CN112098676A - 改进的信号行程时间流量计 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种用于确定流体导管中的液体的流速的方法。在信号生成阶段期间，将脉冲信号施加到第一超声波换能器。然后在第二超声波换能器处接收响应信号。稍后从响应信号导出测量信号，其中，导出包括相对于时间反转信号部分。在测量阶段期间，液体相对于流体导管移动。然后将测量信号施加到两个换能器中的一个，并且在另一个换能器处测量测量信号的响应信号。从测量信号的响应信号导出流速。

Description

改进的信号行程时间流量计
技术领域
本申请涉及流量计，具体而言，涉及超声波行程时间流量计。
背景技术
各种类型的流量计目前用于测量通过管道的流体(例如液体或气体)的体积流量。超声波流量计或者是利用声学多普勒效应的多普勒流量计，或者是有时也称为传输流量计的行程时间流量计，其利用由源和介质的相对运动引起的传播时间差。行程时间也被称为飞越时间或渡越时间。
超声波行程时间流量计计算在流动方向上和逆流动方向上传播的超声波脉冲的传播时间的差。作为管线式流量计，也称为侵入式或湿式流量计，或者作为夹合式流量计，也称为非侵入式流量计，来提供超声波流量计。流量计的其它形式包括文丘里管道，溢流门槛，雷达流量计，科里奥利流量计，差压流量计，磁感应流量计和其他类型的流量计。
当存在不规则流量剖面或开放通道时，多于一个传播路径可能是确定平均流速所必需的。其中，在诸如IEC 41或EN ISO 6416的水文测验标准中说明了多路径过程。作为进一步的应用，超声波流量计也用于例如利用声学多普勒海流剖面仪(ADCP)测量流量剖面。ADCP也适用于测量河流和开阔水域的水流速和排放量。
发明内容
本说明书的目的是提供一种改进的时差流量计和相应的方法，用于测量通常的流体，特别是用于诸如水，油的液体或气体，的平均流速或流量剖面。
在根据本说明书的流量测量设备中，例如压电元件形式的声换能器，也称为压电换能器，用于生成和接收测试信号和测量信号。
可替换的声发射器包括激发金属膜振动的激光器，或简单的扬声器。还可以以其它方式产生压力波。接收器侧也可以由不同于压电换能器但检测超声波的其他装置表示。
尽管在本说明书中经常使用术语“压电换能器”，但是其也代表产生或检测超声波的其它声波换能器。
根据本说明书的测量信号可以通过匹配滤波器来建模。如果尖峰脉冲用作探针或测试信号，那么在换能器处接收的信号是流体的导管或通道的脉冲响应。根据本申请，将脉冲响应相对于时间的反转版本通过与测量信号相同的通道，在相反方向上或者在相同方向上发送回来。这分别导致在原始源处的起点具有峰值的信号，或者在原始接收器处具有峰值的信号。
相对于时间的反转可以以几种方式实现。如果将模拟装置用于记录响应信号，则可以以反向模式播放记录的响应信号。如果将数字装置用于记录响应信号的样本，则将所记录的样本的顺序倒转以便获得反转信号。这可以通过将每个记录的样本的时间戳的值反转，将各自的时间值乘以(-1)来实现。如果按照时间戳值的升序播放，就以相反的顺序播放记录的样本。换句话说，反转的响应信号是记录的响应信号，但是逆向播放。
根据本说明书的超声波流量计通过使用上述反转信号或类似形状的信号来提供集中特性，用于超声波流量计形成在空间和时间上集中的响应信号。这又导致在接收压电元件处的更高的振幅和更好的信噪比。
利用根据本说明书的超声波流量计，可以在非常一般的条件下获得集中。例如，如果反转信号的时间分辨率足够，即使仅激励一个超声发射器，并且即使将反转信号简化到仅在振幅范围内粗略数字化的信号，也获得了集中特性。此外，根据本说明书的流量计可以与夹合式换能器一起使用，夹合式换能器容易定位在管道上并且不需要对管道进行修改。
在根据本说明书的流量测量方法中，可以调整相对于测量信号的振幅的位分辨率。具体而言，可以调整位分辨率以获得响应信号的高振幅。
根据一个实施例，增大位分辨率以增大对测量信号的响应信号的振幅。在一个实施例中，以预定步长增大位分辨率，选择产生具有最高振幅的响应信号的位分辨率，将测量信号的相应表示存储在计算机存储器中。
根据另一实施例，减小位分辨率以增大对测量信号的响应信号的振幅。在一个实施例中，以预定步长减小位分辨率，选择产生具有最高幅度的响应信号的位分辨率，将测量信号的相应表示存储在计算机存储器中。
具体而言，位分辨率可以是低位分辨率，诸如存储在一个数字或两个数字中的分辨率，特别是一个或两个二进制数字中的。根据其他实施例，低位分辨率包括至少1位分辨率和至多64位分辨率。
根据进一步的实施例，处理第一响应信号以确定或导出管道的壁厚度的变化，或者通过确定纵向和横向声波特性来确定或导出管道壁的材料特性。例如，横向和纵向波特性可以从接收或响应信号的对应部分导出，其对应于声波的不同到达时间。
根据该实施例，相同的响应信号用于确定流速和用于检测上述特性。因此，不再必须使用单独的信号或单独的装置来检测诸如污染和材料缺陷的影响，尽管可以使用单独的信号或单独的装置。此外，导出的通道特性可以用于获得更精确的流速估计。
在根据本说明书的超声波流量计中，确保夹合式换能器的良好耦合和方向性以减少散射的技术特征可以不是必需的，或者相反，其甚至可以改善集中。为了提供增大的散射，可以选择适合于液体的折射率的耦合材料，或者可以使用提供更多剪切波的换能器和换能器耦合。
优选地，在根据本说明书的流量计中使用的声波的频率在>20kHz和2MHz之间，这对应于0.5微秒(μs)的振荡周期，但是其甚至可以高达800MHz。在许多情况下，超声波流量计以几百kHz或更高的频率远高于听阈操作。时差超声波流量计的通过频率通常在kHz或MHz范围内。
根据一个方面，本说明书公开了一种计算机实施的方法，用于使用传输时间超声波流量计来确定流体导管或通道中流体的流速。特别地，该方法可以用于管道或管子，但也可用于开放通道应用，例如用于排水或灌溉渠道的应用。
在优选实施例中，“计算机实施的”是指在诸如微处理器，ASIC，FPGA等的小型电子部件上的执行，其可以用在便携式或紧凑式固定数字信号处理设备中，固定数字信号处理设备通常具有比工作站或主机计算机更小的尺寸，并且可以沿着流体管道放置在所需位置。
在下文中，术语“通道”，“导管”，“通路”，“管道”等被用作同义词。本申请的主题可以应用于用于流体的所有类型的导管，而与其各自的形状无关，并且与其是否是开放的或封闭的或完全填充的或部分填充的无关。本申请的主题还可以应用于所有类型的流体或气体，无论它们是气体还是液体，或两者的混合物。
在测量信号生成阶段期间，为流体导管提供有相对于流体导管具有预定速度的流体，特别是相对于流体导管基本上静止的流体。测量信号从响应信号生成，响应信号是传输通道响应于最初施加的脉冲信号而生成的。
脉冲信号被施加到第一超声波换能器，例如压电换能器，其中，脉冲信号具体是指具有集中在短时间段内的信号能量的信号。
在特定实施例中，脉冲信号仅在载波的几个振荡周期上延伸，例如10-20个振荡周期或更短。特别地，脉冲信号的包络可以具有矩形形状，但是其他形状也是可能的。例如，脉冲信号可以对应于一次峰值或单个脉冲，短矩形脉冲串或任何其它信号形状，例如锯齿形，矩形波，线性调频脉冲，正弦波或预定噪声脉冲串，诸如白噪声或粉红噪声，其也被称为1/f噪声。该方法几乎适用于脉冲信号的任何信号形状。
对于每个测量，不需要重复信号生成阶段。例如，其可以在第一次测量之前和在流体导管中例如由于沉积物，腐蚀和热应力的条件改变的稍后时间进行。
有时，当涉及测量信号生成阶段时，使用术语“校准阶段”。这不完全正确。对于流量计，通常将流量计放置在校准台处，在此，比较流速的测量值和目标值。这两个值之间的连接因子称为校准因子，它包括不能指明的流量测量的硬件和软件误差。对于本申请的主题，更适合于在测量信号生成阶段和校准阶段之间进行辨别。测量信号生成阶段提供测量信号-当被使用时-将响应信号中的相对尖锐的峰值传送给测量信号，而校准阶段提供了提供精确流速测量的流量计。
可以通过向真实导管施加和测量真实的实际信号来提供根据说明书的方法的以下步骤：
-向第一超声波换能器提供脉冲信号，所述第一超声波换能器位于第一位置处的所述流体导管，
-在第二超声波换能器处提供所述脉冲信号的响应信号，所述第二超声波换能器位于第二位置处的所述流体导管，
-从所述响应信号导出测量信号，所述测量信号的导出包括选择所述响应信号的信号部分或从其导出的信号的信号部分，并相对于时间倒转所述信号部分，
结果是，一旦作为数字或模拟信号提供了脉冲信号，可以通过数字或模拟仿真获得在第二超声波换能器处提供脉冲信号的响应信号并导出测量信号的步骤。有限元软件可用于此目的。
