CN110118583A - 超声波流量测量装置和用于确定流速的方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及超声波流量测量装置和用于确定流速的方法。提出了具有用于确定在管道(12)中流动的流体的流速的多个超声波换能器(16a‑16e)的超声波流量测量装置(10)，该超声波流量测量装置具有多个测量路径(18a‑18d)和评估单元，在这些测量路径上，这些超声波换能器(16a‑16e)中每两个彼此相对地布置，其中在这两个超声波换能器之间有流动且在管道(12)的纵向方向上彼此有轴向间距(Δx)，该评估单元被构造用于根据超声波信号在顺流方向上和逆流方向上沿着相应的测量路径(18a‑18d)的飞行时间差来计算出流速。在此，测量路径(18a‑18d)具有不同的轴向偏移(Δx)。

Description

超声波流量测量装置和用于确定流速的方法

本发明涉及超声波流量测量装置和用于确定在管道中流动的流体的流速的方法。

一种经过验证的用于测量流速或流量的方法是传播时间差法。在该传播时间差法中，一对超声波换能器在纵向方向上相互偏移地安装在管道的外圆周上，它们横向于流动沿着在超声波换能器之间跨越的测量路径相互发送和记录超声波信号。穿过流体输送的超声波信号根据运行方向被流动来加速或减速。得到的飞行时间差借助几何变量计算出流体的平均流速。借助横截面积从中得出体积流量或流量。为了更精确地进行测量，也可以将多个测量路径设置成各自具有一对超声波换能器，以便更精确地获取流动横截面。

用于产生超声波所使用的超声波换能器具有振荡体，其通常是陶瓷。借助该振荡体，例如基于压电效应将电信号转换成超声波，反之亦然。根据用途，超声波换能器用作声源、声音探测器或两者兼而有之。在此，必须确保流体和超声波换能器之间的耦合。常见的解决方案是让超声波换能器伸入到管道中与流体直接接触。这种侵入式探头可能会由于流动的干扰而给精确测量造成困难。反之，浸入式超声波换能器暴露于流体及其压力和温度下，因此可能会损坏或由于沉积物而失去其功能。

原则上也已知内壁完全保持闭合的技术。示例是诸如根据US 4 467 659的所谓的夹合式(Clamp-On)安装，通过该夹合式安装将超声波换能器从外部固定在管道上。但是，通过这种方式，只有直径的测量路径可以通过管轴来实现，由此，在流动轮廓非轴对称的情况下会产生额外的误差。

EP 1 378 272 B1提出将产生超声波的元件安装在壁的外侧。与夹合式技术不同，在这种情况下可以说是将超声波换能器集成在壁中。在超声波换能器区域中形成具有比其余壁的壁厚小得多的凹进部，并且其余的壁厚构成超声波换能器的薄膜(Membran)。也称之为压紧式(Clamp-In)的安装，在一定程度上是管道内部空间中的固定式安装和夹合式安装的中间形式。

除了流体声之外，超声波换能器还总是产生通过管道壁传输的固体声或结构声。结构声是一种干扰变量，因为它不受流体及其流动的影响，因此不包含所期望的测量信息，并且在时间上叠加在测量信号上。在侵入式探头中，结构声可以通过构造上的阻尼结构来最小化，这些阻尼结构在声学上将超声波换能器与管道解耦。这在超声波信号通过管壁传输或者甚至有针对性地激发管壁的一部分的夹合式安装或压紧式安装中不再可能。由于结构声和流体声的频率一致，因此结构声也不能通过经典的滤波算法与流体声分离。

DE 20 2013 105 800 U1公开了具有压紧式安装的超声波换能器的超声波测量装置。为了抑制结构声的传播，在管壁中设置了具有例如焊缝形式的散射中心的阻尼范围。然而，通过这种方式，由于结构噪声引起的干扰效应最多可以减少一点，原则上问题仍然存在。

因此，本发明的任务在于改进超声波流量计的测量精度。

该任务通过用于确定在管道中流动的流体的流速的超声波流量测量装置和方法得以解决。原则上，超声波流量测量装置是多路径计数器，并且因此在多个测量路径上以传播时间差法进行测量，这些测量路径分别被两个超声波换能器跨越。测量路径的超声波换能器布置在直径相对或径向偏移相对的管道壁上，使得测量路径延伸穿过流体。此外，超声波换能器以轴向间距(即，在管道的纵向方向上)彼此偏移，使得测量路径的分布具有顺流分量和逆流分量。流速根据沿多个测量路径的飞行时间差进行计算。

