RU2770889C1 - Fully digital flowmeter based on measurement of transit time, in which time-reversed acoustics is used - Google Patents
Fully digital flowmeter based on measurement of transit time, in which time-reversed acoustics is used Download PDFInfo
- Publication number
- RU2770889C1 RU2770889C1 RU2021108700A RU2021108700A RU2770889C1 RU 2770889 C1 RU2770889 C1 RU 2770889C1 RU 2021108700 A RU2021108700 A RU 2021108700A RU 2021108700 A RU2021108700 A RU 2021108700A RU 2770889 C1 RU2770889 C1 RU 2770889C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- response
- response signal
- digitized
- digital
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
- G01F1/662—Constructional details
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
- G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к расходомерам, а конкретно к ультразвуковым расходомерам, основанным на измерении времени прохождения.The present invention relates to flow meters, and more specifically to ultrasonic flow meters based on transit time measurement.
Различные типы расходомеров в настоящее время используются для измерения объемного расхода текучей среды, такой как жидкость или газ, через трубу. Ультразвуковые расходомеры представляют собой либо доплеровские расходомеры, в которых применяется акустический эффект Доплера, либо расходомеры, основанные на измерении времени прохождения, иногда также называемые расходомерами на основе передаваемых сигналов, в которых применяется разность по времени распространения сигнала, вызванная относительным движением источника и среды. Время прохождения также называется временем пролета или временем переноса.Various types of flow meters are currently used to measure the volumetric flow rate of a fluid, such as liquid or gas, through a pipe. Ultrasonic flowmeters are either Doppler flowmeters, which use the acoustic Doppler effect, or transittime-based flowmeters, sometimes also called signal-based flowmeters, which use the difference in propagation time caused by the relative motion of the source and medium. Transit time is also called time of flight or transfer time.
Ультразвуковой расходомер, основанный на измерении времени прохождения, оценивает разность по времени распространения ультразвуковых импульсов, распространяющихся в направлении потока и против него. Ультразвуковые расходомеры предоставляются как встроенные расходомеры, также известные как погружные или помещаемые в текучую среду расходомеры, или как закрепляемые расходомеры, также известные как непогружные расходомеры. К другим видам расходомеров относятся каналы Вентури, переливные пороги, радарные расходомеры, расходомеры Кориолиса, расходомеры, основанные на принципе дифференциального давления, магнитно-индуктивные расходомеры и другие типы расходомеров.The transit time-based ultrasonic flow meter evaluates the difference in propagation time of ultrasonic pulses propagating in the direction of flow and against it. Ultrasonic flowmeters are provided as inline flowmeters, also known as submersible or fluid-filled flowmeters, or as fixed flowmeters, also known as non-immersible flowmeters. Other types of flowmeters include Venturi channels, weirs, radar flowmeters, Coriolis flowmeters, differential pressure flowmeters, magnetic inductive flowmeters, and other types of flowmeters.
При наличии нестандартных профилей потока или открытых каналов, для определения средней скорости потока может быть необходимо более одного пути распространения. Среди прочего, процедуры многопутного распространения описаны в таких гидрометрических стандартах, как IEC 41 или EN ISO 6416. В качестве дополнительного применения ультразвуковые расходомеры также используются для определения профилей потока, например, с помощью акустического доплеровского измерителя течения (ADCP). ADCP также подходит для измерения скорости и истечения воды в реки и открытые воды.In the presence of non-standard flow profiles or open channels, more than one propagation path may be needed to determine the average flow rate. Among other things, multipath propagation procedures are described in hydrometric standards such as IEC 41 or EN ISO 6416. As an additional application, ultrasonic flow meters are also used to determine flow profiles, for example with an acoustic Doppler flow meter (ADCP). The ADCP is also suitable for measuring the velocity and flow of water into rivers and open waters.
В Белой книге SLAA814-December 2017 «Matched-Filter Ultrasonic Sensing: Theory and Implementation» за авторством Zhaohong Zhang описан принцип действия технологии ультразвуковой локации на основе согласованного фильтра и однокристальная платформа для ее реализации с использованием микроконтроллера (TI) MSP430FR6047.White paper SLAA814-December 2017 "Matched-Filter Ultrasonic Sensing: Theory and Implementation" by Zhaohong Zhang describes the operation principle of the matched filter ultrasonic location technology and the single-chip platform for its implementation using the microcontroller (TI) MSP430FR6047.
Целью настоящего изобретения является предоставление усовершенствованного расходомера, основанного на измерении времени переноса, и соответствующего выполняемого компьютером способа измерения средней скорости потока или профиля потока текучей среды в целом, а конкретно таких жидкостей, как вода, и/или газов.It is an object of the present invention to provide an improved transfer time based flow meter and a corresponding computer-based method for measuring the average flow rate or flow profile of a fluid in general, and specifically liquids such as water and/or gases.
В устройстве измерения расхода согласно настоящему изобретению для генерирования и для приема измерительного сигнала используются звуковые измерительные преобразователи, например, в виде пьезоэлектрических элементов, также известных как пьезоэлектрические измерительные преобразователи.The flow measurement device of the present invention uses sonic transducers, for example in the form of piezoelectric elements, also known as piezoelectric transducers, to generate and receive a measurement signal.
Альтернативные звукопередатчики содержат лазеры, которые возбуждают вибрацию металлической мембраны или другой поглощающей свет поверхности, или электродинамические громкоговорители. Согласно другим вариантам осуществления расходомер создает волны сжатия другими способами, как, например, с помощью устройства MEMS, с использованием пьезоэлектрической мембраны и т. д. Приемная сторона может также быть представлена другими средствами, которые отличаются от пьезоэлектрических измерительных преобразователей, но обнаруживают ультразвуковые волны.Alternative sound transmitters include lasers that vibrate a metal membrane or other light-absorbing surface, or electrodynamic loudspeakers. In other embodiments, the flowmeter generates compression waves in other ways, such as with a MEMS device, using a piezoelectric membrane, etc. The receiving side may also be provided by other means that are different from piezoelectric transducers but detect ultrasonic waves.
Хотя термин «пьезоэлектрический измерительный преобразователь» часто используется в настоящем описании, он обозначает также и другие измерительные преобразователи звуковых волн, которые создают или обнаруживают ультразвуковые волны.Although the term "piezoelectric transducer" is often used in this specification, it also refers to other sound wave transducers that produce or detect ultrasonic waves.
Измерительный сигнал согласно настоящему изобретению может быть сформирован согласованным фильтром. Когда слово «сигнал» используется со ссылкой на этап управления сигналом, оно может, в частности, относиться к представлению сигнала в машиночитаемом запоминающем устройстве.The measurement signal according to the present invention can be generated by a matched filter. When the word "signal" is used with reference to the signal control step, it may specifically refer to the representation of the signal in a computer-readable memory.
В частности, представление сигнала может быть определено парой значений оцифрованных амплитуд и связанного дискретного времени.In particular, the signal representation can be defined by a pair of digitized amplitude values and the associated discrete time.
Ультразвуковой расходомер согласно настоящему изобретению может предоставлять требуемые свойства фокусирующей способности путем использования сигнала произвольной формы с целью получения ультразвуковым расходомером сигнала с требуемыми свойствами в принимающем измерительном преобразователе или путем вычислений после принимающего ADC.The ultrasonic flow meter of the present invention can provide the desired focusing power properties by using an arbitrary waveform to obtain the ultrasonic flow meter with a signal with the desired properties in the receiving transmitter or by post-receiving ADC calculations.
Например, частота звуковых волн, которые используются в расходомере согласно настоящему изобретению, может составлять от 20 кГц до 2 МГц, что соответствует периоду колебаний 0,5 микросекунды (мкс), но может даже составлять до 800 МГц.For example, the frequency of sound waves that are used in the flow meter according to the present invention may be from 20 kHz to 2 MHz, which corresponds to an oscillation period of 0.5 microseconds (µs), but may even be up to 800 MHz.
В одном аспекте настоящее изобретение описывает микроконтроллер для определения скорости потока с помощью ультразвукового расходомера, основанного на измерении времени прохождения, в котором используется обращенный во времени оцифрованный сигнал. В частности, этот расходомер может являться «полностью цифровым» в том смысле, что оценка сигналов осуществляется путем цифровой обработки сигналов, и электрические сигналы, подаваемые в ультразвуковые измерительные преобразователи, представляют собой ступенчатые сигналы, которые также можно считать цифровыми сигналами. Иначе говоря, эти электрические сигналы содержат последовательность дискретных уровней напряжения, которые являются постоянными в течение предварительно определенных значений времени выборки. За счет этого отсутствует потребность в цифро-аналоговом преобразователе (DAC) с аналоговой частью, и DAC можно заменить генератором импульсов.In one aspect, the present invention describes a microcontroller for determining the flow rate using an ultrasonic transit time-based flow meter using a time-reversed digitized signal. In particular, this flowmeter may be "fully digital" in the sense that the evaluation of the signals is done by digital signal processing and the electrical signals supplied to the ultrasonic transducers are step signals, which can also be considered digital signals. In other words, these electrical signals comprise a sequence of discrete voltage levels that are constant for predetermined sampling times. This eliminates the need for a digital-to-analogue converter (DAC) with an analog part, and the DAC can be replaced by a pulse generator.
Микроконтроллер выполнен с возможностью генерирования произвольных импульсных сигналов. В частности, микроконтроллер может быть выполнен с возможностью вывода последовательностей импульсов с произвольной частотой и длительностью.The microcontroller is configured to generate arbitrary pulse signals. In particular, the microcontroller may be configured to output pulse trains of arbitrary frequency and duration.
Микроконтроллер согласно настоящему изобретению может содержать множество буферных выходных выводов, например, четыре или восемь выходных выводов, вместо одного. Для этого микроконтроллер может содержать множество буферов, например, четыре или восемь буферов, в параллельной конструкции, что делает возможным вывод с временным уплотнением всех сигналов во все соответствующие каналы или буферы.The microcontroller of the present invention may include a plurality of buffer output pins, such as four or eight output pins instead of one. To this end, the microcontroller may comprise a plurality of buffers, eg four or eight buffers, in a parallel arrangement, which makes it possible to time-multiplex output all signals to all respective channels or buffers.
Иначе говоря, путь передатчика, или путь генерирования сигналов в кристалле или FPGA, или путь, соединенный с таким кристаллом или FPGA, выполнен с возможностью генерирования произвольных последовательностей импульсов с произвольно выбранной длительностью импульса. В данном документе «произвольный» означает произвольный в пределах предварительно определенных диапазона и точности, например, в пределах предварительно определенного диапазона между минимальной и максимальной частотой и в пределах предварительно определенной точности.In other words, a transmitter path, or a signal generation path in a chip or FPGA, or a path connected to such a chip or FPGA, is configured to generate arbitrary pulse trains with an arbitrarily selected pulse width. As used herein, "arbitrary" means arbitrary within a predetermined range and precision, such as within a predetermined range between the minimum and maximum frequency and within a predetermined precision.
Микроконтроллер содержит первый приемный вывод для соединения с первым ультразвуковым измерительным преобразователем, первый передающий вывод для соединения с первым ультразвуковым измерительным преобразователем, второй приемный вывод для соединения со вторым ультразвуковым измерительным преобразователем, второй передающий вывод для соединения со вторым ультразвуковым измерительным преобразователем. Приемные выводы и передающие выводы также называются «соединителями».The microcontroller contains the first receiving terminal for connection with the first ultrasonic measuring transducer, the first transmitting terminal for connecting with the first ultrasonic measuring transducer, the second receiving terminal for connecting with the second ultrasonic measuring transducer, the second transmitting terminal for connecting with the second ultrasonic measuring transducer. Receive pins and transmit pins are also called "connectors".
В одном варианте осуществления первый приемный вывод и первый передающий вывод совпадают со вторым приемным выводом и вторым передающим выводом. Это может быть особенно полезно, когда отсутствуют перекрывающиеся отправка и прием.In one embodiment, the first receive terminal and the first transmit terminal match the second receive terminal and the second transmit terminal. This can be especially useful when there is no overlapping send and receive.
Первый приемный вывод и второй приемный вывод соединены с блоком обработки сигналов или средствами обработки сигналов, которые предусмотрены для оценки сигналов, принятых из измерительных преобразователей. Блок обработки сигналов содержит аналого-цифровой преобразователь (ADC) и схему оценки. В отличие от простой схемы синхронизации, ADC может предоставлять различные возможности для вычисления формы сигнала.The first receiving terminal and the second receiving terminal are connected to a signal processing unit or signal processing means which are provided for evaluating the signals received from the measuring transducers. The signal processing block contains an analog-to-digital converter (ADC) and an evaluation circuit. Unlike a simple timing scheme, ADC can provide various options for calculating the waveform.
Для снижения частоты выборки и/или амплитудного разрешения ADC может использоваться предсказанная форма сигнала. В частности, форма сигнала согласно настоящему изобретению может находить применение в средствах энергосбережения. Для дополнительного снижения энергопотребления частота выборки и/или амплитуда точности оцифровки амплитуды ADC также могут являться неравномерными и зависящими от времени, и эта зависимость от времени может зависеть от предсказанной формы сигнала. Кроме того, ADC может включаться только после обусловленного времени после отправки измерительного сигнала и снова выключаться после приема сигнала отклика.A predicted waveform may be used to reduce the sampling rate and/or amplitude resolution of the ADC. In particular, the waveform of the present invention may find application in energy saving applications. To further reduce power consumption, the sampling rate and/or amplitude of the ADC amplitude digitization accuracy may also be non-uniform and time dependent, and this time dependence may depend on the predicted waveform. In addition, the ADC can only be turned on after a predetermined time after sending the measuring signal and turned off again after receiving the response signal.
