CN1055542C - 超声流体振动流量计 - Google Patents

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Abstract

一种用以测量待测流体流量的超声流体振动流量计；向流体发射超声波引起流体振动，并接收经流体振动调制的超声信号；它包括一对以不与流体接触状态安装在测量管道上的超声波发送器和超声波接收器，驱动装置断续地驱动超声波发送器以发送超声波。标准定时装置控制发送脉冲波的时间，并由超声波接收器接收调幅信号。之后，取样信号抽取调幅信号包络线，其取样时刻随预定方式变化，在消除噪声后，从该包络线检测出流体的振动频率。

Description

超声流体振动流量计
本发明是关于一种超声流体振动流量计，用来测定待测流体的流量，采用向流体发送超声波，引起流体振动并接收经流体振动调制的超声信号的方法，尤其是有效地消除了噪声，使改进的超声流体振动流量计能够稳定地工作。
作为流体振动流量计的先有技术，有一种用来测量待测流体流量的涡旋流量计，当待测流体撞击涡旋发生器，用一种引起流体振动的方式发送超声波到涡旋上，用记数涡旋的数量和其频率来测量流量；另一种测量待测流体流量的是射流流量计，通过一个喷嘴把流体喷射的一股射流冲射冲击板，并引起流体的振动，采用安装在测量管道内壁上的压电传感器，测定流体振动的频率，并从形成在射流两侧的压力差测定流体的流量。
本说明中，对这些流体振动流量计的先有技术，将以涡旋流量计作为先有技术的基础。，首先，以一种涡旋流量计已在日本实用新型出版物第48-17010中公开的“流速测量装置”，结合图1至图3作梗概说明如下。
图1是一结构图，表示先有技术涡旋流量计的结构。在图中，将安放在流体中用以产生卡门涡旋的一个涡旋发生器1，以一圆柱形物体来表示。参考数字(2)表示由涡旋发生器1所生成的涡旋，(3)表示测量管道，待测流体在其中流动，(4)是超声信号发送器，而(5)是一个超声信号接收器。
这些超声信号发送器4和超声信号接收器5，被安装在测量管道3上涡旋发生器1的下游处，彼此面对着并与流体的流动方向大致成为一个直角，并组成为一检测器用来检测所生成的卡门涡旋数目(单位时间内流过的涡旋数目)。
如果在超声信号的传播路径上没有涡旋，图1中传播路径用虚线表示，则其传播时间τ可用下式表示：
τ0＝D/CA                   (1)其中D是超声信号发送器4和超声信号接收器5之间的距离，而CA是介质中的声速。
其次，若管道中存在卡门涡旋，而超声波的发送方向和涡旋的速度分量V1的方向相同时，传播时间τ1可以下式表示：
τ1＝〔dv/(CA+V1)〕+〔(D-dv)/CA〕               (2)
其中dv是涡旋的直径。
还有，若管道中存在卡门涡旋，而超声波的发送方向与涡旋速度分量V2的方向相反时，传播时间τ2可以下式表示：
τ2＝〔dv/(CA-V2)〕+〔(D-dv)/CA〕               (3)
其中dv是涡旋的直径。
以上所述，可以用超声信号的传播时间随时间t的变化表示在图2中，由于在单位时间内信号的传播时间的变化次数与通过传播路径的涡旋数目是相等的，也就是说，与所生成的卡门涡旋数目是相等的，用一个适当的装置通过变化次数的计数，就可找出流体的流量。
图3表示一种变化次数的计数装置，由包括一脉冲发生器、放大器等的电子电路6，调频信号调制器7和计数器8等组成。
电子电路6施加一脉冲信号给超声信号发送器4，超声信号发送器4将超声信号发送给涡旋。另一方面，超声信号接收器5也是通过电子电路6将一个经涡旋调制的接收信号生成的新的脉冲信号，施加于超声信号发送器4。
其结果，生成一频率与总的延迟时间成反比的脉冲信号P0，总的延迟时间是与超声信号发送器4的延迟时间、流体中的传播时间、超声信号接收器5的延迟时间以及回路中的其它延迟时间的总和相对应。
因为每次卡门涡旋通过流体的传播时间发生变化，故脉冲信号P0是一个频率被涡旋调制过的信号。该脉冲信号P0经解调器7解调并施加于计数器8。根据计数器8的记数结果就可得到流体的流量。
然而，虽然上述涡旋流量计在原理上是可行的，但在实际试图使之成为产品时却问题随之出现。采用图4中所示的涡旋流量计的纵向剖面图来说明所出现的问题。
涡旋发生器1是被安装在用不锈钢制成的测量管道3的直径方向上，而超声信号发送器4和超声信号接收器5是安装在管道3的外壁上，涡旋发生器1的下游处并且彼此相对，处于与待测流体不相接触的状态。
结果，当超声波从超声信号发送器4发送时，有一个在图上用虚线表示的超声波B通过测量管道3的内部，被超声信号接收器5接收，一个在图上用细线表示的超声波C，作为驻波在测量管道3的内壁来回反射之后被超声信号接收器5接收，另外一个在图上用粗线表示的超声波A与涡旋交叉通过传播路径，被超声信号接收器5接收。
超声波B和C为噪声，由于超声信号接收器5检测的超声波中包括这些噪声，因为超声波信号发送器4发送的超声波是一个连续波，所以在图3所示涡旋流量计结构中，不可能稳定地、准确地检测到涡旋。
综上所述，在测量管道中有噪声传播和在测量管道中形成驻波，这一存在于涡旋流量计先有技术中的问题，使之不可能形成为产品。
另外，前述射流流量计中存在的问题是：它是利用设在测量管道内壁上的接触流体型的压电传感器，来检测射流两侧的压力变化，所以它不能用于测量具有腐蚀性或被污染的待测流体。
于是，本发明的一个目的是要克服先有技术中存在的问题，所提供的流体振动流量计不受测量管道中噪声传播，和在测量管道中形成的驻波的影响。
本发明的另一个目的是提供一种流体振动流量计，可用于有腐蚀性和受污染的待测流体。
为了达到上述目的，根据本发明，一种用来测量待测流体流量的超声流体振动流量计，通过向所述流体发射超声波引起流体振动，并接收经所述流体振动调制的所述超声波信号，该超声流体振动流量计包括：
一对超声波发送器和超声波接收器以与所述待测流体不相接触的状态被安装在测量管道上，用来发送和接收所述超声波，其特征是，
驱动装置通过一种振荡频率的脉冲波断续地驱动所述超声波发送器；
标准定时装置用以发送标准信号S1，以控制发送所述脉冲波的时间；
取样信号发生装置，用以生成一个与所述标准信号同步的取样信号，其取样发生时刻是随所述测量管道直径和所述待测流体声速而变化的；
取样装置，借助所述取样信号抽取一调幅信号，其振幅已由在所述超声波接收器中的所述流体振动引起的频率调制所调制；和
滤波装置，用以得出经所述取样装置抽取的所述调幅信号的包络线，从所述包络线检测所述流体振动的振动频率。
一种用来测量待测流体流量的超声流体振动流量计，通过向所述流体发射超声波引起流体振动，并接收经所述流体振动调制过的所述超声波信号，该超声流体振动流量计包括：
一对超声波发送器和超声波接收器，以不与所述待测流体相接触的状态，安装在测量管道上用来发送和接收所述超声波；其特征是，
驱动装置，用含一种振荡频率的脉冲波断续地驱动所述超声波发送器；
标准定时装置，用以发送标准信号来控制发送所述脉冲波的时间；
取样信号发生装置，用以产生一个与所述标准信号同步的取样信号，其取样时刻是随所述测量管道直径和所述待测流体声速而变化的；
自动增益放大装置，其放大系数由第一控制信号VC1控制，用来放大一个以所述超声波接收器得到的调幅信号SA，并输出一个放大了的调制信号；
解调装置，用所述取样信号取样并解调所述经放大的调制信号，并输出一个解调信号；和
反馈装置，用来反馈从过滤包含在所述解调信号中的DC组分，得到的一个信号作为第一控制信号，由所述解调信号的包络线检测所述流体振动的振动频率。
本发明的特性、以及其它目的，用途和优点将通过以下详尽的阐述和附图而更为明了。
图1是一个先有技术涡旋流量计检测段的结构图。
图2是一个说明图1所示涡旋流量计工作时的波形图。
图3是一个表示整体的结构图，其中包括图1所示的涡旋流量计的检测段。
图4是为解释图1所示涡旋流量计的一个问题的说明图。
图5是表示本发明的一个实施例的方框图。
图6A至图6G是表示图5所示实施例工作时的波形图。
图7是表示图5所示实施例工作时的另一个波形图。
图8是图5所示超声波发送器和超声波接收器的等效电路图。
图9是表示图5所示超声波发送器和超声波接收器的阻抗特性的特性曲线。
图10是图5所示实施例结构的一个改进部分的局部纵向剖面图。
图11是图10所示超声波接收器的内部具体结构的纵向剖面图。
图12是说明附有一个固定压电振荡器的阻抗特性变化的特性曲线。
图13a和13b是图5所示另一实施例的超声波接收器的纵向剖面图。
图14是图5所示实施例经改进，为消除超声波发送/接收表面的弯曲影响的结构横向剖面图。
图15是为说明当测量管道曲率增大时的影响的横向剖面图。
图16是说明当测量管道具有一个入射角时，入射角度与能量分布率之间关系的特性曲线。
图17是图5所示实施例为消除超声波发射/接收表面的弯曲影响，经改进后的另一结构横向剖面图。
图18a，18b和18c为说明用时间差分离噪声问题的波形图。
图19是为说明在具有一个曲率的测量管道内部，超声波信号传播情况的解释图。
图20是表示为减少在测量管道内部波的传播，经改进的结构横向剖面图。
图21a和21b是表示为减少在测量管道内部波的传播，经改进的另外的结构横向剖面图。
图22是考虑到在厚度剪切方向和厚度方向的频率与阻抗关系的特性曲线。
图23是图5所示振荡器经改进后的一个振荡器结构的电路图。
图24是图5所示的振荡器经改进后的另一个振荡器结构的纵向剖面图。
图25a和25b是对于一对超声波发送器和超声波接收器在共振频率附近，频率与阻抗特性关系的频率分布曲线。
图26是图5所示本实施例程序改进后的一个信号处理过程的方框图。
图27是图26所示的一个可变高通滤波器具体结构的电路图。
图28a，28b和28c是为说明图26所示电路工作时，各部分电路的波形曲线。
图29是本发明的另一个实施例的结构，其中它的传感器被经过改进了的结构图。
现参照附图，详细阐述本发明的实施例。图5是一张方框图，表示本发明一种实施例的结构。
一根例如是用不锈钢制成的测量管道10，管内流着待测流体。一个涡旋发生器11被安装在沿测量管道10的直径方向，且具有梯形截面形状，一超声波发送器12安装在测量管道10的外壁上，位于涡旋发生器11的下游侧，处于与待测流体不相接触的状态。另外，一个超声波接收器13相对于超声波发送器12设置。
振荡器14发送出一振荡电压VOS给开关15，以约为1-2兆赫的振荡频率连续振荡。开关15的开启/闭合是受控于一门脉冲宽度为W1的标准信号S1。将振荡电压VOS施加于超声波发送器12，作为与门脉冲宽度W1对应的脉冲波SB。
阻尼电路16用标准信号S1开启/闭合，用阻尼振动电压VR使伴生在超声波发送器12中的一个缓慢起伏的剩余振荡很快地衰减并终止于零电平。
一个标准定时电路17发出标准信号S1，并给定一个取样信号的时间标准。当标准信号S1转入高电平时，打开开关15，当S1转入低电平时，打开阻尼电路16的电阻，与此同时标准定时电路17向取样信号发生电路18输出标准信号S1。
取样信号发生电路18接收标准信号S1，经过一段时间T延迟后，将它作为一取样信号S2和复位信号S3输出，其中的时间T是由测量管道10的内径L和待测流体的声速CA之比(L/CA)来确定。
取样信号S2具有预先设定的门脉冲宽度W2，它是与门脉冲宽度W1相对应的，而复位信号S3被作为信号输出，它是在门脉冲宽度W2的一个非常短的时间宽度内复位的。
另一方面，超声波接收器13收到的调幅信号SA，用预放大器19放大，并输出到取样电路20。取样电路20只抽取取样信号S2中进入门脉冲宽度W2的调幅信号SA，并输出到一调谐放大器21。
调谐放大器21选择并放大所抽样的调幅信号SA，作为调谐信号SS输出到下一阶段峰值检波/半波电路22。调谐放大器21的Q值设得较正常值为低，也就是说，例如Q约等于10到20。
因为波是连续输出的，超出包含在门脉冲宽度W1中的振荡频率fOS的预定波的数目，即使没有脉冲波输出，如果Q值大也会对下一个信号过程中产生影响。
复位信号S3被施加到峰值检波/半波电路22，通过重复地保持调谐信号SS的峰值，和在保持峰值之前重新设定的一个短的时间间隔，形成一个与调谐信号SS相对应的矩形波，随后被半波整流输出一个半波整流电压SH。
该半波整流电压SH输出到低通滤波器23，低通滤波器具有高截止频率，消除产生在峰值检波/半波电路22中的噪声等，并输出到主低通滤波器24。
主低通滤波器24被设置在一个低截止频率处，它消除涡旋信号中的噪声，即低频噪声，如流体噪声，并输出到施密特触发电路25。施密特触发电路25将主低通滤波器24输出的涡旋信号转化成一个脉冲信号SV。
参照图6A-6G及图7所示波型，将对上述实施例的工作过程加以说明。
当标准信号S1(图6B)处于高电平时，输出振荡电压VOS(图6A)的振荡器14被打开，而当标准信号S1处于低电平时，则振荡器14被关闭。图6C所示的脉冲波SB被输出到超声波发送器12。
由于在组成超声波发送器12的振荡器中存有一个残留振动，即使脉冲波SB展示为一个急剧变化状态，并被施加于超声波发送器12，也会导致振荡电压VR中度起伏，如图6D所示。
如果延长振动电压VR的周期，将会持续到送出第二个脉冲波SB时刻。为了避免发生此类情况，在标准信号S1(图6B所示)处于低电平期间即用阻尼电路16中的电阻终止超声波发送器12，以快速集中残留振动。
当将脉冲波SB施加于超声波发送器12，从超声波发送器12发出的超声波被送到涡旋。超声波经过涡旋调频，并被超声波接收器13作为调幅信号SA(图6E)接收。
在调幅信号SA中，除了经涡旋调频过的涡旋信号分量X外，与由通过测量管道10传播的管道传播波N1，和已参照图6说明过的测量管道10内壁之间传播的驻波N2，所引起的噪声混杂在一起(图6E)。
该调幅信号SA按预定的倍数由前置放大器19放大，并输出到取样电路20。图6F中所示的取样信号S2由取样信号发生电路18施加于取样电路20，通过取样信号S2抽取调幅信号SA。
涡旋信号分量X出现在标准信号S1送出经过时间T之后，也就在此时刻它被取样信号S2抽取。被抽取的调幅信号SA所包含的涡旋信号分量X，经由调谐放大器21放大，并从其输出端输出，如图6G中所示的调谐信号SS。
由于图6B中所示的标准信号S1是以预先确定的时间间隔连续地送出，当按时间序列方式排列形成如图7中所示的调谐信号波形。对应于涡旋信号分量X的部分被包含在此波形中。在此情况下，α部分表示当超声波方向与卡门涡旋方向相反时的情况，β部分表示当超声波的方向与卡门涡旋的方向相同时的情况，也就是说，峰值和涡旋是一一对应的。
因此，获得的调谐信号SS被输出到峰值检波/半波电路22。复位信号S3被施加于峰值检波/半波电路22，以形成调谐信号SS的矩形波。调谐信号被电路22半波整流，并从电路输出端输出半波整流电压SH。
半波整流电压SH中的噪声由低通滤波器23，和主低通滤波器24消除，而半波整流电压SH是以脉冲信号SV输出的，该信号与施密特触发电路25的输出端的涡旋数目相对应。
其次，使图5所示超声波接收器13能够大量地、稳定地接收调幅信号SA的条件将在下面说明。
如没有涡旋时，传播时间τ0由表达式(1)给出。如有一个涡旋存在时，传播时间τ0考虑公式(2)和(3)，由下式给出：
τ3＝〔dv/(CA+VASinωvt〕+〔(D-dv)/CA〕       (4)其中VASinωvt是涡旋的流体振动，VA是涡旋的环流速度。
因此，当涡旋流过时导致超声波位相的改变为：
dΦ＝(τ0-τ3)ωOS           (5)其中ωOS(＝2πfOS)是振荡器14的振荡电压VOS的振荡角频率。
若假设最大相移为ΔΦ，根据关系式CA 2≥VA 2，给出以下表达式
ΔΦ＝±VAdvωOS/CA 2         (6)
若假设此时的最大频移为ΔfMAX，可得出：
ΔfMAX＝(ΔΦ)′＝2VAdvωOS/CA 2        (7)
另一方面，超声波接收器13含有压电振动器，一个等效电路26在振动器的共振频率fa和反共振频率fr附近，可以一个并联电路表示，其中电容C2与电感L1，电容C1和电阻R1的串联电路并联，在图8中用虚线框出。
为了扩大频带将一个电感L2串联到并联电路，并将电路拉出两个终端T1和T2。从图9可见，终端T1和T2的阻抗Z在共振频率fa处为最小，在反共振频率fr处为最大。
在这些频率区域内所见到的阻抗Z的变化大于其它频率区域。因此，将振荡频率fOS设置在共振频率fa和反共振频率fr之间，可得到一个大的阻抗变化量ΔZ。
因此，在超声波接收器13的输出端可以获得一个由涡旋调制后的大振幅的调幅信号。见图6E，这也同样应用于调幅信号SA，当其为波群(aburstowe)时。
顺便说，图8所示的装置中电感L2是与超声波接收器13的振动器串联的，这种装置是当频带变宽时降低共振频率fa的一种方法。这样的装置使得振荡频率fOS(从fa到fr)的作用范围，有一个因温度变化而引起的频率fa和fr的变化余地。
另外，如果选用超声波发送器12的发送端的振荡频率fOS为共振频率时，则从振荡器14发出的超声波，将以最大效益发射给待测流体。因此，考虑其共振频率为每个超声波发送器和接收器来选择振荡频率的大小，对于保持稳定的操作是有益的。
现在对图5中所示实施例检测灵敏度的改进予以说明。图10是局部纵向剖面图，表示图5中所示安装超声波发送器和超声波接收器的示范装置。在测量管道10上，用来安装超声波发送器12和超声波接收器13的那部分管壁厚度M，选择为M＝λ/τ(λ是测量管道10内的超声波波长)使得此时的超声波以最大程度地传播。
图11是纵向剖面图表示图10中所示超声波发送器12和超声波接收器13的具体内部结构。以超声波接收器13为例，超声波接收器13的外壳13A做成圆柱形状带有一个法兰，例如用不锈钢制成。压电振动器13C通过一圆盘状硅橡胶13B，粘结在外壳13A的底部。
采用硅橡胶或其它类似物将振动器弹性粘结，压电振动器的两端具有类似于自由体的阻抗特性，以此展示一个急剧的阻抗变化，如参照图9所描述的那样。
与此相反，如压电振动器13C采用例如环氧树脂胶粘结在外壳13A上，则结合得太严密，其阻抗特性如图12所示，基本上是平坦的特性曲线。
结果，由涡旋引起超声波频移，使阻抗变化变小，导致检测灵敏度降低。出现此现象是因为图8中电阻R1损耗的增大，这主要取决于声荷载的情况。
图13a和图13b都是纵向剖面图，表示图11中所示超声波接收器的另一种实施例，图13a表示整个压电振动器用一弹性体覆盖住，而图13b表示部分压电振动器是固定着的。
超声波接收器26的压电振动器26B存放在用不锈钢制成的圆柱形外壳26A中，用硅橡胶整个地覆盖住以减小声荷载。
为了减小声荷载，在超声波接收器27的用不锈钢制成的圆柱形外壳27A底部做一个圆柱形的凹入部分27B，在其中放入硅橡胶，在其上放一圆盘状压电振动器27C，并用一环27D固定压电振动器的周边。
顺便说，虽然上述振动器中采用硅橡胶作为弹性体，但在本实施例中不仅限于用硅橡胶，采用其它弹性体也能减小声荷载。
下面将对图5中所示实施例中测量管道曲率的影响进行说明。图14是一横截面图，表示一种改进的结构，为消除图5中所示实施例的超声波发送器/接收器表面的曲率影响。
测量管道28上有固定表面28A和28B，在其上安装超声波发送器29和超声波接收器30，测量管道28的内壁上有发送表面和接收表面28C和28D与固定表面平行，且彼此平行。
使测量管道的这些表面平行可改进发送和接收效果。若表面28A和28C，表面28B和28D之间的间距为W，则选定W＝n(λ/2)，(n是正整数，λ是波长)，在对于例如是连续波的情况下，在发送过程中将不会出现反射波，如象本实施例那样，利用脉冲波，这种做法也是有效的。
尤其是当测量管道的孔径较小时，如图15所示的测量管道的曲率较大，传送表面的中心和边缘处的间距W(ΔW/W)的差异相对较大，传送给待测流体的超声波信号将变小。
另一方面，还有一点担心如果入射角QL1太大，在接收中超声波可能在边缘部分完全反射，图16是说明这一点的特性图。
图16是一张特性图，用来说明当超声信号从待测流体输入时，超声信号和能量分布率之间的关系，这里假设流体为水，并假设管道是钢的，超声信号是从管道13侧边接收的。
如图16所示，大部分超声信号输入以入射角为0L1的纵波，在边界表面反射成为反射波Lr，所生成的折射角为θL2的纵波分量Lt和折射角为θt2的横波T1，皆为传送波。而它们之中可利用的仅是纵波分量Lt，其入射角高达约15°。在图上可见没有能量的分布。
综上所示，尤其是在管道孔径较小时，使组成超声波发送器和超声波接收器的压电振动器设置为沿测量管道的轴向，具有较长的固定表面是有效的。
通过在测量管道32上设置一对通孔，并通过连接器33和34把超声波发送器29和超声波接收器30固定在其上，使之具有如图17所示的平的发送/接收表面，这同样也能使发送/接收超声信号效率提高。
其次，解释图5所示实施例中使噪声影响减小问题，参照图4进行说明。当一对超声波发送器和超声波接收器以夹紧的方式安装在测量管道上时，作为噪声的超声波通过测量管道传播，并传到超声波接收器，另外还发送到待测流体中。
通过测量管道的超声波噪声和通过待测流体传播的超声波信号是利用传播距离与超声波的声速之间的差异，而引起的时间差来区分开的，如图6所示。
在图6所示的波形中，当管道传播波N1接近涡旋信号分量X时，其接近程度取决于测量管道的尺寸(主要是内表面曲率，和厚度等)这些差异取决于管道的孔径和压力基准等等。尤其在测量管道是小孔径而涡旋频率较高的情况下，取样周期将被缩短。
如果取样周期，即脉冲波的周期缩短了，其优点是将有助于涡旋信号的重现，如图5所示，从调幅包络线重现了涡旋信号。
然而，对于被送出的第(n-1)个，第n个和第(n+1)个标准信号S1(图18a)，会在前一个管道传播波N1(n-1)(图18b)和后一个涡旋信号分量X(n)(图18c)之间出现波段重叠或逼近，如图19所示，只依靠时间差的方式是很难将噪声分开的。
另外，在测量管道中行进的管道传播波N1具有定向性，当待测流体是水，约有93％被管道的边界表面所反射，因此，反射波会与下一个超声波结合。它在管道中再行进则再次反射，这样在一段时间内反复，在这段时间中出现了数个脉冲波。
引起这一现象的原因是，当一个平面超声波传输到边界表面时，若边界表面有一曲率，则从超声波发送器35发送的超声信号将引起扩散，同时在内壁和外壁之间反射，如图19所示。
另外，除了发出纵波之外，在测量管道35中还生成一个横波。由于纵波的超速约为5900米/秒，而横波的声速约为3230米/秒，这就很难精确预测管道传播波到达超声波接收器的时间。此外，传送到待测流体的超声波信号的声速有很大差异，是决定于流体的种类、温度以及其它方面。
如果能减小管道传播波N1的影响，则取样信号S2的门脉冲宽度可以变宽，并因此带来好处，由于流体条件所要求的调整不再必要，而且即使声速发生变化，取样仍是稳定的。
图20和图21是横向剖面图，表示为减少测量管道中的管道传播波的传播而改进了的结构。在图20中，在超声波发送器38和超声波接收器39的两侧，沿着管道的轴向，设置深槽37A到37D。用深槽37A到37D提供反射表面，大部分管道传播波N1靠它们反射，从超声波发送器38传送经测量管道37到达超声波接收器39的噪声电平已明显地降低了。
在图20中反射表面是用四个深槽构成的，当槽口浅时，可以增加槽的数目，也可预期达到同样的效果。也可以在测量管道37的表面上设置许多凹的、凸的部分，而不仅是用凹槽来构成反射表面。
在图21a和21b中所示的管道中，图21a中在测量管道40的四个角上设有L形槽口40A到40D作为反射面。图21b中则在测量管道的上下表面分别设置凸出部分41A和41B。
下面，将解释气泡对图5所示实施例的影响。如果待测流体中含有气泡，则将使超声波信号明显减弱和得不到足够的灵敏度，其影响程度取决于气泡的尺寸大小。下面将就这点予以说明。
当待测流体是为液体时，而存在于液体中的气泡或粒子具有与待测流体不同的传声阻抗，则超声波将被散射或吸收。尤其是当气泡进入共振状态，将使超声波信号明显减弱以至难以接收到。
气泡共振频率fr的不同取决于其直径的不同(a表示半径，单位厘米)在正常的温度和压力下可以用公式fr＝326/a(赫兹)。因此，必须选择并采用不致于使气泡发生共振的超声波频率。
当采用钛铅锆酸盐陶瓷(压电跃变)作压电振动器，会产生沿厚度方向和厚度剪切方向的振动型式，其中纵向超声波有效地发射到待测流体，其频率比约为2∶1。因而若厚度方向是1兆赫则厚度剪切方向为500千赫。
图22是表示厚度剪切方向和厚度方向的频率-阻抗特性曲线。在厚度剪切方向的共振频率f1附近展示一急剧的阻抗变化部分，而沿厚度方向在共振频率f2附近有急剧的阻抗变化部分。
当图5所示实施例中的超声波接收器13采用压电振动器的阻抗变化特性曲线时，将会出现如图22所示在厚度剪切方向共振频率f1附近出现阻抗急剧变化部分，而采用这部分不会影响信号处理。
图5中所示的振荡器14，可以用图23中所示振荡器42来取代。在振荡器42中，逆变器G1与G2串联，电阻R2连接在逆变器G1的输入端与输出端之间，而逆变器G1的输出端通过中间电阻R3和电容C3连接到共电位点COM；逆变器G1的输入端通过电容C4连接到共电位点COM，并通过开关SW与用作厚度方向的振动的压电振动器PZ1和用作厚度剪切方向振动的压电振动器PZ2连接，SW开关用电容C3和电容C4之间的转换信号CS来转换位置。用转换信号CS接通/断开这些振动器可以消除气泡的影响。
这样，图5中所示调谐放大器21的调谐频率可调整为对应于转换信号CS进行转换，即它们之间具有平坦的频率特性曲线。
用转换压电振动器的振动型式来减少气泡影响的装置已结合图23作了说明，同样的效果也可以通过放入多对具有不同频率，即具有不同厚度的PZ3，PZ4和PZ5来得到，用以构成一个超声波发送器44，并依据气泡的直径将它们开/断。
另外，对图5所示实施例中的发送/接收效率所作改进予以说明。由于图5所示实施例中是利用超声波发送器和超声波接收器中的压电振动器的阻抗特性曲线急剧变化部分将由涡旋引起的频率调制转变为振幅调制，如它们采用相同的压电振动器，那么将会降低超声波发送器12和超声波接收器13的效率。
现将利用图25a和图25b中所示的频率-阻抗特性曲线说明解决此问题的一种装置。图25a表示超声波发送器的特性曲线，图25b则表示超声波接收器的特性曲线。
这些超声波发送器和超声波接收器中所用压电振动器的共振点附近的等效电路在图8中标以参考数字(26)。图25a中所示发送侧的共振频率fa和反共振频率fr，此时可分别表示为：
fa＝1/2π(L1*C1)1/2
fr＝1/2π〔L1*C1*C2/(C1+C2)〕1/2同样，接收侧的共振频率f′a和反共振频率f′r表示在图25b中。
这时，为了要使超声波发送器发送出一个强超声波信号，将振荡器14输出的驱动振荡频率fOS选为与用作超声波发送器中的压电振动器的共振频率相同。此时的特性曲线即为图25a中所示的特性曲线。
另一方面，用作超声波接收器的压电振动器的接收灵敏度可以得到提高，将发送侧的压电振动器共振频率fa选定在共振频率f′a和反共振频率f′r之间部分，将部分阻抗呈现如图25b所示的急剧变化。
综上所述，作这样的选定：从振荡器14输出的驱动振荡频率fOS选为与超声波发送器的压电振动器共振频率fa相同，而该共振频率fa又处于用作超声波接收器的压电振动器共振频率f′a和反共振频率f′r之间。
压电振动器的共振频率很容易改变，例如厚度方向的振动只要改变压电振动器的厚度就可以改变。因此可以得到最佳整体发送/接收效率，有利于信号处理和操作的稳定性。
还有，与接收信号保持在恒定电平时相反所要求的驱动功率可减小，这对于功率消耗受限制的场合是有用的，如用4mA电流驱动发送器的工业领域。
现解释对图5中所示实施例的实际产品必须附加信号处理过程的问题。图26是图5所示实施例的一种改进信号处理过程的方块图。
在此信号处理过程中，为保持其长期可靠性和解决应用中出现的问题，对图5所示实施例附加了必要的功能元件。在以下的叙述中，对那些与图5中所示元件具有相同功能的元件以相同的参考数字表示，并省略了对它们的说明。
从振荡器14将振荡电压VOS作为响应标准信号S1的一个脉冲波SB输出到超声波发送器12，经过涡旋调制后的调幅信号SA被超声波接收器13接收。
调幅信号SA被输出到自动增益放大器45，其增益由一控制信号VC1调整，之后，通过调谐放大器21，和这些与图5中所示电路具有相同功能的脉冲电路20和峰值检波/半波电路22，从峰值检波/半波电路22的输出端以半波整流电压SH′输出。
半波整流电压SH′被输出到自动增益放大器45的一个增益控制终端作为控制信号VC1通过一时间常数电路46和DC放大器控制其增益。然后，半波整流电压SH′还被输出到一低通滤波器23和一可变高通滤波器4S。
另一方面，控制信号VC2被输入可变高通滤波器48。从而其转角频率被修正并被输出到主低通滤波器24。然后在施密特触发电路25中产生脉冲并在其输出端输出脉冲信号SV′。
图27是可变高通滤波器48具体结构的一种例子。低通滤波器23的输出被输入到电容C5的一端，C5的另一端被连接到主低通滤波器24。
电容C5的另一端通过电阻R4被连接到共电位点COM，通过由场效晶体管Q1和电阻R5阻成的串联电路连接到共电位点COM，场效晶体管Q1是由控制电压VC2来控制其内电阻的。用此控制电压VC2修正高通滤波器中的转角频率。
再利用F/V(频率/电压)转换器49将脉冲信号SV′转换成模拟控制信号VC2以控制可变高通过滤器48中的转角频率并输出一脉冲信号SV0，该脉冲信号SV0与开关50输出端的涡旋数目相对应，用保护信号VPV控制开关的开启/闭合。
半波整流电压SH′也是由时间常数电路51滤波的，变成为一经滤波信号VF输出给比较器52。比较器52将经过滤波的信号VF与一个比较信号VC0进行比较，并在其输出端输出保护信号VPr，以此保护信号VPr来开启/闭合开关50。
参照图28，将对上述构成实施例的附加功能元件的作用进行解释。
首先解释自动增益放大器45的作用。由压电振动器的使用时间，温度特性等所引起的，和由待测流体或粒子或气泡的声阻抗所引起的接收电平的起伏。将导致峰值检波/半波电路22的检测效果改变。
自动增益放大器45的增益，是受控制电压VC1控制的，(对应于Am)，是从半波整流电压SH′经滤波得到(图28a)，经过时间常数电路46保持电压的振幅不变输出给峰值检波/半波电路22。
其次解释可变高通滤波器48的作用。当待测流体的流速较高时，出现一种被称之为“起伏噪声”的低频噪声频率fL叠加于涡旋频率fv。这对用施密特触发电路25施加脉冲于涡旋频率时出现误差。然而，当流速高时(也即涡旋频率高)，通过控制信号VC2增大转角频率，从而降低低频噪声分量。
再其次，解释输出保护电路的作用。保护电路由时间常数电路51，比较器52和开关50等组成。
当开始输送流体时，或被残留的空气或流入的空气阻塞时。接收电平的输出大幅度起伏。还有，当不存在流体时，电路增益变大，与涡旋频率不相干的噪声可能会和峰值检波/半波电路22中的半波整流电压SH′重叠。
在这种情况下，超声检测法与其它方法不同，涡旋不能充分地放出，通常输出值变为零。如图5所示实施例中接收电平急剧地下降。同时，由于此时刻出现突然变化，时间常数电路51的时间常数要设得比时间常数电路46为小。
综合考虑上述各点，通过时间常数电路51取到半波整流电压SH′作为经滤波信号VF，在比较器52中比较滤波信号VF，比较器52按图28C所示预定比较信号VC0设置，当滤波信号VF下降到低于比较信号VC0时，保护信号Vpr将开关50关断。
图29为一结构图，表示本发明的另外一种实施例的结构，对其传感部分作了改进。在本实施例中采用流体振动(射流)传感器作为传感部分，由于除传感部分而外的其它电路部分是与图5所示的电路相同的，故下面集中就传感部分53作说明。
在挡板56的中心部分钻一个通孔，作为一个喷嘴55，位于金属测量管道的上游一侧；靶57被固定在当管道中的待测流体形成的从喷嘴55喷出的一股射流射击之处。有一个比喷嘴55稍大一点的通孔58在其上的挡板59放置在靶57的下游侧以挡住测量管道54。一个超声波发送器60和一个超声波接收器61面对面地安装在该测量管道54的外壁上。
待测流体象是射流从喷嘴55喷出射击位于下游侧的靶57，并从靶57的下方向前流动(在图中用黑色流线表示)其流程被改变了。这股流体撞击挡板59的壁面后，象是一股下方反馈液流返回到挡板56，并将从喷嘴55喷出的与之反向的射流向上推起(在图中用黑色箭头表示)。
结果，射流流向靶57的上方(在图中流线用虚线表示)。该液流撞击挡板59的壁面，象是一股上方反馈液流返回到挡板56，并将从喷嘴55喷出的与之反向流动的射流向下推(在图中用虚线箭头表示)。
之后，射流从靶57的下方向前流动回复到第一种动作。此后反复动作导致流体振动，然后从超声波发送器60向该振动流体发射一脉冲波由超声波接收器61接收经流体振动调制过的超声信号。这以后，图5所示信号处理得以实现输出流体振动的数目也就是振动频率fv。
在宽阔的雷诺数范围内，振动频率fv与待测流体的流率Q之间有一个函数关系：fv＝KQ(其中K为常数)；同时当雷诺数低时，也即低速率情况下，也可构成为性能良好的流量计。
顺便提一下，虽然在举例中，将超声波发送器60和超声波接收器61以夹紧的方式固定在距挡板59的稍稍上游处的测量管道上，如图29可见，但这些超声波发送器60和超声波接收器61的位置不仅仅局限于上面所述位置，而可被设置在超声波传播路径上适合发生流体振动的位置。
参照上面已具体描述过的实施例，本发明具有以下作用。
脉冲超声波断续地向卡门涡旋发射，而只是在出现用卡门涡旋调制信号的邻近时刻抽取信号，所以流量测定不受测量管道中作为驻波存在的噪声影响。本发明尤其适用于待测流体为液体的情况，它不受管道振动的影响还可检测低流速流体。
由于超声波发送器和超声波接收器是夹紧在管道上的，这些部分不与待测流体相接触，因此，待测流体不会从该处漏出。这有助于提高可靠性并有不停机检修的优点。
在宽阔的雷诺数范围内能得到一线性关系，尤其是对于低雷诺数即低流量范围内可以得到一个具有良好流量特性曲线的流体振动流量计。
具有低Q值的调谐放大器被设置在信号处理电路内。因此超声信号可以被适当地选定和放大。但有下述不便，波被连续地输出超过了预定的包含在门脉冲宽度W1内的振荡频率的波数，因而影响下一个信号处理。
振荡频率被设定在超声波接收器的阻抗变化较大的部分，所以能有效地接收涡旋信号。
对超声波发送器的结构作了改进，将振荡频率设定为与超声波发送器的共振频率相等，这将可更为有效的接收涡旋信号。
超声振动器通过弹性中间体固定在超声波发送器和超声波接收器的连接器上，这样可避免因超声振动器的固结而引起检测灵敏度降低，从而获得可靠的检测灵敏度。
面向超声波发送器和超声波接收器的测量管道内壁彼此是平行的，因而随着超声波的发送/接收而损失的能量将会减少，所以超声波将被有效地发送/接收。
还由于超声波发送器和超声波接收器是被固定在具有平的发送/接收表面的连接器上，因此是适用的，尤其是难以处理的小孔径的测量管道更为适用。
用来反射在测量管道中传播而漏出的超声波的反射表面是设在测量管道的外表面上，所以信号处理中取样频率的自由度被加宽了，即使是依据声速变化而变化的传播信号也可以有一个变化的范围，因此保持良好的信噪比。
振荡器的振荡频率转换到厚度方向振动频率和厚度剪切方向振动频率的附件，因此可避免由于外界因素如混杂在待测流体中的气泡，粒子等而引起超声波的衰减，而保护稳定的接收电平。
采用了具有不同振动频率的多对压电振动器，因而，因外界因素而引起超声波衰减的自由度得以改进，并保持更为稳定的接收电平。
调幅信号通过中间的自动增益放大装置接收，自动增益放大装置的放大程度是由第一控制信号控制的，因此可以避免由于接收电平变化而引起检测效率下降，并增大稳定性。
信号处理是利用可变高通滤波器过滤解调信号来实现的，当流速高时，叠加于涡旋信号频率的低频“起伏”分量被减少。本发明的优点是可将其应用范围扩大到各个领域。
增加了输出保护信号的比较装置，接收电平的明显起伏，可以在例如开始供水时刻检测到，当它发生时，可将输出关断而继续使用。
发送压电振动器用夹紧方式安装在测量管道上断续地发送脉冲超声波，另一方面选定接收振动器的振荡频率处于共振频率和反共振频率之间，通过按予定时间固定峰值检测由流体振动发生的调幅波，所以涡旋信号可被有效地接收，其可靠性得到改进而不受噪声的影响，不受管道振动的影响，并消除待测流体外泄等而得以提高。另外，本发明还有在操作中保养的优点。
尽管对本发明已经就其实施例参照插图作了说明，但不意指只是局限于所示细节，固为在不违背本发明精神实质的范围内可能作出各种变型和结构变化。

Claims (15)

1.一种用来测量待测流体流量的超声流体振动流量计，通过向所述流体发射超声波引起流体振动，并接收经所述流体振动调制的所述超声波信号，该超声流体振动流量计包括：
一对超声波发送器(12，29，35，38，44)和超声波接收器(13，26，27，30，39)以与所述待测流体不相接触的状态被安装在测量管道(10，28，31，32，36，37，40，41)上，用来发送和接收所述超声波，其特征是，
驱动装置通过一种振荡频率的脉冲波断续地驱动所述超声波发送器(12，29，35，38，44)；
标准定时装置(17)用以发送标准信号S1，以控制发送所述脉冲波的时间；
