超聲波流速測量儀的製作方法
2023-05-31 16:56:01 1
專利名稱：超聲波流速測量儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用超波束測量流體流速的儀器，尤其是涉及一種超聲波流速測量儀，該儀器產生或接收超聲波束，該超聲波束的頻率根據發送端擴頻段的PN(偽躁聲)碼進行調製，並精確地測量管道或閘門開啟的渠道的流速。
已知通常採用超聲波流量計利用超聲波束測量大口徑的管道或大型河流的流量。
通常的超聲波流量計大多應用利用超聲波渡越時間差的流速測量方法。
圖1舉例示出，在一通常的超聲波流量計中超聲波換能器1和2相互分隔設置。超聲波換能器1和2交替產生或接收超聲波束，並利用下述公式(1)測量流速。
V=Δt·C2/2·L·cosφ=(L2/2d)·[(t21-t12)/(t12·t21)](1)其中，Δt等於t12和t21，t12和t21是超聲波束在流體中以φ角度或與流速方向反向發送的時間。L是兩個超聲波換能器間的間距，d等於L cosφ和C是流體中的音速(替代下述的超聲波渡越時間)。
利用超聲波渡越時間差的流速測量方法預先輸入一預定的常數L2/2d，並計算時間t12與t21的時間差，其中時間t12是在超聲波束沿流速方向發射時測量出的，而時間t21是在超聲波束逆t12流速方向發射時測量出的。根據美國專利US5531124(1996年7月2日)和日本專利JP2676321(1998年7月26日)中的記載，專業人員已公知了這種流速測量方法。
但根據上述現有技術的方法，如果兩個超聲波換能器間的間距L相應較大，或在流體流中有大小不一的渦流或旋渦發生，或在自然河流中的流體懸浮物的濃度或溫度分布發生變化時，則在超聲波接收位置超聲波束的聲壓將有劇烈的脈動，這是因為超聲波束受到反射或散射，或吸收衰減係數發生變化之故。
另外，即使發送的是一理想的具有短波長的超聲波束，接收信號也會變成鐘形脈衝，這是因為超聲波束的高次諧波分量被嚴重衰減之故。所以，在檢出接收到超聲波束的時刻時經常會出現相當於幾個超聲波束周期的接收誤差，並且接收不正常的情況並不是少見的。
為了不使接收脈衝的波形發生畸變，採用了寬帶放大器，但各種躁聲也會隨之被放大。脈衝躁聲尤其會造成對超聲波發送時間測量的擾亂。
基於上述問題，如圖2所示，記載於美國專利US6012338的另一現有技術通過發送或接收調頻超聲波束測量超聲波渡越時間並求出流速。
如圖2所示，一調頻振蕩器3通過一輸出放大器6接在一換能器轉換部分14上。一對超聲波換能器1和2接在換能器轉換部分14上。當沒有來自單衝多諧振蕩器4的脈衝輸入時，接在輸出放大器6輸入端上的超聲波調製放大器3依次輸出振蕩頻率f，和輸出一頻率fo(如圖3c所示)，對該脈衝根據由單衝多諧振蕩器4按照一長脈衝(如圖3a所示)產生的短脈衝(如圖3b所示)進行調製，所述長脈衝是由一控制矩形脈衝振蕩器5以一定的周期產生的。
由調頻振蕩器3產生的頻率f和fo通過輸出放大器6，並輸入給換能器轉換部分14。換能器轉換部分14將經放大的頻率f和fo輸入給超聲波發送換能器1。如圖3d所示，超聲波發送換能器1依次發射振蕩頻率f和調頻頻率fo。超聲波接收換能器2設置在低於超聲波發送換能器1的位置上，接收振蕩頻率f和調頻頻率fo。
此時，輸出放大器6的輸出信號通過衰減器13和輸出轉換部分8被發送給鑑頻器9。在頻率fo的持續時間內，鑑頻器9產生一輸出電壓(如圖3e所示)。圖3e的輸出電壓被脈衝整形部分10變換成如圖3f所示的矩形脈衝。一時間間隔測量部分11從接收到矩形脈衝的時刻起起動一計算操作。此後，在脈衝後沿的時刻，輸出轉換部分8和換能器轉換部分14根據控制矩形脈衝振蕩器5的控制被轉換，接收放大器7的輸出信號(如圖3g所示)輸入給鑑頻器9，並且一輸出電壓(如圖案3h所示)被脈衝整形部分10變換成矩形脈衝(如圖3i所示)並接著被發送給時間間隔測量部分11。此時，時間間隔測量部分11結束計算操作。另外，時間間隔測量部分11將計算出的超聲波渡越時間t12輸出給流速算數邏輯處理單元12。
