CZ87598A3 - Digitální určování rychlosti při ultrazvukových měřeních proudění - Google Patents

Description

(57) Anotace:

Jsou popsány způsob a zařízení /60/ pro měření rychlosti proudící tekutiny /F/ měřením rozdílu času, který potřebuje ultrazvukový signál pro projití nejprve proti proudu a potom po proudu tekutinou. V obou směrech počítá zařízení /60/ Čas, který uplyne, než ultrazvukový vlnový balík vyslaný Jedním ultrazvukovým snímačem /62/ je přijat dalším ultrazvukovým snímačem /63/. Použitý způsob zahrnuje digitalizaci /85/ přijímaného tvarového kmitu a následnou identifikaci znaků tvarového kmitu porovnáním se standardní šablonou tvarového kmitu. Časová pozice těchto znaků se pak určuje s ohledem na vysokorychlostní hodiny /70/. Výsledky se pak použijí ve váženém výpočtu pro určení doby příchodu tvarového kmitu do snímače /63/.

Digitální určování rychlosti při ultrazvukových měřeních proudění

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro měření rychlosti proudění pohybující se tekutiny, které využívá ultrazvukového a digitálního určování rychlosti.

Dosavadní stav techniky _z Měření rozdílu doby šíření ultrazvukového signálu při postupu proti proudu a po proudu v pohybující se tekutině je zavedenou metodou používanou pro měření rychlosti proudění uvedené tekutiny. Ultrazvukový signál používaný pro takovéto účely obvykle sestává z vlnového balíku sinusoidního tvaru s vrcholy o různých amplitudách. Příklad takového vlnového balíku je uveden na obr. 3, který znázorňuje elektronicky přijímaný ultrazvukový signál 40. Problém přesného stanovení doby příchodu takovéhoto signálu obecně zahrnuje dvě zvláštní kritéria.

Prvním je jedinečná identifikace konkrétní části přijímaného signálu 40. která může být použita jako referenční časový bod. Obvyklou Částí, která je vybírána, je bod, v němž jeden cyklus vlny křižuje signální osu 42. tedy takzvaný průchod nulou. Identifikace konkrétního průchodu nulou je obvykle prováděna vzhledem k velikosti nejvyššího vrcholu 41 přijímaného signálu 40 . Tato metoda v sobě ovšem skrývá několik problémů. Prvním je, že velikost nejvyššího vrcholu 41 se může značně měnit a je závislá na podmínkách, ve kterých se signál přenáší. Například pokud se používají ultrazvukové snímače založené na piezoelektrických materiálech, například PVDF, velikost vrcholu 41 se může měnit koeficientem 30, když se teplota tekutiny mění od +60°C do -20°C. Ještě závažnější je, že u vlnového balíku

v trubici se konkrétní cyklus přijímaného signálu 40. v němž se objevuje nejvyšší vrchol H, často mění a je závislý na podmínkách jako je teplota a kmitočet. To je způsobeno především tím, že maximum takovéhoto signálu se často, ale ne vždy objevuje tam, kde sekundární akustické vidy tvoří

hlavní část přijímaného signálu 40. Na obr. 3 je vztahovou značkou .43 obecně označen příklad vlivu sekundárních akustických vidů a dalších akustických vidů vyšších řádů.

Tyto sekundární vidy jsou mnohem více ovlivněny teplotou a kmitočtem, než je základní vlna (primární vid). Stav, při němž dva vrcholy v jednom vlnovém balíku mají identickou velikost, je obzvláště obtížné posoudit v případě metody průchodu nulou.

Druhým kritériem je identifikace doby příchodu identifikovaného průchodu nulou, což je obvykle průchod nulou 44 okamžitě po nejvyšším vrcholu 41. na signálním snímači s ohledem na používané časové měřítko. Přesnost určování času příchodu vlny je obvykle omezena na jeden časový impuls, přičemž tento časový interval představuje nejistotu měření.

Zveřejněná mezinárodní patentová přihláška č.

WO 93/00569, nazvaná An Electronic Fluid Flow Meter popisuje uspořádání pro zjišťování balíku akustických vln a přístroj pro měření proudění, který představuje jedno řešení výše uvedených problémů. Takovéto uspořádání využívá pro určování průchodu nulou proces určování obrysové obálky.

• « * · * *

·. _r A ·»·*··· r .· * »»· . - - - A-- *·· ♦· «·

Zveřejněné mezinárodní patentové přihlášky č. WO 93/00570 a WO 94/20821 popisují různé způsoby zmírňování šíření akustických vln vyšších řádů, které, jak bylo uvedeno výše, mohou výrazně ovlivňovat přijímaný vlnový balík a tím způsobovat chyby v určování času. Patent US č. 5,206,836 popisuje digitální uspořádání pro určování příchodu vlnového balíku, založené na lineární regresi kolem jediného průchodu nulou.

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu je podat měřicí zařízení a způsob ultrazvukového měření času, který umožňuje jak jedinečnou identifikaci části ultrazvukového signálu, tak měření doby příchodu této části signálu do snímače.

V souladu s prvním aspektem tohoto vynálezu je popsán způsob zjišťování doby příchodu akustického vlnového balíku přenášeného s prvním kmitočtem do snímače, přičemž tento způsob zahrnuje (a) přeměnu analogového výstupního signálu ze snímače na digitální datový signál při vzorkovacím kmitočtu, (b) určení měřicí části digitálního datového signálu, přičemž měřicí část odpovídá odezvě snímače na akustický vlnový balík, (c) určení soustavy strmostí (S_±) pro odpovídající soustavu (i) měřicích segmentů odezvy z měřicí části, přičemž každý segment je kolem hodnoty úrovně signálu (V), a (d) určení času (t) příchodu akustického vlnového balíku alespoň z vybraných strmostí.

Obecně tento způsob zahrnuje další krok, a to mezi pro vybrané segmenty určení odpovídaj ícího kroky (c) a (d) :

(ca) měřicího času (A_a), který označuje čas, v němž odezva zachytí hodnotu úrovně signálu (V), přičemž krok (d) zahrnuje určení času (t) příchodu z odpovídajících měřicích časů (A_±).

S výhodou je další krok vložen mezi kroky (c) a (ca) :

(caa) porovnání strmostí (S_±) s odpovídající referenční sadou strmostí (P ) za účelem určení měřicí pozice každého segmentu .v měřicí části, přičemž krok (ca) zahrnuje určení odpovídajících měřicích časů (A_±) z odpovídající měřicí pozice.

Obecně krok (c) zahrnuje přidělení sady bodů (k) digitálního datového signálu ke každému měřicímu segmentu (i), přičemž každý segment (i) je soustředěn kolem dvou sousedních bodů, jejichž hodnoty leží na jedné a na druhé straně hodnoty úrovně signálu (V), přiřazení přímky ke každé sadě bodů a pak určení strmosti (S_±) každé přímky. S výhodou zahrnuje tato rovná čára čáru spojující uvedené dva sousední body. S výhodou je hodnota (k) vztažena k poměru vzorkovacího kmitočtu a prvního kmitočtu a k následnému odstupu digitálního datového signálu v měřicí části. Obvykle je k rovno jedné osmině počtu bodů na jeden cyklus. Nejlépe je hodnota k 10.

Ve výhodném uspořádání je každá strmost (P_±) referenční sady strmostí sdružena s konkrétním pozičním parametrem (n), který označuje pozici změny polarity signálu ve vlnovém balíku, kde parametr (n) odpovídá počtu půlvlnových period mezi začátkem vlnového balíku a konkrétní změnou polarity * · « · signálu.

Ve výhodném provedení zahrnuje krok (d) následující kroky:

(da) přiřazení váhového činitele (W_x) ke každému měřicímu času (A_±) na základě odpovídajícího pozičního parametru (n), (db) vybrání (m) měřicích časů (Α_χ) jako časy, které budou použity pro určování času (t) příchodu, (do) určení hlavní půlvlnové periody (tau) z časových intervalů mezi sousedními časy z vybraných (m) měřicích časů (AJ , (dd) určení odhadovaného času příchodu vlnového balíku do snímače pomocí vzorce t_± = A_± - n * tau, pro každý z (m) vybraných měřicích časů (A_±), a (de) určení součtu z (m) měření času (Α_χ) produktu váhového faktoru (W_±) přiřazeného ke každé době měření a odpovídajícího odhadovaného Času příchodu (t ) a změněného nároku 12) (df) určení doby (t) příchodu akustického vlnového balíku podělením součtu z kroku (de) součtem (m) váhových činitelů (W_±).

Obecně je každý váhový činitel (W_±) úměrný strmosti (S_x) odpovídajícího segmentu. Obvykle může mít m hodnotu od 2 do 20. Je výhodné, když m má hodnotu 6.

S výhodou krok (db) zahrnuje vybrání měřicích časů (A_±) v závislosti na alespoň jednom z dále uvedených faktorů: přesnosti určování měřicího času, těsnosti přiblížení k referenční sadě strmostí (P^) a nepřítomnosti vlivu akustických vidů vyšších řádů na měřicí část.

Ve výhodném provedení je vzorkovací kmitočet používán pro generování akustického vlnového balíku a s výhodou je první kmitočet podnásobku vzorkovacího kmitočtu.

Obecné je hodnota úrovně signálu odvozena z průměru digitálního datového signálu přijímaného před měřicí částí. Také krok (a) typicky zahrnuje kontinuální přeměnu tohoto signálu.

V souladu s druhým aspektem tohoto vynálezu je popsán způsob určování doby šíření akustického vlnového balíku přenášeného mezi dvěma ultrazvukovými snímači, přičemž tento způsob zahrnuje kroky:

(e) zapnutí hodin pracujících s předem stanoveným kmitočtem, (f) současně s přechodem hodin, kroky:

(fa) zapnutí jednoho ze smímačů, aby vysílal akustický vlnový balík s prvním kmitočtem nižším než je předem stanovený kmitočet, a (fb) udžování hodin jako referenční časové pomůcky pro následné zjišťování příchodu vlnového balíku do druhého z obou snímačů, (g) zjištění doby příchodu vlnového balíku způsobem z prvního aspektu, přičemž vzorkovací kmitočet je předem stanoveným kmitočtem a je zajištěn hodinami, a digitální datový signál včetně měřicí části je ukládán v paměti, jejíž stanovování adresy pro posloupné vzorky digitálních datových signálů se mění hodinami, takže každá adresa v paměti odpovídá identifikovatelnému času po vygenerování akustického vlnového balíku.

Obecně je přenášeno více akustických vlnových balíků a vyjma prvního vysílání jsou vysílání všech následných akustických vlnových balíků synchronizována s příjmem bezprostředně předcházejícího akustického vlnového balíku. Typicky se při přenosu konkrétního akustického balíku počítá doba zpoždění a přenos dalšího akustického vlnového balíku je realizován po uplynutí této doby zpoždění a když měřicí , část odpovídající danému konkrétnímu vlnovému balíku následně prochází hodnotou úrovně signálu.

V alternativním provedení je akustický vlnový balík vysílán simultánně z každého snímače pro příjem dalším snímačem, a doba šíření každého akustického vlnového balíku je tedy určena. Typicky v takovémto uspořádání zahrnuje krok (a) dále kompenzaci fázových rozdílů mezi digitálními datovými signály konvertovanými z analogových výstupních signálů z jednotlivých snímačů.

