CN113532557A - 考虑气泡量的超声波测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种流体速度的测量方法，所述方法包括：‑测量阶段，包括以下步骤：发射超声波测量信号；获取源自所述超声波测量信号的主超声波信号(10)；以及分析所述主超声波信号(10)以产生传播时间的当前测量值；‑确认所述当前测量值的阶段，包括以下步骤：获取次级超声波信号(11)，所述次级超声波信号本身也源自所述超声波测量信号，但由于所述流体中存在气泡而被延迟；在所述次级超声波信号(11)中评估表示所述流体中的气泡量的一个或多个第一参数；并根据所述一个或多个第一参数来确认所述当前测量值是有效还是无效。
Description
技术领域
本发明涉及例如集成到流体计量器中的超声波测量装置的领域。
背景技术
现代水表是智能仪表，其当然可以测量用户的设施的耗水量，同时还执行以下新功能：检测泄漏、优化计费、远程抄表等。
传统的水表通常使用机械测量装置，而现代的水表通常使用超声波测量装置。
超声波测量装置包括管道，输送到设施的一定流速的水流过该管道。为了评估水的流速，超声波测量装置向管道中发射超声波测量信号，该超声波测量信号沿限定长度的路径传播；测量超声波测量信号从上游到下游和从下游到上游传播限定长度的路径所花费的传播时间；并具体地基于限定长度和这些传播时间之差来估计水的速度。
这种超声波测量装置与机械测量装置相比具有许多优点。具体地，超声波测量装置是密封的，不包括活动部件，因此不会泄漏或出现机械磨损：其精度不会随着时间的推移而下降(或几乎不会下降)。
然而，超声波测量装置对水中存在的气泡敏感，这些气泡可能是由于涡流(即，在水流中产生的旋涡)而产生。空气中的声速(约340m/s)远低于水中的声速(约1500m/s)，因此气泡的存在可能会明显干扰传播时间的测量。
发明内容
本发明的目的是提高超声波测量装置的精度。
为了实现该目的，提出了一种流体速度的测量方法，该方法包括：
-测量阶段，包括以下步骤：发射超声波测量信号；在所述超声波测量信号已经在所述流体中传播了限定长度的路径之后，获取源自所述超声波测量信号的主超声波信号，所述主超声波信号旨在被分析以产生所述超声波测量信号的传播时间的当前测量值；
-确认所述当前测量值的阶段，包括以下步骤：获取次级超声波信号，所述次级超声波信号本身也源自所述超声波测量信号，但由于所述流体中存在气泡而被延迟；在所述次级超声波信号中评估表示所述流体中的气泡量的一个或多个第一参数；并根据所述一个或多个第一参数来确认当前测量值是有效还是无效。
因此，根据本发明的测量方法分析所述次级超声波信号，以便评估所述流体中的气泡量，从而确定气泡是否明显干扰了主超声波信号。
所述测量方法的特别巧妙之处在于：不是仅基于对主超声波信号本身的分析，而是还基于对次级超声波信号的分析，来评估用于产生传播时间的当前测量值的主超声波信号可能经历的失真。由于气泡的存在导致流体中的多径效应，次级超声波信号被延迟。
如果流体中的气泡量过多，则确认当前测量值无效。以这种方式，通过消除精度受到气泡负面影响的那些测量值，可以提高测量的精度。
另外，提出了一种如上所述的测量方法，其中，所述一个或多个第一参数包括所述次级超声波信号的大于或等于预定义幅度阈值的瓣的数量，并且其中，当所述次级超声波信号的大于或等于预定义幅度阈值的瓣的数量大于预定义数量时，确认所述当前测量值无效。
另外，提出了一种如上所述的测量方法，其中，所述确认阶段进一步包括以下步骤：在所述次级超声波信号中评估表示所述流体中的气泡量的一个或多个第二参数，并且如果所述当前测量值无效，则用在所述当前测量值之前获得并根据所述一个或多个第二参数进行校正的在先测量值来替换所述当前测量值。