此後，換能器轉換部分14根據控制矩形脈衝振蕩器5的控制將輸出放大器6的輸出信號發送給超聲波接收換能器2，並向超聲波發送換能器1發射具有調製頻率的超聲波束。根據上述操作步驟，測量出超聲波渡越時間t21。流速算數邏輯處理單元12接收一個來自時間間隔測量部分11的與時間t12反向的時間t21，並利用上述公式(1)計算流速。
上述美國專利US6012338記載的現有技術通過捕捉接收信號的頻率發生變化的時刻測量超聲波渡越時間，並因而即使在超聲波束的聲壓脈動的條件下也能測量出超聲波渡越時間。
但由於超聲波發送換能器1產生的超聲波束被從表面或底部反射，並在延遲操作之後超聲波束才到達超聲波束接收放大器2，所以很難捕捉到精確的調頻時間點。換句話說，如圖4所示，當超聲波發送換能器1向超聲波接收換能器2發射一超聲波束時，超聲波束是經多逕到達超聲波接收換能器2的。例如經過第一至第三路徑P1、P2和P3的超聲波束根據路徑差具有一預定的相位差(如圖5a-5c所示)。此時，如圖5d所示，在鑑頻器9上有多個輸出電壓Vo1、Vo2和Vo3。由於在接收端存在Vo1、Vo2和Vo3，所以不能精確地檢測出振蕩頻率f被變換成調頻頻率fo的時刻，因而將導致測量誤差。
例如在兩個超聲波換能器1和2之間的時間間隔L特別短的條件下(例如0.05m)，流速V很緩慢(例如0.1m/s)，並且音速C約為1500m/s，如果對測量誤差不予考慮，則超聲波渡越時間Δt的數值為3.14×10-9s。如果以高精確度在允許的誤差範圍1％內測量超聲波渡越時間Δt，則測出的渡越時間差的絕對誤差不得超過3×10-11s。出於對與絕對誤差有關條件的考慮，渡越時間測量裝置將會很複雜，捕捉超聲波調製脈衝的接收時刻的裝置應是一個特別穩定和精密的系統，因而將增大製造產品的成本。
另外，在不同的測量位置彎曲通路的流速將會出現很大的流速偏差，因而為測量超聲波渡越時間差必須設置多個超聲波換能器。如果與上述現有技術相同僅採用兩個超聲波換能器，則流速的測量誤差將很大，因而不能實現精密的測量。
本發明旨在解決上述問題。本發明的第一個目的是提出一種超聲波流速測量儀，該測量儀在具有按發送端擴頻段的PN碼調製頻率的超聲波信號的同步在接收端被鎖定的條件下，測量渡越時間，並避免出現超過允許誤差範圍的過度測量誤差。
本發明的第二個目的是提出一種超聲波流速測量儀，其中發送端和接收端採用同一PN碼，並因而即使應用幾對超聲波換能器，接收端接收的也是其自己的超聲波調製信號。
本發明的第三個目的是提出一種超聲波流速測量儀，該測量儀在各個位置設置有多個超聲波換能器，並精確地測量彎曲通路中的平均流速。
為實現第一個目的，在超聲波流速測量儀中在流體通路的上流側和下流側設置一對換能器並根據超聲波換能器間的超聲波渡越時間差測量流速，超聲波流速測量儀包括一發送部分，該部分用於產生具有根據擴頻段的PN碼調製的頻率的超聲波信號；一換能器轉換部分，該部分用於交替地將來自發送部分的超聲波信號加到一對超聲波換能器上，並針對發送或接收動作對超聲波換能器對的連接狀態進行切換；一接收部分，該部分用於對換能器轉換部分的輸出信號進行解調，並用於捕捉其自己的信號與發送部分的信號相同的時刻；一信號同步部分，該部分用於當接收部分捕捉到信號時，對接收信號的同步進行鎖定；一時間間隔測量部分，該部分用於在信號同步部分內接收信號同步被鎖定的條件下測量超聲波渡越時間；和一個控制器，用於對換能器轉換部分的切換操作進行控制，並根據與由時間間隔測量部分測量出的流速反向的超聲波渡越時間，計算出流速。
發送部分由一發送PN碼發生器、一調頻器和一輸出放大器構成。發送PN碼發生器包括一產生預定周期的時鐘信號的振蕩器，並產生PN碼，該PN碼根據由振蕩器產生的時鐘信號由高電平脈寬和低電平脈寬確定。
