CN107532933B - 用于确定具体地在超声波流量计中的超声波脉冲串的传输时间的方法、流量计 - Google Patents

用于确定具体地在超声波流量计中的超声波脉冲串的传输时间的方法、流量计 Download PDF

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Abstract

描述了一种用于确定具体地在超声波流量计中的超声波脉冲串的传输时间的方法，所述方法包括：生成具有第一频率的第一传输信号并且检测第一接收信号；生成具有不同于所述第一频率的第二频率的第二传输信号并且检测第二接收信号。这种方法应该允许以低成本来可靠地检测所述传输时间。为此，基于这两个接收信号(10，11)的特性的时间函数被用于确定所述传输时间。

Description

用于确定具体地在超声波流量计中的超声波脉冲串的传输时 间的方法、流量计
技术领域
本发明涉及一种用于确定具体地在超声波流量计中的超声波脉冲串的传输时间的方法，所述方法包括：生成具有第一频率的第一传输信号并且检测第一接收信号；生成具有不同于第一频率的第二频率的第二传输信号并且检测第二接收信号。
此外，本发明涉及一种流量计，具体地为超声波流量计，包括：用于生成具有第一频率的第一传输信号的装置以及用于检测第一接收信号的装置、用于生成具有不同于所述第一频率的第二频率的第二传输信号的装置以及用于检测第二接收信号的装置。
背景技术
例如从EP 2 511 673 A1中已知这种方法和这种流量计。
该方法基于传输时间差原理在超声波流量计中尤其有用。测量在流管中相对放置的两个换能器之间上游和下游传输的声音脉冲串的传输时间。流速与上游传输时间与下游传输时间之间的差成正比。
测量的精度因此取决于确定传输时间的精度。通常，用于确定传输时间的设备的成本随精度的提高而增加。本发明的目的是利用低成本可靠地确定传输时间。
发明内容
此目的是利用开篇所述的方法这样解决的：基于该两个接收信号特性的时间函数被用于确定传输时间。
当使用具有不同频率的两种传输信号时，获得相应接收信号。这些接收信号示出了可以被用于获得时间函数的特性。时间函数进而可以被用于确定传输时间。测量传输时间的主要优点为声音变化的速度是直接补偿的，与经由温度测量以及在介质的声音速度与介质温度之间的已知关系而间接地测量相反。
在优选实施例中，将所述第一接收信号的预定特性满足预定条件的时间确定为第一时间，将所述第二接收信号相应预定特性满足所述条件的时间确定为第二时间，将所述第一接收信号的所述预定特性稍后再次满足所述条件的时间确定为第三时间，将所述第二接收信号的所述预定特性稍后再次满足所述条件的时间确定为第四时间，确定所述第二时间与所述第一时间之间的第一时间差，确定所述第四时间与所述第三时间之间的第二时间差，并且使用时间差随时间的函数来确定所述传输时间，所述函数至少包括：一对所述第一时间差与所述第一时间和所述第二时间之一、以及一对所述第二时间差与所述第三时间和所述第四时间之一。优选地，所述预定特性为振幅水平。具体而言，优选的是所述预定条件为过零点。然而，除了严格地过零点之外，可以使用另一信息，例如使用来自模数转换器的可以从中提取类似信息的样本。在信号的最小噪声敏感部分(即，过零点或过零点附近)进行测量。由于使用了过零点，该方法在很大程度上与接收信号振幅无关。因为可以避免分开的触发电路，所以该方法可以利用低成本来实现。该方法对接收信号形状中的变化相对不敏感。当生成第一传输信号时，相应脉冲串从传输器传输至接收器。接收器检测接收信号。术语“传输器(transmitter)”和“接收器(receiver)”用于解释这些元件的特定功能。基本上，使用可以传输和接收信号并且因此充当传输器和接收器两者的换能器。本发明的实施例是基于时间差与对应时间之间的关系遵循唯一函数的思想。此函数包括起始点，在该起始点中，这两个具有不同频率的接收信号之间的时间差为零。此起始点因此反映了传输时间。术语“过零点(zero crossing)”用于简化解释。其不限于恰好是信号与其自身平均值交叉的点。具体地，可以在信号的平均值附近限定另一信号水平，其交叉也被认为是“过零点”。过零点还覆盖使用数字采样信号的情况，其中，可以通过各种方法从信号在“过零点”周围或信号峰值周围的一个或若干个样本中推导出对应于过零点时间的信息。存在若干种从采样信号中导出对应于信号过零点或针对信号峰值的信息的方法。下文中所概述的方法应该仅被认为是当存在多种其他方法时可以如何导出信息的示例。其中有涉及傅里叶变换的各种方法。
