WO2013124156A2 - Verfahren zur identifikation des übertragungsverhaltens eines systems, sowie ultraschall-laufzeit-verfahren zur bestimmung der strömungsgeschwindigkeit in einem medium - Google Patents

Verfahren zur identifikation des übertragungsverhaltens eines systems, sowie ultraschall-laufzeit-verfahren zur bestimmung der strömungsgeschwindigkeit in einem medium Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for identifying a time-varying transmission behavior of a band-limited system consisting of a transmitting transducer, a receiving transducer and the associated electronics, and methods for determining the flow rate in a medium by determining the transit times of one or more ultrasonic signals between each two ultrasonic transducers.
  • Such a system can be, for example, an ultrasonic sensor system for measuring the volume and mass flow rate on the basis of the transit time method.
  • the achievable accuracy of such measuring systems is determined by the influences of the transmission system, which can be eliminated by calibration in the case of a time-invariant system.
  • the causes of the change in the transmission behavior of the system can be varied, and may be caused, for example, by contamination, air humidity or aging processes of the materials.
  • the changing transfer functions of the transducers have the effect of drifting the measured variable.
  • the transfer function of the measurement path is determined at least approximately and at least one ultrasound transit time is corrected by means of a correction value determined from the group delay of the transfer function. This could be done, for example, by means of a theoretical model of the transfer function whose model parameters are determined by means of fit methods.
  • the object of the invention was a method by means of which this drift can be identified and taken into account in an improved manner, so that the measurement results are thereby improved.
  • the invention provides that, first, the transfer function of the system is determined by analyzing the transmission of a signal greater bandwidth than the system bandwidth, and that then a para metric model of the transfer function is formed and the model parameters are determined by Fit psychologist.
  • An embodiment variant of this method is characterized in that at least two points of the measured transfer function are used for the determination of the model parameters.
  • At least the cut-off frequencies of the measured transfer function are used for determining the model parameters.
  • the bandwidth of the measured transfer function is used for the determination of the model parameters.
  • the center frequencies of the measured transfer function can be used to determine the model parameters.
  • the group delay of the transducers is calculated from the modeled transfer function.
  • Another methodology may be that the transfer function of the system is calculated from the FFT of the cross-correlation of the received signal and the transmitted signal.
  • the transfer function is additionally fitted with a bandpass filter model.
  • the transfer function and the group delay of the system is determined according to the invention and used to determine the correct transit time of the ultrasonic signal in the medium according to one of claims 1 to 8.
  • the group delay is subtracted from the measured transit time.
  • transit times in and against the flow direction are determined and the transit time difference is determined by means of cross-correlation of the received signals.
  • a correction based on the not completely reciprocal ultrasonic sensors is used according to an advantageous embodiment of the invention.
  • the correction is carried out with the aid of a regression model that uses one or more features for estimating the reciprocity error.
  • an embodiment could also be characterized in that the correction value is determined on the basis of the reciprocity error with the bandwidth difference of the fitted filter models (in and against the flow direction).
  • the correction value is determined on the basis of the reciprocity error with the center frequency difference of the matched filter models (in and against flow direction).
  • FIG. 1 shows examples of transmission signals for use in the method according to the invention
  • FIG. 2 is a representation of the impulse responses of the system and the right of the transfer functions of the system
  • Fig. 3 shows a diagram with the course of the measured flow velocity at zero
  • the influence 4 is a representation of a regression model between the measured transit time difference and the difference in the measured group delay times.
  • the measuring section of a band-limited system which in the example shown serves to determine the flow velocity in a medium by determining the propagation times of one or more ultrasonic signals between two ultrasonic transducers, consists of an ultrasonic transmitting transducer, an ultrasonic receiving transducer and the associated electronics.
  • the measuring section can also be represented as a structure with the following components: bandpass filter BP1 (transmitting transducer), air gap and bandpass filter BP2 (receiving transducer).
  • the electronics also typically include means for calculating the FFT of the transmit signal, the transmitted signal, the signal after the air gap before entering the receive transducer and the received signal, where FFT is the abbreviation for "Fast Fourier Transform".
