CN101583853A - 超声波流量计 - Google Patents

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Abstract

在超声波流量计中,理想的是,用于测量超声波的传播时间的振荡器的操作是间歇的,以节省电力。然而,在传统的超声波流量计中,存在以下问题,即,因为需要时间来稳定振荡器的脉冲,所以振荡器的间歇操作不能够被执行。该超声波流量计包括振荡器(60)以及用于加快振荡器的振荡的振荡开始装置(61)。通过振荡开始装置(61)振荡的振荡器的脉冲被用于测量超声波的传播时间。

Description

超声波流量计
技术领域
本发明特别涉及用于通过超声波来测量流量的超声波流量计。
背景技术
例如,在专利文献1中描述了传统超声波流量计。图6是示出了在专利文献1中描述的传统超声波流量计的第一示例的控制框图。
在图6的超声波流量计中,用于在到流体管道线路4的途中发送超声波的第一振荡器5和用于接收超声波的第二振荡器6被布置在流动方向中。此外,超声波流量计包括至第一振荡器5的发送电路7,以及通过第二振荡器6接收的信号的放大电路8。然后,超声波流量计具有如下构造,在所述结构中,通过比较电路9来将由放大电路8放大的信号与基准信号比较;以及通过诸如计时器这样的时间计数单元10来获取从发送到接收的时间;以及根据其超声波传播时间,考虑管道线路的大小或流动的状态,通过流量计算单元11来获得流量值;以及通过该流量计算单元11的值来调整到发送电路7的触发单元13的信号发送的时序。
接下来,将描述其操作。基于来自触发单元13的指令从发送电路7中发出突发信号(burst signal),并且根据该突发信号的由第一振荡器5发送的超声波信号在流动中传播并且被第二振荡器6接收。然后,通过放大电路8和比较电路9处理该接收的信号,并且通过时间计数单元10测量从发送到接收的时间。
当将静止流体中的声设置为c,并且流体流动的速度设置为v时,流动的顺方向的超声波传播速度变为(c+v)。当振荡器5和6之间的距离被设置为L,并且超声波传播轴线和管道线路的中心轴线之间的角度被设置为φ时,超声波到达时间T为如下所示,
T=L/(c+vCOSφ)    (1)
并且从公式(1)中获得如下公式,
v=(L/T-c)/COSφ    (2)
并且当L和φ已知时,通过测量T可以获得流速v。根据该流速,当通道面积被设置为S并且修正系数被设置为K时,通过以下公式获得流量Q。
Q=KSv    (3)
图7是示出了在专利文献1中描述的传统超声波流量计的第四示例的控制框图。在图7的超声波流量计中,通过重复单元15,按照在重复设置单元16中设置的重复次数来进行发送到接收的重复,并且通过切换单元17来进一步地执行发送和接收之间的切换,并且此后,重复被相似地执行。即,当通过发送电路7从第一振荡器4产生超声波,并且由第二振荡器5接收超声波,并且接收的信号通过放大电路8到达比较电路9时,通过重复单元16的指令,发送电路7再次被触发单元13触发。该重复被进行重复设置单元15中设置的重复次数,并且当达到设置的重复的次数时,通过时间计数单元10来测量进行重复所花费的时间。此后,通过切换单元17来反转地接通第一振动器4和第二振动器5的发送和接收,并且,超声波从第二振荡器朝向第一振荡器5发送,并且以与上述相似的方式获取到达时间,以及获取差值,并且通过流量计算单元11计算流量值。
当将静止流体中的声设置为c,并且流体流动的速度设置为v时,流动的顺方向的超声波传播速度变为(c+v),并且反方向的传播速度变为(c-v)。当振荡器7和8之间的距离被设置为L,并且超声波传播轴线和管道线路的中心轴线之间的角度被设置为φ,并且重复的次数被设置为n时,顺方向和反方向各自的重复时间T1和T2为如下所示,
