DE69711621T2

DE69711621T2 - Verfahren zur messung der fortpflanzungszeit eines akustischen signals in einer flüssigkeit durch detektion des nullpunktdurchgangs des signals

Info

Publication number: DE69711621T2
Application number: DE69711621T
Authority: DE
Inventors: Robert De Vanssay; Jerome Juillard
Original assignee: Schlumberger SA
Current assignee: Itron France SAS
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2017-06-07
Also published as: AU3265597A; EP0902883B1; US6226598B1; FR2749652A1; ID17866A; EP0902883A1; CN1221487A; WO1997046854A1; DE69711621D1; FR2749652B1; RU2182335C2

Description

Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zum Messen der Ausbreitungszeit eines Schallsignals in einer Fluidströmung zwischen einem ersten Wandler, der die Rolle eines Senders spielt, und einem zweiten Wandler, der die Rolle eines Empfängers spielt und sich in einem bestimmten Abstand vom ersten Wandler befindet, zum Gegenstand, wobei das vom ersten Wandler ausgesendete Schallsignal aus wenigstens einem Impuls besteht, der mit einer bestimmten Schallfrequenz Fa gesendet wird, und wobei das Schallsignal, das vom zweiten Wandler empfangen wird, eine Reihe von charakteristischen Schwingungen umfaßt, deren Amplitude zunächst über mehrere Perioden zunimmt und dann über mehrere folgende Perioden abnimmt, wobei die Einhüllende der charakteristischen Schwingungen spindelförmig ist, wobei das Verfahren darin besteht, das empfangene Schallsignal mit einer Abtastfrequenz Fe abzutasten, das abgetastete empfangene Schallsignal zu digitalisieren und durch Analyse des digitalisierten und abgetasteten Schallsignals den ersten signifikanten Nulldurchgang der charakteristischen Schwingungen des empfangenen Schallsignals zu suchen.
Es ist seit vielen Jahren bekannt, die Durchflußmenge eines Fluids (oder sein Volumen), das in einer Rohrleitung strömt, unter Nutzung der Ausbreitung von Schallsignalen zu messen, die zwischen zwei Schallwandlern ausgesendet werden, die sich in voneinander beabstandeten Punkten in Richtung der Strömung des Fluids befinden. Im Prinzip wird ein vom ersten Wandler in Richtung des zweiten Wandlers gesendetes Schallsignal von diesem zweiten Wandler empfangen, und die Ausbreitungszeit Td dieses Schallsignals wird gemessen. Ebenso wird die Ausbreitungszeit Tu eines vom zweiten Wandler in Richtung des ersten Wandlers gesendeten Schallsignals nach dem Empfang des Signals durch diesen ersten Wandler gemessen.
In einem Fluidzähler kann die Durchflußmenge erhalten werden, indem eine Messung der Ausbreitungszeiten der beiden zwischen den zwei Punkten in entgegengesetzte Richtungen sich ausbreitenden Schallsignale mit einer Messung der Schall-Phasenverschiebungen, die durch die Ausbreitung jedes dieser akustischen Signale in der Strömung hervorgerufen werden, kombiniert wird. Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 426 309 beschreibt ein Beispiel für ein derartiges System zur Messung der Durchflußmenge, in dem das empfangene Signal abgetastet und digitalisiert wird, wobei die Messung der Schall-Phasenverschiebung erfolgt, indem eine synchrone Erfassung des digitalisierten Signals durchgeführt wird.
Bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases in einem Gaszähler, wozu zwei Ultraschallwandler verwendet werden, ist es erforderlich, die Laufzeit der Ultraschallwelle zwischen dem Sendezeitpunkt und dem Empfangszeitpunkt zu messen, da die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen von der Art und dem Zustand des Gases abhängig ist.
In. Fig. 2 ist die Form eines Rechteckimpulssignals S&sub1; mit der Länge T, das zu einem Zeitpunkt T&sub0; von einem ersten Ultraschallwandler, der im Strom eines Fluids an einem ersten Punkt angeordnet ist, gesendet wird, und die Form des Signals S&sub2;, das die Impulsantwort bildet, die auf das Signal hin zu einem Zeitpunkt T&sub1; von einem zweiten Ultraschallwandler, der in dem Strom des Fluids an einem vom ersten Punkt verschiedenen zweiten Punkt angeordnet ist, empfangen wird, dargestellt.
Das von dem zweiten Wandler empfangene Schallsignal S&sub2; besteht aus einer Reihe von charakteristischen Schwingungen Oc, deren Amplitude über mehrere Perioden zunimmt und dann abnimmt, so daß die Einhüllende dieser charakteristischen Schwingungen spindelförmig ist. Die charakteristischen Schwingungen Oc des Signals S&sub2; sind zwischen vorausgehenden und nachfolgenden parasitären Schwingungen Op mit schwacher Amplitude eingeschlossen. Um den Zeitpunkt T&sub1; des Anfangs der charakteristischen Schwingungen zu bestimmen, muß der erste signifikante Nulldurchgang der charakteristischen Schwingungen Oc des empfangenen Schallsignals S&sub2; bestimmt werden.
In Fig. 3 ist in einem größeren Maßstab als in Fig. 2 ein Beispiel für ein Schallsignal S&sub2;, das auf einen mit einer bestimmten Schallfrequenz Fa gesendeten Rechteckimpuls S&sub1; hin empfangen wird, dargestellt.
Um den Anfang der charakteristischen Schwingungen Oc zu bestimmen, wird gemäß einem bekannten Verfahren eine Schwellenspannung Vs festgelegt, mit welcher der Pegel des empfangenen Schallsignals S&sub2; verglichen wird, wobei der Vergleich über ein digitales Signal ausgeführt wird, das nach dem Abtasten des empfangenen analogen Schallsignals mit einer Abtastfrequenz Fe, die beispielsweise ein Vielfaches der Schallfrequenz Fa beträgt, erhalten wird.
In diesem Fall wird der Zeitpunkt T&sub2; ermittelt, zu dem die Amplitude des empfangenen Signals die Schwellenspannung Vs überschreitet, dann wird der Zeitpunkt des vorhergehenden (oder nachfolgenden) Nulldurchgangs identifiziert, der als der Zeitpunkt T&sub1; des Beginns der charakteristischen Schwingungen Oc des empfangenen Schallsignals S&sub2; betrachtet wird.
