用于外夹式超声波流量测量的方法和布置系统以及用于控制外夹式超声波流量测量的电路布置系统

摘要

本发明涉及根据传播时间法的用于外夹式超声波流量测量的方法以及布置系统。本发明的目的在于，创造一种用于外夹式流量测量的测量布置系统，其仅以两对声音换能器就提供了既在反射式布置中也在X式布置中进行测量的可能性，而无需于在布置系统之间切换的过程中改变声音换能器位置。对于根据本发明的方法，在测量管上布置有至少四个声音换能器，以这种方式对所述声音换能器进行操控，使得交替地依次在X式布置和反射式布置中完成流量测量。为此，分别有两个声音换能器连接成各一个用于在X式布置中进行的流量测量的发射接收对，和/或各两个声音换能器连接成各一个用于两个反射式布置的发射接收对。

说明书

技术领域

本发明涉及根据传播时间法的用于外夹式超声波流量测量的方法和布置系统。

背景技术

外夹式流量测量仪广泛应用于许多工业领域。这种测量仪的一个显著优点在于，无接触地进行流量测量。对于根据传播时间法的外夹式流量测量仪，测量两个顺流和/或逆流传播的声音信号之间的传播时间差并且由此计算体积流量。为此，在管壁上固定了两个声音换能器，这两个声音换能器都可以作为发射器并且作为接收器来工作。声音换能器由例如压电陶瓷等有源元件构成，其布置在所谓的声音换能器前导部分(Schallwandlervorlauf)上，使得以入射角alpha完成声音传播。用于声音换能器的激励脉冲的生成以及声音换能器的接收信号的评估在测量变换器中完成。该测量变换器为每个声音换能器提供测量通道。传播时间差dt取决于声音路径上的平均流动速度Vl、传感器常数Ka以及流体中的声音传播时间t_fl。通过下面的公式描述其相互关系：

Vl＝Ka*(dt/2t_fl)等式(1)

在此，Ka是传感器常数，其确定流体中的入射角：

Ka＝c_alpha/sin(alpha)等式(2)

在此，alpha和c_alpha是声音换能器前导部分中的入射角及声速。为了计算体积流量，还必须已知流体机械学的校准因数KF，其表示流动速度的面平均数VA相对于声音路径上的平均流动速度Vl的比值：

KF＝VA/Vl等式(3)

然后，通过管的横截面积A，得出体积流量Q，其中：

Q＝KF*A*Ka*(dt/2t_fl)等式(4)

对于外夹式流量测量，使用径向的声音路径，即，对于生成声音路径必要的两个声音换能器布置在管上，使得声音路径与管的轴线相交。为此，声音换能器可以布置在管的相对侧上。因此，指的是所谓的直接布置。如果布置两个直接布置，使得声音路径彼此交叉，则说的是X式布置(DE 102011005170 B4、DE 102005047790 A1)。可替换地，可能是反射式布置，其中声音换能器布置在测量管的同一侧上，并且声音信号在相对的管内侧上反射一次。(DE 102008029772 A1)在图1和图2中示出了X式布置和反射式布置。

接下来会把从管内壁到相对的管内壁的一次传播称为声音路径。因此，以直接布置实现单独的声音路径，并且以反射式布置实现两个声音路径。在这两种布置系统中，可以通过在管内壁上的多重反射，提高声音路径的数量。由此，在反射式布置中，可能有偶数个声音路径，而在直接布置中，可能有奇数个声音路径。声音换能器对的两个声音换能器之间的所有声音路径的总和可以被称为声音路程。提高声音路径数的优点在于，延长小管的声音路程。由X式布置或者说反射式布置的两个声音路径所形成的平面被称为测量平面。

此外，反射式布置的优点在于，尽可能地补偿流动矢量的非轴向分量，因为这些非轴向分量以相反的符号作用在两个单独的路径上。对于外夹式流量测量，其前提条件是不受打扰的流动剖面。在测量点前有足够长的直线导流段的话，可以实现该前提条件。由此，在管轴线方向上存在流动矢量，并且流动矢量还仅包括轴向的分量Vax。根据等式(1)计算的路径平均值VL由此与Vax的路径平均值一致。然而，实际上，在大多数情况下，导流条件并非理想的。因此，除此之外，流动矢量还包括横向分量Vcr(横流(Cross-flow))，其垂直于管的轴线而定向并且位于由管的轴线和声音路径所形成的平面内。对于直接布置中的单独路径的路径平均值Vl_1path的测量值，横向分量具有下列影响：

VL_1path＝Vax-Vcr[cos(gamma)/sin(gamma)]等式(5)

在此，gamma是相对于管壁上的垂直线测得的测量介质中的传播角。对于反射式布置或者X式布置，如果假设测量体积内的横向流动不变，则不再考虑横向分量影响。其原因在于，对于包括在反射式布置或者说X式布置中的两个单独的声音路径而言，等式(5)中的角度Gamma有相反的符号。

然而，反射式布置不是始终可行的。最大可测量的流动速度是与声音路程长度成比例的，使得当在反射式布置中，最大可测量的流动速度小于期望的测量范围时，选择直接布置。

虽然反射式布置补偿流动矢量的横向分量，但是也因此不可能检测横向分量。在图1中示出的X式布置适合于此。在两个声音路径上的单独测量的平均值中，同样补偿了横向流动，如在反射式布置中一样。根据单独测量的差别，还可以计算横向流动的数值。如果在X式布置的两个单独路径上测得路径平均值VL_X1和VL_X2，并且角度gamma具有相同的数值，而数值分别具有相反的符号，则通过等式(5)得出：

Vl_X1-Vl_X2＝2Vcr[cos(gamma)/sin(gamma)]等式(6)

同样，横向流动分量如下：

Vcr＝1/2[Vl_X1-Vl_X2]/[cos(gamma)/sin(gamma)]等式(7)

根据斯涅尔折射定律，由根据等式(2)的传感器常数Ka和测量介质中的声速得出角度gamma。

横向流动的存在暗示对于导流条件的干扰。横向流动检测还表示额外的诊断可能性。

这两种布置系统(反射式布置和X式布置)还有其优点。为了利用这两种布置系统的优点，在传统技术中必须安装这两种布置系统并且由测量变换器进行操作。反射式布置和X式布置共同要求三对声音换能器并且对应地，要求具有六个测量通道的测量变换器。值得期待的是，能够以尽可能少的声音换能器实现两种测量布置系统。

除了已经提及的横向流动分量，例如90°的弧形等干扰点还造成流动剖面的不对称。在使用多个测量平面的情况下，会遇到不对称的影响。例如两个在图2中示出的反射式布置适合于此，其中这两个反射式布置随即在管圆周方向上相对偏移90°并且将其布置在管上的同一轴向位置处。这在图3中示出。同样地，可以在两个测量平面内布置两个X式布置。如果在管圆周方向上测得的第一测量平面的角度被标记为fi，则第二测量平面的角度为fi+90。由此，可以测量两个横向流动分量Vcr_fi和Vcr_fi90，并且由此计算横向流动分量的矢量的数值Vcr_m和角度teta_Vcr：

teta_Vcr＝arctan(Vcr_fi/Vcr_fi90)等式(9)

为了既实现两个反射式布置，也实现两个X式布置，在传统技术中总共需要六对声音换能器以及对应地，需要测量变换器上的12个测量通道。

DE 10248593 A1描述了一种布置系统，其使得以唯一的声音换能器对实现不同的声音路径数成为可能，而无需对应于声音路径数改变声音换能器在管上的位置。这通过使用具有大张角的声音换能器实现。作为具有两个声音路径的反射式布置安装在管上的声音换能器对也可以接收以在管内壁上的三次反射在四个声音路径上传播的信号。然而，因此始终只能实现反射式布置或者直接布置，并且二者分别具有不同的声音路径数。

DE 102005047790 A1描述了一种布置系统，其通过并联连接并且由此同步地激励三个声音换能器中的两个，使得具有三个声音换能器和两个测量通道的两个声音路径成为可能。不过，这有缺点，即两个声音路径上的传播时间必须足够明显地相互区别，由此两个信号不会过于明显地相互重叠并且因此保持为可以彼此分离。

