用于调试和/或检查超声流量测量部位的方法与流程

背景技术：

超声流量计广泛应用于过程技术与自动化技术中。它们允许以简单的方式确定管线路中的体积流量和/或质量流量。公知的超声流量计通常根据传播时间差原理工作。利用传播时间差原理，相对于液体流动方向评估超声波的、尤其是超声脉冲的、即所谓的脉冲串(brust)的不同传播时间。为此，与管轴线成一定角度地顺流和逆流发送超声脉冲。根据传播时间差，可以确定流速，进而当已知管线路区段的直径时可以确定体积流量。

借助于所谓的超声换能器生成或接收超声波。为此，超声换能器固定地附接在相关管线路区段的管壁部中。还公知有夹合式超声流量测量系统。在这类系统中，超声换能器从管外部压紧在该管的管壁上。夹合式超声流量测量系统的一大优势是，它们不接触测量介质并可附接到现有的管线路上。

正常情况下，超声换能器由机电式的换能器元件(例如压电元件)和耦合层组成。就夹合式系统而言，在机电式的换能器元件中生成超声波作为声音信号，并将其导引通过耦合层到达管壁部且自此被导引到液体中。

压电元件与耦合层之间可以布置有另外的耦合层，即所谓的适配层。适配层再次承担传送超声信号的功能，同时减少两种材料间的边界层因声阻抗不同而引起的反射。

在夹合式系统以及内联式系统中，在共同的平面中在管上，要么在管的相对置的侧上布置有超声换能器对，于是，投射到管横截面上的声音信号将沿着割线延伸穿过管至少一次或(n+1)次，要么在管的同一侧上布置有超声换能器对，于是，声音信号在管的相对置的侧上反射，由此声音信号沿着投影到穿过管的横截面的割线交叉管至少两次或n次，其中，n为偶数自然数。还公知具有两个以上超声换能器的夹合式流量测量部位，这些超声换能器沿管轴线从外部布置在管的一侧上或相对置的侧上。

夹合式流量计的特征在于，它们可以安装在现有管线路上而不会中断过程。为了让夹合式仪器可以成功投入运行，必须满足某些要求：

-必须根据应用参数正确选出传感器类型，并在电子器件中进行设定。还必须正确传输传感器特定的参数(如有的话)。

-必须根据应用参数正确计算和设定形成传感器对的两个超声换能器之间的距离。

-超声换能器必须正确地彼此相对取向且相对于管轴线取向。

不遵守这些要求会导致测量不可靠性增高，在极端情况下会导致测量失败。

现有的夹合式系统在执行各个组装步骤时被提供的支持很少。由此会总是出现无法充分满足上述要求的错误安装。不符合要求一般不会被自动辨认和显示。

ep1573276b1揭示了一种用于借助设有显示器的定位单元将夹合式流量测量计定位在容器上的设备。

技术实现要素：

本发明的任务是，提供一种简化将超声换能器组装到管线路上的方法。

该任务通过根据权利要求1的方法来解决。

根据本发明的用于借助操作单元调试和/或检查超声流量测量部位的方法，其中，操作单元具有至少一个显示单元和相机，其中，超声流量测量部位具有用于引导介质的管线路和至少一个超声换能器，该方法包括：

-识别在操作单元对面的超声流量测量部位；

-基于超声流量测量部位的标识获知能设定的参数；

-借助相机捕获超声流量测量部位的至少一个部件的几何数据；

-分析所捕获的几何数据，并且基于分析结果和标识推导出针对其中至少一个待设定的参数的至少一个参数值；

-至少基于所推导出的参数值获知至少一个最佳组装定位；

-借助显示单元显示至少一个最佳组装定位和/或至少显示针对至少一个待设定的参数的参数值；以及

-利用其中一个最佳组装定位检查超声换能器的组装定位，并且/或者将超声换能器定位到其中一个所获知的最佳组装定位上。

有利的是，借助相机捕获超声流量测量部位的几何数据，并且将其提供给操作员以供调试。特别有利的是，操作员仅需用相机拍摄超声流量测量部位，并且直接以显示的方式得到最佳组装定位。最佳组装定位还包括超声换能器应优选定位的最佳区域。