Ein derartiges Meßverfahren kann zu Fehlern führen, da die charakteristischen Schwingungen Oc des empfangenen Schallsignals S&sub2; in Abhängigkeit von der Art und dem Zustand des Gases mehr oder weniger verstärkt sein können. So ist, in Fig. 4 eine Kurve S&sub2;&sub1; dargestellt, die der Form nach einem für Stickstoff (N&sub2;) empfangenen Schallsignal entspricht, sowie eine Kurve S&sub2;&sub2;, die der Form nach einem für ein Gemisch aus Kohlendioxid und Methan (CO&sub2;/CH&sub4;) empfangenen Schallsignal entspricht. Es ist festzustellen, daß die Kurve S&sub2;&sub1; die Schwellenspannung Vs zu einem Zeitpunkt T&sub4; überschreitet, der die Identifikation des vorhergehenden Nulldurchgangs zu einem Zeitpunkt T&sub3; auslöst, der zu Recht als Hinweis auf den Anfang der charakteristischen Schwingungen Oc angesehen wird. Hingegen ist festzustellen; daß die Kurve S&sub2;&sub2;, die in Phase mit der Kurve S&sub2;&sub1; ist, die Schwellenspannung VS zu einem Zeitpunkt T&sub6; überschreitet, der später als der Zeitpunkt T&sub4; ist und in bezug auf diesen um den Wert einer Periode TR des empfangenen Signals verschoben ist. Der Zeitpunkt T&sub5; identifiziert dann für die Kurve S&sub2;&sub2; direkt das Überschreiten der Schwelle zum Zeitpunkt T6 als vorhergehenden Nulldurchgangspunkt, der dann als Hinweis auf den Anfang der charakteristischen Schwingungen Oc der Kurve S&sub2;&sub2; betrachtet wird. Oder, wie in Fig. 4 zu sehen ist, die Kurve S&sub2;&sub2; weist eine negative Keule auf, die den Wert, der Schwellenspannung VS nur in etwa erreicht; ohne diese Schwelle zu unter- bzw. überschreiten.
Infolge von Dämpfungen oder Verstärkungen des empfangenen Signals S&sub2;, die in Abhängigkeit von der Art und dem Zustand des Gases unterschiedlich sind, kann das herkömmliche Verfahren zum Messen des Zeitpunkts des ersten Nulldurchgangs der charakteristischen Schwingungen des empfangenen Signals einen Fehler von mehr oder weniger als einer Periode hervorrufen, der in signifikanter Weise die Genauigkeit der Messungen verringert.
Die Erfindung hat zum Ziel, die eben genannten Nachteile zu beseitigen und eine Verringerung der Empfindlichkeit des Verfahrens zum Messen des Zeitpunkts des Nulldurchgangs eines empfangenen Schallsignals gegenüber Veränderungen der Wellenformen dieses Signals sowie gegenüber etwaigen äußeren Störgrößen, die mit einem einfachen Verfahren zur Überwachung einer Schwellenwertüberschreitung erfaßt werden können und die fehlerhafte Messungen verursachen könnten, zu ermöglichen.
Diese Ziele werden gemäß der Erfindung erreicht mittels eines Verfahrens zum Messen der Ausbreitungszeit eines Schallsignals in einer Fluidströmung zwischen einem ersten Wandler, der die Rolle eines Senders spielt, und einem zweiten Wandler, der die Rolle eines Empfängers spielt und sich in einem bestimmten Abstand vom ersten Wandler befindet, wobei das vom ersten Wandler ausgesendete Schallsignal aus wenigstens einem Impuls gebildet ist, der mit, einer bestimmten Schallfrequenz Fa gesendet wird, und wobei das Schallsignal, das vom zweiten Wandler empfangen wird, eine Reihe von charakteristischen Schwingungen umfaßt; deren Amplitude zunächst über mehrere Perioden zunimmt und dann über mehrere folgende Perioden abnimmt, wobei die Einhüllende der charakteristischen Schwingungen spindelförmig ist, wobei das Verfahren darin besteht, das empfangene Schallsignal mit einer Abtastfrequenz Fe abzutasten, das abgetastete empfangene Schallsignal zu digitalisieren und durch Analyse des abgetasteten und digitalisierten empfangenen Schallsignals den ersten signifikanten Nulldurchgang der charakteristischen Schwingungen des empfangenen Schaltsignals zu suchen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Suchen des ersten signifikanten Nulldurchgangs der charakteristischen Schwingungen des empfangenen Schallsignals vorher eine erste ideale charakteristische Periode definiert wird, die den ersten Null-durchgang der charakteristischen Schwingungen des empfangenen Schallsignals bestimmt, indem sie diese ideale Periode durch ein theoretisches Amplitudenverhältnis A zwischen den maximalen Amplituden Pi- und Pi+ der beiden Keulen dieser Periode kennzeichnet, für jede Periode des digitalisierten und abgetasteten empfangenen Schallsignals die maximalen Amplituden P- und P+ der beiden Keulen der untersuchten Periode bestimmt werden, das Verhältnis dieser Amplituden P- und P+ mit dem theoretischen Amplitudenverhältnis, das der idealen Periode entspricht, verglichen wird und daß dann, wenn das Vergleichsergebnis größer als ein Schwellenwert Gs ist, die untersuchte Periode als eine parasitäre Periode betrachtet wird, die dem Rauschen entspricht, und daß darin, wenn das Vergleichsergebnis kleiner als dieser Schwellenwert Gs ist, die untersuchte Periode als eine charakteristische Periode betrachtet wird und dann der Nulldurchgang zwischen beiden Keulen dieser charakteristischen Periode bestimmt wird, wobei dieser Nulldurchgang als der erste signifikante Nulldurchgang der charakteristischen Schwingungen des empfangenen Schallsignals betrachtet wird.
Das theoretische Amplitudenverhältnis Δ zwischen den maximalen Amplituden Pi- und Pi+ der beiden Keulen der idealen Periode wird im voraus anhand eines Mittelwertes, für mehrere verschiedene Gase mit verschiedenen Durchflußmengen, des Verhältnisses zwischen den maximalen Amplituden P- und P+ der beobachteten charakteristischen Periode anhand der Aufzeichnung der empfangenen Schallsignale bestimmt.
Das Amplitudenverhältnis A zwischen den maximalen Amplituden Pi- und Pi± der beiden Keulen der ersten idealen charakteristischen Periode eines empfangenen Schallsignals ist in Abhängigkeit von der Art und vom Zustand des Gases nahezu konstant und unabhängig von einem Verstärkungsfaktor. Die Wahl eines auf diesem Verhältnis Δ basierenden Vergleichskriteriums ermöglicht, die Abhängigkeit der Messung von der Art und dem Zustand des Gases stark zu verringern und folglich die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der Messungen zu verbessern.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Vergleich zwischen dem Verhältnis der Amplituden P- und P+ der untersuchten Periode und dem theoretischen Amplitudenverhältnis Δ, das der idealen Periode entspricht, indem ein Ähnlichkeitskriterium G berechnet wird, das das Vergleichsergebnis bildet; das mit dem Schwellenwert Gs verglichen wird und das folgendermaßen definiert ist:
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Vergleich zwischen dem Verhältnis der Amplituden P- und P+ der untersuchten Periode und dem theoretischen Amplitudenverhältnis Δ, das der idealen Periode entspricht, indem ein Ähnlichkeitskriterium G berechnet wird, das das Vergleichsergebnis bildet, das mit dem Schwellenwert Gs verglichen wird und das folgendermaßen definiert ist:
wobei z einen Verschiebungsterm darstellt, der so bestimmt ist, daß das Ähnlichkeitskriterium G in geringem Maß von der maximalen Amplitude (P-) der negativen Keule der untersuchten charakteristischen Periode abhängig gemacht wird.
Gemäß dieser zweiten Ausführungsform wird die Gefahr der Erfassung von in Rauschen eingebetteten Wellenformen, die dem Ähnlichkeitskriterium oder Normalmaß G nahekommen, eingeschränkt.