T1=n×L/(c+vCOSφ)    (4)
T2=n×L/(c-vCOSφ)    (5)
并且从公式(4)和(5)中获得以下的公式,
v=n×L/2COSφ×(1/T1-1/T2)    (6)
并且当L和φ已知时,通过测量T1和T2来获取流速v。
然而,当流量较小并且重复次数较小时,T1和T2之间的差非常小,并且难于精确测量该差,使得测量的次数被较大地设置,并且误差相对减小。同样,当流量变为较大,并且T1-T2的差也变得较大时,使得容易测量该差,并且在此情况下,可以减小重复设置的次数,加快采样间隔,并且减小误差。即,重复设置单元15的重复次数通过流量计算单元11来变更。
该专利文献1的超声波流量计具有如下方法,所述方法用于使用两个振荡器来在发送和接收之间切换,并且根据从各自接收的波形而获得的超声波传播时间来获取流速,并且计算流量。
专利文献1:JP-A-8-122117
发明内容
本发明将解决的问题
超声波的传播时间的测量通过对作为振荡元件的振荡器所产生的脉冲的次数进行计数来获取。例如,在使用具有4×106Hz(周期是频率的倒数且为0.25×10-6秒)的晶体振荡器作为振荡器的情况下,当在传播时间中存在720个脉冲时,传播时间变为180×10-6秒。当从与晶体振荡器连接的电路的操作开始起晶体振荡器振荡、振荡的振幅增加、获得清析的脉冲波形、并且用于使该脉冲周期或占空比稳定的时间已经过去之后,晶体振荡器变为可测量状态。
将使用附图来描述该方面。当使用由Daishinku公司制作的产品编号为SMD49TA4M(4×106Hz)的晶体振荡器来作为图8的振荡电路中的振荡器70测量波形时,获取图9的波形图。图9的横坐标轴是时间(秒),并且图9中的(a)示出了提供到电路的电源电压,并且电压缓慢地增加以给插入的用于电压稳定的电容器进行充电。当达到电路的缓冲器71(由东芝公司生产的TC74HC04)和无缓冲器(unbuffer)72(由东芝公司生产的TC74HCU04)能够操作的电压时,图9中的(b)的无缓冲器72(TC74HCU04)的输出电压V1出现,并且其振荡的振幅逐渐增强。该电压V1被输入到缓冲器71(TC74HC04),并且当V1超过该缓冲器71的阈值电压时,如图9中的(c)所示,在时间TCR1=4×10-3秒处,从缓冲器71输出矩形波的输出电压V2。在输出矩形波的输出电压V2之后,需要一定的时间TCR2来稳定该矩形波的周期。
图10是示出了在输出矩形波的输出电压V2之后该矩形波的周期的变化的图,横坐标轴是时间(秒)并且纵坐标轴是脉冲周期(秒)。在参见该图10的情况下,所需用来将周期稳定在0.25×10-6秒的时间TCR2大约为1×10-3秒。
因此,在超声波传播时间的测量开始之前,需要预先启动晶体振荡器。该时间是TCR1+TCR2,并且需要大约5×10-3秒。在使用电池作为电源的超声波流量计中,节省电力是强烈需要的。因此,在超声波的传播时间的测量中,执行通过例如每4×10-3秒进行的间歇测量控制。
然而,当晶体振荡器被用于超声波传播时间的测量中时,除非在如上所述的测量中能够在被使用之前5×10-3秒启动晶体振荡器,否则不能获取在测量中能够被使用的脉冲的稳定性。因此,当测量间隔是4×10-3秒时,不能停止晶体振荡器,并且变得需要连续地操作晶体振荡器。因为通过电路用于操作晶体振荡器的电力消耗较大,所以在实现电力节省的情况下,晶体振荡器的连续操作变为问题。
