DE19815199A1 - Ultrasonic flow meter using the transit time correlation method - Google Patents
Ultrasonic flow meter using the transit time correlation methodInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Durchflußmesser nach dem Laufzeitkor relationsverfahren gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.The invention relates to an ultrasonic flow meter after the transit time Kor relationsverfahren according to that specified in the preamble of claim 1 Characteristics.
Ultraschall-Durchflußmesser sind bekannt aus dem Buch: J. Gätke, Akustische Strö
mungs- und Durchflußmessung, Akademie-Verlag, Berlin 1991. Hieraus sind Vorrichtun
gen zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und des Volumenstromes mit Hilfe
akustischer Wellen nach dem Mitführeffekt bekannt. Beim Mitführeffekt werden die
Laufzeitunterschiede von Schallwellen in und gegen die Strömungsrichtung gemessen.
Dieser Laufzeitunterschied ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit, wobei folgen
de Formel gilt:
Ultrasonic flow meters are known from the book: J. Gätke, Akustische Strö measurement and flow measurement, Akademie-Verlag, Berlin 1991. From this, devices are known for measuring the flow velocity and volume flow with the aid of acoustic waves after the entrainment effect. With the entrainment effect, the transit time differences of sound waves in and against the flow direction are measured. This runtime difference is a measure of the flow velocity, whereby the following formula applies:
Der Meßeffekt ist abhängig von der Länge L des Meßpfades, dem Winkel α des Meß pfades zur Strömungsrichtung und der Schallgeschwindigkeit c des Mediums. Mittels eines ersten Sensors wird durch den Meßpfad ein zeitlich begrenztes Ultraschallsignal gesendet, das nach einer Laufzeit t1 am zweiten Sensor auftrifft und von diesem wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dieser Meßablauf wird mit dem zweiten Sensor als Sender und mit dem ersten Sensor als Empfänger wiederholt. Die beiden digitalisierten Empfangssignale werden in einem Auswerterechner (Mikrokontroller oder DSP) miteinander korreliert. Da sich die Laufzeiten in und gegen die Strömungsrichtung unterscheiden, sind die beiden Empfangssignale innerhalb des Digitalisierungsfensters zeitlich gegeneinander verschoben. Die zeitliche Lage des Korrelationsmaximums ist ein Maß für die gesuchte Laufzeit Δt.The measurement effect depends on the length L of the measurement path, the angle α of the measurement path to the direction of flow and the speed of sound c of the medium. Means a first sensor becomes a time-limited ultrasound signal through the measurement path sent, which strikes the second sensor after a running time t1 and from this again is converted into an electrical signal. This measurement sequence is the second Repeated sensor as transmitter and with the first sensor as receiver. The two Digitized received signals are in an evaluation computer (microcontroller or DSP) correlated with each other. Because the running times in and against the flow direction differ, are the two received signals within the digitization window temporally shifted against each other. The temporal location of the correlation maximum is a Measure of the search time Δt.
Für die Genauigkeit und Stabilität des Laufzeitdifferenzverfahrens sind zwei Faktoren entscheidend. Erstens die sichere Detektion des Korrelationsmaximums auch bei geringem Signalrauschverhältnis (stark dämpfende Medien oder hoher Streueranteil) und zweitens eine möglichst feine Auflösung bei der Laufzeitdifferenzmessung. Für die sichere Detektion des Korrelationsmaximums auch bei geringem Signalrauschverhältnis ist es wichtig, daß die aus den beiden Empfangssignalen resultierende Kreuzkorrela tionsfunktion ein ausgeprägtes Hauptmaximum hat, das Amplitudenverhältnis zwischen Haupt- und Nebenmaxima also möglichst groß ist. Dies wird durch Anregung der Ultraschallsensoren mit breitbandigen Signalen, wie z. B. Chirps, Barker-Codes oder M- Sequenzen erreicht.There are two factors to the accuracy and stability of the transit time difference method crucial. First, the reliable detection of the correlation maximum also at low signal-to-noise ratio (strongly damping media or high proportion of spreaders) and secondly, the finest possible resolution in the transit time difference measurement. For the Reliable detection of the correlation maximum even with a low signal-to-noise ratio it is important that the cross correlation resulting from the two received signals tion function has a pronounced main maximum, the amplitude ratio between The main and secondary maxima are as large as possible. This is done by stimulating the Ultrasonic sensors with broadband signals, such as. B. chirps, Barker codes or M- Sequences reached.
