具有遠距離信號處理電路的超聲波渦流流量計的製作方法
2023-10-09 11:05:09 1
專利名稱：具有遠距離信號處理電路的超聲波渦流流量計的製作方法
技術領域：
本發明涉及液體流量計的改進，更確切地講是涉及在液流管路中配置一非流遠距離信號處理的超聲波渦流流量計線形體並利用超聲波傳感電路類型的渦流式流量計。
通常超聲波渦流流量計是眾所周知的，其工作原理為，放置在直線流動的液體中的一個障礙物，例如一非流線形體，在該障礙物下遊側產生許多向下流動的渦流。這些渦流使得在可觀察到的，例如壓力或流速液流參數產生局部振蕩變化。當發射超聲波通過渦流傳播時，渦流使得發射波和接收波之間產生一相位差，該相位差取決於渦流強度和流速。隨後檢測這些相位差並列用它們計算液體的流量。
然而，相位差也受其它外部因素例如液體溫度變化的影響，其會使發射波和接收波之間的相位產生偏離，從而超出相位檢測器的最佳範圍。因此已知的超聲波流量計應用複雜且造價高的相位檢測電路，試圖迫使相位差保持在一最佳檢測範圍內。
例如，一種已知裝置是利用一鎖相環路(PLL)，或者緩慢調節發射信號的頻率以保持最佳相位角，或者緩慢調節振蕩器的頻率以便鎖定到接收信號上。除了費用高和複雜因素外，PLL裝置的不足在於在控制由液流中較大溫度變化引起的發射頻率較大變化時易出差誤，並且如果發射波例如在液流中遇到氣泡而阻滯時，則可能失去鎖定和相應的重新獲得時間。重新獲得時間對於大流量計是特別的難題，這是因為鎖相時間常數必須大於最低渦流流出頻率，例如為1赫茲量級。
其它已知的超聲波渦流流量計則利用多組發射器和接收器來試圖克服上述相位異常問題。然而這些裝置只能使檢測電路更複雜、造價更高。
除相位檢測電路問題外，已知流量計裝置還具有傳感器座設計方面的缺陷，即流量計的任何維修必須從液流導管拆卸部件。這種拆卸是非常不希望的，這是因為需要暫時停止依靠液體流動的生產過程，使得液體停止流動。此外，從管路中拆卸流量計會使外部汙染物進入管路，因此，更加破壞生產過程或可能犧牲生產的產品的質量。
此外，需要開發一種渦流傳感器，其能克服已知裝置的上述缺陷，還能在遠離實際的傳感器安裝地的地點處理傳感器輸出的信號。
所以，本發明的目的之一是提供一種超聲波渦流流量計，其利用簡單、便宜並可靠的相位檢測器，同時能離開安裝的傳感器的需監測的液流管路的現場遠距離地進行信號處理。
本發明的另一個目的是提供一種超聲波渦流流量計，其可由專業人員維護檢修而無須拆卸液體配給系統，也不會將液體暴露於外部汙染環境中。
本發明的再一個目的是提供一種超聲波渦流流量計，其具有一個主傳感器座，允許取下液流傳感元件，而不會中斷液體配給系統中液體的流動，並還提供在遠離主傳感器座的單獨的電路盒內的一個信號處理電路。
本發明的又一個目的是提供一種超聲波渦流流量計，其具有一個傳感器座，其整體由耐腐蝕材料製成並圍繞一液流管路或管線滑動安裝。
根據這些或其他目的，本發明提供一種改進的具有一個傳感器座的超聲波渦流流量計，該傳感器座包括一與含非流線形體的管路連接器可移動配合安裝的叉形件，該連接器永久性地安裝在需監測的液流管路中。一個超聲波發射器和接收器分別放置於叉形件的兩個支臂內以使當液流流動時一超聲波穿過由於位於含非流線形體的管路連接器內的非流線形體產生的渦流。滑動安裝的叉形件既無需在維修流量計時停止液體流動，也避免外部汙染物進入液體。流量計還利用一簡單的相位檢測器，其由異或門與最佳相位範圍檢測裝置相結合構成。無論何時發射波和接收波之間的相位差接近0或180度，最佳相位範圍檢測裝置觸發一個90度移相裝置。
