用于验证按渡越时间差法进行的超声波流量测量所获知的测量数据的可靠性的方法以及超声波流量计

摘要

本发明涉及一种用于验证按渡越时间差法进行的超声波流量测量所获知的测量数据的可靠性的方法，其中，通过具有至少两个超声波换能器的超声波流量计，沿着或逆着测量介质的流动方向倾斜地发出和接收超声波信号，其中，在接收基本上经过换能器之间的测量介质传播的第一超声波有效信号之前的第一时间窗口之内，接受第一超声波干扰信号，其中，第一超声波干扰信号至少部分地在超声波换能器之间的测量介质中传播，其中，在接收基本上经过换能器之间的测量介质传播的第二超声波有效信号之前的第二时间窗口之内，接受第二超声波干扰信号，其中，第二超声波干扰信号至少部分地在超声波换能器之间的测量介质中传播；其中，第一和第二超声波有效信号配属于两个沿相反的方向经过介质发射的超声波信号，并且其中，获知用于评估测量值的测量不准确性的质量判据，该测量值与由第一和第二超声波有效信号获知的渡越时间差成比例，该测量值的获知包括形成第一与第二干扰信号之间的差。

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的用于验证按渡越时间差法 (Laufzeitdifferenz-Methode)进行的超声波流量测量所获知的测量数据 的可靠性的方法以及一种根据权利要求9的超声波流量计。

背景技术

超声波流量计经常在过程技术和自动化技术中使用。它们允许了 以简单的方式确定管路中的体积流量和/或质量流量。

根据最新的研究，在超声波流量测量中出现超声波杂散信号，它 们不仅经由超声波流量计的测量管的管壁传递，而且逐段地经过测量 介质传播。此类干扰信号在已经很小的温度改变下具有关于测量误差 的很高的波动幅度，并且因此难以补偿这些干扰信号。

发明内容

以该基本的认识为出发点，现在本发明的任务在于，鉴于前述的 对温度敏感的干扰信号的出现和程度，来验证超声波测量所获知的测 量数据的可靠性。

本发明通过提供具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求8 的特征的超声波流量计来解决该任务。

用于验证按渡越时间差法进行的超声波流量测量所获知的测量数 据的可靠性的方法，其中，通过具有至少两个超声波换能器的超声波 流量计沿着或逆着测量介质的流动方向倾斜地发出和接收超声波信 号，根据本发明，所述方法包括：

-在接收第一超声波有效信号之前的第一时间窗口之内接受第一 超声波干扰信号，该第一超声波干扰信号基本上经过换能器之间的测 量介质传播，其中，第一超声波干扰信号至少逐段地经过换能器之间 的测量介质传播；

-在接收第二超声波有效信号之前的第二时间窗口之内接受第二 超声波干扰信号，该第二超声波干扰信号基本上经过换能器之间的测 量介质传播，其中，第一和第二超声波有效信号分别配属于两个沿相 反的方向经过介质发射的超声波信号；以及

-获知用于评估测量值的测量不准确性的质量判据，该测量值与 由第一和第二超声波有效信号获知的渡越时间差成比例。

通过获知质量判据作为用于不对称的管波的规模的项，实现了对 超声波测量的整体验证和对所获知的单个测量数据的验证。

验证可以要么通过由最终用户对质量判据的鉴定来实现，要么由 评估单元例如通过声学或光学的输出来执行。

本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。

在验证质量判据之后，评估单元可以附加地根据预定的额定值有 利地决定，所获知的单个测量值是否足够可靠。单个测量值的可靠性/ 不可靠性例如可以通过视觉上不同的显示来实现。因此，例如可以用 红色显示不可靠的单个测量值而用黑色或绿色显示可靠的单个测量 值。

有利的是，质量判据通过比较运算获知，该比较运算包括从第一 和第二超声波干扰信号获知平均的平方差，因为由此可以实现更好的 误差估计。

理想地，第一和第二时间窗口一样大，从而无需为无法比较的更 长的时间窗口花费附加的测量耗费和能量耗费。

根据本发明，超声波流量计包括至少两个超声波换能器和一个评 估装置，该评估装置构造用于验证按渡越时间差法，尤其是按权利要 求1的方法进行的超声波流量测量所获知的测量数据的可靠性。