Um die Wahrscheinlichkeit der Erfassung von ähnlichen Perioden mit schwacher Amplitude noch weiter zu verringern, erfolgt gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung der Vergleich zwischen dem Verhältnis der Amplituden P- und P+ der untersuchten Periode und dem theoretischen Amplitudenverhältnis, das der idealen Periode entspricht, indem ein Ähnlichkeitskriterium G berechnet wird, das das Vergleichsergebnis bildet, das mit dem Schwellenwert Gs verglichen wird und das folgendermaßen definiert ist:
wobei z einen Verschiebungsterm darstellt, der so bestimmt ist, daß das Ähnlichkeitskriterium G in geringem Maß von der maximalen Amplitude (P-) der negativen Keule der untersuchten charakteristischen Periode abhängig gemacht wird, und z' einen Verschiebnngsterm darstellt, der so bestimmt ist, daß das Ähnlichkeitskriterium G in geringem Maß von der maximalen Amplitude (P+) der positiven Keule der untersuchten charakteristischen Periode abhängig gemacht wird.
Um Fehler bei der Bestimmung der maximalen Amplituden P- und P+ der beiden Keulen jeder untersuchten Periode zu vermeiden, wobei diese Fehler durch eine Phasenverschiebung, die zwischen dem empfangenen Schallsignal und dem Abtastsignal vorliegen kann, verursacht sein können, kann ein Algorithmus für die Approximation des Maximums (dem Absolutwert nach) anhand der Abtastpunkte in der Umgebung jedes Maximums verwendet werden, um eine größere Genauigkeit der Werte P- und P+ zu erzielen.
Noch immer, um eben diese Fehler zu vermeiden, werden; wenn das empfangene Schallsignal wiederholbar ist; mehrere aufeinanderfolgende Messungen an mehreren entsprechenden aufeinanderfolgenden Schallsignalen ausgeführt, wobei für jedes Schallsignal das Abtastsignal in bezug auf das betrachtete Schallsignal phasenverschoben wird, um mehrere zueinander verschobene Abtastpunkte in der Umgebung des Maximums zu erhalten.
Gemäß einer Ausführungsvariante, die ebenfalls ermöglicht, die Wahrscheinlichkeit der Erfassung von ähnlichen Perioden mit schwacher Amplitude zu verringern, werden für jede untersuchte Periode zwei oder drei Berechnungen des Ähnlichkeitskriteriums G mit verschiedenen Werten des theoretischen Amplitudenverhältnisses in der Nähe des vorgegebenen theoretischen Amplitudenverhältnisses; die nicht weiter als 10% von diesem beabstandet sind; ausgeführt; und die untersuchte Periode wird als eine charakteristische Periode befrachtet; wenn das berechnete Ähnlichkeitskriterium G in allen diesen Fällen kleiner als der Schwellenwert Gs ist.
Um den Wert der Schwelle Gs des Ähnlichkeitskriteriums G sowie des Wertes des Verschiebungsterms z zu bestimmen, wird im voraus für verschiedene Gase und verschiedene Durchflußmengen durch Variieren der Phasenverschiebung zwischen der Abtastfrequenz Fe und dem empfangenen Schallsignal und durch Anwenden eines Verstärkungsfaktors, der zwischen 0,45 und 1,5 veränderlich ist, ein Netz aus ersten Kurven, die die maximalen Werte des Ähnlichkeitskriteriums G für die beobachteten charakteristischen Perioden darstellen, und ein Netz aus zweiten Kurven, die die minimalen Werte des Ähnlichkeitskriteriums G für die beobachteten parasitären Perioden darstellen, in Abhängigkeit von verschiedenen möglichen Werten des Verschiebungsterms z gezogen, und der Schwellenwert Gs sowie der Wert des Verschiebungsterms z werden in Abhängigkeit von der möglichen Sicherheitsspanne in der Zwischenzone zwischen dem Netz aus ersten Kurven und dem Netz aus zweiten Kurven gewählt.
Der Schwellenwert Gs kann z. B. im Bereich von 0,7 bis 1,7 enthalten sein, und der Wert des Verschiebungsterms kann im Bereich von 0,21 bis 0,25 V enthalten sein.
Die Erfindung ist vorteilhaft anwendbar auf ein Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids zwischen zwei Wandlern, die an Meßpunkten angeordnet sind, die in Richtung einer Fluidströmung beabstandet sind, wobei der Wert der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit dadurch erhalten wird, daß eine Messung der jeweiligen Ausbreitungszeiten jedes der beiden Schallsignale, die zwischen den beiden Punkten in entgegengesetzten Richtungen von den Wandlern ausgesendet werden, mit einer Messung der jeweiligen Schallsignal-Phasenverschiebungen, die in jedes Schallsignal durch die Ausbreitung jedes der Schallsignale in der Strömung eingeführt wird, kombiniert wird, wobei die Messung der jeweiligen Ausbreitungszeiten jedes der beiden Schallsignale, die zwischen den beiden Meßpunkten ausgesendet werden, gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen hervor, wobei die Beschreibung auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt, worin
- Fig. 1 eine Darstellung der Gesamtheit einer bekannten Gaszählervorrichtung, auf welche die vorliegende Erfindung anwendbar ist, in Form eines Blockschaltplans ist;
- Fig. 2 ein Diagramm ist, welches das Prinzip eines bekannten Verfahrens zum Bestimmen der Ausbreitungszeit eines Schallsignals in einem fluiden Medium zeigt;
- Fig. 3 ein vergrößerter Ausschnitt des Diagramms von Fig. 2 ist, welcher das Prinzip eines bekannten Verfahrens zum Bestimmen der Ausbreitungszeit eines Schallsignals durch Vergleichen des empfangenen Signals mit einem Schwellenwert zeigt;
- Fig. 3a ein zu demjenigen von Fig. 3 analoges Diagramm ist, das die Axt und Weise zeigt, in der gemäß einem bekannten Verfahren zum Bestimmen der Ausbreitungszeit eines Schallsignals anhand des Nulldurchgangs auf ein Abtastsignal eingewirkt wird;
- Fig. 4 eine Zusammenstellung von zwei dem Diagramm von Fig. 3 analogen Diagrammen ist, welche die Fehlergefahr in einem herkömmlichen Verfahren zum Bestimmen der Ausbreitungszeit eines Schallsignals unter Verwendung eines Vergleichs der empfangenen Signale mit einem Schwellenwert zeigen;
- Fig. 5 ein Diagramm ist, welches das Prinzip der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zum Bestimmen der Ausbreitungszeit eines Schallsignals in einem fluiden Medium zeigt;
- Fig. 6 ein Diagramm ist, das Kurvenfamilien enthält, welche die Auswahl von Parameterwerten ermöglichen, die der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dienen;
- Fig. 7 ein Flußdiagramm ist, das ein Beispiel für die verschiedenen Schritte des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt.
