改进的波束成形声学信号行进时间流量计制造技术

用于确定流体管道中的流速的方法和对应的装置。向所述流体管道提供第一、第二和第三超声换能器，其中换能器之间的相应连接线延伸到所述流体管道的对称轴外部。将第一和第二测量信号施加到所述第一超声换能器且分别在所述第二和所述第三超声换能器处接收。所述测量信号包括响应信号相对于时间的相应反转信号部分。测量相应的第一和第二响应信号，且从所述第一和第二响应信号中的至少一个导出所述流速。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改进的波束成形声学信号行进时间流量计
当前应用涉及流量计，且特定来说涉及超声行进时间流量计。
技术介绍
不同类型的流量计当前在使用中用于测量通过管路的例如液体或气体等流体的体积流量。超声流量计是利用声学多普勒效应的多普勒流量计，或利用源和介质的相对运动所导致的传播时间差的行进时间流量计(有时也被称为发射流量计)。行进时间也称为飞行时间或运送时间。超声行进时间流量计评估流动方向中以及逆着流动方向传播的超声脉冲的传播时间差。超声流量计提供为直插式流量计(也被称作侵入性或润湿流量计)，或提供为钳式流量计(也被称作非侵入性流量计)。其它形式的流量计包含文丘里通道(Venturichannel)、溢出槛(overflowsill)、雷达流量计、科氏流量计(Coriolisflowmeter)、差压流量计、磁性电感流量计和其它类型的流量计。当存在不规则流剖面或明渠时，可能必需一个以上传播路径来确定平均流速。其中，在例如IEC41或ENISO6416等比重测定标准中描述多路径程序。作为另一应用，还使用超声流量计来测量流剖面，例如利用声学多普勒电流剖面仪(ADCP)。ADCP还适于测量河流和开放水域中的水速和排水量。
技术实现思路
本说明书的一目标是提供一种改进的运送时间流量计和一种用于测量大体来说流体且确切地说例如水等液体或气体的平均流速或流剖面的对应的计算机实施的方法。在根据本说明书的流量测量装置中，例如呈压电元件的形式的声音换能器(也被称作压电换能器)用于产生和接收测试信号和测量信号。替代的声音发射器包括激发金属隔膜或其它光吸收表面以振动的激光器，或线圈驱动的扩音器。还可以其它方式产生压力波。接收器侧还可由不同于压电换能器但检测超声波的其它构件表示。尽管当前描述中常常使用术语“压电换能器”，但其还表示产生或检测超声波的其它声波换能器。根据本说明书的测量信号可由匹配滤波器建模。如果急剧地成峰状的脉冲用作探针或测试信号，那么换能器处的所接收信号为流体的管道或通道的脉冲响应。根据本申请案，相对于时间的脉冲响应的倒转型式在相反方向上或在相同方向上经由与测量信号相同的信道发送回去。这分别导致在原始源所处的起点处具有峰值的信号，或导致在原始接收器处具有峰值的信号。相对于时间的倒转可以若干方式实现。如果模拟构件用于记录响应信号，那么可在反转模式中播放所记录的响应信号。如果数字构件用于记录响应信号的样本，那么所记录样本的次序反转以便获得倒转信号。这可通过使每一所记录样本的时戳的值倒转(通过将相应时间值乘以(-1))来实现。如果根据时戳值的升序播放，那么所记录样本以相反次序播放。换句话说，倒转响应信号是所记录响应信号，但反向播放。根据本说明书的超声流量计通过使用针对超声流量计的上述倒转信号或类似成形的信号以形成响应信号来提供聚焦性质，所述响应信号在空间和时间上都是集中的。这继而产生接收压电元件处的较高振幅和较好的信噪比。利用根据本说明书的超声流量计，可在极其普通的条件下获得聚焦和波束成形性质。举例来说，如果倒转信号的时间分辨率足够，那么即使当激发仅一个超声发射器时且即使当倒转信号经简化成振幅范围仅粗略数字化的信号时，也获得聚焦性质。此外，根据本说明书的流量计可以与钳式换能器一起使用，所述钳式换能器易于定位在管路上且并不需要修改管路。在根据本说明书的超声流量计中，确保钳式换能器的良好耦合和定向性且减少散射的技术特征可能不是必需的，或相反，甚至省略所述技术特征可能改进波束成形特性。为了提供增加的散射，可选择适于液体的折射率的耦合材料，或可使用换能器与换能器耦合，这提供更多剪切波。优选地，根据本说明书的流量计中使用的声波的频率在>20kHz和2MHz之间，这对应于0.5微秒(μs)的振荡周期，但其甚至可高达800MHz。在许多情况下，超声流量计在数百kHz或更高的频率下在远高于听力阈值的条件下操作。运送时间超声流量计的频率通常在kHz范围中或MHz范围中。根据一个方面，当前说明书公开一种用于使用发射时间超声流量计确定流体管道或通道，确切地说管路或管件中流体的流速的计算机实施的方法。