除了晶体振荡器之外,振荡器还包括陶瓷振荡器。陶瓷振荡器的起动比晶体振荡器的起动更快。当使用由松下电气工业有限公司制造的产品编号为EFOMC400AR(4×106Hz)的陶瓷振荡器作为图11中的振荡电路中的振荡器73来测量波形时,获取图12中的波形图。图12的横坐标轴是时间(秒),并且图12中的(a)示出了提供给电路的电源电压,并且该电压缓慢地增加,以给插入的用于电压稳定的电容器进行充电。在达到电路的缓冲器71和无缓冲器72能够操作的电压的情况下,在图12中的(b)的无缓冲器72的输出电压V1中出现振荡,并且该振荡的振幅逐渐增加。该电压V1被输入到缓冲器71,并且当V1超过该缓冲器71的阈值电压时,如图12(c)所示,在时间TCE1=44×10-6秒处,从缓冲器71输出矩形波的输出电压V2。在输出矩形波的输出电压V2之后,需要一定的时间TCE2来稳定该矩形波的周期。
图13是示出了在输出矩形波的输出电压V2之后,该矩形波的周期的变化的图,横坐标轴是时间(秒),并且纵坐标轴是周期(秒)。在参见该图13的情况下,所需用来将周期稳定在0.25×10-6秒的时间TCE2大约为5×10-5秒。
因此,在超声波的传播时间的测量开始之前,需要预先启动陶瓷振荡器。该时间是TCE1+TCE2,并且需要大约9.4×10-5秒。该稳定的程度是根据在相同实验中用于测量周期的测量器件或者周围环境所确定的稳定的程度。在使用陶瓷振荡器对超声波的传播时间进行实际测量并且然后计算流量的情况下,当在陶瓷振荡器的振荡电路的电源接通之后用于开始测量的等待时间被获取作为参数时,流量的标准偏差如图14中所示。从图14中可知,流量的标准偏差在大约200×10-6秒或者更多秒时变小,并且是稳定的。
因此,当使用陶瓷振荡器作为振荡器时,振荡器的起动变得远远快于晶体振荡器的起动,但是仍然需要大约200×10-6或者更多秒,从而,问题是加速陶瓷振荡器的起动和稳定振荡,以进一步实现电力的节省。
此外,考虑到工作温度范围的变化或者独立件之间的差别,晶体振荡器的振荡频率精度为±0.001%,而陶瓷振荡器的振荡频率精度为±0.5%,并且在使用陶瓷振荡器的情况下,存在绝对时间精度的问题。
解决问题的方式
本发明的超声波流量计使用振荡开始单元,以加速在超声波的传播时间的测量中使用的振荡器的振荡开始,并且增强振荡脉冲的稳定性。振荡开始单元包括振荡电路,用于产生与在测量中使用的振荡器的振荡频率接近的频率的脉冲,并且在超声波的传播时间的测量中使用的振荡器通过由其振荡电路产生的脉冲被激励。
我们确定的是该种振荡开始单元不仅加速了振荡器的振荡开始,而且加速了用于使振荡脉冲的频率稳定的时间,并且确定的是当振荡开始单元被应用到超声波流量计中并且对流量进行测量时,可以实现足够的流量测量精度和电力节省。
此外,我们将陶瓷振荡器使用在用于超声波传播时间的测量中的振荡器中,并且解决了陶瓷振荡器的低振荡频率精度的问题。出于此目的,将其构造为,使得以比用于传播时间的测量中的陶瓷振荡器的频率更低的频率振荡的晶体振荡器被设置,并且陶瓷振荡器的脉冲周期通过振荡在更低频率的晶体振荡器的脉冲来检验,以校正传播时间。具体地,实际的超声波流量计被配置有用于测量超声波的电路,以及用于控制该电路和控制流量显示等的微机,微机始终运行,并且使用例如具有32×103Hz的晶体振荡器作为用于操作该微机的振荡器。因此,通过使用具有32×103Hz的该晶体振荡器,检验具有4×106Hz的用于测量超声波的陶瓷振荡器,以校正传播时间。
附图说明
图1是示出了本发明的超声波流量计的结构的电路框图。
图2是本发明的超声波流量计的时序图。
图3是示出了本发明的超声波流量计的结构的电路框图。
图4是本发明的超声波流量计的时序图。
图5是本发明的超声波流量计的时序图。
图6是示出了传统超声波流量计的构造的控制框图。
图7是示出了传统超声波流量计的构造的控制框图。
图8是传统晶体振荡器的振荡电路。
图9是传统晶体振荡器的振荡电路的特性图。
图10是传统晶体振荡器的振荡电路的特性图。
图11是传统陶瓷振荡器的振荡电路。
图12是传统陶瓷振荡器的振荡电路的特性图。
图13是传统陶瓷振荡器的振荡电路的特性图。
图14是使用传统陶瓷振荡器的振荡电路测量的流量特性图。
附图数字和符号的描述
60振荡器(振荡器A)
