WO2007048541A1

WO2007048541A1 - Verfahren und vorrichtung zur ultraschall-messung des durchflusses fliessfähiger medien

Info

Publication number: WO2007048541A1
Application number: PCT/EP2006/010111
Authority: WO
Inventors: Martin Deutscher; Thomas Will
Original assignee: Mib Gmbh Messtechnik Und Industrieberatung
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2007-05-03
Also published as: EP1941243A1; US20080223147A1; US7520180B2; DE102005051669B3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Messvorrichtung (1) zur Bestimmung des Durchflusses fließfähiger Medien durch eine Messstrecke (3), wobei die Messvorrichtung (1) zur Durchschallung der Messstrecke (3) in und entgegen der Plussrichtung und zur Signalaufnahme mindestens zwei beabstandet angeordnete Ultraschall-Sendeempfänger (4) als Sensoren aufweist und mit einem Ultraschallphasendifferenzverfahren betrieben wird. Der Durchfluss wird zumindest durch die folgenden Verfahrensschritte ermittelt wird: Durchschallung der Messstrecke durch den einen der Sensoren in Flussrichtung und Empfang des Signals durch den anderen Sensor, Verstärkung des Signals, A/D-Wandlung, Schwellwert bildung, Ermittlung und Speicherung der zugehörigen Phasenlage H, Durchschallung der Messstrecke durch den anderen der Sensoren entgegen der Flussrichtung und Empfang des Signals durch den einen Sensor, Verstärkung des Signals, A/D-Wandlung, Schwellwertbildung, Ermittlung und Speicherung der zugehörigen Phasenlage R, Differenzbildung der Flussrichtungsabhängigen Phasenwerte, Korrektur des Phasendifferenzwexts mit einem durchmesserabhängigen Faktor.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ULTRASCHALL-MESSUNG DES DURCHFLUSSES FL IESS FÄHIGER MEDIEN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Messvorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses fließfähiger Medien durch eine Messstrecke, wobei die Messvorrichtung zur Durchschallung der Messstrecke in und entgegen der Flussrichtung und zur Signalaufnahme mindestens zwei beabstandet angeordnete Ultraschall-Sendeempfänger als Sensoren aufweist und mit einem Ultraschallphasendifferenzverfahren betrieben wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses fließfähiger Medien durch eine Messstrecke, beispielsweise in dem vorstehend erwähnten Verfahren.

Die Bestimmung des Durchflusses fließfähiger oder fluider Medien kann mit unterschiedlichen Verfahren erfolgen, von denen ein an sich bekanntes die Messung mittels Ultraschall darstellt. Mit den bekannten Ultraschall-Messverfahren, z.B. der Sing-around-Methode (Impuls-Folgefrequenz-Verfahren) , lassen sich dabei kontinuierliche Flüsse gut messen. Hierbei muß allerdings eine relativ lange Messzeit in Kauf genommen werden, so dass sich ein Einsatz solcher Verfahren bei sich schnell ändernden Flüssen nicht anbietet. Auch direkte Zeitmessungen mit Laufzeitverfahren sind bei solchen Bedingungen eher ungeeignet, da erst bei Einbeziehung relativ vieler Messzyklen aus der Streuung der Schalllaufzeiten ein Wert für den Durch- fluss errechenbar ist.

Neben den bereits erwähnten Verfahren sind auch sogenannte Ultraschall-Phasendifferenzverfahren zur Ermittlung des 6

Durchflusses des Mediums durch die Messstrecke an sich bekannt, beispielsweise aus der CH 604 133 oder DE 37 34 635 A1. Die dort vorgeschlagenen Verfahren weisen jedoch insoweit Nachteile auf, als dass zum einen durch eine Vielzahl analo- ger Bauteile die Messungen gestört werden, sich die Empfangssignale gegenseitig beeinflussen können und die Flussrichtung nicht bekannt ist, zum anderen ein hoher Schaltungsaufwand zur Phasenverschiebung von Messsignalen und anschließender Synchronisierung getrieben werden muß.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Durchflussmessung zur Verfügung zu stellen, welches bei verringertem schaltungstechnischen Aufwand störungsfrei eine schnelle, hochaufgelöste Ermittlung des Durchflus- ses ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem die Sensoren jeweils abwechselnd als Sender und Empfänger betrieben werden, bei dem die Sensoren mit einer Wechselspannung einstellbarer, konstanter Frequenz betrieben werden, wobei jeweils die Sendezeit des sendenden Sensors länger als die Empfangszeit des empfangenden Sensors ist und der Durchfluss zumindest durch die folgenden Verfah- rensschritte ermittelt wird: - Durchschallung der Messstrecke durch den einen der Sensoren in Flussrichtung und Empfang des Signals durch den anderen Sensor,