  • the transit time determination can be carried out by various methods such as the triggering method, the use of the phase determination or the correlation method, wherein an average signal transit time is determined, which results from the total transfer function of the individual components.
  • the measured variable of the flow measurement corresponds to the change in the transmission function of the air gap between the two ultrasonic transducers, while any changes in the transfer functions of these transducers or bandpass filters act as a disturbance variable.
  • This can be eliminated as a zero balance under exactly controlling environmental conditions, but can also be carried out regularly in the current measuring operation, if the transmission function of the measuring path at least approximately determined and at least one ultrasonic transit time by means of a correction value, determined from the group delay of the transfer function, corrected.
  • This correction value can be determined regularly during operation. In this case, it is essential to determine the transfer function, for which, inter alia, a theoretical model can be formed whose model Iparameter is determined by means of fit methods.
  • the method according to the invention is intended, which as basic steps the selection of a meaningful transmission signal, the calculation of the impulse response of the system and from this the determination of the transfer function of the system comprises.
  • the stages of a band-pass fitting are then determined with the determination of the system's system runtime, the determination of the correct transit time in the medium and, therefrom, the determination of the flow velocity in the medium and, if necessary, the correction of the reciprocity error in the flow rate.
  • a wideband signal with high energy and flat transmission function in the system transmission band should be selected.
  • the properties of the system are shown in the received signal.
  • MLS Maximum Lenght Sequences
  • These signals yield a Delta Kronecker function 5 [k] as the result of the autocorrelation, given a sufficiently high order of the polynomial. 1 shows on the left side an example of a third-order MLS sequence and on the right a sixth-order sequence The topmost figure shows the pulse sequence (time base), while in the middle the magnitude of the Fourier transformation and below the autocorrelation function are shown.
  • the transmission system with the two ultrasonic transducers and the intervening air gap can be represented by an unknown transmission system with the impulse response h [n].
  • the output signal y [n] is then by definition the result of a convolution of the input signal x [n] with the impulse response h [n].
  • the Fourier transform of the windowed impulse response is calculated.
  • the measured and dotted lines represent the windowed impulse response of the system in a solid line.
  • the course of the window function is shown by dashed lines.
  • the measured and with dashed lines the fenestrated transfer function are entered by a solid line. From this windowed transfer function, characteristic parameters such as e.g. the cutoff frequencies (3dB) are determined, which are then used in the following fitting procedure.
  • 3dB cutoff frequencies
  • a filter model is fitted to the measured transfer function.
  • a filter type and the filter order must be selected. This defines a mathematical model for which coefficients must be found in the fitting procedure.
  • an ultrasonic sensor may be represented as a second order bandpass filter.
  • ⁇ * » ⁇ ⁇ ) ⁇ 8 ( ⁇ ) - ⁇ ( ⁇ ) with ⁇ 9 ( ⁇ ) of the measured total running time (in the medium and including the group delay of the ultrasonic sensors). From the corrected transit times, the flow rate in the medium can then be calculated as follows:
  • the corrected transit time in the flow direction and ⁇ are the angle of incidence. If only the absolute transit times t u and t d are determined and the transit time difference is calculated, the measurement error results according to the formula:
  • C is a constant
  • r the correlation coefficient
  • 5t the error of the transit time.
  • the transit time difference ⁇ t is equal to zero and the error in the flow velocity depends only on the error of the transit time difference ⁇ . This is usually much lower than the error in the absolute runtime, so that much more precise measurements, especially in the lower measurement range, can be achieved.
  • the transit time difference must also be corrected with the current group delay of the transmission system. This can happen either online in the company or offline as a so-called reciprocity correction.
  • a reciprocity correction the temporal variation of the fitted transmission functions of the system is analyzed, eg the difference of the bandwidths ⁇ , in and against the flow direction, the difference of the center frequencies AC in and against the flow direction, and the difference of the group running times AG in and against the flow direction, averaged in the passband.
  • a regression model for example, a linear approximation between one or more of these features is used to estimate the reciprocity error.
