DE102017005208A1

DE102017005208A1 - Verfahren zur Laufzeitmessung eines Ultraschallsignals in einem Fluid

Info

Publication number: DE102017005208A1
Application number: DE102017005208.5A
Authority: DE
Inventors: Frank Theis; Roland Christ; Ulrich Gaugler; Hans-Michael Sonnenberg
Original assignee: Diehl Metering GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2016-11-24
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2018-05-24
Also published as: EP3545269A1; WO2018095562A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschalllaufzeitmessung in einem Fluid, bei dem
ein eine Messstrecke durchströmendes Fluid mit einem von einem Ultraschallwandler erzeugten ersten Sendesignal mit einer ersten Frequenz f₁ und einem von dem Ultraschallwandler erzeugten zweiten Sendesignal mit einer zweiten Frequenz f₂ beaufschlagt wird,
die ersten und zweiten Sendesignale von einem Ultraschallwandler empfangen und erste und zweite Empfangssignale mit jeweils mehreren Wellen erzeugt werden,
aus den Empfangssignalen die Laufzeitdifferenz bestimmt wird,
eine Phasendifferenz (PD) zwischen erstem Empfangssignal mit der ersten Frequenz f₁ und zweitem Empfangssignal mit der zweiten Frequenz f₂ gemessen wird, und
aus der gemessenen Phasendifferenz (PD) die Position eines Messpunkts im Bereich der Wellen (Wellenzug) des Empfangssignals abgeleitet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Laufzeitmessung eines Ultraschallsignals in einem Fluid oder Medium gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Technologischer Hintergrund
Ultraschall-Durchflussmesser beruhen auf der Messung der Laufzeit von Schallwellen, welche entweder als absolute Laufzeit oder als Differenz gegenüber einer Bezugslaufzeit oder als absolute Laufzeit und als Differenz gegenüber einer Bezugslaufzeit gemessen wird. Zur absoluten Laufzeitmessung werden üblicherweise sogenannte Pegel- und Hüllkurvenverfahren eingesetzt. Zuverlässige Messungen sind hierbei jedoch mit einer erheblichen Komplexität der Implementierung verbunden. Die Implementierung wird zumeist unter Verwendung sogenannter ASICs (Application Specific Integrated Circuits) umgesetzt.
Bei Laufzeitdifferenzverfahren wird die Laufzeitdifferenz der Schallwellen mit und gegen die Medienbewegung gemessen. Durch die periodische Wiederholung der Phasenlagen können jedoch nur Laufzeitunterschiede gemessen werden, die kleiner sind als die Periodendauer der verwendeten Signalfrequenz. Dies kann zu Problemen bei hohen Mediumdurchflüssen führen. Zudem sind keine absoluten Laufzeitmessungen möglich. Die Laufzeit kann bei diesem Verfahren ermittelt werden, indem der Laufzeitunterschied gegenüber einem Bezugszeitpunkt mit bekannter Laufzeit bestimmt wird.
Darüber hinaus sind die Laufzeiten von Ultraschallsignalen in einem Fluid und daraus abgeleitete Laufzeitdifferenzen auch von der Temperatur des Fluids abhängig. Daraus entsteht die Notwendigkeit, entweder die Fluid-Temperatur mittels eines Temperaturfühlers zu erfassen oder eine zur Fluid-Temperatur korrelierte Größe wie die absolute Signallaufzeit zur Berechnung der Fluidtemperatur zu erfassen und die Fluid-Temperatur bei der Bestimmung der Durchflussmenge miteinzubeziehen.
Nächstliegender Stand der Technik
Aus der DE 198 41 154 A1 ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Zur Messung der Schalllaufzeit in Medien mit einer starken bzw. stark schwankenden Schalldämpfung wird vorgeschlagen, von einem Schallsensor zwei Schallsignale unterschiedlicher Frequenz abzustrahlen und wieder zu empfangen, wobei für jedes Empfangssignal die Phasenverschiebung in Bezug auf ein jeweils zugehöriges Referenzsignal gemessen und aus den gemessenen Phasenverschiebungen die Laufzeit errechnet wird. Die Frequenz des einen Schallsignals entspricht der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers, diejenige des anderen Schallsignals liegt ca. 10% höher.
