Verfahren und Vorrichtung zur Verifikation des Betriebs eines Ultraschall- Durchflussmessgeräts basierend auf dem Laufzeitdifferenzenverfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verifikation des Betriebs eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts basierend auf dem

Laufzeitdifferenzenverfahren zur Messung von Durchflussgeschwindigkeiten oder dem Volumendurchfluss von Medien in einer Rohrleitung. Solche Verfahren und

Vorrichtungen erleichtern das schnelle Auffinden von Defekten von Ultraschall- Durchflussmessgeräten. Die Patentschrift EP 2 428 777 B1 offenbart ein solches Verfahren, bei welchem zur Verifikation des Betriebs des Ultraschall-Durchflussmessgeräts Prüfsignale mit vordefinierter Laufzeit emuliert werden, wobei wie bei echten Messsignalen eine Durchflussgeschwindigkeit errechnet wird, wobei das errechnete Ergebnis durch Vergleich mit dem zu erwartenden Ergebnis auf die Funktionsfähigkeit der Mess- bzw. Auswerteelektronik schließen lässt. Hierzu ist mindestens ein Paar von Prüfsignalen notwendig, wobei jeweils eines dieser Prüfsignale eines Prüfsignalpaars einem in Flussrichtung und das andere Prüfsignal einem gegen die Flussrichtung des Mediums laufenden Messsignal entspricht. Die Tatsache, dass mindestens zwei Prüfsignale zur Verifikation des Betriebs des Ultraschall-Durchflussmessgeräts benötigt werden, zieht einen erhöhten Aufwand in Bezug auf die Analyse der Prüfsignale und die Elektronik und somit auch in Bezug auf den Energieverbrauch nach sich und erhöht weiterhin die Fehleranfälligkeit des Verfahrens und der Vorrichtung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches und robustes Verfahren zur Verifikation des Betriebs des Ultraschall-Durchflussmessgeräts und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung bereitzustellen, was einen geringeren Schaltungsaufwand und Energieverbrauch zur Folge hat. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß der unabhängigen Betriebsschaltung in Anspruch 1 und eine

Vorrichtung gemäß des unabhängigen Anspruchs 8.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch eine Betriebsschaltung umgesetzt, welche zur Verifikation des Betriebs des Ultraschall-Durchflussmessgeräts die Laufzeit eines einzelnen Prüfsignals überprüft, wobei das Verfahren zur Verifikation des Betriebs des Ultraschall-Durchflussmessgeräts folgende Schritte umfasst:

Erzeugen eines Prüfsignals; Prüfsignallaufzeitmessung durch die Betriebsschaltung; wobei das Verfahren weiterhin umfasst: Überprüfen der Prüfsignallaufzeitmessung durch die Betriebsschaltung zur Verifikation des Betriebs des Ultraschall- Durchflussmessgeräts.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das erzeugte Prüfsignal einem

Signaleingang der Betriebsschaltung zugeführt, welcher im Messbetrieb an die

Messeinheit des Ultraschall-Durchflussmessgeräts angeschlossen ist. In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Prüfsignallaufzeitmessung durch Zählen eines der Taktsignale der Betriebsschaltung, wobei das Erzeugen des

Prüfsignals durch die Betriebsschaltung um ein definiertes oder definierbares

Zeitintervall gegenüber dem Start des Zählens verzögert wird, wobei das Zählen durch Detektion des Prüfsignals durch die Betriebsschaltung beendet wird, wobei die gemessene Prüfsignallaufzeit mit dem gewählten Zeitintervall verglichen wird.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist die Verifikation des Betriebs des Ultraschall- Durchflussmessgeräts durch einen hinreichend geringen Unterschied zwischen

Prüfsignal laufzeit und gewähltem Zeitintervall gegeben, wobei der Unterschied beispielsweise nicht mehr als 1 %, insbesondere nicht mehr als 0,5% und bevorzugt nicht mehr als 0,25% beträgt.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Prüfsignalverarbeitungsqualität durch Vergleich von Parametern des von der Betriebsschaltung verarbeiteten Prüfsignals mit Referenzkriterien gemessen, so dass Rückschlüsse auf die Funktion der

