CN1175250C - 超声波流速测量仪 - Google Patents

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Abstract

本超声波流速测量仪用于测量超声波渡越时间，该测量是在接收端对具有根据在发送端扩频段的PN码调制的频率的超声波信号同步锁定的条件下进行的。另外，可以根据与流体通路底部的各种距离设置多个超声波换能器，从而可以精确地测量出平均流速。故该超声波流速测量仪适用于对大型河流、闸门开启的渠道的流速进行有效的测量，同时也适用于对气体的流量和水位等进行测量。

Description

超声波流速测量仪
技术领域
本发明涉及一种利用超波束测量流体流速的仪器，尤其是涉及一种超声波流速测量仪，该仪器产生或接收超声波束，该超声波束的频率根据发送端扩频段的PN(伪躁声)码进行调制，并精确地测量管道或闸门开启的渠道的流速。
背景技术
已知通常采用超声波流量计利用超声波束测量大口径的管道或大型河流的流量。
通常的超声波流量计大多应用利用超声波渡越时间差的流速测量方法。图1举例示出，在一通常的超声波流量计中超声波换能器1和2相互分隔设置。超声波换能器1和2交替产生或接收超声波束，并利用下述公式(1)测量流速。
V＝Δt·C2/2·L·cos＝(L2/2d)·[(t21-t12)/(t12·t21)]    (1)
其中，Δt等于t12和t21，t12和t21是超声波束在流体中以角度或与流速方向反向发送的时间。L是两个超声波换能器间的间距，d等于L cos和C是流体中的音速(替代下述的超声波渡越时间)。
利用超声波渡越时间差的流速测量方法预先输入一预定的常数L2/2d，并计算时间t12与t21的时间差，其中时间t12是在超声波束沿流速方向发射时测量出的，而时间t21是在超声波束逆t12流速方向发射时测量出的。根据美国专利US5531124(1996年7月2日)和日本专利JP2676321(1998年7月26日)中的记载，专业人员已公知了这种流速测量方法。
但根据上述现有技术的方法，如果两个超声波换能器间的间距L相应较大，或在流体流中有大小不一的涡流或旋涡发生，或在自然河流中的流体悬浮物的浓度或温度分布发生变化时，则在超声波接收位置超声波束的声压将有剧烈的脉动，这是因为超声波束受到反射或散射，或吸收衰减系数发生变化之故。
另外，即使发送的是一理想的具有短波长的超声波束，接收信号也会变成钟形脉冲，这是因为超声波束的高次谐波分量被严重衰减之故。所以，在检出接收到超声波束的时刻时经常会出现相当于几个超声波束周期的接收误差，并且接收不正常的情况并不是少见的。
为了不使接收脉冲的波形发生畸变，采用了宽带放大器，但各种躁声也会随之被放大。脉冲躁声尤其会造成对超声波发送时间测量的扰乱。
基于上述问题，如图2所示，记载于美国专利US6012338的另一现有技术通过发送或接收调频超声波束测量超声波渡越时间并求出流速。
如图2所示，一调频振荡器3通过一输出放大器6接在一换能器转换部分14上。一对超声波换能器1和2接在换能器转换部分14上。当没有来自单冲多谐振荡器4的脉冲输入时，接在输出放大器6输入端上的超声波调制放大器3依次输出一振荡频率f，和输出一频率fo(如图3c所示)，对该脉冲根据由单冲多谐振荡器4按照一长脉冲(如图3a所示)产生的短脉冲(如图3b所示)进行调制，所述长脉冲是由一控制矩形脉冲振荡器5以一定的周期产生的。
由调频振荡器3产生的频率f和fo通过输出放大器6，并输入给换能器转换部分14。换能器转换部分14将经放大的频率f和fo输入给超声波发送换能器1。如图3d所示，超声波发送换能器1依次发射振荡频率f和调频频率fo。超声波接收换能器2设置在低于超声波发送换能器1的位置上，接收振荡频率f和调频频率fo。