  • FIG. 3 a course of the measured flow velocity at the zero point (blue) is shown to explain this procedure, wherein the influence of the reciprocity error is visible as a deviation from the zero value.
  • the diagrams below show the progression of the respective differences in the center frequency, the bandwidth and at the very bottom of the group delay of the transfer function.
  • FIG. 4 also shows a regression model between the measured transit time difference and the difference in the measured group transit times, which can be used for the correction of the flow velocity according to the uppermost path in FIG. 3.

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Description

Verfahren zur Identifikation des Übertragungsverhaltens eines Systems, sowie Ultraschall-Laufzeit-Verfahren zur Bestimmung der
Strömungsgeschwindigkeit in einem Medium
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifikation eines zeitlich veränderlichen Übertragungsverhaltens eines bandbegrenzten Systems bestehend aus einem Sendewandler, einem Empfangswandler und der zugehörigen Elektronik, sowie Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Medium durch Bestimmung der Laufzeiten eines oder mehrerer Ultraschallsignale zwischen jeweils zwei Ultraschallwandlern.
Ein derartiges System kann beispielsweise eine Ultraschallsensorik zur Messung des Volumens- und Massendurchflusses auf Basis des Laufzeitverfahrens sein. Die erreichbare Genauigkeit solcher Messsysteme wird durch die Einflüsse des Übertragungssystems bestimmt, die im Fall eines zeitlich invarianten Systems durch Kalibrierung eliminiert werden können. In der Anwendung der Durchflussmessung können die Ursachen für die Veränderung des Übertragungsverhaltens des Systems vielfältig sein, und kann zum Beispiel durch Verschmutzung, Luftfeuchte oder Alterungsprozesse der Materialien verursacht sein. Die sich ändernden Übertragungsfunktionen der Wandler wirken sich als Drift der Messgröße aus.
Aus der AT 509641 A2 ist vorgeschlagen worden, dass die Übertragungsfunktion der Messstrecke zumindest näherungsweise bestimmt wird und zumindest eine Ultraschalllaufzeit mittels eines Korrekturwerts, bestimmt aus der Gruppenlaufzeit der Übertragungsfunktion, korrigiert wird. Dies könnte beispielsweise mittels eines theoretischen Modells der Übertragungsfunktion geschehen, dessen Modellparameter mittels Fitverfahren bestimmt werden.
Die Aufgabe der Erfindung war ein Verfahren, mit welchem diese Drift auf verbesserte Weise identifiziert und berücksichtigt werden kann, so dass damit die Messergebnisse verbessert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass erstens die Übertragungsfunktion des Systems durch Analyse der Übertragung eines Signals größerer Bandbreite als die Systembandbreite bestimmt wird, und dass dann ein para metrisches Modell der Übertragungsfunktion gebildet wird und die Modellparameter mittels Fitverfahren bestimmt werden.
Eine Ausführungsvariante dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der Modellparameter zumindest zwei Punkte der gemessenen Übertragungsfunktion verwendet werden.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass für die Ermittlung der Modellparameter zumindest die Grenzfrequenzen der gemessenen Übertragungsfunktion verwendet werden. Eine wieder andere Ausführungsform oder Ergänzung der obigen Varianten sieht vor, dass für die Ermittlung der Modellparameter die Bandbreite der gemessenen Übertragungsfunktion verwendet wird.
Vorteilhafterweise können für die Ermittlung der Modellparameter die Mittenfrequenzen der gemessenen Übertragungsfunktion verwendet werden.
Zur Korrektur der Laufzeiten ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Gruppenlaufzeit der Wandler aus der modellierten Übertragungsfunktion berechnet wird.
Eine andere Methodik kann darin bestehen, dass die Übertragungsfunktion des Systems aus der FFT der Kreuzkorrelation des Empfangssignals und des Sendesignals berechnet wird.
Vorteilhafterweise wird bei dieser letzten Methodik ergänzenderweise die Übertragungsfunktion mit einem Bandpassfiltermodel gefittet.
