CN114878018A - 校准超声测量的装置的方法、测量介质温度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

描述并介绍了一种用于校准基于超声测量的温度测量单元（3）的方法（1），其中，所述温度测量单元（3）具有超声测量装置（10），该超声测量装置带有至少一个超声发射器和至少一个超声接收器，其中，存在温度传感器（12），其特征在于，所述方法（1）具有以下步骤：‑建立在待测介质的介质温度TM与穿过所述待测介质的测量信号的声速c之间的经验函数关系TM(c)，其中，在至少两个测量点上至少确定（5）测量信号的声速c、通过温度传感器测量的温度T传感器和传感器温度的时间变化dT/dt，其中，所述至少两个测量点具有不同的介质温度TM，其中，考虑到所述传感器温度的时间变化dT/dt，由测量的温度T传感器确定（6）介质温度TM，从而存在至少两个值对（TM1、c1）和（TM2、c2），其中，通过对应于所述经验函数关系TM(c)的值对来确定（7）补偿曲线，‑将所述函数关系TM(c)存储（8）在所述温度测量单元（3）中。

Description

校准超声测量的装置的方法、测量介质温度的方法和装置
技术领域
本发明基于一种用于校准基于超声测量的温度测量单元的方法，其中，温度测量单元具有超声测量装置，该超声测量装置带有至少一个超声发射器和至少一个超声接收器，其中，存在温度传感器。
此外，本发明涉及一种利用温度测量单元测量优选流动的介质的温度的方法，其中，温度测量单元具有超声测量装置，该超声测量装置带有至少一个超声发射器和至少一个超声接收器。
再者，本发明涉及一种用于测量介质温度的温度测量单元，其具有至少一个超声测量装置及具有控制与评估单元，其中，超声测量装置具有至少一个超声发射器和至少一个超声接收器。
最后，本发明涉及一种超声流量计，其具有测量管和超声测量装置及具有至少一个温度测量单元，其中，超声测量装置具有至少一个超声发射器和至少一个超声接收器。
背景技术
测量液体介质的温度，尤其是测量温度变化，需要快速且可靠地测量的温度传感器。恰恰是流动的介质通常具有快速变化的温度。
为了测量高的过程温度，传统的温度传感器通常利用额外的金属壳体包覆。这导致，当温度变化时，金属壳体的温度变化比介质慢，致使无法检测快速的温度变化。在温度变化的情况下，这种温度传感器因此表现出缓慢的行为。
从现有技术已知，通过待测介质传播的测量信号的声速取决于介质的温度。对于某些流体，例如水，声速与水温之间的关系是已知的。
在这方面，文献WO 2014/039873 A1公开了一种通过超声换能器对来确定流动介质温度的方法，其中，存在常规的温度传感器，并且其中，借助超声换能器测量的温度用于校正或检查使用传统温度传感器测量的温度。在此，该文献基于在声速与介质温度之间的已知关系。
然而，介质温度与通过介质传播的测量信号的声速之间的关系并不总是已知的。
发明内容
基于所描述的现有技术，本发明的任务是，提出一种用于校准基于超声测量的温度测量单元的方法，使得基于超声测量的温度测量具有特别高的准确度。
此外，本发明的任务是，提出一种用于测量介质温度的方法以及一种温度测量单元和一种超声流量测量仪，其能够实现特别精确的温度测量。
根据本发明的第一教导，开头所述的任务是通过开头所述的方法实现的，该方法具有以下步骤：
- 建立在待测介质的介质温度TM与穿过待测介质的测量信号的声速c之间的经验函数关系TM(c)，
其中，在至少两个测量点上至少确定测量信号的声速c、通过温度传感器测量的温度T传感器和传感器温度的时间变化dT/dt，其中，所述至少两个测量点具有不同的介质温度TM，
其中，考虑到传感器温度的时间变化dT/dt，由测量的温度T传感器确定介质温度TM，从而存在至少两个值对（TM1、c1）和（TM2、c2），
