专利名称：自调整式超声波流量计的制作方法
技术领域：
本发明公开的实施例总的涉及超声波传播时间测量中误差的检测。更具体地，本发明公开的实施例涉及超声波流量计的峰值选择中错误的识别和其它错误的识别，且本发明的另一方面涉及一种用于校正超声波流量计的测量误差的方法。
背景技术：
在从地层中取出诸如天然气的烃类物后，气流通常经由管线而从一个地方被运送到另一个地方。如本领域技术人员所理解的，期望确切地了解气流中的气体量。当气体(以及任何伴随的液体)转手、或者“存储(custody)”时，对气流测量要求特别精确。但是，即使在未发生储存交接时，也期望测量精确。
已经研制出用以测定有多少气体流过管线的气体流量计。孔板流量计是一种公认的流量计，用以测量气流量。更近一些时候，研制出了另一类型的、用以测量气流的流量计。该更进一些时候研制出的流量计被称为超声波流量计。
图1A显示了一种适合于测量气流的超声波流量计。适于放置在气体管线的节段之间的短管100具有预定的尺寸，从而限定出测量节段。或者，流量计可以被设计成借助于例如热开口(hot tapping)而联接在管线节段上。如这里所使用的，在参照超声波流量计使用时，术语“管线”还可以指供超声波信号发射通过的短管或者其它适当的壳体。沿该短管100的长度定位有一对换能器120和130，以及它们各自的壳体125和135。换能器120和130之间存在声路110，有时它被称为“弦”，其与中心线105形成角度θ。换能器120和130的位置可以被该角度限定，或者可以由换能器120和130之间所测得的第一长度L、与点140和145之间的轴向距离对应的第二长度X以及与管径对应的第三长度D来限定。在流量计制造期间，距离D、X和L被精确地确定。点140和150限定了由换能器120和130所产生的声音信号进入并离开流过短管100的气体(即进入短管孔)的位置。在大多数情况下，诸如120和130的流量计换能器分别被放置在离点140和150一定距离的位置上。一般为天然气的流体以速度断面图152沿方向150流动。速度矢量153-158表明气体通过短管100的速度随着接近该短管100的中心线105而增加。
换能器120和130为超声波收发器，意味着它们都能产生和接收超声波信号。文中的“超声波”指的是频率在约20千赫以上的声波，如本申请所需要的。一般而言，借助于各换能器中的压电元件而产生和接收这些信号。为了产生超声波信号，电激励压电元件，而压电元件振动响应。压电元件的这种振动产生超声波信号，该超声波信号穿过短管到达所述一对换能器中的相对应的换能器上。类似的是，在受到超声波信号撞击后，接收压电元件振动，并产生电信号，该电信号通过与流量计相连的电子线路进行放大、数字化和分析。
开始时，D(“下游”)换能器120产生超声波信号，该信号随后被U(“上游”)换能器130接收到。一段时间后，U换能器130产生返回的超声波信号，该信号随后被D换能器120接收到。从而，在超声波信号115沿弦声路110移动时，U和D换能器130和120扮演“发射和接收”的角色。在工作期间，这一过程每分钟可能发生数千次。
换能器U130和D120之间的超声波115的传播时间部分地取决于超声波信号115相对于流动气体是向上游还是向下游移动。超声波信号向下游(即沿着与气流相同的方向)移动所用的传播时间小于当向上游(即逆气流)移动时的传播时间。具体是，超声波信号逆流体流移动的传播时间t1和超声波信号顺流体流移动的传播时间t2大致被认可定义如下t1=Lc-VxL---(1)]]>t2=Lc+VxL---(2)]]>其中，c＝流体流中的音速；V＝流体流在弦声路上沿轴向的平均速度；L＝声路长度；x＝在流量计孔内的L的轴向分量；t1＝逆流体流的超声波信号的传播时间；和t2＝顺流体流的超声波信号的传播时间。
上游和下游传播时间通常被分开来计算，作为一批诸如20个的测量值的平均值。然后，借助于以下公式，可以用这些上游和下游传播时间的平均值来计算沿信号通道的平均速度V=L22xt1-t2t1t2---(3)]]>变量定义如上。
根据以下公式，上游和下游的传播时间还可以被用来计算流体流中的音速c=L2t1+t2t1t2---(4)]]>为了更近似，公式(3)可以被重新表述成
V=c22xΔt---(5)]]>其中，Δt＝t1-t2(6)这样，为了在低速下更近似，速度V与Δt直接成比例。
给出运送气体的流量计的截面测量值，可以用流量计孔的面积上的平均速度来得到流过流量计或者管线100的气体体积。
另外，超声波气体流量计可以具有一个或者多个声路。单声路的流量计一般包括一对换能器，这对换能器在穿过短管100的轴线(即中心)的单声路上发射超声波。具有一个以上声路的超声波流量计除了有单声路超声波流量计所提供的优点外，还具有其它的优点。这些优点使多声路超声波流量计可期望用于储存交接应用，在这种应用中，精确度和可靠性是至关紧要的。
现在参照图1B，显示了多声路超声波流量计。短管100包括四个弦声路A、B、C和D，它们处于穿过气流的不同水平面上。每个弦声路A-D都对应于交替地作为发送器和接收器的两个收发器。还显示了电子模块160，该模块160获取并处理来自于四个弦声路A-D的数据。在美国专利4,646,575中描述了这种布置，该专利的教导内容在此作为参考引入。在图1B中隐去了与这些弦声路A-D对应的四对换能器。
参照图1C可以更容易地理解这四对换能器的精确布置。在短管100上安装了四对换能器口。这几对换能器口中的每一对都对应于图1B所示的一个弦声路。第一对换能器口125和135包括在短管100上略微凹入的换能器120和130。这些换能器与短管100的中心线105成非垂直的角度θ安装。包括关联的换能器的另一对换能器口165和175被安装成使其弦声路与换能器口125和135的弦声路以没有束缚的形式形成“X”形。类似的，换能器口185和195平行于换能器口165和175放置，但是位于不同的“水平面”(即管线或者流量计短管中不同的径向位置)上。在图1C中未明确显示第四对换能器和换能器口。将图1B和1C放在一起，这几对换能器被布置成使得与弦A和B对应的上面两对换能器形成X形，而与弦C和D对应的下面两对换能器也形成X形。
