CN1342262A

CN1342262A - 用于测量信号,尤其是超声波信号的传播时间的方法和装置

Info

Publication number: CN1342262A
Application number: CN00804490A
Authority: CN
Inventors: 克里斯托夫·利勒
Original assignee: Schlumberger SA
Current assignee: Itron Soluciones de Medida Espana SA; Schlumberger SA
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2002-03-27
Also published as: JP2002538453A; RU2243513C2; DE60004490T2; DK1157258T3; ATE247276T1; EP1157258B1; FR2790554B1; US6842716B1; DE60004490D1; EP1157258A1; WO2000052431A1; FR2790554A1; BR0008284A; AU2922000A

Abstract

一种测量在构成发射器和接收器的两个间隔开的换能器之间传播的信号,尤其是超声波信号传播时间T_p的方法。发射器换能器接收包含周期T_e的n个连续脉冲的激励信号,产生向接收器换能器发射的超声波。超声波信号产生由接收器换能器输出的接收信号。当发射器换能器开始激励时开始中间传播时间T_int的测量。由接收器换能器输出的接收信号被检测并且在所述接收信号中的振荡被计数。当第i个振荡被检测到时中止中间传播时间T_int的测量。信号的传播时间通过算出T_int－i×T_e的差值来确定。优选地是,中间传播时间T_int的测量在接收信号的第i个振荡时中止,所述振荡对应于在最大振幅处的接收信号。

Description

用于测量信号，尤其是超声波信号的传播时间的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量在两个换能器之间信号，尤其是超声波信号传播时间的方法及装置。

背景技术

测量信号，例如超声波信号在两个换能器之间传播所占时间T_P的公知方法包括用激励脉冲IE1激励发射器换能器，该激励脉冲大致为方波形式并且其波谱包括换能器的激励频率。在被发射器换能器发射时，该脉冲在两个换能器之间的介质中产生超声波。该波将朝向接收器换能器传播。图1示出发射器换能器的激励信号IE1和作为接收器换能器的输出的信号SR1。该方法包括在所述波到达接收器换能器时检测所述波的第一振荡。然后，传播时间T_P为发射器换能器承受激励脉冲的时刻和随着超声波到达接收器换能器而检测到超声波第一振荡的时刻之间的时间。该方法非常难于实现，并存在产生传播时间的测量误差的不精确的问题。在接收器换能器处，超声波产生非常低振幅的响应信号。作为示例，在用于加热网络内的超声波流量计的角度，对于共振频率接近10MHz的换能器，响应被接收信号的振幅与3mV到10mV之间的值相对应。图2示出了当发射器换能器被单个脉冲激励时，来自接收器换能器的响应信号SR1的形态。该方法包括通过检测何时穿过电压阈值来检测超声波的第一振荡RF1。这个方法要求要被检测的电压值非常低，并且对用于检测振荡到达的装置的触发阈值控制非常精确，以便避免在传播时间测量上引入延迟。该方法可以由利用具有高性能的电子阈值触发器元件来使其更精确，但这会很昂贵。然而，当利用普通型号的电子阈值触发器时，该方法变得不精确。

美国专利5,123,286公开了在两个换能器之间确定超声波传播时间的方法。发射器换能器被方波激励，此方波产生该响应信号的形态，所述响应信号典型地是其峰值振幅在衰减之前在一定数量的周期内增大的衰减振荡。该方法提出确定发射器换能器被激励的时刻与超声波被接收器换能器接收的时刻之间的时间。该方法包括通过首先确定一组周期的振幅并其次确定所述周期的过零时刻来计算对于响应信号的包迹。然后计算出所述包迹与响应信号的基线相交的点，以便确定响应信号在换能器处出现的时刻。最后，传播时间通过计算激励时刻和信号出现时刻的差值来确定。该方法难于进行，并需要产生并存储多个测量值，以及要进行多次计算。

发明内容

从而，本发明提出了一种测量超声波信号在两个间隔开的换能器之间的传播时间T_P的方法，两个换能器中一个由发射器构成而另一个由接收器构成，该发射器换能器承受激励信号以产生向接收器换能器发射的超声波，所述超声波使接收器换能器输出接收信号，该方法特征在于，其包括以下步骤：

