CN101006328A - 超声波液体流量控制器 - Google Patents

Abstract

一种包括导管，第一超声波传感器，第二超声波传感器和控制器的超声波流量计。第一超声波传感器在接近导管的第一部分的第一位置上定位，以传输第一超声波信号和接收第二超声波信号。第二超声波传感器在接近导管的第二部分的第二位置上定位并沿着导管的长度与第一位置间隔开，以传输第二超声波信号和接收第一超声波信号。所述控制器经过配置用于使第一和第二接收到的超声波信号交叉关联并产生作为结果的时域信号，分析该作为结果的时域信号以确定第一和第二接收到的超声波信号之间的传输时间差，并基于确定的时间差计算导管中的液体的流动速度。

Description

超声波液体流量控制器

技术领域

本发明涉及液体流量控制器，更加具体地说，涉及可以在液体流量控制器中使用的超声波液体流量计。

背景技术

在现有技术中用于测量在导管(例如，管子或软管)中流动的流体(例如，液体或气体)的流动速度的各种技术是众所周知的，这些技术包括热流量计，科里奥利力流量计和差压流量计。同样也是众所周知的是，在反馈控制回路中结合使用上述流量计和其他类型的流量计以控制系统中流体的流动。

在半导体设备的制造过程中，多种不同的流体必须要准确而且精确地分布在将要被处理的晶片表面上。举例来说，在传统的装置中，将要被处理的晶片通常定位于喷嘴之下，然后，喷嘴将分配预定量的流体(例如，水、混合液、蚀刻剂等)以涂层或处理晶片。

随着半导体晶片的集成水平的不断提高，表面的不规则日益成为严重的问题。例如，用于在晶片上的各种设计之间形成的内部连接的镀金属层可能导致实质性的表面不规则，所述的表面不规则可能干扰随后的照相平版印刷的步骤。结果是，需要改进多次处理过程，以在不损害形成于晶片表面上的设计的基础上“磨平”或去除晶片上的不规则表面。所述处理过程的一个实施例是化学机械抛光技术(CMP)，这是一种使用抛光流体的磨光方法，通常包括研磨剂颗粒和/或化学蚀刻剂，以在晶片相对于磨平垫旋转时，磨掉不规则表面。

通常，在CMP中使用的抛光流体以商业上预先包装好的形式提供给晶片制造商，抛光流体可能包括两种或两种以上的流体组分，这两种组分在抛光晶片的初级成品之前混合。一旦流体组分混合在一起，将导致抛光流体分配到晶片抛光装置上并用于抛光半导体晶片。

传统的抛光系统的明显劣势在于抛光流体不能在靠近使用的地方混合，也不能在邻近使用时才混合。相反的是，流体组分被混合和储存在存储罐中，通常要求具有连续运转的马达，泵或混合器以搅动流体和防止流体的组分分离，尤其是，要防止研磨剂颗粒从剩余的流体中分离出来。这对于抛光流体的组分的对点使用混合的即时使用是有利的，并避免了存储和连续搅动流体的需要和费用。此外，由于通常存在于抛光流体中的化学蚀刻剂容易受到化学降解的影响，并需要在混合之后立即使用，因此，在“按需使用”的抛光流体的混合和使用中也是有利的。

对于准确地制造半导体设备来说，提供给晶片的抛光流体的数量和组分是关键的。传统的流量计和流量控制器缺少在实现抛光流体的对点使用混合中通常所需要的精确度。因此，存在对一种精确的、小型的流体流量控制器的需求，所述流体流量控制器可以用于(在其他的事物中)控制半导体制造中使用的流体，以允许所述的流体的对点使用混合和精确分配。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种超声波流量计，该超声波流量计包括导管，第一超声波传感器，第二超声波传感器，和控制器。第一超声波传感器在沿着导管长度的第一位置上定位，第二超声波传感器在沿着导管长度的第二位置上定位，并与第一位置间隔开。第一超声波传感器经过配置用于传输第一超声波信号和接收第二超声波信号，第二超声波传感器经过配置用于传输第二超声波信号和接收第一超声波信号。控制器经过配置用于使第一接收到的超声波信号和第二接收到的超声波信号交叉关联并产生作为结果的时域信号，分析该作为结果的时域信号以确定第一接收到的超声波信号和第二接收到的超声波信号之间的传输时间差，并基于确定的时间差计算导管中的流体的流动速度。有利的是，第一和第二超声波信号可以在相对于参考事件确定的延时之后传输，以致只有接收到的超声波信号被对比，以计算流体的流动速度。

根据一个实施方案，提供了一种确定导管中的流体的流动速度的方法。该方法的步骤包括沿着导管的长度发射第一和第二超声波信号，接收第一和第二超声波信号，使第一接收到的超声波信号与第二接收到的超声波信号交叉关联以产生作为结果的时域信号，分析该作为结果的时域信号以确定第一接收到的超声波信号和第二接收到的超声波信号之间的传输时间差，并基于确定的时间差计算导管中的液体的流动速度。

根据另一个实施方案，交叉关联的动作可以包括对第一接收到的超声波信号进行傅立叶变换，以产生第一频率域表达式，对第二接收到的超声波信号进行Hilbert变换和傅立叶变换，以产生第二频率域表达式，将第一和第二频率域表达式进行相乘，以产生作为结果的频率域表达式，并对作为结果的频率域表达式进行傅立叶逆变换，以产生作为结果的时域信号。

根据本发明的另一方面，提供一种超声波流量计，该超声波流量计包括导管，沿着导管长度在第一位置定位的第一超声波传感器，以传输第一超声波信号和接收第二超声波信号，和沿着导管长度在第二位置定位的第二超声波传感器，以传输第二超声波信号和接收第一超声波信号，第二位置与第一位置是间隔开的。流量计进一步包括计时电路，该计时电路与第一和第二超声波传感器电耦合，以在对于参考事件确定之后的延时，激发第一和第二超声波传感器的信号传输，和控制器，用于处理第一和第二接收到的超声波信号，并确定相对于参考事件的第一接收到的超声波信号的接收和第二接收到的超声波信号的接收之间的时间差。

根据一个实施方案，提供一种确定导管中流体的流动速度的方法。该方法的动作包括传输来自沿着导管的长度定位的第一位置上的第一超声波信号，和传输沿着导管的长度定位的第二位置上的第二超声波信号，沿着导管长度第二位置与第一位置间隔一段距离。所述方法进一步包括在第二位置上接收第一超声波信号，在第一位置上接收第二超声波信号，确定流体中的至少第一和第二超声波信号的其中之一的传播速度，只处理接收到的第一和第二超声波信号以确定第一接收到的超声波信号和第二接收到的超声波信号之间的接收时间差，并在确定的传播速度和确定的第一接收到的超声波信号和第二接收到的超声波信号之间的接收时间差的基础上计算流体的流动速度。

附图说明

附图不是严格按照比例绘制的。在附图中，不同的附图中用于举例说明的相同或基本相同的部件用同样的数字标识。出于清楚地表示附图的目的，并不是每一附图中的每一部件都被标识。

附图包括：

附图1是根据本发明的各个方面的用于液体流动的控制系统和闭环监控的一个实施方案的方框示意图。

附图2是根据本发明的各个方面的超声波流量计的一个实施方案的示意图。

附图3是根据本发明的各个方面的超声波液体流量控制器的一个实施方案的流程图。

附图4是根据本发明的各个方面的用于举例说明超声波信号的一个实施例的时序图。

附图5是根据本发明的各个方面的用于举例说明确定流体流动速度的方法的一个实施例的流程图。

附图6是用于举例说明相关的测量误差的图表。

附图7a是用于举例说明交叉关联的时序图。

附图7b是用于举例说明两条优选的正弦曲线的交叉关联的处理结果的时序图。

附图8用于举例说明在任意信号上进行交叉关联的处理结果的实施例。

附图9是确定超声波的波长的上游和下游的传输次数的方法的一个实施例的流程图。

附图10是确定导管中的流体流动速度的方法的一个实施例的流程图；以及

附图11是用于举例说明导管中的流体的可变流动速度。

具体实施方式

在参考附图的基础上，对本发明的各个实施方案和方面将进行详细的描述。人们将会理解本发明没有将其应用限制在下文的描述和用于举例说明的附图中的部件的各种结构和排列的细节中。本发明能够实现其他的实施方案和以各种不同的方式进行实践。本文中提供的各种特定的实施例仅仅用于举例说明的目的。尤其是，结合一个实施方案进行说明的动作、部件和特征的并不排除在其他的实施方案中起到相同的作用。同样地，本文中使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应该认为是限制。在本文中出现的“包括”、“含有”或“具有”、“包含”、“包括在......中”及其结合使用，是指包括列于其后的各项内容和等同的内容，以及附加的内容。