In der US 4 527 432 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ultraschall-Durchflussmessung von Treibstoff zur Optimierung der Treibstoffzufuhr in einem Fahrzeug mit einem erweiterten Messbereich beschrieben, bei dem jeweils die Phasendifferenz zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal einer ersten niedrigeren Frequenz sowie die Phasendifferenz zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal einer zweiten hohen Frequenz jeweils sowohl in als auch gegen die Fließrichtung des Fluids gemessen werden. Anschließend wird die Phasendifferenz der niedrigeren Frequenz von der Phasendifferenz der höheren Frequenz subtrahiert und daraus der Unterschied in der Anzahl der Wellenzüge in jeder Richtung ermittelt. Dieser Unterschied ist proportional zur Durchflussmenge.
Aus der DE 10 2011 016 963 A1 ist ein Verfahren zur Ultraschall-Durchflussmessung nach dem Laufzeitdifferenzverfahren bekannt. Auch hierbei werden eine Phasendifferenz zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal einer ersten niedrigeren Frequenz sowie die Phasendifferenz zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal einer zweiten höheren Frequenz jeweils sowohl in als auch gegen die Fließrichtung des Fluids gemessen. Die gemessenen Phasendifferenzen werden anschließend unter einer Koinzidenzbedingung überprüft und die Durchflussmenge auf der Grundlage der Koinzidenzbetrachtung berechnet. Hierdurch kann der Messbereich auf mehr als eine Periodendauer vergrößert werden.
Die DE 10 2011 004 830 B4 beschreibt ein Verfahren zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen mit einem dynamischen Zeitfenster. Hierbei werden mindestens zwei Schallwellen mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen in eine Messstrecke zeitlich nacheinander eingespeist. Ferner wird der Phasenwinkel der empfangenen Schallwellen gegenüber einem zugehörigen Referenzsignal gleicher Frequenz bestimmt. Die verwendeten Schallfrequenzen müssen so gewählt werden, dass die auftretende Phasenwinkeldifferenz zwischen zwei benachbarten Frequenzen immer kleiner als 2π ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neuartiges Verfahren der gattungsgemäßen Art zur Verfügung zu stellen, welches bei Möglichkeit einer einfachen Implementierung eine exakte Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals auch bei hohen Durchflüssen ermöglicht.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beansprucht.
Erfindungsgemäß können aus der gemessenen Phasendifferenz die Position eines Messpunkts für das Empfangssignal der ersten Frequenz sowie die Position eines Messpunkt für das Empfangssignal der zweiten Frequenz zueinander in Relation gesetzt werden. Sendesignale unterschiedlicher Frequenz breiten sich im zu messenden Medium mit gleicher Geschwindigkeit aus. Beim Empfang dieser Signale kann ein von Wellenzug zu Wellenzug des Empfangssignals nahezu linearer zunehmender Phasenversatz zwischen den Empfangssignalen unterschiedlicher Messfrequenz direkt erfasst werden. Aus dieser Phasendifferenz lässt sich die exakte Position eines Messpunktes oder Messfensters im empfangenen Wellenzug bis auf wenige Nanosekunden genau ableiten. Daraus wiederum kann die absolute Signallaufzeit der Messsignale im Medium ohne zusätzliche Messung der Temperatur des Mediums bestimmt werden. Temperatursensoren für die Messung der absoluten Laufzeit sind somit nicht notwendig. Vorteilhaft ermöglicht es die Erfindung, die Laufzeitdifferenz über mehrere Wellenzüge hinweg zu bestimmen. Daraus kann der Durchfluss eindeutig bestimmt werden. Dadurch ermöglicht die Erfindung eine wirksame Messbereichserweiterung insbesondere hin zu hohen Durchflüssen. Das Messfenster kann entsprechend festgelegt bzw. vergrößert werden.
