EP1733193A1 - Nulldurchgangsdetektion eines ultraschallsignals mit variablem schwellenwert - Google Patents

Nulldurchgangsdetektion eines ultraschallsignals mit variablem schwellenwert

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EP1733193A1
EP1733193A1 EP05701608A EP05701608A EP1733193A1 EP 1733193 A1 EP1733193 A1 EP 1733193A1 EP 05701608 A EP05701608 A EP 05701608A EP 05701608 A EP05701608 A EP 05701608A EP 1733193 A1 EP1733193 A1 EP 1733193A1
Authority
EP
European Patent Office
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signal
ultrasonic
amplitude
receiving unit
information
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05701608A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Lang
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1733193A1 publication Critical patent/EP1733193A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
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    • G01P5/245—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by measuring transit time of acoustical waves

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic flow sensor according to the preamble of patent claim 1 and a method for detecting the time of reception of an ultrasonic signal according to the preamble of patent claim 7 measure that flows through a pipeline.
  • a known type of ultrasonic flow sensors comprises two offset in the flow direction. arranged ultrasound transducers, which each generate ultrasound signals and send them out to the other ultrasound transducer. The ultrasonic signals are received by the other transducers and evaluated using electronics. The transit time difference between the signal in the flow direction and the signal in the opposite direction is a measure of the flow velocity of the fluid.
  • the desired measured variable such as a volume or mass flow, can be calculated from this. Fig.
  • a fluid 1 flows in the pipeline 3 at a speed v in the direction of the arrow 2.
  • the measuring section L is inclined by an angle ⁇ with respect to the flow direction 2.
  • the ultrasonic transducers A, B send each other ultrasonic signals that are either slowed or accelerated by the flow, depending on the direction.
  • the transit times of the sound signals are a measure of the flow velocity to be determined.
  • Fig. 2 shows a highly simplified schematic representation of a transducer arrangement with an associated control and evaluation electronics 4.
  • the flow sensor can e.g. work according to the so-called "sing-around" process.
  • the reception of an ultrasonic signal AO or B0 at one of the transducers A, B triggers an ultrasonic signal in the opposite direction.
  • the "reception time" of the signal A0, B0 is defined here as the first zero crossing N 0 of the signal after the signal amplitude Amp has exceeded a predetermined threshold value SW (the so-called pretrigger level).
  • SW the so-called pretrigger level
  • the time t o would be the reception time of the signal. (Alternatively, the reception time of the signal could also be determined by evaluating the phase of the signal.)
  • An essential idea of the invention is to determine information about the amplitude of the ultrasound signal and to adapt the threshold value (pretrigger level) to the amplitude of the ultrasound signal. This means that when the signal amplitude changes, the correct, i.e. the same zero crossing or the correct event is detected as the reception time.
  • Information about the signal amplitude can be determined in different ways: A first possibility is to measure a signal maximum, preferably the maximum amplitude of the ultrasound signal by means of an appropriate device. Another possibility is to rectify the ultrasound signal and to determine an average. This mean value is also a measure of the signal amplitude and can therefore be used as a reference variable for adapting the threshold value. In addition, many other signal evaluation methods are conceivable from which information about the signal amplitude can be obtained.
  • the receiving unit of the ultrasonic flow sensor comprises a device for measuring the maximum amplitude of the
  • the threshold value can thus be adapted to the current maximum signal amplitude. This greatly reduces incorrect measurements.
  • a preferred embodiment of the amplitude measuring device comprises a first S / H stage (sample and hold element), at the input of which the ultrasound signal or a corresponding transducer output signal is present and which stores the maximum value of the signal amplitude, and a downstream second S / H level, which accepts and stores the maximum value of the first S / H level.
  • a desired threshold value pretrigger level
  • the comparator preferably switches its output when the converter output signal exceeds the threshold. The zero crossing detection can then be carried out.
  • a low-pass filter is preferably provided with which the amplitude information or the threshold value information (i.e. the corresponding signal) is filtered.
