DE19841154C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Laufzeit von Schallwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Laufzeitmessung von Schallwellen, insbesondere zur Messung der Schallgeschwindigkeit in flüssigen oder gasförmigen Medien. Die Anwendung erfolgt besonders bei Messungen in Medien mit einer starken bzw. stark schwankenden und deutlich frequenzabhängigen Schalldämpfung.

Die Laufzeit von Schallwellen kann entweder absolut oder als Differenz gegenüber einer Bezugslaufzeit gemessen werden. Zur absoluten Laufzeitmessung werden am häufigsten Im­ pulsverfahren eingesetzt. Bei Ihnen wird der Empfangszeitpunkt eines gesendeten Schallim­ pulses im einfachsten Fall durch das Überschreiten einer festgelegten Triggerspannung (Flankentriggerung) ermittelt. Die meisten der nach diesem Verfahren arbeitenden Systeme verwenden relativ schmalbandige Impulse. Dadurch erfolgt der Amplitudenanstieg bzw. - abfall im Sende- und Empfangssignal relativ langsam über mehrere Schwingungsperioden. Gleichzeitig kann sich aber die Amplitude des Empfangssignals je nach Weglänge und Größe der Schalldämpfung stark ändern. Das hat bei der Verwendung eines fest vorgegebe­ nen Schwellwertes oft erhebliche Fehler bei der Laufzeitmessung zur Folge. Um auch bei einer schwankenden Empfangssignalamplitude eine konstante und für viele Anwendungen ausreichend hohe Meßgenauigkeit zu erreichen, kann entweder

• - die Detektionsschwelle in einem festen Verhältnis zum Empfangsimpulsmaximum gehal­ ten,
• - auf das Empfangsimpulsmaximum direkt getriggert (Maximumtriggerung) oder
• - auf einen bestimmten Nulldurchgang des Impulses nachgetriggert werden (Nullpunkttrig­ gerung).

Bei sehr starken Amplitudenschwankungen oder einem geringen Signal-Rausch-Abstand ist sogar das völlige Versagen eines mit Flanken- oder Amplitudentriggerung arbeitenden Meß­ systems möglich. Aus diesem Grund wird bei einigen Verfahren durch die Bildung der Hüll­ kurve des Empfangsimpulses ein Bezugszeitpunkt ermittelt. Dieser kann z. B. wie in EP 0 324 731 B1 das erste nach dem Maximum der Hüllkurve auftretende Schwingungs­ maximum des Impulses sein. Dadurch kann die zu ermittelnde Laufzeit in etwa grob vor­ bestimmt werden, wodurch eine Erhöhung der Funktionssicherheit erreicht wird. Bei dieser ersten Messung genügt es, wenn sich die Genauigkeit der vorbestimmten Laufzeit innerhalb der Fehlergrenzen von -0,25/f bis 0,25/f befindet, wobei f die Grundfrequenz des Schallim­ pulses ist. Für die nachfolgende exakte Ermittlung der Laufzeit ist bei diesem Meßverfahren die Bestimmung eines Korrekturwertes durch eine weitere Auswertung des Empfangsimpulses notwendig. Dieser kann z. B. wie in EP 0 324 731 B1 in einer Nullpunkttrig­ gerung ab dem ermittelten Bezugszeitpunkt bestehen. Bei der Anwendung dieser Methode muß sicher gestellt sein, daß der auszuwertende Nulldurch­ gang nicht durch Störsignale, wie z. B. Rauschen verfälscht wird oder über­ haupt nicht mehr zu detektieren ist. Eins weitere Möglichkeit zur Bestimmung des Korrekturwertes ist die in DE 44 07 369 A1 beschriebene Messung der Phasenverschiebung des Empfangsimpulses gegenüber einem Referenzsignal, dessen Phasenlage mit der des Sendeimpulses übereinstimmt. Diese Methode ist gegenüber Störungen, die eine Verfälschung der Nulldurchgänge des Emp­ fangssignals bewirken, unempfindlich.