本发明的各种不同的实施方案包括用于系统中的流体的流动的闭环控制和监控方法和装置。在一个实施例中，被监控和控制的流体可能流向半导体晶片化学机械抛光技术(CMP)装置中。然而，本发明并没有限制在半导体制造领域，而且在此描述的本发明的原理可以用于监控和控制任何系统中的任何流体，举例来说，用于制备制药的产品的系统。根据一些实施方案，提供了一种处理透析技术(即，可以在任何类型的处理中使用)，该技术用于可以提供流体化学浓度和/或流动速度的实时测量中使用的处理工具。所述技术在监控和控制系统中有显著的应用，包括使用点混合和传送，对于全部以液体为基础的处理区域中，但是并没有局限于半导体制造中。

对于半导体设备制造来说，确定化学液体的某种化学和物理特性变得日益重要。对于所述的确定，处理和装备工程师将面临几个挑战，包括：1)液体化学物质在晶片表面缺陷、设备性能和产量的冲击；2)在液体为基础的处理过程，例如，铜质-CMP，流体组分的高额费用；以及3)带有液体化学污物的排出流对环境的影响。对于各种不同的化学处理，上述因素有助于对用于各种不同化学处理的液体的使用点混合和精确的分配的渴望。

包括流动控制器和流量计的传统系统，缺少在处理工具中的精确的使用点传感器，该传感器能够提供液体化学物质的某种特征的信息包括(但不限于)浓度和流动速度。使用点传感器(例如，流量计)是核心技术，需要解决工业上的挑战。然而，为实现最大利益，所述的使用点传感器应该被嵌入到监控和控制系统中。借助使用点精确的流量计，处理和装配工程师能够加快处理过程的发展，减少化学消耗和晶片废料(导致显著地节约直接的成本)和将环境污染降低到最小。更进一步，使用点化学混合和传送系统能够通过在使用点同时测量浓度和流动速度来精确地确定和控制在处理过程中使用的化学物质的数量。

为在处理工具中使用而专门研发的使用点传感器技术满足了原位使用的需要：实时测量、紧凑的尺寸、无干扰、无移动部分和处理透析。通常所期待的是，传感器对于具体的制造应用具有高可靠性、准确度和精度，以及适当的动态范围。本发明的各种不同的实施方案和方面涉及用于监控和控制液体化学物质(例如，CMP混合流体)的使用点传感器技术。

为了向处理工具的所有者提供理想的结果，通常需要的是，使用点化学物质控制系统具有精确设定和确定液体流动的能力。参考附图1，举例说明的是根据本发明的各个方面的流体控制系统的一个实施例的方框图。用于举例说明的系统100包括可以控制的阀门102，流体如直线/箭头104所示流经阀门102。人们将会理解，尽管以下的讨论主要涉及作为可控或可变的阀门部件102，但是部件102也可以是流体调节器的另一种类型，例如，泵。阀门102可以是，例如，电控变量阀，可以调节该阀以改变流经系统的流体的流量。阀门102通过控制器106进行控制，如直线108所示。控制器106可以是，例如，基于微处理器的控制器。流体流量计110可以定位于如图所示的阀门102的下游。本领域内的普通技术人员可以理解的是流量计110可以替换地位于阀门102的上游。流体的流动可以通过流量计110测量，所述流量计110与控制器106连接，如直线112所示。正如附图1所举例说明的那样，在一个实施例中，流量计110可以是流动线104的一部分，以致在流动线104中流动的流体也可以流经流量计110。人们将会理解流量计110可以与整个流动线104成为一体，或者可以定位于流动线的支线或旁线中，以致流量计110仅可以测量整个流体流的一部分。

根据至少一个实施方案，控制器106可以适用于使用信息，例如，由流量计110提供的流体的流动速度，以监控流体的流动和控制阀门102达到理想的流动速度，从而在系统100中提供流体流动的闭环控制。在一个实施方案中，对流体流动的控制是通过控制系统实现的，在控制系统中，流体流量计110是闭环系统中的反馈部件，正如附图1中所举例说明的那样。流量计110产生指示流经流动线104的流体的流动速度的电子信号。流量计信号112可以提供流体流动的实时反馈，并可能被输入到控制器106中。由控制器106产生的信号被输入到驱动阀门102的(用直线108指出)驱动器中，而且可能被用于控制阀门102，以致根据要求将流动速度改变为需要的流体流动速度。需要的流体流动速度也可以作为输入参数输入到控制器106中。举例来说，来自源114的流体可能进入系统100的用于举例说明的部分中，所述的源114可能是系统100的上游部件、存储部件或类似的部件。源114可以包括向控制器106提供信息的传感器，正如用直线116所指出的那样，例如，有效流体的量、温度、压力、浓度、密度等的设定点和极限，以及流体的初始的和可能的流动速度。控制器106可以适用于使用这样的信息和其他的输入，以调节在流动线104中流体的流动速度。

另外，正如附图1所举例说明的那样，控制器106可以与用户界面118耦合，用户界面118，举例来说，可以是基于图形绘制的用户界面。用户界面118可以允许用户监控系统和向控制器106提供输入，正如直线120所指出的。用户可以通过用户界面118来观察系统参数(由控制器106所提供的)并向控制器106提供输入，例如，期待的流体的流动速度，流动速度设定点和流动速度的较高和较低的限制。控制器106可以向用户界面118输出各种信息，包括，举例来说，实际的流动速度、越限警报、和数据管理和数据确定支持信息。人们也将会理解控制器106可以被连接到作为替代的另一个系统计算机，或者一起与用户界面118耦合。

人们将会理解控制器106可以与用各种不同的程序进行编程以控制阀门102。在一个实施例中，控制器可以用阀门模式编程，而且可以使用在校准期间确定的阀门和流体的参数，以改变阀门102打开的程度，阀门102的打开程度控制流体的流体速度。在2002年4于25日提交的共同所拥有的美国专利申请号为10/131,603，题目为“METHOD AND APPARATUS FOR A MASSFLOW CONTROLLER”，和2003年7月7日提交的美国专利申请号为10/622,080，题目为“METHOD AND APPARATUS FORPRES SURE COMPENSATION IN A MASS FLOWCONTROLLER”，详细地描述了所述方法。在此将上述文章并入本文作为参考。在另一个实施例中，控制器适于使用“自由模式”适合的控制运算法则来驱动阀门102。所述方法包括独立于系统中特定的流体流动的反馈“神经元”控制运算法则，而且不需要系统的动态先前的知识。本方法的至少一个实施方案在GeorgeShu-Xing Cheng的美国专利第6,684,112号中有详细的描述，在此整体被并入本文作为参考。

根据一个实施方案，流量计110可以是超声波流量计，适用于使用穿过流体传播的超声波的相对速度，以确定流体的流动速度。尽管超声波传感器被用于测量除了半导体之外的制造业中的流体的流动速度，所述超声波传感器通常没有用于半导体制造和使用点应用中需要的精度或速度。

