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Stand der Technik
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Aus dem Bereich der technischen Akustik ist bekannt, Ultraschall in einen Raum abzugeben und anhand der empfangenen Schallwellen auf Eigenschaften des Raums zu schließen. Hierbei bildet die Änderung des Signals die physikalische Grundlage für die Erfassung von Raumeigenschaften.
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Diese physikalische Grundlage wird verwendet, um insbesondere eine Laufzeit zu erfassen, um daraus Eigenschaften einer Strömung innerhalb des Raums zu erfassen. Anwendungsbeispiele hierfür finden sich beispielsweise in der Kfz-Technik, bei der Durchflusssensoren zur Erfassung der einströmenden Luftmenge bzw. für die Dosierung des Kraftstoffs bzw. des Kraftstoffgemischs verwendet werden. Grundsätzlich können Ultraschalldurchflusssensoren (auch diejenigen, die gemäß der im Weiteren beschriebenen Erfindung ausgebildet sind) in allen Bereichen der Technik verwendet werden, bei denen eine Durchflussrate oder Durchflussgeschwindigkeit oder andere Strömungseigenschaften innerhalb eines Raums erfasst werden sollen.
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Die Druckschrift
EP 0 750 180 A1 zeigt ein Ultraschall-basiertes Messverfahren zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit. Hierbei wird ein Referenzzeitpunkt, der zur Laufzeiterfassung dient, anhand von zwei Schwellenwerten der Hüllkurve ermittelt. Die Schnittpunkte zwischen der empfangenen Hüllkurve und den beiden Schwellwerten werden zueinander in Beziehung gesetzt, um eine Näherung für einen Referenzzeitpunkt zu finden, der zur Laufzeiterfassung verwendet wird. Die Laufzeiterfassung hängt somit zum einen von der Genauigkeit einer derartigen Näherung ab, und zum anderen von der Schwellwerterfassung, die bei verrauschten Signalen zu deutlichen Fehleinschätzungen führen kann.
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Die Druckschrift
DE 101 06 308 C1 zeigt ein Verfahren zur Ultraschall-basierten Laufzeitmessung, wobei ein Referenzzeitpunkt anhand der Momentanamplitude des Ultraschallpulses berechnet wird. Die Laufzeitberechnung basiert somit auf der Erfassung der tatsächlichen Bewegung der Ultraschallmembran mit der Geschwindigkeit der Trägerfrequenz, wobei die erste Halbwelle der Momentanamplitude betrachtet wird. Zum einen erfordert dies eine präzise und zeitlich hoch aufgelöste Erfassung mit einer Abtastrate, die deutlich über der Trägerfrequenz liegt, und zum anderen ist die Berechnung fehlerbehaftet, da die erste Halbwelle aufgrund von Einschwingvorgängen Fehler- und Streueffekte beinhaltet. Je nach vorliegendem Signal-Rausch-Verhältnis ist es zudem nicht trivial, die erste Halbwelle überhaupt eindeutig zu identifizieren. Ein dort dargestelltes Beispiel zeigt die Erfassung einer Halbwelle, die kürzer als 0,3 μs ist und die sowohl zeitlich als auch hinsichtlich der Amplitude hoch aufgelöst untersucht wird. Es ist unmittelbar ersichtlich, dass die in
DE 101 06 308 C1 beschriebene Vorgehensweise mit einem hohen Berechnungsaufwand und kostenintensiver Datenerfassung verknüpft ist.
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Zum einen sind daher die im Stand der Technik dargestellten Laufzeiterfassungsverfahren aufwändig bzw. kostenintensiv. Zum anderen sind die im Stand der Technik beschriebenen Mechanismen hinsichtlich der erreichten Präzision beschränkt.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Ultraschalllaufzeitmessung vorzusehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Laufzeitmessvorrichtung nach Anspruch 7.
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Die Erfindung erlaubt eine deutliche Verbesserung der Präzision bei Ultraschalllaufzeitmessungen, ohne dass auf kostenintensive hochpräzise Ultraschallwandler und einer entsprechend genauen Berechnungsschaltung zurückgegriffen werden muss. Grundsätzlich ermöglicht die Erfindung die Erfassung der Laufzeit für im Wesentlichen unbegrenzte Bereiche der Laufzeit, im Gegensatz zu uneindeutigen, auf der Momentanamplitude basierenden Erfassungsmechanismen wie bsp. in
DE 101 06 308 C1 dargestellt. Als besonderer Vorteil ermöglicht die Erfindung nicht nur eine preisgünstige einfache Realisierung, sondern ferner eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich vereinfachte Reduzierung des Berechnungsaufwands. Insbesondere Ausführungsformen der Erfindung sehen ferner eine geringe zeitliche Auflösung bei der zugehörigen Datenverarbeitung vor, wodurch sich der Verarbeitungsaufwand verringert und kostengünstige Bauteile verwendet werden können, ohne jedoch substantielle Verschlechterungen bei der Genauigkeit hinnehmen zu müssen.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Konzept ist es, die Laufzeit anhand von Referenzzeitpunkten zu erfassen, wobei der Referenzzeitpunkt jedes Empfangs-Ultraschallpulses anhand der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses erfasst wird, insbesondere durch Betrachtung der Steigung der Einhüllenden. Zum einen ermöglicht dies eine gute Näherung und zum anderen eine Laufzeitberechnung mit geringer Aufwand, da lediglich die Einhüllende betrachtet wird, und nicht die Momentanamplitude. Die Steigung der Einhüllenden wird erfindungsgemäß verwendet, um einen Referenzzeitpunkt für die Einhüllende des Empfangs-Ultraschallpulses zu extrapolieren. Dieser Referenzzeitpunkt des Empfangs-Ultraschallpulses wird mit einem Referenzzeitpunkt des Sende-Ultraschallpulses verglichen. Die Zeitdifferenz ergibt sich als Ergebnis des Vergleichsschritts. Als Referenzzeitpunkt des Sende-Ultraschallpulses wird ein Zeitpunkt bezeichnet, der in einem vorbekannten, konstanten oder zumindest zu schätzenden zeitlichen Verhältnis zu der zeitlichen Lage des Sende-Ultraschallpulses steht, beispielsweise eine Zeitmarke, ein Triggersignal oder eine (erste ansteigende) Flanke eines Ansteuersignals, das an einen Signalgenerator oder unmittelbar an einen Wandler zur Erzeugung des Sende-Ultraschallpulses angelegt wird.
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Ein Referenzzeitpunkt oder eine Zeitmarke für den Sende-Ultraschallpuls kann in einfacher Weise vorgesehen werden, indem beispielsweise der Ansteuerbeginn oder ein entsprechendes Trigger- oder Zeitsignal verwendet wird, mit dem der Sender beim Senden angesteuert wird. Insbesondere kann diese eine Triggerflanke sein, die an einen Signalgenerator abgegeben wird, welcher wiederum unmittelbar beginnt, den Wandler anzuregen. Die Annäherung des Referenzzeitpunkts des Empfangs-Ultraschallpulses hat den Zweck, den Zeitpunkt des Sende-Ultraschallpulses am Empfangs-Ultraschallpuls wieder zu finden.
