CN108700441A - 用于采样超声信号的方法以及用于采样超声信号的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对超声信号进行采样的方法和系统(1)，该系统包括被安排在连接至控制单元(4)的流体路径中的两个超声换能器(2，3)。本发明的任务是提供一种用于对超声信号进行采样的方法和系统，该方法和系统在不需要具有高采样频率的模数转换器的情况下允许获得更高分辨率的数字输出信号。该任务通过包括以下步骤的方法得以解决：a)将来自该控制单元(4)的输入电信号发送至第一超声换能器(2)，将该输入电信号转化成超声信号并且通过该流体路径将其发送至第二超声换能器(3)，b)在该第二超声换能器(3)处将该接收的超声信号转化成输出电信号，该输出电信号被发送至该控制器(4)，c)以一定采样频率将在该控制单元处接收的该输出电信号采样到第一系列数字样本中，d)使用相同电输入电信号重复步骤a)至c)至少一次，其中，在步骤c)中，从该相应输入电信号的开始时间测量的该采样的开始时间和/或采样频率与先前采样不同，e)组合该获得的一系列样本以便获得组合数字输出信号。

Description

用于采样超声信号的方法以及用于采样超声信号的系统

技术领域

本发明涉及一种用于对超声信号进行采样的方法，其中，两个超声换能器被安排在流体路径中，以便向彼此发射超声信号以及接收来自彼此的超声信号，并且其中，控制单元被安排用于向这些超声换能器中的每一个发送电信号以转化成超声信号，并且其中，该控制单元被安排用于接收来自两个超声换能器的从超声信号转化而来的电信号，并且其中，该控制单元包括模数转换器以便转换来自该超声换能器的电信号。本发明另外涉及一种用于对超声信号进行采样的系统，该系统被结构化并且被安排用于执行该方法。

背景技术

超声换能器的系统例如用在超声流量计中以检测流体路径例如水管线中的流速。为此，已知的是在流体路径中安排两个超声换能器以向彼此发送超声信号并且接收来自彼此的超声信号，以便例如通过检测将超声信号从第一换能器发送到第二换能器并且反之亦然的到达时间差来计算穿过流体管线的流速。由于用于此目的的超声换能器的尺寸和几何形状，超声信号的频率范围通常在MHz范围内。同时，集成在低成本微控制器中的模数转换器不具有能够对在奈奎斯特采样率以上的这种高频率的信号进行采样的足够高的转换速率。因此，这种超声系统的控制单元通常仅能够通过使用计算密集型信号处理来重构所接收的信号。

可替代地，更复杂且昂贵的控制单元并且尤其是模数转换器可以用于完全重构信号并且例如基于对过采样发射信号与过采样接收信号的比较来在超声系统上运行诊断。例如，可以检查控制单元与超声换能器之间的连接是否被正确地设置并且信号路径是否在正确地工作。然而，这些解决方案相当昂贵且通常仅在工业类型的流量计中用于测试新超声系统或在维护过程中用于找出具有控制单元的现有老系统的故障，该现有老系统仅能够对信号进行欠采样或根本不能使用信号采样。

从US 2014/0318268 A1中已知使用欠采样的超声流量计。其中，建议对欠采样的接收信号执行信号分析以提高在相反方向上发送的信号的到达之间的推导出的时间差的准确性。这样，流速可以根据信号差被计算出达到更高的准确性。然而，这种解决方案仍不能提供对所接收信号的适当数字化，并且因此例如不可以用于对发射信号和接收信号执行有效的诊断。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种用于对超声信号进行采样的方法以及一种用于对超声信号进行采样的系统，该系统允许在不增加系统成本的情况下将接收信号重构达到更高的时间分辨率。