Zur Verbesserung der Messergebnisse eines Verfahrens wie eingangs angegeben, wird erfindungsgemäß gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 die Übertragungsfunktion und die Gruppenlaufzeit des Systems bestimmt und zur Bestimmung der korrekten Laufzeit des Ultraschallsignals im Medium verwendet.
Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass zur Bestimmung der Laufzeit im Medium die Gruppenlaufzeit von der gemessenen Laufzeit abgezogen wird.
Vorteilhafterweise wird dabei zur korrekten Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit Laufzeiten in und gegen Strömungsrichtung bestimmt werden und die Laufzeitdifferenz mittels Kreuzkorrelation der Empfangssignale ermittelt wird.
Zur korrekten Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung eine Korrektur auf Grund der nicht vollständig reziproken Ultraschallsensoren angewendet.
Vorzugsweise ist dazu vorgesehen, dass die Korrektur mit Hilfe eines Regressionsmodels erfolgt, das eines oder mehrere Merkmale zur Schätzung des Reziprozitätsfehlers verwendet wird.
Es könnte aber auch eine Ausführungsform dadurch gekennzeichnet sein, dass der Korrekturwert auf Grund des Reziprozitätsfehlers mit der Bandbreitendifferenz der gefitteten Filtermodelle (in- und gegen Strömungsrichtung) bestimmt wird.
Alternativ könnte als weitere Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Korrekturwert auf Grund des Reziprozitätsfehlers mit der Mittenfrequenzdifferenz der gefitteten Filtermodelle (in- und gegen Strömungsrichtung) bestimmt wird.
Schließlich ist auch eine weitere Alternative möglich, bei welcher der Korrekturwert auf Grund des Reziprozitätsfehlers mit der Gruppenlaufzeitdifferenz, gemittelt im Durchlassbereich, der gefitteten Filtermodelle (in- und gegen Strömungsrichtung) bestimmt wird. In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand der Beschreibung einer bevorzugten Vorgangsweise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Diagramme näher erläutert werden.
Dabei zeigt die Fig. 1 Beispiele für Sendesignale zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren, Fig. 2 ist eine Darstellung der Impulsantworten des Systems sowie rechts der Übertragungsfunktionen des Systems, die Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit dem Verlauf der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit im Nullpunkt und dem Einfluss des Reziprozitätsfehlers, und Fig. 4 ist eine Darstellung eines Regressionsmodell zwischen der gemessenen Laufzeitdifferenz und der Differenz in der gemessenen Gruppenlaufzeiten.
Die Messstrecke eines bandbegrenzten Systems, das im dargestellten Beispiel der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Medium durch Bestimmung der Laufzeiten eines oder mehrerer Ultraschallsignale zwischen jeweils zwei Ultraschallwandlern dient, besteht aus einem Ultraschall-Sendewandler, einem Ultraschall-Empfangswandler und der zugehörigen Elektronik. Die Messstrecke kann aber auch als Aufbau mit folgenden Komponenten dargestellt werden: Bandpassfilter BP1 (Sendewandler), Luftstrecke und Bandpassfilter BP2 (Empfangswandler). Die Elektronik umfasst dabei typischerweise auch eine Einrichtung zur Berechnung der FFT des Sendesignals, des gesendeten Signals, des Signals nach der Luftstrecke vor dem Eintritt auf den Empfangswandler und des empfangenen Signals, wobei FFT die Abkürzung für„schnelle Fourier-Transformation" (engl. : Fast Fourier Transform) ist. Die Laufzeitbestimmung kann über verschiedene Verfahren wie etwa das Triggerverfahren, die Nutzung der Phasenbestimmung oder das Korrelationsverfahren erfolgen, wobei eine mittlere Signallaufzeit bestimmt wird, die sich aus der Gesamtübertragungsfunktion der Einzel komponenten ergibt.