V souladu s třetím aspektem vynálezu je popsáno zařízení pro měření rychlosti pohybující se tekutiny, které zahrnuje:

měřicí trubici, kterou prochází tekutina, jejíž rychlost má být měřena, dva ultrazvukové snímače uspořádané v trubici a uzpůsobené pro přenos ultrazvukových signálů mezi sebou navzájem, přenosové prostředky pro buzení alespoň jednoho ze snímačů za účelem generování akustického vlnového balíku, který se šíří s prvním kmitočtem trubicí směrem k druhému snímači, přijímací prostředky připojené alespoň ke druhému snímači za účelem detekce akustického vlnového balíku r 4 · »

Q - f ··«···« “O” · ··* * - * β 1 · · a přeměny analogového výstupního signálu alespoň z druhého snímače na digitální datový signál, přičemž tyto přijímací prostředky zahrnují (první) paměť pro ukládání digitálního datového signálu, procesorové prostředky připojené k přijímacím prostředkům pro určování rychlosti tekutiny, přičemž procesorové prostředky zahrnují:

první prostředek pro určování měřicí části digitálního datového signálu, kde měřicí část odpovídá odezvě druhého snímače na akustický vlnový balík, druhý prostředek pro určování soustavy strmostí (S_±) pro odpovídající soustavu (i) měřicích segmentů odezvy z uvedené měřicí části, přičemž každý ze segmentů je kolem hodnoty úrovně signálu (V), třetí prostředek pro určování času (t) příchodu akustického vlnového balíku alespoň z vybraných strmostí (SJ.

Typicky zařízení dále zahrnuje čtvrtý prostředek pro určování odpovídajících měřicích časů (A_±), které indikují čas, v němž odezva zachytí hodnotu úrovně signálu, pro vybrané segmenty, přičemž třetí prostředek určuje čas (t) příchodu z odpovídajících měřicích časů (A_±).

S výhodou zařízení dále zahrnuje (druhý) paměťový prostředek připojený k procesorovým prostředkům pro ukládání referenčního signálu, přičemž procesorové prostředky zahrnují pátý prostředek uspořádaný tak, aby porovnával části referenčního signálu s měřicí částí za účelem určování měřicí pozice každého segmentu v měřicí části, přičemž měřicí časy (A_±) jsou určovány pomocí odpovídajících měřicích pozic.

Je výhodné, když zařízení dále zahrnuje prostředky pro úpravu velikosti analogového signálu alespoň ze druhého snímače, takže tato velikost spadá mezi určité hranice, přičemž tyto hranice jsou s výhodou stejně rozloženy po obou stranách hodnoty úrovně signálu, kde hodnota úrovně signálu je s výhodou průměrem výstupu z druhého snímače před měřicí částí.

Typicky je v každém aspektu vzorkovací kmitočet v rozmezí. 500 kHz až 10 GHz. Je výhodné, je-li vzorkovací kmitočet 10 MHz.

Obecně v každém aspektu je první kmitočet v rozmezí 20 kHz až 5 MHz. Nejlépe je první kmitočet 125 kHz.

V souladu se širokým aspektem tohoto vynálezu je popsán způsob detekce času příchodu akustického vlnového balíku přenášeného s prvním kmitočtem do snímače, přičemž tento způsob se vyznačuje kompenzací odchylek akustického vlnového balíku od prvního kmitočtu, jak jsou detekovány snímačem.

Přehled obrázků na výkresech

Dále bude popsáno několik příkladných provedení, a to s odkazy na výkresy, kde na obr. 1 je znázorněno uspořádání dvou ultrazvukových snímačů uložených v oblasti proudění tekutiny, jejichž ultrazvukových přenosů se využívá k měření rychlosti proudění tekutiny podle popsaného provedení, na obr. 2 je blokové schéma funkčních jednotek výhodného provedení, na obr. 3 je typický tvar ultrazvukové vlny vysílané ultrazvukovými snímači z obr. 1, na obr. 4 je schéma informačního toku u výhodného způsobu detekce, obr.

ilustruje zesilování signálu a proces jeho digitalizace použitý v popsaných provedeních, obr. 6 ilustruje vliv zesílení na digitalizovaný tvar, na obr. 7 je blokové schéma elektronického ústrojí pro první provedení, na obr. 8 je schematické znázornění multiplexorové jednotky z obr. 7, na obr. 9 je blokové schéma druhého provedení, které využívá metody takzvaného ring-around,

10A

10B ilustruj

obr.

11A a

11B ilustruj sled zapalování snímačů z obr. 9,

třetího provedení, ultrazvukové snímače kde uvedené dva vysílají současně, a na obr. 13 je schematické znázornění části mikroprocesoru použitého v popsaném provedení.

Příkladná provedení vynálezu

Na obr. 1 jsou znázorněny dva ultrazvukové snímače Tl a T2. z nichž každý může pracovat jako buďto jako vysílač nebo jako přijímač a které jsou uspořádány navzájem proti sobě podél osy válcovité měřicí komory Q, kterou proudí

tekutina F, jejíž rychlost má být	měřena.	Měřicí komora £	je
součástí celkového	měřicího	obvodu	30. schematicky
znázorněného na obr. 2.
Měřicí obvod 30	zahrnuje	řídicí	mikroprocesor	22
spojený přes hlavní	sběrnici	37 s	mikroelektronickou

jednotkou 31. která obsahuje speciální elektroniku propojenou se snímači Tl a T2 a s teplotním čidlem 12, které lze umístit dovnitř měřicí komory £ za účelem určování teploty tekutiny, jejíž proudění se má měřit. Akumulátorová jednotka 36 dodává elektrickou energii do mikroprocesoru 32 • * * » » · · · * r . * - · · · * φ · * » · · « « .- ·»· ♦· ·» a mikroelektronické jednotky 21, která generuje signály pro snímače Tl a 12 a přijímá signály ze snímačů Tl a T2 a stanovuje jednotlivé doby šíření ultrazvukových vlnových balíků. Mikroprocesor 32 zajiščuje výpočet průměru množiny dob šíření a výpočet rychlosti proudění za účelem zobrazení na LCD displeji 34 pro zobrazovací sběrnici 22· Je zajištěno komunikační rozhraní 35 pro přenos údajů o rychlosti proudění a dalších údajů do vhodného datového systému (neznázorněno), který je znám z dosavadního stavu techniky, například z výše uvedené zveřejněné mezinárodní přihlášky č. WO 93/00569.

Hodnota rychlosti proudění tekutiny může být vyvozena ze změřeného doby šíření ultrazvukového signálu po proudu a proti proudu pomocí následujícího vzorce:

V = 0,5L * (1/T - 1/T ) ε d u kde v_ff = rychlost tekutiny v měřicí trubici

L = délka měřicí trubice

T_d = doba šíření akustického impulsu po proudu

T_u = doba šíření akustického impulsu proti proudu

Přesné měření doby šíření je proto základním úkolem při určování rychlosti tekutiny ve výhodném provedení. V tomto výhodném provedení je krátký akustický impuls vysílán z ultrazvukého snímače na jednom konci měřicí trubice a je přijímán podobným snímačem na druhém konci. Po projití přes zesilovací řetězec s proměnlivým zesílením se přijímaný signál digitalizuje rychlostí 10 MHz pomocí převodníku analogového signálu na digitální, aby se získala přijímaná data. Tato přijímaná data jsou pak ukládána do 4 kbytové f · f · _ i ; . * · .........

-L > * · a·· . - * » . - ·. - - » * « « * ·« rychlé paměti s přímým přístupem (RAM). Pro dosažení požadované přesnosti musí být doba příchodu akustického signálu určena na maximálně přibližně 1 ns, tedy 1% doby mezi digitalizovanými vzorky. Je proto vhodné interpolovat mezi body na digitalizovaném signálu. To se realizuje uplatněním lineárních regresí na přijímané údaje v pásmu kolem klidové úrovně signálu a použitím takto získaných údajů, spolu se znalostmi o kmitočtu přijímaného signálu, za účelem provedení několika samostatných výpočtů doby příchodu.. Vážený průměr těchto výsledků tvoří konečný odhad doby akustického průchodu. Pro snížení nepřesnosti měření zahrnují výhodná provedení speciální znaky.

Za prvé, použitý převodník analoového signálu na digitální je 8-bitový přístroj, který pracuje pouze přes okno pokrývající přibližně střední třetinu přijímaného signálu, takže účinné zpřesnění konverze je zvýšeno z 8 bitů na (8 + log₂(3)) bitů, tedy asi 9,6 bitů. Takovéto uspořádání je výhodné, protože datové body vně tohoto středního rozmezí sinusoidy nesou více informací o amplitudě než o Čase, a proto mají malé využití pro měření času.

Za druhé, generátor impulzů pro vysílající snímač je připojen přímo k 10 MHz hodinám. U všech krystalových hodin je do určité míry problém s časovou nestabilitou, a pokud by měl být spuštěn samostatný nestabilní oscilátor z jediného hodinového přechodu, celá nepřesnost způsobená časovou nestabilitou by se promítla do měření. Svázáním každého přechodu generátoru akustických impulzů s čelem 10 MHz hodinového signálu je vliv časové nestability hodin v zásadě vyloučen zprůměrováním.

Za třetí, protože jsou snímače rezonanční přístroje, i když jen slabě rezonanční, kmitočet přijímaného signálu nemusí být stejný jako kmitočet budicího signálu. V podmínkách právě popsaného provedení platí, že pokud se přijímaný kmitočet liší od vysílaného kmitočtu například o 10% a není prováděna žádná oprava, dojde k nadhodnocení a podhodnocení o 0,35% v celém rozsahu proudění. Rezonanční kmitočet mnoha ultrazvukových snímačů se značně mění v závislosti na teplotě, takže při výpočtu doby příchodu začátku přijímaného signálu se nepředpokládá, že by se doba kmitu rovnala vysílanému kmitočtu, ale spíše se odvozuje od údajů o přijímaném tvarovém kmitu.

Na obr. 7 je znázorněno zvláštní provedení, které realizuje výhody tohoto způsobu při měření rychlosti proudění plynu, přičemž toto je součástí měření volumetrického proudění, a výsledky jsou zobrazovány.

Na obr. 7 je znázorněno měřicí zařízení 60. které zahrnuje trubicovitou část 61 uzpůsobenou pro měření proudění tekutiny, dva snímače 62 a 63 pro vysílání a přijímání ultrazvukových signálů uspořádané uvnitř části 61 s předem stanoveným vzájemným odstupem, akumulátorovou jednotku 64 (kvůli přehlednosti není znázorněna, avšak její připojení je zřejmé z dosavadního stavu techniky), mikroprocesor 65. LCD displej 66. sériové komunikační rozhraní 67. měřicí elektronické ústrojí 68 pro buzení a příjem ze snímačů pro měření doby šíření ultrazvukového signálu, a Čidlo 101 pro měření teploty uvnitř trubice 61.

Mikroprocesor 65 je s výhodou 16 bitový přístroj zkonstruovaný na základě von Neumannovy architektury r p ♦ v * · « «

- 14 a zahrnuje 4 kbytovou permanentní • » · · » * * · · · · ' ·« · > · ♦ · • · · « ' ‘ · * · · ♦ paměť (ROM) a 256 bytovou vnitřní paměť s přímým přístupem (RAM) . Mikroprocesor 65 rovněž zahrnuje univerzální asynchronní vysílač - přijímač (UART), převodník analogového signálu na digitální (dále nazývaný gADC) se zdrojem proudu, časovač s přerušením, použitelný jako čítač událostí a hlídací časovači krystalový oscilátor, což je přístroj denního času, který dodává signál jako hodiny reálného

32,768 kHz.

Tento přístroj se používá

technologie frekvenčního závěsu, používá se j ako hodiny pro mikroprocesor 65.