根据本发明，以上任务通过包括以下步骤的方法解决：

a)将来自该控制单元的输入电信号发送至第一超声换能器，将该输入电信号转化成超声信号并且通过该流体路径将其发送至第二超声换能器，

b)在该第二超声换能器处将该接收的超声信号转化成输出电信号，该输出电信号被发送至该控制器，

c)以一定采样频率将在该控制单元处接收的该输出电信号采样到一系列数字样本中，

d)使用相同输入电信号重复步骤a)至c)至少一次，其中，在步骤c)中，从该相应输入电信号的开始时间测量的该采样的开始时间和/或采样频率与先前采样不同，

e)组合该获得的一系列样本以便获得组合数字输出信号。

在此，样本表示数字化中的单个值，并且一系列样本表示在步骤c)的每一次重复中获得的多个样本。

以上解决方案允许使用相对较慢的模数转换器，该模数转换器具有仅允许对接收的输出电信号进行欠采样的采样频率。通过使用相同输入电信号重复发送、接收和采样操作至少一次、优选地多次，可以获得具有比由使用的模数转换器提供的采样频率高得多的有效采样频率的组合数字输出信号。这种解决方案是适用的，因为如果在足够短的总时间间隔内重复该方法的步骤a)至c)，则流体路径中的流体状态和超声系统的设置两者均将不会显著改变。通常，可以在几十毫秒内执行大量的重复。每个系列样本然后给出关于信号曲线的其他点的信息，并且当所有获得的一系列样本被组合时，输出电信号可以在组合数字输出信号中被重构达到较高准确性。在本申请的上下文中，发射信号是指已经经过发射超声换能器的信号。发射信号通常与输入电信号不同，因为其已经受到发射超声换能器的特性的影响。类似地，接收信号表示已经经过接收超声换能器的信号。

此外，所产生的高分辨率数字输出信号还允许在较低的计算工作量下实现较高准确性，例如，如果采样方法用在用于测量流体路径中的流体的流速的超声系统中。在这种情况下，采样方法将一次用于从第一超声换能器到第二超声换能器的第一方向，并且然后第二次用于从第二超声换能器到第一超声换能器的相反方向。这样，可以获得两个高分辨率数字输出信号，其允许将到达时间差推导达到更高准确性，并因此例如更准确地测量流速。

存在两种方式来确保不同组的样本映射输出电信号的不同部分。从相应输入电信号的开始时间测量的采样的开始时间可以针对步骤a)至c)的每一次随后重复而改变。这可以以恒定采样频率执行但这不是必需的。可替代地或另外地，采样频率可以针对步骤a)至c)的每一次重复而改变。这样，仍可以在组合数字输出信号中获得高分辨率。

优选的是，每次采样的采样频率都是相同的。优选地，在这种情况下，使用可用于模数转换器的最高采样频率。因此，可以用最少数量的重复步骤实现所产生的组合数字输出信号的最高分辨率。

优选地，每个随后系列样本的采样开始时间差为1/(N fs)，其中，N是执行的一系列样本的数量，并且fs是采样频率。使用这种解决方案，确保了在组合数字输出信号中的完整输出电信号由在每一个样本之间具有恒定时间差的组合的一系列样本来映射。因此，数字输出信号的分辨率是恒定的。

优选的是，每个系列样本中的样本的数量大于该接收信号的持续时间乘以该系列样本的相应采样频率。尤其地，如果从相应输入电信号的开始时间测量的采样的开始时间相对于先前采样有所改变，则可以确保每一组样本仍将覆盖输出电信号中的大部分或全部。在每种情况下，采样然后还可以在超声信号到达第二超声换能器之前开始。优选地，在每个系列样本中的样本的数量是该接收信号的持续时间乘以该系列样本的相应采样频率的至少两倍大。

优选的是，所有系列样本的采样频率低于该输入电信号的奈奎斯特率。奈奎斯特率是输入电信号的带宽的两倍。在这种情况下，相对便宜的模数转换器可以用在控制单元中。所有系列样本的采样频率可以低于每秒一百万个样本。

优选的是，将组合数字输出信号与输入电信号进行比较以诊断超声换能器与控制单元之间的连接。在这种情况下，采样方法可以用于通过将输入电信号与组合数字输出信号进行比较来检测超声换能器与控制单元之间的信号路径中的误差。在此，对信号进行比较并不一定意味着是对信号进行直接比较(其可能需要大量的信号处理)。并不一定需要将输入电信号直接与组合数字输出信号进行比较。例如，可以将输入电信号的已知代表量与组合数字输出信号或组合数字输出信号的代表量进行比较。可替代地，组合数字输出信号的代表量和组合数字输入信号的代表量相比较以用于对系统进行诊断。例如，在流动装备中的流量计的校准和认可验证期间，该方法可以用于现场测试全组装式流量计。不必安装额外的测试设备，这将是不切实际的，因为流量计然后将必须部分地被拆卸并在之后重新安装。因此，在流量计最终组装后，其也不允许进行全面验证。这是根据本发明的采样方法的进一步优点，因为系统本身可以进行诊断，而不必安装额外的测试设备。