参考附图2，举例说明了根据本发明的多个方面的超声波流量计的一个实施方案。在系统中，例如，系统100(附图1中)，流体流经管子或导管130，用箭头132指出。在举例说明的实施方案中，第一超声波传感器134上安装到导管130的第一位置上，第二超声波传感器136安装到导管130的第二位置上，所述的第二位置远离第一超声波传感器的距离138的位置上定位。根据一个实施例，每一个超声波传感器134，136都可能包括压电转换器(振荡器)，该压电转换器包括压电陶瓷部件(例如，锆钛酸铅)和用于将电压施加到压电陶瓷部件上的成对电极。在将电压施加到压电陶瓷部件上时，每一个超声波传感器134，136都能产生超声波，而且在接收到超声波时，可以产生电压。因此，每一个超声波传感器134，136都有超声波发生器和/或超声波接收器的功能。在一个实施例中，每个超声波传感器都可能是环形的压电振荡器，可能安装在导管130的外表面上，正如附图2所示。人们将会理解超声波传感器134、136不是必须是环形的，如果其他的形状的超声波传感器能够将超声波能量引导到导管130的流体中，并引起至少部分能量能够像超声波穿过流体长度那样在导管130中传播，那么其他的形状也可以替代使用。举例来说，超声波传感器134、136可能只是形成环形的一部分(例如，二分之一)，或仍然是可以替换的，超声波传感器134、136可以安装在导管130的末端部分，如美国第6,055,868号专利中的附图7、附图8a，附图8b和附图9所示，该专利全部并入本文作为参考。

根据一个实施方案，第一超声波传感器134可以与第一开关140连接，第二超声波传感器136可以与第二开关142连接。如直线146所示，第一和第二开关140，142的每一个的第一接线端可以与接收器电路144连接，而且，如直线150所示，第一和第二开关140，142的每一个的第二接线端可以与发射器(或波形发生器)电路148连接。开关可能通过触发电路152被控制(即，从一种状态切换到另一种状态)，触发电路可能包括，例如，时钟振荡器或其他的开关装置。开关140，142具有来自触发电路152的触发信号被安排以致，开关切换状态，从而在传输和接收状态之间切换第一和第二超声波传感器134，136。举例来说，当第一超声波传感器134连接到发射器电路148(即，起到超声波发生器的作用)，第二超声波传感器136连接到接收器电路144，以接收由第一超声波传感器134产生的超声波。然后，来自触发器回路152的信号可能导致开关改变状态，以致第一超声波传感器134与接收器电路144连接，而第二超声波传感器136与发射器电路148连接。在这种方式下，上游(即，与流体流动反向)超声波和下游超声波(即，与流体流动同向)都能被产生和被接收。

在导管130内部的流体的流动速度可以通过测量在超声波传感器134，136之间传播的上游超声波和下游超声波两者的时间来确定。上游超声波和下游超声波之间的传输时间差与导管130中的流体流动的速度成比例。当没有流体流经导管130时，或者在导管130中只有少量流体时，在两个超声波传感器134，136之间传输的上游和下游超声波的时间应该是相同的，因此，时间差几乎接近零。任何流体流动可以由非零传输时间差表示。人们将会理解流体的流动速度可以通过从在流体中传播的超声波的传输时间中所计算的流体的速率，和系统的各种物理参数(例如，导管的横截面积、流体的特定密度等等)来计算。

根据一个实施方案，液体流量计包括两个超声波传感器，如附图2所举例说明的那样，所述两个超声波传感器可以适用于通过以下方法确定导管中的液体的流动速度。上游超声波和下游超声波在两个超声波传感器之间传播所使用的时间可以通过使用诸如在发送和接收信号之间的数学比较的方法被测量。上游波和下游波之间的通行时间差可以被计算，而且流体的速率通过通行时间差确定。利用求平均值的技巧来改进测量和计算的准确度。本文中的方法及其各种变化将在下文中做更加详细的描述。人们将会理解液体流量计可能包括控制器，该控制器与用于执行必要的数学计算的一组或一组以上的指令进行编程。

参考附图3，举例说明的是根据本发明的多个方面的超声波液体流量计110的一个实施方案。流量计可以包括第一超声波传感器134和第二超声波传感器136，如附图2中的附图标记所示。在两个传感器之间的流体流动用箭头132指出。上游和下游光波的传播用箭头200指出。如同上文中的讨论，流量计110可以包括开关电路202，允许两个超声波传感器134、136在发射和接收模式之间切换。流量计110可以进一步包括控制器204，例如，以微处理器为基础的控制器，经过编程以控制流量计的电子电路，以及与其他的系统部件的连接。在一个实施例中，控制器204可以包括数字信号处理器(DSP)，例如，TMS320C64xxDSP，可以从Texas Instruments，Inc.获得。人们将会理解流量计110可以作为独立部件被提供，或作为流量控制器(例如，在附图1中所举例说明的流量控制器)的部分提供，在这种情况，控制器204可以是与控制器106(参考附图1)一样的部件，或者可以是独立的控制器。控制器204和流量计110中的各种不同的电子部件将在下文中进行详细的描述。

参考附图4，举例说明的是发射(即，传输)和接收上游和下游超声波信号的时序图的一个实施例。例如，超声波传感器136可以转换为发射模式，和可以被控制(通过提供的电压或电流)用于产生下游发射信号302。超声波传感器134可以合作地被切换为接收模式，以检测对应的下游接收到的信号304。时间差Δtd(在发射信号302被传输后，检测到接收信号304所用的时间)受到流体中的信号的传播速度和流体的流动速度的影响。同样地，开关电路202被触发，以使超声波传感器136处于接收模式和超声波传感器134处于发射模式。超声波传感器134可以产生上游发射信号306，和上游接收到的信号308一样，上游发射信号306随后被超声波传感器136检测到。时间差Δtu(在发射信号306被传输后，检测到接收信号306所用的时间)也受到流体中的信号的传播速度和流体的流动速度的影响。因此，根据本发明的多个方面，信号在媒介中的传播速度可以通过使用上游和下游的传输来确定，以致流体的流动速度从Δtd和Δtu的其中之一或两者以及系统的各种物理参数中确定，正如上文中的讨论。

根据一个实施方案，发射信号302、306可以通过使用，例如，直接数字合成被数字化产生。参考附图3，流量计电路中的发射器电路205可以包括发射器的数模(D/A)转换器电路206，该转换电路可以包括存储部件208(例如，FIFO)  和D/A210。存储元件208可以是，例如，先进先出的非挥发性存储装置，可以存储一种或更多的对应于期待发射信号的数字序列。更加特别的是，存储元件208可能包括数字序列，当存储元件208通过控制器204激发时，数字序列被发送到D/A210并转换为模拟电子信号。模拟电子信号可以通过滤波器212被滤波，滤波器212可以是，例如，带通滤波器或低通滤波器，模拟电子信号并通过驱动放大器214放大。人们将会理解由于超声波传感器和传输通道提供只有那么多高频抑制，因此过滤器212在某些实施方案中可能被省去，而D/A210的输出与驱动放大器214的输入相连接。然后，被放大的电子信号借助开关电路202被应用到超声波传感器134、136中适当的一个上。对于那被应用的模拟电子信号激发的响应，超声波传感器134或136可能产生超声波，从而产生下游发射信号302或上游发射信号306。人们将会理解发射器电路205可能包括附加的部件，或正如本领域内的普通技术人员所熟知的那样对所示部件的改进的替换，。如果电路的作用在于产生可以用于促使超声波传感器产生期待的超声波的电子信号，那么发射器电路205的确切部件对于本发明来说不是关键。在附图3中举例说明的发射器电路205是作为适合的装置而提供的一个实施例，其含义不在于限制。更进一步，人们将会理解尽管附图3中的用于举例说明的实施方案，超声波传感器134，136共享相同的发射器电路205，作为替换的是，也可以向每一个传感器提供分开的发射器电路。

同样地，当接收到的信号304或308到达超声波传感器134或136的其中之一时，接收到的信号可以通过超声波传感器被检测，其产生电子信号作为响应。所述电子信号可以在流量计电路的接收器电路207中使用。举例来说，接收到的电子信号可以通过放大器216放大和通过滤波器218过滤，滤波器218可以是，例如，低通滤波器或带通滤波器。由于具有发射器电路205，滤波器218在某些实施方案中可能被省去。然后，信号被施加于模-数(A/D)转换器电路220中，转换器电路220将电子信号转换为数字信号(使用A/D 222)，并将作为结果的数字信号储存在存储部件224中，所述的存储部件可以是，例如，FIFO。人们将再次领会到接收器电路207可以包括附加的部件，或对于所示部件的改进的替换，正如本领域内的普通技术人员所能理解的那样。在本发明中，如果回路的作用在于接收由超声波传感器作为接收超声波的响应而产生的电子信号并提供恢复的信号用于控制器204处理，那么接收电路207中的确切部件不是关键。附图3举例说明的接收器电路207是作为适合的装置而提供的一个实施例，而不是限制。更进一步，由于具有发射器电路205，分开的接收器电路可以作为替代地被提供给超声波传感器134，136。

再次参考附图4，本发明的一个方面可能包括使电路的发射器和接收器部分同步为已知的“零”时间，如同用直线310所指出的。每一个上游和下游发射信号可能在相对于零时间的已知时间发射，如直线312所示。所述的已知的时间可以用数字计数器的值N表示。因此，每一个发射信号302，306可能在时间上已知的相对时刻发射，N，可能总是恒定的。人们将会理解，尽管优选的是在时间上相同的相对时刻(例如，与相同的相对事件对应的)传输每一个发射信号302，306，但是作为替代的，发射信号306可以在时间上不同于发射信号302的相对时刻被发射，只要两个相对的时刻之间的差值是已知的或是可能被确定的。

参考附图3，根据一个实施方案，流量计电路可能包括带有设定值N的计数器226。控制器可能触发(在直线238上)计数器226从零累计到N的源自初始值或记录(例如，零)的时间内开始计数。当计数器226达到N时，在直线23 8提供计数终端信号，该记录终端信号被应用到控制门230中。控制门230一旦接收到计数终端信号时，触发存储部件208发射数字序列到D/A210，以提供电子信号，从而导致适当的超声波传感器134或136产生超声波。因此，控制器204在零之后的精确的已知时间(即，在N的相对时刻)引发超声波传感器134或136产生发射的超声波，而不考虑是哪一个超声波传感器用于传送超声波信号。

控制门230可能包括，例如，两个与门232，234，如举例说明的那样。然而，控制门并不限制在附图3所示的特定的实施方案中。控制门230可能包括在预先确定的时间内能够触发D/A转换器电路206和A/D转换器电路220产生和接收发射的和接收到的超声波的任何适当电路。控制门230可以通过时钟振荡器236驱动，可以是与作为驱动开关电路202(附图3中)的时钟振荡器相同或不同的时钟振荡器。

根据一个实施方案，流量计电路的接收器一边可能包括也是通过控制器204触发(直线238所示)的计数器240，以从原始的值或记录开始计数，例如，零积累到值M，通常M大于N。人们将会理解值M可能等于或接近N，或者稍微大于或实质上大于N。当计数器240达到M时，将会在直线242上提供计数终端信号，以触发控制门230，反过来，触发接收器A/D转换器电路220开始接收/存储数据。

人们将会理解除了在计数器240的基础上触发接收器的一边，控制器226可以使用，或作为替换，接收器A/D转换器电路220可以连续操作，将在直线244上提供的信号转换为数字序列(通过使用A/D 222)并在存储部件224中储存数字序列。然而，连续的操作可能会受到干扰，在没有超声波被确定期间(例如，在信号302被发射之前，或甚至在发射后的较短时间内)，直线244上的信号将包含少量有用的数据，因此存储作为结果的数字序列可能作用不大。所以，为了将效率最大化，计数器240可能触发接收器A/D转换器电路220以转换和存储数字数据，只有当在直线224上提供的信号包含由有用的关于接收到的超声波信息时。在一个实施方案中，希望的是，对应于接收到的超声波304或308在达到之前的稍微早的时间值内，值M可以被发射，如附图4所示。可以选择的是，对应于发射超声波302或306之后的极短时间内，即，稍微大于N，值M可以被设置。在这种方式下，接收器电路可以是“打开”(即，开始转换和存储数据)足够的时间，以致接收到的超声波304或308的部分没有丢失，但是足够的延时不需要花费用于存储作用不大的数据的大量时间。可以选择的是，计数器226可以用于触发发射和接收电路。

因此，存储部件208可以存储发射的超声波302，306数字表达式，存储部件224可以存储接收的超声波304，308的数字表达式。本领域内的普通技术人员都能理解，上游超声波306的传输和下游超声波302的传输之间的时间延迟，或反之亦然的，将会足够长以避免两个超声波之间的干扰，但是不能太长，原因在于流体的流动速度在较长的时间间隔中可以改变。在传统的方式中，控制器204可以访问存储部件208，224，以重新获得用于处理恢复信息(例如，流体中的超声波的传播速度和流体的流动速度)的数字表达式。可以执行恢复这样的信息的控制器204的运算法则的实施例将在下文中详细描述。

正如上文中的讨论，上游和/或下游超声波的传输时间与平均液体速率和平均的液体流动速度成比例。根据一个实施方案，液体流动速度可以从上游超声波的传输时间(Δt_u)和下游超声波的传输时间(Δt_d)之间的时间差(Δt)中确定。由于发射超声波的起始时间可能是同步的(正如附图3所示)，除了从传输时间的总量中测量以外，时间差(Δt)可以直接确定，即，可以通过对比相对时间，在所述相对时间接收信号304和接收信号308被接收。因此，一旦超声波在流体中的传播速度是已知的，则流体的速度v可以计算。

根据下列关系式，Δt_d和Δt_u的测量值与两个超声波传感器之间的距离，超声波在流体中的传播速度，以及流体的速度相关：

$\mathrm{\Δ}{t}_d=\frac{L}{c+v}---\left(1\right)$

$\mathrm{\Δ}{t}_u=\frac{L}{c-v}---\left(2\right)$

其中c是超声波在流体中的传播速度，v是流体的速度和L是两个超声波传感器之间的距离(例如，附图2中的距离138)。如果声音的传播和流体的流动在导管中是平行的，而且如果上游和下游传输时间是在相对小的时间间隔内测量的，那么流体上游和下游的流动速度在测量时间间隔是相对恒定的恒量，从而实质上被抵偿，根据下列等式，超声波在流体中的传播速度可以通过在包括的距离(2L)上将下游(顺着流动的方向)和上游(逆着流动的方向)传输时间(Δt_u和Δt_d)进行平均来估计：

$c\≈\frac{2L}{\mathrm{\Δ}{t}_u+\mathrm{\Δ}{t}_d}---\left(3\right)$

测量的差值Δt也可以通过以下方程式给出：

Δt＝Δt_u-Δt_d    (4)

因此，将等式(1)和等式(2)中的表达式替换方程式4中的Δt_u和Δt_d并进行某些数学运算，得到以下Δt的方程式：

$\mathrm{\Δt}=\frac{2\mathrm{Lv}}{c^2-v^2}---\left(5\right)$

因此，由于Δt是已知的(测量的)，L是已知的(或可能是通过已知的流体流动计算的基础上预先确定的)，c可以从上述等式(3)中确定，流体的速度可以通过以下方程式计算：

$v=\frac{1}{\mathrm{\Δt}}(-L+\sqrt{L^2+c^2\mathrm{\Δ}{t}^2})---\left(6\right)$

可以替换的是，流体的速度实质上小于超声波在流体中的传播速度c，等式(5)可以简化为

$\mathrm{\Δt}\≈\frac{2\mathrm{Lv}}{c^2}---\left(7\right)$

以及流体的速度可以计算：

$v\≈\frac{c^2\mathrm{\Δt}}{2L}---\left(8\right)$

流体的流动(即，体积或质量)速度可以从流体的速度和系统的各种不同的物理参数中计算，例如流体流经的导管的横截面积，流体的特定的密度，以及流体的温度。举例来说，在上述简化的等式(7)中，流体的体积流动速度Q是通过以下给定的方程式给出的，其中A表示导管的横截面积：