LCD displej 66 zahrnuje budič, který je známým způsobem propojen s mikroprocesorem

Elektronicky mazatelná programovatelná je připojena k systémové sběrnici 72, paměť EEPROM 72 která je řízena mikroprocesorem £5. a dodává cejchovací údaje pro měřicí zařízení 60.

Sériové rozhraní umožňuje, aby bylo zařízení 60 připojeno k externím přístrojům přes optický spoj nebo vlastní komunikační sběrnici, například M-sběrnici.

Akumulátorová jednotka s výhodou zahrnuje jediný 3,5 voltový lithiový článek o velikosti D.

Řiditelný krystalový oscilátor IQ. a krystal 71 zajišťují přes hodinovou sběrnici 22 vysokofrekvenční hodinový impuls s výhodným kmitočtem 10 MHz pro vysokorychlostní (bleskový) převodník 85 analogového signálu na digitální (dále nazývaný vysokorychlostní ADC) a logiku pro řízení paměti, která zahrnuje čítač 76 adres a logiku pro Čtení a zápis. Oscilátor 70 je zapne před měřením ·

• · * « • · k · · • · · · • * · <

proudění a je mu ponechán čas na ustálení. Pokud není zapotřebí, vypne se, aby se Šetřila energie.

Vysílací hodiny (vysílací čítač) 80 je připojen ke sběrnicím 79 a 99 a dělí vysokofrekvenční hodiny, za účelem zajištění hodinového signálu 100 pro generátor 81 posloupnosti vysílaných impulsů. Vysílací kmitočet se může měnit přes řízení mikroprocesoru £5., a to změnou počtu vysokofrekvenčních hodinových cyklů, zahrnujících každý vysílaný hodinový impulz.

Generátor 81 posloupnosti vysílaných impulsů je tvořen posuvným registrem, který uchovává bitovou kombinaci, která, když je spuštěna hodinami, tvoří posloupnost vysílaných impulsů. Bitová kombinace je inicializována mikroprocesorem 65 přes sběrnici 79. s níž je generátor 51 posloupnosti rovněž spojen. Komplexnější tvarové kmity mohou být generovány tak, že je v posuvném registru více bitů a že se hodinové impulsy vysílají rychleji. Čela vystupujícího signálu jsou synchronizována vysokofrekvenčními hodinami. Kvantovací chyba je vyloučena na začátku vysílání tím, že vysílací posloupnost je spuštěna hodinami, které řídí vysokorychlostní ADC 85 .

Posloupnost vysílaných impulsů je dodávána do čtyř třístavových budičů 94 - 97, uspořádaných po dvou párech 94. 95 a 96. 97. přičemž každý pár je připojen k jinému snímači 52, £3.· Pár budičů (například £1,

25), který je připojen ke snímači (£2), který se chystá vyslat ultrazvukový signál, je aktivován, zatímco druhý pár (2£,

97) je uveden do stavu vysoké impedance, přičemž umožňuje, aby snímač (£3.) , který je k němu připojen, pracoval jako * J přijímač. Tyto dva výstupy z páru budičů (24, 25.) jsou buzeny v protifázi, takže když jeden stoupá, druhý klesá. V důsledku toho je budicí signál aplikován na snímač dvakrát.

Každý ultrazvukový snímač 62. 63 se při příjmu akustického signálu jeví vzhledem ke zbytku obvodu jako diferenciální proudový zdroj.

Aby se umožnil příjem akustického signálu, je každý snímač 62. 63 připojen ke dvěma analogovým multiplexorům 92. 93. .které jsou zase připojeny k odpovídajícím proud integrujícím předzesilovačům 22, 21- Na obr. 8 jsou schematicky znázorněny analogové multiplexory 22, 22Multiplexory 22, 93 se spínají za účelem výběru jednoho ze dvou odlišných ultrazvukových vstupních zdrojů a spojují je se vstupem předzesilovače 90 nebo 21- Tyto spínače ve vypnutém stavu přijímají budicí signál snímače.

Každý předzesilovač 22., 21 zesiluje rozdíl mezi dvěma proudovými signály z odpovídajících snímačů £2, £2- To minimalizuje vliv jakéhokoli rušení, ke kterým dochází na obou vstupech, tím, že se vyloučí součtové signály. Předzesilovače 22, 21 také dodávají stejnosměrnou předmagnetizaci pro analogové multiplexory 21, 22 a odpovídající snímače £2, 52Zesílení předzesilovači 22, 21 je dostatečně velké, aby bylo zajištěno, že jediný významný zvukový zdroj je na předřazeném zesilovači. Daný signál prochází přes dolní propust, když je v předzesíleném stavu, aby se zmenšila amplituda zvuku. Je výhodné zachovat jeden pól asi na 65

Diferenciální zesilovač » * *·· ·· ·* » » * » ♦ *» r- · ··* · · ·· . _v * · * · ♦ a v· v · · · ·· * »· · a * ♦·· · sčítá výstupy z předzesilovaČů 90. 91 a zajišťuje vstup do zesilovače 83 s proměnným zesílením. Tento zesilovač s proměnným zesílením je řízen řídicím signálem zesílení, který je vysílán z mikroprocesoru 65 tak, že je zajištěn rozsah zesílení signálu od 0 dB do 60 dB.

Takovýto rozsah je požadován proto, Že amplituda přijímaného signálu se mění se směrem ultrazvukového signálu, s ohledem na rychlost proudění, množství proudění a s teplotou.

Přij.ímaný výstupní signál ze zesilovače £2 se pak filtruje přes pásmovou propust £4, která pracuje v rozsahu 80 kHz až 170 kHz. Výstup z propusti 84 má stejnosměrnou úroveň vystředěnou kolem referenčního napětí, což je obecně asi polovina napájecího napětí z akumulátorové jednotky 64.

Pásmová propust 84 vysílá do vysokorychlostního ADC 85. který má s výhodou 8 bitové rozlišení. Tento vysokorychlostní ADC 85 převádí přijímaný signál na digitální signál se vzorkovací rychlostí rovnou vysokofrekvenčnímu hodinovému impulzu, který je generován oscilátorem 70 (tedy 10 MHz). Práce vysokorychlostního ADC je ozřejměna s ohledem na tvarový kmit na obr. 5. Pokud přijímaný signál leží mezi úrovněmi signálu označenými jako Top Ref (tedy horní reference) a Bottom Ref (tedy dolní reference), potom je digitální hodnota měřítkem této pozice. Pokud signál přesahuje Top Ref, pak je výstup FF (Hex), a pokud je pod úrovní Bottom Ref, pak je výstup 00 (Hex).

Horní reference je stejnosměrná úroveň generovaná obvodem £7., který zajišťuje horní referenční napětí pro vysokorychlostní ADC 85. Dolní reference je stejnosměrná • * úroveň generovaná obvodem 88. který zajišťuje dolní referenční napětí pro vysokorychlostní ADC £5,. Rozdíl mezi horní referencí a dolní referencí je s výhodou nastaven na 0,375 maximální výšky, které zesílený přijímaný signál může dosáhnout bez výrazného zkreslení. Pozice těchto napětí musí být takové, aby, když je signál na maximu, byla vystředěná, a aby tedy zesilovače £2, £7, 90 a 91 neořezávaly nebo nezkreslovaly vrcholy vlny. Je důležité zabránit jakémukoli ořezávání vlny působením zesilovačů 83, £2, 90 a £1, protože by to zavádělo stejnosměrnou odchylku do zpracovávaného přijímaného signálu.

Signálová reference 86 je stejnosměrná hladina generovaná z úrovní horní reference a dolní reference a leží uprostřed těchto dvou napěťových úrovní. Tato signálová reference 86 se používá jako stejnosměrný odklon pro výstup z pásmové propusti £4, jak byla uvedena výše.

Datové vzorky odebrané pomocí vysokorychlostního ADC 85 jsou vysílány do signálové datové sběrnice 78, ke které je připojena vysokorychlostní statická paměť 77 (ŠRAM), nejlépe s kapacitou 32 kbitů, a střádač 73 vyrovnávací paměti, přičemž vysokorychlostní paměť 77 zajišťuje ukládání tvarového kmitu části přijímaného signálu.

Řídicí jednotka 75 pro načítání z paměti a zápis do paměti vytváří impulzy čtení a zápisu potřebné pro vysokorychlostní paměť 77.

Čítač 76 adres uvnitř řídicí jednotky 75 je připojen k vysokorychlostní paměti 77 a zahrnuje 12 bitový Čítač s příslušnou logikou.

Údaje o tvarovém kmitu z vysokorychlostního ADC 85 jsou ukládány ve vysokorychlostní paměti 77, což je řízeno * « * » * · · · · • ι· · * · · « · ·

- 19 - · z ’ ϊ t : · ··; I z »*»»· + ' * · · · · * · · · čítačem 76 adres a řídicí jednotkou 75. Paměť ZZ pracuje ve dvou r e ž ime ch.

V měřicím režimu jsou data přenášena z vysokorychlostního ADC 85 do statické paměti 87 v reálném čase. Jeden byte je přenášen pro každý cyklus vysokofrekvečních hodinových impulzů, což odpovídá rychlosti přenosu dat 10 Mbytů za sekundu. Čítač 76 adres poskytuje adresu do paměti 77. V tomto režimu je čítač ZÁ adres pro každou transakci automaticky zvyšován. To znamená, že adresa má prosté přiřazení k Času, kdy je tvarový kmit vzorkován po vyslání ultrazvukového signálu.

V pracovním režimu se provádí odběr a zpracovávání dat mikroprocesorem 65. Data mohou být přenášena z nebo do mikroporcesoru 65 z vybraných adres pouhým zavedením požadovaných adres do čítače 76 adres. Čítač 7£ adres je zvyšován při každém čtení nebo zápisu do vysokorychlostní paměti 77 mikroprocesorem 65. Data ze soustavy adres proto mohou být čtena nebo zapisována do další adresy vložením prvních adres do čítače 76 adres, a pak načtením nebo zapsáním bytů v řetězci. Přenos dat mezi pamětí ZZ a mikroprocesorem 65 je prováděn přes střádač 7.3 vyrovnávací paměti. Mikroprocesor 65 spíše načítá ze střádače 71 nebo zapisuje do střádače 73, než přímo z paměti nebo do paměti 77. To umožňuje, aby paměť 77 zůstávala po většinu času v režimu s malým výkonem, zatímco pomalejší mirkoprocesor čte nebo zapisuje data.

S odkazem na obr. 13, struktury mikroprocesoru ££, pomocí proudového zdroje £2.

který ilustruje pouze část je měřena teplota tekutiny mikroprocesoru, který napájí «

odporové teplotní čidlo 101. Velikost proudu z proudového zdroje £2. je programována pomocí externího odporu 102. Vstup z odporového teplotního Čidla 101 pak může zpětně ovlivňovat zdrojové napětí, dodávané akumulátorovou jednotkou 64. stejným způsobem jako proudový zdroj 69, čímž je umožněno uskutečnění poměrového měření.

Jak bylo uvedeno výše, mikroprocesor 65 zahrnuje pADC 103, porovnávací jednotku 104, která přijímá analogový vstupní signál, registr 105 s postupnou aproximací, a převodník 106 digitálního signálu na analogový (DAC), což je konfigurace dobře známá z dosavadního stavu techniky. Obousměrná vyrovnávací parné t: 107 umožňuje navázání převedených dat na interní sběrnici 108 mikroprocesoru 65.

Pro teplotní měření je napětí bráno přímo z čidla 101 a přiloženo na analogový výstup z gADC 103. Čidlo 101 je odporové teplotní čidlo napájené z proudového zdroje 69. Velikost proudového zdroje 69 je funkcí napájecího napětí a je programována pomocí externího odporu 102, takže

I = (0,25 * V ) / R

Vstup z odporového teplotního čidla 101 tedy zpětně ovlivňuje napájecí napětí stejným způsobem jako proudový zdroj

V = (0,25 * V ) * (R / R ) (1) ln ' ^s aans ' eace kde R_-ene je čidlo 101, teplotně závislý odporový prvek.

