用于测量流体速度的方法与流程

本发明涉及测量流体速度的方法的领域。

发明背景

为了测量在管道中流动的流体的流速，超声流量计常规地利用用于通过发射和接收超声测量信号来测量流体速度的设备。

测量设备包括连接到流体在其中流动的管道的导管。为了测量流体速度，超声测量信号被发射到导管中以沿着限定长度的路径行进，超声测量信号沿该限定长度的路径从上游行进到下游以及从下游行进到上游两者所花费的飞行时间被测量，并且流体速度尤其基于该限定长度和飞行时间之差来被估算。

这样的测量设备1，有时被称为“经典管道”设备，如图1所示。测量设备1包括第一换能器2a、第二换能器2b以及连接到第一换能器2a和第二换能器2b的测量模块3。

第一换能器2a和第二换能器2b在频率和发射水平方面配对。作为示例，第一换能器2a和第二换能器2b是压电换能器。

因此，限定长度的路径是第一换能器2a与第二换能器2b之间的长度为l的直线路径。

第一换能器2a发射超声测量信号se。作为示例，超声测量信号是从方波信号4生成的。第二换能器2b接收得自在流体中传播的超声测量信号se的超声信号sr。

测量模块3测量超声测量信号se沿着限定长度的路径从上游行进到下游所花费的飞行时间。实际上，测量模块3测量从第一换能器2a到第二换能器2b的全局传输时间tab。

全局传输时间tab使得：tab＝taa+tofab+trb，其中：

-taa是第一换能器2a的接通时间；

-tofab对应于超声测量信号se沿着第一换能器2a和第二换能器2b之间的限定长度的路径行进所花费的飞行时间；

-trb是第二换能器2b的接收时间。

同样地，第二换能器2b发射由第一换能器2a接收的超声测量信号。

测量模块3因而测量从第二换能器2b到第一换能器2a的全局传输时间tba。

测量模块3随后通过使用以下公式来计算流体的平均速度

其中c是超声波在流体中的速度。例如，超声波在水中的速度大致等于1500米每秒(m/s)，并且其取决于水温。

超声流量计的使用寿命通常在15年至20年的范围内。在该使用寿命期间，第一换能器2a和第二换能器2b的组件遭受老化效应的影响。具体而言，第一换能器2a和第二换能器2b的接收时间趋向漂移，由此降低了测量流体速度的准确度。

发明目的

本发明的目的是补偿超声流量计所遭受的以及归因于超声流量计的换能器的老化而引起的测量漂移。

技术实现要素：

为了达成该目的，提供了一种测量流体速度的方法，该方法由超声流量计执行，该超声流量计具有两个换能器、被定位在这两个换能器之间的反射镜以及处理器装置，该测量方法包括诸测量阶段，每个测量阶段包括诸测量步骤，在此期间：

-这两个换能器之一发射超声测量信号；

-这两个换能器中的另一个换能器在超声测量信号已沿测量路径行进之后接收该超声测量信号；

-处理器装置根据超声测量信号沿测量路径行进所花费的测得的飞行时间来估算流体速度；

该测量方法进一步包括诸补偿阶段，每个补偿阶段包括诸补偿步骤，在此期间：

-这两个换能器之一发射超声补偿信号；

-所述换能器在超声补偿信号已沿补偿路径行进(在此期间其被反射镜反射)之后接收该超声补偿信号；

-处理器装置通过根据超声补偿信号沿补偿路径行进所花费的补偿飞行时间调整所测得的飞行时间来补偿所述换能器的任何测量漂移。

调整所测得的飞行时间用于补偿超声流量计所遭受的以及归因于超声流量计的换能器的老化的任何测量漂移。

还提供了一种如上面所描述的测量方法，其中超声流量计还包括温度传感器，并且其中处理器装置还根据测量阶段期间所测得的流体温度来调整所测得的飞行时间。

还提供了一种如上面所描述的测量方法，其中超声流量计进一步包括存储器，该存储器储存参考表，该参考表包括参考温度值以及连同每个参考温度值一起的参考时间，参考时间是当换能器的老化可忽略不计时由超声参考信号沿补偿路径行进所花费的时间，并且其中对所测得的飞行时间的调整包括：从参考表中提取与同所测得的温度等同的参考温度相对应的参考时间，以及向所测得的飞行时间增加或从所测得的飞行时间减去补偿飞行时间与参考时间之差。

还提供了一种如上面所描述的测量方法，其中补偿阶段包括训练阶段，在此期间：

-温度传感器测量流体的温度并产生参考温度；

-对于每个参考温度，处理器装置测量超声参考信号沿补偿路径行进所花费的参考时间，并将参考温度和参考时间并入参考表中。

还提供了一种如上面所描述的测量方法，其中训练阶段在安装超声流量计之后开始的预定历时的预备周期期间被执行。

还提供了一种如上面所描述的测量方法，其中参考表在安装超声流量计之前被填充。

还提供了一种超声流量计，其包括包含两个换能器和被定位在这两个换能器之间的反射镜的导管，以及被布置成执行如上面所描述的测量方法的处理器装置。

还提供了一种如上面所描述的仪表，其包括两个反射镜，每个反射镜被定位在诸换能器中的相应一个换能器的附近。

还提供了一种如上面所描述的仪表，其中换能器是压电换能器。

还提供了一种如上面所描述的仪表，其中换能器和反射镜的每一者在形状上是环形的，并且与导管的内壁紧密地贴合。

还提供了一种如上面所描述的仪表，其中每个换能器的宽度处于导管的内径的8％至12％的范围内，并且其中反射镜的宽度处于导管的内径的3％至5％的范围内。

还提供了一种计算机程序，其包括用于使超声流量计能够执行如上面所描述的测量方法的指令。

还提供了储存计算机程序的存储装置，该计算机程序包括用于使超声流量计能够执行如上面所描述的测量方法的指令。

在阅读了下面的对本发明的特定、非限制性实施例的描述之后，本发明的其他特征及优点将变得显而易见。

附图说明

参考附图，在附图中：

-图1示出了现有技术的超声流量计。

-图2示出了在其中执行本发明的测量方法的超声流量计；

-图3示出了在其中执行本发明的测量方法的超声流量计的测量设备的导管，该导管以在垂直于导管轴的平面上的截面来示出；

-图4示出了在超声测量信号已沿着限定长度的路径行进之后所接收到的超声测量信号；

-图5示出了第一换能器与其自身之间的第一局域传输时间tla；

-图6示出了本发明的测量方法的步骤。

发明的详细描述

参考图2，在该示例中，本发明的用于测量流体速度的方法在超声波水表中被执行。

超声波水表10包括其中如由配水网供给的水流向设施的导管11、用于测量水速的测量设备12，以及测量导管11中的水温的温度传感器。

水在导管11中从上游流向下游，如图2中可见的箭头9的方向所表示。水可以同样很好地从下游流向上游，其中流体的平均速度v于是为负。

测量设备12包括第一换能器14a、第二换能器14b、第一反射镜15a、第二反射镜15b，以及测量模块16。

第一换能器14a和第二换能器14b是配对的。在该示例中，第一换能器14a和第二换能器14b是压电换能器。

第一换能器14a和第二换能器14b间隔开限定长度l。

参考图3，第一换能器14a和第二换能器14b各自在形状上是环形的，紧密地贴靠在导管11的内壁上。

第一和第二换能器14a和14b的宽度(即，第一和第二换能器14a和14b的外径与内径之差)处于导管11的内径的8％至12％的范围内。在该示例中，第一和第二换能器14a和40b的宽度等于导管11的内径的10％。

第一换能器14a和第二换能器14b的每一者包括包含压电环的金属主体，该金属主体在该示例中由不锈钢制成。第一换能器14a和第二换能器14b的金属主体被拧到导管11。

同样，第一反射镜15a和第二反射镜15b的每一者呈现出紧密地贴合于导管11的内壁的环形形状。

第一和第二反射镜15a和15b两者位于第一换能器14a和第二换能器14b之间。

第一反射镜15a坐落于第一换能器14a的附近，而第二反射镜15b则坐落于第二换能器14b的附近。第一反射镜15a坐落在距第一换能器14a的距离l处，而第二反射镜15b则坐落在距第二换能器14b的距离l处，其中距离l在该示例中等于6毫米(mm)。

第一和第二反射镜15a和15b的宽度处于导管11的内径的3％至5％的范围内。在该示例中，第一和第二反射镜15a和40b的宽度等于导管11的内径的4％。

第一和第二反射镜15a和15b由铝制成，并且它们被拧到导管11上。导管11呈现出两个直径减小的区域，形成肩部。在制造超声波水表10期间，第一反射镜15a和第二反射镜15b被插入到导管11中，并且它们中的每一者在被拧到导管11之前邻接抵靠肩部中的相应一个肩部。这确保了第一和第二反射镜15a和15b被准确地纵向定位在导管11内部。

