具有數字化欠采樣流量測量的超聲波流量計的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種通過對接收信號進行數字化采樣來操作超聲波流量計的方法。聲音波包在相對方向上通過測量距離，并且以低于兩倍聲音波包信號頻率的奈奎斯特極限的采樣頻率對接收信號進行數字化，以生成數字化欠采樣信號31。根據該數字化欠采樣信號，確定沿測量距離的傳播時間的差異。
【專利說明】具有數字化欠采樣流量測量的超聲波流量計
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超聲波流量計，并且更具體而言涉及一種通過對接收的信號進行數字化采樣來操作超聲波流量計的方法。
【背景技術】
[0002]在時差型超聲波流量計的消耗量中，基于消耗介質的流速測量來確定消耗量。流速測量是基于測量介質流體中相對傳播的超聲波之間的傳播時間差。通常，通過測量波包通過介質的測量距離傳播的傳播時間來得到該時間差。一般來說，通過當從一個換能器發射波包時開啟時鐘，并且在另一個換能器處接收到波包時停止時鐘來得到時間測量。超聲波信號通過介質的典型傳播時間是非常短的，并且因此需要以很高的精度來測量所述傳播時間，或至少是相對傳播的波包的傳播時間之間的時間差。由于該高精度，時間測量的具體執行對于系統性能是很重要的。因此，現有技術中已經發明了多個時間測量的實施方案。
[0003]在US 6，226，598B I中，通過基于如下方式進行的:對接收的信號數字化，并且對接收的數字化信號進行數字信號處理以識別特定信號特性，從而確定可以確定到達時間的特定信號特征。所述特定信號特征是所接收的波包的過零形式。
[0004]WO 97/14936A1公開了一種類似的方法，其中對所接收的信號進行數字化并且采用數字信號處理來提取可以確定到達時間的特定信號特征。所述特定信號特征是所接收的波包的波形的斜率。
[0005]從發射器到接收器的信號轉換可能使得提取對流速計算非常重要的參數是具有挑戰的。所述轉換是通過流量測量中涉及的各種成分濾波后的結果。具體地，壓電換能器的機電參數通常導致信號形狀的顯著變化。此外，換能器特征能夠從單元到單元而改變，并且由于老化、溫度改變等而隨時間變化，導致接收到的信號的形狀和頻率組成在流量計的生命周期內有一定程度的改變。因此，有利地是獲取信號的數字化表示以便利用數字信號處理器(DSP)中的可用工具。
[0006]為了獲取詳細的信號表示以確定精確的到達時間，可以使用高速模數轉換器ADC。然而，高速ADC很昂貴并且消耗相對高的功率，并且因此損害了電池供電的流量計的電池壽命，并且成為流量計價格水平的重要因素。
【發明內容】
[0007]有利地，實現操作超聲波流量計的替代方法，其實現了以下至少一項:有助于經濟適用的流量計，能夠以節能的方式進行操作從而維持長壽命的電池電源，并且支撐多年的操作而在實踐測量精度上沒有或僅僅有很少的變化。還有利地實現操作超聲波流量計的方法，其對于被利用部件的機電特征的變化是魯棒的。總之，本發明優選尋求減輕、緩和或消除現有技術流量計的一個或多個缺點，單獨的或以任何組合的形式。
[0008]在本發明的第一方面中，提供了一種操作超聲波流量計以測量流體的流速的方法，所述超聲波流量計包括:
[0009]-至少兩個超聲波換能器，所述至少兩個超聲波換能器被布置成橫跨測量距離在相對方向上發射和接收超聲波信號；
[0010]-發生器電路，用于由所述至少兩個超聲波換能器發射的聲音波包的受控制的生成；
[0011]-接收器電路，用于接收從所述至少兩個超聲波換能器發射的信號；
[0012]-用于數字信號處理的處理模塊；
[0013]其中所述方法包括:
[0014]對于沿著大體相對方向的至少兩條信號路徑:
[0015]-在所述至少兩個超聲波換能器的第一個超聲波換能器處生成將要輸出到測量距離的聲音波包，所述波包以信號頻率生成；
[0016]-在所述至少兩個超聲波換能器的第二個超聲波換能器處接收所述聲音波包作為接收的信號；
[0017]-以低于奈奎斯特極限的采樣頻率對所接收的信號進行數字化，以生成針對給定信號路徑的數字化接收欠采樣信號；
[0018]-由沿著大體相對方向的至少兩個數字化接收欠采樣信號，確定沿著所述測量距離的傳播時間的差異。
[0019]本發明的發明人已經意識到通過對接收的信號進行適當的信號處理，可以切實可行地以足夠的精度確定欠采樣接收信號情形中的傳播時間的差異，甚至不需要重建接收的信號。通過對接收的信號進行欠采樣，可以放寬對ADC的性能需求，使得與現有技術中使用的ADC相比需要較小功率的較便宜部件。通過不重建接收的信號，而是基于對數字化接收欠采樣信號的信號處理來確定傳播時間的差異，數字信號處理器只需要處理較少的采樣以及較少的指令，并且因此也減少了對執行數字信號處理的微處理器的性能需求。
