Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungssensor 15 gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Detektion des Empfangszeitpunkts eines Ultraschallsignals gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.

20 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 25...,. angeordnete Ultraschallwandler, die jeweils-,Ultraschall¬ signale erzeugen und diese an den jeweils anderen Ultraschallwandler aussenden. Die Ultraschallsignale werden vom jeweils anderen Wandlern empfangen und mittels einer Elektronik ausgewertet. Der Laufzeitunterschied zwischen dem 30 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.

35 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 40 Pfeils 2. Die Messtrecke L ist gegenüber der Strömungsrichtung 2 um eine Winkel α 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 eines Ultraschallsignals AO,BO eindeutig und genau bestimmt werden kann. 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,BO. Der "EmpfangsZeitpunkt" des Signals AO,BO ist hier als der erste Nulldurchgang N0 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 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 als EmpfangsZeitpunkt detektiert wird und die Frequenz des Signals im wesentlichen gleich bleibt. Sobald die maximale Signalamplitude der Halbwelle vor dem Zeitpunkt to jedoch in den Bereich des Schwellenwerts SW kommt, kann es zu Fehlmessungen des EmpfangsZeitpunkts kommen, wenn das Ultraschallsignal den Schwellenwert z.B. zu einem späteren Zeitpunkt überschreitet und somit ein falscher Nulldurchgang als EmpfangsZeitpunkt detektiert wird.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Messgenauigkeit eines Ultraschall-Strömungssensors, der den EmpfangsZeitpunkt eines Ultraschallsignals mittels Nulldurchgangsdetektion bestimmt, 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 Gedanke der Erfindung besteht darin, eine Information über die Amplitude des Ultraschallsignals zu ermitteln und den Schwellenwert (Pretrigger Level) an die Amplitude des Ultraschallsignals anzupassen. Dadurch kann erreicht werden, dass bei einer veränderten Signalamplitude immer der richtige, d.h. der gleiche Nulldurchgang bzw. das richtige Ereignis als EmpfangsZeitpunkt detektiert wird.

Eine Information über die Signalamplitude kann in unterschiedlicher Art und Weise ermittelt werden: Eine erste Möglichkeit besteht darin, ein Signalmaxima, vorzugsweise die maximale Amplitude des Ultraschallsignals mittels einer entsprechenden Einrichtung zu messen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Ultraschallsignal gleichzurichten und einen Mittelwert zu bestimmen. Auch dieser Mittelwert ist ein Maß für die Signalamplitude und kann somit als Referenzgröße zur Anpassung des Schwellenwerts herangezogen werden. Darüber hinaus sind viele andere Signal-Auswerteverfahren denkbar, aus denen eine Information über die Signalamplitude gewonnen werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfangseinheit des Ultraschall-Strömungssensor eine Einrichtung zum Messen der maximalen Amplitude des Ultraschallsignals. Der Schwellenwert kann somit an die aktuelle maximale Signalamplitude angepasst werden. Fehlmessungen werden dadurch stark verringert.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Amplituden- Messeinrichtung umfasst eine erste S/H-Stufe (Abtast- und Halteglied), an deren Eingang das Ultraschallsignal bzw. ein entsprechendes Wandler-Ausgangssignal anliegt und die den maximalen Wert der Signalamplitude speichert, sowie eine nachgeschaltete zweite S/H-Stufe, die den maximalen Wert der ersten S/H-Stufe übernimmt und speichert. Aus dem so ermittelten maximalen Amplitudenwert kann schließlich ein gewünschter Schwellenwert (Pretrigger Level) erzeugt werden.

Das Ausgangssignal der zweiten S/H-Stufe wird zu diesem Zweck von einem Spannungsteiler geteilt und die Teilspannung (=Schwellenwert) einem Komparator zugeführt. Der Komparator schaltet vorzugsweise seinen Ausgang, wenn das Wandler- Ausgangssignal den Schwellenwert überschreitet. Anschließend kann nun die Nulldurchgangsdetektion durchgeführt werden.

Um zu verhindern, dass der Schwellenwert zu stark schwankt, ist vorzugsweise ein Tiefpassfilter vorgesehen, mit dem die Amplitudeninformation oder die Schwellenwertinformation (d.h. das entsprechende Signal) gefiltert wird.

Eine andere Ausführungsform der Empfangseinheit umfasst einen Gleichrichter, mit dem das Wandler-Ausgangssignal gleichgerichtet wird. Das gleichgerichtete Signal kann z.B. mittels eines Integrators integriert oder mittels eines Tiefpasses gefiltert werden. Das Integrator-Ausgangssignal als auch das Filter-Ausgangssignal geben wiederum Rückschluss auf die Signalamplitude des Ultraschallsignals und erlauben somit die Anpassung des Schwellenwerts.

