CN107709938B - 具有噪声传感器的流体耗量计 - Google Patents

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Abstract

一种耗量计，例如水量计或热量计，用于测量在流管中供应的流体的流动速率。第一超声换能器和第二超声换能器布置在流管上用于发送和接收通过流体传输的超声信号，并且由流量测量子电路操作，以用于生成指示流体的流动速率的信号。噪声测量子电路操作布置在流管处的传感器以用于检测流管的声学信号，并且被布置为相应地生成指示流管的噪声水平的信号。该传感器可以包括单独的换能器，或者该传感器可以由第一超声换能器和第二超声换能器中的一个或两个构成。耗量计可以经由通信模块传输表示噪声水平的数据，连同消耗的水、热等的量的数据。在消费者站点处的这种消费者噪声水平测量允许收集噪声水平数据以帮助定位流体供应管道系统中的流体泄漏。

Description

具有噪声传感器的流体耗量计
技术领域
本发明涉及具有用于测量流体中的声学噪声的传感器的设备的领域。更具体地，本发明涉及具有用于对公用事业管道网络中的噪声进行监测的噪声水平传感器的设备的领域。具体地，本发明提供了噪声水平传感器，其与诸如超声耗量计的超声流量计或包括超声流量计的公用事业计集成，用于测量所提供的公用事业(例如，水、供热、或供冷)的消耗数据。
背景技术
在饮用水、用于区域供热的热水和/或用于区域供冷的冷水的分配网络中，重要的是能够快速检测日常性能中的异常。例如，水分配网络中的破裂的水管可以容易地造成数百甚至数千立方米的清洁饮用水的损失，对分销商造成经济损失，并且对整个社区造成环境损失。另一示例可以是区域供热分配网络中的阀门，其不能如预期的那样完全打开或关闭。作为结果，压力泵可能不得不以较高的转速操作，导致分销商的能量消耗增加，并且消费者侧的供热效率降低。
因此，分销商并且最终消费者希望帮助分销商在这种异常全面发展不久之后或甚至之前对其进行检测和定位。
在管道泄漏或破裂的情况下，存在用于定位的各种方法。其中一种涉及安装在消防栓或井中的多个水诊器。来自水诊器的信号是相关的，以便对泄漏位置进行三角测量。可替代地，可以将示踪剂引入流体中。这种示踪剂可以是气体或快速衰减的放射性物质。最后，地面雷达提供用于检测由于(主要)泄漏导致的积水的手段。这些方法的共同之处在于其典型地需要分包商的参与来提供处理所需的复杂设备以及解释所生成的数据的专业知识。
发明内容
提供简单且低成本的设备以允许监测公用事业网络中的泄漏将是有利的，由此允许公用事业公司在公用事业网络中的若干位置处分配这种设备。
在第一方面，本发明提供了一种被布置为测量流体的流动速率的耗量计，该耗量计包括：流管，其具有用于使流体在入口与出口之间通过的贯通开口；布置在流管处的第一超声换能器和第二超声换能器，用于发送和接收通过流体传输的超声信号；控制电路，其包括流量测量子电路，流量测量子电路被布置用于操作第一超声换能器和第二超声换能器，并且被布置为根据所发送的和所接收的通过流体传输的超声信号来生成指示流体的流动速率的信号；其特征在于：控制电路还包括噪声测量子电路，噪声测量子电路被布置用于通过操作布置在流管处的专用噪声水平传感器，或者通过操作第一超声换能器和第二超声换能器中的至少一个以检测流管或流体的声学信号，来生成指示流管或其中的流体的噪声水平的信号。
利用本发明的耗量计，通过专用噪声水平传感器或通过超声换能器中的至少一个来检测流管本身或其中的流体的噪声水平。
因此，利用本发明的一个实施例，专用噪声水平传感器与耗量计一起被布置，以检测所述噪声水平。利用本发明的另一实施例，以其他方式用于流量测量目的的第一超声换能器和第二超声换能器中的至少一个也用于检测所述噪声水平。
专用噪声水平传感器或者第一超声换能器和第二超声换能器中的至少一个通过检测流管本身或其中的流体的声学信号来检测噪声水平。
根据本发明，耗量计的控制电路具有流量测量子电路，用于对处于其流量测量模式中的第一超声换能器和第二超声换能器进行操作。耗量计的控制电路还具有噪声测量子电路，用于对专用噪声水平传感器或处于其噪声水平测量模式下的第一超声换能器和第二超声换能器中的至少一个进行操作。
“控制电路”或“子电路”被理解为必要的电子电路，其适于例如根据飞行时间测量的已知原理以及专用噪声水平传感器或用于噪声水平检测的第一超声换能器和第二超声换能器中的至少一个的已知原理，来控制第一超声换能器和第二超声换能器的功能。
本发明的优点在于超声耗量计能够测量流动速率，例如，如在现有的水量计或热量计中已知的，也用于测量流管或其中的流体的噪声水平，即低于2kHz(即，低于超声频率范围)的声学信号。本发明的一个优点在于在消费者站点的位置处测量噪声水平。即使在每个站点处噪声水平可能会随时间而变化，但仍然会获得有价值的信息，特别是如果市政分配网络中的全部或大部分耗量计向分销商递送噪声水平数据。因此，可以通过分配网络中的多个功率和异常来绘制更大的图像，例如，可以更精确地揭露管道系统中的泄漏。此外，如果地理数据是可用的个体耗量计的位置，则可以估计异常的位置。该位置的不确定性很可能由于耗量计的密度和其相应位置的精度而降低。
