Проверка ультразвукового расходомера
TESTING THE ULTRASONIC FLOW METER

Изобретение относится к проверочному устройству для ультразвукового расходомера и к способу проверки и/или калибровки ультразвукового расходомера согласно ограничительной части п. 1 и 15 формулы изобретения.
Надежным способом измерения скорости потока или расхода является способ на основе разности времени прохождения. При этом на внешней периферии трубопровода устанавливают пару ультразвуковых преобразователей с взаимным смещением в продольном направлении, которые поочередно испускают и принимают ультразвуковые сигналы поперек потока вдоль измерительной траектории, сформированной между ультразвуковыми преобразователями. Ультразвуковые сигналы, переносимые текучей средой, ускоряются или замедляются потоком в зависимости от направления прохождения. Результирующая разность времени прохождения вычисляется с учетом геометрических размеров для получения средней скорости потока текучей среды. С учетом площади поперечного сечения из нее получают объемный поток или расход. Для более точных измерений также могут быть предусмотрены несколько измерительных траекторий в каждом случае с одной парой ультразвуковых преобразователей, чтобы более точно определять поперечное сечение потока.
Ультразвуковые приборы для измерения расхода измеряют скорости течения без механических компонентов. Благодаря этому свойству измерение возможно также при самых низких скоростях потока и даже в состоянии покоя. Поочередные испускание и получение сигналов, формирование разницы времени прохождения и вычисление скорости потока осуществляются в неподвижной текучей среды с теми же физическими путями передачи и принципами работы, что и при более высоких скоростях потока.
И наоборот, такой режим работы означает, что правильность работы ультразвуковых приборов для измерения расхода можно проверить путем измерения в неподвижной текучей среде. Для этого используется специальная камера, в которой известная текучая среда находится в состоянии покоя или имеет нулевую скорость потока, в простейшем случае воздух. Такое устройство может быть названо блоком нулевой точки.
Для проверки ультразвукового прибора для измерения расхода соответственно выполняются измерения нулевой точки, то есть ультразвуковой прибор для измерения расхода определяет скорость потока и скорость звука в блоке нулевой точки. Таким образом, можно проверять приборы, но также можно определять времена работы системы, характерные для датчиков, и тем самым можно (повторно) калибровать ультразвуковой прибор для измерения расхода.
Однако блоки нулевой точки известной конструкции требуют длительных времен успокоения, прежде чем нулевой поток фактически установится, и они чувствительны к внешним воздействиям, таким как изменения температуры, колебания давления, удары и толчки. Кроме того, измерения не вполне надежны отчасти из-за помех измерения, вызванных самим блоком нулевой точки.
В WO 2013/006090 A1 описан способ калибровки для ультразвукового прибора для измерения расхода. Для этой цели на первом этапе определяют контрольную скорость звука с помощью не текущей среды. Однако калибровку осуществляют в полевых условиях с прибором, установленным в трубопроводе, при этом поток сначала останавливают с помощью запорного клапана. Соответственно блок нулевой точки не предусмотрен.
В US 5277070 A ультразвуковым преобразователям назначают соответственно контрольные мишени для калибровки в покоящемся газе (нулевой расход). Для этой цели блок нулевой точки здесь также не используется.
Из EP 3521773 A1 известно ультразвуковое устройство измерения расхода, в котором ультразвуковые преобразователи размещают таким образом, что в принимаемом сигнале соответствующий определенный неполный импульс изолируется по времени. Это относится к фактическому измерению расхода, калибровка в EP 3521773 A1 не рассматривается.
Таким образом, задачей изобретения является улучшение проверки или калибровки ультразвукового расходомера.
Эта задача решается с помощью проверочного устройства для ультразвукового расходомера и способа проверки и/или калибровки ультразвукового расходомера по п.1 и 15 формулы изобретения. Здесь проверка означает определение, выдает ли ультразвуковой расходомер результат измерения, ожидаемый в контролируемых условиях проверочного устройства, тогда как калибровка включает в себя (повторную) настройку параметров для достижения этой цели, например, для измерения и компенсации времен прохождения, характерных для системы. И то, и другое может быть выполнено во время изготовления или в полевых условиях во время технического обслуживания.
В проверочной камере находится текучая среда, которая может представлять собой текучую среду, в которой нужно провести измерение позже, или предпочтительно просто воздух. Текучая среда неподвижна, поэтому скорость потока равна нулю (нулевой расход). Проверяют нулевую точку или результат измерения ультразвукового расходомера при нулевой скорости потока. Соответственно, проверочное устройство может быть названо блоком нулевой точки, как описано выше. Проверочная камера имеет два установочных места, в каждом из которых устанавливают ультразвуковой преобразователь проверяемого ультразвукового преобразователя, предпочтительно герметично. Установочные места предпочтительно находятся соответственно в стенке проверочной камеры, чтобы полностью использовать ее размеры. Расположение установочных мест задает расположение ультразвуковых преобразователей, соответственно определяющих, на соединительной линии друг к другу, заданную измерительную траекторию ультразвука через проверочную камеру.
