CN101247762B - 用于超声波流量计的驱动器结构 - Google Patents

Abstract

一种用于超声波测量计的驱动器结构的方法和系统。示意性实施例中的至少一些为这样的超声波流量计，其包括：筒形件，该筒形件结合在流体流中；第一上游转换器，该第一上游转换器机械地结合到所述筒形件上；第一下游转换器，该第一下游转换器机械地结合到所述筒形件上(所述第一下游转换器与所述第一上游转换器具有相互作用的关系)；以及第一转换器驱动器，该第一转换器驱动器选择性地结合到所述第一上游转换器和所述第一下游转换器。所述转换器驱动器驱动所述第一上游转换器，并且还驱动所述第一下游转换器。

Description

用于超声波流量计的驱动器结构

相关申请的交叉引用

本申请要求于2005年8月22日提交的名称为“用于超声波流量计的单独驱动器结构”临时申请No.60/710,323的权益，其在此作为参考整体引用。

政府资助的研究或开发声明

不适用。

技术领域

本发明的各个实施例涉及超声波流量计。更加具体而言，本发明的各个实施例涉及用于在超声波流量计的超声波信号测量中减少传输时间误差的驱动器结构。

背景技术

超声波流量计是一类利用在流体中传播的超声波信号确定导管内流体的体积流量的流量计。例如，一种超声波流量计可测量沿特定路径的上行超声波信号的传输时间，可测量沿特定路径的下行超声波信号的传输时间。从这些测量中确定“Δt”，即向上游和向下游的传输时间之间的差。从Δt可确定流体的平均流量，并且从流量可计算体积流量。因此，测量精确的Δt对确定精确的流量而言是重要的。

所测量到的超声波信号在一对转换器之间的传输时间具有至少两个部分：超声波信号在流体中在转换器的端面之间的“实际飞行时间”；以及包括所测量到的传输时间与实际飞行时间之间的差的“延迟时间”。延迟时间从而可能包括：控制处理器与转换器驱动器之间的传播延迟；转换器驱动器与作为发送器的转换器之间的传播延迟；作为接收机的转换器与接收电子装置之间的传播延迟；接收电子装置与处理器之间的传播延迟；以及与具有试图测量已经历时间的有限响应次数的控制电子装置相关的延迟。在对气态流体的流动进行测量的超声波测量计中，延迟时间对整个流体流动计算的影响不大。然而，在对高密度流体、例如液体的流动进行测量的超声波流量计中，该延迟时间有着较大的影响。

因此，需要有一种能降低与延迟时间变量相关的误差的系统。

发明内容

通过用于超声波测量计的驱动器结构的方法和系统在很大程度上解决了上述问题。示意性实施例中的至少一些为这样的超声波测量计，其包括：筒形件，该筒形件结合在流体流中；第一上游转换器，该第一上游转换器机械地结合到所述筒形件上；第一下游转换器，该第一下游转换器机械地结合到所述筒形件上(所述第一下游转换器与所述第一上游转换器具有相互作用的关系)；以及第一转换器驱动器，该第一转换器驱动器选择性地结合到所述第一上游转换器和所述第一下游转换器。所述转换器驱动器驱动所述第一上游转换器，并且还驱动所述第一下游转换器。

其他的示意性实施例为这样的方法，其包括：用第一转换器驱动器驱动第一转换器，从而在流体中产生第一声学信号；在第二转换器处接收所述第一声学信号；用所述第一转换器驱动器驱动所述第二转换器，从而在流体中产生第二声学信号；以及在第一转换器处接收所述第二声学信号。

