使用接收信号的窗口化的超声流量计制造技术

本发明专利技术涉及使用接收信号的窗口化的超声流量计。本申请公开一种超声流量计量的方法(100)，所述方法包含向定位用于在其间耦合超声波的超声换能器对(T

【技术实现步骤摘要】
使用接收信号的窗口化的超声流量计
所公开实施例涉及超声流量计，且更确切地说，涉及用于流体流量计量的超声信号的信号处理。
技术介绍
超声流量计通常用于确定在管道中流动的各种流体(例如，液体、气体)的流速。对流体的流速的了解能够实现待确定流体的其它物理特性或性质。例如，在一些密闭输送应用中，流速能够用于确定通过管道从卖方输送到买方的流体(例如，油或气体)的体积(Q)以确定交易的成本，其中流体体积等于流速乘以管道的截面积以及所关注的持续时间。已知用于管道(例如，用于水流计量)的非侵入式夹紧(clamp-on)流量监测器。非侵入式流量监测器能够使用合适的支架和紧固件夹持在管道外部并且固定到管道上。还已知用于管道的侵入式内联流量监测器，所述流量监测器安装在中介/干预(intervening)管道部分内，所述中介管道部分通过凸缘连接到相邻管道部分。一种类型的超声流量计采用通过时间流量计量，其中一对或更多对超声换能器附接到管道(或排气套管附接到管线)，其中每个换能器对包含相对于流体流位于上游的换能器以及相对于流体流位于下游的换能器。当通电时，每个换能器通过流动流体沿着超声路径发射超声束或信号(例如，声波)，所述超声束或信号由换能器对中的另一换能器接收和检测。能够根据超声信号沿着超声路径从下游换能器行进到上游换能器的通过时间与超声信号沿着超声路径从上游换能器行进到下游换能器的通过时间之间的通过时间差来确定沿着超声路径平均化的流体的路径速度(即，路径或弦(chord)速度(Vp))。存在用于已知通过时间超声流量计中的两种不同测量原理。第一类型的超声流量计是实施跨越换能器(传感器)对之间的路径的直接测量的直接路径类型，其中不需要反射器。用于直接路径类型的超声流量计的超声发射器和接收器以线性配置位于在计量器管道内部流动的流体内。第二类型的超声流量计是反射路径类型，其通常使用安装在与换能器对相对的计量器管道内壁上的至少一个超声反射器来将从超声发射器接收到的超声测量信号反射到超声接收器而实施间接测量路径，其中换能器对位于计量器管壁的同一侧处。在操作时，脉冲串激励通常用于激励换能器对中的一个换能器。处理从脉冲串激励产生的所接收超声信号的常规方式是计算接收信号的过零点，根据所述过零点计算上游路径与下游路径之间的通过时间差(或Δ飞行时间，即ΔTOF)，所述通过时间差用于计算流体流量。
技术实现思路
此
技术实现思路
简要指出本专利技术的性质和本质。应当理解，所述
技术实现思路
并不是用于解释或限制权利要求的范围或含义。所公开的实施例认识到，对于流体流量监测，需要准确地处理响应于所施加的脉冲串激励而接收到的超声信号。在超声流量计量的所公开方法以及相关处理器集成电路(IC)和由此的超声流量计中，将包含多个(例如，20个)脉冲的脉冲串发射(例如，通过微控制器单元(MCU))到发射换能器，所述发射换能器发射在穿过称为通道的流体路径之后由接收换能器获得的超声信号。在激励周期期间，接收信号的振幅增强，并且给定足够时间增强到在激励频率下振荡的标称稳定状态振幅。在停止脉冲激励之后，接收换能器处的接收信号在整个系统的谐振频率下衰减，所述系统被认为是与温度相关的并且还与流体混合物的其它变量相关，包含(一种或更多种)组分的浓度和(一种或更多种)杂质水平。因此，为了计算分别定义为t12与t21之间的时间的下游信号与上游信号之间的传播时间差(或Δ飞行时间(TOF))，认识到能够通过应用用于将相应所接收超声波(R12)和(R21)窗口化的窗函数以产生窗口化部分而提高ΔTOF测量准确度，所述传播时间差使得能够计算流体流量，其中，t12是所述超声波从第一换能器(T1)传播到第二换能器(T2)的时间，并且t21是超声波从T2传播到T1的时间。在一个实施例中，R12和R21的窗口化仅传递R12和R21的激励部分，使得仅对接收信号的激励部分执行计算，并且衰减区(尾部)被过滤掉并且因此被舍弃。附图说明现将参考附图，所述附图未必按比例绘制，其中：图1是根据一个示例性实施例的示出在使用所接收超声信号的窗口化的超声流量计量的示例性方法中的步骤的流程图。图2描绘根据一个示例性实施例的示为安装在管线部分之间的示例性超声流量计。图3示出根据一个示例性实施例的实施使用所接收超声信号的窗口化的超声流量计量的所公开方法的示例性单片混合信号处理器IC。图4A描绘示例性超声流量计，其包含图3中所示的MCU以及在管道部分内具有换能器和反射器的管道部分，所述管道部分在上文所示的放大和模数(ADC)转换之后具有示例性所发射的脉冲串(TX)和所接收的信号(RX)。图4B示出图4A中所示的RX的扩展图。图4C示出在零流体流量处且跨越从约5℃至85℃的温度范围的RX信号的峰值频率(以MHz为单位)的评估。图5A示出在滤出图4B中所示的信号的整个尾部部分的窗口化之后的激励部分。图5B示出示为具有线性斜坡的梯形窗的示例性线性锥形窗。图6A和图6B示出在使用接收信号的所公开窗口化(仅激励部分)和非窗口化(激励部分和尾部部分)两者计算的2个不同水流计量器的零流量处的ΔTOF。具体实施方式相对于图式描述示例性实施例，其中相同参考标号用于表示相似或相同元件。动作或事件的所说明排序不应被认为限制性的，因为一些动作或事件可以不同顺序和/或与其它动作或事件同时发生。此外，一些所说明的动作或事件可能不需要用于实施根据本公开的方法。并且，如本文中所使用不具有另外限制的术语“耦合到(coupledto)”或“与......耦合(coupleswith)”(以及类似者)意图描述间接或直接电连接。因此，如果第一装置“耦合”到第二装置，那么所述连接能够通过直接电连接(其中通路中仅存在寄生效应)或通过经由包含其它装置和连接的中介项的间接电连接。对于间接耦合，中介项通常不修改信号的信息，但是可以调整其电流电平、电压电平和/或功率电平。图1是根据一个示例性实施例的示出在使用所接收超声信号的窗口化并且使用窗口化后的所接收超声信号计算信号延迟的超声流量计量的示例性方法100中的步骤的流程图。步骤101包括将多个电子脉冲(脉冲串)施加到超声换能器(换能器)对，所述超声换能器对包含第一换能器(T1)和至少第二换能器(T2)，所述超声换能器对定位用于在T1与T2之间耦合超声波。换能器以及一个或更多个可选的超声反射器能够处于管道部分内以提供内联流量计。传播路径能够是反射的(通过管道的内壁或通过内管壁上的所添加反射器反射)或直接的(直的或对角线的)。或者，换能器可以夹持在非侵入式夹紧布置中。选定的激励频率能够处于换能器的谐振频率或接近换能器的谐振频率。如本文中所使用，接近换能器的谐振频率表示在谐振频率的5％内。认为选择处于换能器的谐振频率或接近换能器的谐振频率的激励频率的结果是改进接收信号的信噪比(SNR)并且改进TOF计算的性能(即，准确性)。步骤102包括响应于第一脉冲串施加到T1，T1发射超声波，所述超声波在传播穿过管道部分中的流体之后由T2接收为所接收超声波(接收信号R12)。步骤103包括响应于第二脉冲串施加到T2，T2发射超声波，所述超声波在传播穿过流体之后由T1接收为所接收超声波(接收信号R21)。第一脉冲串和第二脉冲串通常是匹配的(相同的)脉冲串。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声流量计量的方法，其包括：将包含第一脉冲串和第二脉冲串的多个电子脉冲(脉冲串)施加到超声换能器(换能器)对，所述超声换能器(换能器)对包含第一换能器(T