接收部分由一接收放大器、一頻率解調器和一信號捕捉部分構成。信號捕捉部分檢測解調信號系列與由發送PN碼發生器產生的PN碼信號系列相同的時刻。
信號同步部分由第一和第二合成器、第一和第二低通濾波器、一微分放大器、一環路濾波器、一壓控振蕩器和一接收PN碼發生器構成。在接收到來自信號捕捉部分的起動信號後，接收PN碼發生器產生根據壓控振蕩器的輸入頻率產生與發送PN碼發生器的輸出信號系列相同的PN碼，然後接收PN碼發生器產生一PN碼，該PN碼的相位超前於第一合成器的一個預定周期，和產生一個PN碼，該PN碼的相位滯後於第二合成器的一個預定周期。
根據第二個目的，在超聲波流速測量儀中，在流體通路的上流側和下流側設置一對換能器並根據超聲波換能器間的超聲波渡越時間差測量流速，超聲波流速測量儀包括一發送部分，該部分用於根據信號選擇信號由多個PN碼信號系列中選擇一PN碼，並用於產生一具有根據選出的PN碼進行調製的頻率的超聲波信號；一換能器轉換部分，該部分用於交替地將來自發送部分的超聲波信號加到超聲波換能器對上，並針對發送或接收動作對超聲波換能器的連接狀態進行切換；一接收部分，該部分用於對換能器轉換部分的輸出信號進行解調，並用於捕捉其自己的信號與發送部分的信號相同的時刻；一信號同步部分，該部分用於當接收部分捕捉到一個信號時，對接收信號的同步進行鎖定；一時間間隔測量部分，該部分用於在信號同步部分中接收信號同步被鎖定的條件下測量超聲波渡越時間；和一個控制器，該控制器用於產生一信號選擇信號，該信號選擇信號用於在發送部分由多個PN碼信號系列選出一PN碼，並根據與由時間間隔測量部分測量出的流速反向的超聲波渡越時間計算出流速。
根據第三個目的，超聲波流速測量儀包括多個成套單元，這些成套單元發送或接收具有根據不同的PN碼調製的頻率的超聲波束，並測量超聲波渡越時間；一個控制器，該控制器用於收集由多個成套單元測出的超聲波渡越時間，並計算平均流速。
成套單元包括多個超聲波換能器，這些超聲波換能器相對設置在流體通路的上流側和下流側的不同高度上；一發送部分，該部分用於產生具有根據預定的PN碼調製的頻率的超聲波信號；一換能器轉換部分，該部分用於交替地將來自發送部分的超聲波信號加到超聲波換能器對上，並針對發送或接收動作對超聲波換能器的連接狀態進行切換；一接收部分，該部分用於對換能器轉換部分的輸出信號進行解調，並用於捕捉其自己的信號與發送部分的信號相同的時刻；一信號同步部分，該部分用於當接收部分捕捉到一個信號時，對接收信號的同步進行鎖定；和一時間間隔測量部分，該部分用於在信號同步部分中接收信號同步被鎖定的條件下測量超聲波渡越時間。
下面將結合附圖對本發明的進一步的目的和其它優點加以說明。其中圖1舉例示出，在一通常的超聲波流量計中相互分隔設置的超聲波換能器；圖2為根據現有技術的超聲波流速測量儀的框圖；圖3分別示出圖2的每一部分的脈衝波形；圖4示出圖2中超聲波換能器間的超聲波傳輸路徑；圖5示出圖2中的鑑頻器的輸出電壓；圖6為根據本發明優選實施例的超聲波流速測量儀的框圖；圖7分別示出圖6中每一部分的脈衝波形；圖8示出用於說明圖6中信號同步部分工作情況的脈衝波形；圖9為根據本發明的第二個優選實施例的流速測量儀的框圖；圖10示出在彎曲的流體通路中的平均流速；圖11為根據本發明的第三個優選實施例的超聲波流速測量儀的框圖；圖12舉例示出圖11中的超聲波換能器的設置。
下面將結合附圖對本發明的優選實施例加以詳細的說明。
圖6為根據本發明優選實施例的超聲波流速測量儀的框圖。
如圖6所示，超聲波流速測量儀包括一發送部分10，該部分用於產生具有一根據擴頻段的PN碼調製的頻率的超聲波信號；
一換能器轉換部分20，該部分用於交替地將發送部分10的輸出信號加到一對超聲波換能器21和22上，並輸出超聲波換能器21和22的接收信號；一接收部分30，該部分用於對換能器轉換部分20的輸出信號進行解調，並用於對其捕捉；一信號同步部分40，該部分與接收部分30的輸出端連接，並用於對被捕捉到的信號的同步進行鎖定；一時間間隔測量部分50，該部分用於在信號同步部分40中信號同步被鎖定的條件下計算超聲波渡越時間，並用於將計算出的數值轉換成數據；和一個控制器60，該控制器用於對換能器轉換部分20的轉換動作進行控制，以便使超聲波換能器21和22交替地發射或接收一超聲波調製信號，同時接收時間間隔測量部分50的輸出數據，並計算流速。
控制器60接在輸入部分70和輸出部分80上。輸入部分70用於由使用者確定計算流速的初始數值，通常具有一個鍵盤。輸出部分80顯示由控制器60計算出的流速，並具有一諸如七段數碼管或液晶顯示板等顯示裝置。
超聲波換能器21和22分隔開地設置在管道或閘門開啟的渠道上。超聲波換能器21設置在流體通路的上流側。超聲波換能器22設置在流體通路的下流側。
發送部分10由一發送PN碼發生器11、一調頻器12和一輸出放大器13構成。發送PN碼發生器11包括一用於產生預定周期的時鐘信號的振蕩器，並根據來自振蕩器的時鐘信號依次輸出一擴頻頻譜的PN碼，同時向時間間隔測量部分50周期地輸出起始信號SART。PN碼系一脈衝系列，該脈衝系列由一高電平脈寬和一低電平脈寬決定的信號系列按預定的周期重複。調頻器12在保持PN碼高電平的周期內輸出第一頻率f1，並且在保持PN碼低電平的周期內輸出第二頻率(f2=f1+Δf)。
輸出放大器13對由預定電平調製的第一和第二頻率f1和f2進行放大，並將其輸出給換能器轉換部分20。
由於換能器轉換部分20，上流側的超聲波換能器21向下流側的超聲波換能器22發送調製的第一和第二頻率f1和f2。反之，下流側的超聲波換能器22也向上流側的超聲波換能器21發送調製的第一和第二頻率f1和f2。換能器轉換部分20的這種轉換操作是通過控制器60的轉換控制信號UP/DOWN實現的。
接收部分30由接收放大器31、頻率解調器32和信號捕捉部分33構成。接收放大器31收到一微弱的信號，該信號是由兩個超聲波換能器21和22中的一個通過換能器轉換部分20接收的，並由預定的放大電平對輸入的微弱信號進行放大。頻率解調器32對接收到的用預定的電平放大的信號進行解調。信號捕捉部分33檢測解調的信號與由發送PN碼發生器11產生的PN碼信號系列相同的時刻。在此時刻，信號捕捉部分33向信號同步部分40同時輸出起動信號ENABLE和PN碼信號系列。
信號同步部分40由第一和第二合成器41和42、第一和第二低通濾波器43和43、微分放大器45、環路濾波器46、壓控振蕩器47和接收PN碼發生器48構成。第一和第二合成器41和42分別接在信號捕捉部分33的輸出端和接收PN碼發生器48的輸出端。第一合成器41將信號捕捉部分33的輸出信號與由PN碼發生器48產生的相同系列的PN碼(其相位超前一個預定周期)合成，並產生一合成信號。第二合成器42將信號捕捉部分33的輸出信號與相同系列的PN碼(其相位滯後一個預定的周期)合成，並產生一合成的信號。第一和第二低通濾波器43和44接在第一和第二合成器41和42的輸出端，並濾除在合成處理時混入的不需要的高頻部分。微分放大器45按照與第一低通濾波器43濾出的直流部分電壓信號Vdcl和第二低通濾波器44濾出的直流部分電壓信號Vdc2的信號差成比例地進行差分放大，並產生一控制壓控振蕩器47的控制電壓Vc。環路濾波器46將來自微分放大器45的差分放大的控制電壓Vc中混入的躁聲濾除。壓控振蕩器47根據已濾掉躁聲的控制電壓Vc』改變基頻fr。當接收到來自信號捕捉部分33的起動信號ENABLE後，接收PN碼發生器48根據來自壓控振蕩器47的輸入頻率產生與發送PN碼發生器11的輸出信號系列相同系列的PN碼。此後，接收PN碼發生器48產生一PN碼，其相位超前一個第一合成器的預定周期，還產生一個PN碼，其相位滯後一個第二合成器的預定周期。
