CN101960273A - 确定在声学流量计中的到达时间周波跳跃的模式的方法和系统 - Google Patents

Abstract

确定在声学流量计中的到达时间周波跳跃的模式。示例性实施例中的至少一些是如下的方法，所述方法包括：收发经由在仪表中流动的流体的声学信号(收发是在多个传感器对中的各个对之间进行的)；测量声学信号在多个传感器对中的各个对之间的传播时间；计算多个误差值(每个误差值都表示在测量声学信号的传播时间中的一种周波跳跃式样)；以及至少部分地使用所述多个误差值来确定周波跳跃式样。

Description

确定在声学流量计中的到达时间周波跳跃的模式的方法和系统

背景技术

在碳氢化合物从大地中提取出来后，流体流束(例如原油和天然气)经由管线从一个地方传输到另一个地方。这就需要精确知道在该流束中流动的流体的数量，并且当流体转手时或者“密闭输送”时要求特定的精确性。超声波流量计可以用来测量在管线中流动的流体的量，并且超声波流量计在密闭输送中使用时具有足够的精确性。

在超声波流量计中，超声波信号被来回地发射经过待测流体流。在确定流体流量中被感测的参数之一是超声波信号到达传感器的时间。然而，因为在流体系统中的噪音，以及在超声波仪表的电子系统中的固有缺陷，在一些情况下，电子设备难以始终如一地选择探测到的声学信号的相同特征来表示到达时间。更具体地，在一些情况下，用于表示到达时间的、探测到的超声波信号的选择特征可能通过超声波信号的一个或多个循环而偏离期望特征。在由电子设备选择的用以表示超声波信号到达的特征与期望特征相比不同时，就说已经发生了“周波跳跃”。

由以下事实使情况进一步复杂，所述事实是指许多超声波仪表具有多个传感器对，每个传感器对都发送和接收超声波信号。用于第一个传感器对的探测到的超声波信号的特征会在理想特征之前偏离一个或多个周期，并且第二个传感器对的特征会在理想特征之后偏离一个或多个周期。事实上，在具有四个传感器对以及考虑到恰好正确地识别出理想特征、在理想特征之前的一个周期的周波跳跃和在理想特征之后的一个周期的周波跳跃(三种可能性)的超声波仪表中，有3⁴或者81种不同的可能发生的周波跳跃组态(configuration)。给定可能的周波跳跃组态的数目，识别出周波跳跃组态可能是困难的，尤其是当电子设备的处理能力有限时。

附图说明

为了详细地描述本发明的示例性实施例，现在将对附图进行参考，其中：

图1A示出了根据至少一些实施例的流量计的横截面正视图；

图1B示出了根据至少一些实施例的流量计的端部正视图；

图1C示出了根据至少一些实施例的流量计的俯视图；

图2示出了根据至少一些实施例的流量计的电子设备；

图3示出了根据至少一些实施例的示例性的接收到的信号；

图4示出了根据至少一些实施例的包括流量计算机的系统；

图5示出了根据至少一些实施例的方法。

符号和术语

在整个下面的说明和权利要求中对涉及到的特别的系统部件使用特定的术语。作为本领域技术人员将意识到，仪表制造企业可能用不同的名字提到一个部件。本文档不打算区分名字不同而不是功能不同的部件。

在下面的论述和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放方式使用，并因此应当解释为意思是“包括，但不限于…”。此外，术语“耦合”或“连接”意图表示间接连接或直接连接。因此，如果第一个装置耦合到第二个装置，该连接可以是通过直接连接，或者是通过经由其他装置和连接件的间接连接。

具体实施方式

多种实施例是在四通路或四“弦(chord)”超声波流量计的背景下展开的，且描述是基于开发背景。然而，所描述的系统和方法可以用于任何多通路声学类型的流量计和在任何多通路声学类型的流量计内，并因此开发背景和描述不应被解释为将范围仅限于四弦超声波流量计。

为了说明超声波流量计的各种部件及关系，图1A示出了超声波流量计101。适于在管线的部分之间放置的卷筒零件100具有预定尺寸并限定了被测流体流经的中央通道。图示的传感器对120和130及它们的各个壳体125和135沿卷筒零件100的长度设置。传感器120和130是声学收发器，且更具体地是超声波收发器，这意味着它们产生且接收具有约20kHz以上频率的声学信号。声学信号可以由在每个传感器中的压电元件产生和接收。为了产生超声波信号，压电元件经由正弦信号电激励，且其通过振动响应。压电元件的振动产生声学信号，该声学信号通过被测流体行进到传感器对的相应的传感器。类似地，在被声学信号冲击时，接收的压电元件振动并产生正弦电信号，所述正弦电信号通过与仪表相关联的电子设备探测、数字化并分析。