此外，具有所谓的自动读表(AMR)系统的分配网络是常见的，其中消耗数据从消费者站点处的耗量计以常规时间间隔(范围从数小时到数年)中继给分销商。典型的，数据每天传输1到24次。通信典型地经由分销商或分包商运营的无线网络进行，并且因此专用于该任务。这样的通信网络的容量足以携带除了消耗数据之外的附加信息。因此，这样的附加信息可以是表示来自每个耗量计的流体分配管道中的噪声水平的数据。由此，分销商可以将这样的噪声水平数据存储在例如用于监测管道系统中的泄漏或其他异常的专用处理系统中和/或对这样的噪声水平数据进行处理。这种监测系统的灵敏度可以通过将噪声水平数据与来自每个消费者站点的其他数据(例如，流动速率、压力以及温度)结合而得到进一步改进。当在整个分配网络管道系统的液压模型中组合时，这些数据尤其有用。
研究表明，取决于泄漏大小、管道材料、流动速率以及操作压力，由于管道中的泄漏而导致的声学噪声主要在2kHz以下的频率范围内。超声流量计典型地在MHz范围内操作，因此相关的噪声水平频率范围与在流动速率测量中使用的频率显著不同。可以利用不同的传感器以各种不同的方式测量声学信号，范围从简单的动圈式麦克风经由电容式传感器到压电式传感器。由于基于对流量的超声测量的耗量计已经包括诸如压电换能器的超声换能器，所以在一个实施例中，在流动速率测量中涉及的相同的(多个)换能器用作传感器以检测与流管或其中的流体的噪声水平相关的声学信号。然而应当理解，根据本发明，耗量计还可以包括用于检测声学信号的专用噪声水平传感器(例如，第三超声换能器)，或者基于另一传感器技术的专用传感器。
现代耗量计采用一个或多个微控制器来执行流量测量并计算表示消耗量的数据。因此，应该理解，流量测量子电路和噪声测量子电路可以在单个处理器中实现或在分离的处理器中实现。现代微控制器的计算能力足以执行对由噪声水平传感器记录的信号的数据分析，例如，对在一段时间内感测到的噪声水平执行统计分析，从而减少待传输的数据量，而不是传输大量未经处理的数据。
对从传感器输出的数据处理具体可以是简单的均方根(RMS)计算，以提供表示总体噪声水平的测量的值。例如，在选定的频带内，例如10-500Hz。更复杂的分析可以是对特定频带进行频率滤波，之后进行RMS计算，以提供与不同频带相关联的噪声系数的范围。最后，可以执行完全快速傅立叶变换(FFT)以提供声学信号的完全频谱，涉及噪声功率密度以及相关联的相位信息。可能期望后者的分析水平，以便执行交叉相关计算，其目的是对噪声源的位置进行三角测量。然而，对于许多实际的目的，来自较简单的噪声系数计算的信息足以指示噪声源的位置。
在耗量计上的数据处理可以包括检测平均或峰值噪声水平的测量是否超过预先确定的阈值。在这种情况下，耗量计可以被布置为传输特殊警告信号等。这可以有助于在分销商侧进行处理，因为可以通过观测这种警告来容易地监测泄漏或其他异常。
在下文中，描述本发明的特征和实施例。
根据本发明的一个实施例，噪声测量子电路被布置用于通过操作专用噪声水平传感器，以及通过操作第一超声换能器和第二超声换能器中的至少一个以检测流管或流体的声学信号，来生成指示流管或其中的流体的噪声水平的信号。
因此，关于该实施例，通过第一超声换能器和第二超声换能器中的至少一个，以及通过专用噪声水平传感器来检测噪声水平。虽然所述单元中的一个可以足以检测噪声水平，但是这样的双噪声水平检测允许更精确的确定，并且特别是用于更精确地区分不同的噪声源，例如，能够消除诸如来自交通的瞬时噪声和/或例如来自供热或供冷系统的连续或接近连续的噪声。
此外，噪声测量子电路可以包括至少一个互阻抗放大器，用于将指示流管或其中的流体的噪声水平的电流转换为指示流管或其中的流体的噪声水平的电压。
互阻抗放大器与噪声测量子电路的使用可以消除不是源自流管或其中的流体的电噪声：由专用噪声水平传感器或者第一超声换能器和第二超声换能器中的至少一个拾取的非常小的声学信号可以基于电荷的生成，例如，利用压电换能器。从这种电荷的生成而产生的小电流需要实质性的放大以获得可用的信号，并且抑制其他噪声源是至关重要的。这可以通过使用互阻抗放大器来实现，该互阻抗放大器将电流转换为电压并抑制(通过不放大)电压噪声源。
根据本发明的耗量计与专用噪声水平传感器可以布置在流管的壁的声学窗口处。专用噪声水平传感器布置有声学窗口(例如，在壁上具有适于传感器的壁厚度的位置处)允许从流管或其中的流体高效地拾取声学信号。
声学窗口是流管壁的集成部分，提供未破损的连续流管。此外，构成声学窗口的流管的截面或区域可以具有等于或小于或大于流管的其余部分的厚度。
特别地，关于专用噪声水平传感器的这种布置，传感器可以是第三超声换能器。另外，专用噪声水平传感器可以沿流管布置在第一超声换能器与第二超声换能器之间的位置处。
除了专用噪声水平传感器的布置之外，耗量计可以包括一体式铸造的整体式聚合物结构形式的、并且具有腔体的壳体和流管，腔体容纳第一超声换能器和第二超声换能器以及控制电路。
关于该实施例，耗量计壳体是在流管与壳体之间具有共享壁的共享整体聚合物结构的一部分。这种壁是未破损的，即，在流管与壳体的腔体之间没有孔。声学窗口是共享壁的一部分或集成在共享壁中。这种结构允许容易地制造耗量计结构，并且允许恰当布置专用噪声水平传感器：处于壳体的腔体的非潮湿环境中，并且仍然与流管紧密接触。
因此，根据本发明的实施例，声学窗口由流管壁的第一区域构成，第一具区域与流管壁的邻接第一区域的第二区域相比具有减小的厚度。
