CN103542901A - 一种流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流量计。本发明涉及一种在管道内超声测量流体速率的流量计。由超声换能器接收的超声信号被数字化。通过计算被数字化的接收信号的离散互相关确定两个超声传播时间之间的差。通过仅计算峰值互相关值附近的几个互相关值减少计算次数。

Description

一种流量计

本申请要求2012年7月9号提交的序列号为61/669,445的美国临时专利申请的权益，其包括在此以供参考。

背景技术

一种用于测量流体速率的已知技术是超声波。超声速率计可以在外面附连到管道，或者超声换能器可以定位于管道内部。流体流量可以通过用管道的内部区域乘流体速率来测量。累积的流体体积可以通过将流体流量对时间积分来测量。

图1示出定位超声换能器用于进行流体速率测量的示例。有许多可替代的配置，且图1仅仅是为了示出用于流体速率超声测量的一些基本等式的一个示例。在图1中，两个超声换能器UT₁和UT₂被安装在管道100内，并且流体正在管道100内流动。假设L是超声换能器UT₁和UT₂之间的距离。假设θ是连接换能器的直线和管道壁之间的角度。假设t₁₂是超声信号从超声换能器UT₁到超声换能器UT₂的传播时间（也称为飞行时间），并且假设t₂₁是超声信号从超声换能器UT₂到超声换能器UT₁的传播时间。假设c是流体中超声波的速率，并假设v是流体流量的速率。这些传播时间表示如下：

$t_{12}=\frac{L}{c+v\left[\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\right]}$

$t_{21}=\frac{L}{c-v\left[\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\right]}$

典型地，角度θ和距离L是已知的，并且目标是测量流体的速率v。如果流体中超声波的速率c是已知的，则只需要一个传播时间（t₁₂或t₂₁）。然而，流体中超声波的速率c是温度的函数，并且温度传感器可能被包括或可能不被包括，这取决于系统的目标成本。另外，流量计可以用于多种不同的流体（例如，水或气体）。测量两个不同的传播时间（t₁₂和t₂₁）能够消除变量c。将以上等式组合并消除变量c将产生流体速率v的以下等式。

$v=\frac{L}{2}*\frac{t_{21}-t_{12}}{t_{21}{t}_{12}}$

因此，在不知道流体中超声波的速率的情况下为了确定流体速率，需要测量两个超声传播时间（t₁₂和t₂₁）。对于改善的超声传播时间的测量，存在持续的要求。

附图说明

图1是示出具有用于进行流体速率测量的超声换能器的管道的示例现有技术实施例的方框图。

图2是示出用于确定离散互相关中最大值的方法的示例实施例的流程图。

图3是示出在离散互相关值之间插值的实例实施例的图表。

图4是示出用于测量单个传播时间和差别传播时间的示例系统的方框图。

图5是示出接收波形的包络线的图表，其中该包络线用于确定接收波形的起始时间。

图6是示出用于测量单个传播时间和差别传播时间的替代示例系统的方框图。

图7是示出用于测量单个传播时间和差别传播时间的替代示例系统的方框图。

图8A是示出图7系统的示例传输超声波形的时间图。

图8B是示出图7系统的示例接收超声波形的时间图。

图9是示出方法的示例实施例的流程图。

具体实施方式

如上面讨论的，一种用于测量流体速率的方法是测量信号（超声压力波）从超声发射器到超声接收器的传播时间。两个超声换能器可以交替作为发射器和接收器的角色。管道中流动的流体将引起下游传播时间略不同于上游传播时间，并且这种细微差别可以用于测量流体的速率。

