WO2020151815A1 - Verfahren zur bestimmung der laufzeit eines ultraschallsignals in einem strömenden medium sowie ultraschalldurchflussmesser - Google Patents

Verfahren zur bestimmung der laufzeit eines ultraschallsignals in einem strömenden medium sowie ultraschalldurchflussmesser Download PDF

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WO2020151815A1
WO2020151815A1 PCT/EP2019/051607 EP2019051607W WO2020151815A1 WO 2020151815 A1 WO2020151815 A1 WO 2020151815A1 EP 2019051607 W EP2019051607 W EP 2019051607W WO 2020151815 A1 WO2020151815 A1 WO 2020151815A1
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signal
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ultrasound
ultrasonic
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PCT/EP2019/051607
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Marcus Wetzel
Ulrich Gaugler
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Diehl Metering Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the transit time of an ultrasound signal in a flowing medium, with the features of the preamble of claim 1. Furthermore, the present invention relates to an ultrasound flow meter according to the preamble of claim 15.
  • the transit times of sound waves or ultrasonic waves are measured in generic ultrasonic flow meters.
  • the terms are measured either as an absolute term or as a difference compared to a reference term.
  • the transit time of the ultrasonic waves is determined in the transit time difference method by measuring the phase shift of the ultrasonic waves between the transmitted signal and the received signal.
  • a first signal is sent through the medium in the opposite direction to a second signal.
  • the measurable runtime differences are limited here due to the periodic repetition of the phase position. Therefore, no transit time differences can be measured which are greater than the period of the signal frequency used. Therefore there are limits that must not be exceeded in order to prevent an ambiguity in the signals that can no longer be resolved. With high flow rates of the medium, this can lead to problems.
  • the absolute transit time of the ultrasonic waves cannot be measured in this way.
  • the transit time of an ultrasonic signal in a fluid is also dependent on the temperature of the fluid.
  • the fluid temperature may be detected, for example by means of a temperature sensor, and to be included in the determination of the flow rate.
  • So-called level and envelope curve methods are usually used for absolute transit time measurement. To obtain reliable measurements in this way, however, a considerably complex implementation is required. For this, the implementations are usually implemented using so-called ASICs (Application Specific Integrated Circuits).
  • a method for determining the absolute transit time of an ultrasonic signal in a flowing medium according to the preamble of claim 1 is known from DE 198 18 053 A1.
  • a mark is used in the ultrasound signal to detect the actual arrival time of the leading edge of the signal.
  • the mark is a phase change mark, which is detected in the received signal by the detection of the phase change.
  • the object of the present invention is to provide a novel method and an ultrasound flow meter in which the absolute determination of the transit time of ultrasound signals is improved while the measurement effort is reduced.
  • an ultrasound signal provided with a marker is provided, which is generated by an ultrasound transmitter.
  • the ultrasound signal is then transmitted through the flowing medium to an ultrasound receiver, where the position of the marker is used to determine the transit time of the ultrasound signal by measuring the period of at least one selected period of the received signal to determine the position of the marker. Embedding a marker in the ultrasound signal can lead to a deviation in the period. If a deviation in the period is registered when measuring the received signal, the position of the marker can be deduced. For example, the point in time at which the marker was embedded in the ultrasound signal can be known. Starting from this point in time, the time until the marker is registered in the received signal can be measured.
  • the ultrasonic transmitter or receiver can be in contact with the flowing medium, preferably directly in the medium.
  • no specialized microcontrollers are advantageously required to generate the required transmission signal. It can thus be used to easily generate transmit signals that without special peripherals such.
  • a receiving window is expediently opened for receiving the received signal.
  • the position of the reception window can be determined depending on the position of the selected period of the reception signal become.
  • the determination of the position of the marker can therefore advantageously include the determination of the position of the selected period with respect to the position of the reception window.
  • the location of the reception window can be adjusted to e.g. For example, ensure that the receive signal is in the receive window across a large measuring range.
  • Fer ner can e.g. B. the temporal extent can be adjusted so that the mar ker or the selected period can be completely in the reception window.
  • the reception window can preferably comprise two to three complete wave periods, with the advantage that the detection of the marker or the complete selected period is ensured, but at the same time the energy consumption is limited.
  • a plurality of reception signals can advantageously be generated on the basis of a plurality of ultrasound signals, so that there is the possibility of shifting the position of the reception window until the marker of at least one of the reception signals is located within the reception window. This results in the advantage that the position of the reception window can be optimized in a simple manner, which is accompanied by signal optimization.
  • An additional shift in the reception window depending on the quality of the reception signal has the advantage that the signal is further optimized.
  • the marker can still be within the reception window.
  • the reception window can be used for. B. be aligned to a large amplitude in the received signal, the marker being located at the edge of the receiving window, for example.
  • the marker can be outside the reception window after the additional shift.
  • the relative position of the reception window with respect to the marker is expediently always known.
  • an optimal alignment of the reception window can thus advantageously take place. For example, targeting e.g. B. there is a large amplitude in the received signal, without the restriction that the marker should be within the reception window.
  • a second ultrasound signal provided without a marker is generated by the ultrasound transmitter, then transmitted by the flowing medium to the ultrasound receiver and detected on the ultrasound receiver, the comparison of the period duration of selected periods of the first ultrasonic signal with marker and the second ultrasonic signal without marker, the position of the marker is identified.
  • the difference in the period durations of the first and second received signals can advantageously be significantly above the system-related measurement noise, as a result of which the effort for detecting the marker is reduced.
  • the time sequence of the first and second ultrasound signals can be irrelevant, i. H. It may be irrelevant to the method whether a signal is first sent with or without a marker. Furthermore, the need for additional hardware expenditure can be eliminated, which makes the method inexpensive.
  • the method can also be used with measuring circuits, e.g. B. for the transit time measurement of ultrasonic signals, which are already present in such devices, can be combined.
  • Switching the measuring circuits can e.g. B. by the logic cells present in a PIC microcontroller.
  • Such scarf lines can also be realized with external gates. It is particularly expedient if the first and second ultrasound signals have the same frequency. The identification of the marker can thus be facilitated since the comparison of equivalent points in the received signal is simplified.
  • the period of the first and second ultrasound signals can advantageously be identical for all reception periods before the marker is embedded in the first ultrasound signal.
  • the additional advantage arises partly that the absolute term can be determined more efficiently and safely. As soon as the period duration of equivalent periods of the first and second ultrasound signal deviates from one another, this can be attributed to the embedded marker. The number of measurements required is significantly reduced, which also reduces energy consumption.
  • the ultrasonic signals can be emitted with and without a marker in the same direction with respect to the direction of flow of the flowing medium.
  • the absolute transit time In order to make the measurement of the absolute transit time more robust compared to incorrect detections, there is still the possibility to repeat the entire measurement process of both ultrasound signals with and without a marker by sending both ultrasound signals in the opposite direction again.
