CN107636424B - 用于测量流体的至少一个参数的测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量系统，特别是具体实施为箝位式超声波流量测量设备的测量系统，包括：管路或管子(10)，其具有由管路或管子的壁(10a)包围的内腔(10‘)，所述管路或管子适于在其内腔中引导所述流体的体积部分，即供所述流体流过；超声波换能器(A)，其在所述管路或管子的壁的背朝所述内腔的外侧上安装在所述管路或管子上，并且经由所述管路或管子的壁声耦合到在所述内腔中引导的流体，并适于将时变电压转换成通过所述管路或管子的壁并且进一步通过在所述内腔中引导的流体传播的超声波(WAB,I)；超声波换能器(B)，其在所述管路或管子的壁的外侧上与所述超声波换能器(A)分开地安装在所述管路或管子上，并且经由所述管路或管子的壁声耦合到在所述内腔中引导的流体，并且适于接收通过在所述内腔中引导的流体并且进一步通过所述管路或管子的壁传播的超声波(WAB,II)，并且将其转换成随时间变化的电压；以及操作和测量电子器件(2)，其与所述超声波换能器(A)以及所述超声波换能器(B)都电连接。所述操作和测量电子器件适于至少有时生成所述超声波换能器(A)的驱动器信号xA(t)，其中，所述驱动器信号具有时变的电压uA,I，用于实现所述超声波换能器(B)的类似地具有随时间变化的电压uB,II的接收信号yB(t)，从而使得所述驱动器信号xA(t)以及所述接收信号yB(t)各自包括多个频谱信号分量(xA,i,yB,i)并且以及在每种情况下也包括主导频谱信号分量(xA‘,yB‘)，即在每种情况下具有最大功率谱密度(SxxA,MAX；SyyB,MAX)的频谱信号分量，并且，所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fxA‘相对于所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的频率fyB‘的偏差不超过|±100kHz|的幅度，和/或相对于所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的所述频率fyB‘的偏差不超过此频率fyB‘的10％。此外，所述操作和测量电子器件适于通过所述接收信号yB(t)产生所述至少一个参数的至少一个测量值(XM)。

Description

用于测量流体的至少一个参数的测量系统
技术领域
本发明涉及一种测量系统，特别是这样一种测量系统，其具体实施为箝位式超声波流量测量设备，用于测量流体，特别是在管道中流动的流体，特别是液体、气体或分散体形式的流体的至少一个参数，特别是流体动力学参数，特别是流速和/或体积流率。
背景技术
通常用于测量在管道中流动的流体的参数，尤其是流体动力学参数(例如流速和/或体积流率)的工业测量和自动化技术中使用的是这样的测量系统，其通过至少两个相互间隔开的超声波换能器(这两个超声波换能器都安装在管路或管道外部上)以及与这两个超声波换能器中的每一个电连接的操作和测量电子器件形成。这样的测量系统在一些文献中有详细说明，例如DE-A 10057188、DE-A 102007062913、US-A 2014/0366642、US-A 2014/0123767、WO-A 03/098166,WO-A 2007/012506、WO-A 2009/156250、WO-A 2012/120039、WO-A 2013/029664、WO-A 2013/079264以及在IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS，FERROELECTRICS，AND FREQUENCY CONTROL(IEEE超声波学、铁电材料和频率控制期刊)，第43卷，第4期，1996年7月刊登的文章，由Bernhard Funck和Andreas Mitzkus撰写的标题为“Acoustic Transfer Function of the Clamp-On Flowmeter(箝位式流量计的声传递函数)”，也可以从申请人用“Proline Prosonic Flow 91W”、“Proline Prosonic Flow 93P”、“Proline Prosonic Flow 93T”和“Proline Prosonic Flow 93W”品名的箝位式超声波流量测量设备的形式获得。
正在讨论的类型的测量系统最经常是直的，特别是中空的圆柱形管路或管子，其具有最经常对应于直的圆柱体并且被管路或管子的壁包围的内腔，所述管路或管子的壁由例如钢制成，该管路或管子适于在其内腔中引导流体的体积部分，即让流体流过。在这种情况下，管路或管子可以是例如插入管道路径中的管路，或者例如已经存在的管道的子管段，因此具体实施为这种管道的一体组成部分。典型的管路或管子的壁厚例如在从2mm到几厘米的范围内。
所述至少两个超声波换能器中的每一个例如被放置，即被固定或夹紧在管路或管子的壁的背朝管路或管子的内腔的外侧上，使得结果每个超声波换能器经由管路或管子的壁声耦合到在管腔中引导的流体。此外，每个超声波换能器适于将随时间变化的电压转换成通过管路或管子的壁、并且进一步通过在管腔内引导的流体传播的超声波，并且接收通过在管路或管子的内腔内引导的流体、并且进一步通过管路或管子的壁传播的超声波，并将其转换成随时间变化的电压。所述至少两个超声波换能器另外相互间隔开，定位在管路或管子的壁的外侧上，并且定向成使得通过一个超声波换能器产生的超声波部分地沿着用作测量路径的声音传播路径在位于内腔中的流体内传播，然后经由管路或管子的壁声耦合到另一个超声波换能器中。
最常等同构造的超声波换能器通常各自通过例如由锆钛酸铅(PZT-Pb[ZrxTi1-x]O3)或某种其它压电陶瓷构成的至少一个压电换能器元件形成，并且通过与传感器元件声传导耦合的耦合体，例如聚醚酰亚胺(PEI)制成的耦合体形成，其被具体实施为提供超声波换能器与管路或管子之间的尽可能最佳的、声传导的、而且长期稳定的接触。在用于形成为箝位式超声波流量测量设备的流量系统中使用的超声波换能器的情况下，中心频率目前通常在相对带宽(即参考特定中心频率为6dB带宽)下例如为0.5-6MHz的范围内，例如，特定中心频率的20-30％的范围。
在所讨论的类型的工业测量系统的情况下，两个超声波换能器中的每一个通常适于在每种情况下间歇地作为将电功率转换成声功率的发射器和作为将声功率转换成电功率的接收器操作，即两个超声波换能器设置成交替地作为发射器和作为接收器操作，使得两个超声波换能器中始终最多只有一个是发射器。为了实现能用作作为接收器操作的超声波换能器的接收信号的随时间变化的电压，操作和测量电子器件在测量系统的操作期间至少有时生成另一个此时作为发射器操作的超声波换能器的具有时变的(例如甚至双极的)电压的驱动器信号，例如使得至少在预定的时间间隔中对于该一个超声波换能器与该另一个超声波换能器的驱动器信号互补地具体实施特定驱动器信号。
正在讨论的类型的测量系统，尤其是具体实施为用于测量流体动力学参数的箝位式超声波流量测量设备的测量系统，通常基于在管腔内传播的超声波在特定的声音传播路径中横穿测量路径所需要的行进时间(tAB,tBA)确定期望的测量值，特别是基于行进时间差(tBA-tAB)，即基于沿着测量路径在第一测量方向上传播的超声波的行进时间(tAB)与沿着测量路径在与第一测量方向相反的第二测量方向上传播的超声波的行进时间(tBA)之间的差异。为此目的，至少两个超声波换能器最经常在管路或管子的壁的外侧上定位并且定向成使得用作测量路径的声音传播路径的主传播方向相对于管路的内径倾斜了射束角(αF)。在这种情况下，与声音传播路径的路径长度对应的测量路径长度(L)对应于管路的内径除以射束角的余弦的商(即D/cosαF)。两个超声波换能器可以如例如在上述WO-A 2013/079264中所示的那样被定位在例如管路或管子的相对的侧面上，但是，或者例如也可以如例如在上述WO-A2009/156250以及WO-A 03/098166中所示，定位在管路或管子的假想表面元件上，在管路或管子上沿着该表面元件间隔开，通常使得声音传播路径包括管路或管子的中心区域，即其内腔，使得测量的行进时间差与流体的平均流速成比例。在常规测量系统的情况下使用脉冲超声波、即具有有限数量的振荡的波包形式的超声波来测量行进时间。波包，有时也称为超声波脉冲串，是以可预定的发射速率间歇地生成的，该发射速率通常例如在更长的时间段中保持恒定，其中操作和测量电子器件提供的驱动器信号对于特定超声波换能器具有被具体实施为形成为以对应于发射速率的节奏脉冲包的矩形或正弦电压脉冲(脉冲串)的序列的电压。
考虑到位于内腔中的流体中的声速(cFL)，例如因此在20℃的水的情况下为1484m·s-1，以及流体的即时平均流速(V0)，行进时间通常足够精确地对应于已知公式：
Figure BDA0001470439740000041
并且
Figure BDA0001470439740000042
由此得出，流体动力学参数、平均流速(V0)和体积流率(QV)例如可以分别使用已知的公式来确定：
Figure BDA0001470439740000043
并且
Figure BDA0001470439740000044
表征流体材料的声速也可以例如基于以下公式确定：
Figure BDA0001470439740000045
波束角以及与其相关联的路径长度例如通过超声波换能器相对于管子的定向以及用于声音传播的测量系统中的相关声速以及测量系统的声阻抗来确定。已知测量系统的实际结构以及所使用的材料(包括在管腔内引导的流体)的声速(ci)和波数(ki)，可以较早地例如使用假设平面波阵面的波束声学模型基于斯内尔声学折射定律以标称射束角(αF,nom)的形式计算波束角，以便然后考虑到波束角以确定至少一个参数的测量值。另外还可以从标称射束角(αF,nom)推导标称地确定路径长度。通常，例如在测量系统启动过程中，例如基于各个测量系统的结构、表征该系统的数据以及管路或管子和流体的相应标称材料参数在现场用数值确定标称射束角和标称路径长度。在水性测量系统的用于测量流体动力学参数的箝位式超声波流量测量设备的情况下，标称射束角例如经常在例如20°。
为了实际上实现所讨论的类型的工业测量系统所需要的高精度，即在测量至少一个参数时需要的精度，因此为了能够保持相应的所需的小的测量误差，除了需要高度精确地测量沿着特定测量路径传播的超声波的行进时间之外，例如还需要尽可能准确地了解每个超声波换能器的传递特性(即传递函数)、管路或管子的几何尺寸以及与测量相关的声速和总测量系统的波数。尤其是，另外还必须确保在测量系统中的测量过程中实际确定的射束角(αF)尽可能准确地对应于用于计算参数的测量值的标称射束角(αF,nom)。因此，标称射束角(αF,nom)和实际射束角(αF)之间存在的角度偏差(ΔαF)应当尽可能小。
正在讨论的类型的测量系统的一个特殊问题在于例如在例如IEEE TRANSACTIONSON ULTRASONICS，FERROELECTRICS，AND FREQUENCY CONTROL(IEEE超声波学、铁电材料和频率控制期刊)，第43卷，第4期，1996年7月，Bernhard Funck和Andreas Mitzkus的标题为“Acoustic Transfer Function of the Clamp-On Flowmeter(箝位式流量计的声学传递函数)”的上述文章中也讨论过的如下事实：管路或管子自然地具有多种振荡模式，其中管路或管子的壁执行或可以执行兰姆波，即形成混合压力和剪切波的振荡，使得管路或管子的壁在径向方向以及管路或管子的纵向方向上都偏转(兰姆波振荡模式)。这些兰姆波可以是对称波(S0,S1,S2,…Sn)以及非对称波(A0,A1,A2,…An)。通常，这些兰姆波振荡模式中的几个可以具有位于相应超声波换能器的带宽内的谐振频率，因此在其中心频率附近，即在被激励的超声波的带宽内，其中早期例如基于上面指出的识别数据即测量系统的材料参数仅能大致上确定兰姆波振荡模式的实际谐振频率或它们的谐振频率在频率范围内的特定位置。由于这种情况，一方面，多个兰姆波振荡模式的激励实际上是不可避免的，然而，另一方面，也不能准确地预见各种兰姆波振荡模式在操作期间实际发生的强度。因此，早期也不能直接确定通过超声波换能器激励的超声波的各个频谱分量实际上将通过内腔传播的强度和传播方向。因此，即使在测量系统的结构有非常轻微的偏差、即在通常公差范围内的偏差或者超声波传播中涉及的材料的材料特性有非常轻微的偏差的情况下，实际确定的射束角也可能相对于相应的标称值即相对于上述计算的标称射束角在明显影响测量精度(或相反，测量误差)的程度上发生偏差，而且这在正常操作期间检测不到。其它影响因素还有进一步增加了实际激励的兰姆波振荡模式的数量和强度方面的不确定性，因此增加了实际波束角相对于标称波束角的偏差方面的不确定性，还有管路或管子的壁内、流体内以及超声波换能器内的温度分布，以及在每个超声波换能器与管路或管子的壁之间形成的接触表面的实际形状方面的不确定性。