$Q\≈\frac{A{c}^2\mathrm{\Δt}}{2L}---\left(9\right)$

在根据等式(9)的流体的体积流动速度和流体属性密度信息的基础上，流体的质量流动速度可以确定。人们可以领会到若干系统参数，例如，导管的横截面积、导管的长度(尽管延伸小于导管的横截面积)以及流体的特定的密度，可能是取决于温度的。因此，在一个实施方案中，温度传感器可能包括在系统中，以测量流体的温度并向控制器204提供所述的测量结果。控制器204可能与信息编程，以调整流体的流动速度的计算，流体的流动速度来自根据已知的取决于温度的修正因素的流体速度。举例来说，随着温度变化的导管中的横截面积的变化和/或导管的长度变化可能是已知的，而且所述的信息可能存储在控制器204中，例如，在查询表中，以致控制器可以通过调整体积流动速度的计算来解决取决于温度的变化。同样地，流体中的特定密度的取决于温度的各种变化可能被存储在，例如，查询表中，以调整质量流动速度的计算来解决流体中的特定密度的取决于温度的各种变化。

举例来说，结合等式(3)和等式(9)得到：

$Q=\frac{2\mathrm{LA\Δt}}{{(\mathrm{\Δ}{t}_u+\mathrm{\Δ}{t}_d)}^2}---\left(10\right)$

在等式(10)中，有效的横截面积A和传感器距离L可以合并为单一的机械直径函数K，K是如下面的等式(11)中的温度T的函数：

$Q=\frac{K\left(T\right)\mathrm{\Δt}}{{(\mathrm{\Δ}{t}_u+\mathrm{\Δ}{t}_d)}^2}---\left(11\right)$

具有已知的声音传播速度(c₁)的标度流体可能以已知的体积流动速度(Q₁)流经导管130，以为通过传输时间Δt_u和Δt_d以及它们之间的差值Δt测量的不同温度确定函数K(T)。

由于具有声音传播速度的被识别的流体不同于被标定的流体，取决于温度的修正值可以通过以下等式获得：

$Q=\frac{F\left(T\right)K\left(T\right)\mathrm{\Δt}}{{(\mathrm{\Δ}{t}_u+\mathrm{\Δ}{t}_d)}^2}---\left(12\right)$

其中F(T)是经过测量被识别的流体的取决于温度的函数。在这种方式下，由于温度对导管的机械直径的影响而导致的体积流动速度的变化可以在不同流体的任何数量中考虑。

参考附图5，附图5举例说明了用于计算流体的流动速度的方法的一个实施方案的流程图。在第一步骤320中，下游超声波的传输时间Δt_d可以测量和/或计算，在第二步骤322中，上游超声波的传输时间Δt_u可以测量和/或计算。人们将会理解到步骤320和322也可以以相反的顺序执行，而不影响任何后继的程序和计算。一旦两个传输时间被确定，流体中的超声波的传播速度可以在步骤324中被确定(例如，使用以上给出的等式(3))。根据一个实施方案，可以方便地计算以简化Δt_u和Δt_d保持的记录，直接表明流体中的超声波的传播速度，同时也可以在等式(10)到(12)中直接使用。所述程序可以周期性地重复，正如直线326所示，以维持流体中的超声波的传播速度的精确的记录，可能会受到系统的参数，例如温度的影响。因此，需要周期性地改进测量，或者，如果系统的环境参数(例如，温度)变化。在下一步骤328中，传输时间差Δt可能被计算(该方法将在下文中讨论)，然后流体在系统中的流动速度可以在步骤330中以上面给出的等式(9)和等式(12)为基础进行计算。流动速度的确定可以周期性地重复，如直线332所示，以接近衡定地测量流体的速度和精确地检测其中的任何变化。一般来说，在一定时间内，由于与流体中的超声波的传输速度相比，流体的流动速度可能被希望更加频繁地变化，步骤328-330可能比步骤320-324更加频繁地重复，尽管本发明并没有限制。

根据一个实施方案，流动速度可能与Δt成比例，因此，在每次将要确定流动速度时，并不是必须测量Δt_u和Δt_d。换句话说，由于系统是同步的，因此，上游和下游传感器的传输时间总是已知的，除了从传输时间Δt_u和Δt_d的测量中确定之外，Δt可以通过对比接收到超声波304和308的时间来直接测量。对于至少以下两个原因这可能是特殊的优势。首先，正如附图6所示，与从Δt_u和Δt_d的测量值中计算相比，直接测量的Δt可能更加精确。这是由于在直接测量的Δt时仅包括一种测量，因此只有一个与之相关的误差度(Δt_e)，或公差。通过对比，Δt_u和Δt_d的每一个测量值分别与误差Δt_ue和Δt_de有关。因此，在最小值，从Δt_u和Δt_d的测量中计算的Δt具有两个与之相关的误差度。另外，由于在测量Δt时只是包括一种测量，而不是两种，可能要求较少的处理器时间和更加快速地重复，从而使得流体的流动速度的连续计算更加精确，由于测量值之间的延时的减少。

根据一个实施方案，每一个Δt_u和Δt_d可能通过使用若干数学处理的其中之一被确定。在一个实施例中，封套检测电路和/或方法可能被用于检测接收到的信号304和308，这在本领域内是已知的。举例来说，在某一点，例如，接收信号的起始点或结束点，可以被确定和记录，计数器可以用于记录介于已知的发射信号302，306的实际起始时间，即相对时刻N，和接收到的信号304，308的对应的点的接收时间。在本领域内是已知的求取平均值的方法可以被用于改进在这一系列的测量中的时间测量的精确度。在这种方式下，Δt_u和Δt_d可以被测量。然而，由于多个测量值的平均可能需要获得足够的精确测量，所述方法在某些情况下是不理想的。

因此，在其他的实施例中，除了在接收到的信号中检测单一点之外，例如，在起始点或结束点，全部的信号被检测，被数字化(通过使用A/D 222)并被储存在存储部件224中。为了确定传输时间Δt_u和Δt_d，发射信号和接收信号之间的横截面积被执行。人们将会理解，尽管将要在下文中讨论的交叉关联和变换的处理是可描述的，出于方便考虑，根据发射和接收到的信号302，304，306和308，将要在所述信号的数字表达式中进行有效的数学程序。

交叉关联是已知的数学处理，交叉关联将两个信号的相位进行对比并产生输出信号，所述输出信号具有对应于信号之间的相位配合程度的量值。举例来说，参考附图7a和7b，如果交叉关联在两个优选的信号周期正弦曲直线之间进行，即，及时“移动”一个信号340越过其他的342(附图7a)，结果将是及时位于信号点的峰值344，t₃，在此信号完全配合(附图7b)。在现有的系统中，由于发射和接收的信号不是典型的优选信号周期正弦曲曲线，校正的结果是信号，正如附图8所示，峰值346对应于时间点t₃，当发射和接收信号是最接近的相位配合时。因此，通过在发射的超声波信号302和对应的接收到的超声波304之间进行交叉关联，传输时间Δt_d可以确定。同样地，通过在发射的超声波306和对应的接收到的超声波308之间进行交叉关联，传输时间Δt_u可以确定。由于每一发射和接收信号可能具有一定的带宽B，和一定的时间周期T，在两个信号之间进行关联等同于如上文所述的进行2n次单点测量，根据以下的关系式：

BT＝2n    (13)

其中n是为了在传输时间的计算获得相同的精确度的单点测量的当量。因此，关联技术在特定的测量周期中得到足够高的精确度，从而与将单点方法的测量值的当量进行平均相比，其更具时间效率。

根据一个实施方案，为了在发射的和接收的信号的两对(上游和下游)之间执行关联操作，控制器204可能与运算法则和指令组进行编程。发射信号302，304可能是任何信号的变化包括，举例来说，啁啾声信号或编有已知数据源或误差校正编码的信号。在优选的实施方案中，啁啾声信号可能被使用，然而，人们将会理解许多其他的信号也可能使用，和根据各种不同的设计考虑来选择。尤其是，优选的是选择信号对于噪音的某种类型是同步免疫的。在本文中使用的啁啾声信号是指在其带宽上以确定的形式改变频率的信号。例如，啁啾声开始于一种频率，f₁，并在另一种较高或较低的频率f₂上结束。根据本发明的一个方面，发射信号可以选择，以致其宽带对应于超声波传感器的宽带。例如，压电式超声波传感器可能具有某种特定的宽带和操作的频率范围。人们将会理解，为了选择的超声波信号，可以尽可能多地使用超声波传感器的带宽和频率范围以将效率最大化。在一个实施例中，发射信号302，304被选择作为具有在440-490kHz的频率范围和150微秒(us)的时间周期内的带宽为50kHz的啁啾声信号。人们将会理解，这样的啁啾声信号只是可以被使用的发射信号的一个实施例，本发明并不限制使用其他的适当信号，以及本领域内的普通技术人员认为是适当的信号。任何具有特征的信号，例如，具有好的信号-噪音比，或对于噪音的高免疫的信号，可能是理想的，原因在于这样的信号可以被容易地监测到(通过其他的超声波传感器和接收器电路)并从交叉关联的处理中提供精确的结果。

正如本领域内的普通技术人员所知道的，在时域内的交叉关联的数学处理等于频率域内的信号相乘。因此，根据一个实施例，控制器可被编程用于进行时域内的发射和接收信号之间的交叉关联。在其他的实施方案中，控制器204可以编程用于进行信号间的转换，将所述信号转换为频率域表达式，通过将频率域表达式的其中之一乘以频率域内的其他频率域表达式的复共轭来执行频率域，并将乘积的结果再次转换为时域在时域中信号中的又一峰值可能表示时间点，在此时间点信号是最接近的相位配合，并对应于传输时间Δt_u和Δt_d。出于这样的目的，控制器204可以是或可能包括数字信号处理器。

参考附图9，根据一个实施方案，控制器204可以与运算法则编程以在每一个发射和接收到的信号(例如，发射信号302和接收信号304)上执行快速的傅立叶变换(FFT)，以将它们转换为频率域表达式。有效的Hilbert变换可能在频率域表达式的其中之一上通过加入+90度相位移动到每一个正的频率成分和-90度相位移动到每一负的频率成分来进行，然后，如同在以下讨论的步骤354那样，将两个频率域表达式相乘。在其他的实施例中，控制器可以编程用于在第一信号上(步骤350)进行FFT，例如，发射信号302，和在第二信号上(步骤352)的Hilbert变换和FFT，例如，接收信号304。在信号上进行的Hilbert变换是时间(t)的函数，包括执行具有函数-1/πt的信号的卷积。当信号的Hilbert变换在频率域内被检查时，例如，通过在信号的Hilbert变换上进行FFT，明显的是，具有相对于原始信号的信号确定相位移动；也就是，所有的余弦部分被转换为负的正弦部分，而所有的正弦部分被转换为余弦部分。这对应于在真实的和虚构的平面上“旋转”信号。相应地，每个发射和接收到的信号的FFT的获得和在频率域表达式的其中之一上进行的有效的Hilbert变换是在数学上等同于获得发射和接收到的信号之一的FFT和在其他的发射和接收到的信号中进行Hilbert变换和FFT。

然后，控制器可能执行一个乘以其他的频率域表达式(例如，在频率域中将两个频率域表达式相乘(步骤354))的复共轭的频率域表达式的频率域乘法，并在乘积结果上(步骤356)进行FFT逆变换，以将其转换为时域。为了表述清楚，被处理时域的信号是指信号T_r。作为在一个信号上进行Hilbert变换的结果，而不是在信号T_r的峰值T对应的时间点，在此发射信号302和接收到的信号304是最接近的相位配合。所述时间上的点用与信号T_r交叉的零点表示。在一个实施例中，与Δt_u和Δt_d对应的时间点可以用与信号T_r交叉的零点表示，在另外一边，位于信号Tr最大的正峰值和最大的负峰值的侧边。因此，在步骤358，控制器可以使用各种不同的现有技术来确定与信号Tr相交的零点，以用于确定Δt_u或Δt_d的传输时间。人们将会理解，尽管在频率域表达式之一上进行有效的Hilbert变换的步骤是理想的，通过加入90度相位移动到每一个正的频率成分和-90度相位移动到每一负的频率成分来进行，同样的结果可以替换地获得，加入-90度相位移动到每一个正的频率成分和90度相位移动到每一负的频率成分来进行，然后将这两个频率表达式相乘并在乘积结果中进行FFT逆变换。

人们将会理解，尽管上述的运算是根据发射信号302和接收到的信号304进行描述的，运算法则也可以在发射信号306和接收到的信号308中使用。另外，Hilbert变换既可以在发射或接收到的信号中的任何之一中进行，也可以在发射和接收到的信号的交叉关联中执行。一旦传输时间Δt_u和Δt_d被确定，液体中的超声波的传输速度将根据上述的等式(3)确定。人们也会理解为了确定步骤358中的零点交叉位置，在步骤354中获得的乘积结果的DC和Nyquist速度项将在步骤356中进行FFT逆变换之前接近零点。这将通过确定具有实质上不是优选的DC偏移量的乘积结果和没有频率接近采样率的一半来进行，或者可以替换的是，所述的乘积频率域表达式的DC和Nyquist速度项在步骤356中进行FFT逆变换之前可以设定为零点。

再次参考附图5，一旦流体中的超声波传播速度被确定，控制器将执行运算法则或指令组以确定Δt，上游超声波和下游超声波之间的传输时间差，无需首先确定或再次测量Δt_u和Δt_d的其中之一。因此，正如附图5所示，Δt可能与c(流体中的波的传输速度)被周期性地计算和使用以确定流体的流动速度。一系列的步骤328和330可以被重复，如直线332所示，按照需要的频率确定地监测流体的流动速度。通常，例如，比执行的步骤328和330的次数少，步骤320，322和324可以重复，如直线326所示，以更新流体中的超声波传播速度的测量。尽管流体中的超声波的传播速度不会在短时间内变化，例如，要求测量Δt和确定流体的流动速度的时间间隔，流体中的超声波的传播速度可能在较长的时间间隔中变化，例如，随着系统中的温度变化而变化。因此，需要周期性地更新对流体中的超声波的传播速度的测量，或响应于检测到的系统环境的变化，以解决较长时间的传播速度的变化，并维持流体的流动速度的计算的精确度。

根据一个实施方案，控制器可以执行在为了确定Δt而参考Δt_u和Δt_d的描述中类似的运算法则。例如，控制器可以为在接收到的信号304和接收到的信号308之间进行交叉关联而与运算法则进行编程。交叉关联的结果可能是具有对应于在两个接收到的信号的相位最接近配合的时间点的峰值的信号，并从而对应于时间差Δt。换句话说，两个接收到的信号的交叉关联可能产生时间值，所述时间值用将要被及时转变的下游接收到的信号(较快的)指示，以致该时间值几乎与上游接收到的信号以相同的时间到达。因此，所述“时间转换”指示两个超声波传感器之间的上游和下游超声波的传输时间的时间差Δt，而不需要重新计算Δt_u和Δt_d。