Um eine Fluidzählung mittels eines Ultraschallverfahrens zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids sicherzustellen, können verschiedene Typen von elektronischen Schaltungen verwendet werden. Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild für ein Beispiel derartiger Schaltungen, denen zwei Ultraschallwandler 1, 2 zugeordnet sind, die voneinander beabstandet in einer Rohrleitung 3 angeordnet sind, in der ein Fluid, beispielsweise ein Gas, strömt. Die beiden Wandler 1, 2 sind mit einem Schaltblock 4 verbunden, der zwei Schalter 5, 6 umfaßt und ermöglicht, daß jeder Wandler abwechselnd als Sender und als Empfänger verwendet wird. Mit dem Schalter 5 bzw. 6 des Schaltblocks 4 ist ein Sendemodul 14 bzw. ein Empfangsmodul 17 verbunden. Das Sendemodul 14 umfaßt einen Operationsverstärker 16 und einen Digital/Analog-Umsetzer 15. Das Empfangsmodul 17 umfaßt wenigstens einen Verstärker 18 und einen Analog/Digital-Umsetzer 19, der das empfangene Signal gleichzeitig abtastet und digitalisiert. Eine Energiequelle 7 und ein Modul 8 zur Steuerung der Stromversorgung sind insbesondere mit dem Sendemodul 14 und mit dem Empfangsmodul 17 sowie mit dem Schaltblock 4 und einem Mikrosteuerbaustein 10 verbunden. Der Mikrosteuerbaustein 10 umfaßt insbesondere einen Quarz-Zeitgeber 9, eine Arithmetik- und Logikeinheit, RAM- und ROM-Speicherschaltungen und kann mit der Anzeigeschaltung 13, einem wiederbeschreibbaren Festspeicher 12 und einer seriellen Verbindung des Typs RS 232 zusammenwirken.
Gaszähler, die für die Ausstattung jedes Abnehmers eines Verteilernetzes bestimmt sind, müssen zugleich präzise, zuverlässig und so preiswert wie möglich sein. Diese Einschränkungen gebieten, den Einsatz von teuren Bauelementen zu vermeiden, zur Energieversorgung kleine, langlebige Monozellen einzusetzen, die jedoch aus Sicherheitsgründen eine mittlere Kapazität aufweisen, und die Berechnungen gemäß einem Meßverfahren durchzuführen, das gleichzeitig eine hohe Genauigkeit und eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet, wobei es hinreichend einfach bleiben soll, um energiesparend zu sein.
Das Meßverfahren gemäß der Erfindung, das im weiteren klar formuliert wird, wird folglich vorteilhaft auf eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines gasförmigen Fluids angewendet, wobei es ermöglicht, die Zählung des Verbrauchs an diesem Fluid sicherzustellen, indem zwei Ultraschallwandler eingesetzt werden, die zueinander beabstandet im Inneren einer Rohrleitung in der Strömungsrichtung des Fluids angeordnet werden. Beispielsweise können die Ultraschallwandler mit einer Schallfrequenz Fa in der Größenordnung von 40 kHz arbeiten, wobei die Abtastfrequenz Fe der empfangenen Schallsignale vorteilhaft etwa 320 kHz beträgt, d. h. daß sie achtmal größer als die Frequenz Ra ist.
Die Abtastfrequenz Fe ist vorteilhaft gleich einem Vielfachen der Schallfrequenz Fa. Jedoch kann die Frequenz Fe auch andere Werte annehmen. Wenn die Werte (Vielfache von Fa oder nicht) von Fe zu niedrig sind, ist es vorzuziehen, beispielsweise einen Approximationsalgorithmus in der Umgebung des Maximums (dem Absolutwert nach) jeder Periode des Schallsignals zu verwenden oder sogar mehrere aufeinanderfolgende Messungen auszuführen, wobei bei jeder neuen Messung das Abtastsignal in bezug auf das betrachtete Schallsignal phasenverschoben wird, um eine größere Genauigkeit der Werte der maximalen Amplituden (dem Absolutwert nach) zu erzielen. Diese Verfahren werden später genauer ausgeführt.
Wenn die Werte von Fe hinreichend groß sind, ist der Einsatz derartiger Verfahren nicht notwendig.
Das von jedem der Wandler ausgesendete Schallsignal ist beispielsweise aus einem Impuls gebildet, der mit der bestimmten Schallfrequenz Fa ausgesendet wird. Dieser Impuls ist beispielsweise rechteckig.
Es könnten auch mehrere Impulse ausgesendet werden.
Allgemein kann die Durchflußmenge des Fluids in einer Rohrleitung folgendermaßen geschrieben werden:
Φ = (SL/2)(Tu - Td)/Tu·Td
wobei
S den mittleren Querschnitt des für die Strömung zwischen den beiden Schallwandlern offenen Durchgangs bezeichnet;
L die die Wandler trennende Entfernung bezeichnet;
Td die Ausbreitungszeit des vom ersten Wandler in Strömungsrichtung ausgesendeten Schallsignals bis zum Empfang dieses Schallsignals durch den zweiten (stromabwärts positionierten) Wandler ist;
Tu die Ausbreitungszeit des vom zweiten Wandler in der zur Strömung entgegengesetzten Richtung ausgesendeten Schallsignals bis zum Empfang dieses Schallsignals durch den ersten (stromaufwärts positionierten) Wandler ist. Wenn die Messung dieser Durchflußmenge außerdem eine Messung von Schallsignal-Phasenverschiebungen, die durch die Ausbreitung jedes dieser von den Wandlern ausgesendeten Schallsignale in der Strömung verursacht werden; in der Berechnung berücksichtigt, kann die Durchflußmenge des Fluids in einer Rohrleitung folgendermaßen geschrieben werden:
Φ = (SL/4πFa){2π[Fa(Tu - Td)] + (φd - φu)}/Tu·Td
wobei S, L, Td, Tu die oben angegebene Bedeutung haben und φd bzw. φu die Schallsignal-Phasenverschiebungen repräsentieren, die in jedem Schallsignal aufgrund der Ausbreitung dieser Signale hervorgerufen werden, und Fa die Frequenz der Schallsignale repräsentiert.
Insbesondere können die Ausbreitungszeiten Tu bzw. Td folgendermaßen geschrieben werden:
Tu = L/(c - v)
Td = L/(c + v)
wobei c und v die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schallsignals bzw. die Geschwindigkeit des Gases repräsentieren.
Da für eine gegebene Zusammensetzung des Gases die Ausbreitungsgeschwindigkeit c in erster Linie von der Temperatur abhängig ist; die sich während der Messungen der Durchflußmenge nur wenig verändert, verändert sich auch der Term (Tw·Td) nur wenig, so daß dieser Term mit einer verhältnismäßig niedrigen Frequenz erneut berechnet werden kann. Sobald es sich jedoch um die Absolutmessung der Ausbreitungszeiten handelt, überträgt sich die für diese Messung erzielte Genauigkeit direkt auf die Meßgenauigkeit der Durchflußmenge. Folglich ist es wesentlich, das Auftreten einer Abweichung bei dieser Messung zu verhindern.
Wenn beispielsweise die angestrebte Genauigkeit der Durchflußmenge 1% beträgt, muß die Genauigkeit der Messung der Ausbreitungszeiten in etwa 0,5% betragen, was einem Fehler entspricht, der für die Ausbreitungszeit in den üblichen Gasen und bei den zwischen beiden Wandlern gebräuchlichen Längen L (Beispiel: L = 150 mm, wenn das Gas Methan ist) kleiner als 2 us ist.
Gemäß einem Verfahren zur Messung der Ausbreitungszeiten Tu und Td, das unter der Bezeichnung Nulldurchgangsverfahren bekannt ist, werden die Ausbreitungszeiten (Tu pz und Td pz) der von jedem der Wandler ausgesendeten Schallsignale bis zur Erfassung infolge des Nulldurchgangs gemessen, woraus die tatsächlichen Ausbreitungszeiten Tu und Td errechnet werden, mit Tu = (Tu pz - To) und Td = Td pz - To), wobei To eine Konstante bezeichnet, die nur von der Art der Wandler und der elektronischen Schaltungen abhängt und abzuziehen ist, um die Ausbreitungszeit in dem Gas zu erhalten.
