专利名称：用于在超声波测量仪中确定换能器延时和换能器间距的方法
技术领域：
本发明的各种实施例涉及在超声传输时间测量中的误差检测。特别是，本发明的实施例涉及确定在超声波测量仪中使用的一对或多对换能器中的固有的延时，并且识别何时已经不精确测量或已经改变延时误差。相关实施例涉及识别在超声波测量仪中的换能器对之间的测量到的距离上的误差。
背景技术：
在从地面取出碳氢化合物之后，流体流(例如天然气)经由管道从一处输送到另一处。希望的是精确地知道在流体流中流动的流体的量，并且当流体转手(change hands)，或者“保管转移”(custody transfer)时，要求特别的精确性。不过，即便不进行保管转移，测量精度仍然是希望的。
在超声波测量仪中测量流速和声音的速度(为了确定流体流的量)取决于测量到的超声信号的传输时间或飞行(flight)时间。在精确测量超声信号的飞行时间上带来的困难是对照测量到的飞行时间确定实际的飞行时间。流体流动速度、以及流体的声速的计算基于“实际”飞行时间，这排除了从自电子器件、匹配层的延迟以及其他因素。
因此，需要一种提高实际飞行时间测量和识别实际飞行时间测量上的不精确性的原因的方法和系统。
发明内容
解决上面指出的问题主要依靠用于确定超声波测量仪中的换能器延时和换能器间距(separation)的方法和相关的系统。至少一些图示的实施例是一种方法，包括以下步骤测量第一换能器对的延时，在装有第一和第二换能器对的超声波测量仪中测量在第二换能器对之间传输的超声信号的总的测量到的时间，利用第一对换能器的延时和与所述第二换能器对的总的测量到的时间计算与第二换能器对相关的参数。
另一些图示的实施例是一种方法，包括以下步骤测量第一对换能器和第二对换能器之间的延迟时间差，在装有第一对换能器和第二对换能器的超声波测量仪中测量在第一换能器对之间传输的超声信号的第一总的测量到的时间，测量在超声波测量仪中的第二换能器对之间传输的超声信号的第二总的测量到的时间，并且利用该延迟时间差和该总的测量到的时间计算第一对换能器的延时。
另外一些图示的实施例是一种超声波测量仪，包括流体地连接在运输流体流的管道内的管段(spoolpiece)、与该管段相关联的控制电子器件、通过该管段的第一弦(cord)(该第一弦接收第一换能器对并且控制电子器件连接于该第一对换能器)，和通过该管段的第二弦(该第二弦接收第二换能器对并且控制电子器件连接于该第二对换能器)。控制电子器件接收与第一对换能器的延时成比例的值，并且控制电子器件至少利用与第一对换能器的延时成比例的所述值计算与第二对换能器相关的参数。
为了更详细地描述本发明的实施例，现在将参考附图，其中 图1A是超声气体流量计的剖视俯视图； 图1B是包括弦路径的A-D的管段的侧视图； 图1C是装有换能器对的管段的俯视图； 图2示出换能器对和相关的控制电子器件； 图3A和3B示出不同的换能器间距的物理作用； 图4示出接收到的波形； 图5示出计算延时的方法； 图6示出在测量第一换能器对的延时之后计算第二换能器对的延时的方法； 图7示出利用两对换能器之间的延迟时间差确定延时的方法； 图8示出确定弦长的方法。
具体实施例方式 符号和术语 在下面的描述和权利要求书中所用的特定术语指的是具体的系统部件。本文不打算区分在名称上不同而不是功能上不同的部件。
在下面的描述中和在权利要求书中，术语“包括”和“包含”是以开放方式使用的，因此应当被解释为意指“包括，但不限于…”。而且，术语“连接”旨在表示间接连接或直接连接。因此，如果第一装置连接于第二装置，则连接可以是通过直接连接，或者是经由其他装置和连接件的间接连接。
图1A示出根据本发明适合于测量流体流的超声波测量仪。适合用于放置在管道的各段之间的管段100具有预定的尺寸并且因此形成一个测量截面。正如在这里所用的，当在关于超声波测量仪使用时，术语“管道”也可以指管段或供超声信号发送通过的其他合适的外壳。一对换能器120和130和其相应的壳体125和135沿着管段100的长度设置。优选的是，换能器120和130是超声收发器，意思是指它们两个都产生并接收超声信号。在上下文中，“超声”指的是在约20千赫以上的频率。这些信号可以由每个换能器中的压电元件产生并接收。为了产生超声信号，压电元件被电激励，并且压电元件通过振动响应。压电元件的振动产生超声信号，穿过流体、通过管段到达换能器对中的相对应的换能器。同样，当受到超声信号撞击时，接收的压电元件振动并产生电信号，该电信号被与测量仪相关联的电子器件检测到、进行数字化和分析。
路径110，有时候称作“弦”，它以与中心线105成θ的角度存在于换能器120和130之间。“弦”110的长度是换能器120的表面到换能器130的表面之间的距离。点140和145限定了由换能器120和130所产生的声学信号进入和离开流过管段100的流体(即，通向管段孔的入口)的位置。换能器120和130的位置可以用θ角、用在换能器120和130之间测量的第一长度L、对应于点140和145之间的轴向距离的第二长度X、以及对应于管径的第三距离D来限定。在大多数情况下，D、X和L在测量仪制造期间就被精确地确定。而且，诸如120和130的换能器通常被放置在分别离点140和145一个特定距离处，而与测量仪的尺寸(即管段的尺寸)无关。诸如天然气的流体沿着方向150以速度断面152流动。速度矢量153至158示出通过管段100的气体速度随着接近管段100的中心线105而增加。
起初，下游换能器120产生超声信号，此超声信号被上游换能器130接收并检测到。一定时间之后，该上游换能器130产生返回的超声信号，此超声信号随后被下游传感120接收并检测到。因此，换能器120和130沿着弦路径110，利用超声信号115，进行“一发一收”。在运行期间，这种顺序每分钟可以发生数千次。
超声波115在换能器120和130之间的传输时间部分地取决于超声信号115相对于流体流是向上游移动还是向下游移动。超声信号向下游移动的传输时间(即沿着与流动相同的方向)少于向上游移动(即逆着流)的传输时间。向上游或下游的传输时间可以用于计算沿着信号路径的平均速度，并且也可以用于计算在流体流中的声速。给出运输流体的测量仪的截面测量值，则在测量仪孔的面积上的平均速度可以用于求出流过测量仪或管道100的流体的量。
超声波测量仪可以具有一个或多个路径。图1B示出一种多路径的超声波测量仪。在这个实施例中，管段100包括处在不同水平面上、通过流体流的四个弦路径A、B、C和D。每个弦路径A-D均对应于交替作为发射器和接收器的两个换能器。还示出的是控制电子器件60，其获得并处理来自弦路径A-D的数据。从图1B的视图中隐藏的是对应于弦路径A-D的四对换能器。
这四对换能器的精确布置通过参考图1C可以被更易理解。四对换能器端口被安装在管段100上。每对换能器端口均对应于图1B的单个弦路径。第一对换能器端口125和135包括从管段100稍微凹进的换能器120和130(图1A)。这两个换能器与管段100的中线105成一个非垂直角θ安装。包含包括相关换能器的另一对换能器端口165和175(在图中只看到一部分)安装成使得其弦路径相对于换能器端口125和135的弦路径大致形成一个“X”形。类似的，换能器端口185和195平行于换能器端口165和175放置，但是处在不同的“水平”上(即管道或测量仪管段内的不同径向位置上)。在图1C中没有明确地示出的是第四对换能器和换能器端口。将图1B和1C放在一起，这些换能器对设置成使得对应于弦A和B的上面两对换能器形成一个X形，对应于弦C和D的下面两对换能器形成一个X形。流体的流动速度可以在每个弦A-D处确定，从而获得弦流动速度，并且弦流动速度可以组合起来，以确定在整个管道上的平均流动速度。从平均流动速度，可以确定在管道中流动的流体的量。
图2更详细地示出换能器对的各种部件，以便介绍关于本发明各实施例的基本原理。具体地说，图2示出连接于第一换能器202和第二换能器204的控制电子器件200。为了讨论的目的，换能器202是发送换能器，换能器204是接收换能器；然而，在实际操作中，这些角色可以交替变化。控制电子器件200通过电信号线206连接于换能器202，并且控制电子器件200通过电信号线208连接于换能器204。可以包括执行程序的微处理器的控制电子器件200沿着线路206向换能器202发送信号，该换能器202又产生声信号。然后，该声信号经过在流体中的换能器202和换能器204之间的距离L。换能器204接收声能，并且沿着线路208向控制电子器件200发送电信号。当向换能器202发送的信号离开控制电子器件时，控制电子器件200可以开始计时器，并且当来自换能器204的信号到达控制电子器件200时，可以停止计时器；但是，由控制电子器件200测量到的总时间不仅包括声信号通过换能器202和204之间的流体传输的时间，而且也包括与该信号从控制电子器件200到换能器202的传送相关联的延迟、换能器204和控制电子器件208之间的传送延迟、通过换能器和相关联的匹配层的延迟、以及接收到的信号的第一次到达直到该接收到的信号(这个测量点受衍射效应的影响，并且其在下面更详细地讨论)的测量实际点之间的延迟。控制电子器件和换能器之间的传送延迟和和换能器和控制电子器件之间的传送延迟在大多数情况下是可以忽略的，但是，即使不可以忽略，对于控制电子器件和换能器之间的固定长度电线，它至少也是一个常数。然而，衍射效应取决于换能器之间的距离。
虽然说明书的主题的发明人不希望结合为什么存在衍射效应的任何具体的物理理论，但是图3A和3B示出了一种用于衍射效应的一种可能的物理理论。具体地说，图3A示出在换能器之间具有相对比较近的距离L的换能器202和换能器204。考虑换能器202的一个单个元件300振动，以产生声信号(要理解，换能器的整个面也振动，以产生信号)，声信号传播到达换能器204的表面的距离是不同的。具体地说，全部声信号的一部分可以沿着线路302传播并且在所示的位置处碰撞在换能器204的表面上。全部声信号的另一部分可以沿着线路304传播并且在所示的位置处碰撞在换能器204的表面上。如图所示，这两部分声信号的传播的距离是不同的，并且因此由换能器204接收到的合成信号可受到声信号的各部分的相长干涉和/或相消干涉的影响。图3A示出了两个可能的路径，但是从换能器202的点300发射出来的声信号沿着一定波前(wavefront)传播，该波前的各部分在不同的时间碰撞在换能器204的上。
相比而言，图3B示出在换能器之间具有相对比较长的距离L的换能器202和换能器204。从换能器202的单元300发射出来的全部声信号的一部分可以沿着路径306或308传播；但是由于距离L增加，路径306和308渐近地达到同样的值。因此，与接收声信号相关的相长干涉和/或相消干涉是不同的，这影响了接收到的信号的各种特性。
具体地说，并且参考图4，图4示出说明性的接收到的信号400，例如可以是由换能器204接收的。虽然接收的信号400的任何特征均可以用作用于计算传输时间的触发器，但是根据本发明的一些实施例，利用的是第二个从正到负的过零交点402。因此，在找到第二个零交点402的时候的这点上，控制电子器件200(图2)停止对总的测量的时间的计时器。但是衍射效应表明其本身作为接收到的信号的时间上的一个时滞(skewing)。更具体地说，即便诸如声速和/或流体流动速度的所有参数保持不变，随着距离L变小时，第一个移动404和选择的特征之间的时间变长。相对于总的测量到的时间，并且更重要的是相对于传输时间，与衍射效应相关的时间是不可忽略的，因此，根据本发明的实施例，在计算传输时间上要考虑衍射效应。为了本说明书和权利要求书的目的，术语“延时”涵盖了小于传输时间的总的测量到的时间。或者说，传输时间是对衍射效应和其他时间延迟进行修正后的换能器之间的总的测量到的飞行时间。因此，延时不仅包括与电子器件、换能器和匹配层相关的传输延迟，而且还包括由衍射效应引起的任何延迟。
执行根据本发明的至少一些实施例方法的第一步是确定无穷远地间隔开时的一对换能器的延时。在一些实施例中，这种确定在试验台(test cell)内进行。于是，当把一对换能器放置在超声波测量仪中时，使用计算以无穷大间隔的换能器的间距的延时的试验台，并且在实际测量仪中使用的延时是在对实际间距进行修正后的无穷大间距处的延时。根据本发明的实施例，修正基本上根据下面的公式进行 其中τ∞在无穷大的换能器间距处的延时；τ是在换能器间距为L处的延时；a是换能器的半径(对于给定的换能器结构，换能器的“半径”可以根据经验确定)；L是该换能器之间的距离，而c是换能器之间流体的声速。
从试验台到实际测量仪的延时值的调整可以叫做调整延时或补偿延时。补偿延时的一种方式是将计算的在无穷远处的延时τ∞加载在与测量仪相关联的处理器中，并且使安装在测量仪中的固件利用测量仪中的换能器之间的距离L计算正确的延时。然后，对于测量仪中的流体的声速变化可以动态地修正延时。
在替代性实施例中，延时可以在测量仪中测量。对于各个换能器之间的改变的距离，这种第二种技术具有不需要补偿的优点，但是它需要较长处理时间以获得测量仪中的流体的近似常数值的(即，可以接受的稳定的)声速。在另外一些实施例中，可以利用在测量仪中的不同水平面上的温度测量值以补偿温度的影响，并且在这些替代性实施例中，可以测量在其中一个弦(例如弦B)的水平面上的温度，并且确定弦B的延时。测量在弦水平面上温度的替代性实施例将不需要较长处理时间。根据本发明的这些实施例，尽管试验台和/或实际测量仪在换能器之间具有不同的面对面的间距的事实，并且也尽管在试验台和/或延时被测量的测量仪中的流体的声速是不同的这样的事实，超声波测量仪仍然可以补偿衍射效应。
在相关技术中，每个或任何换能器对具有其测量到的延时，并且然后该延时被提供给有换能器安装在其中的实际超声波测量仪中的控制电子器件，以补偿延时效应(记住，但是相关技术并不补偿衍射效应)。但是，本发明的发明人已经发现，只要对于超声波测量仪中的一对换能器计算在无穷大间距处的延时(τ∞)，例如通过在试验台中确定，则可以确定在超声波测量仪中的另一对换能器的延时，而不需在试验台中专门测试另外对换能器。
图5示出根据本发明的实施例确定延时的方法。具体地说，这个过程通过在试验台内测量延时来开始(方块500)。如果在试验台中的换能器之间的距离L是已知的，则可以计算在无穷大间距处的延时(τ∞)，例如，利用上面的公式(1)(方块502)。在之后的某个时间，换能器对可以安装在实际测量仪中(方块504)，并且可以用在无穷大间距处确定的延时(τ∞)和面对面的间距L计算延时(τ)(方块506)。
根据另一些实施例，可能延时没有测量到或不知道的另一些弦的延时可以利用η(伊塔)函数确定。为了导出η，已知对于已知长度LA的弦A，以声速c传播通过零流动的均质介质的超声波在时间tA内经过弦A的长度LA。该时间tA也是当流体通过该测量仪时，超声信号沿着弦A的平均传输时间。tA可以用代数方法表示如下 通过代数运算，它变成 这对第二弦B也是正确的，因此 由于在电子器件、换能器、匹配层中以及上面讨论的衍射效应中有固有的延时，因此超声信号的传输时间并不是总的测量到的时间，总的测量到的时间T可以定义为 T＝t+τ(5) 其中T是总的测量到的时间，t是超声信号的传输时间，τ是与物理系统相关的延时，例如与电子器件、换能器、匹配层和/或衍射效应相关的延时。在对于弦A和B，延时是相同的时，τ可以用作弦A和B两者的延时。从公式(4)，声速可以表示为 跟着假设，介质中的声速在弦A和B处是相同的 LA(TB-τ)＝LB(TA-τ)(7) 和 如果ΔL定义为 ΔL＝LA-LB (9) 于是τ可以表示为 与弦A相关的换能器对的延时τA，和与弦B相关的换能器对的延时τB可以是不同的。但是为了推导伊塔(η)的目的，假定τA和τB是已知的，假定每个测量仪都被校准，以分解(factor out)这些换能器的延时，在这些假定下，于是，τA和τB等于零并且因此相同。
由于总的测量到的时间T被定义为传输时间t加上延时τ，因此可以用传输时间代替总的测量到的时间T，其中已经进行了延时修正，结果得到 于是可以确定变量η(伊塔) 其中LA是弦A的长度；LB是弦B的长度；tA是超声信号沿弦A的传播时间，tB是超声信号沿弦B的传播时间，而ΔL是LB-LA。
令“te”等于传输时间误差，公式(12)可以重新写成 如果弦B是较长的弦，则LLong对应于弦B的长度，LShort对应于弦A的长度，teShort是弦A的传输时间误差，teLong是弦B的传输时间误差。如果在由处理器使用的延时中没有与用于弦A和弦B的换能器对的实际延时相关的误差，则伊塔将基本上为零。还应当指出，如果由于波峰选择误差而对超声信号的到达时间有错误的识别，则伊塔将是非零的，如在美国专利6,816,808号中所描述的，该波峰选择误差可以检测，该美国专利6,816,808号的发明名称是“用于超声波测量仪的传输时间的波峰转换检测器”，该专利被转让给与本说明书的同一个受让人。由于波峰通常不同的幅度，由波峰选择错误引起的伊塔变化可以与其他的延时误差区分开来。而且，在存在换能器污垢的情况下，伊塔也可以是非零的。
现在已经推导出用于伊塔的公式，图6示出根据本发明的实施例可以执行的方法，以计算一对换能器的延时，该换能器在无穷大间距处的延时(τ∞)没有通过利用一对延时被测量和/或是已知的换能器对，利用试验台或其他测量仪来确定。具体地说，这个过程通过测量第一对换能器的延时而开始(方块600)。如上所述，这种延时测量可以在试验台中进行，或者在实际的超声波测量仪中进行。之后，将第一对换能器安装在包括第二对换能器的超声波测量仪中，第二对换能器的延时并不精确地知道，并且将该第一对换能器在无穷大间距处的延时(τ∞)加载在与超声波测量仪相关的处理器中(方块602)。在这种情况下，用于测量仪的处理器利用换能器间距计算延时(τ)。在替代性实施例中，延时(τ)可以在外部计算出来并且直接供给测量仪。第二对换能器的延时可以设置为默认值，或者可以设置为精确度正在讨论的测量值。之后，知道与每对换能器相关的弦长、计算伊塔(例如，利用下面的公式(4)或(5))并假定第一对换能器的时间误差等于零或基本等于零，可以计算在超声波测量仪中的第二对换能器的延时。通过公式(13)的代数运算，可以确定与第二对换能器相关的传输时间误差(它为延时误差)(方块604)。
上面对伊塔的推导基于通过测量仪的零流动的假设或试验台具有均质介质的假设。在现实世界的应用中，在非常低的流速下，由于分层和对流，均质介质的假设不必是正确的。在高流速情况下，紊流和压力波动扰乱介质的均质性。一些实施例通过利用测量到的声速(c)执行下面伊塔方程的理论。通过利用具有通过测量仪的流动的测量仪，在测量仪中的流体变成均质的，且因此，在每个弦上的声速将基本相同。在一些实施例中，平均传输时间tA基于用于弦A的上游和下游测量值的一个批量的平均值。测量值的一个“批量”是组合起来(例如，真实平均、不考虑无关的平均、移动平均等)的一组(例如，20个)测量值。同样，tB基于用于弦B的上游和下游测量值的一个批量的平均。但是，tA＝LA/cA，并且tB＝LB/cB，并且从公式(12)，跟着代数上得到 其中，η是误差表示符伊塔，LA、LB是弦A和弦B的长度；cA、cB是弦A和弦B的测量到的声速值；而ΔL是弦A和弦B的长度之差。或者，公式(14)可以写成 用于伊塔的公式(15)具有另外的优点，因为一些超声波测量仪可以计算相对于每个弦通过测量仪输送的流体的声速，并且因此在出现流动时时可以计算伊塔的值(而公式(13)假定为零流动) 关于图6的方法存在许多改变。在第一个情况下，假定对于其中一个弦，精确地知道延时。为了说明的目的，假定对于一个长弦，延时是已知的。但是不知道短弦的确切的延时。正如这里所用的，术语“长弦”是指至少有一个长度短于长弦的弦。术语“短弦”是指至少有一个长度长于短弦的弦。可以知道或假定短弦的延时的近似值τShortOld，而且它甚至可能是零值(尽管换能器对总是有相关的延时)。在长弦的延时是已知的情况下，关于长弦的传输时间误差的测量误差认为是零(teLong＝0)。因此，令ΔL＝LLong-LShort，从公式(13)跟着得到 其中LLong是所选换能器对中间隔开比LShort更远的换能器之间的距离；LShort是所选换能器对中间隔开比LLong更近的换能器之间的距离。并且teShort是关于短弦的传输时间误差。如果LShort是正确的，则新的延时τShortNew为 τShortNew＝τShortOld+teShort(17) 在使用者对短弦的在无穷大间距处的延时(τ∞)有把握，但是η≠0的情况下，在短弦的弦长测量中可能有误差。如果在短弦的无穷大间距处的延时(τ∞)已知是正确的，则长度修正(LCor)是 LCor＝teShortCLong(18) 并且新的短弦长度(LShortNew)为 LShortNew＝LShortOld+LCor (19) 在关于图6的第二种情况下，对于短弦，延时被精确地知道，其中感兴趣的变量是关于长弦的延时误差。由于短弦的延时是已知的，因此它的误差为零。因此，从公式(12)跟着得到 如果LLong是正确的，则新的延时(τLongtNew)是 τLongNew＝τLongOld+teLong (21) 当已知的量是长弦和短弦之间的延时之差时，也可以用变量伊塔。图7示出可以根据本发明的实施例进行的方法，以便一旦知道两个换能器之间的延时差之后，则确定换能器对的延时。具体地说，这个过程通过测量两个换能器对的延时差而开始(方块700)。应当指出测量两个换能器对的延时差不需要知道流体的声速，但是两个换能器之间的弦长应当是相同的，以减少测量误差。其后，将无穷大间隔处的延时(τ∞)，计算到的对于衍射效应进行修正的延时(τ)，或计算到的延迟时间差加载到与超声波测量仪相关联的处理器中(方块702)。然后，利用伊塔，进行确定，确定该第一个两对换能器的传输时间误差(方块704)。于是，对于两个弦，伊塔都等于传输时间误差。最后，利用伊塔进行确定，确定另外对换能器的延时(方块706)，例如在图6中所描述的那样。
当知道延迟时间差时，确定每个弦的延时的过程如下。令Δte为传输时间误差之差，它等于teLong-teShort。跟着得到 和 因此，短弦的传输时间误差可以从公式(25)确定。短弦的传输时间误差可以用于确定短弦的新的延时，基本由下面的公式给出 τShortNew＝τShortOld+teShort(26) 从Δte等于teLong减teShort的假定，从已知teShort的值跟着得到，teLong为 teLong＝teShort+Δte (27) 并且最后，长弦的新的延时可以从下式得到 τLongNew＝τLongOld+teLong(28) 由于知道长弦和短弦两者的延时，所以可以确定测量仪中的其他弦的其他延时，如图6所示。因此图7中所示的方法依赖于精确的L测量值，并且其优点在于不需要知道流体的声速。
从上面推导的伊塔的公式假定了在延时测量中产生误差。当换能器对的换能器之间的距离不确定时，出现另一种情况。如果距离L不确定，但是在无穷大间距处的延时(τ∞)有把握，则可以利用叫做厄普西隆(∈)的与伊塔有关的变量，以便确定换能器之间距离L是否已经被正确地确定(establish)，并且如果没有正确确定的话，则确定L的误差。
图8示出根据本发明替代性实施例的方法，以便一旦该换能器对的延迟时间差知道之后，确定传感对的间距长度。这个过程从测量两对换能器的延时开始(方块800)。随后，将两对换能器安装在其中一个弦长是已知的或被精确测量的超声波测量仪中(方块802)。之后，做出确定，确定另一对换能器的弦长(方块804)。
从公式(1)至(2)，正确的声速CTrue为 如果在短弦的长度测量中存在误差时 同样，如果在长弦的长度测量中存在误差时 合并公式(30)和(31)，得到 公式(32)通过代数运算变成 由于每项表示真实声速，因此合并在一起的第一个两项等于零，这是假设对于两个弦是相同的。如果还假设长弦的误差等于短弦的误差，则 和 因此 当没有长度误差时，公式(36)右面的表达式判断为零。
函数∈(厄普西隆)可以定义为等于公式(36)右面的表达式，因此使得 可以推导出具有各种优点的不同的厄普西隆的表达式，例如，由于t＝L/C，跟着得到 其简化成 公式(39)的表达式的优点是根据距离L和流体中的声速计算厄普西隆。由于至少一个L值假定为已知的，并且声速是由超声波测量仪确定的量，因此这是比较方便的计算。
如果在公式(38)中替换C值，而不是替换t值，则厄普西隆变成 其简化为 由于L的值等于LTrue+LError，所以可以进行替换 整理后得到 第一项等于零，使得 公式(44)指出长弦和短弦的误差影响厄普西隆。在零流动下的传输时间不能用流动表示，所以可以用L/C代替t，且因此公式(44)变成 并且简化后 公式(46)的优点是一旦在测量仪中测量厄普西隆之后，可以用厄普西隆的值并且长度误差更容易计算。
厄普西隆和伊塔的公式是； 和 因此，厄普西隆能够表示为伊塔的函数 公式(49)的比值看起来像负的声速。通过令CLong等于CShort，公式(49)简化为 ε＝-Cη(50) 在第一种情况下，假定长弦被正确地测量。为了得到短弦的长度误差LShortError 由于LLongError等于0，所以这简化为 ε(CLongLShort-CShortLLong)＝-CShortLLongLShortError (52) 或 和 因此，如果延时是正确的，则长度误差为 LShortNew＝LShortOld-LShortError(55) 如果LShort是正确的，则长度误差可以转换成传输时间误差 并且新的延时为 τShortNew＝τShortOld+teShort(57) 如果短弦的距离L已知是确信的，则长弦的长度误差LLongtError为 由于LShortError等于0，因此这简化为 ε(CLongLShort-CShortLLong)＝CLongLShortLLongError (59) 或 和 因此，如果延时是正确的，于是长度误差为 LLongNew＝LLongOld-LLongError(62) 如果LLong是正确的，则长度误差可以转换成传输时间误差 并且新的延时为 τLongNew＝τLongOld+teLong(64) 因此，伊塔和厄普西隆是等同的描述，并且任何一个可以用于确定传输时间误差或长度误差。按照图6-8所示的方法，有一些变化的情况，在这些情况中，为了有利的目的可以利用伊塔和厄普西隆。
根据至少一些实施例，伊塔可以用于检验多对换能器的测量到的延时和距离L。特别是，可以测量或确定多对换能器在无穷大间距处的延时(τ∞)，例如，在试验台内。其后，将所有的换能器对安装在一个超声波测量仪中。将在无穷大间距处的延时(τ∞)输入与超声波测量仪相关联的处理器中，然后超声波测量仪利用相应的L值计算延时。或者，可以用τ∞和长度L在外部计算延时，并且将这些延时直接输入测量仪中。最后，以通过测量仪的恒定的或校准的流体流率，计算伊塔，以得到良好的混合，而没有明显的紊流，例如20至30英尺/秒，以检验延时的精确度(方块906)。如果对于任何给定的一对弦，伊塔基本都上等于零，那么该对弦的延时和弦长已经被精确地测量到。
根据另外的实施例，伊塔可以用于调整延时有错误的弦的延时(并且假定每个换能器对之间的距离L是精确知道的)。具体地说，超声波测量仪中的间距精确地知道时的一对弦的伊塔的非零值表示在至少一个弦的无穷大间距处的延时(τ∞)未被精确地测量到。校准流体流率通过测量仪确定，并且其中一个弦被选作基准。之后，调整另一个弦的延时，直到伊塔的值基本为零。在这个所说明的调整中，伊塔的大小被用于计算延时误差，例如用公式(15)，为了方便，下面重新得到 根据又一些实施例，厄普西隆可以用于检验换能器对之间的正确距离(并且假定对于每对换能器，τ∞都已经精确地确定)。具体地说，如果厄普西隆的值不为零(并给出上面的值)，则一个弦被选为基准。之后，调整另一些弦的长度，直到基准弦和在测试中的弦之间的计算出来的厄普西隆基本为零。在这个说明的调整步骤中，厄普西隆的大小可以用于确定长度测量上的误差， 根据再一些实施例，伊塔可以用于检验在多个超声波测量仪中测量的延时和距离L。具体地说，可以确定多对换能器，例如四对换能器，在无穷大间距处的延时(τ∞)，例如在试验台内。其后，换能器对可以安装在多个测量仪中的每个内。将在无穷大间距处的延时(τ∞)输入与超声波测量仪相关联的处理器中。于是超声波测量仪利用相应的L值计算延时。或者，可以利用τ∞和长度L在外部计算延时，并且将这些延时直接输入测量仪中。在校准多个测量仪中每个的流率时，对于每个测量仪，将伊塔计算为在现有的测量仪对和在无穷大间距处的延时(τ∞)已经测量到的换能器对之间。如果伊塔为表示现有的换能器对的延时误差的非零值，则伊塔可以用于调整现有弦的换能器对的延时。如果需要的话，则在每个测量仪中的每个现有的换能器对调整都可以重复。
根据另一些实施例，伊塔可以用于调整在超声波测量仪中的换能器的延时(并且对于每个弦，假定距离是已知的)。具体地说，精确地确定换能器对在无穷大间距处的延时(τ∞)，例如，在试验台或在超声波测量仪中确定。然后，将换能器对安装在超声波测量仪中，安装在弦上，该弦最靠近超声波测量仪中温度测量处。在校准流率期间，其余的换能器对的延时利用伊塔调整。
根据又一些实施例，在一对或多个现有的换能器对出现故障之后(并且假定至少一个换能器对没有故障并且每个换能器对的距离L是已知的)，伊塔可以用于设置一个或多个安装后的换能器对的延时。具体地说，出故障的换能器对用新的换能器对替换，并且新安装的换能器对的延时对于距离L被修正。在校准流率期间，没有故障的换能器对被选作基准，并且用这个基准并且对于每个新安装的换能器对计算伊塔。对于每个新安装的换能器对，需要时可以如上所述利用伊塔来调整延时。
根据又一些实施例中，在一对或多个现有的换能器对出现故障之后(并且假定至少一个换能器对没有故障并且延时是精确地知道的)，伊塔可以用于设置一个或多个安装的换能器对的间距。具体地说，出故障的换能器对用新的换能器对替换，并且将新安装的换能器对的延时输入，同时包括对于在试验台和实际超声波测量仪设备之间的距离L上的差异的调整。在校准流率期间，没有故障的换能器对被选作基准，并且用该基准并且对于每个新安装的换能器对计算伊塔。对每个新安装的换能器对，需要时则可以如上所述地利用厄普西隆调整距离L。
最后，根据再一些实施例，伊塔可以用于根据两个不同的换能器对的延迟时间差(并且假定每个换能器对的距离是精确地知道并且不同的)计算延时。具体地说，测量两个换能器的延迟时间差，并且确定在无穷大间距处的延时(τ∞)。然后，将两个换能器对安装在超声波测量仪中，将其中一对换能器安装在短弦上，并且将一对换能器安装在长弦上。将估算出的每个换能器对的延时输入与超声波测量仪相关联的处理器中，并且对每对换能器的距离L上的差异进行补偿。在校准流率期间，将计算出伊塔的值，并且该值为修正值，以应用于两个弦，之后，所有的换能器对都可以让其延时进行适当调整。这些实施例能够在不知道流体中的声速的情况下计算延时。在对于通过测量仪的流体流在声速测量中具有明显的误差的情况下，这是主要的优点。在不知道试验台或实际测量仪的流体中的声速的情况下能够进行确定还不需要测量压力和温度和/或使用氮气。
本发明的各种实施例不仅能够应用于四弦超声波测量仪，而且还能够应用于其他的测量仪设计，例如具有不同弦数的测量仪。本发明还应用于回弹路径(bounce path)超声波测量仪中(只要这些测量仪具有不同长度的两个弦)。此外，诸如LA和LB的术语的使用不应当被理解为将本发明限制于一组特定的弦。本发明可以与超声波测量仪中不同长度的任意的弦一起使用。
虽然已经示出并描述了本发明的各种实施例，但是在不脱离本发明的精神实质或内容的情况下，本领域的技术人员能够对本发明进行修改。这里所描述的实施例只是示例性的而不是限制性的。例如，这些实施例像用于模拟信号一样同样也很好地适用于数字信号。系统和装置的多种变化和修改都是可能的，并且它们都在本发明的范围内。例如，这些实施例适用于从具有不同长度的两个或更多个弦产生的任何超声数据，并且不限于所公开的四弦测量仪。因此，保护范围不限于这里所描述的实施例，而是由所附的权利要求限定，其范围应当包括权利要求的主题的所有等同物。
权利要求
1.一种方法，包括以下步骤
测量第一换能器对的延时；
在装有第一和第二换能器对的超声波测量仪中，测量在第二换能器对之间传输的超声信号的总测量时间；和
利用第一换能器对的延时和所述第二换能器对的总测量时间，计算与第二换能器对相关的参数。
2.根据权利要求1的方法，其中测量延时的步骤还包括确定在第一换能器对的无穷大间距处的延时。
3.根据权利要求2的方法，其中计算步骤还包括利用在第一换能器对的无穷大间距处的延时计算所述参数。
4.根据权利要求1的方法，其中计算步骤还包括计算第二换能器对的延时。
5.根据权利要求1的方法，其中计算步骤还包括计算第二换能器对的延时的延时误差。
6.根据权利要求1的方法，其中计算步骤还包括计算第二换能器对之间的距离。
7.根据权利要求1的方法，其中计算步骤还包括计算第二换能器对之间的距离误差。
8.根据权利要求1的方法，其中计算步骤还包括利用第一换能器对的延时和与第二换能器对相关的时间来计算所述参数，其中所述与第二换能器对相关的时间至少部分地补偿总测量时间和实际传输时间之间的差。
9.根据权利要求1的方法，其中测量第一换能器对的延时步骤还包括在第一换能器对位于试验台内的情况下，测量第一换能器对的延时。
10.一种方法，包括以下步骤
测量第一对换能器和第二对换能器之间的延时差；
在装有第一对换能器和第二对换能器的超声波测量仪中，测量在第一换能器对之间传输的超声信号的第一总测量时间；
测量在超声波测量仪中的第二换能器对之间传输的超声信号的第二总测量时间；和
利用所述延时差和总测量时间计算第一对换能器的延时。
11.根据权利要求10的方法，还包括利用延时差和总测量时间计算第二换能器对的延时。
12.根据权利要求10的方法，其中测量延时差的步骤还包括在试验台中测量延时差。
13.根据权利要求10的方法，其中计算延时的步骤还包括利用延时差和至少部分地补偿总测量时间和实际传输时间之间差值的时间来计算第一换能器对的延时。
14.一种超声波测量仪，包括
流体地连接在运输流体流的管道内的管段；
与管段相关联的控制电子器件；
通过管段的第一弦，该第一弦接收第一对换能器，并且控制电子器件连接于该第一对换能器；和
通过管段的第二弦，该第二弦接收第二传对感器，并且控制电子器件连接于该第二对换能器；
其中控制电子器件接收与第一对换能器的延时成比例的值，并且其中控制电子器件利用至少与第一对换能器的延时成比例的所述值，计算与第二对换能器相关的参数。
15.根据权利要求14的超声波测量仪，其中控制电子器件接收与处于无穷大间距处的延时成比例的值。
16.根据权利要求14的超声波测量仪，其中控制电子器件计算第二换能器对的延时。
17.根据权利要求14的超声波测量仪，其中控制电子器件构造成计算第二换能器对的延时的延时误差。
18.根据权利要求14的超声波测量仪，其中控制电子器件构造成计算第二换能器对的之间的距离。
19.根据权利要求14的超声波测量仪，其中控制电子器件构造成计算第二换能器对的之间的距离误差。
20.根据权利要求14的超声波测量仪，其中控制电子器件构造成利用第一换能器对的延时和与第二换能器对相关、至少部分地补偿总测量时间和实际传输时间之间差值的时间，计算参数。
全文摘要
用于确定在超声波测量仪中的换能器的延时和换能器间距的方法和系统。所示的实施例中的至少一些是一种方法，包括以下步骤测量第一换能器对的延时，在装有第一和第二换能器对的超声波测量仪中，测量在第二换能器对之间传输的超声信号的总的测量到的时间，和利用第一换能器对的延时和所述第二换能器对的总的测量到的时间，计算与第二换能器对相关的参数。
文档编号G01F1/66GK101287968SQ200680038303
公开日2008年10月15日 申请日期2006年7月21日 优先权日2005年8月15日
发明者小威廉姆·R·弗罗因德, 克劳斯·J·赞克 申请人:丹尼尔度量和控制公司