此外，优选的是，步骤a)至e)在相反的信号方向上重复，并且其中，将两个所产生的组合数字输出信号进行比较。在此，相反的信号方向是指从控制单元到第二超声换能器、到第一超声换能器并且然后返回到控制单元的方向。在这种情况下，采样方法可以用于包括两个超声换能器和控制单元的系统的正常操作，例如，超声流量计。对两个所产生的组合数字输出信号的比较然后将导致例如对流速的测量达到更高的准确性。可替代地或另外地，该比较还可以用于在正常操作期间执行信号路径分析。信号分析可以包括使用快速傅里叶变换和/或离散时间傅里叶变换。

优选的是，该流体的流速是根据这两个组合数字输出信号之差计算的。“差”在此可以例如是指信号的到达时间差或在相反方向上发送的组合数字输出信号之间的相移。除了采样方法的诊断优点之外，然后还可以在超声流量计的正常操作中使用采样方法以便以高准确性检测流体的流速。能够数字化具有更高分辨率的接收信号还可以允许更精确地计算超声信号在相反方向上的到达时间差并且可以提高流速测量的准确性。此外，数字化的接收信号和/或数字化的发射信号的更高分辨率还可以允许减小检测故障信号路径或实现流速测量的高准确性所需的信号处理量。

优选地，该发射信号被数字化采样至少两次，其中，在采样的每一次重复中，从该相应发射信号的开始时间测量的采样的开始时间和/或采样频率与先前采样不同，并且该获得的一系列样本被组合以获得组合数字输入信号。每一次采样重复可以在将发射信号发送至第一超声换能器之前执行并且然后在步骤a)至c)的下一次重复中再次执行，或者所有系列样本可以在将第一发射信号发送至第一超声换能器之前一个接一个地获得。如果在相反的信号方向上发送信号，例如如果在系统的正常操作期间例如作为流量计使用采样方法，则当然也可以执行发射信号的这种数字化。通过将组合数字输入信号与组合数字输出信号进行比较，然后可以执行对超声系统的详细分析，并且例如诊断故障信号路径或电连接或检测超声系统在流体路径中的错误安装。组合数字输入信号和组合数字输出信号的不同特性然后可以暗示例如信号路径中的不同问题。可以使用关于接收信号相同的采样步骤在电子器件内重复采样发射信号。可以在步骤a)至c)的每一次重复的开始之前采样发射信号或者可以在第一次将发射信号发送至第一超声换能器之前执行多次采样重复。在此，采样重复意味着发射信号也使用交织欠采样进行数字化。采样或发射信号可以在直接发射信号上或在从发射信号导出的信号上执行，例如，从控制单元的发射器阶段。当对发射信号进行采样时，可以使用如针对接收信号的用于交织采样的相同方法，即，接收信号的采样的开始时间和/或采样频率可以针对发射信号的每一次随后采样而改变。类似地，组合数字输入信号可以通过组合获得的一系列发射信号样本来获得。

以上任务还由用于对超声信号进行采样的系统来解决，该系统包括被安排在流体路径中的两个超声换能器，这两个超声换能器用于向彼此发射超声信号以及接收来自彼此的信号，并且其中，控制单元被安排用于向这些超声换能器中的每一个发送电信号以转化成超声信号，并且其中，该控制单元被安排用于接收来自两个超声换能器的从超声信号转化而来的电信号，并且其中，该控制单元包括模数转换器以便转换从该超声换能器接收的电信号，其特征在于，该系统被结构化并且被安排用于执行根据以上实施例中的任何一项的方法。尤其地，控制单元被安排用于重复以上方法中的步骤a)至c)至少一次、优选地多次，以接收来自从重复发送和接收相同输入电信号所获得的若干系列样本的组合数字输出信号。

