CN114279532A - 超声换能器健康状况监测器 - Google Patents

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Abstract

一种基于超声的系统包括发射器和接收器、超声换能器，该超声换能器包括≥1个压电元件，该压电元件在其上具有连接到该发射器的匹配层。控制器耦接到该发射器。该发射器用于用脉冲电信号驱动该压电元件，其中该压电元件发射发射超声信号。耦接电流/电压测量电路以感测该发射器中的电流或电压。该控制器用于实现用于超声换能器监测方法的算法，该方法包括将该脉冲信号的振幅与预定限值进行比较。当该脉冲信号被确定为超出该限值时，该压电元件的阻抗被确定为异常。当该脉冲信号在该限值内时，则将该接收信号的该振幅与下限值进行比较，该振幅在低于下限值时导致确定该超声换能器需要清洁操作。

Description

超声换能器健康状况监测器
技术领域
所公开的方面涉及具有至少一个超声换能器的基于超声换能器的系统和设备。
背景技术
具有至少一个超声换能器的基于超声的系统和设备具有以下应用，包括作为流体流量计，用于油气移动和运输，用于非破坏性测试(NDT)装置，以及用于医学应用(包括用于健康监测的成像)。已知超声换能器包括至少一个压电元件，其中压电元件可包括前阻抗匹配层和背衬层，以及在前部中的外壳，该外壳可为半打开的外壳或完全闭合的外壳。超声换能器的性能通常对其压电元件的性能变化最敏感。超声换能器还可包括用于安全和/或应用要求的封装，其中压电元件通常由基于聚合物的粘合剂材料封装，这导致在不损坏封装的情况下无法触及压电元件。
关于流量计，在涉及产品流动的各个行业中，需要能够精确地测量产品在任何给定时间流动的量。存在若干不同类型的已知流量计。此类已知流量计包括机械流量计(例如，活塞流量计、Woltmann流量计或喷射流量计，它们均测量通过一些机械装置的流体流量)、涡流流量计(其中涡流通过阻塞部分流体路径而生成，从而产生电压脉冲，可测量其频率并且因此可确定流量)、磁流量计(由于施加的磁场，测量导电流体的电势差，并且可确定流量)和涡轮流量计以及旋转流量计。还已知存在包括超声流量计(USM)的静态流量计(意味着没有移动零件)。
USM正变得普遍用于流体流量计量，因为它们能够测量宽范围的不同流速，引起的压降最小，并且它们也具有非移动零件，因此与大多数常规的流量计类型相比，它们提供较少的机械维护和更好的可靠性。USM中的关键硬件部件是超声换能器，也称为超声传感器，该超声换能器包括压电元件，该压电元件包括压电晶体或压电陶瓷，通常包括锆钛酸铅(PZT)。如物理学中已知的，压电效应是某些材料响应于施加的机械应力而生成电荷的能力，反之亦然。
尽管USM可包括单个超声换能器，但是USM通常包括至少一对封装的超声换能器，也称为“罐封”超声换能器。封装是指超声换能器被包裹在粘合剂材料内，该粘合剂材料如上所述通常为基于聚合物的材料。在USM的操作中，超声换能器通过转换以脉冲电驱动信号形式供应的电能来操作，其中超声换能器将接收的电能转换成超声信号，在被测量的流体处发射和引导该超声信号，该超声换能器在用作超声接收器时反之亦然。
如上所述，USM可包括外壳，并且在外壳内可存在包括控制器(诸如微控制器单元(MCU)或数字信号处理器)和其他电子器件的印刷电路板(PCB)，其中控制器通常是电池供电和/或外部线路供电。电子器件可包括射频(RF)单元，该射频(RF)单元包括耦接到天线(通常定位在外壳外部)的发射器和接收器以用于为USM提供无线通信。USM包括超声换能器对，该超声换能器对包括第一超声换能器和第二超声换能器。在一种常规的超声换能器布置中，换能器被配置在管道的同一侧上，以在穿过流体之后使用管道的单次反射产生V形超声信号路径。另一种已知的超声换能器布置是不涉及任何信号反射的直接运输路径类型。存在多种其他已知的换能器布置，并且超声换能器的数量总计可多达约16个或甚至更多，超声换能器的数量通常取决于管直径和成本限制。
