专利名称：低功率超声流量计的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及超声流量计，尤其涉及本质上安全的低功率超声流量计。
背景技术：
超声流量计系统用于测量在例如管道的导管中流动的流体(例如气体或液体)的速率。在一个特定的系统中，在导管的外表面上以相对彼此呈一个倾斜角度布置两个转换器。一个转换器为上游转换器，另一个为下游转换器。通过下面的方法来确定流过导管的流体速率，首先由上游转换器向下游转换器发送脉冲。然后，下游转换器向上游转换器发送脉冲。由上游转换器向下游转换器发送的脉冲传输时间小于反方向发送的脉冲的传输时间，基于两个脉冲传输时间的差别可以确定(计算)流体的流动速率。本领域技术人员明了，转换器可以夹在导管的外部也可以插入导管壁(例如“湿转换器”)。
典型的流量计系统包括由标准电源供电的转换器和电子控制器。控制器控制转换器并响应转换器的输出信号来计算流动速率。在一些设备中，例如存在危险爆炸性气体的时候，控制器必须放置在防爆外壳中。电源连接需要电缆导管或者其他连线到防爆外壳通常所需的特殊处理。目前可获得的超声流量计不能整体安装于危险区域，包括转换器和所有的流量计电路，因为这些器件不满足危险区域的特殊要求，例如在EN50020或者认证标准分类号3610中规定的。
在传统电源无法获得的情况也可应用超声流量计。目前设计的流量计控制器消耗高功率水平，目前可获得的超声流量计系统一般不能由例如电池或太阳能电源这些替代能源来长期供电。
发明内容
本发明主题的流量计低功率工作并且具有固有安全性，因而可以用于危险区域而控制器外围不需要防爆外壳。而且当传统电源无法获得时，电池或太阳能电池可以用于为控制器供电。通过使用由特殊电路调节的4-20毫安电流环路电源实现流量计供电、通过包含特殊功率管理子系统并通过高效转换器，本发明的流量计可以用于危险区域而在控制器外围不需要防爆外壳，和/或流量计可以用于传统电源无法获得的情形，这是因为流量计可以由电池、太阳能或者其他类型的低功率电源供电。
本发明具有特色的流量计包含用于提供电源电压的环路电源、由负载电压供电的负载，至少包括用于计算流动速率的处理器、超声转换器供电电路和超声转换器接收电路。功率调节电路设置于环路电源和负载之间。优选地，功率调节电路包括响应于控制信号根据电源电压改变负载电压的整流器，设置于整流器和负载间用于在负载不需要的时候存储能量、在负载需要的时候传送能量的安全存储器，以及用于基于负载对于环路电源的设置来为整流器提供控制信号的控制子系统。还可能包括配置来检测负载电压和在至少一个预定的设定点减少负载功耗的电源管理子系统。
典型地，环路电源是4-20mA环路电源，整流器是开关式整流器，以及安全存储器件是电容值小于100μF的电容器。
控制子系统可以包含控制放大器，一个输入连接到环路电源，另一个输入连接到参考电压。处理器编程为基于流动速率输出参考电压到控制放大器。功率调节电路可能进一步包含调节器和负载之间的例如齐纳二极管的电压箝制器，用于限制负载电压。
电源管理子系统可以包含高水平电源管理部分，配置成测量负载中所选模块的功率吸收以及实施规则集合以基于每个模块的功率吸收来调节模块的操作。
电源管理子系统可能进一步包含低水平电源管理部分，其具有至少第一电压检测器，配置成用于比较负载电压和第一设定点电压并在负载电压低于第一设定点电压时输出第一报警信号到处理器。处理器被编程为响应第一报警信号，启动第一功率精减指令集来缩减负载功率消耗。低水平电源管理部分可能进一步包含第二电压检测器，配置成用于比较负载电压和第二设定点电压并在负载电压低于第二设定点电压时输出第二报警信号到处理器。然后处理器编程为响应第二报警信号，启动第二功率精减指令集来进一步缩减负载的功率消耗。
转换器典型地连接到负载，并且可能包含复合压电元件。压电元件具有单元阵列，单元间通过填充灌封材料的通道而彼此隔离。一个或更多电池可能用作环路电源。替代地，一个或更多太阳能电池可能用作环路电源。
