CN1189614A - 自动调节超声测值仪参数的方法 - Google Patents

Abstract

自动确定用于超声测值仪的标准运行方式中的交流信号极性的方法,交流信号施加在用作发射器的超声换能器,由用作接收器的超声换能器产生的接收信号被输至一个比较器,其输出脉冲的第一个使渡越时间测量停止,包括步骤:分别以所述参数的不同值进行n次渡越时间测量,确定满足预定判据的那个渡越时间,确定属于所述渡越时间的参数的值,根据预定规则改变所述参数值。

Description

自动调节超声测值仪参数的方法

本发明涉及自动化地调节影响超声信号在超声测值仪中的渡越时间的参数的方法

这样的超声测值仪例如可用于热量计数器中。

为精确地确定通过其中流过介质的测量区域的超声信号的输入时间，必须确定出接收信号的极性。由两正面各设置一电极的陶瓷片构成的用作发射器的超声换能器视所述陶瓷材料极化方向的不同与其所加电信号同相或反相地振动。同样，接收信号的极性由用作接收器的超声换能器的陶瓷材料的极化方向决定。具有确定的极化方向的超声换能器的生产是很昂贵的。

因此，本发明的任务是提供一种方法，通过这种方法，可自动地确定发射超声波换能器所应施加的信号的极性，从而使接收信号的极性是正确的。

所述任务由权利要求1所限定的技术特征得以解决。从属权利要求中给出了本发明的扩展形式。

下面结合附图详细说明本发明的一个优选实施例。

图1表示用于测量流过一测量区域的介质中的声速的电路图。

图2a-d表示发射电路可产生的超声脉冲。

图3a-d表示接收信号的电压曲线。

图1示意地给出了两个超声换能器1和2，其间构成流过水或气体等一种介质的长度为d的测量区域。超声换能器1和2分别带有电极3和3’，其通过开关5和6可与发射电路7或接收电路8相连。发射和接收电路7和8由相对于地m的驱动电压Vdd馈电。超声换能器1和2的第二电极4和4’最好沿所述超声测量区域取向，且直接与地m相连。发射和接收电路7和8控制时间测量部9，以确定超声信号从发射超声换能器1或2经过测量区域到达接收超声换能器2或1所需的渡越时间。

至少有两种不同的运行方式：“标准”运行方式和“调整”运行方式。在“调整”运行方式中，确定在“标准”运行方式即正常运行方式中所用的不同参数的值。

为确定超声信号通过超声换能器1和2之间的介质所需的渡越时间，发射电路7按如下方式工作：最好在超声信号发射之前将与发射电路7相连的电极3或3’置于电位Vdd/2并持续一预定的最小时间间隔。然后，发射电路7输出图2a或图2b所示的表示为随时间变化的超声脉冲串10或11，并启动时间测量部9中的计数器。每个脉冲串10和11由矩形脉冲组成，其频率f1尽可能地接近激励的厚度振动的谐振频率f_R。其大小约为1MHz。脉冲的数目一般为3个。超声脉冲串10和11具有不同的极性，即在超声脉冲串10中电压在第一个脉冲中升至Vdd(正极性)，而在超声脉冲串11中电压在第一个脉冲中则降至地电位m(负极性)。

在发射之前在超声换能器1上施加Vdd/2的预压使超声换能器1主要作厚度振动，而不是作不希望的径向振动。这一效果导致激励信号不含有直流电压成分，从而使频谱得以优化。超声换能器1在介质中产生一个波包，该波包由振幅先增后减的“正弦形”超声波组成，相应于起振和自由停振过程。所述波包的频率约等于谐振频率f_R，因为仅有三个振动周期的超声脉冲串很短，其频率f₁不至于会影响发射超声换能器1或2。所述波包有多于3个的波列，因为激励结束后超声换能器1或2不会立刻静止。

发射电路也可产生如图2c或图2d所示的脉冲串，在第一个脉冲中电压从地电位m升至Vdd或从Vdd降至地电位m。用这种方式激励超声换能器1虽然可以通过所述介质的波包的幅度比用图2a所示的超声脉冲串激励时大，但其缺点是：超声换能器1也被激励而进行非希望的径向振动，其与厚度振动相叠加。此外，在从发射转换到接收及在改变发射信号的极性时，超声换能器中会出现电压跳变，导致介质中干扰信号的产生。由于这样的接收信号的信号形状很复杂，且随换能器的不同而改变，所以超声脉冲串的输入时间的探测很困难。