另外，提出了一种如上所述的测量方法，其中，所述第二参数包括表示所述次级超声波信号的延迟的特定时间和所述次级超声波信号的最大幅度。
另外，提出了一种如上所述的测量方法，其中，所述在先测量值的校正包括将所述在先测量值乘以由下式定义的校正系数：
-M是所述校正系数；
-t2是表示所述次级超声波信号的延迟的特定时间；
-t1是开始监听所述次级超声波信号的时间；
-tmax是从开始监听所述主超声波信号的时间t0到结束监听所述次级超声波信号的时间的持续时间；
-U是所述预定义幅度阈值；
-U'是所述次级超声波信号的最大幅度；
-Umax是所述次级超声波信号的任何瓣都不会超过的最大水平；
-tp是预定义时间值。
另外，提出了一种超声波测量装置，该装置包括上游换能器、下游换能器和处理部件，在所述处理部件中实施上述测量方法。
还提出了一种包括如上所述的超声波测量装置的流体计量器。
还提出了一种包括如上所述的超声波测量装置的医疗装置。
还提出了一种计算机程序，该程序包括指令，所述指令使得如上所述的超声波测量装置执行如上所述的测量方法的步骤。
还提出了一种计算机可读记录介质，上述计算机程序记录在所述计算机可读记录介质上。
根据以下对本发明的一个特定非限制性实施方式的描述，将更好地理解本发明。
附图说明
将参考附图，在附图中：
[图1]图1示出了在其中实施了本发明的水表的超声波测量装置；
[图2]图2示出了主超声波信号和次级超声波信号。
具体实施方式
在此，本发明在水表中实施，该水表用于测量用户的设施的耗水量。水通过供水网络输送到设施。
水表首先包括通信模块，该通信模块允许水表可能经由数据集中器、网关或另一水表(诸如邻近的智能水表)与网络管理员的信息***(SI)通信。该通信模块能够实施任何类型的通信，例如，经由2G、3G、4G、Cat-M或NB-IoT蜂窝网络进行的通信，根据LoRa协议进行的通信，根据在169MHz的频率下工作的Wize标准进行的无线电通信，等等。水表以固定的间隔经由通信模块将获得的测量值传输到SI。
水表进一步包括：管道，通过供水网络输送到用户的设施的水流过该管道；以及超声波测量装置。
图1中示出了超声波测量装置1。
如箭头F的方向所示，水从上游向下游流过管道。
超声波测量装置1包括上游换能器2a和下游换能器2b。超声波测量装置1还包括测量模块3，该测量模块连接到上游换能器2a和下游换能器2b。
上游换能器2a和下游换能器2b成对。上游换能器2a和下游换能器2b在此是压电换能器。
测量模块3包括处理部件4，该处理部件被设计为执行用于实施将在下面描述的测量方法的所有或一些步骤的程序指令。处理部件4例如是处理器、微控制器、或者是可编程逻辑电路，诸如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。
测量模块3进一步包括模数转换器5(潜在地集成到处理部件4中)。
测量模块3驱动上游换能器2a和下游换能器2b。
上游换能器2a和下游换能器2b分别依次执行超声波测量信号6的发射器的功能以及由发射器发射的超声波测量信号6的传播而产生的超声波测量信号7的接收器的功能。
测量模块3生成电激励信号8，并将电激励信号8传递给发射器。
发射器将电激励信号8转换为超声波测量信号6。测量模块3获取由接收器接收的超声波测量信号7。
电激励信号8在此是频率是fus周期是Tus的矩形信号。频率fus通常在900kHz到4MHz之间，并且在此等于1MHz。
因此，超声波测量信号6在上游换能器2a与下游换能器2b之间从上游到下游(然后，当换能器2b进行发射时从下游到上游进行测量)传播限定长度L的路径。限定长度的路径在此是上游换能器2a与下游换能器2b之间的直线路径。限定长度L通常等于7cm。
图1示出了执行发射器功能的上游换能器2a和执行接收器功能的下游换能器2b。因此，在上游换能器2a的输入端上施加电激励信号8，以便发射超声波测量信号6。因此，超声波测量信号6从上游到下游传播限定长度L的路径。超声波测量信号6由发射器以电平NE发射的。超声波测量信号7由接收器以低于电平NE的电平NR接收。
在超声波测量信号7在水中传播了限定长度的路径之后，测量模块3获取该超声波测量信号。测量模块3使用模数转换器5来数字化超声波测量信号7，并产生测量样本。对于频率fus＝1MHz的信号，为了遵守香农准则，采样频率通常为4MHz。
测量模块3测量超声波测量信号6从上游到下游传播限定长度的路径所花费的传播时间。
测量模块3实际上测量从上游换能器2a到下游换能器2b上的总的传输时间TAB。
总传输时间TAB为：
TAB＝TAA+ToFAB+TRB，其中：
-TAA是上游换能器2a的接通时间；
-ToFAB对应于超声波测量信号6在上游换能器2a与下游换能器2b之间传播限定长度的路径所花费的飞行时间；
-TRB是下游换能器2b的接收时间。
类似地，下游换能器2b发射超声波测量信号，该信号被上游换能器2a接收。
测量模块3测量总传输时间TBA为：
TBA＝TAB+ToFBA+TRA，其中：
-TAB是下游换能器2b的接通时间；
-ToFBA对应于超声波测量信号在下游换能器2b与上游换能器2a之间传播限定长度的路径所花费的飞行时间；
-TRA是上游换能器2a的接收时间。
假设：
TAA＝TAB并且TRA＝TRB(成对的换能器)，于是：
ΔT＝TBA-TAB＝ToFBA-ToFAB＝DToF，
其中，DToF是飞行时间差。
现在，DToF与水的平均速度成正比，然后测量模块3使用DToF来计算水的平均速度。平均速度具有符号，并且可以为正、负或零。
然后，测量模块3从平均速度中推导出流过管道的水的流速，并从水的流速中推导出该设施消耗的水量。
然而，当超声波测量信号6在水中传播时，其可能会由于水中存在的气泡而受到干扰。
由于这些气泡，接收器不是仅接收与已经发射的超声波测量信号6相关联的一个信号，而是接收包括主超声波信号和一个或多个次级超声波信号的多个信号，该一个或多个次级超声波信号相对于主超声波信号以一定的延迟到达。
每个次级超声波信号对应于超声波测量信号的在到达接收器之前已经穿过气泡的一部分。因此，一个或多个次级超声波信号是由多径效应产生的：当超声波测量信号的主要部分直接在水中传播到达执行接收器功能的换能器、从而形成主超声波信号时，超声波测量信号的一个或多个次要部分经由气泡传播，并且因此以一定延迟达到接收器(就像回声一样)。
处理部件4不能仅基于主超声波信号来检测该信号是否受到明显干扰。
现在，传播时间测量值的精度必须非常高(ps的数量级)，信号的丝毫失真都可能是灾难性的。
因此，根据本发明的测量方法包括：获取一个(或至少一个)次级超声波信号；分析次级超声波信号；以及基于该分析确定主超声波信号是否可用于测量。
因此，根据本发明的测量方法包括测量阶段和确认阶段。
在每个测量阶段中，超声波测量装置1获取主超声波信号，从而产生传播时间的当前测量值。
测量阶段会定期重复。在此，每秒获得八个上游-下游传播时间测量值和八个下游-上游传播时间测量值。
根据本发明的测量方法还包括针对每个测量阶段的确认阶段，在该确认阶段中，超声波测量装置1获取次级超声波信号，对该次级超声波信号的分析使得可以确认在所述测量阶段获取的传播时间的当前测量值是有效还是无效。
确认阶段可以通过滤除当气泡存在量过多时获得的那些测量值(即，通过不考虑所述测量值)来提高测量的精度。
每个测量阶段均按以下方式执行。测量模块3的处理部件4经由执行发射器的功能的换能器2之一(上游2a或下游2b)发射超声波测量信号。接下来，参考图2，在超声波测量信号已经在流体中传播限定长度的路径之后，处理部件4经由执行接收器的功能的另一个换能器2(上游2a或下游2b)获取源自超声波测量信号的主超声波信号10。
为了获取主超声波信号10，超声波测量装置1从开始监听主超声波信号10的时间t0开始主要监听窗口。主要监听窗口的持续时间在此等于25μs。
主超声波信号10由测量模块3的模数转换器5采样，然后由测量模块3的处理部件4进行分析，以便产生超声波测量信号的传播时间的当前测量值。
该分析可以例如包括确定主超声波信号10的预定瓣的出现时间。出现时间例如是预定瓣的下降沿出现的时间。出现时间是过零的时间，其可以通过“过零”类型的方法来测量。
在主超声波信号10的幅度已经超过预定水平之后，预定瓣例如是主超声波信号10的第i个瓣(即，第四个或第五个瓣)。
接下来，超声波测量装置1实施与上述测量阶段相关联的确认阶段，以便确定主超声波信号10是否可用于测量。
首先，确认阶段包括尝试获取次级超声波信号11，该次级超声波信号本身也源自超声波测量信号，但是由于水中存在气泡而被延迟。
为了获取次级超声波信号11，超声波测量装置1从开始监听次级超声波信号11的时间t1开始次要监听窗口。开始监听的时间t1为：
t1＝t0+tec。
在此，tec＝80μs。
超声波测量装置1一直监听到时间t0+tmax，
因此，tmax是从开始监听主超声波信号10的时间t0到结束监听次级超声波信号11的时间的持续时间。
在此，tmax＝200μs。
然后，处理部件4在次级超声波信号11中评估表示水中的气泡量的一个或多个第一参数，并根据一个或多个第一参数来确认传播时间的当前测量值是有效还是无效。
在此，一个或多个第一参数包括次级超声波信号11的大于或等于预定义幅度阈值U的瓣的数量。
当次级超声波信号11的大于或等于预定义幅度阈值U的瓣的数量大于预定义数量时，确认当前测量值无效。
预定义数量在此等于五。
因此，如果处理部件4检测到五个以上的瓣≥U，则处理部件4认为水中存在足够的气泡明显干扰了当前测量值。因此，确认当前测量值无效，并且不用于估计水的流速，并因此不用于估计由设施消耗的水量。
确认阶段进一步包括以下步骤：在次级超声波信号11中评估表示水中的气泡量的一个或多个第二参数，并且如果确认当前测量值无效，则用在相同的1s周期内但在当前测量值之前获得并根据一个或多个第二参数进行校正的在先测量值来替换当前测量值。
第二参数在此包括表示次级超声波信号11的延迟的特定时间和次级超声波信号11的最大幅度。
具体地，次级超声波信号11的延迟(在t1的右边)及其最大幅度给出了已经干扰当前测量值的气泡量。
特定时间t2在此是次级超声波信号11的超过预定义幅度阈值U的第一瓣的下降方向上的过零时间(通过“过零”方法评估)。
在先测量值(其替换当前测量值)的校正包括将在先测量值乘以由下式定义的校正系数：
其中：
-M是校正系数；
-t2是表示次级超声波信号11的延迟的特定时间；
-t1是开始监听次级超声波信号11的时间；
tmax是从开始监听主超声波信号10的时间t0到结束监听次级超声波信号11的时间的持续时间；
-U是预定义幅度阈值；
-U'是次级超声波信号11的最大幅度；
-Umax是次级超声波信号11的任何瓣都不会超过的最大水平；
-tp是预定义时间值。
因此，代替当前测量值，使用在先测量值的百分比。
次级超声波信号11的延迟越大和/或最大幅度越高，气泡水平就越高，因此在先测量值的减小就越大。
预定义时间值tp使得可以考虑以下事实：次级超声波信号11的至少五个瓣达到或超过预定义幅度阈值U。
因此可以看出，在存在大量气泡的情况下，将不考虑当前测量值。然而，如果在一秒钟内未考虑八个测量值，则将平均值替换为在下一秒内测量的平均值。在连续三秒内未考虑八个测量值的情况下，这些测量值被认为是无效的。
当然，本发明不限于所描述的实施例，而是涵盖落入由权利要求限定的本发明范围内的所有变体。
