CN1155831C - 超声流速测量方法 - Google Patents

Abstract

一种超声流速测量方法，包括：超声传输时间差流速测量方法，包括以下步骤：将连续超声波f_c调幅成频率f_M，发送/接收该调幅信号，使用调幅波测量超声传输时间；还包括与声速的变化无关的相差流速测量方法，包括以下步骤：将超声波调幅成预定的频率f_M，如果在近似于流速方向和与流速相反的方向传输的相差Δφ_c等于nπ+aπ，使用信号f_M得到nπ，测量aπ，aπ＜π，得到信号f_c之间的相差，精确地得到总的相差Δφ_c。

Description

超声流速测量方法

本发明涉及使用超声波测量流速的方法，以计算较大的河或排水道敞开沟的流率以及较大内径的管子中的液体和气体的流率。

最近公知的用于较大的排水道敞开沟和较大内径的管子的超声流率测量系统的核心部分用于测量液体和气体的流速，因此该系统通常称为“流量计”。

流率测量系统大多数用于根据超声传输时间差流速测量方法测量流速。

如图1所示，超声传输时间差流速测量系统如下：发送/接收超声波的振子1和2以α角彼此相对安装。一开关电路3的作用是依次将振子1和2与例如超声脉冲振荡器4和超声接收信号放大器5的发送电路和接收电路的输入端接通。一脉冲整形电路6接收放大的信号，将其整形为更短周期的脉冲信号。一时间间隔测量装置7测量在间隔距离L从发送时间到接收时间的传输时间t₁和t₂。一算术逻辑单元8根据公式(1)计算流速。

即，测量超声脉冲从振子1传输到振子2的传输时间t₁(见图1)。反过来也测量超声脉冲从振子2到振子1的传输时间t₂。这些时间测量如下：

$t_1=\frac{L}{C+V\cos \mathrm{\α}};t_2=\frac{L}{C-V\cos \mathrm{\α}}$

似乎传输时间差(Δt＝t₂-t₁)可表示为：

$\mathrm{\Δt}=\frac{2L\cos \mathrm{\αV}}{C^2}---\left(1\right)$

其中，C为液体或气体中的声速，L为振子1和2之间的间隔，V是间隔L中平均流速。

由公式(1)推导出流速V为：

$V=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{tC}}^2}{2L\cos \mathrm{\α}}---\left(2\right)$

其可称为“传输时间差流速测量方法”，因为流速V与传输时间差Δt成正比。似乎传输时间差流速测量方法与声速相关，因为在公式(2)中有声速的平方C²项。似乎必须测量声速的C²项。声速的平方为：

$C^2=\frac{L^2}{t_1\·t_2}$

将声速项C²项代入公式(2)得出最终的流速测量表达式：

$V=\frac{L^2}{2L\cos \mathrm{\α}}\·\frac{t_2-t_1}{t_1\·t_2}=\frac{L^2}{2d}\frac{t_2-t_1}{t_1{\·t}_2}---\left(3\right)$

然后，通过仅测量超声传输时间t₁和t₂并计算公式(3)的得出流速，因为L²/2d＝const。

典型的现有技术公开在1996年7月2日授权的美国专利5,531,124，1998年7月25日授权的日本专利No.2,676,321，Ultraflux公司制造的UF-2000C型相关的超声流速测量方法及其装置和超声流量计手册。

传输时间差流速测量方法有很大的优点，即如公式(3)所示流速测量容易进行，即使声速在流体中严重变化。即，尽管根据精密的流速测量方法的表达式，公式(3)看起来与声速的平方有关，它基本与流速无关。

例如，传输时间t₁和t₂的倒数的差如下：

$\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2}=\frac{2V\cos \mathrm{\α}}{L}$

声速项C彼此抵消。因此，流速V如下：

$V=\frac{L}{\cos \mathrm{\α}}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})=\frac{L^2}{2d}\left(\frac{t_2-t_1}{t_1{\·t}_2}\right)$

其中，d＝Lcosα。

结果，该式与公式(3)一样。

其优点在于，传输时间差流速测量方法与流体中声速C在一大范围内的变化无关。但是，传输时间差流速测量方法的使用有限制。例如，当传输距离L很短和/或流速V很小时，很难精确测量流速V。如果L＝0.05m，V＝0.1m/s，α＝45°，以及C≈1500m/s，Δt≈3.14·10^-9s。

如果想在1％的误差范围内测量非常小的时间差，时间差绝对测量误差不能超过3·10^-11s。根据这样的方法测量时间差需要较复杂的时间间隔测量装置。另外，抓取发送/收超声脉冲的时刻的装置必须非常稳定和精确。如下所述，当在管子中测量气流速度或在管道和河流中测量水平流速时，传输时间差流速测量方法有许多问题。

除了传输时间差流速测量方法，超声相差流速测量方法也是公知的。例如，1997年11月12日公开的荷兰专利待审查公开No.DE19722 140和1998年4月24日公开的日本专利待审查公开No.平10-104039，其名称为“多通道流率测量系统”。

图2A和2B显示相差流速测量系统的典型结构。传输振子1，1’和2，2’彼此面对面设置。正弦波振荡器9产生具有频率f的正弦波。移相器10调制接收的超声信号的相位。一放大器11放大从移相器10和振子1’接收的信号。相差鉴别器12测量接收的相位信号之间的相位差。当正弦波振荡器9工作时，振子2和2’一同相发送超声波。此时，接收振子1和1’接收的相位信号如下：