此时，输出放大器6的输出信号通过衰减器13和输出转换部分8被发送给鉴频器9。在频率fo的持续时间内，鉴频器9产生一输出电压(如图3e所示)。图3e的输出电压被脉冲整形部分10变换成如图3f所示的矩形脉冲。一时间间隔测量部分11从接收到矩形脉冲的时刻起起动一计算操作。此后，在脉冲后沿的时刻，输出转换部分8和换能器转换部分14根据控制矩形脉冲振荡器5的控制被转换，接收放大器7的输出信号(如图3g所示)输入给鉴频器9，并且一输出电压(如图案3h所示)被脉冲整形部分10变换成矩形脉冲(如图3i所示)并接着被发送给时间间隔测量部分11。此时，时间间隔测量部分11结束计算操作。另外，时间间隔测量部分11将计算出的超声波渡越时间t12输出给流速算数逻辑处理单元12。
此后，换能器转换部分14根据控制矩形脉冲振荡器5的控制将输出放大器6的输出信号发送给超声波接收换能器2，并向超声波发送换能器1发射具有调制频率的超声波束。根据上述操作步骤，测量出超声波渡越时间t21。流速算数逻辑处理单元12接收一个来自时间间隔测量部分11的与时间t12反向的时间t21，并利用上述公式(1)计算流速。
上述美国专利US6012338记载的现有技术通过捕捉接收信号的频率发生变化的时刻测量超声波渡越时间，并因而即使在超声波束的声压脉动的条件下也能测量出超声波渡越时间。
但由于超声波发送换能器1产生的超声波束被从表面或底部反射，并在延迟操作之后超声波束才到达超声波束接收放大器2，所以很难捕捉到精确的调频时间点。换句话说，如图4所示，当超声波发送换能器1向超声波接收换能器2发射一超声波束时，超声波束是经多径到达超声波接收换能器2的。例如经过第一至第三路径P1、P2和P3的超声波束根据路径差具有一预定的相位差(如图5a-5c所示)。此时，如图5d所示，在鉴频器9上有多个输出电压Vo1、Vo2和Vo3。由于在接收端存在Vo1、Vo2和Vo3，所以不能精确地检测出振荡频率f被变换成调频频率fo的时刻，因而将导致测量误差。
例如在两个超声波换能器1和2之间的时间间隔L特别短的条件下(例如0.05m)，流速V很缓慢(例如0.1m/s)，并且音速C约为1500m/s，如果对测量误差不予考虑，则超声波渡越时间Δt的数值为3.14×10-9s。如果以高精确度在允许的误差范围1％内测量超声波渡越时间Δt，则测出的渡越时间差的绝对误差不得超过3×10-11s。出于对与绝对误差有关条件的考虑，渡越时间测量装置将会很复杂，捕捉超声波调制脉冲的接收时刻的装置应是一个特别稳定和精密的系统，因而将增大制造产品的成本。
另外，在不同的测量位置弯曲通路的流速将会出现很大的流速偏差，因而为测量超声波渡越时间差必须设置多个超声波换能器。如果与上述现有技术相同仅采用两个超声波换能器，则流速的测量误差将很大，因而不能实现精密的测量。
发明内容
本发明旨在解决上述问题。本发明的第一个目的是提出一种超声波流速测量仪，该测量仪在具有按发送端扩频段的PN码调制频率的超声波信号的同步在接收端被锁定的条件下，测量渡越时间，并避免出现超过允许误差范围的过度测量误差。
本发明的第二个目的是提出一种超声波流速测量仪，该测量仪在各个位置设置有多个超声波换能器，并精确地测量弯曲通路中的平均流速。
为实现第一个目的，在超声波流速测量仪中在流体通路的上流侧和下流侧设置一对换能器并根据超声波换能器间的超声波渡越时间差测量流速，超声波流速测量仪包括：一发送部分，该部分用于产生具有根据扩频段的PN码频移键控调制的频率的超声波信号；一换能器转换部分，该部分用于交替地将来自发送部分的超声波信号加到一对超声波换能器上，并针对发送或接收动作对超声波换能器对的连接状态进行切换；一接收部分，该部分用于对换能器转换部分的输出信号进行解调，并包括一个接收放大器、一个频率解调器，和一个捕捉部分，所述捕捉部分用于捕捉解调的信号序列与与发送部分PN码信号序列相同的时刻，以便输出一个起动信号ENABLE；一信号同步部分，该部分用于当接收部分捕捉到信号时，对接收信号的同步进行锁定，其中由一微分放大器产生一个用于控制压控振荡器的控制电压Vc，以便压控振荡器向时间间隔测量部分输出一个结束信号STOP；一时间间隔测量部分，该部分用于在信号同步部分内接收信号同步被锁定的条件下测量超声波渡越时间；和一个控制器，用于对换能器转换部分的切换操作进行控制，并根据与由时间间隔测量部分测量出的流速反向的超声波渡越时间，计算出流速。
