CN107576818A - 用于测量流体的流速的超声波测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有两个测量系统(12a‑b)用于测量管道(22)中流体(24)的流速的超声波测量装置(10)，该两个测量系统各自具有至少一对在彼此间延伸测量路径(18a_1..4、18b_1..4)的超声波转换器(14a_1…4、16a_1…4、14b_1…4、16b_1…4)以及控制单元(20a‑b)，以测定顺流和逆流发射和接收的超声波的传播时间。为此，控制单元(20a‑b)各自被设置用于，彼此单独且独立地根据规定确定在测量路径(18a_1..4、18b_1..4)上进行传播时间测定的测量时间点，该规定会导致测量时间点在两个测量系统(12a‑b)中的顺序各自不同。

Description

用于测量流体的流速的超声波测量装置和方法

本发明涉及根据权利要求1或权利要求11的前序部分的用于测量管道中流体的流速的超声波测量装置和方法。

管道和通道中的流速可借助超声波测量技术根据差分传播时间法(Differenzlaufzeitverfahren)来确定。重要的且要求高的应用领域是用于天然气管线的气量计在这里由于输送的气体量巨大以及原料价值，故测量精度中最微小的偏差就对应于显著可观的经济价值。

图5中示出了一种已知的测量原理。作为传统的测量装置110的主要组成部分，两个超声波转换器118、120以某一角度布置在管道112的壁中，在该管道中流体114在箭头方向116流动。超声波脉冲在超声波转换器118、120之间的测量路径上横向于流体的流动进行发射和接收，其中超声波转换器118、120相互交替地充当发射器和接收器。通过流体输送的超声波信号在流动方向上加强并在与流动方向相反的方向减弱。将得到的传播时间差用几何量换算成流体的平均流速。借助横截面面积从中得出工作体积流量，该工作体积流量例如在根据体积收费的流体中是感兴趣的测量值。几何关系通过以下变量来计算：

v：流体在管道中的流速

L：两个超声波转换器之间的测量路径的长度

α：超声波转换器进行发射和接收所在的角度

Q：体积流量

D：管道的直径

t_v：超声波顺流的传播时间

t_r：超声波逆流的传播时间

由此得出关于所需的量v和Q的以下关系：

v＝L/(2cosα)(1/t_v-1/t_r)和

Q＝v 1/4D²π。

因此，通过这种方式来确定测量路径的位置上的局部平均流速。但只有在均匀流动时才能得出准确的测量值。因此，对于要求高的应用来说，多个测量路径几何分布在管道的横截面上。然后通过将各个测量路径的测量值加权相加来确定整个横截面表面上的平均流速的更准确的值。标准ISO17089-1中介绍了一系列测量路径配置或测量路径布局。

由多个各自具有一个或多个测量路径的子系统构成的超声波测量装置是已知的。这降低了各个子系统中的复杂性，并提供了冗余。但它可能会引起信号干扰，该信号干扰会妨碍接收的超声波信号的质量。

这样的测量装置从EP 2 310 808 B1中已知。该装置包括多个转换器对，其分成两组由各自的控制电子设备操作。在这种情况下，两个控制电子设备相互通信地耦合并协调其转换器对的活动，使得这两个子系统从不同时激活，从而排除超声波测量在各自测量路径上的相互干扰。

虽然该通信和同步解决了信号干扰的问题，但会导致总是只有一个子系统能测量。为此得出严格按照顺序的、每个子系统仅使用一半的测量时间的操作模式。另外，系统的冗余丢失，因为当子系统中出现故障或其他错误时，随着通信或同步的丢失还会缺少必要的协调，为此功能会成问题。