61振荡开始单元
63振荡器(振荡器B)
具体实施方式
(第一实施例)
在本发明的第一实施例中的超声波流量计包括振荡器和用于加速振荡器的振荡的振荡开始单元,并且被构造为在超声波的传播时间的测量中使用通过振荡开始单元振荡的振荡器的脉冲。
图1是示出了本发明第一实施例中的超声波流量计的构造的电路框图。
在图1中,流路50是管道,通过其流体流动,并且将超声波传感器51、52布置在其途中。超声波传感器51、52被连接到印刷基板,在该基板中通过引线而布置控制部53。通过具有用于向超声波传感器51、52提供发送信号的发送电路54,用于传送来自超声波传感器51、52的信号的接收电路55,用于放大接收电路55的输出的放大电路56,以及用于将放大电路56的输出与DC电压比较的比较电路57而制成的控制部53被布置在印刷基板中。
设置开关组58,以在超声波传感器51、52的发送和接收之间进行切换,并且在图1中,开关组58处于在其中超声波传感器51连接到发送电路54且超声波传感器52连接到接收电路56的状态中。计算处理电路59将发送命令传送到发送电路54,并且驱动超声波传感器51。当超声波传感器52接收到从超声波传感器51发送的超声波时,接收的信号被接收电路55和放大电路56处理,并且从比较电路57输出信号。
来自比较电路57的信号被传送到计算处理电路59,并且计算处理电路59测量从超声波传感器51的发送开始到传送来自比较电路57的信号所花费的时间。在该时间测量中,使用通过振荡器60形成的脉冲,并且在超声波传播时间段期间的脉冲的次数被计数,并且计算该时间。在此,例如,选择4×106Hz(0.25×10-6秒)的振荡频率作为振荡器60的振荡频率。通过振荡开始单元61激励振荡器60。振荡开始单元61被构造为具有另一振荡单元62,以及用于在一定时间段中将该振荡单元62的脉冲激励给振荡器60的电路。
该另一振荡单元62是产生具有与振荡单元60的频率基本相等的频率的脉冲的单元,并且因为需要瞬时地产生脉冲,所以由环形振荡器来构造。因为环形振荡器的频率精度不好,所以在测量中不能使用环形振荡器,但是对于激励振荡器60、和加速振荡器60的振荡开始、以及加速振荡频率或占空比的稳定性的目的而言,环形振荡器是足够使用的。
在例如,美国专利No.US6819195B1中描述了一种使用这种环形振荡器加速振荡器的操作开始的方法。相同的专利是在调整环形振荡器的频率的同时激励振荡器的方法,并且我们确认的是,该种方法具有加速脉冲周期的稳定性的效果。
附带地,介绍了用于减小从振荡器的起动开始到使得脉冲可以被使用所花的时间的其他方法。例如,日本专利JP-A-11-163632不是用于激励振荡器的方法,从而,即使到脉冲输出的时间被减小,因为不能期待加速脉冲周期的稳定性的效果,所以其不是理想的。
根据该第一实施例,通过设置振荡开始单元61,用于通过超声波传感器51、52进行的超声波的传播时间的测量中的振荡器60的振荡开始可以被加速,并且可以增强振荡脉冲的稳定性。因此,超声波的传播时间的稳定测量可以瞬时开始,使得可以间歇地进行高精度的测量,并且可以实现在超声波流量计中的电力节省。
(第二实施例)
在本发明的第二实施例中的超声波流量计被构造为:使得驱动信号被与被振荡开始单元振荡的振荡器的脉冲同步地提供给超声波传感器,并且等待时间段设置于在被振荡开始单元振荡之后,直到驱动信号被提供给超声波传感器。
图2是本发明的第二实施例的超声波流量计的时序图,并且表示在图1中描述的A、B、C、D、E、和F的位置的信号。图2的B是来自计算处理电路59的信号,并且是用于振荡器60的操作/停止的信号。相似地,图2的C是来自计算处理电路59的信号,并且是用于限定振荡器60被另一振荡单元(环形振荡器)62的脉冲激励的时间段的信号。图2的A是该另一振荡单元(环形振荡器)的脉冲信号。图2的D是振荡器60的脉冲信号,并且在来自该另一振荡单元(环形振荡器)的激励被停止的瞬间,脉冲波形稍微被干扰,但是立即又输出正常的脉冲。