  • the ultrasound signals expediently have a plurality of periods (wave periods). This means that at least one period can be selected and the period duration can be determined.
  • a settling phase can be defined in which B. the amplitude has not yet reached its maximum value.
  • the settling phase For the measurement of the period, one can accordingly wait for a point in time after the settling phase. The marker can thus be determined more reliably since the position of the marker can be identified more clearly by changing the period.
  • the measured periods of the signal can be measured with and without a marker up to the Nth period be identical. From the N + 1 th period, the period lengths of the signals with and without markers differ from one another.
  • the position of the received wave period is expediently determined by the difference in the period lengths between the N-th and N + 1-th periods.
  • the difference in the period durations for the ultrasound transducers used for the method can be significantly above the system-related measurement noise, which allows a clear determination of the transition from the N-th to the N + 1-th period.
  • the determination of the absolute transit time of an ultrasound signal can be carried out more efficiently.
  • the technically possible positions of the reception window can expediently be determined.
  • physical parameters such as minimum and / or maximum temperature and / or consistency of the flowing medium and / or the measuring path length between the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver are taken into account.
  • the possible search range can be further restricted by taking into account the measuring tolerances of the temperature sensor.
  • This method step can include several individual measurements, since the method for determining the absolute transit time can be repeated at a plurality of the possible positions of the reception window. Furthermore, the period durations can strongly depend on the transducer characteristics of the ultrasound transducers used for the method. The periods can also last z. B. change by varying pressure and / or temperature. The initial position determination of the reception window also offers the possibility of taking changing parameters of the flowing medium into account, and to independently calibrate the expected period durations in the device, in particular in the ultrasound flow meter.
  • the marker can comprise a phase change of the ultrasound signal.
  • a phase change can for example an inversion of the phase of the transmission signal or z.
  • B. include a phase jump.
  • a phase advance or phase delay can be embedded at one position in the ultrasound signal.
  • a characteristic period duration can advantageously be measured for the verification of the position of the reception window.
  • a characteristic period of a period can be characterized in that the period is as clear as possible and is also different from the neighboring periods. If there is only a slight deviation between the measured period and the expected or previously measured period, the reception window can still be correctly positioned. The need to completely redefine the reception window can thus be decided in a simple manner in order to avoid unnecessary expenditure of time and energy.
  • the period of a period of the received ultrasonic signals can advantageously be measured by means of a single measurement, as a result of which the flow noise has no influence on the measured values. This has the advantage that the measurement is significantly lower in noise, which is why the runtime can be determined much more precisely. It can also reduce the number of measurements required, which can reduce energy consumption.
  • the speed of sound has a high temperature dependence in the medium, especially water.
  • a temperature sensor can thus be dispensed with, which can reduce the technical outlay and the costs.
  • the present invention also claims an ultrasonic flow meter.
  • the ultrasonic flow meter according to the invention can be operated according to at least one of the method claims.
  • the ultrasonic flow meter can expediently comprise a housing with an input and an output.
  • the Ultrasonic flow meter comprises at least one, preferably two, ultrasonic transducers.
  • the transducers can be in contact with the medium, preferably directly in the medium.
  • the position of the measuring section within the flowing medium it is possible to arrange reflectors within the flowing medium.
  • the orientation of the measuring section with respect to the direction of flow of the flowing medium can be chosen accordingly to the design of the method.
  • FIG. 1 shows a greatly simplified illustration of a generic ultrasound flow meter
  • 2A-C exemplify the determination of the reception window
  • 3A-D show examples of possible excitation signals without and with markers
  • Fig. 4 exemplary representation of a comparison of the period between rule's signal with a marker and a signal without marker.
  • Fig. 1 shows a generic ultrasonic flow meter 1.
  • the hous se 2 has an input 3 and an output 4.
  • the direction of flow of the flowing medium is shown with the arrows at the inlet 3 and outlet 4.
  • the medium flows, for example, at a flow rate VF.
  • the Messein direction of the ultrasonic flow meter 1 is shown as an example with two ultrasonic transducers 5a and 5b.
  • the ultrasonic transducers 5a and 5b are in contact with the flowing medium.
  • the path of the ultrasonic signals 10a and 11a is shown on the reflectors 6a and 6b. B. to a U-shaped measuring route 7 redirected. Part of the measuring section 7 runs parallel to the direction of flow of the flowing medium.
  • Ultrasonic signals with 12 and without markers 11a and 10a can both be emitted in the same direction with respect to the flow direction of the flowing medium, ie they can be emitted by the same ultrasound transducer 5a or 5b.
  • FIGS. 2A-C An exemplary determination of the starting position 15 of the reception window 14 is shown in FIGS. 2A-C.
  • the process requires several individual measurements for the initial position determination.
  • the technically possible positions 15 of the reception window 14 are first determined.
  • two successive measurements are carried out in the same direction with respect to the flow direction of the flowing medium.
  • the first of the two successive partial measurements uses a signal 10a without a marker.
  • a signal 1 1a of the same frequency as the first partial measurement is used for the second partial measurement.
  • the signal 11 a of the second partial measurement is provided with a marker 12.
  • the marker 12 can include a phase change of the ultrasound signal 11a.
  • Both ultrasound signals 10a and 11a have a plurality of periods.
  • a first sequence of two successive measurements is shown by way of example in FIG. 2A.
  • a first signal 10a is sent out without a marker.
  • the ultrasonic signal 10a requires the time ts. This time ts depends, among other things, on the medium temperature and / or medium consistency and / or the length of the measuring section 7.
  • the first signal 10a without a marker could accordingly be received after the time ts as a reception signal 10b at the second ultrasound converter 5b, provided that a reception window 14 has also been opened accordingly.
  • a second signal 11a with marker 12 is sent. This could also be done after the Time ts can be received as a received signal 11b with marker 12.
  • the reception window 14 is positioned too late for the marker 12 of the second signal 11b with marker 12 in FIG. 2A, so that the marker 12 does not fall into the reception window 14.
  • the time length of the reception window 14 can expediently be longer than a period of the reception signals 10b, 11b. Otherwise part of the period could be cut off.
  • the reception window 14 can advantageously have a width of two period durations.
  • the reception window 14 can be opened for 2 ps.
  • the transmit and receive signals with and without markers 10a, 11a, 10b, 11b are identical from the beginning to the position of the marker 12.
  • the time interval between the transmission of the first signal 10a and the second signal 11a can expediently be chosen such that a differentiation can be made between the received signals 10b and 11b. For example, it is possible to send out the second signal 1 1a only when the reception window 14 for the first signal 10b has been closed.
  • the position 15 of the reception window 14 is shifted until the marker 12, which represents a characteristic change in the period, is hit.
  • the starting position 15 of the reception window 14 is in FIG. 2B at an earlier point in time, based on the transmission times of the ultrasound signals 10a and 11a.
  • the time ts that an ultrasound signal needs from one ultrasound transducer 5a to the other ultrasound transducer 5b is unchanged in this example, since there has been no change in the volume flow and / or the temperature, for example.