优选的是，该模数转换器具有大于该输入电信号的频率的模拟带宽。这允许将模数转换器用于对高达模数转换器的模拟带宽的相对高频的超声信号进行上述顺序交织欠采样。

优选地，该模数转换器具有大于10MHz的模拟带宽。超声流量计的发射信号和接收信号的公共频率在0.5到5MHz的范围内。在模数转换器的模拟带宽大于10MHz的情况下，因此可以对这种高频超声信号进行上述顺序交织欠采样。然而，在原则上充分的是，模数转换器的模拟带宽至少等于信号带宽。

优选地，输入电信号具有0.5到5MHz的频率。使用这种频率范围的输入电信号，模数转换器应当具有足够大的模拟带宽，优选地超过10MHz，以避免衰减被抽样的信号。

附图说明

现在将参照附图来描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明的用于对超声信号进行采样的系统，

图2示出了根据本发明的用于对超声信号进行采样的方法的多个部分。

具体实施方式

图1示出了用于对超声信号进行采样的系统1，该系统包括第一超声换能器2、第二超声换能器3以及控制单元4。第一超声换能器2和第二超声换能器3被附接至流体管线5，在这种情况下为管件。流体管线5还可以是流体管或具有更一般形状的流体段。此外，超声换能器2、3连接至控制单元4，使得超声换能器可以接收来自控制单元4的电信号并且向该控制单元发送电信号。

在此，控制单元4被示出为简化为具有壳体6以及电子部件7，在这种情况下是印刷电路板。模数转换器可以是电子部件7的一部分。

流体管线5包括流入口8、以及流出口9。流动衬里10被安排在流体管线5中。系统1还包括被安排在流体管线5中的声音反射器11、12。流动衬里10和声音反射器11、12贯穿流体管线5中的流体路径来提供声音路径13。

在这个实施例中，系统1还包括被安排在流体管线5中的温度传感器14。温度传感器14可以例如用于猜测流速测量。为了推断出流速，通常需要知道可以根据其计算出流体声速的温度。流体的温度相关的声速是用于计算根据在相反方向上发送的信号的到达时间差而减小的流速的输入。

在系统的操作期间，输入电信号被例如从控制单元4发送至第一超声换能器2。在该第一超声换能器处，输入电信号被转化为超声信号并被发送到朝向声音反射器11的流体路径中。在该流体路径中，超声信号沿着声音路径13被反射朝向声音反射器12，在该声音反射器处该超声信号被反射朝向第二超声换能器3。第二超声换能器3将超声信号转化为输出电信号，该输出电信号被发送至控制单元4。以一定采样频率将在该控制单元4处接收的该输出电信号采样到第一系列数字样本中。在操作期间，重复上述发送步骤和接收步骤至少一次、优选地多次，以获得大量的一系列样本，这些样本可以被组合成具有比每一个单独的一系列样本更高的有效采样频率的数字输出信号。因此，可以使用具有相对低的最大采样频率(例如，低于每秒一百万个样本)的模数转换器，并且仍然可以对具有相对高频率的超声信号进行采样和解析。

参照图2解释了这种组合的交织欠采样的示例。在此上部信号曲线示出了用Tx表示的发射信号，并且下部信号曲线示出了用Rx表示的接收信号。括号中的数字表示根据权利要求1所述的方法的步骤a)至c)的当前重复次数。在这个示例中，与先前采样相比，通过在每组样本的开始之间添加时延来执行交织欠采样。在此，Tss表示从发射信号Tx的开始到Rx采样开始的时间。在用于步骤a)至c)的每一次随后重复的采样方法的给定实施例中，添加用于采样开始的附加时延Ts。总共N个采样序列是在重复发送的完全相同输入电信号上执行的。

通过接收信号Rx上的小圆以简化方式来描绘采样。对于接收信号的每一次采样操作，周期Tu-s以及因此采样的采样频率在这个实施例中是相同的。另外地或可替代地，可替代地还可以改变采样频率以允许接收信号的经改进映射，使得组合数字输出信号将具有足够高的时间分辨率。