Основная идея изобретения заключается в конструировании геометрической формы проверочной камеры так, чтобы стало возможным особенно точное измерение нулевой точки. Это зависит от внутренней части проверочной камеры, само же проверочное устройство может иметь другую геометрическую форму из-за толщины стенок, соединений и т.д. Могут быть сформулированы и выполнены определенные требования к длине траектории или длине L измерительной траектории ультразвука, а также к расстоянию a от измерительной траектории ультразвука до боковых стенок проверочной камеры. Благодаря этому полезный сигнал отделяется по времени от паразитных эхо-сигналов и вторичных ультразвуковых сигналов. Длина L и расстояние а измерительной траектории ультразвука определяются расположением установочных мест. В зависимости от установки ультразвуковых преобразователей могут возникать определенные отклонения, в частности, длины L, рассматриваемые как допуски или учитываемые при измерении и параметризации длины. Оба геометрических условия достаточной длины L и достаточного расстояния a могут быть выполнены по отдельности или в комбинации.
Полезный сигнал представляет собой прямой ультразвуковой сигнал, распространяющийся от первого ультразвукового преобразователя ко второму ультразвуковому преобразователю на их соединительной линии. Обозначенная последовательность от первого ультразвукового преобразователя ко второму ультразвуковому преобразователю определяется без ограничения общности, так как измерение в противоположном направлении так или иначе также выполняют с помощью способа на основе разности времени прохождения. Однако прямой ультразвуковой сигнал является не единственным сигналом, регистрируемым принимающий ультразвуковым преобразователем. Часть ультразвука отражается, возвращается обратно к передающему ультразвуковому преобразователю и частично снова отражается. Следовательно, принимающий ультразвуковой преобразователь также регистрирует эхо-сигнал. Согласно изобретению за счет достаточной длины измерительной траектории ультразвука обеспечивают, что эхо-сигнал больше не перекрывает полезный сигнал. Последующие эхо-сигналы после первого эхо-сигнала являются слабыми и тем более соответствуют условию временного разделения.
Другие сигналы помех возникают из-за того, что ультразвуковой сигнал проходит не только по измерительной траектории ультразвука. Такие компоненты, достигающие принимающего ультразвукового преобразователя за счет однократного или многократного отражения от боковых стенок проверочной камеры или, по меньшей мере, частичного распространения через сами стенки (корпусный звук), называются вторичными ультразвуковыми сигналами. За счет достаточного расстояния a от измерительной траектории ультразвука до боковых стенок добиваются, что вторичные ультразвуковые сигналы больше не перекрываются с полезным сигналом.
Под боковыми стенками понимаются стенки проверочной камеры, которые примыкают к стенке установочного места. Несмотря на формулировку во множественном числе, боковая стенка может быть только одна. Предпочтительно расстояние a должно соблюдаться до всех боковых стенок. Например, в случае проверочной камеры в форме куба установочные места расположены в основании или крышке, боковые стенки представляют собой при этом остальные четыре поверхности куба. В случае цилиндра, с установочными местами также в основании или крышке, имеется только одна боковая стенка, а именно боковая поверхность.
Преимущество изобретения состоит в том, что геометрическая форма проверочной камеры или расположение установочных мест в ней, в целом возможное только при подходящей геометрической форме, обеспечивает отдельный и легко обрабатываемый полезный сигнал. Влияние эхо-сигналов и вторичных ультразвуковых сигналов на других траекториях звука во внутренней части проверочной камеры, например, корпусный шум через стенку, больше уже не воздействует на результат измерения. Из-за небольшого объема проверочной камеры в проверочной камере возникают лишь минимальные конвекционные течения. Спокойное состояние потока достигается за короткое время. Благодаря оптимизированной конструкции и оптимизациям, описываемым ниже, дополнительно минимизируется влияние температуры и давления на внутреннюю часть корпуса, проверочное устройство не является чувствительным к изменениям окружающей температуры, атмосферного давления, а также к ударным волнам и механическим воздействиям. Помимо измеренных значений скорости потока, можно также проверить скорость звука, разрешение и основные погрешности измерения ультразвукового расходомера.