关于该实施例，专用噪声水平传感器布置有流管壁的区域，该区域与具有比传感器的区域更大的厚度的另一区域相接合或甚至由该另一区域包围。以诸如纤维增强聚合物的恰当材料(例如，纤维增强聚苯硫醚(PPS))制成，与传感器区域相接合的较厚区域与传感器区域相比更不易受到来自声学信号的机械变形的影响，因此变形集中在传感器区域并且随后在该处被检测到。
关于本发明的替代实施例，声学窗口由流管壁的第一区域构成，第一区域具有比流管壁的第二区域大的厚度，该第二区域邻近第一区域或围绕第一区域。
关于该实施例，专用噪声水平传感器布置有流管壁的区域，该区域与具有比传感器的区域更小的厚度的另一区域相接合或甚至由该另一区域包围。在这种情况下，传感器区域的厚度可以在尺寸上适于与特定噪声频率共振，这是流管或其中的流体的声学噪声的特性。
可替代地，专用噪声水平传感器可以在流管壁的开口中布置有流管壁。此外，专用噪声水平传感器也可以布置在流管中的流体中。
关于这两个实施例，专用噪声水平传感器与流管中的流体以及其中的声学信号直接接触。专用噪声水平传感器的这种布置允许容易地检测流体中的声学信号。
而专用噪声水平传感器可以优选地是第三超声换能器，例如压电式传感器，其也可以基于本领域已知的另一传感器技术，例如是电容式传感器、电感式传感器、光学传感器、或压阻式传感器(例如，压阻式应变仪)。
利用专用噪声水平传感器，有可能选择对感兴趣的特定声学频率范围(即，与流体泄漏噪声有关)具有改进的灵敏度的传感器。
在包括要被用作所述专用噪声水平传感器的第三超声换能器的实施例中，第三超声换能器可以包括具有面向流管的第一表面的压电元件，并且其中与压电元件的第一表面相对的第二表面由声学阻尼材料的刚性衬垫支撑，例如，包含橡胶的阻尼材料。以这种方式，有可能在期望的频率范围内提供对噪声的改进的灵敏度。
利用本发明的替代实施例，操作第一超声流量转换器和第二超声流量转换器中的至少一个来检测流管或其中的流体的声学信号。特别地，第一超声流量换能器和第二超声流量换能器两者都可以被操作以检测流管或其中的流体的声学信号。因此，利用这些实施例，以其他方式用于流动速率测量的超声流量换能器中的至少一个或可替代地其中两个也用于检测流管或其中的流体的噪声水平。
本发明基于以下认识：流量测量换能器也可以用于噪声检测目的：即使超声换能器适于在MHz频率范围内进行流动速率测量，超声换能器也可以在Hz或者kHz范围内检测噪声信号。因此，关于该实施例，耗量计的超声换能器具有双重功能，与涉及专用噪声水平传感器的实施例相比，这继而允许仪表的结构更简单。
在本发明的特定实施例中，耗量计具有第一超声换能器和第二超声换能器，第一超声换能器是具有第一压电元件的第一压电换能器，第一压电元件具有第一偏振方向，第二超声换能器是具有第二压电元件的第二压电换能器，第二压电元件具有与第一偏振方向相反的第二偏振方向。
这种相反偏振的换能器的应用允许利用检测来自流管或其中的流体的噪声来改进信噪比。
根据该实施例，两个压电换能器具有不同的偏振方向。当这两个换能器暴露于具有比换能器之间的距离显著地更长的声学长度的声学信号时，将观测到声学信号的相同(或近似相同)的幅度，并且继而显示相反指向的电荷容纳和相反指向的电流。因此，换能器之间的差分信号将是来自换能器中的每个换能器的信号的两倍，并且由于噪声水平仅增加了√2的因子，造成√2的信噪比改进。
在该上下文中，应该将“显著地更长的声学长度”理解为考虑的声学信号应当具有比换能器之间的距离显著地更长的波长。
根据本发明的另一实施例，两个超声换能器都连接到噪声测量子电路的互阻抗放大器。
因此，根据该实施例，噪声测量子电路包括第一互阻抗放大器和第二互阻抗放大器，第一互阻抗放大器连接到第一超声换能器，用于将指示流管或其中的流体的噪声水平的第一电流转换为指示流管或其中的流体的噪声水平的第一电压，第二互阻抗放大器连接到第二超声换能器，用于将指示流管或其中的流体的噪声水平的第二电流转换为指示流管或其中的流体的噪声水平的第二电压。
如上所述，互阻抗放大器将电流转换为电压，因此提供消除电压噪声的优点。
此外，噪声测量子电路优选地包括差分放大器，用于放大指示流管或其中的流体的噪声水平的第一电压与第二电压之间的差值，以生成指示流管或其中的流体的噪声水平的信号。
因此，为了使来自电噪声的干扰最小化，噪声测量子电路可以被布置为接收来自换能器的差分信号，两个信号具有相反的符号。因此，放大器电路相对于两个输入是对称的，以便将电噪声取消。差分测量高效地消除来自外部的电干扰。
如上所述，特别是对于相反偏振的压电换能器，可以考虑到换能器信号之间的差值而不是单独地信号中的每个信号而改进信噪比。
噪声测量子电路可以附加地或可替代地包括具有闭环反馈的运算放大器，例如，闭环反馈包括与电阻器并联的电容器，以提供电荷灵敏放大器。
根据本发明的另一实施例，第一超声换能器和第二超声换能器中的至少一个包括第一换能器区段和第二换能器区段，第一换能器区段由流量测量子电路操作以生成指示流体的流动速率的信号，而第二区段由噪声测量子电路操作以用于检测流管或其中的流体的声学信号。优选地，第一区段是圆形的，而第二区段是环状地布置在第一区段周围的。
根据该实施例，第一换能器和第二换能器中的至少一个具有专用于流动速率测量和专用于噪声水平测量的不同区段。这些区段可以在结构上和尺寸上适于这些任务中的每个任务的相关频率范围，例如，提供适应的共振层和匹配层。
在频率方面，本发明基于发明人的以下认识：要检测的最相关的声学信号在10-2000Hz的频率范围内，优选地在10-1000Hz的频率范围内，更优选在10-500Hz的范围内。特别地，检测可以涉及声学信号的带通滤波，以便去除在10-500Hz的频率范围之外的声学信号。
此外，本发明人已经观察到，上述频率范围适用于不同类型的流管：其适用于钢管道以及由聚合物材料制成的管道。
在第一超声换能器和第二超声换能器中的至少一个用作噪声水平传感器的情况下，流量测量子电路和噪声测量子电路可以并联布置，例如，其相应的操作由切换单元在非重叠的时段期间进行选择。
此外，当完成流量测量时，噪声测量子电路可以从压电换能器切断。否则，超声信号的生成可能受抑制，并且流量测量失败。此外，所使用的开关不应该如接收换能器所示的那样干扰超声信号。
另外，噪声测量子电路可以被布置为处理来自传感器的输出，以用于在一段时间内检测声学信号，并且相应地计算指示平均噪声水平的至少单个值。子电路可以例如被布置为相应地计算指示平均噪声水平的相应频谱分量的多个值，例如，对应于选定的1/1倍频程水平或1/3倍频程水平等。子电路可以可替代地或附加地被布置为计算指示所述时间段内的峰值噪声水平的峰值。另外，子电路可以可替代地或附加地被布置为计算指示所述时间段内的噪声水平的多个不同的值。通过在一段时间内进行测量并处理所测量的信号，有可能减少要从耗量计传送的关于流管或其中的流体的感测到的信号的数据的量，并且可以将该感测到的信号视为指示泄漏或其他异常的噪声。
另外，根据本发明的实施例，生成指示流管或其中的流体的噪声水平的信号包括导出表示噪声水平的统计参数。
更进一步地，噪声测量子电路可以可替代地或附加地被布置为计算噪声水平的测量，以将噪声水平的所述测量与阈值进行比较，并且在超过所述阈值的情况下生成泄漏警告信号。特别地，在这种情况下，除了生成泄漏警告信号的情况之外，耗量计可以推迟发送任何噪声相关的数据。
耗量计优选地包括通信模块，该通信模块被布置用于传送指示流体的流动速率的所述信号，并且用于传送表示至少一个值的数据，该至少一个值指示流管的噪声水平。通信模块还可以被布置为传送表示流管中的流体的经测量的流动速率的数据，或者表示消耗量的数据，例如被布置为传输具有指示流管或其中的流体的噪声水平的值和表示消耗量的值两者的数据分组。
耗量计还可以包括用于测量流体的压力和/或温度的传感器。此外，耗量计能够经由通信模块来传送表示流体的这种压力和/或温度的数据。
耗量计可以是水量计、气量计、热量计、或冷量计。优选地，耗量计被布置用于测量用作计费基础的所供应的公用事业的消耗数据，其中流动速率测量形成一部分。耗量计可以与区域供热、区域供冷和/或分布式供水联系地使用。耗量计可以是合法的量表，即符合监管要求的量表。这种监管要求可以包括对测量精度的要求。
根据第二方面，本发明提供了一种通过根据本发明的第一方面的耗量计来测量流体的流动速率的方法，该方法包括：通过流量测量子电路来操作第一超声换能器和第二超声换能器，以通过流管中的流体发送和接收超声信号；通过流量测量子电路来生成指示流体的流动速率的信号；通过噪声测量子电路来操作专用噪声水平传感器或第一超声换能器和第二超声换能器中的至少一个，以检测流管或其中的流体的声学信号；以及通过噪声测量子电路来生成指示流管或其中的流体的噪声水平的信号。
利用该方法，流量测量子电路在第一时间段期间操作，并且噪声测量子电路在第二时间段期间操作，并且其中第一时间段和第二时间段是不重叠的时间段。
同样利用该方法，专用噪声水平传感器或者第一超声换能器和第二超声换能器中的至少一个在流管中的流体的流量低于预先确定的流动速率阈值的时段期间通过噪声测量子电路进行操作。
根据本发明的该实施例，噪声测量优选地在小流量时段期间执行，更优选在无流量时段期间执行。在这种时段期间，与在流体管道系统中以其他方式发生的流动有关的噪声(例如，与消费者消耗流体相关的流动)是最小的，并且与任何泄漏相关的任何噪声都更为明显。
在第三方面，本发明提供了一种包括根据本发明的第一方面的多个耗量计的系统，其中，多个耗量计被布置为在空间上分布在公用事业网络中的消费者站点处，其中，多个耗量计中的每一个还包括通信单元，其被布置为传输表示流管或其中的流体的噪声水平的数据，并且其中该系统包括主收集器，其被布置为接收来自多个耗量计的表示流管或其中的流体的噪声水平的数据。
特别地，根据本发明的系统优选地包括数据处理器，该数据处理器被布置为处理来自公用事业网络中的多个耗量计的表示噪声水平的所述数据，以及响应于所述数据和关于公用事业网络中的多个耗量计中的每个耗量计的个体位置的信息，而确定公用事业网络中的流体泄漏的位置的测量。
根据本发明的第一方面的个体耗量计提供了强大工具来检测与公用事业网络中的泄漏有关的噪声，但是分布在公用事业网络中的多个消费者站点处的多个这种耗量计构成的系统提供甚至更强大的工具。
应该理解，与公用事业网络中的以下其他噪声相比，与泄漏相关的噪声通常较小：与网络中以其他方式发生的流动(即，消费者的消耗)有关的噪声，以及来自环境的其他类型的噪声(例如，交通噪声和其他瞬态噪声)，这些噪声也由耗量计检测到。
特别是在来自泄漏的噪声很小的情况下，应用多个耗量计是有利的：从多个耗量计中的每一个(即，从网络中的多个不同位置处)检测噪声水平，并且可以估计泄漏位置，例如，通过已知的三角技术。
特别地，在有限甚至无流动的条件下，多个耗量计构成的系统提供了区分泄漏噪声源与“其他”噪声源的强大工具。
通常，本发明的各种方面可以在本发明的范围内以任何可能的方式组合和耦合。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将变得显而易见，并且对本发明的这些和其他方面、特征和/或优点进行阐明。
附图说明
下面参考附图仅通过示例的方式来描述本发明的实施例，其中：
图1是具有专用噪声水平传感器换能器的耗量计实施例的示意性图示，
图2是耗量计实施例的示意性图示，其中流动速率测量中涉及的超声换能器中的一个用于拾取噪声，
图3a和图3b示出了耗量计的整体式壳体，其中专用噪声水平传感器布置在未破损的流管壁处，
图3c示出了耗量计实施例，其中专用噪声水平传感器和超声流量换能器布置在安装在未破损的流管上的壳体中，
图3d示出了耗量计实施例，其中专用噪声水平传感器和超声流量换能器布置在安装在流管上的可密封壳体中，
图4示出了与根据本发明的耗量计一起使用的分段式超声换能器，
图5a和图5b分别示出了在管道(a)具有泄漏和(b)不具有泄漏的情况下如利用根据本发明的耗量计记录的来自钢管道的声学信号，
图6a和图6b分别示出了在管道(a)具有泄漏和(b)不具有泄漏的情况下如利用根据本发明的耗量计记录的来自塑料管道的声学信号，
图7示出了系统实施例的示例，其中可以根据由一组耗量计检测到的噪声水平的增加来检测公用事业网络中的泄漏，
图8针对图7的系统示出了在公用事业网络中的另一位置处的泄漏的示例，以及
图9示出了方法实施例的步骤。
具体实施方式
图1示出了耗量计实施例，其中以一对压电超声换能器形式的两个流量换能器T1、T2布置在流管的壁W中，在流管中流体沿着大箭头所指示的方向向左流动。两个换能器T1、T2由流量测量子电路CC1操作，以经由换能器T1、T2发送和接收超声信号，从而能够基于已知的超声渡越时间测量技术来生成指示流体流动速率FR的流动速率信号。在所示的实施例中，反射器R1、R2用于沿流管中的流体流动引导超声信号(虚线箭头)。
耗量计还包括专用噪声水平传感器T3，其被配置用于测量流管或其中的流体的振动声学信号。在图示的实施例中，传感器是位于第一换能器T1与第二换能器T2之间的流管壁中的第三分离的换能器T3。如将在下面进一步描述的，也可以使用其他类型的传感器作为换能器的替代。另外，在所示的替代实施例中，传感器可以沿未破损的流管壁布置，或者布置在适于与流管中的流体相接合的可密封壳体内。
由图1中的噪声曲线指示的流体中的噪声由分离的换能器T3捕获。来自换能器T3的输出被施加到噪声测量子电路CC2，其相应地处理和输出噪声水平的测量。特别地，第三换能器T3可以是压电换能器，例如，类似于第一压电换能器T1和第二压电换能器T2。特别地，第三压电换能器T3可以包括压电元件，例如，圆盘形状的，其第一表面面向流管，并且其中与压电元件的第一表面相对的第二表面由声学阻尼材料(例如，包括橡胶的阻尼材料)构成的刚性衬垫支撑。
耗量计优选地包括通信模块(未示出)，该通信模块被布置为基于测量出的流量FR来传送指示噪声水平NL的数据以及消耗数据。在一些实施例中，耗量计可以将测量出的流动速率FR和噪声水平NL(以及可能地其他测量出的值)相关联，以便能够检测任何异常，然后可以相应地传送异常。
图2示出了图1的实施例的变型，其中在超声流动速率测量中涉及的第一压电换能器T1用作针对流管或其中的流体中的声学信号的传感器。因此，在该实施例中，流量测量子电路CC1和噪声测量子电路CC2两者都连接到第一换能器T1。第一子电路CC1和第二自电路CC2可以同时操作，或者可以期望对第一子电路CC1和第二自电路CC2进行控制，以使得在非重叠的操作时间段测量流动速率FR和噪声水平NL。然而，由于要被拾取以用于检测泄漏或其他异常的声学信号以及在流动速率测量中涉及的超声信号(高达2kHz相对于数MHz)的频谱差，第二控制电路CC2可以被布置为对来自第一换能器T1的输出进行频谱滤波。
与图1的实施例相比，由于第一换能器T1具有双重功能，所以图2的实施例节省一个部件。然而，在图1的实施例中，可能提供更专用的换能器T3，其对与检测异常相关的频率范围内的声学信号更敏感。
图3a示出了包括整体壳体和流管的耗量计实施例，其中专用噪声水平传感器与第一流量换能器T1和第二流量换能器T2一起布置在未破损的流管壁处，用于测量流动速率。壳体和流管被铸造为单个整体式部件30，提供具有针对流管的未破损的壁310的壳体300(用箭头表示)。
参考图3b，壁310包括第一区域320，其中布置了依据超声换能器T3的专用噪声水平传感器。该壁还包括围绕第一区域320的第二区域330。在所示的实施例中，第一区域320的厚度小于第二区域的厚度。在另一实施例(未示出)中，第一区域的厚度可以等于或大于第二区域的厚度。第一区域为噪声水平传感器提供声学窗口，其被配置用于从流管或其中的流体高效地拾取声学信号。
图3c示出了耗量计实施例，其中专用噪声水平传感器和流量换能器布置在安装在未破损的流管上的壳体中。专用噪声水平传感器(例如，超声换能器T3)安装有面向流管的表面，由此流管在噪声水平传感器与在流管中流动的流体之间提供耦合表面。由此提供了非侵入式布置，并且保护传感器免受流管中的流体的影响。