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Jedoch ergeben sich durch das Wandlerverhalten und durch Einschwingvorgänge am Wandler starke Veränderungen, so dass sich der als Schall abgesendete Sende-Ultraschallpuls in der Form der Einhüllenden stark von dem Ansteuersignal bzw. der Einhüllenden des Einsteuersignals unterscheidet. Wenn beispielsweise ein kurzer Ansteuerimpuls an den Frequenzgenerator des Wandlers gegeben wird, so steigt die Momentanamplitude von Halbwelle zu Halbwelle kontinuierlich an. Nach Ende der Anregung schwingt der Wandler noch einige Halbwellen nach, so dass die Momentanamplitude von Halbwelle zu Halbwelle immer noch weiter ansteigen kann, bevor sie sich dann von Halbwelle zu Halbwelle wieder verringert. Obwohl daher das Ansteuersignal eine Rechteckform aufweist, ergibt sich in diesem Beispiel ein kontinuierlicher Verlauf der Einhüllenden des abgesendeten Ultraschallsignals. Die Einhüllende des Empfangs-Ultraschallpulses basiert im Wesentlichen auf der gleichen Form, wie sie vom Wandler abgesendet wurde, so dass sich auch im Empfangs-Ultraschallsignal im Wesentlichen die Einhüllende des Ansteuersignals nicht unmittelbar wieder findet. Weiterhin ergeben sich zusätzliche Verzerrungen durch den Wandler während des Empfangs, wobei sich auch beim Empfang ein erstes Einschwingverhalten ergibt, sowie weitere Verzerrungen der Einhüllenden durch Nachschwingen. Es wurde erfindungsgemäß erkannt, dass trotz durch den Wandler beim Senden (und beim Empfangen) verursachten Verzerrungen der Einhüllenden (gegenüber der Einhüllenden des Ansteuersignals) ein Referenzzeitpunkt der Einhüllenden besonders gut anhand der Steigung der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses erkannt werden kann, wobei der ursprüngliche Referenzzeitpunkt des Sende-Ultraschallpulses im Empfangs-Ultraschallpuls wieder gefunden wird durch Extrapolieren der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses anhand der Steigung der Einhüllenden dieses Ultraschallpulses. Der Referenzzeitpunkt des Sende-Ultraschallpulses ist ein Zeitpunkt, der in fester zeitlicher Relation zu dem Absendezeitpunkt des Sende-Ultraschallpuls steht, beispielsweise ein Triggersignal, das die Erzeugung des Ultraschallpulses auslöst oder ein Generatorsignal, das zur Ansteuerung verwendet wird. Der Referenzzeitpunkt des Sende-Ultraschallpulses kann ein Signalmerkmal eines derartigen Ansteuersignals sein, beispielsweise der Zeitpunkt einer ansteigenden Flanke oder ähnliches.
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Es wurde gefunden, dass die Präzision des Referenzzeitpunkts, der sich durch Extrapolation anhand der Steigung der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses ergibt, gegenüber dem Stand der Technik eine deutlich genauere Laufzeiterfassung ermöglicht. Gemäß einer bevorzugten Realisierung dieses Konzepts wird insbesondere der maximale Punkt der Steigung der Einhüllenden verwendet, das heißt der Wendepunkt der ersten ansteigenden Flanke der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses. Auch bei starker Rauscheinfluss sowie bei starker Verzerrung des Ansteuersignals durch das Wandlerverhalten ergibt sich eine hohe Präzision, wenn der Wendepunkt als Marke bzw. Ausgangspunkt für die Extrapolation des Referenzzeitpunkts verwendet wird. Insbesondere bei piezo-basierten Wandlern ergab sich, dass deren Ansprechverhalten der Gestalt ist, dass eine Extrapolation anhand des Punktes mit der größten Steigung der Einhüllenden zu einer hohen Präzision der Laufzeitmessung führt. Es wurde insbesondere erkannt, dass die Erfassung des Referenzzeitpunkts anhand der höchsten Steigung gegenüber Rauschen oder anderen Fehlerquellen außerordentlich belastbar ist, insbesondere im Vergleich mit Referenzzeitpunkten, die auf Erfassungen direkt am Beginn des Empfangsimpulses beruhen und somit stark rauschbelastet sind und stark von Wandereigenschaften abhängen. Es hat sich herausgestellt, dass Einschwingvorgänge des Wandlers die Einhüllende des Empfangs-Ultraschallpulses zwar maßgeblich formen, jedoch der Punkt der höchsten Steigung, das heißt der Wendepunkt an einer, bevorzugt der ersten ansteigenden Flanke der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses ein verlässliches Maß für die Erfassung des Referenzzeitpunktes ist, selbst wenn der Wandler altert. Bei einem im wesentlichen geraden Anstieg, beispielsweise in einem Abschnitt der Einhüllenden, in dem der Wendepunkt liegt, kann insbesondere die Tangente an diesem Abschnitt selbst verwendet werden. Da der Wendepunkt das Steigungsmaximum darstellt und bei einem nicht besonders stark ausgeprägten Steigungsmaximum der Wendepunkt nicht besonders signifikant ist, kann in diesem Fall die Tangente an einer Stelle des Wendepunktes selbst oder in dessen Nähe verwendet werden. Da ein nicht besonders stark ausgeprägtes Steigungsmaximum mit einem Abschnitt um den Wendepunkt herum verknüpft ist, der im wesentlichen einen konstanten Anstieg aufweist (dies entspricht einem flachen Steigungsmaximum), ist eine Tangente, die an diese Stelle interpoliert sein kann, eine gute Alternative zu einem Wendepunkt, dessen genaue Lage aufgrund des flachen Maximums nicht mit hoher Genauigkeit bestimmt ist. Eine Tangente am Wendepunkt ist somit gleichbedeutend anzusehen mit einer Tangente an einen Abschnitt des Verlaufs der Einhüllenden, in dem der Wendepunkt vorliegt. Die Tangente kann somit genau durch den Wendepunkt verlaufen, oder, bei nicht besonders stark ausgeprägten Steigungsmaxima, entlang eines Abschnitts verlaufen, in dem der Wendepunkt liegt, ohne jedoch durch den Wendepunkt selbst zu gehen. Die Tangente kann im letzteren Fall durch einen Punkt gehen, der in der Nähe des Wendepunkts ist und kann ferner an den Abschnitt derart angepasst sein, dass das Integral der Abstände zwischen Tangente und Abschnitt für die Punkte des Abschnitts minimal ist.