根据本发明的流量计可能包含环路电源来提供电源电压；由负载电压供电的负载以及包含至少用于计算流动速率的处理器，超声转换器供电电路，和超声转换器接收电路；在环路电源和负载间的功率调节电路；以及电源管理子系统，配置成检测负载电压并在至少一个预定设定点上减少负载功率消耗。优选地，功率调节电路包含响应于控制信号根据电源电压改变负载电压的整流器，设置于整流器和负载间用于在负载不需要的时候存储能量、在负载需要的时候传送能量的安全存储器件，以及用于基于负载对于环路电源的设置来为整流器提供控制信号的控制子系统。
根据本发明的流量计可能包含环路电源来提供电源电压；由负载电压供电的负载以及包含至少用于计算流动速率的处理器，超声转换器供电电路，和超声转换器接收电路；在环路电源和负载间的功率调节电路。功率调节电路通常包含响应于控制信号根据电源电压改变负载电压的整流器，设置于整流器和负载间用于在负载不需要的时候存储能量、在负载需要的时候传送能量的安全存储器件，以及用于基于负载对于环路电源的设置来为整流器提供控制信号的控制子系统。
根据本发明的用于在环路电源和由负载电压供电的负载间调节功率的一种方法包含响应于控制信号改变负载电压，在负载不需要的时候存储能量，在需要供电负载的时候传送所存储能量，基于环路电源的设置调节控制信号，检测负载电压，以及在一个或更多预定设定点上缩减负载功率消耗。
环路电源典型地为4-20mA环路电源。调节控制信号典型地包含将环路电源和参考电压比较。参考电压水平典型地基于流动速率。所述方法可能进一步包含箝制负载电压在一个预定的限值。
缩减功率消耗的步骤可能包含比较负载电压和第一设定点电压，当负载电压低于第一设定点电压时输出第一报警信号，响应于第一报警信号启动第一功率精减指令集来缩减负载功率消耗。缩减负载电压的步骤可能进一步包含比较负载电压和第二设定点电压，当负载电压低于第二设定点电压时输出第二报警信号，响应于第二报警信号启动第二功率精减指令集来进一步缩减负载功率消耗。缩减负载功率消耗可能还包含测量负载所选模块的功率吸收以及实施规则集合以基于每个模块的功率吸收来调节模块的操作。
本领域技术人员根据下面的描述和附图可以发觉其他的目标、特征和优点，其中图1为典型超声流量计系统装置的高度示意性的框图；图2为显示了安装在危险区域的流量计系统的方框图；图3为显示了根据本发明主题的超声流量计的例子相关的基本组件的方框图；图4为图3中功率调节电路的一个实施例的电路框图；图5为曲线图，显示了根据本发明主题的图4中功率调节电路中齐纳二极管的箝制电压是如何设置的；图6为电路框图的一部分，显示了图3所示流量计的低水平功率管理子系统的一个例子；图7为流程图，描述与图3中功率管理模块的高水平功率管理和低水平功率管理部分相关的基本步骤；以及图8为曲线图，显示了基于本发明主题超声流量计功率消耗特性的可变数据更新速率。
具体实施例方式
除了下面描述的例子或实施方式，本发明可以有其他的实施方式、可以通过其他的方式实行或实施。因而应当明了，本发明不局限于在后面所描述或者图中所显示的结构细节的运用和组件的配备。
一个典型的现有技术流量计10，在图1中包含上游超声转换器12和下游超声转换器14。超声转换器12和14可以是箝式转换器、湿转换器，可以在导管16的同一侧或者在导管16的相对侧。转换器12发送信号穿过导管16中的流体(液体或气体)并由转换器14接收，转换器14发送信号穿过导管16中的流体并由转换器12接收。如上面背景技术部分所解释的，流量计18计算两个信号之间传输时间的差从而得到导管16中流体的流动速率结果。如所显示的，流量计18由电源20供电。
当流量计18用于危险区域30，如图2所示，电源20必须位于安全区域32并且通过电缆导管34连接到流量计18。而且，由于流量计18电子、电组件产生的热量和可能存在的因点燃危险区域30中爆炸性气体引起的电火花所产生的热量，流量计18必须放置在合适的安全外壳36中。
如上面背景技术部分中解释的，现有可获得的超声流量计无法满足位于危险区域的电子或电器件典型的危险区域内在安全性规范，其中整体仪表电子器件除非封装在防爆外壳中否则不能安装在危险区域。