₁＝2πf·t₁+₀；    ₂＝2πf·t₂+₀其中，

$t_1=\frac{L}{C-V\cos \mathrm{\α}};t_2=\frac{L}{C+V\cos \mathrm{\α}}$

₀是超声波开始发送时的初始相位。因此，接收信号之间的相位差Δ如下：

此处，流速如下：

相差方法的特点是超声波可连续传输，相差Δ与频率f成比例，而与传输时间差方法不同。因此，即使当L和V非常小，如果超声频率f较高，相差也较大，使得相差测量方法容易而准确。

另外，如果L较大，对超声脉冲的衰减因数非常小，因为发送/接收的是超声连续波。另外，尽管接收信号的幅值显著波动，接收信号可足够地放大，因为不测量接收时刻。自动增益控制电路可用于该方法。即测量相差没有任何问题。只是，相差方法最好用于声速C几乎不变化或用其它装置测量声速C的场合。例如为了测量气体流率，气体的声速可在压力计和温度计安装在管子上的情况下容易地计算出。

如上所述，超声传输时间差方法的优点是即使在流体中声速显著变化的情况下也可使用。但是，如果振子的间隔L变大，由于超声波的发送/接收会引起以下问题。

首先，由于其足够的谐振波分量或谐波，超声脉冲对于正弦波有较大的衰减因数。如果超声传输距离L变大，很难接收发送的超声波，接收脉冲由于严重的衰减而变成钟形。为此，不得不增加可辅助调整的超声波强度没有好处。如果强度变大，河流中发生空穴现象，使得超声波不能发送。特别地，当为了减小衰减因数脉冲频率变低时，超声强度也变低，这引起空穴现象。

其次，超声脉冲不仅随传输的距离L衰减，而且也由于敞开槽中由于各种大小的涡流、悬浮颗粒浓度的变化、水温的变化等造成超声波散射和反射超声波幅值的严重波动，有时会发生接收不到超声波。

当测量气体中的流速时，超声脉冲的衰减因数大于液体中的。当要抓取超声脉冲达到的时刻时，超声脉冲的严重衰减和波动引起许多误差。因此，流速测量误差增加。

由于这些原因，超声传输距离L的限制在于根据时间差方法测量流速，发送/接收的是超声脉冲。因此，测量敞开的较大的排水道或河流和较大的管道的流速时会有很大麻烦。

如果相差方法用于测量流速，其衰减因数比超声脉冲的低两到三倍，因为发送/接收的是连续的超声波(正弦波)。另外，相差方法与接收信号的幅值波动无关，因为它与抓取超声脉冲达到的时刻无关，而是测量两个正弦波之间的相差。然而，相差方法有局限性。如果两个正弦波之间的相差Δ等于nπ+β，一通常的相差测量装置不能检测n(1，2，3，…)。如果超声传输距离L或流速V变大，Δ大于π。例如，如果要测量具有内径Φ为30mm的管子中的气体的流率，气体的横截面平均流速V大致为10-30m/s。然后，假设声速C为400m/s，超声频率f为400kHz以便超出噪声频带，角度α为45°，相差Δ的变化宽度为：

Δ＝9.42～28.26rad≈(2π+0.998π)～(8π+0.995π)

即Δ＞π。

如果在一较小的敞开通道内L＝10m，V＝3m/s，f＝200KHz，C＝1500m/s，相差Δ如下：

Δ≈16.746rad＝5π+0.33π＞π

因此，相差方法不能用于测量相对较小的敞开通道的流速。换句话说，传输时间差方法用于声速在较大的范围变化的场合有优点。但是，其缺点是如果流速测量间隔L较大，超声束不稳定，因为由于在发送/接收时其本身的特性使得超声脉冲大大衰减。

相差方法的优点在于衰减因数相对较小，接收信号容易处理，因为发送/接收的是超声正弦波。但是，如果由于间隔L和流速V较大或声速较小，相差超过π弧度，就不可能根据相位差测量流速。另外，相差方法的缺点是声速要单独测量。

本发明的一个目的是提供一种在流速测量间隔L较大，例如在敞开沟渠或河流中测量水平平均流速时，根据超声流速传输时间差方法、相差方法的平稳地测量流速的超声流速测量方法。

本发明的另一目的是提供一种在流速测量间隔L较大，例如较大内径的管子中测量气体流速时，根据超声流速传输时间差方法、相差方法的平稳地测量流速的超声流速测量方法。

本发明的再一目的是提供一种在较大内径的管子中测量气体或液体流速时，根据超声流速传输时间差方法、相差方法的平稳地测量流速的超声流速测量方法。

本发明的又一目的是提供一种在流速较大和声速较低时，根据超声流速传输时间差方法、相差方法的平稳地测量流速的超声流速测量方法。

根据本发明，根据传输时间差方法测量流速而不发送/接收超声脉冲的超声流速测量方法包括以下步骤：每当测量超声传输时间时，对连续超声正弦载波调幅成较低的频率，并将该调幅信号发送；解调接收的信号；检测或鉴别该调幅信号，测量发送的波被调幅的时刻和接收的调幅信号被解调的时刻之间的时间间隔。

根据相差方法而不依赖于声速的超声流速测量方法包括以下步骤：如果在与流速方向相反的方向上发送的超声波之间的相位差超过一普通相差鉴别器的测量范围π弧度，成为mπ+β，则将超声波调幅成较低的频率，并发送/接收该调幅信号；测量该调幅信号之间的相差和被载波的超声波之间的相差，从而得到m；进行被载波的超声波之间的相差的非常精确的测量。