Ist sichergestellt, daß auftretende Verzerrungen des Empfangssignals nur durch die Übertragungseigenschaften der verwendeten Sende- und Emp­ fangswandler und nicht durch die Meßstrecke verursacht werden, so kann zur weitgehenden Eliminierung ihres Einflusses das in DE 43 22 849 C1 beschrie­ bene Meßverfahren angewendet werden. Es besteht darin, daß zu einem in die Meßstrecke abgestrahlten Meß-Schallsignal ein Referenz-Sendesignal mit nahezu identischer Verzerrung gebildet wird. Dadurch kann die Laufzeit über die Korrelationsfunktion von Referenz- und über die Meßstrecke übertragenem Signal ermittelt werden. Die Genauigkeit des so erhaltenen Laufzeitwertes ist unabhängig von der Amplitudenhöhe des Empfangssignals sowie von den Übertragungseigenschaften der verwendeten Schallwandler.

Bei alten Impulsmeßverfahren ist zur Anregung das Sende- bzw. Empfangs­ wandlers ein relativ starker elektrischer bzw. akustischer Impuls erforderlich. Diesen Nachteil besitzen Verfahren, die mit kontinuierlichen Schaltsignalen arbeiten im allgemeinen nicht, da hier die Schallwandler oft im Resonanzbe­ trieb arbeiten. Bei ihnen wird die Laufzeit der Schallwellen im einfachsten Fall, wie z. B. in DE-PS 10 10 297 beschrieben, durch die Messung der Phasenver­ schiebung zwischen dem Sende- und dem Empfangssignal ermittelt. Damit ist eine sehr genaue Laufzeitermittlung möglich, da über einen Phasendiskrimina­ tor die Phasenverschiebung bis auf sehr kleine Bruchteile der Wellenlänge ge­ nau gemessen werden kann. Durch die periodische Wiederholung der Phasen­ lagen können jedoch nur Laufzeitunterschiede gemessen werden, die kleiner sind als die Periodendauer der verwendeten Signalfrequenz. Es sind also keine absoluten Messungen möglich. Die Laufzeit kann bei diesem Verfahren ermit­ telt werden, indem der Laufzeitunterschied gegenüber einem Bezugspunkt mit bekannter Laufzeit und Phasenverschiebung bestimmt wird.

Durch eine Amplitudenmodulation des Sendesignals ist es aber auch bei der Verwendung von kontinuierlichen Schallsignalen möglich, die zu ermittelnde Laufzeit in etwa grob vorzubestimmen. Die Modulation kann z. B. wie in DE 44 37 205 A1 durch ein digital erzeugtes, periodisches und im Vergleich zum Sendesignal niederfrequentes Rauschsignal erfolgen. Vor der Auswertung muß das Empfangssignal dann wieder durch Demodulation in das Träger- und in das Modulationssignal zerlegt werden. Anschließend werden die beiden Signale zur absoluten und relativen Laufzeitmessung je einem Vergleicher ge­ trennt zugeführt. Dort werden sie dann mit den ursprünglichen Signalen be­ züglich ihrer Laufzeit bzw. Phasenlage verglichen. Dadurch ist es auch hier möglich, die Vorteile einer absoluten Messung mit der Genauigkeit und Zuver­ lässigkeit eines auf der Messung der Phasenverschiebung beruhenden Verfah­ rens zu verbinden. Bei der Anwendung dieses Meßverfahrens muß sicher ge­ stellt sein, daß eine eventuell vorhandene Verzerrung des Empfangssignals die Detektion des aufmodulierten Rauschsignals nicht verhindert.

