專利名稱：低功率超聲波流量測量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量管道中流體的流速的超聲波流量測量方法，以及一種用于測量管道中流體的流速的超聲波流量計。

背景技術(shù)：
超聲波流量計是公知的，且通常分為兩類，即時差式(transit time)超聲波流量計和多普勒超聲波流量計。
圖1圖示了用于測量通過管10的流體的流量的典型時差式超聲波流量計的操作。箭頭X示出了流體的流量方向。該超聲波流量計使用了附著于管10的外表面16的一對超聲波換能器12和14。換能器12和14設(shè)置在管10的相對側(cè)，相隔距離L，其中第一換能器12在上游位置，而第二換能器14在下游位置。
為進(jìn)行下游流量測量，相對于流量方向X以角度θ從上游換能器12向下游換能器14發(fā)射下游超聲波信號Y。測量出下游信號Y到達(dá)下游換能器14的傳播時間td。
同樣，為進(jìn)行上游流量測量，相對于流量方向X以角度θ從下游換能器14向上游換能器12發(fā)射上游超聲波信號Z。測量出上游信號Z到達(dá)上游換能器12的傳播時間tu。
傳播時間tu和td由下式得到 其中c為流體中的聲音速度，v為流速。于是，傳播時間之差Δt由下式得到 通常，聲音速度遠(yuǎn)大于流速(即，v＜＜c)。例如，與典型的流速0.01至4ms-1相比，20℃的純水具有1482ms-1的聲音速度。因此，等式(4)近似于 而且，聲音速度可根據(jù)上游和下游傳播時間tu和td的平均來計算 因此，將等式(7)代入等式(5)，可根據(jù)所測量的傳播時間來計算流速，如以下所示 超聲波流量計可以以多種方式來實施。最為常見的是將其用在不能使用替選測量技術(shù)或要求高性能的工業(yè)應(yīng)用中。然而，這種工業(yè)超聲波流量計由于其物理限制、功率消耗或制造成本，而不適合于大量生產(chǎn)或消費者市場。
本發(fā)明的目的是克服工業(yè)超聲波流量計的限制，以及提供一種能夠以低功率工作的超聲波流量測量的方法和系統(tǒng)。尤其是，期望提供一種能夠利用電池工作達(dá)10年之久并能夠以低成本制造的系統(tǒng)。


發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于測量管道中流體的流速的超聲波流量測量方法，該方法包括提供超聲波流量計，該超聲波流量計包括微處理器、時鐘以及一對用于發(fā)射穿過流體的信號并接收所發(fā)射的信號的超聲波換能器對；以時鐘所測量的時間間隔將超聲波流量計從無源狀態(tài)切換到有源狀態(tài)，超聲波流量計在無源狀態(tài)下所使用的功率量小于在有源狀態(tài)下超聲波流量計所使用的功率量；執(zhí)行超聲波流量測量周期；以及在超聲波流量測量周期完成后將超聲波流量計從有源狀態(tài)切換至無源狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于測量管道中流體的流速的超聲波流量計，該超聲波流量計具有無源狀態(tài)和有源狀態(tài)，在有源狀態(tài)中執(zhí)行超聲波流量測量周期。該超聲波流量計包括一對用于發(fā)射穿過流體的信號并接收所發(fā)射的信號的超聲波換能器，超聲波換能器在超聲波流量計的有源狀態(tài)下可操作，而在無源狀態(tài)下不可操作；時鐘，可在超聲波流量計的有源和無源狀態(tài)下操作；以及微處理器，可用于以時鐘所測量的時間間隔將超聲波流量計從無源狀態(tài)切換至有源狀態(tài)，該微處理器還用于在超聲波流量測量周期完成之后將超聲波流量計從有源狀態(tài)切換至無源狀態(tài)；超聲波流量計在無源狀態(tài)下所使用的功率量小于在有源狀態(tài)下所使用的功率量。
因此，本發(fā)明提供用于低功率超聲波流量測量的方法和設(shè)備，其使得用戶能夠確定管道中流體的流速和方向，并確定液體流量計中氣流的周期或者氣體流量計中的濕度周期。此外，本發(fā)明能夠進(jìn)行統(tǒng)計分析以提高精確度和性能，并針對流體粘度和溫度的變化提供持續(xù)的校正。此外，本發(fā)明能夠進(jìn)行超聲波流量計的自動自檢測(self-test)，以及對電路器件中的漂移(drift)進(jìn)行自動校準(zhǔn)、自檢驗(self checking)和校正。
