CN114787589A - 用于测量经过通道的气体的流量的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种HVAC流量测量系统（1）包括用于测量经过通道（2）的气体的流量的超声流量计（10）。超声流量计（10）包括超声换能器（11、12），超声换能器（11、12）在流动方向（f）上彼此相距一距离而布置。超声换能器（11、12）被配置成将超声脉冲发射到通道（2）中并且接收通道（2）中的超声脉冲。流量测量系统（1）进一步包括处理器（100），处理器（100）连接到两个超声换能器（11、11a、11b、12、12a、12b），并且被配置成确定并存储通道（2）中沿着多于一个路径（R1、R2）在流动方向（f）上传播和逆着流动方向（f）传播的超声脉冲的传输时间，并且使用该传输时间来确定气体的流量。

Description

用于测量经过通道的气体的流量的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于测量经过通道的气体的流量（flow of gas）的系统和方法。具体地，本发明涉及使用超声流量计（flowmeter）来测量经过通道的气体的流量的流量测量系统和方法。
背景技术
WO 2010/122117描述了一种通风系统，其将空气从建筑物的外部经过通风管（ventilation duct）汲取到建筑物的内部。该通风系统具有超声传感器，该超声传感器在通风管中被定位在通风机的上游和/或下游以用于测量体积流量。WO 2010/122117的超声传感器包括一对超声收发器，它们以彼此面对的间隔开的关系被安装在通风管的相对的表面上，从而以相对于通风管的表面成60-90度的角度来发射和接收超声波。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于使用超声换能器来测量经过通道的气体的流量的系统和方法，该系统和方法不具有现有技术的缺点中的至少一些。特别地，本发明的一个目的是提供一种用于使用超声换能器来测量经过通道的气体的流量的系统和方法，该系统和方法使得有可能增加覆盖范围（coverage）并且计及不同的流动剖面（flow profile），以便以良好的准确度来测量不同通道剖面上的平均流量。
根据本发明，这些目的通过独立权利要求的特征来实现。此外，从从属权利要求和说明书中得到进一步的有利实施例。
根据本发明，上面提到的目的特别地是通过一种用于测量经过通道的气体的流量的流量测量系统的超声流量计来实现的，该超声流量计包括至少两个超声换能器，当该超声流量计被固定到该通道时，该至少两个超声换能器在流动方向上彼此相距一距离而布置，并且被配置成将超声脉冲发射到该通道中并且接收该通道中的超声脉冲。该流量测量系统进一步包括处理器，该处理器连接到这两个超声换能器，并且被配置成确定并存储该通道中沿着多于一个路径在流动方向上传播和逆着（against）流动方向传播的超声脉冲的传输时间（transit time），并且使用该传输时间来确定气体的流量。测量沿着多个路径的超声脉冲的传输时间使得有可能增加覆盖范围并且考虑该通道的流动剖面，以改进测量准确度。
此外，根据本发明，上面提到的目的特别地通过一种用于测量经过通道的气体的流量的流量测量系统的超声流量计来实现，该超声流量计包括两个超声换能器，当该超声流量计被固定到该通道时，该至少两个超声换能器在流动方向上彼此相距一距离而布置，并且被配置成将超声脉冲发射到该通道中并且接收该通道中沿着多于一个路径或沿着多个路径的超声脉冲。该流量测量系统进一步包括处理器，该处理器连接到这两个超声换能器，并且被配置成确定并存储该通道中沿着该多于一个路径或该多个路径在流动方向上传播和逆着流动方向传播的超声脉冲的传输时间，并且使用该传输时间来确定气体的流量。测量沿着多个路径的超声脉冲的传输时间使得有可能增加覆盖范围并且考虑该通道的流动剖面，以改进测量准确度。
在一实施例中，该至少两个或恰好两个超声换能器被配置成接收该通道中的超声脉冲的至少一个反射，并且该处理器被配置成：确定并存储沿着一个或多个反射路径在流动方向上传播和逆着流动方向传播的超声脉冲的传输时间，每个反射路径经由该通道的内壁上的一个或多个反射点延伸；以及使用该传输时间来确定气体的流量。
在一实施例中，该流量测量系统的处理器被配置成：确定并存储沿着由超声换能器之一发射的超声脉冲在该通道的内壁上的多个反射点上的多个反射的多个反射路径、在流动方向上传播和逆着流动方向传播的超声脉冲的传输时间。测量沿着由超声换能器之一发射的超声脉冲的多个反射的多个反射路径的超声脉冲的传输时间使得有可能改进测量准确度和可靠性，因为降低了对该通道中的污染（fouling）的敏感性。
在一实施例中，该流量测量系统的处理器被配置成：确定并存储沿着由不同超声换能器发射的多个超声脉冲的多个反射路径在流动方向上传播和逆着流动方向传播的超声脉冲的传输时间。测量沿着由不同超声换能器发射的多个超声脉冲的多个反射路径的超声脉冲的传输时间使得有可能增加覆盖范围并且考虑该通道的横截面以改进测量准确度，特别是在具有大横截面的通道（诸如，空气供应进入通路（passage））中。
在一实施例中，该流量测量系统的处理器被配置成进一步使用接收到的超声脉冲的信号强度值来确定气体的流量。
在一实施例中，该流量测量系统的处理器被配置成：如果经由特定反射路径的反射的信号强度值低于设定阈值，则在确定气体的流量时排除经由该特定反射路径接收到的超声脉冲的传输时间。排除具有低信号强度值的测量结果使得有可能检测和忽略经由被永久或暂时污染的反射点的反射路径。
在一实施例中，该流量测量系统的处理器被配置成：如果经由所有路径接收到的超声脉冲的信号强度低于某个阈值，则生成警报。
在一实施例中，该流量测量系统的处理器被配置成：使用该传输时间来确定该通道的流动剖面，并且使用该流动剖面来确定气体的流量。所确定的流动剖面使得有可能取决于检测到的流动剖面来确定气体的流量。
在一实施例中，该流量测量系统进一步包括该通道，该超声流量计被固定到该通道，以及阻尼器系统（damper system）在该超声流量计的下游具有被布置在该通道中的阻尼器叶片。
在一实施例中，该阻尼器叶片可关于阻尼器旋转轴线旋转，该阻尼器旋转轴线将该通道的横截面划分成第一半部和第二半部，并且该超声换能器被布置在该通道的形成了要么该横截面的第一半部、要么该横截面的第二半部的同一侧。