通路110，有时被称为“弦”，以与中心线105成角度θ地存在于图示的传感器120和130之间。“弦”110的长度是传感器120的正面与传感器130的正面之间的距离。点140和145限定了由传感器120和130产生的声学信号进入和离开流经卷筒零件100(即，进入卷筒零件孔)的流体处的位置。传感器120和130的位置可以通过角度θ由在传感器120和130之间测量的第一长度L、与在点140和145之间的轴向距离相对应的第二长度X以及与管内径相对应的第三长度“D”来限定。在大多数情况下，距离D、X和L在仪表制造期间被精确地确定。此外，诸如120和130的传感器通常被分别放置成距点140和145的特定距离处而不考虑仪表尺寸(即，卷筒零件尺寸)。诸如天然气的流体，在方向150上以流速分布152流动。速度矢量153-158说明穿过卷筒零件100的气体速度朝着卷筒零件100的中心线105增加。

最初，下游传感器120产生超声波信号，所述超声波信号入射，并因而被上游传感器130探测到。一段时间以后，上游传感器130产生返回的超声波信号，所述超声波信号随后入射并被下游传感器120探测到。因此，传感器120和130与超声波信号115沿弦通路110进行“投和接”。在运行期间，该序列可以每分钟发生数千次。

超声波信号115在传感器120和130之间的传播时间部分地取决于超声波信号115是否相对于流体流动向上游或向下游行进。用于超声波信号向下游行进(即，与流体流动相同的方向)的传输时间小于当向上游(即，逆着流体流动)行进时的传播时间。上游和下游传播时间能够被用于计算沿信号通路的平均速度和在被测流体中的声音的速度。给定承载流体的仪表的横截面的量度，仪表孔的整个区域上的平均速度可以被用来求出流经卷筒零件100的流体的体积。

超声波流量计可以具有一个或多个声学信号通路。图1B是示出了多通路超声波流量计的一端的正视图。图1B的超声波流量计包括在卷筒零件100内在变化的水平面处的四个弦通路A、B、C和D。每个弦通路A-D对应于可交替地表现为发射器和接收器的传感器对。还示出了控制电子设备外壳160，所述控制电子设备外壳160控制电子设备从四个弦通路A-D获得和处理数据。在图1B的视图中隐藏有对应于弦通路A-D的四对传感器。

参考图1C可以更容易地理解四对传感器的布置。四对传感器端口被安装在卷筒零件100上。每对传感器端口与图1B的单个弦通路相对应。第一对传感器端口125和135包括从卷筒零件100稍微凹进的传感器120和130(图1A)。传感器安装在与卷筒零件100的中心线105成非垂直的角度θ处。另一对传感器端口165和175(只能部分看见)及相关传感器被安装为使得其弦通路相对传感器端口125和135的通路松散地形成“X”形状。类似地，传感器端口185和195被放置得平行于传感器端口165和175，但在不同的“水平面”处(即，在管道或仪表卷筒零件中的不同径向位置)。在图1C中不明确地示出了四对传感器和传感器端口。将图1B和1C一起看，传感器对被布置为使得与弦A和B相对应的上部两对传感器形成“X”形状，且与弦C和D相对应的下部两对传感器也形成“X”形状。流体的流速可以在每个弦A-D处确定以获得弦流速，且弦流速被结合以确定在整个管道上的平均流速。从平均流速可以确定在卷筒零件中流动的流体数量，并因此可以确定在管线中流动的流体量。

图2示出了根据至少一些实施例的超声波流量计的控制电子设备200。控制电子设备200可以与图1B的电子设备外壳160一起存在，所述电子设备外壳160可以耦合到卷筒零件。可替选地，电子设备外壳160可以被等效地安装在卷筒零件的最近处(即，在几英尺内)。控制电子设备200包括处理器202，所述处理器202耦合到随机存取存储器(RAM)204、只读存储器(ROM)206和通信端口(COM)208。处理器202是如下的设备：程序在该设备内执行完成各种实施例的任务。ROM 206是一种非易失性存储器，所述非易失性存储器存储操作系统程序，以及用于执行各种实施例的程序。RAM 204是用于处理器202的工作存储器，且在运行之前一些程序和/或数据结构可以从ROM206复制到RAM 204。在可替选的实施例中，一些程序和数据结构可以直接从ROM 206存取。通信端口208是如下的机构：通过所述机构，该仪表与诸如流量计算机(其可以累计来自多个流量计所测得的流体流量)和/或数据采集系统的上游装置进行通信。尽管处理器202、RAM204、ROM 206和通信端口208被作为单独的装置说明，但是在可替选的实施例中使用微控制器，所述微控制器一体化地包括处理核心、RAM、ROM和通信端口。

处理器202进一步耦合和控制多个装置，以便经由被测流体发送和接收声学信号。具体地，处理器202通过控制线218和220分别耦合到传感器驱动器210、接收器212和两个多路复用器214和216。在一些实施例中，传感器驱动器210包括振荡器电路和放大器电路。在这些实施例中的传感器驱动器210产生初始信号，将信号放大到足够驱动传感器的信号强度，并提供相对传感器匹配的阻抗。在其他的实施例中，传感器驱动器从处理器202接收期望频率的交流电(AC)信号，放大信号并提供相对于传感器匹配的阻抗。接收器212也可以采用许多形式。在一些实施例中，接收器212是模-数转换器，所述模-数转换器接收由传感器产生的、代表接收到的声学信号的模拟波形，并将信号转换为数字形式。在某些情况下，接收器212可以在数字化之前或数字化之后过滤和/或放大信号。然后，可以将接收到的信号的数字化形式传到处理器202，用于检测期望特征(下面进行更多的讨论)。在另外的其他实施例中，接收器212可以具有对期望特征实施一部分或全部检测的能力。