  • the position 15 of the reception window 14 is selected too early, based on the position of the marker 12. For example, part of the period provided with marker 12 can fall into the reception window 14, but a clear determination of the Position of the marker 12 does not occur as a result, or errors in the determination of the transit time could occur.
  • the position 15 of the reception window 14 is opti
  • the marker 12 is located in the middle or as centrally as possible with respect to the temporal extent of the reception window 14.
  • the entire period of the marker 12 is expediently located within the reception window 14.
  • This optimization can be done, for example, by iteratively shifting the reception window 14 by the assumed position of the marker 12.
  • a correspondingly optimized position 15 of the reception window 14 is shown in FIG. 2C.
  • the optimum position of the reception window 14 can thus be determined by means of individual measurements.
  • the signals in the corresponding reception windows 14 of the received signals with and without markers 10b, 11b can advantageously be compared in order to simplify the detection of the marker 12. So soon the position of the marker 12 and thus the position 15 of the reception window
  • the reception window 14 with respect to the transmission or reception signals with or without markers 10a, 10b, 11a, 11b, it is possible to move the reception window 14 to another position.
  • any position within the received signals with and / or without markers 10b, 11b, which differs from the position of the marker 12 can be used for the determination of the transit time and thus for the flow measurement of the flowing medium.
  • the reception window 14 can be shifted from the position of the marker 12 by two periods. It is thus easy to switch between the position for the detection of the marker 12 and the position for the flow measurement. To position during flow measurement
  • To verify 15 of the reception window 14 can advantageously be switched to the known, already determined position of the marker 12 and the period of the marker 12 can be measured as a characteristic period. If the characteristic period duration corresponds to the already determined period duration of the marker 12, no new determination of the position 15 of the reception window 14 is necessary.
  • Generating markers 10a and 1 1a are shown in FIGS. 3A-D.
  • An example of the excitation of an ultrasonic transducer 5a or 5b without setting a marker is shown in FIG. 3A.
  • the suggestion is made via a Square wave.
  • the y-axis shows the excitation amplitude with any units.
  • the corresponding periods are entered in time on the x-axis.
  • excitation signals with markers 12 are shown, each of which has an exemplary fault location.
  • the markers 12 in the transmitted ultrasound signal 1 1 a are caused, for example, by these impurities in the excitation signal.
  • the defects are chosen so that, for. B. an inversion of the phase of the transmission signal 11 a occurs after the 6th transmitted period.
  • 3B is, for example, an extended excitation of the 6th period and a suspension of the excitation for the 7th period.
  • the defect is designed as a shortened excitation of the 6th period.
  • the phase of the transmission signal 11 a is inverted.
  • the impurity is such that the excitation signal is suspended for the 6th period. From the 7th period, the phase of the transmission signal 11 a is also inverted here.
  • Fig. 4 the comparison of the periods between a received signal with marker 11 b and a received signal without marker 10b is shown in a playful manner.
  • Each point represents the period of a certain period in the respective signal 11b or 10b.
  • a first signal with marker 11b and a second signal with the same frequency without marker 10b are used to determine the absolute transit time.
  • the period can be subject to fluctuations that are caused, for example, by temperature influences and / or settling processes.
  • the period durations are determined, for example, at equivalent points.
  • the measurement of the period can be carried out, for example, on a positive rising edge of the received signals 11b or 10b. 4, the marker 12 has been set after the 6th transmitted period.
  • the measured period durations of the received signals with and without markers 11b and 10b are identical for the receiving periods 1 to 6. From the 7th period, the measured periods of the received signals 11b and 10b differ. It is thus possible to position the 6th or 7th reception period corresponding to position 15 of the reception window 14 (see FIG.
  • the reception window 14 is opened later in the subsequent measurement if the position of the transition from the 6th to the 7th reception period is at the end of the reception window 14.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit, vorzugsweise der absoluten Laufzeit, eines Ultraschallsignals in einem strömenden Medium, wobei ein mit einem Marker (12) versehenes Ultraschallsignal (11a) durch einen Ultraschallsender (5a) erzeugt wird, das Ultraschallsignal (11a) durch das strömende Medium an einen Ultraschallempfänger (5b) übertragen wird, und die Lage des Markers (12) zur Bestimmung der Laufzeit des Ultraschallsignals (11b) verwendet wird, wobei zur Bestimmung der Lage des Markers (12) die Periodendauer mindestens einer selektierten Periode des Empfangssignals (11b) vermessen wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Ultraschalldurchflussmesser, der gemäß dem Verfahren betreibbar ist.

Description

Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsiqnals in einem strö menden Medium sowie Ultraschalldurchflussmesser
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultra- schallsignals in einem strömenden Medium, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Ultraschall durchflussmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
Technologischer Hintergrund
Um den Durchfluss eines strömenden Mediums zu bestimmen, werden in gat tungsgemäßen Ultraschalldurchflussmessern die Laufzeiten von Schallwellen bzw. Ultraschallwellen gemessen. Die Laufzeiten werden entweder als absolute Laufzeit oder als Differenz gegenüber einer Bezugslaufzeit gemessen.
Im einfachsten Fall wird bei Laufzeitdifferenzverfahren die Laufzeit der Ultra schallwellen durch die Messung der Phasenverschiebung der Ultraschallwellen zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal ermittelt. Dabei wird, bezo- gen auf die Fließrichtung des Mediums, ein erstes Signal in die entgegengesetzte Richtung zu einem zweiten Signal durch das Medium geschickt. Die messbaren Laufzeitunterschiede sind hier jedoch begrenzt aufgrund der periodischen Wie derholung der Phasenlage. Daher können keine Laufzeitunterschiede gemessen werden, welche größer sind als die Periodendauer der verwendeten Signalfre- quenz. Deshalb gibt es hierbei Grenzen, die nicht überschritten werden dürfen, um eine nicht mehr aufzulösende Doppeldeutigkeit in den Signalen zu verhin dern. Bei hohen Durchflüssen des Mediums kann dies zu Problemen führen. Zu dem kann die absolute Laufzeit der Ultraschallwellen auf diese Weise nicht ge messen werden. Die Laufzeit eines Ultraschallsignals in einem Fluid ist zusätzlich von der Temperatur des Fluids abhängig. Somit kann die Notwendigkeit beste hen, dass die Fluidtemperatur erfasst wird, beispielsweise mittels eines Tempera turfühlers, und bei der Bestimmung der Durchflussmenge miteinbezogen wird. Zur absoluten Laufzeitmessung werden üblicherweise sogenannte Pegel- und Hüllkurvenverfahren eingesetzt. Um auf diese Weise zuverlässige Messungen zu erhalten, bedarf es jedoch einer erheblich komplexen Implementierung. Hierfür werden die Implementierungen meist unter Verwendung sogenannter ASICs (Application Specific Integrated Circuits) umgesetzt.
Nächstlieaender Stand der Technik Ein Verfahren zur Bestimmung der absoluten Laufzeit eines Ultraschallsignals in einem strömenden Medium gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 198 18 053 A1 bekannt. Es wird eine Marke im Ultraschallsignal verwendet, um die tatsächliche Ankunftszeit der Vorderflanke des Signals zu detektieren. Bei der Marke handelt es sich um eine Phasenänderungsmarke, welche im Emp- fangssignal durch die Detektion der Phasenänderung erfasst wird.
Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der absoluten Laufzeit eines Ultraschall signals in einem strömenden Medium ist aus der DE 20 2011 005 427 U1 be kannt. Hierbei wird keine Marke in das Ultraschallsignal eingebettet. Zur absolu- ten Zeitzuordnung zwischen dem ausgesendeten und empfangenen Ultraschall signal wird die Pulsbreite der ersten Welle eines empfangenen Empfangswellen zuges bei einer vorgegebenen Schwelle, ungleich den Nulldurchgängen, erfasst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neuartiges Verfahren sowie einen Ultraschalldurchflussmesser zur Verfügung zu stellen, bei dem die absolute Laufzeitbestimmung von Ultraschallsignalen bei gleichzeitig verringer- tem Messaufwand verbessert wird. Lösung der Aufgabe
Die vorstehende Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie bei dem gattungsgemäßen Ultraschalldurch flussmesser durch die Merkmale des Anspruchs 15 gelöst. Zweckmäßige Ausge staltungen der vorliegenden Erfindung werden in den Unteransprüchen bean sprucht.
Erfindungsgemäß ist zur Bestimmung der Laufzeit, vorzugsweise der absoluten Laufzeit, eines Ultraschallsignals in einem strömenden Medium ein mit einem Marker versehenes Ultraschallsignal vorgesehen, welches durch einen Ultra schallsender erzeugt wird. Anschließend wird das Ultraschallsignal durch das strömende Medium an einen Ultraschallempfänger übertragen, wo die Lage des Markers zur Bestimmung der Laufzeit des Ultraschallsignals verwendet wird, in dem zur Bestimmung der Lage des Markers die Periodendauer mindestens einer selektierten Periode des Empfangssignals vermessen wird. Die Einbettung eines Markers in das Ultraschallsignal kann zu einer Abweichung der Periodendauer führen. Sofern eine Abweichung der Periodendauer bei der Vermessung des Empfangssignals registriert wird, kann dadurch auf die Lage des Markers rück geschlossen werden. Beispielsweise kann der Zeitpunkt bekannt sein, zu dem der Marker in das Ultraschallsignal eingebettet worden ist. Ausgehend von die sem Zeitpunkt kann die Zeit bis zur Registrierung des Markers im Empfangssig nal gemessen werden. Dadurch wird erreicht, dass das Verfahren mit weniger technischem Aufwand realisierbar ist. Der Ultraschallsender bzw. -empfänger kann sich im Kontakt mit dem strömenden Medium, vorzugsweise direkt im Me dium befinden. Für das beschriebene Verfahren werden vorteilhafterweise keine spezialisierten Mikrocontroller benötigt, um das erforderliche Sendesignal zu er zeugen. Es lassen sich somit einfach zu erzeugende Sendesignale verwenden, die ohne spezielle Peripherien, wie z. B. digital gesteuerte Oszillatoren, auskom- men.
Zweckmäßigerweise wird zum Empfang des Empfangssignals ein Empfangsfens ter geöffnet, dessen Lage bekannt ist. Die Lage des Empfangsfensters kann in Abhängigkeit der Lage der selektierten Periode des Empfangssignals festgelegt werden. Die Bestimmung der Lage des Markers kann deshalb vorteilhafterweise die Bestimmung der Position der selektierten Periode bezüglich der Position des Empfangsfensters umfassen. So kann beispielsweise die Lage des Empfangs fensters angepasst werden, um z. B. sicherzustellen, dass sich das Empfangs- signal über einen großen Messbereich hinweg im Empfangsfenster befindet. Fer ner kann z. B. die zeitliche Ausdehnung angepasst werden, damit sich der Mar ker bzw. die selektierte Periode vollständig im Empfangsfenster befinden kann. So kann es zweckmäßig sein, dass das Empfangsfenster mindestens zwei voll ständige Wellenperioden umfasst. Vorzugsweise kann das Empfangsfenster zwei bis drei vollständige Wellenperioden umfassen, mit dem Vorteil, dass die Detekti on des Markers bzw. der kompletten selektierten Periode sichergestellt, aber gleichzeitig der Energieverbrauch limitiert wird.
Vorteilhafterweise können anhand mehrerer Ultraschallsignale mehrere Emp- fangssignale erzeugt werden, so dass die Möglichkeit besteht die Position des Empfangsfensters so zu verschieben, bis sich der Marker mindestens einer der Empfangssignale innerhalb des Empfangsfensters befindet. Somit ergibt sich der Vorteil, dass die Position des Empfangsfensters in einfacher Weise optimiert werden kann, womit gleichzeitig eine Signaloptimierung einhergeht.
Durch eine zusätzliche Verschiebung des Empfangsfensters in Abhängigkeit der Qualität des Empfangssignals ergibt sich der Vorteil, dass eine weitere Optimie rung des Signals erfolgt. So kann sich der Marker nach der zusätzlichen Ver schiebung noch innerhalb des Empfangsfensters befinden. Dadurch besteht die Möglichkeit das Empfangsfenster relativ zum aufgefundenen Marker zu verschie ben. Beispielsweise kann damit das Empfangsfenster z. B. auf eine große Amplitude im Empfangssignal ausgerichtet werden, wobei sich der Marker bei spielsweise am Rand des Empfangsfensters befindet. Ferner kann sich der Mar ker nach der zusätzlichen Verschiebung außerhalb des Empfangsfensters befin- den. Dabei ist zweckmäßigerweise die relative Position des Empfangsfensters bezüglich des Markers stets bekannt. Allerdings kann somit vorteilhafterweise eine optimale Ausrichtung des Empfangsfensters stattfinden. Beispielsweise kann die Ausrichtung auf z. B. eine große Amplitude im Empfangssignal erfolgen, ohne die Einschränkung, dass sich der Marker innerhalb des Empfangsfensters befinden müsste.
In Weiterbildung der Erfindung ist es möglich, als weitere Verfahrensschritte vor- Zusehen, dass ein zweites ohne Marker versehenes Ultraschallsignal durch den Ultraschallsender erzeugt wird, anschließend durch das strömende Medium an den Ultraschallempfänger übertragen und am Ultraschallempfänger detektiert wird, wobei aus einem Vergleich der Periodendauer von selektierten Perioden des ersten Ultraschallsignals mit Marker und des zweiten Ultraschallsignals ohne Marker die Lage des Markers identifiziert wird. Vorteilhafterweise kann der Unter schied der Periodendauern des ersten und zweiten Empfangssignals deutlich oberhalb des systembedingten Messrauschens liegen, wodurch der Aufwand zur Detektion des Markers sinkt. Dabei kann die zeitliche Abfolge von erstem und zweitem Ultraschallsignal unerheblich sein, d. h. es kann für das Verfahren un- bedeutend sein, ob zuerst ein Signal mit oder ohne Marker gesendet wird. Ferner kann die Notwendigkeit eines zusätzlichen Hardwareaufwands entfallen, was das Verfahren kostengünstig macht. So kann die bereits verbaute Hardware von Ge räten, wie z. B. von Ultraschalldurchflussmessern, verwendet werden. Ferner kann das Verfahren auch mit Messschaltungen, z. B. für die Laufzeitmessung von Ultraschallsignalen, welche in derartigen Geräten bereits vorhanden sind, kombiniert werden. Das Umschalten der Messschaltungen kann z. B. durch die in einem PIC-Mikrocontroller vorhandenen Logikzellen erfolgen. Derartige Schal tungen lassen sich zudem auch mit externen Gattern realisieren. Besonders zweckmäßig ist es, wenn das erste und zweite Ultraschallsignal die gleiche Frequenz aufweisen. Somit kann die Identifizierung des Markers erleich tert werden, da der Vergleich von äquivalenten Punkten im Empfangssignal ver einfacht wird. Die Periodendauer des ersten und zweiten Ultraschallsignals kann vorteilhafterweise für alle Empfangsperioden vor der Einbettung des Markers in das erste Ultraschallsignal identisch sein.
Indem ein Unterschied zwischen dem mit Marker und ohne Marker detektiertem Ultraschallsignal zur Zeitzuordnung der ausgesendeten Ultraschallsignale zu den empfangenen Ultraschallsignalen verwendet wird, ergibt sich der zusätzliche Vor- teil, dass die absolute Laufzeit effizienter und sicherer bestimmt werden kann. Sobald die Periodendauer von äquivalenten Perioden des ersten und zweiten Ultraschallsignals voneinander abweicht, kann dies auf den eingebetteten Marker zurückgeführt werden. Die Anzahl benötigter Messungen wird deutlich reduziert, was den Energieverbrauch gleichermaßen verringert.
Vorteilhafterweise können die Ultraschallsignale mit und ohne Marker in die glei che Richtung bezüglich der Fließrichtung des strömenden Mediums ausgesendet werden. Im Gegensatz zur Messung von Laufzeitdifferenzen ist es für die Mes- sung der absoluten Laufzeit nicht notwendig Ultraschallsignale in entgegenge setzte Richtungen durch das strömende Medium zu schicken. Es kann somit mit Vorteil erreicht werden, dass es zu keiner Begrenzung der messbaren Laufzeit kommt. Im Gegensatz dazu ist bei Vorwärts- und Rückwärtsmessungen in ent gegengesetzten Richtungen bezüglich der Fließrichtung eine absolute Grenze der verwertbaren Laufzeitdifferenz gegeben. Die absolute Grenze ergibt sich auf grund nicht mehr aufzulösender Doppeldeutigkeiten in den Signalen, welche kei ne korrekte Messung mehr zulassen. Um die Messung der absoluten Laufzeit allerdings robuster gegenüber Fehldetektionen zu machen, besteht weiterhin die Möglichkeit den gesamten Messvorgang beider Ultraschallsignale mit und ohne Marker durch erneute Aussendung beider Ultraschallsignale in die entgegenge setzte Richtung zu wiederholen.
Die Ultraschallsignale weisen zweckmäßigerweise eine Mehrzahl an Perioden (Wellenperioden) auf. Somit kann mindestens eine Periode selektiert werden und deren Periodendauer bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Einschwing phase definiert werden, in der z. B. die Amplitude noch nicht ihren Maximalwert erreicht hat. Für die Messung der Periodendauer kann entsprechend auf einen Zeitpunkt nach der Einschwingphase gewartet werden. Der Marker kann damit sicherer bestimmt werden, da die Position des Markers deutlicher in einer Ände- rung der Periodendauer identifizierbar ist.
Indem der Marker nach einer N-ten Periode gesetzt wird, können die gemesse nen Periodendauern des Signals mit und ohne Marker bis zur N-ten Periode identisch sein. Ab der N+1-ten Periode unterscheiden sich die Periodendauern der Signale mit und ohne Marker voneinander.
Zweckmäßigerweise wird die Lage der empfangenen Wellenperiode durch den Unterschied der Periodendauern zwischen N-ter und N+1-ter Periode ermittelt. Vorteilhafterweise kann der Unterschied der Periodendauern bei den für das Ver fahren verwendeten Ultraschallwandlern deutlich oberhalb des systembedingten Messrauschens liegen, was eine eindeutige Bestimmung des Übergangs von N-ter zu N+1-ter Periode zulässt.
Indem mögliche Positionen des Empfangsfensters initial bestimmt werden und das Verfahren für eine Mehrzahl der möglichen Positionen des Empfangsfensters wiederholt wird, kann die Bestimmung der absoluten Laufzeit eines Ultraschall signals effizienter durchgeführt werden. Zur initialen Positionsbestimmung kön nen zweckmäßigerweise die technisch möglichen Positionen des Empfangsfens ters bestimmt werden. Dafür können z. B. physikalische Parameter, wie bei spielsweise minimale und/oder maximale Temperatur und/oder Konsistenz des strömenden Mediums und/oder die Messstreckenlänge zwischen dem Ultra schallsender und dem Ultraschallempfänger berücksichtigt werden. Ferner kann bei vorhandenem Temperaturfühler im Messsystem der mögliche Suchbereich weiter eingeschränkt werden, indem die Messtoleranzen des Temperaturfühlers mit berücksichtig werden. Dieser Verfahrensschritt kann mehrere Einzelmessun gen umfassen, da das Verfahren zur Bestimmung der absoluten Laufzeit an einer Mehrzahl der möglichen Positionen des Empfangsfensters wiederholt werden kann. Ferner können die Periodendauern stark von den Wandlercharakteristika der für das Verfahren verwendeten Ultraschallwandler abhängen. Die Perioden dauern können sich darüber hinaus auch z. B. durch Variation von Druck und/oder Temperatur verändern. Auch bietet die initiale Positionsbestimmung des Empfangsfensters die Möglichkeit, sich verändernde Parameter des strö menden Mediums zu berücksichtigen, und die erwarteten Periodendauern eigen ständig im Gerät, insbesondere im Ultraschalldurchflussmesser, zu kalibrieren.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann der Marker eine Pha senänderung des Ultraschallsignals umfassen. Eine Phasenänderung kann bei- spielsweise eine Invertierung der Phase des Sendesignals oder z. B. einen Pha sensprung umfassen. Beispielsweise kann eine Phasenvoreilung oder Phasen verzögerung an einer Position in das Ultraschallsignal eingebettet werden. Vorteilhafterweise kann für die Verifizierung der Position des Empfangsfensters eine charakteristische Periodendauer vermessen werden. Eine charakteristische Periodendauer einer Periode kann sich dadurch auszeichnen, dass die Perio dendauer möglichst eindeutig ist und zudem von den Nachbarperioden unter schiedlich ist. Sofern lediglich eine geringfügige Abweichung der gemessenen Periodendauer zu der erwarteten bzw. vorher gemessenen Periodendauer vor liegt, kann noch von einer korrekten Positionierung des Empfangsfensters aus gegangen werden. Über die Notwendigkeit einer kompletten Neubestimmung des Empfangsfensters kann somit in einfacher Weise entschieden werden, um einem unnötigen Zeitaufwand und Energieverbrauch zu entgehen.
Vorteilhafterweise kann die Periodendauer einer Periode der empfangenen Ult raschallsignale mittels einer Einzelmessung vermessen werden, wodurch das Strömungsrauschen keinen Einfluss auf die Messwerte hat. Dies hat zum Vorteil, dass die Messung deutlich rauschärmer ist, weshalb die Laufzeit wesentlich ge- nauer bestimmt werden kann. Zudem kann damit die Anzahl der benötigten Mes sungen verringert werden, wodurch der Energieverbrauch gesenkt werden kann.
Die Schallgeschwindigkeit hat im Medium, insbesondere Wasser, eine hohe Temperaturabhängigkeit. Indem die absolute Laufzeit der Ultraschallsignale er- mittelt wird, ergibt sich der Vorteil, dass auf zusätzliche Temperaturmesswerte verzichtet werden kann. Bei einem Ultraschalldurchflussmesser, bei dem das Verfahren realisiert ist, kann somit auf einen Temperaturfühler verzichtet werden, was den technischen Aufwand und die Kosten senken kann. Nebengeordnet beansprucht die vorliegende Erfindung zudem einen Ultraschall durchflussmesser. Der erfindungsgemäße Ultraschalldurchflussmesser ist gemäß mindestens einem der Verfahrensansprüche betreibbar. So kann der Ultraschall durchflussmesser zweckmäßigerweise ein Gehäuse mit einem Eingang und ei nem Ausgang umfassen. Ferner kann es besonders zweckmäßig sein, dass der Ultraschalldurchflussmesser mindestens einen, vorzugsweise zwei, Ultraschall wandler umfasst. Die Wandler können sich im Kontakt mit dem Medium, vor zugsweise direkt im Medium befinden. Um die Position der Messstrecke inner halb des strömenden Mediums festzulegen, besteht die Möglichkeit Reflektoren innerhalb des strömenden Mediums anzuordnen. Die Ausrichtung der Messstre cke bezüglich der Fließrichtung des strömenden Mediums kann dabei entspre chend der Ausgestaltung des Verfahrens gewählt werden.
Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführunasbeisoielen
Zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden anhand von Zeichnungsfiguren nachstehend näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 stark vereinfachte Darstellung eines gattungsgemäßen Ultraschall durchflussmessers;
Fig. 2A-C beispielhafte Darstellung der Bestimmung des Empfangsfensters; Fig. 3A-D beispielhafte Darstellungen möglicher Anregungssignale ohne und mit Marker;
Fig. 4 beispielhafte Darstellung eines Vergleichs der Periodendauern zwi schen einem Signal mit Marker und einem Signal ohne Marker.
Fig. 1 zeigt einen gattungsgemäßen Ultraschalldurchflussmesser 1. Das Gehäu se 2 weist einen Eingang 3 sowie einen Ausgang 4 auf. Die Fließrichtung des strömenden Mediums ist mit den Pfeilen am Eingang 3 und Ausgang 4 gezeigt. Das Medium fließt beispielsweise mit einer Fließgeschwindigkeit VF. Die Messein richtung des Ultraschalldurchflussmessers 1 ist beispielhaft mit zwei Ultraschall wandlern 5a bzw. 5b dargestellt. Die Ultraschallwandler 5a bzw. 5b befinden sich im Kontakt mit dem strömenden Medium. Der Weg der Ultraschallsignale 10a bzw. 1 1 a wird an den Reflektoren 6a bzw. 6b z. B. zu einer U-förmigen Mess- strecke 7 umgelenkt. Ein Teil der Messstrecke 7 verläuft parallel zur Fließrichtung des strömenden Mediums. Ultraschallsignale mit 12 und ohne Marker 11 a bzw. 10a können beide in die gleiche Richtung bezüglich der Fließrichtung des strö menden Mediums ausgesendet werden, d. h. vom selben Ultraschallwandler 5a bzw. 5b ausgesandt werden.
Eine beispielhafte Bestimmung der Anfangsposition 15 des Empfangsfensters 14 ist in Fig. 2A-C dargestellt. Zur initialen Positionsbestimmung benötigt das Ver fahren mehrere Einzelmessungen. Hierfür werden zunächst die technisch mögli- chen Positionen 15 des Empfangsfensters 14 bestimmt. Berücksichtigt werden dabei z. B. physikalische Parameter, wie beispielsweise die Mediumstemperatur und/oder die Messstreckenlänge. Im Anschluss werden für eine Mehrzahl der möglichen Positionen 15 des Empfangsfensters 14 jeweils zwei aufeinanderfol gende Messungen in die jeweils gleiche Richtung bezüglich der Fließrichtung des strömenden Mediums durchgeführt. Die erste der zwei aufeinanderfolgenden Teilmessungen verwendet ein Signal 10a ohne Marker. Für die zweite Teilmes sung wird ein Signal 1 1a gleicher Frequenz wie die erste Teilmessung verwen det. Allerdings ist das Signal 11 a der zweiten Teilmessung mit einem Marker 12 versehen. Der Marker 12 kann dabei eine Phasenänderung des Ultraschallsig- nals 11a umfassen. So kann beispielsweise die Phase des Sendesignals 1 1a nach einer bestimmten, N-ten gesendeten Periode, z. B. der 6. Periode, invertiert sein. Beide Ultraschallsignale 10a bzw. 11 a weisen dabei eine Mehrzahl an Peri oden auf. In Fig. 2A ist beispielhaft eine erste Abfolge von zwei aufeinander folgenden Messungen gezeigt. Zunächst wird hierfür ein erstes Signal 10a ohne Marker ausgesandt. Für die Strecke von einem Ultraschallwandler 5a zum anderen Ult raschallwandler 5b benötigt das Ultraschallsignal 10a die Zeit ts. Diese Zeit ts hängt unter anderem von der Mediumstemperatur und/oder Mediumskonsistenz und/oder der Länge der Messstrecke 7 ab. Das erste Signal 10a ohne Marker könnte demnach nach der Zeit ts als Empfangssignal 10b am zweiten Ultra schallwandler 5b empfangen werden, sofern auch ein Empfangsfenster 14 ent sprechend geöffnet worden ist. Nach dem ersten Signal 10a ohne Marker wird ein zweites Signal 11a mit Marker 12 gesendet. Dieses könnte ebenfalls nach der Zeit ts als Empfangssignal 11 b mit Marker 12 empfangen werden. Das Emp fangsfenster 14 ist für den Marker 12 des zweiten Signals 11 b mit Marker 12 in Fig. 2A zeitlich zu spät positioniert, so dass der Marker 12 nicht in das Empfangs fenster 14 fällt. Die zeitliche Länge des Empfangsfensters 14 kann zweckmäßi- gerweise länger sein, als eine Periodendauer der Empfangssignale 10b, 11 b. Andernfalls könnte ein Teil der Periode abgeschnitten werden. Um sicherzustel len, dass eine vollständige Periode der Empfangssignale 10b, 11 b in das Emp fangsfenster 14 fällt, kann das Empfangsfenster 14 vorteilhafterweise eine Breite von zwei Periodendauern aufweisen. Beispielsweise kann das Empfangsfenster 14 für 2 ps geöffnet werden. Die Sende- bzw. Empfangssignale mit und ohne Marker 10a, 11a, 10b, 11 b sind von Anfang bis zur Position des Markers 12 iden tisch. Der zeitliche Abstand zwischen der Aussendung des ersten Signals 10a und des zweiten Signals 11a kann zweckmäßigerweise so gewählt werden, dass zwischen den empfangenen Signalen 10b und 1 1 b differenziert werden kann. So besteht beispielsweise die Möglichkeit das zweite Signal 1 1a erst dann auszu senden, wenn das Empfangsfenster 14 für das erste Signal 10b geschlossen worden ist.
Die Position 15 des Empfangsfensters 14 wird so lange verschoben, bis der Mar- ker 12, welcher eine charakteristische Änderung der Periodendauer darstellt, getroffen wird. Die Anfangsposition 15 des Empfangsfensters 14 befindet sich in Fig. 2B an einem früheren Zeitpunkt, bezogen auf die Aussendezeitpunkte der Ultraschallsignale 10a bzw. 11a. Die Zeit ts, die ein Ultraschallsignal von einem Ultraschallwandler 5a zum anderen Ultraschallwandler 5b benötigt ist in diesem Beispiel unverändert, da es beispielsweise zu keiner Änderung des Volumen stromes und/oder der Temperatur gekommen ist. In diesem Beispiel ist die Posi tion 15 des Empfangsfensters 14 allerdings zu früh gewählt, bezogen auf die Position des Markers 12. Es kann zwar beispielsweise ein Teil der mit Marker 12 versehenen Periode in das Empfangsfenster 14 fallen, allerdings kann eine ein- deutige Bestimmung der Position des Markers 12 dadurch nicht erfolgen bzw. es könnten Fehler bei der Bestimmung der Laufzeit auftreten.
Um die Position 15 des Empfangsfensters 14 bezüglich des Markers 12 zu ver bessern, wird beispielsweise die Position 15 des Empfangsfensters 14 so opti- miert, dass sich der Marker 12 in der Mitte bzw. möglichst mittig bezüglich der zeitlichen Ausdehnung des Empfangsfensters 14 befindet. Zweckmäßigerweise befindet sich die gesamte Periode des Markers 12 innerhalb des Empfangsfens ters 14. Diese Optimierung kann beispielsweise durch iterative Verschiebung des Empfangsfensters 14 um die vermutete Position des Markers 12 geschehen. In Fig. 2C ist eine entsprechend optimierte Position 15 des Empfangsfensters 14 gezeigt. Über Einzelmessungen kann so die optimale Lage des Empfangsfens ters 14 bestimmt werden. Vorteilhafterweise können die Signale in den entspre chenden Empfangsfenstern 14 der Empfangssignale mit und ohne Marker 10b, 11 b verglichen werden, um die Detektion des Markers 12 zu vereinfachen. So bald die Lage des Markers 12 und damit die Position 15 des Empfangsfensters
14 bezüglich der Sende- bzw. Empfangssignale mit bzw. ohne Marker 10a, 10b, 11 a, 1 1 b bekannt sind, besteht die Möglichkeit das Empfangsfenster 14 an eine andere Position zu verschieben. Somit kann für die Bestimmung der Laufzeit und damit für die Durchflussmessung des strömenden Mediums eine beliebige Positi on innerhalb der Empfangssignale mit und/oder ohne Marker 10b, 1 1 b verwendet werden, welche von der Position des Markers 12 unterschiedlich ist. Beispiels weise kann das Empfangsfenster 14 von der Position des Markers 12 aus um zwei Perioden verschoben werden. Zwischen der Position zur Detektion des Markers 12 und der Position zur Durchflussmessung kann damit auf einfache Weise umgeschaltet werden. Um während der Durchflussmessung die Position
15 des Empfangsfensters 14 zu verifizieren, kann vorteilhafterweise auf die be kannte, bereits bestimmte Position des Markers 12 umgeschaltet werden und die Periode des Markers 12 als charakteristische Periodendauer vermessen werden. Sofern die charakteristische Periodendauer der bereits bestimmten Perioden dauer des Markers 12 entspricht, ist keine erneute Bestimmung der Position 15 des Empfangsfensters 14 notwendig.
Mögliche beispielhafte Darstellungen von Anregesignalen, mit welchen der Ultra- schallwandler 5a bzw. 5b betrieben wird, um Ultraschallsignale ohne und mit
Marker 10a bzw. 1 1a zu generieren, sind in den Fig. 3A-D gezeigt. Eine beispiel hafte Darstellung der Anregung eines Ultraschallwandlers 5a bzw. 5b ohne einen Marker zu setzen ist in Fig. 3A gezeigt. Die Anregung erfolgt hierbei über ein Rechtecksignal. Die y-Achse zeigt die Anregungsamplitude mit beliebigen Einhei ten. Auf der x-Achse sind die entsprechenden Perioden zeitlich eingetragen.
In den Fig. 3B bis 3D sind Anregesignale mit Marker 12 gezeigt, welche jeweils eine beispielhafte Störstelle aufweisen. Die Marker 12 im ausgesandten Ultra schallsignal 1 1 a werden beispielsweise durch diese Störstellen im Anregesignal bedingt. Die Störstellen sind so gewählt, dass z. B. eine Invertierung der Phase des Sendesignals 11 a nach der 6. gesendeten Periode auftritt. Die Störstelle in Fig. 3B ist beispielsweise eine verlängerte Anregung der 6. Periode und ein Aus- setzen der Anregung für die 7. Periode. In Fig. 3C ist die Störstelle als verkürzte Anregung der 6. Periode ausgestaltet. Nach der 6. Periode ist die Phase des Sendesignals 11 a invertiert. In Fig. 3D ist die Störstelle dergestalt, dass das An regungssignal für die 6. Periode ausgesetzt wird. Ab der 7. Periode ist auch hier die Phase des Sendesignals 11 a invertiert.