本發(fā)明的其它優(yōu)選特征在所附權(quán)利要求中陳述。



現(xiàn)在利用參考附圖的示例來對本發(fā)明的實施例進(jìn)行描述，在附圖中 圖1圖示了用于測量穿過管的流體的流量的典型時差式超聲波流量計的操作； 圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的超聲波流量計的示意性表示； 圖3示出了超聲波流量測量周期的一部分的定時；以及 圖4a和4b示出了發(fā)射和接收的信號以及來自相位比較器的輸出信號。

具體實施例方式 圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的超聲波流量計20的示意性表示。超聲波流量計20可用于測量管道中流體的流率。
超聲波流量計20包括具有內(nèi)部時鐘24的低功率微處理器22。該內(nèi)部時鐘電路使用外部低頻晶體振蕩器來確保時間和溫度的穩(wěn)定性，通常使用32kHz的鐘表晶體(watch crystal)。在替選實施例中，時鐘24不必在微處理器內(nèi)部。超聲波流量計還包括快速時鐘26、時鐘分頻器(clockdivider)28、移相器30、超聲波換能器陣列32、門34、放大器36、比較器37、計數(shù)器38、相位比較器40、電流源42、電容器44，以及讀取裝置46。微處理器22是系統(tǒng)的心臟，控制超聲波測量過程中的所有各個步驟的定時。
如現(xiàn)有技術(shù)中那樣設(shè)置超聲波換能器陣列32，使得陣列32中的換能器能夠發(fā)射穿過流體的信號并接收所發(fā)射的信號。陣列32包括至少一對超聲波換能器，每對超聲波換能器共同形成相應(yīng)的發(fā)射器-接收器對。優(yōu)選地，所述對中的每個換能器可接收和發(fā)射超聲波信號。然而，還應(yīng)預(yù)見到可提供單獨的換能器來完成發(fā)射和接收功能。如在現(xiàn)有技術(shù)中一樣，換能器對可固定在管道外表面的相對側(cè)，一個換能器在上游位置，一個換能器在下游位置。這樣，一對上游和下游傳播時間測量結(jié)果將使得能夠計算管道中的流體的流速。超聲波換能器陣列32可經(jīng)由復(fù)用器連接到微處理器32，其允許任何換能器在任何時候以任何組合連接到發(fā)射器或接收器電路。
在使用中，超聲波流量計20具有兩個工作狀態(tài)執(zhí)行超聲波流量測量周期的有源狀態(tài)，以及無源狀態(tài)。超聲波流量計在無源狀態(tài)下使用很小的功率，使得超聲波流量計在無源狀態(tài)下所使用的功率量小于在有源狀態(tài)下所使用的功率量。優(yōu)選地，超聲波流量計在無源狀態(tài)下所使用的功率量比在有源狀態(tài)下所使用的功率量小至少一個數(shù)量級。更為優(yōu)選地，超聲波流量計在無源狀態(tài)下所使用的功率量比在有源狀態(tài)下所使用的功率量小至少兩個數(shù)量級。更為優(yōu)選地，超聲波流量計在無源狀態(tài)下所使用的功率量比在有源狀態(tài)下所使用的功率量小至少三個數(shù)量級。
在大部分時間里，超聲波流量計20處于無源狀態(tài)下，在該狀態(tài)下，各個器件(包括快速時鐘26、放大器36以及讀取裝置46)被來自微處理器22的禁止信號所禁止。這些不同器件被優(yōu)選地選擇，使得當(dāng)被禁止時汲取很小的電流。內(nèi)部時鐘24在超聲波流量計20的有源和無源兩個狀態(tài)下都以超低功率運行。
在時間間隔T1，內(nèi)部時鐘24向微處理器22發(fā)送中斷信號。當(dāng)在時刻t1接收到該中斷信號時，微處理器22將超聲波流量計20從無源狀態(tài)切換至有源狀態(tài)，以便執(zhí)行超聲波流量測量周期。
如圖3所示，在超聲波流量測量周期的開始，微處理器22在時刻t1發(fā)送使能信號S1到快速時鐘26。當(dāng)在時刻t1接收到使能信號S1時，快速時鐘26開始輸出具有該快速時鐘26的頻率和周期的快速時鐘信號S2?？焖贂r鐘26的頻率高于陣列32中的換能器的諧振頻率。
