CN116429192A - 用于确定与流量相关的测量参量的方法和测量设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于确定与流量相关的测量参量的方法和测量设备。一种用于确定与流体通过测量管的流量相关的测量参量的方法，对于两个传播方向针对相应传播方向捕获接收信号，根据接收信号的互相关的主最大值的位置或根据处理信号确定传导时间差，由此根据传导时间差确定测量参量，在每种情况下发送超声换能器由激励信号控制，一方面激励信号具有固定的载波频率，激励信号具有相移和/或具有多个时间上间隔的最大值的包络，和/或另一方面若触发条件得以实现，则与正常操作模式相比较，对测量参量的确定进行修改，和/或将消息输出到测量设备的用户和/或测量设备外部的其他设备，触发条件的实现取决于互相关的主最大值和/或至少一个次最大值的高度。

Description

用于确定与流量相关的测量参量的方法和测量设备
技术领域
本发明涉及一种借助测量设备确定与流体通过测量管的流量相关的测量参量的方法，其中，对于两个传播方向，在每种情况下都由测量设备的发送超声换能器发射超声信号并经由流体将超声信号发送到测量设备的接收超声换能器，其中，针对相应传播方向经由相应接收超声换能器捕获接收信号，其中，根据针对两个传播方向的接收信号的互相关或处理信号的互相关的主最大值的位置，确定从相应发送超声换能器到相应接收超声换能器的相应传播方向的相应超声信号的传导时间之间的传导时间差，由此根据传导时间差来确定测量参量，其中处理信号在每种情况下都取决于接收信号中的一个或相应接收信号的部分信号，其中，发送超声换能器在每种情况下都由激励信号控制。本发明还涉及一种测量设备。
背景技术
在基于超声的流量测量的情况下，熟知的是，要在流动方向上和逆着流动方向测量从发送超声换能器到接收超声换能器的相应传导时间，并且流速或容积流量(如果流量几何是已知的)要用这些传导时间之间的传导时间差来确定。这里用于确定相应传导时间的常见方法是例如通过整流和低通滤波来确定接收超声信号的包络，并借助于比较器来识别入射波的开始。然而，原则上，由于没有考虑接收信号的相位位置，因此仅实现非常低的时间分辨率。因此，为了实现高精度，需要相对长的测量距离。
为了提高时间分辨率，文献DE 10 2009 046 562 A1提出对于两个传输方向在每种情况下都使用具有变化的载波频率的发送脉冲。如果对于两个传播方向而言接收到的信号的频率变化特性随后被确定并彼此相关，则由此可以以良好的时间分辨率确定传导时间差。
然而，该过程的缺点在于，具有变化的激励频率的激励在技术上相对复杂，并且至少在激励间隔的一部分内，必须进一步以除了谐振频率之外的频率执行激励，结果，为了实现相同的激励幅度，需要更高的能耗。此外，具有时变载波频率的激励不适用于所有测量设备。如果例如要通过首先在管壁中激励兰姆波，其进而在流体中激励压缩波来实现流体的间接激励，则不同的激励频率导致不同的瑞利角并因此导致压缩波在流体中的传播路径不同，并且为此原因，不可能或可能不容易根据由此得到的接收信号确定流量。
发明内容
因此，本发明的目的是指示确定用于以高分辨率确定与流体流量相关的测量参量的传导时间差的可能性，其中，以上说明的由激励脉冲内的载波频率变化导致的问题要在至少很大程度上得以避免。
根据本发明，该目的是通过以上提到类型的方法来实现的，其中，一方面，激励信号具有固定的载波频率，其中，激励信号具有相移和/或具有多个时间上间隔开的最大值的包络，和/或其中，另一方面，如果触发条件得以实现(该触发条件的实现取决于互相关的主最大值和/或至少一个次最大值的高度)，与正常操作模式相比较地对测量参量的确定进行修改，和/或将消息输出到测量设备的用户和/或测量设备外部的其他设备。
所提出的方法使得即使在没有改变激励信号的载波频率的情况下，也能够以高分辨率鲁棒地确定传导时间差，使得也可以以高精度鲁棒地确定测量参量。原则上，互相关已经考虑了接收信号的相位位置，从而得到传导时间差的高时间分辨率。如果激励信号被作为周期性信号连续发射，则因为具有相同高度的多个最大值将以等于激励信号周期的间隔出现，所以不能清楚地确定传导时间差。然而，使用有限长度激励进而还使用时变包络已经导致在无干扰或测量干扰足够低的情况下出现互相关的明确的主最大值，并且次最大值具有比主最大值明显更低的高度，使得能确定明确的传导时间差。