执行程序的处理器202有选择地控制多路复用器214和216，以将每个传感器对222的每个传感器耦合到传感器驱动器210(以驱动传感器来产生声学信号)和耦合到接收器212(以接收由传感器响应于声学信号产生的电信号)。在一些实施例中，在一个第二测量周期的跨度内，处理器202引导每个传感器对发送大约30个上游的声学信号和30个下游的声学信号。可以等效地使用用于每个传感器对的上游和下游的声学信号的更多或更少组、以及更长或更短的测量周期。

仍然参考图2，并特别聚焦于作为所有传感器对222的代表的传感器对222A。为了本论述的目的，传感器224是发送传感器，且传感器226是接收传感器；然而，在实际操作中，这些作用可以交替地改变。在处理器202的控制下，传感器驱动器210通过多路复用器214和216耦合到传感器224。由传感器驱动器210产生和/或放大的电信号传播到并激发在传感器224中的压电元件，且接着传感器224产生声学信号。声学信号穿过在被测流体中的传感器224和传感器226之间的距离。为了附图的便利性，图2的传感器对222A没有对准，但是在操作中，传感器对将如图1A中所示的那样基本上是同轴的。在传感器224和传感器226之间的声学信号的飞行时间期间，处理器202改变多路复用器214和216的组态，以将传感器226耦合到接收器212。传感器226接收声学信号，且与接收到的声学信号相对应的电信号传播到接收器212。处理器202通知当传感器驱动器210被命令以产生驱动信号的时间，且处理器202分析由接收器212接收到的信号，通知存在接收到的信号的选定特征的时间。

由处理器202测量的总时间不仅包括声学信号通过具有代表性的传感器224和226之间的流体的传播时间，而且还包括在控制电子设备200和相关线缆内的电信号的传播延迟(例如，通过多路复用器214和216的传播延迟，以及穿过在多路复用器216和传感器之间耦合的线缆的信号传播延迟)。为了不同实施例的目的，传播延迟或者是已知的或者是可知的，且因而在确定实际的传播时间时加以考虑。不同实施例所关心的是选择接收到的信号的特征以指定作为声学信号的到达时间。

图3示出作为时间的函数的接收到的信号300，以便论述对接收到的信号的特定特征的选择以指定作为到达时间。具体地，接收到的信号300包括第一运动302，随后为4个四个负向零交叉点304、306、308和310。依照至少一些实施例，用于选择以识别声学信号的到达时间的期望特征是第二负向零交叉点306。然而，图3的插图是理想化的。在实践中，在被测流体中的声学噪声的存在以及传感器从电能产生声能的能力的非理想性(且反之亦然)使识别特定的零交叉点很困难。因此，在某些情况下，处理器202会误识别作为期望特征的零交叉点。将非期望零交叉点误识别为期望零交叉点被称为“周波跳跃”。例如，因为噪音和/或其他困难，处理器202会将零交叉点304误识别为期望特征。为了本公开的目的，选择在时间上早于期望特征发生的零交叉点被称为负周波跳跃。如又一实施例中的那样，因为噪音和/或其他困难，处理器202会将零交叉点308或零交叉点310误识别为期望特征。为了本公开的目的，选择在时间上晚于期望特征发生的零交叉点被称为正周波跳跃。

如上所述，影响计算通过超声波仪表的流体流量的一个参数是声学信号在传感器对的传感器之间的传播时间。在确定传播时间中，选定作为声能的到达时间的标志的特征是重要的。例如，以及仍参考图3，如果发生负周波跳跃(例如，选择零交叉点304而不是零交叉点306)，那么传播时间将通过声学信号的周期(完成一个循环的时间)比实际的传播时间短。同样地，如果发生一个正周波跳跃(例如，选择零交叉点308)，那么传播时间将通过声学信号的周期比实际的传播时间长。为了操作在125千赫(kHz)的传感器的示例性设定，声学信号的一个周期是大约8微秒(μs)。因此，一个负周波跳跃使传播时间缩短约8μs，而一个正周波跳跃使传播时间延长约8μs。尽管差异很小，但是这种差异对测量的传播时间有不利影响。

为了检查周波跳跃的存在，已经开发了称为Eta(η)函数的函数，所述函数将相对不同长度的两个弦比较声音的测量速度(直接与测量的传播时间有关)并提供表示周波跳跃的值。具体地，Eta函数采用形式：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{BA}}=\frac{L_B{L}_A}{L_B-L_A}\·\frac{c_B-c_A}{c_A{c}_B}---\left(1\right)$