所公开的装置和方法包括使其克服现有技术中装置的缺陷的特征和优点的组合。本领域技术人员阅读以下参照附图的详细描述将明了上述各种特征以及其他的特征。

附图说明

现在将参照附图更加详细地描述本发明的实施例，附图中：

图1A为超声波气体流量计的剖切俯视图；

图1B为包括弦路径A-D的筒形件的端视图；

图1C为容纳转换器对的筒形件的俯视图；

图2示出了超声波流量计的多转换器、多驱动器结构；

图3A和图3B为超声波测量计中信号传播的图示图；

图4示出了根据至少一些实施例的超声波测量计的电连接框图；

图5示出了根据可选实施例的超声波测量计的电连接框图；

图6示出了根据本发明的实施例的方法。

具体实施方式

在以下说明书和权利要求中使用了某些术语来指代具体的系统部件。本文献并非意于对名称不同而功能相同的部件之间作出区分。

在以下描述和权利要求中，术语“包括”和“包含”是以开放的方式使用的，从而应解释为是指“包括，但不限于…”。而且，术语“结合”旨在表示直接或间接的连接。因此，如果第一装置结合到第二装置上，该连接可能是通过直接连接方式实现的，或者是通过经由其他装置和连接形式的间接连接实现的。

“延迟时间”指的是所测量到的超声波信号传输时间与该超声波信号的实际飞行时间之间的时间差。

图1A示出了根据本发明的实施例的适于对诸如液体的流体流进行测量的超声波测量计。适于放置在管线不同部分之间的筒形件100具有预定的尺寸并限定有测量部分。一对转换器120和130以及它们各自的外壳125和135沿着筒形件100的长度定位。转换器120和130优选为超声波收发机，这是指它们都产生和接收超声波信号。本文中的“超声波”指的是在一些实施例中频率高于约20千赫兹的声学信号。在一些实施例中，超声波信号可具有约125千赫兹的频率(用于气体测量计)、以及1兆赫的频率(用于液体测量计)。无论是何种频率，这些信号均可由每个转换器内的压电元件产生和接收。为了生成超声波信号，以电的方式激发该压电元件，且该压电元件以振动进行响应。压电元件的振动生成超声波信号，该超声波信号通过流体行进穿过筒形件而到达转换器对中的相应的转换器。接收压电元件一旦受到超声波信号的入击就会振动并产生电信号，与测量计相关联的电子装置就对该电信号进行检测、数字化和分析。

路径110，有时称为“弦”，位于转换器120和130之间，与中心线105呈角度θ。“弦”110的长度为转换器120的表面到转换器130的表面之间的距离。点140和145限定转换器120和130所生成的声学信号进入和离开在筒形件100内流动通过的流体的位置。转换器120和130的位置可由角度θ、转换器120和130之间测量的第一长度L、与点140和145之间的轴向距离对应的第二长度X、以及与管直径对应的第三长度D来限定。在大多数情况下，在测量计的制造过程中就精确确定了距离D、X和L。而且，诸如120和130的转换器通常分别放置在距离点140和150的特定距离处，而与流量计的大小(即，筒形件的直径)无关。

开始时，下游转换器120产生传播到上游转换器130并入击上游转换器130的超声波信号。一段时间后，上游转换器130产生传播到下游转换器120并入击下游转换器120的回程超声波信号。这样，转换器120和130沿着弦路径110“发送和接收”超声波信号115。在运行过程中，每个转换器对每分钟可能要进行数万次的这一程序。

流体在筒形件100内以速度分布152在方向150上流动。如速度矢量153-158所示，通过筒形件100的速度朝向中心线105增加。超声波115在转换器120和130之间的传输时间部分取决于超声波信号115相对于流体流是上行还是下行。下行(即与流动的方向相同)的超声波信号的传输时间小于上行(即逆着流动)时的传输时间。可采用上行和下行的传输时间来计算沿着信号路径的平均速度，并且可用来计算流体流中的声速。给定载有流体的测量计的横截面测量值以及该平均速度，就可计算流动通过筒形件100的流体的体积。

为了更加精确地确定测量计横截面内的平均速度，采用多路径超声波流量计。图1B示出一种多路径超声波流量计。在这些实施例中，筒形件100包括在流体流不同高度处的四个弦路径A、B、C和D。弦路径A至D中的每个对应于交替用作发射机和接收机的两个转换器。而且还示出了控制电子装置160，其从所述四个弦路径A至D获取数据并对所述数据进行处理。图1B中没有示出与弦路径A至D对应的所述四对转换器。

