CN107636423A - 用于确定管壁共振频率的方法以及夹持式超声流量测量设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过至少具有第一超声换能器的过程测量技术的现场设备来确定测量点的区域中的管道的至少一个管壁共振频率的方法，所述第一超声换能器被放置在测量点处的管道上，所述方法包括以下步骤：I)为位于测量点的区域中的至少第一超声换能器或多个超声换能器提供第一传递函数U换能器(f)；II)在已传输超声信号之后从接收的信号urec(t)确定接收的频谱Urec(f)；III)从第一超声换能器或多个超声换能器的第一传递函数U换能器(f)和接收的频谱Urec(f)确定第二传递函数U测量点(f)，其中第二传递函数U测量点(f)是测量点的特征；以及IV)通过评估来自步骤III的第二传递函数U测量点(f)来确定测量点的区域中的至少一个管壁共振频率fres，特别是多个共振频率；以及夹持式超声流量测量设备，确定流量的方法，确定测量点的变化的方法和识别设备。

Description

用于确定管壁共振频率的方法以及夹持式超声流量测量设备
技术领域
本发明涉及一种用于确定至少一个管壁共振频率的方法，以及夹持式超声流量测量设备，用于确定流量和/或流速的方法，用于确定测量点的改变的方法和管识别设备。
背景技术
夹持式超声流量测量设备长期以来已知。它们可以根据多普勒原理或根据行进时间差原理进行操作。通常，夹持式超声流量测量设备的超声换能器外部地放置在现有管道上，并且紧固或以其他方式固定到管道。因此，流量测量设备的安装可以在不中断管道中的流动的情况下进行。然而，在夹持式流量测量设备的情况下，显著的测量不确定性是管道及其未知参数。因此，管道的内径仅被认为是平均值；然而，它可以在测量点处显著偏离平均值。此外，管道的不同壁材料的声音阻尼特性，以及内部的积垢或液体磨损可影响流量测量的准确性。长期以来，对于这些测量点特定的误差源没有适合的补偿。
发明内容
从这些考虑开始，本发明的目的是提供一种确保更准确的流量测量的方法，特别是用于夹持式超声流量测量设备。
本发明通过如权利要求1或13所述的方法实现该目的。
而且，本发明使得能够提供合适的夹持式流量测量设备和管壁识别设备，通过其管道参数可被确定。
已经发现，通过确定一个或多个管壁共振频率可以进行所测量的流量和/或所测量的流速的校正。
本发明的方法涉及通过至少具有第一超声换能器的过程测量技术的现场设备来确定测量点的区域中的管道的至少一个管壁共振频率fres，该第一超声换能器被放置在测量点处的管道上。该方法包括以下步骤：
I为位于测量点的区域中的至少第一或多个超声换能器提供第一传递函数；
II在传输超声信号之后从接收的信号urec(t)确定接收的频谱Urec(f)；
III从第一超声换能器或多个超声换能器的第一传递函数和接收的频谱确定第二传递函数，其中第二传递函数是测量点的特征；以及
IV通过评估来自步骤III的传递函数来确定测量点的区域中的管壁共振频率。
上述传递函数以及接收的信号也可以表示为振幅谱，例如，根据频率的以分贝为单位的声级。
是测量点的特征的传递函数基本上由管道的声音传输行为决定，如通过粘性的积垢等决定。然而，传递函数还可以包括在声音阻尼介质的情况下被测介质的传递行为。
在步骤II中，在传输超声信号之后，从接收的信号urec(t)记录接收的频谱Urec(f)。在这种情况下，根据时间来测量信号urec(t)，然后以传递函数的形式由其计算复数值频谱Urec(f)。
然而，所确定的管壁共振频率可以特别地，不排他地，用于校正所确定的流量和/或所确定的流速和/或用于其他评估的校正，例如，用于预测有利的测量点，用于超声流量测量设备等的维护和/或自校准。
本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。
根据步骤I的提供传递函数有利地描述了根据输入电压的确定的频率的在第一超声换能器与管道的耦合表面处的声级的改变，通过其超声换能器的声音产生元件操作。
