1.本发明基于超声流量测量设备，该超声流量测量设备包括至少一个第一超声转换器和第二超声转换器，其中所述第一超声转换器和所述第二超声转换器分别被构造为超声发送器和/或超声接收器，其中所述第一超声转换器和所述第二超声转换器运行中在测量管道上相对于彼此如此偏移地（versetzt）布置，使得在所述第一超声转换器和所述第二超声转换器之间存在测量路径l，其中所述测量路径l通过在运行中的超声测量信号的走向（verlauf）而被限定，并且所述超声流量测量设备还包括用于控制所述超声转换器和评估所测量的信号的控制和评估单元。
2.此外，本发明涉及一种用于借助超声流量测量设备来确定流动介质的速度的方法，其中所述超声流量测量设备包括至少一个第一超声转换器和第二超声转换器，其中所述第一超声转换器和所述第二超声转换器分别被构造为超声发送器和/或超声接收器，其中所述第一超声转换器和所述第二超声转换器在测量管道上相对于彼此如此偏移地布置，使得在所述第一超声转换器和所述第二超声转换器之间存在测量路径l，其中所述测量路径l通过在运行中的超声测量信号的走向而被限定，并且所述超声流量测量设备还包括用于控制所述超声转换器和评估所测量的信号的控制和评估单元。
背景技术：
3.从现有技术中已知不同类型的超声流量测量设备。例如可以在超声流量测量设备与超声测量设备之间得以区分，其中在所述超声流量测量设备的情况下，用于产生或接收测量信号的超声转换器被集成到测量管道壁中，使得超声信号直接被发送到要测量的介质中，而在所述超声测量设备的情况下，超声转换器则被布置在测量管道的外侧上，使得所述超声信号穿过测量管道壁进入到要测量的介质中并且也再次从所述介质中出来。
4.尤其是，后一种超声流量测量系统具有如下问题：所产生的超声信号从测量管道壁到测量管道中的输入耦合、尤其是输入耦合角（einkoppelwinkel）取决于测量管道的参数、尤其是测量管道材料和测量管道的厚度，但是也取决于流动介质的参数以及取决于当前运行参数。此外，必要时，被发送到测量管道壁中的信号的一部分也作为lamb波（兰姆波）而沿着所述测量管道壁传播开来。
5.这就以下方面而言是不利的：例如在夹合式（clamp-on）测量设备的情况下，其中超声测量装置被布置在集成于测量环境中的管道上，则在测量管道之内的信号走向并非是精确已知的。这导致：该流量测量基于系统错误（systematischer fehler）。
技术实现要素：
6.因此本发明的任务在于，说明一种超声流量测量设备，该超声流量测量设备具有经提高的测量精确度。此外，本发明的任务还在于，说明一种用于确定流动介质的速度的方法，其中该方法具有经提高的测量精确度。
7.根据本发明的第一教导，之前提出的任务通过开头所描述的超声流量测量设备而通过如下方式得以解决：存在至少一个第三超声转换器，该第三超声转换器在运行中这样被布置在测量管道上，使得该第三超声转换器限定了附加的参考路径l0，其中所述参考路径l0包括由至少一个超声发送器所发送到测量管道壁中的lamb波的走向，并且所述控制和评估单元被如此构造，使得该控制和评估单元在运行中在考虑到测量管道壁中的lamb波的传播速度的情况下确定穿过该测量管道而流动的介质的速度。
8.根据本发明已经认识到了：对通常被视为干扰波的lamb波的传播进行的检测能够被用于：确定测量信号到测量管道中的精准进入处（eintritt）或从测量管道中出来的精准出口处（austritt），尤其是输入耦合角。由此，确定流动速度所基于的在测量管道之内的测量路径具有更高精确度。此外，通过对测量管道壁中的lamb波的传播速度的认识也可以确定运行时间偏移（laufzeit-offset），所述运行时间偏移通过如下方式而实现：在测量信号在传播方向上在超声接收器之前击中（treffen auf）该测量管道的情况下，该测量信号重新沿着测量管道传播。