应当观察到，换能器14和反射镜15经由形成在导管11的厚度中的螺纹孔被从导管11的外部拧紧。通过将树脂施加到螺钉和螺纹孔上来使导管11水密。

测量模块16包括处理器装置18，该处理器装置18包括“智能”处理器组件19，其被适配成执行用于执行本发明的测量方法的各个步骤的程序中的指令。在该示例中，处理器组件19是微控制器，但是它可以是某种其他组件，例如处理器或现场可编程门阵列(fpga)。处理器装置18还包括存储器20。

处理器装置18尤其被布置成控制第一和第二换能器14a和14b，以便获取由第一和第二换能器14a和14b产生的电信号，以便处理这些电信号等。

这一描述开始于通过超声波水表10的测量设备12测量水速的方式。

第一和第二换能器14a和14b的每一者相继执行超声测量信号发射机的功能和超声测量信号接收机的功能。

处理器装置18因而向发射机提供由该发射机变换成超声测量信号se的电信号。在该示例中，电信号是方波信号。处理器装置18获取由接收机接收的超声测量信号sr。

发射机以发射频率fus发射超声测量信号se。在该示例中，频率fus处于900千赫兹(khz)至4兆赫兹(mhz)的范围内。

超声测量信号se因而沿着第一换能器14a与第二换能器14b之间的限定长度l的路径从上游行进到下游并且从下游行进到上游。在该示例中，测量路径是第一换能器14a与第二换能器14b之间的直线路径。

在图2中，第一换能器14a被示出为执行发射机的功能，而第二换能器14b被示出为执行接收机的功能。超声测量信号se因而沿着测量路径从上游行进到下游。超声测量信号se由发射机以电平ne发射。收到超声测量信号sr由接收机以低于电平ne的电平nr接收。

本发明的测量方法包括以规则间隔重复的诸测量阶段。

在每个测量阶段期间，处理器装置18测量由超声测量信号se遵循测量路径从上游到下游所花费的从上游到下游的飞行时间，并且它们接着测量由超声测量信号se遵循测量路径从下游到上游所花费的从下游到上游的飞行时间，并且最后它们根据这些测得的飞行时间来估算水速。

图4示出了如在沿测量路径(从上游到下游或从下游到上游)行进之后由接收机接收到的收到超声测量信号sr。

接收机在时刻t0处与超声测量信号se的发射同步地激活接收。通过发射机和接收机配对并且还由于测量模块16控制两个超声换能器的事实而使得这种同步成为可能。

飞行时间基于确定收到超声测量信号sr的预定波瓣21的到达时刻t1来测量。

在该示例中，到达时刻t1是预定波瓣21的上升前沿到达的时刻。到达时刻t1由过零型方法来测量。

预定波瓣21是收到超声测量信号sr在该收到超声测量信号sr在时间t2处呈现超过预定幅度阈值sa的幅度之后的第j个波瓣。具体而言，在该示例中，第j个波瓣是第四波瓣。

