用于外夾式超聲波流量測量的方法及該方法的執(zhí)行裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種按飛行時間法進行外夾式超聲波流量測量的方法以及一種用于執(zhí)行該方法的裝置。本發(fā)明的目的在于，創(chuàng)造一種用于外夾式流量測量的方法和一種用于執(zhí)行該方法的裝置，其對由于測量管導致的聲學標定系數(shù)的偏差進行補償、不使用基準測量裝置并且聲變換器在能被保留在其在測量管上的安裝位置中。在此，在按本發(fā)明的方法和裝置中，兩個聲變換器的至少一個的機電變換元件設(shè)計為具有至少兩個陣列元件的陣列。通過在使用不同的陣列元件時比較聲變換器之間的飛行時間而確定標定系數(shù)。
【專利說明】用于外夾式超聲波流量測量的方法及該方法的執(zhí)行裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]外夾式流量測量裝置已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)的多個領(lǐng)域中。這種測量裝置的一個重要優(yōu)點在于，不與流動的介質(zhì)接觸就可以進行流量測量。
【背景技術(shù)】
[0002]在外夾式流量測量中使用的聲變換器包括聲變換器前部和固定在其上的機電式的聲變換元件，以下簡稱為變換元件，其通過壓電陶瓷實現(xiàn)。聲變換器從外部固定在待測量流量的管上。該管以下稱為測量管。這樣定位聲變換器，使得超聲波信號可以經(jīng)測量管從一個聲變換器發(fā)送到另一個聲變換器，并且在流動介質(zhì)中的超聲波束相對于管軸線的角度小于90°。在外夾式流量測量裝置中，按照飛行時間法來測量兩個沿流動方向和逆流動方向傳播的聲波信號的飛行時間差并且由此計算出體積流量。例如在W08808516A1中描述了所測量的飛行時間與流速之間的關(guān)系。在聲波路徑上的平均流速VI可以由飛行時間差A(yù)t和流體中的飛行時間tl按下式計算出:
[0003]VI=Ka*( Δ t/2tl)式(I)
[0004]在此，Ka是傳感器常數(shù)，其確定在流體中的入射角:
[0005]Ka=c_alpha/sin(alpha) 式(2)
[0006]在此，alpha和c_alpha分別是聲變換器前部中的入射角和聲波速度。為了計算出體積流量，還必須已知流體機械學的標定系數(shù)KF，該標定系數(shù)表示流速的面平均值與聲波路徑上的平均流速的比例。
[0007]KF=VA/VI 式(3)
[0008]然后，通過管的橫截面積A得出體積流量Q:
[0009]Q=KF*A*Ka*( Λ t/2tl)式(4)
[0010]外夾式超聲波流量測量的一種有利的設(shè)計方案例如記載在DE19808642中。通過管橫截面的構(gòu)造這樣設(shè)計流體機械學的標定系數(shù)KF，使得該標定系數(shù)與流動狀態(tài)無關(guān)。在DE10312034B3中描述了一種超聲波流量測量方法，該方法通過檢測相繼的、多次穿過測量管的超聲波信號來實現(xiàn)非常精確地確定流體飛行時間。
[0011]EP0733885A1描述了一種方法，其用于通過確定出流體聲速度來為外夾式超聲波流量測量補償流體的壓力和溫度相關(guān)性并且用于按照折射定律匹配流體內(nèi)部的聲波路徑。聲變換器前部和管壁的聲波速度及其溫度相關(guān)性在此是已知的。
[0012]在DE102009046871A1中描述了一種用于標定外夾式超聲波流量測量裝置的測量轉(zhuǎn)換器的方法。因此，可以按式(I)所需的時間測量與測量管和聲變換器的聲學特性無關(guān)地進行標定。傳感器常數(shù)ka在本方法中是已知的并且是不變的。
[0013]原則上假定:流體中的入射角通過折射定律由傳感器常數(shù)Ka和流體中的聲波速度得出。然而，測量管的管壁可能導致與按折射定律的聲波傳播相比出現(xiàn)不可忽略的偏差。一些測量顯示出，在式(I)中使用的傳感器常數(shù)Ka不能精確地反應(yīng)出流動速度VI與飛行時間差A(yù)t以及飛行時間tl之間的關(guān)系。替代于按式(2)由聲變換器的參數(shù)計算出的傳感器常數(shù)Ka，必須在式(I)中使用如下的系數(shù):該系數(shù)還包含管壁的影響。該系數(shù)通?？梢员环Q為聲學的標定系數(shù)。在理想情況下，不存在管壁的影響，那么該系數(shù)與Ka —致，也就是說實際上該系數(shù)或多或少地偏離Ka。因為管壁不影響聲變換器前部中的聲波速度，所以該偏差只能被理解為入射角alpha的變化。
[0014]外夾式流量測量的一個重要優(yōu)點在于，聲變換器可以被安裝在現(xiàn)有的管的測量位置上。當希望利用該優(yōu)點時，流量測量裝置可以不在工廠里與測量管一起被標定。測量管對聲學標定系數(shù)的可能影響必須在聲變換器在測量位置被安裝到測量管上之后被補償。為此需要量化這種影響，也就是確定出所述的聲學標定系數(shù)。為已經(jīng)位于測量位置上的測量裝置確定標定系數(shù)也被稱作為現(xiàn)場標定。在此，將測量裝置的顯示與基準測量裝置/對照測量裝置的顯示進行比較。然而，大多數(shù)情況下在測量位置不存在基準測量裝置。還希望的是，不利用基準測量裝置確定聲學的標定系數(shù)。
[0015]在DE102004031274B4所描述的方法原則上適用于此。但是，由于為此所需的、聲變換器的相互轉(zhuǎn)換，當該方法被應(yīng)用到測量位置而不是標定實驗室時，這種方法的應(yīng)用會引起顯著的成本。
[0016]DE10221771A1公開了一種用于超聲波流量測量裝置的聲變換器，帶有組合成一個壓電陣列的多個壓電元件。該陣列通常是多個可相互獨立地被操控的變換元件在一個平面上的布置，這些變換元件在其連接在一起時再次共同獲得一個變換元件。組成陣列的變換元件被稱為陣列元件。在壓電陣列中，陣列元件是壓電元件。由此可以通過平面地安設(shè)在測量管壁上的聲變換器實現(xiàn)射入到測量介質(zhì)中的超聲波信號的波陣面/波前相對測量管軸線不同的角度。然而，時間上錯開的操控在計算方面成本極大。角度僅在有限的范圍內(nèi)變化也是有意義的。如果超聲波信號非常平地射入，可能會激發(fā)出縱波并且減小通過管壁的傳輸并且使聲波的相當大的部分被反射。
[0017]DE102008029772A1公開了測量系統(tǒng)和方法，其用于通過第一聲變換器和至少一個第二聲變換器確定和/或監(jiān)測通過測量管的測量介質(zhì)的流量。第二聲變換器具有至少兩個聲變換器元件。在診斷階段獲得的信號被用于選擇在測量階段要使用的、第二聲變換器的變換元件。因此，例如可以減輕在安裝之后變化的聲波速度的影響。該方法不能實現(xiàn)現(xiàn)場標定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明的目的是，創(chuàng)造一種用于外夾式流量測量的方法和一種用于執(zhí)行該方法的裝置，其對由于測量管導致的聲學標定系數(shù)的偏差進行補償、不使用基準測量裝置并且聲變換器在能被保留在其在測量管上的安裝位置中。
[0019]按照本發(fā)明，該目的通過一種利用兩個聲變換器進行外夾式超聲波流量測量的方法來實現(xiàn)，所述變換元件安裝在測量管上，其中，至少一個變換元件包括至少兩個陣列元件，其突出之處在于，
[0020]在分析階段中具有以下步驟:
[0021]a.測量在第一聲變換器(I)的變換元件(3)與第二聲變換器(2)的第一陣列元件(4a)之間的飛行時間tl，
[0022]b.測量在第一聲變換器(I)的變換元件(3)與第二聲變換器(2)的第二陣列元件(4b)之間的飛行時間t2，
[0023]c.計算出飛行時間tl與t2之間的時間差delta_tc，
[0024]借助于所計算出的時間差delta_tc確定出一標定系數(shù)Kaf，
[0025]在接下來的運行階段中將該標定系數(shù)用于測量體積流量Q，以補償測量管的聲學影響。
[0026]另一技術(shù)方案為:一種利用兩個聲變換器進行外夾式超聲波流量測量的方法來，所述變換元件安裝在測量管上，其中，至少一個變換元件包括至少兩個陣列元件，其突出之處在于，在分析階段中計算出至少兩個接收信號(Si)和(s2)的交叉相關(guān)函數(shù)/交叉關(guān)聯(lián)函數(shù)，其中，接收信號(Si)是由第一聲變換器(I)的變換元件(3)發(fā)送并且由第二聲變換器
(2)的第一陣列元件(4a)接收和數(shù)字化的信號，而接收信號(s2)是由第一聲變換器(I)的變換元件(3)發(fā)送并且由第二聲變換器(2)的第二陣列元件(4b)接收和數(shù)字化的信號，確定出交叉相關(guān)函數(shù)的最大值的時間位置，其中，該時間位置是時間差delta_tc，并且借助于所計算出的時間差delta_tc確定出標定系數(shù)Kaf，在接下來的運行階段中將該標定系數(shù)用于測量體積流量Q，以補償測量管的聲學影響。