正如上文中的讨论，在一个实施方案中，控制器204可以在两个接收到的信号之间执行时域的交叉关联。在另一个实施例中，控制器可能执行这样的转化，例如，FFT，以将两个信号转换为频率域表达式，其中频率域表达式可以被相乘(例如，通过乘以一个被其他的频率域表达式的复共轭相乘的频率域表达式)，除了关联之外，以达到相同或类似的结果。参考附图10，举例说明了用于确定流体的流动速度的方法的一个实施例的流程图。在步骤360中，可以在每一个接收到的信号304和308中进行FFT，以将它们转换为频率域表达式。在下一步骤362中，正90度相位移动可能被附加到每一个正的频率成分中，而-90度相位移动被附加到频率域表达式之一的每一个负的频率成分中，以致FFT的结合和相位移动导致在一个信号上进行有效的Hilbert变换和FFT。相位移动可以在任何频率域表达式上执行，或者可以作为替换的是，除了在步骤306中接收到的每一个信号304、308上进行FFT之外，FFT可以在接收到的信号之一上进行，而且Hilbert变换和FFT可以在其他的接收到的信号上进行。下一步，两个频率域表达式可以在频率域(步骤364)中相乘(例如，通过将一个频率域表达式乘以其他的频率域表达式的复共轭)，而且相乘的结果被转化为时域，例如，通过FFT的逆变换(步骤366)。为了确定Δt(步骤368)，控制器可以执行任何现有技术来确定与作为结果的时域信号相交的零点(出于清楚的目的，用T_π表示)，正如上文中的讨论。流体的流动速度在(步骤370)上面给出的等式(9)或等式(12)的基础上被确定。

人们将会理解，尽管出于清楚的目的，上述的运算法则和数学运算是根据发射和接收到的超声波来讨论，运算实际上在这些信号的数字表达式中进行。因此，离散的FFT和Hilbert变换可以被使用，而且一个带有其他的复共轭的频率域表达式的乘法可以以数字值的点对点的方式执行。人们将进一步理解，上述描述的方法可以是独立于系统中的流体流动，并可以用于计算各种不同的流体的流动速度，各种不同的流体包括，但不限于水、混合液、化学混合物和类似的物质，而无需流体中的任何现有技术和流体属性的系统标度。实际上，超声波的特性的现有技术，例如，流体中波的传播速度(无论是何种流体)对于计算流体的速度来说不是必须的，原因在于流体中波的传播速度可以周期性地测量使用。流体的流动速度在上面给出的等式(9)或等式(12)中计算，通过使用流体的速度和系统和/或流体中的已知的物理参数来确定。

可以选择的是，流体中的超声波的传播速度是提前知道的，例如，在具有特定流体的测定的实验数据的基础上，流体的流动速度可以在上面给出的等式(9)的基础上计算，而无需确定Δt_u或Δt_d。例如，流体中的超声波的传输速度(c)可以简化从查询表格中获得，对于控制器是可获得的。查询表可以包括指示对于各种不同的流体的声音传播的速度的数据，以及随温度变化的各种流体中的每一种流体的传播速度。

根据一个实施方案，求取平均值或滤波的技巧，例如Kalman滤波，可以用于提高测量的精确度。在某些情况下，流体中的超声波的传播速度可能随着流体的温度而变化。因此，在其他的实施方案中，温度传感器可以并入到系统中，例如，安装在导管130中(参考附图2)以测量流体的温度。控制器204可以利用温度传感器提供的信息周期性地调整流体中超声波的传播速度的测量和确定，和/或用于针对任何已知的温度变化来校正被确定的流动速度根据取决于的。例如，参考附图11，众所周知的是导管(例如，导管130)中的流体的流动速度，可以相对于导管的横截面积不是恒定的。而是，如附图11所示，流体在导管的中心流动较快，如箭头380所示，而在导管的边缘处流动较慢(如箭头382所示)，原因在于流体和导管之间的摩擦力可能会降低位于导管边缘的流体的速度。因此，上游和下游超声波的波前可能不是对称的。另外，上游和下游超声波的波前的形状差可以随着温度的变化而变化，原因在于温度可能会影响到导管中的流体的流动速度。因此，控制器可能将取决于温度的校正因素运用到测量中。所述校正因素也可能是流体属性，因此，控制器可能包括数据库，该数据库包含对于不同的流体的适当的取决于温度的校正因素。

鉴于本发明的至少一个实施方案的各个方面已经被描述，人们可以理解的是各种变化、修改和改进对于本领域内的普通技术人员来说是容易想到的。所述的变化、修改和改进将成为本公开的一部分，并落入到本发明的范围之内。相应地，前面所论述到的各种描述和附图只是用于举例说明的作用。

Claims (43)

1.一种用于确定导管中的流体的流动速度的方法，该方法包括以下动作：

沿着导管的长度发射第一和第二超声波信号；

接收第一和第二超声波信号；

将第一接收到的超声波信号和第二接收到的超声波信号进行交叉关联，以产生作为结果的时域信号；

分析作为结果的时域信号，以确定第一接收到的超声波信号和第二接收到的超声波信号之间的传输时间差；以及在确定的时间差的基础上，计算导管中的流体的流动速度。

2.根据权利要求1的方法，其中交叉关联的动作包括：

在每个第一接收到的超声波信号和第二接收到的超声波信号上进行FFT变换，以分别产生第一频率域表达式和第二频率域表达式；

将第一频率域表达式和第二频率域表达式相乘，以产生作为结果的频率域表达式；以及

在作为结果的频率域表达式上进行FFT逆变换，以产生作为结果的时域信号。

3.根据权利要求2的方法，进一步包括以下动作：

将正90度相位移动和负90度相位移动之一加入到第一频率域表达式和第二频率域表达式之一的每个正频率成分中；以及

将其他的正90度相位移动和负90度相位移动加入到第一频率域表达式和第二频率域表达式之一的每一个负频率成分中。

4.根据权利要求1的方法，其中交叉关联的动作包括：

在第一接收到的超声波信号上进行FFT变换，以产生第一频率域表达式；

在第二接收到的超声波信号上进行FFT变换和Hilbert变换，以产生第二频率域表达式；

将第一频率域表达式和第二频率域表达式相乘，以产生作为结果的频率域表达式；以及

在作为结果的频率域表达式上进行FFT逆变换，以产生作为结果的时域信号。

5.根据权利要求3-4中任一权利要求的方法，进一步包括在作为结果的频率域表达式上进行FFT逆变换之前，将作为结果的频率域表达式DC和Nyquist速度项设定为零。

6.根据权利要求1-5中任一权利要求的方法，其中分析作为结果的时域信号的动作包括确定零与作为结果的时域信号的交叉位置。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求的方法，进一步包括确定至少第一和第二超声波信号之一在流体中的传播速度的动作。

8.根据权利要求7的方法，其中在确定的时间差的基础上计算流体的流动速度的动作与确定传播速度的动作相比被更加频繁地执行。

9.根据权利要求7-8中任一权利要求方法，其中确定传播速度的动作包括：

确定沿导管长度间隔开的第一和第二位置之间的第一超声波信号的第一传输时间；

确定第二和第一位置之间的第二超声波信号的第二传输时间；以及

在第一和第二传输时间和第一和第二位置之间的距离的基础上，计算传播速度。

10.根据权利要求9的方法，进一步包括通过周期性地重复确定第一和第二传输时间的动作和计算传播速度的动作来周期性地更新流体中的至少一个超声波信号的传播速度。

11.根据权利要求10的方法，其中计算流体的流动速度的动作包括在确定的时间差和传播速度的基础上计算流动速度的动作。

12.根据权利要求1-11中任一权利要求的方法，其中发射第一和第二超声波信号的动作包括将来自啁啾声信号的数字表达式的第一和第二超声波信号进行数字合成的动作。

13.一种超声波流量计，该超声波流量计包括：

导管；

第一超声波传感器，该第一超声波传感器在沿着导管长度的第一位置上定位，以传输第一超声波信号和接收第二超声波信号；

第二超声波传感器，该第二超声波传感器在沿着导管长度的与第一位置间隔开的第二位置上定位，以传输第二超声波信号和接收第一超声波信号；以及

控制器，该控制器经过配置用于使第一接收到的超声波信号和第二接收到的超声波信号进行交叉关联，并产生作为结果的时域信号，分析该作为结果的时域信号以确定第一接收到的超声波信号和第二接收到的超声波信号之间的传输时间差，并在确定的时间差的基础上计算导管中的流体的流动速度。

