CN101398320B - 超声波流量计 - Google Patents

Abstract

在一种通过检测在导管内沿前向方向传播超声波的前向传播时间与在导管内沿后向方向传播超声波的后向传播时间之间的传播时间差，来测量流过导管的流体的流量的超声波流量计中，对由超声波振动元件产生的前向和后向超声波信号进行采样，以求得前向和后向数字数据序列x和y，其被存储在存储器中，从第一和第二存储器单元读出前向和后向数字数据序列x和y，计算前向和后向数字数据序列x和y之间的绝对差值总和，同时对这些后向和前向数字数据序列x和y的数据位置进行相对偏移，检测绝对差值总和变为最小的数据位置偏移量，根据检测出的数据位置偏移量求得超声波传播时间差，从超声波传播时间差求得导管内流体的流速，并根据流速和导管的已知横截面积求得流过导管的流体的流量。

Description

超声波流量计

技术领域

本发明涉及用于利用超声波测量流过导管的流体的流量的超声波流量计。

背景技术

在已知的用于测量流过导管的流体的流量的超声波流量计中，在导管内从上游位置向下游位置发送超声波脉冲，以检测超声波脉冲的前向传送时间，在导管内从下游位置向上游位置发送超声波脉冲，以检测超声波脉冲的后向传送时间，然后，检测前向传送时间与后向传送时间之差以求得传送时间差，最后从由此检测出的超声波脉冲的传送时间差，测量流体的流量。

在日本专利申请公开特开第2002-162269号中公开了一种已知的超声波流量计，其中利用零交叉点(zero cross point)来检测所述超声波脉冲时间差。在日本专利申请公开特开第2002-243514号中，公开了另一种已知的超声波流量计，其中利用超声波信号的互相关来检测所述超声波脉冲时间差。

在已知的超声波流量计中，即使当发送单个超声波脉冲时，由于超声波振动单元的自谐振，超声波接收单元在如图12所示的多个周期上接收到超声波。因此，所接收的超声波包括多个零交叉点。在已知的利用零交叉点方法的超声波流量计中，需要在所接收的前向传送超声波脉冲的超声波中和所接收的后向传送超声波脉冲的超声波中，找出相应的零交叉点。

但是，如果由于信号电平的下降导致所接收超声波的信噪比下降，或者如果在所接收超声波之间存在相当大的振幅差距，那么可能无法正确地检测到相应的零交叉点。如果相应的零交叉点不能被正确地检测，则可能在流量测量中引入很大的误差。

在已知的利用互相关方法的超声波流量计中，对接收的超声波信号进行统计学处理，以求出获得作为用以指示传送时间差的指标的最大互相关点。互相关曲线没有显示陡峭的曲率，因而为了精确地检测最大点，需要通过如二次方程式的多项式来对互相关曲线进行近似。图13示出了利用互相关的这种计算结果的示例。图14示出了一曲线图，其以放大的比例尺例示出峰值位置。

在已知的利用互相关方法的超声波流量计中，对所接收的前向传送超声波脉冲的超声波信号进行采样，以求得由N个采样值组成的数字数据序列x，也对所接收的后向传送超声波脉冲的超声波信号进行采样以求得由N个采样值组成的数字数据序列y。通过以下等式(1)求得这些两个数字数据序列x和y之间的互相关：

Rxy[m]＝∑x[n]·y[n+m]  (m＝0，1，2，...，N-1)    (1)

在该等式(1)中，Rxy表示互相关，x[n]，y[n+m]表示数据序列x和y，∑表示对n＝1，2，...，N求和。

互相关Rxy变为最大的偏移量m表示前向和后向传播超声波之间的传送时间差。为了检测该偏移量m，必需根据等式(1)进行大量的乘法。当由软件执行该计算时，需要长的时间段，而当由硬件进行该计算，需要使用高性能的昂贵信号处理单元。

所计算出的互相关Rxy变为最大的偏移量m是整数，但互相关的实际最大值通常在m与m-1或m+1之间的中间点获得。因此，为了检测出实际最大值，必需通过如上所述的如二次方程式的多项式来对该互相关曲线进行近似。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新颖且有用的超声波流量计，其能够消除上述的已知超声波流量计的缺点，并且能够在较短时间段内通过简单计算来检测出前向传播超声波与后向传播超声波之间的传送时间差。

