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Die
Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungssensor gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Kompensation der Drift
eines Ultraschall-Strömungssensor
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 10.
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Ultraschall-Strömungssensoren
dienen insbesondere dazu, den Volumen- oder Massenstrom eines gasförmigen oder
flüssigen
Mediums zu messen, das durch eine Rohrleitung strömt. Ein
aus dem stand der Technik bekannter Typ von Ultraschall-Strömungssensoren
umfasst zwei gegenüberliegende,
in Strömungsrichtung
versetzt angeordnete Ultraschallwandler, die Ultraschallsignale
erzeugen und diese an den jeweils anderen Ultraschallwandler aussenden.
Die Ultraschallsignale werden vom jeweils anderen Wandler empfangen
und mittels einer Elektronik ausgewertet. Der Laufzeitunterschied
zwischen dem Signal in Strömungsrichtung
und dem Signal in Gegenrichtung ist dabei ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids
(bei bekanntem Druck und bekannter Temperatur). Daraus kann die gewünschte Messgröße, wie
z.B. ein Volumen- oder Massestrom
berechnet werden.
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1 zeigt eine typische Anordnung
eines bekannten Ultraschall-Strömungssensors
mit zwei Ultraschallwandlern A, B, die innerhalb einer Rohrleitung 11 angeordnet
sind und sich in einem Abstand L gegenüber stehen. In der Rohrleitung 11 strömt ein Fluid 12 mit
einer Geschwindigkeit v in Richtung des Pfeils. Die Messstrecke
L ist gegenüber
der Strömungsrichtung
um einen Winkel α geneigt.
Während einer
Messung senden sich die Ultraschallwandler A, B gegenseitig Ultraschallsignale
zu, die je nach Richtung der Strömung
entweder verlangsamt oder beschleunigt werden. Die Laufzeiten der
Schallsignale sind dabei ein Maß für die zu
bestimmende Strömungsgeschwindigkeit.
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2 zeigt eine stark vereinfachte
schematische Darstellung des Ultraschall-Strömungssensors 10 von 1 mit zugehöriger Steuer-
und Auswerteelektronik 6. Die Anordnung umfasst zwei Endstufen 1a, 1b eines
Taktgenerators 7, die jeweils ein Erregersignal erzeugen,
mit dem die Ultraschallwandler A, B angeregt werden. Bei den Ultraschallwandlern A,
B handelt es sich hier um Piezo-elektrische Elemente, die bei elektrischer
Anregung jeweils Ultraschall-Wellenpakete 2a, 2b erzeugen,
die sich über das
Medium 12 zum jeweils gegenüber liegenden Ultraschallwandler
B, A ausbreiten und dort wieder in ein elektrisches Signal gewandelt
werden.
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Das
von den Ultraschallwandlern A, B erzeugte elektrische Empfangssignal
wird mittels eines Analog/Digital-Wandlers (ADC) 3a bzw. 3b in
ein digitales Signal gewandelt und einer Auswerteelektronik 4a bzw. 4b zugeführt, die
anhand einer Zeit- oder Phasenmessung die Laufzeiten tA,
tB der Ultraschallsignale bestimmt. Wird
zusätzlich
der Fluiddruck p mit einem Drucksensor gemessen, kann z.B. die Massenstromrate
m in guter Näherung
als m ∼ p
(tA – tB) bestimmt werden.
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Das
Messergebnis des Strömungssensors 10 ist
i. d. R. abhängig
von verschiedenen Einflussgrößen, insbesondere
der Temperatur, Alterung, Kontamination, etc. und driftet über die
Lebensdauer des Sensors. Die Umgebungsbedingungen der Messstrecke
sind üblicherweise
an beiden Ultraschallwandlern A, B identisch. Beide Wandler A, B zeigen
daher üblicherweise
etwa den gleichen Offset, der durch eine spezielle Auswertung der
Signallaufzeiten tA, tB,
nämlich
durch Differenzbildung (tA – tB bzw. 1/tA – 1/tB) herausgerechnet werden kann. Diese auf
der Reziprozität
des Ultraschall-Strömungssensors
beruhende Driftkompensation ist jedoch nur bei absolut symmetrischer
Drift der beiden Wandler erfolgreich. Bei unsymmetrischer Drift
der Wandler zeigt das Messergebnis einen Offset-Fehler.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Offset-Fehler
eines Ultraschall-Strömungssensors
in möglichst
einfacher Weise zu kompensieren.
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Gelöst wird
diese Aufgabe gemäß der Erfindung
durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 10 angegebenen
Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
von Unteransprüchen.
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Ein
wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, im Sendebetrieb
des Ultraschallwandlers eine elektrische Betriebsgröße, wie
z.B. eine am Ultraschallwandler abfallende Spannung, oder den Betriebsstrom
des Wandlers zu messen und auszuwerten, und auf Basis der gemessenen
elektrischen Betriebsgröße den Offsetfehler
des Strömungssensors zu
bestimmen. Der so ermittelte Offset-Fehler kann dann bei der Laufzeitmessung
berücksichtigt
werden. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass der Offset-Fehler
allein durch Messung einer zusätzlichen elektrischen
Betriebsgröße an wenigstens
einem der Ultraschallwandler und nachfolgender Auswertung des Messsignals
in einfacher Weise bestimmt und entsprechend kompensiert werden
kann. Die Messung der zusätzlichen
elektrischen Betriebsgröße erfolgt
im Sendebetrieb des Ultraschallwandlers.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird der am Ultraschallwandler anliegende Strom und/oder
die am Wandler abfallende Spannung gemessen und aus dem Messsignal
eine Korrekturgröße abgeleitet,
die zur Kompensation der Drift des Ultraschallsensors herangezogen
wird. Aus dem elektrischen Messsignal der Betriebsgröße (U, I) kann
beispielsweise eine Information über
die Phase des Signals gegenüber
einem Referenzsignal (z.B. einem Erregertakt), eine Information über die
Amplitude oder die Periodendauer des Messsignals oder eine Information über eine
Impedanzgröße (z.B.
den Leitwert) des Ultraschallwandlers ermittelt werden. Jede dieser
Eigenschaften des Messsignals ist dabei ein Maß für die Drift bzw. den Offset-Fehler
des Ultraschall-Strömungssensors,
da sich der Verlauf der elektrischen Betriebsgröße (U, I) mit der Drift ändert. Ein
gealterter Sensor zeigt beispielsweise eine andere Phasenverschiebung
des Messsignals gegenüber einem
Erregertakt als ein neuer Sensor. Die Abhängigkeit der Sensordrift von
der Signaleigenschaft (z.B. der Phase) des Messsignals muss in Labortests bestimmt
und in der Sensoranordnung hinterlegt werden. Die Auswerteelektronik
ist somit in der Lage, die Drift zu kompensieren.
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Vorzugsweise
wird nur eine einzige Korrekturgröße, wie z.B. die Phasenlage
des zusätzlich
gemessenen elektrischen Signals bestimmt. Wahlweise könnten aber
auch mehrere Korrekturgrößen bestimmt
werden, um die Genauigkeit der Drift-Kompensation zu erhöhen.
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Grundlage
für die
Driftkompensation kann entweder eine bestimmte Eigenschaft des Messsignals
(z.B. Phase, Amplitude, etc.) oder die zeitliche Änderung
dieser Eigenschaft sein. Gemäß einer
speziellen Ausführungsform
der Erfindung wird beispielsweise die zeitliche Änderung der Phase oder der
Amplitude des elektrischen Signals bestimmt und daraus der Offset-Fehler
ermittelt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird die Messung der zusätzlichen elektrischen Betriebsgröße nur bei
einer einzigen Frequenz des Erregersignals (das den Ultraschallwandler
zur Schwingung anregt) gemessen. Der Offset-Fehler kann genauer
bestimmt werden, wenn das Messsignal bei mehreren unterschiedlichen
Erregerfrequenzen gemessen wird. Dies ist jedoch aufwendiger und
nicht unbedingt erforderlich.
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Der
Offset-Fehler kann mathematisch in unterschiedlicher Form in Abhängigkeit
von der Korrekturgröße dargestellt
werden. Eine Möglichkeit
ist beispielsweise die Darstellung als lineare Funktion, da sich
die Schwingungseigenschaften des Ultraschallwandlers bei typischen
mechanischen oder thermischen Belastungen linear verändern. Für den Offset-Fehler
K kann beispielsweise folgende lineare Funktion angesetzt werden: K ∼ c1
+ c2(phiA-phiB)
+ c3(tA + tB).
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Dabei
sind c1, c2 und c3 Konstanten, die z.B. in mechanischen, thermischen
und elektrischen Belastungstests sowie Temperaturmessungen experimentell
ermittelt werden können.
Die Größe phi ist die
Phasendifferenz des Messsignals gegenüber einem Erregertakt und t
die Laufzeit der Ultraschallsignale im Medium.
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Die
Elektronik des Strömungssensors
führt vorzugsweise
eine Temperaturkompensation durch. Die Temperaturkompensation erfolgt
vorzugsweise auf Basis der Summenlaufzeit (tA +
tB) der Ultraschallsignale, die mit der
Sensortemperatur korreliert (siehe letzter Term der obigen Gleichung).
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Zur
Kompensation stärkerer
Driften kann anstelle des linearen Ansatzes z.B. auch eine Potenzreihe
höherer
Ordnung mit weiteren Koeffizienten (z.B. c2', c2'', etc.) für die Driftkompensation
angesetzt werden. Diese Koeffizienten können wiederum experimentell
bestimmt werden. Alternativ können die
Größen tA, tB, phiA, phiB auch auf
andere Weise miteinander verknüpft
werden.
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Eine
spezielle Ausführungsform
der Erfindung verwendet anstelle des vorstehend beschriebenen mathematischen
Zusammenhangs z.B. ein Kennfeld, das durch die Korrekturgrößen (z.B.
tA, tB, phiA, phiB) adressiert
wird. Der Kennfeldeintrag stellt dabei die Höhe des abzugleichenden Offsets
(K) dar.
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Die
elektrische Betriebsgröße (I, U),
auf deren Grundlage der Offset des Sensors ermittelt wird, wird
erfindungsgemäß mit entsprechenden
Sensoren erfasst. Zur Erfassung des Spannungsverlaufs am sendenden
Ultraschallwandler kann beispielsweise eine zusätzliche Elektrode auf dem Piezo-Wandler vorgesehen
sein. Mit dieser Zusatzelektrode (dritte Elektrode) kann beispielsweise
die Schwingungsantwort des Wandlers auf eine pulsförmige Anregung bestimmt
werden. Zur Erfassung des Stromverlaufs am sendenden Wandler kann
beispielsweise ein Vorwiderstand eingesetzt werden, dessen Spannungsabfall
in bekannter Weise ausgewertet wird.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten
Ultraschall-Strömungssensors
mit zwei Ultraschallwandlern;
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2 eine
schematische Darstellung des Ultraschall-Strömungssensors von 1 mit
zugehöriger
Auswerteelektronik gemäß dem Stand
der Technik;
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3 eine
schematische Darstellung eines Ultraschall-Strömungssensors mit einer Auswerteelektronik
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 ein
vereinfachtes Zweipol-Satzschaltbild eines Piezo-Resonators; und
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5 eine
schematische Darstellung des Verlaufs des Leitwerts G gegenüber der
Frequenz ω für das Ersatzschaltbild
von 4.
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Bezüglich der
Erläuterung
der 1 und 2 wird auf die Beschreibungseinleitung
verwiesen.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Ultraschall-Strömungssensors 10 mit
Driftkompensation. Der Strömungssensor 10 ist
im Wesentlichen identisch aufgebaut wie derjenige von 2 und
umfasst zwei Ultraschallwandler A, B, die sich gegenseitig Ultraschallsignale 2a, 2b zusenden,
sowie eine spezielle Auswerteelektronik 6 mit Driftkompensation.
(Die Erfindung ist aber nicht auf Anordnungen mit mehreren Ultraschallwandlern
beschränkt).
Die Ultraschallwandler A, B werden abwechselnd oder gleichzeitig
von Endstufen 1a, 1b eines Taktgenerators 7 zur
Erzeugung von Ultraschallsignalen 2a, 2b angeregt.
Dadurch erzeugen sie Ultraschall-Wellenpakete 2a, 2b,
die sich über
das Medium 12 (z.B. Luft) zum jeweils gegenüber liegenden Ultraschallwandler
B, A ausbreiten und dort wieder in ein elektrisches Signal gewandelt
werden. Das analoge elektrische Signal wird einem Analog/Digital-Wandler 3a bzw. 3b zugeführt und
mittels einer digitalen Elektronik 4a bzw. 4b weiterverarbeitet,
wobei in einer Zeit- oder Phasenmessung die Laufzeiten tA bzw. tB der Ultraschallsignale 2a, 2b bzw.
proportionale Größen ermittelt
werden. Der Laufzeitunterschied (tA – tB bzw. 1/tA – 1/tB) ist dabei ein Maß für den Volumen- oder Massenstrom
des Fluids 12.
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Zum
Zwecke der Driftkompensation umfasst der Strömungssensor 10 zusätzlich eine
Messeinrichtung 8a bzw. 8b zum Messen des Betriebsstroms I
oder der Betriebsspannung U. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
umfasst diese Messeinrichtung jeweils einen zwischen einer Endstufe 1a, 1b und
dem zugehörigen
Ultraschallwandler A, B angeordneten Vorwiderstand 8a, 8b.
Zur Messung des Betriebsstroms I wird hier in bekannter Weise die
am jeweiligen Vorwiderstand 8a bzw. 8b abfallende
Spannung ausgewertet. Das Spannungssignal wird dem Analog/Digital-Wandler 3a, 3b und
der Auswerteelektronik 4a, 4b zugeführt. Die
Vorwiderstände 8a, 8b sollten
einen Widerstandswert haben, der deutlich kleiner als die Impedanz
des Ultraschallwandlers A, B im Resonanzfall ist, um die Sendespannungen
nicht mehr als nötig
zu reduzieren.
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Die
Auswerteelektronik 4a, 4b erzeugt ein Phasensignal
phiA, phiB, das
die Phasenlage des Betriebsstroms (bzw. des gemessenen Spannungssignals)
gegenüber
dem Erregersignal darstellt. Die Höhe der Phasenverschiebung phiA bzw. phiB ist dabei
ein Maß für die Drift
des Strömungssensors 10. Wahlweise
könnte
die Elektronik 4a, 4b auch die Periodendauer des
Signals, den Verlauf der Signalamplitude, die Änderung der Phase oder der
Periodendauer oder eine andere charakteristische Signaleigenschaft
als Korrekturgröße bestimmen.
Die Abhängigkeit
der Sensordrift von der Signaleigenschaft (z.B. der Phase) des Messsignals
wird zuvor experimentell bestimmt und in der Sensoranordnung hinterlegt.
Der Zusammenhang zwischen Drift bzw. Offset und Signaleigenschaft
ist z.B. als mathematisches Modell oder als Kennfeld im Steuergerät 5 hinterlegt.
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Für die Drift
des Sensors 10 kann beispielsweise eine lineare Gleichung
angesetzt werden, wobei gilt: K ∼ c1 + c2(phiA – phiB) + c3(tA + tB).
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Anstelle
des vorstehend beschriebenen funktionalen Zusammenhangs kann z.B.
auch ein Kennfeld, das durch die Korrekturgrößen (z.B. tA,
tB, phiA, phiB) adressiert wird, verwendet werden. Der Kennfeldeintrag
stellt dabei die Höhe
des abzugleichenden Offsets (K) dar.
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Die
Temperatur abhängige
Drift wird vorzugsweise aus der Summenlaufzeit tA +
tB berechnet (siehe letzter Term der Gleichung).
Wahlweise könnte
aber auch ein zusätzlicher
Temperatursensor vorgesehen sein.
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Die
Auswertung des Strom- und/oder Spannungssignals I bzw. U erfolgt
im Sendebetrieb der Wandler A, B. Da in diesem Zustand keine Ultraschallsignale 2a, 2b empfangen
werden, kann ein Teil der Elektronik 3, 4 zur
Auswertung des Strom- und/oder Spannungssignals I, U verwendet werden. Der
Ultraschall-Strömungssensor 10 umfasst
hier jeweils einen Schalter 9a, 9b zur Auswahl
zwischen der Berechnung des Offset-Fehlers und der Auswertung der
Ultraschallsignale 2a, 2b.
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Die
Bestimmung des Offset-Fehlers kann bei jeder Strömungsmessung oder nur in vorgegebenen Intervallen
durchgeführt
werden.
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4 zeigt
ein vereinfachtes Zweipol-Ersatzschaltbild für einen Piezo-Resonator A,
B, das das Schwingungsverhalten zumindest nahe der Resonanzfrequenz
gut wiedergibt. Ein Piezo-Resonator A, B ist im Wesentlichen durch
fünf Ersatzschaltbildgrößen C0, C1, L1,
R1, G0 beschrieben.
Der Widerstand bzw. Leitwert G0 kann üblicherweise
vernachlässigt
werden, so dass vier Größen Co,
C1, L1, R1 übrig
bleiben, die zur Drift des Sensors 10 beitragen. Bei einer Änderung
der Umgebungsbedingungen bzw. bei Alterung des Wandlers A, B zeigt
dieser ein unterschiedliches Schwingungsverhalten, das sich wiederum
in einem unterschiedlichen Verlauf des Betriebsstroms bzw. der Betriebsspannung
(im Sendebetrieb) äußert. Die
Höhe des
Offset-Fehlers kann wie beschrieben aus dem Messsignal von Strom
oder Spannung ermittelt werden.
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Aus
dem Strom- oder Spannungssignal I bzw. U könnte alternativ auch eine Impedanzgröße, wie
z.B. der Leitwert G des Ultraschallwandlers A, B als Korrekturgröße ermittelt
und daraus der Offset-Fehler berechnet werden. Für den komplexen Leitwert eines
Piezowandlers A, B gilt:
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Der
Verlauf des Leitwerts G in Abhängigkeit der
Erregerfrequenz ω ist
in 5 schematisch dargestellt.
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- 1
a, 1b
- Endstufen
- 2a,
2b
- Ultraschallsignale
- 3a,
3b
- Analog/Digital-Wandler
- 4a,
4b
- Auswerteelektronik
- 5
- Prozessoreinheit
- 6
- Sensorelektronik
- 7
- Taktgenerator
- 8a,
8b
- Vorwiderstände
- 9a,
9b
- Wählschalter
- 10
- Ultraschall-Strömungssensor
- 11
- Rohrleitung
- 12
- Fluid
- 13
- Taktsignal
- I
- Betriebsstrom
- U
- Betriebsspannung
- A,
B
- Ultraschallwandler
- tA, tB
- Laufzeiten
- phiA, phiB
- Phasensignale
- K
- Offset-Fehler