Zur Erzeugung verschiedener Ultraschallfrequenzen als Messfrequenzen wird lediglich eine einfache Schaltungstechnik benötigt, die keinen Einfluss auf den Grundaufbau des Messsystems hat.
Die Ultraschallmessungen mit unterschiedlichen Frequenzen werden vorzugsweise abwechselnd durchgeführt.
Zweckmäßigerweise stellt die erste Ultraschallfrequenz eine Hauptfrequenz, die zweite Ultraschallfrequenz eine Zusatzfrequenz dar. Die Messung mit der zweiten Frequenz kann entweder nur für eine Messrichtung oder optional auch für beide Messrichtungen erfolgen.
Vorzugsweise handelt es sich bei den ersten und zweiten Sendesignalen um Signalpakete (Bursts) mit jeweils mehreren Wellen. Hierbei ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft, da bisherige Verfahren mit Aussendung kurzer Bursts stets darauf angewiesen waren, jede Laufzeitmessung auf genau der gleichen Empfangswelle durchzuführen.
Vorzugsweise können auch mehr als zwei Messfrequenzen, so z. B. drei Messfrequenzen, eingesetzt werden.
Dadurch, dass ein für die ersten und zweiten Sendesignale gemeinsamer Referenztakt vorgegeben ist und die Bestimmung der Position eines Messpunkts oder Messfensters bei der Ultraschalllaufzeitmessung stets unter Bezug auf den gemeinsamen Referenztakt erfolgt, können die Messzeitpunkte stets mit dem Referenztakt verglichen werden bzw. der Referenztakt für den Vergleich der Messpunkte bzw. des Messfensters herangezogen werden.
Vorzugsweise wird ein Fenstersignal einer Dauer von vorzugsweise mehr als einer Periodendauer der Wellen des Empfangssignals erzeugt, die zeitliche Lage des Fenstersignals durch eine auf vorab durchgeführten Messungen beruhende (empirische) Empfangsposition festgelegt und innerhalb des Fenstersignals der Zeitpunkt eines Nulldurchgang einer bestimmten Welle des ersten bzw. zweiten Ultraschallempfangssignals ausgewertet.
Zweckmäßigerweise kann an der Position des Messpunkts innerhalb des Messfensters ein Messpuls festgelegt werden, der vorzugsweise vom Nulldurchgang bis zum Ende des Messfensters reicht.
Gemäß der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Abweichung der ersten Ultraschallfrequenz f₁ bzw. zweiten Ultraschallfrequenz f₂ jeweils zur Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers derart gering festgelegt sein soll, dass sich kein Phasensprung entlang der Signalperioden des Signalpakets einstellt. Daraus resultiert, dass Signalperioden mit hohem Signalpegel als Arbeitspunkt für die Laufzeitmessung ausgewählt werden können. Es ergibt sich somit eine hohe Signalübertragungseffizienz sehr nahe der Hauptresonanzfrequenz der Ultraschallwandler. Dies führt dazu, dass neben der Bestimmung der absoluten Signallaufzeiten auch Laufzeitdifferenzen sehr präzise bestimmt werden können.
Wird das Verfahren mit einer Mittenfrequenz zur ersten und zweiten Ultraschallfrequenz betrieben, die nahe der Resonanzfrequenz liegt, gewährleistet dies den zusätzlichen Vorteil, dass hierdurch ein größerer Frequenzunterschied und damit eine noch besser auswertbare, größere Phasendifferenz entsteht.
Es ist vorteilhaft, wenn die erste und zweite Ultraschallfrequenz zur Hauptresonanzfrequenz oder Mittenfrequenz des Ultraschallwandlers annähernd symmetrisch liegen. Bei der Hauptresonanzfrequenz handelt es sich um die Frequenz mit der höchsten übertragbaren Amplitude.
