DE102017005208A1 - Method for transit time measurement of an ultrasonic signal in a fluid - Google Patents
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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.
The present invention relates to a method for ultrasonic transit time measurement in a fluid, in which
a fluid flowing through a measuring path is acted on by a first transmission signal generated by an ultrasonic transducer with a first frequency f 1 and a second transmission signal generated by the ultrasonic transducer with a second frequency f 2 ,
receive the first and second transmit signals from an ultrasound transducer and generate first and second receive signals each having a plurality of waves,
the transit time difference is determined from the received signals,
a phase difference (PD) between the first received signal having the first frequency f 1 and the second received signal having the second frequency f 2 is measured, and
from the measured phase difference (PD), the position of a measuring point in the region of the waves (wave train) of the received signal is derived.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Laufzeitmessung eines Ultraschallsignals in einem Fluid oder Medium gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to methods for measuring the transit time of an ultrasonic signal in a fluid or medium according to the preamble of
Technologischer HintergrundTechnological background
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.Ultrasonic flowmeters are based on the measurement of the propagation time of sound waves, which is measured either as an absolute transit time or as a difference from a reference transit time or as an absolute transit time and as a difference from a reference transit time. For absolute transit time measurement, so-called level and envelope methods are usually used. However, reliable measurements are associated with a considerable complexity of implementation. The implementation is mostly implemented using so-called ASICs (Application Specific Integrated Circuits).
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.In transit time difference method, the transit time difference of the sound waves is measured with and against the media movement. Due to the periodic repetition of the phase positions, however, only transit time differences can be measured which are smaller than the period of the signal frequency used. This can lead to problems at high medium flows. In addition, no absolute transit time measurements are possible. The transit time can be determined in this method by determining the transit time difference with respect to a reference time having a known transit time.
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.In addition, the transit times of ultrasonic signals in a fluid and derived therefrom runtime differences are also dependent on the temperature of the fluid. This results in the need either to detect the fluid temperature by means of a temperature sensor or to detect a variable correlated to the fluid temperature, such as the absolute signal delay for calculating the fluid temperature, and to include the fluid temperature in determining the flow rate.
Nächstliegender Stand der TechnikNearest prior art
Aus der
In der
Aus der
Die
Aufgabe der vorliegenden ErfindungObject of the present invention
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.The object of the present invention is to provide a novel method of the generic type which, with the possibility of a simple implementation, enables an exact determination of the transit time of an ultrasonic signal even at high flow rates.
Lösung der Aufgabe Solution of the task
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beansprucht.The object of the present invention is achieved by the subject matter of
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.According to the invention, the position of a measuring point for the received signal of the first frequency and the position of a measuring point for the received signal of the second frequency relative to one another can be related to one another from the measured phase difference. Transmission signals of different frequencies propagate at the same speed in the medium to be measured. When these signals are received, a phase offset, which increases almost linearly from wave train to wave train of the received signal, can be detected directly between the received signals of different measuring frequency. From this phase difference, the exact position of a measuring point or measuring window in the received wave train can be derived exactly down to a few nanoseconds. In turn, the absolute signal propagation time of the measurement signals in the medium can be determined without additional measurement of the temperature of the medium. Temperature sensors for measuring the absolute transit time are therefore not necessary. Advantageously, the invention makes it possible to determine the transit time difference over several wave trains. From this, the flow can be clearly determined. As a result, the invention enables an effective measuring range extension, in particular towards high flow rates. The measuring window can be set or enlarged accordingly.
Zur Erzeugung verschiedener Ultraschallfrequenzen als Messfrequenzen wird lediglich eine einfache Schaltungstechnik benötigt, die keinen Einfluss auf den Grundaufbau des Messsystems hat.To generate different ultrasonic frequencies as measurement frequencies only a simple circuit technology is needed, which has no influence on the basic structure of the measuring system.
