DE4114233C2 - Anordnung zur Ultraschall-Durchflußmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ultraschall-Durchflußmessung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine nach diesem Verfahren arbeitende Anordnung, die Ausgangspunkt der vor­ liegenden Erfindung ist, ist aus der DE 25 47 892 A1 bekannt. Das Blockschalt­ bild einer solchen Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Meßeinrichtung enthält zwei Ultraschallwandler 1 und 2, die einander gegenüberliegend auf der Rohrlei­ tung, in der die Geschwindigkeit des strömenden Mediums bestimmt werden soll, angebracht sind und die im Sendebetrieb ein elektrisches Signal in ein akusti­ sches Signal und im Empfangsbetrieb ein akustisches Signal in ein elektrisches Signal umsetzen. Beide Ultraschallwandler sind mit einer Umschalteinrichtung 3 verbunden, über die die Änderung der Durchlaufrichtung der Schallwelle durch das strömende Medium erfolgt. Durch die Meßablaufsteuerungsschaltung 8 wird über die Sendepulsformung 4 ein Anregungsimpuls ausgelöst, der durch den Ultraschallwandler 1 oder 2 in eine Schallwelle umgeformt wird. Gleichzeitig wird durch die Meßablaufsteuerungsschaltung 8 über die Torschaltung 10 die Zähler­ schaltung 11 gestartet, die durch den Oszillator 9 getaktet wird. Nach dem Durchlauf der Schallstrecke gelangt die Schallwelle über den Empfangswandler 1 oder 2 und die Umschalteinrichtung 3 an den Empfangsverstärker 5, der das Eingangssignal für den Trigger 6 erzeugt. Durch den Trigger 6 wird der Eintreff­ zeitpunkt des Empfangssignals festgelegt, eine entsprechende Information über den Eintreffzeitpunkt an die Meßablaufsteuerungsschaltung 8 gegeben und ent­ sprechend dem Sing-around-Prinzip über die Torschaltung 7 ein Folgepuls generiert. Bei Ablauf einer bestimmten Anzahl von Signalumläufen durch den oben beschriebenen Signalkreis wird von der Meßablaufsteuerungsschaltung 8 über die Torschaltung 7 der Signalkreis verriegelt und damit der Signalumlauf gestoppt. Bei Eintreffen des letzten Empfangssignals nach der Verrieglung des Signalkreises wird nach der Ermittlung des Eintreffzeitpunktes durch den Trigger 6 über die Meßablaufsteuerungsschaltung 8 und die Torschaltung 10 der Zähl­ vorgang der Zählerschaltung 11 unterbrochen. Der Zählwert wird in die Verrech­ nungsschaltung 12 übernommen, durch die Meßablaufsteuerungsschaltung 8 über die Umschalteinrichtung 3 die Signaldurchlaufrichtung geändert und der oben beschriebene Meßablauf mit entgegengesetzter Signaldurchlaufrichtung erneut ausgeführt. Nach Übernahme des in entgegengesetzter Signaldurchlauf­ richtung ermittelten Zählwertes in die Verrechnungsschaltung 12 kann von der Verrechnungsschaltung 12 die Laufzeitdifferenz des Signals in beiden Umlauf­ richtungen und damit die Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung bestimmt werden.

Besonders bei sehr großer Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen in Bezug auf die zu messende Strömungsgeschwindigkeit werden sehr hohe Anfor­ derungen an eine exakte Zeitmessung gestellt. Es ist wichtig, während der Mes­ sung immer den richtigen Eintreffzeitpunkt des Signals zu detektieren, was spe­ ziell bei bandbegrenzten Signalen, die starken Amplitudenfluktuationen unterlie­ gen, unter Verwendung eines herkömmlichen Amplituden- Nulldurchgangstriggers große Meßfehler verursachen kann. Auch durch die Verwendung einer bekannten Signalamplitudenüberwachungs-Einheit kann die falsche Bestimmung des Eintreffzeitpunktes des Empfangssignals, speziell bei Anordnungen, die mit von außen auf der Rohrwand befestigten Schallwandlern arbeiten und für den flexiblen Einsatz vorgesehen sind, nicht ausgeschlossen werden, da auch die Signalform Veränderungen unterworfen ist.

Nach der DE 29 20 176 A1 ist eine Anordnung bekannt, die nach dem Phasenre­ gelverfahren arbeitet. Aufgabe des dort angegebenen Ultraschall-Strömungs­ meßgerätes ist es, daß es auch bei auftretenden Störungen in der Schallstrecke frei von Meßfehlern arbeitet.