Die Messgröße der Durchflussmessung entspricht der Änderung der Übertragungsfunktion der Luftstrecke zwischen den beiden Ultraschall-Wandlern, während etwaige Veränderungen der Übertragungsfunktionen dieser Wandler bzw. Bandpassfilter als Störgröße wirken. Diese kann als Nullabgleich unter genau kontrollierenden Umgebungsbedingungen beseitigt werden, kann aber auch regelmäßig im laufenden Messbetrieb erfolgen, wenn dazu die Übertragungsfunktion der Messstrecke zumindest näherungsweise bestimmt und zumindest eine Ultraschalllaufzeit mittels eines Korrekturwerts, bestimmt aus der Gruppenlaufzeit der Übertragungsfunktion, korrigiert wird. Dieser Korrekturwert kann dabei regelmäßig im laufenden Betrieb bestimmt werden. Dabei wesentlich ist die Bestimmung der Übertragungsfunktion, für welche unter anderem ein theoretisches Modell gebildet werden kann, dessen Model Iparameter mittels Fitverfahren bestimmt werden.
Dafür ist das erfindungsgemäße Verfahren gedacht, das als grundlegende Schritte die Auswahl eines aussagekräftigen Sendesignals, die Berechnung der Impulsantwort des Systems und daraus die Bestimmung der Übertragungsfunktion des Systems umfasst. Für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit im Medium sind dann weiter die Stufen eines Bandpassfittings mit Bestimmung der Gruppenlaufzeit des Systems, der Bestimmung der korrekten Laufzeit in dem Messmedium und daraus die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in dem Medium, sowie allenfalls die Korrektur des Reziprozitätsfehlers in der Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen. Diese einzelnen Schritte sollen nachfolgend nun näher erläutert werden.
Zur Systemidentifikation soll ein möglichst breitbandiges Signal, mit hoher Energie und flacher Übertragungsfunktion in dem System Übertragungsband gewählt werden. Damit sind im Empfangssignal die Eigenschaften des Systems abgebildet. Es ist üblich zu solchen Zwecken sogenannten„pseudo random noise sequences" z.B. MLS (Maximum Lenght Sequences) anzuwenden. Diese Signale ergeben als Ergebnis der Autokorrelation, bei ausreichend hoher Ordnung des Polynoms, eine Delta Kronecker Funktion 5[k]. In der Fig. 1 ist auf der linken Seite ein Beispiel einer MLS Sequenz dritter Ordnung und rechts eine Sequenz sechster Ordnung dargestellt. Die jeweils oberste Abbildung zeigt die Impulsfolge (Zeitbasis), während in der Mitte der Betrag der Fourier Transformation und unten die Autokorrelationsfunktion dargestellt sind.
Das Übertragungssystem mit den beiden Ultraschallwandlern und der dazwischen liegenden Luftstrecke kann durch ein unbekanntes Übertragungssystem mit der Impulsantwort h[n] dargestellt werden. Das Ausgangsignal y[n] ist dann per Definition das Ergebnis einer Faltung des Eingangssignals x[n] mit der Impulsantwort h[n]. [n] = x[n] * h [n] = ^ x[m] - h [n - m]
m=—ca
Anders notiert kann dies so geschrieben werden, dass die Kreuzkorrelation r^fk] des Ausgangssignals y[k] mit dem Eingangssignal x[k] gleich ist einer Faltung der Impulsantwort h[k] mit der Autokorrelation r^fk] des Eingangssignals x[k]. *]=AM* *]
Mit Einbeziehung der Eigenschaft der MLS Sequenzen (Fig. 1), dass die Autokorrelation r,o<[k] gleich dem Kronecker Delta 5[k] ist, ergibt sich, dass die Impulsantwort h[k] der Kreuzkorrelation rxy[k] entspricht. h [k] = rxy [k] * 8 [k] = rxx [k] Um das vorhandene Signalrauschen zu unterdrücken, kann die Impulsantwort mit einer Fensterfunktion w[n] gefenstert werden. Dadurch entsteht eine gefensterte Impulsantwort:
Figure imgf000007_0001
Die Übertragungsfunktion H(f) = H(jü)) des Systems wird mittels einer
Fouriertransformation der gefensterten Impulsantwort berechnet. Im oberen Diagramm der Fig. 2 sind mit durchgezogener Linie die gemessene und mit punktierter Linie die gefensterte Impulsantwort des Systems dargestellt. Der Verlauf der Fensterfunktion ist strichliert eingezeichnet. Im unteren Diagramm der Fig. 2 sind mit durchgezogener Linie die gemessene und mit strichlierter Linie die gefensterte Übertragungsfunktion eingetragen. Aus dieser gefensterten Übertragungsfunktion werden vorzugsweise charakteristischen Parameter wie z.B. die Grenzfrequenzen (3dB) bestimmt, welche dann im nachfolgenden Fitverfahren verwendet werden.
