NO332425B1 - Fremgangsmåte og system for å måle relativ fart av vann. - Google Patents

Abstract

Det beskrives en fremgangsmåte for å generere et akustisk signal for å måle relativ hastighet for et medium, kjennetegnet ved å omfatte én eller flere av de følgende trinn: å generere minst to unike sinusformede signaler, å mikse de minst to sinusformede signalene sammen til ett enkelt akustisk signal, å sende ut de akustiske signalet i mediet, å motta det reflekterte akustiske signalet fra mediet, å separere frekvenskomponentene fra hverandre i det mottatte signalet, å sammenligne henholdsvis hver mottatte komponent med den tilhørende utsendte komponenten for å bestemme den relative hastigheten for mediet. Et system for å utføre fremgangsmåten er også beskrevet.

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for å produsere og prosessere et akustisk signal for å måle relativ bølgehastighet av et medium, og også et system for å utføre fremgangsmåten.

Endringer i ultralydsbølgeutbredelseshastighet, sammen med energitap, fra samhandling med mikrostrukturer i et materiale, blir ofte anvendt for å ikke-destruktivt oppnå informasjon om karakteristikkene for et materiale.

Grove ultrasoniske hastighetsmålinger er så enkelt som å måle tiden det tar for en ultralydpuls å forflytte seg fra en transduser til en annen (pitch-catch) eller retur til den samme transduseren (puls-ekko). En annen fremgangsmåte er å sammenligne fasen eller frekvensen for den detekterte lydbølgen med et referansesignal: små endringer i frekvens blir sett som små faseendringer, hvorfra den relative hastigheten for et reflekterende objekt kan bli beregnet.

Det finnes flere fremgangsmåter for å måle frekvens i dag. Den vanligste måten å utføre frekvensmålinger har lenge vært å anvende FFT (Fast Fourier Transform). På denne måten kan målte bølgesignaler bli konvertert fra tids- eller romdomenet til frekvensområdet for analyse. Denne teknikken tilveiebringer en frekvensoppløsning som er definert av inversen av samplingstiden. Denne fremgangsmåten fungerer kun bra for lave frekvensoppløsninger.

Oppløsningen for vannstrømhastighetsmålinger som blir tilveiebrakt av fremgangsmåten ovenfor er imidlertid langt fra tilstrekkelig. Den vanlige samplingsperioden som blir tillatt er typisk 1 ms, som gir en oppløsning på 1000Hz. Ved å anvende en bærefrekvens på 2 MHz tilsvarer denne oppløsningen omtrent 37,5 cm/s hastighetsoppløsning. Kravet er nede i området 1 mm/s.

Lyd blir ikke reflektert fra selve vannet, men heller fra partikler som er tilstede i vannet. Doppler-effekten kan studeres for å måle strømhastighet ved å sende en kort lydpuls, lytte til dens ekko og måle endringen i tonehøyde eller frekvensen på ekkoet. Erfaring viser at å måle små Doppler-skift med små akustiske pulser er en utfordring.

For systemer som krever en høyere frekvensoppløsning blir fremgangsmåter for statistisk frekvensestimering anvendt i dagens systemer for å overkomme denne begrensningen. En typisk fremgangsmåte som blir anvendt er autoregresjon (AR). Denne fremgangsmåten utøver en parametrisk modell som beskriver det fysiske fenomenet og anvender den samplede tidsserien for å etablere koeffisientene for denne modellen. Dette tilveiebringer en mye bedre frekvensoppløsning.

Én ulempe med å anvende fremgangsmåter for statistisk frekvensestimering er den statistiske usikkerheten. Denne usikkerheten er resultatet av faseubestemtheten i den siste perioden i den samplede tidsserien. Den statistiske feilen er proporsjonal med den relative lengden for den siste perioden til alle tidsseriene. Dess lengre tidsserien er (opprettholde frekvenskonstanten) dess mindre brøkdel er representert av den siste perioden som gir mindre statistisk feil.

På den måten kan den statistiske feilen bli redusert ved enten å øke pulsen og/eller samplingstiden. Å øke begge med det dobbelte av originalen vil gi en reduksjon i statistisk feil med en halv. Å øke pulslengden kan imidlertid resultere i høyere strømforbruk og mindre romoppløsning.