现在参照图1B，可以确定在每个弦A-D处的气体流动速度，从而得到弦流动速度。为了得到整个管线上的平均流动速度，将弦流动速度乘以一组预定常数。这些常数是公知的，并被理论上确定。
从而，时差式超声波流量计测量超声波信号沿上游和下游方向在两个换能器之间移动所花费的时间。这个信息连同流量计的元件的几何尺寸允许计算出那个声路的流体的音速和平均流体速度。在多声路流量计中，将每个声路的结果的组合起来，从而给出流量计中的流体的平均速度和平均音速。将平均速度乘以流量计的截面面积，从而算出实际的体积流速。
由于气体流动速度和音速的测量值取决于所测得的传播时间，t，因而重要的是精确测量传播时间。更具体而言，超声波流量计的特征是所要求的定时精度值基本上比超声波信号的周期小得多。例如，气体超声波流量计的定时精度的数量级为0.010微秒，但是超声波信号的频率为100,000到200,000赫兹，这对应于从10.000微秒到5.000微秒的周期。存在多种方法，用于测量超声波信号的传播时间。
在美国专利5,983,730中公开了一种用于测量信号的飞行时间的方法及设备，该专利于1999年11月16日授权，名称为“Method andApparatus for Measuring the Time of Flight of A Signal”，该文献为所有目的特此作为参考引入。
确切测量飞行时间上出现的困难是确定超声波波形什么时候被接收到。例如，对应于被接收的超声波信号的波形可能看起来像图2中所显示的那样。认为这个波形已经到达的精确瞬时并不是完全清楚的。一种用以限定到达瞬时的方法是将它定义为特定的零交点(zerocrossing)，但是为了得到好的传播时间值，需要找出用以使用的一致可靠的零交点。一个合适的零交点符合该波形的预先限定的电压阈值。然而，由于压力波动或者噪声的存在而造成的信号衰减可能会导致正确的零交点被错误识别，如图3所示(未按比例画出)。也可以使用用于识别到达时间的其它方法，但是每种方法都会有错误识别正确到达时间所造成的测量误差。在美国专利申请No.10/038,947中公开了用于确定是否出现峰值选择误差的方法，该申请提交于2002年1月3日，名称为“Peak Switch Detector for Transit Time Ultrasonic Meters”，其为所有目的特此作为参考引入。
尽管很长时间已知错误识别超声波信号到达时间的问题，但是先前的、用以识别超声波信号的到达瞬时的方法是不能充分解决这个问题的。仍然需要令用户满意的超声波流量计和方法，该方法使用流量计的诊断能力来检查传播时间测量上的故障并自动对故障进行校正。理想的是，如果流量计正确地工作，则该流量计将通知计量系统的其余部分中出现的任何外部异常(像差的流动断面图、波动等)。与先前的用于测量流体流的超声波流量计相比，这种流量计将提供较高的性能，将保持良好的性能，将通知是否需要维护，并提醒用户测量系统中的问题或者需要重新校准。还理想的是，这种方法或者流量计将与现有的流量计兼容，而且实现起来较便宜。
发明内容
本发明的一种表现是一种校正超声波信号传播时间测量上的误差的方法。该方法包括以下步骤测量超声波信号在装有流体流的管线内的飞行时间，并计算对超声波信号的至少一个诊断。那时，将该诊断与一组一个或者多个相应的期望值作比较，以确定用于诊断的数值是否小于、等于或者大于相应的期望值。然后，可以确定在飞行时间上是否存在一个或者多个误差，如果存在误差，则识别这些误差，并调整所述的期望值组。
没有必要本发明的每个特征或者每个方面在一起使用，或者以相对于所公开的实施例说明的方式使用。对于本领域技术人员而言，在阅读下面本发明优选实施例的详细描述，并参照附图后，上述的各种特征、以及其它特征和方面将是容易明显的。
现在将参照附图，以便于更详细描述本发明的优选实施例，在附图中图1A是超声波气体流量计的剖面顶视图；图1B是包括弦声路A-D的短管的端视图；图1C是容纳多对换能器的短管的顶视图；图2是第一示例性接收到的超声波波形；图3是第二示例性接收到的超声波波形；图4是根据本发明的方法的流程图；图5是带有各种识别标准的理想化超声波信号的例子。
具体实施例方式
下面描述一种方法及相关的超声波流量计，用以识别传播时间测量上的误差，并且如果误差存在，则调整该流量计，以使性能最优化。本发明识别并校正这些飞行时间的测量误差，并将这些误差与可能会在流体流中存在的其它问题区别开。识别这些其它的问题可以引起用户或者操作者的注意。
如果超声波流量计产生一致精确的传播时间测量值，则该超声波流量计工作准确。因此，需要确定该流量计是否1)总是产生正确的传播时间测量值；2)通常产生正确的传播时间测量值；3)有时产生正确的传播时间测量值；或者4)根本不产生正确的传播时间测量值。
本发明的超声波流量计不同于以往的超声波流量计，在于其独特地分析各种诊断，并自行调整受影响的运行参数值以防止误差再次出现，或者警示用户出现问题。为了保证超声波流量计准确地识别并响应误差，优选实施例包括若干可调整的参数，这些参数被信号选择算法所使用，以选出用于测量的正确的零交点。一旦判定传播时间未被正确地测得，则借助于调整信号选择参数并警示流量计操作者出现问题，可以采取校正措施。
广义而言，通过在诊断中辨识出与默认、理论的或者历史基准相比有相当大的变化或者相当大变化的方式，根据本发明的原理所构造的超声波流量计检测出传播时间测量上的误差，并将这些误差与其它误差区别开。如果超声波流量计有故障，则测量值可能会以多种不同的方式变化。优选的是，检查参数的组合或者诊断的组合。所考虑的诊断的数量越大，用户对流量计所得到的结果所具有的置信度越高。在优选实施例中使用的、用以指出流量计存在故障的很多诊断已经是众所周知。然而，它们并未以这里所考虑的方式检查，或者并未以所公开的组合方式检查。从而，通过更换或者重新编程先前的超声波流量计分析数据的一个或多个处理器，本发明适合于先前的超声波流量计。