接收电路18具有两个串联的电流源12、13，一个电容器14，一个电阻15，一个由两个电阻16和17构成的分压器，一个比较器18，一个停止计时部19，以及四个开关20  23。布线方式见图1所示。电阻15的欧姆值选取得相对于超声换能器1或2的阻抗较高，以产生较大的接收信号。

超声脉冲串在介质中的渡越时间例如可通过这样的方法来测量：发射电路7向超声换能器1输出超声脉冲串，并启动时间测量部9中的一个计数器，该计数器以频率f₂对所产生的扫描脉冲进行计数，直到停止计时部19发出停止计数的信号为止。频率f₂最好比频率f₁大约10倍。

接收信号基本上是幅度调制的正弦信号，且同样具有正极性或负极性，即接收信号的第一个半波可正可负。若超声换能器1和2同相地振动，接收极性与发射极性相同，在其他情况下，接收信号与发射信号极性不同。超声换能器1、2由一陶瓷片组成，其上分别安装有电极3、4或3’、4’。超声换能器1和2是否同相地振动一方面取决于陶瓷片的极化方向，另一方面取决于四个电极3、4、3’和4’中的哪两个与地m相连。因为接收信号的极性与发射信号的极性相耦合，发射信号的反向将引起接收信号的极性颠倒。

接收电路8按以下方式工作：首先，连通开关20和23使电容器14充电至Vdd/2。一旦电容器14充电完毕，立即打开开关23。接着，有选择地，通过关闭开关21或22将电容器14的直流电位升高一预定电压+|ΔU₁|而达到Vdd/2+|ΔU₁|，或降低一预定电压-|ΔU₁|而达到Vdd/2-|ΔU₁|，并持续预定时间间隔τ。当由超声换能器1发出的超声波包到达超声换能器2时，比较器18将偏移比较器18的偏压U₀或在某些情况下偏移电压ΔU₁的接收信号与电压Vdd/2进行比较。比较器18将正弦形接收信号转换为矩形脉冲串。当停止计时部19识别出所述矩形脉冲串的第一个或其他预定侧边时立即停止时间测量部9中的计数器。一旦停止计数器的信号被输出，在某些情况下，使电容器14的直流电位的升高或降低返回原状，为此，首先使电流源12和13中的另一个与电容器14相连并持续时间间隔τ，然后通过闭合开关23使电容器14精确地充电或放电至比较器18的负输入端的电位。

对渡越时间进行一次测量的完整的测量周期包括：发射电路7将发射超声换能器预加压至Vdd/2；接收电路8使电容器14的直流电位降低或升高；发射电路7向发射超声换能器施加超声脉冲串10或11，并开始时间测量；接收电路8探测到输入的超声脉冲串，并停止时间测量；接收电路8使电容器14的直流电位的降低或升高返回原状。通过这种方式，参数发射极性和直流电位的升高或降低对于每次测量都是可预定的，而不必考虑原来的情况。

在标准运行方式中施加给发射超声换能器1或2的超声脉冲串的极性，以及在某些情况下电压ΔU₁的符号在“调整”运行方式中是根据下述的方法被确定的。

图3a-d示出比较器18的非反相输入端的输入接收信号24、比较器18的反相输入端的输入接收信号25和比较器18的输出信号26的四种可能情况，图中表明，在接收信号24被输入前及在输入过程中有效阈值电压Us，即施加在比较器18的两个输入端之间的直流电压可正可负，而且接收信号24的极性也可正可负。图3a-d所示的四种情况总结于下表：

图	有效阈值电压Us	接收信号24的极性
			3a	正	正
3b	正	负
			3c	负	正
3d	负	负

比较器18的输出信号26的第一个侧边出现的时间在图3a-d中分别以标记t_a、t_b、t_c和t_d表示。有效阈值电压Us等于所述施加的电压ΔU₁和比较器18的偏压U₀之和，因此其值为ΔU₁+U₀或-ΔU₁+U₀。接收信号24有多个极值E₁至E_n。下面描述“调整”运行方式优化调节所述两个参数的“调整”运行方式的不同变形。