En annen løsning er å øke frekvensen, men høyere frekvenser er følsom for mer dempning i rom, som forårsaker en reduksjon i spesialområde.

Den vanlige løsningen er derfor å utføre flere målinger og deretter finne middelverdien av dem til et sluttresultat. Formelen her er at dersom antallet målinger som det blir tatt gjennomsnitt av blir fordoblet, så blir den statistiske feilen redusert til en halvdel.

Denne nøyaktighetsøkningen (forårsaket av mindre statistisk feil) er ikke gratis. I tillegg til at målingene er mer tidskrevende (og begrenser derved hvor ofte en strømhastighet kan fremskaffes), så brukes også mer strøm. I et Doppler-basert sjømåleinstrument er hovedkilden for strømforbruk genereringen av akustiske pulser. Dess flere pulser som behøves dess mer strøm blir forbrukt. Vanligvis er strømkilden et internt batteri. Instrumentene er plassert i sjøen og registrerer sjøstrømhastighet så lenge det er batterikapasitet. Registrering av data stopper når batteriet er tomt. Derfor kan en økning i antallet samplinger som det tas gjennomsnitt av resultere i en kortere utsettelsestid.

US 3861211 A beskriver en strømningshastighetsmåler for å måle strømhastighet i vann ved hjelp av et akustisk signal. Anordningen anvender en sentralt plassert transduser med fire mottakere i samme avstand fra transduseren. En bærefrekvens med to ulike modulatorfrekvenser er rettet mot transduseren og mottakerne mottar de sendte pulsene gjennom vannstrømmen. Vannhastigheten blir bestemt ved å måle faseforskyvningen for de ulike signalene som går gjennom vannet og som blir mottatt av mottakerne. De ulike signalene gjør det mulig å bestemme vannets hastighet.

Det er derfor et formål med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte for å måle hastighet av et medium, relativ til en måleenhet og tilveiebringe høy frekvensoppløsning.

Det er et annet formål med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedret fremgangsmåte for å måle frekvens uten å øke systemets strømforbruk.

Det er et ytterligere formål med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte for å måle hastighet av et medium uten å øke antall samplinger som behøves for å oppnå den ønskede nøyaktighet for målingene.

Formålene med oppfinnelsen og andre formål blir oppnådd ved fremgangsmåten ifølge krav 1, kjennetegnet ved å beregne gjennomsnittet av de minst to respektive frekvensforskyvningene for å finne vannets relative fart.

Foretrukne utførelser av fremgangsmåten ifølge krav 1 er beskrevet i de avhengige kravene 2-5.

Oppfinnelsen beskriver også et system for å utføre fremgangsmåten, som beskrevet i krav 6, kjennetegnet ved at systemet omfatter midler som er innrettet for beregne gjennomsnittet av de minst to respektive frekvensforskyvningene for å finne vannets relative fart.

Foretrukne utførelser av systemet i følge krav 9 er beskrevet i de avhengige krav 7-11.

Én fordel med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er at fremgangsmåten reduserer antall akustiske pulser som behøves med en faktor på to eller mer sammenlignet med kjent teknikk uten å redusere datakvalitet.

En annen fordel med den foreliggende oppfinnelsen er å oppnå en betydelig utvidelse av utsettelsestid, idet størst batteristrømforbruk blir forårsaket av å forsyne de utsendte akustiske pulsene.

En annen fordel med den foreliggende oppfinnelsen er å oppnå raskere målinger.

Oppfinnelsen skal nå bli beskrevet med henvisning til de medfølgende figurene, hvori

Figur 1 viser en samplet tidsserie over en sinuspuls i tidsdomenet.