In Fig. 4 ist der Vergleich der Periodendauern zwischen einem empfangenen Signal mit Marker 11 b und einem empfangenen Signal ohne Marker 10b bei spielhaft dargestellt. Jeder Punkt repräsentiert die Periodendauer einer bestimm ten Periode in dem jeweiligen Signal 11 b bzw. 10b. Zur Bestimmung der absolu- ten Laufzeit werden ein erstes Signal mit Marker 1 1 b und ein zweites Signal mit gleicher Frequenz ohne Marker 10b verwendet. Die Periodendauern können Schwankungen unterliegen, die beispielsweise durch Temperatureinflüsse und/oder Einschwingvorgänge bedingt werden. Zum Vergleich der zwei Signale 11 b bzw. 10b werden die Periodendauern beispielsweise an äquivalenten Punk- ten bestimmt. Die Messung der Periodendauer kann dabei beispielsweise an einer positiv steigenden Flanke der empfangenen Signale 11 b bzw. 10b durchge führt werden. Beispielhaft ist in Fig. 4 der Marker 12 nach der 6. gesendeten Pe riode gesetzt worden. Die gemessenen Periodendauern der Empfangssignale mit und ohne Marker 11 b bzw. 10b sind für die Empfangsperioden 1 bis 6 identisch. Ab der 7. Periode unterscheiden sich die gemessenen Periodendauern der Emp fangssignale 11 b bzw. 10b. Es ist somit möglich die Position der 6. bzw. 7. Emp fangsperiode entsprechend der Position 15 des Empfangsfensters 14 (vgl. Fig.
2A - 2C) zu bestimmen. Falls sich die Position des Übergangs von 6. zu 7. Emp fangsperiode zeitlich am Anfang des Empfangsfensters 14 befindet, wird das Empfangsfenster 14 bei der darauffolgenden Messung zeitlich früher geöffnet, um die empfangenen Signale 11 b bzw. 10b im Empfangsfenster zu zentrieren. Analog dazu, wird das Empfangsfenster 14 in der Folgemessung zeitlich später geöffnet, falls sich die Position des Übergangs von 6. zu 7. Empfangsperiode zeitlich am Ende des Empfangsfensters 14 befindet. Durch die Bestimmung des Markers 12 kann somit die absolute Laufzeit der Ultraschallsignale 10b bzw. 11 b bestimmt werden.
BEZUGSZEICHEN LISTE
1 Ultraschalldurchflussmesser
2 Gehäuse
3 Eingang
4 Ausgang
5a, 5b Ultraschallwandler
6a, 6b Reflektor
7 Messstrecke
10a Sendesignal ohne Marker
10b Empfangssignal ohne Marker
11a Sendesignal mit Marker
11b Empfangssignal mit Marker
Marker
14 Empfangsfenster
15 Position des Empfangsfensters

Claims

PAT E N TA N S P RÜ C H E
1. Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals in einem strömenden Medium, wobei
ein mit einem Marker (12) versehenes Ultraschallsignal (1 1a) durch einen Ultraschallsender (5a) erzeugt wird,
das Ultraschallsignal (1 1a) durch das strömende Medium an einen Ultraschallempfänger (5b) übertragen wird, und
die Lage des Markers (12) zur Bestimmung der Laufzeit des Ultra schallsignals (1 1 b) verwendet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Bestimmung der Lage des Markers (12) die Periodendauer min destens einer selektierten Periode des Empfangssignals (1 1 b) vermessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Empfang des Empfangssignals (1 1 b) ein Empfangsfenster (14) geöffnet wird, und die Lage des Empfangsfensters (14) in Abhängigkeit der Lage der selektierten Periode des Empfangssignals (1 1 b) festgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand mehrerer Ultraschallsignale (1 1 ) mehrere Empfangssignale (1 1 b) erzeugt werden, und die Position des Empfangsfensters (14) so verschoben wird, bis sich der Marker (12) mindestens einer der Empfangssignale (1 1 b) in nerhalb des Empfangsfensters (14) befindet.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Verschiebung des Empfangsfens ters (14) in Abhängigkeit der Qualität des Empfangssignals (11 b) erfolgt.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
ein zweites ohne Marker versehenes Ultraschallsignal (10a) durch den Ultraschallsender (5a) erzeugt wird,
das zweite Ultraschallsignal (10a) durch das strömende Medium an den Ultraschallempfänger (5b) übertragen und am Ultraschallempfänger (5b) detektiert wird, und
aus einem Vergleich der Periodendauern von selektierten Perioden des ersten Ultraschallsignals mit Marker (1 1 b) und des zweiten Ultraschall signals ohne Marker (10b) die Lage des Markers (12) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallsignal mit Marker (1 1 a, 1 1 b) und ohne Marker (10a, 10b) die gleiche Frequenz aufweist.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterschied zwischen dem mit Marker (12) und ohne Marker detektiertem Ultraschallsignal (1 1 b, 10b) zur Zuordnung der ausgesendeten Ultraschallsignale (10a, 1 1a) zu den empfangenen Ultra schallsignalen (10b, 11 b) verwendet wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsignale mit und ohne Marker (11 a, 10a) in die gleiche Richtung bezüglich der Fließrichtung des strömenden Mediums ausgesendet werden.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsignale (10a, 10b, 11 a,
11 b) eine Mehrzahl an Perioden aufweisen.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Marker (12) nach einer N-ten Periode gesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Lage der empfangenen Wellenperiode durch den Unterschied der Perio- dendauer zwischen N-ter und N+1-ter Periode ermittelt wird.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mögliche Positionen (15) des Empfangs- fensters (14) bestimmt werden und das Verfahren für eine Mehrzahl der möglichen Positionen (15) des Empfangsfensters (14) wiederholt wird.
13. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Marker (12) eine Phasenänderung des Ultraschallsignals (11 a, 1 1 b) umfasst.
14. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verifizierung der Position (15) des
Empfangsfensters (14) eine charakteristische Periodendauer vermessen wird.
15. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodendauer einer Periode der empfangenen Ultraschallsignale (10b, 11 b) mittels einer Einzelmessung vermessen wird.
16. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die absolute Laufzeit der Ultraschallsigna le (1 Ob, 1 1 b) ermittelt wird.
17. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Marker (12) zu einem vorbekannten Zeitpunkt in das Ultraschallsignal (11 a) eingebettet wird,
zum Empfang des Empfangssignals (11 b) ein Empfangsfenster (14) geöffnet wird und
die Lage des Empfangsfensters (14) in Abhängigkeit von der Lage der selektierten Periode des Empfangssignals (1 1 b) festgelegt wird, indem ausgehend von dem Zeitpunkt der Einbettung die Zeit bis zur Registrierung des Markers (12) im Empfangssignal (11 b) gemessen wird.
18. Ultraschalldurchflussmesser, dadurch gekennzeichnet, dass dieser gemäß einem Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche betreibbar ist oder betrieben wird.
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