在优选实施例中，“计算机实施”指代在例如微处理器、ASIC、FPGA等小规模电子组件上执行，所述小规模电子组件可以在通常具有比工作站或大型主机计算机小的尺寸且可放置在沿着流体管路的所需位置处的便携式或紧凑型静止数字信号处理装置中使用。在下文中，术语“通道”、“管道”、“通路”等用作同义词。本申请案的标的物可应用于流体的所有类型的管道，而与其相应形状无关且与其打开还是关闭无关。本申请案的标的物还可应用于所有类型的流体或气体，不论其是气体还是液体，或是两者的混合物。贯穿本申请案，常常使用术语“计算机”。尽管计算机包含例如膝上型计算机或台式计算机等装置，但信号发射和接收还可由微控制器、ASIC、FPGA等进行。此外，换能器之间的连接线可相对于流体管道的中心偏移以便获得预定层中的流速，且可存在一对以上换能器。此外，测量信号可由一个以上换能器提供，且/或对于测量信号的响应信号可由一个以上换能器测量。时间间隔中的信号s(t)的信号能量E可依据表达式或其离散型式定义，其中所述时间间隔分别由[T1,T2]或[m*Δt,n*Δt]给出。测量信号的前沿部分可对在空间和时间上成峰状的信号的产生作出重大贡献。在一些特定实施例中，测量信号或响应信号可由经振幅调制的振荡信号提供，所述经振幅调制的振荡信号相对于振幅例如以1位和12位之间的分辨率数字化。这可提供计算速度和存储器空间方面的益处，且甚至可产生增加的信号峰值。确切地说，本说明书的图中展示的数据已经以12位分辨率获得，图30-35除外，图30-35已经以比12位粗略的分辨率获得。根据另一实施例，施加到换能器的测量信号可包括振荡信号，其根据0-1调制而调制从而提供预定振幅或无振幅，或换句话说零振幅。根据另一方面，公开一种用于在行进时间超声流量计中测量流速的装置。所述装置包括：第一连接器，其用于连接第一压电元件；第二连接器，其用于连接第二压电元件；任选的数/模转换器(DAC)，其连接到第一连接器；以及任选的模/数转换器(ADC)，其连接到第二连接器。此外，所述装置包括计算机可读存储器、电子计时器或振荡器、用于将脉冲信号发送到第一连接器的发射单元，以及用于从第二连接器接收对于脉冲信号的响应信号的接收单元。术语流的速率、流速率和流速在本申请案中用作同义词。虽然所述装置可提供为无A/D和D/A转换器且无计算机可读存储器单元的模拟装置，但也可能为所述装置或其部分提供数字计算机系统。确切地说，例如速度处理单元、选择单元和倒转单元等各种信号处理单元可由专用电子组件或由具有计算机可读指令集的程序存储器完全或部分提供。类似地，发射单元的测量信号产生器和脉冲信号产生器可由专用电子组件完全或部分提供，所述专用电子组件可包括计算机可读指令集。根据另一实施例，所述装置包括包含上述ADC的直接数字信号合成器(DDS)。所述DDS包括频率控制寄存器、参考振荡器、数控振荡器和重建低通滤波器。此外，ADC可经由重建低通滤波器连接到第一和第二连接器。此外，当前说明书公开一种流量测量装置，其具有连接到第一连接器的第一压电换能器，且具有连接到第二连本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定流体管道中流体的流速的方法，包括：向所述流体管道提供具有相对于所述流体管道的预定速度的流体，向所述流体管道提供第一超声换能器、第二超声换能器和第三超声换能器，其中所述第一超声换能器、所述第二超声换能器和所述第三超声换能器之间的相应连接线延伸到所述流体管道的对称轴外部，将第一测量信号施加到所述第一超声换能器，以及在所述第二超声换能器处测量所述第一测量信号的第一响应信号，将第二测量信号施加到所述第一超声换能器，在所述第三超声换能器处测量所述第二测量信号的第二响应信号，其中所述第一测量信号和所述第二测量信号分别包括对应的脉冲信号或从其导出的信号的响应信号相对于时间的反转信号部分，从所述第一响应信号和所述第二响应信号中的至少一个导出所述流体的流速。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定流体管道中流体的流速的方法，包括：向所述流体管道提供具有相对于所述流体管道的预定速度的流体，向所述流体管道提供第一超声换能器、第二超声换能器和第三超声换能器，其中所述第一超声换能器、所述第二超声换能器和所述第三超声换能器之间的相应连接线延伸到所述流体管道的对称轴外部，将第一测量信号施加到所述第一超声换能器，以及在所述第二超声换能器处测量所述第一测量信号的第一响应信号，将第二测量信号施加到所述第一超声换能器，在所述第三超声换能器处测量所述第二测量信号的第二响应信号，其中所述第一测量信号和所述第二测量信号分别包括对应的脉冲信号或从其导出的信号的响应信号相对于时间的反转信号部分，从所述第一响应信号和所述第二响应信号中的至少一个导出所述流体的流速。