[0027]通過將聲變換器前部中已知的聲波速度ca與時間差delta_tc相乘而基于時間差delta_tc計算出路程差delta_lc,由此利用arcsin(delta_lc/delta_s)得出入射角的角度變化delta_alpha,其中，delta_s是陣列元件(4a)與(4b)彼此間的距離，由此通過ca/sin (alpha+delta_alpha)計算出標定系數(shù) Kaf。
[0028]按照公式Kaf=Ka/ (l+Ka*cos (alpha) *delta_tc/delta_s)基于時間差 delta_tc計算出標定系數(shù)Kaf，其中Ka是聲變換器前部中的聲波速度ca與聲變化器前部中的入射角alpha正弦值之比，并且delta_s是陣列元件(4a)和(4b)彼此間的距離。
[0029]或者,通過近似函數(shù)fc(delta_tc)由時間差delta_tc確定出標定系數(shù)Kaf,所述近似函數(shù)fc (delta_tc)由在測量前獲得的N個值對(Kaf_i, delta_tc_i)以如下方式計算出:在N個管i上分別測量出Kaf_i和delta_tc_i，在這些管i上通過對于外夾式超聲波流量測量常見的方式安裝聲變換器，其中，在聲變換器(2)位于位置xl或x2時通過測量飛行時間txl和tx2分別進行Kaf_i的測量，所述飛行時間分別是在第一聲變換器(I)的變換元件(3)與第二聲變換器(2)的變換元件(4)之間的飛行時間，其中，點xl和x2關(guān)于點xO對稱布置，按照Kafxi=(x2-xl)/(tx2_txl)計算出Kaf_i,在聲變換器(2)位于位置xO時按權(quán)利要求1中的步驟a至c進行delta_tc_i的測量。
[0030]這種方法可以以在外夾式流量測量裝置中執(zhí)行。
[0031]用于執(zhí)行該方法的裝置包括發(fā)送單元、至少一個帶有至少兩個輸入端的陣列乘法器、方向轉(zhuǎn)換器、接收放大器、處理單元、控制單元和計算單元，其突出之處在于，陣列乘法器使陣列元件4a或陣列元件4b或者是這兩個陣列元件與接收放大器連接，控制單元既控制方向切換器，也控制陣列乘法器、確定時間差delta_tc的處理單元和計算單元，該計算單元由時間差delta_tc確定出標定系數(shù)Kaf并且在運行階段中使用。
[0032]處理單元包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、緩存和數(shù)字式相關(guān)器。所述相關(guān)器在一種實施形式中通過可編程的數(shù)字信號處理器實現(xiàn)。
[0033]或者，處理單元包括時間測量裝置、緩存和減法器。
[0034]本發(fā)明方法和用于執(zhí)行該方法的裝置的優(yōu)點在于，能在無基準體積流量的情況下對流量測量裝置進行標定。在此，聲變換器被保留在其安裝位置中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]以下參照附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。圖中示出
[0036]圖1:在測量管上的聲變換器裝置；
[0037]圖2:在測量管上的聲變換器裝置；其中，聲變換器2的變換元件設(shè)計為陣列；
[0038]圖3:在測量管上的聲變換器裝置；其中，聲變換器2的變換元件設(shè)計為陣列；
[0039]圖4:在測量管上的聲變換器裝置；
[0040]圖5:在測量管上的聲變換器裝置；其中，兩個聲變換器的變換元件設(shè)計為陣列；
[0041]圖6:用于方法的轉(zhuǎn)換的切換裝置；
[0042]圖7:處理單元；
[0043]圖8:處理單元的另一種實施形式；
[0044]圖9:聲變換器的轉(zhuǎn)換元件的另一種實施形式，作為帶有另一陣列-加法器的陣列。
【具體實施方式】
[0045]圖2中的設(shè)備包括兩個帶有變換元件3和4的聲變換器I和2以及測量管5。當變換元件的輻射面相對于波長足夠大時，幾乎以平面波的形式進行聲波傳播。在圖1中示出了這種平面的波陣面6。對于測量管假定:該測量管在幾何結(jié)構(gòu)和其材料特性方面是軸對稱的。在圖1所示的截面中，管壁邊界相互平行。如果波由聲變換器I穿過管發(fā)送到聲變換器2，則兩個聲變換器前部中的入射角一樣大。這意味著，從變換元件3發(fā)出的波陣面平行地進入變換元件4?，F(xiàn)在，管壁的過濾效果可能導致與這種理想特性相偏差。波在通過管壁時出現(xiàn)傳播方向的改變，其以如下方式表現(xiàn)出:波陣面不是精確地平行地進入接收射入聲波的變換元件4。
