超声波流量计校准系统和方法与流程

1.本技术涉及流体测量设备领域。更具体地，本技术涉及用于在主动流量期间确定零偏移的超声波流量计校准系统和方法。


背景技术：

2.超声波流量计利用换能器来通过流动流发送和接收超声波信号以测量通过导管的流的速度。在换能器包括上游换能器和下游换能器的情况下，流量计被配置成测量在两个间隔开的换能器之间传输的超声波信号的“飞行时间(time-of-flight)”。超声波信号从第一换能器沿超声波信号路径行进通过流过导管的流体和/或气体，以被第二换能器接收。从第一换能器发送信号与由第二换能器接收到信号之间的经过时间为飞行时间。然后可以在反向方向上发送信号以确定反向飞行时间。前向与后向“飞行时间”之间的时间差被称为δt，该时间差δt可以用于计算通过导管的流的速度。通过导管的流的速度进而可以用于计算流速和/或流量。
3.然而，前向通过导管的“飞行时间”与后向通过导管的“飞行时间”可能由于除了通过导管的流以外的原因而变化。没有流量计完美匹配理论。例如，“飞行时间”可能基于换能器对准、导管中的不一致性等而变化。为了解决这样的变化，仪表可以被设置成具有大的不确定性值，或者可以基于变化来校准仪表。给出大的不确定性值可能降低仪表准确度，因此对于某些应用来说是不切实际的。在校准仪表时，在制造期间，超声波流量计被校准至“出厂零”，在“出厂零”中“飞行时间”在零流量期间前向与后向一致。为了确定这样的校准量，在没有任何流通过导管的情况下计算δt。δt用于校准超声波流量计。
4.即使在这样的出厂校准之后，在将使用流量计的安装期间也可能重新引入变化。例如，一种类型的流量计是夹合式流量计，所述夹合式流量计可能受到仪表的对准、仪表夹在其上的导管部分等的影响。这些因素也会随着时间而漂移，从而影响流量计校准。因此，优选的是在安装期间校准流量计并且根据需要重新校准以校准至“原位零”，在“原位零”中“飞行时间”再次在零流量期间前向与后向一致。
5.然而，布置通过被测量的导管的零流量通常是不切实际的。这在流量计被定期和/或根据需要重新校准以解决漂移的情况下尤其如此。所需要的是一种流量计和重新校准流量计的方法，使得能够将流量计校准至“原位零”而不需要通过相关联导管的零流量。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种超声波流量计，该超声波流量计包括被配置成测量导管内的流的超声波流量计，该导管被配置用于在流量计的主动流量操作期间自动调零。该流量计包括：印刷电路板，该印刷电路板包括用于进行超声波渡越时间流量测量的电路系统，该印刷电路板包括换能器交换继电器；以及第一换能器线缆和第二换能器线缆，该第一换能器线缆和第二换能器线缆将第一换能器和第二换能器分别连接至换能器交换继电器。该流量计还包括可编程处理器，该可编程处理器被配置成在测量通过导管的流量时基于由超声波流
量计原位执行的超声波流量计校准来生成流量测量数据。校准包括：确定零偏移值；通过以下来确定交换偏移值：测量第一换能器与第二换能器之间通过导管中的流前向与后向的渡越时间，激活换能器交换继电器以对第一换能器和第二换能器进行物理交换，以及测量交换后的第一换能器与第二换能器之间通过导管中的流前向与后向的渡越时间；基于零偏移和交换偏移来确定流量零值；以及基于导管中的流和流量零偏移来生成流速数据。
7.在一个更详细的方面，确定交换偏移值包括基于在激活换能器交换继电器之前取得的多个测量结果来生成正向平均值以及基于在激活换能器交换继电器之后取得的多个测量结果来生成反向平均值。
8.在本发明的另一实施方式中，生成流速数据包括计算基于在激活换能器交换继电器之前取得的一个或更多个测量结果的标准流速与基于在激活换能器交换继电器之后取得的一个或更多个测量结果的交换流速的平均值。
9.在本发明的另一实施方式中，处理器被配置成基于用户输入或周期性地启动超声波流量计校准。
10.在另一更详细的方面，处理器被配置成在启动超声波流量计校准之前监测流速以识别稳定流速。
11.在本发明的另一实施方式中，一种用于对超声波流量计进行自动调零的计算机实现的方法，该超声波流量计被配置成使用流量计的处理器来测量导管内的流，该处理器执行存储在非暂态存储器中的自动调零指令。该方法包括：基于所测量的第一换能器与第二换能器之间通过导管中的流前向与后向的渡越时间来确定零偏移值；以及通过以下来确定交换偏移值：测量第一换能器与第二换能器之间通过导管中的流前向与后向的渡越时间，激活流量计的印刷电路板上的换能器交换继电器，所述换能器交换继电器通过第一换能器线缆和第二换能器线缆分别连接至第一换能器和第二换能器，以对第一换能器和第二换能器进行物理交换，以及测量交换后的第一换能器与第二换能器之间通过导管中的流前向与后向的渡越时间。该方法还包括基于零偏移和交换偏移来确定流量零值，以及基于导管中的流和流量零偏移第一换能器和第二换能器来生成流速数据。