水速接着由处理器装置18因变于测量上游到下游飞行时间及测量下游到上游飞行时间来被估算。

水速与下游到上游飞行时间测量和上游到下游飞行时间测量之差成比例。

应当观察到，在该示例中，测得的水速是跨导管11的直径的平均水速，考虑到水体的速度在导管11的中心处不同于在管壁的附近。

还应当观察到，换能器14和反射镜15的环形形状在导管11中执行水调节器的功能，并且使得在良好的水流稳定性条件下获得对水速的测量成为可能。

除了测量阶段之外，本发明的测量方法还包括补偿阶段，以用于补偿由于第一和第二换能器14a和14b的老化引起的测量漂移的目的。

这一描述从补偿的一般原理开始。

如上面所解释，导管11中的平均水速基于在上游至下游方向和在下游至上游方向上测得的飞行时间来被估算。

然而，由第一换能器14a和第二换能器14b测得的“测量飞行时间”实际上是全局传输时间。

上游到下游的全局传输时间tab使得：

tab＝taa+tofab+trb，其中：

-taa是第一换能器14a的接通时间；

-tofab对应于超声测量信号se沿着第一换能器14a和第二换能器14b之间的测量路径行进所花费的飞行时间；

-trb是第二换能器14b的接收时间。

下游到上游的全局传输时间tba使得：

tba＝tab+tofba+tra，其中：

-tab是第二换能器14b的接通时间；

-tofba对应于超声测量信号se沿着第二换能器14b和第一换能器14a之间的测量路径行进所花费的飞行时间；

-tra是第一换能器14a的接收时间。

可因而根据以下差异来估计水速：

δt＝tba-tab＝(tab+tofba+tra)-(taa+tofab+trb)。

可以清楚地看到，接通时间和接收时间在估计水速时被涉及，并且接通时间和/或接收时间中的任何漂移具有对测量的准确度的影响。

首先考虑其中与接收时间的偏移相比接通时间的偏移可忽略不计的情况。

补偿在于使用第一反射镜15a和第二反射镜15b来估计第一换能器14a和第二换能器14b的接收时间的漂移。

第一换能器14a初始地充当发射机，并随后充当接收机。

类似于上面提到的超声测量信号se的第一超声补偿信号由第一换能器14a发射。第一超声补偿信号沿着第一补偿路径行进，在此期间第一超声补偿信号被第一反射镜15a反射，并且其接着被第一换能器14a接收。第一补偿路径因而是第一换能器14a与第一反射镜15a之间的往返路径。

处理器装置18接着测量第一超声补偿信号沿第一补偿路径行进所花费的第一补偿飞行时间。

该“第一补偿飞行时间”实际上是第一局域传输时间tla。

第一局域传输时间tla以与所测量的飞行时间(或更确切地说是全局传输时间tab和tba)相同的方式来被估计，即通过确定所反射的第一超声补偿信号的第五预定波瓣到达并且由第一换能器14a接收的时刻来被估计。

参考图5，第一局域传输时间tla等于：

tla＝taa+tofaa+tra，其中：

-taa是第一换能器14a的接通时间；

-tofaa对应于第一超声补偿信号沿着第一换能器14a和经由第一反射镜15a的第一换能器14a之间的第一补偿路径行进所花费的飞行时间；

-tra是第一换能器14a的接收时间。

因为第一换能器14a和第一反射镜15a之间的距离(在该示例中等于6mm，即对往返路径而言为12mm)，并且给定了超声波在水中的速度(大约1500米每秒(m/s))，所以飞行时间tofaa约为8微秒(μs)。

第一换能器14a的压电环被方波信号激励最多达8μs的历时，以使得第一换能器14a已停止发射以便监听与第一超声补偿信号的反射相关联的回声，并因而在第一超声补偿信号已被第一反射镜15a反射之后接收该第一超声补偿信号。

此后，第二换能器14b进而充当发射机，并接着充当接收机。第二超声补偿信号由第二换能器14b发射。

处理器装置18接着评估第二换能器14b与其本身之间经由第二反射镜15b的第二局域传输时间tlb。

第二局域传输时间tlb等于：

tlb＝tab+tofbb+trb，其中：

-tab是第二换能器14b的接通时间；

-tofbb对应于第二超声补偿信号沿着第二换能器14b和经由第二反射镜15b的第二换能器14b之间的第二补偿路径行进所花费的飞行时间；

-trb是第二换能器14b的接收时间。

因为第二换能器14b和第二反射镜15b之间的距离(在该示例中等于6mm，即对往返路径而言为12mm)，并且给定了超声波在水中的速度(大约1500米每秒(m/s))，所以飞行时间tofbb约为8μs。

因而，基于第一局域传输时间tla和第二局域传输时间tlb来执行补偿。

尽管如此，应当观察到飞行时间取决于水温。补偿因而还利用参考时间tla_ref和tlb_ref。参考时间tla_ref和tlb_ref是在老化可忽略不计时且在与执行补偿时的水温等同的温度下测得的局域传输时间。