由接收PN碼發生器48發送給第一合成器41的PN碼的輸入先於由信號捕捉部分33發送給第一合成器41的接收信號系列PN碼，先於接收信號系列PN碼一個預定的時間。同時，由信號捕捉部分33產生一個PN碼，該PN碼由接收PN碼發生器48輸入給第二合成器42，並且滯後於按預定周期輸入給第二合成器42的接收信號系列PN碼。因此，當信號同步被鎖定時，接收PN碼發生器48向時間間隔測量部分50輸出一結束信號STOP。
在信號同步被鎖定的條件下，時間間隔測量部分50計算從接收到發送PN碼發生器11的起始信號START的時刻到接收到接收PN碼發生器48的結束信號STOP的另一時刻的超聲波渡越時間。
時間間隔測量部分50將計算出的數值轉換成數據，並將該數據輸出給控制器60。
控制器60預先接收諸如兩個超聲波換能器21和22間的直線距離L或間隔L的初始數值，存儲該初始數值，並通過將時間間隔測量部分25的輸出數據(即超聲波渡越時間)代入下列公式(2)計算出流速V。
V=(L2/2d)·[(tba-tab)/(tba·tab)](2)式中，tab是當超聲波換能器21向超聲波換能器22發送超聲波束時測出的超聲波渡越時間，並且tba是當超聲波換能器22向超聲波換能器21發送超聲波束時測出的超聲波渡越時間。
控制器60將計算結果輸出給輸出部分80。據此，輸出部分80通過數字或字符在顯示器上顯示出流速V。
下面將對超聲波流速測量儀的工作過程加以說明。
構成測量儀的每一部分都接收作為輸入的電源，使用者利用輸入部分70加入驅動指令。據此，控制器60向換能器轉換部分20輸出第一轉換信號UP。接收到第一轉換信號UP的換能器轉換部分20將超聲波換能器21接在發送部分10的輸出端，同時將超聲波換能器22接在接收部分30的輸入端。
發送PN碼發生器11輸出一PN碼信號系列(如圖7a所示)，所述信號系列由根據預定的周期Tc的時鐘信號的高電平信號和低電平信號構成，由PN碼發生器11的內部的振蕩器產生的時鐘信號被輸送給調頻器12和信號捕捉部分33。與此同時，發送PN碼發生器11按照預定的周期Ta反覆地產生一起始信號(如圖7b所示)。調頻器12在PN碼的高電平持續周期產生預定的第一頻率f1，並在PN碼的低電平持續周期內產生預定的第二頻率(f2=f1+Δf，如圖7c所示)。輸出放大器13放大具有由預定電平調頻的超聲波信號，然後再輸出這個被放大的超聲波信號。超聲波調製信號通過換能器轉換部分20被加到超聲波換能器21上，因此超聲波換能器21向超聲波換能器22發送一個經調製的超聲波信號。
在超聲波換能器22收到的信號經換能器轉換部分20被輸入接收放大器31。接收放大器31放大具有預定電平的接收到的微弱的超聲波調製信號，並將經放大的信號(如圖7d所示)輸出給頻率解調器32。頻率解調器32對經放大的接收信號進行解調，並將解調的信號(如圖7e所示)輸出給信號捕捉部分33。信號捕捉部分33檢測出解調信號系列與發送PN碼發生器11產生的PN碼的信號系列相同的時刻。在初始暫態，兩個信號系列並不相同。在一預定的時間後，兩個信號系列才相同。此時，信號捕捉部分33向信號同步部分40輸出一起動信號ENABLE，該信號在信號捕捉部分33的捕捉時間點被變換成高電平信號，並將發送PN碼發生器11的輸出PN碼(如圖7g所示)輸出給信號同步部分40。
接收PN碼發生器48接收到起動信號ENABLE，並且向第一合成器41輸入具有根據由壓控振蕩器47產生的基頻的不同的相位的PN碼，同時輸入具有超前於如圖7g所示的PN碼的相位的PN碼。同時，接收PN碼發生器48向第二個合成器42輸入另一PN碼，該PN碼具有滯後於圖9g的PN碼的相位。
