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DE102017005208A1 - Method for transit time measurement of an ultrasonic signal in a fluid - Google Patents

Method for transit time measurement of an ultrasonic signal in a fluid Download PDF

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DE102017005208A1
DE102017005208A1 DE102017005208.5A DE102017005208A DE102017005208A1 DE 102017005208 A1 DE102017005208 A1 DE 102017005208A1 DE 102017005208 A DE102017005208 A DE 102017005208A DE 102017005208 A1 DE102017005208 A1 DE 102017005208A1
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DE
Germany
Prior art keywords
frequency
ultrasonic
signal
measuring
transit time
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102017005208.5A
Other languages
German (de)
Inventor
Frank Theis
Roland Christ
Ulrich Gaugler
Hans-Michael Sonnenberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Diehl Metering GmbH
Original Assignee
Diehl Metering GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Diehl Metering GmbH filed Critical Diehl Metering GmbH
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Priority to EP17800387.7A priority patent/EP3545269A1/en
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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.

Figure DE102017005208A1_0000
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.
Figure DE102017005208A1_0000

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 claim 1.

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 DE 198 41 154 A1 ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Zur Messung der Schalllaufzeit in Medien mit einer starken bzw. stark schwankenden Schalldämpfung wird vorgeschlagen, von einem Schallsensor zwei Schallsignale unterschiedlicher Frequenz abzustrahlen und wieder zu empfangen, wobei für jedes Empfangssignal die Phasenverschiebung in Bezug auf ein jeweils zugehöriges Referenzsignal gemessen und aus den gemessenen Phasenverschiebungen die Laufzeit errechnet wird. Die Frequenz des einen Schallsignals entspricht der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers, diejenige des anderen Schallsignals liegt ca. 10% höher.From the DE 198 41 154 A1 a method according to the preamble of claim 1 is known. For measuring the sound propagation time in media with a strong or strongly fluctuating sound attenuation is proposed to radiate sound from a sound sensor two different frequencies and received again, wherein for each received signal, the phase shift with respect to a respectively associated reference signal measured and from the measured phase shifts Running time is calculated. The frequency of the one sound signal corresponds to the resonance frequency of the ultrasonic transducer, that of the other sound signal is about 10% higher.

In der US 4 527 432 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ultraschall-Durchflussmessung von Treibstoff zur Optimierung der Treibstoffzufuhr in einem Fahrzeug mit einem erweiterten Messbereich beschrieben, bei dem jeweils die Phasendifferenz zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal einer ersten niedrigeren Frequenz sowie die Phasendifferenz zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal einer zweiten hohen Frequenz jeweils sowohl in als auch gegen die Fließrichtung des Fluids gemessen werden. Anschließend wird die Phasendifferenz der niedrigeren Frequenz von der Phasendifferenz der höheren Frequenz subtrahiert und daraus der Unterschied in der Anzahl der Wellenzüge in jeder Richtung ermittelt. Dieser Unterschied ist proportional zur Durchflussmenge.In the US 4 527 432 is a method and apparatus for ultrasonic flow measurement of fuel for optimizing the fuel supply in a vehicle with an extended measuring range described in which in each case the phase difference between a transmission signal and a received signal of a first lower frequency and the phase difference between a transmission signal and a received signal second high frequency in each case both in and against the flow direction of the fluid can be measured. Subsequently, the phase difference of the lower frequency is subtracted from the phase difference of the higher frequency and from this the difference in the number of wave trains in each direction is determined. This difference is proportional to the flow rate.

Aus der DE 10 2011 016 963 A1 ist ein Verfahren zur Ultraschall-Durchflussmessung nach dem Laufzeitdifferenzverfahren bekannt. Auch hierbei werden eine Phasendifferenz zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal einer ersten niedrigeren Frequenz sowie die Phasendifferenz zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal einer zweiten höheren Frequenz jeweils sowohl in als auch gegen die Fließrichtung des Fluids gemessen. Die gemessenen Phasendifferenzen werden anschließend unter einer Koinzidenzbedingung überprüft und die Durchflussmenge auf der Grundlage der Koinzidenzbetrachtung berechnet. Hierdurch kann der Messbereich auf mehr als eine Periodendauer vergrößert werden.From the DE 10 2011 016 963 A1 a method for ultrasonic flow measurement according to the transit time difference method is known. Here, too, a phase difference between a transmission signal and a reception signal of a first lower frequency and the phase difference between a transmission signal and a reception signal of a second higher frequency are respectively measured in and against the flow direction of the fluid. The measured phase differences are then checked under a coincidence condition and the flow rate calculated on the basis of the coincidence consideration. As a result, the measuring range can be increased to more than one period.

Die DE 10 2011 004 830 B4 beschreibt ein Verfahren zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen mit einem dynamischen Zeitfenster. Hierbei werden mindestens zwei Schallwellen mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen in eine Messstrecke zeitlich nacheinander eingespeist. Ferner wird der Phasenwinkel der empfangenen Schallwellen gegenüber einem zugehörigen Referenzsignal gleicher Frequenz bestimmt. Die verwendeten Schallfrequenzen müssen so gewählt werden, dass die auftretende Phasenwinkeldifferenz zwischen zwei benachbarten Frequenzen immer kleiner als 2π ist.The DE 10 2011 004 830 B4 describes a method for measuring the propagation velocity of sound waves with a dynamic time window. In this case, at least two sound waves with at least two different frequencies are fed into a measuring path one after the other. Furthermore, the phase angle of the received sound waves relative to an associated reference signal of the same frequency is determined. The sound frequencies used must be chosen so that the occurring phase angle difference between two adjacent frequencies is always less than 2π.

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 claim 1. Advantageous embodiments of the invention are claimed in the further claims.

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;
An expedient embodiment of the method according to the invention will be explained in more detail below. Show it:
  • 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 1 dargestellte Vorrichtung zeigt beispielhaft eine mögliche Struktur zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Messverfahrens. Eine zentrale Steuerungs- und Recheneinheit 1 beliebiger Bauart (analoge/digitale Logik, einen Mikrokontroller oder dergleichen) erhält aus einem Taktgenerator 2 den übergeordneten Systemtakt (Referenztakt), aus dem sich alle anderen Abläufe im Messsystem ableiten. Zunächst stellt die Steuerungs- und Recheneinheit 1 an einem einstellbaren Taktmustergenerator 3 die gewünschte Messfrequenz über ein Einstellsignal AS ein und beliefert den Taktmustergenerator 3 mit einem zum Referenztakt RT synchronen Taktsignal.In the 1 illustrated device shows an example of a possible structure for implementing the measuring method according to the invention. A central control and processing unit 1 Any type (analog / digital logic, a microcontroller or the like) receives from a clock generator 2 the higher-level system clock (reference clock), from which all other processes in the measuring system are derived. First, the control and processing unit 1 on an adjustable clock pattern generator 3 the desired measuring frequency via a setting signal AS and supplies the clock pattern generator 3 with a reference clock RT synchronous clock signal.

Der eigentliche Start einer Ultraschallmessung erfolgt über das Startsignal SS an den Taktmustergenerator 3, der dann eine Wellensequenz über das Sendesignal SES liefert. Dieses Sendesignal SES besteht aus Wellen der gewählten Messfrequenz, wobei die Messfrequenz bevorzugt so gewählt wird, dass sie möglichst im Bereich der von Ultraschallwandlern 8, 9 resonant übertragbaren Frequenzen liegt, zum Beispiel bei der Frequenz von 1 MHz für 1MHz-Ultraschallwandler. Hierbei kann das Sendesignal im Sinne eines Bursts nur einige wenige Wellen oder als quasi-kontinuierliche Anregung beliebig viele Wellen enthalten.The actual start of an ultrasonic measurement takes place via the start signal SS to the clock pattern generator 3 , then a wave sequence over the transmission signal SES supplies. This transmission signal SES consists of waves of the selected measurement frequency, the measurement frequency is preferably selected so that they are possible in the range of ultrasonic transducers 8th . 9 resonant transferable frequencies, for example at the frequency of 1 MHz for 1MHz ultrasonic transducers. In this case, the transmission signal in the sense of a burst may contain only a few waves or, as a quasi-continuous excitation, any number of waves.

Über den Sendeverstärker 4 wird das Sendesignal SES leistungsverstärkt und an die Impedanz der Ultraschallwandler 8, 9 angepasst. Mit dem Richtungssignal RS steuert die Steuerungs- und Recheneinheit 1 den Multiplexer 5 so an, dass die gewünschte Messrichtung erreicht werden kann und der dafür nötige Ultraschallwandler 8 bzw. 9 mit dem Sendesignal SES versorgt werden kann.About the transmission amplifier 4 becomes the transmission signal SES power amplified and to the impedance of the ultrasonic transducer 8th . 9 customized. With the directional signal RS controls the control and processing unit 1 the multiplexer 5 so that the desired direction of measurement can be achieved and the necessary ultrasonic transducer 8th respectively. 9 with the transmission signal SES can be supplied.

Im gezeigten Beispiel soll über einen Ultraschallwandler 8 ein Schallsignal durch das Medium 12 an einen weiteren Ultraschallwandler 9 gesendet werden. Das Sendesignal vom Multiplexer 5 wird an den Ultraschallwandler 8 geleitet, der dieses in ein entsprechendes Schallsignal (Burst) 13 umwandelt.In the example shown is about an ultrasonic transducer 8th a sound signal through the medium 12 to another ultrasonic transducer 9 be sent. The transmission signal from the multiplexer 5 is to the ultrasonic transducer 8th passed this into a corresponding sound signal (burst) 13 transforms.

Während der Übertragung des Schallsignals 13 bzw. Schallwellenzugs im Medium 12 schaltet nach einer eingestellten Sendezeit die Steuerungs- und Recheneinheit 1 den Multiplexer 5 über das Richtungssignal RS vom sendenden Ultraschallwandler 8 auf den empfangenden Ultraschallwandler 9 um. Nach dem Durchlaufen des Mediums 12 über die zu messende Laufzeit hinweg erreicht das Schallsignal 13 bzw. der Schallwellenzug den Ultraschallwandler 9, der daraus ein entsprechendes elektrisches Empfangssignal ES erzeugt und an den Multiplexer 5 weiter gibt.During the transmission of the sound signal 13 or sound wave train in the medium 12 switches the control and processing unit after a set transmission time 1 the multiplexer 5 over the directional signal RS from the sending ultrasonic transducer 8th on the receiving ultrasonic transducer 9 around. After passing through the medium 12 The sound signal reaches over the measured transit time 13 or the sound wave train the ultrasonic transducer 9 deriving therefrom a corresponding electrical received signal IT generated and sent to the multiplexer 5 continues to exist.

Von dem Multiplexer 5 gelangt das Empfangssignal ES an einen optionalen Eingangsverstärker 6, der bei Bedarf den Signalpegel verstärkt und den Empfangspfad gegen den empfangenden Ultraschallwandler 9 mit der geeigneten Impedanz abschließt.From the multiplexer 5 the received signal arrives IT to an optional input amplifier 6 which amplifies the signal level as needed and the receiving path against the receiving ultrasonic transducer 9 terminates with the appropriate impedance.

Mit einem Nulldurchgangsdetektor 7, zum Beispiel einem Komparator, wird das eingehende zunächst analoge Signal in ein digitales Empfangssignal DES für die weitere Verarbeitung umgewandelt. Für die angestrebte Zeitmessung erzeugt die Steuerungs- und Recheneinheit 1 ein Fenstersignal FS (Messfenster) einer Dauer von mehr als einer Wellenlänge, dessen zeitliche Lage im Empfangssignal DES durch eine auf vorab durchgeführten Messungen beruhende Empfangsposition hin festgelegt ist.With a zero crossing detector 7 , For example, a comparator, the incoming initially analog signal into a digital received signal OF converted for further processing. The control and computing unit generates for the desired time measurement 1 a window signal FS (Measuring window) of a duration of more than one wavelength, whose temporal position in the received signal OF is determined by a reception position based on previous measurements.

Innerhalb dieses Messfensters wird ein Nulldurchgang des Empfangssignals DES in der Funktionseinheit Messpulsgenerator 10 so ausgewertet, dass sich ein Messpuls MP zeitlich vom erkannten Nulldurchgang bis zum vorgegebenen Fensterende ergibt. Hierbei ist das von der Steuerungs- und Recheneinheit 1 erzeugte Messfensterende synchron zum Referenztakt RT, aus dem auch das Sendesignal erzeugt wurde. Aus der Messfensterposition, die ein Vielfaches an Referenztakten darstellt, und der Länge des Messpulses MP kann durch Summation die gesamte Signallaufzeit zwischen Start der Signalaussendung und Start des Empfangssignals ermittelt werden:Within this measurement window is a zero crossing of the received signal OF in the functional unit measuring pulse generator 10 evaluated so that a measuring pulse MP results in time from the detected zero crossing to the given window end. This is the case of the control and processing unit 1 generated measuring window end synchronous to the reference clock RT from which also the transmission signal was generated. From the measurement window position, which represents a multiple of reference clocks, and the Length of the measuring pulse MP Summation can be used to determine the total signal transit time between the start of the signal transmission and the start of the received signal:

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 11 für die weitere digitale Verarbeitung durch die Steuerungs- und Recheneinheit 1 digitalisiert.The analog measuring pulse length is from a time-to-digital converter 11 for further digital processing by the control and processing unit 1 digitized.

Der oben beschriebene Zusammenhang zwischen Sendewellen, Empfangswellen, Referenztakt RT und Messfenster MF ist in 2 beispielhaft skizziert für einen Referenztakt RT mit 16-facher Sendefrequenz, eine Burstaussendung mit 8 Wellen und eine Messfensterposition für die Auswertung der 8. Empfangswelle. Wie aus 2 ersichtlich, hat das Fenstersignal bzw. Messfenster MF eine Dauer von mehr als einer Periodendauer, es liegt im Bereich des Nulldurchgangs der 8. Welle.The relationship described above between transmit waves, receive waves, reference clock RT and measurement window MF is in 2 exemplified outlined for a reference clock RT with 16-times transmission frequency, a burst transmission with 8 waves and a measuring window position for the evaluation of the 8th receiving shaft. How out 2 can be seen, has the window signal or measurement window MF a duration of more than one period, it is in the range of the zero crossing of the 8th wave.

In 3 sind jeweils an der linken Seite zwei Ultraschall-Sendesignale unterschiedlicher Frequenz f1 bzw. f2 dargestellt, welche abwechselnd jeweils in Form eines Schallwellenpakets (Burst) mit einer endlichen Anzahl von Signalperioden das Fluid bzw. Medium 12 durchlaufen.In 3 are each on the left side two ultrasonic transmission signals of different frequency f 1 respectively. f 2 shown, which alternately in the form of a sound wave packet (burst) with a finite number of signal periods, the fluid or medium 12 run through.

Im rechten Bereich der 3 sind die jeweils resultierenden Empfangssignale dargestellt, welche am Ultraschallwandler jeweils in Form eines elektrischen Signals abgegriffen werden können. Das jeweils in der 3 dargestellte Empfangssignal umfasst z. B. insgesamt 16 Signalperioden. Im eingeschwungenen Zustand des Ultraschallwandlers im Bereich der 8. Welle, d.h. im mittleren Bereich des jeweils empfangenen Ultraschallpakets, ist der Signalpegel am höchsten.In the right area of the 3 the respective resulting received signals are shown, which can be tapped at the ultrasonic transducer in each case in the form of an electrical signal. The respectively in the 3 shown received signal includes z. B. a total of 16 signal periods. In the steady state of the ultrasonic transducer in the region of the 8th wave, ie in the middle region of the respectively received ultrasonic packet, the signal level is highest.

Das Messverfahren wird bei dem Beispiel von 3 mit zwei Ultraschallsignalen unterschiedlicher Frequenz f1 , f2 durchgeführt. Daraus ist ersichtlich, dass sich Signale unterschiedlicher Frequenz mit gleicher Geschwindigkeit im zu messenden Medium bzw. Fluid ausbreiten und beim Empfang dieser Signale unterschiedlicher Frequenz ein von Welle zu Welle des Empfangssignals nahezu linear zunehmender Phasenversatz PD zwischen den Signalen unterschiedlicher Messfrequenz direkt erfasst d. h. gemessen werden kann. Aus der gemessenen Phasendifferenz t(f1 ) - t(f2 ) lässt sich die exakte Position eines Messpunkts im empfangenen Wellenzug auf wenige Nanosekunden genau ableiten und in Relation zum Messpunkt der weiteren Frequenz setzen.The measuring method is used in the example of 3 with two ultrasonic signals of different frequency f 1 . f 2 carried out. It can be seen that propagate signals of different frequencies at the same speed in the medium or fluid to be measured and when receiving these signals of different frequency from wave to wave of the received signal almost linearly increasing phase shift PD can be detected directly between the signals of different measuring frequency ie measured. From the measured phase difference t ( f 1 ) - t ( f 2 ), the exact position of a measuring point in the received wave train can be derived to within a few nanoseconds and placed in relation to the measuring point of the other frequency.

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 f1 bzw. f2 der beiden Ultraschallsignale vorgenommen werden. In vorteilhafter Weise liegt die Frequenz f1 des einen Ultraschallsignals lediglich geringfügig oberhalb der Hauptresonanzfrequenz des Ultraschallwandlers, wohingegen die Frequenz f2 des zweiten Ultraschallsignals lediglich geringfügig unterhalb der Hauptresonanzfrequenz des Ultraschallwandlers liegt. Der Unterschied der jeweiligen Frequenz zur Hauptresonanzfrequenz des Ultraschallwandlers soll zweckmäßigerweise derart gering sein, dass sich kein Phasensprung entlang der Signalperioden des empfangenen Signalpakets einstellt.In addition, a specific determination of the frequencies f 1 respectively. f 2 the two ultrasonic signals are made. Advantageously, the frequency is f 1 of an ultrasonic signal only slightly above the main resonance frequency of the ultrasonic transducer, whereas the frequency f 2 of the second ultrasonic signal is only slightly below the main resonance frequency of the ultrasonic transducer. The difference between the respective frequency and the main resonant frequency of the ultrasound transducer should expediently be so small that no phase jump occurs along the signal periods of the received signal packet.

Die verwendeten Frequenzen f1 bzw. f2 sollten vorzugsweise in einem Bereich von weniger als 10 % von der Hauptresonanzfrequenz des Ultraschallwandlers abweichen. Besonders vorzugsweise sollen die Frequenzen jeweils im Bereich einer Abweichung von 3 bis 8 % zur Hauptresonanzfrequenz liegen. Daraus resultiert, dass im eingeschwungenen Zustand des Ultraschallwandlers die dort befindlichen Signalperioden für ein Messfenster mit besonders hohen Pegelstärken für das Messverfahren zur Verfügung stehen.The frequencies used f 1 respectively. f 2 should preferably deviate in a range of less than 10% from the main resonance frequency of the ultrasonic transducer. Particularly preferably, the frequencies are each in the range of a deviation of 3 to 8% to the main resonance frequency. As a result, in the steady state of the ultrasonic transducer, the signal periods located there are available for a measuring window with particularly high level strengths for the measuring method.

Die Festlegung der beiden Ultraschallfrequenzen f1 bzw. f2 zur Hauptresonanzfrequenz des Ultraschallwandlers soll darüber hinaus zweckmäßigerweise symmetrisch sein. Dies ermöglicht es, hinsichtlich der Signalerzeugung und Auswertung eine für beide Ultraschallsignale gemeinsamen Hardware-Aufbau vorzusehen. Hierdurch wiederum wird erreicht, dass sich Fehler bzw. Verfälschungen aufgrund der Gegenläufigkeit aufheben.The determination of the two ultrasonic frequencies f 1 respectively. f 2 to the main resonant frequency of the ultrasonic transducer should also be symmetrical beyond expediently. This makes it possible, with regard to the signal generation and evaluation, to provide a hardware structure common to both ultrasonic signals. This in turn ensures that errors or distortions cancel due to the opposition.

Besitzt der Ultraschallwandler eine Hauptresonanzfrequenz von z. B. 1010 MHz, so kann z. B. die erste Ultraschallfrequenz f1 bei ca. 980 MHz und die zweite Ultraschallfrequenz f2 bei ca. 1040 MHz liegen.Does the ultrasonic transducer has a main resonant frequency of z. B. 1010 MHz, so z. B. the first ultrasonic frequency f 1 at about 980 MHz and the second ultrasonic frequency f 2 at about 1040 MHz.

Wie aus 3 ersichtlich ist, kann für die Durchführung des Messverfahrens bei einer ersten Frequenz f1 z.B. der Nulldurchgang ins Positive einer bestimmten Signalperiode (z.B. der in 3 beispielhaft gezeigten dritten Signalperiode) als Referenzpunkt REF im Messfenster MF herangezogen werden. Alternativ könnte auch eine andere Signalperiode, z.B. die achte Signalperiode, bei der der Signalpegel am höchsten ist, herangezogen werden. Bei der Messung mit einer zweiten Frequenz f2 , die sich von der ersten Frequenz f1 unterscheidet, ergibt sich für den entsprechenden Nulldurchgang ein zeitlicher Versatz (Phasendifferenz PD) gegen den Referenzpunkt REF, aus dem sich die Position der Welle (z.B. der dritten Welle) im Empfangspaket (Summe aller empfangenen Wellen) ermitteln lässt. Hierbei ist die Phasendifferenz PD zwischen den beiden Frequenzen f1 bzw. f2 in Bezug auf den gewählten Referenzpunkt RP annähernd direkt proportional zur Anzahl der empfangenen Wellen bis zum Referenzpunkt REF.How out 3 can be seen, for carrying out the measuring method at a first frequency f 1 eg the zero crossing into the positive of a certain signal period (eg the in 3 exemplified third signal period) as a reference point REF in the measurement window MF used become. Alternatively, another signal period, for example the eighth signal period, at which the signal level is highest, could also be used. When measuring at a second frequency f 2 that differ from the first frequency f 1 differs, results for the corresponding zero crossing a time offset (phase difference PD ) against the reference point REF from which the position of the shaft (eg the third wave) in the receive packet (sum of all received waves) can be determined. Here is the phase difference PD between the two frequencies f 1 respectively. f 2 with respect to the selected reference point RP approximately directly proportional to the number of waves received to the reference point REF ,

Bei einer Messung der oben beschriebenen Art in Vorwärts- sowie Rückwärtsrichtung und einer entsprechenden Mittelwertbildung kann daraus die absolute Schalllaufzeit ohne Einfluss einer Mediumsgeschwindigkeit ermittelt werden. Bei bekannter Länge der Messstrecke ergibt sich für ein bekanntes Medium aus der absoluten Schalllaufzeit unmittelbar die Mediumstemperatur.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 PD durch Referenzmessungen für die angestrebten Empfangspositionen im Wellenpaket ermittelt werden.For calibration of the measuring method, the characteristic order of magnitude of the phase difference to be evaluated can be determined in a simple manner using a known type of medium, with a known medium temperature and known medium properties PD be determined by reference measurements for the desired reception positions in the wave packet.

Aus der elektronisch ermittelten Differenz der Signallaufzeiten mit/gegen den Fluidstrom, also der Laufzeitdifferenz, kann die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids in der Steuerungs- und Recheneinheit 1 ermittelt werden.From the electronically determined difference of the signal propagation times with / against the fluid flow, ie the transit time difference, the flow rate of the fluid in the control and computing unit 1 be determined.

Vorteilhaft können für ein Entrauschen der Messgröße Phasenversatz Mehrfachmessungen mit den Frequenzen f1 bzw. f2 vorzugsweise schnell hintereinander durchgeführt werden.Advantageously, for a denoising of the measured variable phase offset multiple measurements with the frequencies f 1 respectively. f 2 preferably be carried out quickly in a row.

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 f1 und f2 ober- und unterhalb der Mittenfrequenz nur zur Bestimmung der Phasendifferenz der beiden Frequenzen zur Positionsbestimmung verwendet werden. Dies bietet den Vorteil, dass durch den größeren Frequenzunterschied zwischen f1 und f2 eine noch besser auswertbare, größere Phasendifferenz entsteht.Alternatively, the method can also be operated with a center frequency near the resonant frequency f 0 for determining the transit time difference, with two additional frequencies f 1 and f 2 above and below the center frequency can only be used to determine the phase difference of the two frequencies for position determination. This offers the advantage that due to the larger frequency difference between f 1 and f 2 an even better evaluable, larger phase difference arises.

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

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

Claims (14)

Verfahren zur Ultraschalllaufzeitmessung in einem Fluid, bei dem ein eine Messstrecke durchströmendes Fluid mit einem von einem Ultraschallwandler erzeugten ersten Sendesignal mit einer ersten Frequenz f1 und einem von dem Ultraschallwandler erzeugten zweiten Sendesignal mit einer zweiten Frequenz f2 beaufschlagt wird, die ersten und zweiten Sendesignale von einem Ultraschallwandler empfangen und erste und zweite Empfangssignale mit jeweils mehreren Wellen erzeugt werden, aus den Empfangssignalen die Laufzeitdifferenz bestimmt wird, eine Phasendifferenz (PD) zwischen erstem Empfangssignal mit der ersten Frequenz f1 und zweitem Empfangssignal mit der zweiten Frequenz f2 gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus der gemessenen Phasendifferenz (PD) die Position eines Messpunkts im Bereich der Wellen (Wellenzug) des Empfangssignals abgeleitet wird.Method for ultrasonic transit time measurement in a fluid, in which a fluid flowing through a measuring path is acted upon 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 , the first and second transmission signals received by an ultrasonic transducer and first and second received signals, each with a plurality of waves are generated from the received signals, the transit time difference is determined, a phase difference (PD) between the first received signal at the first frequency f 1 and second received signal at the second frequency f 2 is measured characterized in that the position of a measuring point in the region of the waves (wave train) of the received signal is derived from the measured phase difference (PD). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein für die ersten und zweiten Sendesignale gemeinsamer Referenztakt (RT) vorgegeben ist und die Bestimmung der Position des Messpunkts oder Messfensters bei der Ultraschalllaufzeitmessung unter Bezug auf den gemeinsamen Referenztakt (RT) erfolgt.Method according to Claim 1 , characterized in that a reference clock common to the first and second transmission signals (RT) is predetermined and the determination of the position of the measuring point or measuring window in the ultrasonic transit time measurement is performed with reference to the common reference clock (RT). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auszuwertenden Phasendifferenzen durch Vorabmessungen unter bekannten Umgebungsbedingungen festgelegt werden.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the phase differences to be evaluated are determined by preliminary measurements under known environmental conditions. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Position des Messpunkts und/oder Messfensters im Bereich der Wellen (Wellenzug) des Empfangssignals ein Messpuls (MP) erzeugt wird. IMethod according to Claim 1 or 2 , characterized in that at the position of the measuring point and / or measuring window in the region of the waves (wave train) of the received signal, a measuring pulse (MP) is generated. I Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ultraschallfrequenz f1 oberhalb und die zweite Ultraschallfrequenz f2 unterhalb der Resonanzfrequenz f0 oder einer Mittenfrequenz fm des Ultraschallwandlers liegt.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first ultrasonic frequency f 1 above and the second ultrasonic frequency f 2 below the resonance frequency f 0 or a center frequency f m of the ultrasonic transducer. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung der ersten Ultraschallfrequenz f1 bzw. zweiten Ultraschallfrequenz f2 jeweils zur Resonanzfrequenz f0 oder einer Mittenfrequenz fm des Ultraschallwandlers ≤ 10 % beträgt, vorzugsweise im Bereich von 3-8 % liegt.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the deviation of the first ultrasonic frequency f 1 or second ultrasonic frequency f 2 in each case to the resonance frequency f 0 or a center frequency f m of the ultrasonic transducer is ≤ 10%, preferably in the range of 3-8%. lies. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Ultraschallfrequenz f1 bzw. f2 zur Resonanzfrequenz f0 oder Mittenfrequenz fm des Ultraschallwandlers, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen, symmetrisch, liegen.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first and second ultrasonic frequency f 1 or f 2 to the resonant frequency f 0 or center frequency f m of the ultrasonic transducer, preferably at least substantially, are symmetrical. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ultraschallfrequenz (z. B. die Ultraschallfrequenz f1) als Grundfrequenz und die weitere Ultraschallfrequenz (z. B. die Ultraschallfrequenz weitere f2) als Zusatzfrequenz eingesetzt wird und die Messung der Zusatzfrequenz entweder nur für eine Messrichtung oder für beide Messrichtungen erfolgt.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that an ultrasound frequency (eg the ultrasound frequency f 1 ) is used as the fundamental frequency and the further ultrasound frequency (eg the ultrasound frequency f 2 further) is used as additional frequency and the measurement of the additional frequency either only for one measuring direction or for both measuring directions. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position zweier Nulldurchgänge des ersten bzw. zweiten Ultraschallsignals als Bezugspunkt zur Bestimmung der absoluten Laufzeit des ersten und/oder zweiten Ultraschallsignals herangezogen wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the position of two zero crossings of the first and second ultrasonic signal is used as a reference point for determining the absolute transit time of the first and / or second ultrasonic signal. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ultraschallsignal und das zweite Ultraschallsignal vom Ultraschallwandler abwechselnd erzeugt sowie empfangen wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first ultrasound signal and the second ultrasound signal are alternately generated and received by the ultrasound transducer. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich des Ultraschall-Durchflussmessers größer als ein Wellenzug des ersten und/oder zweiten Ultraschallsignals ist.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the measuring range of the ultrasonic flow meter is greater than a wave train of the first and / or second ultrasonic signal. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ohne Messung der Fluidtemperatur betrieben wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the method is operated without measuring the fluid temperature. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der absoluten Laufzeit des ersten bzw. zweiten Ultraschallsignals die Fluidtemperatur und/oder die Schallgeschwindigkeit im Fluid abgeleitet wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the fluid temperature and / or the speed of sound in the fluid is derived from the absolute transit time of the first or second ultrasonic signal. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der absoluten Laufzeit des ersten bzw. zweiten Ultraschallsignals, vorzugsweise in Verbindung mit einer Temperaturmessung, entweder ein Prüfwert für eine Plausibilitätsüberprüfung und/oder eine Störungsüberprüfung und/oder das Mischungsverhältnis einer Zwei- oder Mehrphasenmischung und/oder mindestens eine fluidspezifische physikalische Größe abgeleitet wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that from the absolute duration of the first or second ultrasonic signal, preferably in conjunction with a temperature measurement, either 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 is derived.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3779374A4 (en) * 2019-03-20 2021-05-19 Shenzhen Goodix Technology Co., Ltd. FLIGHT TIME GENERATION CIRCUIT, AND ASSOCIATED CHIP, FLOW METER AND PROCESS

