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Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Kompensation der Drift eines Ultraschall-Strömungssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
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Ultraschall-Strömungssensoren dienen insbesondere dazu, den Volumen- oder Massenstrom eines gasförmigen oder flüssigen Mediums zu messen, das durch eine Rohrleitung strömt. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Typ von Ultraschall-Strömungssensoren umfasst zwei gegenüberliegende, in Strömungsrichtung versetzt angeordnete Ultraschallwandler, die Ultraschallsignale erzeugen und diese an den jeweils anderen Ultraschallwandler aussenden. Die Ultraschallsignale werden vom jeweils anderen Wandler empfangen und mittels einer Elektronik ausgewertet. Der Laufzeitunterschied zwischen dem Signal in Strömungsrichtung und dem Signal in Gegenrichtung ist dabei ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids (bei bekanntem Druck und bekannter Temperatur). Daraus kann die gewünschte Messgröße, wie z. B. ein Volumen- oder Massestrom berechnet werden.
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1 zeigt eine typische Anordnung eines bekannten Ultraschall-Strömungssensors mit zwei Ultraschallwandlern A, B, die innerhalb einer Rohrleitung 11 angeordnet sind und sich in einem Abstand L gegenüber stehen. In der Rohrleitung 11 strömt ein Fluid 12 mit einer Geschwindigkeit v in Richtung des Pfeils. Die Messstrecke L ist gegenüber der Strömungsrichtung um einen Winkel α geneigt. Während einer Messung senden sich die Ultraschallwandler A, B gegenseitig Ultraschallsignale zu, die je nach Richtung der Strömung entweder verlangsamt oder beschleunigt werden. Die Laufzeiten der Schallsignale sind dabei ein Maß für die zu bestimmende Strömungsgeschwindigkeit.
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2 zeigt eine stark vereinfachte schematische Darstellung des Ultraschall-Strömungssensors 10 von 1 mit zugehöriger Steuer- und Auswerteelektronik 6.
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Die Anordnung umfasst zwei Endstufen 1a, 1b eines Taktgenerators 7, die jeweils ein Erregersignal erzeugen, mit dem die Ultraschallwandler A, B angeregt werden. Bei den Ultraschallwandlern A, B handelt es sich hier um Piezo-elektrische Elemente, die bei elektrischer Anregung jeweils Ultraschall-Wellenpakete 2a, 2b erzeugen, die sich über das Medium 12 zum jeweils gegenüber liegenden Ultraschallwandler B, A ausbreiten und dort wieder in ein elektrisches Signal gewandelt werden.
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Das von den Ultraschallwandlern A, B erzeugte elektrische Empfangssignal wird mittels eines Analog/Digital-Wandlers (ADC) 3a bzw. 3b in ein digitales Signal gewandelt und einer Auswerteelektronik 4a bzw. 4b zugeführt, die anhand einer Zeit- oder Phasenmessung die Laufzeiten tA, tB der Ultraschallsignale bestimmt. Wird zusätzlich der Fluiddruck p mit einem Drucksensor gemessen, kann z. B. die Massenstromrate m in guter Näherung als m ~ p·(tA – tB) bestimmt werden.
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Das Messergebnis des Strömungssensors 10 ist i. d. R. abhängig von verschiedenen Einflussgrößen, insbesondere der Temperatur, Alterung, Kontamination, etc. und driftet über die Lebensdauer des Sensors. Die Umgebungsbedingungen der Messstrecke sind üblicherweise an beiden Ultraschallwandlern A, B identisch. Beide Wandler A, B zeigen daher üblicherweise etwa den gleichen Offset, der durch eine spezielle Auswertung der Signallaufzeiten tA, tB, nämlich durch Differenzbildung (tA – tB bzw. 1/tA – 1/tB) herausgerechnet werden kann. Diese auf der Reziprozität des Ultraschall-Strömungssensors beruhende Driftkompensation ist jedoch nur bei absolut symmetrischer Drift der beiden Wandler erfolgreich. Bei unsymmetrischer Drift der Wandler zeigt das Messergebnis einen Offset-Fehler.
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Aus der
US 5,777,238 A ist ein Ultraschallströmungssensor mit zwei Ultraschallwandlern zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen bekannt. Dabei ist vorgesehen, eine Korrekturgröße zur Kompensation der Drift des Ultraschallsensors zu verwenden.
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Aus der
US 6,370,963 B1 ist ein Ultraschallströmungssensor bekannt, der mittels einer Korrekturgröße die Drift des Ultraschallsensors kompensiert. Während einer Ultraschallübertragung wird ein Teil des übertragenen Signals durch eine Empfangselektronik geleitet, wo ein Referenzsignal gebildet wird, das als Basis für die Korrekturgröße dient.