Предпочтительно проверочная камера имеет минимальный объем, то есть размеры велики лишь настолько, чтобы соблюдались условия для длины измерительной траектории ультразвука и для расстояния от измерительной траектории ультразвука до боковых стенок. Для отделения полезного сигнала должны быть соблюдены вышеупомянутые минимальные размеры. Согласно этому предпочтительному варианту осуществления минимальные размеры теперь понимаются как максимальные размеры и, соответственно, соблюдаются как можно точнее. Это должно применяться только в практических пределах или с определенным допуском, при этом проверочную камеру лучше выполнить немного большей при сомнении. Таким образом, объем может быть минимизирован, и может быть реализована особенно небольшая проверочная камера без отрицательного влияния на улучшения проверки. Из-за небольшого объема практически отсутствуют конвекционные течения, а проверочное устройство в целом становится особенно компактным и удобным.
Установочные места и, следовательно, измерительная траектория ультразвука расположены предпочтительно посредине в проверочной камере. В результате максимизируется расстояние a до боковых стенок во всех направлениях. Следовательно, проверочная камера может быть выполнена очень маленькой. В уже использованных примерах проверочной камеры с геометрической формой куба или цилиндра измерительная траектория ультразвука предпочтительно лежит на средней оси через основание и крышку.
s
s
s
s
Длина L измерительной траектории ультразвука, задаваемая расстоянием между установочными местами, предпочтительно удовлетворяет условию , где  - скорость звука,  - коэффициент надежности, в частности  = 1,5, и  - количество периодов ультразвуковых сигналов с длительностью периода . Если это условие выполняется, то эхо-сигналы поступают на принимающий ультразвуковой преобразователь только после того, как полезный сигнал предпочтительно был принят полностью и в любом случае большей частью. Поэтому проверочное устройство особенно хорошо подходит для определенных ультразвуковых сигналов, использующих ультразвуковые импульсы с количеством периодов  с длительностью периода , соответствующей ультразвуковой частоте. Отправленное количество периодов, в частности, также может быть больше , значение  определяет тогда несколько более слабое условие, сколько из возможно большего количества фактически имеющихся периодов требуется для надежного измерения. Коэффициент надежности  создает дополнительный временной промежуток и, следовательно, определенный допуск как для различных ультразвуковых сигналов, так и для других воздействий. В качестве подходящего значения подходит приблизительно =1,5. Однако возможны большие или меньшие значения, в зависимости от того, насколько надежно должно быть исключено наложение или допустимо остаточное наложение.
s
s
Расстояние a от измерительной траектории ультразвука до боковых стенок, задаваемое расстоянием от соответствующих смежных боковых стенок до установочных мест, предпочтительно удовлетворяет условию , где  - скорость звука,  - коэффициент надежности, в частности  = 1,5, и  - количество периодов ультразвуковых сигналов с длительностью периода . Если это условие выполняется, то вторичные ультразвуковые сигналы поступают на принимающий ультразвуковой преобразователь только после того, как полезный сигнал предпочтительно был принят полностью и в любом случае большей частью. Объяснения в предыдущем абзаце относятся к переменным этой формулы. L обозначает везде длину измерительной траектории ультразвука.
Проверочная камера предпочтительно имеет звукопоглощающий материал на своих стенках. Звукопоглощение может быть достигнуто за счет самого материала и/или за счет его структурирования. Таким образом, внутреннее пространство проверочной камеры защищено от внешних воздействий. Кроме того, поглощаются отражения и возникающие из них вторичные ультразвуковые сигналы.
Проверочная камера предпочтительно имеет неплоские боковые поверхности и в частности выполнена цилиндрической. Такие боковые поверхности уменьшают влияние колебаний давления в проверочной камере. В случае цилиндра не только это достигается ко всем сторонам, но в то же время возможен минимальный объем, при котором средняя измерительная траектория ультразвука равномерно сохраняет расстояние а до всех сторон.
Проверочная камера предпочтительно изготовлена из неметаллического материала, в частности из пластика. Материал с относительно низкой плотностью снижает корпусной шум, а также общий вес проверочного устройства.
В проверочной камере предпочтительно расположен по меньшей мере один разделительный элемент. Благодаря этому, в частности, внутренняя часть проверочной камеры разделяется на несколько частичных объемов. Таким образом, дополнительно подавляются конвекционные токи, поскольку они могут образовываться только в частичных объемах. Следовательно, требуемая нулевая скорость потока достигается за более короткие времена успокоения, и это состояние поддерживается более надежно или восстанавливается очень быстро после помех. Разделительные элементы предпочтительно являются звукопроницаемыми для проверяемых ультразвуковых сигналов. Таким образом, измерение не будет ухудшено. Как альтернатива, можно также измерить и компенсировать эффекты от разделительных элементов.