  • the receiving unit comprises a rectifier, with which the converter output signal is rectified.
  • the rectified signal can e.g. integrated by means of an integrator or by means of a
  • the integrator output signal and the filter output signal in turn provide information about the signal amplitude of the ultrasound signal and thus allow the threshold value to be adjusted.
  • a further embodiment of the receiving unit comprises a differentiator, with which the transducer output signal is differentiated, and a downstream unit for zero-crossing detection, with which the times of the maxima of the ultrasound signal are recorded.
  • the maxima can e.g. stored in an S / H level and from this the maximum with the highest value can be determined.
  • the receiving unit comprises two lock-in amplifiers in which the converter output signal is amplified on the basis of two reference clock signals, the reference clock signals having the frequency of the ultrasonic signals and being mutually phase-shifted, for example by pi / 2. If the two amplifier output signals generated in this way are integrated or filtered with a low-pass filter, a value can be determined from the resulting signals un and u P i 2 by quadratic averaging + u 2 , / 2 , which represents a measure of the signal amplitude and one Threshold adjustment allowed.
  • FIG. 4 shows a receiving unit for adapting the threshold value according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a signal flow diagram of the signals from FIG. 4;
  • FIG. 4 shows part of a receiving unit 4 with which the threshold value SW can be adapted to the signal amplitude of the ultrasonic signals AO or BO.
  • the receiving unit 4 measures the maximum amplitude Ampm a x of the ultrasound signal A0, B0.
  • the receiving unit 4 comprises a first comparator 10, at the input US of which the converter output signal 5 is present, and the other input of which is connected to the output 19 of a first S / H stage 12.
  • the comparator 10 changes its initial state when the converter output signal 5 becomes greater than the amplitude value previously stored in the S / H stage 1.2. This activates the first S / H stage 12, which then takes over and stores the current amplitude value.
  • 3 shows the course of the output signal 19 of the first S / H stage 12.
  • a second S / H stage 13 takes on the maximum amplitude value Amp max of the first S / H stage 12.
  • the second S / H stage 13 is controlled by a control signal “stop”
  • the output signal 20 of the second S / H stage 13 is supplied to a voltage divider 14 with an adjustable divider factor 14.
  • the voltage divider 14 is implemented here as a trimming potentiometer, the partial voltage U t forming the new threshold value SW for the detection of the reception time.
  • the partial voltage U t is fed to a second comparator 16 as a reference voltage.
  • the other input of the comparator 16 is connected to the input US of the receiving unit 4.
  • the output signal of the second comparator 16 thus changes the switching state when the ultrasonic signal AO, BO exceeds or falls below the threshold value SW.
  • the switching state is stored in a monoflop 18.
  • FIG. 5 shows the signal curve of some signals of the circuit of FIG. 4.
  • the signal curve is shown hatched where the corresponding signal either depends on previous events or the signal state is undefined.
  • the measuring method begins with the generation of a start signal "start”, which is fed to the first S / H stage 12 via an OR gate 11 in order to activate it.
  • start Upon reception of an ultrasonic signal A0, B0 at the input US stores the first S / H stage 12 (signal s / hl) the maximum signal amplitude Amp m ax, as was described above.
  • stop signal "stop” With the arrival of a stop signal "stop” assumes the second S / H stage 13: the value of the first S / H stage 12 (signal s / h2).
  • the first S / H stage 12 is reset and a new measurement can begin.
  • 6a shows another embodiment of a receiving unit 4, in which the converter output signal is first fed to a rectifier 21.
  • the output signal of the rectifier 21 is finally integrated by means of an integrator 22, with the signal being averaged. This value is in turn a measure of the maximum amplitude of the ultrasonic signal A0, B0.
  • the integrator output signal is then sampled and stored by the second S / H stage 13.
  • the rest of the circuit for generating the partial voltage U t can be implemented identically as in FIG. 4.
  • 6b shows a further embodiment of a receiving unit 4 with a rectifier 21 and a downstream low-pass filter 15.
