Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen mindestens einer Messgröße und ein Messgerät, wobei ein erster Sensor ein erstes Messsignal aussendet und von einem zweiten Sensor 5 empfangbar ist, und in einem zeitlichem Abstand t zum ersten Messsignal mindestens ein zweites Messsignal aussendet, wobei zumindest ein zweiter Sensor die Messsignale empfängt, wobei die Laufzeit TOF des Messsignals zwischen Aussenden des Messsignals und Empfangen des Messsignals bekannt ist.

I O Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung einer

Prozessgröße. Bei der Prozessgröße handelt es sich z.B. um den Volumen- oder Massedurchfluss eines Mediums durch ein Messrohr oder den Füllstand eines Füllguts in einem Behälter.

Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik 15 eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss in einer Rohrleitung zu bestimmen.

Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Doppler- oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip. Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten 10 von Ultraschallimpulsen relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet. Hierzu werden Ultraschallimpulse in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.

15 Beim Doppler-Prinzip werden Ultraschallwellen mit einer bestimmten Frequenz in die Flüssigkeit eingekoppelt und die von der Flüssigkeit reflektierten Ultraschallwellen ausgewertet. Aus der Frequenzverschiebung zwischen den eingekoppelten und reflektierten Wellen lässt sich ebenfalls die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmen. Reflexionen in der Flüssigkeit treten auf, wenn Luftbläschen oder Verunreinigungen in dieser vorhanden sind, so dass dieses Prinzip hauptsächlich

30 bei verunreinigten Flüssigkeiten Verwendung findet.

Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler in der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitts fest angebracht. Seit neuerem sind auch Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesssysteme erhältlich. Bei 35 diesen Systemen werden die Ultraschallwandler nur noch mit einem Spannverschluss an die

Rohrwandung gepresst. Ein großer Vorteil von Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmesssystemen ist, dass sie das Messmedium nicht berühren und auf eine bereits bestehende Rohrleitung angebracht werden. Derartige Systeme sind z. B. aus der EP 686 255 B1 , US-A 44 84 478 oder US-A 45 98 593 bekannt. Ein weiteres Ultraschall-Durchflussmessgerät, das nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeitet, ist aus der US-A 50 52 230 bekannt. Die Laufzeit wird hier mittels kurzen Ultraschallimpulsen, so genannten Bursts, ermittelt.

Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem elektromechanischen Wandlerelement, z.B. ein piezoelektrisches Element, auch kurz Piezo genannt, und einer Koppelschicht, auch Koppelkeil oder seltener Vorlaufkörper genannt. Die Koppelschicht ist dabei meist aus Kunststoff gefertigt, das piezoelektrische Element besteht in der industriellen Prozessmesstechnik üblicherweise aus einer Piezokeramik. Im piezoelektrischen Element werden die Ultraschallwellen erzeugt und über die Koppelschicht zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet. Da die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Kunststoffen unterschiedlich sind, werden die Ultraschallwellen beim Übergang von einem zum anderen Medium gebrochen. Der Brechungswinkel bestimmt sich in erster Näherung nach dem Snell ^' schen Gesetz. Der Brechungswinkel ist somit abhängig von dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien.

Zwischen dem piezoelektrischen Element und der Koppelschicht kann eine weitere Koppelschicht angeordnet sein, eine so genannte Anpassungsschicht. Die Anpassungsschicht übernimmt dabei die Funktion der Transmission des Ultraschallsignals und gleichzeitig die Reduktion einer durch unterschiedliche akustische Impedanzen verursachte Reflektion an Grenzschichten zwischen zwei Materialen.

Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Füllstands-Messgeräte zur Ermittlung und Überwachung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter oder in einem offenen Gerinne mittels einer Laufzeitmessung von Ultra-/Schallsignalen bekannt, welche häufig in vielen Industriezweigen, z.B. in der Lebensmittelindustrie, der Wasser- und Abwasserbranche und in der Chemie, eingesetzt werden. Bei einer Laufzeitmessung werden Ultra-/Schallsignale in den Prozessraum bzw. das Behälterinnere ausgesendet; und die an der Oberfläche des Füllguts im Behälter reflektierten Echowellen werden von einem Sende-/Empfangselement empfangen. Aus der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden der Ultra-/Schallsignale und dem Empfang der Echosignale lässt sich der Abstand des Messgerätes zu der Füllgutoberfläche ermitteln. Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes über die Laufzeit von Ultraschallsignalen sowie auch von anderen Messsignalen, wie z.B. Radar nutzen die physikalische Gesetzmäßigkeit aus, wonach die Laufstrecke gleich dem Produkt aus der Laufzeit und der Ausbreitungsgeschwindigkeit ist. Unter Berücksichtigung der Geometrie des Behälterinnern und/oder des Behälters wird dann der Füllstand des Füllguts als relative oder absolute Größe ermittelt.