第一和第二合成器41和42將兩個輸入的PN碼合成，並將合成的PN碼(如圖8(k1)和8(11)所示)輸出給第一和第二低通濾波器43和44。第一和第二低通濾波器43和44濾除掉不必要的高頻部分，並向微分放大器45輸出直流部分電壓信號Vdc1和Vdc2。微分放大器45向環路濾波器46輸出一與兩個電壓信號Vdc1和Vdc2的電壓差成比例的控制電壓Vc。環路濾波器46向壓控振蕩器47輸出一濾除了混入的躁聲的控制電壓Vc』。在壓控振蕩器47輸出基頻fr的同時，壓控振蕩器47根據來自環路濾波器46的輸入控制電壓Vc』改變基頻fr，並將改變後的基頻輸出給接收PN碼發生器48。據此，接收PN碼發生器48改變輸入給第一和第二合成器41和42的PN碼的相位。
此時，當輸入給第一合成器41的PN碼的相位超前於(如圖7h所示)信號捕捉部分33的輸出PN碼(如圖7g所示)一個預定的周期Tc/2，並且輸入給第二合成器42的PN碼的相位滯後於(如圖7i所示)信號捕捉部分33的輸出PN碼(如圖7g所示)一個預定的周期Tc/2,即當圖7g的PN碼位於中心位置時，信號同步部分40將信號同步鎖定，然後跟蹤接收信號。如果在信號鎖定狀態下一個周期已經過去，接收PN碼發生器48向時間間隔測量部分50輸出一個結束信號STOP。在鎖定狀態下，時間間隔測量部分50計算出從接收起始信號START(來自發送PN碼發生器11)的時刻開始到另一接收到結束信號STOP(來自接收PN碼發生器48)結束的時間周期內的超聲波渡越時間tab。
接著，控制器60向換能器轉換部分20輸出第二轉換信號DOWN。因此換能器轉換部分20將超聲波換能器22接在發送部分10的輸出端，並將超聲波換能器21接在接收部分30的輸入端。此後，具有擴頻的PN碼的調製頻率的超聲波信號由超聲波換能器22發送給超聲波換能器21。由超聲波換能器21接收到的信號被解調並在接收部分30中被捕捉到。時間間隔測量部分50計算從接收到起始信號START(來自發送PN碼發生器11)開始到接收到結束信號STOP(來自接收PN碼發生器48)的另一時刻的周期內的超聲波渡越時間tba。
但當輸入給第一和第二合成器41和42的PN碼(如圖7h和7i所示)偏離預定的周期Tc/2(即初始暫態)時，壓控振蕩器47的輸出基頻fr將根據被微分放大器45放大的控制電壓按照第一和第二低通濾波器43和44的輸出電壓間的壓差進行變化。作為結果，接收PN碼發生器48改變輸入給第一和第二合成器41和42的PN碼的每個相位。有兩種經變化的PN碼的相位，即第二信號型(如圖8Ⅱ所示)，該信號的相位超前於第一信號型(如圖8Ⅰ所示)一個預定的周期Tc/4，和第三信號型(如圖8Ⅲ所示)，該信號的相位滯後於圖8Ⅰ的第一信號型一個預定的周期Tc/4，其中信號同步被鎖定。當基準相位發生與第二和第三信號型相同的偏離時，壓控振蕩器47的基頻fr根據來自微分放大器45的控制電壓Vc進行變化。作為結果，接收PN碼發生器48改變輸入給第一和第二合成器41和42的PN碼的相位。最後，第一和第二合成器41和42的相位被變換成第一信號型。
在此期間，發送PN碼發生器11和接收PN碼發生器48採用相同的信號系列PN碼。根據超聲波換能器21和22間的距離相應設定PN碼的周期Ta。如果超聲波換能器21和22的設置位置發生變化，周期Ta短於超聲波渡越時間，則從具有不同的周期的多個信號系列PN碼中選出一個PN碼並採用此PN碼。下面將對照圖9對此情況加以說明。
圖9為根據本發明的第二優選實施例的超聲波流速測量儀的框圖。對與圖6相同的部分將不再贅述。
如圖9所示，發送PN碼發生器11和接收PN碼發生器48具有除如圖8所示的預定周期(Ta；3比特)的信號系列以外的另外周期(3+n比特)的信號系列，可以作為多個多諧振蕩器和雙穩態多諧振蕩器加以實現。
如果使用者用輸入部分70輸入一個用於改變PN碼信號系列的信號系列設定指令，控制器60根據使用者選擇指令向發送PN碼發生器11和接收PN碼發生器48輸出信號系列選擇信號Sa和Sb。
發送PN碼發生器11輸出由來自控制器11的信號系列選擇信號Sa選出的信號系列PN碼。接收PN碼發生器48輸出由來自控制器60的信號系列選擇信號Sb選出的信號系列PN碼。當然，發送PN碼發生器11的輸出信號系列必須與接收PN碼發生器48的輸出信號系列相同。
在此期間，視高度不同在彎曲流體通路出口的流速中將出現可觀的偏差。例如，由於在直的流體通路中流體的流動是穩定的，所以在流體通路的低區段的流速和在流體通路高區段的流速如圖10(V1)所示是標準的。但在彎曲的流體通路中，流體通路低區段的流速和流體通路高區段的流速，如圖10(V2和V3)所示，是多變的。據此，根據流體通路的高度，在上流側和下流側安裝有多個超聲波換能器，在每個流動位置測量超聲波渡越時間，從多個超聲波渡越時間中計算出平均超聲波渡越時間，據此測出流速。對此將對照圖11加以說明。
圖11為根據本發明的第三個實施例的流速測量儀的框圖。採用圖11的設置，可以測量任何設置位置上的流速。對與圖6相同的部分不再贅述。
如圖11所示，第一成套單元S1至第n個成套單元Sn，每個成套單元都具有多個超聲波換能器[(t11,t21)…(t1n,t2n)]，這些超聲波換能器設置在上流側和下流側不同的位置上。另外，第一成套單元S1至第n個成套單元Sn通常具有發送部分10、換能器轉換部分20、接收部分30、信號同步部分40和時間間隔測量部分50。第一成套單元S1至第n個成套單元採用具有根據不同信號系列的PN碼調製頻率的超聲波束測量渡越時間。因此，多個換能器[(t11,t21)…(t1n,t2n)]中的每一個採用其自己的信號系列PN碼，以此測量在接收信號同步鎖定狀態下的渡越時間。
控制器90通常接在第一成套單元S1至第n個成套單元Sn的輸出端。控制器90接收第一成套單元S1至第n個成套單元Sn的時間間隔測量部分50的輸出數據，計算在各位置上的流速，並求出流體的平均流速。時間間隔測量部分50的輸出數據系從上流側至下流側的超聲波渡越時間，也是從下流側至上流側的超聲波渡越時間。例如如圖12所示，有五對超聲波換能器(t11,t21(t12,t22)(t13,t23)(t14,t24)(t15,t25)設置在上流側和下流側的流體通路的各種高度上。根據控制器90的控制，多個超聲波換能器同時發送或接收調頻超聲波束，計算超聲波渡越時間，以求出平均超聲波渡越時間，因而可在各種位置測量出流速。
如上所述，在本發明的超聲波流速測量儀中，發送部分的一對超聲波換能器採用具有根據PN碼調製的頻率的超聲波束，交替地發或收超聲波束，在信號同步鎖定狀態下計算出超聲波渡越時間，據此測量流速。因此，超聲波流速測量儀可在允許誤差範圍內測量超聲波渡越時間。
當超聲波流速測量儀在上流側和下流側的設置位置出現移動時，通過採用不同的信號系列PN碼，而不必改變電子器件和程序，即可精確地測量出超聲波渡越時間。
當視與流體通路底部的距離，相對設置有多個超聲波換能器，並且具有不同信號系列的PN碼加到與超聲波換能器連接的發送和接收部分上時，本發明可以通過採用同時發送或接收超聲波束，計算每個位置上的流速。因此，本發明可視彎曲的流體通路的高度的變化，精確地測量出流速的平均值。
儘管上述結合目前可以想到的最實際的和優選的實施例對本發明作了說明，顯然，本發明並不限於在所揭示的實施例上，而且相反，本發明旨在覆蓋包括在權利要求的精神和範圍內的各種改動和等同配置。
權利要求
1．一種超聲波流速測量儀，在流體通路的上流側和下流側設置有一對換能器並根據超聲波換能器間的超聲波渡越時間差測量流速，它包括一發送部分，該部分用於產生具有一根據擴頻段的PN碼調製的頻率的超聲波信號；一換能器轉換部分，該部分用於交替地將來自發送部分的超聲波信號加到一對超聲波換能器對上，並針對發送或接收動作對超聲波對的連接狀態進行切換；一接收部分，該部分用於對換能器轉換部分的輸出信號進行解調，並用於捕捉其自己的信號與發送部分的信號相同的時刻；一信號同步部分，該部分用於當接收部分捕捉到信號時對接收信號的同步進行鎖定；一時間間隔測量部分，該部分用於在信號同步部分中接收信號同步被鎖定的條件下計算超聲波渡越時間；和一個控制器，該控制器用於對換能器轉換部分的轉換操作進行控制，並根據與流速反向的由時間間隔測量部分計算出的超聲波渡越時間計算出流速。