在对USM的每个测量周期中，由复用器启用，该复用器可设置在通信地耦接以由控制器控制的PCB上，第一超声波换能器用作用于发射超声波的发射器，并且第二超声波换能器用作超声接收器。然后可切换超声换能器以交换角色，使得第一超声换能器用作超声接收器，并且第二换能器用作超声发射器。
USM通过分析发射的超声波(或声波)与移动流体的相互作用来测量流量的速度。两种最常见类型的USM是多普勒(反射)流量计和运输时间(飞行时间)流量计。用测量的速度，已知管道的横截面积，USM可计算流过的流体的体积流速。
已知当流体介质和超声换能器具有匹配的特定声阻抗时，超声换能器与一些流体传输介质(例如，空气或其他气体或水)之间的能量耦合最大化。超声换能器可包括阻抗匹配层以用于更有效地耦合发射到流体中的超声能量以及在穿过流体之后由超声换能器接收的超声能量。超声匹配层是通常附连到超声换能器的正面的无源层。阻尼层也可设置在超声换能器上与匹配层相对的一侧上。
发明内容
提供本发明内容以介绍简化形式的公开概念的简要选择，其在下文包括所提供附图的具体实施方式中被进一步描述。该发明内容不旨在限制所要求保护的主题的范围。
所公开的方面认识到基于超声换能器的系统或设备中封装的超声换能器或封装的超声换能器对的性能，并且超声换能器的使用寿命受到封装的压电元件以及压电元件上的电极与外界之间的电接头连接的影响。如上所述的此类超声换能器可包括压电元件上的匹配层和阻尼层。封装使得超声换能器在不移除/破坏封装的情况下无法修复或维护。为了提高具有封装的超声换能器的基于超声换能器的系统或设备的可靠性，所公开的方面包括对具有预测性维护的封装的超声换能器的健康状况监测，这消除了将超声换能器从其用于修理或维护的应用中移除的常规需要。
此外，认识到，在超声换能器对安装在用于测量流体流量的现场操作的管节上的USM的情况下，已知频繁的失效模式是超声换能器的压电元件变形和/或老化，包括常用的PZT材料。另一种失效模式是匹配层被在管内流动的流体内携带的材料/物质污染。本领域已知的是无法区分这两种不同的USM失效模式。USM的第三失效模式是关于其与压电元件的电极的电接头，其中导线可能未正确焊接或可能在电极上变得松散，因此可能改变位置，或者导线可由于应变力、压电元件振动本身或由于在管道上传播的外部振动而分离。
此外，对于监测基于超声的系统或设备(诸如USM)的超声换能器的健康状况的常规方法，唯一被分析的信号是接收器侧信号。对于USM，可存在多于1对超声换能器，和/或对于USM，即使当其支持多于1个信道时它具有单对超声换能器。信道在本文定义，并且如本领域所用，是指在上游方向(例如，超声换能器A到超声换能器B)发射的超声信号，并且第二信道在下游方向(即，超声换能器B到超声换能器A)，其中USM具有至少一个路径。
例如，如果发现一个信道的接收器侧信号的振幅与安装不同的一对超声换能器的另一个信道/路径的信道的接收器侧信号的振幅相比显著更小，则可推断被评估的这对超声换能器没有正确工作。如果接收器侧信号的振幅显著小于其历史信号电平，则还可推断这对超声换能器没有正确工作。然而，这种已知的监测方法不能识别采取改正/补救措施所需的信号衰减的原因。
所公开的一个实施方案包括基于超声的系统，该系统包括发射器和接收器以及超声换能器，该超声换能器包括至少一个压电元件，该压电元件在其上具有连接到至少发射器的匹配层。控制器耦接到发射器。发射器用于用脉冲电信号驱动超声换能器，并且作为响应，超声换能器发射发射超声信号。耦接电流或电压测量电路以感测发射器中的电流或电压。控制器用于实现超声换能器监测方法的算法，该方法包括将脉冲信号的振幅与至少一个预定限值进行比较。当脉冲信号被确定为超出预定限值时，压电元件的阻抗被确定为异常。当发现脉冲信号在预定限值内时，则将接收信号的振幅与下限值进行比较，该振幅在低于下限值时导致确定需要用于匹配层的清洁操作。