发送部分由一发送PN码发生器、一调频器和一输出放大器构成。发送PN码发生器包括一产生预定周期的时钟信号的振荡器，并产生PN码，该PN码根据由振荡器产生的时钟信号由高电平脉宽和低电平脉宽确定。
信号同步部分由第一和第二合成器、第一和第二低通滤波器、一微分放大器、一环路滤波器、一压控振荡器和一接收PN码发生器构成。在接收到来自信号捕捉部分的起动信号后，接收PN码发生器产生根据压控振荡器的输入频率产生与发送PN码发生器的输出信号系列相同的PN码，然后接收PN码发生器产生一PN码，该PN码的相位超前于第一合成器的一个预定周期，和产生一个PN码，该PN码的相位滞后于第二合成器的一个预定周期。
所述发送部分用于根据信号选择信号由多个PN码信号序列中选择一PN码，并用于产生一具有根据选出的PN码进行频移键控调制的频率的超声波信号，所述控制器用于产生一信号选择信号，该信号选择信号用于在发送部分由多个PN码信号系列选出一PN码。
根据第二个目的，超声波流速测量仪包括：多个成套单元，这些成套单元发送或接收具有根据不同的PN码频移键控调制的频率的超声波束，并测量超声波渡越时间；一个控制器，该控制器用于收集由多个成套单元测出的超声波渡越时间，并计算平均流速，其中成套单元包括：一对超声波换能器，所述超声波换能器相对设置在流体通路的一等效高度上并且每个成套单元的超声波换能器对分别设置在流体通路的不同高度上；一发送部分，该部分用于产生具有根据预定的PN码频移键控调制的频率的超声波信号；一换能器转换部分，该部分用于交替地将来自发送部分的超声波信号加到超声波换能器对上，并针对发送或接收动作对超声波换能器的连接状态进行切换；一接收部分，该部分用于对换能器转换部分的输出信号进行解调，并包括一个接收放大器、一个频率解调器，和一个捕捉部分，所述捕捉部分用于捕捉解调的信号序列与与发送部分PN码信号序列相同的时刻，以便输出一个起动信号ENABLE；一信号同步部分，该部分用于当接收部分捕捉到一个信号时，对接收信号的同步进行锁定，其中由一微分放大器产生一个用于控制压控振荡器的控制电压Vc，以便压控振荡器向时间间隔测量部分输出一个结束信号STOP；和一时间间隔测量部分，该部分用于在信号同步部分中接收信号同步被锁定的条件下测量超声波渡越时间。
附图说明
下面将结合附图对本发明的进一步的目的和其它优点加以说明。其中：
图1举例示出，在一通常的超声波流量计中相互分隔设置的超声波换能器；
图2为根据现有技术的超声波流速测量仪的框图；
图3分别示出图2的每一部分的脉冲波形；
图4示出图2中超声波换能器间的超声波传输路径；
图5示出图2中的鉴频器的输出电压；
图6为根据本发明优选实施例的超声波流速测量仪的框图；
图7分别示出图6中每一部分的脉冲波形；
图8示出用于说明图6中信号同步部分工作情况的脉冲波形；
图9为根据本发明的第二个优选实施例的流速测量仪的框图；
图10示出在弯曲的流体通路中的平均流速；
图11为根据本发明的第三个优选实施例的超声波流速测量仪的框图；
图12举例示出图11中的超声波换能器的设置。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的优选实施例加以详细的说明。
图6为根据本发明优选实施例的超声波流速测量仪的框图。