现在，本发明基于这一基本思想，即不像往常使用多路径计数器一样将多个路径置于相同的横截面中，而是给它们提供不同的轴向偏移。传统的多路径计数器试图通过多次采样在多个位置处的相同横截面来更精确地测量非均匀流动。根据本发明，这涉及提供测量路径，其中流体声和结构声的传播路径的比变化，并且对于这些测量路径来说流动行为尽可能相同。这为在评估中补偿结构声的影响创造了先决条件。这种变化通过轴向间距得以实现。

本发明的优点在于可以进行更精确的测量。通过超声波换能器和测量路径的特殊布置，特别是通过还有待阐述的相关联的信号处理，所期望的测量信号可以实质上更好地被检测到，结构声对飞行时间差的测量的影响得以补偿并从而显著降低流量测量的系统上的不确定性。

优选地，测量路径布置在平行于管道的共同的平面中。这样的平面也可以称为纵向平面。因此，在横截面视图中测量路径叠加，并且它们具有相同的正割角(Sekantenwinkel)，该正割角描述了直径分布的角度偏移。应再次强调的是，测量路径的布置与在传统的多路径计数器中不同。共同的纵向平面中的测量路径实际上采样相同的流动区域，但是具有不同的轴向间距。可以设想在相应的其他纵向平面中设置其他的测量路径组，在组内具有不同的轴向间距。然后，这可能对应于如在传统的多路径计数器中一样的流动轮廓的采样，其中传统的测量路径已被相同的纵向平面内的根据本发明的测量路径组所取代。在本说明书中，几乎处处都只参考一组测量路径，该一组测量路径实际上共同形成传统的多路径计数器的单个测量路径，其中多个组的这种可能性总是存在的。

优选地，测量路径直接布置在彼此之后。根据本发明的测量路径的布置的目的在于尽可能仅改变轴向间距。对这些测量路径而言，理想情况下其他条件且特别是流动行为应该保持相同。如果将测量路径尽可能紧密地布置在彼此之后，即在纵向方向上平行于管道轴线，这几乎被近似地实现，因为流动在它们之间的最短的流动路径上实际上不会改变。

优选地，测量路径共同形成锯齿形状。这种锯齿形或之字形是特别有利的布置，该布置使得可以在紧密的测量路径布局中监测非常相似的或实际上相同的流动部分。锯齿的尺寸不完全相同，因为轴向间距应该是变化的。

优选地，在锯齿形状的尖端处的超声波换能器参与两个相邻的测量路径。当然，这可能不适用于边缘上的两个超声波换能器，即锯齿形的开端和末端处的换能器。然而，当辐射角足够大时，中间的超声波换能器可以跨越在两个方向上的测量路径，使得总共需要更少的超声波换能器，即特别地，对于n个测量路径只有n+1个超声波换能器。在任何情况下，优选地，超声波换能器以时间延迟的方式控制，因为否则测量可能会相互干扰，使得在两个测量路径中的超声波换能器的双重使用意味着没有额外的限制。

优选地，评估单元被构造用于根据多个测量路径上的多个测量结果来估计函数的至少一个特征变量，该函数描述了飞行时间或飞行时间差与超声波换能器的轴向间距的依赖关系，并根据该特征变量计算出流速。本发明已经认识到，在测量的飞行时间差中的叠加的结构声所引起的误差随着超声波换能器的轴向间距而变化，该超声波换能器跨越相应的测量路径。飞行时间差不会随着轴向间距而单调增加，而是构成振荡。根据本发明的评估的方法是根据轴向间距来分析飞行时间差的函数并校正振荡。该函数由多个基点(Stützpunkt)(即，多个轴向间距)处的多个测量路径检测。由此，可以估计函数并补偿误差。并非绝对必要重建整个函数，而是最初只需要至少一个特征变量，诸如拟合直线的斜率。结果是改进的测量结果，该测量结果特别是至少在很大程度上针对由结构声造成的系统干扰影响进行排除。根本的评估在测量值平面上进行，并因此与信号平面上的方法相比在数学上非常简单且极其节约资源，因为即使是经典的飞行时间测量也会对设备硬件提出较高的要求。作为补偿飞行时间差的可替代方案，还可以设想校正飞行时间本身，然后像往常一样从中确定飞行时间差。

优选地，评估单元被构造用于函数的线性调整。通过相对较小的成本就可以进行线性调整，但该线性调整足以用于校正振荡。因此，这是函数的特征变量的示例。还剩下的剩余误差在很大程度上取决于测量路径的数量，因而在超声波流量测量装置的精度和成本方面具有高的可伸缩性(Skalierbarkeit)。评估是无风险的，因为即使在测量路径配置不合适的情况下，在该测量路径配置中例如所有测量路径均具有相同的轴向间距，结果也只是各个测量结果的平均值。作为线性调整的可替代方案，也可以设想尝试整体地重建振荡。但这明显要复杂得多，需要更多的测量路径以获得额外的基点位置，并且不一定能保证更好的结果。

优选地，评估单元被构造用于针对线性调整在轴向间距变为零时假设飞行时间差也变为零。因此，在没有测量的情况下获得额外的基点，或者所寻求的直线的恒定位移从一开始就确定为零。这也是一个合理的、非近似的或甚至伪造的假设，因为超声波在垂直于流动的这种假想的测量路径上移动，因此应该在两个方向上花费相同的长度。已经在飞行时间的平面而非飞行时间差的平面上进行的可替代的补偿中，该假设当然不适用，因为飞行时间本身不会变为零，而是只会等长。

优选地，评估单元被构造用于在有轴向间距时根据线性调整来确定补偿的飞行时间或飞行时间差，该轴向间距对应于测量路径的轴向间距的平均值。在理想条件下，函数或其线性调整在每个点都包含等值的测量信息。但实际上，由于测量值的波动，该测量信息并非对不同的轴向间距都是等值的，并且可以预计的是，远离测量的基点位置的信息将更差。因此，在被基点位置所采集的范围内进行评估是特别合适的，并且在这些点中，测量路径的轴向间距的平均值可以用作可明确识别的、合适的值。

优选地，设置至少四个测量路径。这又涉及共同用于重建振荡或线性调整的测量路径。因此，这至少四个测量路径具有不同的轴向偏移，并且优选地，位于相同的纵向平面中，更优选地，直接位于彼此之后。四个值足以可靠地重建或平衡或线性调整振荡。虽然也可以设想更少的测量路径以及从而更少的值，但是在没有附加信息的情况下例如通过振荡的频率，这将有可能会不够充分地检测功能，因此可能会引入额外的误差。附加的测量路径和值从纯数学方面来看不是必需的，但绝对是有利的，因为过度确定可以补偿因测量误差、公差等引起的统计效应。在这里，必须在成本和准确度要求之间取得平衡。

优选地，超声波换能器从外部连接到管道上。这最初意味着夹合式安装或压紧式安装这两种可行方案。优点是管道内部保持不受干扰，并且可以在不打开管道的情况下改装或升级超声波换能器。在这种情况下，根据设备概念管道必须分别传输超声波或甚至单独被激发。因此，可以认为结构声会引起特别大的影响，其中阻尼是不可能的，因为这可能会同时影响测量效果。然而，本发明可以显著地降低结构声对飞行时间测量的精度的负面影响，从而显著地降低流量测量的系统误差。

优选地，管道的管道壁具有多个凹进部，薄壁的区域向内保持在这些凹进部中，其中超声波换能器布置在各个凹进部中并且具有振荡体，该振荡体耦合在薄壁的区域上，该薄壁的区域用作超声波换能器的可振荡的薄膜。在该压紧式安装中，不仅管道的内部没有受到影响，而且通过激发薄壁的区域也使超声波信号非常好地耦合到流体中。此外，非直径的测量路径也是可以的。

根据本发明的方法可以以类似的方式进一步发展并同时显示出类似的优点。这种有利的特征在从属于独立权利要求的从属权利要求中示例性地但不详尽地进行了描述。

优选地，沿测量路径的飞行时间或飞行时间差的测量被理解为函数的基点位置，该函数描述了随着轴向间距而变的飞行时间或飞行时间差。因此，测量和测量路径用于逐点确定函数，以便获得具有较小的系统误差的更准确的测量值。为此可以设想根据测量结果来重建、近似、内插函数或确定函数的特征变量。

优选地，对函数进行线性调整。这很容易实施，同时取得了很好的结果。特别地，流速根据函数在轴向间距处的值来确定，该轴向间距对应于测量路径的轴向间距的重心。已经阐述过在那里使用或读取函数是有意义的，其中在具有测量容差的实际条件下，通过基点特别可靠地检测该函数。

附图说明

下面将根据实施方式并参考附图对本发明的其他特征和优点进行更详细的阐述。其中：

图1a示出了管道的示意性纵向剖视图，以用于阐述使用超声波进行流量测量的差分飞行时间法；

图1b示出了管道壁的示意图，以用于阐述超声波换能器的压紧式安装；

图1c示出了管道的示意性横截面视图，以用于说明固体声或结构声的传播；

图2示出了随测量路径的超声波换能器的轴向间距而变的飞行时间差的函数的示图(上图)和来自简单建模的在没有结构声时未受干扰的情况下的相对误差(下图)的示图；

图3a示出了根据本发明的测量路径配置的横截面视图；

图3b示出了根据图3a的根据本发明的测量路径配置的纵向剖视图；

图4示出了在流体声速度为1200m/s(上图)和2000m/s(下图)的情况下的根据图3的随着超声波换能器的轴向间距而变的飞行时间差的函数的示图和针对测量路径配置的四个测量路径的值的示图；

图5示出了随着超声波换能器的轴向间距而变的飞行时间差的函数的另一示图，其中有在另一测量路径配置中的七个测量路径的值。

图1a以纵向剖视图示出了根据差分飞行时间法的超声波流量计10，该超声波流量计安装在管道12上。流体在箭头14所示的方向上流经管道12。一对超声波换能器16a-16b布置在管道壁上，以便沿着在超声波换能器16a-16b之间跨越的测量路径18可选地在一个方向上或在其他方向上发射和接收超声波信号。通过流体向前移动的声波也称为流体声(Fluidschall)。

这两个超声波换能器16a-16b在管道12的纵向方向上彼此相对偏移，其中Δx表示相应的轴向间距。由此，流体声在一个方向上顺流移动而在另一个方向上逆流移动。从而得出飞行时间差，根据该飞行时间差可以计算出流体的流速。迄今为止也已知的评估在超声波流量计10的未示出的控制和评估单元中进行，该控制和评估单元与超声波换能器16a-16b连接。

超声波测量范围内的管道12构成超声波流量计10的测量体。如此选择示图，就好像该测量体是现有管道12的整体的组成部分一样。这在原则上是可能的，但实际上生产具有自身测量体的超声波流量计10，其在安装后替代现有的管道的相应部分，并且例如在两侧插入法兰连接件。

图1a代表性地仅示出一个测量路径18。实际上，超声波测量装置包括多个测量路径18，这将在下面也进行更详细的讨论。在这种情况下，要在多个测量路径18和传统意义上的多个路径之间进行区分，根据本发明，这些测量路径具有不同的轴向偏移Δx，但它们实际上测量相同部位处的流动。因为在传统的多路径计数器中，多个测量路径构成具有穿过管道12的横截面的不同的走势的布局，以实现在不均匀的流动或扰动时更准确的测量。但根据本发明，在每种情况下使用具有不同的轴向偏移Δx的一组测量路径18取代传统的测量路径也是可能的。下面将不再提及这种可能性，但为了简便起见，只考虑这样一组测量路径18，这对于相对均匀的流动来说也是足够的，且另外针对更复杂的流动形成第一近似。

图1b示出了管道12的管道壁20的示意图，以用于说明超声波换能器16的压紧式安装。压紧式安装特别地利用了根据本发明的优点，但可替代地，也可以设想夹合式换能器安装，甚至可能是传统的侵入式换能器安装。

在压紧式安装中，在管道壁20中形成空腔或凹进部22。薄壁的部分区域24向内保持朝向管道壁20的凹进部22的区域的内部，该薄壁的部分区域同时用作超声波换能器16的膜并且被其振荡体26(例如，压电陶瓷)激发而振荡以发射超声波信号，或者反过来，当来自管道12内部的超声波信号接触到部分区域24时，振荡体26被激发而振荡。为简化起见，在超声波换能器16的图1b中仅示出了振荡体26。薄壁的部分区域24保持足够稳定以承受住预期的管道内压。管道壁20形成没有凹陷或凸起的自身闭合的内表面，该凹陷或凸起可能会扰乱流动或者沉积物可能会沉积在其上。

如声音传播线28所示，超声波换能器16的发射或辐射方向垂直于管道12的中心轴线。然而，为了在差分飞行时间法中实现轴向偏移Δx并从而实现测量效果，设置了相对宽的发射特性。可替代地，可以设想倾斜地布置超声波换能器16，其中这在构造上却更加复杂并且还可能需要修改管道壁20，这也会影响流动。

图1c再次以横截面视图示出了图1a的一对超声波换能器16a-16b。直径布置纯粹是示例性的，测量路径18也可以位于管道12的轴线旁边。然后测量路径18以管道12的直径所包围的角度被称为正割角。

在夹合式安装或压紧式安装中，以及在侵入布置的超声波换能器16a-16b的阻尼不足时，除了期望的通过它来测量飞行时间的流体声外，也产生了固体声或结构声，该固体声或结构声通过管道12传播，并且例如在箭头30示出的传播路径上也到达相对的超声波换能器16a-16b。即使具有相同的频率，结构声不受流动的影响，因此也不包含关于流速的任何有用的测量信息，但是同样激励相对的超声波换能器16a-16b。流体声和结构声的叠加导致测量误差。

现在，应在结构声对飞行时间测量的影响的最初被大大简化的数学分析中密切检查这一点。通常，在实际的差分飞行时间测量中，流体声和结构声都具有多个时间限制的脉冲，这些脉冲通常会重叠。然而，作为简化，假设流体声和结构声表示频率相同和幅度分别恒定的单频谐波振荡，该流体声和结构声在其穿过流体或管道的相应的飞行时间后被接收超声波的换能器16a-16b检测到。

此外，作为进一步简化，应该只存在具有相关声速的结构声信号。事实上，通常会存在多种具有不同声速和可能的分散行为(Dispersionsverhalten)的结构声模式。在上述前提条件下得出信号分量的以下建模：

在此，A_流体和A_结构是流体分量或结构分量的幅度，ω是超声波换能器16a-16b的工作角频率，t是时间，以及是接收超声波换能器16a-16b处的信号的相位。后者在此应该是指在无流动情况下的不受干扰的流体信号(VOF，流速)的到达时间(TOF，飞行时间)。因此，当VOF＝0时，适用于

在流速(VOF)有限的情况下，绝对飞行时间以及流体信号的相位对两个测量方向来说大致是对称地变化，因此VOF≠0时，

在此，由此得出的飞行时间差(Δt)除了取决于流速外，还取决于流体的声速(SOS_流体)且线性地取决于轴向间距Δx：

稍后有利地，可以利用Δx上的线性度来评估和补偿由于结构声引起的系统测量误差。

结构声的相位与管道12中的流动无关，并且在无流动的情况下根据结构声和流体声的绝对飞行时间差得出：

在此，L表示穿过流体或穿过管道壁20的相应的路段。

根据测量方向，接收超声波换能器16a-16b在时间t≥TOF_流体＞TOF_结构时总是测量流体声和结构声的以下叠加：

测量的变量是往返方向的叠加信号的设定的有效相位差δ，因为该相位差准确地对应于在超声波流量计10中所确定的飞行时间差。该计算基于以下三角函数的加法定理：

令人感兴趣的是所得出的叠加的相位δ，其适用于：

如果将其应用于叠加信号_AB、信号_BA，则可以直接从正弦函数的幅角中读取测量方向之间的相位差Δδ或测量的飞行时间差Δt_res：

ω*Δt_res＝Δδ＝δB_A-δ_AB。

由此得出，当将开始给出的信号分量用到从加法定理导出的用于叠加的相位δ的公式中时，得出：

对于未受干扰的情况(A_结构＝0)，表达式再次如预期的那样简化为：

如上面公式中针对Δt所给出的那样，飞行时间差以及相位差仅由轴向间距Δx以及流速和流体声速决定。在A_结构＞0的受干扰的情况下，增加幅度A_流体和A_结构或它们的比以及结构声的相对相位作为附加的影响参数。如上所述，后者取决于流体路径长度和结构路径长度以及两个信号分量的流体声速和结构声速。路径长度或/和声速的变化改变了结构声的相对相位

现在，在下文中将考虑幅度、声速以及流速恒定的情况，而超声波换能器16a-16b的轴向间距Δx在纵向方向上或沿着管道轴线变化。在这种情况下，主要对流体飞行时间差Δt以及两个信号分量的路径长度L产生反作用，从而对结构声的相对相位产生反作用。对如图1a中的径向路径适用于以下路径长度：

以及

在此，D_i是管道12的内径，以及W是管道壁20的壁厚。

图2示出了根据该模型的随着值介于0mm和80mm之间的轴向间距Δx而变的飞行时间差的函数的示例，其中飞行时间差根据上面给出的关于Δδ的公式表现。在此，上部分示出了飞行时间差，下部分示出了未受干扰的情况下的相对误差。假定4mm壁厚的DN80管为管道12，流速为1m/s且超声波换能器16a-16b的换能器频率为700kHz。此外，对于流体声选择幅度为1的情况下的1480m/s的声速，并且对于结构声选择幅度为0.3的情况下的3000m/s的声速。

另外，还示出了未受干扰的情况A_结够＝0，该情况如期望的那样通过飞行时间差和轴向间距Δx之间的线性关系来描述。然而，如果结构声叠加到流体声，则该线性曲线由非对称的、非谐波振荡来调制，与纯流体声相比，该振荡根据超声波换能器16a-16b的位置引起测量的飞行时间差的相当大的误差。振荡的幅度以及最大误差的大小取决于信号分量的幅度比。在这里选择的结构声与流体声的比为3:10的情况下，最大误差约为43％。

扰动的周期性不能明确说明，但隐含地从要求中得出，该要求也导自上面假设的模型。因此，周期性取决于流体声和结构声的路径长度和声速。虽然可以确定在设备设计范围内的路径长度，但流体声速是可能是强烈变化的过程参数，该过程参数在设备侧是不可预测的。因此，根据流体声速，单个测量路径18可以获悉结构声的在振荡发生的情况下的所有可能的误差份额在这里考虑的示例中，由此得出约为65％(-20％至45％)的非常大的误差带。

图3a和图3b分别以横截面视图和纵向剖视图示出了测量路径18a-18d的示例性布局，该布局实现了超声波换能器16a-16e的不同的轴向间距Δx，这些超声波换能器分别跨越测量路径18a-18d。因此，应该使用刚刚获得的关于结构声对飞行时间差的影响的认识来最终补偿振荡调制的效果。在此，应该注意的是，尽管在考虑该模型时做出了大大简化的假设，但主要的陈述和结论在发明人的模拟中却依然存在，在这些模拟中不再预先假定这些简化。

轴向间距Δx和路径长度以如下方式进行选择，使得对于尽可能全部的实践相关的、但在具体情况下却未知的流体的声速，飞行时间差的振荡都进行了充分地采样。在此，起决定性的是流体和管道壁20的声速以及路径长度关系，该路径长度关系又取决于管道直径和可实现的路径角度。

在所示的具有DN80管和实际流体声速介于1200m/s和2000m/s之间的示例中，最多3mm的轴向间距Δx的分级是有利的。在图3a中，选择30°的正割角，即与垂直的横截面直径的夹角，而且如图3b所示，轴向间距Δx介于30mm和37.5mm之间。当然，正割角、轴向间距Δx的其他数值以及总体上而言其他路径布局也是可能的。

如在图3a和图3b中所示，将测量路径18a-18d布置在平行于管道轴线的共同的纵向平面中是有利的。在同样有利的正割角相同的情况下，这些测量路径继而在图3a的横截面图中重合，即位于彼此之后。此外，在图3b的纵向剖视图中，还可以看到测量路径18a-18d的锯齿形或之字形图案。这首先具有的优点在于测量路径18a-18d直接位于彼此之后。可以假设，在该短的路段上的流动不显著地改变，使得测量路径18a-18d实际上测量相同的流动分量，并且事实上如期望的那样仅在轴向间距Δx上有改变。

锯齿形布置具有的优点在于中间的超声波换能器16b-16d以双重功能参与了每两个相邻的测量路径18a-18d，使得其中仅有五个超声波换能器16a-16e而不是八个超声波换能器的四条测量路径18a-18d成为可能。为此，相对小的辐射角就足够了，根据图1b中的布置该辐射角对于测量路径18a-18d也是必需的。由于交替的布置，在一侧的超声波换能器16a、16c、16e；16b、16d之间也不存在结构问题。然而，也可以设想其他布置，这些布置省去了双重功能或以混合形式仅针对部分测量路径实现双重功能。一个示例是在管道12的一侧上一个超声波换能器，多个超声波换能器以增加的轴向间距Δx与该超声波换能器相对。测量路径18a-18d的数量也可以改变。附加的测量路径可以更好地对振荡进行采样，但也意味着更多的成本，因此必须在此进行权衡。原则上，也可以设想较少的测量路径，但其中必须记住，即使是规则的振荡也只能通过四个点重建，因此这里可以预计精度损失(Genauigkeitseinbuβen)。

图4是振荡的示图，其与上面的图2类似且在可比较的条件下被获得用于未明确认为与用于Δδ的公式不同的参数。在此，在上部分中假定流体声速为1200m/s，在下部分中假定流体声速为2000m/s，并且X轴上的轴向间距Δx的区域限于根据图3b的路径布局的轴向间距Δx周围的相关部分。

在操作中，现在确定不同的测量路径18a-18d上的飞行时间差，并且飞行时间差与测量路径18a-18d的相应的轴向间距Δx相关。由此，在如图3的四路径布局中产生四个值，这四个值在图4中标记为×。可以设想重复测量这些值并对其进行平均。然后，根据这四个值重建振荡以从中计算出它们的影响。

对此有利的可行方案是线性调整。这不仅是由于相对较低的计算量被采用，而且还因为在不受结构声影响的情况下上面导出的飞行时间差与Δx的关系是线性的。因此，线性行为对应于所寻求的纯流体声的情况。由于在轴向间距Δx变为零的情况下也没有飞行时间差，因此线性调整的直线可以在没有Y轴部分的情况下进行拟合。

原则上，现在可以在确定的直线的每个点处读取飞行时间差，并且通过相关的轴向间距Δx推断出路径长度，以便计算出流速。但可以预期的是，该直线特别可靠地再现了实际的基点区域中的情况，原因不仅在于不可避免的测量波动，而且也在于不规律的振荡。因此，优选地，在基点的区域中进行读取，特别是在对应于实现的轴向间距Δx的平均值的位置处进行读取。在此，预期最高质量的数学调整。

如果将在刚刚描述的直线的位置处或在其他位置处的读取的值表示为Δt_eff和Δx_eff，并且如果假设额外以另一种方式知道流体声速，则从上面的模型的分析中得出有效的路径速度为：

如已经提到的那样，这适用于理想情况，即所有测量路径18a-18d测量相同的流动情况。否则，在线性调整时会出现偏差。因此有利地，测量路径18a-18d在径向方向上不彼此偏离，因为在实践相关的安装中不可能期望旋转对称的流动轮廓。如果测量路径18a-18d如图3a的示例所示的那样在平行于管道轴线的纵向方向上直接布置在彼此之后，则流动轮廓效果会被最小化。然后，可以合理地以此为基础假定，在纵向方向上的非常短的那一段上不会出现流动轮廓的大的变化。为了还考虑到径向方向上的流动差异，可以如前所述，与测量路径18a-18d对应的附加组可以在相对于横截面的其他位置中形成，这些附加组继而成组地对应于传统的多路径计数器的路径。

图5再次示出了根据类似于图4的随着轴向间距Δx而变化的飞行时间差的振荡或函数的示图，但是针对另一示例。在此，设置了七个测量路径，而不是四个测量路径，这七个测量路径的轴向间距Δx按每2mm变化。在测量路径上确定的飞行时间差与相应的测量路径的轴向间距Δx相关并相应地标记为×。

在图5中，没有使用迄今为止设置的简单模型来确定振荡，而是使用具有实际的信号形状和幅度比的更逼真的模拟以及每一种具有自身的声速和自身的分散行为的三种结构声模式。产生的振荡具有略微不同的特征，但在性质上却区别很小，并且还显然允许进行如上所述的评估。特别地，可以进行线性调整，该线性调整在图5中被示出为直线并且它重构了没有结构声而只有流体声的未受干扰的测量的理论曲线。再次有利地，进一步的评估不是基于直线的任何点，而是基于实际上通过其来进行测量的轴向间距Δx的重心。这在图5中用轴向间距Δx为34mm的靠下的×来示出。

Claims (15)

1.一种超声波流量测量装置(10)，具有用于确定在管道(12)中流动的流体的流速的多个超声波换能器(16a-16e)，所述超声波流量测量装置具有多个测量路径(18a-18d)和评估单元，在所述测量路径上所述超声波换能器(16a-16e)中的每两个超声波换能器被彼此相对地布置，其中在这两个超声波换能器之间有流动且在所述管道(12)的纵向方向上彼此有轴向间距(Δx)，所述评估单元被构造用于根据超声波信号在顺流方向上和逆流方向上沿着相应的测量路径(18a-18d)的飞行时间差计算出所述流速，

其特征在于，

所述测量路径(18a-18d)具有不同的轴向偏移(Δx)。

2.根据权利要求1所述的超声波流量测量装置(10)，其中所述测量路径(18a-18d)布置在平行于所述管道(12)的共同的平面中。

3.根据权利要求1或2所述的超声波流量测量装置(10)，其中所述测量路径(18a-18d)直接布置在彼此之后。

4.根据前述权利要求中任一项所述的超声波流量测量装置(10)，其中所述测量路径(18a-18d)共同构成锯齿形。

5.根据权利要求4所述的超声波流量测量装置(10)，其中在所述锯齿形的尖端处的超声波换能器(16a-16e)参与两个相邻的测量路径(18a-18d)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的超声波流量测量装置(10)，其中所述评估单元被构造用于根据所述多个测量路径(18a-18d)处的多个测量结果来估计函数的至少一个特征变量，所述函数描述飞行时间或飞行时间差与所述超声波换能器(16a-16e)的轴向间距(Δx)的相关性，并根据所述特征变量计算出所述流速。

7.根据权利要求6所述的超声波流量测量装置(10)，其中所述评估单元被构造用于所述函数的线性调整。

8.根据权利要求7所述的超声波流量测量装置(10)，其中所述评估单元被构造用于针对所述线性调整假定在轴向间距(Δx)变为零时飞行时间差也变为零。

9.根据权利要求6或7所述的超声波流量测量装置(10)，其中所述评估单元被构造用于在有轴向间距(Δx)时根据所述线性调整确定补偿的飞行时间或飞行时间差，所述轴向间距对应于所述测量路径(18a-d)的轴向间距(Δx)的平均值。

10.根据前述权利要求中任一项所述的超声波流量测量装置(10)，其中设置了至少四个测量路径(18a-18d)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的超声波流量测量装置(10)，其中所述超声波换能器(16a-16e)从外部连接到所述管道(12)上。

12.根据权利要求11所述的超声波流量测量装置(10)，其中所述管道(12)的管道壁(20)具有多个凹进部(22)，薄壁的区域(24)向内保持在所述凹进部中，其中所述超声波换能器(16a-16e)布置在各个凹进部(22)中并且具有振荡体(26)，所述振荡体耦合在所述薄壁的区域(24)上，所述薄壁的区域充当所述超声波换能器(16a-16e)的可振荡的薄膜。

13.一种用于确定在管道(12)中流动的流体的流速的方法，其中，沿着多个测量路径(18a-18d)在顺流和逆流方向上发射和接收超声波信号，并根据所述超声波信号的飞行时间差计算出所述流速，所述测量路径被每两个超声波换能器(16a-16e)跨越，其中在这两个超声波换能器之间有流动且在所述管道(12)的纵向方向上彼此有轴向间距(Δx)，

其特征在于，

所述测量路径(18a-18d)具有不同的轴向间距(Δx)。

14.根据权利要求13所述的方法，其中飞行时间或飞行时间差沿测量路径(18a-18d)的测量被理解为函数的基点位置，所述函数描述了随着所述轴向间距(Δx)而变的所述飞行时间或飞行时间差，并且其中，根据测量结果重建、近似、内插所述函数或确定所述函数的特征变量。

15.根据权利要求14所述的方法，其中对所述函数进行线性调整，并且其中特别地，根据所述函数在轴向间距(Δx)处的值来确定所述流速，所述轴向间距对应于所述测量路径(18a-18d)的轴向间距(Δx)的重心。