通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，本发明的上述目的和优点将变得更为明显，附图中：

图1是根据现有技术的超声传输时间差流速测量方法的示意图；

图2A和2B是根据现有技术的超声相差流速测量方法的示意图；

图3是根据本发明的超声传输时间差流速测量方法的时序图；

图4是根据本发明的超声传输时间差流速测量方法的示意图；

图5是根据本发明的超声相差流速测量方法的示意图；

图6是根据本发明另一实施例的超声相差流速测量方法的示意图。

首先，参照附图详细描述本发明的超声传输时间差流速测量方法。

图3是流速测量方法的时序图。公知超声载波频率f_C通常考虑以下因素来选择：流体流动引起的噪声频带，根据超声振子的方向特性的可靠性，流体中的超声衰减因数等。

当测量流速时，选择的超声载波f_C(图3的VI)被调幅成频率f_M(图3的I)，其低于周期τ₂的频率f_C(图3的V)，然后在接近或与流速相反的方向传输。将一预定的调幅时刻作为起始点，测量从起始点到调幅频率或信号f_M的指定时刻，而调幅超声波通过恒定间隔L发送和接收，并解调接收信号。时间定义为在近似于或与流速相反的方向上传播的超声传输时间t₁和t₂。换句话说，调幅超声波作为标记信号，用于测量超声波的传输时间。因为超声波是一种正弦波，其连续传播，在一恒定的时间进行调幅以测量流速，超声频带是f_C±f_M，它显著地比短的超声脉冲的频带窄，其衰减因数较小。即使衰减因数有很大变化，接收信号的处理也容易，其对传输时间的测量没有影响。

但是，当超声载波f_C被调幅成调幅信号f_M时，它应当以与调幅信号f_M相同的相位被调幅，例如图3的V所示的零相位。当调幅电压施加在超声振子上，与施加的电压相等的超声波不发送，而调制的超声波的第一个半周期的形状被扭曲。另外，接收/解调调幅的超声波获得的信号不对应于调幅信号f_M的形状。考虑到这些，施加到超声振子的调幅信号输入到解调器被解调，调幅信号f_M被从解调信号中检测出，调制信号的第一周期通过零电势的时刻使用过零鉴别电路被抓取。这里，被抓取的时刻被认为是测量超声传输时间的起始时间，如图3的VII和VIII所示。

类似地，接收的调幅信号也如上所述地被解调器解调，调幅信号f_M被从解调信号中检测出，然后调制信号的第一周期通过零点的时刻被抓取，作为时间间隔的停止信号，如图3的X和XI所示。

如上所述，超声传输时间测量准确性可显著增强，以此仅一个解调器解调发送/接收信号，解调信号的第一周期通过0交叉点的时刻作为时间间隔测量的起始和停止信号。

如图3的VIII和XI所示，不应当使用调幅信号f_M的1.5个周期而不是第一半个周期通过过零点时的时刻作为时间间隔测量的起始信号和停止信号。当然，在解调器、放大器，过零电路等处会有时间延迟，但是无需补偿延迟时间，因为每当测量流速时相同都会产生相同的延迟时间。

调幅信号f_M应满足以下条件：

第一条是调幅信号f_M显著高于衰减脉动频率f_p，例如F_M＞＞f_p。超声波的衰减因数由于在流体中传输时的多种因素而变化。衰减因数的改变是使得超声脉冲被调幅。因此，调幅频率f_M应高于衰减脉动频率f_p，在该频率下，衰减因数波动，其不是流体中产生的噪声频率。衰减脉动频率f_p不高，通常不超过100Hz。

第二条是载波周期应当在调幅周期中包含20次以上，例如f_M≤f_C/20。该条件关于载波f_C的调幅，其中在调幅起始点载波f_C的相位不总是一致的，即使载波f_C在过零点被调幅，如图3的V所示。为此，调幅超声波产生了瞬态现象，改变了调幅信号f_M在第一个四分之一周期间隔内的波形。为了防止波变形部分超过调幅信号f_M的四分之一周期，在调幅信号f_M的第一个四分之一周期载波f_C应包括至少五个周期。因此，载波f_C信号在调幅信号f_M的一个周期中应有20(4×5)个以上。另外，最好载波f_C的频率高于调幅信号f_M的频率，以便从载波f_C的脉动频率中过滤调幅信号f_M。

第三条是调幅信号的连续时间需超过至少调幅信号f_M(5/f_M)的五个周期，以便调幅信号被解调而检测出调幅信号f_M。如果具有被重复两到三次的调幅周期的调幅信号被解调，解调器的输出信号会变形。

第四条是如果超声波依次沿近似于流速方向或与之反向被发送/接收，需要调幅超声波的连续时间不超过超声传输时间的二分之一。举例如下：

$5/f_M\≤\frac{L}{2(C+v)}---f_M\≥\frac{10(C+v)}{L}$

如上所述，满足上述四条的调幅信号f_M由下式选择：

$f_p<<10(\frac{C_{\max }+v_{\max }}{L}\&le;f_M\&le;0.05f_c---\left(6\right)$

其中，C_max是流体中可能的最大声速，而v_max(＝V_maxcosα)是最大流速测量值。

在选择满足公式(6)的调幅信号f_M时，应尽量选择较低的频率，因为当施加到超声振子的电压迅速变化时发生瞬态现象。调幅比率m最好不超过50％。根据实验，25～30％的调幅比率m是最理想的。超声衰减因数在较低的频率f_p波动，其变化率大致为50％。因此，如果m＞50％，恐怕调幅波会中止。例如，假设L＝10m，α＝45°，C_max＝1500m/s，f_C＝500kHz，f_p＜＜1507＜f_M≤25·10³Hz。因此，可在10到20KHz的范围内选择f_M。考虑到超声波的瞬态现象，不需要选择更高的调幅信号f_M的频率。

