CN1046026C - 确定流体流速的方法及电子流量计 - Google Patents

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Abstract

电子流量计(50)，包括大规模集成电路的数字装置(1)和模拟装置(2)。数字装置(1)驱动两个声传感器(5、6)，以便在要测量其流量的流体中发射声波信号。该声波信号在模拟装置(2)中被接收，到达时间是利用与接收信号相位相伴生的包络检测来确定的。信号的接收使得数字装置(1)中的计数器(23)中止计数，计数器(23)的数值反映声波信号在流体中的传输时间。流体流量数据存储在EEPROM(4)中。

Description

确定流体流速的方法及电子流量计
本发明一般来说涉及确定流体流速的方法和电子流量计，确切地说涉及一种民用和工业上用的确定流体流速的方法和电子流量计。
传统的民用和工业用流量计通常包括象膜盒、叶轮或涡轮这样一些机械结构，该机械结构驱动一个加法机构。通常，机械式度盘机构显示流过该表的流体总体积。这种机械结构精度不高，特别是在低流率情况，例如需要维持气体指示灯光的场合。因而，在低流率测量的不精确就意味着将会相当大地损失供气和供水方面的收入。
最近几年，已经提出一些为了明显提高流体流量测量精度而采用电子技术的方案。这类装置一般都包含一些超声波传感器，该传感器向上游和下游发射超声波信号，测量该信号的传输时间，由此计算流体的相对速度。这种用于测量流体流量的装置的实例可从美国专利第3,898,878号和第3,329,017号中获知，它们均采用以幅值为基础的测量，英国专利申请GB,2,222,254A确认，由于传感器之间幅值相当大的变化，而使得在气体流量测量中一般并不实用。这是由于，当信号被接收时，该时间的瞬时值的检测是困难的，并因此精确确定传输时间也是困难的。英国专利GB2,222,254公开了一种使用以信号包形式传输的超声波信号的装置，借此将相位变化夹入到每个信号包的中间，这样提供一个可识另的时间标志，由此可算出传输时间。
美国专利第4,603,589号提出了一种经过绝对值放大器的包络信号，以及当该绝对值信号低于基准值79时形成的选通信号。这样，仅用包络信号进行检测。
美国专利第4,480,485号公开的结构中，接收信号被整流，然后积分，形成用于电压控制LED振荡器的控制信号。
美国专利第4,885,942号涉及一种采用相位检测器、乘法器和加法器检测流体流动的相位差方法。
美国专利第4,515,021号揭示了流体流动测量装置，该装置对第一传感器和第二传感器之间的各个方向上的声波信号包的传输进行定时，这两个传感器都位于流体中。通过以下方式对到达第二传感器的时间进行检测：(a)检测波信号包并从中形成接收信号，(b)对接收信号积分，(c)检测积分输出信号越过一个检测阈值的时间，以及(d)当越过所述检测阈值后，检测确定脉冲到达时间的所述接收信号的过零值。
美国专利第3,678,371号公开了一种简单的超声波测量装置，该装置由来自传输脉冲的选通信号启动，对接收信号进行过零检测。
美国专利第3,282,101号公开的装置与美国专利第3,678,371号不同，并没有揭示为了得到包络信号而进行整流和滤波，也没有为过零检测器采用检测阈值。
然而，当在小的通道或管道中测量流体流量时，检测相位变化就会出现问题，这是因为超声波信号为管壁所反射形成多路传播。这种多路传播实际上改变到达接收传感器的能量信号的相位关系，因此，相位变化的计时是不能可靠检测的。此外，传播速度低于基波信号包的高次声波的发射干扰后面接续的信号。这导致进一步产生误差。
本发明的目的是基本上克服或改善已有技术中的部分或全部问题。
根据本发明提出的第一实施例公开了一种检测以一特定频率发射的声波信号包的抵达时间的方法，所述方法包括的步骤有检测波信号包并由此形成一个接收信号，对所接收信号进行整流和滤波以形成一包络信号，当所述包络信号越过一检测阈值时进行检测，借此起动检测所述接收信号越过一予定电平时所产生的跃变，越过所述予定电平所产生的跃变显示在所述声波信号包到达后，按所述特定频率的所述接收信号的可确定的周期数。
根据本发明提出的第二实施例公开了一种电子流体流量计，包括：位于流体内部的第一和第二传感器；发射装置，用以激励其中一个所述传感器，使之发射一个或多个声波信号包，为另一所述传感器所接收；控制装置，连接到所述发射装置，用于倒换所述声波信号包的发射方向；计时装置，其连接用于启动所述控制装置，以便测量每一所述声波信号包的传输时间，所述计时装置为连接到所述传感器的接收装置输出的触发信号所中止，所述接收装置检测所接收信号的包络信号上升段并根据所述包络信号越过予定阈值，利用所述接收信导越过予定电平所产生的下一次跃变输出信号。