Aufgrund der Digitalisierung der Empfangssignale liegt die Kreuzkorrelationsfunktion nur an zeitdiskreten Punkten vor, deren Abstand der Sample-Periode Ts entspricht, die z. B. bei einer Digitalisierung mit 20 MHz bei 50 ns liegt. Die so erreichbare zeitliche Auflösung ist für das Laufzeitdifferenzverfahren zu grob. Durch Interpolation der Kreuzkorrelations funktion kann die zeitliche Auflösung jedoch gesteigert werden. Ein Maß für die Qualität der durch die Interpolation erreichten zeitlichen Auflösung des Systems stellt die Standardabweichung der Laufzeitdifferenzmessung bei Nullfluß dar.Due to the digitization of the received signals, the cross-correlation function is only at discrete-time points whose spacing corresponds to the sample period Ts, the z. B. digitization at 20 MHz is 50 ns. The temporal resolution that can be achieved in this way is too coarse for the time difference method. By interpolation of the cross correlation function, however, the temporal resolution can be increased. A measure of quality the temporal resolution of the system achieved by the interpolation represents the Standard deviation of the transit time difference measurement at zero flow.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Ultraschall-Durchfluß messer der genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß auch bei Medien mit hohem Streueranteil eine genaue Laufzeitdifferenzmessung möglich wird. Es soll mit geringem Aufwand eine erhöhte Genauigkeit erreicht werden. Proceeding from this, the object of the invention is the ultrasonic flow Knives of the type mentioned to the extent that even with media with high Spreading portion an exact transit time difference measurement is possible. It is said to be low Effort increased accuracy can be achieved.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.This object is achieved in accordance with the features of patent claim 1.
Der erfindungsgemäße Ultraschall-Durchflußmesser kombiniert die Vorteile einer breit bandigen Anregung zur sicheren Maximumsdetektion mit einer durch Schmalbandan regung ermöglichten feinen zeitlichen Auflösung. Umfangreiche Untersuchungen erga ben, daß die Anregung der Ultraschall-Sensoren mit langen Bursts zur Verringerung der Standardabweichung führt, da die Ultraschall-Sensoren im eingeschwungenen Zustand betrieben werden. Je größer die Burstlänge, d. h. je schmalbandiger das Signal ist, umso genauer ist die Laufzeitdifferenzmessung möglich. Das liegt zum einen in der Ver besserung des Signal-Rausch-Abstands begründet, zum anderen führt die erhöhte Energie im Empfangssignal zu einer Verringerung von Quantisierungsfehlern im Korrela tionsmaximum und trägt somit zu einer besseren Interpolierbarkeit bei. Da die Kreuzkor relationsfunktion von schmalbandigen Signalen ist jedoch durch ein ungünstiges Amplitudenverhältnis zwischen Haupt- und Nebenmaximum gekennzeichnet ist, wird eine sichere Detektion des Hauptmaximums bereits bei geringfügig gestörten Empfangs signalen praktisch unmöglich. Durch die erfindungsgemäße Kombination der grundsätz lich ungeeigneten Schmalbandanregung mit der Breitbandanregung werden die Schwie rigkeiten in optimaler Weise gelöst. Somit wird auch bei Medien mit hohem Streueranteil eine genaue Laufzeitdifferenzmessung ermöglicht.The ultrasonic flow meter according to the invention combines the advantages of a broad banded excitation for safe maximum detection with a through narrowband excitation enabled fine temporal resolution. Extensive investigations ben that the excitation of the ultrasonic sensors with long bursts to reduce the Standard deviation results because the ultrasonic sensors are steady operate. The larger the burst length, i.e. H. the narrower the signal, the more the transit time difference measurement is possible more precisely. On the one hand, that's in the Ver improvement of the signal-to-noise ratio justified, on the other hand the increased Energy in the received signal to reduce quantization errors in the correla maximum and thus contributes to better interpolation. Since the Kreuzkor However, the relation function of narrowband signals is due to an unfavorable one Amplitude ratio between the main and secondary maximum is marked, a reliable detection of the main maximum even with slightly disturbed reception signals practically impossible. By combining the principles of the invention Unsuitable narrowband excitation with broadband excitation becomes the Schwie solved in an optimal way. This means that even with media with a high proportion of spreaders enables an exact transit time difference measurement.