DE 102008029772 A1描述了一种具有至少两个传感器的布置系统，其中两个传感器中的至少一个包括至少两个声音换能器。因此，以同一布置系统也能实现至少两个不同的声音路径。该布置系统的采用在于，不要求昂贵地根据测量介质的声速来调整传感器的位置。声音换能器布置在传感器内，使得为了对应的声音路径，在介质中产生不一样的传播角度，并且在诊断阶段中选择对于相应的测量介质最佳的声音路径。因此，不可能同时实现反射式布置和直接布置。

从下列文献中已知了更多的超声波流量测量系统，不过它们都没有解决所描述的问题。因此，US 6293156 B1描述了一种根据交叉关联方法的超声波流量测量系统。请求保护的是一种解决方案，其中仅需要一个发射换能器和两个接收换能器来生成两个其信号相关联的声音路径。US 2013/0174669 A1公开了一种根据传播时间差方法的流量测量，其中有选择地测定直接布置中的一条路径上的上游和下游信号之间的传播时间差(模式1)或者直接布置中的具有不一样的路径角度的两条路径上的下游信号之间的传播时间差(模式2)。作为优点会提及，在高流动速度下，下游信号通常具有比上游信号更好的质量。由此，采用模式1。如果这两种模式都可采用，则可以测定并且由此补偿横向流动。该布置系统还允许扩大调节比并且补偿横向流动，但是这二者并非同时的。由此，如在反射式布置中所实现的横向流动的自补偿是不可能的。

US 8019559 B1描述了一种有选择地实现根据传播时间法的测量和根据多普勒方法的测量的布置系统。在US 8234934 B2中，通过采用张角，额外地在非配套的换能器对之间形成了测量路径(通过交叉)。由此获得了额外的诊断值，而无需为此集成额外的换能器。US 4015470 A实现了一种垂直于声速测量的声音路径与斜交于流动测量的声音路径的组合。在EP 2072972 A1中，公开了一种具有非径向的测量路径的多路径流量计，并且US20140109645 A1请求保护一种用于监控流量测量仪的功能的状态监视器(ConditionMonitor)。US 20110271769 A1公开了相较于流体信号，对于声速测量使用兰姆波来评估管壁信号。US 5533408 A描述了传播时间差方法与基于在流动的流体中的微粒被反射的信号的关联法的组合，并且在US 5440937 A中，公开了一种用于传播时间差测量的直接布置。

发明内容

本发明的目的在于，创造一种用于外夹式流量测量的测量布置系统，其仅以两对声音换能器就提供了既在反射式布置中，也在X式布置中进行测量的可能性，而无需于在布置系统之间切换的过程中改变声音换能器位置。

对于根据本发明的方法，在测量管上布置有至少四个声音换能器，以这种方式对其进行操控，使得交替地依次在X式布置和反射式布置中完成流量测量。为此，分别有两个声音换能器连接成一个用于在X式布置中进行的流量测量的发射接收对，和/或每两个声音换能器分别连接成一个用于两个反射式布置的发射接收对。

通过如此布置的声音换能器，测定了平均流动速度以及横向流动分量，其中横向流动分量保存并且显示为诊断值，并且在超过之前定义的横向流动分量的最大值时，生成报警信号。

在本方法的另一实施方式中，在X式布置中完成第一次流量测量，其中测定了至少一个平均流动速度。在平均流动速度小于对于反射式布置来说允许的最大流动速度时，在反射式布置中进行第二次流量测量，或者在测定的流动速度大于或者等于对于反射式布置来说允许的最大流动速度时，在X式布置中重复流量测量。

根据本发明的用于外夹式超声波流量测量的布置系统包括至少四个声音换能器，其成对地且径向上相对地布置在测量管上。反射式布置或者X式布置中的流量测量借助于控制装置实现。根据通过控制装置实现的操控，分别有两个声音换能器分别形成一个用于在两个反射式布置中进行的流量测量的发射接收对，或者形成一个用于在X式布置中进行的流量测量的发射接收对。

