CN1167953C - 超声流速测量装置 - Google Patents

Abstract

一种流速测量装置，用于测量超声传输时间，传输和接收对于时间调频的超声连续正弦波，其中一频率鉴别器检测超声束的频率在传输和接收时调制的时刻。因此，由于检测延迟时间而造成的误差消除了，因为一频率鉴别器检测接收和传输信号，即使接收信号的幅值严重波动超声传输时间测量的误差也可防止。该流速测量装置可有效用于大尺寸标定管和大河流或排水道敞开沟。

Description

超声流速测量装置

本发明涉及使用超声束测量流体流速的技术，特别涉及超声流速测量装置，以测量较大的河或排水道敞开沟的流速。

传统的流量计使用超声束在流体流过的较大尺寸的标定管或敞开沟的横截线上测量流速。目前流速由超声传输时间差方法测量如下：

其中，Δt等于t₁₂和t₂₁的差，t₁₂和t₂₁是超声束在流体中以角度传输或在流速方向上反向传输的时间，L是两个超声振子间的距离，d等于Lcos，C为流体中声速(以下称为“超声传输速度”)。

上述使用超声传输时间差的流速测量方法是公知的，绝大多数超声流量计使用该方法。换句话说，为了测量超声传输时间t₁₂和t₂₁，测量从超声传输时刻到接收时刻的时间。如果超声振子间的间隔L较长，或在流体流动中有不同尺寸的旋涡或涡流，或在自然的河流中悬浮浓度变化，超声束的声压在超声接收位置严重波动，因为超声束被反射或散射，或吸收衰减因数变化。

另外，即使传输具有短波长的理想超声束，接收信号变成钟形脉冲，因为较高的超声束的谐波分量被严重衰减。为此，在检测超声束的接收时刻时常发生对应于数个超声束周期的接收误差，接收失败经常发生。

为了不扭曲传输和接收超声束时的接收脉冲的形状，使用一宽带放大器，但各种噪声被放大了。特别是，由于这些脉冲噪音，干扰了超声传输时间的测量。

如上所述，由于大尺寸标定管、较大的河流或排水道敞开沟中的这些因素，在接收点经常不能精确测量超声传输时间t₁₂和t₂₁。另外，较小的标定管的流量计可引起超声发射振子处于振动激励。此时，将电能转化成超声波的效率大大恶化。

结果，这些问题使得在超声束在具有较大的宽度的排水道敞开沟和河流中传输和接收时很难使用超声传输时间差方法测量流速。超声流量计的使用受到限制。

为了解决这些问题和缺点，本发明的目的是提供一种使用超声传输时间差方法测量流速的装置，其中不是使用超声脉冲，而是使用连续的超声波(正弦波)传输和接收，并测量其传输时间。

一种超声流速测量装置，包括两个振子，在要测量流速的段内与流速方向形成一定的角度，两个振子彼此传输和接收超声束，以测量超声传输时间，然后计算流速，其中，两振子通过一振子开关部与输出放大器相连，放大器连接一频率调制振荡器，以产生预定调制频率的连续波，频率调制振荡器连接一冲息多谐振荡器，以振动一给定的频率脉冲来操作频率调制振荡器，冲息多谐振荡器连接一控制方波发生部，以使得冲息多谐振荡器在给定的周期被操作，控制方波脉冲发生部连接一振子开关部和输出开关部并控制其工作，其中输出放大器放大来自频率调制振荡器的输出信号，振子开关部将输出放大器的输出信号输入给两个振子中的任一个，然后，来自相应的振子的输出信号输入给接收放大器，输出开关部将接收放大器的输出信号施加给频率鉴别器，输出开关部的一输入端连接接收放大器，另一输入端连接衰减输出放大器的输出电压的衰减器，其输出端连接频率鉴别器，以检测频率调制时刻，频率鉴别器连接一脉冲整形部以将其输出整形为方波脉冲，脉冲整形部连接一时间间隔测量部以测量脉冲整形部的两个脉冲之间的时间差，时间间隔测量部连接一流速算术逻辑处理单元以计算流速。

下面对照附图详细描述本发明，其中：

图1是说明根据本发明的超声流速测量装置的方框图；

图2是说明根据本发明的超声流速测量装置的操作的图；

图3A和3B是说明超声束的频率调制的视图。

参见图1和2，超声传输振子1和超声接收振子2彼此相对设置，并与一振子开关部14电连接，该开关部14与输出放大器6和接收放大器7联接。因此，为了操作超声传输振子1，输出放大器6与一频率调制振荡器3相连，以产生预定调制频率的连续波。频率调制振荡器3与一冲息多谐振荡器4相连，以振动一给定的频率脉冲，施加给振荡器3。冲息多谐振荡器4与一控制方波脉冲发生部5相连，以使得冲息多谐振荡器4在给定的周期操作，而同时控制输出开关部8。输出放大器6放大频率调制振荡器3的输出信号，将其输出给传输振子1。衰减器13连接在输出放大器6和输出开关部8之间，以衰减放大器6的输出电压。接收放大器7通过输出开关部8将放大的接收信号施加给频率鉴别器9。一脉冲整形部10接收输出开关部8的输出电压，将其变为方波脉冲。时间间隔测量部11测量脉冲整形部10出来的两个脉冲之间的时间差。流速算术逻辑处理单元12使用超声传输时间差方法计算流速。衰减器13与输出开关部8相连。

