本发明涉及一种用于监测超声流量计的方法，该方法包括以下步骤：生成参考指纹，该参考指纹包括该超声流量计的一个或多个初始系统参数；以及当使用该超声流量计时，将所生成的参考指纹与当前正在测量的相同系统参数进行比较。此外，本发明涉及超声流量计，其被适配用于执行用于监测该超声流量计的方法。
背景技术
在基于传输时间差原理的超声流量计中，通过流量计的体积流率q与在流管中相对放置的第一换能器同第二换能器之间的上游和下游传输的超声信号的传输时间之间的时间差δt、声音速度c和总体传感器几何形状常数k成正比：
因此，流量测量的质量直接取决于这三个因数k、δt和c的准确度。
常数k可以在生产流量校准期间确定，并且因此仅需要随时间推移为恒定的。k可以包括总体传感器几何形状的特性，优选地换能器位置、来自换能器的声束图案、声音反射器角度、衬里和固定装置材料的声音特性、或卷筒件、流动衬里和固定装置的几何形状。
经常通过声音速度c与流动介质的温度之间已知的关系来间接地测量c。因此，c的准确度取决于超声流量计的温度传感器、超声流量计的电子器件的温度测量电路、和流过超声流量计的介质。
时间差测量δt的准确度主要取决于超声流量计的电子部件中的时间测量电路。
为了检测可能需要重新校准或维护超声流量计的、影响k、δt和c的变化，已知对超声流量计使用指纹识别。因此，已知生成参考指纹，该参考指纹包括超声流量计的一个或多个初始系统参数；并且当使用超声流量计时，将所生成的参考指纹与当前正在测量的相同系统参数进行比较。这允许提供一种方法，通过该方法可以检测k或用于测量时间差和温度的任何测量电路是否已经随时间推移而变化，并且因此能够诊断可能的流量计不准确。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于监测超声流量计的方法，该方法允许容易地指纹识别和监测超声流量计。
本发明的目的是根据开篇所描述的方法这样解决的：该方法包括以下步骤：生成初始超声信号的参考数字样本，以便生成该参考指纹的数据，该初始超声信号由该超声流量计发送和接收，并且所发送的(也被称为tx)和/或所接收的(也被称为rx)初始超声信号由该超声流量计进行数字采样，以便分别获得tx和/或rx参考数字样本。
在此上下文中，tx和rx指从换能器信号中导出的信号，并且不直接是跨这两个换能器的tx信号和rx信号。
根据本发明的方法允许利用超声流量计以进行自我监测。根据本发明的方法允许生成参考指纹，并且允许将参考指纹与当前系统参数进行比较，以便仅通过使用已经包括在超声流量计中的测量电路来监测超声流量计功能，因此无需使用任何外部设备。
优选地，超声流量计包括第一超声换能器和第二超声换能器，初始超声信号在第一超声换能器与第二超声换能器之间被发送，并且tx和/或rx初始超声信号由超声流量计的模数转换器进行采样，以便分别获得tx和/或rx参考数字样本。优选地，模数转换器是用于在超声流量计的使用期间从超声信号中提取传输时间的电子电路的一部分。因此，相同的模数转换器可以用于多种目的，从而允许以较低成本容易地监测超声流量计。然而，在本发明的一些实施例中，除了用于提取传输时间的模数转换器之外，在超声流量计中提供单独的模数转换器以获得tx和/或rx参考数字样本。优选的是，用于获得参考数字样本的模数转换器是超声流量计的微控制器的一部分。优选地，初始超声信号在一个或多个系列的数字样本中被采样，每个系列具有优选地相同的采样频率，具有相对于发送超波声信号的开始的单独开始时间，和/或每个系列具有单独的采样频率。这允许在超声信号恒定的条件下使用欠采样的模数转换器来获得从初始超声信号中提取的过采样分辨率信息。优选地，将多个系列的数字样本组合以数字地重构初始超声信号的特性，该超声信号应存储在参考指纹中。优选地，所发送的初始超声信号和所接收的初始超声信号两者均被数字采样，并且针对这两者中的每一个，生成初始数字样本。