压电换能器位于流体导管处。特别地，它们可以位于各自安装到的流体导管处。第一压电换能器位于各自安装到的第一位置处的流体导管的周边。在一个特定实施例中，其被夹紧在流体导管的周边上。在第二压电换能器处接收脉冲信号的响应信号。
诸如压电换能器的第二超声波换能器位于各自安装到的在第二位置的流体导管处，该第二位置相对于第一位置沿着流体导管的纵向方向并且沿着穿过导管轴线的中心横截面偏移，其中，所述纵向方向对应于通过通道的平均流动的方向。如果不需要在流体表面处的反射和其他效应，则流体导管可以完全充满流体。
利用模拟装置或者同样是数字地从响应信号导出测量信号，该响应信号是传输通道对初始脉冲信号的响应。测量信号的导出包括选择响应信号的信号部分或从其导出的信号的信号部分，并相对于时间倒转信号部分，它可以包括存储测量信号的步骤，例如以其数字化形式存储在计算机可读存储器中供以后使用。这里，方法步骤的不同顺序是可能的。例如，可以在存储信号之后相对于时间倒转信号。
在测量阶段期间，其中，流体根据外部条件(例如压力，重力，管道的倾斜度等)相对于流体导管移动，将测量信号施加到例如压电换能器的第一超声波换能器和第二超声波换能器中的一个。具体而言，可以将从存储的测量信号导出的电信号施加到换能器。
在另一个超声波换能器(例如压电换能器)处测量测量信号的第一响应信号，至少从第一响应信号导出流体的流速。
具体而言，这包括测量下游或上游飞越时间。可以通过将测量的飞越时间与考虑了在当前条件(例如通过测量流体的温度)下的声速的校准下的飞越时间进行比较来获得速度的估计。在进一步的步骤中，体积流量或质量流量可以从流速或从流速剖面导出。
为了获得更精确的估计，可以在从第一超声波换能器到第二超声波换能器(例如压电换能器)的及相反方向上的两个方向上执行测量。特别地，这允许消除飞越时间测量中的声速，或者其可以提供当前声速的可靠估计。
根据本说明书的流量测量可以用于仅具有两个换能器的装置中，也可以用于多换能器装置中，例如图43和44的装置或者图4和5的装置。特别地，流量测量可以通过多换能器装置的彼此相对设置的一对换能器获得。该换能器对可以设置在穿过导管的中心轴线的平面中，如图43所示，或者它们可以设置在相对于导管的中心轴线偏移的平面中，如图44所示。图44的装置可用于确定在到中心轴线的预定距离处的流体层中的流体速度。
因此，施加测量信号和测量响应信号的步骤以相反的方向重复。换句话说，将先前的接收器用作发送器，将先前的发送器被用作接收器，将信号从相应的另一超声波换能器(例如压电换能器)发送到两个换能器中的相应第一换能器，以便获得第二响应信号。从第一响应信号和第二响应信号导出流体的流速。具体地，导出包括导出下游和上游飞越时间。
虽然可以从一个超声波换能器(例如压电换能器)向另一个超声波换能器(例如压电换能器)发送测量信号，但是在进行速度或流量测量时正向和反向地执行它也是有益的。
换句话说，该过程可以以下列方式进行：
正向：
-将脉冲信号从第一超声波换能器发送到第二超声波换能器，
-在第二超声波换能器处接收脉冲信号的响应信号，
-相对于时间反转在第二超声波换能器处接收到的响应信号，从而获得测量信号，
-将测量信号从第一超声波换能器发送到第二超声波换能器，
-在第二超声波换能器处接收测量信号的响应信号。
反向：
-将脉冲信号从第二超声波换能器发送到第一超声波换能器(例如压电换能器)，
-在第一超声波换能器处接收脉冲信号的响应信号，
-相对于时间反转来自第一超声波换能器的脉冲信号的接收响应信号，从而获得测量信号，
-将测量信号从第二超声波换能器发送到第一超声波换能器，
-在第一超声波换能器处接收对测量信号的响应信号，
-测量在第二超声波换能器和第一超声波换能器处接收的响应信号之间的时间差。该时间差与两个超声波换能器(例如压电换能器)之间的流速成比例。
请注意，正向的测量信号可以与反向的测量信号不同。测量信号对于每个传播方向通常具有唯一的形状，尽管对于简单的结构可以使用相同的测量信号。
在整个申请中，经常使用术语“计算机”。虽然计算机包括诸如膝上型计算机或台式计算机的设备，但是信号传输和接收也可以通过微控制器，ACID，FPGA等来完成。
此外，换能器之间的相关连接线可以相对于流体导管的中心在几何上偏移，以便获得预定层中的流速，并且可以存在多于一对换能器。此外，测量信号可以由多于一个换能器提供，和/或对测量信号的响应信号可以由多于一个换能器测量。
根据简单的实施例，通过来自多个接收换能器的响应信号的线性叠加生成平均测量信号，对平均响应信号执行上述信号处理步骤以获得测量信号。
根据另一个实施例，存在相等数量(例如N个)的发送和接收换能器，其中，发送换能器的相对布置等于接收换能器的相对布置。然后按照上述信号处理步骤单独处理N个接收响应信号，以获得N个单独测量信号。
通常例如作为夹合式换能器、插入式或内部安装换能器设置这N个换能器。作为示例，图43示出了在换能器上具有8个夹合式换能器的设置，图44示出了具有8个插入式换能器的设置。图43的8个换能器设置在四个各自的平面中，这四个平面穿过导管的轴线中心。
图44的8个插入换能器设置在四个平行的平面中。
换能器之间的连接线示出换能器的操作模式。在图43的操作模式中，信号从第一换能器发送到相对于水管道的中心轴线上的中心点与第一换能器相对的第二换能器。
在图44的操作模式中，信号相对于中心点从第一换能器发送到第二换能器发送，该中心点位于各自的矩形设置的中心和四个平行平面中的一个中。
根据一个实施例，用于导出测量信号的响应信号的信号部分包括在响应信号的最大振幅周围的第一部分和尾部信号部分，尾部信号部分在最大振幅的到达时间后在时间上延伸。尾部部分提供来自远离直接信号附近的信号的进一步反射的信号，并且可以有助于更好的集中。
为了获得改进的生成的测量信号，施加脉冲信号和接收相应的响应信号的步骤不仅可以进行一次，而且它们可以重复多次，至少两次。由此，获得多个响应信号。然后从接收的响应信号的平均值导出测量信号。
在一个实施例中，多次重复测量，但是超声信号仅在一个方向上行进。在另一个实施例中，多次重复测量，超声信号在两个方向上行进。在再另一个实施例中，在两个方向上多次重复测量，对于两个方向导出单独的平均值。
根据另一实施例，从一个或多个接收的响应信号导出测量信号包括确定响应信号或从其导出的信号的包络。提供幅度调制振荡信号，其根据包络进行幅度调制。使用包络而不是样本，或者除样本之外还使用包络，可以在储存空间和计算速度方面提供益处。
特别地，调制幅度可以具有为测量信号或其一部分所确定的包络的形状。载波振荡的振荡频率为至少20kHz。根据另外的实施例，频率为至少100kHz，至少500kHz或至少1MHz。频率的选择影响散射过程，更高的频率可以提供导管壁的更细粒度的采样，这又可以允许超声信号的更精确的成形。
根据另外的实施例，将响应信号或从其导出的信号相对于振幅进行数字化，特别是具有在1和8位之间的分辨率。本说明书显示了，即使相对于振幅的粗略数字化也可以导致超声信号的充分集中。使用低分辨率节省了计算时间和存储器空间，而较高分辨率不一定提供通过导管的流体流速的更精确的测量结果。还已经证明，增加或减小响应信号或测量信号的分辨率可以有助于改善信噪比和时间测量的精度。降低分辨率导致响应于测量信号的更尖锐或更有特征的峰值。这意味着，如果存在高SNR，则可以降低测量信号或对测量信号的响应信号的分辨率，而不是增加测量信号的发射功率。
根据本说明书的另一方面，一些用于确定流体导管或管道中的流体的流速的方法可以使用传输时间超声波流量计的幅度调制测量信号或幅度调制响应信号。该方法不一定包括信号生成阶段步骤，尽管可以使用一次性信号生成阶段步骤来获得测量信号。例如，该方法可以依赖于在工厂现场的预先生成的测量信号，其中，测量信号作为一个超声波换能器(例如已经接收由另一个超声波换能器(例如压电换能器)发出的一系列振荡的压电换能器)的相对于时间反转的接收信号而生成。
在第一步骤中，为流体导管提供流体，该流体根据例如压力，重力，管道的倾斜度等的外部条件相对于流体导管移动。
在流体导管的第一位置处提供第一压电换能器。在流体导管的第二位置处提供例如压电换能器的第二超声波换能器。第二位置沿着流体导管的纵向方向相对于第一位置偏移，纵向方向对应于流体通道的流体流动方向。
提供测量信号并将测量信号施加到第一超声波换能器或第二超声波换能器，例如压电换能器。具体而言，从可以被发送到换能器的幅度调制信号导出的电信号。
在另一个超声波换能器(例如压电换能器)处测量测量信号的第一响应信号，从第一响应信号导出流体的流速。具体地，这包括导出下游或上游飞越时间。
