CN107923880A - 基于超声测量的浊度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于对在流管中流动的流体的浊度进行测量的浊度测量设备。第一换能器通过浊度测量区段中的流体来传输超声信号，以便在第一区段端部与第二区段端部之间提供第一超声驻波。接收器换能器接收来自流过浊度测量区段的流体中的微粒的超声散射响应。控制电路操作换能器并且响应于从接收器换能器接收到的信号而生成指示流体的浊度的信号。优选地，该设备可以包括用于生成具有相同频率的第二超声驻波的第二换能器，并且进一步地，这两个换能器还可以用于通过已知的超声技术来生成流动速率的测量。该流动速率可以用于计算浊度的测量。浊度设施和流动速率设施两者都可以集成在耗量计(例如，热量计或水量计)中。

Description

基于超声测量的浊度传感器
技术领域
本发明涉及用于对流体的浊度进行测量的浊度传感器的领域。特别地，本发明提供了能够基于超声测量来测量浊度的设备。此外，本发明提供了包括这种浊度传感器的超声耗量计或公用事业计量器。
背景技术
在世界范围内，供饮用的清洁水的消耗正在增加。饮用水是从地下井中取出的，而地表水甚至是脱盐的海水都可以用作饮用水。因此，需要公用事业公司测量供应给公用事业网络的水的清洁度。
对水的清洁度的完整分析涉及复杂的生物化学分析，然而在一些情况下，通过浊度测量获得的水质的测量可以是足够的，即，对流体中的微粒的量进行测量来作为对流体的清洁度的测量。这种浊度测量可以基于光学方法。
然而，光学浊度设备由于在光学表面上形成矿物和/或生物膜的涂层而不能很好地用作公用事业网络的永久安装的部分，这会扰乱浊度测量并且需要频繁进行维护。此外，这种光学浊度测量设备是昂贵的，并且因此实际上可能仅安装在公用事业网络中的有限数量的位置处。
发明内容
提供简单且低成本的浊度测量设备将是有利的，该浊度测量设备对于测量公用事业网络中的流体的浊度仍然是鲁棒且可靠的，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布这种设备。
在第一方面，本发明提供了一种被布置为对在流管中流动的流体的浊度进行测量的设备，该设备包括：
-流管，其具有用于流体在入口与出口之间通过的贯通开口，并且包括在第一区段端部与第二区段端部之间的浊度测量区段；
-第一换能器，其被布置用于通过浊度测量区段中的流体来传输超声信号，以便在第一区段端部与第二区段端部之间提供第一超声波；
-接收器换能器，其被布置用于接收散射在流过浊度测量区段的流体中的微粒上的超声信号，以及
-控制电路，其连接到第一换能器和接收器换能器，该控制电路被布置用于操作第一换能器以及响应于从接收器换能器接收到的信号而生成指示流体的浊度的信号。
使用超声波来测量浊度提供了可靠且鲁棒的测量浊度的方式，而没有会在光学溶液中引起问题的干扰涂层的问题。
本发明基于以下认识：流体中的微粒将在周围的流体中散射超声波。
根据本发明，在两个边界之间的流管中生成超声波，例如，基于向第一换能器施加具有频率f0的超声纯音的波。然后，随着流体在流管中流动而一起移动的微粒将传递声波，并且当经过具有高超声强度的区域时，微粒将以相对高的强度以f0的波频率散射超声波。相应地，当经过具有低超声强度的区域时，微粒不会散射任何超声波。
进一步根据本发明，在以频率f0解调之后，接收器将以频率fs呈现残余振荡，这取决于微粒沿着波行进的速度v。残余振荡频率由fs＝(v/c)f0给出，其中c是流体中的超声波的相位速度。通过对经解调的信号进行滤波，仅允许fs周围的频率通过，可以将任何背景影响与散乱反射等区分开，因为源自固定源的这些散乱反射仅对经解调的信号的DC分量有影响。
由于典型微粒的散射概率预计很小，所以期望高的超声波强度。这可以通过采用流管作为超声波的谐振器来实现，因此选择超声波频率，使得波在测量区段来回往返之后将与其自身同相反射。所得到的强度模式将是驻波，其具有高强度的反节点和低强度的节点。
在很少反射或没有反射的情况下，驻波将变成单向行波。然而，即使在这种情况下，根据本发明的设备将仍然能够测量浊度，因为随着流动而移动的微粒在行波上散射。如果流动和超声波传播方向相同，则散射的超声波的频率的频率降档，并且如果流动和超声波传播方向相反，则其频率升档。这就是所谓的多普勒频移或多普勒效应。接收器换能器将检测该频移信号。该频移与驻波信号相当，但是不会受益于谐振器的强度增强。