Die Erzeugung der Schallwellen bzw. Ultraschallwellen und das Ermitteln der reflektierten Echowellen nach einer abstandsabhängigen Laufzeit können durch separate Sendeelemente und Empfangselemente oder durch gemeinsame Sende-/Empfangselemente erfolgen. In der Praxis kommt meist nur ein einzelnes Sende-/Empfangselement, ein so genannter Ultraschall-Transceiver, der ein Sendesignal erzeugt und zeitlich versetzt ein Reflexionssignal bzw. Echosignal empfängt, zum Einsatz. Den Ultraschall-Transceiver bildet beispielsweise ein Verbundschwingsystem, das aus der Literatur als Langevin-Schwinger bekannt ist. In der DE 29 06 704 A1 ist beispielsweise der Aufbau und die Funktionsweise eines solchen Schwingers beschrieben, der auch als Tonpilz- Resonator bezeichnet wird. Das Kernstück eines Ton pi Iz- Resonators ist ein piezoelektrisches Element, das mittels einer Befestigungsschraube zwischen einem Abstrahlelement und einem Gegenelement eingespannt wird und mit diesem zusammen das Verbundschwingsystem bildet.

Der elektromechanische Wandler, wie z.B. ein Piezoelement, wird in der Nähe einer seiner mechanischen Resonanzfrequenzen betrieben. Dadurch kann die Resonanzüberhöhung genutzt werden, um die Sendeamplitude zu vergrößern und die Empfindlichkeit beim Empfang zu erhöhen.

Ein generelles Problem bei Laufzeitdifferenzverfahren ist die Abgrenzung vom Nutzsignal von eventuellen Störsignalen, wie z.B. Reflexionen oder Rohrwellen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein Messgerät bereit zu stellen, mit welchem die Laufzeiten eines Messsignals zwischen einem Sender und einem Empfänger ermittelbar sind.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Messen mindestens einer Messgröße, wobei ein erster Sensor ein erstes Messsignal aussendet, welches erste Messsignal insbesondere mindestens eine Halbwelle einer mechanischen Welle oder einer elektromagnetischen Welle umfasst, insbesondere ein Burst-Signal ist, und in einem zeitlichem Abstand t zum ersten Messsignal mindestens ein zweites Messsignal aussendet, welches insbesondere gleich dem ersten Messsignal ist, wobei zumindest ein zweiter Sensor die Messsignale empfängt, wobei eine Laufzeit TOF ₁ die Laufzeit des ersten Messsignals zwischen Aussenden des ersten Messsignals vom ersten Sensor und Empfangen des ersten Messsignals vom zweiten Sensor ist und wobei eine Laufzeit TOF ₂ die Laufzeit eines dritten Messsignals zwischen zweitem Sensor und erstem Sensor ist, insbesondere zwischen Aussenden des dritten Messsignals vom zweiten Sensor und Empfangen des ersten

Messsignals vom ersten Sensor, wobei der zeitliche Abstand t so gewählt wird, dass eine Amplitude eines empfangenen Messsignals am zweiten Sensor maximal wird. Das zweite Messsignal ist dabei insbesondere gleich dem ersten Messsignal. Das dritte Messsignal kann dabei sowohl ein vom zweiten Sensor zum ersten Sensor ausgesandtes Messsignal, als auch eine Reflexion des ersten und/oder zweiten Messsignals vom zweiten Sensor zum ersten Sensor sein.

Der Erfindung liegt das folgende Prinzip zu Grunde: Die vom ersten Sensor ausgesendeten Messsignale, also insbesondere das erste und das zweite Messsignal, werden reflektiert, z.B. am zweiten Sensor, an einer Rohrwand oder an der Oberfläche eines Messmediums. Um die bestmögliche Signalstärke zu erhalten, können die Reflexionen mit dem Messsignal selbst so überlagert werden, dass die Amplitude maximal wird. Dies ist durch eine zeitliche Verschiebung von t zu erreichen.

Gemäß einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zeitliche Abstand t so gewählt, dass die Amplitude des vom zweiten Sensor empfangenen Messsignals aus einer Überlagerung von zweitem Messsignal und Reflexionen des ersten Messsignals maximal wird, insbesondere aus einer Überlagerung von zweitem Messsignal und von vom zweiten Sensor zum ersten Sensor und wieder zurück zum zweiten Sensor reflektierten ersten Messsignal.

Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der zeitliche Abstand t über einen vorgegebenen Bereich variiert wird. Dazu werden beispielsweise viele Messsignale mit einem konstanten Abstand t zueinander vom ersten zum zweiten Sensor gesendet. Nach einer Einschwingzeit T, ist die vom zweiten Sensor gemessene Amplitude bei sonst gleich bleibenden Systemeigenschaften, wie z.B. Durchfluss und/oder Füllstand, konstant, d.h. sie ändert sich über einen gewissen Zeitraum nicht. Diese Amplitude wird zusammen mit dem Abstand t in einem Speicher gehalten. Danach wird der Abstand t verändert. Dies wird wiederholt, Fachmänner sprechen von einem sweep. Dies kann so lange wiederholt werden, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist und der zur maximalen aufgezeichnete Amplitude gehörende Abstand zwischen den Messsignalen wird eingestellt. Der Zeitpunkt des Abbrechens des Sweeps ist ein klassisches

Optimierungsproblem, mit den für den Fachmann bekannten Optimierungsverfahren durchzuführen.