如图6所示，超声波流速测量仪包括：
一发送部分10，该部分用于产生具有一根据扩频段的PN码调制的频率的超声波信号；
一换能器转换部分20，该部分用于交替地将发送部分10的输出信号加到一对超声波换能器21和22上，并输出超声波换能器21和22的接收信号；
一接收部分30，该部分用于对换能器转换部分20的输出信号进行解调，并用于对其捕捉；
一信号同步部分40，该部分与接收部分30的输出端连接，并用于对被捕捉到的信号的同步进行锁定；
一时间间隔测量部分50，该部分用于在信号同步部分40中信号同步被锁定的条件下计算超声波渡越时间，并用于将计算出的数值转换成数据；和
一个控制器60，该控制器用于对换能器转换部分20的转换动作进行控制，以便使超声波换能器21和22交替地发射或接收一超声波调制信号，同时接收时间间隔测量部分50的输出数据，并计算流速。
控制器60接在输入部分70和输出部分80上。输入部分70用于由使用者确定计算流速的初始数值，通常具有一个键盘。输出部分80显示由控制器60计算出的流速，并具有一诸如七段数码管或液晶显示板等显示装置。
超声波换能器21和22分隔开地设置在管道或闸门开启的渠道上。超声波换能器21设置在流体通路的上流侧。超声波换能器22设置在流体通路的下流侧。
发送部分10由一发送PN码发生器11、一调频器12和一输出放大器13构成。发送PN码发生器11包括一用于产生预定周期的时钟信号的振荡器，并根据来自振荡器的时钟信号依次输出一扩频频谱的PN码，同时向时间间隔测量部分50周期地输出起始信号SART。PN码系一脉冲系列，该脉冲系列由一高电平脉宽和一低电平脉宽决定的信号系列按预定的周期重复。调频器12在保持PN码高电平的周期内输出第一频率f1，并且在保持PN码低电平的周期内输出第二频率(f2＝f1+Δf)。
输出放大器13对由预定电平调制的第一和第二频率f1和f2进行放大，并将其输出给换能器转换部分20。
由于换能器转换部分20，上流侧的超声波换能器21向下流侧的超声波换能器22发送调制的第一和第二频率f1和f2。反之，下流侧的超声波换能器22也向上流侧的超声波换能器21发送调制的第一和第二频率f1和f2。换能器转换部分20的这种转换操作是通过控制器60的转换控制信号UP/DOWN实现的。
接收部分30由接收放大器31、频率解调器32和信号捕捉部分33构成。接收放大器31收到一微弱的信号，该信号是由两个超声波换能器21和22中的一个通过换能器转换部分20接收的，并由预定的放大电平对输入的微弱信号进行放大。频率解调器32对接收到的用预定的电平放大的信号进行解调。信号捕捉部分33检测解调的信号与由发送PN码发生器11产生的PN码信号系列相同的时刻。在此时刻，信号捕捉部分33向信号同步部分40同时输出起动信号ENABLE和PN码信号系列。
信号同步部分40由第一和第二合成器41和42、第一和第二低通滤波器43和43、微分放大器45、环路滤波器46、压控振荡器47和接收PN码发生器48构成。第一和第二合成器41和42分别接在信号捕捉部分33的输出端和接收PN码发生器48的输出端。第一合成器41将信号捕捉部分33的输出信号与由PN码发生器48产生的相同系列的PN码(其相位超前一个预定周期)合成，并产生一合成信号。第二合成器42将信号捕捉部分33的输出信号与相同系列的PN码(其相位滞后一个预定的周期)合成，并产生一合成的信号。第一和第二低通滤波器43和44接在第一和第二合成器41和42的输出端，并滤除在合成处理时混入的不需要的高频部分。微分放大器45按照与第一低通滤波器43滤出的直流部分电压信号Vdc1和第二低通滤波器44滤出的直流部分电压信号Vdc2的信号差成比例地进行差分放大，并产生一控制压控振荡器47的控制电压Vc。环路滤波器46将来自微分放大器45的差分放大的控制电压Vc中混入的躁声滤除。压控振荡器47根据已滤掉躁声的控制电压Vc’改变基频fr。当接收到来自信号捕捉部分33的起动信号ENABLE后，接收PN码发生器48根据来自压控振荡器47的输入频率产生与发送PN码发生器11的输出信号系列相同系列的PN码。此后，接收PN码发生器48产生一PN码，其相位超前一个第一合成器的预定周期，还产生一个PN码，其相位滞后一个第二合成器的预定周期。
由接收PN码发生器48发送给第一合成器41的PN码的输入先于由信号捕捉部分33发送给第一合成器41的接收信号系列PN码，先于接收信号系列PN码一个预定的时间。同时，由信号捕捉部分33产生一个PN码，该PN码由接收PN码发生器48输入给第二合成器42，并且滞后于按预定周期输入给第二合成器42的接收信号系列PN码。因此，当信号同步被锁定时，接收PN码发生器48向时间间隔测量部分50输出一结束信号STOP。
在信号同步被锁定的条件下，时间间隔测量部分50计算从接收到发送PN码发生器11的起始信号START的时刻到接收到接收PN码发生器48的结束信号STOP的另一时刻的超声波渡越时间。
时间间隔测量部分50将计算出的数值转换成数据，并将该数据输出给控制器60。
控制器60预先接收诸如两个超声波换能器21和22间的直线距离L或间隔L的初始数值，存储该初始数值，并通过将时间间隔测量部分25的输出数据(即超声波渡越时间)代入下列公式(2)计算出流速V。
             V＝(L2/2d)·[(tba-tab)/(tba·tab)]    (2)
式中，tab是当超声波换能器21向超声波换能器22发送超声波束时测出的超声波渡越时间，并且tba是当超声波换能器22向超声波换能器21发送超声波束时测出的超声波渡越时间。
控制器60将计算结果输出给输出部分80。据此，输出部分80通过数字或字符在显示器上显示出流速V。
下面将对超声波流速测量仪的工作过程加以说明。
构成测量仪的每一部分都接收作为输入的电源，使用者利用输入部分70加入驱动指令。据此，控制器60向换能器转换部分20输出第一转换信号UP。接收到第一转换信号UP的换能器转换部分20将超声波换能器21接在发送部分10的输出端，同时将超声波换能器22接在接收部分30的输入端。
发送PN码发生器11输出一PN码信号系列(如图7a所示)，所述信号系列由根据预定的周期Tc的时钟信号的高电平信号和低电平信号构成，由PN码发生器11的内部的振荡器产生的时钟信号被输送给调频器12和信号捕捉部分33。与此同时，发送PN码发生器11按照预定的周期Ta反复地产生一起始信号(如图7b所示)。调频器12在PN码的高电平持续周期产生预定的第一频率f1，并在PN码的低电平持续周期内产生预定的第二频率(f2＝f1+Δf，如图7c所示)。输出放大器13放大具有由预定电平调频的超声波信号，然后再输出这个被放大的超声波信号。超声波调制信号通过换能器转换部分20被加到超声波换能器21上，因此超声波换能器21向超声波换能器22发送一个经调制的超声波信号。
在超声波换能器22收到的信号经换能器转换部分20被输入接收放大器31。接收放大器31放大具有预定电平的接收到的微弱的超声波调制信号，并将经放大的信号(如图7d所示)输出给频率解调器32。频率解调器32对经放大的接收信号进行解调，并将解调的信号(如图7e所示)输出给信号捕捉部分33。信号捕捉部分33检测出解调信号系列与发送PN码发生器11产生的PN码的信号系列相同的时刻。在初始暂态，两个信号系列并不相同。在一预定的时间后，两个信号系列才相同。此时，信号捕捉部分33向信号同步部分40输出一起动信号ENABLE，该信号在信号捕捉部分33的捕捉时间点被变换成高电平信号，并将发送PN码发生器11的输出PN码(如图7g所示)输出给信号同步部分40。
