WO1999051944A1 - Ultraschall-durchflussmesser nach dem laufzeitkorrelationsverfahren - Google Patents

Ultraschall-durchflussmesser nach dem laufzeitkorrelationsverfahren Download PDF

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WO1999051944A1
WO1999051944A1 PCT/EP1999/002208 EP9902208W WO9951944A1 WO 1999051944 A1 WO1999051944 A1 WO 1999051944A1 EP 9902208 W EP9902208 W EP 9902208W WO 9951944 A1 WO9951944 A1 WO 9951944A1
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excitation
flow meter
correlation
transit time
maximum
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PCT/EP1999/002208
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Inventor
Jörg Rupp
Frank Schmidt
Margit Barth
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic flow meter according to the transit time correlation method according to the features specified in the preamble of claim 1.
  • a clamp-on ultrasound volume flow measuring device with a first pair of ultrasound transducers, which are operated alternately as transmit transducers or receive transducers and which are offset axially parallel along a flowed through pipe on the outer wall thereof. Furthermore, a second pair of ultrasonic transducers is provided, each of which is operated simultaneously as a transmit transducer or as a receive transducer. This arrangement is intended to enable flow measurement both for fluids without foreign bodies and for fluids with embedded foreign bodies. The effort, especially due to the arrangement of two pairs of ultrasonic transducers and the associated driver and evaluation electronics, requires a considerable amount of effort.
  • US Pat. No. 4,576,047 discloses an ultrasonic flow meter according to the transit time correlation method with two electroacoustic transducers which are arranged at a distance from one another on the measuring section, one transducer being designed as a transmitter transducer and the other as a transducer.
  • a correlation circuit is provided in order to generate an electrical signal from the transit times of the pulses in accordance with the sound pressure generated.
  • the person skilled in the art receives no suggestion for generating different excitation functions.
  • the measuring effect depends on the length L of the measuring path, the angle ⁇ of the measuring path to the direction of flow and the speed of sound c of the medium.
  • the reliable detection of the correlation maximum even with a low signal-to-noise ratio strongly damping media or high spreader content
  • the finest possible resolution in the transit time difference measurement it is important that the cross-correlation function resulting from the two received signals has a pronounced main maximum, that is to say the amplitude ratio between the main and secondary maxima is as large as possible. This is done by exciting the ultrasonic sensors with broadband signals, e.g. Chirps, Barker codes or M sequences achieved.
  • the cross-correlation function is only available at discrete-time points whose spacing corresponds to the sample period Ts, which e.g. digitization at 20 MHz is 50ns.
  • the temporal resolution that can be achieved in this way is too rough for the time difference method.
  • the temporal resolution can be increased by interpolating the cross-correlation function.
  • the standard deviation of the transit time difference measurement at zero flow is a measure of the quality of the temporal resolution of the system achieved by the interpolation.
  • the object of the invention is to further develop the ultrasonic flow meter of the type mentioned in such a way that an exact transit time difference measurement is possible even with media with a high proportion of scatterers. Increased accuracy should be achieved with little effort.
  • This object is achieved in accordance with the features of patent claim 1.
  • the ultrasonic flow meter combines the advantages of broadband excitation for reliable maximum detection with a fine temporal resolution made possible by narrowband excitation.
  • Extensive investigations have shown that the excitation of the ultrasonic sensors with long bursts leads to a reduction in the standard deviation, since the ultrasonic sensors are operated in the steady state. It was surprisingly recognized that the larger the burst length, i.e. the narrower the signal, the more precise the time difference measurement is possible. This is due on the one hand to the improvement in the signal-to-noise ratio, and on the other hand the increased energy in the received signal leads to a reduction in quantization errors in the correlation maximum and thus contributes to better interpolation.
  • the flow meter according to the invention works according to the transit time correlation method and with the aid of a programmable transmission generator, the use of different excitation functions is made possible.
  • the programmable transmit generator preferably enables the use of a large number of digitally generated excitation functions by means of mode bit control.