然而，这里引起的问题在于，利用包括例如在矩形包络内的十个振荡周期的正常激励信号，主最大值与相邻次最大值的高度相对于彼此仅略有不同。此外，由于超声信号具有相对高的频率(例如，1MHz的激励频率)并因此在用于将接收信号数字化的常用采样率(例如8MHz)的情况下每个振荡周期仅记录相对少量测量点，因此在真实应用中，主最大值与次最大值的高度之间频繁出现甚至更小的差异，使得甚至相对较小的干扰也可导致次最大值中的一个被误认为是主最大值。然而，这导致所确定的测量参量有非常大的测量误差，因此必须被避免，以便在测量参量记录中实现足够的鲁棒性。
根据本发明已认识到，在激励信号中使用相移或者使用具有多个时间上间隔的最大值的包络，与主最大值的高度相比较，显著减小了互相关的次最大值的相对高度，使得可以检测到主最大值，并因此可以明显更鲁棒地确定传导时间差。这样做的原因在于，在这两种情况下，接收信号相对于得到第一次最大值的其他接收信号偏移一个周期已经显著地减小了以这种方式相对于彼此移位的接收信号的乘积的积分。激励信号的相移事实上导致接收信号中的相移，使得它们不再在一些区域中相位同步地彼此重叠。通过选择所描述的激励信号的包络而得到的接收信号的包络的最大值相对于彼此的偏移也导致次最大值的高度减小。因此，总体测量基本上不太容易有误差。
然而，原则上，即使没有激励信号的这种相移或者利用仅有一个最大值的包络，也可以通过使用触发条件来检测测量中的原本会导致测量参量的误差的对应干扰，并且例如，如果触发条件得以实现，则可以拒绝测量或修改测量参量的确定，如稍后将更详细说明的。然而，也可以出于其他目的(特别是如果使用相移或具有多个时间上间隔的最大值的包络)而使用对触发条件的评估，例如从而进一步提高测量精度，检测老化过程等。对触发条件的检查还适于在制造期间和/或在安装测量设备之后实施质量控制，并且例如，如果触发条件得以实现，则输出指示测量设备或其安装不满足预定义质量要求的消息。
主最大值是互相关的全局最大值，而次最大值是局部最大值。然而，例如，测量中的由于捕获接收信号时的噪声和/或有限的时间分辨率而导致的干扰可导致这样的接收信号：针对该接收信号的互相关，在无干扰测量的情况下将是次最大值的局部最大值的高度超过在无干扰测量的情况下将是主最大值的局部最大值的高度。在这里这也简称为对主最大值或其位置的错误识别。对应的干扰旨在通过所描述的过程被抑制或至少被识别。
特别地，在根据本发明的方法中，用作针对第一传播方向的发送超声换能器的超声换能器可以被用作针对第二传播方向的接收超声换能器，和/或用作针对第一传播方向的接收超声换能器的超声换能器可以被用作针对第二传播方向的发送超声换能器。因此，根据本发明的方法可以精确地用两个超声换能器来执行，该两个超声换能器在每种情况下都被用作针对一个传播方向的发送超声换能器并用作针对另一个传播方向的接收超声换能器。
然而，可替换地，也可以使用在针对第一传播方向的测量中没有使用的超声换能器用于针对第二传播方向的超声信号的发射和/或接收信号的接收。例如，对于第一传播方向和第二传播方向，可以使用相同的超声换能器来发送相应超声信号，其中，例如，位于该超声换能器上游的其他超声换能器被用作针对第一传播方向的接收超声换能器，并且布置在该超声换能器下游的其他超声换能器被用于第二传播方向。
超声换能器可以布置在测量管中或测量管上，并可以直接或间接地激励流体。例如，可以通过在测量管壁中初始激励导波(例如，兰姆波)来实现间接激励，该导波沿着流体的传播路径在流体中激励压缩波。相应地，接收也可以通过接收超声换能器直接地实现或例如经由管壁间接地实现。
特别地，流体的流速和/或容积流量被确定为测量参量。
如果使用处理信号的互相关，则例如通过仅考虑相应接收信号的测量值的一部分，例如，通过仅记录时间间隔的在期间捕获接收信号的特定子间隔期间已记录的那些测量值，可以生成或选择相应处理信号或由其确定处理信号的中间信号。通过对部分信号的限制，可以减少对计算互相关的计算需要并进而减少能量需要。另外地或可替换地，例如，可以实现上采样、插值、滤波和/或缩放，以便确定相应处理信号。
在使用没有多个时间上间隔的最大值的包络的情况下，在最简单的情况下，包络可以是矩形函数，即，它可以用于激活和去激活激励信号。然而，也可以使用复杂形状的包络，例如，具有对于各段而言不同的斜率的脉冲序列或包络，特别是在旨在使用具有多个时间上间隔的最大值的包络的情况下。
不管是否使用具有多个时间上间隔的最大值的包络，例如，通过初始预定义或生成具有固定幅度的激励信号，随后借助于单独预定义的包络进行幅度调制，可以预定义激励信号的幅度特性。然而，可替换地，可以例如直接地生成或预定义具有期望的幅度特性或期望的包络的激励信号。
特别地，激励信号可以具有发送和/或接收超声换能器的谐振频率。然而，也可以使用其他激励频率。例如，可以例如以使得载波频率对于给定的激励幅度产生接收信号的最大幅度的方式来选择载波频率。然而，如稍后将说明的，对载波频率的选择也可以用于使接收信号中的相移大小最大化。