本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。

有利的是，超声波流量计具有显示单元，用以输出当前获知的测 量不准确性。

一种根据本发明的用于通过具有至少两个超声波换能器的超声波 流量计来确定测量介质的流速或流量的方法，其中，沿着或逆着测量 介质的流动方向倾斜地发出和接收超声波信号，其中，通过下列步骤 实现对由基本上在超声波换能器之间的测量介质的外部传播的超声波 干扰信号引起的测量误差的补偿：

a)以经调制的脉冲重复周期沿着测量路径发出超声波发射信号序 列；

b)接收包括超声波有效信号的超声波接收信号序列，其中，超声 波有效信号分别与至少一个超声波干扰信号叠加；并且

c)对超声波接收信号序列或由此推导出的值取平均，用以减小由 超声波干扰信号引起的测量值误差。

超声波发射信号可以依次沿一个方向发出。备选地，超声波脉冲 的发射方向可以任意改变，然而其中，确保了为两个发射方向使用相 同的调制模式。

尤其在来自于之前的发射脉冲的超声波干扰信号中实现了降低测 量值误差。

附图说明

图1示出具有超声波有效信号和超声波干扰信号的接收信号；

图2示出不对称的超声波干扰信号；

图3示出两个重叠的对称的超声波干扰信号；

图4示出在介质的温度改变时不对称的超声波干扰信号的测量误 差的改变；

图5示出在介质的温度改变时对称的超声波干扰信号的测量误差 的改变；

图6示出两个超声波信号的重叠，其包括超声波有效信号范围和 前置的干扰信号范围；

图7示出通过脉冲序列调制降低不对称的超声波干扰信号的温度 相关性；以及

图8示意性地示出根据现有技术的超声波流量计。

具体实施方式

下面应根据针对具有超声波换能器对的超声波换能器装置的实施 例详细阐释本发明和基于本发明的特别的问题。具有多于两个超声波 换能器的超声波换能器装置也是已知的，本发明同样可以应用在这些 超声波换能器装置上。

在按时间原理进行的超声波流量测量时，与流动方向成特定角度 地发射超声波脉冲经过要测量的介质。这例如通过两个彼此朝向地取 向的超声波换能器来实现，其中，每个超声波换能器都在第一运行模 式时用作超声波发射器或在第二运行模式中用作超声波接收器。

在之前所述的具有两个超声波换能器(也被称为超声波换能器对) 的超声波换能器装置中，超声波换能器交替地以电信号来激励，由此 发出超声波脉冲。为了示出测量原理，在图8中绘出了例如由 WO 2009068691 A1公知的典型的超声波流量计。超声波信号延伸经过 位于测量管中的测量介质，然而，该超声波信号也经由测量管传递。

此外，也已知了夹持式超声波流量计。在此，除了通过测量管壁 的传递之外，必要时通过附加的耦合介质(Kopplungsmedium)和/或 (在腐蚀性的测量介质中)通过测量管内衬还添加了信号传递路径， 利用这些耦合介质(例如超声波耦合膏)，超声波换能器与超声波流 量计的测量管耦合。另一超声波换能器将到来的超声波再次转换成电 信号，该电信号被加强和进一步处理。

两个超声波换能器被称为超声波换能器A和超声波换能器B。根 据沿哪个方向发射超声波，所接收的信号按照下面的表格以y_AB(t) 或y_BA(t)来标注：

由超声波换能器产生的超声波脉冲基于例如在超声波换能器与测 量管之间的材料分界面上的反射和折射而散射成大量分波，从而在另 一超声波换能器上，除了跟随直接的路径(按斯涅尔折射定律)的主 脉冲之外，还有大量散射波到达。对应地，接收信号除了时间上受限 的主脉冲之外还具有叠加的类似噪声的信号，该信号对应所有散射波 的总信号。尽管一些分量不仅可以在管壁(或接受器)中传播，而且 也可以经过介质传播，但是该总信号仍经常被称为管波。