其中，L_A和L_B分别是弦B和A的长度，c_B和c_A分别是弦B和A的测得的声音速度。对于弦B和D、弦C和A以及弦C和D可以限定类似的Eta函数。如果没有周波跳跃发生，对于每个弦来说，声音速度应该是相同的，且在理想情况下，Eta函数的值是0。实际上，声学噪音、电噪声和其他缺陷可以迫使Eta为非零，但是在没有周波跳跃时仍然很小。另一方面，如果在比较中使用的任一个弦经历有周波跳跃，那么对于该弦来说，声音速度将同样地变化，且Eta具有相对较大的非零值(与没有周波跳跃的Eta值比较)。因此，大的Eta值表示在计算Eta的两弦中的至少一个上的周波跳跃，并且该量值和符号表示周波跳跃是负还是正。Eta是单一值，但是是基于关于两个弦的信息。如果Eta指示周波跳跃，那么确定一个弦经历了周波跳跃还是两个弦都经历了周波跳跃，以及确定每个弦的每个周波跳跃是正还是负，这是困难的。在示例性的四弦仪表中问题进一步加剧。

为了本公开和权利要求的目的，经过仪表的所有弦的周波跳跃的模式被称为到达时间周波跳跃或周波跳跃式样的模式或组态(configuration)。到达时间周波跳跃的模式包括在任何弦上没有发生周波跳跃的情况。到达时间周波跳跃的可能模式的数目等于选作到达时间的可能特征的数目，所述可能特征的数目高达弦的数目的乘方。例如，只考虑正确识别出期望特征、在期望特征之前的一个周期的周波跳跃以及在期望特征之后的一个周期的周波跳跃(三种可能性)和四弦仪表，有3⁴或81种会发生的到达时间周波跳跃的不同模式。如果进一步考虑到在期望特征之后的两个周期的周波跳跃是可能的，对于四弦仪表来说，有4⁴或者256种到达时间周波跳跃的不同模式。

虽然用于在两个弦之中确定仅存在或不存在周波跳跃的单一的Eta计算是简单的，但是假如每个Eta都没有识别出哪一个弦经历了周波跳跃，那么需要多个Eta计算以确定经过所有弦的到达时间周波跳跃的模式。用于计算到达时间周波跳跃的所有可能模式的Eta的计算时间对于在超声波流量计中受限的处理器来说可能太长了。另外，甚至在不存在周波跳跃而由噪音引起的非零Eta值要求建立阈值，比对该阈值来检验Eta值，以探明周波跳跃的存在或不存在，而这样的阈值受到误差影响。为了处理在确定到达时间周波跳跃的模式时注意到的缺点，不同实施例计算出多个误差函数，每个误差函数都表示到达时间周波跳跃的一种特定的模式。通过评估误差函数的值，可以确定到达时间周波跳跃的模式。现在说明书转向在至少一些实施例中可使用的误差函数的推导。

示例性误差函数的推导是基于周波跳跃误差如何影响声音速度的计算。具体地，沿超声波流量计的特定弦测得的声音速度采用如下形式：

$c=\frac{L}{2}\frac{T_{\mathrm{Up}}+T_{\mathrm{Dn}}}{T_{\mathrm{Up}}{T}_{\mathrm{Dn}}}---\left(2\right)$

其中，c是声音的速度，L是弦的长度，T_up是上游传播时间且T_DN是下游传播时间。由传播时间的误差引起的测得的声速的误差通过下式给出：

$\mathrm{\Δc}=\frac{\∂c}{{\∂T}_{\mathrm{Up}}}{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Up}}+\frac{\∂c}{{\∂T}_{\mathrm{Dn}}}{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Dn}}=-\frac{L}{2}(\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Up}}}{T_{\mathrm{Up}}^2}+\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Dn}}}{T_{\mathrm{Dn}}^2})---\left(3\right)$

其中，Δc是测得的声速的误差，且ΔT_Up和ΔT_Dn是分别是上游和下游传播时间的误差。与由周波跳跃引起的传播时间的误差相比较，上游传播时间与下游传播时间之间的差异相对小。因此，为了计算由周波跳跃引起的声速的误差的目的，上游传播时间和下游传播时间可以被近似为

使用上游和下游传播时间大致相等的近似，方程3简化为：

$\mathrm{\Δc}\≅-\frac{c^2}{L}\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Up}}+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Dn}}}{2}=-\frac{c^2}{L}\mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$

其中，ε是平均传播时间误差，且被限定为是上游和下游传播时间误差的平均值。然后，测得的对于弦A的声速c_A可以写成：

$c_A=c+{\mathrm{\Δc}}_A=c-\frac{c^2}{L_A}{\mathrm{\ϵ}}_A---\left(5\right)$

其中，ε_A是对于弦A的平均传播时间误差。对于弦B、C和D，存在类似的表达式。为了对于示例性的4个弦中的每个的声速使用方程(5)，方程(1)可以被改写为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{BA}}=\frac{L_B{L}_A}{L_B-L_A}\·\frac{(c-\frac{c^2}{L_B}{\mathrm{\ϵ}}_B)-(c-\frac{c^2}{L_A}{\mathrm{\ϵ}}_A)}{(c-\frac{c^2}{L_B}{\mathrm{\ϵ}}_B)(c-\frac{c^2}{L_A}{\mathrm{\ϵ}}_A)}.---\left(6\right)$