Eine weitere Ausführungsform der Empfangseinheit umfasst einen Differenzierer, mit dem das Wandler-Ausgangssignal differenziert wird, sowie eine nachgeordnete Einheit zur Nulldurchgangsdetektion, mit der die Zeitpunkte der Maxima des Ultraschallsignals erfasst werden. Die Maxima können z.B. in einer S/H-Stufe gespeichert und daraus das Maximum mit dem höchsten Wert ermittelt werden.

Eine weitere Ausführungsform der Empfangseinheit umfasst zwei lock-in-Verstärker, in denen das Wandler-Ausgangssignal anhand zweier Referenztaktsignale verstärkt wird, wobei die Referenztaktsignale die Frequenz der Ultraschallsignale haben und gegenseitig, z.B. um pi/2, phasenverschoben sind. Werden die beiden so erzeugten Verstärker-Ausgangssignale integriert oder mit einem Tiefpass gefiltert, kann aus den resultierenden Signalen uo und upi/2 durch quadratische Mittelung ^uI+U^/2 ein Wert bestimmt werden, der ein-Maß für

die Signalamplitude darstellt und eine Anpassung des Schwellenwerts erlaubt.

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

Fig. 1 zeigt 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;

Fig. 4 eine Empfangseinheit zur Anpassung des Schwellenwerts gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 5 einen Signalflussplan der Signale von Fig. 4; und

Fig.6a-6d verschiedene Ausführungsformen von Empfangseinheiten zur Anpassung des Schwellenwerts.

Bezüglich der Erläuterung der Fig. 1-3 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.

Fig. 4 zeigt einen Teil einer Empfangseinheit 4, mit der der Schwellenwert SW an die Signalamplitude der Ultraschall¬ signale AO bzw. BO angepasst werden kann. Die Empfangseinheit 4 misst bei dieser Ausführungsform die maximale Amplitude Ampmax des UItraschallSignals AO,BO.

Die Empfangseinheit 4 umfasst einen ersten Komparator 10, an dessen Eingang US das Wandler-Ausgangssignal 5 anliegt, und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang 19 einer ersten S/H- Stufe 12 verbunden ist. Der Komparator 10 wechselt seinen Ausgangszustand, wenn das Wandler-Ausgangssignal 5 größer wird als der in der S/H-Stufe 1.2 bisher gespeicherte Amplitudenwert. Dadurch wird die erste S/H-Stufe 12 aktiviert, die dann den aktuellen Amplitudenwert übernimmt und speichert. Fig. 3 zeigt den Verlauf des Ausgangssignals 19 der ersten S/H-Stufe 12.

Wenn das Ultraschallsignal AO bzw. BO abgeklungen ist, übernimmt eine zweite S/H-Stufe 13 den maximalen Amplitudenwert Ampmax der ersten S/H-Stufe 12. Die zweite S/H- Stufe 13 wird hierzu von einem Steuersignal „stop" angesteuert. Das Ausgangssignal 20 der zweiten S/H-Stufe 13 wird einem Spannungsteiler 14 mit einstellbarem Teilerfaktor zugeführt. Der Spannungsteiler 14 ist hier als Trimmpotentiometer realisiert. Die Teilspannung Ut bildet dabei den neuen Schwellenwert SW für die Detektion des EmpfangsZeitpunktes. Die Teilspannung Ut wird einem zweiten Komparator 16 als Referenzspannung zugeführt. Der andere Eingang des Komparators 16 ist mit dem Eingang US der Empfangseinheit 4 verbunden. Das Ausgangssignal des zweiten Komparators 16 ändert somit den Schaltzustand, wenn das Ultraschallsignal AO,BO den Schwellenwert SW überschreitet bzw. unterschreitet. Der Schaltzustand wird in einem Monoflop 18 gespeichert.

Fig. 5 zeigt den Signalverlauf einiger Signale der Schaltung von Fig. 4. Der Signalverlauf ist dort schraffiert gezeichnet, wo das entsprechende Signal entweder von vorherigen Ereignissen abhängt oder der Signalzustand Undefiniert ist.

Das Messverfahren beginnt mit dem Erzeugen eines Start- Signals "start", das der ersten S/H-Stufe 12 über ein Oder- Gatter 11 zugeführt wird, um diese zu aktivieren. Bei Empfang eines Ultraschallsignals AO,BO am Eingang US speichert die erste S/H-Stufe 12 (Signal s/hl) die maximale Signalamplitude Ampmax, wie vorstehend beschrieben wurde. Mit Eintreffen eines Stopp-Signals "stop" übernimmt die zweite S/H-Stufe 13,:den Wert der ersten S/H-Stufe 12 (Signal s/h2) .

Mit dem nächsten Start-Signal wird die erste S/H-Stufe 12 wieder zurückgesetzt und eine neue Messung kann beginnen.

Fig. 6a zeigt eine andere Ausführungsform einer Empfangseinheit 4, bei der das Wandler-Ausgangssignal zunächst einem Gleichrichter 21 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Gleichrichters 21 wird schließlich mittels eines Integrators 22 integriert, wobei eine Mittelwertbildung des Signals stattfindet. Dieser Wert ist somit wiederum ein Maß für die maximale Amplitude des Ultraschallsignals AO,BO. Das Integrator-Ausgangssignal wird dann von der zweiten S/H- Stufe 13 abgetastet und gespeichert. Die übrige Schaltung zur Erzeugung der Teilspannung Ut kann identisch wie in Fig. 4 realisiert sein. Fig. 6b zeigt eine weitere Ausführungsform einer Empfangseinheit 4 mit einem Gleichrichter 21 und einem nachgeordneten Tiefpass 15. Das gleichgerichtete und gefilterte Wandler-Ausgangssignal 5 kann z.B. wiederum mittels der Schaltung von Fig. 4 ausgewertet werden.

Fig. 6c zeigt eine weitere andere Ausführungsform einer Empfangseinheit 4 mit einem Differenzierer 23 und einer Einheit 24 zur Nulldurchgangsdetektion. Mit Hilfe des Differenzierers 23 und der Einheit 24 werden die Zeitpunkte der Signalmaxima des Ultraschallsignals AO,BO bestimmt und eine nachgeordnete S/H-Stufe 25 aktiviert, die jeweils die maximalen Signalwerte übernimmt. Damit beim Abklingen des Ultraschallsignals AO,BO nicht wieder niedrigere Amplitudenwerte übernommen werden, kann die Anzahl der Abtastvorgänge der S/H-Stufe 25 z.B. durch einen Zähler oder ein Monoflop begrenzt werden.

Fig. 6d zeigt eine noch andere Ausführungsform einer Empfangseinheit 4 mit zwei lock-in-Verstärkern 40,42 bzw. 41,43. Die lock-in-Verstärker können z.B. als Multiplizierer 40,41 mit nachfolgenden Integriergliedern 42,43 aufgebaut sein. In diesem Fall wird das Ultraschallsignal AO, BO mittels der Referenztakte Ref0 und Refpi/2, die genau die Ultraschallfrequenz haben, phasengesteuert invertiert. Eine andere Möglichkeit besteht z.B. darin, dass anstelle der beiden Multiplizierer jeweils ein invertierender und ein nichtinvertierender Verstärker eingesetzt wird, deren Verstärkungsfaktoren bis auf das Vorzeichen im Wesentlichen gleich sind. In diesem Fall würde dann z.B. ein Signalmultiplexer eingesetzt, um gemäss der Referenztakte zwischen invertierendem und nichtinvertierendem Betrieb hin und her zu schalten. Die Referenztakte sind dabei um pi/2 phasenverschoben. Die resultierenden Signale werden dann integriert und somit die Verstärker-Ausgangssignale Uo und Upi/2 erzeugt. Alternativ zu der Integrierung der Signale ist z.B. auch eine Tiefpassfilterung denkbar. Die Signale Uo und Upi/2 werden über eine digitale oder analoge Rechenschaltung 44 quadratisch addiert und mit einer S/H-Stufe 13 abgetastet. Das Ausgangssignal out der Schaltung von Fig. 6d ist wiederum ein Maß für die Amplitude des Ultraschallsignals und erlaubt die Anpassung des Schwellenwerts SW (üt) . Die übrige Schaltung zur Erzeugung der Teilspannung Ut kann identisch wie in Fig. 4 realisiert sein.

Das dynamische Verhalten der Empfangseinheit 4 kann außerdem durch geeignete Filter beeinflusst werden. Ein Tiefpassfilter beispielsweise verhindert zu schnelle Anpassungen des Schwellenwerts SW. Ein solcher Tiefpassfilter könnte z.B. als RC-Glied realisiert sein, das zwischen die zweite S/H-Stufe 13 und das Trimmpotentiometer 14 geschaltet ist. Wahlweise könnte der Tiefpassfilter 15 auch zwischen das Trimmpotentiometer und den zweiten Komparator 16 geschaltet sein. Bezugszeichenliste

1 Fluid 2 Strömungsrichtung 3 Rohrleitung 4 Steuer- und Empfangseinheit 5 Wandler-Ausgangssignal 10 erster Komparator 11 Oder-Gatter 12 Erste S/H-Stufe 13 Zweite S/H-Stufe 14 Spannungsteiler 15 Tiefpassfilter 16 Zweiter Komparator 17 Und-Gatter 18 Monoflop 19 Ausgang der ersten S/H-Stufe 12 20 Ausgang der zweiten S/H-Stufe 13 21 Gleichrichter 22 Integrator 23 Differenzierer 24 Einheit zur Nulldurchgangsdetektion 25 S/H-Stufe 40,41 Multiplizierer 42,43 Integrierer 44 Recheneinheit Refo,Refpi/2 Referenztaktsignale to EmpfangsZeitpunkt SW Schwellenwert AO,BO Ultraschallsignale A,B Ultraschallwandler L Messtrecke Ut Teilspannung