为了使上文指出的兰姆波振荡模式对测量精度的干扰性影响最小化，在一些所讨论类型的常规测量系统的情况下，尤其是在工业测量技术中安装的常规箝位式超声波流量测量设备的情况下，通过操作和测量电子器件生成驱动器信号，例如通过上述脉冲包或脉冲串的相应地经过调适的形成，结果是特定的接收信号具有最大信号功率或者至少达到预定的最小信号功率。操作和测量电子器件所需的设置参数最经常通过在现场相应调谐测量系统来确定，例如通过基于针对接收信号在测量系统启动期间确定的离散傅里叶变换(DFT)或离散功率谱密度(PSD)对驱动器信号的反复对准。然而，已经发现，基于迄今为止在常规测量系统中用于优化驱动器信号的标准，目前几乎不能实施或未实施明显小于0.4°的角度偏差(ΔαF)，因此明显小于2％的相对测量误差。
发明内容
从上述现有技术开始，本发明的一个目的是改进正在讨论的类型的测量系统，尤其是具体实施为箝位式超声波流量测量设备的测量系统，其角度偏差小于0.4°，因此可以实现小于2％、特别是小于1.5％的相对测量误差；这特别是还能使用常规的超声波换能器，特别是同时还能保持在常规测量系统的情况下先前确定的机械设计以及结构原理。
为了实现该目的，本发明涉及一种测量系统，例如一种箝位式超声波流量测量设备的形式的测量系统，用于测量流体，特别是在管道中流动的流体，特别是液体、气体或分散体形式的流体的至少一个参数，特别是流体动力学参数，特别是流速和/或体积流率。本发明的测量系统包括：
管路或管子，其具有由管路或管子的壁包围的内腔，该管路或管子适于在其内腔中引导流体的体积部分，即供流体流过；
第一超声波换能器，其在管路或管子的壁的背朝内腔的外侧上安装在管路或管子上，并且经由管路或管子的壁声耦合到在内腔中引导的流体，并且适于将时变的特别是脉冲的电压转换成通过管路或管子的壁并且进一步通过在内腔中引导的流体传播的超声波；
第二超声波换能器，其在管路或管子的壁的外侧上与第一超声波换能器隔开地安装在管路或管子上，并且经由管路或管子的壁声耦合到在内腔中引导的流体，例如，第二超声波换能器具有与第一超声波换能器相同的结构，并且适于接收通过在内腔中引导的流体并且进一步通过管路或管子的壁传播的超声波，并将其转换成随时间变化的电压；
以及操作和测量电子器件，其与第一超声波换能器以及第二超声波换能器都电连接，例如数字信号处理器和/或微控制器形式的操作和测量电子器件。本发明的测量系统的操作和测量电子器件特别适于至少有时生成第一超声波换能器的驱动器信号。该驱动器信号具有时变的例如双极和/或脉冲的电压，用于实现第二超声波换能器的接收信号，其同样具有随时间变化的电压并且其生成的方式使得，
驱动器信号以及接收信号各自包括多个频谱信号分量并且在每种情况下也包括主导频谱信号分量，即在每种情况下具有最大功率谱密度的频谱信号分量，并且
第一超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率相对于第二超声波换能器的接收信号的主导信号分量的频率的偏差不大于|±100kHz|的幅度，特别是小于|±50kHz|的幅度，和/或相对于第二超声波换能器的接收信号的主导信号分量的频率的偏差不超过此频率的10％，特别是小于5％。此外，操作和测量电子器件还适于通过第二超声波换能器的接收信号产生至少一个参数的至少一个测量值。
此外，本发明还涉及本发明的这种测量系统用来测量在管道中流动的流体例如液体、气体或分散体的形式的流体的流速和/或体积流率和/或密度的用法。
此外，在本发明的第一实施例中，还提出第一超声波换能器具有在所述超声波换能器的下位的第一极限频率和所述超声波换能器的上位的第二极限频率之间延伸的6dB带宽，并且第二超声波换能器具有在所述超声波换能器的下位的第一极限频率和所述超声波换能器的上位的第二极限频率之间延伸的6dB带宽，并且所述操作和测量电子器件适于生成例如第一超声波换能器的驱动器信号，即设置第一超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率，使得第一超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率相对于接收信号的主导信号分量的频率的偏差不超过定义为第一超声波换能器的第一极限频率及其第二极限频率的几何平均值的其6dB带宽的中心频率的10％，特别是小于5％。
此外，在本发明的第二实施例中，还提出第一超声波换能器具有在所述超声波换能器的下位的第一极限频率和所述超声波换能器的上位的第二极限频率之间延伸的6dB带宽，并且第二超声波换能器具有在所述超声波换能器的下位的第一极限频率和所述超声波换能器的上位的第二极限频率之间延伸的6dB带宽，并且所述操作和测量电子器件适于生成例如第一超声波换能器的驱动器信号，即设置第一超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率，使得第一超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率相对于接收信号的主导信号分量的偏差不超过定义为第二超声波换能器的第一极限频率及其第二极限频率的几何平均值的其6dB带宽的中心频率的10％，特别是小于5％。
此外，在本发明的第三实施例中，还提出操作和测量电子器件适于改变第一超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率，例如为了减小这个频率相对于第二超声波换能器的接收信号的主导信号分量的偏差，和/或使得这个频率相对于第二超声波换能器的接收信号的主导信号分量的频率的首先过大的偏差被最小化。
在本发明的第四实施例中，还提出操作和测量电子器件适于确定第二超声波换能器的接收信号的振幅谱。
此外，在本发明的第五实施例中，还提出操作和测量电子器件适于例如基于接收信号的振幅谱确定第二超声波换能器的接收信号的主导信号分量的功率和/或振幅。
此外，在本发明的第六实施例中，还提出操作和测量电子器件适于例如基于接收信号的振幅谱确定第二超声波换能器的接收信号的主导信号分量的频率。
此外，在本发明的第七实施例中，还提出操作和测量电子器件适于调制第一超声波换能器的驱动器信号的电压，例如，对其进行计时和/或使得该电压被具体实施为具有两个或更多个矩形电压脉冲的脉冲包序列和/或以预定的时间间隔一个接一个的脉冲包序列。
此外，在本发明的第八实施例中，还提出操作和测量电子器件适于生成第一超声波换能器的驱动器信号，使得驱动器信号的主导信号分量首先具有初始频率，即调整为预定起始频率值的初始频率，例如，基于先前确定的管路或管子的识别数据的初始频率和/或保存在操作和测量电子器件的非易失性数据存储器中的初始频率，使得第一超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的初始频率相对于第二超声波换能器的接收信号的主导信号分量的频率的偏差大于瞬时可实现的最小偏差，和/或使得第一超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率相对于第二超声波换能器的接收信号的主导信号分量的频率的偏差量首先超过|±100kHz|和/或超过第二超声波换能器的接收信号的主导信号分量的频率的10％。进一步发展本发明的这个实施例，操作和测量电子器件另外适于从初始频率开始至少改变第一超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率，例如，即连续地增加或连续地减小，直到第一超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率相对于第二超声波换能器的接收信号的主导信号分量的频率的偏差不超过|±100kHz|，例如还小于|±50kHz|，和/或相对于第二超声波换能器的接收信号的主要信号分量的频率的偏差不超过此频率的10％，例如小于5％，和/或直到第一超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率相对于第二超声波换能器的接收信号的主导信号分量的频率的首先过大的偏差被调整为瞬时可实现的最小偏差。
此外，在本发明的第九实施例中，还提出操作和测量电子器件适于调制第一超声波换能器的驱动器信号的电压，使得电压被具体实施为电压脉冲序列，例如具有预定时间间隔的顺序脉冲包和/或矩形电压脉冲形式的电压脉冲，并且提出操作和测量电子器件适于随着时间改变第一超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率，其中在时间上一个接一个地生成的电压脉冲具有不同的脉冲宽度。
此外，在本发明的第十实施例中，还提出操作和测量电子器件适于调制第一超声波换能器的驱动器信号的电压，使得电压被具体实施为脉冲包序列，例如具有两个或更多个矩形电压脉冲的脉冲包和/或具有预定时间间隔的顺序脉冲包。进一步发展本发明的这个实施例，另外提出，操作和测量电子器件适于随着时间改变第一超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率，其中以第一脉冲包的形式用相对于随后随时间生成(例如，作为第二脉冲包形式的矩形电压脉冲生成)脉冲包所使用的脉冲宽度存在偏差的脉冲宽度生成矩形电压脉冲。
此外，在本发明的第十一实施例中，还提出第二超声波换能器适于将随时间变化的电压转换成通过管路或管子的壁并且进一步通过在管路或管子的内腔中引导的流体传播的超声波，并且第一超声波换能器适于接收通过在管路或管子的内腔中引导的流体并且进一步通过管路或管子的壁传播的超声波，并且将其转换成随时间变化的电压。
此外，在本发明的第十二实施例中，还提出操作和测量电子器件适于为了实现具有随时间变化的电压的第一超声波换能器的接收信号，至少有时例如与第一超声波换能器的驱动器信号互补地生成第二超声波换能器的驱动器信号，该第二超声波换能器的驱动器信号具有可随时间变化的电压，例如双极和/或脉冲电压，例如至少在预定时间间隔中与第一超声波换能器的驱动器信号互补的驱动器信号。进一步发展本发明的这个实施例，还提出操作和测量电子器件适于通过第二超声波换能器的接收信号并且还通过第一超声波换能器的接收信号产生至少一个测量值，例如，基于通过管腔中的流体沿着预定的测量路径被引导并且在相反方向上传播的超声波之间的行进时间差，行进时间差基于第二超声波换能器的接收信号和第一超声波换能器的接收信号和/或基于第二超声波换能器的接收信号与第一超声波换能器的接收信号的互相关来确定。替代或补充地，操作和测量电子器件还可以适于通过第一超声波换能器的驱动器信号以及第二超声波换能器的接收信号并且还通过第二超声波换能器的驱动器信号以及第一超声波换能器的接收信号产生该至少一个测量值，例如，基于通过在管腔中引导的流体沿着预定测量路径在从第一超声波换能器朝向第二超声波换能器的方向上传播的超声波的行进时间，即基于第一超声波换能器的驱动器信号和第二超声波换能器的接收信号确定的行进时间，并且还基于通过在管腔中引导的流体沿着预定测量路径在从第二超声波换能器朝向第一超声波换能器的方向上传播的超声波的行进时间，即基于第二超声波换能器的驱动器信号和第一超声波换能器的接收信号确定的行进时间。
在本发明的第十三实施例中，提出操作和测量电子器件适于至少有时实现具有随时间变化的电压的第一超声波换能器的接收信号，以例如与第一超声波换能器的驱动器信号互补地生成具有可随时间变化的电压、例如双极和/或脉冲电压的第二超声波换能器的驱动器信号，例如，至少在预定的时间间隔内与第一超声波换能器的驱动器信号互补的电压，此外，还提出操作和测量电子器件适于生成第二超声波换能器的驱动器信号，使得该驱动器信号以及第一超声波换能器的接收信号各自包含多个频谱信号分量并且在每种情况下也包含主导频谱信号分量，即在每种情况下具有最大功率谱密度的频谱信号分量。此外，在本发明的这个实施例的基础上，另外，还提出操作和测量电子器件适于调制第二超声波换能器的驱动器信号的电压，例如对其进行计时和/或调制，使得电压被具体实施为具有两个或更多个矩形电压脉冲和/或以预定时间间隔一个接一个的脉冲包序列。替代或补充地，操作和测量电子器件还可以适于生成可用作第二超声波换能器(B)的驱动器信号xB(t)的脉冲包序列，例如具有两个或更多个矩形脉冲的脉冲包，和/或改变第二超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率，以便例如减小其相对于第一超声波换能器的接收信号的主导信号分量的频率的偏差，和/或与第一超声波换能器的驱动器信号互补地生成第二超声波换能器的驱动器信号。