图4是说明根据本发明的一个实施例的系统的结构框图，以便实现如上所述的测量流速的方法。

超声振子1和2连接到振子开关电路3以便接入发送或接收状态。输出放大器18激励超声振子1或2。接收放大器19放大来自超声振子1或2的信号，其为窄带放大器，具有自动增益控制功能(AGC)，仅放大调幅信号的频带。

调幅器17对超声载波信号f_C调幅。一载波振荡器13产生超声载波信号f_C。调制振荡器14产生低于载波信号f_C的调制信号f_M。这里，载波振荡器13和调制振荡器14都是正弦振荡器。解调器20解调调幅信号以检测出调制频率f_M。一窄带放大器21是放大调制信号f_M的窄带放大器。当窄带放大器21的输出信号f_M通过过零点时，过零电路22输出方波脉冲。时间间隔测量装置7测量两脉冲之间的间隔。算术逻辑单元8根据超声传输时间差流速测量表达式计算流速。一开关电路23允许调制振荡器14的调制频率f_M的输出信号在给定的时间间隔通过其间。当调制信号f_M的第一个周期通过过零点时，过零电路15产生方波脉冲。单稳多谐振荡器16由过零电路15操作以产生给定长度的脉冲。

开关电路24由单稳多谐振荡器16的脉冲开关，以允许调制振荡器14的输出信号施加给调幅器17。开关电路25使得超声调制输出施加给解调器20，然后接通开关使得接收放大器19的输出信号输入到调幅器20。电压衰减器27调节输出放大器18的输出电压。开关电路控制器26控制开关电路3和23，25。

下面参照图3详细描述图4所示的超声流速测量系统的操作。

载波振荡器13和调制振荡器14首先分别振荡产生超声载波频率f_C和调制频率f_M，如图3的VI和I所示。当流速测量时刻到来时，开关电路控制器26向开关电路23施加一长度为τ₁的方波脉冲，参见图3的II。开关电路23使得调制振荡器14的调制频率f_M的信号输入给过零电路15。然后，因为过零电路15的工作电平设为低电平“-”，当调制振荡器14的输出信号的第一个半周期通过过零点(U＝0)时，过零电路15产生方波脉冲(参见图3的III)。方波脉冲输入给单稳多谐振荡器16，单稳多谐振荡器16产生长度为τ₂的方波脉冲(图3的IV)。开关电路24由τ₂的方波脉冲接通以允许调制振荡器14的调制频率f_M的信号输入给调幅器17。因此，超声载波频率f_C的信号被调幅τ₂时间，参见图3的VI。类似地，超声载波频率f_C总是被调幅成调制频率f_M的相同的相位。

调幅器17的调幅信号被输出放大器18放大，然后施加给超声振子1。超声振子1通过流体发送调幅超声波给振子2。

同时，输出放大器18的输出信号通过电压衰减器27和开关电路25输入给解调器20，以检测调制信号f_M(图3的VII)。窄带放大器21放大由解调器20解调的调制信号，并把该放大的信号施加给过零电路22。过零电路22在调制信号f_M的第一个半周期“-”通过过零点的时刻产生较短的方波脉冲(VIII)。较短的方波脉冲输入给时间间隔测量装置7作为时间测量起始信号。

此后，开关电路25切断衰减器的输入，使得接收放大器19的输出信号施加给解调器20。换句话说，振子1发送的调幅的超声波传输通过间隔L，被振子2接收，被接收放大器19放大。接收放大器19的输出信号(图3的IX)通过解调器20和放大器21施加给过零电路22。过零电路22产生较短的方波脉冲(图3的XI)并施加给时间间隔测量装置7作为时间测量停止信号。

因此，时间间隔测量装置7测量过零电路22的第一方波脉冲和第二方波脉冲之间的时间间隔t₁。完成时间间隔t₁的测量之后，振子开关电路3接通以将振子2与输出放大器18连接。然后，开关电路25与衰减器27连接，开关电路23再次接通。然后的操作以相同的顺序重复时间间隔t₁的测量过程。因此，直到调幅的超声波从振子2传输并被振子1接收而测得时间t₂。

时间间隔t₁和t₂被输入给流速算术逻辑单元8以根据流速测量公式(3)计算流速。流速算术逻辑单元8输出对应于流速V的信号。如果该系统是流率测量系统，流速V的输出信号供给流率测量算术逻辑单元(未示出)。

这里，重要的是以下几点：其具有以下特征，为了测量时间间隔t₁和t₂，输入给振子1(或2)的调幅的输出信号和被振子2(或1)接收的信号通过一个解调器和过零电路，输入给时间间隔测量装置7的起始和停止脉冲信号整形为方波脉冲。

作为相位差流速测量公式而公知的公式(5)依声速的平方C²而定。在公式(5)中，Δ是近似于流速方向和与流速方向相反的方向上传输的超声波之间的相位差。除了公式(5)的流速测量方法，可得出与声速C无关的相位差流速测量方法。

超声传输波和随后向流速方向传输的接收波之间的相位差ΔΨ₁和超声传输信号与随后沿与流速相反的方向传输的接收信号之间的相位差ΔΨ₂如下：

${\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_1=2\mathrm{\&pi;f}\frac{L}{C+v}---(7-a)$

${\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_2=2\mathrm{\&pi;f}\frac{L}{C-v}---(7-b)$

其中，v＝Vcosα，L是超声振子之间的间隔。相位差ΔΨ₁和ΔΨ₂的倒数差为：

$\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_1}-\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_2}=\frac{2V\cos \mathrm{\&alpha;}}{2\mathrm{\&pi;fL}}---\left(8\right)$