对触发条件的评估可以用于检测一个接收信号中的失真，其中，这种失真特别地导致主最大值的高度减小，因为在这种情况下接收信号具有彼此显著不同的形状。这种类型的失真可能例如由对超声换能器中的一个或所分配的电子器件的损坏或由部件彼此的错位而引起。例如，如果超声换能器没有正确地与测量管或其他部件耦接，或者在测量管中存在空气、颗粒等，则也可能由受干扰影响的声音传输路径引起失真。例如由于对流量计的操纵尝试导致的测量设备的部件或布置在测量设备的环境中的部件缺乏电磁兼容性也可能导致对应的失真或主最大值的高度减小。
虽然所描述的过程通常导致主最大值的高度显著减小并且应该例如触发所需维护的通知或者应该导致当前测量被拒绝，测量管中的高流速一般也导致主最大值的高度降低，使得也可以评估主最大值的高度或触发条件，例如，以便在高流速的情况下对测量操作或校正进行调整。
特别地，可以特别与主最大值的高度相比较地评估次最大值的高度，以便评估在当前测量中多么鲁棒地识别主最大值。因此，可以识别主最大值的潜在错误识别，并且例如，可以按需要重复测量。
如果触发条件得以实现，则可以按以下方式与正常操作模式相比较地修改测量参量的确定：一方面，拒绝接收信号，而且先前确定的测量参量被用作当前测量参量，或者重复接收信号的确定以便提供新接收信号，其中，新接收信号的确定要么不变地执行，要么用与接收信号的确定相比较的至少一个修改的确定参数来执行，并且基于新接收信号来确定测量参量，和/或另一方面，根据互相关的次最大值中的一个的位置来确定传导时间差和/或修改确定规则，以便根据传导时间差确定测量参量。
如以上已经说明的，触发条件可以由于可以被识别的干扰或操纵(例如，由于存在非常相近的主最大值和至少一个次最大值的高度和/或显著减小的主最大值的高度)而得以实现。在这种情况下，拒绝测量是合适的。根据正常操作中测量的时钟定时，这里可以有足够的时间储备来重复测量。
例如，如果触发条件由于短期干扰而得以实现，则不变地重复对接收信号的确定可以是足够的。另一方面，在重复期间修改确定参数可以是有利的，以便能够响应由于更持久的干扰或者还有测量条件的变化而实现触发条件。例如，激励信号的载波频率和/或相移的大小可以被修改为测量参数，如稍后将说明的。然而，也可以修改包络，例如，接收信号的最大值的时间间隔和/或最大幅度和/或捕获的灵敏度。
在其他情况下，例如，如果在任何情况下以相对短的时间间隔实践测量并且将预计没有测量参量的过强波动，则也可以继续使用先前确定的测量参量来代替新确定的测量参量，例如，在被确定为测量参量的容积流量要对时间求积分等情况下这可以是合适的。
然而，如以上已经类似提到的，通过测量管的流体的高流速也可导致触发条件的实现。例如，如果主最大值和次最大值的高度出现相对均匀的降低，则可以识别出这一点。在这种情况下，适应性修改根据传导时间差确定测量参量的确定规则(例如，如果可以基于测量管中的已知流体几何而假定，由于高流速下流量分布的变化，通常主要从测量管的特定区域中的流速得到的传导时间差和流量参量之间存在不同关系)可以是合适的。根据触发条件是否实现，可以使用例如不同的缩放因子或不同的查找表、不同的数学关系等。
如果主最大值和至少一个次最大值具有相对相近的高度(即，例如，高度差或商低于极限值)，则这里出现特殊情况。例如，主最大值的降低可能指示高流量，同时，根据主最大值的位置确定的传导时间可能指示低流量。在这种情况下，可以适当地使用次最大值代替有可能基于错误识别而识别的主最大值的位置来确定传导时间差，其中，所述次最大值有可能是仅由于干扰而被识别为次最大值的实际主最大值。
如果触发条件得以实现和/或取决于接收信号中的至少一个的频谱组成的频谱条件得以实现，则可以在接收信号的第一次确定之后实践接收信号的第二次确定，其中，与第一次确定相比较地修改激励信号的载波频率和/或相移的大小。特别地，然后，可以根据第二次确定的测量数据来确定传导时间差。然而，也可以继续检查相应当前测量数据的触发条件或频谱条件，直到相应条件不再实现或终止条件(例如，最大尝试次数)得以实现为止，然后，例如，使用最近确定的接收信号来确定传导时间差。
由于测量设备的部件的老化或损坏，或者由于环境条件(例如，温度)，多个超声换能器中的一个或两个超声换能器中的一个的谐振频率可能会偏移，和/或超声换能器之间的整个传输路径的传递函数可能会变化。最佳测量条件也可能因此而变化，这可以通过检查触发条件或频谱条件来识别。然后，可以通过调整载波频率或相移的大小来恢复最佳测量条件。
