CN1240999C - 谐振式超声波传输时间测量方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明是一种谐振式超声波传输时间测量方法，涉及利用超声波一定条件下在特定形状介质内传输时间恒定的特性进行测量的技术；在测量回路中接入相向设置的超声波换能器Tup、Tdn，其间设置超声波介质M；尤其是所述回路设置有放大器(1)；所述换能器和介质接入所述放大器(1)反馈支路形成传输时间限定部分(4)，并将该支路的输出信号接入所述放大器的输入端，形成振荡电路。该方法不必直接记录收、发时刻，也不必测量该时间间隔，只需测量振荡电路的振荡频率，即可实现连续测量，方便地得出测量结果。

Description

谐振式超声波传输时间测量方法及应用

技术领域  本发明涉及超声波传输时间测量技术，特别涉及利用超声波一定条件下在特定形状或空间的介质内传输时间恒定的特性进行测量的技术。

背景技术  超声波具有许多特殊的性质，例如在一定介质中的传播速度相当稳定，而且在很宽的频率范围内也同样稳定；可以利用这种速度的稳定性进行一些物理量的测量。例如厚度的测量，流体速度的测量等。上述厚度测量的一种基本方法，是利用加在被测量对象上的超声波换能器，记录发射超声波的时刻和接收到测量对象另一边界反射波的时刻间的时间间隔来计算其厚度的。而其中的时间间隔通常采用直接计量法，对两换能器上的电信号脉冲在记忆示波器或专用时间测量仪上进行测量而得到。现时流量的测量一般使用两只换能器，相向安装在被测流体上、下游，用上游发、下游收或相反的操作，分别测得上、下行超声波的传输时间，经计算得到流量值。超声波上、下行的传输时间只是很小的时间量，而且相差甚微，要计算其差就更小，为10^-9秒数量级，本身的测量已很困难。

现有技术的直接式超声波传输时间测量方法中，涉及换能器的驱动工作电信号的稳定度要求高；对时间的直接测量在时间量本身很小时，其测量技术难度非常高；而要测量两个极小时间量之差，还要再提高精度，并考虑温度漂移、时间漂移等因素，难度更甚，误差较大，且实施较困难。

发明内容  本发明针对现有技术的上述不足之处而提出一种谐振式超声波传输时间测量方法，不必直接记录某次测量的发射时刻和接收时刻，也不必测量或计算两次时刻间的时间间隔的长短，只需将被测对象接入振荡电路组成的系统中，测量出该系统的振荡频率，即可立即、连续地实现测量，并且可以简单地得出测量结果，实用而经济。应用本发明进行超声波传输时间的测量的实时性更好，响应时间更快；由于连续频率测量没有突变情况发生，该测量方法具有极强的抗干扰能力；并且由于频率是一种数字化量，因而可以直接进行数字化测量和处理，消除了各种转换带来的误差，可保证更高的测量精度。本发明所公开的方法是一种基础方法，不仅可应用于厚度测量，还可以应用于流量测量等，应用前景十分广阔。

本发明的目的可以通过采用以下技术措施来达到：

设计、采用一种谐振式超声波传输时间测量方法，在测量回路中接入相向设置的超声波换能器，该换能器之间设置有与测量相关的超声波介质；尤其是所述测量回路设置有放大器；所述超声波换能器、超声波介质接在所述放大器的反馈支路中，并将该反馈支路的输出信号接入所述放大器的输入端，构成振荡电路；所述测量回路测量出系统的振荡频率，进而计算出传输时间。

所述测量方法使用调制后信号驱动发射用超声波换能器Tup，并在接收用超声波换能器Tdn电路中进行解调；所述调制与解调使用同一载频振荡器信号f₀。

通常情况下，所使用的调制与解调的方式是频率调制方式。所述调制用载频振荡频率f₀为超声频域，并与所使用之换能器相适应。所述调制用典型载频振荡频率为1MHz。所使用的调制与解调的方式也可以是幅度调制方式。

将所述测量方法应用在厚度测量的方法，使换能器与被测物表面垂直安装。

将所述测量方法应用在流量测量的方法，其特征在于：所述放大电路和反馈支路各有两套；所述反馈支路中各接有一对超声波换能器，分别按顺流与逆流方向设置；所述两放大电路的输出端连接到同一频率测试与计算单元。