参照图4，显示了根据本发明的优选实施例的方法400。在步骤410中，得到超声波流量计的飞行时间测量值。在步骤420中，计算一个或者多个流量计诊断。在步骤430中，将至少一个测量值或者流量计诊断与第一组期望值作比较。这些期望值可以是默认值、理论值、建立在历史数据上的数值，或者其它合适的数值。在步骤440中，由流量计的电子设备运行的软件确定期望值范围外的诊断是否已检测到故障。在步骤440中还包括识别故障。如果检测出故障，则在步骤450中，超声波流量计采取校正措施或者进行调整。这个步骤可包括改变用来确定飞行时间测量值的数值、或者向操作者警示流体流的具体问题。如果没有检测出故障，则在步骤460中，该方法返回步骤410，在该步骤中又得到飞行时间的测量值。
每个诊断用的标定值或者基准值以及构成“相当大”变化的变化幅度可以取决于诸如下列因素例如，流量计的尺寸、流量计的设计、超声波信号的频率、对模拟信号的采样率、所用的换能器的类型、所运送的流体、以及流体流的速度。可见，为所有条件下的每个有关的诊断提供标定值并不实际。这里所提供的数值例子来自于参照图1A-1C所描述的通常设计的超声波流量计。然而，在本领域技术人员能力范围内能够以经验为依据记录超声波流量计的正常或者通常行为，并由此得到诊断用的所述的标定值。这建立在当流量计正常运行(例如，在校准期间)时所见的数值范围的基础上。
如果具体变化的数值超过90％的时间所出现的数值，则它可以是“相当大”的(即不期望或者不正常的)，但是这个阈值可以根据不同条件向上或者向下调整到诸如95％或者85％的时间，以提高性能。这个百分率还可以根据所使用的诊断的数量来调整。诊断数量越大，对用来指出问题的任何一个诊断上所需要的置信度通常将越小。
定义所选择的诊断的术语是有帮助的，这些术语是尤其关注的。
Eta一种诊断，如果信号到达时间被准确地测得，则它等于零。要求是不同长度的两个超声波声路。在美国专利申请No.10/038,947中公开，该申请名称为“Peak Switch Detector for TransitTime Ultrasonic Meters”，其通过参考引入。
紊流度德尔塔t测量值的标准偏差乘以100，并除以平均德尔塔t。对于四弦的超声波流量计，弦B和C的紊流度大致为2％到3％，且弦A和D的紊流度为4％到6％，而与速度和流量计尺寸无关，非常低的速度除外。
信号质量能量比的峰值振幅。较大的数值表明较好的保真度和较低的噪声。高噪声级或者信号失真可降低信号质量(SQ)的值。在美国专利5,983,730中公开，其通过参考引入。
Pf点Pf，在美国专利5,983,730中也被称为临界点，表示与能量比函数的峰值振幅的约1/4对应的采样数。它是超声波信号开始的估计。
Pi在Pf后的第i个零交点之前的采样数。
Pe点Pe表示与能量函数的峰值振幅的约1/4对应的采样数。在美国专利5,983,730中公开。
SPFi在第i个零交点和第一运动检波器之间的采样数差。SPFi＝Pi-Pf。
％Ampi与最大绝对信号峰值相比，第i个信号峰值的百分率振幅。％Ampi＝100*Ai/Amax。
其中，Ai为第i个零交点后的波峰或者波谷的振幅，而Amax是最大绝对信号振幅。
SPEi第i个零交点和第一能量检波器之间的采样数差异。SPEi＝Pi-Pe。
目标值表示用于测量的所期望的零交点的SPF、％Amp以及SPE的目标值。被称为TSPF、TA和TSPE。
SoS特征每个弦的音速与平均值的比较。这可以表示成多种方式，诸如比率、百分率、差、百分率差、与期望值的百分率差等。
Vel特征每个弦的速度与平均速度的比较。这可以表示成多种方式，诸如比率、百分率、差、百分率差、与期望值的百分率差等。
延迟时间特征(signature)在所有延迟时间被设定为零时的Eta的值。
Vel比弦速度的各种比率。涡流(swirl)、交叉流以及流动不对称是弦速度比率的例子。对于本示例性的流量计，合适的公式是涡流的Vel比＝(VB+VC)/(VA+VD)交叉流的Vel比＝(VA+VC)/(VB+VD)不对称的Vel比＝(VA+VB)/(VC+VD)其中，VA、VB、VC和VD为分别沿弦A、B、C和D测得的速度。
德尔塔t比一个弦上的德尔塔t除以同一批的另一弦上的德尔塔t。
最大-最小传播时间超声波信号沿相同方向穿过流量计短管的最大测量时间减去最小测量时间。从一批传播时间中得到。
EtaEta是超声波流量计是否准确测量传播时间的最精确的单个标志。如在美国专利申请No.10/038,947中所公开的，该申请名称为“Peak Switch Detector for Transit Time Ultrasonic Meters”，其通过参考在此引入，Eta是一种诊断，如果准确地测得不同长度的两个弦的信号到达时间，则它等于零。
在借助于零交点而测得超声波信号的到达时间时，零交点上的误差有一个全波的幅度。在125千赫频率的波形下，零交点误差的幅度将为8微秒。这种误差被称为峰值转换(peak switch)或者周期跳动，在现有超声波流量计中的许多数字信号处理(DSP)都在致力于避免这种峰值转换，例如，用于在接收到信号中选出正确峰值的目标值。例如目标值的参数可被用来帮助诊断和自调整。
对于已知长度LA的弦A，已知以音速“c”穿过流量计内零流量的均匀介质的超声波在时间tA内穿过弦的长度LA。然而，可以不通过存在流动时简单地平均上游和下游的传播时间而得出tA。代替的是，tA的值可以借助以下公式以代数学的方式得出tA=LAc---(7)]]>可推出c=LAtA---(8)]]>这适用于第二弦B，从而c=LBtB---(9)]]>然而，由于多种原因，所测得的总传播时间并不恰好是信号实际的传播时间。例如，两个时间不同的一个原因是，换能器及相关电子线路中固有的延迟时间。
如果总的测量时间T被定义为T＝t+τ(10)其中，T＝测得的或者总传播时间；t＝实际的传播时间；和τ＝延迟时间。