Проверочное устройство имеет датчик давления, датчик температуры и/или датчик влажности. При этом вначале могут быть предусмотрены только каналы или другие отверстия проверочной камеры для вставления датчиков этого типа. Благодаря этому измеряют характеристические переменные текучей среды в проверочной камере, такие как давление, температура и/или влажность воздуха, которые влияют на характер распространения ультразвука в текучей среды во внутренней части проверочной камеры.
Управляющий и вычислительный блок проверочного устройства предпочтительно выполнен с возможностью вычисления скорости звука для текучей среды в проверочной камере. Предпочтительно это осуществляется на основе измерений вышеупомянутых датчиков. После этого вычисления известно ожидаемое значение скорости звука, которое может быть показано или использовано внутри для проверки или калибровки.
Проверочное устройство предпочтительно имеет интерфейс для получения измеренных значений ультразвукового расходомера, в частности, измеренной скорости потока или скорости звука, и/или для передачи параметров в ультразвуковой расходомер, в частности длины L измерительной траектории ультразвука. Проверочное устройство, таким образом, способно взаимодействовать с ультразвуковым измерительным устройством. Это также может происходить опосредованно через присоединенный персональный компьютер, планшет, смартфон и тому подобное. С одной стороны могут быть считаны измеренные значения для проверки или калибровки, или, с другой стороны, проверяемый ультразвуковой расходомер может быть настроен так, что обеспечивается возможность проверки или калибровки. Одним из параметров для этого является длина L измерительной траектории ультразвука. Также возможно, например, параметризовать текучую среду, используемую в проверочной камере, такую как воздух, или сообщать измеренные значения датчиков.
Управляющий и вычислительный блок проверочного устройства предпочтительно выполнен с возможностью сравнения скорости потока, измеренной в проверочной камере, с нулем и/или скорости звука, измеренной в проверочной камере, с ожидаемой скоростью звука. Этот управляющий и вычислительный блок может представлять собой присоединенный прибор, такой как персональный компьютер, планшет, смартфон или тому подобное. В нем проверяется, действительно ли ультразвуковой расходомер измеряет нулевую скорость потока в пределах требуемой точности измерения или правильно ли была определена требуемая для этого скорость звука. В случае отклонения управляющий и вычислительный блок может предлагать параметры для (повторной) калибровки, особенно предпочтительно в контуре регулирования, автоматически обеспечивающем, что ультразвуковой расходомер пройдет проверку в конце.
Установочные места предпочтительно расположены на противоположных стенках проверочной камеры. Благодаря этому возникает прямая, непрерывная измерительная траектория ультразвука. Например, ультразвуковые преобразователи установлены напротив друг друга и обращены друг к другу в основании и крышке проверочной камеры, выполненной с геометрической формой куба или цилиндра.
Как альтернатива, установочные места расположены на одной стенке проверочной камеры, а отражатель ультразвука расположен на противоположной стенке проверочной камеры. Это приводит к изогнутой измерительной траектории ультразвука через отражатель ультразвука. Ультразвуковые преобразователи по-прежнему направлены друг на друга, но теперь опосредованно через отражатель ультразвука. Ультразвуковой преобразователь может быть встроен в противоположную стенку или являться ее частью, например, если там не предусмотрено никакого звукопоглощающего материала или звукопоглощающей конструкции.
Проверочное устройство предпочтительно выполнено из двух частей, с первой частью и второй частью проверочной камеры так, что она может быть открыта и закрыта. Это обеспечивает особенно легкий доступ для установки ультразвуковых преобразователей в установочных местах или для замены ультразвуковых преобразователей. При этом выполнение с крышкой также возможно, как и конструкция собственно из двух частей, в которой проверочная камера может быть разобрана на две части.
Проверочное устройство предпочтительно имеет размеры и вес, обеспечивающие возможность самостоятельной транспортировки его пользователем. Таким образом, специалист по обслуживанию может легко переносить проверочное устройство с собой и при необходимости использовать его в полевых условиях. С другой стороны, обычный проверочный или калибровочный стенд для ультразвуковых расходомеров, как правило, установлен жестко и настолько велик и тяжел, что пользователь не может его вообще сдвинуть.
В способе проверки и/или калибровки ультразвукового расходомера согласно изобретению ультразвуковые преобразователи проверяемого ультразвукового расходомера устанавливают на предусмотренных установочных местах в проверочной камере, в которой находится текучая среда при нулевой скорости потока. После этого с помощью ультразвукового расходомера измеряют скорость потока и/или скорость звука в проверочной камере, Вследствие геометрической формы проверочной камеры и описанных требований к длине L и/или расстоянию a измерительной траектории ультразвука полезный сигнал принимается с разделением по времени. Этот способ особенно предпочтительно осуществляют с одним из вариантов проверочного устройства согласно изобретению.