在简单示例中，谐振频率下的激励可以是期望的，以便针对给定的激励幅度，实现接收信号的最大幅度。如果超声换能器的谐振频率随后偏移或者传递函数变化，则这可能导致接收信号的幅度减小，如果没有执行接收信号或互相关的归一化，则还降低了互相关的主最大值和次最大值的高度。这可以借助触发条件来识别，因此可以重新限定将要使用的激励信号，特别地，可以选择对应的载波频率以便再次实现最大幅度。
通过结合频谱条件对频谱组成进行评估，可以识别例如超声信号的激励是否发生在与发送或接收超声换能器的谐振频率不对应的频率。如已经说明的，例如，在以上提到的文献DE 10 2009 046 562 A1中，在这种情况下这导致激励频率与谐振频率的叠加，从而可以容易地在频谱组成中被识别出。
例如，频谱条件的实现可以取决于频率在相应接收信号中或在相应接收信号的选定时间段中具有最大幅度的频率范围。例如，如果主导频率出现在接收信号的与激励频率或载波频率不对应的衰减阶段中，则这指向次谐振激励。例如，可以通过将接收信号或时间段转换到频率空间中并通过在那里搜索最大值来评估该类型的频谱条件。如果不期望特别高的频率分辨率，则这里将相邻的频率范围组合成更大的频率范围(也被称为合并)可能是合适的，以便提高鲁棒性。
在根据本发明的方法中，可以针对传播方向和相应的互相关在时间上连续地多次确定接收信号，其中，记录互相关的主最大值和/或次最大值中的至少一个的高度的时间特性和/或取决于主最大值和次最大值中的至少一个的高度的处理结果的时间特性，其中，触发条件的实现取决于相应时间特性。
特别地，可以通过记录以上提到的参量中的至少一个的时间特性来识别部件(特别地，超声换能器)的老化过程。例如，这可以适于随着部件的老化而调整测量设备的操作和/或在对应的老化导致测量精度不可接受地劣化之前以及时的方式向例如测量设备的制造商或测量服务公司的用户或外部设备输出维护相关通知。然而，考虑以上提到的参量中的至少一个的特性也可以是有利的，以便能够区分以上提到的参量的由于老化导致的变化与例如由于特定干扰或操纵尝试导致的突然变化。
可以由相应发送超声换能器多次发射测试超声信号，并且在发射相应超声信号之前，可以针对传播方向中的至少一个将测试超声信号经由流体发送到相应接收超声换能器，其中，经由相应接收超声换能器捕获相应测试接收信号，其中，在每种情况下相应发送超声换能器都被控制为以特别地按包络进行幅度调节的测试激励信号发射相应测试超声信号，其中，测试激励信号在其载波频率和/或其相移大小方面彼此不同，其中，这样的测试激励信号被选择作为用于确定传导时间差的激励信号：针对该测试激励信号在所得的测试接收信号中出现测试接收信号的包络的局部最大值的最大相移和/或最大间隔。包络的最大值的间隔的度量可以取决于最大值的时间间隔和/或最大值之间包络的最小高度。特别地，该度量可以取决于该最小高度与相邻局部最大值中的一个的高度(特别地，最大值中较小的一个)的比率。
在接收信号或由此确定的处理信号互相关的情况下，接收信号中的显著相移或接收信号的包络的局部最大值的强分离导致次最大值被显著抑制。因此，作为所描述过程的结果，在其使用期间主最大值与次最大值特别显著不同的测试激励信号被选择作为激励信号，由此使得能够特别鲁棒地确定传导时间差，进而确定测量参量。
所描述的从多个测试激励信号中选择激励信号可以被用于例如在测量设备的制造之后或者继测量设备的安装之后立即一次性校准测量设备。然而，也可以在某些条件下(例如，在触发条件和/或频谱条件得以实现之后和/或在特定时间段之后或在确定特定老化程度之后)重复该选择。
可以通过在每种情况下都对相应测试接收信号的多个窗口执行傅立叶变换来确定相移的大小。可以通过对于测试接收信号中包含的频率中的每一个针对这些窗口(即，针对测试接收信号的不同时间段)中的每一个的傅里叶变换来确定相位。相邻窗口之间的主导频率的相位显著变化对应于相移，使得可以通过减去相对相位位置来直接计算所述相移。可替换地，例如，将可以通过在相移之前和之后将特别地具有包络的相应正弦函数拟合到接收信号的一部分来直接确定相移。
触发条件的实现可以取决于主最大值的高度与次最大值中的一个的高度(特别地，最高次最大值)的差和/或商。特别地，触发条件可以取决于这些参量中的一个与极限值的比较。如果主最大值绝对或相对充分地大于所有次最大值或最高次最大值，则这指示主最大值的检测具有高鲁棒性。否则，触发条件可得以实现，例如，以便指示可导致主最大值的可识别性不确定的干扰，或者以便通过改变测量参量的确定来提高鲁棒性。
在触发条件的实现取决于处理信号的互相关的主最大值和/或次最大值的高度的情况下，可以通过相应接收信号或根据接收信号确定的相应中间信号的归一化来确定相应处理信号。另外地或可替换地，可以在互相关的归一化之后确定互相关的主最大值和/或次最大值的高度。
借助于归一化，相应接收信号或处理信号或互相关的值按预定义因子缩放。例如，特定值(例如，相应全局最大值)可以被缩放至预定义值(例如，1)，并且其他值可以按相同的缩放因子来缩放。在互相关的归一化的情况下，可以根据两个互相关的接收信号或处理信号的两个自相关的幅度按缩放因子来缩放所有值。特别地，可以使用与自相关幅度的乘积的根成反比的缩放因子。
在合适的归一化之后，叉积基本上与输入信号的幅度无关，因此仅涉及输入信号相对于彼此的相似度或时间偏移。可以例如通过对相应接收信号进行上采样、插值和/或滤波和/或通过从相应接收信号中选择部分信号来确定中间信号，特别地从而减少计算需要进而减少计算的能量需要。
除了根据本发明的方法之外，本发明涉及一种用于确定与通过测量管的流体的流量相关的测量参量的测量设备，该测量设备包括：测量管，其引导流体；至少两个超声换能器，其布置在测量管中或测量管上；以及控制设备，其被配置为控制超声换能器、经由超声换能器捕获接收信号并根据接收信号确定测量参量，其中，控制设备被配置为实践根据本发明的方法。
附图说明
在下面的示例性实施例和相关联附图中阐述了本发明的其他优点和细节。在示意图中：
图1示出了根据本发明的测量设备的示例性实施例，
图2示出了根据本发明的方法的示例性实施例的序列，
图3示出了根据本发明的方法中可使用的激励信号以及所得的接收信号，
图4和图5示出了根据本发明的方法的示例性实施例中的接收信号的互相关，以及
图6示出了根据本发明的方法的一个示例性实施例中的用于确定合适的激励信号的步骤。
具体实施方式
图1示出了用于确定与流体3通过测量管4的流量相关的测量参量(特别地，流速或流量容积)的测量设备1。这里，流体3在箭头2所示出的方向上流过测量管4。一方面，控制设备7控制超声换能器5作为发送超声换能器以便在流动方向上发送超声信号14，所述超声信号14在管壁上反射之后由超声换能器6接收，其中，对应的接收信号经由接收超声换能器6由控制设备7捕获。相反地，控制设备7控制超声换能器6作为发送换能器以便将超声信号15逆着流动方向发送到此时的接收超声换能器5，由控制设备7经由该接收超声换能器5捕获对应接收信号。
根据这两个接收信号，可以确定超声信号14从超声换能器5到超声换能器6的传导时间与超声信号15从超声换能器6到超声换能器5的传导时间之间的传导时间差，其中，如本身被熟知的，所述传导时间差与流体3的流速相关，使得利用已知的测量管几何，可以确定流体3的容积流量。
下面，还参考图2来说明与由控制设备7实现的用于确定测量参量24(例如，流量容积)的方法相关的细节。
初始地，提供具有固定载波频率和幅度的激励信号8、42，由此利用包络10执行激励信号8的幅度调制13。可替换地，直接生成具有由对应包络10预定义的时变幅度的激励信号8、42也将是可能的。幅度经调节的激励信号8、42通常连续地馈送到超声换能器5、6，其结果是，超声换能器5、6发射超声信号14、15，在超声换能器5、6中的相应另一个中接收该超声信号14、15使得能够向控制设备7提供相应接收信号16、17。可选地，例如，通过上采样、滤波和/或缩放(特别地，归一化)，可以首先根据相应接收信号16、17确定处理信号18、19。可替换地或另外地，可以从相应接收信号中选择部分信号，以便确定处理信号。通过将互相关限制于部分信号，可以减少计算需要进而减少计算的能量需要。
然后，执行接收信号16、17或处理信号18、19的互相关20。可以如下地计算两个信号x，y的互相关20，这里表示为Rxy：
Figure BDA0003989421270000121
利用对接收信号的时间离散捕获，积分也可以被表示为相应样本的总和。
可选地，互相关20本身也可以被归一化，例如，根据接收信号或中间信号的自相关的幅度(如以上已经说明的)或者通过将函数Rxy除以该函数在τ＝0处的值而被缩放。
下面，还参考图3至图5讨论使用的信号的示例和所得的互相关。这里初始地假定包络10是矩形函数，使得分别使用的激励信号8、42以固定的幅度在多个周期内在相应超声换能器5、6上输出，然后控制突然结束。
在图3的顶部行中示出的第一实例中，正常的正弦振荡被用作激励信号42。x轴40指示以μs为单位的时间特性并且y轴41指示幅度。例如，接收信号43是由于利用该激励信号43的正常测量距离的发送特性而产生的。
如果该类型的两个接收信号43互相关，则结果是产生了图4中示出的互相关20。这里，在x轴上绘制样本数并因此最终绘制时间，并且在y轴上以任何给定单位绘制互相关20的幅度。为了更清楚地突出所讨论的特征，图4和图5仅示出了相应互相关20的表示相应互相关20的最高最大值的相对小的部分。图4示出了主最大值28的高度25与次最高的次最大值29的高度仅相差小的差异量30。因此，测量中的即使相对轻微的干扰也可导致次最大值29而非主最大值28被识别为主最大值。由于互相关的时间轴与传导时间差相关，因此这将导致传导时间差的显著测量误差，进而也导致测量参量的显著测量误差。
