CN109870203B

CN109870203B - 确定流动介质中超声信号飞行时间的方法以及超声流量计

Info

Publication number: CN109870203B
Application number: CN201811461966.XA
Authority: CN
Inventors: M·韦策尔; U·高格勒
Original assignee: Diehl Metering GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2023-03-07
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: US20190170549A1; US11821767B2; DK3492878T3; CN109870203A; EP3492878B1; DE102017011861A1; PL3492878T3; DE102017011861B4; EP3492878A1

Abstract

本公开涉及确定流动介质中超声信号飞行时间的方法以及超声流量计。本发明涉及一种用于确定流动介质中的超声信号的飞行时间的方法，其中飞行时间优选地是绝对飞行时间，其中由超声发射器(5a)生成设有标记(12)的超声信号(11a)，超声信号(11a)通过流动介质被发送到超声接收器(5b)，并且使用标记(12)的位置以便确定超声信号(11b)的飞行时间，其中，为了确定标记(12)的位置，测量接收信号(11b)的至少一个选定周期的周期持续时间。本发明还涉及一种能够根据该方法操作的超声流量计。

Description

确定流动介质中超声信号飞行时间的方法以及超声流量计

技术领域

本发明涉及一种用于确定流动介质中超声信号的飞行时间的方法，具有权利要求1的前序部分的特征。本发明还涉及一种根据权利要求15的前序部分的超声流量计。

背景技术

为了测量流动介质的流量，在一种超声流量计中测量声波或超声波的飞行时间。飞行时间或者作为绝对飞行时间或者作为与参考飞行时间的差来测量。

在最简单的情况下，在飞行时间方法中，通过测量发射信号与接收信号之间超声波的相移来确定超声波的飞行时间。在这种情况下，相对于介质的流向，第一信号以与第二信号相反的方向通过介质发送。但是，在这种情况下，由于相位角的周期性重复，可测量的飞行时间差受到限制。因此，不可能测量大于所使用的信号频率的周期持续时间的飞行时间差。因此在这种情况下存在不应越过的限制，以防止在信号中不再能够解决的模糊性。在流量大的情况下，这会导致问题。此外，不能以这种方式测量超声波的绝对飞行时间。此外，超声信号在流体中的飞行时间取决于流体的温度。因此可能需要记录流体温度，例如借助于温度传感器，并将其包括在对流量的确定中。

对于绝对飞行时间测量，通常使用所谓的水平和包络曲线方法。但是，为了以这种方式获得可靠的测量，需要非常复杂的实现。为此，通常通过使用所谓的ASIC(专用集成电路)来执行实现。

最近的现有技术

从DE 198 18 053 A1已知一种根据权利要求1的前序部分的确定超声信号在流动介质中的绝对飞行时间的方法。使用超声信号中的标记以便检测信号前沿的实际到达时间。标记是相变标记，通过检测相位变化来将其记录在接收信号中。

从DE 20 2011 005 427 U1中已知另一种用于确定流动介质中超声信号的绝对飞行时间的方法。在这种情况下，超声信号中没有嵌入标记。对于所发射和接收的超声信号之间的绝对时间分配，接收到的接收波列的第一波的脉冲宽度被记录在预定的阈值，该阈值不等于过零点。

发明内容

本发明的目的

本发明的目的是提供一种新颖的方法和超声流量计，其中改进了超声信号的绝对飞行时间确定，同时减少了测量费用。

目的的解决方案

这个目的在通过权利要求1的特征的一种方法中实现并且在通过权利要求15的特征的一种超声流量计中实现。在从属权利要求中阐述本发明的方便配置。

根据本发明，为了确定流动介质中超声信号的飞行时间(优选地是绝对飞行时间)，提供设有标记的超声信号，标记由超声发射器生成。随后，超声信号通过流动介质发送到超声接收器，其中通过测量接收信号的至少一个选定周期的周期持续时间以确定标记的位置，来使用标记的位置以便确定超声信号的飞行时间。将标记嵌入超声信号中可导致周期持续时间的差异。如果在测量接收信号时对周期持续时间的差异进行登记，则可以由此推断出标记的位置。例如，可以知道标记嵌入超声信号的时刻。基于这个时刻，可以测量直到在接收信号中登记标记的时间。由此实现的效果是该方法可以用较少的技术费用来执行。超声发射器或接收器可以分别与流动介质接触，优选地直接位于介质中。对于所描述的方法，有利地，不需要专用微控制器来生成所需的发射信号。因此可以使用简单生成的发射信号，这使得没有特殊的外围设备，例如数控振荡器。