根据本发明的用于控制外夹式超声波流量测量的电路布置系统包括至少四个布置在测量管上的声音换能器。为此，信号发生器通过四个电路元件，而放大器通过四个另外的电路元件与声音换能器相连，其中对于第一次测量，每两个声音换能器分别连接成一个发射接收对，使得对于X式布置中的流量测量，两个声音换能器布线为发射单元，而两个声音换能器布线为接收单元，并且对于第二次流量测量，每两个声音换能器通过四个电路元件分别连接成一个用于在反射式布置中进行的流量测量的发射接收对。

本发明的优点在于，在一种布置系统中联合反射式布置的优点，即尽可能地补偿流动矢量的非轴向分量，与X式布置的优点，即检测横向分量。

附图说明

接下来，根据附图进一步阐述本发明的实施例。图中示出：

图1根据现有技术的声音换能器的X式布置；

图2根据现有技术的声音换能器的反射式布置；

图3根据现有技术的两个彼此偏移90°的反射式布置；

图4测量管上的两个反射式布置的根据本发明的布置系统；

图5图4的局部图；以及

图6用于操控声音换能器的电路布置系统。

具体实施方式

如上文中描述的，在外夹式流量测量中，在测量管的同一侧上应用声音换能器的反射式布置(两个声音路径)，或者在管的相对侧上应用声音换能器的直接布置(单独的声音路径)，或者应用两个直接布置构成X式布置的组合。反射式布置和X式布置都有其优缺点。值得期待的是，也有并行地运行两种布置系统的可能性，根据现有技术，这能够以三对声音换能器实施。为了随后在两个测量平面上安装该布置系统，需要六对声音换能器和12个测量通道。

现在，发明的解决方案在于，以同样的声音换能器执行两种方法，即，以对于两个反射式布置来说最佳的传感器布置系统，还实现了X式布置。为此，如图4所示出的，两个反射式布置安装在测量管1上的相对位置处，其中体积流量V流经测量管。左下的声音换能器T4是与左上的声音换能器T1径向地相对地布置在测量管1上，并且右下的声音换能器T2是与右上的声音换能器T3径向地相对地布置在测量管上。在左上的声音换能器T1与右上的声音换能器T3之间以声音路径SP1实现第一反射式布置，并且在右下的声音换能器T2与左下的声音换能器T4之间以声音路径SP2实现第二反射式布置。声音路径SP1和SP2分别包括在分别与声音换能器相对的管内壁上的反射。两个反射式布置的声音路径在此处于同一平面。

为了以同样的声音换能器T1至T4实现X式布置，必须降低左上的声音换能器T1与右上的声音换能器T3之间以及右下的声音换能器T2与左下的声音换能器T4之间在管轴线方向上的间距。然而，已经示出，特别是在采用管壁的表面波模式时，传感器距离可能会与最佳值有一定偏差。在使用表面波模式的X式布置中，在声音路径SP3和SP4上传输的声音从左上的声音换能器T1和右上的声音换能器T3射入管壁，并且平行于管表面传播。在于管壁中传播的过程中，声音持续地发射入介质。在管壁的相对侧上，声音路径SP3和SP4在相遇后同样也有一段平行于管表面延伸，直至右下的声音换能器T2和左下的声音换能器T4。由此，在介质中形成极宽的声束。为了计算传播时间，作为替代，可以使用在图4中以虚线示出的声音路径SP3和SP4。图5示出了图4的局部图，其中可以更清楚地看到声音路径SP4在管中在左上的声音换能器T1处的走向。由于延长了在管壁中的传播时间，传感器间距从最佳值的扩大导致声音换能器之间的传播时间的延长。然而，这可以得到补偿，因为穿过管壁的传播时间t_pipe可以根据波在管壁中的传播速度c_pipe与额外的间距x_pipe计算得出：

t_pipe＝x_pipe/c_pipe等式(10)

流体中的声音传播时间t_fl根据从发射声音换能器到接收声音换能器的总传播时间t与穿过声音换能器前导部分和电子元件的传播时间tdelay，以及在管壁中的传播时间t_pipe得出，其中：

t_fl＝t-tdelay-t_pipe等式(11)

除此之外，下式对于t_fl有效：

t_fl＝2d/cos(gamma)/c_fl等式(12)

在管壁中的传播路程x_pipe根据管壁中的声音入口和声音出口之间的间距x0以及流体中的传播路程x_fl得出。路程x_fl取决于管的内径d并且在切向上取决于流体中的入射角gamma。其基于根据斯涅尔的折射定律和对应的三角学关系。随即，根据下式计算流体中的声速c_fl：

通过等式(12)，也可以由此计算流体中的声音传播时间t_fl。

表面波模式以特别的方式适合于将来自声音换能器的超声波信号传递至介质并且在此也产生在管长度轴线方向上的传播。然而，原则上，也可以在管壁中使用其它所谓的板模式。通过声音换能器的入射角和声速以及管壁的厚度和声速，确定管壁中的声音传播占主导的模式。

两个反射式布置和X式布置的根据本发明的运行需要测量变换器，其操控四个声音换能器T1、T2、T3和T4，通过其中的每两个实现一个声音路径。图6示出了一种用于操控声音换能器T1、T2、T3和T4的可行的电路布置系统。除了这四个声音换能器T1、T2、T3和T4外，电路还由信号发生器Tr以及八个电路元件S1-S8和放大器Rc组成。通过电路元件S1、S3、S5和S7，信号发生器Tr与声音换能器T1、T2、T3和T4相连。如果以激励脉冲(例如矩形脉冲)操控声音换能器T1、T2、T3和T4，则其用作声学的发射单元。此外，电路元件S2、S4、S6和S8将声音换能器T1、T2、T3和T4与放大器Rc连接。通过对应地且受控制地操作电路元件，实现期待的发射接收对(X式布置或者反射式布置)。对于第一次测量，左上的声音换能器T1和右下的声音换能器T2通过电路元件S2、S3(图6)连接成一个发射接收对，并且接下来右上的声音换能器T3和左下的声音换能器T4通过电路元件S6和S7连接成一个发射接收对，并且由此实现X式布置，其中右下的声音换能器T2和左下的声音换能器T4布线为发射单元，而左上的声音换能器T1和右上的声音换能器T3布线为接收单元。对于第二次测量，左上的声音换能器T1和右上的声音换能器T3以及右下的声音换能器T2和左下的声音换能器T4分别通过电路元件S2、S5、S3和S8连接成发射接收对，并且由此实现两个反射式布置。

由此，在声音换能器布置系统不变的情况下，通过测量变换器的不同运行模式，可实现两个反射式布置和X式布置。

对于本方法在第一实施方式中的执行，左上的声音换能器T1和右下的声音换能器T2布置为在径向上与右上的声音换能器T3和左下的声音换能器T4相对。它们交替地在X式布置和反射式布置中运行。在此要注意的是，两种布置系统的最大允许流动速度是不一样的，其中用于X式布置的最大允许流动速度始终更高。首先完成在X式布置中的测量，其中测定平均流动速度以及横向流动分量。如果如此测定的流动速度小于对于反射式布置来说允许的最大流动速度，则在反射式布置中进行下一次的测量，否则再次在X式布置中进行下一次测量。横向流动分量保存并且显示为诊断值。如果横向流动分量超过之前定义的最大值，则生成报警信号。

第二实施方式在于，如对于第一实施方式所描述地布置左上的声音换能器T1和右下的声音换能器T2以及右上的声音换能器T3和左下的声音换能器T4。对于第二测量平面，对应地布置有另外的声音换能器，其在管圆周方向上彼此偏移90°。因此，首先在两个测量平面上依次在X式布置中进行测量，然后根据在这两个测量平面内测得的平均流动速度，计算两个测量平面的平均流动速度、横向流动分量的矢量的数值和/或说角度。如果平均流动速度小于对于反射式布置来说允许的最大流动速度，则在反射式布置中进行两个测量平面中的下一次测量，否则，再次在X式布置中进行两个测量平面中的下一次测量。横向流动分量的矢量的数值和角度可以保存并且显示为诊断值。如果横向流动分量的数值和/或角度超过之前定义的最大值，则可以生成报警信号。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种根据传播时间法的用于外夹式超声波流量测量的方法，其中四个声音换能器(T1、T2、T3、T4)布置在测量管(1)上，其特征在于，

借助于控制装置，以如下方式操控四个所述声音换能器(T1、T2、T3、T4)，使得依次在X式布置和反射式布置中完成流量测量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

分别在上部相邻的右侧和左侧的两个声音换能器(T3、T1)与分别在下部相邻的右侧和左侧的两个声音换能器(T2、T4)相对，并且左上的所述声音换能器(T1)与右下的所述声音换能器(T2)相连，并且右上的所述声音换能器(T3)与左下的所述声音换能器(T4)相连，以分别构成用于在X式布置中进行的流量测量的发射接收对，并且左上的所述声音换能器(T1)与右上的所述声音换能器(T3)相连，并且左下的所述声音换能器(T4)与右下的所述声音换能器(T2)相连，以分别构成用于两个反射式布置的发射接收对。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

测定平均流动速度以及横向流动分量，其中所述横向流动分量保存并且显示为诊断值，并且在超过之前定义的所述横向流动分量的最大值时，生成报警信号。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

在X式布置中完成第一次流量测量，其中测定至少一个平均流动速度，

在所述平均流动速度小于对于所述反射式布置来说允许的最大流动速度时，在反射式布置中进行第二次流量测量，或者

在测定的流动速度大于或者等于对于所述反射式布置来说允许的最大流动速度时，在X式布置中重复流量测量。

5.一种根据传播时间法的用于外夹式超声波流量测量的布置系统，其中四个声音换能器(T1、T2、T3、T4)布置在测量管(1)上，其特征在于，

四个所述声音换能器(T1、T2、T3、T4)成对地且在径向上相对地布置在所述测量管(1)上，并且借助于控制装置，既在反射式布置中，也在X式布置中实现流量测量。

6.根据权利要求5所述的布置系统，其特征在于，

分别在上部相邻的右侧和左侧的两个声音换能器(T3、T1)与分别在下部相邻的右侧和左侧的两个声音换能器(T2、T4)相对，并且左下的所述声音换能器(T4)与左上的所述声音换能器(T1)在径向上相对地布置在所述测量管(1)上，并且右下的所述声音换能器(T2)与右上的所述声音换能器(T3)在径向上相对地布置在所述测量管上，并且根据通过所述控制装置实现的操控，左上的所述声音换能器(T1)与右上的所述声音换能器(T3)以及左下的所述声音换能器(T4)与右下的所述声音换能器(T2)分别形成用于在反射式布置中进行的流量测量的发射接收对，并且左上的所述声音换能器(T1)与右下的所述声音换能器(T2)以及右上的所述声音换能器(T3)与左下的所述声音换能器(T4)分别形成用于在X式布置中进行的流量测量的发射接收对。

7.一种根据传播时间法的用于控制外夹式超声波流量测量的电路布置系统，其中四个声音换能器(T1、T2、T3、T4)布置在测量管(1)上，其特征在于，

四个所述声音换能器(T1、T2、T3、T4)成对地且在径向上相对地布置在所述测量管(1)上，并且信号发生器(Tr)通过电路元件(S1、S3、S5和S7)，而放大器(Rc)通过电路元件(S2、S4、S6和S8)与所述声音换能器(T1、T2、T3和T4)相连，其中对于第一次测量，左上的声音换能器(T1)通过电路元件(S2)和电路元件(S3)与右下的声音换能器(T2)相连，并且接下来右上的声音换能器(T3)通过电路元件(S6)和电路元件(S7)与左下的声音换能器(T4)相连，以分别构成发射接收对，使得右下的所述声音换能器(T2)和左下的所述声音换能器(T4)布线为发射单元，并且左上的所述声音换能器(T1)和右上的所述声音换能器(T3)布线为接收单元，并且由此在X式布置中实现流量测量，并且对于第二次流量测量，左上的所述声音换能器(T1)和右上的所述声音换能器(T3)以及右下的所述声音换能器(T2)和左下的所述声音换能器(T4)通过电路元件(S2)、电路元件(S5)、电路元件(S3)和电路元件(S8)分别连接成发射接收对，并且由此在反射式布置中实现流量测量。