In einer weiteren Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird mittels des zeitlichen Abstands t die Schallgeschwindigkeit eines durchschallten Messmediums ermittelt, welches z.B. durch ein Messrohr strömt, und/oder mittels des zeitlichen Abstands t wird der Füllstand eines Messmediums in einem Behälter ermittelt. Diese Ausgestaltung der Erfindung benötigt keine weitere aufwendige Signalverarbeitung, um die Schallgeschwindigkeit oder den Füllstand zu ermitteln.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Messen mindestens einer Messgröße, wobei ein erster Sensor ein erstes Messsignal aussendet, welches erste Messsignal insbesondere mindestens eine Halbwelle einer mechanischen Welle oder einer elektromagnetischen Welle umfasst, und in einem zeitlichem Abstand t zum ersten Messsignal mindestens ein weiteres, zweites Messsignal aussendet, auch welches zweite Messsignal mindestens eine Halbwelle einer mechanischen Welle oder einer elektromagnetischen Welle umfasst, wobei zumindest ein weiterer, zweiter Sensor die Messsignale empfängt, wobei die Laufzeit TOF ₁ des Messsignals zwischen Aussenden des Messsignals und Empfangen der Messsignale bekannt ist, wobei der zeitliche Abstand t so gewählt wird, dass der zeitliche Abstand t so gewählt wird, dass er ein ganzzahliges Vielfaches der Laufzeit TOF ₁ ist oder dass zusätzlich die Laufzeit TOF ₂ eines dritten Messsignals zwischen Aussenden des dritten Messsignals vom zweiten Sensor und Empfangen des dritten Messsignals vom ersten Sensor bekannt ist und der zeitliche Abstand t so gewählt wird, dass er die durch eine natürliche Zahl n geteilte Summe von TOF ₁ und TOF ₂ ist, z.B. dass der zeitliche Abstand t ein ganzzahliges Vielfaches des Mittelwerts der Laufzeiten TOF ₁ und TOF ₂ ist, d.h. dass der zeitliche Abstand t so gewählt wird, dass er ein ganzzahliges Vielfaches von (TOF ₁ + TOF ₂ )/2 ist. In

5 einem Beispiel beträgt 12*(T0F-ι + TOF ₂ )/2, d.h. t = TOF ₁ + TOF ₂ . Erster und zweiter Sensor sind im Falle eines Auswertens des dritten Messsignals sowohl als Sender als auch als Empfänger einsetzbar. Mit diesem Verfahren ist ein Messsignal an einem Sender so gestaltbar, dass das am Empfänger ankommende Messsignal deutlich empfangbar ist, d.h. die Signalamplitude ist gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbessert.

I O

Die Messsignale weisen jeweils mindestens eine Halbwelle einer mechanischen Welle oder einer elektromagnetischen Welle auf. Dies gilt sowohl für das erste Messsignal, als auch für das zweite und eventuell dritte Messsignal. Physikalisch transportiert eine Welle Energie, wobei eine mechanische Welle, z.B. eine Schallwelle, sich durch eine Schwingung einer Kette elastisch

15 gekoppelter Massen, wie. z.B. Teilchen eines Mediums, ausbreitet, wobei die Massen nicht dauerhaft verschoben werden. Elektromagnetische Wellen hingegen benötigen kein Medium und sind auch im Vakuum ausbreitungsfähig. Bekannte Beispiele für elektromagnetische Wellen sind Radiowellen oder Licht. Eigenschaften einer Welle lassen sich z.B. über ihre Parameter Amplitude, ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit und Frequenz bzw. Wellenlänge beschreiben. Wellen können als

IO periodische Wellen oder als Stoßwellen auftreten. Daher können Halbwellen auch verschiedene Formen annehmen, z.B. eine Sinus-Form, eine Rechteck- oder eine Dreieck-Form. Eine Welle wird theoretisch über ihre Wellengleichung beschrieben, welche eine Auslenkung von einer Nulllinie aus gesehen an einem Ort zu einem bestimmten Zeitpunkt ergibt. Eine extreme Ausprägung einer Halbwelle wäre so z.B. ein Dirac-Stoß, welcher sich durch einen Raum ausbreitet. Eine Halbwelle

15 wird allgemein durch Nullstellen begrenzt und ist positiv oder negativ. Ihre Zeitdauer entspricht einer halben Periodendauer der Welle. Schließt eine negative Halbwelle an eine positive Halbwelle gleicher Amplitude und gleicher Wellenlänge direkt an, ist also der zeitliche Abstand t vom Beginn der positiven Halbwelle bis zum Beginn der negativen Halbwelle λ/2, so entsteht eine Welle einer Periodendauer λ. Ein Signal aus mehreren Halbwellen kann somit verschiedene Frequenzen

30 umfassen.

In zeitlichem Abstand t zum ersten Messsignal wird vom ersten Sensor mindestens ein weiteres, zweites Messsignal, also mindestens eine weitere, zweite Halbwelle, ausgesendet. Dies geschieht einer Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens zufolge insbesondere nach dem ersten 35 Messsignal, also nach der ersten Halbwelle. Wird der zeitliche Abstand t berechnet, ausgehend vom Beginn des ersten Messsignals, also insbesondere vom Beginn der ersten Halbwelle des ersten Messsignals, d.h. also wenn die Amplitude der ersten Halbwelle des ersten Messsignals ungleich Null wird, wie in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens offenbart, dann kann, dieser oben genannten Ausprägung der Erfindung zufolge, das zweite Messsignal, also der Beginn der zweiten Halbwelle frühestens λ/2 nach dem Beginn der ersten Halbwelle erfolgen. Allgemein liegt t im Intervall [0, T], wobei T endlich groß ist.

Nun sind weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung denkbar, was die Definition des Start-Zeitpunkts für die Bestimmung der Laufzeiten TOF ₁ und/oder TOF ₂ und damit auch für die Bestimmung des zeitlichen Abstands t der Messsignale zueinander betrifft, wie sie weiter unten näher ausgeführt sind.