变形1

若不使电容器14的直流电位偏移，可不用电流源12和13。这样，有效阈值电压Us等于比较器18的偏压U₀，它可正可负。为确定发射信号的优化极性首先向超声换能器1施加一正极性信号，最好是图2a中所示的超声脉冲串10，然后施加一负极性信号，最好是图2b中所示的超声脉冲串11。借助于时间测量，确定此较器18的输出信号的电平首次由高到低或由低到高的变化时间t₁或t₂。若阈值电压Us为正，则t₁＝t_a、t₂＝t_b或t₁＝t_b、t₂＝t_a。从图3a和3b可直接看出，时间t_a总是长于时间t_b。发射极性的优化调节的特征是，在接收信号24的在第一个极值E₁和第二个极值E₂之间与横轴的交点处停止时间测量。发射极性的优化调节示于图3a中。即由较长时间t_a表示。若阈值电压Us为负，则t₁＝t_c、t₂＝t_d或t₁＝t_c、t₂＝t_d。如图3c和3d所示，时间t_d总是长于时间t_c。在这种情况下，发射极性的优化调节如图3d所示，即由较长的时间t_d表示。在两种情况下，在“标准”运行方式下运用这样的发射极性：其在“调节”运行方式下导致时间t₁和t₂的较长时间。

变形2

电容器14的直流电位被升高+|ΔU₁|或降低-|ΔU₁|，为此，借助于开关21使电流源12或借助于开关22使电流源13与电容器14相连并持续一预定时间。与变形1相同，在不同的发射极性下进行两次时间测量，然后确定给出两个时间t₁和t₂的较长为标准运行方式所采用的调节。

通过将比较器阈值的电平升高或降低U₁，抑制干扰信号，其虽然具有频率f₁，但其幅度被减小。若声能的一部分沿围绕测量区域的壳体从发射超声换能器1到达接收超声换能器2，则所述干扰信号例如出现在有用信号之前。

变形3

电容器14的直流电位升高+|ΔU₁|且下降-|ΔU₁|。对两种调节进行超声脉冲串的极性为正和为负时的测量。这样，将进行四次测量。当特别需要，高度抑制干扰信号时，则作为发射极性和电压|ΔU₁|符号的优化调节按照图3a所示的调节来确定，即具有最长时间t_a的调节。若特别需要达到测量的高长时间稳定性，则按照图3d所示选择调节。即，极值E₂和比较电压25之差达最大值，使得接收信号24的幅度和极值E₂的减小可以容许与其他调节相比较大的幅度减小而不引起测量错误。测量错误是指接收信号24的幅度的减小使得时间测量在接收信号第二和第三极值E₂和E₃之间经过零点时停止。

变形4

在这种变形中可在计时停止部19(见图1)中设定：时间测量是在输出信号26的第一个正侧边还是第一个负侧边处停止。因此，在“调节”运行方式中有三个变化参数：发射信号的极性、电压|ΔU₁|的符号、侧边方向(上升或下降)，需要测定8个渡越时间。从图3a-d可以看出，在需要高的长时间稳定性时通过下述方法按照图3d获得优化调节：

-确定给出最短渡越时间的调节。例如，当要探测的侧边方向是上升时，即为根据图3c的调节。

-使发射信号极性颠倒。由此，得到根据图3d的调节，这里，在极值E₁和E₂之间的经过零点处停止时间测量。

若优化的目标是尽量抑制干扰信号，则根据图3a的调节是最优的。该调节可通过下述方法得到：

-确定给出最短渡越时间的调节。例如，当要探测的侧边方向是上升时，即为根据图3c的调节。

-使电压|ΔU₁|的符号和要探测的侧边方倒置。由此，得到根据图3a的调节，这里，同样在极值E₁和E₂之间的经过零点处停止时间测量。

在变形2至4中，电压|ΔU₁|的大小大于偏压|U₀|的最大可能值，而小于差|E₁|-|U₀|，即|ΔU₁|＞|U₀|且|ΔU₁|＜|E₁|-|U₀|。这样避免了在调整时产生这样的结果：不是极值E₁和E₂，而是极值E₂和E₃确定标准运行方式中所采用的调节。

