改进的信号行程时间流量计制造技术

本申请提供了一种用于确定流体导管中的液体的流速的方法。在信号生成阶段期间，将脉冲信号施加到第一超声波换能器。然后在第二超声波换能器处接收响应信号。稍后从响应信号导出测量信号，其中，导出包括相对于时间反转信号部分。在测量阶段期间，液体相对于流体导管移动。然后将测量信号施加到两个换能器中的一个，并且在另一个换能器处测量测量信号的响应信号。从测量信号的响应信号导出流速。

【技术实现步骤摘要】
改进的信号行程时间流量计
本申请涉及流量计，具体而言，涉及超声波行程时间流量计。
技术介绍
各种类型的流量计目前用于测量通过管道的流体(例如液体或气体)的体积流量。超声波流量计或者是利用声学多普勒效应的多普勒流量计，或者是有时也称为传输流量计的行程时间流量计，其利用由源和介质的相对运动引起的传播时间差。行程时间也被称为飞越时间或渡越时间。超声波行程时间流量计计算在流动方向上和逆流动方向上传播的超声波脉冲的传播时间的差。作为管线式流量计，也称为侵入式或湿式流量计，或者作为夹合式流量计，也称为非侵入式流量计，来提供超声波流量计。流量计的其它形式包括文丘里管道，溢流门槛，雷达流量计，科里奥利流量计，差压流量计，磁感应流量计和其他类型的流量计。当存在不规则流量剖面或开放通道时，多于一个传播路径可能是确定平均流速所必需的。其中，在诸如IEC41或ENISO6416的水文测验标准中说明了多路径过程。作为进一步的应用，超声波流量计也用于例如利用声学多普勒海流剖面仪(ADCP)测量流量剖面。ADCP也适用于测量河流和开阔水域的水流速和排放量。
技术实现思路
本说明书的目的是提供一种改进的时差流量计和相应的方法，用于测量通常的流体，特别是用于诸如水，油的液体或气体，的平均流速或流量剖面。在根据本说明书的流量测量设备中，例如压电元件形式的声换能器，也称为压电换能器，用于生成和接收测试信号和测量信号。可替换的声发射器包括激发金属膜振动的激光器，或简单的扬声器。还可以以其它方式产生压力波。接收器侧也可以由不同于压电换能器但检测超声波的其他装置表示。尽管在本说明书中经常使用术语“压电换能器”，但是其也代表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以通过匹配滤波器来建模。如果尖峰脉冲用作探针或测试信号，那么在换能器处接收的信号是流体的导管或通道的脉冲响应。根据本申请，将脉冲响应相对于时间的反转版本通过与测量信号相同的通道，在相反方向上或者在相同方向上发送回来。这分别导致在原始源处的起点具有峰值的信号，或者在原始接收器处具有峰值的信号。相对于时间的反转可以以几种方式实现。如果将模拟装置用于记录响应信号，则可以以反向模式播放记录的响应信号。如果将数字装置用于记录响应信号的样本，则将所记录的样本的顺序倒转以便获得反转信号。这可以通过将每个记录的样本的时间戳的值反转，将各自的时间值乘以(-1)来实现。如果按照时间戳值的升序播放，就以相反的顺序播放记录的样本。换句话说，反转的响应信号是记录的响应信号，但是逆向播放。根据本说明书的超声波流量计通过使用上述反转信号或类似形状的信号来提供集中特性，用于超声波流量计形成在空间和时间上集中的响应信号。这又导致在接收压电元件处的更高的振幅和更好的信噪比。利用根据本说明书的超声波流量计，可以在非常一般的条件下获得集中。例如，如果反转信号的时间分辨率足够，即使仅激励一个超声发射器，并且即使将反转信号简化到仅在振幅范围内粗略数字化的信号，也获得了集中特性。此外，根据本说明书的流量计可以与夹合式换能器一起使用，夹合式换能器容易定位在管道上并且不需要对管道进行修改。在根据本说明书的流量测量方法中，可以调整相对于测量信号的振幅的位分辨率。具体而言，可以调整位分辨率以获得响应信号的高振幅。根据一个实施例，增大位分辨率以增大对测量信号的响应信号的振幅。在一个实施例中，以预定步长增大位分辨率，选择产生具有最高振幅的响应信号的位分辨率，将测量信号的相应表示存储在计算机存储器中。根据另一实施例，减小位分辨率以增大对测量信号的响应信号的振幅。在一个实施例中，以预定步长减小位分辨率，选择产生具有最高幅度的响应信号的位分辨率，将测量信号的相应表示存储在计算机存储器中。具体而言，位分辨率可以是低位分辨率，诸如存储在一个数字或两个数字中的分辨率，特别是一个或两个二进制数字中的。根据其他实施例，低位分辨率包括至少1位分辨率和至多64位分辨率。根据进一步的实施例，处理第一响应信号以确定或导出管道的壁厚度的变化，或者通过确定纵向和横向声波特性来确定或导出管道壁的材料特性。例如，横向和纵向波特性可以从接收或响应信号的对应部分导出，其对应于声波的不同到达时间。根据该实施例，相同的响应信号用于确定流速和用于检测上述特性。因此，不再必须使用单独的信号或单独的装置来检测诸如污染和材料缺陷的影响，尽管可以使用单独的信号或单独的装置。此外，导出的通道特性可以用于获得更精确的流速估计。在根据本说明书的超声波流量计中，确保夹合式换能器的良好耦合和方向性以减少散射的技术特征可以不是必需的，或者相反，其甚至可以改善集中。为了提供增大的散射，可以选择适合于液体的折射率的耦合材料，或者可以使用提供更多剪切波的换能器和换能器耦合。优选地，在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，但是其甚至可以高达800MHz。在许多情况下，超声波流量计以几百kHz或更高的频率远高于听阈操作。时差超声波流量计的通过频率通常在kHz或MHz范围内。根据一个方面，本说明书公开了一种计算机实施的方法，用于使用传输时间超声波流量计来确定流体导管或通道中流体的流速。特别地，该方法可以用于管道或管子，但也可用于开放通道应用，例如用于排水或灌溉渠道的应用。在优选实施例中，“计算机实施的”是指在诸如微处理器，ASIC，FPGA等的小型电子部件上的执行，其可以用在便携式或紧凑式固定数字信号处理设备中，固定数字信号处理设备通常具有比工作站或主机计算机更小的尺寸，并且可以沿着流体管道放置在所需位置。在下文中，术语“通道”，“导管”，“通路”，“管道”等被用作同义词。本申请的主题可以应用于用于流体的所有类型的导管，而与其各自的形状无关，并且与其是否是开放的或封闭的或完全填充的或部分填充的无关。本申请的主题还可以应用于所有类型的流体或气体，无论它们是气体还是液体，或两者的混合物。在测量信号生成阶段期间，为流体导管提供有相对于流体导管具有预定速度的流体，特别是相对于流体导管基本上静止的流体。测量信号从响应信号生成，响应信号是传输通道响应于最初施加的脉冲信号而生成的。脉冲信号被施加到第一超声波换能器，例如压电换能器，其中，脉冲信号具体是指具有集中在短时间段内的信号能量的信号。在特定实施例中，脉冲信号仅在载波的几个振荡周期上延伸，例如10-20个振荡周期或更短。特别地，脉冲信号的包络可以具有矩形形状，但是其他形状也是可能的。例如，脉冲信号可以对应于一次峰值或单个脉冲，短矩形脉冲串或任何其它信号形状，例如锯齿形，矩形波，线性调频脉冲，正弦波或预定噪声脉冲串，诸如白噪声或粉红噪声，其也被称为1/f噪声。该方法几乎适用于脉冲信号的任何信号形状。对于每个测量，不需要重复信号生成阶段。例如，其可以在第一次测量之前和在流体导管中例如由于沉积物，腐蚀和热应力的条件改变的稍后时间进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定流体导管中的流体的流速的方法，包括：/n-为所述流体导管提供相对于所述流体导管具有预定速度的流体，/n-将预定测量信号施加到第一超声波换能器和第二超声波换能器中的一个，所述测量信号包括脉冲信号的响应信号或从其导出的信号的相对于时间的反转信号部分，/n-在所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器中的另一个处测量所述测量信号的第一响应信号，/n-从所述第一响应信号导出所述流体的流速。/n

【技术特征摘要】
20140729 IB PCT/IB2014/0635021.一种用于确定流体导管中的流体的流速的方法，包括：
-为所述流体导管提供相对于所述流体导管具有预定速度的流体，
-将预定测量信号施加到第一超声波换能器和第二超声波换能器中的一个，所述测量信号包括脉冲信号的响应信号或从其导出的信号的相对于时间的反转信号部分，
-在所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器中的另一个处测量所述测量信号的第一响应信号，
-从所述第一响应信号导出所述流体的流速。


2.根据权利要求1所述的方法，包括：
-重复施加所述测量信号并沿相反方向测量所述响应信号的步骤以获得第二响应信号，
-从所述第一响应信号和所述第二响应信号导出所述流体的流速。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，
用于导出所述测量信号的所述信号部分包括在所述响应信号的最大振幅周围的第一部分和尾部信号部分，所述尾随信号部分在所述最大振幅的到达时间后在时间上延伸。


4.根据权利要求1所述的方法，包括：
-重复施加脉冲信号和接收相应的响应信号的步骤多次，从而获得多个响应信号，
-从所接收的响应信号的平均值导出所述测量信号。


5.根据权利要求1所述的方法，
其中，测量信号的导出包括相对于振幅数字化响应信号或从其导出的的信号。


6.根据权利要求5所述的方法，包括：增加数字化信号的位分辨率以增加对所述测量信号的响应信号的振幅。


7.根据权利要求5所述的方法，包括：减小数字化信号的位分辨率，以增加对所述测量信号的响应信号的振幅。


8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述数字化信号相对于所述振幅的位分辨率是低位分辨率。


9.根据权利要求1所述的方法，包括：处理响应信号中的至少一个，以确定所述导管的壁厚度的变化，或者通过确定纵向和横向声波特性来确定导管壁的材料特性。


10.一种用于在行程时间超声波流量计中测量流速的设备，包括：
-第一连接器，用于第一超声波元件，
-第二连接器，用于第二超声波元件，
-发送单元，用于向所述第一连接器发送脉冲信号，
-接收单元，用于从所述第二连接器接收对所述脉冲信号的响应信号，
-反转单元，用于相对于时间反转所述响应信号以获得反转信号，
-处理单元，用于从所述反转信号导出测量信号并存储所述测量信号。


11.根据权利要求10所述的设备，进一步包括：
-D/A转换器，所述D/A转换器连接到所述第一连接器，
-A/D转换器，所述A/D转换器连接到所述第二连接器，
-计算机可读存储器，用于存储所述测量信号。


12.根据权利要求10所述的设备，进一步包括：选择单元，用于选择所接收的响应信号的一部分或从中导出的信号的一部分，其中，所述反转单元用于相对于时间反转所述响应信号的所选部分以获得所述反转信号。


13.根据权利要求10所述的设备，所述设备包括：
-测量信号发生器，所述测量信号发生器可连接到所述第一连接器或所述第二连接器，
-发送模块，用于将所述测量信号发送到所述第一连接器，
-接收单元，用于从所述第二连接器接收所述测量信号的响应信号，
-第二处理单元，用于从所接收的响应信号导出流速。


14.根据权利要求10所述的设备，所述设备包括：
直接数字信号合成器，所述直接数字信号合成器包括ADC，
频率控制寄存器，基准振荡器，数控振荡器和重构低通滤波器，所述ADC可通过所述重构低通滤波器连接到所述第一连接器和所述第二连接器。


15.根据权利要求10所述的设备，所述设备包括：
-第一超声波换能器，所述第一超声波换能器连接到所述第一连接器，
-第二超声波换能器，所述第二超声波换能器连接到所述第二连接器。


16.根据权利要求10所述的设备，包括：管道的一部分，所述第一超声波换能器在第一位置处安装到所述管道部分，
及所述第二超声波换能器在第二位置处安装到所述管道部分。


17.一种计算机可读程序代码，包括用于执行根据权利要求1至9之一所述的方法的计算机可读指令。


18.一种计算机可读存储器，所述计算机可读存储器包括权利要求17所述的计算机可读程序代码。


19.一种专用电子组件，其可操作以执行根据权利要求1所述的方法。


20.一种根据权利要求1所述的用于确定测试设备是否正在测量流体导管中的流体的流速的方法，包括：
-为所述流体导管提供相对于所述流体导管具有预定速度的流体，
-将测试脉冲信号施加到所述测试设备的第一超声波换能器，所述第一超声波换能器在第一位置处安装到所述流体导管，
-在所述测试设备的第二超声波换能器处接收所述测试脉冲信号的测试响应...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·沃纳·海思，特朗·栋·隆，克劳斯迪特尔·欧迟，尤尔根·海因茨弗里德里希·斯克普阿莱，
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