附图简要说明：

图1是本发明谐振式超声波传输时间测量方法用反馈网络振荡器原理图；

图2是所述方法附加调频与解调环节改善换能器频率适应性的原理图；

图3是用所述方法测量厚度时换能器最佳安装位置示意图；

图4是用所述方法测量流量时安装连接示意图。

具体实施方式：以下结合附图详述本发明的最佳实施例。

一种谐振式超声波传输时间测量方法，在测量回路中接入相向设置的超声波换能器Tup和Tdn，该换能器之间设置有与测量相关的超声波介质M；尤其是所述测量回路设置有放大器1；所述超声波换能器、超声波介质接在所述放大器1的反馈支路中，一端接放大器1的输出信号u_o，并在另一端将该反馈支路的输出信号u_i接入所述放大器1的输入端，构成振荡电路；所述测量回路测量出系统的振荡频率f，进而计算出传输时间t＝1/f。见图1。

实用中，为改善工作环境，使换能器工作在最佳状态，使用调制后的信号驱动发射用超声波换能器Tup，并在接收用超声波换能器Tdn电路中进行解调；所述调制与解调使用同一载频振荡器信号f₀。附加调频与解调环节进行测量的原理见图2。

通常情况下，所使用的调制与解调的方式是频率调制方式。所述调制用载频振荡频率f₀为超声频域，并与所使用之换能器相适应。所述调制用典型载频振荡频率为1MHz。

另一些实施例情况下，所使用的调制与解调的方式可以是幅度调制方式。

将所述测量方法应用在厚度测量时，所述换能器的安装方式是与被测物M表面垂直，这样可直接得到测量结果。换能器Tup和Tdn的安装示意见图3。

将所述的测量方法应用在流量测量中时，需要进行两条支路的时间测量，因此所述放大电路和反馈支路各有两套；所述两套反馈支路中各接有一对超声波换能器发射探头T1_up、接收探头T1_dn，和发射探头T2_up、接收探头T2_dn，分别按顺流与逆流方向设置；所述两放大电路的输出端连接到同一频率测试与计算单元8。测量流量的安装连接示意见图4。

本发明所表述的是，当超声波信号通过某一固定尺寸和状态的导声物质M时，其传输时间t是一定的。如果将其作为振荡器的反馈网络，该反馈网络就具有选频特性。即当频率f＝1/t时，反馈网络的输入输出相位差为2π。因此，以此反馈网络和放大器1组成的振荡器，将振荡在频率f上。图1所示为该振荡器的组成原理图，所对应的是四端子振荡器的原理。