Figur 2 viser en statistisk normalfordeling over standardavviket for et antall målte samplinger ifølge kjent teknikk. Figur 3 viser det akustiske signalet ifølge den foreliggende oppfinnelsen i frekvensdomenet. Figur 4 viser en akustisk puls ifølge den foreliggende oppfinnelsen i tidsdomenet. Figur 5 viser et skjematisk diagram over senderen ifølge én utførelse av den foreliggende oppfinnelsen. Figur 6 viser et blokkdiagram over mottakeren ifølge én utførelse av den foreliggende oppfinnelsen. Figur 1 viser en samplet tidsserie av en sinuspuls i tidsdomenet. Figuren viser den statistiske usikkerheten i målingene ifølge kjent teknikk, dvs. statistiske frekvenstilnærmingsmetoder. Usikkerheten ifølge figur 1 ligger i fasetvetydigheten i den siste sinusformede perioden i den samplede tidsserien, og vil påvirke den statistiske måleestimeringen. Den statistiske feilen kan bli redusert ved utvide lengden på tidsserien. Imidlertid vil ikke denne løsningen overkomme formålene med oppfinnelsen, idet korte pulser er krevd for å samle den ønskede informasjonen. Figur 2 viser en statistisk normalfordeling over standardavviket (statistisk feil) i figur 1. Bredden for normalfordeling (kalt enkel-ping standardavvik) kan innsnevres ved å øke lengden for den akustiske pulsen, øke lengden på målevolumet, øke bærefrekvensen Fc eller øke antallet målinger og ta gjennomsnittet av resultatet. Figur 3 viser en løsning på problemene for den kjente teknikken ifølge den foreliggende oppfinnelsen, og er basert på en teknikk hvor flere unike frekvenser blir kombinert til én enkel puls som skissert i figuren. Figur 3 viser den statistiske feilen som er tilknyttet med to separate bærefrekvenser FcLav og FcHøy, tilsvarende figur 2. Ifølge figur 3 blir to unike frekvenser anvendt, og den etterfølgende beskrivelsen vil være basert på denne utførelsen. Imidlertid skal det bemerkes at å anvende to frekvenser kun er én utførelse av fremgangsmåten for å illustrere teknikken, og at et antall unike frekvenser kan være anvendt ifølge oppfinnelsen for å ytterligere forbedre målingene.

Hver frekvens blir nøyaktig generert og bør ligge innenfor båndbredden for transduseren eller annen sendeenhet som sender ut pulsen. I ekkoresultatet vet mottakeren hvilke frekvenser som ble inkludert og forholdet mellom dem.

Det statistiske støyet fra hver frekvenskomponent er fordelaktig ukorrelert, dvs. at fasefeilen er ukorrelert. Ved å simpelthen ta gjennomsnittet av Doppler-estimatet for to unike frekvenskomponenter blir en reduksjon i statistisk støy oppnådd med en faktor på 4l ■ Dette er den samme reduksjonen som tidligere blir oppnådd ved å utføre to pulser og to målinger.

Som et resultat blir halvparten av målingene behøvd for å oppnå den samme nøyaktigheten som tidligere. Dette fører ytterligere til halve strømtrekket og en dobling i utsettelsestid. Det sistnevnte er den mest ønskede muligheten i markedet.

Gevinsten i nøyaktighet trenger ikke å tas ut i forlenget utsettelsestid. Som et eksempel kan en sjøstrømhastighetsmåling og bli tatt dobbelt som ofte og fremdeles opprettholde utsettelsestiden.

Den nye akustiske pulsen ifølge den foreliggende oppfinnelsen er ikke lenger en "rett" sinuskurve vi er vant til å se. Den nye kombinerte pulsen har en kompleks form, som vist i figur 4. Pulsen ifølge figur 4 viser seg å være en sekvens med mindre vektede pulser, men er faktisk to frekvenser som er modulert oppå hverandre. Den andre grafen i figuren er en utvidelse av de fem første sekvensene i graf 1 i figur 4.

En annen fordel med pulsen ifølge figur 3 og 4 er at den ikke har behov for vindusfiltrering. Vanligvis blir et samplet signal vindusfiltrert for å hindre "skarpe" diskontinuiteter. Pulsen ifølge figur 4 har allerede dette trekket innebygd.

For å kunne generere en nøyaktig kompleks puls omfattende flere unike frekvenser plassert nøyaktig i rommet, må de følgende temaene vurderes: - Hver frekvenskomponent må være nøyaktig i frekvens og ha den samme oscillatorbasen.

- De må være mikset med lite forvrengning.

- De bør ligge innenfor transduserens båndbredde i systemet (som er svært begrenset) - Svært effektive effekttrinn må fremdeles anvendes for å ikke sløse strømforbruk oppnådd av selve teknikken.

De ovennevnte kravene ekskluderer anvendelsen av en hvilken som helst lineær forsterker. En lineær forsterker vil være i stand til å produsere den krevde pulsformen, men dårlige effektivitet fra forsterkerne ekskluderer dem fra anvendelse i batteridrevne effekttrinn.

Nylig utviklede DSPer (Digital Signal Prosessors) som kjører på svært høye klokkefrekvenser (100MHz eller mer), omfattende flere tidsur, er i stand til å produsere firkantbølger tilstrekkelig nær hverandre i frekvens for å anvendes til formålet ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Siden frekvensen blir utledet fra den samme tidsbasen (DSPens klokkeoscillator), har signalene den samme tidsbasen også. Men, det resulterende signalet er en firkantbølge og ikke en sinusformet bølge som det er behov for.

Ulike teknikker ble prøvd ut for å "klippe inn" frekvensene til et resulterende pulstog, men flankeflimring gjorde signalet ubrukbart for praktisk anvendelse.

Imidlertid tilveiebrakte skissen ifølge figur 5 en brukbar løsning for å implementere fremgangsmåten for å produsere den ønskede signalet ifølge den foreliggende oppfinnelsen. To firkantbølgebaserte pulstog med henholdsvis frekvens FcLav, FcHøy, blir produsert fra to tilhørende pulsgeneratorer, fortrinnsvis et tidsur (ikke vist), og pulstogene blir sendt inn i et svært effektivt helbro push-pull effektrinn. Oppfinnelsen er ikke begrenset til anvendelsen av to separate pulstog, men kan omfatte et antall ulike pulstog for å oppnå mer nøyaktige målinger.

Utgangen er passivt filtrert til en sinusformet kurve og sendt til en primærside 52 av en transformator, én for hver frekvens Ifølge dette kan systemet enkelt være modifisert til å anvende et antall frekvenser som nevnt ovenfor ved å innføre tilsvarende transformatorer og pulsgeneratorer for hver ytterligere frekvens.

Hver frekvenskomponent blir deretter magnetisk mikset i transformatorkjernen 54, og det resulterende komplekse signalet, omfattende alle frekvenskomponentene, blir deretter plukket opp av en sekundærvikling 56 og sendt til en transduser 58, og fortrinnsvis til en piezoelektrisk transduser. Transduseren 58 representerer typisk både sender og mottaker, med disse kan også være separate enheter.

Magnetisk miksing blir oppnådd ved å sende hver frekvenskomponent inn i en separat primær vikling 52 i en transformator, én for hver frekvenskomponent. Det resulterende magnetiske feltet, som er et resultat av strømmen i alle primærviklingene 52, vil indusere en strøm i en sekundær vikling 56 som reflekterer alle frekvenskomponentene.

Løsningen ovenfor produsere et ekte og tilstrekkelig rent kompleksformet signal på transduseren mens den fremdeles benytter svært effektive effekttrinn.

Det skal merkes at utførelsen for å produsere sinusformede kurver ifølge figur 5 er kun et eksempel, og andre utførelser som tilveiebringer et identisk eller tilsvarende ønsket pulssignal kan erstatte utførelsen i figur 5.

Figur 6 viser et blokkdiagram over ett eksempel for å utføre mottakeren ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Utførelsen henviser til å motta et bredbåndsignal omfattende n ulike frekvenser. Det mottatte Doppler-signalet blir mottatt og forsterket som et bredbåndsignal. Digital signalbehandling vil deretter splitte det mottatte signalet inn i separate deler, i figur 6 ved å anvende en digital filterbank 64, én for hver frekvenskomponent, og analyse dem for Doppler-skift individuelt i en statistisk frekvensestimator 66. Ved å kjenne de initiale frekvenskomponentene, så vel som deres innbyrdes forhold, kan et generelt Dopper-skift basert på Doppler-skift 1,2,..., n være utledet med mye bedre nøyaktighet enn tidligere metoder som analyserer kun en enkel frekvenskomponent. Sluttestimatet for målingen blir beregnet i trinn 68, og estimerer middelverdien for de respektive Doppler-skiftene 1, 2, ....n.

Den nye pulsen ifølge oppfinnelsen okkuperer ikke mer plass i rommet. Pulslengden er den samme som for den for en enkel frekvenspuls. Dette er fordelaktig ved anvendelse i strømprofileringsapplikasjoner når strømhastighetsanalyse i nærheten av overflaten er ønsket.