Der erfindungsgemäße Durchflußmesser arbeitet nach dem Laufzeitkorrelationsverfahren und mit Hilfe eines programmierbaren Sendegenerators wird die Verwendung von unterschiedlichen Anregungsfunktionen ermöglicht. Der programmierbare Sendegenera tor ermöglicht bevorzugt durch Mode-Bit-Steuerung die Verwendung einer Vielzahl von digital erzeugbaren Anregungsfunktionen. Zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz werden im Meßablauf sowohl breitbandige als auch schmalbandige Anregungsfunktionen in zweckmäßiger Weise verwendet. Des weiteren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß sich die Laufzeitdifferenzbestimmung aus einer durch die Abtastrate gegebenen Grobkorrelation unter Verwendung geeigneter breitbandiger Anregungsfunktionen sowie aus einer Feinkorrelation mittels Interpolation des Korrelationsmaximums bei Verwen dung einer schmalbandigen Anregungsfunktion ergibt. The flow meter according to the invention works according to the transit time correlation method and with the help of a programmable transmit generator, the use of allows different excitation functions. The programmable broadcast generator Tor allows the use of a variety of, preferably by mode bit control digitally generated excitation functions. To determine the transit time difference both broadband and narrowband excitation functions in used expediently. Furthermore, the invention proposes that the transit time difference is determined from a given by the sampling rate Coarse correlation using suitable broadband excitation functions as well from a fine correlation by interpolation of the correlation maximum at Verwen a narrow-band excitation function.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand besonderer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated below with reference to particular in the drawing Exemplary embodiments explained in more detail. Show it:
Fig. 1 ein Blockschaltbild, Fig. 1 is a block diagram,
Fig. 2 einen Signalverlauf seli bei Burstanregung, Fig. 2 is a waveform sel i with burst stimulation,
Fig. 3 einen Signalverlauf |SE1i| bei Burstanregung, FIG. 3 is a waveform | SE1 i | with burst excitation,
Fig. 4 den Signalverlauf bei Phasenmodulation mit Barker-Codes, Fig. 4 shows the waveform for phase modulation with Barker code,
Fig. 5 einen Signalverlauf |EE2j|, Fig. 5 is a waveform | EE2 j |,
Fig. 6 eine Übertragungsfunktion einer Transmissionsanordnung mit identischen Wandlern, Fig. 6 is a transfer function of a transmission arrangement with identical transducers,
Fig. 7 eine Impulsantwort einer Transmissionsstrecke bestehend aus zwei Ul traschallwandlern, Fig. 7 is an impulse response of a transmission path consisting of two traschallwandlern Ul,
Fig. 8 Empfangssignale bei Burstanregung, Fig. 8 receiving signals with burst stimulation,
Fig. 9 Empfangssignale bei Anregung mit Barker-Code, Fig. 9 received signals when excited by Barker code,
Fig. 10 die Kreuzkorrelationsfunktion bei Burstanregung, Fig. 10, the cross-correlation function with burst stimulation,
Fig. 11 die Kreuzkorrelationsfunktion bei Barker-Code-Anregung. Fig. 11 shows the cross correlation function for Barker code excitation.