其中，V如下：

$V=\frac{\mathrm{\&pi;fL}}{\cos \mathrm{\&alpha;}}(\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_1}-\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_2})---\left(9\right)$

该流速测量方法非常有用，因为不需要单独测量声速，即使在声速显著变化的情况下。但是，只有相位差ΔΨ₁和ΔΨ₂的测量误差非常小，可忽略，才可根据公式(9)测量流速。

例如，ΔΨ₁＝2.0rad，ΔΨ₂＝2.2rad。假设相位差在0.5％的误差范围内，测量相差如下：

ΔΨ₁’＝2.0(1+0.005)＝2.01

ΔΨ₂’＝2.2(1-0.005)＝2.189结果， $\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_1^{\&prime;}}-\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_2^{\&prime;}}=0.040682835$

而真实值如下：

$\frac{1}{2.0}-\frac{1}{2.2}=0.0454545$

因此，误差如下：

$\frac{0.0406828-0.04545}{0.04545}=-0.105=10.5\%$

即相差在0.5％的误差范围内测量，但是关于相差的倒数差之间的误差增加了20多倍。因此，流速测量误差超过10％。

为了使得相位差流速测量方法不依赖于声速C，相差必须非常精确地测量。

公式(7)有以下问题。当间隔L增加时，声速C降低，超声频率增加，相位差ΔΨ_1·2大增超过π。当然，如果L，C和v给定，可选择使得相位差ΔΨ不超过通常相差鉴别器的测量范围π的超声频率f，但是，它必须远高于流体中产生的噪声频带。

例如，假设天然气管的内径D等于0.3m，C≈420m/s，V＝30m/s，α＝45°，L＝0.425m，不超过相位差π的超声频率f如下：

这样的频带包括在噪声频带中。另外，这使得不可能制造一小型的振子传输165Hz的声波。

为了避开噪声频带，如果超声载波频率f_C选择为40Khz，在上述例子中相差如下：

${\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_1=2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;4\&CenterDot;{10}^4\&CenterDot;\frac{0.424}{420+30\cos \mathrm{\&alpha;}}=241.522\&CenterDot;\&CenterDot;\mathrm{rad}>76\mathrm{\&pi;}+\mathrm{\&beta;}$

此时，768π不能用通常的相差鉴别器测量。

为了解决这些问题，本发明将远离噪声频带的超声频率f_C作为载波，将其调幅成低于超声频率f_C的频率f_M，使其在近似流速的方向或与流速相反的方向传输，测量传输信号和接收信号之间的相差如下：

首先，调幅频率f_M这样选择，使得调幅信号的传输波与接收和解调的随后被沿近似于流速方向和与流速相反的方向传输的信号之间的相位差ΔΨ_M1和ΔΨ_M2满足以下条件：

${\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{M1}={2\mathrm{\&pi;f}}_M\frac{L}{C_{\max }+v_{\max }}=\mathrm{n\&pi;}+\mathrm{b\&pi;}---(10-a)$

${\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{M2}={2\mathrm{\&pi;f}}_M\frac{L}{C_{\min }-v_{\max }}=\mathrm{n\&pi;}+\mathrm{a\&pi;}---(10-b)$

其中，n＝const(1，2，3，……)；a＜1.0，b＜1.0，C_max和C_min是流体中声速的最大值和最小值，v_max＝V_maxcosα，其为最大流速测量范围。

在这种情况下，nπ事先知道，只有aπ和bπ测得并加nπ，相差ΔΨ_M1和ΔΨ_M2才能测量。此时aπ是测量上限，bπ是测量下限。如果a＝1，b＝0时不稳定，最好选择a为0.95，b为0.2。

满足公式(10)的n如下：

由公式(10)给出以下相关式：

$\frac{n+b}{n+a}=\frac{C_{\min }-v_{\max }}{C_{\max }+v_{\max }}$

其中，n为：

$n=\frac{a(C_{\min }-v_{\max })-b(C_{\max }+v_{\max })}{C_{\max }-C_{\min }+2v_{\max }}---\left(11\right)$

根据这样得到的n的调制频率f_M如下：

$f_M=\frac{n+a}{2L}(C_{\min }-v_{\max })---(12-a)$

或

$f_M=\frac{n+b}{2L}(C_{\max }+v_{\max })---(12-b)$

因此，载波f_C被调幅成选择的调制频率f_M，调幅的信号被发送/接收。如果调制频率f_M之间的相差ΔΨ_M1和ΔΨ_M2在恒定误差范围δ_M内测量，相差ΔΨ_M1和ΔΨ_M2的计算结果如下：

ΔΨ′_M1＝nπ+bπ(1±δ_M)                          (12-a)

ΔΨ′_M2＝nπ+aπ(1±δ_M)                          (12-b)

其中，aπ＝ΔΨ_MM1，bπ＝ΔΨ_MM2，其为相差鉴别器可测量的相差。用f_C/πf_M去乘相差，得到将载波之间的相位差ΔΨ_C1和ΔΨ_C2分成π的值。

${{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}^{\&prime;}}_{M1}\&times;\frac{f_c}{{\mathrm{\&pi;f}}_M}=m_1+\mathrm{\&beta;}---(13-a)$

${{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}^{\&prime;}}_{M2}\&times;\frac{f_c}{{\mathrm{\&pi;f}}_M}=m_2+\mathrm{\&gamma;}---(13-b)$