与上述方法类似，通过在相反方向上重复测量以获得下游和上游飞越时间，可以实现更高的精度。如图43和44所示。参考图，可以利用N对换能器，例如用于获得平均流量的更准确的估计或用于获得在距液体管道的中心轴线预定距离处的平面中的流量的估计。
具体地，在相反方向上重复施加测量信号和测量响应信号的步骤，以获得第二响应信号，从第一响应信号和第二响应信号导出流体的流速，其中，导出包括导出下游和上游飞越时间。
这些步骤非常类似于如上所述的方法步骤，不同之处在于，在每次测量之前不调整设备而进行测量。
以下特征适用于两种方法，在每次测量之前有或没有信号生成阶段。
根据另一实施例，测量信号的振幅或响应信号的振幅可以在预定数量的振荡(例如载波信号的五个或更多个振荡周期)上增加到最大振幅。当振幅在一段时间内增加时，可以减少诸如压电换能器的超声波换能器对测量的反应时间的惯性效应。
在一个特定实施例中，测量信号或响应信号在载波信号的至少五个振荡周期上指数增加到最大振幅。
根据另一实施例，测量信号包括前导部分，前导部分在测量信号的信号最大值的多个半宽度上在时间上延伸，并且前导部分在时间上在信号最大值的至少一个半宽度区域之前。
根据又一实施例，测量信号包括前导部分。前导部分从接收信号的尾部部分导出，该尾部部分相对于时间在接收信号的信号最大之后。前导部分在接收信号的信号最大值周围的半宽度的至少三倍上延伸。
根据另外的实施例，前导部分包括测量信号的信号能量的至少10％或至少50％。
时间间隔中的信号s(t)的信号能量E可以根据表达式或其离散形式来定义，其中，时间间隔分别由[T1，T2]或[-m*Δt，n*Δt]给出。
测量信号的前导部分可以显著地有助于产生在空间和时间上达到峰值的信号。
在一些具体实施例中，测量信号或响应信号可以由幅度调制振荡信号提供，该幅度调制振荡信号相对于幅度被数字化，例如，分辨率在1和8位之间。这可以在计算速度和存储器空间方面提供益处，并且甚至可以导致增大的信号峰值。
根据另一实施例，施加到换能器的测量信号可以包括根据提供预定振幅或无振幅，或换句话说零振幅的0-1调制而调制的振荡信号。
具体地，可以根据为流体导管提供相对于流体导管具有预定速度或者基本上静止的流体的信号产生阶段从测量的响应信号导出幅度调制的测量信号。
将脉冲信号施加到诸如压电换能器的第一超声波换能器，在诸如压电换能器的第二超声波换能器处接收脉冲信号的响应信号。
从响应信号导出测量信号。测量信号的导出包括选择响应信号的信号部分或从其导出的信号的信号部分，相对于时间反转信号部分，数字化的测量信号可以存储在计算机可读存储器中以备后用。
在一个特定实施例中，测量信号或响应信号的包络的振幅可以从测量信号的前导信号部分增加至少一个数量级至最大振幅。前导信号部分在时间上在信号最大值之前。换句话说，它是较早发出的。根据另外的实施例，振幅增加至少两个或甚至至少三个数量级。
根据另一方面，公开了一种用于在行程时间超声波流量计中测量流速的设备。该设备包括用于连接第一压电元件的第一连接器，用于连接第二压电元件的第二连接器，连接到第一连接器的可任选的数模转换器(DAC)及连接到第二连接器的可任选的模数转换器(ADC)。
此外，该设备包括计算机可读存储器，电子定时器或振荡器，用于将脉冲信号发送到第一连接器的发送单元和用于从第二连接器接收对脉冲信号的响应信号的接收单元。
此外，该设备包括用于从接收的响应信号生成测量信号的模块置，例如用于选择接收的响应信号或从其导出的信号的一部分的选择单元，及用于将响应信号的选定部分相对于时间反转以获得反转信号的反转单元。可任选地，可以提供带通滤波器以去除不需要的信号分量。此外，提供处理单元，用于至少从反转信号导出测量信号，及用于将测量信号存储在计算机可读存储器中。
此外，该设备包括用于测量流速的模块。在发送侧提供可连接到第一连接器或第二连接器的测量信号发生器以及用于将测量信号发送到第一连接器的发送模块，例如DAC和连接器。在接收侧提供用于从第二连接器接收测量信号的响应信号的接收单元和用于从接收的响应信号导出流速的速度处理单元。术语流体速度，流速度和流速在本申请中用作同义词。
尽管作为没有A/D和D/A转换器并且没有计算机可读存储器单元的模拟设备提供了该设备，但是也可以为该设备或其部分提供数字计算机系统。
特别地，诸如速度处理单元、选择单元和反转单元的各种信号处理单元可以完全地或部分地由专用电子组件或具有计算机可读指令集的程序存储器提供。类似地，发送单元的测量信号发生器和脉冲信号发生器可以全部或部分地由可以包括计算机可读指令集的专用电子组件提供。
根据另一实施例，该设备包括包含上述ADC的直接数字信号合成器(DDS)。DDS包括频率控制寄存器，基准振荡器，数控振荡器和重构低通滤波器。此外，ADC可通过重建低通滤波器连接到第一连接器和第二连接器。
其中，数字信号合成器可以被配置为通过使用存储在具有计算机可读存储器的存储器单元中的预定算法或预定值来合成诸如测量信号的信号。例如，可以通过直接信号生成或通过DDS(直接数字合成)生成信号。
此外，本说明书公开了具有连接到第一连接器的第一压电换能器和连接到第二连接器的第二超声波换能器(例如压电换能器)的流量测量设备。特别地，可以为诸如压电换能器的超声波换能器提供附接区域，诸如用于将它们附接到管道的夹紧机构。
此外，本说明书公开了一种具有管道部分的流量测量设备。诸如压电换能器的第一超声波换能器在第一位置处安装到管道部分，诸如压电换能器的第二超声波换能器在第二位置处安装到管道部分。特别地，换能器可以夹紧到管道部分。当设备相对于管部预先校准时，为设备提供管道部分可以提供益处。
该设备可以制造得紧凑和便携。根据本说明书的便携式设备，其配备有表面可安装的换能器，例如夹合式换能器，可用于检查任何可接近位置上的管道。通常，设备可以是固定的或便携式的。优选地，该装置足够紧凑以便放置在所需位置并且充分保护免受诸如湿度、热和腐蚀性物质的环境条件的影响。
此外，本说明书公开了用于执行根据本说明书的流量测量方法的计算机可读代码，包括计算机可读代码的计算机可读存储器和专用电子组件，其可操作以执行根据本说明书的方法的方法步骤。
特别地，专用电子组件可以由包括诸如EPROM，EEPROM，闪存等的上述计算机可读存储器的电子组件提供。根据其他实施例，专用电子组件由具有硬连线或具有诸如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)的可配置电路的组件提供。
在另一实施例中，根据本说明书的专用电子组件由多个互连的电子组件提供，例如由FPGA提供，其在多管芯设置中连接到适当编程的EPROM。专用电子组件的其他示例是诸如可编程逻辑阵列(PLA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)的可编程集成电路。
根据本申请，确定现成的测试装置是否正在测量流体导管中的流体的流速是有帮助的。为此，为流体导管提供相对于流体导管具有预定速度的流体。将测试脉冲信号施加到第一超声波换能器，例如测试设备的压电换能器，第一压电换能器在第一位置处安装到流体导管，随后在测试设备的第二压电换能器处接收测试脉冲信号的测试响应信号，第二超声波换能器(例如压电换能器)在第二位置处安装到流体导管。
然后从响应信号导出测试测量信号，测试测量信号的导出包括相对于时间反转信号，随后将测试测量信号与在例如压电换能器的第一和第二超声波换能器中的另一个处发射的测量信号进行比较。测量信号是由制造商提供时由测试设备提供的信号，基于在制造测试设备之后(常常安装到管件上)的一次性生成的工厂测量信号。
在测试设备使用根据本申请的确定流体导管中的流体的流速的方法的情况下，测试测量信号和测量信号是相似的。换句话说，通过选择测试信号并重复本申请的信号生成阶段来提供本申请的主题的逆向工程，直到测试测量信号和测量信号相似为止。术语“类似”意味着在测试测量信号和测量信号之间存在显著的相关性。
该方法还可以包括选择测试响应信号的信号部分或从其导出的信号的信号部分，并存储该测试测量信号用于以后使用。
因此，用于在由功能特征限定的行程时间超声波流量计中测量流速的设备包括用于第一压电元件的第一连接器，用于第二压电元件的第二连接器，用于将脉冲信号发送到第一连接器的发送单元，用于从第二连接器接收对脉冲信号的响应信号的接收单元，用于相对于时间反转响应信号以获得反转信号的反转单元，用于从反转信号导出测量信号的处理单元。当使用该设备来确定流体导管中的流体的流速时，将为流体导管提供具有相对于流体导管的速度的流体。这之后，将测量信号施加到第一超声波换能器和第二超声波换能器(例如压电换能器)中的一个，并且测量第一超声波换能器和第二超声波换能器(例如压电换能器)中的另一个处的测量信号的第一响应信号。然后可以从第一响应信号导出流体的流速。设备的逆向工程将揭示，在将测试脉冲信号施加到诸如测试设备的压电换能器的第一超声波换能器时，在测试设备的第二压电换能器处接收测试脉冲信号的测试响应信号，例如压电换能器的第二超声波换能器在第二位置处安装到流体导管，从响应信号导出测试测量信号，测试测量信号的导出包括相对于时间反转信号，其中，测试测量信号和在第一超声波换能器或第二超声波换能器(例如压电换能器)处发射的测量信号是相似的。该功能描述有助于表征本申请的设备，而无需描述发射信号的结构和形状。