Bei Verwendung einer Mittenfrequenz kann letztere zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz eingesetzt werden, wobei die beiden zusätzlichen Frequenzen oberhalb und unterhalb der Mittenfrequenz vorzugsweise lediglich zur Bestimmung der Phasendifferenz der beiden Frequenzen zur Messpositionsbestimmung verwendet werden.
Aus der absoluten Laufzeit kann weiterhin vorzugsweise ein Prüfwert für eine Plausibilitätsüberprüfung und/oder eine Störungsüberprüfung und/oder das Mischungsverhältnis einer Zwei- oder Mehrphasenmischung und/oder mindestens eine fluidspezifische physikalische Größe abgeleitet werden.
Figurenliste
Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachstehend näher erläutert. Es zeigen:

1 einen vereinfachten prinzipiellen Schaltungsaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 einen beispielhaften Zusammenhang zwischen Sendewellen, Empfangswellen, Referenztakt und Messpuls für eine Frequenz im Rahmen der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 stark vereinfachte Wellenverläufe (Sende- und Empfangswellen) von Ultraschallsignalen zweier unterschiedlicher Frequenzen und ein PD/Messpositions-Diagramm bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens;

Die in 1 dargestellte Vorrichtung zeigt beispielhaft eine mögliche Struktur zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Messverfahrens. Eine zentrale Steuerungs- und Recheneinheit 1 beliebiger Bauart (analoge/digitale Logik, einen Mikrokontroller oder dergleichen) erhält aus einem Taktgenerator 2 den übergeordneten Systemtakt (Referenztakt), aus dem sich alle anderen Abläufe im Messsystem ableiten. Zunächst stellt die Steuerungs- und Recheneinheit 1 an einem einstellbaren Taktmustergenerator 3 die gewünschte Messfrequenz über ein Einstellsignal AS ein und beliefert den Taktmustergenerator 3 mit einem zum Referenztakt RT synchronen Taktsignal.
Der eigentliche Start einer Ultraschallmessung erfolgt über das Startsignal SS an den Taktmustergenerator 3, der dann eine Wellensequenz über das Sendesignal SES liefert. Dieses Sendesignal SES besteht aus Wellen der gewählten Messfrequenz, wobei die Messfrequenz bevorzugt so gewählt wird, dass sie möglichst im Bereich der von Ultraschallwandlern 8, 9 resonant übertragbaren Frequenzen liegt, zum Beispiel bei der Frequenz von 1 MHz für 1MHz-Ultraschallwandler. Hierbei kann das Sendesignal im Sinne eines Bursts nur einige wenige Wellen oder als quasi-kontinuierliche Anregung beliebig viele Wellen enthalten.
Über den Sendeverstärker 4 wird das Sendesignal SES leistungsverstärkt und an die Impedanz der Ultraschallwandler 8, 9 angepasst. Mit dem Richtungssignal RS steuert die Steuerungs- und Recheneinheit 1 den Multiplexer 5 so an, dass die gewünschte Messrichtung erreicht werden kann und der dafür nötige Ultraschallwandler 8 bzw. 9 mit dem Sendesignal SES versorgt werden kann.
Im gezeigten Beispiel soll über einen Ultraschallwandler 8 ein Schallsignal durch das Medium 12 an einen weiteren Ultraschallwandler 9 gesendet werden. Das Sendesignal vom Multiplexer 5 wird an den Ultraschallwandler 8 geleitet, der dieses in ein entsprechendes Schallsignal (Burst) 13 umwandelt.
Während der Übertragung des Schallsignals 13 bzw. Schallwellenzugs im Medium 12 schaltet nach einer eingestellten Sendezeit die Steuerungs- und Recheneinheit 1 den Multiplexer 5 über das Richtungssignal RS vom sendenden Ultraschallwandler 8 auf den empfangenden Ultraschallwandler 9 um. Nach dem Durchlaufen des Mediums 12 über die zu messende Laufzeit hinweg erreicht das Schallsignal 13 bzw. der Schallwellenzug den Ultraschallwandler 9, der daraus ein entsprechendes elektrisches Empfangssignal ES erzeugt und an den Multiplexer 5 weiter gibt.