有利地，过程测量技术的现场设备具有至少一个数据存储器，并且第一超声换能器或多个超声换能器的传递函数可调用地被存储在数据存储器中。
另外有利地，通过确定总传递函数来提供两个超声换能器的传递函数，其中超声换能器在它们的耦合表面上相互连接。因此，总传递函数描述了声音信号通过第一超声换能器和第二超声换能器的传播。
这可以在数据存储器或现场提供，从而作为安装在管道上之前的子步骤在安装期间被确定，特别是被测量。
为了确定所接收的频谱，有利地，
进行通过第一超声换能器的声音产生元件传输超声信号，
其中，信号传播至少通过超声换能器，至少两次通过管道的管壁，通过被测介质，并且第二次通过第一超声换能器或通过第二超声换能器，以及
通过第一超声换能器的声音产生元件或第二超声换能器的声音产生元件被接收作为接收的信号，并被转换成接收的频谱。
或者或补充地，可以通过以下步骤有利地进行确定接收的频谱：
通过第一超声换能器的声音产生元件传输超声信号，
其中，信号排他地传播通过超声换能器，通过管道的管壁，并且通过第二超声换能器，以及
通过第二超声换能器的声音产生元件被接收作为接收的信号，并被转换成接收的频谱。
通过从所述接收的频谱减去位于测量点的区域中的至少第一超声换能器或多个超声换能器的传递函数的对数振幅谱，可以有利地进行确定以测量点为特征的传递函数。
另外有利地，通过确定传递函数的振幅谱的振幅最大值来进行确定测量点的区域中的管壁共振频率。
本发明的夹持式超声流量测量设备至少包括第一超声换能器和评估单元，第一超声换能器连接到该评估单元，并且其被配备用于执行如权利要求1所述的方法。
有利地，评估单元被配备用于根据行进时间差法来确定流量和/或流速。
有利地，基于至少一个管壁共振频率，评估单元被配备以设置用于第一超声换能器的激励器信号，然而优选地，设置激励器信号的频率。
另外，根据本发明，提供了一种通过夹持式超声流量测量设备确定流量或流速的方法，其中考虑管壁共振频率，并且其中管壁共振频率根据如权利要求1所述的方法被确定。
根据本发明，另外提供了一种用于确定夹持式流量测量设备被固定到的测量点的改变的方法，其中只要在如权利要求1所述的方法中确定的管壁共振频率或多个管壁共振频率超过期望值，则显示测量点的改变。
用于确定管壁参数，特别是管壁厚度和管壁材料的本发明的管识别设备包括至少一个超声换能器和评估单元，其被配备为从如权利要求1所述确定的管壁共振频率确定管壁厚度和/或管壁材料。
附图说明
现在将基于实施例的示例-并基于附图更详细地解释本发明，附图示出如下：
图1是夹持式超声流量测量设备的示意图；
图2是频率相关测量误差的示例；
图3是特定超声换能器的接收的信号的振幅谱和传递函数的曲线图；以及
图4是管壁的传递函数和由其确定的管壁共振频率。
具体实施方式
夹持式超声流量测量设备本身是已知的。这些测量设备可以用于基于行进时间差原理或根据多普勒原理执行流量确定。通过多普勒原理的确定可以仅使用一个超声换能器执行，而在行进时间差原理的情况下，应用至少两个超声换能器。
对于流量测量，产生具有一定激励频率的激励器信号。激励频率通常通过流量测量设备本身从预定频率范围中选择，并且通常位于所使用的超声换能器的中心频率的区域中。
图1示出了具有在管道2上处于安装状态的夹持式超声流量测量设备1的布置。位于管道2中的是被测介质3，其在流或流动方向S中理想地流过管道2。
示意性地示出的夹持式超声流量测量设备1优选地由两个超声换能器5a和5b构成，这两个超声换能器5a和5b外部地放置在测量管上并且与管道2可释放地或不可释放地连接。所示的变形涉及二穿越布置。然而，其他布置是可能的，例如，一穿越布置。
图1所示的超声换能器5a通过用于将超声换能器5a固定在管道2上的保持元件11来安装。保持元件11和超声换能器5a是超声换能器布置的一部分。超声换能器5a包括通过例如摩擦保持或形状互锁可与保持元件11连接的壳体9。
对应的超声换能器5a包括经由电连接，例如电缆，与评估单元(未示出)连接的机电换能器元件6，例如压电元件。在这种情况下，例如，通过具有垂直于管道2的纵向轴线的圆柱形电缆引导件10，对应的连接被引导离开机电换能器元件6。