Die Ultraschallmessungen mit unterschiedlichen Frequenzen werden vorzugsweise abwechselnd durchgeführt.The ultrasound measurements with different frequencies are preferably carried out alternately.
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.Conveniently, the first ultrasonic frequency represents a main frequency, the second ultrasonic frequency is an additional frequency. The measurement with the second frequency can take place either only for one measuring direction or optionally also for both measuring directions.
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.Preferably, the first and second transmission signals are bursts of signals, each having a plurality of waves. In this case, the method according to the invention is particularly advantageous, since previous methods with the emission of short bursts always depended on carrying out each transit time measurement on exactly the same receiving wave.
Vorzugsweise können auch mehr als zwei Messfrequenzen, so z. B. drei Messfrequenzen, eingesetzt werden.Preferably, more than two measurement frequencies, such. B. three measurement frequencies are used.
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.Characterized in that a common reference clock is predetermined for the first and second transmission signals and the determination of the position of a measuring point or measuring window in the ultrasonic transit time measurement always takes place with reference to the common reference clock, the measuring times can always be compared with the reference clock or the reference clock for the Comparison of the measuring points or the measuring window are used.
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.Preferably, a window signal having a duration of preferably more than one period of the waves of the received signal is generated, the temporal position of the window signal is determined by a (empirical) receiving position based on previous measurements and within the window signal the time of a zero crossing of a particular wave of the first or second ultrasonic received signal evaluated.
Zweckmäßigerweise kann an der Position des Messpunkts innerhalb des Messfensters ein Messpuls festgelegt werden, der vorzugsweise vom Nulldurchgang bis zum Ende des Messfensters reicht.Conveniently, at the position of the measuring point within the measuring window, a measuring pulse can be determined, which preferably extends from the zero crossing to the end of the measuring window.
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. According to the invention, it is further provided that the deviation of the first ultrasonic frequency f 1 and second ultrasonic frequency f 2 should be set so low in each case to the resonance frequency of the ultrasonic transducer that no phase jump occurs along the signal periods of the signal packet. As a result signal periods with a high signal level can be selected as the operating point for the transit time measurement. This results in a high signal transmission efficiency very close to the main resonance frequency of the ultrasonic transducer. As a result, in addition to the determination of the absolute signal propagation times, transit time differences can also be determined very precisely.
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.If the method is operated with a center frequency to the first and second ultrasonic frequency, which is close to the resonance frequency, this ensures the additional advantage that this results in a larger frequency difference and thus an even better evaluable, larger phase difference.
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.It is advantageous if the first and second ultrasonic frequencies are approximately symmetrical to the main resonance frequency or center frequency of the ultrasonic transducer. The main resonance frequency is the frequency with the highest transmittable 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. When using a center frequency, the latter can be used to determine the transit time difference, wherein the two additional frequencies above and below the center frequency are preferably used only for determining the phase difference of the two frequencies for measuring position determination.
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.From the absolute runtime, it is further preferable to derive a test value for a plausibility check and / or a fault check and / or the mixing ratio of a two- or multi-phase mixture and / or at least one fluid-specific physical quantity.
Figurenlistelist of figures
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;
-
1 a simplified basic circuit construction for carrying out the method according to the invention; -
2 an exemplary relationship between transmission waves, receive waves, reference clock and measuring pulse for a frequency in the context of carrying out the method according to the invention; -
3 greatly simplified waveforms (transmitting and receiving waves) of ultrasonic signals of two different frequencies and a PD / measurement position diagram in carrying out the measuring method according to the invention;
Die in
Der eigentliche Start einer Ultraschallmessung erfolgt über das Startsignal
Über den Sendeverstärker
Im gezeigten Beispiel soll über einen Ultraschallwandler
Während der Übertragung des Schallsignals
Von dem Multiplexer
Mit einem Nulldurchgangsdetektor
Innerhalb dieses Messfensters wird ein Nulldurchgang des Empfangssignals
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.The signal transit time results from the number of reference clocks to the end of the measurement window multiplied by the time length of a reference clock period, minus the time pulse duration minus the number of receive waves up to the measurement window position, multiplied by the time length of a receive wave period.