优选的是，该方法包括使用tx和/或rx超声信号的参考数字样本来监测超声流量计几何形状变化的步骤。超声流量计具有流量计几何形状，该几何形状由影响通过超声流量计的体积流率q的计算的常数k描述，如前所解释的。k包括超声流量计几何形状的系统特性，优选地换能器位置、来自换能器的声束图案、声音反射器角度、衬里和固定装置材料的声音特性、卷筒件、流动衬里和固定装置的几何形状、以及有时其他系统参数。使用超声信号的tx和/或rx参考数字样本来监测超声流量计几何形状因此允许检测常数k的时间相关变化，该变化可能是流量计不准确性的标志。因此，超声流量计几何形状的变化以及因此k的变化可能引起超声流量计的重新校准或修复。因此，使用rx和/或tx参考数字样本来间接地监测超声流量计几何形状随时间推移的变化可以提供一种检测可能的流量计不准确性的容易方法。
在优选的方法中，该方法包括以下步骤：使用初始超声信号的tx和/或rx参考数字样本来监测超声流量计的传输时间测量电路和/或温度测量电路。这两种电子电路均提供用于计算流率q的信息，如之前所解释的。通过比较如根据温度、流量计几何形状以及声音速度与温度之间的已知关系来计算的传输时间，可以完成对完整温度测量的监测，其中，传输时间是例如根据rx初始超声信号与rx当前超声信号之间的相关性来计算的。因此，这假设声音速度与温度的关系是已知的。温度测量电路自身可以通过将温度测量电路的校准参考测量值与当前校准测量值进行比较来检查。因此，通过使用初始超声信号的tx和/或rx参考数字样本来监测一个或两个电子电路的时间相关变化，并且将初始超声信号的特性与当前超声信号的特性进行比较，可以允许容易地检测到电子电路中每一个的故障。
优选的是，该方法包括以下步骤：将tx和/或rx参考数字样本作为初始系统参数包括在参考指纹中，和/或从tx和/或rx参考数字样本中导出初始系统参数，以便将所导出的初始系统参数包括在参考指纹中。当将tx和/或rx参考数字样本包括在参考指纹中时，稍后可以判定tx和/或rx初始超声信号的哪些特性将分别与当前超声信号的特征进行比较，从而允许对于监测超声流量计的极大灵活性。当从tx和/或rx参考数字样本中导出初始系统参数以便将所导出的初始系统参数包括在参考指纹中时，可以减少将被存储的数据量，因此允许降低超声流量计的指纹存储设备的复杂性和成本。在一些实施例中，将tx和/或rx参考数字样本作为初始系统参数包括在参考指纹中，并且将初始系统参数从tx和/或rx参考数字样本中导出，并且还将其作为初始系统参数包括在参考指纹中。这允许很大的灵活性，并且还恢复从tx和/或rx参考数字样本中导出的常用系统参数，以便在将参考指纹与当前超声信号进行比较时减少所需的计算量。然而，在一些实施例中，包括在参考指纹中的一些初始系统参数不是从tx和/或rx参考数字样本中导出的。这些初始系统参数可以例如被手动地添加，或者从除了参考数字样本之外的其他源中导出。
优选的是，参考指纹将测量时钟校准数据、温度测量电路校准数据、时间测量电路校准数据、测量统计、初始超声信号幅度、或初始过零点模式中的一个或多个包括作为初始系统参数。这种信息可以给出关于超声流量计的时间相关变化的详细信息。优选的是，初始系统参数是从参考数字样本中导出的，最优选地是超声系统参数。优选地，其他参数是从电路的其他部分中导出的。
优选地，该方法包括以下步骤：从tx和/或rx参考数字样本中导出初始过零点模式；以及在流量计的使用期间，将初始过零点模式与当前超声信号的当前过零点模式进行比较。如前所解释的，初始过零点模式自身可以在以数值形式从tx和/或rx参考数字样本中导出之后作为初始系统参数存储在参考指纹中，或者tx和/或rx参考数字样本可以存储在参考指纹中，并且初始超声信号的初始过零点模式可以在稍后当初始过零点模式应当与当前超声信号的当前过零点模式进行比较时从所存储的tx和/或rx参考数字样本中导出。因此，可以检测过零点模式的时间相关变化，并且可以根据请求相应地启动超声流量计的维护。作为另一个初始系统参数，通过过零点的tx和/或rx信号斜率可以被导出、存储和比较，以及如以上所解释的，加以必要的变更。