根据发明，一种通过检测在导管内沿从上游侧向下游侧的前向方向传播超声波的前向传播时间与在导管内沿从下游侧向上游侧的后向方向传播超声波的后向传播时间之间的传送时间差，来测量流过导管的流体的流量的超声波流量计，所述超声波流量计包括：

设置在导管上游侧的第一超声波振动单元，用于发送沿前向方向传播的超声波，并接收沿后向方向传播的超声波，以产生后向超声波信号；

设置在导管下游侧的第二超声波振动单元，用于发送沿后向方向传播的超声波，并接收从所述第一超声波振动单元传送并沿前向方向传播的超声波，以产生前向超声波信号；

A/D转换器，用于分别对从所述第一和第二超声波振动单元产生的所述后向和前向超声波信号进行采样并分别转换为后向和前向数字数据序列x和y；

第一和第二存储单元，用于分别存储所述后向和前向数字数据序列x和y；

控制单元，用于分别从所述第一和第二存储单元读出所述后向和前向数字数据序列x和y，同时对这些后向和前向数字数据序列x和y的数据位置进行相对偏移；以及

计算单元，用于求得从所述第一和第二存储单元读出的后向和前向数字数据序列x和y之间的绝对差值总和，并且用于检测绝对差值总和变为最小的数据位置偏移量，其中根据由此检测出的数据位置偏移量求得超声波传播时间差，从由此求得的超声波传播时间差求得导管内的流体的流速，并且根据因此求得的流速和导管的已知横截面积求得流过导管的流体的流量。

在根据本发明的超声波流量计中，可以在较短时间段内，通过简单的计算单元准确地求得超声波传送时间差。因此，与已知的超声波流量计相比，可以增加单位时间段内的测量数，由此如果测量数等于已知超声波流量计的测量数，则可以通过更便宜的低速信号处理单元执行计算。

附图说明

图1是示出根据本发明的超声波流量计的实施例的框图；

图2是例示出计算单元的框图；

图3是表示用于求得传送时间差的连续步骤的一部分的流程图；

图4是表示用于求得传送时间差的连续步骤的一部分的流程图；

图5是表示用于求得传送时间差的连续步骤的剩余部分的流程图；

图6是示出互相关计算结果的曲线图；

图7是以放大的比例尺表示包括如下数据点的部分的曲线图，在该数据点处所计算出的互相关表现为最小值；

图8是示出检测互相关的实际最小值的方式的解释图；

图9是示出高质量超声波信号的曲线图；

图10是例示出低质量超声波信号的曲线图；

图11是示出较低质量超声波信号的曲线图；

图12是示出零交叉点方法的曲线图；

图13是以已知互相关方法表示所接收的超声波的曲线图；以及

图14是以放大的比例尺示出峰值部分的曲线图。

具体实施方式

图1是示出根据本发明的超声波流量计的实施例的框图。要测量其流量的流体流过导管1。在导管1的上游和下游位置，分别提供有超声波振动元件2和3。应当注意，超声波元件2用于发送超声波以及接收从超声波振动元件3发送的超声波，类似的，超声波振动元件3用于发送超声波以及接收从超声波振动元件2发送的超声波。

超声波振动元件2和3经由转换器或多路复用器4，选择性地连接到发送放大器5和接收可变增益放大器6。接收可变增益放大器6的输出经由A/D转换器7和数据总线8，连接到计算单元9、RAM 10和CPU 11。CUP 11还连接到I/O块12和显示输入电路13。

此外，I/O控制器14连接到数据总线8，时钟发生器15连接到I/O控制器14。I/O控制器14的输出连接到转换器4、发送放大器5、接收可变增益放大器6和A/D转换器7。