在图1中示出了接收信号在时间上的走向。首先出现约10-30μV 的小振幅的区域。在约130μs之后，开始了主脉冲的信号，也就是用于 评估渡越时间差所需的实际的有效信号的信号。最后在约145μs时出现 衰减，在衰减时，信号分量一方面由于接收超声波换能器的过渡振荡 而减小，并且另一方面是管波的分量。为了能更好地识别，管波1的 分量和主脉冲2的分量以图形来凸显。在本发明中，同义地使用术语 “干扰信号”和“管波”，正如同义地理解术语“主波”和“超声波 有效信号”那样。

如看到的那样，管波的分量(其还直接经由测量管传递)的传递 比主信号的传递快得多。在当前的情况下，选择试验条件而使得出现 相对较强的管波。

两个传播方向的接收信号可以简单地通过下列方程式来说明：

y_AB(t)＝n_AB(t)+x(t-0.5·Δt)

y_BA(t)＝n_BA(t)+x(t+0.5·Δt)

                         (1)

其中，n_AB(t)或n_BA(t)是各自的管波信号。噪声信号，如电子噪声、 电磁干涉或环境噪声并未考虑，因为它们通常要比管波信号弱得多。

主脉冲x(t)的传播时间根据其是否顺流或逆流地经过介质传播而 提高或减小了0.5·Δt。

渡越时间差Δt是测量值，利用其来确定流量。因为管波与主脉冲 叠加，所以这些管波也影响渡越时间差Δt的估计。这意味着，超声波 流量计的测量误差还与主脉冲的振幅与管波的振幅之比相关。这个比 也被称为信噪比(英语SNR＝Signal-to-Noise Ratio)。在此，由管波引 起的测量误差与介质的温度和测量管(接受器)的温度相关。

研究已表明的是，如果两个管波n_AB(t)和n_BA(t)有差异，测量误差 就随温度强烈且快速地变化。可以表明的是，差异由基于之前在测量 管中和在介质中的单个测量而存在的声波引起。在此，本文开头所述 的过程被称为单个测量，在该过程中，一个超声波换能器发出超声波 脉冲而另一超声波换能器将到来的超声波信号再次转换成电信号，该 电信号被增强且为了进一步处理而在特定的时间段中被记录。

这些在下列方程式中被称为或的长期的干扰声波或管 波，针对两个传播方向来说有差异。为此的可能的解释在于，干扰声 波或管波不仅在测量管中传播，而且也通过流动的介质分区段地传播。 来自方程式(1)的管波信号可以按照下列方程式分别示出为纯粹与流 量无关的管波信号n_P(t)和与流量相关且因此不同的分量或的和。

$\left(\begin{array}{c}{n}_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=n_P\left(t\right)+{\bar{n}}_{\mathrm{AB}}\left(t\right)\\ n_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=n_P\left(t\right)+{\bar{n}}_{\mathrm{BA}}\left(t\right)\end{array}\right)---\left(2\right)$

分量n_P(t)，也就是具有的管波，应被称为对称的 管波，因而按照方程式(2)下列方程式适用：

n_AB(t)＝n_BA(t)＝n_P(t)                     (3)

在图3中示出对称的管波，在图3中两个波n_AB(t)和n_BA(t)完全重 叠。对称的管波例如可以是之前的声波脉冲的回波，然而，这些回波 仅在测量介质的外部，尤其仅在测量管中传播。它们较为常见并且作 为基本噪声进入到测量中。基于如下事实，即，例如由钢构成的测量 管的声速与温度的相关性要比测量介质(例如水)的声速与温度的相 关性小得多，这些回波仅引起在有多个开氏度的较大的温度范围之内 的很小的测量值波动。

对于不对称的管波来说，适用n_AB(t)≠n_BA(t)。这种情况在图2中示 出。

上面阐述的测量误差的相关性通过如下来实现，即，管波分量 和部分地经过介质传播，它们的声速与金属的测量管的声速 相比通常随温度更强烈地改变。图4示出了具有基于不对称的管波而 在最小的温度改变之内强烈的测量误差波动的测量。对称的管波引起 随温度而非常缓慢地改变的测量误差，如图5中所示的测量那样。两 条曲线有不同的温度标度。不对称的管波的温度易变性的现象迄今为 止仍是未知的。甚至这些不对称的管波迄今为止还未被觉察并且未被 视为是这种不对称的管波。它们较为罕见，但却形成了相当大的干扰 信号分量。这些不对称的管波也在嵌入式超声波流量计中出现，在其 中，超声波换能器与介质接触地实施并且超声波信号通过在管内壁上 的多重反射从一个超声波换能器到达另一超声波换能器。在此，也出 现所述的不对称的管波，它们在这种情形下仅来自于当前的发射信号， 而不是来自于之前的发射信号。这种超声波干扰信号无法通过脉冲序 列调制来补偿。

尤其在使用呈双横梁装配(Zweitraversenmontage)的(例如0.5 MHz中间频率)低频的夹持式超声波换能器时，在金属管上观察到明 显的不对称的管波。在不区分对称的/不对称的管波的情况下针对诊断 目的来确定SNR已在所述的测量器件中得以实现，并且被视为现有技 术。

本发明的重要的要素在于确定不对称的管波的分量。此外，确定 了对测量值的影响。

通过对在主脉冲之前的具有待确定的界限M和N的时间段3中的 接收信号y_AB(t)和y_BA(t)进行比较，可以估计不对称的管波的分量。这在 图6中详细示出。在该区域中，管波n_AB(t)和n_BA(t)未与主信号叠加。在 本示例中在M＝20与N＝302之间的界限可以根据测量管的标称内径而 完全不同(然而在测量的范围内可以确定该界限)。

考虑平均的平方误差作为在图6所示的管波之间的比较运算，这 些管波中的一个顺流地经过介质传播，而另一个逆流地经过介质传播。

按照下列方程式，该平均的平方误差设置到与主脉冲的最大振幅 的积的比例中。

在下列方程式中，取代时间变量t，而使用适合于说明离散时间(采 样的)信号的采样系数k。

$\mathrm{SDNR}=10·\log 10\left[\frac{2·\max \left(\right|y_{\mathrm{AB}}\left[k\right]\left|\right)·\max \left(\right|y_{\mathrm{BA}}\left[k\right]\left|\right)}{\frac{1}{N-M+1}·\underset{k=M}{\overset{N}{\Sigma }}{\left(y_{\mathrm{AB}}\right[k]-y_{\mathrm{BA}}[k\left]\right)}^2}\right]---\left(4\right)$

值SDNR与SNR类似，是有效信号功率(在这种情况下是主脉冲 的最大振幅的积)与噪声功率(干扰信号功率)的比，该噪声功率在 这种情况下对应平均的管波信号平方差。这个差在具有界限M和N的 采样间隔内按方程式(4)来计算。在本申请的意义下，SDNR值可以 作为质量判据来使用。

因此，例如小于25dB的SDNR值被归入针对因干扰信号歪曲的 单个测量值来说是“被歪曲的”的质量判据。

反之，大于50dB的SNDR值被归入针对因干扰信号仅轻微歪曲 的单个测量值来说是“可信赖的”的质量判据。

SDNR可以理解为关于测量误差的说明，并且是在此重新定义的 术语“信号-噪声方差比”的缩写。按图4的由温度引起的快速的测量 误差波动随SDNR上升而下降。

管波信号的差可以如下来描述。

$\mathrm{\Delta n}\left[k\right]=n_{\mathrm{AB}}\left[k\right]-n_{\mathrm{BA}}\left[k\right]=\left(n_p\right[k]+{\bar{n}}_{\mathrm{AB}}[k\left]\right)-\left(n_p\right[k]+{\bar{n}}_{\mathrm{BA}}[k\left]\right)={\bar{n}}_{\mathrm{AB}}\left[k\right]-{\bar{n}}_{\mathrm{BA}}\left[k\right]$

其中，消去了对称的管波分量n_p[t]。

最后，再次注意到的是，在这些实施方案中，随机的噪声信号， 如电子噪声、电磁干涉或环境噪声并未考虑，因为它们通常比管波信 号弱得多并且此外不会对测量值产生无法通过足够长的取平均值而消 除的系统化的(例如与温度相关的)影响。