因此，本发明的任务在于对由多个子系统组成的超声波测量装置的可靠性进行改进。

该任务通过根据权利要求1或权利要求11的用于测量管道中流体的流速的超声波测量装置和方法得以解决。超声波测量装置具有第一测量系统和第二测量系统，它们各自具有至少一个(优选多个)、带有在其间延伸(aufgespanntem)的测量路径的超声波转换器对和控制单元，使得每个测量系统形成单路径或多路径的流量计。通过以超声波信号在测量路径上所测定的传播时间，测定传播时间差，并由此测定关于流速的值。本发明正是基于两个测量系统的测量操作彼此自给自足且独立的基本思想。因此，在控制单元之间不进行同步或通信，无论如何不会为了组织测量过程而进行同步或通信。每个控制单元，为此每个测量系统在其测量路径上具有用于测量的自给自足的时间组织，并且自己确定测量时间点。这是根据会导致测量时间点在两个测量系统中的顺序各自不同这一规定来执行的。在这种情况下，这些顺序优选这样进行区分，使得在随机的冲突之后，即两个测量系统同时或重叠测量之后，特别不可能会产生进一步的冲突，或者只有在较长的时间或许多其他测量之后才会再次发生冲突。

本发明的优点在于，实现了在度量上和统计上独立的、表明测量技术上的冗余的测量系统或子系统。该测量系统根本不受可用性的限制，还提供高的信息密度而不会彼此妨碍或干扰。同步和通信的省略不仅降低了成本，还降低了整个系统的误差概率，因为这样一来完全不会引起通信故障。为此，在这种意义上具有真正的冗余，即当测量系统故障时另一测量系统不受影响，因此整个系统保持工作。通过维持其优点而不必接受其缺点的适当的措施来替代同步。

优选地，第一控制单元和/或第二控制单元被设置用于随机确定至少一个测量时间点。由此随机分布的测量时间点引起，若干的测量可能在两个测量系统中在时间上重叠，并因此可能会产生信号干扰。但是，与以相同的时间特性工作的两个测量系统不同，经常重复这样显然是不太可能的。优选地，对传播时间在算法上生成伪随机数，其中例如通过测量系统中的不同的初始值(种子(Seed))来确保随机序列不同。但分别指定具有随机序列的表格也是可设想的。优选地，测量时间点的随机分布被限制在预定的时间间隔上，使得两个测量遵从时间上彼此的最小间隔距离和最大间隔距离。因此，也可以这样表达，即测量时间点相对于规则的时间光栅(Zeitraster)被随机延迟。当只有一个控制单元随机延迟其测量时间点，而另一控制单元以规则的测量时间点工作时，就足够了。

优选地，第一控制单元和/或第二控制单元被设置用于随机确定大多数或全部测量时间点。否则，会有较长顺序的规则的测量时间点，其于是在最坏的情况下统统在两个测量系统中重叠。当至少大部分测量时间点被随机延迟时，这个规律性会被打破。

优选地，第一控制单元和第二控制单元被设置用于，彼此互质地(teilerfremd)确定测量系统中每时间单位的测量时间点的数量。因此，在本实施例中，测量时间点在测量系统内规则地分布，使得在冲突之后尽可能长时间没有进一步的冲突。这例如通过每时间单位的测量的互质数量来实现，例如，在第一测量系统中十次测量而在第二测量系统中十一次测量。此外，两个测量系统中测量时间点的顺序也可独立于如规律性或互素数的条件来构建。对此的目的是找到两个序列，这两个序列在任意相对的时移时让两次冲突之间总是有尽可能大的空隙。

优选地，第一控制单元和/或第二控制单元被设置用于将至少一些测量时间点额外延迟随机时间段。在此，也将测量时间点的有规律的、但不同的时间顺序的方法与随机法结合。随机比例应保持相对小，因为如若不然，通过明智选择有规律的、不同的顺序会使系统的拆分遭到破坏，并有效地产生纯粹随机的系统。

优选地，第一控制单元和/或第二控制单元被设置用于，分别以一定的顺序实施通过所属的测量系统的所有测量路径的传播时间测量，其中该顺序是随机确定的。当然，这只对具有多个测量路径的测量系统有意义。信号干扰的破坏性影响取决于其上产生冲突的激活的测量路径的几何位置。因此，当测量路径上的测量的局部顺序也改变时，破坏性影响将进一步减少。优选地，选择测量路径不完全是随机的，而是例如通过取出而不留存(Zurücklegen)来选择顺序，使得在测量周期中均等地使用每个测量路径。可替代地，事先确定顺序，但各自随机选择，在该顺序中从哪个测量路径开始测量。

优选地，设置上一级控制器，该控制器接收第一控制单元和第二控制单元的测量值并相互进行比较或计算。由此可以检测测量系统中的误差。共同的计算实际上让多路径计数器产生于两个测量系统的全部测量路径。在这种情况下，控制单元中的一个也可接管上一级控制器的功能。测量结果的传输可从原始超声波信号直到流量值的任意的处理阶段实现。然而，测量本身没有在测量系统之间进一步被同步或通过其他方式进行协调，只是对测量结果进行传输或交换。

优选地，第一测量系统和第二测量系统各自具有两对或各自具有四对超声波转换器，因此具有两个或四个测量路径。存在2+2个流量计或4+4个流量计。具有两个或四个路径的测量路径布局非常好地在费用和测量精确性之间进行了平衡，因此也特别适用于冗余的测量系统。可替代地，该测量系统也可以具有其他数量的测量路径。在这种情况下，测量路径的不等数量，例如4+2或4+1，也是可以考虑的。

优选地，设置了至少一个第三测量系统，该系统具有至少一对在彼此之间延伸测量路径的第三超声波转换器以及第三控制单元，以测定顺流和逆流在测量路径上发射和接收的超声波的传播时间。因此，从具有两个测量系统的整体系统变成具有三个测量系统的系统，其中该一般化可扩展到n个测量系统。可概况出对两个测量系统讨论的全部特征和优点。特别地，测量系统在其测量的组织方面是独立的且不同步，并且它们根据所描述的处理方法之一来确定它们各自的测量时间点。优选地，每个测量系统中的测量路径的数量相同，以获得可比较的测量值，但也可能与之偏差。优选地，参与其中的测量系统越多，应选择两个测量时间点之间的平均时间间隔就越大，以便限制随机冲突。

流体优选是天然气，该天然气再次优选在管线中流动。因此，超声波测量装置随后被置于大型系统中，例如用于跨国的天然气供应。

根据本发明的方法可通过类似的方式进一步发展，并因此显示出类似的优点。这种有利的特征是示例性的，但并不终结于在隶属于独立权利要求的从属权利要求中进行描述。

下面将依据实施例并参照附图来对本发明的其他特征和优点进行示例性的详细说明。附图的图形显示：

图1是由各自具有四个测量路径的两个测量系统组成的超声波测量装置的示意性平面图；

图2是对应于图1的横截面视图；

图3是在额外的随机延迟时两个测量系统中的测量时间点的示意性视图；

图4是当每时间单位的测量数互质时两个测量系统中的测量时间点的示意性视图；以及

图5是用于说明差分传播时间法的根据现有技术的超声波测量装置的纵截面视图。

图1示出了具有两个测量系统12a-b的超声波测量装置10的示意性平面图。图2以横截面视图补充地示出了超声波测量装置10。

每个测量系统12a-b各自具有四对超声波转换器14a_1…4、16a_1…4、14b_1…4、16b_1…4，其中，在每对之间分别延伸一个测量路径18a_1…4、18b_1..4。因此，测量系统12a-b各自包括四个测量路径18a_1…4、18b_1..4。在此，就超声波转换器14a_1…4、16a_1…4、14b_1…4、16b_1…4的布置和测量路径18a_1…4、18b_1..4的布局而言，具体示出的几何形状仅供示例性地理解。同样，测量路径18a_1…4、18b_1..4的数量4+4也仅仅是示例性的。在可替代的超声波测量装置10中，可选择数量为2+2、4+2、4+1或另外其他的数量。

此外，每个测量系统12a-b均由自己的控制单元20a-b控制，其中第一测量系统12a的第一控制单元20a与所属的第一超声波转换器14a_1…4、16a_1…4连接，因此，负责所属的测量路径18a_1…4。完全对应地，第二测量系统12b的第二控制单元20b与所属的第二超声波转换器14b_1…4、16a_1…4连接，并负责所属的测量路径18b_1…4。