参照图1C可更加容易地理解所述四对转换器的布置。在筒形件100上安装有四对转换器端口。每对转换器端口对应于图1B的单个弦路径。筒形件100上安装有第一对转换器端口125和135，包括相关的转换器。包含有端口165和175(仅仅部分示出)的另一对转换器端口，该端口包括相关的转换器，安装成使得其弦路径相对于转换器端口125和135的弦路径大致地形成“X”形。类似地，转换器端口185和195布置成与转换器端口165和175平行，但是处于不同的“高度”(即，处于管或测量计筒形件内的不同径向位置处)。第四对转换器和转换器端口在图1C没有明确示出。结合图1B和图1C，所述转换器对布置成对应于弦A和B的上面两对转换器形成X形，而对应于弦C和D的下面两对转换器也形成X形。确定每个弦A至D处的流体流动速度，从而获得弦流动速度，并将弦流动速度组合起来以确定整个管内的平均流动速度。

图2示出了多转换器、多驱动器结构的超声波流量计的电连接框图。具体而言，该图示出了多个转换器200A至200H。每个转换器都结合至其相应的转换器驱动器202A至202H上。在转换器200进行操作以产生超声波信号的时间段内，转换器的相应转换器驱动器202为负责提供激励信号的驱动器电路。处理器204通过使信号线206起作用而有选择地使每个转换器驱动器202起作用。在转换器200作为接收机进行操作以接收超声波信号的时间段内，通过处理器204禁用相应的转换器驱动器202，而且通过1至N多路复用器210将转换器200结合到接收机电路208上。处理器204可通过多个控制信号线212来控制多路复用器210。

还参照图2，本发明的发明者发现，尽管形成转换器驱动器的电路是相似的，但是每个转换器驱动器202可能具有不同的特性，从而导致不同的延迟时间。在一些情况下，所述多个转换器驱动器202的延迟时间差为50纳秒的量级。该转换器驱动器延迟时间差能导致上行路径和下行路径之间的显著时间差，特别是在液体测量应用中使用的超声波流量计中更是如此。

为了说明的目的，考虑超声波测量计中的一对转换器，其中每个转换器具有其自身的转换器驱动器。还考虑相对于流动方向而言，转换器1在上游，而转换器2在下游。考虑到这些条件后，可在数学上将Δt表示为：

Δt＝T_{D_UP}-T_{D_DOWN}                 (1)

其中，T_{D_UP}为上行测量传输时间，而T_{D_DOWN}为下行测量传输时间。图3A图示出了用于上行信号传播的转换器对和相关的电子装置，并对应地用箭头300示出了T_{D_UP}。图3B图示出了用于下行信号传播的转换器对和相关的电子装置，并对应地用箭头302示出了T_{D_DOWN}。如图3A和3B所示，上行和下行所测量的传输时间包括若干部分。对于上行传播：

T_{D_UP}＝T_TX2+T_{FLIGHT_UP}+T_RX1        (2)

其中，T_TX2为与转换器2的传输路径相关的延迟时间分量(如箭头304所示)；T_{FLIGHT_UP}为上行超声波信号的实际飞行时间(如箭头306所示)；T_RX1为与转换器1的接收路径相关的延迟时间分量(如箭头308所示)。类似地：

T_{D_DOWN}＝T_TX1+T_{FLIGHT_DOWN}+T_RX2        (3)

其中，T_TX1为与转换器1的传输路径相关的延迟时间分量(如图3B中的箭头310所示)；T_{FLIGHT_DOWN}为下行超声波信号的实际飞行时间(如箭头312所示)；T_RX2为与转换器2的接收路径相关的延迟时间分量(如箭头314所示)。

延迟时间的传输和接收路径分量也可包括多个分量。考虑图3B所示的用于下行测量的传输路径：

T_TX1＝T_{D_DRV1}+T_{D_XDCR1}                 (4)