通常，所选择的多个声波信号包中的一个或多个被发射时，其所具有的相位或极性与其直接相邻的波信号包的相位或极性相反。这就基本上减少了高次声波传播的影响，高次声波传播干扰波信号包到达的检测并使实际时间的检测产生误差。
通常，予定电平是由过零检测器所提供的过零点。
由已知的传感器分离距离和所计算的传输时间的平均值，就能计算流体流量。最好，流量表包括一个能存储流量数据的存储装置。同时最好，流量表还包括一个接口装置，适于将存储在存储装置中的数据传输给另外装置。
通常，电子流量计用电池工作，虽然能用市电电源，该电池装在外壳内部，将外壳中的温度上升降至最低，这种温度上升影响流量计中电子元件的工作。还可提供热补偿装置，对流体和外壳中的温度变化用电子方式进行补偿。
对于民用测量气体供应量，最佳实施例是用电池供电的并包括各种减少能量损耗的装置，借此，保证电池长的寿命。例如，由低频石英晶体产生高频时钟信号，其消耗功率大大低于相应的高频晶体。还有，最好采用高增益、低品质因数Q的传感器，以减少所需驱动功率并以此降低能量消耗。
对每小时0-7立方米流量范围，该最佳实施例提供基本上呈线性变化的效果。对12.5毫米管，精度一般在0.1％到0.15％之间，并且对应于75％的最大流量范围，不超过±2％。这些性能指标适合于每小时13升的指示气体流量的实用计量。
以下将参照附图，介绍本发明的最佳实施例，其中：
图1是气体流量计最佳实施例的电气结构的方框图；
图2是图1中的数字装置的方框图；
图3是图1中的模拟装置的方框图；
图4是由图1、2、3所示电路产生的信号的时间标记图；
图5是气体流量计外壳的正视图：
图6是气体流量计外壳的后视图；
图7是气体流量计外壳的测视图；
图8是沿图5中Ⅷ-Ⅷ线所取的气体流量计的剖面图；
图9是沿图5中Ⅸ-Ⅸ线所取的气体流量计的剖面图；
图10A-10D表示对应于增益设定过程的波形图。
本最佳实施例是在图5中看到的民用气体流量计，使用一个3.5伏D型锂电池51(图8)供电，使用寿命大约8年。
流量计50通过测定在管52中的超声波脉冲群在两个方向上传输时间直接测定气流的速度，该管流过气体，如图6所示，其直径和长度是已知的。超声波传感器5和6分别配置在管52每端的2个气动外壳53和54内(参阅图6内部剖视图)并且，其功能即可作为超声波发射器，也可作为接收器。管52其内径为14.0毫米，并且，经过各自的带螺纹连接部分57和58的突出部分55和56接入到标准的25毫米(1英寸)瓦斯管中(未示出)。在该最佳实施例中，传感器5和6的间隔距离为175毫米。
可用于该最佳实施例的合适的传感器类型公开在国际专利申请PCT/AU91/00157中。
在流动条件下气体体积流量，像在已有技术所熟知的那样，通过测量气体速度和管52的尺寸能很容易地计算出来。为了达到预期的精度，按顺序发送一些超声波脉冲群或信号包，靠近在测量管的接收器端的前一个脉冲群到达，每一个新的脉冲群开始被触发。平均传输时间然后被确定是利用对作为一个整体的脉冲群序列进行计时并用所发射的脉冲群数相除而实现的。单一的超声波脉冲群的产生、发射和检测今后将称之为一个“环式循环”(ringaround)。气体流量的单次扫描检测由两组预定数量的环式循环组成，首先在一个方向上，然后在另一个方向上。在各次扫描之间的间隔要选择，以便在各次测量读数之间的整个期间内都达到所需精度。对民用表计，适当的中间扫描间隔一般为16秒。
表计50装有一电子组件，其产生、检测超声波脉冲群并对超声波脉冲群计时。这里所述最佳实施例建立在两个应用特殊集成电路的大规模集成电路LSI基础上，一个模拟装置2和一个数字装置1。这两个装置1和2的功能可以容于一个LSI装置中，在现有技术中是热知的，这将减少电子组件的单位成本。
图1表示电子组件的整体方框图，数字装置1经过一些控制线10控制模拟装置2及两个超声波传感器5和6，一个液晶显示器(LCD)7和一个光学接口3。传感器5和6实际上配置在图6所示的气体传输管52中。一个EEPROM4(电子可擦编程存储器)为表计50提标定信息，一个簧片开关8在LCD7上方附加到防护盖59上(参阅图5)，以便当盖59打开时，接通LCD7。
在数字装置1和模拟装置2之间的一些连线9允许从数字装置1向传感器5和6发射电脉冲，并且还允许所接收的信号通向模拟装置2。连线11从模拟装置2向数字装置1传输被放大的接收信号。连线12向数字装置1传输用于增益控制和计时控制的反馈信号。在模拟装置2上产生的参考电压利用连线13传输到数字装置1。光学接口3包括一个在防护板59下方的窗口60(图5中以内剖图表示)，并包括一个针(PIN)式二极管和一个发光二极管(未表示，是公知技术)，以便经过一个红外串联元件，允许从外部装置接收和向外部装置发送信号。并联连接的线14将数字装置1和LCD7相连。