Проверка того, находятся ли измеренные значения в пределах допустимой погрешности измерения, выполняется специалистом по обслуживанию или автоматически в управляющем и вычислительном блоке проверочного устройства, например, когда специалист по обслуживанию присоединяет компьютер или соответствующее портативное устройство. Предпочтительно специалист по обслуживанию предварительно конфигурирует ультразвуковой расходомер для условий в проверочной камере, в частности, для длины L измерительной траектории ультразвука. Кроме того, после установки ультразвукового преобразователя предпочтительно дожидаются периода выравнивания, пока текучая среда в проверочной камере не успокоится.
Способ согласно изобретению может быть дополнительно модифицирован сходным образом и обладать при этом сходными преимуществами. Подобные предпочтительные признаки раскрыты в качестве не исчерпывающего примера в зависимых пунктах формулы изобретения, ссылающихся на независимые пункты формулы.
Изобретение описывается более подробно ниже также в отношении своих других признаков и преимуществ посредством примеров с помощью вариантов осуществления и со ссылками на прилагаемые чертежи. На фигурах чертежей показано:
фиг. 1 - схематичный вид проверочного устройства и геометрических соотношений его проверочной камеры;
фиг. 2 - схематичный вид для оценки результатов проверки;
фиг. 3 - другой схематичный вид проверочного устройства для объяснения эхо-сигналов и вторичных траекторий звука;
фиг. 4 - иллюстративный вид принимаемого ультразвукового сигнала с полезным сигналом и помехами;
фиг. 5 - схематичный вид проверочного устройства с альтернативной измерительной траекторией ультразвука с отражением; и
фиг. 6 - схематичный вид проверочного устройства с разделительными элементами для разделения объема в проверочной камере.
На фиг. 1 показан схематичный вид проверочного устройства 10 для ультразвукового расходомера. Проверочное устройство 10 может использоваться при изготовлении или в полевых условиях для проверки или калибровки ультразвуковых расходомеров. Проверочное устройство 10 имеет проверочную камеру 12, в которой находится неподвижная текучая среда. Текучей средой может быть просто воздух в соответствии с окружающей средой проверочного устройства 10, но также можно заполнить другую текучую среду. Для возможности доступа во внутреннее пространство проверочной камеры 12, она предпочтительно выполнена из двух частей, будь то с крышкой или с двумя разделяемыми половинами.
Проверочная камера 12 имеет длину l и ширину b. В непоказанном направлении глубины протяженность предпочтительно также соответствует ширине b. Скорость потока соответственно равна нулю (нулевой расход), и при проверке ожидается, что измерение ультразвуковым расходомером приводит к такому же результату. Соответственно, это измерение представляет собой измерение нулевой точки или коррекция нулевой точки.
На двух противоположных стенках проверочной камеры 12 в каждом случае предусмотрено установочное место 14а-b для ультразвукового преобразователя 16a-b. Ультразвуковые преобразователи 16a-b, установленные в них, обращены друг к другу и на соединительной линии определяют измерительную траекторию 18 ультразвука длиной L. Расстояние от боковых стенок проверочной камеры 12 составляет a. Смещение ультразвуковых преобразователей 16a-b в направлении потока, необходимое в ультразвуковом расходомере, основанном на способе с использованием разности времени прохождения, более не требуется, поскольку поток отсутствует.
Проверочное устройство 10 имеет датчик 20 давления, датчик 22 температуры и датчик 24 влажности. Они могут быть встроены в проверочную камеру 12 или она имеет соответствующие отверстия также для последующего вставления датчиков 20, 22, 24. Указанные датчики 20, 22, 24 определяют характеристические переменные, влияющие на скорость распространения ультразвука. Тем не менее, также возможен другой выбор датчиков.
Для оптимального измерения проверочная камера 12 должна быть хорошо изолирована от внешних воздействий, таких как удары, колебания температуры и давления. В противном случае внутри проверочной камеры 12 могут возникнуть выравнивающие течения, которые либо искажают результат измерения, либо удлиняют продолжительность проверки, чтобы позволить текучей среды успокоиться.
Предпочтительная мера по уменьшению колебаний давления в проверочной камере 12 состоит в том, чтобы избегать прямых поверхностей на внешних поверхностях. Цилиндрическая форма проверочной камеры 12 является особенно подходящей для этой цели, причем этот цилиндр показан на фиг. 1 в продольном разрезе с нижней и верхней поверхностью справа и слева. Как альтернатива, однако, возможна также прямоугольная форма, предпочтительно с изогнутыми боковыми поверхностями, или какая-либо другая форма.