并且其中，通过对应于经验函数关系TM(c)的值对来确定补偿曲线，
- 将函数关系TM(c)存储在温度测量单元中。
原则上，温度传感器可以是温度测量单元的一部分，或者作为单独的构件紧邻超声测量装置布置。
本发明基于的构思是，针对于待测介质，单独校准测温单元，其中，除了简单地通过温度传感器测量温度和相应的声速外，还考虑了温度传感器的惯性。由于考虑到温度传感器的惯性来确定介质温度TM，因此该确定具有特别高的准确度，其通过根据发明的温度测量单元的声速以特别高的温度测量准确度而继续。
特别优选地，在温度测量单元投入工作之前，可以通过根据本发明的校准，针对多种介质确定和存储在声速c与介质的温度TM之间的关系。
在温度测量单元的工作中，然后可以通过测量测量信号的声速c来特别容易且快速地确定介质的温度。快速的温度变化尤其可以借助测量通过待测介质的测量信号的声速c来确定。
根据第一有利的设计，在至少两个测量点处，传感器温度的时间变化dT/dt和/或测量的声速的时间变化dc/dt低于固定的极限值。
由此确保温度传感器在测量点处具有待测介质的温度。此外，通过基本恒定的声速可以确保待测介质没有任何温度波动。
根据特别优选的设计，传感器温度的时间变化dT/dt和/或测量的声速的时间变化dc/dt在每个测量点都低于固定的极限值。这种设计特别简单，因为测量的传感器温度T传感器直接对应于介质温度TM。通过在测量点1...n处测量传感器温度T传感器和声速c，因而立即获得值对（TM1、c1）和（TM2、c2）至（TMn、cn）。
然而也特别优选的是，在由传感器温度T传感器确定介质温度TM时，附加地考虑描述温度传感器的惯性的时间常数τ。
时间常数τ在此定义为：
τ=(m*c)/(h*A)，
其中，
m=温度传感器的质量；
c=温度传感器的热容量；
h=传热系数；
A=温度传感器的被介质覆盖的面积。
除了如下所示的要估算的传热系数外，所有参数都是常数。
根据该设计，不仅可以考虑测量的温度的时间变化dT/dt小于规定的极限值的测量点。确切地说，在根据测量的传感器温度T传感器确定介质温度TM时，还可以考虑在温度传感器的温度变化过程中的所有温度值。因此，这种改进具有以下优点：能够以特别小的时间耗费进行校准。
根据另一有利的设计，为了确定介质温度TM，考虑到测量的传感器温度T传感器和时间变化dT/dt，以如下方式估计时间常数τ：使得至少两个值对（TM1、c1）和（TM2、c2）在平滑曲线上排列。特别优选地，测量多个测量点，从而在估计τ之后，存在多个测量点（TM1、c1）至（TMn、cn）。
根据另一优选的设计，介质温度TM由测量的传感器温度T传感器和传感器温度的时间变化dT/dt，通过关系TM=T传感器+τ*dT/dt来确定，其中，以如下方式估计时间常数τ：使得至少两个值对（TM1、c1）和（TM2、c2）在平滑曲线上排列。
平滑的曲线尤其被理解为在介质温度TM和声速c之间的函数关系，其中，可以将介质温度TM的恰好一个值分配给声速c的每个值。
此外有利的是，在每个测量点附加地测量介质压力，并且在介质温度TM、声速c和介质压力p之间建立函数关系TM（c、p）。
通过这种设计，可以进一步提高温度测量的精度。
根据第二教导，上述任务通过开头提出的、用于利用温度测量单元测量优选流动的介质的温度的方法，以如下措施来实现：采用前述方法之一校准温度测量单元，测量通过待测介质的测量信号的声速c，并且由存储的关系TM(c)确定介质的温度。
这种方法具有以下优点：介质的温度、尤其是流动介质的温度，可以特别精确地且特别快地予以检测。此外，既可以实时地检测温度曲线，又可以检测短期的温度波动。
