РАСХОДОМЕР С УЛУЧШЕННЫМ ВРЕМЕНЕМ ПРОХОЖДЕНИЯ СИГНАЛА
FLOW METER WITH AN IMPROVED SIGNAL TIME

Настоящее изобретение относится к расходомерам и, в частности, к ультразвуковым расходомерам с временем прохождения.
Различные типы расходомеров в настоящее время используются для измерения объемного расхода текучей среды, такой как жидкость или газ, через трубу. Ультразвуковые расходомеры представляют собой либо доплеровские расходомеры, в которых применяется акустический эффект Доплера, либо расходомеры с временем прохождения, иногда также называемые расходомерами на основе передаваемых сигналов, в которых применяется разность по времени распространения сигнала, вызванная относительным движением источника и среды. Время прохождения также называется временем прохождения или временем переноса.
Ультразвуковой расходомер с временем прохождения оценивает разность по времени распространения ультразвуковых импульсов, распространяющихся в направлении потока и против него. Ультразвуковые расходомеры предусмотрены как встроенные расходомеры, также известные как погружные или помещаемые в текучую среду расходомеры, или как закрепляемые расходомеры, также известные как непогружные расходомеры. К другим видам расходомеров относятся каналы Вентури, переливные пороги, радарные расходомеры, расходомеры Кориолиса, расходомеры, основанные на принципе дифференциального давления, магнитно-индуктивные расходомеры и другие типы расходомеров.
При наличии нестандартных профилей потока или открытых каналов, для определения средней скорости потока может быть необходимо более одного пути распространения. Среди прочего, процедуры многолучевого распространения описаны в гидрометрических стандартах, таких как IEC 41 или EN ISO 6416. В качестве дополнительного применения ультразвуковые расходомеры также используются для определения профилей потока, например с помощью акустического доплеровского измерителя течения (ADCP). ADCP также подходит для измерения скорости и истечения воды в реки и открытые воды.
Цель настоящего изобретения заключается в предоставлении расходомера с улучшенным временем прохождения импульсного сигала и соответствующего способа измерения средней скорости потока или профиля потока текучей среды в целом и, в частности, для жидкостей, таких как вода, нефть, или для газов.
В устройстве измерения расхода согласно настоящему изобретению звуковые измерительные преобразователи, например, в виде пьезоэлектрических элементов, также известных как пьезоэлектрические измерительные преобразователи, используются для генерирования и для приема испытательного сигнала и измерительного сигнала.
Альтернативные звукопередатчики содержат лазеры, которые вызывают вибрацию металлической мембраны, или простые динамики. Также можно создавать волны давления другими способами. Приемная сторона может также быть представлена другими средствами, которые отличаются от пьезоэлектрических измерительных преобразователей, но обнаруживают ультразвуковые волны.
Несмотря на то, что термин «пьезоэлектрический измерительный преобразователь» используется часто в настоящем описании, он обозначает также другие измерительные преобразователи звуковых волн, которые создают или обнаруживают ультразвуковые волны.
Измерительный сигнал согласно настоящему изобретению может быть сформирован согласованным фильтром. Если импульс с резким пиком используется в качестве проверочного или испытательного сигнала, принятый сигнал на измерительном преобразователе представляет собой импульсный отклик трубопровода или канала текучей среды. Согласно настоящему изобретению инвертированная версия импульсного отклика по отношению ко времени отправляется обратно через тот же канал как измерительный сигнал либо в обратном направлении, либо в том же направлении. Это приводит к сигналу с пиком на начальном этапе, где был первоначальный источник, или к сигналу с пиком как на начальном приемнике соответственно.
Преобразование по отношению ко времени может быть обеспечено несколькими способами. При использовании аналогичных средств для записи сигнала отклика можно воспроизводить записанный сигнал отклика в режиме обратной перемотки. При использовании цифровых средств для записи образцов сигнала отклика порядок записанных дискретных значений обращен для получения инвертированного сигнала. Этого можно достичь путем инвертирования значений временных отметок каждого записанного дискретного значения посредством умножения соответствующего значения времени на (-1). При воспроизведении согласно возрастающему порядку значений временных отметок записанные дискретные значения воспроизводят в обратном порядке. Другими словами, инвертированный сигнал отклика представляет собой записанный сигнал отклика, но воспроизводимый в обратном направлении.
Ультразвуковой расходомер согласно настоящему изобретению предусматривает свойство фокусировки путем использования упомянутого выше инвертированного сигнала или подобным образом сформированного сигнала для ультразвукового расходомера для образования сигнала отклика, который ориентирован как на пространство, так и на время. Это, в свою очередь, приводит к более высокой амплитуде на принимающем пьезоэлектрическом элементе и более лучшему сигналу относительно коэффициента шумов.
Благодаря ультразвуковому расходомеру согласно настоящему изобретению фокусировка может быть получена при весьма обычных условиях. Например, свойство фокусировки получают, даже когда только один ультразвуковой передатчик активирован и даже когда инвертированный сигнал преобразуется в сигнал, который только не полностью оцифрован в диапазоне амплитуды, при достаточном разрешении по времени инвертированного сигнала. Кроме того, расходомер согласно настоящему изобретению может использоваться с измерительными преобразователями с механическим креплением, которые легко размещать на трубе и для которых не требуются модификации трубы.
В способе измерения расхода согласно настоящему изобретению битовое разрешение по отношению к амплитуде измерительного сигнала можно отрегулировать. В частности, битовое разрешение может быть отрегулировано для получения высокой амплитуды сигнала отклика.
Согласно одному варианту осуществления битовое разрешение увеличивается для увеличения амплитуды сигнала отклика на измерительный сигнал. В одном варианте осуществления битовое разрешение увеличивается на предварительно определенных этапах, выбирается битовое разрешение, которое создает сигнал отклика с наивысшей амплитудой, и соответствующее представление измерительного сигнала сохраняется в машиночитаемой памяти.
Согласно другому варианту осуществления битовое разрешение снижается для увеличения амплитуды сигнала отклика на измерительный сигнал. В одном варианте осуществления битовое разрешение снижается на предварительно определенных этапах, выбирается битовое разрешение, которое создает сигнал отклика с наивысшей амплитудой, и соответствующее представление измерительного сигнала сохраняется в машиночитаемой памяти.
В частности, битовое разрешение может представлять собой низкое битовое разрешение, такое как разрешение, которое сохранено в виде одного числа или двух чисел, в частности в виде одного или двух двоичных чисел. Согласно другим вариантам осуществления низкое битовое разрешение содержит по меньшей мере 1-битное разрешение и по больше мере 64-битное разрешение.
Согласно дополнительному варианту осуществления первый сигнал отклика обрабатывается для определения или получения изменения в толщине стенки трубопровода или для определения или установления характеристик материала стенки трубопровода путем определения характеристик продольной и поперечной звуковой волны. Например, характеристики поперечных и продольных волн могут быть получены из соответствующих участков принимаемого сигнала или сигнала отклика, который соответствует разному времени появления акустических волн.
Согласно данному варианту осуществления тот же сигнал отклика используется для определения скорости потока и для обнаружения вышеупомянутых свойств. При этом больше нет необходимости в использовании отдельного сигнала или отдельного устройства для определения эффектов, таких как загрязнения и повреждения материала, хотя допускается использование отдельного сигнала или отдельного приспособления. Кроме того, полученные свойства канала могут быть использованы для достижения более правильной величины скорости потока.
В ультразвуковом расходомере согласно настоящему изобретению технические признаки, которые обеспечивают хорошее соединение и направленность измерительных преобразователей с механическим креплением, и уменьшение рассеяния, могут не быть необходимыми, или, наоборот, они могут еще больше улучшить фокусировку. Чтобы обеспечить увеличенное рассеяние, может быть выбран материал соединения, который приспособлен к показателю преломления жидкости или измерительным преобразователям, и могут быть использованы соединения измерительных преобразователей, которые обеспечивают больше волн сдвига.
Предпочтительно, частота звуковых волн, которые используются в расходомере согласно изобретению, составляет от > 20 кГц до 2 МГц, что соответствует периоду колебаний 0,5 микросекунды (мкс), но может даже составлять до 800 МГц.
Во многих случаях ультразвуковые расходомеры работают намного выше порога слышимости с частотами в несколько сотен кГц или выше. Частота ультразвуковых расходомеров с временем прохождения импульсного сигнала находится, как правило, в диапазоне кГц или МГц.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения описывается выполняемый компьютером способ определения скорости потока текучей среды в трубопроводе или канале для текучей среды, в котором используют ультразвуковой расходомер с временем прохождения. В частности, способ может применяться для трубы или трубки, а также предназначен для применений в открытых каналах, таких как применения в водоотводных или ирригационных каналах. В предпочтительном варианте осуществления «выполняемый компьютером» относится к выполнению на электронных компонентах с мелкой структурой, таких как микропроцессоры, микросхемы ASIC, FPGA и т. п., которые могут использоваться в портативных или в компактных стационарных устройствах цифровой обработки сигналов, которые обычно меньшего размера, чем рабочие станции или базовые компьютеры, и которые могут быть размещены в требуемом месте вдоль трубы для текучей среды.
Далее термины «канал», «трубопровод», «проход», «труба» и т. д. используются как синонимы. Предмет изобретения может применяться для всех типов трубопроводов для текучих сред независимо от их соответствующей формы и независимо от того, являются ли они открытыми, или закрытыми, или полностью заполненными, или частично заполненными. Предмет изобретения может также применяться для всех типов текучих сред или газов независимо от того, являются ли они газами или жидкостями, или их смесью.
Во время фазы генерирования измерительного сигнала в трубопровод для текучей среды подают текучую среду на предварительно определенной скорости по отношению к трубопроводу для текучей среды, по существу текучую среду, которая по существу не движется по отношению к трубопроводу для текучей среды. Измерительный сигнал генерируется из сигнала отклика, который канал передачи генерирует в ответ на первоначально поданный импульсный сигнал.
Импульсный сигнал подается в первый ультразвуковой измерительный преобразователь, такой как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, при этом импульсный сигнал относится к сигналу, который имеет энергию сигнала, которая собрана за короткий период времени; в частности, в конкретном варианте осуществления импульсный сигнал проходит только через несколько периодов колебаний несущей частоты, например 10—20 периодов колебаний или меньше. В частности, огибающая импульсного сигнала может иметь прямоугольную форму, но также возможны и другие формы. Например, импульсный сигнал может соответствовать однократному пику или одиночному импульсу, короткому прямоугольному всплеску или любой другой форме сигнала, такой как пилообразная форма, прямоугольная волна, импульс с линейной частотной модуляцией, синусоидальная волна или предварительно определенный всплеск шума, такой как «белый» шум или «розовый» шум, который также известен как 1/f шум. Способ работает почти с любой формой сигнала импульсного сигнала.
Фазу генерирования сигнала не нужно повторять для каждого измерения. Например, ее можно осуществить перед первым измерением и позднее, когда условия в трубопроводе для текучей среды изменяются, например вследствие отложений, коррозии и теплонапряженности.
