基準時点の）検出は（エンベロープの位相及び形の）実際の分析を必要とし、他方では、制御信号の形の送信超音波パルスの時間基準時点が制御によって設定される。送信基準時点は電気的な信号として表されている送信超音波パルスに関係するものであり、またこの送信基準時点を、必要に応じて一定の遅延又は一定と見なされる遅延を含めて、トリガ信号又は制御信号から取得することができる。同様に、音響的な送信超音波パルスに関しては制御信号の一義的な依存性が得られ、この依存性はやはり変換器特性（応答特性）に依存し、また必要に応じて所定の遅延を含んでいる。

更に、変換器特性の変化によって、変換器において緩慢に増加する位相エラーによって発生するエラーが生じる可能性がある。この位相エラーは少なくとも、送信モードにある変換器に関する相関的な伝送状況内では、受信モードにある変換器と同一の位相エラーであるので、相互に反対の方向の二つの伝送方向に関して精密な時間差（及び粗い時間差）の差分形成（即ち上述の減算による差分形成）によって位相エラーを補償することができる。更には、丸めについての独立変数として使用される項に、加算的な定数を加算することができ、この際に、定数を含めた丸めが得られる。丸め独立変数と複数の丸め閾値（又は二つの丸め閾値の内の一つ）との距離に従い定数を更新することができる。ここで距離とは、丸め閾値と、時間的に平均された丸め独立変数（以前の検出、特に先行の検出を含む丸め独立変数）との距離を表す。従って位相ドリフト（即ち、粗い時間差に対して緩慢に増加する位相差）が生じ、丸め項内の定数の積分又はローパスフィルタリングされた更新によって、瞬時振幅経過の次の周期への丸めを生じさせる時間で位相ドリフトが大きくなること、従って、伝播時間検出又は伝播時間差検出における適切でない位相の跳躍的な変化が（最終結果として）生じることを回避することができる。従って、定数とは、（緩慢な変化に比べて）高速に変化する時間差、伝播時間及び伝播時間差とは異なり、位相ドリフトを補償するため位相ドリフトと共に緩慢にしか変化しない値である。

「受信超音波パルス」及び「送信超音波パルス」とは、変換器の他方の側における音響波、また音響波の電気的に等価なものを同様に表している。電気的な側面から音響的な側面への変換（またその逆の変換）では遅延及び／又は歪みが生じる可能性がある。時間差（即ち精密な時間差及び粗い時間差）は、受信パルスと送信パルス（又は送信時点）との間の時間的な間隔を特徴付ける期間である。

位相情報の一義性を確立するため、又は、その値範囲を複数の超音波周期又は２π以上の周期に拡張するために、超音波パルスのエンベロープが考察され、そのエンベロープの経過が相応の粗い記録に使用される。従って伝播時間の粗い検出については、送信超音波のエンベロープの形状（より正確には送信基準時点）を受信超音波パルスのエンベロープの形状又は形状の特徴と一致させ、粗い時間差を検出するために、エンベロープが使用される。エンベロープの形状の特徴とは、例えば、エンベロープの最初の上昇する側縁又は最初の極大値である。粗い時間差は、伝播時間の考察のみから得られる伝播時間情報に相当する。付加的に、本発明によれば精密な時間差が検出され、この精密な時間差は位相検出の結果得られる情報に相当する。位相検出は搬送信号の位相考察を基礎としており、従って当然のことながら、全体の周期（即ち０°から３６０°又は０から２π又は−πから＋π又は同等の範囲）においてのみ一義的である。送信超音波のエンベロープ（特に送信基準時点、例えばトリガ信号又は、超音波パルスを形成する時点を決定する時間信号）及び受信超音波パルスのエンベロープを通常の相関関数によって一致させることができるか、又は、受信超音波パルスのエンベロープに適用されるマッチングフィルタによっても同様に一致させることができ、粗い時間差はこの相関又は送信基準時点と比較するマッチングフィルタの結果から得られる。相関の他にも時間的なずれを検出するため、特に送信基準時点と比較される受信超音波パルスの特徴を検出するための別のメカニズムも使用することができる。これは例えば、極大値、変曲点、極小値又はエンベロープの０通過、受信超音波のエンベロープの一次時間微分又は二次時間微分のような特徴が検出され、この特徴が同期装置、時間測定器（例えばカウンタ）等を用いて、送信された信号（即ち送信基準時点）と比較され、時間シフト、即ち送信超音波パルスと受信超音波パルスとの間の粗い時間差が検出されることによって行われる。変曲点は、エンベロープの勾配の最大値を検出することによって、又は、エンベロープの二次時間微分の０通過を検出することによって検出される。受信超音波パルスを必ずしも送信超音波パルスと比較する必要は無く、受信超音波パルスを変換器に出力される信号と比較することができるか、又は、前段又はパルス形状フィルタを含む変換器の信号を制御する信号と比較することができる。例えば、トリガ信号との比較によって送信超音波パルスとの比較を行うことができ、例えば、（例えばパルス形状フィルタを含む）信号発生器を制御又はトリガし、送信超音波パルスを超音波変換器の制御によって検出する側縁との比較を行うことができる。

時間差の考察（即ち、特に粗い時間差及び精密な時間差の考察）はそれぞれの位相の考察に等価である。一般的に公知であるように、位相及び時間差は直接的にトリガ周波数にわたり比例して対応している。従って、本明細書において説明する時間差に関連する特徴は直接的に、位相考察に関連する特徴であると解され、その逆も当てはまる。

従って、伝播時間差測定のための本発明による方法は、空間領域において送信超音波パルスを送出するステップを含んでおり、送信超音波パルスには搬送周波数が設けられており、また送信超音波パルスはエンベロープを有している。精密な時間差（即ち、位相情報）の多義性を解消するために、エンベロープは直流信号成分（ＤＣ）のみを含んでいるのではなく、交流信号成分（ＡＣ）も含んでおり、これは交流信号成分が上昇する側縁又は下降する側縁のみから構成されている場合であっても当てはまる。基本的に、エンベロープとして任意のあらゆる信号を使用することができ、この信号は何時の時点においても一定の信号強度を有しているのではなく、少なくとも一つの側縁を有している。別の個所において自己相関関数の値とは大きく異なっている極大値を有している自己相関関数を有するエンベロープが特に有利である。エンベロープの持続時間、即ち、信号強度が０ではない期間は複数のトリガ信号周期を含んでいる。更には、瞬時振幅信号の周期持続時間に比べて非常に長い持続時間（例えば１００１／ｆ_Traeger又は、トリガ信号の周期持続時間の５，１０，２０，５０，１００，２００又は３００倍であるエンベロープの長さである）を有しているエンベロープが有利である。

