WO2011045109A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbesserten ultraschall-laufzeitdifferenzmessung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verbesserten ultraschall-laufzeitdifferenzmessung Download PDF

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WO2011045109A1
WO2011045109A1 PCT/EP2010/062062 EP2010062062W WO2011045109A1 WO 2011045109 A1 WO2011045109 A1 WO 2011045109A1 EP 2010062062 W EP2010062062 W EP 2010062062W WO 2011045109 A1 WO2011045109 A1 WO 2011045109A1
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WO
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time
fine
difference
coarse
time difference
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Application number
PCT/EP2010/062062
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English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Mueller
Gerhard Hueftle
Michael Horstbrink
Tobias Lang
Sami Radwan
Bernd Kuenzl
Roland Wanja
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to JP2012533539A priority patent/JP5490246B2/ja
Priority to US13/501,191 priority patent/US20120266676A1/en
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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

Definitions

  • This physical basis is used, in particular, to detect a transit time difference in order to detect therefrom properties of a flow within the space.
  • Application examples for this can be found, for example, in motor vehicle technology, in which flow sensors are used to detect the inflowing air quantity or for metering the fuel or the fuel mixture.
  • ultrasonic flow rate sensors may be used in all areas of the art in which a flow rate or flow rate or other flow characteristics within a room are to be detected.
  • Noise signal strength caused by noise outside the sensor are, for example, disturbances that are emitted by the environment, and in particular disturbances due to flow noise, valves, pumps or the like. Converters can not be provided with unlimited accuracy and transmit power for reasons of cost and space, so that at
  • Document 10 2004 014 674 A1 describes an ultrasonic flow sensor, wherein a zero crossing of the ultrasonic signal is determined as the receiving time after a predetermined threshold value of the low-pass filtered signal amplitude of the
  • the invention allows a significant improvement in precision in
  • the invention enables a clear detection of the transit time difference over a large measuring range, ie over several ultrasonic periods.
  • the invention makes it possible to detect the transit time difference over a substantially unlimited measuring range, without, however, having to accept reduced precision.
  • the invention not only allows a low-cost simple implementation, but also a comparison with the prior art significantly simplified reduction of the calculation effort, without precision or measuring range with respect. To reduce the transit time difference measurement of the sensor.
  • the invention makes it possible to compensate for aging processes as well as distortions generated by the converter (in particular delays due to the response of the converter) by performing a differential evaluation or the combined evaluation of oppositely transmitted sound pulses according to the invention. In this case, an evaluation of the transit time compensates for each other in two
  • the concept on which the invention is based is to detect the transit time by means of an envelope with a detection of the transit time on the basis of the phase relationship between the transmission time and the reception pulse, i. to combine by means of a measurement of the phase of the instantaneous amplitude curve of the same transmit / receive pulse, this being carried out for sound pulses in two mutually opposite directions of transmission.
  • the determinations of the duration of the same sound pulse, but based on different characteristics of the associated transducer signal are referred to as different detection modes.
  • the two time difference determinations of different acquisition modes, which based on phase considerations of the instantaneous amplitude curve or based , , the detection of the envelope are performed on the same receiving pulse, are thus for an ultrasonic pulse in a transmission direction and for a
  • Time difference determinations are combined, resulting in error compensation effects for errors caused by transducer behavior.
  • Time differences each detected from the same detection mode but for reverse transmission directions are combined with each other into single combinations of the same detection mode, and the resulting single combinations of the two detection modes are combined to provide the propagation time difference as an end result of the transit time difference detection method.
  • the fine-time differences determined by considerations of the
  • Runtime difference combined together by means of a higher-order combination, for example by subtraction.
  • This superordinate combination provides for rounding a term comprising the single combination of the coarse time differences (i.e., their difference, or the coarse transit time difference) and the rounded term with the
  • the term to be rounded further preferably includes the fine term difference subtracted from the coarse term difference within the term.
  • the fine-term difference, the coarse-term difference, or both differences within the term can with a
  • Runtime differences are shown in the same domain, eg. Angle information or time information.
  • the term to be rounded further includes a rounding compensation constant that is tracked.
  • the rounding compensation constant is updated according to the distance of the term to be rounded or of the rounding argument to the rounded term or to the adjacent rounding boundaries in order to be replaced by the
  • Rounding compensation constant the term to be rounded on average or over one - - keep the moving average in the middle between the two rounding limits of the rounding. This avoids a jump to the next discrete rounding value caused by usual scattering.
  • the tracking of the constant added in the form of a value to be added to the rounding argument allows phase drifts or time drifts to change slowly
  • the constant can be tracked by determining the two distances between the rounding argument including the constants and the two nearest rounding limits for at least one measurement. The distances are accumulated, for example with a moving average or by means of a low pass.
  • the constant is provided (e.g., by decreasing or increasing the constants) that the constant for the past measurements provides the argument substantially midway between the rounding limits, and this constant for the following
  • Runtime difference detection is used. For a combination of fine time differences and coarse time differences of opposite directions
  • Transfer functions are effective. Therefore, it is preferable to use a constant to be tracked, which is oriented in its tracking at the middle between both rounding limits (as a target). Therefore, it is provided according to the invention to detect the coarse and fine differences for mutually opposite directions and first, for each detection mode - - separated, the time differences combine, the opposite
  • Transmission directions are assigned.
  • the combinations performed individually for each acquisition mode are in turn combined with each other in a parent combination. This involves combining the combination of the coarse time differences (provided as a subtraction) and the combination of the fine time differences (provided as a subtraction), preferably including the rounding compensation constant (to be added), and the resulting combination into rounds.
  • the detection of the transit time difference comprises only the combination of time differences as a subtraction of two time differences, which are transmitted in different directions.
  • this differential method of measurement results in compensations for converter characteristics, which these have in equal measure as transmitters and as receivers. Time differences are here termed durations which arise between the transmission and the reception.
  • the envelope of the transmit / receive ultrasonic pulse is considered in order to obtain a first, rough time information from the transit time measurement can. This is supplemented to increase the precision by the information that results from the phase measurement.
  • the accurate but ambiguous information from the phase measurement is made available for a larger delay time range by combining this information with the coarse information from the envelope viewing.
  • the information from the envelope makes it possible to place the ambiguous phase information due to the periodicity of the carrier signal in the broad context of the envelope, where appropriate the (in itself) ambiguous phase information by means of the (coarse) runtime information to a very large
  • Measuring range can be clearly extended.
  • the detection of the transmit ultrasound pulse merely provides a time reference point, ie, a transmit reference time, , _ For example, in the form of a trigger pulse of a timestamp or based on the electrical drive signals of the converter. Because by the converter the form of the
  • drive signals are deformed and also delayed (eg by coupled oscillators and by resonance behavior of the transducers), the detection (of a time reference point) of the received ultrasound pulse requires an actual analysis (the phase and the shape of the envelope), while the time reference point of the transmit Ultrasonic pulse is given in the form of the drive signal by a controller.
  • the transmit reference time relates to the transmit ultrasound pulse in its
  • phase errors may result in errors due to a slowly increasing phase error in the transducers. Since these phase errors are the same for a converter in the transmission mode as in the reception mode at least within a reciprocal transmission situation, subtraction (ie, the above-mentioned subtraction) of the fine time difference (and the coarse time difference) can be compensated for both mutually opposite transmission directions become.
  • an additive constant can be added to the term that serves as an argument for rounding, with a rounding
  • the constant may be determined according to the distance between the rounding argument and the rounding thresholds (or one of the two
  • Rounding thresholds are tracked.
  • the distance between rounding thresholds and a time-averaged rounding argument (or a rounding argument which includes previous and in particular the preceding detection) is referred to as the distance.
  • Phase shift compared to the coarse time difference it can be avoided by integrated or low-pass filtered tracking of the constants within the rounding term that a phase drift accumulates over time, which leads to a rounding in the next period of the instantaneous amplitude curve, and thus a nonspecific
  • Phase jump in the transit time or transit time difference detection (as the end result) occurs.
  • a value is called, which only slowly with the phase drift - - changes to compensate for them, in contrast to the (in comparison) fast changing time differences, maturities and maturity differences.
  • acoustic waves and their electrical equivalent on the other side of the transducer are equally referred to.
  • delays and / or deformations may occur.
  • Time differences are times that indicate the time interval between the receive and transmit pulses.
  • the envelope of the ultrasonic pulse is considered, the course of which is used for the corresponding coarse registration.
  • the envelope is used to match the shape of the envelope of the transmit ultrasound pulse (more precisely: the transmit reference time) with the shape or a feature of the shape of the envelope of the receive ultrasound pulse and thus a coarse - record time difference.
  • a feature of the shape of the envelope for example, a first rising edge of the envelope is called or a first
  • the coarse time difference corresponds to the runtime information, which results from the consideration of the runtime alone.
  • a fine time difference corresponding to the information resulting from the phase detection is detected.
  • the phase detection is based on the phase consideration of the carrier signal and is thus naturally only within an entire period (ie 0 ° - 360 ° or 0 - 2 ⁇ or - ⁇ - + ⁇ or a comparable range) unique.
  • the envelope of the transmit ultrasound pulse in particular the transmit reference time, eg
  • Trigger signal or a timing signal determining the timing of generation of the ultrasonic pulse) and the envelope of the receiving ultrasonic pulse may be made to coincide by a usual correlation function, or by a matched filter responsive to the envelope of the receiving ultrasonic pulse
  • Time offset can be used, in particular a feature of the received ultrasonic pulse, with which the transmission reference time is compared, for example , , by having a characteristic like a maximum, a turning point, a minimum or a
  • Envelope of the received ultrasonic pulse is detected and with a
  • Synchronizer a timer (for example, a counter) or the like with the transmitted signal (i.e., with the transmission reference time) is compared to detect the time offset, that is, the coarse time difference between transmit and receive ultrasonic pulse.
  • the turning point is detected by detecting a timer (for example, a counter) or the like with the transmitted signal (i.e., with the transmission reference time)
  • the received ultrasound pulse does not necessarily have to be compared with the transmitted ultrasound pulse, but can also be compared with a signal which is output to the transducer or with which the transducer including precursor or also including the pulse shape filter is driven.
  • the comparison with the transmitted ultrasound pulse can be provided by a comparison with a trigger signal, for example, with an edge, with which a signal generator (for example, comprises a pulse shape filter) is triggered or triggered to the transmit ultrasonic pulse by driving the trigger signal.
  • a signal generator for example, comprises a pulse shape filter
  • phase and time difference correspond directly proportional to the carrier frequency. Therefore, features that relate to a time difference are immediately to be understood as features that have a
  • the inventive method for transit time difference measurement therefore comprises a step of sending a transmit ultrasonic pulse in a spatial area, wherein the transmit ultrasonic pulse is provided with a carrier frequency, and having an envelope.
  • the envelope includes not only a DC signal component (DC) but also an AC signal component (AC), even if the DC component
  • Alternating signal component consists only of a rising or falling edge. Basically, any signal that does not have a constant signal strength at any time but that has at least one edge can be used as the envelope. However, particular preference is given to envelopes having an autocorrelation function which has a maximum which is strongly dependent on the value of the autocorrelation function , - different in another place.
  • the duration of the envelope ie the time duration for which the signal strength is not zero, comprises a plurality of carrier signal periods.
  • envelopes are preferred which have a duration that is very large in comparison to the period duration of the instantaneous amplitude signal (for example, greater than 100 l / carrier or a length of the envelope which includes the 5, 10, 20, 50, 100, 200 or 300 times the period of the carrier signal is).
  • orthogonal signals for defining the shape of the envelope are suitable for carrying out the invention.
  • the length of the periodicity of the envelope is greater than the measurement range of the time-of-flight measurement method for which it is used.
  • individual pulses are considered in particular, which are no longer than an assumed total transit time (ie, return path of the ultrasound signal), and repeat themselves after a further echo cancellation time.
  • the envelope is terminated when the beginning of the envelope already arrives at the receiver (ie at the transducer), preferably including an additional protection period during which a sensor device switches from transmit to receive.
  • the possible periodicity of envelopes considered above only concerns a repetition of the waveform within one and the same envelope; In particular, this does not refer to the repeated emission of envelopes for repetitive scanning of the environment.
  • the envelope is thus assigned to one and the same sampling period and, in particular, does not encompass more than a single sampling period or its transmitting section at the beginning of the sampling period.
  • the length of the envelope is therefore defined by the assumed maximum round trip within the sensor, wherein the length of the outward and return path is given by structural conditions of the sensor, such as the distance between the transducer and the opposite reflector or opposite wall or distance between the converters.
  • the transmit ultrasound pulse is received as a receive ultrasound pulse, this corresponding to the transmit ultrasound pulse which has been reflected in the spatial region or has been irradiated therethrough.
  • a flow whose properties are detected by the transit time measurement.
  • the transit time difference obtained later depends directly on the flow velocity within the spatial region, so that from the combined time differences (that is, from the measured transit time or transit time difference) on the
  • Ultrasonic pulses and the received ultrasound pulses are detected as (differential) transit time;
  • the transit time difference is the physical measurand from which the physical properties of the flow can be derived.
  • the transmitted ultrasound pulse is transmitted by (at least) one (further) transducer, which differs from the transducer with which the receiving ultrasound pulse is transmitted.
  • the sending and receiving are performed repeatedly (e.g., twice or alternately), with first a first transducer outputting the transmit ultrasonic pulse which, after passing through the space, is received by a second transducer as the receive ultrasonic pulse.
  • the time differences between transmit and receive (as runtime components) are measured according to the invention.
  • the functions of the converter for a further transit time measurement according to the invention are reversed.
  • the second transducer i. the transducer which detected the received ultrasonic pulse in the previous transit time measurement
  • the transmit ultrasonic pulse and the first transducer, i. the converter, which has delivered the transmit ultrasonic pulse in the previous transit time measurement, receives the receive ultrasonic pulse.
  • the inventive method is repeated, in particular the steps of receiving and transmitting, wherein the functions of sending and receiving are reversed in the repeated transit time measurement.
  • the propagation paths are reversed: while the sound is at the first
  • Travel time propagates from the first converter to the second converter the sound is transmitted in the repeated transit time measurement from the second converter (over the space area) to the first converter.
  • the repetition may be carried out one or more times, but preferably the transmit ultrasonic pulse is transmitted approximately equally often by all (i.e., both) transducers and thus the transmission direction of the ultrasonic pulse changes n times, where n is a number greater than zero.
  • sending and receiving may be concatenated, with a first pulse being transmitted from a first transducer to a second transducer, and the associated first fine time difference and first coarse time difference detected. Thereafter, a second pulse is transmitted from the second transducer to the first transducer, and the associated second fine and coarse time differences are detected. A third pulse is again transmitted from the first to the second converter, and the associated third fine and coarse time differences are detected. Not only the first and the second, but also the third and another pulse are combined in the sense of successive ones - -
  • Pairing but the second and third pulses are also used for another measurement. Time differences of successive groups or pairs of pulses are generally evaluated, whereby the combinations of the detected time differences within the groups or pairs are carried out. Different pairs or groups of pulses can either have no measurements for the same pulses
  • the runtime difference preferably results in:
  • transmission direction - - t0 2 coarse time difference between transmit and receive pulse in one
  • Fine time difference is here only the difference between the transmission and the reception pulse of a single transmission.
  • staircase shape that jumps just when the associated phase exceeds the phase measurement range (e.g., 0 ° - 360 °).
  • phase-based detection result the overall result is specified more precisely or the ambiguous phase-based detection result is extended by the addition to a larger phase measuring range.
  • x is a rounding compensation constant that has been chosen (and optionally
  • Form of jumps) x is tracked slowly (eg low-pass filter) so as to at least partially compensate for the drift.