在一实施例中，该阻尼器叶片可关于阻尼器旋转轴线旋转，该阻尼器旋转轴线将该通道的横截面划分成上半部和下半部，其中在该横截面的上半部中，该阻尼器叶片可在流动方向上向下游移动，并且在该横截面的下半部中，该阻尼器叶片可逆着流动方向向上游移动，并且该超声换能器被布置在该通道的形成了该横截面的上半部的一侧。
在一实施例中，该超声换能器沿着纵向布置轴线被布置在该通道的一侧，该纵向布置轴线在该阻尼器叶片的垂直于阻尼器旋转轴线的对称性平面（symmetry plane）中延伸。
在一实施例中，在流动方向上被布置在下游的超声换能器以其中心轴线与经过处于关闭位置的阻尼器叶片延伸的横截面平面之间的限定距离而布置，其中该限定距离在该通道的直径的75%至125%的范围内。
在一实施例中，该超声换能器沿着平行于该通道的中心轴线的纵向布置轴线被布置在该通道的一侧。
在一实施例中，该流量测量系统的处理器被配置成使用该传输时间来确定气体的温度。
在一实施例中，该流量测量系统进一步包括温度传感器，该温度传感器被配置成确定该通道中的气体的温度，并且该处理器被配置成使用该传输时间和气体的温度来确定该通道的直径或宽度。
在本发明的另外方面中，或者在与本文中所公开的本发明的其他方面相关的实施例中，公开了一种流量测量系统，其包括：用于测量经过通道的气体的流量的超声流量计，该超声流量计包括至少两个超声换能器，当该超声流量计被固定到该通道时，该至少两个超声换能器在流动方向（f）上和/或在垂直于流动方向（f）的方向上彼此相距一距离而布置，并且被配置成将超声脉冲发射到该通道中并且接收该通道中沿着多于一个路径的超声脉冲；以及处理器，其连接到这两个超声换能器，其中该处理器被配置成确定并存储该通道中沿着该多于一个路径在流动方向（f）上传播和逆着流动方向（f）传播的超声脉冲的传输时间，并且使用该传输时间来确定气体的流量，其中该流量测量系统包括在垂直于流动方向的方向上以距离（e）被布置在同一个壁上的多个超声流量计。
在这种流量测量系统的实施例中，超声流量计中的每一个使用超声换能器来检测在该通道的相对的壁的内侧上的单个反射点处具有单个反射的超声脉冲路径。
在这种流量测量系统的另外的实施例中，除了第一超声流量计的超声换能器检测沿着由相同的第一超声流量计的超声换能器发射的超声脉冲的反射路径（例如，具有单个反射的反射路径）的超声脉冲之外，超声换能器还进一步被配置成检测沿着如下反射路径的超声脉冲的反射，针对该反射路径，超声脉冲是由不同的第二超声流量计的超声换能器所发射的。
在本发明的另外方面中，或者在包括具有边的通道中的反射路径的实施例中，反射路径的至少一个反射点可以通过该通道的至少两个内壁所形成的边区（edge region）的反射区域来实现。这样做具有如下优点：该通道的已经存在的边可以被用作针对超声波的有效反射器，其具有良好的定向或准直回射（retroreflecting）性质。优选地，该边区形成在该通道的两个或三个基本上相互垂直的壁的接合区中，从而使用该边区作为针对超声波的角隅棱镜（cornercube）反射器。
除了该流量测量系统之外，本发明还涉及一种使用超声流量计来测量经过通道的气体的流量的方法，该超声流量计包括至少两个超声换能器和连接到这两个超声换能器的处理器。该方法包括：将该超声流量计固定到该通道，使得这两个超声换能器在流动方向上彼此相距一距离而布置，并且被配置成将超声脉冲发射到该通道中并且接收该通道中的超声脉冲。该方法进一步包括：该处理器确定并存储该通道中沿着多于一个路径在流动方向上传播和逆着流动方向传播的超声脉冲的传输时间，并且使用该传输时间来确定气体的流量。
此外，除了该流量测量系统之外，本发明还涉及一种使用超声流量计来测量经过通道的气体的流量的方法，该超声流量计包括两个超声换能器和连接到这两个超声换能器的处理器。该方法包括：将该超声流量计固定到该通道上，使得这两个超声换能器在流动方向上彼此相距一距离而布置，并且被配置成将超声脉冲发射到该通道中并且接收该通道中沿着多于一个路径或沿着多个路径的超声脉冲。该方法进一步包括：该处理器确定并存储该通道中沿着该多于一个路径在流动方向上传播和逆着流动方向传播的超声脉冲的传输时间，并且使用该传输时间来确定气体的流量。
在一实施例中，该至少两个或恰好两个超声换能器被配置成接收该通道中的超声脉冲的至少一个反射，并且该方法包括：该处理器确定并存储沿着一个或多个反射路径在流动方向上传播和逆着流动方向传播的超声脉冲的传输时间，每个反射路径经由该通道的内壁上的一个或多个反射点延伸；以及使用该传输时间来确定气体的流量。
在一实施例中，该方法包括：该处理器确定并存储沿着由超声换能器之一发射的超声脉冲在该通道的内壁上的多个反射点上的多个反射的多个反射路径、在流动方向上传播和逆着流动方向传播的超声脉冲的传输时间。
在一实施例中，该方法包括：该处理器确定并存储沿着由不同超声换能器发射的多个超声脉冲的多个反射路径在流动方向上传播和逆着流动方向传播的超声脉冲的传输时间。
在一实施例中，确定气体的流量包括：该处理器进一步使用接收到的超声脉冲的信号强度值。
在一实施例中，该方法包括：如果经由特定反射路径的反射的信号强度值低于设定阈值，则该处理器在确定气体的流量时排除经由该特定反射路径接收到的超声脉冲的传输时间。
在一实施例中，该方法包括：如果经由所有路径接收到的超声脉冲的信号强度低于某个阈值，则该处理器生成警报。
在一实施例中，该方法进一步包括该处理器使用该传输时间来确定该通道的流动剖面，并且确定气体的流量包括该处理器使用该流动剖面。
在一实施例中，该方法进一步包括：该处理器使用该传输时间来确定气体的温度。
在一实施例中，该流量测量系统进一步包括温度传感器，该温度传感器被配置成确定该通道中的气体的温度，并且该方法进一步包括：该处理器使用该传输时间和气体的温度来确定该通道的直径或宽度。
除了测量经过通道的气体的流量的流量测量系统和方法之外，本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括其上存储有计算机程序代码的非暂时性计算机可读介质，该计算机程序代码被配置成控制用于测量经过通道的气体的流量的超声流量计的处理器，该超声流量计包括至少两个超声换能器，该至少两个超声换能器连接到该处理器，并且当该超声流量计被固定到该通道时在流动方向上彼此相距一距离而布置，并且被配置成将超声脉冲发射到该通道中并且接收该通道中的超声脉冲。该计算机程序代码被配置成控制该处理器，使得处理器确定并存储该通道中沿着多于一个路径在流动方向上传播和逆着流动方向传播的超声脉冲的传输时间，并且使用该传输时间来确定气体的流量。
此外，除了测量经过通道的气体的流量的流量测量系统和方法之外，本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括其上存储有计算机程序代码的非暂时性计算机可读介质，该计算机程序代码被配置成控制用于测量经过通道的气体的流量的超声流量计的处理器，该超声流量计包括两个超声换能器，这两个超声换能器连接到该处理器，并且当该超声流量计被固定到该通道时在流动方向上彼此相距一距离而布置，并且被配置成将超声脉冲发射到该通道中并且接收该通道中沿着多于一个路径或沿着多个路径的超声脉冲。该计算机程序代码被配置成控制该处理器，使得该处理器确定并存储该通道中沿着该多于一个路径在流动方向上传播和逆着流动方向传播的超声脉冲的传输时间，并且使用该传输时间来确定气体的流量。
在实施例中，所存储的计算机程序代码被配置成控制如本文中所公开的流量测量系统的超声流量计的处理器，或者控制用于执行如本文中所公开的方法中的方法步骤的处理器。
除了测量经过通道的气体的流量的流量测量系统和方法之外，本发明还涉及用于加热、通风和空气调节（HVAC）的可变空气量系统（VAV），该可变空气量系统包括如上所概述的流量测量系统。
附图说明
将参考附图通过示例来更详细地解释本发明，在附图中：
图1示出了以横截面侧视图示意性地图示了用于输送气体的通道的框图，该通道具有附接在其上的超声流量计和可选的阻尼器系统。
图2示出了以横截面俯视图示意性地图示了用于输送气体的通道的框图，该通道具有附接在其上的具有超声脉冲的两个反射路径的超声流量计、以及可选的阻尼器系统。
图3示出了以横截面俯视图示意性地图示了用于输送气体的通道的框图，该通道具有以替代布置附接在其上的具有超声脉冲的两个反射路径的超声流量计、以及可选的阻尼器系统。
图4示出了示意性地图示了用于输送气体的通道的横截面的框图，该通道具有附接在其上的具有超声脉冲的两个反射路径的超声流量计、以及可选的阻尼器系统。
图5示出了示意性地图示了用于输送气体的通道的横截面的框图，该通道具有以替代布置附接在其上的具有超声脉冲的两个反射路径的超声流量计、以及可选的阻尼器系统。
图6示出了以三维视图示意性地图示了用于输送气体的通道的框图，该通道具有附接在其上的具有超声脉冲的两个反射路径的超声流量计、以及可选的阻尼器系统。
图7示出了示意性地图示了用于输送气体的通道和超声脉冲的两个反射路径的横截面的框图。
图8、8b、8c示出了以三维或二维视图示意性地图示了用于输送气体的通道的框图，该通道具有附接在其上的具有超声脉冲的个体反射路径的三个超声流量计。
图9示出了图示测量误差的图表，该测量误差是从基于通道中具有两个反射的超声脉冲的反射路径的测量结果而得到的，并且是针对超声流量计取决于超声流量计相对于阻尼器系统的距离和位置来确定的。
图10示出了图示测量误差的图表，该测量误差是从基于通道中具有一个反射的超声脉冲的反射路径的测量结果而得到的，并且是针对超声流量计取决于超声流量计相对于阻尼器系统的距离和位置来确定的。
图11示出了图示所得到的测量误差的图表，该测量误差是针对超声流量计取决于超声流量计与阻尼器系统的距离来确定的。
具体实施方式
在图1-8中，附图标记1指代用于测量经过通道2的气体（例如，空气）的流量Ф的流量测量系统；特别是用于加热、通风和空气调节（HVAC）的HVAC流量测量系统。通道2例如是气体（空气）导管、气体（空气）管道、或气体（空气）进入通路。通道2具有圆形、正方形或矩形形状的横截面剖面。在图1-7所图示的实施例中，通道2具有直径为D的圆形横截面剖面。流量测量系统1包括被固定到通道2、例如被布置在通道2的壁上的一个或多个超声流量计10、10a、10b。超声流量计10包括至少两个超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b，该至少两个超声换能器被配置成：将超声脉冲发射到通道2中，并且接收通道2中沿着一个或多个路径、不具有任何中间反射的直接路径、和/或经由一个或多个反射点的反射路径的超声脉冲。
如图2、3、6、7和8所图示，超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b被配置成接收通道2中的超声脉冲的至少一个反射，具体地，接收在通道2的内壁20、21上的一个或多个反射点P1、P1'、P1''、P21、P22、P3、P4上、并且沿着经由一个或多个反射点P1、P1'、P1''、P21、P22、P3、P4的反射路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4传播的超声脉冲的反射。如图2、3和8所图示，在通道2的相对的壁上布置一个或多个超声换能器11、11*使得有可能经由直接路径D1来发送和接收超声脉冲。
在以下描述中，主要参考了经由一个或多个反射点P1、P1'、P1''、P21、P22、P3、P4的反射路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4；然而，本领域技术人员将理解，用于测量在流动方向f上传播和逆着流动方向f传播的超声脉冲的传输时间的多个路径可以使用多个直接路径D1、多个反射路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、或一个或多个直接路径D1和一个或多个反射路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4的组合来实现。优选地，至少一个路径是反射路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4。
在一实施例中，阻尼器系统40被布置在通道2中。如图1-6所图示，阻尼器系统40包括被布置在通道2内部的阻尼器叶片4，该阻尼器叶片4可关于旋转轴线r旋转，以调整通道2的孔口（orifice），并且从而调节经过通道2的气体的流量Ф。阻尼器系统40及其阻尼器叶片4在通道2中被布置在超声流量计10及其超声换能器11、12的下游。阻尼器叶片4的旋转轴线r将通道2的横截面划分成两个半部H1、H2。
如图2、3和6所图示，在本文中被定义为上半部H1的两个半部中的一个H1中，阻尼器叶片4可在流动方向f上向下游移动。在本文中被定义为下半部H2的两个半部中的另一个H2中，阻尼器叶片4可逆着流动方向f向上游u移动。超声换能器11、12被布置在通道2的形成了两个半部H1、H2中的任一个的同一侧。
在图3和5所图示的实施例中，超声换能器11、12被布置在通道2的形成了下半部H2的一侧，即其中阻尼器4可逆着流动方向f向上游u移动的一侧。优选地，如稍后将参考图9和10所图示的测量结果所解释的，超声换能器11、12被布置在通道2的形成了上半部H1的一侧，即其中阻尼器4可在流动方向f上向下游移动的一侧，如图2、4和6所图示。
在图1-7中，附图标记5指代用于加热、通风和空气调节（HVAC）的可变空气量（VAV）系统（也被称为“VAV设备”或“VAV箱”），该VAV系统5包括流量测量系统1和阻尼器系统40。VAV箱将空气量控制在给定设定点上，该设定点是从供应空气和返回空气（return air）中（以及房间中（例如，来自房间传感器）的温度和所测量的流量的任何数学组合中导出的。
如图1、2、3和6所图示，超声换能器11、12沿着平行于通道2的中心轴线z延伸的纵向布置轴线a被布置在通道2的同一侧。更具体地，超声换能器11、12沿着纵向布置轴线a来布置，该纵向布置轴线a在阻尼器叶片4的、垂直于阻尼器叶片4的旋转轴线r的对称性平面q/z中平行于通道2的中心轴线z而延伸。
如图1、2、3和6所图示，在流动方向f上被布置在下游的超声换能器12被布置在距阻尼器叶片4的限定距离L处。更具体地，超声换能器12以其中心轴线c与横截面平面q/r之间的距离L而布置，该横截面平面q/r经过处于关闭位置的阻尼器叶片4延伸。优选地，如稍后将参考图11所图示的测量结果所解释的，距下游超声换能器12的限定距离L在通道2的直径D的75%至125%的范围内。
在另外的实施例中，阻尼器系统40包括致动器3，该致动器3具有连接到阻尼器叶片4的电动机，以在打开位置与关闭位置之间驱动阻尼器叶片4。
如图1、2、3、4、5、6和8所图示，流量测量系统1进一步包括连接到超声流量计10、10a、10b的超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b的处理器100。如图1、2、3、4、5所指示，处理器100被布置在超声流量计10中，例如与超声换能器11、12一起被布置在公共壳体中，或者被布置在超声流量计10、10a、10b的外部，与超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b分离，例如被布置在阻尼器系统40的致动器3的壳体中或该壳体上。在一实施例中，处理器100连接到阻尼器系统40的致动器3，以用于分别控制致动器3或其电动机的操作，从而驱动阻尼器叶片4来调整通道2的孔口并且控制经过通道2的气体的流量Ф。
处理器100包括电子电路，并且被配置成执行下面更详细描述的各种功能和步骤。取决于实施例，处理器100的电子电路由存储在计算机可读非暂时性计算机介质上的软件程序代码来控制，该电子电路包括专用集成电路（ASIC），和/或该电子电路包括分立的电子组件。
在图8的实施例中，流量测量系统1包括多个超声流量计10、10a、10b（例如，三个），这些超声流量计在垂直于流动方向f的方向上以距离e被布置在同一个壁20上。
如图2、3、6、7和8所图示，超声流量计10、10a、10b的超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b被布置和配置成不仅将超声脉冲发射到通道2中，而且还接收在通道2的内壁20、21上的反射点P1、P1'、P1''、P21、P22、P3、P4上、并且沿着相应反射路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4传播的超声脉冲的反射。图2、3、6和7图示了在通道2的内壁20上的单个反射点P1处具有单个反射的超声脉冲的反射路径R1、以及在通道2的内壁20上的两个反射点P21、P22处具有双重反射R2的超声脉冲的反射路径R2。然而，在通道2的内壁20上的三个或更多个反射点上具有三个或更多个反射的超声脉冲的另外的反射路径可以被接收超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b检测到，就像由超声流量计10、10a、10b的发射超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b所发射的那样。在图8的实施例中，超声流量计10、10a、10b中的每一个使用超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b来检测在通道2的相对的壁21的内侧上的单个反射点P1、P1'、P1''、P3、P4处具有单个反射的超声脉冲路径R1、R1'、R1''、R3、R4。如图8中进一步所图示，除了第一超声流量计10、10a、10b的超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b检测沿着具有由相同的第一超声流量计10、10a、10b的超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b发射的超声脉冲的单个反射R1、R1'、R1''的反射路径R1、R1'、R1''的超声脉冲之外，超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b还进一步被配置成检测沿着反射路径R3、R4的超声脉冲的反射，其中该超声脉冲是由不同的第二超声流量计10、10a、10b的超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b所发射的。
处理器100或其电子电路分别被配置成：控制超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b来发射超声脉冲。
处理器100或其电子电路分别被进一步配置成：从超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b接收由相应的超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b检测到的超声脉冲的反射或反射信号。
处理器100或其电子电路分别被进一步配置成：确定并存储沿着反射路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4经由通道2的内壁20、21上的一个或多个反射点P1、P1'、P1''、P21、P22、P3、P4从发射超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b传播到接收超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b的超声脉冲的传输时间。
处理器100或其电子电路分别被进一步配置成：使用沿着经由通道2的内壁20、21上的一个或多个反射点P1、P1'、P1''、P21、P22、P3、P4的一个或多个反射路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4的在流动方向f上传播的超声脉冲的下游传输时间tdown和逆着流动方向f传播的超声脉冲的上游传输时间tup，来确定气体的流量Ф。具体地，通过对沿着特定反射路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4从发射超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b传播到接收超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b的超声脉冲的相应下游传输时间tdown和上游传输时间tup中的时间差Δt= tdown-tup进行求平均，从而根据该特定反射路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4上的超声脉冲的平均速度来确定气体的流量Ф。
为了增加准确度，处理器100或其电子电路分别被配置成：使用沿着在一个反射点P1、P1'、P1''、P3、P4处具有单个反射的多于一个反射路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4（例如，沿着反射路径R1、R1'、R1''、R3、R4）的超声脉冲、以及沿着在多于一个反射点P21、P22处具有多个反射的一个或多个另外的反射路径R2的超声脉冲的下游传输时间tdown和上游传输时间tup来确定气体的流量Ф。例如，从沿着多个反射路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4的超声脉冲的下游和上游传输时间tdown、tup的测量结果中确定的气体的速度或流量Ф被求平均。在一实施例中，使用（加权）平均值，例如使用从通道2的流动剖面中导出的校正或加权因子。对于后一个示例，处理器100或其电子电路分别被配置成：根据经由通道2中的多个不同路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4测量的超声脉冲的传输时间来确定通道2中的流动剖面，例如层流（laminar）、泊肃叶（Poiseuille）、湍流（turbulent）或另一种流动剖面。在一实施例中，处理器100或其电子电路分别被配置成：使用所确定的流动剖面来确定气体的流量Ф，例如通过将所确定的流量Ф（或该传输时间的测量结果）乘以取决于所确定的流动剖面的校正因子。
在一实施例中，处理器100或其电子电路分别被配置成：进一步使用检测到的反射的信号强度（即，由超声换能器11、12、11a、12a、11b、12b经由反射路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4接收和检测到的超声脉冲的信号强度）来确定气体的流量Ф。
例如，处理器100或其电子电路分别被配置成：如果特定反射的信号强度值低于设定阈值，则从确定气体的流量Ф排除经由特定反射路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4接收到的超声脉冲的传输时间，该特定反射的信号强度值低于设定阈值指示了由沉积在相应反射点P1、P1'、P1''、P21、P22、P3、P4的位置处的污垢或碎屑造成的污染。在一实施例中，处理器100或其电子电路分别被配置成：如果经由所有路径接收到的超声脉冲的信号强度低于所定义的阈值（例如，该阈值被设置为由相应超声换能器11、11*、12、11a、12a、11b、12b发射的超声脉冲的信号强度值的25%），则生成警报。例如，该警报经由有线或无线通信网络被发送给操作者。
替代地或附加地，过程或100或其电子电路分别被配置成：使用传输时间的平均值或它们分别对确定气体流量Ф的贡献（例如，进一步应用根据通道2中的流动剖面所确定的校正因子）来确定气体的流量Ф。
本发明的另外方面或实施例在图8b和8c中示例性地示出。其中，通道2具有在通道2的至少两个内壁21a、21b之间形成的一个或多个边，并且存在具有针对超声波的反射点R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5的反射路径R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5。优选地，反射路径R5的至少一个反射点P5可以通过通道2的至少两个内壁21a、21b所形成的边区的反射区域来实现。这具有如下优点：通道2的已经存在的边区可以用作针对超声波的有效反射器P5，其具有良好的定向或准直回射性质。优选地，该边区形成在通道2的两个或三个基本上相互垂直的壁21a、21b的接合区中，从而将该边区用作针对超声波的角隅棱镜反射器P5。
特别地，对于在具有反射路径R5的至少一个反射点P5的这种配置中使用传输时间的精确测量，有利的是附加地使用流体的温度和/或（多个）发射和/或接收超声换能器10、11、12与反射壁21a、21b之间的距离的知识。
图9和图10图示了对于阻尼器4的不同孔口设置，所测量的下游传输时间tdown和上游传输时间tup的所确定的时间差Δt= tdown-tup的相对误差（以%为单位），该相对误差取决于：a）超声流量计10及其超声换能器11、12是被布置在通道2的形成了上半部H1还是下半部H2的一侧；以及b）参考通道2的直径D的下游超声换能器12与阻尼器4之间的距离L。图9图示了针对传输时间产生的测量误差，该传输时间是沿着在两个反射点P21、P22上具有双重反射的反射路径R2（在图9中被称为螺旋（helix）路径）针对反射所测量的。图10图示了针对传输时间产生的测量误差，该传输时间是沿着在单个反射点P1上具有单个反射的反射路径R1（在图10中被称为V路径）针对反射所测量的。从图9和10中清楚地明显的是，将超声流量计10及其超声换能器11、12布置在通道2的形成了上半部H1的一侧（其中阻尼器叶片4可在流动方向f上向下游移动）产生了显著更低的测量误差。
图11图示了对于阻尼器4的不同孔口设置，所测量的下游传输时间tdown和上游传输时间tup的所确定的时间差Δt= tdown-tup的相对误差（以%为单位），该相对误差取决于参考通道2的直径D的下游超声换能器12与阻尼器4之间的距离L。图11图示了针对传输时间产生的测量误差，该传输时间是沿着在两个反射点P21、P22上具有双重反射的反射路径R2（在图11中被称为螺旋路径）针对反射所测量的，其中超声流量计10及其超声换能器11、12在扰动（诸如，由通道2的转弯（bend）或弯曲引起的湍流）之后被布置。从图11中清楚地明显的是，将超声流量计10布置成使得其下游超声换能器12与下游超声换能器12具有在通道2的直径D的75%至125%的范围内的距离L与其下游超声换能器12处于该范围之外的距离L处相比产生了相对更低的测量误差。
在一实施例中，流量测量系统1进一步包括温度传感器，该温度传感器被布置和配置成测量经过通道2的气体的当前（供应）温度。该温度传感器连接到处理器100，并且处理器100或其电子电路分别被配置成：使用所确定的气体流量Ф和气体温度（以及由另外的温度传感器以及可选地由湿度传感器确定的气体的附加返回温度以便测量焓（enthalpy））来计算当前热能传递或热能传递速率。
在一实施例中，处理器100或其电子电路分别被配置成：通过从（有效）声音速度来计算温度从而确定气体的（供应和/或返回）温度。更具体地，使用声音速度v与温度T的相关性v=331m/s + T*0.6m/sK（米每秒和开尔文）来计算气体的温度。为了增加准确度（有效声音速度也受其他因素所影响，诸如二阶气压和湿度），在计算中还使用了另外的参数，诸如气压和湿度。因此，使用通道2的已知几何形状/尺寸（以及超声换能器之间的距离d）来确定相应超声脉冲的路径长度（所行进的距离），根据在流动方向f上和逆着流动方向f的超声脉冲的相应测量的传输时间的平均值来计算有效声音速度，并且使用声音速度v与温度T的所述相关性来计算气体的温度。
在另外的实施例中，特别是对于大通道2（管）以及通道2（管）上的现场安装的情况，声音速度v与气体的温度T的相关性被用于确定通道2的尺寸，更具体地分别是圆形或正方形/矩形通道2的直径或宽度。出于此目的，流量测量系统1包括被布置在通道2中的温度传感器6，以用于测量气体的温度T。使用所测量的温度T，处理器100或其电子电路分别被配置成：计算该温度T下的声音速度。随后，处理器100或其电子电路分别使用在流动方向f上和逆着流动方向f的超声脉冲的所测量的传输时间、以及所确定的声音速度来确定相应超声脉冲的路径长度（所行进的距离），并且进一步使用相应超声换能器之间的已知距离d来计算通道2的尺寸。
在另外的实施例中，处理器100或其电子电路分别被配置成通过如下方式来控制热能传递或传递速率：控制阻尼器系统4以取决于设定点与所确定的当前热能传递或传递速率的比较来调整阻尼器的孔口，从而调节经过该通道的气体的流量Ф。
应当注意的是，在本说明书中，已经参考几个特定的（所图示的）路径描述了示例，然而，本领域技术人员将理解，在本发明的范围内，可以在流量测量中包括并考虑更多的路径，包括直接路径和反射路径。此外，计算机程序代码已经与特定功能模块相关联，并且步骤的序列已经以特定次序呈现，然而，本领域技术人员将理解，计算机程序代码可以被不同地构造，并且至少一些步骤的次序可以被更改，而不偏离本发明的范围。

Claims (32)

1.一种流量测量系统（1），包括：用于测量经过通道（2）的气体的流量的超声流量计（10、10a、10b），所述超声流量计（10、10a、10b）包括两个超声换能器（11、11a、11b、12、12a、12b），当所述超声流量计（10）被固定到所述通道（2）时，所述两个超声换能器在流动方向（f）上彼此相距一距离而布置，并且被配置成将超声脉冲发射到所述通道（2）中并且接收所述通道（2）中沿着多于一个路径的超声脉冲；以及处理器（100），其连接到所述两个超声换能器（11、11a、11b、12、12a、12b），
其中所述处理器（100）被配置成确定并存储所述通道（2）中沿着所述多于一个路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）在流动方向（f）上传播和逆着流动方向（f）传播的超声脉冲的传输时间，并且使用所述传输时间来确定气体的流量。
2.根据权利要求1所述的流量测量系统（1），其中用于测量在流动方向（f）上传播和逆着流动方向（f）传播的超声脉冲的传输时间的多个路径是使用多个直接路径（D1）、多个反射路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）、或一个或多个直接路径（D1）和一个或多个反射路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）的组合来实现的。
3.根据权利要求1至2中的一项所述的流量测量系统（1），其中所述至少两个超声换能器（11、11a、11b、12、12a、12b）被配置成接收所述通道（2）中的超声脉冲的至少一个反射，并且所述处理器（100）被配置成：确定并存储沿着一个或多个反射路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）在流动方向（f）上传播和逆着流动方向（f）传播的超声脉冲的传输时间，每个反射路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）经由所述通道（2）的内壁（20、21）上的一个或多个反射点（P1、P1'、P1''、P21、P22、P3、P4、P5）延伸；以及使用所述传输时间来确定气体的流量。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的流量测量系统（1），其中所述处理器（100）被配置成确定并存储沿着由所述超声换能器（11、12）之一发射的超声脉冲在所述通道（2）的内壁（20）上的多个反射点（P1、P21、P22）上的多个反射的多个反射路径（R1、R2）、在流动方向（f）上传播和逆着流动方向（f）传播的超声脉冲的传输时间。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的流量测量系统（1），其中所述处理器（100）被配置成确定并存储沿着由不同超声换能器（11、11a、11b、12、12a、12b）发射的多个超声脉冲的多个反射路径（R1、R1'、R1''、R3、R4、R5）在流动方向（f）上传播和逆着流动方向（f）传播的超声脉冲的传输时间。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的流量测量系统（1），其中所述处理器（100）被配置成进一步使用接收到的超声脉冲的信号强度值来确定气体的流量。
7.根据权利要求6所述的流量测量系统（1），其中所述处理器（100）进一步被配置成：如果经由特定反射路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）的反射的信号强度值低于设定阈值，则在确定气体的流量时排除经由所述特定反射路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）接收到的超声脉冲的传输时间。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的流量测量系统（1），其中所述处理器（100）进一步被配置成使用所述传输时间来确定所述通道（2）的流动剖面，并且使用所述流动剖面来确定气体的流量。
9.根据权利要求1至8中的一项所述的流量测量系统（1），其中所述流量测量系统（1）进一步包括所述通道（2），所述超声流量计（10）被固定到所述通道（2），以及阻尼器系统（40）在所述超声流量计（10）的下游具有被布置在所述通道（2）中的阻尼器叶片（4）。
10.根据权利要求9所述的流量测量系统（1），其中所述阻尼器叶片（4）可关于阻尼器旋转轴线（r）旋转，所述阻尼器旋转轴线（r）将所述通道（2）的横截面划分成第一半部（H1）和第二半部（H2），并且所述超声换能器（11、12）被布置在所述通道（2）的形成了要么所述横截面的第一半部（H1）、要么所述横截面的第二半部（H2）的同一侧。
11.根据权利要求9所述的流量测量系统（1），其中所述阻尼器叶片（4）可关于阻尼器旋转轴线（r）旋转，所述阻尼器旋转轴线（r）将所述通道（2）的横截面划分成上半部（H1）和下半部（H2），其中在所述横截面的上半部（H1）中，所述阻尼器叶片（4）可在流动方向（f）上向下游移动，并且在所述横截面的下半部（H2）中，所述阻尼器叶片（4）可逆着流动方向（f）向上游移动，并且所述超声换能器（11、12）被布置在所述通道（2）的形成了所述横截面的上半部（H1）的一侧。
12.根据权利要求9至11中的一项所述的流量测量系统（1），其中所述超声换能器（11、12）沿着纵向布置轴线（a）被布置在所述通道（2）的一侧，所述纵向布置轴线（a）在所述阻尼器叶片（4）的垂直于阻尼器旋转轴线（r）的对称性平面（q/z）中延伸。
13.根据权利要求9至12中的一项所述的流量测量系统（1），其中在流动方向（f）上被布置在下游的超声换能器（12）以其中心轴线（c）与经过处于关闭位置的所述阻尼器叶片（4）延伸的横截面平面（q/r）之间的限定距离（L）而布置，其中所述限定距离（L）在所述通道（2）的直径（D）的75%至125%的范围内。
14.根据权利要求1至13中的一项所述的流量测量系统（1），其中所述超声换能器（11、12）沿着平行于所述通道（2）的中心轴线（z）的纵向布置轴线（a）被布置在所述通道（2）的一侧。
15.根据权利要求1至14中的一项所述的流量测量系统（1），其中所述处理器（100）进一步被配置成使用所述传输时间来确定气体的温度。
16.根据权利要求1至15中的一项所述的流量测量系统（1），其中所述流量测量系统（1）进一步包括温度传感器（6），所述温度传感器（6）被配置成确定所述通道（2）中的气体的温度，并且所述处理器（100）被配置成使用所述传输时间和气体的温度来确定所述通道（2）的直径或宽度。
17.一种流量测量系统（1）、特别是根据权利要求1至16中的一项所述的流量测量系统（1），包括：用于测量经过通道（2）的气体的流量的超声流量计（10、10a、10b），所述超声流量计（10、10a、10b）包括至少两个超声换能器（11、11a、11b、12、12a、12b），当所述超声流量计（10）被固定到所述通道（2）时，所述至少两个超声换能器在流动方向（f）上和/或在垂直于流动方向（f）的方向上彼此相距一距离而布置，并且被配置成将超声脉冲发射到所述通道（2）中并且接收所述通道（2）中沿着多于一个路径的超声脉冲；以及处理器（100），其连接到所述两个超声换能器（11、11a、11b、12、12a、12b），
其中所述处理器（100）被配置成确定并存储所述通道（2）中沿着所述多于一个路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）在流动方向（f）上传播和逆着流动方向（f）传播的超声脉冲的传输时间，并且使用所述传输时间来确定气体的流量，
其中所述流量测量系统（1）包括多个超声流量计（10、10a、10b），所述超声流量计在垂直于流动方向（f）的方向上以距离（e）被布置在同一个壁（20）上。
18.根据权利要求17所述的流量测量系统（1），其中所述超声流量计（10、10a、10b）中的每一个使用所述超声换能器（11、12、11a、12a、11b、12b）来检测在所述通道（2）的相对的壁（21）的内侧上的单个反射点（P1、P1'、P1''、P3、P4、P5）处具有单个反射（R1、R1'、R1''、R3、R4、R5）的超声脉冲路径。
19.根据权利要求17至18中的一项所述的流量测量系统（1），其中除了第一超声流量计（10、10a、10b）的超声换能器（11、12、11a、12a、11b、12b）检测沿着由相同的第一超声流量计（10、10a、10b）的超声换能器（11、12、11a、12a、11b、12b）发射的超声脉冲的反射路径（R1、R1'、R1''）、特别是沿着具有单个反射（R1、R1'、R1''）的反射路径（R1、R1'、R1''）的超声脉冲之外，超声换能器（11、12、11a、12a、11b、12b）还进一步被配置成检测沿着反射路径（R3、R4）的超声脉冲的反射，其中所述超声脉冲是由不同的第二超声流量计（10、10a、10b）的超声换能器（11、12、11a、12a、11b、12b）所发射的。
20.根据权利要求1至19中的一项所述的流量测量系统（1），其中反射路径（R5）的至少一个反射点（P5）是通过所述通道（2）的至少两个内壁（21a、21b）所形成的边区的反射区域来实现的。
21.一种使用超声流量计（10、10a、10b）来测量经过通道（2）的气体的流量的方法，所述超声流量计包括两个超声换能器（11、11a、11b、12、12a、12b）和连接到所述两个超声换能器（11、11a、11b、12、12a、12b）的处理器（100），所述方法包括：
将所述超声流量计（10、10a、10b）固定到所述通道（2），使得所述两个超声换能器（11、11a、11b、12、12a、12b）在流动方向（f）上彼此相距一距离而布置，并且被配置成将超声脉冲发射到所述通道（2）中并且接收所述通道（2）中沿着多于一个路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）的超声脉冲；
由所述处理器（100）确定并存储所述通道（2）中沿着所述多于一个路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）在流动方向（f）上传播和逆着流动方向（f）传播的超声脉冲的传输时间；以及
由所述处理器（100）使用所述传输时间来确定气体的流量。
22.根据权利要求21所述的方法，其中用于测量在流动方向（f）上传播和逆着流动方向（f）传播的超声脉冲的传输时间的多个路径是使用多个直接路径（D1）、多个反射路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）、或一个或多个直接路径（D1）和一个或多个反射路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）的组合来实现的。
23.根据权利要求21至22中的一项所述的方法，其中所述至少两个超声换能器（11、11a、11b、12、12a、12b）被配置成接收所述通道（2）中的超声脉冲的至少一个反射，并且所述方法包括：所述处理器（100）确定并存储沿着一个或多个反射路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）在流动方向（f）上传播和逆着流动方向（f）传播的超声脉冲的传输时间，每个反射路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）经由所述通道（2）的内壁（20、21）上的一个或多个反射点（P1、P1'、P1''、P21、P22、P3、P4、P5）延伸；以及使用所述传输时间来确定气体的流量。
24.根据权利要求21至23中的一项所述的方法，其中所述方法包括：所述处理器（100）确定并存储沿着由所述超声换能器（11、12）之一发射的超声脉冲在所述通道（2）的内壁（20）上的多个反射点（P1、P21、P22）上的多个反射的多个反射路径（R1、R2）、在流动方向（f）上传播和逆着流动方向（f）传播的超声脉冲的传输时间。
25.根据权利要求21至24中的一项所述的方法，其中所述方法包括：所述处理器（100）确定并存储沿着由不同超声换能器（11、11a、11b、12、12a、12b）发射的多个超声脉冲的多个反射路径（R1、R1'、R1''、R3、R4、R5）在流动方向（f）上传播和逆着流动方向（f）传播的超声脉冲的传输时间。
26.根据权利要求21至25中的一项所述的方法，其中确定气体的流量包括所述处理器（100）进一步使用接收到的超声脉冲的信号强度值。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述方法包括：如果经由特定反射路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）的反射的信号强度值低于设定阈值，则所述处理器（100）在确定气体的流量时排除经由所述特定反射路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）接收到的超声脉冲的传输时间。
28.根据权利要求21至27中的一项所述的方法，其中所述方法进一步包括所述处理器（100）使用所述传输时间来确定所述通道（2）的流动剖面，并且确定气体的流量包括所述处理器（100）使用所述流动剖面。
29.根据权利要求21至28中的一项所述的方法，其中所述方法进一步包括所述处理器（100）使用所述传输时间来确定气体的温度。
30.根据权利要求21至29中的一项所述的方法，其中所述流量测量系统（1）进一步包括温度传感器（6），所述温度传感器（6）被配置成确定所述通道（2）中的气体的温度，并且所述方法进一步包括所述处理器（100）使用所述传输时间和气体的温度来确定所述通道（2）的直径或宽度。
31.一种计算机程序产品，包括其上存储有计算机程序代码的非暂时性计算机可读介质，所述计算机程序代码被配置成控制用于测量经过通道（2）的气体的流量的超声流量计（10、10a、10b）、特别是权利要求1至20中的一项所述的流量测量系统（1）的超声流量计（10、10a、10b）的处理器（100）、或者特别是用于执行权利要求21至30中的一项所述的方法中的方法步骤的处理器（100），所述超声流量计（10、10a、10b）包括两个超声换能器（11、11a、11b、12、12a、12b），所述两个超声换能器连接到所述处理器（100），并且当所述超声流量计（10、10a、10b）被固定到所述通道（2）时在流动方向（f）上彼此相距一距离而布置，并且被配置成将超声脉冲发射到所述通道（2）中并且接收所述通道（2）中沿着多于一个路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）的超声脉冲，使得所述处理器（100）：
确定并存储所述通道（2）中沿着所述多于一个路径（R1、R1'、R1''、R2、R3、R4、R5）在流动方向（f）上传播和逆着流动方向（f）传播的超声脉冲的传输时间，以及
使用所述传输时间来确定气体的流量。
32.一种用于加热、通风和空气调节的可变空气量系统（5），所述可变空气量系统（5）包括根据权利要求1至20中的一项所述的流量测量系统（1）。
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