如在给定示例中可以看到的，接收信号的简单单个采样将不会导致接收的输出电信号的正确表示，因为采样频率太低而不能单独地从每个系列样本中适当地解析接收信号Rx。

在给定实施例中，每个随后的系列样本的采样的开始时间差为1/(N fs)，其中，N是给定样本组中执行的一系列样本的数量，并且fs是采样频率。这样，可以确保可以利用组合数字输出信号中的采样点的均匀分布来对接收信号Rx进行采样。

因此，所提供的用于对超声信号进行采样的方法以及用于对超声信号进行采样的系统在不需要具有非常高采样频率的昂贵模数转换器的情况下允许采样具有高时间分辨率的超声信号。采样方法的使用允许在安装之后或在操作期间直接在现场执行超声系统的复杂诊断。不必使用额外的诊断设备，但系统能够根据组合数字输出信号的形状和质量检测出故障信号路径和其他问题。在现有技术中，数字输出信号在已知的流量计中不具有足够的分辨率来执行高级信号路径诊断或电子器件的详细误差分析。

此外，采样方法还允许以低计算工作量获得高分辨率测量以用于信号分析。例如，如果系统被用作超声流量计，则可以准确地获得流速。

Claims (13)

1.一种用于对超声信号进行采样的方法，其中，两个超声换能器(2，3)被安排在流体路径中，以便向彼此发射超声信号以及接收来自彼此的超声信号，并且其中，控制单元(4)被安排用于向这些超声换能器(2，3)中的每一个发送电信号以转化成超声信号，并且其中，该控制单元(4)被安排用于接收来自两个超声换能器(2，3)的从超声信号转化而来的电信号，并且其中，该控制单元(4)包括模数转换器以便转换来自该超声换能器(2，3)的电信号，其中，该方法包括以下步骤：

a)将来自该控制单元(4)的输入电信号发送至第一超声换能器(2)，将该输入电信号转化成超声信号并且通过该流体路径将其发送至第二超声换能器(3)，

b)在该第二超声换能器(3)处将该接收的超声信号转化成输出电信号，该输出电信号被发送至该控制器(4)，

c)以一定采样频率将在该控制单元处接收的该输出电信号采样到一系列数字样本中，

d)使用相同电输入电信号重复步骤a)至c)至少一次，其中，在步骤c)中，从该相应输入电信号的开始时间测量的该采样的开始时间和/或采样频率与先前采样不同，

e)组合该获得的一系列样本以便获得组合数字输出信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，每次采样的采样频率是相同的。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，每个随后系列样本的采样开始时间差为1/(Nfs)，其中，N是执行的一系列样本的数量，并且fs是采样频率。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在每个系列样本中的样本的数量大于该接收信号的持续时间乘以该系列样本的相应采样频率。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所有系列样本的采样频率低于该输入电信号的奈奎斯特率。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，将该组合数字输出信号与该输入电信号进行比较以检测该超声换能器(2，3)与该控制单元(4)之间的故障信号路径。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，步骤a)至e)在相反信号方向上重复，其中，将这两个所产生的组合数字输出信号进行比较。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，该流体的流速是根据这两个组合数字输出信号之差计算的。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，该发射信号被数字化采样至少两次，其中，在对该发射信号的采样的每一次重复中，从该相应发射信号的开始时间测量的该采样的开始时间和/或采样频率与该发射信号的先前采样不同，并且该获得的一系列样本被组合以获得组合数字输入信号。

10.一种用于对超声信号进行采样的系统，该系统包括被安排在流体路径中的两个超声换能器(2，3)，这两个超声换能器用于向彼此发射超声信号以及接收来自彼此的超声信号，并且其中，该控制单元(4)被安排用于向该超声换能器(2，3)中的每一个发送电信号以转化成超声信号，并且其中，该控制单元(4)被安排用于接收来自两个超声换能器的从超声信号转化而来的电信号，并且其中，该控制单元包括模数转换器以便转换从该超声换能器(2，3)接收的电信号，其特征在于，该系统(1)被结构化并且被安排用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，该模数转换器具有大于该输入电信号的频率的模拟带宽。

12.根据权利要求10或11所述的系统，其特征在于，该模数转换器具有大于10MHz的模拟带宽。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的系统，其特征在于，该输入电信号具有0.5到5MHz的频率。