CN110799810A - 用于测量流体速度的方法 - Google Patents

用于测量流体速度的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110799810A
CN110799810A CN201880042944.1A CN201880042944A CN110799810A CN 110799810 A CN110799810 A CN 110799810A CN 201880042944 A CN201880042944 A CN 201880042944A CN 110799810 A CN110799810 A CN 110799810A
Authority
CN
China
Prior art keywords
measurement
sample
path
delay
ultrasound
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201880042944.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110799810B (zh
Inventor
H·泰布尔勒
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sagemcom Energy and Telecom SAS
Original Assignee
Sagemcom Energy and Telecom SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sagemcom Energy and Telecom SAS filed Critical Sagemcom Energy and Telecom SAS
Publication of CN110799810A publication Critical patent/CN110799810A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110799810B publication Critical patent/CN110799810B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G01F1/668—Compensating or correcting for variations in velocity of sound
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/10—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/245—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by measuring transit time of acoustical waves
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/15—Correlation function computation including computation of convolution operations
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/17—Function evaluation by approximation methods, e.g. inter- or extrapolation, smoothing, least mean square method
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/1205—Multiplexed conversion systems
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/124—Sampling or signal conditioning arrangements specially adapted for A/D converters

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

一种用于测量流体速度的方法，该方法包括以下步骤：‑传送超声测量信号(Se)；‑采集并数字化在超声测量信号(Se)行进限定长度(L)的路径之后的所接收的超声测量信号(Sr，Sr1，Sr2)的测量部分(25，26)以获得测量样本；‑从这些测量样本估算该测量部分的振幅；‑访问来自预填充的参考表和存储在存储器中的参考样本，这些参考样本形成参考曲线，该参考曲线是这些测量样本的插值；‑通过将这些测量样本乘以参考曲线的振幅与测量部分的振幅之间的比率来产生经调整的测量样本；‑针对每个经调整的测量样本，确定经调整的测量样本与参考曲线之间的单位时延；‑针对每个经调整的测量样本，从单位时延和参考样本来估算测量部分的过零时刻，从过零时刻的平均值来估算超声测量信号行进限定长度的路径所花费的时间；‑从行进时间测量来估算流体速度。

Description

用于测量流体速度的方法
本发明涉及用于测量流体速度的方法的领域。
发明背景
基于超声的流体计量器通常使用用于通过发射和接收测量超声信号来测量流体速度的设备来测量在管道中流动的流体的流速。
该测量设备包括连接到管道的导管，流体在其中流动。为了测量流体速度，在管道中发射穿过限定长度的路径的测量超声信号，测量由测量超声信号从上游到下游以及从下游到上游穿过限定长度的路径所花费的各路径时间，以及特别是基于限定长度和各路径时间之差来估算流体速度。
此类测量设备1(有时被称为经典管道)在图1中可见。测量设备1包括第一换能器2a、第二换能器2b、以及链接至第一换能器2a和第二换能器2b的测量模块3。
第一换能器2a和第二换能器2b在频率和发射电平上是配对的。第一换能器2a和第二换能器2b例如是压电换能器。
因此，限定长度的路径是第一换能器2a和第二换能器2b之间的长度为L的直线路径。
第一换能器2a发射测量超声信号Se。测量超声信号Se例如是基于矩形信号4而生成的。第二换能器2b接收由测量超声信号Se在流体中的传播而产生的接收到的测量超声信号Sr。
测量模块3测量由测量超声信号Se从上游到下游穿过限定长度的路径所花费的路径时间。
实际上，测量模块3测量从第一换能器2a到第二换能器2b的总传输时间TAB。
总传输时间TAB使得:
TAB＝TAA+ToFAB+TRB，其中：
-TAA是第一传感器2a的导通时间；
-ToFAB对应于由测量超声信号Se穿过第一换能器2a和第二换能器2b之间的限定长度路径所花费的飞行时间；
-TRB是第二换能器2b的接收时间。
同样地，第二换能器2b发射由第一换能器2a接收的测量超声信号。
总传输时间TBA使得:
TBA＝TAB+ToFBA+TRA，其中：
-TAB是第二传感器2b的导通时间；
-ToFBA对应于由测量超声信号穿过第二换能器2b和第一换能器2a之间的限定长度路径所花费的飞行时间；
-TRA是第一换能器2a的接收时间。
通过假定：
TAA＝TAB和TRA＝TRB，我们得到：
ΔT＝TBA-TAB＝ToFBA-ToFAB＝DToF，
其中DToF是飞行时间差。
但是，DToF与流体的平均速度成比例，并且测量模块3随后使用以下公式来计算流体的平均速度
Figure BDA0002337965040000023
其中C是流体中超声速度。例如，水中的超声波速度约等于1500m/s，并取决于水的温度。
测量模块3随后从带符号的平均速度
Figure BDA0002337965040000024
中推导在管道中流动的流体的流速。
为此类基于超声的流体计量器而指定的流速测量跨度非常宽，并且可以在测量启动流速1l/h和最大流速2500l/h之间延伸。此类流速测量跨度对应于带符号的DToF值，其绝对值位于时间测量跨度内，该时间测量跨度在20℃的水温处在315ps和393.5ns之间延伸。为了获得整个流速测量跨度内所需的精度，在整个时间测量跨度上产生特别精确的DToF测量是恰适的。
发明目标
本发明的目的是改进由基于超声的流体计量器执行的流速测量的精度。
发明内容
为实现该目的，提出了一种用于测量流体速度的方法，该方法包括以下步骤：
-发射测量超声信号；
-采集并数字化在测量超声信号穿过限定长度的路径之后接收到的测量超声信号的测量部分以获得测量样本；
-访问存储在存储器中的预填充参考表的参考样本，所述参考样本形成参考曲线，所述参考曲线构成所述测量样本的插值；
-在测量样本和参考样本的基础上产生测量超声信号穿过限定长度的路径的路径时间的测量值；
-在路径时间测量的基础上来估算流体的速度。
所接收的测量超声信号的测量部分的数字化使得可以获得测量样本，可以在该测量样本上执行多样的处理。这些处理提供对流体速度非常精确的估算，并且因此提供对流速非常精确的估算。
还提出了一种基于超声的流体计量器，其包括第一换能器、第二换能器和测量模块，该测量模块包括主微控制器、从微控制器和FPGA，在该FPGA中编程有延迟生成块，基于超声的流体计量器被设计成实现刚描述的测量方法。
还提出了一种计算机程序，该计算机程序包括用于由基于超声的流体计量器的微控制器来实现刚描述的测量方法的指令。
此外，提出了一种存储计算机程序的存储装置，该计算机程序包括用于由基于超声的流体计量器的微控制器实现刚描述的测量方法的指令。
在阅读了下面的对本发明的非限制性特定实施例的描述之后，本发明的其他特征及优点将显现。
附图说明
将对附图作出参考，其中：
-图1表示根据现有技术的基于超声的流体计量器；
-图2表示基于超声的流体计量器，其中实现了根据本发明的第一实施例的测量方法；
-图3表示基于超声的流体计量器的测量模块的主微控制器、从微控制器和FPGA；
-图4表示在从上游到下游穿过限定长度的路径之后所接收的测量超声信号，以及从下游到上游穿过限定长度的路径之后所接收的测量超声信号；
-图5表示参考曲线；
-图6是其上表示路径时间测量点的图。
具体实施方式
参照图2，在此在基于超声的水表10中实现了根据本发明的第一实施例的用于测量流体速度的方法。
基于超声的水表10包括：导管，其中流动着由供水网提供给设施的水；以及用于测量水速的设备11。
如通过箭头14的意思所指示的，水在导管中从上游流向下游，但同样可以从下游流向上游。
测量设备11包括第一换能器12a、第二换能器2b、以及链接至第一换能器12a和第二换能器12b的测量模块13。
第一换能器12a和第二换能器12b是配对的。在此，第一换能器12a和第二换能器12b是压电换能器。
测量模块13驱动第一换能器12a和第二换能器12b。
参照图3，测量模块13包括主微控制器15、从微控制器16、FPGA 17和存储器18。
主微控制器15包括温度测量块20，温度测量块20采集由位于导管中或该导管附近的温度传感器执行的对流体的温度测量。
从微控制器16包括12比特模数转换器21。
主微控制器15和从微控制器16通过通信信道22来链接，该通信信道在此是SPI(串行外围接口)总线。
主微控制器15被链接到FPGA 17。
第一换能器12a和第二换能器12b各自相继地实现测量超声信号Se的发射机的功能和所接收的测量超声信号Sr的接收机的功能。
因此，测量模块13将电信号提供给发射机，发射机将其转换成测量超声信号Se。电信号在此是矩形信号24。测量模块13采集由接收机接收的所接收的测量超声信号Sr。
发射机以发射频率fus来发射测量超声信号Se。频率fus通常在900kHz至4MHz之间，并且在此等于1MHz。
因此，测量超声信号Se在第一换能器12a和第二换能器12b之间从上游到下游以及从下游到上游穿过限定长度L的路径。限定长度的路径在此是第一换能器12a和第二换能器12b之间的直线路径。
在图2中，已经表示了实现发射机功能的第一换能器12a和实现接收机功能的第二换能器12b。因此，测量超声信号Se从上游到下游穿过限定长度的路径。测量超声信号Se由发射机以电平NE来发射。所接收的测量超声信号Sr由接收机以低于电平NE的电平NR来接收。
测量模块13产生代表由测量超声信号Se从上游到下游穿过限定长度L的路径所花费的时间的路径时间测量，并且随后产生代表由测量超声信号Se从下游到上游穿过限定长度L的路径所花费的时间的路径时间测量，并且随后根据这些路径时间测量而最终估算出水速。
图4首先表示所接收的测量超声信号Sr1，测量超声信号Sr1在从上游到下游穿过限定长度L的路径后由测量模块13来接收。
接收机在时刻T0处与测量超声信号的发射同步地激活该接收。发射机和接收机的配对实现了该同步。
基于所接收的测量超声信号Sr1的预定波瓣的发生时刻T1的确定来获得上游到下游的路径时间测量。
发生时刻T1在此是预定波瓣的下降沿发生的时刻。发生时刻T1是过零时刻，其通过“过零”类型的方案来测量。
预定波瓣是所接收的测量超声信号Sr1的振幅在时刻T2已超过预定的振幅阈值Sa之后所接收的测量超声信号Sr1的第j个波瓣。在该实例中，在此，第j个波瓣是第四波瓣25。
此外，图4表示所接收的测量超声信号Sr2，测量超声信号Sr2在从下游到上游穿过限定长度L的路径后由测量模块13来接收。
基于所接收的测量超声信号Sr2的第四波瓣26的发生时刻T'1的确定来获得下游到上游的路径时间测量。
此后，水速由测量模块13因变于上游到下游的路径时间测量以及下游到上游的路径时间测量来评估。
水速与下游到上游的路径时间测量和上游到下游的路径时间测量之差成比例。
应注意，所测量的水速是导管直径内的平均水速，水团的速度在导管中心处以及在管壁附近确实不同。
该测量方法的目的之一是获得发生时刻T1和T'1的非常精确的测量。
每个所接收的测量超声信号Sr由测量模块13的从微控制器16来采集。
从微控制器16的模数转换器21将所接收的测量超声信号Sr的测量部分数字化。
测量部分对应于以上定义的第四波瓣。测量模块13命令测量超声信号Se的发射时刻，并且因此可以在采集第四波瓣的过程中估算时间间隔。
模数转换器21以4MHz采样所接收的测量超声信号Sr。
在此，从微控制器16产生四个测量样本，每个测量样本通过采样周期Te＝250ns来间隔开。因此，四个测量样本位于第四波瓣上。
接下来，从微控制器16通过计算四个测量样本的平均值来估算这四个测量样本的偏移。从每个测量样本中减去该偏移。作为变型，可以根据先前测量中所有样本的算术平均来确定该偏移。
从微控制器16随后基于这些测量样本来估算测量部分的(即第四波瓣的)振幅。