Von dem Multiplexer 5 gelangt das Empfangssignal ES an einen optionalen Eingangsverstärker 6, der bei Bedarf den Signalpegel verstärkt und den Empfangspfad gegen den empfangenden Ultraschallwandler 9 mit der geeigneten Impedanz abschließt.
Mit einem Nulldurchgangsdetektor 7, zum Beispiel einem Komparator, wird das eingehende zunächst analoge Signal in ein digitales Empfangssignal DES für die weitere Verarbeitung umgewandelt. Für die angestrebte Zeitmessung erzeugt die Steuerungs- und Recheneinheit 1 ein Fenstersignal FS (Messfenster) einer Dauer von mehr als einer Wellenlänge, dessen zeitliche Lage im Empfangssignal DES durch eine auf vorab durchgeführten Messungen beruhende Empfangsposition hin festgelegt ist.
Innerhalb dieses Messfensters wird ein Nulldurchgang des Empfangssignals DES in der Funktionseinheit Messpulsgenerator 10 so ausgewertet, dass sich ein Messpuls MP zeitlich vom erkannten Nulldurchgang bis zum vorgegebenen Fensterende ergibt. Hierbei ist das von der Steuerungs- und Recheneinheit 1 erzeugte Messfensterende synchron zum Referenztakt RT, aus dem auch das Sendesignal erzeugt wurde. Aus der Messfensterposition, die ein Vielfaches an Referenztakten darstellt, und der Länge des Messpulses MP kann durch Summation die gesamte Signallaufzeit zwischen Start der Signalaussendung und Start des Empfangssignals ermittelt werden:
Die Signallaufzeit ergibt sich aus der Anzahl der Referenztakte bis Messfensterende multipliziert mit der zeitlichen Länge einer Referenztaktperiode, abzüglich der zeitlichen Messpulslänge, abzüglich der Anzahl der Empfangswellen bis zur Messfensterposition, multipliziert mit der zeitlichen Länge einer Empfangswellenperiode.
Die analoge Messpulslänge wird von einem Zeit-Digitalwandler 11 für die weitere digitale Verarbeitung durch die Steuerungs- und Recheneinheit 1 digitalisiert.
Der oben beschriebene Zusammenhang zwischen Sendewellen, Empfangswellen, Referenztakt RT und Messfenster MF ist in 2 beispielhaft skizziert für einen Referenztakt RT mit 16-facher Sendefrequenz, eine Burstaussendung mit 8 Wellen und eine Messfensterposition für die Auswertung der 8. Empfangswelle. Wie aus 2 ersichtlich, hat das Fenstersignal bzw. Messfenster MF eine Dauer von mehr als einer Periodendauer, es liegt im Bereich des Nulldurchgangs der 8. Welle.
In 3 sind jeweils an der linken Seite zwei Ultraschall-Sendesignale unterschiedlicher Frequenz f₁ bzw. f₂ dargestellt, welche abwechselnd jeweils in Form eines Schallwellenpakets (Burst) mit einer endlichen Anzahl von Signalperioden das Fluid bzw. Medium 12 durchlaufen.
Im rechten Bereich der 3 sind die jeweils resultierenden Empfangssignale dargestellt, welche am Ultraschallwandler jeweils in Form eines elektrischen Signals abgegriffen werden können. Das jeweils in der 3 dargestellte Empfangssignal umfasst z. B. insgesamt 16 Signalperioden. Im eingeschwungenen Zustand des Ultraschallwandlers im Bereich der 8. Welle, d.h. im mittleren Bereich des jeweils empfangenen Ultraschallpakets, ist der Signalpegel am höchsten.