操作单元的显示单元显示出操作员或相机的当前视场。操作单元的相机同时捕获周围环境并“看到”与操作员相同的视场。在最简单的情况下，显示单元是具有投影仪的组合式的透明玻璃。操作员透过玻璃观察。透过玻璃观察到的环境称为视场。投影仪被设计成用于将操作员可感知到的投影投射到玻璃上。因此，经由操作员当前的视场显示出最佳组装定位。设置的是，在对应于最佳组装定位的那一部位处，给超声流量测量部位叠加符号。

可以使用各种操作单元来投入运行。在最简单的情况下，操作单元是调控/评估单元的一部分，并与超声换能器或超声流量测量部位连接。另一种可能是移动终端设备，诸如智能电话、平板型计算机或智能手表。

在最简单的情况下，显示单元包括显示屏形式的显示器，其附接在超声流量测量部位，尤其是附接在调控/评估单元。替选地，显示单元是移动终端设备的显示屏或数据眼镜的屏幕。替选地，显示单元是投影仪，其将待设定的参数或最佳组装定位投影到超声流量测量部位上，尤其是投影到管线路上。

识别超声流量测量部位可以采取不同的方式来进行。在最简单的情况下，操作员从操作单元的显示单元上显示的列表中选出超声流量测量部位。随后，从内部数据库中检索过程参量和/或系统参量以及待设定的参数。替选地，尤其是借助超声流量测量部位与操作单元之间的无线电连接，尤其是蓝牙或wi-fi，从超声流量测量部位读取标识数据。另一种可能是现场仪器的光学识别。为此，借助相机捕获超声流量测量部位并查验限定的几何形状，将其与数据库进行比较。现场仪器的光学识别还包括读取附接到超声流量测量部位上的光学码，例如二维码，尤其是条形码、qr码或数据矩阵。通过对测量部位的识别，也可以更新状态，例如变化的信号强度、传播时间等。这特别有利于电池运行的测量部位，这是因为出于能源原因，状态不变的持续通信是不希望的。

如果没有提供过程参量和/或系统参量，则在识别之后进行附加的方法步骤，其方式是：通过操作员接收过程参量和/或系统参量以获知流量。过程参量和/或系统参量包括管直径、管壁厚、用于确定管中声速的管材料、用于确定介质中声速的介质以及可能的横贯次数。但也可由仪器基于上述过程参数获知并输出建议的横贯次数。此外，过程参量和/或系统参量还包括传感器相关的参数，例如传感器类型、至少一个传感器频率、中心频率和/或频率范围、超声换能器中的角度和/或超声换能器中的声速。

可以根据超声流量测量部位的标识来设定参数。能设定的参数是从超声换能器到在流入侧或流出侧所附接的干扰部的距离(尤其是到阀、弯管或挡板的距离)、超声换能器的纵轴线与管轴线之间的角度、两个超声换能器纵轴线间的夹角、各个超声换能器之间的距离、各个超声换能器的取向以及由分隔超声换能器的直线与管的竖直的纵向平面形成的中心点角。另外的能设定的参数也可以是横贯次数。

可以根据所接收的几何数据获知例如测量管的外径。

在最简单的情况下，能设定的参数仅包括两个超声换能器之间的待设定的距离或当前组装定位与最佳组装定位之间的待设定的距离。

公知有如下超声流量测量部位，在其中，超声换能器借助安装设备附接到管线路上。这一情况在获知最佳组装定位时应被考虑到。于是，仅显示或附加地显示安装设备在管线路上的最佳组装定位。

如果在检查组装定位后证实超声换能器位于最佳组装定位之一上，则在显示单元上以光学方式或以声音信号向操作员指示这一点。

根据一设计方案，借助相机捕获超声流量测量部位的参考几何形状，其中，参考几何形状在至少一个维度上具有限定的长度或限定的角度，其中，基于参考几何形状创建超声流量测量部位的三维拓扑模型，尤其是超声流量测量部位的三维多边形网格。