超声流速测量装置的操作如下：

控制方波脉冲发生部5产生方形长脉冲T₁，其具有给定的周期，如图2的A所示。冲息多谐振荡器4在该方形长波T₁的上升沿工作，以产生具有周期T₂的方波脉冲，如图2的B所示。频率调制振荡器3产生一振荡信号或正弦频率f的信号，其中在该方波周期T₂振荡频率f变成振荡频率f₀(＝f+Δf)，然后在方波脉冲周期T₂的下降沿返回成正弦频率f，见图2的C，其中频率f₀是振子1和2的谐振频率，Δf是频率偏移。然后频率调制振荡器3将其输出施加给输出放大器6，输出放大器6放大频率调制信号，通过振子开关部14将其施加给传输振子1。传输振子1在流体中传输超声束，如图2的D所示。同时，来自输出放大器6的信号通过衰减器13和输出开关部8输入给频率鉴别器9。因此，频率鉴别器9在频率调制周期产生输出电压，如图2的E所示。信号电压输入给脉冲整形部10以产生一脉冲，如图2的F所示。

然后，在方形长脉冲周期T₁到达后沿时，输出开关部8和振子开关部14接通，以使得由接收放大器7输出的信号输入给频率鉴别器9。换句话说，来自传输振子1的超声束在流体中传输给接收振子2。接收振子2在接收到传输振子1的信号时，将其输出信号施加给接收放大器7。接收放大器7放大接收信号，如图2的G所示，将其施加给频率鉴别器9。频率鉴别器9产生如图2的H所示的信号来操作脉冲整形部10。脉冲整形部10产生一短波，如图2的I所示，其中频率鉴别器9的输出信号(图2的E和H)彼此相等，其基于瞬态现象的延迟时间τ相等。

时间间隔测量部11接收图2的F和I的短脉冲以测量其间的时间间隔t₁₂，其中短脉冲通过脉冲整形部10将频率鉴别器9的输出信号整形而得。时间间隔测量部11将时间间隔信号输入给算术逻辑处理单元12，将其存储在其存储器中。注意，t₁₂是将超声束从传输振子1传输到接收振子2的时间。

完成了传输振子1到接收振子2的超声传输时间的测量后，振子开关部14在控制方波脉冲发生部5的脉冲信号的后沿工作以使得接收振子2传输超声束给传输振子1。类似地，测量超声传输时间t₂₁并输入给算术逻辑处理单元12。

算术逻辑处理单元12存储两个振子之间的间隔L和预先设定在存储器中的距离d(＝Lcos)，并利用公式(1)使用超声传输时间t₁₂和t₂₁的结果计算流速V。如果想计算流率，计算出的流速值可输入给流率计算装置。

注意，传输振子的效率比使用超声脉冲时增加到3-5倍，因为不传输超声脉冲，而使用了频率调制超声正弦波。超声束的强度也提高了。更重要的是，捕捉接收信号频率改变的时刻，而不是捕捉接收信号的幅值，以测量超声传输时间。另外，由于检测延迟时间而造成的误差被消除了，因为频率鉴别器检测接收和传输信号。

因此，尽管接收信号的幅值严重波动，但接收信号被足够放大。例如，接收信号放大到饱和状态(即达到频率鉴别器输入允许电压)，输入给频率鉴别器。使用f₀-f频率的带通滤波器可容易地消除噪音，因为正弦波连续地传输和接收。它也消除了测量超声传输时间时的干扰，因为使用宽带放大器以防止使用超声脉冲时波形的变形。

图3A示出了接收振子的输出信号的波形。接收信号在谐振频率f₀处的幅值a₂和接收信号在频率f(＝f₀+Δf或f₀-Δf)处的幅值a₁间的差随频率偏移的增加而变大。但是如果频率Δf/f₀约等于0.1，幅值a₁和a₂之间的差不太大。

图3B示出了接收信号放大到饱和状态时的波形。放大的信号可输入给频率鉴别器。当然，饱和状态放大的信号的幅值应等于频率鉴别器的最大允许输入电压。如图1所示的衰减器13的作用是减小放大器6的输出电压至频率鉴别器的最大允许输入电压。

即使两个振子之间的间隔距离L为几百米本发明也能保证超声接收，即使由于许多因素在超声接收点声压严重波动，也能保证超声传输时间测量，以增加流速的准确性。

Claims (1)

1.一种超声流速测量装置，包括两个振子，在要测量流速的段内与流速方向形成一定的角度，两个振子彼此传输和接收超声束，以测量超声传输时间，然后计算流速，其特征在于，两振子通过一振子开关部与输出放大器相连，放大器连接一频率调制振荡器，以产生预定调制频率的连续波，频率调制振荡器连接一冲息多谐振荡器，以振动一给定的频率脉冲来操作频率调制振荡器，冲息多谐振荡器连接一控制方波发生部，以使得冲息多谐振荡器在给定的周期被操作，控制方波脉冲发生部连接一振子开关部和输出开关部并控制其工作，其中输出放大器放大来自频率调制振荡器的输出信号，振子开关部将输出放大器的输出信号输入给两个振子中的任一个，然后，来自相应的振子的输出信号输入给接收放大器，输出开关部将接收放大器的输出信号施加给频率鉴别器，输出开关部的一输入端连接接收放大器，另一输入端连接衰减输出放大器的输出电压的衰减器，其输出端连接频率鉴别器，以检测频率调制时刻，频率鉴别器连接一脉冲整形部以将其输出整形为方波脉冲，脉冲整形部连接一时间间隔测量部以测量脉冲整形部的两个脉冲之间的时间差，时间间隔测量部连接一流速算术逻辑处理单元以计算流速。