CN108139244B - 一种用于确定流量测量系统的流管中的流体流速的方法以及相应的流量测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种包括用于流速待测的流体的流量管的流量测量系统，其中所述系统包括至少三个超声换能器电路、多个接收电路和多路复用器，其中，每个电路包括超声换能器，该超声换能器被布置成在发射阶段中通过所述流体发射超声信号，并且用于在接收阶段接收来自所述至少三个超声换能器中的另一个的发射信号；每个接收电路被布置用于在其相应的接收阶段读取所述至少三个超声换能器之一；所述多路复用器电路被布置用于选择性地将所述多个接收电路中的每一个分别连接至所述至少三个超声换能器中的不同的一个。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定流体流量测量系统的流管中的流体流速的方法，其中所述系统包括至少两个超声换能器电路，其中每个电路包括超声换能器，超声换能器被布置用于在发射阶段通过所述流体发射超声信号，并且用于在接收阶段接收来自所述至少两个超声换能器中的另一个的发射信号。
背景技术
这样的流量测量系统是已知的，例如来自公开号为US6,055,868的美国专利申请，该申请描述了包括两个环形振荡器的流量测量系统。振荡器被交替地激活以发射超声信号，该信号被另一个非发射振荡器接收和检测。超声信号向上游传播所需的时间、超声信号向下游传播所需的时间以及它们之间的时间差被用于确定流管中流体的速度。
国际专利申请WO2011039311公开了一种用于通过至少一个用于生成声波的发射器和以及至少一个接收器来测量介质的流速的方法，其中该至少一个接收器被设置在与发射器相距一定距离处，用来接收声波。为了达到这个目的，由基板上的发射器感应声表面波，该基板具有面向介质的表面，该表面依次导致声波在介质中传播，使得多个波在发射器和接收器之间的传播路径上传播，其中该多个波至少其中的一些穿过介质，并由至少一个接收器接收。
发明内容
在确定流体流速的领域中一直存在的挑战之一是提高测量的准确性。也就是说，应当尽可能精确地确定流管中流体流速。
因此，本发明的一个目的在于提供一种以更精确的方式确定流管中流体流速的方法。
本发明的又一个目的在于提供一种相应的流量测量系统。
为了实现第一个目的，本发明在其第一方面中提供了一种用于确定流量测量系统的流管中的流体流速的方法，所述系统包括至少三个超声换能器电路，其中每个电路包括超声换能器，所述超声换能器被布置为在发射阶段中通过所述流体发射超声信号，并且用于在接收阶段接收来自所述至少三个超声换能器中的另一个超声换能器的发射信号，所述方法包括以下步骤：
a1)在所述发射阶段中，激励所述至少三个超声换能器中的第一个换能器，以发射超声信号，并且在它们的接收阶段中，读出所述至少三个超声换能器中的至少两个非发射的换能器，以及确定所述至少两个非发射的换能器的两个读数之间的第一时间差，
b)至少基于所确定的差来确定所述超声信号通过所述流体的速度，以消除所述至少三个超声换能器中的所述第一个超声换能器的发射延迟。
发明人发现，超声换能器电路中发生的时延和/或计时误差对流速测量的准确度带来了负面影响。
如果流量测量系统包括至少三个换能器，其中单个换能器被激励以发送超声信号，其中至少两个其他换能器接收已发送的信号，并且其中超声信号通过所述流体的速度基于读数的精确时刻之间的时间差，则这些时延和/或计时误差可以被滤除，即可以被忽略。因此，不考虑发送超声信号与任何非发射的超声换能器的接收之间的时间差。由此，在第一非发射的超声换能器处接收超声信号和在第二非发射的超声换能器处接收同一超声信号之间的时间差被用于确定超声信号通过流体的速度。
在这种情况下，可以通过在两个不同的换能器处接收发射的超声信号来过滤出在单个换能器控制到发射阶段期间(即使得单个换能器被激励)发生的时延和/或计时误差。例如，如果两个不同的换能器都被放置在相对于激励的换能器的上游或下游，则在这两个不同的换能器处接收超声信号之间的时间差可以用于确定流速。
根据本发明，该方法可以用于精确地确定不同类型的流速，例如流体流速、流体的质量流动速率和流体的体积流动速率。
在一个实施例中，该方法还包括步骤a2)在所述发射阶段中，激励所述至少三个超声换能器中的第二个超声换能器，以发射超声信号，并且在它们的接收阶段中，读出所述至少三个超声换能器中的至少两个非发射超声换能器，以及确定所述至少两个非发射的超声换能器的两个读数之间的第二时间差；
并且其中所述步骤b)还包括：
b)至少基于所述确定的第一时间差和所述第二时间差来确定所述超声信号通过所述流体的速度。
在下文中，关于正好三个超声换能器电路提供了对上述实施例的优点的解释，其中三个超声换能器被彼此依次放置在流管中或在流管处，并且这三个超声换能器之间的距离是事前已知的。
但是，对于本领域技术人员而言，推理可以扩展到三个以上的超声换能器电路是显而易见的。