从文献中已知slam问题(“simultaneouslocalizationandmapping，同时定位与建图”)，其涉及机器人技术中移动式机器人必须同时创建其周围环境的地图并估计其在该地图内的定位的问题。该问题的一种解决方案是借助于参考几何形状计算三维拓扑模型，尤其是多边形网格。为此，相机要么围绕参考几何形状运动，要么借助微小运动来最低限度地改变相机到参考几何形状的视角。借助立体相机可以省略该第一步骤。替选地，可以使用深度相机，其独立承担该步骤。随后，采取拓扑模型形式创建测量部位的三维成像。将参考几何形状的其中至少一个维度上的限定的长度传达给操作单元，由此操作单元计算三维拓扑模型的具有表征性的标志之间的限定的距离。通过扩展或扩张例如多边形网格可以确定操作单元在三维空间中的空间大小和位置。

在最简单的情况下，在超声流量测量部位或超声换能器上附接形成参考几何形状的标记。这些标记可以具有固定的长度或固定的角度，操作单元在获知几何数据时根据它们进行对准。

特别有利的是，可以显示所创建的拓扑模型，随后由操作员借助操作单元对其进行编辑或匹配。

根据一设计方案，使用三维拓扑模型来获知由相机捕获的几何数据。

在根据本发明的方法的优选改进方案中设置的是，使用三维拓扑模型来测定由相机捕获的对象，并且限定出由相机捕获并在视场上显示的对象的标尺。由于操作单元已知了三维拓扑模型的标度，因此可以捕获并测定测量部位的任意几何形状或几何数据。这种方法具有极高的精度。结合根据本发明的方法，尤其是测出超声流量测量部位的维度和/或超声流量测量部位的部件，诸如管线路或超声换能器。

此时，在显示单元上例如可以显示这些部件的尺寸指示和/或可以持续插入标尺长度，当操作员将相机移向超声流量测量部位的部件或移离这些部件时，或者当使用相机的变焦功能时，标尺长度会动态变化。此外，当发生诸如超声换能器在测量部位上移位的变化时，所显示的尺寸指示会将进行匹配。

捕获几何数据首先包括借助图像识别算法来辨认测量部位，尤其是根据所拍摄的图像或拓扑模型来辨认测量部位的各个零件。如果清楚识别出各个零件，便可推导出几何数据。

根据一设计方案，在分析所捕获的几何数据的范围内，创建超声流测量部位的至少一个部件的至少一个三维可视化模型。

三维可视化模型可以采用不同的设计。在最简单的情况下，它是例如箭头形式的标记，其指示最佳组装定位或最佳取向。在改进方案中，三维可视化模型表示应附接有超声换能器的区域。理想情况下，三维可视化模型以待附接的超声换能器的形式表示超声换能器，从而使得操作员仅需保证待附接超声换能器的轮廓与三维可视化模型相符即可。

根据一设计方案，该方法包括以下方法步骤：

-显示管线路上最佳组装定位处的三维可视化模型；

-借助相机捕获至少是所附接的流量换能器的几何和定位数据；

-借助操作单元，检查三维可视化模型的几何和定位数据与所附接的超声换能器的几何和定位数据的相符度，其中，使用三维拓扑模型来获知由相机捕获的定位数据。

有利地，操作单元被设立成用于借助超声流量测量部位的几何数据确定超声换能器的几何和定位数据。

如果这些几何和定位数据与基于最佳组装定位和超声流量测量部位标识所创建的三维可视化模型的几何和定位数据相符，则调试完成。

根据一设计方案，在显示单元上显示操作员的视场，且其中，可视化模型将超声流量测量部位的部件至少部分地叠加在显示单元所显示的视场上。

特别有利的是，可视化模型直接显示在借助显示单元显示的视场上或与超声流量测量部位叠加示出。因此，将直接在相关的部位处向操作员显示如何进一步优化设置超声流量测量部位。