En svak reduksjon i område kan være forventet. Idet den totale energien nå blir delt mellom alle frekvenskomponentene, og hver komponent i seg selv vil ha mindre energi. Reduksjonen i akustisk styrke er omtrent 3dB for en dobbelfrekvensbasert puls, som vil forårsake en reduksjon i område på omtrent 5 % ved å anvende det samme eller tilsvarende total strømforbruk.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for å måle relativ fart av vann ved hjelp av et akustisk signal, hvor fremgangsmåten omfatter de følgende trinn: - å generere minst to ulike sinusformede signaler med ulik frekvens utledet fra en felles tidsbase, - å mikse de minst to ulike sinusformede signalene sammen til ett enkelt akustisk signal, - å sende ut det akustiske signalet i vannet, - å motta et tilhørende reflektert akustisk signal i vannet, - å atskille de minst to ulike sinusformede signalene fra hverandre i det mottatte signalet, - å bestemme frekvensforskyvningen for de minst to respektive individuelle sinusformede signalene i det sendte og mottatte signalet, hvor frekvensforskyvningen oppstår som følge av bevegelsen av partikler i vannet,karakterisert vedå beregne gjennomsnittet av de minst to respektive frekvensforskyvningene for å finne vannets relative fart.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedå definere de minst to ulike frekvensene innenfor båndbredden for sender-/mottakerenheten, f.eks. en transduser (58).

3. Fremgangsmåte i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedå generere de minst to ulike sinusformede signalene i respektive signalgeneratorer ved å produsere en firkantet pulsserie som omfatter tilhørende frekvenser (FcLav, FcHøy), og å sende de tilhørende utgangssignalene fra de respektive signalgeneratorenene gjennom et push-pull krafttrinn, og passivt filtrere utgangssignalene til et kombinert modulert signal.

4. Fremgangsmåte i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedå mikse de minst to ulike sinusformede signalene sammen magnetisk i minst en transformatorkjerne (54).

5. Fremgangsmåte i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedden felles tidsbasen er for eksempel en oscillator.

6. System for å å måle relativ fart av vann ved hjelp av et akustisk signal, hvor systemet omfatter i det minste to signalgeneratorer, som er innrettet til å motta sin ulike frekvens fra en felles tidsbase, hvor systemet er innrettet til å omforme pulsserier fra de respektive signalgeneratorene til minst to respektive ulike sinusformede signaler, midler for å mikse de minst to sinusformede signalene sammen til et enkelt akustisk signal, en senderenhet, en mottakerenhet, midler for å atskille de minst to sinusformede signalene fra hverandre i det mottatte signalet, midler som er innrettet for å bestemme frekvensforskyvningen for de minst to respektive individuelle sinusformede signalene i det sendte og mottatte signalet, hvor frekvensforskyvningen oppstår som følge av bevegelsen av partikler i vannet,karakterisert vedat systemet omfatter midler som er innrettet for beregne gjennomsnittet av de minst to respektive frekvensforskyvningene for å finne vannets relative fart.

7. System i samsvar med krav 6,karakterisert vedat de ulike signalene fra de respektive signalgeneratorene er en unik firkantet pulsserie.

8. System i samsvar med et av kravene 7,karakterisert vedat de ulike firkantede pulsseriene for de respektive signalgeneratorene omfatter tilhørende frekvenser (FcLav, FcHøy), og hvor de respektive utgangssignalene fra signalgeneratorene blir sendt gjennom et push-pull krafttrinn, som er innrettet til å passivt filtrere utgangssignalet til en kombinert sinusformet bølge.

9. System i samsvar med et av de foregående krav 7-8, karakterisert vedat miksemidlene omfatter minst én transformator, omfattende et antall primære viklinger (52) og en sekundær vikling (56).

10. System i samsvar med et av de foregående krav 7-9, karakterisert vedden felles tidsbasen er f.eks. en oscillator.

11. System i samsvar med et av de foregående krav 7-10, karakterisert vedat de respektive frekvensene for de individuelle signalene er innenfor båndbredden for sender-/mottakerenheten, f.eks. en transduser (58).