流量测量的基本原理是基于超声波的差分传播时间法，该方法已经在开头进行了描述。超声波测量装置10还被安装在管道22上，在该管道中流体24在箭头方向26上流动。超声波信号在对与流动方向或箭头方向26成一定角度布置的各个测量路径18a_1…4、18b_1..4上顺着和逆着流体24的流动进行发射和再次接收并测定其传播时间。不同于只具有一个测量路径的示意性的初始示例，在此对经过不同测量路径18a_1…4、18b_1..4的流速进行多次测定，使得对不均匀的流动实现更准确的体积流量的结果。

通过分成两个测量系统12a-b，所示的超声波测量装置10是冗余的4+4测量装置。为了实际上实现冗余，两个测量系统12a-b中的测量过程都在没有通信或同步的情况下由各自的控制单元12a-b控制。当在更高的层级上组合两个测量系统12a-b的测量结果时，可将其视为8路径测量装置。

在这种情况下，应该注意避免成堆地在相同的时刻点测量两个测量系统12a-b，因此会避免因信号干扰而提供不好的测量质量或完全不可再测量。为此，本发明提出了可单独或组合使用的不同措施。

完全避免冲突在没有同步的情况下是不可能的。但冲突不常发生或者在随机的冲突后尽可能长时间地不出现进一步的冲突是很有可能实现的。为此，可事先确定测量时间点的顺序并将其储存在控制单元12a-b中，或者可替代地，根据合适的规定在控制单元12a-b中确定传播时间的测量时间点。

图3图示了第一实施例。在此示出了关于每个测量系统的时间轴，在这些时间轴上交叉线表示示例性的测量时间点。在本实施例中，通过随机控制测量所需的发送过程和接收过程实现在没有信号干扰或者信号干扰大大降低的情况下，对同类子系统的并行、同时且独立的操作。具体地，在开始各测量的每次发射之前插入随机的等待时间。由此，有效地随机确定测量时间点。有利的是，没有任意的随机选择，而是注意两个测量之间的时间上的最小间隔，因为如若不然甚至有可能导致在测量系统12a-b内的信号干扰。因此，可这样表达，给规则的时间光栅添加随机延迟。图3将其描述成在各两个测量时间点之间的随机时间段的边界条件，其必须位于最小值和最大值之间。

在图3的示例中，完全避免了冲突，因此没有交叉线在时间上重叠。在这种情况下，由于测量持续时间有限，对冲突而言，时间上的大体一致就足够了。由于随机的确定，可能也会在不太有利地达到随机值时仅引起单独的冲突，这对于实践中不断反复进行的整个测量来说不是关键的。

图4图示了另一实施例。其中两个控制单元20a-b完全有规律地确定用于其测量系统12a-b的测量时间点，但在两个测量系统12a-b中以不同的周期(即，在两次测量之间的持续时间)来进行。在这种情况下，以如下方式选择周期是有利的，即在冲突之后尽可能长时间没有进一步的冲突，因此同时发射总体上是极不可能发生的。对此的可能性是，彼此互质地选择每时间单位的测量数量，例如在其中一个测量系统12a-b中每秒进行十次测量，以及在另一个测量系统12b-a中每秒进行十一次测量。当比率(Rate)之一为素数时，确保了互质，但这不是必要的，如本例所示八/九。

因此，如图3和图4所说明的，两个测量系统12a-b的共存策略(Koexistenzstrategie)可基于随机和系统占比(systematischen Anteil)。在另一实施例中，也可将其彼此结合。例如，如图4中所示，控制单元20a-b有规律地以各自不同的周期选择测量时间点，并随后额外将其延迟随机的占比。在这种情况下，随机延迟应限制在短期内，因为如果随机分量过强，系统占比的优势将不再发挥作用。