方便地，为了接收接收信号，打开其位置已知的接收窗口。可以根据接收信号的所选择周期的位置来建立接收窗口的位置。因此，标记的位置的确定可以有利地包括确定所选择周期相对于接收窗口位置的位置。因此，接收窗口的位置可以例如被调整，例如以便确保接收信号在大的测量范围内位于接收窗口中。此外，例如，可以调整时间范围，使得标记或所选择周期可以完全位于接收窗口中。因此，接收窗口包括至少两个全波周期会是有利的。优选地，接收窗口可以包括两到三个全波周期，其优点是确保标记的检测或完整的所选择周期的检测，但同时能量消耗受到限制。

有利地，可以借助于多个超声信号生成多个接收信号，使得可以移位接收窗口的位置直到至少一个接收信号的标记位于接收窗口内。这提供了以下优点：可以以直接的方式优化接收窗口的位置，使得这同时伴随着信号优化。

通过根据接收信号的质量进一步移位接收窗口，获得了进一步优化信号的优点。因此，在附加的移位之后，标记仍然可以位于接收窗口内。这可以相对于已经找到的标记移动接收窗口。例如，因此接收窗口可以与接收信号中的大的振幅对准，从而使标记位于例如接收窗口的边缘。此外，标记可以在附加移位之后位于接收窗口之外。在这种情况下，接收窗口相对于标记的相对位置方便地总是已知的。但是，因此可以有利地进行接收窗口的最佳对准。例如，在接收信号中可以进行具有大的振幅的对准，而没有标记必须位于接收窗口内的限制。

在本发明的一个改进方案中，可以作为进一步的方法步骤提供由超声发射器生成不设有标记的第二超声信号，随后该第二超声信号通过流动介质被发送到超声接收器并在超声接收器处被检测，标记的位置是根据有标记的第一超声信号的所选周期的周期持续时间与没有标记的第二超声信号的周期持续时间的比较来确定的。有利地，第一与第二接收信号的周期持续时间的差异可以显著大于系统相关的测量噪声，从而减少用于检测标记的费用。在这种情况下，第一和第二超声信号的时间顺序可能并不重要，即，对于该方法，首先发射有标记还是没有标记的信号可以是无关紧要的。此外，可以避免对附加硬件费用的需要，这使得该方法是经济的。因此，可以使用已经安装的设备硬件，例如超声流量计。此外，该方法还可以与已经存在于这种设备中的测量电路组合，例如用于超声信号的飞行时间测量。例如，可以通过PIC微控制器中存在的逻辑单元来执行测量电路的切换。此外，这种电路还可以用外部门器件制造。

特别方便的是，第一和第二超声信号具有相同的频率。因此，可以促进标记的识别，因为简化了接收信号中等效点的比较。对于在将标记嵌入第一超声信号之前的所有接收周期，第一和第二超声信号的周期持续时间可以有利地完全相同。

通过使用有标记与没有标记的检测的超声信号之间的差异用于发射的超声信号到接收的超声信号的时间分配，获得了附加的优点，即，可以更高效和更可靠地确定绝对飞行时间。一旦第一与第二超声信号的等效周期的周期持续时间彼此不同，这就可以归因于嵌入的标记。所需的测量次数显著减少，同时降低了能耗。

有利地，有标记和没有标记的超声信号可以相对于流动介质的流动方向在相同方向上发射。与飞行时间差的测量相反，对于绝对飞行时间的测量，不必在相反的方向上通过流动介质发送超声信号。因此有利地可以实现不会对可测量的飞行时间进行限制的效果。与此相反，在相对于流动方向在相反方向上向前和向后测量的情况下，对可以评估的飞行时间差存在绝对限制。绝对限制的结果是由于信号中的模糊性不再能够解决，并且不再允许正确的测量。但是，为了使关于错误检测的绝对飞行时间的测量更加鲁棒，仍然可以通过再次在相反的方向上发射两个超声信号来重复有标记和没有标记的两个超声信号的整个测量处理。

超声信号有利地包括多个周期(波周期)。因此可以选择至少一个周期并确定其周期持续时间。例如，可以限定瞬态阶段，其中例如振幅尚未达到其最大值。对于周期持续时间的测量，相应地可以在瞬态阶段之后等待片刻。因此可以更可靠地确定标记，因为标记的位置通过周期持续时间的改变更清楚地可识别。

通过在第N个周期之后设置标记，有标记和没有标记的信号的测得的周期持续时间可以直到第N个周期都完全相同。从第N+1个周期开始，有标记和没有标记的信号的周期持续时间彼此不同。

方便地，接收到的波周期的位置由第N个与第N+1个周期之间的周期持续时间的差异确定。有利地，在用于该方法的超声换能器的情况下，周期持续时间的差异可以明显高于系统相关的测量噪声，这允许唯一地确定从第N个周期到第N+1个周期的转变。

通过最初确定接收窗口的可能位置，并且针对接收窗口的多个可能位置重复该方法，可以更高效地执行对超声信号的绝对飞行时间的确定。对于初始位置确定，可以方便地确定接收窗口的技术上可能的位置。为此，例如，可以考虑物理参数(例如流动介质的最小和/或最大温度和/或一致性，和/或超声发射器与超声接收器之间的测量区段长度)。此外，如果测量系统中存在温度传感器，那么还可以通过考虑温度传感器的测量容差来进一步限制可能的搜索范围。这个方法步骤可以包括多个单独的测量，因为可以对于确定接收窗口的多个可能位置处的绝对飞行时间重复该方法。此外，周期持续时间可强烈地取决于用于该方法的超声换能器的换能器特点。此外，周期持续时间还可例如由于温度和/或压力的变化而改变。接收窗口的初始位置确定还提供了考虑流动介质的变化的参数以及在设备中(特别是在超声流量计中)自主地校准预期周期持续时间的可能性。

在该方法的另一种配置中，标记可以包括超声信号的相变。相变可以例如包括发射信号的相位的反转，或者例如相位跳变。例如，可以将位置处的相位超前或相位滞后嵌入超声信号中。

有利地，可以测量特征周期持续时间以验证接收窗口的位置。可以区分周期的特征周期持续时间，因为周期持续时间尽可能唯一并且还与相邻周期不同。如果测得的周期持续时间与预期的或先前测得的周期持续时间仅略有差异，那么仍可以假设接收窗口的正确定位。因此，对于完全重新确定接收窗口的需要，可以以直接的方式来决定，以避免不必要的时间和能量消耗。

有利地，可以借助于单次测量来测量接收到的超声信号的周期的周期持续时间，使得流噪声对测量值没有影响。这具有以下优点：测量的噪声显著较低，为此可以基本上更准确地确定飞行时间。此外，因此可以减少所需的测量次数，从而可以降低能量消耗。

声速在介质(特别是水)中具有高的温度依赖性。通过测量超声信号的绝对飞行时间，获得可以避免附加的温度测量值的优点。因此，在其中执行该方法的超声流量计中，可以避免使用温度传感器，这可以减少技术费用和成本。

同样，本发明还阐述了一种超声流量计。根据本发明的超声流量计可以根据方法权利要求中的至少一个来操作。因此，超声流量计可以方便地包括具有入口和出口的壳体。此外，超声流量计包括至少一个(优选地是两个)超声换能器会是特别方便的。换能器可以与介质接触，优选地直接位于介质中。为了在流动介质内建立测量区段的位置，可以在流动介质内部布置反射器。在这种情况下，测量区段相对于流动介质的流动方向的朝向可以根据该方法的配置来选择。

附图说明

下面借助于附图更详细地解释本发明的方便配置，其中：

图1示出了根据一种超声流量计的高度简化的表示；

图2A-C示出了确定接收窗口的示例性表示；

图3A-D示出了有标记和没有标记的可能的激励信号的示例性表示；

图4示出了有标记和没有标记的信号之间的周期持续时间的比较的示例性表示。

具体实施方式

图1示出了根据一种超声流量计1。壳体2具有入口3和出口4。流动介质的流动方向由入口3和出口4处的箭头示出。介质例如以流速v_F流动。超声流量计1的测量仪器例如用两个超声换能器5a和5b表示。超声换能器5a和5b与流动介质接触。超声信号10a和11a的路径分别在反射器6a和6b处偏转，例如偏转到U形测量区段7。测量区段7的一部分平行于流动介质的流动方向延伸。有标记12的超声信号11a和没有标记的超声信号10a二者可以相对于流动介质的流动方向在相同的方向发射，即，由相同的超声换能器5a或5b发射。

确定接收窗口14的起始位置15的示例在图2A-C中表示。对于初始位置确定，该方法需要多个单独的测量。为此，首先确定接收窗口14的技术上可能的位置15。例如，在这种情况下考虑物理参数，例如介质温度和/或测量区段长度。随后，对于接收窗口14的多个可能位置15，分别在相对于流动介质的流动方向相同的方向上执行两次相继的测量。两个相继子测量中的第一个使用没有标记的信号10a。对于第二子测量，使用频率与第一子测量相同的信号11a。但是，第二子测量的信号11a设有标记12。在这种情况下，标记12可以包括超声信号11a的相变。因此，例如，发射信号11a的相位可以在特定的第N个发射周期(例如第6个周期)之后反转。在这种情况下，两个超声信号10a和11a包括多个周期。

图2A通过示例示出了两个相继测量的第一次序。为此，首先发射没有标记的第一信号10a。对于从一个超声换能器5a到另一个超声换能器5b的距离，超声信号10a需要时间t_S。该时间t_S尤其取决于介质温度和/或介质一致性和/或测量区段7的长度。因此，没有标记的第一信号10a可以在时间t_S之后在第二超声换能器5b处作为接收信号10b被接收，只要接收窗口14也相应地打开即可。在没有标记的第一信号10a之后，发射有标记12的第二信号11a。这同样可以在时间t_S之后作为有标记12的接收信号11b被接收。对于图2A中有标记12的第二信号11b的标记12，接收窗口14定位得太晚，使得标记12不落入接收窗口14内。接收窗口14的时间长度可以方便地长于接收信号10b、11b的周期持续时间。否则，周期的一部分可能会被截断。为了确保接收信号10b、11b的整个周期落入接收窗口14内，接收窗口14可以有利地具有两个周期持续时间的宽度。例如，接收窗口14可以打开2μs。有标记和没有标记的发射和接收信号10a、11a、10b、11b从开始到标记12的位置是完全相同的。第一信号10a与第二信号11a的发射之间的时间差可以方便地以这样的方式选择：能够区分接收信号10b与11b。因此，例如，只有在针对第一信号10b的接收窗口14已经关闭时才能发射第二信号11a。

接收窗口14的位置15被移位，直到到达表示周期持续时间的特征改变的标记12。图2B中的接收窗口14的初始位置15相对于超声信号10a和11a的发射时刻在较早的时刻。超声信号从一个超声换能器5a到另一个超声换能器5b所花的时间t_S在这个示例中未改变，因为例如体积流和/或温度没有发生改变。但是，在这个示例中，接收窗口14的位置15相对于标记12的位置选择得太早。虽然例如设有标记12的周期的一部分可以落在接收窗口14内，但是不能由此执行对标记12的位置的唯一确定，或者在确定飞行时间时可能发生错误。

例如，为了改善接收窗口14相对于标记12的位置15，接收窗14的位置15被优化，使得标记12位于中间，或者相对于接收窗口14的时间范围尽可能居中。方便地，标记12的整个周期位于接收窗口14内。这一优化可以例如通过接收窗口14关于标记12的假定位置的迭代移位来完成。图2C示出了接收窗口14的对应优化位置15。因此，接收窗口14的最佳位置可以借助于各个测量来确定。有利地，可以比较有标记和没有标记的接收信号10b、11b的对应接收窗口14中的信号，以便简化对标记12的检测。一旦标记12(以及因此接收窗口14)相对于有标记和没有标记的发射和接收信号10a、10b、11a、11b的位置15是已知的，就可以将接收窗口14移位到另一个位置。因此，有标记和/或没有标记的接收信号10b、11b内的任何期望位置(其不同于标记12的位置)可以用于确定飞行时间，并且因此用于确定流动介质的流量测量。例如，接收窗口14可以从标记12的位置移位两个周期。因此可以在用于检测标记12的位置和用于流量测量的位置之间以直接的方式切换。为了在流量测量期间验证接收窗口14的位置15，有利地可以切换到标记12的已知的、已确定的位置并且将标记12的周期测量为特征周期持续时间。如果特征周期持续时间与标记12的已确定的周期持续时间对应，那么不必对接收窗口14的位置15进行新的确定。

在图3A-D中示出了激励信号的可能的示例性表示，利用该激励信号操作超声换能器5a或5b以便分别生成没有标记和有标记的超声信号10a和11a。超声换能器5a或5b的不设置标记的激励的示例性表示在图3A中示出。在这种情况下，激励是借助于方波信号来执行的。y轴以任意单位示出了激励振幅。对应的周期按时间顺序在x轴上输入。

图3B至3D示出了有标记12的激励信号，每个标记具有示例性扰动。所发射的超声信号11a中的标记12例如由激励信号中的这些扰动限定。以这样的方式选择扰动：例如，在第6个发射周期之后发生发射信号11a的相位的反转。例如，图3B中的扰动是第6个周期的延长激励和第7个周期的激励的延迟。在图3C中，扰动被配置为第6个周期的缩短激励。在第6个周期之后，发射信号11a的相位被反转。在图3D中，扰动使得第6个周期的激励信号被延迟。在这种情况下，从第7个周期开始，发射信号11a的相位也被反转。

图4通过示例的方式表示有标记的接收信号11b与没有标记的接收信号10b之间的周期持续时间的比较。每个点表示相应信号11b或10b中特定周期的周期持续时间。为了确定绝对飞行时间，使用有标记的第一信号11b和具有相同频率而没有标记的第二信号10b。周期持续时间可经历变化，变化由例如温度影响和/或瞬变过程引起。为了比较两个信号11b与10b，例如在等效点处确定周期持续时间。例如，在这种情况下，周期持续时间的测量可以在接收信号11b或10b的正前沿上执行。举例来说，在图4中，已经在第6个发射周期之后设置标记12。分别有标记和没有标记的接收信号11b和10b的测量周期持续时间对于接收周期1至6是完全相同的。从第7个周期开始，接收信号11b和10b的测量周期持续时间不同。因此，可以根据接收窗14的位置15确定第6或第7接收周期的位置(参见图2A-2C)。如果从第6到第7接收周期的转变位置按时间顺序位于接收窗14的开始处，那么接收窗14在后续测量期间更早时间打开，以便使接收信号11b和10b在接收窗口中居中。以与此类似的方式，如果从第6到第7接收周期的转变的位置按时间顺序位于接收窗口14的末尾，那么接收窗14在后续测量中更晚时间打开。因此，可以通过确定标记12来确定超声信号11b和10b的绝对飞行时间。

标号列表

1 超声流量计

2 壳体

3 入口

4 出口

5a，5b 超声换能器

6a，6b 反射器

7 测量区段

10a 没有标记的发射信号

10b 没有标记的接收信号

11a 有标记的发射信号

11b 有标记的接收信号

12 标记

14 接收窗口

15 接收窗口的位置

Claims

1.一种用于确定流动介质中的超声信号的飞行时间的方法，其中，

由超声发射器(5a)生成设有标记(12)的超声信号(11a)，其中超声信号(11a)具有多个波周期，

通过流动介质将超声信号(11a)发送到超声接收器(5b)，以及

使用标记(12)的位置来确定超声信号(11b)的飞行时间，其特征在于，

打开接收窗口(14)以接收接收信号(11b)，

在已知时刻将标记(12)嵌入到超声信号(11a)中，

测量接收信号(11b)的至少一个选定波周期的波周期持续时间并且使用所测量的波周期来确定标记的位置，

根据接收信号(11b)的所述至少一个选定波周期的位置来确定接收窗口(14)的位置，

其中，基于嵌入标记(12)的时刻来测量直到在接收信号(11b)中登记标记(12)的时间。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于多个超声信号(11)生成多个接收信号(11b)，并且将接收窗口(14)的位置移位，直到至少一个接收信号(11b)的标记(12)位于接收窗口(14)内。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据接收信号(11b)的质量附加地执行接收窗口(14)的移位。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

由超声发射器(5a)生成没有标记的第二超声信号(10a)，

通过流动介质将第二超声信号(10a)发送到超声接收器(5b)并在超声接收器(5b)处检测第二超声信号(10a)，以及

根据有标记的第一超声信号(11b)的选定波周期的波周期持续时间与没有标记的第二超声信号(10b)的选定波周期的波周期持续时间的比较来确定标记(12)的位置。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，有标记的超声信号(11a，11b)和没有标记的超声信号(10a，10b)具有相同的频率。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，使用检测到的有标记(12)与没有标记(12)的超声信号(11b，10b)之间的差异来分配发射的超声信号(10a，11a)到接收的超声信号(10b，11b)。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，有标记和没有标记的超声信号(11a，10a)相对于流动介质的流动方向在相同方向上发射。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，超声信号(10a，10b，11a，11b)包括多个波周期。

9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在第N个波周期之后设置标记(12)。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过第N个和第N+1个波周期之间的波周期持续时间的差异来确定接收到的波周期的位置。

11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定接收窗口(14)的可能的位置(15)，并且对于接收窗口(15)的多个可能的位置(15)重复该方法。

12.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，标记(12)包括超声信号(11a，11b)的相变。

13.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，测量特征波周期持续时间以验证接收窗口(14)的位置(15)。

14.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于单次测量来测量接收到的超声信号(10b，11b)的波周期的波周期持续时间。

15.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定超声信号(10b，11b)的绝对飞行时间。

16.一种超声流量计，其特征在于，其能够根据权利要求1-15中一项的方法来操作。