2．按照權利要求1所述的超聲波流速測量儀，其特徵在於，所述發送部分由發送PN碼發生器、調頻器和輸出放大器構成，其中發送PN碼發生器包括一產生預定時間周期的時鐘信號的振蕩器，並產生一PN碼，該PN碼由根據振蕩器產生的時鐘信號的高電平脈寬和低電平脈寬來決定。
3．按照權利要求1所述的超聲波流速測量儀，其特徵在於，接收部分由接收放大器、頻率解調器和信號捕捉部分構成，其中信號捕捉部分檢測解調信號與由發送PN碼發生器產生的PN碼信號系列相同的時刻。
4．按照權利要求1所述的超聲波流速測量儀，其特徵在於，信號同步部分由第一和第二合成器、第一和第二低通濾波器、微分放大器、環路濾波器、壓控振蕩器和接收PN碼發生器構成，其中接收PN碼發生器在收到來自信號捕捉部分的起動信號後，根據壓控振蕩器的輸入頻率產生與發送PN碼發生器的輸出信號系列相同的PN碼，接著，接收PN碼發生器產生一PN碼，其相位超前一個第一合成器的預定周期，還產生一個PN碼，其相位滯後一個第二合成器的預定周期。
5．一種超聲波流速測量儀，在流體通路的上流側和下流側設置有一對換能器並根據超聲波換能器間的超聲波渡越時間差測量流速，它包括一發送部分，該部分用於根據信號選擇信號由多個PN碼信號系列中選出一PN碼，並產生具有一根據選出的PN碼調製的頻率的超聲波信號；一換能器轉換部分，該部分用於交替地將來自發送部分的超聲波信號加到一對超聲波換能器上，並針對發送或接收動作對超聲波換能器對的連接狀態進行切換；一接收部分，該部分用於對換能器轉換部分的輸出信號進行解調，並用於捕捉其自己的信號與發送部分的信號相同的時刻；一信號同步部分，該部分用於當接收部分捕捉到信號時對接收信號的同步進行鎖定；一時間間隔測量部分，該部分用於在信號同步部分中接收信號同步被鎖定的條件下計算超聲波渡越時間；和一個控制器，該控制器用於產生在發送部分進行的由多個PN碼信號系列中選出一PN碼的信號選擇信號，並根據與流速反向的由時間間隔測量部分計算出的超聲波渡越時間計算出流速。
6．一種超聲波流速測量儀，該測量儀包括多個成套單元，用於對具有根據不同的PN碼調製的頻率的超聲波束進行發射/接收，並測量超聲波渡越時間；和一個控制器，該控制器對由多個成套單元測出的超聲波渡越時間進行收集，並計算平均流速，其中成套單元包括多個超聲波換能器，這些換能器相對設置在流體通路的上流側和下流側的不同高度上；一發送部分，該部分用於產生根據具有預定的PN碼調製的頻率的超聲波信號；一換能器轉換部分，該部分用於交替地將來自發送部分的超聲波信號加到一對超聲波換能器上，並針對發送或接收動作對超聲波換能器對的連接狀態進行切換；一接收部分，該部分用於對換能器轉換部分的輸出信號進行解調，並用於捕捉其自己的信號與發送部分的信號相同的時刻；一信號同步部分，該部分用於當接收部分捕捉到信號時對接收信號的同步進行鎖定；一時間間隔測量部分，該部分用於在信號同步部分中接收信號同步被鎖定的條件下測量超聲波渡越時間。
全文摘要
本超聲波流速測量儀用於測量超聲波渡越時間,該測量是在接收端對具有根據在發送端擴頻段的PN碼調製的頻率的超聲波信號同步鎖定的條件下進行的。另外,可以根據與流體通路底部的各種距離設置多個超聲波換能器,從而可以精確地測量出平均流速。故該超聲波流速測量儀適用於對大型河流、閘門開啟的渠道的流速進行有效的測量,同時也適用於對氣體的流量和水位等進行測量。
文檔編號G01S7/526GK1320809SQ00121168
公開日2001年11月7日 申請日期2000年7月28日 優先權日2000年4月24日
發明者南尚龍 申請人:昌民技術有限公司