NL1009485C2 - Akoestische looptijdmeting. - Google Patents

Description

Akoestische looptijdmeting

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bepalen van een fysische grootheid binnen een meetruimte door middel van akoestische looptijdmeting met gebruikmaking van ten 5 minste een als zender te gebruiken akoestische transducer en ten minste een als ontvanger te gebruiken akoestische transducer. De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor het uitvoeren van een dergelijke werkwijze.

Een dergelijke werkwijze en een dergelijke inrichting zijn bekend uit W093/0057. In een aldaar beschreven inrichting wordt met behulp van akoestische looptijdmeting de temperatuur van 10 een turbulent door een meetruimte stromend gas gemeten. Ten einde de invloed van ruis op de meetsignalen te reduceren wordt daarbij gebruik gemaakt van zendsignalen met een geselecteerde frequentie en wordt met daarop gebaseerde correlatiebewerkingen beoogd een relatief nauwkeurige looptijdmeting te realiseren. Voor onderscheiden toepassingen is deze methode evenwel nog onvoldoende nauwkeurig.

15 De uitvinding beoogt onder meer genoemde tekortkoming te ondervangen en daartoe heeft een werkwijze van in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding tot kenmerk, dat voor de looptijdmeting gebruik wordt gemaakt van een, althans mede op grond van de toe te passen meetsignaalverwerking, geselecteerd akoestisch zendsignaal en van minimaal twee, eveneens op grond van een toe te passen meetsignaalverwerking, geselecteerde punten van een akoestisch 20 ontvangstsignaal en/of van een hiervan afgeleid signaal.

De signaalverwerking voor de bepaling van de te meten grootheid geschiedt door het bepalen van het tijdstip waarop het ontvangen akoestisch signaal voldoet aan de vormverwachting van dit signaal. Dit wordt gerealiseerd door detectie uit te voeren op minstens twee specifieke punten van het ontvangstsignaal. De genoemde punten van het signaal zijn representatief voor de vorm van het 25 significante deel van het akoestisch ontvangstsignaal.

Doordat een bekend zendsignaal wordt gebruikt en de overdrachtsfuncties van de transducers en het medium in grote mate voorspelbaar zijn, kan bij detectie gebruik worden gemaakt van een relatief grote mate van voorkennis van het te verwachten ontvangst-meetsignaal. Hierdoor en doordat er volgens de uitvinding gebruik wordt gemaakt van ten minste twee op basis van de toe te passen 30 signaaldetectie geselecteerde punten van een althans mede op basis van de signaalverwerking geselecteerd ontvangstsignaal kan de nauwkeurigheid van detectie en daarmede de nauwkeurigheid 1 00 94 85 2 van de looptijdmeting sterk worden verhoogd.

Het te gebruiken zendsïgnaal wordt bij voorkeur mede bepaald door de geometrie, het medium en verdere eigenschappen en kenmerken van de meetruimte. Daarvoor is evenwel veelal enkel of althans in hoofdzaak de frequentie van het zendsïgnaal bepalend en in veel mindere mate 5 bijvoorbeeld het verloop van de frequentie in het zendsïgnaal, welk verloop dus nog optimaal kan worden gekozen. Om een looptijd nauwkeurig te kunnen meten wordt gestreefd naar een grote informatie-inhoud van het zendsïgnaal welke informatie-inhoud is aangepast aan het meettraject, het medium en de transducers.

Opgemerkt wordt dat de looptijd van een akoestisch signaal in een medium over een traject 10 slechts is te definiëren voor een monochromatisch signaal en daarbij slechts geldig is voor een homogeen isotroop medium dat zich in een stationaire toestand bevindt. Bij een samengesteld signaal is er per frequentiecomponent sprake van een eigen looptijd over een traject; er treedt snelheidsdispersie op als gevolg van een frequentieafhankelijke geluidssnelheid. Bij een samengesteld signaal wordt derhalve gebruik gemaakt van een gewogen looptijd.

15 Voor het bepalen van een gewogen looptijd ten behoeve van het meten van een gezochte fysische grootheid zoals de temperatuur en een afstand, kan gebruik worden gemaakt van algoritmen waarbij gebruik wordt gemaakt van informatie omtrent het uitgezonden en het gedetecteerde signaal en de kennis betreffende verdere parameters. De functionaliteit van de signaal-interpretatie kan daarbij worden gerealiseerd door algoritmen die zijn gebaseerd op operaties zoals filteren, correleren, 20 interpoleren, curve-fitting en statistische meetverwerking.

