Bestimmung der Laufzeitdifferenz bei einem Ultraschall- Strömungssensor mit mehrfacher Nulldurchgangsdetektion

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Auswerten der Ultraschallsignale bei einem solchen Ultraschall-Strömungssensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

Ultraschall-Strömungssensoren werden eingesetzt, um insbesondere den Volumen- oder Massestrom oder die Strömungsgeschwindigkeit eines gasförmigen oder flüssigen Mediums zu messen, das durch eine Rohrleitung strömt. Ein bekannter Typ von Ultraschall-Strömungssensoren umfasst zwei in Strömungsrichtung versetzt angeordnete Ultraschallwandler, die jeweils Ultraschallsignale erzeugen und diese an den jeweils anderen Ultraschallwandler aussenden. Die Ultraschallsignale werden vom jeweils anderen Wandler empfangen und mittels einer Elektronik ausgewertet. Der Laufzeitunterschied zwischen dem Ultraschallsignal in Strömungsrichtung und dem Ultraschallsignal in Gegenrichtung ist dabei ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Daraus kann die gewünschte Messgröße, wie z.B. ein Volumenstrom, berechnet werden.

Fig. 1 zeigt eine typische Anordnung eines Ultraschall- Strömungssensors mit zwei Ultraschallwandlern A,B, die innerhalb einer Rohrleitung 3 angeordnet sind und sich in einem Abstand L gegenüberstehen. In der Rohrleitung 3 strömt ein Fluid 1 mit einer Geschwindigkeit v in Richtung des Pfeils 2. Die Messstrecke L ist gegenüber der Strömungs¬ richtung 2 um einen Winkel α geneigt. Während einer Messung senden sich die Ultraschallwandler A,B gegenseitig Ultraschallimpulse zu, die je nach Richtung von der Strömung entweder verlangsamt oder beschleunigt werden. Die Signallaufzeiten sind dabei ein Maß für die zu bestimmende Strömungsgeschwindigkeit.

Fig. 2 zeigt eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Wandleranordnung mit einer daran angeschlossenen Steuer- und Auswerteelektronik 4. Der Sensor arbeitet nach dem sogenannten "sing-around" Verfahren. Dabei wird durch den Empfang eines Ultraschallsignals Sl bzw. S2 an einem der Wandler A,B unmittelbar ein Ultraschallsignal in Gegenrichtung ausgelöst.

Eine Strömungsmessung läuft im wesentlichen wie folgt ab: Die Elektronik 4 gibt einen elektrischen Impuls an den Wandler A aus, der daraufhin ein Ultraschallsignal Sl generiert und an den zweiten Wandler B aussendet. Nach einer Streckenlaufzeit ti2 wird das Signal Sl vom zweiten Wandler B empfangen. Unmittelbar darauf generiert•der zweite Wandler B ein Ultraschallsignal S2, das nach einer Streckenlaufzeit t2i am ersten Wandler A ankommt. Sind ti2 und t2i die Schall¬ laufzeiten der Signale von A nach B bzw. umgekehrt, so ergibt sich daraus ein Laufzeitunterschied Ott = ti2~t2i. Die Strömungsgeschwindigkeit v kann schließlich gemäß

2L At 1 V=- cosα (∑t) s

t21 J 2cosα

berechnet werden. Dabei ist αt = ti2+t2i die Summenlaufzeit für einen Umlauf oder Umlaufzeit, und s ein Korrekturfaktor mit s=l-(αt/αt)2. Fig. 3 zeigt den Signalverlauf eines einzelnen Ultraschallsignals Sl,S2 und die Art und Weise der Bestimmung eines EmpfangsZeitpunktes bei einem solchen Signal. Dargestellt ist hier die sogenannte Zero-Crossing-Detektion (Nulldurchgangsdetektion) . Dabei ist der "Empfangszeitpunkt" des Signals als der erste Nulldurchgang des Signals definiert, nachdem die Amplitude einen vorgegebenen Schwellenwert SW (den sogenannten pretrigger level) überschritten hat. Der EmpfangsZeitpunkt bei diesem Beispiel wäre somit der Zeitpunkt to.

Wegen des Rauschanteils R, der dem Signal überlagert ist, führt die Zero-Crossing-Detektion jedoch zu einer relativ hohen zeitlichen Unscharfe αtj in der Pulsflankenerkennung. Normalerweise ist die Unscharfe αtj so groß, dass mit einer einzigen Messung, insbesondere bei kleinen Strömungs¬ geschwindigkeiten, keine brauchbare Messgenauigkeit erreicht werden kann.

Zur Erhöhung der Messgenauigkeit wird daher vorzugsweise ein langgezogenes Ultraschallsignal an den Ultraschallwandlern erzeugt, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Beim Empfang eines solchen Signals Sl,S2 am anderen Wandler werden dann mehrere EmpfangsZeitpunkte pro Ultraschallsignal detektiert. Bei einer Messung stehen somit mehrere Laufzeitinformationen zur Verfügung, aus denen ein Messwert mit höherer Genauigkeit bestimmt werden kann, wobei die Messdauer im Vergleich zu mehreren Einzelmessungen wesentlich geringer ist.

Fig. 4 zeigt die Signale P,S1,S2 nochmals in vergrößerter Darstellung, wobei das Erregersignal P im oberen Teil und das damit erzeugte Ultraschallsignal Sl bzw. S2 im unteren Teil der Fig. dargestellt ist. Wie zu erkennen ist, entspricht die Frequenz des Ultraschallsignals Al,Bl derjenigen des Erregersignals P. Das Ultraschallsignal Al,Bl hat außerdem eine über mehrere Perioden im wesentlichen gleichbleibende maximale Amplitude.