优选的是，该方法包括以下步骤：从tx和/或rx参考数字样本中导出初始信号幅度；以及在流量计的使用期间，将初始信号幅度与当前超声信号的当前信号幅度进行比较。如前所解释的，初始超声信号幅度自身可以在以数值形式从tx和/或rx参考数字样本中导出之后作为初始系统参数存储在参考指纹中，或者tx和/或rx参考数字样本可以存储在参考指纹中，并且tx和/或rx初始超声幅度可以在稍后当初始超声信号幅度应当与当前超声信号幅度进行比较时从所存储的tx和/或rx参考数字样本中导出。因此，可以检测超声信号幅度的时间相关变化，并且可以相应地启动超声流量计的维护。
根据本发明的优选方法包括以下步骤：从tx和/或rx参考数字样本中导出初始包络函数；以及在流量计的使用期间，将初始包络函数与当前超声信号的当前包络函数进行比较。在一些实施例中，tx和/或rx初始包络函数自身可以在以数值形式从tx和/或rx参考数字样本中导出之后作为初始系统参数存储在参考指纹中，或者tx和/或rx参考数字信号可以存储在参考指纹中，并且tx和/或rx初始超声信号的初始包络函数可以在稍后当初始包络函数应当与当前超声信号的当前包络函数进行比较时从所存储的tx和/或rx参考数字样本中导出。因此，可以检测超声信号包络函数的时间相关变化，并且可以相应地启动超声流量计的维护。
优选的是，该方法包括以下步骤：从tx和/或rx参考数字样本中导出初始频率含量；以及在流量计的使用期间，将初始频率含量与当前超声信号的当前频率含量进行比较。优选地，频率含量包含数值形式的所接收信号的频率。在此，频率含量可以例如指信号的fft或dtft，可能是这个的数据缩减版本。初始频率含量自身可以在从tx和/或rx参考数字样本中导出之后作为初始系统参数存储在参考指纹中，或者tx和/或rx参考数字样本可以存储在参考指纹中，并且初始频率含量可以在稍后当初始频率含量应当与当前超声信号的当前频率含量进行比较时从所存储的tx和/或rx参考数字样本中导出。因此，可以检测频率含量的时间相关变化，并且可以相应地启动超声流量计的维护。
根据本发明的优选方法包括以下步骤：通过基于相关性的比较、差异计算和比率计算中的一个或多个来比较该初始系统参数与该当前测量的系统参数。这允许容易地进行比较。存储在指纹中的所有初始系统参数可以以同样的方式与相应的当前系统参数进行比较。然而，在一些实施例中，不同的比较方法用于将不同的系统参数相互比较。优选地由超声流量计的微处理器来执行比较。优选地，微处理器还具有计算通过流量计的流体流量的功能。这允许通过仅使用单一微处理器来降低超声流量计的复杂性，并且因此允许容易地实施该方法。然而，在一些实施例中，流体流量由与微处理器分离的超声流量计的模数转换器计算。在模数转换器是用于过采样超声信号的高速模数转换器时，这是优选的。
优选的是，该方法包括以下步骤：将参考指纹存储在本地流量计存储器中，和/或经由网络连接存储在远程数据存储装置中。超声流量计优选地具有本地流量计存储器，如例如，闪速存储器、eeprom、或任何类型的非易失性存储器。然而，在一些实施例中，超声流量计另外地或者可替代地包括网络连接，以便将参考指纹数据远程地存储在远程数据存储装置中，优选地为云或服务器。在一些实施例中，该方法包括以下步骤：将参考指纹存储在本地流量计存储器中，并且经由网络连接将参考指纹的备份存储在远程数据存储装置中。这可以允许为参考指纹提供简单的远程存储装置或备份解决方案。在一些实施例中，可以经由所连接设备(比如，pc或移动电话)从本地流量计存储器中检索数据。同样，pc或移动设备可以经由pc的或移动设备的网络连接从远程存储设备中检索参考指纹，使得该参考指纹可以与由pc/移动设备从设备中检索的当前指纹进行比较。
优选的是，在超声流量计的生产和/或校准期间，生成参考指纹。这可以允许存储参考指纹，并且已经在超声流量计的生产阶段和/或校准阶段监测超声流量计。因此，基于早期生成的参考指纹，使得简单的长期监测成为可能。
此外，本发明的问题由被适配用于执行根据本发明的方法的超声流量计来解决。具有这种超声流量计允许基于参考指纹而容易地监测系统参数，该参考指纹包括分别从tx和/或rx初始超声信号的tx和/或rx参考数字样本生成的初始系统参数。
根据本发明的优选的超声流量计包括模数转换器，该模数转换器被适配用于以优选相同的采样频率和/或以每个数字样本的单独采样频率来重复生成该初始超声信号的系列tx和/或rx数字样本，其中，针对每个数字样本，具有相对于信号发送开始的单独开始时间。因此，tx和/或rx初始超声信号可以被多重采样，并且因此甚至被过采样。生成两个或更多个系列的数字样本并且将其组合以生成指纹数据可以允许使用欠采样的模数转换器，虽然如此，仍允许建立tx和/或rx初始超声信号的甚至过采样参考数字再现。然而，高速模数转换器也可以由超声流量计提供。这可以允许直接进行过采样的采样而无需多重采样。
附图说明
下面将通过参照附图来公开本发明的优选实施例来更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了根据本发明的超声流量计；并且
图2示出了描绘根据本发明的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
在超声流量计中使用指纹识别在工业流量计中是已知的，工业流量计通常包括多个声音路径。这些类型的仪表的指纹通常是应用相关的参数，并且包括各种类型的测量统计，比如：
1)流量轮廓(从多路径测量中导出的)
2)流量轮廓对称(从多路径测量中导出的)
3)声音速度变化
4)各个路径的湍流模式
5)信噪比变化
6)信号幅度变化
使用各种测量电路参数的变化以及发射(tx)和接收(rx)信号特性的变化不是已知的。此外，还可以包括各种测量统计，比如，信号幅度、信噪比和各种测量值的标准偏差。
图1示出了根据本发明的超声流量计的示例性实施例。超声流量计1包括卷筒件2，流动衬里3被容纳在该卷筒件中。流动衬里3被安排在卷筒件2的流入口4与流出口5之间。超声流量计1还包括声音反射器6、7的反射器固定装置。声音反射器6、7在作为超声换能器的第一换能器8与第二换能器9之间建立声音路径(虚线)。超声信号可以在第一超声换能器8与第二超声换能器9之间进行发送。所发送的(tx)和所接收的(rx)超声信号可以由容纳在容纳电子pcb11的外壳10中的模数转换器(未示出)进行采样。模数转换器被适配用于生成rx和tx初始超声信号的rx和tx参考数字样本，以便生成用于超声流量计1的参考指纹的数据，初始超声信号由第一换能器8和第二换能器9发送和接收，并且rx初始超声信号由模数转换器进行数字采样，以获得rx参考数字样本，并且tx初始超声信号由模拟数字进行数字采样，以获得tx参考数字样本。
如前所解释的，超声流量计1因此被适配成自我监测的，因为不需要使用外部设备来校准超声流量计1的各种电子电路，或者也可以根据来自所连接设备的请求进行监测。虽然超声流量计1的系统参数的时间相关变化可能影响从流入口4流到流出口5的流体流量的流量测量的准确度，但是超声流量计1被适配用于间接地监测超声流量计的几何形状、存储在外壳10中的传输时间测量电路(未示出)，以及超声流量计1的温度测量电路的变化，该温度测量电路的温度传感器12在图1中示出。因此，可以通过监测rx和/或tx当前超声信号来间接监测k的变化。如之前所描述的，可以监测c通过温度的间接测量，并且可以通过监测时间测量电路的校准和时钟校准来监测δt测量的质量。