于是，出現(xiàn)穩(wěn)定延遲T2，使得微處理器22和快速時鐘26穩(wěn)定。優(yōu)選地，微處理器22和快速時鐘26在小于10μs內(nèi)啟動，其大大快于在100ms和10s之間的典型晶體振蕩器啟動時間。在穩(wěn)定延遲T2之后，微處理器22發(fā)送由快速時鐘26計時(clock)的清除信號S3。清除信號S3在時刻t2具有多種效果。
首先，微處理器清除信號S3在時刻t2重置并激活時鐘分頻器28。因此，時鐘分頻器28開始獲取以快速時鐘頻率來自快速時鐘26的輸入信號S2。時鐘分頻器28用于細(xì)分該輸入信號，以便開始以陣列32中的換能器的(較低)諧振頻率來提供數(shù)字輸出信號S4。
其次，微處理器清除信號S3在時刻t2重置并激活移相器30。具體地，移相器30的相移被置為0，且時鐘分頻器28的輸出信號S4穿過移相器30到達(dá)換能器陣列32。由于相移為0，應(yīng)理解移相器30在該階段僅為可選的。替代地，在時刻t2，時鐘分頻器28的輸出信號S4可以直接傳遞給換能器陣列32。
再次，在時刻t2，微處理器22使陣列32中的發(fā)射換能器能夠向其對應(yīng)的接收換能器發(fā)射從移相器30接收的信號S4。信號S4以換能器頻率被發(fā)射?？蛇x地，根據(jù)應(yīng)用可使用多對換能器。這樣，在一些應(yīng)用中，所發(fā)射的信號S4可以被多個發(fā)射換能器同時發(fā)射。
最后，微處理器清除信號S3在時刻t2重置并啟動計數(shù)器38。計數(shù)器38的計數(shù)S5由快速時鐘26來計時。
在時刻t3，微處理器22發(fā)送信號給換能器陣列32，以終止發(fā)射換能器對信號S4的發(fā)射。這樣，所發(fā)射的信號S4具有由T3＝t3-t2得到的有限持續(xù)時間T3。有限持續(xù)時間T3由微處理器來計算，使得其短于從發(fā)射換能器到接收換能器的信號的最小預(yù)期傳播時間。
在所發(fā)射的信號S4基于所預(yù)期的最快流體聲音速度應(yīng)該到達(dá)接收換能器之前不久，微處理器22發(fā)送信號S6到換能器陣列32以激活接收換能器。同時，信號S6從微處理器22發(fā)送到放大器36，以便在此時激活放大器36。
所接收的信號S7由初始部分以及后面部分構(gòu)成，初始部分包括偽信號S8，后面部分包括以換能器頻率所發(fā)射的信號S4的接收型式S9。所接收的信號S7被傳遞給放大器36。放大器36包括濾波器(未示出)，該濾波器僅允許具有換能器頻率的信號通過。然后，該經(jīng)濾波的信號被放大器36放大以產(chǎn)生放大信號。放大器36被設(shè)計成工作在寬范圍的信號電平上，同時保持進(jìn)入信號S9的正確相位和頻率。
偽信號S8是由于給接收器鏈加電造成的。因此，為了去除偽信號S8，所接收的信號在通過放大器36之后通過門34。門34作為開關(guān)，通過使用簡單的門控功能來防止接收周期中早期的信號觸發(fā)測量。因此，在微處理器22的控制下，門34抑制所接收信號S7的初始部分，而門34輸出的信號僅僅是信號S9(所發(fā)射信號S4的接收型式)的放大型式。
所放大的門控信號S10接著穿過比較器37以產(chǎn)生放大信號S10的數(shù)字型式S11。如下所述，數(shù)字信號S11以多種方式被使用。
首先，數(shù)字信號S11用于停止計數(shù)器38。具體地，數(shù)字信號S11的第一沿(上升或下降)在時刻t4停止計數(shù)器38。這樣，計數(shù)器38提供所發(fā)射的信號S4在發(fā)射和接收換能器之間的傳播時間測量。由于計數(shù)器38由快速時鐘26來計時，因此計數(shù)器38測量到最近的快速時鐘周期的傳播時間。所測量的傳播時間T4由T4＝t4-t2得到。
另外，使用數(shù)字信號S11作為到相位比較器40的輸入之一。到相位比較器40的另一輸入是數(shù)字發(fā)射信號S4的無端接(non-terminated)參考型式。如圖4所示，相位比較器40用于比較這兩個輸入信號S4和S11的相位，以提供脈沖輸出信號S12。
參見圖4，所發(fā)射和接收信號之間的相位差在圖4a中相對較小，在圖4b中相對較大。脈沖輸出信號S12在數(shù)字發(fā)射信號S4的上升或下降沿升高，在數(shù)字(接收)信號S11的上升或下降沿降低。脈沖輸出信號S12的脈沖寬度w根據(jù)數(shù)字發(fā)射信號S4和數(shù)字(接收)信號S11之間的相位差而變化。因此，圖4a中的脈沖寬度w較小，而圖4b中的脈沖寬度w較大。
在優(yōu)選實施例(圖4中未示出)中，用于第一超聲波流量測量的脈沖信號S12基于信號S4和S11的上升沿來產(chǎn)生，然后，對于下一次超聲波流量測量，脈沖信號S12基于信號S4和S11的下降沿來產(chǎn)生。這種使用交替的上升和下降沿的方法使得消除了所接收信號S9的形狀、質(zhì)量或頻率的任何輕微變化所引起的效應(yīng)，不過如果僅使用一個沿，則有可能存在偏移誤差。
脈沖信號S12用于對電流源42進(jìn)行門控，該電流源42提供恒定的電流以對電容器44進(jìn)行充電。當(dāng)電容器44被充電，電壓S13在電容器44上增大。電壓S13與兩個信號S4和S11之間的相位差有關(guān)。
在時刻t5，微處理器22去激活(deactivate)陣列32中的換能器。同樣，此時，所有其它的器件(除了內(nèi)部時鐘24、電容器44以及讀取裝置46外)都被微處理器22去激活。
當(dāng)電容器44完成充電后，微處理器指示讀取裝置46讀取電壓。讀取裝置46可以是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，比如16比特ADC。這提供了與相位差有關(guān)的很高精度的電壓測量。
為了進(jìn)一步改進(jìn)上述的相移測量技術(shù)，通過調(diào)節(jié)所發(fā)射信號S4的相位，可包括額外的相移。該額外的相移在所發(fā)射信號S4被饋送到相位比較器40之前由移相器(未示出)引入。該額外相移的構(gòu)思是為了粗略地調(diào)節(jié)相移，使得在相位差為零的零流量時有約180°的相移。這意味著，在零流量時，所測得的電壓近似地處于可通過對電容器充電來產(chǎn)生的電壓范圍的中心。當(dāng)流量增加時，在一個流量方向上獲得的電壓將增加，而在另一個流量方向上獲得的電壓將下降大約相同的量?；陬A(yù)期的流率，該系統(tǒng)被設(shè)計成使得相位差測量結(jié)果避開0°和360°以避免環(huán)繞(wrap-around)問題。
一旦電壓被讀取，電容器44在時刻t6被放電。讀取裝置46也在此時停止運行。所有其它器件(除微處理器22和內(nèi)部時鐘24外)之前都已停止運行。微處理器繼續(xù)工作一段時間以便利用所測得的值來執(zhí)行數(shù)學(xué)函數(shù)。具體地，電壓測量結(jié)果和計數(shù)器傳播時間測量結(jié)果隨后被結(jié)合以得到信號傳播時間的更精確的測量結(jié)果。
這樣一次測量就結(jié)束了。然而，如在背景部分所描述的，需要至少一對測量(上游測量和下游測量)來確定流速。圖3僅示出了一對測量中的第一測量。然而，應(yīng)理解，可以以基本相同的方式進(jìn)行第二測量，其中接收和發(fā)射換能器相交換。
此外，單個測量對不可能獨立地給出精確結(jié)果。通常，短的取樣時間以及流體中顆粒和/或氣泡的存在意味著需要先前測量的統(tǒng)計歷史以得到精確和可用的輸出。典型地，測量結(jié)果將與先前的測量結(jié)果進(jìn)行平均以削減變化。另外，如果測量結(jié)果與其附近的那些測量結(jié)果顯著不同，則該測量結(jié)果將被拒絕，如所接收的信號的定時或幅度與其附近的所接收信號不同情況下的測量結(jié)果。實際上，這使得即使在輸入情況不理想時也有很穩(wěn)定的平均。
一旦已經(jīng)進(jìn)行所需要的讀取，且微處理器已經(jīng)執(zhí)行了所需要的數(shù)學(xué)函數(shù)，則超聲波流量測量周期完成。因此，微處理器20將超聲波流量計20從有源狀態(tài)切換到低功率無源狀態(tài)。
優(yōu)選地，完成超聲波流量測量周期所用的時間段T6小于時間間隔T1的一半。因此，超聲波流量計在小于該時間的一半的時間內(nèi)處于有源狀態(tài)，因此汲取更小的功率。
優(yōu)選地，間隔T1小于針對流率的顯著變化所預(yù)期的時間范圍(timescale)。這樣，超聲波流量計20提供明顯連續(xù)的操作。
優(yōu)選地，完成超聲波流量測量周期所用的時間段T6在約20μs和200μs之間，而時間間隔T1在約1ms和100ms之間。
在優(yōu)選實施例中，時間間隔T1為2.5，7.5，15或30ms。然而，可以根據(jù)超聲波流量計20的期望平均功耗而使用替選值。
該實施例中所描述的定時對于跨50mm的水使用2MHz換能器的系統(tǒng)來說是典型的。然而，應(yīng)理解，該實施例純粹是示例性的，該定時和數(shù)字邏輯函數(shù)可以容易地調(diào)節(jié)到所需要的任何頻率或管尺寸以及流體類型。
優(yōu)選地，超聲波流量計在無源狀態(tài)下所使用的功率量是在有源狀態(tài)下所使用的功率量的至多一百分之一。更為優(yōu)選地，超聲波流量計在無源狀態(tài)下所使用的功率量小于約100μW，而在有源狀態(tài)下所使用的功率量在約10mW和100mW之間。
在超聲波流量計20的優(yōu)選實施例中，假定典型的鋰C電池工作10年，60μA或更小的平均電流消耗是可能的。例如，對于具有30ms的間隔T1以及65μs的測量時間段T6的超聲波流量計20，該超聲波流量計20在無源狀態(tài)期間的靜態(tài)電流為12μA或更小，該超聲波流量計20在有源狀態(tài)期間的工作電流為20mA，則平均工作電流為55μA。典型的流量計在從0℃至85℃的溫度范圍上將工作達(dá)到±2％的精確度。
可以使用根據(jù)本發(fā)明實施例的超聲波流量計作為超聲波流量測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過改變軟件參數(shù)，該超聲波流量測量系統(tǒng)能夠用于寬范圍的溫度、與管尺寸無關(guān)的寬范圍的流率、與流率無關(guān)的寬范圍的管尺寸，以及用在任何數(shù)量的導(dǎo)聲流體上。
需要解決多種應(yīng)用問題以確保超聲波流量計在可能遇到的應(yīng)用范圍內(nèi)持續(xù)的精確性。
第一個應(yīng)用問題是校正過程流體、溫度或粘度的變化的能力。實際上，由于所使用的時差方法，作用在所測量的傳播時間上的唯一物理效應(yīng)是由流體的聲音速度(其可受到先前提到的物理變化中的任何一個的影響)的變化而引起的。因此，可以如等式(7)所示，通過對至少一對上游和下游定時測量結(jié)果取平均來可計算流體的聲音速度，以消除由于流量所引起的效應(yīng)。因此，根據(jù)等式(8)所計算的流量速度與過程流體、溫度和粘度的變化無關(guān)。
另一應(yīng)用問題涉及在確定相位差時電容器44的使用。模擬器件比如電容器44會對器件容限、溫度漂移和老化特別敏感。為了防止其影響測量結(jié)果，超聲波流量計20優(yōu)選地能夠在測試模式下運行。在該測試模式下，移相器30用于產(chǎn)生兩個信號參考發(fā)射信號以及該參考信號的移相型式。然后，使用這兩個信號作為到相位比較器40的輸入。換句話說，使用所述參考發(fā)射信號的移相型式作為所接收的信號。然后，相位比較器40、電流源42、電容器44以及讀取裝置46用于測量電容器44上的電壓，根據(jù)該電壓可以計算所測量的相位差。該測量的相位差可隨后與移相器30所施加的實際已知相位差進(jìn)行比較。所測量的相位差與相位差的實際值可隨后用于校正模擬電路中的變化。
通過將所發(fā)射的信號直接路由到接收換能器，超聲波流量計20可以執(zhí)行完整的自檢驗。所述路由可以例如使用復(fù)用器來進(jìn)行。使用上述的模擬器件測試方法，超聲波流量計20能夠確定其自身的性能而無需利用流動的流體。如果偏離預(yù)期結(jié)果，則可以應(yīng)用校正因子。優(yōu)選地，如果偏離大于所指定的可接受水平，則超聲波流量計20可通知用戶并停止運行以避免不正確的測量。
又一應(yīng)用問題涉及液體管中的氣體(或氣體管中的液體)問題。在這種情況下，超聲波信號在從發(fā)射換能器傳播到接收換能器的同時可能被衰減。為減輕該問題，超聲波流量計可用于測量所接收信號的幅度，以及如果對于預(yù)定次數(shù)的測量，所測量的幅度低于預(yù)定閾值，那么時間間隔的長度可增加。這使得節(jié)約了由于長期的信號衰減而消耗的功率。
又另一應(yīng)用問題涉及快速時鐘26。該快速時鐘電路使用快速啟動、溫度和時間穩(wěn)定振蕩器以確保持續(xù)的精確性?？芍芷谛缘卦诳焖贂r鐘測試步驟中測試該振蕩器的性能，其中，計數(shù)器38用于針對內(nèi)部時鐘24的特定數(shù)量的時鐘周期來測量快速時鐘周期數(shù)。如上所述，內(nèi)部時鐘電路使用外部低頻晶體振蕩器，比如32kHz鐘表晶體，以確保時間和溫度的穩(wěn)定性。然后，從校準(zhǔn)條件的偏離可被校正。