显然，该设备可以具有D/A转换器，D/A转换器连接到第一连接器，A/D转换器，A/D转换器连接到第二连接器，以及计算机可读存储器。它还可以包括用于选择所接收的响应信号的一部分或从中导出的信号的一部分的选择单元，其中，利用所接收的响应信号的所选部分或从中导出的信号的所选部分进行上述评估。
附图说明
现在参考以下附图更详细地解释本说明书的主题，其中：
图1示出了具有两个压电元件的第一流量计装置，
图2示出了图1的流量计装置，一个直接信号，
图3示出了当沿流动方向观察时的图1的流量计装置，
图4示出了具有四个压电元件和四个直接信号的第二流量计装置，
图5示出了当沿流动方向观察时的图4的流量计装置，
图6示出了测试信号的示意图，
图7示出了测试信号响应的示意图，
图8示出了反转信号的示意图，
图9示出了来自反转信号的响应的示意图，
图10示出了高分辨率的第一反转信号，
图11示出了图10的反转信号的响应，
图12示出了高分辨率的另一反转信号，
图13示出了图12的反转信号的响应，
图14示出了高分辨率的另一个反转信号，
图15示出了图14的反转信号的响应，
图16示出了高分辨率的另一反转信号，
图17示出了图16的反转信号的响应，
图18示出了高分辨率的另一反转信号，
图19示出了图18的反转信号的响应，
图20示出了高分辨率的另一反转信号，
图21示出了图20的反转信号的响应，
图22示出了高分辨率的另一反转信号，
图23示出了图22的反转信号的响应，
图24示出了高分辨率的另一反转信号，
图25示出了图24的反转信号的响应，
图26示出了高分辨率的另一反转信号，
图27示出了图26的反转信号的响应，
图28示出了12位分辨率的另一反转信号，
图29示出了图28的信号的响应，
图30示出了3位分辨率的另一反转信号，
图31示出了图30的信号的响应，
图32示出了2位分辨率的另一反转信号，
图33示出了图32的信号的响应，
图34示出了1位分辨率的另一反转信号，
图35示出了图34的信号的响应，
图36示出了在图1的流量计的压电元件处的短脉冲，
图37示出了图1的流量计的压电元件的信号，其从图36的信号的反转响应导出，图38示出了图37的信号的响应，
图39示出了上游和下游互相关函数，
图40示出了图39的截面放大图，
图41示出了根据本说明书的用于测量流速的设备，
图42示出了用于图41的设备中的直接数字合成器，
图43示出了第一多换能器装置，及
图44示出了第二多换能器装置，
图45示出了夹合式换能器的Z形结构，
图46示出了夹合式换能器的V形结构，
图47示出了夹合式换能器的W形结构，
图48示出了一个周期的发送信号，
图49示出了十个周期的发送信号，
图50示出了TRA发送信号，
图51示出了对图48的一个周期的发送信号的响应信号，
图52示出了对图49的十个周期的发送信号的响应信号，
图53示出了对图50的TRA发送信号的响应信号，
图54示出了TRA发送信号和对TRA发送信号的响应信号的压力曲线，
图55示出了TRA发送信号和对TRA发送信号的响应信号的压力曲线，
图56示出了用于生成图55的信号输入的脉冲信号，
图57示出了指示管道特性的第一响应信号，
图58示出了指示管道特性的第二响应信号，
图59示出了另一个响应信号，及
图60示出了另一个响应信号。
具体实施方式
在以下说明中，提供了细节以说明本说明书的实施例。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些细节的情况下实践实施例。
图1示出了第一流量计装置10。在流量计装置中，第一压电元件11放置在管道12(也称为管12)的外壁处。第二压电元件13放置在管道12的相对侧，使得第一压电元件11和下游压电元件13之间的直线定向成与平均流动的方向14(同时也是管道12的对称轴的方向)成角度β。角度β在图1的示例中选择为大约45度，但是它也可以更陡，例如60度，或更浅，例如30度。
例如图1的压电元件11、13的压电元件通常可以作为声发射器和声传感器操作。声发射器和声传感器可以由相同的压电元件或由相同的压电元件的不同区域提供。在此情况下，当压电元件或换能器作为发射器或声源操作时，压电元件或换能器也被称为压电发射器，并且当其作为声传感器操作时，其也被称为声传感器或接收器。
当流动方向如图1所示时，第一压电元件11也被称为“上游”压电元件，第二压电元件13也被称为“下游”压电元件。根据本说明书的流量计以基本上相同的方式在两个流动方向上工作，图1的流动方向仅作为示例提供。
图1示出了图1的电信号流，用于上游压电元件11作为压电换能器操作，下游压电元件13作为声传感器操作的结构。为了清楚起见，本申请在上游和下游都起作用，即压电元件的位置可以互换。
第一计算单元15连接到上游压电元件11，第二计算单元16连接到下游压电元件13。第一计算单元15包括第一数字信号处理器，第一数模转换器(DAC)和第一模数转换器(ADC)。同样，第二计算单元16包括第二数字信号处理器，第二数模转换器(DAC)和第二模数转换器(ADC)。第一计算单元15连接到第二计算单元16。
仅作为示例提供具有图1所示的两个计算单元15、16的装置。其他实施例可以具有不同数量和设置的计算单元。例如，可以只有一个中央计算单元，或者可以有两个AD/DC转换器和一个中央计算单元，或者可以有在换能器处的两个小型计算单元和一个较大的中央计算单元。
例如，计算单元或多个计算单元可以由例如微控制器或专用集成电路(ASIC)，ACID或现场可编程门阵列(FPGA)提供。具体地，从存储的数字信号合成电信号可以由包括数模转换器(DA，DAC)的直接数字合成器(DDS)提供。
根据本说明书的用于生成测量信号的方法包括以下步骤。
通过用第一计算单元15的数字信号处理器合成声信号来生成预定数字测试信号。将数字测试信号沿着信号路径17从第一计算单元15发送到压电换能器11。压电换能器11生成相应的超声测试信号。也可以在单个单元中提供单元15和16。
测试信号作为短脉冲提供，例如由单个1MHz振荡或10个这种振荡提供。特别地，测试信号可以由具有恒定振幅的少量振荡提供，从而近似为矩形信号。振荡或多个振荡可以具有正弦形状，三角形形状，矩形形状或其它形状。
超声测试信号穿过管道12中的液体行进到压电传感器13。在图1中，超声信号的直接信号路径由箭头18指示。同样，超声信号在相反方向上的直接信号路径由箭头19指示。响应信号由压电传感器13拾取，沿着信号路径20发送到第二计算单元16，由第二计算单元16数字化。
在另一步骤中，从数字化响应信号导出数字测量信号。测量的导出是数字化响应信号相对于时间的反转。根据另外的实施例，导出包括另外的步骤，例如转换到幅度范围中的降低的分辨率，对信号进行带宽滤波以去除噪声，例如低频噪声和高频噪声。具体地，带宽滤波的步骤可以在相对于时间反转信号的步骤之前执行。
可以以各种方式执行信号反转，例如通过以相反方向读出存储区域或通过反转傅里叶表示中的正弦分量的符号。
在一个实施例中，选择数字化响应信号的适合部分，其包含来自直接信号的响应。然后将响应信号的该部分相对于时间回转或反转。换句话说，后接收的响应信号的信号部分在反转的测量信号中较早地发送出去。如果信号由振幅样本的时间排序序列表示，则作为示例，上述信号反转相当于反转或逆转振幅样本的顺序。
其中时间的方向或符号已经反转的由此得到的信号也被称为“反转信号”。在本文中，措辞“反转”是指相对于时间方向的反转，而不是相对于诸如幅度值的值的反转。
图10至19通过示例的方式示出了根据本说明书的数字信号。
在根据本说明书的一个实施例的流量计中，相同的测量信号用于两个方向18、19，下游和上游方向，提供了简单和有效的设置。根据其他实施例，不同的测量信号用于两个方向。特别地，可以将测量信号施加到测试信号的原始接收器。这种设置可以为不对称条件和管道形状提供益处。
一种使用上述反转信号作为测量信号的测量通过管道的液体的流速的方法包括以下步骤。
