超聲流量計(jì)的制作方法
【專利摘要】公開(kāi)了一種用于估計(jì)和校正或至少減小超聲流量計(jì)中接收的超聲信號(hào)中的相位誤差的方法，所述方法包含以下步驟：測(cè)量超聲流量計(jì)中的一個(gè)或更多信號(hào)，該一個(gè)或更多信號(hào)取決于超聲流量計(jì)中一個(gè)或更多超聲換能器的特征，使用一個(gè)或更多測(cè)量信號(hào)以計(jì)算估計(jì)的相位誤差值，且使用估計(jì)的相位誤差值以校正超聲流量計(jì)測(cè)量的發(fā)送時(shí)間。
【專利說(shuō)明】超聲流量計(jì)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于測(cè)量尤其是渡越時(shí)間(transit time)流量測(cè)定領(lǐng)域中的流體流量的超聲流量計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]一般而言，借助于渡越時(shí)間方法的流量測(cè)定包括在需要測(cè)量的流體流量的流動(dòng)路徑中以適當(dāng)?shù)南嗷ゾ嚯x放置兩個(gè)超聲換能器。代表性地幾兆赫茲頻率和幾微秒持續(xù)時(shí)間的超聲信號(hào)通過(guò)流體從第一換能器發(fā)送到第二換能器，且記錄第一發(fā)送時(shí)間。接下來(lái)，類似的超聲信號(hào)在相反方向通過(guò)流體發(fā)送，即從第二換能器發(fā)送到第一換能器，且記錄第二發(fā)送時(shí)間。知道兩個(gè)換能器之間的物理距離、兩個(gè)記錄的發(fā)送時(shí)間之間的差異可以用于計(jì)算流動(dòng)路徑中流動(dòng)的流體的流速。然而，計(jì)算的流速必須借助于考慮聲速和流體的粘度的校正表校正。兩個(gè)特性均取決于溫度，當(dāng)流體類型已知時(shí)，具有取決于溫度的校正值的校正表是足夠的。
[0003]當(dāng)使用這種類型的流量計(jì)工作時(shí)需要面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題在于，換能器參數(shù)不僅極有可能在樣本之間不同，而且隨著時(shí)間變化且在溫度變化時(shí)變化。這種差異和變化改變了接收信號(hào)的形狀，使得難以使用這種形狀作為計(jì)算絕對(duì)渡越時(shí)間的基礎(chǔ)。
[0004]在過(guò)去的25年里，看到了超聲流量測(cè)定從低容量實(shí)驗(yàn)室儀器到以極高容量制造的標(biāo)準(zhǔn)裝備的急速發(fā)展。技術(shù)和商業(yè)挑戰(zhàn)一定程度地被克服:在流量測(cè)定的很多領(lǐng)域中，相對(duì)于包括機(jī)械儀表的多數(shù)其他方法，技術(shù)現(xiàn)在是有競(jìng)爭(zhēng)力的。例如，以高容量制造的高度精確的流量計(jì)現(xiàn)在通常用作水表、熱量計(jì)、氣量計(jì)和用于計(jì)費(fèi)的其他儀表。
[0005]仍需繼續(xù)的一些挑戰(zhàn)是改善儀表，使得它們?cè)谌匀槐３謨x表穩(wěn)定且可生產(chǎn)的同時(shí)對(duì)于電學(xué)和聲學(xué)噪聲較不敏感且不犧牲成本和功耗。對(duì)于噪聲的靈敏度可以通過(guò)增加信噪比減小，最有效的方法是增大信號(hào)。
[0006]超聲流量計(jì)中典型的聲學(xué)噪聲源是流動(dòng)電流中的邊緣和外部振蕩，二者均產(chǎn)生與儀表本身產(chǎn)生的超聲無(wú)關(guān)的固定聲學(xué)噪聲水平。對(duì)于聲學(xué)噪聲的靈敏度可以通過(guò)增加換能器產(chǎn)生的聲學(xué)信號(hào)或通過(guò)改變流量計(jì)的物理形狀來(lái)減小。
[0007]超聲流量計(jì)中的電學(xué)噪聲可以具有很多源，諸如熱噪聲、外部感應(yīng)(通過(guò)電磁、電場(chǎng)或磁場(chǎng)或通過(guò)電線)電壓和電流或內(nèi)部感應(yīng)(來(lái)自電路中的其他信號(hào)或時(shí)鐘)交叉耦合，其中的一些是信號(hào)水平相關(guān)的且其中的一些是信號(hào)水平無(wú)關(guān)的。減小對(duì)于電學(xué)噪聲的靈敏度的最有效方式是通過(guò)增加涉及的電學(xué)信號(hào)且通過(guò)將電學(xué)節(jié)點(diǎn)的阻抗保持得盡可能低以減小電學(xué)噪聲源的影響。
[0008]涉及這些主題的很多不同電路在本領(lǐng)域是已知的，諸如GB2017914 (Hemp)、US4, 227，407 (Drost), DE19613311 (Gaugler), US6,829，948 (Nakabayashi)、EP0846936(Tonnes)和EP1438551 (Jespersen),其中每一個(gè)具有強(qiáng)項(xiàng)和弱項(xiàng)。
[0009]上面提及的最后兩個(gè)文檔(Tonnes和Jespersen)顯示換能器稱合具有這樣的益處:從換能器看到的阻抗在發(fā)送情形和接收情形中是相等的。這兩個(gè)專利文檔中的討論解釋了該特征是證明整個(gè)流量計(jì)在真實(shí)壽命情況中的穩(wěn)定性且可生產(chǎn)性的先決條件，即，對(duì)于儀表中組件之間的匹配沒(méi)有不切實(shí)際的需求。該事實(shí)的原因在于，精確的阻抗匹配允許流量計(jì)完全采用互易定理。
[0010]盡管已知相互作用和穩(wěn)定流量測(cè)定之間的關(guān)系很多年，這些專利文檔中顯示的耦合僅是迄今知道的完全實(shí)現(xiàn)吸收壓電超聲換能器的自然容差以使得可以制造可生產(chǎn)和穩(wěn)定流量計(jì)的實(shí)踐方式。