- Verstärkung des Signals, A/D-Wandlung, Schwellwertbildung, Ermittlung und Speicherung der zugehörigen Phasenlage H,

- Durchschallung der Messstrecke durch den anderen der Sensoren entgegen der Flussrichtung und Empfang des Signals durch den einen Sensor,

- Verstärkung des Signals, A/D-Wandlung, Schwellwert- bildung, Ermittlung und Speicherung der zugehörigen 7

Phasenlage R,

- Differenzbildung der Flussrichtungsabhängigen Phasenwerte,

- Korrektur des Phasendifferenzwerts mit einem durch- messerabhängigen Faktor.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Durchflussmes- sung demnach eine Messvorrichtung mit dem Ultraschallphasen- differenzverfahren betrieben. Dabei werden wenigstens zwei Ultraschall-Sendeempfänger als Sensoren an gegenüberliegenden Seiten der zu durchschallenden Messstrecke angeordnet und vorteilhafterweise abwechselnd als Sender und Empfänger betrieben. Das zu messende Medium wird hierbei einmal im wesentlichen in Strömungsrichtung und dann im wesentlichen ent- gegen der Strömungsrichtung durchstrahlt. Hierdurch kommt es, abhängig von der Fließgeschwindigkeit, zu unterschiedlich großen Phasenverschiebungen der Schallsignale. Da die Messung in beide Flussrichtungen getrennt stattfindet, muß vorteilhafterweise etwa ein aus Verstärker und Schwellwertschalter bestehender Analogteil nur einmal aufgebaut werden, was die Messung beeinflussende Bauteilungenauigkeiten reduziert, ü- berdies stören sich die beiden Empfangssignale nicht.

Im Sendebetrieb sendet der entsprechende Sensor mehrere Pake- te von Ultraschallschwingungen, beispielsweise zwei, vier, bevorzugt sechs, acht oder mehr Pakete mit je einer gewissen Anzahl von Pulsen, beispielsweise 32, 64 oder 128 Pulsen aus, die nach Durchlaufen des zu messenden Fluids von dem anderen, im Empfangsbetrieb arbeitenden Sensor aufgenommen werden. Die Sensoren werden hierbei mit einer Rechteckspannung einstellbarer, aber konstanter Frequenz, beispielsweise 1 MHz, betrieben. Durch die festgelegte Messfrequenz sind die ausgesandten schnellen Pulse reproduzierbar messbar, was bei variabler Abtastfrequenz nicht gegeben wäre. 8

Eine Gesamtmessung, die eine Messung in Nennrichtung und eine Messung entgegen der Nennrichtung umfaßt, dauert dabei in der Größenordnung mehrerer Millisekunden, etwa bei sechs Paketen zu 64 Pulsen 4,096 ms.

Störungen des Messvorgangs durch Ein- und/oder Ausschwingvorgänge oder aber die Verschiebung eines Pakets durch Temperaturänderung und durch die damit verbundene Änderung der Schallgeschwindigkeit in dem zu messenden Medium können zweckmäßigerweise dadurch ausgeblendet werden, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Sendepaket eine längere Dauer als die Öffnungszeit des Empfängers aufweist.

Die zu ermittelnde Fließgeschwindigkeit v ergibt sich zu

2 L-2 π f '

wobei φ₊ die Phasenverschiebung in Strömungsrichtung, φ_ die Phasenverschiebung entgegen Strömungsrichtung, c die Schall- geschwindigkeit , L die Messstreckenlänge und f die Frequenz des Ultraschalls ist.

Vorteilhafterweise werden bei einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens die Phasenwerte für jede Schallrichtung aus der Phasendifferenz zwischen einem Referenzsignal und dem jeweiligen Empfangssignal der Schallrichtung durch Messung gewonnen. Die Verwendung eines Referenzsignals und die damit verbundene Verarbeitung von zwei Phasenwerten erlaubt auch eine Identifikation der Strömungsrichtung des Mediums. Das Referenzsignal und das Empfangssignal der jeweiligen Schallrichtung liegen auf den Eingängen einer Phasenvergleichsschaltung und steuern deren Ausgang. Am Ausgang dieser Schaltung werden Pulse erzeugt, deren Länge abhängig von der Phasendifferenz zwischen Referenzsignal und Empfangssignal ist. 9

Mit dem Verfahren werden also immer echte Messwerte erzeugt, da jede Messung wieder bei Null startet und der vorhergehende Messwert nicht in das Ergebnis des vorhergehenden eingeht, also unabhängig ermittelt ist.