超声换能器5a还包括在机电换能器元件6和管道2之间的耦合体7，其具有抵靠管道2的管的支承表面和相对于该支承表面倾斜的用于机电换能器元件6的布置的区域。
为了确定测量期间的流量或流速，夹持式超声流量测量设备，特别是超声换能器5a的机电换能器元件6传输具有主要传输频率fex的超声信号，并且该信号由超声换能器5b接收。
测量根据行进时间差原理进行。因此，超声信号被传输并且在倾斜于流动方向S上被接收一次且在倾斜于相反流动方向S上被接收一次。
对于机电换能器元件6的激励频率fex的选择，已知使用换能器元件6的中心频率。
然而，已经发现，作为激励频率的中心频率并不总是超声流量测量设备的操作的最佳选择。图2是在超声换能器的频率范围中测量误差如何改变的曲线图。在体积流量为20l/s的情况下，为旋转装置，例如装瓶装置，确定曲线。夹持式系统的两个超声换能器固定在具有2mm管壁厚度的DN80钢管上。中心频率fc为2MHz。可以看出，在这种布置的情况下，中心频率区域中的相对测量误差相对高。
已经发现，管道的管壁影响测量误差。即使在相同材料的管壁的情况下，测量误差可以根据管壁厚度而变化。
因此，获取有关精确管壁厚度以及在其上安装夹持式超声流量测量设备的管道的材料特征的信息是重要的。在这种情况下，管壁的机械弯曲模式，也称为瑞利-兰姆波，是重要的。电激励器信号的最佳可能选择可以导致小误差的测量。然而，为此，需要了解最近的管壁共振频率fres。
这些管壁共振频率，因此这些机械模式可以在本发明的上下文中计量学地加以确定。
用于确定至少一个管壁传输频率的方法包括以下步骤：
I确定一个或多个超声换能器的传递函数U换能器(f)
II在用激励频率fex传输超声信号uex(t)之后确定接收的信号urec(t)的接收的频谱Urec(f)
III确定传递函数，其是测量点的特征；并且
IV确定至少一个管壁共振频率或多个管壁共振频率。
现在将开发相应的方法步骤如下：
在第一方法步骤I中，进行安装在夹持式流量测量设备中的至少一个超声换能器的传递函数的确定。本发明意义上的超声换能器的传递函数对应于超声换能器的频率相关的方向特征。除了其他之外，这包括在一定温度下波传播/辐射的频率和角度相关的振幅。角度相关性涉及超声信号进入管，即进入管道的入射角。
当然，在多个超声换能器的情况下，必须为每个这些换能器确定传递函数。该函数如图3所示，例如作为参考的信号振幅，即归一化为分贝相对于以MHz的频率的最大值。该函数中涉及的是超声换能器的超声信号影响因素，因此例如相应匹配和耦合层的材料属性，激励换能器元件，例如压电陶瓷，的材料属性以及许多其他因素。传递函数不改变，因此，在恒定温度下，与超声换能器连接到的管无关。
因此，超声换能器的传递函数可以在工厂中确定，并在夹持式超声流量测量设备的评估单元的数据存储器中提供。结果，传递函数可以在交付的同时在测量设备中提供。然而，由于取决于应用，管道中的介质将具有不同的温度，还可以提供多个温度范围的多个传递函数。通过确定温度，例如，使用集成在超声换能器中的温度传感器，夹持式超声流量测量设备可以独立地选择温度范围的适当传递函数或在两个传递函数之间插值以提供确定的温度的近似值。或者，也可以例如基于信号的行进时间来估计温度。
或者，超声换能器的传递函数的确定也可以在其使用位置处的超声夹持式设备启动期间进行。可以将它们保持在一起，使得夹持式流量测量设备具有两个或更多个超声换能器。在这种情况下，优选地，通过其换能器放置在管，即管道，上的声耦合表面相互抵靠。在给定情况下，可以使用定心适配器。评估单元基于发射的信号，例如，脉冲，确定两个超声换能器的总传递函数。
在使用两个超声换能器的根据行进时间差法的测量的情况下，基本上，必须添加两个超声换能器的各个传递函数的对数。在确定两个超声换能器的总函数的情况下，可以有利地省略该单独添加的步骤。
在这两种情况下，因此可以进行在工厂的确定和在现场的确定，特别优选地，可以进行由激励器信号uex(t)对接收的信号的振幅谱的校正。接收的信号和激励器信号可以优选地通过傅立叶变换来转换以便计算。通过从接收的频谱中减去振幅谱的对数，从而减去激励频谱，得到清除了激励器信号的接收的频谱，从而获得传递函数。