[0046]本發(fā)明的構(gòu)思在于，波陣面與接收聲波的聲變換器的變換元件的平行度偏差根據(jù)飛行時間差測得，該飛行時間差沿著接收變換元件的幾何結(jié)構(gòu)獲得。為此建議，兩個聲變換器的至少一個的變換元件設(shè)計為由至少兩個陣列元件構(gòu)成的陣列。
[0047]圖2示出了這種裝置。其與圖1所示裝置的區(qū)別在于，聲變換器2的變換元件設(shè)計為帶有陣列元件4a和4b的陣列。在該實施例中，波陣面6的傳播方向由于測量管這樣地改變，使得其不平行地進入聲變換器2的變換元件。然而，角度變化被夸張地示出，以便闡明效果。通常出現(xiàn)的影響小到在圖2中本來是不可見的。測量在第一聲變換器I的變換元件3與第二聲變換器2的陣列元件4a之間的飛行時間tl以及在第一聲變換器I的變換元件3與第二聲變換器2的陣列元件4b之間的飛行時間t2。波陣面與用于接收的變換元件的平行度的偏差以這兩個飛行時間之間的時間差delta_tc表達:
[0048]delta_tc=t2_ll 式(5)
[0049]因此，在分析階段首先測量兩個飛行時間tl和t2，并且計算時間差delta_tc，以便獲得時間差delta_tc的測量值。時間差的測量值被用于確定標定系數(shù)Kaf。在接下來的運行階段進行流量測量。在此，在分析階段確定的標定系數(shù)Kaf被用于補償測量管的聲學影響。為此，通過Kaf替換式(4)中的傳感器常數(shù)Ka。[0050]在運行階段中，電并聯(lián)地連接變換元件4的兩個陣列元件4a和4b。變換元件4的兩個陣列元件有利地一起形成與變換元件3大小一樣的變換元件。并聯(lián)連接使得變換元件4具有與變換元件3大約一樣的聲學特性。
[0051]本發(fā)明的一種有利的設(shè)計方案以如下方式獲得:直接從接收信號確定出時間差delta_tc并且不事先測量飛行時間tl和t2。為此計算接收信號si和s2的交叉相關(guān)函數(shù)，其中，Si是由第一聲變換器I的變換元件3發(fā)送并且由第二聲變換器2的陣列元件4a接收和數(shù)字化的信號，而s2是由第一聲變換器I的變換元件3發(fā)送并且由第二聲變換器2的陣列元件4b接收和數(shù)字化的信號。如果這兩個信號Si和s2具有相同的飛行時間，則交叉相關(guān)函數(shù)的時間曲線的最大值位于位置t=0處。這兩個信號的飛行時間的差表示交叉相關(guān)函數(shù)的最大值精確移動該偏差。時間差delta_tc可以以如下方式確定:確定信號Si和s2的交叉相關(guān)函數(shù)的最大值。
[0052]以下描述本發(fā)明的另一種有利的設(shè)計方案。由時間差delta_tc通過聲變換器前部中的聲波速度ca計算路程差delta_lc。
[0053]Delta_lc=ca*delta_tc 式(6)
[0054]聲變換器前部中的聲波速度ca可設(shè)為已知。則角度變化delta_alpha為:
[0055]Delta_alpha=arcsin(delta_lc/delta_s) 式(7)
[0056]在此，delta_s規(guī)定如圖2所示的陣列元件的間距。所安裝的聲變換器的聲學標定系數(shù)Kaf通過在式(2)中為角度alpha疊加角度變化delta_alpha獲得:
[0057]Kaf=ca/sin(alpha+delta_alpha) 式(8)
[0058]本發(fā)明的另一種可能的設(shè)計方案以如下方式獲得:用于基于時間差delta_tc計算標定系數(shù)Kaf的公式由以下的考慮推導出。
[0059]如圖3所示的、陣列元件4a假想地移動了 一長度de I ta_x導致在變換元件3和陣列元件4a之間的聲波傳播的飛行時間變化了一值delta_tx。如在DE102004031274B4中所述，的比例剛好是聲學的標定系數(shù)。為此，如果聲變換器實際上在管上被移動，則可以這樣出聲學的標定系數(shù)Kafx，該標定系數(shù)包含了管壁的可能影響:
[0060]Kafx=delta_x/delta_tx 式(9)
[0061]為了避免物理調(diào)整，替代地測量飛行時間t2，并且由此計算出變換元件3與假想的位置上的陣列元件4之間的飛行時間t20。飛行時間t20由t2通過減去沿著路徑delta_I經(jīng)過聲變換器前部的飛行時間ta得出:
[0062]t20=t2_ta 式(10)
[0063]也即是說，時間差de I ta_tx通過式(5)得出:
[0064]delta_tx=tl-t20=tl-(t2~ta)=delta_tc+ta 式(11)
[0065]因此由式(9)得出:
[0066]Kafx=delta_x/(delta_tc+ta) 式(12)
[0067]飛行時間ta由路徑delta_l和聲變換器前部中的聲波速度ca按下式得出:
[0068]ta=delta_l/ca 式(13)
[0069]在此，delta_l、delta_s和delta_x形成一直角三角形。因此，delta_x可以利用角度alpha而由delta_s替代。也滿足的是:
[0070]delta_x=delta_s/cos(alpha) 式(14)[0071]在式(13)中，由tan (alpha)和 delta_s 的積來替代 delta_l,
[0072]ta=tan(alpha)*delta_s/ca 式(15)
[0073]將式(14)和式(15)代入式(12)中得到:
[0074]Kafx=delta_s/(cos(alpha)(delta_tc+tan(alpha)*delta_s/ca)) 式(16)
[0075]按式(2)利用Ka可以將式(16)化簡為:
[0076]Kafx=Ka/(l+Ka*cos(alpha)*delta_tc/delta_s) 式(17)
[0077]在使用聲變換器參數(shù)的情況下通過等效測量時間差delta_tc，由按式(17)來確定標定系數(shù)Kafx代替了空間上的移位delta_x。通過式(17)得出了用于確定標定系數(shù)Kaf的公式:
[0078]Kaf=Ka/(l+Ka*cos(alpha)*delta_tc/delta_s) 式(18)
[0079]式(8)和式(18)是用于描述標定系數(shù)Kaf的可選的替代公式。Kaf與傳感器常數(shù)Ka的差別由于管壁的影響而產(chǎn)生，該傳感器常數(shù)由純傳感器特性獲得。一種特殊情況在于，不存在管壁影響時，因此delta_tc=0。則由式(8)和式(18)分別得到Kaf=Ka。
[0080]式(8)得出與式(18)—樣的結(jié)果。具體地,通過sin(alpha+delta_alpha)通過泰勒級數(shù)的一階近似并且由項delta_lc/delta_s來代替arcsin (delta_lc/delta_s),可以將式(8)變換成式(18)。
[0081]本發(fā)明的另一種設(shè)計方案以如下方式獲得:時間差delta_tc與標定系數(shù)Kaf之間的關(guān)系通過實驗確定。在此，Kaf可以按照在DE102004031274B4中所述的方法確定。該方法被用在實驗室中充分篩選可能在實際應(yīng)用中的測量管。為此，首先將聲變換器分別如圖5所示地定位在管5上。在聲變換器2的位置xl和x2處分別測量飛行時間txl和tx2，其中，點xl和x2關(guān)于點xO對稱布置。飛行時間txl和tx2在此分別是在聲變換器I的變換元件3與聲變換器2的變換元件4之間的飛行時間。在此，變換元件4的兩個陣列元件4a和4b彼此電并聯(lián)。
[0082]已經(jīng)包含了管壁影響的標定系數(shù)Kaf如在DE102004031274B4中所述地按下式得出
[0083]Kaf= (x2_xl) / (tx2_txl) 式(19)
[0084]接著，將聲變換器2定位在位置xO上并且測量時間差delta_tc。這樣便為在這個實驗中所使用的管i獲得值對Kaf_i和delta_tc_i。對N個另外的管區(qū)段重復試驗，這些管區(qū)段這樣選擇，使得其以不同的強度影響標定系數(shù)。以這種方式獲得了 N個值對(Kaf_i，delta_tc_i)。由此按照常見的方法計算出近似函數(shù)fc (delta_tc),該函數(shù)用于由delta_tc近似出Kaf。
[0085]然后，因此可以在運行階段期間從測量值delta_tc計算出標定系數(shù)Kaf:
[0086]Kaf=f c (delta_tc) 式(20)
[0087]函數(shù)fc應(yīng)當盡可能完全地覆蓋Kaf在實際中出現(xiàn)的變動范圍。為此，在實驗中使用的管的特征的變動范圍與在流量測量裝置的實際應(yīng)用中采用的管必須相當。如果聲變換器例如被用于由鋼和不銹鋼制成的、壁厚為4?8mm的管，則可以檢測分別由鋼和不銹鋼制成的、壁厚為4mm、6mm和8mm的管。數(shù)據(jù)基礎(chǔ)可以以如下方式被擴充:分別檢查具有不同彈性特性的不同的鋼或不銹鋼。
[0088]本發(fā)明的一種有利的設(shè)計方案以如下方式獲得:圖2所示的變換元件4不是由兩個陣列元件組成、而是由四個陣列元件組成。在此，使每兩個不直接相鄰的陣列元件并聯(lián)連接。值delta_x減小到陣列的總寬度的四分之一。通過這種連接產(chǎn)生的變換元件的每個具有陣列的寬度的3/4，因此其孔面積同樣是為流量測量使用的、陣列所有陣列元件連接結(jié)構(gòu)的 3/4。
[0089]陣列元件的數(shù)量可以按所述的方式擴展。在此，隨著陣列元件數(shù)量的增大，在分析階段使用的變換元件變得更加接近用于流量測量的、所有陣列元件的連接結(jié)構(gòu)。另一方面，時間差delta_tc減小，該時間差產(chǎn)生波陣面的特定的角度偏差從而使其測量更不精確。
[0090]兩個在按飛行時間法的流量測量裝置中使用的聲變換器在其特性方面應(yīng)當盡可能相近，以使零點誤差保持較小。本發(fā)明的一種有利的設(shè)計方案以如下方式獲得:在運行階段中兩個陣列元件4a和4b并聯(lián)，并且由此使聲變換器2的變換元件基本上在大小上與聲變換器I的變換元件相同。另外可能的是，將聲變換器I的變換元件3設(shè)計為陣列。圖4示出了這種裝置。聲變換器I的變換元件的陣列元件3a和3b在分析階段以及在運行階段期間并聯(lián)。聲變換器I和2的變換元件的機電特性則基本相同。
[0091]通過圖4所示的裝置可以為了信號傳輸而在流量測量期間僅使用陣列元件3a和4a或僅使用陣列元件3b和4b。標定所需的飛行時間tl和t2可以在陣列元件3a和4a或3a和4b或者在3b和4a或3b和4b之間測量。
[0092]通過按所述方式增大陣列元件的數(shù)量而得到本發(fā)明其它可能的設(shè)計方案。
[0093]時間差delta_tc的測量應(yīng)當僅檢測波陣面相對于接收變換元件的平行度的偏差的影響。如果介質(zhì)在管中流動，聲波飛行時間也受流動的影響。如果流動速度在測量tl和t2期間是恒定的，則流動不對該差產(chǎn)生影響。但是，實際上不可能以理想的方式確保這一點(恒定的流動速度)。實際上，流動大多處于湍流狀態(tài)。則流動速度在平均值上下隨機地波動。在流動速度的平均值恒定時這種隨機波動的影響可以通過以下方式被消除:獲得多個依次得到的時間差測量值。但如果流動速度的平均值不是恒定的，那么這種措施不能起到幫助。例如，流動速度隨時間的線性增加導致流動速度對飛行時間tl比對飛行時間t2具有系統(tǒng)性地更大的影響。各個測量之間的停止時間應(yīng)當保持盡可能短。該措施也可以應(yīng)用在本發(fā)明中。顯然，各測量tl和t2之間的時間間隔越短，則流變化的影響越小。
[0094]為了實施所述的方法而提出一種裝置，其包括發(fā)送單元S、至少一個陣列乘法器AMUX、方向轉(zhuǎn)換器DMUX、接收放大器V、處理單元SPU、控制單元CTRL和計算單元CALC (圖6)。陣列乘法器AMUX使陣列元件4a或陣列元件4b與接收放大器V連接或者使這兩個陣列元件與接收放大器V連接。控制單元CTRL既控制方向轉(zhuǎn)換器DMUX，也控制陣列乘法器AMUX以及處理單元SPU和計算單元CALC。
[0095]在分析階段中，這樣切換方向轉(zhuǎn)換器DMUX，使得發(fā)送單元S與聲變換器I的接口及其所屬的變換元件連接，并且將接收放大器V與陣列乘法器AMUX連接。陣列乘法器AMUX被這樣控制，使得僅聲變換器2的陣列元件4a或者僅聲變換器2的陣列元件4b與接收放大器V連接。
[0096]與接收放大器V相連的處理單元SPU確定出待示得的時間差delta_tc。圖7中的處理單元SPU包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、緩存MEM和相關(guān)器K0RR。為了測量delta_tc，在第一步驟中將陣列元件4a通過陣列乘法器AMUX和接收放大器V與處理單元SPU連接，通過發(fā)送單元S產(chǎn)生一發(fā)送信號。在陣列元件4a上產(chǎn)生的接收信號在處理單元SPU中通過ADC數(shù)字化并且被存儲在緩存中。在第二步驟中，通過控制單元CTRL這樣切換陣列乘法器AMUX，使得陣列元件4b與處理單元SPU通過接收放大器V連接，并且通過發(fā)送單元S產(chǎn)生另一發(fā)送信號。在陣列元件4b上產(chǎn)生的接收信號在處理單元SPU中通過ADC數(shù)字化并且同樣存儲在緩存中。經(jīng)數(shù)字化并且存儲在緩存中的陣列元件4a和4b接收信號通過數(shù)字式交叉相關(guān)器直接確定出時間差delta_tc。該數(shù)字式相關(guān)器KORR例如通過可編程的數(shù)字式信號處理器(DSP)來實現(xiàn)。