根据有利的设计，温度测量单元具有温度传感器，其中，在工作中，介质的温度至少有时既通过声速又通过温度传感器来确定，并且其中，特别是在温度的时间变化dT/dt低于规定的极限值的情况下，将通过声速确定的温度TM与传感器温度T传感器进行比较。该设计具有以下优点：可以在工作中持久地检查对介质温度的正确确定。如果存在偏差，则可以就此及早地采取相应的纠正措施。
根据一种设计，如果通过声速确定的温度TM在dT/dt低于某个极限值的情况下偏离传感器温度T传感器，则根据上述方法之一自动重新校准温度测量单元，和/或输出关于测量的偏差的通报。例如，根据该方法的这种设计，可以识别介质变化，其中，温度测量单元能够通过重新校准来适应变化的介质。
根据第三教导，开头提出的任务通过开头描述的温度测量单元通过如下措施来实现：在控制与评估单元中存储根据上述方法之一建立的在待测介质的介质温度TM与测量信号的声速c之间的关系TM(c)，
并且温度测量单元在工作中，由对测量信号的声速c的测量，根据上述方法之一确定介质TM的当前温度。
这种温度测量单元具有以下优点：可以一方面非常精确地且另一方面非常快地测量介质的温度。尤其是可以特别精确和快速地检测温度变化或流动介质的温度。
根据有利的设计，温度测量单元具有超声换能器，其既被设计为超声发射器，又被设计为超声接收器。
在特别简单的布置中，具有既被设计为超声发射器又被设计为超声接收器的超声换能器的温度测量单元例如布置在测量管上，其中，超声换能器被如此定向：它作为超声发射器发出与流经测量管的介质的流动方向基本垂直的测量信号，并且它作为超声接收器接收在相对的测量管内壁上反射后的测量信号。
根据本发明的第四教导，开头提出的任务通过开头描述的超声流量计以如下措施来实现：温度测量单元根据本发明来设计，使得超声流量计在工作中一方面由既沿着流动方向又逆着流动方向通过介质的第一测量信号的渡越时间来确定介质的流速，并且另一方面通过测量第一测量信号或第二测量信号的声速c来确定介质的温度。
根据一种设计，温度测量装置的至少一个超声发射器和至少一个超声接收器与用于确定流动介质流量的超声流量计的超声发射器和超声接收器相同。
例如，超声流量计具有至少两个超声换能器，它们既被设计为超声发射器，又被设计为超声接收器。
根据另一设计，除了温度测量单元之外，超声流量计还具有至少一个另外的超声发射器和至少一个另外的超声接收器，它们形成用于测量流过测量管的介质的流量的超声测量装置。根据该设计，温度测量装置可以特别地被设计为既作为超声发射器又作为超声接收器工作的超声换能器，其中，超声换能器在测量管上如此布置和定向：它作为超声发射器发出与流动介质的流动方向基本垂直的测量信号，并又接收在相对的测量管内壁上反射后的测量信号。
由于时间常数τ取决于流动介质的流速，根据用于确定介质温度的控制与评估单元的一种设计，同样通过调整τ来考虑通过流量计确定的当前流速。根据该设计来确定介质温度是特别准确的。
超声流量计可以如此被设计为夹式（Clamp-On）测量计：至少一个超声发射器和至少一个超声接收器在外侧放置到测量管上。此外，超声流量计还可以如此设计：将至少一个超声发射器和至少一个超声接收器集成到测量管壁中。
根据另一个有利的设计，温度测量单元被如此布置在测量管上：超声发射器和超声接收器相对于测量管内壁基本上平面地布置。
该设计具有以下优点：介质的变化，例如介质温度的变化，由超声发射器和超声接收器直接检测，因为无需考虑例如可以归因于后退布置的死区时间。这种布置特别有利于检测短期波动。
附图说明
现在有大量的可行方案用来设计和改进根据本发明的方法、根据本发明的温度测量单元和根据本发明的超声流量计。为此，既参考从属于独立权利要求的权利要求，又参考结合附图对优选实施例的描述。在所述附图中示出了：
图1：突然变化的介质温度的温度曲线和对温度传感器的温度的调整；