在测量流过导管1的流体的流量时，通过存储于CPU 11中的适当程序命令控制各种电路。驱动上游超声波振动元件2，以向下游超声波振动元件3发送超声波，经过流动流体发送的超声波被下游超声波振动元件3接收，随后驱动下游超声波振动元件3以向上游超声波振动元件2产生超声波，并且由上游超声波振动元件2接收由此经过流体传送的超声波。对接收的超声波进行适当地处理，以求得流过导管1的流体的流量。应当注意，首先可以驱动下游超声波振动元件3，然后可以驱动上游超声波振动元件2。

首先，驱动转换器4以便于发送放大器5的输出连接到上游超声波元件2，并且接收可变增益放大器6的输入连接到下游超声波振动元件3。然后，I/O控制器14产生用于激励超声波振动元件的突发信号。在通过发送放大器5放大突发信号之后，经放大的突发信号被施加于上游超声波振动元件2。

突发信号激励上游超声波振动元件2，并且超声波经过流过导管1的流体而向着下游超声波振动元件3传送。当下游超声波振动元件3接收到超声波时，其产生超声波信号，即，脉冲信号，并且由此产生的脉冲信号被接收可变增益放大器6放大。然后，由此放大的脉冲被A/D转换器7转换为数字数据序列x。该数字数据序列x存储于RAM 10中。由下游超声波振动元件3产生的脉冲信号的电平可因各种原因而变化，因此接收可变增益放大器6用于补偿这种变化，以使得经放大的脉冲信号具有在给定范围内的适当电平。

接下来，对转换器4进行交换以使得接收可变增益放大器6的输入连接到上游超声波振动元件2，发送放大器5的输出连接到下游超声波振动元件3。然后，通过突发信号驱动下游超声波振动元件3，以发送超声波。经过流过导管1的流体而传送的超声波被上游超声波振动元件2接收，以产生超声波信号，即，脉冲信号。该脉冲信号以上述方式被处理，以产生数字数据序列y，由此产生的数字数据序列y被存储于RAM 10中。

CPU 11包括两个随机存取存储器RamA和RamB，它们分别存储数字数据序列x和y。这些存储器RamA和RamB相互独立地工作，可以同时从存储器RamA和RamB读取数字数据，以传往计算单元9。

显示输入电路13用于显示结果，以及设定各种参数，如流量的范围、流量上下警报限、线性的零点调节(zero adjustment)和校正。I/O块12用于输出流量和警报信号。该I/O块12包括串行通信设备。

图2是示出由硬件构成的计算单元9的实施例的电路图。通过处理由超声波振动元件2和3产生的超声波信号而获得的数字数据序列x和y被提供给减法电路16，减法电路16的输出被连接到绝对值电路17，并且绝对值电路17生成的绝对值通过累加电路18被累加。清除信号(clear signal)在适当的定时被提供给累加电路18。

在计算单元9中，根据如下等式(2)计算两个数字数据序列x和y之差Sxy[m]，其中∑表示对于n＝1，2，...，N和m＝0，1，2，...，N-1的和：

Sxy[m]＝∑|x[n]-y[n+m]|    (2)

在已知的利用互相关方法的超声波流量计中，根据等式(1)所示的乘法来计算互相关Rxy。与之相反，在根据本发明的新颖的超声波流量计中，根据等式(2)所示的两个数字数据序列x和y之差的绝对值，计算差值Sxy。相比于已知乘法，根据本发明的减法可以由简单很多的硬件或软件在更短时间段内执行。因此，利用等式(2)进行的计算能够比利用等式(1)的计算快得多。

现在假定两个数字数据序列x和y中的每一个都由512个数据值组成，并且通过减法电路16计算这些数据值之差。然后，获得512个差值，由绝对值电路17求得这512个差值的绝对值，在累加电路18中对这些绝对值进行累加，以求得绝对差值的总和。上述计算被执行512次，同时这两个数字数据序列x和y的数据位置被相对偏移以获得绝对差值总和的完全集合。

在本实施例中，计算单元9在每次数据位置偏移时，产生绝对差值的总和。可以由软件根据CPU 11的程序容易地执行数据位置偏移。通过检测两个数字数据序列x和y以上述方式变为最小值的数据位置偏移量，可以得到超声波的传送时间差，然后可以求得导管1内的流体的流动速度。最后，可以从由此得到的流动速度和导管1的已知横截面积计算出导管1内的流体的流量。