9.如果基于第三超声转换器的根据本发明的布置而确定lamb波在测量管道壁中的传播速度，则能够改善对测量信号的运行时间的确定并且因此改善对流动介质速度的确定。根据本发明，因此至少一个超声转换器如此被定向（ausrichten），使得该超声转换器有针对性地在测量管道壁中激发（anregen）lamb波。
10.基本上，每个超声转换器可以被构造为keil转换器或者超声梳（ultraschallkamm）或者内数字转换器（interdigital-wandler）。特别优选地，第一超声转换器和/或第二超声转换器其中至少之一被构造为超声梳或者内数字转换器根据一种构型方案，该超声流量测量设备是夹合式测量设备。在该构型方案中，超声转换器被安装（aufsetzen）到被集成于设施中的测量管道上。根据一种可替代的构型方案，该测量管道是超声流量测量设备的一部分。在此情况下，该测量管道与超声转换器一起被集成到管道系统中，例如借助于法兰。
11.根据一种特别优选的构型方案，参考路径l0在空间上与测量管道壁之内的测量路径l分离地延伸，优选地基本上与测量管道轴平行地延伸。
12.根据一种构型方案，第三超声转换器如此构造，使得所述第三超声转换器同样可以作为超声发送器和超声接收器来工作。可替代地，该超声转换器也可以仅构造为超声接收器。
13.如果要检测的lamb波在运行中由第一超声转换器发送，则优选地将用于检测在测量信号传播方向上的lamb波的第三超声转换器偏移地并且在与第一超声转换器相同的高度上布置。
14.特别优选地，在第一超声转换器和用于检测lamb波的第三超声转换器之间的间距小于在第一超声转换器和用于检测测量信号的第二超声转换器之间的间距。
15.例如，在第一超声转换器和第二转换器之间布置第三超声转换器。特别优选地，这
三个超声转换器被布置在基本上平行于测量管道轴的直线上。根据这种构型方案，测量路径l优选地构造成v形或w形。可替代地，第三超声转换器也可以布置在与第一超声转换器相同的高度上，其中该第二超声转换器被布置在测量管道的对置侧。
16.同样优选的是，参考路径l0无关于在其间延伸有测量路径l的超声转换器地构造。对此，参考路径l0在第三和第四超声转换器之间延伸，其中第三和第四超声转换器在空间上与第一和第二超声转换器分离地布置。例如，在测量管道的与第一和第二超声转换器对置的一侧上布置第三和第四超声转换器。
17.在测量管道壁中的lamb波的激发和传播速度的确定可以根据该构型方案而特别灵活地进行，这是因为其并不取决于由第一或第二超声转换器进行的测量信号发送。特别优选地，可以根据运行参数的值来对lamb波的传播速度进行确定。为此，优选地存在另外的传感器，所述另外的传感器在运行中确定至少一个过程参数，例如测量管道的温度。如果过程参数的值超过容限范围，则lamb波的传播速度被重新检测。为了保证在流量测量所基于的过程参数情况下对lamb波进行单独测量，将第三和第四超声转换器布置在第一和第二超声转换器的测量环境中。
18.根据下一种构型方案，至少一个超声转换器构造为超声梳或者内数字转换器，使得被构造为超声梳或内数字转换器的所述至少一个超声转换器在运行中发送如下信号，该信号在第一信号路径上朝流动方向传播而在第二信号路径上则相反于流动方向传播，其中信号路径相应于测量路径l并且其中第三超声转换器优选地布置在其他信号路径的一侧上。
19.根据该构型方案，参考路径l0在空间上与测量路径l分离地构造，其中该参考路径l0此外在与测量路径l相反的方向上延伸。这种构型方案具有如下优点：一方面该参考路径l0和测量路径l彼此分离地构造并且此外使用于检测lamb波的第三超声转换器并不布置在用于测量运行时间的超声装置之内。
20.此外还有利的是，将第一超声转换器和第二超声转换器和第三超声转换器构造为超声梳或内数字转换器，并且其中所述第三超声转换器被布置在第一超声转换器和第二超声转换器之间。在这种构型方案中，第三超声转换器不仅可以在第一超声转换器将信号发送到测量管道中的情况下检测到lamb波，而且也可以在第二超声转换器将信号发送到测量管道中的情况下检测到lamb波。