方程(6)能够通过分子的代数操作以及通过如果平均传播时间小就使分母的右半部分等于c²的近似来进行简化。因此，使用代数操作和近似，等式(6)可以写为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{BA}}=\frac{L_B{L}_A}{L_B-L_A}\·\frac{c^2(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_A}{L_A}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_B}{L_B})}{c^2}---\left(7\right)$

从这里，方程(7)可以进一步简化为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{BA}}=\frac{L_B{\mathrm{\ϵ}}_A-L_A{\mathrm{\ϵ}}_B}{L_B-L_A}.---\left(8\right)$

方程8在下文为称为理论上的Eta(η^Theory)，因为可以利用方程来给出基于假设的平均传播时间误差的理论上的Eta值。方程(8)仅相对于弦A和B，并且对于弦C和A以及弦C和D存在类似的表达式。

由周波跳跃引起的传播时间误差直接关系到声学信号的周期(用于完成一个循环的时间)。再次，对于操作在125kHz的传感器的示例性组，声学信号的一个周期是大约8微秒(μs)。因此，对于125KHz声学信号的示例性情况，一个负周波跳跃产生大约-8μs的传播时间误差ε，且一个正周波跳跃产生大约8μs的传播时间误差ε。

对于四弦仪表，且考虑到对于一个负周波跳跃、无周波跳跃、一个正周波跳跃的特定传播时间测量的可能的结果，还有81种经过所有四个弦的周波跳跃的可能的组态。为了不使说明变得过度复杂，假设声学信号为125KHz且因而周期为8μs的情况下，下面的表1在标题为“周波跳跃”的栏中示出了到达时间周波跳跃的可能的模式的子集，且在“平均传播时间误差”栏中给出了对于子集的平均传播时间误差。

表1

具体地，在“周波跳跃”栏中，-1表示一个负周波跳跃，0表示没有周波跳跃，1表示一个正周波跳跃，并且2表示两个正周波跳跃。标题为“平均传播时间误差”的栏表示对于相应的模式或者到达时间周波跳跃的平均传播时间误差ε。

作为例子，考虑上表的第二行。数列{1 1 0 0 0 0 0 0}表示经过四个弦的到达时间周波跳跃的可能模式(考虑到上游和下游这两者的声学信号)，其中对于弦A的上游和下游这两者的传播时间通过一个正周波跳跃的周期而偏离(即，测得的传播时间比实际的传播时间大至少8μs)，且剩余的上游和下游弦没有经历周波跳跃。如上所述，ε被限定为上游和下游传播时间误差的平均值。对于表1的示例性的第二行，8μs上游误差和8μs下游误差的平均值因此为8μs，并且所以ε_A是8μs以及剩余的平均传播时间误差为零。再次声明，所述表的周波跳跃栏中的每一行代表经过仪表的示例性的四个弦的到达时间周波跳跃的可能模式，但表1不是穷举的。

对于表1中可能的模式或到达时间周波跳跃中的每个，使用表1中假设的平均传播时间误差，可以使用上面的方程(8)计算出一系列理论上的Eta值。使用表1的平均传播时间误差计算出的Eta值在下述意义上是理论的，所述意义是指表1的平均传播时间误差代表如果仪表经历与平均传播时间误差相关联的到达时间周波跳跃的模式，则平均传播时间误差应为的值。下面的表2包括表1的周波跳跃和平均传播时间误差，并且还包括利用方程(8)、平均传播时间误差以及假设弦长度为

计算出的理论上的Eta值。

对于具有到达时间周波跳跃的模式为{1 1 0 0 0 0 0 0}的有代表性的第二行，利用方程(8)计算出的理论上的Eta值是{21 0 21 0}。

根据不同的实施例，对于到达时间周波跳跃的每一种可能模式，使用用于到达时间周波跳跃的理论上的Eta值和来自仪表的实际上的Eta值来计算误差函数或误差值。根据一些实施例，误差函数采用形式：

$E(\mathrm{\ϵ},c)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}|{\mathrm{\η}}_i^{\mathrm{Theory}}\left(\mathrm{\ϵ}\right)-{\mathrm{\η}}_i^{\mathrm{Meas}}\left(c\right)|---\left(9\right);$

其中，E(ε，c)是作为平均传播时间ε和测得的声速c的函数的误差，η^Theory是使用上面的方程(8)计算出的理论上的Eta值，η^Meas值是使用方程(1)计算出的实际上的Eta值，并且i是弦对(例如，对于四弦仪表来说，是弦对BA、BD、CA和CD)。

