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DE10142538A1 - Signal runtime measurement method for electric, electromagnetic or acoustic signals measures a signal between a transmitter and a receiver or a transmitter used simultaneously as a receiver - Google Patents

Signal runtime measurement method for electric, electromagnetic or acoustic signals measures a signal between a transmitter and a receiver or a transmitter used simultaneously as a receiver Download PDF

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DE10142538A1
DE10142538A1 DE2001142538 DE10142538A DE10142538A1 DE 10142538 A1 DE10142538 A1 DE 10142538A1 DE 2001142538 DE2001142538 DE 2001142538 DE 10142538 A DE10142538 A DE 10142538A DE 10142538 A1 DE10142538 A1 DE 10142538A1
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Germany
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signal
cross
correlation function
transmitter
receiver
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Jens Jahny
Martin Schubert
Peter Seidel
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Advanced Acoustix Iins GmbH
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Advanced Acoustix I Ins GmbH
Advanced Acoustix Iins GmbH
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Abstract

A transmitter emits pulsed signals that reach a receiver as a group of waves rising and falling over multiple fluctuations or as several groups of waves of this type. A cross-correlation function for a received signal is generated with a reference signal. A parameterized function is digitally adapted directly to a cross-correlation function that exists in a digitalized form.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laufzeitmessung eines elektrischen, elektromagnetischen oder akustischen Signals zwischen einem Sender und einem Empfänger oder einem Sender, der gleichzeitig auch als Empfänger genutzt wird, wobei der Sender pulsförmige Signale abgibt, die den Empfänger als über mehrere Schwingungen ansteigende und wieder abklingende Wellengruppe erreichen.The invention relates to a method to measure the runtime of an electrical, electromagnetic or acoustic Signal between a transmitter and a receiver or a transmitter that at the same time as a recipient is used, the transmitter emitting pulse-shaped signals that the receiver than over several vibrations rising and falling wave group to reach.

Aus EP 0797105 bzw. EP-PS 0452531 ist ein derartiges Verfahren bekannt. Die Laufzeitmessung beispielsweise eines Ultraschallsignals beruht darauf, dass von einem Sendewandler ein pulsförmiges Schallsignal in das Messmedium eingekoppelt und nach dem Durchlaufen der Messstrecke von einem Empfangswandler detektiert wird. Die Schalllaufzeit ist die Zeitdifferenz zwischen dem Sendevorgang und dem Eintreffen des Ultraschallsignals am Empfangsort. Bei einer Schallreflexion wird das gesendete Schallsignal an einer Grenzschicht zwischen dem Messmedium und einem angrenzenden Medium reflektiert, bevor es zum Empfangswandler gelangt. In diesem Fall kann auch ein einziger Schallwandler wechselseitig als Sende- und Empfangswandler betrieben werden.Out EP 0797105 respectively. EP-PS 0452531 such a method is known. The transit time measurement, for example of an ultrasound signal, is based on the fact that a pulse-shaped sound signal is injected into the measurement medium by a transmitter transducer and is detected by a receiver transducer after passing through the measurement section. The sound propagation time is the time difference between the transmission process and the arrival of the ultrasound signal at the receiving location. In the case of sound reflection, the transmitted sound signal is reflected at a boundary layer between the measuring medium and an adjacent medium before it reaches the receiving transducer. In this case, a single sound transducer can also be operated alternately as a transmit and receive transducer.

Die Ultraschall-Laufzeitmessung ist für vielfältige Messaufgaben einsetzbar. Hierzu zählen beispielsweise die Abstandsmessung, die Durchflussmessung oder die Konzentrationsmessung in gasförmigen und flüssigen Medien.The ultrasonic transit time measurement is for diverse measuring tasks used. Which includes for example distance measurement, flow measurement or Concentration measurement in gaseous and fluid Media.

Für die Bestimmung der Laufzeit ist in EP 0797105 ein Verfahren unter Bestimmung des Maximums der Einhüllenden der Kreuzkorrelationsfunktion beschrieben. Dieses Verfahren beruht darauf, das ein empfangenes und digitalisiert vorliegendes Signal mit einem zuvor in gleicher Weise aufgenommenen Referenzsignal korreliert wird und aus der Lage des Maximums der Einhüllenden der Kreuzkorrelationsfunktion die zeitliche Verschiebung, d.h. die Laufzeit zwischen beiden Signalen ermittelt wird.For the determination of the term is in EP 0797105 described a method for determining the maximum of the envelope of the cross-correlation function. This method is based on the fact that a received and digitized signal is correlated with a reference signal previously recorded in the same way and the shift in time, ie the transit time between the two signals, is determined from the position of the maximum of the envelope of the cross-correlation function.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist seine Nichtanwendbarkeit auf zeitlich instabile Signale und Signale mit geringem Signal/Rauschabstand. Treten bezüglich des Referenzsignals Signalverformungen im empfangenen Signal auf, so liefert die nun unsymmetrisch werdende Einhüllende der Kreuzkorrelationsfunktion mitunter Plateaus oder sogar mehrere lokale Maxima. Die Höhe dieser gegenüber dem ursprünglichen Maximum auf der Zeitachse verschobenen lokalen Maxima kann dabei die des eigentlichen Maximums erreichen und übersteigen. Es kommt zu scheinbaren Laufzeitveränderungen, mitunter sogar Laufzeitsprüngen und eine Auswertung über das Verfahren per Maximum der Einhüllenden der Kreuzkorrelationsfunktion wird unmöglich. Die Genauigkeit der Laufzeitmessung nach diesem bekannten Verfahren hängt also empfindlich von der zeitlichen Stabilität des empfangenen Signals in seiner Signalform ab. Signalverformungen der in 1 gezeigten Art können beispielsweise durch aus der Umwelt einkoppelndes veränderliches Rauschen, oder thermische Driften in der Laufstrecke oder den Wandlerelementen entstehen, bzw. bei einem nichtlinearen Schallfeld, zum Beispiel bei fokussierenden Wandlern auftreten.A disadvantage of this method is its inapplicability to signals that are unstable in time and signals with a low signal / noise ratio. If signal deformations occur in the received signal with respect to the reference signal, the envelope of the cross-correlation function, which now becomes asymmetrical, sometimes delivers plateaus or even several local maxima. The height of these local maxima shifted on the time axis relative to the original maximum can reach and exceed that of the actual maximum. Apparent runtime changes occur, sometimes even runtime jumps, and an evaluation of the method using the maximum of the envelopes of the cross-correlation function becomes impossible. The accuracy of the transit time measurement according to this known method thus depends sensitively on the temporal stability of the received signal in its signal form. Signal deformations of the in 1 The type shown can arise, for example, from variable noise coupling in from the environment, or thermal drifts in the running path or the transducer elements, or can occur in the case of a nonlinear sound field, for example in the case of focusing transducers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Laufzeitmessung eines elektrischen, elektromagnetischen oder akustischen Signals zu finden, das auch bei langfristigen Signalverformungen des empfangenen Signals bezüglich des Referenzsignals hochpräzise Messwerte der Laufzeit liefert.The invention is based on the object a method for measuring the transit time of an electrical, electromagnetic or acoustic signal, even with long-term signal deformation of the received signal of the reference signal with high precision Delivers measured values of the runtime.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Verfahren der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens beschrieben.To solve this task, the new methods of the type mentioned in the characterizing Part of claim 1 specified features. In the subclaims are advantageous developments of the method described.

Das analoge Empfangssignal wird abgetastet, digitalisiert, abgespeichert und mit einem zweiten, bereits vorher digitalisiert und gespeicherten Empfangs- oder Sendesignal, oder einem bereitgestellten synthetischen Signal korreliert. Im Gegensatz zu EP0797105 wird weiterhin nicht die Einhüllende der derart gefundenen Kreuzkorrelationsfunktion gebildet, sondern es wird eine geeignet (vgl. Anwendungsbeispiel 2) parametrisierte Funktion direkt an die Kreuzkorrelationsfunktion selbst numerisch angepasst. Dadurch werden alle vorhandenen Datenpunkte für die zu bestimmenden Parameter der Anpassfunktion verwertet und nicht nur die die Einhüllende bildenden lokalen Extrema der Kreuzkorrelationsfunktion, was im Fourierraum nur der Nutzung der die Einhüllende bestimmenden niedrigen Frequenzen und damit einem starken Informationsverlust entspricht. Das beschriebene Verfahren ermöglich also die Nutzung des gesamten Datenvorrats der Kreuzkorrelationsfunktion.The analog received signal is sampled, digitized, stored and correlated with a second received or transmitted signal that has already been digitized and stored beforehand, or with a synthetic signal provided. In contrast to EP0797105 Furthermore, the envelope of the cross-correlation function found in this way is not formed, but a function (parameterized appropriately (see application example 2)) is numerically adapted directly to the cross-correlation function itself. As a result, all available data points for the parameters of the adaptation function to be determined are used and not only the local extremes of the cross-correlation function forming the envelope, which in the Fourier space only corresponds to the use of the low frequencies determining the envelope and thus to a strong loss of information. The method described thus enables the use of the entire data set of the cross-correlation function.

Gleichzeitig wird dieses Verfahren im Falle von Plateaus, lokalen Minima und Nebenmaxima der Einhüllenden zur Bestimmung der Laufzeit nicht mehr unbrauchbar, wie in den Anwendungsbeispielen 1 (Bestimmung des Schwerpunktes der Kreuzkorrelationsfunktion) und 2 (Anpassung einer Gaußdoppelpeak-Cosinusfunktion) beispielsweise gezeigt wird.At the same time, this procedure in the case of plateaus, local minima and secondary maxima of the envelope no longer usable for determining the runtime, as in the application examples 1 (determining the center of gravity of the cross-correlation function) and 2 (adaptation of a Gaussian double peak cosine function) for example is shown.

Die Kreuzkorrelationsfunktion K ist über ein Faltungsintegral im Ortsraum definiert

Figure 00020001
wobei R(t) für das Referenzsignal und S(t) für das gemessene Empfangssignal steht.The cross correlation function K is defined via a convolution integral in the spatial area
Figure 00020001
where R (t) stands for the reference signal and S (t) for the measured received signal.

Der Laufparameter Δ der Kreuzkorrelationsfunktion hat die Einheit einer Zeit (Sekunden) und steht für die betrachtete Verzögerung zwischen R und S. Im Fourierraum transformiert sich das Faltungsintegral zum Produkt aus den Fouriertransformierten von R bzw. S. Das Referenzsignal R(t) kann, wie in den Ansprüchen 4-6 beschrieben auch ein anhand von parameterabhängigen Modellformeln, die den zu erwartenden Signalverlauf möglichst gut wiedergeben, berechnetes synthetisches Signal sein.The running parameter Δ of the cross correlation function has the unit of a time (seconds) and stands for the considered delay between R and S. In the Fourier space the folding integral transforms to the product of the Fourier transforms of R and S. The reference signal R (t) can, as in claims 4-6 also described a using parameter-dependent model formulas that the expected signal curve if possible reproduce well, be calculated synthetic signal.

Beispielsweise kann es aus drei zeitlich aufeinanderfolgenden Funktionen zusammengesetzt sein: Einer mit A1(1-exp(-t/?1)) exponentiell ansteigenden und mit der Trägerfrequenz geträgerten Wellengruppe, dann einem für eine bestimmte Zeit (th – die Haltezeit) eine Wellengruppe konstanter Amplitude A2, und dann ein exponentiell mit A3exp(-t/τ2) abklingendes Signal (2). Dieses synthetische Signal ist also durch zehn Parameter: die Trägerfrequenz ω, die für die drei Kurvenabschnitte individuellen Phasenwinkel φ1,, φ2 und φ3 der Trägerfrequenz, die individuellen Amplituden A1, A2, A3, die Zeitkonstante τ1 des ansteigenden und τ2 des abklingenden Abschnittes, sowie die Haltezeit th bestimmt. Diese Parameter können (Anspruch 5 und 6) auch gerade so gewählt werden, dass die Kurvenanpassung an die entstehende Kreuzkorrelationsfunktion K optimiert wird, beispielsweise über ein selbstregelndes Künstliches Neuronales Netz, das den Parametersatz {ω, φ1, φ2, φ3, A1, A2, A3, τ1, τ2, th} so sucht, dass der Korrelationskoeffizient der Anpassung maximal, bzw. die Summe der Gaußschen Fehlerquadrate der Anpassung (vgl.For example, it can be composed of three temporally successive functions: one with A 1 (1-exp (-t /? 1)) increasing exponentially and carried with the carrier frequency, then one for a certain time (t h - the holding time) one Wave group of constant amplitude A 2 , and then a signal decaying exponentially with A 3 exp (-t / τ 2 ) ( 2 ). This synthetic signal is thus by ten parameters: the carrier frequency ω, the individual phase angles φ 1 ,, φ 2 and φ 3 of the carrier frequency for the three curve sections, the individual amplitudes A 1 , A 2 , A 3 , the time constant τ 1 of the increasing and τ 2 of the decaying section, and the holding time t h are determined. These parameters can also be selected (claims 5 and 6) in such a way that the curve adaptation to the resulting cross-correlation function K is optimized, for example via a self-regulating artificial neural network which contains the parameter set {ω, φ 1 , φ 2 , φ 3 , A 1 , A 2 , A 3 , τ 1 , τ 2 , t h } in such a way that the correlation coefficient of the adaptation is maximum, or the sum of the Gaussian squares of the adaptation (cf.

Anwendungsbeispiel 2) minimal und dadurch der dann aus der Kurvenanpassung an die Kreuzkorrelationsfunktion bestimmte Parametersatz der Anpassungsparameter ({B1, B2, μ1, μ2, σ1, σ2, ω, ϕ} im Anwendungsbeispiel 2) möglichst genau angegeben werden kann, um aus diesen dann die gesuchte Laufzeit td zu berechnen.Application example 2) minimal and therefore the parameter set of the adaptation parameters ({B 1 , B 2 , μ 1 , μ 2 , σ 1 , σ 2 , ω, ϕ} in the application example, which is then determined from the curve fitting to the cross-correlation function 2 ) can be specified as precisely as possible in order to then calculate the desired transit time t d from these.

Die Verwendung eines synthetischen Referenzsignals hat gegenüber einem gemessenen Signal zum einen den Vorteil, dass es rauschfrei vorliegt. Mit einem gemessenen Referenzsignal geht das Rauschen zweifach in die Berechnung der Kreuzkorrelationsfunktion ein, und zwar durch das empfangene Signal und das Referenzsignal selbst. Bei der Verwendung eines synthetischen Referenzsignals dagegen geht das Rauschen nur durch das gemessene Empfangssignal ein, sodass eine Fehlerhalbierung in den Werten der Kreuzkorrelationsfunktion resultiert.The use of a synthetic Reference signal has opposite A measured signal has the advantage that it is noise-free is present. The noise goes with a measured reference signal twice in the calculation of the cross correlation function, and through the received signal and the reference signal itself. When using a synthetic reference signal goes against it the noise only due to the measured received signal, so that halving the error in the values of the cross-correlation function results.

Weiterhin ist ein gemessenes Referenzsignal nur ein zeitlicher „Schnappschuss" und repräsentiert daher das tatsächlich zugrundeliegende Signal, auf das korreliert werden soll, nur unzureichend. Durch geeignete Modellierung und Wahl der Parameter können die tatsächlichen Signaleigenschaften erst heraus gearbeitet werden. Weiterhin hat die Verwendung eines synthetischen Referenzsignals zur Kreuzkorrelation den Vorteil, dass sich beliebig viele Stützstellen mit beliebiger Genauigkeit zusätzlich berechnen lassen und die Nyquist-Frequenz des synthetischen Referenzsignals keiner Beschränkung durch eine reale Messung unterliegt.There is also a measured reference signal just a temporal "snapshot" and represents hence actually the underlying signal to which correlation is to be carried out is insufficient. By appropriate modeling and choice of parameters, the actual Signal properties can only be worked out. Furthermore has the use of a synthetic reference signal for cross-correlation the advantage that there are any number of support points with any accuracy additionally calculate and the Nyquist frequency of the synthetic reference signal no limit is subject to a real measurement.

Der besondere Vorteil der Verwendung eines synthetischen Signals als Referenzsignal liegt darin, dass es über einen Digital-Analog – Wandler auf den Sendewandler übertragen werden kann und ein Künstliches Neuronales Netz die Parameter der synthetischen Funktion in Abhängigkeit der Gegebenheiten der Messstrecke, also beispielsweise den thermischen Driften der oder des Sende/Empfangswandler(s) oder dem auftretenden Rauschen zeitlich variabel dergestalt anpasst, dass mit dem so erhaltenen, gemessenen und digitalisierten Empfangssignal die Kreuzkorrelationsfunktion im Sinne der beschriebenen Kurvenanpassung beispielsweise hinsichtlich des Minimums der Summe der Gaußschen Fehlerquadrate bzw. des Maximums des Korrelationskoeffizienten der Kurvenanpassung optimiert werden kann.The particular advantage of using it of a synthetic signal as a reference signal is that it over a digital-to-analog converter transferred to the transmitter converter can become and an artificial Neural network depending on the parameters of the synthetic function the conditions of the measuring section, for example the thermal Drift of the transmitter / receiver converter (s) or the occurring Noise can be adjusted in such a way that the measured and digitized received signal the cross-correlation function in the sense of the curve fitting described, for example with regard to the minimum of the sum of the Gaussian Error squares or the maximum of the correlation coefficient of Curve fitting can be optimized.

Durch diese „Adaptive Signalbildung" kann zum einen das für den Messaufbau optimale Signal gefunden werden, zum anderen reagiert das System selbstregelnd auf äußere thermische Driften und ist in der Lage, gegen Rauschen kompensativ wirksam zu sein.This "adaptive signal formation" can on the one hand for the measurement setup optimal signal can be found, on the other hand reacts the system self-regulating to external thermal Drift and is able to compensate for noise to be.

Im Folgenden werden zwei Anwendungsbeispiele für eine Berechnung der Laufzeit aus dem gesamten Datenvorrat der Kreuzkorrelationsfunktion angegeben. Anwendungsbeispiel 2 gibt eine Variante für eine Kurvenanpassung an die gesamte Kreuzkorrelationsfunktion wieder.Below are two application examples for one Calculation of the runtime from the entire data set of the cross correlation function specified. Application example 2 gives a variant for curve fitting to the entire cross-correlation function again.

1. Anwendungsbeispiel: Schwerpunkt der Kreuzkorrelationsfunktion1. Application example: focus the cross-correlation function

Es wird der Schwerpunkt der Kreuzkorrelationsfunktion K(Δ) wie folgt definiert:

Figure 00030001
The center of gravity of the cross correlation function K (Δ) is defined as follows:
Figure 00030001

Für einen diskreten Datensatz schreibt sich diese Gleichung in der Gestalt:

Figure 00040001
For a discrete data set, this equation is written in the form:
Figure 00040001

Es wird also, gewichtet mit den zugehörigen (positiven) Quadraten der Kreuzkorrelationsfunktion, über alle Verzögerungen Δi summiert und so der Schwerpunkt S der Kreuzkorrelationsfunktion berechnet. Dieses Verfahren benutzt zum einen alle N zur Verfügung stehenden Datenpunkte und damit den gesamten Informationsvorrat, zum anderen ist sie unempfindlich gegenüber einem etwa auftretenden Plateau der Einhüllenden der Kreuzkorrelationsfunktion, oder mehreren lokalen Extrema. Die gesuchte Laufzeitdifferenz ergibt sich in diesem Fall einfach durch die folgende Formel:

Figure 00040002
Weighted with the associated (positive) squares of the cross-correlation function, it is summed over all delays Δ i and the center of gravity S of the cross-correlation function is thus calculated. On the one hand, this method uses all N available data points and thus the entire information store, on the other hand it is insensitive to a plateau of the envelope of the cross-correlation function that may occur, or several local extremes. In this case, the runtime difference you are looking for is simply given by the following formula:
Figure 00040002

Dabei Steht Kref,emp für die Kreuzkorrelationsfunktion zwischen empfangenen und Referenzsignal, Kemp,emp für die Kreuzkorrelation des Referenzsignals mit sich selbst, zur Bestimmung des Nullpunktes der Laufzeit.K ref, emp stands for the cross-correlation function between the received and reference signal, K emp, emp for the cross-correlation of the reference signal with itself, for determining the zero point of the transit time.

2. Anwendungsbeispiel (Anpassung einer Gaußdoppelpeak-Kosinusfunktion)2. Application example (adaptation a Gaussian double peak cosine function)

In diesem Beispiel wird an die ermittelte Kreuzkorrelation K die folgende Funktion:

Figure 00040003
mit dem Parametersatz {B1, B2, μ1, μ2, σ1, σ2, ω, ?} numerisch unter Ausnutzung des gesamten Datenvorrates nach dem Minimum der Summe der Gaußschen Fehlerquadrate angepasst.In this example, the following function is applied to the determined cross correlation K:
Figure 00040003
with the parameter set {B 1 , B 2 , μ 1 , μ 2 , σ 1 , σ 2 , ω,?} numerically adjusted using the entire data set according to the minimum of the sum of the Gaussian squares.

Die zu bestimmende Laufzeit td kann dann beispielsweise nach der Formel:

Figure 00040004
angegeben werden. Hier dienen die Minenwerte μ1, μ2 der beiden Gaußpeaks zur groben, der Phasenwert φ zur Feinbestimmung der Laufzeit. Dieses Verfahren ermöglich schon eine stark verbesserte Präzision und Stabilität gegenüber EP 0797 105 .The running time t d to be determined can then, for example, according to the formula:
Figure 00040004
can be specified. Here the lead values μ 1 , μ 2 of the two Gaussian peaks are used for the coarse, the phase value φ for the fine determination of the transit time. This procedure already enables a greatly improved precision and stability compared to EP 0797 105 ,

Der hier angegebene Zusammenhang zwischen Laufzeit und den aus der Kurvenanpassung ermittelten Parametern kann auch durch ein Künstliches Neuronales Netz ersetzt werden, dergestalt, dass in der Anlernphase eine genügend große Anzahl von Proben bekannter Laufzeitverzögerungen in die Messstrecke eingebracht, und dem Künstlichen Neuronalen Netz diese Laufzeiten mitgeteilt werden, sodass es selbstständig einen Zusammenhang zwischen allen Fitparametern und der Laufzeit erkennt.The relationship given here between runtime and the parameters determined from curve fitting can also be artificial Neural network to be replaced so that in the learning phase one enough size Number of samples of known transit time delays in the measurement section introduced, and the artificial Neural network these runtimes are communicated so that it is self-reliant Recognizes the relationship between all fit parameters and the runtime.

Die Erfindung zeichnet sich somit durch die folgenden Vorteile aus:
– Vermeiden des Unbrauchbarwerdens des Verfahrens bei Plateaubildung oder Bildung von weiteren Maxima in der Einhüllenden der Kreuzkorrelationsfunktion,
– Nutrung des gesamten zur Verfügung stehenden Datenvorrates der Kreuzkorrelationsfunktion
– Vereinfachung der Messung, Verringerung des Rauscheinflusses und Verbesserung der Kreuzkorrelationsfunktion durch Verwendung eines synthetischen Referenzsignals
– Möglichkeit der selbstregelnden Signaloptimierung durch Verwendung eines synthetischen Referenzsignals und eines automatischen Steuermechanismus (z.B. eines Künstlichen Neuronalen Netres)
– höhere Genauigkeit und wesentlich verbesserte Stabilität der ermittelten Laufzeit bei geringem Signal-/Rauschabstand und gegenüber thermischen Driften in den Sende-/Empfangswandlern bzw. der Messstrecke.
The invention is therefore distinguished by the following advantages:
Avoiding the process becoming unusable in the event of plateau formation or formation of further maxima in the envelope of the cross-correlation function,
- Nutrition of the entire available data set of the cross correlation function
- Simplify measurement, reduce noise and improve cross-correlation function by using a synthetic reference signal
- Possibility of self-regulating signal optimization by using a synthetic reference signal and an automatic control mechanism (e.g. an artificial neural network)
- Higher accuracy and significantly improved stability of the determined transit time with a low signal-to-noise ratio and with respect to thermal drifts in the transmit / receive converters or the measurement section.

Verzeichnis der Abbildungen:List of pictures:

1: Unbrauchbarwerden des Verfahrens nach EP 0797105 bei Signalverschlechterung trotr per Voraussetzung gleichgehaltener Laufzeit; 1 : The procedure becomes unusable after EP 0797105 in the event of a signal deterioration, the same duration is required;

2: Beispiel für eine parametrisierte synthetische Referenzfunktion, 2 : Example of a parameterized synthetic reference function,

Claims (12)

Verfahren zur Laufzeitmessung mittels Kreuzkorrelationsfunktion eines elektrischen, elektromagnetischen oder akustischen Signals zwischen einem Sender und einem Empfänger, oder einem einzelnen Sende/Empfangswandler, wobei der Sender pulsförmige Signale abgibt, die den Empfänger als über mehrere Schwingungen ansteigende und wieder abfallende Wellengruppe oder mehrere Wellengruppen dieser Art erreichen, dadurch gekennzeichnet, (a) dass eine Kreuzkorrelationsfunktion des Empfangssignals mit einem Referenzsignal erzeugt wird und (6) dass eine parametrisierte Funktion direkt an die digitalisiert vorliegende Kreuzkorrelationsfunktion numerisch angefittet wird und (c) die Laufzeit in Abhängigkeit der derart bestimmten Parameter hochgenau und stabil angegeben wird.Method for time-of-flight measurement by means of a cross-correlation function of an electrical, electromagnetic or acoustic signal between a transmitter and a receiver, or a single transceiver, the transmitter emitting pulse-shaped signals that identify the receiver as a group of waves rising or falling over several vibrations or several groups of this type achieve, characterized in (a) that a cross-correlation function of the received signal is generated with a reference signal and (6) that a parameterized function is numerically fitted directly to the digitized cross-correlation function and (c) the transit time depending on the parameters determined in this way is highly precise and stable is specified. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal einem bei ungestörter Übertragung digitalisierten Empfangssignal entspricht.A method according to claim 1, characterized in that the Reference signal one with undisturbed transmission digitized received signal corresponds. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal einem digitalisierten Sendesignal entspricht.A method according to claim 1, characterized in that the Reference signal corresponds to a digitized transmission signal. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal einem synthetischen, d.h. nicht durch Messung gewonnenen Signal entspricht.A method according to claim 1, characterized in that the Reference signal to a synthetic, i.e. not obtained by measurement Signal corresponds. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Künstliches Neuronales Netz zur Bestimmung der Parameter des synthetischen Referenzsignals eingesetzt wird.Process according to the claims 1 and 4, characterized in that an artificial neural network for Determination of the parameters of the synthetic reference signal used becomes. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das synthetische Referenzsignal über einen Digital/Analog-Wandler auf den Sendewandler übertragen wird und ein Künstliches Neuronales Netz die Parameter der synthetischen Funktion in Abhängigkeit der Gegebenheiten der Messstrecke, also beispielsweise den thermischen Driften der oder des Sende/Empfangswandler(s) oder dem auftretenden Rauschen zeitlich variabel dergestalt anpasst, dass mit dem so erhaltenen, gemessenen und digitalisierten Empfangssignal die Kreuzkorrelationsfunktion im Sinne der unter Anspruch 1 (b) beschriebenen Anpassung optimiert wird.Process according to the claims 1, 4 and 5, characterized in that the synthetic reference signal via a Digital / analog converter is transmitted to the transmitter converter and an artificial one Neural network depending on the parameters of the synthetic function the conditions of the measuring section, for example the thermal Drift of the transmitter / receiver converter (s) or the noise that occurs variable in time in such a way that with the measured and digitized received signal the cross-correlation function optimized in the sense of the adjustment described in claim 1 (b) becomes. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über ein Künstliches Neuronales Netz die Laufzeit aus den aus der Kreuzkorrelationsfunktion im Sinne von Anspruch 1 (b) bestimmten Parametern abgeleitet wird.A method according to claim 1, characterized in that a artificial Neural network the runtime from the from the cross correlation function certain parameters in the sense of claim 1 (b) is derived. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Probe bekannter Messeigenschaften in die Messstrecke zur Kalibration eingebracht wird.A method according to claim 1, characterized in that a Sample known measurement properties in the measurement section for calibration is introduced. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Messsignal bei umgekehrter Laufrichtung des elektrischen, elektromagnetischen oder akustischen Signals gewonnen wird und dass die Differenz der in beiden Laufrichtungen gemessenen Laufzeiten ermittelt wird.A method according to claim 1, characterized in that a Another measurement signal when the direction of the electrical electromagnetic or acoustic signal is obtained and that the difference between the run times measured in both directions is determined. Verfahren nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Massendurchfluss in einem flüssigen oder gasförmigen Medium gemessen wird.A method according to claim 1 and 9, characterized in that the flow rate or the mass flow in a liquid or gaseous medium is measured. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangssignal elektronisch oder in seiner digitalisierten Form durch einen Bandpass mit der Frequenz der Trägerschwingung als Durchgangsfrequenz gefiltert wird.A method according to claim 1, characterized in that the Receive signal electronically or in its digitized form by a bandpass with the frequency of the carrier oscillation as the pass frequency is filtered. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Ultraschallmessgerät Abstände oder Schallgeschwindigkeiten in Transmission oder Reflexion gemessen werden.A method according to claim 1, characterized in that with an ultrasonic measuring device Distances or Velocity of sound measured in transmission or reflection become.
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