Gemäß Fig. 1 ist eine Meßstrecke 2, beispielsweise einer Rohrleitung, vorgesehen und die Strömungsrichtung des Mediums ist mit dem Pfeil 4 angegeben. Der Meßstrecke 2 ist ein erster Ultraschall-Sensor 6 und in Strömungsrichtung beabstandet ein zweiter Ultraschall-Sensor 8 zugeordnet. Den beiden Sensoren 6, 8 ist jeweils ein erster Sender 10 und ein zweiter Sender 12 vorgeschaltet, wobei zweckmäßig ein Reziprozitätswider stand 14, 16 zwischengeschaltet ist. Die Sensoren 6, 8 werden wechselweise als Sender bzw. Empfänger betrieben, wobei die Empfangssignale 18, 20 in zweckmäßiger Weise über einen Multiplexer 22 und eine VCA-Stufe 24 einem Analog-Digitalwandler 26 zugeführt werden. Die beiden digitalisierten Empfangssignale werden über eine RAM- Einheit oder Speichereinheit 28 einem Auswerterechner 30 zugeführt, welcher in bevor zugter Weise DSP/oder Mikrokontroller ausgebildet ist. Ferner ist eine Einheit 32 zur Ablaufsteuerung vorgesehen für den Auswerterechner 30 ebenso wie für die RAM-Einheit bzw. Speichereinheit 28 als auch für den Sendegenerator 34 zur digitalen Sendesignal generierung. Mittels der Ablaufsteuerung 32 wird gemäß Pfeil 36 zum einen die Signal form und gemäß Pfeil 38 die Ansteuerung des jeweils aktiven Senders durchgeführt und über die digitale Sendesignalgenerierung-Einheit 34 werden entsprechend die Sender 10 bzw. 12 angesteuert.According to Fig. 1 is a measuring section 2, for example a pipe, is provided and the flow direction of the medium is indicated by arrow 4. The measuring section 2 is assigned a first ultrasonic sensor 6 and a second ultrasonic sensor 8 spaced apart in the flow direction. The two sensors 6 , 8 each have a first transmitter 10 and a second transmitter 12 connected upstream, expediently a reciprocity resistance was 14 , 16 interposed. The sensors 6 , 8 are operated alternately as transmitters or receivers, the received signals 18 , 20 being expediently fed to an analog-digital converter 26 via a multiplexer 22 and a VCA stage 24 . The two digitized received signals are fed via a RAM unit or memory unit 28 to an evaluation computer 30 , which is designed in a preferred manner DSP / or microcontroller. Furthermore, a unit 32 for sequence control is provided for the evaluation computer 30 as well as for the RAM unit or storage unit 28 as well as for the transmission generator 34 for digital transmission signal generation. By means of the sequence control 32 , the signal form is carried out according to arrow 36 and the active transmitter is activated according to arrow 38 , and the transmitters 10 and 12 are activated accordingly via the digital transmission signal generation unit 34 .
Der erfindungsgemäße Ultraschall-Durchflußmesser ist für Grob- und Feinkorrelation ausgebildet und verbindet die Vorteile einer breitbandigen Anregung zur sicheren Maximumsdetektion mit der durch Schmalbandanregung ermöglichten feinen zeitlichen Auflösung. Somit wird auch bei Medien mit hohem Streueranteil erfindungsgemäß eine genaue Laufzeitdifferenzmessung ermöglicht. Die im Blockschaltbild dargestellten Sender enthalten bevorzugt den gemeinsamen Sendesignalgenerator bzw. die Einheit 34 und die eigentliche Leistungsstufe. Der Sendesignalgenerator 34 kann insbesondere mittels der Einheit 32 zur Ablaufsteuerung über entsprechende Modebits zwischen Bursts verschiedener Länge und breitbandigen Signalen, wie z. B. Barker-Codes umge schaltet werden.The ultrasonic flow meter according to the invention is designed for coarse and fine correlation and combines the advantages of broadband excitation for reliable maximum detection with the fine temporal resolution made possible by narrowband excitation. Thus, according to the invention, an exact transit time difference measurement is made possible even in the case of media with a high scattering proportion. The transmitters shown in the block diagram preferably contain the common transmit signal generator or unit 34 and the actual power stage. The transmission signal generator 34 can in particular by means of the unit 32 for sequence control via corresponding mode bits between bursts of different lengths and broadband signals, such as. B. Barker codes can be switched.