【技术特征摘要】
2015.12.09 US 14/964,1721.一种超声流量计量的方法，其包括：将包含第一脉冲串和第二脉冲串的多个电子脉冲(脉冲串)施加到超声换能器(换能器)对，所述超声换能器(换能器)对包含第一换能器(T1)和至少第二换能器(T2)，所述超声换能器(换能器)对定位用于在所述TI与所述T2之间耦合超声波；响应于所述第一脉冲串施加到所述T1，所述T1发射超声波，所述超声波在传播穿过管道部分中的流体之后由所述T2接收为所接收超声波(R12)；响应于所述第二脉冲串施加到所述T2，所述T2发射超声波，所述超声波在传播穿过所述流体之后由所述T1接收为所接收超声波(R21)；其中在所述脉冲串期间，所述R12和所述R21的振幅增强以提供激励部分；终止所述脉冲串，其中在所述终止之后，所述R12和所述R21随着受阻自由振荡衰减；窗口化所述R12和所述R21以产生窗口化部分；仅使用所述窗口化部分计算t12与t21之间的信号延迟，即Δ飞行时间(ΔTOF)，其中，所述t12是所述超声波从所述T1传播到所述T2的时间，并且所述t21是所述超声波从所述T2传播到所述T1的时间；以及根据所述ΔTOF计算所述流体的流量。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述窗口化包括使用线性锥形窗。3.根据权利要求1所述的方法，所述窗口化包括使用汉宁窗。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体包括水。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述T1和所述T2沿着内联管道部分的第一管壁彼此间隔开。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述受阻自由振荡提供尾部部分，并且其中所述窗口化选择性地清除至少所述尾部部分的一部分。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述脉冲串的激励频率处于所述T1和所述T2的谐振频率的5％处或在所述T1和所述T2的谐振频率的5％内。8.一种单片混合信号处理器IC(处理器IC)，其包括：衬底，其具有半导体表面；处理器，其形成于所述半导体表面上；非易失性存储器，其存储流量测量算法；数据总线，其用于将所述非易失性存储器耦合到所述处理器；地址总线，其用于将所述非易失性存储器耦合到所述处理器；输入/输出引脚，即IO引脚，其耦合到所述数据总线和所述地址总线，用于耦合到第一换能器(T1)和第二换能器(T2)；当所述IO引脚耦合到包含定位用于在所述T1和所述T2之间耦合超声波的所述T1和至少所述T2的超声换能器(换能器)对时并且当由将所述IC排序的所述处理器实施时，所述流量测量算法用于：将包含第一脉冲串和第二脉冲串的多个电子脉冲(脉冲串)施加到所述T1和所述T2；其中响应于所述第一脉冲串施加到所述T1，所述T1发射超声波，所述超声波在传播穿过管道部分中的流体之后由所述T2接收为所接收超声波(R12)，并且响应于所述第二脉冲串施加到所述T2，所述T2发射超声...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·萨斯纳瑞亚娜，A·达巴克，D·P·麦基，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US