In een voorkeursuitvoering wordt een gewogen looptijd van een akoestisch signaal bepaald door gebruik te maken van kennis, die bestaat uit medium- en/of meetruimte modellen, van een signaalvervorming die het signaal binnen de meetruimte ondergaat. Er wordt hier bij voorkeur 25 gebruik gemaakt van een tijdsuniek zendsignaal van eindige tijdsduur om de invloed van ruimtelijke reflecties op het ontvangen signaal te reduceren. Aldus kan voor grote meettrajecten zeer nauwkeurig een gewogen looptijdmeting worden uitgevoerd.

De voor signaalgeneratie en interpretatie benodigde kennis is te verdelen in initieel 30 aanwezige kennis, dus kenmerken en karakteristieken die zijn aangebracht in het systeem, en kennis die verandert tijdens een meetproces. De initiële kennis bevat informatie over bijvoorbeeld 1 o:9'°f 3 systeemgegevens en systeemgedrag, een geparametriseerd medium- en meetruimtemodel, en processen die zich in het medium afspelen. Aanpassing van de voorkennis van het meetsysteem geschiedt op basis van veranderende proces- en omgevingsomstandigheden zoals veranderingen in de meetruimte, het meettraject en procesomstandigheden zoals flow.

5

Een verdere voorkeursuitvoering heeft tot kenmerk, dat een door een zendtransducer uit te zenden akoestisch signaal via akoestische reflectie een of meer malen door de meetruimte wordt gereflecteerd alvorens door de, al dan niet door de zendtransducer gevormde, ontvangsttransducer te worden ingevangen. In het bijzonder is de zendtransducer en de ontvangsttransducer een en 10 dezelfde transducer. Daarbij wordt het zendsignaal door middel van akoestische spiegels door de meetruimte gereflecteerd en door de, dan als ontvangsttransducer werkende zendtransducer ingevangen. Naast het voordeel op zich van het gebruik van een enkele transducer wordt door de reflecties ook bereikt dat binnen een meetruimte met relatief kleine afmetingen toch over een lange meetweg kan worden gemeten. Hierdoor kan de meetnauwkeurigheid van de lokale akoestische 15 looptijd verder worden opgevoerd en kan de invloed van externe grootheden, zoals bijvoorbeeld de omgevingstemperatuur op het meetframe en dus op de looptijdsmeting worden gereduceerd bij een aangepaste constructie van het meetframe en de behuizing van de meetruimte.

In een verdere voorkeursuitvoering maken twee geselecteerde punten respectievelijk deel uit 20 van de flank en van de top van een ontvangstsignaal, met welke punten door middel van een aangepaste signaalverwerking een signaalvormdetectie wordt doorgevoerd op basis van een gecombineerde signaaltop- signaalflankdetectie van een akoestisch ontvangstsignaal. Wordt bijvoorbeeld in een analoge signaalverwerking gebruik gemaakt van gecombineerde signaaltop-signaalflankdetectie van een door een zendtransducer uit te zenden geselecteerd akoestisch signaal, 25 dan kan door hierbij gebruik te maken van een op basis van de, hier analoge signaalverwerking geselecteerd zendsignaal en de twee genoemde geselecteerde punten op het ontvangstsignaal, met een relatief grote selectiviteit en voorkennis van het meetsignaal, worden gedetecteerd en is een eenvoudige en uiterst gevoelige detectie gerealiseerd. Dit in tegenstelling tot de standaard signaalniveaudetectie, waarbij bij een door demping verzwakt ontvangstsignaal op een ander 30 geometrisch deel van de ontvangen signaalflank wordt gedetecteerd. Een bekende verbetering van deze detectie bestaat uit het herhalen van de meting met een aangepaste versterking. Bij de volgens 1 00 94 85 4 de uitvinding uitgevoerde gecombineerde flank-top detectie wordt, door kennis van de signaalvorm, vormdetectie nagestreefd, waarbij de flankdetectie wordt gebruikt als indicatie voor de te verwachten signaaltop. De eigenlijke vormdetectie vindt plaats met de bepaling van de ligging van de bij de gedetecteerde flank behorende signaaltop. De detectie op basis van de ligging van de signaaltop is 5 sneller alsmede tijdinvariant voor signaalverzwakking.

Een verdere voorkeursuitvoering wordt gekenmerkt, door dat voor het bepalen van de looptijd van een akoestisch signaal gebruik wordt gemaakt van een berekeningsmethode voor het bepalen van de tijdsafhankelijke signaalvorm-overeenkomst tussen twee signalen, afgeleid, al dan 10 niet volgens medium- en meetruimtemodellen, van het zendsignaal respectievelijk het ontvangstsignaal. In het bijzonder wordt daarbij gebruik gemaakt van tijddiscrete berekeningsmethoden, uitgaande van een discreet model van de tijdsafhankelijke signaalovereenkomst, waarbij door middel van regressie en numerieke approximatiemethoden de beperkingen van de tijddiscrete berekeningsmethoden worden ondervangen.