将上述测量信号从第一计算单元15沿着信号路径17发送到压电换能器11。压电换能器11生成相应的超声测量信号。在图10，12，14，16，18，20，22，24，26，28，30，32，34，37及38中提供了这个测量信号的示例。
超声测量信号穿过管道12中的液体行进到压电传感器13。响应信号由压电传感器13拾取，沿着信号路径20发送到第二计算单元16，并由第二计算单元16数字化。
第二计算单元16将数字化的响应信号发送到第一计算单元15。第一计算单元15例如通过使用下面进一步说明的方法之一来确定接收信号的飞越时间。
对于在相反方向19上行进的信号执行类似的过程，即，将上述测量信号施加到下游压电元件13，上游压电元件11测量响应信号，以获得相反方向19上的上游飞越时间TOF_up。第一计算单元15例如根据以下公式确定流动速度：
Figure BDA0002684333280000151
其中，L是压电元件11、13之间的直接路径的长度，β是压电元件11、13之间的直接路径与平均流动的方向的倾斜角度，c是在给定的压力和温度条件下液体中的声速。
声音的平方速度c^2可以通过以下表达式近似为二阶：
Figure BDA0002684333280000152
这导致公式：
Figure BDA0002684333280000153
由此，不必确定温度或压力，其又确定流体密度和声速，或者直接测量声速或流体密度。相反，对于仅一个测量方向，第一阶误差不抵消。
代替使用因子2·L·cosβ，可以从具有已知流速的校准测量中导出比例常数。校准的比例常数考虑进一步的影响，例如流动剖面以及来自散射的且不沿着直线行进的声波的贡献。
根据另一实施例，在计算机中模拟生成脉冲信号，记录响应信号和从响应信号导出反转的测量信号的过程。提供相关参数，例如管道12的管道直径和传感器放置作为模拟的输入参数。
根据再另一实施例，使用对脉冲信号的典型响应信号的形状来合成要提供给发射压电元件的测量信号，例如图37和38中所示的信号形状。例如，测量信号可以由1MHz正弦振荡提供，该正弦振荡用根据具有10微秒的半宽度的高斯概率函数的包络进行幅度调制。半宽度可以选择为输入参数，其取决于实际设置，诸如管道直径和传感器放置。
根据本说明书的流量计还可以作为预定义的流量计提供，其中，在工厂现场的测试运行期间生成测量信号，具体地，是当流量计与管道部分一起提供时。
根据本说明书的一个简单实施例，通过评估接收信号的峰值幅度相对于测量信号的发送时间的时间来确定上游和下游方向上的飞越时间。为了实现更高的精度，可以使用接收信号的包络来确定最大值。根据另一实施例，多次重复该测量，并且使用平均飞越时间。
根据本说明书的另一实施例，使用互相关技术来评估信号的飞越时间。具体地，可以通过根据以下公式将接收的下游或上游信号与零流速下的接收信号互相关来评估各个时移：
Figure BDA0002684333280000161
其中，SigFlow表示当存在通过管道的流体流时在测量条件下的上游或下游信号，其中，SigNoFlow表示在零流量的校准条件下的信号。无限和极限表示足够大的时间窗口[-T1，+T2]。更一般地说，-T1和+T2无需相同，由于实际原因，这对于流量计是有利的。
然后通过比较上游相关函数的最大值的时间与下游相关函数的最大值的时间来获得时移。相关函数的包络可以用于更准确地确定最大值的位置。
在另一实施例中，在第一计算单元15和第二计算单元16之间提供单独的评估单元，其执行信号到达时间和流速的计算。
通常，声传感器的测量信号由散射信号和直接信号的叠加产生。散射的信号从管壁一次或多次散射。这在图2和3中示例性地示出。
图1的换能器结构是直线或“Z”形结构。利用在管道的相对侧上的反射的其他装置也是可能的，例如“V”和“W”形结构。V和W形结构基于管壁上的反射工作，其引起比Z形结构更多的散射。只要正确理解路径，本申请的主题将受益于这些结构。
在V形结构中，两个换能器安装在管道的同一侧。为了记录45度反射，将它们在流动方向上隔开约一个管道直径放置。W形结构利用三次反射。与V形结构类似，两个传感器安装在管道的同一侧。为了记录两次45度反射后的信号，将它们在流动方向上隔开两个管道直径放置。
图2示例性地示出了直接从压电元件11行进到压电元件13的第一声信号。
为了简单起见，将散射事件在图2到5中显示为反射，但实际的散射过程可能更复杂。特别地，最相关的散射通常发生在管壁上或安装在压电换能器前面的材料处。接收的散射还取决于传感器设置。作为示例，图45、46和47示出了Z、V和W形传感器设置。图3示出了在观察方向A-A的流动方向上图2的视图。
图4和图5示出了第二传感器装置，其中，将另一压电元件22以与压电元件11成45度角放置，将另一压电元件23以与压电元件13成45度角放置。
此外，图4和图5示出了在压电元件11、22作为压电换能器操作且压电元件13、23作为声传感器操作情况下的直接或直线声信号路径。在图4的视图中位于管道12背面上的压电元件23在图4中用虚线表示。
图6至图9以简化的方式示出了根据测试信号的响应生成测量信号的方法。在图6至图9中，由于散射造成的损失由信号的阴影部分和箭头表示。
对于图6至9的考虑，假定声信号仅沿着具有时间延迟Δt的第一散射通道且沿着具有时间延迟2Δt的第二散射通道沿着直线路径传播。不考虑沿着这些路径的信号衰减。
将矩形尖峰形式的测试信号施加到压电元件11。由于散射，信号振幅的第一部分由于第一散射路径而丢失并且在时间Δt之后出现，信号振幅的第二部分由于第二散射路径而丢失并且在时间2Δt之后出现。这产生了根据图7中的白色柱的信号，其被记录在压电元件13处。
信号处理器相对于时间反转该记录信号，并且将反转信号施加到压电元件11。与之前解释的相同的散射过程现在应用于所有三个信号分量。结果，根据图9的大致对称的信号被记录在压电元件13处。
实际上，接收的信号将随时间分布，经常存在已经通过管道材料行进并在直接信号之前到达的“表面波”。通过选择用于生成反转测量信号的合适的时间窗口来删除该表面波。同样，通过限制时间窗口和/或通过选择信号的特定部分，可以删除源自多次反射并后到达的信号。
下表显示了对于直接对准的测量时间延迟，或者换句话说，对于在垂直于DN 250管道的纵向延伸的平面中的DN 250管道上的夹合式压电元件之间的直线连接的测量时间延迟。流量是指通过DN 250管道的水流量。
这里，“TOF 1循环”是指如图36所示的脉冲，其由压电元件生成，该压电元件由具有1μs周期的1个振荡的电信号激励。“TOF 10循环”是指由压电元件生成的信号，该压电元件由具有1μs周期的恒定振幅的10个正弦振荡的电信号激励。
流量/方法 21m<sup>3</sup>/h 44m<sup>3</sup>/h 61m<sup>3</sup>/h
TOF1循环 7ns 18ns 27ns
TOF10循环 9ns 19ns 26ns
时间反转 8ns 18ns 27ns
图10-27示出了高分辨率反转信号及其相应的响应信号。电压以任意单位随微秒为单位的时间绘制。
上图中的时间轴示出了反转信号的发送时间。发送时间限于用于记录反转信号的时间窗口。在图10-27的示例中，时间窗口在来自直接信号的最大值开始之前不久开始，并在之后100微秒结束。
下图中的时间轴以响应信号的最大值为中心，并且在响应信号的最大值之前和之后延伸100微秒，这是反转信号的时间窗的大小。
图28-35示出了振幅范围中的高分辨率和12、3、2和1位分辨率的数字化反转信号及其相应的响应信号。电压以伏特为单位随微秒为单位的时间绘制。图28-35的信号针对填充水的DN 250管道获得。
反转信号的时间窗口的长度为450微秒。因此，图28-35的时间窗口比前面图9-27中的大四倍。
在图28-35中可以见到，即使具有1位分辨率的数字化也产生尖锐的尖峰。可以见到，对于较低的分辨率，尖峰变得更加显著。这种效果的可能解释是，在图28-35的示例中，通过在振幅范围内使用较粗略的数字化，同时响应信号保持在时间上集中，增加了输入信号的总能量。
图36示出了在接收到持续了等效于3.57MHz频率的约0.56微秒的电脉冲之后由压电元件生成的信号。由于压电元件的惯性，负电压的最大振幅小于正电压的最大振幅，在压电元件到达静止之前存在多个混响。
图37示出了施加到压电元件(例如图1的上游压电元件11)的电信号。通过形成对图36所示类型的信号的10个数字化响应信号的平均值并时间反转信号来导出图37的信号，其中，响应信号由压电元件(例如图1的下游压电元件13)接收。
在图37的示例中，通过从响应信号中切出信号部分来获得数字化信号，该信号部分在响应信号的包络开始之前大约10微秒开始，并且在响应信号的包络之后大约55微秒结束。图37的响应信号的包络形状类似于高斯概率分布的形状，或者换句话说，与exp(-x^2)的适合的移位和缩放版本相似。
图38示出了对图37所示信号的响应信号的一部分，其中，将图37的信号施加到第一压电元件，例如上游压电元件11，并且在第二压电元件接收，例如图1的下游压电元件13。
图39示出了通过将图1的装置的上游信号和下游信号分别与在零流量下获得的信号互相关而获得的上游互相关函数和下游互相关函数。
图40示出了图39的截面放大图。两个位置标记指示上游和下游互相关函数各自的最大值的位置。在最大值之间的时间差是上游信号和下游信号之间的时间差的测量。
图48、49和50示出了三个不同的发送信号：图48示出了常规脉冲(1个周期)，图49示出了与如上所述生成的测量信号(例如图50的信号)相比的10个周期的脉冲。将换能器夹在DN250管上。
图51、52和53示出了在发送各个图48、49和50中所示的信号之后的相应的接收信号。通过比较，可以容易地看出，与响应于图48和49的常规脉冲(例如，1或10个周期)的接收信号相比，测量信号使能量集中并生成接收信号的两倍大的振幅。
图41通过示例示出了用于测量图1中的装置或根据说明书的其它装置中的流量的流量测量设备60。在图1的装置中，流量测量设备60由第一计算单元15和第二计算单元16提供。
流量测量设备60包括用于连接第一压电换能器的第一连接器61和用于连接第二压电换能器的第二连接器62。第一连接器61通过多路复用器63连接到数模转换器(DAC)64。第二连接器62通过解复用器66连接到模数转换器65。
ADC 65连接到信号选择单元67，信号选择单元67连接到信号反转单元68，信号反转单元68连接到带通滤波器69，带通滤波器69连接到计算机可读存储器70。此外，ADC 65连接到速度计算单元71。
DAC 64连接到脉冲信号发生器72和测量信号发生器73。测量信号发生器通过命令线74连接到脉冲发生器72。速度计算单元71经由第二命令线75连接到测量信号发生器73。
通常，脉冲信号发生器72和测量信号发生器包括硬件元件，例如振荡器，以及软件元件，例如脉冲发生器模块和测量信号发生器模块。在此情况下，命令线74、75可以由各自模块之间的软件接口提供。
在信号生成阶段期间，脉冲信号发生器将信号发送到DAC 64，选择单元67通过ADC65接收相应的输入信号，并选择输入信号的一部分。反转单元68相对于时间反转所选择的信号部分，可任选的带通滤波器69滤除较低和较高频率，并且将所得到的测量信号存储在计算机存储器70中。当参考信号操纵步骤使用词语“信号”时，其可以特别地指代表示计算机存储器中的信号。
特别地，信号表示可以由数字化振幅和相关的离散时间的数值对来定义。除了别的以外，其他表示包括傅里叶系数、小波系数和用于对信号进行幅度调制的包络。
图42示出了用于测量图1中的装置或根据说明书的其它装置中的流量的流量测量设备60'的第二实施例。流量测量设备60'包括直接数字合成器(DDS)76。为了简单起见，仅示出了DDS 76的组件。DDS76也被称为任意波形发生器(AWG)。
DDS 76包括基准振荡器77，其连接到频率控制器寄存器78、数控振荡器(NCO)79和DAC 64。用于N个通道的NCO 79的输入端连接到频率输出控制寄存器78的输出端。用于M个通道的DAC 64的输入端连接到NCO 79，重构低通滤波器的输入端连接到DAC 64。举例来说，具有100MHz时钟频率的直接数控振荡器79可以用于生成幅度调制的1MHz信号。
重构低通滤波器80的输出端连接到图1的压电换能器11、13。
由于振荡器晶体的惯性，通常有利的是使用具有比载波的频率更高的频率的振荡器，以便例如通过使用直接数字合成器来获得预定的幅度调制信号。
图45、47和48例示了上述Z、V和W形流量测量结构。在图45、47和48例的示例中，夹合式换能器经由各自的联接件附接到导管。
图54和55示出了相应接收或响应信号与在不使用时间反转过程和使用时间反转过程的情况下生成的相应发送信号的比较。
在图54的示例中，具有高斯形包络的调制正弦波用作发送信号。发送信号的信号能量与1.3×10-7(Pa/m)2s成比例，信号幅度为0.1Pa。该值是通过对每单位长度的平方压力随时间的积分获得的。响应信号具有大约0.09Pa的接收信号的峰-峰幅度。
在图55的示例中，时间反转信号，它是从对图56的脉冲信号的响应信号中导出的，被用作发送信号。将发送信号调整为具有与图54的发送信号相同的1.3×10-7(Pa/m)2s的信号能量。这产生大约0.375Pa的接收信号的峰-峰幅度。
图55的接收振幅比图54的接收信号的振幅高四倍以上。接收侧上增大的振幅可以提供更容易和更稳定的信号识别。其中，可以通过调整时间反转信号的振幅的位分辨率，特别是通过增大或减小为分辨率以获得更大的振幅来调整振幅的增大。
图56和57例示了如何使用接收信号来得到关于传输通道的信息，具体而言是关于导管的壁厚度、壁上的沉积物的信息。根据本说明书，可以分析对是时间反转响应信号的测量信号的响应，以允许确定管材的特性变化，例如裂纹、结壳等。在根据本说明书的一个实施例的流量测量中，通过分析用于飞越时间测量的相同接收信号来确定这些特性变化。
图57示出了包含关于第一传输通道的信息的第一响应信号。
图58示出了包含关于第二传输通道的信息的第二响应信号。中心主瓣上的水平箭头的长度在左侧瓣和右侧瓣之间延伸，左侧瓣和右侧瓣分别在主瓣的左侧和右侧。如果按照图46生成信号，则箭头的长度表示管壁的厚度。在图46中的管道的下部处反射波的位置处确定测量的壁厚度。如果在管壁上有沉积物，则测量的壁厚度将增加。
图59示出了另一响应信号。用于获得图59的信号的实验设置包括夹合式、角度换能器，丙烯酸换能器联接头，声速c＝2370m/s，耦合角40°，不锈钢壁，横波速c＝3230m/s，61.17°，水作为流体，流体中的声速为c＝1480m/s，横波角轴为23.67°，流动角为66.33°，由图59中取得。
图60示出了另一响应信号。用于获得图60的信号的实验设置包括丙烯酸换能器联接头，声速c＝2370m/s，耦合角为20°，不锈钢壁，纵波速度c＝5790m/s，56.68°，横波c＝3230m/s，水作为流体，流体中的声速为c＝1480m/s，纵波角轴＝12.33°，横波角轴为12.33°，流动角为77.67°，由图60中取得。
在图45，46和47中显示了图59和60的可替换设置结构。
根据本说明书的一个实施例，通过分析诸如图57至60的信号的接收信号来推导通道特性。
图59和60的示例例示了取决于管材中纵波和横波的存在的接收信号中的差异。这些波的存在对于所选择的材料和几何形状是典型的，并且可以用于材料分析。这种基于超声测试波的材料分析用于非破坏性测试(NDT)的应用领域。本说明书允许同时分析流量和例如管道材料，因为接收信号包含包括传输通道和材料环境的测量系统的脉冲响应。
接收信号的分析可以以各种方式执行，例如将接收信号与先前接收的脉冲响应或脉冲响应的直接评估进行比较，例如用于确定壁厚度。
尽管上述说明包含许多特异性，但是这些不应被解释为限制实施例的范围，而仅仅提供可预见的实施例的说明。方法步骤可以以与所提供的实施例不同的顺序执行，测量设备到处理单元及其相应互连的划分可以不同于所提供的实施例。
特别地，存储信号的数字表示并执行诸如选择信号部分、时间反转信号和信号滤波的操作的方法步骤可以互换。例如，信号可以以时间反转的形式存储，或者可以以相反的顺序读出以获得时间反转的信号。
尽管关于圆形DN 250管道解释了本发明，但是本发明可以容易地应用于其它管道尺寸或甚至其它管道形状。尽管关于夹合式换能器解释了实施例，但是也可以使用突出到管道中或安装在开放通道中的湿式换能器。
特别地，实施例的上述优点不应被解释为限制实施例的范围，而仅仅是为了解释如果将所述的实施例付诸实践而可能的成果。因此，实施例的范围应当由权利要求及其等同物来确定，而不是由给出的示例来确定。
本说明书的实施例还可以借助被组织成项目的以下元素列表来描述。在项目列表中公开的特征的各个组合分别被认为是独立的主题，其也可以与本申请的其他特征组合。
1、一种用于确定流体导管中的流体的流速的方法，包括：
-为所述流体导管提供相对于所述流体导管具有预定速度的流体，
-将脉冲信号施加到第一超声波换能器，所述第一超声波换能器在第一位置处安装到所述流体导管，
-在第二超声波换能器处接收所述脉冲信号的响应信号，所述第二超声波换能器位于第二位置处的所述流体导管，
-从所述响应信号导出测量信号，所述测量信号的导出包括选择所述响应信号的信号部分或从其导出的信号的信号部分，并相对于时间反转所述信号部分，
-存储所述测量信号供以后使用，
-为所述流体导管提供所述流体，所述流体相对于所述流体导管移动，
-将测量信号施加到第一超声波换能器和第二超声波换能器中的一个，
-在所述第一第二超声波换能器和所述第二超声波换能器中的另一个处测量所述测量信号的第一响应信号，
-从所述第一响应信号导出所述流体的流速，
其中，以下步骤：
-将脉冲信号施加到第一超声波换能器，所述第一超声波换能器在第一位置处安装到所述流体导管，
-在第二超声波换能器处接收所述脉冲信号的响应信号，所述第二超声波换能器位于第二位置处的所述流体导管，
-从所述响应信号导出测量信号，所述测量信号的导出包括选择所述响应信号的信号部分或从其导出的信号的信号部分，并相对于时间反转所述信号部分，
-存储测量信号供以后使用，
是可任选的，或者如果早先已经建立所述测量信号，则可以放弃。
2、根据项1所述的方法，包括：
-重复施加所述测量信号并沿相反方向测量所述响应信号的步骤以获得第二响应信号，
-从所述第一响应信号和所述第二响应信号导出所述流体的流速。
3、根据项1或项2所述的方法，其中，用于导出所述测量信号的所述信号部分包括在所述响应信号的最大振幅周围的第一部分和尾部信号部分，所述尾随信号部分在所述最大振幅的到达时间后在时间上延伸。
4、根据前述项之一的方法，包括：
-重复施加脉冲信号和接收相应的响应信号的步骤多次，从而获得多个响应信号，
-从接收的响应信号的平均值导出所述测量信号。
5、根据前述项之一所述的方法，
其中，测量信号的导出包括相对于振幅数字化响应信号或从其导出的信号。
6、根据项5所述的方法，包括：增加数字化信号的位分辨率以增加对所述测量信号的响应信号的振幅。
7、根据项5所述的方法，包括：减小数字化信号的位分辨率，以增加对所述测量信号的响应信号的振幅。
8、根据项5至7之一所述的方法，其中，所述数字化信号相对于所述振幅的位分辨率是低位分辨率。
9、根据前述项之一所述的方法，包括：处理响应信号中的至少一个，以确定所述导管的壁厚度的变化，或者通过确定纵向和横向声波特性来确定导管壁的材料特性。
10、一种用于在行程时间超声波流量计中测量流速的设备，包括：
-第一连接器，用于第一超声波元件，
-第二连接器，用于第二超声波元件，
-发送单元，用于向所述第一连接器发送脉冲信号，
-接收单元，用于从所述第二连接器接收对所述脉冲信号的响应信号，
-反转单元，用于相对于时间反转所述响应信号以获得反转信号，
-处理单元，用于从所述反转信号导出测量信号并存储所述测量信号，其中，以下元件：
-发送单元，用于向所述第一连接器发送脉冲信号，
-接收单元，用于从所述第二连接器接收对所述脉冲信号的响应信号，
-反转单元，用于相对于时间反转所述响应信号以获得反转信号，
-处理单元，用于从所述反转信号导出测量信号并存储所述测量信号，
是可任选的，或者如果早先已经建立所述测量信号使得易于获得它，则可以放弃。
11、根据项10所述的设备，进一步包括：
-D/A转换器，所述D/A转换器连接到所述第一连接器，
-A/D转换器，所述A/D转换器连接到所述第二连接器，
-计算机可读存储器，用于存储所述测量信号。
12、根据项10或项11所述的设备，进一步包括：选择单元，用于选择所接收的响应信号的一部分或从中导出的信号的一部分，其中，所述反转单元用于相对于时间反转所述响应信号的所选部分以获得所述反转信号。
13、根据项10至12之一所述的设备，所述设备包括：
-测量信号发生器，所述测量信号发生器可连接到所述第一连接器或所述第二连接器，
-发送模块，用于将所述测量信号发送到所述第一连接器，
-接收单元，用于从所述第二连接器接收所述测量信号的响应信号，
-第二处理单元，用于从所接收的响应信号导出流速。
14、根据项目10至13之一所述的设备，所述设备包括：
直接数字信号合成器，所述直接数字信号合成器包括ADC，
频率控制寄存器，基准振荡器，数控振荡器和重构低通滤波器，所述ADC可通过所述重构低通滤波器连接到所述第一连接器和所述第二连接器。
15、根据项目10至14之一所述的设备，所述设备包括：
-第一超声波换能器，所述第一超声波换能器连接到所述第一连接器，
-第二超声波换能器，所述第二超声波换能器连接到所述第二连接器。
16、根据项10至15之一所述的设备，包括：管道的一部分，所述第一超声波换能器在第一位置处安装到所述管道部分，
及所述第二超声波换能器在第二位置处安装到所述管道部分。
17、一种计算机可读程序代码，包括用于执行根据项1至9之一所述的方法的计算机可读指令。
18、一种计算机可读存储器，所述计算机可读存储器包括项17所述的计算机可读程序代码。
19、一种专用电子组件，其可操作以执行根据项1至9之一所述的方法。
20、一种根据项1至5之一所述的用于确定测试设备是否正在测量流体导管中的流体的流速的方法，包括：
-为所述流体导管提供相对于所述流体导管具有预定速度的流体，
-将测试脉冲信号施加到所述测试设备的第一超声波换能器，所述第一超声波换能器在第一位置处安装到所述流体导管，
-在所述测试设备的第二超声波换能器处接收所述测试脉冲信号的测试响应信号，所述第二超声波换能器在第二位置处安装到所述流体导管，
-从所述响应信号导出测试测量信号，所述测试测量信号的导出包括相对于时间反转所述信号，
-将所述测试测量信号与在所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器中的另一个处发射的测量信号进行比较，
其中，如果所述测试测量信号和所述测量信号相似，则所述测试设备使用根据项1至5之一所述的方法确定流体导管中的流体的流速。
21、一种用于测量行程时间超声波流量计中的流速的设备，包括：
-第一连接器，用于第一超声波元件，
-第二连接器，用于第二超声波元件，
-发送单元，用于向所述第一连接器发送脉冲信号，
-接收单元，用于从所述第二连接器接收对所述脉冲信号的响应信号，
-反转单元，用于相对于时间反转所述响应信号的所选部分以获得反转信号，
-处理单元，用于从所述反转信号导出测量信号并将所述测量信号存储在所述计算机可读存储器中，
其中，使用所述设备通过以下步骤确定流体导管中的流体的流速：
-为所述流体导管提供具有相对于所述流体导管的速度的流体，
-将测量信号施加到所述第一超声波元件和所述第二超声波元件中的一个，
-在所述第一超声波元件和所述第二超声波元件中的另一个处测量所述测量信号的第一响应信号，
-从所述第一响应信号导出所述流体的流速，其中，
当向所述测试设备的第一超声波元件施加测试脉冲信号时，
-在所述测试设备的第二超声波元件处接收所述测试脉冲信号的测试响应信号，所述第二超声波元件在第二位置处安装到所述流体导管，
-从所述响应信号导出测试测量信号，所述测试测量信号的导出包括相对于时间反转所述信号，
-其中，所述测试测量信号和在所述第一超声波元件或所述第二超声波元件处发射的测量信号是相似的。
附图标记：
10 流量计装置
11 上游压电元件
12 管道
13 下游压电元件
14 平均流动的方向
15 第一计算单元
16 第二计算单元
17 信号路径
20 信号路径
22 压电元件
23 压电元件
31-52 压电元件
60、60' 流量测量设备
61 第一连接器
62 第二连接器
63 多路复用器
64 DAC
65 ADC
66 解复用器
67 信号选择单元
68 信号反转单元
69 带通滤波器
70 存储器
71 速度计算单元
72 脉冲信号发生器
73 测量信号发生器
74 命令行
75 命令行
76 DDS
77 基准振荡器
78 频率控制器寄存器
79 数控振荡器
80 低通滤波器

Claims (29)

1.一种用于确定流体导管中的流体的流速的方法，包括：
-为所述流体导管提供相对于所述流体导管具有预定速度的流体，
-将预定测量信号施加到第一超声波换能器和第二超声波换能器中的一个，所述测量信号包括脉冲信号的响应信号或从其导出的信号的相对于时间的反转信号部分，
-在所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器中的另一个处测量所述测量信号的第一响应信号，
-从所述第一响应信号导出所述流体的流速。
2.根据权利要求1所述的方法，包括：
-重复施加所述测量信号并沿相反方向测量所述响应信号的步骤以获得第二响应信号，
-从所述第一响应信号和所述第二响应信号导出所述流体的流速。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，