21.此外特别有利的是，参考路径l0的长度比测量路径l的长度更小，其中优选地，比例l0/l小于0.5，并且特别优选地小于0.2或者小于0.1。具体地，该长度l0优选地分配得如此短，使得在传播方向上减弱的（abschw
ä
chend）lamb波能够可靠地测量。本发明的优点尤其是在具有大直径的测量管道的情况下显示出来，因为通过根据本发明对lamb波的确定而得以避免的系统错误在长的测量路径情况下是特别大的。
22.根据另一种特别优选的构型方案，至少第一超声转换器被构造为超声梳或内数字转换器，其中第二超声转换器在流动方向上相对于第一超声转换器如此偏移地布置，使得在这些超声转换器之间存在第一测量路径l，并且其中另一第二超声转换器相反于流动方向相对于第一超声转换器如此偏移地布置，使得在这些超声转换器之间存在第二测量路径l，从而在运行中能够通过第一超声转换器同时朝流动方向以及相反于流动方向来发送测量信号。根据这种构型方案，第三超声转换器优选地布置在第一超声转换器和第二超声转
换器之间。这种构型方案具有如下优点：测量信号的运行时间测量能够特别快速地进行，其中尤其是能够保证：能够在相同过程条件下进行朝流动方向以及相反于流动方向的运行时间的测量。
23.根据本发明的第二教导，开头提出的任务通过开头所提及的用于确定流动介质的速度的方法而得以解决，存在至少一个第三超声转换器，所述第三超声转换器在运行中如此布置在测量管道上，使得所述第三超声转换器限定了附加的参考路径l0，其中所述参考路径l0包括由至少一个超声发送器发送到测量管道壁中的lamb波的走向，并且所述方法包括如下步骤：
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通过第一超声转换器发送第一信号，其中所述第一信号作为测量信号沿着该测量路径l而传播，
‑ꢀ
发送沿着该参考路径l0传播的lamb波；
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通过第三超声转换器检测所述lamb波并且将所接收的信号转发给控制和评估单元，其中所述控制和评估单元确定所述lamb波的传播速度；
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通过第二超声转换器检测测量信号并且将所接收的信号转发给控制和评估单元；
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在考虑所述lamb波的传播速度的情况下确定测量信号的运行时间；
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确定流动介质的速度。
24.在本发明的范畴内，第一方法状况包括如下情形：第一超声转换器发送由第二超声转换器接收的测量信号。第二方法状况涉及如下情形：第二超声转换器发送由第一超声转换器接收的测量信号。流动介质速度的确定基于已知的用于形成如下测量信号的运行时间差的原理，其中所述测量信号在第一方法状况下朝流动方向经过测量路径l而在第二方法状况下相反于流动方向经过测量路径l。
25.用于执行根据本发明的方法的超声流量测量设备优选地根据之前描述的构型方案之一来构造。
26.通过根据本发明地确定在测量管道壁中的lamb波的传播速度，能够以经改善的精确度来确定测量管道中的测量信号的走向，从而能够在结果上使得流动介质速度的测量以及由此使得流量测量的精确度得以改善。
27.具体而言，在检测lamb波的情况下针对参考路径l0确定lamb波的运行时间。由于所经过的（zur
ü
ckgelegt）路程段（wegstrecke）l0已知，能够根据所测量的运行时间来确定lamb波的速度，也即信号在测量管道壁中的传播速度。
28.借助如下关系式能够根据所测量的lamb波的速度来确定测量信号到测量管道中的输入耦合角以及因此确定测量管道中测量路径的精确走向。
29.其中θ是测量信号到测量管道中的输入耦合角，其中cm是介质中的声速并且其中v
lamb
是在测量管道壁中的lamb波的速度。
30.在了解测量管道中测量信号的精确走向的情况下，同样能够确定如下运行时间偏
移（laufzeit-offset），所述运行时间偏移应归因于：测量信号在传播方向上在超声接收器之前击中该测量管道，使得该测量信号在由超声接收器检测到之前还沿着测量管道壁而传播。
31.同样通过了解在测量管道中lamb波的传播速度而实现的对运行时间偏移的确定也改善了测量信号的运行时间测量的精确度，并且因此在结果上改善了对流动介质速度的确定的精确度。
32.根据该方法的优选实施方案，在第二方法状况下第二超声转换器发送沿着测量路径l朝第一超声转换器的方向传播的测量信号，其中该测量信号由第一超声转换器接收并且被转发给控制和评估单元，并且其中流动介质的速度在考虑在第一方法状况下所测量的lamb波的传播速度的情况下得以确定。因为假定lamb波在测量管道壁中的速度至少在包括至少第一和第二方法状况的测量周期持续过程期间是恒定的，所以足够的是，仅仅检测在第一方法状况下被激发的lamb波。
33.替代地，也可以将另外的超声转换器如此布置在测量管道上，使得也可以在第二方法状况下确定沿着测量管道传播的lamb波的运行时间，从而在每个方法状况下测量当前传播速度并且在确定测量信号的运行时间的情况下考虑所述当前传播速度。
34.此外还有利的是，并不在每个第一方法状况下确定lamb波的速度，而是例如以规律的间隔来确定lamb波的速度。例如，测量信号的评估可以一直基于所测量的lamb波的速度直到检测到运行参数的变化，尤其是测量管道的温度的变化。
35.根据一种构型方案，lamb波的传播速度在超声流量测量设备投入运行之前被检测。
36.根据另一种构型方案，在每次测量中都在第一方法状况下确定lamb波的传播速度。
37.根据另一种构型方案，lamb波的传播速度以规律的间隔被检测或者在运行参数变化情况下被检测。
38.现在存在大量的构型和扩展根据本发明的超声流量测量设备和根据本发明的方法的可能性。对此，参照独立专利权利要求的从属专利权利要求以及结合附图对优选实施例的以下描述。在附图中：图1示出现有技术中的超声流量测量设备；图2示出根据本发明的超声流量测量设备的第一实施例；图3示出根据本发明的超声流量测量设备的第二实施例；图4示出根据本发明的超声流量测量设备的第三实施例；图5示出根据本发明的超声流量测量设备的第四实施例；图6示出根据本发明的超声流量测量设备的另一实施例；图7示出根据本发明的超声流量测量设备的另一实施例；图8示出根据本发明的方法的第一实施例。
具体实施方式
39.图1示出从现有技术中已知的超声流量测量设备1的实施例。超声流量测量设备1包括第一超声转换器3和第二超声转换器4，该第一超声转换器在所示出的方法状况下作为
超声发送器来工作，该第二超声转换器在所示出的方法状况下作为超声接收器来工作。
40.所示出的超声流量测量设备1被构造为夹合式测量设备，也即超声转换器3、4被安装到被集成于设施中的测量管道5上并且被定向。测量路径l在第一超声转换器3和第二超声转换器4之间延伸，其中由第一超声转换器3发送的测量信号沿着测量路径l而传播。
41.此外，超声流量测量设备1具有用于操控超声转换器3、4以及用于评估所测量的信号的控制和评估单元6。
42.在所示出的方法状况下，第一超声转换器3将超声信号发送到测量管道5中。对此，该信号首先输入耦合到测量管道壁中。该信号的一部分继续在rayleigh角θ的情况下输入耦合到测量管道中并且沿着该测量路径l传播。在此，该rayleigh角的大小尤其是取决于所产生的超声信号在测量管道壁中的传播速度。图1示出在两个不同角度θ
1 和θ2情况下的输入耦合，其中这两个不同角度通过超声信号在测量管道壁中的不同传播速度而得以区分。由不同的输入耦合角得出测量信号在测量管道5之内的不同的走向。同样示出的是：测量信号在测量信号的传播方向上在超声接收器4之前到达测量管道5并且在该处重新输入耦合到测量管道壁中。在相应的测量路径l处，就此而论伴有（sich anschlie
ß
en）如下偏移（offset），运行时间测量在运行中基于作为系统错误的该偏移。
43.还示出了：由第一超声转换器3输入耦合到测量管道壁中的信号的另一部分作为lamb波而沿着测量管道壁传播。
44.就该构型方案而言不利的是：测量信号的精确走向并非是已知的并且因此使得运行时间偏移也并非是已知的，使得在运行中测量信号的运行时间测量基于系统错误。
45.图2示出根据本发明的超声流量测量设备1的第一实施例。所示出的超声流量测量设备1同样具有第一超声转换器3和第二超声转换器4，其中在第一超声转换器3和第二超声转换器4之间布置如下测量路径l，其中测量信号在超声转换器3、4之间在所述测量路径上传播。此外，存在第三超声转换器7，该第三超声转换器被布置在第一超声转换器3和第二超声转换器4之间。
46.第一超声转换器3如此定向，使得第一超声转换器通过发送测量信号而有针对性地在测量管道壁中激发lamb波，其中该lamb波朝第三超声转换器的方向上传播。
47.第三超声转换器7如此定向，使得该第三超声转换器检测到通过将测量信号输入耦合到测量管道壁中所产生的lamb波。在运行中，第三超声转换器7因此限定了参考段l0。因为lamb波同样作为漏波（leckagewelle）而输入耦合到测量管道中，由此使得其振幅缩小，所以参考段l0的长度对于检测lamb波而言是足够小的。
48.此外，超声流量测量设备1具有控制和评估单元6，该控制和评估单元6在运行中操控这些超声转换器3、4、7并且还评估所测量的信号。具体而言，该控制和评估单元6确定沿着已知的参考段l0的lamb波的运行时间以及lamb波的传播速度。控制和评估单元根据lamb波的传播速度来确定测量信号在测量管道5中的精确走向。结果是，能够由此以经改善的精确度来确定流动介质的速度。
49.图3示出根据本发明的超声流量测量设备1的另一实施例，该超声流量测量设备包括第一超声转换器3和第二超声转换器4，其中测量路径l在第一超声转换器和第二超声转换器4之间延伸。第一超声转换器3和第二超声转换器4被布置在测量管道5上的彼此相对置侧上。在第一超声转换器3旁边布置第三超声转换器7，该第三超声转换器在运行中检测与
第一测量信号一起输入耦合到测量管道壁中的lamb波。所述lamb波沿着测量管道壁平行于测量管道轴而传播。此外示出了：lamb波在传播的走向上同样输入耦合到测量管道中，由此削弱了沿着传播方向的lamb波的强度。
50.图4示出了根据本发明的超声流量测量设备1的另一实施例。该超声流量测量设备1同样具有第一超声转换器3和第二超声转换器4，其中在所述第一超声转换器3和第二超声转换器4之间形成测量路径l。此外，存在第三超声转换器7和第四超声转换器8，其中所述第三超声转换器7和第四超声转换器8关于第一超声转换器3和第二超声转换器4的布置而言分开地布置。
51.在第三超声转换器7和第四超声转换器8之间实现所述参考路径l0，从而在运行中穿过测量管道壁的测量信号的传播速度也可以总是与为了运行时间测量而进行的测量信号发送无关地被确定并且可以使流动介质速度计算基于所述测量信号的传播速度。第三超声转换器7和第四超声转换器8被布置在第一超声转换器3和第二超声转换器4的测量环境中。由此保证了：像是运行时间测量那样在相同过程条件下确定在测量管道壁中测量信号的传播速度。
52.图5示出了根据本发明的超声流量测量设备1的另一实施例。与之前示出的超声流量设备1不同，第一超声转换器3和第二超声转换器4被构造为超声梳，从而使测量信号并且因此也使得在测量管道壁中传播的lamb波不仅在流动方向上而且也相反于流动方向而延续（fortsetzen）。在所示出的实施例中，用于检测在测量管道壁中传播的lamb波的第三超声转换器7与测量管道5之内的测量信号的传播方向相反地布置在第一超声转换器4旁边。
53.图6示出根据本发明的超声流量测量设备1的下一实施例。该超声流量测量设备1包括用于发送测量信号的第一超声转换器3和接收该测量信号的两个超声转换器4。在此，不仅超声发送器3而且超声接收器4也被构造为超声梳。一个超声转换器4从构造为发送器的超声转换器3出发在流动方向上布置，而另一个超声转换器4则从构造为发送器的超声转换器3出发相反于流动方向而布置。此外，存在其他超声转换器7，所述其他超声转换器如此布置，使得所述其他超声转换器检测通过发送测量信号而激发的lamb波。
54.所示出的超声转换器3、4的布置具有如下优点：能够同时朝流动方向以及相反于流动方向发送测量信号，从而能够同时朝流动方向以及相反于流动方向进行测量信号的运行时间的测量。因此，根据测量信号朝流动方向以及相反于流动方向的运行时间而特别快速地对流动速度进行确定。尤其是，因此保证了：在朝流动方向以及相反于流动方向的运行时间测量之间不存在过程参数变化。
55.用于同时检测朝流动方向以及相反于流动方向的测量信号的所示装置当然也可以无关于对lamb波的速度的检测而进行。此外，这些超声转换器4也可以被构造为keil转换器或者内数字转换器。
56.图7示出根据本发明的超声流量测量设备1的下一实施例，其中所有超声转换器3、4、7都被构造为超声梳。用于检测lamb波的第三超声转换器7在此被布置在第一超声转换器3和第二超声转换器4之间。在这种构型方案中，超声转换器7不仅可以记录由第一超声转换器3所发送的lamb波而且也可以在第二超声转换器4作为超声发送器工作的情况下记录由该第二超声转换器4所发送的lamb波。
57.图8示出用于利用超声流量测量设备1确定流动介质的速度的根据本发明的方法2
的第一实施例，其中该超声流量测量设备1根据图2至7中的构型方案之一来构造。
58.在第一步骤9，第一超声转换器3发送第一信号，其中该第一信号作为测量信号沿着该测量路径l而传播。
59.同时，通过该第一超声转换器3或其他超声转换器8在测量管道壁中产生10沿着参考路径l0传播的lamb波。
60.通过第三超声转换器7检测11lamb波并且将所接收的信号转发给该控制和评估单元6，其中该控制和评估单元6确定lamb波的传播速度。
61.通过第二超声转换器4检测测量信号并且将所接收的信号转发给控制和评估单元6。
62.接下来，该控制和评估单元6在考虑lamb波的传播速度的情况下确定13所述测量信号的运行时间。
63.最后，控制和评估单元6在考虑所测量的lamb波的情况下确定14流动介质的速度。在此，基于朝着流动方向以及相反于流动方向而传播的测量信号的运行时间差来进行速度确定。
64.具体地，控制和评估单元6根据lamb波在测量管道壁中的传播速度来确定rayleigh角，该测量信号在所述rayleigh角的情况下被输入耦合到测量管道5中。通过这种方式，测量信号在测量管道5之内所经过的路程段能够特别精确地得以确定。此外，控制和评估单元6同样能够确定测量信号的运行时间偏移，所述运行时间偏移通过如下方式得出：使测量信号在传播方向上在第二超声转换器4之前击中测量管道5。
65.作为结果，通过测量管道5的测量信号的运行时间能够特别精确地得以确定并且因此使得介质的流动速度能够特别精确地得以确定。
66.根据超声转换器3、4、7、8的构型方案和布置，在第二超声转换器4在沿着测量路径l的相反传播方向发送测量信号并且同时又激发在测量管道壁中的lamb波的情况下，lamb波在测量管道壁中的传播速度也能够得以检测。可替代地，在第一方法状况下所确定的lamb波的传播速度也能够基于在第二方法状况下的所测量的信号的评估。
67.附图标记列表1 超声流量测量设备2 用于确定流动介质的速度的方法3 第一超声转换器4 第二超声转换器5 测量管道6 控制和评估单元7 第三超声转换器8 第四超声转换器9 通过第一超声转换器发送第一信号10 发送lamb波11 通过第三超声转换器检测lamb波12 通过第二超声转换器检测测量信号13 确定测量信号的运行时间
14 确定流动介质的速度。