為了提高精確度，可提供附加的若干對超聲波換能器，其可用于發(fā)射穿過流體的信號，并接收所發(fā)射的信號。在該實施例中，多個換能器對測量結(jié)果可被處理并被加權(quán)以提供改進(jìn)的流量信息，或者多個換能器對能夠工作在不同的頻率以改進(jìn)更低流量時的性能或改進(jìn)超聲波傳輸。其典型示例是用于測量大孔中的流量的超聲波流量計，其中白天的使用率可能更高但更易變，而夜間使用則需要較低的工作范圍，在夜間流量更為穩(wěn)定但很低。在這種情況下，可使用一組換能器來確定設(shè)計范圍的10-100％的流量，當(dāng)流量低于預(yù)期范圍的10％時，使用具有更高敏感度的第二組換能器。
盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，應(yīng)理解其僅作為示例，并且可構(gòu)思出不同的變化。
權(quán)利要求
1.一種用于測量管道中流體的流速的超聲波流量測量方法，所述方法包括
提供超聲波流量計，所述超聲波流量計包括微處理器、時鐘以及一對用于發(fā)射穿過所述流體的信號并接收所發(fā)射的信號的超聲波換能器；
以所述時鐘所測量的時間間隔將所述超聲波流量計從無源狀態(tài)切換到有源狀態(tài)，所述超聲波流量計在無源狀態(tài)下所使用的功率量小于所述超聲波流量計在有源狀態(tài)下所使用的功率量；
執(zhí)行超聲波流量測量周期；以及
在所述超聲波流量測量周期完成后，將所述超聲波流量計從有源狀態(tài)切換至無源狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，執(zhí)行超聲波流量測量周期包括進(jìn)行至少一對超聲波流量測量，一對超聲波流量測量包括上游超聲波流量測量和下游超聲波流量測量。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，進(jìn)行超聲波流量測量包括
相對于流量的主導(dǎo)方向以非90度的角度穿過流體從一個超聲波換能器發(fā)射信號到另一超聲波換能器，所發(fā)射的信號具有發(fā)射頻率；
終止所述信號的發(fā)射，使得所發(fā)射的信號具有有限的持續(xù)時間，所述持續(xù)時間小于所述信號從所述一個超聲波換能器到所述另一超聲波換能器的預(yù)期最小傳播時間；以及
在所述另一超聲波換能器上接收所發(fā)射的信號，所述信號的傳播時間為所述信號從所述一個超聲波換能器傳播到所述另一超聲波換能器所用的時間。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述一個超聲波換能器位于所述另一超聲波換能器的上游，因此所述超聲波流量測量為下游超聲波流量測量。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述一個超聲波換能器位于所述另一超聲波換能器的下游，因此所述超聲波流量測量為上游超聲波流量測量。
6.如權(quán)利要求3-5中任意一項所述的方法，還包括提供快速時鐘，所述進(jìn)行超聲波流量測量的步驟還包括
利用由所述快速時鐘計時的計數(shù)器來測量所述傳播時間；以及
至少部分地基于所測得的傳播時間來計算流率。
7.如權(quán)利要求3-6中任意一項所述的方法，其中，進(jìn)行超聲波流量測量還包括放大所接收信號的至少一部分的步驟，經(jīng)放大的信號的相位與所接收的信號的相位相同。
8.如權(quán)利要求3-7中任意一項所述的方法，其中，進(jìn)行超聲波流量測量還包括以下步驟
比較所發(fā)射和所接收的信號的相位；以及
至少部分地基于所述相位比較的結(jié)果來計算流率。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，在所述相位比較步驟之前對所發(fā)射的信號的相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得所述相位比較步驟的結(jié)果在零流率時約為180°。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，進(jìn)行超聲波流量測量還包括提供脈沖信號的步驟，所述脈沖信號的脈沖寬度根據(jù)所述相位比較步驟的結(jié)果而變化。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，進(jìn)行超聲波流量測量還包括使用所述脈沖信號對電容器進(jìn)行充電的步驟。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，進(jìn)行超聲波流量測量還包括測量所述電容器上的電壓的步驟。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述流率至少部分地基于所測量的電壓來計算。
14.如權(quán)利要求11-13中任意一項所述的方法，其中，進(jìn)行超聲波流量測量還包括對所述電容器進(jìn)行放電的步驟。
15.如權(quán)利要求2-14中任意一項所述的方法，其中，執(zhí)行超聲波流量測量周期還包括
至少部分地基于至少一對超聲波流量測量結(jié)果的平均來計算所述流體中的聲音速度；以及
至少部分地基于所計算的聲音速度來計算所述流率。
16.如權(quán)利要求2-15中任意一項所述的方法，其中，執(zhí)行超聲波流量測量周期包括
進(jìn)行多對超聲波流量測量；
對多個上游超聲波流量測量結(jié)果進(jìn)行平均以提供平均上游超聲波流量測量結(jié)果；以及
對多個下游超聲波流量測量結(jié)果進(jìn)行平均以提供平均下游超聲波流量測量結(jié)果。
17.如權(quán)利要求2至15中任意一項所述的方法，其中，執(zhí)行超聲波流量測量周期包括
進(jìn)行多對超聲波流量測量；
計算多個流率，每個所計算的流率至少部分地基于相應(yīng)的一對超聲波流量測量結(jié)果；以及
對所計算的多個流率進(jìn)行平均以提供平均流率。
18.如權(quán)利要求3至17中任意一項所述的方法，還包括測試測量步驟，在所述測試測量步驟中，使用所發(fā)射的信號的相移型式作為所接收的信號。
19.如權(quán)利要求6或從屬于權(quán)利要求6時的權(quán)利要求7至18中任意一項所述的方法，還包括快速時鐘測試步驟。
20.如權(quán)利要求3至19中任意一項所述的方法，還包括以下步驟
測量所接收信號的幅度；以及
如果對于預(yù)定次數(shù)的測量，所測量的幅度低于預(yù)定閾值，則增加所述時間間隔的長度。
21.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，還包括提供附加的多對超聲波換能器，其可用于發(fā)射穿過所述流體的信號并接收所發(fā)射的信號。
22.一種用于測量管道中流體的流速的超聲波流量計，所述超聲波流量計具有無源狀態(tài)和有源狀態(tài)，在有源狀態(tài)中執(zhí)行超聲波流量測量周期，所述超聲波流量計包括
一對超聲波換能器，可用于發(fā)射穿過所述流體的信號并接收所發(fā)射的信號，所述超聲波換能器在所述超聲波流量計的有源狀態(tài)下可操作，并且在所述無源狀態(tài)下不可操作；
時鐘，既可在所述超聲波流量計的有源狀態(tài)下操作，也可在所述超聲波流量計的無源狀態(tài)下操作；以及
微處理器，可用于以所述時鐘所測量的時間間隔來將所述超聲波流量計從無源狀態(tài)切換至有源狀態(tài)，所述微處理器還可用于在超聲波流量測量周期完成之后，將所述超聲波流量計從有源狀態(tài)切換至無源狀態(tài)；
所述超聲波流量計在無源狀態(tài)下所使用的功率量小于在有源狀態(tài)下所使用的功率量。
23.如權(quán)利要求22所述的超聲波流量計，其中，一個超聲波換能器可用于相對于流量的主導(dǎo)方向以非90度的角度發(fā)射穿過所述流體的信號，所發(fā)射的信號具有有限的持續(xù)時間，另一超聲波換能器可用于接收所發(fā)射的信號，所述信號的傳播時間為所述信號從所述一個超聲波換能器傳播到所述另一超聲波換能器所用的時間。
24.如權(quán)利要求23所述的超聲波流量計，其中所述微處理器可用于控制所發(fā)射的信號的定時和持續(xù)時間，使得所述持續(xù)時間小于所述傳播時間。