15

In een verdere voorkeursuitvoering wordt ter vermijding van informatieverlies binnen het akoestische traject, ten gevolge van overmatige demping over een lang meettraject en/of reflecties aan, ten opzichte van de golflengte van het gebruikte akoestische signaal relatief kleine, geometrische obstructies, gebruik gemaakt van een zendsignaal in een laag frequentiegebied. Het 20 voordeel van het gebruik van een Iaagfrequent zendsignaal bij langere meettrajecten is vooral gelegen in de geringere demping daarvan, alsmede in het feit dat het signaal door de grotere golflengte niet door relatief kleine geometrische obstructies in het akoestisch traject wordt verstoord. Ook kan voor reductie van meetfouten door akoestische signaalvervorming, als gevolg van reflecties en instationaire verschijnselen binnen de meetruimte en Doppler-achtige verschijnselen door 25 transducerbewegingen en/of niet homogene en/of instationaire media-stromingen gebruik worden gemaakt van een zendsignaal met een bekend karakteristiek frequentieverloop. Het te gebruiken zendsignaal wordt hierbij mede bepaald door de in het signaaltraject aanwezige overdrachtsfuncties zoals van signaalverwerkers, transducers en van het te onderzoeken medium, verder door obstructies in de meetruimte, de geometrie en verdere eigenschappen en kenmerken van de meetruimte, waarbij 30 zend- en ontvangstsignaal en signaalverwerking wederzijds optimaal op elkaar aansluiten en waarbij ter vergroting van de kwaliteit van de meetverwerking het zendsignaal kan worden aangepast aan . 1 00 94 85 5 veranderlijke omgevings- en procesomstandigheden. Door gebruik te maken van de vormeigenschappen van het zendsignaal met bekende frequentiekarakteristiek kan eenvoudig rekening worden gehouden met de frequentievervorming van het signaal van zender naar ontvanger. Voor grote meetafstanden wordt zoals reeds opgemerkt zo mogelijk gebruik gemaakt van een signaal 5 met lage frequenties en een relatief grote informatie-inhoud. Bij voorkeur wordt daarbij een relatief kortstondig sweepsignaal gebruikt, dat is een signaal met een bekende tijdsafhankelijk veranderlijke fasesnelheid.

Een signaal met grote vermogens- en bekende informatie-inhoud leent zich goed voor 10 correlatie-technieken en kan real-time in een enkele meting een resultaat met een hoge nauwkeurigheid opleveren. Het meten van de looptijd geschiedt daarbij bij voorkeur door middel van gewogen correlatie. Via een gewogen correlatiealgoritme wordt optimaal ingespeeld op de informatie-inhoud van het ontvangen zendsignaal waarbij rekening kan worden gehouden met de overdrachtsfuncties van het medium en de transducers. Bij het bepalen van de akoestische looptijd 15 met behulp van correlatietechnieken wordt een kruiscorrelatie uitgevoerd tussen het zend- of hiervan afgeleid signaal en het ontvangstsignaal waarbij de ligging van de kruiscorrelatiepiek een maat is voor de akoestische looptijd.

In een verdere voorkeursuitvoering wordt voor het verhogen van de resolutie bij het 20 correleren voor de looptijdsbepaling van het akoestisch signaal, tevens gebruik gemaakt van numerieke approximatiemethoden en van zogenaamde curve-fitting, waarbij gebruik wordt gemaakt van een significant benaderd gedeelte van de autocorrelatiefunctie van het zendsignaal of een hiervan afgeleid signaal, gebaseerd op voorkennis van de vorm van de correlatiefunctie, ten einde een nauwkeurige positiebepaling van de kruiscorrelatiepiek te realiseren. Vanuit een vooraf gedefinieerd 25 zendsignaal, bijvoorbeeld een sweepsignaal, wordt een discreet zendsignaal afgeleid. Hiernaast wordt voor signaalvergelijking, als een discreet model van het signaal aan de ontvangstkant, een referentiesignaal bepaald, dat qua vorm globaal overeenkomt met het te ontvangen meetsignaal. Hiervan uitgaande levert derhalve een discrete autocorrelatie van het referentiesignaal een functie op waarvan mag worden verwacht dat deze gelijkvormig is met de kruiscorrelatiefunctie die wordt 30 verkregen uit het referentiesignaal en het ontvangen meetsignaal.