Die analoge Messpulslänge wird von einem Zeit-Digitalwandler
Der oben beschriebene Zusammenhang zwischen Sendewellen, Empfangswellen, Referenztakt
In
Im rechten Bereich der
Das Messverfahren wird bei dem Beispiel von
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.Due to the measurement point assignment on the basis of the phase frequency measurement at at least two different frequencies, the runtime can be unambiguously determined even over several signal periods (wave trains), which effectively leads to a measurement range extension to high fluid flow rates.
Darüber hinaus kann eine bestimmte Festlegung der Frequenzen
Die verwendeten Frequenzen
Die Festlegung der beiden Ultraschallfrequenzen
Besitzt der Ultraschallwandler eine Hauptresonanzfrequenz von z. B. 1010 MHz, so kann z. B. die erste Ultraschallfrequenz
Wie aus
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.In a measurement of the type described above in the forward and backward direction and a corresponding averaging, the absolute sound propagation time can be determined therefrom without the influence of a medium velocity. For a known length of the measuring section results for a known medium from the absolute sound propagation time directly the medium temperature.
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
Aus der elektronisch ermittelten Differenz der Signallaufzeiten mit/gegen den Fluidstrom, also der Laufzeitdifferenz, kann die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids in der Steuerungs- und Recheneinheit
Vorteilhaft können für ein Entrauschen der Messgröße Phasenversatz Mehrfachmessungen mit den Frequenzen
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.Likewise, a common measurement window can be used for a forward and backward measurement. Alternatively, two separate measurement windows can be used for the forward and backward measurement. The latter is at widely spaced phase values of z. B. more than one μs appropriate. Alternatively, two measurement windows for the transit time difference and the phase difference measurement can be provided.
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.Likewise, from the absolute duration of the first or second ultrasonic signal z. B. a test value for a plausibility check and / or a fault check and / or the mixing ratio of a two- or multi-phase mixture and / or at least one fluid-specific physical quantity are derived.
Alternativ kann das Verfahren auch mit einer Mittenfrequenz nahe der Resonanzfrequenz f0 zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz betrieben werden, wobei zwei zusätzliche Frequenzen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Steuerungs- und RecheneinheitControl and computing unit
- 22
- Taktgeneratorclock generator
- 33
- TaktmustergeneratorClock pattern generator
- 44
- Sendeverstärkertransmission amplifier
- 55
- Multiplexermultiplexer
- 66
- Eingangsverstärkerinput amplifier
- 77
- NulldurchgangsdetektorZero crossing detector
- 88th
- Ultraschallwandlerultrasound transducer
- 99
- Ultraschallwandlerultrasound transducer
- 1010
- MesspulsgeneratorMeasuring pulse generator
- 1111
- Zeit-DigitalwandlerTime-to-digital converter
- 1212
- Mediummedium
- 1313
-
Schallsignal (Burst) Messrichtung 1Sound signal (burst) Measuring
direction 1 - 1414
-
Schallsignal (Burst) Messrichtung 2
Sound signal (burst) Measuring
direction 2 - ESIT
- Empfangssignalreceive signal
- DESOF
- digitales Empfangssignaldigital received signal
- FSFS
- Fenstersignalwindow signal
- MFMF
- Messfenstermeasurement window
- MPMP
- Messpulsmeasuring pulse
- PDPD
- Phasendifferenzphase difference
- RSRS
- Richtungssignaldirection signal
- RTRT
- Referenztaktreference clock
- ASAS
- Einstellsignaladjustment
- SSSS
- Startsignalstart signal
- SESSES
- Sendesignalsend signal
- REFREF
- Referenzpunktreference point
- f1 f 1
- Frequenzfrequency
- f2 f 2
- Frequenzfrequency
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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