如稍后将说明的，正常地可以通过评估触发条件27来识别对应的干扰，并且对应的干扰可引起对应的响应，使得原则上也可以使用激励信号42鲁棒地确定测量参量。然而，下面将首先说明从一开始降低该类型的测量误差风险的方法。
如图2中和图3的底部行中所示，在180°的示例中，可以使用具有相移9的激励信号8。可替换地，也可以使用其他相移大小，例如，90°或270°或介于二者之间的值。实现180°的相移特别简单，因为它可以例如通过在过零点反转信号来产生。然而，如果激励信号例如在按包络10进行的幅度调制之前或之后经由模数转换器被数字地生成并转换为模拟控制信号，则可以在没有额外硬件费用的情况下实现任何大小的相移。
由该类型的激励得到的接收信号16、17类似地在图3中示出。这在区域34中还具有相移并且在该区域34中信号的幅度显著减小。在图5中示出该类型的两个接收信号16、17的互相关20。与图4中示出的互相关相比，显然，与不使用该相移9会出现的情况相比，通过使用相移9，主最大值28的高度25显著减小，但次最大值29的高度26甚至更显著地减小，从而既相对地又绝对地导致出现甚至更大的差异量30。因此，通过使用激励信号8中的相移9，可以更鲁棒地明显识别主最大值28，进而识别其位置21。
如果如图2中所示使用具有多个时间上间隔的最大值11、12的包络10，则也可以在不使用相移9的情况下实现次最大值29的高度的类似的显著降低。显而易见，这两种方法也可以相结合，如图2中所示。
再次参考图2，在确定互相关20之后，例如通过定位全局最大值，可以由此获得主最大值28的位置21。该位置21对应于接收信号16、17之间的时间偏移，接收信号16、17彼此尽可能相近，并且该位置21因此对应于超声信号14、15的传导时间差22。取决于如何选择在期间针对接收信号16、17获取测量数据的时间窗口，主最大值28的位置21也可与传导时间差相差固定的偏移量。
因此，可以借助于确定规则23根据传导时间差22确定测量参量24，即，例如，随时间推移的流速或流量容积。在最简单的情况下，确定规则23可以涉及乘以预定义常数，但也可以例如通过使用查找表或限定的数学关系作为确定规则23或其一部分来考虑例如由于取决于流速的流量分布的变化而导致的非线性。
特别地，如果使用没有相移9的激励信号作为激励信号42并且使用简单的包络(例如，矩形包络)，而且在以上讨论的其他情况下，基于捕获的接收信号16、17来检查测量参量24的鲁棒确定是否可能可行或者是否例如由于干扰或操纵尝试而需要对测量设备进行维护或对测量数据进行新的确定是合适的。
为此目的，如图2中所示，可以根据互相关20确定主最大值28和次最大值29的高度25、26，由此可以取决于这些参量或这些参量中的至少一个评估触发条件27。在总体部分中已经详细说明了不同的干扰和影响对主最大值28和次最大值29的高度25、26的影响，使得这里将仅通过示例的方式单独列出各个要点。例如，可以经由多个测量记录高度25或26的时间特性，并且可以基于高度25、26随时间推移的变化来识别老化过程，并且因此，例如，可以将消息33输出到用户或其他设备，以指示维护需要。例如，如果重复检测到干扰或者以一定频率检测到干扰或者所述干扰不能通过与正常操作模式相比调整31测量参量24的确定来补偿，则也可以输出该类型的消息33。
在总体部分中已经讨论的多个选项对于调整31测量参量24的确定是可用的。因此，下面只提到调整31的一些示例。因此，例如，如果触发条件27得以实现可以拒绝先前捕获的接收信号16、17并且可以实践新的确定，即，从开始起重复图2中示出的序列。这里，特别地，可以修改激励信号8的载波频率和/或相移9的大小。出于该目的，例如，可以使用稍后参考图6说明的过程。
然而，代替于新的确定，还将可以例如初始地继续使用在前一迭代中确定的测量参量，并且仅在例如触发条件不再实现的稍后时间再次确定测量参量。
然而，如在总体部分中已经类似描述的，对触发条件27的评估也可以用于识别具有通过测量管的高流量的测量情形。在这种情况下，保持接收信号16、17并且仅修改所得的互相关20的后续进一步处理可以是有利的。例如，可以通过考虑高流速下的非线性效应或流量中的湍流来修改确定规则23。然而，在某些情况下，使用次最大值29的位置32替代主最大值28的位置21来确定测量参量24或传导时间22也可以是合适的。例如，如果主最大值28和次最大值29的高度25、26非常相近并且同时主最大值28的位置21指示相对低的流量，则可以是这种情况，然而，例如，主最大值28的高度25更多地指示由于高流量引起的接收信号16、17中的一个的失真而导致的弱相关。