[0020]因此，本發明提供了一種已知方案的替代方案，即基于欠采樣數字信號確定傳播中的差異，并且不基于完全采樣信號或重建的欠采樣信號。超聲波流量計中采用的信號頻率通常在0.5到2MHz范圍內。奈奎斯特采樣定理，有時也稱為奈奎斯特香農定理，規定采樣率必須是超聲頻率的至少兩倍，但在實踐中，為了獲得良好的信號表示，每個采樣周期至少應該采樣4-16次。能夠具有這樣性能的高速ADC是昂貴的，并且消耗相對高的功率。本發明設計了一種方法，由于能夠使用采樣頻率在信號頻率范圍內的ADC，所以在流量計中使用具有限定功耗水平以及相對低的價格的標準現成部件。
[0021]在實施例中，采樣頻率可以低于兩倍的信號頻率，并且甚至低于信號頻率。
[0022]在第二方面中，本發明涉及一種用于操作第一方面的方法的超聲波流量計。
[0023]在實施例中，超聲波流量計可以是計費耗量表或者是計費耗量表的一部分，所述計費耗量表例如是水表、氣表、熱量表、冷量表或能量表。所述耗量表可以結合區域供熱或區域供冷使用。耗量表可以是法定計量表，即，抑制調節需求的計量表。這種調節需求可以是精確的測量的需求。
[0024]總之，本發明的各方面可以是本發明范圍內的任何可能方式組合以及結合。參考下文描述的各實施例，本發明的這些以及其它方面、特性和/或優點將會變得顯而易見并且得到闡述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]僅通過示例，將參考附圖描述本發明的各實施例，其中
[0026]圖1示出了超聲波流量計的元件的示意性截面圖；
[0027]圖2A和2B示出了發射的信號和接收的信號的示例；
[0028]圖3A示出了高采樣率的接收信號的示例，并且圖3B示出了欠采樣表示下的與圖3A相同的信號；
[0029]圖4A到4C示出了與通過在數字化接收信號之間進行相關來確定傳播時間的差異有關的信號。
[0030]圖5示出了圖3B的信號的快速傅里葉變換；
[0031]圖6A和圖6B示出了接收的信號的相位差以及傅里葉幅值的歸一化模數(modulus)；
[0032]圖7示出了根據本發明實施例的超聲波流量計的大體元件；以及
[0033]圖8示出了大體流程圖，用于說明根據本發明實施例的方法的大體步驟。
具體實施例
[0034]圖1示出了超聲波流量計的實施例的元件的示意性截面圖。流量計包括殼體I,或流管，其具有入口 2和出口 3。流量計進一步包括電子單元4，其包括或連接到超聲波換能器5A、5B。流量計包括由測量插入物6限定的測量距離L。但是，通常該測量距離不需要通過插入物限定，而是可以是殼體I的集成部分，例如殼體的貫通流動通道。用于生成并且檢測超聲波信號的超聲波換能器5A、5B被布置為使得生成的信號能夠被引入到所述測量距離中。在示出的實施例中，反射器7被布置為使得從每個換能器發射的信號8被引導成沿著測量距離，并且引導至用于檢測的相對換能器上。
[0035]向下游傳播的信號比向上游傳播的信號傳播得更快，并且可以通過測量發射信號在另一個換能器處的到達時間的差來確定流速。流速的確定以及流速的輸出通過電子單元4來完成。電子單元至少包括可操作地連接到超聲波換能器并且被布置成確定表示流速的值的測量電路。在實施例中的超聲波換能器以及測量電路可以被設置為適于安裝到殼體上的單元。此外，耗量表通常裝配有計算器單元，其適于基于表示流速的值計算消耗的量，以及任選的附加量。計算器單元可以是獨立的單元或者是與用于操作換能器的測量電路組合的單元。此外，所述電子單元還可包括諸如發射器(例如，無線發射器的形式)的元件，以及電源(例如，電池或無線連接的形式)，以及其它部件。這些元件可以被設置在殼體10內，或作為連接到流量計的獨立單元的一部分。
[0036]示出的超聲波流量計包括定位在測量距離一端的第一換能器5A以及定位在測量距離另一端的第二超聲波換能器5B。一般來說，可以在每一端放置更多的換能器。而且，三個或更多的反射器單元可以被用于引導超聲波信號通過測量距離。在其它實施例中，換能器被布置為使得其彼此相對，從而不需要反射器。在這樣的實施例中，換能器的直線視線可以沿著流動方向或可以相對于流動方向成角度。
[0037]本發明的實施例涉及基于飛行時間原理的超聲波流量計。在這樣的流量計中，流體流速V的估計可以從下式中獲得
【權利要求】
