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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät und eine Methode zur Reduktion
von systematischem Rauschen in elektronischen Systemen.
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Im
Besonderen bezieht sich die Erfindung auf elektronische Systeme
mit Analogkomponenten, die besonders empfindlich für Rauschen
sind. Analogkomponenten werden in Schaltungen zur Messung und Überwachung
von Parametern wie Temperatur, Zeit und Gasströmen verwendet. Für genaue Messungen
ist es daher wünschenswert,
Störungen durch
Rauschquellen zu minimieren.
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Beim
Rauschen kann es sich entweder um weißes oder systematisches (nicht
zufälliges)
Rauschen handeln. Weißes
Rauschen ist hauptsächlich auf
thermische Effekte von Widerstandselementen in elektrischen Schaltungen
zurückzuführen. Andere Arten
von weißem
Rauschen sind Schrotrauschen und 1/f-Rauschen (oder Chrominanzrauschen).
Weißes
Rauschen kann durch sorgfältige
Auswahl der Komponenten und die Gestaltung des Analogschaltkreises,
wie etwa Führung
und Entkopplung der Spannungszufuhr oder Anwendung von Einpunkterdung,
minimiert werden. Hinzu kommt noch, dass die Effekte des weißen Rauschens
durch Mehrfachmessung des Parameters von Interesse gemittelt werden können.
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Störungen hervorgerufen
durch definierte Ereignisse wie das Schalten digitaler Schaltkreise
verursachen systematische Rauscheffekte. In vielen Schaltkreisen
ist die Hauptquelle für
derartige definierte Ereignisse der Systemtakt. Wenn ein mit Hintergrundrauschen
behaftetes digitales Signal oder der Systemtakt die Messung des
Parameters auslöst,
kann der Effekt des systematischen Rauschens nicht durch Mehrfachmessungen
gemittelt werden.
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Schaltungen,
die sowohl Analog- als auch Digitalkomponenten enthalten, werden
als Mixed-Signal-Schaltungen bezeichnet. Viele elektronische Anwendungen,
insbesondere Anwendungen mit Microcontrollern, nutzen Mixed-Signal-Schaltungen
wie zum Beispiel Anwendungsspezifische Integrierte Schaltungen (ASICs).
Systeme, in denen Mixed-Signal-Schaltungen eingesetzt werden, sind
systematischen Störungen
gegenüber
besonders empfindlich.
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In
Mixed-Signal-ASICs verursachen Digitalkomponenten Störungsströme im ASIC-Träger, der wiederum
mit den empfindlichen Analogkomponenten, die für die Auswertung des Signals
von Interesse verwendet werden, gekoppelt ist.
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Mixed-Signal-ASICs
werden zur Durchflussmessung verwendet. Die Flugzeit (TOF) des Signals, zum
Beispiel eines Ultraschallsignals, wird mit dem Systemtakt, einer
Digitalkomponente, gemessen. Wenn das empfangene Signal mit Rauschen
behaftet ist, werden sowohl die Flugzeitmessung als auch die Messgerätegenauigkeit
davon beeinträchtigt.
Dies trifft besonders auf Ultraschalldurchflussmesseranwendungen
zu, wo das Signal stark durch das Gas im Messrohr gedämpft wird,
was zu einem schlechten Verhältnis
von Signal zu Rauschen führt.
Wie überall, so
kann auch hier der Einfluss von weißem Rauschen durch Mittelwertbildung
bei regelmäßig durchgeführten Durchflussmessungen
aufgehoben werden. Bei systematischem Rauschen, welches zum Beispiel
durch die Taktimpulsflanken des Systemtakts verursacht wird, kann
nicht ausmittelt werden, und die Störung kann nur durch besondere
Schritte reduziert werden.
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Die
Analog- und Digitalkomponenten eines Mixed-Signal-ASIC können nicht
getrennt werden. Änderungen
des äußeren Stromkreises
können
die Systemleistung bei systematischen Störungen verbessern, doch ist
dies nicht in allen Fällen
möglich. Kann
eine Verbesserung der Systemleistung durch Änderung des äußeren Stromkreises
nicht erreicht werden, so muss teure und zeitraubende Umgestaltung
des ASIC in Betracht gezogen werden. Bedingt durch die Komplexität der Mixed-Signal-ASICs
kann nicht garantiert werden, dass das Problem der systematischen
Störung
durch Umgestaltung des ASIC gelöst
wird. Das Verhältnis
von Signal zu Rauschen des umgestalteten ASIC kann immer noch zu
niedrig sein, um die Messungen bedeutungsvoll zu machen.