当到达时间周波跳跃的实际模式与来自表中的到达时间周波跳跃的可能模式相匹配时，在理想情况下，误差函数的值是零。实际上，声学噪声、电噪声和其他缺陷会迫使测得的Eta值为非零，但是在没有周波跳跃时仍然很小，并且同样地如果到达时间周波跳跃的实际模式与到达时间周波跳跃的可能模式相匹配，则误差函数可以具有很小的值。另一方面，如果到达时间周波跳跃的实际模式与到达时间周波跳跃的可能模式相比不同，则误差函数具有相对大的非零值(与匹配的值相比)。因此，对于到达时间周波跳跃的每一种可能模式，计算出误差函数。当计算出对于到达时间周波跳跃的每一种可能模式的误差函数时，并且因为仅一种到达时间周波跳跃的可能模式(包括没有周波跳跃的情况)将与到达时间周波跳跃的实际模式匹配，那么通过找出具有最小值的误差函数来识别到达时间周波跳跃的实际模式。换种方式来说，识别出到达时间周波跳跃的实际模式而不需要将误差函数与受误差影响的阈值相比较；相反，只需要识别与具有到达时间周波跳跃相对应的可能模式的最小值的误差函数，并因而识别出到达时间周波跳跃的实际模式。

可以使用在讨论如何确定到达时间周波跳跃的实际模式之前的一些观点。首先，到达时间周波跳跃的可能模式可能在仪表设计时被建立并被置于超声波流量计的存储器中的数据表中。由此得出结论，与到达时间周波跳跃的可能模式相关联的处理器总开销(overhead)很少，且实际上处理器总开销可以仅是将表格从ROM装置复制到RAM装置。同样地，理论上的Eta值是基于将在仪表中使用的声学信号的频率和弦长度，声学信号的频率和弦长度这两者都在仪表设计时建立。因此，理论上的Eta值可以被提前计算，并放置在超声波流量计存储器中的数据表中。由此得出结论，与理论上的Eta值相关联的处理器总开销很小，且实际上处理器总开销可以仅是将理论上的Eta值从ROM装置复制到RAM装置供使用。即使在一个特定的超声波流量计中利用更精确的方程(例如，基于仪表中流体的声速的方程(6))计算出理论上的Eta，也可能在系统启动期间，可以一次计算出理论上的Eta值，并放置到表格中，从而表示在实际的测量操作期间的很少处理器总开销。对于四弦仪表来说，计算每个误差函数仅计算四个实际的Eta值，并将四个计算得到的实际的Eta值与理论上的Eta值求和，所述理论上的Eta值或者被提供或由处理器仅计算一次。

接下来，当可以计算对于每组传播时间测量结果(即，对于每个弦的一个上游和一个下游测量结果)的误差函数时，根据其他实施例，用于每个弦的上游和下游传播时间测量结果在整个测量周期上被平均化。例如，在示例性的一秒的测量周期内，超声波流量计可以为每个传感器对发送30个上游和30个下游声学信号，并且对于每个弦的上游和下游传播时间是30个声学信号的传播时间的平均值。在该实施例中，误差函数可以基于平均的上游和下游传播时间来计算。因此，计算误差函数在每个测量周期中可以由超声波流量计仅执行一次。现在转向关于到达时间周波跳跃的实际模式的信息的使用。

关于到达时间周波跳跃的实际模式的信息的使用可以采用许多形式。在一些情况下，如果到达时间周波跳跃的实际模式不同于没有周波跳跃发生的情况，那么用户被通知(发生了)周波跳跃(例如，通过可听的、可见的或基于电子的指示)。在其他的实施例中，当到达时间周波跳跃的实际模式被确定(再次不同于没有周波跳跃)时，执行程序的处理器基于到达时间周波跳跃的实际模式来修正经历了周波跳跃的传播时间值，且同样地修正声速的测量和流量测量。更进一步地，在某些情况下，周波跳跃是半永久性的现象，且因而特定的弦可以在延长的时间周期经历周波跳跃。在这种情况下，超声波流量计可以在一个测量周期中确定到达时间周波跳跃的实际模式，然而在随后的测量周期中对传播时间值进行修正。事实上，在单独的测量周期内(例如，一秒)由周波跳跃引起的在累计的流量计算(例如，通过数天)中的误差可以是很小的，并因此处理器202可以在起初的测量周期中避免修正传播时间误差，仅支持在未来的测量周期中修正。

更进一步地，在选择接收到的信号的特征时，处理器202可以利用不同的到达时间探测参数，以更好地集中于在接收到的信号中搜索。例如，处理器202可以利用接收到的信号的可调节的放大(可以是在接收器212中)、围绕接收到的信号的零值的可调节的死区以及停工次数。当到达时间周波跳跃的实际模式被确定(再次不同于没有周波跳跃)时，处理器202可以对到达时间测量参数进行调整以尝试消除在未来的测量周期中的周波跳跃。再次，由于在单独的测量周期内(例如，一秒)由周波跳跃引起的在累计的流量计算(例如，通过数天)中的误差可以是很小的，所以处理器202可以避免修正传播时间误差，而支持调整到达时间探测参数。又在另外的实施例中，处理器202可以修正用于周波跳跃的传播时间，且还可以调整到达时间探测参数。