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Aus der
US 6,508,134 B1 ist ein Ultraschallströmungssensor bekannt. Dabei sind zwei Ultraschallwandler vorgesehen, die zwischen sendender und empfangender Betriebsart wechseln. Die Frequenz eines Referenzoszillators, der den sendenden Wandler ansteuert, wird variiert, um ein konstantes Phasenverhältnis zwischen Sender und Empfänger zu gewährleisten. Ein zweiter Oszillator wird kurz vor dem Wechsel von sendender zu empfangender Betriebsart auch die Referenzfrequenz eingestellt. Eine Differenz in der Frequenz der beiden Oszillatoren wird erkannt und als Basis zur Berechnung der Strömungsrate des Fluids verwendet.
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Aus der
US 2003/0209083 A1 ist ein Strömungssensor bekannt.
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Aus der
US 5,502,652 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines Wärmeflusses in einem Rohr mit schmalem Durchmesser unter Verwendung akustischer Signale bekannt.
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Aus der
US 6,691,582 B1 ist ein System zur Identifikation eines Gases bekannt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Offset-Fehler eines Ultraschall-Strömungssensors in möglichst einfacher Weise zu kompensieren.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 10 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, im Sendebetrieb des Ultraschallwandlers eine elektrische Betriebsgröße, wie z. B. eine am Ultraschallwandler abfallende Spannung, oder den Betriebsstrom des Wandlers zu messen und auszuwerten, und auf Basis der gemessenen elektrischen Betriebsgröße den Offsetfehler des Strömungssensors zu bestimmen. Der so ermittelte Offset-Fehler kann dann bei der Laufzeitmessung berücksichtigt werden. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass der Offset-Fehler allein durch Messung einer zusätzlichen elektrischen Betriebsgröße an wenigstens einem der Ultraschallwandler und nachfolgender Auswertung des Messsignals in einfacher Weise bestimmt und entsprechend kompensiert werden kann. Die Messung der zusätzlichen elektrischen Betriebsgröße erfolgt im Sendebetrieb des Ultraschallwandlers.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der am Ultraschallwandler anliegende Strom und/oder die am Wandler abfallende Spannung gemessen und aus dem Messsignal eine Korrekturgröße abgeleitet, die zur Kompensation der Drift des Ultraschallsensors herangezogen wird. Aus dem elektrischen Messsignal der Betriebsgröße (U, I) kann beispielsweise eine Information über die Phase des Signals gegenüber einem Referenzsignal (z. B. einem Erregertakt), eine Information über die Amplitude oder die Periodendauer des Messsignals oder eine Information über eine Impedanzgröße (z. B. den Leitwert) des Ultraschallwandlers ermittelt werden. Jede dieser Eigenschaften des Messsignals ist dabei ein Maß für die Drift bzw. den Offset-Fehler des Ultraschall-Strömungssensors, da sich der Verlauf der elektrischen Betriebsgröße (U, I) mit der Drift ändert. Ein gealterter Sensor zeigt beispielsweise eine andere Phasenverschiebung des Messsignals gegenüber einem Erregertakt als ein neuer Sensor. Die Abhängigkeit der Sensordrift von der Signaleigenschaft (z. B. der Phase) des Messsignals muss in Labortests bestimmt und in der Sensoranordnung hinterlegt werden. Die Auswerteelektronik ist somit in der Lage, die Drift zu kompensieren.
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Vorzugsweise wird nur eine einzige Korrekturgröße, wie z. B. die Phasenlage des zusätzlich gemessenen elektrischen Signals bestimmt. Wahlweise könnten aber auch mehrere Korrekturgrößen bestimmt werden, um die Genauigkeit der Drift-Kompensation zu erhöhen.
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Grundlage für die Driftkompensation kann entweder eine bestimmte Eigenschaft des Messsignals (z. B. Phase, Amplitude, etc.) oder die zeitliche Änderung dieser Eigenschaft sein. Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird beispielsweise die zeitliche Änderung der Phase oder der Amplitude des elektrischen Signals bestimmt und daraus der Offset-Fehler ermittelt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Messung der zusätzlichen elektrischen Betriebsgröße nur bei einer einzigen Frequenz des Erregersignals (das den Ultraschallwandler zur Schwingung anregt) gemessen. Der Offset-Fehler kann genauer bestimmt werden, wenn das Messsignal bei mehreren unterschiedlichen Erregerfrequenzen gemessen wird. Dies ist jedoch aufwendiger und nicht unbedingt erforderlich.
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Der Offset-Fehler kann mathematisch in unterschiedlicher Form in Abhängigkeit von der Korrekturgröße dargestellt werden. Eine Möglichkeit ist beispielsweise die Darstellung als lineare Funktion, da sich die Schwingungseigenschaften des Ultraschallwandlers bei typischen mechanischen oder thermischen Belastungen linear verändern. Für den Offset-Fehler K kann beispielsweise folgende lineare Funktion angesetzt werden: K ~ c1 + c2·(phiA – phiB) + c3·(tA + tB).
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Dabei sind c1, c2 und c3 Konstanten, die z. B. in mechanischen, thermischen und elektrischen Belastungstests sowie Temperaturmessungen experimentell ermittelt werden können. Die Größe phi ist die Phasendifferenz des Messsignals gegenüber einem Erregertakt und t die Laufzeit der Ultraschallsignale im Medium.
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Die Elektronik des Strömungssensors führt vorzugsweise eine Temperaturkompensation durch. Die Temperaturkompensation erfolgt vorzugsweise auf Basis der Summenlaufzeit (tA + tB) der Ultraschallsignale, die mit der Sensortemperatur korreliert (siehe letzter Term der obigen Gleichung).
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Zur Kompensation stärkerer Driften kann anstelle des linearen Ansatzes z. B. auch eine Potenzreihe höherer Ordnung mit weiteren Koeffizienten (z. B. c2', c2'', etc.) für die Driftkompensation angesetzt werden. Diese Koeffizienten können wiederum experimentell bestimmt werden. Alternativ können die Größen tA, tB, phiA, phiB auch auf andere Weise miteinander verknüpft werden.
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Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung verwendet anstelle des vorstehend beschriebenen mathematischen Zusammenhangs z. B. ein Kennfeld, das durch die Korrekturgrößen (z. B. tA, tB, phiA, phiB) adressiert wird. Der Kennfeldeintrag stellt dabei die Höhe des abzugleichenden Offsets (K) dar.
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Die elektrische Betriebsgröße (I, U), auf deren Grundlage der Offset des Sensors ermittelt wird, wird erfindungsgemäß mit entsprechenden Sensoren erfasst. Zur Erfassung des Spannungsverlaufs am sendenden Ultraschallwandler kann beispielsweise eine zusätzliche Elektrode auf dem Piezo-Wandler vorgesehen sein. Mit dieser Zusatzelektrode (dritte Elektrode) kann beispielsweise die Schwingungsantwort des Wandlers auf eine pulsförmige Anregung bestimmt werden. Zur Erfassung des Stromverlaufs am sendenden Wandler kann beispielsweise ein Vorwiderstand eingesetzt werden, dessen Spannungsabfall in bekannter Weise ausgewertet wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschall-Strömungssensors mit zwei Ultraschallwandlern;
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2 eine schematische Darstellung des Ultraschall-Strömungssensors von 1 mit zugehöriger Auswerteelektronik gemäß dem Stand der Technik;
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3 eine schematische Darstellung eines Ultraschall-Strömungssensors mit einer Auswerteelektronik gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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4 ein vereinfachtes Zweipol-Satzschaltbild eines Piezo-Resonators; und
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5 eine schematische Darstellung des Verlaufs des Leitwerts G gegenüber der Frequenz ω für das Ersatzschaltbild von 4.
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Bezüglich der Erläuterung der 1 und 2 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ultraschall-Strömungssensors 10 mit Driftkompensation. Der Strömungssensor 10 ist im Wesentlichen identisch aufgebaut wie derjenige von 2 und umfasst zwei Ultraschallwandler A, B, die sich gegenseitig Ultraschallsignale 2a, 2b zusenden, sowie eine spezielle Auswerteelektronik 6 mit Driftkompensation. (Die Erfindung ist aber nicht auf Anordnungen mit mehreren Ultraschallwandlern beschränkt). Die Ultraschallwandler A, B werden abwechselnd oder gleichzeitig von Endstufen 1a, 1b eines Taktgenerators 7 zur Erzeugung von Ultraschallsignalen 2a, 2b angeregt. Dadurch erzeugen sie Ultraschall-Wellenpakete 2a, 2b, die sich über das Medium 12 (z. B. Luft) zum jeweils gegenüber liegenden Ultraschallwandler B, A ausbreiten und dort wieder in ein elektrisches Signal gewandelt werden. Das analoge elektrische Signal wird einem Analog/Digital-Wandler 3a bzw. 3b zugeführt und mittels einer digitalen Elektronik 4a bzw. 4b weiterverarbeitet, wobei in einer Zeit- oder Phasenmessung die Laufzeiten tA bzw. tB der Ultraschallsignale 2a, 2b bzw. proportionale Größen ermittelt werden. Der Laufzeitunterschied (tA – tB bzw. 1/tA – 1/tB) ist dabei ein Maß für den Volumen- oder Massenstrom des Fluids 12.