[0097]在計算單元CALC中按照式(8)或式(18)由在相關(guān)器中確定出的時間差delta_tc計算出標定系數(shù)Kaf。
[0098]在另一種實施形式(圖8)中，處理單元SPU包括具有非常高分辨力的時間測量裝置TDC——例如所謂的“時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器”——和緩存MEM。在該實施形式中，由相應(yīng)的接收信號在不數(shù)字化的情況下直接測量飛行時間tl或t2，并且存儲在緩存MEM中。在測量兩個飛行時間tl和t2之后，通過減法器MINUS計算出它們的差并且將其傳輸?shù)接嬎銌卧狢ALC用于確定標定系數(shù)Kaf。
[0099]在運行階段中，陣列乘法器AMUX通過控制單元CTRL這樣切換，使得陣列元件4a和4b并聯(lián)。通過方向轉(zhuǎn)換器DMUX交替地使聲變換器I作為發(fā)射器而聲變換器2作為接收器運行以及使聲變換器2作為發(fā)射器而聲變換器I作為接收器運行?，F(xiàn)在使用處理單元SPU來測量由于流動引起的飛行時間差A(yù)t并且測量流體飛行時間tfl，從而由此在計算單元CALC中按照式(4)確定出流量，其中傳感器常數(shù)ka被在分析階段確定的標定系數(shù)Kaf替代。
[0100]在另一種實施形式(圖9)中，聲變換器I的變換元件同樣設(shè)計為陣列，并且在聲變換器I的接口和方向轉(zhuǎn)換器DMUX之間插入另一陣列乘法器AMXU2。在運行階段中，這兩個陣列乘法器AMUX和AMUX2被這樣控制，使得陣列元件3a和3b并聯(lián)并且同時陣列元件4a和4b并聯(lián)。在分析階段中，這樣控制這兩個陣列乘法器之一，使得所屬的陣列元件并聯(lián)，另一乘法器則使陣列元件依次與接收放大器V和處理單元SPU連接。
[0101]在另一實施形式中，至少一個變換元件3和4包括多于兩個的陣列元件。按圖6和圖9的裝置的所屬的陣列乘法器則包括與陣列元件一樣多的輸入端。在分析階段中，這樣控制各個陣列乘法器，使得在第一步驟中至少兩個不相鄰的陣列元件并聯(lián)并且其接收信號被評估。在第二步驟中，其余的并且不相鄰的元件并聯(lián)并且其接收信號被評估。
【權(quán)利要求】
1.一種利用兩個聲變換器進行外夾式超聲波流量測量的方法，該聲變換器帶有變換元件，所述變換元件安裝在測量管上，其中，至少一個變換元件包括至少兩個陣列元件，其特征在于， 在分析階段中具有以下步驟: a.測量在第一聲變換器(I)的變換元件(3)與第二聲變換器(2)的第一陣列元件(4a)之間的飛行時間tl， b.測量在第一聲變換器(I)的變換元件(3)與第二聲變換器(2)的第二陣列元件(4b)之間的飛行時間t2， c.計算出飛行時間tl與t2之間的時間差delta_tc, 借助于所計算出的時間差delta_tc確定出一標定系數(shù)Kaf, 在接下來的運行階段中將該標定系數(shù)用于測量體積流量Q，以補償測量管的聲學影響。
2.一種利用兩個聲變換器進行外夾式超聲波流量測量的方法，該聲變換器帶有變換元件，所述變換元件安裝在測量管上，其中，至少一個變換元件包括至少兩個陣列元件，其特征在于， 在分析階段中計算出至少兩個接收信號(Si)和(s2)的交叉相關(guān)函數(shù)，其中，接收信號(Si)是由第一聲變換器(I)的變換元件(3)發(fā)送并且由第二聲變換器(2)的第一陣列元件(4a)接收和數(shù)字化的信號，而接收信號(s2)是由第一聲變換器(I)的變換元件(3)發(fā)送并且由第二聲變換器(2)的第二陣列元件(4b)接收和數(shù)字化的信號，確定出交叉相關(guān)函數(shù)的最大值的時間位置，其中，該時間位置是時間差delta_tc，并且借助于所計算出的時間差delta_tc確定出標定系數(shù)Kaf, 在接下來的運行階段中將該標定系數(shù)用于測量體積流量Q，以補償測量管的聲學影響。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過將聲變換器前部中已知的聲波速度ca與時間差delta_tc相乘而基于時間差delta_tc計算出路程差delta_lc,由此利用arcsin (delta_lc/delta_s)得出入射角的角度變化delta_alpha,其中，delta_s是陣列兀件(4a)與(4b)彼此間的距離，由此通過ca/sin(alpha+delta_alpha)計算出標定系數(shù)Kaf。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，按照公式