Первый передающий вывод и второй передающий вывод соединены с блоком генерирования сигналов. Блок генерирования сигналов содержит запоминающее устройство для хранения параметров сигнала и буфер.The first transmission output and the second transmission output are connected to the signal generation unit. The signal generation unit contains a memory device for storing signal parameters and a buffer.
Блок генерирования сигналов и блок обработки сигналов выполнены с возможностью отправки колебательного электрического выходного сигнала в первый передающий вывод, и с возможностью приема сигнала отклика на втором приемном выводе, и с возможностью получения скорости потока текучей среды на основе по меньшей мере принятого сигнала отклика.The signal generation unit and the signal processing unit are configured to send an oscillatory electrical output signal to the first transmit terminal, and to receive a response signal at the second receive terminal, and to obtain a fluid flow rate based on at least the received response signal.
В одном варианте осуществления буфер блока генерирования сигналов соединен с блоком широтно-импульсной модуляции (PWM), который соединен с фильтром нижних частот. Широтно-импульсная модуляция может предоставлять простой и надежный способ генерирования аналогового электрического сигнала на основе цифрового сигнала, который затем подается в ультразвуковой измерительный преобразователь, такой как пьезоэлемент, пьезомембрана или мембрана громкоговорителя, микроэлектромеханический элемент или измерительный преобразователь другого типа. За счет использования силовой электроники, выходной сигнал широтно-импульсной модуляции можно сделать достаточно интенсивным для того, чтобы во многих случаях не требовалось дополнительное усиление сигнала. PWM может обеспечивать достаточное качество результирующего аналогового сигнала.In one embodiment, the signal generating block buffer is connected to a pulse width modulation (PWM) block, which is connected to a low pass filter. Pulse width modulation can provide a simple and reliable way to generate an analog electrical signal based on a digital signal, which is then applied to an ultrasonic transducer, such as a piezoelectric element, a loudspeaker piezomembrane or membrane, an MEMS element, or another type of transducer. Through the use of power electronics, the output signal of the pulse width modulation can be made strong enough that additional signal amplification is not required in many cases. PWM can provide sufficient quality of the resulting analog signal.
Для генерирования выходного сигнала со ступенчатой формой или ступенеобразной формой, PWM микроконтроллера может также использоваться со слабой фильтрацией нижних частот или без нее после вывода из буфера или PWM. Для этого фильтр нижних частот может быть предусмотрен как регулируемый или переключаемый фильтр нижних частот.To generate a stepped or step-shaped output signal, the microcontroller's PWM can also be used with little or no low-pass filtering after buffer or PWM output. To this end, the low-pass filter can be provided as an adjustable or switchable low-pass filter.
Сигналы PWM хранят информацию об амплитуде в информации о времени сигнала. На разрешение сигнала PWM оказывает влияние степень детализации временного разрешения. По этой причине генератор сигналов PWM может быть выполнен с возможностью обеспечения более высокой, например, в 10 раз более высокой, частоты, чем сравнимый ADC. Амплитуда генератора сигналов PWM может быть равной или подобной генератору импульсов.PWM signals store amplitude information in signal timing information. The resolution of the PWM signal is affected by the granularity of the temporal resolution. For this reason, the PWM signal generator can be configured to provide a higher, eg 10 times higher frequency than a comparable ADC. The amplitude of the PWM signal generator may be equal to or similar to the pulse generator.
В дополнительном варианте осуществления блок генерирования сигналов микроконтроллера содержит программируемую пользователем матрицу логических элементов (FPGA), которая соединена с цифровым входным/выходным соединителем. Блок генерирования сигналов выполнен с возможностью получения колебательного сигнала на основе выходного сигнала FPGA, при этом выходной сигнал FPGA модифицируется путем доставки программных команд на цифровой входной/выходной соединитель.In a further embodiment, the microcontroller's signal generation unit comprises a user programmable gate array (FPGA) that is connected to a digital input/output connector. The signal generating unit is configured to obtain an oscillatory signal based on the FPGA output signal, wherein the FPGA output signal is modified by delivering software commands to the digital input/output connector.
В частности, FPGA может содержать логическое устройство или компоновку схемы для получения требуемого выходного сигнала на основе предоставленных параметров сигнала. Среди прочего, эти параметры сигнала могут быть считаны из запоминающего устройства, предварительно вычислены или вычислены в реальном времени. В одном варианте осуществления вычисление параметров сигнала, на основе которых получается выходной сигнал, зависит от принятого сигнала.In particular, the FPGA may contain a logic device or circuit layout to obtain the required output signal based on the provided signal parameters. Among other things, these signal parameters can be read from a memory device, pre-calculated or calculated in real time. In one embodiment, the calculation of the signal parameters from which the output signal is obtained depends on the received signal.
В дополнительном варианте осуществления блок генерирования сигналов выполнен с возможностью генерирования последовательности сигнала, причем последовательность сигнала содержит части колебательного сигнала, разделенные предварительно определенными периодами молчания, в которых выходное напряжение является постоянным, в частности, во время периода молчания выходное напряжение может являться нулевым. В одном варианте осуществления части колебательного сигнала повторяются через равные промежутки времени. В другом варианте осуществления длительность частей колебательного сигнала и промежутков времени между ними определяется путем вычисления. В частности, вычисление указанных промежутков времени может включать случайную составляющую, или «дрожание», в пределах предварительно определенного диапазона амплитуд, за счет чего части колебательного сигнала имеют случайно изменяющееся расстояние во времени одна относительно другой.In a further embodiment, the signal generating unit is configured to generate a signal sequence, the signal sequence comprising waveform portions separated by predefined silence periods in which the output voltage is constant, in particular during the silence period, the output voltage may be zero. In one embodiment, portions of the waveform are repeated at regular intervals. In another embodiment, the duration of the parts of the waveform and the time intervals between them is determined by calculation. In particular, the calculation of these time periods may include a random component, or "jitter", within a predetermined range of amplitudes, whereby parts of the waveform have a randomly varying distance in time from one another.
Согласно дополнительному варианту осуществления генерирование сигнала, представляющего собой колебательный сигнал, включает применение широтно-импульсной модуляции и применение фильтра нижних частот к выходному сигналу широтно-импульсной модуляции.According to a further embodiment, generating a waveform signal includes applying pulse width modulation and applying a low pass filter to the output pulse width modulation signal.
В еще одном дополнительном варианте осуществления генерирование сигнала, представляющего собой колебательный сигнал, включает генерирование последовательности сигнала, причем последовательность сигнала содержит части колебательного сигнала, разделенные предварительно определенными периодами молчания, в которых выходное напряжение является постоянным, при этом постоянный уровень напряжения может являться нулевым.In yet another further embodiment, generating a waveform signal includes generating a waveform sequence, the waveform sequence comprising portions of the waveform separated by predefined periods of silence, in which the output voltage is constant, where the constant voltage level may be zero.
Во время измерения скорости потока микроконтроллер подает второй измерительный сигнал в один из измерительных преобразователей, принимает сигнал отклика на второй измерительный сигнал в другом из измерительных преобразователей и обрабатывает сигнал отклика с целью получения скорости потока.During the measurement of the flow rate, the microcontroller applies a second measurement signal to one of the measurement transducers, receives a response signal to the second measurement signal in the other of the measurement transducers, and processes the response signal to obtain the flow rate.
Согласно одному аспекту в настоящем изобретении описывается выполняемый компьютером способ определения скорости потока текучей среды в трубопроводе для текучей среды или канале, в частности, в трубе или трубке, с использованием ультразвукового расходомера, основанного на измерении времени передачи. В предпочтительном варианте осуществления «выполняемый компьютером» относится к исполнению на электронных компонентах с мелкой структурой, таких как микропроцессоры, схемы ASIC, матрицы FPGA и т. п., которые могут использоваться в портативных или в компактных стационарных устройствах цифровой обработки сигналов, которые обычно меньшего размера, чем рабочие станции или базовые компьютеры, и которые могут быть размещены в требуемом местоположении вдоль трубы для текучей среды.According to one aspect, the present invention describes a computer-executable method for determining the flow rate of a fluid in a fluid conduit or conduit, in particular a pipe or tube, using an ultrasonic flow meter based on transmission time measurement. In a preferred embodiment, "computer-executed" refers to execution on fine-grained electronic components such as microprocessors, ASICs, FPGAs, and the like, which can be used in portable or compact stationary digital signal processing devices that are typically smaller larger than workstations or base computers, and which can be placed at the desired location along the fluid conduit.
Далее термины «канал», «трубопровод», «проход» и т. д. используются как синонимы. Объект настоящего изобретения может применяться для всех типов трубопроводов для текучих сред независимо от их соответствующей формы и независимо от того, являются ли они открытыми или закрытыми. Объект настоящего изобретения может также применяться для всех типов текучих сред или газов независимо от того, являются ли они газами, или жидкостями, или смесью обоих.Further, the terms "channel", "pipeline", "passage", etc. are used as synonyms. The object of the present invention can be applied to all types of fluid conduits, regardless of their respective shape and regardless of whether they are open or closed. The object of the present invention can also be applied to all types of fluids or gases, whether they are gases or liquids, or a mixture of both.
Во всей настоящей заявке часто используется термин «компьютер». Хотя к компьютеру относятся такие устройства, как переносной или настольный компьютер, передача и прием сигналов могут также быть выполнены микроконтроллерами, специализированными интегральными схемами (ASIC), матрицами FPGA и т. д.Throughout this application, the term "computer" is often used. Although a computer refers to devices such as a laptop or desktop computer, the transmission and reception of signals can also be performed by microcontrollers, application specific integrated circuits (ASICs), FPGAs, etc.
Кроме того, соединительная линия между измерительными преобразователями может быть смещена относительно центра трубопровода для текучей среды, чтобы получить скорость потока в предварительно определенном слое, и может иметься более одной пары измерительных преобразователей. Кроме того, измерительный сигнал может быть обеспечен более чем одним измерительным преобразователем, и/или сигнал отклика на измерительный сигнал может быть измерен более чем одним измерительным преобразователем.In addition, the connecting line between the transducers may be offset from the center of the fluid conduit to obtain a flow velocity in a predetermined layer, and there may be more than one pair of transducers. In addition, the measurement signal may be provided by more than one measurement transducer and/or the response signal to the measurement signal may be measured by more than one measurement transducer.
Кроме того, согласно настоящему изобретению раскрыто устройство измерения расхода с первым пьезоэлектрическим измерительным преобразователем, который соединен с первым соединителем, и со вторым ультразвуковым измерительным преобразователем, таким как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, который соединен со вторым соединителем. В частности, ультразвуковые измерительные преобразователи, такие как пьезоэлектрические измерительные преобразователи, могут быть обеспечены средствами для крепления, такими как зажимной механизм, для прикрепления их к трубе.Furthermore, according to the present invention, a flow measuring device is disclosed with a first piezoelectric transducer that is connected to a first connector and a second ultrasonic transducer, such as a piezoelectric transducer, that is connected to a second connector. In particular, ultrasonic transducers, such as piezoelectric transducers, may be provided with attachment means, such as a clamping mechanism, for attaching them to the pipe.
Кроме того, согласно настоящему изобретению раскрывается устройство измерения расхода с частью трубы. Первый ультразвуковой измерительный преобразователь, такой как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, установлен на части трубы в первом местоположении, и второй ультразвуковой измерительный преобразователь, такой как пьезоэлектрический измерительный преобразователь, установлен на части трубы во втором местоположении. В частности, измерительные преобразователи могут быть зафиксированы на части трубы. Обеспечение устройства частью трубы может предоставить преимущества, когда устройство предварительно регулируют по отношению к части трубы.In addition, according to the present invention, a flow measurement device with a pipe part is disclosed. A first ultrasonic transducer, such as a piezoelectric transducer, is installed on the pipe part at a first location, and a second ultrasonic transducer, such as a piezoelectric transducer, is installed on the pipe part at a second location. In particular, the measuring transducers can be fixed to a part of the pipe. Providing the device with a pipe part can provide advantages when the device is pre-adjusted with respect to the pipe part.
Устройство может быть выполнено компактным и портативным. Портативное устройство согласно настоящему изобретению, которое оборудовано измерительными преобразователями, выполненными с возможностью установки на поверхности, такими как измерительные преобразователи с механическим креплением, может использоваться для проверки трубы в любом доступном местоположении. В целом, устройство может быть неподвижным или портативным. Предпочтительно устройство является достаточно компактным для размещения в требуемом местоположении и достаточно защищенным от окружающих условий, таких как влажность, тепло и коррозионные вещества.The device can be made compact and portable. The portable device of the present invention, which is equipped with surface-mountable transducers, such as mechanically attached transducers, can be used to test a pipe at any available location. In general, the device may be fixed or portable. Preferably, the device is compact enough to be placed in the desired location and sufficiently protected from environmental conditions such as moisture, heat and corrosive substances.
