CN111386445B - 用于对流体计量器进行运行监控的方法以及流体计量器 - Google Patents

Abstract

用于对安装在用于流体供应的流体管道网中的流体计量器(1)进行运行监控的方法，其中，借助超声换能器(6a、6b)选择性地检测和评估对超声换能器机械式激励的、不应算作流量测量的事件，所述事件以在运行期间在流体计量器(1)中生成的、与流体计量器的运行相关的噪声或在管道网中引起的压力冲击的形式，并且根据所述评估的结果生成至少一个流体计量器特定的运行特性。

Description

用于对流体计量器进行运行监控的方法以及流体计量器

技术领域

本发明一方面涉及一种用于对安装在用于流体供应的流体管道网、例如水管道网中的流体计量器进行运行监控的方法以及另一方面涉及一种流体计量器。

背景技术

流体计量器例如作为用于确定家用或企业中的水的流量或饮用水消耗的水表或作为用于确定消耗的热能的热量计量器使用。

流经量确定可以在这里机械(例如叶轮水表)、磁感应或借助超声测量装置进行。超声流体计量器的工作原理基于使用包括压电式超声换能器体的超声换能器。在这里通常两个超声换能器形成一个超声换能器对，连同处于所述超声换能器之间的测量路径。由超声换能器分别发射或接收的超声波或超声信号、尤其是以所谓的超声脉冲形式沿测量路径经过。

借助超声测量装置对流体确定流经量通常根据超声信号的传输时间差测量进行。所述传输时间差如下确定，即，首先超声信号从第一超声换能器沿测量路径沿着流经方向发射至第二超声换能器。随后超声信号从第二超声换能器沿测量路径逆着流经方向朝第一超声换能器发射。超声信号从一个超声换能器至另一个超声换能器沿测量路径沿着流体的流经方向的传输时间比逆着流体的流经方向小。超声信号的传输时间的该在时间上的差别称为超声信号的传输时间差或传输时间差别。根据该传输时间差和超声流体计量器的已知的尺寸，可以通过计算、控制和/或评估单元确定流体的流量或体积。流体计量器具有以电池形式的自给自足的能量供应。

对流量确定提出日益更高的要求。特别是力求，扩大流体计量器的测量范围以及改善测量精度。在这里测量精度和测量动态与不同的物理的参数和给定条件，如流体压力、流体温度、干扰影响、污染物、装配误差、构件损坏和构件公差的相关性有重要的作用。对流体计量器的无故障运行负面作用的影响也负面作用于测量精度。考虑到这点，存在对流体计量器的尽可能无故障的运行的需求。

作为在流体计量器的运行中的干扰影响尤其是考虑压力冲击、空穴、污染物、错误装配等。空穴涉及在流量中的流动速度高的情况下蒸汽泡在流体中基于在流体计量器内部的变化的压力情况而形成和溶解。特别是在流体计量器中通过空穴受到危害的区域是这样的区域，其中流体流动与结构相关地转向或经过收缩部，从而在过高的流动速度时与流动相关地形成负压区域，空穴可能出现在所述负压区域中。同样空穴也可以通过处于流体计量器中的来自流体网络的杂质造成。同样装配误差也可以引起空穴。空穴也可以通过在流体计量器的规格外的不遵守标准的、非常高的流量产生。

空穴一方面造成流经量确定的测量结果的歪曲或必要时甚至测量结果的完全失效，另一方面在空穴中、特别是也当所述空穴应该在较长的时间段上发生时，甚至可以出现构件损坏。这样的构件损坏也会导致测量结果的歪曲并且借此造成测量误差。

现有技术

由EP 3 112 820 A1已知包括噪声传感器的超声流量计，利用所述噪声传感器应该探测基于在流体供应网中的爆裂的管道的泄漏。通过由多个在流体供应网中设置的计量器接收这样的噪声，确定在流体供应网中的泄漏的位置。为了在流体供应网中定位泄漏噪声，必须评估在流体供应网中的不同位置上的多个流体计量器的接收信号。为了接收泄漏噪声，可以在流体计量器中设置附加的超声换能器亦或将已经用于测量传输时间的超声换能器附加地用于噪声确定。

由EP 3 112 823 A1已知一种系统，其用于在使用多个流体计量器的情况下检查流体网络，所述流体计量器装备有上面提到的噪声传感器。

发明内容

本发明的任务

本发明的任务在于，提供一种用于对流体计量器进行运行监控的方法，利用所述方法，相比于以前的流体计量器能够改善流体计量器的测量精度和测量稳定性。此外本发明的任务在于，提供一种相应的流体计量器。