In Bezug auf die Detektion der Signale Sl,S2 ist die Steuer- und Auswerteschaltung 4 z.B. derart realisiert, dass bei jedem Nulldurchgang eines Ultraschallsignals Sl bzw. S2 (nachdem die Amplitude des Signals einen vorgegebenen Schwellenwert SW überschritten hat) ein EmpfangsZeitpunkt ti-tn detektiert wird.

Fig. 5 zeigt die Empfangszeitpunkte der Signale Sl,S2 in der Reihenfolge ihres Eintreffens an den Ultraschallwandlern A,B. Das Signal S2 kommt in diesem Beispiel um mehrere Signalperioden früher am Wandler A an als das Signal Sl am Wandler B. Aus den zusammengehörigen EmpfangsZeitpunkten ti',ti"....tn',tn" wird jeweils eine Laufzeitdifferenz cxti....αt∏ ermittelt. Hierzu sind üblicherweise n Zähler erforderlich, mit denen die Laufzeitunterschiede αti zusammengehöriger Empfangsereignisse gezählt werden. Dies ist relativ aufwändig und kompliziert.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschall-Strömungssensor bzw. ein entsprechendes Verfahren zu schaffen, mit dem die Laufzeiten zweier langgezogener Ultraschallsignale mit möglichst geringem technischen Aufwand bestimmt werden können. Dabei sollte die Bestimmung der Laufzeiten auch bei ungünstigen Strömungsbedingungen oder bei einer Umkehr der Strömungsrichtung möglich sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Steuer- und Auswerteeinheit mit zwei Zählern vorzusehen, von denen der erste die Anzahl der vollen Intervalle eines ersten Signals (z.B. eines Referenzsignals oder eines ersten Ultraschallsignals) wenigstens bis zum ersten EmpfangsZeitpunkt eines Ultraschallsignals zählt, und der zweite Zähler jeweils die Zeitspanne zwischen jeweils einem ersten und einem zweiten von mehreren paarweise zusammengefassten Schalt- bzw. EmpfangsZeitpunkten der beiden Signale zählt. Dadurch, dass die Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz der Ultraschallsignale aus mehreren Zeitdauern ermittelt wird, die sich zeitlich nicht überlappen, kann die Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz mit nur zwei Zählern und folglich mit sehr geringem technischen Aufwand ermittelt werden.

Ein Ultraschall-Strömungssensor, der nach dem vorstehend beschriebenen Messprinzip arbeitet, kann auf unterschiedliche Art und Weise betrieben werden. Eine erste Möglichkeit besteht darin, an den beiden Ultraschallwandlern gleichzeitig je ein Ultraschallsignal auszusenden und die Laufzeit¬ differenz der Ultraschallsignale mittels der zwei Zähler zu messen. Ein zweite Möglichkeit besteht darin, zunächst nur an einem der Wandler ein Ultraschallsignal auszusenden und dessen Laufzeit unter Berücksichtigung eines Taktsignals zu messen, und danach die gleiche Laufzeitmessung am anderen Wandler durchzuführen.

Im Folgenden wird zunächst auf diejenige Betriebsart des Strömungssensors eingegangen, bei der die Ultraschallsignale gleichzeitig von den Wandlern ausgesendet werden. In diesem Fall zählt der erste Zähler die Anzahl der vollen Intervalle (definiert durch jeweils zwei aufeinander folgende EmpfangsZeitpunkte) des zuerst eintreffenden Ultraschallsignals wenigstens bis zum ersten EmpfangsZeitpunkt des später eintreffenden Ultraschallsignals, und der zweite Zähler jeweils die Zeitspanne zwischen jeweils einem ersten und einem zweiten von mehreren paarweise zusammengefassten EmpfangsZeitpunkten unterschiedlicher Ultraschallsignale. Die paarweise zusammengefassten EmpfangsZeitpunkte (Empfangspaare), deren Zeitspanne vom zweiten Zähler gemessen wird, umfassen vorzugsweise jeweils einen EmpfangsZeitpunkt des einen Ultraschallsignals und einen unmittelbar darauf folgenden EmpfangsZeitpunkt des anderen Ultraschallsignals. Die Empfangspaare sind vorzugsweise derart ausgewählt, dass sie unmittelbar aufeinander folgen, ohne Auslassung einzelner EmpfangsZeitpunkte. Die Auswerte- und Steuereinheit bildet aus den gemessenen Zeitspannen zwischen den Empfangspaaren vorzugsweise einen Mittelwert. Aus dem Zählerstand des ersten Zählers und dem gemittelten Zählerstand des zweiten Zählers kann somit ein relativ genauer Wert für die Laufzeitdifferenz der Ultraschallsignale bestimmt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die paarweise Zuordnung jeweils zweier EmpfangsZeitpunkte gemäß folgender Regel durchgeführt: Die Steuer- und Auswerteeinheit prüft zunächst, ob der erste EmpfangsZeitpunkt des später eintreffenden Signals zeitlich näher am vorhergehenden oder näher am folgenden EmpfangsZeitpunkt des zuerst eingetroffenen Ultraschall¬ signals als eine vorgegebene Zeitschwelle liegt, wobei der erste Zähler im ersten Fall die Zeitdauer (bzw. Anzahl der vollen Intervalle) vom ersten EmpfangsZeitpunkt des ersten Signals bis zu demjenigen EmpfangsZeitpunkt des ersten Signals bestimmt, der dem ersten EmpfangsZeitpunkt des später eintreffenden Ultraschallsignals vorhergeht, und im anderen Fall bis zu demjenigen Empfangszeitpunkt des ersten Ultraschallsignals zählt, der dem ersten EmpfangsZeitpunkt des später eintreffenden Ultraschallsignals folgt. Der erste Zähler zählt also die Anzahl der vollen Intervalle des ersten Ultraschallsignals bis zum ersten EmpfangsZeitpunkt des später eintreffenden Ultraschallsignals oder ein Intervall mehr, je nach Lage des ersten Empfangszeitpunkts des später eintreffenden Ultraschallsignals im Intervall des ersten Ultraschallsignals. Der zweite Zähler zählt vorzugsweise die Zeitdauern zwischen je zwei aufeinanderfolgenden EmpfangsZeitpunkten unterschiedlicher Signale. (Die Reihenfolge der EmpfangsZeitpunkte, aus denen ein Empfangspaar gebildet wird, kann sich aufgrund von Signalverschiebung während der Messung ändern) .