Kaf=Ka/ (Ι+Ka氺cos(alpha)*delta_tc/delta_s) 基于時間差delta_tc計算出標定系數(shù)Kaf，其中Ka是聲變換器前部中的聲波速度ca與聲變化器前部中的入射角alpha正弦值之比，并且delta_s是陣列元件(4a)和(4b)彼此間的距離。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過近似函數(shù)fc(delta_tc)由所計算出的時間差delta_tc確定出標定系數(shù)Kaf。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述近似函數(shù)fc(delta_tc)由在測量前獲得的N個值對(Kaf_i，delta_tc_i)以如下方式計算出:在N個管i上分別測量出Kaf_i和delta_tc_i，在這些管i上通過對于外夾式超聲波流量測量常見的方式安裝聲變換器， 其中，在聲變換器(2)位于位置xl或x2時通過測量飛行時間txl和tx2分別進行Kaf_i的測量，所述飛行時間分別是在第一聲變換器(I)的變換元件(3)與第二聲變換器(2)的變換元件(4)之間的飛行時間， 其中，點xl和x2關(guān)于點xO對稱布置，按照 Kafxi= (x2-xl) / (tx2_txl)計算出 Kaf_i, 在聲變換器(2)位于位置xO時按權(quán)利要求1中的步驟a至c進行delta_tc_i的測量。
7.一種用于執(zhí)行利用兩個聲變換器進行外夾式超聲波流量測量的方法的裝置，該聲變換器帶有變換元件，所述變換元件安裝在測量管上，其中，所述裝置包括發(fā)送單元、至少一個帶有至少兩個輸入端的陣列乘法器、方向轉(zhuǎn)換器、接收放大器、處理單元、控制單元和計算單元，其特征在于， 第一陣列元件(4a)或第二陣列元件(4b)或者是這兩個陣列元件(4a，4b)通過陣列乘法器(AMUX)與方向轉(zhuǎn)換器(DMUX)的一通道相連接，方向轉(zhuǎn)換器(DMUX)的第二通道與變換元件(3 )連接，方向轉(zhuǎn)換器(DMUX)通過其兩個其余的接口分別與發(fā)送單元(S)和接收放大器(V)連接，接收放大器(V)與處理單元(SPU)耦聯(lián)，該處理單元確定出所述時間差deIta_tc并且將其傳送到計算單元(CALC)，控制單元(CTRL)既控制方向轉(zhuǎn)換器(DMUX)也控制陣列乘法器(AMUX)以及接收放大器(V)和處理單元(SPU)和計算單元(CALC)，以便通過相同的部件實現(xiàn)分析階段以及運行階段，其中在分析階段期間這樣切換方向轉(zhuǎn)換器(DMUX)，使得發(fā)送單元(S)與第一聲變換器(I)的接口及其所屬的變換元件連接并且使接收放大器(V)與陣列乘法器(AMUX)連接，陣列乘法器(AMUX)被這樣控制，使得僅聲變換器(2)的第一陣列元件(4a)或者僅第二陣列元件(4b)與接收放大器(V)連接，而在運行階段中，陣列乘法器(AMUX)被控制單元(CTRL)這樣切換，使得陣列元件(4a，4b)并聯(lián)。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述處理單元(SPU)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、緩存(MEM)和數(shù)字式相關(guān)器(KORR)。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，相關(guān)器(KORR)通過可編程的數(shù)字式信號處理器實現(xiàn)。
10.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述處理單元(SPU)包括時間測量裝置(TDC)、緩存(MEM)和減法器(MINUS)。
11.如權(quán)利要求7至10之一所述的裝置，其特征在于，變換元件(3)包括至少兩個陣列元件(3a)和(3b)，其中，陣列乘法器(AMUX2)將陣列元件(3a)或陣列元件(3b)或者是這兩個陣列元件與方向轉(zhuǎn)換器(DMUX)的通道連接。
【文檔編號】G01F1/66GK103429996SQ201280012430
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月7日
【發(fā)明者】B·豐克 申請人:弗萊克森柔性工業(yè)計量有限公司