1 00 94 85 6

Voor de detectie-signaalverwerking wordt de discrete autocorrelatie-functie van het referentiesignaal direct discreet via regressie gefit aan de bepaalde kruiscorrelatiefiinctie. Het model wordt verfijnd door oversampling van de autocorrelatiefunctie van het referentiesignaal en/of wordt beschreven door een contour van de autocorrelatiefunctie, welke is beschreven in een Curve-Fitting 5 model (C-F model). Het C-F model wordt bepaald voor een significant gedeelte van de functie waarin de correlatietop valt. Hiertoe wordt een functievoorschrift bepaald van de contour van de discrete correlatiewaarden. Dit is derhalve een partieel model van de apriori berekenbare correlatiefunctie. In de contour is de ligging van de top hierin vooraf analytisch of numeriek te bepalen en is dan als parameterwaarde voorhanden. Ten opzichte van standaard 10 meetsignaalverwerking op basis van correlatieberekeningen en statistische meetverwerking wordt zodoende een veel hogere nauwkeurigheid en resolutie alsmede een beduidende tijdwinst gerealiseerd.

Bij de praktische detectie-signaalverwerking wordt de kruiscorrelatiefunctie berekend met samplewaarden die met een relatief lage samplefrequentie zijn bepaald. De bijbehorende discrete 15 correlatiewaarden liggen hierbij in de tijd gezien relatief ver uit elkaar, waardoor er geen sprake kan zijn van een nauwkeurige topbepaling in de correlatiefunctie. Met behulp van de eerder genoemde contour van het C-F model, met bekende ligging van de top, wordt dit model via gewogen regressieanalyse op de berekende discrete correlatiewaarden gefit. De uiteindelijke ligging van het, op de correlatiewaarden gepositioneerde C-F model, wordt aldus met een hoog oplossend vermogen 20 bepaald, waardoor een nauwkeurige bepaling van de ligging van de kruiscorrelatietop is gewaarborgd. Het C-F model, de parameterwaarde voor de ligging van de top in het model, en de weegfactoren voor de regressieanalyse worden als zogenoemde ‘embedded knowledge’ in het systeem opgeslagen.

25 In een verdere voorkeursuitvoering wordt voor het nauwkeurig bepalen van de gewogen looptijd gebruik gemaakt van een vooraf te bepalen signaalvervorming over een gegeven meettraject met behulp van een medium- en meetruimtemodel. Met behulp van het zendsignaal en een medium-en meetruimtemodel wordt een referentiesignaal bepaald dat wordt gebruikt voor het bepalen van de tijdsafhankelijke signaalovereenkomst.

30 1 oo 94 85 7

In een verdere voorkeursuitvoering worden, voor de bepaling van een fysische grootheid, een of meer andere grootheden, onder althans gedeeltelijk gelijke condities verkerend, in een ruimte akoestisch en/of op conventionele wijze gemeten. Onder conventionele wijze wordt hier verstaan een methode waarbij een grootheid op basis van een in de praktijk gebruikelijke meetmethode wordt 5 bepaald. De meting van de verdere grootheden kan in dezelfde meetruimte en/of in een andere meetruimte, onder bepaalde identieke omstandigheden, worden doorgevoerd. Bij voldoende kennis van het gedrag van de verdere grootheid kan een in wezen relatieve meting toch in een absolute meetwaarde resulteren. Alternatief kan voor de bepaling van een fysische grootheid gebruik worden gemaakt van een meting volgens de uitvinding aan een andere grootheid met eenzelfde 10 signaalverwerking maar over een ander meettraject. Aldus kan bijvoorbeeld de vochtigheid in een meetruimte worden gemeten door looptijdmeting daarin en eenzelfde looptijdmeting in een ruimte met een medium met een bekende samenstelling.

In een verdere voorkeursuitvoering wordt, ter analyse en eliminatie van onderlinge 15 beïnvloeding van het directe wegsignaal en de reflecties in de meetruimte op de meetverwerking, gebruik gemaakt van het medium- en het meetruimtemodel alsmede van de eigenschap dat de directe weg en de reflectiewegen, bij een vaste meetopstelling, globaal constant blijven. Looptijden via verschillende akoestische wegen zullen zich onder gelijke medium- en temperatuursomstandigheden temperatuursafhankelijk verhouden, waardoor bij metingen gedurende een langere tijd, waarin een 20 al dan niet cyclisch temperatuurverloop optreedt, adaptief en statistisch de looptijden van de signaalwegen en derhalve de gewogen looptijd van het directe weg signaal nauwkeurig kan worden bepaald.