然后，在弦A和B的延迟时间和音速相同时，从公式(8)中知道
c=LATA-τ=LBTB-τ---(11)]]>因此，LA(TB-τ)＝LB(TA-τ)(12)且τ=LBTA-LATBLB-LA---(13)]]>ΔL被定义为ΔL＝LB-LA(14)于是τ=LBTAΔL-LATBΔL---(15)]]>变量定义如上。
当然，弦A的换能器延迟时间τA和弦B的换能器延迟时间τB并不必需相同。不过，对于每对换能器在被送到现场之前的制造阶段，这些延迟时间都要被例行测量。由于τA和τB是已知的，因而还公知和常用的操作是校准每个流量计，以得出用于每个超声波信号的换能器延迟时间。有效的是，τA和τB等于零并因此相等。然而，如果有峰值转换，则这有效地改变了换能器对的延迟时间。由于测得的传播时间T被定义为实际的传播时间t加上延迟时间τ，因而在没有峰值选择误差时，实际的传播时间可以代替测得的传播时间T，从而导致LBtAΔL-LAtBΔL=0---(16)]]>然后，可以将这个公式用作诊断，以确定在峰值选择中是否存在误差。公式(16)具有对较宽范围的超声波流量计和信号到达时间识别方法的一般适用性。
然后，可以建立变量ηη=LBtAΔL-LAtBΔL---(17)]]>其中，LA＝弦A的长度；LB＝弦B的长度；tA＝沿弦A移动的超声波信号的平均传播时间；tB＝沿弦B移动的超声波信号的平均传播时间；和ΔL＝LB-LA。
如果错误识别峰值，则η≠0。例如，给出12英寸的流量计，且LA＝11.7865英寸，LB＝17.8543英寸，信号周期＝8微秒，平均速度＝约65英尺/秒，且音速＝1312英尺/秒，以微秒为单位测得的Eta的值将如下。
对于以下情况弦A在其上游和下游传播时间测量值上具有峰值转换，而弦B则没有，可能的组合是t1A t2AEta晚 晚 23.6晚 0 10.80晚 12.60早 -12.8早 0 -10.9早 早 -23.6同样的，在弦B有峰值转换，而弦A没有时，结果是t1B t2B Eta晚 晚 -15.6晚 0-7.00晚 -8.5
0 早 8.6早 07.1早 早 15.6如所能看到的，容易识别出哪个弦有错误，且峰值转换在哪个方向上出现。当峰值转换在两个弦上出现时，简单地为每个弦加上合适的数值，以获得Eta结果。例如，如果在弦A和B上t1和t2都转换晚了，则Eta等于23.6+(-15.6)，等于8微秒。对于所有可能的弦组合，都可以计算出Eta。在本示例性的流量计中，可以是弦B和A组合、弦C和A组合、弦B和D组合以及弦C和D组合。这些数值可以作比较，从而有助于识别具有峰值转换信号的弦。
另外，由于我们知道tA＝LA/cA且tB＝LB/cB，因而η可以以测得的音速的形式表示。因此η=LBLA(cB-cA)ΔLcAcB---(27)]]>其中，η＝误差标志Eta；LA、LB＝弦A和B的长度；cA、cB＝弦A和弦B所测得的音速值；且ΔL＝弦A和B的长度差。
应当指出的是，以上公式并不限于弦A和B，且可以使用任何其它的弦，而且弦A和B甚至可以颠倒过来。仅仅要求使用两个长度不同的超声波声路。
这种计算表现了另外的优点。当然，这个计算最终基于与先前公式一样的变量。但是由于诸如受让人销售的标准超声波流量计已经算出了每个弦的音速，因而η的数值可以容易地根据已知的或者计算的信息来计算。
Eta的稳定性取决于音速测量值的稳定性，由于流动紊流，该测量值有一些变化。Eta在较高流动速度下将趋向于略微抖动。抖动范围(jitter band)为测量值从平均值的分散。对于基于1秒批次的数据，Eta的抖动范围通常约为2微秒。可以通过滤波或者平均来减小这种抖动。抖动增加为测量值从平均值上的分散增大，导致较高的标准偏差。
应当指出，尽管术语“平均”在整个优选实施例的讨论中使用，但是本发明并不限于任何一种平均。移动平均、“c”的平均、低通滤波器等都是合适的。而且，本示例性流量计使用了批量数据，但是，本发明的教导同样很好地适合于被过滤过的或者被平均过的数据。
Eta的变化可以被计算出，其中没有对传播时间进行延迟时间校正。在此情形中，Eta将具有接近实际延迟时间的数值，并且应当等于使用延迟时间代替公式(16)中的传播时间而算出的Eta。这将是流量计的延迟时间特征(fingerprint)。然后，这些数值的改变将指出问题。还可以用上游和下游传播时间的平均值来算出Eta。这个Eta的数值仅在低速流动时接近零；然而，它具有速度可预测的特点，且可以被用作对峰值转换检测的有效诊断。
紊流度参数紊流度参数(TP)是一种诊断，它可以独立于自调整式超声波流量计使用，但是很好地适合自调整流量计的环境。
如上所述，速度v与Δt直接成比例，以紧密逼近。参数Δt通常可以基于一批20(通常为10-30)个t1(上游)和t2(下游)测量值的平均值。还可以在这20个Δt的测量值上算出标准偏差σΔt，并接着形成有用的诊断参数TP＝σΔt/Δt*100％。注意TP是速度v上的紊流波动的粗略的衡量标准，它是无量纲的。
对于从4”到36”孔的流量计，且速度从5英尺/秒到160英尺/秒，诊断的TP大部分在2％到6％的范围内。因此，对于完全产生的紊流流动，我们期望TP在2％到6％的范围内。
较高的TP值表明，需要更多的研究来确定问题是否存在。借助于考虑来自每个弦的单个数值，而不是仅考虑所有弦的平均值，可从TP得到更多信息。例如，对于本示例性流量计，如果流量不变化，则对于0.309R处的内侧弦(B和C)，TP≈2％-3％，而对于0.809R处的外侧弦(A和D)，TP≈4％-6％。这个差异与剪力和紊流随着弦接近管壁而增加相符合。
如果流量在批量测量过程中改变，则将增大TP。例如，流量可以在几秒内从15英尺/秒增加到30英尺/秒。在这个期间，进行传播时间测量，产生比稳流下更大的标准偏差。这可以导致平均TP远远在6％以上。另外，如果由于波动、流分离或者涡街而造成流动不稳定，则TP将增大。如果是总体流动效应，则TP将在所有的弦上增大，而如果是局部效应，则不是所有的弦上的TP将增大。