如图2所示，数字装置1包括一个逻辑运算单元(ALU)15,其经过地址和数据总线42与只读存储器(ROM)16、一个随机存取存储器(RAM)17和一排外围寄存器19相连。最好ROM16容量为4096字节，同时RAM17由两个各容纳128字节的寄存器所组成。外围寄存器19允许ALU15和数字装置1上的各特定功能元件相连，并和能够接到数字装置1的其它装置相连。
时钟单元18将9.8304兆赫的时钟频率信号提供给高速计数器23，还将2.4576兆赫的CPU时钟信号提供给ALU15和用于通讯目的其它辅助多路系统。此外，时钟单元18提供32.768千赫信号用作实时时钟信号。使高速计数器23与反馈线12相连，以允许当其存储信息达到适当值时使计数器中止，然后经过外围寄存器19转入到ALU15。控制单元22向模拟装置2提供控制信号，以便在扫描过程中控制模拟装置2的运行。
信号发生器21在两对信号线9其中一对上输出超声波信号。信号发生器21的振荡频率由两个电阻和一个电容(未表示)组成的外部定时元件来设定。发生器21设计成使第一个脉冲的宽度与后面的脉冲宽度相同。信号发生器21的工作类似于本领域技术人员熟知的555定时器。通信单元20提供两个通信通道，第一个通道与EEPROM4串行连接，第二个通道通过光学接口3向外部通信装置提供串行RS232格式的连系信号。
参阅图3，模拟装置2具有一个前置放大器24，该放大器经过其中一对连线9从传感器5或6获取所接收信号，并向一个自动增益控制(AGC)放大器25提供放大信号。用于AGC放大器的控制电压取自外部电容器40。滤波放大器26驱动一个全波精密整流器27，一RC网络28对所得信号进行滤波，并且取出整流信号的包络信号的上升部分的形状特征。滤波放大器26的输出还通过连线11送到数字装置1，并在该处转换成一系列数字脉冲。包络信号然后送到比较器29，并在该处和多个电压其中之一进行比较，该电压取决于来自内部控制单元30的控制线43的接法。比较器29提供反馈信号经过线12送到数字装置1。
偏置单元31利用带隙(band-gap)回路以便在线13上产生一与电池电压无关的，一般为1.20伏的参考电压VREF。其它所有固定参考电压都可由该电压派生，其中包括1.80伏的正的参考电压(VPR)和0.60伏的负参考电压(VNR)，该电压加到一个参考母线44上。正参考电压VPR加到外部串联电阻35/36/37/38上，向比较器29输出三个参考电压。控制单元30对由数字装置1提供、经过线10传输的控制信息进行译码，并选择其中一个参考电压在比较器29中和来自滤波器28的包络信号进行比较。偏置单元31还为在模拟装置2上的所有电路模块产生一些偏置电压，这是在来自控制单元30的信号的控制之下进行的，另外还包括一个开机(power up)回路，其只有当由数字装置1提供指示才工作。此外，偏置单元31还产生一个电池监视电压(VBM)，在母线44上输出。
在模拟装置2中装有一个数模转换器(DAC)，用于为AGC放大器件25提供控制电压。DAC还利用双斜率变换方法进行模数变换。模数转换进行只有通过模拟装置和数字装置1、2两种部件的综合才能进行，如下所述。
数字装置1利用计数器23和控制单元22，经过控制单元30输出控制线43来控制数模转换。模拟装置2上进行数模转换的线路组成部分为一个可开关控制输入量的缓冲放大器33、一个运算放大器34，其和用于调整积分器特性的外电阻39、外部电容40连接用作积分器、以及一个比较器29。比较器29的输出用作控制总线43上的数字信号。可用开关控制的放大器33由来自控制单元22的控制线进行控制。
模数转换根据两个电压源VBM、一个电源电压标度的形式和缓冲放大器32的输出能够进行。缓冲放大器32的输入连接到位于表计50内部的一个热敏电阻上(未表示)。该热敏电阻位于气动外壳53、54其中之一，用以测量流体的温度。或者，附加热敏电阻在外壳50中，以便能够监测能够影响电池51寿命的内部温度。热敏电阻一般为线性变化电阻(未表示)，常用并联方式。模数转换根据VPR和VREF之间的电压进行。热敏电阻的最佳连接使VREF对应于+60°温度，VPR对应于-20°。由数字装置1的输出端向热敏电阻提供电流。仅当进行温度测量时才提供该电流。
下面介绍图1、2、3所示电路的工作，用于实现这种工作方式的控制程序存储在ROM16中。
扫描过程由如下步骤组成：
1．选择第一发射方向，出于确定在接收传感器处的响应电平的目的，一可变数量的单个环式循环需要进行。按这种方式连续进行试验，在试验中，调节接收器24的增益，直到接收响应水平下降落在对应某一电压值的该限值之内，该电压位于在电阻35和36、以及电阻36和37之间的连接节点处的电压值之间。该试验最多进行9次。