Dabei wird ein Filtermodell an die gemessene Übertragungsfunktion gefittet. Als erstes müssen ein Filtertyp und die Filterordnung gewählt werden. Dieses definiert ein mathematisches Modell, für welches in dem Fitverfahren, Koeffizienten gefunden werden müssen.
Beispielsweise kann ein Ultraschallsensor als ein Bandpassfilter zweiter Ordnung dargestellt werden. Zwei Ultraschallsensoren ergeben dann zusammen im System ein Bandpassfilter vierter Ordnung, der mit der Gleichung modelliert werden kann:
Figure imgf000007_0002
mit s = jü). In diesem Modell sind durch das Fitverfahren die Koeffizienten a, und b,, i = 0...4 zu finden.
Als Ergebnis bekommt man dann die Fit-Übertragungsfunktion Hf(f) = Hf(jü)). Aus dem Phasenverlauf dieser Fit-Übertragungsfunktion, kann direkt die Gruppenlaufzeit τ(ω) des gefitte- ten Filtersystems bestimmt werden.
Figure imgf000007_0003
mit Φ(ω) der Phase.
Mit Hilfe dieser Gruppenlaufzeit kann die korrekte Signallaufzeit in dem Medium
stimmt werden: ί*»Λω) = ί 8 (ω) -τ (ω) mit ί9(ω) der gemessenen Gesamtlaufzeit (im Medium und inklusive der Gruppenlaufzeit der Ultraschallsensoren). Aus den korrigierten Laufzeiten kann dann die Strömungsgeschwindigkeit in dem Medium wie folgt berechnet werden:
L t u - t d,
2sina /. - t .
wobei L der Schallweg in dem Medium, tu die korrigierte Laufzeit gegen Strömungsrichtung, td
C2 2σ2
σ2 =
die korrigierte Laufzeit in Strömungsrichtung und α der Einfallswinkel sind. Werden nur die absolut Laufzeiten tu und td bestimmt und die Laufzeitdifferenz berechnet ergibt sich der Messfehler gemäß der Formel:
Dabei sind C eine Konstante, t die Schalllaufzeit (t = td = tu im Nullpunkt), r der Korrelationskoeffizient und 5t der Fehler der Laufzeit.
Es ist jedoch vorteilhaft die Laufzeitdifferenz At direkt zu bestimmen, z.B. durch die Kreuzkorrelation der beiden Empfangssignale (in und gegen die Strömungsrichtung). Dadurch verändert sich der Messfehler zu:
Figure imgf000008_0001
Im Nullpunkt ist die Laufzeitdifferenz At gleich Null und der Fehler in der Strömungsgeschwindigkeit ist nur von dem Fehler der Laufzeitdifferenz 5Δ abhängig. Dieser ist in der Regel deutlich geringer als der Fehler in der absoluten Laufzeit, so dass damit deutlich präzisere Messungen, vor allem in unterem Messbereich, erzielt werden können.
Wird die Strömungsgeschwindigkeit durch die direkte Laufzeitdifferenzmessung bestimmt, muss die Laufzeitdifferenz genauso mit der aktuellen Gruppenlaufzeit des Übertragungssystems korrigiert werden. Dieses kann entweder online im Betrieb passieren oder offline als sogenannte Reziprozitätskorrektur. Für eine derartige Reziprozitätskorrektur wird die zeitliche Veränderung der gefitteten Übertragungsfunktionen des Systems analysiert z.B. die Differenz der Bandbreiten ΔΒ, in und gegen Strömungsrichtung, die Differenz der Mittenfrequenzen AC in und gegen Strömungsrichtung, und die Differenz der Gruppenlaufzeiten AG in und gegen Strömungsrichtung, gemittelt im Durchlassbereich. In weiterer Folge wird ein Regressionsmodel z.B. eine lineare Approximation zwischen einem oder mehreren dieser Merkmale zur Schätzung des Reziprozitätsfehlers verwendet.