其中，β＜1.0，γ＜1.0，m₁和m₂是整数(1，2，3，4…)。

如果相差ΔΨ_C1和ΔΨ_C2如上所述测量，可得到m₁π+βπ和m₂π+γπ。

鉴别器测量载波之间的相差值如下：

ΔΨ′_CM1＝βπ(1±δ_c)                        (14-a)

ΔΨ′_CM2＝γπ(1±δ_c)                        (14-b)

如果m₁π和m₂π加到测量值上，基于载波的传输的相位与随后在近似于流速方向和与流速相反方向传输的接收信号的相位之间的差如下：

ΔΨ′_C1＝m₁π+βπ(1±δ_c)                   (15-a)

ΔΨ′_C2＝m₂π+γπ(1±δ_c)                   (15-b)

如上获得的相差ΔΨ_C1’和ΔΨ_C2’代入流速测量公式，计算流速如下：

$V^{\&prime;}=\frac{\mathrm{\&pi;}{f}_{c}L}{\cos \mathrm{\&alpha;}}(\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{C1}^{\&prime;}}-\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{C2}^{\&prime;}})---\left(16\right)$

如果载波的相差用如上的方法测量，测量误差比相差鉴别器的误差δc减小几十或几百倍。

${\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{\&Delta;\&psi;C}1}=\frac{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{C1}^{\&prime;}-\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&psi;}}_{C1}}{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&psi;}}_{C1}}=\frac{{\mathrm{\&beta;\&pi;\&delta;}}_c}{m_1\mathrm{\&pi;}+\mathrm{\&beta;\&pi;}}=\frac{{\&PlusMinus;\mathrm{\&delta;}}_c}{1+\frac{m_1}{\mathrm{\&beta;}}}---(17-a)$

${\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{\&Delta;\&psi;C}2}=\frac{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{C2}^{\&prime;}-\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&psi;}}_{C2}}{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&psi;}}_{C2}}=\frac{{\&PlusMinus;\mathrm{\&delta;}}_c}{1+\frac{m_2}{\mathrm{\&gamma;}}}---(17-b)$

其中，m₁和m₂＞＞1，β和γ＜1.0。因此，δ_ΔΨC1和δ_ΔΨC2比δc小很多。

如上所述，根据本发明，因为超声波传输和接收时相差被精确测量，可根据不依赖于声速的相差流速测量公式测量流速。另外，即使L和V较大，C较低，超声波之间的相差远离π弧度，流速可容易地测量。

例如，当测量在一具有300mm内径的管子中流动的天然气的流速时，假设C_min＝420m/s，C_max＝450m/s，L＝0.425m，V_maxcosα＝30m/s，考虑到管子中的噪声，超声载波频率f_C选择为40KHz。假设相差鉴别器的测量范围选择为0～π，例如当相差在上述范围内最小时b＝0.2，bπ＝0.2π，例如当在上述范围内相差最大时a＝0.95，aπ＝0.95π。因此，调制频率f_M如下：

$n=\frac{0.95(420-30)-0.2(450+30)}{450-420+2.30}=3.05$

假设n选择为3，存储在系统中的存储器中，

$f_M\&le;\frac{3.05+0.95}{2-0.424}(420-30)=1839.62\mathrm{Hz}$

假设f_M选择为1830Hz，传输时沿近似于流速方向和与流速相反的方向超声波被调幅成1830KHz的调幅信号f_M，接收信号被解调以检测调幅信号f_M。然后，如果发送侧的调幅信号f_M的相位和接收信号的相位被测量，结果如下：

${\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{\&psi;M}1}=2{\mathrm{\&pi;f}}_M\frac{L}{C+v}=2\mathrm{\&pi;}1830\frac{0.424}{450+20}=10.372877\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;=3\mathrm{\&pi;}+0.30178\mathrm{\&pi;}---(n=3)$

${\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{\&psi;M}2}=2{\mathrm{\&pi;f}}_M\frac{L}{C-v}=3\mathrm{\&pi;}+0.60893\mathrm{\&pi;}---(n=3)$

此时，已知鉴别器的相差测量为0.30178π和0.60893π。假设该相差是在±1％的范围内的测量误差，计算的相差如下：

Δ_ΨM1’＝3π+0.30178π(1+0.01)＝10.382328rad

Δ_ΨM2’＝3π+0.60893π(1-0.01)＝11.31865rad

以下的步骤如下：

${\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{\&psi;M}1}\&prime;\&CenterDot;\frac{f_c}{{\mathrm{\&pi;f}}_M}=10.3823\&CenterDot;\frac{{40\&CenterDot;10}^3}{\mathrm{\&pi;}1830}=72.235819$

此处，m₁(＝72)存储在本系统的存储器中。

${\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{\&psi;M}2}\&prime;\&CenterDot;\frac{f_c}{{\mathrm{\&pi;f}}_M}=11.31865\frac{{40\&CenterDot;10}^3}{\mathrm{\&pi;}1830}=78.75056$

此处，m₂(＝78)存储在本系统的存储器中。

实际的载体之间的相差如下：

${\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{C1}=2\mathrm{\&pi;}{f}_c\frac{L}{C+v}=226.7294102=72.17021276\mathrm{\&pi;}$

其中，m₁(＝72)与存储值一样，可直接测量的载波之间的相差ΔΨ_CM1等于0.17021276。

${\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{C2}=2{\mathrm{\&pi;f}}_c\frac{L}{C-v}=247.8205182=78.88372094\mathrm{\&pi;}$