25.如權(quán)利要求23或權(quán)利要求24所述的超聲波流量計，還包括
快速時鐘，其連接到所述微處理器，所述快速時鐘在所述超聲波流量計的有源狀態(tài)下可操作，并且在所述無源狀態(tài)下不可操作；以及
計數(shù)器，其可用于測量所述傳播時間，所述計數(shù)器由所述快速時鐘計時，所述計數(shù)器在所述超聲波流量計的有源狀態(tài)下可操作，并且在所述無源狀態(tài)下不可操作。
26.如權(quán)利要求25所述的超聲波流量計，其中，所述微處理器可用于至少部分地基于所測量的傳播時間來計算所述流率。
27.如權(quán)利要求23至26中任意一項所述的超聲波流量計，還包括放大器，所述放大器可用于放大由所述另一換能器所接收的信號的至少一部分，所放大的信號的相位與所接收的信號的相位相同，所述放大器在所述超聲波流量計的有源狀態(tài)下可操作，在所述無源狀態(tài)下不可操作。
28.如權(quán)利要求23至27中任意一項所述的超聲波流量計，還包括相位比較器，所述相位比較器可用于提供根據(jù)所發(fā)射的信號和所接收的信號之間的相位差而變化的輸出，所述相位比較器在所述超聲波流量計的有源狀態(tài)下可操作，并且在所述無源狀態(tài)下不可操作。
29.如權(quán)利要求28所述的超聲波流量計，還包括移相器，以便在所發(fā)射的信號被輸入到所述相位比較器之前調(diào)節(jié)所發(fā)射的信號的相位，所述移相器在所述超聲波流量計的有源狀態(tài)下可操作，并且在所述無源狀態(tài)下不可操作。
30.如權(quán)利要求28或權(quán)利要求29所述的超聲波流量計，其中，所述相位比較器的輸出為脈沖信號，所述脈沖信號的脈沖寬度根據(jù)所述相位差而變化。
31.如權(quán)利要求28至30中任意一項所述的超聲波流量計，其中，所述相位比較器的輸出可用于對電容器進(jìn)行充電。
32.如權(quán)利要求31所述的超聲波流量計，還包括連接到所述電容器的讀取裝置，所述讀取裝置可用于讀取所述電容器上的電壓，所述讀取裝置在所述超聲波流量計的有源狀態(tài)下可操作，并且在所述無源狀態(tài)下不可操作。
33.如權(quán)利要求32所述的超聲波流量計，其中，所述微處理器可用于至少部分地基于所讀取的電壓來計算所述流率。
34.如前述任一權(quán)利要求所述的發(fā)明，其中，完成超聲波流量測量周期所用的時間段小于所述時間間隔的一半。
35.如前述任一權(quán)利要求所述的發(fā)明，其中，完成超聲波流量測量周期所用的時間段在約20μs和200μs之間，并且所述時間間隔在約1ms和100ms之間。
36.如前述任一權(quán)利要求所述的發(fā)明，其中，所述間隔小于針對所述流率的顯著變化所預(yù)期的時間范圍。
37.如前述任一權(quán)利要求所述的發(fā)明，其中所述超聲波流量計在無源狀態(tài)下所使用的功率量是在有源狀態(tài)下所使用的功率量的至多一百分之一。
38.如前述任一權(quán)利要求所述的發(fā)明，其中所述超聲波流量計在無源狀態(tài)下所使用的功率量小于約100μW，而在有源狀態(tài)下所使用的功率量在約10mW和100mW之間。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于測量管道中流體的流速的超聲波流量測量方法，該方法包括提供超聲波流量計，該超聲波流量計包括微處理器、時鐘以及一對用于發(fā)射穿過流體的信號并接收所發(fā)射的信號的超聲波換能器；以時鐘所測量的時間間隔將超聲波流量計從無源狀態(tài)切換到有源狀態(tài)，超聲波流量計在無源狀態(tài)下所使用的功率量小于超聲波流量計在所述有源狀態(tài)下所使用的功率量；執(zhí)行超聲波流量測量周期；以及在超聲波流量測量周期完成后將超聲波流量計從有源狀態(tài)切換至無源狀態(tài)。本發(fā)明還描述了一種用于測量管道中流體的流速的超聲波流量計。
文檔編號G01F1/66GK101248331SQ200680029473
公開日2008年8月20日 申請日期2006年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月13日
發(fā)明者洛世民 申請人:富利達(dá)流計儀有限公司