Иногда термин «фаза калибровки» используется тогда, когда речь идет о фазе генерирования измерительного сигнала. Это не совсем правильно. Для расходомеров обычным является то, что расходомер размещен на поверочном стенде, где сравнивают измеренные значения и целевые значения для расхода. Связующим коэффициентом между этими двумя значениями называют коэффициент калибровки, и он включает ошибки аппаратного обеспечения и программного обеспечения при измерении расхода, которые не могут быть определены. Для предмета изобретения более подходящим является понимание разницы между фазой генерирования измерительного сигнала и фазой калибровки. Фаза генерирования измерительного сигнала предусматривает измерительный сигнал, который, при использовании, формирует относительно резкий пик в сигнале отклика на измерительный сигнал, в то время как фаза калибровки предусматривает расходомер, который обеспечивает точное измерение расхода.
Следующие этапы способа согласно изобретению, а именно:
- предоставление импульсного сигнала в первый ультразвуковой измерительный преобразователь, при этом первый ультразвуковой измерительный преобразователь расположен на трубопроводе для текучей среды в первом месте;
- предоставление сигнала отклика импульсного сигнала во второй ультразвуковой измерительный преобразователь, при этом второй ультразвуковой измерительный преобразователь расположен на трубопроводе для текучей среды во втором месте;
- получение измерительного сигнала из сигнала отклика, при этом получение измерительного сигнала включает выбор части сигнала отклика или сигнала, полученного из него, и обращение части сигнала по отношению ко времени;
могут быть выполнены путем применения и измерения реальных фактических сигналов для реального трубопровода. Отсюда следует то, что этапы предоставления сигнала отклика импульсного сигнала на втором ультразвуковом измерительном преобразователе и получения измерительного сигнала могут быть выполнены путем численного или аналогового моделирования, поскольку импульсный сигнал предоставлен в качестве цифрового или аналогового сигнала. Для этой цели может использоваться программное обеспечение для анализа методом конечных элементов.
Пьезоэлектрические измерительные преобразователи расположены на трубопроводе для текучей среды. В частности, они могут быть расположены, будучи соответственно установленными, на трубопроводе для текучей среды. Первый пьезоэлектрический измерительный преобразователь расположен, будучи соответственно установленным, по периметру трубопровода для текучей среды в первом месте. В одном конкретном варианте осуществления он закреплен по периметру трубопровода для текучей среды. Сигнал отклика импульсного сигнала принимается на втором пьезоэлектрическом измерительном преобразователе.
Второй ультразвуковой измерительный преобразователь, такой как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, расположен, будучи соответственно установленным, на трубопроводе для текучей среды во втором месте, которое смещено в продольном направлении трубопровода для текучей среды по отношению к первому месту и в направлении поперечного сечения, которое проходит через центр оси трубопровода, при этом продольное направление соответствует направлению среднего потока через канал. Трубопровод для текучей среды может быть полностью заполнен текучей средой, если нет необходимости в отражении поверхности текучей среды и других эффектах.
Измерительный сигнал получают из сигнала отклика, который представляет собой ответ канала передачи на первоначальный импульсный сигнал, с помощью аналогового средства или также в цифровой форме. Получение измерительного сигнала включает выбор части сигнала отклика или сигнала, полученного из него, и обращение части сигнала по отношению ко времени, и оно может включать этап сохранения измерительного сигнала, например в его оцифрованной форме, в машиночитаемой памяти для дальнейшего использования. При этом возможны различные последовательности этапов способа. Например, сигнал может быть инвертирован по отношению ко времени после его сохранения.
Во время фазы измерения, в которой текучая среда движется по отношению к трубопроводу для текучей среды согласно внешним условиям, таким как давление, сила тяжести, наклон трубы и т. д., измерительный сигнал подается в один из первого и второго ультразвуковых измерительных преобразователей, такие как пьезоэлектрические измерительные преобразователи. Конкретнее, электрический сигнал, который может быть получен из сохраненного измерительного сигнала, может подаваться в измерительный преобразователь.
Первый сигнал отклика измерительного сигнала измеряется на другом ультразвуковом измерительном преобразователе, таком как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, скорость потока текучей среды получают из по меньшей мере первого сигнала отклика. В частности, это включает измерение времени прохождения ниже по потоку или выше по потоку. Величина скорости может быть получена путем сравнения измеренного времени прохождения с временем прохождения при калибровке, принимая во внимание скорость звука при текущих условиях, например, путем измерения температуры текучей среды. На дальнейших этапах объемный расход или массовый расход может быть получен из скорости потока или из профиля скорости потока.
Для получения более точно величины, измерения могут проводиться в обоих направлениях, из первого во второй ультразвуковой измерительный преобразователь, такой как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, и в обратном направлении. В частности, это позволяет исключить скорость звука при измерении времени прохождения, или это может обеспечить достоверную величину текущей скорости звука.
Измерение расхода согласно настоящему изобретению может использоваться в устройствах только с двумя измерительными преобразователями, а также в устройствах с множеством измерительных преобразователей, таких как устройства по фиг. 43 и 44 или устройство по фиг. 4 и 5. В частности, измерение расхода может быть выполнено посредством пары измерительных преобразователей устройства с множеством измерительных преобразователей, которые расположены напротив друг друга. Пара измерительных преобразователей может быть расположена в плоскости через центральную ось трубопровода, как показано на фиг. 43, или они могут быть расположены в плоскости, которая смещена относительно центральной оси трубопровода, как показано на фиг. 44. Устройство по фиг. 44 может использоваться для определения скорости текучей среды в слое текучей среды на предварительно определенном расстоянии к центральной оси.
Соответственно, этапы подачи измерительного сигнала и измерения сигнала отклика повторяются в обратном направлении. Другими словами, первичный приемник используется в качестве отправителя, а первичный отправитель используется в качестве приемника, и сигнал отправляется от соответствующего другого ультразвукового измерительного преобразователя, такого как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, к соответствующему первому из двух измерительных преобразователей для того, чтобы получить второй сигнал отклика. Скорость потока текучей среды получают из первого сигнала отклика и второго сигнала отклика. В частности, получение включает получение времени прохождения ниже по потоку и выше по потоку.
Несмотря на то, что можно отправлять измерительный сигнал от одного ультразвукового измерительного преобразователя, такого как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, к другому ультразвуковому измерительному преобразователю, такому как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, также преимущественным является выполнение этого прямо и обратно, когда измерение скорости или расхода завершено.
Другими словами, процедура может быть завершена следующим образом.
Прямое направление:
- отправка импульсного сигнала от первого ультразвукового измерительного преобразователя ко второму ультразвуковому измерительному преобразователю;
- прием сигнала отклика импульсного сигнала на втором ультразвуковом измерительном преобразователе;
- инвертирование принятого сигнала отклика на втором ультразвуковом измерительном преобразователе по отношению ко времени с получением при этом измерительного сигнала;
- отправка измерительного сигнала от первого ультразвукового измерительного преобразователя ко второму ультразвуковому измерительному преобразователю;
- прием сигнала отклика измерительного сигнала на втором ультразвуковом измерительном преобразователе.
Обратное направление:
- отправка импульсного сигнала от второго ультразвукового измерительного преобразователя к первому ультразвуковому измерительному преобразователю, такому как пьезоэлектрический измерительный преобразователь;
- прием сигнала отклика импульсного сигнала на первом ультразвуковом измерительном преобразователе;
- инвертирование принятого сигнала отклика импульсного сигнала от первого ультразвукового измерительного преобразователя по отношению ко времени, получая при этом измерительный сигнал;
- отправка измерительного сигнала от второго ультразвукового измерительного преобразователя к первому ультразвуковому измерительному преобразователю;
- прием сигнала отклика на измерительный сигнал на первом ультразвуковом измерительном преобразователе;
- измерение разности по времени между принятыми сигналами отклика на втором ультразвуковом измерительном преобразователе и первом ультразвуковом измерительном преобразователе. Данная разность по времени пропорциональна скорости потока между двумя ультразвуковыми измерительными преобразователями, такими как пьезоэлектрические измерительные преобразователи.
Следует отметить, что измерительный сигнал для прямого направления может отличаться от измерительного сигнала для обратного направления. Измерительный сигнал имеет обычно индивидуальную форму для каждого направления распространения, однако для простых конфигураций могут использоваться одинаковые измерительные сигналы.
По всей заявке часто используется термин «компьютер». Хотя к компьютеру относятся устройства, такие как переносной или настольный компьютер, передача и прием сигнала могут также быть выполнены микроконтроллерами, ACID, FPGA и т. д.
Кроме того, транзитная соединительная линия между измерительными преобразователями может быть геометрически смещена по отношению к центру трубопровода для текучей среды для того, чтобы получить скорость потока в предварительно определенном слое, и может предусматриваться более одной пары измерительных преобразователей. Кроме того, измерительный сигнал может быть обеспечен более чем одним измерительным преобразователем, и/или сигнал отклика на измерительный сигнал может быть измерен более чем одним измерительным преобразователем.
Согласно простому варианту осуществления средний измерительный сигнал генерируется линейной суперпозицией сигналов отклика из множества принимающих измерительных преобразователей, и вышеупомянутые этапы обработки сигнала выполняются по отношению к среднему сигналу отклика для получения измерительного сигнала.
Согласно еще одному варианту осуществления существует равное количество, например N, отправляющих и принимающих измерительных преобразователей, при этом относительные размещения отправляющих измерительных преобразователей равны относительным размещениям принимающих измерительных преобразователей. N принятых сигналов отклика затем обрабатываются по отдельности согласно вышеупомянутым этапам обработки сигнала для получения N отдельных измерительных сигналов.
Эти N измерительные преобразователи, как правило, выполнены, например, в виде измерительных преобразователей с механическим креплением, измерительных преобразователей, вставляемых или устанавливаемых внутри. В качестве примера, на фиг. 43 показано устройство с 8 измерительными преобразователями с механическим креплением, а на фиг. 44 показано устройство с 8 вставляемыми измерительными преобразователями. 8 измерительных преобразователей по фиг. 43 расположены в четырех соответствующих плоскостях, которые проходят через центр оси трубопровода.
8 вставляемых измерительных преобразователей по фиг. 44 расположены в четырех параллельных плоскостях.
Соединительные линии между измерительными преобразователями показывают рабочий режим измерительных преобразователей. В рабочем режиме по фиг. 43 сигналы отправляются от первого измерительного преобразователя ко второму измерительному преобразователю, который является противоположным первому измерительному преобразователю по отношению к центральной точке центральной оси водопровода.
В рабочем режиме по фиг. 44 сигналы отправляются от первого измерительного преобразователя ко второму измерительному преобразователю по отношению к центральной точке, которая расположена в центре соответствующего прямоугольного устройства и в одной из четырех параллельных плоскостей.
Согласно одному варианту осуществления часть сигнала отклика, которую используют для получения измерительного сигнала, содержит первую часть вблизи максимальной амплитуды сигнала отклика и конечную часть сигнала, при этом конечная часть сигнала проходит во времени после времени достижения максимальной амплитуды. Конечная часть обеспечивает сигналы из дополнительных отражений кроме сигналов вблизи прямого сигнала и может способствовать лучшей фокусировке.
Для того, чтобы получить улучшенный сгенерированный измерительный сигнал, этапы подачи импульсного сигнала и приема соответствующего сигнала отклика могут выполняться не только один раз, но они могут повторяться несколько раз, по меньшей мере два раза. При этом получают множество сигналов отклика. Затем получают измерительный сигнал из среднего значения принятых сигналов отклика.
В одном варианте осуществления измерения повторяются несколько раз, но с прохождением ультразвукового сигнала только в одном направлении. В другом варианте осуществления измерения повторяются несколько раз с прохождением ультразвукового сигнала в обоих направлениях. Еще в одном варианте осуществления измерения повторяются несколько раз в обоих направлениях, и отдельные средние значения получают для обоих направлений.