其中，m₂(＝78)与存储值一样，载波之间的相差ΔΨ_CM2等于0.88372094。如果在±1％的范围内测量相差ΔΨ_CM1和ΔΨ_CM2，ΔΨ_CM1’＝0.54rad，ΔΨ_CM2’＝2.748rad相差ΔΨ_C1和ΔΨ_C2的计算结果如下：ΔΨ_C1’＝72π+0.54＝226.73467radΔΨ_C2’＝78π+2.748＝247.7922rad这些相差代入流速测量公式以计算流速如下：

$V^{\&prime;}\cos \mathrm{\&alpha;}={\mathrm{\&pi;f}}_{c}L(\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{C1}^{\&prime;}}-\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{C2}^{\&prime;}})=\mathrm{\&pi;}40\&CenterDot;10^3\&CenterDot;0.424(\frac{{10}^{-3}}{0.226\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;}-\frac{{10}^{-3}}{0.24779\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;})=19.97m/s$

第一流速Vcosα等于20m/s，但是实际测量的流速为19.95m/s。因此测量误差为-0.15％。即，在1％的范围内测量2次相差。结果流速测量误差减少0.15％。

这样的误差减小的原因是相差ΔΨ_C1和ΔΨ_C2的测量误差显著降低。

${\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{\&psi;C}1}=\frac{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{C1}^{\&prime;}-{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{C1}}{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{C1}}=\frac{226.73467-226.72941}{226.72941}=0.00002323=0.0023\%$

相差ΔΨ_CM1在δc(＝1％)时测量。但测量误差ΔΨ_C1减小了m₁/β倍(＝72/0.1702≈423)(参见表达式17)。

假设上述例子中相差ΔΨ_MM1，ΔΨ_MM2，ΔΨ_CM1和ΔΨ_CM2在误差1％时测量，但是实际上通常相差是在误差为0.5％时测量。

如上所述，根据本发明，流速高而声速低的气体的流速可根据与较大内径的管子中的声速变化无关的相差方法精确地测量。

图5中，说明实现本发明的一实施例的根据相差方法测量流速的方法的系统的结构的示意框图。

超声振子1和1是接收超声波的超声接收振子，振子2是以较宽的方向角发送超声波的超声发送振子。载波振荡器13和调制波振荡器14分别产生超声载波频率f_C和调幅频率f_M。调幅器17调幅超声载波频率f_C。输出放大器18激励超声振子2。接收放大器19，19’分别放大超声振子1，1’的信号。解调器20，20’解调调幅信号以检测调制频率f_M。窄带放大器21，21’放大从解调器20，20’输出的信号。相差鉴别器28，28’检测调幅波f_M之间的相差ΔΨ_MM1，ΔΨ_MM2。相差鉴别器31检测载波f_C之间的相差ΔΨ_CM1和ΔΨ_CM2。放大器限制器30，30’放大和限制调幅信号至一预定的水平。需要移相器29，29’来使得当流速V为0时，相差鉴别器28，28’的输出调整为0。根据本发明，一算术逻辑单元32计算载波f_C之间的相差ΔΨ_C1和ΔΨ_C2，然后计算流速。

本发明的超声流速测量系统操作如下：

调幅器17调幅由载波振荡器13产生的载波频率f_C成为调制振荡器14产生的调制频率f_M。放大器18放大调幅信号并将其施加给发送超声振子2。如果振子2在近似于流速方向或与流速相反方向发送调幅信号，接收振子1接收近似于流速方V向或与流速相反方向发送的信号，并将其转化为电信号。接收振子1的输出信号被放大f_C±f_M频带的接收放大器19放大，并将其输入给解调器20。在解调器20的输出端产生调幅信号f_M。该信号通过移相器29被输入给窄带放大器21。窄带放大器21过滤调幅信号，将其施加给较低频率f_M的相差鉴别器28。鉴别器28检测对应于小于π的相差ΔΨ_MM2的信号，并将其输出信号输入给计算相差和流速的算术逻辑单元32。

在流速方向传输的超声波被接收振子1’接收，通过接收放大器19’，解调器20’，窄带放大器21’，鉴别器28’检测出相差ΔΨ_MM1，如上所述。同时，接收放大器19’来的输出信号被放大器限制器30’放大至饱和状态，并输入给相差鉴别器31’。相差鉴别器31’产生对应于相差ΔΨ_CM1和ΔΨ_CM2的信号，并输入给算术逻辑单元32。

算术逻辑单元32中应事先输入有整数n，f_M，f_C，L，cosα，并根据公式(13)获得m₁和m₂，根据公式(15)计算载波的相差ΔΨ_C1和ΔΨ_C2，并根据公式(16)计算流速V。这样获得的流速如果用于流量计的话，可用于计算流率。

可有另一种方法测量声速C。例如，如果测量体积流率的流量计安装以测量气体质量流率时，气压和温度分别测量。此时，声速可使用气压和温度的测量结果计算。如果液体流率被测量，可能液体中的声速C预先知道而没有变化。此时，近似于流速方向和与流速方向相反的方向传输的超声波被接收，接收信号之间的相差Δ_c被测量，使得流速V可根据公式(5)测量。此时，如果Δ_c＞＞π，相差Δ_c如下测量：为了调幅超声载波f_C为调制频率f_M，调制频率f_M选择为：

$f_M\&le;\frac{C_{\min }^2}{{4\mathrm{LV}}_{\max }\cos \mathrm{\&alpha;}}---\left(18\right)$

其中，C_min是流体中可能的最小声速。

这样选择的调幅频率的接收信号之间的相差Δ_M在最大流速测量值时不超过π。接收到的调幅信号被解调，使得调制频率之间的相差Δ_M被测量，然后根据公式(19)获得m。

其中，a＜1.0。

公式(19)中的aπ是用来测量载波之间的相差的元素。同时，载波信号之间的相差aπ被测量，根据下式计算Δ_c：

Δ_c＝ mπ+aπ                             (20)