因此认识到，即使在没有驻波模式的情况下，由与流体一起行进的杂质散射并在接收器处检测到的超声波也将在以载波频率f0解调之后呈现频率fs。这种情况中的原因是杂质相对于超声源以速度v行进，并因此经历多普勒频移的超声频率，其散射到接收器中。
反向散射多普勒浊度传感器在本领域中是已知的。这些传感器仅使用单个换能器同时用作发射器和接收器。对这种换能器的要求非常严格，因为来自信号传输的振荡在回波到达换能器时必须已经消失。因此，换能器必须被高效地机械阻尼，这继而限制了超声波的相干性，并且因此限制了传感器的精度。利用如本发明所提出的若干换能器允许针对传感器中的其相应功能优化这些换能器并消除上述问题。因此，发射器可以被设计为以高Q值谐振来振荡，从而导致高相干性、高强度以及高质量波传播模式，并且专用接收器可以被设计为具有高带宽和高灵敏度，从而导致散射的超声波的高频率分辨率。
同样在声音与流体传播之间的倾斜角度的情况下，振荡频率根据 来调制，其中是声音传播方向与平均流体速度之间的角度。
因此可以理解，根据本发明，第一换能器可以布置在所述第一区段处，创建相对于平均流体速度平行地、反平行地、或以不同于90度的倾斜角度传播的行波。接收换能器可以垂直于行波传播方向地布置，使得不会检测到与期望的散射信号分开的反射。从接收换能器导出的电子信号以超声频率f0解调，并对得到的信号进行频谱分析，以产生指示浊度水平的量作为在fs周围的频带中的频谱密度。
在实施例中，第一换能器和第二换能器在瞬态模式下操作，在该模式中第一换能器和第二换能器发射比测量区段的长度短的波包。因此，测量区段不能作为谐振器来执行，而是在测量区段中的波包进行碰撞的区域中仍然会出现瞬态驻波模式。作为结果，来自接收器的经解调的信号将仍然呈现频率fs，但是与跟踪测量区段的谐振相关联的技术复杂性降低。噪声抑制和信噪比的改进可以通过使用标准锁定技术使接收器与波包生成同步来实现。
超声换能器偶尔可以以适用于飞行时间或多普勒流量计的方式来操作。假定微粒以与流体相同的速度移动是合理的，因此使用两个换能器，流量测量容易地得出v的值。因此，流体速度的信息暗指fs的期望值是已知的，这意味着可以采用自适应数字滤波器来围绕该频率选择频带，从而排除背景噪声。这种滤波技术在数字信号处理领域是公知的。
实际上，声速c随着流体的温度而明显变化。浊度传感器的超声流量计操作模式因此也可以用于提供流体温度的测量。这变得显而易见，因为飞行时间流量测量的实质是两个超声波包在分别同向和对向传播到流体流动的两个换能器之间行进的定时。测量区段的长度除以两个波包的平均行进时间得到流体中的声速。
可替代地，可以在浊度传感器中包括单独的专用温度传感器，以便通过查找表来确定温度相关的c的值。
应该理解，仍然可能在不测量流体的流动速率的情况下提供浊度的测量，然而会导致可靠性降低。可替代地，在这种情况下，为了提供对浊度的可靠测量，更复杂的信号处理是必要的。
还应该理解，c是温度相关的。虽然仍然可能基于温度估计值来提供浊度的测量，但是在流体温度的原位测量的那些情况下，可以例如通过与该设备集成的温度传感器来获得更可靠的浊度测量。
在长波长情况下，从微粒散射的超声波的功率与超声波频率的四次方成正比，并且与微粒体积的二次方成正比。例如，这意味着来自尺寸为5-10μm的微粒(例如，较大的胶体、砂粒、粘土微粒、有机材料等)的超声响应可以使用以MHz范围内(例如，5-10MHz)的频率f0的超声驻波来进行观测。量化这些微粒的量提供了流体(例如，饮用水公用事业网络中的水)的浊度的测量，这是对流体的总体清洁度的有用测量。该技术甚至可以具有允许对足够高浓度的微生物、阿米巴虫以及细菌进行检测的灵敏度。
对MHz频率范围内的超声波的生成和测量可能通过普通的低成本部件并且因此如超声流量计中已知的相似技术来进行。因此，浊度测量设备可以容易地与现有的超声流量计(例如，如在超声耗量计中已知的)组合和集成。由此，浊度测量设施可以由单个部件提供，而不需要安装单独的设备来监测公用事业网络中的流体的浊度。甚至进一步地，将浊度设备与超声流量计进行组合是有利的，因为由此可以提供流动速率以用于浊度计算，如上文解释的。通过将浊度功能集成到耗量计中，这样的耗量计的无线通信网络也可以用于浊度数据，从而允许从大量消费者的位置收集浊度数据，例如用于进一步处理，这能够有助于确定管道网络中的污染源的位置。
