WO2006021266A1

WO2006021266A1 - Verfahren und vorrichtung zur hochgenauen digitalen messung eines analogsignals

Info

Publication number: WO2006021266A1
Application number: PCT/EP2005/007515
Authority: WO
Inventors: Christoph Bothe
Original assignee: M & Fc Holding Llc
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2006-03-02
Also published as: DE102004035431A1; ATE460691T1; EP1769289B1; DE502005009203D1; EP1769289A1; DK1769289T3; PL1769289T3; ES2342304T3

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur hochgenauen digitalen Messung eines Analogsignals sowie eine dazu geeignete Vorrichtung. Aus einem Taktsignal (fT) wird ein Messtakt (fM) erzeugt. In einem ersten Kalibrierschritt wird während einer vollen Periode des Taktsignals (fT) ein Kondensator (C) mit einem Konstantstrom (IK) geladen. Die Ladespannung wird gehalten und in digitale Vergleichszahl umgewandelt. In einem darauf folgenden Messschritt wird ein erster Anteil (T1) der Dauer des Analogsignals als geeignet gewähltes, ganzzahliges Vielfaches (m) der Periodendauer (To) des Taktsignals (fT) bestimmt. Vom Ende des ersten Anteils (T1) bis zum Auftreten an der bestimmten Flanke des Empfangssignals (fE) wird der Kondensator (C) mit demselben Konstantstrom (IK) geladen. Die Ladespannung wird gehalten und in eine digitale Messzahl umgewandelt. Durch Division der Messzahl durch die Vergleichszahl wir die Dauer eines zweiten Anteils (T2) des Analogsignals als Bruchteil einer Messtaktperiode errechnet. Aus dem ersten Anteil (T1) und dem zweiten Anteil (T2) wird die Messgröße des Analogsignals bestimmt.

Description

Beschreibung:

Verfahren und Vorrichtung zur hochgenauen digitalen Messung eines Analogsignals

Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft Verfahren zur hochgenauen digitalen Messung eines Analogsignals gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere zur Messung der Laufzeit eines Ultraschall-Signals durch ein Fluid. Sie betrifft ferner Vorrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik:

Aus der DE 38 34 938 C ist eine Schaltung zur digitalen Erfassung einer analogen Information, insbesondere des Zeitabstandes zweier aufeinanderfolgender Zustände wenigstens eines Signals, bekannt. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Integrationskondensator, der während einer Ladephase über eine Parallelschaltung aus einem ersten und einem zweiten Widerstand auf eine die analoge Information repräsentierende Spannung aufgeladen wird. Mit Beendigung der Ladephase unterbricht ein in Serie zum ersten Widerstand geschalteter, von einer Steuereinrichtung gesteuerter erster Schalter den Stromfluss durch den ersten Widerstand, so dass der Integrationskondensator während der sich anschließenden Ladungsänderungsphase nur noch über den zweiten Widerstand geladen wird. Diese Weiterladung dauert so lange, bis die Kondensatorspannung einen von einem Komparator überwachten vorbestimmten Schwellwert erreicht. Da der zweite Widerstand einen größeren Widerstandswert hat als der erste Widerstand, ist die Ladezeitkonstante während der zweiten Phase größer als die Ladezeitkonstante während der ersten Phase. Während der zweiten Phase zählt ein Zähler periodische Taktpulse eines Referenztaktsignals. Das Zählergebnis des Zählers wird nach Beendigung der Ladungsänderungsphase von einer Auswerteeinrichtung ausgelesen. Nachteilig an dieser Schaltungsanordnung ist, dass die zweite Ladephase um so kürzer ausfällt, je länger die zu messende Zeitspanne ist, so dass lange Messzeiten ungenauer ausgezählt werden als kurze Messzeiten. Außerdem ist die Aufladung des Integrationskondensators über Widerstände nicht linear sondern entspricht einer e- Funktion. Aus der EP O 662 650 B ist eine Einrichtung zur Messung kleiner Zeitintervalle bekannt. Dabei wird in einem Messzyklus ein aus einer Anzahl von aufeinanderfolgenden Einzelimpulsen zusammengesetztes Impulspaket zur Messung herangezogen. Die Einzelimpulse, die eine unbekannte Breite besitzen, werden zu einer sogenannten Registriersumme zusammengezählt, die gerade größer ist als ein vorgegebenes Registrierintervall. Die Registriersumme wird um einen Dehnfaktor zu einer Abtastzeit vervielfacht. Die Abtastzeit selbst wird mittels Abtastimpulsen gemessen. Abschließend wird die durchschnittliche Breite der Einzelimpulse als das zu messende Zeitintervall aus dem Verhältnis der Abtastzeit zum Produkt aus der minimalen Anzahl der Eingangsimpulse und des Dehnfaktors ermittelt. Nach einer vorbestimmten Anzahl von Messzyklen wird ein Kalibrierzyklus zur Eichung des Dehnfaktors eingeschoben. Dabei werden anstelle der Einzelimpulse unbekannter Breite Kalibrierimpulse bekannter Breite verwendet. Die offenbarte Schaltungsanordnung verwendet einen Integrationskondensator, der während aufeinanderfolgender Einzelimpulse mit Hilfe zweier Konstantstromquellen abwechselnd entladen und geladen wird, bis die Kondensatorladespannung ausgehend von einem Maximalwert einen Schwellwert unterschreitet.

Nachteilig an dieser Schaltungsanordnung ist der relativ hohe Schaltungsaufwand, bedingt durch die Verwendung zweier Konstantstromquellen, zweier Komparatoren und zweier Referenzspannungsquellen.

Darstellung der Erfindung:

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur hochgenauen, digitalen Messung eines Analogsignals anzugeben, welches mit minimalem Aufwand und in kürzest möglicher Zeit das gewünschte Messergebnis liefert, wobei die Auflösung proportional der Messdauer bleibt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Dank des vorliegenden Verfahrens ist es möglich, mit Taktfrequenzen, die im einstellige Megaherz-Bereich arbeiten, Messzeiten mit einer Genauigkeit im Pico-Sekundenbereich aufzulösen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Mehrzahl der dazu benötigten Hardwarekomponenten wie Taktgenerator, Taktteiler, Zähler, Analog-Digital-Wandler und Referenzspannungsquelle in handelsüblichen Mikrocontrollern serienmäßig vorhanden sind. Außerdem kann der Mikrocontroller eine Serie von aufeinanderfolgenden Messungen statistisch analysieren und auswerten, wodurch die Messgenauigkeit nochmals verbessert wird.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin begründet, dass einer oder mehreren Messungen eine Kalibrierung unmittelbar vorgeschaltet ist. Dies bedeutet, dass allmähliche Veränderungen der Schaltungskomponenten, insbesondere des Integrationskondensators oder der Konstantstromquelle, keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit haben.

Eine weitere Erhöhung der Messgenauigkeit in Verbindung mit einer Reduzierung des Energieverbrauchs wird erreicht, wenn die Ladung des Kondensators erst nach Ablauf einer bestimmten Anzahl von Taktsignalperioden gestartet wird. Diese bestimmte Anzahl kann entweder fest vorgegeben werden, wenn bekannt ist, in welchem Zeitintervall die zu messende Größe variiert, oder mit Hilfe des Mikrocontrollers aus einer Serie von aufeinanderfolgenden Messungen adaptiv ermittelt werden.

Wie eingangs erwähnt findet das erfindungsgemäße Messverfahren eine hervorragende Anwendung bei der Messung der Laufzeit eines Ultraschall-Signals durch ein Fluid, beispielsweise bei der Verbrauchsmessung. Hierzu wird aus dem Taktsignal ein Ultraschall-Signal abgeleitet, das über eine Messtrecke zwischen einem Ultraschall- Sendewandler und einem Ultraschall-Empfangswandler geschickt wird. Das am Empfangswandler aufgenommene Signal wird im Komparator mit der Referenzspannung verglichen, wobei das Auftreten eines Signals, vorzugsweise eine bestimmte Flanke, am Ausgang des Komparators das Ende des zu messenden Zeitintervalls bedeutet.

Der vorliegenden Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur hochgenauen digitalen Messung der Laufzeit eines Ultraschall-Signals durch ein Fluid, insbesondere für die Verbrauchsmessung z. B. von Trinkwasser, anzugeben. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7.

Vorteil dieser Schaltungsanordnung ist, dass die überwiegende Mehrzahl der benötigten Hardware in handelsüblichen Mikrocontrollern serienmäßig vorhanden ist. Lediglich Komparator, Konstantstromquelle, Integrationskondensator und Umschalter müssen extern zugeschaltet werden. Die Takterzeugung, die Referenzspannungserzeugung sowie sämtliche Zähl- und Rechenvorgänge werden vom Mikrocontroller erledigt. Dies gilt auch für die statistische Auswertung von Messreihen. Ebenso lassen sich individuelle Korrekturfaktoren für die Verbrauchsmessung im Mikrocontroller hinterlegen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Messung der Laufzeit eines Ultraschallsignals und

Fig. 2 die zugehörigen Puls-Zeit-Diagramme.