Das Messverfahren wird bei dem Beispiel von 3 mit zwei Ultraschallsignalen unterschiedlicher Frequenz f₁ , f₂ durchgeführt. Daraus ist ersichtlich, dass sich Signale unterschiedlicher Frequenz mit gleicher Geschwindigkeit im zu messenden Medium bzw. Fluid ausbreiten und beim Empfang dieser Signale unterschiedlicher Frequenz ein von Welle zu Welle des Empfangssignals nahezu linear zunehmender Phasenversatz PD zwischen den Signalen unterschiedlicher Messfrequenz direkt erfasst d. h. gemessen werden kann. Aus der gemessenen Phasendifferenz t(f₁ ) - t(f₂ ) lässt sich die exakte Position eines Messpunkts im empfangenen Wellenzug auf wenige Nanosekunden genau ableiten und in Relation zum Messpunkt der weiteren Frequenz setzen.
Aufgrund der Messpunktzuordnung auf der Basis der Phasenfrequenzmessung bei mindestens zwei verschiedenen Frequenzen kann vor allem auch über mehrere Signalperioden (Wellenzüge) hinweg die Laufzeit eindeutig bestimmt werden, was effektiv zu einer Messbereichserweiterung zu hohen Fluiddurchflüssen führt.
Darüber hinaus kann eine bestimmte Festlegung der Frequenzen f₁ bzw. f₂ der beiden Ultraschallsignale vorgenommen werden. In vorteilhafter Weise liegt die Frequenz f₁ des einen Ultraschallsignals lediglich geringfügig oberhalb der Hauptresonanzfrequenz des Ultraschallwandlers, wohingegen die Frequenz f₂ des zweiten Ultraschallsignals lediglich geringfügig unterhalb der Hauptresonanzfrequenz des Ultraschallwandlers liegt. Der Unterschied der jeweiligen Frequenz zur Hauptresonanzfrequenz des Ultraschallwandlers soll zweckmäßigerweise derart gering sein, dass sich kein Phasensprung entlang der Signalperioden des empfangenen Signalpakets einstellt.
Die verwendeten Frequenzen f₁ bzw. f₂ sollten vorzugsweise in einem Bereich von weniger als 10 % von der Hauptresonanzfrequenz des Ultraschallwandlers abweichen. Besonders vorzugsweise sollen die Frequenzen jeweils im Bereich einer Abweichung von 3 bis 8 % zur Hauptresonanzfrequenz liegen. Daraus resultiert, dass im eingeschwungenen Zustand des Ultraschallwandlers die dort befindlichen Signalperioden für ein Messfenster mit besonders hohen Pegelstärken für das Messverfahren zur Verfügung stehen.
Die Festlegung der beiden Ultraschallfrequenzen f₁ bzw. f₂ zur Hauptresonanzfrequenz des Ultraschallwandlers soll darüber hinaus zweckmäßigerweise symmetrisch sein. Dies ermöglicht es, hinsichtlich der Signalerzeugung und Auswertung eine für beide Ultraschallsignale gemeinsamen Hardware-Aufbau vorzusehen. Hierdurch wiederum wird erreicht, dass sich Fehler bzw. Verfälschungen aufgrund der Gegenläufigkeit aufheben.
Besitzt der Ultraschallwandler eine Hauptresonanzfrequenz von z. B. 1010 MHz, so kann z. B. die erste Ultraschallfrequenz f₁ bei ca. 980 MHz und die zweite Ultraschallfrequenz f₂ bei ca. 1040 MHz liegen.
Wie aus 3 ersichtlich ist, kann für die Durchführung des Messverfahrens bei einer ersten Frequenz f₁ z.B. der Nulldurchgang ins Positive einer bestimmten Signalperiode (z.B. der in 3 beispielhaft gezeigten dritten Signalperiode) als Referenzpunkt REF im Messfenster MF herangezogen werden. Alternativ könnte auch eine andere Signalperiode, z.B. die achte Signalperiode, bei der der Signalpegel am höchsten ist, herangezogen werden. Bei der Messung mit einer zweiten Frequenz f₂ , die sich von der ersten Frequenz f₁ unterscheidet, ergibt sich für den entsprechenden Nulldurchgang ein zeitlicher Versatz (Phasendifferenz PD) gegen den Referenzpunkt REF, aus dem sich die Position der Welle (z.B. der dritten Welle) im Empfangspaket (Summe aller empfangenen Wellen) ermitteln lässt. Hierbei ist die Phasendifferenz PD zwischen den beiden Frequenzen f₁ bzw. f₂ in Bezug auf den gewählten Referenzpunkt RP annähernd direkt proportional zur Anzahl der empfangenen Wellen bis zum Referenzpunkt REF.