可以通过评估为了清楚的缘故针对接收信号16中的仅一个示出的频谱条件37来进一步监视接收信号16、17的质量，进而监视测量参量24的确定鲁棒性。为此目的，可以首先确定相应接收信号16、17的频谱组成35，然后可以确定接收信号16、17的频率具有最大幅度的频率范围36。例如，如果激励信号8、42的频率位于该频率范围36之外，它可以指示例如由于环境条件、损坏或其他原因导致的超声换能器中的一个的失谐谐振频率，因而频谱条件37可以得以实现。
特别地，如果频谱条件37得以实现，则可以在接收信号16、17的下一次确定期间或者在重复接收信号16、17的确定期间，调整使用的激励信号8、42的载波频率和/或相移9的大小。
图6示出了可以为了限定合适的激励信号8而使用的步骤S1-S6。例如，为了确定相移9的合适载波频率或合适大小，在制造之后或继安装在使用位置之后校准测量设备1期间或者另外如果例如触发条件27或频谱条件37得以实现，可以实践这些步骤。这里，在步骤S1中，首先提供或生成在其载波频率45和/或相移9的大小46方面彼此不同的多个不同的测试激励信号44。
在步骤S2中，将相应测试激励信号44与包络10相乘或者按包络10进行幅度调制，并输出到超声换能器5、6中的一个。
在步骤S3中，经由相应超声换能器接收所分配的测试接收信号47。在步骤S4中，然后，在每种情况下都对这些测试接收信号47的多个窗口执行傅立叶变换，其中，不仅确定相应频率的幅度而且确定相位。可以通过比较相邻窗口中主导频率的相位来确定相应测试接收信号47的相移的大小48。
在步骤S6中，然后，选择所得的测试接收信号47的相移大小48最大的测试激励信号44作为激励信号8。
参考标号列表
1 测量设备
2 箭头
3 流体
4 测量管
5 超声换能器
6 超声换能器
7 控制设备
8 激励信号
9 相移
10 包络
11 最大值
12 最大值
13 幅度调制
14 超声信号
15 超声信号
16 接收信号
17 接收信号
18 处理信号
19 处理信号
20 互相关
21 位置
22 传导时间差
23 确定规则
24 测量参量
25 高度
26 高度
27 触发条件
28 主最大值
29 次最大值
30 差异量
31 调整
32 位置
33 消息
34 区域
35 频谱组成
36 频率范围
37 频谱条件
38 X轴
39 Y轴
40 X轴
41 Y轴
42 激励信号
43 接收信号
44 测试激励信号
45 载波频率
46 大小
47 测试接收信号
48 大小
S1-S6 步骤

Claims (10)

1.一种用于借助测量设备(1)确定与流体(3)通过测量管(4)的流量相关的测量参量(24)的方法，其中，对于两个传播方向，超声信号(14、15)在每种情况下由所述测量设备(1)的发送超声换能器(5、6)发射并经由所述流体(3)被发送到所述测量设备(1)的接收超声换能器(5、6)，其中，针对相应传播方向经由相应接收超声换能器(5、6)捕获接收信号(16、17)，其中，根据针对所述两个传播方向的所述接收信号(16、17)的互相关(20)或在每种情况下都取决于所述接收信号(16、17)中的一个或相应接收信号(16、17)的部分信号的所述处理信号(18、19)的互相关(20)的主最大值(28)的位置(21)，确定从相应发送超声换能器(5、6)到相应接收超声换能器(5、6)的相应传播方向的相应超声信号(14、15)的传导时间之间的传导时间差(22)，由此根据所述传导时间差(22)来确定所述测量参量(24)，其中，在每种情况下所述发送超声换能器(5、6)都由激励信号(8、42)控制，
其特征在于，
一方面，所述激励信号(8、42)具有固定的载波频率，其中，所述激励信号(8)具有相移(9)和/或具有多个时间上间隔的最大值(11、12)的包络(10)，和/或，
另一方面，如果触发条件(27)得以实现，则与正常操作模式相比较，对所述测量参量(24)的确定进行修改，和/或将消息(33)输出到所述测量设备(1)的用户和/或测量设备(1)外部的其他设备，所述触发条件的实现取决于所述互相关(20)的所述主最大值(28)和/或至少一个次最大值(29)的高度(25、26)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所述触发条件(27)得以实现，则按以下方式与所述正常操作模式相比较地修改所述测量参量(24)的确定：一方面，拒绝所述接收信号(16、17)，而且先前确定的测量参量(22)被用作当前测量参量(24)，或者重复所述接收信号(16、17)的确定以便提供新接收信号(16、17)，其中，所述新