  • To determine the transit time difference both broadband and narrowband excitation functions are expediently used in the measurement process. It is proposed according to the invention that the transit time difference is determined from a coarse correlation given by the sampling rate using suitable broadband excitation functions and from a fine correlation by means of interpolation of the correlation maximum when using a narrowband excitation function.
  • the invention is explained in more detail below on the basis of special exemplary embodiments illustrated in the drawing. Show it:
  • Fig. 1 the cross-correlation function with Barker code excitation.
  • a measuring section 2 for example a pipeline, is provided and the direction of flow of the medium is indicated by arrow 4.
  • the measuring section 2 is assigned a first ultrasonic sensor 6 and a second ultrasonic sensor 8 spaced apart in the flow direction.
  • a first transmitter 10 and a second transmitter 12 are respectively connected upstream of the two sensors 6, 8, a reciprocity resistor 14, 16 advantageously being interposed.
  • the sensors 6, 8 are operated alternately as transmitters or receivers, the received signals 18, 20 expediently via a multiplexer 22 and a VCA stage 24, an analog-digital converter 26
  • the two digitized received signals are fed via a RAM unit or memory unit 28 to an evaluation computer 30, which is preferably designed as a DSP / or microcontroller.
  • an evaluation computer 30 which is preferably designed as a DSP / or microcontroller.
  • a unit 32 for sequence control is provided for the evaluation computer 30 as well as for the RAM unit or memory unit 28 as well as for the transmission generator 34 for digital transmission signal generation.
  • the signal form is carried out according to arrow 36 and the active transmitter is activated according to arrow 38, and the transmitters 10 and 12 are activated accordingly via the digital transmission signal generation unit 34.
  • the ultrasonic flow meter according to the invention is designed for coarse and fine correlation and combines the advantages of broadband excitation for reliable maximum detection with the fine temporal resolution made possible by narrowband excitation.
  • the transmitters shown in the block diagram preferably contain the common transmit signal generator or unit 34 and the actual power stage.
  • the transmission signal generator 34 can in particular by means of the unit 32 for sequence control via corresponding mode bits between bursts of different lengths and broadband signals, such as e.g. Barker codes can be switched.
  • the measurement according to the invention is carried out according to the following process steps:
  • T0: 6- ⁇ s
  • Carrier frequency: fO: 2 MHz
  • Barker codes 5 7 and 11 in length
  • FIG. 6 shows a transfer function of a transmission arrangement with identical transducers and FIG. 7 shows an impulse response of a transmission path consisting of two ultrasound transducers, taking into account the following parameters and equations.
  • the transfer function of the transmission link, coupling wedge, pipe wall, medium, is assumed to be 1 in a first approximation.
  • Fig. 8 shows the received signals with burst excitation, taking into account the following parameters.
  • yl: isft (Yl)
  • the two reception signals of the run time measurement in and against the flow direction are correlated with one another.
  • the location of the maximum of the cross-correlation function corresponds to the transit time difference. The following conditions apply:
  • FIG. 1 the cross-correlation function of the two received signals in the case of Barker code excitation is shown in FIG. 1 1, where:
  • the maximum is 1.5 ⁇ s.
  • the ratio of the main maximum to the secondary maximum is almost one with burst excitation. With a low signal-to-noise ratio, a secondary maximum is therefore often recognized as the main maximum, and an incorrect transit time difference is thus determined.
  • customized signal excitation functions such as Barker code can significantly improve the ratio of main to secondary maximum.

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Abstract

Ein Ultraschall-Durchflussmesser enthält einen ersten Sensor (6) und einen zweiten Sensor (8), welche wechselweise als Sender angesteuert werden bzw. als Empfänger wirksam sind, sowie einen Sendegenerator (34) zur Erzeugung unterschiedlicher Anregungsfunktionen, wobei die bevorzugt digitalisierten Empfangssignale (8) nach dem Laufzeitkorrelationsverfahren in einem Auswerterechner (30) miteinander korreliert werden. Der Ultraschall-Durchflussmesser soll dahingehend weitergebildet werden, dass mit geringem Aufwand die Genauigkeit verbessert wird. Hierzu wird vorgeschlagen, dass einerseits eine breitbandige Anregung der als Sender ansgesteuerten Sensoren (6 bzw. 8) zur sicheren Maximumsdetektion und andererseits eine Schmalbandanregung zur feinen zeitlichen Auflösung erfolgt.