在本实施例中，由硬件，即，计算单元9计算该超声波的传送时间差，但根据本发明，传送时间差可以由软件求得。利用硬件，计算可以以更快的速度进行。

由计算单元9根据等式(2)获得的计算结果被CPU 11进一步处理而获得差值的实际最小值。根据该实际最小值计算导管1内流体的流动速度，并根据由此获得的流动速度计算流量。该求得的流量经由I/O块12被提供给显示输入电路13。以这种方式，检测到的流量显示在显示输入电路13上。如果需要，可以在检测到的流量超出预定可接受范围时，由显示输入电路13产生警报。

如等式(2)所示，当两个数字数据序列x和y的每一个都由N个数据值组成时，为了求得差值的完全集合，必须进行NxN次减法运算。但是实际上，并不一定需要执行NxN次减法运算。现在假定超声波振动元件2和3之间的距离为10cm，超声波在该流体内的传播速度为1500m/s，估计最大流动速度为10m/s，从上游超声波元件2向下游超声波元件3的超声波传送时间为0.1/(1500+10)，并且从下游超声波元件3向上游超声波元件2的超声波传送时间是0.1/(1500-10)。那么，传送时间差将达到大约0.9μs。

现在进一步假定，以50MHZ的采样频率进行采样来获得数字数据序列x和y。那么，上述最大传送时间差将对应于45个采样周期。换句话说，这两个数字数据序列x和y在45个采样周期期间没有相互偏移。因此，通过对于m＝0到45执行计算可以得到等式(2)所示的差Sxy。实际上，可以将m的值设定为略宽的范围，如0到60。

现在将参考图3、4和5所示的流程图详细解释根据本发明的由超声波流量计执行测量的连续步骤。

步骤1：借助转换器4选择通道A(超声波从上游向下游传播)。

步骤2：突发信号被从发送放大器5施加于上游超声波振动元件2。

步骤3：进行等待直到从上游超声波振动元件2传送的超声波到达下游超声波振动元件3。

步骤4：以50MHZ的采样速率对从下游超声波振动元件3产生的超声波信号进行采样，并经由接收可变增益放大器6将其提供给A/D转换器7，在RAM 10的RamA中存储512个数据值。

步骤5：借助转换器4来选择通道B(超声波从下游向上游传播)。

步骤6：突发信号被从发送放大器5施加于下游超声波振动元件3。

步骤7：进行等待直到从下游超声波振动元件3传送的超声波到达上游超声波振动元件2。

步骤8：以50MHZ的采样速率对从上游超声波振动元件2产生的超声波信号进行采样，并经由接收可变增益放大器6将其提供给A/D转换器，在RAM 10的RamA中存储512个数据值。

步骤9：将第一循环计数器的变量i设置为0。

步骤10：将在计算绝对差值时表示数据位置偏移量的变量p设置为-10。如果流体的流动速度为零，则绝对差值的总和变为最小值的数据位置偏移量为零。那么，无法获得偏移量附近的数据。因为在本实施例中，对绝对差值的总和的实际最小值进行估计，因此无法获得偏移量附近的数据的事实可能导致无法估计根据等式(2)的实际最小值。因此，在本实施例中，将变量p的初始值设定为-10。

步骤11：将变量Xmin设定为例如70000。该变量用于存储绝对差值总和的最小值，并且应当将其设定为尽可能大的值。

步骤12：变量Tmin和变量Xmax被设定为0。变量Tmin用于存储绝对差值总和变为最小的偏移量，变量Xmax用于存储最大绝对差值总和。

步骤13：第二循环计数器的变量j被设定为0。

步骤14：用于累加绝对差值总和的变量sum最初被设定为0。

步骤15：数字数据序列x和y的数据值被相继地从RamA和RamB读出到计算单元9。由减法电路16求得数据值的差，通过绝对值电路17求得差值的绝对值，并由累加电路18对差值的绝对值进行累加，以求得绝对差值的总和。该总和是变量sum。在此，如果j的范围是0到511，并且此外，j+p在p的初始值被设定为-10的情况下为负，因而将512加到该值上，以使得与指向存储变量sum的表有关的索引i变为正。