Die Phasenvergleichsschaltung weist dabei bevorzugt einen als Phasenkomparator Typ 3 bekannten Phasenvergleicher (PD-Glied) mit flankenabhängiger bzw. flankengetriggerter Verknüpfung, der in der Regel durch eine Flip-Flop-Schaltung realisiert wird. Durch diese Flankentriggerung der Phasenvergleichsschaltung wird auch der Messbereich gegenüber dem Einsatz z.B. eines UND-Gliedes oder XOR-Gliedes erweitert, da eine maximale Phasendifferenz von 360° möglich ist. Durch die erwähnte Schaltung werden am Ausgang der Phasenvergleichsschal- tung Pulse erhalten, deren Länge von der Phasenverschiebung der beiden Empfangssignale abhängig ist. Diese die Phasenverschiebungen darstellenden Pulse werden innerhalb des Empfangsfensters des empfangenden Sensors aufintegriert .

Bei einer weiteren Art der Durchführung des Verfahrens kann das Referenzsignal zweckmäßigerweise in bestimmten Stufen zeitlich verschoben werden. Auf diese Art kann zum Beispiel einer temperaturbedingten Verschiebung beider Empfangssignale gefolgt werden. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass für die Messungen immer der gesamte Messbereich zur Verfügung steht. Steht das zu messende Medium still, so sind dabei die Empfangssignale idealerweise um eine Grundverschiebung von ca. 90° - 180 ° gegenüber dem Referenzsignal phasenverschoben, in diesem Fall natürlich um den gleichen Betrag. Diese Grundverschiebung ist jedoch für die Berechnung des Flusses nicht von Bedeutung, da lediglich die Differenz von Referenz- und Empfangssignal in die Flussberechnung eingeht, für den Betrieb der Phasenvergleichsschaltung ergeben sich daraus a- ber Vorteile. Die bewußte Phasenverschiebung wird durch das Verfahren automatisch eliminiert, da diese Verschiebung in 10 beide Richtungen der Messungen gleichermaßen wirksam ist.

Die Auswertung des Ausgangssignals der Phasenvergleichsschaltung kann bei einer Art der Durchführung des erfindungsgemä- ßen Verfahrens zweckmäßigerweise auf zwei unterschiedliche Arten erfolgen, nämlich durch digitale Auszählung des Signals oder analoge Aufintegration.

Bei der ersten Durchführungsart findet ein digitales Auszäh- len des Ausgangssignals der Phasenvergleichsschaltung mit einem Zähltakt statt, welcher deutlich größer als die Ultra- schallfrequenz ist. Der entsprechende Zähler wird also mit einer hohen Frequenz betrieben, wobei das Zählwerk nur während der Ausgangspulse der Phasenvergleichsschaltung freige- geben ist. Hierdurch wird ein direkt zur Phasenverschiebung proportionaler Zahlenwert erhalten. Während der Zeit, in der das zeitvariante Ausgangssignal der Phasenvergleichsschaltung auf logisch „High" liegt, ist dann der Zähler, der mit einem hochfrequenten Messtakt läuft, eingeschaltet und liefert ei- nen von der Phasenverschiebung abhängigen Zählerwert. Zieht man erneut das Beispiel mit sechs Pulspakete mit 64 Pulsen pro Messung heran, so können pro Pulspaket in etwa 40 Ausgangssignale der Phasenvergleichsschaltung ausgewertet werden, der Zähler mißt also bei sechs Pulspaketen ca. 240 Sig- nale aus, was eine entsprechend hohe Auflösung der Messung bedeutet .

Bei der Durchführung des Verfahrens mit analoger Aufintegration wird zweckmäßigerweise ein Kondensator durch die Pulse der Phasenvergleichsschaltung geladen. Zunächst wird hierbei wiederum durch die Phasenvergleichsschaltung die notwendige Verknüpfung der Signale hergestellt und zur Weiterverarbeitung ein sogenanntes PWM-Signal erzeugt, dessen Impulsbreite zur Phasenverschiebung proportional ist. Während der Messzeit wird dann eine ausgezählte, konstante Impulszahl dieses PWM- 11

Signals auf einen analogen Integrierschaltkreis geschaltet, wodurch eine zu der Impulsbreite proportionale Ladespannung entsteht. Nach Beendigung des Aufintegriervorgangs kann der Kondensator durch einen konstanten Strom bzw. ein Signal kon- stanter Taktung (Referenztakt) entladen werden, wobei die Dauer des Entladevorgangs bzw. die Anzahl der Referenztakte wiederum proportional zur Phasenverschiebung ist und durch einen Zähler ausgemessen werden kann. Aus der mit Hilfe der Phasenverschiebung bestimmten Geschwindigkeit kann bei be- kanntem Messrohrquerschnitt das durchströmte Volumen ermittelt werden.

Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, die beispielsweise einen kontinuierlichen Fluss gut messen können, ist das er- findungsgemäße Verfahren mit einer Anzahl von beispielsweise

250 echten Messwerten pro Sekunde sehr schnell, wodurch dem Durchflussverlauf des zu messenden Mediums direkt gefolgt werden kann. Hierdurch ist das Verfahren auch für kurzzeitig ablaufende Abfüll- und Dosiervorgänge geeignet, beispielswei- se ist auch das teilweise extreme Förderverhalten von Kolben- Membranpumpen damit erfaßbar. Darüber gewährleistet die Vielfachmessung der Phasenwerte innerhalb des Empfangsfensters und die nachfolgende Aufintegration auch eine geringe Störanfälligkeit, da nicht der richtige Puls aus dem Empfangssignal aufgefunden werden muß. Wäre dies notwendig, würde ein Pha- sensprung zwangsläufig zu einer Fehlmessung führen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein Phasensprung innerhalb des Empfangssignals jedoch irrelevant, da in diesem Fall einfach eine Verschiebung um einen Puls stattfindet.

Ein Austausch des Mediums selbst oder eine Änderung von dessen Temperatur und damit verbunden der Schallgeschwindigkeit ist in der Lage, das Messergebnis zu verfälschen. Durch die Änderung der Schallgeschwindigkeit kommt ein durch einen der Sensoren ausgesandtes Signal entweder früher oder später bei 12 dem empfangenden Sensor an, was zu Folge hat, dass sich die Phasendifferenz gegenüber dem vorherigen Zustand unterschiedlich ändert. Daher ist es von Vorteil, wenn bei einer Weiterbildung des Verfahrens auch die Schallgeschwindigkeit durch mindestens eine Schalllaufzeitmessung gemessen wird, so dass eine entsprechende Korrektur bzw. Kompensation für Temperatur und/oder Schalllaufzeit vorgesehen werden kann.

Um die Schalllaufzeit bei einem Messvorgang zu erhalten, muß ein reproduzierbarer Punkt in einem Pulspaket aufgefunden werden, was zunächst die Kenntnis über das Einschwingverhalten der Schaltung sowie der Höhe der einzelnen Amplituden erfordert. Dies ist dadurch zu erlangen, dass zunächst ein kurzes Pulspaket mit beispielsweise nur zwei Pulsen durch einen Sender ausgesandt wird, wobei über die Höhe der Empfangssignale auf das Einschwingverhalten geschlossen wird. Für eine reproduzierbare Messung der Schalllaufzeit wird weiterhin eine möglichst steile Signalflanke benötigt, weswegen das erwähnte Empfangssignal möglichst stark verstärkt werden muß, wobei die Phasenmessung aber von dieser Übersteuerung des ^"Empfangssignals unbeeinflusst bleibt. Folglich ist es von Vorteil wenn bei einer Durchführung des Verfahrens unter Einbeziehung der Schalllaufzeitmessung auch die folgenden Schritte durchlaufen werden:

- Senden eines kurzen Pulses

- Ausmessen der Pulshöhe für die Schalllaufzeitmessung,

- Festlegen von Triggerschwellen für die Schalllaufzeitmessung, - Übersteuern des Empfangsignals ohne Störung der Phasenmessung,

- Messen der Laufzeit bei verschiedenen Triggerschwellen,

- Abschalten des Übersteuerungsverstärkers, - Bestimmung der Schalllaufzeit aus den verschiedenen 13

Messwerten.

Dabei ist es weiter von Vorteil, zur Ermittlung der Schalllaufzeit mehrere Laufzeitwerte sowie die Pulshöhe heranzuzie- hen, da hierdurch eindeutig bestimmt werden kann, welche Wellen mit den Triggerschwellen getroffen wurden, bspw. die erste und die zweite oder die zweite und die dritte, wodurch sich eine ausreichend genaue Bestimmung der Schalllaufzeit ergibt. Die ermittelte Schalllaufzeit führt zur Bestimmung eines Korrekturfaktors, der wiederum in die Berechnung der Durchflussmenge aus den Phasendifferenzwerten eingeht.

Damit sich die jeweiligen Messvorgänge nicht beeinflussen ist es bei der Durchführung einer Weiterbildung des Verfahrens zweckmäßig, die Bestimmung der Phasendifferenzwerte und die Schalllaufzeitmessung unabhängig voneinander stattfinden zu lassen, was bedeutet, dass der Sendevorgang für die Schalllaufzeitmessung außerhalb des Empfangsfensters der Phasenmessung geschieht und die SchallaufZeitmessung wiederum nicht während der Sendezeit für die Phasenmessung stattfindet.

