Bestimmung des EmpfangsZeitpunkts eines Ultraschallsignals mittels Pulsformerfassung

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Bestimmung des EmpfangsZeitpunkts eines Ultraschallsignals gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.

Ultraschall-Strömungssensoren dienen insbesondere dazu, 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 Ultraschall¬ signale 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 Signal in Strömungsrichtung und dem Signal in Gegenrichtung ist dabei ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Daraus kann die gewünschte Messgröße, wie z.B. ein Volumen- oder Massestrom, 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 Messtrecke L ist gegenüber der Strömungsrichtung 2 um eine Winkel CC geneigt. Während einer Messung senden sich die Ultraschallwandler A,B gegenseitig Ultraschallsignale zu, die je nach Richtung von der Strömung entweder verlangsamt oder beschleunigt werden. Die Laufzeiten der Schallsignale 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 Strömungssensor kann z.B. nach dem sogenannten "sing-around"-Verfahren arbeiten. Dabei wird durch den Empfang eines Ultraschallsignals AO bzw. BO an einem der Wandler A,B unmittelbar ein Ultraschallsignal in Gegenrichtung ausgelöst.

Für die Laufzeitmessung eines Ultraschallsignals AO bzw. BO ist es von wesentlicher Bedeutung, dass der EmpfangsZeitpunkt des Ultraschallsignals AO,BO eindeutig und genau bestimmt wird. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Bestimmung eines EmpfangsZeitpunkts wird im Folgenden anhand von Fig. 3 erläutert.

Fig. 3 zeigt den Signalverlauf eines einzelnen Ultraschallsignals AO bzw. BO. Der "EmpfangsZeitpunkt" des Signals AO,BO ist hier als der erste Nulldurchgang No des Signals definiert, nachdem die Signalamplitude Amp einen vorgegebenen Schwellenwert SW (den sogenannten Pretrigger Level) überschritten hat. In dem dargestellten Beispiel wäre somit der Zeitpunkt to der Empfangszeitpunkt des Signals. (Der EmpfangsZeitpunkt des Signals könnte alternativ auch anders, z.B. durch Auswertung der Phase des Signals bestimmt werden.)

Verschmutzungen, Driften oder Alterung der Ultraschallwandler, oder Turbulenzen im strömenden Fluid können dazu führen, dass die Amplitude der Ultraschallsignale AO,BO stark variiert. Solange die Signalamplitude sich nicht zu stark ändert, wird die Nulldurchgangsdetektion kaum beeinträchtigt, da immer der gleiche Nulldurchgang (bezogen auf das gesamte Signal) als EmpfangsZeitpunkt detektiert wird und die Frequenz des Signals im wesentlichen gleich bleibt. Sobald die Amplitude der vor dem Zeitpunkt to liegenden Halbwelle jedoch den Schwellenwert SW unterschreitet, kann es zu Fehlmessungen des Empfangszeitpunkts kommen, da das Ultraschallsignal den Schwellenwert SW dann zu einem späteren Zeitpunkt überschreitet und somit ein falscher Nulldurchgang als EmpfangsZeitpunkt detektiert wird.

Fig. 4 zeigt den Signalverlauf des Ultraschallsignals AO,BO bzw. Wandler-Ausgangssignals 5 mit verminderter Amplitude Amp. Dieses Signal übersteigt den festen Schwellenwert SW erst zu einem späteren Zeitpunkt. Die Empfangseinheit 4 ermittelt in diesem Fall den Nulldurchgang Ni und damit einen falschen Nulldurchgang N als EmpfangsZeitpunkt to des Ultraschallsignals AO,BO. Die Laufzeitmessung des Ultraschallsignals AO,BO verschiebt sich somit um ganzzahlige Vielfache von +-l/f bzw. +-1/ (2f) (f=Ultraschallfrequenz) , wodurch die Messgenauigkeit stark beeinträchtigt wird. Durch starkes Anwachsen der Amplitude Amp des Ultraschallsignals AO,BO bzw. des entsprechenden Wandler-Ausgangsignals 5 kann sich der detektierte Empfangszeitpunkt to auch in Richtung früherer Nulldurchgänge N verschieben (nicht gezeigt) .

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Messgenauigkeit eines Ultraschall-Strömungssensors bei stark schwankender Signalamplitude des Ultraschallsignals zu verbessern.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 7 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, den Zeitpunkt einer die Form des Ultraschallsignals kennzeichnenden Größe (z.B. den Zeitpunkt der maximalen Amplitude oder des Signalschwerpunkts oder des Schwerpunkts der Hüllkurve) als Referenzzeitpunkt, einen Empfangszeitpunkt (z.B. einen Nulldurchgang), sowie die relative zeitliche Verschiebung des Referenzzeitpunkts zum EmpfangsZeitpunkt zu ermitteln. Die zeitliche Verschiebung zwischen dem Referenzzeitpunkt und dem Empfangsereignis bleibt unverändert, so lange der Schwellenwert zwischen denselben beiden Amplituden des Ultraschallsignals liegt. Ändert sich die Amplitude des Ultraschallsignals bzw. des zugehörigen Wandler-Ausgangssignals so stark, dass der Schwellenwert zwischen zwei anderen Amplituden des Signals liegt, ändert sich die Zeitdifferenz zwischen der kennzeichnenden Größe und dem detektierten Empfangsereignis sprungartig. Dies kann von der Empfangseinheit des Ultraschall-Strömungssensors erkannt und der EmpfangsZeitpunkt entsprechend korrigiert werden.

Die kennzeichnende Größe ist vorzugsweise eine Größe, die von der Signalamplitude unabhängig ist, wie z.B. der Zeitpunkt der maximalen Amplitude, des Signalschwerpunkts oder des Schwerpunkts der Hüllkurve.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestimmt der Zeitpunkt des Schwerpunkts der Hüllkurve den Referenzzeitpunkt. Der zeitliche Schwerpunkt der Hüllkurve kann z.B. in einer Prozessoreinheit nach folgender Beziehung berechnet werden:

T3-£ k*A(k)/£ A(k),

wobei k ein Laufindex ist, der die Nummer der positiven Halbwellen des Ultraschallsignals nach Überschreiten des Schwellenwertes beschreibt. A(k) ist die Amplitude der k-ten Halbwelle nach dem Überschreiten des Schwellenwerts (Triggerzeitpunkt) . Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfangseinheit eine Einrichtung zur Bestimmung der maximalen Amplitude des Ultraschallsignals. In diesem Fall ist die kennzeichnende Größe die maximale Amplitude des Ultraschallsignals. Die Wahl der maximalen Amplitude des Ultraschallsignals als Referenzzeitpunkt liefert prinzipiell das gleiche Ergebnis wie die Wahl des Schwerpunkts der Hüllkurve, unter der Vorraussetzung, dass sich die Position der maximalen Amplitude relativ zu den anderen Amplituden nicht ändert. Verschiebt sich die Position der maximalen Amplitude jedoch relativ zu den übrigen Amplituden, kann es zu Fehlmessungen kommen, da sich das Zeitintervall zwischen dem detektierten EmpfangsZeitpunkt to und dem ReferenzZeitpunkt um n*2pi verändert.

Die Empfangseinheit umfasst vorzugsweise einen Komparator, an dessen Eingang das vom Ultraschallwandler erzeugte Wandler- Ausgangssignal und ein Referenzsignal (z.B. eine Schwellenspannung) anliegt, wobei die Empfangseinheit aus dem Ausgangssignal des Komparators eine Information über den Referenzzeitpunkt (z.B. Zeitpunkt der maximalen Amplitude oder des Schwerpunkts der Hüllkurve) ermittelt.

Das Empfangsereignis ist vorzugsweise ein Nulldurchgang, kann aber auch ein anderes vorgegebenes Kriterium sein.

Die Empfangseinheit ist vorzugsweise in der Lage, den EmpfangsZeitpunkt in Abhängigkeit von seiner zeitlichen Position zum Referenzzeitpunkt zu korrigieren.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschall- Strömungssensor mit zwei Ultraschallwandlern; Fig. 2 einen Ultraschall-Strömungssensor mit zugehöriger Steuer- und Empfangsschaltung;

Fig. 3 den Signalverlauf eines einzelnen Ultraschallsignals mit großer Amplitude;

Fig. 4 den Signalverlauf eines einzelnen Ultraschallsignals mit kleiner Amplitude;

Fig. 5 eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung zur Nulldurchgangsdetektion;

Fig. 6 einen typischen Verlauf des Signalschwerpunkts in Abhängigkeit vom Verhältnis Schwellenspannung/Signalamplitude; und

Fig. 7 den Verlauf des Schwerpunkts einer Hüllkurve des Ultraschallsignals in Abhängigkeit vom Verhältnis Schwellenspannung/Signalamplitude.

Bezüglich der Erläuterung der Fig. 1-4 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.

Fig. 3 zeigt, wie erwähnt, die Bestimmung des EmpfangsZeitpunkts to eines Ultraschallsignals AO,BO mittels Nulldurchgangsdetektion. Dabei wird der erste Nulldurchgang No des Signals AO bzw. BO, nachdem das Signal AO,BO einen vorgegebenen Schwellenwert SW überschritten hat, als EmpfangsZeitpunkt to detektiert. (Wahlweise könnte auch ein anderes Ereignis, z.B. das Überschreiten eines Schwellenwerts als Empfangsereignis definiert werden.)

Die Empfangseinheit 4 (Fig. 2) ermittelt ferner den Zeitpunkt to der maximalen Signalamplitude Ampmax und die Zeitdifferenz Δt zwischen dem EmpfangsZeitpunkt to und dem Zeitpunkt ti. (Wahlweise kann auch der Zeitpunkt einer anderen kennzeichnenden Größe, z.B. der Zeitpunkt des Schwerpunkts der Hüllkurve 6 als Referenzzeitpunkt ti ermittelt werden.)

Bei einer starken Änderung der Signalamplitude Amp des Ultraschallsignals (siehe Fig. 4) wird der falsche Nulldurchgang (hier Ni) als EmpfangsZeitpunkt t0 detektiert. Die Zeitdifferenz Δt ändert sich dadurch sprungartig um ganzzahlige Vielfache von 1/f oder 1/ (2f) , wobei f die Ultraschallfrequenz ist. Dies wird von der Empfangseinheit 4 erkannt und der EmpfangsZeitpunkt to entsprechend korrigiert.

Fig. 5 zeigt eine bekannte Logikschaltung zur Nulldurchgangsdetektion, mit der der EmpfangsZeitpunkt t0 bestimmt werden kann. Die Schaltung umfasst einen ersten Komparator 10, an dessen Eingang (-) das Ultraschallsignal US bzw. das entsprechende Wandler-Ausgangssignal 5 anliegt, und an dessen anderem Eingang (+) eine Schwellenspannung Usw als Referenz zugeführt wird. Der Ausgang des Komparators 10 geht immer dann in den Zustand "high", wenn die Amplitude des Ultraschallsignals AO,BO die Referenzspannung Usw überschreitet. Aus der Dauer der High-Phasen kann der Zeitpunkt der maximalen Amplitude Ampmax bestimmt werden.

Der zweite Komparator 11 von Fig. 5 dient zur Nulldurchgangsdetektion. Der zweite Komparator 11 erhält hierzu an seinem positiven Eingang (+) das Ultraschallsignal US und an seinem negativen Eingang (-) eine entsprechende Referenzspannung (hier OV) . Das Ausgangssignal K1,K2 der Komparatoren 10,11 ist in Fig. 6 dargestellt.

Fig. 6 zeigt das pulsweitenmodulierte Ausgangssignal Ki des ersten Komparators 10. Die einzelnen High-Phasen des Signals Ki können z.B. in verschiedenen Zählern gespeichert und ausgewertet werden. Die längste High-Phase indiziert dabei die maximale Amplitude Ampmax des Ultraschallsignals AO bzw. BO. Das Komparator-Ausgangssignal könnte analog oder digital weiterverarbeitet oder arithmetisch bewertet werden. So könnte z.B. eine Kreuzkorrelation verschiedener Ausgangssignale Ki durchgeführt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Schwerpunkt Ts der Hüllkurve 6 des Ultraschallsignals AO,B0 als charakteristische Größe herangezogen, die in Relation zum detektierten EmpfangsZeitpunkt to gesetzt wird. Der zeitliche Schwerpunkt der Hüllkurve 6 kann beispielsweise aus folgender Beziehung ermittelt werden:

Ts~£ k*A<k)/£ A(k), k=l k=l

wobei k ein Laufindex ist, der die Nummer der positiven Halbwellen des Ultraschallsignals nach Überschreiten des Schwellenwertes SW beschreibt. A(k) ist dabei die Amplitude der k-ten Halbwelle nach dem Überschreiten des Schwellenwerts (Triggerzeitpunkt) .

Fig. 7 zeigt den Verlauf des Signalschwerpunkts Ts in Abhängigkeit vom Verhältnis der Schwellenspannung USW zur Signalamplitude Amp. Immer dann, wenn sich die Amplitude Amp des Ultraschallsignals AO,BO so stark ändert, dass der Schwellenwert USW eine Signalperiode früher oder später überschritten wird, hat das Signal Ts einen Sprung.

Da eine höhere Amplitude A(k) auch eine größere High-Zeit des ersten Komparators 10 nach sich zieht, kann A(k) in einer groben, aber ausreichend guten Nährung durch die High-Zeit des Signals Ki ersetzt werden. Die erste Summe der vorstehend genannten Gleichung kann ohne arithmetische Funktionen z.B. mittels eines Zählers realisiert werden, dessen Takteingang vom High-Pegel des pulsweitenmodulierten Komparator- AusgangsSignals Ki freigeschaltet wird. Die Multiplikation mit dem Laufindex k kann ohne Arithmetik erreicht werden, indem die Taktfrequenz des Zählers bei jeder Halbwelle entsprechend erhöht oder erniedrigt wird. Bezugszeichenliste

1 Fluid 2 Strömungsrichtung 3 Rohrleitung 4 Steuer- und Auswerteeinheit 5 Wandler-Ausgangssignal 6 Hüllkurve 10 erster Komparator 11 zweiter Komparator 12 Monoflop 13 Verarbeitungseinheit 14 UND-Gatter Ki Komparator-Ausgangssignal K2 Komparator-Ausgangssignal SW Schwellenwert A,B Ultraschallwandler AO,BÖ Ultraschallsignale Ampmax maximale Amplitude to EmpfangsZeitpunkt Δt Zeitverschiebung USW Schwellenspannung US Ultraschallsignaleingang Ts Schwerpunkt der Hüllkurve