TWI500908B - 超音波流量計及超音波流量測量方法 - Google Patents

Description

超音波流量計及超音波流量測量方法

本發明是有關於一種超音波流量計及超音波流量測量方法。

超音波流量計系列可安裝於管路表面，不需要切除管路即可測量管路中的流量，或安裝於管路上直接測量流量。超音波流量計主要用來測量清潔均勻的液體流量，在石油、化工、冶金、電力、自來水公司和工業用水及江河水、回收水領域，得到廣泛應用，此外超音波流量計可以測量雜質含量不高的均勻流體，如污水等介質的流量，管內中如果有氣泡或體積較大固體物則無法測量。

傳統時差式超音波流量計需要單獨使用一組峰值偵測電路來判定超音波回波的強度，再將超音波回波的強度提供給增益控制電路作波形放大回授控制。接著利用超音波回波的第一波，以零點交越偵測電路來判定超音波飛行時間。然而，傳統時差式超音波流量計因為只偵測第一波零點交越，所以容易因為流體中的氣泡、雜質等干擾影響量測精度。

本發明係有關於一種超音波流量計及超音波流量測量方法。

根據本發明，提出一種超音波流量計。超音波流量計包括零點偵測電路及運算處理電路。零點偵測電路包括數位類比轉換器、預觸發比較器、零點交越比較器及及閘(AND gate)。數位類比轉換器產生一多階段觸發訊號。預觸發比較器比較超音波回波與多階段觸發訊號以輸出第一比較訊號。零點交越比較器比較超音波回波與參考位準以輸出第二比較訊號。及閘將第一比較訊號與第二比較訊號進行一交集運算以輸出一零交越(Zero-cross)數位訊號。運算處理電路根據零交越數位訊號計算超音波流量。

根據本發明，提出一種超音波流量測量方法。超音波流量測量方法包括：產生多階段觸發訊號；藉由預觸發比較器比較超音波回波與該多階段觸發訊號以輸出第一比較訊號；藉由零點交越比較器比較超音波回波與參考位準以輸出第二比較訊號；將第一比較訊號與第二比較訊號進行一交集運算以輸出一零交越(Zero-cross)數位訊號；以及根據零交越數位訊號計算超音波流量。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

1‧‧‧超音波流量計

11a、11b‧‧‧超音波探頭

12a、12b‧‧‧驅動器

13a、13b‧‧‧開關

14‧‧‧帶通濾波器

15‧‧‧可變增益放大器

16‧‧‧零點偵測電路

17‧‧‧運算處理電路

18‧‧‧時間測量電路

19‧‧‧無線通訊模組

161‧‧‧數位類比轉換器

162‧‧‧預觸發比較器

163‧‧‧零點交越比較器

164‧‧‧及閘

165‧‧‧反及閘

PTL(1)~PTL(M)‧‧‧預觸發位準

MS‧‧‧多階段觸發訊號

Rx‧‧‧超音波回波

Rst‧‧‧重置訊號

C1‧‧‧第一比較訊號

C2‧‧‧第二比較訊號

Ny‧‧‧雜訊

L‧‧‧閂鎖訊號

ZCD‧‧‧零交越數位訊號

ZC(1)‧‧‧預觸發數位脈衝

ZC(2)‧‧‧零交越數位脈衝

SP‧‧‧起始脈衝

第1圖繪示係為一種超音波流量計之實施例電路方塊示意圖。

第2圖繪示係為零點偵測電路之示意圖。

第3圖繪示係為超音波回波、第一比較訊號、第二比較訊號、零交越數位訊號之時序圖。

第4圖繪示係為多階段觸發訊號與超音波回波之示意圖。

第5圖繪示係為未經濾波演算之零交越時間陣列之數值分佈圖。

第6圖繪示係為經濾波演算之濾波後資料之數值分佈圖。

請參照第1圖，第1圖繪示係為一種超音波流量計之實施例電路方塊示意圖。超音波流量計1包括超音波探頭11a、超音波探頭11b、驅動器12a、驅動器12b、開關13a、開關13b、帶通濾波器14、可變增益放大器15、零點偵測電路16、運算處理電路17、時間測量電路18及無線通訊模組19。驅動器12a用以驅動超音波探頭11a，而驅動器12b用以驅動超音波探頭11b。超音波探頭11a及超音波探頭11b係交替地發射超音波與接收超音波回波。

當開關13a導通時，開關13b對應地截止。相反地，當開關13a截止時，開關13b對應地導通。帶通濾波器14用以將超音波頻率範圍以外的雜訊濾除。可變增益放大器15根據回授訊號調整所收到的超音波回波後輸出至零點偵測電路16。時間測 量電路18計算一逾時時間。無線通訊模組19用以收發無線訊號。運算處理電路17例如是微控制器，而無線通訊模組19例如是ZigBee模組。

請同時參照第1圖、第2圖及第3圖，第2圖繪示係為零點偵測電路之示意圖，第3圖繪示係為超音波回波、第一比較訊號、第二比較訊號、零交越數位訊號之時序圖。零點偵測電路16包括數位類比轉換器161、預觸發比較器162、零點交越比較器163、及閘(AND gate)164及反及閘(NAND gate)165。運算處理電路17控制數位類比轉換器161產生多階段觸發訊號MS。預觸發比較器162比較超音波回波與Rx與多階段觸發訊號MS以輸出第一比較訊號C1。零點交越比較器163比較超音波回波Rx與一參考位準以輸出第二比較訊號C2。參考位準例如是接地位準。及閘164將第一比較訊號C1與第二比較訊號C2進行一交集運算以輸出零交越數位訊號ZCD。零交越數位訊號ZCD包括相鄰之預觸發數位脈衝ZC(1)及零交越數位脈衝ZC(2)，預觸發數位脈衝ZC(1)係最先產生，零交越數位脈衝ZC(2)係最接近預觸發數位脈衝ZC(1)。反及閘165將第一比較訊號C1及運算處理電路17輸出之重置訊號Rst進行一反交集運算以產生一閂鎖訊號L，閂鎖訊號L控制預觸發比較器162之閂鎖狀態。運算處理電路17根據零交越數位訊號ZCD計算超音波流量。由於及閘164所輸出之零交越數位訊號ZCD係為將第一比較訊號C1與第二比較訊號C2交集而得，因此能避免受雜訊Ny影響而錯誤的判斷。

進一步來說，運算處理電路17選擇零交越數位脈衝ZC(2)做為計算飛行時間TOF的結束脈衝。運算處理電路17根據零交越數位脈衝ZC(2)計算飛行時間TOF，飛行時間TOF為起始脈衝SP與零交越數位脈衝ZC(2)的時間差。運算處理電路17再根據二組超音波探頭交替之飛行時間TOF差值計算超音波流量。

請同時參照第1圖、第3圖及第4圖，第4圖繪示係為多階段觸發訊號與超音波回波之示意圖。多階段觸發訊號MS包括預觸發位準PTL(1)~PTL(M)，且M係大於1之正整數。預觸發位準PTL(1)~PTL(M)係依序產生，且預觸發位準PTL(1)~PTL(M)係依序遞增。舉例來說，預觸發位準PTL(1)~PTL(M)係依序遞增15mV。當預觸發位準PTL(M)等於3000mV時，則M等200。

運算處理電路17根據零交越數位訊號ZCD產生數個分別對應於預觸發位準PTL(1)~PTL(M)之零交越時間陣列。運算處理電路17先將所有零交越時間陣列進行一濾波運算，以產生一濾波後資料，運算處理電路17再根據濾波後資料計算超音波流量。前述濾波運算例如為一中位值平均濾波運算。中位值平均濾波運算係先取樣N筆資料後存入陣列，再將陣列做大小排序。之後取中位數，接著將中位數二側資料與中位數相減。跟著，判斷相減後的結果是否小於容許誤差值。當相減後的結果小於容許誤差值時則停止。接著紀錄陣列二端的位址A及B，再將陣列x(A)至x(B)的值做平均計算，所得到的值即為濾波後資料。

除此之外，運算處理電路17還能根據預觸發數位脈衝ZC(1)計算超音波回波Rx之最大振幅，並將最大振幅做為可變增益放大器15之回授訊號。預觸發位準PTL(1)~PTL(M)包括相鄰之預觸發位準PTL(M-1)及預觸發位準PTL(M)，且預觸發位準PTL(M)大於預觸發位準PTL(M-1)。當多階段觸發訊號MS等於預觸發位準PTL(M-1)時，運算處理電路17於逾時時間內接收預觸發數位脈衝ZC(1)。相對地，當多階段觸發訊號MS等於預觸發位準PTL(M)時，運算處理電路17於逾時時間內無法接收預觸發數位脈衝ZC(1)。運算處理電路17選擇預觸發位準PTL(M-1)做為最大振幅。

請同時參照第5圖及第6圖，第5圖繪示係為未經濾波演算之零交越時間陣列之數值分佈圖，第6圖繪示係為經濾波演算之濾波後資料之數值分佈圖。舉例來說，使用三英吋PVC管材，流體為靜止自來水且取樣資料為828筆。由第5圖可看出未經濾波演算前的標準差平均為61ns。相對地，由第6圖可看出經濾波演算後的標準差平均為0.24ns，明顯地降低數值跳動的幅度。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

16‧‧‧零點偵測電路

161‧‧‧數位類比轉換器

162‧‧‧預觸發比較器

163‧‧‧零點交越比較器

164‧‧‧及閘

165‧‧‧反及閘

MS‧‧‧多階段觸發訊號

Rx‧‧‧超音波回波

Rst‧‧‧重置訊號

C1‧‧‧第一比較訊號

C2‧‧‧第二比較訊號

L‧‧‧閂鎖訊號

ZCD‧‧‧零交越數位訊號

Claims (20)

