CN103389133A - 一种高响应速度的超声波流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高响应速度的超声波流量计，流速测量响应速度取决于超声波传感器工作频率。流量计装置的壳体（1）具有收发分离的四只传感器（2、3、4、5），其中传感器（2、3）负责发送，传感器（4、5）负责接收。传感器（2、4）构成一组声道负责顺流方向信号采集，传感器（3、5）构成一组声道负责逆流方向信号采集。本发明的电路组成包括：激励信号发生器（6）同时给两组传感器提供激励信号，两路信号放大器（7、8）同步工作，将波形输入信号比较器（9）比较后，根据信号波形的时间差异获得持续的流量信号输出。由于连续记录与处理波形，每一对过零点都可以输出一个流量数据，可以获得与波形频率相同的高响应速度。

Description

一种高响应速度的超声波流量计

技术领域

本发明涉及流量计领域，具体涉及一种高响应速度的超声波流量计。

背景技术

时差式超声波流量计依靠检测流动介质对超声波信号的调制作用，获得声波在固定长度声道上的渡越时间，从而推算出介质的流速数据。但是现有技术中其信号的激励与处理原理决定了很难提高时差式超声波流量计的响应速度。

现有技术中，在发出超声波信号时，采取的主要方法包括：

1、采用方波序列激励，如图5所示，并设置阈值，当信号幅值超过阈值后，采用其后若干个波形的过零点位置作为特征位置，如图7所示。每个激励的方波序列一般包括5～30个波形，在接收到的波形中寻找与激励波形相对应的过零点，作为这组激励信号的渡越时间，获得一个流量数据。

2、采用编码方式的激励，如图6所示，并检测接收波形中的频率变化情况，通过与激励编码的对应关系确定波形特征点，并输出一个流量数据，如图8所示。由于序列中需要有编码信息，因此一个序列的波形数量较方波序列激励更多。

以上两种方法，序列需要包含若干个波形，因此序列必然占用一定时间；序列与序列之间，为了避免尾波干扰，也需要有一定的时间间隔；另外还需要将若干个流量数据平均后再输出。因此流量计的响应速度会受到一定的影响，一般只能达到几十赫兹以下，再提高有很大的难度且计量精度会受到较大影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有时差式超声波流量计测量响应速率受处理方法制约的不足，设计一种新的流量计，可以在流量测量响应速度上获得极大的提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高响应速度的超声波流量计，包括壳体，所述壳体上具有收发分离的四只传感器，其中第一和第三传感器负责发送，第二和第四传感器负责接收，传感器构成一组声道负责顺流方向信号采集，传感器构成一组声道负责逆流方向信号采集，其中传感器与传感器的连线在同一个壳体横截面上。

进一步的，还包括电路部分，包括：激励信号发生器，同时给两组传感器提供连续的激励信号；信号放大器，从传感器获得顺流的信号波形；信号放大器，从传感器获得逆流的信号波形；信号比较器，比较顺流的信号波形和逆流的方波信号，获得两者对应过零点的时间差，该时间差与流体流动速度成比例关系。

进一步的，将超声波信号处理组合实现的多流动截面流速测量。

进一步的，所述组合包括水平组合和交叉组合。

进一步的，为了保证两组激励信号相位差最小，所述激励信号发生器和两组传感器连接电缆均为等长。

本发明的优点在每个波形过零点都有一组流量数据输出，因此具有与所使用的超声波传感器工作频率相同的响应速度。主要用于需要获得高流量测量响应的应用场合，其输出流量数据的速度最大可与其所使用的超声波传感器工作频率相同。

本发明专利的有益效果是:使用收发分离的方式进行声道系统设计，通过结构的冗余换取更密集的信号获取频率，以达到提高流量计响应速度的目的。

附图说明

图1是本发明的高响应速度的超声波流量计结构示意图；

图2是本发明工作时电路波形示意图；

图3是多个本发明的超声波信号处理水平组合实现的多流动截面流速测量的示意图；

图4是多个本发明的超声波信号处理交叉组合实现的多流动截面流速测量的示意图；

图5是现有技术中利用固定频率的方波序列去激励传感器的示意图；

图6是现有技术中利用频率编码的方波序列去激励传感器的示意图；

图7是现有技术中利用单一阈值法判定波形特征点的示意图；

图 8 是现有技术中利用波形中的频率变化判定波形特征点的示意图。

图中各附图标记含义：1-壳体；2、3、4、5-传感器；6-激励信号发生器；7-信号放大器；8-信号放大器；9-信号比较器；10-流量信号滤波输出器；11-高速时钟。