Door kennis en bijbehorende modelvorming van het medium en de meetruimte is het door 25 informatie van partieel redundante akoestische meettrajecten mogelijk een te meten grootheid te bepalen over een deel van een akoestisch meettraject. Op een dergelijke wijze kan akoestische tomografie worden bedreven, bijvoorbeeld zoals beschreven in GB 2235294-A. Hierbij kan worden gewerkt met vaste transducers, maar bijvoorbeeld ook met een stelsel van lineair of roterend verplaatsbare transducers waarbij de functie van zender en ontvanger weer al dan niet in een 30 transducer kan zijn verenigd.

1 00 94 85 8

Een voorkeursuitvoering van een inrichting volgens de uitvinding is uitgerust met een akoestische transducer voor signaalgeneratie en een akoestische transducer voor signaaldetectie en met een signaalverwerkingseenheid voor selectie van ten minste twee meetpunten en een signaalverwerkingseenheid voor verwerking van een op grond van een door een zendtransducer uit 5 te zenden meetsignaal. In het bijzonder is de inrichting voorzien van een of meer, het meettraject samenvouwende akoestische spiegels.

Een verdere voorkeursuitvoering van een dergelijke inrichting is uitgerust met een meetpuntselectieinrichting voor locatie van meetpunten op een zendsignaal en met een 10 signaaldetectieinrichting uitgerust voor een gecombineerde signaaltop- signaalflankdetectie.

In het onderstaande zullen enkele voorbeelden van de uitvinding nader worden beschreven. In de tekening toont:

Fig. 1 Een blokschema van een meetsysteem volgens de uitvinding, 15 Fig. 2 Schematisch enkele uitvoeringsvormen van meetsystemen volgens de uitvinding,

Fig. 3 Een voorbeeld van een meetsysteem met een samengevouwen meettraject en

Fig. 4 Een voorbeeld van een meetsignaal bruikbaar in een meetsysteem volgens de uitvinding.

Een meetsysteem als geschetst in figuur 1 toont een akoestische zender (2), een meetkamer (4), een 20 signaalontvanger (6), een signaalverwerkingsinrichting (8), een meetverwerkingsinrichting (10) en een kenniseenheid (12).

De intelligente adaptieve kennis- en besturingseenheid van het (knowledge based; rule based) meetsysteem, bevattende kennis en handelingsvoorschriften, wordt kortheidshalve kenniseenheid (12) genoemd en bevat een model van een discreet zendsignaal. Dit signaal wordt via een leiding 25 (13) aan de zendinrichting (2) aangeboden en hier omgezet in een akoestisch signaal. Het signaal doorloopt via een leiding (3) het medium in meetkamer (4) en wordt, vervormd en aangevuld met ongewenste reflecties via een leiding (5), ingevangen door de signaalontvangstinrichting (6).

In de kenniseenheid (12) zijn verder modellen van het meetmedium en de meetkamer aanwezig die de invloeden beschrijven die het meetsignaal op het meettraject ondergaat, waarmee de akoestische 30 signaalvervorming en de reflecties kunnen worden voorspeld. Het meetkamermodel beschrijft de invloed van de geometrische aspecten van de meetkamer op de voorplanting van het geluid in de 1 00 94 85 9 meetkamer. Het mediummodel beschrijft de eigenschappen van het medium, dat zich in de meetkamer bevindt met betrekking tot de geluidsvoortplanting, voor zover deze betrekking hebben op de signaalvervorming in het akoestisch doorlopen traject. De voor de bepaling van de gewenste grootheid benodigde aanvullende modelparameters, zoals relatieve vochtigheid en C02 percentage, 5 worden via een leiding (15) vanuit de meetkamer (4) aan de kenniseenheid (12) aangeboden. De parameters voor de modellen alsmede de vorm van het zendsignaal worden initieel via leiding (11) aan de kenniseenheid aangeboden.

Voor de signaalverwerking worden de vorm van het zendsignaal alsmede de modellen en de parameters voor de modellen door de kenniseenheid (12) via een leiding (19) aangeboden aan de 10 signaalverwerkingseenheid (8). Hiermede wordt door de signaalverwerkingseenheid een voorspelling gedaan van de vorm van een te ontvangen akoestisch signaal. Hierna wordt op discrete wijze de vorm van het via een leiding (7) ontvangen signaal uit ontvangsteenheid (6), in de signaalverwerkingseenheid (8) vergeleken met de vorm van het voorspelde signaal, hetgeen een vergelijkende functie oplevert. Het maximum van de in de signaalverwerkingseenheid bepaalde 15 vergelijkende functie, tussen model en verwerkt gemeten ontvangstsignaal, representeert de looptijd van het akoestisch signaal. Daar de vormvergelijking discreet wordt uitgevoerd, heeft ook de genoemde vergelijkende functie een discreet karakter. Het gezochte maximum van deze functie zal echter meestal niet op een discreet monsterpunt (samplepunt) liggen, waardoor de resolutie voor het bepalen van de looptijd wordt begrensd door de gebruikte bemonsteringsafstand (sample-afstand). 20 Dientengevolge wordt de discrete vormvergelijking uitgevoerd met overbemonsterde (oversamplede) signalen. Dit resulteert in een kleinere bemonsteringsafstand (sample-afstand) waardoor de looptijdresolutie wordt verhoogd. Ter aanvullende verbetering kan vooraf een model van de vergelijkende functie worden bepaald door het voorspelde signaal met zichzelf te vergelijken. Van de top hiervan kan door curve-fitting een continu model worden gemaakt. Door dit continue model 25 over de discrete vergelijkende functie, bepaald uit de vergelijking van het ontvangen signaal met het voorspelde ontvangen signaal, te positioneren kan de ligging van de top nog nauwkeuriger worden bepaald. Uit de vergelijkende functie wordt een significant deel door middel van curve-fitting omgezet in een continue functie. Het model van de continue functie wordt met curve-fitting gefit op de uit de meting verkregen vergelijkende functie, afgeleid uit het voorspelde en het gemeten 30 ontvangen signaal. Hiermede wordt de gewogen akoestische looptijd met hoge nauwkeurigheid bepaald. Via een leiding (17) worden meetkamerafhankelijke parameterinstellingen voor de 1 00 94 85 10 ontvangsteenheid (6) aangeboden. De kenniseenheid (12) vertoont adaptief gedrag en communiceert via leiding (19) interactief met de signaalverwerkingseenheid (8). Uitgaande van de via leiding (11) ingevoerde globale waarden van de akoestisch directe meetweg en de reflectiewegen wordt gedurende het signaalverwerkingsproces, door middel van parameterschattingstechnieken, met 5 behulp van tijdens het meetproces optredende temperatuursvariaties, door de signaalverwerkingseenheid interactief met de kenniseenheid de gewogen looptijd van het directe wegsignaal bepaald.

De looptijden van de directe en indirecte wegsignalen zijn onder dezelfde temperatuur-omstandigheden en bij gelijke mediumsamenstelling afstandsafhankelijk aan elkaar gerelateerd. De 10 maxima van de signaalvergelijkingsfimcties die behoren bij de verschillende akoestische trajecten verschuiven als gevolg van in de tijd optredende temperatuurveranderingen in de meetkamer. Mede hiermee worden de akoestisch directe weg en de reflectiewegen bepaald, waarbij de geschatte initiële waarden als eerste uitgangspunt dienen voor het heuristisch rekenkundig gebaseerde zoekprogramma (heuristic calculated based search program). Met kennis van in het meetproces bepaalde 15 meetsignalen worden hieruit door de signaalverwerkingseenheid (8) een nieuw aan veranderde procesomstandigheden aangepast zendsignaal en nieuwe vergelijkende functies samengesteld welke voor volgende metingen worden opgeslagen in de kenniseenheid (12). Via een leiding (21) worden kennisregels en parameters uit het meetkamermodel en door de signaalverwerkingseenheid (8) wordt via een leiding (9) de gewogen akoestische looptijd aan de meetverwerkingsinrichting (10) aan-20 geboden, waaruit door de meetverwerkingsinrichting de gewenste fysische grootheid wordt bepaald en uitgevoerd via leiding (14).

Figuur 2-a toont een meetkamer (20) in een meest eenvoudige uitvoering met aan een uiteinde een zendtransducer (22) en aan een tegenoverliggend uiteinde een ontvangsttransducer (24). Een 25 akoestisch signaal doorloopt de meetkamer via een traject (26). In de meetkamer kan bijvoorbeeld de temperatuur, luchtvochtigheid, gas- of vloeistofsamenstelling en dergelijke worden gemeten. In principe kan hier alleen relatief worden gemeten maar uitgaande van een bekende referentie kan die meting wel absoluut worden gemaakt. In figuur 2-b is de ontvangsttransducer vervangen door een akoestische spiegel (25) en fungeert de zendtransducer (28) tevens als akoestische spiegel en ont-30 vangsttransducer. Hierdoor wordt in eenzelfde ruimte het meettraject een factor twee of een veelvoud ervan maal zo groot waardoor de relatieve meetnauwkeurigheid van de looptijd evenredig toeneemt.