然后，Δ_c代入公式(5)中，计算流速V。此时，要测量的相差为aπ。当测量aπ的绝对误差Δaπ等于δ_aπ·aπ(δ_aπ为相对误差)，Δ_c的测量误差如下：

因此，δ_Δc＜＜δ_aπ，流速计算的精确度增强。实现以这样的方法测量流速的方法的系统的另一个实施例示于图6。

参见图6，与图5相同的部件使用相同的标号。只是流速算术逻辑单元中事先输入整数f_M，f_C，L，cosα，根据公式(18)，(19)和(5)计算流速。

因此，本发明可调幅超声波，根据传输时间差方法在较大的河流，较大的排水道和较大内径的管子中以高可靠性测量流速。另外，本发明提供不依赖于声速的相差流速测量方法，使用通用的具有相差测量范围π的相差鉴别器，即使相差超过了πrad。

Claims (3)

1.一种测量超声波在近似于流速方向和与流速相反的方向传输的时间和计算流速的时间差流速测量方法，包括以下步骤：

每当测量超声传输时间时，在时间τ(＝5/f_M)内，对频率为f_c的超声载波调幅成低于载波频率f_c的调幅频率为f_M的信号；

并将该调幅信号在近似于流速方向和与流速相反的方向发送；

解调该接收的被在近似于流速方向和与流速相反的方向传输的调幅信号以检测该调幅信号f_M；

测量超声载波f_c被调幅成调幅频率f_M的时刻和从接收的信号中检测出调幅信号f_M的时刻之间的时间间隔；

将测量的时间差代入时间差流速测量公式，计算流速，其中调幅频率f_M由下式确定：

$f_p<<10\left(\frac{C_{\max }+V_{\max }\cos \mathrm{\&alpha;}}{L}\right)\&le;f_M\&le;0.05f_c$

其中，f_p是超声波在流体中传输时衰减因数波动的情况下的最大频率，C_max是流体中的最大声速，L是超声传输距离，V_max是可预料的间隔L中的最大流速，α是传输距离L和流速方向形成的角度。

2.根据权利要求1所述的超声流速测量方法，其特征在于，

测量超声波传输时间的方法包括以下步骤：将从0相位向“+”相位增加的调幅电压f_M输入给调幅器，然后将该调幅的输出电压输入给一超声振子，而再将该输出电压输入给解调器，以检测调幅信号f_M，当第一个或第一个半周期的调幅信号通过0交叉点电位时确定作为超声传输时间测量的起始点，由解调器解调该信号，其中调幅超声波传输通过距离L，然后被另一个超声振子接收，检测调幅信号f_M，当第一个或第一个半周期的调幅信号通过0交叉点电位时确定作为超声传输时间测量的停止点，使用超声传输时间起始点和停止点测量超声传输时间。

3.一种在近似于流速方向和与流速相反的方向以恒定角度α发送/接收超声波并使用与流速成比例变化的超声相差的相差流速测量方法，包括以下步骤：

连续地在近似于流速方向和与流速相反的方向上传输频率f_c的超声波时，将其调幅成低于f_c的超声频率f_M；

解调接收的在近似于流速方向和与流速相反的方向上传输经过间隔L的超声信号，以检测调幅频率f_M信号；

当调幅频率f_M的信号被检测出并在近似于流速方向发送时，测量该调幅信号f_M之间的相差ΔΨ_M1，和调制信号f_M在与流速相反的方向上传输并被接收和解调时的相差ΔΨ_M2；

发送的超声波f_c的相位和接收信号f_c的相位之间的相差ΔΨ_C1和ΔΨ_C2中排除由相位鉴别器测量的相差项βπ和γπ，从而得到π的m₁和m₂倍，如下式所示：

$\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&psi;}}_{C1}}{\mathrm{\&pi;}}=\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&psi;}}_{M1}\frac{f_c}{{\mathrm{\&pi;f}}_M}=m_1+\mathrm{\&beta;}$

$\frac{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{C2}}{\mathrm{\&pi;}}=\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&psi;}}_{M2}\frac{f_c}{{\mathrm{\&pi;f}}_M}=m_2+\mathrm{\&gamma;}$

其中，β＜1.0，γ＜1.0；

存储m₁和m₂，测量相差项βπ和γπ，将m₁π和m ₂π加到测量结果中，以计算相差ΔΨ_C1和ΔΨ_C2，根据下式计算流速：

$V=\frac{{\mathrm{\&pi;}f}_{c}L}{\cos \mathrm{\&alpha;}}(\frac{1}{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&psi;}}_{C1}}-\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_{C2}})$

如下选择调幅频率f_M：

$f_M=\frac{n+\mathrm{\&alpha;}}{2L}(C_{\min }-v_{\max }),$

$n=\frac{a(C_{\min }-v_{\max })-b(C_{\min }+v_{\max })}{C_{\max }-C_{\min }+2v_{\max }}$

存储n，

ΔΨ_M1＝nπ+bπ    ΔΨ_M2＝nπ+aπ

测量上式中的相差aπ和bπ，其可由一相差鉴别器测量，向其中加入nπ，从而得出ΔΨ_M1和ΔΨ_M2；

其中，a(＜1.0)是选择相差鉴别器的最大测量范围(aπ)_max的因数，其为0.95，b(＜1.0)是选择相差鉴别器的最大测量范围(bπ)_max的因数，其近似为0.2，C_max和C_min是可能的最大和最小声速，v_max(＝V_maxcosα)是最大流速测量范围。

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