具体实施方式

     下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图１所示，本发明的高响应速度的超声波流量计包括壳体1，壳体1上具有收发分离的四只传感器2、3、4、5，其中传感器2、3负责发送，传感器4、5负责接收。传感器2、4构成一组声道负责顺流方向信号采集，传感器3、5构成一组声道负责逆流方向信号采集。其中传感器2、4与传感器3、5的连线必须在同一个壳体横截面上。传感器采用超声波传感器。

本发明的高响应速度的超声波流量计的电路部分包括：激励信号发生器6同时给两组传感器2、3提供连续的激励信号，如图2中信号S1所示。信号放大器7从传感器4获得顺流的信号波形，如图2中信号S2所示，由于信号传播需要以一定时间，因此信号S2的相位比信号S1要落后。信号放大器8从传感器5获得逆流的信号波形，如图2中的信号S3，由于逆流，信号S3比顺流需要更多的传播时间，因此信号S3的相位比信号S2也要落后。在信号比较器9比较后，获得信号S2和信号S3对应过零点的时间差，该时间差与流体流动速度成比例关系。在整个测量过程中，激励信号S1是连续发射的，接收信号也连续接收，因此信号比较器9可以连续获得波形的时间差数据，从而在每个过零位置都可以保证输出一个流量数据，如图2中信号S4所示。因此本发明可以获得与波形频率相同的高响应速度。

本发明采用收发分离的流量计声道设计，保证后继处理电路可以同时连续获得顺流与逆流的信号波形，通过对波形的连续对应关系处理与时差的获得，连续不断的获得流量信号的输出。为了实现以上逻辑关系，激励信号发生器6同时给两组发射传感器提供激励信号，为了保证两组激励信号相位差最小，连接电缆均为等长。两路信号放大器7、8同步工作，也采用等长电缆将放大后的顺流与逆流信号送给比较器9比较后，判定每组信号的波形对应关系，计算渡越时间后，流量信号滤波输出器10输出测得的流量信号。由于在整个工作期间有连续不断的波形激励与接收，因此流量计也就可以有持续的流量信号输出。

如果需要获得多个流动截面的数据，还可以用多个本发明原理的超声波信号处理组合实现，如图3和4所示。

    以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高响应速度的超声波流量计，包括壳体（1），其特征在于：所述壳体（1）上具有收发分离的四只传感器（2、3、4、5），其中第一和第三传感器（2、3）负责发送，第二和第四传感器（4、5）负责接收，传感器（2、4）构成一组声道负责顺流方向信号采集，传感器（3、5）构成一组声道负责逆流方向信号采集，其中传感器（2、4）与传感器（3、5）的连线在同一个壳体横截面上。

2.如权利要求1所述的高响应速度的超声波流量计，其特征在于：还包括电路部分，包括：激励信号发生器（6），同时给两组传感器（2、3）提供连续的激励信号；信号放大器（7），从传感器（4）获得顺流的信号波形；信号放大器（8），从传感器（5）获得逆流的信号波形；信号比较器（9），比较顺流的信号波形和逆流的方波信号，获得两者对应过零点的时间差，该时间差与流体流动速度成比例关系。

3.如权利要求1所述的高响应速度的超声波流量计，其特征在于：将超声波信号处理组合实现的多流动截面流速测量。

4.如权利要求3所述的高响应速度的超声波流量计，其特征在于：所述组合包括水平组合和交叉组合。

5.如权利要求1所述的高响应速度的超声波流量计，其特征在于：为了保证两组激励信号相位差最小，所述激励信号发生器（6）和两组传感器（2、3）连接电缆均为等长。

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