CN109883491B - 使用自适应多频跳频和编码的超声换能器 - Google Patents

Abstract

使用自适应多频跳频和编码的超声换能器。一种超声流量计（UFM）（100）包括用于附着到管道（160）的第一（）和第二超声换能器（），以及通过多路复用器（115）耦合到换能器的收发器（111，112）。具有关联的存储器（124）的控制器（120）运行自适应多频跳频和编码算法，所述算法使用至少选择相位的峰或量级的谷的阈值水平来选择将在测量的换能器阻抗频谱内进行跳频的的频率，并且为选择的频率选择编码方案以提供编码的频率序列。将响应于进入到流体中的具有编码的频率序列的超声信号而生成的接收信号解码，并且对解码的接收信号执行峰检测。根据解码的信号计算行程时间，并且然后根据行程时间确定流体的速度。

Description

使用自适应多频跳频和编码的超声换能器

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年12月6日提交的题目为“Ultrasonic transducers usingadaptive multi-frequency hopping and coding”的临时申请系列号No. 62/595,300的权益，通过引用将其全文合并于此。

技术领域

公开的实施例涉及超声流量计。

背景技术

也称为超声计的超声流量计（UFM）因为它们的测量宽范围的流率、引起最小的压力下降并且具有非移动部件因而提供更少的机械维护的能力而对于流量计量正变得非常流行。UFM中的关键硬件部件是包括压电元件的换能器。

对于流量计量，两个或更多个基于压电元件的换能器通过封装外壳向/从管道中流动的流体物质传输和接收超声信号。然而，具有高换能器信号质量的挑战仍然存在于诸如油/气工业之类的工业中，因为工业法规强加了特定的应用要求，所述应用要求包括针对危险和易燃区（例如，0区）的安全性、有时高达约220巴（bar）的高压以及在干扰下超过测量范围0.5％的国际法定计量组织（OIML）类（class），这需要更好的信噪比（SNR）和灵敏度以在应对实时干扰时处理低流率。

发明内容

提供了本发明内容是为了以简化的形式介绍对公开的概念的简要选择，这些概念在下面在包括提供的附图的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在限制要求保护的主题的范围。

不论存在多少换能器路径，常规UFM对于利用的所有单独的换能器路径都使用相同的信号编码和驱动信号。为减少这些路径之间的差异，通常执行预校准以在UFM中选择最佳匹配的路径。公开的方面认识到常规UFM超声信号质量受换能器的压电元件的操作模式和诸如其外壳和填充材料之类的其周围环境的影响，以及还受激励压电元件的生成的驱动信号的影响。差信号质量可以引起测量问题，所述测量问题诸如高信号噪声、信号响应的低幅度、不准确和/或不稳定的流量测量、路径故障和不可纠正的漂移误差，并且甚至可以导致UFM停止运转。

公开的UFM通过使用自适应多频跳频和编码解决了常规UFM的上述测量问题，以提供更低成本和更高性能。公开的方面包括一种UFM，所述UFM包括基于至少一个超声换能器对的阻抗频谱的匹配选择的至少一个超声换能器对，所述至少一个超声换能器对包括由距离间隔开的第一超声换能器、第二超声换能器，第一超声换能器、第二超声换能器用于插入管道中或者可以被配置为安装在管道外部的夹持（clamp-on）设备；具有通过数字控制的多路复用器耦合到超声换能器的收发器。控制器耦合到具有关联的存储器的控制器，所述关联的存储器存储自适应多频跳频和编码算法，或将算法实现为数字逻辑门。

所述算法用于使用阈值水平选择相位的至少一个峰或量级的至少一个谷来选择将在阻抗幅度和相位频谱的频率范围或带宽之内进行跳频的至少一个选择的频率，并且为选择频率选择编码方案以提供编码的频率序列。对响应于将具有编码的频率序列的超声信号传输到流体中而生成的接收信号进行解码，对该解码的接收信号执行峰检测，并且根据解码的接收信号计算行程时间。然后根据行程时间确定流体的速度。公开的UFM和相关方法通过改进包括SNR、早期噪声包（early noise package）（ENP）和交叉路径音（cross-pathtalk）的UFM的关键信号性能指标来改进针对给定的不完美超声换能器的信号质量。

附图说明

图1是根据示例实施例的安装用于在管道中流动的流体的流量测量的示例UFM的框图描绘。

图2A和图2B示出了根据示例实施例的用于示例超声换能器的仿真结果，其分别示出了是根据量级谷的基于量级的和根据换能器阻抗相位峰的基于相位的、用于选择针对UFM操作使用的激励频率的换能器阻抗阈值化（thresholding）。