说明书对于这一点的论述已经假设确定到达时间周波跳跃的模式在超声波流量计中发生。然而，在可替选的实施例中，关于到达时间周波跳跃的模式的确定可以在上游装置中发生。图4示出了上游装置对到达时间周波跳跃的实际模式进行确定的可替选实施例。具体地，图4示出了耦合到多个超声波流量计402的流量计算机400。流量计算机被配置成累计(即，保持运载总数，running total)在预定时间周期期间由超声波流量计中的每个测得的流体流量。超声波流量计402中的每个可以基本上如上所述地被构造和操作。然而，每个仪表402都可以具有不同的尺寸(即，每个卷筒零件限定不同尺寸的中央通道)，或者每个仪表都可以测量不同类型的流体。例如，在发电厂运行的天然气仪表可以包括多个平行的且独立的测量部件，每个部件优化为天然气流速的特定范围。流量计算机400可以因此从超声波流量计402中的每个累计流体流量，以建立流入到发电厂的总的天然气。

示例性的流量计算机400包括耦合到RAM 406、ROM 408、通信端口410和通信端口412的处理器404。处理器404是程序在其内部执行以进行累计流量体积、以及还有确定并可以修正到达时间周波跳跃的模式的任务的装置。ROM 408是存储操作系统程序和用于实现不同的实施例的程序的非易失性存储器。RAM 406是用于处理器404的工作存储器，且在运行之前，一些程序和/或数据结构可以从ROM 408拷贝到RAM 406。在可替选的实施例中，一些程序和数据结构可以直接从ROM 408存取。通信端口410是流量计算机400通过其与上游装置进行通信的机构，例如，数据采集系统。同样地，通信端口412是流量计算机400通过其与超声波流量计402进行通信的机构。在可替选的实施例中，流量计算机可以具有用于每个超声波流量计402的单独的通信端口412，但仍在其他实施例中，作为单一的通信端口可以用于与超声波流量计和上游装置这两者进行通信。尽管处理器404、RAM406、ROM 408、通信端口410、412作为单独的装置举例，但是在可替选的实施例中，还使用微控制器，所述微控制器一体化地包括处理核心、RAM、ROM和通信端口。

根据这些实施例，超声波流量计402中的至少一个被配置成将对于其弦所测得的传播时间发送到流量计算机400。在某些情况下，发送到流量计算机400的测得的传播时间是用于每个弦的单一的上游和下游传播时间，以及在其他情况下，发送到流量计算机400的测得的传播时间是在测量周期上的平均传播时间。相应地，流量计算机400，并且尤其是处理器404和通信端口412，被配置成接收测得的传播时间。根据示例性实施例，流量计算机400被配置成以参考超声波流量计的上述方式确定到达时间周波跳跃的模式。因此，如果超声波仪表不具有用以执行确定到达时间周波跳跃的计算的足够的计算能力，那么所述计算可以由与超声波仪表耦合的流量计算机来执行。

响应确定到达时间周波跳跃而执行的动作(不同于没有周波跳跃)类似于由超声波流量计执行的动作。在某些情况下，具有传播时间测量结果的备份的流量计算机400的处理器404基于到达时间周波跳跃的模式修正测量。在其他的实施例中，处理器404基于到达时间周波跳跃的实际模式修正后续测量周期中的传播时间测量结果。更进一步的，流量计算机400可以通知超声波流量计402到达时间周波跳跃的实际模式，并迫使超声波仪表基于模式(在当前的或后续的测量周期中)修正传播时间。又进一步的，单独或与以上动作中的任一个相结合，流量计算机400可以引导改变超声波流量计402的到达时间探测参数。

图5示出了根据至少一些实施例的方法。具体地，方法开始(框500)，并行进到经由在仪表中流动的流体收发声学信号(框504)。根据至少一些实施例，收发是在多个传感器对的各个对之间进行的。然后，方法行进到测量声学信号的传播时间(框508)。在利用传感器对的实施例中，测量是在传感器的各个对之间进行的。此后，方法行进到计算多个误差值(框512)，其中，每个误差值都表示一种到达时间周波跳跃的模式。根据至少一些实施例，如上所述，计算误差值涉及计算理论上的Eta值，且使用诸如上面的方程(9)的方程来计算误差值。方法行进到基于多个误差值来确定到达时间周波跳跃的模式(框516)，以及该方法结束(框520)。

从这里提供的说明，本领域技术人员能够容易地将如描述的那样创建的软件与适当的通用目的的或特殊目的的计算机硬件结合起来，以根据不同的实施例来创建出计算机系统和/或计算机子部件，以创建出用于执行不同实施例的方法的计算机系统和/或计算机子部件，和/或以创建出用于存储软件程序来实现不同实施例的方法方面的计算机可读介质。

上面的论述是想要说明本发明的原理和不同实施例。当上述公开被充分理解时，许多变化和修改对本领域技术人员来说将变得显而易见。例如，由于物理原因，到达时间周波跳跃的特定模式比其他模式更可能发生，并因此表中包含的到达时间周波跳跃的可能模式不需要包含每一种可能性，而是可以包括到达时间周波跳跃的最可能的模式的子集。另外，方程(9)被设计成当到达时间周波跳跃的实际的和可能的模式相匹配时提供小值，但是等效的方程可以当到达时间周波跳跃的实际的和可能的模式相匹配时(例如，1/E(ε，c))产生大值，并且在这种情况下，通过误差函数的值搜索最大值可以等效地实现。意图是下面的权利要求被解释为涵盖所有这些变化和修改。

Claims (23)