在本发明的第十四实施例中，提出操作和测量电子器件适于实现具有随时间变化的电压的第一超声波换能器的接收信号，以至少有时例如与第一超声波换能器的驱动器信号互补地生成具有可时间变化的电压、例如双极和/或脉冲电压的第二超声波换能器的驱动器信号，例如，至少在预定的时间间隔内与第一超声波换能器的驱动器信号互补的驱动器信号，并且还提出操作和测量电子器件适于生成第二超声波换能器的驱动器信号，使得所述驱动器信号以及第一超声波换能器的接收信号在每种情况下都包含多个频谱信号分量并且在每种情况下也包含主导频谱信号分量，即在每种情况下具有最大功率谱密度的频谱信号分量，并且第二超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率相对于第一超声波换能器的接收信号的主导信号分量的频率的偏差不超过|±100kHz|的幅度，特别是小于|±50kHz|的幅度，和/或相对于第一超声波换能器的接收信号的主导信号分量的频率的偏差不超过此频率的10％，特别是小于5％。替代或补充地，操作和测量电子器件另外适于在每种情况下生成第一超声波换能器的驱动器信号和第二超声波换能器的驱动器信号，使得第二超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率相对于第一超声波的驱动器信号的主导信号分量的频率的偏差不超过|±50kHz|的幅度，特别是小于|±10kHz|的幅度，和/或相对于此频率的偏差不超过第一超声波换能器的驱动器信号的主导信号分量的频率的1％。
在本发明的第十五实施例中，提出操作和测量电子器件适于实现具有随时间变化的电压的第一超声波换能器的接收信号，以至少有时例如与第一超声波换能器的驱动器信号互补地生成具有可随时间变化的电压、例如双极和/或脉冲电压的第二超声波换能器的驱动器信号，例如，至少在预定的时间间隔内与第一超声波换能器的驱动器信号互补的驱动器信号，并且还提出操作和测量电子器件适于生成第二超声波换能器的驱动器信号，使得所述驱动器信号以及第一超声波换能器的接收信号在每种情况下都包含多个频谱信号分量并且在每种情况下同样包含主导频谱信号分量，即在每种情况下都具有最大功率谱密度的主导频谱信号分量，并且将第一超声波换能器的接收信号转换成表示接收信号的数字接收信号，并且通过表示第一超声波换能器的接收信号的数字接收信号产生至少一个参数的至少一个测量值。进一步发展本发明的这个实施例，另外提出操作和测量电子器件适于生成表示第一超声波换能器的接收信号的数字接收信号的离散傅里叶变换(DFT)，并且基于傅里叶变换确定第一超声波换能器的接收信号的主导信号分量的频率。
此外，在本发明的第十六实施例中，还提出操作和测量电子器件适于将第二超声波换能器的接收信号转换成表示接收信号的数字接收信号，并且通过表示第二超声波换能器的接收信号的数字接收信号产生至少一个参数的至少一个测量值。另外，在本发明的这个实施例的基础上，另外还提出操作和测量电子器件适于生成表示第二超声波换能器的接收信号的数字接收信号的离散傅里叶变换(DFT)以及基于离散傅里叶变换来确定第二超声波换能器的接收信号的主导信号分量的频率和/或振幅和/或功率。
在本发明的第十七实施例中，另外，提出管路或管子具有兰姆波振荡模式，其中管路或管子的壁执行或可以执行形成兰姆波的振荡，并且，操作和测量电子器件适于生成第一超声波换能器的驱动器信号，使得驱动器信号的主导信号分量的频率相对于兰姆波振荡模式之一的谐振频率的偏差小于|±100kHz|的幅度，特别是小于|±50kHz|的幅度，和/或相对于此谐振频率的偏差小于兰姆波振荡模式之一的谐振频率的10％，特别是小于5％。另外，在本发明的这个实施例的基础上，另外提出，第一超声波传感器的6dB带宽的中心频率相对于兰姆波振荡模式的谐振频率的偏差超过此谐振频率的5％，和/或第二超声波换能器的6dB带宽的中心频率相对于此兰姆波振荡模式的谐振频率的偏差超过此谐振频率的5％。
在本发明的第十八实施例中，此外还提出管路或管子的壁的壁厚大于2mm，例如大于5mm。
在本发明的第十九实施例中，此外还提出管路或管子的壁的壁厚小于10mm。
在本发明的第二十实施例中，此外还提出管路或管子的壁由金属例如钢构成。
在本发明的第二十一实施例中，此外还提出管路或管子被具体实施为形成管道的一体组成部分的管子。
在本发明的第二十二实施例中，此外还提出管路或管子是插入管道路径中的管路，例如使得管路通过第一法兰连接与管道的第一段连接并通过第二法兰连接与管道的第二段连接。
在本发明的第二十三实施例中，此外还提出第一超声波换能器是通过例如由锆钛酸铅和/或其它压电陶瓷制成的压电换能器元件，并且通过与换能器元件声传导耦合并且例如由聚醚酰亚胺(PEI)制成的耦合体形成的。
在本发明的第二十四实施例中，此外还提出第二超声波换能器是通过例如由锆钛酸铅和/或其它压电陶瓷制成的压电换能器元件，并且通过与换能器元件声传导耦合并且例如由聚醚酰亚胺(PEI)制成的耦合体形成的。
在本发明的第二十五实施例中，此外还提出操作和测量电子器件具有用于存储数字数据的数据存储器，特别是非易失性数据存储器，例如用于存储表征第一超声波换能器的驱动器信号的至少一个设置参数的至少一个参数值。进一步发展本发明的这个实施例，另外还提出操作和测量电子器件适于例如反复在这种数据存储器中存储表征第一超声波换能器的驱动器信号的至少一个设置参数的参数值，以及在每种情况下，表示参数值的设置或存储时间点的时间值。替代或补充地，操作和测量电子器件还可以适于为表征第一超声波换能器的驱动器信号的至少一个设置参数应用存储在数据存储器中的参数值，以执行测量系统的运转能力的检查，例如，检查第一超声波换能器和/或第二超声波换能器的运转能力，和/或检查管路的完整性，和/或为表征第一超声波换能器的驱动器信号的至少一个设置参数应用存储在数据存储器中的至少一个参数值，以检测所述管路或管子的劣化，例如管路或管子的壁的壁厚的变化，和/或两个超声波换能器中的至少一个的传递函数的变化。
在本发明的第二十六实施例中，此外还提出第一超声波换能器适于间歇地作为将电功率转换成声功率的发射器，或者作为将声功率转换成电功率的接收器操作。
在本发明的第二十七实施例中，此外还提出第二超声波换能器适于特别与第一超声波换能器互补地、间歇地作为将声功率转换成电功率的接收器，或者作为将电功率转换成声功率的发射器操作。
在本发明的第二十八实施例中，此外还提出操作和测量电子器件适于通过第二超声波换能器的接收信号并且还通过第一超声波换能器的驱动器信号产生至少一个测量值，这例如是基于对于穿过在管腔中引导的流体沿着预定的测量路径在从第一超声波换能器到第二超声波换能器的方向上传播的超声波，根据第一超声波换能器的驱动器信号和第二超声波换能器的接收信号确定的行进时间。
本发明的基本思想是通过选择性地实施由位于一定频率范围内的管路或管子的恰好一个主导兰姆波振荡模式的明显激励来改进所讨论类型的测量系统的测量精度，该频率范围是通过在超声波换能器的正常测量操作中使用的驱动器信号的带宽以及超声波换能器的带宽确定的，使得作为发射器操作的超声波换能器生成的大部分声功率被变换成主导兰姆波振荡模式的振荡，并且防止了管路或管子的其它兰姆波振荡模式的明显激励。例如，本发明基于一个令人惊奇的认识，即通过上述相对简单地实施，能够以对于期望的高精度测量的足够的重复精度来再现这种效果，因此相应驱动器信号相对于用其实现的接收信号可以得到非常牢靠的调整，即使对于主导兰姆波振荡模式的实际谐振频率的了解一般非常不太精确，因此，与迄今为止例如用所讨论的类型的常规测量系统实现的测量精度相比，使用上述使接收信号的信号功率最大化的方法可以明显提高测量精度。可以看出，本发明的另一个优点尤其是，这个效果可以非常简单地在正在讨论的类型的已经建立的测量系统的(硬件)结构中实施，只要相应地修改操作和测量电子器件即可，例如，通过重新编程该操作和测量电子器件，例如通过将经过相应地调适的固件加载到操作和测量电子器件中。
附图说明
现在将基于附图中所示的实施例的示例来更详细地解释本发明及其有利实施例。所有图中均用相同的附图标记表示相同、特别是操作或功能相同的部件；当为了简明起见或者有其它需要时，在后面的附图中省略已经提到的附图标记。此外，从附图和/或权利要求书本身，其它有利的实施例或进一步的发展，特别是还有原本仅是本发明的单独说明的方面的组合将变得显而易见。
附图所示如下：
图1a、图1b示出了两个测量系统，其在每种情况下通过在管道中的管路或管子上布置在外侧的两个超声波换能器形成，以便测量在管道中流动的流体的至少一个参数；
图2a示出了适合于图1a或图1b的测量系统的用于测量系统的超声波换能器之一的驱动器信号的电压的随时间而变的曲线图，该电压被归一化为电压的最大值；
图2b以对数表示(以10为底的对数)示出了根据图2a的随时间而变的电压的电平的频谱幅度，参照最大频谱幅度(电压的归一化、单面振幅谱)，单位为dB(分贝)；
图3a示出了适合于图1a或图1b的测量系统的用于测量系统的超声波换能器之一的驱动器信号的额外变体的电压的随时间而变的曲线图，该电压被归一化为电压的最大值；
图3b以对数表示(以10为底的对数)示出了根据图3a的随时间而变的电压的电平的频谱幅度，参照最大频谱幅度，单位为dB；
图4a示出了通过测量系统的超声波换能器在图1a或图1b的测量系统中提供的接收信号的电压的随时间而变的曲线图，该电压被归一化为电压的最大值；
图4b以对数表示(以10为底的对数)示出了根据图4a的随时间而变的电压的电平的频谱幅度，参照最大频谱幅度，单位为dB；
图5示意性地示出了在图1a或图1b的测量系统中形成的并用作测量路径的声音传播路径的路线；
图6a示出了图1a或图1b的测量系统的测量误差对如图2a或图3a所示具有随时间而变的电压的驱动器信号的主导信号分量的频率的依赖性；以及
图6b示出了如图2a或图3a所示的具有随时间而变的电压电平的驱动器信号的主导信号分量的频率相对于通过驱动器信号生成的接收信号的主导信号分量的频率的偏差，其随驱动器信号的主导信号分量的频率而变。
具体实施方式
图1a和图1b示意性地示出了用于测量在管道中流动的流体FL，例如液体、气体或分散体形式的流体的至少一个参数，特别是流体动力学参数，例如流速V0、体积流率QV或某个其它流量参数的测量系统的实施例的示例。管道可以例如具体实施为水分配或水收集网络的工厂组件，因此流体可以是例如饮用水或废水。然而，液体FL也可以例如是石油或液体燃料。例如，管道也可以是石油化工厂的组件。
测量系统包括管路或管子10，其具有由管路或管子的壁10a包围的内腔10‘。管路或管子10适于在其内腔中引导流体FL的体积部分，即供流体FL流过。管路或管子10可以例如具体实施为分立的管路，其被插入到管道的路径中，例如，其中如图1a所示，管路10通过第一法兰连接11与管道的第一段连接，并且通过第二法兰连接12与管道的第二段连接。然而，管路或管子10例如也可以具体实施为这样的管道(例如，已经存在的管道)的子段，因此是形成管道的一体组成部分的管子。管路或管子的壁的壁厚可以在例如几毫米至几厘米的范围内。在本发明的一个实施例中，特别提出，管路或管子的壁的壁厚大于2mm，特别是也大于5mm。在本发明的另一实施例中，管路或管子的壁由金属例如钢构成。
此外，除了管路或管子10之外，测量系统还包括：第一超声波换能器A，其在管路或管子10的壁10a的背朝内腔10’的外侧上安装在管路或管子10上，并且通过管路或管子的壁声耦合到在内腔10'中引导的流体；第二超声波换能器B，其在管路或管子的壁的外侧上与超声波换能器A分开地安装在管路或管子上，并且通过管路或管子的壁声耦合到在内腔10'中引导的流体；以及操作和测量电子器件2，其与第一超声波换能器以及第二超声波换能器都电连接。因此，测量系统可以相应地例如是箝位式超声波流量测量设备。操作和测量电子器件2可以例如通过数字信号处理器和/或微控制器形成。此外，操作和测量电子器件2可以容纳在例如抗压力和/或冲击的保护壳体H中，例如在如不锈钢或铝等金属或塑料的保护壳体中。在本发明的另一实施例中，提出操作和测量电子器件2具有用于存储数字数据的数据存储器MEM，例如非易失性数据存储器MEM。要存储在数据存储器MEM中的数字数据可以是例如在测量系统的操作期间生成的数据，例如操作和测量电子器件2的测量数据和/或设置参数的参数值。特别为了稍后诊断测量系统，至少将参数值与表示特定参数值的设置或存储时间点的时间值一起存储起来可能是有利的。
两个超声波换能器A、B中的每一个，例如同样构造的超声波换能器A、B，可以例如在所讨论的类型的测量系统的情况下常见的一样，在各种情况下通过压电换能器元件以及与换能器元件声传导耦合的耦合体形成。此外，在本发明的另外的实施例中，还提出两个超声波换能器A、B中的至少一个，例如或者两个超声波换能器中的每一个，通过锆钛酸铅和/或另一种压电陶瓷制成的压电换能器元件和/或通过聚醚酰亚胺(PEI)制成的耦合体形成。
如图1a所示，超声波换能器A特别适于将随着时间而变的电压uA,I(例如脉冲电压uA,I)转换成通过管壁10a并且进一步通过在管路10的内腔10‘中引导的流体传播的超声波WAB,I，并且因此作为将电功率转换成声功率的发射器操作。此外，超声波换能器B，例如与超声波换能器A相同结构的超声波换能器B，适于接收通过在管腔内引导的流体并进一步通过管壁传播的超声波WAB,II，并将其转变成随时间而变的电压uB,II，并因此作为将声功率转变成电功率的接收器操作。