图3A和图3B示出了根据示例实施例的在应用图2B中所示的相位峰阈值化之后的选择的频率和/>。

图4示出了根据示例实施例的具有2个频率和每频率1周期的传输编码的频率序列。

图5A和作为图5A的缩放版本的图5B示出了利用相应的唯一编码的频率序列接收的解码信号的检测。

具体实施方式

参考附图描述了公开的实施例，其中贯穿附图使用相同的参考标号指定类似或等同的元素。图不是按照比例绘制的并且提供它们仅用于图示本文中公开的方面。下面参考用于说明的示例应用描述若干个公开的方面。应当理解：记载了许多具体的细节、关系以及方法以提供对本文中公开的实施例的完全理解。

然而，在相关领域中具有普通技术的人员将容易地认识到：可以在没有具体的细节中的一个或多个细节的情况下或利用其他方法实践公开的实施例。在其他情况下，未详细示出公知的结构或操作以避免模糊本文中公开的方面。公开的实施例不受图示的动作或事件的排序限制，因为一些动作可以以不同的顺序发生和/或与其他动作或事件同时发生。此外，实现根据本公开的方法论并非需要所有图示的动作或事件。

而且，在没有进一步限制的情况下，本文中使用的术语“耦合到”或“与……耦合”（以及诸如此类）旨在描述间接或直接的电连接。因此，如果第一个设备“耦合”到第二个设备，则该连接可以通过直接的电连接，其中在路径中仅存在寄生现象；或可以通过经由包括其他设备和连接的中间项目的间接电连接。对于间接耦合，中间项目一般不修改信号的信息，但是可以调整它的电流水平、电压水平和/或功率水平。

图1是根据示例实施例的安装用于在管道160的截面中流动的流体的基于超声的流量测量的示例UFM 100的框图描绘。将UFM 100示出为包括匹配的超声换能器对，其包括示出为的第一超声换能器和示出为/>的第二超声换能器，它们彼此间隔开被示出为/>的距离。超声换能器/>和/>附接到管道160，一般使用气密和耐高压机构插入到管道160中或被配置为安装在管道160的外部上的夹持设备。超声换能器/>和/>采用压电晶体或压电陶瓷，当将交流（AC）电压信号施加到它们的压电元件时，压电晶体或压电陶瓷被设置成振动。在操作中，超声脉冲由换能器之一交替地传输并且由流量测量所需的另一个换能器接收。

管道160内的虚线示出轴向信号路径。如本领域中已知的那样，UFM可以包括多于图1中所示的2个换能器和/>的换能器，通常高达16个换能器。UFM 100包括传输器（Tx）111和接收器（Rx）112，或作为对如所示的单独的Tx和Rx的替代，可以存在收发器，通过数字控制的多路复用器（MUX）115分别耦合到/>和/>，数字控制的多路复用器（MUX）115使换能器和/>能够交换传输和接收角色。操作中的管道160在其中具有流体，所述流体是液体或气体。

UFM 100还包括控制器120，其一般包括微处理器、数字信号处理器（DSP）或微控制器单元（MCU），所述控制器120具有示出为‘MEM’的、可以存储算法的关联的存储器124，所述算法包括用于实现公开的方法的算法。将控制器120耦合到Tx 111和Rx 112，并且还将其耦合以控制MUX 115。然而，如本领域中所知的那样，由控制器120运行的算法可以由硬件实现和/或由软件实现。关于基于硬件的实现，可以诸如使用VHDL（硬件描述语言）将算法等式转换成数字逻辑门模式，可以使用诸如现场可编程门阵列（FPGA）之类的可编程设备或专用的专用集成电路（ASIC）实现逻辑门模式而然后实现数字逻辑门模式。关于基于软件的实现，用于算法的代码一般存储在可以由控制器120实现的诸如存储器124之类的存储器中。

存在耦合到控制器120的示出的人机接口（HMI）130，其一般包括键盘和显示器。操作者可以使用HMI 130调整由公开的算法生成的诸如用于频率选择和/或编码序列的阈值水平之类的参数，诸如如果需要的话，来应对极端流量条件和/或特定安装场景。

关于流速测量，来自换能器的声脉冲如同跨过河流的摆渡者一样正在跨过管道160。在没有流体在管道160中流动的情况下，声脉冲在两个方向上都以相同的速度传播。如果管道中的流体具有不同于零的流速，则随着流向下游行进（从到/>）的声脉冲将移动得更快，而逆着流体流向上游行进（从/>到/>）的声脉冲将移动得更慢。因此，与流体不移动时相比，下游行程时间“/>”将更短，而上游行程时间那些“/>”将更长。在本文中的渡越时间（Time of flight）（TOF）在本文中指代为对信号的行程时间的直接测量，或者还可以使用诸如基于Tx信号的系统互相关或基于后处理的互相关之类的间接方法来确定行程时间。下面的等式说明了计算原理，其中它们代表作为路径长度和路径相对于管道的角度的函数的行程时间、流体的速度和声音在流体中的速度。