图3d示出了耗量计实施例，其中专用噪声水平传感器T3和流量换能器T1、T2布置在可密封壳体中，该可密封壳体安装在设置有多个开口311的流管上。传感器和换能器安装在设置于壳体底部部分的传感器插入部301中。传感器插入部301是由壳体的底部壁302构成的突出腔体。壳体以流体密封的方式安装在流管上，并且可以在壳体与流管之间提供垫圈或其他类型的密封元件(未示出)。当安装壳体时，突出腔体延伸到流管中的开口311中。由此，壳体的底部壁在噪声水平传感器与在流管中流动的流体之间提供耦合表面。在替代实施例中，噪声水平传感器和流量换能器可以布置在延伸到流管中的对应数量的开口中的一个或多个公共传感器插入部中。
壳体300形成为整体式实体，并且传感器插入部301与壳体300整体式地形成为构成壳体底部的一部分的突出腔体。整体式杯形壳体可以以诸如纤维增强聚合物的材料铸造，例如，纤维增强聚苯硫醚(PPS)。流管310可以由聚合物材料制成或者由金属形成，例如，黄铜合金或不锈钢。
图4示出了与根据本发明的耗量计一起使用的分段式超声换能器400。换能器400具有作为第一电极的第一换能器区段410，并且该第一换能器区段410是圆形的且布置在换能器基底区域的表面的中心处。另外，换能器400具有作为第二电极的第二换能器区段420，并且该第二换能器区段420是环形的且围绕换能器表面上的第一换能器区段410。作为用于第一电极和第二电极两者的计数器电极的计数器电极430布置在换能器主体的横向区域处。
第一电极410可以由流量测量子电路(未示出)操作以用于流量测量，而第二电极420可以由噪声测量子电路(未示出)操作以用于噪声测量。
图5a和图5b分别示出了在管道(图5a)具有泄漏和(图5b)不具有泄漏的情况下如利用根据本发明的耗量计记录的来自钢管道的声学信号。
将图2的耗量计应用到2”钢管道上，并且在1秒的测量窗口期间以0-1.54kHz的频率范围记录声学信号。
在具有泄漏(图5a)的情况下观测到有效声学信号低于约500Hz，该信号在没有泄漏(图5b)的情况下不存在。这个信号指示存在泄漏。
图6a和图6b分别示出了在管道(图6a)具有泄漏和(图6b)不具有泄漏的情况下如利用根据本发明的耗量计记录的来自塑料管道的声学信号。
将图2的耗量计应用到1”塑料(PEM)管道上，并且在1秒的测量窗口期间以0-1.54kHz的频率范围记录声学信号。
在具有泄漏(图6a)的情况下观测到有效声学信号低于约500Hz，该信号在没有泄漏(图6b)的情况下不存在。这个信号指示存在泄漏。
图7示出了系统实施例，其中依据水量计W_M的多个耗量计在空间上分布地安装，以测量由连接到供水公用事业网络U_N的相应消费者所消耗的水，该耗量计全部包括控制电路，控制电路被布置为操作传感器用于检测流管的声学信号，例如，前文描述的。水量计W_M全部具有无线电模块形式的通信单元，其能够响应于指示流管的噪声水平的信号而传输表示流管的噪声水平的数据。此外，无线电模块能够传输表示从公用事业网络U_N消耗的水量的数据。与所述数据一起，个体水量计W_M优选地传输唯一标识码，以允许根据所消耗的水量对个体消费者进行计费。
例如，位于公用事业提供商处的主收集器包括通信模块CM，该通信模块CM被布置为从多个水量计接收表示流管的噪声水平的所述数据，以及表示消耗的水量的数据，优选地与用于标识传输该数据的个体水量计的唯一标识码一起。噪声水平数据NL_D被提供给数据处理器DP，例如，服务器，其被布置为监测表示来自公用事业网络中的水量计的噪声水平的所述数据NL_D，并且相应地确定公用事业网络中的流体泄漏的测量。在图7中，在公用事业网络U_N的管道系统上的特定位置处指示泄漏。星形用于指示感测到高于平常噪声水平的水量计。数据处理器可以执行监测噪声水平数据NL_D的泄漏监测算法以允许早期检测到泄漏。例如，通过将观测到的噪声水平数据NL_D与从相同水量计正常观测到的噪声水平数据NL_D进行比较，例如，在特定频带中，将有可能由位于泄漏附近的水量计(例如，图7中用星形表示的那些)检测到来自泄漏的增加的噪声。这允许公用事业提供商在泄漏发生后的早期阶段定位管道损坏并采取行动。
基于表示来自水量计的噪声水平的数据，数据处理器DP可以被布置为响应于所述噪声水平数据NL_D和关于公用事业网络中的耗量计的个体位置的信息，而确定公用事业网络U_N中的流体泄漏的位置。特别地，标识码允许数据处理器识别水量计的物理位置，并且通过对噪声水平数据NL_D和其起源的已知位置应用三角测量算法，可以识别可能泄漏的位置。
图8示出了与图7相同的系统，但是针对管道系统中的不同泄漏位置。再次，星形指示感测到噪声水平增加的水量计，即，位于管道系统中泄漏附近的水量计。
应理解，在这样的系统中，由水量计传输的噪声水平数据NL_D可以具有不同的复杂度，这取决于水量计中的处理能力的量。例如，处理能力可以允许对可以传输的至少一个统计参数进行计算。例如，水量计中的预处理可以允许个体水量计本身监测不寻常的噪声，例如，通过与在长时间段内记录的噪声水平进行比较。在这种情况下，如果预先确定的噪声水平参数超过预先确定的阈值(例如，由个体水量计响应于在长时间段内记录的噪声水平而计算出的阈值)，则不仅可以从水量计传输噪声水平数据，还可以传输警报信号。