[0011]這兩個(gè)文檔二者中顯示的換能器耦合包含阻抗，該阻抗具有將從換能器接收的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)量電壓信號(hào)的功能。不幸的是，如下面更詳細(xì)解釋，該阻抗也限制了可以供應(yīng)到換能器的電學(xué)信號(hào)，且為了最大可能地產(chǎn)生接收電壓信號(hào)，阻抗的大小在感興趣的頻率處被限制為處于超聲換能器的阻抗的0.5至2倍之間的范圍內(nèi)。
[0012]Nakabayashi (US6, 829，948)具有另一方法，其中發(fā)生器和接收器通過(guò)兩個(gè)不同裝置實(shí)施，但是在該配置中，接收信號(hào)強(qiáng)度被犧牲以用于在變化的換能器參數(shù)處得出穩(wěn)定的結(jié)果。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]在下文中描述的本發(fā)明的目的是克服上面確定的問(wèn)題且提供能夠發(fā)送高聲學(xué)信號(hào)的穩(wěn)定的可生產(chǎn)的流量計(jì)。
[0014]本發(fā)明涉及一種用于估計(jì)和校正或至少減小超聲流量計(jì)中接收的超聲信號(hào)中的相位誤差的方法，所述方法包含以下步驟:測(cè)量超聲流量計(jì)中的一個(gè)或更多信號(hào)，該一個(gè)或更多信號(hào)取決于超聲流量計(jì)中一個(gè)或更多超聲換能器的特征，使用一個(gè)或更多測(cè)量信號(hào)以計(jì)算估計(jì)的相位誤差值，且使用估計(jì)的相位誤差值以校正超聲流量計(jì)測(cè)量的傳輸時(shí)間。
[0015]這種方法允許快速和可靠的相位誤差校正而無(wú)需超聲流量計(jì)的正常使用期間的不必要測(cè)量和計(jì)算。
[0016]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，超聲流量計(jì)包括用于測(cè)量到信號(hào)發(fā)生器的有源組件的一個(gè)或更多電源電流的裝置，且取決于超聲流量計(jì)中一個(gè)或更多超聲換能器的特征的一個(gè)或更多測(cè)量信號(hào)是到信號(hào)發(fā)生器的有源組件的電源電流。
[0017]使用用于相位誤差校正的電源電流是有利的，因?yàn)樗鼈兛梢员幌鄬?duì)容易地測(cè)量且還可以用于下面進(jìn)一步描述的其他目的。
[0018]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算估計(jì)的相位誤差值包括使用一個(gè)或更多相位誤差校正常數(shù)。
[0019]通用相位誤差校正常量的使用減小了確定估計(jì)的相位誤差值所必須的計(jì)算量。
[0020]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，從表達(dá)式:?(/2Lf10+?(€> Zs(i2 W1,) + O計(jì)算估計(jì)的相位誤差值，其中Ir和12’是到超聲流量計(jì)的信號(hào)發(fā)生器的有源組件的測(cè)量電源電流，當(dāng)分別在兩個(gè)超聲換能器之間的第一和第二方向中發(fā)送時(shí)超聲信號(hào)時(shí)，I!和3是分別代表復(fù)數(shù)值的實(shí)部和虛部的算子，且C和C3是復(fù)數(shù)值相位誤差校正常數(shù)。
[0021]已經(jīng)證明這種指定表達(dá)式對(duì)于計(jì)算估計(jì)的相位誤差值是極其有用的，因?yàn)橐呀?jīng)顯示使用該表達(dá)式計(jì)算的相位誤差值的使用導(dǎo)致至少約10倍的相位誤差減小。
[0022]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或更多相位誤差校正常數(shù)通過(guò)超聲流量計(jì)中實(shí)際相位誤差的一系列測(cè)量確定且優(yōu)化以導(dǎo)致大溫度范圍上最佳可能估計(jì)相位誤差值，使得當(dāng)計(jì)算估計(jì)的相位誤差值時(shí)可以獨(dú)立于溫度考慮一個(gè)或更多相位誤差校正常數(shù)。
[0023]這樣，相位誤差校正考慮超聲換能器的特征隨著溫度變化這一事實(shí)。再者，已經(jīng)顯示相同的常數(shù)值對(duì)于大數(shù)目的超聲流量計(jì)有效，這些超聲流量計(jì)的有源組件源于相同制造批次且因此具有十分類似的特征。
[0024]在本發(fā)明的實(shí)施例中，取決于超聲流量計(jì)中一個(gè)或更多超聲換能器的特征的表征規(guī)則地重復(fù)一個(gè)或更多信號(hào)的測(cè)量且相應(yīng)地更新估計(jì)的相位誤差值的計(jì)算的步驟。
[0025]這樣，相位誤差校正考慮這一事實(shí):超聲換能器的特征隨著時(shí)間變化而不必對(duì)超聲流量計(jì)執(zhí)行任意特殊測(cè)試。
[0026]在本發(fā)明的一個(gè)方面中，其涉及一種用于確定包含兩個(gè)超聲換能器的超聲流量計(jì)的流動(dòng)路徑中超聲信號(hào)的絕對(duì)渡越時(shí)間的方法，所述方法包含以下步驟:
[0027].在輸入信號(hào)向信號(hào)發(fā)生器饋送輸入信號(hào)期間或之后，監(jiān)控從一個(gè)或更多電壓電源到驅(qū)動(dòng)換能器的信號(hào)發(fā)生器的有源組件的電流，因而獲得用于換能器的電源電流信號(hào)，
[0028].如果在兩個(gè)超聲換能器的超聲信號(hào)的傳輸中沒(méi)有時(shí)間延遲，則仿真如同來(lái)自流量計(jì)的接收器電路的輸出信號(hào)的流量計(jì)響應(yīng)的、類似于該輸出信號(hào)的流量計(jì)響應(yīng)，