图2：根据本发明的用于校准温度测量单元的方法的第一实施例；
图3：介质温度TM以及传感器温度T传感器在温度变化时的温度曲线；
图4：声速c与介质温度TM之间的函数关系；
图5：介质温度TM和传感器温度T传感器在介质的突然的且连续的温度变化时的温度曲线以及同时检测的声速c；
图6：用于校准温度测量单元的方法的第二实施例；
图7a到图7c：在不同地估计时间常数τ时在声速c与计算的介质温度TM之间的关系；
图8：温度测量单元和超声流量计的实施例；以及
图9：用于测量流动介质的温度的方法。
具体实施方式
图1示出了在待测介质突然改变其温度的情况下温度传感器12的行为。从该图中可以看出，在起初的温度一致后，温度传感器12只能延迟地跟随介质温度TM的突然变化。经过一段时间后，传感器温度T传感器再次与介质温度TM一致。
在图2中示出了用于校准温度测量单元3的第一种方法1。温度测量单元3具有超声测量装置10和温度传感器12。超声测量装置10包括超声发射器和超声接收器，其中，超声接收器被如此布置：它接收由超声发射器发出的在穿过介质之后的测量信号11。温度传感器12被如此布置：它测量介质的温度。
在第一步骤5中，在至少两个测量点至少确定测量信号的声速c、借助温度传感器12测量的温度T传感器和传感器温度的时间变化dT/dt，其中，所述至少两个测量点具有不同的介质温度TM。
在下一步骤6中，根据测量的温度T传感器，考虑到传感器温度的时间变化dT/dt来确定介质温度TM，因此至少有三个值对（TM1、c1）、（TM2、c2）和（TM3、c3）存在。根据该实施例，在测量温度的时间变化dT/dt低于指定极限值的条件下，在每个测量点处获得传感器温度T传感器。在这种情况下，由此确保测量的传感器温度T传感器尽可能地对应于介质温度TM。
在下一步骤7中，由通过值对形成补偿曲线来确定经验函数关系TM(c)。补偿曲线对应于通过值对的多项式拟合。
然后将经验函数关系TM(c)存储8在温度测量单元3中。
图3示出了介质温度TM、传感器温度T传感器以及声速c的变化过程，用于根据在图2中示出的该方法来获取单个值对（TM1、c1）、（TM2、c2）和（TM3、c3）。
图4示出了各个值对（TM1、c1）、（TM2、c2）和（TM3、c3）连同补偿曲线，该补偿曲线描述了在介质温度TM和声速c之间的经验函数关系TM(c)。
图5示出了介质温度TM、传感器温度T传感器以及声速c的变化过程，用于获取各个值对（TM1、c1）、（TM2、c2）和（TM3、c3），其中，与图2至图4所示的实施例不同，还考虑了处于温度变化过程中的传感器温度值T传感器。这样做的优点是，可以使得用于确定值对（TM1、c1）到（TMn、cn）的时间花费最小。
图6示出了根据本发明的用于校准温度测量单元3的方法1的另一实施例。在第一步骤5中，在至少两个测量点，至少确定测量信号的声速c、借助于温度传感器12测量的温度T传感器和传感器温度的时间变化dT/dt，其中，所述至少两个测量点具有不同的介质温度TM。
在下一步骤6中，考虑到传感器温度的时间变化dT/dt，根据测量的温度T传感器来确定介质温度TM。以有利的方式，在所示的实施例中同样考虑在至少两个介质温度TM之间的过渡，用于建立在声速c和介质温度TM之间寻找的关系。
为此，首先借助关系式TM=T传感器+τ*dT/dt如此估计9温度测量单元的时间常数τ：这样确定的值TM和c产生平滑的即明确的函数关系。
然后将这样确定的关系TM(c)存储8在温度测量单元3中。借助该关系，可以在进一步的操作中，通过测量声速c来特别精确和快速地确定介质温度。
下面的图7a到图7c示出了时间常数τ的不同估计的结果，用于尽可能好地建立在介质温度TM和声速c之间的关系。