Dazu enthält diese Anordnung eine Prüfeinrichtung zur Feststellung einer Fehl­ triggerung, eine steuerbare Amplituden-Erfassungseinrichtung und eine steuer­ bare Übertragungs-Überwachungseinrichtung. Mit Hilfe von Fig. 5 soll das Prin­ zip der Störunterdrückung bei dieser Anordnung kurz erläutert werden. Durch die Prüfeinrichtung wird festgestellt, ob eine Fehltriggerung von der ersten auf die zweite oder von der zweiten auf die erste Halbwelle des Signals stattgefun­ den hat. Das geschieht durch die Feststellung der Veränderung des Triggerzeit­ punktes durch einen Integrationsprozeß. Durch ein Zeitfenster, das aus der VCO-Frequenz und einem vorbestimmten Zählwert abgeleitet wird, wird ein Inte­ grator gestartet, der zum Triggerzeitpunkt wieder gestoppt wird. Anschließend wird die Integratorspannung mit vorgegebenen Bezugspegeln verglichen. In Fig. 5(A) ist dargestellt, wie die Triggerung des Empfangssignals auf der zweiten Halbwelle erfolgt, obwohl eine Triggerung auf der ersten Halbwelle erwartet wird. Erkannt wird die Fehltriggerung mit Hilfe des oben beschriebenen Integra­ tionsprozesses. Bei einer Fehltriggerung wird durch die Prüfeinrichtung die Be­ zugsspannung für die Amplitudenerfassungseinrichtung E2 bzw. für die Übertra­ gungs-Überwachungseinrichtung geschaltet und, es wird angenommen, daß damit das nachfolgende Signal wieder richtig getriggert werden kann, in unse­ rem Beispiel auf der ersten Halbwelle des Signals, wie in Fig. 5(B) dargestellt.

Bei Anordnungen, die mit von außen auf der Rohrwand befestigten Schallwand­ lern arbeiten und für den flexiblen Einsatz vorgesehen sind, ist ein solches Ver­ fahren zur Störunterdrückung nicht geeignet. Die Form des Empfangssignals ist weitestgehend von den Ankopplungsbedingungen der Schallwandler auf der Rohrleitung abhängig, die bei einer solchen Anordnung sehr unterschiedlich sein können. Das bedeutet, daß es bei einer solchen Anordnung nicht bekannt ist, ob für den Fall einer normalen Erfassung des Empfangssignals diese Erfas­ sung durch die erste, zweite, dritte oder vierte usw. Halbwelle des Signals er­ folgt, durch eine Störung eine Umtriggerung auf die erste, zweite, dritte oder vierte usw. Halbwelle des Signals verursacht wird und durch das Schalten des Bezugspegels der Verstärkungsregelung bzw. der Triggerschwelle von einem fest vorgegebenen auf einen zweiten fest vorgegebenen Pegel diese Störung kompensiert werden kann.

Aus der DE 34 14 988 C2 ist eine Anordnung bekannt, die nach dem Phasenre­ gelverfahren arbeitet. Bei dieser Anordnung wird in einer Selbstlernfunktion zu Beginn der Messung der optimale Bezugspegel für die Durchführung der Mes­ sung bestimmt und während der Messung ein ständiger Vergleich des Empfangssignals mit einem vorbestimmten Muster durchgeführt.

Kriterium für die richtige Bestimmung des Eintreffzeitpunktes des Empfangssi­ gnals ist die Anzahl der Überschreitungen des Empfangssignals über den Bezugspegel. Der Bezugspegel wird in der Selbstlernfunktion zu Beginn der Messung so festgelegt daß ein möglichst großer Störabstand bezüglich einer konstanten Anzahl der Überschreitungen bei Amplitudenfluktuationen des Empfangssignals erreicht wird.

Mit Hilfe von Fig. 6 soll das Prinzip dieses Verfahrens kurz erläutert werden. In Fig. 6(A) ist ein mögliches Empfangssignal und der dazugehörige Bezugspegel dargestellt. Die Zahl der Überschreitungen im Normalfall, Bezugszählung, ent­ spricht drei. Alle Signale mit drei Überschreitungen des Bezugspegels werden als richtig akzeptiert, bei abweichender Zahl der Überschreitungen wird das Signal verworfen.

