DE10118934C2 - Verfahren zur Justierung und zur Alterungskontrolle von Messgeräten mit Ultraschallwandlern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Justierung und zur Alterungskon­ trolle von Messgeräten mit Ultraschallwandlern, insbesondere Durchflussmessge­ räte für fluide Medien, mit den Verfahrensschritten: Umwandeln des Empfangssig­ nals eines Ultraschallwandlers des Messgerätes mittels eines Komparators mit einer um eine Offsetspannung gegenüber dem Nulldurchgang versetzten Schalt­ schwelle in ein rechteckförmiges Digitalsignal.

Bei der Durchflussmessung mit Ultraschall entstehen am Empfangsteil der Ultra­ schallwandler typischerweise Eingangsspannungen mit 50 bis 3000 mV und mit einer Frequenz zwischen etwa 0,5 und 2 MHz. Mit zunehmender Verschmutzung, die beispielsweise durch Kalk, Rost und Magnetit verursacht wird, verringert sich die Empfangsspannung und damit wird auch die Qualität der Durchflussmessung schlechter, bis sie zuletzt nicht mehr möglich ist.

Darüber hinaus haben Ultraschallwandler Toleranzen, wodurch sie bei fester Fre­ quenz nie in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden. Um die Frequenz auf den optimalen Arbeitspunkt zu justieren, müsste aber eine exakte Vermessung der Ultraschallwandlerleistung stattfinden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Überwachungsverfahren zu schaffen, das in einfacher Weise eine Justierung und eine zuverlässige Alterskon­ trolle und damit des Ausmaßes der Verschlechterung der Empfangsqualität von Ultraschallwandlern in Messgeräten ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahrender eingangs genannten Art gekenn­ zeichnet durch die Verfahrensschritte: Bestimmen des Tastverhältnisses des rechteckförmigen Digitalsignals; und Bestimmen der absoluten Höhe des Emp­ fangssignals des Ultraschallwandlers mit Hilfe des Tastverhältnisses.

Bei dem Einsatz von Ultraschallwandlern, insbesondere in Durchflussmessegerä­ ten für fluide Medien, wie dies beispielsweise in der DE 196 36 945 A1, der DE 44 20 329 C1 und der DE 195 30 054 A1 beschrieben ist, werden in erster Linie Lauf­ zeitunterschiede gemessen. Dabei wird ein in rechteckige Digitalsignale umge­ wandeltes Empfangssignal eines Ultraschallwandlers mittels eines Komparators oder einer Vergleichsschaltung weiterverarbeitet, wobei hier der Komparator aller­ dings nur dazu dient, eine genaue Flanke für das Empfangssignal zu erzeugen, damit die genannten Laufzeitunterschiede bestimmbar sind. Die Größe des jeweils ankommenden Ultraschallsignals und die absolute Größe der daraus vom Ultra­ schallwandler erzeugten Signalspannung sind keine relevanten Größen für diese bekannten Durchflussmessgeräte mit Ultraschallwandlern.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Verfahrens soll nun zusätzliche eine Absolutbestimmung der Empfangsspannung stattfinden, um aus dieser entweder das Maß der Verstimmung gegenüber der optimalen Arbeitsfrequenz, oder aber ein Maß für die durch eine Verschmutzung der Oberfläche des Ultraschallwandlers erzeugte Verschlechterung seiner Empfangsqualitäten zu erhalten.

Um Empfangsspannungen in dieser geringen Größe, wie sie bei Ultraschallwand­ lern auftreten, und insbesondere den hohen Frequenzen, zu messen, werden nach dem Stand der Technik Analog-Digitalwandler benötigt. Diese sind aber für die Wechselspannungen mit 1 MHz relativ teuer. Eine Gleichrichtung der kurzen Impulse mit anschließender Vermessung mit einem langsamen AD-Wandler ist ebenfalls mit einem erhöhten Aufwand verbunden.

Die Erfindung löst alle diese Probleme, indem sie eine Messeinrichtung verwen­ det, die so ausgebildet ist, dass die Empfangssignale der zu überwachenden Ult­ raschallwandler in einem Komparator mit einer um eine Offsetspannung gegen­ über dem Nulldurchgang versetzten Schaltschwelle in rechteckförmige Digitalsig­ nale umgewandelt werden und deren Tastverhältnis bestimmt wird.

Durch die Einbeziehung eines derartigen sehr einfach und genau messend aufge­ bauten Überwachungsverfahrens in das Regelungsverfahren eines Empfangsverstärkers eines Ultraschall-Messgeräts lässt sich eine sehr einfache Verstärkungsregelung durchführen, bei der über einen einstellbaren Verstärker immer für eine optimale Empfangsspannungsamplitude gesorgt werden kann. Zu diesem Zweck kann bei­ spielsweise vorgesehen sein, dass unmittelbar von der zugehörigen Überwachungseinrichtung ein Stellsignal für eine einstellbare Sendefrequenz des Messgeräts abgegeben wird.

Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung, dass beim erfindungs­ gemäßen Verfahren über ein optisches oder akustisches Signalgerät ein Warnsig­ nal bei Unterschreiten einer vorgegebenen Vergleichsspannung abgegeben wird. Über ein solches Warnsignal kann eine Empfehlung für einen Austausch des sich verschlechternden Ultraschallwandlers gegeben werden, bevor das Gerät komplett ausfällt. Die Anzeige liefert damit auch indirekt ei­ nen Hinweis an den Betreiber, dass die Qualität des Wassers nicht mehr ausrei­ chend ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 übereinanderliegende Diagramme einer sinusförmigen Signalspannung ei­ nes Ultraschallwandlers und der digitalisierten Rechteckspannung unter Einsatz einer Offsetschaltschwelle bei hohem Ultraschallsignal und

Fig. 2 der Fig. 1 entsprechende Diagramme eines Ultraschallwandlersignals mit niedrigerer Amplitude.

In einem Ultraschallzähler werden die Empfangssignale typisch vor einer weiteren Verarbeitung in einem Komparator aufbereitet. Dieser hat den Zweck, aus einem sinusförmigen Eingangssignal 1 ein rechteckförmiges Digitalsignal 2 zu formen. Aus der zeitlichen Lage dieses Digitalsignals kann auf den Durchfluss geschlos­ sen werden. Diese Verhältnisse sind bekannt und sollen an dieser Stelle über­ haupt nicht näher erörtert werden. Die Schaltschwelle des Komparators ist in der Regel auf den Nulldurchgang des Empfangssignals gelegt, so dass ein Rechteck­ signal mit einem Tastverhältnis TH : TL von 1 : 1 am Ausgang des Komparators bei üblichen Ultraschallwandlermessgeräten ansteht. In den Figuren ist aber nun­ mehr eine abgewandelte Funktionsweise des Komparators dargestellt, bei der die Schaltschwelle für die Zeitdauer der Messung auf einen Wert ungleich des Null­ durchgangs (Uoffset) gelegt ist, so dass man aus dem Tastverhältnis TH : TL auf die absolute Höhe des Empfangssignals schließen kann.

Wie man aus dem Vergleich der Fig. 1 und 2 erkennen kann, ist das Tastver­ hältnis TH : TL bei hoher Amplitude des Eingangssignals des Ultraschallzählers größer als bei einer kleinen Amplitude (Fig. 2), da natürlich bei hoher Amplitude ein größerer Teil der sinusförmigen Eingangsspannung 1 oberhalb der Offsetspannung Uoffset liegt. Je kleiner die Amplitude des Eingangssignals 1 ist, desto kleiner ist der Bereich des über der Offsetspannung liegenden Teils der Sinuskur­ ve, so dass dann, wenn die Amplitude des Eingangssignals 1 der Höhe der Off­ setspannung entspricht, ein Tastverhältnis TH : TL gleich Null auftreten würde. Durch dieses sehr einfach zu messende Tastverhältnis - Komparatoren, die dann allerdings ohne Offsetschwelle betrieben werden, sind ja in Ultraschallmessgeräte üblicherweise sowieso eingebaut - lässt sich in einfacher Weise eine periodisch wiederkehrende Messung des Absolutwerts der Eingangsspannung eines Ultra­ schallwandler-Messgeräts durchführen, aus der dann wiederum entweder eine Nachregelung zur Justierung auf den optimalen Arbeitspunkt erfolgen kann oder aber aus der Hinweise gewonnen werden können, dass durch Verschmutzung der Ultraschallwandler in seiner Empfangsqualität so verschlechtert worden ist, dass entweder eine Reinigung oder ein Austausch notwendig ist.

Claims (4)

1. Verfahren zur Justierung und zur Alterungskontrolle von Messgeräten mit Ultraschallwandlern, insbesondere Durchflussmessgeräte für fluide Medien, mit den Verfahrensschritten:
Umwandeln des Empfangssignals eines Ultraschallwandlers des Messge­ rätes mittels eines Komparators mit einer um eine Offsetspannung gegen­ über dem Nulldurchgang versetzten Schaltschwelle in ein rechteckförmiges Digitalsignal;
gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
Bestimmen des Tastverhältnisses des rechteckförmigen Digitalsignals; und
Bestimmen der absoluten Höhe des Empfangssignals des Ultraschall­ wandlers mit Hilfe des Tastverhältnisses.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es in das Re­ gelungsverfahren eines Empfangsverstärkers eingebunden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellsignal für eine einstellbare Sendefrequenz des Messgeräts abgegeben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass über ein optisches oder akustisches Signalgerät ein Warnsignals bei Unterschreiten einer vorgegebenen Vergleichsspannung abgegeben wird.