1. 一種超音波流量計，包括：一零點偵測電路，包括：一數位類比轉換器，用以產生一多階段觸發訊號，該多階段觸發訊號包括複數個預觸發位準，該些預觸發位準係依序產生，且該些預觸發位準係依序遞增；一預觸發比較器，用以比較一超音波回波與該多階段觸發訊號以輸出一第一比較訊號；一零點交越比較器，用以比較該超音波回波與一參考位準以輸出一第二比較訊號；及一及閘(AND gate)，用以將該第一比較訊號與該第二比較訊號進行一交集運算以輸出一零交越(Zero-cross)數位訊號；以及一運算處理電路，用以根據該零交越數位訊號計算一超音波流量。
2. 如申請專利範圍第1項所述之超音波流量計，其中該零點偵測電路更包括一反及閘(NAND gate)，用以將該第一比較訊號及一重置訊號進行一反交集運算以產生一閂鎖訊號，該閂鎖訊號控制該預觸發比較器之閂鎖狀態。
3. 如申請專利範圍第1項所述之超音波流量計，其中，該零交越數位訊號包括相鄰之一預觸發數位脈衝及一零交越數位脈衝，該預觸發數位脈衝係最先產生，該零交越數位脈衝係最接近 該預觸發數位脈衝。
4. 如申請專利範圍第3項所述之超音波流量計，其中該運算處理電路根據該零交越數位脈衝計算一飛行時間，該運算處理電路根據二組超音波探頭交替之飛行時間差值計算該超音波流量。
5. 如申請專利範圍第3項所述之超音波流量計，其中該運算處理電路根據該預觸發數位脈衝計算該超音波回波之一最大振幅。
6. 如申請專利範圍第5項所述之超音波流量計，更包括：一可變增益放大器，該運算處理電路將該最大振幅做為該可變增益放大器之回授訊號。
7. 如申請專利範圍第5項所述之超音波流量計，更包括：一時間測量電路，用以計算一逾時時間，該些預觸發位準包括相鄰之一第一預觸發位準及一第二預觸發位準，且該第二預觸發位準大於該第一預觸發位準，當該多階段觸發訊號等於該第一預觸發位準時，該運算處理電路於該逾時時間內接收該預觸發數位脈衝，當該多階段觸發訊號等於該第二預觸發位準時，該運算處理電路於該逾時時間內無法接收該預觸發數位脈衝，該運算處理電路選擇該第一預觸發位準做為該最大振幅。
8. 如申請專利範圍第3項所述之超音波流量計，其中該運算處理電路根據該零交越數位訊號產生複數個零交越時間陣列，該些零交越時間陣列分別對應於該些預觸發位準。
9. 如申請專利範圍第8項所述之超音波流量計，其中該運算 處理電路將該些零交越時間陣列進行一濾波運算，以產生一濾波後資料，該運算處理電路根據該濾波後資料計算該超音波流量。
10. 如申請專利範圍第8項所述之超音波流量計，其中該濾波運算係為一中位值平均濾波運算。
11. 一種超音波流量測量方法，包括：產生一多階段觸發訊號，該多階段觸發訊號包括複數個預觸發位準，該些預觸發位準係依序產生，且該些預觸發位準係依序遞增；藉由一預觸發比較器比較一超音波回波與該多階段觸發訊號以輸出一第一比較訊號；藉由一零點交越比較器比較該超音波回波與一參考位準以輸出一第二比較訊號；將該第一比較訊號與該第二比較訊號進行一交集運算以輸出一零交越(Zero-cross)數位訊號；以及根據該零交越數位訊號計算一超音波流量。
12. 如申請專利範圍第11項所述之超音波流量測量方法，更包括：將該第一比較訊號及一重置訊號進行一反交集運算以產生一閂鎖訊號，該閂鎖訊號控制該預觸發比較器之閂鎖狀態。
13. 如申請專利範圍第11項所述之超音波流量測量方法，其中，該零交越數位訊號包括相鄰之一預觸發數位脈衝及一零交越數位脈衝，該預觸發數位脈衝係最先產生，該零交越數位脈衝係 最接近該預觸發數位脈衝。
14. 如申請專利範圍第13項所述之超音波流量測量方法，其中該計算步驟包括：根據該零交越數位脈衝計算一飛行時間；以及根據二組超音波探頭交替之飛行時間差值計算該超音波流量。
15. 如申請專利範圍第13項所述之超音波流量測量方法，更包括：根據該預觸發數位脈衝計算該超音波回波之一最大振幅。
16. 如申請專利範圍第15項所述之超音波流量測量方法，更包括：將該最大振幅做為一可變增益放大器之回授訊號。
17. 如申請專利範圍第15項所述之超音波流量測量方法，更包括：計算一逾時時間，該些預觸發位準包括相鄰之一第一預觸發位準及一第二預觸發位準，且該第二預觸發位準大於該第一預觸發位準；其中，當該多階段觸發訊號等於該第一預觸發位準時，於該逾時時間內接收該預觸發數位脈衝；其中，當該多階段觸發訊號等於該第二預觸發位準時，於該逾時時間內無法接收該預觸發數位脈衝，選擇該第一預觸發位準做為該最大振幅。
18. 如申請專利範圍第13項所述之超音波流量測量方法，更包括：根據該零交越數位訊號產生複數個零交越時間陣列，該些零交越時間陣列分別對應於該些預觸發位準。
19. 如申請專利範圍第18項所述之超音波流量測量方法，其中該計算步驟係將該些零交越時間陣列進行一濾波運算，以產生一濾波後資料，再根據該濾波後資料計算該超音波流量。
20. 如申請專利範圍第18項所述之超音波流量測量方法，其中該濾波運算係為一中位值平均濾波運算。