如果流体中超声波的速率不是已知的，则需要两个传播时间（t₁₂、t₂₁）和差别传播时间（t₂₁-t₁₂）。对于流量计，测量精度是重要的。对于超声水流量计而言，传播时间t₁₂和t₂₁可能大约为几十微秒。然而，对于低流速而言，差别传播时间（t₂₁-t₁₂）可能大约为几毫微秒。例如，假设流体速率需要以1%精度测量。则差别传播时间（t₂₁-t₁₂）的精度需要大约为几十微微秒。如果传播时间t₁₂和t₂₁以1%的精度测量，且如果通过从t₂₁中减去t₁₂来测量差别传播时间，则测量不确定性可能比所测量的量大几百倍且测量不确定性可能比所测量的量要求的精度大几万倍。相反，如果对于差别传播时间（t₂₁-t₁₂）需要1%的精度，则简单地从t₂₁的测量值中减去t₁₂的测量值以计算差别传播时间将要求异乎寻常的t₁₂和t₂₁的测量精度。在下面的讨论中，可以使用为两个单个传播时间提供合适精度的多种替代技术的任一种来测量两个单个传播时间（t₁₂，t₂₁），且使用为差别传播时间提供合适精度的技术以单独测量差别传播时间（t₂₁-t₁₂）。

在下面的讨论中，利用互相关来测量差别传播时间（t₂₁-t₁₂）。通过模数转换器（ADC）将两个接收的信号数字化并且计算不连续/离散的互相关。该离散的互相关测量一个接收的信号相对另一个接收的信号偏移的量。

假设r₁ ⁱ是超声换能器UT₁接收的信号的第i个样本，同时假设r₂ ⁱ是超声换能器UT₂接收的信号的第i个样本。每个数字化的接收信号开始于对应的发射信号的时间。也就是说，信号发射的时间是已知的，而发射的信号不需要被数字化。假设k是样本时间周期的整数。两个采样的信号的互相关被计算如下：

$\mathrm{corr}\left(k\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N\left({r_1}^{i+k}\right)\left(r_2^k\right)$ k={-m,-(m-1),…,(m-1),m}

变量k可视作在多个样本时间周期中离散的时间延迟或偏移。也就是说，当接收的信号在时间上被偏移k个样本周期时，互相关总和被重复。假设k’表示导致最大互相关总和的k的值。差别传播时间（t₂₁-t₁₂）的估计值是：

t₂₁-t₁₂～(样本周期)*k’

流量计可以由电池驱动且可能位于不便于或不能实现频繁更换电池的区域内。一些安装要求电池的寿命大约为20年。因此，减少互相关所要求的处理量以减少控制器消耗的功率是重要的。在以上离散互相关的等式中，样本的数量（N）可以大约为100个样本，并且如果正在测量的时间偏移是未知的，则需要针对k的200个值（m=100）计算互相关值。在下面的讨论中，减少了k值的数量，从而通常仅需要3个互相关值。为了减少处理时间，可以使用预期差别传播时间来确定假设的初始离散时间偏移k’，其中corr(k’)预期为最大值。然后，在k’的任意侧计算corr(k)直到实际最大corr(k)被确定。预期的差别传播时间可以是0（也就是说，k’的初始值可假定为0流量）。这将在下文更详细地讨论。可替代地，预期差别传播时间可以是来自紧前面差别传播时间的测量的差别传播时间。对于缓慢变化的流体速率而言，紧前面的测量可以大体上减少找到最大值需要的互相关值的次数。可替代地，可以使用同期测量（相同测量周期），其通过减去两个单个传播时间（t₁₂，t₂₁）的测量值来执行。当测量会经历快速变化的气体的流率时，使用同期差别传播时间测量来获取预期差别传播时间可能格外有用。

图2示出找到给定预期差别传播时间的最大互相关值的方法200。在步骤202中，通过用预期差别传播时间除以样本周期来计算初始值k’。在步骤204中，如果corr(k’-1)大于corr(k’)，则在步骤206中用k’-1替换k’且重复步骤204。在步骤208中，如果corr(k’+1)大于corr(k’)，则在步骤210中用k’+1替换k’且重复步骤208。该过程在corr(k’)成为最大互相关值时结束。

离散互相关的这种分解可能不足以为差别传播时间提供所需的精度。实际的差别传播时间可能在两次离散样本时间之间。插值可以提供改善的估计。通过峰值的互相关函数的形状近似于余弦曲线或抛物线。因此，余弦函数或抛物线函数可以用于插值3个样本：最大样本紧前面的样本、最大样本和最大样本紧后面的样本。下面的等式用于余弦插值，其中δ是样本k’之前或之后到插值峰值的时间增量（也就是说，δ可正可负）：

Z_-1=corr(k′-1)

Z₀=corr(k′)

Z₁=corr(k′+1)

$\mathrm{\ω}={\cos }^{-1}\left(\frac{Z_{-1}+Z_1}{2*Z_0}\right)$

$\mathrm{\φ}={\tan }^{-1}\left(\frac{Z_{-1}-Z_1}{2*Z_0*\sin \left(\mathrm{\ω}\right)}\right)$

$\mathrm{\δ}=\frac{-\mathrm{\φ}}{\mathrm{\ω}}$

下面的等式用于抛物线插值，其中δ是样本k’之前或之后到插值峰值的时间增量（也就是说，δ可正可负）：

$\mathrm{\δ}=\frac{Z_{-1}-Z_1}{2(Z_{-1}-2*Z_0+Z_1)}$

改善的估计差别传播时间是在余弦差值曲线取最大值时的时间。差别传播时间的改善估计可表示如下：

t₂₁-t₁₂～(样本周期)*k’+δ

图3示出通过在k’-1、k’和k’+1上测量的3个互相关值拟合的余弦或抛物线曲线300。在图3的示例中，估计的差别传播时间（在插值曲线300处于最大值的时间）位于互相关值corr(k’)和互相关值corr(k’+1)之间。在图3的示例中，δ是正的。

考虑特定的数字示例。假设1.0MHz换能器的采样频率是4.0MHz。还假设管道的直径是1.6cm，换能器间隔是9.1cm，流率是1.2m/s以及流体中声速为1480m/s。这种情形下的流率大约是16公升每分钟。单个传播时间大约是60毫秒，且差别传播时间大约是100纳秒。在4MHz的采样频率下，样本间隔是250纳秒。因此，对于给定的示例值，差别传播时间小于样本间隔。对于示例值而言，k=0的值对应于流率从0到16公升每分钟以上时离散互相关的最大值。也就是说，对于给定的示例值而言，使用离散互相关的差别传播时间的合适估计是0且k的合适初始值是0。所要求的差别传播时间的精度通过插值来提供。对于更高的流率而言，例如超过每分钟20公升的流率，差别传播时间大于125纳秒且相关技术将具有与真实最大值相差一个样本时间的最大值。然后，图2的方法将使k偏移一个样本时间周期。类似地，对于超过每分钟40公升的流率而言，图2的方法将使k偏移两个样本周期。也就是说，图2的方法扩大了可执行流量测量的范围。不使用图2的方法且k总是等于0，则流率限制将大约为16公升每分钟，但是使用图2的方法，该范围扩大到超过40公升每分钟。使用每个接收的信号的100个样本，使用所有可能k值的互相关计算将要求200个互相关值。对于低流率的范围而言，图2的方法将导致k不变，而对于更高流率而言，图2的方法将使k偏移一个或两个离散值。典型地，将要求不超过5个互相关值以确定被插值的3个互相关值。因此，控制器仅需要计算3到5个互相关值而不是几百个互相关值。

可通过多种技术的任一种以合适精度测量单个传播时间（t₁₂，t₂₁）。例如，发射的信号和接收的信号可能互相关。在一些系统中，发射的信号是周期性的，例如脉冲串。相反，在下面描述的系统中，为了最小化功率，单个脉冲被发送给发射超声换能器，其在共振频率处鸣响（见图8A）。该发射的鸣响信号不是数字化的。