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GB 2080530A bezieht
sich auf ein Messsystem zur Flugzeitmessung von Messimpulsen, in
dem die Übertragung
von Signalen verzögert
ist, um die Wahrscheinlichkeit des Zusammentreffens mit dem Empfang
eines Messsignals zu reduzieren. In diesem System ist die Frequenz
der Übertragung
veränderlich.
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EP 0 713 080 A1 legt
eine Methode und ein Gerät
zur Messung einer Flüssigkeitsgeschwindigkeit
offen, wobei zwei Sende-Empfänger
abwechselnd Sender und Empfänger
sind, um so die Aussendung eines Impulses während des Empfangs eines vorangehenden
Impulses zu verhindern.
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US 5,956,290 A1 legt
ein einen Delay-Locked Loop offen, der eine variable Verzögerung enthält, die
einen Referenztakt empfängt
und einen zweiten Takt nach einer kontrollierten Verzögerungszeit
aussendet.
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Idealerweise
wird ein Gerät
angeboten, welches das systematische Rauschen in Mixed-Signal-Messschaltungen
reduziert, und so die Gestaltung von ASICs weniger kritisch macht,
sowie die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Behebens von systematischem
Rauschen erhöht.
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Es
ist daher das Ziel dieser Erfindung, bei Anwendung auf ein Messgerät das Messsignal
im Verhältnis
zur Fixed-Clock zu verschieben, um den Einfluss der systematischen
Störung
durch die Fixed-Clock zu reduzieren, indem Mehrfachmessungen durchgeführt und
diese gemittelt werden.
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Ein
weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, das Signal von Interesse
im Verhältnis
zur Fixed-Clock zu verschieben, um die systematische Störung durch die
Fixed-Clock durch Vorhersage des Zusammenfallens eines bestimmten
Signals mit dem systematischen Rauschen zu reduzieren.
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Bei
der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein elektronisches
Messgerät
zur Messung der Dauer einer Übertragung
von Messsignalen zwischen einem ersten und zweiten Transducer; das Messgerät beinhaltet:
einen ersten Takt, der im wesentlichen mit einer konstanten Frequenz
erfolgt; und einen zweiten Takt, der mit einer höheren Frequenz als der erste
Takt erfolgt; wobei das Gerät
zur Übertragung
von Messsignalen, die mit einer ersten Taktimpulsflanke zusammentreffen,
fähig ist;
ausgezeichnet durch ein Verzögerungsmittel,
das zur Verzögerung
einer Signalübertragung
zwischen aufeinanderfolgenden Übertragungen
fähig ist,
wobei die Verzögerungszeiten
mit Bezug auf die zweite Taktfrequenz bestimmt werden, wodurch der
Effekt des Zusammenfallens des Empfangs eines Signals mit einer
nachfolgenden ersten Taktimpulsflanke reduziert wird.
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Vorzugsweise
enthält
das Messgerät
einen ersten Transducer, der ein erstes Messsignal übermittelt,
dessen Übertragung
mit einer bestimmten Taktimpulsflanke des ersten Takts zusammenfällt; und
einen zweiten Transducer, der das erste Messsignal empfangt. Der
zweite Transducer kann ein zweites Messsignal übermitteln und der erste Transducer wiederum
kann das zweite Messsignal empfangen.
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Zweckmäßigerweise
wird eine Vielzahl weiterer erster Messsignale und weiterer zweiter
Messsignale zwischen dem ersten und zweiten Transducer übertragen.
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Es
wird bevorzugt, dass der erste Transducer und der zweite Transducer
beide Ultraschalltransducer sind, und dass die gemessene Flugzeit die
Flugzeit eines bestimmten Signals durch ein Medium von einem zum
anderen Transducer ist. Das Medium ist vorzugsweise ein Gas.
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Das
Verzögerungsmittel
verzögert
zweckmäßigerweise
die aufeinanderfolgende Übertragung von
mindestens einem Messsignal in einer vorbestimmten Sequenz von Verzögerungen,
um zu verhindern, dass mindestens ein Messsignal im wesentlichen
zur selben Zeit wie die erste Taktimpulsflanke empfangen wird.
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Eine
bevorzugte Sequenz von Verzögerungen
beginnt mit einer Mindestanzahl von zweiten Taktperioden, wobei
dann die Anzahl der zweiten Taktperioden um eine erste Ganzzahl
der zweiten Taktperioden für
jede weitere Messung inkrementiert wird, bis die Verzögerungen
eine Höchstzahl
von zweiten Taktperioden erreicht, woraufhin die Verzögerung der
darauffolgenden Flugzeitmessung um eine zweite Ganzzahl der zweiten
Taktperiode für jede
weitere Messung dekrementiert wird, bis die Verzögerung die Mindestanzahl von
zweiten Taktperioden erreicht.
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Vorzugsweise
ist die erste Ganzzahl eine Eins und die zweite Ganzzahl ebenfalls
eine Eins. Die Mindestanzahl der zweiten Taktperioden ist zweckmäßigerweise
Null. Die maximale Anzahl der zweiten Taktperioden enthält zweckmäßigerweise Sieben
und Sechzehn.
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Das
Verzögerungsmittel
kann zweckmäßigerweise
verhindern, dass ein bestimmtes Messsignal übertragen wird, wenn das bestimmte
Messsignal zur selben Zeit wie eine beliebige erste Taktimpulsflanke
eingehen würde.
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Vorzugsweise
verhindert das Verzögerungsmittel
die Übertragung
eines bestimmten Messsignals, indem es eine Verzögerung einer vorbestimmten
Anzahl von zweiten Taktperioden bei der Übertragung des bestimmten Messsignals
erzwingt.
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Des
weiteren beinhaltet das elektronische Messgerät zweckmäßigerweise einen Microcontroller,
der das Verzögerungsmittel
steuert, wobei der Microcontroller berechnet, wann ein empfangenes
Signal mit einer ersten Taktimpulsflanke zusammentreffen wird, und
verzögert
somit die Übertragung
um eine Anzahl von zweiten Taktperioden, wobei die Verzögerung ein
Zusammentreffen des Messsignals mit der besagten ersten Taktimpulsflanke
verhindert.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist, dass sie eine Methode liefert
zum Betrieb eines elektronischen Instruments, das ein Messgerät umfasst,
das zum Messen der Dauer von Messsignalen zwischen einem ersten
und zweiten Transducer fähig
ist, das einen ersten Takt beinhaltet, der mit einer im wesentlichen
konstantren Frequenz erfolgt; und einen zweiten Takt, der mit einer
höheren
Frequenz als der erste Takt erfolgt; wobei das Gerät zur Übertragung
von Messsignalen, die mit einer ersten Taktimpulsflanke zusammentreffen,
fähig ist
und ein Verzögerungsmittel
vorhanden ist, das zur Verzögerung
einer Signalübertragung
zwischen aufeinanderfolgenden Übertragungen
fähig ist,
wobei die Verzögerungszeiten bezüglich der
zweiten Taktfrequenz bestimmt werden. Diese Methode besteht aus
folgenden Schritten:
Übertragung
der Messsignale mit einer vorbestimmten Verzögerung; und Empfang der Messsignale;
wobei die vorbestimmte Verzögerung
dazu fähig
ist, den Empfang von mindestens einem Messsignal zu einem anderen
Zeitpunkt als dem Zeitpunkt, an dem die erste Taktimpulsflanke vorhanden
ist, zu verzögern.
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Vorzugsweise
besteht die vorbestimmte Verzögerung
aus einer Verzögerung
einer vorbestimmten Anzahl von zweiten Taktperioden.