电流源12和/或13也可用于其他目的，即用于确定极值E₁至E_n中的最大值。为此，电压|ΔU₁|以分立步骤升高，直到比较器18的输出信号均匀从而使时间测量不被停止为止。然后，将电压|ΔU₁|以分立步骤降低，直到比较器18的输出信号均匀从而使时间测量不停止为止。对所述信息的周期性获取给出这样的说明：是否或许由于测量装置的老化使接收信号24遭到不允许的改变。该信息也可用于：在可能探测到接收信号24的很强的减弱之后重新执行调整过程，以达到这样的目的，即在第二和第三极值E₂和E₃之间的经过零点处用于使时间测量停止。通过由此附加产生的时间延迟的校正，可防止出现由这种老化效应产生的测量错误。

在本发明的扩展形式中，停止计时部19作为滤波器的一部分构成，其中所述滤波器用作检查接收信号24的进一步的特性，并给出一个信号，指明接收信号24是否为有效的接收信号。

在数字滤波器中，矩形脉冲例如以频率f₂在比较器18的输入端扫描，频率f₂大于频率f₁约10倍。扫描的值表示为一个位串f，其值可为0或1。所述滤波器用于完成如下任务：

-检测矩形脉冲的正或负侧边。当位串f的8个连续的位值等于位串“000xx111”时，存在的是有效的正侧边，这里的x可取值0或1。当位串f的8个连续的位值等于位串“111xx000”时，存在的是负侧边。

-输出一个信号，指明第一个检测到的有效侧边是正还是负侧边。

-当检测到第三个有效的正或第三个有效的负侧边时，输出一个信号，以停止由发射信号开始的时间测量。可借助于一控制信号控制用于停止信号的产生的侧边的类型。

-输出一个信号，指明是否至少七个有效侧边检测到。

借助于所述滤波器可抑制频率不同于f₁和f_R-彼此尽可能靠近-的干扰信号。

如果滤波器或停止计时部19设置成用于识别第一个被检测到的侧侧边的方向，则在调整中该方向存储在一个存储器中。在标准运行方式中，被检测到的侧边的方向与所述被存储的侧边方向进行比较。以此方式同样可以确定是否出现例如由于老化效应所引起的这种现象，即极值E₂和E₃之间的经过零点处而不是极值E₁和E₂之间的经过零点处使时间测量停止。然后，对超声测值仪采取相应措施，以避免出现错误的测量结果。

在超声换能器1是发射器、超声换能器2是接收器情况下，以及在超声换能器2是发射器、超声换能1是接收器情况下执行所述的调整过程。

在借助“调整”运行方式确定优化调节的参数之后，可在“标准”运行方式中进行渡越时间的测量，以确定介质中的超速度和/或介质的流速，或者其他参量。

在介质的流动方向或在与其相反的方向的渡越时间t₊或t_-可由下式计算：

t₊＝d/(c+v)，t_-＝d/(c-v)    (1)其中c和v分别表示超声速度和介质的流速。

时间测量部9的计数器的状态N₊或N_-由下式给出：

t₊＝N₊*T_f2，t_-＝N_-*T_f2      (2)其中T_f2表示两矩形脉冲之间的时间。

在v＜＜c的条件下可得： $c\≅\frac{2d}{(N_{+}+N_{-})T_{f2}}---\left(3\right)$ $v\≅\frac{c^2{T}_{f2}}{2d}(N_{-}-N_{+})=\frac{2d(N_{-}-N_{+})}{T_{f2}{(N_{-}+N_{+})}^2}---\left(4\right)$

若超声测值仪正确地安装于管道系统中，则数N_-大于数N₊。这样，在流动速度足够大时可自动地识别所述安装是否正确。

在例如由EP 616198公开的相差测量方法中，两个超声换能器1和2同时发出例如由64个波列组成的脉冲串。由超声换能器1和2接近同时测量的接收信号被输至一个相位测量部，并由相差来确定流动速度。这种测量方法虽然精度高，但有这样的缺点，即测量范围局限于0至2π的相差范围。为将测量范围扩展至相差大于2π，可按照本发明将两种方法组合起来。这里，借助于直接的渡越时间测量从式(4)中确定出流动速度v的粗略近似值。该近似值用于消除相差测量方法中的多义性。