因此，根據本發明的第一方面，一個渦流流量計包括一圍繞液流管路連接的傳感器座，一個置於管路中以在流動液體中產生渦流的裝置，一個發射器放置於座內以通過渦流傳導超聲波，以及一個超聲波接收器，放置於座內以接收該傳導波。傳感器控制和信號處理電路配置在位置遠離傳感器座的單獨的電路盒內，並包含一個相位檢測裝置，與發射器和接收器相連接，以產生代表發射波和接收波之間的任何相位差的輸出信號，以及一個處理裝置響應於相位檢測裝置輸出，用以確定作為由渦流引起的相位差的函數的液體流量。一個最佳相位範圍檢測裝置與相位檢測裝置相連接，用以檢測相位差是否接近0度或180度，一個移相裝置響應於最佳相位範圍檢測裝置，當相位差接近0或180度時，用以將提供給檢測裝置的發射信號的相位基本上位移90度。
根據本發明的第二個方面，一個渦流流量計包括一帶有一叉形件的傳感器座，該叉形件的尺寸適於圍繞一與液流管路相連接的含非流線形體的管路連接器滑動。非流線形體的配置在於在液流中產生渦流。超聲波發射器和接收器配置在該叉形件內分別位於含非流線形體的管路連接器的相對兩側。定位的發射器發射一超聲波通過渦流由一接收器接收。一遠離傳感器座的單獨的電路盒內容納傳感器控制和信號處理電路。該控制和信號處理電路包含的相位檢測裝置與發射器和接收器相連接，以產生代表發射波和接收波之間的相位差的一個輸出信號，以及一個處理裝置響應相位檢測裝置輸出信號，用以確定作為渦流引起的相位差的函數的液體流量。
通過閱讀下列詳細描述的優選實施例並結合附圖，對本發明會有更全面的了解。
圖1是表示本發明的超聲波渦流流量計的透視圖；圖2是表示圖1中流量計的軸向正視圖；圖3是表示沿圖2中的剖線3-3所取的剖面圖；圖4是表示沿圖2中的剖線4-4所取剖面圖；圖5是表示本發明的流量計處理電路的方塊圖；圖6(a)-(c)是表示圖5電路中在不同點處信號處理狀況的曲線圖。
參照圖1-4，該圖表示依據本發明的超聲波渦流流量計10，其具有一個由以滑動安裝的叉形件形式形成的一個傳感器座12。座12的叉形件部分與一個分開的含非流線形體的管路連接器14滑動和摩擦配合，並利用一鎖緊異形銷16保持就位。另外，一對空腔18和20分別形成在該座12的叉形件部分外側的相對兩側上。超聲波發射器22和接收器24定位於相應的空腔18和20之內。滑動安裝的該座的上部構成為帶有螺紋連接器26和圓柱形部分28的導管式連接器，可以將它們設計得能由一帶擴口端部的管道接收連接，這對本技術領域的普通專業人員是易於理解的。
在最初安裝時，將含非流線形體的管路連接器14裝配到所需的液體管路或管線，在此之後需檢測的流量液體通過第一開口端30進入一含非流線形體的流動通道32，最後通過一個與第一開口端30位置相反的第二開口端34流出。至少有一個非流線形體36與管路連接器14固定，以使其在通道32內定位並伸向內部。
位置遠離叉形座12的計量頭38經過適當的線路40連接到發射器22和接收器24，或者經過無線方式聯繫(未表示)。計量頭38容納傳感器電路(下文結合圖5介紹)和各種各樣的現場連接體。這些連接件通常在流量計安裝之後需要操作，以使流量計輸出能連接到外部監測和控制電路上。使計量頭38的位置遠離叉形座12，便利地實現傳感器控制和信號處理電路與連接點的隔離，這又便利於傳感器監測和電路維修，使得不可能將汙染物引入到需監測的液體管路中。傳感器座的所有元件由例如尼龍、特氟隆、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯或其它適用塑料等耐腐蝕材料製成。使用塑料使本發明的流量計能抗腐蝕、抗酸和抗多數溶劑，並且其非常適用於有害的產業生產環境。
從圖3容易看出，當叉形件部分適當安裝在該含非線形體的管路連接器14上時，發射器22和接收器24將按這樣一種方式定位，以便超聲波信號從在含非流線形體的通道32內的液流與非流線形體36相碰撞時產生的向下流動的渦流42穿過，這一點本技術領域中一般技術人員很容易理解。利用一相位檢測電路例如異或門44檢測在發射波和接收波之間因通過渦流42產生的一相位差，下面結合圖5中流量計處理電路100進行更完整的描述。