附图说明
图1A是根据示例性方面的示出安装在管道的管节上以用于流过管节的流体的流量测量的示例性USM的框图，其中USM包括超声换能器对，该超声换能器对包括一起实现间接路径(反射路径)感测的第一超声换能器和第二超声换能器，其中USM示出为包括耦接到发射器的电流测量电路。
图1B是用于健康监测的示例性医学超声成像系统的框图。所示的探针包括至少一个超声换能器，该超声换能器由压电元件阵列构成，该压电元件各自将聚焦的超声能量发射到体内并且接收所得的超声反射。
图2是根据示例性方面的耦接到基于超声换能器的系统或设备的部分发射器的示例性电流测量电路的相应部件的框图表示。
图3示出了示例性脉冲电流波形图案，其示出了具有高振幅限值的波形、具有低振幅限值的波形和具有正常振幅的波形。
图4是示出了监测基于超声的系统或设备的超声换能器的健康状况的示例性方法中的步骤的流程图。
具体实施方式
参考附图描述了公开的实施方案，其中在所有附图中使用相同的附图标号来表示类似或等同元件。附图未按比例绘制，并且其仅提供用于说明某些公开的方面。下面参考用于说明的示例性应用来描述若干公开的方面。应当理解，阐述了许多具体细节、关系和方法以提供对所公开实施方案的完全理解。
图1A是示出为安装用于在管道160的管节中流动的流体的流量测量的示例性USM100的框图描绘，其中USM 100包括超声换能器对，该超声换能器对包括示为T1和T2的第一超声换能器和第二超声换能器，每个换能器包括示出为T1的121和T2的122的至少一个压电元件，其中T1和T2一起实现间接路径(反射路径)感测。如上所述，另一种已知的超声换能器布置是不涉及任何超声反射的直接运输路径类型(即，面对面)，并且还可存在提供利用单个反射路径的Tx/Rx两者的另一种类型的单个换能器。
USM 100示出为包括电流或电压测量电路200，该电流或电压测量电路靠近或电耦接以感测在发射器(Tx)111中流动的脉冲电信号(下文为“脉冲信号”，通常是脉冲电流)感测脉冲电流的一种方式是通过添加串联在Tx 111内的感测电阻器225，如下文所述的图2所示，其中跨感测电阻器225两端的电压使用欧姆定律可易于转换成电流。感测脉冲电流的另一种示例性方式是通过包括位于近侧(非接触)的霍尔效应传感器，该霍尔效应传感器是用于测量由脉冲电流生成的磁场的幅度的装置，其中脉冲电流的水平(振幅)可由测量的磁场确定。
USM 100示出为包括外部外壳108(也称为包壳)，该包壳在管道160的管节的同一侧上具有超声换能器对T1和T2，其中T1和T2彼此间隔开示为d的距离，该包壳实现反射路径(间接路径)感测配置。超声换能器T1和T2示出为包括在压电元件121和122的一侧上面向管节的匹配层140，并且阻尼层127定位在压电元件121和122上与匹配层140相对。存在封装层173，其示出为封装T1和T2两者。外壳108可包括各种不同的材料，包括黄铜、钛、铝合金或可能塑料，这取决于应用。
如声学中已知的，匹配层140的厚度通常等于声波长的四分之一(λ/4)，以最小化匹配层140的前侧处的反射，从而有利于发射波。已找到最佳阻抗值，下一次确定用于找到具有该特定阻抗的材料。为了这个目的，可使用作为理论匹配层建模算法的已知Mason模型。还可能通过使用计算机数字模拟或比较测试找到匹配层140的合适厚度。
阻尼层127通常包括低密度的材料，诸如多孔泡沫或聚合物。阻尼层127可任选地还包括消除层，该消除层通常也包括低密度的材料，诸如多孔泡沫或聚合物。
USM 100附接到管道160的管节，通常使用气密且耐高压的机构插入到管节中，或者被配置为安装在管节外部的夹紧装置。尽管图1A中未示出，但是T1和T2可各自具有其自身的单独封装室。
如上所述，压电元件121和122通常采用压电晶体或压电陶瓷(通常为PZT)，当向该压电晶体或压电陶瓷施加(从Tx 111接收的)脉冲信号时，该压电晶体或压电陶瓷设定为振动，从而生成超声波。当向压电元件121、122施加脉冲信号时，压电元件将在其电阻抗为最小的某频率下谐振。相应地，Tx 111中汲取的电流最大。在操作中，由数控复用器(MUX)115启用，超声脉冲由对T1和T2的超声换能器的压电元件121、122中的一个压电元件交替发射，并且由流量测量所需的对中的另一个超声换能器的压电元件接收。当单个换能器用于Tx和Rx两者时，MUX 115执行开关或双工器的功能。
成角度的轴向信号路径在图1A中由管道内部的虚线示出。如本领域已知，USM 100可包括在图1A中示出为T1和T2的多于2个超声换能器，通常从两个多至16个超声换能器，或甚至更多超声换能器，这取决于管直径。尽管USM 100示出为包括分开的Tx 111和接收器(Rx)112，还可存在单个收发器作为所示的分开的Tx 111和Rx 112的替代，该收发器由MUX115分别耦接到T2和T1，该MUX使得压电元件T2和T1能够交换(交替)发射和接收角色，使得在一个时刻Tx 111开启，并且在另一个时刻Rx 112开启。操作中的管道160在其中具有流体，该流体为液体或气体，诸如天然气或氢气。
USM 100一般还包括控制器120，该控制器通常包括微处理器、数字信号处理器(DSP)或MCU，该控制器具有示出为“MEM”124的相关联存储器，该相关联存储器可存储算法的代码，该算法包括用于实现所公开的方法以及用于流体速度测量的算法。控制器120耦接到Tx 111和Rx 112，并且还耦接以控制MUX 115。控制器120还被配置为控制MUX 115以指定的时隙切换Tx和Rx角色。
由控制器120运行的算法可由硬件实现和/或可由软件实现。关于基于硬件的具体实施，算法方程可诸如使用VHDL(硬件描述语言)转换成数字逻辑门模式，然后该VHDL可使用可编程器件(诸如现场可编程门阵列(FPGA)或复杂可编程逻辑器件(CPLD)或专用的专用集成电路(ASIC))来实现，以实现逻辑门模式。关于基于软件的具体实施，算法的代码一般存储在存储器中，诸如可由控制器120实现的存储器124。
如上所述的USM 100还示出为包括电流或电压测量电路200，以及RF单元148和电池178，该电池为USM 100需要电力的相应有源部件提供电力。下文所述的图2示出了示例性电流或电压测量电路200。RF单元148耦接到外壳108外部的天线149，该天线使得USM 100能够通过空气与一个或多个远程位置通信，通常用于与控制室通信。图1A中还示出了耦接到控制器120的人机界面(HMI)126，如果认为需要，该人机界面可包括键盘和显示器以供操作员或技术人员使用。操作员或技术人员可使用HMI 126调整USM 100的操作参数。
图1B是用于健康监测的示例性医学超声成像系统150的框图描绘。所示的探针190包括由压电元件阵列构成的至少一个超声换能器190a，每个压电元件将聚焦的能量发射到体内并且接收所得的反射。除了用于医学成像的超声之外，在NDT系统中可仅存在一个超声换能器，该换能器由诸如图1B中示出为152的复用器或T/R开关控制以在第一时间点用作超声发射器，然后在第二时间点改变以随后用作超声接收器。
通过将声能发射到体内并且接收和处理返回的声反射，相位阵列超声系统可生成内部器官和结构、标测血流和组织运动的图像，并且还提供准确的血液速度信息。常规地，实现这些医学成像系统所需的大量高性能相位阵列发射器和接收器导致大型且昂贵的具体实施。最近，整合的进步已允许系统设计者迁移到性能接近这些较大系统的较小、成本较低且更便携的超声成像系统解决方案。
尽管医学超声成像系统150示出为具有单个超声换能器160a，但是典型的超声成像系统使用被配置用于特定诊断应用的多种超声换能器。每个超声换能器包括压电换能器(诸如包括PZT)的阵列，该压电换能器将聚焦的声能发射到体内并且接收所得的声反射。如本领域已知，每个压电元件可用细(小直径)同轴电缆连接到医学超声成像系统150中的其他部件。用于医学超声成像系统150的典型超声换能器190a具有32至多达512个压电元件，并且通常在1MHz至15MHz的频率下操作。大多数医学超声成像系统提供两个至多达四个可切换连接器，以允许临床医生易于在用于每种不同检查类型的各种压电元件之间切换。
典型的相位阵列超声系统将具有32至多达256个超声发射器和接收器。在大多数情况下，超声系统将具有比可用压电元件的数量更少的发射器和接收器。在这些情况下，位于超声换能器或系统中的高压开关用作复用器以将特定换能器元件连接到特定发射器/接收器(Tx/Rx)对。这样，医学超声成像系统150可动态地改变由超声换能器190a提供的换能器元件的可用阵列上的有源换能器孔径。
示出了Tx路径155，该Tx路径包括由示出为高压(HV)复用器153的复用器驱动的T/R开关152。存在时间增益补偿(TCG)路径165，该TCG路径包括耦接到抗混叠滤波器(AAF)167的可变增益放大器(VGA)166，该AAF耦接到示出为高速ADC 168的ADC。存在连续波多普勒(CWD)路径170，该CWD路径包括在T/R开关152与VGA 166之间的低噪声放大器(LNA)171、和具有耦接到LNA 171的输出的输入的I/O处理172以及到ADC的输出，该ADC示出了具有耦接到多普勒处理块185的其相应输出的第一精确ADC 173a和第二精确ADC 173b。医学超声成像系统150示出为包括其他块，这些其他块包括波束成形器控制器179和接收高速ADC 168输出信号的数字波束成形器180，该输出信号通常通过高速低压差分信号(LVDS)串行接口来路由。
在频谱处理中，波束成形的数字信号进行数字滤波，通过使用正交本地振荡器(LO)在发射频率下混频到基带，然后在发射脉冲重复频率(PRF)下进行采样。然后通常使用快速傅里叶变换(FFT)生成表示信号的速度内容的输出频谱。计算FFT输出的每个bin的信号幅度并且压缩，以优化可用的可见显示动态范围。然后，信号幅度通常最终相对于时间显示在显示器(未示出)上。
所公开的USM(诸如图1A所示的USM 100)和其他基于超声的系统(诸如图1B所示的医学超声成像系统150)以及所公开的方法能够将本文所认识到的下述3个单独的换能器问题全都区分为超声换能器的显著可能的问题。第一目的是在早期阶段识别压电元件的老化现象，以使得能够向客户/用户(例如，就USM而言，向气体设施公司或超声系统的供应商的服务)生成警报，这使得能够为超声换能器计划或采取补救措施。例如，一旦警示这个问题，就可替换超声换能器，同时在宕机时间的影响最小的预期时间内保持在场。
当诸如包括PZT的USM的压电元件已经老化时，认识到压电元件的电阻抗可改变，这将影响来自被施加到压电元件的在图1A中示出为Tx 111的驱动电路的驱动电流，其中阻抗通常随着老化而增加，这减少了驱动电流。在压电元件具有到其电极的断开导线或松散焊料或者断开的压电晶体的情况下，这可引起从Tx 111汲取的电流改变为最小电流，或者在开路的情况下没有电流。这可指示无法从外部检查的被封装材料隐藏的罐封超声换能器(诸如被图1A所示的封装层173封装)是否正确连接。
第二目的是识别接收的超声信号的异常衰减的原因，这可影响基于超声换能器的系统的测量精度，因为减小的信号振幅降低了接收信号的信噪比(SNR)。如上所述，可评估接收信号振幅以诊断这个问题。第三目的是防止由不正确的布线(诸如来自用于换能器电缆的压电元件上的2个端子之间的短阻抗或低阻抗导线连接)、压电元件内部短路或压电元件的电极上的布线接头的不正确焊接引起的短路失效。在由电池178供电的情况下，短路或有关的低电阻条件将引起电池178快速放电，这使得电池178的寿命显著短于预期。