Der erfindungsgemäße Meßablauf erfolgt nach den nachfolgenden Verfahrensschritten:
The measurement sequence according to the invention takes place according to the following process steps:
- a) Aktivieren der breitbandigen Anregungsfunktiona) Activate the broadband excitation function
- b) Senden eines Ultraschall-Signals in und gegen die Strömungsrichtung und Digitali sierung der Empfangssignaleb) sending an ultrasound signal in and against the flow direction and digitali sation of the received signals
-
c) Berechnung der diskreten Kreuzkorrelationsfunktion und Bestimmung der Lage des
Maximums wobei gilt:
Δtgrob= Nmax.Ts
mit
Nmax: Index des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion
Ts: Abtastratec) Calculation of the discrete cross-correlation function and determination of the position of the maximum, where:
Δt coarse = N max .T s
With
N max : index of the maximum of the cross-correlation function
Ts: sampling rate - d) Aktivieren der schmalbandigen Anregungsfunktion; d) activating the narrowband excitation function;
- e) Senden eines Ultraschall-Signals in und gegen die Strömungsrichtung und Digitali sierung der Empfangssignale;e) sending an ultrasonic signal in and against the flow direction and digitali sation of the received signals;
- f) Berechnung der diskreten Kreuzkorrelationsfunktion an den Punkten Nmax-i, Nmax-(i+1), . . .Nmax, Nmax+1, . . .Nmax+i;f) calculation of the discrete cross-correlation function at the points Nmax-i, Nmax- (i + 1),. . .Nmax, Nmax + 1,. . .Nmax + i;
-
g) Berechnung des Interpolationsfits durch die Stützstellen. Die Lage des Maximums
der Interpolationsfunktion liefert die feinaufgelöste Laufzeitdifferenz Δtfein (Feinkor
relation) für die gilt:
Δtfein = Δt - (Nmax.TS)
Nmax.TS = Δtgrob;g) Calculation of the interpolation fit by the support points. The location of the maximum of the interpolation function provides the finely resolved transit time difference Δt fine ( fine correlation) for which the following applies:
Δt fine = Δt - (N max .T S )
N max .T S = Δt coarse ; - h) N-malige Durchführung der Punkte e)-g);h) Performing points e) -g) N times;
-
i) Endgültige Berechnung der Laufzeitdifferenz Δt wobei gilt:
Δt = Δtgrob + Σ Δtfein. i) Final calculation of the transit time difference Δt where:
Δt = Δt coarse + Σ Δt fine.
Zur Veranschaulichung der Auswirkung der Anregungssignale auf das Laufzeitkorrela tionsverfahren werden nachfolgend typische Anregungsformen und Signalverläufe erläutert. Bei Burstanregung ergeben sich entsprechend den nachfolgenden Parametern die in Fig. 2 und 3 gezeigten Signalverläufe.Typical forms of excitation and waveforms are explained below to illustrate the effect of the excitation signals on the transit time correlation method. With burst excitation, the signal curves shown in FIGS . 2 and 3 result in accordance with the following parameters.
Für den Fall der Phasenmodulation mit Barker-Codes ergeben sich unter Berücksichti gung der nachfolgenden Parameter die in den Fig. 4 und 5 angegebenen Signalverläufe.In the case of phase modulation with Barker codes, taking into account the following parameters, the signal curves shown in FIGS. 4 and 5 result.
