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Ultrasonic flow metering with highly accurate jitter and offset compensation
Ultrasonic flow metering with highly accurate jitter and offset compensation
Hamouda, Assia
Inst. Technische Informatik und Mikroelektronik
This thesis proposes a new method for measuring water flow with a transit time ultrasonic flow meter device. The developed method allows the ultrasonic flow meter to reach a better performance than currently available commercial flow meters by accurately detecting very low flow rates of less than two liters per hour (2 l/h) in a typical household water meter. In principle, the flow velocity of a given liquid is obtained by measuring the transit times of an ultrasonic signal in the upstream and downstream directions. The difference between the transit times is directly proportional to the flow velocity. However, the fainter the flow is, the smaller the transit time difference (TTD) is. This difference can be as low as a few picoseconds, which gives rise to many technical difficulties in measuring such a small time difference with a given accuracy.
The piezoelectric transducers are critical components in ultrasonic flow meters since they can significantly affect the accuracy of the ultrasonic flow meters. Choosing an appropriate analytic function that describes the behavior of the basic part of a piezoelectric transducer proved to be essential for defining a suitable flow measurement method that yields accurate and robust measurement results. The electrical equivalent circuit of a transducer is represented by an oscillator connected to a parallel capacitance. The simplest analytical solution of the corresponding differential equation is obtained when the transducer is excited by a sinus function. First, the transducer oscillates at its own resonant frequency, and its oscillations die away after some time. If we wait long enough, the transient part dies out and what is left is the steady-state part, where the transducer oscillates at the forced frequency. The proposed method relies on measuring the TTD indirectly by computing the phase difference between the steady-state parts of the received signals in the upstream and downstream directions and by using the least squares sine-fitting technique. This reduces the effect of the TTD-jitter of the measurement, which limits the measurement accuracy at very low flow velocity.
The last part of the work addresses the issue of the TTD-offset, which refers to any deviation of the TTD from zero at no-flow conditions. The behavior of the TTD-offset is investigated over a temperature range. Some parameters of the transducer, such as resonance frequency, are temperature-dependent. When the temperature of the medium around the transducers increases by 80°C from ambient temperature, the TTD-offset (adjusted to zero at ambient temperature) changes accordingly and reaches approximately
300 ps. The novel proposed approach allows the compensation of the TTD-offset by adjusting the forced frequency with respect to the temperature of the medium. The long-term stability of the driving frequency used to adjust the TTD-offset drift has been experimentally proved at different temperatures. The obtained measurement results illustrate the accuracy and robustness of the proposed method since the TTD is measured at no-flow conditions, with a peak-to-peak TTD-jitter as low as 15 ps and the TTD-offset less than 5 ps within a temperature range from ambient temperature to 80°C. This allows to reach a smaller minimum detectable flow in comparison to previously developed techniques.
This work offers some suggestions to design an ultrasonic flow meter with high accuracy in the future. However, the commercial aspect of the future flow meter requires an integration of the proposed measurement technique in an integrated circuit
Diese Dissertation schlägt eine neue Methode zur Messung des Wasserdurchflusses mit einem Durchlaufzeit-Ultraschall-Durchflussmessgerät vor. Die entwickelte Methode ermöglicht einem Ultraschall-Durchflussmesser eine genauere Erfassung von sehr niedrigen Durchflussraten. Flüsse von weniger als zwei Liter pro Stunde (2 l/h) in einem typische Haushaltswasserzähler sind möglich. Der Fluss einer gegebenen Flüssigkeit in einem Rohr wird durch die Laufzeitdifferenzmessung von Ultraschallsignalen mit und gegen den Fluss ermittelt. Je geringer der Durchfluss ist, desto kleiner ist die Laufzeitdifferenz. Die Differenz liegt bei niedrigen Durchflussraten im Bereich von wenigen Pikosekunden. Die vorgeschlagene Methode erlaubt das Messen der Differenz im Bereich von wenigen Pikosekunden und überwindet technische Schwierigkeiten anderer Messmethoden.
Die piezoelektrischen Wandler sind die kritischen Komponenten des Ultraschall-Durchflussmessers. Sie können die Genauigkeit der Ultraschall-Durchflussmesser erheblich beeinträchtigen. Die Wahl einer geeigneten analytischen Funktion für die Beschreibung des Verhaltens des piezoelektrischen Wandlers (Transducers) ist notwendig zur Ermittelung eines geeigneten Durchflussmessverfahrens, welches in der Lage ist, genaue und robuste Messergebnisse zu liefern. Im Ersatzschaltbild wird ein Transducer durch einen Oszillator mit parallel geschalteter Kapazität dargestellt. Die einfachste analytische Lösung der entsprechenden Differentialgleichung ergibt sich, wenn der Transducer mit einer Sinusfunktion angeregt wird. Im ersten Moment reagiert der Transducer mit einer Schwingung bei seiner eigenen Resonanzfrequenz, die aber nach einiger Zeit abklingt. Danach schwingt der Transducer nur noch mit der aufgezwungenen Frequenz. Wartet man also lange genug, dann wird der transiente Teil abklingen und man wird den stationären Zustand erreichen, wo der Transducer nur noch mit der Zwangsfrequenz schwingt.
Das vorgeschlagene Verfahren beruht darauf, die Differenz der Laufzeiten indirekt zu messen, indem die Phasendifferenz zwischen den stationären Teilen der empfangenen Signale in der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Richtung berechnet wird und indem eine Sinus-Fitting-Technik mit kleinstem quadratischen Fehler verwendet wird. Dies verringert den Effekt des Jitters in der Laufzeit. Der Jitter begrenzt die Messgenauigkeit bei sehr geringer Strömungsgeschwindigkeit.
Der letzte Teil der Arbeit untersucht das Offset-Verhalten. Der Offset ist die Abweichung der Differenz der Laufzeiten von Null bei nicht-fließendem Wasser. Er ist u. a. temperaturabhängig. Auch einige Parameter der Transducer sind temperaturabhängig, in erster Linie die Resonanzfrequenz selbst. Bei einer Erwärmung von 20°C auf 80°C verändert sich der Offset entsprechend und z.B. erreicht Werte um 300 ps, wenn er vorher bei 20°C auf „Null“ abgeglichen wurde. Die Messanordnung erlaubt eine neue, bisher in der Literatur nicht bekannte Art des Offset-Abgleichs durch Anpassung der Zwangsfrequenzen bezogen auf die Temperatur des Mediums. Die Langzeitstabilität der zur Einstellung der Offsetdrift verwendeten Zwangsfrequenz wurde bei verschiedenen Temperaturen experimentell nachgewiesen.
Die erhaltenen Messergebnisse verdeutlichen die Genauigkeit und Robustheit des vorgeschlagenen Verfahrens: die Differenz der Laufzeiten zeigt im Temperaturbereich von 20°C bis 80°C bei nicht-fließendem Wasser einem Peak-to-Peak-Jitter von nur 15 ps und einen Offset von weniger als 5 ps. Dadurch kann man im Vergleich zu früheren Techniken kleinere Durchflüsse messen.
Diese Arbeit liefert Ansätze für mögliche zukünftige Ultraschall-Durchflussmesser mit hoher Genauigkeit. Um die Ansätze kommerziell gut in zukünftigen Durchflussmessern nutzen können, bedarf es einer Integration der Messtechnik in einem integrierten Schaltkreis.