[0029].將仿真的流量計(jì)響應(yīng)與接收器電路實(shí)際接收的測(cè)量的流量計(jì)響應(yīng)進(jìn)行比較，以及
[0030]?將絕對(duì)渡越時(shí)間計(jì)算為仿真的流量計(jì)響應(yīng)和測(cè)量的流量計(jì)響應(yīng)之間的時(shí)間差。[0031 ] 已經(jīng)顯示這種方法是有效的且與原先已知的方法相比導(dǎo)致絕對(duì)渡越時(shí)間的極其精確的確定。
[0032]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，仿真流量計(jì)響應(yīng)的步驟包含:
[0033].將單個(gè)脈沖輸入信號(hào)饋送到驅(qū)動(dòng)換能器的信號(hào)發(fā)生器，所述信號(hào)發(fā)生器包含有源組件，
[0034].在輸入信號(hào)向信號(hào)發(fā)生器饋送期間或之后，監(jiān)控從一個(gè)或更多電壓電源到有源組件的電流，因而獲得用于換能器的單脈沖電源電流信號(hào)，
[0035].調(diào)節(jié)單脈沖電源電流信號(hào)且用于獲得換能器的仿真單脈沖響應(yīng)，
[0036].針對(duì)另一換能器重復(fù)以上三個(gè)步驟，因而獲得另一仿真單脈沖響應(yīng)，
[0037].通過(guò)做出換能器的兩個(gè)獲得的單脈沖響應(yīng)的卷積發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的單脈沖響應(yīng)，以及
[0038].通過(guò)組合使用適當(dāng)延遲重復(fù)的系統(tǒng)的已發(fā)現(xiàn)單脈沖響應(yīng)的很多實(shí)例計(jì)算仿真的流量計(jì)響應(yīng)。
[0039]已經(jīng)顯示這是獲得極其類似于測(cè)量的流量計(jì)響應(yīng)的仿真的流量計(jì)響應(yīng)的有效方式。
[0040]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，仿真流量計(jì)響應(yīng)的步驟包含:
[0041].將脈沖輸入信號(hào)饋送到驅(qū)動(dòng)換能器的信號(hào)發(fā)生器，所述信號(hào)發(fā)生器包含有源組件，
[0042].在輸入信號(hào)向信號(hào)發(fā)生器饋送期間或之后，監(jiān)控從一個(gè)或更多電壓電源到有源組件的電流，因而獲得一個(gè)或更多個(gè)電源電流信號(hào)，
[0043].直接從獲得的一個(gè)或更多電源電流信號(hào)或從一個(gè)或更多獲得的電源電流信號(hào)得出的一個(gè)或更多所得信號(hào)確定用于表征換能器的一個(gè)或更多量，
[0044]. 針對(duì)另一換能器重復(fù)以上三個(gè)步驟，因而獲得用于表征另一換能器的類似量，[0045].使用換能器的確定特征量以用于發(fā)現(xiàn)換能器的等效模型且確立換能器以及流量計(jì)的信號(hào)發(fā)生器和/或接收器電路的電子電路的數(shù)值模擬模型，以及
[0046]?通過(guò)將輸入信號(hào)函數(shù)或到達(dá)第一換能器的物理傳輸信號(hào)的采樣版本輸入到數(shù)值模擬模型來(lái)模擬流量計(jì)系統(tǒng)，由此獲得仿真的流量計(jì)響應(yīng)。
[0047]這是獲得極其類似于測(cè)量的流量計(jì)響應(yīng)的仿真的流量計(jì)響應(yīng)的另一有效方式。
[0048]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可用于表征換能器的量包括從獲得的信號(hào)和/或得出的信號(hào)中的一個(gè)或更多個(gè)的至少一部分確定的振蕩周期和/或阻尼系數(shù)，所述信號(hào)部分代表阻尼振蕩。
[0049]涉及換能器的阻尼振蕩的振蕩周期和阻尼系數(shù)是換能器的十分有用的特征，其極其適于構(gòu)建換能器的充分等效模型。
[0050]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)監(jiān)控串聯(lián)布置在信號(hào)發(fā)生器的有源組件和信號(hào)發(fā)生器的一個(gè)或更多電壓電源之間的一個(gè)或更多電流感應(yīng)電阻器上的電壓來(lái)獲得一個(gè)或更多電源電流信號(hào)。
[0051]這是用于測(cè)量電流信號(hào)的簡(jiǎn)單、穩(wěn)定和公知的方法。
[0052]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算絕對(duì)渡越時(shí)間的步驟包含:
[0053]?例如借助于快速傅立葉變換將仿真的流量計(jì)響應(yīng)和測(cè)量的流量計(jì)響應(yīng)變換到頻域，
[0054].在至少兩個(gè)不同頻率處確定頻域中兩個(gè)流量計(jì)響應(yīng)之間的相位角，以及
[0055].通過(guò)計(jì)算來(lái)自兩個(gè)確定·的相位角的組時(shí)間延遲確定絕對(duì)渡越時(shí)間。
[0056]快速傅立葉變換的使用和在頻域的工作充分減小了確定絕對(duì)渡越時(shí)間所需的計(jì)
禪且昇里。
[0057]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算絕對(duì)渡越時(shí)間的步驟包含:
[0058].分別發(fā)現(xiàn)仿真的流量計(jì)響應(yīng)和測(cè)量的流量計(jì)響應(yīng)的過(guò)濾包絡(luò)，
[0059].識(shí)別其中過(guò)濾包絡(luò)分別到達(dá)其最大值的50%的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，以及