超声波换能器A具有6dB带宽BWA,6dB，其在超声波换能器A的下位的第一极限频率fu,A和超声波换能器A的上位的第二极限频率fo,A之间延伸；同样，超声波换能器B具有6dB带宽BWB,6dB，其在所述超声波换能器B的下位的第一极限频率fu,B和所述超声波换能器B的上位的第二极限频率fo,B之间延伸。超声波换能器A的6dB带宽BWA,6dB的中心频率f0,A——其被定义为其第一极限频率fu,A及其第二极限频率fo,A的几何平均值(fu,A·fo,A)1/2——以及超声波换能器B的6dB带宽BWB,6dB的中心频率f0,B——其被定义为其第一极限频率fu,B及其第二极限频率fo,B的几何平均值(fu,B·fo,B)1/2——可以例如在每种情况下都在0.5-6MHz的范围内。此外，每个超声波换能器的6dB带宽可以例如选择成使得——例如在所讨论的类型的测量系统的情况下相当常见的——它等于特定中心频率f0,A或f0,B的例如20-30％，例如对应于例如0.2MHz到例如2.5MHz之间的频率范围。
两个超声波换能器A、B如图1a中示意性地示出的，因此相互间隔开，并且在管壁10a的外侧上定向成使得通过超声波换能器A产生的超声波WAB,I在位于内腔中的流体内部分地沿着可用作测量路径AB的声音传播路径传播，然后至少部分地经由管壁作为超声波(WAB,II)声耦合到超声波换能器B中。特别是，在这种情况下，两个超声波换能器A、B被定位并定向在管壁的外侧上，同样如图1a所示，使得可用作测量路径的声音传播路径具有相对于管路的内径D倾斜了实际的射束角αF的主传播方向，使得与声音传播路径的路径长度相对应的测量路径的长度L对应于所述内径D除以射束角αF的余弦的商D/cosαF。
操作和测量电子器件2又相应地也适于实现超声波换能器B的具有随时间而变的电压uB,II的接收信号yB(t)，即用于实现在第二超声波换能器上随时间而变的电压uB,II并且用作接收信号yB(t)的电压uB,II，以至少有时生成超声波换能器A的具有随时间而变的、特别是双极和/或脉冲的电压uA,I的驱动器信号xA(t)，即向超声波换能器A施加可用作超声波换能器A的驱动器信号xA(t)并且随时间而变的电压，例如，即双极和/或脉冲电压。在本发明的测量系统的情况下，通过操作和测量电子器件2提供的驱动器信号xA(t)被具体实施为使得驱动器信号xA(t)，即其电压uA,I——并且如图2a和图3a中所示，根据最大电平归一化的驱动器信号的电压uA,I*，并且在图2b和图3b中，在每种情况下，是基于根据最大量值归一化的电压uA,I的振幅谱|XA *|，并且从图2a、图2b、图3a和图3b的组合直接显而易见——以及用其实现的接收信号yB(t)，即其电压uB,II——并且还如图4a中所示，基于根据最大电平归一化的接收信号的电压uA,I*，并且在图4b中基于根据最大量值归一化的电压uB,II的振幅谱|YB *|，并且从图4a和图4b的组合直接显而易见——每个分别包含多个频谱信号分量xA,i和yB,i，其中驱动器信号xA(t)以及接收信号yB(t)各自包含主导频谱信号分量xA‘和yB‘，即在每种情况下具有最大功率谱密度SxxA,MAX和SyyB,MAX的信号分量。驱动器信号xA(t)的频谱，尤其是其主导频谱信号分量xA‘的频率fxA‘，也可以相应地例如与超声波换能器A、B的带宽及其中心频率f0,A和f0,B匹配，使得主导频谱信号分量xA‘和与其相关联的主导频谱信号分量yB‘位于超声波换能器A、B的6db带宽内，并且驱动器信号xA(t)的6db带宽BWxA,6dB，即其电压uA,I，总量例如大于100kHz，特别是大于1MHz。此外，驱动器信号xA(t)还可以有利地具体实施为，除了包含频谱信号分量xA‘并对应于上述6db带宽的BWxA,6dB并且因此最多包含主导频谱信号分量xA‘的主频带之外，驱动器信号xA(t)还包括这样的辅频带：其特定频谱信号分量的功率谱密度全都比主导频谱信号分量xA‘的功率谱密度SxxA,MAX小了不少于6dB(分贝)，即其特定频谱信号分量的(电压)电平(也在图2b和图3b中举例示出)全都比主导频谱信号分量xA‘的(电压)电平小了不少于6dB。
在本发明的另外的实施例中，操作和测量电子器件2尤其适于调制超声波换能器A的驱动器信号xA(t)的电压uA,I，例如即为其计时；特别是使得电压uA,I被具体实施为以发射速率(shot rate)1/TS顺序地生成的脉冲包序列，特别是预定的发射速率和/或至少在预定时间间隔(>>2·TS)中保持恒定的发射速率。脉冲包的每个序列可以具有预定数量N个矩形电压脉冲，例如，在每种情况下，两个或更多个矩形电压脉冲。如图所示，例如，在图2a中，例如可以通过3(N＝3)个同样大的双极性矩形脉冲形成脉冲包，其因此在每种情况下都具有一个相同的周期长度Tx(Tx＝0.87μs)。此外，脉冲包可以另外具体实施为使得时间上一个接一个的脉冲包在每种情况下具有相等数量N个矩形脉冲，特别是均匀的矩形脉冲，并且至少在预定时间间隔(>>2·TS)内是均匀的，因此在每种情况下也具有相等的包长度T1(T1＝N·Tx)。替代或补充上述电压uA,I，即被具体实施为形成为具有与发射速率相对应的时钟信号TS的脉冲包的矩形电压脉冲序列，驱动器信号xA(t)也如图3a中所示，至少有时还具有被具体实施为与用对应于脉冲包(例如，也是均匀的脉冲包)的发射速率的时钟信号形成的正弦电压脉冲(脉冲串)序列的电压。
此外，本发明的测量系统的操作和测量电子器件2还通过超声波换能器B的接收信号yB(t)适于为至少一个参数、例如流速V0或体积流率QV产生至少一个测量值XM，或者多个这样的测量值。例如，至少一个测量值XM或这些测量值可以例如在现场可视化，和/或通过连接的现场总线有线地和/或通过无线电无线地传输到电子数据处理系统，例如，可编程逻辑控制器(PLC)和/或过程控制站，例如通过现场总线，例如根据IEC 61158、IEC 61784-1和/或IEC 61784-2，和/或通过无线电连接，例如，根据IEEE 802.11或IEEE 802.15.4。在本发明的另外的实施例中，操作和测量电子器件2适于通过超声波换能器B的接收信号yB(t)并且还通过超声波换能器A的驱动器信号xA(t)来产生至少一个测量值XM，这例如是基于通过在管腔中引导的流体沿着预定的测量路径AB在从超声波换能器A到超声波换能器B的方向上传播的超声波WAB,II的行进时间tAB(基于驱动器信号xA(t)和接收信号yB(t)确定的)。
在本发明的另一个实施例中，超声波换能器A另外适用于不仅作为将电功率转换成声功率的发射器操作，而且还如图1b所示，或者直接从图1a和图1b的组合显而易见，改为间歇地作为将电功率转换成声功率的发射器，和作为将声功率转换成电功率的接收器操作。此外，超声波换能器B也可以适于间歇地，例如，还与超声波换能器A互补地，作为将声功率转换成电功率的接收器，或作为将电功率转换成声功率的发射器操作。因此，在另外的实施例中，超声波换能器B还适于将随时间变化的电压转换成通过管壁并进一步通过在管腔中引导的流体传播的超声波，并且超声波换能器A适于接收通过在管腔中引导的流体并且进一步通过管壁传播的超声波，并将其转换成随时间变化的电压。此外，根据本发明的另外的实施例，操作和测量电子器件2还适于为了在超声波换能器A中可以用作超声波换能器A的接收信号yA(t)并且同样具有例如大于100kHz的带宽的、实现随时间变化的电压，而以至少有时特别与超声波换能器A的驱动器信号xA(t)交替地生成超声波换能器B的驱动器信号xB(t)，其具有可随时间变化的电压，特别是双极电压。例如，驱动器信号xB(t)可以被具体实施为至少在预定时间间隔内与超声波换能器A的驱动器信号xA(t)互补。操作和测量电子器件2在这种情况下，可以另外还适于通过超声波换能器B的接收信号yB(t)并且还通过超声波换能器A的接收信号yA(t)产生至少一个测量值，这例如是基于通过在管腔中引导的流体沿着预定测量路径而且在相反的方向上传播的超声波之间的行进时间差(基于接收信号yB(t)、yA(t)确定)，和/或基于接收信号yB(t)、yA(t)的互相关。与此相补充，操作和测量电子器件2还可以通过超声波换能器A的驱动器信号xA(t)和超声波换能器B的接收信号yB(t)并且通过超声波换能器B的驱动器信号xB(t)和超声波换能器A的接收信号yA(t)来产生至少一个测量值，这例如是基于根据针对通过在管腔中引导的流体沿着测量路径AB在从超声波换能器A朝超声波换能器B的方向上传播的超声波WAB,II的驱动器信号xA(t)和接收信号yB(t)确定的行进时间tAB，并且基于根据针对通过在管腔中引导的流体沿着方向与测量路径AB相反的测量路径在从超声波换能器B朝超声波换能器A的方向上传播的超声波WBA,II的驱动器信号xB(t)和接收器信号yA(t)确定的行进时间tBA。根据确定的行进时间tAB、tBA和相应的行进时间差(tBA-tAB)，可以通过操作和测量电子器件例如基于以下公式来计算流体动力学参数，平均流速V0：
Figure BDA0001470439740000241
和/或可以通过操作和测量电子器件例如基于以下公式计算流体动力学参数，体积流率QV：
Figure BDA0001470439740000242
射束角αF和对应的路径长度L例如取决于超声波换能器A、B相对于管子10的定向以及在测量系统中确立的与声音传播相关的测量系统的声速和声阻抗。如果知道测量系统的实际结构，尤其是管壁的壁厚和管子的内径D以及使用材料、包括在管腔内引导的流体FL的声速(ci)和波数(ki)，则可以较早地将射束角αF计算为标称射束角αF,nom(αF,nom→αF)，例如，基于斯内尔声学折射定律。此外，如果知道射束角αF,nom以及内径D，也可以相应地较早地将路径长度L计算为标称路径长度(Lnom＝D/cosαF,nom→L)。这些标称值的确定可以例如在通过操作和测量电子器件调谐安装的测量系统期间在测量系统启动的过程中发生。替代或补充上述流体动力学参数，例如也可以通过操作和测量电子器件2例如基于以下公式来确定表征流体材料的声速：
Figure BDA0001470439740000243
尤其是，为了确定至少一个测量值XM，操作和测量电子器件2根据本发明的另外的实施例，另外适于将超声波换能器B的接收信号yB(t)转换成表示接收信号yB(t)的数字接收信号yBd，并且通过数字接收信号yBd产生至少一个参数的至少一个测量值。对于先前指出的情况，其中两个超声波换能器A、B可以在每种情况下间歇地作为将电功率转换成声功率的发射器和作为将声功率转换成电功率的接收器操作，操作和测量电子器件此外还可以适于将超声波换能器A的接收信号yA(t)转换成表示接收信号yA(t)的数字接收信号yAd，并且相应地例如通过数字接收信号yAd产生至少一个参数的至少一个测量值，即通过数字接收信号yAd并且通过数字接收信号yBd产生至少一个参数的至少一个测量值。
如上所述，管子自然地具有多个所谓的兰姆波振荡模式，即多个不对称兰姆波振荡模式A0,A1,A2…An和多个对称兰姆波振荡模式S0,S1,S2…Sn，其中管壁执行或可执行形成兰姆波的振荡，使得多个兰姆波振荡模式在每种情况下具有位于驱动器信号xA(t)或驱动器信号xB(t)的两个超声波换能器A、B的带宽内、因此位于受激励的和接收的超声波WAB,I,WAB,II,WBA,I,WBA,II的带宽内的谐振频率，其中，兰姆波振荡模式的实际谐振频率，即谐振频率在频率范围内的特定位置仅是近似已知的，即仅可以基于测量系统的较早已知特征值例如管壁10a的材料和壁厚来近似估计。结果，可能通过超声波换能器A激励的管子的数量未知并且强度未知的兰姆波振荡模式对于波束角αF的影响，使得在操作期间，(瞬时)射束角αF和较早计算的标称射束角αF,nom之间存在不可量化的角度偏差ΔαF(αF＝αF,nom+ΔαF)，即不可量化的角度误差，这样的影响在操作期间不能直接测量，即在计算至少一个测量值时不能正确地考虑到实际激励的兰姆波振荡模式的影响。路径长度L相对于标称路径长度Lnom的相关路径长度误差(即偏差ΔL(L＝Lnom+ΔL))同样是不能测量的，或者仅仅是不能精确测量的。在这种情况下，研究表明，上述角度误差ΔαF以及与之相关联的路径长度误差ΔL可以通过如下方式明显最小化甚至避免：选择驱动器信号xA(t)的主导信号分量xA‘的频率fxA‘，使得其至少近似地对应于兰姆波振荡模式的谐振频率之一。