在第二方法步骤II中，记录接收的信号。在这种情况下，区分两个变形。
在第一变形中，接收的信号可以是诸如在超声换能器的标准测量操作中接收的常规测量信号。在这种情况下，激励是通过使用激励器信号uex(t)的传输模式中的超声换能器。
在根据多普勒原理进行流量测量的情况下，然后测量信号可以作为接收信号由相同的超声换能器接收，在传输测量信号之后该超声换能器切换到接收模式。
在使用行进时间差原理的情况下，然后测量信号作为接收的信号在接收模式下被附加的超声换能器接收。超声换能器的换能器元件，例如压电晶体，在这种情况下使用一定的激励频率fex激励，用于传输声波分组。这通过换能器的各个层传播，例如，通过所谓的引入元件到与管接触的耦合表面。此时，声波分组经由管壁作为测量信号通过被测介质，穿过被测介质，第二次穿过管壁，并被附加的超声换能器接收。考虑信号路径，清楚的是测量信号以及因此与其相关联的测量误差由两个超声换能器、管壁和流体的影响决定。在其不是强阻尼被测介质，诸如例如油，的情况下，被测介质的影响可以忽略不计。
或者，在接收的信号II的记录的第二变形中，也可以计量学地排除被测介质的可能干扰影响，特别是在测量强超声阻尼流体的情况下。这通过经由所谓的体声测量来记录接收的信号urec,body sound(t)而进行。这可以特别优选地在使用两个超声换能器进行测量的情况下，在2-穿越测量的情况下应用，如图1所示，因为第一超声换能器传输的声音经由管壁直接传播到位于接收模式中的第二超声换能器。在这种情况下，声音不受流体影响，因为它经由管壁传输。
在记录接收的信号的两种上述变形的情况下，接收的信号可以有利地清除已知的激励器信号的影响，优选地类似于第一方法步骤I。
图3示出作为连续线的接收的信号的振幅谱和作为虚线的两个超声换能器的传递函数的振幅谱。
之后在方法步骤III中，确定为测量点的特征的传递函数。这包括至少一个管壁传递函数，因此是相对于频率的振幅的声谱。在给定情况下，特别是在强声阻尼介质的情况下，在确定为测量点的特征的传递函数时，也可以考虑被测介质的传递函数。
具有连续线的振幅谱包括两个超声换能器、管壁的影响以及取决于变形还有流体的影响。
通过对数谱的简单减法，可以获得系统的传递行为，减去激励器信号和超声换能器的影响，从而获得管壁传递函数，其中，在给定情况下，也可以获得加入的流体的传递函数。然而，仅在记录接收的信号的第一变形中是这种情况：
20log10|Umeasuring point(f)|
＝20log10(|Urec(f)|)-2*20log10(|Utransducer(f)|)
-20log10(|Uex(f)|)
其中|Urec(f)|对应于接收的信号urec(t)的复值傅立叶变换，该接收的信号通过管经由体声传输或经由具有n个穿越的流体路径被记录，其中n是整数；
其中|Utransducer(f)|(|U换能器(f)|)对应于每个频率主角或换能器出现角的频率和角度相关的方向特征的振幅；以及
其中|Uex(f)|对应于激励器信号uex(t)的振幅谱；以及
其中|Umeasuring point(f)|(|U测量点(f)|)对应于管壁的影响或管壁和流体阻尼的影响。
执行该计算使能够补充地基于频率相关阻尼来决定流体特征。这种阻尼的大小在高粘度流体(例如油)的情况下是特征，并且建议决定动态粘度。
如果流体没有强频率相关阻尼(例如水)，则在两种变形的情况下，测量点的所计算的频谱对应于管壁传递函数|Upipe wall(f)|(|U管壁(f)|)。
图4示出了相应的传递函数，其是测量点的特征。振幅谱的最大值对应于管壁共振频率。例如通过读出它们的这些管壁频率的决定表示方法步骤IV，从而确定至少一个管壁共振频率或多个管壁共振频率。在强阻尼流体的情况下，这也使得流体阻尼单调上升或下降，这通常是液体的情况。
现在将更详细地讨论可以应用根据本发明的方法确定管壁共振频率的情况。
管壁共振是管道的材料属性的特征。在超声流量测量的情况下它们可以被应用于校正测量误差。