Bei einer Messung der oben beschriebenen Art in Vorwärts- sowie Rückwärtsrichtung und einer entsprechenden Mittelwertbildung kann daraus die absolute Schalllaufzeit ohne Einfluss einer Mediumsgeschwindigkeit ermittelt werden. Bei bekannter Länge der Messstrecke ergibt sich für ein bekanntes Medium aus der absoluten Schalllaufzeit unmittelbar die Mediumstemperatur.
Zur Kalibrierung des Messverfahrens kann in einfacher Weise unter Einsatz einer bekannten Mediumsart, bei einer bekannten Mediumstemperatur und bekannten vorliegenden Mediumseigenschaften die charakteristische Größenordnung der auszuwertenden Phasendifferenz PD durch Referenzmessungen für die angestrebten Empfangspositionen im Wellenpaket ermittelt werden.
Aus der elektronisch ermittelten Differenz der Signallaufzeiten mit/gegen den Fluidstrom, also der Laufzeitdifferenz, kann die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids in der Steuerungs- und Recheneinheit 1 ermittelt werden.
Vorteilhaft können für ein Entrauschen der Messgröße Phasenversatz Mehrfachmessungen mit den Frequenzen f₁ bzw. f₂ vorzugsweise schnell hintereinander durchgeführt werden.
Ebenso kann für eine Vorwärts- und Rückwärtsmessung ein gemeinsames Messfenster verwendet werden. Alternativ können auch zwei getrennte Messfenster für die Vorwärts- und Rückwärtsmessung verwendet werden. Letzteres ist bei weit auseinanderliegenden Phasenwerten von z. B. mehr als einer µs zweckmäßig. Alternativ können auch zwei Messfenster für die Laufzeitdifferenz und die Phasendifferenzmessung vorgesehen sein.
Ebenso kann aus der absoluten Laufzeit des ersten bzw. zweiten Ultraschallsignals z. B. ein Prüfwert für eine Plausibilitätsüberprüfung und/oder eine Störungsüberprüfung und/oder das Mischungsverhältnis einer Zwei- oder Mehrphasenmischung und/oder mindestens eine fluidspezifische physikalische Größe abgeleitet werden.
Alternativ kann das Verfahren auch mit einer Mittenfrequenz nahe der Resonanzfrequenz f₀ zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz betrieben werden, wobei zwei zusätzliche Frequenzen f₁ und f₂ ober- und unterhalb der Mittenfrequenz nur zur Bestimmung der Phasendifferenz der beiden Frequenzen zur Positionsbestimmung verwendet werden. Dies bietet den Vorteil, dass durch den größeren Frequenzunterschied zwischen f₁ und f₂ eine noch besser auswertbare, größere Phasendifferenz entsteht.