Auch zur Kompensation von Temperaturänderungen kann dieser Schalllaufzeitwert herangezogen werden. Das Pulspaket aus beispielsweise zwei Pulsen wird hierbei zusätzlich zu den Pulspaketen der Phasenmessung ausgesandt, und zwar so, dass es zu keiner Störung zwischen Phasenmessung und Schalllaufzeitmessung kommt. Das bedeutet wiederum, dass das Senden der erwähnten beiden Pulse außerhalb des Empfangsfensters der Phasenmessung geschieht und die Schalllaufzeitmessung außer- halb der Sendezeit der Phasenmessung stattfindet. Mit einer derartigen Schalllaufzeitmessung sind auch schnelle Änderungen der Temperatur besser zu verfolgen, als beispielsweise bei einer Messung der Temperatur über Widerstände, die selbst Wärmekapazitäten aufweisen bzw. bilden, da das Medium direkt gemessen wird. Eine nachfolgende rechnerische Wertekompensa- 14 tion ist deshalb vorteilhaft, weil nicht in die Messanordnung eingegriffen werden muß, also keine Verstimmung von Bauteilen, etwa eines Frequenzgenerators oder einer Konstantstromquelle, notwendig ist.

Die Durchführung wenigstens der Verfahrensschritte der Summa- tion, der Kompensation und der Korrektur der Phasendifferenz- werte erfolgt dabei zweckmäßigerweise unterstützt durch einen Mikroprozessor .

Ein Durchflusswert kann mit dem beschriebenen Verfahren zum Beispiel auf die folgende Weise erhalten werden: In und entgegen der Flussrichtung werden durch den jeweiligen Sender nacheinander je sechs Pakete mit einer gewissen Anzahl von Pulsen geschickt, von dem jeweiligen Empfänger empfangen, verstärkt, A/D-gewandelt und mit dem Referenzsignal verglichen, aus den Flussrichtungsabhängigen Phasenwerten wird anschließend die Differenz gebildet. Die Werte von vier dieser Zyklen werden sodann aufsummiert, der aufsummierte Phasendif- ferenzwert wird danach schalllaufzeitkompensiert und mit einem durchmesserabhängigen Faktor versehen. Dieses erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Durchflusses eignet sich dabei per se für Messungen in beide Flussrichtungen, es können auch negative Flüsse gemessen und Offsets, die auf Pro- duktionstoleranzen beruhen, herausgerechnet werden, ohne dass es einer Phasenschiebung des Messsignals bedürfte. Die eingesetzte asynchrone Phasenvergleichsschaltung arbeitet dabei auch ohne sehr hochfrequentes Taktsignal schnell genug. Mit dem geschilderten Verfahren sind also Messungen mit hoher zeitlicher Auflösung möglich so dass auch schnelle Vorgänge bei Dosierung oder Pumpabläufen erfaßbar sind. Unter Aufin- tegration einer Vielzahl von Messwerten bei jedem Zyklus wird dabei sehr schnell ein Messwert bei hoher Auflösung des Messbereichs erzeugt. 15

Bezüglich der Vorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses fließfähiger Medien durch eine Messstrecke ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei an der Messstrecke beabstandet angeordneten Ultraschall-Sendeempfängern (4) als Sensoren vorgesehen sind, die die Messstrecke in und entgegen der Flussrichtung durchschallen und dass die Sensoren abwechselnd als Sender und Empfänger mit einer Wechselspannung abstimmbarer, konstanter Frequenz betreibbar sind und bei dem empfangenden Sensor eine kürzere Empfangszeit als die Sendezeit des sendenden Sensors vorgesehen ist, dass die Vorrichtung wenigstens eine Einrichtung aufweist, welche Empfangssignale verstärkt, wandelt, einen Schwellwert bildet und/oder die Phasenlage des Empfangssignals bestimmt und speichert, und dass die Messvorrichtung eine Phasenver- gleichsschaltung und eine mikroprozessorgestützte Auswerteeinrichtung zur Korrektur von Phasendifferenzwerten aufweist. Dabei ergeben sich die bereits bei der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläuterten Vorteile.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Figuren in der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt in teilweise stark schematisierter Darstellung die

Fig.1 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der Empfangssignale in und entgegen der Nennrichtung und deren Phasenlage bezüglich eines Referenzsignals ;

Fig.2 Diagramme mit den phasenabhängigen Impulsbrei- ten der Ausgangspulse der Phasenvergleichsschaltung, dem hochfrequenten, diese Pulse auszählenden Messtakt und den tatsächlich gezählten Messtaktpulsen;

Fig.3 ein Diagramm mit den aus phasenabhängigen Im- 16 pulsbreiten aufintegrierten Spannung, welche während anschließender Referenzzeiten, welche anschließend durch konstante Impulsbreiten eines Referenztakts ausgezählt wird;

Fig.4 ein Diagramm mit einem Empfangssignal im normalverstärkten Zustand;

Fig.5 ein Diagramm eines Empfangssignals im über- steuert verstärkten Zustand mit den Triggerschwellen für die Schalllaufzeitmessung;

Fig.6 ein Blockschaltbild einer Messvorrichtung zur Steuerung des Messablaufs nach dem erfindungs- gemäßen Verfahren.

