專利名稱：超聲流速測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及使用超聲束測量流體流速的技術，特別涉及超聲流速測量裝置，以測量較大的河或排水道敞開溝的流速。
傳統的流量計使用超聲束在流體流過的較大尺寸的標定管或敞開溝的橫截線上測量流速。目前流速由超聲傳輸時間差方法測量如下
其中，Δt等于t12和t21的差，t12和t21是超聲束在流體中以角度傳輸或在流速方向上反向傳輸的時間，L是兩個超聲振子間的距離，d等于Lcos，C為流體中聲速(以下稱為“超聲傳輸速度”)。
上述使用超聲傳輸時間差的流速測量方法是公知的，絕大多數超聲流量計使用該方法。換句話說，為了測量超聲傳輸時間t12和t21，測量從超聲傳輸時刻到接收時刻的時間。如果超聲振子間的間隔L較長，或在流體流動中有不同尺寸的旋渦或渦流，或在自然的河流中懸浮濃度變化，超聲束的聲壓在超聲接收位置嚴重波動，因為超聲束被反射或散射，或吸收衰減因數變化。
另外，即使傳輸具有短波長的理想超聲束，接收信號變成鐘形脈沖，因為較高的超聲束的諧波分量被嚴重衰減。為此，在檢測超聲束的接收時刻時常發生對應于數個超聲束周期的接收誤差，接收失敗經常發生。
為了不扭曲傳輸和接收超聲束時的接收脈沖的形狀，使用一寬帶放大器，但各種噪聲被放大了。特別是，由于這些脈沖噪音，干擾了超聲傳輸時間的測量。
如上所述，由于大尺寸標定管、較大的河流或排水道敞開溝中的這些因素，在接收點經常不能精確測量超聲傳輸時間t12和t21。另外，較小的標定管的流量計可引起超聲發射振子處于振動激勵。此時，將電能轉化成超聲波的效率大大惡化。
結果，這些問題使得在超聲束在具有較大的寬度的排水道敞開溝和河流中傳輸和接收時很難使用超聲傳輸時間差方法測量流速。超聲流量計的使用受到限制。
為了解決這些問題和缺點，本發明的目的是提供一種使用超聲傳輸時間差方法測量流速的裝置，其中不是使用超聲脈沖，而是使用連續的超聲波(正弦波)傳輸和接收，并測量其傳輸時間。
一種超聲流速測量裝置，包括兩個振子，在要測量流速的段內與流速方向形成一定的角度，兩個振子彼此傳輸和接收超聲束，以測量超聲傳輸時間，然后計算流速，其中，兩振子通過一振子開關部與輸出放大器相連，放大器連接一頻率調制振蕩器，以產生預定調制頻率的連續波，頻率調制振蕩器連接一沖息多諧振蕩器，以振動一給定的頻率脈沖來操作頻率調制振蕩器，沖息多諧振蕩器連接一控制方波發生部，以使得沖息多諧振蕩器在給定的周期被操作，控制方波脈沖發生部連接一振子開關部和輸出開關部并控制其工作，其中輸出放大器放大來自頻率調制振蕩器的輸出信號，振子開關部將輸出放大器的輸出信號輸入給兩個振子中的任一個，然后，來自相應的振子的輸出信號輸入給接收放大器，輸出開關部將接收放大器的輸出信號施加給頻率鑒別器，輸出開關部的一輸入端連接接收放大器，另一輸入端連接衰減輸出放大器的輸出電壓的衰減器，其輸出端連接頻率鑒別器，以檢測頻率調制時刻，頻率鑒別器連接一脈沖整形部以將其輸出整形為方波脈沖，脈沖整形部連接一時間間隔測量部以測量脈沖整形部的兩個脈沖之間的時間差，時間間隔測量部連接一流速算術邏輯處理單元以計算流速。
下面對照附圖詳細描述本發明，其中
圖1是說明根據本發明的超聲流速測量裝置的方框圖；圖2是說明根據本發明的超聲流速測量裝置的操作的圖；圖3A和3B是說明超聲束的頻率調制的視圖。
參見圖1和2，超聲傳輸振子1和超聲接收振子2彼此相對設置，并與一振子開關部14電連接，該開關部14與輸出放大器6和接收放大器7聯接。因此，為了操作超聲傳輸振子1，輸出放大器6與一頻率調制振蕩器3相連，以產生預定調制頻率的連續波。頻率調制振蕩器3與一沖息多諧振蕩器4相連，以振動一給定的頻率脈沖，施加給振蕩器3。沖息多諧振蕩器4與一控制方波脈沖發生部5相連，以使得沖息多諧振蕩器4在給定的周期操作，而同時控制輸出開關部8。輸出放大器6放大頻率調制振蕩器3的輸出信號，將其輸出給傳輸振子1。衰減器13連接在輸出放大器6和輸出開關部8之間，以衰減放大器6的輸出電壓。接收放大器7通過輸出開關部8將放大的接收信號施加給頻率鑒別器9。一脈沖整形部10接收輸出開關部8的輸出電壓，將其變為方波脈沖。時間間隔測量部11測量脈沖整形部10出來的兩個脈沖之間的時間差。流速算術邏輯處理單元12使用超聲傳輸時間差方法計算流速。衰減器13與輸出開關部8相連。
超聲流速測量裝置的操作如下控制方波脈沖發生部5產生方形長脈沖T1，其具有給定的周期，如圖2的A所示。沖息多諧振蕩器4在該方形長波T1的上升沿工作，以產生具有周期T2的方波脈沖，如圖2的B所示。頻率調制振蕩器3產生一振蕩信號或正弦頻率f的信號，其中在該方波周期T2振蕩頻率f變成振蕩頻率f0(＝f+Δf)，然后在方波脈沖周期T2的下降沿返回成正弦頻率f，見圖2的C，其中頻率f0是振子1和2的諧振頻率，Δf是頻率偏移。然后頻率調制振蕩器3將其輸出施加給輸出放大器6，輸出放大器6放大頻率調制信號，通過振子開關部14將其施加給傳輸振子1。傳輸振子1在流體中傳輸超聲束，如圖2的D所示。同時，來自輸出放大器6的信號通過衰減器13和輸出開關部8輸入給頻率鑒別器9。因此，頻率鑒別器9在頻率調制周期產生輸出電壓，如圖2的E所示。信號電壓輸入給脈沖整形部10以產生一脈沖，如圖2的F所示。
然后，在方形長脈沖周期T1到達后沿時，輸出開關部8和振子開關部14接通，以使得由接收放大器7輸出的信號輸入給頻率鑒別器9。換句話說，來自傳輸振子1的超聲束在流體中傳輸給接收振子2。接收振子2在接收到傳輸振子1的信號時，將其輸出信號施加給接收放大器7。接收放大器7放大接收信號，如圖2的G所示，將其施加給頻率鑒別器9。頻率鑒別器9產生如圖2的H所示的信號來操作脈沖整形部10。脈沖整形部10產生一短波，如圖2的I所示，其中頻率鑒別器9的輸出信號(圖2的E和H)彼此相等，其基于瞬態現象的延遲時間τ相等。
時間間隔測量部11接收圖2的F和I的短脈沖以測量其間的時間間隔t12，其中短脈沖通過脈沖整形部10將頻率鑒別器9的輸出信號整形而得。時間間隔測量部11將時間間隔信號輸入給算術邏輯處理單元12，將其存儲在其存儲器中。注意，t12是將超聲束從傳輸振子1傳輸到接收振子2的時間。
完成了傳輸振子1到接收振子2的超聲傳輸時間的測量后，振子開關部14在控制方波脈沖發生部5的脈沖信號的后沿工作以使得接收振子2傳輸超聲束給傳輸振子1。類似地，測量超聲傳輸時間t21并輸入給算術邏輯處理單元12。
算術邏輯處理單元12存儲兩個振子之間的間隔L和預先設定在存儲器中的距離d(＝Lcos)，并利用公式(1)使用超聲傳輸時間t12和t21的結果計算流速V。如果想計算流率，計算出的流速值可輸入給流率計算裝置。