由于超声波探头即传感器的工作频率范围很小，工作频率较高，接收信号会受到干扰，接收的信号幅值变化也较大。因此，采用调制方式进行弥补。

如图2，调制方式具体实现如下：

调制可以采用调频和调幅的方式，本发明的示例为调频方式；载频振荡器7产生的载频在调制器2中被本质振荡频率f调制；

驱动3的作用是保证超声波信号发送探头Tup能得到符合要求的能量；

接收放大器5的作用是将超声波接收探头Tdn输出的信号加以放大，并保证阻抗匹配；发送探头Tup、接收探头Tdn与其间介质组成传输时间限定部分4；

解调器6的作用是将整个振荡器的本质振荡频率f解调还原出来，并送到放大器1的输入端，保证振荡器在f频率上稳定工作；

超声波信号连续发送，

各点分别示出本质振荡频率、载频频率和调制后频率的波形；

超声波上游探头Tup、下游探头Tdn、测量管段等组成超声波传输时间限定部分4；

超声波传输时间限定部分具有选频特性，当输入信号频率f＝1/t时，输入输出信号的相位差为零，实际为2π；

载频振荡器7、调制器2、驱动器3、超声波传输时间限定部分4、接收放大器5、解调器6组成广义的振荡器反馈网络；

广义的振荡器反馈网络的输入输出特性，即频率特性，完全等同于超声波传输时间限定部分4的输入输出特性；

用放大器的输出频率信号f调制载频f₀，是为了保证加在超声波探头上的驱动信号频率落在探头的工作频率范围之内，使超声波探头工作在良好的状态。

采用振荡式超声波传输时间测量技术测量流量，实施例如下，见图4：

该测量可分为传输时间限定部分4和超声波传输时间测量及流量计算部分9。

流量测量管段中有导声流体流过，流动方向见管段内粗黑箭头。

测量管段上安装两对超声波探头，分别为探头对一：发射探头T1_up，接收探头T1_dn，和探头对二：发射探头T2_up，接收探头T2_dn。

两对探头沿管段横截面方向镜像对称，即入射角相同，均为θ，超声波信号在管道中的传输距离相同，均为L。

探头对一发送的超声波信号的传输速度V1受流体流速的影响而增大，为：

V1＝V_s+ V×cosθ

探头对二发送的超声波信号的传输速度V2受流体流速的影响而减少，为：

V2＝V_s- V×cosθ

式中：Vs----超声波信号在被测流体中的传播速度；

      V---管道中流体的平均流速；

      θ---超声波信号进入测量管段的入射角。

超声波信号从T1_up传输到T1_dn的时间t1为：

$t1=\frac{L}{V1}=\frac{L}{V_s+\stackrel{\‾}{V}\×\cos \mathrm{\θ}}$

超声波信号从T2_up传输到T2_dn的时间t2为：

$t2=\frac{L}{V2}=\frac{L}{V_s+\stackrel{\‾}{V}\×\cos \mathrm{\θ}}$

式中：L----超声波信号从探头T1_up或T2_up到探头T1_dn或T2_dn的传输距离。

放大器11、载波振荡器7、调制器12、驱动器13、发射探头T1_up、接收探头T1_dn、测量管段、接收放大器15、解调器16等组成的振荡器振荡在频率f1上，f1＝1/t1。

放大器21、载波振荡器7、调制器22、驱动器23、发射探头T2_up、接收探头T2_dn、测量管段、接收放大器25、解调器26等组成的振荡器振荡在频率f2上，f2＝1/t2。

由振荡频率f1和f2可以计算出传输时间t1和t2，t1＝1/f1，t2＝1/f2。

测量管段中的流体的平均流速V为：

$\stackrel{\‾}{V}=\frac{L}{2\cos \mathrm{\θ}}\×\frac{t2-t1}{t1\×t2}=k\×\frac{t2-t1}{t1\×t2}=k(f1-f2)$ 式中：k--流速常数。

由上式可见，采用本发明谐振式超声波传输时间测量方法测量流量时一个显著的特点和优点，即与超声波在介质中的传输速度无关，只与测到的两频率之差有关。该特性使测量变得更加简单，易于实现。

图4各点的波形与图2对应点的类似。

Claims (8)

1、一种谐振式超声波传输时间测量方法，在测量回路中接入相向设置的超声波换能器，该换能器之间设置有与测量相关的超声波介质；其特征在于：

所述测量回路设置有放大器；

所述超声波换能器、超声波介质接在所述放大器的反馈支路中，并将该反馈支路的输出信号接入所述放大器的输入端，构成振荡电路；

所述测量回路测量出系统的振荡频率，进而计算出传输时间。

2、根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：

使用调制后的信号驱动发射用超声波换能器，并在接收用超声波换能器电路中进行解调；

所述调制与解调使用同一载频振荡器信号。

3、根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：

所使用的调制与解调的方式是频率调制方式。

4、根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：

所使用的调制与解调的方式是幅度调制方式。

5、根据权利要求3或4所述的测量方法，其特征在于：

所述调制用载频振荡器频率为超声频域，并与所使用之换能器相适应。

6、根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：

所述调制用载频振荡器频率为1MHz。

7、根据权利要求5所述的测量方法应用在厚度测量的方法，其特征在于：

所述换能器与被测物表面垂直安装。

8、根据权利要求5所述的测量方法应用在流量测量的方法，其特征在于：

所述放大电路和反馈支路各有两套；

所述两套反馈支路中各接有一对超声波换能器，分别按顺流与逆流方向设置；

所述两放大电路的输出端连接到同一频率测试与计算单元。

Images