这个SDNR值可以在其计算之后通过显示单元给出，并且可以使 用户能有意义地估计其主信号的可靠性。

确定作为测量误差值的温度敏感的干扰信号的范围，即，不对称 的管波的范围，可以使最终用户能够确证其所获知的流量值的可靠性。 然而，这种确证可以通过评估单元本身执行并且例如通过输出单元要 么以声学方式要么以视觉方式来显示。

因为不对称的管波尤其对温度敏感，所以这些不对称的管波形成 了误差源，为了更好地确证测量结果而必须在很短的时间间隔内，例 如每1-20秒确定该误差源的范围。

备选或附加地，关于相应的测量信号序列的可靠性的验证可以通 过流量计本身的评估单元来进行，其中，仅如下的测量信号序列进入 到流量值的获知中，在这些测量信号序列中，不对称的管波的范围不 超过特定的额定值。

除了验证温度敏感的不对称的干扰信号的范围以外，这些干扰信 号的影响也可以部分或完全地通过脉冲重复周期的调制来减少。

脉冲重复频率(英文：Pulse Repetition Frequency PRF＝脉冲重复频 率)是每秒发射的脉冲的数量。超声波流量计以固定的发射脉冲持续 时间发射脉冲并且在发射脉冲之间等待接收信号。从一个发射脉冲开 始到下一个发射脉冲开始的时间被称为脉冲重复周期(英文：Pulse  Repetition Time PRT)并且是脉冲重复频率的倒数。

在发射脉冲之间的时间通常是接收时间。该接收时间始终小于在 脉冲重复周期与发射时间之间的差，并且有时附加地受到所谓的死区 时间的限制。

所述的脉冲重复周期可以逐步进行调制，以便补偿由之前的发射 脉冲形成的管波。

用于步幅的最佳的值和步骤的数量取决于干扰声波的平均的周期 T_C(＝1/F_C)。F_C是干扰声波的平均频率。脉冲重复周期在长度T_C/20 至T_C/5的步骤内在T_P至T_P+N*T_C的范围内变化，其中，T_P对应最小 的脉冲重复周期并且N应在4与10之间。

通过脉冲重复周期的调制失去在主波与提到的的极缓慢地衰减的 干扰声波的平均值之间的关联性。对于脉冲重复周期的调制，可以理 解为脉冲重复周期在特定的范围内的逐步的改变。具有20步的脉冲重 复周期调制和1/(5·F_C)的步幅T_SW的测量提供了良好的结果(参看图7)。 脉冲重复周期可以在每个单个测量值或在多个单个测量之后改变。在 此重要的是，脉冲重复周期调制关于发射方向对称地进行。

调制宽度是最大的脉冲重复周期与最小的脉冲重复周期的最小的 差。其在干扰声波的平均的周期的4到10倍之间。脉冲重复周期的变 化的步幅小于干扰声波的周期，优选是1/5至1/20。

干扰声波的平均的周期的范围在0.1μs至10μs之间。

在图7中，在类似测量条件下接受干扰信号。在此，使用具有不 生锈的测量管(88.9*5.5mm)的0.5MHz夹持式超声波换能器。测量 介质是具有12l/s的流量的水。测量曲线4表示由不对称的管波引起的 超声波干扰信号的测量误差波动。

根据测量曲线5可知，借助脉冲重复周期调制减小了温度引起的 测量误差波动。

此外，作为对照，在测量曲线6中实施具有恒定不变且极长的40 ms的脉冲重复周期的测量。通过延长脉冲重复周期实现的是，来自于 之前的发射脉冲的干扰信号衰减到它们几乎不会干扰当前的接收信号 的程度。但是脉冲重复周期影响中心参数，例如流量计的测量率、测 量噪声和响应时间。在这方面，必须力求尽可能短的脉冲重复周期， 而之前的发射脉冲的干涉不会歪曲测量值。这可以如在测量曲线5中 所示那样通过脉冲重复周期调制来实现。

因此，不是尝试避开干扰波，而是通过取消主波与干扰波之间的 关联性来使其对测量值的影响最小化。

附图标记列表

1  管波

2  主波

3  时间段

4  测量曲线-未补偿

5  测量曲线–经补偿

6  测量曲线-经补偿