14.根据权利要求13的超声波流量计，其中控制器进一步配置用于：

在第一接收到的超声波信号上进行FFT变换，以产生第一频率域表达式；

在第二接收到的超声波信号上进行FFT变换和Hilbert变换，以产生第二频率域表达式；

将第一频率域表达式和第二频率域表达式相乘，以产生作为结果的频率域表达式；以及

在作为结果的频率域表达式上进行FFT逆变换，以产生作为结果的时域信号。

15.根据权利要求14的超声波流量计，其中控制器进一步配置用于在作为结果的频率域表达式上进行FFT逆变换之前，将作为结果的频率域表达式DC和Nyquist速度项设定为零。

16.根据权利要求13-15中任一权利要求的超声波流量计，其中控制器进一步配置用于通过确定零与作为结果的时域信号的交叉位置来分析作为结果的时域信号。

17.根据权利要求13-16中任一权利要求的超声波流量计，其中控制器进一步配置用于通过确定第一和第二位置之间的第一超声波信号的第一传输时间，确定第二和第一位置之间的第二超声波信号的第二传输时间，和在第一和第二传输时间和沿着导管长度的第一和第二位置之间的距离的基础上计算传播速度来确定第一和第二超声波信号在流体中的传播速度。

18.根据权利要求17的超声波流量计，其中控制器配置用于在确定的时间差和传播速度的基础上计算流体的流动速度。

19.根据权利要求17的超声波流量计，其中控制器配置用于在确定的时间差、传播速度和导管的横截面积的基础上计算流体的流动速度。

20.根据权利要求17的超声波流量计，其中控制器配置用于在确定的时间差、传播速度、导管的横截面积和导管中的流体的特定密度的基础上计算流体的流动速度。

21.根据权利要求13-20中任一权利要求的超声波流量计，进一步包括：

计时电路，该计时电路可操作地与第一和第二超声波传感器耦合，以在相对于参考事件的第一确定的延时之后开始第一和第二超声波信号的传输。

22.根据权利要求21的超声波流量计，其中计时电路在相对于参考事件的第二确定的延时之后开始第一和第二超声波信号的接收。

23.一种超声波流量计，该超声波流量计包括：

导管；

第一超声波传感器，该第一超声波传感器在沿着导管长度的第一位置上定位，以传输第一超声波信号和接收第二超声波信号；

第二超声波传感器，该第二超声波传感器在沿着导管长度的与第一位置间隔开的第二位置上定位，以传输第二超声波信号和接收第一超声波信号；以及

计时电路，该计时电路可操作地耦合到第一和第二超声波传感器上，以在相对于参考事件的第一确定的延时之后开始第一和第二超声波信号的传输；以及

控制器，该控制器处理第一和第二接收到的超声波信号，和确定相对于参考事件的第一接收到的超声波信号的接收和第二接收到的超声波信号的接收之间的时间差。

24.根据权利要求23超声波流量计，其中确定的延时对于第一和第二超声波信号是相同的。

25.根据权利要求23-24中任一权利要求的超声波流量计，其中根据第一和第二接收到的超声波信号的接收，控制器在第一和第二接收到的超声波信号之间进行交叉关联，以确定相对于参考事件的第一接收到的超声波信号的接收和第二接收到的超声波信号的接收之间的时间差。

26.根据权利要求13-25中任一权利要求的超声波流量计，进一步包括：

接收器电路，该接收器电路用于接收第一和第二超声波信号并向控制器提供第一和第二接收到的超声波信号。

27.根据权利要求13-26中任一权利要求的超声波流量计，进一步包括：

发射器电路，该发射器电路用于产生第一和第二超声波信号，和向第一和第二超声波传感器提供第一和第二超声波信号以用于传输。

28.根据权利要求13-25中的任何一种超声波流量计，进一步包括：

接收器电路，可切换地与每个第一和第二超声波传感器连接，以接收第一和第二超声波信号，并向控制器提供第一和第二接收到的超声波信号。

29.根据权利要求13-25和28中任一权利要求的超声波流量计，进一步包括：

发射器电路，可与计时电路响应和可切换地与每个第一和第二超声波传感器连接，以产生第一和第二超声波信号，并向第一和第二超声波传感器提供第一和第二超声波信号以用于传输。

30.根据权利要求27或29的超声波流量计，其中发射器电路包括：

存储电路，用于储存第一超声波信号和第二超声波信号的数字表达式；以及

数模转换器，可与存储电路点耦合以将第一超声波信号和第二超声波信号的数字表达式转换为模拟表达式。

31.根据权利要求30的超声波流量计，其中第一超声波信号的数字表达式与第二超声波信号的数字表达式相同。

32.根据权利要求30-31中任一权利要求的超声波流量计，其中发射器电路进一步包括：

与数模转换器电耦合的滤波器，用于过滤模拟表达式；以及

与滤波器电耦合的放大器，用于放大被过滤的模拟表达式和向第一和第二超声波传感器提供被过滤的模拟表达式用于传输。

33.根据权利要求13-32中任一权利要求的超声波流量计，其中每一个第一和第二超声波信号都包括超声波啁啾声信号。

34.根据权利要求33的超声波流量计，其中超声波啁啾声信号是数字合成的。

35.根据权利要求30-31中任一权利要求的超声波流量计，其中第一超声波信号和第二超声波信号的数字表达式对应于啁啾声信号。

36.一种确定导管中的流体的流动速度的方法，该方法包括的动作有：

(a)从沿着导管长度定位的第一位置发射第一超声波信号；

(b)从沿着导管长度定位的第二位置发射第二超声波信号，第二位置沿着导管长度与第一位置间隔一定距离；

(c)在第二位置接收第一超声波信号；

(d)在第一位置接收第二超声波信号；

(e)确定流体中的至少第一和第二超声波信号之一的传播速度；

(f)只处理接收到的第一和第二超声波信号，以确定第一接超声波信号的接收和第二接超声波信号的接收之间的时间差；以及

(g)在步骤(e)中确定的传播速度和步骤(f)中确定的第一接超声波信号的接收和第二接超声波信号的接收之间的时间差的基础上，计算流体的流动速度。

37.根据权利要求36的方法，其中动作(e)包括：

确定第一和第二位置之间的第一超声波信号的第一传输时间；

确定第二和第一位置之间的第二超声波信号的第二传输时间；

在第一和第二传输时间和第一和第二位置之间的距离的基础上，计算至少第一和第二超声波信号之一的传播速度。

38.根据权利要求37的方法，进一步包括以下动作：

测量导管中的流体的温度；以及

在导管中的流体的温度的基础上，调整第一和第二位置之间的距离的值。

39.根据权利要求36的方法，进一步包括以下步骤：

以第一循环速度重复步骤(f)和步骤(g)；以及

以第二循环速度周期性地更新在步骤(e)中确定的传播速度，其中第二循环速度比第一循环速度慢。

40.根据权利要求36的方法，进一步包括以下动作：

以第一循环速度重复动作(f)和动作(g)；

确定在动作(e)之后，导管中的流体的温度是否已经改变；以及

更新在动作(e)中确定的传播速度以响应于导管中的流体的温度已经改变的确定。

41.根据权利要求36的方法，其中动作(g)包括以下动作：

在动作(e)中确定的传播速度，动作(f)中确定的第一接超声波信号的接收和第二接超声波信号的接收之间的时间差和导管的横截面积的基础上，计算流体的流动速度。

42.根据权利要求41的方法，进一步包括以下动作：

测量导管中的流体的温度；以及

在导管中的流体的温度的基础上，调整导管的横截面积。

43.根据权利要求36的方法，其中动作(g)包括以下动作：

在动作(e)中确定的传播速度，动作(f)中确定的第一接超声波信号的接收和第二接超声波信号的接收之间的时间差，导管的横截面积和导管中的流体的特定密度的基础上，计算流体的流动速度。

44.根据权利要求43的方法，进一步包括以下动作：

测量导管中的流体的温度；以及

在导管中的流体的温度的基础上，调整导管的横截面积；以及

在导管中的流体的温度的基础上，调整流体的特定密度。

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