步骤16：第二循环计数器的变量j递增1(j＝j+1)。

步骤17：如果第二循环计数器的变量j不大于512，则重复步骤15和16。如果第二循环计数器的计数值j变为512，则过程前进到步骤18。

步骤18：通过上述过程获得的变量sum被存储到RamC[i]。RamC可被提供在RAM 10中或CPU 11中。

步骤19：如果变量sum小于变量Xmin，则该过程前进到步骤20和步骤21。如果变量sum等于或大于Xmin，则执行步骤22。

步骤20：由变量sum取代变量Xmin。

步骤21：由i取代变量Tmin。

步骤22：如果通过计算获得的变量sum大于变量Xmax，则执行步骤23，但如果不大于变量Xmax，则执行步骤24。

步骤23：由变量sum取代变量Xmax。

步骤24：变量p递增1(p＝p+1)。

步骤25：变量i递增1(i＝i+1)。

步骤26：如果变量i小于60，则重复从步骤13起的过程。如果不小于60，则执行步骤27。

步骤27：如果变量Tmin大于预定值，如55，则测量以错误结束。

步骤28：如果变量Xmax与变量Xmin的比率小于预定值，如2.0，则测量以错误结束。

步骤29：CPU 11根据RamC中的内容和变量Tmin的值，计算差值的实际最小值T。在该步骤29中，通过从实际最小值T中减去10来求得实际最小值T。这是由于p值最初被设定为-10。

图6是示出计算结果示例的曲线图，图7是示出所计算出的最小值附近的部分的放大曲线图。在等式(1)中获得的互相关中，最大值的点表示传送时间差的最小值。在等式(2)所示的不同方法中，最小值的点表示传送时间差的最小值。也就是说，在图6中，左手侧的下降峰值位置表示传送时间差的最小值。应当注意，实际最小值的点可以是偏移下降峰值位置的点。根据步骤29中所表示的相邻点处的值进行估计，来求得实际最小值的点。

在图8中，S1表示在点m处获得的计算出的最小值，S0和S2分别是从点m偏移-1和+1位置而计算出的值。P0可位于绝对差值总和被假定为最小或从S1偏移距离a的点，该距离a是偏移量的分数(0＜a＜1)。应当注意，绝对差值的总和的实际最小值P0非常小，可能接近零，此外连接点S0、S1和P0的直线的斜率的绝对值等于连接点S2和P0的直线的斜率的绝对值。那么，偏移量的分数a可以由下式(3)来估计：

S0/(1+a)＝S2/(1-a)    (3)

利用从等式(3)计算得到的偏移量的分数a，可以根据下式(4)求出获得估计最小值的时间位置T：

T＝m+a＝m+(S0-S2)/(S0+S2)    (4)

从等式(4)中显见，利用单个除法运算就可求出获得实际最小值的时间位置T，因而可以缩短处理时间。

可以利用S0和S1或S1和S2而不是S0和S2来求得实际最小值位置。如果S0大于S2，则可以通过利用S0和S1进行外插法或者利用S1和S2进行内插法，来求得实际最小值位置。如果S0小于S2，则可以通过利用S0和S1进行内插法或者利用S1和S2进行外插法，来估计实际最小值位置。

以上述方式，可获得实际最小值位置T，即，实际传送时间差。每次超声波被传送时，可以测量导管内的流体的流量。可以通过每单位秒内执行数十次，来进行流量的测量。

在超声波流量计中，当要测量液体流量时，在超声波经过液体传送期间，由于包含在液体中的气泡和固体颗粒，超声波可能被减弱。那么，由超声波振动元件产生的超声波信号的质量可能较差。这可能引起流量测量中的误差。因此，对超声波信号的质量进行评估是重要的。

图9示出了从具有高质量的超声波信号计算出的差值结果的示例，图10是当超声波信号质量劣化时的曲线图。图12是当超声波信号进一步劣化时的类似曲线图。应当注意，在图9、10和11中，流体流动速度是相同的。