Согласно дополнительному варианту осуществления получение измерительного сигнала из одного или более принятых сигналов отклика включает определение огибающей сигнала отклика или сигнала, полученного из него. Предусмотрен колебательный сигнал, модулированный по амплитуде, который модулируется по амплитуде согласно огибающей. Используя огибающую вместо дискретных значений, или в дополнение к ним, можно обеспечить преимущества касаемо объема памяти и скорости вычисления.
В частности, амплитуда модуляции может иметь форму определенной огибающей для измерительного сигнала или для его части. Частота колебаний генератора несущей составляет по меньшей мере 20 кГц. Согласно дополнительным вариантам осуществления частота составляет по меньшей мере 100 кГц, по меньшей мере 500 кГц или по меньшей мере 1 МГц. Выбор частоты воздействует на процесс рассеяния, и более высокая частота может обеспечить тщательную дискретизацию стенки трубопровода, что, в свою очередь, обеспечивает более точную форму ультразвукового сигнала.
Согласно дополнительным вариантам осуществления сигнал отклика или сигнал, полученный из него, оцифровывается по отношению к амплитуде и, в частности, с разрешением от 1 до 8 бит. Благодаря настоящему изобретению понятно, что даже неполная оцифровка по отношению к амплитуде может привести к достаточной фокусировке ультразвукового сигнала. Благодаря низкому разрешению сохраняется время вычисления и объем памяти, в то время как более высокое разрешение не обязательно обеспечивает более точный результат измерения расхода текучей среды через трубопровод. Отсюда также следует то, что увеличение или снижение разрешения сигнала отклика или измерительного сигнала может помочь улучшить отношение сигнал/шум и точность измерения времени. Уменьшение разрешения приводит к более резкому и более характерному пику в ответ на измерительный сигнал. Это значит, что при высоком отношении сигнал/шум можно снизить разрешение измерительного сигнала или сигнала отклика на измерительный сигнал вместо увеличения мощности передачи измерительного сигнала.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения в некоторых способах для определения скорости потока текучей среды в трубопроводе или трубе для текучей среды может использоваться измерительный сигнал, модулированный по амплитуде, или сигнал отклика, модулированный по амплитуде, ультразвукового расходомера с временем прохождения. В данном способе необязательно применяется этап с фазой генерирования сигнала, хотя может применяться однократный этап с фазой генерирования сигнала для получения измерительного сигнала. Например, способ может основываться на предварительно сгенерированном измерительном сигнале на территории завода, при этом измерительный сигнал сгенерирован в качестве инвертированного принимаемого сигнала по отношению ко времени одного ультразвукового измерительного преобразователя, такого как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, который принял ряд колебаний, отправленных другим ультразвуковым измерительным преобразователем, таким как пьезоэлектрический измерительный преобразователь.
На первом этапе трубопровод для текучей среды обеспечен текучей средой, которая движется по отношению к трубопроводу для текучей среды согласно внешним условиям, таким как давление, сила тяжести, наклон трубы и т. д.
Первый пьезоэлектрический измерительный преобразователь предусмотрен в первом месте трубопровода для текучей среды. Второй ультразвуковой измерительный преобразователь, такой как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, предусмотрен во втором месте трубопровода для текучей среды. Второе место смещено в продольном направлении трубопровода для текучей среды по отношению к первому месту, при этом продольное направление соответствует направлению потока текучей среды в канале для текучей среды.
Измерительный сигнал предоставляется и подается к первому или ко второму ультразвуковому измерительному преобразователю, такому как пьезоэлектрический измерительный преобразователь. Конкретнее, электрический сигнал,  полученный из сигнала, модулированного по амплитуде, может быть отправлен в измерительный преобразователь.
Первый сигнал отклика измерительного сигнала измеряется на другом ультразвуковом измерительном преобразователе, таком как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, и скорость потока текучей среды получают из первого сигнала отклика. В частности, это включает получение времени прохождения ниже по потоку или выше по потоку.
Подобно вышеупомянутому способу более высокая точность может быть достигнута посредством повторения измерения в обратном направлении для получения времени прохождения ниже по потоку или выше по потоку. Как показано на фиг. 43 и 44, N пар измерительных преобразователей могут быть задействованы, например, для получения более точной величины среднего потока или для получения величины расхода в плоскости на предварительно заданном расстоянии от центральной оси трубопровода для жидкости.
В частности, этапы подачи измерительного сигнала и измерения сигнала отклика повторяются в обратном направлении для получения второго сигнала отклика, и скорость потока текучей среды получают из первого сигнала отклика и второго сигнала отклика, при этом получение включает получение времени прохождения ниже по потоку и выше по потоку.
Данные этапы очень подобны этапам способа, описанного выше, с разницей в том, что измерения осуществляют без регулировки устройства перед каждым измерением.
Следующие признаки применимы к обоим способам с фазой генерирования сигнала или без нее перед каждым измерением.
Согласно дополнительному варианту осуществления амплитуда измерительного сигнала или амплитуда сигнала отклика может увеличиваться до максимальной амплитуды посредством предварительно определенного количества колебаний, например пяти или более периодов колебаний сигнала несущей. Когда амплитуда увеличивается через период времени, действие инерционных сил времени реагирования ультразвуковых измерительных преобразователей, таких как пьезоэлектрические измерительные преобразователи, на измерение может быть уменьшено.
В одном конкретном варианте осуществления измерительный сигнал или сигнал отклика увеличивается экспоненциально до максимальной амплитуды через по меньшей мере пять периодов колебаний сигнала несущей.
Согласно дополнительному варианту осуществления измерительный сигнал содержит основную часть, при этом основная часть проходит во времени через ряд полуширот максимума измерительного сигнала, и основная часть предшествует по меньшей мере одному участку полушироты максимальной точки сигнала во времени.
Согласно еще одному варианту осуществления измерительный сигнал содержит основную часть. Основная часть получена из конечной части принятого сигнала, которая следует за максимумом принятого сигнала по отношению ко времени.
Основная часть проходит по меньшей мере трижды через полушироту вокруг максимума принятого сигнала.
Согласно дополнительным вариантам осуществления основная часть содержит по меньшей мере 10% или по меньшей мере 50% энергии измерительного сигнала.
Энергия E сигнала s(t) в интервале времени может быть определена на основании выражения  или его дискретной версии , при этом интервал времени задается [T1, T2] или [-m*Δt, n*Δt], соответственно.
Основная часть измерительного сигнала может значительно влиять на получение сигнала, который достигает пика в пространстве и времени.
В некоторых вариантах осуществления измерительный сигнал или сигнал отклика может быть обеспечен колебательным сигналом, модулированным амплитуде, который оцифрован по отношению к амплитуде, например, с разрешением от 1 до 8 бит. Это может предоставить преимущества относительно скорости вычисления и объема памяти и может даже привести к увеличенному пику сигнала.
Согласно дополнительному варианту осуществления измерительный сигнал, который подается в измерительный преобразователь, может содержать колебательный сигнал, который смодулирован согласно 0-1 модуляции, либо обеспечивая предварительно определенную амплитуду, либо не обеспечивая какой-либо амплитуды, или, другими словами, обеспечивая нулевую амплитуду.
В частности, измерительный сигнал, модулированный по амплитуде, может быть получен из измеренного сигнала отклика согласно фазе генерирования сигнала, при которой трубопровод для текучей среды обеспечен текучей средой, которая имеет предварительно определенную скорость или по существу не движется по отношению к трубопроводу для текучей среды.
Импульсный сигнал подается в первый ультразвуковой измерительный преобразователь, такой как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, и сигнал отклика импульсного сигнала принимается на втором ультразвуковом измерительном преобразователе, таком как пьезоэлектрический измерительный преобразователь.
Измерительный сигнал получают из сигнала отклика. Получение измерительного сигнала включает выбор части сигнала отклика или сигнала, полученного из него, и обращение части сигнала по отношению ко времени, и оцифрованный измерительный сигнал может быть сохранен в машиночитаемой памяти для дальнейшего использования.
В одном конкретном варианте осуществления амплитуда огибающей измерительного сигнала или сигнала отклика может увеличиваться по меньшей мере на один порядок величин от основной части измерительного сигнала к максимальной амплитуде. Основная часть сигнала предшествует максимуму сигнала по времени. Другими словами, она отправляется раньше. Согласно дополнительным вариантам осуществления амплитуда увеличивается по меньшей мере на два или даже по меньшей мере на три порядка величин.
Согласно дополнительному аспекту раскрывается устройство для измерения скорости потока в ультразвуковом расходомере с временем прохождения.
Устройство содержит первый соединитель для соединения первого пьезоэлектрического элемента, второй соединитель для соединения второго пьезоэлектрического элемента, факультативный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который соединен с первым соединителем, и факультативный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который соединен со вторым соединителем.
Кроме того, устройство содержит машиночитаемую память, электронный таймер или генератор колебаний, передающий блок для отправки импульсного сигнала в первый соединитель и принимающий блок для приема сигнала отклика на импульсный сигнал от второго соединителя.
Более того, устройство содержит средство для генерирования измерительного сигнала из принятого сигнала отклика, такое как блок выбора для выбора части принятого сигнала отклика или сигнала, полученного из него, и блок инвертирования для инвертирования выбранной части сигнала отклика по отношению ко времени для получения инвертированного сигнала. Факультативно, полосовой фильтр может быть предусмотрен для удаления нежелательных компонентов сигнала. Кроме того, блок обработки предусмотрен для получения измерительного сигнала из по меньшей мере инвертированного сигнала и для сохранения измерительного сигнала в машиночитаемой памяти.
Кроме того, устройство содержит средство для измерения скорости потока. Генератор измерительных сигналов, который выполнен с возможностью соединения с первым соединителем или со вторым соединителем, и средства передачи, такие как ЦАП и соединители, для отправки измерительного сигнала в первый соединитель предусмотрены на стороне отправки. Принимающий блок для приема сигнала отклика измерительного сигнала от второго соединителя и блок обработки скорости для получения скорости потока из принятого сигнала отклика предусмотрены на принимающей стороне. Термины «скорость потока», «быстрота потока» и «скорость движения потока» используются в качестве синонимов в настоящей заявке.
Поскольку устройство может быть предусмотрено в виде аналогового устройства без аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователя и без блока машиночитаемой памяти, также можно обеспечить устройство или его части цифровой вычислительной системой.
В частности, различные блоки обработки сигнала, такие как блок обработки скорости, блок выбора и блок инвертирования, могут быть предоставлены полностью или по отдельности со специализированным электронным компонентом или программной памятью с набором машиночитаемых команд. Подобным образом, генератор измерительных сигналов и генератор импульсного сигнала передающего блока могут быть предусмотрены полностью или по отдельности со специализированным электронным компонентом, который может содержать набор машиночитаемых команд.
Согласно дополнительному варианту осуществления устройство содержит прямой цифровой синтезатор сигналов (DDS), который содержит вышеупомянутый АЦП. DDS содержит регистр управления частотой, опорный генератор, генератор с числовым программным управлением и восстанавливающий фильтр нижних частот. Кроме того, АЦП выполнен с возможностью соединения с первым и со вторым соединителем через восстанавливающий фильтр нижних частот.