Fig. 6 zeigt eine Übertragungsfunktion einer Transmissionsanordnung mit identischen Wandlern und Fig. 7 zeigt eine Impulsantwort einer Transmissionsstrecke bestehend aus zwei Ultraschallwandlern, und zwar unter Berücksichtigung der nachfolgenden Para meter und Gleichungen. Hierbei wird die Übertragungsfunktion der Übertragungsstrecke, Koppelkeil, Rohrwand, Medium, in erster Näherung mit 1 angenommen. Fig. 6 shows a transfer function of a transmission arrangement with identical transducers and Fig. 7 shows an impulse response of a transmission path consisting of two ultrasonic transducers, taking into account the following parameters and equations. The transfer function of the transmission link, coupling wedge, pipe wall, medium, is assumed to be 1 in a first approximation.
Fig. 8 zeigt die Empfangssignale bei Burstanregung, und zwar unter Berücksichtigung der nachfolgenden Parameter. Fig. 8 shows the received signals with burst excitation, taking into account the following parameters.
Anhand von Fig. 9 sind die Empfangssignale bei Anregung mit Barker-Code dargestellt. Die beiden Empfangssignale der Laufzeitmessung in und gegen Strömungsrichtung werden miteinander korreliert. Die Lage des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion entspricht der Laufzeitdifferenz. Es gelten die folgenden Bedingungen:Referring to Fig. 9, the received signals are shown with excitation at Barker code. The two received signals of the transit time measurement in and against the flow direction are correlated with one another. The location of the maximum of the cross-correlation function corresponds to the transit time difference. The following conditions apply:
Fig. 10 zeigt die Kreuzkorrelationsfunktion der beiden Empfangsignale bei Burst-Anre
gung, wobei gilt:
Fig. 10 shows the cross correlation function of the two received signals in burst Anre supply, where:
KKFj:= Y1j.
kkf:= isft (KKF)KKF j : = Y1 j .
kkf: = isft (KKF)
Schließlich ist in Fig. 11 die Kreuzkorrelationsfunktion der beiden Empfangssignale bei
Barker-Code-Anregung gezeigt, wobei gilt:
Finally, FIG. 11 shows the cross-correlation function of the two received signals with Barker code excitation, where:
KKFj:= Y3j.
kkf:= isft (KKF)KKF j : = Y3 j .
kkf: = isft (KKF)
Das Maximum liegt bei 1,5 µs. Das Verhältnis von Haupt- zu Nebenmaximum beträgt bei Burstanregung fast ein. Bei geringem Signal-Rauschabstand wird daher oft ein Neben maximum als Hauptmaximum erkannt und damit wird eine falsche Laufzeitdifferenz ermittelt. Durch Verwendung angepaßter Signalanregungsfunktionen, wie z. B. Barker- Code kann das Verhältnis von Haupt- zu Nebenmaximum deutlich verbessert werden. The maximum is 1.5 µs. The ratio of main to secondary maximum is at Burst excitation almost on. With a low signal-to-noise ratio, this is often a secondary factor maximum is recognized as the main maximum and therefore an incorrect transit time difference determined. By using customized signal excitation functions such as. B. Barker Code, the ratio of the main to the secondary maximum can be significantly improved.
22nd
Meßstrecke
Measuring section
44th
Pfeil
arrow
66
erster Ultraschallsensor
first ultrasonic sensor
88th
zweiter Ultraschallsensor
second ultrasonic sensor
1010th
erster Sender
first transmitter
1212th
zweiter Sender
second transmitter
1414
, ,
1616
Rezoprozitätswiderstand
Recoprocess resistance
1818th
, ,
2020th
Empfangssignal
Received signal
2222
Multiplexer
multiplexer
2424th
VCA-Stufe
VCA level
2626
Analog-Digital-Wandler
Analog-to-digital converter
2828
Speichereinheit
Storage unit
3030th
Auswerterechner
Evaluation computer
3232
Einheit-Ablaufsteuerung
Unit flow control
3434
Einheit-Digitale-Sendesignalgenerierung
Unit-digital transmission signal generation
3636
Pfeil-Signalform
Arrow waveform
3838
Pfeil-Aktiver-Sender
Arrow active transmitter
Claims (7)
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| DE1998115199 DE19815199A1 (en) | 1998-04-04 | 1998-04-04 | Ultrasonic flow meter using the transit time correlation method |
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