CN107014447B - 使用宽带系统响应的超声波换能器系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种换能器系统(10)具有换能器(TR₁)及用于在激励周期期间施加波形以激励所述换能器的电路(14)。施加电路(42)还包括用于在所述激励周期期间变更所述波形的频率的电路。

Description

使用宽带系统响应的超声波换能器系统及方法

相关申请案的交叉参考

本申请案主张标题为“用于具有未知或变化的系统响应的重度衰减传播介质中的流量测量的超声波换能器的宽带激励(BROADBAND EXCITATION OF ULTRASONICTRANSDUCERS FOR FLOW MEASUREMENTS IN HEAVILY ATTENUATED PROPAGATION MEDIUMWITH UNKNOWN OR CHANGING SYSTEM RESPONSES)”且在2015年10月21日申请的美国临时专利申请案62/244,413的优先权、其申请日期的权利且特此将其以引用方式并入本文中。

有关美国联邦资助研究或开发的声明

不适用。

技术领域

背景技术

优选实施例涉及超声波换能器，且更特定来说涉及一种将宽带激励脉冲频率用于此些换能器的系统及方法。

已知在所属技术领域中超声波换能器是用于传输超声波及检测经传输波的反射或回波。此些装置有时也称为超声波(ultrasound或ultrasonic)换能器或收发器。超声波换能器具有无数用途，包含水表及气体流量表、消费型装置、车辆安全性及医疗诊断。在此些及其它领域中，可处理由换能器检测的信号以确定距离，其可与方向或区域处理进一步组合以确定流量、体积、形状以及与二维及三维处理(包含图像处理)有关的方面。

在现有技术中，在各种方案(包含机械、电磁及超声波学)中实施流量表(例如，水或气体)。用于此些表的现有技术包含具有旨在彼此之间传达信号的两个超声波换能器的系统，其中信号横越管道内的通道。通常，经施加脉冲(或一系列脉冲)激励两个换能器中的第一者，其产生由换能器中的第二者在被测量为第一飞行时间(TOF)的特定时间量之后接收的波形。然后使过程反转，借此将一个或多个脉冲施加于第二换能器，造成由第一换能器接收波形，其中在此经反转过程中测量得到第二TOF。第一及第二TOF以及TOF差确定在换能器之间的传播介质(且因此，沿换能器定位于其中的介质)的流动速度。然而，出于精确目的，确定TOF的准确度可至关重要，同时在实现所要准确度时平衡效率考虑通常也是重要考虑。

准确地测量TOF依赖于众多因素，包含在TOF测量期间两个方向中的每一者上的经充分激发且经检测的波形。为此目的，在所属技术领域中已知，换能器系统具有共振频率，且通过接近此共振频率或在此共振频率下激励换能器系统而改善准确度，所述共振频率通常在相当窄带宽内。然而，关键难处在于共振频率可未知或变更。例如，系统共振频率可基于传播介质的温度、杂质或组成、沉淀、沉积或换能器的老化及因不同制造商之间或甚至来自相同制造商的换能器可变性而改变。此外，一旦在现场部署流量表，那么不断地监测此些变更及调整激励脉冲频率就变得愈加困难。此外，在初始制造期间设置每一个别系统的静态激励频率可为成本高昂的，且一旦在现场部署所述系统，就未必可靠(此后系统共振频率可暂时性地或永久性地变更，在此情况下静态出厂设置可不再最优地产生共振回波及准确TOF确定)。

给定前文论述，本发明者寻求对现有技术进行改善，如下文进一步详述。

发明内容

在优选实施例中，存在一种换能器系统。所述系统包括换能器及用于在激励周期期间施加波形以激励换能器的电路。施加电路还包括用于在激励周期期间变更波形的频率的电路。

还揭示及主张众多其它发明方面。

附图说明

图1说明流量表换能器系统的图。

图2说明图1的流量表换能器系统的激励及响应波形的序列图。

图3说明图1的处理器的操作方法的流程图。

图4描绘根据优选实施例的具有变更的(例如，增大的)频率的脉冲序列。

图5A到5G说明经传输脉冲串PT的数字样本集及经接收回波波形EVM的数字样本集，其中对所述集的不同时移位置取得不同时移相关性量度。

图6说明作为UPS波形与DNS波形之间的模拟相关性的描绘的大体正弦曲线SC。

图7说明来自UPS波形与DNS波形的相关性的三个循环的部分曲线，其中所说明部分曲线展示主瓣ML、左旁瓣LSL及右旁瓣RSL。

图8说明第一流量表系统(例如图1中的系统10)的四个频率响应曲线，其中每一曲线对应于不同温度。

图9说明第二流量表系统(例如图1中的系统10)的四个频率响应曲线，其中每一曲线对应于不同温度。

具体实施方式

图1说明流量表换能器系统10的图。如此首段中描述的系统10在所属技术领域中是已知的，但其也结合如后文详述的优选实施例而被包含及改善。系统10包含管道12，物质(例如水或气体)可流动经过管道12，且为参考起见在图1中流动方向被展示为从右到左。第一换能器TR₁及第二换能器TR₂定位在管道12内。反射器R₁近接换能器TR₁，反射器R₂近接换能器TR₂。每一反射器R_x经定向以便与其相应近接换能器TR_x传达信号且还将信号传达到另一反射器。因此，如由图1中的管道12内的虚线展示，换能器TR₁将信号传达到反射器R₁，反射器R₁将所述信号反射到反射器R₂，反射器R₂将所述信号反射到换能器TR₂。同样地，换能器TR₂将信号传达到反射器R₂，反射器R₂将所述信号反射到反射器R₁，反射器R₁将所述信号反射到换能器TR₁。最后，处理器14(例如数字信号处理器、微处理器、微控制器或一些其它电子电路)从时钟16接收时钟信号，且处理器14耦合到换能器TR₁及换能器TR₂两者用于激励任一换能器TR_x，以传输信号及处理由另一换能器对应地接收的信号，如下文进一步研究。时钟16通常是具有1MHz-24MHz的范围中的速度的低功率(例如，功率消耗约140μA/MHz)晶体振荡器。

图2说明图1的流量表换能器系统10的序列图，其中如所说明且首先描述的序列在所属技术领域中也是已知的，但其也结合如后文详述的优选实施例而被包含及改善。大体来说，图2表示从第一换能器TR₁到第二换能器TR₂的第一方向上的第一传输，接着是从第二换能器TR₂到第一换能器TR₁、与第一方向相反的第二方向上的第二传输。为参考起见，在图1中的管道12的背景下，第一方向被展示为且称为下游(DNS)，且在图1中的管道12的背景下，第二方向被展示为且称为上游(UPS)。

查看DNS时间线，在时间t₀，处理器14直接地或经由额外电路(未展示)将激励脉冲串施加于换能器TR₁，作为响应，换能器TR₁传输对应超声波脉冲串信号，其中经施加脉冲串及经传输脉冲串两者是由因此被展示为开始于时间t₀且结束于时间t₁的多个脉冲组成，例如10到40个此些脉冲。经传输脉冲被引导到反射器R₁，反射器R₁朝向换能器TR₂将所述脉冲反射到反射器R₂。随着此些信号沿包含管道12的内部的部分及所述管道内的任何物质的通道，即通常沿图1中展示的虚线传递，时间流逝。在所属技术领域中此时间称为飞行时间(TOF)。因此，DNS TOF出现在时间t₀与t₂之间，或其可相对于与所述时间中的任一者的某一已知偏移加以测量。

在时间t₂，第二换能器TR₂开始响应于由第一换能器TR₁传输的脉冲，如由开始于时间t₂的经接收信号展示。耦合到第二换能器TR₂的处理器14可操作以对此经接收信号取样。为此目的，处理器14通常经编程以在稍早于时间t₂的所预期响应的时间开始从第二换能器TR₂捕捉信号。虽然经接收信号是模拟的，但经捕捉样本通常呈数字形式，因此在取样中包含作为处理器14的部分或额外中间装置(未展示)的模数(ADC)转换。此外，取样率通常但未必是脉冲频率f_PLS或整个脉冲串频率或标称共振频率的数倍(例如，四倍或五倍)。对于每一样本，存储样本振幅S_x，且也优选地存储采集样本时的对应样本时间st_x。应注意，样本时间st_x可为实际时间或基于时间或样本数目(其从而可表示基于样本周期的时间)的计数。因此，为参考起见，可由(S_x,st_x)的数据对表示每一样本。理想地，在任何情况下，在时间t₂的经接收信号通常将朝向在时间t₃的峰值振幅增大且随后衰减，此是因为经传输脉冲在接收换能器TR₂中且归因于接收换能器TR₂的电阻式/电感式/电容式(RLC)性质产生振荡响应。

在优选地为换能器TR₂处的经接收信号的振幅已充分下降之后的某时间的时间t₅，处理器14例如经由多路复用器(MUX)操作使系统10的通信方向反转。因此，在稍后时间t₅，上述过程重复，但以相反(即，UPS)方向进行，即，从第二换能器TR₂到第一换能器TR₁。因此，从前文论述，所属技术领域熟练人员将明白，在时间t₅，处理器14将频率f_PLS的激励脉冲串施加于第二换能器TR₂，从而造成其开始被引导到反射器R₂的对应脉冲串的发射，其中激励脉冲串及所得传输脉冲串两者是由与DNS脉冲相同数目(例如，10到40)的脉冲组成且因此到时间t₆，反射器R₂朝向换能器TR₁将所述脉冲串反射到反射器R₁。在此些脉冲的TOF之后，在时间t₇，第一换能器TR₁开始响应于由第二换能器TR₂传输的脉冲，其中换能器TR₁接收的信号是由处理器14再次进行检测，转换成数字形式及取样，从而朝向在时间t₈的峰值振幅增大且随后在时间t₉之前衰减到零或近零水平。

给定图2的时序，处理器14可操作(例如，经由适当编程)以使用后文详述的优选实施例方法确定UPS TOF、DNS TOF及UPS TOF与DNS TOF的相对差。从此些量度，可例如基于下列方程式1计算通过管道12的流动速率：

其中

L是第一换能器TR₁与第二换能器TR₂之间的通道路径的长度；

TR₁₂是DNS TOF；

TR₂₁是UPS TOF；且

v是流动速度。

因此，应注意，根据方程式1，流动速度与DNS TOF及UPS TOF及DNS TOF和UPS TOF之间的差直接相关。因此，处理器14可测量UPS TOF及DNS TOF的一个或多个集，且据此基于所述测量确定流动速度。此外，TOF测量的准确度直接地影响速度确定的准确度。

如将预期，如果流动是在一个方向上，那么所述方向上的TOF应小于相反方向上的TOF。此外，如果在管道12中不存在流动(或管道12是空置的)，那么UPS TOF及DNS TOF应是相等的。然而，此些预期表示理想装置及条件。然而，本发明者已认知，各种因素将影响此些考虑且可造成流动测量计算的误差。例如，换能器TR₁及TR₂中的每一者具有标称共振频率，使得标称地应在处于或最接近于所述频率的频率下激励每一换能器。然而，基于制造可变性以及随时间推移的潜在变更，换能器的实际共振频率可偏离其标称值，从而产生阻抗失配。因此，用基于标称地预期的共振频率的信号激励一个换能器将在另一换能器的经接收信号中造成非最优响应。老化也可影响每一换能器且也可影响管道12中的通道，其必定是整个双向分析系统的部分。例如，沉淀可形成或变更，从而变更整个系统共振频率。因此，再次地，如果通过系统传输非共振频率激励信号或脉冲，那么接收换能器处的响应(包含其对传输换能器与接收换能器之间的任何阻抗失配的敏感度)将是非最优的且因此更容易有测量/检测误差。影响共振的其它因素可包含相同制造商的装置或来自不同制造商的装置的可变性。又其它因素是传递波的介质及系统(且尤其换能器)暴露于的温度。鉴于此些考虑及如可由所属技术领域熟练人员确认的其它考虑，优选实施例实施系统10中的额外改善，如下文进一步研究。

图3说明如可用存储在处理器及/或计算装置可读媒体(包含硬件、固件、软件或其任何组合)中的适当指令实施的来自系统10的处理器14的操作方法30的流程图。作为介绍，方法30包含用来一次激励一个换能器的迭代方法，其中激励信号是具有一系列脉冲的脉冲波形且脉冲频率是变更的(例如，增大，但或者可减小)。作为第一实例，脉冲频率的变更被展示及描述为在与脉冲周期对准的不同时间点的离散频率变更，在随后提供的替代优选实施例实例中，频率变更可为连续的。在任一情况下，产生跨频率范围扫描的脉冲串，且随后，对回波波形取样并使用相关性方法来确定DNS TOF、UPS TOF及所述TOF之间的差，此后从方程式1确定流动速度及流量。为清楚起见，首先结合图3介绍此些概念，随后提供额外细节及图。

方法30开始于步骤32，步骤32设立方向索引d，如从其余论述更佳地理解，其将促进第一方向的频率脉冲传输(即，d＝1)，及之后的第二方向的频率脉冲传输(即，d＝2)。因此，在步骤32中，方向索引d被初始化为值一。然后，方法30继续进行步骤34。

步骤34设置频率增量值f_INC的初始值，其中如稍后演示，f_INC增大传输总脉冲集数目NPS中的每一脉冲所处的频率。此外，大体来说，全部NPS个脉冲集跨如在步骤34中被展示为BW SWEEP的宽带频率范围扫描。因此，在步骤34中，f_INC＝BW SWEEP/(NPS-1)。因此，为了举数字实例起见，考虑其中由换能器TR_x传输的总脉冲集数目NPS是11的实例，其中每一脉冲集具有每集PPS个脉冲(例如，PPS＝4)。进一步认为由全部NPS＝11个脉冲集扫描的带宽是80kHz。在此情况下，于是f_INC＝BW SWEEP/(NPS-1)＝80kHz/(11-1)＝8kHz。然后，方法30继续进行步骤36。

步骤36初始化脉冲频率值f_PLS，如稍后展示，其指示脉冲集中的每一脉冲的传输频率。因为步骤36将初始化f_PLS，所以在优选实施例中，在总共NPS*PPS个脉冲将扫描的整个带宽的一端处设置第一(即，经初始化)值。为实现此设定，步骤36将f_PLS设置为等于系统10的标称或经估计或近似共振频率减去1/2BW SWEEP。因此，作为数字实例，假设系统10被指定(例如，由制造商或经验测试)为具有160kHz的标称、经估计或近似共振频率，且回想到上述实例，其中BW SWEEP＝80kHz。因此，在步骤36中，f_PLS＝160kHz–1/2(80kHz)＝120kHz。然后，方法30继续进行步骤38。

步骤38将脉冲集计数器PSC初始化为值一。如下文展示，脉冲集计数器PSC提供索引来造成每一脉冲集的连续输出，直至将由换能器TR_x传输的NPS脉冲集的总数。然后，方法30继续进行步骤40。

在步骤40中，换能器TR_d(意指系统10的其中索引d作为其下标的换能器)传输频率f_PLS的PPS个脉冲。因此，对于步骤40的第一实例，即，其中PSC＝1，且因为步骤32初始化d＝1，于是换能器TR₁传输步骤36中设立的脉冲频率f_PLS的PPS个脉冲。因此，通过说明，图4描绘各自具有相应频率f₁,f₂,...,f₁₁的脉冲的序列，其中给定方法30的实施方案的上述例示性数目，表示NPS*PPS(例如，11*4＝44)个脉冲以传输总共44个脉冲。因此，对于方法30中的步骤40的第一实例，于是换能器TR₁传输频率f_PLS＝f₁的PPS个脉冲。因此，针对早前给定的数字实例，对于此第一实例，于是f₁＝120kHz。然后，方法30继续进行步骤42。

在步骤42中，评估条件以确定脉冲集计数PSC是否等于将在给定脉冲序列中传输的总脉冲集数目NPS。如果步骤42未得出PSC＝NPS，那么方法30继续进行步骤44，而如果PSC＝NPS，那么方法30继续进行步骤46。

在步骤44中，发生两个操作以为方法30的下一迭代准备方法30的内回路部分，即，促进在相对于来自方法内回路的前一迭代的脉冲频率增大的(或减小的)频率f_PLS下进行下一连续脉冲集传输。更具体来说，步骤44使脉冲集计数器PSC增量。额外地，步骤44使当前频率f_PLS增大达早前在步骤34中确定的增量值f_INC。因此，使用来自上文的数字实例，回想到f_INC＝8kHz，且应注意，对于方法30的第一内回路的第一迭代，f_PLS＝120kHz。因此，对于其中到达步骤44的第一迭代，于是将脉冲集计数PSC从一增量到二，且将脉冲频率f_PLS从120kHz增大到128kHz(即，f_PLS＝f_PLS+f_INC＝120kHz+8kHz)。在步骤44之后，方法30返回到步骤40的下一迭代，其中伴随来自步骤44的前一调整。因此，在步骤40中，换能器TR_d(例如，TR₁)在f_PLS的现在增加的频率下传输NPS个脉冲集的序列中的下一连续脉冲集。因此，对于步骤40的第二实例，由换能器TR₁在频率f₂下传输图4的时间序列中展示的第二脉冲集，其中在给定数字实例中，f₂＝128kHz。

从上文，所属技术领域熟练人员将明白，方法30初始化步骤以及步骤40、42及44的内回路执行迭代方法，使得第一换能器TR₁传输总共NPS个脉冲集，其中每一集具有相应不同频率f_PLS的PPS个脉冲。此外，在所提供实例中，相应不同频率f_PLS在总共NPS个脉冲集当中线性地增大。下表1再次对于NOMINAL RESONANCE＝160kHz且BW SWEEP＝80kHz(且因此，f_INC＝8kHz)的实例，说明全部脉冲。

f<sub>d</sub>	f<sub>PLS</sub>
		f<sub>1</sub>	120kHz
f<sub>2</sub>	128kHz
		f<sub>3</sub>	136kHz
f<sub>4</sub>	144kHz
		f<sub>5</sub>	152kHz
f<sub>6</sub>	160kHz
		f<sub>7</sub>	168kHz
f<sub>8</sub>	176kHz
		f<sub>9</sub>	184kHz
f<sub>10</sub>	192kHz
		f<sub>11</sub>	200kHZ

表1

因此，表1概述每一脉冲集相对于其之前或之后的脉冲基线性增大的一般模式，使得全部NPS个脉冲集跨如可用值BW SWEEP设立、近似以系统10的经估计NOMINAL RESONANCE为中心的整个宽带所要带宽扫描。应注意，如由整个脉冲串产生的增频信号有时称为多音信号。如稍后详述，此方法增大在系统的实际共振频率下或接近其实际共振频率处激励系统的机会，即使最初所述共振频率未知，且其还导致所得回波波形的经改善信号检测，尤其在相关性用于确定UPS或DNS波形的TOF或确定所述两个波形之间的ΔTOF中的一者或两者的情况下。

已说明一种用来提供多音宽带信号扫描以激励换能器的方法，应注意，在替代优选实施例中，可由所属技术领域熟练人员调整产生可变频率脉冲的方式。例如，可调整变量PSC或PPS中的任一者。确实，可将PPS设置为一，使得激励频率相对于时间持续地变更，其有时称为线性调频信号。作为另一实例，可实施连续脉冲集的频率之间的指数差，而非线性差。因此，大体来说，激励信号可被表示为下列方程式2.1及2.2：

其中

T是从f₁扫描到f₂所需的时间。

激励脉冲＝sign(x) 方程式2.2

方程式2.2旨在产生方波，其中基于方程式2.1中的值x的符号(即，正或负)，脉冲可正可负。因此，随着来自方程式2.1的x的正弦曲线上升及下降，源于方程式2.2的方波激励脉冲也将在相同频率下上升及下降。又进一步，应注意，替代优选实施例用换能器激励波形而非脉冲串激励换能器，即，周期性且具有已知振幅及频率的其它类型信号，其中根据优选实施例进一步修改此信号以具有在激励周期(例如，在图2中的t₀与t₁之间)变更(即，增大或减小)的频率。例如，替代激励波形可为来自共振电路的已知振幅及(变更)频率的连续正弦信号。因此，在任何情况下，在换能器激励的背景下，术语波形优选地包含此些其它变动，其中对于周期性信号，在每一周期期间周期的形状是相同的，其中应理解，此形状随频率变更而在时间维度上膨胀或收缩。最后，还应注意，可以众多方式控制及实施频率的序列化(无论离散或连续)。例如，在一种方法中，可由存储在处理器14中的表或可由处理器14访问的表中的预定数据表示序列化，以便将对应频率变更激励信号施加于换能器TR₁及TR₂。在另一实例中，可由处理器14计算序列化。

返回到方法30及其步骤42，应注意，一旦已传输用于换能器TR_d的序列中的所有NPS*PPS＝44个脉冲，那么满足步骤的条件。例如，一旦已传输表1的44个脉冲中的频率f₁₁的最后一个脉冲，那么再次达成步骤42，且在此实例中PSC＝NPS＝11，因此方法30继续进行步骤46及48。在步骤46中，换能器TR_opp(意指与系统10中的换能器TR_d相对的换能器)接收响应于由换能器TR_d传输的脉冲的回波波形。因此，当换能器TR₁传输脉冲时，步骤46就对由换能器TR₂接收的回波波形取样，且相反地，当换能器TR₂传输脉冲时，步骤46就对由换能器TR₁接收的回波波形取样。随后，步骤48确定传输换能器TR_d与接收换能器TR_opp之间的绝对TOF_d-opp，其中对此确定的优选实施例的论述会稍后提供且通过介绍，优选地通过使经传输波形与经接收回波波形的数字取样相关而实现。然后，方法30继续进行步骤50。

在步骤50中，评估条件以确定是否已在UPS及DNS两个方向上传输脉冲序列。具体来说，评估方向索引d以确定其是否已达到值二。如果d小于二，那么方法30继续进行步骤52，其中d被增量且方法30返回到步骤36，从而在方法30中产生外回路。具体来说，步骤36重新设立f_PLS，使其降至图4中的脉冲的初始频率f₁，且步骤38将脉冲集计数重新设立为值1。然后，方法30的内回路将重复，但与从一个换能器传达到另一换能器的先前NPS*PPS个脉冲相比，在此是对相反方向上的传输重复。因此，如果在从换能器TR₁到换能器TR₂的第一方向上传输NPS*PPS个脉冲的第一集，那么第二迭代(即，对于d＝2)造成在从换能器TR₂到换能器TR₁的第二方向上传输NPS*PPS个脉冲的第二集，其中第一脉冲集之后的每一脉冲集再次具有从前一脉冲集线性地增大(按f_INC)的频率。一旦从而在此第二方向上传输NPS*PPS个脉冲，那么再次进行步骤46及48，此时对由换能器TR₁接收的回波波形取样且确定换能器TR₂与换能器TR₁之间的绝对TOF。然后，方法30继续进行步骤54。

步骤54确定ΔTOF，即，由步骤48的前两个迭代所作的TOF确定的差，即，UPS TOF确定与DNS TOF确定之间的差。如下文详述，步骤54确定的优选实施例使经接收DNS回波波形的取样与UPS回波波形的取样彼此相关，其中两个回波波形之间的时移表示ΔTOF值。也如稍后解释，因为在产生回波波形中的每一者中使用多音(例如，线性调频)信号，所以实现更稳健且准确的相关性量度，从而改善ΔTOF的准确度及可靠度。进一步在此方面，在步骤54之后，步骤56确定流动速度v，如优选地通过将来自步骤48的UPS TOF及DNS TOF及来自步骤54的ΔTOF的值代入方程式1中实现。此外，由于通过本文中描述的过程改善所述经代入值中的每一者，那么最终在步骤56速度v确定中也存在改善。

图5A到5G说明在优选实施例中用来完成上文描述的步骤48(及步骤54)的相关性过程的图示。回想到步骤48确定绝对TOF，即，由一个换能器TR_d传输的脉冲串PT与相对换能器TR_opp处接收的其对应回波波形之间的TOF。因此，作为介绍此些图，相关性是两个信号彼此的时移逐步比较，其中对于每一步，比较是在与前一/后一步相比的不同时移位置处。如果达成正确且所要的结果，那么相关性确定两个经比较信号在时间上最接近/最佳对准的时间点。如由下文论述演示，此时间可用作用于确定绝对TOF周期的完成或参考。再者，与此论述相关的是，作为TOF的分量，众所周知将知道一定时间量在脉冲串PT开始的时间(例如，图2中的t₀)与回波波形开始出现的时间(例如，图2中的t₂)之间流逝；为论述起见，此时间称为初步偏移时间pt_ofs。也如稍后详述，应注意，可以各种方式数学地表示相关性，例如一个样本集相对于另一样本集的时间积分(或点积)，其中数学结果中的最大值提供最佳对准的指示。

首先查看图5A，旨在说明具有经传输脉冲串PT的400个样本的数字样本集及具有经接收回波波形EVM的400个样本的数字样本集。为参考起见，在此些图中，将每一集中的第一样本及最后一个样本分别编号为1及400。应注意，将相同数目个样本用来简化本实例，而在优选实施例中，回波波形的长度(即，样本数目)大于脉冲串的长度。图5A中的垂直方向旨在描绘时间对准，如下文进一步显而易见，借此一个样本集中的样本与相同垂直时间对准中的另一样本集中的样本相关。在其余图5B到5G中出现此些相同图示，且在后面的图中，每一图示表示其中两个样本集相对于彼此进一步时移的情况，其表示作为相关性过程的部分的样本集的不同时间位置比较。更详细查看图5A，在初步偏移时移pt_ofs之后，在开始相关性时间ct₀中对准PT样本集及EVM样本集。在此时间对准下，进行每一样本集与在相同垂直位置中对准的样本集的相关性测量；然而，在图5A中，PT样本集中的所有400个样本均不是与EVM样本集中的400个样本中的任何一者对准的样本。因此，比较的数学实施方案将产生零输出(忽略任何噪音)，因为每一样本集与相同垂直对准中的零实体比较。

然后查看图5B，其表示样本集EVM相对于图5A向左移位一个时隙，从而出现在循序的下一相关性时间ct₁。在此新时间对准下，再次进行每一样本集与在相同垂直位置中对准的样本集的相关性测量；然而，如同图5A中的情况，再次在图5B中，PT样本集中的所有400个样本均不与EVM样本集中的400个样本中的任何一者垂直地时间对准。因此，数学比较将产生零输出，因为再次每一样本集与在相同垂直对准中的零实体比较。确实，应注意，图5C再次说明相同结果，因为图5C描绘样本集EVM相对于图5B向左移位另一单个时隙，从而出现在循序的下一相关性时间ct₂。如同相关性中的所有其它实例，在给定时间对准下，再次进行在样本集与相同的经垂直对准位置中的数据之间的相关性测量，但再次在图5C中，PT样本集中的所有400个样本均不与EVM样本集中的400个样本中的任何一者垂直地时间对准，从而再次产生零输出。所属技术领域熟练人员将明白，此过程将对于下两个相关性时间(ct₃及ct₄，未展示)重复，因为对于所述时隙，在两个样本集之间将仍不存在时隙重叠。

然后查看图5D，其表示样本集EVM相对于图5C向左移位三个时隙，从而出现在相关性时间ct₅。在此新时间对准下，再次进行每一样本集与在相同垂直位置中对准的样本集的相关性测量；如同前图5A-5C中的情况。然而，在图5D中，应注意，EVM样本集中的第一样本(即，样本1)与PT样本集中的最后一个样本(即，样本400)对准。因此，来自此些单个样本的对准的数学比较将产生大于零的输出，但因为每一集中的剩余399个样本不对准于相对集中的样本，所以总相关性结果仍将是相对低的数。

上述单个时隙移位及相关性测量继续进行，如其余图5E、5F及5G中表示。因此，通过任意实例，图5E表示EVM样本集相对于图5D向左移位十五个时隙，从而出现在相关性时间ct₁₆，因此，在图5E中，与图5D相比，相应集中的更多数据样本对准到相应时隙中，其将导致经增大相关性量度。图5F表示EVM样本集相对于图5E向左移位众多额外时隙，从而出现在相关性时间ct₄₀₄。因此，图5F旨在说明完全对准两个样本集的时间点。再一次对于此时隙对准，进行相关性测量，且所得值最终将被证实是所有最终完成的相关性测量的最高值。因此，此最高值将证实最佳匹配出现在时间ct₄₀₄，因此可将从而指示的404个时隙添加到初步偏移时间pt_ofs，从而提供如在脉冲串PT与所得回波波形EVM之间的总绝对TOF。进一步在此方面，最后图5G指示进行中的相关过程，此时EVM样本集继续向左移位额外时隙，且在每一额外时隙获得相关性量度以便充分地评估两个样本集相对于彼此的潜在时间对准。然而，随着移位以此方式继续进行，相应相关性量度将小于图5F中的经完全对准样本的相关性量度。

已大体上表示及描述相关，应注意，可以如可由所属技术领域熟练人员确认的各种方式实施所述相关。在一个优选实施例中，使用如可容易编程到处理器14的操作中的下列方程式3：

其中

r₁是经接收(UPS或DNS)波形；

r₂是参考(DNS、UPS或TX)波形；

l₁是r₁的长度(样本数目)；

l₂是r₂的长度(样本数目)；且

k＝(0..(l₁–l₂)，其中l₁>l₂)。

已描述各个优选实施例方面，现通过返回到图5F观察关键益处。在图5F中，应注意，脉冲串PT样本集中的样本必需反映图4中说明的线性调频信号的变更频率。在沿线性调频信号的变更频率的某处，一个频率将匹配或最接近近似于系统10的实际共振频率。因此，即使系统10具有未知或变更共振频率，如图4中展示的各个频率的扫描终将造成脉冲串中的一段周期匹配或变得最接近于未知系统共振频率。因此，对于其中出现所述频率的时隙，在所述时隙中或在所述时隙中的一者中(如果在多个时隙中出现相同频率)，那么EVM样本集将具有其最大量值，即，对共振频率的峰值响应；因此，此可被视为共振发生时隙。然而，进一步应注意，扫描线性调频频率不仅确保对系统共振频率的匹配或近匹配，而且改善共振发生时隙的可确定性。具体来说，关于所述共振时隙之前或之后的时隙，当所述槽中的每一者中的激励频率远离共振频率移动时，那么与共振发生时隙中的EVM响应相比，EVM响应将立即开始减小。确实，因为优选实施例使用多音(例如，线性调频)脉冲串，所以所述减小将不仅出现在EVM信号中，而且同样将出现在相关性量度中，即，共振发生时隙峰值的相关性将容易高于其周围的次高峰值。因此，应容易按照优选实施例解决与共振发生时隙的相关性，使得在相关中仅确定单个峰值，从而增大相关的准确度。更准确相关继而提供正确共振发生时隙的确定的对应准确度。因此，如早前介绍，于是容易将共振发生时隙的时序添加到初步偏移时间pt_ofs，从而提供所分析方向上的绝对TOF。

再者，在优选实施例中，图5A到5G中说明的方法及方程式3的评估用来确定相对TOF，即，可通过使UPS回波波形与DNS回波波形相关来确定ΔTOF。因此，在此情况下，r₁是UPS或DNS回波波形中的一者，而r₂是所述回波波形中的另一者。换句话来说，如果所述波形将与相同总系统响应的部分相似，那么使所述波形彼此相关将确定一个波形的出现与另一波形的出现之间的时间差–因此，确定ΔTOF。

作为对前文的进一步细化，应注意，UPS回波波形与DNS回波波形的相关(尤其归因于多音激励信号的使用)十分适于识别DNS回波波形及UPS回波波形最接近对准的特定时隙，因为在所述时隙期间的相关性信号的振幅应显著大于相邻时隙中的振幅。然而，在所述单个时隙内，回想到已采集多个样本，因为样本率是近似共振频率的数倍。因此，在此方面，图6说明作为UPS波形与DNS波形之间的模拟相关的描绘的大体正弦曲线SC(以虚线展示)。然而，在优选实施例中，实施所述样本的数字取样及相关，因此沿曲线SC的圆表示相关中所使用的样本，其中为实例起见，假设取样率是波形频率的近似四倍，因此每一所说明波形周期包含四个样本(即，四个圆)。此外，曲线SC在周期T_max期间的时间t_p具有峰值振幅，使得因此在T_max期间出现峰值相关性。然而，应注意，峰值时间t_p与最接近的样本时间st_x相隔距离δ。因此，优选实施例不仅根据T_max，而且根据与峰值时间t_p相隔的距离δ的偏移确定ΔTOF。为实现此步骤，优选实施例执行在T_max期间的点的三点相关及插值，例如余弦插值，以便近似得到曲线SC且从而确定峰值时间t_p，从而进一步确立距最接近的样本时间的距离δ。例如，可从在T_max期间出现的三个样本(及其相应样本时间)评估此相关性及插值，如下列方程式4、5、6、7及8中展示：

其中

r₁是经接收(UPS或DNS)波形；

r₂是经接收(DNS或UPS)波形；

N是USP及DNS波形的长度；且

k是USP波形与DNS波形之间的偏移。

方程式4提供下列方程式5中的相关，以便提供三个样本Z_-1、Z₀及Z₁，如下文进一步描述：

其中

n＝(-1,0,1)

其中

Z₀是最接近于t_p的样本；

Z_-1是紧接在Z₀之前的样本；且

Z₁是Z₀之后的样本。

上文描述的基于相关的方法通过确保Z₀总是大于Z_-1及Z₊₁来解决循环(例如，T_max)内的样本滑移。如果Z₀不大于Z_-1及Z₊₁，那么方程式5中的“n”可在方向(-2,-1,0)或(0,1,2)上移动直到满足条件为止。应注意，在高流量时ΔTOF可大于循环，在此情况下基于相关的技术无法校正循环滑移。此情况取决于相关性峰值与其周围的次高峰值之间的可解析性。因此，相关性峰值与邻近峰值之间的比可用作用来评估不同激励脉冲技术的性能的量度，其中在优选实施例中已发现多音信号的使用非常稳健且对通道影响问题(例如，温度、介质变更)及噪音免疫，以致于减小样本滑移的可能性且允许使用基于相关性的技术。

进一步关于前文，图7说明来自如上文描述的UPS波形与DNS波形的相关的三个循环的部分曲线，其中所说明部分曲线展示主瓣ML、左旁瓣LSL及右旁瓣RSL。主瓣ML在线PL_ML处具有峰值，其可容易被分辨为明显大于旁瓣LSL及RSL的旁瓣峰值线PL_SL(无论哪个更高)。因此，与不经意地将旁瓣峰值误认为最大相关性峰值相比(如在旁瓣接近于中心循环的振幅，那么在此情况下系统可将主瓣混淆为旁瓣中的任一者且从而造成循环滑移的情况下可发生的)，跨某个带宽的频率扫描的优选实施例方式在TOF相关性中产生使峰值相关性量值可被检测到同时循环滑移机会较小的响应。确实，主瓣ML处的相关性峰值与任一侧的邻近峰值(即，旁瓣LSL及RSL，无论哪个更大)之间的比可用作量度来评估不同激励脉冲技术的性能。此外，所述比还可以指示调整传输功率以便改善所述比的益处，因为所述比提供传输方案是否已在经接收信号中提供所需分辨能力的量度。所述比还提供对经计算TOF的置信度的量度。进一步在此方面，下表2在经编号行中的每一者中描绘换能器的激励的实例，其中行1及2说明现有技术单频换能器激励，而行3-11说明在所列中心频率及在相应频率中围绕中心的带宽扫描的优选实施例线性调频激励。对于每一行，最后一列列出主瓣ML的量值与最大旁瓣量值之间的比，其通常称为峰值对旁瓣比。因此，应注意，在此方面，表2的行5说明相对大变动，尤其是与所述表的行1及2中的单音实例相比时。因此，优选实施例演示了峰值相关性检测中的充分改善，从而减小循环滑移且改善相关TOF确定。

表2

确实，线性调频音激励中的每一者产生相对于单频激励方法的经改善结果，如表2的行3-11中展示，具有各种改善程度。最后，虽然前文是关于ΔTOF描述，但应注意，相同优选实施例方面还可适用于绝对TOF。

在优选实施例的另一方面中，在确定绝对TOF及差分TOF中实施相关的情况下，实施搜索及跟踪方法以通过减小随时间执行的相关操作的次数来改善效率。具体来说，返回到图5A到5G的实例，在所述方法中，其中每一样本集包含440个样本，那么取得最初的总共880个相关性量度，以便在每一相对可能时隙组合时相对于彼此比较两个集。此方法称为搜索相关。然而，一旦如此确定TOF(绝对或差分)，就通过对于稍后确定后续量度的TOF的后续实例减小评估的时隙位置的数目来进一步实现效率。例如，对于此后续相关性量度，可评估早前确定的峰值时间周围的第二总共仅±N(例如，N＝30)个时隙，其中因此存在最大峰值将落在所述第二全部时隙内的极大可能性。此方法称为跟踪相关。因此，初始搜索相关稍后接着跟踪相关。进一步应注意，可实施各种准则，如果满足所述准则，那么将相关性方法从跟踪相关(即，有限样本时隙)返回到搜索相关(即，样本集中的所有样本时隙)。例如，如果使用跟踪相关发现的峰值量值充分不同于(例如，达一定百分比)先前使用搜索相关发现的峰值量值，那么方法可回到搜索相关。作为另一实例，时间可为准则，借此首先执行搜索相关，且其后在一段时间中，所有后续相关是跟踪相关直到时间流逝为止，此时相关再次回到搜索相关且类似的后续时间周期同样如此。

给定前文，应注意，优选实施例方法30以例如经由线性调频信号跨宽带频率范围扫描的方式将激励信号施加到换能器系统，从而还促进换能器系统中的充分共振响应，其可使用绝对TOF与ΔTOF的相关很好地检测。因此，应注意，例如在具有未知或变更系统响应的换能器系统中，优选实施例是有效的。例如，图8说明单流量表系统(例如图1中的系统10)的四个频率响应曲线，其中每一曲线对应于不同相应温度下的频率响应。频率被展示为沿水平轴且经检测振幅响应沿垂直轴。因此，对于给定系统，可见对于所有四个曲线，第一峰值(暗示第一共振频率)随着频率在160kHz到170kHz的范围中扫描而出现。对于相同系统，第二共振频率随着频率在210kHz到220kHz的范围中扫描而出现。因此，优选实施例线性调频信号将允许在任一(或两个)此些频率下激励此系统，从而提供在此些频率下进行正确TOF测量的机会。进一步在此方面，图9说明也针对单流量表系统(例如图1中的系统10)的可比较的一组四个曲线，但其中换能器已用来自相同制造商的另一组换能器取代。然而，通过比较图9与图8，应注意，峰值位置(即，频率响应)可甚至在来自相同制造商的不同装置当中极大地变更，且跨温度的变动也是不同的。因此，如果依据现有技术，直接在具有如图8中展示的响应的系统处使用单个激励频率，那么所述相同频率在用于具有如图9中展示的响应的系统时将是非理想的。相比之下，通过跨频率带宽的优选实施例扫描，优选实施例同样能够正确地且有效地激励图8或图9的系统。此外，基于条件变更，可以各种间隔重复方法30，其中此条件可为时间、环境(例如，温度)或又其它条件。因此，一旦实施系统10，响应于现场的变更，优选实施例扫描仍将涵盖将最大程度地激励系统并产生可测量且准确的响应的频率(或多个频率)，以便适应于现场的变更，而不必过度人工测试或受制于单个激励频率的刻板。

从上文，优选实施例被展示为提供换能器系统及将宽带激励脉冲频率用于此些换能器的方法。优选实施例还可将相关性用于通过宽带激励的使用进一步增强的TOF量度。因此，优选实施例提供优于现有技术的众多优点。例如，优选实施例在经验上已被展示为甚至在噪音环境(即，相对低信噪比(SNR))中也提供准确TOF量度，与单频激励系统相比，在减小循环滑移方面具有大幅改善。同样地，优选实施例在经验上已被展示为在衰减性介质(例如，甲烷)中提供准确TOF量度，与单频激励系统相比，在减小循环滑移方面也具有大幅改善。作为另一实例，优选实施例可对具有未知或变更共振结构的换能器系统有用，只要频率变动在线性调频频率范围内即可，这是因为线性调频音调将造成高效响应，无论实际共振频率是否未知或不可知性如何(包含所述频率是否随时间、温度或其它条件变更)。作为另一实例，只要系统具有宽带宽，优选实施例就消除在制造商处校准激励脉冲序列或搜索激励频率的需要，因此充分减小校准开销。因此，作为另一结果，消除实时现场校准(自动地或人工地)。作为又另一实例，即使多个流量表不具有相似频率响应，优选实施例仍对所有流量表相似地起作用，因此通过使校准时间显着地减小而使制造商受益。作为又另一实例，响应于更大相关峰值差及使用绝对TOF差以在计算ΔTOF之前使上游或下游数据移位，优选实施例还减少了循环滑移问题，同时可使用优选实施例的搜索及跟踪方面减小相关性计算的次数，从而改善处理需求。此外，已在关于流量表的有利实施方案中展示优选实施例，但应注意，众多方面可适用于其它系统。例如，优选实施例方面可适用于除流量表以外的换能器应用。作为另一实例，在具有两个换能器的系统中通过实例展示优选实施例，但各个方面还可适用于单个换能器，其中所述换能器被用频率激励且传输脉冲串，此后所述换能器就响应于所述脉冲串的反射。因此，鉴于上文，虽然已根据所揭示实施例提供各种替代物，但预期有其它替代物且可由所属技术领域熟练人员确认又其它替代物。因此，给定前文，所属技术领域熟练人员应进一步明白，虽然已详细描述一些实施例，但在不背离如由所附权利要求书定义的发明范围的情况下，可对上文陈述的描述作出各种置换、修改或更改。

Claims (25)

1.一种换能器系统，其包括：

第一超声波换能器；及

经配置在激励周期期间施加波形以激励所述第一超声波换能器的处理器电路，已施加波形具有在所述激励周期期间变更的超声波频率；

其中所述已施加波形由所述处理器电路产生为包含第一多个连续脉冲集的第一脉冲串，其中所述第一多个连续脉冲集中的每一者包含两个或更多个脉冲，其中所述第一多个连续脉冲集中的所述脉冲集中的每一者具有不同的相应超声波频率，且其中所述第一多个连续脉冲集中的每一脉冲集的所有脉冲具有相同的相应超声波频率以及相同的振幅；及

其中所述处理器电路进一步经配置以：

接收响应于所述第一超声波换能器的激励的回波波形，其中经接收的所述回波波形包括相应第一回波波形和相应第二回波波形，

确定所述第一脉冲串与经接收的所述回波波形之间的绝对飞行时间，

测量所述第一脉冲串的第一脉冲集与所述相应第一回波波形之间的第一多个相关性量度，及

测量所述第一脉冲串的第二脉冲集与所述相应第二回波波形之间的第二多个相关性量度，

其中所述第二多个相关性量度小于所述第一多个相关性量度。

2.根据权利要求1所述的换能器系统，其中所述脉冲集在所述第一脉冲串中提供线性调频信号。

3.根据权利要求1所述的换能器系统：

其中所述第一超声波换能器响应于所述第一脉冲串产生第一经传输信号；

其中所述换能器系统进一步包括：

用于响应于所述经传输信号产生经接收的所述回波波形的第二超声波换能器；及

其中所述处理器电路进一步经配置以确定所述第一脉冲串与经接收的所述回波波形之间的绝对飞行时间。

4.根据权利要求3所述的换能器系统，其中所述处理器电路进一步经配置以施加第二脉冲串，所述第二脉冲串包括用来激励所述第二超声波换能器的第二多个连续脉冲集，其中所述第二超声波换能器响应于所述第二脉冲串产生第二经传输信号，且其中所述第二脉冲串具有变更的超声波频率使得所述第二多个连续脉冲集的所述脉冲集中的每一者具有不同的相应超声波频率；且

其中所述第一超声波换能器经配置以响应于所述第二经传输信号产生第二经接收回波波形。

5.根据权利要求4所述的换能器系统，其中所述处理器电路进一步经配置以确定所述第二脉冲串与所述第二经接收回波波形之间的绝对飞行时间。

6.根据权利要求5所述的换能器系统，其中所述处理器电路进一步经配置以确定经接收的所述回波波形与所述第二经接收回波波形之间的相对飞行时间。

7.根据权利要求1所述的换能器系统，其中所述处理器电路进一步经配置以响应于所述第一脉冲串与经接收的所述回波波形之间的飞行时间确定流动速度。

8.根据权利要求1所述的换能器系统：

其中所述第一超声波换能器响应于所述第一脉冲串的第一波形产生第一经传输信号；

且其进一步包括：

用于响应于所述经传输信号产生经接收的所述回波波形的第二超声波换能器；及

用于确定所述第一波形与经接收的所述回波波形之间的绝对飞行时间的电路。

9.根据权利要求8所述的换能器系统，其中所述用于确定的电路包括用于测量所述第一波形与所述回波波形之间的多个相关性量度的电路。

10.根据权利要求8所述的换能器系统，其中所述用于确定的电路包括：

用于测量在第一激励周期期间的所述第一波形与相应第一回波波形之间的第一多个相关性量度的电路；及

用于测量在第二激励周期期间的所述第一脉冲串的第二波形与相应第二回波波形之间的第二多个相关性量度的电路，其中所述第二多个相关性量度小于所述第一多个相关性量度。

11.根据权利要求1所述的换能器系统，其中对所述第一多个连续脉冲集中的不是循序的第一脉冲集及循序的最后脉冲集的每一脉冲集，所述脉冲集的所述相应超声波频率以相同量不同于即刻前一脉冲集的所述相应超声波频率及即刻后一脉冲集的所述相应超声波频率。

12.根据权利要求11所述的换能器系统，其中所述相同量基于由小于所述第一多个连续脉冲集中的脉冲集总数划分的期望的频率带而确定。

13.根据权利要求11所述的换能器系统，其中对所述第一多个连续脉冲集中的、不是循序的第一脉冲集的每一脉冲集，所述脉冲集的所述相应超声波频率大于所述即刻前一脉冲集的所述相应超声波频率。

14.一种操作换能器系统的方法，其包括：

在激励周期期间施加激励波形，所述激励波形包括用来激励第一换能器的具有变更频率的多个周期性循环；

接收响应于所述第一换能器的激励的回波波形，其中经接收的所述回波波形包括相应第一回波波形和相应第二回波波形；及

确定所述激励波形与经接收的所述回波波形之间的绝对飞行时间；

其中所述方法进一步包括：

施加包括用来激励所述第一换能器的多个脉冲集的第一脉冲串，及变更所述多个脉冲集中的每一脉冲集的相应频率；

测量所述第一脉冲串的第一脉冲集与所述相应第一回波波形之间的第一多个相关性量度；及

测量所述第一脉冲串的第二脉冲集与所述相应第二回波波形之间的第二多个相关性量度；

其中所述第二多个相关性量度小于所述第一多个相关性量度。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述变更步骤包括连续地变更所述多个脉冲集中的每一脉冲集的相应频率以便在所述第一脉冲串中提供线性调频信号。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述变更步骤包括线性地变更所述多个脉冲集中的每一脉冲集的相应频率。

17.根据权利要求14所述的方法，其中所述变更步骤包括指数地变更所述多个脉冲集中的每一脉冲集的相应频率。

18.根据权利要求14所述的方法，且其进一步包括响应于峰值对旁瓣量度调整传输参数。

19.根据权利要求14所述的方法：

其中所述第一换能器响应于所述第一脉冲串产生第一经传输信号；

其中所述接收回波波形的步骤包括从第二换能器接收响应于所述经传输信号的回波波形；且

其进一步包括确定所述第一脉冲串与经接收的所述回波波形之间的绝对飞行时间。

20.根据权利要求19所述的方法，且其进一步包括：

施加第二脉冲串，所述第二脉冲串包括用来激励所述第二换能器的第二多个脉冲集，其中所述第二换能器响应于所述第二脉冲串产生第二经传输信号，所述施加所述第二脉冲串的步骤包括变更所述第二多个脉冲集中的每一脉冲集的相应频率；且

其中所述第一换能器用于响应于所述第二经传输信号产生第二经接收回波波形。

21.根据权利要求20所述的方法，且其进一步包括确定所述第二脉冲串与所述第二经接收回波波形之间的绝对飞行时间。

22.根据权利要求21所述的方法，且其进一步包括确定经接收的所述回波波形与所述第二经接收回波波形之间的相对飞行时间。

23.根据权利要求14所述的方法，其中所述激励波形包括具有已知振幅及变更频率的周期性信号。

24.根据权利要求14所述的方法，其中所述激励波形包括连续正弦信号。

25.一种换能器系统，其包括：

第一换能器，及

处理器电路，其可操作地耦接于所述第一换能器且经配置以：

施加脉冲串波形以在激励周期期间激励所述第一换能器，所述脉冲串波形具有在所述激励周期期间的变更的频率；

由所述脉冲串波形接收响应于所述第一换能器的激励的回波波形，其中经接收的所述回波波形包括相应第一回波波形和相应第二回波波形；

确定所述脉冲串波形与所述回波波形之间的绝对飞行时间；

测量所述脉冲串波形的第一波形与所述相应第一回波波形之间的第一多个相关性量度；及

测量所述脉冲串波形的第二波形与所述相应第二回波波形之间的第二多个相关性量度；

其中所述第二多个相关性量度小于所述第一多个相关性量度。

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