CN110418969B - 用于测量流体速度的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量流体速度的方法，包括：测量阶段以及各自在两个测量阶段之间执行的检测阶段，每个检测阶段包括以下步骤：测量伪超声信号电平；将该伪超声信号电平与能够采用多个预定义值的检测阈值(S_n)进行比较；如果测得伪超声信号电平小于检测阈值(S_n)，则减小该检测阈值(S_n)并重复测量步骤和比较步骤；当测得伪超声信号电平变得大于或等于检测阈值(S_l)时，检测到干扰并取决于该检测阈值(S_l)的值而确定该干扰源自异常还是企图欺骗活动。

Description

用于测量流体速度的方法

技术领域

本发明涉及测量流体速度的方法的领域。

背景技术

为了测量在管道中流动的流体的流速，超声流量计常规地利用用于通过发射和接收超声测量信号来测量流体速度的设备。

此类测量设备包括连接到流体在其中流动的管道的导管。为了测量流体速度，超声测量信号被发射到导管中以遵循限定长度的路径，超声测量信号沿该限定长度的路径从上游行进到下游所花费的行进时间以及从下游行进到上游所花费的行进时间这两者被测量，并且流体速度尤其基于该限定长度和基于行进时间之差来估计。

对于水表，使用三种主要类型的测量设备。

在图1中示出了第一类型的测量设备1，有时被称为“传统管道”设备。第一类型的测量设备1包括第一换能器2a、第二换能器2b和连接到第一换能器2a和第二换能器2b的测量模块3。

第一换能器2a和第二换能器2b是配成一对的。作为示例，第一换能器2a和第二换能器2b是压电换能器。

因此，限定长度的路径是第一换能器2a与第二换能器2b之间的长度为L的直线路径。

第一换能器2a发射超声测量信号Se。作为示例，超声测量信号从方波信号4生成。第二换能器2b接收源自在流体中传播的超声测量信号Se的超声信号Sr。

因此，测量模块3估计超声测量信号Se沿着限定长度的路径从上游行进到下游所花费的行进时间Tab。

同样地，第二换能器2b发射由第一换能器2a接收的超声测量信号。因此，测量模块3估计超声测量信号沿着限定长度的路径从下游行进到上游所花费的行进时间Tba。

测量模块3随后通过使用以下公式来计算流体的平均速度

·

其中c是超声波在水中的速度。超声波在水中的速度等于大约1500米/秒(m/s)，并且它取决于温度。

在图2中示出了第二类型的测量设备7，有时被称为“自由管道”设备。第一换能器2a和第二换能器2b现在位于管道的相对侧，在管道外。因此，第二类型的测量设备7呈现非侵入性的优点。

限定长度的路径再次是第一换能器2a与第二换能器2b之间的长度为L的直线路径8。

测量模块3随后通过使用以下公式来计算流体的平均速度

对于第二类型的测量设备7，适合于具有较大的

值，因此具有非常接近0的角度

因此，有必要减小管道的直径D，或者增加其长度L。

减小直径D存在管道中的水的压头损失的风险，而增加长度L由于减小收到超声信号Sr的电平而往往降低测量的信噪比。在图3中示出了第三类型的测量设备9，有时被称为“U形”设备。第三类型的测量设备9寻求解决上述缺陷。第三类型的设备9是一种并非非常侵入性的解决方案，其利用用于解决

的问题的反射器10(在该示例中为成45°角的镜子)。

限定长度的路径是第一换能器2a与第二换能器2b之间的U形路径11。

可能会发生干扰P(图1中示出)(例如，异常或企图欺骗)使流体流量计的测量设备的操作降级。

异常在本文中被定义为非自主现象，例如，源自操作问题(例如，在流量计或网络中)或流体流动问题。

企图欺骗在本文中被定义为自主现象，例如，使用超声发生器执行的自主现象。企图欺骗可以在管道和导管外执行，但其也可在管道内执行，例如通过将防水超声发生器定位在位于流量计下游且接近该流量计的颗粒物过滤器中。

发明目的

本发明的目的是检测可能使在超声流体流量计中进行的测量降级的干扰的存在，并确定该干扰源自异常还是欺骗。

发明内容

为了实现该目的，提供了一种测量流体速度的方法，该方法包括测量阶段，每个测量阶段包括以下步骤：发射超声测量信号，在超声测量信号已沿限定长度的路径行进之后接收该超声测量信号，以及根据该超声测量信号沿限定长度的路径行进所花费的行进时间来估算流体速度，该测量方法进一步包括检测阶段，每个检测阶段在两个测量阶段之间被执行，每个检测阶段包括以下步骤：

·测量流体中存在的干扰超声信号电平；

·将干扰超声信号的电平与检测阈值的当前值进行比较，检测阈值能够采用位于最大检测阈值和最小检测阈值之间的多个预定义值；

·如果干扰超声信号的测得电平小于检测阈值的当前值，则减小该检测阈值的当前值，并重复测量步骤和比较步骤；

·当干扰超声信号的测得电平变得大于或等于检测阈值的当前限值时，检测到干扰并且根据该检测阈值的当前限值(S_l)来确定该干扰来自异常还是企图欺骗。

这用于检测干扰的发生，并且确定该干扰来自异常还是企图欺骗。

还提供了一种超声流体流量计，其包括第一换能器、第二换能器以及被布置成执行如上所述的测量方法的处理器装置。

还提供了一种包括用于使超声流体流量计能够执行如上所述的测量方法的指令的计算机程序。

还提供了一种存储包括用于使超声流体流量计能够执行如上所述的测量方法的指令的计算机程序的存储装置。

在阅读了以下对本发明的特定、非限制性实施例的描述之后，本发明的其他特征及优点将变得显而易见。

附图说明

参考附图，在附图中：

·图1示出了第一类型的超声测量设备；

·图2示出了第二类型的超声测量设备；

·图3示出了第三类型的超声测量设备；

·图4示出了在其已沿着限定长度的路径行进之后被接收的超声测量信号；

·图5示出了本发明的测量方法的检测阶段的各步骤。

具体实施方式

用于测量流体速度的本发明的方法在该示例中在超声水表中被执行。

超声水表既包括导管，由配水网络递送到设施的水流经该导管，还包括图1中所示类型的水速测量设备。

水在导管中从上游流向下游，如图1中可见的箭头10的方向所示。

测量设备包括测量模块3、第一换能器2a和第二换能器2b。

测量模块3包括处理器装置，该处理器装置包括适配成执行程序中的指令以用于执行本发明的测量方法的各个步骤的智能处理器组件。在该示例中，智能组件是微控制器，但是它可以是某种其他组件，例如处理器或现场可编程门阵列(FPGA)。

处理器装置控制第一换能器2a和第二换能器2b。

第一换能器2a和第二换能器2b是配成一对的。在该示例中，第一换能器2a和第二换能器2b是压电换能器。

第一和第二换能器2a和2b中的每一者相继执行超声测量信号发射机的功能和超声测量信号接收机的功能。

因此，处理器装置向发射机提供由该发射机变换成超声测量信号的电信号。在该示例中，电信号是方波信号4。处理器装置获取由接收机接收的超声测量信号Sr。

发射机以发射频率fus发射超声测量信号Se。在该示例中，频率fus处于900千赫兹(kHz)至4兆赫兹(MHz)的范围内。

因此，超声测量信号Se沿着第一换能器2a与第二换能器2b之间的限定长度L的路径从上游行进到下游并且从下游行进到上游。在该示例中，限定长度的路径是第一换能器2a与第二换能器2b之间的直线路径。

在图1中，第一换能器2a被示出为执行发射机的功能，而第二换能器2b被示出为执行接收机的功能。因此，超声测量信号Se遵循从上游到下游的限定长度的路径。超声测量信号Se由发射机以电平NE发射。收到的超声测量信号Sr由接收机以低于电平NE的电平NR接收。本发明的测量方法包括以规则间隔重复的各测量阶段。

下文描述这些测量阶段之一。

处理器装置产生代表超声测量信号Se沿着限定长度的路径从上游行进到下游所花费的时间的行进时间测量值，且随后产生代表超声测量信号Se沿着限定长度的路径从下游行进到上游所花费的时间的行进时间测量值，且最终它们根据那些行进时间来估算水速。

图4示出了由接收机在超声测量信号已沿着限定长度的路径行进之后接收到的收到超声测量信号Sr。

接收机在时刻T0处与超声测量信号Se的发射同步地激活接收。通过配对发射机和接收机来使该同步成为可能。

行进时间基于确定收到超声测量信号Sr的预定波瓣12的到达时刻T1来测量。

在该示例中，到达时刻T1是预定波瓣12的上升前沿到达的时刻。到达时刻T1由过零型方法来测量。

预定波瓣12是收到超声测量信号Sr在该收到超声测量信号Sr在时间T2处呈现超过预定幅度阈值Sa的幅度之后的第j个波瓣。具体而言，在该示例中，第j个波瓣是第四波瓣。

水速随后由测量模块3根据上游到下游行进时间测量值和下游到上游行进时间测量值来估算。

水速与下游到上游行进时间测量值和上游到下游行进时间测量值之间的差值成比例。

应当观察到，在该示例中，测得的水速是跨管道直径的平均水速，假设水体的速度在管道的中心处不同于在管道壁的附近。

除了测量阶段之外，本发明的测量方法还包括检测阶段，其用于检测干扰的发生并确定该干扰是来自异常还是来自企图欺骗。

每个检测阶段在两个测量阶段之间以规则间隔重复，其可以可任选地是周期性的。检测阶段包括使上述预定幅度阈值Sa可编程，以便检测干扰的存在。

因此，可编程预定幅度阈值是检测阈值S_n，其可以采用位于最大检测阈值S0与最小检测阈值S_N1之间的多个预定义值。检测阈值S_n的每个预定义值由索引n引用，并且呈现随着索引n增加而减小的值。

参考图5，下文更详细地描述构成检测阶段的各个步骤。

在开始步骤(步骤E100)之后，检测阶段包括初始化步骤(步骤E101)，其包括将索引n初始化为0，将检测阈值S_n的当前值初始化为最大检测阈值S_0，以及将变量MSG初始化为0。下文解释了变量MSG的作用。

此后，检测阶段包括等待步骤(步骤E102)和测量步骤(步骤E103)。

等待步骤用于延迟测量步骤的实现达延迟时间。

基于在先前测量阶段期间产生的超声测量信号的电平变得低于预定静默阈值的时刻来测量延迟时间。

在该示例中，延迟时间等于15毫秒(ms)。

在先前测量阶段期间产生的超声测量信号的电平由充当接收机的第一换能器2a和充当接收机的第二换能器2b两者来测量。

因此，在延迟时间之后，在先前测量阶段期间自主产生的测得超声信号的电平几乎为零。

此后，检测阶段包括期间第一换能器2a(或实际上第二换能器2b)充当接收机的步骤(E103)。

在没有超声测量信号被产生时，接收机采集水中存在的超声信号的电平。处理器装置随后测量水中存在的该“干扰”声音信号，并将该干扰超声信号的电平与检测阈值S_n的当前值进行比较(步骤E104)。此时，检测阈值的当前值等于S_0。

如果干扰超声信号的电平小于检测阈值S_n的当前值，则未检测到干扰的存在。

索引n递增：索引n变为等于1，并且检测阈值的当前值变为等于S1(步骤E105)。

随后将索引n与值N进行比较(步骤E106)。

如果n达到值N，则检测阶段结束而未检测到任何干扰(步骤E107)。否则，检测阶段返回到步骤E102。

相反，在步骤E104期间，当测得干扰超声信号的电平变得大于或等于检测阈值S_l的当前限值时，则检测到干扰。

随后将检测阈值S_1的当前限值的索引1与预定义索引阈值K进行比较(E108)。

如果检测阈值S_l的当前限值的索引1大于预定义索引阈值K，则意味着检测阈值S_1的当前限值相对较小，因此干扰超声信号的电平相对较低。从中推导出该干扰对应于异常。

变量MSG随后取值1(步骤E109)。

相反，如果检测阈值S_l的当前限值的索引1小于或等于预定义索引阈值K，则意味着检测阈值S_1的当前限值较大，因此干扰超声信号的电平较高。从中推导出该干扰对应于企图欺骗。

变量MSG随后取值2(步骤E110)。

此后，检测阶段具有传送取决于变量MSG的值的警告消息的步骤(步骤E111)。如果变量MSG等于1，则警告消息是异常消息，而如果变量MSG等于2，则该消息是欺骗消息。

警告消息被传递给“实体”，该实体可以是例如供水商、供水网络管理者、任何运营者或用水客户。

警告消息由电力线载波或任何其他(有线或无线)类型的通信装置来传送。当选择电力线载波通信时，有利地使用DLMS和COSEM应用层。

在此种情况下，示例警告消息可以如下：

<EventNotificationRequest>

<AttributeDescriptor>

<ClassldValue＝"0001"/>

<InstanceldValue＝"0000616200FF"/>

<AttributeldValue＝"02"/>

</AttributeDescriptor>

<AttributeValue>

<DoubleLongUnsignedValue＝"00000001"/>

</AttributeValue>

</EventNotificationRequest>

与相应警报相关联的编码是：

C20000010000616200FF020600000001。

在检测阶段期间，可以作出规定来发射诱饵超声信号，并尝试检测响应于该诱骗超声信号而发射的欺骗性超声信号。具体而言，存在能够用于欺骗性目的的非常复杂的超声发生器，其企图变得同步到超声测量信号发射上以便干扰它们。

为了对抗该类型的欺骗，在短历时内发射诱饵信号，且随后一旦该诱饵信号已经衰减，就进行检查以查看是否存在超声信号。此类超声信号即是欺骗性超声信号。随后发出警告消息(类型为MSG＝2)。