一般的なアプローチによれば、エンベロープの経過を規定するための直交信号が本発明の実施に適している。周期的なエンベロープを使用する場合、エンベロープの周期長は、伝播測定方法が使用される、この伝播時間測定方法の測定範囲よりも長いものである。エンベロープとして、特に個々のパルスが考察され、それらの個々のパルスは、想定すべき総伝播時間（即ち、超音波信号の往路及び復路）よりも短く、また、別のエコー減衰時間後に繰り返される。特に、エンベロープの開始が既に受信器（即ち変換器）に入力されるとエンベロープは終了しており、有利には、送信装置が送信器から受信器に切り替えられる付加的な保護時間も含めてエンベロープは終了している。上記において考察した、エンベロープの考えられる周期性は、同一のエンベロープ内の信号形状の反復のみに関係する。特に、このことは、周囲を反復的にサンプリングするためのエンベロープの反復的な送出には関係ない。従って、エンベロープには同一のサンプリング周期が対応付けられており、特に、単一のサンプリング周期より多くのサンプリング周期又はサンプリング周期の開始時の送信区間を含んでいない。従って、エンベロープの長さはセンサ内の想定すべき最大の往路及び復路によって規定されている。往路及び復路の長さはセンサの構造的な状況によって与えられており、例えば、変換器とそれに対向する反射体又は対向する壁との距離、もしくは、壁間の距離によって与えられている。

送信超音波パルスは受信超音波パルスとして受信される。この受信超音波パルスは、空間領域内で反射されるか、又は、この空間領域を通過して放射された送信超音波パルスに対応するものである。空間領域内には流れが存在し、その流れの特性が伝播時間測定によって検出される。特に、後に得られる伝播時間差は、空間領域内の流速に直接的に依存しているので、結合された時間差（即ち、測定された伝播時間又は伝播時間差）から流速を推量することができる。送信超音波パルスと受信超音波パルスとの間の時間差は（差分）伝播時間として検出される。つまり、伝播時間差はここでもまた物理的な測定量であり、この測定量から流れの物理的な特性を導出することができる。

本発明によれば、送信超音波パルスが、受信超音波パルスを送出する変換器とは異なる、（少なくとも）一つの（別の）変換器から送出される。有利な実施の形態によれば、送信と受信が繰り返し（例えば二重又は交互に）実施され、先ず第１の変換器が送信超音波パルスを送出し、この送信超音波パルスは空間領域を通過した後に受信超音波パルスとしての第２の変換器によって受信される。上述のように、送信と受信との間の時間差が（伝播時間成分として）本発明により測定される。続いて変換器の機能が更なる本発明による伝播時間測定のために反転される。更なる伝播時間測定においては、第２の変換器、即ち先行の伝播時間測定において受信超音波パルスを検出した変換器が送信超音波パルスを送出し、第１の変換器、即ち先行の伝播時間測定において送信超音波パルスを送出した変換器が受信超音波パルスを受信する。従って、本発明による方法は繰り返される。特に、受信のステップと送信のステップが繰り返される。送信の機能及び受信の機能は伝播時間測定が繰り返される場合には反転されている。同様に、伝播経路も反転されている。つまり、音波が最初の伝播時間測定において第１の変換器から第２の変換器に伝播するが、音波は繰り返しの伝播時間測定では第２の変換器から（空間領域を介して）第１の変換器に伝送される。繰り返しを１回又は複数回実施することができるが、有利には、送信超音波パルスはほぼ同じ頻度で全ての（即ち二つの）変換器から送出され、従って、超音波パルスの伝送方法はｎ回（但しｎは０より大きい数である）変化する。

更に、送信及び受信を連鎖的に行うことができ、最初のパルスが第１の変換器から第２の変換器に伝送され、所属の第１の精密な時間差及び第１の粗い時間差が検出される。続いて、第２のパルスが第２の変換器から第１の変換器に伝送され、所属の第２の精密な時間差及び第２の粗い時間差が検出される。第３のパルスが再び第１の変換器から第２の変換器に伝送され、所属の第３の精密な時間差及び第３の粗い時間差が検出される。連続するペアの意味において第１のパルスと第２のパルス、並びに第３のパルスと別のパルスのみが結合されるのではなく、第２のパルスと第３のパルスも同様の別の測定のために使用される。一般的に、パルスの連続するグループ又はペアの時間差が評価され、グループ又はペア内の検出された時間差の結合が実施される。パルスの異なるペア又はグループは同一のパルスについて測定を有することはできないか（例：パルス番号１，２，３，４；結合：１／２及び３／４、しかしながら２／３又は２／４ではない）、又は、差分考察は異なるグループのパルスの結合、即ち、同一のパルス（例：パルス番号１，２，３，４；１／２及び３／４の結合の他に：結合２／３）の時間差の多重使用を含む。従って、連続的な差分形成（例えば、それぞれが反対の伝送方向に所属している、後続の時間差及び先行の時間差との同一の時間差の結合として）も行うことができる。

（伝播方向が反対向きであることに起因する）本発明のこの変更された実施の形態では、ある方向への精密な伝播時間及び粗い伝播時間からその方向とは反対方向への精密な伝播時間及び粗い伝播時間が差し引かれた差分形成が行なわれる。差分形成から、少なくとも二つの反対方向に伝播する音波パルスが伝送される空間領域内の音波媒体の物理的な特性を推量することができる。

伝播時間差は有利には次式により求められる：
Δｔ＝（φ₁−φ₂）／２π＋ｒｏｕｎｄ（（ｔ０₁−ｔ０₂）−ｆ_empf−（φ₁−φ₂）／２π＋ｘ））
但し、
Δｔ＝伝播時間差
φ₁＝第１の伝送方向における送信パルスと受信パルスとの間の精密な時間差
φ₂＝第１の伝送方向とは反対の伝送方向における送信パルスと受信パルスとの間の精密な時間差
ｔ０₁＝第１の伝送方向における送信パルスと受信パルスとの間の粗い時間差
ｔ０₂＝第１の伝送方向とは反対の伝送方向における送信パルスと受信パルスとの間の粗い時間差
ｆ_empf＝受信パルスの搬送信号の周波数

（φ₁−φ₂）／２πは、相互に反対向きの二つの方向において実施される伝送に関する時間差を表す項であり、また、位相比較に基づき精密な時間差として供給されている、検出の成分に関係する。「精密な時間差」とは単に、単一の伝送の送信パルスと受信パルスの差である。