信号质量信号质量(SQ)诊断取决于如在美国专利5,983,730中所说的“能量比”的概念。如在该专利中所说，能量比可以有利地被用来确定超声波信号的开始，从而分辨接收信号存在的地方和不存在的地方。信号质量是能量比曲线的最大值。
能量比的较大的峰值幅度值意味着较好的信号保真度和较低的噪声。例如，对于该示例性流量计，使用1.125英寸直径的换能器，在上述的频率和采用频率下，100以上的SQ值意味着较好的保真度和较低的噪声。较高的噪声级或者信号失真可以降低SQ值。不同设计的换能器可以具有用于正常工作的不同的SQ值。例如，与上述1.125英寸直径的换能器相比，3/4英寸直径的换能器在正常工作时产生的SQ值大于400。
峰值选择诊断在优选实施例中，能量比曲线被用来选择定义超声波到达的确切瞬时的“零交点”。根据该优选实施例，对于Pf后面的预定数量的零交点(与波形510的在零振幅处的交叉点)，计算三个选择参数的数值。具有最高合成分数的零交点被认为是到达时间。
这三个选择参数是SPFi＝Pi-Pf(作为采样数测得)；SPEi＝Pi-Pe(作为采样数测得)；和％Ampi＝100*Ai/Amax其中，Pi是第i个零交点之前的采样数；Ai是第i个零交点后的波峰或者波谷的值Amax是信号的最大绝对振幅。
得出这三个峰值选择参数，并将它们与目标值作比较，目标值在初始时被设定为默认值。一旦信号已被获得，则允许用于每个弦和方向的目标值跟踪所测得的数值，从而加强了识别的零交点的选择。SPF、％Amp和SPE的目标值被称为TSPF、TA和TSPE，表示用于测量的期望零交点的SPF、％Amp和SPE的数值。术语“目标值”具体指这三个被跟踪的参数。
每个零交点的合成分数为被称为Fsel的选择函数的值，根据以下公式确定FPFi=1-|SPFi-TSPFSenf|---(28)]]>FPEi=1-|SPEi-TSPESenE|---(29)]]>
FAi=1-|%Ampi-TASenA|---(30)]]>Fseli＝100(wf(FPFi)+wE(FPEi)+wA(FAi))(31)其中，i是对Pf后面的零交点的计数(一般为1到4)。wf、wE和wA的数值为加权因数，默认值分别为2、1和2。在置信度方面，这三个峰值选择参数按从SPF到％Amp到SPE的顺序下降。
在每个公式的分母里的灵敏变量分别是Senf为10、SenE为18和SenA为30。这些变量被用来调整选择函数，使得一个变量不会控制其余的变量。给出的数值适合于本示例性流量计，但是可以改变这些数值，以使选择过程敏锐，或者使其适合于具有不同的信号特征的其它系统。
如上所述，具有最高合成分数的采样点被认为是在所关注的零交点之前、用以识别到达时间的采样点。对具有最高合成分数的采样点后面的采样点使用线性插值，以便于确定信号的到达时间。尽管可以使用更多或者更少的零交点，但是优选的是，对于在Pf后面的头四个零交点计算选择参数。在图5中，通过标记1、2、3和4显示了这四个零交点的位置。在本实施例中，认为四个零交点足够长从而包括所期望的零交点(即具有最高合成分数的零交点)。
其后，可以单独地和动态地调整目标值和加权值，以提高测量的可靠性。根据流量计的设计，调整可以变化。
给出125千赫的超声波信号频率和1.25兆赫的采样频率，SPF的默认值为15，％Amp的默认值是-80，且SPE的默认值为8。然而，这些数值的意义仅仅是它们表示所关注的零交点上参数的典型值。如果其它参数改变，包括被测量的零交点改变，则这些数值将改变。
SoS特征将每个弦的音速和平均值作比较。这个变量确定峰值转换误差，而且如果使用了Eta，则该变量是多余的。SoS特征还是流量计中存在温度梯度的标志。
速度特征将每个弦的速度与平均速度作比较。由于对流作用，这个数值在低速下变化。该速度特征诊断足够可靠地确定其它诊断标志，并因此增加了操作者对它们的置信度。
德尔塔t比将一个弦上的德尔塔t除以同一批或同一组的另一弦上的德尔塔t。如果只是一个上游或者下游传播时间测量值出现周期跳跃，则对于那个弦，Δt改变一个周期。在本示例性四弦流量计中，从内弦到外弦存在2∶1的传播时间比，而对相同长度和位置的弦，存在1∶1的比。不同设计的流量计中的、具有不同长度和位置的弦可以具有不同的比率。
最大-最小传播时间最大传播时间减去最小传播时间。这些时间指示存在峰值转换。如果存在峰值转换，则在测得的最大和/或最小传播时间中出现一个周期的突然变化。影响传播时间测量值的其它现象，诸如流体流中的波动，并不会在传播时间测量值上产生突然跳动。
噪声噪声优选地作为一部分接收的超声波信号测量。然后，分析噪声，用以确定频率和振幅。有时期望在没有脉冲发射时接收信号。于是接收到的一切都可以被认为是噪声。
以下例子显示了在流量计从稳态工作条件变到具有永久峰值转换误差、间歇峰值转换、流体流中的波动、流体流中的噪声以及温度分层时，诊断值可能如何改变。
稳态(流量计正确工作)如果超声波流量计正确工作，因此峰值转换不存在，则可期望下列结果1.所有的Eta＝0±抖动范围(基于平均量的抖动范围的大小)。高速下1秒更新抖动约2微秒。
2.紊流度＝2％到6％。
3.传播时间的标准偏差对于速度和流量计尺寸是正常的。
4.SQ值较高，反映了较好的信号质量。例如，根据换能器，该示例性流量计的SQ可以是100+。
5.如果噪声较低，而SQ较高，则目标值是标定的。SPF正常(15±3)，且％Amp正常(75％±25％)。
6.SoS特征是标定的，并且未偏离历史趋势。对于该示例性流量计，这可以在平均读数的约0.1％内。
7.速度特征是标定的，并且未偏离历史趋势。对于该示例性流量计，弦A和D可以是0.89±0.05，且弦B和C可以是1.042±0.02。
8.速度比是标定的，并且未偏离历史趋势。对于该示例性流量计，涡流可以是1.17±0.05，交叉流可以是1±0.02，而不对称可以是1±0.02。
9.德尔塔t比是标定的。对于该示例性四弦超声波流量计，德尔塔t比在内侧路径和外侧路径之间约为2。对于短管中相同的长度和相似位置的声路，这个比率将为1∶1。