Eine andere Möglichkeit zur absoluten Laufzeitmessung mit einem kontinuierli­ chen Schallsignal ist die Verwendung von zwei oder mehreren verschiedenen Schallfrequenzen, die zu genau definierten Zeitpunkten umgeschaltet werden. Die so in das Sendesignal eingefügte kodierte Information kann durch Deko­ dierung des Empfangssignals wieder zurückgewonnen und zur Laufzeitmes­ sung verwendet werden. Im allgemeinen ist die Verwendung von zwei ver­ schiedenen Frequenzen wie z. B. in DE 34 12 089 A1 ausreichend. Die kodierte Information setzt sich dort aus einem Startbit und einem Vier-Bit-Wort zu­ sammen. Wird dieses Bitmuster gesendet, so erfolgt gleichzeitig der Start ei­ nes Zählers. Zusätzlich wird es einer Auswerteeinheit für einen Vergleich mit dem kodierten Empfangssignal zugeführt. Bei einer Übereinstimmung wird der Zähler gestoppt und daraus die Laufzeit ermittelt. Da hier keine Auswertung der Signalamplitude erfolgt, ist dieses Verfahren relativ unempfindlich gegen­ über Störungen wie z. B. Empfangssignalverzerrungen und Amplituden­ schwankungen. Ein Nachteil dagegen ist, daß für eine Messung eine größere Anzahl an Signalschwingungen erfaßt und ausgewertet werden muß.

Die Messung von größeren Laufzeitänderungen ist auch durch die Verwen­ dung einer variablen Schaltfrequenz möglich. Bei diesem in DE-AS 11 56 257 beschriebenen Verfahren wird die Schallfrequenz immer auf einen solchen Wert eingestellt, bei dem die Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und dem Empfangssignal unabhängig von der Laufzeit des Schalls einen vorgege­ benen konstanten Wert annimmt. Die Änderung der Schallfrequenz ist dann ein Maß für die Änderung der Laufzeit der Schallwellen in dem zu untersu­ chenden Medium. Die Bestimmung der Laufzeit erfolgt bei diesem Verfahren durch die Messung der Lauf Zeitänderung gegenüber einem Bezugszeitpunkt mit bekannter Laufzeit und Schaltfrequenz. Es kann durch die Verwendung einer variablen Schallfrequenz nicht in Medien mit frequenzabhängiger Schall­ geschwindigkeit (Schalldispersion) eingesetzt werden. Aus dem gleichen Grund können die Schallwandler auch nicht im Resonanzbetrieb arbeiten, was gegenüber Laufzeitmessungen mit konstanter Schallfrequenz zu einer deutli­ chen Verringerung der Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit führt.

Weiterhin wird in DE-AS 11 56 257 auch auf Verfahren hingewiesen, mit denen die Bewegungsgeschwindigkeit eines Mediums gemessen werden kann. Bei ihnen wird die Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und dem Empfangssignal im bewegten Medium sowie in einem ruhenden Medium mit identischer Zusammensetzung sowie bei identischen physikalischen Parame­ tern (Druck, Temperatur) gemessen. Dabei wird die Frequenz des verwende­ ten Schaltsignals nicht verändert. Daraus kann die Laufzeit und damit auch die Schallgeschwindigkeit im bewegten sowie im ruhenden Medium ermittelt werden. Aus der Differenz dieser beiden Schallgeschwindigkeitswerte ergibt sich dann die Bewegungsgeschwindigkeit des Mediums gegenüber dem ru­ henden Medium. Diese Verfahren, die z. B. zur Messung der relativen Bewe­ gungsgeschwindigkeit eines Wasserfahrzeuges gegenüber dem umgebenden Wasser genutzt werden können, besitzen in Bezug auf die Messung der Lauf­ zeit des Schalls die gleichen Eigenschaften wie das in DE-PS 10 10 297 be­ schriebene Verfahren.