2．高速计时器23的起动与测量环式循环的本序列的开始同时，该序列可以包含任意数量的环式循环，但最好是64个。
3．在测量环式循环序列结束时，高速计时器23的计数器中的数值被传输到数字装置1中的外围寄存器19。
4．选择第二发射方向，重复进行步骤1、2、3中的项目。
5．然后，数字装置1中的软件利用存储在外围寄存器19中的高速计时器的数值来计算该扫描周期的流量。
图4中的时间标记图表示三个环式循环的开始部分。第一个是一个正极性的环式循环，维持高输出，以便准备用于第二个环式循环的极性变换或反相。第二个，反极性脉冲群后使输出降低，最后的脉冲群为正极性。在最佳实施例中，一个以上与图中最后一个脉冲群相同的脉冲群还要被发射，而且该序列最好连续15次提供64个环式循环。图中所示信号概括如下：
OE-振荡器起动信号。启动发射振荡器OSC。
OSC-发射振荡器信号。该信号是占空度为50％的选通方波，在最佳实施例中频率为115千赫。40到200千赫的频率一般都适宜。
OG-振荡器选通门信号。由OE的上升前沿起动并且由根据OSC上升沿而工作的脉冲计数器而中止。脉冲计数器比较一个储存在外围寄存器19中的计数器限值(例如3)。计数限值由软件设定。
OSG-门控发射振荡器信号。该信号为利用极性转换电路进行变换前的基本脉冲群信号，是由OSC和OG进行逻辑“与”得到的。
POL-极性信号。软件可写入一个专用的外围寄存器19，表明在现行的式循环之后需要进行被发射的脉冲群的极性变换。在此之后，OG的下降沿使POL被维持。假如POL已经被维持，OG的下降沿就使其改变(negate)。
B-脉冲群(Burst)信号。其为加到发射传感器上的信号。由POL与OSG的逻辑“异或”运算得到。
RB-接收脉冲群信号。该信号由接收传感器获得并加到接收前置放大器24。该信号滤波后(由图3的线22可得到)送到数字装置1中的一个比较器。
RCVP-接收极性信号。POL的高到低的跃变使得RCVP被维持。其由POL的F一个下降沿所改变。在该发射极性之后，一个环式循环POL改变，接收器极性就发生变化。该信号提供过0检测器47的极性控制，该极性控制由一比较器来完成，其在线11加在外围寄存器19的一个输入端，用于驱动在数字装置上的控制单元22。
BRR-整流的接收脉冲群信号。其为精密整流器27的输出。
ENV-包络信号。该信号对BRR进行滤波而获得，由于滤波过程时间常数的影响，该信号相对滞后于BRR。水平虚线表示相应于电阻37和38连接节点处电压的检测阈值。包络信号被加到比较器29上。
FB-反馈信号。当ENV通过检测阈值时，使FB产生由低到高的跃变。由RCVP所确定极性的接收脉冲群信号RB的下一个信号跃变利用触发信号OE不同时地启动一个环式循环。
信号发生器21包括用于产生OE、OSC、OG、OSG、POL和B信号的回路。
图4中所示信号每一个所示都在相邻脉冲群之间被间断。这是因为，一个脉冲群的发射是在最接近的前一个脉冲群接收的基础上进行的，并且因为，脉冲群传越两个传感器5和6之间距离所需时间明显大于产生脉冲群所用时间。当在典型自然气体中，超声波脉冲群传输速度大约为430米/秒(声音在空气中的速度大约340米/秒)，传输时间一般大约0.41毫秒。然而，发射脉冲群所用时间一般大约4倍于其脉冲周期，如发射频率为105千赫，发射时间约30微秒。这里所引传输时间对声音而言是在静止空气中传输，该传输时间在本最佳实施例中将依流体流动速度而变化。假如该流体是一种液体，由于声音在液体中的速度较高，该传输时间将明显缩短。例如，盐水中声音的速度一般为每秒1200米到1600米之间，这取决于水中的含盐量和水温。
在图4中，在波形B和RB之间的箭头表示所接收脉冲群基本上对准下一脉冲群的发射。
以上概述的步骤下面将详细介绍。首先，需要进行增益设定步骤，以确保超声波脉冲群检测回路正确工作。工作频率在80到150千赫之间，更典型是105-125千赫的信号发生器21产生1到10个脉冲，典型为3个脉冲的脉冲群，该脉冲群被放大并被送到发射传感器。该脉冲群的波形表示为图4中的波形B。当该信号到达接收前置放大器24的输出端时，由于传感器5和6限定的频率响应，该信号已经变成带有平滑包络线基本上为正弦的系列波，如图4波形RB所示。因为任传感器中存在谐振和在电声信号通道中的滤波效应，该包络线幅度迅速增加，然后，在若干个周期内逐渐衰减。
在接收检测器前置放大器24输出端的信号幅值基本上做为气体流动速度、温度和相对于气流的发射方向的函数而变化。此外，接收信号的幅度能够增加是利用改变发射传感器的驱动方式，从单端驱动变为双端驱动。对单端驱动而言，仅一侧传感器被驱动，而对双端驱动而言，传感器的一端用正常信号驱动而另外一侧利用正常信号的逻辑互补信号来驱动。一般，所接收信号的幅度并不是基于任何一次扫描，那么就必须进行一定数量的单个环式循环试验发射，以确定所需接收器增益和发射器驱动方式，使得在前置放大器的输出端获得恒定的幅度。