В частности, специализированные электронные компоненты могут быть снабжены электронными компонентами, содержащими вышеупомянутое машиночитаемое запоминающее устройство. Согласно другим вариантам осуществления специализированные электронные компоненты обеспечены компонентами с аппаратно-реализованной или предусматривающей различные конфигурации схемой, такой как специализированная интегральная схема (ASIC) или программируемая пользователем матрица логических элементов (FPGA).In particular, dedicated electronic components may be provided with electronic components comprising the aforementioned computer-readable memory. In other embodiments, the application specific electronic components are provided with hardwired or configurable circuitry such as an application specific integrated circuit (ASIC) or a user programmable gate array (FPGA).
Процедура обучения для обучения сигнала может осуществляться так, как описано ниже. В данном документе сигнал, генерируемый посредством процедуры обучения, может относиться к цифровому фильтру или другой дискретной временной последовательности. Этот сигнал может использоваться для генерирования звукового сигнала, или он может использоваться для вычислений при обработке оцифрованной версии принятого звукового сигнала.The training procedure for signal training may be carried out as described below. In this document, the signal generated by the training procedure may refer to a digital filter or other discrete time sequence. This signal may be used to generate an audio signal, or it may be used for calculations in processing a digitized version of the received audio signal.
Обучение осуществляют путем захвата ступенчатого отклика канала в управляемых условиях, например, в режиме нулевого расхода. Его можно осуществить, используя один или более импульсов в качестве передаваемого сигнала, который передается по каналу. В данном документе «канал» относится к каналу связи, содержащему текучую среду.Training is performed by capturing the step response of the channel under controlled conditions, for example, in zero flow mode. It can be done using one or more pulses as a transmit signal that is transmitted over a channel. As used herein, "channel" refers to a communication channel containing a fluid.
Ступенчатый отклик затем обрабатывается следующим образом.The stepped response is then processed as follows.
В случае генерируемого сигнала PWM, ступенчатый отклик является обращенным во времени и оцифрованным так, что передаваемый сигнал PWM соответствует обращенному во времени ступенчатому отклику.In the case of a generated PWM signal, the step response is time-reversed and digitized such that the transmitted PWM signal corresponds to the time-reversed step response.
В случае ввода в виде последовательности импульсов, ступенчатый отклик канала после аналого-цифрового преобразования сохраняется в цифровом приемном фильтре.In the case of input as a pulse train, the step response of the channel after analog-to-digital conversion is stored in the digital receive filter.
Фаза измерения может затем осуществляться следующим образом.The measurement phase can then be carried out as follows.
В случае использования сигнала PWM, обращенный во времени импульсный отклик канала, полученный с помощью процесса обучения, используется как передаваемый сигнал путем доставки обращенного во времени цифрового сигнала в качестве ввода в устройство PWM и соединения вывода устройства PWM с ультразвуковым измерительным преобразователем.In the case of using a PWM signal, the time-reversed channel impulse response obtained by the learning process is used as a transmitted signal by delivering the time-reversed digital signal as an input to the PWM device and connecting the output of the PWM device to an ultrasonic transducer.
В случае использования последовательности импульсов, в качестве передаваемого сигнала или измерительного сигнала в фазе измерения можно использовать тот же сигнал, который используется в фазе обучения. Например, в качестве передаваемого сигнала или в качестве измерительного сигнала можно использовать ступенчатый сигнал, или единичный импульс, или последовательность импульсов. В одном примере последовательность импульсов содержит 10-30 импульсов. Альтернативно измерительный сигнал может быть длиннее или короче, чем в фазе обучения.In the case of using a pulse train, the same signal as used in the teach phase can be used as the transmitted signal or measurement signal in the measurement phase. For example, a step signal, or a single pulse, or a train of pulses can be used as the transmitted signal or as the measuring signal. In one example, the pulse train contains 10-30 pulses. Alternatively, the measurement signal may be longer or shorter than in the learning phase.
В случае использования сигнала PWM в качестве передаваемого сигнала, передаваемый сигнал сворачивается с помощью импульсного отклика канала, и на входе ADC принимается выраженный пик. Иначе говоря, в приближении LTI-системы (линейной стационарной системы) принятый сигнал отклика представляет собой свертку передаваемого сигнала с помощью предварительно определенного импульсного отклика канала.In the case of using a PWM signal as the transmitted signal, the transmitted signal is convolved by the channel impulse response and a pronounced peak is received at the ADC input. In other words, in the LTI (linear stationary system) approximation, the received response signal is a convolution of the transmitted signal with a predetermined channel impulse response.
Принятый сигнал оцифровывается, и пик сигнала используется, например, для получения информации о времени прохождения. Это можно осуществить либо с помощью процесса выборки с высоким разрешением, либо альтернативно с помощью интерполяции принятого сигнала. Упомянутое обнаружение пика сигнала принадлежит к PWM, причем пики появляются только сразу же после ADC, если процесс корреляции выполняется в канале.The received signal is digitized and the peak of the signal is used, for example, to obtain transit time information. This can be done either by a high resolution sampling process or alternatively by interpolation of the received signal. Said signal peak detection belongs to PWM, with peaks appearing only immediately after ADC if the correlation process is performed on the channel.
Пик также можно вычислить после ADC, если сохраненный обратный фильтр скоррелирован с приемным фильтром.The peak can also be computed after the ADC if the stored inverse filter is correlated with the receive filter.
В случае использования в качестве передаваемого сигнала последовательности импульсов, обработка сигнала, как разъясняется, может осуществляться способом DTRAF или DTRAC согласно настоящему изобретению. Способ DTRAC может обеспечивать большую эффективность использования вычислительной мощности по сравнению со способом DTRAF. Одной причиной большей эффективности является то, что в способе DTRAF выполняется фильтрация всех принятых сигналов с помощью FIR-фильтров. С другой стороны, в способе DTRAC данная емкая по отношению к вычислительной мощности операция не выполняется, и вместо нее непосредственно выполняется корреляция оцифрованных измерительных сигналов.In the case of using a pulse train as a transmitted signal, signal processing, as explained, can be performed by the DTRAF or DTRAC method according to the present invention. The DTRAC method can provide greater processing power efficiency compared to the DTRAF method. One reason for the greater efficiency is that the DTRAF method filters all received signals with FIR filters. On the other hand, in the DTRAC method, this processing-intensive operation is not performed, and instead, the correlation of the digitized measurement signals is performed directly.
В случае DTRAF принятый сигнал подвергается фильтрации с помощью обратной величины отклика канала, которая была сохранена ранее, обычно в фильтре с конечным импульсным откликом (FIR-фильтре) после фазы обучения. В результате данной операции фильтрации получается выраженный пик. Данная операция может выполняться для сигналов как выше по потоку, так и ниже по потоку. Затем результирующие сигналы подвергают взаимной корреляции и интерполяции.In the case of DTRAF, the received signal is filtered using the reciprocal of the channel response that has been stored previously, typically in a Finite Impulse Response (FIR) filter after the training phase. As a result of this filtering operation, a pronounced peak is obtained. This operation can be performed on both upstream and downstream signals. The resulting signals are then subjected to cross-correlation and interpolation.
Во-вторых, в случае DTRAC сигналы ADC процесса измерения подвергают взаимной корреляции с обучающими сигналами, а затем интерполируют. Это также можно осуществлять для сигналов выше по потоку и ниже по потоку, так что можно вычислить разность значений времени прохождения ΔT между сигналами выше по потоку и ниже по потоку.Second, in the case of DTRAC, the measurement process ADC signals are cross-correlated with the training signals and then interpolated. This can also be done for upstream and downstream signals, so that the travel time difference ΔT between the upstream and downstream signals can be calculated.
Объект настоящего изобретения ниже объясняется более подробно со ссылкой на несколько фигур, на которых:The object of the present invention is explained in more detail below with reference to several figures, in which:
на фиг. 1 показана первая компоновка расходомера с двумя пьезоэлектрическими элементами;in fig. 1 shows a first arrangement of a flow meter with two piezoelectric elements;
на фиг. 2 показана компоновка расходомера по фиг. 1 с одним прямым сигналом и двумя рассеянными сигналами;in fig. 2 shows the layout of the flowmeter of FIG. 1 with one direct signal and two scattered signals;
на фиг. 3 показана компоновка расходомера по фиг. 1 при взгляде в направлении потока;in fig. 3 shows the layout of the flowmeter of FIG. 1 when viewed in the direction of flow;
на фиг. 4 показана вторая компоновка расходомера с четырьмя пьезоэлектрическими элементами и четырьмя прямыми сигналами;in fig. 4 shows a second flowmeter arrangement with four piezoelectric elements and four direct signals;
на фиг. 5 показана компоновка расходомера по фиг. 4 при взгляде в направлении потока;in fig. 5 shows the layout of the flow meter of FIG. 4 when viewed in the direction of flow;
на фиг. 6 показана компоновка датчиков типа «многие к одному» для измерения расхода согласно настоящему изобретению;in fig. 6 shows an arrangement of many-to-one flow sensors according to the present invention;
на фиг. 7 показана компоновка датчиков типа «один ко многим» для измерения расхода согласно настоящему изобретению;in fig. 7 shows the arrangement of one-to-many flow sensors according to the present invention;
на фиг. 8 показана компоновка датчиков типа «один к одному» для измерения расхода в слое согласно настоящему изобретению;in fig. 8 shows a one-to-one sensor arrangement for layer flow measurement according to the present invention;
на фиг. 9 показана компоновка с множеством датчиков для измерения расхода в нескольких слоях согласно настоящему изобретению;in fig. 9 shows an arrangement with multiple sensors for measuring flow in several layers according to the present invention;
на фиг. 10 показано устройство для измерения скорости потока согласно настоящему изобретению;in fig. 10 shows a device for measuring the flow rate according to the present invention;
на фиг. 11 изображена итерационная процедура получения формы сигнала для использования в расходомере по фиг. 10;in fig. 11 depicts an iterative procedure for obtaining a waveform for use in the flowmeter of FIG. ten;
на фиг. 12 изображена дополнительная процедура получения формы сигнала для использования в расходомере по фиг. 10;in fig. 12 depicts an additional procedure for obtaining a waveform for use in the flowmeter of FIG. ten;
на фиг. 13 изображена дополнительная процедура получения формы сигнала для использования в расходомере по фиг. 10;in fig. 13 depicts an additional procedure for obtaining a waveform for use in the flowmeter of FIG. ten;
на фиг. 14 показано сравнение сигнала PWM широтно-импульсного модулятора, аппроксимирующего обращенный во времени TRA-сигнал (обращенный во времени акустический сигнал), с обращенным во времени сигналом;in fig. 14 shows a comparison of a PWM signal approximating a time-reversed TRA signal (time-reversed acoustic signal) with a time-reversed signal;
на фиг. 15 показано сравнение сигнала отклика на сигнал PWM по фиг. 15 и сигнала отклика на обращенный во времени сигнал по фиг. 15;in fig. 15 shows a comparison of the response signal to the PWM signal of FIG. 15 and the time-reversed response signal of FIG. fifteen;
на фиг. 16 показаны результаты моделирования для коррелированной TRA на основе PWM;in fig. 16 shows simulation results for PWM-based correlated TRA;
на фиг. 17 показаны результаты моделирования для сигналов, сгенерированных с помощью способа цифровой корреляции с использованием TRA, показанного на фиг. 21;in fig. 17 shows simulation results for signals generated by the digital correlation method using TRA shown in FIG. 21;
на фиг. 18 показаны результаты моделирования для сигналов, сгенерированных с помощью способа цифровой фильтрации с использованием TRA, показанного на фиг. 19;in fig. 18 shows simulation results for signals generated by the TRA digital filtering method shown in FIG. nineteen;
на фиг. 19 показана визуализация способа DTRAF в виде структурной схемы;in fig. 19 shows a visualization of the DTRAF method in the form of a block diagram;
на фиг. 20 показано изображение общей интерполяции пиков для определения максимального значения функции корреляции;in fig. 20 shows an image of the overall interpolation of the peaks to determine the maximum value of the correlation function;
на фиг. 21 показана визуализация способа DTRAC в виде структурной схемы; иin fig. 21 shows a visualization of the DTRAC method in the form of a block diagram; and
на фиг. 22 показан дополнительный вариант осуществления предложенного устройства измерения скорости потока.in fig. 22 shows a further embodiment of the proposed flow rate measuring device.
В следующем описании приведены детали для описания вариантов осуществления настоящего изобретения. Однако для специалиста в данной области техники должно быть очевидно, что варианты осуществления могут быть осуществлены без таких деталей.The following description provides details for describing embodiments of the present invention. However, it should be obvious to one skilled in the art that the embodiments may be practiced without such details.
Некоторые части вариантов осуществления, которые показаны на фигурах, обладают подобными частями. Подобные части имеют одинаковые названия или подобные номера частей с главным символом или с алфавитным символом. Описание таких подобных частей также применимо по ссылке к другим подобным частям, где уместно, тем самым сокращая повторение текста без ограничения настоящего изобретения.Some parts of the embodiments that are shown in the figures have similar parts. Like parts have the same name or like part numbers with a main character or with an alphabetic character. The description of such similar parts is also applicable by reference to other similar parts where appropriate, thereby reducing repetition of text without limiting the present invention.