10.最大传播时间减去最小传播时间在正常界限内。对于125千赫下的该示例性流量计，对于永久峰值转换，这小于的一个信号周期。在较高的速度或者频率下，它可以大于一个信号周期，但是仍然正常，如历史基准所限定。
11.噪声级应当是标定的。
由于这些条件代表正确工作，因而不需要调整或者校正。
永久周期跳跃如果瞬时事件造成扰动，且信号传播时间测量值错误，则可能会有永久周期跳跃(峰值转换)。在这种情况下，且如果所有其它条件都是标定的(即较低噪声，且没有波动等，导致诊断测量值上没有大的变化)，则可期望以下结果1.对于峰值转换声路，Eta≠0(意味在抖动范围外)且Eta偏差较近(±2微秒)。一根弦上的永久峰值转换造成使用那根弦的每个测量值非零的Eta值。有故障的弦和周期跳跃的方向可以通过检查Eta函数的图和值而识别出。
2.紊流度＝2％-6％。
3.传播时间的标准偏差对于速度和流量计尺寸是正常的。
4.信号质量(SQ)较高。
5.如果噪声较低且SQ较高，则受影响声路的目标值不是正常的。较低的SPF意味着较早的波峰，而较高的SPF意味着较晚的波峰。这些中的任何一个的存在都特别表明较低/较高的SPF是否相当于一个信号周期。在该示例性流量计中，对于一个信号周期，或者在125千赫下的8微秒，SPF＝10。
6.SoS特征已相当大地偏离历史趋势。在较小的流量计中，由于飞行时间较短，因而这更加明显，且1个周期表示更大百分率的改变。
7.速度特征已相当大地偏离历史趋势。在较小的流量计中更加明显，且在低速下也较明显。如果仅是弦上的上游或者下游信号具有峰值转换，则明显得多。
8.速度比可能已改变。
9.德尔塔t比可能相当大地改变。如果声路上的上游和下游信号都沿同一方向转换，则在德尔塔t比上没有相当大的变化。如果仅是上游或者下游信号峰值转换，则在德尔塔t比上有相当大的变化。流量计越小和速度越低，这种改变就越显著。
10.最大传播时间减去最小传播时间在正常界限内。对于125千赫下的该示例性流量计，对于永久(与间歇的不同)峰值转换，这小于的一个信号周期。在较高的速度或者频率下，它可以大于一个信号周期，但是仍然正常，如历史基准所限定。
11.噪声级应当为标定的。
可以尝试响应永久周期跳跃的多次调整或者校正。在第一次校正尝试时，当跟踪的目标值不在它们的默认值的25％之内时，则它们应当被重新设定到它们的默认值上。如果跟踪的信号检测参数不在它们默认值的25％之内，则可能在流动中的瞬间扰动已经造成了信号检测算法上的扰乱，导致永久峰值转换。由于默认值的确定取决于正常工作的经验数据，因而将目标值重新设定到它们的默认值上还将很可能将流量计重新设定成正常工作。这包括了将目标值重新设定到它们的默认值上，然后继续正常测量，允许目标值跟踪。
还可以仅仅将识别为错误的弦的跟踪值重新设定。
如果第一校正尝试不成功，则可以进行第二校正尝试。第一校正尝试的失败表明，默认值设定错误，或者信号过于失真，使得不能够进行有意义的测量。响应时，受影响声路上的目标值应当被调整以纠正问题1.将SPF调整到前面或者后面的零交点的值上。这可以继续重复。
2.将％Amp调整到前面或者后面波峰的值上。
3.调整用于信号选择函数的权重。如果％Amp值较近，则分派给％Amp的权重应当被减小。还可以增加SPF的权重。
对于该示例性流量计，如果特定诊断的测量值的平均值在它的默认值的25％之内，则在流量计正常工作后，不应当做任何事情。否则，系统应当警告用户默认值不正确。默认值可以重新设定，并以单独或者组合的方式设置对用户的警告。
间歇周期跳跃高流动速率、或者高紊流流动所造成的高程度的噪声或者失真可以以间歇周期跳跃的方式导致信号测量不正确。在这种情况下，可以期望以下结果1.Eta偏差增大。由于Eta用平均音速算出，因而Eta可能依然接近零。
2.紊流度不是在所有的弦声路上增加。具体地说，紊流度仅在受影响的声路上增加。
3.只是对于受影响声路上的速度和流量计尺寸，传播时间的标准偏差较高。如果没有波动，则传播时间和SPF应当落在两个不同的组(柱形统计图)里，即峰值转换或者非峰值转换。相反，速度波动变化地影响传播，并由此扩展到传播时间测量。
4.如果间歇周期跳跃的原因为信号失真(尤其是由于高流动速率)，SQ可能会较低。
5.目标值可展现出增加的抖动。
6.SoS特征可展现出增加的抖动。
7.速度特征可展现出增加的抖动。
8.速度比可展现出增加的抖动。
9.德尔塔t比可展现出增加的抖动。
10.最大-最小传播时间在正常界限外。对于125千赫下的该示例性流量计，这大于1个信号周期。
11.如果间歇周期跳跃的原因为外部噪声或者流动噪声，则噪声级可能会升高。
可以尝试响应间歇周期转换的调整或者校正。具体是，峰值选择函数的权重应当被修改成防止进一步的间歇周期跳跃。
1.对于不是显著不同的数值，比较峰值选择函数的总分数。例如，彼此在10％内的数值足够靠近，从而促使错误识别正确的零交点。
2.对于不是显著不同、或者指示错误峰值的数值，估算峰值选择函数的单独分数。
3.将对应函数的权重减小一。
4.如果SPF函数给出较强正确指示，则将权重加一。
允许的权重(具有这三种诊断相对的可靠性)TSPF-2(默认)或者3(调整的)(最可靠)TSPE-1(默认)或者0(调整的)(最不可靠)TA-2(默认)或者1(调整的)(中度可靠)5.如果问题仍然存在，则允许的目标值取较窄的范围。
流体流中的波动流体流中的速度波动的存在并不是流量计本身有问题。但是，在超声波流量计的环境中，用户常常得到关于流体流的有用的附加信息。另外，由于可能会在时间测量值中引入偏差，因而不期望使超声波流量计的换能器在多重速度振动频率下发射。从而，识别和补偿速度波动是超声波流量计的一个有用的方面。
流量计的难处是将波动与间歇峰值转换区分开。如果流量计准确测量(但是存在波动)，则可期望以下结果1.Eta应当接近零，并具有正常到略微上升的抖动。
2.所有弦的紊流度都增加。紊流度还取决于速度波动，而且这被反映在紊流度测量中。
3.在速度波动效应被加入到那些紊流度的效应中时，对于所有弦的速度和流量计尺寸，传播时间的标准偏差都较高。
4.如果波动并不让信号失真，则SQ应当正常。
5.目标值具有较低的抖动，尤其是SPF。如果波动导致信号失真，则可能会在SPE和％Amp上看到较大的抖动。
6.SoS特征正常。
7.速度特征展现出增加的抖动。
8.速度比可能相当大地变化。
9.德尔塔t比应当展现出增加的抖动。
10.最大传播时间-最小传播时间几乎可能是任何值。一批最大传播时间-最小传播时间并不落在一个离散的组中，而是呈斑点状分部在一个数值范围内。
11.噪声级应当正常。
为了识别速度波动的存在及其频率，借助于例如与超声波流量计相连的、操作数据的处理器，可以执行以下程序1.查看在一个方向上沿一个弦的一系列传播时间测量值，以得出最大值、最小值、频率等。
2.用第二弦确定。
3.叠加信号波形。当存在波动时，叠加会破坏信号波形。相反，在异步噪声和没有波动下，使信号更清楚。叠加是在同一声路并沿同一方向的多重信号的对应样本的平均值。例如，如果在上游方向上的弦A的四个信号被叠加，则平均采样数1下的四个信号的数值，从而获得叠加的采样数1。对样本2、3等，这个过程继续，直至所有数值都被平均。
4.如果检测到波动，则激发率(firing rate)应当被调制成避免固定在波动频率。
5.报告波动频率和振幅。
流体流中的噪声噪声使超声波信号质量降低，因此期望识别噪声以及随后补偿噪声。
噪声分成两种类别同步噪声或者异步噪声。同步噪声是由流量计产生的。它来自于当接收到信号、声循环时仍然由于前一次发射而鸣振的换能器，其中信号、声循环从发射换能器通过流量计主体到达接收换能器，或者它来自于电子线路中的串扰(crosstalk)。
异步噪声通常产生于流量计的外部。它来自于流动与管道以及诸如阀门的其它安装设备的相互作用。频率越低，噪声越大。流动噪声趋向于在换能器中激起共振，产生噪声信号，这些噪声信号趋向于处于这些换能器的共振频率上，并具有与超声波信号相当或者完全淹没超声波信号的幅度。不同步噪声还可以在电路中产生，诸如在内部振荡器等中产生。这类噪声的频率趋向于在流动所产生的噪声的频率之上，且至少对很多超声波流量计而言，在超声波信号的频率之上。它们的振幅通常较低。这种信号的谱线展现出在超声波信号的频率之上的特定频率。
叠加是原始信号逐个样本的平均值。可以采用它来区分开同步噪声和异步噪声。如果在接收到的超声波信号叠加时噪声减小，则表示噪声是异步的。如果噪声没有从叠加信号中减小，则表示噪声是同步的。
为了识别噪声的存在，并区分开两类噪声，可以执行以下程序1.测量信号前面的噪声级；2.在与基准谱线比较时，检查频率峰值增加的信号。新的或者增加的频率峰值表示噪声源。例如，如果换能器具有60千赫的共振频率，则它将在超声波信号的基准谱线里显示出来。如果看到这个共振波峰增加，则表明存在流动噪声。
3.如果信号叠加时噪声减小，则表明存在异步噪声。叠加可以帮助使异步噪声降到最小。如果没有减小，则表明噪声是同步的。
4.当没有脉冲被发射时，进行信号测量。任何存在的噪声应当是异步的。
5.如果存在高频率噪声，则表明是电路噪声。如果没有，则表明存在于信号中的噪声来源于流体流。
6.打开带通滤波器，可以帮助减小频带同步和异步噪声。
7.调制或者改变激发率或者顺序，可以帮助来自于换能器鸣振的同步噪声降低。噪声将仍然存在，但是批量传播时间测量值应当被平均出更正确的数值。在调制后的激发率下增加叠加，应当减小来自换能器鸣振的同步噪声。
8.通过消除处理，在执行上述程序后，存在的同步噪声一定来自于声循环或者串扰。
温度分层在较低流动速率下，温度分层变成可见的。实质上，管线内的气体不再处于一个温度值上。这样最严重的后果是AGA8计算的温度测量可能是不正确的。正如已知的，AGA8是在不同的压力和温度下将气体转化成接受的标准(基准)温度和压力的工业标准。
在低速下，交叉流通过例如管线内外之间的温度差而形成。速度特征趋向于发散。如果周围环境的温度与气体温度相比较高，则流动断面图被下推，且下侧声路的速度将增加，而上侧声路的速度将减小。如果周围环境的温度与气体温度相比较低，则与上面相反。温度差异越大，发散越明显。在12英寸的流量计中，在约6米/秒的流动速度下看到发散。当流动速度降低且流量计尺寸增加时，发散变得更加明显。
在存在温度分层时另一个重要问题是计算的Eta趋向于发散。假定在计算Eta的两个声路上的音速恒定且一致，推导出Eta函数。温度分层改变了每个声路上的音速，以致于测量值发散，使上侧弦在音速随着温度增加而增加的气体条件下具有最大的数值。这将改变Eta的值。Eta的值会趋向于符合以下方式。
Eta BA零到略负值Eta CA负值Eta BD正值Eta CD略正值还可以期望诸如目标值、紊流度、标准偏差等的其它测量值是标定的。
有多种调整或者方法适合于温度分层条件。超声波流量计应当警告用户流量计内的温度并不恒定。超声波流量计的电子设备还可以计算出加权的平均音速，并用它来估算加权的平均温度。该加权的平均音速可以利用与用于速度的相同的加权因数(Wi)来算出。
然后，在知道先前的音速随温度的变化的基础上，或者从气体成分的一般数值里，将加权的平均音速转换成温度。例如，在一般的管线条件下，音速每英尺/秒的变化，天然气温度变化约0.7。如果已知温度测量的位置，则可以校正到加权的平均温度，从而更代表分层的流动。注意温度上1的误差一般在体积校正上产生约0.2％的误差。
C‾=Σ14CiWi=0.1382CA+0.3618CB+0.3618CC+0.1382CD]]>概括本发明的一个优点是它能较广泛地适合于现有的流量计设计。本发明适合于多种超声波流量计。例如，合适的超声波流量计包括单弦或者多弦流量计，或者具有反射声路或者任何其它声路布置的流量计。本发明适用于采样入射的超声波信号并对其数字化的流量计，但还适用于对模拟信号进行操作的流量计。本发明还适合于多种确定超声波信号到达时间的方法。
本发明非常适于目前的以及将来的流量计设计。超声波流量计包括短管和至少一对换能器，还包括用以处理所测得的数据的电子设备或者固件。例如，尽管可以对应于采样的超声波信号测量成千上万条数据，但是超声波流量计可能只输出每个弦的流动速度和音速。为引入本发明而对先前流量计的改变应用在流量计的电子设备和编程上，简化包含在本专利内的思想的实施。
尽管所提供的数值的例子基于根据在图1A-1C中所教导的、申请人的四弦超声波流量计，但是收集用于所关注的任何超声波流量计的数据、以得到所关注测量值的“正常”范围在本领域技术人员的能力内。
虽然已经显示并描述了本发明的优选实施例，但是在不背离本发明的要旨和教导的情况下，本领域技术人员可以对本发明做出修改。这里描述的实施例仅是示例性的，而并不是限定性的。本系统和设备的多种变型和修改是可能的，并且在本发明的范围内。例如，为了加快计算速度，本发明的原理可以借助于整数算法来实施，代替浮点算法。另外，可以用流量计来识别多种问题，而且并不只限于这里公开的那些问题。因此，本发明的保护范围并不限于这里所描述的实施例，而是仅由所附的权利要求限定，权利要求的范围应当包括其主题的所有等同物。
权利要求
1.一种用以校正超声波信号传播时间测量中的误差的方法，包括a)测量超声波信号在装有流体流的管线中的飞行时间；b)计算对该超声波信号的至少一个诊断；c)将所述至少一个诊断与一组相应的期望值作比较，以确定用于所述至少一个诊断的数值是否小于、等于或者大于该相应的期望值；d)根据所述比较步骤，确定在所述飞行时间的所述测量中是否存在一个或者多个误差；e)如果所述一个或者多个误差包括在所述超声波信号的至少一个测量中的错误识别超声波信号到达时间，则校正所述一个或者多个误差。
2.如权利要求1所述的方法，其中，测量所述超声波信号的飞行时间的所述步骤包括基于第一组变量，计算所述超声波信号中的每一个的到达时间，且校正所述一个或者多个误差的所述步骤包括调整所述第一组变量。
3.如权利要求1所述的方法，其中，测量所述超声波信号的飞行时间的所述步骤包括基于一组目标值，计算所述超声波信号中的每一个的到达时间，且校正所述一个或者多个误差的所述步骤包括将所述目标值组调整至默认值。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述目标值为SPF、SPE以及％Amp。
5.如权利要求1所述的方法，其还包括f)根据所述比较步骤，启动警示信号。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个诊断包括计算Eta。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个诊断包括计算紊流度。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个诊断包括计算信号质量。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个诊断包括计算至少一个峰值选择诊断。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个诊断包括计算音速特征。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个诊断包括计算速度特征。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个诊断包括计算所述超声波流量计中的弦之间的至少一个速度比。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个诊断包括计算所述超声波信号之间的测量的时间差之比。
14.如权利要求1所述的方法，其中，识别所述一个或者多个误差的所述步骤包括识别永久周期转换。
15.如权利要求1所述的方法，其中，识别所述一个或者多个误差的所述步骤包括识别间歇周期转换。
16.如权利要求1所述的方法，其还包括识别流体流中的噪声。
17.如权利要求1所述的方法，其还包括识别通过所述超声波流量计的流体流中的速度波动。
18.如权利要求1所述的方法，其还包括识别通过所述超声波流量计的流体流中的温度分层。
19.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个诊断包括计算至少一个最大传播时间减去最小传播时间的诊断。
20.一种自调整式超声波流量计，包括供流体流动通过的短管；第一换能器，用以产生基本上逆所述流体流的第一超声波信号并接收基本上顺所述流体流的第二超声波信号；第二换能器，用以产生所述第二超声波信号并接收所述第一超声波信号；电子设备，用以计算所述第一超声波信号和第二超声波信号的到达时间，并通过将一组诊断和一组数值作比较，以确定所述诊断组与所述数值组间存在偏差，从而确定在到达时间的所述计算中有误差，如果误差存在，则所述电子设备校正所述误差。
21.如权利要求20所述的自调整式超声波流量计，所述数值组是预先确定的。
22.如权利要求20所述的自调整式超声波流量计，所述数值组是动态的，并且基于由所述自调整式超声波流量计所积累的历史数据。
全文摘要
一种方法及相关的超声波流量计，对诸如峰值转换误差的传播时间的误差进行识别并校正。该方法包括以下步骤从流体流的测量值中，计算一组诊断的数值，其中该测量值包括传播时间的测量值。根据诊断的数值，并根据这些数值是否落在它们各自的范围外，流量计能够识别出流量计或者流体流的各种问题，诸如是否有间歇峰值转换，永久峰值转换，或者存在噪声、流体流中的速度波动、温度分层，或者其它问题。如果流量计有问题，则该流量计自行调整，以使问题再次出现的机会降到最小。
文档编号G01F1/00GK1864047SQ200480029497
公开日2006年11月15日 申请日期2004年9月8日 优先权日2003年9月8日
发明者威廉姆·R·弗罗因德, 克劳斯·J·赞克, 盖尔·P·默里 申请人:丹尼尔工业公司