在发射器换能器激励开始时，开始测量中间传播时间T_int；

检测由接收器换能器输出的接收信号并计算在所述接收信号中的振荡；

当第i个振荡被检测到时停止中间传播时间T_int的测量；以及

通过算出T_int-i×T_e的差值来确定信号的传播时间T_P。

优选地是，激励信号由n个脉冲构成，其中n≠1，且中间传播时间T_int的测量在接收信号的第i个振荡时中止，其中i≠1。

在第一实施例中，中间传播时间T_int的测量对于与在最大振幅处的接收信号相对应的接收信号的第i个振荡而中止。

在第二实施例中，中间传播时间T_int的测量对应接收信号的第i个振荡而中止，其中i＝n。

在第一特定实施例中，构成激励信号的脉冲n的数量优选地为n＝4或n＝5，而中间传播时间T_int的测量对应接收信号的第i个振荡而中止，其中i＝4或i＝5。

换能器对n个脉冲波列的响应与振荡器对周期激励的瞬时响应一致。这种接收信号的峰值振幅在信号初始阶段非常快地增大，而然后稳定为恒定的振幅。第一个优点在于响应n个脉冲(n＞1)波列时的第j个振荡的振幅大于响应单个激励脉冲时的振幅。在以适宜方式选定的第i个振荡时测量传播时间的第二个优点在于有可能利用振幅比接收信号的第一个振荡的振幅大得多的信号测量传播时间。从而，首先，触发阈值相对于接收信号的峰值振幅可以相对小，这意味着对于第i个振荡由接收信号达到触发阈值所需时间引入的延迟比对于第一个振荡的小得多，且其次该方法使利用标准触发阈值比较器成为可能，而不需精确监控其触发阈值，同时仍显著改善传播时间测量的精度。

本发明也提供了一种用于测量超声波的传播时间T_P的仪器，该仪器包括：

用于形成激励信号的装置；

连接到所述用于形成激励信号的装置的发射器换能器1、2；

将超声波信号转变为接收信号的接收器换能器；以及

连接到所述接收器换能器上的比较器装置以比较接收信号的振幅与触发阈值电压并产生表示所述接收信号的振荡的信号；

所述仪器还包括：

用于测量固定时间T₀的装置，其连接到所述用于形成激励信号的装置上以便测量从发射器换能器被激励时刻而起的固定时间T₀；

用于确定第i个振荡的装置，该装置连接到所述比较器装置上，以计数在接收信号中的振荡数量并检测第i个振荡；以及

用于测量T₀结束和检测第i个振荡之间的可变时间T_IEX测量的装置；

附图说明

本发明的其他特征和优点从以下通过非限定示例并参照附图给出的详细描述而显而易见；其中：

图1示出发射器换能器的激励信号和作为现有技术测量方法的时间函数的接收器换能器所输出的信号；

图2示出在现有技术测量方法中当发射器换能器被单个脉冲激励时作为时间函数的接收器换能器响应信号的形态；

图3示出在本发明测量方法中，发射器换能器的激励信号和作为时间函数的接收器换能器输出的信号；

图4示出在本发明测量方法中，当发射器换能器被一列脉冲激励时，作为时间函数的接收器换能器接收信号的形态；

图5示出对于第一振荡和对于第i个振荡的接收器换能器接收信号的振幅；

图6a到6d是能够实施本发明的方法的各种电子电路的图；

图6示出与图6a到6d中的电路相关联的各种信号的时序图；

具体实施方式

图3示出了用于激励发射器换能器的激励信号I_en，并示出了在接收器换能器输出测量到的接收信号SRn。要被测量的传播时间T_P为激励信号被传送到换能器时刻与所产生的超声波到达接收器换能器的时刻之间的时间。