给定上面讨论的数字化接收信号，控制器可以测量从发射超声信号到接收的信号超过预定阈值的时间。注意，等待接收的信号超过阈值意味着在跨过阈值之前该接收的信号可能已经经过N共振循环时间。N可能是来自先期校准的已知先验值，且可以从所测量的传播时间中减去数量N^*（共振循环时间）。

然而，接收的信号可能是噪声，引起一些计时误差。另外，信号水平阈值对由于例如湍流、气泡、换能器老化、部分满管等造成的信号振幅变化是敏感的。可以通过测量数字化接收信号的峰值以及使用峰值来调整阈值或调整放大器增益或两者来提高计时精度。注意，增益和/或阈值在接收到超声信号之后被调整，并且在接收到下一个超声信号之前被调。可替代地，可以在预期超声信号的测量之间测量噪声水平且噪声水平可用于调整所述增益和/或阈值。另外，可以对多个测量求平均以减少测量误差。可以基于噪声水平改变求平均的测量数量。

图4示出用于接收波形的量化、用于差别传播时间的互相关的计算以及为确定单个传播时间而对数字化接收信号的计时的系统400的示例实施例。在图4中，放大器402接收来自超声换能器（图4中未示出）的信号。模数转换器（ADC）404量化被放大的接收信号。控制器406初始化发射的信号并处理数字化的接收信号。控制器406可以包括微处理器、微控制器、超大规模集成（VLSI）电路或适于信号处理的其他电路。控制器406可以使两个数字化的接收信号互相关以确定上面所讨论的差别传播时间。控制器406也可以确定从发射超声信号到数字化的接收信号超过数字阈值的时间。控制器406也可以确定接收信号的峰值并使用该峰值来修改放大器402的增益和/或数字阈值。可替代地，可以在预期的超声信号的测量之间测量噪声水平且噪声水平可以用于调整增益和/或阈值。

可替代地，对于数字化的接收信号而言，数字滤波器可以用于确定接收信号的包络线。包络线前缘的斜线或包络线的起始点可以用于确定接收信号的起始点。用于确定接收信号的包络线的已知技术包括Hilbert变换法和Kalman滤波。

图5示出接收信号502的包络线500。该包络线可以用于确定接收信号的起始时间。首先，包络线500是从量化的接收信号中确定的。对于Hilbert变换法而言，包络线500前缘的斜线504被确定。斜线504与时间线相交的时间t₀用于估计接收信号被首次接收的时间。可替代地，对于Kalman滤波而言，包络线的起点可以被良好地表征，从而可以使用包络线的起点而不使用前缘的斜线。

可替代地，可以使用模拟接收信号而不使用数字化的接收信号来测量传播时间。可以使用被称为时间-数字转换器（TDC）（也称为数字秒表）的数字计时器。正如以上针对数字化信号的数字计时所讨论的，TDC可以测量从发射的信号被发送到接收的模拟信号超过预定模拟阈值的时间。正如以上针对数字化信号所讨论的，接收的模拟信号可能是噪声，引起一些计时误差，并且可以通过测量数字化的接收信号的峰值和使用数字化的接收信号的峰值来调整模拟阈值和/或调整TDC电路的放大器增益来提高计时精度。可替代地，可以在预期超声信号的测量之间测量噪声水平并且噪声水平可以用于调整增益和/或阈值。

图6示出用于将接收的波形数字化、计算差别传播时间的互相关以及对接收的信号进行模拟计时以确定单个传播时间的系统600的示例实施例。在图6中，放大器602从超声换能器（图6中未示出）接收信号。模数转换器（ADC）604将放大的接收信号数字化。控制器606初始化发射的信号并处理数字化的接收信号。控制器606可以包括微处理器、微控制器、超大规模集成（VLSI）电路或适于进行信号处理的其他电路。控制器606可以将两个数字化的接收信号互相关以确定上面所讨论的差别传播时间。在图6的示例中，时间数字转换器（TDC）608测量从发射的信号被初始化到模拟接收信号超过预定的模拟阈值的时间。控制器606也可以确定数字化接收信号的峰值并使用该峰值来修改放大器602的增益和/或TDC608中的模拟阈值。可替代地，可以在预期超声信号的测量之间测量噪声水平并且噪声水平可以用于调整增益和/或阈值。