  • the individual results i. the fine and coarse time differences resulting from the first and repeated measurements combined individually for each acquisition mode.
  • This combination can be provided by: adding the time differences, (arithmetically) averaging the time differences, or by taking the relative difference of the time differences (i.e., the transmission duration resulting from the phase and envelope differences).
  • this combination is provided by subtracting all the individual fine and coarse time differences that result in a propagation direction from the fine and coarse time differences that result in the reverse propagation direction.
  • the combination involves measurements within a short period of time, within which it can be assumed that flow conditions within the
  • Time differences within a sliding time window wherein the intended duration or transit time difference represents an average value for this time window.
  • the individual time differences can be integrated over time.
  • a transit time difference measuring device comprises a
  • the transit time difference measuring device further comprises a memory in which a plurality of time differences are stored (ie, at least those of the first measurement and the repeated measurement of the reverse direction).
  • the memory is connected to the combination device and outputs the individual time differences to the combination device.
  • the spatial area can be provided between the various transducers, or the transducers can be provided on one side of the spatial area, a reflector being provided on the opposite side.
  • the desired error compensations occur when a transit time difference is determined, as e.g. age-related changes in the duration are approximately equal in both directions of transmission and therefore even within the
  • Empirical constants (representing a transducer-induced phase delay) could be detected after an initial alignment, e.g. due to aging lose their validity over time. This could be compensated by tracking. However, errors occurring in spite of tracking errors would lead to incorrect measurements, which can have any length.
  • the transmit / receive phases may therefore overlap in time for two (or more) transducers or may coincide.
  • the coarse time difference is provided by comparing the envelope of the transmit ultrasonic pulse with an envelope provided by the receive ultrasonic pulse.
  • the comparison relates to the time difference between both ultrasonic pulses and can be determined by correlating, as described above, by means of a matched filter (designed according to the envelope of the (acoustic) transmit ultrasonic pulse) by observing a trigger signal indicating a beginning of the Transmitting ultrasonic pulse reproduces or a transmission reference time, which reflects the timing of the transmitted ultrasonic pulse, and an associated course portion of the envelope of the received ultrasonic pulse, for example, a rising edge; by consideration of characteristics of the envelope of the received ultrasound pulse or its first or second time derivative, such as a maximum, minimum, zero crossing or inflection point, the time of exceeding a fixed or variable trigger threshold or a rising or falling edge on the basis of the associated time in the Envelope of the transmit ultrasound pulse; or by other comparison methods from which the time offset between the transmit ultrasound pulse and the receive ultrasound pulse can be detected.
  • the coarse time difference can thus be detected, for example, by means of a counter or any other suitable evaluation logic, preferably in a digital manner in a microprocessor.
  • the comparison is provided by comparing digital signals, preferably by means of a microprocessor, wherein the corresponding process features may be implemented by software, by hardwired circuitry, or by a combination thereof.
  • the fine time difference is provided as a result of a step of
  • Carrier signal of the transmitted ultrasonic pulse (or the transmission reference time) compared with the phase curve of the carrier signal of the received ultrasonic pulse. This step of comparing corresponds to the comparison of instantaneous amplitudes between transmit and receive ultrasound pulses.
  • the fine-time difference is therefore based on the immediate waveform as received by the converter, although signals derived therefrom over time may also be used.
  • the fine-time differences are combined with the coarse-time differences, for example by adding combinations of fine-time differences of different detection steps with combinations of coarse-time differences of different detection steps, wherein the detection steps on - - refer to opposite transmission directions.
  • the combination may consist of providing the combination of the coarse time differences only as integer multiples of a period length or a half period length (for example, by rounding the unrounded combination of the coarse time differences minus the combination of the fine time difference as a rounding argument), and the " Decimal place ", ie the corresponding exact proportion within the period or half period as (combination of) fine-time differences.
  • the envelope results in some converter types, eg. Piezo transducer, by the response of the transducer to a square wave driving signal or pulse and is defined by inertia, resonance behavior, transient response, Nachschwing and interaction with other vibration systems.
  • Piezo transducer e.g. Piezo transducer
  • a further embodiment of the invention therefore provides for the envelope or even only a portion of the envelope to be provided in such a way that the associated
  • Autocorrelation function of the envelope has at least one maximum.
  • the largest maxima differs clearly from the other maxima, in particular the two largest maxima differ by a minimum amount in order to avoid ambiguities in the coarse time difference.
  • the entire course of the envelope, but preferably only a portion of the envelope is a strictly monotonous function of time.
  • the envelope is at least partially not constant, being referred to as a strictly monotonically extending function of time functions that do not have the same value for two points in time, even if they follow each other immediately.
  • a rectangular function can also be provided, which, although having a less significant autocorrelation function, enables precise information about the coarse time difference on the basis of the edges.
  • a simple function such as the rectangle function allows a simple implementation of the
  • the locations where the rectangle function (or some other function) has a slope are referred to as a section that is strict - - monotonically extending function runs (that is, a strictly monotonically increasing function or strictly monotonically decreasing function, depending on the edge profile), with a section is provided in between, which is not strictly monotonous, but constant. It is therefore sufficient for the envelope to have only one section in which a non-constant function defines the course, that is to say a strictly monotone-running function, although other areas may well be provided as a non-monotone function (for example a constant function), because the section comprising the strictly monotone function represents a feature for later detection.
  • the envelope can correspond to the sound signal that occurs when driving a
  • Ultrasonic transducer results in a square pulse, wherein the impulse response of the transducer has a significant transient phase at the rising edge of the
  • the areas of the reception ultrasonic pulse to be assigned to the transient phase of the transducer are less sensitive to differences in the
  • the first inflection point of the envelope or the first maximum of the envelope can be used, wherein the transient phase is, for example, the entire first rising edge of the envelope.
  • the provision of the fine time difference therefore comprises detecting a phase difference between the transmitted ultrasonic pulse (or its transmitting reference time) and the receiving ultrasonic pulse.
  • instantaneous course of the carrier signal that is, the instantaneous course of the received ultrasonic pulse and possibly also the transmission pulse or its Anberichtsignais.
  • features of the instantaneous course can be used for comparison, that is to say, for example, maxima, minima or zero crossings as well as inflection points of the carrier signal of the received ultrasound pulse.
  • the ultrasonic pulses that is, the received ultrasonic pulse
  • the ultrasonic pulses that is, the received ultrasonic pulse
  • different demodulation signals can be compared, in particular in averaged or integrated form, be set as a ratio to capture the phase.
  • the ultrasound pulses can be detected by means of a quadrature receiver in order to detect therefrom the phase offset between the received and transmitted ultrasound pulses.
  • the coarse time difference is determined with high resolution in terms of time, it is further processed with a low temporal resolution (in particular for the reason that the fine time difference already reproduces the precise proportions).
  • the envelope of the signal resulting from sampling of the received and, if appropriate, transmit ultrasound pulse is reproduced by a time-discrete signal with a low data rate and used for further calculation.
  • the data rate used in the comparison of the envelope (of the received and possibly also of the transmitted ultrasound pulse) is only a small multiple of the carrier frequency or else a non-integer multiple in - - of this magnitude.
  • the low sampling does not allow a particularly accurate detection of the time difference, however, it is sufficient for the coarse time difference that the correct period is detected for which the fine time difference applies.
  • the signal used to detect the time differences may not be frequency-filtered or decimated from the received pulse (this is for detection from the analog signal or the digital sampled signal), or the sampled signal is filtered by a decimation filter.
  • the decimation filter aims to simplify a signal sampled at a higher sampling rate by merging several consecutive sample points, for example by averaging within the sampled points clustered together, resulting in a lower sampling rate and the individual values on averaging higher sampled signal. By averaging are high
  • Window integrator is understood, but this does not slide, but jumps from group to group to each integrated group (and possibly also to normalize), thereby forming an average value.
  • the acquisition of the instantaneous amplitude curve may include one or more low-pass or band-pass filters, as well as a decimation, which may include a
  • the fine time difference is preferably provided as a portion of the period length that is smaller than the period length of the carrier frequency.
  • the coarse time difference and the fine time difference then relate to a half period length if the fine time difference does not contain sign information.
  • the fine-time difference refers to the entire period length and thus one
  • Carrier frequency rounded
  • Ultrasonic transducer is used for sending, receiving or both. This avoids that the fine-time difference is provided for a time in which the ultrasonic transducer is still in a transient state at the beginning of the ultrasonic pulse with a correspondingly poor signal / noise ratio. This applies to the transient process during transmission, during reception, or preferably for both.
  • the fine time difference is preferably for a
  • Enveloping wherein it is provided by extrapolating the instantaneous phases to a point in time for which the fine-time difference should be provided.
  • the time may, for example, a zero crossing, a maximum, a minimum, a - -
  • a shift between the phase position and the envelope which differs between two measuring directions, can be compensated with a tracking.
  • Two different orientations relative to a flow to be measured are referred to as measuring directions, wherein the measuring directions may differ in particular from the amount relative to the flow, so that a first
  • Measuring direction in a direction against the flow and a second measuring direction is inclined in a direction with the flow or runs in the flow direction. Such differences can result from different temperature or
  • Shifts provides a compensation factor or a correction value.
  • the above-described reduction by means of a decimation filter (combining a plurality of sampling points by averaging) may be provided by an Si 2 filter.
  • the method may include determining the phase and the amplitude, using the phase information in determining the fine time difference, and using the amplitude thus obtained for the coarse time difference.
  • Phase and amplitude detection may be provided by detecting the phase and amplitude, and in one embodiment, the receive ultrasonic pulse may be filtered as described above (eg, by a decimation filter or FIR filter), or may be unfiltered.
  • the course of the receiving ultrasonic pulse may be used to calculate, with a tangent extrapolation, an intersection of the tangent which is applied to the maximum slope envelope of the ultrasonic pulse with the time axis.
  • This reference point can be used to detect the coarse time difference by the time offset is detected at a corresponding time of the transmit ultrasonic pulse, for example, a rising edge of a drive signal of the transmitter.
  • the provision of the fine time difference may comprise detecting a plurality of phase positions during the same pulse, the phase being based on these different ones
  • Phase points is extrapolated to a time for which the coarse time difference is detected, d. H. for a reference point of the envelope.
  • the invention further relates to a transit time difference measuring device as defined in claim 10. Further embodiments of this transit time difference measuring device may comprise an FIR filter or a decimating filter as described above, which is connected between the input of the receiving ultrasonic pulse and the coarse comparator or fine comparator. Furthermore, the transit time difference measuring device can
  • Extrapoliervoriques which is connected to the fine comparator to extrapolate several provided by the fine comparator results that relate to the same ultrasonic pulse, to extrapolate to a desired time.
  • the desired time may be provided by the coarse comparator, which is connected to the extrapolator to input this extrapolation target time.
  • Running time difference measuring device further comprise a quadrature circuit to compare the phase characteristics of the transmit ultrasonic pulse and the received ultrasonic pulse.
  • Preferred embodiments provide only a quadrature circuit for the receiving ultrasonic pulse, wherein the phase characteristic of the transmitted ultrasonic pulse is provided by a signal generator of the transit time difference measuring device or a drive for a signal generator within the
  • the transit time difference measuring device may further include an input / output interface for supplying the respective data or signals to the processor from the outside or to transmit the results generated by the processor to the outside, for example to a converter or to an output device.
  • FIG. 2 shows the phase curve within that shown in FIG. 1
  • FIG. 3 shows the course of the amplitude amount of that shown in FIG
  • Fig. 2 shows the phase characteristic of the received ultrasonic pulse shown in Fig. 1 for a period of time during which the amplitude of the envelope is not zero. It can be seen from FIG. 2 that the amplitude changes sinusoidally between 0 and 2 ⁇ , wherein the change is carried out at the frequency corresponding to the carrier frequency of the transmitting ultrasonic pulse (and thus also of the receiving ultrasonic pulse). 1 and 2, it can be seen that no precise coarse time difference can be determined without precise resolution from FIG. 1, and that from FIG. 2 no time difference is to be determined which for the time within the Enveloping would be unique.
  • Noise signal is shown. In between are the four areas, initially a steeply rising area, followed by a steeply sloping area, followed by a low rising area followed by a low falling area until the amplitude range of substantially zero is regained.
  • the waveform shown in Fig. 3 corresponds to the waveform used to provide the coarse time difference.
  • the first high rising edge may be used to serve as a feature present in both the transmit and receive ultrasonic pulses, so that both
  • Ultrasonic pulses according to this feature can be compared with each other to determine the coarse time difference.
  • the instantaneous amplitude shown in FIG. 3 is not used as the starting point for the envelope for calculating the coarse time difference, but rather a simplified signal form, as can be seen in FIG. 4.
  • FIG. 4 shows a profile of an amplitude amount which is shown in FIG.
  • a course as shown in FIG. 4 results from FIG. 3 by time averaging, in particular by filtering by means of a decimation filter.
  • One - Similar course would also result from a filtering by means of a low-pass filter which suppresses the carrier frequency.
  • the profile shown in FIG. 4 results from filtering by means of a decimating filter if it only takes on the maximum value of a group of sampling points and the sampling points to be grouped together encompass substantially half a period (or an entire period) or a multiple thereof ,
  • the tangent 10 has the maximum slope of the first rising edge of the envelope and intersects the envelope at the point where the slope of the first rising edge is maximum because both slope and point of the tangent are known as previously described.
  • FIG. 6 shows a block diagram of an embodiment of the invention
  • the output 110 and the input 120 can be connected to an ultrasonic transducer 130, shown in dashed lines, preferably via a switch 132, which switches back and forth between receive and transmit mode, so that the same transducer 130 used both as a receiver and as a transmitter can be.
  • a switch 132 which switches back and forth between receive and transmit mode, so that the same transducer 130 used both as a receiver and as a transmitter can be.
  • a second switch (not shown in FIG. 6) and a second ultrasonic transducer may be used, so that either the first
  • Ultrasonic transducer 130 to be connected via the switch 132.
  • the transit time difference measuring device further comprises a signal source 140 for generating a signal which can be connected via the output 1 10 to a connectable one
  • Ultrasonic transducer 130 can be discharged.
  • the transit time difference measuring device further comprises a time detection device 150, which in the embodiment shown in FIG. 6 is connected to the signal generator 140 in order to output from it at least one trigger signal or another
  • Time detection device 150 connected so that a time difference between the received ultrasound pulse and transmitted ultrasound pulse can be detected.
  • the time detection device 150 comprises a coarse comparator 160 which detects a coarse time difference from the envelope as described above.
  • the coarse comparator 160 comprises a differentiator, maximum slope detection means, and extrapolation means for providing the time tO for the receiving ultrasound pulse as described above . This time tO may then be compared with the time information provided by signal generator 140, wherein coarse comparator 160 further comprises, for example, a memory or other device (not shown) that provides a systemic delay that takes into account in determining the coarse time difference can be.
  • Both the fine comparator 170 and the coarse comparator 160 are connected to a combiner 180 of the transit time difference measuring device according to the invention, in order to transmit both the coarse-time difference and the fine-time difference thereto.
  • the combiner 180 is arranged to combine the coarse and fine time differences, in particular at least two coarse and fine time differences of successive detection steps or time differences
  • the combiner 180 comprises a single combiner (not shown) and is further connected to a result output 190 of the time of flight difference measuring apparatus of Fig. 6 to provide at this result output a signal representing the combined coarse and fine differences as transit time difference.
  • the result output 190 is set up to be connected to a further evaluation device that is based on the detected transit time difference, which was determined by the transit time difference measuring device of FIG.