Ist die Dämpfung eines gesendeten Schallsignals stark schwankend und deut­ lich frequenzabhängig, so sind zur Ermittlung der Signallaufzeit alte Meßver­ fahren, bei denen eine Auswertung der Signalamplitude erfolgt, ungeeignet. Weiterhin bewirkt die frequenzabhängige Dämpfung besonders bei breitbandi­ gen Signalen eine Verzerrung des Empfangssignals, die bei dem Auftreten von Schalldispersion noch verstärkt wird. Deshalb sind für eine Laufzeitmessung unter diesen Bedingungen sehr schmalbandige, kontinuierliche Schallsignals besonders geeignet. Soll zusätzlich eine hohe Genauigkeit bei einer sehr be­ grenzten Anzahl auswertbarer Signalschwingungen erreicht werden, so ist eine Ermittlung der Laufzeit über die Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und Empfangssignal am günstigsten. Ein auf dieser Grundlage arbeitendes Meßverfahren ist das in Geophysics 40. Jahrgang, Nr. 6 (Dezember 1975), Seiten 955-960 beschriebene Phasenverzögerungsverfahren. Bei diesem wird vom Sender ein kontinuierliches, sinusförmiges Schaltsignal bekannter Frequenz abgestrahlt, das nach dem Durchlaufen einer Wegstrecke bekannter Länge wieder empfangen wird. Das so erhaltene Emp­ fangssignal besitzt gegenüber dem Sendesignal eine Phasenverschiebung (Phasenverzögerung), die gemessen wird. Verändert man nun bei einer kon­ stanten Schallgeschwindigkeit die verwendete Schaltfrequenz oder die Länge des Schaltweges, so ändert sich auch die zu messende Phasenverschiebung. Dabei muß die Frequenz- oder Weglängenänderung klein genug sein, um si­ cher zu stellen, daß die Änderung der Phasenverschiebung zwischen zwei Messungen kleiner als 360° ist, da sonst die Eindeutigkeit der Messung der Phasenverschiebungsänderung verloren geht. Ist diese Bedingung erfüllt, so kann daraus der Absolutwert der Schaltgeschwindigkeit berechnet werden. Das erfolgt, indem die beiden Meßpunkte in ein x-y-Diagramm (x = Phasendifferenzänderung, y = Frequenz- oder Weglängenänderung) einge­ zeichnet und durch eine Gerade verbunden werden. Aus dem Anstieg der Ge­ raden kann dann die Schaltgeschwindigkeit ermittelt werden. Die Genauigkeit dieses Meßverfahrens kann durch die Ermittlung weiterer Meßpunkte erhöht werden, wobei weiterhin gilt, daß die Phasendifferenzänderung zwischen zwei benachbarten Meßpunkten immer kleiner als 360° sein muß, und sich die Schallgeschwindigkeit während der Aufnahme alter Meßpunkte nicht ändern darf. Der Anstieg der Geraden wird in diesem Fall durch eine lineare Regres­ sion ermittelt. Da die Erreichung der bei einem überwiegenden Teil der An­ wendungen geforderten Meßgenauigkeit die Aufnahme von deutlich mehr als zwei Meßpunkten pro Schallgeschwindigkeitsmessung erforderlich macht, ist dieses Verfahren bei einer relativ schnellen Veränderung der zu ermittelnden Schallgeschwindigkeit nur eingeschränkt einsetzbar.

Wie allgemein bekannt, ist es in einem solchen Fall günstiger, die Schaltge­ schwindigkeit aus der gemessenen Phasenverschiebung direkt zu bestimmen. Aus der schon genannten Tatsache, daß nur Änderungen der Phasenverschie­ bung, die Meiner als 360° sind, eindeutig gemessen werden können, ergibt sich bei diesem Verfahren eine Begrenzung der meßbaren Laufzeitänderung auf einen für viele Anwendungen zu geringen Wert.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für die Laufzeitmessung von Schallwellen unter Verwendung sehr schmalbandiger, kontinuierlicher Schaltsignale durch die Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und Empfangssignal vorzuschlagen, wobei der Meßbereich für die Laufzeitänderung wesentlich erweitert werden soll. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, welche durch entspre­ chende Anordnung der Baugruppen die praktische Umsetzung der erfindungs­ gemäßen Laufzeitmessung ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den An­ sprüchen 2 bis 4.

Werden Schallsignale bei dem Durchlaufen einer Meßstrecke stark gedämpft, so muß eine möglichst hohe Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit er­ reicht werden. Ist die Dämpfungsstärke zusätzlich frequenzabhängig, so ist, wie schon festgestellt wurde, zur Verhinderung von Empfangssignalverzerrun­ gen die Verwendung von sehr schmalbandigen (monochromen) Signalen not­ wendig. Diese beiden Forderungen werden durch kontinuierliche, sinusförmige Schallsignale nahezu ideal erfüllt, denn erstens ermöglichen sie den Betrieb der Schallwandler im eingeschwungenen Zustand (Resonanzbetrieb) und zwei­ tens besitzen sie neben ihrer Grundschwingung keine weiteren Oberschwin­ gungen.