处理器装置18因而计算：

-δta＝tla-tla_ref；以及

-δtb＝tlb-tlb_ref。

然而，由于接通时间漂移与接收时间漂移相比可忽略不计，因此可以将接通时间不会变化视为第一近似。

因而：

-δta＝tra-tra_ref；

-δtb＝trb-trb_ref。

由于第一换能器14a和第二换能器14b的老化引起的测量漂移可接着通过从tab减去δtb并从tba减去δta而在被用于估计水速的差δt＝tba-tab中被补偿。

替代地，可以考虑其中接收时间的漂移与接通时间的漂移相比可忽略不计的情况。

处理器装置18因而计算：

-δta＝tla-tla_ref；以及

-δtb＝tlb-tlb_ref。

然而，由于接收时间漂移与接通时间漂移相比可忽略不计，因此可以将接收时间不会变化视为第一近似。

因而：

-δta＝taa-taa_ref；

-δtb＝tab-tab_ref。

由于第一换能器14a和第二换能器14b的老化引起的测量漂移可接着通过从tab减去δta并从tba减去δtb而在被用于估计水速的差δt＝tba-tab中被补偿。

因而，以上描述是对补偿的一般原理的描述。下面是对补偿阶段的实际性能的描述。可以看出，补偿阶段包括训练阶段和补偿的阶段本身。

每个补偿阶段在两个测量阶段之间被执行。每个补偿阶段旨在补偿在所述补偿阶段之前的测量阶段期间进行的水速的测量。

应当观察到，为了提高测量准确度，在任何给定的时刻，每次超声测量被重复几十次(通常80次)，并取算术平均值以便推导出要被使用的测量。

参考图6，补偿阶段以(单个)初始化步骤(步骤e1)开始，该初始化步骤在超声流量计10已被安装并被投入运行之后进行。在初始化步骤期间，变量“t”被初始化为零。变量t的值根据来自计数器的输出而被递增，以使得变量t测量自初始化步骤以来已流逝的时间。

在初始化步骤之后，第一补偿阶段是训练阶段。

在每个训练阶段期间，超声流量计10的温度传感器13测量水温并产生由处理器装置18获取的参考温度(步骤e2)。

处理器装置18接着控制第一换能器14a，以使得其充当发射机并接着充当接收机。

第一超声参考信号由第一换能器14a发射，并沿着第一补偿路径行进。处理器装置18接着测量第一超声参考信号沿第一补偿路径行进所花费的第一参考时间。

此后，处理器装置18接着控制第二换能器14b，以使得其进而充当发射机并接着充当接收机。

第二超声参考信号由第二换能器14b发射，并沿着第二补偿路径行进。处理器装置18接着测量第二超声参考信号沿第二补偿路径行进所花费的第二参考时间(步骤e3)。

第一超声参考信号和第二超声参考信号在相距足够远的时刻被发射，以确保第一参考时间的测量和第二参考时间的测量不会相互干扰。

参考温度、第一参考时间和第二参考时间接着被合并到参考表中，该参考表被储存在处理器装置18的存储器20中(步骤e4)。

参考表因而由参考温度值来索引。在该示例中，参考温度值被获取并且被以1℃的步长存储。

此后，将变量t与预定历时进行比较，该预定历时在该示例中等于1年(步骤e5)。如果变量t的值小于1年的预定历时，则上面描述的过程在下一个补偿阶段期间被重复。然后，下一个补偿阶段是另一训练阶段。

因而可以理解的是，训练阶段仅在预定历时的预备周期内被执行，预定历时在该示例中等于1年。在这些训练阶段期间，实际上没有补偿被执行，因为在预定历时期间第一和第二换能器14a和14b的老化可忽略不计。训练阶段因而被用来用参考温度、第一参考时间和第二参考时间填充存储器20的参考表。

在返回步骤e5之际，当变量t的值变得大于或等于1年的预定历时时，下一个补偿阶段是实际补偿阶段。

在实际补偿阶段期间，超声流量计10的温度传感器13测量水温(步骤e6)。所得到的水温被认为等于在实际补偿阶段之前的测量阶段期间所测得的水温。

此后，处理器装置18测量第一和第二补偿飞行时间(步骤e7)。

此后，处理器装置18从参考表中提取与同所测得的温度等同的参考温度相对应的第一参考时间和第二参考时间。

处理器装置18接着计算上面提到的δta和δtb，并通过使用δta和δtb调整上游到下游测得的飞行时间(或更确切地说是上游到下游的全局传输时间)和下游到上游测得的飞行时间(或更确切地说是下游到上游的全局传输时间)来补偿第一和第二换能器14a和14b的测量漂移(步骤e8)。

以下补偿阶段再次是实际补偿阶段：步骤e6紧接步骤e8。所有接下来的补偿阶段都是实际补偿阶段，直到与使用寿命终止、更换或对超声流量计10执行维护操作相对应的(单个)最终阶段为止(步骤e9)。

替代地，可以在安装超声流量计10之前省略执行训练阶段并填充参考表。

可接着在设计超声流量计10时填充参考表。单个参考表可接着被用于给定型号的所有超声流量计10。

也可以通过执行校准操作来在制造超声流量计10时在工厂中填充参考表。

自然地，本发明不限于所描述的实施例，而是覆盖落在由所附权利要求限定的本发明的范围内的任何变体。

本发明自然不限于测量水速，而是适用于任何类型的流体(例如气体或油)。

为了执行本发明，不必使用两个反射镜。完全可能只使用被定位在第一和第二换能器之间的一个反射镜。在此类境况下，第一补偿路径是第一换能器与反射镜之间的往返路径，而第二补偿路径是第二换能器与反射镜之间的往返路径。

本文提供的所有数值用于解说本发明，并且它们在执行本发明时自然可以是不同的。