Der zeitliche Abstand t zwischen Aussenden des ersten Messsignals vom ersten Sensor und Aussenden des zweiten Messsignals vom ersten Sensor ist erfindungsgemäß ein ganzzahliges

Vielfaches der Laufzeit TOF ₁ des ersten Messsignals zwischen Aussenden des ersten Messsignals vom ersten Sensor und Empfangen des ersten Messsignals vom zweiten Sensor. D.h. das Aussenden des zweiten Messsignals wird entsprechend an die Laufzeit des ersten Messsignals angepasst. Ganze Zahlen umfassen insbesondere alle natürliche Zahlen 1 , 2, 3, 4, 5, ... Des Weiteren umfassen die ganzen Zahlen die O und die negativen Zahlen mit dem Betrag einer natürlichen Zahl, ihre so genannten Gegenzahlen.

Die Messsignale werden von zumindest einem weiteren, zweiten Sensor empfangen. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Sensor konstruktiv gleich ausgestaltet wie der erste Sensor. Insbesondere handelt es sich um Ultraschallwandler eines Füllstandsmessgeräts oder eines Durchflussmessgeräts.

In einem anderen Fall ist der zeitliche Abstand t so gewählt wird, dass er ein ganzzahliges Vielfaches des Mittelwerts der Laufzeiten TOF ₁ und TOF ₂ ist. Die Laufzeiten TOF ₁ und/oder TOF ₂ der Messsignale zwischen Aussenden des jeweiligen Messsignals und Empfangen des entsprechenden Messsignals sind bekannt. Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Laufzeit TOF ₁ und/oder TOF ₂ mittels einer Messung bestimmt - sie werden gemessen. Die Laufzeit TOF ₂ ist messbar zwischen dem Aussenden des dritten Messsignals vom zweiten Sensor und dem Empfangen des dritten Messsignals vom ersten Sensor.

Nun zu den oben bereits angedeuteten weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung, was die Definition des Start-Zeitpunkts für die Bestimmung der Laufzeiten TOF ₁ und/oder TOF ₂ und damit auch für die Bestimmung des zeitlichen Abstands t der Messsignale zueinander betrifft. So wird beispielsweise eine steigende oder fallende Flanke des entsprechenden Messsignals als Start- oder Stop-Trigger verwendet. Nimmt also die erste Ableitung eines Messsignals einen bestimmten Wert an, so gilt dieser Zeitpunkt als Beginn des Messsignals. Eine weitere Alternative besteht darin, einen Wendepunkt im Messsignal als Beginn des Messsignals heranzuziehen, ein Amplitudenmaximum. Die bisher aufgezeigten Varianten besitzen den Nachteil der schlechten Differenzierung zwischen einem Rauschen und dem eigentlichen Messsignal. Gemäß einer Weiterbildung wird die Laufzeit TOF ₁ des ersten Messsignals zwischen Aussenden des ersten Messsignals vom ersten Sensor und Empfangen des ersten Messsignals vom zweiten Sensor bestimmt zwischen den Zeitpunkten einer ersten Überschreitung eines vorgebbaren ersten Schwellwerts des ersten Messsignals am ersten Sensor und einer ersten Überschreitung eines vorgebbaren zweiten Schwellwerts des ersten Messsignals am zweiten Sensor. Eine Variante ist in der Gleichheit des ersten und des zweiten Schwellwerts zu sehen. Die Überschreitung eines Schwellwerts als auslösendes Ereignis bzw. Triggerung von Messungen kann alleine oder in Kombination mit den vorgenannten Merkmalen Verwendung finden. Der jeweilige End-Zeitpunkt ist entsprechend gleich gewählt. Diese Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Weitere Möglichkeiten zur Bestimmung der Laufzeit TOF ₁ sind aus dem Stand der Technik bekannt. Analoges gilt natürlich auch für das dritte Messsignal bzw. die Laufzeit T0F2 des dritten Messsignals. Die Laufzeit TOF ₂ des dritten Messsignals zwischen Aussenden des dritten Messsignals vom zweiten Sensor und Empfangen des dritten Messsignals vom ersten Sensor wird bestimmt zwischen den Zeitpunkten einer ersten Überschreitung eines vorgebbaren Schwellwerts des dritten Messsignals am zweiten Sensor und einer ersten Überschreitung des Schwellwerts des dritten Messsignals am ersten Sensor.

Entsprechend wir der zeitliche Abstand t des Messsignals zwischen Aussenden des ersten Messsignals vom ersten Sensor und Aussenden des zweiten Messsignals vom ersten Sensor gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung bestimmt zwischen den Zeitpunkten einer ersten Überschreitung eines bestimmten ersten Schwellwerts des ersten Messsignals am ersten Sensor und einer ersten Überschreitung eines bestimmten dritten Schwellwerts des zweiten Messsignals am ersten Sensor. Der erste und der dritte Schwellwert und/oder der oben erwähnte zweite Schwellwert können wiederum gleich sein.