本过程由数字装置1中的软件来控制。计时器41连接到一个适宜的时钟信号上，并且电容器40经过电阻39充电，以监视从0到255的时钟周期的数量。电容器40上的电压加到电压控制的AGC放大器25上
一组脉冲群通过该装置被发射，经过接收、整流和滤波的色络信号的上升段在比较器29中和三个参考电压进行比较。第一个是最低的电压，是由电阻37和38之间所得到的参考电压ETH，该电压一般用于启动过零检测。下一个电压ELL对所接收的包络信号的峰值来说是可容许的最低幅值，由电阻36和37之间的节点可得到，最后一个参考电压EHL是容许的最高的包络信号幅值，从电阻35和36之间节点可得到。
AGC控制电压是通过对DAC的电容器40充电而产生的，用于监视从0到255的时钟周期的数量。充电电流由电阻39控制。电容40上的电压加到电压控制的AGC放大器25上，并且，在接收脉冲期间得以保持。
在图10A-10D上利用波形FB所表示的反馈线12加到数字装置1初始为逻辑零，并当越过每一个参考电压时，状态随之改变。当反馈线12经历0-1-0的变化(图10C)时，在滤波器28(波形ENV)的输出端所接收的信号处于令人满意的水平，稳态逻辑零表示接收信号电平太低(图10A)，而跃变序列0-1表示信号峰值虽在测量参考电平之上，但仍然太低(图10B)。跃变序列0-1-0-1表示接收信号的包络线已经越过所有3个参考电平因而太高(图10D)。这些信息借助于外围寄存器19中的一个寄存器中的两个二进制数码进行处理适用于软件，并且该软件利用二进制的交换(chop)的、逐步试验的算法，以限制其区间在电容40可能充电次数从0到255的范围内，会聚在于获得满意的增益。假如，最终增益明显小于可能最大值的50％，并且假定对发射传感器同时要采用双端驱动方式，就可能采用单端驱动方式来节约电源。在这种情况下，再一次借助单端驱动、软件完成整个增益设定程序。相反，所接收幅度不能上升到单端驱动所需满意的电平以及255个时钟周期的电容充电时间，用双端驱动重复增益设定程序。满意的驱动方式和增益一经确立，ROM软件就存储这些结果，以确保测量环式循环的序列，并且还将作为下一次扫描的起始点。
仍然参照图4，在图左测的波形B包括4个上升的脉冲。相应地，所接收的脉冲群RB将随上升的脉冲起始，从波形B的第一个上升沿到波形RB的第一个上升沿之间的持续时间为超声波信号的传输时间。如图4所示，包络信号ENV和所接收的脉冲群RB的上升的包络信号一起开始上升。高增益、低品质因数(Q)的传感器5和6的使用可保证包络信号快速增加，使得如前所述可以进行检测。因此，在包络信号的上升部分的阈值检测一贯是可预知的，并且，所接收的脉冲群RB的下一次过零用于触发下一脉冲群的发射，最终用于停止计数器23或重新发射。相应地，从图4可以看出，由计数器23所记数值对应于传输时间加上在该发射频率下的两次半振荡，用该环式循环数量相乘再加上由电子电路所引起的延迟。一个对应于两次半振荡的常数乘以环式循环的数目加上电子电路的延迟可以表示在ROM4中。该常数当计算传输时间时，由计数器23中所测量的时间就可推断。
在一般情况下，对任何一个环式循环，电子电路的延迟是不明显的。当传输时间为0.5毫秒数量级时，电子电路延迟一般数量级为毫微秒。
脉冲群到达精确计时的中心问题是选择一个点，该点能够经常被鉴别而不考虑脉冲群包络信号和它构成的正弦波之间的相对移动。本文所述最佳方法是在所接收的波形序列的早期部分要选择一个特定的过零点，对应于脉冲被激励时而不是谐振时，并利用该过零点做为计时标志。在波形的被驱动部分进行检测是最佳的，因为该部分的频率和相位为所发射的波形锁定。波形的后来部分由于谐振影响可能不能精确反映原有超声波脉冲群的频率。
为了完成该检测，所接收信号在单元27进行整流(波形BRR)，在单元28进行滤波，以再现如图4波形ENV所示的包络信号波形。经过滤波后的包络信号的上升部分在比较器29和一参考电压相比较，该电压取自电阻37和38之间的节点处。当包络信号ENV达到参考电压时，数字装置1中的过零检测器47经过一限定时间(至少为所选择的超声波频率下的一个周期并不大于两个周期)被起动，在线11上未经滤波的接收信号的一个数字化的派生量的下一次跃变，相应于RB的下一次过零被用作计时参考点以记录脉冲群的到达。为了获得有用的结果，参考电压必须是由滤波器28输出的接收包络信号最大幅度的固定比例部分，如在图4波形ENV以虚线所表示的。
现在转到环式循环序列的起始部分，ROM软件启动在达到所需环式循环的数值时将终止的一个计数器，然后使环式循环序列起动是通过在外围计数器组19中的一个控制寄存器写入代码，该代码从该寄存器送到控制单元22。该起动代码的写入还启动运行频率为9.3804兆赫的高速计数器23。最后，ROM16软件执行等待(WATT)指令。控制单元22启动事件过程的顺序很大程度上是自动进行的。按照这种方式，在接收传感器(5或6)处到达的超声波脉冲群的特定过零检测立即引起再发射。在线11上的RB的下一个信号跃变具有适当的极性，非同时地触发再发射。反馈信号12使ALU15从等待状态“唤醒”(awaken)。在ALU15“唤醒”时，ROM软件修改其环式循环序列计数并检查限值是否已经达到。假如环式循环序列计数已经达到一个小于其予定限值的计数值，软件消除原先写入控制单元22的起动代码，因此断开再发射回路并在下一个环式循环之后终止该序列。软件然后使引起“唤醒”的标志位复位，另一个等待指令执行。该软件工作总是在超声波信号沿管52传输的期间发生，与检测和再发射的自动处理无关。
在第三个步骤中，在高速计数器23寄存的24位数值由ROM软件读出并放入RAM17以备将来计算流量之用。
最后，软件要进行两次多位的除法，把高速计时器已经校正电子电路延迟的数值划入表计的标定系数，在测试后和使用前预先编程进入表计。如前所述，大部分电子电路延迟起因于超声波脉冲群前沿的到达不能被检测。更确切地说是，深入脉冲群的几个固定数目的周期(2)的过零才被检测。此外在传感器5、6和检测回路中的其它元件中都存在相位滞后。对应于电子电路延迟的计时器计数数值，对任何特定的表计来说是固定的和已知的，并且存储在EEPROM4中。在多位除法结果之间的差值和中间扫描时间一起被用来计算该扫描周期的流量。该流量然后加到一个积算气体寄存器，用来显示和自动读出。
气体消耗量可以在两个寄存器的其中一个进行积算，这取决于每天使用时间，假如需要可以进行正常报表。
气体温度利用热敏电阻测量，该热敏电阻(未示出)安装在气动外壳(53或54)其中一个之上并接到运算放大器32的一个输入端，由软件对在扫描期间获取的流量值进行温度修正。
因为本最佳实施例基本上用于民用，使用长寿命锂电池，电能的节约就是十分重要的，所采取的一些步骤都是为减少能量消耗。
首先，用于高速计时器的9.3804兆赫时钟信号是利用数字方法由时钟单元18中的4.9152兆赫的振荡器产生。高速振荡器的大功率需求因此被减少了。之所以节约能量是因为确定基本振荡频率的晶体在时钟电路中消耗占功率的主要部分，并且由于使晶体工作在“半”速，可以节约能量75％。
其次，仅当防护盖59被抬起，簧片开关8接通，液晶显示7才起动，而且软件确保在盖59被支撑打开的过程中仅在有限的时间内维持起动状态。
第三，在通信单元20中的外部通信回路正常以每500毫秒中取1毫秒定时询问的方式工作，并且只有当接收有效通信输入信号时才完全起动。
第四，采用例如在国际专利申请PCT/AU91/00157中所公开的低品质因数Q的传感器5和6保证了以低驱动功率产生超声波信号。
还有，存储对最后一次扫描所取增益值的技术保证在大多数情况下用于确定所需增益的二进制交换法并没有被采用，而仅仅是在扫描之初为了确认增益是否适当需要进行单个检查环式循环。
最后，ALU15和与之相关的部件在大部分时间内处于低功率的停机状态，而且只有利用来自外部通信单元的中断信号或利用来自实时时钟的中断信号，在需要扫描时才“唤醒”(woken)工作。
参照图5-9，表计50有一个最好由压铸锌或铝制成的外壳61，虽然其它金属或塑料也可采用。管52和外壳61一起形成一个整体，如图8和9所示。盖62用一些固定螺钉63固定在外壳61之上，如图6所示。聚氯丁橡胶密封件71装在外壳61和盖62之间。电池室盖64用固定螺钉65固定在外壳61上，参阅图5和图9。
图1、2、3中的电子部件装在一印刷电路板(PCB)66上，参阅图9，并且图8中导线67从电池51接到印刷电路板PCB66上，导线68从PCB66接到位于管52中的传感器5和6上。
外壳61还具有一个大的散热片69，它和外壳形成一个整体，帮助扩散表计50发出的热量。
由于表计50试图用于世界范围内各种气候条件下，存在由于过热损坏电池51引起表计工作失效的可能性，在外壳61内保证适度的温升是很重要的。
利用一种白色防止再涂复类型的油漆涂刷外壳也是有助于控制温度的，这就保证用户不能将外壳61涂成他们自己选择的颜色，防止影响表计50的散热。
参阅图5、7和8，围绕外壳61可设置一个遮阳盖70，以增强排除阳光的直接幅射。盖板71应当开有多孔，以便允许空气围绕散热片69循环流通，并且可由用户油漆以改进外观。
参阅图4，该最佳实施例使用的脉冲群或超声波信号包，其所具有的极性或相位与相邻的信号包相反。在图4中，第1个和第3个脉冲群由正向跃变起始，反过来，第2个脉冲群由负向跃变起始。或者相反，第1和第3个脉冲群可由负向跃变起始。这种配置具体地公开在由本申请的同一申请人同时提出的申请号为PK6894的澳大利亚专利申请中，题为“流体流量测量中的波模抑制”，可结合其公开文本相互参考，这种配置用来明显减少高次声波在管52中的传播，这些高次声波影响由接收传感器进行超声波信号包的接收的检测，带来误差。最有效的方法是，每隔2个具有相同起始相位的信号包有一个反相的超声波信号包被发射。误差的产生是由于超声波信号包的多路传输所引起，由传感器5和6发射的超声波的传播因管52壁的反射形成多路传播。因为高次声波传播速度明显小于基波或一次波，对基波需要进行检测，因为它是一次波，检测声速度变化这在流体流量中是很重要的。
该最佳实施例对12.5毫米管，在正常精度为0.1-0.15％的情况下，在0-7立方米/每小时的范围内能够实现线性测量，并且对75％的最大流量范围，精度优于±2％。
以上所述仅为本发明和各种改型中的一个实施例，很明显在现有技术所熟知那些技术也能在本发明实施，并没有脱离本发明的保护范围。
例如，光学接口能够易于为射频装置或磁感应装置所取代。
还有，对于工业标准或需要监视传输应用场合，与使用电池工作相反，也可提供市电供电。
再者，对大的电源线路，可以在该线路内装置全部表计。
此外，传感器不需要用管子或管道安装。例如，假如传感器被安装在船壳外部，表计将用作检测船经过水的相对速度。而当船是静止的，表计将测量水流速度。这样，流速加到船的实际速度。热敏电阻能够用来测量海水温度并相应考虑补偿水中的声速。这还可能取决于合盐量并且一个独立的含盐量测量装置(未表示)也可用来补偿水中的声速。
还有，数字装置1的过零检测器47通过改变发射脉冲序列的极性能使其输出误差降低，即假如对一个环式循环第一个发射信号是正的，然后下一个环式循环序列的第一个发射信号则是负的。
本发明可应用于流体流量测量，特别是气体。

Claims (33)

1．一种确定流体流速的方法，所述方法包括以下步骤：
(ⅰ)以一个特定的频率从第一传感器(5)向第二传感器(6)发射声波信号包，这两个传感器均位于所述流体中，并同时启动一个计时器；
(ⅱ)通过以下步骤检测所述波信号包到达所述第二传感器的时间：
(a)检测波信号包并从中形成接收的信号(RB)；
(b)对接收的信号整流和滤波，形成包络信号(ENV)；
(c)检测所述包络信号(ENV)本身越过检测阈值的时间，其特征在于
(d)当所述包络信号越过所述检测阈值后，检测所述接收信号越过一个预定电平时所产生的跃变，越过所述预定电平的跃变代表在所述波信号包到达后，所述特定频率下的所述接收信号的可确定的周期数，以及
(e)在所述预定电平的所述跃变时停止所述计时器；
(ⅲ)利周与所述可确定的周期数相对应的预定的时间间隔标定由所述计时器所提供的时间值；
(ⅳ)利用标定的时间值，所述传感器的分隔距离和在静止的所述流体中已知的声速，确定所述的流速。
2．如权利要求1所限定的方法，其特征在于该预定电平是振荡信号电平过零点。
3．如权利要求1或2所限定的方法，其特征在于，发射的所述波信号包括予定的几个周期，在所述接收信号的所述予定的几个周期持续时间内产生所述跃变。
4．如权利要求3所限定的方法，其特征在于，所述波信号包发射时包含3～5个周期并且所述可确定的周期数为2。
5．如权利要求1所限定的方法，其特征在于，步骤(ⅰ)和(ⅱ)重复进行多次，其中所述时间值积算并且利用多个相似的所述预定时间间隔进行实际标定，该标定时间值由所述个数相除求其平均值。
6．如权利要求5所限定的方法，其特征在于所述重复步骤还包含由所述第2传感器(6)向所述第1传感器(5)发射。
7．如权利要求5或6所限定的方法，其特征在于，除去第一个以外的所述波信号包的发射是利用紧邻的前一波信号包根据所述预定电平跃变而激发。
8．如权利要求7所限定的方法，其特征在于，一个或一个以上所选择的多个波信号包发射时，其所具有的相位或极性与直接相邻的波信号波相反。
9．如权利要求8所限定的方法，其特征在于，每隔三个具有相同相位的波信号包，有一个反相的波信号包被发射。
10．一种电子流量计，包括：
位于流体中的第一和第二(5,6)传感器；
发射装置(21)，用于激发其中一个所述传感器(5)，使之发射一个或一个以上的声波信号包，由另一个所述传感器(6)接收；
控制装置(15)，连接到所述发射装置，用于倒换所述声波信号包的发射方向，其特征在于
接收装置(2)，连接到所述传感器，并安排对接收信号(RB)进行滤波，检测来自所述接收信号的上升的包络信号(ENV)，在所述包络信号本身越过一个预定的阈值以后，当所述接收信号越过一个预定值的下一次跳变时，输出一个触发信号，所述下一次跳变表示接收所述一个波信号包以后，对应于一个波信号包的接收信号的可确定的周期数，