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11630082B2 (en) 2020-05-14 2023-04-18 Honeywell International Inc. Millimeter-wave and ultrasound sensors

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4527432A (en) 1983-11-07 1985-07-09 General Motors Corporation Dual frequency acoustic fluid flow method and apparatus
DE19841154A1 (en) 1998-09-09 2000-04-06 Holger Loehmer Measurement of propagation time of sound waves; involves measuring phase shift between transmitted and received signals at two different frequencies
DE102011016963A1 (en) 2011-04-13 2012-10-18 Hydrometer Gmbh Method for measuring flow rates on the principle of ultrasonic transit time difference
DE102011004830B4 (en) 2011-02-28 2015-10-29 Holger Löhmer Phase method for measuring the propagation velocity of sound waves with dynamic measurement window

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0250660B1 (en) * 1986-06-05 1991-03-27 Moore Products Co. Fluid velocity measuring method and apparatus
US6575044B1 (en) * 2002-05-06 2003-06-10 Murray F. Feller Transit-time flow sensor combining high resolution and wide dynamic range

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4527432A (en) 1983-11-07 1985-07-09 General Motors Corporation Dual frequency acoustic fluid flow method and apparatus
DE19841154A1 (en) 1998-09-09 2000-04-06 Holger Loehmer Measurement of propagation time of sound waves; involves measuring phase shift between transmitted and received signals at two different frequencies
DE102011004830B4 (en) 2011-02-28 2015-10-29 Holger Löhmer Phase method for measuring the propagation velocity of sound waves with dynamic measurement window
DE102011016963A1 (en) 2011-04-13 2012-10-18 Hydrometer Gmbh Method for measuring flow rates on the principle of ultrasonic transit time difference

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3779374A4 (en) * 2019-03-20 2021-05-19 Shenzhen Goodix Technology Co., Ltd. FLIGHT TIME GENERATION CIRCUIT, AND ASSOCIATED CHIP, FLOW METER AND PROCESS
US11486749B2 (en) 2019-03-20 2022-11-01 Shenzhen GOODIX Technology Co., Ltd. Time-of-flight generating circuit and chip, flow meter and method of the same

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