Stehen sich beispielsweise zwei Ultraschallsensoren eines Durchflussmessgeräts auf einer Linie gegenüber, mit einem vorgegebenen Winkel zur Hauptströmungsrichtung eines Messmediums in einem Messrohr geneigt, sendet der erste Ultraschallsensor, der Sender, ein erstes Messsignal zum zweiten Sensor, dem Empfänger, und anschließend sendet umgekehrt der zweite Sensor, nun der Sender, ein drittes Messsignal zum nun als Empfänger fungierenden ersten Sensor, um aus den unterschiedlichen Laufzeiten TOF ₁ und TOF ₂ der beiden Messsignale zwischen den Sensoren, bedingt durch die Strömung des Messmediums im Messrohr, den Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr zu errechnen. Der jeweilige Empfänger empfängt außer dem zur Bestimmung der Laufzeit herangezogenen Signal auch weitere Signale, verursacht durch Reflexionen. Neben den störenden Reflexionen, z.B. der Reflexion des Messsignals an der Rohrwand, tritt auch eine Reflexion am jeweiligen Sender selbst auf. Die Erste dieser Reflexionen wird vom Empfänger typischerweise zwei Laufzeiten TOF ₁ + TOF ₂ nach dem Eintreffen des Messsignals registriert. Weitere gleichartige Reflexionen treten in weiteren Abständen von zwei Laufzeiten TOF ₁ + TOF ₂ auf. Werden die Messsignale vom Sender nun mit einem Abstand von zwei Laufzeiten TOF ₁ + TOF ₂ ausgesendet, überlagern sich die Messsignale mit den genannten Reflexionen am Empfänger und das nutzbare Messsignal wird deutlich verstärkt. Analoges gilt für die Füllstandsmessung, nur mit dem Unterschied, dass die Laufzeiten TOF ₁ und TOF ₂ gleich sind, da kein Messmedium den Schall 5 „mitnimmt". Das Laufzeitdifferenzprinzip in der Durchflussmessung wird daher auch oft als

„Schallmitnahmeverfahren" bezeichnet. Daher kann in der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Füllstandmesstechnik auch auf die Bestimmung des TOF ₂ verzichtet werden. Es gilt: 2* TOF ₁ = TOF ₁ + TOF ₂ .

I O Ein Messsignal wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung somit zur Bestimmung der Laufzeit TOF ₁ und/oder TOF ₂ des Messsignals vom Sender zum Empfänger gesendet. Der Abstand der weiteren Messsignale zueinander wird nun gemäß der vorliegenden Gegebenheiten auf ein ganzzahliges Vielfaches dieser Laufzeit TOF ₁ eingestellt, z.B. auf das Zweifache, oder eben auf ein ganzzahliges Vielfaches von (TOF ₁ + TOF ₂ )/2.

15

Speziell in der Durchflussmessung mit Ultraschall werden Wellenpakete, z.B. mit 8, 16 oder 32 Bursts in schneller Reihenfolge nacheinander von einem ersten Sensor durch das Messmedium zu einem zweiten Sensor geschickt. Dabei kann das Messsignal auf direktem Wege zwischen den beiden Sensoren verlaufen, falls beide Sensoren sich gegenüberstehen, oder das Messsignal wird

IO an dem Messrohr zu den Sensoren reflektiert. So wird die Laufzeit des Messsignals in eine Richtung bestimmt. Nach einer kurzen Pause werden die Funktionen der Sensoren umgekehrt. Nun sendet der zweite Sensor die Wellenpakete zum ersten Sensor. Das Ergebnis ist die Laufzeit des Messsignals in die andere Richtung. Anhand beider Laufzeiten kann nun die Durchflussgeschwindigkeit des Messmediums im Messrohr und damit dann der Durchfluss des

15 Messmediums im Messrohr bestimmt werden. Dieses Verfahren wird ständig wiederholt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren könnte nun beispielsweise ein einzelnes Burst-Signal, respektive zwei Burst-Signale in beide Richtungen, den Wellenpaketen vorgeschaltet werden. Anhand dieses Wellenpakets wird die Laufzeit TOF ₁ des Messsignals bzw. der Laufzeiten TOF ₁ und TOF ₂ der Messsignale von einem Sensor zum anderen erfasst. Der zeitliche Abstand t zwischen den

30 einzelnen Bursts der nachfolgenden Wellenpakete wird dann anhand der Laufzeiten TOF ₁ und TOF ₂ bestimmt, er wird beispielsweise auf t = 2TOF ₁ eingestellt, oder auf t = TOF ₁ + TOF ₂ .

Einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Messsignale und die Reflexionen der Messsignale an den Sensoren so aufeinander abgestimmt, dass sie sich 35 gegenseitig verstärken.

Natürlich kann der zeitliche Abstand t des Messsignals zwischen Aussenden des ersten Messsignals vom ersten Sensor und Aussenden des zweiten Messsignals vom ersten Sensor nach dem erfindungsgemäßen Verfahren so gewählt werden, dass die Amplitude eines empfangenen Messsignals am zweiten Sensor maximal wird.

Einer weiteren Weiterbildung der Erfindung gemäß wird mittels des zeitlichen Abstands t und mittels eines zeitlichen Abstands x zwischen Aussenden des zweiten Messsignals vom ersten Sensor und Empfangen eines Messsignals vom zweiten Sensor die Strömungsgeschwindigkeit eines Messmediums in einem Messrohr ermittelt.

Ist der Durchmesser des Messrohrs ebenfalls bekannt, kann somit auch der Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr ermittelt werden. Alternativ kann dies mittels des zeitlichen

Abstands t und der Laufzeit TOF ₁ geschehen. Mathematisch ist diese Alternative mit der genannten Weiterbildung gleichzusetzen, wobei messtechnisch nicht die Laufzeit TOF ₁ direkt gemessen wird, sondern lediglich der zeitliche Abstand x zwischen Aussenden des ersten Messsignals vom ersten Sensor und Empfangen des Messsignals vom zweiten Sensor. Vorteilhaft geschieht dies, wenn der Abstand t so gewählt ist, dass x kleiner t/2 ist, insbesondere dass gilt: t = TOF ₁ - x.

Des weiteren wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Messgerät zum Messen eines Füllstands eines Messmediums in einem Behälter oder zum Messen eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, mit einem ersten Sensor zum Aussenden von Messsignalen in Form von mechanischen oder elektromagnetischen Wellen und mindestens einem weiteren, zweiten Sensor zum Empfangen der Messsignale, wobei die Laufzeiten TOF ₁ und/oder TOF ₂ der Messsignale zwischen Aussenden der Messsignale und Empfangen der Messsignale bekannt sind, insbesondere messbar sind, und das Messgerät fürderhin eine Regeleinheit aufweist, wobei zumindest der erste Sensor zum Aussenden eines ersten Messsignals und, in einem zeitlichen Abstand t zum ersten Messsignal, zum Aussenden mindestens eines weiteren, zweiten Messsignals von der Regeleinheit anregbar ist, wobei der zeitliche Abstand t so wählbar ist, dass der zeitliche Abstand t ein ganzzahliges Vielfaches der Laufzeit TOF ₁ des ersten Messsignals ist. Insbesondere handelt es sich um ein Füllstandsmessgerät, wie z.B. ein Radar- oder ein Ultraschall-Füllstandsmessgerät, oder das erfindungsgemäße Messgerät ist ein Durchflussmessgerät, z.B. ein Ultraschall-Durchflussmessgerät, insbesondere ein Clamp-On- oder ein Inline-Ultraschall-Durchflussmessgerät. Dann allerdings ist der zeitliche Abstand t insbesondere so wählbar ist, dass der zeitliche Abstand t ein ganzzahliges Vielfaches von (TOF ₁ + TOF ₂ )/2 ist.

Beispielsweise ein erstes bzw. erstmaliges Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwerts des jeweiligen Messsignals als löst ein Triggersignal aus, was den Beginn des Messsignals kennzeichnet womit die Laufzeit TOF ₁ registrierbar ist, welche zwischen der ersten Überschreitung des vorgebbaren Schwellwerts des ersten Messsignals am ersten Sensor und der ersten Überschreitung des Schwellwerts des ersten Messsignals am zweiten Sensor messbar ist. Analoges gilt wiederum für die Laufzeit TOF ₂ , welche zwischen der ersten Überschreitung des vorgebbaren Schwellwerts des dritten Messsignals am zweiten Sensor und der ersten Überschreitung des Schwellwerts des dritten Messsignals am ersten Sensor messbar ist. Der Regeleinheit ist z.B. ein Zeitsignalgeber zugeordnet, wobei dann von der Regeleinheit die Laufzeiten TOF ₁ und/oder TOF ₂ errechenbar sind.

Oder die der Erfindung zugrunde Aufgabe wird gelöst durch ein Messgerät zum Messen eines Füllstands eines Messmediums in einem Behälter oder eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, mit einem ersten Sensor zum Aussenden von Messsignalen in Form von mechanischen oder elektromagnetischen Wellen und mindestens einem zweiten Sensor zum Empfangen der Messsignale, wobei eine Laufzeit TOF ₁ die Laufzeit der Messsignale zwischen Aussenden der Messsignale vom ersten Sensor und Empfangen des Messsignale vom zweiten Sensor ist, und mit einer Regeleinheit, wobei zumindest der erste Sensor zum Aussenden eines ersten Messsignals und, in einem zeitlichen Abstand t zum ersten Messsignal, zum Aussenden mindestens eines zweiten Messsignals von der Regeleinheit anregbar ist, wobei der zeitliche Abstand t so wählbar ist, dass eine Amplitude eines empfangenen Messsignals am zweiten Sensor maximal ist.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, in denen jeweils ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt zwei sich gegenüberstehende Ultraschallsensoren eines Ultraschall-

Durchflussmessgeräts, Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Messsignale am zweiten Sensor ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Messsignale am ersten und zweiten Sensor überlagert unter

Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 4 zeigt ein Füllstandsmessgerät mit zwei Ultraschallsensoren, Fig. 5 zeigt zeitliche Amplitudenverläufe am ersten und zweiten Sensor.

In Fig. 1 ist ein Inline-Ultraschall-Durchflussmessgerät mit zwei sich gegenüberstehenden