其中，T_{D_DRV1}为与通过转换器1的驱动器的逻辑延迟和激励信号延迟相关的延迟时间分量(如箭头316所示)；T_{D_XDCR1}为与通过转换器1的信号延迟相关的延迟时间分量(如箭头318所示)。类似地，对于图3A所示的上行测量的传输路径有：

T_TX2＝T_{D_DRV2}+T_{D_XDCR2}                (5)

其中，T_{D_DRV2}为与通过转换器2的驱动器的逻辑延迟和激励信号延迟相关的延迟时间分量(如箭头320所示)；T_{D_XDCR2}为与通过转换器2的信号延迟相关的延迟时间分量(如箭头322所示)。同样地对于接收路径，首先考虑上行测量有：

T_RX1＝T_{D_XDRC1}+T_{D_MUX}+T_{D_AMP}          (6)

其中，T_{D_XDRC1}为与通过转换器1的信号延迟相关的延迟时间分量(图3A的箭头324所示)；T_{D_MUX}为与通过多路复用器电路(例如，图2中的元件210)的信号延迟相关的延迟时间分量(图3A中的箭头326所示)；T_{D_AMP}为与通过放大器和采样电路(例如，图2中的元件208)的信号延迟相关的延迟时间分量(图3A中的箭头328所示)。类似地，对于下行测量有：

T_RX2＝T_{D_XDRC2}+T_{D_MUX}+T_{D_AMP}          (7)

其中，T_{D_XDRC2}为与通过转换器2的信号延迟相关的延迟时间分量(图3B的箭头328所示)；T_{D_MUX}为与通过多路复用器电路(例如，图2中的元件210)的信号延迟相关的延迟时间分量(图3B中的箭头332所示)；T_{D_AMP}为与通过放大器和采样电路(例如，图2中的元件208)的信号延迟相关的延迟时间分量(图3B中的箭头334所示)。

将构成上行测量时间(T_{D_UP})和下行测量时间(T_{D_DOWN})的各种分量代入到方程(1)，Δt变为：

Δt＝(T_TX2+T_{FLIGHT_UP}+T_RX1)-(T_TX1+T_{FLIGHT_DOWN}+T_RX2)(8)

将与传输和接收路径相关的延迟时间的分量代入方程(8)，Δt变为：

Δt＝((T_{D_DRV2}+T_{D_XDCR2})+T_{FLIGHT_UP}+(T_{D_XDRC1}+T_{D_MUX}+T_{D_AMP}))-((T_{D_DRV1}+T_{D_XDCR1})+T_{FLIGHT_DOWN}+(T_{D_XDRC2}+T_{D_MUX}+T_{D_AMP}))                                                (9)

数学上可以消去一些项，从而有：

Δt＝T_{D_DRV2}+T_{FLIGHT_UP}-T_{D_DRV1}-T_{FLIGHT_DOWN}       (10)

现在假定测量计中没有流体流动。在这一假设下，下行测量(T_{FLIGHT_DOWN})和上行测量(T_{FLIGHT_UP})的实际飞行时间应该相等，从而在数学上有：

Δt＝T_{D_DRV2}-T_{D_DRV1}        (11)

于是在没有流体流动从而Δt应该为零的情况下，Δt减少为上行和下行驱动器之间的延迟时间分量差。当然，在有流体流动的时候，与转换器驱动器相关的延迟时间分量对Δt的影响依然存在。

为了解决这一困难，本发明的各种实施例针对沿着弦路径的上行测量和下行测量采用相同的转换器驱动器。对每个转换器采用相同的转换器驱动器，则T_{D_DRV2}＝T_{D_DRV1}，于是从方程(11)可得知在没有流动的条件下Δt应等于零。换言之，采用相同的转换器驱动器使得与转换器驱动器相关的延迟时间分量可以抵消。图4以框图的形式示出了根据至少一些实施例的超声波测量计1000。具体而言，超声波测量计1000包括多个转换器400A-400H。尽管示出了八个转换器，但是同样可以采用更多或更少的转换器。每个转换器400都通过1至N多路复用器404结合到接收器电路402。接收器电路402接收由入射到转换器的压电元件上的超声波信号所产生的电信号并放大和检测该信号。处理器406沿着控制信号线408发送控制信号，以当转换器处于上述“发送和接收”操作中的“接收”状态时有选择地将每个转换器400结合到接收器电路402上。处理器可以是孤立的处理器或者是微控制器。在其他的实施例中，可通过可编程逻辑装置(PLD)、场可编程门阵列(FPGA)、特定于应用的集成电路(ASIC)等的方式执行处理器的功能。