如果在相对于发射的换能器的上游和/或下游放置三个以上的非发射的超声换能器，则可能是有利的。这是因为在这种情况下，可以确定在非发射的超声换能器处接收的超声信号之间的多个单独的时间差，其中流速的确定可以是对所有这些确定的多个时间差进行平均。
在该方法的步骤a1)中的受到激励的换能器将通过流体将超声信号发射到两个非发射的换能器。
在两个非发射的超声换能器处接收的信号之间的时间差取决于超声信号通过流体传播的速度以及流体本身的流速。
在该方法的步骤a2)中的被激励的换能器也将通过流体向两个非发射的换能器发射超声信号。应当澄清，在步骤a2)中，被激励的换能器相比于步骤a1)中的受到激励的换能器是不同的。
在此基础上，仍然有一组两个方程和两个未知变量，它们可以通过求解1)超声信号在流体中的速度，以及2)流体本身的流速来获得。
从上面可以看出，在三个超声换能器的情况下，在步骤a1)中，三个换能器的第一外部换能器被激励，并且在步骤a2)中，三个换能器的第二外换能器被激励。中间换能器在步骤a1)和a2)的任何一个步骤中都可能被激励。
在一个实施例中，所述方法还包括以下步骤：
a3)在所述发射阶段中，激励所述至少三个超声换能器中的第三个换能器，以发射超声信号，并且在它们的接收阶段中，读出所述至少三个换能器中的至少两个非发射的超声换能器。
为了进一步提高测量的准确性，可以激励更多的换能器，每次一个，并且每次可以读出至少三个换能器中的至少两个非发射的超声换能器，以造成多次测量流速。这些测量结果可以求平均值，从而进一步滤除任何误差。
在一个实施例中，该方法还包括以下步骤：
a4)在所述发射阶段中，交替地激励所述至少三个超声换能器的其余超声换能器，以发射超声信号，并且在它们的接收阶段中，对于每个交替激励的超声换能器，读出所述至少三个超声换能器中的至少两个非发射的换能器。
在另一个实施例中，多次执行该方法步骤以进一步提高测量的准确度，例如每个步骤被执行两次。
在一个实施例中，该方法还包括以下步骤：
-基于所述读出的所述至少三个超声换能器中的至少两个非发射的换能器，确定接收的超声信号的振幅衰减；
-确定介质转换的透射系数，其中所述介质转换发生在所述至少两个非发射的超声换能器之间的所发射的超声信号，并且基于所确定的幅度衰减；
-基于所确定的衰减和所确定的透射系数来确定所述流体的质量密度，以确定所述流体的质量流动速率。
本发明人发现，通过读出所述至少三个超声换能器中的至少两个非发射的换能器，可以确定它们接收的超声信号的幅度衰减。发明人进一步注意到，所发射的超声信号受到了介质转换，这将在下面进一步详细解释。最后，发明人发现由于用于介质转换的透射系数至少取决于流体的质量密度，因此可以基于确定的衰减和确定的透射系数来确定流体的质量密度。
一旦确定了流体流速和流体的质量密度，就可以确定流体的质量流动速率。
在本发明的范畴中，透射系数涉及从第一介质传递到第二介质的被发射的超声信号的衰减，即介质转换。
例如在至少三个换能器被放置在流管处或抵靠流管的情况下发生介质转换。在这种情况下，发射的换能器将通过流管将超声信号插入到流体中。此外，所发射的超声信号可以在流体到达至少两个非发射的超声换能器之前几秒钟从流体传播到流管，反之亦然。例如，在流管包括钢的情况下，从流管到流体的超声信号的透射系数大约在0和0.1之间。从流体到流管的超声信号的透射系数大约在1.9和2.0之间。
在至少三个换能器放置在流管中(即在流体中)的情况下，也可能发生介质转换。然后超声信号可以从例如超声换能器所包括的压电元件传播到流体，反之亦然。
在本发明的范畴中，确定所述接收的超声信号的幅度衰减的步骤也可以被确定所述接收的超声信号的放大所取代。
在一实施例中，确定透射系数的步骤包括：
-基于所述至少三个超声换能器的所述读出的至少两个非发射的超声换能器之间的时间差来确定Scholte波的速度。
Scholte波是在流体和固体介质(例如流管)之间的界面处传播的表面波界面波。
波在界面处具有最大的强度，并且从界面进入流管和流体时呈指数地减小。
在另一实施例中，该方法包括以下步骤：
-基于所述确定的Scholte波的速度来确定用于在所述至少两个非发射的超声换能器之间的所述超声信号的介质转换的数量，并且其中基于所确定的介质转换的数量进一步确定所述质量密度。
典型地，发射换能器被设置为以特定频率或一组频率来发射信号。基于至少两个非发射的超声换能器之间的已知的预设距离、Scholte波的速度以及发射的换能器的所施加的频率，可以确定发射的超声信号在至少两个非发射的超声换能器之间的介质转换次数。
在第二方面，本发明提供一种用于确定流量测量系统的流管中的流体流速的方法，所述系统包括至少三个超声换能器电路，其中每个电路包括超声换能器，所述超声换能器被设置用于在发射阶段通过所述流体发送超声信号，并且用于在接收阶段接收来自所述至少三个超声换能器中的另一个的发射信号，其中所述系统包括：
-至少两个接收电路，其中所述接收电路被布置用于在其接收阶段中分别读出所述至少两个非发射的换能器，以及
-多路复用器电路，其被布置用于选择性地将所述接收电路连接到所述换能器，其中所述方法包括以下步骤：
a1)在所述发射阶段中，激励所述至少三个超声换能器中的第一个换能器，以发射超声信号，并且在它们的接收阶段中，读出所述至少三个换能器中的至少两个非发射的换能器，以及
其中每个激励步骤包括：
-使用所述多路复用器电路将所述至少两个接收电路中的每一个分别选择性地连接到所述至少两个非发射的超声换能器中的一个，以及
其中每个激励步骤(a1)被重复至少一次，其中对于每个重复激励步骤，所述至少两个接收电路使用所述多路复用器电路连接到所述至少两个非发射的超声换能器中的不同的一个。
发明人进一步发现，在至少两个接收电路中出现的时延、计时误差和/或时间偏移也对流速测量的准确度带来不利影响。
在流量测量系统包括多路复用器电路，其中多路复用器电路被布置为选择性地将接收电路连接到非发射的换能器的情况下，可以补偿(即过滤)这些时延、计时误差和/或时间偏差。
例如，多路复用器电路将非发射的换能器的每一个连接到一个接收电路，并且对于每个激励步骤(例如步骤a1)-a4))这样执行。在下文中，作为示例，上述确认的实施例参照三个换能器和正好两个接收电路以更清楚的方式进行了说明。但是，对于本领域技术人员来说，基本概念显然适用于多于两个的接收电路。
在步骤a1)中，第一换能器被激励以发送超声信号。接着使用多路复用器电路将第二和第三换能器各自连接到两个接收电路中的一个，并随后读出。
然后重复步骤a1)，第一换能器再次被激励以发送超声信号。使用多路复用器电路将第二和第三换能器再次分别连接到其中一个接收电路，并随后读出。但在这种情况下，使用多路复用器将第二和第三换能器连接到与之前的步骤a1)相比不同的接收电路。
在一示例中，该方法还包括以下步骤：
a2)在所述发射阶段中，激励所述至少三个换能器中的第二个，以发射超声信号，并且在其接收阶段中，读出所述至少三个换能器中的至少两个非发射的换能器，
其中，所述步骤a2)也被重复至少一次，其中对于每个被重复激励步骤(a1、a2)，使用所述多路复用器电路，将所述至少两个接收电路连接到所述至少两个非发射超声换能器中的不同的一个。
还需要注意的是，关于本发明的第二方面所提供的方法示例可以与关于本发明的第一方面提供的方法示例相结合。
根据第三方面，本发明提供了一种流量测量系统，包括用于流速待测流体的流管，所述系统包括至少三个超声换能器电路，其中每个电路包括超声换能器，所述超声换能器被设置用于在发射阶段中通过所述流体发送超声信号，并且用于在接收阶段接收来自所述至少三个超声换能器中的另一个的被发射的信号，所述系统被布置为：
a1)在所述发射阶段中，激励所述至少三个换能器中的第一个换能器，以发射超声信号，并且在它们的接收阶段中读出所述至少三个超声换能器中的至少两个非发射的换能器，以及确定所述至少两个非发射的超声换能器的两个读数之间的第一时间差，
b)至少基于所述确定的差来确定所述超声信号通过所述流体的速度，以消除所述至少三个超声换能器中的所述第一个超声换能器的发射延迟。
在此，该系统可以进一步被布置用于：
a2)在所述发射阶段中，激励所述至少三个超声换能器中的第二个超声换能器，以发射超声信号，并且在它们的接收阶段中，读出所述至少三个超声换能器中的至少两个非发射换能器，以及确定所述至少两个非发射的换能器的两个读数之间的第二时间差；
并且其中所述系统进一步被安排用于：
b)至少基于所述确定的第一时间差和所述第二时间差来确定所述超声信号通过所述流体的速度。
在更详细的示例中，该系统还被布置为：
a3)在所述发射阶段中，激励所述至少三个超声换能器中的第三个超声换能器，以发射超声信号，并且在它们的接收阶段中，读出所述至少三个超声换能器中的至少两个非发射的超声换能器。
在另一示例中，所述系统还被布置为：
-基于所述读出的所述至少三个超声换能器中的至少两个非发射的超声换能器，确定接收的超声信号的振幅衰减；
-确定介质转换的透射系数，其中所述介质转换发生在所述至少两个非发射的换能器之间的所述发射的超声信号，并且基于所述确定的幅度衰减；
-基于所述确定的衰减和所述确定的透射系数来确定所述流体的质量密度，以确定所述流体的质量流动速率。
应注意的是，关于方法示例所提到的优点对应于关于系统示例的优点。
根据第四方面，本发明提供了一种流量测量系统，其包括流速待测流体的流管，其中所述系统包括：
-至少两个超声换能器电路，其中每个电路包括超声换能器，所述超声换能器布置成在发射阶段中通过所述流体发射超声信号，并且用于在接收阶段接收来自所述至少两个超声换能器中的另一个的发射信号，
-至少一个接收电路，其中每个接收电路被布置用于在其相应的接收阶段中读出所述至少两个超声换能器中的一个，以及
-多路复用器电路，被布置为选择性地连接所述至少两个超声换能器之间的所述至少一个接收电路。
本发明的该第四方面是基于以下见解，即在至少一个接收电路中发生的时延、计时误差和/或时间偏移对流速测量的准确性带来不利的影响。
在流量测量系统包括多路复用器电路，其中该多路复用器电路被布置为选择性地将至少一个接收电路连接到所述非发射的超声换能器中的一个的情况下，可以被补偿(即被过滤)这些时延、计时误差和/或时间偏移。
在一实施例中，所述至少两个换能器被布置为交替地发送所述超声信号，并且其中所述多路复用器电路被布置为交替地将所述至少一个接收电路中的每一个分别连接到所述非发射的超声换能器。
在该实施例的范畴中，至少两个换能器被布置为交替地发送超声信号，这意味着所述至少两个换能器中的每一个轮换用于发送超声信号。所以，该至少两个换能器发射超声信号的顺序是特定的。
然后该至少两个换能器的其余部分(即没有发射的一个或多个换能器)分别唯一地连接到至少一个接收电路中的一个。照此，这个/这些非发射的超声换能器被控制到它/它们的接收阶段，以接收来自一个发射换能器的发射信号。
如前所述，至少两个换能器发射超声信号的交替顺序，以及由此至少两个换能器的其余部分处于其接收阶段的交替顺序的益处在于：由接收电路或多个接收电路引起的任何误差、误配和时延等被平均化了。
在一实施例中，将所述至少一个接收电路中的每一个分别连接到所述非发射的超声换能器中的所述的交替次序与交替发送所述超声信号的所述至少两个超声换能器的交替次序相同。
该示例的优点在于：该至少一个接收电路中的每一个与该至少两个超声换能器中的每一个连接一次，从而有效地平均了由至少一个接收电路引起的任何计时误差。
在一实施例中，所述系统包括至少三个超声电路，并且其中所述至少三个超声换能器被连续地彼此先后放置，并且在两个连续地放置的超声换能器之间的物理距离基本相等。
上述意味着超声信号需通过两个连续放置的超声换能器之间的流体而传播的每个距离基本相同。例如，在流量测量系统包括三个超声换能器的情况下，第一和第二超声换能器之间的距离与第二和第三超声换能器之间的距离基本相同。
在一实施例中，所述流量测量系统包括三个超声换能器电路和两个接收电路。
在实际情况中，据悉应用三个超声换能器电路，并因此应用三个独立的换能器，提供了足够准确的流速结果。
在一实施例中，所述超声换能器电路中的每一个包括单个负载阻抗，相应的超声换能器通过所述单一负载阻抗被激励到所述发射阶段，并且相应的超声换能器通过述单一负载阻抗在接收阶段期间被读出。
发明人注意到，如果使用单个负载阻抗来激励超声换能器至其发射阶段，并且通过至少一个接收电路中的一个读出同一换能器，则可能是有益的。
在一实施例中，在每个所述至少两个换能器电路中的所述单个负载阻抗具有相同的值。
该实施例的优点在于进一步提高测量的准确度。也就是说，每个发射超声换能器的发射振幅和/或声波特性更均匀。此外，超声换能器的接收灵敏度以及接收器特性在处于其接收阶段时也变得更均匀(uniform)。
在一实施例中，所述至少两个超声换能器电路中的每一个包括电子开关，并且其中超声换能器通过短时间将其对应的负载阻抗连接到高电源电压而被激励到所述发射阶段，并且随后通过相应的电子开关连接到低电源电压。
根据本发明，为了将超声换能器激励到其发射阶段，超声换能器可以短时间连接到高电源电压，并且随后连接到低电源电压，这将导致向超声换能器的激励脉冲。
在激励脉冲之后，超声换能器被接地，并且持续一段自由振荡，自由振荡逐渐衰减到零。在自由振荡期间，超声换能器在该超声换能器同一负载阻抗上放电，如同处于接收阶段的情况下。
可以通过由微控制器及时控制的电子开关(例如FET(Field Effect Transistor，场效应晶体管))，来实现每次的将至少两个超声换能器连接到高电源电压和低电源电压。
在一实施例中，所述多个接收电路中的每一个包括运算放大器，例如基于运算放大器的缓冲器。
基于运算放大器的缓冲放大器的优点在于：这种放大器的输入电阻非常高，使得由换能器在其接受阶段中接收的超声换能器不受至少一个接收电路的影响。
在一个实施例中，所述至少三个超声换能器是压电换能器。
基于以上所述，该至少一个接收电路可以包括用于检测下降沿或后沿的斜率检测器或边缘检测器。每当超声换能器被激励时，它将以通过流管中的流体以声音的形式产生运动。随后，所产生的声音被其他超声换能器接收。在为三个超声换能器的情况下，可以遵循以下顺序：
1)激励第一超声换能器，以通过流体发射超声信号。这些信号分别由另外两个超声换能器接收，并分别通过两个接收电路读出。多路复用器确保第一接收电路连接到第二换能器，并且第二接收电路连接到第三换能器。
2)然后停用第一超声换能器，并激励第二超声换能器，以通过流体发射超声信号。另外两个超声换能器，即第一和第三换能器，将接收这些发射的超声信号。然后第一和第三换能器分别通过相同的两个接收电路读出。然而，在这种情况下，多路复用器确保第一接收电路连接到第三换能器，并且第二接收电路分别连接到第一换能器。
3)然后停用第二超声换能器，并且激励第三超声换能器，以通过流体发射超声信号。另外两个超声换能器，即第一和第二换能器，将接收这些发射的超声信号。然后，第一和第二换能器再次通过相同的两个接收电路分别读出。然而，在这种情况下，多路复用器确保第一接收电路连接到第一换能器，并且第二接收电路分别连接到第二换能器。
最后，上述三个步骤都可以再次执行。
在这种情况下，对于每个步骤，两个接收电路不同地连接到两个非发射的超声换能器。
因此，在第一步中：
-多路复用器确保第二接收电路连接到第二换能器，并且第一接收电路分别连接到第三换能器。
在第二步中：
-多路复用器确保第二接收电路连接到第三换能器，并且第一接收电路分别连接到第一换能器。
在第三步中：
-多路复用器确保第二接收电路连接到第一换能器，并且第一接收电路分别连接到第二换能器。
应当注意，关于本发明的第三方面的系统示例可以与关于本发明的第四方面的系统示例组合。
在第五方面，本发明提供了一种使用根据上述任一实施例的流量测量系统来测量流体流速的方法，所述方法包括以下步骤：
-交替地激励所述超声换能器中的一个；
-通过使用所述多路复用器电路将所述换能器的其余部分的每一个分别连接到所述至少一个接收电路中的不同的一个，来交替地将所述超声换能器的其余部分提供到所述接收阶段。
在一实施例中，所述将所述超声换能器之一交替地激励到所述发射阶段的步骤还包括：
-向具有所述超声换能器的所述至少两个超声换能器电路提供单独的控制信号，其中所述单独的控制信号被布置为交替地将所述至少两个超声换能器电路的所述超声换能器中的一个激活到所述发射相。
在又一实施例中，提供单独控制信号的所述步骤还包括以下步骤：
-由所述多路复用器电路交替地将所述单独的控制信号中的每一个分别连接到所述至少两个超声换能器电路中的不同的一个。
根据本发明的流量测量系统和/或方法所包括的不同方面的表达(即用词)不应被字面地理解。这些方面的用词仅仅是为了准确地表达该方面实际功能背后的基本原理。
根据本发明，可适用上述方法的示例的不同方面(包括其优点)对应于可适用根据本发明的流量测量系统的方面。
可以从以下参照附图的描述中将更好地理解本发明的上述和其它特征和优点。在附图中，相似的附图标记表示执行相同或可比较的功能或操作的相同的部分或部分。
本发明不限于以下公开的结合了特定类型的流量测量系统的特定示例。
附图说明
图1是用于确定通过流管的流体流速的电路拓扑的示例；
图2是包括三个超声换能器的流管的示例。
具体实施方式
图1公开了流量测量系统1的一部分，更具体地说是电子部件。图中未示出流管，其中流体流过该流管，并且通过该流管确定流体流速即流体速度。
在这个特定示例中，流量测量系统1包括三个超声换能器电路7、13和14，每个超声换能器电路包括单个超声换能器C1-8、C2-15和C3-16。
这些超声换能器C1-8、C2-15和C3-16在发射阶段被用于通过流体发射超声信号，并且被布置为在接收阶段接收发射的信号。
流量测量系统1还包括两个接收电路10和12，其中每个接收电路10和12被布置用于在其相应的接收阶段中读出三个超声换能器C1-8、C2-15和C3-16中的一个。
在本示例中，流量测量系统1包括多路复用器电路9，该多路复用器电路9用于选择性地将两个接收电路10和12中的每一个连接到三个超声换能器C1-8、C2-15和C3-16中的不同的一个。
这意味着接收电路10和12的每一个被唯一地耦合(即连接)到三个换能器C1-8、C2-15和C3-16中的一个。例如，在第一超声换能器C1-8被激励的情况下，即其发射超声信号时，另外两个超声换能器C2-15和C3-16可以处于接收阶段，即接收由第一换能器C1-8发射的超声信号。然后，多路复用器电路将第二换能器C2-15连接到第一接收电路10，并将第三换能器C3-16连接到第二接收电路12。
流量测量系统1还布置成交替地激励或激活三个换能器C1-8、C2-15和C3-16中的一个，以通过流体发射超声信号。因此，例如首先，第一换能器C1-8被激励以通过流体发送超声信号。然后，第一换能器C1-8被停用，并且第二换能器C2-15被激励以通过流体发射超声信号。最后，第二换能器C2被停用，并且第三换能器C3-16被激励以通过流体发射超声信号。该过程可以连续地重复，优选重复两次，从而总共激励换能器6次。
上述过程的优点在于，由三个超声换能器电路7、13和14以及由接收电路10和12引起的任何计时误差、误配、时延等被平均化。
因此，为了便于上述过程，本发明人发现两个接收电路10和12应当每次被连接到未被激励的换能器，以发送超声信号，即非发射的换能器将被置于接收阶段。本发明人找到了通过结合多路复用电路9的解决方案，其中该多路复用电路9被布置为分别将每个非发射的超声换能器唯一地连接到接收电路10和12中的一个。
其优点在于，由两个接收电路10和12引起的任何误差、误配和时延等被平均化了。
在本示例中，在三个超声换能器C1-8、C2-15和C3-16(例如压电换能器)中的每一个至少一次处于发射阶段的情况下，这样最高效，以使得上述均化效应最高效。
在本发明的优选实施例中，每个超声换能器C1-8、C2-15和C3-16被激励两次。多路复用器电路9将在超声换能器C1-8、C2-15和C3-16被第二次激励时起不同的作用。在第二次时，接收电路10和12被不同地连接到相应的接收换能器，即以不同的方式。
例如，当第一换能器C1-8被第一次激励时，多路复用器电路9将第一接收电路10连接到第二超声换能器C2-15，并将第二接收电路12连接到第三超声换能器C3-16。
当第一换能器C1-8被第二次激励时，多路复用器电路9将以不同的方式将接收电路10和12连接到第二和第三超声换能器C2-15和C3-16。多路复用器电路9将将第一接收电路10连接到第三超声换能器C3-16，并且将第二接收电路12连接到第二超声换能器C2-15。
这使得能够更精确地确定流过流管的流体流速。
根据本发明，流速可以包括流体流速、流体的质量流动速率和/或流体的体积流动速率。利用流量测量系统和/或根据本发明的方法可以准确地确定这些不同类型的流速中的每一个。
如图1所示，每个超声换能器电路7、13和14可以进一步包括多个部件，例如超声换能器C1-8、C2-15和C3-16，负载阻抗R1-6、R2-17、R3-18和场效应晶体管(FET)形式的电子开关，即Fet's1-5，Fet's2-19和Fet's3-20。
在超声换能器8的自由振荡阶段期间，也在相应的接收阶段期间，使用特定换能器电路(例如R1-6)的负载阻抗来将相应的超声换能器8激励到发射阶段。
Fet’s1-5、Fet’s2-19和Fet’s3-20中的每一个实际上类似于非门电路，其中对应的控制信号2、21和22确定负载阻抗R1-6、R2-17和R3-18被连接到高电源电压(即+V-ex-4)，或者低电源电压(例如地3)。控制信号2、21和22分别被提供给相应的Fet’s1-5、Fet's2-19和Fet's3-20。
为了将超声换能器C1-8、C2-15和C3-16激活至其发射阶段，需要对超声换能器C1-8、C2-15和C3-16进行激励。这通过将换能器C1-8、C2-15和C3-16经由其相应的负载阻抗R1-6、R2-17和R3-18短时间地连接到高电源电压+V-ex-4，并且随后连接到低电源电压(即接地3)而实现。
该激励使得换能器C1-8、C2-15和C3-16能够通过流体开始发射超声信号(即声音)，该信号可以被其他换能器(即非发射的超声换能器)拾取(即接收)。
以上所述的好处是每个换能器C1-8、C2-15和C3-16被激励，并且在相同的负载阻抗值下被读出。例如，第一换能器C1-8经由其相应的负载阻抗R1-6被激活，并且当换能器8通过其负载阻抗R1-6被去充电时(例如地面3)，也被接收电路10和12中的一个所读出。
为了将不同的超声换能器电路7、13和14相互调谐，负载阻抗R1-6、R2-17和R3-18可以具有相同的值。
如图1所示，接收电路10和12可以包括基于运算放大器的缓冲放大器11和23。这样的优点在于：这种放大器的输入阻抗很大(即达到兆欧或者乃至千兆欧)，使得接收电路10和12在其读出期间不会影响换能器C1-8、C2-15和C3-16的去充电。
控制信号2、21和22可以由现场可编程门阵列、FPGA或微处理器等设备提供，该设备用于控制时序，即换能器处于其发射阶段和接收阶段的时刻。
如前所述，根据本发明的方法适用于确定通过流管的流体的质量流动速率。这个原理在下文中更详细地解释。
首先，在换能器C1-8、C2-15或C3-16中的一个，例如第一换能器C1-8被激励，即其正在发送超声信号，而另外两个超声换能器C2-15和C3-16在接收阶段，即接收由第一换能器C1-8发射的超声信号。例如，多路复用器电路9将第二换能器C2-15连接到第一接收电路10，并将第三换能器C3-16至第二接收电路12。
第二换能器C2-15和第三换能器C3-16都被放置在相对于第一换能器C1-8的上游或下游。因此，在第二换能器C2-15和第三换能器C3-16处接收的超声信号的振幅的衰减或放大可以通过以下方式导出：
α＝A2/A3。
在此，α表示关于在第二换能器C2-15处接收的超声信号的振幅A2和在第三换能器C3-16处接收的超声信号的振幅A3的放大系数。
本发明人的见解是：超声信号的幅度降低主要取决于流体和流管之间的超声信号的传输，反之亦然。
涉及超声信号从固体到流体的转变的透射系数被定义为：
Tr＝2r/(r+1)，其中r＝Z2/Z1并且Z＝ρc。
在此，第一材料表示用于流管的材料(例如钢)，第二材料表示流体。符号“ρ”代表相应材料的密度，符号“c”代表超声信号通过相应材料的速度。
类似地，涉及从流体到固体的超声信号的转变的透射系数被定义为：
Trb＝2r/(r+1)，其中r＝Z2/Z1并且Z＝ρc。
由此，此处的第一材料是流体，第二材料是钢(即代表流管)。
在预先知道Scholte波的速度或者使用根据本发明的方法以确定的情况下，在已知换能器C1-8、C2-15和C3-16之间的距离的情况下，以及在已知所发射的超声信号频率的情况下，超声信号从固体转换为流体和/或从流体转换为固体的次数可以通过以下确定：
λ＝c/f；
n＝x/λ；
α＝n.Tr.Trb
在此，符号“λ”表示发射的超声信号的波长，符号“f”表示发射的超声信号的频率，符号“n”表示超声信号从固体转换为流体和/或从流体转换为固体的次数，符号“x”代表第二换能器C2-15与第三换能器C3-16之间的距离。
然后流体密度“ρ”的值可以通过以下方式迭代地确定。首先，假定流体是水。超声信号从水转换为钢的透射系数是已知的，即已知“Trb”约为1.94。由于剩余参数是已知的，或者可以通过根据本发明的方法来确定，因此可以确定密度“ρ”的值。然后，使用所确定的密度“ρ”的值再次确定“Trb”的值。例如重复一次或几次该过程，直到获得密度“ρ”的合理的恒定值。
基于流体的密度“ρ”和(确定的)流体流速，可以建立流体的质量流动速率。
图2以透视图的形式示出了用于在根据本发明的系统中的流速计101。流速计101包括用于流速待测量的介质的流管102。流管具有外护套103。流管设置有入口A和出口B。流管优选为沿纵向方向L延伸的细长的直管102。
在流管102的外护套103上设置有第一超声换能器111，该第一超声换能器111在所示实施例中是环形的，并且完整地围绕管102的圆周设置。第一振荡器111经由声导层121与流管102的外护套103声学接触。
在与第一超声换能器111纵向间隔开的位置处设置有第二超声换能器113，该第二超声换能器113通过声导层123与流管102的外护套103接触。
在与第二超声换能器113纵向间隔开的位置处设置第三超声换能器112，该第三超声换能器112同样与流管102的外护套103接触，在这种情况下经由声导层122。
第一超声换能器111、第二超声换能器113和第三超声换能器112可以被配置为压电元件。压电元件在这种情况下可以包括压电膜。进一步可以设想，接收元件是PZT元件，包括PVDF材料或者是陶瓷晶体。
根据本发明，三个换能器111、113和112按照一定的顺序分别被激励，而未被激励的换能器通过相应的接收电路被读出。表1提供了三个换能器111、113和112被激励的顺序和三个换能器111、113和112中的一个或多个被连接到接收电路的示例。
| 被激励的换能器 | 接收电路一 | 接收电路二 |
| 第一换能器111 | 第二换能器113 | 第三换能器112 |
| 第一换能器111 | 第三换能器112 | 第二换能器113 |
| 第二换能器113 | 第一换能器111 | 第三换能器112 |
| 第二换能器113 | 第三换能器112 | 第一换能器111 |
| 第三换能器112 | 第二换能器113 | 第一换能器111 |
| 第三换能器112 | 第一换能器111 | 第二换能器113 |
表1
因此，上表示出换能器被激励的顺序(第一列)，该换能器连接到第一接收电路(第二列)并且一个或多个换能器连接到第二接收电路(第三列)。
本领域技术人员将会理解，本发明已经在前面参照本发明的优选实施例进行了解释。但是本发明不限于这些实施例。
据此可以想到，例如提供附加的超声换能器电路和/或接收电路。
因此，在本发明的框架内可以想到各种修改。所寻求的保护范围由所附权利要求确定。
Claims (18)
1.一种用于确定流量测量系统的流管中的流体流速的方法，所述系统包括至少三个超声换能器电路，其中每个电路包括一超声换能器，所述超声换能器被布置为用于在发射阶段通过所述流体发送超声信号，以及用于在接收阶段接收来自所述至少三个超声换能器中的又一超声换能器发射的信号，所述方法包括以下步骤：
a1)在所述发射阶段中，激励所述至少三个换能器中的第一个换能器，以发射所述超声信号，并且在它们的接收阶段中，读出所述至少三个换能器中的至少两个非发射的换能器，以及确定所述至少两个非发射的换能器的两个读数之间的第一时间差，
b)至少基于所确定的差来确定所述超声信号通过所述流体的速度，以消除所述至少三个换能器中的所述第一个换能器的发射延迟，
c)基于所读出的所述至少三个换能器中的至少两个非发射的换能器，确定接收的超声信号的振幅衰减；
d)确定介质转换的透射系数，其中所述介质转换发生在所述至少两个非发射的换能器之间的所发射的超声信号，包括基于所述至少三个换能器中的所读出的至少两个非发射的换能器之间的时间差来确定Scholte波的速度，并且其中确定透射系数的步骤基于所确定的幅度衰减；
e)基于所确定的衰减和所确定的透射系数来确定所述流体的质量密度，以确定所述流体的质量流动速率；
f)基于所确定的Scholte波的速度来确定用于在所述至少两个非发射的换能器之间的所述超声信号的介质转换的数量，并且其中基于所确定的介质转换的数量进一步确定所述质量密度。
2.根据权利要求1所述的用于确定流速的方法，所述方法还包括以下步骤：
a2)在所述发射阶段中，激励所述至少三个换能器中的第二个换能器，以发射超声信号，并且在它们的接收阶段中，读出所述至少三个换能器中的至少两个非发射的换能器，以及确定所述至少两个非发射的换能器的两个读数之间的第二时间差；
并且其中所述步骤b)还包括：
至少基于所确定的第一时间差和所述第二时间差来确定所述超声信号通过所述流体的速度。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的用于确定流速的方法，所述方法还包括以下步骤：
a3)在所述发射阶段中，激励所述至少三个换能器中的第三个换能器，以发射超声信号，并且在它们的接收阶段中，读出所述至少三个换能器中的至少两个非发射的换能器。
4.根据权利要求3所述的用于确定流速的方法，还包括步骤：
a4)在所述发射阶段中，交替地激励所述至少三个换能器的其余换能器，以发射超声信号，并且在它们的接收阶段中，对于每个交替激励的换能器，读出所述至少三个换能器中的至少两个非发射的换能器。
5.根据权利要求1所述的用于确定流速的方法，其中所述介质转换包括所述超声信号从所述流管到所述流体以及从所述流体到所述流管的转换。
6.一种流量测量系统，包括用于流速待测流体的流管，所述系统包括至少三个超声换能器电路，其中每个电路包括超声换能器，所述超声换能器被设置用于在发射阶段中通过所述流体发送超声信号，并且用于在接收阶段接收来自所述至少三个超声换能器中的另一个的被发射的信号，所述系统被布置为：
a1)在所述发射阶段中，激励所述至少三个换能器中的第一个换能器，以发射超声信号，并且在它们的接收阶段中读出所述至少三个换能器中的至少两个非发射的换能器，以及确定所述至少两个非发射的换能器的两个读数之间的第一时间差，
b)至少基于所确定的差来确定所述超声信号通过所述流体的速度，以消除所述至少三个换能器中的所述第一个换能器的发射延迟，
其中所述系统进一步配置为：
c)基于所读出的所述至少三个换能器中的至少两个非发射的换能器，确定接收的超声信号的振幅衰减；
d)确定介质转换的透射系数，其中所述介质转换发生在所述至少两个非发射的换能器之间的所发射的超声信号，包括基于所述至少三个换能器中的所读出的至少两个非发射的换能器之间的时间差来确定Scholte波的速度，并且其中确定透射系数的步骤基于所确定的幅度衰减；
e)基于所确定的衰减和所确定的透射系数来确定所述流体的质量密度，以确定所述流体的质量流动速率；
f)基于所确定的Scholte波的速度来确定用于在所述至少两个非发射的换能器之间的所述超声信号的介质转换的数量，并且其中基于所确定的介质转换的数量进一步确定所述质量密度。
7.根据权利要求6所述的流量测量系统，其中所述系统还被布置为：
a2)在所述发射阶段中，激励所述至少三个换能器中的第二个换能器，以发射超声信号，并且在它们的接收阶段中，读出所述至少三个换能器中的至少两个非发射的换能器，以及确定所述至少两个非发射的换能器的两个读数之间的第二时间差；
并且其中所述系统进一步被布置为：
b)至少基于所确定的第一时间差和所述第二时间差来确定所述超声信号通过所述流体的速度。
8.根据权利要求7所述的流量测量系统，所述系统还被布置为：
a3)在所述发射阶段中，激励所述至少三个换能器中的第三个换能器，以发射超声信号，并且在它们的接收阶段中，读出所述至少三个换能器中的至少两个非发射的换能器。
9.根据权利要求6-8任一项所述的流量测量系统，其包括用于流体的流管，所述流体的流速待测，其中所述系统包括：
-至少三个超声换能器电路，其中每个电路包括超声换能器，所述超声换能器布置成在发射阶段中通过所述流体发射超声信号，并且用于在接收阶段接收来自所述至少两个超声换能器中的另一个的发射信号，
-至少一个接收电路，其中每个接收电路被布置用于在其相应的接收阶段中读出所述至少两个超声换能器中的一个，以及
-多路复用器电路，被布置为选择性地将所述至少一个接收电路连接在所述至少两个超声换能器之间。
10.根据权利要求9所述的流量测量系统，其中所述至少两个换能器被布置为交替地发送所述超声信号，并且其中所述多路复用器电路被布置为交替地将所述至少一个接收电路中的每一个连接到所述非发射的超声换能器。
11.根据权利要求10所述的流量测量系统，其中，将多个接收电路中的每一个分别连接到所述非发射超声换能器中的一个的交替次序是交替发射所述超声信号的所述至少两个超声换能器的相同交替次序。
12.根据权利要求11所述的流量测量系统，其中所述系统包括至少三个超声换能器电路，并且其中所述至少三个超声换能器彼此相继放置，并且其中两个连续放置的超声换能器之间的物理距离基本相等。
13.根据权利要求12所述的流量测量系统，其中所述流量测量系统包括三个超声换能器电路和两个接收电路。
14.根据权利要求13所述的流量测量系统，其中，所述超声换能器电路中的每一个包括单一负载阻抗，相应的超声换能器通过所述单一负载阻抗被激励到所述发射阶段，并且相应的超声换能器通过所述单一负载阻抗在接收阶段期间被读出。
15.根据权利要求14所述的流量测量系统，其中，所述至少两个超声换能器电路中的每一个包括电子开关，并且其中超声换能器通过短时间将其对应的负载阻抗连接到高电源电压而被激励到所述发射阶段，并且随后通过相应的电子开关连接到低电源电压。
16.根据权利要求15所述的流量测量系统，其中，所述至少两个换能器电路系统的每一个的所述单一负载阻抗具有相同的值。
17.根据权利要求16所述的流量测量系统，其中，所述多个接收电路中的每一个包括运算放大器。
18.根据权利要求17所述的流量测量系统，其中，所述至少两个换能器是压电换能器。
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