Výstup z gADC 103 je lineární funkcí napájecího napětí:

V = (a + K*N) * V (2) dac ' <a<a.

kde a a K jsou známé konstanty a N je násobitel DAC 106.

Porovnávací jednotka 104 porovnává výstup z DAC 106 s napětím na čidle 101. To určuje hodnotu N, pro kterou V^^^ * * * * « « * « • « v * ♦ *

Změřená hodnota N pak může být předána přes vyrovnávací paměť 107 k výpočtům teplotní korekce. Měření R je poměrové. Kombinací výše uvedených rovnic (1) a (2) se z výpočtu vyloučí napájecí napětí, takže:

(0,25 * V ) * (R do (a + K*N) * v (a + K*N) * 4 * R

Rovněž vyrovnávací paměť 107 může být použita pro automatické řízení zesilování, přičemž mikroprocesor 65 určuje vhodnou hodnotu, která je pak vkládána do DAC 106 přes vyrovnávací paměť 107. DAC 106 pak provádí přímou konverzi, aby se zajistilo napětí 82 pro řízení zesilování. S ohledem na to, že teplota je relativně stabilní během více než jednoho vzorku, což vyžaduje určení řízení zesilování, mohou být prováděny teplotní funkce, když se neprovádí měření proudění.

V alternativním provedení může paralelní nebo sériový (například I³C) výstupní signál z mikroprocesoru 65 budit neznázoměný DAC, který může přímo dodávat napětí 82 pro řízení zesílení.

Úspory energie jsou důležité pro dlouhou životnost akumulátoru. Spotřeba proudu je snížena udržováním elektroniky v režimu s nízkou spotřebou, kdykoli je to možné. Čítač 76 adres může být využit pro dosažení takovýchto úspor, pokud současně pracuje jako čítač se zapínacím zpožděním..

Pokud je u čítače 76 adres nastavena počáteční hodnota odlišná od nuly, pak může být přenos z čítače 76 použit jako « · · * zapínací přerušení pro mikroprocesor ££. Mikroprocesor 65 se spustí a zapne se na elektroniku pro dráhu signálu, která sestává z předzesilovačů 90. 91. diferenciálního zesilovače 3Jž, zesilovače 83 s proměnným zesílením, pásmové propusti 84 a aktivuje pamět 77 a vysokorychlostní ADC 85. Mikroprocesor 65 se pak vrátí do režimu s nízkou spotřebou, zatímco se sbírají data.

Když byla nyní popsána struktura měřicího zařízení &o, bude následně podrobně popsáno měření doby šíření s odkazy na obr./4, který schematicky znázorňuje tok informací, a jednotlivé kroky postupu vyplývající z provedení z obr. 7.

V bodě fl) dodává 10 MHz hodino¹// signál, generovaný oscilátorem 70, referenční údaj o čase. V bodě (2) je pro zahájení měření použit 10 MHz hodinový signál, a to čítačem 80 a generátorem 81 za účelem generování posloupnosti pravoúhlých impulsů o nominálně stejném trvání impulsu a mezery, které jsou dodávány do vysílajícího snímače v měřicí trubici 61. za účelem generování ultrazvukového signálu. V tomto příkladu má ultrazvukový signál s výhodou kmitočet přibližně 125 kHz, takže každý cyklus ultrazvukového signálu trvá 80 cyklů 10 MHz hodinového signálu. Použití 10 MHz hodinového signálu pro generování vysílaného signálu zajišéuje, že časování '//sílaného kmitu je přesně známo. V bodě (3) počínaje se stejným hodinovým přechodem jako vysílaný signál je aktivován čítač 76 adres. Tak je použit synchronní čítač pro generování sekvenčních adres pro pamět ZZ rychlostí jedna adresa za 100 ns.

Jak je naznačeno v bodě (7) na obr. 4 a jak bylo uvedeno výše, výstup z přijímacího snímače, který zahrnuje » · • · ·

ΠΊ - * - * F ······· ” «ώ J ^_ _p · * * · · · i- * · · « » · * požadovaný analogový tvarový kmit, je předáván do vysokorychlostního ADC £5., v němž je spouštěn převod na digitální tvar přechodem 10 MHz hodin. Paměť 77 tedy přijímá informace o řízení adres z čítače 76 adres a data z vysokorychlostního ADC 85.

rychlostí jeden byte každých

100 ns. Statická paměť 77 muže mít tedy v sobě uloženo

409,6 με digitalizovaného tvarového kmitu.

Nějakou dobu poté, co je inicializován přenos a zatímco akustický vlnový balík se dosud šíří měřicí trubicí £1, vysokorychlostní ADC 85 a statická paměť 77 jsou aktivovány a přicházející data, na začátku na stejnosměrné úroveni, se začnou zapisovat do statické paměti 77.

Za účelem uchování energie aktivuje mikroprocesor 65 statickou paměť 77 až krátce před očekávanou dobou příchodu akustického signálu. Pokud se podmínky změnily a signál byl zmeškán, opakuje se měření s konzervativnějším nastavením. Protože požadovaná část přijímaného tvarového kmitu je mnohem kratší než 409,6 με, nepředstavuje obrácení čítače 76 adres a následné přepsání statické paměti 77 nevýhodu.

Akustický vlnový balík generovaný vysílajícím snímačem postupuje měřicí trubicí 61 a po asi 500 με (v měřicí trubici o délce 175 mm a s rychlostí zvuku v přirozených plynných retikulačních systémech o velikosti 350 tns^-1) je přijímán přijímajícím snímačem, a výsledkem je analogový elektrický signál, jak je například znázorněn na obr. 3, který je vysílán z přijímajícího snímače. Tento signál se zesiluje v několika stupních, včetně jednoho stupně proměnného zesílení, a výsledkem je signál naznačený v bodě (5) se známou standardizovanou maximální amplitudou.

Derivace změny zesílení je popsána níže. Přijímaný akustický vlnový balík je tedy převáděn vysokorychlostním ADC 85 a ukládán do statické paměti 77.

Mikroprocesor zastaví sběr dat po očekávané době příchodu akustického vlnového balíku. 10 MHz hodinový signál čítače adres je zastaven a rovněž 10 MHz hodiny signál do vysokorychlostního ADC 85. který pracuje také jako uvolňovací signál zápisu pro statickou paměť 77, se také zastaví. Pokud se vlnový balík zmešká, opakuje se měření za použití .delšího zdržení. Nejdelší možné zdržení odpovídá největšímu možnému zpoždění akustického vlnového balíku v důsledku maximálního proudění tekutiny v tekutině s největší hustotou při nejnižší teplotě, čítač 76 adres se musí nechat běžet po celou dobu od inicializace akustického signálu až do okamžiku, kdy mikroprocesor 65 deaktivuje statickou paměť 22, jinak pozice bytu dat ve statické paměti 77 nebude odpovídat jeho době příchodu.

S digitalizovanou formou přijatého signálu ve statické paměti 22 může mikroprocesor 65 a připojený software provést odhad doby příchodu akustického signálu. To se uskutečňuje nastavením čítače 76 adres do počátečního stavu a přepnutím jeho vstupu z 10 MHz hodin na výstupní vedení z mikroprocesoru £5. Počáteční adresa je vložena do čítače 26 adres a přepnutím výše uvedeného výstupního vedení mikroprocesoru může software postupně zpřístupňovat následné byty ze statické paměti 77 . Počáteční adresa je rovněž vložena do paměťového místa v mikroprocesoru 65 a tato hodnota stínové adresy je zvyšována vždy, když je datová hodnota získána ze statické paměti 77. Pro vytvoření klidové signální úrovně 45. (viz obr. 3) , která předchází příchod akustického vlnového balíku a působí jako referenční úroveň, s níž jsou porovnávána všechna další měření, se ze statické paměti 77 načte určitý počet bytů, obvykle mocnina 2, například 12 8 nebo 256, sečtou se a vypočte se střední hodnota. Počáteční bod pro čítač 76 adres musí být dostatečně nízký, aby bylo možné určit klidovou signální úroveň £5 z dat přijatých před nejdřívějším očekávaným příchodem akustického signálu. Klidová signální úroveň 45 je tedy charakteristická pro stav měřicího zařízení 60, kdy není přijat žádný signál (stav NRS). Také nejdřívější očekávaný příchod akustického signálu reprezentuje začátek měřicí části uloženého digitálního datového signálu, který je charakteristický pro analogový signální výstup ze snímače a indikuje odezvu snímače na akustický vlnový balík. Měřicí část se může táhnout přes asi 10 až 20 cyklů přijímaného signálu 40.

Když byla určena klidová signální úroveň 45. je v bodě (8) zřízena mikroprocesorem 65 programová dynamická vyrovnávací pamětí, jejíž délka s výhodou odpovídá přibližně

10% až 15% jednoho cyklu příkladu, kdy je bráno asi jeden cyklus, je vhodná o velikosti 9 nebo nejlépe pamětí umožňuje, aby byla da akustického signálu. V tomto vzorků signální úrovně za dynamická vyrovnávací pamětí bytů. Dynamická vyrovnávací a aktualizována, aniž by bylo zapotřebí fyzicky posouvat každý vstup o jedno místo vždy, když je vkládána nová datová položka. Ukazatel vyrovnávací paměti, původně nula, ukazuje pozici v dynamické vyrovnávací paměti, kde má být proveden další zápis. Tento ukazatel je zvyšován po každém provedení nového zápisu a když hodnota ukazatele přesáhne délku dynamické vyrovnávací paměti, nastaví se ukazatel znovu na nulu. Ukazatel tedy obíhá po dynamické vyrovnávací paměti a když je tato paměť zaplněna, pozice ukazatele vždy označí nejdřívější zápis v dynamické vyrovnávací paměti.

Každý byte je načítán ze statické paměti 22/ a, než je umístěn do dynamické vyrovnávací paměti, je porovnáván s klidovou signální úrovní 45, která byla získána dříve, a znaménko rozdílu je porovnáno s hodnotou získanou z předcházejícího bytu. Jestliže je toto znaménko stejné, jako znaménko, které bylo vypočteno u předcházejícího bytu, přijímaný signál nezkřížil klidovou signální úroveň 45 a toto znaménko se uloží do paměti pro budoucí porovnání.

Pokud se aktuální znaménko liší od předcházejícího znaménka, přijímaný signál překřížil klidovou signální úroveň 45 a je stanovena mezní hodnota, která je rovna současné hodnotě výše uvedené hodnoty stínové adresy plus polovině velikosti dynamické vyrovnávací paměti. Pak se načítají byty ze statické paměti a vkládají se do dynamické vyrovnávací paměti, až hodnota stínové adresy dosáhne výše uvedené mezní hodnoty, přičemž v tom okamžiku obsahuje dynamická vyrovnávací paměť sadu datových bodů přibližně stejně rozložených kolem klidové signální úrovně 12. Toto představuje měřicí segment, s nímž může být jednotlivě man ipulováno za účelem výpočtu časování.

v tomto stádiu je obsah dynamické vyrovnávací paměti využíván pro provádění lineární regrese, naznačené v bodě (9) na obr. 4, za použití hodnot stínových adres « * · » f · * * « · p s » · ** r « · · · * · · ► ě¹ odpovídajících časové ose jako nezávislé proměnné, a datových položek v dynamické vyrovnávací paměti jako závislé proměnné. Lineární regrese zahrnuje uspořádání datových párů napětí a času do přímky metodou nejmenších čtverců. Metoda regresní přímky umožňuje odhad strmosti signálu, když prochází přes klidovou signální úroveň 45. a rovněž hodnoty časového zdržení v tomto okamžiku, která je určena pro každý měřicí segment.

V bodě (10) jsou odhady strmosti a zdržení vloženy do softwarové vyrovnávací paměti fronty (FIFO pamět) ve vnitřní paměti mikroprocesoru £5. pro pozdější použití. Výpočetně méně výkonná FIFO pamět se zde používá proto, že je malá, přístup je relativně jednoduchý a je aktualizována pouze jednou čtyřicetinou rychlosti dynamické vyrovnávací paměti.

Protože přijímaný tvarový kmit začíná neznatelně a vytváří amplitudu přes několik cyklů, jak je to zřejmé z obr. 3, není možné přímo určit jeho počáteční bod. Počáteční bod musí být odvozen lokalizací pozdější pozice na tvarovém kmitu (tato pozice se používá jako časová značka) a odečtením časového období odpovídajícího známému počtu cyklů tvarových kmitů (přičemž toto období naopak odpovídá době uplynulé od počátečního bodu vlnového balíku) od tohoto času. Pozice na přijímaném signálu 40 používaná jako Časová značka při časování postupu vlnového balíku trubicí 61 je obvykle konkrétní pozice na tvarovém kmitu, když tvarový kmit prochází přes klidovou signální úroveň 45.

Zdržení určená z lineární regrese v bodě (9) tedy slouží jako časové značky, pokud může být jejich absolutní pozice určena uvnitř tvarového kmitu jako celku. Proto jsou » ♦ • * « provnávány po sobě následující hodnoty strmostí ve FIFO paměti s uloženou sadou strmostí, označovaných jako šablona a vyznačené v bodě (13). Tato uložená šablona reprezentuje Časný díl tvarového kmitu, jehož tvar se může měnit v závislosti na rychlosti proudění tekutiny, vlastnostech tekutiny a teplotě. Vhodná velikost této šablony je 2 až 4 prvky buďto po sobě jdoucích veličin strmostí s měnícím se znaménkem nebo střídavých velikostí strmosti se stejným znaménkem. Když se naplní FIFO paměť strmostí, jak se vkládá každá nová hodnota strmosti (zahrnující velikost a znaménko), vybrané prvky se porovnají v bodě (14) se šablonou, aby se získal součet čtverců rozdílů. Toto měřítko prochází minimem, když šablona nejvíce odpovídá vybraným prvkům z FIFO paměti strmostí a tento proces zastaví proces porovnávání, když nejnověji vypočtený součet Čtverců přesáhne předcházející hodnotu, v tomto stádiu byla správně lokalizována zdržení uvnitř tvarového kmitu jako celku na základě známé šablony, kdy každé zdržení je jmenovitě celé číslo představující počet půlvln od počátku přijímaného signálu. Tak porovnání strmostí určuje měřicí pozici pro každou strmost uvnitř přijímaného tvarového kmitu, která se vztahuje k postupu akustického vlnového balíku.

Jak již bylo naznačeno, frekvence přijímaného tvarového kmitu nemusí odpovídat frekvenci budicího signálu, což znamená, že půlvlna budicího tvarového kmitu nemusí být dobrým prvkem pro odhad půlvlny přij ímaného tvarového kmitu. Tak je tomu zvláště tehdy, když je signál spíše ve formě krátkého shluku než dlouhého vlnového sledu. Když j sou r r *

například r r *v * · » ♦ ·F » *«

4· · · · snímače £2, 63 vyrobeny z materiálu, jakým je

PVDF, rezonanční kmitočet připojené kombinace snímač / komora / tekutina dominuj e ve formě přijímaného signálu, a tento rezonanční kmitočet se může značně měnit (10 až 15

%) s teplotou a vlastnostmi tekutiny. Kromě toho účinky stárnutí mohou měnit piezocharakteristiky a elastické vlastnosti snímače, kde dochází ke změnám citlivosti a rezonančního kmitočtu systému. Vzhledem k těmto změnám je v bodě (15) ukládán pomalu se měnící průměr přijímané vlny tvarového kmitu pro výpočet počátečního bodu přijímaného signálu. Tento průměr může být s výhodou aktualizován z rozdílů hodnct zdržení ve FIFO paměti. Zlomek rozdílu nově vypočtené púlvlny a staré hodnoty půlvlny se připočte ke staré hodnotě. Pokud je zlomek například 0,1, pak po 20 opakováních pokryje měnící se průměr 88 % skokové změny v půlvlně. Použití menších zlomků má za následek odpovídajícně pomalejší odezvu v měnícím se průměru. Tento měnící se průměr se pak použije v bodě (16) jako přijímaná půlvlna signálu.

Každá hodnota zdržení ve FIFO paměti může být použita pro odhad doby příchodu počátku tvarového kmitu odečtením vhodného počtu púlvln tvarového kmitu. Pro zvýšení přesnosti může být použito více zdržení a z výsledků může být vypočtena průměrná hodnota. Je výhodné použít vážený průměr, kde vyhodnocovací faktory, vyznačené v bodě (17), jsou odvozeny ze strmosti odpovídající každému zdržení. Časnější zdržení jsou z části přijímaného signálu s malou amplitudou a jsou proto relativně více ovlivněny hlukem. Protože maximální strmost sinusoidy je úměrná její amplitudě, jsou *

P * *· p

vyhodnocovací faktory provedeny úměrné k absolutní strmosti u každého zdržení, přičemž je brán průměr z hlediska teploty a typu tekutiny. Odhad váženého průměru počátku tvarového kmitu, který je naznačen v bodě (18), je vypočten mikroprocesorem 65 ze vzorkovacího čísla a jeho zlomků od posledního obratu čítače 76 adres.

V tomto příkladu by se čítač adres otočil'* za 409,6 gs, takže celková doba

Šíření akustického signálu, naznačená v bodě (19) je:

(409,6 + (odhad váženého průměru počátku tvarového kmitu)

/. 10)

MS bodě (6) je počítán výše uvedený odhad nového zesílení maximální strmosti, odvozené v bodě (11) ze strmostí uložených ve FIFO paměti strmostí.

Hodnota maximální strmosti umožňuje, aby byla odhadnuta amplituda vrcholu 41, a tak aby se úpravou zesílení zesilovačem 83 amplituda vrcholu 41 udržovala konstantní a nebo alespoň v podstatě konstantní v úzkých mezích. Tyto meze jsou obecně +5 %, s výhodou ±2,5 %. Pokud se zesílení nechá vybočit z těchto mezí, může dojít k nesprávnému porovnání šablony a měřicích strmostí a tedy nepřesnému umístění těchto zdržení. Pokud zesílení ve stádiu zesilování s proměnným zesílením vytváří výstupní signál přímo úměrný jeho vstupnímu řídicímu napětí, může být nový odhad získán z následující rovnice:

G = (G )(cílová max.strmost) / (S ) no n kde G_n = nový odhad požadovaného zesílení

G_q = předcházející hodnota zesílení a

S_n = poslední maximální strmost

Avšak v závislosti na své stavbě může být odezva ze stádia řízení zesílení lépe aproximována k exponenciální nebo polynomní křivce. V tomto příkladu zajišťuje postačující přiblížení rovnice třetího stupně a po linearizaci může být rovnice odhadu zesílení vyjádřena následovně:

^G„ - 8» ⁺ Cx kde C_x, C_a a C₃ jsou konstanty pro přizpůsobení konkrétní kombinaci DAC 106 a zesilovače, což je v tomto případě C_x=59, 0^=10,24 a C_a-10. V důsledku takovéhoto řízení zesilovcíní maximální strmost zjištěná ve kterémkoli vlnovém balíku je zachovávána v podstatě konstantní pro následně přenášené vlnové balíky.

Nově odhadnutá hodnota zesílení G , uvedená v bodě n (12) na obr. 4 je číslo v rozmezí 0 až 255, které je dodáváno do DAC 106 uvedeného v bodě (20) , za účelem vytvoření napětí £2 pro řízení zesílení, které je uvedeno v bodě (6) pro stadium zesilovače pro řízené zesilování.

Na počátku není k dispozici předchozí hodnota maximální strmosti, ze které by se dalo odvodit nové zesílení. Proto je typická hodnota uložena v paměti jako počáteční odhad, z něhož se vychází.

Může vzniknout situace, kdy se požadované zesílení musí změnit náhle, například když se rychle změní teplota tekutiny. Obzvláště obtížné podmínky nastanou, když požadované zesílení velmi náhle klesne a odhad odvozený z předcházejícího měření je příliš velký. Na obr. 6 je znázorněno sedm příkladů vlivu zvyšujícího se zesílení na digitalizovaný tvarový kmit, kde se zesílení zvyšuje s koeficientem 1,5 od jednoho zápisu k druhému. V zápisu 1 » * » · · ·

- 32 je zesílení příliš malé, zatímco v zápisu 7 je příliš velké.

Cílové podmínky jsou podobné podmínkám uvedeným v zápisu 3 nebo 4 s 9 nebo nejlépe 10 datovými body mezi horní a dolní hodnotou zesílení. Takovéto podmínky maximalizují citlivost přizpůsobení pro provádění lineární regrese, která následuje po nastavení zesílení.

V důsledku toho je zajištěn výhodný znak tohoto výhodného provedení, a to, Že nastavení zesílení je velmi robustní, a může dobře reagovat na jakékoli situace, které by mohly nastat v reálných podmínkách. Měřená strmost je monotónně se zvyšující funkce zesílení, proces nastavení zesílení může seřizovat zesílení ve kterémkoli směru. Konkrétně může rychle provádět opravy v situacích s nadměrně velkým zesílením.

Další situací, která musí být vyloučena, je situace nulového zesílení. Protože aritmetika mikroprocesoru 65 má pevnou řádovou čárku, velmi malá hodnota zesílení může být zaokrouhlena na nulu. Protože nový odhad zesílení je odvozován od předcházející hodnoty násobením, nemůže se proces ustavení zesílení dostat ze situace nulového zesílení. Proto proces zahrnuje kontrolu, kde je pro další zesílení použita nenulová hodnota, pokud je vypočtená hodnota zesílení rovna nule.

z výše popsaného způsobu je zřejmé, že není nutno měřit maximální a minimální hodnoty přijímaného signálu a proto není nutné mít přístup k této části tvarového kmitu. To umožňuje, aby bylo elektronické zesílení nastaveno tak, že vrcholy tvarového kmitu leží nad a pod mezními hodnotami napětí vysokorychlostního ADC £5.. Při provozu v takovémto fy r · * v * · • · * · * « * • *

- · · ♦ · stavu muže být střední část tvarového kmitu digitalizována se zvýšeným amplitudovým rozlišením. To zvyšuje přesnost celého procesu určování, kdy signál prošel stavem NRS.

Rovněž dokud je určována absolutní pozice časových značek ve tvarovém kmitu, je možné využít kteroukoli příležitost, kdy signál prošel stavem NRS, jako časovou značku. Může být brán průměr odhadované doby příchodu signálu na základě několika takovýchto značek. Tento průměr je s výhodou vážený z hlediska strmosti tvarového kmitu v uvedeném čase, protože přesnost odhadu času, kdy signál projde stavem NRS je lepší, když je strmost signálu největší,

Při použití tohoto způsobu je možné provádět všechna potřebná zpracovávání dat s jediným prohlédnutím dat. To je výhodné v tom, že je zapotřebí méně času a energie pro zpracovávání, než je tomu u postupů, kde je zapotřebí, aby data prošla procesorem několikrát.

Tento způsob rovněž umožňuje brát v úvahu stárnutí snímačů nebo procesy, které mohou měnit tvar tvarového kmitu, a to tak, že se pomalu aktualizuje šablona, s níž je tvarový kmit porovnáván. To je možné proto, že je připouštěn velký stupeň odlišnosti, při níž je stále ještě zajištěno správné určení absolutní pozice ve tvarovém kmitu.

Dále použitím hodinově řízeného posuvného registru pro zajištění přenášených impulzů, může být redukován hranový neklid na impulzech z křemenných hodin a tak může být dosaženo zvýšení přesnosti časování.

Ve druhém provedení vynálezu jsou výše popsaný způsob a zařízení kombinovány s takzvanou metodou ring-around popsanou ve výše uvedené zveřejněné mezinárodní přihlášce vynálezu č. WO 93/00569. V případě měřicí trubice a snímačů, jak jsou popsány ve WO 93/00569 je zapotřebí, aby byl ultrazvukový impuls načasován s přesností na 1,56 ns, aby se dosáhlo požadované přesnosti proudění. Jestliže bylo pro toto časování použito jeden průchod nulou, byly zapotřebí hodiny pracující s kmitočtem 640 kHz. Stejné přesnosti může být dosaženo s mnohem menší spotřebou energie při časování s kmitočtem 10 MHz a vyslání signálu trubicí 64 krát.

v takovémto případě, kdy jsou realizovány údaje z této přihlášky, může být přijímaný impuls pokaždé zkoumán za účelem identifikace překřížení klidové signální úrovně 45, na níž se má znovu vysílat následující impulz. Skupina ultrazvukových impulzů je digitálně vzorkována a je určeno zpoždění, které zabraňuje opětovnému vysílání až do příchodu uvedeného překřížení ultrazvukového impulzu. Doba přechodu skupin ultrazvukových impulzů je přesněji určována přenosem posloupnosti skupin ultrazvukových impulzů, přičemž každá skupina po první skupině je vysílána po přijetí bezprostředně předcházející skupiny. Toto zpoždění je inicializováno při každém vysílání a znovuvysílání, které nastane při překřížení klidové signální úrovně 45 přijímaným ultrazvukovým impulzem až poté, co uplyne toto zpoždění.

Tento způsob je výhodný v tom, že zpoždění vzhledem k překřížení klidové signální úrovně 45 je určeno s jedinou skupinou ultrazvukových akustické vidy vyšších tento způsob spotřebuje impulzů, takže nejsou přítomny řádů z předchozích přenosů. Dále méně energie pro pomalejší čítač a několikeré vyslání ultrazvukového signálu. Identifikace ř Μ i • 4

- 35 - .- :: :···:::

- - * ·· *r určitého překřížení se lépe provádí od časovaného zpoždění. Akustické vidy, které zůstávají v trubici po předcházejících přenosech budou modulovat přijímaný ultrazvukový signál a způsobovat, že se jeho obálka bude tvarově měnit. Křížení opětovného vysílání je jen málo ovlivněno zbytkovými vidy, protože energie signálu je v této pozici relativně vysoká.

Křížení klidové signální úrovně 45 přijímanou skupinou ultrazvukových impulzů je vybráno jako křížení opětovného vysílání. Toto křížení by mělo mít dobu příchodu přede všemi významnými sekundárními vidy, ale mělo by dojít dostatečně daleko do tvarového kmitu, aby bylo jen málo ovlivněno hlukem. Bylo zjištěno, že vhodné křížení pro měřicí trubici, která je zde popsána, se objevuje dva a půl cyklu ve tvarovém kmitu.

Na obr. 9 je znázorněno měřicí zařízení 120. které realizuje výhody takovéhoto měřicího postupu, přičemž součásti, které mají podobnou strukturu a funkci jako součásti z obr. 7, jsou opatřeny odpovídajícími vztahovými značkami, některé běžné součásti jsou vynechány za účelem větší zřetelnosti, což je odborníkům z dané oblasti zřejmé.

Během snímání je aktivován přenosový oscilátor 127 při křížení klidové signální úrovně 45 přijímaným signálem 40. Tento oscilátor 127 nahrazuje generátor 81 posloupnosti z obr. 7, je asynchronní s čítačem 125 pro časování snímání, a vysílá směrem do třístavových budičů 94 -22Čítač 125 pro časování snímání je uspořádán v přenosové řídicí jednotce 121. která nahrazuje přenosový čítač z obr. 7, a zahrnuje 24-bitový znovunastavitelný čítač používaný pro měření celkového času, po který trvá vysílání impulzů od

4 · * » * «

· · ♦

jednoho snímače ke druhému. Čítač 125 je uveden do původního stavu na počátku prvního přenášeného impulzu ve snímané jednotce a je deaktivován po příjmu posledního přijímaného impulzu ve snímané jednotce.

Řídicí logika 124 je k dispozici v řídicí jednotce 121 za účelem integrace funkcí přenosové řídicí jednotky 121.

Řídicí jednotka rovněž zahrnuje zaváděcí registr 122. který přijímá hodnotu zpoždění z mikroprocesoru 65 přes sběrnici 79. Tato hodnota je pak vložena do čítače 123 zpoždění., který se používá pro časování zpoždění před tím než je umožněn opětovný přenos. Do tohoto čítače 123 jsou vkládány hodnoty při každém ultrazvukovém přenesu.

Měření proudění je prováděno v následujících stádiích.

1. Je vybrán směr přenosu za použití směrových vedení 98a a 98b.

2. Pomocí mikroprocesoru 65 je seřizováno zesílení přijímače, dokud se strmost přijímaných ultrazvukových shlukových přechodů nedostane do dané charakteristiky.

3. Je inicializováno zpoždění pro detekci křížení. V tomto prvním stádiu je tvarový kmit digitálně vzorkován a je určena doba od vyslání ultrazvukového signálu do příchodu do detektoru křížení, který byl vybrán pro inicializaci opětovného přenosu. Hodnota zpoždění menšího než toto o polovinu periody ultrazvukového shluku je mikroprocesorem 22 vložena do čítače 123 zpoždění.

3. V tomto stádiu měření je doba přechodu ultrazvukových impulzů určována přesněji přenosem posloupnosti ultrazvukových shluků impulzů, přičemž každý shluk impulzů po prvním je vysílán při přijmu bezprostředně * a

- 37 - :: :···:::

- _τ . r « 4* předcházejícího shluku impulzů. Generování, vysílání a detekce jediného ultrazvukového shluku impulzů bude tedy dále označováno jako ringaround, někdy rovněž známé jako singaround. Jediné snímání dat o proudění tekutiny zahrnuje dvě sady předem stanoveného počtu ringarounds, první v jednom směru a druhou ve druhém směru. Posloupnost může zahrnovat jakýkoli počet ringarounds, ale s výhodou jich zahrnuje 64.

Čítač 123 zpoždění a časovači čítač 125 jsou zapnuty, když je yyslán první ultrazvukový shluk impulzů. Čelo tohoto prvního ultrazvukového shluku impulzů je synchronizováno s časovacími hodinami 70.

Počátek druhého shluku a následných shluků impulzů je asynchronně spouštěn příchodem konkrétního křížení náležejícího k předcházejícímu ultrazvukovému shluku impulzů do detekčního konce měřicí trubice. Toto konkrétní křížení, které spouští příkaz opětovného přenosu je první křížení klidové signální úrovně

45. o požadované polaritě (kladná nebo záporná), které přijde poté, co čítač 123 zpoždění změřil prodlevu. Požadovaná polarita pro křížení za účelem generování opětovného přenosu závisí na polaritě předcházejícího přenosu. Je k dispozici porovnávací jednotka 126 pro detekci těchto křížení a zahrnuje vstupy připojené k signálové referenci 55. a pásmové propusti 54. Výstup z porovnávací jednotky 126 je připojen k přenosové řídicí jednotce 121 za účelem spouštění příkazu opětovného přenosu.

Zpoždění je znovu vloženo do čítače 123 zpoždění na počátku dalšího ultrazvukového shluku impulzů a okamžitě se začne počítat. Časovači čítač 125 se zastaví příchodem ·

k detektoru konkrétního křížení, které náleží k poslednímu ultrazvukovému shluku impulzů. Toto konkrétní křížení je rovněž identifikováno čítačem 123 zpoždění. Na konci řady ringarounds je hodnota ve vysokorychlostním časovačím čítači převedena do mikroprocesoru £5.. Je vybrán druhý (opačný) směr přenosu a výše uvedená posloupnost se opakuje. V paměti uložené hodnoty vysokorychlostního čítače 125 pro oba směry jsou programem v mikroprocesoru 65 využity pro výpočet rychlosti proudění pro snímané období. Čas, který zabere tato posloupnost jako celek může být podělen počtem přenášených shluků impulzů, aby se určila průměrná doba průchodu.

Posloupnost ringaround je obvykle tvořena skupinami Čtyř pulzů. Tato posloupnost pulzů je naznačena na obr. 10A a 10B. Tato posloupnost čtyř je tvořena třemi impulzy o jedné polaritě, přičemž třetí je invertován vzhledem k prvním třem impulzům.

Aby byla změna polarity ochráněna před významnými událostmi, je této změny dosaženo přidání zvláštní hrany na konec přenášené posloupnosti impulzů před přenosem s odlišnou polaritou. Ve skupině čtyř pulzů se signál invertuje po třetím a vrací se do původního stavu se čtvrtým pulzů.

Posloupnost ringaround sestává obvykle z 64 akustických přenosů v každém směru, přičemž všechny kromě prvního jsou spouštěny příjmem předcházejícího přenosu. Aby se lépe rušila tvorba koherentního akustického hluku v měřicí trubici při postupu posloupnosti ringarounds, je polarita vysílaného signálu v posloupnosti obracena přímo. Tato .,- · * · ···· ' - » » · · « · · · _ _Λ ..-. *»····· - 39 - - - ...

-- ·· ·· posloupnost je teoreticky tvořena skupinami čtyř přenosů, přičemž polarita každého Čtvrtého přenosu je obrácená vzhledem ke zbývajícím třem. Takže pokud jsou dvě možné polarity označeny A a B, mohla by mít posloupnost 64 přenosů vzor polarit AAABAAABAAAB..., přičemž vzor AAAB” je opakován celkem 16 krát. Polarita porovnávací jednotky 126 pro křížení na přijímaném signálu je obracena ihned po přenosu polarity B a opět měněna zpátky hned po prvním následujícím přenosu polarity A, aby odpovídala polaritě přijímaného signálu. Aby se zamezila tvorba chyb, které mohou vznikat v důsledku odchylek na porovnávací jednotce 126, je celková polarita posloupnosti ringaround obracena pro každé kompletní měření rychlosti plynu. Pak je tedy výše uvedená posloupnost polarit BBBABBBABBBA,.., opět s příslušným obracením polarity porovnávací jednotky 126 pro křížení při každém čtvrtém přenosu.

Typické časové schéma pro takovéto měření je naznačeno na obr. 11A a 11B.

Další provedení vynálezu zahrnuje měřicí zařízení 140 schematicky znázorněné na obr. 12, kde k přenosu ultrazvukového signálu dochází simultánně v obou směrech s ohledem na směr proudění. Opět jsou použity stejné vztahové značky pro stejné součásti se stejnou funkcí, a některé součásti byly opět vynechány za účelem lepší zřetelnosti.

Toto provedení je vhodné pro rychle se měnící proudění, jako je tomu například u špičkových průtokoměrů. K přenosu dochází z obou snímačů 62. 63 současně, a pak po vhodném časovém období (s výhodou asi 500 με v zemním plynu) se oba • « snímače £2, £2 použijí jako přijímače pro signál vyslaný druhým snímačem. Jsou zapotřebí dvě samostatné sady elektronických jednotek pro příjem, jejichž funkce odpovídají funkci elektronických jednotek z obr. 7 a 9, avšak jejich součásti jsou identifikovány pomocí značek A a B.

Je obzvláště obtížné dosáhnout toho, aby byly tyto dvě sady elektronických jednotek pro příjem dostatečně identické a tím se zabránilo zavedení výrazně odlišných fázových zpoždění. Tato fázová zpoždění se mění s teplotou a zesílením.

Pro vyrušení takovéhoto zavedeného fázového rozdílu je k oběma přijímačům připojena filtrovaná a zeslabená verze přenášeného signálu. Toho se dosáhne tak, že se výstupy z generátoru £1 vysílaných impulzů nechají nejprve projít přes filtr 141 a pak se předají do proměnného zeslabovače 142 řízeného řídicím signálem 143. který je vysílán z mikroprocesoru ££.. Proměnný zeslabovač 142 vysílá do pevného zeslabovače 144, který vysílá do dvou analogových multiplexorů 92A. 93B. které mají podobnou konstrukci jako multiplexory £2, 22 z předcházejících provedení, avšak každý z nich má dvoupólovou dvoupolohovou konstrukci, a nikoli jednopólovou dvoupolohovou konstrukci jako v předcházejícím případě. Tento signál je zpracováván oběma sadami elektronických jednotek pro příjem a ukládán do paměti 77 . Vzhledem k potřebě ukládat dvě sady přijímaných dat je paměú 77 modifikována tak, aby se v ní ukládaly dvoubytová (16 bitů) data a má tedy s výhodou celkovou kapacitu 64 kbitů. Signál je filtrován tak, že jeho doba přechodu je delší než * * « *

- 4i - . . : ' χ:: :

osm cyklů vysokofrekvenčních hodin. To umožňuje, aby každý vysokorychlostní ADC 8SA, získával dostatek vzorků pro interpolaci. Rozdíl fázového zpoždění lze vypočítat z tohoto uloženého signálu a může být použit pro výpočet správného časového rozdílu pro směr proti proudu a po proudu.

způsob měření pro toto provedení pak může probíhat podle následující posloupnosti:

1. Jsou aktivovány třístavové budiče

94-97 pro snímače 62.

proti proudu a po proudu. Oba přijímače A a E j sou připoj eny k přenosovému signálu, který byl filtrován.

zeslaben a jeho amplituda byla upravena.

Obě sady elektronických jednotek pro příjem jsou aktivovány a je vybrán první blok paměti 77.

2. Je aktivován čítač 76 adres a signál je přenášen v obou směrech. Data, obvykle odpovídající pouze několika cyklům z obou sad elektronických jednotek pro příjem, jsou ukládána v prvním bloku paměti 77. Tato data umožňují výše uvedený výpočet fázového zpoždění.

3. Elektronické jednotky pro příjem jsou deaktivovány a je vybrán druhý, mnohem větší blok paměti 77. Multiplexory 92A, 93B jsou změněny tak, že snímače jsou připojeny k elektronickým jednotkám pro příjem.

4. Pro uchování energie jsou elektronické jednotky pro příjem deaktivovány až do doby krátce před tím, než mají přijít ultrazvukové impulzy.

5. Obě sady elektronických jednotek pro příjem jsou aktivovány a data z obou sad elektronických jednotek pro příjem jsou uložena do druhého bloku paměti 77.

V takovémto postupu během vysílací posloupnosti je do *··« v · * * « r · * · r , . . , r ♦ * * r- * F * · · · ►

- · · -

- - - * V · · uvedených dvou předzesilovačů přiváděna velmi redukovaná verze signálu. Amplituda tohoto signálu se mění tak, aby vyhovovala různým zesílením v přijímajících zesilovačích. Tento přenosový signál prochází přes (řetězec zesilovačů) a vysokorychlostní ADC a je ukládán do paměti. Multiplexory jsou pak změněny tak, aby přijímaly signál ze snímačů, a je změněna řádka adresy v horní oblasti nečítací paměti. Spodní bity čítače 76 adres pokračují v čítání. Elektronická jednotka pro příjem (předzesilovač, zesilovač s proměnným zesílením, filtr, vysokorychlostní ADC a paměť) jsou deaktivovány až do doby, kdy má být přijímán ultrazvukový impulz.

Data v prvním bloku paměti 77 jsou pak používána pro určování aktuálního fázového zpoždění. Stejný proces se pak použije pro data ve druhém bloku paměti 77. Pak je určen fázový rozdíl pro každý směr. Poté jsou určeny skutečné doby šíření pomocí dat ze druhého bloku paměti 77 a jsou popřípadě upraveny pomocí vypočteného fázového rozdílu a pak j sou uloženy pro výpočet průměrných hodnot.

V každém provedení, když mikroprocesor 65 určí průměrnou rychlost proudění, je pak tato hodnota použita pro výpočet protékajícího objemu, který může být přírůstkově uchováván. Rychlost proudění a přírůstkový objem za určité časové období pak mohou být zobrazeny pomocí LCD displeje 66. Tato informace pak může být rovněž předávána přes sériové rozhraní 67 do systému pro sběr dat. Obvykle mohou být výpočty rychlosti proudění aktivovány v periodických intervalech, obecně v rozmezí 0,5 sekund až 60 sekund. S výhodou je délka intervalu asi 2 sekundy.

Z předcházejících provedení je zřejmé, že obecný způsob spočívá v konverzi analogového signálu s vlnovým balíkem na digitální informaci a v následném použití této digitální informace pro porovnání se standardní digitální šablonou se zvolenými znaky tvarového kmitu, jednak za účelem jedinečné identifikace počtu konkrétních cyklů tvarového kmitu a jednak za účelem kombinace této informace, aby se získala hodnota změřeného uplynulého času se značně sníženou nejistotou pro příchod přijímaného vlnového balíku.

Dále výhodné provedení umožňuje, aby byla měřena odezva elektronické jednotky zařízení na stav, kdy není přijat žádný signál (stav NRS). Toho je dosaženo zprůměrováním digitalizovaných dat, odebraných před příchodem signálu.

Výhodné provedení rovněž umožňuje určení strmosti tvarového kmitu napětí jako funkce času úpravou datových dvojic napětí a Času do přímky metodou nejmenších čtverců.

Hodnota maximální strmosti umožňuje odhad amplitudy signálu a tedy seřízení zesilování zesilovačem, aby byla amplituda přijímaného signálu udržována konstantní nebo v úzkých mezích.

Využitím strmostí tohoto signálu se v podstatě konstantní amplitudou je možné určovat absolutní pozici ve tvarovém kmitu pro kterýkoli znak odkazem na šablonu uloženou v paměti. Tímto znakem použitým jako Časová značka pro časování postupu signálu trubicí je jeden konkrétní případ z několika případů, kdy tvarový kmit prochází stavem NRS.

Přesný čas, kdy tvarový kmit prochází stavem NRS, je určen z funkce upravené pro výše uvedené datové dvoj ice. To * * * • ♦

- 44 - . : :···:::

r λ «· ·· umožňuje zvýšení přesnosti časování efektivní interpolací mezi hodinovými impulzy, čímž se překoná kvantizace, ke které by jinak docházelo.

výhodné provedení tohoto vynálezu má také určité výhody při časování ultrazvukového signálu.

Za prvé je tento výhodný způsob méně ovlivněn teplotou než jiné způsoby, protože využívá čelo vlnového balíku. Toto čelo vlnového balíku sestává v principu z rovinné vlny a ta je mnohem méně ovlivněna teplotou než vidy vyšších řádů, které tvpří další část vlnového balíku.

Tento výhodný způsob rovněž značně využívá kvantifikace strmosti tvarového kmitu, když přechází od negativního vrcholu k pozitivnímu nebo naopak. Pro jednoduchý a stručný popis tvarového kmitu je použita soustava strmostí. To rovněž umožňuje uživateli porovnávat tvarové kmity s minimem dat. Přechodová strmost rovněž umožňuje identifikovat pozici přechodu uvnitř tvarového kmitu a tak vypočítat pozici začátku tvarového kmitu. Každá přechodová strmost může být také použita pro odvození amplitudy doprovodného vrcholu a může být použita jako alternativní parametr k výšce vrcholu, takže je přechodová strmost užitečným parametrem pro seřizování zesílení v systému.

Dále může být smysluplně využit výběr pouze jedné části amplitudy tvarového kmitu pro zvýšení přesnosti, které lze dosáhnout v tomto způsobu. Ve výhodném provedení je dosahováno zvýšení přesnosti odpovídající přibližně 1,6 bitů tak, že se pracuje s konvertorem analogového signálu na digitální přes okno, které pokrývá přibližně střední třetinu přijímaného signálu. Data popisující přechody jsou tedy definována mnohem přesněji a je tedy možné mít v časování více rozlišení. To je umožněno tím, že tento výhodný způsob nepoužívá vrcholy obálky pro žádné účely měření a je tedy možné je ignorovat a používat pouze přechodovou strmost.

Tento výhodný způsob rovněž umožňuje přizpůsobovat se veškerým změnám v ultrazvukovém signálu, které mohou doprovázet stárnutí sestavy snímačů nebo jejich poškození.

a to pomalou aktualizací šablony, s níž j e tvarový kmit porovnáván. To j e umožněno tím, že tento způsob dovoluje velké rozdíly co do velikosti a tvaru tvarového kmitu, přičemž je stále dosahováno správného určování absolutní pozice Časové značky v kmitu.

Kromě toho se použitím několika přechodových strmostí lépe využije větší procentuální množství informací ve tvarovém kmitu, takže je tato metoda mnohostrannější, a zvýšila se přesnost, s níž jsou prováděna měření času.

Při použití zvláštního provedení je možné zpracovávat všechna data při jediném nasnímaní. To vyžaduje méně času a energie a výsledkem je delší životnost akumulátoru bez nutnosti dozoru pro systém, který toto využívá, než je tomu u systémů, které využívají způsob vyžadující několikerý průchod dat přes procesor.

Předchozí popis se zabývá pouze několika provedeními tohoto vynálezu a mohou být provedeny modifikace, které jsou odborníkovi z dané oblasti zřejmé, aniž by se opustil rozsah tohoto vynálezu.

Claims (28)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob detekce doby příchodu akustického vlnového balíku vysílaného s prvním kmitočtem do snímače, přičemž tento způsob zahrnuje:

   (a) přeměnu analogového výstupního signálu ze snímače na digitální datový signál při vzorkovacím kmitočtu, (b) určení měřicí části digitálního datového signálu, přičemž tato měřicí část odpovídá odezvě snímače na akustický vlnový balík, (c) určení soustavy strmostí (S_±) z měřicí části pro odpovídající soustavu (i) měřicích segmentů odezvy, přičemž každý segment je kolem hodnoty úrovně signálu (v), a (d) určení času (t) příchodu akustického vlnového balíku alespoň z vybraných strmostí (S_±) .
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že zahrnuje další krok mezi kroky (c) a (d) :

   (ca) pro vybrané segmenty určení odpovídajícího měřicího času (A_±), který indikuje čas, v němž odezva zachytí hodnotu úrovně signálu (V), přičemž krok (d) zahrnuje určení času (t) příchodu z odpovídajících měřicích časů (A_±).
3. 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že zahrnuje další krok mezi kroky (c) a (ca):

   (caa) porovnání strmostí (S^) s odpovídající referenční sadou strmostí (P^) pro určení měřicí pozice každého segmentu v měřicí Části, • *

   - 47 přičemž krok (ca) zahrnuje určení odpovídajících měřicích časů (A^) z odpovídající měřicí pozice.
4. 4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že krok (c) zahrnuje přiřazení sady bodů (k) digitálního datového signálu ke každému měřicímu segmentu (i), přičemž každý segment (i) je soustředěn kolem dvou sousedních bodů, jejichž hodnoty leží na jedné a na druhé straně hodnoty úrovně signálu (V), přiřazení přímky ke každé sadě bodů 3 pak určení strmosti (SJ každé této přímky.
5. 5. Způsob podle nároku 4, znač tím, že uvedená přímka je přímkou spojuj ící dva uvedené sousední body.
6. 6 . Způsob podle nároku 4 nebo

   5, se tím, že hodnota (k) je vztažena k poměru vzorkovacího kmitočtu a prvního kmitočtu a k výslednému odstupu digitálního datového signálu v měřicí části.
7. 7. Způsob podle nároku

   4, 5 nebo 6, vyznačuj ící se tím, že k je rovno jedné osmině počtu bodů na j eden cyklus.

   8. Způsob podle nároku 7, vyznačuj ící s e tím, že hodnota k je 10.

   9. způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že každá strmost IP, ) z referenční sady strmostí

   * * ♦ ♦ « ♦ je sdružena s konkrétním pozičním parametrem (n) , který označuje pozici změny polarity signálu ve vlnovém balíku, přičemž parametr (n) odpovídá počtu půlvlnových period mezi

   začátkem vlnového signálu. balíku a konkrétní změnou polarity 10. Způsob podle nároku 9, vyznačuj í c í se tím, Že krok (d) zahrnuje následuj ící kroky: (da) přiřazení váhového činitele (W ) ke každému

   měřicímu Času (Α_χ) na základě odpovídajícího pozičního parametru (n) , (db) vybrání (m) měřicích časů (Α_χ) jako časy, které mají být použity pro určování času (t) příchodu, (dc) určení hlavní půlvlnové periody (tau) z časových intervalů mezi sousedními časy z vybraných (m) měřicích Časů (AJ , (dd) určení odhadovaného času příchodu vlnového balíku do snímače pomocí vzorce t_x = A_± - n * tau, pro každý z (m) vybraných měřicích Časů (Α_χ), (de) určení součtu z (m) měření času (Α_χ) produktu váhového faktoru (W_±) přiřazeného ke každé době měření a odpovídajícího odhadovaného času příchodu (t ) (df) určení doby (t) příchodu akustického vlnového balíku podělením součtu z kroku (de) součtem (m) váhových Činitelů (W^).
8. 11. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, že každý váhový činitel (w^) je úměrný strmosti (S_±) odpovídajícího segmentu.

   * * ♦ * t

   f
9. 12. Způsob podle nároku 10 nebo 11, vyznačuj ící se tím, že m má hodnotu od 2 do 20.

   13. Způsob podle nároku 12, vyznačující tím, Že m má hodnotu 6. s e 14. Způsob podle kteréhokoli z nároků 10 až 13, vyznač u j í c í se t í m , že krok (db)

   zahrnuje,vybrání měřicích časů (A_±) v závislosti alespoň na jednom následujících faktorů: přesnost určování měřicího času, těsnost přiblížení k referenční sadě strmostí (P^) a nepřítomnost vlivu akustických vidů vyšších řádů na měřicí část.
10. 15. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že vzorkovací kmitočet je používán pro generování akustického vlnového balíku a s výhodou je první kmitočet podnásobného vzorkovacího kmitočtu.

    16. Způsob podle nároku 1, vyzná Č u j ící s e tím, že hodnota úrovně signálu (V) je odvozena z průměru digitálního datového signálu přij ímaného před měřicí částí. 17. Způsob podle nároku 1, vyzná č u j ící s e

    tím, že krok (a) zahrnuje kontinuální přeměnu uvedeného signálu.

    , , , ' * · * ♦ * ’ * * , . » * » · / r

    Λ - * · · * * ♦ * · >

    - 50 - , : : :···:::

    - _Γ , - -- * r· Λ ·· '♦
11. 18. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že maximální velikost jedné ze strmostí (S_±) poskytuje odhad maximální amplitudy uvedeného analogového signálu, přičemž tento odhad se používá pro udržování uvedené maximální amplitudy v podstatě konstantní.
12. 19. Způsob určování doby Šíření akustického vlnového balíku přenášeného mezi dvěma ultrazvukovými snímači, který zahrnuj e:

    (e) zapnutí hodin pracujících s předem stanoveným kmitočtem, (f} současně s přechodem hodin, kroky:

    (fa) zapnutí jednoho ze smímačů, aby vysílal akustický vlnový balík s prvním kmitočtem nižším než je uvedený předem stanovený kmitočet, a (fb) zachování hodin jako referenční časové pomůcky pro následné zjišťování příchodu vlnového balíku do druhého z obou snímačů, (g) zjištění doby příchodu vlnového balíku způsobem podle kteréhokoli z nároků 1 až 18, přičemž vzorkovací kmitočet je uvedeným předem stanoveným kmitočtem a je zajišťován hodinami, a digitální datový signál včetně měřicí části je ukládán v paměti, jejíž určování adresy pro po sobě následující vzorky digitálních datových signálů je měněno uvedenými hodinami tak, že každá adresa v paměti odpovídá identifikovatelné době po vygenerování akustického vlnového balíku.
13. 20. Způsob podle nároku 19, vyznačující se tím, že je přenášena soustava akustických vlnových • · * t · ♦ r „ r _r * · · · · ·* ** _r * · » · ♦ · * · *

    - 51 - / . · : : ;···:::

    . _ „ . . » » - - - - * » ·« » · balíku a vyjma prvního vysílání jsou vysílání všech následujících akustických vlnových balíků synchronizována s příjmem bezprostředně předcházejícího akustického vlnového balíku.
14. 21. způsob podle nároku 20, vyznačující se tím, že při vysílání konkrétního akustického balíku se počítá doba zpoždění a vysílání dalšího akustického vlnového balíku je realizováno po uplynutí této doby zpoždění a když měřicí část odpovídající danému konkrétnímu vlnovému balíku následně projde hodnotou úrovně signálu.
15. 22. Způsob podle nároku 19, vyznačující se tím, že akustický vlnový balík je vysílán současně z každého z uvedených snímačů pro příjem druhým z uvedených snímačů, a tak se určí doba šíření každého akustického vlnového balíku.
16. 23. Způsob podle nároku 22, vyznačující se tím, že krok (a) dále zahrnuje kompenzaci fázových rozdílů mezi digitálními datovými signály konvertovanými z analogových výstupních signálu z uvedených snímačů.
17. 24. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že krok (a) zahrnuje před uvedenou přeměnou (aa) úpravu amplitudy uvedeného analogového signálu tak, že maximální amplituda tohoto analogového signálu je udržována v podstatě konstantní pro řadu přijímaných vlnových balíků.

    ♦ ♦ t r

    26. Způsob zjišťování balíku vysílaného s vvznačuň ící
18. 25. Způsob podle nároku 24, vyznačující se tím, že dále zahrnuje použití velikosti maximální strmosti ze strmostí (S_x) k úpravě amplitudy pro udržování uvedené maximální amplitudy v podstatě konstantní a tím i uvedené maximální strmosti v předem stanoveném rozsahu velikostí.

    doby příchodu akustického vlnového prvním kmitočtem do snímače, se tím, že se kompenzují odchylky od uvedeného prvního kmitočtu uvedeného akustického balíku, jak jsou zjišťovány uvedeným snímačem.
19. 27. Zařízení pro měření rychlosti pohybující se tekutiny, které z ahrnuj e:

    měřicí trubici, kterou prochází tekutina, jejíž rychlost má být měřena, dva ultrazvukové snímače uspořádané v trubici a uzpůsobené pro přenos ultrazvukových signálů mezi sebou navzájem, přenosové prostředky pro buzení alespoň jednoho ze snímačů pro generování akustického vlnového balíku, který se šíří s prvním kmitočtem trubicí směrem ke druhému z uvedených snímačů, přijímací prostředky připojené alespoň k uvedenému druhému snímači pro detekci akustického vlnového balíku a pro přeměnu analogového výstupního signálu alespoň z tohoto druhého snímače na digitální datový signál, přičemž tyto přijímací prostředky zahrnují (první) paměť pro ukládání digitálního datového signálu, procesorové prostředky připojené k přijímacím prostředkům pro určování rychlosti tekutiny, přičemž tyto procesorové prostředky zahrnují;

    první prostředek pro určování měřicí Části digitálního datového signálu, přičemž tato měřicí část _ odpovídá odezvě druhého snímače na akustický vlnový balík,

    5 druhý prostředek pro určování soustavy strmostí (S^) pro odpovídající soustavu (i) měřicích segmentů odezvy z uvedené měřicí části, přičemž každý ze segmentů je kolem hodnoty úrovně signálu (V) , třetí prostředek pro určování času (t) příchodu akustického vlnového balíku alespoň z vybraných strmostí (S_±).
20. 28. Zařízení podle nároku 27, vyznačující se tím, že dále zahrnuje čtvrtý prostředek pro určování odpovídajících měřicích časů (Α_χ) , které indikují čas, v němž odezva zachytí hodnotu úrovně signálu, pro vybrané segmenty, přičemž třetí prostředek určuje Čas (t) příchodu z odpovídajících měřicích časů (Α_χ).
21. 29. Zařízení podle nároku 28, vyznačuj ící se tím, že dále zahrnuje (druhý) paměťový prostředek připoj ený procesorovému prostředku pro ukládání referenčního signálu, přičemž procesorový prostředek zahrnuje pátý prostředek pro porovnávání částí referenčního signálu s měřicí částí za účelem určování měřicí pozice každého segmentu v měřicí části, přičemž měřicí Časy (A_±) jsou určovány pomocí odpovídajících měřicích pozic.
22. 30. Zařízení podle nároku 27, vyznačující se tím, že dále zahrnuje prostředky pro úpravu velikosti uvedeného analogového signálu alespoň ze druhého snímače tak, že tato velikost spadá mezi určité hranice, přičemž tyto hranice jsou s výhodou rovnoměrně rozloženy po obou stranách hodnoty úrovně signálu, kde hodnota úrovně signálu je nejlépe průměrem výstupu z druhého snímače před měřicí částí.
23. 31. Zařízení podle nároku 27, vyznačující se tím, že dále zahrnuje prostředek pro změnu amplitudy uvedeného analogového signálu, přičemž maximální amplituda tohoto analogového signálu je udržována v podstatě konstantní pro řadu přijímaných akustických vlnových balíků.
24. 32. Zařízení podle nároku 31, vyznačující se tím, Že prostředek pro změnu využívá pro úpravu amplitudy velikost maximální strmosti ze strmostí (S ) pro úpravu amplitudy za účelem udržování maximální amplitudy v podstatě konstantní a tím i udržování uvedené maximální strmosti v předem stanoveném rozsahu velikostí.
25. 33. Vynález podle nároku 1 nebo 27, vyznačuj ící se tím

    Že uvedený vzorkovací kmitočet je v rozmezí

    500 kHz až 10 GHz.
26. 34. Vynález podle nároku 33, vyznačuj ící s e tím, že uvedený vzorkovací kmitočet je 10 MHz.
27. 35. Vynález podle nároku 33 nebo 34, vyznačující se tím, že uvedený první kmitočet je v rozmezí 20 kHz až 5 MHz.
28. 36. Vynález podle nároku 35, když je závislý na nároku 34, vyznačující se tím, že první kmitočet