也可以利用管壁共振频率，以便检测测量点处的变化，例如，在管壁上或管壁中的温度影响、沉积物、液体磨损等。
此外，基于管壁共振频率，可以进行用户已知的管壁厚度和管材的值是否合适检查。同样基于管壁共振频率，使用材料参数的输入，可以进行实际管壁厚度的计算。
测量点处的管壁厚度通常会经受一定程度的不确定性，因为客户通常不能测量给定管外径的确切几何尺寸。这种不确定性直接加入了流速的计算，从而导致测量误差。基于管壁共振频率和管外径，可以确定管内径。
由Lenoir出版的“Study of Lamb waves based upon the frequency andangular derivatives of the phase of the reflection coefficient(基于反射系数相位的频率和角度导数的兰姆波研究)”(美国声学学会杂志，第94卷，第330期，1993年)给出以下关系：
其中，在已知温度下，管壁厚度为dw，流体中超声信号的传播角为αf，流体中声音的纵向速度为cFluid，并且管壁内的声音的横向速度为ct,pipe。
除了其他之外，在本发明的意义上的管壁属性是声音的横向速度和/或声音的纵向速度。
通过求解dw等式，在已知角度、声音的流速和已知管壁特征的情况下，特别是在已知声音的横向速度的情况下，可以确定管壁厚度。已知管道的外径和管壁厚度，然后可以计算管道的精确内径，用于确定测量点处的流动。
或者，也可以在已知管壁厚度的情况下确定管壁属性。
根据管壁属性，可以例如基于期望值比较，检测实际是否存在指定的管材。例如在逐渐磨损的情况下，通过与先前确定的管壁共振频率进行比较，同样适用于管壁厚度。
所提出的方法还可以形成新的识别设备的基础，新的识别设备通过分析体声来确定目标管壁参数。
在这种情况下，举例来说，结构由两个角测试头组成，两个角测试头可以在与管轴平行的管上的管线上的壳体中以规定的间隔安装，类似于两个超声换能器的二穿越布置。
如果将该设备放置在具有未知几何/材料属性的管壁上，则连接到其的测量发射器基于上述概念确定管壁共振频率。两个换能器之间的限定间隔补充地允许经由行进时间测量通过评估声速来确定管壁材料属性。
确定管壁材料属性如何进行的选项在于逆反演问题的解决方案，诸如适用于板的例如Karim、Mal和Bar-Cohen在“Inversion of leaky Lamb wave data by simplexalgorithm(用单纯形算法反演漏波兰姆波数据)”(美国声学学会杂志，第88卷，第1期，1990年)中所描述的。在这方面，使用模型计算评估和比较经由管壁直接接收的信号urec,body sound(t)。调整模型的参数，特别是材料属性，直到由模型计算的信号与测量的接收的信号之间的偏差最小为止。
因此，识别设备可以用于确定管壁厚度以及管壁属性两者。
或者，对于对数变量的加/减，也可以等效地使用非对数变量的乘/除。

Claims (15)

1.一种用于通过至少具有第一超声换能器的过程测量技术的现场设备来确定测量点的区域中的管道的至少一个管壁共振频率的方法，所述第一超声换能器被放置在所述测量点处的管道上，所述方法包括以下步骤：
I为位于所述测量点的区域中的至少第一超声换能器或多个超声换能器提供第一传递函数U换能器(f)；
II在传输超声信号之后从接收的信号urec(t)确定接收的频谱Urec(f)；
III从所述第一超声换能器或所述多个超声换能器的第一传递函数U换能器(f)和所述接收的频谱Urec(f)确定第二传递函数U测量点(f)，其中所述第二传递函数U测量点(f)是所述测量点的特征；以及