应理解，噪声水平数据NL_D可以包括平均噪声水平数据，例如，一个整体值，或者划分成频带(例如，1/1倍频程频带)。噪声水平数据NL_D还可以包括其他参数，例如，峰值和/或在百分之N的时间内超过的水平，或者响应于感测到的声学信号而确定的其他值。可以以规则的时间间隔来传输噪声水平数据NL_D，例如，连同表示消耗的公用事业的量的数据一起；和/或可以从主收集器请求噪声水平数据NL_D。特别地，可能期望监测以特定时间间隔获得的噪声水平数据NL_D，例如，在夜间，其中仅预期在公用事业网络U_N上的少数噪声干扰事件。
此外，除了噪声水平数据NL_D之外，数据处理器可以被布置为从多个水量计接收另外的附加测量数据，并且相应地在确定公用事业网络中的流体泄漏的测量时考虑这种附加数据。这种附加数据可以包括以下中的一个或多个：表示流动速率的数据、表示压力的数据、表示温度的数据、以及表示消耗的公用事业的量的数据。作为示例，如果数据处理器被布置为将流动速率数据和/或消耗的公用事业的量与噪声水平数据NL_D相关联，则可以获得对泄漏的增加的灵敏度，由此监测噪声水平增加以及消耗的公用事业的量和/或所测量的流动速率增加的位置。甚至可以使用更多的数据，例如，压力下降，其可以进一步作为泄漏的指示符。
图9示出了通过耗量计来对在流管中供应的流体的流动速率进行测量的方法的实施例。该方法包括通过流量测量子电路来操作第一超声换能器和第二超声换能器O_T1_T2，以通过在流管中流动的流体来发送和接收超声信号。接下来，通过流量测量子电路来生成G_FR指示流体的流动速率的信号。下一步骤是通过噪声测量子电路来操作专用噪声水平传感器O_T3，以用于检测流管或其中的流体的声学信号。作为响应，通过噪声测量子电路来生成G_NL指示流管的噪声水平的信号，并且最后通过耗量计中的通信模块来传输T_FR_NL指示流动速率的数据和指示流管的噪声水平的数据。特别地，流量测量子电路可以在第一操作时间段期间操作第一超声换能器和第二超声换能器，并且其中噪声测量子电路在第二操作时间段期间操作传感器以用于检测流管的声学信号。第一操作时间段和第二操作时间段可以是不重叠的。
综上所述，本发明提供了耗量计，例如，水量计或热量计，用于测量在流管中供应的流体的流动速率。第一超声换能器和第二超声换能器布置在流管上，用于发送和接收通过流体传输的超声信号，并且由流量测量子电路操作以用于生成指示流体的流动速率的信号。噪声测量子电路操作布置在流管处的传感器以用于检测流管的声学信号，并且被布置为相应地生成指示流管的噪声水平的信号。该传感器可以包括单独的换能器，或者该传感器可以由第一超声换能器和第二超声换能器中的一个或两个构成。耗量计可以经由通信模块来传送表示噪声水平的数据，连同表示消耗的水、热等的量的数据一起。在消费者站点处的这种消费者噪声水平测量允许收集噪声水平数据以帮助定位流体供应管道系统中的流体泄漏。
虽然已经结合具体实施例描述了本发明，但是不应将其解释为以任何方式限于所呈现的示例。本发明可以通过任何合适的手段来实现；并且根据所附权利要求书来解释本发明的范围。

Claims (27)

1.一种被布置为对流体的流动速率进行测量的耗量计，所述耗量计包括：
-流管，其具有用于所述流体在入口与出口之间通过的贯通开口，
-第一超声换能器和第二超声换能器，其被布置在所述流管的壁处使得流管的壁被布置在超声换能器与在流管中流动的流体之间，用于发送和接收通过所述流体传输的超声信号，所述流管在超声换能器与在流管中流动的流体之间提供耦合表面，
-控制电路，其包括流量测量子电路，所述流量测量子电路被布置用于操作所述第一超声换能器和所述第二超声换能器，并且被布置为根据所发送的和所接收的通过所述流体传输的超声信号来生成指示所述流体的流动速率的信号，
其特征在于：
所述控制电路还包括噪声测量子电路，所述噪声测量子电路被布置用于：通过操作所述第一超声换能器和所述第二超声换能器中的至少一个以检测所述流管或所述流体的声学信号，来生成指示所述流管或其中的所述流体的噪声水平的信号。
2.根据权利要求1所述的耗量计，其中，所述噪声测量子电路被布置用于：通过操作布置在所述流管的壁处的专用噪声水平传感器，并且通过操作所述第一超声换能器和所述第二超声换能器中的至少一个以检测所述流管或所述流体的声学信号，来生成指示所述流管或其中的所述流体的噪声水平的所述信号。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的耗量计，其中，所述噪声测量子电路包括至少一个互阻抗放大器，用于将指示所述流管或其中的所述流体的噪声水平的电流转换为指示所述流管或其中的所述流体的噪声水平的电压。
4.根据权利要求2所述的耗量计，其中，所述专用噪声水平传感器被布置在作为所述流管的壁的集成部分而提供的声学窗口处。
5.根据权利要求4所述的耗量计，其中，所述耗量计包括一体式铸造的整体式聚合物结构形式的、并且具有腔体的集成壳体和流管，所述腔体容纳所述第一超声换能器和所述第二超声换能器以及所述控制电路，并且其中，具有所述声学窗口的流管壁是未破损的。
6.根据权利要求4和5中任一项所述的耗量计，其中，所述声学窗口由所述流管壁的第一区域构成，所述第一区域与所述流管壁的邻接所述第一区域的第二区域相比具有减小的厚度。
7.根据权利要求2所述的耗量计，其中，流管设置有一个或多个开口，并且所述耗量计还包括安装在所述流管上的壳体，并且其中，所述专用噪声水平传感器被布置在所述壳体的底部壁处，所述底部壁被布置在流管壁的开口中。