使用采样信号，第一种方式为将直线拟合至有待计算的信号过零点周围的两个样本。根据该线在何处与信号平均值交叉来计算过零点时间。
另一种可能性为将直线拟合至多于两个样本，例如通过使用“最小二乘”法将该线拟合至多个样本。根据该线在何处与信号平均值交叉来计算过零点时间。
另一种可能性将是使用被拟合至有待计算的信号过零点周围的样本的适当函数(多项式、正弦等)。根据该函数在何处与信号平均值的交叉来计算过零点时间。
适当的函数(多项式、正弦等)还可以被拟合至信号峰值之一周围的样本。通过对所求得的函数求微分，可以计算出信号峰值的时间位置。这些时间可以用作过零点的替代。
最终，可以使用关于通过计算采样信号的连续样本之间的差而求得的接收信号的差函数。差函数的过零点对应于原始信号的峰值。因此可以使用之前所描述的方法之一在差信号的过零点上求得原始信号的峰值位置。
优选地，所述函数至少包括：一对所述第一时间差与所述第一时间以及一对所述第二时间差与所述第三时间。
优选地，在所述函数的一范围中选择所述对，所述函数在所述范围中示出了恒定斜率。此恒定斜率使得更易于确定传输时间。
优选地，通过在时间轴线上选择所述恒定斜率与所述时间轴线相交的点并且从所述点减去恒定偏移时间来确定所述传输时间。可以在必须确定传输时间的流量计或其他任何设备的工厂中确定偏移时间。一旦已确定了所述时间的常数，就可以使用该常数，因为其不会发生变化。
优选地，多于两对时间差与时间被用于判定所述斜率是否是恒定的。以这种方式，可以选择斜率恒定的函数的范围。
在该方法的替代性或附加实施例中，在所述接收信号的中间区域中选择所述对。可以假设在中间区域中斜率是恒定的。
优选地，使用产生主频率的同一频率源来生成所述第一传输信号和所述第二传输信号，其中，通过将所述主频率除以不同系数来生成所述第一频率和所述第二频率。以这种方式，可以利用简单的装置来获得彼此直接相关的第一频率和第二频率，从而使得可以以足够的精度来确定时间差。
优选地，通过将所述主频率除以第一系数来生成所述第一频率，并且通过将所述主频率交替性地除以第二系数和不同于所述第二系数的第三系数来生成所述第二频率。在这种情况下，由平均值形成第二频率，即，只有当考虑到第二传输信号的两个周期时，才获得第二频率。然而，以这种方式，可以获得具有较小频率差的一对第一频率与第二频率。
在最后一种情况下，优选的是，所述接收信号中，在相隔两个周期的倍数的点处测量过零点。以这种方式，可以达到可以由用于产生第二频率的不同系数引起的误差的平均数。
在另一个优选的实施例中，使用不同的主频率以及对所述主频率进行相除的相同系数来生成所述第一传输信号和所述第二传输信号。在这种情况下，只需要单个分频器。
这个目的是通过开篇处所述的流量计这样来解决的：控制装置连接至用于生成所述第一传输信号的所述装置、连接至用于检测所述第一接收信号的所述装置、连接至用于生成所述第二传输信号的所述装置、并且连接至用于检测所述第二时钟信号的所述装置，所述控制装置借助于基于两个接收信号特性的时间函数来确定传输时间。
根据以上所述的方法来操作流量计。
附图说明
现在参照附图更详细地描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出了超声波流量计的示意图，
图2示意性地示出了两个具有不同频率的传输信号，
图3示意性地示出了相应接收信号，
图4示出了描述时间差与时间之间的关系的函数，并且
图5示意性地示出了传输信号频率的生成。
具体实施方式
图1示意性地示出了超声波流量计1。流量计1包括用于位于管3内流体的流动路径。传输器4被安排用于穿过流动路径2来传输脉冲串。由上游接收器5并且由下游接收器6接收此脉冲串。传输器4、上游接收器5和下游接收器6连接至控制单元7。