取样信号发生装置(18)，用以生成一个与所述标准信号同步的取样信号，其取样发生时刻是随所述测量管道直径和所述待测流体声速而变化的；
取样装置(20)，借助所述取样信号抽取一调幅信号，其振幅已由在所述超声波接收器中的所述流体振动引起的频率调制所调制；和
滤波装置(23)，用以得出经所述取样装置(20)抽取的所述调幅信号的包络线，从所述包络线检测所述流体振动的振动频率。
2.按照权利要求1所述的超声流体振动流量计，其特征是，涡旋发生器(11)是设置在所述测量管道(10，28，31，32，36，37，40，41)中，通过生成在其下游的卡门涡旋，使所述流体发生振动。
3.按照权利要求1所述超声流体振动流量计，其特征是，所述流体振动是通过从喷嘴(55)喷出一股所述待测流体射流，被设置在所述喷嘴(55)下游的靶(57)截阻而形成的。
4.按照权利要求1，2或3所述超声流体振动流量计，其特征是，一个低Q值调谐放大器(21)被装在信号处理电路中，可以装在取样装置的前方也可装在其后方。
5.按照权利要求1，2或3所述超声流体振动流量计，其特征是，所述振荡频率被设定在所述超声波接收器的共振频率和反共振频率之间。
6.按照权利要求1，2或3所述超声流体振动流量计，其特征是，所述振荡频率被设定为与所述超声波发送器(12，29，35，38，44)的共振频率相等，在所述超声波接收器(13，26，27，30，39)的共振频率和反共振频率之间。
7.按照权利要求1，2或3所述超声流体振动流量计，其特征是，至少有一个振动器(13C，26B，27B)被放入在所述超声波接收器(13，26，27)中，该振动器(13C，26B，27B)通过一中间弹性体(13B，26C，27C)被固定在所述超声波接收器(13，26，27)的托座上。
8.按照权利要求1，2或3所述超声流体振动流量计，其特征是，所述超声波发送器(12，29，35，38，44)和超声波接收器(13，26，27，30，39)安装在所述测量管道的外壁上，彼此对置，安装所述超声波发送器的测量管道的内壁面与安装所述超声波接收器的所述测量管道的内壁面相互平行。
9.按照权利要求1，2或3所述超声流体振动流量计，其特征是，所述成对超声波发送器(12，29，35，38，44)和超声波接收器(13，26，27，30，39)被安装在连接器(33，34)上，连接器(33，34)被固定在所述测量管道(10，28，31，32，36，37，40，41)上，而连接器的发送/接收表面是平面。
10.按照权利要求1，2或3所述超声流体振动流量计，其特征是，用来反射通过所述测量管道(10，28，31，32，36，37，40，41)传播泄漏出的超声波的反射表面，与所述成对超声波发送器(12，29，35，38，44)和超声波接收器(13，26，27，30，39)不同，是设置在所述测量管道的外表面上的。
11.按照权利要求1，2  3所述超声流体振动流量计，其特征是，设有一振荡器，用来输出所述振荡频率，转换成超声波发送器和超声波接收器中采用的压电振动器(PZ1，PZ2)厚度方向振动频率和厚度剪切方向振动频率的邻近频率。
12.按照权利要求1，2和3所述超声流体振动流量计，其特征是，各具有不同振动频率的多对压电振动器(PZ3，PZ4，PZ5)被放入所述成对超声波发送器和超声波接收器中，分别接通/关断输出所述振荡频率。
13.一种用来测量待测流体流量的超声流体振动流量计，通过向所述流体发射超声波引起流体振动，并接收经所述流体振动调制过的所述超声波信号，该超声流体振动流量计包括：
一对超声波发送器(12，29，35，38，44)和超声波接收器(13，26，27，30，39)，以不与所述待测流体相接触的状态，安装在测量管道(10，28，31，32，36，37，40，41)上用来发送和接收所述超声波；其特征是，
驱动装置，用含一种振荡频率的脉冲波断续地驱动所述超声波发送器；
标准定时装置(17)，用以发送标准信号来控制发送所述脉冲波的时间；
取样信号发生装置(18)，用以产生一个与所述标准信号同步的取样信号，其取样时刻是随所述测量管道直径和所述待测流体声速而变化的；
自动增益放大装置(45)，其放大系数由第一控制信号(VC1)控制，用来放大一个以所述超声波接收器得到的调幅信号(SA)，并输出一个放大了的调制信号；
解调装置，用所述取样信号取样并解调所述经放大的调制信号，并输出一个解调信号；和
反馈装置，用来反馈从过滤包含在所述解调信号中的DC组分，得到的一个信号作为第一控制信号，由所述解调信号的包络线检测所述流体振动的振动频率。
14.按照权利要求13所述超声流体振动流量计，其特征是，一个可变高通滤波器(48)，其转角频率是由第二控制信号控制，用以滤波所述解调信号，和一个频率/电压转换装置(49)，将从所述可变高通滤波器(48)输出的频率转换成第二控制信号。
15.按照权利要求13所述超声流体振动流量计，其特征是，一比较装置，用来将包含在所述解调信号中的所述DC组分经滤波而得的滤波信号(VF)与一预定的比较信号(VC0)进行比较，并输出一保护信号(VPr)，当所述滤波信号比所述比较信号小时，将输出关断，用所述保护信号关断出现在所述输出中的振动频率。
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