8.根据权利要求7所述的耗量计，其中，所述壳体的底部壁提供构成传感器插入部的突出腔体，所述传感器插入部延伸到所述流管壁中的所述开口中，并且其中，所述专用噪声水平传感器被布置在所述传感器插入部中。
9.根据权利要求4所述的耗量计，其中，所述专用噪声水平传感器是电容式传感器、电感式传感器、光学传感器、或压阻式传感器，例如，压阻式应变仪。
10.根据权利要求4所述的耗量计，其中，所述专用噪声水平传感器是压电式传感器。
11.根据权利要求2所述的耗量计，其中，所述第一超声换能器和所述第二超声换能器中的至少一个被操作以检测所述流管或其中的所述流体的声学信号。
12.根据权利要求11所述的耗量计，其中，所述第一超声换能器和所述第二超声换能器两者被操作以检测所述流管或其中的所述流体的声学信号。
13.根据权利要求12所述的耗量计，其中，所述第一超声换能器是第一压电换能器，所述第一压电换能器包括具有第一偏振方向的第一压电元件，并且其中，所述第二超声换能器是第二压电换能器，所述第二压电换能器包括具有与所述第一偏振方向相反的第二偏振方向的第二压电元件。
14.根据权利要求12和13中任一项所述的耗量计，其中，所述噪声测量子电路包括第一互阻抗放大器和第二互阻抗放大器，所述第一互阻抗放大器连接到所述第一超声换能器，用于将指示所述流管或其中的所述流体的噪声水平的第一电流转换为指示所述流管或其中的所述流体的噪声水平的第一电压，所述第二互阻抗放大器连接到所述第二超声换能器，用于将指示所述流管或其中的所述流体的噪声水平的第二电流转换为指示所述流管或其中的所述流体的噪声水平的第二电压。
15.根据权利要求14所述的耗量计，其中，所述噪声测量子电路还包括差分放大器，用于放大指示所述流管或其中的所述流体的噪声水平的第一电压和第二电压之间的差值，以生成指示所述流管或其中的所述流体的噪声水平的所述信号。
16.根据权利要求11所述的耗量计，其中，所述第一超声换能器和所述第二超声换能器中的所述至少一个包括第一换能器区段和第二换能器区段，所述第一换能器区段由所述流量测量子电路操作以生成指示所述流体的流动速率的所述信号，而所述第二换能器区段由所述噪声测量子电路操作以用于检测所述流管或其中的所述流体的声学信号。
17.根据权利要求16所述的耗量计，其中，所述第一换能器区段是圆形的，而所述第二换能器区段是环状地布置在所述第一换能器区段周围的。
18.根据权利要求2所述的耗量计，其中，检测到的所述声学信号在10-2000Hz的频率范围内，优选地在10-1000Hz的频率范围内，更优选地在10-500Hz的范围内。
19.根据权利要求18所述的耗量计，其中，指示所述流管或其中的所述流体的噪声水平的所述信号的生成包括：对所述声学信号进行带通滤波以去除在频率范围10-500Hz以外的声学信号。
20.根据权利要求1和2中任一项所述的耗量计，其中，指示所述流管或其中的所述流体的噪声水平的所述信号的生成包括：导出表示所述噪声水平的统计参数。
21.根据权利要求1和2中任一项所述的耗量计，其中，所述控制电路被布置为将指示所述流管或其中的所述流体的噪声水平的所述信号与阈值进行比较，并且如果所述阈值被超过，则生成泄漏警告信号。
22.根据权利要求1和2中任一项所述的耗量计，其中，所述耗量计是水量计、气量计、热量计、或冷量计。
23.一种通过根据前述权利要求中任一项所述的耗量计来对流体的流动速率进行测量的方法，所述方法包括：
-通过流量测量子电路来操作第一超声换能器和第二超声换能器，以通过流管中的所述流体来发送和接收超声信号，所述流管在超声换能器与在流管中流动的流体之间提供耦合表面，
-通过所述流量测量子电路来生成指示所述流体的流动速率的信号，
-通过噪声测量子电路来操作所述第一超声换能器和所述第二超声换能器中的至少一个，以检测所述流管或其中的所述流体的声学信号，以及
-通过所述噪声测量子电路来生成指示所述流管或其中的所述流体的噪声水平的信号。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述流量测量子电路在第一时间段期间被操作，并且所述噪声测量子电路在第二时间段期间被操作，并且其中，所述第一时间段和所述第二时间段是非重叠的时间段。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，通过所述噪声测量子电路来操作所述第一超声换能器和所述第二超声换能器中的所述至少一个是在所述流管中的所述流体的流量低于预先确定的流动速率阈值的时段期间进行的。
26.一种系统，该系统包括多个根据前述权利要求1-22中任一项所述的耗量计，其中，多个耗量计被布置为在空间上分布在公用事业网络中的消费者站点处，其中，所述多个耗量计中的每个耗量计还包括通信单元，所述通信单元被布置为传输表示流管或其中的流体的噪声水平的数据，并且其中，所述系统包括主收集器，所述主收集器被布置为接收来自所述多个耗量计的表示所述流管或其中的所述流体的噪声水平的所述数据。
27.根据权利要求26所述的系统，包括数据处理器，所述数据处理器被布置为处理来自所述公用事业网络中的所述多个耗量计的表示所述噪声水平的所述数据，以及响应于所述数据和关于所述公用事业网络中的所述多个耗量计中的每个耗量计的个体位置的信息，而确定所述公用事业网络中的流体泄漏的位置的测量。
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