In der Fig.1 ist der zeitliche Verlauf der Empfangssignale H und R eines in Strömungsrichtung eines zu messenden Fluids hinlaufenden (H) und eines entgegen der Strömungsrichtung zu- rücklaufenden (R) Empfangssignals abgebildet. Dabei ist die Phasenlage der beiden Signale bzw. deren Phasendifferenz bezüglich eines Referenzsignals Ref zu erkennen, welche pro Schallrichtung gemessen wird. Diese ergibt sich aus der Verschiebung der ansteigenden Flanke des jeweiligen Rechtecksig- nals und ist für die beiden Signale mit φ(H) bzw. φ(R) bezeichnet .

Mit der ansteigenden Flanke des Referenzsignals Ref wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Ausgang der Phasenver- gleichsschaltung gesetzt und bei der ansteigenden Flanke des Empfangssignals (je nach Messrichtung H oder R) wieder zurückgesetzt. Bei Verwendung eines flankengetriggerten PD- Gliedes in der Phasenvergleichsschaltung werden an deren Ausgang Pulse erhalten, deren Länge von der Phasenverschiebung der Signale abhängt. Diese phasenabhängigen Impulsbreiten 17

P(φ) sind in dem oberen Diagramm der Fig. 2 an einer Zeitachse schematisch aufgetragen und werden während des Empfangs- fensters des empfangenden Sensors aufintegriert . Das mittlere Diagramm der Fig.2 stellt dabei das Auszählen dieses Aus- 5 gangssignals der Phasenvergleichsschaltung mit einem hochfrequenten Messtakt dar, also einem Zähltakt, der deutlich höher als die Ultraschallfrequenz liegt. Während derjenigen Zeit, in der das zeitvariante Ausgangssignal der Phasenvergleichsschaltung logisch auf „High" liegt, wird der mit dem hochfre-

10 quenten Messtakt laufende Zähler eingeschaltet, so dass durch das in dem untersten Diagramm der Fig.2 angedeutete Auszählen

I ein von der Phasenverschiebung abhängiger Zählerwert erhalten wird.

15 In der Fig.3 ist schematisch dargestellt, wie die phasenabhängigen Ausgangspulse der Phasenvergleichsschaltung P (φ) dadurch analog aufintegriert werden, dass während der Messzeit T_M ein Kondensator durch die Pulse geladen wird. Nach Beendigung des Aufintegriervorgangs wird der Kondensator dann

20 mittels eines Referenzstroms entladen, wobei die durch einen Zähler ausmessbare Entladedauer proportional zur Phasenverschiebung der Signale ist. Am Ausgang der Phasenvergleichs-

I Schaltung liegt ein PWM-Signal an, bei welchem die Impulsbreiten P(φ) proportional zu der Phasenverschiebung sind.

25 Während der konstanten Messzeit T_M wird eine ausgezählte konstante Impulszahl dieses PWM-Signals auf den analogen Integrierschaltkreis geschaltet, wodurch eine zu der Impulsbreite und damit auch zur Phasenlage proportionale Ladespannung U entsteht. Anschließend wird der Kondensator mit einem Kon-

30 stantstrom entladen. Die Entladezeit ist abhängig von der Spannung am Kondensator und somit von der Phasendifferenz zwischen Empfangssignal und Referenzsignal. Während des Entladens werden Zählerpulse erzeugt, die in einem Zähler auf- summiert und für eine weitere Verarbeitung dem Mikroprozessor 18 zur Verfügung gestellt werden. Die Anzahl dieser Zählertakte bzw. Pulse ist nun wiederum proportional zu der Phasenverschiebung.

Mit beiden in den Fig.2 und 3 dargestellten Methoden kann ü- ber die Phasenverschiebung die Geschwindigkeit bestimmt und bei bekanntem Messrohrquerschnitt auf das durchströmte Volumen geschlossen werden.

In der Fig.4 ist ein Puls als Empfangssignal im normalverstärkten Zustand dargestellt. Aus den Amplituden des normal verstärkten Empfangssignals lässt sich die Pulshöhe H dieses Signals bestimmen. Die Fig.5 zeigt das Empfangssignal im ü- bersteuerten Zustand mit den Triggerschwellen TS1 und TS2 für die Schalllaufzeitmessung. Für das in der Fig.5 dargestellte Signal sind die Triggerschwellen TS1 und TS2 so eingestellt, dass die Triggerschwelle TS1 die erste Amplitude des Signals und die Triggerschwelle TS2 die zweite Amplitude des Signals trifft. Möglich wären aber auch andere Einstellungen der Triggerschwellen bzw. Signalamplituden, z.B. derart, dass die erste Amplitude so niedrig ist, dass beide Schwellen die zweite Amplitude treffen oder aber die erste Amplitude so hoch ist, dass sie beide Schwellen trifft. Weiterhin denkbar ist auch die Situation, dass das Empfangssignal so schwach ist, die Triggerschwelle TS1 erst die zweite Amplitude und die Triggerschwelle TS2 dann die dritte Amplitude trifft. Welche dieser Situationen vorliegt, kann bei der Schalllaufzeitmessung durch die vorher erfolgte, in Fig.4 gezeigte Ermittlung der Pulshöhe entschieden werden.