正如从这些曲线图中看到的，差值的最大值的陡峭度(sharpness)下降，因此如果最大值与最小值的比率超过预定阈值水平或者最大值与最小值的比率降低得超过预定阈值水平，则判定超声波信号的质量劣化过多，以至于不能正确地测量流动速度。在本实施例中，将最大值与最小值的比率与图5中示出的步骤28中所表示的阈值水平2.0进行比较，测量以错误结束。在这种情况下，可以产生警报。

在图9和图10所示的曲线图中，获得最小值的位置在24附近，而在图11所例示的曲线图中，最小值位置为166，这大大偏离了最小值位置24。在本实施例中，如步骤27所示，将变量Tmin与预定阈值55进行比较，如果Tmin大于55，则测量以错误结束。通过这种方式，可以排除错误数据，并且可以准确地执行流体流量的测量。

本发明并不限于上述实施例，本领域技术人员可以在本发明的范围内考虑多种修改和变化。例如，在上述实施例中，估计出两个数字数据序列之间的绝对差值总和的实际最小值，但根据本发明，不一定总是执行这种估计。那么，可以省略用于存储各个数据偏移位置的绝对差值总和的存储器。然而，可以希望提供这种存储器，并从一个和多个实际计算出的实际最小值附近的总和，估计出实际最小值。

Claims (5)

1.一种通过检测在导管内沿从上游侧向下游侧的前向方向传播超声波的前向传播时间与在导管内沿从下游侧向上游侧的后向方向传播超声波的后向传播时间之间的传送时间差，来测量流过导管的流体的流量的超声波流量计，所述超声波流量计包括：

设置在导管上游侧的第一超声波振动单元，用于发送沿前向方向传播的超声波，并接收沿后向方向传播的超声波，以产生后向超声波信号；

设置在导管下游侧的第二超声波振动单元，用于发送沿后向方向传播的超声波，并接收从所述第一超声波振动单元传送并沿前向方向传播的超声波，以产生前向超声波信号；

A/D转换器，用于分别对从所述第一和第二超声波振动单元产生的所述后向和前向超声波信号进行采样并分别转换为后向和前向数字数据序列x和y；

第一和第二存储单元，用于分别存储所述后向和前向数字数据序列x和y；

控制单元，用于分别从所述第一和第二存储单元读出所述后向和前向数字数据序列x和y，同时对这些后向和前向数字数据序列x和y的数据位置进行相对偏移；以及

计算单元，用于求得从所述第一和第二存储单元读出的后向和前向数字数据序列x和y之间的绝对差值总和，并且用于检测绝对差值总和变为最小的数据位置偏移量，其中根据由此检测出的数据位置偏移量求得超声波传播时间差，从由此求得的超声波传播时间差求得导管内的流体的流速，并且根据因此求得的流速和导管的已知横截面积求得流过导管的流体的流量。

2.根据权利要求1所述的超声波流量计，其中所述计算单元包括分别存储对于相应数据位置偏移量的相应绝对差值总和的存储器。

3.根据权利要求1或2所述的超声波流量计，其中所述计算单元被构造为便于利用计算出的最小绝对差值总和以及至少一个具有数据位置偏移量的计算出的绝对差值总和进行插入法，来估计绝对差值总和变为最小的实际数据位置偏移量，其中所述至少一个具有数据位置偏移量的计算出的绝对差值总和中的所述数据位置偏移量相对于获得所计算出的最小绝对差值总和的所述数据位置偏移量递减或递增单位偏移量。

4.根据权利要求1或2的超声波流量计，其中所述计算单元被构造为便于除所述最小绝对差值总和外，还检测最大绝对差值总和，求得该最大绝对差值总和与该最小绝对差值总和的比率，将所述比率与预定阈值进行比较，以判断如果所述比率超过该预定阈值，则测量以错误结束。

5.根据权利要求1或2的超声波流量计，其中所述计算单元被构造为便于将获得最小绝对差值总和的所述数据位置偏移量与预定阈值进行比较，如果获得该最小绝对差值总和的所述数据位置偏移量超过所述预定阈值，则测量以错误结束。

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