此方法适用于具有透明玻璃的操作单元。

根据一设计方案，显示单元将相机所捕获的持续更新的图像可视化为操作员的视场，其中，可视化模型将超声流量测量部位的部件至少部分地与在显示单元所显示的图像叠加。

操作单元的显示单元显示由相机拍摄的实时图像。操作员应将操作单元对准超声流量测量部位，使得相机捕获超声流量测量部位的各个部件。将可视化模型安置在相机的当前实时图像上方。此方法适用于不具有透明玻璃而是具有传统显示屏作为显示单元的操作单元。

根据一设计方案，该方法包括以下方法步骤：

-分析所捕获的定位数据，以及基于分析结果和标识推导出针对其中至少一个待设定的参数的至少一个参数值。

特别有利的是，借助相机和操作单元监视超声换能器的组装或定位。如果按规定附接了超声换能器，则可以例如借助操作单元发送信号告知操作员或在显示单元上显示给操作员这一情况。

根据一设计方案，使用数据眼镜作为操作单元。

特别有利的是，操作单元是数据眼镜。由此，操作员除了设立和附接超声换能器并将其与所显示的最佳组装定位作对照之外，不必附加地握持操作单元。

这样的数据眼镜具有屏幕，该屏幕显示由相机拍摄的视场。对于操作员而言，由相机捕获的视场就像自己的眼睛捕获到一样。替选地，数据眼镜具有将图像投影到眼镜的镜片或玻璃上的投影仪。操作员通过眼镜的镜片看到周围环境。同时，眼镜的相机捕获周围环境的程度与操作员的眼睛捕获周围环境的程度相同。并非将由相机拍摄的周围环境的整个视场投影到镜片上，而是仅将可视化模型投影到镜片上。适用于根据本发明的方法的后一种类型的数据眼镜的示例是微软公司出产的“hololens”。

根据一设计方案，使用移动终端作为操作单元。

对此适用的但是智能电话或平板型计算机，但也适用于具有网络摄像头的笔记本电脑，该网络摄像头允许在与操作员相反的方向上捕获周围环境。借助移动终端设备的输入机构，例如借助触碰触摸屏、借助按键输入和/或借助鼠标输入，进行选出符号、增大/减小参数值、操纵参数值和/或移位符号。

根据一设计方案，显示单元是将可视化模型投影到管线路上的投影仪，优选为便携式自主型投影仪。

根据一设计方案，相机和显示单元组装在至少一个三脚架上，并布置成与管线路相距限定的距离。

根据一设计方案，显示单元是将动态光图案投影到管线路上并因此获得几何数据的投影仪，优选为便携式自主型投影仪。在此情况下，动态是指例如将栅格投影到场景上并且栅格的定位随时间变化。几何数据借助电光距离测量并优选地借助光学三角测量来获知。

根据一设计方案，该方法包括以下方法步骤：

-将借助超声流量测量部位所获知的测量值转发到操作单元；

-在考虑测量值的情况下获知最佳组装定位；以及

-根据测量值更新最佳组装定位。

在根据本发明的方法的有利设计方案中设置的是，借助无线电连接，尤其是蓝牙，将测量值和/或流量测量部位的标识转发到操作单元。作为蓝牙的替选方案，可以使用任意无线电连接，例如wi-fi或zigbee。替选地，可以将测量值间接地转发到操作单元。为此，测量值未以直接途径发送到操作单元，而是从超声流量计转发到不同于超声流量计的实体，例如转发到设施的调度中心、另一个超声流量计、另外的操作单元、基于云的数据库等。然后将测量值从该实体转发到操作单元。

根据一设计方案，相机未附接到操作单元，而是仅与操作单元处于数据交换。相机可以仅用于拍摄图像，然后将图像发送到操作单元并在那里进行评估。替选地，相机被设立成用于基于图像获知几何数据并将这些几何数据传递给操作单元。