[0060].將絕對(duì)渡越時(shí)間計(jì)算為兩個(gè)識(shí)別的時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間差。
[0061]已經(jīng)顯示該方法提供經(jīng)過(guò)流量計(jì)的流動(dòng)路徑的超聲信號(hào)的絕對(duì)渡越時(shí)間的極其精確的確定。
[0062]在本發(fā)明的一個(gè)方面中，其涉及一種包含至少一個(gè)超聲換能器和用于產(chǎn)生到換能器的電學(xué)信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器的超聲流量計(jì)，該信號(hào)發(fā)生器包含有源組件，其中流量計(jì)還包括用于測(cè)量到信號(hào)發(fā)生器的有源組件的一個(gè)或更多電源電流的裝置。
[0063]這使得可以在換能器布置在流量計(jì)中的同時(shí)表征換能器。
[0064]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，用于測(cè)量一個(gè)或更多電源電流的裝置包含串聯(lián)插入在正電源電壓電源和有源組件之間的電阻器。
[0065]這是用于測(cè)量電流信號(hào)的簡(jiǎn)單、穩(wěn)定和公知的方法。
[0066]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，用于測(cè)量一個(gè)或更多電源電流的裝置包含串聯(lián)插入在負(fù)電源電壓電源和有源組件之間的電阻器。
[0067]測(cè)量?jī)蓚€(gè)電源連接中的電源電流實(shí)現(xiàn)換能器的較快速表征，同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)電源電流號(hào)。
[0068]在本發(fā)明的一個(gè)方面中，其涉及一種用于表征超聲換能器的方法，所述方法包含以下步驟:
[0069].將脈沖輸入信號(hào)饋送到驅(qū)動(dòng)換能器的信號(hào)發(fā)生器，所述信號(hào)發(fā)生器包含有源組件，
[0070].在輸入信號(hào)向信號(hào)發(fā)生器饋送期間或之后，監(jiān)控從一個(gè)或更多電壓電源到有源組件的電流，因而獲得一個(gè)或更多個(gè)電源電流信號(hào)，以及
[0071].直接從獲得的一個(gè)或更多電源電流信號(hào)或從一個(gè)或更多獲得的電源電流信號(hào)得出的一個(gè)或更多所得信號(hào)確定用于表征換能器的一個(gè)或更多量。
[0072]該方法使得能夠在換能器布置在流量計(jì)中的同時(shí)表征換能器。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，有源組件是運(yùn)算放大器。
[0073]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，有源組件是驅(qū)動(dòng)換能器的數(shù)字電路。
[0074]這反映了可以在信號(hào)發(fā)生器中使用不同類型的有源組件。
[0075]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)監(jiān)控串聯(lián)布置在信號(hào)發(fā)生器的有源組件和信號(hào)發(fā)生器的一個(gè)或更多電壓電源之間的一個(gè)或更多電流感應(yīng)電阻器上的電壓來(lái)獲得一個(gè)或更多電源電流信號(hào)。
[0076]這是用于測(cè)量電流信號(hào)的簡(jiǎn)單、穩(wěn)定和公知的方法。
[0077]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可用于表征換能器的量包括從獲得的信號(hào)和/或得出的信號(hào)中的一個(gè)或更多個(gè)的至少一部分確定的振蕩周期和/或阻尼系數(shù)，所述信號(hào)部分代表阻尼振蕩。
[0078]涉及換能器的阻尼振蕩的振蕩周期和阻尼系數(shù)是換能器的十分有用的特征，其極其適于構(gòu)建換能器的充分等效模型。
[0079]在本發(fā)明的一個(gè)方面中，其涉及一種用于確定超聲流量計(jì)的流動(dòng)路徑中超聲信號(hào)的時(shí)間延遲的方法，所述方法包含以下步驟:
[0080]?通過(guò)確定諸如換能器的阻尼振蕩的角頻率和阻尼系數(shù)之類的特征量表征流量計(jì)的兩個(gè)換能器，
[0081].使用換能器的確定特征量來(lái)發(fā)現(xiàn)換能器的等效模型，且確立換能器以及流量計(jì)的信號(hào)發(fā)生器和/或接收器電路的電子電路的數(shù)值模擬模型，
[0082].如果在兩個(gè)換能器的超聲信號(hào)的傳輸中沒(méi)有時(shí)間延遲，則通過(guò)將輸入信號(hào)函數(shù)或到達(dá)第一換能器的物理傳輸信號(hào)的采樣版本輸入數(shù)值模擬模型來(lái)模擬流量計(jì)系統(tǒng)，由此根據(jù)該模型獲得如同來(lái)自接收器電路的輸出信號(hào)的模型響應(yīng)的、對(duì)應(yīng)于該輸出信號(hào)的模擬模型響應(yīng)，
[0083].記錄由接收器電路實(shí)際接收的物理流量計(jì)響應(yīng)，以及
[0084].通過(guò)與模擬模型響應(yīng)比較確定物理流量計(jì)響應(yīng)的時(shí)間延遲來(lái)計(jì)算絕對(duì)渡越時(shí)間。
[0085]已經(jīng)顯示該方法提供經(jīng)過(guò)流量計(jì)的流動(dòng)路徑的超聲信號(hào)的絕對(duì)渡越時(shí)間的極其精確的確定。
[0086]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算絕對(duì)渡越時(shí)間的步驟包含以下步驟:
[0087].分別發(fā)現(xiàn)模擬模型響應(yīng)和物理流量計(jì)響應(yīng)的過(guò)濾包絡(luò)，
[0088].識(shí)別其中過(guò)濾包絡(luò)分別到達(dá)其最大值的50%的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，以及
[0089].將絕對(duì)渡越時(shí)間計(jì)算為兩個(gè)識(shí)別的時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間差。[0090]已經(jīng)顯示:考慮換能器參數(shù)不僅極有可能在樣本之間不同而且還隨時(shí)間變化且在溫度變化時(shí)變化，這種計(jì)算絕對(duì)渡越時(shí)間的方法是極其精確的且可再現(xiàn)的。
[0091]在本發(fā)明的一個(gè)方面中，其涉及一種超聲流量計(jì)，該超聲流量計(jì)包含至少一個(gè)超聲換能器和用于處理從該至少一個(gè)超聲換能器接收的電學(xué)信號(hào)的信號(hào)處理單元，其中信號(hào)處理單元布置為在小于該至少一個(gè)超聲換能器的諧振頻率兩倍的采樣頻率處數(shù)字化連續(xù)信號(hào)。
[0092]這允許在流量計(jì)中使用與將另外需要的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器相比更慢和更便宜的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
[0093]在本發(fā)明的一個(gè)方面中，其涉及一種超聲流量計(jì)，該超聲流量計(jì)包含:用于流體流動(dòng)的流動(dòng)路徑；聲學(xué)耦合到流動(dòng)路徑的至少兩個(gè)超聲換能器，一個(gè)換能器沿著流動(dòng)路徑布置在另一換能器的上游；用于產(chǎn)生到換能器的電學(xué)傳輸信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器，該信號(hào)發(fā)生器包含負(fù)反饋耦合運(yùn)算放大器；用于從換能器接收電學(xué)接收信號(hào)的接收器電路，該接收器電路包含負(fù)反饋耦合運(yùn)算放大器；用于在信號(hào)發(fā)生器和換能器之間切換電學(xué)傳輸信號(hào)且用于在換能器和接收器電路之間切換電學(xué)接收信號(hào)的切換單元；用于基于電學(xué)接收信號(hào)在流動(dòng)路徑中提供指示流速的輸出的信號(hào)處理單元，其中切換單元耦合到信號(hào)發(fā)生器的運(yùn)算放大器的輸出端子且切換單元耦合到接收器電路的運(yùn)算放大器的反相輸入端子。
[0094]因而，本發(fā)明尤其涉及用于計(jì)費(fèi)目的的高精確度、高容量、低功率和低成本消耗的儀表。
[0095]通過(guò)耦合切換單元，且由此將換能器耦合到信號(hào)發(fā)生器的運(yùn)算放大器的輸出端子并且耦合到接收器電路的運(yùn)算放大器的反相輸入端子，實(shí)現(xiàn)無(wú)論換能器操作為發(fā)送器還是接收器，從換能器看到的阻抗相同。這意味著用于線性無(wú)源電路的互易定理適用于流量計(jì)，這對(duì)于其穩(wěn)定性和可生產(chǎn)性是重要的。
[0096]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，與換能器的阻抗相比，信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗和接收器電路的輸入阻抗可忽略，諸如小于10歐姆，優(yōu)選地小于I歐姆，更優(yōu)選地小于0.1歐姆。
[0097]選擇信號(hào)發(fā)生器SG的極低輸出阻抗和接收器電路RC的極低輸入電阻對(duì)于獲得換能器彼此充分靠近時(shí)經(jīng)歷兩個(gè)阻抗且對(duì)于確保電學(xué)傳輸和接收信號(hào)的衰減被最小化是有利的。
[0098]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)生器和接收器電路共享至少一個(gè)有源組件。
[0099]這對(duì)于在制造流量計(jì)時(shí)節(jié)省組件成本是有利的。
[0100]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)生器的所有有源組件完全與接收器電路的所有有源組件分離。
[0101]針對(duì)信號(hào)發(fā)生器和接收器電路使用不同有源組件實(shí)現(xiàn)這種可能性:信號(hào)可以通過(guò)流量計(jì)自始自終發(fā)送，而無(wú)需在傳輸期間必須發(fā)生傳輸路徑上的任意切換。
[0102]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)生器和接收器電路中的運(yùn)算放大器中的一個(gè)或更多個(gè)是電流反饋運(yùn)算放大器。
[0103]電流反饋運(yùn)算放大器的使用是有益的，因?yàn)榕c其他類型的運(yùn)算放大器相比，這種放大器具有反相輸入端子上的較低的輸入阻抗和較高的帶寬且在高頻具有較低的功耗和較高的增益。
[0104]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)生器和接收器電路中的運(yùn)算放大器中的一個(gè)或更多個(gè)在輸入共模電壓處操作，該電壓的AC成分基本為零或至少可忽略。
[0105]這對(duì)于某些類型的運(yùn)算放大器、尤其是具有最高帶寬和極低電流消耗的運(yùn)算放大器是極其重要的，因?yàn)閷?duì)于線性操作在輸入上允許的電壓擺動(dòng)極其有限。