12.根据以下对示例性实施方式的描述，除了上面讨论的那些方面以外，本发明的其他方面对于本领域普通技术人员来说将是明显的。在说明书中，对附图进行参照，所述附图形成说明书的一部分并且示出了本发明的示例。
附图说明
13.图1是根据示例性实施方式的以截面示出的超声波流量计组件的简化图示；
14.图2是根据示例性实施方式的以框图形式示出的流量计电路系统200和部件；
15.图3是示出根据示例性实施方式的用于使用继电器交换换能器来启动和保持超声波流量计的校准的交换偏移确定方法的流程图；以及
16.图4是示出根据示例性实施方式的用于对超声波流量计进行自动调零而不需要零流量的方法的流程图。
具体实施方式
17.首先参照图1，根据示例性实施方式的超声波流量计组件100的简化图示以截面示
出。超声波流量计组件100包括超声波流量计110、导管120和流量测量计算机200。在下面参照图2示出并进一步描述流量测量计算机200。尽管本文示出并描述了超声波流量计组件100的特定配置，但是本领域普通技术人员应当理解的是，本文描述的发明可以应用于可被配置成使用本文描述的信号路径定义元件的任何超声波流量计组件。
18.超声波流量计110可以为固态的超声波测量系统，该固态的超声波测量系统被配置成测量并报告通过导管120的流体或气体的流量。超声波流量计110可以被配置成在流量计壳体内完全封装、防风雨和抗紫外线。超声波流量计110可以使用夹具、粘合剂等耦接至导管120。在替选实施方式中，超声波流量计110的流量计壳体在制造期间与导管120一体地形成。
19.超声波流量计110包括第一换能器112和第二换能器114，所述第一换能器112和第二换能器114分别位于沿导管120相隔已知距离的位置处。换能器112可以是压电换能器、螺线管换能器等。
20.超声波测量路径116被描绘成表示换能器112与换能器114之间通过行进通过导管120的流126的超声波信号路径。在所示的示例中，测量路径包括换能器之间的单个反射点。然而，本领域普通技术人员将理解的是，测量路径可以替选地配置成包括换能器112与换能器114之间的零个或多个反射点。尽管仅示出了第一换能器和第二换能器，但是在替选实施方式中，流量计110可以包括多个换能器和换能器组件。
21.换能器112和114可以容纳在壳体(未示出)中。换能器壳体可以是针对夹合型超声波流量计的壳体，其与导管120等集成在一起。壳体通常可以被配置成对换能器进行定位，使得当换能器发射超声波信号以沿超声波信号路径116行进时，所发送的信号穿过导管120中的流并且由相对的换能器接收。流量计计算机200可以与壳体一起容纳或者经由一个或更多个通信线缆连接至壳体。
22.第一换能器112通过第一换能器线缆202连接至可编程处理器200。第二换能器114通过第二换能器线缆204连接至流量计电路系统200。换能器线缆202和204可以是被配置成便于在第一换能器112和114与流量计电路系统200之间发送和接收电子信号的任何类型的线缆。
23.当流体和/或气体通过上游端122流入导管120时，在流体或气体通过下游端124离开导管120之前，在流的正向方向和反向方向上连续发送超声波信号。然后通过测量在正向方向和反向方向上的测量之间的时间差来确定流体或气体的速度。
24.流量计110还可以包括附加传感器例如温度传感器、压力传感器、回流传感器等。然后可以使用附加信息例如温度、导管120的管道直径等来根据所测量的流速计算总流量。
25.包括流量值的测量值和计算值可以转换为电脉冲，所述电脉冲被作为流体或气体的消耗的单位进行计数。这些信号然后可以由内部无线电收发器发送或通过线缆发送至外部无线电收发器或其他系统。无线电收发器通常包括无线电发射器部分和无线电接收器部分。无线电发射器部分将测量系统信号转换为射频信令协议，以通过无线网络传输回至网络数据收集器。
26.接下来参照图2，根据示例性实施方式的流量计计算机200和部件以框图形式示出。渡越时间电路板210包括可编程处理器220，该可编程处理器220还接收渡越时间测量结果以计算流量信号以用于显示器232和其他输出电路234，并且以执行测量结果的其他计算
和分析，如将出现的。小键盘236提供用户输入例如以选择显示参数、设置周期性自动调零等。存储器240是被配置成存储数据的任何类型的非暂态存储器。计算机200的部件可以互连以通过通信总线233进行通信。本领域普通技术人员应当理解的是，本文描述的部件是示例性的，并且可以使用不同的部件或不同的部件布置来实现本文描述的功能。
27.渡越时间电路板210是印刷电路板(pcb)并且包括可编程处理器220和换能器交换继电器214。可编程处理器220进行渡越时间流量测量以计算流量测量结果。可编程处理器220通过换能器交换继电器214与换能器112、114连接。
28.继电器214用于对可编程处理器220与换能器112和114之间的连接进行物理交换。继电器214可以使用机电继电器、固态继电器等来实现。尽管继电器214在本文中被描述为多个继电器，但是继电器214可以使用单个继电器来实现以执行本文描述的功能。如下面所描述的，可编程处理器220控制继电器214的操作以在操作状态之间切换。
29.因此，换能器112和114与可编程处理器220的物理连接由继电器214的操作控制。在未交换操作状态下，换能器112连接至可编程处理器220的第一换能器连接(未示出)并且换能器114连接至可编程处理器220的第二换能器连接(未示出)。在交换操作状态下，换能器114连接至可编程处理器220的第一换能器连接并且换能器112连接至可编程处理器220的第二换能器连接。可编程处理器220可以用于控制换能器112和114的操作作为发射接收器或接收接收器，而与继电器214的操作状态无关。
30.在继电器214处于第一操作状态——在本示例中为未交换操作状态——的情况下，可编程处理器220测量未交换渡越时间。具体地，渡越时间测量由来自可编程处理器220的波212a启动，该可编程处理器220与发射换能器——基于继电器214的操作状态在图2中示出为换能器112——连接。脉冲212a可以是调制符号波、方波等，其激发发射换能器中的压电换能器以产生正弦脉冲串。接收到的信号212b由接收换能器——基于继电器214的操作状态在图2中示出为换能器114——产生至可编程处理器220的输入。在若干脉冲从换能器112向下游传输至换能器114之后，相同数目的脉冲从换能器114向上游传输至换能器112而不改变继电器214的操作状态。可编程处理器220测量上游和下游的未交换行进时间并且将该信息提供至处理器220。处理器220利用这些未交换行进时间来计算未交换的δt。
31.在计算第一操作状态下的δt之后，继电器214可以被致动以交换至第二操作状态——在示例中为交换操作状态，并且可编程处理器220测量交换渡越时间。与上面类似，渡越时间测量由来自可编程处理器220的脉冲212a启动，该可编程处理器220与发射换能器——基于继电器214的交换操作状态的换能器114——连接。波212a激发发射换能器中的压电换能器以产生正弦脉冲串。接收到的信号212b由接收换能器——基于继电器214的交换操作状态的换能器112——产生至可编程处理器220的输入。在若干脉冲从换能器114向下游传输至换能器112之后，相同数目的脉冲从换能器112向上游传输至换能器114。可编程处理器220测量上游和下游的交换行进时间。处理器220利用这些交换行进时间来计算交换的δt。
32.时钟238向处理器220提供时间信号。来自可编程处理器220的输出被提供至示出流速和总流量的显示器232和/或可能包括到远程显示器的发射器、记录器等的其他输出电路234。小键盘236可以用于选择显示参数例如毫升每分钟或加仑每小时。
33.有利地，物理地交换换能器112和114使得能够校准超声波流量计110以解决由换
能器112和114以及换能器线缆202和204的安装、组成和操作引入的变化。例如，如果换能器的零点在正常操作中偏离其设置值，则换能器的物理交换将解决一些新的偏移。
34.现在附加地参照图3，示出了示出根据示例性实施方式的用于使用继电器交换换能器来启动和保持超声波流量计的校准的交换偏移确定方法的流程图300。该方法包括确定零偏移和交换偏移两者以使得能够“原位”校准而不需要通过导管的零流量。
35.在步骤302中，启动交换测试以设置交换偏移值。尽管交换测试用于使得能够自动调零而不需要至导管120的零流量，但是交换测试可以独立于流是否正在通过导管120进行来执行。具体地，交换测试可以在制造超声波流量计期间存在通过导管120的零流量时执行，并且与传统的零偏移结合使用以生成出厂零值，出厂零值全部存储在新制造的超声波流量计的存储器中。超声波流量计110可以被配置成在超声波流量计的整个寿命中将这些值作为默认值保留在存储器中。
36.在步骤304中，超声波流量计110被配置成快速连续地确定设置数目的δt值。设置数目的值可以是任何数目，但是在本文中将被描述为十(10)个δt值。在典型操作中，超声波流量计110能够在约一(1)秒的操作中生成十(10)个δt值。这些是完整的δt测量结果，包括每个点的上游飞行时间和下游飞行时间两者。
37.在步骤304中生成的十(10)个δt值是在继电器214的操作状态处于未交换操作状态时生成的。因此，十(10)个δt值为未交换的δt值。
38.在步骤306中，超声波流量计110——具体地对处理器200进行编程——被配置成致动继电器214以将继电器214的操作状态从未交换操作状态改变为交换操作状态。在交换操作状态下，换能器112和114相对于可编程处理器220的操作进行物理交换。
39.在步骤308中，超声波流量计110被配置成再次快速连续地确定十(10)个δt值。十(10)个δt值是在继电器214的操作状态处于交换操作状态时生成的。因此，十(10)个δt值为交换的δt值。
40.在步骤310中，可编程处理器220被配置成基于下式来生成交换的δt值和未交换的δt值两者：
[0041][0042][0043]
其中，δt1是未交换的δt值，以及δt2是交换的δt值。
[0044]
除了上面描述的平均以外，每十(10)个δt值可以用于针对每十个的分组生成标准偏差。标准偏差可以用于消除分组中的任何离群数据点。
[0045]
在步骤312中，可编程处理器220被配置成基于下式来生成交换偏移值：
[0046][0047]
其中，ε是偏移值。
[0048]
现在附加地参照图4，示出了示出根据示例性实施方式的用于对超声波流量计110进行自动调零而不需要零流量的方法的流程图400。该方法可以使用可编程处理器220与可
编程处理器220协作来实现，以在安装之后初始地调零以及根据需要在操作期间将流量计110调零。
[0049]
在步骤402中，处理器220被配置成在超声波流量计110在通过导管120的零流量的情况下使用时对超声波流量计110启动调零计算。步骤402通常将在超声波流量计110的制造和初始测试期间执行。
[0050]
在步骤404中，使用上面参照图3描述的方法来确定交换偏移。
[0051]
在步骤406中，处理器220被配置成基于下式来确定零偏移值(εzero)：
[0052]
zero＝δt1[0053]
ε
zero
＝zero-ε
交换
[0054]
其中，δt是需要零流量的标准零值。
[0055]
在步骤408中，处理器220被配置成将来自步骤404的交换偏移值与在步骤406中计算出的零偏移值结合使用，以确定在零流量通过导管120进行时生成的针对超声波流量计110的出厂零。出厂零是零偏移减去交换偏移。处理器220然后被配置成将零偏移、交换偏移和出厂零存储在超声波流量计110的存储器240中以用作默认值。
[0056]
在步骤410中，超声波流量计110被“原位”安装并且在其安装之后被重新校准。例如，在超声波流量计110为夹合型流量计的情况下，安装可以包括将流量计110夹到导管120上。期望再次重新校准并自动调零流量计110以解决在运输和安装期间引入的任何变化。
[0057]
在步骤412中，流量计110可以被配置成确定导管120内是否存在流。在检测到流的情况下，在步骤414中，流量计110可以确定通过导管120的流是否为相对没有旋涡、涡流、颗粒等的稳定流。在流不稳定的情况下，超声波流量计110可以迭代地执行等待操作，直到检测到稳定流。
[0058]
在检测到稳定流的情况下，在步骤116中，流量计110被配置成基于下式来确定流量零值：
[0059]
δt
校正
＝δt
测量-ε
总
[0060][0061]
在步骤412中未检测到流的情况下，可以使用在上面的步骤404至408中描述的步骤来执行调零，以确定步骤418中的现场零。在步骤416中确定现场零之后，流量计110可以被配置成利用现场零进行校准并执行流量测量。然而，流量计110被配置成保留存储在存储器240中的出厂零设置。
[0062]
在步骤420中，流量计110被配置成在计量通过导管120的流时在流量计110的正常操作期间进行调零。自动调零可以基于在小键盘236处接收到的用户输入和/或基于检测到的调零需求周期性地执行。可以基于由用户再次使用小键盘236设置的周期时间来执行周期性调零。
[0063]
有利地，将流量计110配置成在导管120内存在流时执行自动调零操作使得能够实现周期性自动调零。周期性自动调零有利于解决在超声波流量计100中可能出现的零漂移。
[0064]
检测到的对自动调零的需要可以包括对由流量计110生成的不良计量数据的检测。检测不良计量数据可以包括基于如图3所述生成的出厂零设置来重新校准流量计110，然后如图4所述执行自动调零。
[0065]
这是对示例性实施方式的描述，但是对于本领域普通技术人员将明显的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以对这些特定实施方式的细节进行变化，并且这些变化旨在由所附权利要求所涵盖。