注意，傳輸振子的效率比使用超聲脈沖時增加到3-5倍，因為不傳輸超聲脈沖，而使用了頻率調制超聲正弦波。超聲束的強度也提高了。更重要的是，捕捉接收信號頻率改變的時刻，而不是捕捉接收信號的幅值，以測量超聲傳輸時間。另外，由于檢測延遲時間而造成的誤差被消除了，因為頻率鑒別器檢測接收和傳輸信號。
因此，盡管接收信號的幅值嚴重波動，但接收信號被足夠放大。例如，接收信號放大到飽和狀態(即達到頻率鑒別器輸入允許電壓)，輸入給頻率鑒別器。使用f0-f頻率的帶通濾波器可容易地消除噪音，因為正弦波連續地傳輸和接收。它也消除了測量超聲傳輸時間時的干擾，因為使用寬帶放大器以防止使用超聲脈沖時波形的變形。
圖3A示出了接收振子的輸出信號的波形。接收信號在諧振頻率f0處的幅值a2和接收信號在頻率f(＝f0+Δf或f0-Δf)處的幅值a1間的差隨頻率偏移的增加而變大。但是如果頻率Δf/f0約等于0.1，幅值a1和a2之間的差不太大。
圖3B示出了接收信號放大到飽和狀態時的波形。放大的信號可輸入給頻率鑒別器。當然，飽和狀態放大的信號的幅值應等于頻率鑒別器的最大允許輸入電壓。如圖1所示的衰減器13的作用是減小放大器6的輸出電壓至頻率鑒別器的最大允許輸入電壓。
即使兩個振子之間的間隔距離L為幾百米本發明也能保證超聲接收，即使由于許多因素在超聲接收點聲壓嚴重波動，也能保證超聲傳輸時間測量，以增加流速的準確性。
權利要求
1.一種超聲流速測量裝置，包括兩個振子，在要測量流速的段內與流速方向形成一定的角度，兩個振子彼此傳輸和接收超聲束，以測量超聲傳輸時間，然后計算流速，其特征在于，兩振子通過一振子開關部與輸出放大器相連，放大器連接一頻率調制振蕩器，以產生預定調制頻率的連續波，頻率調制振蕩器連接一沖息多諧振蕩器，以振動一給定的頻率脈沖來操作頻率調制振蕩器，沖息多諧振蕩器連接一控制方波發生部，以使得沖息多諧振蕩器在給定的周期被操作，控制方波脈沖發生部連接一振子開關部和輸出開關部并控制其工作，其中輸出放大器放大來自頻率調制振蕩器的輸出信號，振子開關部將輸出放大器的輸出信號輸入給兩個振子中的任一個，然后，來自相應的振子的輸出信號輸入給接收放大器，輸出開關部將接收放大器的輸出信號施加給頻率鑒別器，輸出開關部的一輸入端連接接收放大器，另一輸入端連接衰減輸出放大器的輸出電壓的衰減器，其輸出端連接頻率鑒別器，以檢測頻率調制時刻，頻率鑒別器連接一脈沖整形部以將其輸出整形為方波脈沖，脈沖整形部連接一時間間隔測量部以測量脈沖整形部的兩個脈沖之間的時間差，時間間隔測量部連接一流速算術邏輯處理單元以計算流速。
全文摘要
一種流速測量裝置,用于測量超聲傳輸時間,傳輸和接收對于時間調頻的超聲連續正弦波,其中一頻率鑒別器檢測超聲束的頻率在傳輸和接收時調制的時刻。因此,由于檢測延遲時間而造成的誤差消除了,因為一頻率鑒別器檢測接收和傳輸信號,即使接收信號的幅值嚴重波動超聲傳輸時間測量的誤差也可防止。該流速測量裝置可有效用于大尺寸標定管和大河流或排水道敞開溝。
文檔編號G01P5/24GK1247985SQ99117918
公開日2000年3月22日 申請日期1999年8月16日 優先權日1998年8月26日
發明者張學洙 申請人:昌民技術株式會社