  • the rectified and filtered converter output signal 5 can in turn be evaluated, for example, by means of the circuit of FIG. 4.
  • 6c shows a further different embodiment of a receiving unit 4 with a differentiator 23 and a unit 24 for zero-crossing detection.
  • the times of the signal maxima of the ultrasonic signal A0, B0 are determined and a downstream S / H stage 25 is activated, which takes over the maximum signal values.
  • the number of the ultrasonic signal A0, B0 decays.
  • S / H stage 25 scans e.g. be limited by a counter or a monoflop.
  • 6d shows yet another embodiment of a receiving unit 4 with two lock-in amplifiers 40, 42 or
  • the lock-in amplifiers can be constructed, for example, as multipliers 40, 41 with subsequent integrators 42, 43.
  • the ultrasonic signal A0, B0 is inverted in a phase-controlled manner by means of the reference clocks Ref 0 and Ref pi / 2 , which have exactly the ultrasonic frequency.
  • an inverting and a non-inverting amplifier is used instead of the two multipliers, the amplification factors of which are essentially the same except for the sign. In this case a
  • Signal multiplexer used to switch between inverting and non-inverting operation according to the reference clocks.
  • the reference clocks are phase-shifted by pi / 2.
  • the resulting signals are then integrated and thus the amplifier output signals un and
  • Upi / 2 generated. It is an alternative to the integration of the signals For example, low-pass filtering is also conceivable.
  • the signals u o and u P i / 2 are added squarely via a digital or analog arithmetic circuit 44 and sampled with an S / H stage 13.
  • the output signal out of the circuit of FIG. 6d is in turn a measure of the amplitude of the ultrasound signal and allows the threshold value SW (U t ) to be adjusted.
  • SW U t
  • Circuit for generating the partial voltage U t can be implemented identically as in FIG. 4.
  • the dynamic behavior of the receiving unit 4 can also be influenced by suitable filters.
  • a low-pass filter for example, prevents the threshold value SW from being adjusted too quickly.
  • Such a low pass filter could e.g. be realized as an RC element, which is connected between the second S / H stage 13 and the trimming potentiometer 14.
  • the low-pass filter 15 could also be between the
  • Trimming potentiometer and the second comparator 16 can be switched.
  • Refo, Ref pi / 2 reference clock signals to receive time

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungssensor mit wenigstens einem Ultraschallwandler (A,B) zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen (A0,B0) und einer am Ultraschallwandler (A,B) angeschlossenen Empfangseinheit (4), die einen Nulldurchgang (N) des Ultraschallsignals (A0,B0) als Empfangszeitpunkt (to) bestimmt, nachdem das Ultraschallsignal (A0,B0) einen vorgegebenen Schwellenwert (SW) überschritten hat. Die Messgenauigkeit kann wesentlich verbessert werden, wenn die Empfangseinheit (4) eine Information über eine Amplitude (Amp) des Ultraschallsignals (A0,B0) ermittelt und den Schwellenwert (SW) in Abhängigkeit von der ermittelten Information variiert.

Description

Beschreibung
Nulldurchgangsdetektion eines Ultraschallsignals mit variablem Schwellenwert
Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Detektion des Empfangszeitpunkts eines Ultraschallsignals gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7. Ultraschall-Strömungssensoren dienen insbesondere dazu, den Volumen- oder Massestrom oder die Strömungsgeschwindigkeit eines gasförmigen oder flüssigen Mediums zu messen, das durch eine Rohrleitung strömt. Ein bekannter Typ von Ultraschall- Strömungssensoren umfasst zwei in Strömungsrichtung versetzt-,. angeordnete Ultraschallwandler, die jeweils-, Ultraschallsignale erzeugen und diese an den jeweils anderen Ultraschallwandler aussenden. Die Ultraschallsignale werden vom jeweils anderen Wandlern 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 . Daraus kann die gewünschte Messgröße, wie z.B. ein Volumen- oder Massestrom, berechnet werden. Fig. 1 zeigt eine typische Anordnung eines Ultraschall- Strömungssensors mit zwei Ultraschallwandlern A,B, die innerhalb einer Rohrleitung 3 angeordnet sind und sich in einem Abstand L gegenüberstehen. In der Rohrleitung 3 strömt ein Fluid 1 mit einer Geschwindigkeit v in Richtung des Pfeils 2. Die Messtrecke L ist gegenüber der Strömungsrichtung 2 um eine Winkel α geneigt. Während einer Messung senden sich die Ultraschallwandler A,B gegenseitig Ultraschallsignale zu, die je nach Richtung von der Strömung entweder verlangsamt oder beschleunigt werden. Die Laufzeiten der Schallsignale sind dabei ein Maß für die zu bestimmende Strömungsgeschwindigkeit .