如图3所示根据本发明主题优选的实施方式，流量计40包含提供电源电压Vps的环路电源42。典型地，环路电源42是电源46供电的控制器44的一部分，电源46可以是传统的电源，而根据本发明主题由于本发明流量计的低功率需求也可以是电池或电池组或太阳能电源(太阳能电池)类型的电源。其他低功率电源也可以使用。在一些情况下，电源46可以直接给功率调节电路70供电，而不使用电源42。
一般地，由于两线制4-20mA环路电源42的使用，本发明主题的流量计吸收少于50-60mW功率，比一些传统流量计低20倍。结果成为在传统电源无法获得时也可以使用的流量计，而且是具有固有安全性因而可以不需要防爆外壳就可以用于危险区域的流量计，这是因为流量计的全部电子和电组件满足危险区域典型规范的要求。
负载50表现为(包括)计算如上面所讨论的流体速率的处理器52(在其他的功能之中)、激励转换器56的超声转换器供电电路54、接收由转换器56检测的信号的超声转换器接收电路58、显示模块60、信号处理电路系统62、以及本领域技术人员关于超声流量计的控制电路所了解的其他电路系统和模块(没有示出)。本发明主题一个独特的实施方式为下面所讨论的功率管理子系统64。
4-20mA电源42与负载50连接操作如下。当初始化配置后，由电源42吸收4mA设置为某个低水平流动速率例如0gpm，吸收20mA设置为不同的较高的数值例如400gpm。这些特殊数值决定于流量计40的特定的实施。然后控制器44基于由电源42吸收的电流的数值确定导管中的实际流动速率(例如，吸收12mA可能表示200gpm的流动)。本领域技术人员将理解控制器44、负载50和功率调节电路70可能包含在同一个物理电子流量计单元40中或者可能是分离的。
本发明主题的功率调节电路70连接在电源42和负载50之间。在优选的实施方式中，图4所示的功率调节电路70包含整流器80，其响应于控制信号Vc，根据环路电源42输出的电源电压Vps改变提供给负载50的负载电压VL。整流器80和负载50间的危险区域安全存储器件例如电容器82(例如90μF)，在负载50不需要的时候存储能量并且在需要的时候传送能量到负载50。控制子系统84基于当时的负载50对于环路电源42的设置提供控制信号Vc到整流器80。在优选的实施方式中，控制子系统84包括控制放大器86(例如，Analog Devices，Inc部件No.AD8541)，其一个输入88连接到环路电源42而输入90连接到参考电压Vref。负载50中的处理器(52，图3)被编程为基于计算的流动速率输出参考电压Vref到放大器86，因而产生适当的控制信号Vc输入到整流器80进而调节负载电压VL作为响应。
例如通过这种方式，当处理器确定流动速率为400gpm时，环路电源42需要20mA并且相应地设置Vref。响应于Vref，控制放大器86设置Vc到适合的数值以便整流器80增大施加到电容器82的功率，同时增大环路电流到20mA。
当处理器确定流动速率例如是200gpm时，环路电源42需要12mA并且相应地设置Vref。响应于Vref，控制放大器86设置Vc到适合的数值以便整流器80减小传送到电容器82的功率，同时减小环路电流到12mA。
功率调节电路70的这种新颖设计使设计具有固有安全性，高效地提供并调节输入功率进而用于供电负载50的仪器电子部件。电路自动在电容器82中存储超额输入功率(可获得的但仪器电子部件没有使用的功率)，电容器82与功率调节电路70联合，为仪器电子部件功率消耗超出瞬时输入功率的短暂时间提供储备。电路70还紧密控制电源42的环路电流。
整流器80和负载50之间的齐纳二极管电压箝制器92，如图5所示，通过设置箝制电压电平来限制负载电压VL并最大化电容器82的电容值，以确立用于危险环境的安全限制范围内的电容器82的电容值(图5中线100)。
在优选的实施方式中，如图3，流量计40还包含功率管理子系统64，配置成检测负载电压VL和在至少一个预定的设定点缩减负载50的功率消耗(例如VL)，以保证始终可获得足够的功率来使负载的电子子系统能够使用。在一个例子中，功率控制子系统既包含高水平功率管理部分也包含低水平功率管理部分。