接收PN码发生器48接收到起动信号ENABLE，并且向第一合成器41输入具有根据由压控振荡器47产生的基频的不同的相位的PN码，同时输入具有超前于如图7g所示的PN码的相位的PN码。同时，接收PN码发生器48向第二个合成器42输入另一PN码，该PN码具有滞后于图9g的PN码的相位。
第一和第二合成器41和42将两个输入的PN码合成，并将合成的PN码(如图8(k1)和8(l1)所示)输出给第一和第二低通滤波器43和44。第一和第二低通滤波器43和44滤除掉不必要的高频部分，并向微分放大器45输出直流部分电压信号Vdc1和Vdc2。微分放大器45向环路滤波器46输出一与两个电压信号Vdc1和Vdc2的电压差成比例的控制电压Vc。环路滤波器46向压控振荡器47输出一滤除了混入的躁声的控制电压Vc’。在压控振荡器47输出基频fr的同时，压控振荡器47根据来自环路滤波器46的输入控制电压Vc’改变基频fr，并将改变后的基频输出给接收PN码发生器48。据此，接收PN码发生器48改变输入给第一和第二合成器41和42的PN码的相位。
此时，当输入给第一合成器41的PN码的相位超前于(如图7h所示)信号捕捉部分33的输出PN码(如图7g所示)一个预定的周期Tc/2，并且输入给第二合成器42的PN码的相位滞后于(如图7i所示)信号捕捉部分33的输出PN码(如图7g所示)一个预定的周期Tc/2，即当图7g的PN码位于中心位置时，信号同步部分40将信号同步锁定，然后跟踪接收信号。如果在信号锁定状态下一个周期已经过去，接收PN码发生器48向时间间隔测量部分50输出一个结束信号STOP。在锁定状态下，时间间隔测量部分50计算出从接收起始信号START(来自发送PN码发生器11)的时刻开始到另一接收到结束信号STOP(来自接收PN码发生器48)结束的时间周期内的超声波渡越时间tab。
接着，控制器60向换能器转换部分20输出第二转换信号DOWN。因此换能器转换部分20将超声波换能器22接在发送部分10的输出端，并将超声波换能器21接在接收部分30的输入端。此后，具有扩频的PN码的调制频率的超声波信号由超声波换能器22发送给超声波换能器21。由超声波换能器21接收到的信号被解调并在接收部分30中被捕捉到。时间间隔测量部分50计算从接收到起始信号START(来自发送PN码发生器11)开始到接收到结束信号STOP(来自接收PN码发生器48)的另一时刻的周期内的超声波渡越时间tba。
但当输入给第一和第二合成器41和42的PN码(如图7h和7i所示)偏离预定的周期Tc/2(即初始暂态)时，压控振荡器47的输出基频fr将根据被微分放大器45放大的控制电压按照第一和第二低通滤波器43和44的输出电压间的压差进行变化。作为结果，接收PN码发生器48改变输入给第一和第二合成器41和42的PN码的每个相位。有两种经变化的PN码的相位，即第二信号型(如图8II所示)，该信号的相位超前于第一信号型(如图8I所示)一个预定的周期Tc/4，和第三信号型(如图8III所示)，该信号的相位滞后于图8I的第一信号型一个预定的周期Tc/4，其中信号同步被锁定。当基准相位发生与第二和第三信号型相同的偏离时，压控振荡器47的基频fr根据来自微分放大器45的控制电压Vc进行变化。作为结果，接收PN码发生器48改变输入给第一和第二合成器41和42的PN码的相位。最后，第一和第二合成器41和42的相位被变换成第一信号型。
在此期间，发送PN码发生器11和接收PN码发生器48采用相同的信号系列PN码。根据超声波换能器21和22间的距离相应设定PN码的周期Ta。如果超声波换能器21和22的设置位置发生变化，周期Ta短于超声波渡越时间，则从具有不同的周期的多个信号系列PN码中选出一个PN码并采用此PN码。下面将对照图9对此情况加以说明。