Die Fig.6 zeigt das Blockschaltbild einer im Ganzen mit 1 bezeichneten Messvorrichtung, die den Messvorgang einer Ultraschallmessung an einer Messstrecke 3, an der Ultraschall- Sendeempfänger 4 als Sensoren beabstandet angeordnet sind, durch ein Steuerelement 2 steuert. Gesteuert wird dabei zu- 19 nächst ein Frequenzgenerator 5, welcher das Taktsignal für die Ultraschall-Sendeempfänger 4 erzeugt, wobei durch Schließen des Schalters 6 durch die Steuerung entscheiden wird, welcher der Ultraschall-Sendeempfänger das durch den Fre- quenzgenerator 5 erzeugte Pulspaket abstrahlen soll. Dieser gewählten Messrichtung entsprechend, wird das Empfangssignal über den Schalter 6' dem Verstärker 7 zugeleitet. Der Verstärker 7 leitete das Signal an den Schwellwertschalter 8 der Phasenmessung und den schaltbaren Verstärker 9a der Schall- laufZeitmessung. Das Ausgangssignal des Schwellwertschalters 8 geht weiter zu dem Phasenvergleicher 9, an dem es mit dem Referenzsignal verglichen wird, welches wiederum aus dem Signal des Frequenzgenerators erzeugt und durch einen schaltbaren Phasenschieber 10 bewusst in der Phase verschoben wurde. Das Ausgangssignal des Phasenvergleichsschaltung wird an eine Auszählstufe 11 mit Messtor und Integrationsschaltung weitergereicht. Das in der Auszählstufe erzeugte Ergebnis wird dann dem Mikroprozessor 12 zur weiteren Auswertung bzw. Verwendung zur Verfügung gestellt.

Der schon erwähnte zweite Weg des verstärkten Signals nach dem Verstärker 7 geht an den schaltbaren Übersteuerungsver- stärker 9a, der zum Ausmessen der Pulshöhe zunächst mit dem Faktor 1 verstärkt, das Signal also unverändert lässt. Zum Ausmessen der Pulshöhe wird am Trigger 13 das Triggersignal so lange vermindert, bis der Zählerwert innerhalb eines Erwartungsfensters liegt, wodurch die Pulshöhe bestimmt ist. Darauf folgend werden die Triggerschwellen festgelegt und anschließend der Übersteuerungsverstärker eingeschaltet, mit dessen Hilfe dann die Schalllaufzeit gemessen wird. Der an dem Zählelement 14 anliegende Messwert der Schalllaufzeitmessung wird dann wiederum dem Mikroprozessor 12 zur Weiterverarbeitung zugeführt.

Die vorstehende Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zum 20

Betrieb einer Messvorrichtung 1 zur Bestimmung des Durchflusses fließfähiger Medien durch eine Messstrecke 3, wobei .die Messvorrichtung 1 zur Durchschallung der Messstrecke 3 in und entgegen der Flussrichtung und zur Signalaufnahme mindestens zwei beabstandet angeordnete Ultraschall-Sendeempfänger 4 als Sensoren aufweist und mit einem Ultraschallphasendifferenz- verfahren betrieben wird, welches Verfahren sich dadurch hervorhebt, dass die Sensoren jeweils abwechselnd als Sender und Empfänger betrieben werden, dass die Sensoren mit einer Wech- selspannung einstellbarer, konstanter Frequenz betrieben werden, wobei jeweils die Sendezeit des sendenden Sensors länger als die Empfangszeit des empfangenden Sensors ist und der Durchfluss zumindest durch die folgenden Verfahrensschritte ermittelt wird:

- Durchschallung der Messstrecke 3 durch den einen der Sensoren in Flussrichtung und Empfang des Signals durch den anderen Sensor,

- Verstärkung des Signals, Schwellwertbildung, Ermitt- lung und Speicherung der zugehörigen Phasenlage H,

- Durchschallung der Messstrecke 3 durch den anderen der Sensoren entgegen der Flussrichtung und Empfang des Signals durch den einen Sensor,

- Verstärkung des Signals, Schwellwertbildung, Ermitt- lung und Speicherung der zugehörigen Phasenlage R,

- Differenzbildung der Flussrichtungsabhängigen Phasenwerte,

- Korrektur des Phasendifferenzwerts mit einem durchmesserabhängigen Faktor.