在所有实施例中有利的是，不仅时间上的顺序如所示那样是随机的，而且经由测量路径18a_1…4、18b_1..4的测量序列也是随机的，因为信号干扰的影响也具有位置相关性。

Claims (11)

1.一种超声波测量装置(10)，用于测量管道(22)中流体(24)的流速，所述超声波测量装置(10)包括：

第一测量系统(12a)，所述第一测量系统具有至少一对在彼此间延伸测量路径(18a_1..4)的第一超声波转换器(14a_1…4、16a_1…4)以及第一控制单元(20a)，以测定顺流和逆流在所述测量路径(18a_1..4)上发射和接收的超声波的传播时间，和

第二测量系统(12b)，所述第二测量系统具有至少一对在彼此之间延伸测量路径(18b_1..4)的第二超声波转换器(14b_1…4、16b_1…4)以及第二控制单元(20b)，以测定顺流和逆流在所述测量路径上(18b_1..4)发射和接收的超声波的传播时间，

其特征在于，所述第一控制单元(20a)和所述第二控制单元(20b)各自被设置成用于彼此单独且独立地根据规定确定在测量路径(18a_1..4、18b_1..4)上进行传播时间测定的测量时间点，所述规定会导致测量时间点在两个测量系统(12a-b)中的顺序各自不同。

2.根据权利要求1所述的超声波测量装置(10)，其中所述第一控制单元(20a)和/或所述第二控制单元(20b)被设置成用于随机确定至少一个测量时间点。

3.根据权利要求2所述的超声波测量装置(10)，其中所述第一控制单元(20a)和/或所述第二控制单元(20b)被设置成用于随机确定所有测量时间点。

4.根据权利要求1所述的超声波测量装置(10)，其中所述第一控制单元(20a)和所述第二控制单元(20b)被设置成用于彼此互质地确定所述测量系统(12a-b)中每时间单位的测量时间点的数量。

5.根据权利要求4所述的超声波测量装置(10)，其中所述第一控制单元(20a)和/或所述第二控制单元(20b)被设置成用于将至少一些测量时间点额外延迟随机的时间段。

6.根据前述权利要求中任一项所述的超声波测量装置(10)，其中所述第一控制单元(20a)和/或所述第二控制单元(20b)被设置成用于各自以一顺序实施通过所属的测量系统(12a-b)的所有测量路径(18a_1..4、18b_1..4)的传播时间测量，其中所述顺序随机确定。

7.根据前述权利要求中任一项所述的超声波测量装置(10)，其中设置了上一级控制器，所述控制器接收所述第一控制单元(20a)和所述第二控制单元(20b)的测量值并将其相互比较或计算。

8.根据前述权利要求中任一项所述的超声波测量装置(10)，其中所述第一测量系统(12a)和所述第二测量系统(12b)各自具有两对或各自具有四对超声波转换器(14a_1…4、16a_1…4、14b_1…4、16b_1…4)，并因而各自具有两个或四个测量路径(18a_1..4、18b_1..4) 。

9.根据前述权利要求中任一项所述的超声波测量装置(10)，其中设置了至少一个第三测量系统，所述第三测量系统具有至少一对在彼此之间延伸测量路径的第三超声波转换器，以及第三控制单元，以测定顺流和逆流在所述测量路径上发射和接收的超声波的传播时间。

10.根据前述权利要求中任一项所述的超声波测量装置(10)，其中所述流体(24)是天然气和/或所述管道(22)是管线。

11.一种用于测量管道(22)中流体(24)的流速的方法，其中测定顺流和逆流发射和接收的超声波在第一测量系统(12a)的至少一个测量路径(18a_1..4)上的传播时间以及在第二测量系统(12b)的至少一个测量路径(18b_1..4)上的传播时间，并通过所述传播时间计算流速，

其特征在于，在两个测量系统(12a-b)中彼此单独且独立地根据规定确定在测量路径(18a_1..4、18b_1..4)上进行传播时间测定的测量时间点，所述规定会导致测量时间点在两个测量系统(12a-b)中的顺序各自不同。