In Fig. 6(B) ist eine mögliche Veränderung des Empfangssignals dargestellt. Die Zahl der Überschreitungen beträgt in diesem Fall zwei, das Signal wird ver­ worfen, obwohl eine richtige Triggerung erfolgt. Der entgegengesetzte Fall ist in Fig. 6(C) dargestellt. Das Signal wird als richtig akzeptiert, obwohl eine Fehl­ triggerung vorliegt.

Sowohl bei der Anordnung nach der DE 29 20 176 A1 als auch bei der Anord­ nung nach der DE 34 14 988 C2 erfolgt die Triggerung des Signals mit einer wäh­ rend des Eintreffzeitpunktes des Signals konstanten Triggerschwelle. Bei diesen Anordnungen ist der maximal mögliche Störabstand bei der Signaltriggerung folglich gleich der Spannungsdifferenz zwischen der Amplitude der Halbwelle des Empfangssignals, auf der die Triggerung erfolgt und der Triggerschwelle, bzw. der Triggerschwelle und der Amplitude der vorherigen Halbwelle. Bei un­ günstigen Signalformen, z. B. kommt es bei der Messung an verzinkten Rohrlei­ tungen zu Mehrfachreflexionen in der Zinkschicht, und damit verbundene Signalüberlagerungen erzeugen ein Empfangssignal, bei dem die Amplituden der einzelnen Halbwellen sehr langsam auf die maximale Signalamplitude an­ wachsen und wieder abklingen, ist dieser Störabstand sehr klein und Signal­ fluktuationen führen dazu, daß keine richtige Triggerung des Empfangssignals erfolgen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zur Ultraschall-Durchfluß­ messung so auszuführen, daß auch bei stark gestörter Strömung eine sichere Messung möglich ist. Es soll realisiert werden, daß bei der Bestimmung des Eintreffzeitpunktes des Empfangssignals ein größtmöglicher Störabstand gegen Amplitudenfluktuationen erreicht wird. Auftretende Fehlbestimmungen des Ein­ treffzeitpunktes des Empfangssignals sollen registriert und dadurch hervorgerufene Meßfehler ausgeschlossen werden.

Diese Aufgabe wird durch die Anordnung nach dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 4 enthalten.

Dabei enthält die angegebene Anordnung zur Ultraschall-Durchflußmessung eine Empfangssignalerkennungsschaltung, die eine Erhöhung des Störabstan­ des bezüglich der Bestimmung des nachfolgenden Nulldurchganges des Signals auf eine der Energie der vorangegangenen positiven oder negativen Halbwelle des Signals entsprechenden Spannungsdifferenz zuzüglich der Amplituden­ differenz zwischen der den Triggervorgang auslösenden und der vorangegan­ genen Halbwelle erreicht.

Bei der vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung wird durch das Ausgangssignal des Komparators über einen Multiplexer die Trigger­ schwelle geschaltet und damit die Rückflanke des Ausgangssignals des Kompa­ rators auf den Signalnulldurchgang synchronisiert. Dadurch kann mit nur einem Komparator sowohl die Amplituden- als auch die Nulldurchgangstriggerung realisiert werden.

Zur Bereitstellung der Steuerspannung für die Empfangssignalerkennungsschal­ tung enthält die Anordnung eine Signalbewertungsschaltung die die Steuer­ spannung in einem Lernprozeß zu Beginn der Messung so bestimmt, daß der größte Störabstand bezüglich der Veränderung des signifikanten Nulldurchgan­ ges erreicht wird. Dazu werden die Zählerstände der Zählerschaltung während des Eintreffzeitpunktes des Empfangssignals durch die synchrone Zählwertüber­ nahmeschaltung übernommen und der Signalbewertungsschaltung zugeführt. Die Bestimmung des für die Messung optimalen Wertes der Steuerspannung erfolgt durch die Ermittlung von Signalamplitudenbereichen, die sich durch kon­ stante Laufzeit bezüglich des nachfolgenden Nulldurchganges des Signals aus­ zeichnen. Die Ermittlung dieser Signalamplitudenbereiche erfolgt in beiden Signalumlaufrichtungen.

Während der Messung erfolgt über die die synchrone Zählwertübernahmeschal­ tung eine ständige Kontrolle der Signallaufzeit.