图1中的展示图被选择用于简化本发明的说明。实际上，将只有两个可以充当传输器和充当接收器的换能器。正常地，将存在形成一个或多个声音路径的被安排用于通过流动路径基本上在流动方向和与流动方向相反的方向上传输和接收声音脉冲串的两个或多个换能器。在脉冲式多普勒流量计的情况下，甚至可以使用在流动方向上或与流动方向相反的方向上的交替性地传输和接收脉冲串的单个换能器。
控制单元7确定在传输器4与上游接收器5之间的传输时间，并且其也确定在传输器4与下游接收器6之间的传输时间。如所已知的，流动路径2中流体的流速与上游传输时间与下游传输时间之间的差成正比。
控制单元7用于确定对应传输时间。
在许多情况下，可以使用可以作为传输器或接收器操作的换能器。因此，还可能省略下游接收器6，并且使用传输器4在上游方向上传输由接收器5接收的脉冲串，并且使用上游接收器5用于在下游方向上产生由传输器4接收的脉冲串。在这种情况下，必须在不同的时间处确定上游传输时间和下游传输时间。
为了确定在传输器4与上游接收器5之间的传输时间，控制单元7生成第一传输信号8(图2中以实线示出)以及第二传输信号9(图2中以虚线示出)。第一传输信号8和第二传输信号9具有不同的频率。传输器4在第一脉冲串中转换第一传输信号8，并且在第二脉冲串中转换第二传输信号9。
针对每个流动方向上的每次传输时间测量，执行两次分开的时间测量。利用具有频率fTx1的第一传输信号8来执行第一测量。利用具有频率fTx2的第二传输信号9来执行第二测量。对于图2中所示出的示例传输信号8、9，第一传输信号8的频率比第二传输信号9的频率高5％。然而，还有可能第二传输信号9的频率高于第一传输信号8的频率。
还将可能首先利用一个频率进行正常的上/下测量，接着利用另一个频率进行另一次正常的上/下测量——并且如下文中所述的从这些测量中推导出相同的信息。
利用两种频率在一个方向上(尽管在改变之前方向是优选的)进行传输的方法，即，因为可以快速连续地进行两次测量而无需过多关注来自第一传输的回波，即，只要第一测量用于差时间计算并且第二测量仅用于确定传输时间。
传输信号8、传输信号9两者的开始时间都用t0表示。
图3示出了相应接收信号，即，对应于第一传输信号8的第一接收信号10以及对应于第二传输信号9的第二接收信号11。
这两个接收信号10、11在传输时间处tt开始于公共起始点，其中，来自传输的声波进入上游接收器5。
由于这些不同频率，这两个接收信号10、11的过零点从此公共起始点起逐渐地分开。在正过零点之间的时间差用D1-Dn表示。
可以向第一接收信号10的每个过零点分配第二接收信号11的相应过零点。只需要计数每个接收信号10、11的正过零点数量以判定第一接收信号10的哪一个过零点与第二接收信号11的过零点相对应。另一种方式将是在已知的时间点处开始测量。
待测量的过零点时间用TZ1A、Tz2A、Tz1B、Tz2B表示，并且对应的差用DA和DB表示。
以这种方式，可以将第一接收信号10的过零点的时间确定为第一时间Tz1A，将第二接收信号11的相应过零点的时间确定为第二时间Tz2A，将第一接收信号10的另一个过零点的时间确定为第三时间Tz1B，并且将第二接收信号11的另一个相应过零点的时间确定为第四时间Tz2B。确定所述第二时间Tz2A与所述第一时间Tz1A之间的第一时间差DA，并且确定所述第四时间Tz2B与所述第三时间Tz1B之间的第二时间差DB。
图4中，相对第一接收信号10的过零点时间tn来绘制正过零点差Dn(tn)，即，在竖直轴线示出时间差Dn并且水平轴线示出差tn的时间的二维坐标系中。
可以看出，这些时间差与时间对形成了函数的曲线图12。曲线图或曲线12示出了实际带宽受限换能器的行为，包括各种声学延迟和电延迟。针对这种实际情况，换能器的频率在谐振频率处开始，并且然后逐渐被迫遵循对应传输频率。一旦达到传输频率，曲线图12的斜率A就变为常数。应当注意的是，图3的展示图被选择用于展示本发明，并且不能完全地反映接收信号的实际行为。图2和图3仅旨在示出过零点时间由于不同的频率而逐渐移开的原理。使用图2的传输信号，相应接收信号将在振幅上增长与传输信号的持续时间一样久，并且从此以后衰减。同时，过零点将仅移开大约传输信号的持续时间。
另一曲线图13示出了理想无限带宽换能器的差将如何表现。在这种情况下，换能器立即遵循传输频率，并且由此，过零点差以与频率差成正比的恒定斜率从tt处直接开始。通过计算两个分开的过零点差之间的斜率，可以计算出tt。