每个测量样本Ak(在此k在1和4之间变化)可以通过以下公式来估算：
Figure BDA0002337965040000061
其中对于测量样本Ak，相位
Figure BDA0002337965040000062
是固定的。
因此，对第四波瓣的振幅的估算包括计算值ames。
从微控制器16此后将访问存储在存储器18中的预填充参考表中包含的参考样本。参考样本形成参考曲线。
参照图5，在此，参考曲线是一段时期的频率为1MHz的参考正弦波30，这对应于测量超声信号Se的频率fus，并且因此对应于所接收的测量超声信号Sr的频率fus。在此，两个参考样本在时间上间隔50ps，从而20000个参考样本被存储在存储器18中。
从微控制器16计算参考正弦波30的振幅与第四波瓣的振幅之间的比率，并且通过将测量样本Ak乘以所述比率来调整测量样本Ak。
因此，从微控制器16产生经调整的测量样本。
除了在每个经调整的测量样本与参考正弦波30之间存在单位时移的事实外，参考正弦波30构成了经调整的测量样本的正弦波插值，并且因此也构成了测量样本的正弦波插值。在参考正弦波30具有零相位的情形中，单位时移对应于每个经调整的测量样本的相位，也就是说，对应于先前提到的相位
Figure BDA0002337965040000071
单位时移根据经调整的测量样本而不同，并且尤其取决于采样调节中的抖动。
对于每个经调整的测量样本，单位时移按以下方式来估算。
经调整的测量样本的值必须位于两个参考样本的值之间。因此，从微控制器16执行线性插值或任意阶数n的二次插值，以在参考正弦波上获得参考时间，该参考时间与经调整的测量样本的值相关联。单位时移对应于参考时间与测量时间之差，测量时间是采集测量样本的时间，其中经调整的测量样本结果来自该测量样本。
接下来，对于每个经调整的测量样本，估算第四波瓣的过零时刻。该估算使用单位时移和参考正弦波30的参考样本。单位时移使得参考正弦波30拟合到经调整的测量样本成为可能。因此，从微控制器16使用偏移了等于单位时移的延迟的参考样本来确定过零时刻。因此，过零时刻的确定使用没有经历任何抖动类型干扰的“理想”参考样本。
因此，此处获得了第四个波瓣的过零时刻的四个估算(每个经调整的测量样本一个估算)。
过零时刻的最终估算是通过对四个过零时刻进行平均而获得的。
此后，测量模块13计算单位时移的平均值以获得对应于测量部分和参考正弦波30之间的偏移的总体时移。
该测量方法此后包括：对于后续采集，将所接收的测量超声信号Sr的测量部分的采样偏移等于总体时移的采样延迟。因此，对于后续采集，经调整的测量样本将与参考正弦波30的“理想”参考样本一致。
该采样的移位包括：将时钟信号CLK移位，该时钟信号CLK调节从微控制器16的模数转换器21。
FPGA 17的控制块32和延迟生成块33被编程以实现该功能。延迟生成块33包括N个延迟级的链35和复用器36。
每个延迟级包括两个串联安排的反相器。N个延迟级各自通过其在链中从左到右的位置来指定。每第k个延迟级的输出被链接到第k+1个延迟级的输入。
FPGA 17接收时钟信号CLK。时钟信号CLK作为输入被施加到第一延迟级，也就是说作为输入被施加到N个延迟级的链35。
复用器36包括：N个输入E1……EN，每个输入链接到延迟级之一的输出；以及输出S。此外，复用器36还接收N个控制信号38。每个控制信号38与一延迟级相关联。所有的控制信号都处于1，除了其中控制信号38之一处于0之外。与处于0的控制信号38相关联的延迟级的输出被施加到复用器36的输出S。复用器36的输出S被链接到从微控制器16。
每个延迟级的输出与施加到时钟信号CLK的不同的所确定的延迟相关联。所确定的延迟已经在工厂中校准并且由主微控制器15来存储。
因此，从微控制器16采集所接收的超声信号Sr的测量部分，该部分由模数转换器21来数字化。
从微控制器16定义总体时移，并经由通信信道22将总体时移的值传送到主微控制器15。
主微控制器15随后通过对产生控制信号38的控制块32进行编程来向时钟信号CLK施加等于总体时移的采样延迟。控制信号38驱动复用器36，以使得施加到复用器36的输出S的延迟级输出与等于总体时移的所确定的延迟相关联。
主微控制器15随后藉由信号RESET(复位)来重新初始化从微控制器16。从微控制器16随后对于后续采样使用经移位的时钟信号CLK'。经移位的时钟信号CLK'对应于延迟了等于总体时移的采样延迟的时钟信号CLK。
在参考样本的基础上，从微控制器16随后针对每个经调整的测量样本直接确定过零时刻。过零时刻的最终估算是通过对四个过零时刻进行平均来获得的。
此后，将与总体时移相对的偏移添加到过零时刻的最终估算中，以补偿采样延迟。
此后，基于过零时刻来估算路径时间。
接下来，参照图6，从微控制器16进一步改进了路径时间测量的精度。路径时间测量精度的改进首先包括计算数目为n个的路径时间测量的平均值M'。在此数目n等于80。
此后确定位于跨度[M'-X；M'+X]之外的不精确的路径时间测量40。X是平均值M'的预定百分比。X有利地在M'的3％至30％之间。在此X等于M'的20％。
此后，消除不精确的路径时间测量40并计算M，M是跨度[M'-20％；M'+20％]内路径时间测量41的平均值。
因此，路径时间测量的精度再次得到显著改进。获得的最终精度通常在10ps至20ps之间。
当然，刚描述的操作是针对从下游到上游以及从上游到下游的路径来执行的。
然后，在上游到下游路径时间与下游到上游路径时间之差的基础上来获得流体速度。
参考正弦波30和参考样本的使用使得可能规避将歪曲测量的可能的路径时间失真。由此改进了计量性能。
此外注意，参考曲线不一定包括一正弦波周期：四分之一的周期就足够了。
此外，参考曲线可以展现非正弦波的形状。再次参照图5，存储器18可以例如包含伪正弦曲线的参考样本，诸如伪正弦曲线43。每个伪正弦曲线43以50ps被采样。
通过将一个或多个附加曲线44添加到正弦波30中来获得每个伪正弦曲线43。在该实例中，附加曲线44是频率为1MHz(即，测量超声信号的频率)的3阶谐波的曲线。
参考曲线的选择可以随后取决于流体的温度。主微控制器15经由温度测量块20来采集流体的温度。主微控制器15随后从存储器18中选择参考曲线，该参考曲线的轮廓与在所述流体温度下所接收的测量超声信号的测量部分的轮廓相对应。
此处注意，为了改进该测量方法的精度，不仅在第四波瓣上而且在一个或多个其他波瓣上执行所描述的所有操作是可能的。因此，例如对第五波瓣和第六波瓣进行采样，确定第五波瓣和第六波瓣的过零时刻，并且藉由各种过零时刻来细化路径时间测量。
根据第二实施例的用于测量流体速度的方法这次使用单个微控制器。该测量方法随后是纯数字的，并且不包括向模数转换器的时钟信号施加采样延迟。
在第二实施例中，在每次采集所接收的测量超声信号时，测量模块的微控制器再次评估每个经调整的测量样本与参考曲线之间的单位时移。单位时移的评估是通过线性插值或阶数n的二次插值来完成的。
对于每个经调整的测量样本，微控制器随后将参考曲线“拟合”到经调整的测量样本，估算过零时刻，并将过零时刻偏移该单位时移。过零时刻的最终估算是通过对四个过零时刻进行平均来获得的。流体速度是基于对过零时刻的最终估算而生成的，并且对于每个所接收的测量超声信号都将再现这些操作。
根据第二实施例的测量方法比根据第一实施例的测量方法需要更少的硬件组件。然而，根据第二实施例的测量方法要求在每次新采集所接收的测量超声信号的测量部分时执行线性或阶数n的二次插值。
用于根据第三实施例的测量流体速度的方法同样使用单个微控制器。该测量方法同样是纯数字的。
该测量方法包括采集并数字化第一所接收的测量超声信号，该信号是在从上游到下游穿过限定长度的路径后由测量模块来采集的。
随后执行逐波瓣的正弦插值，从而使得对所接收的信号进行过采样成为可能。
正弦插值再次使用存储在存储器中的预填充参考表中包含的参考样本。
由此获得了数目为p个的第一测量样本a1i(此处i在1和p之间变化)。第一测量样本在时间上间隔开50ps。
此后，该测量方法包括采集并数字化第二所接收的测量超声信号，该信号是在从下游到上游穿过限定长度的路径后由测量模块来采集的。
在正弦插值后由此获得了数目为p个的第二测量样本a2i(此处i在1和p之间变化)。第二测量样本在时间上间隔开50ps。
此后，针对m的各种正、负和零值计算互相关函数Km：
Figure BDA0002337965040000111
因此，在该公式中，在m>0的情形中将第一样本a1i(并且在m<0的情形中提前)相对于第二样本a2i+m延迟mx50ps。
当互相关函数Km最大时，延迟了mx50ps的第一所接收的测量超声信号与第二所接收的测量超声信号同相。
因此，使互相关函数最大化的m值给出了在第一所接收的测量超声信号和第二所接收的测量超声信号之间的时移。该时移对应于DToF，藉由该时移来估算流体的平均速度。
当然，本发明不限于所描述的各实施例，而是涵盖进入由权利要求限定的本发明的领域的任何变体。
尽管已经呈现了该测量模块的某种硬件架构，但硬件架构可以不同。测量模块的电气组件也可以不同。模数转换器可以例如是不同的转换器，例如16比特的Sigma Delta转换器。同样，代替包括两个串联安排的反相器，每个延迟级可以包括一个异步的D触发器。
当然，本发明适用是与第一换能器和第二换能器的位置和配置无关的。可以相对于导管的纵轴以任何角度的取向来发射测量超声信号。该测量超声信号可以通过反射器(例如通过45°取向的镜子)来反射。