Fig. 3a veranschaulicht das Verfahren der Messung anhand des Nulldurchgangs, das gemäß einem bekannten Verfahren in Verbindung mit einer Vorrichtung, wie etwa derjenigen von Fig. 1, über jedem empfangenen Ultraschallsignal ausgeführt wird.
Das empfangene Signal wird vom Verstärker 18 verstärkt, der einen vorgegebenen Verstärkungsfaktor besitzt, anschließend im Umsetzer 19 digitalisiert und gleichzeitig abgetastet. In dem betrachteten Beispiel erfolgt die Abtastung mit einer Frequenz Fe von beispielsweise gleich 8Fa, d. h. 320 kHz, wenn der Wert von Fa 40 kHz beträgt.
Die für die Ausführung der Messungen in einem ROM des Mikrosteuerbausteins 10 gespeicherten Instruktionen ermöglichen, die Amplitudenwerte des empfangenen Signals an den abgetasteten Punkten, die in einem RAM gespeichert sind, mit einem vorgegebenen Wert zu vergleichen, der einer Schwelle Vs entspricht, und unter den Amplitudenwerten der Abtastpunkte wird der erste auf A folgende Punkt gesucht, dessen Amplitudenwert über der Schwelle liegt.
Ab diesem Punkt wird der nächste Nulldurchgang der das Ultraschallsignal repräsentierenden Kurve gesucht. Dazu werden zwei aufeinanderfolgende Abtastpunkte B und C bestimmt, die den Punkt einschließen; in dem die Amplitude der Kurve durch den Wert Null verläuft, wobei eine lineare Interpolation zwischen B und C vorgenommen wird, um den Punkt D zu bestimmen und folglich den Zeitpunkt des Nulldurchgangs Tpz zu messen.
Gemäß einer in den Fig. 3 und 4 veranschaulichten und vorangehend erörterten Ausführungsvariante ist es außerdem möglich, den letzten Nulldurchgang der das Ultraschallsignal repräsentierenden Kurve zu suchen; bevor die Kurve die Schwelle passiert.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, dieses Verfahren zum Bestimmen einer Signalausbreitungszeit anhand einer Messung des Zeitpunktes des Nulldurchgangs zu verbessern.
Wie zuvor mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 erwähnt worden ist, kann das einfache Vergleichen der Spannungsamplitudenwerte in den Abtastpunkten eines empfangenen Schallsignals mit einem Schwellenwert für die Spannung Vs zu Fehlern bei der Bestimmung des Zeitpunktes des Nulldurchgangs Tpz und folglich bei der Ausbreitungszeit des Schallsignals führen. Wenn in Fig. 4 der Zeitpunkt des Nulldurchgangs T&sub3; für die Kurve S&sub2;&sub1;, die dem Signal für ein aus Stickstoff bestehendes Gas entspricht, fehlerfrei ist, so ist hingegen der Zeitpunkt des Nulldurchgangs T&sub5; für die Kurve S&sub2;&sub2;, die dem Signal für ein Gas entspricht, das aus einem Gemisch aus Kohlendioxid und Methan gebildet ist, fehlerhaft und exzessiv.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht, diese Art von Fehler zu vermeiden und allgemein die Empfindlichkeit des Verfahrens zum Messen des Zeitpunktes des Nulldurchgangs gegenüber Veränderungen der Wellenformen sowie gegenüber etwaigen äußeren Störungen, die, wenn sie erfaßt würden, Meßfehler erzeugen könnten, zu verringern.
Um den ersten signifikanten Nulldurchgang der charakteristischen Schwingungen Oc des empfangenen Schallsignals S&sub2; zu suchen, wird gemäß der Erfindung im voraus eine erste ideale charakteristische Periode definiert, die von den parasitären Schwingungen schwacher Amplitude, die das Rauschen bilden, verschieden ist und den ersten Nulldurchgang der charakteristischen Schwingungen Oc des empfangenen Signals S&sub2; bestimmt. Diese ideale Periode ist durch ein Amplitudenverhältnis Δ zwischen den maximalen Amplitudenwerten Pi- und Pi+ der negativen Keule und der positiven Keule dieser idealen Periode gekennzeichnet.
Beim Empfang eines zu analysierenden Schallsignals S&sub2;, das in herkömmlicher Weise abgetastet und digitalisiert ist, werden für jede Periode des abgetasteten und digitalisierten Schallsignals die Maximalwerte P- und P+ der Amplituden der negativen und der positiven Keule der untersuchten Periode bestimmt: Dazu ist es nicht erforderlich, die Gesamtheit der Abtastpunkte der Periode zu untersuchen; die Bestimmung der Maximalwerte (dem Absolutwert nach) P- und P+ der negativen und der positiven Keule der untersuchten Periode kann mittels einer Untersuchung in der einfachen Umgebung dieser Extremwerte erfolgen.
Es ist jedoch zu beachten, daß zwischen dem empfangenen Schallsignal und dem Abtastsignal eine Phasenverschiebung vorhanden ist.
In Abhängigkeit von der vorliegenden Phasenverschiebung wird der Abtastpunkt mehr oder weniger genau den Maximalwerten (den Absolutwerten nach) P- und P+ der negativen bzw. der positiven Keule entsprechen.
Zur Lösung dieses Problems kann ein Algorithmus zur Approximation des Maximums (dem Absolutwert nach) anhand der Abtastpunkte in der Umgebung des Maximums verwendet werden, um eine Schätzung für den tatsächlichen Wert dieses Maximums unabhängig von der zwischen dem empfangenen Schallsignal und dem Abtastsignal vorhandenen Phasenverschiebung zu erhalten.
Beispielsweise kann ein an sich bekannter Polynomial-Approximationsalgorithmus verwendet werden.
Das zuvor dargestellte Problem könnte auch gelöst werden, indem die Abtastfrequenz erhöht wird.
Wenn jedoch das Verfahren gemäß der Erfindung in einem batteriebetriebenen Fluidzähler eingesetzt wird, ist es wesentlich, den Energieverbrauch des Verfahrens soweit wie möglich zu reduzieren, und diese Forderung ist nicht mit einer Erhöhung der Abtastfrequenz vereinbar.
Außerdem erfordert eine erhöhte Abtastfrequenz den Einsatz eines teureren Zeitgebers.
Eine interessante Lösung des oben gestellten Problems unter Beachtung der Einschränkungen hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Kosten würde (wenn das Schallsignal in der Zeit über mehrere aufeinanderfolgende Messungen wiederholbar ist) darin bestehen, mehrere aufeinanderfolgende Messungen jeweils über mehrere aufeinanderfolgende, in der gleichen Ausbreitungsrichtung gesendete Schallsignale auszuführen; wobei das Abtastsignal in bezug auf das Schallsignal phasenverschoben wird, wenn eine neue Messung durchgeführt wird, um nach diesen verschiedenen Messungen mehrere zueinander verschobene Abtastpunkte in der Umgebung der maximalen Amplituden P- und P+ der negativen und positiven Keulen zu erhalten.