图9为根据本发明的第二优选实施例的超声波流速测量仪的框图。对与图6相同的部分将不再赘述。
如图9所示，发送PN码发生器11和接收PN码发生器48具有除如图8所示的预定周期(Ta；3比特)的信号系列以外的另外周期(3+n比特)的信号系列，可以作为多个多谐振荡器和双稳态多谐振荡器加以实现。
如果使用者用输入部分70输入一个用于改变PN码信号系列的信号系列设定指令，控制器60根据使用者选择指令向发送PN码发生器11和接收PN码发生器48输出信号系列选择信号Sa和Sb。
发送PN码发生器11输出由来自控制器11的信号系列选择信号Sa选出的信号系列PN码。接收PN码发生器48输出由来自控制器60的信号系列选择信号Sb选出的信号系列PN码。当然，发送PN码发生器11的输出信号系列必须与接收PN码发生器48的输出信号系列相同。
在此期间，视高度不同在弯曲流体通路出口的流速中将出现可观的偏差。例如，由于在直的流体通路中流体的流动是稳定的，所以在流体通路的低区段的流速和在流体通路高区段的流速如图10(V1)所示是标准的。但在弯曲的流体通路中，流体通路低区段的流速和流体通路高区段的流速，如图10(V2和V3)所示，是多变的。据此，根据流体通路的高度，在上流侧和下流侧安装有多个超声波换能器，在每个流动位置测量超声波渡越时间，从多个超声波渡越时间中计算出平均超声波渡越时间，据此测出流速。对此将对照图11加以说明。
图11为根据本发明的第三个实施例的流速测量仪的框图。采用图11的设置，可以测量任何设置位置上的流速。对与图6相同的部分不再赘述。
如图11所示，第一成套单元S1至第n个成套单元Sn，每个成套单元都具有多个超声波换能器[(t11，t21)...(t1n，t2n)]，这些超声波换能器设置在上流侧和下流侧不同的位置上。另外，第一成套单元S1至第n个成套单元Sn通常具有发送部分10、换能器转换部分20、接收部分30、信号同步部分40和时间间隔测量部分50。第一成套单元S1至第n个成套单元采用具有根据不同信号系列的PN码调制频率的超声波束测量渡越时间。因此，多个换能器[(t11，t21)...(t1n，t2n)]中的每一个采用其自己的信号系列PN码，以此测量在接收信号同步锁定状态下的渡越时间。
控制器90通常接在第一成套单元S1至第n个成套单元Sn的输出端。控制器90接收第一成套单元S1至第n个成套单元Sn的时间间隔测量部分50的输出数据，计算在各位置上的流速，并求出流体的平均流速。时间间隔测量部分50的输出数据系从上流侧至下流侧的超声波渡越时间，也是从下流侧至上流侧的超声波渡越时间。例如如图12所示，有五对超声波换能器(t11，t21(t12，t22)(t13，t23)(t14，t24)(t15，t25)设置在上流侧和下流侧的流体通路的各种高度上。根据控制器90的控制，多个超声波换能器同时发送或接收调频超声波束，计算超声波渡越时间，以求出平均超声波渡越时间，因而可在各种位置测量出流速。
如上所述，在本发明的超声波流速测量仪中，发送部分的一对超声波换能器采用具有根据PN码调制的频率的超声波束，交替地发或收超声波束，在信号同步锁定状态下计算出超声波渡越时间，据此测量流速。因此，超声波流速测量仪可在允许误差范围内测量超声波渡越时间。
当超声波流速测量仪在上流侧和下流侧的设置位置出现移动时，通过采用不同的信号系列PN码，而不必改变电子器件和程序，即可精确地测量出超声波渡越时间。
当视与流体通路底部的距离，相对设置有多个超声波换能器，并且具有不同信号系列的PN码加到与超声波换能器连接的发送和接收部分上时，本发明可以通过采用同时发送或接收超声波束，计算每个位置上的流速。因此，本发明可视弯曲的流体通路的高度的变化，精确地测量出流速的平均值。
尽管上述结合目前可以想到的最实际的和优选的实施例对本发明作了说明，显然，本发明并不限于在所揭示的实施例上，而且相反，本发明旨在覆盖包括在权利要求的精神和范围内的各种改动和等同配置。

Claims (5)

1.一种超声波流速测量仪，在流体通路的上流侧和下流侧设置有一对换能器并根据超声波换能器间的超声波渡越时间差测量流速，它包括：
一发送部分，该部分用于产生具有一根据扩频段的PN码频移键控调制的频率的超声波信号；
一换能器转换部分，该部分用于交替地将来自发送部分的超声波信号加到一对超声波换能器对上，并针对发送或接收动作对超声波对的连接状态进行切换；
一接收部分，该部分用于对换能器转换部分的输出信号进行解调，并包括一个接收放大器、一个频率解调器，和一个捕捉部分，所述捕捉部分用于捕捉解调的信号序列与发送部分的PN码信号序列相同的时刻，以便输出一个起动信号(ENABLE)；
一信号同步部分，该部分用于当接收部分捕捉到信号时对接收信号的同步进行锁定，其中由一微分放大器产生一个用于控制压控振荡器的控制电压(Vc)，以便向时间间隔测量部分输出一个结束信号(SIOP)；
一时间间隔测量部分，该部分用于在信号同步部分中接收信号同步被锁定的条件下计算超声波渡越时间；和
一个控制器，该控制器用于对换能器转换部分的转换操作进行控制，并根据与流速反向的由时间间隔测量部分计算出的超声波渡越时间计算出流速。
2.按照权利要求1所述的超声波流速测量仪，其特征在于，所述发送部分由发送PN码发生器、调频器和输出放大器构成，其中发送PN码发生器包括一产生预定时间周期的时钟信号的振荡器，并产生一PN码，该PN码由根据振荡器产生的时钟信号的高电平脉宽和低电平脉宽来决定。
3.按照权利要求1所述的超声波流速测量仪，其特征在于，信号同步部分由第一和第二合成器、第一和第二低通滤波器、微分放大器、环路滤波器、压控振荡器和接收PN码发生器构成，其中接收PN码发生器在收到来自信号捕捉部分的起动信号后，根据压控振荡器的输入频率产生与发送PN码发生器的输出信号系列相同的PN码，接着，接收PN码发生器产生一PN码，其相位超前一个第一合成器的预定周期，还产生一个PN码，其相位滞后一个第二合成器的预定周期。
4.按照权利要求1所述的超声波流速测量仪，其特征在于，所述发送部分用于根据信号选择信号由多个PN码信号序列中选出一PN码，并产生具有一根据选出的PN码频移键控调制的频率的超声波信号，所述控制器用于产生在发送部分进行的由多个PN码信号序列中选出一PN码的信号选择信号。
5.一种超声波流速测量仪，该测量仪包括：
多个成套单元，用于对具有根据不同的PN码频移键控调制的频率的超声波束进行发射/接收，并测量超声波渡越时间；和
一个控制器，该控制器对由多个成套单元测出的超声波渡越时间进行收集，并计算平均流速，其中成套单元包括：
一对超声波换能器，所述换能器相对设置在流体通路的一等效高度上并且每个成套单元的超声波换能器对分别设置在流体通路的不同高度上；
一发送部分，该部分用于产生根据具有预定的PN码频移键控调制的频率的超声波信号；
一换能器转换部分，该部分用于交替地将来自发送部分的超声波信号加到一对超声波换能器上，并针对发送或接收动作对超声波换能器对的连接状态进行切换；
一接收部分，该部分用于对换能器转换部分的输出信号进行解调，并并包括一个接收放大器、一个频率解调器，和一个捕捉部分，所述捕捉部分用于捕捉解调的信号序列与发送部分的PN码信号序列相同的时刻，以便输出一个起动信号(ENABLE)；
一信号同步部分，该部分用于当接收部分捕捉到信号时对接收信号的同步进行锁定，其中由一微分放大器产生一个用于控制压控振荡器的控制电压(Vc)，以便向时间间隔测量部分输出一个结束信号(STOP)；
一时间间隔测量部分，该部分用于在信号同步部分中接收信号同步被锁定的条件下测量超声波渡越时间。
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