Claims (15)

1.一种用于测量流体速度的方法，包括以下步骤：
-发射测量超声信号(Se)；
-采集并数字化在所述测量超声信号(Se)穿过限定长度(L)的路径之后的所接收的测量超声信号(Sr，Sr1，Sr2)的测量部分(25，26)以获得测量样本；
-在所述测量样本的基础上来估算所述测量部分的振幅；
-访问存储在存储器中的预填充参考表的参考样本，所述参考样本形成参考曲线，所述参考曲线构成所述测量样本的插值；
-通过将所述测量样本乘以所述参考曲线(30，43)的振幅与所述测量部分的所述振幅之间的比率来产生经调整的测量样本；
-针对每个经调整的测量样本确定所述经调整的测量样本与所述参考曲线之间的单位时移；
-在所述单位时移和所述参考样本的基础上，针对每个经调整的测量样本估算所述测量部分的过零时刻；
-在所述过零时刻的平均值的基础上估算所述测量超声信号穿过所述限定长度的路径的路径时间测量；
-在所述路径时间测量的基础上来估算所述流体的速度。
2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述单位时移是通过在所述参考样本的基础上执行线性插值或阶数n的二次插值来确定的。
3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：测量所述流体的温度，以及根据所述流体的温度从多个所存储的参考曲线之间选择所述参考曲线。
4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，进一步包括初步步骤，所述初步步骤包括估算以及从所述测量样本中减去所述测量样本的偏移。
5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：对所述测量部分的采样施加等于所述单位时移的平均值的采样延迟。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述采样延迟的施加包括延迟时钟信号(CLK)，所述时钟信号调节对所述测量部分进行数字化的模数转换器(21)。
7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，包括用于延迟所述时钟信号的以下步骤：
-在输入处将所述时钟信号施加到由多个延迟级形成的链(35)，每个延迟级的输出与所确定的延迟相关联；
-选择其所确定的延迟与所述采样延迟相对应的延迟级的输出。
8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，复用器(36)以及由所述多个延迟级形成的所述链(35)是在FPGA(17)中进行编程的，所述复用器(36)被用于执行对延迟级的输出的选择。
9.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：
-执行多个路径时间测量；
-计算所述路径时间测量的平均值M'；
-消除位于跨度[M'-X；M'+X]之外的不精确的路径时间测量(40)；
-计算所述跨度[M'-X；M'+X]内的路径时间测量(41)的平均值M；
-在所述平均值M的基础上来估算所述流体的速度。
10.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
-发射第一测量超声信号和第二测量超声信号；
-采集并数字化在第一测量超声信号从上游到下游穿过限定长度的路径之后所接收的第一测量超声信号的第一测量部分以获得第一测量样本；
-采集并数字化在第二测量超声信号从下游到上游穿过限定长度的所述路径之后所接收的第二测量超声信号的第二测量部分以获得第二测量样本；
-最大化所述第一测量样本和所述第二测量样本之间的互相关函数以获得路径时间差；
-在所述路径时间差的基础上来估算所述流体的速度。
11.基于超声的流体计量器包括第一换能器(12a)、第二换能器(12b)和测量模块(13)，所述测量模块包括主微控制器(15)、从微控制器(16)和FPGA(17)，在所述FPGA中编程有延迟生成块(33)，所述基于超声的流体计量器被设计成实现根据前述权利要求中任一项所述的测量方法。
12.如权利要求11所述的基于超声的流体计量器，其特征在于，所述延迟生成块包括复用器(36)和由多个延迟级形成的链(35)，每个延迟级的输出与所确定的延迟相关联并被链接到所述复用器的输入。
13.如权利要求12所述的基于超声的流体计量器，其特征在于，所述从微控制器包括对所述测量部分进行数字化的模数转换器，其中将时钟信号作为输入施加到所述链，其中所述主微控制器驱动所述复用器，并且其中经移位的时钟信号(CLK')位于所述复用器的输出处并且被用于调节所述模数转换器。
14.一种计算机程序，包括用于由基于超声的流体计量器的微控制器来实现根据权利要求1至10中的一项所述的测量方法的指令。
15.存储装置，其特征在于，它们存储计算机程序，所述计算机程序包括用于由基于超声的流体计量器的微控制器来实现根据权利要求1至10中的一项所述的测量方法的指令。
CN201880042944.1A 2017-06-27 2018-06-22 用于测量流体速度的方法 Active CN110799810B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1755910 2017-06-27
FR1755910A FR3068126B1 (fr) 2017-06-27 2017-06-27 Procede de mesure d'une vitesse d'un fluide
PCT/EP2018/066810 WO2019002145A1 (fr) 2017-06-27 2018-06-22 Procede de mesure d'une vitesse d'un fluide