Среди прочего, цифровой синтезатор сигналов может быть выполнен для синтезирования сигнала, такого как измерительный сигнал, путем использования предварительно определенного алгоритма или предварительно определенного значения, которые сохранены в запоминающем блоке с помощью машиночитаемой памяти. Например, сигнал может генерироваться посредством прямого генерирования сигнала или посредством DDS (прямого цифрового синтеза).
Кроме того, согласно настоящему изобретению раскрыто устройство измерения расхода с первым пьезоэлектрическим измерительным преобразователем, который соединен с первым соединителем, и со вторым ультразвуковым измерительным преобразователем, таким как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, который соединен со вторым соединителем. В частности, ультразвуковые измерительные преобразователи, такие как пьезоэлектрические измерительные преобразователи, могут быть обеспечены средствами для крепления, такими как зажимной механизм, для прикрепления их к трубе.
Кроме того, согласно настоящему изобретению раскрывается устройство измерения расхода с частью трубы. Первый ультразвуковой измерительный преобразователь, такой как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, установлен на части трубы в первом месте, а второй ультразвуковой измерительный преобразователь, такой как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, установлен на части трубы во втором месте. В частности, измерительные преобразователи могут быть зафиксированы на части трубы. Обеспечение устройства частью трубы может предоставить преимущества, когда устройство предварительно регулируют по отношению к части трубы.
Устройство может быть выполнено компактным и портативным. Портативное устройство согласно настоящему изобретению, которое оборудовано измерительными преобразователями, выполненными с возможностью установки на поверхности, такими как измерительные преобразователи с механическим креплением, может использоваться для проверки трубы на любом доступном месте. В целом, устройство может быть неподвижным или портативным. Предпочтительно, устройство является достаточно компактным для размещения в требуемом месте и достаточно защищенным от окружающих условий, таких как влажность, тепло и коррозионные вещества.
Более того, согласно настоящему изобретению раскрывается машиночитаемый код для выполнения способа измерения расхода согласно настоящему изобретению, при этом машиночитаемая память содержит машиночитаемый код и специализированный электронный компонент, который выполнен с возможностью выполнения этапов способа согласно настоящему изобретению.
В частности, специализированный электронный компонент может быть обеспечен электронным компонентом, содержащим вышеупомянутую машиночитаемую память, такую как EPROM, EEPROM, флеш-память и т. п. Согласно другим вариантам осуществления специализированный электронный компонент обеспечен компонентом с аппаратно-реализованной или с предусматривающей различные конфигурации схемой, такой как специализированная интегральная схема (ASIC) или программируемая пользователем матрица логических элементов (FPGA).
В дополнительном варианте осуществления специализированный электронный компонент согласно настоящему изобретению обеспечен множеством взаимосоединенных электронных компонентов, например FPGA, который соединен с подходящим образом запрограммированной EPROM в многоканальном устройстве. Дополнительными примерами специализированного электронного компонента являются программируемые интегральные схемы, такие как программируемые логические матрицы (PLA) и сложные устройства с программируемой логикой (CPLD).
Целесообразно определить, измеряет ли существующее испытательное устройство скорость потока текучей среды в трубопроводе для текучей среды согласно настоящему изобретению. Для этой цели трубопровод для текучей среды обеспечивают текучей средой, которая имеет предварительно определенную скорость по отношению к трубопроводу для текучей среды. Испытательный импульсный сигнал подается в первый ультразвуковой измерительный преобразователь, такой как пьезоэлектрический измерительный преобразователь испытательного устройства, при этом первый пьезоэлектрический измерительный преобразователь установлен на трубопроводе для текучей среды в первом месте, после чего следует прием испытательного сигнала отклика испытательного импульсного сигнала на втором пьезоэлектрическом измерительном преобразователе испытательного устройства, при этом второй ультразвуковой измерительный преобразователь, такой как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, установлен на трубопроводе для текучей среды во втором месте.
Испытательный измерительный сигнал затем получают из сигнала отклика, при этом получение испытательного измерительного сигнала включает обращение сигнала по отношению ко времени, после чего следует сравнение испытательного измерительного сигнала с измерительным сигналом, который испускает другой из первого и второго ультразвукового измерительного преобразователя, такой как пьезоэлектрический измерительный преобразователь. Измерительный сигнал представляет собой сигнал, который обеспечен испытательным устройством при поставке производителем, основанным на однократном сгенерированном на производстве измерительном сигнале после производства испытательного устройства, часто установленным на участке трубки.
В случае, когда в испытательном устройстве применяют способ определения скорости потока текучей среды в трубопроводе для текучей среды согласно изобретению, испытательный измерительный сигнал и измерительный сигнал подобны. Другими словами, обратное проектирование предмета изобретения предусмотрено с помощью выбора испытательного сигнала и повторения фазы генерирования сигнала согласно изобретению до тех пор, пока испытательный измерительный сигнал и измерительный сигнал не будут подобны. Термин «подобный» означает, что существует значительная взаимосвязь между испытательным измерительным сигналом и измерительным сигналом.
Способ может также включать выбор части испытательного сигнала отклика или сигнала, полученного из него, и сохранение испытательного измерительного сигнала для дальнейшего использования.
Соответственно, устройство для измерения скорости потока в ультразвуковом расходомере с временем прохождения, как определено функциональными признаками, содержит первый соединитель для первого пьезоэлектрического элемента, второй соединитель для второго пьезоэлектрического элемента, передающий блок для отправки импульсного сигнала в первый соединитель, принимающий блок для приема сигнала отклика на импульсный сигнал от второго соединителя, блок инвертирования для инвертирования сигнала отклика по отношению ко времени для получения инвертированного сигнала, блок обработки для получения измерительного сигнала из инвертированного сигнала. При использовании устройства для определения скорости потока текучей среды в трубопроводе для текучей среды трубопровод для текучей среды обеспечивают текучей средой, которая имеет скорость по отношению к трубопроводу для текучей среды.
После этого следует подача измерительного сигнала к одному из первого и второго ультразвукового измерительного преобразователя, такого как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, и измерение первого сигнала отклика измерительного сигнала на другом из первого и второго ультразвукового измерительного преобразователя, таком как пьезоэлектрический измерительный преобразователь. Затем можно получить скорость потока текучей среды из первого сигнала отклика. При обратном проектировании устройства обнаруживается, что при подаче испытательного импульсного сигнала к первому ультразвуковому измерительному преобразователю, такому как пьезоэлектрический измерительный преобразователь испытательного устройства, выполняется прием испытательного сигнала отклика испытательного импульсного сигнала на втором пьезоэлектрическом измерительном преобразователе испытательного устройства, а ко второму ультразвуковому измерительному преобразователю, такому как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, установленный на трубопроводе для текучей среды во втором месте, выполняется получение испытательного измерительного сигнала из сигнал отклика, при этом получение испытательного измерительного сигнала включает обращение сигнала по отношению ко времени, при этом испытательный измерительный сигнал и измерительный сигнал, который испускается на первом или втором ультразвуковом измерительном преобразователе, таком как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, подобны. Данное функциональное описание помогает охарактеризовать устройство согласно изобретению без описания структуры и формы испускаемых сигналов.
Ясно, что устройство может содержать цифро-аналоговый преобразователь, при этом цифро-аналоговый преобразователь соединен с первым соединителем, аналого-цифровой преобразователь, при этом аналого-цифровой преобразователь соединен со вторым соединителем, и машиночитаемую память. Оно может дополнительно содержать блок выбора для выбора части принятого сигнала отклика или сигнала, полученного из него, при этом определение величин, описанных выше, выполняется с использованием выбранной части принятого сигнала отклика или сигнала, полученного из него.
Предмет настоящего изобретения далее объясняется более подробно со ссылкой на следующие фигуры, на которых:
на фиг. 1 показано первое устройство в виде расходомера с двумя пьезоэлектрическими элементами;
на фиг. 2 показано устройство в виде расходомера по фиг. 1 с одним прямым сигналом;
на фиг. 3 показано устройство в виде расходомера по фиг. 1, если смотреть в направлении потока;
на фиг. 4 показано второе устройство в виде расходомера с четырьмя пьезоэлектрическими элементами и четырьмя прямыми сигналами;
на фиг. 5 показано устройство в виде расходомера по фиг. 4, если смотреть в направлении потока;
на фиг. 6 показано схематическое представление испытательного сигнала;
на фиг. 7 показано схематическое представление отклика испытательного сигнала;
на фиг. 8 показано схематическое представление инвертированного сигнала; на фиг. 9 показано схематическое представление отклика от инвертированного сигнала;
на фиг. 10 показан первый инвертированный сигнал в высоком разрешении;
на фиг. 11 показан отклик инвертированного сигнала по фиг. 10;
на фиг. 12 показан еще один инвертированный сигнал в высоком разрешении;
на фиг. 13 показан отклик инвертированного сигнала по фиг. 12;
на фиг. 14 показан еще один инвертированный сигнал в высоком разрешении;
на фиг. 15 показан отклик инвертированного сигнала по фиг. 14;
на фиг. 16 показан еще один инвертированный сигнал в высоком разрешении;
на фиг. 17 показан отклик инвертированного сигнала по фиг. 16;
на фиг. 18 показан еще один инвертированный сигнал в высоком разрешении;
на фиг. 19 показан отклик инвертированного сигнала по фиг. 18;
на фиг. 20 показан еще один инвертированный сигнал в высоком разрешении;
на фиг. 21 показан отклик инвертированного сигнала по фиг. 20;
на фиг. 22 показан еще один инвертированный сигнал в высоком разрешении;
на фиг. 23 показан отклик инвертированного сигнала по фиг. 22;
на фиг. 24 показан еще один инвертированный сигнал в высоком разрешении;
на фиг. 25 показан отклик инвертированного сигнала по фиг. 24;
на фиг. 26 показан еще один инвертированный сигнал в высоком разрешении;
на фиг. 27 показан отклик инвертированного сигнала по фиг. 26;
на фиг. 28 показан еще один инвертированный сигнал в 12-битном разрешении;
на фиг. 29 показан отклик сигнала по фиг. 28;
на фиг. 30 показан еще один инвертированный сигнал в 3-битном разрешении;
на фиг. 31 показан отклик сигнала по фиг. 30;
на фиг. 32 показан еще один инвертированный сигнал в 2-битном разрешении;
на фиг. 33 показан отклик сигнала по фиг. 32;
на фиг. 34 показан еще один инвертированный сигнал в 1-битном разрешении;
на фиг. 35 показан отклик сигнала по фиг. 34;
на фиг. 36 показан короткий импульс на пьезоэлектрическом элементе расходомера по фиг. 1;
на фиг. 37 показан сигнал пьезоэлектрического элемента расходомера по фиг. 1, который получен инвертированным откликом сигнала по фиг. 36;
на фиг. 38 показан отклик сигнала по фиг. 37;
на фиг. 39 показана функция взаимной корреляции выше по потоку и ниже по потоку;
на фиг. 40 показан увеличенный вид участка по фиг. 39;
на фиг. 41 показано устройство для измерения скорости потока согласно настоящему изобретению; и
на фиг. 42 показан прямой цифровой синтезатор для использования в устройстве по фиг. 41;
на фиг. 43 показано первое устройство с множеством измерительных преобразователей; и
на фиг. 44 показано второе устройство с множеством измерительных преобразователей;
на фиг. 45 показаны измерительные преобразователи с механическим креплением в Z-образной конфигурации;
на фиг. 46 показаны измерительные преобразователи с механическим креплением в V-образной конфигурации;
на фиг. 47 показаны измерительные преобразователи с механическим креплением в W-образной конфигурации;
на фиг. 48 показан отправляемый сигнал с одним циклом;
на фиг. 49 показан отправляемый сигнал с десятью циклами;
на фиг. 50 показан отправляемый сигнал TRA;
на фиг. 51 показан сигнал отклика на отправляемый сигнал с одним циклом по фиг. 48;
на фиг. 52 показан сигнал отклика на отправляемый сигнал с десятью циклами по фиг. 49;
на фиг. 53 показан сигнал отклика на отправляемый сигнал TRA по фиг. 50;
на фиг. 54 показана кривая давления отправляемого сигнала TRA и сигнал отклика на отправляемый сигнал TRA;
на фиг. 55 показана кривая давления отправляемого сигнала TRA и сигнал отклика на отправляемый сигнал TRA;
на фиг. 56 показан импульсный сигнал, который используется для генерирования входа сигнала по фиг. 55;
на фиг. 57 показан первый сигнал отклика, указывающий на свойства канала;
на фиг. 58 показан второй сигнал отклика, указывающий на свойства канала;
на фиг. 59 показан дополнительный сигнал отклика; и
на фиг. 60 показан дополнительный сигнал отклика.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В следующем описании приведены детали для описания вариантов осуществления настоящего изобретения. Однако для специалиста в данной области техники должно быть очевидно, что варианты осуществления могут быть осуществлены без таких деталей.
На фиг. 1 показано первое устройство 10 в виде расходомера. В устройстве в виде расходомера первый пьезоэлектрический элемент 11 размещен на внешней стенке трубы 12, которая также называется трубкой 12. Второй пьезоэлектрический элемент 13 размещен на противоположной стороне трубы 12 так, что прямая линия между вторым пьезоэлектрическим элементом 11 и расположенным ниже по потоку пьезоэлектрическим элементом 13 проходит под углом β к направлению 14 среднего потока, которое в то же время также является направлением оси симметрии трубы 12. Угол β выбран равным приблизительно 45 градусам в примере по фиг. 1, но он также может быть больше, таким как, например, 60 градусов, или меньше, таким как, например, 30 градусов.
Пьезоэлектрический элемент, такой как пьезоэлектрические элементы 11, 13 по фиг. 1, может в целом работать в качестве акустического передатчика и в качестве акустического датчика. Акустический передатчик и акустический датчик могут быть обеспечены тем же пьезоэлектрическим элементом или разными участками того же пьезоэлектрического элемента. В данном случае пьезоэлектрический элемент или измерительный преобразователь также называется пьезоэлектрическим передатчиком, когда он работает в качестве передатчика или источника звука, и он также называется акустическим датчиком или приемником, когда он работает в качестве акустического датчика.
Когда направление потока является таким, как показано на фиг. 1, первый пьезоэлектрический элемент 11 также называется «расположенным выше по потоку» пьезоэлектрическим элементом, а второй пьезоэлектрический элемент 13 также называется «расположенным ниже по потоку» пьезоэлектрическим элементом. Расходомер согласно настоящему изобретению работает в обоих направлениях потока по существу одинаково, и направление потока по фиг. 1 приведено лишь в качестве примера.
На фиг. 1 показан поток электрических сигналов по фиг. 1 для конфигурации, в которой расположенный выше по потоку пьезоэлектрический элемент 11 работает в качестве пьезоэлектрического измерительного преобразователя, а расположенный ниже по потоку пьезоэлектрический элемент 13 работает в качестве акустического датчика. Для ясности устройство работает выше по потоку и ниже по потоку, т. е. положение пьезоэлектрических элементов может взаимозаменяться.
Первый блок 15 вычисления соединен с расположенным выше по потоку пьезоэлектрическим элементом 11, а второй блок 16 вычисления соединен с расположенным ниже по потоку пьезоэлектрическим элементом 13. Первый блок 15 вычисления содержит первый цифровой сигнальный процессор, первый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Подобным образом, второй блок 16 вычисления содержит второй цифровой сигнальный процессор, второй цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Первый блок 15 вычисления соединен со вторым блоком 16 вычисления.
Устройство с двумя блоками 15, 16 вычисления, показанными на фиг. 1, приведено лишь в качестве примера. Другие варианты осуществления могут иметь разные номера и расположения блоков вычисления. Например, может быть только один центральный блок вычисления, или может быть два аналого-цифровых/цифро-аналоговых преобразователя и один центральный блок вычисления, или может быть два небольших блока вычисления на измерительных преобразователях и один больший центральный блок вычисления.
Блок вычисления или блоки вычисления могут быть обеспечены микроконтроллерами или специализированными интегральными схемами (ASIC), ACID или программируемыми пользователем матрицами логических элементов (FPGA), например. Более того, синтез электрического сигнала из сохраненного цифрового сигнала может быть обеспечен прямым цифровым синтезатором (DDS), который содержит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Способ генерирования измерительного сигнала согласно настоящему изобретению включает следующие этапы.
Предварительно определенный цифровой испытательный сигнал генерируется путем синтезирования акустического сигнала посредством цифрового сигнального процессора первого блока 15 вычисления. Цифровой испытательный сигнал отправляется из первого блока 15 вычисления в пьезоэлектрический измерительный преобразователь 11 по пути 17 сигнала. Пьезоэлектрический измерительный преобразователь 11 генерирует соответственный ультразвуковой испытательный сигнал. Блоки 15 и 16 могут также быть предусмотрены в одном отдельном блоке.
Испытательный сигнал предусмотрен в качестве короткого импульса, например, с одним колебанием в 1 МГц или с 10 такими колебаниями. В частности, испытательный сигнал может быть предусмотрен с небольшим количеством колебаний с постоянной амплитудой, тем самым приблизительно соответствуя прямоугольному сигналу. Колебание или колебания могут иметь синусоидальную форму, треугольную форму, прямоугольную форму или также другие формы.
Ультразвуковой испытательный сигнал проходит через жидкость в трубе 12 к пьезоэлектрическому датчику 13. На фиг. 1 прямой путь ультразвукового сигнала указан стрелкой 18. Подобным образом, прямой путь ультразвукового сигнала в обратном направлении указан стрелкой 19. Сигнал отклика принимается пьезоэлектрическим датчиком 13, отправляется во второй блок 16 вычисления по пути 20 сигнала и оцифровывается вторым блоком 16 вычисления.
На дальнейшем этапе цифровой измерительный сигнал получают из оцифрованного сигнала отклика. Получение измерения включает обращение оцифрованного сигнала отклика по отношению ко времени. Согласно дополнительным вариантам осуществления получение включает дополнительные этапы, такие как преобразование в уменьшенное разрешение в диапазоне амплитуды, полосовая фильтрация сигнала для устранения шума, такого как низкочастотный шум и высокочастотный шум. В частности, этап полосовой фильтрации может быть выполнен перед этапом обращения сигнала по отношению ко времени.
Обращение сигнала может быть осуществлено различными способами, например путем считывания области памяти в обратном направлении или путем обращения знака синусоидальных компонентов в представлении Фурье.
В одном варианте осуществления выбирается подходящая часть оцифрованного сигнала отклика, которая содержит ответ из прямого сигнала. Часть сигнала отклика затем поворачивается, или инвертируется, по отношению ко времени. Другими словами части сигнала отклика, которые принимаются позже, отправляются раньше в инвертированный измерительный сигнал. Если сигнал представлен последовательностью с временным порядком дискретных значений амплитуды, в качестве примера, вышеупомянутое инвертирование сигнала означает инвертирование или обращение порядка дискретных значений амплитуды.
Полученный в результате сигнал, в котором направление, или знак, времени было инвертировано, также называется «инвертированным сигналом». Выражение «инвертированный» в данном контексте относится к инверсии по отношению к направлению времени, а не к инверсии по отношению к значению, такому как значение амплитуды.
На фиг. 10—19 показаны в качестве примера цифровые сигналы согласно настоящему изобретению.
В расходомере согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения один и тот же измерительный сигнал используется для обоих направлений 18, 19, направление ниже по потоку и выше по потоку, предоставляя простое и эффективное устройство. Согласно другим вариантам осуществления разные измерительные сигналы используются для обоих направлений. В частности, измерительный сигнал может быть подан к начальному приемнику испытательного сигнала. Такие устройства могут предоставлять преимущества для асимметричных положений и форм трубы.
Способ измерения скорости потока жидкости через трубу, в котором используется вышеупомянутый инвертированный сигнал в качестве измерительного сигнала, включает следующие этапы.
Вышеупомянутый измерительный сигнал отправляется из первого блока 15 вычисления в пьезоэлектрический измерительный преобразователь 11 по пути 17 сигнала. Пьезоэлектрический измерительный преобразователь 11 генерирует соответствующий ультразвуковой измерительный сигнал. Примеры такого измерительного сигнала предоставлены на фиг. 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 37 и 38.
Ультразвуковой измерительный сигнал проходит через жидкость в трубе 12 к пьезоэлектрическому датчику 13. Сигнал отклика принимается пьезоэлектрическим датчиком 13, отправляется во второй блок 16 вычисления по пути 20 сигнала и оцифровывается вторым блоком 16 вычисления.
Второй блок 16 вычисления отправляет оцифрованный сигнал отклика в первый блок 15 вычисления. Первый блок 15 вычисления определяет время прохождения принятого сигнала, например, с помощью одного из способов, описанных далее.
Подобный способ осуществляется для сигнала, проходящего в обратном направлении 19, а именно вышеупомянутый измерительный сигнал подается в расположенный ниже по потоку пьезоэлектрический элемент 13, и сигнал отклика измеряется расположенным выше по потоку пьезоэлектрическим элементом 11 для получения времени прохождения выше по потоку TOF_up в обратном направлении 19. Первый блок 15 вычисления определяет скорость потока, например, согласно формуле
где L представляет собой длину прямого пути между пьезоэлектрическими элементами 11, 13; β представляет собой угол наклона прямого пути между пьезоэлектрическими элементами 11, 13 и направление среднего потока; и c представляет собой скорость звука в жидкости при заданном давлении и температурных условиях.
^
Квадрат скорости звука c2 может приблизительно соответствовать второму порядку посредством выражения
что приводит к формуле
При этом нет необходимости определять температуру или давление, которые в свою очередь определяют плотность текучей среды и скорость звука, или непосредственно измерять скорость звука или плотность текучей среды. И наоборот, первая составляющая ошибки не исключается только для одного направления измерения.
Вместо использования коэффициента 2∙L∙cosβ, множитель пропорциональности может быть получен из калибровочного измерения с известной скоростью потока. Множитель пропорциональности калибровки учитывает дополнительные эффекты, такие как профили потока и влияния звуковых волн, которые были рассеяны и не проходят по прямой линии.
Согласно дополнительному варианту осуществления процесс генерирования импульсного сигнала, записи сигнала отклика и получения инвертированного измерительного сигнала из сигнала отклика моделируется в компьютере. Параметры, имеющие важное значение, такие как диаметр трубы 12 и места расположения датчиков, предусмотрены в виде входных параметров для моделирования.
Согласно еще одному варианту осуществления измерительный сигнал, который должен подаваться в передающий пьезоэлектрический элемент, синтезируется с использованием формы обычного сигнала отклика в импульсный сигнал, на примере форм сигнала, показанных на фиг. 37 и 38. Например, измерительный сигнал может быть предусмотрен с синусоидальным колебанием в 1 МГц, которое модулировано по амплитуде с огибающей согласно гауссовской функции вероятности при полуширине 10 микросекунд. Полуширина может быть выбрана в качестве входного параметра, который зависит от текущих параметров, таких как диаметр трубы и место расположения датчика.
Расходомер согласно настоящему изобретению может также быть предоставлен в качестве предварительного определенного расходомера, в котором измерительный сигнал генерируется во время сеанса испытания на территории завода, в частности, когда расходомер поставляется вместе с секцией трубы.
Согласно простому варианту осуществления настоящего изобретения время прохождения в направлении выше по потоку и ниже по потоку определяется путем оценивания времени максимальной амплитуды принятого сигнала по отношению к времени отправки измерительного сигнала. Для достижения большей точности максимум может быть определен с использованием огибающей принятого сигнала. Согласно дополнительному варианту осуществления измерение повторяют несколько раз, и используется среднее время прохождения.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения время прохождения сигнала оценивают с использованием метода взаимной корреляции. В частности, соответствующие смещения по времени могут быть оценены путем взаимной корреляции принятого ниже по потоку или выше по потоку сигнала с принятым сигналом при нулевой скорости потока согласно формуле:
,
где Sig_Flow представляет сигнал выше по потоку или ниже по потоку при условии измерения, когда есть расход текучей среды через трубу, и где Sig_NoFlow представляет сигнал при условии калибровки с нулевым расходом. Пределы бесконечной суммы представляют достаточно большое временное окно [-T1, +T2]. В общем, -T1 и +T2 не должны быть одинаковыми, и с практической точки зрения это может быть преимущественным для расходомера.
Смещение по времени TOF_up — TOF_down затем получают путем сравнения времени максимума корреляционной функции выше по потоку с временем максимума корреляционной функции ниже по потоку. Огибающая корреляционной функции может быть использована для более точного определения места максимума.
В еще одном варианте осуществления отдельный блок оценивания предусмотрен между первым блоком 15 вычисления и вторым блоком 16 вычисления, который выполняет оценивание времени поступления сигнала и скорости потока.
В общем, измеренный сигнал акустического датчика получается из наложения рассеянных сигналов и прямого сигнала. Рассеянные сигналы рассеиваются от стенок трубы один раз или множество раз. Это показано в качестве примера на фиг. 2 и 3.
Конфигурация измерительного преобразователя по фиг. 1 представляет собой прямолинейную или Z-образную конфигурацию. Другие расположения, в которых используются отражения на противоположной стороне трубы, также возможны, такие как V- и W-образная конфигурация. V- и W-образная конфигурация работают на основе отражений на стенке трубы, которые индуцируют больше рассеяния, чем при Z-образной конфигурации. Предмет изобретения имеет преимущества с данными конфигурациями при условии, что пути понимаются правильно.
В V-образной конфигурации два измерительных преобразователя установлены на одной и той же стороне трубы. Для записи отражения в 45 градусов они размещены по диаметру трубы на расстоянии в направлении потока. В W-образной конфигурации используются три отражения. Подобно V-образной конфигурации два измерительных преобразователя установлены на одной и той же стороне трубы. Для записи сигнала после двух отражений в 45 градусов они размещены по диаметру трубы на расстоянии в направлении потока.
На фиг. 2 показан в качестве примера первый акустический сигнал, который проходит непосредственно от пьезоэлектрического элемента 11 к пьезоэлектрическому элементу 13.
Для простоты случаи рассеяния показаны в виде отражений на фиг. 2—5, но действительный процесс рассеяния может быть более сложным. В частности, рассеяние, имеющее наиболее важное значение, происходит, как правило, на стенке трубы или на материале, который установлен спереди от пьезоэлектрических измерительных преобразователей. Принятое рассеяние также зависит от расположения датчиков. В качестве примера на фиг. 45, 46, и 47 показаны расположения датчиков в Z-, V-, и W-образных конфигурациях. На фиг. 3 показан вид по фиг. 2 в направлении потока в направлении наблюдения A-A.
На фиг. 4 и 5 показано второе расположение датчиков, в котором дополнительный пьезоэлектрический элемент 22 расположен под углом 45 градусов к пьезоэлектрическому элементу 11 и дополнительный пьезоэлектрический элемент 23 расположен под углом 45 градусов к пьезоэлектрическому элементу 13.
Кроме того, на фиг. 4 и 5 показана прямая или ровная линия, пути акустического сигнала для ситуации, в которой пьезоэлектрические элементы 11, 22 работают в качестве пьезоизмерительных преобразователей, а пьезоэлектрические элементы 13, 23 работают в качестве акустических датчиков. Пьезоэлектрический элемент 23, который находится позади трубы 12 в виде по фиг. 4, показан пунктирной линией на фиг. 4.
На фиг. 6—9 показан в упрощенном виде способ генерирования измерительного сигнала из ответа испытательного сигнала. На фиг. 6—9 потери вследствие рассеяния обозначены заштрихованными частями сигнала и стрелками.
При рассмотрении фиг. 6—9 допускается, что акустический сигнал распространяется только по пути в виде ровной линии, по первому каналу для рассеивания с задержкой времени Δt и по второму каналу для рассеяния с задержкой времени 2Δt. Затухание сигнала вдоль путей не рассматривается.
Испытательный сигнал в виде прямоугольного пика подается в пьезоэлектрический элемент 11. Вследствие рассеяния первая часть амплитуды сигнала теряется из-за первого пути для рассеяния и появляется после времени Δt, а вторая часть амплитуды теряется из-за второго пути для рассеяния и появляется после времени 2Δt. Это дает сигнал согласно белым колонкам на фиг. 7, который записывается на пьезоэлектрическом элементе 13.
Сигнальный процессор инвертирует данный записанный сигнал по отношению ко времени, и он подает инвертированный сигнал в пьезоэлектрический элемент 11. Тот же процесс рассеяния, как было объяснено ранее, сейчас применяется ко всем трем компонентам сигнала. В результате сигнал согласно фиг. 9 записывается на пьезоэлектрическом элементе 13, который является приблизительно симметричным.
В действительности принятые сигналы будут распределены по времени, и часто существует «поверхностная волна», которая проходит через материал трубы и приходит перед прямым сигналом. Данная поверхностная волна сбрасывается посредством выбора подходящего временного окна для генерирования инвертированного измерительного сигнала. Подобным образом, сигналы, которые происходят из множественных отражений и приходят позже, могут быть сброшены посредством ограничения временного окна и/или посредством выбора конкретных частей сигнала.
В следующей таблице показаны измеренные задержки времени для прямого выравнивания, или, другими словами, для соединения в виде ровной линии между пьезоэлектрическими элементами с механическими креплениями на трубе DN 250 в плоскости, перпендикулярной продольному удлинению трубы DN 250. Расход относится к потоку воды через трубу DN 250.
В данном документе «TOF с 1 циклом» относится к импульсу, такому как импульс, показанный на фиг. 36, который генерируется пьезоэлектрическим элементом, который возбуждается электрическим сигналом с 1 колебанием, имеющим период 1 мкс. «TOF с 10 циклами» относится к сигналу, который генерируется пьезоэлектрическим элементом, который возбуждается электрическим сигналом с 10 синусоидальными колебаниями постоянной амплитуды, имеющими период 1 мкс.
Расход/Способ
21 м<sup>3</sup>/ч
44 м<sup>3</sup>/ч
61 м<sup>3</sup>/ч
TOF с 1 циклом
7 нс
18 нс
27 нс
TOF с 10 циклами
9 нс
19 нс
26 нс
Время при обращении
8 нс
18 нс
27 нс
На фиг. 10—27 показаны инвертированные сигналы с высоким разрешением и их соответствующие сигналы отклика. Напряжение представлено в произвольных единицах во времени в микросекундах.
Оси времени в представленных выше фигурах показывают время передачи инвертированного сигнала. Время передачи ограничено временным окном, которое используется для записи инвертированного сигнала. В примере по фиг. 10—27 временное окно начинается непосредственно перед началом максимума, который происходит из прямого сигнала, и заканчивается через 100 микросекунд после него.
Оси времени в представленных ниже фигурах отцентрованы возле максимума сигналов отклика и длятся 100 микросекунд, что является размером временного окна для инвертированного сигнала, перед максимумом сигналов отклика и после него.
На фиг. 28—35 показаны оцифрованные инвертированные сигналы в высоком разрешении и в 12-, 3-, 2- и 1-битном разрешении в диапазоне амплитуды и их соответствующие сигналы отклика. Напряжение представлено в вольтах по времени в микросекундах. Сигналы по фиг. 28—35 получены для трубы DN 250, заполненной водой.
Длина временного окна для инвертированного сигнала составляет 450 микросекунд. Следовательно, временное окно по фиг. 28—35 более чем в четыре раза больше того, что показано на предыдущих фиг. 9—27.
На фиг. 28—35 можно увидеть, что даже оцифровка с 1-битным разрешением производит резкий пик. Можно видеть, что пик становится еще более выраженным для низких разрешений. Возможным объяснением данного эффекта является то, что в примере по фиг. 28—35 суммарная энергия входного сигнала увеличена за счет использования неполной оцифровки в диапазоне амплитуды, в то время как сигнал отклика остается сконцентрированным во времени.
На фиг. 36 показан сигнал, который генерируется пьезоэлектрическим элементом после приема электрического импульса, который длится приблизительно 0,56 микросекунды, который равен частоте 3,57 МГц. Благодаря инерционной силе пьезоэлектрического элемента максимальная амплитуда для отрицательного напряжения меньше, чем для положительного напряжения, и существуют реверберации кратных волн перед остановкой пьезоэлектрического элемента.
На фиг. 37 показан электрический сигнал, который подается в пьезоэлектрический элемент, такой как расположенный выше по потоку пьезоэлектрический элемент 11 по фиг. 1. Сигнал по фиг. 37 получают путем формирования в среднем десяти оцифрованных сигналов отклика в сигнал показанного на фиг. 36 типа и обращения сигнала, при этом сигналы отклика принимаются пьезоэлектрическим элементом, таким как расположенный ниже по потоку пьезоэлектрический элемент 13 по фиг. 1.
^
В примере по фиг. 37 оцифрованные сигналы получают путем отсечения части сигнала от сигнала отклика, который начинается приблизительно на 10 микросекунд раньше начала огибающей сигнала отклика и который заканчивается на приблизительно 55 микросекунд позже огибающей сигнала отклика. Форма огибающей сигнала отклика по фиг. 37 подобна форме гауссовского распределения вероятностей, или, другими словами, подходящей смещенной и масштабируемой версии выражения (-x2).
На фиг. 38 показана часть сигнала отклика на сигнал, показанный на фиг. 37, при этом сигнал по фиг. 37 подается в первый пьезоэлектрический элемент, такой как расположенный выше по потоку пьезоэлектрический элемент 11, и принимается на втором пьезоэлектрическом элементе, таком как расположенный ниже по потоку пьезоэлектрический элемент 13 по фиг. 1.
На фиг. 39 показана функция взаимной корреляции выше по потоку и функция взаимной корреляции ниже по потоку, которые получены путем взаимной корреляции сигнала выше по потоку и сигнала ниже по потоку устройства по фиг. 1 с сигналом, полученным при нулевом расходе, соответственно.
На фиг. 40 показан увеличенный вид участка по фиг. 39. Два индикатора положения указывают на положения соответствующего максимумы функции взаимной корреляции выше по потоку и ниже по потоку. Разность по времени между максимумами представляет собой величину разности по времени между сигналом выше по потоку и ниже по потоку.
На фиг. 48, 49 и 50 показаны три разных отправляемых сигнала: На фиг. 48 показан обычный импульс (1 цикл) и на фиг. 48 показан импульс с 10 циклами, по сравнению с измерительным сигналом, сгенерированным, как описано выше, таким как сигнал по фиг. 50. Измерительные преобразователи закрепляются на трубе DN250.
На фиг. 51, 52 и 53 показаны соответствующие принятые сигналы после отправки сигналов, проиллюстрированных на соответствующих фиг. 48, 59 и 50. С помощью сравнения можно легко увидеть, что измерительный сигнал собирает энергию и генерирует больше чем в два раза большую амплитуду принимаемого сигнала по сравнению с принимаемыми сигналами в ответ на обычные импульсы (например, с 1 или 10 циклами) по фиг. 48 и 49.
На фиг. 41 показано в качестве примера устройство 60 измерения расхода для измерения расхода в устройстве на фиг. 1 или других устройствах согласно изобретению. В устройстве по фиг. 1 устройство 60 измерения расхода обеспечено первым и вторым блоками 15, 16 вычисления.
Устройство 60 измерения расхода содержит первый соединитель 61 для соединения первого пьезоэлектрического измерительного преобразователя и второй соединитель 62 для соединения второго пьезоэлектрического измерительного преобразователя. Первый соединитель 61 соединен с цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) 64 через мультиплексор 63. Второй соединитель 62 соединен с аналого-цифровым преобразователем 65 через демультиплексор 66.
АЦП 65 соединен с блоком 67 выбора сигнала, который соединен с блоком 68 инвертирования сигнала, который соединен с полосовым фильтром 69, который соединен с машиночитаемой памятью 70. Кроме того, АЦП 65 соединен с блоком 71 вычисления скорости.
ЦАП 64 соединен с генератором 72 импульсных сигналов и генератором 73 измерительных сигналов. Генератор измерительных сигналов соединен с генератором 72 импульсов через командную линию 74. Блок 71 вычисления скорости соединен с генератором 73 измерительных сигналов через вторую командную линию 75.
В общем, генератор 72 импульсных сигналов и генератор измерительных сигналов содержат элементы аппаратного обеспечения, такие как генератор колебаний, и элементы программного обеспечения, такие как модуль генератора импульсов и модуль генератора измерительных сигналов. В данном случае командные линии 74, 75 могут быть обеспечены программными интерфейсами между соответствующими модулями.
Во время фазы генерирования сигнала генератор импульсных сигналов отправляет сигнал в ЦАП 64, блок 67 выбора принимает соответствующий входящий сигнал посредством АЦП 65 и выбирает часть входящего сигнала. Блок 68 инвертирования инвертирует выбранную часть сигнала по отношению ко времени, факультативный полосовой фильтр 69 фильтрует низкие и высокие частоты, и получившийся в результате измерительный сигнал сохраняется в машиночитаемой памяти 70. Когда слово «сигнал» используется со ссылкой на этап управления сигналом, оно может, в частности, относится к представлению сигнала в машиночитаемой памяти.
В частности, представление сигнала может быть определено парой значений оцифрованных амплитуд и связанных дискретных времен. Другие представления включают, среди прочего, коэффициенты Фурье, коэффициенты волны малой амплитуды и огибающую для амплитуды, модулирующей сигнал.
На фиг. 42 показан второй вариант осуществления устройства 60' измерения расхода для измерения расхода в устройстве на фиг. 1 или других устройствах согласно изобретению. Устройство 60' измерения расхода содержит прямой цифровой синтезатор (DDS) 76. Для простоты показаны только компоненты DDS 76. DDS 76 также относится к генератору колебаний произвольной формы (AWG).
DDS 76 содержит опорный генератор 77, который соединен с регистром 78 управления частотой, генератором 79 с числовым программным управлением (NCO) и с ЦАП 64. Вход NCO 79 для N каналов соединен с выходом регистра 78 управления частотой. Вход ЦАП 64 для M каналов соединен с NCO 79 и вход восстанавливающего фильтра нижних частот соединен с ЦАП 64. В качестве примера генератор 79 с прямым числовым программным управлением с тактовой частотой 100 МГц может использоваться для генерирования сигнала, модулированного по амплитуде в 1 МГц.
Выход восстанавливающего фильтра 80 нижних частот соединен с пьезоэлектрическими измерительными преобразователями 11, 13 по фиг. 1.
Благодаря инерционной силе кварцевого генератора часто преимущественным является использование генератора колебаний с более высокой частотой, а не генератора несущей волны для получения предварительно определенного сигнала, модулированного по амплитуде, например, с использованием прямого цифрового синтезатора.
На фиг. 45, 47 и 48 проиллюстрированы вышеупомянутые Z-, V- и W-образные конфигурации измерения расхода. В примерах по фиг. 45, 47, 48 измерительные преобразователи с механическим креплением прикреплены к трубопроводу с помощью соответствующих соединительных частей.
На фиг. 54 и 55 показано сравнение соответствующего принимаемого сигнала или сигнала отклика с соответствующим отправляемым сигналом, который был сгенерирован без использования процедуры обращения времени и с использованием процедуры обращения времени.
-7
2
В примерах по фиг. 54 смодулированная гармоническая волна с огибающей гауссовской формы используется в качестве отправляемого сигнала. Энергия отправляемого сигнала пропорциональна 1,3 x 10 (Па/м) с и амплитуда сигнала составляет 0,1 Па. Значение получают путем определения среднего из квадрата давления на единицу длины по времени. Сигнал отклика имеет двойную амплитуду принимаемого сигнала приблизительно 0,09 Па.
-7
2
В примере по фиг. 55 обращенный во времени сигнал, который получен из сигнала отклика на импульсный сигнал по фиг. 56, используется в качестве отправляемого сигнала. Отправляемый сигнал отрегулирован так, чтобы иметь ту же энергию сигнала 1,3 x 10 (Па/м) с в качестве отправляемого сигнала по фиг. 54. Это дает двойную амплитуду принимаемого сигнала, которая составляет около 0,375 Па.
Амплитуда принимаемого сигнала по фиг. 55 выше более чем в четыре раза амплитуды принимаемого сигнала по фиг. 54. Увеличенная амплитуда на принимающей стороне может обеспечивать более легкое и более стабильное распознавание сигнала. Среди прочего, увеличение в амплитуде может быть отрегулировано путем регулирования битового разрешения амплитуды обращенного во времени сигнала, в частности путем увеличения или снижения битового разрешения для получения большей амплитуды.
На фиг. 56 и 57 проиллюстрировано, как принимаемые сигналы могут быть использованы для получения информации о канале передачи и, в частности, о толщине стенки трубопровода, отложениях на стенке. Согласно настоящему изобретению ответ на измерительный сигнал, который является обращенным во времени сигналом отклика, может быть проанализирован для обеспечения возможности определения изменений свойств трубного материала, таких как трещины, коркообразование и т. д. При измерении расхода согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения данные изменения свойств определяются анализом того же принимаемого сигнала, который используется для измерения времени прохождения.
На фиг. 57 показан первый сигнал отклика, который содержит информацию о первом канале передачи.
На фиг. 58 показан второй сигнал отклика, который содержит информацию о втором канале передачи. Длина горизонтальной стрелки на центральном главном лепестке проходит между левым лепестком и правым лепестком, которые находятся слева и справа от главного лепестка соответственно. Длина стрелки представляет толщину стенки трубы, если сигнал генерируется согласно фиг. 46. Измеренная толщина стенки определяется в месте, где волна отражается в нижней части трубы на фиг. 46. Если на стенке трубы есть отложение, измеренная толщина стенки увеличится.
На фиг. 59 показан дополнительный сигнал отклика. В экспериментальной установке для получения сигнала по фиг. 59 предусмотрены закрепляемые угловые измерительные преобразователи, акриловая соединительная головка измерительного преобразователя, скорость звука c = 2370 м/с, соединительный угол 40°, стенка из нержавеющей стали, скорость поперечной волны c = 3230 м/с, 61,17°, вода в качестве текучей среды, скорость звука в текучей среде c = 1480 м/с, ось поперечной волны с углом отклонения 23,67° и угол отклонения потока 66,33°, полученный из фиг. 59
На фиг. 60 показан дополнительный сигнал отклика. В экспериментальной установке для получения сигнала по фиг. 60 предусматривается акриловая соединительная головка измерительного преобразователя, скорость звука c = 2370 м/с, соединительный угол 20°, стенка из нержавеющей стали, скорость продольной волны c = 5790 м/с, 56,68°, поперечной волны c = 3230 м/с,  вода в качестве текучей среды, скорость звука в текучей среде c = 1480 м/с, ось продольной волны с углом отклонения 12,33° и угол отклонения потока 77,67°, полученный из фиг. 60.
Альтернативные конфигурации установки для фиг. 59 и 60 показаны на фиг. 45, 46 и 47.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения свойства канала устанавливаются с помощью анализа принимаемого сигнала, такого как сигналы по фиг. 57—60.
В примере по фиг. 59 и 60 показаны разницы в принимаемых сигналах в зависимости от наличия продольной и поперечной волны в трубном материале. Наличие данных волн является стандартным для выбранного материала и геометрии, и они могут использоваться в анализе материала. Такой анализ материала, основанный на ультразвуковых испытательных волнах, используется в области применения неразрушающего испытания (NDT). Настоящее изобретение обеспечивает возможность одновременного анализа потока и, например, трубного материала, поскольку принятый сигнал содержит импульсный отклик системы измерения, включая канал передачи и внешние условия материала.
Анализ принимаемых сигналов может быть осуществлен различными способами, такими как сравнение принимаемого сигнала с первоначально принятым импульсным откликом или прямое оценивание импульсного отклика, например, для определения толщины стенки.
Несмотря на то, что представленное выше описание является весьма специфичным, оно должно быть воспринято не как ограничивающее объем вариантов осуществления, а как просто обеспечивающее представление предполагаемых вариантов осуществления. Этапы способа могут быть выполнены в порядке, отличном от представленного в предоставленных вариантах осуществления, и разделение устройства измерения на блоки обработки и их соответствующие взаимосвязи могут отличаться от тех, что приведены в предоставленных вариантах осуществления.
В частности, этапы способа, а именно сохранение цифрового представления сигнала и выполнение операций, таких как выбор части сигнала, обращение сигнала по времени и фильтрация сигнала, могут взаимозаменяться. Например, сигнал может сохраняться в форме сигнала, инвертированного по времени, или он может считываться в обратном порядке для получения сигнала, инвертированного по времени.
Поскольку настоящее изобретение объясняется по отношению к круглой трубе DN 250, оно может быть легко применимо к другим размерам трубы или даже к другим формам трубы. Несмотря на то, что варианты осуществления объясняются по отношению к измерительным преобразователям с механическим креплением, помещаемые в текучую среду измерительные преобразователи, которые входят в трубу или устанавливаются в открытом канале, также могут использоваться.
В частности, представленные выше преимущества вариантов осуществления должны восприниматься не как ограничивающие объем вариантов осуществления, а как просто объясняющие вероятные достижения при реализации описанных вариантов осуществления на практике. Таким образом, объем вариантов осуществления должен быть определен формулой изобретения и ее эквивалентами, а не приведенными примерами.
Варианты осуществления настоящего изобретения могут также быть описаны с использованием следующих списков признаков, объединенных в параграфы. Соответствующие комбинации признаков, которые описаны в списке параграфов, рассматриваются как отдельный предмет изобретения, соответственно, которые могут также быть объединены с другими признаками изобретения.
1. Способ определения скорости потока текучей среды в трубопроводе для текучей среды, включающий:
- обеспечение трубопровода для текучей среды текучей средой, которая имеет предварительно определенную скорость по отношению к трубопроводу для текучей среды;
- подачу импульсного сигнала в первый ультразвуковой измерительный преобразователь, при этом первый ультразвуковой измерительный преобразователь устанавливают на трубопроводе для текучей среды в первом месте;
- прием сигнала отклика импульсного сигнала во втором ультразвуковом измерительном преобразователе, при этом второй ультразвуковой измерительный преобразователь располагают на трубопроводе для текучей среды во втором месте;
- получение измерительного сигнала из сигнала отклика, при этом получение измерительного сигнала включает выбор части сигнала отклика или сигнала, полученного из него, и обращение части сигнала по отношению ко времени;
- сохранение измерительного сигнала для дальнейшего использования;
- обеспечение трубопровода для текучей среды текучей средой, при этом имеет место движение текучей среды по отношению к трубопроводу для текучей среды;
- подачу измерительного сигнала к одному из первого и второго ультразвуковых измерительных преобразователей;
- измерение первого сигнала отклика измерительного сигнала на другом из первого и второго ультразвукового измерительного преобразователя;
- получение скорости потока текучей среды из первого сигнала отклика;
при этом следующие этапы, а именно:
- подача импульсного сигнала в первый ультразвуковой измерительный преобразователь, при этом первый ультразвуковой измерительный преобразователь устанавливают на трубопроводе для текучей среды в первом месте;
- прием сигнала отклика импульсного сигнала во втором ультразвуковом измерительном преобразователе, при этом второй ультразвуковой измерительный преобразователь располагают на трубопроводе для текучей среды во втором месте;
- получение измерительного сигнала из сигнала отклика, при этом получение измерительного сигнала включает выбор части сигнала отклика или сигнала, полученного из него, и обращение части сигнала по отношению ко времени;
- сохранение измерительного сигнала для дальнейшего использования;
являются факультативными или могут быть исключены, если измерительный сигнал был образован ранее.
2. Способ по параграфу 1, включающий:
- повторение этапов подачи измерительного сигнала и измерения сигнала отклика в обратном направлении для получения второго сигнала отклика;
- получение скорости потока текучей среды из первого сигнала отклика и второго сигнала отклика.
3. Способ по параграфу 1 или параграфу 2, где часть сигнала, которую используют для получения измерительного сигнала, содержит первую часть вблизи максимальной амплитуды сигнала отклика и конечную часть сигнала, при этом конечная часть сигнала проходит во времени после времени достижения максимальной амплитуды.
4. Способ по одному из предыдущих параграфов, включающий:
- повторение этапов подачи импульсного сигнала и приема соответствующего сигнала отклика множество раз с получением при этом множества сигналов отклика;
- получение измерительного сигнала из среднего значения принятых сигналов отклика.
5. Способ по одному из предыдущих параграфов, при этом получение измерительного сигнала включает оцифровку сигнала отклика или сигнала, полученного из него, по отношению к амплитуде.
6. Способ по параграфу 5, включающий увеличение битового разрешения оцифрованного сигнала для увеличения амплитуды сигнала отклика для измерительного сигнала.
7. Способ по параграфу 5, включающий снижение битового разрешения оцифрованного сигнала для увеличения амплитуды сигнала отклика для измерительного сигнала.
8. Способ по одному из параграфов 5—7, при этом битовое разрешение оцифрованного сигнала по отношению к амплитуде представляет собой низкое битовое разрешение.
9. Способ по одному из предыдущих параграфов, включающий обработку по меньшей мере одного из сигналов отклика для определения изменения в толщине стенки трубопровода или для определения характеристик материала стенок трубопровода путем определения характеристик продольной и поперечной звуковой волны.
10. Устройство для измерения скорости потока в ультразвуковом расходомере с временем прохождения, содержащее:
- первый соединитель для первого ультразвукового элемента;
- второй соединитель для второго ультразвукового элемента;
- передающий блок для отправки импульсного сигнала в первый соединитель;
- принимающий блок для приема сигнала отклика на импульсный сигнал от второго соединителя;
- блок инвертирования для инвертирования сигнала отклика по отношению ко времени для получения инвертированного сигнала;
- блок обработки для получения измерительного сигнала из инвертированного сигнала и сохранения измерительного сигнала; при этом следующие элементы, а именно
- передающий блок для отправки импульсного сигнала в первый соединитель;
- принимающий блок для приема сигнала отклика на импульсный сигнал от второго соединителя;
- блок инвертирования для инвертирования сигнала отклика по отношению ко времени для получения инвертированного сигнала;
- блок обработки для получения измерительного сигнала из инвертированного сигнала и сохранения измерительного сигнала;
являются факультативными или могут быть исключены, если измерительный сигнал был образован ранее, так что он является легкодоступным.
11. Устройство по параграфу 10, дополнительно содержащее:
- цифро-аналоговый преобразователь, при этом цифро-аналоговый преобразователь соединен с первым соединителем;
- аналого-цифровой преобразователь, при этом аналого-цифровой преобразователь соединен со вторым соединителем;
- машиночитаемую память для сохранения измерительного сигнала.
12. Устройство по параграфу 10 или параграфу 11, дополнительно содержащее блок выбора для выбора части принятого сигнала отклика или сигнала, полученного из него, при этом блок инвертирования предусмотрен для инвертирования выбранной части сигнала отклика по отношению ко времени для получения инвертированного сигнала.
13. Устройство по одному из параграфов 10—12, при этом устройство содержит:
- генератор измерительных сигналов, при этом генератор измерительных сигналов выполнен с возможностью соединения с первым соединителем или со вторым соединителем;
- средство передачи для отправки измерительного сигнала в первый соединитель;
- принимающий блок для приема сигнала отклика измерительного сигнала от второго соединителя;
- второй блок обработки для получения скорости потока из принятого сигнала отклика.
14. Устройство по одному из параграфов 10—13, при этом устройство содержит:
прямой цифровой синтезатор сигналов, при этом прямой цифровой синтезатор сигналов содержит АЦП,
регистр управления частотой, опорный генератор, генератор с числовым программным управлением и восстанавливающий фильтр нижних частот, при этом АЦП выполнен с возможностью соединения с первым и вторым соединителем через восстанавливающий фильтр нижних частот.
15. Устройство по одному из параграфов 10—14, при этом устройство содержит:
- первый ультразвуковой измерительный преобразователь, при этом первый ультразвуковой измерительный преобразователь соединен с первым соединителем;
- второй ультразвуковой измерительный преобразователь, при этом второй ультразвуковой измерительный преобразователь соединен со вторым соединителем.
16. Устройство по одному из параграфов 10—15, содержащее часть трубы, при этом первый ультразвуковой измерительный преобразователь установлен на части трубы в первом месте,
а второй ультразвуковой измерительный преобразователь установлен на части трубы во втором месте.
17. Машиночитаемый программный код, содержащий машиночитаемые команды для выполнения способа по одному из параграфов 1—9.
18. Машиночитаемая память, при этом машиночитаемая память содержит машиночитаемый программный код по параграфу 17.
19. Специализированный электронный компонент, выполненный с возможностью выполнения способа по одному из параграфов 1—9.
20. Способ определения измерения испытательным устройством скорости потока текучей среды в трубопроводе для текучей среды по одному из параграфов 1—5, включающий:
- обеспечение трубопровода для текучей среды текучей средой, которая имеет предварительно определенную скорость по отношению к трубопроводу для текучей среды;
- подачу испытательного импульсного сигнала в первый ультразвуковой измерительный преобразователь испытательного устройства, при этом первый ультразвуковой измерительный преобразователь установлен на трубопроводе для текучей среды в первом месте;
- прием испытательного сигнала отклика испытательного импульсного сигнала во втором ультразвуковом измерительном преобразователе испытательного устройства, при этом второй ультразвуковой измерительный преобразователь установлен на трубопроводе для текучей среды во втором месте;
- получение испытательного измерительного сигнала из сигнала отклика, при этом получение испытательного измерительного сигнала включает обращение сигнала по отношению ко времени;
- сравнение испытательного измерительного сигнала с измерительным сигналом, испускаемым другим из первого и второго ультразвукового измерительного преобразователя;
при этом в испытательном устройстве применяют способ определения скорости потока текучей среды в трубопроводе для текучей среды по одному из параграфов 1—5, если испытательный измерительный сигнал и измерительный сигнал подобны.
21. Устройство для измерения скорости потока в ультразвуковом расходомере с временем прохождения, содержащее:
- первый соединитель для первого ультразвукового элемента;
- второй соединитель для второго ультразвукового элемента;
- передающий блок для отправки импульсного сигнала в первый соединитель;
- принимающий блок для приема сигнала отклика на импульсный сигнал от второго соединителя;
- блок инвертирования для инвертирования выбранной части сигнала отклика по отношению ко времени для получения инвертированного сигнала;
- блок обработки для получения измерительного сигнала из инвертированного сигнала и сохранения измерительного сигнала в машиночитаемой памяти;
при этом применение устройства для определения скорости потока текучей среды в трубопроводе для текучей среды происходит путем:
- обеспечения трубопровода для текучей среды текучей средой, которая имеет скорость по отношению к трубопроводу для текучей среды;
- подачи измерительного сигнала к одному из первого и второго ультразвукового элемента;
- измерения первого сигнала отклика измерительного сигнала на другом из первого и второго ультразвукового элемента;
- получения скорости потока текучей среды из первого сигнала отклика при этом
при подаче испытательного импульсного сигнала в первый ультразвуковой элемент испытательного устройства;
- приема испытательного сигнала отклика испытательного импульсного сигнала во втором ультразвуковом элементе испытательного устройства, при этом второй ультразвуковой элемент установлен на трубопроводе для текучей среды во втором месте;
- получения испытательного измерительного сигнала из сигнала отклика, при этом получение испытательного измерительного сигнала включает обращение сигнала по отношению ко времени;
- при этом испытательный измерительный сигнал и измерительный сигнал, испускаемый первым или вторым ультразвуковым элементом, подобны.
Ссылочные позиции
1 устройство в виде расходомера
2 расположенный выше по потоку пьезоэлектрический элемент
3 труба
4 расположенный ниже по потоку пьезоэлектрический элемент
5 направление среднего потока
6 первый блок вычисления
7 второй блок вычисления
8 путь сигнала
20 путь сигнала
1 пьезоэлектрический элемент
2 пьезоэлектрический элемент
31—52 пьезоэлектрические элементы
60, 60' устройство измерения расхода
1 первый соединитель
2 второй соединитель
3 мультиплексор
4 ЦАП
5 АЦП
6 демультиплексор
7 блок выбора сигнала
8 блок инвертирования сигнала
9 полосовой фильтр
10 память
11 блок вычисления скорости
12 генератор импульсных сигналов
13 генератор измерительных сигналов
14 командная линия
15 командная линия
16 DDS
17 опорный генератор
18 регистр управления частотой
19 генератор с числовым программным управлением
20 фильтр нижних частот
21