[0106]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該至少兩個(gè)換能器布置為能夠同時(shí)發(fā)送超聲信號(hào)。
[0107]在該配置中，電學(xué)傳輸信號(hào)僅發(fā)送其他配置中次數(shù)的一半，節(jié)省了電池壽命。另夕卜，渡越時(shí)間在兩個(gè)方向中被同時(shí)測(cè)量，且因而不存在兩個(gè)方向中的測(cè)量之間的流速突變。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0108]在下文中，將參考附圖更詳細(xì)地描述和解釋本發(fā)明的幾個(gè)示例性實(shí)施例，其中
[0109]圖1示意性說(shuō)明如本領(lǐng)域已知的用于渡越時(shí)間流量測(cè)定的超聲流量計(jì)的整體結(jié)構(gòu)，
[0110]圖2a示意性說(shuō)明本領(lǐng)域已知的超聲流量計(jì)中超聲換能器的耦合，
[0111]圖2b示意性說(shuō)明本領(lǐng)域已知的另一超聲流量計(jì)中超聲換能器的耦合，
[0112]圖3示意性說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的超聲流量計(jì)中超聲換能器的耦合，
[0113]圖4示意性說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的超聲流量計(jì)中超聲換能器的耦合，
[0114]圖5示意性說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的超聲流量計(jì)中超聲換能器的耦合，
[0115]圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的超聲流量計(jì)中大部分基本電子組件的示意圖，
[0116]圖7a示意性說(shuō)明在獲得驅(qū)動(dòng)超聲換能器的有源組件的電源電流信號(hào)中用于執(zhí)行第一步驟的機(jī)構(gòu)，
[0117]圖7b示意性說(shuō)明在獲得驅(qū)動(dòng)超聲換能器的有源組件的電源電流信號(hào)中用于執(zhí)行第二步驟的機(jī)構(gòu)，
[0118]圖8a示意性說(shuō)明在從驅(qū)動(dòng)換能器的有源組件的電源電流信號(hào)獲得超聲換能器的特征中的第一步驟，
[0119]圖Sb示意性說(shuō)明在從驅(qū)動(dòng)換能器的有源組件的電源電流信號(hào)獲得超聲換能器的特征中的第二步驟，
[0120]圖9說(shuō)明超聲換能器的已知等效不意圖，
[0121]圖10說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的超聲流量計(jì)的簡(jiǎn)單等效示意圖的演變中的一些步驟，
[0122]圖11說(shuō)明通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的流量計(jì)的物理和模擬信號(hào)鏈之間的差異和相似性，
[0123]圖12示意性說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明用于非常精確地確定流動(dòng)路徑中超聲信號(hào)的時(shí)間延遲的方法，
[0124]圖13更詳細(xì)地示意性說(shuō)明用于從如圖12說(shuō)明的方法這樣的方法獲得的響應(yīng)信號(hào)計(jì)算絕對(duì)渡越時(shí)間的方法，
[0125]圖14a說(shuō)明連續(xù)信號(hào)的頻譜的示例，
[0126]圖14b示意性說(shuō)明其頻譜在圖14a中說(shuō)明的欠采樣頻譜連續(xù)信號(hào)的頻譜結(jié)果，
[0127]圖14c示意性說(shuō)明如何可以通過(guò)改變采樣頻率和過(guò)濾信號(hào)來(lái)重構(gòu)欠采樣信號(hào)，
[0128]圖15a說(shuō)明連續(xù)信號(hào)的示例，
[0129]圖15b說(shuō)明在信號(hào)頻率的5/6的采樣頻率處采樣圖15a的信號(hào)獲得的數(shù)據(jù)樣本，
[0130]圖16a說(shuō)明使用寬帶FIR重構(gòu)濾波器重構(gòu)圖15a的信號(hào)，[0131]圖16b說(shuō)明使用窄帶FIR重構(gòu)濾波器重構(gòu)相同的信號(hào)，
[0132]圖17示意性說(shuō)明用于發(fā)現(xiàn)欠采樣連續(xù)信號(hào)的幅度和相位的方法，
[0133]圖18示意性說(shuō)明用于無(wú)失真地重構(gòu)欠采樣連續(xù)信號(hào)的方法，
[0134]圖19示意性說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明用于非常精確地確定流動(dòng)路徑中超聲信號(hào)的時(shí)間延遲的擴(kuò)展方法，
[0135]圖20a說(shuō)明當(dāng)在從第一超聲換能器到第二超聲換能器的第一信號(hào)方向中發(fā)送超聲信號(hào)時(shí)在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的超聲流量計(jì)中流動(dòng)的電流的示意圖，
[0136]圖20b說(shuō)明當(dāng)在從第二超聲換能器到第一超聲換能器的第二信號(hào)方向中發(fā)送超聲信號(hào)時(shí)在相同超聲流量計(jì)中流動(dòng)的電流的示意圖，以及