根据图4所示的实施例，每个接收机对共享一个转换器驱动器。转换器驱动器可采用多种形式。在一些实施例中，每个转换器驱动器可包括产生并放大交流(AC)信号的电路，这些信号然后施加到它们各自的转换器上，从而感应出振动并因而产生超声波信号。在这些实施例中，转换器驱动器可响应于处理器406的命令而沿着控制信号线413发送控制信号。在可选的实施例中，转换器驱动器可将由处理器406(以及可能的其他装置)提供给它们的AC信号放大，所述信号也是经由控制信号线413提供的。

仍然参照图4，转换器驱动器410结合到多路复用器412上，该多路复用器有选择地将转换器驱动器410结合到转换器400A或400B上。转换器驱动器418结合到多路复用器416上，该多路复用器有选择地将转换器驱动器418结合到转换器400C或400D上。转换器驱动器422结合到多路复用器420上，该多路复用器有选择地将转换器驱动器422结合到转换器400E或400F上。最后，转换器驱动器426结合到多路复用器424上，该多路复用器有选择地将转换器驱动器426结合到转换器400G或400H上。每个多路复用器还经由控制信号线414结合到处理器406上。多路复用器由处理器406上执行的程序控制。

因此，在图4所示的实施例中，通过在转换器对的转换器中共享一转换器驱动器而减小或消除与转换器驱动器之间的延迟时间差相关的Δt误差。与各转换器具有其自身的转换器驱动器相比，在这些实施例中转换器驱动器的数量减少了一半。在其他的实施例中，所有的转换器可共享单个转换器驱动器，则不仅较小或消除了与转换器驱动器相关的Δt误差，而且还减小了运行超声波测量计的部件的数量。

图5以框图的形式示出了根据可选实施例的超声波测量计1100的实施例。具体而言，超声波测量计1100包括多个转换器400A-400H。尽管示出了八个转换器，但是同样可以采用更多或更少的转换器。每个转换器400通过两个多路复用器结合到接收器电路402，即，1至N多路复用器500和1至2多路复用器502。每个多路复用器500和502分别通过控制信号线504和506结合到处理器406。在处理器406上执行的程序的控制下，处理器406能在转换器处于“发送和接收”操作中的“接收”状态下有选择地将每个转换器400结合到接收器电路402上。

图5还示出了用于所有转换器400的单个转换器驱动器508。具体而言，每个转换器400通过1至N多路复用器500和1至2多路复用器502都结合到转换器驱动器508上。在处理器406上执行的程序的控制下，处理器406能在转换器处于“发送和接收”操作中的“发送”状态时有选择地将每个转换器400结合到转换器驱动器508上。

图6示出了根据本发明的实施例的方法。具体而言，该方法开始(方框600)，并通过第一转换器驱动器对第一转换器进行驱动从而产生第一声学信号(方框604)。该第一声学信号由第二转换器接收(方框608)。然后在示例的方法中前进到用第一转换器驱动器驱动第二转换器，从而产生第二声学信号(方框612)。最后，该第二声学信号由第一转换器接收(方框616)，图示的程序结束(方框620)。如上所述，用相同的转换器驱动器驱动第一和第二转换器减小或消除了与每个转换器具有不同转换器驱动器相关的Δt误差。