1.一種操作超聲波流量計以測量流體的流速的方法，所述超聲波流量計包括: -至少兩個超聲波換能器，所述至少兩個超聲波換能器被布置為橫跨測量距離在的相對方向上發射和接收超聲波信號。 -發生器電路，所述發生器電路用于由所述至少兩個超聲波換能器發射的聲音波包的受控制的生成； -接收器電路，所述接收器電路用于接收從所述至少兩個超聲波換能器發射的信號； -用于數字信號處理的處理模塊； 其中，所述方法包括: 針對沿著大體相對方向的至少兩條信號路徑: -在所述至少兩個超聲波換能器的第一個超聲波換能器處生成將要輸出到所述測量距離的所述聲音波包，所述波包是以信號頻率生成的； -在所述至少兩個超聲波換能器的第二個超聲波換能器處接收所述聲音波包作為接收的信號； -以低于奈奎斯特極限的采樣頻率對所接收的信號進行數字化，以生成針對給定信號路徑的數字化接收欠采樣信號； -根據沿著大體相對方向的至少兩個數字化接收欠采樣信號，確定沿著所述測量距離的傳播時間的差異。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，沿著所述測量距離的所述傳播時間的差異是通過對沿著大體相對方向的所述至少兩個數字化接收欠采樣信號之間進行相關來確定的，并且確定所述至少兩個信號之間的最大相關性。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，沿著所述測量距離的所述傳播時間的差異是通過確定沿著所述大體相對方向的所述數字化接收欠采樣信號之間的相移來確定的。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，對所述數字化接收欠采樣信號進行傅里葉變換，并且針對每個信號確定所變換的信號的相位，并且確定相位差作為沿著所述至少兩個方向的所變換的信號的相位差。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，識別所變換的信號的傅里葉幅值的峰值，并且其中在該峰值內針對頻率對所述相位差進行平均。
6.根據權利要求3所述的方法，其中，對沿著所述至少兩個方向的所述數字化接收欠采樣信號執行數字希爾伯特變換，并且其中根據所述信號的正交積得到所述相位差。
7.根據權利要求3所述的方法，其中，通過沿著所述至少兩個方向的所述數字化接收欠采樣信號的數字傅里葉變換來形成復數信號表示，以提供實部和虛部，并且其中根據所述信號的正交積得到所述相位差。
8.根據權利要求3所述的方法，其中，對于沿著所述至少兩個方向的所述數字化接收欠采樣信號，利用所述數字化接收欠采樣信號作為實部，而數字化希爾伯特變換作為虛部來形成復數信號表示，并且其中將每個復數信號表示與預選函數組進行相關以選擇表示所述數字化接收欠采樣信號的函數組，并且通過確定所選擇的函數組之間的相移來確定所述傳播時間的差異。
9.根據權利要求3所述的方法，其中，利用坐標旋轉數字計算機(CORDIC)算法來得到沿著所述大體相對方向的所述數字化接收欠采樣信號之間的所述相移。
10.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，針對通過相對于系統時鐘對所發射的信號進行時移而獲得的多個測量結果對沿著所述測量距離的所述傳播時間的差異進行平均。
11.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，針對通過相對于系統時鐘對所發射的信號進行相移而獲得的多個測量結果對沿著所述測量距離的所述傳播時間的差異進行平均。
12.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，針對通過所發射的信號的不同幅值水平之間的交替而獲得的多個測量結果對沿著所述測量距離的所述傳播時間的差異進行平均。
13.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，針對通過改變由所述發生器電路生成的所發射的信號的振蕩次數而獲得的多個測量結果對沿著所述測量距離的所述傳播時間的差異進行平均。
14.一種被布置成測量流體的流速的超聲波流量計，所述流量計包括: -至少兩個超聲波換能器，所述至少兩個超聲波換能器被布置成橫跨測量距離在相對方向上發射和接收超聲波信號； -發生器電路，所述發生器電路用于由所述至少兩個超聲波換能器發射的聲音波包的受控制的生成； -接收器電路，所述接收器電路用于接收由所述至少兩個超聲波換能器發射的信號； -用于數字信號處理的處理模塊； 其中，所述流量計適于執行根據前述權利要求中的任一項所述的方法。
【文檔編號】G01N1/20GK104169692SQ201280059427
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2012年11月30日 優先權日:2011年12月2日
【發明者】J·L·瑟恩森, P·M·本迪克森 申請人:卡姆魯普股份有限公司