Sind zusätzlich auch starke Schwankungen der Schalldämpfungsstärke mög­ lich, dann muß, wie ebenfalls schon festgestellt wurde, auf die Auswertung der Schwingungsamplituden des Empfangssignals verzichtet werden. Deshalb wird die Schallaufzeit nur aus der Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und Empfangssignal ermittelt. Weil die mit dieser bekannten Methode meß­ bare Laufzeitänderung durch die Periodendauer des verwendeten Schallsignals begrenzt wird, besteht der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, diese Grenze durch die Ermittlung der Phasenverschiebung bei einer zweiten Frequenz aufzuheben. Dadurch ist es möglich auch Laufzeitveränderungen, die einer Phasenverschiebung von mehr als einer Signalperiode entsprechen, zu messen. Diese beiden Phasenverschiebungen müssen so schnell hintereinander gemessen werden, daß die Laufzeit während des gesamten Meßvorganges als konstant angesehen werden kann. Die meßbare Laufzeitänderung wird im folgenden auch als Meßfenster bezeichnet.

Die maximale Anzahl an Signalperioden Δi_max,j, um die sich das Ausgangs- und das Emp­ fangssignal bei den Frequenzen f_j und f_k verschieben darf, ergibt sich aus

kgV(f_j, f_k) ist das kleinste gemeinsame Vielfache der Frequenzen f_j und f_k. Bei der Auswahl eines solchen Frequenzpaares muß beachtet werden, daß sich beide Frequenzen in der Nähe der Resonanzfrequenz der verwendeten Ultraschallwandler befinden müssen. Durch die Kenntnis der Δi_max,j kann jetzt die Größe des Meßfensters Δt_s,max mit

berechnet werden.

Da ein nach diesem Verfahren arbeitendes Meßsystem keine absoluten Laufzeitmessungen ermöglicht, ist eine einmalige Eichung erforderlich. Sie besteht aus einer Messung der Pha­ senverschiebungen ϕ_e,1 und ϕ_e,2 mit den beiden verwendeten Frequenzen f₁ und f₂ bei einer genau bekannten Schallaufzeit t_e. Aus diesen Werten können die bei dem unteren Meßfen­ stereckwert t_min auftretenden Phasenverschiebungen ϕ_min,j durch

bestimmt werden. Durch die Wahl dieses Eckwertes wird die Position des Meßfensters fest­ gelegt, innerhalb dessen sich die zu ermittelnden Schallaufzeiten befinden müssen. Der obere Eckwert des Meßfensters t_s,max kann mit

t_s,max = t_s,min + Δt_s,max (4)

ermittelt werden. Mit frac(x) wird hier die Restfunktion bezeichnet. Ihr Funktionsergebnis ist die Differenz zwischen dem ihr übergebenen Argument x und der größten ganzen Zahl, die kleiner oder gleich x ist. Dabei ist das Argument der Minuend und die ganze Zahl der Subtrahend. Ist das übergebene Argument positiv, so ist also das Funktionsergebnis dessen nicht-ganzzahliger Teil.

Bei einer Messung der Schallaufzeit wird bei jeder der beiden verwendeten Frequenzen f_j und f_k die Phasenverschiebung ϕ_g,j bzw. ϕ_g,k gemessen. Anschließend wird eine gemessene Phasenverschiebung ϕ_g,j ausgewählt und mit ihr alle Δi_max,k theoretisch möglichen Phasenver­ schiebungen ϕ_t,k der jeweils anderen Frequenz durch

ermittelt. Für genau eine dieser möglichen Phasenverschiebungen gilt:

ϕ_t,k = ϕ_g,k (6)

Aus dem zu dieser theoretischen Phasenverschiebung gehörigen Δi_j kann jetzt die Schallauf­ zeit t_s nach folgender Gleichung berechnet werden:

Da die Ermittlung der Phasenwinkel immer mit einem gewissen Fehler behaftet ist, wird die Bedingung (6) als erfüllt angesehen, wenn für ϕ_t,k und ϕ_g,k gilt:

Der Wert Δϕ_k ist die Differenz zwischen zwei benachbarten theoretisch möglichen Phasen­ verschiebungen ϕ_t,k. Um zu gewährleisten, daß diese Bedingung bei dem zutreffenden Δi_j erfüllt ist, müssen an die Genauigkeit der bei den Frequenzen f_j und f_k ermittelten Phasen­ winkel die Forderungen

gestellt Werden. Die Größen ϕ_w,j und ϕ_w,k sind die beiden unbekannten wahren Werte der zu messenden Phasenwinkel. Der Meßfehler, der bei der Ermittlung von ϕ_g,j auftritt, geht in die Bedingung (8) durch den Wert ϕ_t,k ein, der mit der Gleichung (5) aus ϕ_g,j ermittelt wird.

Zur vorteilhaften Ausführung des Meßverfahrens wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgeschlagen. Das Zentrum der Vorrichtung bildet eine Steuer- und Auswerteeinheit, die mit einer Sende- und einer Empfangseinheit verbunden ist. Die Sendeeinheit erzeugt ein Sende- und Referenzsignal der Frequenz f_j bzw. f_k, wobei die Frequenzauswahl durch die Steuer- und Auswerteeinheit erfolgt. Ein weiterer wesentlicher Bestandteil ist der Schallsensor, der ebenfalls mit der Sende- und der Empfangseinheit verbunden ist. Dadurch erreicht das von der Sendeeinheit erzeugte Sendesignal nach dem Durchlaufen der Meßstrecke als Empfangssignal die Empfangseinheit. Das Referenzsignal wird direkt von der Sende- zur Empfangseinheit geführt. Dort werden beide Signale entweder in eine für die Steuer- und Auswerteeinheit verarbeitbare Form umgewandelt oder es findet mit der Ermittlung der Phasenverschiebung zwischen ihnen bereits eine Signalvorverarbeitung statt. Danach wird entweder das konvertierte Signalpaar oder die ermittelte Phasenverschiebung zur Steuer- und Auswerteeinheit übertragen. Ist dieser Vorgang für beide Frequenzen abgeschlossen, wird in dieser Einheit die Schallaufzeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt und anschließend ausgegeben.

Es wurde ein Meßverfahren und eine Vorrichtung entwickelt, mit dem beispielsweise die Ultraschallgeschwindigkeit in blasenhaltigen Flüssigkeiten und Suspensionen zuverlässiger als mit dem Impuls-Laufzeit-Verfahren ermittelt werden kann. Mit ihm können stark verrauschte und/oder stark schwankende Ultraschallsignale noch sicher ausgewertet werden. Das ist besonders bei Messungen in hochviskosen sowie blasenhaltigen Flüssigkeiten von Be­ deutung (u. a. bei der Saccharrosekristallisation). Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist sehr groß. So entstehen blasenhaltige Flüssigkeiten und Suspensionen bei Prozessen in der Lebensmittelindustrie, der Chemischen Industrie, der Pharmaindustrie und im Labor. Besondere Vorteile ergeben sich bei der Überwachung von Prozessen mit besonders hohen Reinheitsanforderungen, denn durch eine vollständige Kapselung des Schallsensors erfolgen die Messungen absolut berührungsfrei. Weiterhin ist durch eine relativ geringe Energie der verwendeten Ultraschallimpulse sichergestellt, daß keine unerwünschten chemischen Reaktionen in der zu messenden Flüssigkeit hervorgerufen werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.

Ausgehend von der Feststellung, daß bei der Ermittlung der Schallaufzeit über die Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und dem Empfangssignal die meßbare Laufzeitveränderung durch die Periodendauer des verwendeten Schallsignals begrenzt wird, besteht der Grundgedanke des entwickelten Verfahrens, wie schon dargelegt, darin, diese Grenze durch die Ermittlung der Phasenverschiebung bei einer zweiten Frequenz (siehe Fig. 1) aufzuheben.

Bei Ultraschallwandlern mit einer Resonanzfrequenz von 1 MHz kann z. B. das Frequenz­ paar f_j = 1,0 MHz und f_k = 1,1 MHz verwendet werden. Da in diesem Fall das kgV(f_j, f_k) = 11 MHz ist, ergibt sich aus der Gleichung (1) für Δi_max,j = 10 und für Δi_max,k = 11. Daraus ergibt sich nach dem Einsetzen der zu einer Frequenz gehörigen Werte in die Gleichung (2) eine Meßfenstergröße von 10 µs.

Wird die Eichung mit destilliertem Wasser bei 20°C durchgeführt, so wird in der Literatur eine Schallgeschwindigkeit von 1482,7 m/s angegeben. Unter der Annahme eines Schallwe­ ges von 4 cm ergibt sich daraus eine Schallaufzeit von t_s,e = 26,98 µs. Weiterhin wird ange­ nommen, daß bei dem schon genannten Frequenzpaar die Phasenverschiebungen ϕ_e,j = 351,72° und ϕ_e,k = 242,89° gemessen wurden, und daß der untere Eckwert des Meß­ fensters sich bei t_s,min = 16,67 µs befindet. Werden diese Werte in die Gleichung (3) einge­ setzt, so erhält man für die bei t_s,min auftretenden Phasenverschiebungen die Werte ϕ_min,j = 239,71° und ϕ_min,k = 119,68°.

Werden bei einer anschließenden Messung der Schallaufzeit z. B. Phasenverschiebungen von ϕ_g,j = 336,47° und ϕ_g,k = 46,11° gemessen, so ergeben sich durch das Einsetzen von ϕ_g,j in die Gleichung (5) folgende theoretisch möglichen Phasenverschiebungen ϕ_t,k:

Δij = 0: ϕt,k = 226,11°	Δij = 5: ϕt,k = 46,11°
Δij = 1: ϕt,k = 262,11°	Δij = 6: ϕt,k = 82,11°
Δij = 2: ϕt,k = 298,11°	Δij = 7: ϕt,k = 118,11°
Δij = 3: ϕt,k = 334,11°	Δij = 8: ϕt,k = 154,11°
Δij = 4: ϕt,k = 10,11°	Δij = 9: ϕt,k = 190,11°

Da jede reale Messung mit einem Meßfehler behaftet ist, wurde die Bedingung (6) in die Bedingung (8) abgewandelt. In unserem Beispiel ist Δϕ_k = 36°. Es werden also ϕ_g,j und ϕ_g,k als übereinstimmend angesehen, wenn die Bedingung

ϕ_t,k - 18° < ϕ_g,k ≦ ϕ_t,k + 18°

erfüllt ist. Um zu gewährleisten, daß damit der jeweils zutreffende Wert für Δi_j ermittelt wird, müssen an die Genauigkeit, mit der die Phasenwinkel ϕ_g,j und ϕ_g,k gemessen werden, die sich aus (9) und (10) ergebenden Forderungen

ϕ_g,j - 8,18° ≦ ϕ_w,j ≦ ϕ_g,j + 8,18°

und

ϕ_g,k - 9° ≦ ϕ_w,k ≦ ϕ_g,k + 9°

gestellt werden.

Ein Vergleich dieser theoretischen Werte mit der gemessenen Phasenverschiebung ϕ_g,k er­ gibt, daß die Bedingung (6) für Δi_j = 5 erfüllt ist. Bei einer gedachten Veränderung der Schallaufzeit von t_s auf t_s,min treten also 5 Phasenwinkelsprünge zwischen 0° und 360° auf. Aus der Gleichung (7) ergibt sich damit eine Schallaufzeit von t_s = 21,94 µs.

Schallaufzeit von t_s auf t_s,min treten also 5 Phasenwinkelsprünge zwische 0° und 360° auf. Aus der Gleichung (7) ergibt sich damit eine Schallaufzeit von t_s = 21,94 µs.