Die Laufzeitdifferenz wird im ersten Fall aus dem Zählerstand des ersten Zählers und einem Mittelwert des Zählerstands des zweiten Zählers durch Addition, im zweiten Fall durch Subtraktion gebildet, wobei die unterschiedliche Wertigkeit beider Zähler zu berücksichtigen ist. Die unterschiedliche Auswahl des ersten Empfangspaares in Abhängigkeit von der relativen Lage des ersten EmpfangsZeitpunkts des später ankommenden Ultraschallsignals hat den wesentlichen Vorteil, dass die Auswertung sehr robust gegenüber einem Signaljitter (Rauschen oder Zittern des Signals) oder turbulenter Strömung ist. Die Fehlerhäufigkeit wird somit wesentlich reduziert.

Der zweite Zähler ist vorzugsweise als Aufwärts/AbwärtsZähler realisiert, der in Abhängigkeit von der Reihenfolge der paarweise zusammengefassten Empfangszeitpunkte die Zählrichtung ändert und entweder aufwärts oder abwärts zählt. Auf diese Weise können insbesondere Verschiebungen in den langgezogenen Ultraschallsignalen z.B. aufgrund von turbulenter Strömung, berücksichtigt werden.

Vorzugsweise kann auf eine explizite Addition oder Subtraktion beider Zählerstände verzichtet werden, indem der erste Zähler ebenfalls als Aufwärts/Abwärtszähler realisiert wird, der bei Überschreiten der Zählergrenzen des zweiten Zählers einen Übertrag in positiver oder negativer Richtung vom zweiten Zähler erhält.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung akkumuliert der zweite Zahler die Zeitspannen von p Paaren von Empfangszeitpunkten, wobei p eine Zweierpotenz ist. Der Mittelwert des Zählerstandes des zweiten Zählers ergibt sich dann nach einer Division durch p. Wenn p als Zweierpotenz gewählt wurde, kann der Mittelwert in einfacher Weise durch eine Schieberegisteroperation gebildet werden, bei welcher die Kommasteile um log2P Stellen verschoben wird.

Im Folgenden wird nun auf diejenige Betriebsart des Strömungssensors eingegangen, bei der die Ultraschallsignale nacheinander ausgesendet und die Signallaufzeiten unter Berücksichtigung eines Referenzsignals ermittelt werden. Wie auch in der ersten Betriebsart wird ein langgezogenes Ultraschallsignal mittels eines Taktsignals (Erregersignals) erzeugt. Dieses Taktsignal kann selbst als Referenzsignal dienen. Alternativ kann aus dem Taktsignal das Referenzsignal abgeleitet werden, indem sowohl bei den positiven als auch negativen Flanken des Taktsignals ein Spannungspuls mit einer definierten Flanke (z.B. positiv) erzeugt wird. Das Ultraschallsignal wird zunächst nur von einem der Wandler ausgesendet und am anderen Wandler empfangen.

Der erste Zähler zählt dann die Anzahl der vollen Intervalle des Referenzsignals wenigstens bis zum ersten EmpfangsZeitpunkt des eintreffenden Ultraschallsignals, und der zweite Zähler jeweils die Zeitspanne zwischen jeweils einem ersten und einem zweiten von mehreren paarweise zusammengefassten Schalt- bzw. EmpfangsZeitpunkten der Signale. Der erste Zähler zählt also die Anzahl der vollen Taktperioden, und der zweite Zähler die Restzeit bis zum Eintreffen des Ultraschallsignals unter Berücksichtigung mehrerer Taktflanken-Empfangszeitpunkt-Paare (Empfangspaare). Das Ergebnis dieser Messung ist die Laufzeit des Ultraschallsignals in der einen Richtung. Danach wird die Laufzeit eines Ultraschallsignals in der anderen Richtung gemessen und aus den beiden Laufzeiten die gesuchte Messgröße berechnet. Die vorstehend bezüglich der ersten Betriebsart aufgeführten Ausführungsmöglichkeiten gelten in entsprechender Weise auch für die zweite Betriebsart.