  • the transit time difference detection device preferably further comprises a switch connected to the output and the input to alternately operate the converters connectable as transmitters and as receivers.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laufzeitdifferenzmessung. Das Verfahren umfasst: Absenden eines Sende-Ultraschallpulses, der mit einem Sende-Referenzzeitpunkt ausgestattet ist und eine Einhüllende und eine Trägerfrequenz umfasst, in einen Raumbereich und Empfangen eines Empfangs-Ultraschallpulses, der dem Sende-Ultraschallpuls entspricht, welcher durch den Raumbereich übertragen wurde. Eine Grob-Zeitdifferenz wird als Ergebnis eines Schritts des Vergleichens des Sende-Referenzzeitpunkts mit einer Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpuls vorgesehen, für mindestens zwei Schritte des Absendens und Empfangens, die mit zueinander entgegengesetzte Übertragungsrichtungen ausgeführt werden. Eine Fein-Zeitdifferenz wird als Ergebnis eines Schritts des Vergleichens des Sende-Referenzzeitpunkts mit einem Momentanverlauf des Empfangs-Ultraschallpulses, für die mindestens zwei Schritte des Absendens und Empfangens, die mit zueinander entgegengesetzten Übertragungsrichtungen ausgeführt werden. Eine Kombination der Fein-Zeitdifferenzen, die für die entgegensetzten Übertragungsrichtungen vorgesehen werden, wird als Einzelkombination vorgesehen. Eine Kombination der Grob-Zeitdifferenzen, die für die entgegensetzten Übertragungsrichtungen vorgesehen werden, werden ebenso als Einzelkombination vorgesehen. Die Laufzeitdifferenz ergibt sich als eine Kombination dieser Einzelkombinationen. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung mit einem Grob-Vergleicher, einem Fein-Vergleicher und einer Kombiniervorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zur verbesserten Ultraschall-Laufzeitdifferenzmessung Stand der Technik
Aus dem Bereich der technischen Akustik ist bekannt, Ultraschall in einen Raum abzugeben und anhand der im Raum übertragenen Schallwellen auf Eigenschaften des Raums zu schließen. Hierbei bildet die Änderung des Signals durch die Übertragung innerhalb des Raums die physikalische Grundlage für die Erfassung von
Raumeigenschaften.
Diese physikalische Grundlage wird verwendet, um insbesondere eine Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz zu erfassen, um daraus Eigenschaften einer Strömung innerhalb des Raums zu erfassen. Anwendungsbeispiele hierfür finden sich beispielsweise in der Kfz- Technik, bei der Durchflusssensoren zur Erfassung der einströmenden Luftmenge bzw. für die Dosierung des Kraftstoffs bzw. des Kraftstoffgemischs verwendet werden.
Grundsätzlich können Ultraschalidurchflusssensoren (auch diejenigen, die gemäß der im Weiteren beschriebenen Erfindung ausgebildet sind) in allen Bereichen der Technik verwendet werden, bei denen eine Durchflussrate oder Durchflussgeschwindigkeit oder andere Strömungseigenschaften innerhalb eines Raums erfasst werden sollen.
Die Genauigkeit, die mit derartigen Ultraschallsensoren erreicht werden kann, ist beschränkt durch die Genauigkeit des Ultraschallwandlers, sowie durch die
Rauschsignalstärke, die von Störungen außerhalb des Sensors hervorgerufen werden. Derartige Störungen sind beispielsweise Störungen, die von der Umgebung abgestrahlt werden, und insbesondere Störungen durch Strömungsgeräusche, Ventile, Pumpen oder ähnliches. Wandler können aus Kostengründen sowie aus Platzgründen nicht mit unbegrenzter Genauigkeit und Sendeleistung vorgesehen werden, so dass bei
Ultraschalidurchflusssensoren gemäß dem Stand der Technik sich Probleme hinsichtlich der Präzision ergeben, wobei die Präzisionsprobleme nicht vollständig durch hochpräzise und daher teure Sensoren ausgeglichen werden können. Aus der Druckschrift DE 10 2005 037458 A1 ist bekannt, einen Ultraschall- Strömungssensor mit Driftkompensation auszustatten, wobei ein Offset-Fehler des Ultraschallwandlers erfasst wird und bei der Laufzeitmessung berücksichtigt wird. Die dort beschriebene Vorrichtung umfasst eine Auswerteelektronik, die auf der Erfassung der Phasenverschiebung zwischen den Signalen beruht. Die erfindungsgemäße Kombination dient zur Berücksichtigung der Alterung eines Wandlers, die sich auf das
Ansteuerungsverhalten niederschlägt. Druckschrift 10 2007 027188 A1 zeigt ebenso einen Ultraschallsensor, der auf der Erfassung der Phasenverschiebung zwischen Empfangs- und Sendesignal beruht. In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, unterschiedliche Demodulationsfrequenzen zu verwenden und mittels einer so genannten Nonius-Einheit einen eindeutigen
Phasenmessbereich von mehreren Ultraschallperioden zu ermöglichen.
Druckschrift 10 2004 014 674 A1 beschreibt einen Ultraschall-Strömungssensor, wobei ein Nulldurchgang des Ultraschallsignals als Empfangszeitpunkt bestimmt wird, nachdem ein vorgegebener Schwellwert von der Tiefpass gefilterten Signalamplitude des
Ultraschallsignals überschritten wurde.
Die im Stand der Technik beschriebenen Mechanismen zur Kombination von Fehlern sind hinsichtlich der erreichten Präzision beschränkt und erlauben ebenso nur eine
beschränkte eindeutige Erfassung der Laufzeit, da ausschließlich die Phase betrachtet wird.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Ultraschall-Laufzeitmessung bzw. -Laufzeitdifferenzmessung vorzusehen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die
Laufzeitdifferenzmessvorrichtung nach Anspruch 9.
Die Erfindung erlaubt eine deutliche Verbesserung der Präzision bei
Ultraschalllaufzeitmessungen, ohne dass auf kostenintensive hochpräzise
Ultraschallwandler und einer entsprechend genauen Berechnungsschaltung zugegriffen . . werden muss. Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine eindeutige Erfassung der Laufzeitdifferenz über einen großen Messbereich, d.h. über mehrere Ultraschallperioden. Grundsätzlich ermöglicht die Erfindung die Erfassung der Laufzeitdifferenz über einen im Wesentlichen unbegrenzten Messbereich, ohne jedoch eine verringerte Präzision in Kauf nehmen zu müssen. Als besonderer Vorteil ermöglicht die Erfindung nicht nur eine preisgünstige einfache Realisierung, sondern ferner eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich vereinfachte Reduzierung des Berechnungsaufwands, ohne Präzision oder Messbereich bzgl. der Laufzeitdifferenzmessung des Sensors zu verringern.
Besondere Ausführungsformen der Erfindung sehen ferner eine geringe zeitliche
Auflösung der zu verarbeiteten Daten vor bzw. eine deutliche Reduktion der zeitlichen Auflösung der abgetasteten Wandlersignale, wodurch sich der Verarbeitungsaufwand verringert und kostengünstige Bauteile verwendet werden können, ohne jedoch substantielle Verschlechterungen bei der Genauigkeit hinnehmen zu müssen. Vor allem ermöglicht die Erfindung, dass Alterungsprozesse sowie vom Wandler erzeugte Verzerrungen (insbesondere Verzögerungen durch das Ansprechverhalten des Wandlers) kompensiert werden, indem eine differenzielle Auswertung bzw. die erfindungsgemäße kombinierte Auswertung von entgegengesetzt übertragenen Schallpulsen durchgeführt wird. Hierbei kompensiert eine Auswertung der Laufzeit in zwei zueinander
entgegengesetzten Wellenausbreitungsrichtungen das Wandlerverhalten und
insbesondere die Kombination von Fein-Zeitdifferenzen sowie die Kombination von Grob- Zeitdifferenzen gegenläufiger Schallpulse, wobei zur Laufzeitdifferenzerfassung beide Kombinationen wiederum geeignet kombiniert werden. Das der Erfindung zugrunde liegende Konzept ist es, eine Erfassung der Laufzeit anhand einer Einhüllenden mit einer Erfassung der Laufzeit anhand der Phasenbeziehung zwischen Sende-Zeitpunkt und Empfangs-Puls, d.h. mittels einer Messung der Phase des Momentanamplitudenverlaufs des selben Sende-/Empfangspulses zu kombinieren, wobei dies für Schallpulse in zwei zueinander entgegengesetzten Übertragungsrichtungen ausgeführt wird.
Die Ermittlungen der Laufzeit des gleichen Schallpulses, jedoch anhand unterschiedlicher Charakteristika des zugehörigen Wandlersignals (d.h. anhand der Einhüllenden und anhand des Momentanphasenverlaufs) werden als unterschiedliche Erfassungsmodi bezeichnet. Die beiden Zeitdifferenzermittlungen unterschiedlicher Erfassungsmodi, welche anhand von Phasenbetrachtungen des Momentanamplitudenverlaufs bzw. anhand . . der Erfassung der Einhüllenden am gleichen Empfangspuls ausgeführt werden, werden somit für einen Ultraschallpuls in einer Übertragungsrichtung sowie für einen
Ultraschallpuls in der entgegengesetzten Richtung ausgeführt. Die Resultate der
Zeitdifferenzermittlungen werden kombiniert, wobei sich Fehlerkompensationseffekte für Fehler ergeben, die von dem Wandlerverhalten verursacht werden. Die
erfindungsgemäße Kombination der ermittelten Zeitdifferenzen sieht vor, dass die
Zeitdifferenzen, welche jeweils anhand des selben Erfassungsmodus, jedoch für umgekehrte Übertragungsrichtungen erfasst werden, zu Einzelkombinationen des gleichen Erfassungsmodus miteinander kombiniert werden, und die sich ergebenden Einzelkombinationen der beiden Erfassungsmodi miteinander kombiniert werden, um die Laufzeitdifferenz als Endergebnis des Laufzeitdifferenzerfassungsverfahrens vorzusehen. Im einzelnen werden die Fein-Zeitdifferenzen (ermittelt durch Betrachtungen des
Momentanamplitudenverlaufs) von Schallpulsen unterschiedlicher Übertragungsrichtung kombiniert, und die Grob-Zeitdifferenzen (ermittelt durch Betrachtungen der Einhüllenden) von Schallpulsen unterschiedlicher Übertragungsrichtung werden zu Einzelkombinationen kombiniert, insbesondere durch Subtraktion oder auch Addition.
Diese Einzelkombinationen werden zur Ermittlung des Endergebnisses (d.h. der
Laufzeitdifferenz) zusammen mittels einer übergeordneten Kombination kombiniert, beispielsweise per Subtraktion. Diese übergeordnete Kombination sieht vor, einen Term, der die Einzelkombination der Grob-Zeitdifferenzen (d.h. deren Differenz, bzw. die Grob- Laufzeitdifferenz) umfasst, zu runden, und den gerundeten Term mit der
Einzelkombination der Fein-Zeitdifferenzen (d.h. deren Differenz, bzw. die Fein- Laufzeitdifferenz) zu kombinieren, vorzugsweise per Addition. Der zu rundende Term umfasst ferner vorzugsweise die Fein-Laufzeitdifferenz, die von der Grob-Laufzeitdifferenz innerhalb des Terms abgezogen wird. Die Fein-Laufzeitdifferenz, die Grob- Laufzeitdifferenz, oder beide Differenzen innerhalb des Terms können mit einem
Anpassungsfaktor multipliziert werden, so dass nach Multiplikation beide
Laufzeitdifferenzen in der selben Domäne dargestellt sind, bsp. Winkelangaben oder Zeitangaben.
Der zu rundende Term umfasst ferner eine Rundungsausgleichskonstante, die nachgeführt wird. Die Rundungsausgleichskonstante wird gemäß dem Abstand des zu rundenden Terms bzw. des Rundungsarguments zum gerundeten Term bzw. zu den benachbarten Rundungsgrenzen nachgeführt, um durch die
Rundungsausgleichskonstante den zu rundenden Term im Durchschnitt oder über einen - - gleitenden Mittelwert in der Mitte zwischen den beiden Rundungsgrenzen der Rundung zu halten. Dadurch wird ein durch übliche Streuungen hervorgerufener Sprung zum nächsten diskreten Rundungswert vermieden. Insbesondere ermöglicht die Nachführung der Konstante, die in Form eines zu addierenden Wertes dem Rundungsargument hinzugefügt wird, dass Phasendrifts oder Zeitdrifts, die sich langsam ändernde
Wandlereigenschaften oder Asymmetrien bzgl. der Schallübertragung z.B. aufgrund einer Strömung verursachen, zumindest teilweise kompensiert werden. Derartige Drifts werden von der Konstanten aufgenommen, die naturgemäß das gleiche zeitliche Verhalten zeigt, wie die Drifts. Die Konstante kann nachgeführt werden, indem die beiden Abstände zwischen dem Rundungsargument einschließlich der Konstanten und den beiden nächstliegenden Rundungsgrenzen für zumindest eine Messung ermittelt werde. Die Abstände werden akkumuliert, beispielsweise mit einem gleitenden Mittelwert oder mittels eines Tiefpass. Für eine folgende Laufzeitdifferenzerfassung wird die Konstante so vorgesehen (z.B. durch Verringern oder durch Erhöhen der Konstanten), dass die Konstante für die vergangenen Messungen das Argument im Wesentlichen in der Mitte zwischen den Rundungsgrenzen vorsieht, und diese Konstante für die folgende
Laufzeitdifferenzerfassung verwendet wird. Bei einer Kombination von Fein- Zeitdifferenzen und Grob-Zeitdifferenzen entgegengesetzter Richtungen durch
Differenzbildung heben sich die beiden zugehörigen Konstanten zumindest teilweise auf, so dass eine nachzuführende Konstante innerhalb des Rundungsarguments nicht unbedingt notwendig wäre. Eine vollständige Aufhebung tritt prinzipiell nur für streng symmetrische bzw. reziproke Übertragungs-Situationen. Dieser Idealzustand liegt nur bei einem isotropen Übertragungsmedium vor, welches also z.B. keinen makroskopischen Strömungszustand aufweisen darf. Im Fall einer Strömung dagegen kann sich u.U. außer der (zu messenden) Laufzeitdifferenz auch das Rundungsargument von der Mitte zwischen den beiden jeweils benachbarten Rundungsgrenzen wegbewegen. Dies kann z.B. dadurch hervorgerufen werden, dass sich mit und entgegen der Strömungsrichtung unterschiedlich starke Strahlverwehungen einstellen, so dass in beiden
Übertragungsrichtungen unterschiedliche Bereiche der räumlichen Abstrahl- bzw.
Empfangs-Charakteristik der Ultraschallwandler und damit leicht unterschiedliche
Übertragungsfunktionen wirksam sind. Deshalb wird vorzugsweise eine nachzuführende Konstante verwendet, die sich in ihrer Nachführung an der Mitte zwischen beiden Rundungsgrenzen (als Zielvorgabe) orientiert. Daher wird erfindungsgemäß vorgesehen, die Grob- und Fein-Differenzen für zueinander entgegengesetzte Richtungen zu erfassen und zunächst, für jeden Erfassungsmodus - - getrennt, die Zeitdifferenzen zu kombinieren, die entgegengesetzten
Übertragungsrichtungen zugeordnet sind. Die für jeden Erfassungsmodus einzeln durchgeführte Kombinationen werden wiederum miteinander in einer übergeordneten Kombination kombiniert. Diese sieht vor, die (als Subtraktion vorgesehene) Kombination der Grob-Zeitdifferenzen und die (als Subtraktion vorgesehene) Kombination der Fein- Zeitdifferenzen zu kombinieren, vorzugsweise einschließlich der (zu addierenden) Rundungsausgleichskonstanten, und die erhaltene Kombination zu Runden. Das
Rundungsergebnis wird mit der Fein-Zeitdifferenz durch Addition kombiniert. Somit umfasst die Erfassung der Laufzeitdifferenz lediglich die Kombination von Zeitdifferenzen als Subtraktion zweier Zeitdifferenzen, die in unterschiedliche Richtungen übertragen werden. Durch diese differenzielle Messweise ergeben sich im Vergleich zur absoluten Messweise Kompensationen von Wandlereigenschaften, die diese als Sender und als Empfänger in gleichem Maße aufweisen. Als Zeitdifferenzen werden hierbei Zeitdauern bezeichnet, die sich zwischen dem Senden und dem Empfangen ergeben.