1 00 94 85 11

Fig. 2-c toont een meetkamer waarbij naast een eigenlijke meetkamer (30) voor een meettraject (32) een referentiekamer (34) is opgenomen, die qua temperatuuromstandigheden zoveel mogelijk overeenkomt met de eigenlijke meetkamer. Door de referentiekamer te vullen met een medium met een bekende samenstelling kunnen door meting zowel over het meettraject (32) als over een 5 meettraject (33) direct absolute metingen worden doorgevoerd.

Fig. 2-d toont een meetkamer (36) waarbij in plaats van een referentiemeetkamer voor temperatuurmeting een daartoe dienende detector (38) is opgenomen. De meetkamer kan dan direct worden gebruikt om bijvoorbeeld de luchtvochtigheid of een gasmengselsamenstelling te meten.

10 Een meetkamer als geschetst in figuur 3 toont een enkele transducer (40), die zowel voor zendtransducer als voor ontvangsttransducer dient. Op een begrenzing (42) binnen een meetkamer zijn akoestische spiegels (44) opgenomen met behulp waarvan een meettraject (46) in de relatief kleine ruimte toch relatief lang kan zijn. Doordat binnen een klein meetgebied wordt gemeten wordt als het ware een lokale meting uitgevoerd. Met het akoestisch temperatuur meten wordt een vrijwel 15 real-time nauwkeurige temperatuurmeting gerealiseerd. Met de pijlen (48) wordt de weg van het meetsignaal aangegeven. Bij een meettrajectlengte van een meter kan een meetnauwkeurigheid van 0.01 Kelvin worden gerealiseerd indien de thermische uitzetting, van de begrenzing waarop de spiegels zijn gemonteerd, gering is of voor het effect hiervan op de meetwaarde wordt gecompenseerd.

20

In figuur 4 zijn akoestische ontvangstsignalen (52) en (54) weergegeven die door een zendtransducer zijn uitgezonden en door op verschillende afstanden van de zendtransducer geplaatste ontvangsttransducers worden ontvangen. Signaal (54) geeft een ten opzichte van signaal (52) meer verzwakt signaal weer. Dit heeft een grotere afstand door het medium doorlopen en heeft derhalve 25 een grotere demping ondergaan.

Signaaldetectie vindt plaats op basis van een combinatie van verschillende samenhangende significante punten van het signaal. De gecombineerde detectie bestaat uit een signaalniveaudetectie (56) die wordt gebruikt als voordetectie om het signaal van omgevingsinvloeden te onderscheiden en een erop volgende topdetectie binnen een tijdsspanne tw (tijd-window).

30 De beide ontvangstsignalen (52) en (54) zijn ter illustratie van onderlinge timingaspecten over elkaar geprojecteerd. Hiertoe is het in de tijd verschoven signaal (54) geprojecteerd over signaal (52) 1 00 94 85 12 waarbij voor beide de niveaudetectie (56) geldt; deze treedt voor signaal (52) op, op tijdstip A en voor signaal (54) op het verschoven tijdstip A'. Door de gecombineerde detectie te gebruiken, waarbij niveaudetectie (56) wordt gebruikt, alsmede indien erop volgend een top wordt gedetecteerd binnen een tijdsspanne tw volgend op het tijdstip van de niveaudetectie, kan worden geconcludeerd 5 dat het uitgezonden signaal is gedetecteerd op tijdstip B respectievelijk B', dus beide signalen worden op hetzelfde overeenkomstige relatieve tijdstip gedetecteerd. De tijdsspanne tw wordt hierbij bepaald door de frequentie van het uitgezonden signaal en de geluidssnelheid in het medium. De tijdsspanne is zodanig, dat alle voor de gecombineerde detectie benodigde karakteristieke punten van het signaal erbinnen vallen. Het voordeel van de onderhavige detectiemethode is dat, onafhankelijk 10 van de verzwakking van het signaal, altijd op een overeenkomstig amplitudeonafhankelijk relatief tijdstip van het signaal wordt gedetecteerd.

Bij de constructie van de vorm van het zendsignaal wordt rekening gehouden met de, op het meettraject in het medium, te verwachten vervorming. Het voordeel hiervan is dat minder bewerkingen op het ontvangen signaal behoeven te worden uitgevoerd en de looptijdsbepaling 15 nauwkeuriger en sneller wordt uitgevoerd.