可以看出，如果气泡量过多，则确认传播时间的当前测量值无效。如在此所描述的，可以在已经评估传播时间之后确认当前测量值无效，或者实际上在之前进行：非常有可能设想在分析主超声波信号之前分析次级超声波信号，从而甚至无需基于主超声波信号评估传播时间就可以确认当前测量值无效(基于次级超声波信号的分析)。
尽管这里并非如此，但是一个或多个第一参数可以与一个或多个第二参数相同。
集成有在其中实施本发明的超声波测量装置的仪表不一定是水表，而可以是用于易于包含气泡的任何流体的仪表。所讨论的流体例如是除水以外的液体，或者实际上是石油。
超声波测量装置不必集成到仪表中，而是可以集成到另一种类型的装置中，例如，集成到需要测量血液流速的医疗装置中。
Claims (10)
1.一种流体速度的测量方法，所述测量方法包括：
-测量阶段，包括以下步骤：发射测量超声波信号；在所述测量超声波信号已经在所述流体中传播了限定长度(L)的路径之后，获取源自所述测量超声波信号的主超声波信号(10)，所述主超声波信号(10)旨在被分析以产生所述测量超声波信号的传播时间的当前测量值；
-确认所述当前测量值的阶段，包括以下步骤：获取次级超声波信号(11)，所述次级超声波信号本身也源自所述测量超声波信号，但由于所述流体中存在气泡而被延迟；在所述次级超声波信号(11)中评估表示所述流体中的气泡量的一个或多个第一参数；并根据所述一个或多个第一参数来确认所述当前测量值是有效还是无效。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其中，所述一个或多个第一参数包括所述次级超声波信号(11)的大于或等于预定义幅度阈值(U)的瓣的数量，并且其中，当所述次级超声波信号(11)的大于或等于预定义幅度阈值(U)的瓣的数量大于预定义数量时，确认所述当前测量值无效。
3.根据前述权利要求之一所述的测量方法，其中，所述确认阶段进一步包括以下步骤：在所述次级超声波信号(11)中评估表示所述流体中的气泡量的一个或多个第二参数，并且如果确认所述当前测量值无效，则用在所述当前测量值之前获得并根据所述一个或多个第二参数进行校正的在先测量值来替换所述当前测量值。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其中，所述第二参数包括表示所述次级超声波信号(11)的延迟的特定时间(t2)和所述次级超声波信号(11)的最大幅度(U')。
5.根据权利要求2和4所述的测量方法，其中，所述在先测量值的校正包括将所述在先测量值乘以由下式定义的校正系数：
-M是所述校正系数；
-t2是表示所述次级超声波信号(11)的延迟的特定时间；
-t1是监听所述次级超声波信号(11)的开始时间；
-tmax是从监听所述主超声波信号(10)的开始时间t0到监听所述次级超声波信号(11)的结束时间之间的持续时间；
-U是所述预定义幅度阈值；
-U'是所述次级超声波信号(11)的最大幅度；
-Umax是所述次级超声波信号(11)的任何瓣都不会超过的最大水平；
-tp是预定义时间值。
6.一种超声波测量装置，包括上游换能器(2a)、下游换能器(2b)和处理部件(4)，在所述处理部件中实施根据前述权利要求之一所述的测量方法。
7.一种流体计量器，包括根据权利要求6所述的超声波测量装置。
8.一种医疗装置，包括根据权利要求6所述的超声波测量装置。
9.一种计算机程序，包括指令，所述指令使得根据权利要求6所述的超声波测量装置执行根据权利要求1至5之一所述的测量方法的步骤。
10.一种计算机可读记录介质，根据权利要求9所述的计算机程序记录在所述计算机可读记录介质上。
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