Bei einer Realisierung der vorgeschlagenen Verfahrensanordnung ist die Steuer- und Aus­ werteeinheit 1 in der Regel ein Computer. Zur Erzeugung des Sende- und Referenzsignals kann ein von diesem steuerbarer analoger oder digitaler Signalgenerator, als Sendeeinheit 2 bezeichnet, verwendet werden. Um die Bildung von stehenden Wellen zu vermeiden sowie eine Meßwertverfälschung durch ein eventuelles Entstehen eines Übersprech- und Körperschallsignals zu verhindern, ist es erforderlich, statt eines kontinuierlichen ein quasikontinuierliches, aus einzelnen Bursts bestehendes, Sendesignal zu verwenden. Das sind Schwingungspakete, die aus mehreren Schwingungen einer bestimmten Grundfrequenz bestehen. Diese müssen wenigstens so lang sein, daß die Schwingfrequenz des durch sie angeregten Sendewandlers einen stationären Zustand erreicht. Die Bezeichnung quasikon­ tinuierlich wurde gewählt, weil die endliche Größe der Bursts für die Signalauswertung ohne Bedeutung ist. Wird eine hohe Sendeleistung benötigt, so kann eine Verstärkung des Sendesignals durch einen Sendesignalverstärker erforderlich sein. Als Schallsender und Schallempfänger eines Schallsensors 3 eignen sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders piezokeramische Schallwandler, da sie ein sehr schmalbandiges Über­ tragungsverhalten aufweisen und zusätzlich auch besonders robust sind. Das von dem Schallsensor 3 an die Empfangseinheit 4 gelieferte Empfangssignal muß vor allem bei einer starken Schalldämpfung in dem zu messenden Medium durch einen Empfangssignal­ verstärker verstärkt werden. Um die Auswertbarkeit des Empfangssignals auch bei einer sehr hohen Signalverstärkung von z. B. 110 dB zu gewährleisten, muß er ein sehr gutes Sig­ nal-Rausch-Verhältnis aufweisen. Anschließend werden das Empfangssignal und das direkt von der Sendeeinheit 2 kommende Referenzsignal entweder durch zwei synchronisierte A/D-Wandler parallel digitalisiert, oder es wird durch eine Zähleinrichtung direkt die Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Signalen ermittelt. Ist dieser Vorgang auch für die zweite Frequenz abgeschlossen, so kann der Computer aus den erhaltenen Meßwerten die Schallaufzeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermitteln und auf einem Display oder über eine analoge oder digitale Schnittstelle ausgeben.

Claims (4)

1. Verfahren zur Messung der Laufzeit von Schallwellen, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß einem ersten Verfahrensschritt von einem Schallsensor (3) zwei Schallsignale unterschiedlicher Frequenz (f₁, f₂) nacheinander abgestrahlt und wieder empfangen werden, wobei die Empfangssignale gegenüber dem jeweils zugehörigen Sendesignal eine Phasenverschiebung besitzen, daß gemäß einem zweiten Verfahrensschritt beim Senden der zeitliche Abstand zwischen den beiden Sendesignalen und damit der zeitliche Abstand zwischen den Messungen der beiden Phasenverschiebungen so gering vorgegeben ist, daß die Laufzeitänderung während dieser zwei Meßvorgänge als konstant angesehen werden kann, daß gemäß einem dritten Verfahrenssschritt für jede der beiden Frequenzen die Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und dem Zugehörigen Empfangssignal bestimmt wird und daß daraus die Laufzeitänderung des Schalls gegenüber einer Bezugslaufzeit innerhalb bestimmt vorgegebener Grenzen berechnet wird, wobei sich diese Grenzen aus der Differenzfrequenz von f₁ und f₂ sowie einer wählbaren minimalen bzw. maximalen Laufzeit ergeben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für beide Frequenzen die der Bezugslaufzeit entsprechende Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem zugehörigen Empfangssignal bekannt ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Sende­ einheit (2) Sendesignale unterschiedlicher Frequenz erzeugt, die aus kurzen Schwin­ gungspaketen (Bursts) bestehen, die wenigstens so lang sein müssen, daß die Fre­ quenz der vom Schallsensor (3) abgestrahlten Schallwellenzüge einen stationären Zustand erreicht.

4. Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus einer Steuer- und Auswerteeinheit (1), einem Schallsensor (3) sowie einer Sendeeinheit (2) und einer Empfangseinheit (4) besteht.