应当观察到，可以作出规定来调整用于区分异常和企图欺骗的预定义索引阈值K。作为示例，该调整可以取决于一天中执行检测阶段的时间。已知在一天结束时，配水网络被大量使用，从而往往增加异常的发生以及源自此类异常的干扰超声信号的电平。因此，在一天结束时降低预定义索引阈值K可以是有利的。

因此，可由检测阈值S_n采用的预定义值S_0、...、和S_N1可以是可调整的。

还应观察到，整个检测阶段不必非得在水表中被执行。

作为示例，完全有可能作出规定来在水表中进行对干扰超声信号的电平的测量，而那些测量值要被传送到外部装备，例如由实体管理的“云”服务器。对于每个检测阶段，测量步骤之后的步骤随后在外部装备中被执行。实体可随后利用其自己的准则来检测和评估干扰。作为示例，实体可以自己定义用于区分异常和企图欺骗的预定义索引阈值K。

自然地，本发明不限于所描述的实施例，而是覆盖落在由所附权利要求限定的本发明的范围内的任何变体。

本发明自然不限于测量水速，而是适用于任何类型的流体(例如气体或油)。

以上在包括第一类型的测量设备(传统管道)的超声水表中描述了本发明，然而本发明可以在任何其他类型的超声测量设备中执行，并且尤其与第二类型的测量设备和第三类型的测量设备一起执行。可以使用具有任何类型的反射器、任何类型的镜子等的任何类型的限定长度的路径。

阐述了每个检测阶段在两个测量阶段之间执行。那些测量阶段不必非得是连贯的测量阶段。一般而言，测量阶段和检测阶段可以可任选地定期地、可任选地周期性地重复。

本文提供的所有数值用于解说本发明，并且它们在执行本发明时自然可以是不同的。

Claims (14)

1.一种测量流体速度的测量方法，所述测量方法包括测量阶段，每个测量阶段包括以下步骤：发射超声测量信号(Se)，在所述超声测量信号已沿限定长度的路径行进之后接收所述超声测量信号，以及根据所述超声测量信号沿所述限定长度的路径行进所花费的行进时间来估算所述流体速度，所述测量方法进一步包括检测阶段，每个检测阶段在两个测量阶段之间被执行，每个检测阶段包括以下步骤：

·测量所述流体中存在的干扰超声信号电平；

·将所述干扰超声信号电平与检测阈值的当前值(S_n)进行比较，所述检测阈值能够采用位于最大检测阈值(S_0)和最小检测阈值(S_N-1)之间的多个预定义值；

·如果所述测得干扰超声信号电平小于所述检测阈值的当前值(S_n)，则减小所述检测阈值的当前值(S_n)，并重复所述测量步骤和所述比较步骤；

·当所述测得干扰超声信号电平变得大于或等于所述检测阈值的当前限值(S_l)时，检测到干扰并且根据所述检测阈值的当前限值(S_l)来确定所述干扰来自被定义为非自主现象的异常还是被定义为自主现象的企图欺骗。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述检测阈值的预定义值中的每一者由索引(n)引用，所述预定义值呈现随着索引(n)增加而减小的值，并且其中如果所述检测阈值的当前限值(S_l)的索引(l)大于预定义索引阈值(K)，则干扰被确定为来自异常，而如果所述检测阈值的当前限值(S_l)的索引(l)小于或等于所述预定义索引阈值(K)，则干扰被确定为来自企图欺骗。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述预定义索引阈值(K)是能调整的。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述预定义索引阈值(K)能根据一天中所述检测阶段被执行的时间来调整。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述检测阶段还包括用于延迟所述测量步骤的执行达预定义延迟时间的等待步骤。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述预定义延迟时间是基于在先前测量阶段期间产生的超声测量信号的电平变得低于预定静默阈值的时刻来测量的。

7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述检测阶段还包括以下步骤：发射诱饵超声信号，以及尝试检测响应于所述诱饵超声信号而发射的欺骗性超声信号。

8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述检测阶段还包括向外部装备传送所测得的干扰超声信号电平的步骤。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述测量阶段以及在每个检测阶段中的测量步骤在超声流体流量计中被执行，并且其中每个检测阶段中的测量步骤之后的各步骤在所述外部装备中被执行。

10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述外部装备是“云”中的服务器。

11.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述检测阶段还包括在检测到干扰的情况下传送警告消息的步骤。

12.根据权利要求11所述的测量方法，其特征在于，所述警告消息由电力线载波来传送。

13.一种超声流体流量计，所述超声流体流量计包括第一换能器(2a)、第二换能器(2b)以及被布置成执行根据任何前述权利要求所述的测量方法的处理器装置。

14.一种存储装置，其特征在于，所述存储装置存储包括用于使超声流体流量计能够执行根据权利要求1至12中任一项所述的测量方法的指令的计算机程序。

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