На фиг. 1 показана первая компоновка 10 расходомера. В компоновке расходомера первый пьезоэлектрический элемент 11 размещен на внешней стенке трубы 12, которая также называется трубкой 12. Второй пьезоэлектрический элемент 13 расположен на противоположной стороне трубы 12 так, что прямая линия между пьезоэлектрическим элементом 11 и расположенным ниже по потоку пьезоэлектрическим элементом 13 ориентирована под углом β к направлению 14 среднего потока, которое в то же время также является направлением оси симметрии трубы 12. Угол β выбран равным приблизительно 45 градусам в примере по фиг. 1, но он также может быть больше, таким как, например, 60 градусов, или меньше, таким как, например, 30 градусов.In FIG. 1 shows a
Пьезоэлектрический элемент, такой как пьезоэлектрические элементы 11, 13 по фиг. 1, может в целом работать в качестве акустического передатчика и в качестве акустического датчика. Акустический передатчик и акустический датчик могут быть обеспечены тем же пьезоэлектрическим элементом или разными участками того же пьезоэлектрического элемента. В данном случае пьезоэлектрический элемент или измерительный преобразователь также называется пьезоэлектрическим передатчиком, когда он работает в качестве передатчика или источника звука, и он также называется акустическим датчиком или приемником, когда он работает в качестве акустического датчика.A piezoelectric element, such as the
Когда направление потока является таким, как показано на фиг. 1, первый пьезоэлектрический элемент 11 также называется «расположенным выше по потоку» пьезоэлектрическим элементом, а второй пьезоэлектрический элемент 13 также называется «расположенным ниже по потоку» пьезоэлектрическим элементом. Расходомер согласно настоящему изобретению работает в обоих направлениях потока по существу одинаково, и направление потока по фиг. 1 приведено лишь в качестве примера.When the flow direction is as shown in FIG. 1, the first
На фиг. 1 показан поток электрических сигналов по фиг. 1 для конфигурации, в которой расположенный выше по потоку пьезоэлектрический элемент 11 работает в качестве пьезоэлектрического измерительного преобразователя, а расположенный ниже по потоку пьезоэлектрический элемент 13 работает в качестве акустического датчика. Для ясности, устройство действует выше по потоку и ниже по потоку, т. е. положения пьезоэлектрических элементов могут являться взаимозаменяемыми.In FIG. 1 shows the electrical signal flow of FIG. 1 for a configuration in which the upstream
Первый блок 15 вычисления соединен с расположенным выше по потоку пьезоэлектрическим элементом 11, а второй блок 16 вычисления соединен с расположенным ниже по потоку пьезоэлектрическим элементом 13. Первый блок 15 вычисления содержит первый цифровой сигнальный процессор, первый цифровой буфер и первый аналого-цифровой преобразователь (ADC). Подобным образом, второй блок 16 вычисления содержит второй цифровой сигнальный процессор, второй цифровой буфер и второй аналого-цифровой преобразователь (ADC). Первый блок 15 вычисления соединен со вторым блоком 16 вычисления.The
Компоновка с двумя блоками 15, 16 вычисления, показанными на фиг. 1, приведена лишь в качестве примера. Другие варианты осуществления могут иметь разные номера и компоновки блоков вычисления. Например, может иметься только один центральный блок вычисления, или может иметься два блока ADC или буферных блока и один центральный блок вычисления, или может иметься два небольших блока вычисления на измерительных преобразователях и один больший центральный блок вычисления.The arrangement with two
Блок вычисления или блоки вычисления могут быть снабжены, например, микроконтроллерами, или специализированными интегральными схемами (ASIC), или программируемыми пользователем матрицами логических элементов (FPGA).The calculation unit or units may be provided with, for example, microcontrollers or application specific integrated circuits (ASICs) or user programmable gate arrays (FPGAs).
Способ исполнения процесса измерения согласно настоящему изобретению включает следующие этапы.The method for executing the measurement process according to the present invention includes the following steps.
Предварительно определенный цифровой измерительный сигнал генерируют путем синтеза электрического сигнала с помощью цифрового сигнального процессора первого блока 15 вычисления. Этот электрический сигнал отправляют из первого блока 15 вычисления в пьезоэлектрический измерительный преобразователь 11 по пути 17 сигнала. Пьезоэлектрический измерительный преобразователь 11 генерирует соответствующий ультразвуковой испытательный сигнал. Блоки 15 и 16 могут также быть предусмотрены в одном отдельном блоке.The predetermined digital measurement signal is generated by synthesizing the electrical signal with the digital signal processor of the
Измерительный сигнал предусматривается в виде сигнала произвольной формы. Например, сигнал произвольной формы может быть представлен колебанием с широтно-импульсной модуляцией на основной частоте в диапазоне МГц, например, колебанием с частотой 1 МГц. Сигнал произвольной формы может также представлять единичный импульс.The measuring signal is provided as an arbitrary waveform. For example, an arbitrary waveform can be represented by a pulse width modulated wobble at a fundamental frequency in the MHz range, such as a 1 MHz wobble. The arbitrary waveform may also represent a single pulse.
Ультразвуковой испытательный сигнал проходит через текучую среду (например, жидкость) в трубе 12 к пьезоэлектрическому датчику 13. На фиг. 1 прямой путь сигнала, представляющего собой ультразвуковой сигнал, указан стрелкой 18. Подобным образом, прямой путь сигнала, представляющего собой ультразвуковой сигнал в обратном направлении, указан стрелкой 19. Сигнал отклика принимается пьезоэлектрическим датчиком 13, отправляется во второй блок 16 вычисления по пути 20 сигнала и оцифровывается вторым блоком 16 вычисления.The ultrasonic test signal is passed through a fluid (eg liquid) in
На дальнейшем этапе цифровой измерительный сигнал получают на основе оцифрованного сигнала отклика с помощью обработки сигналов. Согласно дополнительным вариантам осуществления получение измерительного сигнала включает дополнительные этапы обработки.In a further step, a digital measurement signal is obtained based on the digitized response signal by means of signal processing. According to additional embodiments, obtaining the measurement signal includes additional processing steps.
В расходомере согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения один и тот же измерительный сигнал используется для обоих направлений 18, 19: направлений ниже по потоку и выше по потоку, предоставляя простую и эффективную компоновку. Согласно другим вариантам осуществления разные измерительные сигналы используются для обоих направлений. В частности, измерительный сигнал может быть подан к начальному приемнику испытательного сигнала. Такие компоновки могут предоставлять преимущества для асимметричных положений и форм трубы.In a flow meter according to one embodiment of the present invention, the same measurement signal is used for both downstream and
Принцип работы расходомера ниже объясняется более подробно со ссылкой на фиг. 1.The operating principle of the flowmeter is explained in more detail below with reference to FIG. one.
Ультразвуковой измерительный сигнал проходит через жидкость в трубе 12 к пьезоэлектрическому датчику 13. Сигнал отклика принимается пьезоэлектрическим датчиком 13, отправляется во второй блок 16 вычисления по пути 20 сигнала и оцифровывается вторым блоком 16 вычисления.The ultrasonic measurement signal passes through the liquid in the
Подобный процесс осуществляется для сигнала, проходящего в обратном направлении 19, а именно вышеупомянутый измерительный сигнал подается в расположенный ниже по потоку пьезоэлектрический элемент 13, и сигнал отклика измеряется расположенным выше по потоку пьезоэлектрическим элементом 11 для получения времени пролета выше по потоку TOFup в обратном направлении 19. Первый блок 15 вычисления определяет скорость потока, например, согласно формуле:A similar process is carried out for the signal passing in the
где L представляет собой длину прямого пути между пьезоэлектрическими элементами 11, 13, β представляет собой угол наклона прямого пути между пьезоэлектрическими элементами 11, 13 и направлением среднего потока, и c представляет собой скорость звука в жидкости при заданном давлении и температурных условиях.where L is the length of the direct path between the
Время пролета выше по потоку имеет вид:The time of flight upstream has the form:
и время пролета ниже по потоку имеет вид:and the time of flight downstream has the form:
что приводит к формуле:which leads to the formula:
При использовании этой формулы нет необходимости определять температуру или давление, которые, в свою очередь, определяют плотность текучей среды и скорость звука, или непосредственно измерять скорость звука или плотность текучей среды. И наоборот, первая составляющая ошибки не исключается только для одного направления измерения.Using this formula, it is not necessary to determine the temperature or pressure, which in turn determine the density of the fluid and the speed of sound, or directly measure the speed of sound or the density of the fluid. Conversely, the first error component is not excluded for only one direction of measurement.
Вместо использования коэффициента L∙cos(β), зависящее от потока значение можно получить на основе калибровочных измерений с известной скоростью потока. Эти калибровочные значения учитывают дополнительные эффекты, такие как профили потока и вклады от звуковых волн, рассеянных и не проходящих по прямой линии.Instead of using the factor L∙cos(β), a flow-dependent value can be derived from calibration measurements with a known flow rate. These calibration values take into account additional effects such as flow profiles and contributions from sound waves that are scattered and not traveling in a straight line.
Согласно еще одному варианту осуществления измерительный сигнал, который должен подаваться в передающий пьезоэлектрический элемент, синтезируется с использованием сигнала произвольной формы.According to another embodiment, the measurement signal to be applied to the transmitting piezoelectric element is synthesized using an arbitrary waveform.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения время пролета сигнала оценивают с использованием метода взаимной корреляции. В частности, соответствующие смещения по времени могут быть оценены путем взаимной корреляции сигнала, принятого ниже по потоку или выше по потоку, с сигналом, принятым в режиме нулевого расхода, по формуле:According to a further embodiment of the present invention, the time-of-flight of a signal is estimated using a cross-correlation method. In particular, the corresponding time offsets can be estimated by cross-correlating a signal received downstream or upstream with a signal received in zero flow mode, according to the formula:
где t и - временные переменные, SigFlow представляет сигнал выше по потоку или ниже по потоку в условиях измерения, когда имеется поток текучей среды через трубу, и где SigNoFlow представляет сигнал в условиях калибровки в режиме нулевого расхода. Пределы бесконечной суммы представляют достаточно большое временное окно [-T1, +T2] от момента времени T1 до момента времени T2. В общем, -T1 и +T2 не должны быть одинаковыми, и с практической точки зрения это может быть преимущественным для расходомера.where t and - time variables, Sig Flow represents the signal upstream or downstream under measurement conditions when there is fluid flow through the pipe, and where Sig NoFlow represents the signal under calibration conditions in zero flow mode. The infinite sum limits represent a sufficiently large time window [-T1, +T2] from time T1 to time T2. In general, -T1 and +T2 do not have to be the same, and from a practical point of view this can be advantageous for the flowmeter.
Смещение по времени TOFup - TOFdown затем получают путем сравнения времени максимального значения функции корреляции выше по потоку со временем максимального значения функции корреляции ниже по потоку. Огибающая функции корреляции может быть использована для более точного определения места максимума.The time offset TOF up - TOF down is then obtained by comparing the time of maximum value of the upstream correlation function with the time of maximum value of the correlation function downstream. The envelope of the correlation function can be used to more accurately determine the location of the maximum.
В еще одном варианте осуществления отдельный блок оценивания предусмотрен между первым блоком 15 вычисления и вторым блоком 16 вычисления, который выполняет оценивание значений времени поступления сигнала и скорости потока.In yet another embodiment, a separate estimator is provided between the
В общем, измеренный сигнал акустического датчика получают на основе наложения рассеянных сигналов и прямого сигнала. Рассеянные сигналы отражаются от внутренних и внешних стенок трубы один или множество раз, включая процессы дополнительного рассеивания в стенке трубы. Это в качестве примера показано на фиг. 2.In general, the measured acoustic sensor signal is obtained based on the superimposition of the scattered signals and the direct signal. Scattered signals are reflected from the inner and outer walls of the pipe one or more times, including the processes of additional scattering in the pipe wall. This is shown as an example in FIG. 2.
Время поступления можно также определить с использованием методики согласованного фильтра. Согласно простой модели, основанной на предположениях прямолинейного распространения сигнала и зеркальных отражений от стенок трубопровода, принятый сигнал отклика можно смоделировать как:The arrival time can also be determined using a matched filter technique. According to a simple model based on the assumptions of rectilinear signal propagation and specular reflections from the pipeline walls, the received response signal can be modeled as:
x(t)= A*s(t-TOA) + n(t),x(t)= A*s(t-TOA) + n(t),
где t - временная переменная, A - коэффициент затухания, s - излучаемый сигнал, смещенный по времени на неизвестное время поступления TOA, и n(t) - шумовая составляющая. Время поступления TOA затем получается путем корреляции принятого сигнала x(t) со смещенным по времени измерительным сигналом s(t) согласно следующему:where t is the time variable, A is the attenuation factor, s is the emitted signal time-shifted by an unknown TOA arrival time, and n(t) is the noise component. The TOA arrival time is then obtained by correlating the received signal x(t) with the time-shifted measurement signal s(t) according to the following:
y(t)= Integral(-inf, inf, x(τ)s(t- τ)),y(t)= Integral(-inf, inf, x(τ)s(t- τ)),
где -inf, inf - пределы интегрирования от минус бесконечности до плюс бесконечности, и свертка x(τ)s(- τ) - функция, подвергаемая интегрированию по временной переменной τ.where -inf, inf are the limits of integration from minus infinity to plus infinity, and the convolution x(τ)s(- τ) is the function to be integrated over the time variable τ.
Время поступления представляет собой значение времени или аргумент функции, для которого корреляция становится максимальной:The arrival time is the time value or function argument for which the correlation becomes maximum:
TOA = argmax[y(t)].TOA = argmax[y(t)].
Вышеупомянутую корреляцию также можно выразить в виде свертки с помощью «согласованного фильтра» h(t), принимающего форму:The above correlation can also be expressed as a convolution using a "matched filter" h(t) taking the form:
где a - нормировочный множитель, и s(t) - измерительный сигнал. Данную процедуру можно обобщить для случая множества приемников следующим образом. Определяется набор сдвигов по фазе, которые максимизируют сумму амплитуд сигналов отклика отдельных принимающих измерительных преобразователей. Время поступления определяется путем применения согласованного фильтра к функции суммы отдельных принятых сигналов отклика, смещенных на предварительно определенный набор сдвигов по фазе.where a is the normalization factor and s(t) is the measurement signal. This procedure can be generalized for the case of multiple receivers as follows. A set of phase shifts is determined that maximizes the sum of the response signal amplitudes of the individual receiving transducers. The arrival time is determined by applying a matched filter to a function of the sum of the individual received response signals offset by a predetermined set of phase shifts.
Конфигурация измерительного преобразователя по фиг. 1 является прямолинейной. Другие компоновки, в которых используются отражения на противоположной стороне трубы, также возможны, такие как V-образная и W-образная конфигурации. V-образная и W-образная конфигурации действуют на основе отражений на стенке трубы, которые индуцируют больше рассеяния, чем прямолинейная конфигурация. Объект настоящего изобретения имеет преимущества с данными конфигурациями при условии, что пути понимаются правильно.The transducer configuration of FIG. 1 is straight. Other arrangements that use reflections on the opposite side of the pipe are also possible, such as V-shaped and W-shaped configurations. V-shaped and W-shaped configurations operate on the basis of reflections on the pipe wall, which induce more scattering than a straight-line configuration. The object of the present invention is advantageous with these configurations, provided that the paths are understood correctly.
В V-образной конфигурации два измерительных преобразователя установлены на одной и той же стороне трубы. Для записи отражения под углом 45 градусов они размещены на расстоянии, приблизительно равном диаметру трубы, в направлении потока. В W-образной конфигурации используются три отражения. Подобно V-образной конфигурации два измерительных преобразователя установлены на одной и той же стороне трубы. Для записи сигнала после двух отражений под углом 45 градусов они размещены на расстоянии, равном двум диаметрам трубы в направлении потока.In a V-configuration, two transmitters are mounted on the same side of the pipe. To record the reflection at a 45 degree angle, they are placed at a distance approximately equal to the diameter of the pipe, in the direction of flow. The W-shaped configuration uses three reflections. Similar to the V-configuration, two transmitters are mounted on the same side of the pipe. To record the signal after two reflections at an angle of 45 degrees, they are placed at a distance equal to two pipe diameters in the direction of flow.
На фиг. 2 в качестве примера показаны первый акустический сигнал «1», который проходит прямо от пьезоэлектрического элемента 11 к пьезоэлектрическому элементу 13, и второй акустический сигнал «2», который дважды рассеивается на окружности трубы 12.In FIG. 2, by way of example, a first acoustic signal "1" is shown, which passes directly from the
Для простоты случаи рассеяния показаны на фиг. 2-5 в виде отражений, однако в действительности процесс рассеяния может быть более сложным. В частности, рассеяние, имеющее наибольшее значение, происходит, как правило, на стенке трубы или на материале, который установлен перед пьезоэлектрическими измерительными преобразователями. На фиг. 3 показан вид по фиг. 2 в направлении потока в направлении наблюдения A-A.For simplicity, scattering cases are shown in Fig. 2-5 as reflections, but in reality the scattering process can be more complex. In particular, scattering, which is of the greatest importance, usually occurs on the pipe wall or on the material that is installed in front of the piezoelectric transducers. In FIG. 3 is a view of FIG. 2 in the direction of flow in the direction of observation A-A.
На фиг. 4 и 5 показана вторая компоновка датчиков, в которой дополнительный пьезоэлектрический элемент 22 расположен под углом 45 градусов к пьезоэлектрическому элементу 11, и дополнительный пьезоэлектрический элемент 23 расположен под углом 45 градусов к пьезоэлектрическому элементу 13.In FIG. 4 and 5 show a second sensor arrangement in which the additional
Кроме того, на фиг. 4 и 5 показаны пути акустического сигнала в виде прямых или ровных линий для ситуации, в которой пьезоэлектрические элементы 11, 22 действуют в качестве пьезоизмерительных преобразователей, а пьезоэлектрические элементы 13, 23 действуют в качестве акустических датчиков. Пьезоэлектрический элемент 23, который находится позади трубы 12 в виде по фиг. 4, показан пунктирной линией на фиг. 4.In addition, in FIG. 4 and 5 show the acoustic signal paths as straight or even lines for a situation in which the
На фиг. 6-9 в качестве примера показаны разные компоновки закрепляемых пьезоэлектрических измерительных преобразователей, для которых можно использовать измерение расхода согласно настоящему изобретению. За счет доставки во множество измерительных преобразователей сигналов на основе сигналов произвольной формы на принимающем измерительном преобразователе можно получить улучшенный сигнал, например, улучшенные свойства формирования луча сигнала. За счет предоставления множества принимающих измерительных преобразователей, принятый измерительный сигнал можно оценить более эффективно, и/или может быть достигнута большая свобода проектирования для измерительных сигналов произвольной формы.In FIG. 6-9 show by way of example various mounting piezoelectric transducer arrangements for which flow measurement according to the present invention can be used. By delivering arbitrary waveform signals to a plurality of transducers, an improved signal, such as improved signal beamforming properties, can be obtained at the receiving transducer. By providing a plurality of receiving measurement transducers, the received measurement signal can be evaluated more efficiently and/or greater design freedom can be achieved for arbitrary waveform measurement signals.
Фиг. 6-9 выровнены так, что сила тяжести, действующая на жидкость в трубе 12, направлена вниз. Однако также могут быть использованы и компоновки, которые повернуты относительно компоновок, представленных на фиг. 6-9. Направление наблюдения на фиг. 6-9 проходит вдоль продольной оси трубы 12. Положение выше по потоку или ниже по потоку от измерительного преобразователя на фиг. 6-9 не указано.Fig. 6-9 are aligned so that the force of gravity acting on the liquid in
В компоновке по фиг. 6 массив из пяти пьезоэлектрических элементов 31-35 предусмотрен в первом местоположении, и дополнительный пьезоэлектрический элемент 36 расположен выше по потоку или ниже по потоку от первого местоположения. Если использовать массив из пяти элементов 31-35 как передатчик, и использовать дополнительный элемент 36 как приемник, массив пьезоэлектрических элементов 31-35 можно использовать для получения предварительно определенного фронта волны и для достижения улучшенной фокусировки акустической волны в предварительно определенном направлении.In the arrangement of FIG. 6, an array of five piezoelectric elements 31-35 is provided at a first location, and an additional
В компоновке по фиг. 7 в первом местоположении предусмотрен один пьезоэлектрический элемент 37, и массив из пяти пьезоэлектрических элементов 38-42 расположен выше по потоку или ниже по потоку от первого местоположения. Массив пьезоэлектрических элементов 38-42 можно использовать для получения улучшенной записи фронта волны сигнала отклика. Эта улучшенная запись может затем быть использована для получения улучшенного сигнала для измерения расхода, который затем подается в одиночный пьезоэлектрический элемент 37.In the arrangement of FIG. 7, one
На фиг. 8 показана компоновка двух пьезоэлектрических элементов 43, 44, в которой один элемент расположен ниже по потоку от другого. Расстояние d от линии соединения между пьезоэлектрическими элементами 43, 44 до оси симметрии трубы 12 составляет приблизительно половину радиуса трубы 12, так что можно измерить слой потока на расстоянии d до центральной оси трубы 12.In FIG. 8 shows an arrangement of two
Особенно для закрепляемых измерительных преобразователей, таких как пьезоэлектрические элементы 43, 44, показанные на фиг. 8, измерение расхода согласно настоящему изобретению обеспечивает улучшенный сигнал на принимающем пьезоэлектрическом элементе 44, 43 за счет формирования луча.Especially for fixed transducers such as the
На фиг. 9 показана компоновка восьми пьезоэлектрических элементов 45-52, которые разнесены друг от друга на угол 45 градусов. Что касается размещений выше по потоку и ниже по потоку, возможны несколько компоновок.In FIG. 9 shows an arrangement of eight piezoelectric elements 45-52 that are 45 degrees apart from each other. With respect to upstream and downstream arrangements, several arrangements are possible.
В одной компоновке местоположения датчиков попеременно меняются по периметру между размещением выше по потоку и ниже по потоку, например, 45, 47, 49, 51 - выше по потоку, и 46, 48, 50, 52 - ниже по потоку.In one arrangement, sensor locations alternate around the perimeter between upstream and downstream placement, for example, 45, 47, 49, 51 upstream and 46, 48, 50, 52 downstream.
В другой компоновке первые четыре идущих по порядку по периметру элемента, например, 45-48, расположены выше по потоку или ниже по потоку относительно других четырех элементов, например, 49-52. В еще одной компоновке с 16 пьезоэлектрическими элементами все пьезоэлектрические элементы 45-52 по фиг. 9 расположены в одной плоскости, и компоновка по фиг. 9 повторяется в направлении выше по потоку или ниже по потоку.In another arrangement, the first four in-order perimeter elements, such as 45-48, are located upstream or downstream of the other four elements, such as 49-52. In yet another arrangement with 16 piezoelectric elements, all of the piezoelectric elements 45-52 of FIG. 9 are in the same plane, and the arrangement of FIG. 9 is repeated in the upstream or downstream direction.
В компоновках по фиг. 6-9, принимающий измерительный преобразователь смещен от отправляющего измерительного преобразователя относительно продольного направления трубопровода или направления потока. В частности, измерительный преобразователь 36 по фиг. 6 смещен относительно измерительных преобразователей 31-35, измерительный преобразователь 37 по фиг. 7 смещен относительно измерительных преобразователей 38-42, измерительный преобразователь 44 по фиг. 8 смещен относительно измерительного преобразователя 43, и на фиг. 9 противоположные измерительные преобразователи смещены друг относительно друга в продольном направлении трубопровода. Например, измерительный преобразователь 51 смещен относительно измерительного преобразователя 47, и измерительный преобразователь 52 смещен относительно измерительного преобразователя 46.In the arrangements of FIG. 6-9, the receiving transducer is offset from the sending transducer with respect to the pipeline longitudinal or flow direction. In particular, the
На фиг. 10 в качестве примера показано устройство 60 измерения расхода для измерения расхода в компоновке на фиг. 1 или других компоновках согласно настоящему изобретению. В компоновке по фиг. 1 устройство 60 измерения расхода снабжено первым и вторым блоками 15 и 16 вычисления (не показаны на фиг. 10).In FIG. 10 shows, by way of example, a
Первый соединитель 61 устройства 60 измерения расхода соединен с первым пьезоэлектрическим измерительным преобразователем 11 в трубопроводе 12 для текучей среды, и второй соединитель 62 устройства измерения расхода соединен со вторым пьезоэлектрическим измерительным преобразователем 13 в трубопроводе 12 для текучей среды.The
Внутри устройства 60 измерения расхода первый соединитель 61 соединен с аналого-цифровым преобразователем 64 через мультиплексор 63 и первый усилитель 74. Второй соединитель 62 соединен с цифровым буфером 67 через второй усилитель 75 и демультиплексор 66.Inside the
Буфер 67 соединен с генератором 69 сигналов заданной формы, который соединен с базой 70 данных сигналов заданной формы. База 70 данных сигналов заданной формы соединена с ADC 64 через модуль 68 согласования, при этом предусматривается, что модуль 68 согласования выполняет согласование параметров с конкретными условиями испытываемого трубопровода 12. Кроме того, ADC 64 дополнительно соединен с блоком 71 вычисления скорости, который соединен с запоминающим устройством 72 для результатов.
Во время фазы генерирования сигналов генератор 69 сигналов заданной формы извлекает параметры формы сигнала из базы 70 данных сигналов заданной формы, получает электрический сигнал на основе извлеченных параметров формы сигнала и отправляет этот сигнал в цифровой буфер 67.During the waveform generation phase, the
Конкретнее, устройство 60 измерения расхода может быть снабжено электронным блоком 53 обработки в форме микроконтроллера или FPGA, которая содержит, среди прочего, несколько ADC 64 с высокой разрешающей способностью, цифровой коррелятор (не показан на фиг. 10) и модуль, поддерживающий обнаружение огибающей сигнала. В направлении передачи устройство 60 измерения расхода генерирует цифровые сигналы с переменной частотой. В случае сигнала прямоугольной формы рабочий цикл сигнала можно изменять путем модуляции ширины импульса сигнала прямоугольной формы, что также известно как PWM.More specifically, the
ADC 64, модуль 68 согласования, база 70 данных сигналов заданной формы, генератор 69 сигналов заданной формы и буфер 67 предусматриваются, например, в электронном блоке 53 обработки, например, микроконтроллере или микропроцессоре. Среди прочего, электронный блок 53 обработки содержит штырь 54 соединителя для соединения с первым усилителем 74, штырь 55 соединителя для соединения со вторым усилителем 75, штырь соединителя (не показан) для соединения с батареей питания (не показана) и штырь соединителя (не показан) для соединения с потенциалом земли (не показан).The
Между батареей питания и штырем соединителя могут быть предусмотрены дополнительные компоненты, не показанные на фиг. 10, такие как преобразователь электроэнергии.Additional components may be provided between the battery and the connector pin, not shown in FIG. 10, such as the power converter.
В альтернативном варианте осуществления можно измерить «текущий отпечаток пальца» электронного блока 53 обработки при исполнении предложенных способов. Было обнаружено, что вычислительная часть способов находится не в области обзора (что могло бы представлять собой выраженный текущий отпечаток пальца), а скорее в плоских областях, следующих за областью обзора.In an alternative embodiment, it is possible to measure the "current fingerprint" of the
Устройство 60 измерения расхода может передавать сигналы с предварительно определенной частотой и амплитудой. Эти сигналы выводятся цифровым буфером 67. Альтернативно вывод может обеспечиваться компонентом, преобразующим предварительно определенный выходной сигнал в сигнал PWM.The
Устройство по фиг. 10 показано для иллюстрации. Устройство для осуществления измерения расхода согласно настоящему изобретению может содержать больше или меньше компонентов, чем показано на фиг. 10. В частности, цифровые сигналы в соответствии с упоминаемыми ниже способами DTRAF и DTRAC могут генерироваться блоком 76 регулируемого генератора импульсов и не требуют наличия модуля 68 согласования, и/или базы 70 данных сигналов заданной формы, и/или генератора 69 сигналов заданной формы.The device according to Fig. 10 is shown for illustration purposes. The device for performing flow measurement according to the present invention may contain more or fewer components than shown in FIG. 10. In particular, the digital signals according to the DTRAF and DTRAC methods mentioned below can be generated by the variable
В случае сгенерированного с помощью PWM обращенного во времени сигнала предусматривается функциональная возможность обращения во времени принятого сигнала отклика или части принятого сигнала отклика и отправки обращенного сигнала в качестве входного сигнала в широтно-импульсный модулятор.In the case of a PWM generated time reversal signal, the functionality is provided to reverse the time of the received response signal, or a portion of the received response signal, and send the reversal signal as an input to the pulse width modulator.
Процедуры следующих фиг. 11-13 могут использоваться для генерирования специально адаптированных цифровых выходных сигналов для использования при измерении согласно настоящему изобретению. Среди прочего, может изменяться фаза и амплитуда цифрового сигнала.The procedures of the following FIG. 11-13 can be used to generate specially adapted digital output signals for use in the measurement according to the present invention. Among other things, the phase and amplitude of the digital signal may change.
На фиг. 11 изображена итерационная процедура генерирования ультразвукового выходного сигнала, согласующегося с предварительно заданными критериями.In FIG. 11 depicts an iterative procedure for generating an ultrasonic output matching predetermined criteria.
На первом этапе 80 генератор импульсов генерирует измерительный сигнал. На втором этапе 81 измерительный сигнал подают в первый измерительный преобразователь 11. Сигнал отклика измеряют во втором измерительном преобразователе 13 на этапе 82.In the
На следующем этапе 83 сигнал отклика оценивают в соответствии с предварительно определенными критериями. Например, сигнал отклика может согласовываться с предварительной определенной формой сигнала. Если на этапе 84 определяют, что сигнал отклика согласуется с предварительно определенными критериями, параметры измерительного сигнала определяют и сохраняют на этапе 86, предпочтительно, в базе 70 данных сигналов заданной формы для последующего использования.In the next step 83, the response signal is evaluated according to predetermined criteria. For example, the response signal may be consistent with a predetermined waveform. If it is determined in step 84 that the response signal matches the predetermined criteria, the measurement signal parameters are determined and stored in step 86, preferably in the
Иначе частоту, амплитуду и/или фазу измерительного сигнала или также другие параметры сигнала подвергают регулировке на этапе 85, и процедуру возвращают к началу цикла на первый этап 80, на котором генерируют предварительно определенный измерительный сигнал.Otherwise, the frequency, amplitude and/or phase of the measurement signal, or also other signal parameters, are adjusted in step 85, and the procedure is looped back to the
Данный итерационный способ также может применяться к компоновке с множеством измерительных преобразователей. В случае множества отправляющих измерительных преобразователей, подвергают регулировке отдельные частоты, амплитуды или фазы соответствующих измерительных сигналов. В случае множества измерительных преобразователей, критерии применяют к сигналам отклика, принятым в принимающих измерительных преобразователях.This iterative method can also be applied to a multi-transmitter arrangement. In the case of a plurality of sending measuring transducers, the individual frequencies, amplitudes or phases of the respective measuring signals are adjusted. In the case of multiple transducers, the criteria apply to the response signals received at the receiving transducers.
На фиг. 12 показан дополнительный способ получения сигнала произвольной формы, который включает следующие этапы.In FIG. 12 shows an additional method for obtaining an arbitrary waveform, which includes the following steps.
На этапе 90 измеряют ширину полосы пропускания измерительного преобразователя. В одном примере ширина полосы пропускания измерительного преобразователя составляет приблизительно 300 кГц около центральной частоты измерительного преобразователя приблизительно 1 МГц. Одним примером сигнала, для которого может эффективно использоваться такая ширина полосы пропускания измерительного преобразователя, является сигнал, имеющий ширину прямоугольной полосы пропускания 300 кГц в частотной области.In
Функция с ограниченной полосой пропускания, такая как прямоугольный сигнал, генерируется в частотной области. Соответствующий сигнал или функцию во временной области получают на этапе 92 путем применения обратного преобразования Фурье, дающего функцию, подобную кардинальному синусу.A band-limited function such as a square wave is generated in the frequency domain. The corresponding time domain signal or function is obtained in
Эту функцию, подобную кардинальному синусу, затем на этапе 93 подвергают усечению до подходящей длительности сигнала, которая не содержит излишне высокую мощность сигнала, но содержит достаточное количество информации. Затем на этапе 94 сигнал используют в качестве входного сигнала для генератора импульсов или широтно-импульсной модуляции с целью генерирования последовательности импульсов.This cardinal sine-like function is then truncated in
Результирующий сигнал используют в качестве измерительного сигнала в направлениях выше по потоку и ниже по потоку на этапах 95 и 96.The resulting signal is used as the measurement signal in the upstream and downstream directions in
На фиг. 13 показан дополнительный способ получения измерительного сигнала. Способ по фиг. 13 представляет собой вариант способа по фиг. 12. Для краткости подобные этапы заново не разъясняются. Согласно способу по фиг. 13 функцию или сигнал заданной формы регулируют так, что смещение в режиме нулевого расхода текучей среды отсутствует.In FIG. 13 shows an additional method for obtaining a measurement signal. The method according to FIG. 13 is a variant of the method of FIG. 12. For brevity, such steps are not re-explained. According to the method of FIG. 13, the function or waveform is adjusted such that there is no offset in the zero fluid flow mode.
На этапе 105 проводят испытание того, находится ли смещение сигнала по времени ниже предварительно определенного порогового значения. Если смещение находится ниже предварительно определенного порогового значения, на этапе 107 параметры сигнала сохраняют. Иначе процедуру возвращают к началу цикла на этап 101.In
Ниже разъяснен дополнительный способ (не показан на фигурах).An additional method (not shown in the figures) is explained below.
1) Из разности измерений выше по потоку и ниже по потоку получают разность значений времени пролета ΔT.1) From the difference between the upstream and downstream measurements, the time-of-flight difference ΔT is obtained.
2) Регулируют частоту сигнала. После этого процедуру возвращают к началу цикла на этап 1), и амплитуду и фазу сигнала во временной области изменяют до достижения нулевого смещения, что предполагает, что для нулевого расхода текучей среды измеряют разность значений времени, которая является нулевой.2) Adjust the frequency of the signal. The procedure is then returned to the beginning of the loop in step 1), and the amplitude and phase of the signal in the time domain are changed until zero offset is reached, which implies that for zero fluid flow, the time difference is measured, which is zero.
3) Альтернативно сигнал этапа 1) генерируется на этапе 2) коррекции. В соответствии с предварительно определенными критериями, к сигналу применяется предыскажение. Предыскажение может быть выбрано так, что приемник может быть выполнен таким образом, что он является подходящим для конкретного принятого сигнала отклика. Например, сигналы на этапах 1) и 2) могут подвергать предыскажению так, что прохождения через нуль в приемнике происходят через равноотстоящие промежутки времени. Таким образом, может использоваться узкополосный приемник. Это применимо ко времени пролета и измерениям TRA.3) Alternatively, the signal of step 1) is generated in step 2) of the correction. According to predefined criteria, pre-emphasis is applied to the signal. The pre-emphasis may be chosen such that the receiver may be configured to be suitable for the particular received response signal. For example, the signals in steps 1) and 2) may be pre-emphasized so that the zero-crossings at the receiver occur at equally spaced time intervals. Thus, a narrowband receiver can be used. This applies to time of flight and TRA measurements.
На этапах 1-3 вместо простого колебания с прямоугольной огибающей используют цифровой сигнал произвольной формы. Вышеупомянутую процедуру и процедуры по фиг. 11-13 можно использовать для всех цифровых систем, которые основаны на измерении времени пролета, и в которых используется обращенная во времени акустика.Steps 1-3 use a digital arbitrary waveform instead of a simple square wave. The above procedure and the procedures of FIG. 11-13 can be used for all digital systems that are based on time-of-flight measurements and use time-reversed acoustics.
Ниже более подробно разъяснены измерения расхода с применением способа DTRAF, с применением способа DTRAC и с применением обращенного во времени сигнала, подаваемого в широтно-импульсную модуляцию.Flow measurements using the DTRAF method, using the DTRAC method, and using a time-reversed signal applied in pulse-width modulation are explained below in more detail.
Цифровая фильтрация с использованием TRA (DTRAF) представляет собой цифровую версию известного способа с использованием TRA. Основной идеей DTRAF является отсутствие отправки обращенного во времени сигнала и, вместо этого, ее замена операцией цифровой фильтрации, однако, без изменения основополагающих принципов также возможна отправка обращенного во времени сигнала в сочетании с DTRAF (или DTRAC). Соответственно, в процессе обучения DTRAF получают цифровой FIR-фильтр, в котором цифровым образом исполняют способ с использованием TRA. Это упрощает электронику в том, что касается удаления TDC и менее высоких технических условий в отношении DAC, например, в том, что касается точности и потребления электроэнергии. Напротив, важным компонентом является ADC. В конечном итоге, интерполяция обработанных сигналов повышает точность из периода выборки в пикосекундную область.Digital filtering using TRA (DTRAF) is a digital version of the known method using TRA. The basic idea of DTRAF is not to send a time-reversed signal and instead replace it with a digital filtering operation, however, without changing the underlying principles, it is also possible to send a time-reversed signal in combination with DTRAF (or DTRAC). Accordingly, in the DTRAF learning process, a digital FIR filter is obtained in which the TRA method is digitally executed. This simplifies the electronics in terms of TDC removal and lower specification DACs, for example in terms of accuracy and power consumption. On the contrary, an important component is the ADC. Ultimately, interpolation of the processed signals improves accuracy from the sampling period to the picosecond domain.
Предложенный способ DTRAF изображен в форме структурной схемы на фиг. 19.The proposed DTRAF method is shown in block diagram form in FIG. nineteen.
В компоновке по фиг. 19 цифровой буфер 67 компоновки по фиг. 10 заменен блоком 76 регулируемого генератора импульсов (APGU). Ниже данный способ разъяснен более подробно.In the arrangement of FIG. 19 the layout
В первую очередь, либо с помощью высокоточного, либо с помощью бортового ADC осуществляют процесс обучения с использованием TRA для устройства 60 измерения расхода. Вывод обучения представляет собой цифровой FIR-фильтр. Система возбуждается входным сигналом в режиме обучения:First of all, either with the help of a high-precision or with the help of an on-board ADC, a learning process is carried out using the TRA for the
(1) (one)
(2) (2)
где - период выборки. Этот период выборки должен согласовываться с периодом выборки последующих измерений. В случае использования более быстрого ADC, цифровой фильтр необходимо подвергнуть перевыборке до равенства периоду выборки режима измерения.where - sampling period. This sampling period shall be consistent with the sampling period of subsequent measurements. If a faster ADC is used, the digital filter must be resampled to equal the sampling period of the measurement mode.
В режиме измерения система снова возбуждается входным сигналом :In measuring mode, the system is again excited by the input signal :
(3) (3)
(4) (4)
и - оцифрованные измерительные сигналы. Здесь и далее переменная в квадратных скобках обозначает дискретный временной индекс, соответствующий n-кратному времени выборки Ts, в случае равномерной выборки, которая начинается в момент времени t = 0. and - digitized measuring signals. Here and below, the variable in square brackets denotes the discrete time index corresponding to n times the sampling time Ts, in the case of a uniform sampling that starts at time t = 0.
На следующем этапе эти оцифрованные измерительные сигналы подвергают свертке с помощью обращенных во времени обученных цифровых фильтров:In the next step, these digitized measurement signals are convolved with time-reversed trained digital filters:
(5) (5)
(6) (6)
Эта дополнительная операция фильтрации увеличивает вычислительное время вследствие множества операций умножения и сложения. Здесь следует отметить, что при обеих свертках может быть выгодно использовать вместо двух разных блоков 120, 121 обученных цифровых фильтров одинаковые блоки цифровых фильтров. Обращение во времени можно осуществить в запоминающем устройстве путем сохранения в обратном порядке или также путем считывания в обратном порядке.This additional filtering operation adds to the computational time due to the many multiplications and additions. It should be noted here that for both convolutions it may be advantageous to use the same digital filter banks instead of two different trained
Затем эти два подвергнутых фильтрации измерительных сигнала и подвергают корреляции (или согласованию с помощью какого-либо сопоставителя) друг с другом в блоке 122 взаимной корреляции:These two filtered measuring signals are then and subjected to correlation (or matching using any matcher) with each other in
(7) (7)
Важно отметить, что данная взаимная корреляция с помощью блока 122 взаимной корреляции не требует полного вычисления. В частности, функцию корреляции не обязательно подвергать выборке со столь высокой частотой, чтобы максимальное значение всегда было близко ко времени выборки. Взаимная корреляция представляет собой оценочную функцию для временных задержек, и ее максимальное значение аргумента соответствует временной задержке между двумя измерительными сигналами:It is important to note that this cross-correlation by the
(8) (eight)
где n - временной индекс, и r - функция корреляции между двумя измерительными сигналами y12[n], y21[n].where n is the time index and r is the correlation function between two measurement signals y 12 [n], y 21 [n].
Временная задержка между сигналом выше по потоку и ниже по потоку в два раза больше временной задержки между сигналом в режиме нулевого расхода и сигналом при текущем расходе текучей среды.The time delay between the upstream and downstream signal is twice the time delay between the signal in zero flow mode and the signal at the current flow rate.
Однако с целью вычисления не всей взаимной корреляции достаточно иметь оценку, в которой расположено максимальное значение аргумента. Это можно выполнить с помощью оценок абсолютных значений времени переноса и . Вычитание этих значений времени переноса по определению дает:However, in order to calculate not the entire cross-correlation, it is sufficient to have an estimate in which the maximum value of the argument is located. This can be done using estimates of the absolute values of the transfer time and . Subtracting these transfer times by definition gives:
(9) (nine)
При низких частотах выборки этого точно достаточно для оценки :At low sampling rates, this is exactly enough to estimate :
(10) (ten)
где обозначает оценку . В геометрическом смысле представляет собой запаздывание в единицах целочисленных отсчетов между двумя подвергнутыми фильтрации измерительными сигналами и .where denotes an estimate . In a geometric sense is the delay, in units of integer samples, between two filtered measurement signals and .
Наконец, необходимо вычислить лишь несколько точек взаимной корреляции (или какого-либо сопоставителя) в окрестности запаздывания . Количество точек зависит от способа интерполяции. Способ интерполяции повышает точность от периода выборки вплоть до пикосекундного диапазона. В качестве примера, для таких сигналов ультразвукового измерительного преобразователя со столь небольшой шириной полосы пропускания превосходно действует косинусная интерполяция (требует трех точек). Косинусная интерполяция пиков дает расстояние от запаздывания до скрытого максимального значения непрерывной косинусной функции. Эта интерполяция изображена на фиг. 20.Finally, it is necessary to calculate only a few cross-correlation points (or any matcher) in the vicinity of the delay . The number of points depends on the interpolation method. The interpolation method improves the accuracy from the sampling period up to the picosecond range. As an example, for such ultrasonic transducer signals with such a small bandwidth, cosine interpolation (requires three points) performs excellently. Cosine interpolation of the peaks gives the distance from delay up to the hidden maximum value of the continuous cosine function. This interpolation is shown in Fig. 20.
Из документа: F. Viola, W. Walker, «A Spline-Based Algorithm for Continuous Time-Delay Estimation Using Sampled Data», IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics and frequency control, Vol. 52, No. 1, January 2005; известно, что косинусную интерполяцию пиков функции y[k] можно вычислить следующим образом:From: F. Viola, W. Walker, "A Spline-Based Algorithm for Continuous Time-Delay Estimation Using Sampled Data", IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics and frequency control, Vol. 52, no. 1, January 2005; it is known that the cosine interpolation of the peaks of the function y[k] can be calculated as follows:
(11) (eleven)
(12) (12)
(13) (thirteen)
С помощью затем вносят поправку в оценку запаздывания для получения с высокой точностью:Via then correct the delay estimate to receive with high precision:
(14) (fourteen)
Умножение на ½ можно пропустить при учете в конечном вычислении скорости потока.The multiplication by ½ can be omitted when considering the flow rate in the final calculation.
Имеется способ, несколько отличающийся от DTRAF (цифровой фильтрации с использованием TRA), называемый DTRAC (цифровая корреляция с использованием TRA). Процессы обучения и измерения для получения обученных FIR-фильтров и измерительных сигналов идентичны DTRAF. Однако изменяется цепочка обработки сигналов. Вместо фильтрации всего сигнала с помощью (обращенных во времени) обученных FIR-фильтров, необходимо лишь вычислить несколько точек путем взаимной корреляции с помощью не обращенных во времени FIR-фильтров. Это осуществляется для измерительного сигнала выше и ниже по потоку.There is a method slightly different from DTRAF (Digital Filtering Using TRA) called DTRAC (Digital Correlation Using TRA). The training and measurement processes for obtaining trained FIR filters and measurement signals are identical to DTRF. However, the signal processing chain is changed. Instead of filtering the entire signal with (time-reversed) trained FIR filters, it is only necessary to compute a few points by cross-correlation with non-time-reversed FIR filters. This is done for the measuring signal upstream and downstream.
Путем интерполяции этих точек корреляции получаются точные абсолютные значения времени переноса, которые затем можно использовать для вычисления путем вычитания. Пример способа DTRAC изображен на фиг. 21 в виде структурной схемы.By interpolating these correlation points, exact absolute transfer times are obtained, which can then be used to calculate by subtraction. An example of the DTAC method is shown in FIG. 21 in block diagram form.
Аналогично способу DTRAF, для выполнения DTRAC можно использовать блок 76 регулируемого генератора импульсов. Ниже предложенный способ DTRAC разъяснен более подробно.Similar to the DTRAF method, variable
В первую очередь, обучение с использованием TRA осуществляют таким же образом, как для DTRAF, с помощью входного сигнала , тогда как - непрерывная во времени форма :First of all, training using TRA is carried out in the same way as for DTRAF, using the input signal , whereas - time-continuous form :
(15) (fifteen)
(16) (sixteen)
Это дает коэффициенты FIR-фильтра и , где - период выборки.This gives the FIR filter coefficients and , where - sampling period.
Данное измерение действует таким же образом, как при обучении с использованием TRA. Используют тот же входящий сигнал :This measurement works in the same way as when training using TRA. Use the same input signal :
(17) (17)
(18) (eighteen)
Измерительные сигналы подвергают квантованию и выборке с помощью . Затем эти измерительные сигналы подвергаются взаимной корреляции с помощью цифровых фильтров:The measurement signals are quantized and sampled using . These measurement signals are then cross-correlated using digital filters:
(19) (nineteen)
(20) (20)
Взаимная корреляция представляет собой оценочную функцию для временных задержек. Однако можно использовать другие оценочные функции временных задержек (или сопоставители), такие как, например, сумма квадратов разности (SSD). Две взаимные корреляции не обязательно вычислять полностью, вместо этого необходимо вычислить лишь несколько точек в окрестности реального максимального пикового значения. Этого достаточно для вычисления способа интерполяции:Cross-correlation is an estimate function for time delays. However, other time delay estimators (or matchers) may be used, such as, for example, sum of squared difference (SSD). The two cross-correlations do not have to be computed completely, instead only a few points in the vicinity of the real maximum peak need to be computed. This is enough to calculate the interpolation method:
(21) (21)
(22) (22)
Или, в более общем случае, оценки для низких частот выборки:Or, more generally, estimates for low sampling rates:
(23) (23)
(24) (24)
соответствует оценке . Большой период выборки снижает риск неверной оценки или . В способе интерполяции используется значение непрерывной во времени функции в основе дискретной во времени взаимной корреляции (или какого-либо сопоставителя). В случае узкополосных ультразвуковых измерительных преобразователей вывод взаимной корреляции, как правило, весьма подобен косинусному колебанию в окрестности реального максимального пикового значения. Данный эффект может быть даже больше в случае входного сигнала, который возбуждает только резонансную частоту пары ультразвуковых измерительных преобразователей, подобно длинному синусному, косинусному, треугольному или прямоугольному колебанию. В способе интерполяции оценивают индекс реального максимального значения дискретной во времени взаимной корреляции в подвыборках (и значений времени, кратных периоду выборки): corresponds to the assessment . Large sampling period reduces the risk of misestimation or . The interpolation method uses the value of a time-continuous function based on a time-discrete cross-correlation (or some matcher). In the case of narrowband ultrasonic transducers, the cross-correlation output is typically quite similar to a cosine waveform around the actual maximum peak value. This effect can be even greater for an input signal that only drives the resonant frequency of a pair of ultrasonic transducers, like a long sine, cosine, triangular, or square wave. In the interpolation method, the index of the real maximum value of the time-discrete cross-correlation in subsamples (and time values that are multiples of the sample period) is estimated:
(25) (25)
(26) (26)
и соответствует коррекции подвыборки способа интерполяции. Так как абсолютные значения времени переноса и являются чрезвычайно точными, можно получить путем вычитания следующего: and corresponds to the subsampling correction of the interpolation method. Since the absolute values of the transfer time and are extremely accurate can be obtained by subtracting the following:
(27) (27)
Умножение на ½ можно пропустить при учете в вычислении скорости потока.The multiplication by ½ can be omitted when considering the flow rate in the calculation.
Предложенные способы DTRAF и DTRAC могут моделировать на компьютере канал 77 с трубопроводом 12 и текучей средой. Это можно объяснить следующим образом: если LTI-система содержит блоки или передаточные функции A, B, C, D, то результирующая передаточная функция в частотной области представляет собой произведение A*B*C*D отдельных передаточных функций A, B, C, D. Данное произведение не зависит от порядка передаточных функций A, B, C, D. Поэтому вычисление отклика канала можно «сместить» в цифровую область.The proposed methods DTRAF and DTRAC can simulate on a
На фиг. 14 показан сигнал 129 PWM широтно-импульсного модулятора, имеющего подходящим образом модулированный цикл включения и выключения, так что сигнал 129 PWM аппроксимирует обращенный во времени TRA-сигнал 130.In FIG. 14 shows a
На фиг. 15 показано сравнение сигнала 131 отклика с сигналом 129 PWM и сигнала 132 отклика с обращенным во времени TRA-сигналом 130.In FIG. 15 shows a comparison of the
Согласно способу с использованием TRA на основе PWM обращенный во времени сигнал аппроксимируется как:According to the PWM-based TRA method, the time-reversed signal is approximated as:
UA = A sign(UE-UD), где sign(x) = 1 для x >= 0 и 0 в остальных случаях.U A = A sign(U E -U D ), where sign(x) = 1 for x >= 0 and 0 otherwise.
В качестве примера, широтно-импульсная модуляция может быть основана на примере с измерительным преобразователем, частотой треугольного сигнала 2 МГц и временным разрешением PWM приблизительно 83 нс.As an example, Pulse Width Modulation can be based on a transducer example with a triangular signal frequency of 2 MHz and a PWM time resolution of approximately 83 ns.
Приближение обращенного во времени сигнала, показанного на фиг. 14, является достаточно удовлетворительным, даже если генерирование PWM остается простым, и дополнительные фильтры не используются.An approximation of the time-reversed signal shown in FIG. 14 is quite satisfactory even if PWM generation is kept simple and additional filters are not used.
Моделирование с помощью коррелированной TRA на основе PWM, показанное на фиг. 16, показывает, как изменяется поведение ΔT. Так как для моделирования вычисляется мощность сигнала и масштабируется шум, при таком моделировании SNR для коррелированной TRA на основе PWM должно являться повышенным.The PWM-based correlated TRA simulation shown in FIG. 16 shows how the behavior of ΔT changes. Since signal strength is computed for simulation and noise is scaled, the SNR for PWM-based correlated TRA should be increased in this simulation.
Результаты на фиг. 16 и 17 получены путем моделирования, при котором система, предусматривающая генерирование сигнала, измерительные преобразователи, канал и прием сигнала, моделируется как линейная стационарная система. При моделировании моделируются измерения в режиме нулевого расхода.The results in FIG. 16 and 17 are obtained by simulation in which the system including signal generation, transducers, channel and signal reception is modeled as a linear stationary system. The simulation simulates measurements in zero flow mode.