接收信号(16、17)的确定要么不变地执行，要么用与所述接收信号(16、17)的确定相比较的至少一个修改的确定参数来执行，并且基于所述新接收信号(16、17)来确定所述测量参量(24)，和/或另一方面，根据所述互相关(20)的所述次最大值(29)中的一个的位置来确定所述传导时间差(22)和/或修改确定规则(23)，以便根据所述传导时间差(22)确定所述测量参量(24)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果所述触发条件(27)得以实现和/或取决于所述接收信号(16、17)中的至少一个的频谱组成(35)的频谱条件(37)得以实现，则在所述接收信号(16、17)的首次确定之后实践所述接收信号(16、17)的第二次确定，其中，与所述第一次确定相比较地修改所述激励信号(8、42)的载波频率和/或所述相移(9)的大小。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述频谱条件(37)的实现取决于其中频率在相应接收信号(16、17)中或在相应接收信号(16、17)的选定时间段中具有最大幅度的频率范围(36)。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，针对所述传播方向和相应互相关(20)在时间上连续地多次确定所述接收信号(16、17)，其中，记录所述互相关(20)的所述主最大值(28)和/或所述次最大值(29)中的至少一个的高度(25、26)的时间特性和/或取决于所述主最大值(28)和所述次最大值(29)中的至少一个的高度(25、26)的处理结果的时间特性，其中，所述触发条件(27)的实现取决于相应时间特性。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，由相应发送超声换能器(5、6)多次发射测试超声信号，并且在发送所述超声信号(14、15)之前，针对所述传播方向中的至少一个将所述测试超声信号经由所述流体(3)发送到相应接收超声换能器(5、6)，其中，经由相应接收超声换能器(5、6)捕获相应测试接收信号(47)，其中，在每种情况下相应发送超声换能器(5、6)都被控制为以特别地按所述包络(10)进行幅度调节的测试激励信号(44)发射相应测试超声信号，其中，所述测试激励信号(44)在其载波频率(45)和/或其相移(9)大小(46)方面彼此不同，其中，选择这样的测试激励信号(44)作为用于确定所述传导时间差(22)的激励信号(8、42)：针对该测试激励信号(44)在所得的测试接收信号(47)中出现所述测试接收信号(47)的包络的局部最大值的最大相移(48)和/或最大间隔。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过在每种情况下都对相应测试接收信号(47)的多个窗口执行傅立叶变换来确定相移(48)的大小。
8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述触发条件(27)的实现取决于所述主最大值(28)的高度(25)与所述次最大值(29)中的一个，特别地，最高次最大值(26)，的高度(26)的差和/或商。
9.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，一方面，所述触发条件(27)的实现取决于所述处理信号(18、19)的所述互相关(20)的所述主最大值(28)和/或所述次最大值(29)的高度(25、26)，其中，通过相应接收信号(16、17)或根据所述接收信号(16、17)确定的相应中间信号的归一化来确定相应处理信号(18、19)，和/或，另一方面，在所述互相关(20)的归一化之后确定所述互相关(20)的所述主最大值(28)和/或所述次最大值(29)的高度(25、26)。
10.一种用于确定与通过测量管(4)的流体(3)的流量相关的测量参量(24)的测量设备，所述测量设备包括：测量管(4)，所述测量管(4)引导所述流体(3)；至少两个超声换能器(5、6)，所述至少两个超声换能器(5、6)布置在所述测量管(4)中或所述测量管(4)上；
以及控制设备(7)，所述控制设备(7)被配置为控制所述超声换能器(5、6)，经由所述超声换能器(5、6)捕获接收信号(16、17)并根据所述接收信号(16、17)确定所述测量参量(24)，其特征在于，所述控制设备(7)被配置为实践根据前述权利要求中的一项所述的方法。
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