Bei der Detektion eines Empfangsereignisses (z.B. Nulldurchgangs) eines Ultraschallsignals wird in der Auswerteschaltung üblicherweise eine digitales Signal gesetzt (z.B. von low auf high), das den genauen EmpfangsZeitpunkt des Empfangsereignisses anzeigt. Die Flanke dieses Signals ist mit einer Zeitungenauigkeit (jitter) behaftet. Bei der Abtastung des Signal kommt es zu Aliasing-Effekten, wenn die Taktrate des Abtastsignals nicht ausreichend hoch gewählt wird (Nyquist-Kriterium) . Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, das elektrische Signal mit einer Abtastrate abzutasten, die deutlich höher ist als der Kehrwert der Zeitungenauigkeit eines Empfangsereignisses. Dadurch kann die Genauigkeit der Strömungsmessung wesentlich erhöht werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein typisches Beispiel eines Ultraschall- Strömungssensors mit zwei Ultraschallwandlern gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 einen Ultraschall-Strömungssensor mit einer zugehörigen Steuer- und Auswerteschaltung;

Fig. 3 ein typisches Ultraschallsignal gemäß dem Stand der Technik und die Detektion des EmpfangsZeitpunkts;

Fig. 4 ein langgezogenes Ultraschallsignal mit mehreren zur Zeitmessung genutzten Nulldurchgängen;

Fig. 5 die Ermittlung von n Differenzlaufzeiten mittels n Zählern; Fig. 6 die Ermittlung der Differenzlaufzeit der Ultraschallsignale mittels zweier Zähler gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 eine Steuer- und Auswerteschaltung für die Bestimmung der Laufzeitdifferenz gemäß Fig. 6;

Fig. 8 die Bestimmung der Laufzeitdifferenz zweier Ultraschallsignale gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9 eine Steuer- und Auswerteeinheit für die Bestimmung der Laufzeitdifferenz zweier Ultraschallsignale gemäß dem Verfahren von Fig. 8;

Fig. 10 ein Beispiel einer fehlerhaften Auswertung der Laufzeitdifferenz bei sich verschiebenden EmpfangsZeitpunkten;

Fig. 11 die Auswertung der Laufzeitdifferenz bei zwei ungleichmäßigen Ultraschallsignalen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 12 eine Steuer- und Auswerteschaltung zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz zweier Ultraschallsignale gemäß dem Verfahren von Fig. 11;

Fig. 13 eine schematische Darstellung eines einzelnen Empfangsereignisses;

Fig. 14 ein Abtastsignal mit niedrigerer und höherer Frequenz; und

Fig. 15 die Normalverteilung der Zeitungenauigkeit bei der Detektion einzelner Empfangsereignisse. Bezüglich der Erläuterung der Fig. 1 bis 5 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der an den Ultraschallswandlern A,B empfangenen Ultraschallsignale Sl,S2f die gleichzeitig am jeweils anderen Wandler B,A ausgesendet wurden. Die positiven Flanken der digitalen Pulse Al-An bzw. Bl-Bn kennzeichnen jeweils den Empfang eines Nulldurchgangs der Ultraschallsignale Sl bzw. S2 zu den Zeitpunkten ti' bzw. t/'. Der Laufzeitunterschied αt der beiden Ultraschallsignale Sl,S2 ist gleich der Zeitdauer vom Puls Al bis zum Puls Bl.

Der Laufzeitunterschied kann ausgedrückt werden als eine Zeitdauer αt' von Puls Al bis A3 plus ein Restwert αt zwischen den Pulsen A3 und Bl, wobei gilt αt = αt' + αt". Um den statistischen Messfehler zu verringern, werden hier möglichst viele Nulldurchgänge der Signale Sl,S2 berücksichtigt und mehrere Rest-Zeitdauern αt'' gemessen, die schließlich gemittelt werden. Der Laufzeitunterschied αt der Ultraschallsignale Sl,S2 ergibt sich somit aus dem Wert von αt' und dem Mittelwert der Zeiten αtj".

Die Dauer der Zeiten αt' bzw. αti" kann in einfacher Weise mittels zweier Zähler 5a,5b gemessen werden. Der erste Zähler 5a zählt dabei die Dauer der vollen Intervalle (ein Intervall entspricht der Dauer zwischen zwei aufeinander folgenden Pulsen, z.B. Al,A2, des selben Ultraschallsignals) bis zum Eintreffen des ersten Pulses Bl des später ankommenden Ultraschallsignals Sl. Der Zählerstand des ersten Zählers 5a bildet dabei eine grobe Abschätzung der Laufzeitdifferenz αt der beiden Ultraschallsignale Sl,S2.

Ein zweiter Zähler misst jeweils fortlaufend die Zeitspannen αtj." zwischen jeweils zwei paarweise zusammengefassten Pulsen A4,B2;A5,B3; etc. und summiert dadurch gleichzeitig die Messwerte. Die Pulspaare sind dabei unmittelbar aufeinander folgend gewählt. Aus dem endgültigen Zählerwert wird schließlich ein Mittelwert gebildet, der zum Zählerstand des ersten Zählers 5a hinzu addiert wird. Bei Verwendung digitaler Zähler 5a,5b bildet der Zählerstand des ersten Zählers 5a vorzugsweise die höherwertigen Bits (hsb: high significant bits) und der Zählerstand des zweiten Zählers die niederwertigen Bits (lsb: least significant bits) . Unter den zwei Voraussetzungen, dass erstens die Bitbreiten des ersten Zählers 5a und des zweiten Zählers 5b richtig aneinander angepasst sind und zweitens die Ultraschallfrequenz mittels Teilung durch eine 2er-Potenz aus dem Zählertakt des lsb- Zählers erzeugt wurde, können die lsb-Bits des zweiten Zählers direkt an die hsb-Bits des ersten Zählers angefügt und zu einer einzigen Binärzahl zusammengesetzt werden, die proportional zur Laufzeitdifferenz αt ist.

Der Zählerstand des zweiten Zählers 5b kann darüber hinaus besonders einfach gemittelt werden, wenn insgesamt p Messungen von p Intervallen αti" durchgeführt werden und die Anzahl p eine Zweierpotenz ist. In diesem Fall entspricht die Mittelung des binären Zählerwerts (Teilung durch p) gleich einer Schieberegisteroperation um log^p, bei der die Kommastelle um Iog2p-Stellen nach links verschoben wird. Im dargestellten Beispiel von Fig. 6 werden p = 25 = 32 Messungen von αti" durchgeführt und somit die Kommastelle um 5 Bit nach links verschoben. Die endgültige Laufzeitdifferenz αt ergibt sich somit aus dem Zählerstand des ersten Zählers. 5a und den höherwertigen Bits (hier 10 Bit) des zweiten Zählers 5b in Einheiten der Periodendauer des lsb- Zählertaktes, wobei die 5 niederwertigen Bits des zweiten Zählers entsprechende Nachkommastellen sind.

Alternativ zur Darstellung von Fig. 6 könnte die Laufzeit¬ differenz αt der Signale Sl,S2 auch als Differenz der Zeitspannen [Al bis A4] und [Bl bis A4] dargestellt werden. Der erste Zähler 5a müsste ein Intervall mehr als bis zum Eintreffen des ersten Pulses Bl, also von Al bis A4 zählen, und der zweite Zähler 5b jeweils die Intervalle zwischen B2,A5;B3,A6; etc.. Hierbei gilt: αt = t[Al,A4] - t[Bl,A4].

In einer zweiten Betriebsart des Ultraschall-Strömungs¬ sensors, in der die Ultraschallsignale Sl,S2 nicht gleichzeitig, sondern nacheinander ausgesendet werden, gelten die gleichen Grundsätze, wie sie bezüglich der Fig. 6 bis 15 beschrieben werden. In diesem Fall wird jedoch zunächst die Laufzeit αt eines Ultraschallsignals (z.B. Sl) in einer Richtung und danach die Laufzeit αt eines Ultraschallsignals (z.B. S2) in der Gegenrichtung unter Berücksichtigung eines Referenzsignals (P) gemessen. In Fig. 6,8,10 oder 11 wäre das Signal S2 als das Referenzsignal P zu betrachten, welches aus dem selben Taktsignal abgeleitet wurde, mit dem das langgezogene Ultraschallsignal Sl erzeugt wurde, wobei die Empfangzeitpunkte Al in diesem Fall Schaltzeitpunkte (z.B. positive Flanken) des Referenzsignals P wären. (Auf eine separate Darstellung wurde daher verzichtet) .

Der erste Zähler 5a zählt wie in der ersten Betriebsart die Anzahl der vollen Intervalle des Referenzsignals P wenigstens bis zum ersten EmpfangsZeitpunkt Bl des eintreffenden Ultraschallsignals Sl, und der zweite Zähler 5b misst jeweils die Zeitspanne αti" zwischen jeweils einem ersten und einem zweiten von mehreren paarweise zusammengefassten Schalt- bzw. Empfangszeitpunkten Ai,Bi der Signale P,Sl. Der erste Zähler zählt also die Anzahl der vollen Perioden des Referenzsignals und der zweite Zähler die Restzeit αti" bis zum Eintreffen des Ultraschallsignals. Das Ergebnis dieser Messung ist die Laufzeit αt des Ultraschallsignals Sl. Danach wird die Laufzeit des Ultraschallsignals S2 in der anderen Richtung gemessen und aus den beiden Laufzeiten αt die gesuchte Messgröße berechnet.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Steuer- und Auswerteschaltung 4 mit zwei digitalen Zählern 5a,5b zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz αt. Die Schaltung hat die Eingänge Input A für das Signal S2 und Input B für das Signal Sl. Das Schaltungsmodul 6 erhält die Pulse Ai und Bi von den Wandlern A,B an den Eingängen "Input A" bzw. "Input B", lässt die zuerst ankommenden Pulse (hier A1-A3) bis auf den ersten Puls überhaupt durch (d.h. hier: A2-A3) und gibt diese an den ersten Zähler 5a weiter, bis am anderen Eingang "Input B" der erste Puls (hier Bl) des später ankommenden Ultraschall¬ signals Sl eintrifft. Der erste Zähler zählt somit bis 2 (zwei volle Intervalle) und hört danach auf zu zählen. Der Zählerstand hsb des ersten Zählers 5a ist mit dem Bezugszeichen 14 gekennzeichnet Die Zählrate des ersten Zählers 5a entspricht der Frequenz der Ultraschallsignale Sl,S2.

Nach dem Eintreffen der ersten Pulses Bl des Signals Sl aktiviert das Modul 6 ein zweites Modul 7 mittels eines Signals "enable". Das zweite Modul 7 erhält ebenfalls die Pulse Ai,Bi an den Eingängen "Input A" bzw. "Input B" und aktiviert jeweils den zweiten Zähler 5b während der Zeitspannen A4,B2;A5,B3, etc. (Der Ausgang "Cnt enable" wird dann high). Der Ausgang "cnt enable" ist mit einem AND-Gatter 10 verbunden, dessen Ausgang mit dem Takteingang CIk des zweiten Zählers 5b verbunden ist. Der zweite Zähler 5b zählt somit mit der am Eingang 16 zugeführten Taktrate "clock" aufwärts, solange der Ausgang "cnt enable" des zweiten Moduls 7 high ist und die Anzahl der gemessenen Intervalle αti" kleiner ist als eine vorgegebene Anzahl von Intervallen, αti", die am Eingang 11 vorgegeben werden kann. Die Anzahl der bereits gemessenen Intervalle αti" wird vom Zähler 12 gezählt, der mit dem Ausgang "cnt enable" des zweiten Moduls 7 verbunden ist. Der invertierte Ausgang eines Flip-Flops 9 ist solange high, bis die gemessene Anzahl der Intervalle αti" gleich der am Eingang 11 vorgegebenen Anzahl von Intervallen ist. Die Gleichheit der Anzahl wird von einem Logikgatter 8 erkannt, das das Flip-Flop 9 setzt. Der invertierte Ausgang IQ geht somit in den Zustand low und der zweite Zähler 5b hört auf zu zählen. Der Zählerstand lsb des zweiten Zählers 5b wird schließlich am Ausgang 13 ausgelesen und kann, wie vorstehend beschrieben, durch eine Schieberegisteroperation gemittelt werden. Die Schaltung wird über den Eingang "start" zurückgesetzt, so dass eine neue Messung beginnen kann.

Sofern die Messung gemäß der vorstehend beschriebenen zweiten Betriebsart durchgeführt wird, erhalten die Module 6,7 z.B. am Eingang "Input A" anstelle des Wandler-Ausgangssignals S2 das Referenzsignal P. Die Schaltung von Fig. 7 arbeitet ansonsten in gleicher Weise wie in der ersten Betriebsart.

Fig. 8 zeigt zwei an den Wandlern A,B empfangene Ultraschallsignale Sl,S2, deren EmpfangsZeitpunkte A1-A8 bzw. B1-B6 sich im Verlauf der Signale Sl,S2 gegeneinander verschieben. Eine derartige Signalverschiebung kann insbesondere durch turbulente Strömungsverhältnisse hervorgerufen werden, die einen Signaljitter (zeitliches Rauschen oder Zittern) im Signal Sl,S2 bewirken. Dadurch kann sich auch die Reihenfolge der einzelnen Pulse A1-A8 gegenüber den Pulsen B1-B6 vertauschen. Bei einer Auswertung der Intervalle αti" gemäß dem Verfahren von Fig. 6 würde der zweite Zähler 5b die Intervalle A4,B2;A5,B4;A6,B5, etc. und damit falsche Intervalle auswerten, wodurch ein erheblicher Messfehler entstehen würde.

Gemäß dem in Fig. 8 dargestellten Verfahren wird daher vorgeschlagen, die Pulse Ai des ersten Signals S2 und die Pulse Bi des zweiten Signals Sl wiederum jeweils paarweise zusammenzufassen, so dass aus jeweils zwei aufeinander folgenden Pulsen Ai,Bi unterschiedlicher Signale ein Pulspaar gebildet wird, und jedem Pulspaar A4,B2;B3,A5; etc. ein Vorzeichen (+/-) gemäß der Reihenfolge des Auftretens der beiden Pulse Ai,Bi zuzuordnen. Der zweite Zähler 5b wird dann abhängig von diesem Vorzeichen (+/-) während der zugehörigen Zeitdauer αtj." eines Pulspaares Ai,Bi entweder hoch- oder heruntergezählt. Die einzelnen Zählwerte für die Zeiten αt±" werden vom zweiten Zähler 5b vorzugsweise akkumuliert. Überschreitet der Zählerstand des zweiten Zählers 5b die Zählergrenzen des Zählers 5b (entweder 0 oder den durch die Bitbreite des Zählers gegebenen maximalen Zählerstand) erfolgt ein Übertrag an den ersten Zähler 5a, d.h. der erste Zähler 5a wird um eins hoch- oder heruntergezählt.

Nach Auswertung von p Zeitintervallen αt±" wird der Zählerstand lsb des zweiten Zählers 5b wiederum gemittelt. Sofern p eine Zweierpotenz ist, können die Zählerstände des hsb-Zählers 5a und des lsb-Zählers 5b ohne weitere arithmetische Operation einfach zu einer einzelnen Binärzahl zusammengefügt werden, wie dies in Fig. 8 unten dargestellt ist, wobei die Binärzahl dann proportional zur Laufzeitdifferenz oder Durchflussrate ist.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform einer Auswerteeinheit 4 zur Durchführung des vorstehend bezüglich Fig. 8 beschriebenen Verfahrens. Die Erzeugung der Ultraschallsignale Sl,S2 aus dem Takt eines Quarzoszillators sowie die Ablaufsteuerung des gesamten Messvorgangs wurden dabei aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.