[0137]圖20c說(shuō)明在用于確定根據(jù)本發(fā)明的超聲流量計(jì)中某些參數(shù)的測(cè)試機(jī)構(gòu)中流動(dòng)的電流的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0138]圖1示出如本領(lǐng)域已知的用于渡越時(shí)間流量測(cè)定的超聲流量計(jì)的整體結(jié)構(gòu)?？刂破鲉卧狢U控制信號(hào)發(fā)生器SG、切換單元SU和接收器電路RC的操作，其中切換單元SU在一端建立信號(hào)發(fā)生器SG和接收器電路RC之間且在另一端建立兩個(gè)超聲換能器TR1、TR2之間的不同電學(xué)連接。兩個(gè)換能器TR1、TR2布置在將測(cè)定流體流量的流動(dòng)路徑中，一個(gè)換能器TRl沿著流動(dòng)路徑布置在另一換能器T2的上游。
[0139]原則上，以三個(gè)步驟執(zhí)行流量測(cè)定:
[0140]1.切換單元SU設(shè)立為連接信號(hào)發(fā)生器SG到第一換能器TRl且連接第二換能TR2到接收器電路RC。
[0141]電學(xué)傳輸信號(hào)(典型地幾兆赫茲頻率且?guī)孜⒚氤掷m(xù)時(shí)間的脈沖信號(hào))通過(guò)切換單元SU從信號(hào)發(fā)生器SG發(fā)送到第一換能器TRl，信號(hào)作為超聲信號(hào)通過(guò)流體從該第一換能器發(fā)送到第二換能器TR2。從TR2，信號(hào)通過(guò)切換開(kāi)關(guān)SU作為電學(xué)電流接收信號(hào)繼續(xù)到接收器電路RC，其中接收信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。
[0142]信號(hào)處理單元(圖1中示出的配置中的控制器單元CU的部件)分析電壓信號(hào)、從電學(xué)接收信號(hào)與電學(xué)傳輸信號(hào)相比的延遲計(jì)算從換能器TRl到換能器TR2通過(guò)流體的超聲信號(hào)的渡越時(shí)間，且記錄該渡越時(shí)間(h )。
[0143]2.切換單元SU的配置變化為連接信號(hào)發(fā)生器SG到第二換能器TR2且連接第一換能TRl到接收器電路RC。
[0144]和步驟I中一樣，電學(xué)傳輸信號(hào)從信號(hào)發(fā)生器SG發(fā)送且電學(xué)接收信號(hào)被接收器電路RC接收，只不過(guò)此時(shí)超聲信號(hào)在相反方向中通過(guò)流體發(fā)送，即從第二換能器TR2發(fā)送到第一換能器TRl。
[0145]同樣，信號(hào)處理單元計(jì)算且記錄渡越時(shí)間(t2)。
[0146]3.信號(hào)處理單元從以下形式的等式計(jì)算流動(dòng)路徑中流量的指示:
【權(quán)利要求】
1.一種方法，用于估計(jì)和校正或至少減小超聲流量計(jì)中接收的超聲信號(hào)的相位誤差，所述方法包含以下步驟: ?測(cè)量所述超聲流量計(jì)中的一個(gè)或更多信號(hào)，該一個(gè)或更多信號(hào)取決于所述超聲流量計(jì)中一個(gè)或更多超聲換能器的特征， ?使用一個(gè)或更多測(cè)量的信號(hào)以計(jì)算估計(jì)的相位誤差值，以及 ?使用估計(jì)的相位誤差值以校正由所述超聲流量計(jì)測(cè)量的發(fā)送時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述超聲流量計(jì)包括用于測(cè)量到信號(hào)發(fā)生器的有源組件的一個(gè)或更多電源電流的裝置，且取決于所述超聲流量計(jì)中的一個(gè)或更多超聲換能器的特征的一個(gè)或更多測(cè)量的信號(hào)是到所述信號(hào)發(fā)生器的有源組件的電源電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述估計(jì)的相位誤差值的計(jì)算包括使用一個(gè)或更多相位誤差校正常數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中從表達(dá)式
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中所述一個(gè)或更多相位誤差校正常數(shù)通過(guò)超聲流量計(jì)中的實(shí)際相位誤 差的一系列測(cè)量來(lái)確定并且優(yōu)化以導(dǎo)致大溫度范圍上的最佳可能的估計(jì)的相位誤差值，使得當(dāng)計(jì)算所述估計(jì)的相位誤差值時(shí)可以獨(dú)立于溫度考慮所述一個(gè)或更多相位誤差校正常數(shù)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，還包含取決于所述超聲流量計(jì)中的一個(gè)或更多超聲換能器的特征的表征來(lái)規(guī)則地重復(fù)一個(gè)或更多信號(hào)的測(cè)量以及相應(yīng)地更新所述估計(jì)的相位誤差值的計(jì)算的步驟。
7.一種方法，用于確定包含兩個(gè)超聲換能器(TR1，TR2)的超聲流量計(jì)的流動(dòng)路徑(FP)中的超聲信號(hào)的絕對(duì)渡越時(shí)間(td)的方法，所述方法包含以下步驟: ?在輸入信號(hào)(SP ；DPSa, DPSb)向信號(hào)發(fā)生器(SG)的饋送期間或之后，監(jiān)控從一個(gè)或更多電壓電源(VCC ；V3)到驅(qū)動(dòng)換能器(TRl ；TR2)的所述信號(hào)發(fā)生器(SG)的有源組件(OPsg)的電流，因而獲得用于所述換能器(TRl ；TR2 ;SCSa，SCSb)的電源電流信號(hào)(SPSCS1 ；SPSCS2), ?如果在所述兩個(gè)超聲換能器(TRl，TR2 )之間的超聲信號(hào)的發(fā)送中沒(méi)有時(shí)間延遲，則仿真如同來(lái)自所述流量計(jì)的接收器電路(RC)的輸出信號(hào)的流量計(jì)響應(yīng)的、類似于該輸出信號(hào)的流量計(jì)響應(yīng)(RESPem)， ?將仿真的流量計(jì)響應(yīng)(RESPem)與由所述接收器電路(RC)實(shí)際接收的測(cè)量的流量計(jì)響應(yīng)(RESPms)進(jìn)行比較，以及 ?將所述絕對(duì)渡越時(shí)間(td)計(jì)算為在所述仿真的流量計(jì)響應(yīng)(RESPem)和所述測(cè)量的流量計(jì)響應(yīng)(RESPms )之間的時(shí)間差。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法。