用于导出所述测量信号的所述信号部分包括在所述响应信号的最大振幅周围的第一部分和尾部信号部分，所述尾随信号部分在所述最大振幅的到达时间后在时间上延伸。
4.根据权利要求1所述的方法，包括：
-重复施加脉冲信号和接收相应的响应信号的步骤多次，从而获得多个响应信号，
-从所接收的响应信号的平均值导出所述测量信号。
5.根据权利要求1所述的方法，
其中，测量信号的导出包括相对于振幅数字化响应信号或从其导出的的信号。
6.根据权利要求5所述的方法，包括：增加数字化信号的位分辨率以增加对所述测量信号的响应信号的振幅。
7.根据权利要求5所述的方法，包括：减小数字化信号的位分辨率，以增加对所述测量信号的响应信号的振幅。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述数字化信号相对于所述振幅的位分辨率是低位分辨率。
9.根据权利要求1所述的方法，包括：处理响应信号中的至少一个，以确定所述导管的壁厚度的变化，或者通过确定纵向和横向声波特性来确定导管壁的材料特性。
10.一种用于在行程时间超声波流量计中测量流速的设备，包括：
-第一连接器，用于第一超声波元件，
-第二连接器，用于第二超声波元件，
-发送单元，用于向所述第一连接器发送脉冲信号，
-接收单元，用于从所述第二连接器接收对所述脉冲信号的响应信号，
-反转单元，用于相对于时间反转所述响应信号以获得反转信号，
-处理单元，用于从所述反转信号导出测量信号并存储所述测量信号。
11.根据权利要求10所述的设备，进一步包括：
-D/A转换器，所述D/A转换器连接到所述第一连接器，
-A/D转换器，所述A/D转换器连接到所述第二连接器，
-计算机可读存储器，用于存储所述测量信号。
12.根据权利要求10所述的设备，进一步包括：选择单元，用于选择所接收的响应信号的一部分或从中导出的信号的一部分，其中，所述反转单元用于相对于时间反转所述响应信号的所选部分以获得所述反转信号。
13.根据权利要求10所述的设备，所述设备包括：
-测量信号发生器，所述测量信号发生器可连接到所述第一连接器或所述第二连接器，
-发送模块，用于将所述测量信号发送到所述第一连接器，
-接收单元，用于从所述第二连接器接收所述测量信号的响应信号，
-第二处理单元，用于从所接收的响应信号导出流速。
14.根据权利要求10所述的设备，所述设备包括：
直接数字信号合成器，所述直接数字信号合成器包括ADC，
频率控制寄存器，基准振荡器，数控振荡器和重构低通滤波器，所述ADC可通过所述重构低通滤波器连接到所述第一连接器和所述第二连接器。
15.根据权利要求10所述的设备，所述设备包括：
-第一超声波换能器，所述第一超声波换能器连接到所述第一连接器，
-第二超声波换能器，所述第二超声波换能器连接到所述第二连接器。
16.根据权利要求10所述的设备，包括：管道的一部分，所述第一超声波换能器在第一位置处安装到所述管道部分，
及所述第二超声波换能器在第二位置处安装到所述管道部分。
17.一种计算机可读程序代码，包括用于执行根据权利要求1至9之一所述的方法的计算机可读指令。
18.一种计算机可读存储器，所述计算机可读存储器包括权利要求17所述的计算机可读程序代码。
19.一种专用电子组件，其可操作以执行根据权利要求1所述的方法。
20.一种根据权利要求1所述的用于确定测试设备是否正在测量流体导管中的流体的流速的方法，包括：
-为所述流体导管提供相对于所述流体导管具有预定速度的流体，
-将测试脉冲信号施加到所述测试设备的第一超声波换能器，所述第一超声波换能器在第一位置处安装到所述流体导管，
-在所述测试设备的第二超声波换能器处接收所述测试脉冲信号的测试响应信号，所述第二超声波换能器在第二位置处安装到所述流体导管，
-从所述响应信号导出测试测量信号，所述测试测量信号的导出包括相对于时间反转所述信号，
-将所述测试测量信号与在所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器中的另一个处发射的测量信号进行比较，
其中，如果所述测试测量信号和所述测量信号相似，则所述测试设备使用根据权利要求1所述的方法确定流体导管中的流体的流速。
21.一种用于测量行程时间超声波流量计中的流速的设备，包括：
-第一连接器，用于第一超声波元件，
-第二连接器，用于第二超声波元件，
-发送单元，用于向所述第一连接器发送脉冲信号，
-接收单元，用于从所述第二连接器接收对所述脉冲信号的响应信号，
-反转单元，用于相对于时间反转所述响应信号的所选部分以获得反转信号，
-处理单元，用于从所述反转信号导出测量信号并将所述测量信号存储在所述计算机可读存储器中，
其中，使用所述设备通过以下步骤确定流体导管中的流体的流速：
-为所述流体导管提供具有相对于所述流体导管的速度的流体，
-将测量信号施加到所述第一超声波元件和所述第二超声波元件中的一个，
-在所述第一超声波元件和所述第二超声波元件中的另一个处测量所述测量信号的第一响应信号，
-从所述第一响应信号导出所述流体的流速，其中，
当向所述测试设备的第一超声波元件施加测试脉冲信号时，
-在所述测试设备的第二超声波元件处接收所述测试脉冲信号的测试响应信号，所述第二超声波元件在第二位置处安装到所述流体导管，
-从所述响应信号导出测试测量信号，所述测试测量信号的导出包括相对于时间反转所述信号，
-其中，所述测试测量信号和在所述第一超声波元件或所述第二超声波元件处发射的测量信号是相似的。
22.一种用于确定流体管道中的流体的流速的方法，包括：
-为所述流体导管提供相对于所述流体导管具有预定速度的流体，
-为第一超声波换能器提供脉冲信号，所述第一超声波换能器位于第一位置处的所述流体导管，
-在第二超声波换能器处提供所述脉冲信号的响应信号，所述第二超声波换能器位于第二位置处的所述流体导管，
-从所述响应信号导出测量信号，所述测量信号的导出包括选择所述响应信号的信号部分或从其导出的信号的信号部分，并相对于时间反转所述信号部分，
-存储所述测量信号供以后使用，
-向所述流体导管提供所述流体，所述流体相对于所述流体导管移动，
-将所述测量信号施加到所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器中的一个，
-在所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器中的另一个处测量所述测量信号的第一响应信号，
-从所述第一响应信号导出所述流体的流速。
23.一种用于测量行程时间超声波流量计中的流速的设备，包括：
-第一连接器，用于第一超声波元件，
-第二连接器，用于第二超声波元件，
-测量信号发生器，用于生成测量信号，所述测量信号包括脉冲信号的响应信号或从其导出的信号的相对于时间的反转信号部分，所述测量信号发生器可连接到所述第一连接器或所述第二连接器，
-发送模块，用于将所述测量信号发送到所述第一连接器，
-接收单元，用于从所述第二连接器接收所述测量信号的响应信号，
-第二处理单元，用于从所接收的响应信号导出流速。
24.根据权利要求23所述的设备，进一步包括：
-D/A转换器，所述D/A转换器连接到所述第一连接器，
-A/D转换器，所述A/D转换器连接到所述第二连接器，
-计算机可读存储器，用于存储所述测量信号。
25.根据权利要求23所述的设备，进一步包括：选择单元，用于选择所接收的响应信号的一部分或从中导出的信号的一部分，其中，所述反转单元用于相对于时间反转所述响应信号的所选部分以获得所述反转信号。
26.根据权利要求23所述的设备，所述设备包括
-发送单元，用于向所述第一连接器发送脉冲信号，
-接收单元，用于从所述第二连接器接收对所述脉冲信号的响应信号，
-反转单元，用于相对于时间反转所述响应信号以获得反转信号，
-处理单元，用于从所述反转信号导出测量信号并存储所述测量信号。
27.根据权利要求23所述的设备，所述设备包括：
直接数字信号合成器，所述直接数字信号合成器包括ADC，
频率控制寄存器，基准振荡器，数控振荡器和重构低通滤波器，所述ADC可通过所述重构低通滤波器连接到所述第一连接器和所述第二连接器。
28.根据权利要求23所述的设备，所述设备包括：
-第一超声波换能器，所述第一超声波换能器连接到所述第一连接器，
-第二超声波换能器，所述第二超声波换能器连接到所述第二连接器。
29.根据权利要求23所述的设备，包括：管道的一部分，所述第一超声波换能器在第一位置处安装到所述管道部分，
并且所述第二超声波换能器在第二位置处安装到所述管道部分。
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