激励信号IEn包括一系列n个脉冲，例如，占空比为0.5。构成激励信号的脉冲n的数量为n≠1。每个脉冲的频谱至少包括接近换能器的共振频率的激励频率T_e，例如1MHz。从而，由于换能器与振荡器相容，当其承受一系列脉冲，每个脉冲大致为方波形式时，其将成为持续周期振荡的状态，并持续与构成激励信号的脉冲数相关联的一段时间。由发射器换能器通过两个换能器之间的介质而向接收器换能器发射的超声波由上述特征的激励信号产生。在接收器换能器处，该超声波产生接收信号SRn。超声波信号和作为接收器换能器输出的接收信号一般为一束波的形式，即，其振荡的振幅增大，达到最大值，并随后衰减。由于发射器换能器不再承受激励信号时振幅衰减，那么该信号相当于衰减振荡。

图4示出了在接收器换能器输出处测量到的接收信号的一部分。图5示出该信号对于第一振荡和第i个振荡的振幅。接收信号的第一振荡P₁具有较低的振幅V_max(1)，但尽管如此也大于触发阈值V_trig，使其能够被适宜的电路检测到。然而，接收信号的第i个振荡具有比触发阈值V_trig大得多的振幅V_max(i)，因此，很明显的是对应于检出阈值电压被超过的精确时刻的测量时间的误差随着振幅增加而减小。于是，在第i个振荡Pi上的误差比在第一个振荡P₁上的误差小得多。为了减小在测量传播时间内的误差，因此优选地是测量在第i个振荡上的中间传播时间，并然后通过减去被检测到的第一振荡和第i个振荡中间流逝的时间而校正该测量值。

优选地是，中间传播时间T_int的测量对应接收信号的第i个振荡而中止，其中i≠1。在特定优选实施例中，中间传播时间T_int的测量对应接收信号的第i个振荡而中止，该第i个信号对应于在最大振幅的接收信号。

在另一个实施例中，中间传播时间T_int的测量对应接收信号的第i个振荡而中止，其中i＝n。

参照图7，下面描述图6a到6d。图7给出了用于包含在图6a到6d的电子电路中的信号的时序图。在图6a到6d的所有图中，电池(未示出)通过适宜的电缆供应使各种电子元件工作所需的能量，这对于本领域技术人员是公知的。

这种装置尤其可以应用于超声波流量计领域。两个换能器1、2设置在液流中，换能器1交替地作为发射器和接收器，而换能器2处于与换能器1相反的状态。超声波在上流方向T₁和下流方向T₂传播过两个换能器1、2之间的液流所需时间使液流流速Q有可能作为与流量计的几何特征相关联定义的系数K的函数来计算：

Q \approx \frac{4 \times K \times | T 2 - T 1 |}{{(T 1 + T 2)}^{2}}

图6a是控制超声波由换能器1、2发射及接收的电路示意图。在发射阶段，微控制器(未示出)产生要被施加到相应的换能器1、2上的发射信号ST1、ST2(见图7)。发射信号ST1、ST2包含一列频率fe例如为1MHz的n个脉冲。该脉冲列与时钟信号CLK1同步。

在图6a中，换能器1、2为包含具有两个金属化表面的压电材料的型式，两个表面中一个接地(0)，而另一个连接于相应的开关U3、U4。当换能器1承受激励信号ST1并向换能器2发射超声波时，开关U3打开，同时连接到接收模式的换能器2的开关U4关闭。当换能器2承受激励信号ST2而换能器1处于接收模式时，各开关的状态相反。开关U3、U4以传统方式由微控制器(未示出)控制。由相应换能器1、2输出的电压VS1、VS2施加到比较器U5的反相输入上。比较器U5经过V+输入端由电压V_dd供电。比较器的V-输入端接地0。其非反相输入连接到成为触发电压V_trig的基准电压。来自比较器的输出连接到非门U6。从而，接收信号SIG可以在比较器单元U5、U6的输出处得到，其对于检测阈值V_trig而调整。当超过电压阈值V_trig时，比较器U5的输出处出现低或“0”状态，而当信号位于电压阈值之下时，其产生高或“1”状态。由图6a的电路提供的信号SIG(见图7)从而表示由发射器换能器所提供的接收信号，在信号SIG中的每个脉冲对应接收信号中振荡的正半周。