其中：是在等式中被示出为换能器A的换能器/>与等式中被示出为换能器B的换能器/>之间的路径/>的下游行程时间。

是在换能器A和B之间的路径/>的上游行程时间。

是在两个换能器/>和/>之间的声路径/>的直线长度。

是路径/>相对于管道的角度。

是由路径/>的换能器测量的流体的未修正的原始速度。

是由路径/>的换能器测量的声音在流体中的速度。

图2A和图2B示出了根据示例实施例的用于示例超声换能器的仿真结果，其分别示出了是根据换能器阻抗量级谷的基于量级的和根据换能器阻抗相位峰的基于相位的选项、用于选择针对UFM操作使用的激励频率的换能器阻抗阈值化。一般地测量作为频率的函数的、针对多个超声换能器中的每个的在图2A中的换能器阻抗量级（以欧姆为单位）或图2B中的换能器阻抗的相位（以度为单位）来生成阻抗频谱，诸如对于量级和相位两者从100 kHz到300 kHz。在图2A和2B中被标识为1到6的相位频谱上的峰被示出具有是第一频率（示出为频率）和第二频率（示出为频率/>，其中/>）的峰，其中，在图2B中，存在高于阈值的相位峰，该阈值设置在被示出为S1的选择的相位值处。/>和/>线略微位于两端相位峰4和6的外部，因为这两个峰应当被包括在选择的频率范围内，使得/>和/>之间的跨度比所需的频率（此处是相位峰）的分隔略宽。还示出选择的从/>值延伸到/>值的带宽。如果代之以使用图2A中的量级频谱，则量级阈值将用于标识量级波谷（trough）。通过选择频率和带宽，可以最小化可能引起差的SNR和高ENP的不需要的谐振信号和杂波（clutter）。

图3A和图3B示出了根据示例实施例的在应用图2B中所示的相位峰阈值化之后的被标识为‘1’和‘2’的选择的频率和/>。选择的带宽（/>到/>）也再次被示出为在间隔开的竖直线之间。

针对每个匹配的换能器对定制的频率序列的单独编码和解码减少了路径之间的串扰并且增加了SNR。图4示出了根据示例实施例的使用2个选择的频率的传输编码的频率序列突发，用于操作超声换能器，2个选择的频率是227 kHz处的以及199 kHz处的/>，并且处于每频率1个周期。将幅度示出为规格化的。虽然示出的波形具有高频率到低频率的频率顺序，但是也可以是低频率到高频率。虽然示出为方波，但是施加到换能器的波形也可以是正弦波、锯齿波形或更一般地是任何周期性突发波形。还可以使用多个周期。相邻的突发之间的时间通过换能器对的路径长度确定。

图5A和作为图5A的缩放版本的图5B示出了包括利用相应的唯一编码的频率序列接收的超声信号的解码的信号检测。图5A和5B中的x轴是对应于所示时间的采样指数（index）。y轴是从1到-1伏特的规格化电压。通过峰检测确定相关的行程时间。然而，关于峰检测和行程时间确定的影响因素是ENP、第二包（对应于尾部的信号的部分）、SNR以及信号形状的包络。从包括换能器不完美性的各种源和应用条件导出那些因素。利用本文中公开的方法论，可以改进此类影响因素。

因此，公开的自适应多频跳频和编码方法经由针对给定的不完美的超声换能器硬件由软件或由数字逻辑运行的算法改进了用于UFM的信号质量。此类方法改进了诸如SNR、ENP以及交叉路径音之类的换能器信号质量的性能。

使用UFM的针对在管道中流动的流体的流量测量的方法包括测量作为频率的函数的超声换能器的样本中的每个的阻抗的量级或相位以生成阻抗频谱。从包括第一超声换能器和第二超声换能器的超声换能器的样本、基于它们的阻抗频谱的匹配选择至少一个换能器对。使用阈值水平选择相位的至少一个峰或量级的至少一个谷来选择将在阻抗频谱的带宽或频率范围之内进行跳频的至少一个频率。每个测量路径具有一个换能器对并且取决于该成对的换能器阻抗和相位频谱可以使用不同的频率和/或不同数量的频率。所利用的测量路径的最小数量可以是1。然而，实际上2个不同的测量路径一般是最小值。

为选择的频率选择至少一个编码方案来提供每个路径的编码的频率序列。可以利用以等于选择的频率的脉冲重复频率（PRF）编码的脉冲形状信号来执行编码方案。可以利用以等于选择的频率的正弦频率编码的正弦形状信号来执行编码方案，或利用具有脉冲间隔的正弦编码信号来执行编码方案，其中正弦编码信号的PRF等于选择的频率。利用编码的频率序列将超声信号传输到流体中。将响应于该传输而生成的接收信号解码。关于解码的接收信号执行峰检测。根据解码的接收信号计算行程时间，并且根据行程时间确定在管道中的流体的速度。

与现有技术的UFM相比，公开的方法和UFM的优势包括每个换能器对（路径）的频率序列的单独的编码/解码，使得它们可以减少路径之间的串扰并且增加SNR。跳频的频率是由特定的超声换能器匹配对的选择的自然的谐振频率确定的并且在有意义的频率范围或带宽之内的频率。这样，可以最小化可能引起差的SNR、高ENP以及信号形状的失真的不需要的信号和杂波，这对于其中需要高灵敏度UFM感测的、在低流率处的流量测量而言尤其需要。

虽然上面已经描述了各种公开的实施例，但应当理解：它们仅通过示例的方式呈现，并且并非作为限制。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以根据本文中的公开内容对公开的实施例进行许多改变。因此，本公开的广度和范围不应受到任何上述实施例的限制。相反，本公开的范围应根据以下的权利要求书及其等同物来限定。

Claims (12)

1.一种使用超声流量计(UFM)(100)的针对在管道(160)中流动的流体的流量测量的方法，包括：

测量作为频率的函数的超声换能器的样本中的每个的阻抗的量级或相位以生成阻抗频谱；

从包括第一超声换能器(T₁)和第二超声换能器(T₂)的超声换能器的所述样本、基于它们的所述阻抗频谱的匹配选择至少一个换能器对；

使用阈值水平选择所述相位的至少一个峰或所述量级的至少一个谷来选择将在所述阻抗频谱的带宽之内进行跳频的至少两个选择的频率；

为所述选择的频率选择至少一个编码方案以提供编码的频率序列；

利用所述编码的频率序列将超声信号传输到所述流体中；

解码响应于所述传输生成的接收信号；

关于所述解码的接收信号执行峰检测；

根据所述解码的接收信号计算行程时间，并且

使用所述行程时间确定所述流体的速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述选择至少两个选择的频率包括选择所述量级的所述谷。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述选择至少两个选择的频率包括选择所述相位的所述峰。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个编码方案包括多个不同的编码的频率序列。

5.根据权利要求1所述的方法，其中利用以等于所述选择的频率的脉冲重复频率(PRF)编码的脉冲形状信号执行所述编码方案。

6.一种超声流量计(100)，包括：

基于至少一个超声换能器对的阻抗频谱的匹配选择的所述至少一个超声换能器对，包括用于附接到管道的、间隔开距离的第一超声换能器(T₁)和第二超声换能器(T₂)；

收发器(111，112)，其通过数字控制的多路复用器(115)耦合到所述超声换能器；

耦合到所述收发器的控制器(120)，其具有存储自适应多频跳频和编码算法的关联的存储器(124)，或者将所述算法实现为数字逻辑，所述算法，

使用阈值水平选择相位的至少一个峰或量级的至少一个谷来选择将在所述阻抗频谱的带宽之内进行跳频的至少两个选择的频率；

为所述选择的频率选择至少一个编码方案以提供编码的频率序列；

解码响应于利用所述编码的频率序列将超声信号传输到流体中生成的接收信号；

关于所述解码的接收信号执行峰检测；

根据所述解码的接收信号计算行程时间，并且

根据所述行程时间确定所述流体的速度。

7.根据权利要求6所述的超声流量计，其中所述选择至少两个选择的频率包括选择所述量级的所述谷。

8.根据权利要求6所述的超声流量计，其中所述选择至少两个选择的频率包括选择所述相位的所述峰。

9.根据权利要求6所述的超声流量计，其中将所述算法实现为所述数字逻辑。

10.根据权利要求6所述的超声流量计，其中将所述算法实现为在所述存储器中的存储的算法。

11.根据权利要求6所述的超声流量计，其中所述至少一个编码方案包括多个不同的编码的频率序列。

12.根据权利要求6所述的超声流量计，其中利用以等于所述选择的频率的脉冲重复频率(PRF)编码的脉冲形状信号执行所述编码方案。