Ultraschallsensoren schematisch dargestellt. Der erste Sensor 1 sendet Ultraschallsignale zum zweiten Sensor 2. Eingezeichnet sind der direkte, erste Signalpfad 10, also der direkte Weg eines Messsignals vom ersten Sensor 1 zum zweiten Sensor 2, und das Messsignal, welches vom zweiten Sensor 2 zurück zum ersten Sensor 1 und von dort wieder zurück zum zweiten Sensor 2 reflektiert wird, also der zweite Signalpfad 11. Die Reflektion vom ersten Sensor 1 zum zweiten Sensor 2 zeigt dabei in die Richtung des ersten Messsignals. Eine solche Reflektion kann sich natürlich mehrmals wiederholen. Zu dieser Anordnung offenbart nun Fig. 2 den zeitlichen Amplitudenverlauf am zweiten Sensor. Zusätzlich ist der Burst 4 am ersten Sensor einbeschrieben. Neben dem Burst 4 am ersten Sensor, zeigt das Diagramm das ankommende direkte Messsignal 5, detektiert vom zweiten Sensor, und die Reflektionen 6-9, wie sie ebenfalls vom zweiten Sensor gemessen werden. Zwischen dem Burst 4 und dem direkten Messsignal 5, gemessen vom zweiten Sensor, vergeht die Laufzeit TOF ₁ des Messsignals vom ersten zum zweiten Sensor. Wie in Fig. 1 beschrieben, wird das Messsignal nun vom zweiten Sensor zum ersten Sensor und wieder zurück zum zweiten Sensor reflektiert. Dabei legt es natürlich den doppelten Weg zurück, was aber nicht unbedingt bedeutet, dass es auch die doppelte Laufzeit TOF ₁ zurücklegt. Denn da das Messmedium zwischen den Ultraschallsensoren 1 und 2 fließt, wird der Schall vom Medium „mitgenommen" - es wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in einem Medium von dessen Fließgeschwindigkeit direkt beeinflusst wird. Das Gleiche gilt für die weiteren Reflexionen 7, 8 und 9.

Wird nun der zeitliche Abstand t zwischen zwei Bursts 4, welche vom ersten Sensor zum zweiten Sensor gesendet werden, auf ein ganzzahliges Vielfaches von (TOF ₁ + TOF ₂ )/2, hier auf TOF ₁ + TOF ₂ , eingestellt, so misst der zweite Sensor ein Signal überlagert aus dem direkten Messsignal 5 und den Reflektionen 6-9, insbesondere aus dem direkten Messsignal 5 und der ersten Reflektion 6, wie in Fig. 3 skizziert. Durch die Phasengleichheit des direkten Messsignals 5 und der Reflektionen 6-9, insbesondere der ersten Reflektion 6, kommt es zur gegenseitigen Verstärkung der Signale und damit zu einem deutlich empfangbaren Signal.

Das Messsignal wird am Sender entsprechend bestimmter Prozessgrößen so gestaltet, dass das am Empfänger ankommende Messsignal deutlich empfangbar ist. Die aufeinander folgenden Wellen sind so bestimmt, dass sie sich gegenseitig verstärken. Die Laufzeiten TOF ₁ und TOF ₂ sind abhängig von gewissen Prozessgrößen, wie z.B. der Schallgeschwindigkeit im Messmedium, von geometrischen Größen, wie z.B. dem Abstand der beiden Sensoren zueinander, und natürlich vom Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr.

Gleichermaßen zeigt Fig. 3 die maximale Amplitude im eingeschwungenen Systemzustand an, welche am zweiten Sensor gemessen wird. Erfindungsgemäß kann der Abstand t der beiden Burts 4 variiert werden, bis die Amplitude des am zweiten Sensor gemessenen Signals maximal ist. Der Abstand t beträgt in diesem Beispiel dabei gewöhnlicherweise die Summe aus TOF ₁ und TOF ₂ geteilt durch eine natürliche Zahl.

Fig. 4 illustriert ein Füllstandmessgerät mit zwei Ultraschallsensoren. Dabei sind die

Ultraschallsensoren 1 und 2 parallel zur Oberfläche des Messmediums 3 angeordnet. Sowohl der erste Signalpfad 10 des direkten Messsignals, als auch der zweite Signalpfad 1 1 der Reflexionen sind eingezeichnet. TOF ₁ und TOF ₂ wären hier natürlich gleich, weshalb auf eine Erfassung von TOF ₂ mittels eines dritten Messsignals verzichtet wird. Die Sensoren 1 und 2 können dann speziell als reine Sender oder Empfänger ausgestaltet sein.

Fig. 5 zeigt sowohl die vom ersten Sensor ausgesandten, als auch die vom zweiten Sensor 5 empfangenen Amplitudenverläufe zusammen in mehreren idealisierten, zeitlichen Darstellungen untereinander, bezogen auf ein Versuchsaufbau, wie ihn die Fig. 1 zeigt, mit zwei sich gegenüberstehenden Ultraschallsensoren hier zur Messung eines Durchflusses eines Messmediums in einem Messrohr, welches sich zwischen den beiden Ultraschallsensoren befindet. Die vom ersten Sensor ausgesendeten Messsignale weisen dabei Rechteckform auf. Die vom I O zweiten Sensor empfangenen Signale 12 sind hingegen als Dreiecke dargestellt. Die Ordinaten weisen die Signalamplituden qualitativ aus, auf den Abszissen ist die Zeit aufgetragen.

Im ersten Amplitudenverlauf ist ein erstes Messsignal vom ersten Sensor zum Zeitpunkt Null in Form eines Bursts 4 ausgesandt. Nach einer Zeit T wird es, als direktes Messsignal 5, vom zweiten 15 Sensor empfangen. Danach wird es zurück zum ersten Sensor reflektiert, was wieder die Zeit T benötigt, wenn das Messmedium im Messrohr keine Strömung aufweist, also in Ruhe ist.

Empfangen wird es vom ersten Sensor nicht, da in diesem Beispiel der erste Sensor nur als

Ultraschall-Sender und der zweite Sensor lediglich als Ultraschall-Empfänger ausgestaltet sind.