如圖5所示，更確切地講，處理電路100包括一振蕩器102，其產生一例如頻率為2兆赫的一基準波。然後該基準波例如利用一個分頻器103進行2分頻，輸入到發射器22以便產生發射波。振蕩器102的輸出通過第二個分頻器(如圖所示用2分頻105)還提供給異或門44作為其中的一個輸入，同時接收器42的輸出作為異或門44的另一輸入。如圖6(b)所示，異或門44接著產生由一系列具有某一寬度的脈衝組成的輸出信號46，其為圖6(a)中所示發射波和接收波之間相位差「a」的函數。
異或門44的輸出由一低通濾波器進行濾波，該濾波器的截止頻率低於載波頻率，但高於渦流出現的頻率。低通濾波器104從相位檢測器輸出中將載波有效地除去。因此，如圖6(c)所示典型實施例，如果利用一標準CMOS型異或門，低通過濾器104的輸出包含由一在0到5伏(直流)之間變化的與相位差變化相對應的DC電壓分量和一頻率為液流速度的函數的一小的AC電壓分量。一高通濾波器106分離出AC電壓分量以便輸入到控制處理器108。控制處理器108處理AC分量，用以輸出到數模轉換器(DAC)110。DAC110的輸出傳送到一適合的液體流量顯示器112或其它外部監測裝置。
依據本發明，當發射波和接收波之間相位差基本上為0或180度時，為補償異或門44的無效狀態(inability)，當發射波和接收波之間的相位差基本上為0到180度時產生一輸出量，控制處理器108利用一模數(A/D)轉換器114監測異或門輸出的DC分量的幅值以確定何時相位差基本上為0或180度。例如上述示例性實施例中，當相位差在一最佳範圍時，DC分量的幅值為2.5伏(直流)，以及當相位差基本上為0或180度時，DC分量的幅值分別為0或5伏(直流)。當處理器108檢測的相位差無論等於或接近0或180度時，處理器108都啟動一開關116使得振蕩器/發射器向異或門的輸入利用反相器118進行反相。由於利用分頻器105，這一開關的設置在發射器輸入到異或門44的信號中有效地產生一個90度相位移，從而維持發射波和接收波的相位差在一最佳相位檢測範圍中。
因此，本發明中的超聲波渦流流量計10比常規的液體流量計具有顯著的優點。特別指出，滑動裝配的叉形件可以解除鎖定而將其迅速卸下、更換，並且在維護流量計時無須將液流管路打開，因此，排除了當需要維修流量計時外部汙染物進入液體的可能性。再者，本發明中監測與一最佳相位差檢測範圍的偏差以及後來的90度相位移補償的裝置，使得本發明能利用一簡單、可靠並且便宜的異或門作為一相位檢測器。最後，因為流量計頭位置遠離滑動安裝的傳感器座，將流量計電路和現場的連接件與液流管路的連接點隔離開來，對於現場工作人員，在傳感器安裝之後僅需直接操作傳感器，將其連接到外部監測或其它控制設備，消除了需監測的液體暴露於汙染物的可能性。
應當理解，上述對本發明優選實施例的描述僅僅是為說明本發明，以及在不脫離本發明的構思和在所提出的權利要求中限定的範圍的前提下，在此公開的各種不同結構和操作特性允許進行各種改進。
權利要求
1.一個渦流流量計，它包括一個圍繞液流管路相連的傳感器座；一個放置在所說管路中用以在流動液體中產生渦流的裝置；一個發射器，放置於所說傳感器座內，用以通過所說渦流傳送一超聲波；一個超聲波接收器，其放置於所說傳感器座內，用以接收所說傳送波；一個相位檢測器，配置在位置遠離所述傳感器座的電路盒內，所述相位檢測器與所說發射器和接收器相連，用以產生代表發射波和接收波之間相位差的一個輸出；一個處理器裝置，其位於所述電路盒內並響應所說相位檢測裝置的輸出，用以確定作為所說渦流引起相位差的函數液體流量；一個最佳相位範圍檢測裝置，位於在所述電路盒內並與所說相位檢測器裝置相連，用以檢測所說相位差是否接近0度或180度；以及移相裝置，位於所述電路盒內，並與所說最佳相位範圍檢測裝置相連接，用以將提供給所說相位檢測裝置發射的信號基本上移相90度。