In Fig. 3 ist zur Erläuterung dieser Vorgangsweise ein Verlauf der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit im Nullpunkt (blau) dargestellt, wobei der Einfluss des Reziprozitätsfehlers als Abweichung vom Nullwert sichtbar ist. Die darunterliegenden Diagramme zeigen den Verlauf der jeweiligen Differenzen in der Mittenfrequenz, der Bandbreite und ganz unten in der Gruppenlaufzeit der Übertragungsfunktion.
Schließlich ist in Fig. 4 noch ein Regressionsmodell zwischen der gemessenen Laufzeitdifferenz und der Differenz in der gemessenen Gruppenlaufzeiten abgebildet, das für die Korrektur der Strömungsgeschwindigkeit gemäß dem obersten Verlauf in Fig. 3 herangezogen werden kann.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Identifikation eines zeitlich veränderlichen Übertragungsverhaltens eines bandbegrenzten Systems bestehend aus einem Sendewandler, einem Empfangswandler und der zugehörigen Elektronik, dadurch gekennzeichnet, dass
a) die Übertragungsfunktion des Systems durch Analyse der Übertragung eines Signals größerer Bandbreite als die Systembandbreite bestimmt wird, und dass
b) ein parametrisches Modell der Übertragungsfunktion gebildet wird und die Modellparameter mittels Fitverfahren bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der Modellparameter zumindest zwei Punkte der gemessenen Übertragungsfunktion verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der Modellparameter zumindest die Grenzfrequenzen der gemessenen Übertragungsfunktion verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der Modellparameter die Bandbreite der gemessenen Übertragungsfunktion verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der Modellparameter die Mittenfrequenzen der gemessenen Übertragungsfunktion verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppenlaufzeit der Wandler aus der modellierten Übertragungsfunktion berechnet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion des Systems aus der FFT der Kreuzkorrelation des Empfangssignals und des Sendesignals berechnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion mit einem Bandpassfiltermodel gefittet wird.
9. Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Medium durch Bestimmung der Laufzeiten eines oder mehrerer Ultraschallsignale zwischen jeweils zwei Ultraschallwandlern, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 die Übertragungsfunktion und die Gruppenlaufzeit des Systems bestimmt wird und zur Bestimmung der korrekten Laufzeit des Ultraschallsignals im Medium verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Laufzeit im Medium die Gruppenlaufzeit von der gemessenen Laufzeit abgezogen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur korrekten Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit Laufzeiten in und gegen Strömungsrichtung bestimmt werden und die Laufzeitdifferenz mittels Kreuzkorrelation der Empfangssignale ermittelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur korrekten Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eine Korrektur auf Grund der nicht vollständig reziproken Ultraschallsensoren angewendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur mit Hilfe eines Regressionsmodels erfolgt, das eines oder mehrere Merkmale zur Schätzung des Reziprozitätsfehlers verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert auf Grund des Reziprozitätsfehlers mit der Bandbreitendifferenz der gefitteten Filtermodelle (in- und gegen Strömungsrichtung) bestimmt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert auf Grund des Reziprozitätsfehlers mit der Mittenfrequenzdifferenz der gefitteten Filtermodelle (in- und gegen Strömungsrichtung) bestimmt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert auf Grund des Reziprozitätsfehlers mit der Gruppenlaufzeitdifferenz, gemittelt im Durchlassbereich, der gefitteten Filtermodelle (in- und gegen Strömungsrichtung) bestimmt wird.
PCT/EP2013/052381 2012-02-23 2013-02-07 Verfahren zur identifikation des übertragungsverhaltens eines systems, sowie ultraschall-laufzeit-verfahren zur bestimmung der strömungsgeschwindigkeit in einem medium Ceased WO2013124156A2 (de)

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