正在讨论的类型的测量系统的进一步研究还令人惊奇地表明，并且从图6a也可以明显看出，对于所讨论的类型的测量系统，尤其是具体实施为箝位式超声波流量测量设备的测量系统，即使在信号分量xA‘的频率fxA‘相对于兰姆波振荡模式之一的谐振频率的偏差小于100kHz的情况下，在给定的情况下甚至小于50kHz，或相对于兰姆波振荡模式之一的谐振频率的偏差小于此谐振频率的10％，在给定情况下，还小于5％，即使这样也可以实现与传统测量系统以前可以达到的测量精度相比明显改进的测量精度，相反，可以实现相对测量误差EXM(<2％)，这与常规测量系统的相对测量误差相比明显减少(≥2％)，例如几乎减半。这可以例如归因于以下事实：以这种方式，可以实现并确保至少在测量系统的正常测量操作中，恰好是处于相应超声波换能器A、B的6dB带宽BWA,6dB、BWB,6dB还有驱动器信号xA(t)的6db带宽BWxA,6dB内、因此在测量系统的由这些6dB带宽共同确定的传输范围即工作范围内的兰姆波振荡模式之一，被主导激励、即强度与谐振频率可能处在超声波换能器A和B的6dB带宽BWA,6dB、BWB,6dB内的其它某个兰姆波振荡模式被激励的最大激励强度相比增加了不小于10dB，也即，由管壁在主导激励兰姆波振荡模式(主导兰姆波振荡模式)中执行的振荡相应地与在管壁的其余兰姆波振荡模式中的管壁的可能振荡相比，振幅如上所述提高，即提高了>10dB(图4b)。相反，可以以非常简单的方式实现：至少在测量系统的正常测量操作中，除了该一个主导兰姆波振荡模式之外，管子的谐振频率处在测量系统的前述传输范围即工作范围内的其它兰姆波振荡模式未被明显地激励，即如上所述与主导兰姆波振荡模式的强度相比，激励强度减小了不到至少10dB(图4b)；这一点特别也在应用常规的超声波换能器，即具有常规构造方式的超声波换能器的的情况下，即使在典型情况下，即兰姆波振荡模式的准确谐振频率还不知道，即管子的确切频谱还不知道的情况下，这也适用于测量精度特别关键的情况，并且从图6a也可以明显看出，两个中心频率f0,A、f0,B中的至少一个相对于上述每个谐振频率的偏差超过相应谐振频率(Ai)的5％；这在应用常规超声波换能器的情况下，通常在壁厚小于10mm的管子的情况下也是如此。
为了实现并确保至少在测量系统的正常测量操作中，即至少在由超声波换能器A确定测量值所需的测量间隔期间，并且也如图6a中所示，而且从图6a和图6b的组合可以明显看出，尽可能只有管路的恰好一个兰姆波振荡模式(Ai)，在给定的情况下不包括管路10的也在测量系统的传输范围内即工作范围内的其它兰姆波振荡模式(Si)，在其谐振频率下被值得一提地激励，因此，本发明的测量系统的操作和测量电子器件2另外适于生成所述超声波换能器A的驱动器信号xA(t)，并且图6b中所示，驱动器信号xA(t)的主导信号分量xA‘的频率fxA‘相对于超声波换能器B的接收信号yB(t)的主导信号分量yB‘的频率fyB‘的偏差不超过|±100kHz|的幅度，特别是小于|±50kHz|的幅度，和/或相对于接收信号yB(t)的主导信号分量yB‘的频率fyB‘的偏差不超过此频率fyB‘的10％，特别是小于5％。这一点之所以可以实现，例如，是因为操作和测量电子器件2首先将驱动器信号xA(t)定制成其主导信号分量xA‘具有初始频率fxA‘，即设置为预定的起始频率值的频率，使得(初始)频率fxA‘相对于所生成的接收信号yB(t)的主导信号分量yB‘的频率fyB‘的偏差首先大于瞬时可实现的最小值，即最终实现的偏差Errf，例如也使得初始频率fxA‘和对应频率fyB‘之间的偏差量首先大于|±100kHz|。因此，根据本发明的另外的实施例，操作和测量电子器件适于改变驱动器信号xA(t)的主导信号分量xA‘的频率fxA‘，例如也可以逐步地(fxA‘,i)改变，尤其是为了依次顺序地减小上述频率fxA‘相对于频率fyB‘的偏差和/或为了最小化频率fxA‘相对于fyB‘的起初过大的偏差，即尽可能准确地设置瞬时可实现的最小偏差Errf，或者将频率fxA‘设置为例如相应的(最佳)工作频率值，即，也如图6b所示，并且从图3b和图4b和图6b的组合显而易见，对于支持图3b和图4b所示的(归一化)频谱的测量系统而言是1.25MHz。作为起始频率值可以是例如从两个超声波换能器A、B中的至少一个的至少一个参数导出的频率值，例如，即先前指出的极限或中心频率fu,A,fu,B,fo,A,fo,B,f0,A,f0,B中的至少一个，然而或者也可以是基于早先确定的管路的标称识别数据估计的值，例如，操作和测量电子器件2中配备的用于处于先前指示的测量系统的传输或工作范围内的管路的兰姆波振荡模式之一的谐振频率。然而，起始频率值也可以首先是频率fxA‘(f现有技术→fxA‘)，首先根据例如用于对于驱动器信号xA(t)最大化接收信号的信号功率的常规方法来确定。对于已经提到的情况，其中驱动器信号xA(t)的电压uA,I被具体实施为一个接一个的脉冲包序列，具有对应于发射速率1/TS的时间间隔，并且具有两个或更多个电压脉冲(图2a、图3a)，驱动器信号xA(t)的主导信号分量xA‘的频率fxA‘如从图2a和图2b以及图3a和图3b的组合中直接显而易见的例如对应于在相应的脉冲包内形成的电压脉冲的脉冲序列频率，该脉冲序列频率对应于各个电压脉冲的(脉冲包内部)周期长度Tx的倒数值。因此，驱动器信号xA(t)的主导信号分量xA‘的频率fxA‘可以通过操作和测量电子器件2适当地设置，例如，通过将周期长度Tx设置为频率fxA‘的期望值，以及包长度T1(T1＝N·Tx)的相应变化和/或包含在脉冲包中的矩形脉冲数N(N＝Tx/T1)的相应变化。此外，超声波换能器A的驱动器信号xA(t)的主导信号分量xA‘的频率例如也可以随时间而变化，其中通过操作和测量电子器件并且在时间上一个接一个地生成的电压脉冲具有不同的脉冲宽度，或者其中形成为第一脉冲包的矩形电压脉冲的生成脉冲宽度与在第一脉冲包之后生成并且例如形成为第二脉冲包的矩形电压脉冲的生成脉冲宽度有偏差。
对于先前指示的情况，其中在操作和测量电子器件2中设置有用于存储在测量系统操作期间生成的数字数据的数据存储器MEM(因此是可写入数据存储器MEM)，上述起始值可以被存储为表征驱动器信号xA(t)的设置参数的参数值Vf0，这里即是初始频率，首先在启动时(即在测量系统第一次启动时或者也可以是重启时)为主导信号分量xA‘设置。替代或补充将起始值存储在数据存储器MEM中，在找到适于测量系统的操作的频率fxA‘的工作频率值之后，可以将这样的工作频率值存储在数据存储器MEM中——即为了获得频率fxA‘相对于频率fyB‘的最小偏差而对于主导信号分量xA’在正常测量操作中尽可能精确地设置的最佳频率——用于在特定情况下，还将与例如日期和/或时钟时间的形式的相应的时间值(时间戳)一起存储的表征驱动器信号xA(t)的(附加)设置参数的参数值Vfx。通过对表征驱动器信号xA(t)的一个或多个设置参数应用存储在数据存储器MEM中的参数值，特别是所有参数值Vfx，另外对于测量系统的运转能力的检查可以例如在操作期间反复执行，其中有时候，重新确定驱动器信号的主导信号分量xA’的上述最佳频率fxA‘，并且将当前确定的最佳频率fxA ‘与存储参数值Vfx的形式的早先确定的最佳频率相比较，并且在两个最佳频率之间可能有偏差的情况下，记录降低的运转能力，即测量系统的干扰。这种情况的发生例如可能是由于管子的劣化，例如管壁的壁厚的变化，和/或由于两个超声波换能器A、B中的至少一个的传递函数的变化。因此，根据本发明的另外实施例的操作和测量电子器件2还适于将存储在数据存储器MEM中的参数值应用于表征超声波换能器A的驱动器信号的至少一个设置参数，以便执行测量系统的运转能力的检查，例如，检查超声波换能器A的运转能力和/或超声波换能器B的运转能力和/或检查管子的完整性。
与频率fxA‘相反，为了确定频率fxA’相对于频率fyB‘的偏差(在正常测量操作中本发明的测量系统的情况下，这个偏差的量不到|±100kHz|)，作为频率fxA‘的补充仍然需要的接收信号yB(t)的主导信号分量yB‘的首先不知道的(瞬时)频率fyB‘可以通过操作和测量电子器件2在测量系统的操作期间基于以下各项来反复确定：基于接收信号yB(t)，例如基于在操作期间确定的接收信号yB(t)的振幅谱|YB|(频谱的幅度)，或者基于为振幅谱|YB|确定的最大值及其相应频率。在归一化振幅谱|YB*|的情况下等于0dB(分贝)的图4b所示的最大值对应于具有最大振幅的接收信号yB(t)的频谱信号分量，即最大功率谱密度(SyyB,MAX)，并且因此对应于接收信号yB(t)的所寻求的主导频谱信号分量yB‘。因此，根据本发明的附加实施例，操作和测量电子器件尤其用于确定超声波换能器B的接收信号yB(t)的主导信号分量yB‘的频率fyB‘，另外适于确定超声波换能器B的接收信号yB(t)的振幅谱|YB|，例如接收信号yB(t)的归一化振幅谱|YB *|，以便例如基于其确定超声波换能器B的接收信号yB(t)的主导信号分量yB‘的功率和/或振幅和/或频率fyB‘。替代或补充地，操作和测量电子器件在给定的情况下也可以适于确定或计算接收信号yB(t)的归一化功率密度谱(PSD)，以便此后使用功率密度谱确定接收信号yB(t)的主导频谱信号分量yB‘，特别是频率fyB‘。对于先前指示的情况，其中操作和测量电子器件2适于将接收信号yB(t)转换成相应的数字接收信号yBd，此外，操作和测量电子器件还可以适于为了确定接收信号yB(t)的振幅谱|YB|首先生成数字接收信号yBd的离散傅里叶变换(DFT→|YB|)，然后基于离散傅里叶变换确定接收信号yB(t)的主导信号分量yB‘的振幅和/或功率和/或频率fyB‘。对于先前指出的情况，其中操作和测量电子器件2还适于提供超声波换能器A的接收信号yA(t)以及表示接收信号yA(t)的数字接收信号yad，此外，操作和测量电子器件2还可以适于基于操作和测量电子器件在内部生成的数字接收信号yad的离散傅里叶变换(DFT)，相应地确定接收信号yA(t)的主导信号分量yA’的频率fyA‘。
考虑到每个超声波换能器A和B的早期相当可确定的特征传递行为，尤其是它们各自的实际6dB带宽BWA,6dB和BWB,6dB和/或它们的实际振幅和/或相位频率响应或它们的传递函数(系统函数)以及由此产生的超声波换能器A和B对位于电驱动器信号xA(t)和电接收信号yB(t)之间的总测量路径(即通过超声波换能器A、B、测量管路10以及其中引导的流体FL形成的路径)的特性传递行为的贡献，当需要时，测量系统的测量精度甚至可以进一步提高，例如，通过借助其频谱的相应具体实施及其带宽的相应选择而将驱动器信号xA(t)与超声波换能器A、B的传递行为匹配。在本发明的另外的实施例中，操作和测量电子器件因此另外适于生成驱动器信号xA(t)，例如，以便设置驱动器信号xA(t)的主导信号分量xA‘的频率fxA‘，或者因此设置上述工作频率值，使得驱动器信号xA(t)的主导信号分量xA‘的频率fxA‘相对于接收信号的主导信号分量yB‘的频率fyB‘的偏差不超过超声波换能器A的6dB带宽BWA,6dB的中心频率f0,A的10％，尽可能小于5％，和/或超声波换能器A的驱动器信号xA(t)的主导信号分量xA‘的频率fxA‘相对于接收信号的主导信号分量yB‘的频率fyB‘的偏差不超过超声波换能器B的6dB带宽BWB,6dB的中心频率f0,B的10％，尽可能小于5％。
对于先前指出的情况，其中两个超声波换能器A、B中的每一个适于间歇地作为将电功率转换成声功率的发射器，和作为将声功率转换成电功率的接收器操作，并且因此操作和测量电子器件2为了实现超声波换能器A的接收信号yA(t)适于有时候特别是与驱动器信号xA(t)互补地，还生成超声波换能器B的驱动器信号xB(t)，根据本发明的另外的实施例，操作和测量电子器件2还适于生成超声波换能器B的驱动器信号xB(t)，使得该驱动器信号xB(t)还有超声波换能器A的接收信号yA(t)包含多个频谱信号分量xB,i、yA,i，在每种情况下也包含主导频谱信号分量xB‘、yA，即在每种情况下具有最大功率谱密度SxxB,MAX；SyyA,MAX,‘的频谱信号分量xB‘、yA；这特别也使得驱动器信号xB(t)的主导信号分量xB‘的频率fxB‘相对于超声波换能器A的接收信号yA(t)的主导信号分量yA‘的频率fyA‘的偏差不超过|±100kHz|的幅度，例如也即小于|±50kHz|的幅度，和/或相对于超声波换能器A的接收信号yA(t)的主导信号分量yA‘的频率fyA‘的偏差不超过此频率fyA‘的10％，特别是小于5％，和/或频率fxB’相对于驱动器信号xA(t)的主导信号分量xA‘的频率fxA’的偏差不超过|±50kHz|的幅度，特别是小于|±10kHz|的幅度，或者相对于频率fxA’的偏差不超过此频率fxA’的1％。例如，驱动器信号xB(t)可以被具体实施为具有随时间而变的电平，其仅与驱动器信号xA(t)的随时间而变的电平相比时间偏移了例如对应于一半发射速率(0.5·TS)的时间值，但是否则至少在预定的时间间隔(>>2·TS)中对应于随时间而变的驱动器信号xA(t)的电平。因此，根据本发明的另外的实施例，操作和测量电子器件2还适于调制超声波换能器B的驱动器信号xB(t)的电压uB,I，例如，对其进行计时；这与驱动器信号xA(t)的情况的方式相同，或者使得电压uB,I被具体实施为在每种情况下具有两个或更多个矩形电压脉冲和/或具有预定时间间隔的顺序脉冲包的序列。此外，操作和测量电子器件2还可以被具体实施为在操作期间改变频率fxB‘，例如，以减小其相对于超声波换能器A的接收信号yA(t)的主导信号分量yA‘的频率fyA‘的偏差fxB‘，或者相应地将频率fxB‘与频率fxA‘相匹配。

Claims (61)

1.一种测量系统，用于测量流体(FL)的至少一个参数，包括：
-管路或管子(10)，其具有由管路或管子的壁(10a)包围的内腔(10‘)，所述管路或管子适于在其内腔中引导所述流体的体积部分，即供所述流体流过；
-第一超声波换能器(A)，其在所述管路或管子的壁的背朝所述内腔的外侧上安装在所述管路或管子上，并且经由所述管路或管子的壁声耦合到在所述内腔中引导的流体，并适于将时变的电压转换成通过所述管路或管子的壁并且进一步通过在所述内腔中引导的流体传播的超声波(WAB,I)；
-第二超声波换能器(B)，其在所述管路或管子的壁的所述外侧上与所述第一超声波换能器分开地安装在所述管路或管子上，并且经由所述管路或管子的壁声耦合到在所述内腔中引导的流体并且适于接收通过在所述内腔中引导的流体并且进一步通过所述管路或管子的壁传播的超声波(WAB,II)，并将其转换成随时间变化的电压；
-以及操作和测量电子器件(2)，其与所述第一超声波换能器并且与所述第二超声波换能器都电连接，
-其中，所述操作和测量电子器件适于至少有时生成所述第一超声波换能器(A)的驱动器信号xA(t)，其中，所述驱动器信号具有时变的电压uA,I，用于实现所述第二超声波换能器(B)的类似地具有随时间变化的电压uB,II的接收信号yB(t)，从而使得
--所述驱动器信号xA(t)以及所述接收信号yB(t)各自包括多个频谱信号分量(xA,i,yB,i)并且在每种情况下也包括主导频谱信号分量(xA‘,yB‘)，即在每种情况下具有最大功率谱密度(SxxA,MAX；SyyB,MAX)的频谱信号分量，并且，
--所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fxA‘相对于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的频率fyB‘的偏差不大于|±100kHz|的幅度，和/或不大于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t) 的所述主导信号分量(yB‘)的所述频率fyB‘的10％；
-并且其中，所述操作和测量电子器件适于通过所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)产生所述至少一个参数的至少一个测量值(XM)。
2.根据权利要求1所述的测量系统，
-其中，所述第一超声波换能器(A)具有在所述第一超声波换能器(A)的下位的第一极限频率fu,A和所述第一超声波换能器(A)的上位的第二极限频率fo,A之间延伸的6dB带宽BWA,6dB，并且所述第二超声波换能器(B)具有在所述第二超声波换能器(B)的下位的第一极限频率fu,B和所述第二超声波换能器(B)的上位的第二极限频率fo,B之间延伸的6dB带宽BWB,6dB，
-并且其中，所述操作和测量电子器件适于生成所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)，以设置所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的所述频率fxA‘，使得
--所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的所述频率fxA‘相对于所述接收信号的所述主导信号分量(yB‘)的所述频率的偏差不超过所述第一超声波换能器(A)的6dB带宽BWA,6dB的中心频率f0,A的10％，所述中心频率f0,A定义为所述第一超声波换能器(A)的第一极限频率fuA及其第二极限频率的几何平均值
Figure FDA0002379815560000021
和/或
--所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的所述频率fxA‘相对于所述接收信号的所述主导信号分量(yB‘)的所述频率的偏差不超过所述第二超声波换能器(B)的6dB带宽BWB,6dB的中心频率f0,B的10％，所述中心频率f0,B定义为所述第二超声波换能器(B)的第一极限频率fuB及其第二极限频率的几何平均值
Figure FDA0002379815560000022
3.根据权利要求1所述的测量系统，
-其中，所述管路或管子具有兰姆波振荡模式(S0,S1,S2…Sn,A0, A1,A2…An)，其中所述管路或管子的壁执行或能执行形成兰姆波的振荡，
-并且其中，所述操作和测量电子器件适于生成所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)，使得所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率相对于所述兰姆波振荡模式之一的谐振频率的偏差小于|±100kHz|的幅度，和/或相对于此谐振频率的偏差小于所述兰姆波振荡模式之一的谐振频率的10％。
4.根据权利要求2所述的测量系统，
-其中，所述管路或管子具有兰姆波振荡模式(S0,S1,S2…Sn,A0,A1,A2…An)，其中所述管路或管子的壁执行或能执行形成兰姆波的振荡，
-其中，所述第一超声波传感器(A)的所述6dB带宽BWA,6dB的中心频率f0,A相对于所述兰姆波振荡模式的谐振频率的偏差超过此谐振频率的5％；和/或
-其中，所述第二超声波换能器(B)的所述6dB带宽BWB,6dB的中心频率f0,B相对于所述兰姆波振荡模式的谐振频率的偏差超过此谐振频率的5％。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于，为了减小所述主导信号分量(xA‘)的频率相对于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的偏差，和/或使得所述主导信号分量(xA‘)的频率相对于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的频率的首先过大的偏差被最小化，改变所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率。
6.根据权利要求1所述的测量系统，
-其中，所述操作和测量电子器件适于确定所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的振幅谱|YB|；和/或
-其中，所述操作和测量电子器件适于基于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的振幅谱|YB|，确定所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的功率和/或振幅；和/或
-其中，所述操作和测量电子器件适于基于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的振幅谱|YB|，确定所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的频率。
7.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于调制所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的电压。
8.根据权利要求7所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于调制所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的电压，使得所述电压被具体实施为脉冲包序列。
9.根据权利要求8所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于随着时间改变所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fxA‘，其中第一脉冲包的矩形电压脉冲的生成的脉冲宽度相对于在所述第一脉冲包之后生成的矩形电压脉冲的生成的脉冲宽度存在偏差。
10.根据权利要求1所述的测量系统，
-其中，所述操作和测量电子器件适于调制所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的电压，使得所述电压被具体实施为电压脉冲序列；
-并且其中，所述操作和测量电子器件适于随着时间改变所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率，其中在时间上一个接一个地生成的电压脉冲具有不同的脉冲宽度。
11.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于为所述第一超声波换能器(A)生成所述驱动器信号xA(t)，使得所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)首先具有初始频率，即调整为预定起始频率值的初始频率，使得所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的初始频率相对于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的频率fyB‘的偏差大于瞬时可实现的最小偏差，和/或使得所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fxA相对于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(xB‘)的频率fyB‘的偏差量大于|±100kHz|和/或大于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的频率fyB‘的10％。
12.根据权利要求11所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于从所述初始频率开始至少改变所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fxA‘，直到所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fxA‘相对于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的频率fyB‘的偏差不超过|±100kHz|，和/或相对于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的频率fyB‘的偏差不超过所述频率fyB ‘的10％，和/或直到所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fxA‘相对于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的频率fyB‘的首先过大的偏差被调整为瞬时能实现的最小偏差(Errf)。
13.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于通过所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)并且还通过所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)产生所述至少一个测量值。
14.根据权利要求1所述的测量系统，
-其中，所述第二超声波换能器适于将随时间变化的电压转换成通过所述管路或管子的壁并且进一步通过在所述内腔中引导的流体传播的超声波，并且
-其中，所述第一超声波换能器适于接收通过在所述内腔中引导的流体并且进一步通过所述管路或管子的壁传播的超声波，并且将其转换成随时间变化的电压。
15.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件为了实现具有随时间变化的电压uA,II的所述第一超声波换能器(A)的接收信号yA(t)，适于至少有时与所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)互补地生成所述第二超声波换能器(B)的驱动器信号xB(t)，所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)具有能随时间变化的电压uB,I。
16.根据权利要求15所述的测量系统，