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Vorzugsweise
beginnt die vorbestimmte Anzahl von zweiten Taktperioden mit einer
Mindestanzahl von zweiten Taktperioden, wobei die Anzahl der zweiten
Taktperioden, um die die Übertragung
verzögert
wird, anschließend
um eine erste Ganzzahl der zweiten Taktperioden für jede weitere
Messung inkrementiert wird, bis die Verzögerung eine Höchstanzahl von
zweiten Taktperioden erreicht, woraufhin die Verzögerung der
darauffolgenden Flugzeitmessungen um eine Ganzzahl der zweiten Taktperioden
für jede weitere
Messung dekrementiert wird, bis die Verzögerung die Mindestanzahl von
zweiten Taktperioden erreicht.
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Vorzugsweise
ist die erste Ganzzahl Eins und auch die zweite Ganzzahl Eins. Zweckmäßigerweise
ist die Anzahl an zweiten Taktperioden Null. Die bevorzugte maximale
Anzahl an zweiten Taktperioden enthält Sieben und Sechzehn.
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Die
vorbestimmte Verzögerung
zweckmäßigerweise
verhindert, dass ein bestimmtes Messsignal übertragen wird, wenn das bestimmte
Messsignal zur selben Zeit wie eine beliebige erste Taktimpulsflanke
eingehen würde.
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Vorzugsweise
verhindert die vorbestimmte Verzögerung
die Übertragung
eines bestimmten Messsignals, indem es eine Verzögerung einer vorbestimmten
Anzahl von zweiten Taktperioden bei der Übertragung des bestimmten Messsignals
erzwingt. Besser noch, die vorbestimmte Verzögerung wird ermittelt durch
Berechnung der Gelegenheiten, wenn ein empfangenes Signal mit der
ersten Taktimpulsflanke zusammentrifft, und Nutzen der Berechnung zur
Bestimmung der Verzögerung,
um die die Übertragung
verzögert
wird, um zu verhindern, dass das Messsignal zusammen mit der ersten
Taktimpulsflanke eingeht.
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Zweckmäßigerweise
wird das elektronische Messgerät
in einem Gasmengenmesser angeboten.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird sich, nur als Beispiel, auf die
beiliegenden Zeichnungen bezogen: 1 zeigt
ein Ultraschalldurchflussmengenmesssystem, auf welches die vorliegende
Anwendung zutrifft;
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2 zeigt
das Zusammentreffen von Signaltakt und Subclock-Taktimpulsflanke,
welches die vorliegende Erfindung zu verhindern sucht; und
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3 ist
ein Diagramm, welches eine Methode zur Verzögerung der Übertragung des Signals, welche
in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt, illustriert.
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Die
Anwendung der vorliegenden Erfindung auf ein Ultraschalldurchflussmengenmesssystem kann
in folgender Darstellung gesehen werden.
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1 zeigt
ein Ultraschalldurchflussmengenmesssystem, auf welches die vorliegende
Erfindung zutrifft. In einem Ultraschalldurchflussmessgerät 120 befindet
sich ein Messrohr 138 mit einem Ultraschalltransducer an
jedem Ende 132, 134. Die Transducer 132, 134 wechseln
zwischen Übertragen und
Empfangen. Um den Durchfluss in einem Medium 136 zu messen,
sendet der erste Transducer 132 ein Signal, welches vom
zweiten Transducer 134 empfangen wird, und die Flugzeit
(TOF) wird mit Hilfe des Systemtakts 124 bestimmt. Danach
sendet der zweite Transducer 134 ein Signal, welches vom
ersten Transducer 132 empfangen wird. Das Übertragungsmuster
wird kontinuierlich wiederholt. Im Verlaufe der Zeit werden die
Effekte des weißen
Rauschens auf die Flugzeitmessung ausgemittelt. Wenn die Weglänge und
der Querschnitt des Messrohrs genau bekannt sind, kann die Durchflussmenge
aus den Flugzeitmessungen berechnet werden.
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Um
die Flugzeit genau zu messen, wird ein 32.768 Hz (32 kHz) Uhrquarz
verwendet, um einen stabilen Takt (oder Subclock) zu generieren 122.
Um jedoch die benötigte
zeitliche Auflösung
dieses Subclock-Signals zu erhalten, muss es mit Hilfe eines phasengekoppelten
Regelkreises 124 (PLL) auf 2,097 MHZ (die Haupttaktfrequenz)
multipliziert werden.
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Ein
konventionelles Messgerät
erzeugt ein Signal „FEUER", welches den relevanten
Transducer dazu anstößt, ein
Signal zu übermitteln.
Das FEUER-Signal wird zusammen mit der 32 kHz Subclock-Flanke übertragen.
Wenn auch das empfangene Signal mit einer 32 kHz Subclock-Flanke
zusammenfällt,
kann systematische Störung
auftreten. Diese Art der systematischen Störung hat sich bei Gasmengenmessern,
die Mixed-Signal-ASICs benutzen, als Problem erwiesen.
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2 zeigt
zwei Wellenformen, die dieses Problem und die erfinderische Lösung illustrieren. Die
obere Wellenform 202 ist das Signal vom Transducer und
die untere Wellenform 206 das rauschende Subclock-Signal.
Wenn eine Subclock-Flanke 208 zur selben Zeit wie ein Signalimpuls 204 auftritt,
kann dies, wie dargestellt, das Signal schädigen.
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Bedenken
Sie nun die Situation, wenn die Subclock gleichmäßig ist; wenn das Übertragungssignal
(das FEUER-Signal) verschoben wird und damit der Signalimpuls 204 in
Richtung der Pfeile 210, zwischen „A" und „B", verschoben wird, dann wird der Einfluss
der Subclock-Flanke 208 verringert.
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Daher
wird im Durchflussmesserbeispiel der Erfindung das FEUER-Signal
zeitlich mit Bezug auf die Subclock verschoben, was wiederum ermöglicht, dass
das empfangene Signal vom systematischen Rauschen wegbewegt wird.
Eine geeignete Referenz für
den Verschiebungsbetrag kann ein Ein- oder Mehrfaches der Haupttaktperiode
sein. So könnte zum
Beispiel das FEUER-Signal um eine Haupttaktperiode nach der Subclock-Flanke
verzögert
werden.
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Variable
Verzögerung
ist von geringem Nutzen, wenn das verzögerte FEUER-Signal immer noch dazu führt, dass
das empfangene Signal mit einer Taktflanke zusammenfällt. Um
diese Schwierigkeit zu umgehen, kann eine von zwei Methoden angenommen
werden.
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Bei
der ersten Methode kann das FEUER-Signal in umlaufender Art verschoben
werden. Bei einem variablen Verschiebungsbetrag (entweder zufällig oder
inkrementell zwischen aufeinanderfolgenden Messungen) kann das empfangene
Signal nicht für alle
Messungen mit systematischem Rauschen zusammenfallen. Damit wird
der Effekt des Rauschens reduziert. Je größer die Variation der Verschiebung ist,
um so geringer sollte der Einfluss sein.
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Bedenken
Sie beispielsweise die umlaufende Verschiebung von sieben Perioden,
gezeigt in 3. Hier inkrementiert der Verschiebungsbetrag bis
Sieben und dekrementiert dann bis Null. Dann wird der Prozess wiederholt.
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Dies
ist sicherlich nur ein Beispiel aus vielen möglichen geeigneten Verschiebungsmustern.
Dadurch, dass sich das Signal, in einer Anzahl von Schritten, bewegen
kann, und bei jedem Schritt eine Messung durchgeführt wird,
können
die Effekte der Subclock-Flanken durch Ausmitteln reduziert werden.
Es versteht sich, dass maximale und minimale Verschiebung, Größe der Inkremente
und sogar das Anwendungsmuster der Inkremente vorbestimmt werden,
so dass eine Reihe von Verzögerungen
im Verlaufe eines jeden Rotationszyklus auftritt. Die minimale erzwungene
Verzögerung
des Messsignals ist nicht unbedingt Null, und die maximale Verzögerung ist
nicht auf Sieben beschränkt
(ein anderer gebräuchlicher
Wert ist Sechzehn). Die Inkremente müssen nicht einzelne Taktperioden
sein; Inkremente können
genauso gut zwei oder drei Taktperioden sein. Die Inkrementierung
muss nicht bei allen aufeinanderfolgenden Messungen erfolgen: zum
Beispiel können
drei aufeinanderfolgende Messungen durchgeführt werden, bevor die Verzögerung inkrementiert wird.
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Für jede Messung
wird die Übertragung
des Signals um ein ganzzahliges Vielfaches der Haupttaktperiode
(2,097 MHZz, d. h. 477 ns) verzögert. Diese
Verzögerung
wird über
viele Messungen variiert und die Effekte der systematischen Störungen werden
auf ein akzeptables Niveau gemittelt. Die Verzögerung wird bis zur maximalen
Anzahl an Haupttaktperioden inkrementiert, und dann zurück auf Null
dekrementiert. Danach wiederholt sich der Prozess.
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Mit
dieser umlaufenden Verschiebungsmethode muss das Durchflussmessgerät nicht
wissen, wo die Taktflanken sind. Unter stationären Bedingungen für Temperatur und
Fluss bewegt sich das empfangene Signal relativ zu den Subclock-Flanken;
die systematische Störung
durch die Subclock wird über mehrere
Messungen reduziert. Die Verschiebungsschritte und der Verschiebungsbereich
können
geändert
werden, um die systematischen Effekte auf ein akzeptables Niveau
zu reduzieren.
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Bei
der zweiten Methode muss bekannt sein, wo die Taktflanken sind und
sie verhindert, dass das empfangene Signal mit den Taktflanken zusammenfällt.
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Im
Allgemeinen haben Messsysteme Microcontroller für eine Vielzahl von Steuerzwecken.
Systeme mit Microcontroller können
programmiert werden, den Haupttakt für die Verzögerung des FEUER-Signals zu
verwenden, und die Flugzeit zu messen. Derartige Systeme können berechnen,
wann es wahrscheinlich ist, dass ein empfangenes Signal mit systematischem
Rauschen, wie einer Subclock-Flanke, zusammenfällt, und daher die Signalverzögerung entsprechend ändern. Aus
kürzlich
gemachten Flugzeitmessungen kann eine Flugzeitabschätzung generiert
werden. Wenn diese Schätzung
nahe genug an einem Vielfachen der Halbperiode der Subclock (wenn
die Taktflanke auftritt) liegt, wird eine ausreichende Übertragungsverzögerung erzwungen.
Wieder mit Bezug auf 2, durch wirksame Verschiebung
des Signals zu Positionen „A" oder „B" kann das Zusammenfallen
mit einer Subclock-Flanke 208 verhindert werden. Es ist
daher möglich,
systematische Störungen
in einer Messung zu vermeiden, unter der Bedingung, dass systematisches
Rauschen auf eine Quelle beschränkt
ist (Subclock-Signal oder eine Harmonische des Haupttaktsignals).
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Dies
ist ein Weg, systematische Störungen
in Mixed-Signal-ASICs zu überwinden
oder wenigstens zu reduzieren.
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Wenn
die Übertragungsverzögerung von
einem Microcontroller gesteuert wird, ist damit die Verzögerung bekannt
und es kann dafür
bei der Flugzeitmessung kompensiert werde, egal, ob die Methode der
umlaufenden Verschiebung oder die des Vermeidens der Taktflanken
angewendet wird.
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Es
versteht sich, dass, obwohl sich die vorstehende Abhandlung auf
Mixed-Signal Anwendungsspezifische Integrierte Schaltungen bezieht, die
Erfindung gleichermaßen
auf andere Arten von Mixed-Signal-Schaltungen, die das Problem systematischen
Rauschens teilen, angewendet werden kann.
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Obwohl
obige Abhandlung Ultraschallgasdurchflussmessgeräte betrachtet, ist sie nicht
auf die alleinige Anwendung für
Gasdurchflussmesser beschränkt.
Die beschriebene Methode kann genauso gut auf Messungen von Flüssigkeitsströmen, egal
ob flüssig
oder gasförmig,
im allgemeinen angewendet werden. In gleicher Weise ist die Anzahl
der Transducer nicht auf zwei Transducer oder auf Ultraschalltransducer
alleine beschränkt.
Die vorliegende Erfindung ist relevant für alle Messungen mit konventionellen
Transducer, egal, ob es sich um elektromagnetische (z. B. RF, infrarot,
optisch) oder Ultraschalltransducer handelt. In der Tat werden verschiedene Arten
von Transducer zur Durchflussmessung bei unterschiedlichen Temperaturbereichen
und Flussbedingungen ausgewählt.