在低水平功率管理部分的优选的实施方式中，如图6，电压检测器110配置成比较负载电压VL和第一设定点电压Vref1，图7中步骤130-132，并且在负载电压VL低于设定点电压参考Vref1时输出第一报警信号S1到图6中处理器52。然后处理器52被编程为响应信号S1，启动第一功率精减指令集(图7步骤134)以缩减负载功率消耗。图6中电压检测器112配置为比较负载电压VL和第二设定点Vref2，并且在负载电压VL低于第二设定点电压Vref2时输出第二报警信号S2到处理器52，如图7步骤136。然后图6中处理器52被编程为响应第二报警信号S2，启动第二功率精减指令集以进一步缩减负载功率消耗，如图7中步骤138。
在一个例子中，如图6，电压检测器110为MAX6380XR44，Vref1为4.4伏，而电压检测器112为MAX6380XR38，Vref2为3.8伏。这样，在VL低于4.4伏时，响应于检测器110输出的中断信号S1，处理器52可以延长由图3中发射电路54发射的超声脉冲间的间隔来储存能量直到VL再次超过4.4伏。在VL低于3.4伏时，响应于检测器112输出的中断信号S2，处理器52除启动关闭负载50中其他模块的操作外也可以关闭自身一段预定的时间，以存储能量并保证没有丢失存储器数据。然而这些功率缩减指令只是示例性的，可以随流量计的不同以及安装的不同而改变。
图3中功率管理子系统64的高水平功率管理部分典型地实施为处理器52运行的代码，因而配置为测量图6所示负载中所选模块54、58、60和62(可能还包括其他的)吸收的功率，如图7中步骤140，以计算可获得的系统功率，如步骤141所示，并实施规则集合(步骤142，图7)以基于功率吸收调节不同模块的操作。而且，这个规则集合随不同流量计模块而变化，但处理器在任何给定的时间内连续计算最大可获得功率并采取延长或缩短由图3所示发射电路54产生的连续超声脉冲间时间间隔、关闭或减慢信号处理模块62、或类似的措施以达到保存能量的目的。
两水平功率管理允许流量计在宽的输入功率范围内工作。高水平功率管理使用图3所示微控制器52动态测量模块功率以及动态测量输入功率以“安排”不同模块的运行时间。控制器53为每个模块动态测量运行功率，如图7中步骤140所示。然后，通过测量输入电压和计算环路电流确定总的可获得功率，如步骤141所示。基于总的可获得功率和模块总运行功率间的差别，控制器53确定为微控制器运行所剩余的功率量。微控制器基于剩余的功率循环操作。
低水平功率管理使用电压比较器以在负载电压下降到低于一定参考点时“给出标志”。这些标志以规律性的间隔来连续监视。低水平功率管理部分允许仪表在动态情况下(即负载变化、功率计算的误差和模块功率测量)连续工作，这些在高水平功率管理部分并没有解释。
在大约4.4伏的第一设定点引起微控制器53缩减负载功率消耗直到负载电压超过了这个设定点。这个设定点允许系统在低功率情况时获得更多的响应时间而不会引起仪表“部分停止供电”。它还允许功率计算存在余量。在大约3.8伏的第二设定点，立即中断微控制器以将数据存储进持久性存储器。
在图8中，X轴为数据更新速率而Y轴为功率消耗。本发明主题的功率管理子系统如线200所示基于任何给定时间内可获得的功率调节更新速率，而现有技术的流量计因为总是能够获得足够高的功率因而在固定的高水平更新速率下工作。
为了进一步降低操作流量计40所需的功率，转换器56优选地包含高效复合压电激励器，如专利No.6626049中讨论的，其内容包含在此作为参考。这些复合转换器产生更高的信噪比，允许降低的转换器激励电压以显著地缩减本发明主题超声流量计工作期间的功率吸收量。
虽然本发明的特定特征在某些附图中示出而没有出现在其他附图中，但这只是为了方便，根据本发明，每一个特征可能与任何一个或所有的其他特征相结合。这里使用的词语“包含”“包括”“具有”和“有”进行宽泛地解释，而不限于任何物理的关联。而且，本发明中公开的任何实施方式不视为仅有的可能实施方式。