Fig. 2 zeigt eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Wandleranordnung mit einer daran angeschlossenen Steuer- und Auswerteelektronik 4. Der Strömungssensor kann z.B. nach dem sogenannten "sing-around"-Verfahren arbeiten. Dabei wird durch den Empfang eines Ultraschallsignals AO bzw. B0 an einem der Wandler A,B unmittelbar ein Ultraschallsignal in Gegenrichtung ausgelöst.
Für die LaufZeitmessung eines Ultraschallsignals AO bzw. B0 ist es von wesentlicher Bedeutung, dass der EmpfangsZeitpunkt eines Ultraschallsignals A0,B0 eindeutig und genau bestimmt werden kann. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Bestimmung eines EmpfangsZeitpunkts wird im Folgenden anhand von Fig. 3 erläutert.
Fig. 3 zeigt den Signalverlauf eines einzelnen Ultraschallsignals A0,B0. Der "EmpfangsZeitpunkt" des Signals A0,B0 ist hier als der erste Nulldurchgang N0 des Signals definiert, nachdem die Signalamplitude Amp einen vorgegebenen Schwellenwert SW (den sogenannten Pretrigger Level) überschritten hat. In dem dargestellten Beispiel wäre somit der Zeitpunkt to der EmpfangsZeitpunkt des Signals. (Der EmpfangsZeitpunkt des Signals könnte alternativ auch durch Auswertung der Phase des Signals bestimmt werden.)
Verschmutzungen, Driften oder Alterung der Ultraschallwandler, oder Turbulenzen im strömenden Fluid können dazu führen, dass die Amplitude der Ultraschallsignale A0,B0 stark variiert. Solange die Signalamplitude sich nicht zu stark ändert, wird die Nulldurchgangsdetektion kaum beeinträchtigt, da immer der gleiche Nulldurchgang als EmpfangsZeitpunkt detektiert wird und die Frequenz des
Signals im wesentlichen gleich bleibt. Sobald die maximale Signalamplitude der Halbwelle vor dem Zeitpunkt to jedoch in den Bereich des Schwellenwerts SW kommt, kann es zu Fehlmessungen des EmpfangsZeitpunkts kommen, wenn das Ultraschallsignal den Schwellenwert z.B. zu einem späteren
Zeitpunkt überschreitet und somit ein falscher Nulldurchgang als EmpfangsZeitpunkt detektiert wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Messgenauigkeit eines Ultraschall-Strömungssensors, der den EmpfangsZeitpunkt eines Ultraschallsignals mittels Nulldurchgangsdetektion bestimmt, zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 7 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, eine Information über die Amplitude des Ultraschallsignals zu ermitteln und den Schwellenwert (Pretrigger Level) an die Amplitude des Ultraschallsignals anzupassen. Dadurch kann erreicht werden, dass bei einer veränderten Signalamplitude immer der richtige, d.h. der gleiche Nulldurchgang bzw. das richtige Ereignis als EmpfangsZeitpunkt detektiert wird.
Eine Information über die Signalamplitude kann in unterschiedlicher Art und Weise ermittelt werden: Eine erste Möglichkeit besteht darin, ein Signalmaxima, vorzugsweise die maximale Amplitude des Ultraschallsignals mittels einer entsprechenden Einrichtung zu messen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Ultraschallsignal gleichzurichten und einen Mittelwert zu bestimmen. Auch dieser Mittelwert ist ein Maß für die Signalamplitude und kann somit als Referenzgröße zur Anpassung des Schwellenwerts herangezogen werden. Darüber hinaus sind viele andere Signal-Auswerteverfahren denkbar, aus denen eine Information über die Signalamplitude gewonnen werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfangseinheit des Ultraschall-Strömungssensor eine Einrichtung zum Messen der maximalen Amplitude des
Ultraschallsignals. Der Schwellenwert kann somit an die aktuelle maximale Signalamplitude angepasst werden. Fehlmessungen werden dadurch stark verringert.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Amplituden- Messeinrichtung umfasst eine erste S/H-Stufe (Abtast- und Halteglied) , an deren Eingang das Ultraschallsignal bzw. ein entsprechendes Wandler-Ausgangssignal anliegt und die den maximalen Wert der Signalamplitude speichert, sowie eine nachgeschaltete zweite S/H-Stufe, die den maximalen Wert der ersten S/H-Stufe übernimmt und speichert. Aus dem so ermittelten maximalen Amplitudenwert kann schließlich ein gewünschter Schwellenwert (Pretrigger Level) erzeugt werden.
Das Ausgangssignal der zweiten S/H-Stufe wird zu diesem Zweck von einem Spannungsteiler geteilt und die Teilspannung (=Schwellenwert) einem Komparator zugeführt. Der Komparator schaltet vorzugsweise seinen Ausgang, wenn das Wandler- Ausgangssignal den Schwellenwert überschreitet. Anschließend kann nun die Nulldurchgangsdetektion durchgeführt werden.
Um zu verhindern, dass der Schwellenwert zu stark schwankt, ist vorzugsweise ein Tiefpassfilter vorgesehen, mit dem die Amplitudeninformation oder die Schwellenwertinformation (d.h. das entsprechende Signal) gefiltert wird.
Eine andere Ausführungsform der Empfangseinheit umfasst einen Gleichrichter, mit dem das Wandler-Ausgangssignal gleichgerichtet wird. Das gleichgerichtete Signal kann z.B. mittels eines Integrators integriert oder mittels eines
Tiefpasses gefiltert werden. Das Integrator-Ausgangssignal als auch das Filter-Ausgangssignal geben wiederum Rückschluss auf die Signalamplitude des Ultraschallsignals und erlauben somit die Anpassung des Schwellenwerts.
Eine weitere Ausführungsform der Empfangseinheit umfasst einen Differenzierer, mit dem das Wandler-Ausgangssignal differenziert wird, sowie eine nachgeordnete Einheit zur Nulldurchgangsdetektion, mit der die Zeitpunkte der Maxima des Ultraschallsignals erfasst werden. Die Maxima können z.B. in einer S/H-Stufe gespeichert und daraus das Maximum mit dem höchsten Wert ermittelt werden.
Eine weitere Ausführungsform der Empfangseinheit umfasst zwei lock-in-Verstärker, in denen das Wandler-Ausgangssignal anhand zweier Referenztaktsignale verstärkt wird, wobei die Referenztaktsignale die Frequenz der Ultraschallsignale haben und gegenseitig, z.B. um pi/2, phasenverschoben sind. Werden die beiden so erzeugten Verstärker-Ausgangssignale integriert oder mit einem Tiefpass gefiltert, kann aus den resultierenden Signalen un und uPi2 durch quadratische Mittelung +u2,/2 ein Wert bestimmt werden, der ein=Maß für die Signalamplitude darstellt und eine Anpassung des Schwellenwerts erlaubt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschall-Strömungssensor mit zwei Ultraschallwandlern;
Fig. 2 einen Ultraschall-Strömungssensor mit zugehöriger Steuer- und Empfangsschaltung;
Fig. 3 den Signalverlauf eines einzelnen Ultraschallsignals;
Fig. 4 eine Empfangseinheit zur Anpassung des Schwellenwerts gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 5 einen Signalflussplan der Signale von Fig. 4; und
Fig.6a-6d verschiedene Ausführungsformen von Empfangseinheiten zur Anpassung des Schwellenwerts.
Bezüglich der Erläuterung der Fig. 1-3 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen .
Fig. 4 zeigt einen Teil einer Empfangseinheit 4, mit der der Schwellenwert SW an die Signalamplitude der Ultraschallsignale AO bzw. BO angepasst werden kann. Die Empfangseinheit 4 misst bei dieser Ausführungsform die maximale Amplitude Ampmax des UltraschallSignals A0,B0.
Die Empfangseinheit 4 umfasst einen ersten Komparator 10, an dessen Eingang US das Wandler-Ausgangssignal 5 anliegt, und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang 19 einer ersten S/H- Stufe 12 verbunden ist. Der Komparator 10 wechselt seinen Ausgangszustand, wenn das Wandler-Ausgangssignal 5 größer wird als der in der S/H-Stufe 1.2 bisher gespeicherte Amplitudenwert. Dadurch wird die erste S/H-Stufe 12 aktiviert, die dann den aktuellen Amplitudenwert übernimmt und speichert. Fig. 3 zeigt den Verlauf des Ausgangssignals 19 der ersten S/H-Stufe 12.
Wenn das Ultraschallsignal A0 bzw. B0 abgeklungen ist, übernimmt eine zweite S/H-Stufe 13 den maximalen Amplitudenwert Ampmax der ersten S/H-Stufe 12. Die zweite S/H- Stufe 13 wird hierzu von einem Steuersignal „stop" angesteuert. Das Ausgangssignal 20 der zweiten S/H-Stufe 13 wird einem Spannungsteiler 14 mit einstellbarem Teilerfaktor zugeführt. Der Spannungsteiler 14 ist hier als Trimmpotentiometer realisiert. Die Teilspannung Ut bildet dabei den neuen Schwellenwert SW für die Detektion des EmpfangsZeitpunktes. Die Teilspannung Ut wird einem zweiten Komparator 16 als Referenzspannung zugeführt. Der andere Eingang des Komparators 16 ist mit dem Eingang US der Empfangseinheit 4 verbunden. Das Ausgangssignal des zweiten Komparators 16 ändert somit den Schaltzustand, wenn das Ultraschallsignal AO,BO den Schwellenwert SW überschreitet bzw. unterschreitet. Der Schaltzustand wird in einem Monoflop 18 gespeichert.
Fig. 5 zeigt den Signalverlauf einiger Signale der Schaltung von Fig. 4. Der Signalverlauf ist dort schraffiert gezeichnet, wo das entsprechende Signal entweder von vorherigen Ereignissen abhängt oder der Signalzustand Undefiniert ist.
Das Messverfahren beginnt mit dem Erzeugen eines Start- Signals "start", das der ersten S/H-Stufe 12 über ein Oder- Gatter 11 zugeführt wird, um diese zu aktivieren. Bei Empfang eines Ultraschallsignals A0,B0 am Eingang US speichert die erste S/H-Stufe 12 (Signal s/hl) die maximale Signalamplitude Ampmax, wie vorstehend beschrieben wurde. Mit Eintreffen eines Stopp-Signals "stop" übernimmt die zweite S/H-Stufe 13,:den Wert der ersten S/H-Stufe 12 (Signal s/h2) .
Mit dem nächsten Start-Signal wird die erste S/H-Stufe 12 wieder zurückgesetzt und eine neue Messung kann beginnen.
Fig. 6a zeigt eine andere Ausführungsform einer Empfangseinheit 4, bei der das Wandler-Ausgangssignal zunächst einem Gleichrichter 21 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Gleichrichters 21 wird schließlich mittels eines Integrators 22 integriert, wobei eine Mittelwertbildung des Signals stattfindet. Dieser Wert ist somit wiederum ein Maß für die maximale Amplitude des Ultraschallsignals A0,B0. Das Integrator-Ausgangssignal wird dann von der zweiten S/H- Stufe 13 abgetastet und gespeichert. Die übrige Schaltung zur Erzeugung der Teilspannung Ut kann identisch wie in Fig. 4 realisiert sein. Fig. 6b zeigt eine weitere Ausführungsform einer Empfangseinheit 4 mit einem Gleichrichter 21 und einem nachgeordneten Tiefpass 15. Das gleichgerichtete und gefilterte Wandler-Ausgangssignal 5 kann z.B. wiederum mittels der Schaltung von Fig. 4 ausgewertet werden.
Fig. 6c zeigt eine weitere andere Ausführungsform einer Empfangseinheit 4 mit einem Differenzierer 23 und einer Einheit 24 zur Nulldurchgangsdetektion. Mit Hilfe des Differenzierers 23 und der Einheit 24 werden die Zeitpunkte der Signalmaxima des Ultraschallsignals A0,B0 bestimmt und eine nachgeordnete S/H-Stufe 25 aktiviert, die jeweils die maximalen Signalwerte übernimmt. Damit beim Abklingen des Ultraschallsignals A0,B0 nicht wieder niedrigere Amplitudenwerte übernommen werden, kann die Anzahl der
Abtastvorgänge der S/H-Stufe 25 z.B. durch einen Zähler oder ein Monoflop begrenzt werden.
Fig. 6d zeigt eine noch andere Ausführungsform einer Empfangseinheit 4 mit zwei lock-in-Verstärkern 40,42 bzw.
41,43. Die lock-in-Verstärker können z.B. als Multiplizierer 40,41 mit nachfolgenden Integriergliedern 42,43 aufgebaut sein. In diesem Fall wird das Ultraschallsignal A0, B0 mittels der Referenztakte Ref0 und Refpi/2, die genau die Ultraschallfrequenz haben, phasengesteuert invertiert. Eine andere Möglichkeit besteht z.B. darin, dass anstelle der beiden Multiplizierer jeweils ein invertierender und ein nichtinvertierender Verstärker eingesetzt wird, deren Verstärkungsfaktoren bis auf das Vorzeichen im Wesentlichen gleich sind. In diesem Fall würde dann z.B. ein
Signalmultiplexer eingesetzt, um gemäss der Referenztakte zwischen invertierendem und nichtinvertierendem Betrieb hin und her zu schalten. Die Referenztakte sind dabei um pi/2 phasenverschoben. Die resultierenden Signale werden dann integriert und somit die Verstärker-Ausgangssignale un und
Upi/2 erzeugt. Alternativ zu der Integrierung der Signale ist z.B. auch eine Tiefpassfilterung denkbar. Die Signale uo und uPi/2 werden über eine digitale oder analoge Rechenschaltung 44 quadratisch addiert und mit einer S/H-Stufe 13 abgetastet. Das Ausgangssignal out der Schaltung von Fig. 6d ist wiederum ein Maß für die Amplitude des Ultraschallsignals und erlaubt die Anpassung des Schwellenwerts SW (Ut) . Die übrige
Schaltung zur Erzeugung der Teilspannung Ut kann identisch wie in Fig. 4 realisiert sein.
Das dynamische Verhalten der Empfangseinheit 4 kann außerdem durch geeignete Filter beeinflusst werden. Ein Tiefpassfilter beispielsweise verhindert zu schnelle Anpassungen des Schwellenwerts SW. Ein solcher Tiefpassfilter könnte z.B. als RC-Glied realisiert sein, das zwischen die zweite S/H-Stufe 13 und das Trimmpotentiometer 14 geschaltet ist. Wahlweise könnte der Tiefpassfilter 15 auch zwischen das
Trimmpotentiometer und den zweiten Komparator 16 geschaltet sein.
Bezugszeichenliste
1 Fluid
2 Strömungsrichtung
3 Rohrleitung
4 Steuer- und Empfangseinheit
5 Wandler-Ausgangssignal
10 erster Komparator
11 Oder-Gatter
12 Erste S/H-Stufe
13 Zweite S/H-Stufe
14 Spannungsteiler
15 Tiefpassfilter
16 Zweiter Komparator
17 Und-Gatter
18 Monoflop
19 Ausgang der ersten S/H-Stufe 12
20 Ausgang der zweiten S/H-Stufe 13
21 Gleichrichter
22 Integrator
23 Differenzierer
24 Einheit zur Nulldurchgangsdetektion
25 S/H-Stufe
40,41 Multiplizierer
42,43 Integrierer
44 Recheneinheit
Refo,Refpi/2 ReferenztaktSignale to EmpfangsZeitpunkt
SW Schwellenwert
A0,B0 Ultraschallsignale
A,B Ultraschallwandler
L Messtrecke ut Teilspannung

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschall-Strömungssensor mit wenigstens einem Ultraschallwandler (A,B) zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen (A0,B0) und einer am Ultraschallwandler (A,B) angeschlossenen Empfangseinheit (4) , die überwacht, wann das Ultraschallsignal (A0,B0) einen vorgegebenen Schwellenwert (SW) überschreitet und in Abhängigkeit von diesem Ereignis einen EmpfangsZeitpunkt (to) des Ultraschallsignals (A0,B0) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (4) eine
Information über die Amplitude (Amp) des Ultraschallsignals
(A0,B0) ermittelt und den Schwellenwert (SW) in Abhängigkeit von der ermittelten Information einstellt.
2. Ultraschall-Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (4) eine erste S/H- Stufe (12) , an deren Eingang (US) ein Wandler-Ausgangssignal (5) anliegt, und eine nachgeschaltete zweite S/H-Stufe (13) aufweist, die den maximalen Wert (Ampmax) der ersten S/H-Stufe (12) übernimmt und speichert.
3. Ultraschall-Strömungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsteiler (14) , der das Ausgangssignal (20) der zweiten S/H-Stufe (13) teilt, und ein Komparator (16) vorgesehen sind, dem die Teilspannung des Spannungsteilers (14) zugeführt wird.
4. Ultraschall-Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiefpassfilter (15) vorgesehen ist, mit dem die Information über die Signalamplitude (Ampmax) oder eine daraus abgeleitete Information (U) gefiltert wird.
5. Ultraschall-Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (4) einen Gleichrichter (21) aufweist, mit dem das Wandler- Ausgangssignal (5) gleichgerichtet wird.
6. Ultraschall-Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (4) einen Differenzierer (23), dem das Wandler-Ausgangssignal (5) zugeführt wird, sowie eine nachgeschaltete Einheit (24) zur Nulldurchgangsdetektion aufweist.
7. Verfahren zur Detektion des Empfangszeitpunktes (to) eines an einem Ultraschallwandler (A, B) empfangenen
Ultraschallsignals (A0,B0) mittels einer Empfangseinheit (4), die überwacht, wann das Ultraschallsignal (A0,B0) einen vorgegebenen Schwellenwert (SW) überschreitet und in Abhängigkeit von diesem Ereignis einen EmpfangsZeitpunkt (to) des Ultraschallsignals (A0,B0) bestimmt, . dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (4) eine Information über eine Amplitude (Amp) des Ultraschallsignals (A0,B0) ermittelt und der Schwellenwert (SW) in Abhängigkeit von der ermittelten Information (Amp) eingestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Amplitudenwert (Ampmax) des Ultraschallsignals (A0,B0) in einer ersten S/H-Stufe (12) gespeichert wird, und der Maximalwert (Ampmax) der ersten S/H-Stufe (12) von einer zweiten S/H-Stufe (13) abgetastet und gespeichert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudeninformation (Amp, out) aus dem Ausgangssignal (u0, Upnv?) zweier lock-in-Verstärker (41, 42; 41, 43) gewonnen wird.
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