-其中，所述操作和测量电子器件适于通过所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)并且还通过所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号yA(t)产生所述至少一个测量值；和/或
-其中，所述操作和测量电子器件适于通过所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)以及所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)并且还通过所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xA(t)以及所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号yB(t)产生所述至少一个测量值。
17.根据权利要求15所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于为所述第二超声波换能器(B)生成所述驱动器信号xB(t)，使得所述驱动器信号xB(t)以及所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号yA(t)各自也包含多个频谱信号分量(xB,i,yA,i)并且在每种情况下也包括主导频谱信号分量(xB‘,yA‘)，即在每种情况下具有最大功率谱密度(SxxB,MAX；SyyA,MAX)的频谱信号分量。
18.根据权利要求17所述的测量系统，
-其中，所述操作和测量电子器件适于调制所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)的电压；和/或
-其中，所述操作和测量电子器件适于生成能用作所述第二超声波换能器(B)的驱动器信号xB(t)的脉冲包序列；和/或
-其中，所述操作和测量电子器件适于改变所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)的所述主导信号分量(xB‘)的频率；和/或
-其中，所述操作和测量电子器件适于与所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)互补地生成所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)。
19.根据权利要求15所述的测量系统，
-其中，所述操作和测量电子器件适于生成所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)，使得所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)的所述主导信号分量(xB‘)的频率fxB‘相对于所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号yA(t)的所述主导信号分量(yA‘)的频率fyA‘的偏差不超过|±100kHz|的幅度，和/或相对于所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号的所述主导信号分量(yA‘)的频率fyA‘的偏差不超过所述频率fyA‘的10％和/或
-其中，所述操作和测量电子器件适于生成所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)和所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)，使得所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)的所述主导信号分量(xB‘)的频率fxB‘相对于所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fyA‘的偏差不超过|±50kHz|的幅度，和/或相对于所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fxA‘的偏差不超过所述频率fxA‘的1％。
20.根据权利要求15所述的测量系统，
-其中，所述操作和测量电子器件适于将所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号yA(t)转换成表示所述接收信号yA(t)的数字接收信号yad，
-并且其中，所述操作和测量电子器件适于通过表示所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号yA(t)的所述数字接收信号yad产生所述至少一个参数的所述至少一个测量值。
21.根据权利要求20所述的测量系统，
-其中，所述操作和测量电子器件适于生成表示所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号yA(t)的所述数字接收信号yad的离散傅里叶变换(DFT)，并且
-其中，所述操作和测量电子器件适于基于所述傅里叶变换确定所述第一超声波换能器(B)的所述接收信号yA(t)的所述主导信号分量(yA‘)的频率。
22.根据权利要求19或20所述的测量系统，
-其中，所述操作和测量电子器件适于将所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)转换成表示所述接收信号yB(t)的数字接收信号yBd，
-并且其中，通过表示所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述数字接收信号yBd产生所述至少一个参数的所述至少一个测量值。
23.根据权利要求22所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于通过表示所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号yA(t)的所述数字接收信号yad并且通过表示所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述数字接收信号yBd产生所述至少一个参数的所述至少一个测量值。
24.根据权利要求22所述的测量系统，
-其中，所述操作和测量电子器件适于生成表示所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述数字接收信号yBd的离散傅里叶变换(DFT)，并且
-其中，所述操作和测量电子器件适于基于所述离散傅里叶变换确定所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的频率。
25.根据权利要求24所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于基于所述离散傅里叶变换(DFT)来确定所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的振幅和/或功率。
26.根据权利要求1所述的测量系统，
-其中，所述管路或管子的壁的壁厚大于2mm和/或小于10mm；和/或
-其中，所述管路或管子的壁由金属构成。
27.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述管路或管子被具体实施为形成管道的一体组成部分的管子。
28.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述管路或管子以管路的形式插入管道路径中，使得所述管路通过第一法兰连接与所述管道的第一段连接并通过第二法兰连接与所述管道的第二段连接。
29.根据权利要求1所述的测量系统，
-其中，所述第一超声波换能器(A)是通过压电换能器元件，并且通过与所述换能器元件声传导耦合的耦合体形成的；和/或
-其中，所述第二超声波换能器(B)是通过压电换能器元件，并且通过与所述换能器元件声传导耦合的耦合体形成的。
30.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件具有用于存储数字数据的数据存储器，以用于存储表征所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号的至少一个设置参数的至少一个参数值。
31.根据权利要求30所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于反复在这种数据存储器中存储表征所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号的至少一个设置参数的参数值。
32.根据权利要求31所述的测量系统，
-其中，所述操作和测量电子器件适于为表征所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号的至少一个设置参数应用存储在所述数据存储器(MEM)中的参数值，以执行所述测量系统的运转能力的检查，和/或所述管路的完整性的检查，和/或
-其中，所述操作和测量电子器件适于为表征所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号的所述至少一个设置参数应用存储在所述数据存储器中的至少一个参数值，以检测所述管路或管子的劣化，和/或所述两个超声波换能器中的至少一个的传递函数的变化。
33.根据权利要求1所述的测量系统，
-其中，所述第一超声波换能器适于间歇地作为将电功率转换成声功率的发射器，或者作为将声功率转换成电功率的接收器操作；和/或
-其中，所述第二超声波换能器适于间歇地作为将声功率转换成电功率的接收器，或者作为将电功率转换成声功率的发射器操作。
34.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述流体在管道中流动，并且是液体、气体或分散体形式。
35.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述至少一个参数是流体动力学参数，包括流速和/或体积流率。
36.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述测量系统具体实施为箝位式超声波流量测量设备。
37.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述第一超声波换能器适于将时变的脉冲的电压转换成通过所述管路或管子的壁并且进一步通过在所述内腔中引导的流体传播的超声波(WAB,I)。
38.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述第二超声波换能器具有与所述第一超声波换能器相同的结构。
39.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件通过数字信号处理器和/或微控制器形成。
40.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述驱动器信号具有时变的双极和/或脉冲的电压uA,I。
41.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fxA‘相对于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的频率fyB‘的偏差小于|±50kHz|的幅度，和/或小于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的所述频率fyB ‘的5％。
42.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于生成所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)，以设置所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的所述频率fxA‘，使得
--所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的所述频率fxA‘相对于所述接收信号的所述主导信号分量(yB‘)的所述频率的偏差小于所述第一超声波换能器(A)的6dB带宽BWA,6dB的中心频率f0,A的5％，所述中心频率f0,A定义为所述第一超声波换能器(A)的第一极限频率fuA及其第二极限频率的几何平均值
Figure FDA0002379815560000121
和/或