1.一种系统，包括：

限定中央通道的仪表本体，所述仪表本体被配置成耦合到流体在其内流动的管道；

至少四个传感器对，所述至少四个传感器对耦合到所述仪表本体，每个传感器对都被配置成经过所述中央通道传播声学信号；

处理器，所述处理器机械地耦合到所述仪表本体，并且电耦合到所述至少四个传感器对；以及

存储器，所述存储器电耦合到所述处理器，所述存储器存储由所述处理器可执行的程序；

所述程序使所述处理器确定在第一测量周期中经过中央通道的声学信号的传播时间测量结果；以及

所述程序还使所述处理器确定在所述第一测量周期内、经过所述至少四个传感器对的所述传播时间测量结果的到达时间周波跳跃的模式。

2.如权利要求1所述的系统，还包括：

所述程序使所述处理器计算多个值，每个值都表示经过所述至少四个传感器对的到达时间周波跳跃的模式；以及

所述程序使所述处理器评估所述多个值，以确定到达时间周波跳跃的模式。

3.如权利要求2所述的系统，其中，当所述程序评估所述多个值时，所述程序进一步使所述处理器基于选自如下组中的至少一个来选择特定值，所述组由多个值中的最大值和多个值中的最小值组成。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述程序进一步使所述处理器响应于与至少一个传感器对相关的到达时间周波跳跃的模式，来改变对于所述至少一个传感器对的到达时间探测参数。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述程序避免响应于到达时间周波跳跃的模式来修正传播时间值。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述程序进一步使所述处理器响应于到达时间周波跳跃的模式来修正所述第一测量周期的传播时间值。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述程序进一步使所述处理器响应于到达时间周波跳跃的模式来修正第二测量周期的传播时间值。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述程序进一步使所述处理器修正所述第二测量周期的传播时间值，所述第二测量周期紧接在所述第一测量周期之后。

9.一种系统，包括：

处理器；

存储器，所述存储器耦合到所述处理器，所述存储器存储由所述处理器可执行的程序；

通信端口，所述通信端口耦合到所述处理器；

所述程序使所述处理器接收来自流量计的测得的流体流量值，所述接收经过所述通信端口，并且在预定时间周期上保持穿过流量计的流体流量的运载总数；以及

所述程序使所述处理器从所述流量计接收在多个流量计的传感器对之间的声学信号传播时间测量结果，并且所述程序使所述处理器确定在所述传播时间测量结果中的到达时间周波跳跃的组态。

10.如权利要求9所述的系统，还包括：所述程序响应于到达时间周波跳跃的组态来改变用于至少一个传感器对在所述流量计中的到达时间探测参数。

11.如权利要求10所述的系统，还包括：所述程序避免修正传播时间值测量结果。

12.如权利要求9所述的系统，还包括：所述程序响应于到达时间周波跳跃的组态来修正传播时间测量结果。

13.如权利要求9所述的系统，还包括：所述程序修正来自在第一测量周期之后的第二测量周期的传播时间测量结果，所述修正响应于所述第一测量周期中的到达时间周波跳跃的组态。

14.如权利要求9所述的系统，还包括：

当所述程序确定了到达时间周波跳跃的组态时，所述程序计算出多个值，每个值都表示到达时间周波跳跃的组态；以及

所述程序评估所述多个值，以确定到达时间周波跳跃的组态。

15.一种方法，包括：

通过在仪表中流动的流体来收发声学信号，所述收发是在多个传感器对的各个对之间进行的；

测量在所述多个传感器对的各个对之间的声学信号的传播时间；

计算多个误差值，每个误差值都表示在测量所述声学信号的传播时间中的周波跳跃式样；以及

至少部分地使用所述多个误差值来确定所述周波跳跃式样。

16.如权利要求15所述的方法，还包括：响应于对所述周波跳跃式样的确定来改变到达时间探测参数。

17.如权利要求16所述的方法，还包括：避免修正测得的传播时间。

18.如权利要求15所述的方法，还包括：响应于所述周波跳跃式样来修正所述测得的声学信号的传播时间。

19.如权利要求15所述的方法，还包括：响应于来自紧接在第二测量周期之前的第一测量周期的传播时间的周波跳跃式样来修正来自所述第二测量周期的所述测得的声学信号的传播时间。

20.一种存储程序的计算机可读介质，在由处理器执行时所述程序使所述处理器：

计算多个值，每个值都表示经过在流量计中被测流体的传播时间测量结果的到达时间周波跳跃的模式；

至少部分地基于所述多个值来确定到达时间周波跳跃的模式。

21.如权利要求20所述的计算机可读介质，其中，所述程序进一步使所述处理器响应于到达时间周波跳跃的模式来改变用于至少一个传感器对的到达时间探测参数。

22.如权利要求20所述的计算机可读介质，其中，所述程序进一步使所述处理器响应于到达时间周波跳跃的模式来修正传播时间值。

23.如权利要求20所述的计算机可读介质，其中，所述程序进一步使所述处理器响应于在先前的测量周期中的传播时间值的到达时间周波跳跃的模式来修正随后的测量周期的传播时间值。

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