Nach einer weiteren Periode T ist das Messsignal ein weiteres Mal reflektiert, nun vom ersten 10 Sensor wieder zurück zum zweiten Sensor, und wird als erstes Echo 6 vom zweiten Sensor registriert. Das zweite Echo 7 und dritte Echo entstehen gleichermaßen durch Reflektionen des ersten Echos 6, respektive des zweiten Echos 7.

Wird nun, bei genanntem Versuchsaufbau mit einem Messmedium in Ruhe, vom ersten Sensor ein 15 weiterer Burst 4, also ein zweites Messsignal, mit einem Abstand von 2*T ausgesandt, so überlagern sich das erste Echo 6 des ersten Bursts mit dem direkten Messsignal 5 des zweiten Bursts 4 am zweiten Sensor, sowie das zweite Echo 7 des ersten Bursts mit dem ersten Echo 6 des zweiten Bursts und dem direkten Messsignal 5 eines dritten Bursts 4 am zweiten Sensor.

30 So werden die Amplituden der vom zweiten Sensor empfangenen Messsignale 12, durch die genannten Überlagerungen, maximal, wie der dritte Amplitudenverlauf verdeutlicht, wobei hier zum Zeitpunkt kleiner Null bereits Messsignale vom ersten Sensor ausgesendet werden.

Die Einstellung des Abstands t zwischen den vom ersten Sensor auszusendenden Messsignalen 4, 35 also insbesondere zwischen erstem und zweitem Messsignal, welcher hier 2*t beträgt, kann geschehen durch Messen des TOF, hier des TOF ₁ , welches hier in diesem Signalverlauf gleich T ist, und entsprechendes einstellen von t oder durch variieren des Abstands t zwischen den zwei vom ersten Sensor auszusendenden Messsignalen 4, also zumindest zwischen einem ersten und einem zweiten Messsignal, hier dem ersten Burst 4 und dem zweiten Burst 4, bis die Amplitude des vom zweiten Sensor empfangenen Messsignals 12 maximal wird.

In der vierten zeitlichen Überlagerung der Signale von ersten und zweiten Sensor beträgt nun der zeitliche Abstand zweier vom ersten Sensor ausgesendeten Messsignale T, anstatt 2*T wie oben. Damit fallen die vom zweiten Sensor erfassten Messsignale 12 zeitlich zusammen mit denen vom ersten Sensor ausgesandten Messsignale 4. Dies gilt für Null-Durchfluss.

Ist der Durchfluss des durchschallten Messmediums im Messrohr ungleich Null, so ist ein Ultraschallsignal in Richtung der Strömung des Messmediums durch das Messrohr schneller, als ein Ultraschallsignal entgegen der Strömung des Messmediums durch das Messrohr. Dieses physikalische Prinzip wird zur Laufzeitdifferenzmessung genutzt. Nun besteht die Annahme, dass eine nicht zu vernachlässigende Geschwindigkeitskomponente der Strömung des Messmediums im Messrohr entgegen der Richtung des ersten Messsignals, also in Richtung vom ersten Sensor zum zweiten Sensor, zeigt.

Das erste Messsignal 4 wird vom ersten Sensor zum zweiten Sensor ausgesendet, dort zurück zum ersten Sensor reflektiert und hier wiederum reflektiert zum zweiten Sensor. Dabei ist es auf dem Weg vom ersten Sensor zum zweiten Sensor langsamer und vom zweiten Sensor zum ersten Sensor schneller. Da nun das erste, wie auch alle weiteren Echos, die Strecke vom ersten Sensor zum zweiten Sensor und zurück zurücklegen, heben sich die Geschwindigkeitsunterschiede auf und es bleibt nur der Einfluss der Geschwindigkeitskomponente des Messmediums auf das direkte, erste Messsignal vom ersten Sensor zum zweiten Sensor. Also das erste Messsignal ist vom ersten Sensor zum zweiten Sensor langsamer als bei einer Null-Strömung. Das Signal der Reflektion vom zweiten zum ersten Sensor ist zwar schneller unterwegs, diese Zeit im Vergleich zur Null-Strömung braucht aber die Reflektion vom ersten zum zweiten Sensor wieder länger. So dass die vom zweiten Sensor gemessenen Signale 12 um eine Zeit x im Vergleich zur Null-Strömung versetzt sind. Diese Zeit x ist die Differenz aus TOF ₁ und t, es gilt: x = TOF ₁ - 1 und x entspricht dabei der Hälfte der herkömmlicherweise ermittelten Laufzeitdifferenz Δt zwischen den Messsignalen in und entgegen der Strömungsrichtung, bzw. der Geschwindigkeitskomponente, des Messmediums im Messrohr, also x = Δt/2. Es kann aber nicht nur TOF ₁ gemessen werden, wie üblich, sondern es kann die Zeit x direkt gemessen werden, was messtechnische Vorteile bietet. Da auch die Zeit t bekannt ist, lässt sich somit die Strömungsgeschwindigkeit, und bei bekanntem Durchmesser des Messrohrs auch der Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr ermitteln. Bezugszeichenliste

Erster Ultraschallsensor

Zweiter Ultraschallsenor

Messmedium

Burst-Signal

Direktes Messsignal

Erste Reflektion

Zweite Reflektion

Dritte Reflektion

Vierte Reflektion

Erster Signalpfad

Zweiter Signalpfad

Überlagerte Messsignale