Wege zur Ausführung der Erfindung und gewerbliche Verwertbarkeit:

Fig. 1 zeigt rein schematisch eine Schaltungsanordnung zur Messung der Laufzeit eines Ultraschall-Signals durch ein Fluid. Hierzu wird in einem Taktgenerator 2 ein Taktsignal f_τ erzeugt. Dieses Taktsignal wird in einem Frequenzteiler 3 zu einem Messsignal f_M heruntergeteilt. Ein Umschalter 13 schaltet das Messsignal f_M als Ultraschall-Sendesignal USl auf einen Ultraschall-Sendewandler 10. Nach Durchlaufen einer Messstrecke 11 wird das Ultraschall-Signal von einem Ultraschall-Empfangswandler 12 aufgenommen und als Empfangssignal US2 über den Umschalter 13 an den einen Eingang eines Komparators 14 geleitet. Im Komparator 14 wird das Ultraschall-Empfangssignal US2 mit einer Referenzspannung U_ref verglichen, die von einem Referenzspannungsgenerator 4 zur Verfügung gestellt wird. Des weiteren ist ein Impulszähler 5 vorgesehen, der die Taktimpulse f_τ zählt, beginnend mit dem Aussenden der Ultraschall-Impulse USl. Dieser Zähler 5 gibt nach der Zeitdauer Ti einer bestimmten, für die Laufzeitmessung geeigneten Anzahl m von Taktimpulsen f_τ ein Schaltsignal an das Gatter 15.

Des weiteren enthält die Schaltung einen Integrationskondensator C, der von einer Konstantstromquelle 16 mit dem Konstantstrom I_κ geladen wird, sobald ein Schalter 17 geschlossen ist. Der Schalter 17 wird über ein Gatter 15 gesteuert, welches die Aufladung des Kondensators C mit dem Schaltsignal vom Zähler 5 startet und mit der nächstfolgenden Flanke vom Ausgangssignal f_E des Komparators 14 stoppt. Dies bedeutet, dass zu Beginn der Ladezeit T₂ der Schalter 17 geschlossen und am Ende der Ladezeit T₂ wieder geöffnet wird.

Die Ladespannung des Kondensators C wird mit Hilfe einer Sample-And-Hold-Schaltung 6 gehalten. Die Ausgangsspannung der Sample-And-Hold-Schaltung wird in einem A/D- Wandler in eine Digitalzahl umgewandelt, die der Messzeit entspricht.

Die vorliegende Schaltung macht es möglich, den Integrationskondensator C innerhalb selbst sehr kurzer Messzeiten im Nano-Sekundenbereich auf eine relativ hohe Ladespannung aufzuladen. Die Ladespannung selbst kann dann anschließend mit hoher Auflösung bestimmt werden, wodurch eine Steigerung der Zeitauflösung bis in den Pico- Sekundenbereich möglich ist.

Sobald die Ladespannung des Kondensators C bestimmt ist, wird ein zweiter Schalter 18 geschlossen und der Kondensator C entladen.

Da sich die Werte der zur Messung benötigten Schaltungskomponenten während der oft mehrjährigen Betriebszeit verändern können, wird gegebenenfalls dem Messschritt ein Kalibrierschritt vorgeschaltet. Hierzu wird der Kondensator C während einer vollen Periode der Taktfrequenz f_τ geladen. Dank dieser Kalibrierung ist bekannt, in welchem Verhältnis die Ladespannung des Kondensators C zur Periodendauer der Taktfrequenz f_τ steht. Durch Vergleich der Kondensator-Ladespannung während des unmittelbar nachfolgenden Messvorgangs mit dem bei einem vorangegangenen Kalibrierschritt ermittelten Wert lässt sich die Messzeit als Bruchteil einer Periodendauer der Taktfrequenz f_τ errechnen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur hochgenauen, digitalen Messung eines Analogsignals, insbesondere der Laufzeit eines Ultraschallsignals durch ein Fluid, wenigstens umfassend die Verfahrensschritte

Erzeugen eines Taktsignals (f_τ),

Erfassen und gegebenenfalls Verstärken des Analogsignals, Erzeugen eines Empfangssignals (f_E), sobald das Analogsignal einen Referenzwert (U_ref) überschreitet,

Aufladen eines Kondensators (C) während einer Zeitdauer T₂, Halten der Ladespannung des Kondensators (C), Umwandeln der gemessenen Ladespannung in eine Digitalzahl und Entladen des Kondensators, gekennzeichnet durch die Merkmale: aus dem Taktsignal (f_τ) wird durch Teilen mit dem Quotienten 2ⁿ (n = 1, 2, 3...) ein Messtakt (f_M) erzeugt, in einem ersten Kalibrierschritt wird während einer vollen Periode des Taktsignals (f_τ) der Kondensator (C) mit einem Konstantstrom (I_κ) geladen, die Ladespannung gehalten und in eine digitale Vergleichszahl umgewandelt, in einem darauf folgenden Messschritt wird ein erster Anteil (Ti) der Dauer des Analogsignals als geeignet gewähltes, ganzzahliges Vielfaches (m) der Periodendauer (T₀) des Taktsignals (f_τ) bestimmt, vom Ende des ersten Anteils (T₁) bis zum Auftreten einer bestimmten Flanke des Empfangssignals (f_E) der Kondensator (C) mit demselben Konstantstrom

(I_K) geladen, die Ladespannung gehalten und in eine digitale Messzahl umgewandelt, durch Division der Messzahl durch die Vergleichszahl wird die Dauer eines zweiten Anteils (T₂) des Analogsignals als Bruchteil einer Messtaktperiode errechnet und aus dem ersten Anteil (Ti) und dem zweiten Anteil (T₂) die Messgröße des Analogsignals bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal : die Messgröße wird aus der Summe T₁ und T₂ bestimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal: die Messgröße wird aus der Differenz T₁ - T₂ bestimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal: zum Halten der Ladespannung des Kondensators (C) wird eine Sample-And-Hold- Schaltung (6) verwendet.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal: zur Umwandlung der Kondensatorspannung in eine Digitalzahl wird ein AD- Wandler (7) verwendet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Messung der Laufzeit eines Ultraschallsignals durch ein Fluid, gekennzeichnet durch die Merkmale: aus dem Taktsignal (f_τ) wird ein Ultraschall-Signal (USl) abgeleitet, das Ultraschall-Signal wird über eine Messstrecke (11) zwischen einem Ultraschall- Sendewandler (10) und einem Ultraschall-Empfangswandler (12) geschickt, das Ultraschall-Empfangssignal (US2) wird im Komparator (14) mit der Referenzspannung (U_ref) verglichen.

7. Schaltungsanordnung zur hochgenauen digitalen Messung der Laufzeit eines Ultraschallsignals durch ein Fluid, wenigstens umfassend einen Sendewandler (10), eine Ultraschall-Messstrecke (11), einen Empfangswandler (12), einen Taktgenerator (2), eine Referenzspannung (U_ref), einen Komparator (14), einen Kondensator (C), eine Einrichtung (16, 17) zum Laden des Kondensators (C), eine Einrichtung (18) zum Entladen des Kondensators (C), eine Einrichtung (6, 7) zum Messen der Kondensatorspannung, einen Zähler (5) und eine Rechen- und Steuerlogik (1), gekennzeichnet durch die Merkmale: ein Frequenzteiler (3), der aus dem Taktsignal (f_τ) das Messsignal (f_M) und das

Ultraschallsignal (USl) erzeugt, eine Konstantstromquelle (16), ein Gatter (15), das die Konstantstromquelle (16) mit einem Steuersignal vom Zähler (5) nach einer geeigneten Anzahl von Taktsignal-Perioden auf den Kondensator (C) aufschaltet und beim Auftreten einer bestimmten Flanke des Ausgangssignals (fε) am Komparator (14) vom Kondensator (C) abschaltet, eine Sample-And-Hold-Schaltung (6), ein Analog-Digital-Wandler (7), der die gehaltene Kondensator-Ladespannung in eine Digitalzahl wandelt, eine Rechen- und Steuerlogik (1) bestimmt aus der Anzahl der Taktperioden und der Digitalzahl die Laufzeit des Ultraschallsignals.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch das Merkmal: ein Umschalter (13), der die Ultraschallwandler (10, 12) abwechselnd als Sendewandler und Empfangswandler schaltet.