Description

Ultraschall-Durchflußmesser nach dem Laufzeitkorrelationsverfahren
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Durchflußmesser nach dem Laufzeitkorrelationsverfahren gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Aus dem US-Patent 4 787 252 ist ein derartiger Ultraschall-Durchflußmesser mit einem ersten und einem zweiten Sensor bzw. Wandler bekannt, welche wahlweise als Sender angesteuert werden bzw. als Empfänger wirksam sind. Die digitalisierten Empfangssignale werden nach dem Laufzeitkorrelationsverfahren in einem Auswerterechner miteinander korreliert. Es ist ein programmierbarer Sendegenerator zur Erzeugung unterschiedlicher Anregungsfunktionen vorgesehen, um Nebenkeulen oder Nebenmaxima der Korrelationsfunktionen klein zu halten. Vorzugsweise werden identische gegeneinander laufende Wellen gleichzeitig oder in alternierenden Sequenzen von den beiden ausgesandt. Es werden ausschließlich breitbandige Anregungsfunktionen bzw. Signale mittels des Sendegenerators erzeugt. Ferner ist aus der PCT-Anmeldung WO 95/17650 ein Clamp-On-Ultraschall- Volumendurchfluß-Meßgerät mit einem ersten Paar Ultraschallwandler bekannt, die wechselweise als Sendewandler bzw. Empfangswandler betrieben werden und welche längs einer durchströmten Rohrleitung auf deren Außenwand achsparallel versetzt sind. Ferner ist ein zweites Paar Ultraschallwandler vorgesehen, von welchen jeder gleichzeitig als Sendewandler oder als Empfangswandler betrieben ist. Durch diese Anordnung soll die Durchflußmessung sowohl bei Fluiden ohne Fremdkörpern als auch bei Fiuiden mit eingelagerten Fremdkörpern ermöglicht werden. Der Aufwand, vor allem Aufgrund der Anordnung von zwei Paaren von Ultraschallwandlern sowie der zugeordneten Treiber- und Auswerte-Elektronik erfordert einen nicht unerheblichen Aufwand.
Desweiteren ist aus dem US-Patent 4 576 047 ein Ultraschall-Durchflußmesser nach dem Laufzeitkorrelationsverfahren mit zwei elektroakustischen Wandlern bekannt, welche zueinander beabstandet an der Meßstrecke angeordnet sind, wobei ein Wandler als Sendewandler und der andere als Empfangswandler ausgebildet ist. Es ist ein Korrelations-Schaltkreis vorgesehen, um aus den Durchgangszeiten der Impulse ein elektrisches Signal entsprechend dem erzeugten Schalldruck zu erzeugen. Es erfolgt eine breitbandige Anregung zur Bestimmung eines Korrelationsmaximums. Der Fachmann erhält keine Anregung zur Erzeugung unterschiedlicher Anregungsfunktionen.
Schließlich werden Ultraschall-Durchflußmesser erläutert in dem Buch: "J. Gätke, Akustische Strömungs- und Durchflußmessung, Akademie-Verlag, Berlin 1991." Hieraus sind Vorrichtungen zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und des Volumenstromes mit Hilfe akustischer Wellen nach dem Mitführeffekt bekannt. Beim Mitführeffekt werden die Laufzeitunterschiede von Schallwellen in und gegen die Stömungsrichtung gemessen. Dieser Laufzeit- Unterschied ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit, wobei folgende Formel gilt:
2,-L v Δt = • cos σ c2
Der Meßeffekt ist abhängig von der Länge L des Meßpfades, dem Winkel α des Meßpfades zur Strömungsrichtung und der Schallgeschwindigkeit c des Mediums. Mittels eines ersten Sensors wird durch den Meßpfad ein zeitlich begrenztes Ultraschallsignal gesendet, das nach einer Laufzeit t1 am zweiten
2 Sensor auftrifft und von diesem wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dieser Meßablauf wird mit dem zweiten Sensor als Sender und mit dem ersten Sensor als Empfänger wiederholt. Die beiden digitalisierten Empfangssignale werden in einem Auswerterechner (Mikrokontroller oder DSP) miteinander korreliert. Da sich die Laufzeiten in und gegen die Strömungsrichtung unterscheiden, sind die beiden Empfangssignale innerhalb des Digitalisie- rungsfensters zeitlich gegeneinander verschoben. Die zeitliche Lage des Korrelationsmaximums ist ein Maß für die gesuchte Laufzeit Δt.
Für die Genauigkeit und Stabilität des Laufzeitdifferenzverfahrens sind zwei Faktoren entscheidend. Erstens die sichere Detektion des Korrelationsmaximums auch bei geringem Signalrauschverhältnis (stark dämpfende Medien oder hoher Streueranteil) und zweitens eine möglichst feine Auflösung bei der Laufzeitdifferenzmessung. Für die sichere Detektion des Korrelationsmaximums auch bei geringem Signalrauschverhältnis ist es wichtig, daß die aus den beiden Empfangssignalen resultierende Kreuzkorrelationsfunktion ein ausgeprägtes Hauptmaximum hat, das Amplitudenverhältnis zwischen Haupt- und Nebenmaxima also möglichst groß ist. Dies wird durch Anregung der Ultraschallsensoren mit breitbandigen Signalen, wie z.B. Chirps, Barker-Codes oder M-Sequenzen erreicht.
Aufgrund der Digitalisierung der Empfangssignale liegt die Kreuzkorrelationsfunktion nur an zeitdiskreten Punkten vor, deren Abstand der Sample-Periode Ts entspricht, die z.B. bei einer Digitalisierung mit 20 MHz bei 50ns liegt. Die so erreichbare zeitliche Auflösung ist für das Laufzeitdifferenzverfahren zu grob. Durch Interpolation der Kreuzkorrelationsfunktion kann die zeitliche Auflösung jedoch gesteigert werden. Ein Maß für die Qualität der durch die Interpolation erreichten zeitlichen Auflösung des Systems stellt die Standardabweichung der Laufzeitdifferenzmessung bei Nullfluß dar.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Ultraschall- Durchflußmesser der genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß auch bei Medien mit hohem Streueranteil eine genaue Laufzeitdifferenzmessung möglich wird. Es soll mit geringem Aufwand eine erhöhte Genauigkeit erreicht werden. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Ultraschall-Durchflußmesser kombiniert die Vorteile einer breitbandigen Anregung zur sicheren Maximumsdetektion mit einer durch Schmalbandanregung ermöglichten, feinen zeitlichen Auflösung. Umfangreiche Untersuchungen ergaben, daß die Anregung der Ultraschall-Sensoren mit langen Bursts zur Verringerung der Standardabweichung führt, da die Ultraschall-Sensoren im eingeschwungenen Zustand betrieben werden. Es wurde überraschend erkannt, daß je größer die Burstlänge, d.h. je schmalban- diger das Signal ist, umso genauer die Laufzeitdifferenzmessung möglich ist. Das liegt zum einen in der Verbesserung des Signal-Rausch-Abstands begründet, zum anderen führt die erhöhte Energie im Empfangssignal zu einer Verringerung von Quantisierungsfehlern im Korrelationsmaximum und trägt somit zu einer besseren Interpolierbarkeit bei. Da die Kreuzkorrelationsfunktion von schmalbandigen Signalen jedoch durch ein ungünstiges Amplitudenverhältnis zwischen Haupt- und Nebenmaximum gekennzeichnet ist, wird eine sichere Detektion des Hauptmaximums bereits bei geringfügig gestörten Empfangssignalen praktisch unmöglich. Durch die erfindungsgemäße Kombination der grundsätzlich ungeeigneten Schmalbandanregung mit der Breitbandanregung werden die Schwierigkeiten in optimaler Weise gelöst. Somit wird auch bei Medien mit hohem Streueranteil eine genaue Laufzeitdifferenzmessung ermöglicht.
Der erfindungsgemäße Durchflußmesser arbeitet nach dem Laufzeitkorrelationsverfahren und mit Hilfe eines programmierbaren Sendegenerators wird die Verwendung von unterschiedlichen Anregungsfunktionen ermöglicht. Der programmierbare Sendegenerator ermöglicht bevorzugt durch Mode-Bit- Steuerung die Verwendung einer Vielzahl von digital erzeugbaren Anregungsfunktionen. Zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz werden im Meßablauf sowohl breitbandige als auch schmaibandige Anregungsfunktionen in zweckmäßiger Weise verwendet. Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Laufzeitdifferenz aus einer durch die Abtastrate gegebenen Grobkorrelation unter Verwendung geeigneter breitbandiger Anregungsfunktionen sowie aus einer Feinkorrelation mittels Interpolation des Korrelationsmaximums bei Verwendung einer schmalbandigen Anregungsfunktion bestimmt wird. Die Erfindung wird nachfolgend anhand besonderer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild,
Fig. 2 einen Signalverlauf selj bei Burstanregung,
Fig. 3 einen Signalverlauf lSE1 jl bei Burstanregung,
Fig. 4 den Signaiverlauf bei Phasenmodulation mit Barker-Codes,
Fig. 5 einen Signaiverlauf lSE2jl,
Fig. 6 eine Übertragungsfunktion einer Transmissionsanordnung mit identischen
Wandlern,
Fig. 7 eine Impulsantwort einer Transmissionsstrecke bestehend aus zwei Ul- traschaiiwandlern,
Fig. 8 Empfangssignaie bei Burstanregung,
Fig. 9 Empfangssignale bei Anregung mit Barker-Code,
Fig. 10 die Kreuzkorrelationsfunktion bei Burstanregung,
Fig. 1 1 die Kreuzkorrelationsfunktion bei Barker-Code-Anregung.
Gemäß Fig. 1 ist eine Meßstrecke 2, beispielsweise eine Rohrleitung, vorgesehen und die Strömungsrichtung des Mediums ist mit dem Pfeil 4 angegeben. Der Meßstrecke 2 ist ein erster Ultraschall-Sensor 6 und in Strömungsrichtung beabstandet ein zweiter Ultraschall-Sensor 8 zugeordnet. Den beiden Sensoren 6, 8 ist jeweils ein erster Sender 10 und ein zweiter Sender 12 vorgeschaltet, wobei zweckmäßig ein Reziprozitätswiderstand 14, 16 zwischengeschaltet ist. Die Sensoren 6, 8 werden wechselweise als Sender bzw. Empfänger betrieben, wobei die Empfangssignale 18, 20 in zweckmäßiger Weise über einen Multiplexer 22 und eine VCA-Stufe 24 einem Analog-Digitalwandler 26
5 zugeführt werden. Die beiden digitalisierten Empfangssignale werden über eine RAM- Einheit oder Speichereinheit 28 einem Auswerterechner 30 zugeführt, welcher in bevorzugter Weise DSP/oder Mikrokontroller ausgebildet ist. Ferner ist eine Einheit 32 zur Ablaufsteuerung vorgesehen für den Auswerterechner 30 ebenso wie für die RAM-Einheit bzw. Speichereinheit 28 als auch für den Sendegenerator 34 zur digitalen Sendesignal- generierung. Mittels der Ablaufsteuerung 32 wird gemäß Pfeil 36 zum einen die Signalform und gemäß Pfeil 38 die Ansteuerung des jeweils aktiven Senders durchgeführt und über die digitale Sendesignalgenerierung-Einheit 34 werden entsprechend die Sender 10 bzw. 12 angesteuert.
Der erfindungsgemäße Ultraschall-Durchflußmesser ist für Grob- und Feinkorrelation ausgebildet und verbindet die Vorteile einer breitbandigen Anregung zur sicheren Maximumsdetektion mit der durch Schmalbandanregung ermöglichten, feinen zeitlichen Auflösung. Somit wird auch bei Medien mit hohem Streueranteil erfindungsgemäß eine genaue Laufzeitdifferenzmessung ermöglicht. Die im Blockschaltbild dargestellten Sender enthalten bevorzugt den gemeinsamen Sendesignalgenerator bzw. die Einheit 34 und die eigentliche Leistungsstufe. Der Sendesignalgenerator 34 kann insbesondere mittels der Einheit 32 zur Ablaufsteuerung über entsprechende Modebits zwischen Bursts verschiedener Länge und breitbandigen Signalen, wie z.B. Barker-Codes umgeschaltet werden.
Der erfindungsgemäße Meßabiauf erfolgt nach den nachfolgenden Verfahrensschritten:
a) Aktivieren der breitbandigen Anregungsfunktion
b) Senden eines Ultraschall-Signals in und gegen die Strömungsrichtung und Digitalisierung der Empfangssignale
c) Berechnung der diskreten Kreuzkorrelationsfunktion und Bestimmung der Lage des Maximums wobei gilt:
Δtgrob= Nmax' s
m't Nmax: Index des Maximums der Kreuzkorreiationsfunktion Ts: Abtastrate
d) Aktivieren der schmalbandigen Anregungsfunktion
6 e) Senden eines Ultraschall-Signals in und gegen die Strömungsrichtung und Digitalisierung der Empfangssignale
f) Berechnung der diskreten Kreuzkorrelationsfunktion an den Punkten Nmax-i, Nmax-(i+1), ...Nmax, Nmax+1, ...Nmax+i
g) Berechnung des Interpolationsfits durch die Stützstellen. Die Lage des Maximums derlnterpoiationsfunktion liefert die feinaufgelöste Lauf Zeitdifferenz Δtfejn (Feinkorrelation), für die gilt:
Δtfein = Δt - (Nmax • Ts) Nmax ' s = Δtgrob
h) N-malige Durchführung der Punkte e) - g)
i) Endgültige Berechnung der Laufzeitdifferenz Δt wobei gilt:
Δt = Δtgrob + Σ Δtfein-
Zur Veranschaulichung der Auswirkung der Anregungssignale auf das Laufzeitkorrelationsverfahren werden nachfolgend typische Anregungsformen und Signalverläufe erläutert. Bei Burstanregung ergeben sich entsprechend den nachfolgenden Parametern die in Fig.2 und 3 gezeigten Signalverläufe.
Mittenfrequenz: fO := 2- MHz Sendedauβr: Ts := 8-μs
Abtastfrequenr fs := 40- MHz N := 2048 i:=0..N- l Δt:= — t; := Δt-i Δt = 25-ns fs = 4-107 -s~1 fs '
Tmax:=Δt-N Tmax = 51.2'μs T0:=6-μs
/2-t. - Ts-T0-2\ sei. := rect^-i— - .sin[2-π-(fO-ti)] £E1 ;= sft(Ml)
j • :=0 Λ..— N , f. :=— fs J •
2 J N Für den Fall der Phasenmodulation mit Barker-Codes ergeben sich unter Berücksichtigung der nachfolgenden Parameter die in den Fig.4 und 5 angegebenen Signaiveriäufe.
Anzahl der Schwingungen: M := 1
Trägerfrequenz: fO := 2- MHz Tper := Tper = 5- 10 -7 -s fO r(t,T,Toffs) := wenn(t≥Tofifs,l,0)-wenn(t<T+ Toffs.1,0)
Barker-Codes der Länge 5,7 und 11
1 1 1
1 1 1
1 1 1
-1 -1 -1
1 -1 -1 Code:= 0 1 -1
0 -1 1
0 0 -1
0 0 -1
0 0 1
0 0 -1
PSK-Moduiation mit Barker-Code der Länge 11 nr := 2 m := 0..10
s(t,Tper,nr) := 5~*r(t - T0, Tper, m- Tper )-Codem> nr m se2j := sin^-π-tj-fO s j.M-Tper.nr) SE2 := sft(se2) Fig. 6 zeigt eine Ubertragungsfunktion einer Transmissionsanordnung mit identischen Wandlern und Fig. 7 zeigt eine Impulsantwort einer Transmissionsstrecke bestehend aus zwei Ultraschallwandlern, und zwar unter Berücksichtigung der nachfolgenden Parameter und Gleichungen. Hierbei wird die Übertragungsfunktion der Übertragungsstrecke, Koppelkeil, Rohrwand, Medium, in erster Näherung mit 1 angenommen.
Kenndaten des Wandlers: Mittenfrequenz: fO s 2- MHz
6-dB Bandbreite: Bw ε 0.6- f0 Bw = 1.2- 10 -KHz
2
Bw / \ \ 2-Bw
Fig. 8 zeigt die Empfangssignale bei Burstanregung, und zwar unter Berücksichtigung der nachfolgenden Parameter.
Laufzeit in Strömungsrichtung: tl := 51.25- μs t2 := 50- μs
^ l-f.-2-π-tl Ϊ-f.-2-π-t2
Yl •j* - H J.-SEl J.-e J Y2 J. := H J.-SEl J.-e J
yl := isft(Yl ) y2 := isft(Y2) Anhand von Fig. 9 sind die Empfangssignale bei Anregung mit Barker-Code dargestellt. Die beiden Empfangssignaie der Lauf Zeitmessung in und gegen die Strömungsrichtung werden miteinander korreliert. Die Lage des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion entspricht der Laufzeitdifferenz. Es gelten die folgenden Bedingungen:
.•f.-2-π-tl - wj. 2-π- 12
Y3j := Hj- SE2j- e fr Y4. := Hj-SE2j. e y3 := isft( Y3 ) y4 := isft( Y4)
Fig. 10 zeigt die Kreuzkorrelationsfunktion der beiden Empfangsignale bei Burst-Anre- gung, wobei gilt:
KKFj : = Y1j - Y2J" kkf : = isft (KKF)
Schließlich ist in Fig. 1 1 die Kreuzkorrelationsfunktion der beiden Empfangssignale bei Barker-Code-Anregung gezeigt, wobei gilt:
KKFj := Y3j • Y4 kkf : = isft (KKF)
Das Maximum liegt bei 1 ,5 μs. Das Verhältnis von Haupt- zu Nebenmaximum beträgt bei Burstanregung fast eins. Bei geringem Signal-Rauschabstand wird daher oft ein Nebenmaximum als Hauptmaximum erkannt und damit wird eine falsche Laufzeitdifferenz ermittelt. Durch Verwendung angepaßter Signalanregungsfunktionen, wie z.B. Barker- Code kann das Verhältnis von Haupt- zu Nebenmaximum deutlich verbessert werden.
10 Bezugszeichen
Meßstrecke
Pfeil erster Ultraschallsensor zweiter Ultraschallsensor erster Sender zweiter Sender , 16 Rezoprozitatswiderstand , 20 Empfangssignal
Multiplexer
VCA-Stufe
Analog-Digital-Wandler
Speichereinheit
Auswerterechner
Einheit-Ablaufsteuerung
Einheit-Digitale-Sendesignalgenerierung
Pfeil-Signalform
Figure imgf000013_0001
Pfeil-Aktiver-Sender
1 1

Claims

Patentansprüche
1 . Ultraschall-Durchflußmesser enthaltend einen ersten Sensor (6) und einen zweiten Sensor (8), welche wechselweise als Sender angesteuert werden bzw. als Empfänger wirksam sind, und femer enthaltend einen Sendegenerator (34) zur Erzeugung unterschiedlicher Anregungsfunktionen, wobei die bevorzugt digitalisierten Empfangssignale nach dem Laufzeitkorrelationsverfahren in einem Auswerterechner (30) miteinander korreliert werden, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Sendegenerators (34) einerseits eine breitbandige Anregung der als Sender angesteuerte Sensoren (6 bzw. 8) zur sicheren Maximumsdetektion und andererseits eine Schmalbanderregung zur feinen zeitlichen Auflösung erfolgt.
2. Durchflußmesser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der vorzugsweise programmierbare Sendegenerator (34), insbesondere durch Code-Bit-Steuerung die Verwendung einer Vielzahl von digital erzeugbaren Anregungsfunktionen ermöglicht.
3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz im Meßablauf sowohl breitbandige als auch schmal- bandige Anregungsfunktionen verwendet werden.
4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitdifferenzbestimmung aus einer durch die Abtastrate gegebenen Grobkorrelation unter Verwendung geeigneter breitbandiger Anregungsfunktionen und aus einer Feinkorrelation mittels Interpolation des Korrelationsmaximums bei Verwendung einer schmalbandigen Anregungsfunktion durchgeführt wird.
5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangssignale der beiden Sensoren (6, 8) über einen Multiplexer (22) und/oder über eine VCA-Stufe (24) einem Analog-Digital-Wandler (26) zugeführt werden.
6. Durchflußmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale des dem Analog-Digital-Wandlers (26) einer Speichereinheit (28), vorzugsweise einer RAM- Einheit (28), zugeführt werden.
12
7. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablaufsteuerungs-Einheit (32) vorgesehen ist, mittels welcher der Sendegenerator (34) ansteuerbar ist, insbesondere zur Vorgabe der Signaiform und/oder des jeweils aktiven Senders, und/oder daß mittels der Ablaufsteuerungs-Einheit (32) der Auswerterechner (30) und/oder die Speichereinheit (28) ansteuerbar ist sind/ist.
8. Durchflußmesser, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aktivieren der breitbandigen Anregungsfunktion ein Ultraschall-Signal in und gegen die Strömungsrichtung gesendet wird, wobei die Empfangssignale digitalisiert werden, daß die Berechnung der diskreten Kreuzkorrelationsfunktion und die Bestimmung der Lage des Maximums durchgeführt wird entsprechend der Bedingung: Δtgrob=Nmax Ts , wobei mit Nmax der Index des Maximums der Kreuz- korrelationsfunktion und mit Ts die Abtastrate bezeichnet ist, daß nach dem Aktivieren der schmalbandigen Anregungsfunktion wenigstens ein Ultraschall-Signai in die Strömungsrichtung und wenigstens ein weiteres Ultraschall-Signal gegen die Strömungsrichtung gesendet und die Digitalisierung der Empfangssignale durchgeführt wird, daß die diskrete Kreuzkorrelationsfunktion an den Punkten Nmax-i, Nmax-(i+1), ...Nmax, Nmax+1 , ...Nmax+i berechnet wird, daß gemäß den Stützstellen die Berechnung des Interpolationsfits erfolgt, wobei insbesondere der Lage des Maximums der Interpolationsfunktion die fein aufgelöste Laufzeitdifferenz liefert, gemäß der Bedingung:
Δtfein = Δt - (Nmax • Ts) , wobei Nmax • Ts gleich Δtgrob ist, und daß die endgültige Berechnung der Laufzeitdiffereπz unter Einbeziehung der Bedingung: Δt = ΔtgroD + Δtfejn erfolgt.
9. Durchflußmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierung der schmalbandigen Anregungsfunktion N-mal wiederholt wird, wobei N ganzzahlig und größer 1 ist, und daß die Laufzeitdifferenz berjechnet wird nach der Bedingung:
Δt = Δtgrob + 1 ∑ Δtfein
N N
13
PCT/EP1999/002208 1998-04-04 1999-03-31 Ultraschall-durchflussmesser nach dem laufzeitkorrelationsverfahren WO1999051944A1 (de)

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DE1998115199 DE19815199A1 (de) 1998-04-04 1998-04-04 Ultraschall-Durchflußmesser nach dem Laufzeitkorrelationsverfahren
DE19815199.3 1998-04-04

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