Betriebsschaltung gezogen werden können. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der zeitliche Verlauf des Prüfsignals durch Aufrufen und Erzeugen einer gespeicherten Signalform dem zeitlichen Verlauf eines typischen gemessenen Ultraschallsignals nachempfunden, so dass der

signalverarbeitende Teil der Betriebsschaltung im Rahmen seiner Spezifikation arbeitet. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der zeitliche Verlauf des Prüfsignals durch elektronische Maßnahmen an den zeitlichen Verlauf eines typischen gemessenen Ultraschallsignals angepasst, wobei die Anpassung verschiedene Parameter wie beispielsweise Amplitude oder zeitliche Dauer oder insbesondere die Anzahl der Oszillationen oder bevorzugt das Frequenzspektrum berücksichtigen kann, so dass der signalverarbeitende Teil der Betriebsschaltung im Rahmen seiner Spezifikation arbeitet.

Die erfindungsgemäße Betriebsschaltung weist mindestens einen Messmodus sowie mindestens einen Verifikationsmodus auf, wobei die Betriebsschaltung dazu

eingerichtet ist im Verifikationsmodus die folgenden Schritte durchzuführen:

Start einer Prüfsignallaufzeitmessung mit Beginn eines der Taktsignale der

Betriebsschaltung; Erzeugen eines Prüfsignals, wobei das Erzeugen des Prüfsignals um ein definiertes oder definierbares Zeitintervall gegenüber dem Start des Zählens verzögert wird, wobei die Verzögerung durch die Betriebsschaltung wählbar ist;

Beenden der Prüfsignallaufzeitmessung durch Detektion des Prüfsignals durch die Betriebsschaltung und Vergleich der gemessenen Prüfsignallaufzeit mit dem

Zeitintervall.

In einer weiteren umfasst die Betriebsschaltung mindestens eine Signalsendeschaltung, mindestens eine Steuerungs/Auswerteschaltung, mindestens einen Signalverstärker, mindestens eine spannungssensitive Schaltung zur Signalerkennung, mindestens einen Multiplexer und mindestens eine Dämpfungsschaltung.

In einer Ausgestaltung der Betriebsschaltung verwendet die Betriebsschaltung im Messmodus die mindestens eine Signalsendeschaltung, die mindestens eine

Steuerungs/Auswerteschaltung, den mindestens einen Signalverstärker, die mindestens eine spannungssensitive Schaltung zur Signalerkennung und den mindestens einen Multiplexer zum Ansteuern der Ultraschallwandler als Sender bzw. Empfänger, wobei die Ultraschallsignallaufrichtung mittels des Multiplexers wählbar ist.

In einer Ausgestaltung der Betriebsschaltung verwendet die Betriebsschaltung im Verifikationsmodus die mindestens eine Signalsendeschaltung, die mindestens eine Steuerungs/Auswerteschaltung, den mindestens einen Signalverstärker, die mindestens eine spannungssensitive Schaltung zur Signalerkennung, den mindestens einen Multiplexer und die mindestens eine Dämpfungsschaltung, wobei die mindestens eine Dämpfungsschaltung dazu angehalten ist, den zeitlichen Verlauf des Prüfsignals durch elektronische Maßnahmen an den zeitlichen Verlauf eines typischen

gemessenen Ultraschallsignals anzupassen, wobei die mindestens eine

Steuerungs/Auswerteschaltung dazu angehalten ist, das Senden des Prüfsignals gegenüber dem Start der Prüfsignallaufzeitmessung um ein definiertes oder

definierbares Zeitintervall zu verzögern.

In einer Ausgestaltung der Betriebsschaltung ist die Dauer eines Durchlaufs des Verifikationsmodus kürzer als 1 Sekunde und insbesondere kürzer als 0.3 Sekunden, wobei der Anteil des Verifikationsmodus an der Betriebsdauer weniger als 5% und insbesondere weniger als 2% des Anteils des Messmodus an der Betriebsdauer der Betriebsschaltung beträgt, wobei der Messmodus durch den Verifikationsmodus kurzfristig unterbrechbar ist, so dass der Messmodus quasikontinuierlich anwendbar ist.