/ Ansprüche

Claims

21Ansprüche

1. Verfahren zum Betrieb einer Messvorrichtung (1) zur Bestimmung des Durchflusses fließfähiger Medien durch eine Messstrecke (3), wobei die Messvorrichtung (1) zur Durchschallung der Messstrecke (3) in und entgegen der Flussrichtung und zur Signalaufnahme mindestens zwei beabstandet angeordnete Ultraschall-Sendeempfänger (4) als Sensoren aufweist und mit einem Ultraschallphasen- differenzverfahren betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren jeweils abwechselnd als Sender und Empfänger betrieben werden, dass die Sensoren mit einer Wechselspannung einstellbarer, konstanter Frequenz betrieben werden, wobei jeweils die Sendezeit des sen- denden Sensors länger als die Empfangszeit des empfangenden Sensors ist und der Durchfluss zumindest durch die folgenden Verfahrensschritte ermittelt wird:

- Durchschallung der Messstrecke (3) durch den einen der Sensoren in Flussrichtung und Empfang des Signals durch den anderen Sensor,

- Durchschallung der Messstrecke (3) durch den anderen der Sensoren entgegen der Flussrichtung und Empfang des Signals durch den einen Sensor,

- Verstärkung des Signals, A/D-Wandlung, Schwellwertbildung, Ermittlung und Speicherung der zugehörigen Phasenlage R, - Differenzbildung der Flussrichtungsabhängigen Phasenwerte,

- Korrektur des Phasendifferenzwerts mit einem durchmesserabhängigen Faktor.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 22 die Verfahrensschritte einschließlich der Differenzbildung der Phasenwerte mehrfach durchlaufen und die Pha- sendifferenzwerte aufsummiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den jeweils sendenden Sensor wenigstens zwei Pakete mit mehreren Pulsen als Ultraschallschwingung erzeugt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenwerte für jede Schallrichtung aus der Phasendifferenz zwischen einem Referenzsignal und dem jeweiligen Empfangssignal der Schallrichtung gewonnen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale des Referenzsignals und des Empfangssignals den Ausgang einer Phasenvergleichsschaltung (9) steuern.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenvergleichsschaltung (9) flankengetriggert ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal zur Ver- folgung einer Verschiebung der Empfangssignale zeitlich verschoben werden kann.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal der Pha- senvergleichsschaltung digital ausgezählt oder analog aufintegriert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein digitales Zählelement ein der Phasendifferenz proportionaler Zahlenwert erzeugt wird. 23

10. Verfahren nach Anspruch 8, dass durch das Ausgangssignal ein Kondensator geladen wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb eine Bestimmung der Schallgeschwindigkeit durch wenigstens eine Schalllaufzeitmessung stattfindet.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Schalllaufzeitmessung zumindest die folgenden Schritte durchgeführt werden:

- Senden eines kurzen Pulses - Ausmessen der Pulshöhe für die Schalllaufzeitmessung,

- Festlegen von Triggerschwellen (TS1 , TS2) für die SchalllaufZeitmessung,

- Übersteuern des Empfangsignals ohne Störung der Phasenmessung, - Messen der Laufzeit bei verschiedenen Triggerschwellen (TS1 , TS2) ,

- Abschalten des Übersteuerungsverstärkers ,

- Bestimmung der Schalllaufzeit aus den verschiedenen Messwerten.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasendifferenzwert schalllaufzeitkompensiert wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Phasendif- ferenzwerte und die Schalllaufzeitmessung unabhängig voneinander stattfinden.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- 24 durch gekennzeichnet, dass wenigstens die Verfahrensschritte der Summation, der Kompensation und der Korrektur von Phasendifferenzwerten mikroprozessorgestützt durchgeführt werden.

16. Messvorrichtung (1) zur Bestimmung des Durchflusses fließfähiger Medien durch eine Messstrecke (3), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens zwei an der Messstrecke beabstandet angeordneten Ultraschall- Sendeempfängern (4) als Sensoren, die die Messstrecke in und entgegen der Flussrichtung durchschallen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren abwechselnd als Sender und Empfänger mit einer Wechselspannung abstimmbarer, konstanter Frequenz betreibbar sind und bei dem empfangenden Sensor eine kürzere Empfangszeit als die Sendezeit des sendenden Sensors vorgesehen ist, dass die Vorrichtung wenigstens eine Einrichtung aufweist, welche Empfangssignale verstärkt, wandelt, einen Schwellwert bildet und/oder die Phasenlage des Empfangssignals bestimmt und speichert, und dass die Messvorrichtung (1) eine Phasenvergleichsschaltung (9) und eine mikroprozessorgestützte Auswerteeinrichtung (12) zur Korrektur von Phasendifferenzwerten aufweist.

/ Zusammenfassung