图7示出可替代的示例实施例。在图7中，放大器602、ADC604和控制器606如图6中一样。在图7中，TDC实现为比较器702、跨零检测器704和计时器706。在图7的示例中，当接收的信号超过阈值时，比较器702使能跨零检测器704。当接收信号再次跨零时，跨零检测器704停止计时器706。

图8A和8B示出发射和接收的压力波形。在图8A中，在时间t₁，发射器电子装置发送脉冲到发射超声换能器，其在共振频率处鸣响。在图8B中，接收超声换能器响应于接收的压力波形而产生电压。在时间t₂，被放大的接收电压超过阈值且比较器702使能跨零检测器704。在时间t₃，跨零检测器704检测到被放大的接收电压与零交叉，且该跨零检测器704停止计时器706。注意，等待接收波形超过阈值意味着在t₃之前接收波形已经跨过零N共振循环时间，所以传播时间是t₃减去N^*（共振循环时间）。已知N是先验值，且可从t₃（由计时器706确定的时间）中减去数量N^*（共振循环时间）。可替代地，计时器706可以在相应于N^*（共振循环时间）的负时间启动，从而该计时器代表实际的传播时间。

如上面所讨论的，预期差别传播时间可以用于减少为找到互相关的峰值所要求的计算。如果TDC电路用于测量单个传播时间（t₁₂，t₂₁），则可以从TDC电路测量的t₁₂中减去TDC电路测量的t₂₁从而提供预期的差别传播时间。

图9示出方法900。在步骤902中，利用模数转换器将分别通过第一和第二超声换能器接收的第一和第二信号数字化。在步骤904中，控制器计算在初始时间偏移处的被数字化的第一和第二信号的第一离散互相关。在步骤906中，控制器计算在紧靠初始时间偏移之前的时间偏移处的被数字化的第一和第二信号的第二离散互相关。在步骤908中，控制器计算在紧靠初始时间偏移之后的时间偏移处的被数字化的第一和第二信号的第三离散互相关。在步骤910中，当初始时间偏移上的离散互相关值是三个离散互相关值的最大值时，控制器限制要计算的离散互相关值的数量为三。

注意，在图2和9的流程图中这些步骤的安排不必暗示所要求的步骤顺序，并且一些步骤可同时发生。特别地，在图2中，步骤208可在步骤204之前发生，并且在图9中，步骤908可在步骤906之前发生。

虽然这里明确公布方法和流量计的特定具体实施例时，但是本领域技术人员在阅读了本公开后将想到其各种替代实施例。除了被现有技术限制的之外，所附的权利要求倾向于广泛解释成覆盖这些替代实施例。

Claims (20)

1.一种方法，其包括：

利用模数转换器数字化分别由第一和第二超声换能器接收的第一和第二信号；

利用控制器计算在初始时间偏移处数字化的第一和第二信号的第一离散互相关；

利用所述控制器计算在紧靠所述初始时间偏移前面的时间偏移处所述数字化的第一和第二信号的第二离散互相关；

利用所述控制器计算在紧靠所述初始时间偏移后面的时间偏移处所述数字化的第一和第二信号的第三离散互相关；以及

当所述初始时间偏移处的离散互相关值是三个离散互相关值中的最大值时，利用所述控制器限制计算的离散互相关值的数量为三。

2.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

利用所述控制器确定预期差别传播时间，以及使所述初始时间偏移基于所述预期差别传播时间。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述预期差别传播时间为零。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述预期差别传播时间是先前测量的差别传播时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中当初始时间偏移处的所述离散互相关值不是最大值时，所述控制器最多计算七个离散互相关值。

6.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

利用所述控制器计算经过三个离散互相关值的插值曲线；以及

所述控制器使用所述插值曲线的峰值来确定实际的差别传播时间。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述插值曲线是余弦曲线。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述插值曲线是抛物线。

9.一种方法，其包括：

（a）通过控制器计算时间偏移t处的第一离散互相关值；

（b）通过所述控制器计算时间偏移t-1处的第二离散互相关值；

（c）当所述第二离散互相关值大于所述第一离散互相关值时，将t替换成t-1且将所述第一离散互相关值替换成所述第二离散互相关值，并返回步骤（b）；

（d）通过所述控制器计算时间偏移t+1处的第三离散互相关值；和

（e）当所述第三离散互相关值大于所述第一离散互相关值时，将t替换成t+1且将所述第一离散互相关值替换成所述第三离散互相关值，并返回步骤（d）；

（f）所述控制器使用时间偏移t处的互相关来确定由超声换能器接收的两个信号的差别传播时间。

10.根据权利要求9所述的方法，其还包括：

（g）由所述控制器计算经过时间偏移t-1处的互相关值、时间偏移t处的互相关值和时间偏移t+1处的互相关值的插值曲线；以及

（f）由所述控制器使用所述插值曲线的峰值处的时间偏移来确定超声换能器接收的两个信号的所述差别传播时间。

11.根据权利要求9所述的方法，其中当初始时间偏移处的所述离散互相关值不是最大值时，所述控制器最多计算七个离散互相关值。

12.一种流量计，其包括：

至少第一和第二超声换能器；

电路，其适于测量超声信号从所述第一超声换能器到所述第二超声换能器的第一传播时间以及超声信号从所述第二超声换能器到所述第一超声换能器的第二传播时间；

所述电路适于通过计算由所述第一和第二超声换能器接收的信号的离散互相关来测量差别传播时间；和

所述电路适于初始计算三个相邻时间偏移处的三个互相关值，并适于在初始计算的三个互相关值的中间一个大于另外两个互相关值时限制计算的互相关值的数量为三。

13.根据权利要求12的流量计，其中当初始时间偏移处的所述离散互相关值不是最大值时，所述电路最多计算七个离散互相关值。

14.根据权利要求12的流量计，其还包括：

耦合到具有增益的放大器的所述第一超声换能器；和

所述电路进一步适于测量由所述第一超声换能器正在接收的信号的峰值，并且适于基于所测量的峰值调整所述放大器的增益。

15.根据权利要求12的流量计，所述电路进一步适于通过测量从信号被所述第一超声换能器发射时到所述第二超声换能器正在接收的信号超过预定阈值的时间来确定所述第一传播时间。

16.根据权利要求15的流量计，所述电路进一步适于测量由所述第二超声换能器正在接收的信号的峰值，并适于基于所测量的峰值调整所述预定阈值。

17.根据权利要求15的流量计，所述电路进一步适于确定所述第二超声换能器正在接收的信号超过所述预定阈值后跨零的时间。

18.根据权利要求15的流量计，所述电路进一步适于使用时间-数字转换器确定所述第一传播时间。

19.根据权利要求12的流量计，其还包括：

所述电路进一步适于多次确定所述差别传播时间；

所述电路进一步适于对多个差别传播时间求平均；

所述电路进一步适于在没有信号被接收时测量由第一和第二超声换能器的至少一个接收的噪声；和

所述电路适于基于所测量的噪声调节被平均的差别传播时间的数量。

20.根据权利要求12的流量计，所述电路进一步适于通过确定由所述第二超声换能器接收的信号的包络线来确定所述第一传播时间，并适于使用包络线的起始点作为对信号被所述第二超声换能器接收的时间的测量。

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