Die Zuordnung der in beiden Signalumlaufrichtungen ermittelten zueinander ge­ hörenden Amplitudenbereiche erfolgt durch die Bewertung der über einen Inte­ grationsprozeß ermittelten Signalenergie.

Dazu wird durch das Triggersignal eine Integratorschaltung gestartet, die nach der Schließung eines vordefinierten Fensters wieder gestoppt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Anordnung des Standes der Technik,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zur Ultra­ schalldurchflußmessung mit einer Empfangssignalerkennungsschaltung, einer Signalbewertungsschaltung und einer synchronen Zählwertüber­ nahmeschaltung,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Empfangssignalerkennungsschaltung ge­ mäß Fig. 2 mit einer dynamischen Schwellenerniedrigung,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Empfangssignalerkennungsschal­ tung,

Fig. 5 ein erstes Beispiel für die Triggerung des Empfangssignals nach dem Stand der Technik,

Fig. 6 ein zweites Beispiel für die Triggerung des Empfangssignals nach dem Stand der Technik.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind Teile, die mit denen nach Fig. 1 übereinstimmen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung. Die Anordnung nach Fig. 2 enthält eine Empfangssignalerkennungs­ schaltung 15, die sich durch eine besonders hohe Störsicherheit gegen Amplitu­ denschwankungen bei der Bestimmung des Eintreffzeitpunktes bandbegrenzter Signale auszeichnet.

Das Blockschaltbild einer Ausführungsform der Empfangs­ signalerkennungsschaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Über eine dynamische Schwellenerniedrigung 16 kann eine wesentliche Erhöhung des Störabstandes, bezüglich der Bestimmung des nachfolgenden Nulldurchganges dem Signals, auf eine der Energie der vorangegangenen positiven oder negativen Halbwelle des Signals entsprechenden Spannungsdifferenz zuzüglich der Amplitudendifferenz zwischen der den Triggervorgang auslösenden und der vorangegangenen Halb­ welle erreicht werden. Ausgehend von einer Steuerspannung wird durch die dynamische Schwellenerniedrigung 16 die in den positiven oder negativen Signalhalbwellen enthaltene Energie in Spannungsdifferenzen umgeformt und dem Komparator 17, mit dem die Amplitudentriggerung des Signals vorgenom­ men wird, als Triggerschwelle zugeführt.

Dadurch wird die Triggerschwelle des zur Amplitudentriggerung verwendeten Komparators 17 durch das Signal, auf das getriggert werden soll, erniedrigt, der Störabstand um eine der Energie der vorhergehenden positiven oder negativen Signalhalbwelle proportionalen Spannung erhöht und dementsprechend die Wahrscheinlichkeit der Fehltriggerung bei Amplitudenfluktuationen des Empfangssignals verringert. Durch den Komparator 17 wird über die Torschal­ tung 19 der Nulldurchgangstrigger 18 freigegeben, der mit dem nachfolgenden Signalnulldurchgang schaltet.

Das Blockschaltbild einer vorteilhaften Ausführungsform der Empfangssignalerkennungsschaltung ist in Fig. 4 dargestellt. In dieser Ausfüh­ rungsform wird durch das Ausgangssignal des Komparators 21 über den Multi­ plexer 20 die Triggerschwelle des Komparators 21 geschaltet und damit die Rückflanke des Ausgangssignals des Komparators auf den Nulldurchgang syn­ chronisiert. Dadurch kann mit nur einem Komparator sowohl die Amplituden- als auch die Nulldurchgangstriggerung realisiert werden.

Die Anordnung nach Fig. 2 enthält eine Signalbewertungsschaltung 14, die die Steuerspannung für die Empfangssignalerkennungsschaltung 15 generiert. Über die synchrone Zählwertübernahmeschaltung 13 wird die Durchlaufzeit eines jeden Schallimpulses durch die Schallstrecke aus der Zählerbaugruppe 11 über­ nommen und der Signalbewertungsschaltung 14 zugeführt. Durch Veränderung der Steuerspannung für die Empfangssignalerkennungsschaltung 15 werden in einem Lernprozeß durch die Signalbewertungsschaltung 14 Signalamplitudenbe­ reiche ermittelt, in denen die über die synchrone Zählwertübernahmeschaltung 13 aus der Zählerbaugruppe 11 übernommenen Durchlaufzeiten der Schallim­ pulse durch die Schallstrecke konstant sind. Die Ermittlung der Signalamplitu­ denbereiche wird in beiden Signaldurchlaufrichtungen ausgeführt.