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110799810A true CN110799810A (zh) 2020-02-14
CN110799810B CN110799810B (zh) 2021-11-30

Family

ID=59521130

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880042944.1A Active CN110799810B (zh) 2017-06-27 2018-06-22 用于测量流体速度的方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11199429B2 (zh)
EP (1) EP3645981B1 (zh)
CN (1) CN110799810B (zh)
CA (1) CA3067467C (zh)
FR (1) FR3068126B1 (zh)
PL (1) PL3645981T3 (zh)
WO (1) WO2019002145A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113899417A (zh) * 2021-09-24 2022-01-07 宁夏隆基宁光仪表股份有限公司 一种基于深度采样的超声波水表流量计量方法、系统及装置

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3097968B1 (fr) * 2019-06-28 2021-06-18 Sagemcom Energy & Telecom Sas Procédé de mesure de la vitesse d’un fluide
FR3098599B1 (fr) * 2019-07-12 2021-08-06 Sagemcom Energy & Telecom Sas Procédé de mesure de la vitesse d’un fluide
CN111964738B (zh) * 2020-08-14 2022-10-11 中国计量大学 一种基于超声回波信号相似度的动态阈值设置方法
FR3116115B1 (fr) * 2020-11-09 2022-10-28 Sagemcom Energy & Telecom Sas Procédé de mesure de la température de l’eau dans un compteur

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050055171A1 (en) * 2003-09-08 2005-03-10 Daniel Industries, Inc. Self-tuning ultrasonic meter
EP1754025A2 (de) * 2004-05-22 2007-02-21 Robert Bosch Gmbh Bestimmung des empfangszeitpunkts eines ultraschallsingals mittels pulsformerfassung
CN1971219A (zh) * 2002-08-05 2007-05-30 松下电器产业株式会社 流量计量装置
CN102062623A (zh) * 2010-11-09 2011-05-18 郭荣岭 消除零点误差的超声波流量计
CN102829831A (zh) * 2012-08-27 2012-12-19 曲宝源 球形膨胀腔低压损立柱式超声波流量计基表
CN103090916A (zh) * 2013-02-22 2013-05-08 呼和浩特市睿城科技有限责任公司 一种超声波流量测量装置及其测量方法
JP2013185891A (ja) * 2012-03-07 2013-09-19 Tokyo Institute Of Technology 超音波流量計測装置および超音波流量計測方法
CN103542901A (zh) * 2012-07-09 2014-01-29 德克萨斯仪器股份有限公司 一种流量计
CN104105952A (zh) * 2012-02-08 2014-10-15 Vega格里沙贝两合公司 用于校正偏移的设备及方法
WO2016150385A1 (zh) * 2015-03-24 2016-09-29 合肥工业大学 一种基于fpga和dsp的气体超声流量计及其测量方法
US20160334255A1 (en) * 2015-05-15 2016-11-17 Soneter, Inc. Method and system for fluid flow rate measurement
CN106461437A (zh) * 2014-06-10 2017-02-22 德克萨斯仪器股份有限公司 扩展范围adc流量计

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4456376A (en) * 1981-04-06 1984-06-26 Lear Siegler, Inc. Optical rate sensor
US4782697A (en) * 1986-07-31 1988-11-08 Williams 3Rd Albert J Acoustic current meter
DE19611233A1 (de) * 1996-03-21 1997-09-25 Siemens Ag Verfahren zur Laufzeitmessung eines elektrischen, elektromagnetischen oder akustischen Signals
US5748504A (en) * 1996-06-12 1998-05-05 Welch Allyn, Inc. Calibration method for use with ultrasonic flowmeters
DE19722274A1 (de) * 1997-05-28 1998-12-03 Degussa Verfahren zur Messung von Dichte und Massenstrom
AUPQ061399A0 (en) * 1999-05-27 1999-06-17 University Of Sydney, The Acoustic flow meters
DE60143808D1 (de) * 2000-09-15 2011-02-17 Radian Res Inc Verfahren und vorrichtung zur analog/digital-umsetzung
DE102005025884A1 (de) * 2005-06-06 2006-12-07 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Korrektur eines Signals eines Sensors
AU2007360103B2 (en) * 2007-10-08 2011-04-14 Micro Motion, Inc. A flow device and method for operating a flow device
US8700344B2 (en) * 2011-04-20 2014-04-15 Neptune Technology Group Inc. Ultrasonic flow meter
EP2587227A1 (en) * 2011-10-31 2013-05-01 Welltec A/S Downhole tool for determining flow velocity
DE102011089231A1 (de) * 2011-12-20 2013-06-20 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Verfahren und Messgerät zur Füllstandsmessung
US9569405B2 (en) * 2014-04-30 2017-02-14 Google Inc. Generating correlation scores
US10817588B2 (en) * 2016-10-24 2020-10-27 Xia Llc Ratio-reference measurement of the arrival time and/or amplitude of a digitized electronic pulse