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Zum Zwecke der Driftkompensation umfasst der Strömungssensor 10 zusätzlich eine Messeinrichtung 8a bzw. 8b zum Messen des Betriebsstroms 1 oder der Betriebsspannung U. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst diese Messeinrichtung jeweils einen zwischen einer Endstufe 1a, 1b und dem zugehörigen Ultraschallwandler A, B angeordneten Vorwiderstand 8a, 8b. Zur Messung des Betriebsstroms I wird hier in bekannter Weise die am jeweiligen Vorwiderstand 8a bzw. 8b abfallende Spannung ausgewertet. Das Spannungssignal wird dem Analog/Digital-Wandler 3a, 3b und der Auswerteelektronik 4a, 4b zugeführt. Die Vorwiderstände 8a, 8b sollten einen Widerstandswert haben, der deutlich kleiner als die Impedanz des Ultraschallwandlers A, B im Resonanzfall ist, um die Sendespannungen nicht mehr als nötig zu reduzieren.
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Die Auswerteelektronik 4a, 4b erzeugt ein Phasensignal phiA, phiB, das die Phasenlage des Betriebsstroms (bzw. des gemessenen Spannungssignals) gegenüber dem Erregersignal darstellt. Die Höhe der Phasenverschiebung phiA bzw. phiB ist dabei ein Maß für die Drift des Strömungssensors 10. Wahlweise könnte die Elektronik 4a, 4b auch die Periodendauer des Signals, den Verlauf der Signalamplitude, die Änderung der Phase oder der Periodendauer oder eine andere charakteristische Signaleigenschaft als Korrekturgröße bestimmen. Die Abhängigkeit der Sensordrift von der Signaleigenschaft (z. B. der Phase) des Messsignals wird zuvor experimentell bestimmt und in der Sensoranordnung hinterlegt. Der Zusammenhang zwischen Drift bzw. Offset und Signaleigenschaft ist z. B. als mathematisches Modell oder als Kennfeld im Steuergerät 5 hinterlegt.
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Für die Drift des Sensors 10 kann beispielsweise eine lineare Gleichung angesetzt werden, wobei gilt: K ~ c1 + c2·(phiA – phiB) + c3·(tA + tB).
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Anstelle des vorstehend beschriebenen funktionalen Zusammenhangs kann z. B. auch ein Kennfeld, das durch die Korrekturgrößen (z. B. tA, tB, phiA, phiB) adressiert wird, verwendet werden. Der Kennfeldeintrag stellt dabei die Höhe des abzugleichenden Offsets (K) dar.
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Die Temperatur abhängige Drift wird vorzugsweise aus der Summenlaufzeit tA + tB berechnet (siehe letzter Term der Gleichung). Wahlweise könnte aber auch ein zusätzlicher Temperatursensor vorgesehen sein.
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Die Auswertung des Strom- und/oder Spannungssignals I bzw. U erfolgt im Sendebetrieb der Wandler A, B. Da in diesem Zustand keine Ultraschallsignale 2a, 2b empfangen werden, kann ein Teil der Elektronik 3, 4 zur Auswertung des Strom- und/oder Spannungssignals I, U verwendet werden. Der Ultraschall-Strömungssensor 10 umfasst hier jeweils einen Schalter 9a, 9b zur Auswahl zwischen der Berechnung des Offset-Fehlers und der Auswertung der Ultraschallsignale 2a, 2b.
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Die Bestimmung des Offset-Fehlers kann bei jeder Strömungsmessung oder nur in vorgegebenen Intervallen durchgeführt werden.
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4 zeigt ein vereinfachtes Zweipol-Ersatzschaltbild für einen Piezo-Resonator A, B, das das Schwingungsverhalten zumindest nahe der Resonanzfrequenz gut wiedergibt. Ein Piezo-Resonator A, B ist im Wesentlichen durch fünf Ersatzschaltbildgrößen C0, C1, L1, R1, G0 beschrieben. Der Widerstand bzw. Leitwert G0 kann üblicherweise vernachlässigt werden, so dass vier Größen C0, C1, L1, R1 übrig bleiben, die zur Drift des Sensors 10 beitragen. Bei einer Änderung der Umgebungsbedingungen bzw. bei Alterung des Wandlers A, B zeigt dieser ein unterschiedliches Schwingungsverhalten, das sich wiederum in einem unterschiedlichen Verlauf des Betriebsstroms bzw. der Betriebsspannung (im Sendebetrieb) äußert. Die Höhe des Offset-Fehlers kann wie beschrieben aus dem Messsignal von Strom oder Spannung ermittelt werden.
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Aus dem Strom- oder Spannungssignal I bzw. U könnte alternativ auch eine Impedanzgröße, wie z. B. der Leitwert G des Ultraschallwandlers A, B als Korrekturgröße ermittelt und daraus der Offset-Fehler berechnet werden. Für den komplexen Leitwert eines Piezowandlers A, B gilt:
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Der Verlauf des Leitwerts G in Abhängigkeit der Erregerfrequenz ω ist in 5 schematisch dargestellt.