尽管已经示出和描述了本发明的各个实施例，但是本领域技术人员在不偏离本发明的精神和教导的情况下可作出修改。这里所描述的实施例仅仅是示例性的，而不是限制性的。例如，尽管描述了超声波测量计，但是任何电子装置中的任何公共信号路径都可受益于这里的实施例。而且，尽管针对超声波测量计所描述的实施例具有“X”形的超声波信号路径，但这并非是特别要求的，其他的图案、包括反射的路径落入本公开的范围中。此外，上述各种构造可应用于任何数量的转换器对，且信号可以是单端的或差分的。因此，保护范围不限于这里描述的实施例，而是仅仅由以下权利要求限定，所述权利要求的范围应包括其主题的所有等同物。

Claims (5)

1.一种超声波测量计，包括：

筒形件，该筒形件被配置成结合在流体流中；

第一上游转换器，该第一上游转换器机械地结合至所述筒形件；

第一下游转换器，该第一下游转换器机械地结合至所述筒形件，所述第一下游转换器与所述第一上游转换器具有操作关系；

转换器驱动器，该转换器驱动器被配置成驱动所述第一上游转换器和所述第一下游转换器；

接收器电路；

第一多路复用器，该第一多路复用器结合至所述第一上游转换器和所述第一下游转换器；以及

第二多路复用器，该第二多路复用器结合在所述第一多路复用器和所述转换器驱动器及所述接收器电路之间；

其中所述第一多路复用器和所述第二多路复用器被配置成将所述转换器驱动器选择性地结合至所述第一上游转换器和所述第一下游转换器；以及

其中所述第一多路复用器和所述第二多路复用器被配置成将所述接收器电路选择性地结合至第一上游转换器和所述第一下游转换器。

2.根据权利要求1所述的超声波测量计，还包括：

第二上游转换器，该第二上游转换器机械地结合至所述筒形件；

以及

第二下游转换器，该第二下游转换器机械地结合至所述筒形件，所述第二下游转换器与所述第二上游转换器具有操作关系；

其中所述转换器驱动器被配置成驱动所述第二上游转换器和所述第二下游转换器；

其中所述第一多路复用器和所述第二多路复用器被配置成将所述转换器驱动器选择性地结合到所述第二上游转换器和所述第二下游转换器；以及

其中所述第一多路复用器和所述第二多路复用器被配置成将所述接收器电路选择性地结合到所述第二上游转换器和所述第二下游转换器。

3.根据权利要求1所述的超声波测量计，其中所述第一多路复用器和所述第二多路复用器被配置成将所述转换器驱动器结合到所述第一上游转换器，然后将所述第一上游转换器从所述转换器驱动器断开，并将所述接收器电路结合到所述第一下游转换器。

4.一种用于测量流体流量的方法，包括：

通过第一多路复用器和第二多路复用器将第一转换器结合到转换器驱动器预定的时间量；

通过用所述转换器驱动器驱动所述第一转换器，在流体中产生第一超声波信号；

通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将所述第一转换器从所述转换器驱动器断开；

在第二转换器处接收所述第一超声波信号，其中接收所述第一超声波信号还包括通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将所述第二转换器结合到接收器电路；

通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将所述第二转换器结合到所述转换器驱动器预定的时间量；

通过用所述转换器驱动器驱动第二转换器，在流体中产生第二超声波信号；

通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将所述第二转换器从所述转换器驱动器断开；以及

在所述第一转换器处接收所述第二超声波信号，其中接收所述第二超声波信号还包括通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将所述第一转换器结合到所述接收器电路。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：

通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将第三转换器结合到转换器驱动器预定的时间量；

通过用转换器驱动器驱动所述第三转换器，在所述流体中产生第三超声波信号；

通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将所述第三转换器从所述转换器驱动器断开；

在第四转换器处接收所述第三超声波信号；

通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将第四转换器结合到所述转换器驱动器预定的时间量；

通过用所述转换器驱动器驱动所述第三转换器，在所述流体中产生第四超声波信号；

通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将所述第四转换器从所述转换器驱动器断开；以及

在所述第三转换器处接收所述第四超声波信号。

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