任务的解决

以上的任务通过按照本发明的方法或流体计解决。

本发明的构思在于，在对超声换能器机械式激励的、不应算作流量测量的事件方面监控流体计量器的运行，并且更确切地说是在对这样的与正常运行的信号相区别的信号进行选择性的检测和评估的情况下监控流体计量器的运行，所述事件以在流体计量器内部出现的、与流体计量器的运行相关的噪声的形式和/或以源自流体网的压力冲击的形式。按照本发明的方法因此能够实现，识别、评估并且在监控特定的流体计量器时一起考虑流体计量器中的干扰事件并且因此根据所述评估的结果定义至少一个流体计量器特定的运行特性。例如由此也能够可靠地识别、记录和/或存储错误装配、例如在装配中移位的密封装置或附着在计量器中的杂质或具有恶化的测量精度的测量周期或甚至没有流量检测的测量周期。

优选所述选择性检测的、与流体计量器的运行相关的事件在时间t上相加成为事件持续时间、优选事件总持续时间D和/或事件强度、优选事件总强度I并且将其记录在流体计量器中。这能够实现连续检查对流体计量器的损坏影响并且借此评定所述流体计量器的完好性。

也优选可以借助在时间t上检测的信号构建并且在需要时输出或显示仪器特定的事件历史。

此外，可以将所检测的事件和/或仪器特定的事件信息和/或仪器特定的事件历史与流体计量器的经验确定的事件特性曲线和/或事件特性参量对比并且由该对比导出控制和/或校验参量。

按照本发明的方法尤其是能够实现，在超过规定的事件持续时间D和/或事件强度I时产生警告信号和/或报警。

优选可以在压力冲击时检测和评估所述压力冲击的最大强度。例如可以在探测到在确定的数量级(幅值)之上的压力冲击时，由此作为流体计量器特定的运行特性导出：该流体计量器被破坏或至少其测量精度必定被持久不利地影响。

通过流体计量器的控制和评估装置交替地在激活模式和睡眠模式中运行并且控制和评估装置这样设计，使得所述控制和评估装置借助通过事件或噪声由超声换能器产生的电信号进行所述控制和评估装置从睡眠模式到激活模式中的转换，可以尽管存在运行监控还是尽量节省流体计量器的自给自足的能量源。所述控制和评估装置因此仅在如下情况“醒来”，即，实际上存在“干扰情况典型的事件”或源自流体计量器本身的噪声或者在超声换能器上出现故障情况典型的压力冲击。

符合目的地，所述电信号是规定的信号电平(最小信号电平)、信号模式和/或特别的频谱。典型的故障情况事件可以被经验地检测、数字化并且“存储”在控制和评估装置中，以便可以进行比较和快速的配属。在存在基于例如不遵守标准的非常高的流量的空穴、伸入管内部的密封装置或在管内部中附着的、使流动横截面收缩的物体例如石头时的典型的“故障情况噪声”是具有非常宽的频谱的非周期性的噪声信号。在基于例如无意地突然关闭的活门(阀)的压力冲击时的典型的“故障情况噪声”与此相对是尖锐插入的电压峰值连同相对低的频率的周期性衰减的振荡。

特别有利的是，所述故障情况事件配设有时间戳。由此可能的是，将干扰的出现配属给准确的时刻或准确的时间段。后者又能够实现，检查并且必要时纠正所述时刻或时间段落入的测量结果。

当在用于确定传输时间的超声换能器布置结构的范围中使用的超声换能器附加地用于选择性地检测和评估故障情况噪声时，本发明甚至可以仅基于现有的构件实现。仅须相应地适配信号处理。

本发明此外涉及一种按照本发明的流量计。为了解决开头提到的任务，所述运行系统包含除流量测量外附加的功能模式，在所述功能模式中，超声换能器选择性地检测和评估对超声换能器机械式激励的事件，所述事件以在流体计量器中出现的噪声的形式和/或以压力冲击的形式。

在电子模块的运行的范围中，存储和/或输出优选可以配设有时间戳(实际时间戳)的故障情况事件。所述故障情况事件在需要时也可以通过合适的通信连接、例如无线电连接传输给上级的数据采集设备(集中器或数据采集器)。关于出现故障情况事件的数据的传输可以与消耗数据分开地或与其一起进行。