Die Auswerteschaltung ist in wesentlichen Teilen identisch aufgebaut wie die Auswerteschaltung von Fig. 7, auf die hier verwiesen wird. Die von den Wandlern A,B erzeugten elektrischen Pulse Ai,Bi werden an den Eingängen "Input A" und "Input B" der Module 6 und 7 eingespeist. Das Schaltungsmodul 7 lässt die zuerst ankommenden Pulse bis auf den aller ersten(hier A2-A3) durch und gibt entsprechende Signale an den ersten Zähler 5a weiter, bis der erste Puls Bl des anderen Ultraschallsignals Sl eintrifft. Die Zählrichtung des ersten Zählers 5a wird vom Modul 6 über den Ausgang +/- vorgegeben. (Die Zählrichtung ist positiv oder negativ, je nachdem, welches Signal Sl,S2 zuerst ankommt). Das Modul 7 erkennt ebenfalls die Reihenfolge der Pulse Ai,Bi eines Pulspaares Ai,Bi und gibt entsprechend für jedes Pulspaar individuell entweder ein positives oder ein negatives Vorzeichen am Ausgang +/- aus. Das Vorzeichen wird über ein XOR-Glied 17 und ein NOT-Glied 18 an den zweiten Zähler 5b geleitet, der entsprechend aufwärts oder abwärts zählt. Der Takt "clock" am Eingang 16 gelangt, wie bereits zu Fig. 7 beschrieben wurde, nur während der Zeitintervalle αti" über das AND-Gatter 10 zum zweiten Zähler 5b. Der Takt "clock" wird während der Zeitintervalle αti" vom Modul 7 am Ausgang "Cnt enable" freigegeben und gelangt somit zum zweiten Zähler 5b.

Fig. 10 zeigt zwei nacheinander an den Ultraschallwandlern A bzw. B ankommende Ultraschallsignale S2 bzw. Sl, deren Nulldurchgänge nicht gleichmäßig an den Wandlern A,B ankommen, sondern gegeneinander verschoben sind. Die Pulse A1-A8 bzw. B1-B8 treffen dabei zeitlich so an den Ultraschallwandlern A,B ein, dass sich die Intervalle αti" der Pulspaare A5,B3 und A6,B4 zeitlich überlappen. Zeitlich überlappende Intervalle αti" können jedoch nicht von einem einzigen Zähler gezählt werden. Es kommt daher zu einem Auswertefehler, wie anhand der Zählerstände hsb und lsb des ersten 5a bzw. zweiten Zählers 5b zu erkennen ist.

Der erste Zähler 5a zählt, wie bisher, die Anzahl der vollen Intervalle (von Al-A3) des zuerst ankommenden Signals S2, bis zum Eintreffen des ersten Pulses Bl und hört danach auf zu zählen. Der endgültige Zählerstand des ersten Zählers 5a ist daher hsb = 2. Der zweite Zähler 5b zählt dann während des Intervalls A4,B2 z.B. um 8 Zähler, während des Intervalls A5,B3 um weitere 9 Zähler nach oben, überspringt den Puls A6 und zählt dann wieder im Intervall A7,B4 um 2 Zähler nach oben, so dass der Gesamtzählerstand lsb = 19 ist.

Der Grund für die fehlerhafte Auswertung liegt in diesem Fall darin, dass der erste Puls Bl des Signals Sl erst kurz vor dem nächsten Signal A4 des anderen Signals S2 eintrifft und bereits durch eine geringe Signalverschiebung überlappende Zeitdauern (A5,B3 und A6,B4) erzeugt werden.

Fig. 11 zeigt ein verbessertes Auswerteverfahren, bei dem derartige zeitliche Überlappungen vermieden werden können. Hierzu prüft die Auswerteeinheit 4, ob der erste Puls Bl des später eintreffenden Ultraschallsignals Sl zeitlich näher am vorhergehenden Puls A3 oder näher am nachfolgenden Puls A4 des anderen Signals S2 liegt. Eine Zeitschwelle ts, die in diesem Beispiel in der Mitte des Intervalls A3,A4 liegt, dient in diesem Fall als Vergleichsmaßstab. Je nach Lage des ersten EmpfangsZeitpunkts Bl des später eintreffenden Ultraschallsignals Sl im Intervall des ersten Ultraschall¬ signals S2, zählt der erste Zähler 5a die Anzahl der vollen Intervalle bis zum ersten EmpfangsZeitpunkt Bl oder ein Intervall mehr. Für die Auswertung gilt entweder αt = αtif + αti" (nicht gezeigt, vergleichbar z.B. mit Fig. 6) oder αt = αt' - αt", wobei αt' drei Intervalle umfassen würde.

Im ersten Fall (der Puls Bl liegt zeitlich vor ts, nicht gezeigt, vergleichbar z.B. mit Fig. 8) zählt der erste Zähler 5a die Anzahl der vollen Intervalle bis zum Eintreffen des ersten Pulses Bl. Danach werden alle weiter folgenden Pulse entsprechend der Reihenfolge ihres Eintreffens als Pulspaare Ai,Bi interpretiert, deren zugeordnete Zeitintervalle [Ai,Bi] vom zweiten Zähler 5b gemessen werden. In Fig. 8. z.B. ist A4,B2 das erste dieser Pulspaare. Dieses Verfahren entspricht dem Verfahren von Fig. 8 oder Fig. 10. Der Zählerstand des ersten Zählers 5a und des zweiten Zählers 5b werden (nach einer Mittelung) schließlich unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Wertigkeiten der beiden Zähler addiert bzw. einfach zusammengesetzt.

Im zweiten Fall (der erste Puls Bl kommt zeitlich nach der Zeitschwelle ts an) zählt der erste Zähler 5a ein Intervall weiter, d.h. alle vollen Intervalle [Ai,Ai+1] bis einschließlich des Intervalls [A3,A4] des Signals S2, in das der erste Puls Bl des späteren Ultraschallsignals Sl fällt. Der Zählerstand hsb des ersten Zählers 5a zählt hier somit bis drei. Ab diesem Zeitpunkt werden wiederum alle weiteren Pulse in der Reihenfolge ihres Eintreffens als Paare Ai,Bi einander zugeordnet. Im Beispiel in Fig. 11. ist also B2,A5 das erste dieser Pulspaare. Der zweite Zähler 5b zählt dann wiederum während der Zeitdauer eines Pulspaares Ai,Bi, wobei der Zählerstand in Abhängigkeit von der Reihenfolge der Pulse Ai,Bi entweder aufwärts oder abwärts gezählt wird

Pulspaare in der Reihenfolge Bi,Ai werden abwärts und Pulspaare in der Reihenfolge Ai,Bi aufwärts gezählt. Der Zählerstand lsb des zweiten Zählers 5b wird daher zunächst negativ (z.B. lsb = -2), zählt während des zweiten Intervalls A6,B3 dann zurück auf 0 und während des dritten Intervalls A7,B4 um 2 Zähler nach oben auf z.B. lsb = 2. Der erste Zähler 5a erhält bei Überschreiten der Zählergrenzen des zweiten Zählers 5b jeweils einen Übertrag und zählt somit zunächst zurück auf einen Zählerstand hsb = 2 und danach wieder auf einen Zählerstand hsb = 3.

Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Steuer- und Auswerteschaltung 4, die nahezu identisch aufgebaut ist wie die Auswerteschaltung von Fig. 9. Wie auch bei den Fig. 7 und 9 wurde die Erzeugung der Ultraschallsignale Sl,S2 aus dem Takt eines Quarzoszillators, sowie die Ablaufsteuerung aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Gleiche Bestandteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Im Unterschied zu Fig. 9 umfasst das Modul 6 der Auswerteschaltung von Fig. 12 einen zusätzlichen Takteingang "clock", der eine zusätzliche Zeitmessung ermöglicht, um zu entscheiden, ob der erste Puls Bl des später ankommenden Ultraschallsignals Sl vor oder nach der in Fig. 11 eingezeichneten Zeitschwelle ts eintrifft. Zu Zwecken der Zeitmessung kann z.B. wiederum ein Zähler vorgesehen sein, der im Modul 6 integriert sein kann. Der Ausgang "enable" des Moduls 6 wird somit je nach Lage des ersten Empfangszeitpunkts Bl des Signal Sl früher oder später aktiv.

Fig. 13 zeigt ein internes Signal der Auswerteschaltung 4, das bei der Detektion eines Empfangsereignisses (z.B. eines Nulldurchganges) eines empfangenen Ultraschallsignals Sl, S2 von low auf high geschaltet wird. Der Zeitpunkt der steigenden Signalflanke hat aufgrund von Signaljitter {Signalzittern bzw. -rauschen) eine gewisse Zeitungenauigkeit αtj.

Figur 15 zeigt die jitter-bedingte Häufigkeitsverteilung des detektierten Zeitpunkts für den Nulldurchgang im Falle mehrerer nacheinander durchgeführter Messungen. Die Standardabweichung ist dabei mit +/- αtj angegeben. Die Häufigkeitsverteilung kann z.B. einer Normalverteilung mit der entsprechenden Charakteristik einer Gauss-Funktion entsprechen.

Das interne Detektionssignal von Fig. 13 wird üblicherweise mit einem hochfrequenten Takt abgetastet, wie er in Fig. 14 oben dargestellt ist. Dieser Takt entspricht dem Takt am clock-Eingang in Fig. 9. Und Fig. 12. Wird ein Taktsignal mit einer relativ niedrigen Frequenz fl gewählt, kann sich bei der Laufzeitmessung ein relativ hoher Aliasing-Fehler ergeben. Das Empfangsereignis wird in diesem Fall erst nach einer Zeit αta von der Auswerteschaltung 4 erfasst. Zur Vermeidung von Aliasing-Fehlern wird vorgeschlagen, ein Abtastsignal mit einer Frequenz f2 (siehe Fig. 14 unten) zu verwenden, die deutlich höher ist als der Kehrwert der Zeitungenauigkeit (jitter) bei der Detektion einzelner Empfangsereignisse. Die Genauigkeit der Messung kann durch diese Überabtastung weiter erhöht werden, obwohl die Streubreite +/- αtj der Häufigkeitsverteilung der Eingangsmessgrößen gemäss Fig. 15. unverändert groß bleibt. Durch die vorstehend beschriebenen Verfahren zur Pulsauswertung kann die Messgenauigkeit eines Ultraschall- Strömungssensors wesentlich verbessert und insbesondere Fehlmessungen verhindert werden. Bezugszeichenliste

1 Fluid 2 Strömungsrichtung 3 Rohrleitung 4 Steuer- und Auswerteschaltung 5a erster Zähler 5b zweiter Zähler 6 Modul zur Ansteuerung des ersten Zählers 7 Modul zur Ansteuerung des zweiten Zählers 8 Vergleichsgatter 9 RS-Flip-Flop 10 AND-Gatter 11 Anzahl der Pulspaare 12 Pulspaar-Zähler 13 Zählerstand lsb 14 Zählerstand hsb 15 Ready-Ausgang 16 Takteingang 17 XOR-Gatter 18 NOT-Gatter 19 OR-Gatter 20 Nulldurchgangssignal tl' EmpfangsZeitpunkt des zuerst ankommenden Signals S2 ti" EmpfangsZeitpunkte des später ankommenden Signals Sl αt' grobe Abschätzung der Laufzeitdifferenz αtj." Zeitintervall eines Pulspaares αt Laufzeitdifferenz Ai Pulse des zuerst ankommenden Signals S2 Bi Pulse des später ankommenden Signals Sl