Für die Messung wird durch die Signalbewertungsschaltung 14 das größte Signalamplitudenbereichepaar ausgewählt und die Steuerspannung für die Empfangssignalerkennungsschaltung 15 so bestimmt, daß der größte Störab­ stand bezüglich der Veränderung des signifikanten Nulldurchganges erreicht wird.

Die paarweise Zuordnung der Signalamplitudenbereiche erfolgt in beiden Signaldurchlaufrichtungen durch die Bewertung der Signalenergie vom Augen­ blick des Triggerns bis zur Schließung eines vordefinierten Fensters. Dazu ent­ hält die Signalbewertungsschaltung 14 eine Integratorschaltung, die mit dem durch die Empfangssignalerkennungsschaltung 15 ausgewählten Signalnull­ durchgang gestartet und nach Schließung eines vordefinierten Fensters ge­ stoppt wird. Das Ausgangssignal dieser Integratorschaltung ist folglich proportional der ausgehend vom signifikanten Nulldurchgang im Empfangssignal enthaltenen Signalenergie. Dadurch wird erreicht, daß nicht nur die Signalampli­ tude, sondern auch die Signalform bei der Zuordnung der Signalamplitudenbe­ reiche berücksichtigt wird.

Claims (4)

1. Anordnung zur Ultraschalldurchflußmessung, bestehend aus Schallwandlern zum Senden und Empfangen von Ultraschall (1, 2), die über eine Umschaltein­ richtung (3) mit einer Sendepulsformung (4) und einem Empfangsverstärker (5) verbunden sind, einer Torschaltung (7) zur Schließung des Signalkreises zwi­ schen der Sendepulsformung (4) und dem Empfangsverstärker (5), einer Zähler­ baugruppe, bestehend aus Zählerschaltung (11), Torschaltung (10) und Oszilla­ tor (9) zur Bestimmung der Signallaufzeit, einer Meßablaufsteuerung (8), einer Verrechnungsschaltung (12) und einer Empfangssignalerkennungsschaltung (15)
dadurch gekennzeichnet, daß eine dynamische Schwellenerniedrigung (16) in der Empfangssignalerkennungsschaltung (15) enthalten ist, wobei ausgehend von einer vorbestimmten Steuerspannung durch die dynamische Schwellener­ niedrigung während des Eintreffzeitpunktes des Signals, auf das getriggert wer­ den soll, die Triggerschwelle des Komparators (17) zur Triggerung dieses Signals proportional zu der in diesem Signal enthaltenen Signalenergie verän­ dert wird und beim Schnittpunkt des Momentanwertes des Signals mit der von diesem Signal selbst beeinflußten Triggerschwelle durch den Komparator (17) ein Freigabesignal für den Nulldurchgangstrigger (18) erzeugt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Empfangssignalerkennungsschaltung (15) durch das Komparatorausgangssignal über einen Multiplexer (20) die Triggerschwelle geschaltet wird und dadurch die Rückflanke des Komparatorausgangssignals auf den Signalnulldurchgang syn­ chronisiert wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalbe­ wertungsschaltung (14) in einem Lernprozeß vor der Messung über eine syn­ chrone Zählwertübernahmeschaltung (13) in beiden Umlaufrichtungen Signalamplitudenbereiche, die sich durch konstante Laufzeit bezüglich des nachfolgenden Nulldurchganges des Signals auszeichnen, ermittelt, die beiden in verschiedenen Umlaufrichtungen ermittelten zueinander gehörenden Amplitu­ denbereiche zuordnet, für die Messung das Amplitudenbereichepaar mit dem größten Störabstand bezüglich der Veränderung des signifikanten Nulldurch­ ganges auswählt, ausgehend von diesem Amplitudenbereichepaar die Steuer­ spannung für die Empfangssignalerkennungsschaltung (15) bestimmt und wäh­ rend der Messung über die synchrone Zählwertübernahmeschaltung (13) eine ständige Kontrolle der Signallaufzeit durchführt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalbewer­ tungsschaltung (14) eine Integratorschaltung enthält, die die Zuordnung der in verschiedenen Umlaufrichtungen ermittelten zueinander gehörenden Amplitu­ denbereiche durch die Bewertung der über einen Integrationsprozeß ermittelten Signalenergie vom Augenblick des Triggerns bis zur Schließung eines vordefi­ nierten Fensters vornimmt.