2.如權利要求1所說的渦流流量計，其特徵在於所說相位檢測裝置，包含一異或門，其輸出與一個濾波裝置相連，該濾波裝置用於將所述輸出濾波，形成一代表發射波和接收波之間相位差的直流分量和一代表所說渦流頻率的交流分量。
3.如權利要求2所說的渦流流量計，其特徵在於所說最佳相位範圍檢測裝置響應於所說直流的幅值，確定所說相位差是否接近0或180度。
4.如權利要求2所說的渦流流量計，其特徵在於所說移相裝置包含一個用於將提供給所說相位檢測裝置的所說發射信號反相的裝置，和一將所說反相信號2分頻的分頻器。
5.如權利要求1所說的渦流流量計，其特徵在於所說傳感器座包含一叉形件，其尺寸適合圍繞一連接到所述液流管路上的含非流線形體的管路連接器滑動安裝。
6.如權利要求5所說的渦流流量計，其特徵在於所說叉形件利用一鎖緊機構圍繞所說含非流線形體的管路連接器以可拆卸方式固定。
7.如權利要求5所說的渦流流量計，其特徵在於所說發射器和接收器安裝於所說叉形件內，以使其分別放置於所說含非流線形體的管路連接器相對兩側。
8.一種渦流流量計，包含一個傳感器座，其包含一叉形件，該叉形件尺寸適於圍繞一連接到液流管路上的含非流線形體的管路連接器滑動安裝，配置所說非流線形體的目的在於在流動液體中以產生渦流；一個超聲波發射器和接收器，置於所說叉形件內，使其分別位於所說含非流線形體的管路連接器的相對兩側，所說發射器通過所說渦流傳送一超聲波，由所說接收器接收；一個相位檢測裝置，位於位置遠離所述傳感器座的一個電路盒內，所述相位檢測裝置與所說發射器和接收器相連接，用以產生一代表發射波和接收波之間相位差的輸出信號，以及一個處理器裝置，位於所述遠距離電路盒內並響應所說相位檢測裝置的輸出信號，用以確定作為所說渦流產生相位差的函數的流量值。
9.如權利要求8所說的渦流流量計，還包括一個最佳相位範圍檢測裝置，位於在所說遠距離的電路盒內並與所說相位檢測裝置相連接，用於檢測所說相位差是否接近0度或180度；以及一個移相裝置，位於在所說的遠距離的電路盒內並與所說最佳相位範圍檢測裝置相連接，用於將提供給所說相位檢測裝置的發射信號的相位基本上移90度。
10.如權利要求9所說的渦流流量計，其特徵在於所說相位檢測裝置包含一異或門，異或門的輸出端連接到一濾波裝置，該濾波裝置對所述輸出信號濾波形成一代表發射波和接收波之間相位差的直流分量和一代表所說渦流頻率的一個交流分量。
11.如權利要求10所說的渦流流量計，其特徵在於所述最佳相位範圍檢測裝置響應於所說直流分量的幅值，用於確定所說相位差是否接近0或180度。
12.如權利要求11所說的渦流流量計，其特徵在於所說移相裝置包括一裝置，用於將提供給所說相位檢測裝置的所說傳送信號反相和一個用於將所說反相信號2分頻的分頻器。
13.如權利要求8所說的渦流流量計，其特徵在於所述叉形件利用一鎖緊機構圍繞所說含非流線形體的管路連接器以可拆卸方式緊固。
14.如權利要求8所說的渦流流量計，其特徵在於所說傳感器座全部由耐腐蝕材料構成。
全文摘要
一種改進的超聲波渦流流量計(10)包括:一個具有一滑動安裝的叉形件(16)的傳感器座(12),該叉形件與一永久安裝於需監測的管路中的含非流線形體的管路連接器(14)從可動方式相配合。一超聲波發射器(22)和接收器(24)分別置於叉形件的二叉臂,以便使超聲波通過由於液體流動時經過非流線形體(36)所產生的渦流(42)。這種流量計還將一個異或門(44)與一個最佳相位範圍檢測裝置(108)結合使用,當發射波和接收波相位差接近0或180度時,最佳相位範圍檢測裝置形成90度相位移。
文檔編號G01F1/66GK1180162SQ9711493
公開日1998年4月29日 申請日期1997年6月11日 優先權日1996年6月12日
發明者D·W·馬希, L·O·羅斯恩, E·J·羅斯恩 申請人:阿薩希美國有限公司