图2的E是超声波传感器51的驱动信号,并且驱动信号与图2的D的振荡器60的脉冲信号D同步地产生。图2的F是基于由超声波传感器52接收的信号而由比较电路57输出的信号。在来自该另一振荡单元(环形振荡器)的激励被停止的瞬间,脉冲波形被图2的D的振荡器60的脉冲信号稍微干扰,从而需要一些时间来稳定脉冲频率。因此,在该信号和与图2的D的振荡器60的脉冲信号D同步输出的图2的E的超声波传感器51的驱动信号之间设置等待时间T。
当在振荡器中使用陶瓷振荡器时,等待时间大约是30×10-6秒。在图2中,时间TT表示超声波的传播时间,并且同样,时间TF表示用于激励振荡器60的时间。因为激励振荡器60和输出驱动信号所花费的时间TF+TT大约是50×10-6秒,如在“本发明将解决的问题”部分中所述的,相对于“当使用陶瓷振荡器时,振荡器的起动变得远远快于晶体振荡器的起动,但是仍然需要大约200×10-6或者更多秒,从而问题是进一步加速陶瓷振荡器的起动,以实现电力的节省”的事实,时间可以进一步减小到大约四分之一。
因此,根据该第二实施例,通过在被振荡开始单元61振荡之后设置等待时间段T,直到驱动信号被提供给超声波传感器51、52,在通过另一振荡单元62的激励来加速振荡器60的振荡开始的情况下,可以尽可能快地执行稳定的操作。
(第三实施例)
本发明的第三实施例中的超声波流量计被构造为:除了在超声波的传播时间的测量中使用的振荡器A以外,还设置了其他振荡器B,并且振荡器A的脉冲周期通过振荡器B的脉冲来检验,以校正传播时间。
图3是示出了在本发明第三实施例中的超声波流量计的构造的电路框图,并且图1中所示的超声波流量计的电路框图被简化并且添加了部件。在图3中,作为第一振荡器A的振荡器60被用于测量超声波的传播时间,并且选择例如4×106Hz的振荡频率来作为其振荡频率。该振荡器60执行间歇操作,并且在振荡开始时被振荡开始单元61激励。作为第二振荡器B的振荡器63是用于产生脉冲以形成计算处理电路59的操作的基础的振荡器,并且选择例如32×103Hz的振荡频率作为其振荡频率。该振荡器63执行连续的操作。
该振荡器63被用于构造计算处理电路59的微机,并且频率低,从而电力消耗小,但是在该频率下,周期过长,并且振荡器63不直接用于超声波的传播时间的测量。
在作为振荡器A的振荡器60中,使用陶瓷振荡器。在作为振荡器B的振荡器63中,使用晶体振荡器。如上所述,在陶瓷振荡器中的频率精度为±0.5%,而在晶体振荡器中的频率精度为±0.001%,从而陶瓷振荡器的频率精度不足以进行高精度测量。因此,通过晶体振荡器(振荡器B)来检验陶瓷振荡器(振荡器A)。如图4所示来执行该检验,在图4中的(a)的晶体振荡器(振荡器B)的每一周期TA或者多个周期,图4中的(b)的陶瓷振荡器(振荡器A)的脉冲次数被计数,并且陶瓷振荡器(振荡器A)的每一周期的时间被获取,以及通过该值修正通过陶瓷振荡器(振荡器A)的脉冲次数而获取的超声波的传播时间。
根据该第三实施例,具有快速起动的陶瓷振荡器被使用在用于超声波的传播时间的测量的振荡器A中,并且具有高振荡频率精度的晶体振荡器被使用作为振荡器B,并且通过振荡器B的脉冲来检验振荡器A的脉冲周期,并且由此,可以瞬时地执行超声波的传播时间的稳定测量。
(第四实施例)
第四实施例被构造为:在超声波的传播时间的测量之后,通过晶体振荡器(振荡器B)连续地执行陶瓷振荡器(振荡器A)的检验。图5是在本发明的第四实施例中超声波流量计的时序图,并且在图5中的(a)示出了超声波传感器A的操作,并且在图5中的(b)示出了超声波传感器B的操作,以及在图5中的(c)示出了振荡器A的操作。