Проверочная камера 12 должна оставаться максимально малой, чтобы минимизировать конвекционные потоки, интенсивность которых увеличивается при увеличении объема внутреннего пространства. Это также делает проверочное устройство 10 в целом более компактным. Как объясняется ниже, с другой стороны, однако, для точного измерения требуется минимальный объем. Изобретение обеспечивает здесь оптимальный компромисс.
В качестве материала для стенок проверочной камеры 12 предпочтителен неметаллический материал. Вследствие более низкой плотности в значительной степени исключается возможная акустическая обратная связь, то есть связь ультразвука со стенкой и связь с принимающим ультразвуковым преобразователем 16a-b. Предпочтительно стенки и, в частности, внутренняя стенка проверочной камеры 12 имеют звукопоглощающий материал 26. Это значительно уменьшает амплитуду отраженного от них ультразвука. При этом обеспечивается дополнительная теплоизоляция текучей среды в проверочной камере 12 и определенная защита от колебаний давления и механических воздействий. Звукопоглощающий материал 26 представляет собой, например, звукопоглощающую пену.
Механическое подвешивание ультразвуковых преобразователей 16a-b предпочтительно осуществляют таким образом, что подавляются обратные связи ультразвукового сигнала через стенки измерительной камеры 12 ("корпусный шум"). В противном случае они могут накладываться на измерительный сигнал и приводить к дополнительным ошибкам измерения. Кроме того, предпочтительно ультразвуковые преобразователи 16a-b устанавливают герметично в установочных местах 14a-b.
На фиг.2 схематично и в качестве примера показано, как проверочное устройство 10 может быть присоединено к вычислительной электронике для проверки. Проверяемый ультразвуковой расходомер с двумя ультразвуковыми преобразователями 16a-b прежде всего имеет собственный управляющий и вычислительный блок 46. С помощью его измерительной электроники определяют времена прохождения, и из них, с использованием способа на основе разности времен прохождения, скорость потока, а также другие проверяемые измеряемые величины. Кроме того, проверочное устройство 10 присоединено к дополнительному управляющему и вычислительному блоку 48 для проведения проверки. Этот дополнительный управляющий и вычислительный блок 48 может быть встроен в проверочное устройство 10 или представлять собой подключенный к нему компьютер, например, персональный компьютер, планшет или смартфон. Также возможно удаленное подключение через сеть.
Способ проверки или калибровки ультразвукового расходомера выполняют следующим образом. Открывают проверочную камеру 12 и устанавливают в ней ультразвуковые преобразователи 16a-b в предусмотренных установочных местах 14a-b. Определяют и конфигурируют длину L в ультразвуковом расходомере. Затем проверочную камеру 12 снова закрывают. После периода выравнивания, который может оставаться коротким с помощью варианта осуществления изобретения, объясняемого ниже, например, только пять минут, посредством датчиков 20, 22, 24 измеряют давление, температуру и влажность воздуха. Исходя из этого определяют теоретически ожидаемую скорость звука, например, с использованием метода Оуэна-Крамера.
Затем посредством ультразвуковых преобразователей 16a-b измеряют скорость потока, а также, предпочтительно, скорость звука. Это регистрируют и обрабатывают, например, с помощью дополнительного управляющего и вычислительного блока 48. Проверочная камера 12 выполнена таким образом, что флуктуации течения и влияние температуры сведены к минимуму, насколько это возможно. По этой причине при исправной работе устройство должно определять скорость потока 0 м/с и теоретически рассчитанную скорость звука, при этом для обеих могут быть указаны допуски или допустимые неточности измерения. В предпочтительном варианте осуществления на основе отклонения можно влиять на параметризацию ультразвукового расходомера и, таким образом, (повторно) калибровать его.
Помимо описанных измеряемых величин: скорость потока и скорость звука или вместо них, также могут быть проверены другие измеряемые величины, такие как коэффициент усиления приемника, отношение сигнал/шум и качество сигнала.
На фиг. 3 показан другой схематичный вид проверочного устройства 10 для иллюстрации различных траекторий ультразвукового сигнала 28. Первичная траектория 30 звука проходит по предусмотренной измерительной траектории 18 ультразвука между ультразвуковыми преобразователями 16a-b. На первичной траектории 30 звука ультразвуковой сигнал 28 напрямую достигает противоположного ультразвукового преобразователя 16b-a. Это полезный сигнал, с помощью которого осуществляют измерение времени прохождения и, на его основе, вычисление скорости потока.
Помимо полезного сигнала от предусмотренного прямого пути распространения первичной траектории 30 звука, однако, всегда существуют другие компоненты сигнала за счет частей ультразвукового сигнала 28, не распространяющихся непосредственно от одного ультразвукового преобразователя 16a-b к другому ультразвуковому преобразователю 16b-а. Это происходит, с одной стороны, из-за вторичных траекторий 32 звука, то есть путей распространения, вызванных отражениями ультразвукового сигнала 28 от стенок проверочной камеры. Причиной этого являются коническая характеристика излучения ультразвуковых преобразователей 16a-b, которые также излучают компоненты звука вбок в направлении стенки. Эти компоненты затем отражаются один или несколько раз от стенки и, таким образом, также могут регистрироваться как вторичные ультразвуковые сигналы в принимающем ультразвуковом преобразователе 16b-a. Помимо этого также возникают эхо-сигналы 34. Это компоненты сигнала, которые сначала отражаются на принимающем ультразвуковом преобразователе 16b-a или окружающей стенке, а затем повторно на стороне передающего ультразвукового преобразователя 16a-b.
В принимаемом сигнале полезный сигнал, вторичные ультразвуковые сигналы и эхо-сигнал накладываются друг на друга. Такой принимаемый сигнал, зависящий от времени, изображен в качестве примера на фиг. 4. Полезный сигнал 36 имеет кратчайший путь и поэтому принимается первым. Позже добавляются вторичные ультразвуковые сигналы и эхо-сигналы, показанные здесь в целом сигналом 38 помех. Также могут присутствовать паразитные компоненты 40 сигнала к указанному времени или к другим временам. Это вызвано, например, перекрестными помехами сигнала или корпусным шумом. Как правило, эти паразитные компоненты 40 сигнала могут обнаруживаться даже раньше, чем полезный сигнал 36.
В случае неоптимальных условий сигналы 38 помех приходят настолько рано, что они все еще перекрывают полезный сигнал 36. При этом возникают нарушение измерения времени прохождения и, следовательно, ошибки в определении скорости потока и скорости звука. Следовательно, требуется четкое разделение по времени, как показано на фиг. 4 посредством промежутка ∆t.
Согласно изобретению геометрические соотношения проверочной камеры 12 обеспечивают достаточное временное разделение. Помимо геометрической формы также имеют значение характеристика излучения ультразвуковых преобразователей 16a-b, частота ультразвука, скорость звука и количество периодов сигнала. Геометрическая форма может быть оптимизирована для определенных текучих сред, типов ультразвуковых преобразователей и/или ультразвуковых сигналов. Однако за счет максимально универсального выбора, например, воздух в качестве текучей среды, максимально допустимая характеристика излучения, определенные ультразвуковые диапазоны и максимальное количество периодов сигнала, а также запаса надежности или допуска, оптимизированная геометрическая форма подходит для большого класса ультразвуковых расходомеров.
Особенно большое влияние на оптимальную геометрическую форму имеют два параметра - длина L измерительной траектории 18 ультразвука и расстояние а от него до боковых стенок проверочной камеры. Обе эти величины L, a представлены на фиг. 1. Ниже обсуждаются предпочтительные минимальные значения, приводящие к минимальным габаритам для размера внутреннего пространства проверочной камеры 12.
Длина L и, следовательно, расстояние между ультразвуковыми преобразователями 16a-b должны быть, по меньшей мере, достаточно большими, чтобы паразитные компоненты 40 сигнала из-за паразитных эффектов, таких как перекрестные помехи излучаемого сигнала или корпусный шум, распадались до приема полезного сигнала 36. В то же время необходимо обеспечить, чтобы эхо-сигналы 34 принимались достаточно позже, чем полезный сигнал 36. Критерий для эхо-сигналов 34, как правило, также автоматически соответствует критерию для паразитных компонентов 40 сигнала.
Возможны различные определения, когда не существует никакого наложения. Здесь, как предпочтительный вариант осуществления, задают количество  периодов сигнала с длительностью  периода ультразвуковой частоты, по меньшей мере необходимое для измерения времени, которые должны быть приняты без помех полезным сигналом 36 до прихода первого эхо-сигнала 34. Для последующих эхо-сигналов временное разделение тем более задается.
s
s
Время распространения полезного сигнала составляет , где  - скорость звука в текучей среде в проверочной камере 12. Первый эхо-сигнал 34 должен пройти этот путь дважды вперед и один раз назад, поэтому . Для временного интервала должно выполняться . Здесь  - коэффициент надежности или допуска, который может быть выбран, например, = 1,5.
В целом это приводит к условию . Следовательно, при соответствующей конструкции проверочной камеры 12 полезный сигнал 36 и эхо-сигнал 34 в принятом сигнале достаточно отделены друг от друга по времени.
С другой стороны, для вторичной траектории 32 звука временное разделение вторичных ультразвуковых сигналов обеспечивается достаточным расстоянием а. При этом учитывается только траектория звука с отражением, поскольку другие отражения приводят только к дополнительным временам. Время прохождения по вторичной траектории 32 звука составляет .
Аналогично условию для L в случае эхо-сигнала 34 должно соблюдаться . Отсюда следует условие . Следовательно, при соответствующей конструкции проверочной камеры 12 полезный сигнал 36 и вторичные ультразвуковые сигналы в принятом сигнале достаточно отделены друг от друга по времени.
L задает кратчайшую возможную продольную протяженность, a - наименьшую поперечную протяженность или наименьший радиус, с которым может быть достигнуто временное разделение. Особенно предпочтительно, если условия для длины L и расстояния a одновременно рассматриваются как максимальные значения, то есть соответствующий ">" становится "=". А именно, в этом случае размеры проверочной камеры 12 и ее объем минимизируются, тогда как в то же время временное разделение полезного сигнала 36 остается обеспеченным. Небольшой объем желателен не только из-за конструктивного размера проверочного устройства 10. За счет этого также уменьшаются движения текучей среды или воздуха во внутренней части и, следовательно, конвекционные течения, а меньшая поверхность снижает тепловое влияние окружающей среды на текучую среду в проверочной камере 12. Благодаря геометрической форме, удовлетворяющей двум формулам  и , тем самым достигается оптимальное устранение сигналов акустических помех и, в то же время, минимальный объем. Если выполняется только одно условие, то по меньшей мере исключается влияние помех на полезный сигнал 36, то есть влияние помех от эхо-сигналов 34 или вторичных ультразвуковых сигналов. Отклонение от знака равенства вверх или вниз смещает оптимальное условие в сторону больших объемов с еще более сильным временным разделением, что, однако, согласно вышесказанному почти не имеет каких-либо практических последствий, или меньших объемов за счет неполного разделения помех.
На фиг. 5 схематично показан другой вариант осуществления проверочного устройства 10 с альтернативным расположением траектории при отражении. Изображенное расположение повернуто на 90° по отношению к фиг. 1, но это не имеет никакого технического значения, поскольку ориентацию на всех фигурах следует понимать только схематично.
До сих пор измерительная траектория 18 лежала на непосредственной соединительной линии между противоположными ультразвуковыми преобразователями 16a-b. В случае расположения траектории при отражении ультразвуковой сигнал 28 вместо этого направляется к стенке и после отражения направляется к принимающему ультразвуковому преобразователю 16b-a. Таким образом, измерительная траектория ультразвука состоит из двух частей: первой части 18а и второй отраженной части 18b. За счет отражения ультразвуковые преобразователи 16a-b по-прежнему, по меньшей мере, опосредованно, направлены друг на друга с продольной линией, проходящей вдоль измерительной траектории 18ab ультразвука, а измерительная траектория 18b ультразвука, разделенная на две части, представляют собой здесь первичную траекторию звука. В области отражения предусмотрен отражатель 42, или здесь сама стенка служит как отражатель, например, когда здесь не используется звукопоглощающий материал 26.
Вариант осуществления с отражением согласно фиг. 5 имеет более длинную первичную траекторию звука при меньшей конструктивной форме, в результате чего могут быть лучше подавлены паразитные перекрестные помехи и сходные эффекты. Общая длина проверочного устройства 10 также уменьшается вместе с длиной I проверочной камеры. Однако определение длины L траектории является несколько более сложным.
На фиг. 6 показан схематический вид другого варианта осуществления проверочного устройства 10. В этом варианте осуществления во внутренней части проверочной камеры 12 предусмотрены дополнительные разделительные элементы 44, разделяющие объем камеры на меньшие части. Как обсуждалось выше, для качества результатов измерения предпочтительно подавление конвекции во внутренней части проверочной камеры 12, а также предотвращение конвекции, повторно вызываемой внешними воздействиями. Разделительные элементы 44 подавляют конвекцию за счет уменьшения объема пространства, поскольку возникающие конвекции больше не могут проявляться во всем объеме проверочной камеры 12.
Результатом являются меньшие времена успокоения и меньшее внешнее воздействие. Еще одно преимущество использования разделительных элементов 44 состоит в том, что возможные возникающие конвекции в каждом частичном объеме различны и независимы. При измерении это приводит к некоторому усреднению эффектов в отдельных частичных объемах, в результате влияние конвекции по меньшей мере частично компенсируется и, таким образом, дополнительно уменьшается.
Разделительные элементы 44 предпочтительно выполнены как звукопроницаемые мембраны, например, бумага или тканое сито. Толщину мембран предпочтительно выбирают так, чтобы она не влияла или влияла как можно меньше на времена прохождения ультразвуковых сигналов. Также можно определить влияние разделительных элементов 44 на времена прохождения и вычесть его из результата измерения.