Durch die Verwendung unterschiedlicher Erfassungsmodi wird die Uneindeutigkeit der Phasenmessung vollständig kompensiert anhand der Information, die sich aus der Laufzeiterfassung ergibt, und die Ungenauigkeit der Laufzeitmessung wird vollständig kompensiert durch die Genauigkeit der Phasenmessung. Um die Informationen aus der Phasenmessung mit den Informationen aus der Laufzeitmessung in Einklang bringen zu können, wird die Einhüllende des Sende-/Empfangs-Ultraschallpulses betrachtet, um eine erste, grobe Zeitinformation aus der Laufzeitmessung erhalten zu können. Diese wird zur Erhöhung der Präzision ergänzt durch die Information, die sich aus der Phasenmessung ergibt. Gemäß einer anderen Betrachtungsweise wird die genaue, jedoch uneindeutige Information aus der Phasenmessung für einen größeren Laufzeitbereich nutzbar gemacht, indem diese Information mit der Grobinformation aus der Betrachtung der Einhüllenden kombiniert wird. Die Information aus der Einhüllenden ermöglicht es, die aufgrund der Periodizität des Trägersignals uneindeutige Phaseninformation in den breiten Kontext der Einhüllenden zu stellen, wobei gegebenenfalls die (für sich genommen) uneindeutige Phaseninformation mittels der (groben) Laufzeitinformation auf einen sehr großen
Messbereich eindeutig erweitert werden kann.
Während die Phase und der Zeitpunkt bzw. die Hüllkurve des Empfangs-Ultraschallpulses tatsächlich erfasst werden, in dem beispielsweise ein Zeitreferenzpunkt im Wellenverlauf berechnet oder konstruiert wird, sieht die Erfassung des Sende-Ultraschallpulses lediglich vor, einen Zeitreferenzpunkt bereitzustellen, d.h. einen Sende-Referenzzeitpunkt, . _ beispielsweise in Form eines Triggerimpulses einer Zeitmarke oder anhand der elektrischen Ansteuersignale des Wandlers. Da durch die Wandler die Form der
Ansteuersignale grundsätzlich verformt und auch verzögert werden (bsp. durch angekoppelte Schwinger und durch Resonanzverhalten der Wandler), erfordert die Erfassung (eines Zeitreferenzpunkts) des Empfangs-Ultraschallpulses eine tatsächliche Analyse (der Phase und der Form der Einhüllenden), während der Zeitreferenzpunkt des Sende-Ultraschallpulses in Form des Ansteuersignais durch eine Steuerung vorgegeben wird. Der Sende-Referenzzeitpunkt betrifft den Sende-Ultraschallpuls in seiner
Darstellung als elektrisches Signal und kann aus einem Trigger- oder Ansteuersignal gewonnen werden, ggf. einschließlich einer konstanten oder als konstant
anzunehmenden Verzögerung. Ebenso ergibt sich für den akustischen Sende- Ultraschallpuls eine eindeutige Abhängigkeit von dem Ansteuersignal, wobei diese Abhängigkeit wiederum von den Wandlereigenschaften (Ansprechverhalten) abhängt und ggf. eine vorgegebene Verzögerung umfasst.
Ferner können sich durch Änderungen der Wandlereigenschaften Fehler ergeben, die durch einen langsam zunehmenden Phasenfehler in den Wandlern entstehen. Da diese Phasenfehler zumindest innerhalb einer reziproken Übertragungssituation für einen Wandler im Sendemodus die gleichen sind wie im Empfangsmodus, kann durch eine Differenzbildung (d.h. durch die oben genannte Subtraktion) der Fein-Zeitdifferenz (und der Grob-Zeitdifferenz) für beide, zueinander entgegengesetzte Übertragungsrichtungen kompensiert werden. Darüber hinaus kann dem Term, der als Argument für die Rundung dient, eine additive Konstante hinzugefügt werden, wobei sich eine Rundung
einschließlich der Konstanten ergibt. Die Konstante kann gemäß dem Abstand zwischen dem Rundungsargument und den Rundungsschwellen (oder einer der beiden
Rundungsschwellen) nachgeführt werden. Als Abstand wird hierbei der Abstand zwischen Rundungsschwellen und einem zeitlich gemittelten Rundungsargument (oder einem Rundungsargument, das frühere und insbesondere die vorangehende Erfassung umfaßt) bezeichnet. Ergibt sich somit eine Phasendrift (d.h. langsam zunehmene
Phasenverschiebung gegenüber der Grob-Zeitdifferenz), so kann durch integrierte oder tiefpassgefilterte Nachführung der Konstanten innerhalb des Rundungsterms vermieden werden, dass eine Phasendrift mit der Zeit aufläuft, die zu einer Rundung in die nächste Periode des Momentanamplitudenverlaufs führt, und somit ein nicht zutreffender
Phasensprung in der Laufzeit- bzw. Laufzeitdifferenzerfassung (als Endergebnis) auftritt. Als Konstante wird daher ein Wert bezeichnet, der sich nur langsam mit der Phasendrift - - ändert, um diese zu kompensieren, im Gegensatz zu den sich (im Vergleich hierzu) schnell ändernden Zeitdifferenzen, Laufzeiten und Laufzeitdifferenzen.
Als„Empfangs-Ultrasschallpuls" und„Sende-Ultrasschallpuls" werden akustischen Wellen und deren elektrisches Äquivalent auf der anderen Seite des Wandlers gleichermaßen bezeichnet. Bei der Wandlung zwischen der elektrischen Seite und der akustischen Seite (und umgekehrt) können Verzögerungen und/oder Verformungen auftreten. Als
Zeitdifferenzen (d.h. Fein- und Grob-Zeitdifferenzen) werden Zeitdauern bezeichnet, die das zeitliche Intervall zwischen Empfangs- und Sendepuls (bzw. Sendezeitpunkt) kennzeichnen.
Um die Eindeutigkeit der Phaseninformation herzustellen bzw. deren Wertebereich auf mehrere Ultraschallperioden bzw. mehr als 2π auszudehnen, wird die Einhüllende des Ultraschallpulses betrachtet, deren Verlauf zur entsprechenden Grobregistrierung verwendet wird. Zur groben Erfassung der Laufzeit wird daher die Einhüllende verwendet, um die Form der Einhüllenden des Sende-Ultraschallpulses (genauer: der Sende- Referenzzeitpunkt) mit der Form oder einem Merkmal der Form der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses in Übereinstimmung zu bringen und so eine Grob- Zeitdifferenz zu erfassen. Als Merkmal der Form der Einhüllenden wird beispielsweise eine erste ansteigende Flanke der Einhüllenden bezeichnet oder auch ein erstes
Maximum. Die Grob-Zeitdifferenz entspricht der Laufzeitinformation, die sich aus der Betrachtung der Laufzeit allein ergibt. Zusätzlich wird erfindungsgemäß eine Fein- Zeitdifferenz erfasst, die der Information entspricht, die aus der Phasenerfassung resultiert. Die Phasenerfassung basiert auf der Phasenbetrachtung des Trägersignals und ist somit naturgemäß nur innerhalb einer gesamten Periode (das heißt 0° - 360° bzw. 0 - 2π oder -π - +π oder einem vergleichbaren Bereich) eindeutig. Die Einhüllende des Sende-Ultraschallpulses (insbesondere der Sende-Referenzzeitpunkt, bsp. ein
Triggersignal oder ein Zeitsignal, das den Zeitpunkt des Erzeugens des Ultraschallpulses bestimmt) und die Einhüllende des Empfangs-Ultraschallpulses können durch eine übliche Korrelationsfunktion in Übereinstimmung gebracht werden, oder ebenso durch einen Matched-Filter, der auf die Einhüllende des Empfangs-Ultraschallpulses
angewendet wird, wobei sich die Grob-Zeitdifferenz aus dieser Korrelation bzw. aus dem Ergebnis des Matched-Filters im Vergleich zu dem Sende-Referenzzeitpunkt ergibt. Neben einer Korrelation können auch andere Mechanismen zur Erfassung eines
Zeitversatzes verwendet werden, insbesondere eines Merkmals des Empfangs- Ultraschallpulses, mit dem der Sende-Referenzzeitpunkt verglichen wird, beispielsweise . . indem ein Merkmal wie ein Maximum, ein Wendepunkt, ein Minimum oder ein
Nulldurchgang der Einhüllenden, der ersten oder zweiten zeitlichen Ableitung der
Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses erfasst wird und mit einer
Synchronisiervorrichtung, einem Zeitmesser (beispielsweise ein Zähler) oder ähnlichem mit dem gesendeten Signal (d.h. mit dem Sende-Referenzzeitpunkt ) verglichen wird, um den Zeitversatz, das heißt die Grob-Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangs- Ultraschallpuls zu erfassen. Der Wendepunkt wird erfasst durch Erfassung eines
Maximums der Steigung der Einhüllenden oder eines Nulldurchgangs der zweiten zeitlichen Ableitung der Einhüllenden. Der Empfangs-Ultraschallpuls muss nicht notwendigerweise mit dem Sende-Ultraschallpuls verglichen werden, sondern kann auch mit einem Signal verglichen werden, das an den Wandler abgegeben wird, oder mit dem der Wandler inklusive Vorstufe oder auch inklusive Pulsformfilter angesteuert wird.
Beispielsweise kann der Vergleich mit dem Sende-Ultraschallpuls vorgesehen werden durch einen Vergleich mit einem Triggersignal, beispielsweise mit einer Flanke, mit welcher ein Signalgenerator (beispielsweise einen Pulsformfilter umfasst) angesteuert bzw. getriggert wird, um den Sende-Ultraschallpuls durch Ansteuerung des
Ultraschallwandlers zu erfassen.
Die Betrachtung einer Zeitdifferenz (das heißt insbesondere die Betrachtung der Grob- Zeitdifferenz und der Fein-Zeitdifferenz) ist äquivalent zur Betrachtung der jeweiligen Phase, wobei sich, wie allgemein bekannt, Phase und Zeitdifferenz unmittelbar über die Trägerfrequenz proportional entsprechen. Daher sind hier aufgeführte Merkmale, die eine Zeitdifferenz betreffen, unmittelbar als Merkmale zu verstehen, die eine
Phasenbetrachtung betreffen, und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Laufzeitdifferenzmessung umfasst daher einen Schritt des Absendens eines Sende-Ultraschallpulses in einem Raumbereich, wobei der Sende-Ultraschallpuls mit einer Trägerfrequenz vorgesehen ist, und eine Einhüllende aufweist. Um die Uneindeutigkeit der Fein-Zeitdifferenz (das heißt der Phaseninformation) aufzulösen, umfasst die Einhüllende nicht nur eine Gleichsignalkomponente (DC), sondern auch eine Wechselsignalkomponente (AC), selbst wenn die
Wechselsignalkomponente nur aus einer ansteigenden oder abfallenden Flanke besteht. Grundsätzlich kann als Einhüllende jedes beliebige Signal verwendet werden, das nicht eine konstante Signalstärke zu jeder Zeit aufweist, sondern das zumindest eine Flanke aufweist. Besonders bevorzugt sind jedoch Einhüllende mit einer Autokorrelationsfunktion, die ein Maximum aufweist, welches sich stark von dem Wert der Autokorrelationsfunktion . - an einer anderen Stelle unterscheidet. Die Dauer der Einhüllenden, d.h. die Zeitdauer, für die die Signalstärke nicht null ist, umfasst eine Vielzahl von Trägersignalperioden. Ferner werden Einhüllende bevorzugt, die eine Dauer haben, die im Vergleich zur Periodendauer des Momentanamplitudensignals sehr groß ist (beispielsweise größer 100 1/frräger oder eine Länge der Einhüllenden, die das 5-, 10-, 20-, 50-, 100-, 200- oder 300-fache der Periodendauer des Trägersignals beträgt).
Gemäß einer allgemeinen Betrachtung sind orthogonale Signale zur Definition des Verlaufs der Einhüllenden zur Ausführung der Erfindung geeignet. Bei der Verwendung von periodischen Einhüllenden ist die Länge der Periodizität der Einhüllenden größer als der Messbereich des Laufzeitmessungsverfahrens, für den dieses eingesetzt wird. Als Einhüllende werden insbesondere einzelne Pulse betrachtet, die nicht länger als eine anzunehmende Gesamtlaufzeit (das heißt Hin- und Rückweg des Ultraschallsignals) sind, und sich nach einer weiteren Echoberuhigungszeit wiederholen. Insbesondere ist die Einhüllende beendet, wenn der Anfang der Einhüllenden bereits am Empfänger (das heißt am Wandler) eintrifft, vorzugsweise inklusive einer zusätzlichen Schutzdauer, während der eine Sensorvorrichtung von Senden auf Empfangen umschaltet. Die oben betrachtet mögliche Periodizität der Einhüllenden betrifft nur eine Wiederholung der Signalform innerhalb ein und derselben Einhüllenden; insbesondere bezeichnet dies nicht die wiederholte Aussendung von Einhüllenden zur wiederholten Abtastung der Umgebung. Die Einhüllende ist somit ein und derselben Abtastperiode zugeordnet und umgreift insbesondere nicht mehr als eine einzelne Abtastperiode bzw. deren Sendeabschnitt zu Beginn der Abtastperiode. Die Länge der Einhüllenden ist daher definiert durch den anzunehmenden maximalen Hin- und Rückweg innerhalb des Sensors, wobei die Länge des Hin- und Rückwegs durch bauliche Gegebenheiten des Sensors gegeben ist, beispielsweise der Abstand zwischen Wandler und gegenüberliegendem Reflektor bzw. gegenüberliegender Wand oder Abstand zwischen den Wandlern.