IV通过评估来自步骤III的所述第二传递函数U测量点(f)来确定所述测量点的区域中的至少一个管壁共振频率fres，特别是多个共振频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据步骤I提供所述第一传递函数U换能器(f)包括温度和/或角度无关的频率响应，其中角度无关性是指所述超声信号从所述超声换能器进入所述管道的入射角。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述过程测量技术的现场设备具有至少一个数据存储器，并且其中所述第一超声换能器或多个超声换能器的第一传递函数U换能器(f)可调用地被存储在所述数据存储器中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为多个温度或温度范围提供多个第一传递函数U换能器(f)，特别是存储在数据存储器中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过确定总传递函数来提供两个超声换能器的传递函数U换能器(f)，其中所述超声换能器在它们的耦合表面上相互连接，特别是所述耦合表面被相互抵靠。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了在传输超声信号之后从接收的信号urec(t)确定接收的频谱Urec(f)，
进行通过所述第一超声换能器的声音产生元件传输超声信号，
其中，所述信号传播至少通过所述超声换能器，至少两次通过所述管道的管壁，通过被测介质，并且第二次通过所述第一超声换能器或通过第二超声换能器，以及
通过所述第一超声换能器的所述声音产生元件或所述第二超声换能器的声音产生元件被接收作为接收的信号，并被转换成接收的频谱Urec(f)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了在传输超声信号之后从接收的信号urec(t)确定接收的频谱Urec(f)
进行通过所述第一超声换能器的声音产生元件传输超声信号，
其中，所述信号传播排他地通过所述超声换能器，通过所述管道的管壁，并且通过第二超声换能器，以及
通过第二超声换能器的声音产生元件被接收作为接收的信号，并被转换成接收的频谱Urec(f)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过从所述接收的频谱Urec(f)减去位于所述测量点的区域中的至少第一超声换能器或多个超声换能器的所述第一传递函数U换能器(f)的对数振幅谱，进行确定所述第二传递函数U测量点(f)，所述第二传递函数U测量点(f)是所述测量点的特征。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过确定所述第二传递函数U测量点(f)的振幅谱的振幅最大值来进行确定所述测量点的区域中的管壁共振频率fres。
10.一种夹持式超声流量测量设备，包括至少第一超声换能器和评估单元，所述第一超声换能器连接到所述评估单元，并且所述评估单元被配备用于执行如权利要求1所述的方法。
11.根据权利要求10所述的夹持式超声流量测量设备，其特征在于，所述评估单元被配备用于根据行进时间差法来确定流量和/或流速。
12.根据权利要求10或11所述的夹持式超声流量测量设备，其特征在于，所述评估单元基于所述至少一个管壁共振频率被配备以设置用于所述第一超声换能器的激励器信号，特别是设置所述激励器信号的频率。
13.一种通过夹持式超声流量测量设备确定流量或流速的方法，其特征在于，考虑管壁共振频率，其中根据权利要求1所述的方法确定所述管壁共振频率fres。
14.一种用于确定夹持式超声流量测量设备被固定到的测量点的改变的方法，其特征在于，只要在如权利要求1所述的方法中确定的管壁共振频率在频谱(|U测量点(f)|)中的振幅和/或位置改变，并且在这种情况下，超过和/或未达到期望值，则显示所述测量点的改变。
15.一种识别设备，用于确定管壁参数，优选管壁厚度dw和/或管壁材料属性，特别是所述管壁材料中的声音的纵向和/或横向速度，其特征在于，所述识别设备具有至少一个超声换能器以及评估单元，所述评估单元被配备用于从如权利要求1所确定的管壁共振频率来确定所述管壁厚度和/或所述管壁材料。
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