为了在激励陶瓷振荡器(振荡器A)的时间TF之后获取脉冲的稳定性,需要花费等待时间T,并且从超声波传感器A执行发送64。超声波传感器A的信号被超声波传感器B接收65,并且测量超声波的传播时间TT。此后,将陶瓷振荡器(振荡器A)停止时间TS。
陶瓷振荡器(振荡器A)被再次激励持续时间TF,并且在等待时间T之后,从超声波传感器B执行发送66。超声波传感器B的信号被超声波传感器A接收67,并且测量超声波的传播时间TT′。此后,陶瓷振荡器(振荡器A)连续操作时间TC,以通过晶体振荡器(振荡器B)执行陶瓷振荡器(振荡器A)的检验。
因此,在该第四实施例中,在不停止陶瓷振荡器(振荡器A)的情况下,通过连续执行检验,不需要再次激励陶瓷振荡器(振荡器A),并且不需要花费等待时间,使得可以实现电力的节省。
(第五实施例)
第五实施例被构造为:在激励如上所述的陶瓷振荡器(振荡器A)之后,花费用于获取脉冲稳定性的等待时间被给定为恒定时间。因为花费用于获取脉冲稳定性的时间根据温度或者陶瓷振荡器的独立件之间的特性变化而变化,所以包括这些因素的稳定所需的时间被事先测量,并且在足以覆盖这些因素的范围内将等待时间给定为固定的值。
通过该构造,可以将等待时间设置为最简单的,从而可以减小计算处理电路的电路元件规模或者软件规模。
(第六实施例)
第六实施例被构造为,使得通过检验振荡器的脉冲周期来确定等待时间。即,在激励陶瓷振荡器(振荡器A)之后,在等待脉冲稳定性的等待时间期间,陶瓷振荡器(振荡器A)的周期通过晶体振荡器(振荡器B)来检验,并且根据检验结果当检验误差在一定范围内时,确定获取了陶瓷振荡器(振荡器A)的脉冲稳定性。
根据该构造,用于设置等待时间的计算处理电路的电路元件规模或者软件规模将变大,但是优点是,可以适当地设置等待时间。
已经参考具体的实施例对本发明进行了描述,但是对于本领域的技术人员明显的是,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以做出各种修改和变更。
本发明基于2006年12月27日提交的日本专利申请(专利申请No.2006-351251),并且通过引用将所述专利申请的内容合并于此。
工业应用性
如上所述,根据本发明的超声波流量计可以扩展到用于测量需要精确测量的液化石油气或天然气的流量的商用或家用超声波型气体流量测量装置(气量计)的使用中。

Claims (8)

1.一种超声波流量计,包括:
超声波传感器,用于在流路中发送和接收超声波;
振荡器,用于产生预定频率的振荡;以及
振荡开始单元,用于加速所述振荡器的稳定;
其中,通过所述振荡开始单元振荡的所述振荡器的脉冲被用于所述超声波的传播时间的测量中。
2.根据权利要求1所述的超声波流量计,其中,与通过所述振荡开始单元振荡的所述振荡器的脉冲同步地,驱动信号被提供给所述超声波传感器,并且等待时间段设置在通过所述振荡开始单元振荡之后,直到驱动信号被提供给所述超声波传感器。
3.根据权利要求1所述的超声波流量计,其中,所述振荡开始单元包括另一振荡单元,以及用于在一定时间段中向所述振荡器激励所述振荡单元的脉冲的电路。
4.根据权利要求1所述的超声波流量计,其中,在所述振荡器中使用陶瓷振荡器。
5.根据权利要求4所述的超声波流量计,其中,除了用于超声波的传播时间的测量中的振荡器A之外,设置另一振荡器B,并且所述振荡器A的脉冲周期通过所述振荡器B的脉冲来检验,以修正传播时间。
6.根据权利要求5所述的超声波流量计,其中,所述振荡器A的脉冲周期在传播时间的测量之后被连续地检验。
7.根据权利要求2所述的超声波流量计,其中,所述等待时间被设置为恒定时间。
8.根据权利要求2所述的超声波流量计,其中,所述等待时间根据对所述振荡器的脉冲周期进行检验的结果来确定。
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