应该理解，第一“区段端部”和第二“区段端部”指示浊度测量区段的端部，即，其中超声波在流管中沿着流体方向延伸的区段的端部。
“控制电路”应理解为适用于控制(多个)超声换能器的功能的必要的电子电路，即，用于生成电信号以驱动第一换能器，并且接收来自接收器换能器的电信号。
下面将描述优选的特征和实施例。
第一换能器可以布置在所述第一区段端部处，并且其中反射元件布置在第二区段端部处，例如，构成第二区段端部，以用于反射超声信号。特别地，第一换能器可以布置在流管横截面区域的中心部分处，并且面向同样布置在流管横截面区域的中心部分处(例如，诸如与第一换能器相距5-15cm的距离处)的超声反射元件，从而允许超声波成为第一换能器与反射元件之间的驻波。第一换能器和反射元件优选地仅占用流管横截面区域的有限部分，以便允许流体在这些部分周围流动而不在流体中产生任何显著的干扰或紊流。
该设备可以包括布置在第二区段端部处的第二换能器，以便在第二区段端部与第一区段端部之间提供第二超声波，并且其中控制电路被布置用于操作第一换能器和第二换能器两者。优选地，控制电路能够驱动第一换能器和第二换能器同时生成所述第一超声波和所述第二超声波。第一超声波和第二超声波可以具有相似的频率，因此控制电路可以被布置为施加具有相同的频率(例如，在1-100MHz内，或者更具体地在2-20MHz(例如，5-10MHz)内)的电信号，例如，纯音信号。特别地，相同的电信号可以施加于第一换能器和第二换能器两者。可替代地，第一超声波和第二超声波可以具有不同的频率。例如，第一超声波的频率可以是有理数p/q乘以第二波的第二频率。这可以是有利的，因为为了提供高声音输出，可以接近其机械谐振频率或以其机械谐振频率来驱动所使用的换能器，并且因此将相同类型的换能器用于第一换能器和第二换能器，以其机械谐振频率的奇次谐波来驱动一个换能器仍然提供高声音输出。此外，第一超声波的频率和第二超声波的第二频率可以相差0.1％至10％。第一波和第二波优选地在空间上重叠，例如，第一换能器和第二换能器布置在相应的第一区段端部和第二区段端部处。
在此上下文中，本发明还提供了一种超声流量计，其包括第一超声换能器和第二超声换能器，第一超声换能器和第二超声换能器被布置为在流管中生成相应的第一超声波和第二超声波，其中第一超声波的第一频率不同于第二超声波的第二频率。该流量计包括控制电路，该控制电路被连接以操作第一换能器和第二换能器，并且被布置为生成指示流管中的流体的流动速率的输出，优选地响应于感测到来自沿第一超声波和第二超声波流动的流体的微粒上的散射的超声响应。关于第一超声波和第二超声波的频率如何可以不同，参考关于这样的流量计的实施例的前述段落。
控制电路可以被布置为响应于从接收器换能器接收到的信号和流体的流动速率而生成指示流体的浊度的信号。特别地，如已经提及的，在超声波具有频率f0的情况下，由接收器换能器接收到的超声波的期望信号频率f0±fs为：这里是声音传播方向与平均流体速度方向之间的角度，v是造成浊度的微粒的速度，c是流体中的超声波的速度。这优选地用于控制电路中的处理，例如，解调从接收器换能器接收到的信号，并且随后对所得到的信号进行滤波，以便观测预期的频率fs以抑制背景噪声，并且由此提供更可靠的浊度的测量。特别地，控制电路可以被布置为响应于来自预先确定的算法的输出而生成指示流体的浊度的信号，该预先确定的算法响应于以下两者：所测量的流管中的流体的流动速率，以及超声驻波的频率。例如，所述预先确定的算法可以涉及计算由接收器换能器在一个或多个频率分量处接收到的超声信号的电平，该一个或多个频率分量响应于以下两者而被选择：所测量的流管中的流体的流动速率，以及超声驻波的频率。
在本发明的实施例中，第一超声波是驻波。
在本发明的替代实施例中，第一超声波是行波。
在本发明的实施例中，第一超声波和第二超声波是驻波。
在本发明的替代实施例中，第一超声波和第二超声波是行波。
驻波的应用在波的波腹处提供了具有高声音强度的区域，并且因此具有高散射强度。
与驻波的应用相比，行波(即，非驻波)的应用提供了更高的设备设计自由度。
在本发明的实施例中，第一超声波和第二超声波是波包形式的具有相似频率的瞬态波，该波包比第一区段端部与第二区段端部之间的距离更短，以便在浊度测量区段的至少一部分中形成瞬态驻波。
如上文解释的，该设备可以包括流量测量单元，以便提供要由控制电路用于计算更可靠的浊度的测量的流动速率。流动速率可以由外部设备提供，或者其可以由设备本身的整体流量计进行测量。特别地，流量测量单元可以包括第一换能器，并且优选地还包括第二换能器，以及根据飞行时间或多普勒原理操作第一换能器和第二换能器的控制电路。由此，可以利用相同的超声换能器和控制电路来提供组合的流量计和浊度计。特别地，控制电路可以被布置为以第一操作时间间隔和第二操作时间间隔来操作第一换能器，其中第一操作时间间隔和第二操作时间间隔不重叠，其中控制电路被布置为操作第一换能器以用于在第一操作时间间隔期间测量在流管中流动的流体的浊度，并且其中控制电路被布置为操作第一换能器以用于在第二操作时间间隔期间测量在流管中流动的流体的流动速率。这允许可靠的流动速率和浊度测量，而在两种类型的测量中涉及的超声信号之间没有干扰，即使在两种类型的测量中涉及相同的换能器或相同的换能器的集合。
控制电路可以被布置为以第一频率操作第一换能器以用于测量浊度，并且被布置为以第二频率操作第一换能器以用于测量流动速率，例如第一频率高于第二频率，例如第一频率是奇次谐波，如第一频率的三次谐波。该频率差允许以合理低的频率测量流动速率，而可以以更高的频率提供浊度测量，以增加检测流体中的小微粒的灵敏度。特别地，第一频率可以高于1MHz(例如，高于10MHz)，并且其中第二频率低于5MHz(例如，低于2MHz)。
控制电路可以被布置为计算由接收器换能器接收到的超声信号的电平，并且相应地生成指示流体的浊度的信号，而不需要关于流管中的流体流动速率的任何信息。对于一些应用，可以以这种方式获得的浊度精度可能是足够的，然而与利用流体速率的方法相比，可能需要更复杂的数据处理——该流动速率从外部设备提供，或者通过浊度设备与流量计的集成来提供，如已经描述的。
控制电路可以被布置为响应于在一段时间内测量的值的平均值而生成指示流体的浊度的信号，由此仅允许传送有限量的所测量的浊度值。
该设备可以包括温度测量单元，该温度测量单元被布置为测量流体的温度。特别地，所述温度测量单元可以包括第一换能器，并且优选地还包括第二换能器。因此，在一些实施例中，第一换能器可以用于浊度测量、流动速率测量、以及温度测量。
该设备可以包括第一超声反射器，该第一超声反射器被布置为沿与浊度测量区段中的流动方向相反的方向来指引来自第一换能器的超声信号。在包括第二换能器的实施例中，可以将第二超声反射器布置为沿流体流动的方向来引导来自第二换能器的超声信号。特别地，这样的第一超声反射器和第二超声反射器可以构成超声波在其之间延伸的第一端部区段和第二端部区段。这样的反射器允许第一(并且可能是第二)换能器远离流体流动的中心部分布置，例如，将(多个)换能器放置在流管的壁处或流管的壁附近。
同样根据本发明，接收器可以具有与第一超声波的方向平行的接收表面。
该设备可以包括相对于接收器换能器布置的声透镜或孔隙，以便限制超声信号可以从中到达接收器换能器的浊度测量区段的区域体积，并且因此将不期望的背景与超声的散乱散射区分开。
接收器换能器可以布置在流管的壁中的开口中，例如，接收器换能器布置为其接收器表面缩回到覆盖所述开口的表面之后。因此，接收器换能器可以缩回到井中，从而用于在到达接收器换能器时减少来自流管中的不期望的超声反射，由此增加浊度测量精度。接收器换能器优选地布置在第一区段端部与第二区段端部之间，例如，位于所述区段端部之间的中心，例如其接收器表面形成包含在浊度测量区段中流动的流体的流动方向的平面。
接收器换能器的这种布置允许以高信噪比高效地接收散射信号。
接收器换能器可以包括布置在沿浊度测量区段的相应位置处的多个单独的换能器。与单个接收器换能器相比，沿超声驻波在空间上分布的这种单独的接收器换能器的阵列可以提供改进的响应信号以供进一步处理。
第一换能器可以包括压电换能器。特别地，压电换能器可以呈现与由控制电路施加到压电换能器的驱动信号的频率一致的机械谐振频率。这允许换能器提供高声音输出，并且因此提供高强度的超声驻波，从而允许来自流体中的微粒的散射信号，以允许鲁棒的浊度测量。特别地，控制电路可以被布置为以所述机械谐振频率来操作第一换能器以用于测量流动速率，并且其中控制电路被布置为以较高频率来操作第一换能器以用于测量浊度，并且其中所述较高频率被选择为与所述机械谐振频率的奇次谐波一致。由此，可以使用相同的换能器来分别针对浊度测量和流量测量以两个不同频率提供高声音输出。
第一换能器可以布置在流管的横截面的中心部分，并且例如构成第一区段端部。
接收器换能器可以包括压电换能器。
该设备可以包括由包含聚合物的材料形成的衬里，用于覆盖浊度测量区段中的测量管的表面的至少一部分。
在一些实施例中，该设备可以与超声流量计集成或组合，超声流量计可以是充电耗量计或公用事业计量器或者可以是充电耗量计或公用事业计量器的一部分，例如，用于冷水和/或热水的水量计、热量计、冷量计、或气量计，其中耗量计被布置用于对作为计费基础的所供应的公用事业的消耗数据进行测量。耗量计可以与区域供热、区域供冷和/或分布式供水相结合地使用。耗量计可以是合法的计量器，即符合监管要求的计量器。这种监管要求可以是对测量精度的要求。有利地，流量计可以用作水量计，从而允许测量所供应的水中的微粒的量(即，浊度)。
特别地，在设备包括超声流动速率能力的情况下，控制电路优选地包括测量电路，以允许根据超声渡越时间的已知原理来测量流体流量。特别地，测量电路可以布置在能够生成指示所测量的流体流动速率的脉冲串来作为输出的单个印刷电路板(PCB)上。单个处理器可以用来处理流动速率和浊度的测量，但是也可以提供分开的处理器来计算流动速率和浊度。
该设备可以包括连接到控制电路的通信模块，并且该通信模块被布置用于传送指示流体的浊度的信号，例如，浊度数据可以作为无线射频信号来传送。
第一方面的具体实施例提供了一种设备，其中第一换能器被布置在第一区段端部，并且其中第二换能器被布置在第二区段端部，以便在第二边界与第一边界之间提供第二超声驻波，并且其中控制电路被布置用于操作第一换能器与第二换能器两者，其中控制电路被布置为响应于从接收器换能器接收到的信号以及流体的流动速率而生成指示流体的浊度的信号，该设备还包括流量测量单元，流量测量单元被布置为测量在流管中流动的流体的流动速率，其中所述流量测量单元包括第一换能器和第二换能器，其中控制电路被布置为以第一操作时间间隔和第二操作时间间隔操作第一换能器和第二换能器，其中第一操作时间间隔和第二操作时间间隔不重叠，其中控制电路在第一操作时间间隔期间操作第一换能器和第二换能器以用于测量在流管中流动的流体的浊度，并且其中控制电路在第二操作时间间隔期间操作第一换能器和第二换能器以用于测量在流管中流动的流体的流动速率。
这种设备是有利的，因为其可以使用从现有超声流量计(例如，超声耗量计)已知的一组超声换能器，因此在进行有限的修改的情况下有可能提供能够提供流体的浊度的测量的设备。特别地，可以认为使用较高的超声频率来进行浊度测量是有利的，例如，高于5MHz(例如，10MHz)，同时可以使用较低的超声频率(例如，1-2MHz)来进行流量测量。该设备可以进一步包括无线通信模块，该无线通信模块被布置为传输以下两者：指示所测量的浊度的数据以及指示所测量的流动速率和/或消耗的量的数据，从而允许通过用于远程读取公用事业数据的相同通信信道来远程读取浊度。
在第二方面，本发明提供了一种超声耗量计，其包括根据第一方面的设备，例如，超声耗量计是水量计、气量计、热量计、或冷量计。
在第三方面，本发明提供了一种用于对公用事业网络中的流体的浊度进行监测的系统，该系统包括：
-根据第一方面或第二方面的多个设备或超声耗量计，其中多个设备中的每个设备被布置为传输指示流体的浊度的信号，以及
-通信系统，其被布置为对来自多个设备或超声耗量计的、指示流体的浊度的所述信号进行传达。可选地，该系统可以包括处理器系统，该处理器系统被布置为对指示流体的浊度的所述信号进行分析。
在第四方面，本发明提供了一种对在流管的浊度测量区段中流动的流体的浊度进行测量的方法，该方法包括：
-传输来自第一换能器的超声信号以在第一区段端部与第二区段端部之间生成超声波，
-通过接收器换能器来接收散射在流体中的微粒上的超声信号，以及
-响应于从接收器换能器接收到的信号而生成指示流体的浊度的信号。
针对第一方面提及的相同的优点也适用于第二方面、第三方面以及第四方面。通常，本发明的各个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
下面参照附图仅通过示例的方式来描述本发明的实施例，其中：
图1示例说明了其中两个换能器在其之间生成超声驻波并且接收器换能器布置在流管的壁处的实施例的示意图，
图2示例说明了类似于图1的实施例但具有用于引导来自两个换能器的超声波的反射器的实施例的示意图，
图3示例说明了类似于图1但是具有沿流管分布的多个接收器换能器的实施例，
图4示例说明了其中一个换能器生成超声行波并且接收器换能器布置在流管的壁处的实施例的示意图，
图5示例说明了其中多个水量计具有连接到公用事业网的浊度测量设施并将浊度数据传送到中央设施以供处理的系统实施例，
图6示出了残余频率fs随流速v的变化，
图7示出了频移信号的强度相对于浊度水平的变化，以及
图8示例说明了方法实施例的步骤。
具体实施方式
图1示例说明了其中流管具有壁W的浊度测量设备实施例的示意图，其中两个换能器T1、T2被布置在流量管中，并且用作浊度测量区段TMS的端部区段，在其之间生成两个超声驻波。黑圈指示微粒以流动速率v沿流管中的流体而流动。接收器换能器R1布置在两个换能器T1、T2之间的中心位置处的流管的壁W处。对于一个微粒，对超声驻波的超声响应以朝向接收器换能器R1的虚线箭头来指示，接收器换能器R1然后捕获来自微粒的超声响应。对于频率为f0的超声驻波，流动速率为v的流体中的微粒的高强度散射的期望频率fs为：fs＝(v/c)f0，其中c为流体中的超声波的速度。因此，如在图1的右上角中的响应相对于时间t中所指示的，然后可以在接收器换能器处以周期时间P＝1/fs期望来自超声驻波的微粒散射的高强度响应。
控制电路CC包括电发生器，该电发生器以单个频率f0向换能器T1、T2施加电驱动信号，接收来自接收器换能器R1的响应，并且作为响应而生成指示浊度TB的信号。如所指示的，来自发生器的信号可以与来自接收器换能器R1的响应一起施加于乘法器，从而解调接收到的信号。此外，控制电路CC优选地应用滤波，例如涉及快速傅立叶变换有限脉冲响应或无限脉冲响应数字滤波器，以便以期望的周期P探测来自微粒的实际高强度响应。然后可以对所得到的信号进行量化，以便提供流体中的微粒密度的测量，即，浊度的测量。
应该理解，相同的两个换能器T1、T2也可以用于超声流动速率测量，例如本领域已知的，并且因此优选地也可以利用该设备来测量流动速率v，从而将流量v递送给控制电路，由此允许上述fs的计算。
未示出的是，接收器换能器R1可以从流管壁W缩回，以便仅接收来自流管的有限部分的超声响应，而不是包括反射的所有响应。
图2示出了除两个换能器T1、T2的位置之外类似于图1的实施例，因为此处浊度测量区段TMS的区段端部由相应的超声反射器RF1、RF2(例如，聚合物、复合物、或金属反射器)构成。因此，换能器T1、T2沿流管的壁W放置在流体流动之外，并且换能器T1、T2的超声信号然后沿流动方向被引导，使得反射器之间的超声驻波是沿流动方向的。
图3示出了除使用沿流管壁布置的6个分开的接收器换能器R1-R6之外与图1类似的实施例。然后将来自这些接收器换能器R1-R6的响应组合在控制电路的处理中，以得到浊度TB的单个测量。
图4示例说明了本发明的替代实施例。与图1的本发明的实施例相比，本实施例仅包括一个换能器T1，而超声波是行波(即，非驻波)，如其在区段端部E2处勉强反射或者根本不反射。
来自微粒散射的强度响应不会由腔体积聚增强因子增强，但其仍然由于多普勒效应而存在。如上所述，期望的频率保持为fs。
图5示出了系统实施例。水量计W_M的两个组G1、G2被连接以对水公用事业网络U_N上的相应消费者处所消耗的水进行测量。根据本发明，水量计W_M被布置为测量浊度，优选地使用一个或两个超声换能器，其也在流动速率测量中涉及以用于生成所消耗的水的测量。消耗的水的数据和浊度数据通过水量计W_M无线地传输到中央通信模块，中央通信模块提取浊度数据TB_D，然后将浊度数据TB_D应用于数据处理DP以供进一步分析。例如，在组G1中的浊度通常比组G2高的情况下，这可以用作水量计W_M的两个组G1、G2的位置之间的管道系统中的泄漏容许水公用事业网络U_N中的污物或其他污染物的指示符，从而有助于找到这种破损的管道。否则，浊度数据TB_D可以用于总体上监测输送给消费者的水质。
图6示出了剩余频率fs随流速v的变化。
如图1所示的根据本发明的设备连接到具有恒定浊度的流动系统。换能器以在5-15MHz范围内的恒定频率来驱动，并且外部飞行时间流量计测量流动速率。收集来自放置在浊度测量区段中的接收器换能器的信号，并分析其频移fs。在x轴上显示基于流量测量的流速。y轴表示其中载频被用作单位的频移。从图中可以看出，根据本发明的残余振荡频率的原理，频移随流速线性地变化。
图7示出了频移信号的强度相对于浊度水平的变化。
图6中描述的设置以恒定的流速使用，即，频移是恒定的。进行其中流体流动的浊度(基于4000NTU聚苯乙烯标准)改变的一系列测量。对频移信号的强度进行分析并将其绘制成浊度的函数。即使在传感器的宽泛操作范围内，在浊度与接收器响应之间也可以看到清晰的单调对应关系。
图8示出了用于测量在流管中流动的流体的浊度的方法实施例的步骤。首先，超声信号以第一频率从第一换能器通过流体传输T_US_F1，以在流管中生成第一超声驻波。通过接收器换能器接收R_US_1响应，接收器换能器捕获在流体中的微粒上散射的超声信号，并且响应于从接收器换能器接收的信号而生成G_TB指示流体的浊度的信号。此外，另一超声信号以比第一频率低的第二频率从换能器传输T_US_F2。在第二换能器处接收到R_US_2对其的响应，并且作为响应相应地生成G_FR指示在流管中流动的流体的流动速率的信号。优选地，该流动速率用于生成指示浊度的信号。
综上所述，本发明提供了用于对在流管中流动的流体的浊度进行测量的浊度测量设备。第一换能器通过浊度测量区段中的流体来传输超声信号，以便在第一区段端部与第二区段端部之间提供第一超声波。接收器换能器接收来自流过浊度测量区段的流体中的微粒的超声散射响应。控制电路操作换能器并且响应于从接收器换能器接收到的信号而生成指示流体的浊度的信号。优选地，该设备可以包括用于生成具有相同频率的第二超声波的第二换能器，并且进一步地，两个换能器还可以用于通过已知的超声技术来生成流动速率的测量。该流动速率可以用于计算浊度的测量。浊度设施和流动速率设施两者都可以集成在耗量计(例如，热量计或水量计)中。
尽管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。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (23)

1.一种被布置为对在流管中流动的流体的浊度进行测量的设备，所述设备包括：
-流管，其具有用于流体在入口与出口之间通过的贯通开口，并且包括在第一区段端部与第二区段端部之间的浊度测量区段，
-第一换能器，其被布置用于通过所述浊度测量区段中的流体来传输超声信号，以便在所述第一区段端部与所述第二区段端部之间提供第一超声波，
-接收器换能器，其被布置用于接收散射在流过所述浊度测量区段的所述流体中的微粒上的超声信号，以及
-控制电路，其连接到所述第一换能器和所述接收器换能器，所述控制电路被布置用于操作所述第一换能器以及响应于从所述接收器换能器接收到的信号而生成指示所述流体的浊度的信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一换能器被布置在所述第一区段端部处，并且其中，反射元件被布置在所述第二区段端部处以用于反射所述超声信号。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，第二换能器被布置在所述第二区段端部处，以便在所述第二区段端部与所述第一区段端部之间提供第二超声波，并且其中，所述控制电路被布置用于操作所述第一换能器和所述第二换能器两者。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述第一超声波和所述第二超声波具有相似的频率。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述第一超声波和所述第二超声波具有不同的频率，例如所述第一超声波的频率是有理数p/q乘以所述第二波的第二频率，或者例如所述第一超声波的频率和所述第二超声波的第二频率相差0.1％至10％。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第一超声波是驻波。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的设备，其中，所述第一超声波是行波。
8.根据权利要求3-5中任一项所述的设备，其中，所述第一超声波和所述第二超声波是驻波。
9.根据权利要求3-5中任一项所述的设备，其中，所述第一超声波和所述第二超声波是行波。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一超声波和所述第二超声波是以波包形式的具有相似频率的瞬态波，所述波包比所述第一区段端部与所述第二区段端部之间的距离短，以便在所述浊度测量区段的至少一部分中形成瞬态驻波。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述控制电路被布置为响应于从所述接收器换能器接收到的信号以及所述流体的流动速率而生成指示所述流体的浊度的信号。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括流量测量单元，其中，所述流量测量单元包括所述第一换能器。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述控制电路被布置为以第一操作时间间隔和第二操作时间间隔来操作所述第一换能器，其中，所述第一操作时间间隔和所述第二操作时间间隔不重叠，其中，所述控制电路被布置为操作所述第一换能器以用于在所述第一操作时间间隔期间测量在所述流管中流动的所述流体的浊度，并且其中，所述控制电路被布置为操作所述第一换能器以用于在所述第二操作时间间隔期间测量在所述流管中流动的所述流体的流动速率。
14.根据权利要求12和13中任一项所述的设备，其中，所述控制电路被布置为以第一频率来操作所述第一换能器以用于测量所述浊度，并且被布置为以第二频率来操作所述第一换能器以用于测量所述流动速率，例如所述第一频率高于所述第二频率，例如所述第一频率是所述第二频率的奇次谐波。
15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括温度测量单元，其中，所述温度测量单元包括所述第一换能器。
16.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括第一超声反射器，所述第一超声反射器被布置为沿所述流体在所述浊度测量区段中流动的方向来指引来自所述第一换能器的超声信号。
17.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述接收器具有与所述第一超声波的方向平行的接收表面。
18.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述接收器换能器被布置在所述流管的壁中的开口中，例如所述接收器换能器被布置有缩回覆盖所述开口的表面之后的接收器表面。
19.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括相对于所述接收器换能器而被布置的声透镜或孔隙，以便限制超声信号能够从中到达所述接收器换能器的所述浊度测量区段的体积。
20.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括由包含聚合物的材料形成的衬里，用于覆盖所述浊度测量区段中的测量管的表面的至少一部分。
21.一种超声耗量计，包括根据前述权利要求中任一项所述的设备，例如所述超声耗量计是水量计、气量计、热量计、或冷量计。
22.一种用于对公用事业网络中的流体的浊度进行监测的系统，所述系统包括：
-根据前述权利要求中任一项所述的多个设备或超声耗量计，其中，所述多个设备中的每个设备被布置为传输指示所述流体的浊度的信号，
-通信系统，其被布置为对来自所述多个设备或超声耗量计的、指示所述流体的浊度的所述信号进行传达，以及
-处理器系统，其被布置为对指示所述流体的浊度的所述信号进行分析。
23.一种对在流管的浊度测量区段中流动的流体的浊度进行测量的方法，所述方法包括：
-传输来自第一换能器的超声信号，以在第一区段端部与第二区段端部之间生成超声波，
-通过接收器换能器来接收散射在所述流体中的微粒上的超声信号，以及
-响应于从所述接收器换能器接收的信号而生成指示所述流体的浊度的信号。
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