（ｔ０₁−ｔ０₂）・ｆ_empfは粗い時間差の差分を表す項であり、（二つの方向における）エンベロープに基づき検出される時間差の成分に対応する。この項は時間差の成分について補正され、この時間差は丸めが行われる前の精密な時間差の検出を基礎とする。粗い時間差のこの補正された項は丸められる。何故ならば、粗い時間差はエラーを有するものであり、検出結果を所定の搬送波周期（又は搬送波半波）に分類するためにのみ使用されるからである。（その都度同一の伝送方向に関する）測定毎に伝播時間が継続的に変化する場合には、丸めの結果が段状の経過を取り、この経過は所属の位相が位相測定領域（例えば０°から３６０°）を超えると跳躍的に変化する。位相ベースの検出結果との加算によって全体の結果が精密になるか、又は、多義的な位相ベースの検出結果が加算によってより大きい位相測定領域に拡張される。

ｘは丸め補償調整定数であり、これは
（ｔ０₁−ｔ０₂）・ｆ_empf−（φ₁−φ₂）／２π＋ｘ）−ｒｏｕｎｄ（（ｔ０₁−ｔ０₂）・ｆ_empf−（φ₁−φ₂）／２π＋ｘ））
が時間的な中央において０又はほぼ０に留まるように選定される。ここでｘは、丸めの独立変数に加算される被加数であり、丸めの被加数と丸められた独立変数の差が検出され、この差が時間にわたり平均化される（例えば、積分器を用いるか、又は、時間窓にわたる平均化によって行われる）。これによって、生じた偏差を増加した位相シフト（即ち、変換器によって惹起される位相ドリフト）によって検出することができる。（跳躍的な変化の形態の）丸めエラーを回避するために、ｘは緩慢に（例えばローパスフィルタによって）更新され、ドリフトが少なくとも部分的に補償される。

この実施の形態によれば、個々の結果、即ち、最初の測定及び繰り返しの測定によって得られる精密な時間差及び粗い時間差が（各検出モードについて個別に）相互に結合される。この結合を、時間差の加算、時間差の（算術的な）平均値形成、又は、時間窓の相対的な差（即ち、位相の差及びエンベロープの差から生じる伝送持続時間）の形成によって行うことができる。特に、この結合は、ある伝播方向において生じる全ての個別の精密な時間差及び粗い時間差を、それとは反対の伝播方向において生じる精密な時間差及び粗い時間差から減算することによって行われる。結合は、空間領域内の流れ特性が実質的に変化しなかったことを前提とすることができる短い期間内の測定に関係する。この測定結果と、特に、流れ特性よりも著しく緩慢に変化し、従って時間的な平均値形成による測定から設定することができる物理的な特性、例えば温度、湿度及び音響媒体の音波速度とが結合されている。物理的な結合によって、上述の流れ特性の代わりに上述の物理的なパラメータも使用することができる。択一的に、結合は平滑化された時間窓内の全ての時間差に関係し、設定された伝播時間又は伝播時間差はこの時間窓に対する平均値を表す。時間窓に関する結合の代わりに、個々の時間差を時間積分することもできる。

本発明による伝播時間差測定装置は、この結合を実施するために構成されている結合装置を有している。有利には、伝播時間差測定装置は更にメモリを有しており、このメモリには複数の時間差が記憶される（即ち、最初の測定の時間差と、反対の方向を有する繰り返しの測定の時間差が記憶される）。メモリは結合装置と接続されており、個々の時間差を結合装置に出力する。

基本的に、種々の変換器の間に空間領域を設けることができるか、又は、変換器を空間領域の一方の側に設けることができ、この場合には反対側に反射器が設けられている。

送信超音波パルスの反対方向の伝送に関係する、精密な時間差及び粗い時間差の結合によって、伝播時間の絶対時間測定の際に生じる変換器に起因するエラーが相互に相殺される。何故ならば、結合によって、遅延の相対値のみが設定され、ある方向に伝送されるパルスの伝播時間はそれとは反対の方向に伝送されるパルスの伝播時間とは異なるからである。従って特に、異なる方向の伝播時間が相互に減算される結合が有利である。

一方では、伝播時間差が求められると所望のエラー補償が行われる。何故ならば、例えば経年劣化に起因する伝播時間の変化は二つの伝播方向においてほぼ等しく、従って、通常の位相測定の一義的な領域において、小さい伝播時間ドリフトも差分形成によって依然として補償できるからである。他方では更なる補償が行われ、これによって、付加的に、位相測定の一義性領域を著しく拡張することができるが、この際に、付加的な経験的な定数を考慮する必要はない。何故ならば、位相ドリフトはエンベロープ経過又は結合の際の粗い時間差に相対的に差分形成によって相互的に相殺されるからである。（変換器に起因する位相遅延を表す）経験的な定数は、最初の補償調整の後に、例えば時間に伴う経年劣化に基づいてその精度を失う可能性がある。このことは確かに更新によって補償することができる。しかしながら、更新が行われるにもかかわらず生じるエラーは、任意の長さの結果をもたらす可能性がある誤測定を生じさせることになる。

送信器としての変換器の機能及び受信器としての変換器の機能を上述のように交互に切り換えることの代わりに、二つの変換器において同時に、又は、時間的に僅かにずれて送信を行い、また、超音波パルスが依然として測定すべき空間領域内を伝播している間に、変換器の機能を逆転させることができる。従って、送信フェーズ／受信フェーズを二つの（又はそれ以上の数の）変換器に対して時間的に重畳させることができるか、一致させることができる。

粗い時間差は、送信超音波パルスのエンベロープを受信超音波パルスによって供給されるエンベロープと比較することによって供給される。比較は、二つの超音波パルス間の時間差に関連し、また、（（音響的な）送信超音波パルスのエンベロープに応じて構成されている）マッチングフィルタを用いる相関によって、又は、送信超音波パルスの開始を表すトリガ信号、もしくは、送信超音波パルスの時間的な位置を表す送信基準時点、もしくは、受信超音波パルスのエンベロープの所属の経過区間、例えば上昇する区間を考察することによって、又は、受信超音波パルスのエンベロープの経過特徴もしくはその経過特徴の一次時間微分もしくは二次時間微分、例えば極大値、極小値、０通過又は変曲点、固定又は可変のトリガ閾値を上回る時点もしくは送信超音波パルスのエンベロープにおける所属の時点に基づく上昇側縁もしくは下降側縁を考慮することによって、又は、送信超音波パルスと受信超音波パルスとの間の時間シフトを検出することができる別の比較方法によって求められる。つまり、粗い時間差はカウンタを用いて、又は、他のあらゆる適切な評価ロジックを用いて、有利にはマイクロプロセッサにおいてディジタル形式で検出される。同様にして、有利にはマイクロプロセッサを用いてディジタル信号を比較することによって比較が行なわれ、相応の方法の特徴をソフトウェアによって、ハードワイヤードロジック回路によって、又は、それらの組み合わせによって実現することができる。

更には、精密な時間差が、トリガ信号の位相を比較するステップの結果として供給される。送信超音波パルスのトリガ信号の位相経過（又は送信基準時点）が受信超音波パルスのトリガ信号の位相経過と比較される。比較のこのステップは、送信超音波パルスの瞬時振幅と受信超音波パルスの瞬時振幅との比較に相当する。従って、精密な時間差は変換器によって受信されるような直接的な信号経過に関係するものであるが、これに関して時間微分された信号も使用することができる。

本発明によれば、精密な時間差が粗い時間差と結合され、この結合は例えば、異なる検出ステップの複数の精密な時間差の結合体に、異なる検出ステップの粗い時間差の結合体を加算することによって行われる。検出ステップは反対の伝送方向に関連付けられている。特に、結合とは、粗い時間差の結合体を周期長の整数倍としてのみ、又は半周期長の整数倍としてのみ供給することであり（例えば、丸め独立変数としての精密な時間差の結合体を減算した、粗い時間差の丸められていない結合体の丸めによる）、また「次に来る位置」、即ち精密な時間差（の結合体）としての周期又は半周期内の相応の正確な割合を供給することである。

エンベロープは幾つかの種類の変換器、例えばピエゾ変換器では、矩形制御信号又は矩形制御パルスへの変換器の応答特性によって生じ、また、慣性、共振特性、振動開始特性、後振動特性、及び、別の振動系との相互作用によって規定されている。以下の考察は、制御信号が特にエンベロープに関して実質的に劣化せずに表されることが近似的に想定される変換器に関係する。この種の変換器は理想的な変換器とみなされ、本発明の原理を説明するために使用されるが、実際の使用の説明には使用されない。何故ならば、実際の変換器は本質的な固有の制御特性を有しているからである。従って本発明の別の実施の形態では、エンベロープの所属の自己相関関数が少なくとも一つの極大値を有するようにエンベロープが供給されるか、又はエンベロープの一部分だけがそのようになるように供給される。複数の極大値が存在する場合には、有利には、最も大きい極大値は他の極大値とは明らかに異なり、特に、二つの最も大きい極大値は粗い時間差における多義性を回避するために最小値だけ異なる。これと組み合わせることができる別の実施の形態によれば、エンベロープの全体の経過は非常に単調な経過の時間の関数であるが、しかしながら有利にはエンベロープの一部のみが非常に単調な経過の時間の関数である。換言すればエンベロープは少なくとも部分的に一定ではなく、この場合、非常に単調に経過する時間の関数は、二つの時点に関して、それら二つの時点が直接的に連続する場合であっても同じ値を有していない関数である。非常に単調に経過する関数の代わりに、確かに余り顕著ではない自己相関数を有しているが、側縁に基づき粗い時間差に関する正確な情報を実現する矩形関数も使用することができる。特に、矩形関数のような単純な関数は評価回路の簡単な実現形態を許容する。何故ならば、評価回路は単に一つの側縁を考慮すれば良いからである。一つのアプローチによれば、矩形関数（又は別の関数）が側縁を有する個所が、非常に単調に経過する関数に従い延びる区間を表し（即ち、側縁の経過に応じた、非常に単調に上昇する関数又は非常に単調に下降する関数）、それらの個所の間には非常に単調に経過せずに一定である区間が存在する。従って、エンベロープに関しては、一定でない関数がそのような経過、即ち、非常に単調に経過する関数を規定する区間を有しているだけで十分であり、別の領域を完全に、単調には経過しない関数（例えば一定の関数）として設定することができる。何故ならば、非常に単調に経過する関数を含む区間は後の検出のための特徴を表しているからである。実際の実現形態によれば、エンベロープは、矩形パルスを用いて超音波変換器を制御する際に生じる音波信号に対応する。変換器のパルス応答は制御信号の上昇側縁における顕著な振動開始フェーズを有しており、その間に信号強度は連続的に上昇するが、制御信号の側縁勾配と共に急激に上昇することはない。

一般的に、受信超音波パルスの、変換器の振動開始フェーズに対応付けられている領域は、変換器特性相互の差異、又は、例えば経年劣化もしくは汚れによる変換器特性の変化に後続の領域よりも鈍感に反応する。この理由からも、粗い時間差を求めるために特に受信超音波パルスの振動開始フェーズを使用することが有利である。この場合にはエンベロープの最初の変曲点又はエンベロープの最初の極大値を使用することができ、例えばエンベロープの最初の上昇する側縁全体が振動開始フェーズと称される。

上記においても述べたように、超音波伝播時間は一つ以上の超音波周期の領域について変化する場合には、搬送周波数の位相は周期的に繰り返されるので、精密な時間差は多義的である。従って、精密時間差の設定は、送信超音波パルス（又はその送信基準時点）と受信超音波パルスとの間の位相差の検出を含む。この場合には搬送信号の瞬時経過が考察される。即ち、受信超音波パルスの瞬時経過、また必要に応じて送信パルスもしくはその制御信号の瞬時経過が考察される。特に、瞬時経過の特徴が比較のために使用される。例えば、受信超音波パルスの搬送信号の極大値、極小値又は０通過並びに変曲点が比較のために使用される。特に、超音波パルス（即ち、受信超音波パルスの超音波パルス）をそれぞれ二つの周期的な復調信号によって変調、混合又は乗算することができる。位相情報を得るために、復調信号が相互に位相シフトされている。例えば９０°位相シフトされている直交矩形信号、又は択一的に、正弦信号もしくは余弦信号が使用される。種々の復調信号を用いる変調によってそれぞれの超音波パルスについて得られる二つの結果を相互に比較することができ、特に平均化又は積分された形態で、商として関係付け、位相を検出することができる。他のアプローチによれば、受信超音波パルスと送信超音波パルスとの間の位相シフトを検出するために、超音波パルスをクアドラチュア増幅器によって検出することができる。本発明によれば、変調、混合又は乗算によって得られる二つの信号が比較され、特に受信超音波パルスに関する二つの信号が比較される。変調によって生じる二つの信号間の差異は復調信号に相対的な位相によって規定されているので、変調によって生じる信号間のこの比較は（送信超音波パルス並びに）受信超音波パルスについて行われる。

受信超音波パルスの位相は特に、パルスが二つの復調信号と乗算され、続けてローパスフィルタリング（及び／又はデシメート）され、結果として生じた値から、atan2値がその振幅又はその出力に関して形成される。位相形成を全体の超音波パルスにわたり積分又は加算することができるか、又は有利には、（例えば最初の極大値又は変曲点までの）上昇側縁の領域に関してのみ積分又は加算することができる。何故ならば、上昇側縁は経年劣化作用又は変換器間の差異に最も影響を受けないからである。

別の実施の形態によれば、粗い時間差は確かに時間的に高い分解能で求められるが、しかしながら、（特に、精密な時間差が既に正確な部分を表しているという理由から）比較的低い時間的な分解能でもって更に処理される。受信超音波パルスのサンプリングによって、また必要に応じて送信超音波パルスのサンプリングによっても生じる信号のエンベロープは、低いデータレートを有する時間離散的な信号によって表され、更なる算出のために使用される。例えば、（受信超音波パルスの）エンベロープ（また必要に応じて送信超音波パルスのエンベロープ）の比較の際に使用されるデータレートは搬送周波数の数倍でしかないか、又はそのオーダの被整数倍である。僅かなサンプリングは確かに時間差の非常に正確な検出を実現するものではないが、しかしながら、粗い時間差にとっては精密な時間差に該当する正確な周期が検出されれば十分である。瞬時経過も、搬送周波数の整数倍でないサンプリング周波数でサンプリングすることができる。サンプリングされた信号をデシメートすることができる、及び／又は、ローパスフィルタもしくはバンドパスフィルタを用いてその最大周波数又は帯域幅内に限定することができる。

更には、受信パルスに対して時間差を検出するために使用される信号を周波数フィルタリング又はデシメーションしなくて良い（このことは、アナログ信号又はディジタルのサンプリングされた信号に基づいて求めることにも当てはまる）、又は、サンプリングされた信号がデシメーションフィルタによってフィルタリングされる。デシメーションフィルタでは、連続する複数のサンプリング点が例えばそのようにグループ分けされているサンプリングされた点内の平均値形成によって統合されることによって、比較的高いサンプリングレートでサンプリングされた信号が簡略化され、これによって比較的低いサンプリングレートが生じ、また個々の値は比較的多くサンプリングされた信号の平均値形成を基礎としている。平均値形成によって高い周波数成分がブロックされるので、デシメーションフィルタはローパスフィルタの意味においてより多くサンプリングされた信号に作用する。比較的多くサンプリングされた信号の個々の連続する値が統合される平均値形成を窓積分と解することができるが、この窓積分は、それぞれ一つのグループを積分し（また必要に応じて正規化も行い）、それによって平均値を形成するために、平滑化されず、グループ毎に跳躍的に変化する。

瞬時振幅経過の検出は一つ又は複数のローパスフィルタ又はバンドパスフィルタリング、並びに、必要に応じて内挿を含むデシメーションを含むことができる。

精密な時間差は、搬送周波数の周期長よりも短い周期の一部として提供される。特にこの場合には、粗い時間差及び精密な時間差は、精密な時間差が符号情報を含んでいない場合には半分の周期長に関係する。しかしながら有利には、精密な時間差は周期長全体に関係し、従って、（一つの周期に対して）０°から３６０°の範囲の周期情報を提供する。粗い時間差は例えば丸められた値、例えば、搬送周波数の波長の数倍に相当する整数値として設定される。丸めによって、粗い時間差を検出する際に生じるエラーが低減され、そのようにして消去された情報は、より高い精度が設けられている精密な時間差に置換される。粗い時間差は有利には、搬送周波数の個々の波長の整数倍に丸められる。

本発明の別の実施の形態においては、送信超音波パルス又は受信超音波パルスの開始後の所定の最小期間付近に少なくとも位置している時点について精密な時間差が提供される。従って、精密な時間差が検出される時点は、エンベロープの縁部、特にエンベロープの開始時には位置していない。最小期間は少なくとも、超音波変換器の振動開始時間と同程度の長さである。超音波変換器は送信、受信又はその両方のために使用される。これによって、超音波変換器が相応に小さい信号対雑音比を有する超音波パルスの開始時に振動開始状態にある時点に精密な時間差が提供されることは回避される。このことは送信中の振動開始行程、受信中の振動開始行程、又は、有利にはその両方に該当する。精密な時間差は有利には、超音波パルスの経過が特別な特徴を有している時点について供給されるか、又は求められる。この特徴は、相対的な極大値、相対的な極小値、０通過、変曲点、最大勾配等によって供給される。この特徴の検出は、超音波パルスの導出及び時間微分の考察によって行なわれる。この場合には、例えば、相対的な極大値又は極小値において微分が０であり、変曲点において時間微分された信号が極大値（又は極小値）を有している。これによって、精密な時間差を供給するために、送信時間基準時点を比較することができる受信パルスについての時間基準が供給される。

別の実施の形態によれば、精密な時間差は、同一の超音波パルス内（即ち同一のエンベロープ内）の異なる時点に存在する複数の瞬時位相の検出によって設定され、この場合には、精密な時間差が設定されるべき時点への瞬時位相の外挿によって設定される。この時点を、例えば、０通過、極大値、極小値、変曲点又は外挿された時点を基礎とするその種の特徴に対応させることができる。

更には、二つの測定方向の間で異なっている、位相位置とエンベロープとの間のずれを更新によって補償することができる。測定方向とは測定すべき流れに対する二つの異なる配向を表し、測定方向は特に流れに対する値で区別することができるので、第１の測定方向は流れとは反対の方向であり、第２の測定方向は流れを有する方向に傾斜されているか、又は、流れ方向に延びている。この種の区別は種々の温度影響又は流れ影響から生じることが考えられるが、相関性の強い伝送システムからは偏差する、流れによって断たれる対称性からも生じることが考えられ、この場合には、更新が過去の測定に由来するずれを検出し、将来的なずれに対して補償係数又は補正値を設定する。（平均値形成によって複数のサンプリング点を統合する）デシメーションフィルタを用いる上述の低減をＳｉ²フィルタによって行うことができる。Ｓｉ²フィルタの伝達関数は（ｓｉｎｘ／ｘ）²によって規定されている。特に、１倍又は２倍の信号周波数へのデシメーションが有利である。何故ならば、これによって復調の際に生じる高調波が抑制されるからである。ここでは信号周波数とは搬送周波数である。特に、受信超音波パルスが更に使用される前にこの受信超音波パルスをフィルタリングするために、ＦＩＲフィルタを使用することができる。この種のＦＩＲフィルタを、デシメーションフィルタと組み合わせて使用することができるか、又は、デシメーションフィルタの代わり使用することができる。

本方法では位相及び振幅を求めることができ、位相情報は精密な時間差を求める際に使用され、またそのようにして取得された振幅は粗い時間差のために使用される。位相及び振幅の検出は、位相及び振幅の検出によって行うことができ、一つの実施の形態によれば、受信超音波パルスを上述のように（例えばデシメーションフィルタ又はＦＩＲフィルタを用いて）フィルタリングすることができるが、受信超音波パルスはフィルタリングされていなくても良い。

別の実施の形態によれば、伝播時間測定が複数の方向について実施され、この方向は検出された空間領域内の流れ方向に配向されている。

更に本発明によれば、受信超音波パルスの経過を使用して、接線外挿に基づき、超音波パルスのエンベロープの点と最大勾配で接する接線と時間軸との交点が算出される。送信超音波パルスの相応の時点についての時間的なずれ、例えば送信器の制御信号の上昇する側縁が検出されることによって、この基準点を粗い時間差を検出するために使用することができる。

精密時間差の設定は、同一のパルス中の複数の位相位置の検出を含むことができ、この場合には、位相はそれら種々の位相点に基づき、粗い時間差が検出される時点、即ち、エンベロープの基準時点について外挿される。

更に本発明は、請求項１０に規定されているような伝播時間差測定装置に関する。この伝播時間差測定装置の別の実施の形態は、上述のようなＦＩＲフィルタ又はデシメーションフィルタを有することができ、このフィルタは受信超音波パルスの入力端と粗雑比較器又は精密比較器との間に接続されている。更に、伝播時間差測定装置は外挿装置を有することができ、この外挿装置は精密比較器と接続されており、精密比較器から提供される、同一の超音波パルスに関係する複数の結果を所望の時点に外挿する。所望の時点を例えば粗雑比較器によって提供することができ、この粗雑比較器は、この外挿目標時点を入力するために、外挿器と接続されている。位相検出のために、伝播時間差測定装置は更に二乗回路を有することができ、これによって送信超音波パルスの位相経過と受信超音波パルスの位相経過が比較される。有利な実施の形態では、受信超音波パルスのための二乗回路しか設けられておらず、この場合には、伝播時間差測定装置の信号発生器又は伝播時間差測定装置内の信号発生器のための制御部によって送信超音波パルスの位相経過が供給される。

伝播時間差測定装置を、必要に応じてハードワイヤードロジック回路を有している、部分的又は完全にプログラミング可能なハードウェア、例えばプロセッサによって、並びに、プロセッサと相互作用し、且つ、上述の機能を実行するプログラムコードを記憶しているメモリによって構成することができる。伝播時間差測定装置は更に、入力／出力インタフェースを有することができ、その都度のデータ又は信号をプロセッサに外部から供給するか、又は、プロセッサによって形成された結果を外部に、例えば変換器又は出力装置に伝送することができる。

例示的な受信超音波パルスを示す。図１に示した超音波パルス内の位相経過を示す。図１に示した超音波パルスの振幅絶対値の経過を示す。デシメーションフィルタを用いたフィルタリング後の図３の信号経過を示す。丸みのある構造を有する図４に類似する経過を示す。本発明による伝播時間差測定装置のブロック回路図を示す。

図１は、極めて単調な経過を有している四つの区間を含むエンベロープを備えた、例示的な受信超音波パルスを示す。これらの経過の前に設けられている休止時間の後に大きく上昇する区間が始まり、その区間には大きく下降する区間が続く。大きく上昇する区間は、慣性が加えられた実際の変換器の、制御信号の上昇する矩形側縁に対する反応に該当する。この区間には小さく上昇する区間が更に続き、その区間には、振幅が再び０に達するまで小さく下降する区間が続く。図１に示されている経過の二つの一番外側の部分は雑音源の障害的な影響を示している。前述の上昇する区間及び下降する区間は、送信超音波パルスとの比較によって粗い時間差を検出するためにエンベロープを規定する。更に図１からは、搬送周波数は時間軸に沿って少なくとも大まかな近似で一定であることが見て取れる。

図２は、エンベロープの振幅が０ではない期間にわたる、図１に示した受信超音波パルスの位相経過を示す。図２からは、振幅が正弦波状に０と２πの間で変化していることが見て取れる。この変化は、送信超音波パルスの搬送周波数に対応する（従って受信超音波パルスの搬送周波数にも対応する）周波数によって行われる。図１及び図２の考察に基づき、図１からは精確な分解無しでは特に正確な粗い時間差を求めることができず、また、図２からはエンベロープ内の時点に対して一義的である時間差を求めることはできないことが分かる。

図３は、振幅絶対値を基礎とした、図１に示されている受信超音波パルスを示す。この振幅絶対値を信号強度と見なすこともでき、図１に示されている個々の信号領域が図３に反映されている。図示されている関数の両端部においては、エンベロープ又は信号強度が０であり、従ってただ一つの雑音信号が表されている領域が見て取れる。両端部の間には四つの領域が存在している。即ち、先ず大きく上昇する領域が存在し、次に、大きく下降する領域が続き、次に、小さく上昇する領域が存在し、次に、実質的に０の振幅領域に達するまで小さく下降する領域が存在している。有利な実施の形態によれば、図３に示されている信号形状は、粗い時間差を提供するために使用される信号形状に対応する。例えば、送信超音波パルスにも受信超音波パルスにも存在している特徴として利用するために、最初の大きく上昇する側縁を使用することができるので、粗い時間差を求めるために、二つの超音波パルスをこの特徴に応じて相互に比較することができる。

特に有利な実施の形態においては、図３に示されている瞬時振幅が、エンベロープのための出発点として、粗い時間差を算出するために使用されるのではなく、図４から見て取れるような簡略化された信号形状が使用される。図４は実質的にエンベロープに対応する振幅絶対値の経過を表しており、ここでは搬送周波数に応じた経過をもはや識別することはできない。図４に示されているような経過は、時間的な平均値形成によって、特にデシメーションフィルタを用いるフィルタリングによって、図３に示されている経過から生じる。搬送周波数を抑制するローパスフィルタを用いるフィルタリングによっても同様の経過は得られることになる。特に、図４に示されている経過は、デシメーションフィルタが複数のサンプリングポイントからなるグループの中から最大値のみを取り出し、そのようにして統合されたサンプリングポイントが実質的に半周期（又は全周期）又はその倍数の周期を時間的に含んでいる場合には、デシメーションフィルタを用いるフィルタリングによって得られる。

図５には、本発明において使用することができるエンベロープの別の例示的な経過が示されている。図５は、有利な実施の形態に応じて、粗い時間差、精密な時間差又はその両方が検出される時点ｔ０を求めることができるステップを説明するために使用される。この実施の形態によれば、エンベロープの勾配が検出され、この勾配から最大勾配が求められる。特に、検出された勾配から、最大勾配が生じる時点が求められる。図５に示されている経過は、第１のピークに達するまでに再び減少する勾配を有している。この勾配の極大値の点は、エンベロープの勾配が最大である時点を生じさせる。エンベロープのこの点には、ｔ軸と交わる接線１０が置かれる。接線１０は、エンベロープの検出された勾配が最大となる時点によって設定される。最大勾配の時点の他に、最大勾配の値自体も接線勾配として使用される。生じた接線の線形方程式を用いる外挿によって時点ｔ０が得られ、この時点ｔ０について粗い時間差、また特に精密な時間差が求められる。またこの時点ｔ０は、粗い時間差の算出時に、受信超音波パルスのエンベロープについての基準点を設定する。粗い時間差を提供するために使用する場合には、送信超音波パルスと受信超音波パルスを相互に比較して、粗い時間差を求めるために接線１０を使用することができる。時点ｔ０は実質的にエンベロープの開始（即ち、０より大きい振幅を有しているエンベロープの開始）を表すので、この時点ｔ０を、送信超音波パルスの開始をマークするトリガ信号に基づき粗い時間差を求めるためにも使用することができる。変換器の既知の励起時間、又は、制御開始と変換器による信号の送出との間の所定の遅延に基づき、その種の遅延を考慮することができるので、粗い時間差はトリガ時点とｔ０との差として得られる。この項にはシステムから既知の遅延が加算される（又は項から遅延が減算される）。従って、例えばトリガ信号を用いる、送信超音波パルスによる超音波変換器の制御の開始が既知であれば、ｔ０とトリガ時点の差として粗い時間差を算出するためには、エンベロープの最初の上昇する側縁の最大勾配に基づいて時点ｔ０さえ検出されれば良く、この際に、ｔ０の内挿時にシステムに内在する遅延を考慮できるようにするために、システムを反映する所定の遅延が考慮される。接線１０はエンベロープの最初の上昇する側縁の最大勾配を有しており、また、勾配も接線の点も上述のように既知であるので、最初の上昇する側縁の勾配が最大である点においてエンベロープと交差している。

図６は、本発明による伝播時間差測定装置の実施の形態のブロック回路図を示す。この伝播時間差測定装置は、送信超音波パルスを表す信号を送出するための出力端１１０と、受信超音波パルスを受信するための入力端１２０とを有している。このために、出力端１１０及び入力端１２０を超音波変換器１３０に破線で示されているように接続することができ、有利には、受信モードと送信モードを切り替えるスイッチ１３２を介して接続することができるので、同一の変換器１３０を受信器としても送信器としても使用することができる。同様に（図６には示していない）第２のスイッチ及び第２の超音波変換器を使用することもできるので、その場合には、第１の超音波変換器が送信器として使用され、第２の超音波変換器が受信器として使用されるか、又は、第１の超音波変換器が受信器として使用され、第２の超音波変換器が送信器として使用され、相応の送信方向及び受信方向を切り替えることができる。上述のように、スイッチ１３２も超音波変換器１３０も、本発明による伝播時間差測定装置の一部である必要はない。むしろ有利には、スイッチ１３２を介して超音波変換器１３０に接続されるために、出力端及び入力端は設計されている。

更に伝播時間差測定装置は、出力端１１０を介して、この出力端に接続されている超音波変換器１３０に送出することができる信号を形成するための信号源１４０を有している。

伝播時間差測定装置は、更に、時間検出装置１５０を有しており、この時間検出装置１５０は図６に示されている実施の形態においては信号発生器１４０と接続されており、この信号発生器１４０によって、送信超音波パルスの開始又は送信基準時点を表す、少なくとも一つのトリガ信号又は別の時間情報が得られる。入力端１２０も同様に時間検出装置１５０と接続されているので、受信超音波パルスと送信超音波パルスとの間の時間差を検出することができる。このために、時間検出装置１５０は、エンベロープに基づき上述のように粗い時間差を検出する粗雑比較器１６０を有している。例えば、図５に基づき説明したステップを実施できるようにするために、粗雑比較器１６０は微分器、最大勾配を検出するための装置、並びに、受信超音波パルスについての時点ｔ０を上述のように設定することができる外挿装置を含んでいる。続いて、この時点ｔ０を信号発生器１４０から供給された時間情報と比較することができる。粗雑比較器１６０は更に、例えばメモリ、又は、粗い時間差を求める際に考慮することができる、システムに内在する遅延を供給する他の装置を有することができる（図示せず）。

時間検出装置１５０は更に、送信パルス又はスイッチングパルスの位相経過をサンプリングして相互に比較する、精密比較器１７０を有している。このために、精密比較器は信号発生器１４０から、送信超音波パルス及びその振幅瞬時経過を表す信号を受信する。

精密比較器１７０も粗雑比較器１６０も、本発明による経過時間差測定装置の結合装置１８０と接続されており、この結合装置１８０には粗い時間差も精密な時間差も伝送される。結合装置１８０は、複数の粗い時間差及び精密な時間差を結合し、特に連続する検出ステップの少なくとも二つの粗い時間差及び精密な時間差又は反対の伝送方向の時間差を結合するよう構成されている。結合装置１８０は単一結合装置（図示せず）を有しており、更には、図６の伝播時間差測定装置の結果出力端１９０と接続されており、この結果出力端には、結合された荒い時間差及び精密な時間差を伝播時間差として表す信号が供給される。結合装置１８０は単一結合装置と共に、先ず、反対の伝送方向の複数の粗い時間差を単一結合体へと結合させ、また、反対の伝送方向の複数の精密な時間差を単一結合体へと結合させるように構成されている。単一結合装置によってそれらの単一結合体が再度結合され、粗い時間差に応じた精密な時間差が広範な伝播時間検出領域に対して供給されるか、又は、精密な時間差に応じた粗い時間差がより高い精度で供給される。

結果出力端１９０は、別の評価装置に接続するために構成されており、この別の評価装置は、図６の伝播時間差測定装置によって求められた、検出された伝播時間差に基づき、超音波パルスが伝播する空間内の流速を推量する。複数の伝播時間差測定装置が使用される場合、又は、複数の時間差が使用される場合には、それらは有利には、超音波が送出される空間に関係する。

超音波信号を交互に（又はスイッチング可能に）反対の方向に伝送するために、伝播時間差検出装置は有利には更にスイッチを有しており、このスイッチは、接続される変換器を送信器として、また受信器として交互に切り替え可能に動作させるために出力端及び入力端と接続されている。

Claims

伝播時間差を測定するための方法において、
送信基準時点において送信超音波パルスを空間領域に送出するステップと、
前記送信超音波パルスに対応する受信超音波パルスを前記空間領域から受信するステップと、
伝播時間差を求めるステップとを有し、
前記伝播時間差を求めるステップは、
相互に反対の伝送方向でもって実施される、前記送出及び前記受信の少なくとも二つのステップについて、前記送信基準時点を前記受信超音波パルスのエンベロープと比較するステップの結果として粗い時間差を提供するステップと、
相互に反対の伝送方向でもって実施される、前記送出及び前記受信の少なくとも二つのステップについて、前記送信基準時点を前記受信超音波パルスの瞬時経過と比較するステップの結果として精密な時間差を提供するステップと、
反対の伝送方向について提供される複数の精密な時間差の結合体を単一結合体として提供するステップと、
反対の伝送方向について提供される複数の粗い時間差の結合体を単一結合体として提供するステップと、
複数の単一結合体の結合体として伝播時間差を提供するステップとを含むことを特徴とする、伝播時間差を測定するための方法。
前記粗い時間差の結合体を提供するステップは、差の形態で複数の粗い時間差を結合する項を提供するステップを含み、
前記精密な時間差の結合体を提供するステップは、差の形態で複数の精密な時間差を結合する項を提供するステップを含む、請求項１記載の方法。
前記伝播時間差を提供するステップは、前記精密な時間差の単一結合体として、複数の精密な時間差間の差を表す第１の項を提供するステップと、
前記粗い時間差の単一結合体として、複数の粗い時間差を差の形態で含んでいる独立変数が設けられる第２の項を提供するステップとを含んでおり、
前記第２の項の前記独立変数は更に補正被加数を含み、該補正被加数は、複数の精密な時間差間の差を含むか、又は、先行の丸めプロセスに応じて更新された丸め補正定数を含むか、又は、複数の精密な時間差の差分及び先行の丸めプロセスに応じて更新された丸め補正定数の両方を含み、
前記第２の項を提供するステップは、前記第１の項と前記独立変数とを結合し、該結合により得られた結合体を丸めるステップを含む、請求項１又は２に記載の方法。
前記精密な時間差は多義的な位相差に依存しており、
前記精密な時間差を提供するステップは、前記受信超音波パルスの瞬時振幅経過を検出するステップと、前記受信超音波パルスの瞬時経過を前記送信超音波パルスの送信基準時点と比較し、前記経過の結果として前記精密な時間差を提供するステップとを含み、
前記比較のステップは、前記送信基準時点と関連付けられている、前記受信超音波パルスの前記瞬時振幅経過の特徴を検出するステップか、又は、０°より大きく１８０°より小さい値だけ相互にずらされているもしくは実質的に９０°相互にずらされている二つの周期的な復調信号を用いて前記受信超音波パルスを変調するステップを含み、
前記精密な時間差を提供するステップは、変調された信号の比較から得られる位相値を前記送信基準時点を表す位相値と比較するステップを含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
複数の粗い時間差の単一結合体を提供するステップは、複数の精密な時間差の単一結合体を差し引いた複数の粗い時間差の差を、搬送周波数の周期持続時間の整数倍として提供するステップを含み、
更に、周期長よりも短い周期長の一部として、複数の精密な時間差の単一結合体を提供するステップと、
反対の伝送方向の複数の粗い時間差の単一結合体と、反対の伝送方向の複数の精密な時間差の単一結合体とを結合するステップとを含み、
結果として得られた和は前記伝播時間差に対応する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
前記送信超音波パルスの伝送を開始した後、又は、前記送信超音波パルスを形成するために変換器を励起した後の所定の最小期間付近に位置する受信超音波の時点について複数の精密な時間差及び複数の粗い時間差を求め、前記最小期間は少なくとも、伝送の音波伝播経路によって設定される最短伝送持続時間、及び／又は、送信もしくは受信もしくは送信及び受信のために使用される超音波変換器の振動開始時間及び／又は応答時間と同じ長さである、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
前記受信超音波パルスに対して受信基準時点を提供し、該受信基準時点に基づき前記粗い時間差を求め、前記受信基準時点は一つの時点又は該時点の外挿に対応し、更に、前記時点において前記エンベロープの勾配の値又はエンベロープ自体が、前記エンベロープの相対的な極大値、有利には前記エンベロープの最初の相対的な極大値、又は、０通過、有利には前記エンベロープの最初の０通過を有している、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
前記精密な時間差を提供するステップは、同一の超音波パルスの種々の時間とみなされる複数の位相値を検出するステップと、該位相値を前記精密な時間差に対応する値に外挿するステップとを含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
伝播時間差測定装置において、
エンベロープ及び搬送周波数を含む送信超音波パルスを表す信号を送出する出力端（１１０）と、
受信超音波パルスを受信する入力端（１２０）と、
前記送信超音波パルスの送信時間基準と受信超音波パルスとを用いて伝播時間差を検出するよう構成されている時間検出装置（１５０）とを備えており、
前記時間検出装置は、
前記送信時間基準を前記受信超音波パルスのエンベロープと比較するよう構成されており、送信超音波パルスと受信超音波パルスとの間の粗い時間差を結果として提供する、粗雑比較器（１６０）と、
前記送信時間基準を前記受信超音波パルスの瞬時振幅と比較するよう構成されており、送信超音波パルスと受信超音波パルスとの間の精密な時間差を結果として提供する、精密比較器（１７０）とを有しており、
前記伝播時間差測定装置は、相互に反対の二つの伝送方向に前記送信超音波パルスを伝送し、前記粗い時間差及び前記精密な時間差をその都度検出するよう構成されており、
前記伝播時間差測定装置は更に単一結合装置を有しており、該単一結合装置は、前記粗雑比較器（１６０）及び前記精密比較器（１７０）と接続されており、該粗雑比較器（１６０）及び該精密比較器（１７０）によって提供される粗い差分及び精密な差分を受信し、該粗い差分及び該精密な差分を結合し、また、前記単一結合装置は、反対の伝送方向の複数の粗い時間差を単一結合体に結合し、且つ、反対の伝送方向の複数の精密な時間差を単一結合体に結合するよう構成されており、
前記伝播時間差測定装置は更に、前記単一結合装置と接続されている結合装置（１８０）を有しており、該結合装置（１８０）によって、複数の粗い時間差の単一結合体及び複数の精密な時間差の単一結合体を受信及び結合し、前記結合装置（１８０）は更に、結果出力端と接続されており、該結果出力端には、結合された単一結合体を伝播時間差として表す信号が供給される、
ことを特徴とする、伝播時間差測定装置。
前記単一結合装置は、反対の伝送方向の超音波の複数の粗い時間差及び複数の精密な時間差の差をその都度提供するよう構成されており、
前記結合装置（１８０）は、複数の精密な時間差の単一結合体に、前記単一結合装置と接続されている結合装置（１８０）の丸め装置の結果を加算し、且つ、複数の精密な時間差及び複数の粗い時間差の単一結合体を複数の単一結合体の差又は和として含んでいる項を丸めるように構成されている、請求項９に記載の伝播時間差測定装置。