图7a和图7b示出了在时间常数τ未被正确估计的情况下在TM和c之间的关系。无法看到TM和c之间的平滑关系。
图7c示出了在介质温度TM和c之间的平滑关系。通过所示值的补偿曲线，可以建立TM和c之间的函数关系，从而可以通过测量声速c来确定介质温度TM。
图8中示出了包括超声测量装置10的温度测量单元3，其具有两个超声换能器18，每个超声换能器设计为发射器和接收器，用于发出和用于接收测量信号11。此外，还存在温度传感器12，它确定位于测量管13中的介质的温度。此外，存在控制与评估单元14，它根据测量信号11的测量声速来确定介质的温度。
此外，温度测量单元3被如此设计：不仅可以通过当前声速c确定介质温度TM。确切地说，温度测量单元3可以在工作期间通过与温度传感器12通信来监控通过声速确定的温度值是否正确，或者是否需要调整对τ的估计并因此重新校准。在这方面，温度测量单元3同样适合于检测过程条件的变化，例如介质的变化。
所示的超声测量装置10同样被如此布置和设计：可以通过测量测量信号11的沿着和逆着流动介质的流动方向的传播时间差来确定介质的流速。就此而言，图8中同样示出了超声流量计4，其以有利的方式可以同时特别快地确定介质温度TM。
图9中示出了用于借助温度测量单元3测量流动介质的温度的方法2，该温度测量单元3采用根据在图2或图6中所示的实施例的方法1来校准。
在第一步骤15中，测量信号11被发送到介质中。在下一步骤中，根据测量信号的传播时间来确定16声速c。根据存储的关系TM(c)，由声速c确定17介质温度TM。
所示的用于测量介质温度的方法具有以下优点：它能够实现特别精确和快速的温度测量。
附图标记
1用于校准温度测量单元的方法
2用于测量温度的方法
3温度测量单元
4超声流量计
5检测测量信号的声速c、通过温度传感器测量的温度T传感器和传感器温度的时间变化dT/dt
6确定介质温度TM
7确定函数关系TM(c)
8将函数关系存储在温度测量单元中
9估计时间常数τ
10超声测量装置
11测量信号
12温度传感器
13测量管
14控制与评估单元
15发出测量信号
16确定声速
17由声速确定介质温度
18超声换能器。

Claims (14)

1.一种用于校准基于超声测量的温度测量单元（3）的方法（1），其中，所述温度测量单元（3）具有超声测量装置（10），所述超声测量装置（10）带有至少一个超声发射器和至少一个超声接收器，其中，存在温度传感器（12），
其特征在于，
所述方法（1）具有以下步骤：
- 建立在待测介质的介质温度TM与穿过所述待测介质的测量信号的声速c之间的经验函数关系TM(c)，
其中，在至少两个测量点上确定（5）测量信号的声速c、通过温度传感器测量的温度T传感器和传感器温度的时间变化dT/dt，其中，所述至少两个测量点具有不同的介质温度TM，
其中，考虑到所述传感器温度的所述时间变化dT/dt，由所述测量的温度T传感器确定（6）所述介质温度TM，从而存在至少两个值对（TM1、c1）和（TM2、c2），
并且其中，通过对应于所述经验函数关系TM(c)的值对来确定（7）补偿曲线，
- 将所述函数关系TM(c)存储（8）在所述温度测量单元（3）中。
2.根据权利要求1所述的方法（1），其特征在于，在至少两个测量点处，所述传感器温度的所述时间变化dT/dt和/或测量的声速的时间变化dc/dt低于固定的极限值。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法（1），其特征在于，在由所述传感器温度T传感器确定所述介质温度TM时，附加地考虑描述所述温度传感器（12）的惯性的时间常数τ。
4.根据权利要求3所述的方法（1），其特征在于，为了根据测量的传感器温度T传感器确定所述介质温度TM，估计所述时间常数τ，使得至少两个值对（TM1、c1）和（TM2、c2）具有函数关系。
5.根据权利要求4所述的方法（1），其特征在于，通过关系TM＝T传感器+τ*dT/dt，由所述测量的传感器温度T传感器确定所述介质温度TM，其中，估计所述时间常数τ，使得所述至少两个值对（TM1、c1）和（TM2、c2）具有函数关系。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法（1），其特征在于，在每个测量点附加地测量所述介质的压力，并且在所述介质温度TM、所述声速c和所述介质的所述压力p之间产生函数关系TM(c,p)。
7.一种用于利用温度测量单元（3）测量优选流动的介质的温度的方法，其中，所述温度测量单元（3）具有超声测量装置（10），所述超声测量装置（10）带有至少一个超声发射器和至少一个超声接收器，
其特征在于，
采用根据权利要求1至6中任一项所述的方法（1）校准所述温度测量单元（3），测量通过待测介质的测量信号的声速c，并且由存储的关系TM(c)确定所述介质所述的温度。
8.根据权利要求7所述的方法（2），其特征在于，所述温度测量单元（3）具有温度传感器（12），并且在工作中，所述介质的所述温度至少有时既通过所述声速c又通过所述温度传感器（12）来确定，其中，特别是在温度的时间变化dT/dt低于规定的极限值的情况下，将通过所述声速c确定的温度TM与所述传感器温度T传感器进行比较。
9.根据权利要求8所述的方法（2），其特征在于，如果通过所述声速c确定的温度TM在dT/dt低于某个极限值的情况下偏离所述传感器温度T传感器，则根据权利要求1至6的方法（1）之一自动重新校准所述温度测量单元（3）和/或输出关于测量的偏差的通报。
10.一种用于测量介质温度的温度测量单元（3），具有至少一个超声测量装置（10）及具有控制与评估单元（14），其中，所述超声测量装置（10）具有至少一个超声发射器和至少一个超声接收器，
其特征在于，
在所述控制与评估单元（14）中存储了根据权利要求1至6中任一项所述的方法（1）建立的在待测介质的介质温度TM与测量信号的声速c之间的关系TM(c)，
并且所述温度测量单元（3）在工作中，由对测量信号的声速c的测量，根据权利要求7至9中任一项的方法（2）确定介质TM的当前温度。
11.一种超声流量计（4），具有测量管（13）和具有超声测量装置（10）及具有至少一个温度测量单元（3），其中，所述超声测量装置具有至少一个超声发射器和至少一个超声接收器，其中，所述温度测量单元（3）根据权利要求10来设计，使得所述超声流量计（4）在工作中一方面由既沿着流动方向又逆着流动方向流动的、根据介质的第一测量信号（11）的渡越时间来确定所述介质的流速，并且另一方面通过测量所述第一测量信号或第二测量信号的声速c来确定所述介质的所述温度。
12.根据权利要求11所述的超声流量计（4），其特征在于，所述温度测量装置（3）的至少一个超声发射器和至少一个超声接收器与用于确定流动介质流量的所述超声流量计（4）的所述至少一个超声发射器和所述至少一个超声接收器相同。
13.根据权利要求11所述的超声流量计（4），其特征在于，除了所述温度测量单元（3）之外，所述超声流量计（4）还具有至少一个另外的超声发射器和至少一个另外的超声接收器，它们形成用于测量流过所述测量管的介质的流量的所述超声测量装置（10）。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的超声流量计（4），其特征在于，所述温度测量单元（3）布置在所述测量管（13）上，使得所述超声发射器和所述超声接收器相对于测量管内壁基本上平面地布置。
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