图6b、6c和6d为用于测量传播时间的电路图。传播时间是通过加入两个时间贡献值来确定。首先在图6b和6d中示出的第一电路作用为计算时间T₀的固定长度，然后如图6c所示的第二电路作用为测量在T₀和对应其第i个振荡被检测的信号的时刻之间剩余的时间。为了测量作为变化时间的剩余时间，必须有可能测量一较短的周期，而这利用传统的装置，例如诸如时钟和高频计数器的传统装置是不能实现的。这个问题可以通过利用扩展电路来实现。时间扩展电路的工作原理已经在专利FR 2 750 495中公开。该时间扩展电路HB5通过作为时间扩展电路特性的倍增因数放大脉冲周期。从电路HB5输出的扩展的时间间隔可以以传统方式测得，从而有可能通过由倍增因数除扩展的时间间隔的周期来推出脉冲周期。

图6b中，逻辑或门U7使其两个输入之一接收信号ST1而其另一个输入接收信号ST2，且使其输出连接到D形双稳态触发器U8的输入LAT上。从而，当信号ST1或ST2存在于门U7的一个输入上时，该信号被施加到输入LAT。双稳态触发器U8的两个输入S和D为电势V_dd，即，为高状态，而输入 R承受初始化信号RG。双稳态触发器U8的输出 Q为浮置。来自双稳态触发器U8的另一输出Q连接到与门U9，与门U9的另一输入承受时钟信号CLK1。从而，在双稳态触发器U8初始化后，一旦信号ST1或ST2出现在输入LAT上，双稳态触发器U8的输出Q就转换到高状态。然后，由逻辑门U9输出的信号变为时钟信号CLK1。来自逻辑门U9的输出连接到计数器HB1的CLK输入，该计数器HB1具有接收初始化信号RG的输入R。从而计数器HB1在由RG初始化后计数到达其CLK输出的周期数。来自计数器HB1的输出连接到解码器HB2的输入，该解码器HB2又输出表示固定时间间隔T₀的信号OSP。该时段T₀对应信号OSP处于低状态的时段。

因此这个电路作用为测量距由信号ST1或ST2到达门U7的输入中任一个所引起的首次状态变化起时间T₀的固定长度。

一旦已经测量了第一时段T₀，在图6c中所示的第二电路确定对应T₀的计数结束和检测到的在接收信号中的第i个振荡之间的剩余时段。

首先，需要检测第i个振荡。该任务由图6d所示的电路执行。该电路具有包含R输入和CLK输入的计数器HB3，这两个输入分别接收初始化信号RG和接收信号SIG。在初始化之后，信号SIG到达时计数器计数在接收信号SIG中的脉冲数。解码器HB4的输入连接到计数器HB3的输出上以便当计数器达到第i个振荡时，由解码器HB4输出的检测信号ESP在接收信号SIG的一个周期内从低状态转到高状态(见图7)。

图6c的电路作用为确定T₀计数的中止和第i个振荡检测到之间消逝的非常短的时段，该电路通过时间扩展电路HB5实现这点。第一D型双稳态触发器U12使其D和S输入连接到电势V_dd，并使其 R输入接收初始化信号RG，而其输入LAT接收信号OSP，该信号表示其间通过转换到高状态而测量的T₀的时段的结束(见图6b和图7)。来自双稳态触发器U12的输出 Q浮置。当信号OSP从低状态转到高状态时输出Q转到高状态。双稳态触发器U12的输出Q连接到双稳态触发器U13的输入D，并连接到双稳态触发器U14的输入LAT。双稳态触发器U13的输入S、LAT和 R分别接收电势V_dd，检测信号ESP以及初始化信号RG。双稳态触发器U13的输出Q为浮置，同时输出 Q连接到双稳态触发器U14的输入 R。从而，在T₀已经被测量后，一旦信号OSP从低状态转成高状态，且在检测到第i个振荡时检测信号ESP转到高状态时，输出 Q从高状态转到低状态，迫使双稳态触发器U14的输出Q为零(信号IEX)。双稳态触发器U14的输入S和D处于电势V_dd。双稳态触发器U14的输出 Q浮置。当信号OSP转到高状态时双稳态触发器U14的输出Q提供处于高状态的信号IEX，并持续检测信号ESP没有从低状态为转到高状态的时间那么长。从而信号IEX为其高状态在测量时段T₀结束时开始并当检测到第i个振荡时结束的脉冲。时间扩展器HB5具有信号IEX，以便对应信号IEX的脉冲处于高状态的时段T_IEX被因数T_fm放大。在扩展器HB5输出处所产生的信号为信号IEX EXP。

这两个信号OSP和IEX EXP由微处理器(未示出)处理，该微处理器确定例如在换能器1和2之间传播的超声波的中间传播时间：

T_{int} = T_{0} + \frac{T_{IEX}}{T_{fm}}

因此，微处理器确定作为所选定的数量i和换能器激励信号ST1的周期的函数的传播时间T_P：

T_P＝T_int-i×T_e

所有上述电路可以集成到特定用途集成电路(ASIC)中。构成激励信号的脉冲数n和确定接收信号哪个振荡用于测量传播时间的数i可以编程到ASIC或管理ASIC及其提供的数据的软件中。

优选地是，中间传播时间T_int的测量对应接收信号的第i个振荡中止，该振荡对应于在最大振幅处的接收信号。

作为示例，在利用具有共振频率接近1MHz的超声波换能器的仪表的超声波流量计领域，ASIC和该软件被编程为构成激励信号的脉冲n的数量优选地为n＝4或n＝5，而中间传播时间T_int的测量对应接收信号的第i个振荡中止，其中优选地i＝4或i＝5。此外，当应用于超声波流量测量时，本发明的方法和装置有可能显著改善测量精度，能够在传播时间测量上获得小于0.5％的误差，尽管使用低成本且低耗能的普通阈值触发元件。

虽然本发明参照超声波加以描述，显而易见的是其不限于这种类型的波，而本领域技术人员可以将该方法移植到任意其他类型的波上，例如电或电磁波。上述情况同样适用于用于测量传播时间的装置。

Claims

1.一种测量超声波信号在两个间隔开的换能器之间传播时间T_P的方法，两个换能器中一个由发射器构成而另一个由接收器构成，发射器换能器接收激励信号而产生向接收器换能器发射的超声波，所述超声波导致接收器换能器输出接收信号，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在发射器换能器激励开始时，开始测量中间传播时间T_int；

当第i个振荡被检测到时停止中间传播时间T_int的测量；以及

通过算出T_int-i×T_e的差值来确定信号的传播时间T_P。

2.如权利要求1中所述的方法，其特征在于，中间传播时间T_int的测量在接收信号的第i个振荡时中止，所述振荡对应于在最大振幅处的接收信号。

3.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，中间传播时间T_int的测量在接收信号的第i个振荡时中止，其中i≠1。

4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，发射器换能器接收包含周期T_e的n个连续脉冲的激励信号。

5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，中间传播时间T_int的测量在接收信号的第i个振荡时中止，其中i＝n。

6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，中间传播时间T_int的测量在接收信号的第i个振荡时中止，其中优选地i＝4或i＝5。

7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，激励信号由n个脉冲构成，其中n≠1。

8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，激励信号由n个脉冲构成，其中优选地n＝4或n＝5。

9.一种用于测量超声波信号的传播时间T_P的装置，该装置包括：

用于形成激励信号的装置；

连接到所述用于形成激励信号的装置的发射器换能器1、2；

将超声波信号转变为接收信号的接收器换能器；以及

其特征在于，所述装置还包括：

用于测量固定时间T₀的装置，其连接到所述用于形成激励信号的装置上以便测量距发射器换能器被激励时刻的固定时间T₀；

10.如权利要求9所述的用于测量超声波信号传播时间T_P的装置，其特征在于，用于测量固定时间T₀的装置包括计数器(HB1)和解码器(HB2)。

11.如权利要求9或10所述的用于测量超声波传播时间T_P的仪器，其特征在于，用于确定第i个振荡的装置包括计数器(HB3)和解码器(HB4)。

12.如权利要求9到11中任一项所述的用于测量超声波信号传播时间T_P的仪器，其特征在于，用于测量可变时间T_IEX的装置包括时间扩展电路(HB5)。