1 00 94 85

Claims (13)

1. Werkwijze voor het bepalen van een fysische grootheid binnen een meetruimte door middel van akoestische looptijdmeting met gebruikmaking van ten minste een, als zender te gebruiken 5 akoestische transducer en ten minste een, als ontvanger te gebruiken akoestische transducer met het kenmerk, dat voor de looptijdmeting gebruik wordt gemaakt van een, althans mede op grond van de toe te passen meetsignaalverwerking geselecteerd, akoestisch zendsignaal en van minimaal twee, eveneens op grond van een toe te passen meetsignaalverwerking, geselecteerde punten van een akoestisch ontvangstsignaal en/of van een hiervan afgeleid signaal. 10

2. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat een gewogen looptijd van een akoestisch signaal wordt bepaald door gebruik te maken van kennis, die bestaat uit medium- en/of meetruimte modellen, van een signaalvervorming die het signaal binnen de meetruimte ondergaat.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk, dat een door een zendtransducer uit te zenden akoestisch zendsignaal via akoestische reflectie een of meer malen door de meetruimte wordt gereflecteerd alvorens door de al dan niet door de zendtransducer gevormde ontvangsttransducer te worden ingevangen.

4. Werkwijze volgens conclusie 1,2 of 3 met het kenmerk, dat de minimaal twee geselecteerde punten respectievelijk deel uitmaken van de flank en van de top van een ontvangstsignaal, met welke punten door middel van een aangepaste signaalverwerking een gecombineerde signaaltop-signaalflankdetectie van een akoestisch ontvangstsignaal wordt doorgevoerd.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, 2,3 of 4 met het kenmerk, dat voor het bepalen van de looptijd van een akoestisch signaal gebruik wordt gemaakt van een berekeningsmethode voor het bepalen van de tijdsafhankelijke signaalovereenkomst tussen twee signalen, afgeleid, al dan niet volgens medium- en meetruimtemodellen, van het ontvangstsignaal, respectievelijk het zendsignaal. ' Π 0 Q Λ 8 5

6. Werkwijze volgens conclusie 5 met het kenmerk, dat bij het gebruik van tijddiscrete berekeningsmethoden gebruik wordt gemaakt van een model van de tijdsafhankelijke signaalovereenkomst waarmee door middel van regressie met de tijdsdiscrete signaalovereenkomst de beperkingen van de tijddiscrete methoden worden ondervangen. 5

7. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat ter vermijding van informatieverlies binnen het akoestische traject, ten gevolge van overmatige demping over een lang meettraject en/of reflecties aan, voor het gebruikte akoestische signaal relatief kleine, geometrische obstructies, gebruik wordt gemaakt van een zendsignaal in een laag frequentiegebied. 10

8. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat voor reductie van meetfouten door akoestische signaalvervorming, als gevolg van reflecties en instationaire verschijnselen binnen de meetruimte, gebruik wordt gemaakt van een zendsignaal met een in de tijd bekend karakteristiek frequentieverloop. 15

9. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat voor de bepaling van een fysische grootheid in een meetruimte gebruik wordt gemaakt van verdere, op andere wijze dan wel door middel van eenzelfde meetmethode over een afwijkend onder gedeeltelijk gelijke condities verkerend meettraject, bepaalde grootheden. 20

10. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat door middel van een signaalverwerkingsmethodiek gebaseerd op medium- en meetruimtemodellen en een al dan niet met een kringloopkarakter in de tijd variërend geluidssnelheidsverloop in de meetruimte, onder aanname van vaste akoestische signaalwegen en invariante mediumomstandigheden tussen zender en 25 ontvanger, de bijbehorende gewogen looptijden worden bepaald.

11. Inrichting voor het uitvoeren van een werkwijze volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat die is uitgerust met een akoestische transducer voor signaalgeneratie en een akoestische transducer voor signaaldetectie en met een signaalverwerkingsinrichting voor selectie 30 van ten minste twee meetpunten en een signaalverwerkingsalgoritme op grond van een door een zendtransducer uit te zenden akoestisch meetsignaal. ^ nn 94 85

12. Inrichting volgens conclusie 10 met het kenmerk, dat die is ingericht met een of meer, het meettraject samenvouwende akoestische spiegels.

13. Inrichting volgens conclusie 10 of 11 met het kenmerk, dat die is uitgerust met een 5 meetpuntselectieinrichting voor lokalisatie van meetpunten op een zendsignaal en met een signaaldetectieinrichting uitgerust voor een gecombineerde signaaltop- signaalflankdetectie. 1 00 94 85