在一个特殊的实施例中，在进行相位测量时位于流体上游的超声换能器1被施加发射信号。在时间延迟t_v1或t_v2后在位于流体下游的超声换能器2上施加相同的发射信号。若差N_--N₊小于一预定值n，则时间延迟为t_v1，若差N_--N₊大于相同的值n，则时间延迟为t_v2。延迟时间为t_v1时，超声测值仪处于正常测量范围，而延迟时间为t_v2时则处于高测量范围。由相位测量部测得的流动速度按照延迟时间t_v1或t_v2被校正。为避免过渡区域内从正常测量范围至高测量范围的持续的互相转换，最好设置一个滞后，即使值n与实际的测量范围有关。

Claims (10)

1.用于自动确定用于测量渡越时间的超声测值仪的标准运行方式中的交流信号的极性或其他参数的方法，其中，所述交流信号施加在用作发射器的超声换能器(1；2)上，所述其他参数是影响渡越时间测量的参数，这里，由用作接收器的超声换能器(2；1)产生的接收信号(24)被输至一个比较器(18)，且所述比较器(18)的输出脉冲的第一个或其他预定的侧边使渡越时间测量停止，所述方法包括步骤：

分别以所述参数的不同值进行n次渡越时间测量，其中所述参数之一是发射极性，

确定满足预定判据的那个渡越时间，

确定属于所述渡越时间的所述参数的值，

根据预先确定的规则改变所述参数的值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述比较器(18)的两个输入端施加一预定的直流电压ΔU₁，其中所述电压ΔU₁的符号表示一个参数。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述比较器(18)的输出信号的使渡越时间测量停止的侧边方向表示一个参数。

4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述规则这样确定，即在标准运行方式中相应于接收信号的第一个和第二个极值之间的经过零点处的所述输出信号侧边使渡越时间测量停止。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述规则这样确定，即在标准运行方式中要检测的极值和所述比较器(18)的另一输入端所施加的直流电压之间的差尽可能地大。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述规则这样确定，即在标准运行方式中在所述接收信号(24)输入之前所述比较器(18)的两输入端间的电压差尽可能地大。

7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，发射超声换能器(1；2)的一个电极(3；4；3’；4’)接地，并且发射超声换能器(1；2)的另一个电极(3；4；3’；4’)在超声脉冲串(10；11)发射之前施加一定的电压并持续一预定的时间，所述电压这样来确定，即使施加在发射超声换能器(1；2)上的超声脉冲串(10；11)的直流电压成分近似消失。

8.用于确定流过一管道系统的介质的流量的超声测值仪，带有两个超声换能器(1；2)，其间构成一测量区域，其中，所述超声换能器(1；2)在发射阶段同时发射由多个超声脉冲组成的脉冲串，在接收阶段将接收到的穿过所述测量区域的超声脉冲串输至一个相位测量仪，该相位测量仪将由渡越时间差导致的向上游和向下游发射的超声脉冲串之间的相移α转换成与单位时间内流过测值仪的介质的体积成比例的单位，其特征在于，通过对另一个经由所述测量区域发射的超声脉冲(10；11)的渡越时间的直接测量确定流动速度的近似值，从而借助于该近似值消除相移α的多义性。

9.如权利要求8所述的超声测值仪，其特征在于，在测量相位时，根据上述测得的流动速度的近似值的大小，用电子方法将所述两个超声换能器(1；2)之一的发射或接收信号延迟时间t_v，并且在确定所述流动速度时，由所述相位测量得到的值通过所述延迟t_v被校正。

10.如权利要求8所述的超声测值仪，其特征在于，在所述对渡越时间的直接测量中周期地确定接收信号(24)的最大极值的大小，并且当所述最大极值低于一预定值时，用权利要求1至7中所述的方法重新确定影响渡越时间测量的参数。

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