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Erfindungsgemäß wird daher die Einhüllende des Empfangs-Ultraschallpulses zeitlich abgeleitet, um das Maximum der Ableitung zu erfassen. Alternativ kann die Einhüllende doppelt (d/dt2) nach der Zeit abgeleitet werden, wobei dies mit der Erfassung eines Vorzeichenwechsels dieser doppelten Ableitung verknüpft ist, wobei ein derartiger Vorzeichenwechsel einen Wendepunkt in der Einhüllenden wiedergibt.
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Darüber hinaus wird vorzugsweise die Steigung der Einhüllenden erfasst, insbesondere zum Referenzzeitpunkt, bzw. zum Wendepunkt oder in dessen Nähe, das heißt zum Zeitpunkt des Auftretens des Vorzeichenwechsels der doppelten Ableitung der Einhüllenden bzw. des Maximums der Steigung.
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Diese beiden Vorgehensweisen werden vorzugsweise kombiniert, das heißt durch Erfassen des Zeitpunkts eines Wendepunkts und der Steigung der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses an der Stelle des Wendepunkts. Dieser Wendepunkt entspricht dem Maximum der Steigung der Einhüllenden oder dem Vorzeichenwechsel bzw. Nulldurchgang der doppelten zeitlichen Ableitung der Einhüllenden des Ultraschallpulses. Der Wendepunkt wird als Stützpunkt für die Extrapolation verwendet. Zur Extrapolation wird die Steigung der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses erfasst, vorzugsweise für den Punkt der Einhüllenden, der als Stützpunkt für die Extrapolation dient. Wie bereits bemerkt, entspricht dieser Stützpunkt vorzugsweise dem Wendepunkt der ersten aufsteigenden Flanke der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses bzw. dem Punkt der maximalen Steigung der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses.
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Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform wird die Extrapolation vorgesehen mittels einer linearen Extrapolation. Diese lineare Extrapolation fußt auf einer Geradengleichung mit den Parametern Steigung und einer Konstanten, die den y-Achsenabschnitt wiedergibt, wobei die Steigung der Geraden der ermittelten Steigung entspricht, und die Gerade derart durch die variable Konstante der Geradengleichung verschoben wird, dass sie durch den Stützpunkt verläuft: Diese Extrapolation entspricht somit einer Tangente an der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses an der Stelle der Einhüllenden, an der diese einen Wendepunkt aufweist, oder an einem Abschnitt der Einhüllenden, in der der Wendepunkt auftritt. Dieser Wendepunkt ist vorzugsweise der erste Wendepunkt der Einhüllenden und liegt somit auf der ersten ansteigenden Flanke der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses. Somit wird die Extrapolation mit einer Steigung vorgesehen, wie sie an der ersten ansteigenden Flanke der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses vorgesehen ist und entspricht insbesondere der Steigung an einem Wendepunkt der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses. Mit anderen Worten entspricht die Steigung, die bei der Extrapolation verwendet wird, der maximalen Steigung der Einhüllenden, vorzugsweise an der ersten ansteigenden Flanke der Einhüllenden.
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Die Extrapolation verwendet als Stützpunkt den Punkt, an dem die Steigung vorgesehen wird, insbesondere den Wendepunkt, der vorzugsweise an der ersten ansteigenden Flanke der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses vorgesehen ist. Die so vorgesehene Extrapolationsgerade, d. h. Tangente, verläuft somit durch den Wendepunkt, wobei der Referenzzeitpunkt des Empfangs-Ultraschallpulses vorgesehen wird durch Extrapolieren vom Stützpunkt aus entlang der Geraden, bis diese die Zeitachse schneidet (Amplitude der Einhüllenden gleich Null). Da vorzugsweise die erste ansteigende Flanke verwendet wird, wird somit durch die Extrapolation eine gute Näherung des tatsächlichen Beginns des Ultraschallpulses darstellt. Zumindest steht der so ermittelte Referenzzeitpunkt in einem zeitlich weitgehend konstanten Abstand zum tatsächlichen Beginn des Ultraschallpulses oder bildet eine geeignete Abschätzung. Es ist zu erkennen, dass diese Extrapolation sehr einfach anhand von zwei Parametern (Steigung/Stützpunkt) vorgesehen werden kann, wobei der Referenzzeitpunkt der Einhüllenden durch eine einfache lineare Gleichung berechnet werden kann. Zudem wird lediglich die Einhüllende zur Berechnung herangezogen und nicht der Verlauf der Momentanamplitude, wodurch sich Rechenaufwand, Präzision und minimal notwendige Abtastgeschwindigkeit deutlich verringern und trotz hoher Präzision mit geringem Kostenaufwand realisiert werden können. Insbesondere besteht die Flexibilität, aus dem erfassten Wandlersignal durch eine analoge Schaltung oder durch digitale Berechnung anhand eines Mikrocomputers die Einhüllende zu berechnen, das heißt die Trägerfrequenz herauszufiltern, um im Wesentlichen nur die Frequenzanteile der Einhüllenden beizubehalten.
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Die Einhüllende des Empfangs-Ultraschallpulses wird erfasst durch Vorsehen der Momentanamplitude des Empfangs-Ultraschallpulses und durch Dämpfen oder Blockieren des Trägerfrequenzanteils dieses Ultraschallpulses bzw. eines aus dem Ultraschallpuls durch weitere Verarbeitungsschritte erzeugten Signals. Es verbleiben somit Frequenzanteile geringerer Frequenz, insbesondere die Frequenzanteile, welche die Einhüllende definieren. Die Filterung kann durch Blockieren der Trägerfrequenz vorgesehen werden, insbesondere durch Tiefpassfiltern, wobei das Tiefpassfiltern mittels eines beliebigen Tiefpasses, mittels eines Integrators oder mittels eines Dezimierungsfilters durchgeführt wird.
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Der akustische Empfangs-Ultraschallpuls wird durch den Wandler in ein elektrisches Signal umgewandelt, das zum Vorsehen der Einhüllenden weiter verarbeitet wird. Derartige Verarbeitungsschritte umfassen: Tiefpassfiltern, Blockieren der Trägerfrequenz, Gleichrichten, Modulation mit Referenzsignalen, Integrieren, bsp. über eine Zeitfenster, Ausbilden von Maximalwerten (oder auch Minimalwerten) des Momentanverlaufs des Signals, beispielsweise mittels eines Peak-Detektors, der ein Halteglied aufweisen kann, um den aktuellen Maximalwert (d. h. der vergangenen Trägersignalperiode) abzugeben, bis ein weiterer Maximalwert (einer folgenden Trägersignalperiode) erfasst wurde, oder ähnliches. Ferner kann die Signalverarbeitung vorzugsweise an einem abgetasteten Signal ausgeführt, das wertdiskret bzw. digitalisiert sein kann, so dass die Verarbeitungsschritte auch Abtasten und Analog/Digital-Wandeln umfassen kann. Ferner können die Verarbeitungsschritte umfassen: Puffern des Signals und/oder Ausschneiden und Verwerfen von Zeitabschnitten, während denen kein Empfangssignal zu erwarten ist, beispielsweise Zeitabschnitte, die an vorbestimmten Zeitpunkten gegenüber dem Referenzzeitpunkt des Sende-Ultraschallpulses beginnen und enden, oder Zeitabschnitt, während denen die Momentanleistung des Signals des Empfangs-Ultraschallpulses einen vorbestimmten Mindestschwellwert nicht überschreitet.
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Als Einhüllende werden insbesondere einzelne Pulse betrachtet, die nicht länger als eine anzunehmende Gesamtlaufzeit (das heißt Hin- und Rückweg des Ultraschallsignals oder Durchqueren der Übertragungsstrecke zwischen mindestens zwei Wandlern) sind, und sich nach einer weiteren Echoberuhigungszeit wiederholen. Insbesondere ist die Einhüllende beendet, wenn der Anfang der Einhüllenden bereits am Empfänger (das heißt am Wandler) eintrifft, vorzugsweise inklusive einer zusätzlichen Schutzdauer, während der eine Sensorvorrichtung von Senden auf Empfangen umschaltet. Eine mögliche Periodizität der Einhüllenden betrifft nur eine Wiederholung der Signalform innerhalb ein und derselben Einhüllenden; insbesondere bezeichnet dies nicht die wiederholte Aussendung von Einhüllenden zur wiederholten Abtastung der Umgebung. Die Einhüllende ist somit ein und derselben Abtastperiode zugeordnet und umgreift insbesondere nicht mehr als eine einzelne Abtastperiode bzw. deren Sendeabschnitt zu Beginn der Abtastperiode. Die Länge der Einhüllenden ist daher definiert durch den anzunehmenden maximalen Hin- und Rückweg innerhalb des Sensors, wobei die Länge des Hin- und Rückwegs durch bauliche Gegebenheiten des Sensors gegeben ist, beispielsweise der Abstand zwischen Wandler und gegenüberliegendem Reflektor bzw. gegenüberliegender Wand oder die Länge der Einhüllenden ist definiert durch den Abstand zwischen den Wandlern, beispielsweise wenn diese gegenüberliegend zueinander angeordnet sind, um den abzutastenden Raumbereich zwischen sich anzuordnen.
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Der Sende-Ultraschallpuls wird als Empfangs-Ultraschallpuls empfangen, wobei dieser dem Sende-Ultraschallpuls entspricht, der im Raumbereich reflektiert oder durch diesen hindurch gestrahlt bzw. übertragen wurde. Innerhalb des Raumbereichs befindet sich eine Strömung, deren Eigenschaften durch die Laufzeitmessung erfasst werden. Insbesondere die später erhaltene Zeitdifferenz (d. h. Differenz beider Referenzzeitpunkte) hängt unmittelbar von der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Raumbereichs ab, so dass sich aus der Zeitdifferenz (das heißt aus der gemessenen Laufzeit) auf die Strömungsgeschwindigkeit schließen lässt. Die Zeitdifferenz zwischen dem Sende-Ultraschallpuls und dem Empfangs-Ultraschallpuls wird als Laufzeit erfasst; die Laufzeit wiederum ist die physikalische Messgröße, aus der sich die physikalischen Eigenschaften der Strömung ableiten lassen.
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Die Zeitdifferenz wird vorgesehen durch Vergleichen der Einhüllenden des Sende-Ultraschallpulses mit einer Einhüllenden, die von dem Empfangs-Ultraschallpuls vorgesehen wird. Hierbei wird vorzugsweise nicht die Einhüllende des Sende-Ultraschallpulses unmittelbar zum Vergleich herangezogen, sondern eine Zeitmarke, die den Beginn oder allgemein die zeitliche Orientierung des Sende-Ultraschallpulses. Der Vergleich bezieht sich auf die Zeitdifferenz zwischen beiden Ultraschallpulsen und kann wie oben beschrieben ermittelt werden durch Betrachtung von Verlaufsmerkmalen der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses, insbesondere der Steigung der Einhüllenden. Als Ultraschallpuls wird hierbei vorzugsweise die Entsprechung des Pulses in elektrischer Signaldarstellung betrachtet. Alternativ kann der Puls auch in seiner akustischen Entsprechung dargestellt sein. Zwischen akustischer und elektrischer Entsprechung bzw. Darstellung liegen gegebenenfalls Signalverformungen und Verzerrungen durch das Ansprechverhalten des Wandlers, die durch das Übertragungsverhalten des Wandlers (aufgrund der Masse, Rückstellkraft, Resonanzverhalten, Dämpfung...) definiert sind.
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Die Betrachtung der Steigung umfasst vorzugsweise das Ermitteln des Wendepunkts an der ersten steigenden Flanke (oder auch an anderen Flanken) der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses. Die Zeitdifferenz kann so beispielsweise mittels eines Zählers oder jeder anderen geeigneten Auswertelogik erfasst werden, vorzugsweise in digitaler Weise in einem Mikroprozessor. In gleicher Weise wird das Vergleichen vorgesehen durch Vergleichen digitaler Signale, vorzugsweise mittels eines Mikroprozessors, wobei die entsprechenden Verfahrensmerkmale realisiert sein können durch Software, durch festverdrahtete Schaltungen, programmierbare Berechnungsschaltungen oder durch eine Kombination hiervon.
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Die Form der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses ist im Wesentlichen definiert durch die Antwort des Wandlers auf ein Rechteck-Ansteuersignal. Jedoch hängt die Wellenform insbesondere von der Dämpfung und Masse des Wandlers sowie von dessen akustischer (Impedanz-) Anpassung an das Messmedium bzw. der Bandbreite des Wandlers ab, woraus sich typischerweise die beispielhaft dargestellte Impulsantwort ergibt. Bei idealisierten Wandlern (wie auch bei realen Piezowandlern) mit ausreichend hoher Bandbreite kann der als Schallwelle abgesandte Puls geformt werden durch eine entsprechende Pulsformung des ansteuernden Signals. Damit lassen sich, abhängig von dem Wandlertyp, ein breiter Bereich verschiedener Formen der Einhüllenden vorsehen, insbesondere wenn keine besonders steile Flanke zu Beginn des Ultraschallpulses gefordert ist. Daher betrifft eine weitere Ausführungsform grundlegende, zum Teil idealisierte Formen der Einhüllenden, welche Formmerkmale aufweist, die zur Ausführung der Erfindung wesentlich sind.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Einhüllende oder auch nur einen Abschnitt der Einhüllenden derart vorzusehen, dass die zugehörige Autokorrelationsfunktion mindestens ein Maximum aufweist. Im Falle von mehreren Maxima unterscheidet sich vorzugsweise das größte Maxima deutlich von den anderen Maxima, insbesondere unterscheiden sich die beiden größten Maxima um einen Mindestbetrag, um Mehrdeutigkeiten bei der Grob-Zeitdifferenz zu vermeiden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die mit dieser kombinierbar ist, ist der gesamte Verlauf der Einhüllenden, vorzugsweise jedoch nur ein Abschnitt der Einhüllenden eine streng monoton verlaufende Funktion der Zeit. Mit anderen Worten ist die Einhüllende zumindest abschnittsweise nicht konstant, wobei als streng monoton verlaufende Funktion der Zeit Funktionen bezeichnet werden, die für zwei Zeitpunkte, selbst wenn diese unmittelbar aufeinander folgen, nicht den gleichen Wert aufweisen. Alternativ zu streng monoton verlaufenden Funktionen kann auch eine Rechteck-Funktion vorgesehen sein, die zwar eine weniger signifikante Autokorrelationsfunktion aufweist, jedoch anhand der Flanken präzise Information über die Grob-Zeitdifferenz ermöglicht. Insbesondere erlaubt eine einfache Funktion wie die Rechteck-Funktion eine einfache Umsetzung der Auswerteschaltung, da sich diese lediglich an einer Flanke orientieren muss. Gemäß einer Betrachtungsweise werden die Stellen, an denen die Rechteck-Funktion (oder eine andere Funktion) eine Flanke aufweist als Abschnitt bezeichnet, der gemäß einer streng monoton verlaufenden Funktion verläuft (das heißt eine streng monoton steigende Funktion oder streng monoton fallende Funktion, je nach Flankenverlauf), wobei dazwischen ein Abschnitt vorgesehen ist, der nicht streng monoton verläuft, sondern konstant ist. Es genügt daher für die Einhüllende, nur einen Abschnitt aufzuweisen, bei dem eine nicht konstante Funktion den Verlauf definiert, das heißt eine streng monoton verlaufende Funktion, wobei andere Bereiche durchaus als nicht streng monoton verlaufende Funktion vorgesehen sein können (beispielsweise eine konstante Funktion), da der Abschnitt, welcher die streng monoton verlaufende Funktion umfasst, ein Merkmal zu späteren Erfassung wiedergibt. Bei realen Systemen ist jedoch die Anregungscharakteristik des Wandler zu berücksichtigen, der das Anregungssignal gemäß Wandlereigenschaften umsetzt, im allgemeinen nicht proportional zur Momentanamplitude des Anregungssignals.
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Gemäß einer praxisorientierten Umsetzung kann die Einhüllende dem Schallsignal entsprechen, das sich beim Ansteuern eines Ultraschallwandlers mit einem Rechteckimpuls ergibt, wobei die Impulsantwort des Wandlers eine deutliche Einschwingphase bei der ansteigenden Flanke des Ansteuersignals aufweist, während der die Signalstärke kontinuierlich, jedoch nicht sprunghaft mit der Flankensteilheit des Ansteuersignals, ansteigt. Eine einzelne Einhüllende kann auch vorgesehen werden, durch die Antwort eines Wandlers auf eine Ansteuerimpulsfolge, wobei die Ansteuerimpulsfolge den Wandler derart in Schwingung setzt, dass sich eine durchgehende Einhüllende ergibt. Beispielsweise können durch weitere kurze Ansteuerimpulse, nachdem der Wandler bereits in Schwingung ist, die Einhüllende mit weiteren relativen Maxima versehen werden. Darüber hinaus kann eine Einhüllende vorgesehen werden durch eine Folge von kurz aufeinander folgenden Ansteuerimpulsen, deren zeitlicher Abstand geringer als eine Ausschwingphase ist, wobei zudem die Einhüllende weitere Merkmale erhält durch an den Wandler angekoppelte oder darin integrierte Komponenten, die gegebenenfalls selbst schwingen, wodurch sich beispielsweise Schwebungszustände ergeben können, oder durch Dämpfungsmechanismen, die auf den Wandler bzw. auf das damit gekoppelte System wirken.
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Die Einhüllende des Signals, das sich durch Abtastung und darauffolgende Verarbeitung des Sende- und Empfangs-Ultraschallpulses ergibt, wird durch ein zeitdiskretes Signal mit einer geringen Datenrate wiedergegeben. Beispielsweise liegt die Datenrate, die beim Vergleichen der Einhüllenden (des Sende- und des Empfangs-Ultraschallpulses) verwendet wird, in der Größenordnung der Trägerfrequenz, beispielsweise im Bereich von 1/3- bis zum 10-fachen der Trägerfrequenz, wobei Datenrate und Trägerfrequenz nicht zwingend in einem ganzzahligen oder rationalen Verhältnis zueinander stehen müssen. Eine Interpolation oder Dezimierung erzeugt aus mehreren abgetasteten Signalpunkten einen Signalwert, wobei sich aufgrund der geringeren Informationsmenge der Verarbeitungsaufwand reduziert.
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Ferner kann das abgetastete und gegebenenfalls durch weitere Signalverarbeitungsstufen modifizierte Signal durch einen Dezimierfilter gefiltert werden. Der Dezimierfilter sieht vor, ein Signal, das mit einer höheren Abtastrate abgetastet wurde, zu vereinfachen, indem mehrere aufeinanderfolgende Abtastpunkte zusammengeführt werden, beispielsweise durch Mittelwertbildung innerhalb der so gruppierten abgetasteten Punkte, wodurch sich eine geringere Abtastrate ergibt und die einzelnen Werte auf einer Mittelwertbildung eines höher abgetasteten Signals basieren. Durch die Mittelwertbildung werden hohe Frequenzanteile blockiert, so dass ein Dezimierfilter auf das höher abgetastete Signal im Sinne eines Tiefpasses wirkt. Die Mittelwertbildung, bei der einzelne aufeinanderfolgende Werte des höher abgetasteten Signals zusammengeführt werden, kann als Fensterintegrator aufgefasst werden, wobei dieser jedoch nicht gleitet, sondern von Gruppe zu Gruppe springt, um jeweils eine Gruppe zu integrierten (und gegebenenfalls auch zu normieren), um dadurch einen Mittelwert auszubilden. Vorzugsweise wird ein digitaler oder analoger Tiefpass verwendet, der die Trägerfrequenz unterdrückt und Frequenzanteile der Einhüllenden halbieren lässt.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Merkmal (bsp. der erste Wendepunkt der Einhüllenden), anhand dessen der Referenzzeitpunkt des Empfangs-Ultraschallpulses vorgesehen wird, mindestens um eine vorgegebene Mindestzeitdauer nach dem Beginn des Sende-Ultraschallpulses bzw. des Empfangs-Ultraschallpulses liegt. Somit liegt der Ausgangspunkt, von dem ausgehend die Zeitreferenz erfasst wird, nicht am Rand der Einhüllenden, insbesondere nicht am unmittelbaren Beginn (des Anstiegs) der Einhüllenden. Die Mindestzeitdauer ist mindestens solange wie eine erste Einschwingzeit des Ultraschallwandlers, während der sich ein Schwingungszustand im Wandler etabliert und während der neben einem periodischen Signal wesentliche Störanteile oder Rauschanteile vorhanden sind. Der Ultraschallwandler wird zum Absenden, zum Empfangen oder für beides verwendet. Die Zeitreferenz wird anhand eines Zeitpunkts des Empfangs-Ultraschallpulses vorgesehen bzw. ermittelt, bei dem der Verlauf des Ultraschallpulses ein besonderes Merkmal aufweist. Das Merkmal der Einhüllenden ist ein Ausgangspunkt für den Referenzzeitpunkt und bildet einen Stützpunkt für die Extrapolation. Das besondere Merkmal ist beispielsweise der Wendepunkt, der als Stützpunkt dient, mit dessen Hilfe der Referenzzeitpunkt z. B. als Tangentenschnittpunkt mit der Zeitachse extrapoliert wird. Das Merkmal wird erfasst durch Betrachtung der Steigung der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses. Das Merkmal kann vorgesehen werden durch ein Maximum der zeitlichen Ableitung der Steigung bzw. durch einen Nulldurchgang der doppelten zeitlichen Ableitung der Steigung, wobei das Maximum bzw. der Nulldurchgang einen Wendepunkt der Einhüllenden des Empfangs-Ultraschallpulses wiedergibt. Die Erfassung der Merkmale kann vorgesehen werden durch Ableiten des Ultraschallpulses und Betrachten der zeitlichen Ableitung.
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Zur Extrapolation kann ein einzelner Stützpunkt herangezogen werden, der dem Wendepunkt der ersten ansteigenden Flanke der Einhüllenden entspricht. Alternativ können zur Extrapolation mehrere Punkte verwendet werden, die den Wendepunkt umfassen können, oder nicht, wobei die Punkte beispielsweise ausgewählt werden anhand ihrer Steigung, die über einem vorgegebenen Mindestmaß liegt. Dadurch ergibt sich eine Gruppe von Punkten mit hoher Steigung, aus denen eine Gerade oder eine andere Kurvenform extrapoliert werden kann, welche wiederum mit der Zeitachse geschnitten wird, um den Referenzpunkt vorzusehen. Ferner können Punkte mit hoher Steigung verwendet werden, um aus diesen den Stützpunkt zu extrapolieren, welcher dem Wendepunkt zugeordnet ist, um anhand dieses extrapolierten Stützpunkts wiederum den Referenzzeitpunkt zu extrapolieren.
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Weiterhin kann eine Verschiebung zwischen zwei Messrichtungen mit einer Nachführung kompensiert werden. Als Messrichtungen werden zwei unterschiedliche Orientierungen gegenüber einer zu messenden Strömung bezeichnet, wobei sich die Messrichtungen insbesondere vom Betrag gegenüber der Strömung unterscheiden können, so dass eine erste Messrichtung in eine Richtung gegen die Strömung und eine zweite Messrichtung in eine Richtung mit der Strömung geneigt ist oder in Strömungsrichtung verläuft. Derartige Unterschiede können resultieren aus unterschiedlichen Temperatur- oder Strömungseinflüssen, wobei die Nachführung die Verschiebung aus vergangenen Messungen erfasst und für zukünftige Verschiebungen einen Kompensationsfaktor bzw. einen Korrekturwert vorsieht.
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Die oben beschriebene Reduktion mittels eines Dezimierfilters (der mehrere Abtastpunkte z. B. durch Mittelung vereint), kann durch einen Si2-Filter vorgesehen werden. Die Übertragungsfunktion des Si2-Filters ist definiert durch (sinx/x)2. Insbesondere ist eine Dezimation auf die einfache oder auf die doppelte Signalfrequenz vorteilhaft, weil dadurch bei der Demodulation auftretende Oberwellen unterdrückt werden. Als Signalfrequenz wird hierbei die Trägerfrequenz bezeichnet. Insbesondere können FIR-Filter verwendet werden, um den Empfangs-Ultraschallpuls zu filtern, bevor dieser weiterverwertet wird, insbesondere beim Vorsehen der Grob-Zeitdifferenz. Ein derartiger Einsatz von FIR-Filter kann kombiniert werden mit der Verwendung eines Dezimierungsfilters oder kann an die Stelle des Dezimierungsfilters treten.
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Das Verfahren kann die Ermittlung der Momentanamplitude umfassen, wobei die Einhüllende durch Tiefpassfilterung (bsp. durch Fensterintegration) der Momentanamplitude vorgesehen wird. Die Einhüllende entspricht dem Verlauf der Signalstärke des Empfangs-Ultraschallpulses. Ferner kann gemäß einer Ausführungsform der Empfangs-Ultraschallpuls beispielsweise mittels eines Dezimierungsfilters oder FIR-Filters gefiltert sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Laufzeitmessung für mehrere Richtungen durchgeführt, wobei sich die Richtung an der Strömungsrichtung innerhalb des erfassten Raumbereichs orientiert.
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Ferner kann erfindungsgemäß der Verlauf des Empfangs-Ultraschallpulses verwendet werden, um anhand einer Tangenten-Extrapolation einen Schnittpunkt der Tangente, die an den Punkt der Hüllkurve mit maximaler Steigung angelegt wird, mit der Zeitachse zu berechnen. Der Punkt maximaler Steigung (der als Stützpunkt für die Tangentenextrapolation dient und dessen Steigung der Tangentensteigung entspricht) kann entweder durch Verfolgung des Anstiegs der ersten Flanke der Einhüllenden erfasst werden oder kann (beispielsweise bei einem schwach ausgeprägten Steigungsmaximum) interpoliert werden anhand von Punkten, die in der Nähe des Maximums liegen, bsp. anhand von Punkten, deren Steigung nicht mehr als eine vorgegebene Maximalabweichung (bsp. 5%) von einer Maximalsteigung der Einhüllenden abweichen. Anhand eines oder mehrerer Punkte hoher, d. h. im Wesentlichen maximaler Steigung kann zunächst ein Punkt maximaler Steigung interpoliert werden und anhand dieses interpolierten Punktes und der maximalen Steigung selbst kann durch Extrapolation mittels der Tangenten der Referenzpunkts der Einhüllenden als Schnittpunkt mit der Zeitachse vorgesehen werden. Dieser Referenzpunkt wird zur Erfassung der Zeitdifferenz herangezogen, indem der zeitliche Versatz zu einem entsprechenden Referenz-Zeitpunkt des Sende-Ultraschallpulses, beispielsweise eine ansteigende Flanke eines Ansteuersignals des Senders, erfasst und mit diesen verglichen wird.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Laufzeitvorrichtung wie sie in Anspruch 10 definiert ist.
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Weitere Ausführungsformen dieser Laufzeitmessvorrichtung können ein FIR-Filter oder einen Dezimierungsfilter wie oben beschrieben umfassen, der zwischen Eingang des Empfangs-Ultraschallpulses und Vergleicher geschaltet ist. Ferner kann die Laufzeitmessvorrichtung eine Extrapoliervorrichtung umfassen, der mit dem Vergleicher verbunden ist, um mehrere von dem Vergleicher vorgesehenen Ergebnisse, die sich auf denselben Ultraschallpuls beziehen, auf einen gewünschten Zeitpunkt zu extrapolieren. Der gewünschte Zeitpunkt kann beispielsweise vorgesehen werden von dem Vergleicher, wobei dieser zur Eingabe dieses Extrapolationszielzeitpunkts bzw. Referenzzeitpunkts des Empfangs-Ultraschallpulses mit dem Extrapolierer verbunden ist. Zum Vorsehen eines Sendesignals umfasst die Laufzeitmessvorrichtung einem Signalgenerator, vorzugsweise mit einem Triggersignalausgang, der den Startzeitpunkt des vom Signalgenerator erzeugten Signals wiedergibt und dadurch der Referenzzeitpunkt des Sende-Ultraschallpulses vorsieht. Ebenso kann die Laufzeitmessvorrichtung eine Ansteuerung für einen Signalgenerator innerhalb oder außerhalb der Laufzeitvorrichtung umfassen, die den Referenzzeitpunkt des Sende-Ultraschallpulses vorsieht.
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Die Laufzeitmessvorrichtung kann vorgesehen werden durch teilweise oder vollständig programmierbare Hardware wie einen Prozessor, der gegebenenfalls festverdrahtete Logikschaltungen umfasst, sowie durch einen Speicher, der mit dem Prozessor interagiert, und der Programmcodes speichert, welcher die oben beschriebenen Funktionen vorsieht. Die Laufzeitmessvorrichtung kann ferner eine Eingabe-/Ausgabeschnittstelle umfassen, um die jeweiligen Daten oder Signale dem Prozessor von außen zuzuführen oder die vom Prozessor erzeugten Ergebnisse nach außen, beispielsweise an einen Wandler oder an eine Ausgabevorrichtung, zu übermitteln.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen beispielhaften Empfangs-Ultraschallpuls;
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2 zeigt den Verlauf des Amplitudenbetrags des in 1 dargestellten Ultraschallpulses;
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3 zeigt den Signalverlauf von 2 nach Filterung mittels eines Dezimierfilters;
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4 zeigt einen ähnlichen Verlauf wie in 3 mit einer Tangentenkonstruktion, und
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5 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Laufzeitvorrichtung.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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Die 1 zeigt einen beispielhaften Empfangs-Ultraschallpuls mit einer Einhüllenden, die vier Abschnitte mit streng monotonem Verlauf umfasst. Nach einer vor diesen Verläufen vorgesehenen Pausenzeit beginnt ein stark ansteigender Abschnitt, auf dem ein stark fallender Abschnitt folgt. Der stark ansteigende Abschnitt betrifft die Reaktion eines realen, mit Trägheit und Dämpfung beaufschlagten Wandlers auf eine ansteigende Rechteckflanke eines Ansteuersignals. Dem stark fallenden Abschnitt folgt wiederum ein leicht steigender Abschnitt, auf den ein schwach fallender Abschnitt folgt, bis wiederum eine Amplitude von Null erreicht ist. Diese sind das Resultat der Wechselwirkung des Wandlers mit daran angekoppelten weiteren Schwingungssystemen. Die beiden äußersten Teile des in 1 dargestellten Verlaufs, d. h. außerhalb der vier Abschnitte zeigen den störenden Einfluss von Rauschquellen. Die beschriebenen steigenden und fallenden Abschnitte definieren die Einhüllende, um durch Vergleich mit dem Sende-Ultraschallpuls eine Zeitdifferenz zu erfassen. Ferner ist anhand 1 zu erkennen, dass die Trägerfrequenz entlang der Zeit zumindest in grober Näherung konstant ist.
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Die 2 zeigt den in 1 dargestellten Empfangs-Ultraschallpuls anhand des Amplitudenbetrags. Dieser Amplitudenbetrag kann auch als Momentan-Signalstärke angesehen werden, wobei sich die in 1 dargestellten einzelnen Signalbereiche in 2 widerspiegeln. Zu erkennen sind an den beiden Enden der dargestellten Funktion Bereiche, in denen die Einhüllende bzw. die Signalstärke 0 ist und somit nur ein Rauschsignal dargestellt ist. Dazwischen befinden sich die vier Bereiche, zunächst ein stark ansteigender Bereich, gefolgt auf einen stark abfallenden Bereich, gefolgt von einem schwach steigenden Bereich, gefolgt von einem schwach fallenden Bereich, bis der Amplitudenbereich von im Wesentlichen 0 wieder erreicht wird.
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Beispielsweise die erste stark ansteigende Flanke kann verwendet werden, um als Merkmal zu dienen, das sowohl im Sende- als auch im Empfangs-Ultraschallpuls vorhanden ist, so dass beide Ultraschallpulse gemäß dieses Merkmals miteinander verglichen werden können, um die Zeitdifferenz zu ermitteln. Anhand dieser ansteigenden Flanke wird der Stützpunkt vorgesehen, der als Ausgangspunkt für die Extrapolation dient. Jedoch wird zunächst die Trägerfrequenz entfernt.
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Hierdurch ergibt sich die Einhüllende wie sie in 3 dargestellt ist.
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Es wird nicht die in 2 dargestellte Momentanamplitude zur Berechnung der Zeitdifferenz verwendet, sondern eine vereinfachte Signalform der Einhüllenden, wie sie in 3 zu erkennen ist. Die 3 stellt einen Verlauf eines Amplitudenbetrags dar, der im Wesentlichen der Einhüllenden entspricht, wobei der Verlauf gemäß Trägerfrequenz nicht mehr zu erkennen ist. Ein Verlauf wie in 3 dargestellt, ergibt sich aus der 2 durch zeitliche Mittelung, insbesondere durch Filterung mittels eines Dezimierfilters. Ein ähnlicher Verlauf würde sich auch ergeben durch eine Filterung mittels eines Tiefpass, der die Trägerfrequenz unterdrückt. Insbesondere ergibt sich der in 3 dargestellte Verlauf durch Filterung mittels eines Dezimierfilters, wenn dieses von einer Gruppe von Abtastpunkten nur den maximalen Wert übernimmt und die so zusammenzufassenden Abtastpunkte im Wesentlichen eine halbe Periode (oder eine gesamte Periode) oder ein Vielfaches hiervon zeitlich umgreifen. Alternativ ergibt sich der in 3 dargestellte Verlauf, wenn das in 1 dargestellte Signal mit der Trägerfrequenz demoduliert und dann mittels Tiefpass- oder Dezimierfiltern weitenverarbeitet wird. Diese Demodulation kann z. B. auch durch Multiplikation mit zwei phasenverschobenen Referenzsignalen erfolgen, wobei der in 1 dargestellte Verlauf dann z. B. durch eine atan2-Berechnung aus den beiden gefilterten Signalen berechnet wird.
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In der 4 ist ein weiterer beispielhafter Verlauf einer Einhüllenden dargestellt, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die 4 dient der Darstellung eines Verfahrensschritts, mit dem sich der Referenzzeitpunkt t0 ermitteln lässt, für den gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Zeitdifferenz erfasst wird. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Steigung der Einhüllenden erfasst, und aus der Steigung die Maximalsteigung ermittelt. Insbesondere wird aus der erfassten Steigung der Zeitpunkt 20 ermittelt, an dem die maximale Steigung auftritt. Dieser entspricht dem Wendepunkt der ersten ansteigenden Flanke der Einhüllenden. Der in 4 dargestellte Verlauf weist eine Steigung auf, die sich bis zum Erreichen der ersten Spitze (erstes relatives Maximum) wieder verringert. Der Punkt des Maximums dieser Steigung ergibt einen Zeitpunkt 20, an dem die Steigung der Einhüllenden maximal ist. An diesem Punkt 20 der Einhüllenden (d. h. Stützpunkt der Extrapolation) wird eine Tangente 10 angelegt, die die t-Achse schneidet. Die Tangente 10 wird vorgesehen durch den Zeitpunkt 20, an dem die erfasste Steigung der Einhüllenden maximal wird, wobei neben dem Zeitpunkt der maximalen Steigung auch der Wert der maximalen Steigung selbst als Tangentensteigung verwendet wird. Durch Extrapolation mittels der entstehenden Geradengleichung der Tangente ergibt sich ein Zeitpunkt t0, der den Referenzzeitpunkt für die Erfassung der Zeitdifferenz wiedergibt. Bei der Verwendung zum Vorsehen der Zeitdifferenz wird die Tangente 10 verwendet, um Sende- und Empfangs-Ultraschallimpuls miteinander zu vergleichen, um die Gesamt-Zeitdifferenz zu ermitteln vorzugsweise basierend auf t0. Aufgrund der bekannten Anregungszeit des Wandlers oder vordefinierter Verzögerungen zwischen Ansteuerungsbeginn und Abstrahlen des Signals durch den Wandler, können Verzögerungen berücksichtigt werden, so dass sich die Zeitdifferenz als Differenz zwischen Triggerzeitpunkt und t0 ergibt, wobei zu diesem Term die aus dem System bekannte Verzögerung hinzu addiert wird (oder subtrahiert wird). Ist somit der Beginn der Ansteuerung des Ultraschallwandlers durch den Sende-Ultraschallpuls bekannt, beispielsweise mittels eines Triggersignals, so muss lediglich der Punkt t0 anhand der maximalen Steigerung der ersten ansteigenden Flanke der Einhüllenden erfasst werden, um die Zeitdifferenz als Differenz zwischen extrapoliertem t0 und dem Triggerzeitpunkt zu berechnen, wobei eine vordefinierte, das System widerspiegelnde Verzögerung berücksichtigt wird, um systemimmanente Verzögerungen bei der Interpolation von t0 berücksichtigen zu können. Die Tangente 10 weist die maximale Steigung der ersten ansteigenden Flanke der Einhüllenden auf und schneidet die Einhüllende an dem Punkt, an welchem die Steigung der ersten steigenden Flanke maximal ist, da sowohl Steigung als auch ein Punkt der Tangente wie bereits beschrieben bekannt sind.
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Die 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführung der erfindungsgemäßen Laufzeitmessvorrichtung mit einem Ausgang 110 zur Abgabe eines Signals, das den Sende-Ultraschallpuls wiedergibt, sowie einen Eingang zum Empfang eines Empfangs-Ultraschallpulses. Hierzu kann der Ausgang 110 und der Eingang 120 an einen Ultraschallwandler 130 angeschlossen werden, gestrichelt dargestellt, vorzugsweise über einen Umschalter 132, der zwischen Empfangs- und Sendemodus hin- und herschaltet, so dass der gleiche Wandler 130 sowohl als Empfänger als auch als Sender verwendet werden kann. Ebenso kann ein (in 5 nicht eingezeichneter) zweiter Umschalter und ein zweiter Ultraschallwandler verwendet werden, so dass entweder der erste Ultraschallwandler als Sender und der zweite als Empfänger verwendet wird oder umgekehrt, wobei die entsprechende Sende-Empfangs-Richtung umschaltbar ist. Wie bereits beschrieben, sind sowohl Umschalter 132 als auch Ultraschallwandler 130 nicht notwendigerweise Teil der erfindungsgemäßen Laufzeitmessvorrichtung. Vielmehr sind Ausgang und Eingang vorzugsweise eingerichtet, um an den Ultraschallwandler 130 über den Umschalter 132 angeschlossen zu werden.
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Die Laufzeitmessvorrichtung umfasst ferner eine Signalquelle 140 zum Erzeugen eines Signals, das über den Ausgang 110 an einen daran anschließbaren Ultraschallwandler 130 abgegeben werden kann.
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Die Laufzeitmessvorrichtung umfasst ferner eine Zeiterfassungsvorrichtung 150, die in der in 5 dargestellten Ausführungsform mit dem Signalgenerator 140 verbunden ist, um von diesem zumindest ein Triggersignal oder eine andere Zeitinformation zu erhalten, das den Beginn des Sende-Ultraschallpulses wiedergibt. Der Eingang 120 ist ebenso mit der Zeiterfassungsvorrichtung 150 verbunden, so dass eine Zeitdifferenz zwischen Empfangs-Ultraschallpuls und Sende-Ultraschallpuls erfasst werden kann. Hierzu umfasst die Zeiterfassungsvorrichtung 150 einen Vergleicher 160, der eine Zeitdifferenz anhand der Einhüllenden wie oben beschrieben erfasst. Um beispielsweise die anhand von 4 dargestellten Schritte ausführen zu können, umfasst der Vergleicher 160 einen Differentiator 170, eine Vorrichtung 172 zur Erfassung der maximalen Steigung sowie eine Extrapoliereinrichtung 174, mit der der Zeitpunkt t0 für den Empfangs-Ultraschallpuls wie oben beschrieben vorgesehen werden kann. Die Extrapoliereinrichtung 174 ist zur Erfassung des Punktes der Steigung mit dem Differentiator 170 verbunden und zur Erfassung der max. Steigung mit Vorrichtung 172. Dieser Zeitpunkt t0 kann dann verglichen werden mit der von Signalgenerator 140 gelieferten Zeitinformation, wobei der Vergleicher 160 ferner beispielsweise einen Speicher oder eine andere Vorrichtung umfasst (nicht dargestellt), die eine systemimmanente Verzögerung vorsieht, die bei der Ermittlung der Zeitdifferenz berücksichtigt werden kann.
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Falls mehrere Laufzeitmessvorrichtungen verwendet werden bzw. mehrere Gesamt-Zeitdifferenzen verwendet werden, so betreffen diese vorzugsweise denselben Raum, in den Ultraschallpulse abgegeben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0750180 A1 [0003]
- DE 10106308 C1 [0004, 0004, 0008]