Bezugszeichenliste

1: Steuerungs- und Recheneinheit
2: Taktgenerator
3: Taktmustergenerator
4: Sendeverstärker
5: Multiplexer
6: Eingangsverstärker
7: Nulldurchgangsdetektor
8: Ultraschallwandler
9: Ultraschallwandler
10: Messpulsgenerator
11: Zeit-Digitalwandler
12: Medium
13: Schallsignal (Burst) Messrichtung 1
14: Schallsignal (Burst) Messrichtung 2
ES: Empfangssignal
DES: digitales Empfangssignal
FS: Fenstersignal
MF: Messfenster
MP: Messpuls
PD: Phasendifferenz
RS: Richtungssignal
RT: Referenztakt
AS: Einstellsignal
SS: Startsignal
SES: Sendesignal
REF: Referenzpunkt
f₁: Frequenz
f₂: Frequenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19841154 A1 [0005]
US 4527432 [0006]
DE 102011016963 A1 [0007]
DE 102011004830 B4 [0008]

Claims

Verfahren zur Ultraschalllaufzeitmessung in einem Fluid, bei dem ein eine Messstrecke durchströmendes Fluid mit einem von einem Ultraschallwandler erzeugten ersten Sendesignal mit einer ersten Frequenz f₁ und einem von dem Ultraschallwandler erzeugten zweiten Sendesignal mit einer zweiten Frequenz f₂ beaufschlagt wird, die ersten und zweiten Sendesignale von einem Ultraschallwandler empfangen und erste und zweite Empfangssignale mit jeweils mehreren Wellen erzeugt werden, aus den Empfangssignalen die Laufzeitdifferenz bestimmt wird, eine Phasendifferenz (PD) zwischen erstem Empfangssignal mit der ersten Frequenz f₁ und zweitem Empfangssignal mit der zweiten Frequenz f₂ gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus der gemessenen Phasendifferenz (PD) die Position eines Messpunkts im Bereich der Wellen (Wellenzug) des Empfangssignals abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein für die ersten und zweiten Sendesignale gemeinsamer Referenztakt (RT) vorgegeben ist und die Bestimmung der Position des Messpunkts oder Messfensters bei der Ultraschalllaufzeitmessung unter Bezug auf den gemeinsamen Referenztakt (RT) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auszuwertenden Phasendifferenzen durch Vorabmessungen unter bekannten Umgebungsbedingungen festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Position des Messpunkts und/oder Messfensters im Bereich der Wellen (Wellenzug) des Empfangssignals ein Messpuls (MP) erzeugt wird. I
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ultraschallfrequenz f₁ oberhalb und die zweite Ultraschallfrequenz f₂ unterhalb der Resonanzfrequenz f₀ oder einer Mittenfrequenz f_m des Ultraschallwandlers liegt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung der ersten Ultraschallfrequenz f₁ bzw. zweiten Ultraschallfrequenz f₂ jeweils zur Resonanzfrequenz f₀ oder einer Mittenfrequenz f_m des Ultraschallwandlers ≤ 10 % beträgt, vorzugsweise im Bereich von 3-8 % liegt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Ultraschallfrequenz f₁ bzw. f₂ zur Resonanzfrequenz f₀ oder Mittenfrequenz f_m des Ultraschallwandlers, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen, symmetrisch, liegen.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ultraschallfrequenz (z. B. die Ultraschallfrequenz f₁) als Grundfrequenz und die weitere Ultraschallfrequenz (z. B. die Ultraschallfrequenz weitere f₂) als Zusatzfrequenz eingesetzt wird und die Messung der Zusatzfrequenz entweder nur für eine Messrichtung oder für beide Messrichtungen erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position zweier Nulldurchgänge des ersten bzw. zweiten Ultraschallsignals als Bezugspunkt zur Bestimmung der absoluten Laufzeit des ersten und/oder zweiten Ultraschallsignals herangezogen wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ultraschallsignal und das zweite Ultraschallsignal vom Ultraschallwandler abwechselnd erzeugt sowie empfangen wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich des Ultraschall-Durchflussmessers größer als ein Wellenzug des ersten und/oder zweiten Ultraschallsignals ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ohne Messung der Fluidtemperatur betrieben wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der absoluten Laufzeit des ersten bzw. zweiten Ultraschallsignals die Fluidtemperatur und/oder die Schallgeschwindigkeit im Fluid abgeleitet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der absoluten Laufzeit des ersten bzw. zweiten Ultraschallsignals, vorzugsweise in Verbindung mit einer Temperaturmessung, entweder ein Prüfwert für eine Plausibilitätsüberprüfung und/oder eine Störungsüberprüfung und/oder das Mischungsverhältnis einer Zwei- oder Mehrphasenmischung und/oder mindestens eine fluidspezifische physikalische Größe abgeleitet wird.