2.根据权利要求1所述的方法，包括将第一相反方向测量信号施加到所述第二超声换能器，以及在所述第二超声换能器处测量所述第一相反方向测量信号的第一相反方向响应信号，将第二相反方向测量信号施加到所述第三超声换能器，在所述第一超声换能器处测量所述第二相反方向测量信号的第二相反方向响应信号，其中所述第一相反方向测量信号和所述第二相反方向测量信号分别包括对应的脉冲信号或从其导出的信号的响应信号相对于时间的反转信号部分，从所述第一响应信号、所述第一相反方向响应信号、所述第二响应信号和所述第二相反方向响应信号中的至少一个导出所述流体的流速。3.根据权利要求1所述的方法，包括将第三测量信号施加到所述第二超声换能器，在所述第三超声换能器处测量所述第二测量信号的第三响应信号，其中所述第三测量信号包括对应的脉冲信号或从其导出的信号的响应信号相对于时间的反转信号部分，从所述第三响应信号导出所述流体的至少一个流速。4.根据权利要求3所述的方法，包括将第三相反方向测量信号施加到所述第三超声换能器，在所述第二超声换能器处测量所述第三相反方向测量信号的第三相反方向响应信号，其中所述第三相反方向测量信号包括对应的脉冲信号或从其导出的信号的响应信号相对于时间的反转信号部分，从所述第三响应信号和所述第三相反方向响应信号导出所述流体的至少一个流速。5.一种用于确定流体管道中流体的流速的方法，包括：向所述流体管道提供具有相对于所述流体管道的预定速度的流体，向所述流体管道提供第一超声钳式换能器和第二超声钳式换能器，其中所述第一超声钳式换能器和所述第二超声钳式换能器之间的连接线延伸到所述流体管道的对称轴外部，将测量信号施加到所述第一超声钳式换能器，在所述第二超声钳式换能器处测量所述测量信号的响应信号，其中所述测量信号包括对应的脉冲信号或从其导出的信号的响应信号相对于时间的反转信号部分，从所述响应信号导出所述流体的流速。6.根据权利要求5所述的方法，包括将相反方向测量信号施加到所述第二超声钳式换能器，在所述第一超声钳式换能器处测量所述测量信号的相反方向响应信号，其中所述测量信号包括对应的脉冲信号或从其导出的信号的响应信号相对于时间的反转信号部分，从所述响应信号导出所述流体的流速。7.根据权利要求1所述的方法，其中用于导出所述相应测量信号的所述信号部分包括响应信号的最大振幅周围的第一部分和拖尾信号部分，所述拖尾信号部分在时间上延续到所述最大振幅的到达时间之后。8.根据权利要求1所述的方法，包括处理所述响应信号中的至少一个用于确定所述管道的壁厚的改变或用于通过确定纵向和横向声波特性来确定管道壁的材料特性。9.根据权利要求1所述的方法，包括向所述流体管道提供流体，将第一脉冲信号提供到所述第一或所述第二超声换能器中的一个，在所述第一或所述第二超声换能器中的另一个处接收所述第一脉冲信号的第一响应信号，将第二脉冲信号提供到所述第一或所述第三超声换能器中的一个，在所述第一或所述第三超声换能器中的另一个处接收所述第二脉冲信号的第二响应信号，从所述第一响应信号导出所述第一测量信号，从所述第二响应信号导出所述第二测量信号，所述相应第一和第二测量信号的所述导出包括选择所述相应第一和第二响应信号或从其导出的信号的信号部分，且使所述信号部分相对于时间反转，存储所述第一测量信号和所述第二测量信号以供稍后使用。10.根据权利要求5所述的方法，包括向所述流体管道提供流体，将脉冲信号提供到所述第一超声钳式换能器和所述第二超声钳式换能器中的一个，在所述第一超声钳式换能器和所述第二超声钳式换能器中的另一个处接收所述脉冲信号的响应信号，从所述响应信号导出所述测量信号，所述测量信号的所述导出包括选择所述相应响应信号或从其导出的信号的信号部分，且使所述信号部分相对于时间反转。存储所述测量信号以供稍后使用。11.根据权利要求9所述的方法，包括重复施加脉冲信号和接收对应的响应信号的步骤多次，借此获得多个响应信号，从所述所接收的响应信号的平均值导出所述相应测量信号。12.根据权利要求9中任一项所述的方法，其中所述相应测量信号的所述导出包括相对于振幅数字化所述对应的响应信号或...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·沃纳·海思，尤尔根·海因茨弗里德里希·斯克普阿莱，特朗·栋·隆，克劳斯迪特尔·欧迟，
申请(专利权)人：GWF测量系统有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH