用于确定流体中的分散气相的含量的方法与流程

本发明涉及一种用于借助于超声波确定在流动方向上在管线中流动的流体中的分散气相的含量的方法，其中借助于超声波测量装置确定两个经过管线中的流体的测量信号之间的渡越时间差。

背景技术：

1、在方法技术中，使用非侵入性方法用于研究流体或用于对在管线、例如柔性塑料软管中流动的流体进行测量。这尤其是在这样的高纯度或非常敏感的流体的情况下是这种情况，其中应该尽可能避免流体与测量装置之间的接触，例如以便不污染流体。作为示例在这里提到制药行业和生物技术行业。在这里，通常生产和输送溶液和悬浮液，它们对流体的纯度和/或完整性提出非常高的要求。这种流体通常甚至必须在无菌条件下处理。

2、尤其是超声波测量技术作为用于测量在管线中流动的流体的非侵入式方法已经得以证明。例如，使用用于对在管线中流动的流体进行测量的超声波测量装置，用于确定流体通过管线的流量。在此，已知的措施是将测量装置设计为夹紧装置，使得所述测量装置能够被夹到柔性管线上或者管线由测量装置夹住。然后，给具有其中流动的流体的管线加载超声波信号。在经过管线和流体之后，由超声波换能器接收超声波信号，并且对所接收的信号进行评估。

3、为了确定流量，已知的措施是超声波测量装置包括至少两个超声波换能器，所述超声波换能器在运行状态下横向地布置在管线的相对侧处。两个超声波换能器相对于流体的流动方向彼此偏移地布置并且在此被对准为使得第一超声波换能器可以接收由第二超声波换能器发射的信号，并且第二超声波换能器可以接收由第一超声波换能器发射的信号。在此，由于彼此偏移，两个超声波换能器被对准为使得所述超声波换能器分别相对于流体的流动方向倾斜地发射其超声波信号，其中一个超声波换能器顺着流动方向倾斜地发射信号，而另一超声波换能器逆着流动方向倾斜地发射信号。现在，利用第一超声波换能器发射测量信号，所述测量信号由第二超声波换能器接收；并且然后由第二超声波换能器发射测量信号，所述测量信号由第一超声波换能器接收。

4、沿流动方向倾斜地发射的测量信号在流动中被加速，而逆着流动方向倾斜地发射的测量信号被流动减速。两个测量信号的渡越时间差与流体的流速成正比，使得可以从该渡越时间差中确定通过柔性管线的流量。

5、除了基于渡越时间或渡越时间差的测量的这样的超声波方法之外，确定超声波信号的幅度或频率或衰减的方法也是已知的。利用这些参数以及尤其是从这些参数、例如渡越时间和衰减的组合中可以除了流量之外还确定流体的其他特征参量，例如其粘度或其光学密度。

6、但是非常经常地，流体不是单相流体，而是多相系统，例如分散体。分散体的特征在于不溶解的成分存在于另一介质、所谓的分散介质中。这些不溶解的成分称为分散相。典型地，不溶解的成分以统计方式分布在分散介质中。

7、这种多相系统的重要示例是流体，尤其是液体，所述流体包含不溶解的气泡作为分散相。通常必要的是，鉴于气泡的存在研究在管线中流动的流体。如果例如在手术的范围中，通过管线例如利用心肺机泵送患者的血液，则及其重要的是，鉴于气泡、例如空气泡的存在研究在管线中流动的血液，因为这些气泡可能具有危及生命的后果。

8、为了在超声波流量测量的范围中探测气泡，在ep 2717026中已经提出，除了超声波信号的渡越时间之外还确定其在经过流体之后的幅度。幅度的剧烈减小或崩溃被用作在流体中存在气泡的指标。但是，利用这种基于幅度的测量，只能进行定性的陈述：在流体中存在气泡；关于在流体中气泡的含量的定量陈述实际上是不可能的。例如，这是因为许多小气泡可能引起与较大气泡相同的幅度下降，或者较小的气泡在较大气泡的声影中流动，以及从而根本不对幅度下降做出什么贡献。所接收的超声波信号的幅度还取决于许多其他因素，例如取决于介质的温度、超声波换能器的特性或者管线或软管的特性。因此，当今常见的是仅使用所接收的超声波信号的幅度用于定性的陈述：在流体中是否存在空气泡或气泡。

9、但是，对于许多应用来说，值得期望的是能够确定在流体中气泡或者更一般而言分散相的含量，以及能够对分散相做出可靠的定量陈述。

10、在这里作为示例应该提到自动填装工艺。在这样的填装工艺的情况下，通常使用重量作为参考，即一旦待填充的容器已经达到可预先给定的重量，就结束填充。如果例如流入待填充的容器中的液体尤其是将近填充工艺结束时包含较大含量的气泡，例如空气泡，则由此属于预先给定的重量的体积增加。空气泡更可能积聚在容器的上端部处。具有其中包含的气泡的液体的平均密度降低。由此出现待填充的容器溢出的风险，因为属于预先给定的重量的体积在容器中的空间不够。因此，装填工艺被结束得太晚，并且可能发生容器的损坏，并且在最坏的情况下可能发生容器的毁坏。这对运行人员和机器意味着危险。此外后果可能是经济损失。为了预防这样的后果，通常设置非常高的安全预留，使得在许多情况下将会提前停止或中断工艺。如果可以可靠地确定分散气相(在这里也即空气泡)的含量，则可以减小这些安全预留，并且因此可以更高效且更经济地执行该工艺。

11、本发明致力于该问题。

技术实现思路

1、基于该现有技术，因此本发明的任务是提出一种方法，利用所述方法能够可靠地确定流过管线的流体中的分散气相的含量。该方法应该能够借助于超声波测量装置来执行。因此，该方法应该基于超声波测量来实现关于流动流体中的分散气相的定量陈述。

2、解决该任务的本发明主题由独立专利权利要求的特征来表征。

3、因此，根据本发明，提出一种用于借助于超声波确定在管线中在流动方向上流动的流体中的分散气相的含量的方法，包括以下步骤：

4、a)提供超声波测量装置，其被设计用于确定在两个经过管线中的流体的测量信号之间的渡越时间差，

5、b)借助于超声波测量装置发射和接收第一测量信号，其中第一测量信号顺着流动方向发射，

6、c)借助于超声波测量装置发射和接收第二测量信号，其中第二测量信号逆着流动方向发射，

7、d)将测量信号传送给存储和评估单元，

8、e)确定在第一测量信号和第二测量信号之间的渡越时间差的单值，

9、f)通过重复步骤b)至e)确定渡越时间差的多个单值，

10、g)从渡越时间差的单值中确定渡越时间差的平均值，

11、h)确定分散参数，其表征单值的散度，

12、i)提供渡越时间差的平均值与分散参数根据分散气相的含量的变化之间的关系，

13、j)从分散参数和所提到的关系中确定分散气相的含量，

14、其中可选地渡越时间差的单值或关于多个单值的平均值被转换成流体的流量的单值或流量的平均值，并且利用流量的单值或流量的平均值执行步骤h)和i)。

15、因此，对于本发明来说重要的是以下认识；渡越时间差(或由此确定的流量的值)围绕渡越时间差的平均值(或由此确定的流量的平均值)的变动对于渡越时间差(或流量)的恒定的平均值以非常好可再现的方式取决于流体中的分散相的含量。从而，可以使用渡越时间差(或由此确定的流量的值)围绕渡越时间差(或由其确定的流量的值)的平均值的统计波动、即在一定程度上渡越时间差(或由此确定的流量的值)的“噪声”用于可靠地确定流体中的分散气相的含量、例如气泡的含量。

16、由此基于超声波流量测量可以获取关于流体中的分散气相的定量陈述。

17、根据本发明的方法的特殊优点在于所述方法基于借助于超声波的渡越时间测量。渡越时间的这样的测量至少非常好的近似地与分别接收的超声波测量信号的幅度无关，并且因此受比例如所接收的超声波测量信号的幅度的测量少得多的因素影响。

18、还已经表明，基于测量信号的渡越时间差对分散气相的含量的确定导致比例如通过评估超声波信号的幅度来确定分散气相的含量并且然后从幅度值的统计波动中估计分散气相的含量的这样的确定明显更精确并且更好地可再现的结果。

19、对于测量信号的渡越时间差的给定的平均值，可以从围绕该平均值的渡越时间差的统计波动以可靠的方式确定分散气相的含量。

20、原则上，所有超声波测量装置都适用于根据本发明的方法，利用所述超声波测量装置可以确定两个经过在管线中流动的流体的测量信号之间的渡越时间差。

21、优选地，为了发射和接收测量信号，设置至少一个第一超声波换能器，所述第一超声波换能器在运行状态下横向地布置在所述管线的第一侧上，以及设置至少一个第二超声波换能器，所述第二超声波换能器在运行状态下横向地布置在管线的第二侧上，其中第二侧与第一侧相对。超声波换能器被布置和对准为使得第一超声波换能器能够将第一测量信号相对于流体的流动方向倾斜地发射给第二超声波换能器，并且能够接收由第二超声波换能器相对于流动方向倾斜地发射的第二测量信号。

22、此外优选的是，从第一测量信号和第二测量信号之间的渡越时间差来确定流体通过管线的流量。

23、特别优选地，超声波测量装置被设计为夹紧装置，并且管线被夹紧在超声波测量装置中。这种夹紧装置例如在ep 3489634 a1中或在ep 3816590a1中公开。ep 3816590a1中公开的装置的特殊优点是在多个不同的测量平面中发射和接收超声波信号。由此例如使得能够更可靠地识别尤其是在测量体积的边缘区域中的较小气泡，以及还识别在其他气泡的阴影中移动的气泡。

24、根据本发明方法的一种优选的实施方式，以规则的间隔或连续地更新分散气相的含量的确定。

25、根据本发明的方法尤其是还适用于提高流体通过管线的流量的测量的精度。为此，例如可以借助于分散气相的含量来确定流量的经校正的平均值。然后，该经校正的平均值考虑分散气相对流量确定的影响。

26、经校正的平均值优选地说明无分散气相的流体的流量。也就是说，根据分散气相的含量可以确定分散气相对流量的单值或对流量的平均值有何种影响。从而，例如可以确定流量的经校正的平均值，其说明无分散气相的流体的流量有多大。因此可以确定“纯”分散介质的流量，这使得能够显著升高流量测量的精度。

27、原则上，是渡越时间差测量的单值(或流量的值)围绕渡越时间差(或流量)的平均值的波动或分散的度量的每个参数适合作为分散参数。分散参数优选地是统计参数，其描述单值围绕平均值的统计噪声。例如，分散参数是单值相对于平均值的方差或单值的标准偏差。

28、在根据本发明的方法的一种优选的实施方式的情况下，通过线性确定函数描述分散参数在渡越时间差(或流量)的恒定的平均值的情况下根据分散气相的含量的变化。

29、在此，特别优选的是，通过两个线性系数确定线性确定函数，其中每个线性系数根据多项式函数来确定，所述多项式函数的变量是渡越时间差(或流量)的平均值。

30、为了从渡越时间差测量中确定分散相的含量也可能的是，所述分散参数在渡越时间差的恒定的平均值的情况下根据分散气相的含量的变化以查找表被存储在存储和评估单元中。

31、尤其是对于通过管线的流体的较低流速，能够有利的是，首先确定分散气相的含量，并且从所述含量中通过应用平滑因子来确定分散气相的经修改的含量。

32、在此优选的是，利用多项式函数计算平滑因子，所述多项式函数的变量是渡越时间差的平均值。

33、在根据本发明的方法的一种优选的应用中，分散气相由气泡组成。

34、于是，分散气相的含量优选地是液体中的气泡的体积分数含量。

35、由于第一测量信号和第二测量信号之间的渡越时间差与管线中的流体的流速成正比，因此渡越时间差的每个值可以以非常简单的方式被换算成流量的值。因此，还可能的是，每个渡越时间差被换算成通过管线的流体的流量的值，并且借助于流量的值来确定分散气相的含量。然而，这种纯换算对以下事实不改变什么，即分散气相的含量的确定基于渡越时间差。如果首先将渡越时间差换算成流量的值，则代替渡越时间差的平均值、分散参数以及渡越时间差的平均值与分散参数根据分散气相的变化之间的关系，自然也必须使用对应的参量或流量的对应的关系。也就是说，将渡越时间差的单值和/或平均值换算成流量的单值和/或平均值，相应地针对流量值确定分散参数，并且将在渡越时间差的平均值与分散参数根据分散气相的含量的变化之间的关系换算成在流量的平均值与分散参数根据分散气相的含量的变化之间的关系。

36、此外可能的是，分别首先从可预先给定数量的单值中确定平均单值，并且然后根据平均单值进行统计评估、也即尤其是分散参数的确定。这基本上对应于在统计评估之前对单值进行平滑。

37、本发明的其他有利的措施和设计方案由从属权利要求得出。