Beispielsweise wird die erste Messung durchgeführt, wobei das empfangene Schallsignal wie gewöhnlich abgetastet wird, danach wird die zweite Messung über das zweite Schallsignal durchgeführt, wobei das Abtastsignal in bezug auf das zweite Schallsignal um einen festgelegten Wert von 1/2Fe phasenverschoben wird.
Es ist somit möglich; mehrere aufeinanderfolgende Phasenverschiebungen (vom Betrag 1/nFe für n Phasenverschiebungen) über das zweite Schallsignal und, die folgenden Schallsignale auszuführen, um noch mehr Abtastpunkte in der Umgebung der Maxima und folglich eine noch größere Genauigkeit ün Hinblick auf diese maximalen Amplituden P- und P+ zu erhalten.
Es ist außerdem vorteilhaft, die Nutzung eines Algorithmus zur Approximation des Maximums (dem Absolutwert nach) mit dieser Lösung zu kombinieren, um die Genauigkeit noch weiter zu erhöhen.
Anschließend wird ein Vergleich des Verhältnisses dieser Amplituden der Maximalwerte P- und P+ mit dem Verhältnis Δ vorgenommen, das der idealen Periode entspricht.
Wenn das Ergebnis des Vergleichs größer als ein Schwellenwert Gs ist, wird die untersuchte Periode als eine parasitäre, dem Rauschen entsprechende Periode betrachtet und die Analyse wird über die nächste Periode fortgesetzt.
Wenn das Ergebnis des Vergleichs kleiner als der Schwellenwert Gs ist, wird die untersuchte Periode als eine charakteristische Periode betrachtet.
Folglich kann der dieser untersuchten Periode zugeordnete Nulldurchgang in zuverlässiger Weise bestimmt werden. Dieser Nulldurchgang, der als der erste signifikante Nulldurchgang der charakteristischen Schwingungen des empfangenen Schallsignals betrachtet wird, kann vorteilhaft der Nulldurchgang zwischen der positiven und der negativen Keule der charakteristischen Periode sein.
Fig. 5 zeigt eine erste charakteristische Schwingung Oca der Periode ΔT mit einer positiven Keule, deren Amplitude einen Maximalwert P+ aufweist, und mit einer negativen Keule, deren Amplitude dem Absolutwert nach einen Maximalwert P- aufweist. Der dieser Periode AT zugeordnete Nulldurchgang einer ersten charakteristischen Schwingung Oca definiert einen Nulldurchgangszeitpunkt, der einem Zeitpunkt 17 entspricht.
Das Amplitudenverhältnis zwischen den Amplituden der Maximalwerte P- und P+ der beiden Keulen einer untersuchten Periode des empfangenen Schallsignals bildet ein Vergleichskriterium, das von der Art und dem Zustand des Gases unabhängig ist. Folglich kann die Alterung der Elektronik Veränderungen des Verstärkungsfaktors nach sich ziehen, die sich nicht auf dieses Amplitudenverhältnis zwischen den maximalen Amplituden P- und P+ auswirken werden. Die Formerkennung des empfangenen Schallsignals kann folglich auf eine einfache Art und Weise erfolgen, wodurch der Energieverbrauch eingeschränkt wird, da der Vergleich nur zwischen den maximalen Amplituden P- und P+ der Keulen und einem theoretischen Amplitudenverhältnis Δ zwischen den maximalen Amplituden Pi- und Pi+ der beiden Keulen einer idealen charakteristischen Periode erfolgt.
Das theoretische Amplitudenverhältnis Δ wird im voraus anhand eines Mittelwertes, für mehrere verschiedene Gase mit verschiedenen Durchflußmengen, des Verhältnisses zwischen den maximalen Amplituden P- und P+ der beobachteten charakteristischen Amplitude anhand der Aufzeichnung der empfangenen Schallsignale bestimmt.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform erfolgt der Vergleich zwischen dem Verhältnis der Amplituden P- und P+ der untersuchten Periode und dem der idealen Periode entsprechenden Amplitudenverhältnis, indem ein Ähnlichkeitskriterium G berechnet wird, das das Vergleichsergebnis bildet, das mit dem Schwellenwert Gs verglichen wird und das folgendermaßen definiert ist:
Aufgrund der Tatsache, daß diese Vergleiche unter Berücksichtigung der Verhältnisse der maximalen Amplituden der Keulen einer Periode des empfangenen Schallsignals erfolgen; ist das als Referenz dienende theoretische Amplitudenverhältnis Δ nicht durch die Art und den Zustand des Gases oder den Verstärkungsfaktor der Verstärkungskette des empfangenen Signals beeinflußt. Dies trägt zur Vereinfachung der Messungen bei.
Jedoch könnten sich unter den parasitären Perioden des Signals, die das Rauschen bilden, Wellenformen befinden, die denjenigen, die durch das Vergleichskriterium G definiert sind, ähnlich sind. Um die Erfassung der charakteristischen Perioden weniger empfindlich gegenüber der Gefahr der Berücksichtigung von ähnlichen Wellenformen zu machen, die in Rauschen eingebettet sind und die keine erste Periode Oca der charakteristischen Schwingungen Oc des empfangenen Signals bilden würden, kann das Ähnlichkeitskriterium in geringem Maß von der Amplitude P- abhängig gemacht werden.
Demnach erfolgt gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform ein Vergleich zwischen dem Verhältnis der Amplituden P = und P+ der untersuchten Periode und dem Amplitudenverhältnis, das der idealen Amplitude entspricht, indem ein Ähnlichkeitskriterium G berechnet wird, das das Vergleichsergebnis bildet, das mit dem Schwellenwert Gs verglichen wird und das folgendermaßen definiert ist:
wobei z einen Verschiebungsterm darstellt, der so bestimmt ist, daß das Ähnlichkeitskriterium G in geringem Maß von der maximalen Amplitude (P-) der negativen Keule der untersuchten charakteristischen Periode abhängig gemacht wird.
In diesem Fall ist der Nenner des Kriteriums G sehr klein, wenn die Amplitude P- dem Verschiebungsterm z nahekommt. Wenn der Verschiebungsterm z einen Wert aufweist, der geringfügig größer als die maximale Amplitude des Rauschens ist (beispielsweise in der Größenordnung von 0,20 bis 0,25 Volt), ermöglicht dies, parasitäre Perioden des empfangenen Signals schneller zurückzuweisen.
Um den Wert Gs, mit dem das Ähnlichkeitskriterium G zu vergleichen ist; und den Wert des Verschiebungsterms z zu bestimmen, wird ein Netz aus ersten Kurven, die die Maximalwerte des Ähnlichkeitskriteriums G für die beobachteten charakteristischen Perioden repräsentieren, sowie ein Netz aus zweiten Kurven, die die Minimalwerte des Ähnlichkeitskriteriums G für die beobachteten parasitären Perioden repräsentieren, in Abhängigkeit von verschiedenen möglichen Werten des Verschiebungsterms z aufgetragen, und der Schwellenwert Gs sowie der Wert des Verschiebungsterms z werden in Abhängigkeit von der möglichen Sicherheitsspanne in der Zwischenzone zwischen dem Netz aus ersten Kurven und dem Netz aus zweiten Kurven gewählt.
Beispielsweise sind die Kurvenfamilien 111 und 121 von Fig. 6 erhalten worden, indem die Phasenverschiebung zwischen der Abtastfrequenz und dem Signal variiert wurde und ein Verstärkungsfaktor verwendet wurde, der zwischen 0,45 und 1,5 variiert, wobei die angenommenen Gase Methan und ein Gemisch aus 20% Kohlendioxid und 80% Stickstoff sind und die Messungen bei Durchflußmengen von null bis 7 m³/h ausgeführt worden sind.
Die Kurvennetze 111 und 121 ermöglichen die Auswahl des Wertes des Verschiebungsterms z und des Schwellenwertes Gs in Abhängigkeit von der Sicherheitsspanne, die für diese Werte gewünscht wird. Beim Betrachten der Fig. 6 wird ersichtlich, daß für Gs beispielsweise ein Wert gewählt werden kann, der im Bereich von 0,7 bis 1,7 V enthalten ist, und daß für den Verschiebungsterm beispielsweise ein Wert gewählt werden kann, der im Bereich von 0,21 bis 0,25 V enthalten ist.
Wird beispielsweise Gs = 2 und z = 0,22 V gewählt, liegt die Sicherheitsspanne für z im Bereich von 0,20 bis 0,25 V, während die Sicherheitsspanne für Gs im Bereich zwischen 1 und 4 liegt. Bei diesem Beispiel wird in der Praxis eine untersuchte Periode als charakteristisch betrachtet, wenn G < Gs = 1,5 ist.
Weitere Ausführungsvarianten ermöglichen, die Sicherheit und die Zuverlässigkeit des Verfahrens weiter zu erhöhen.
So erfolgt gemäß einer besonderen Ausführungsform der Vergleich zwischen dem Verhältnis der Amplituden P- und P+ der untersuchten Periode und dem der idealen Periode entsprechenden Amplitudenverhältnis, indem ein Ähnlichkeitskriterium G berechnet wird, das das Vergleichsergebnis bildet, das mit dem Schwellenwert Gs verglichen wird und das folgendermaßen definiert ist:
wobei z einen Verschiebungsterm darstellt, der so bestimmt ist, daß das Ähnlichkeitskriterium G in geringem Maß von der Amplitude des Maximalwertes (P-) der negativen Keule der untersuchten charakteristischen Periode abhängig gemacht wird, und z' einen Verschiebungsterm darstellt, der so bestimmt ist, daß das Ähnlichkeitskriterium G in geringem Maß vom Maximalwert (P+) der positiven Keule der untersuchten charakteristischen Periode abhängig gemacht wird.
Dies ermöglicht, die Empfindlichkeit gegenüber ähnlichen Perioden mit schwacher Amplitude zu verringern und, ohne die Komplexität der Berechnungen wesentlich zu erhöhen, den Verstärkungsfaktor der Verstärkungskette bis auf schwache Werte in der Größenordnung von 0,35 zu verringern, wodurch Energie gespart wird.
Gemäß einer weiteren Variante werden unabhängig von der für das Ähnlichkeitskriterium G gewählten Formel für jede untersuchte Periode zwei oder drei Berechnungen des Ähnlichkeitskriteriums G mit verschiedenen Werten des Amplitudenverhältnisses A in der Nähe des vorgegebenen theoretischen Amplitudenverhältnisses, die nicht weiter als 10% von diesem beabstandet sind, ausgeführt, wobei die untersuchte Periode als eine charakteristische Periode betrachtet wird, wenn das berechnete Ähnlichkeitskriterium G in allen diesen Fällen kleiner als der Schwellenwert Gs ist.
Fig. 7 ist ein Flußdiagramm, das ein Beispiel für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt.
Wenn eine Abtastung mit einer Frequenz Fe von beispielsweise 320 kHz betrachtet wird, die der achtfachen Schallfrequenz Fa der Wandler entspricht, wird das abgetastete Signal pro Periode des empfangenen Signals acht Punkte umfassen.
Insofern als das empfangene Schallsignal die Form von periodischen Schwingungen besitzt, ist bekannt, wo sich die aufeinanderfolgenden Minima und Maxima befinden, wodurch die Untersuchung der Gesamtheit der Abtastpunkte vermieden wird.
Folglich wird nach der Initialisierungsphase 201 damit begonnen, während eines Schritts 202 das nächste lokale Minimum (die Amplitude P-) zu suchen. Wenn in diesem Schritt 202 ein Ähnlichkeitskriterium G verwendet wird, das einen Verschiebungsterm z berücksichtigt, wird nur das erste lokale Minimum erhalten, dessen Amplitude P- dem Absolutwert nach größer als der Verschiebungsterm z ist. Wenn dieses erste lokale Minimum gefunden ist, wird zum Schritt 203 übergegangen, der darin besteht, in der Umgebung einer vorangehenden Halbperiode T/2 den Wert der maximalen Amplitude P+ zu suchen.
Im folgenden Schritt 204 wird der Wert des Ähnlichkeitskriteriums G mit den zuvor gefundenen Werten des Minimums P- und des Maximums P+ der untersuchten Periode berechnet, die wenigstens ein Minimum aufweist, dessen Absolutweit größer als der Verschiebungsterm z ist.
Im Schritt 205 erfolgt eine Auswahlprüfung zwischen dem berechneten Wert des Kriteriums G und dem Schwellenwert Gs.
Wenn für die untersuchte Periode G ≥ Gs ist, wird angenommen, daß es sich um eine parasitäre Periode handelt, und es erfolgt ein Rücksprung zum Schritt 202, der Suche eines nächsten lokalen Minimums.
Wenn für die untersuchte Periode G < Gs ist, wird diese als eine charakteristische Periode betrachtet, worauf zum Schritt 206, der Bestimmung des nächsten Nulldurchgangs der Amplitude des empfangenen Signals, der den zwischen dem lokalen Maximum P+ und dem lokalen Minimum P- liegenden Nulldurchgang bildet und folglich der tatsächliche Anfangspunkt der charakteristischen Schwingungen Oc des empfangenen Schallsignals ist, übergegangen wird.
Der gleiche Prozeß wird wenig später für eine neue Messung zum Bestimmen der Ausbreitungszeit eines Ultraschallsignals erneut ausgeführt.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Ausbreitungszeit eines Schallsignals in einer Fluidströmung zwischen einem ersten Meßwandler (1), der die Rolle eines Senders spielt, und einem zweiten Meßwandler (2), der die Rolle eines Empfängers spielt und sich in einem bestimmten Abstand vom ersten Meßwandler (1) befindet, wobei das vom ersten Meßwandler (1) ausgesendete Schallsignal aus wenigstens einem Impuls S&sub1; gebildet ist, das mit einer bestimmten Schallfrequenz Fa gesendet wird, und wobei das Schallsignal, das vom zweiten Meßwandler (2) empfangen wird, eine Reihe von Eigenschwingungen umfaßt, deren Amplitude zunächst über mehrere Perioden zunimmt und dann über mehrere folgende Perioden abnimmt, wobei die Einhüllende der Eigenschwingungen bauchförmig ist, wobei das Verfahren darin besteht, das empfangene Schallsignal mit einer Abtastfrequenz Fe abzutasten, das abgetastete empfangene Schallsignal zu digitalisieren und durch Analyse des digitalisierten und abgetasteten empfangenen Schallsignals den ersten signifikanten Nulldurchgang der Eigenschwingungen des empfangenen Schallsignals zu suchen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Suchen des ersten signifikanten Nulldurchgangs der Eigenschwingungen des empfangenen Schallsignals vorher eine erste ideale charakteristische Periode definiert wird, die den ersten Nulldurchgang der Eigenschwingungen des empfangenen Schallsignals bestimmt, indem sie diese ideale Periode durch ein theoretisches Amplitudenverhältnis zwischen den maximalen Amplituden Pi- und Pi+ der beiden Keulen dieser Periode kennzeichnet, für jede Periode des digitalisierten abgetasteten, empfangenen Schallsignals die maximalen Amplituden P- und P+ der beiden Keulen der untersuchten Periode bestimmt werden, das Verhältnis dieser Amplituden P- und P+ mit dem theoretischen Amplitudenverhältnis, das der idealen Periode entspricht, verglichen wird und daß dann, wenn das Vergleichsergebnis größer als ein Schwellenwert Gs ist, die untersuchte Periode als eine parasitäre Periode betrachtet wird, die dem Rauschen entspricht, während dann, wenn das Vergleichsergebnis kleiner als dieser Schwellenwert Gs ist, die untersuchte Periode als eine charakteristische Periode betrachtet wird und dann der Nulldurchgang zwischen zwei Keulen dieser charakteristischen Periode bestimmt wird, welcher als der erste signifikante Nulldurchgang der Eigenschwingungen des empfangenen Schallsignals betrachtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das theoretische Amplitudenverhältnis Δ zwischen den maximalen Amplituden Pi- und Pi+ der beiden Keulen der idealen Periode im voraus anhand eines Mittelwerts, für mehrere verschiedene Gase mit verschiedenen Durchflußmengen, des Verhältnisses zwischen den maximalen Amplituden P- und P+ der beobachteten charakteristischen Periode anhand der Aufzeichnung der empfangenen Schallsignale bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich zwischen dem Verhältnis der Amplituden P- und P+ der untersuchten Periode und dem theoretischen Amplitudenverhältnis Δ, das der idealen Periode entspricht, dadurch ausgeführt wird, daß ein Ähnlichkeitskriterium G berechnet wird, das das Vergleichsergebnis bildet, das mit dem Schwellenwert Gs verglichen wird und das folgendermaßen definiert ist:

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich zwischen dem Verhältnis der Amplituden P- und P+ der untersuchten Periode und dem theoretischen Amplitudenverhältnis Δ, das der idealen Periode entspricht, dadurch ausgeführt wird, daß ein Ähnlichkeitskriterium G berechnet wird, das das Vergleichsergebnis bildet, das mit dem Schwellenwert Gs verglichen wird und das folgendermaßen definiert ist:

wobei z einen Verschiebungsterm darstellt, der so bestimmt ist, daß das Ähnlichkeitskriterium G in geringem Maß von der maximalen Amplitude P- der negativen Keule der untersuchten charakteristischen Periode abhängig gemacht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich zwischen dem Verhältnis der Amplituden P- und P+ der untersuchten Periode und dem theoretischen Amplitudenverhältnis Δ, das der idealen Periode entspricht, dadurch ausgeführt wird, daß ein Ähnlichkeitskriterium G berechnet wird; das das Vergleichsergebnis bildet, das mit dem Schwellenwert Gs verglichen wird und das folgendermaßen definiert ist:

wobei z einen Verschiebungsterm darstellt, der so bestimmt ist, daß das Ähnlichkeitskriterium G in geringem Maß von der maximalen Amplitude P- der negativen Keule der untersuchten charakteristischen Periode abhängig gemacht wird, und z' einen Verschiebungsterm darstellt, der so bestimmt ist, daß das Ähnlichkeitskriterium G in geringem Maß von der maximalen Amplitude P+ der positiven Keule der untersuchten charakteristischen Periode abhängig gemacht wird:

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung mit größerer Genauigkeit der maximalen Amplituden P- und P+ der beiden Keulen jeder untersuchten Periode ein Algorithmus für die Approximation des Maximums (dem Absolutwert nach) anhand von Abtastpunkten in der Umgebung jedes Maximums verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung mit größerer Genauigkeit der maximalen Amplituden P- und P+ der beiden Keulen jeder untersuchten Periode mehrere aufeinanderfolgende Messungen an mehreren entsprechenden aufeinanderfolgenden Schallsignalen ausgeführt werden, indem für jedes Schallsignal das Abtastsignal in bezug auf das betrachtete Schallsignal phasenverschoben wird, um nach diesen verschiedenen Messungen mehrere verschobene Abtastwerte in der Umgebung der maximalen Amplituden zu erhalten.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für jede untersuchte Periode zwei oder drei Berechnungen des Ähnlichkeitskriteriums G mit verschiedenen Werten des theoretischen Amplitudenverhältnisses Δ in der Nähe des vorgegebenen theoretischen Amplitudenverhältnisses, die nicht weiter als 10% von diesem beabstandet sind, ausgeführt werden, und daß die untersuchte Periode als eine charakteristische Periode betrachtet wird, falls das berechnete Ähnlichkeitskriterium G in allen diesen Fällen kleiner als der Schwellenwert Gs ist.

9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung des Schwellenwertes Gs des Ähnlichkeitskriteriums G sowie des Wertes des Verschiebungsterms z im voraus für verschiedene Gase und verschiedene Durchflußmengen durch Variieren der Phasenverschiebung zwischen der Abtastfrequenz Fe und dem empfangenen Schallsignal und durch Anwenden eines Verstärkungsfaktors, der zwischen 0,45 und 1,5 veränderlich ist, ein Netz (111) aus ersten Kurven gezogen wird, die die maximalen Werte des Ähnlichkeitskriteriums G für die beobachteten charakteristischen Perioden darstellen, und ein Netz (121) aus zweiten Kurven gezogen wird, die die minimalen Werte des Ähnlichkeitskriteriums G für die beobachteten parasitären Perioden darstellen, in Abhängigkeit von verschiedenen möglichen Werten des Verschiebungsterms z, und daß der Schwellenwert Gs und der Wert des Verschiebungsterms z in Abhängigkeit von der möglichen Sicherheitsspanne in der Zwischenzone zwischen dem Netz (111) aus ersten Kurven und dem Netz (121) aus zweiten Kurven gewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 4 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert Gs im Bereich von 0,7 bis 1,7 liegt und der Wert des Verschiebungsterms z im Bereich von 0,21 bis 0,25 V liegt.

11. Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids zwischen zwei Meßwandlern, die an Meßpunkten angeordnet sind, die in Richtung einer Fluidströmung beabstandet sind, bei dem der Wert der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit dadurch erhalten wird, daß eine Messung der jeweiligen Ausbreitungszeiten jedes der beiden Schallsignale, die zwischen den beiden Punkten in entgegengesetzten Richtungen von den Meßwandlern ausgesendet werden, mit einer Messung der jeweiligen akustischen Phasenverschiebungen, die in jedes Schallsignal durch die Ausbreitung jedes der Schallsignale in der Strömung eingeführt wird, kombiniert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der jeweiligen Ausbreitungszeiten jedes der beiden Schallsignale, die zwischen den beiden Meßpunkten ausgesendet werden, gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgeführt wird.