In einer Ausgestaltung der Betriebsschaltung ist der Betriebsmodus durch die

Betriebsschaltung wählbar.

Es wird also durch die vorliegende Erfindung ein Ultraschall-Durchflussmessgerät vorgeschlagen, dessen Betrieb durch ein einfaches und robustes Verfahren und einer Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens verifiziert wird. Im Rahmen dieses Verfahrens wird also zur Verifikation des Betriebs des Ultraschall-Durchflussmessgeräts nur eine Laufzeitmessung eines einzelnen Prüfsignals durchgeführt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in Zeichnungen dargestellten

Ausführungsformen näher erläutert.

Es zeigt: Fig. 1 : einen schematischen Aufbau einer beispielhaften Ausführungsform der

Betriebsschaltung in Verbindung mit der Messeinheit des Ultraschall- Durchflussmessgeräts; und Fig. 2: einen schematischen Ablauf einer beispielhaften Ausführungsform des Verifikationsverfahrens im Verifikationsmodus 30, also ein Durchlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens; und Fig. 3: einen schematischen Ablauf einer beispielhaften Ausführungsform des Messverfahrens im Messmodus 40.

Fig. 1 zeigt ein Ultraschall-Durchflussmessgerät, das im Wesentlichen die

Betriebsschaltung 100 und die Messeinheit des Ultraschall-Durchflussmessgeräts 200 umfasst. Die Betriebsschaltung umfasst eine Signalsendeschaltung 100, einen

Multiplexer 120, einen Verstärker 130, eine spannungssensitive Schaltung 140, eine Steuerungs/Auswerteschaltung 150 und eine Dämpfungsschaltung 160. Die

Messeinheit umfasst ein Paar von Ultraschallwandlern 220 und 230, die am

Durchflussrohr 210 angeordnet sind.

Fig. 2 zeigt den Ablauf der beispielhaften Ausführungsform des Verifikationsverfahrens im Verifikationsmodus (30). Der Ablauf beginnt mit dem Start der Laufzeitmessung 300 durch die Steuerungs/Auswerteschaltung 150.

Der nächste Verfahrensschritt 301 wird mit dem verzögerten Senden des Prüfsignals durch die Signalsendeschaltung 110 eingeleitet. Die Signalsendeschaltung 1 10 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine in einem Speicher gespeicherte, an den zeitlichen Verlauf eines typischen gemessenen Ultraschallsignals angepasste

Signalform aufzurufen und ein Prüfsignal dieser Gestalt zu versenden.

Der nächste Verfahrensschritt 302 umfasst die Weiterleitung des Prüfsignals durch den Multiplexer 120 an die Dämpfungsschaltung 160, wobei der Multiplexer durch die Steuerungs/Auswerteschaltung 150 dazu angeleitet wird, das Prüfsignal an die

Dämpfungsschaltung 160 weiterzuleiten.

Der nächste Verfahrensschritt 303 umfasst die Dämpfung des Prüfsignals durch die Dämpfungsschaltung 160, so dass die Prüfsignalamplitude beim Eintritt in den

Verstärker 130 beispielsweise weniger als einen Faktor 10 größer ist als die Amplitude eines typischen empfangenen Messsignals und insbesondere weniger als einen Faktor 5 größer ist als die Amplitude eines typischen empfangenen Messsignals und bevorzugt weniger als einen Faktor 2 größer ist als die Amplitude eines typischen empfangenen Messsignals. Die Dämpfungsschaltung kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, das Prüfsignal durch elektronische Maßnahmen an den zeitlichen Verlauf eines typischen gemessenen Ultraschallsignals anzupassen.

Der nächste Verfahrensschritt 304 umfasst die Verstärkung des Prüfsignals durch den Verstärker 130. Der nächste Verfahrensschritt 305 umfasst die Detektion des Prüfsignals durch die spannungssensitive Schaltung 140.