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1971219A (zh) * 2002-08-05 2007-05-30 松下电器产业株式会社 流量计量装置
US20050055171A1 (en) * 2003-09-08 2005-03-10 Daniel Industries, Inc. Self-tuning ultrasonic meter
EP1754025A2 (de) * 2004-05-22 2007-02-21 Robert Bosch Gmbh Bestimmung des empfangszeitpunkts eines ultraschallsingals mittels pulsformerfassung
CN102062623A (zh) * 2010-11-09 2011-05-18 郭荣岭 消除零点误差的超声波流量计
CN104105952A (zh) * 2012-02-08 2014-10-15 Vega格里沙贝两合公司 用于校正偏移的设备及方法
JP2013185891A (ja) * 2012-03-07 2013-09-19 Tokyo Institute Of Technology 超音波流量計測装置および超音波流量計測方法
CN103542901A (zh) * 2012-07-09 2014-01-29 德克萨斯仪器股份有限公司 一种流量计
CN102829831A (zh) * 2012-08-27 2012-12-19 曲宝源 球形膨胀腔低压损立柱式超声波流量计基表
CN103090916A (zh) * 2013-02-22 2013-05-08 呼和浩特市睿城科技有限责任公司 一种超声波流量测量装置及其测量方法
CN106461437A (zh) * 2014-06-10 2017-02-22 德克萨斯仪器股份有限公司 扩展范围adc流量计
WO2016150385A1 (zh) * 2015-03-24 2016-09-29 合肥工业大学 一种基于fpga和dsp的气体超声流量计及其测量方法
US20160334255A1 (en) * 2015-05-15 2016-11-17 Soneter, Inc. Method and system for fluid flow rate measurement

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113899417A (zh) * 2021-09-24 2022-01-07 宁夏隆基宁光仪表股份有限公司 一种基于深度采样的超声波水表流量计量方法、系统及装置

Also Published As

Publication number Publication date
FR3068126B1 (fr) 2019-08-30
WO2019002145A1 (fr) 2019-01-03
CA3067467C (fr) 2021-11-30
EP3645981A1 (fr) 2020-05-06
BR112019027733A2 (pt) 2020-09-15
FR3068126A1 (fr) 2018-12-28
CN110799810B (zh) 2021-11-30
EP3645981B1 (fr) 2021-08-04
US11199429B2 (en) 2021-12-14
PL3645981T3 (pl) 2022-01-17
CA3067467A1 (fr) 2019-01-03
US20200141777A1 (en) 2020-05-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110799810B (zh) 用于测量流体速度的方法
US9689726B2 (en) Flow meter
US11747181B2 (en) Extended range ADC flow meter
EP1568972A2 (en) Flow rate processor for use in a doppler ultrasonic flowmeter
JP4904289B2 (ja) モジュロ２ｐｉ剰余トラッキングを用いた超音波流量センサ
US20210018350A1 (en) Envelope based sample correction for digital flow metrology
US10955273B2 (en) Extended range ADC flow meter
CN107576964B (zh) 线性变频信号的回波时间测量方法
EP2457111A1 (en) Measurement method and apparatus
CN111352099A (zh) 一种基于互相关信号相位分解的时延估计方法
JP4520552B2 (ja) 流体流の流れの速度を測定する方法と装置
US10727787B2 (en) Flow detection with quadrature demodulation
CN114355360A (zh) 一种多普勒计程仪回波频率估计方法
CN112147366A (zh) 用于使用超声波来测量流体速度的方法
Gerasimov et al. Application Features of the Correlation Measurement Method in Ultrasonic Liquid Flowmeters at a Low Sampling Rate of Signals
US11740112B2 (en) Method of measuring the speed of a fluid
JP7174574B2 (ja) 超音波流量計および超音波流量計におけるゼロクロス時刻の確定方法
BR112019027733B1 (pt) Método para medir uma velocidade de um fluido
BR102021006285A2 (pt) Medidores de fluxo de tempo de trânsito digital usando acústica de tempo reverso
CN118011040A (zh) 流速测量方法、超声流量计、电子设备及存储介质
JP2021067572A (ja) 超音波流量計および流量計測方法
CN111465859A (zh) 用于测量流体速度的方法
JP2003510562A (ja) 電子システムにおける系統ノイズの減少

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant