CN1151788A - 流体振荡器和测量流经所述流体振荡器的流体的相关容量的方法 - Google Patents

Abstract

一种流体振荡器，其对称于一包含一流体的纵向流向的纵向的对称平面；其包含：用以产生一相对于纵向的对称平面作横向振荡的二维流体喷射的装置；二个超音转换器；多个装置，其首先用以在流体中产生一从转换器中的一个移向另一个的超音信号，另外用以接收由流体喷射的振荡所调变的超音信号；以及用以处理接收的信号的装置，以便决定与已流经流体振荡器的流体有关的一相关容量；所述超音转换器基本上与所述纵向的对称平面校准在一直线上。

Description

流体振荡器和测量流经所述流体 振荡器的流体的相关容量的方法

本发明涉及一种流体振荡器和一种测量流经所述流体振荡器的流体的相关容量的方法。

已知使用流体振荡器来测量流体的相关容量，像流量，通过测量振荡的频率或容积和计算振荡的数目。这一流体振荡器描述于，例如，法国专利申请第9205301号，由申请人申请在案，且基于检测在一振荡腔中一个二维流体喷射的振荡频率。

该流体喷射在该流体流过一缝隙而进入振荡腔时形成，且其相对于流体振荡器的纵向的对称平面作横向地振荡。一障碍物置于振荡腔中，并在其前部具有一空腔，此空腔放置在流体喷射的路径上，使该射出物在振荡期间扫过空腔的壁。流量的测量可藉由，例如，检测射出物在振荡时向空腔的底部扫射，因为射出物的振荡频率正比于流量。

由专利申请GB-A-2 120 384得知的是一其原理有几分不同的流体振荡器，因为其为一柯安达(Coanda)效应振荡器，但其最终目的仍是藉由检测一流体的射出物的振荡频率来测量一流体的相关容量。该流体振荡器包括安放在一振荡室中的三个障碍物，障碍物中的二个位于纵向的对称平面的两侧，紧接在该室内流体入口的下游处，并与振荡室的侧壁共同形成二个对称的通道，而第三个障碍物放置于面向流体入口开口处，但在前二个横向障碍物的下游。

在其扫射运动期间，此流体喷射碰到横向障碍物中的一个，并附着在该处，然后流体逆着向上游移动并进入在该障碍物和此振荡室的壁之一之间所形成的通道，因此造成流体再循环。

当流体到达位于接近流体入口开口处的上游段时，在该处放置着流体喷射的底座，则此流体的流动造成该流体喷射转向另一边的障碍物，相同的现象在该另一边的障碍物重现。此流体振荡器也包括二个放置在一流体的两侧处的超音转换器，使超音信号在基本上对于流体的纵向方向是横向的平面上被发射和接收。

在描述的测量方法中，此转换器中的一个向另一个放置在第一个的下游或和第一个在相同横向平面的另一转换器发射超音信号，而此发射信号被在振荡室中的流体喷射的振荡所调变，因此另一转换器接收该以此方法调变的超音信号。

以此接收信号为基础，可以检测此流体喷射的振荡频率f，且由此推导出已经流过振荡器的流体的流量或容积。

英国专利申请由此说明，此接收的信号被解调并转换成一脉冲信号，其中每一脉冲相当于被流体喷射在其振荡期间所扫过的流体的一单位容积。

对于一流体振荡器，该测量技术提供在整个通常的流量范围内完成良好的测量重复性的优点。然而，在某些情况中，在流量或容积的测量中必须获得非常良好的精确度；因此，具有一流体振荡器，其敏感度可容易地在其通常的流量范围内改善，这或许是有用的。

此外，已知当一流体的流量太低以致于一流体振荡器不再能够检测流体喷射的振荡频率时，此流体振荡器便不能测量此流体的相关容量。

在家庭的装置中，也已知对于大部分的时间，一流体的流量，例如燃气的流量，非常低，通常低于每小时200升(l/h)。因此，特别重要地是能够测量在此流量下的流体，以及能够测量可能有时候会发生的流量的最大值。此外，也需要能够检测所发生的流体的漏出；因此其必须能够使一泄漏流量区别于一小的流量。

本发明藉由提出一流体振荡器的结构来寻求补偿先有技术的缺点，该结构容易适合于在流量的通常范围内对流体的相关容量作更精确的测量，若这种测量是必须时，且其也容易适合于测量一流体的小的相关容量，当流体喷射的振荡消失时。

本发明也提出一测量的方法，其适合于上面特定的情况的每一个中测量流体的一相关容量。

因此，本发明的目的在于提供一种流体振荡器，其对称于一纵向的对称平面；该振荡器包含：

用以产生一个二维的相对于该纵向的对称平面作横向振荡的流体喷射的装置；

二个超音转换器；

首先用以产生一超音波在流体中从该转换器的一个流向另一个，和其次藉由流体喷射的振荡来调变以接收该超音信号的装置；以及

用以处理该接收的信号的装置，以便决定已经流过该流体振荡器的流体的相关容量；该流体振荡器的特征为超音转换器基本上与纵向的对称平面成一直线。

此在一流体振荡器中的超音转换器的新奇配置是非常有利的，首先由于选择将该转换器准确地放置于对称平面或作些微的变动，由此，其可以助长对射出物的振荡频率的检测或助长检测其两倍频以增加该流体振荡器的敏感度；以及其次，当使用以此方法放置的相同的转换器时，不论原来是在此振荡频率或是在二倍的振荡频率下起作用，均可能测量一流体的小的相关容量，对于此小容量而言此流体喷射的振荡太弱以至于不能检测此频率。

以此方法获得的流体振荡器被称为组合的振荡器，且其涵盖一比一般流体振荡器的通常的流量范围更宽广的流量范围。

为此，此流体振荡器应包括：

用以从每一个超音转换器交替地发射和接收一超音信号的装置；和

响应每一接收的超音信号和两个连续的超音信号的装置，以决定一表征由流体所调变的该超音信号的传播速度大小的数值，并由此推导流过该流体振荡器的流体的相关容量。

此二个超音转换器置于不同的横向平面中；转换器的上游的一个置于此装置的上游，以产生此二维的流体喷射，另一转换器是一下游的转换器。

假设此流体喷射的振荡现象被观察涵盖流量的较大值的广大的流量范围，则由于流体喷射振荡太弱而不能被检测的流量范围就相当小。

因此，在此有限范围内，其可以使用高度共振的转换器，因此是相当简单的设计。

此超音信号的传播速度的大小表示可以是例如该信号的传播时间。另外该大小可以是该信号的相位。

在本发明的一种具体装置中，此流体振荡器包含：

用以产生一个二维振荡的流体喷射的装置，这些装置由一横向尺寸或宽度d和高度h的流体的入口开口所形成；

一振荡室，其一端连接在该流体入口开口，以及其另一端连接至一流体

出口开口，该二个开口沿该纵向的对称平面成一直线；以及

在该振荡室中至少有一障碍物放置在流体的入口开口和出口开口之间。

根据此流体振荡器的其他特征：

上游转换器放置于流体入口开口的上游；

此障碍物有一前端部分，其中形成一面向此流体入口开口的腔；

下游转换器固定到障碍物上；以及

下游转换器置于障碍物的腔中。

根据本发明的其他特征：

在此障碍物的上游，一流体用的通道由二壁所限定，该二壁垂直于纵向的对称平面且间隔一距离h；

在流体入口开口的上游，一纵向延伸的通道形成至少一部分供给流体的通道，该通道基本上有常数的宽度d，其垂直于距离h；

此通道在其一端具有一相对于流体入口开口的下游开口；且在其另一端，在一平行于流体的流动方向而垂直于纵向的对称平面的平面中有一上游开口，其为收敛的形状，其宽度逐渐变小至宽度d；

上游转换器放置在此通道的上游；

二路对称于纵向的对称平面的流体在此通道的上游进入该通道；

二个其总方向平行于纵向的对称平面且垂直于纵向通道的边通道，它们各构成一路流体的进入；该边通道的每一个首先经由一端连接至一垂直于该平面的共同第一室；其次，经由另一端至一平行于该第一室的共同第二室；该第一室具有流体的供给；

形成流体通道另一部分的一自由空间安置在纵向通道的上游，该二路流体进入该自由空间；

此上游转换器放置在此自由空间的上游处；

此等超音转换器沿着一个方向处于相同的排列位置上，该方向垂直于此流体的纵向，并包含在纵向的对称平面内；

二个超音转换器均固定在限定流体通道的壁的同一壁上；

此等超音转换器在垂直于流体纵向方向并包含在纵向的对称平面中的方向上互相错开；以及

每一个超音转换器分别固定在限定流体通道的壁的一壁上。

本发明的目的也在于提供一种测量方法，以测量在上述流体振荡器中流动的流体的相关容量，其中一流体喷射对一纵向的对称平面作横向振荡，该方法在于连续地：

从一超音转换器发射一超音信号至此流体流动中；

由使用另一超音转换器来接收由此流体喷射的振荡所调变的该超音信号；以及

处理此接收信号以决定已经流过的流体的该相关容量；

此方法的特征为，在一基本上包含于纵向的对称平面中的方向发射一超音信号。

有利之处在于，藉由在此流体振荡器的纵向的对称平面中精确地校准此超音转换器，及藉由在该平面中和在此流体流动方向中发射一超音信号，被此流体喷射的振荡所调变的以及在该纵向的对称平面中采集的该超音信号主要被频率2f所影响，其中f表示该流体喷射的振荡频率。藉由检测此频率2f，可以使此流体振荡器在其通常的流量范围内，亦即在可检测到的射流振荡的流量范围内。按照专利申请GB-A-2 120 384 A的技术指导，此2f的频率不能被检测。

相反地，当希望使用组合的流体振荡器以涵盖流量的尽可能广泛的范围而不要求改善该振荡器的敏感度时，则不必精确地放置此超音转换器在此纵向的对称平面上。此时该超音转换器基本上沿该纵向的对称平面校准，使此等超音转换器出现一相对于该纵向的对称平面的纵向方向成1°至2°的倾斜。

假设转换器以此方法放置，当测量高流量下的流体的一相关容量时，亦即，当此流体喷射的振荡足够强而使此频率因此而能检测时，其可在此流体振荡器的流体的流动方向发射一超音信号。所采集的由流体喷射的振荡所调变的超音信号主要地受该流体喷射的振荡频率f的影响。由于转换器的此种配置，一超音信号最好以相反于流体流经此流体振荡器的方向被发射，其目的为比在此超音信号以和流体流动方向相同的方向中传播时更有利地检测其振荡频率f。

由于转换器的此有利的配置，也可以测量在一低流量下的流体的相关容量，亦即，当此流体喷射的振荡太弱以致于不能被检测时，此时本发明的方法在于连续地：

以一基本上包含在该纵向的对称平面中的方向从一转换器向另一转换器发射一起音信号；

接收该超音信号，其传播速度已经被此流体的流动所调变；

决定表征此接收的超音信号的该传播速度的大小的一第一值；

互相交换此超音转换器的发射器和接收器功能后，重复上述步骤，并决定表征超音信号传播速度的大小的一第二值；以及

由此推导出此流体的一小相关容量的测量。

本发明在气体计量的范畴中得到特别引人注目的应用。

其他的特征和优点藉由非限制的说明例以及参考所附的附图所给予的下列说明而显示出来，其中：

图1为本发明流体振荡器的一种具体装置的纵向的对称平面P的纵断面视图；

图2为图1所述的流体振荡器在一平面P1上的图解视图；

图3为图1所示流体振荡器的具体装置中的A-A断面局部图解视图；

图4为在平面P1上的图解视图，表示图2所示流体振荡器的具体装置的变形；

图5表示图1所示的超音转换器配置的第一种变化的具体装置；

图6表示图1所示的超音转换器配置的第二种变化的具体装置；

图7表示图1所示的超音转换器配置的第三种变化的具体装置；

图8表示图1所示的超音转换器配置的第四种变化的具体装置；

图9为本发明流体振荡器的第二种具体装置在图1所示平面P1上的图解视图；

图10为一局部方块图，表示用以测量流过此流体振荡器的气体的容积的电路；

图11为图10所示电子方块100的扩大的细部图；

图12表示被图11中的放大器102所放大的调变的超音信号；

图13表示由图11中的电路104整流后的图12的超音信号；

图14表示由图11中的电子方块106滤波后的图13的超音信号；

图15表示通过放大电子方块108和经过峰值检测电子方块112后的图14的超音信号；

图16表示藉由峰值检测电子方块112进行对一峰值的操作；

图17是对于本发明流体振荡器的一校准曲线。

如图1和图2所示，本发明流体振荡器1被应用于如家庭气体计量，其具有一垂直放置的纵向的对称平面P，即图1所示的平面。

应该注意该流体振荡器也可以在一使该平面P呈水平的位置工作或甚至在某个其他的位置工作，而不干扰流体的相关容量(流量或体积)的测量。流经该流体振荡器的流体是气体，但是同样地可以是液体，例如水。

图1所示的流体振荡器具有一垂直的进气口10，其相对于该纵向的对称平面P是在中心，该进气口10进入一水平的顶端第一室12，其尺寸大且对该平面P对称地放置。该顶端室12的通道断面为矩形形状且平行于该纵向的对称平面P，使经由进气口10进入的气体流的断面突然增加，例如，增加为4倍，以便藉由降低其速度来破坏该流体的湍流结构。

该顶端室12具有二个对立的端点开口12a和12b，每一开口进入一垂直边通道14或16(如图2和3中所示)，其矩形通道断面相同于第一室12的通道断面。此二垂直边通道14和16彼此对称于纵向的对称平面P。

每一边通道14(16)首先通向其端部之一的一顶端14a(16a)，与顶端第一室12的相应端部12a(12b)重合；其次通向其相反端即带有一底部第二室18的底端14b(16b)，该第二室18与第一室12相同，如图1所示。此顶端和底端室12和1 8彼此对称对图1所示的平面P1，且二者彼此平行，但也有可能底端室18的容积较小。

此二垂直边通道14和16的每一个构成一气体入口，且具有中间的侧向开口14c、16c，其断面平行于该纵向的对称平面P(图2)。此气体入口14和16经由其侧向开口14c和16c的中介进入一位于底端和顶端室18和12中间的自由空间20。此该自由空间20形成一比顶端室12尺寸较小的中间室，具有一横向的较大尺寸，该尺寸垂直于该纵向的对称平面P，且首先由一上游端壁22和其次由一下游端壁24所限定。该壁22和24分开的一距离相当于侧向开口14c和16c的纵向尺寸。将沿该纵向的对称平面P校准的一通道26安排在下游端壁24内。该通道26称为主通道，并且有一横向尺寸或宽度d，其沿整个纵向尺寸或通道的长度基本上是常数。该通道的长度最好大于10d，以在低流量的气体的相关容量的测量中，亦即当该气体的射出物的振荡太弱而不能对其频率检测时，获得良好的精确度。如图2所示，该主通道26的上游开口26a于平面P1中具有一收敛形气道。该上游开口26a的在平面P的一边或另外一边的部分各有一凸状的轮廓，例如一基本上圆的轮廓，因此逐渐地帮助降低该开口的宽度至主通道26的宽度d。

在图4所示的本发明的一变化中，该气体入口或垂直边通道14和16(未示于此图中)经由侧向开口14c和16c的中介各自进入气体入口水平通道15和17。每一水平通道的通道断面逐渐地减小。二气体入口通道15和17对称于平面P，且其相遇在位于该平面P中和紧接在主通道的上游开口26a的上游的一范围19中。该水平通道首先由一向下游凸出的上游端壁21所限制，其次由一下游端壁23所限制。气体入口通道15和17以及主通道26因此形成一水平通道供给气体，该水平通道在顶部由一顶端壁及在底部由一底端壁(均未示于图4的平面中)所限定，二壁相距一高度h。

图1和图2所示的流体振荡器包括用以产生一气体的二维的射出物的装置，该射出物相对于该纵向的对称平面P作横向地振荡。这些装置由一进入一振荡室32的气体入口开口所形成，其开口与主通道的下游开口26b重合且是矩形形状。该振荡室32有一端连接至主通道26的下游开口26b，其另一端连接至宽度大于d的一气体出口开口34。该气体入口开口26b和出口开口34在平面P上是校准在一直线上的。

该流体振荡器也包括一高度为h的障碍物36，其放置于气体入口开口26b和出口开口34之间的振荡室32的中心。一供给该气体的水平通道位于该障碍物36的上游，且部分地由自由空间20和通道26形成该部分水平通道在顶部被一顶端壁28和在底部被一底端壁30(图1)限定。此二端壁28和30彼此分开一高度h。该障碍物36已在法国专利申请第9205301号中描述。该障碍物36具有一前端部分36a，其中形成一腔37，称为中央腔，该腔37面向该振荡室32的入口开口26b。

两个次级腔38和39也对于平面P对称地放在该障碍物36的前端部分36a中。该振荡室32具有与该障碍物36的外部形状基本上匹配的边壁40和42，因此与该障碍物一起提供位于该纵向的对称平面P二侧的二个对称的次级通道C1和C2。

该次级通道C1和C2的宽度实际上是常数，以避免气体流动的扰动。该次级通道C1和C2绕过障碍物36且在该障碍物的下游再次相遇在一紧接地位于振荡室32的出口开口34的上游地带44中。该出口开口34在一垂直通道46的半高度处进入该垂直通道，如图1所示。该垂直通道46对于该纵向的对称平面P成例如对称，并且在其端部之一的顶端46a具有相对于该平面P是位于中心的一垂直气体出口48。参考图1至3所描述的结构，具有给予该流体振荡器以满意的小型化的优点。

现在描述在该流体振荡器中的气体流的移动情况。一垂直的气体流经由垂直进气口10供给流体振荡器，并进入该流体振荡器的顶端室12，在该处其分成两部分。此主流的这两部分水平地以垂直于该纵向的对称平面P的彼此相反的方向行进经过该流体振荡器的顶端室12。如图3所示，此流动的每一部分通过该流体振荡器的顶端室12的一端部开口12a(12b)，且进入垂直的边通道14(16)之一，在经由侧向开口14c(16c)之一涌进自由空间20之前完成旋转运动。

此结构的设计使该气体流能够除去各种污染的粒子，当其通过该垂直的边通道14和16时会带电(灰尘)，在重力和流动的旋转运动的影响下，该粒子被送向该流体振荡器的底端室18。

当该气体流的流动的二部分对于该平面P对称进入该自由空间20时，其在该平面P上相遇，且经由上游开口26a涌入主通道26。然后该气体流沿主通道26行进，且在下游开口26b处被转换成一振荡的二维射出物。在该振荡室32中，该气体流在到达出口开口34之前在通道C1和通道C2之间交替，然后向上经过垂直通道46流向垂直气体出口48。

假定该垂直通道46垂直地延伸至一低于振荡室32的位置，其也可提供除去特定污染粒子的气体，如果他们在此前尚未消除的话。如上所述，该流体振荡器可以放置成某个其他的位置，在此情况下就不需要设置气体除尘用的底端室18。

根据本发明，该流体振荡器具有二个超音转换器52和54，其基本上与纵向的对称平面P校准在一直线上。应从气体中除去大部分污染粒子以避免弄脏转换器，因此增加其寿命。

在图1至3所示的本发明的具体装置中，该超音转换器52和54有大约与纵向的对称平面P呈1.5°角的角度偏移，以便在该气体射出物的振荡所调变的超音信号中主要采集气体射出物的振荡频率f。该角度偏移适合于在调变的超音信号中区分频率f和频率2f。如果该角度偏移超过2°，则有该超音信号在主通道26中被多次反射的风险，因此降低该信号的品质，尤其减低其信号噪声比。有时或许希望改善该流体振荡器在其通常的流量范围内(例如1001/h至6000l/h)的敏感度，则为了加强频率2f的检测，必须将该超音转换器非常精确地放置在该纵向的对称平面P中，并且最好由上游端向下游端发射该超音信号。

如图1和2所示，该超音转换器52和54被面对面地放置在不同的横向平面中。该横向平面在此用以指定一垂直于纵向的对称平面P和气体流动的方向的平面。如果该超音转换器放置在相同的横向平面中，如在现有技术中，则其不适合在低流量下测量一气体的相关容量，因为发射的超音信号不能拾取关于该气体的流量的信息。

该上游转换器52放置于入口开口26a的上游，更准确地说是自由空间20的上游。如图1和2所示，该上游转换器52被固定在上游端壁22，因此避免了面对气体流。该下游转换器54固定于障碍物36上，更准确地说，其放置于该障碍物36的主空腔37中。

如图4所示变化的具体装置中，该上游转换器52放置于该上游端壁21的中央部分中，亦即其最接近主通道26的部分，然而该下游转换器54如上所述固定于障碍物36上。

参考图1和2所示的具体装置，该上游和下游转换器52和54放置于相对于该流体振荡器的主通道26的高度h的相同高度处。在本发明的一变化中，该上游和下游超音转换器也可以放置在相对于该流体振荡器的主通道26的高度h的不同高度处，但其总是必须彼此面对面。例如，如图5所示，上游和下游超音转换器之间的高度差实际上可以等于h。

在本发明的另一变化中，如图6所示，该上游和下游超音转换器52和54同样地设置于不同的高度，但是该上游转换器52装在一形成在该流体振荡器的底端壁30中的凹处53的底部上，并在该自由空间20之下。至于下游转换器54，其装在一基本上与障碍物36成直角的流体振荡器的顶端28中的凹处55的顶端。该上游和下游转换器彼此面对面地放置。

在如图7所示的另一变化中，该上游和下游超音转换器52和54位于相同的高度，且其不再彼此面对面。二转换器各自被装在凹处53和55，二者被安排在流体振荡器的顶端壁28中。该下游转换器54基本上位于该障碍物36之上，安装该下游转换器的凹处55不与通道26相遇，以避免干扰该气体射出物的形成。此外，该下游转换器54必须放置在通道26的下游，使超音信号可以被该气体的射出物的振荡充分地调变。因此，超音信号在该纵向的对称平面P上的路径是一V形的路径。

表示于图8中的变化也提供给在纵向的对称平面P中的超音信号以获得一V形路径，但该超音转换器放置在不同的高度。该上游转换器52装在一形成于端壁22的凹处中，使其面向障碍物36。该下游转换器仍然安装成与图7所示相同的样子。

应该注意到，藉由放置该下游转换器54在障碍物36的上或下面，对该气体射出物的振荡的干扰小于当该转换器放置在该障碍物中的中心腔内时，因此改善了由该气体射出物的振荡所调变的超音信号的品质。

同样可将该上游转换器52向流体振荡器的底端壁30倾斜。

本发明的第二种具体装置部分地表示于图9中，对于此图的不同元件的标号在前面加一数字2。该流体振荡器201称为直线排列，因为其具有一气体引入口210和一气体引出口212，二者都在该纵向的对称平面P中校准排成一线，不像表示于图1至7中的具体装置，气体流的流动绕一回路进行。该气体引入口210连接至一通道214，其下游端开口进入一第一室216，其与在该平面P的通道成一直线。该第一室216为一向一下游方向向外张开的形状，直到其到达具有一横向平面P2(其垂直于平面P)的位置；在此后采用渐减的形状以便和表示于图1至7中的主通道26具有相同特征的主通道218的一上游端218a相接。该第一室216也包括一成型的元件220，其基本上位于第一室216的中间且校准在平面P上。该元件具有一凹处222面向下游，其中安放一上游超音转换器224，因此避免面对流体的流动。该成型的元件220也可以起到使气体流平静下来的代理作用。

该主通道218校准在该纵向的对称平面P上，且进入构成一振荡室的第二室226，该振荡室具有如上述图1至图8中的振荡室32的相同特征，其包括一相当于表示于图1至图8中的障碍物36的障碍物228。该障碍物228具有一中心腔230位于面对该主通道218的下游开口端218b之处，且其也具有二个次级腔231和232位于该中心腔230的各一边。一第二超音转换器234放在该中心腔230中使二超音转换器基本上在该纵向的对称平面P上校准成一直线。

下面参照图10至16描述测量一气体的相关容量的方法，例如测量流经图1至3所示的流体振荡器的气体的容量的方法。

测量的气体流量的范围例如从5l/h延伸至6000l/h(一家用气体测量计)。

参照图10所示，一电子单元60的功能首先是提供下面将予描述的不同的功能方块；其次是控制测量气体容积的方法。该电子单元60包含一微控制器62连接至一电源供应器64，例如一电池，及一晶体计时器66，其频率为例如10MHz，且其也由电源供应器64提供电源。该微控制器62也连接至一发射方块68和一接收方块70，二者都由电源供应器64提供电源。这些方块的每一个都包含，例如一运算放大器和一转换器，特别是一数模转换器给发射方块68和一模数转换器给接收方块70。该电子单元60也包括一切换电路72，其由电源供应器64提供电源，且其一方面连接至该发射和接收方块68和70，另一方面连接至二超音转换器52和54。

当气体射出物振荡在该振荡室32中由于其太弱以至于不能检测频率时，亦即，当该气体的流量低于一例如100l/h的转变值时，则该超音转换器52和54用下列方法来测量该流量和该气体的容量(低流量的情况)：

该上游转换器52向下游转换器54发射一超音信号；

该下游转换器54接收该超音信号，其传播速度c被气体的流速vg所修正(c＋vg)；

一第一值被决定，其大小具有该接收的超音信号的传播速度，例如，其传播的时间的特征；

该超音转换器52和54的发射器和接收器的功能彼此互换；

该下游转换器54现在向上游转换器52发射一超音信号；

该上游转换器52接收该以一速度(c－vg)传播的超音信号；

一第二值由该超音信号的传播时间而决定；

该气体流量的测量由积分而推导出，以提供一已经通过该流体振荡器的总容量的测量。

参照图10，一测量被起动如下：该微控制器62的序列产生器(未示出)使该发射方块68启动并送出一电子信号给上游转换器52，也使电源供应器64启动以设定该切换电路72，使发射方块68连接至上游转换器52，而该接收方块70连接至下游转换器54。该电子信号激发该上游转换器52，其在一精确的瞬间(由计时器66来决定)朝气体的流动方向以速度c在该气体中发射一超音信号，而该气体本身以速度vg前进。经过一由计时器66所测量的时间推移t1后，下游转换器54接收该以c＋vg速度传播的超音信号。

测量该超音信号的传播时间t1，可以参考描述于欧洲专利申请第0 426309号中的方法。其方法依次为：产生和传送一由许多周期或脉冲所组成的超音信号，包括在该信号中的相位改变；接收该超音信号；在该接收信号中检测相位变化和相当于该相位变化的瞬间，从而决定传播时间t1。用以施行测量传播时间的方法所需的一切事项都描述于欧洲专利申请第0 426 309号中，因此在此不再赘述。

其后，该微控制器62的序列产生器造成切换电路72相反连接，使发射方块68现在连接到下游转换器54，而接收方块70连接至上游转换器52。一第二超音信号以相似的方法由下游转换器54向上游转换器52发射，因此在与气体流的方向的相反方向行进，而计时器66决定对于该超音信号传播所需要的时间t2，如在下面所描述的方法和在欧洲专利申请第0 426 309号中所述。

假定该传播时间t1和t2可以用下列关系式表示：

t1＝L/(c－vg)    t2＝L/(c＋vg)

该微控制器62的算术和逻辑单元(未示出)藉由应用下面的关系式来计算该气体的速度vg： $\mathrm{vg}=\frac{L}{2}\[\frac{1}{t2}-\frac{1}{t1}\]$ 由此推导出一被测量气体的流量Qm，其中： $\mathrm{Qm}=S\frac{L}{2}\[\frac{1}{t2}-\frac{1}{t1}\]$ S是通道26的内部截面积。

该微控制器62用每一个测量的流量值和储存于其存贮体中的预定的转变流量值比较，以决定下一个流量的测量是否应该用以上的方法，或藉由检测在该流体振荡器的振荡室32中的气体射出物的振荡频率(高流量的情况)来完成。如果该测量的流量值低于转变流量，则在一预定的时间间隔后，使用上述方法再一次测量该气体的流量。

应该观察到，本发明的流体振荡器称为一组合的流体振荡器，使其可以利用在流量值足够小的气体流中一超音信号传播时间的测量，以避免由于气体流的不稳定性，层流/湍流过渡状态所产生的不稳定性，而在流量的测量中引入误差，该低流量的测量因此具有精确和可重复的优点。此外，假设此技术用来涵盖一相当窄的流量范围，也可以用窄频带超音转换器来完成，其典型地具有一40KHz的共振频率，以取代更复杂、更昂贵且在100KHz处共振的转换器。

如果该测量的流量值比转变的流量值大，则该气体射出物的振荡足够使该频率可被检测(高流量情况)。在此情况下，该微控制器62的序列产生器控制该切换电路72，使发射方块68连接至下游转换器54，而接收方块70连接至上游转换器52。此序列产生器也造成开关74工作，使来自于上游转换器52的信号现在由电子单元100来处理，其可见于图10的右边。参考图11，该单元更详细地描述于下。

在高流速的情况下，该微控制器62造成该发射方块68产生一持久的电子信号，例如一方波信号，其频率为fu以激发该下游超音转换器54，使下游转换器54连续地发射一频率为fu的超音信号向着在与纵向的对称平面P大约倾斜1.5°的方向中的上游转换器52。由该上游转换器52接收的超音信号为一由具有该流体喷射物的振荡现象特征的频率f和2f所调变的频率fu的信号。该频率fu例如等于40KHz，而该电子激起的信号的振幅是20mV。

申请人已经可藉由向着该气体流的相反方向发射超音信号来验证，其可以显著地降低该射出物的流体动力学压力的影响，由此降低接收关于频率2f的信号的能量。作为例子，在频率2f接收的信号的大小已经可观察到一10dB的差值，此已足够使其能够使用简单、便宜和消耗很少能量的电子设备在调变的信号中从频率2f区分出频率f。申请人也已经可籍由向着该气体流的相反方向发射超音信号来观察，该调变的超音信号表现出时间的周期性，如此有利于频率f的检测。

因此，当上游转换器52接收一由该气体射出物的振荡所调变的超音信号时，该信号首先被一低噪声的模拟放大器102听放大。该模拟放大器102为一非反相的放大器，设计用以与在低流量的条件下完成测量的电子电路连接，而其由一运算放大器A₁所构成，其非反相输入一方面连接至由上游转换器52接收的调变信号，而另一方面经由一电阻R₁接地。该运算放大器A₁的反相输入一方面先经由一电阻R₂连接至地，而另一方面经由另一电阻R₃连接至该放大器的输出B₀。于是该调变和放大的超音信号具有表示于图12的波形。

一惯用的半波整流器电路104表示于图11中，其包含一电阻R₄连接于该放大器A₁的输出B₀与A₂的反相输入B₁之间，一运算放大器A₂的非反相输入连接于地，该放大器A₂的反相输入经由二平行连接的分支连接至该放大器的输出B₂，其中一第一分支由一电阻R₅串联一反向连接的二极管D₁所构成，一第二分支由一二极管D₂所构成。在惯用的方法中，当差值V_B1－V_B2大于该二极管D₁的临界电压时，则其导通具有V_B3＝-(R₅/R₄)V_B0。相反地，当值V_B1－V_B2低于该二极管D₁的临界电压时，则二极管D₂变成导通，VB3＝0，该整流的信号具有图12中所给的波形。

为了只保留具有该气体射出物的振荡频率f，则该整流的信号随后被电子方块106滤波，其作用为一(二阶)低通滤波器。如图11所示，此方块106具有二电阻R₆和R₈及一电容C₁形成一T型滤波器，其受到负反馈是由于有一电阻R₇和一电容C₂与一运算放大器A₃，其非反相输入端连接于地。在B₅所获得的滤波的信号具有如图14所示的波形。

然后该信号注入一放大电子方块108，其包含二级：一第一级109，其作用为一例如增益等于50的带通放大器，并且有一位于0.5Hz至50Hz范围的截止频率；以及一第二级110，其作用为一具有例如增益等于5的低通放大器和一截止频率等于50Hz。

该第一级包含一电阻R₉和一电容C₃串联的地连接于方块106的输出B₅和一运算放大器A₄的反相输入之间；该运算放大器A₄的非反相输入接地，而其反相输入经由一电容C₄和一电阻R₁₀并联地连接至其输出B₆。

该第二级110位于输出B₆的下游，其包含一电阻R₁₁连接于一运算放大器A₅的反相输入，其输入经由一电阻R₁₂和一电容C₅并联地也连接至该放大器A₅的输出B₇；该放大器A₅的非反相输入接地。

该电子方块108用以使从滤波器106来的信号再次回至零值附近，且放大该信号。以此方法放大的出现在B₇的信号的输入下面的方块112，其将信号转换成如图15中所示的脉冲信号。

该电子方块112包含一运算放大器A₆，其非反相输入连接至输出B₇，而其反相输入一方面经由一电阻R₁₄连接至放大器A₆的输出B₈，另一方面通过一电阻R₁₃连接至一常见的跟随器电路的输出：该跟随器电路包含一运算放大器A₇。由于来自于该跟随器电路的负反馈，该放大器A₆使其可放大的小振幅的信号比大振幅的信号更多。

该方块112也包括一电阻R₁₅连接至该放大器A₆的输出B₈和一点B₉；且其也包括两个二极管D₃和D₄，它们头对尾地架在点B₉和一点B₁₀之间。点B₁₀一方面经由一电容C₆接地，另一方面连接至该跟随电路的运算放大器A₇的非反相输入和另一运算放大器A₈的反相输入。该运算放大器A₈的输出B₁₂经由一电阻R₁₇返回其非反相输入。该放大器A₈的非反相输入经由一电阻R₁₆也连接至二极管D₃和D₄。当电压V_B9－V_B10的振幅增加至超过二极管D₄的临界点时，则该二极管D₄导通，且将点B₉的信号的电压值减去通过该二极管D₄的电位降储存于电容C₆中。然后该差动放大器A₈用在点B₁₁的如下所给定的电压值： $V_{B11}=\frac{V_{B9}{R}_{17}+V_{B12}{R}_{16}}{R_{17}+R_{16}}$ 和储存于电容C₆的电压值比较，且当点B₉的电压比在电容C₆上的电压大时，其产生一高电平信号。

一旦已经达到一峰值且该信号的振幅减小，在点B₉的信号的值和由电容C₆所储存的信号的值之间的差降到该二极管D₄的临界点下，因此二极管D₄变成非导通。储存在电容C₆的信号的值仍维持不变。当在点B₉的信号的振幅降至低于储存于电容C₆的信号的值时，则放大器A₈提供一低电平信号表示已经产生一峰值。当该信号的振幅降至低于储存于电容C₆的信号的值，即降到一个相当于该二极管D₃的临界值加上点B₁₀的电压的量时，则二极管D₃变成导通，且储存于电容C₆的信号的值降至在点B₉的信号的值减去通过该二极管D₃的电压降。当一负峰值达到和通过时，该二极管D₃会再次变成非导通，而一旦点B₁₁的信号已经增加到高于储存于电容C₆的信号的值时，该放大器A₈会产生一状态的改变。

在图16中，曲线150表示在点B₉的第一信号的电压如何变化，曲线151表示电容C₆的电压如何变化。最初，该电容电压151等于信号电压150减去值Vd，其相当于导通二极管D₄的电压降，所以放大器A₈提供一高电平信号。当在时间T0达到峰值，且当信号电压150已经降至低于该二极管D₄的临界值时，电容电压151仍维持不变。在时间T1，信号电压150降至低于储存于电容C₆的电压151，因此，该放大器A₈的输出提供一低电平信号。在时间T2，该第一信号的电压150和储存于电容C₆上的电压151之间的差值变成大于该二极管D₄的临界电压，因此电容的电压再次追踪第一信号的电压。对应于方块112的电子电路因此为一峰值检测器。图11中的放大器A8为一具有磁滞现象的比较器，其比较二电压150和151的值，表示于图16中。因此，当在点B₁₁上的电压值V_B11大于在点B₁₀上的电压值V_B10，也即在该放大器A₈的非反相输入上的电压值大于在该放大器A₈的反相输入上的电压时，则该放大器提供一等于+Vcc的常数输出电压，其中Vcc为该放大器的电源供应电压，且在点B₁₁的电压变成： $V_{B11}=\frac{{\mathrm{VccR}}_{16}+V_{B9}{R}_{17}}{R_{16}+R_{17}}$

相反地，如图16中T1瞬间所示，当V_B11小于V_B10时，则该放大器A₈的输出电压等于-Vcc，因此在点B₁₁的电压变成 $V_{B11}=\frac{-{\mathrm{VccR}}_{16}+V_{B9}{R}_{17}}{R_{16}+R_{17}}$

结果方块112的输出是一脉冲信号(图15)，其中每一个脉冲表示在一次振荡期间气体射出物所扫过的一单位气体容量。

一电子计数器114(图10)，例如一16位计数器，则用以计算该脉冲的总数，由此该微控制器62能指令显示已经流过该流体振荡器的气体的容量。

应该注意到，如果为了加强在频率2f上接收信号能量而选择将转换器52和54精确地校准在该纵向的对称平面P上，则上述的电子电路100特别地适合于检测该频率。

当该气体射出物的振荡变成太弱以至于不能检测其频率，亦即，当该气体的流量变成比上面提及的流量转变值慢时，则准备如上所述(低流量的条件)地使用该超音转换器52和54来测量在气体流中的超音信号的传播时间。为了决定何时使用低流量条件或高流量条件，可以考虑，例如，测量两次连续的脉冲之间的时间间隔，并用以该方法所测得的时间间隔和一相当于流量转变的预定值比较；如果该测量的时间间隔超过预定的值，则该超音转换器被交替地使用作发射器和接收器。

其也可以给一重叠的范围，例如从100l/h延伸至150l/h，在此范围进行该组合的流体振荡器的二种工作条件的测量。因此，如果该组合的流体振荡器工作在低流量的条件下，其可以该方法继续地测量流量，直到该重叠范围的高值达到，在该点测量切换至高流量条件。同样地，当该流体振荡器工作在高流量的条件下时，则流量必须降低至重叠范围的低值，该流体振荡器才切换至在低流量条件下的测量。

具有该重叠范围的优点是能保证从一测量条件转变到另一测量条件而不必再次回到先前的条件。

本发明的组合的流体振荡器可适合于不同的流量范围，且特别地可以涵盖大的流量至6000l/h。图17为组合的流体振荡器的一校正曲线，该组合的流体振荡器工作在大约10l/h至大约7000l/h的流量范围内。该曲线表示在整个上述范围的测量中的相对误差。其也可以看到该组合的流体振荡器完全地适合于整个大范围的流量的测量目的。

必须观察到，本发明也具有可应用于其他形式的流体振荡器的优点，例如，描述于专利申请GB-A-2 120 384中以柯安达(Coanda)效应为基础的流体振荡器。

此外，可以想像使用本发明的组合的流体振荡器于涵盖一流体的流量范围，在此范围内该流体喷射的振荡足够强，由此可检测其频率，以及仅使用如上所述的低流量的工作条件以决定一漏出的流量。例如本发明的一流体振荡器可以用作商品的气体计(流量范围0.25m³/h至40m³/h)或一工业的气体计(流速范围1m³/h至160m³/h)，其能够测量一漏泄流量。

也可以由精确地放置该超音转换器在该流体振荡器的纵向的对称平面中来增加测量计的敏感度。

Claims (30)

1、一种流体振荡器，其对称于一纵向的对称平面(P)，其中包含一纵向的流体流动方向；所述流体振荡器包含：

用以产生一个二维的相对于所述纵向的对称平面(P)作横向振荡的流体喷射的装置；

二个超音转换器(52，54)；

以及装置(62-72)，首先用以在流体流动中产生一超音信号，从所述转换器中的一个向另一个传送；且其次用以接收由所述流体喷射的振荡所调变的所述超音信号；以及

用以处理所述接收的信号的装置(100)，以便能决定已流过所述流体振荡器的流体的相关容量；

所述流体振荡器的特征在于，所述超音转换器(52，54)基本上在所述纵向的对称平面P中校准成一直线。

2、根据权利要求1所述的流体振荡器，其特征在于，对于流过所述流体振荡器的流体的小的相关容量，所述超音转换器(52，54)适合于测量所述小的流体相关容量。

3、根据权利要求2所述的流体振荡器，其特征在于，所述流体振荡器包括：

用以交替地从每一个超音转换器(52，54)发射和接收一超音信号的装置(62-74)；以及

响应每一个接收的超音信号和两个连续的超音信号的装置，以决定一大小的数值，所述大小具有所述超音信号的传播速度由被所述流体流动调变的特征；及以推导出已经流过所述流体振荡器的流体的一相关容量。

4、根据权利要求1至3中任何一项所述的流体振荡器，其特征在于，所述超音转换器装置于不同的横向平面，其中一个上游的转换器(52)置于所述装置的上游，用以产生所述二维的流体喷射，另一转换器(54)为一下游转换器。

5、根据权利要求3所述的流体振荡器，其特征在于，表征所述超音信号的传播速度的大小是所述信号的传播时间。

6、根据权利要求3所述的流体振荡器，其特征在于，表征所述超音信号的传播速度的大小是所述信号的相位。

7、根据前述任何一项权利要求所述的流体振荡器，其特征在于，用以产生一振荡的二维流体喷射的装置由一横向大小或宽度d和高度h的流体入口开口(26b)所形成，且所述流体振荡器包含：

一振荡室(32)，其一端连接至所述流体入口开口(26b)，其另一端连接至一流体出口开口(34)，所述的二个开口在所述纵向的对称平面(P)中校准成一直线，以及

至少一障碍物(36)，其放置于所述振荡室中，并介于所述流体入口开口(26b)和出口开口(34)之间。

8、根据权利要求4或7所述的流体振荡器，其特征在于，所述上游转换器(52)置于所述流体入口开口(26b)的上游。

9、根据权利要求7所述的流体振荡器，其特征在于，所述障碍物(36)具有一前面部分(36a)，其中面向所述流体入口开口(26b)形成一空腔(37)。

10、根据权利要求4或7所述的流体振荡器，其特征在于，所述下游转换器(54)固定在所述障碍物(36)上。

11、根据权利要求9或10所述的流体振荡器，其特征在于，所述下游转换器(54)置于所述障碍物(36)的空腔(37)中。

12、根据权利要求7至11中任何一项所述的流体振荡器，其特征在于，所述流体振荡器在所述障碍物(36)的上游包括一流体通道，所述流体通道由垂直于纵向的对称平面(P)且彼此分开一距离h的二壁(28、30)所界定。

13、根据权利要求12所述的流体振荡器，其特征在于，所述流体振荡器在所述流体入口开口(26b)的上游包括至少形成所述气体通道的一部分的一纵向通道(26)，其中所述通道基本上具有常数的宽度d且垂直于所述距离h。

14、根据权利要求13所述的流体振荡器，其特征在于，所述通道(26)在其一端具有一相当于下游开口的所述流体入口开口(26b)，且在其另一端具有一上游开口(26a)，所述上游开口(26a)在一平行于所述流体流动方向而垂直于所述纵向的对称平面(P)的平面中的形状是收敛的，其宽度逐渐地减小至宽度d。

15、根据权利要求4或13所述的流体振荡器，其特征在于，所述上游转换器(52)置于所述通道(26)的上游。

16、根据权利要求13至15中任何一项所述的流体振荡器，其特征在于，所述流体振荡器在所述通道(26)的上游包括对称于所述纵向的对称平面(P)且进入所述通道(26)的二个流体入口通道(14，16)。

17、根据权利要求16所述的流体振荡器，其特征在于，形成所述流体通道的另一部分的一自由空间(20)安置在所述通道(26)的上游，所述流体振荡器的特征还在于，所述的二个流体入口通道(14，16)进入所述自由空间(20)。

18、根据权利要求4或17所述的流体振荡器，其特征在于，所述上游转换器52置于所述自由空间(20)的上游。

19、根据权利要求1至18中任何一项所述的流体振荡器，其特征在于，所述超音转换器(52，54)沿着一个方向处于相同的排列位置上，所述方向垂直于所述流体的纵向方向，且包含于所述纵向的对称平面中。

20、根据权利要求12或19所述的流体振荡器，其特征在于，所述的二个超音转换器都固定在界定所述流体通道的所述壁(28，30)的同一个壁上。

21、根据权利要求1至18中任何一项所述的流体振荡器，其特征在于，所述超音转换器(52，54)在一垂直于流体的纵向方向且包含于所述纵向的对称平面中的方向上互相错开。

22、根据权利要求12至21所述的流体振荡器，其特征在于，每个超音转换器(52，54)分别固定在界定所述流体通道的壁(28、30)的一个壁上。

23、一种测量流经一流体振荡器的流体的一相关容量的方法，其中一流体喷射对于一纵向的对称平面(P)作横向振动，所述方法依次包括：

从一超音转换器在所述的流体的流动中发射一超音信号；

藉由另一个超音转换器接收由所述流体喷射的振荡所调变的所述超音信号；以及

处理所述接收的信号，以决定已经流过所述振荡器的流体的所述相关容量；

所述方法的特征在于，在一基本上包含于所述纵向的对称平面(P)的方向上发射所述超音信号。

24、根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法包括在流过所述流体振荡器的流体的流动方向中发射所述超音信号。

25、根据权利要求24所述的方法，其特征在于，在接收所述超音信号后和以所述超音信号为基础检测一振荡频率时，所述振荡频率等于所述流体喷射的振荡频率的二倍，因此使其能改善测量的敏感度。

26、根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法包括在流过所述流体振荡器的流体流动的相反方向中发射所述超音信号。

27、根据权利要求23至26中任何一项所述的方法，其特征在于，对于流过所述流体振荡器的流体的小相关容量，所述方法依次地包括：

在一基本上包含于所述纵向的对称平面(P)中的方向上从转换器中的一个发射一超音信号至另一个；

接收所述超音信号，其传播速度已经被流体的流动所修改；

决定表征所述接收的超音信号的所述传播速度的一大小的一第一数值；

交换所述超音转换器的发射器和接收器的功能后再重复上面的步骤，并决定表征另一超音信号的传播速度的所述大小的一第二数值；以及

由此推导所述流体的一小的相关容量的测量值。

28、根据权利要求27所述的方法，其特征在于，表征所述超音信号的传播速度的大小是所述信号的传播时间。

29、根据权利要求27所述的方法，其特征在于，表征所述超音信号的传播速度的大小是所述信号的相位。

30、根据权利要求1至22中任何一项所述的流体振荡器和根据权利要求23至29中任何一项所述的测量方法，其用以测量气体的一相关容量。

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