本领域技术人员能够想到其他实施方式，这些实施方式包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种流量计(40)，包括用于提供电源电压的环路电源(42)；由负载电压供电的负载(50)，至少包含用于计算流体速率的处理器(52)、超声转换器供电电路(54)、和超声转换器接收电路(58)；位于环路电源(42)和负载(50)之间的功率调节电路(70)；配置为检测负载电压和在至少一个预定的设定点缩减功率消耗的功率管理子系统(64)。
2.如权利要求1所述的流量计，其中功率调节电路包含响应于控制信号根据电源电压改变负载电压的整流器(80)；位于整流器(80)和负载(50)之间的安全存储器件，用于在负载不需要时存储功率而在负载需要时传送功率到负载；和控制子系统(84)，用于基于负载(50)对环路电源(42)的设置提供控制信号到整流器。
3.如权利要求1所述的流量计，其中环路电源(42)是4-20mA环路电源。
4.如权利要求2所述的流量计，其中整流器(80)是开关式整流器。
5.如权利要求2所述的流量计，其中安全存储器件是电容器(82)。
6.如权利要求5所述的流量计，其中电容器具有小于100μF的电容值。
7.如权利要求2所述的流量计，其中控制子系统(84)包含控制放大器(86)，所述控制放大器(86)具有连接到环路电源(42)的一个输入和连接到参考电压的另一个输入。
8.如权利要求7所述的流量计，其中处理器(52)编程为基于流体速率输出参考电压到控制放大器(86)。
9.如权利要求2所述的流量计，其中功率调节电路(70)进一步包含位于调节器和负载(50)之间的电压箝制器(92)，用于限制负载电压。
10.如权利要求9所述的流量计，其中电压箝制器(92)是齐纳二极管。
11.如权利要求1所述的流量计，其中功率管理子系统(64)包含低水平功率管理部分。
12.如权利要求11所述的流量计，其中低水平功率管理部分至少包含第一电压检测器(110)，配置成用于比较负载电压和第一设定点电压并且在负载电压低于第一设定点电压时输出第一报警信号到处理器(52)。
13.如权利要求12所述的流量计，其中处理器(52)编程为响应于第一报警信号启动第一功率精减指令集以缩减负载电压。
14.如权利要求13所述的流量计，其中低水平功率管理部分进一步包含第二电压检测器(112)，配置成用于比较负载电压和第二设定点电压并且在负载电压低于第二设定点电压时输出第二报警信号到处理器。
15.如权利要求14所述的流量计，其中处理器(52)编程为响应于第二报警信号启动第二功率精减指令集以进一步缩减负载电压。
16.如权利要求11所述的流量计，其中功率管理子系统进一步包含高水平功率管理部分。
17.如权利要求16所述的流量计，其中高水平功率管理部分配置为测量负载中所选择模块(54、58、60、62)的功率吸收和基于每个模块的功率吸收实施规则集合以调节模块的操作。
18.如权利要求1所述的流量计，进一步包含连接到负载的转换器(56)。
19.如权利要求18所述的流量计，其中每个转换器包含复合压电元件。
20.如权利要求19所述的流量计，其中复合压电元件包含单元阵列，单元间通过填充灌封材料的通道而相互隔离。
21.如权利要求1所述的流量计，进一步包含一个或更多用于给环路电源供电的电池。
22.如权利要求1所述的流量计，进一步包含一个或更多用于给环路电源供电的太阳能电池。
全文摘要
由提供电源电压的环路电源供电的流量计。负载由负载电压供电，至少包含用于计算流体速率的处理器、超声转换器供电电路、和超声转换器接收电路。功率调节电路设置于环路电源和负载之间。功率调节电路包含响应于控制信号根据电源电压改变负载电压的整流器，位于整流器和负载之间、在负载不需要时存储功率并在负载需要时传送功率到负载的安全存储器件，和基于负载对环路电源的设置提供控制信号到整流器的控制子系统。功率管理子系统配置为检测负载电压，在一个或更多预定设定点缩减负载的功率消耗。
文档编号G01F1/66GK1938568SQ200580009683
公开日2007年3月28日 申请日期2005年2月23日 优先权日2004年3月26日
发明者A·J·科沃尔, B·E·麦唐纳, X·-S·S·李 申请人:帕纳梅特里克斯公司