根据一设计方案，操作单元考虑到借助超声流量测量部位所获知的测量值来获知最佳组装定位。测量值包括信号强度和/或信噪比。在组装超声换能器中，可能发生尽管保持最佳组装定位但未检测到足够高信号强度的情况。例如，当信号路径中存在空气、管表面腐蚀或管内侧形成覆层时，则会发生这种情况。如果信号强度不符合预期，则由操作单元获知新的最佳组装定位并将其输出到显示单元。

附图说明

下面结合附图对本发明予以详述。其中：

图1：示出根据现有技术的超声流量测量部位；

图2：示出调试超声流量测量部位的示意图；

图3：示出调试超声流量测量部位的另一示意图；以及

图4：示出根据本发明的方法流程作为方法链的第一设计方案。

具体实施方式

图1示出管线路或管7中的超声测量信号的声路径sp的示意图。夹合式流量测量计1根据公知的传播时间差法来获知管7中介质9的体积流量或质量流量。夹合式超声流量测量计1的主要部件是两个超声换能器或超声传感器2；3和调控/评估单元8。两个超声换能器2；3借助紧固设备(图1中未单独示出)附接到管7上。相应的紧固设备在现有技术中已众所周知，也可由申请人提供和销售。介质9沿流动方向s流过内径为di的管7。

超声换能器2；3具有至少一个压电元件4；5作为产生和/或接收超声测量信号的必要组成部分，并具有耦合楔块6；16。超声测量信号经由耦合楔块6；16并经由管壁10耦入到被介质9流过的管7中，或者从管7中耦出。两个超声换能器2；3设计为使得它们发射和接收超声测量信号。(如前所述)两个超声换能器2；3之间的最佳距离c取决于不同的系统参量和/或过程参量。为了确保由一个超声换能器2；3发射的最大能量也能被另一个超声换能器3；2接收到，需要将超声换能器2；3与各自的应用情况相协调地进行定位。这些系统参量和过程参量例如是管7的内径di、管7的壁厚dr、制造管7的材料的声速cr或介质9中的声速cm。原则上，在初次组装期间以及在至少一个过程参量和/或系统参量发生显著变化时总是需要调校超声换能器2；3。

在所示的实施例中，两个超声换能器2；3间的距离c被如下这样地测定，即，使得根据传播时间差法由两个超声换能器2；3交替发射和接收的超声测量信号仅经过由介质9流过的容器7中的一个声路径sp传播。声路径sp具有两次横贯。一次横贯表示声路径sp中超声测量信号与容器7交叉一次的子区域。交叉可以是直径的或弦的。

如果至少大致已知以下参量，则可算出超声换能器的最佳组装定位。这些参量具体如下：

-超声换能器2；3到管壁10的距离ds；

-管壁10的厚度dr；

-管7的内径di；

-先导体6、7中的声速cs；

-管7中的声速cr；

-介质9中的声速cm；

-超声换能器2；3中的角度as；

-管7中的角度ar；

-介质中的角度am；

-横贯次数n。在所示的情况下，n＝2。

借助于斯涅尔定律，使得管7中的入射角ar可用下式表示：

进入介质9中的射入角am可用下式表示：

然后，可以基于下式计算超声测量信号在声路径sp上的传播时间t目标：

如果已知所有参数，则根据上式计算超声测量信号的传播时间t目标。另外，这里假设管线路7中的流量为零。在大量应用情况下，至少介质9中的声速cm是未知的。其与待引导的介质的温度、压力和成分有关。因此，所测得的传播时间t实际与所算出的传播时间t目标不相符，这是因为在许多情况下，为简化起见，对介质9的声速cm取估值。当在单独的方法中测量介质9中的声速cm时，可以获得更好的结果。

随后，测量超声测量信号的实际传播时间t实际并将其与所算出的传播时间t目标进行比较。如果基于比较表明所测得的传播时间t实际大于预定的传播时间t目标，则须将两个超声换能器2；3彼此挪近，即缩短两个超声换能器2；3间的距离c。反之，如果所测得的传播时间t实际小于预定的传播时间t目标，则须将两个超声换能器2；3彼此挪远，即增大距离c。根据本发明，在显示单元上向操作员显示超声换能器2；3应向哪个方向进行相对运动和相对运动多少值或要将超声换能器2；3附接到管线路上的哪个定位处。

图2示出根据本发明的方法的第一设计方案。借助操作单元14，在此情况下为智能电话或平板计算机，尤其是借助附接在操作单元14的相机17，获知两个超声换能器2；3间的已被设定的距离，并且计算到达最佳组装定位所需的待设定的距离dx并借助显示单元12显示该距离dx。可视化模型11是指示第二超声换能器3必须移位的方向的箭头。附加地，还显示第二超声换能器3必须移位的长度dx。

图3示出根据本发明的方法的第二设计方案。借助操作单元14，在显示单元12上，除了用相机17拍摄到的图像之外还将三维可视化模型11安置或投影到管线路15上。可视化模型11是基于所捕获的几何和定位数据来创建。操作员此时仅需将第二超声换能器3附接到管线路15，使得第二超声换能器3的借助附接在背离显示屏的一侧上的相机17和操作单元14拍摄的几何和定位数据与可视化模型11的几何和定位数据相符。如果完成此操作，超声流量测量部位则将投入运行。

图4示出调试夹合式超声流量测量系统的方法链的示例。下面以测量部位首次投入运行的情况来描述该方法。在第一步骤中，操作员用其操作单元的相机来识别现有的测量部位。在此设计方案中，操作单元是数据眼镜。数据眼镜具有充当输出单元的屏幕，并且借助投影仪在该屏幕上显示测量部位的标识。这包含状态信息以及获知最佳组装定位所需的参量。如果尚未预先检测到全部参量，则显示这一情况，从而使得操作员可以稍后进行检测。此外，还可以基于检测到的标识建议横贯布置方案并将其显示在显示单元上。在识别测量部位之后，基于用相机捕获的图像创建测量部位的拓扑模型。借助图像识别算法分析图像，并且识别测量部位的各个零件，诸如管、超声换能器或干扰部。由此可以获知测量部位或各个零件的几何数据，并且可以推导出实际状态。在此情况下，实际状态描述了在没有超声换能器的管线路，其中，迄今尚未设定能设定的参数。基于测量部位的标识和实际状态创建目标状态。根据目标状态获知可视化模型，将其显示在屏幕上。在此情况下，在测量部位、尤其是在管的外部区域处显示应优选附接第一超声换能器的区域。该区域与测量部位的标识以及在入口或出口处附接的可能的干扰部有关。在屏幕上将可视化模型投影给操作员。将可视化模型与操作员视场中捕获到的测量部位叠加。因此，操作员获得了关于应确切定位和附接第一超声换能器的信息。附接后，获知所附接的超声换能器的定位数据，并将其与先前获知的最佳组装定位进行比较。如果它们相符，则检查调试是否完成。操作单元从借助相机拍摄和分析的图像中辨认出仅附接了单个超声换能器。操作单元根据第一超声换能器的定位数据来获知针对第二超声换能器的至少一个最佳组装定位。可视化模型对此进行匹配，从而在视场中这一次以超声换能器的形式向操作员显示最佳组装定位。操作员将第二超声换能器附接到所显示的部位处。例如，只有当所附接的超声换能器的轮廓与可视化模型的轮廓相符并且能设定的参数因此占据目标状态时，调试才完成。在最后的方法步骤中，在屏幕上向操作员显示超声换能器已成功组装的提示。

附图标记列表

1超声流量计

2第一超声换能器

3第二超声换能器

4压电元件

5压电元件

6耦合楔块/先导体

7容器/管

8调控/评估单元

9介质

10管壁

11可视化模型

12显示单元

13显示屏

14操作单元

15管线路

16耦合楔块/先导体

17相机

s流动方向

sp声路径

ds超声换能器到管壁的距离

dr管壁厚度

di管内径

cs先导体中的声速

cr管中的声速

cm介质中的声速

as超声换能器中的角度

ar管中的角度

am介质中的角度

n横贯次数

c超声换能器间的距离

dx到理想组装定位的距离