9.一種超聲流量計(jì),包含: 至少一個(gè)超聲換能器(TRl)以及 用于產(chǎn)生到所述換能器(TRl)的電學(xué)信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器(SG)，所述信號(hào)發(fā)生器(SG)包含有源組件(OPsg)， 其特征在于 所述流量計(jì)還包含用于測(cè)量到所述信號(hào)發(fā)生器的有源組件的一個(gè)或更多電源電流的裝置。
10.一種方法，用于表征超聲換能器(TR1，TR2)，所述方法包含以下步驟: ?將脈沖輸入信號(hào)(DPSa，DPSb)饋送到驅(qū)動(dòng)所述換能器(TRl，TR2)的信號(hào)發(fā)生器(SG)，所述信號(hào)發(fā)生器包含有源組件(OPsg)， ?在所述輸入信號(hào)(DPSa，DPSb)向所述信號(hào)發(fā)生器(SG)的饋送期間或之后，監(jiān)控從一個(gè)或更多電壓電源(VCC ；V3)到所述有源組件(OPsg)的電流，因而獲得一個(gè)或更多電源電流信號(hào)(SCSa，SCSb),以及 ?從獲得的一個(gè)或更多電源電流信號(hào)(SCSa，SCSb)或從一個(gè)或更多獲得的電源電流信號(hào)(SCSa，SCSb)得出的一個(gè)或更多所得信號(hào)(SCS-，SCS+)直接確定用于表征所述換能器(TR1，TR2)的一個(gè)或更 多量。
11.一種方法，用于確定超聲流量計(jì)的流動(dòng)路徑(FP)中的超聲信號(hào)的時(shí)間延遲，所述方法包含以下步驟: ?通過(guò)確定諸如換能器TR1、TR2的阻尼振蕩的角頻率阻尼系 數(shù)α之類的特征量來(lái)表征所述流量計(jì)的兩個(gè)換能器TR1、TR2， ?使用所述換能器的確定的特征量以找到所述換能器TR1、TR2的等效模型，且確立所述換能器TR1、TR2以及所述流量計(jì)的信號(hào)發(fā)生器SG和/或接收器電路RC的電子電路的數(shù)值模擬模型， ?如果在所述兩個(gè)換能器TR1、TR2之間的超聲信號(hào)的發(fā)送中沒(méi)有時(shí)間延遲，則通過(guò)將輸入信號(hào)函數(shù)或到達(dá)第一換能器的物理發(fā)送信號(hào)的采樣版本輸入所述數(shù)值模擬模型來(lái)模擬流量計(jì)系統(tǒng)，由此獲得如同根據(jù)該模型的來(lái)自接收器電路RC的輸出信號(hào)的、對(duì)應(yīng)于該輸出信號(hào)的模擬模型響應(yīng)， ?記錄由所述接收器電路RC實(shí)際接收的物理流量計(jì)響應(yīng)，以及?通過(guò)與所述模擬模型響應(yīng)比較確定物理流量計(jì)響應(yīng)的時(shí)間延遲來(lái)計(jì)算所述絕對(duì)渡越時(shí)間。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法。
13.一種超聲流量計(jì)，包含: 至少一個(gè)超聲換能器(TRl)以及 用于處理從所述至少一個(gè)超聲換能器(TRl)接收的電學(xué)信號(hào)的信號(hào)處理單元(SPU)， 該超聲流量計(jì)的特征在于 所述信號(hào)處理單元布置為在小于所述至少一個(gè)超聲換能器(TRl)的諧振頻率兩倍的采樣頻率處數(shù)字化來(lái)自所述換能器的連續(xù)信號(hào)。
14.一種超聲流量計(jì)，包含: 用于流體流動(dòng)的流動(dòng)路徑(FP )，聲學(xué)耦合到所述流動(dòng)路徑的至少兩個(gè)超聲換能器(TR1，TR2)，一個(gè)換能器(TRl)沿著所述流動(dòng)路徑布置在另一換能器(TR2)的上游， 用于產(chǎn)生到所述換能器的電學(xué)發(fā)送信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器(SG)，所述信號(hào)發(fā)生器(SG)包含負(fù)反饋耦合運(yùn)算放大器(OP ；0Psg), 用于從所述換能器接收電學(xué)接收信號(hào)的接收器電路(RC)，所述接收器電路(RC ；RC1,RC2)包含負(fù)反饋耦合運(yùn)算放大器(OP ；0Prc ；0Prcl, 0Prc2), 用于在所述信號(hào)發(fā)生器和所述換能器之間切換電學(xué)發(fā)送信號(hào)且用于在所述換能器和所述接收器電路之間切換電學(xué)接收信號(hào)的切換單元(SU)， 用于基于所述電學(xué)接收信號(hào)在所述流動(dòng)路徑中提供指示流速的輸出的信號(hào)處理單元(SPU)， 所述超聲流量計(jì)的特征在于 所述切換單元耦合到所述信號(hào)發(fā)生器的運(yùn)算放大器的輸出端子，并且 所述切換單元耦合到所述接`收器電路的運(yùn)算放大器的反相輸入端子。
【文檔編號(hào)】G01F1/66GK103874908SQ201280050503
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月13日
【發(fā)明者】J·德拉奇曼 申請(qǐng)人:米托爾斯有限公司