--所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的所述频率fxA‘相对于所述接收信号的所述主导信号分量(yB‘)的所述频率的偏差小于所述第二超声波换能器(B)的6dB带宽BWB,6dB的中心频率f0,B的5％，所述中心频率f0,B定义为所述第二超声波换能器(B)的第一极限频率fuB及其第二极限频率的几何平均值
Figure FDA0002379815560000122
43.根据权利要求3所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于生成所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)，使得所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率相对于所述兰姆波振荡模式之一的谐振频率的偏差小于|±50kHz|的幅度，和/或相对于此谐振频率的偏差小于所述兰姆波振荡模式之一的谐振频率的5％。
44.根据权利要求8所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于调制所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的电压，以对其进行计时和/或使得所述电压被具体实施为具有两个或更多个矩形电压脉冲的脉冲包序列和/或以预定时间间隔一个接一个的脉冲包序列。
45.根据权利要求8所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于随着时间改变所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fxA‘，其中第一脉冲包的矩形电压脉冲的生成的脉冲宽度相对于第二脉冲包的矩形电压脉冲的生成的脉冲宽度存在偏差。
46.根据权利要求10所述的测量系统，其中，所述电压被具体实施为具有预定时间间隔的一个接一个的脉冲包的形式的电压脉冲和/或矩形电压脉冲。
47.根据权利要求11所述的测量系统，其中，所述初始频率是早期基于所述管路或管子的识别数据和/或基于所述超声波换能器中的至少一个的至少一个表征值确定的起始频率值，和/或保存在所述操作和测量电子器件的非易失性数据存储器中的起始频率值。
48.根据权利要求11所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于从所述初始频率开始连续地增加或连续地减小所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fxA‘，直到所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fxA‘相对于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的频率fyB‘的偏差小于|±50kHz|，和/或相对于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的频率fyB‘的偏差小于所述频率fyB‘的5％，和/或直到所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fxA‘相对于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)的所述主导信号分量(yB‘)的频率fyB‘的首先过大的偏差被调整为瞬时能实现的最小偏差(Errf)。
49.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于通过所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)并且还通过所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)，基于通过在所述内腔中引导的流体沿着预定的测量路径在从所述第一超声波换能器(A)朝向所述第二超声波换能器(B)的方向上传播的超声波的行进时间，即基于所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)和所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)确定的行进时间，产生所述至少一个测量值。
50.根据权利要求15所述的测量系统，其中，所述驱动器信号xB(t)是双极和/或脉冲电压，或至少在预定时间间隔中与所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号互补。
51.根据权利要求15所述的测量系统，
-其中，所述操作和测量电子器件适于基于通过在所述内腔中引导的流体沿着预定的测量路径并且也在相反方向上传播的超声波之间的行进时间差，该行进时间差基于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)和所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号yA(t)和/或基于所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)与所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号yA(t)的互相关来确定，通过所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)并且还通过所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号yA(t)产生所述至少一个测量值；和/或
-其中，所述操作和测量电子器件适于基于通过在所述内腔中引导的流体沿着预定测量路径在从所述第一超声波换能器(A)朝向所述第二超声波换能器(B)的方向上传播的超声波的行进时间，即基于所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)和所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)确定的行进时间，并且还基于通过在所述内腔中引导的流体沿着所述测量路径在从所述第二超声波换能器(B)朝向所述第一超声波换能器(A)的方向上传播的超声波的行进时间，即基于所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)和所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号yA(t)确定的行进时间，通过所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)以及所述第二超声波换能器(B)的所述接收信号yB(t)并且还通过所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xA(t)以及所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号yB(t)产生所述至少一个测量值。
52.根据权利要求17所述的测量系统，
-其中，所述操作和测量电子器件适于调制所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)的电压，以对其进行计时和/或调制，使得所述电压被具体实施为每种情况下具有两个或更多个矩形电压脉冲和/或以预定时间间隔一个接一个的脉冲包序列；和/或
-其中，所述操作和测量电子器件适于生成能用作所述第二超声波换能器(B)的驱动器信号xB(t)的具有两个或更多个矩形脉冲的脉冲包的序列；和/或
-其中，所述操作和测量电子器件适于为了减小其相对于所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号yA(t)的所述主导信号分量(yA‘)的频率的偏差，改变所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)的所述主导信号分量(xB‘)的频率；和/或
-其中，所述操作和测量电子器件适于与所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)互补地生成所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)。
53.根据权利要求15所述的测量系统，
-其中，所述操作和测量电子器件适于生成所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)，使得所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)的所述主导信号分量(xB‘)的频率fxB‘相对于所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号yA(t)的所述主导信号分量(yA‘)的频率fyA‘的偏差小于|±50kHz|的幅度，和/或相对于所述第一超声波换能器(A)的所述接收信号的所述主导信号分量(yA‘)的频率fyA‘的偏差小于所述频率fyA‘的5％；和/或
-其中，所述操作和测量电子器件适于生成所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)和所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)，使得所述第二超声波换能器(B)的所述驱动器信号xB(t)的所述主导信号分量(xB‘)的频率fxB‘相对于所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fyA‘的偏差小于|±10kHz|的幅度，和/或相对于所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号xA(t)的所述主导信号分量(xA‘)的频率fxA‘的偏差不超过所述频率fxA‘的1％。
54.根据权利要求1所述的测量系统，
-其中，所述管路或管子的壁的壁厚大于5mm和/或小于10mm；和/或
-其中，所述管路或管子的壁由钢构成。
55.根据权利要求29所述的测量系统，
-其中，所述压电换能器元件是通过压电陶瓷制成的，并且所述耦合体是由聚醚酰亚胺(PEI)制成的。
56.根据权利要求29所述的测量系统，
-其中，所述压电换能器元件是通过锆钛酸铅压电陶瓷制成的，并且所述耦合体是由聚醚酰亚胺(PEI)制成的。
57.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件具有用于存储数字数据的非易失性数据存储器，以用于存储表征所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号的至少一个设置参数的至少一个参数值。
58.根据权利要求30所述的测量系统，其中，所述操作和测量电子器件适于反复在这种数据存储器中存储表征所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号的至少一个设置参数的参数值，并且是在每种情况下与表示参数值的设置或存储时间点的时间值一起存储。
59.根据权利要求31所述的测量系统，
-其中，所述操作和测量电子器件适于为表征所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号的至少一个设置参数应用存储在所述数据存储器(MEM)中的参数值，以执行所述第一超声波换能器(A)和/或所述第二超声波换能器(B)的运转能力的检查，和/或所述管路的完整性的检查，和/或
-其中，所述操作和测量电子器件适于为表征所述第一超声波换能器(A)的所述驱动器信号的所述至少一个设置参数应用存储在所述数据存储器中的至少一个参数值，以检测所述管路或管子的壁的壁厚的变化，和/或所述两个超声波换能器中的至少一个的传递函数的变化。
60.根据权利要求1所述的测量系统，
-其中，所述第一超声波换能器适于间歇地作为将电功率转换成声功率的发射器，或者作为将声功率转换成电功率的接收器操作；和/或
-其中，所述第二超声波换能器适于与所述第一超声波换能器互补地间歇地作为将声功率转换成电功率的接收器，或者作为将电功率转换成声功率的发射器操作。
61.一种根据前述权利要求中的一项所述的测量系统的用于测量在管道中流动的流体的流速和/或体积流率的用法，其中所述流体是液体、气体或分散体形式。
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