Der Sende-Ultraschallpuls wird als Empfangs-Ultraschallpuls empfangen, wobei dieser dem Sende-Ultraschallpuls entspricht, der im Raumbereich reflektiert oder durch diesen hindurch gestrahlt wurde. Innerhalb des Raumbereichs befindet sich eine Strömung, deren Eigenschaften durch die Laufzeitmessung erfasst werden. Insbesondere die später erhaltene Laufzeitdifferenz hängt unmittelbar von der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Raumbereichs ab, so dass sich aus den kombinierten Zeitdifferenzen (das heißt aus der gemessenen Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz) auf die
Strömungsgeschwindigkeit schließen lässt. Die Zeitdifferenzen zwischen den Sende- - -
Ultraschallpulsen und den Empfangs-Ultraschallpulsen werden als (differentielle) Laufzeit erfasst; die Laufzeitdifferenz wiederum ist die physikalische Messgröße, aus der sich die physikalischen Eigenschaften der Strömung ableiten lassen. Erfindungsgemäß wird der Sende-Ultraschallpuls von (mindestens) einem (weiteren) Wandler gesendet, der sich von dem Wandler unterscheidet, mit dem der Empfangs- Ultraschallpuls gesendet wird. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird das Absenden und das Empfangen wiederholt (z.B. doppelt oder abwechselnd) ausgeführt, wobei zunächst ein erster Wandler den Sende-Ultraschallpuls abgibt, der nach Durchtritt durch den Raumbereich von einem zweiten Wandler als Empfangs-Ultraschallpuls empfangen wird. Wie oben beschrieben werden die Zeitdifferenzen zwischen Senden und Empfangen (als Laufzeitkomponenten) erfindungsgemäß gemessen. Dann werden die Funktionen der Wandler für eine weitere erfindungsgemäße Laufzeitmessung umgekehrt. Bei der weiteren Laufzeitmessung sendet der zweite Wandler, d.h. der Wandler, der bei der vorherigen Laufzeitmessung den Empfangs-Ultraschallpuls erfasst hat, den Sende- Ultraschallpuls ab, und der erste Wandler, d.h. der Wandler, der bei der vorherigen Laufzeitmessung den Sende-Ultraschallpuls abgegeben hat, empfängt den Empfangs- Ultraschallpuls. Somit wird das erfindungsgemäße Verfahren wiederholt, insbesondere die Schritte des Empfangens und des Sendens, wobei die Funktionen des Sendens und des Empfangens bei der wiederholten Laufzeitmessung umgekehrt sind. In gleicherweise sind die Ausbreitungswege umgekehrt: während der Schall sich bei der ersten
Laufzeitmessung vom ersten Wandler zum zweiten Wandler ausbreitet, wird der Schall bei der wiederholten Laufzeitmessung vom zweiten Wandler (über den Raumbereich) an den ersten Wandler übertragen. Die Wiederholung kann ein- oder mehrmals ausgeführt werden, wobei jedoch vorzugsweise der Sende-Ultraschallpuls ungefähr gleich oft von allen (d.h. von beiden) Wandlern ausgesendet wird und sich somit die Übertragungsrichtung des Ultraschallpulses n-mal ändert, wobei n eine Zahl größer null ist.
Ferner kann das Senden und Empfangen verkettet vorgesehen werden, wobei ein erster Puls von einem ersten Wandler zu einem zweiten Wandler übertragen wird, und die zugehörige erste Fein-Zeitdifferenz und erste Grob-Zeitdifferenz wird erfasst. Daraufhin wird ein zweiter Puls von dem zweiten Wandler zu dem ersten Wandler übertragen, und die zugehörigen zweiten Fein- und Grob-Zeitdifferenzen werden erfasst. Ein dritter Puls wird wieder vom ersten an den zweiten Wandler übertragen, und die zugehörigen dritten Fein- und Grob-Zeitdifferenzen werden erfasst. Kombiniert werden nicht nur der erste und der zweite, sowie der dritte und ein weiterer Puls im Sinne von aufeinander folgenden - -
Paaren, sondern der zweite und der dritte Puls werden ebenso für eine weitere Messung verwendet. Es werden allgemein Zeitdifferenzen aufeinander folgender Gruppen oder Paare von Pulsen ausgewertet, wobei die Kombinationen der erfassten Zeitdifferenzen innerhalb der Gruppen bzw. Paare ausgeführt werden. Verschiedene Paare oder Gruppen von Pulsen können entweder keine Messungen zu den gleichen Pulsen aufweisen
(Beispiel: Pulse Nr. 1 , 2, 3, 4; Kombinationen: 1/2 und 3/4, nicht jedoch 2/3 oder 2/4), oder die differenzielle Betrachtung umfasst die Kombination von Pulsen unterschiedlicher Gruppen, d.h. die Mehrfachverwendung der Zeitdifferenzen ein und des selben Pulses (Beispiel: Pulse Nr. 1 , 2, 3, 4; neben den Kombinationen: 1/2 und 3/4: Kombination 2/3). Somit kann auch eine fortlaufende Differenzbildung (bsp. als Kombinationen ein- und derselben Zeitdifferenz mit einer nachfolgenden und einer vorangehenden Zeitdifferenz, die jeweils einer entgegengesetzten Übertragungsrichtung angehören) vorgesehen werden. Diese wechselnde (da die Laufrichtung umkehrende) Ausführungsform der Erfindung sieht Differenzen der Fein- und der Grob-Laufzeit in eine Richtung abzüglich der Fein- und der Grob-Laufzeit in die umgekehrte Richtung vor. Aus den Differenzen kann unmittelbar auf die physikalischen Eigenschaften des Schallmediums innerhalb des Raumbereichs geschlossen werden, welches die mindestens zwei umgekehrt laufenden Schallpulse überträgt.
Die Laufzeitdifferenz ergibt sich vorzugsweise zu:
At= (φλ - φ2)/2π + round^tO, - t02)- fempf - (φ1 - φ2 ) / 2π + x)) mit :
At - Laufzeitdifferenz
φλ = Fein-Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangspuls in der ersten
Übertragungsrichtung
φ2 - Fein-Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangspuls in einer
Übertragungsrichtung umgekehrt zur ersten Richtung
t0, = Grob-Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangspuls in der ersten
Übertragungsrichtung - - t02 = Grob-Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangspuls in einer
Übertragungsrichtung umgekehrt zur ersten Richtung
fempf - FreqUenz des Trägersignals des Empfangspulses. -φ2) /2π jst njerbei ein Term, der die Zeitdifferenz für die Übertragungen wiedergibt, die in zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen ausgeführt werden, und betrifft die Komponenten der Erfassung, die anhand des Phasenvergleichs als Fein-Zeitdifferenzen vorgesehen sind.„Fein-Zeitdifferenz" ist hierbei lediglich die Differenz zwischen dem Sende- und dem Empfangspuls einer einzelnen Übertragung.
(t0x t02) jempf _st e_n jerrn^ ^er Differenz der Grob-Zeitdifferenzen wiedergibt und entspricht einer Komponente der Zeitdifferenz, die basierend auf den Einhüllenden (in beide Richtungen) erfasst wird. Dieser Term wird um die Komponente der Zeitdifferenz korrigiert, der auf den Erfassungen der Fein-Zeitdifferenzen beruht, bevor eine Rundung stattfindet. Dieser korrigierte Term der Grob-Zeitdifferenz wird gerundet, da die Grob- Zeitdifferenzen fehlerbehaftet sind und nur zur Einordnung des Erfassungsergebnisses in eine bestimmte Trägerwellenperiode (oder -halbwelle) dienen. Im Falle einer
kontinuierlichen Änderung der Laufzeit von Messung zu Messung (bezogen auf die jeweils gleiche Übertragungsrichtung) nimmt das Ergebnis der Rundung einen
treppenförmigen Verlauf an, der gerade dann springt, wenn die zugehörige Phase den Phasenmessbereich (z.B. 0° - 360°) überschreitet. Durch Addition mit dem
phasenbasierten Erfassungsergebnisses wird das Gesamtergebnis präzisiert bzw. das mehrdeutige phasenbasierte Erfassungsergebnis wird durch die Addition auf einen größeren Phasenmessbereich erweitert. x ist eine Rundungsausgleichskonstante, die so gewählt (und gegebenenfalls
nachgeführt) wird, dass
(ίθ, - t02 )■ fempf - (φλ - φ2 ) Ι2π + χ) - round((t0l - t02 )- fempf - (φι - φ2 ) /2π + x))im zeitlichen Mittel Null oder nahe bei Null bleibt. Hierbei ist x ein Summand, der dem Argument der Rundung hinzuaddiert wird, wobei die Differenz zwischen dem Argument der Rundung und dem gerundeten Argument erfasst wird, um diese Differenz über die Zeit zu mittein (bsp. mittels eines Integrators oder durch Mittelung über eine Zeitfenster). Dadurch wird eine sich entwickelnde Abweichung durch zunehmenden Phasenversatz (d.h. ein Phasendrift hervorgerufen durch den Wandler) erfassbar. Um Rundungsfehler (in - -
Form von Sprüngen) zu vermeiden wird x langsam (bsp. Tiefpassfiltert) nachgeführt, um so den Drift zumindest teilweise auszugleichen.
Gemäß dieser Ausführungsform werden die einzelnen Ergebnisse, d.h. die Fein- und die Grob-Zeitdifferenzen, die sich durch die erste und die wiederholte Messung ergeben, (für jeden Erfassungsmodus einzeln) miteinander kombiniert. Diese Kombination kann vorgesehen werden durch: Addieren der Zeitdifferenzen, (arithmetisches) Mitteln der Zeitdifferenzen oder durch Ausbilden der relativen Differenz der Zeitdifferenzen (d.h. der sich aus Phasen- und Einhüllendenunterschied ergebenden Übertragungsdauer).
Insbesondere wird diese Kombination vorgesehen durch Abziehen aller einzelnen Fein- und Grob-Zeitdifferenzen, die sich in einer Ausbreitungsrichtung ergeben, von den Fein- und Grob-Zeitdifferenzen, die sich in die umgekehrte Ausbreitungsrichtung ergeben. Die Kombination betrifft Messungen innerhalb eines kurzen Zeitraums, innerhalb dessen davon ausgegangen werden kann, dass Strömungsverhältnisse innerhalb des
Raumbereichs sich nicht wesentlich geändert haben. Mit den Messergebnissen sind insbesondere physikalische Größen wie Temperatur, Luftfeuchte und
Schallgeschwindigkeit des akustischen Mediums verknüpft, die sich deutlich langsamer ändern als die Strömungsverhältnisse, und daher aus den Messungen durch zeitliche Mittelung vorgesehen werden können. An die Stelle der oben stehenden
Strömungsverhältnisse können durch die physikalische Verknüpfung auch die oben genannten physikalischen Größen treten. Alternativ betrifft die Kombination alle
Zeitdifferenzen innerhalb eines gleitenden Zeitfensters, wobei die vorgesehene Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz einen Mittelwert für dieses Zeitfenster darstellt. Anstatt der Kombination über ein Zeitfenster können auch die einzelnen Zeitdifferenzen über die Zeit integriert werden.
Eine erfindungsgemäße Laufzeitdifferenzmessvorrichtung umfasst eine
Kombinationsvorrichtung, die zur Ausführung dieser Kombinationen eingerichtet ist. Vorzugsweise umfasst die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung ferner einen Speicher, in dem mehrere Zeitdifferenzen gespeichert werden (d.h. zumindest die der ersten Messung und die der wiederholten Messung mit umgekehrter Richtung). Der Speicher ist mit der Kombinationsvorrichtung verbunden und gibt die einzelnen Zeitdifferenzen an die Kombinationsvorrichtung ab. - -
Grundsätzlich kann zwischen den verschiedenen Wandlern der Raumbereich vorgesehen sein, oder die Wandler können auf einer Seite des Raumbereichs vorgesehen sein, wobei ein Reflektor auf der gegenüberliegenden Seite vorgesehen ist. Durch die Kombination der Fein- und Grob-Zeitdifferenzen, die umgekehrte
Übertragungen des Sende-Ultraschallpulses betreffen, werden durch Wandler bedingte Fehler, die sich bei Absolutzeitmessungen der Laufzeit ergeben, gegeneinander aufgehoben, da durch die Kombination lediglich der Relativbetrag der Verzögerung vorgesehen wird, um den sich die Laufzeit eines Pulses übertragen in eine Richtung von der Laufzeit eines Pulses übertragen in die umgekehrte Richtung unterscheidet. Daher werden insbesondere Kombinationen bevorzugt, bei denen Laufzeiten unterschiedlicher Richtungen voneinander abgezogen werden.
Einerseits treten die erwünschten Fehlerkompensationen auf, wenn eine Laufzeitdifferenz ermittelt wird, da z.B. alterungsbedingte Veränderungen der Laufzeit näherungsweise in beiden Übertragungsrichtungen gleich sind und deshalb selbst innerhalb des
Eindeutigkeitsbereichs einer normalen Phasenmessung auch kleine Laufzeitdrifts durch die Differenzbildung noch kompensiert werden können. Andererseits treten weitere Kompensationen auf, wodurch zusätzlich der Eindeutigkeitsbereich der Phasenmessung erheblich erweitert werden kann, ohne auf zusätzliche empirische Konstanten
zurückgreifen zu müssen, da Phasendrifts relativ zum Hüllkurvenverlauf bzw. zur
Grobzeitdifferenz bei der Kombination durch Differenzbildung sich gegenseitig aufheben. Empirische Konstanten (die eine wandlerbedingte Phasenverzögerung wiedergeben) könnten nach einem anfänglichen Abgleich z.B. aufgrund von Alterung mit der Zeit ihre Gültigkeit verlieren. Dies ließe sich zwar durch Nachführungen kompensieren. Jedoch würden trotz Nachführung auftretende Fehler zu Fehlmessungen führen, die sich beliebig lang auswirken können.
Alternativ zur oben erwähnten abwechselnden Umkehr der Funktion der Wandler als Sender und Empfänger bzw. umgekehrt, ist es auch möglich an beiden Wandlern gleichzeitig oder zeitlich nur leicht versetzt zu senden und die Funktion der Wandler umzukehren, während die Ultraschallpulse sich noch in dem zu messenden Raumbereich ausbreiten. Die Sende-/Empfangsphasen können sich daher für zwei (oder mehrere) Wandler zeitlich überlappen oder können übereinstimmen. - -
Die Grob-Zeitdifferenz wird vorgesehen durch Vergleichen der Einhüllenden des Sende- Ultraschallpulses mit einer Einhüllenden, die von dem Empfangs-Ultraschallpuls vorgesehen wird. Der Vergleich bezieht sich auf die Zeitdifferenz zwischen beiden Ultraschallpulsen und kann wie oben beschrieben ermittelt werden durch Korrelieren, mittels eines Matched-Filters (der gemäß der Einhüllenden des (akustischen) Sende- Ultraschallpulses ausgebildet ist), durch Betrachten eines Triggersignals, das einen Beginn des Sende-Ultraschallpulses wiedergibt oder einem Sende-Referenzzeitpunkt, der die zeitliche Lage des Sende-Ultraschallpulses wiedergibt, und einem zugehörigen Verlaufsabschnitt der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses, beispielsweise eine steigende Flanke; durch Betrachtung von Verlaufsmerkmalen der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses oder deren erster oder zweiter zeitlichen Ableitung, beispielsweise ein Maximum, Minimum, Nulldurchgang oder Wendepunkt, der Zeitpunkt des Überschreitens einer festen oder variablen Triggerschwelle oder auch eine steigende oder abfallende Flanke anhand des zugehörigen Zeitpunkts in der Einhüllenden des Sende-Ultraschallpulses; oder durch andere Vergleichsverfahren, aus denen sich der Zeitversatz zwischen dem Sende-Ultraschallpulses und des Empfangs-Ultraschallpulses erfasst werden kann. Die Grob-Zeitdifferenz kann so beispielsweise mittels eines Zählers oder jeder anderen geeigneten Auswertelogik erfasst werden, vorzugsweise in digitaler Weise in einem Mikroprozessor. In gleicher weise wird das Vergleichen vorgesehen durch Vergleichen digitaler Signale, vorzugsweise mittels eines Mikroprozessors, wobei die entsprechenden Verfahrensmerkmale realisiert sein können durch Software, durch festverdrahtete Schaltungen oder durch eine Kombination hiervon.
Ferner wird die Fein-Zeitdifferenz vorgesehen als Ergebnis eines Schritts des
Vergleichens einer Phase des Trägersignals. Hierbei wird der Phasenverlauf des
Trägersignals des Sende-Ultraschallpulses (oder der Sende-Referenzzeitpunkt) mit dem Phasenverlauf des Trägersignals des Empfangs-Ultraschallpulses verglichen. Dieser Schritt des Vergleichens entspricht dem Vergleich von Momentanamplituden zwischen Sende- und Empfangsultraschallpuls. Die Fein-Zeitdifferenz orientiert sich daher an dem unmittelbaren Signalverlauf, wie er vom Wandler empfangen wird, wobei jedoch auch hiervon nach der Zeit abgeleitete Signale verwendet werden können.
Erfindungsgemäß werden die Fein-Zeitdifferenzen mit den Grob-Zeitdifferenzen kombiniert, beispielsweise durch Addition von Kombinationen von Fein-Zeitdifferenzen unterschiedlicher Erfassungsschritte mit Kombinationen von Grob-Zeitdifferenzen unterschiedlicher Erfassungsschritte, wobei sich die Erfassungsschritte auf - - entgegengesetzte Übertragungsrichtungen beziehen. Insbesondere kann die Kombination darin bestehen, die Kombination der Grob-Zeitdifferenzen nur als ganzzahlige Vielfache einer Periodenlänge oder einer halben Periodenlänge vorzusehen (beispielsweise durch Runden der nicht gerundeten Kombination der Grob-Zeitdifferenzen abzüglich der Kombination der Fein-Zeitdifferenz als Rundungsargument), und die„Nachkommastelle", das heißt den entsprechenden genauen Anteil innerhalb der Periode oder halben Periode als (Kombination der) Fein-Zeitdifferenzen.
Die Einhüllende ergibt sich bei einigen Wandlerarten, bsp. Piezowandler, durch das Ansprechverhalten des Wandlers auf ein Rechteck-Ansteuersignal oder -impuls und ist definiert durch Trägheit, Resonanzverhalten, Einschwingverhalten, Nachschwingverhalten und Wechselwirkung mit weiteren Schwingungssystemen. Die folgende Betrachtung betrifft Wandler, bei denen näherungsweise angenommen wird, dass diese das
Ansteuersignal im Wesentlichen unverfälscht wiedergeben, insbesondere hinsichtlich der Hüllkurve. Derartige Wandler werden als ideale Wandler angenommen und dienen zur Erläuterung der Erfindungsprinzipien, nicht jedoch der Erläuterung von realen
Umsetzungen, da reale Wandler wesentliche eigene Ansteuercharakteristika aufweisen. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht daher vor, die Einhüllende oder auch nur einen Abschnitt der Einhüllenden derart vorzusehen, dass die zugehörige
Autokorrelationsfunktion der Einhüllenden mindestens ein Maximum aufweist. Im Falle von mehreren Maxima unterscheidet sich vorzugsweise das größte Maxima deutlich von den anderen Maxima, insbesondere unterscheiden sich die beiden größten Maxima um einen Mindestbetrag, um Mehrdeutigkeiten bei der Grob-Zeitdifferenz zu vermeiden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die mit dieser kombinierbar ist, ist der gesamte Verlauf der Einhüllenden, vorzugsweise jedoch nur ein Abschnitt der Einhüllenden eine streng monoton verlaufende Funktion der Zeit. Mit anderen Worten ist die Einhüllende zumindest abschnittsweise nicht konstant, wobei als streng monoton verlaufende Funktion der Zeit Funktionen bezeichnet werden, die für zwei Zeitpunkte, selbst wenn diese unmittelbar aufeinander folgen, nicht den gleichen Wert aufweisen. Alternativ zu streng monoton verlaufenden Funktionen kann auch eine Rechteck-Funktion vorgesehen sein, die zwar eine weniger signifikante Autokorrelationsfunktion aufweist, jedoch anhand der Flanken präzise Information über die Grob-Zeitdifferenz ermöglicht. Insbesondere erlaubt eine einfache Funktion wie die Rechteck-Funktion eine einfache Umsetzung der
Auswerteschaltung, da sich diese lediglich an einer Flanke orientieren muss. Gemäß einer Betrachtungsweise werden die Stellen, an denen die Rechteck-Funktion (oder eine andere Funktion) eine Flanke aufweist als Abschnitt bezeichnet, der gemäß einer streng - - monoton verlaufenden Funktion verläuft (das heißt eine streng monoton steigende Funktion oder streng monoton fallende Funktion, je nach Flankenverlauf), wobei dazwischen ein Abschnitt vorgesehen ist, der nicht streng monoton verläuft, sondern konstant ist. Es genügt daher für die Einhüllende, nur einen Abschnitt aufzuweisen, bei dem eine nicht konstante Funktion den Verlauf definiert, das heißt eine streng monoton verlaufende Funktion, wobei andere Bereiche durchaus als nicht streng monoton verlaufende Funktion vorgesehen sein können (beispielsweise eine konstante Funktion), da der Abschnitt, welcher die streng monoton verlaufende Funktion umfasst, ein Merkmal zu späteren Erfassung wiedergibt. Gemäß einer praxisorientierten Umsetzung kann die Einhüllende dem Schallsignal entsprechen, das sich beim Ansteuern eines
Ultraschallwandlers mit einem Rechteckimpuls ergibt, wobei die Impulsantwort des Wandlers eine deutliche Einschwingphase bei der ansteigenden Flanke des
Ansteuersignais aufweist, während der die Signalstärke kontinuierlich, jedoch nicht sprunghaft mit der Flankensteilheit des Ansteuersignais, ansteigt.
Generell gilt, dass die der Einschwingphase des Wandlers zuzuordnenden Bereiche des Empfangs-Ultraschallpulses weniger empfindlich auf Unterschiede der
Wandlereigenschaften untereinander oder auf Änderungen der Wandlereigenschaften beispielsweise durch Alterung oder Verschmutzung reagieren als nachfolgende Bereiche. Auch aus diesem Grund ist es vorteilhaft, sowohl zur Ermittlung der Grob-Zeitdifferenz vor allem die Einschwingphase des Empfangs-Pulses zu nutzen. Hierbei kann der erste Wendepunkt der Einhüllenden oder das erste Maximum der Einhüllenden verwendet werden, wobei als Einschwingphase beispielsweise die gesamte erste ansteigende Flanke der Einhüllenden bezeichnet wird.
Wie bereits bemerkt, ist die Fein-Zeitdifferenz mehrdeutig, da sich die Phase der
Trägerfrequenz periodisch wiederholt, wenn die Ultraschall-Laufzeit um einen Bereich von mehr als einer Ultraschallperiode variiert. Das Vorsehen der Fein-Zeitdifferenz umfasst daher das Erfassen einer Phasendifferenz zwischen Sende-Ultraschallpuls (oder dessen Sende-Referenzzeitpunkts) und Empfangs-Ultraschallpuls. Hierbei wird der
Momentanverlauf des Trägersignals betrachtet, das heißt der Momentanverlauf des Empfangs-Ultraschallpulses und gegebenenfalls auch des Sendepulses bzw. dessen Ansteuersignais. Insbesondere können Merkmale des Momentanverlaufs zum Vergleich herangezogen werden, das heißt beispielsweise Maxima, Minima oder Nulldurchgänge sowie auch Wendepunkte des Trägersignals des Empfangs-Ultraschallpulses.
Insbesondere können die Ultraschallpulse (das heißt die des Empfangs-Ultraschallpulses) . .
jeweils mit zwei periodischen Demodulationssignalen moduliert, gemischt oder multipliziert werden. Um die Phaseninformation zu erhalten, sind die
Demodulationssignale zueinander phasenversetzt, beispielsweise orthogonale Rechteckoder alternativ Sinus- oder Kosinussignale mit einem Phasenversatz von 90°. Die beiden Ergebnisse, die sich für den jeweiligen Ultraschallpuls durch Modulation mit
verschiedenen Demodulationssignalen ergeben, können miteinander verglichen werden, insbesondere in gemittelter oder integrierter Form, als Quotient ins Verhältnis gesetzt werden, um die Phase zu erfassen. Gemäß einer anderen Betrachtungsweise können die Ultraschallpulse mittels eines Quadraturempfängers erfasst werden, um hieraus den Phasenversatz zwischen Empfangs- und Sende-Ultraschallpuls zu erfassen. Das
Verfahren sieht hierbei vor, die beiden sich durch das Modulieren, Mischen bzw.
Multiplizieren ergebenden Signale zu vergleichen, insbesondere für den Empfangs- Ultraschallpuls zu vergleichen. Dieser Vergleich zwischen den sich durch das Modulieren ergebenden Signale ergibt (für den Sende-Ultraschallpuls sowie) für den Empfangs- Ultraschallpuls die Phaseninformation, da der Unterschied zwischen den beiden sich durch das Modulieren ergebenden Signale durch die Phase relativ zu den
Demodulationssignalen definiert ist.
Die Phase des Empfangs-Ultraschallpulses wird insbesondere ermittelt, indem der Puls mit den beiden Demodulationssignalen multipliziert wird, dann tiefpassgefiltert (und/oder dezimiert) wird und aus den resultierenden Werten der atan2-Wert bezogen auf deren Amplitude oder bezogen auf deren Leistung gebildet wird. Die Phasenbildung kann über den gesamten Ultraschallpuls integriert oder summiert werden, oder vorzugsweise lediglich für den Bereich der Anstiegsflanke (z.B. bis zum ersten Maximum oder
Wendepunkt), da diese am wenigsten durch Alterungseffekte oder Unterschiede zwischen den Wandlern beeinflusst wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Grob-Zeitdifferenz zwar zeitlich hochauflösend ermittelt, jedoch mit geringer zeitlicher Auflösung weiterverarbeitet (insbesondere aus dem Grund, dass bereits die Fein-Zeitdifferenz die präzisen Anteile wiedergibt). Die Einhüllende des Signals, das sich durch Abtastung des Empfangs- und gegebenenfalls auch Sende-Ultraschallpulses ergibt, wird durch ein zeitdiskretes Signal mit einer geringen Datenrate wiedergeben und zur weiteren Berechnung verwendet. Beispielsweise beträgt die Datenrate, die beim Vergleichen der Einhüllenden (des Empfangs- und gegebenenfalls auch Sende-Ultraschallpulses) verwendet wird, nur ein geringes Vielfaches der Trägerfrequenz oder auch ein nichtganzzahliges Vielfaches in - - dieser Größenordnung. Die geringe Abtastung lässt zwar keine besonders genaue Erfassung der Zeitdifferenz zu, jedoch ist für die Grob-Zeitdifferenz ausreichend, dass die korrekte Periode erfasst wird, für die die Fein-Zeitdifferenz gilt. Auch der Momentanverlauf kann mit einer Abtastfrequenz abgetastet werden, die kein geradzahliges Vielfaches der Trägerfrequenz ist. Das abgetastete Signal kann dezimiert werden und/oder mittels Tiefpassfilter oder Bandpassfilter in seiner Maximalfrequenz oder in seiner Bandbreite begrenzt sein.
Ferner kann das zur Erfassung der Zeitdifferenzen verwendete Signal gegenüber dem Empfangspuls nicht frequenzgefiltert oder nicht dezimiert sein (dies gilt für eine Ermittlung anhand des analogen Signals oder des digitalen, abgetasteten Signals), oder das abgetastete Signal wird durch einen Dezimierfilter gefiltert. Der Dezimierfilter sieht vor, ein Signal, das mit einer höheren Abtastrate abgetastet wurde, zu vereinfachen, indem mehrere aufeinanderfolgende Abtastpunkte zusammengeführt werden, beispielsweise durch Mittelwertbildung innerhalb der so gruppierten abgetasteten Punkte, wodurch sich eine geringere Abtastrate ergibt und die einzelnen Werte auf einer Mittelwertbildung eines höher abgetasteten Signals basieren. Durch die Mittelwertbildung werden hohe
Frequenzanteile blockiert, so dass ein Dezimierfilter auf das höher abgetastete Signal im Sinne eines Tiefpasses wirkt. Die Mittelwertbildung, bei der einzelne aufeinanderfolgende Werte des höher abgetasteten Signals zusammengeführt werden, kann als
Fensterintegrator aufgefasst werden, wobei dieser jedoch nicht gleitet, sondern von Gruppe zu Gruppe springt, um jeweils eine Gruppe zu integrierten (und gegebenenfalls auch zu normieren), um dadurch einen Mittelwert auszubilden. Die Erfassung des Momentanamplitudenverlaufs kann eine oder mehrere Tiefpass- oder Bandpassfilterungen umfassen, sowie eine Dezimation, die gegebenenfalls eine
Interpolation umfasst.
Die Fein-Zeitdifferenz wird vorzugsweise als ein Anteil der Periodenlänge vorgesehen, der kleiner als die Periodenlänge der Trägerfrequenz ist. Insbesondere betreffen Grob- Zeitdifferenz und Fein-Zeitdifferenz dann eine halbe Periodenlänge, wenn die Fein- Zeitdifferenz keine Vorzeicheninformation enthält. Jedoch ist bevorzugt, dass sich die Fein-Zeitdifferenz auf die gesamte Periodenlänge bezieht und somit eine
Periodeninformation im Bereich von 0-360° (für eine Periode) bietet. Hierbei wird die Grob-Zeitdifferenz beispielsweise als gerundeter Wert vorgesehen, beispielsweise als ein ganzzahliger Wert, der einem Vielfachen einer Wellenlänge der Trägerfrequenz - - entspricht. Durch die Rundung werden Fehler verringert, die sich bei der Erfassung der Grob-Zeitdifferenz ergeben, wobei die so gelöschte Information ersetzt wird durch die Fein-Zeitdifferenz, welche eine höhere Präzision vorsieht. Die Grob-Zeitdifferenz wird vorzugsweise auf ein ganzzahliges Vielfaches einer einzelnen Wellenlänge der
Trägerfrequenz gerundet.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Fein-Zeitdifferenz für einen Zeitpunkt vorgesehen wird, der mindestens um eine vorgegebene Mindestzeitdauer nach dem Beginn des Sende-Ultraschallpulses bzw. des Empfangs-Ultraschallpulses liegt. Somit liegt der Punkt, für den die Fein-Zeitdifferenz erfasst wird, nicht am Rand der Einhüllenden, insbesondere nicht am Beginn der Einhüllenden. Die Mindestzeitdauer ist mindestens solange wie eine Einschwingzeit des Ultraschallwandlers. Der
Ultraschallwandler wird zum Absenden, zum Empfangen oder für beides verwendet. Hierdurch wird vermieden, dass die Fein-Zeitdifferenz für einen Zeitpunkt vorgesehen wird, in dem sich der Ultraschallwandler noch in einem Einschwingzustand am Anfang des Ultraschallpulses mit entsprechend schlechtem Signal/Rausch-Verhältnis befindet. Dies gilt für den Einschwingvorgang während des Sendens, während des Empfangens oder vorzugsweise für beides. Die Fein-Zeitdifferenz wird vorzugsweise für einen
Zeitpunkt vorgesehen bzw. ermittelt, bei dem der Verlauf des Ultraschallpulses ein besonderes Merkmal aufweist. Dieses Merkmal kann vorgesehen werden durch ein relatives Maximum, ein relatives Minimum, einen Nulldurchgang, einen Wendepunkt, eine maximale Steigung oder ähnliches. Die Erfassung dieser Merkmale kann vorgesehen werden durch Ableiten des Ultraschallpulses und Betrachten der zeitlichen Ableitung, wobei beispielsweise bei einem relativen Maximum oder Minimum die Ableitung Null beträgt und bei einem Wendepunkt das zeitlich abgeleitete Signal ein Maximum (oder Minimum) aufweist. Dadurch wird eine Zeitreferenz für den Empfangspuls vorgesehen, mit der der Sende-Zeitreferenzpunkt verglichen werden kann, um die Fein-Zeitdifferenz vorzusehen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Fein-Zeitdifferenz vorgesehen durch Erfassen von mehreren Momentanphasen, die während unterschiedlicher Zeitpunkte innerhalb desselben Ultraschallpulses bestehen (das heißt innerhalb derselben
Einhüllenden), wobei vorgesehen wird durch Extrapolieren der Momentanphasen auf einen Zeitpunkt für den die Fein-Zeitdifferenz vorgesehen werden soll. Der Zeitpunkt kann beispielsweise einem Nulldurchgang, einem Maximum, einem Minimum, einem - -
Wendepunkt oder einem von solchen Merkmalen ausgehend extrapolierten Zeitpunkt entsprechen.
Weiterhin kann eine Verschiebung zwischen Phasenlage und Einhüllenden, die sich zwischen zwei Messrichtungen unterscheidet, mit einer Nachführung kompensiert werden. Als Messrichtungen werden zwei unterschiedliche Orientierungen gegenüber einer zu messenden Strömung bezeichnet, wobei sich die Messrichtungen insbesondere vom Betrag gegenüber der Strömung unterscheiden können, so dass eine erste
Messrichtung in eine Richtung gegen die Strömung und eine zweite Messrichtung in eine Richtung mit der Strömung geneigt ist oder in Strömungsrichtung verläuft. Derartige Unterschiede können resultieren aus unterschiedlichen Temperatur- oder
Strömungseinflüssen oder aber aus der durch die Strömung gebrochene Symmetrie abweichend von einem streng reziproken Übertragungssystem, wobei die Nachführung die Verschiebung aus vergangenen Messungen erfasst und für zukünftige
Verschiebungen einen Kompensationsfaktor bzw. einen Korrekturwert vorsieht. Die oben beschriebene Reduktion mittels eines Dezimierfilters (der mehrere Abtastpunkte durch Mittelung vereint), kann durch einen Si2-Filter vorgesehen werden. Die
Übertragungsfunktion des Si2-Filters ist definiert durch (sin x/x)2. Insbesondere ist eine Dezimation auf die einfache oder auf die doppelte Signalfrequenz vorteilhaft, weil dadurch bei der Demodulation auftretende Oberwellen unterdrückt werden. Als Signalfrequenz wird hierbei die Trägerfrequenz bezeichnet. Insbesondere können FIR-Filter verwendet werden, um den Empfangs-Ultraschallpuls zu filtern, bevor dieser weiterverwertet wird. Ein derartiger Einsatz von FIR-Filtern kann kombiniert werden mit der Verwendung eines Dezimierungsfilters oder kann an die Stelle des Dezimierungsfilters treten.
Das Verfahren kann die Ermittlung der Phase und der Amplitude umfassen, wobei die Phaseninformation bei der Ermittlung der Fein-Zeitdifferenz verwendet wird, und die so gewonnene Amplitude für die Grob-Zeitdifferenz verwendet wird. Die Erfassung der Phase und der Amplitude kann vorgesehen werden durch Erfassung der Phase und der Amplitude, wobei gemäß einer Ausführungsform der Empfangs-Ultraschallpuls wie oben beschrieben gefiltert sein kann (beispielsweise mittels eines Dezimierungsfilters oder FIR- Filters), oder ungefiltert sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Laufzeitmessung für mehrere
Richtungen durchgeführt, wobei sich die Richtung an der Strömungsrichtung innerhalb des erfassten Raumbereichs orientiert. - -
Ferner kann erfindungsgemäß der Verlauf des Empfangs-Ultraschallpulses verwendet werden, um anhand einer Tangenten-Extrapolation einen Schnittpunkt der Tangente, die an den Punkt der Einhüllenden des Ultraschallpulses mit maximaler Steigung angelegt wird, mit der Zeitachse zu berechnen. Dieser Referenzpunkt kann zur Erfassung der Grob-Zeitdifferenz herangezogen werden, indem der zeitliche Versatz zu einem entsprechenden Zeitpunkt des Sende-Ultraschallpulses, beispielsweise eine ansteigende Flanke eines Ansteuersignais des Senders, erfasst wird. Das Vorsehen der Fein-Zeitdifferenz kann das Erfassen mehrerer Phasenlagen während desselben Pulses umfassen, wobei die Phase anhand dieser verschiedenen
Phasenpunkte extrapoliert wird auf einen Zeitpunkt, für den die Grob-Zeitdifferenz erfasst wird, d. h. für einen Referenzpunkt der Einhüllenden. Die Erfindung betrifft ferner eine Laufzeitdifferenzmessvorrichtung wie sie in Anspruch 10 definiert ist. Weitere Ausführungsformen dieser Laufzeitdifferenzmessvorrichtung können ein FIR-Filter oder einen Dezimierfilter wie oben beschrieben umfassen, der zwischen Eingang des Empfangs-Ultraschallpulses und Grob-Vergleicher bzw. Fein-Vergleicher geschaltet ist. Ferner kann die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung eine
Extrapoliervorrichtung umfassen, der mit dem Fein-Vergleicher verbunden ist, um mehrere von dem Fein-Vergleicher vorgesehenen Ergebnisse, die sich auf denselben Ultraschallpuls beziehen, auf einen gewünschten Zeitpunkt zu extrapolieren. Der gewünschte Zeitpunkt kann beispielsweise vorgesehen werden von dem Grob- Vergleicher, wobei dieser zur Eingabe dieses Extrapolationszielzeitpunkts mit dem Extrapolierer verbunden ist. Zur Phasenerfassung kann die
Laufzeitdifferenzmessvorrichtung ferner eine Quadraturschaltung umfassen, um die Phasenverläufe des Sende-Ultraschallpulses und des Empfangs-Ultraschallpulses zu vergleichen. Bevorzugte Ausführungsformen sehen nur eine Quadraturschaltung für den Empfangs-Ultraschallpuls vor, wobei der Phasenverlauf des Sende-Ultraschallpulses vorgesehen wird von einem Signalgenerator der Laufzeitdifferenzmessvorrichtung oder einer Ansteuerung für einen Signalgenerator innerhalb der
Laufzeitdifferenzmessvorrichtung.
Die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung kann vorgesehen werden durch teilweise oder vollständig programmierbare Hardware wie einen Prozessor, der gegebenenfalls festverdrahtete Logikschaltungen umfasst, sowie durch einen Speicher, der mit dem - -
Prozessor interagiert, und der Programmcodes speichert, welcher die oben
beschriebenen Funktionen vorsieht. Die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung kann ferner eine Eingabe-/Ausgabeschnittstelle umfassen, um die jeweiligen Daten oder Signale dem Prozessor von außen zuzuführen oder die vom Prozessor erzeugten Ergebnisse nach außen, beispielsweise an einen Wandler oder an eine Ausgabevorrichtung, zu übermitteln.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Empfangs-Ultraschallpuls;
Fig. 2 zeigt den Phasenverlauf innerhalb des in der Fig. 1 dargestellten
Ultraschallpulses; Fig. 3 zeigt den Verlauf des Amplitudenbetrags des in Fig. 1 dargestellten
Ultraschallpulses;
Fig. 4 zeigt den Signalverlauf von Fig. 3 nach Filterung mittels eines Dezimierfilters; Fig. 5 zeigt einen ähnlichen Verlauf wie in Fig. 4 mit einer terenten Konstruktion, und zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäß»
Laufzeitdifferenzmessvorrichtung. Detaillierte Beschreibung der Figuren
Die Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Empfangs-Ultraschallpuls mit einer Einhüllenden, die vier Abschnitte mit streng monotonem Verlauf umfasst. Nach einer vor diesen Verläufen vorgesehenen Pausenzeit beginnt ein stark ansteigender Abschnitt, auf dem ein stark fallender Abschnitt folgt. Der stark ansteigende Abschnitt betrifft die Reaktion eines realen, mit Trägheit beaufschlagten Wandlers auf eine ansteigende Rechteckflanke eines Ansteuersignais. Diesem folgt wiederum ein leicht steigender Abschnitt, auf den ein schwach fallender Abschnitt folgt, bis wiederum eine Amplitude von Null erreicht ist. Die beiden äußersten Teile des in Fig. 1 dargestellten Verlaufs zeigen den störenden Einfluss von Rauschquellen. Die beschriebenen steigenden und fallenden Abschnitte definieren die Einhüllende, um durch Vergleich mit dem Sende-Ultraschallpuls eine Grob- - -
Zeitdifferenz zu erfassen. Ferner ist anhand Fig. 1 zu erkennen, dass die Trägerfrequenz entlang der Zeit zumindest in grober Näherung konstant ist.
Die Fig. 2 zeigt den Phasenverlauf des in Fig. 1 dargestellten Empfangs-Ultraschallpulses für eine Zeitspanne, während der die Amplitude der Einhüllenden nicht Null ist. Aus Fig. 2 ist zu erkennen, dass sich die Amplitude sinusförmig zwischen 0 und 2 π ändert, wobei die Änderung mit der Frequenz ausgeführt wird, die der Trägerfrequenz des Sende- Ultraschallpulses (und damit auch des Empfangs-Ultraschallpulses) entspricht. Anhand der Betrachtung der Fig. 1 und 2 ist zu erkennen, dass ohne präzise Auflösung aus der Fig. 1 keine besonders exakte Grob-Zeitdifferenz ermittelbar ist, und dass aus der Fig. 2 keine Zeitdifferenz zu ermitteln ist, die für den Zeitpunkt innerhalb der Einhüllenden eindeutig wäre.
Die Fig. 3 zeigt den in Fig. 1 dargestellten Empfangs-Ultraschallpuls anhand des
Amplitudenbetrags. Dieser Amplitudenbetrag kann auch als Signalstärke angesehen werden, wobei sich die in Fig. 1 dargestellten einzelnen Signalbereiche in Fig. 3 wiederspiegeln. Zu erkennen sind an den beiden Enden der dargestellten Funktion Bereiche, in denen die Einhüllende bzw. die Signalstärke 0 ist und somit nur ein
Rauschsignal dargestellt ist. Dazwischen befinden sich die vier Bereiche, zunächst ein stark ansteigender Bereich, gefolgt auf einen stark abfallenden Bereich, gefolgt von einem schwach steigenden Bereich, gefolgt von einem schwach fallenden Bereich, bis der Amplitudenbereich von im Wesentlichen 0 wieder erreicht wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die in Fig. 3 dargestellte Signalform der Signalform, die zum Vorsehen der Grob-Zeitdifferenz verwendet wird. Beispielsweise die erste stark ansteigende Flanke kann verwendet werden, um als Merkmal zu dienen, das sowohl im Sende- als auch im Empfangs-Ultraschallpuls vorhanden ist, so dass beide
Ultraschallpulse gemäß dieses Merkmals miteinander verglichen werden können, um die Grob-Zeitdifferenz zu ermitteln. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird nicht die in Fig. 3 dargestellte Momentanamplitude als Ausgangspunkt für die Einhüllende zur Berechnung der Grob- Zeitdifferenz verwendet, sondern eine vereinfachte Signalform, wie sie in Fig. 4 zu erkennen ist. Die Fig. 4 stellt einen Verlauf eines Amplitudenbetrags dar, der im
Wesentlichen der Einhüllenden entspricht, wobei der Verlauf gemäß Trägerfrequenz nicht mehr zu erkennen ist. Ein Verlauf wie in Fig. 4 dargestellt, ergibt sich aus der Fig. 3 durch zeitliche Mittelung, insbesondere durch Filterung mittels eines Dezimierfilters. Ein . - ähnlicher Verlauf würde sich auch ergeben durch eine Filterung mittels eines Tiefpass, der die Trägerfrequenz unterdrückt. Insbesondere ergibt sich der in Fig. 4 dargestellte Verlauf durch Filterung mittels eines Dezimierfilters, wenn dieses von einer Gruppe von Abtastpunkten nur den maximalen Wert übernimmt und die so zusammenzufassenden Abtastpunkte im Wesentlichen eine halbe Periode (oder eine gesamte Periode) oder ein Vielfaches hiervon zeitlich umgreifen.
In der Fig. 5 ist ein weiterer beispielhafter Verlauf einer Einhüllenden dargestellt, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Fig. 5 dient der Darstellung eines Verfahrensschritts, mit dem sich ein Zeitpunkt tO ermitteln lässt, für den gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Grob-Zeitdifferenz, die Fein-Zeitdifferenz oder beide erfasst werden. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Steigung der Einhüllenden erfasst, und aus der Steigung die Maximalsteigung ermittelt. Insbesondere wird aus der erfassten Steigung der Zeitpunkt ermittelt, an dem die maximale Steigung auftritt. Der in Fig. 5 dargestellte Verlauf weist eine Steigung auf, die sich bis zum Erreichen der ersten Spitze wieder verringert. Der Punkt des Maximums dieser Steigung ergibt einen Zeitpunkt, an dem die Steigung der Einhüllenden maximal ist. An diesem Punkt der Einhüllenden wird eine Tangente 10 angelegt, die die t-Achse schneidet. Die Tangente 10 wird vorgesehen durch den Zeitpunkt, an dem die erfasste Steigung der Einhüllenden maximal wird, wobei neben dem Zeitpunkt der maximalen Steigung auch der Wert der maximalen Steigung selbst als Tangentensteigung verwendet wird. Durch Extrapolation mittels der entstehenden Geradengleichung der Tangente ergibt sich ein Zeitpunkt tO, für den die Grob-Zeitdifferenz und insbesondere die Fein-Zeitdifferenz ermittelt wird, und der bei der Berechnung der Grob-Zeitdifferenz einen Referenzpunkt für die Einhüllende des
Empfangs-Ultraschallpulses vorsieht. Bei der Verwendung zum Vorsehen der Grob- Zeitdifferenz kann die Tangente 10 verwendet werden, um Sende- und Empfangs- Ultraschallimpuls miteinander zu vergleichen, um die Grob-Zeitdifferenz zu ermitteln. Da tO im Wesentlichen den Beginn der Einhüllenden darstellt (das heißt der Einhüllenden mit einer Amplitude von größer Null), kann dieser Zeitpunkt tO auch dazu verwendet werden, um die Grob-Zeitdifferenz anhand eines Triggersignals zu ermitteln, das den Beginn des Sende-Ultraschallpulses markiert. Aufgrund der bekannten Anregungszeit des Wandlers oder vordefinierter Verzögerungen zwischen Ansteuerungsbeginn und Abstrahlen des Signals durch den Wandler, können derartige Verzögerungen berücksichtigt werden, so dass sich die Grob-Zeitdifferenz als Differenz zwischen Triggerzeitpunkt und tO ergibt, wobei zu diesem Term die aus dem System bekannte Verzögerung hinzu addiert wird (oder substrahiert wird). Ist somit der Beginn der Ansteuerung des Ultraschallwandlers - - durch den Sende-Ultraschallpuls bekannt, beispielsweise mittels eines Triggersignals, so muss lediglich der Punkt tO anhand der maximalen Steigerung der ersten ansteigenden Flanke der Einhüllenden erfasst werden, um die Grob-Zeitdifferenz als Differenz zwischen tO und dem Triggerzeitpunkt zu berechnen, wobei eine vordefinierte, das System wiederspiegelnde Verzögerung berücksichtigt wird, um systemimmanente Verzögerungen bei der Interpolation von tO berücksichtigen zu können. Die Tangente 10 weist die maximale Steigung der ersten ansteigenden Flanke der Einhüllenden auf und schneidet die Einhüllende an dem Punkt, an welchem die Steigung der ersten steigenden Flanke maximal ist, da sowohl Steigung als auch ein Punkt der Tangente wie bereits beschrieben bekannt sind.
Die Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführung der erfindungsgemäßen
Laufzeitdifferenzmessvorrichtung mit einem Ausgang 110 zur Abgabe eines Signals, das den Sende-Ultraschallpuls wiedergibt, sowie einen Eingang zum Empfang eines
Empfangs-Ultraschallpulses. Hierzu kann der Ausgang 110 und der Eingang 120 an einen Ultraschallwandler 130 angeschlossen werden, gestrichelt dargestellt, vorzugsweise über einen Umschalter 132, der zwischen Empfangs- und Sendemodus hin- und herschaltet, so dass der gleiche Wandler 130 sowohl als Empfänger als auch als Sender verwendet werden kann. Ebenso kann ein (in Fig. 6 nicht eingezeichneter) zweiter Umschalter und ein zweiter Ultraschallwandler verwendet werden, so dass entweder der erste
Ultraschallwandler als Sender und der zweite als Empfänger verwendet wird oder umgekehrt, wobei die entsprechende Sende-Empfangs-Richtung umschaltbar ist. Wie bereits beschrieben, sind sowohl Umschalter 132 als auch Ultraschallwandler 130 nicht notwendigerweise Teil der erfindungsgemäßen Laufzeitdifferenzmessvorrichtung.
Vielmehr sind Ausgang und Eingang vorzugsweise eingerichtet, um an den
Ultraschallwandler 130 über den Umschalter 132 angeschlossen zu werden.
Die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung umfasst ferner eine Signalquelle 140 zum Erzeugen eines Signals, das über den Ausgang 1 10 an einen daran anschließbaren
Ultraschallwandler 130 abgegeben werden kann.
Die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung umfasst ferner eine Zeiterfassungsvorrichtung 150, die in der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform mit dem Signalgenerator 140 verbunden ist, um von diesem zumindest ein Triggersignal oder eine andere
Zeitinformation zu erhalten, das den Beginn des Sende-Ultraschallpulses oder Sende- Referenzzeitpunkt wiedergibt. Der Eingang 120 ist ebenso mit der . -
Zeiterfassungsvorrichtung 150 verbunden, so dass eine Zeitdifferenz zwischen Empfangs- Ultraschailpuls und Sende-Ultraschallpuls erfasst werden kann. Hierzu umfasst die Zeiterfassungsvorrichtung 150 einen Grob-Vergleicher 160, der eine Grob-Zeitdifferenz anhand der Einhüllenden wie oben beschrieben erfasst. Um beispielsweise die anhand von Fig. 5 dargestellten Schritte ausführen zu können, umfasst der Grob-Vergleicher 160 einen Differentiator, eine Vorrichtung zur Erfassung der maximalen Steigung sowie eine Extrapoliereinrichtung, mit der der Zeitpunkt tO für den Empfangs-Ultraschailpuls wie oben beschrieben vorgesehen werden kann. Dieser Zeitpunkt tO kann dann verglichen werden mit der von Signalgenerator 140 gelieferten Zeitinformation, wobei der Grob-Vergleicher 160 ferner beispielsweise einen Speicher oder eine andere Vorrichtung umfasst (nicht dargestellt), die eine systemimmanente Verzögerung vorsieht, die bei der Ermittlung der Grob-Zeitdifferenz berücksichtigt werden kann.
Die Zeiterfassungsvorrichtung 150 umfasst ferner einen Fein-Vergleicher 170, der den Phasenverlauf des Sende- oder Schaltpulses versucht und miteinander vergleicht. Hierzu empfängt der Fein-Vergleicher von dem Signalgenerator 140 ein Signal, das den Sende- Ultraschallpuls und dessen Amplituden Momentanverlauf wiedergibt.
Sowohl der Fein-Vergleicher 170 als auch der Grob-Vergleicher 160 sind mit einer Kombiniervorrichtung 180 der erfindungsgemäßen Laufzeitdifferenzmessvorrichtung verbunden, um an diesen sowohl die Grob-Zeitdifferenz als auch die Fein-Zeitdifferenz zu übertragen. Die Kombiniervorrichtung 180 ist eingerichtet, die Grob- und Fein- Zeitdifferenzen zu kombinieren, insbesondere mindestens zwei Grob- und Fein- Zeitdifferenzen aufeinanderfolgender Erfassungsschritte oder Zeitdifferenzen
entgegengesetzter Übertragungsrichtungen. Die Kombiniervorrichtung 180 umfasst eine Einzelkombiniervorrichtung (nicht dargestellt) und ist ferner mit einem Ergebnis-Ausgang 190 der Laufzeitdifferenzmessvorrichtung der Fig. 6 verbunden, um an diesem Ergebnis- Ausgang ein Signal vorzusehen, das die kombinierten Grob- und Feindifferenzen als Laufzeitdifferenz wiedergibt. Kombiniervorrichtung 180, zusammen mit der
Einzelkombiniervorrichtung, ist eingerichtet, zunächst die Grob-Zeitdifferenzen
entgegengesetzter Übertragungsrichtungen zu einer Einzelkombination zu kombinieren und die Fein-Zeitdifferenzen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen zu einer Einzelkombination zu kombiniere. Von der Einzelkombiniervorrichtung werden diese Einzelkombinationen wiederum kombiniert, um die Fein-Zeitdifferenzen gemäß der Grob- Zeitdifferenzen für einen breiten Laufzeiterfassungsbereich vorzusehen bzw. um die - -
Grob-Zeitdifferenzen gemäß der Fein-Zeitdifferenzen mit einer höheren Genauigkeit auszustatten.
Der Ergebnis-Ausgang 190 ist eingerichtet, um an eine weitere Auswertevorrichtung angeschlossen zu werden, die anhand der erfassten Laufzeitdifferenz, die von der Laufzeitdifferenzmessvorrichtung der Fig. 6 ermittelt wurde, auf die
Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Raums zu schließen, durch die die
Ultraschallpulse propagieren. Falls mehrere Laufzeitdifferenzmessvorrichtungen verwendet werden bzw. mehrere Zeitdifferenzen verwendet werden, so betreffen diese vorzugsweise denselben Raum, in den Ultraschallpulse abgegeben werden.
Um die Ultraschallsignale wechselweise (oder umschaltbar) in entgegengesetzte Richtungen zu übertragen, umfasst die Laufzeitdifferenzerfassungsvorrichtung vorzugsweise ferner einen Umschalter, der mit dem Ausgang und dem Eingang verbunden ist, um die daran anschließbaren Wandler wechselweise als Sender und als Empfänger umschaltbar zu betreiben.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Laufzeitdifferenzmessung, umfassend:
Absenden eines Sende-Ultraschallpulses an einem Sende-Referenzzeitpunkt in einen Raumbereich;
Empfangen eines Empfangs-Ultraschallpulses, der dem Sende-Ultraschallpuls entspricht, aus dem Raumbereich; und
Ermitteln der Laufzeitdifferenz;
wobei das Ermitteln der Laufzeitdifferenz umfasst:
Vorsehen einer Grob-Zeitdifferenz als Ergebnis eines Schritts des Vergleichens des
Sende-Referenzzeitpunkts mit einer Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpuls, für mindestens zwei Schritte des Absendens und Empfangens, die mit zueinander entgegengesetzten Übertragungsrichtungen ausgeführt werden;
Vorsehen einer Fein-Zeitdifferenz als Ergebnis eines Schritts des Vergleichens des Sende-Referenzzeitpunkts, mit einem Momentanverlauf des Empfangs-Ultraschallpulses, für die mindestens zwei Schritte des Absendens und Empfangens, die mit zueinander entgegengesetzten Übertragungsrichtungen ausgeführt werden;
Vorsehen einer Kombination der Fein-Zeitdifferenzen, die für die entgegensetzten
Übertragungsrichtungen vorgesehen werden, als Einzelkombination, Vorsehen einer Kombination der Grob-Zeitdifferenzen, die für die entgegensetzten
Übertragungsrichtungen vorgesehen werden, als Einzelkombination; und Vorsehen der
Laufzeitdifferenz als eine Kombination der Einzelkombinationen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Vorsehen einer Kombination der Grob- Zeitdifferenzen umfasst: Vorsehen eines Terms, der die Grob-Zeitdifferenzen in Form einer Differenz kombiniert, und wobei das Vorsehen einer Kombination der Fein- Zeitdifferenzen umfasst: Vorsehen eines Terms, der die Fein-Zeitdifferenzen in Form einer Differenz kombiniert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Vorsehen der Laufzeitdifferenz umfasst: Vorsehen eines ersten Terms als Einzelkombination der Fein-Zeitdifferenz, wobei der erste Term die Differenz zwischen den Fein-Zeitdifferenzen wiedergibt;
Vorsehen eines zweiten Terms als Einzelkombination der Grob-Zeitdifferenz, wobei der zweite Term mit einem Argument vorgesehen wird, das die Grob-Zeitdifferenzen in Form einer Differenz umfasst, wobei das Argument des zweiten Terms femer einen
Korrektursummanden umfasst, der die Differenz zwischen den Fein-Zeitdifferenzen, eine gemäß vergangener Rundungsprozesse nachzuführende Rundungskorrekturkonstante, oder beides umfasst, wobei das Vorsehen des zweiten Terms umfasst: Kombinieren des ersten Terms und des Arguments und Runden der dadurch erhaltenen Kombination.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fein-Zeitdifferenz von einer mehrdeutigen Phasendifferenz abhängt, und das Vorsehen der Fein- Zeitdifferenz umfasst: Erfassen eines Momentanamplitudenverlaufs des Empfangs- Ultraschallpulses und Vergleichen des Momentanverlaufs des Empfangs- Ultraschallpulses mit einem Sende-Referenzzeitpunkt des Sende-Ultraschallpulses, um die Fein-Zeitdifferenz als Ergebnis des Verlaufs vorzusehen, wobei das Vergleichen umfasst: Erfassen eines Merkmals des Momentanamplitudenverlaufs des Empfangs- Ultraschallpulses, das mit dem Sende-Referenzzeitpunkt verknüpft ist oder Modulieren des Empfangs-Ultraschallpulses mit zwei periodischen Demodulationssignalen, die um einen Betrag von > 0°, von < 180° oder um im Wesentlichen 90° zueinander versetzt sind, und das Vorsehen der Fein-Zeitdifferenz umfasst: Vergleichen eines Phasenwerts, der sich aus einem Vergleich der modulierten Signale ergibt, mit einem Phasenwert, der den Sende-Referenzzeitpunkt wiedergibt.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vorsehen der Einzelkombination der Grob-Zeitdifferenzen umfasst: Vorsehen der Differenz der Grob-
Zeitdifferenz abzüglich der Einzelkombination der Fein-Zeitdifferenzen, als ein
ganzzahliges Vielfaches einer Periodendauer der Trägerfrequenz; wobei das Verfahren ferner umfasst: Vorsehen der Einzelkombination der Fein-Zeitdifferenzen als ein Anteil der Periodenlänge kleiner als die Periodenlänge; und Kombinieren der Einzelkombination der Grob-Zeitdifferenzen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen mit den
Einzelkombination der Fein-Zeitdifferenzen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen, wobei die resultierende Summe der Laufzeitdifferenz entspricht.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fein- Zeitdifferenzen und die Grob-Zeitdifferenzen für Zeitpunkte des Empfangs- Ultraschallpulses ermittelt werden, die um eine vorgegebene Mindestzeitdauer nach dem Beginn der Übertragung des Sende-Ultraschallpulses oder Anregung des Wandlers zur Erzeugung des Sende-Ultraschallpulses liegen, wobei die Mindestzeitdauer mindestens so lange wie eine durch einen Schalllaufweg der Übertragung vorgegebene
Mindestübertragungszeitdauer, eine Einschwingzeit und/oder Ansprechzeit eines Ultraschallwandlers ist, der zum Absenden, zum Empfangen, oder für beides verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für den Empfangs- Ultraschallpuls ein Empfangs-Referenzzeitpunkt vorgesehen wird, anhand dessen die
Grob-Zeitdifferenz ermittelt wird, wobei der Empfangs-Referenzzeitpunkt einem Zeitpunkt oder einer Extrapolation dieses Zeitpunkts entspricht, wobei ferner an dem Zeitpunkt der Betrag der Steigung der Einhüllenden oder die Einhüllende selbst ein relatives Maximum, vorzugsweise das erste relatives Maximum der Einhüllenden, oder einen Nulldurchgang, vorzugsweise den ersten Nulldurchgang der Einhüllenden aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vorsehen der Fein-Zeitdifferenz umfasst: Erfassen von mehreren Phasenwerten, die für
unterschiedliche Zeiten innerhalb desselben Ultraschallpulses gelten; und Extrapolieren der Phasenwerte zu einem Wert, der der Fein-Zeitdifferenz entspricht.
9. Laufzeitdifferenzmessvorrichtung mit:
einem Ausgang (110) zur Abgabe eines Signals, das einen Sende-Ultraschallpuls wiedergibt, der eine Einhüllende und eine Trägerfrequenz umfasst;
mit einem Eingang (120) zum Empfang eines Empfangs-Ultraschallpulses;
einer Zeiterfassungsvorrichtung (150), die eingerichtet ist, eine Laufzeitdifferenz mit Hilfe einer Sende-Zeitreferenz des Sende-Ultraschallpulses und dem Empfangs-Ultraschallpuls zu erfassen, wobei die Zeiterfassungsvorrichtung umfasst:
einen Grob-Vergleicher (160), der eingerichtet ist, die Sende-Zeitreferenz mit einer Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses zu vergleichen, wobei der Grob- Vergleicher (160) eine Grob-Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangs-Ultraschallpuls als Ergebnis vorsieht
einen Fein-Vergleicher (170), der eingerichtet ist, die Sende-Zeitreferenz mit der
Momentanamplitude des Empfangs-Ultraschallpuls zu vergleichen, wobei der Fein-Ver- gleicher (170) eine Fein-Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangs-Ultraschallpuls als Ergebnis vorsieht;
wobei die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung eingerichtet ist, den Sende-Ultraschallpuls in zwei zueinander entgegengesetzte Übertragungsrichtungen zu übertragen und jeweils die Grob- und Fein-Zeitdifferenz zu erfassen;
wobei die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung ferner eine Einzelkombiniervorrichtung umfasst, die mit dem Grob-Vergleicher (160) und dem Fein-Vergleicher (170) verbunden ist und die von diesen vorgesehenen Grob- und Fein-Differenzen empfängt, um diese zu kombinieren, und die eingerichtet ist, die Grob-Zeitdifferenzen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen zu einer Einzelkombination zu kombinieren und die die Fein- Zeitdifferenzen entgegengesetzter Übertragungsrichtungen zu einer Einzelkombination zu kombinieren; und
die Laufzeitdifferenzmessvorrichtung ferner eine Kombiniervorrichtung (180) umfasst, die mit der Einzelkombiniervorrichtung verbunden ist, um von dieser die Einzelkombinationen der Grob- und Fein-Zeitdifferenzen zu empfangen und zu kombinieren, wobei die
Kombiniervorrichtung (180) ferner mit einem Ergebnis-Ausgang verbunden ist, um an diesem ein Signal vorzusehen, das die kombinierten Einzelkombinationen als
Laufzeitdifferenz wiedergibt.
10. Laufzeitdifferenzmessvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die
Einzelkombiniervorrichtung eingerichtet ist, jeweils die Differenz zwischen den Grob- und den Fein-Zeitdifferenzen von Ultraschallpulsen entgegengesetzter
Übertragungsrichtungen vorzusehen, und die Kombiniervorrichtung (180) eingerichtet ist, die Einzelkombination der Fein-Zeitdifferenzen zu addieren mit dem Ergebnis einer Rundungsvorrichtung der Kombiniervorrichtung (180), die mit der
Einzelkombiniervorrichtung verbunden ist und eingerichtet ist, einen Term zu runden, der Einzelkombinationen der Fein-Zeitdifferenzen und der Grob-Zeitdifferenzen als Differenz oder als Summe der Einzelkombinationen umfasst.
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