然而，由于是利用实际带宽受限的换能器来执行该方法，所以获得对应于曲线图12的函数，并且可以在此函数的帮助下计算起始点tt。起始时间tt与图2的零时间t0之间的差为传输时间。
为了简化传输时间的确定，在大多数情况下，足以确定曲线图12(即，该函数)的斜率A。然而，可以在此斜率A恒定的函数范围中确定此斜率。
存在两种可能性以确保斜率是恒定的。一种可能性是使用多于两对时间差与时间来判定斜率A是否是恒定的。另一种可能性是使用接收信号中间的时间差，在本情况下为第四和第六正过零点。优选地，一次将只使用两对，但是可以利用不同的起始点来进行更多的测量以用于判定斜率是否是恒定的。
当恒定斜率已知时，可以确定斜率与时间轴线tn相交的时间tc。从这个相交时间tc减去恒定偏移时间t偏移以得出传输时间tt。可以在工厂中确定偏移时间t偏移。只要换能器(传输器4和接收器5、6)的带宽是恒定的，该偏移时间就不会在超声波流量计的使用期间发生改变。出于同样的原因，使用具有高带宽的换能器将是有利的。高带宽换能器将具有较小偏移时间t偏移，并且因此对恒定带宽的要求相对较小。使用函数的“基本上(essentially)”恒定的斜率范围是一个可能的实施例，该实施例仅仅允许使用拟合至该函数的直线来确定相交时间tc和传输时间tt。
相当高带宽或相当低Q的另一个原因是换能器的带宽显然应该足够宽以覆盖这两个传输频率。
使用高带宽换能器的第三个原因是期望在最早可能的过零点处测量流动，因为信号中后来的点更可能受到来自例如管壁反射的影响。当使用直线拟合时，测量点必须在信号的“D范围的恒定斜率”内。该范围被与带宽成反比地延迟到信号中。
图5示意性地示出了传输信号生成的示例。
在本情况下，可以根据时钟频率F时钟生成传输信号8、9。
此时钟频率F时钟必须足够高以生成具有小频率差的两个信号。如图5中所示，如果需要对称的传输信号，则20％的频率差将需要例如，12MHz的时钟频率F时钟。
图5示出了具有频率f时钟为12MHz的时钟信号14的示例。
使用分频器，通过将时钟信号14除以系数10从而使得第一传输信号的频率fTx1为1.2MHz来生成第一传输信号8。以类似的方式，通过将时钟信号14除以系数12以得到频率fTx2＝1MHz来获得第二传输信号9。根据混合的时钟频率来生成时钟信号14。
为了利用相对较高频率分辨率来实现对称传输信号，尽管如此可能生成如图5中所示的信号9’的信号，其中，每个第二周期在低频率与高频率之间的变化以便获得如所示出的例如f时钟/11的平均频率。这里，换能器的带宽Q可以有助于平均这两个频率，并且其对于在相隔两个周期的倍数的点处测量接收信号过零点可能是有利地。

Claims (14)

1.一种用于确定在超声波流量计中的超声波脉冲串的传输时间(tt)的方法，所述方法包括：生成具有第一频率(fTx1)的第一传输信号(8)并且检测第一接收信号(10)；生成具有不同于所述第一频率(fTx1)的第二频率(fTx2)的第二传输信号(9)并且检测第二接收信号(11)，其中基于所述两个接收信号(10，11)特性的时间函数被用于确定所述传输时间，
将所述第一接收信号(10 )预定特性满足预定条件的时间确定为第一时间(tZ1A)，将所述第二接收信号的相应预定特性满足所述条件的时间确定为第二时间(tZ2A)，将所述第一接收信号(10 )的所述预定特性稍后再次满足所述条件的时间确定为第三时间(tZ1B)，将所述第二接收信号的所述预定特性稍后再次满足所述条件的时间确定为第四时间(tZ2B)，确定在所述第二时间(tZ2A)与所述第一时间(tZ1A)之间的第一时间差(DA)，确定在所述第四时间(tZ2B)与所述第三时间(tZ1B)之间的第二时间差(DB)，
其特征在于，使用时间差(Dn(tn))随着时间(tn)的函数(12)来确定所述传输时间(tt)，所述函数(12)至少包括一对所述第一时间差(DA)与所述第一时间(tZ1A)和所述第二时间(tZ2A)之一、以及一对所述第二时间差(DB)与所述第三时间(tZ1B)和所述第四时间(tZ2B)之一。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定特性为振幅水平。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预定条件为过零点。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述函数(12)至少包括一对所述第一时间差(DA)与所述第一时间(tZ1A) 以及一对所述第二时间差(DB)与所述第三时间(tZ1B)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述函数(12)的一范围中选择所述对，所述函数在所述范围中示出了恒定斜率(A)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过在时间轴线上选择所述恒定斜率(A)与所述时间轴线相交的点(tc)并且从所述点减去恒定偏移时间(t偏移)来确定所述传输时间(tt)。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，多于两对时间差与时间被用于判定所述斜率(A)是否是恒定的。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述接收信号(8)的中间区域中选择所述对。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，使用产生主频率(f时钟)的相同频率源来生成所述第一传输信号(8)和所述第二传输信号(9)，其中，通过将所述主频率(f时钟)除以不同系数来生成所述第一频率(fTX1)和所述第二频率(fTX2)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过将所述主频率(f时钟)除以第一系数来生成所述第一频率(fTX1)，并且通过将所述主频率(f时钟)交替性地除以第二系数和不同于所述第二系数的第三系数来生成所述第二频率(Tx2B)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述接收信号中，在相隔两个周期的倍数的点处测量过零点。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，使用不同的主频率以及用于对所述主频率进行除法的相同系数来生成所述第一传输信号(8)和所述第二传输信号(9)。
13.一种流量计，包括：用于生成具有第一频率(fTx1)的第一传输信号(8)的装置以及用于检测第一接收信号(10)的装置、用于生成具有不同于所述第一频率(fTx1)的第二频率(fTx2)的第二传输信号(9)的装置以及用于检测第二接收信号(11)的装置，其特征在于，控制装置连接至用于生成所述第一传输信号(8)的所述装置，连接至用于检测所述第一接收信号(10)的所述装置，连接至用于生成所述第二传输信号(9)的所述装置，并且连接至用于检测所述第二接收信号(11)的所述装置，所述控制装置借助于基于所述两个接收信号(10，11)特性的时间函数来确定传输时间，
其中所述控制装置将所述第一接收信号(10 )预定特性满足预定条件的时间确定为第一时间(tZ1A)，将所述第二接收信号的相应预定特性满足所述条件的时间确定为第二时间(tZ2A)，将所述第一接收信号(10 )的所述预定特性稍后再次满足所述条件的时间确定为第三时间(tZ1B)，将所述第二接收信号的所述预定特性稍后再次满足所述条件的时间确定为第四时间(tZ2B)，确定在所述第二时间(tZ2A)与所述第一时间(tZ1A)之间的第一时间差(DA)，确定在所述第四时间(tZ2B)与所述第三时间(tZ1B)之间的第二时间差(DB)，
其特征在于，所述控制装置使用时间差(Dn(tn))随着时间(tn)的函数(12)来确定所述传输时间(tt)，所述函数(12)至少包括一对所述第一时间差(DA)与所述第一时间(tZ1A)和所述第二时间(tZ2A)之一、以及一对所述第二时间差(DB)与所述第三时间(tZ1B)和所述第四时间(tZ2B)之一。
14.根据权利要求13所述的流量计，其特征在于，所述流量计为超声波流量计。
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