计时装置(23)，与所述控制装置相连，用于启动该装置，以便测量每一个所述声波信号包的传输时间，通过所述接收装置(2)输出的触发信号，停止所述计时装置运行，以及
标定装置，用于在对应于所述可确定的周期数的一个时间间隔标定所述计时装置中的值，以便给出所述波信号包的实际传输时间。
11．如权利要求10所限定的流量计，其特征在于还包括一个处理装置(15)，对多个实际时间求平均值，并且利用平均实际时间，所述传感器(5,6)的间隔距离以及在静止的所述流体中的已知声速确定所述流体的流速。
12．如权利要求11所限定的流量计，其特征在于还包括一永久存储装置(4)存储流量值，该流量值由所述处理装置(15)根据管道(52)的实际尺寸来确定，所述流体以所述流速流过该管道，所述传感器(5,6)安装在该管道中。
13．如权利要求12所限定的流量计，其特征在于，还包括一个接口装置(3)，使存储在所述永久存储装置(4)中的信息向外部询问装置进行通信传输。
14．如权利要求13所限定的流量计，其特征在于，所述接口装置(3)包括一双向串行连接部件。
15．如权利要求13或14所限定的流量计，其特征在于，所述接口装置(3)进行通信是利用由红外光、射频和磁感应装置所组成的组合装置中所选择的信号的发射。
16．如权利要求10所限定的流量计，其特征在于，所述传感器是超声传感器，以40千赫和200千赫之间的预定频率发射所述波信号包。
17．如权利要求16所限定的流量计，其特征在于，所述予定频率大约为110千赫。
18．如权利要求10所限定的流量计，其特征在于，所述计时装置(23)运行时钟频率显著地高于所述波信号包的发射频率。
19．如权利要求18所限定的流量计，其特征在于，廛钟频率超过1兆赫。
20．如权利要求19所限定的流量计，其特征在于，所述时钟频率大约为9.4兆赫。
21．如权利要求10所限定的流量计，其特征在于，所述接收装置包括增益调节装置(15)，用于周期性地自动调节接收器增益，以确保所述予定阈值在所述包络信号的上升部分之内。
22．如权利要求10所限定的流量计，其特征在于，所述预定电平是法零幅值的电平，所述下一跃变利用一个过零检测器进行检测。
23．如权利要求10所限定的流量计，其特征在于，还包括一个电池供电电源(51)，向所述发射装置(21)、所述控制装置(15)、所述计时装置(23)和所述接收装置(2)供电，所述控制装置(25)周期性起动所述流量表的运行工作，以便发射所述波信号包。
24．如权利要求23中所限定的流量计，其特征在于，所述电池供电电源(51)保证所述表计使用寿命在一到八年之间。
25．如权利要求23或24所定的流量计，其特征在于，还包括一个外壳(61)，所述流体经过其中，在该外壳内装有所述流量计的各元件。
26．如权利要求25所限定的流量计，其特征在于，所述外壳(61)包括多个散热片(69)，借其外表面便于改善所述外壳(61)内部的温升。
27．如权利要求25所限定的流量计，其特征在于，所述外壳(61)包含一带可折合部分(59)的盖(71)，所述盖(71)允许更换所述电池工作电源(51)并且所述可折合部分(59)允许手动连接接口部分，该接口部分用于所述流量计和外部装置之间的通信。
28．如权利要求26所限定的流量计，其特征在于，所述外壳(61)包含一带可折合部分(59)的盖(71)，所述盖(71)允许更换所述电池工作电源(51)并且所述可折合部分(59)允许手动连接接口部分，该接口部分用于所述流量计和外部装置之间的通信。
29．如权利要求27或28所限定的流量计，其特征在于，所述可折合部分允许控制一个显示装置(7)，当所述可折合部分打开时，该显示装置起动投入工作，所述表计结构形状适于利用所述显示装置显示运行数据。
30．如权利要求10所限定的流量表，其特征在于，所述发射装置在一环式循环序列中输出多个所述波信号包，其中在每隔二个具有相同相位的波信号包被发射以后，一个反相的波信号波发射，借此显著降低由于高次声波在所述传感器之间传播所引起的误差。
31．如权利要求10所限定的流量计，其特征在于，还包括用于补偿运行中的所述流量计的热漂移的热补偿装置。
32．如权利要求31所限定的流量计，其特征在于，所述热补偿装置包括放在所述流体中的热传感器，补偿由于流体温度变化所产生的误差。
33．如权利要求31所限定的流量计，其特征在于，所述热补偿装置包括放在封闭所述表计的外壳中，补偿由于所述外壳内部温度变化所产生的误差。
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