按照本发明的流量计优选是这样的流量计，所述流量计具有独立的连接壳体，所述流量计借助所述连接壳体能安装到流体网中。

优选地，所述流量计具有嵌件，所述嵌件分别容纳超声换能器并且通过在连接壳体中的开口稍微伸入测量通道中。正是在这样的结构中，在未预测到的压力过高的情况下可能发生不希望地出现空穴或一般地发生故障情况。

优选地，所述故障情况事件分别是流体计量器内部的空穴噪声和/或流体计量器内部的振动噪声和/或压力冲击和/或通过流体运输的颗粒的机械负荷。

附图说明

借助各实施例对本发明的说明

以下借助附图进一步阐述本发明的实施方案。示出：

图1示出穿过超声流量计的连接壳体以及测量嵌件的剖视图；

图2以强烈简化的示意性视图示出不同种类的在流体计量器的运行时出现的干扰噪声；

图3以强烈简化的示意性视图示出流体计量器在时间上的干扰噪声历史；

图4示出按照本发明的流体计量器的信息输出的示例，以及

图5示出按照本发明的流体计量器的故障情况时间记录。

具体实施方式

在图1中的附图标记1表示基于超声技术的流体计量器，其用于测量流体供应网络中的流体、例如水的流量。流体计量器具有所谓的连接壳体2，流体计量器借助所述连接壳体安装到流体供应网络的(在图1中未示出的)管道中。包括电子元件如控制装置(微处理器)、显示器4、蓄电池、电路板10以及存储器的电子模块3处于上侧上。在电子模块4中优选也可以安放有无线电通信设备，以用于与远离地定位的(未示出的)数据采集器(集中器)通信。

连接壳体2例如具有两个壁缺口，分别一个由可超声穿透的材料(例如塑料)制成的嵌件7a、7b嵌入所述壁缺口中并且通过密封装置8a、8b相对于连接壳体2密封。超声换能器6a、6b在固定的定位中处于相应的嵌件7a、7b的内壁上，以用于将超声信号穿过相应的嵌件7a、7b的壁倾斜地或斜穿到测量通道5中地发射至对置的超声换能器6b，或用于接收由对置的超声换能器6b发射的超声信号。也可以设置用于多于两个对置的超声换能器的多于两个壁缺口。相应的嵌件7a、7b可通过所属的盖9a、9b闭锁。超声换能器6a、6b通过信号路径与电子模块3连接。按照图1的流体计量器可以在需要时还具有温度传感器11，所述温度传感器通过上侧的开口14突出到内部的连接壳体2中并且同样通过信号路径与电子模块连接。

在正常的运行中，流体计量器通过其显示器4示出相应的流体消耗，即流体的流过流体计量器的量。流体计量器通常被校准并且借助铅封或类似物保护以防篡改。

按照该构思，将所述两个超声换能器6a、6b至少之一用于识别、选择性地检测、评估与流体计量器1的运行相关的动态噪声，并且由此生成流体计量器特定的运行特性。如果流体计量器1例如通过密封装置的一部分伸入到流体计量器1的流动横截面中而错误地装入，则由此在流量高的情况下也许形成紊流区域，由此可以出现空穴，所述空穴可以作为动态的噪声由超声换能器确定。空穴的出现可能导致，通过在表面和/或边缘上的材料去除，超声换能器或测量嵌件的导流的内部几何结构随着时间改变并且借此测量精度恶化。

但也在按规定装入的流体计量器1中可能出现有害的空穴，例如当流体、例如水以过高的、即不遵守标准的压力流入流体计量器1的连接壳体2中。在这里尤其是可能围绕嵌件7a、7b形成导致显著的空穴的紊流区域。同样可以确定，流体计量/器在装入的状态中无意地仅不够好地紧固并且因此在运行中出现振动。

附加地，所述两个超声换能器6a、6b中的至少之一也可以用于，检测在流体供应网络中(例如通过施工或通过节流位置的故障)造成的压力冲击，以便由此生成流体计量器特定的运行特性。

相应的干扰事件可以借助特别的波形或借助特别的信号模式来识别。

图2a例如示出在tn时的突变的电压上升(在开始时最大的电平Imax)的波形以及在一定的时间段Δt上持续的具有相对低的频率的周期性衰减的振荡直至tn+1..。由波形、信号频率和/或信号模式可以推断出的干扰的类型。在该示例中例如涉及如下波形，其基于短时提高的压力的出现(例如基于突然打开阀的压力冲击)。此外按照本发明的方法可以确定出现的干扰的精确的时刻、持续时间和/或其强度。tn和tn+1分别是实际时间，亦即干扰出现的精确的时间以及干扰结束的准确的时刻。

附加于电压的检测，也可以进行信号频率的检测。

按照图2b的波形或信号模式是空穴典型的信号。该信号对应于具有宽的非特定的频谱以及相比于图2a高的频率的强烈的噪声，所述噪声例如与未遵守标准的、在流体计量器的规格外的非常高的流量相关。在这样的事故中，正确的流量确定不再确保或由于缺乏可评估的信号一般地说不再可能。

按照图2c的波形或信号模式是具有各个不同大小的尖峰的曲线变化。这样的曲线变化表示，不同大的颗粒(例如石头)冲过流体计量器并且通过碰撞到容纳超声换能器的嵌件的表面上引起示出的信号模式。

参考图2d，具有较大的近似不变的幅值的周期性的振荡可以例如归结于基于不足的安装(例如不完善的紧固)的与流量相关的振动。

相应的(尤其是经验确定的)信息如比较信号形状、比较强度、比较频率和/或比较时间间隔可以“存储”在流体计量器的运行系统中。由此可以有利地借助所测量的信号进行干扰事件的“类型配属”并且作为其结果在需要时引入控制和/或报警措施。运行系统的电子器件可以因此在简单的信号噪声、空穴特定的信号噪声、基于压力冲击的尖峰以及通过振动的周期性的振荡之间相区分。

图2e例如示出以在时间上限定的反复的空穴形式的反复的干扰情况。在这里产生两个不同大小的流量交替的曲线变化，其与重复出现的空穴(在标准测量范围之上的大幅值的时间间隔)相对于“正常的流量”(在标准测量范围之内的通常的噪声的小幅值的时间间隔)相关。在空穴的区域中，基于差的信号质量，传输时间差测量是不可能的。小幅值的时间间隔与此相对示出流体计量器的规格内的流量，其中可以发生精确的流量测量。按照本发明的方法能够实现，对减少的测量精度的时间间隔准确地探测或定位、记录并且在评估中一起考虑。

基于噪声由超声换能器分别产生的电信号仅由噪声的机械能并且没有附加的能量地产生。

例如参考图4，按照本发明在流体计量器中在运行程序16的范围中设置多个功能模块，即除了功能模块流体量16a之外有功能模块事件时间顺序16b以及此外在需要时有其他的功能模块总事件历史16c和/或事件类型16d。

在功能模块总事件历史16c的范围中，事件持续时间D和/或事件强度I和/或频率可以作为信息来存储和输出。关于功能模块噪声类型16d，可以在这里例如在空穴、振动和/或过压(压力冲击)之间相区分。相关的信息优选可以在图1的流体计量器1的显示器4上显示。同样可以在需要时输出警告信号和/或在显示器上输出警告提示。相应地，可以在需要时将用于管理和/或进一步处理的相应的事件数据也传输给(未示出的)数据采集器和输送给(同样未示出的)中心。

按照本发明可以如在图3中描述的那样在所述方法的范围中预定最小的强度Imin，借助所述最小的强度可以区分跟随干扰情况的信号(S1、S2)的存在与单纯的噪声或流量测量(S3)。

在流体计量器的电子模块中的控制和评估装置交替地在激活模式和睡眠模式中运行。为此控制和评估装置这样设计，使得其首先借助通过上述类型的不寻常的事件由超声换能器产生的电信号进行所述控制和评估装置从睡眠模式到激活模式中的转换。

本发明除了确定流体量、亦即流体的消耗量之外首次能够实现，对特定的流体计量器的运行关于在流体计量器上的引起噪声和/或振荡的故障情况的出现在所述流体计量器的使用寿命上进行监控并且精确归档。

相应的故障情况记录以简化的示意图示例性地由图5可看出。在流体计量器的运行系统中，可以基于本发明确定、记录并且在需要时相应地归档和分析干扰情况。亦即附加的、对于特定的流体计量器的运行特别重要的信息(运行特性)可以输出给流体计量器的用户或操作者。由此可以快速地检测错误测量、错误操作、错误功能以及流体计量器的运行的其他不利影响并且由此执行补救。本发明因此构成对现有技术的有关领域的完全特别的贡献。

附图标记列表

1 流体计量器

2 连接壳体

3 电子模块

4 显示器

5 测量通道

6a 超声换能器

6b 超声换能器

7a 嵌件

7b 嵌件

8a 密封装置

8b 密封装置

9a 盖

9b 盖

16 运行系统

16a 功能模块流体量

16b 功能模块事件时间顺序

16c 功能模块总事件历史

16d 功能模块事件类型

Claims (15)

1.用于对安装在用于流体供应的流体管道网中的流量计的运行进行监控的方法，其中，所述流量计具有至少一个超声换能器，其特征在于，

借助所述超声换能器，选择性地检测和评估对超声换能器机械式激励的并且不应算作流量测量的事件，所述事件以与流量计的运行相关的噪声的形式和/或以源自流体管道网的压力冲击的形式，并且

根据所述评估的结果生成流量计的至少一个运行特性，

在时间t上记录对超声换能器机械式激励的事件，

给所述事件配设时间戳，

在时间t上记录选择性检测的事件的总事件持续时间和/或事件总强度，

根据在时间上的对所述至少一个超声换能器机械式激励的事件生成流量计的事件历史。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，

检测和评估所述压力冲击的最大强度，并且

根据所述评估的结果生成流量计的至少一个运行特性。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将流量计的事件历史与经验确定的事件特性曲线和/或事件特性参量比较，或者将流量计的事件信息与经验确定的事件特性曲线和/或事件特性参量比较，并且由所述比较导出事件或损坏类型配属、控制参量和校验参量中的一项或多项。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在超过规定的事件持续时间和/或事件强度时产生警告信号，或

在超过规定的事件持续时间和/或事件强度时产生报警。

5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

使流量计的控制和评估装置交替地在激活模式和睡眠模式中运行，并且

所述控制和评估装置设计为使得其借助响应于事件由超声换能器产生的电信号才进行所述控制和评估装置从睡眠模式到激活模式中的转换。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，响应于事件由超声换能器产生的电信号仅由所述事件的机械能而没有附加的能量地产生。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电信号是信号模式、频谱和最高电平中的一项或多项。

8.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于选择性的检测和评估所述事件的超声换能器是用于确定传输时间的超声换能器布置结构的组成部分。

9.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述噪声相应地涉及下述中的一项或多项：

与流量计相关的空穴噪声，

与流量计相关的振动噪声，和

由处于流量计中的或冲过所述流量计的颗粒加载到超声换能器的机械负荷。

10.流量计(1)，所述流量计用于在用于流体供应的流体管道网中进行流量测量，所述流量计包括：

用于测量传输时间的超声换能器布置结构，其具有至少一个超声换能器(6a、6b)，以用于将超声波发射到流体中和/或从流体中接收超声波，

包括控制和评估装置以及运行系统(16)的电子模块(3)，其用于操控以及用于超声换能器(6a、6b)的信号检测和信号评估，以及

电能源，其中，

所述流量计(1)具有连接壳体(2)，所述流量计(1)能借助所述连接壳体安装到流体管道网中，

所述运行系统(16)包含除流量测量以外的附加的功能模式，其中，所述超声换能器(6a、6b)选择性地检测和评估对超声换能器机械式激励的并且不应算作流量测量的事件，所述事件以与在流量计(1)的运行相关的噪声的形式和/或以源自流体管道网的压力冲击的形式，

其特征在于，所述控制和评估装置设置为：

根据所述评估的结果生成流量计的至少一个运行特性，

在时间t上记录对超声换能器机械式激励的事件，

给所述事件配设时间戳，

在时间t上记录选择性检测的事件的总事件持续时间和/或事件总强度，并且

根据在时间上的对所述至少一个超声换能器机械式激励的事件生成流量计的事件历史。

11.按照权利要求10所述的流量计，其特征在于，所述流量计包括测量嵌件(5)，所述测量嵌件设置在所述连接壳体(2)内，所述测量嵌件具有测量管、用于超声信号的转向镜(7a、7b)以及导流装置。

12.按照权利要求10或11所述的流量计，其特征在于，用于流体供应的流体管道网是用于供水的水管道网。

13.按照权利要求10或11所述的流量计，其特征在于，所述超声换能器布置结构具有两个超声换能器。

14.按照权利要求10或11所述的流量计，其特征在于，对所述事件和/或所述事件的出现进行存储。

15.按照权利要求10或11所述的流量计，其特征在于，将所述事件和/或所述事件的出现作为输出传送。