图2现在示意性地示出了根据本发明的优选方法。在第一步骤(s21)中，发送初始超声信号。更具体地，在这个实施例中，第一超声换能器8将tx初始超声信号发送至第二超声换能器9。因此，在第二步骤(s22)中，第二换能器9接收rx初始超声信号。在第三步骤(s23)中，使用超声流量计1来生成所接收的rx初始超声信号的rx参考数字样本。更具体地，超声流量计1的模数转换器根据rx初始超声信号来生成rx参考数字样本。在本实施例中，模数转换器生成初始超声信号的两个系列的数字样本，每个系列的样本具有单独的采样频率和相对于发送初始超波声信号的开始的单独开始时间。因此，生成了详细的rx参考数字样本。然而，在本发明的其他实施例中，使用了允许对rx初始超声信号进行过采样的高速模数转换器。在这些实施例中，rx参考数字样本可以用单个系列的数字样本来生成，这些数字样本在时间上彼此靠得很近，使得其允许数字地重构rx初始超声信号。在第四步骤(s24)中，从rx参考数字样本中生成超声流量计1的参考指纹的数据。在未示出的第一子步骤中，rx参考数字样本作为初始系统参数包括在参考指纹中。在未示出的第二子步骤中，从rx参考数字样本中导出初始过零点模式，并且将初始过零点模式作为另一个初始系统参数包括在参考指纹中。在未示出的第三子步骤中，从rx参考数字样本中导出初始信号幅度，并且将初始信号幅度作为又一个初始系统参数包括在参考指纹中。在未示出的第四子步骤中，将测量时钟校准数据作为又一个初始系统参数包括在参考指纹中。在未示出的第五子步骤中，从rx参考数字样本中导出初始包络函数，并且将其作为另一个初始系统参数包括在参考指纹中。在未示出的第六子步骤中，从rx参考数字样本中导出包含初始超声信号的频率的初始频率含量，并且将其作为另一个初始系统参数包括在参考指纹中。导出初始系统参数是由计算流率的同一微处理器来完成的。因此，在本发明方法的第五步骤(s25)中，上述初始系统参数被包括在超声流量计的参考指纹中。在如图2中示出的方法的第六步骤中，当使用超声流量计时，将所生成的参考指纹与当前正在测量的相同rx系统参数进行比较(s26)。因此，更具体地，前述初始系统参数中的每一个与正由第二超声换能器9接收的rx当前超声信号的相应当前系统参数进行比较。包括在参考指纹中的所有初始系统参数通过差异计算与相应的当前系统参数进行比较。当一对初始系统参数与当前系统参数之间的差越过预定阈值时，超声流量计1经由网络连接发送警报，以便根据请求发起维护。
在超声流量计1和所实施方法的本实施例中，超声流量计1包括外壳10中的本地流量计存储器(未示出)。本地流量计存储器是将参考指纹存储在本地的闪速存储器(或任何其他类型的非易失性存储器)。参考指纹永久地存储在超声流量计1的生产阶段中。超声流量计1的替代实施例(未示出)包括用于代替地将参考指纹存储在远程数据存储装置中的网络连接，例如，无线网络连接。
如可以看到的，本发明提供了一种用于监测超声流量计1的方法，该方法包括以下步骤：生成参考指纹，该参考指纹包括超声流量计1的一个或多个初始系统参数；以及当使用超声流量计1时，将所生成的参考指纹与当前正在测量的相同系统参数进行比较。通过分别生成tx和/或rx初始超声信号的tx和/或rx参考数字样本，以便生成参考指纹的数据，监测超声流量计变得非常简单，因为初始超声信号由超声流量计自身进行发送和接收，并且所发送的(tx)和/或所接收的(rx)初始超声信号由超声流量计自身进行数字采样，以便分别获得tx和/或rx参考数字样本。因此，不需要用于监测的外部设备。例如，除了或代替从rx初始超声信号生成rx参考数字样本，可以从tx初始超声信号生成tx参考数字样本。此外，参考数字样本可以从自第一超声换能器运行到第二超声换能器或反之亦然的初始超声信号生成。
本领域的技术人员将理解本发明并不限于所描述的示例性实施例。例如，除了或代替从rx初始超声信号生成rx参考数字样本，可以从tx初始超声信号生成tx参考数字样本。此外，参考数字样本可以从自第一超声换能器运行到第二超声换能器或反之亦然的初始超声信号生成。
此外，在未示出的实施例中，最初生成至少4个样本：两个换能器的tx样本和来自两个换能器的rx样本。
通常在零流量条件下对这至少4个样本进行采样，但是也可以以高流率速对附加系列样本进行采样以供稍后参考。这至少4个系列的采样信号中的每一个可以由这2种不同的欠采样/交织方法中的一种或多种生成，或者通过高速模数转换器直接过采样生成。