Die Zeit ist die am genauesten messbare physikalische Größe. Im Rahmen eines Anwendungstages „Zeitmessung für physikalische Größen“ wurden bei Is-Line das Potential sogenannter Time-to-Digital-Converter und deren Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt – unter anderem am Beispiel von Ultraschall-Durchflussmessern.

Die Ultraschall-Durchflussmessung nach dem Laufzeit-Differenz-Verfahren basiert auf der Auswertung möglichst vorhersehbarer und reproduzierbarer Schall-Laufzeiten, die sich aus der Überlagerung der hydraulischen und akustischen Schallausbreitung entlang einer definierten Messstrecke ergeben. Diese Messstrecke besteht aus den Ultraschallwandlern sowie dem medienführenden Kanal und ist insbesondere durch die Methode gekennzeichnet, wie die Schallwelle in die strömende Flüssigkeit – oder umgekehrt – eingeleitet wird. Das Messprinzip beruht auf der Nutzung des zeitlichen Drifteffekts. Gemessen wird die Schalllaufzeit in und gegen die Strömungsrichtung. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit und daraus das Durchflussvolumen nach folgender Formel ermitteln.

Hierfür ist es hinsichtlich eines stabilen Verhaltens allerdings notwendig, einen weitgehend linearen Zusammenhang von Laufzeitdifferenz und Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen. Insbesondere ist die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Medientemperatur zu berücksichtigen. Dies erfordert es, sowohl das Strömungsprofil wie auch die zeitliche und räumliche akustische Wellenausbreitung zu optimieren beziehungsweise aufeinander anzupassen. Leider gibt es hier nicht die optimale Lösung, sondern jeder Vorteil einer Auslegung wird gleichzeitig mit Nachteilen wie Baulänge, Druckverlust oder komplexem Aufbau bezahlt. Anwendungsumfeld und Ultraschalltechnologie wachsen hier notwendigerweise zusammen. Daraus folgt, dass in der Regel weder der Ultraschallexperte noch der Anwender alleine ein nachhaltiges Design erreichen wird, sondern eine intensive Zusammenarbeit erforderlich ist.

System-on-Chip Lösung
Die praktische Umsetzung des Laufzeitdifferenzverfahrens erfordert eine präzise Zeitmessung, wobei häufig Kosten und Energieverbrauch wesentliche Rahmenbedingungen für die verwendete Messtechnologie darstellen. Allgemein steht die Schallwelle dabei als ein analoges Messsignal zur Verfügung, das heißt, mit theoretisch unendlich hoher Auflösung. Erst die Zeitmessung definiert durch Auflösung und Genauigkeit die Grenzen des Messbereichs.
Acam-Messelectronic (seit diesem Jahr Teil der AMS-Firmengruppe) hat hierfür eine System-on-Chip (SoC) -Lösung mit niedrigem Stromverbrauch entwickelt, die alle Messaufgaben bis zum kalibrierten Ausgabewert übernimmt. Der GP30 misst die Laufzeiten mit Hilfe der innovativen TDC-Technologie. TDCs (Time-to-Digital-Converter, deutsch: Zeit-Digital-Wandler) benutzen im Unterschied zu verbreiteteren ADCs (Analog-Digital-Wandler) die Zeit an Stelle der Spannung als Zwischengröße für die Digitalisierung. TDCs sind integrierte Schaltungen (ICs) zur genauen Messung von kleinsten Zeitdifferenzen im Bereich von Nanosekunden bis hinunter in den Picosekundenbereich. Die Entwicklung orientierte sich vor allem an Kundenbedürfnissen. Die wichtigsten Zielsetzungen waren dabei:

• Eine Single-Chip-Lösung für unterschiedliche industrielle Anwendungen und für die reine Fluss- und/oder Volumenmessung.
• Eine leicht zu adaptierende Lösung für Ultraschall-Wärmemengen- und Wasserzähler.
• Alle Fluss-, Volumen- und Temperaturberechnungen werden direkt von einem integrierten Mikroprozessor erledigt.
• Ein externer Mikroprozessor wird nur für die Schnittstellen, zum Beispiel zu LCD, Funk sowie anderen Standard-Anwendungen verwendet und ist nicht mehr Teil der eichpflichtigen Elektronik.

Im Ergebnis funktioniert der GP30 als komplettes Frontend mit integrierter, digitaler Signalverarbeitung bis zum eichfähigen Ausgangssignal und stellt bis zur digitalen Volumenausgabe eine echte Single-Chip-Lösung dar. Ein integriertes Standard-Puls-Interface (SPI) ermöglicht eine Eins-zu-Eins-Kopplung an die Elektronik mechanischer sowie hybrider Messgeräte. Die herkömmlichen Pulse von mechanischen Messgeräten können äquivalent mit dem neuen Chip generiert werden. Vorhandene Prozessorlösungen für mechanische Zählertypen sowie deren Software bleiben damit beim Wechsel von einer mechanischen Flussmesseinheit (zum Beispiel mit einem Propeller) zu einem Ultraschallmessrohr weitgehend unberührt.
Der integrierte 32-Bit Mikroprozessor führt die mathematisch komplexe und rechenintensive Flussberechnung mit allen notwendigen Korrekturen stromsparend durch. Bei einer Messrate von 8 Hz, typisch für Ultraschallwasserzähler, benötigt das gesamte SoC nur 8 µA. Der niedrige Stromverbrauch des Chips erlaubt den Einsatz von kostengünstigen Standard 2/3-AA oder AA-Lithium-Thionylchlorid-Batterien. Bei einer Messfrequenz von 6 bis 8 Hz kann damit bei Wasserzählern eine Betriebsdauer von mehr als 20 Jahren erreicht werden.

Nützlicher Durchfluss-Demonstrator
Das Design neuer Ultraschall-Durchflussmessgeräte kann durch dieses SoC vereinfacht und verkürzt werden und ermöglicht es den Herstellern preisgünstigere, kompaktere und stromsparendere Ultraschallzähler zu entwickeln. Zusammen mit dem Ultraschall-Spezialisten Inoson hat Is-Line einen Durchflusssensor-Demonstrator für wässrige Medien auf Basis des GP30 aufgebaut. Dieser eignet sich für die Integration in Geräte, Maschinen und Vorrichtungen. Mit diesem Demonstrator können Anwender die umfangreichen Möglichkeiten der neuen Auswerte-Elektronik sofort austesten, um die eigene Spezifikation für ein kundenspezifisches Design eines Ultraschall-Durchflussmessers zu definieren. Dieses Demonstrator-System besteht aus einem Messing-Messrohr mit dem Durchmesser DN20. Das System ist komplett funktionsfähig und für den Durchflussbereich von 1,0 bis 75 l/min über den Temperaturbereich von 0 bis 60°C abgeglichen. Die unterste sicher detektierbare Anlaufschwelle liegt bei 0,2 l/min, wodurch sogar eine Tropfen-Leckage messbar ist. Für andere Medien und andere Durchflussbereiche lassen sich kundenspezifische Änderungen durchführen.