图2是根据示例性方面的示例性电流或电压测量电路的相应部件的框图表示，该示例性电流或电压测量电路示出为图1A中的框200，现在示出为耦接到部分Tx电路的电流或电压测量电路200'。脉冲示出为由耦接到Tx电路的一个或多个节点的DC/DC升压电力转换器220生成，其中DC/DC升压电力转换器220接收DC电力源(为简单起见未在图2中示出)，并且在其输入处接收合适的调制信号(诸如脉冲宽度调制(PWM)信号)，以使得能够控制输出的脉冲宽度。电流或电压测量电路200'包括串联连接在DC/DC电力转换器220与电力开关230之间的感测电阻器225。电力开关230示出为耦接到脉冲驱动器235，该脉冲驱动器耦接到MUX 115，该MUX然后耦接到示出为T1或T2的超声换能器的压电元件。
电流或电压测量电路200包括跨感测电阻器225两端连接的电流感测放大器201，该电流感测放大器用于放大耦接到电隔离器202的电流波形，该电隔离器耦接到放大器203，该放大器可被配置为电压跟随器。放大器203示出为连接到高速ADC 168的输入，该ADC可具有两个信道，其中一个信道可用于超声接收信号，诸如确定流速，并且另一个信道可用于所公开的方面，包括分析脉冲信号的波形，其中高速ADC 168的输出示出为连接到可包括MCU的中央处理单元(CPU)205的输入。CPU 205具有示出为MEM 206的相关联存储器。
高速ADC 168通常提供通常每秒至少4百万个样本(SPS)的采样速率。电流或电压测量电路200捕获被施加到发射器侧超声换能器的压电元件的驱动电流波形。还示出为电流或电压测量电路200的一部分的是提供短路保护功能的比较器208。由比较器208执行的比较操作的参考电压为固定的，并且可包含在示出为比较器208的块内的存储器内。比较器208在触发时可发送被配置为关断DC/DC升压电力转换器220的关机信号，以及还关断电力开关230的关机信号。
这一感测的脉冲信号可由CPU 205利用其MEM 206处理，或者由另一个计算装置使用可利用参考波形(诸如在USM通过其在制造其的工厂中的功能测试之后获得的)的模式检查算法来处理，以检查当前波形信号完整性。CPU 205通常将收集多于一个电流波形，并且检查相应的电流波形与参考波形。
图3示出了三个示例性脉冲信号波形，包括示出为高振幅限值的波形、示出为正常振幅的波形和示出为低振幅限值的波形。如果感测的脉冲信号的振幅在高振幅限值和低振幅限值之外，这指示发射压电元件的阻抗为异常，并且因此处于上述失效模式/问题(包括继续可能导致系统稍后失效的老化过程)的风险升高。
如果感测的脉冲信号波形被确定为正常，则接收器信号电平与预期的接收器信号电平相比可相对较小。接收器信号水平相对较小的主要原因可以是涂层或粘性流体污染层沉积在接收器侧压电换能器的匹配层上，该匹配层如上所述暴露于管道中流动的流体。在这种情况下，可生成警报，该警报可包括有线或无线信号。有线连接可包括与监督控制和数据采集(SCADA)系统一起使用的RS 485通信标准。警报可发送到气体设施公司或供应商的服务中心，作为安排涉及清洁超声换能器的预防性维护的提醒，尤其是包括相对小直径的集成流管(例如，常规取样型USM所包括的集成流管)以用于测量流过USM的气体流速。清洁过程通常实现为手动过程，其中将超声换能器或USM从管节移除，然后将其清洁。一般地，根据全球法规，每两年需要维护气体管道和流量计，其中也进行管道的清洁。
所公开的方面将有助于监测基于超声的系统诸如USM的健康状况，并且可如上所述提供警报以警示客户清洁USM，诸如使用耦接到天线149以无线发射警报的图1A所示的RF单元148发送的警报。关于上述第三个问题，所公开的电流或电压监测电路还可触发过流保护警示，以使得能够采取提高USM的可靠性的补救措施。
图4是示出监测基于超声的系统的超声换能器的示例性方法400中步骤的流程图。步骤401包括提供超声换能器，该超声换能器包括至少第一压电元件和控制器，该第一压电元件在其上具有电连接到至少发射器的匹配层，该控制器具有耦接到发射器的相关联存储器。步骤402包括发射器用脉冲电信号(脉冲信号)驱动第一压电元件以生成发射超声信号。步骤403包括对脉冲信号进行采样。步骤404包括响应于接收到发射超声信号，超声换能器或与超声换能器间隔开的第二超声换能器生成接收信号，该第二超声换能器包括至少第二压电元件，该第二压电元件在其上也具有匹配层。
步骤405包括将至少脉冲信号的振幅与至少一个预定限值进行比较，其中当脉冲信号超出预定限值时，确定第一压电元件的阻抗为异常。步骤406包括当脉冲信号被确定为在预定限值内时，将至少接收信号的振幅与振幅下限值进行比较，其中当接收信号的振幅处于或低于振幅下限值时，确定超声换能器或第二超声换能器需要匹配层的清洁操作。
虽然上面已经描述了各种所公开的实施方案，但是应当理解，它们仅以示例而非限制的方式呈现。在不脱离本公开的实质或范围的情况下，可根据本公开对本文公开的主题进行许多改变。此外，虽然可使用仅关于若干实现方式中的一者来公开特定特征，但是此类特征可与其他实现方式的一个或多个其他特征组合，如对于任何给定或特定应用可能期望或有利的那样。

Claims (10)

1.一种监测基于超声的系统(100)的超声换能器(T1,T2)的方法，所述超声换能器包括至少第一压电元件(121,122)，所述第一压电元件在其上具有电连接到至少发射器(111)的匹配层(140)；控制器(120)，所述控制器具有耦接到所述发射器的相关联存储器(124)，所述方法包括：
所述发射器用脉冲电信号(脉冲信号)驱动所述第一压电元件以生成发射超声信号；
对所述脉冲信号进行采样；
响应于接收到所述发射超声信号，所述超声换能器或与所述超声换能器间隔开的第二超声换能器生成接收信号，所述第二超声换能器包括至少第二压电元件，所述第二压电元件在其上也具有匹配层，以及
将至少所述脉冲信号的振幅与至少一个预定限值进行比较，其中当所述脉冲信号超出所述预定限值时，确定所述第一压电元件的阻抗为异常；
当所述脉冲信号被确定为在所述预定限值内时，将至少所述接收信号的振幅与振幅下限值进行比较，其中当所述接收信号的振幅处于或低于所述振幅下限值时，确定所述超声换能器或所述第二超声换能器需要所述匹配层的清洁操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述基于超声的系统(100)由作为仅单个超声换能器的所述超声换能器(T1,T2)组成，并且其中所述基于超声的系统还包括定位在所述控制器(120)与所述单个超声换能器之间的双工器，所述双工器用于控制所述超声换能器在发射与接收之间切换。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述脉冲信号包括脉冲电流或脉冲电压，并且其中所述发射电路还包括用于对所述脉冲电流或所述脉冲电压进行采样的电流或电压测量电路(200)。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括响应于所述确定所述第一压电元件(121,122)的所述阻抗为异常或者所述确定所述超声换能器(T1,T2)或所述第二超声换能器需要所述清洁操作，生成和发射警报。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述基于超声的系统(100)包括超声流量计，并且其中所述超声流量计安装在管道的管节上。
6.一种基于超声的系统(100)，所述基于超声的系统包括：
发射器(111)和接收器(112)；
超声换能器(T1,T2)，所述超声换能器包括至少一个压电元件(121,122)，所述压电元件在其上具有电连接到至少所述发射器的匹配层(140)，
控制器(120)，所述控制器具有耦接到所述发射器的相关联存储器(124)；
所述发射器用包括脉冲电流或脉冲
电压的脉冲电信号(脉冲信号)驱动所述压电元件；
电流或电压测量电路(200)，所述电流或电压测量电路耦接到所述发射器中的至少一个节点，以用于对所述脉冲信号进行采样；
其中响应于所述脉冲信号，所述压电元件发射发射超声信号；
所述控制器具有相关联存储器，所述相关联存储器存储用于实现用于超声换能器监测方法的算法的代码，所述监测方法包括：
通过对所述脉冲信号进行采样来将由所述电流或电压测量电路感测的至少脉冲信号的振幅与至少一个预定限值进行比较，其中当所述脉冲信号被确定为超出所述预定限值时，确定所述压电元件的阻抗为异常；
当所述脉冲信号在所述预定限值内时，将至少所述接收信号的振幅与振幅下限值进行比较，其中当所述接收信号的振幅处于或低于所述振幅下限值时，确定所述超声换能器的所述匹配层需要清洁操作。
7.根据权利要求6所述的基于超声的系统(100)，其中所述基于超声的系统由作为仅单个超声换能器的所述超声换能器(T1,T2)组成，并且其中所述基于超声的系统还包括定位在所述控制器(120)与所述单个超声换能器之间的双工器，所述双工器用于控制所述超声换能器在发射与接收之间切换。
8.根据权利要求6所述的基于超声的系统(100)，所述监测方法还包括响应于确定所述压电元件(121,122)的所述阻抗为异常或者所述确定所述匹配层(140)需要所述清洁操作，生成和发射警报。
9.一种超声流量计(USM)(100)，所述USM包括：
外部外壳(108)，所述外部外壳具有用于附接到管道的管节的附接特征部，所述管道适用于使流体在其中流动；
第一超声换能器(T1,T2)和至少第二超声换能器，所述第一超声换能器包括至少第一压电元件(121,122)，所述第二超声换能器包括至少第二压电元件，所述第一压电元件和所述第二压电元件各自在其上具有匹配层(140)；
发射器(111)和接收器(112)，所述发射器和所述接收器由复用器耦接到所述第一超声换能器和所述第二超声换能器；
控制器(120)，所述控制器具有耦接到所述发射器的相关联存储器(124)；
发射器，所述发射器用于用脉冲电信号(脉冲信号)驱动所述超声换能器；
电流或电压测量电路(200)，所述电流或电压测量电路耦接到所述发射器中的至少一个节点，以用于对所述脉冲信号进行采样；
其中响应于所述脉冲信号，所述第一超声换能器或所述第二超声换能器用于发射发射超声信号；
所述控制器具有相关联存储器，所述相关联存储器存储用于实现用于超声换能器监测方法的算法的代码，所述监测方法包括：
通过对所述脉冲信号进行采样来将由所述电流或电压测量电路感测的至少脉冲信号的振幅与至少一个预定限值进行比较，其中当所述脉冲信号被确定为超出所述预定限值时，确定所述第一压电元件或所述第二压电元件的阻抗为异常；
当所述脉冲信号在所述预定限值内时，将至少所述接收信号的振幅与振幅下限值进行比较，其中当所述接收信号的振幅处于或低于所述振幅下限值时，确定所述第一超声换能器或所述第二超声换能器的匹配层需要清洁操作。
10.根据权利要求9所述的USM(100)，其中所述监测方法还包括响应于所述确定所述第一压电元件(121,122)或所述第二压电元件的所述阻抗为异常或者所述确定所述第一超声换能器或所述第二超声换能器(T1,T2)的所述匹配层(140)需要所述清洁操作，生成和发射警报。
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