На фиг. 16 показаны измеренные временные задержки для коррелированной TRA на основе PWM. Измеренные временные задержки указаны гистограммой 133, а результирующая плотность вероятности показана кривой 134 Гаусса.In FIG. 16 shows measured time delays for PWM-based correlated TRA. The measured time delays are indicated by a
На фиг. 17 показаны результаты измерений для сигналов, сгенерированных с помощью вышеупомянутого способа цифровой корреляции с использованием TRA. Измеренные временные задержки указаны гистограммой 135, а результирующая плотность вероятности показана кривой 136 Гаусса.In FIG. 17 shows measurement results for signals generated by the above digital correlation method using TRA. The measured time delays are indicated by a
На фиг. 18 показаны результаты измерений для сигналов, сгенерированных с помощью вышеупомянутого способа цифровой фильтрации с использованием TRA. Измеренные временные задержки указаны гистограммой 135, а результирующая плотность вероятности показана кривой 136 Гаусса.In FIG. 18 shows measurement results for signals generated by the above digital filtering method using TRA. The measured time delays are indicated by a
Сравнение способов между собой дает относительно близкие результаты (например, в отношении среднего и стандартного отклонения). Следует отметить, что параметры моделирования, используемые при генерировании результатов измерений, показанных на фиг. 16, 17 и 18, отличаются.Comparison of the methods with each other gives relatively similar results (for example, in relation to the mean and standard deviation). It should be noted that the simulation parameters used in generating the measurement results shown in FIG. 16, 17 and 18 are different.
Для измерения на фиг. 18 в качестве входного сигнала используются последовательности импульсов, содержащие 25 импульсов. Первые 50 измерений обучения с использованием TRA усредняются и сохраняются в двух FIR-фильтрах. ΔT_DTRAF представляет собой результат способа цифровой фильтрации с использованием TRA (DTRAF). Для измерений в режиме нулевого расхода использовали испытательную трубку с закрытыми концами.For the measurement in FIG. 18, pulse trains containing 25 pulses are used as input. The first 50 TRA training measurements are averaged and stored in two FIR filters. ΔT_DTRAF is the result of a digital filtering method using TRA (DTRAF). For measurements in zero flow mode, a test tube with closed ends was used.
На фиг. 19 показана визуализация способа DTRAF в виде структурной схемы. Здесь блок 76 регулируемого генератора импульсов соединен с источником входного сигнала на входной стороне и с первым ультразвуковым измерительным преобразователем 11 на выходной стороне. Первый ультразвуковой измерительный преобразователь 11 соединен с каналом 77, таким как трубопровод 12 с текучей средой. Второй ультразвуковой измерительный преобразователь 13 соединен с каналом 77, и выход второго ультразвукового измерительного преобразователя 13 соединен с ADC 64. Аналогичная компоновка также используется в фазе измерения, показанной на фиг. 19 под фазой обучения.In FIG. 19 shows a visualization of the DTRAF method in the form of a block diagram. Here, the adjustable
В нижней строке показана оценка сигнала, представляющего собой оцифрованный принятый сигнал отклика, в фазе измерения. Первый блок 120 цифрового фильтра и второй блок 121 цифрового фильтра соответственно соединены с выходом ADC 64. Соответствующие выходы блоков 120, 121 цифровых фильтров соединены с входом блока 122 взаимной корреляции, а выход блока 122 взаимной корреляции соединен с входом блока 123 интерполяции.The bottom line shows the evaluation of the signal, which is the digitized received response signal, in the measurement phase. The first
На фиг. 20 показано изображение общей интерполяции пиков для определения максимального значения функции корреляции. Общая интерполяция пиков согласно фиг. 20 дополнительно разъяснена выше и не повторяется здесь в подробностях. Коротко, функция корреляции локально аппроксимируется косинусной функцией или многочленом более высокого порядка. Этот косинус находят путем интерполяции с тремя узлами интерполяции y[k-1], y[k] и y[k+1]. Затем определяют максимальное значение косинусной функции. Если доступно большее количество узлов интерполяции, для нахождения косинуса можно использовать способ наименьших квадратов. Расстояние от узлов интерполяции до косинуса также можно минимизировать в соответствии с нормировкой другого типа.In FIG. 20 shows an image of the overall interpolation of the peaks to determine the maximum value of the correlation function. The overall peak interpolation according to FIG. 20 is further explained above and is not repeated here in detail. Briefly, the correlation function is locally approximated by a cosine function or a higher order polynomial. This cosine is found by interpolation with three interpolation nodes y[k-1], y[k] and y[k+1]. Then the maximum value of the cosine function is determined. If more interpolation nodes are available, you can use the least squares method to find the cosine. The distance from the interpolation nodes to the cosine can also be minimized according to another type of normalization.
На фиг. 21 показана визуализация предложенного способа DTRAC в виде структурной схемы. Компоновка по фиг. 21 подобна компоновке по фиг. 19. Для краткости ниже разъяснены только компоненты в нижней строке, которые отличаются от компонентов по фиг. 19.In FIG. 21 shows a visualization of the proposed DTRAC method in the form of a block diagram. The arrangement according to Fig. 21 is similar to the arrangement of FIG. 19. For brevity, only the components in the bottom row, which differ from the components of FIG. nineteen.
Вход блока 122 взаимной корреляции соединен с выходом ADC 64, и выход блока 122 взаимной корреляции соединен с входом блока 123 интерполяции.The input of
Фиг. 19 и 21 также можно рассматривать как возможную реализацию способов DTRAC и DTRAF компонентами аппаратного обеспечения и/или программного обеспечения. Различные блоки, показанные на фиг. 19 и 21, могут быть реализованы отдельными компонентами или в одном компоненте, и они могут быть реализованы в аппаратном обеспечении и/или в программном обеспечении. Например, блок 122 взаимной корреляции и блок 123 интерполяции могут быть реализованы на одной интегральной схеме. Процедуры обучения и измерения согласно фиг. 19-21 были дополнительно разъяснены выше и не будут здесь повторяться.Fig. 19 and 21 can also be considered as a possible implementation of the DTRAC and DTRAF methods by hardware and/or software components. The various blocks shown in Fig. 19 and 21 may be implemented in separate components or in a single component, and they may be implemented in hardware and/or software. For example, block 122 cross-correlation and block 123 interpolation can be implemented on the same integrated circuit. The training and measurement procedures according to FIG. 19-21 have been further explained above and will not be repeated here.
На фиг. 22 на примере показан дополнительный вариант осуществления предложенного устройства 60´ измерения расхода для измерения скорости потока текучей среды в трубопроводе 12 для текучей среды с помощью ультразвукового расходомера 60´, основанного на измерении времени прохождения, с применением способа цифровой фильтрации с использованием обращенной во времени акустики.In FIG. 22 is an example of a further embodiment of the proposed flow measurement device 60' for measuring the flow rate of fluid in
Буфер 67 соединен с блоком 76 регулируемого генератора импульсов. ADC 64 дополнительно соединен с блоками 120, 121 цифровых фильтров. Блоки 120, 121 цифровых фильтров соединены с блоком 122 корреляции, который соединен с блоком 123 интерполяции. Блок 123 интерполяции соединен с блоком 71 вычисления скорости, который соединен и с запоминающим устройством 72 для результатов, и с буфером 67.The
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОКLIST OF LINKS
10 компоновка расходомера10 flow meter layout
11 пьезоэлектрический элемент выше по потоку11 piezoelectric element upstream
12 трубопровод12 pipeline
13 пьезоэлектрический элемент ниже по потоку13 downstream piezoelectric element
14 направление среднего потока14 middle flow direction
15 первый блок вычисления15 first calculation block
16 второй блок вычисления16 second calculation block
17 путь сигнала17 signal path
20 путь сигнала20 signal path
22 пьезоэлектрический элемент22 piezoelectric element
23 пьезоэлектрический элемент23 piezoelectric element
31-52 пьезоэлектрические элементы31-52 piezoelectric elements
53 электронный блок обработки53 electronic processing unit
54 штырь соединителя54 connector pin
55 штырь соединителя55 connector pin
56 штырь соединителя56 connector pin
60, 60' устройство измерения расхода60, 60' flow measuring device
61 первый соединитель61 first connector
62 второй соединитель62 second connector
63 мультиплексор63 multiplexer
64 ADC64 AD
66 демультиплексор66 demultiplexer
67 цифровой буфер67 digital buffer
68 модуль согласования68 matching module
69 генератор сигналов заданной формы69 waveform generator
70 база данных сигналов заданной формы70 waveform database
71 блок вычисления скорости71 speed calculation blocks
72 запоминающее устройство для результатов72 result memory
73 генератор измерительных сигналов73 measuring signal generator
74 первый усилитель74 first amplifier
75 второй усилитель75 second amplifier
76 блок регулируемого генератора импульсов76 adjustable pulse generator block
77 канал77 channel
90-96 этапы способа90-96 method steps
100-106 этапы способа100-106 method steps
110-117 этапы способа110-117 method steps
120 1-й цифровой фильтр120 1st digital filter
121 2-й цифровой фильтр 121 2nd digital filter
122 блок корреляции122 block correlation
123 блок интерполяции123 block interpolation
129 сигнал PWM129 PWM signal
130 TRA-сигнал130 TRA signal
131 сигнал отклика на сигнал PWM131 PWM signal response signal
132 сигнал отклика на TRA-сигнал132 TRA signal response signal
133 измеренные временные задержки133 measured time delays
134 плотность вероятности134 probability density
135 измеренные временные задержки135 measured time delays
136 плотность вероятности136 probability density
137 измеренные временные задержки137 measured time delays
138 плотность вероятности138 probability density
Claims (135)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021108700A RU2770889C1 (en) | 2021-03-31 | 2021-03-31 | Fully digital flowmeter based on measurement of transit time, in which time-reversed acoustics is used |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021108700A RU2770889C1 (en) | 2021-03-31 | 2021-03-31 | Fully digital flowmeter based on measurement of transit time, in which time-reversed acoustics is used |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2770889C1 true RU2770889C1 (en) | 2022-04-25 |
Family
ID=81306247
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021108700A RU2770889C1 (en) | 2021-03-31 | 2021-03-31 | Fully digital flowmeter based on measurement of transit time, in which time-reversed acoustics is used |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2770889C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5650571A (en) * | 1995-03-13 | 1997-07-22 | Freud; Paul J. | Low power signal processing and measurement apparatus |
US6381549B1 (en) * | 1999-01-28 | 2002-04-30 | Dolphin Technology, Inc. | System and method using digital filters and neural networks to determine fluid flow |
US7117104B2 (en) * | 2004-06-28 | 2006-10-03 | Celerity, Inc. | Ultrasonic liquid flow controller |
CN205317275U (en) * | 2015-12-31 | 2016-06-15 | 浙江威星智能仪表股份有限公司 | Take gaseous metering device of ultrasonic wave of self -learning template |
CN104870950B (en) * | 2012-12-18 | 2018-10-16 | 恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司 | Method and ultrasonic flowmeter for the reliability for verifying the measurement data that the measuring ultrasonic wave flow carried out by transit time difference method is known |
-
2021
- 2021-03-31 RU RU2021108700A patent/RU2770889C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5650571A (en) * | 1995-03-13 | 1997-07-22 | Freud; Paul J. | Low power signal processing and measurement apparatus |
US6381549B1 (en) * | 1999-01-28 | 2002-04-30 | Dolphin Technology, Inc. | System and method using digital filters and neural networks to determine fluid flow |
US7117104B2 (en) * | 2004-06-28 | 2006-10-03 | Celerity, Inc. | Ultrasonic liquid flow controller |
CN104870950B (en) * | 2012-12-18 | 2018-10-16 | 恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司 | Method and ultrasonic flowmeter for the reliability for verifying the measurement data that the measuring ultrasonic wave flow carried out by transit time difference method is known |
CN205317275U (en) * | 2015-12-31 | 2016-06-15 | 浙江威星智能仪表股份有限公司 | Take gaseous metering device of ultrasonic wave of self -learning template |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10928414B2 (en) | Signal travel time flow meter | |
JP6727308B2 (en) | Improved beam shaping acoustic signal propagation time difference type flow meter | |
CN106855424B (en) | Ultrasonic flow meter using windowing of received signals | |
US9689726B2 (en) | Flow meter | |
US11243105B2 (en) | Flow meter configuration and calibration | |
US11255708B2 (en) | Extended range ADC flow meter | |
US11137276B1 (en) | All digital travel time flow meter using time reversed acoustics | |
RU2770889C1 (en) | Fully digital flowmeter based on measurement of transit time, in which time-reversed acoustics is used | |
US20160334250A1 (en) | Envelope based sample correction for digital flow metrology | |
EP4067833B1 (en) | All digital travel time flow meter using time reversed acoustics | |
CN115218971A (en) | All digital time-of-flight flow meter using time-reversed acoustics | |
BR102021006285A2 (en) | DIGITAL TRANSIT TIME FLOW METERS USING REVERSE TIME ACOUSTIC | |
KR20050063455A (en) | Method for measuring thickness of metal sheet by using electromagnetic acoustic transducer | |
Bächle | Model-based Filtering of Interfering Signals in Ultrasonic Time Delay Estimations | |
EA043606B1 (en) | IMPROVED TOF FLOWMETER WITH SOUND SIGNAL BEAM FORMATION | |
Attarsharghi et al. | Ocean current monitoring via cross-correlation technique and node synchronisation | |
MX2012007764A (en) | System for measuring flow based on ultrasound. |