Der nächste Verfahrensschritt 306 umfasst die Auswertung des Prüfsignals durch Steuerungs/Auswerteschaltung 150, wobei die Prufsignallaufzeitmessung durch Zählen des zur Prufsignallaufzeitmessung gehörenden Taktsignals erfolgt. Die

Steuerungs/Auswerteschaltung 150 kann beispielsweise auch dazu eingerichtet sein, die Prüfsignalverarbeitungsqualität durch Vergleich von Parametern mit

Referenzkriterien zu messen, so dass Rückschlüsse auf die Funktion der

Betriebsschaltung gezogen werden können.

Fig. 3 zeigt den Ablauf der beispielhaften Ausführungsform des Messverfahrens im Messmodus (40). Der Ablauf beginnt mit dem Start der Lauf Zeitmessung 400 durch die Steuerungs/Auswerteschaltung 150 und dem gleichzeitigen Senden eines

elektronischen Ultraschallerregersignals durch die Signalsendeschaltung 1 10, wobei einer der Ultraschallwandler 220, 230 dazu angehalten ist, das Ultraschallerregersignal in ein Ultraschallsignal zu wandeln. Der nächste Verfahrensschritt 401 umfasst die Weiterleitung des gesendeten

Ultraschallerregersignals durch den Multiplexer 120 an die Messeinheit des Ultraschall- Durchflussmessgeräts 200, wobei der Multiplexer durch die

Steuerungs/Auswerteschaltung 150 dazu angeleitet wird, das Ultraschallerregersignal an die Messeinheit 200 und insbesondere an einen der Ultraschallwandler 220, 230 weiterzuleiten.

Der nächste Verfahrensschritt 402 umfasst die Erzeugung eines Ultraschallsignals aus dem Ultraschallerregersignal durch einen der Ultraschallwandler 220, 230 und die Rückwandlung des Ultraschallsignals in ein elektronisches Messsignal durch den jeweils anderen Ultraschallwandler 230, 220 des Ultraschallwandlerpaars. Der nächste Verfahrensschritt 403 umfasst die Weiterleitung des durch einen der Ultraschallwandler 220, 230 empfangenen Messsignals durch den Multiplexer 120, wobei der Multiplexer 120 durch die Steuerungs/Auswerteschaltung 150 dazu angeleitet wird, das empfangene Messsignal an den Verstärker 130 weiterzuleiten. Der nächste Verfahrensschritt 404 umfasst die Verstärkung des empfangenen

Messsignals durch den Verstärker.

Der nächste Verfahrensschritt 405 umfasst die Detektion des empfangenen

Messsignals durch die spannungssensitive Schaltung 140.

Der nächste Verfahrensschritt 406 umfasst die Auswertung des empfangenen

Messsignals durch Steuerungs/Auswerteschaltung 150, wobei die

Messsignallaufzeitmessung durch Zählen des zur Messsignallaufzeitmessung gehörenden Taktsignals erfolgt.

Bezugszeichenliste

100 Betriebsschaltung

1 10 Signalsendeschaltung

120 Multiplexer

130 Verstärker

140 Spannungssensitive Schaltung

150 Steuerungs/Auswerteschaltung

160 Dämpfungsschaltung

200 Messeinheit des Ultraschall-Durchflussmessgeräts

210 Rohrleitung

220 Ultraschallwandler

230 Ultraschallwandler

30 Verifikationsmodus

300 Start der Prüfsignallaufzeitmessung

301 Senden des Prüfsignals

302 Prüfsignalweiterleitung zur Dämpfungsschaltung

303 Dämpfung des Prüfsignals

304 Verstärkung des Prüfsignals

305 Detektion des Prüfsignals durch spannungssensitive Schaltung 140 306 Auswertung des Prüfsignals.

40 Mess modus

400 Start der Laufzeitmessung und Senden des Messsignals

401 Ultraschallerregersignalweiterleitung zu Ultraschallwandler

402 Erzeugung und Rückwandlung von Ultraschallsignal

403 Messsignalweiterleitung zu Verstärker

404 Verstärkung des Messsignals

405 Detektion des Messsignals durch spannungssensitive Schaltung 140

406 Auswertung des Messsignals