用于测量液体或气体流的系统或方法

用于测量液体或气体流的系统或方法
【专利摘要】本发明涉及包括用于测量流管道中的流的系统和方法，其中流管道包括至少两个超声换能器。未决申请的目的是通过基于微控制器的电子系统控制的、发射超声波束的一个或多个换能器来测量管道中的气流。如果微控制器存储用于每个方向的发送的数据样本的矢量，该矢量包括形成帧的合适数目的N个样本，微控制器将帧的每个值与复数相乘，微控制器基于结果来计算管道中的流，则可以实现目的。通过本发明，可以实现在管道中流通的空气的有效的流测量。
【专利说明】用于测量液体或气体流的系统或方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于测量液体或气体流的系统或方法，该系统包括流管道，该流管道 包括至少两个换能器（transducer)，该换能器生成流管道中的至少一束超声波，发射器/ 接收器电路通过发射器/接收器开关连接，在第一位置的开关将第一发射器/接收器连接 至发射器电路，并且第二换能器连接至接收器电路，该接收器电路包括至少一个带通滤波 器，该带通滤波器进一步连接至微控制器，该微控制器包括模数转换器，该模数转换器将模 拟信号转换为至少表示穿过时间和时间差的数字数据样本，所述微控制器在存储器中存储 数据样本。

【背景技术】
[0002] W02010/122117公开了一种通风系统，其中风扇从建筑或类似的封闭结构的外部 吸入空气，用于循环进入建筑的内部，并且通过通风单元产生供应气流，其能够冷却和加热 空气。此外，通风单元可以配备增湿/去湿设备。控制器控制阀的位置或间接地控制风扇 的速度，从而响应于从位于供应空气管道中的超声设备接收的输入来调节供应气流，其中 超声设备测量气流和温度。


【发明内容】

[0003] 未决申请的目的是通过基于微控制器的电子系统控制的、发射超声波束的一个或 多个换能器来测量管道中的气流。
[0004] 如果发射器电路和接收器电路由开关控制，该开关执行发射器电路到接收器电路 和接收器电路到发射器电路的连续切换，微控制器存储数据样本的矢量用于每个方向的发 送，该矢量包括形成帧的合适数目的N个样本，微控制器将帧的每个值乘以幅度为1并且相 位表示发射的频率和相位的复数，微控制器生成虚值和实值，虚值和实值在数字滤波器中 低通滤波，将滤波的值发送到幅度函数和相位检测函数，微控制器基于幅度函数的结果和 相位检测函数的结果来计算管道中的流，则目标可以实现。
[0005] 通过根据本专利申请的发明，实现了对管道中流通的空气的高效流测量。实现了 空气中的两换能器之间的信号的衰减（damping)比在传统的超声波流测量系统中发现的衰 减充分地更高，仅因为液体更好地匹配于换能器的阻抗。因为发射和接收的相对弱和长的 信号，有必要将接收器与发射器隔离，以便得到所接收的信号的好的结果。通过将接收的信 号当作具有大部分是正弦曲线的曲线的振荡信号，可以数学地处理正弦形式并且将它划分 为信号的虚部和实部。这可以导致这样的情形，可以非常精确地检测幅度，还可以进行非常 精确的相位检测。通过执行信号的高效低通滤波，实现了减小具有更高频率的所有信号，所 以它们对测量的影响不存在。这可以导致所测量的信号的高得多的精度。
[0006] 幅度函数的结果可以进一步由微控制器在数字恒定比例鉴别器（constant fractiondiscriminator,CFD)中处理。因此实现了由恒定比例鉴别器来测量到达时间T up和Tdwn。从CFD的输出用来放置（place)采样巾贞，所以它优选地开始于如果尚无纯延 迟（deaddelay)则脉冲会在的地方。纯滞后是由于通过电缆的信号发送和来自换能器的 固体部分的影响而导致的延迟，还有如果在使用的端部滤波器的一个中存在延迟，则导致 的延迟。采样帧的开始可以部分等于空气中的发送时间TUP和TDWN。时钟的频率将限制 分辨率，但是精度对于分母中的TUP和TDWN值足够但是对于各种delta-Ts不够，因为这 需要比通过其调整采样帧的更高的分辨率。
[0007] 相位检测函数的结果可以进一步由微控制器在表示相对于帧的时移的数字信号 中处理。因此实现了时间差TUP-TDWN=DeltaT的分辨率的增加。因此可以执行高效的 相位检测。因此与从现有技术已知的对相同信号的零交叉检测获得的偏差相比，使用以上 方法可以实现标准偏差的相对降低。
[0008] 系统包括发射器电路，发射器电路包括限制来自微控制器的发送脉冲的带宽的带 通放大器，带通放大器发射信号通过开关并进一步到换能器之一。因此实现了带通放大器 可以限制首先来自微控制器的发送脉冲的带宽。由微控制器生成的信号确实具有高转换速 率。必须减小那么高的转换速率，以便不使发射放大器过载，因为这些放大器具有输出信号 的转换速率变为限于的最大转换速率。使用处于活动状态的放大器，可以实现在发射和接 收阶段换能器都连接至电路中的同一节点，并且总是加载相同的阻抗。
[0009] 系统包括换能器放大器，在发射和接收阶段换能器放大器都将换能器连接至电路 中的同一节点。换能器放大器包括电压跟随器。因此可以实现负极输入端跟随正极输入端 上的电压，并且如果信号出现在负极输入端上，它在放大器的输出上被放大并反相。当放大 器用于发射信号时，放大器是大信号的功率放大器，而当接收时，放大器充当小信号的前置 放大器。反并联耦接在反馈电阻器上的二极管防止放大器输出变为饱和中，并且允许所接 收的信号的合适的放大。
[0010] 系统包括至少一个发射接收器开关，该发射接收器开关包括至少三个触点，通过 该触点将不使用的端子接地用于减小噪声。因此实现了在第一开关中的触点之间耦接额外 的开关，并且额外的开关执行到地的电容耦合而不是来自另一信道的发送信号。这在空气 换能器中尤其重要，其中所接收的信号正常地比发射的信号低60dB，并且发射换能器在激 励之后继续长时间响铃。
[0011] 在用于本发明的优选的实施例中，带通放大器包括自动增益控制，该自动增益控 制包括与可变反馈电阻器连接的运算放大器，其中反馈电阻器由微控制器控制。因此实现 了不但通过带通滤波器减小了带宽，而且信号的增益控制在控制中。取决于反射或非反射， 或者取决于管道的直径，或者可能从换能器的一种类型改变为另一种类型，在接收的信号 电平中可能存在非常高的差异。在非常小的管道中的高效换能器即使在空气中也可以生成 相对好的信号，但是在管道的直径高得多的不同的情形中，并且可能使用了效率更低的换 能器，信号的衰减可能是几千倍，并且高得多的放大是必要的。只有用这种方式可以实现可 以以理想的方式进行模数转换。上频率被限于数字转换器的采样频率的一半，并且必须控 制增益，使得信号电平也在用于数字转换器的电平之内。
[0012] 未决的专利申请进一步涉及用于操作用于测量液体或气体流的系统的方法，如前 面公开，该方法涉及下面的操作步骤：
[0013]a:通过连接至第一发射换能器的发射器电路生成流管道中的至少一束超声波，
[0014]b:通过第二换能器和接收器电路接收流管道中的这束超声波，
[0015]c:在接收器电路中执行所接收的模拟信号的带通滤波，
[0016] d:在微处理器中将数字信号中的模拟信号转换为至少表示穿过时间和时间差的 数字数据样本，
[0017] e:在存储器中存储数据样本，
[0018] f:存储用于每个方向的发送的数据样本的矢量，
[0019]g:基于包括合适数目的N个样本的矢量来形成帧，
[0020] h:将帧的每个值与具有幅度1和表示所发射的频率和相位的相位的复数相乘，
[0021] i:生成虚值和实值，该虚值和实值在数字滤波器中低通滤波，
[0022] j:向幅度函数和相位检测函数发送滤波的数字信号，
[0023] k:基于幅度函数的结果和相位检测函数的结果，计算管道中的流。
[0024] 通过此方法，实现了非常有效的空气管道中的流测量。可以横跨管道放置换能器， 可以放置它们使得反射发生，或者可以将它们放置在管道内部使得直接在换能器之间实现 声音的发送。通过根据本申请的发明，可以实现可以应用相对简单和不贵的换能器。因此， 通过根据本申请的发明，可能实现不贵但是效率高的、用于测量气流的系统。

【专利附图】

【附图说明】
[0025] 图1示出本发明的可能实施例。
[0026] 图2示出本发明的第一替换实施例。
[0027]图3示出对于接收的信号的计算机分析所需的各种技术特征的原理图。
[0028] 图4示出数字恒定比例鉴别器CFD。
[0029] 图5示出连接至换能器的预放大系统。
[0030] 图6示出用作发射器和接收器两者的同一放大器的可能实施例。
[0031] 图7示出开关的可能实施例。
[0032] 图8示出自动增益控制的可能实施例。
[0033] 图9示出自动增益控制的替换实施例。
[0034] 图10示出增益对二进制数字的曲率。
[0035] 图11示出换能器的可能实施例。
[0036] 图12不出位于外壳中的换能器。
[0037] 图13示出具有两个换能器和反射镜的反射系统的可能实施例。
[0038] 图14不出反射系统的各种缺点的例子。
[0039] 图15示出关于反射的替换实施例。

【具体实施方式】
[0040] 图1示出系统2,该系统包括流管道4,其中第一换能器6和第二换能器8正发射 声波10跨过管道4。换能器6和8两者都连接到开关12,通过开关12实现（effect)用于 接收和发射的切换。发射接收开关12连接至发射器电路14并连接至接收器电路16。接 收器电路16包括连接至微控制器20的带通滤波器18,并且在微控制器20中它连接至数 字转换器22。微控制器20进一步包括数字滤波器38、和幅度功能42和相位检测功能44。 微控制器20进一步包括数字恒定比例鉴别器46。此外，在微控制器20中示出电压跟随器 50。微控制器20进一步连接至发射器电路14,发射器电路14包括带通滤波器48。
[0041] 在将在换能器6和8之间测量流的操作中，其中在一种情形中，换能器6充当发射 器并且换能器8充当接收器，并且在下一种情形中发送在相反的方向发生，其中换能器6是 接收器并且换能器8是发射器。基于这些信号，并且通过在微控制器20内部提供的装置， 系统可以以高效的方式计算流。
[0042] 图2和3公开了所接收的、带通放大的信号通过模数转换器进行模数转换，并且存 储在存储器123中。由微控制器120基于这些存储的值单独地进行穿过时间和时差的测量。
[0043] 在任一方向的发送之后，很多样本存储在存储器123中。米样开始于由微控制器 120中的内部计时器确定的时间之后，使得从开始对所接收的脉冲采样。将用于第一个样本 的时间存储在存储器123中，一个值用于与流相对的发送，并且另一值用于与流同行的发 送。
[0044] 对于发送的每个方向，存储样本的矢量130。每个矢量130包含合适个数目N个样 本，在实际的实施例中矢量130包含512个样本，但是更少也可行。
[0045] 信号处理中的第一步是用具有数量1和与所发射信号对应的相位的复数164乘以 所述帧132中的每个值：

【权利要求】
1. 一种用于测量液体或气体流的系统（2)，该系统（2)包括流管道（4)，该流管道（4)包 括至少两个换能器（6、8)，该换能器（6、8)生成流管道（4)中的至少一束（10)超声波，将换 能器（6、8)连接至发射器电路（14)并连接至接收器电路（16)，该接收器电路（16)至少包括 带通滤波器（18 )，将带通滤波器（18 )进一步连接至微控制器（20 )，该微控制器（20 )内部地 或外部地包括模数转换器（22)，该数字转换器（22)将模拟信号转换为至少表示穿过时间 (26 )和时间差（28 )的数字数据样本（24 )，该微控制器（20 )在存储器（28 )中存储数据样本 (24)，其特征在于，发射器电路（14)和接收器电路（16)由开关（12)控制，该开关执行发射 器电路（14)到接收器电路（16)和接收器电路（16)到发射器电路（14)的连续切换，该微控 制器（20 )存储用于每个方向的发送发送的数据样本（24 )的矢量（30 )，该矢量（30 )包括形 成帧（32)的合适数目的N个样本，该微控制器（20)将帧（32)的每个值与具有固定的幅度 和表示与发射的信号对应的发射的频率的相位的复数相乘：
其中Xn是在第η位置的存储值，jco是所发射的信号的角频率，ts是采样时间间隔并 且η是样本数目0 <n〈N, 其中微处理器（20)生成虚值（34)和实值（36)，该虚值和实值在数字滤波器（38)中低 通滤波，滤波的值（40)被发送到幅度函数（42)和相位检测函数（44)，该微控制器（20)基于 幅度函数（42)的结果和相位检测函数（44)的结果来计算管道（4)中的流。
2. 根据权利要求1的系统，其特征在于，幅度函数（42)的结果被微控制器（20)在数字 恒定比例鉴别器（CFD) (46)中进一步处理。
3. 根据权利要求1的系统，其特征在于，相位检测函数（44)的结果被微控制器（20)在 表不相对于巾贞（32)的时移的数字信号中进一步处理。
4. 根据权利要求1-3之一的系统，其特征在于，系统（2)包括发射器电路（14)，该发射 器电路（14)包括限制来自微控制器（20)的发送发送脉冲的带宽的带通放大器（48)，该带 通放大器发射信号通过开关（12)，并且进一步到换能器（6、8)之一。
5. 根据权利要求1-4之一的系统，其特征在于，系统（2)包括换能器放大器（16)，该换 能器放大器（16)在发射和接收期间都将换能器连接至电路（14、16)中的同一节点。
6. 根据权利要求5的系统，其特征在于，换能器放大器（16)包括电压跟随器（50)。
7. 根据权利要求1-6之一的系统，其特征在于，系统（2)包括至少一个发射器接收器开 关（12)，该发射器接收器开关（12)包括至少三个触点，通过该触点将不使用的端子接地用 于减少噪声。
8. 根据权利要求4的系统，其特征在于，带通放大器（48)包括自动增益控制，该自动增 益控制包括与可变反馈电阻器连接的运算放大器，该反馈电阻器由微控制器控制。
9. 一种用于测量液体或气体流的系统（2)的操作方法，在权利要求1-7中公开了该系 统，该方法涉及下面的操作步骤： a:通过连接至第一发射换能器（6、8)的发射器电路（14)生成流管道（4)中的至少一束 (10)超声波， b:通过第二换能器（6、8)和接收器电路（16)接收流管道（4)中的该束（10)超声波， c:在接收器电路（16)中执行所接收的模拟信号的带通滤波， d:在微处理器（20)中将数字信号中的模拟信号转换为至少表示穿过时间（26)和时间 差（28)的数字数据样本（24)， e:在存储器（28)中存储数据样本（24)，f:存储用于每个方向的发送的数据样本（24)的矢量（30)， g:基于包括合适数目的N个样本的矢量（30)来形成帧（32)， h:将帧（32)的每个值与具有幅度1和表示与所发射的信号对应的发射的频率的相位 的复数相乘：
其中Xn是在第η位置的存储值，jco是所发射的信号的角频率，ts是采样时间间隔并 且η是样本数目0 <n〈N, i:生成虚值（34)和实值（36)，该虚值和实值在数字滤波器（38)中低通滤波，j:向幅度函数（42)和相位检测函数（44)发送滤波的数字信号， k:基于幅度函数（42)的结果和相位检测函数（44)的结果，计算管道中的流。
【文档编号】G01N29/14GK104458916SQ201310420452
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】H.M.汉森, H.施密特-汉森 申请人:阿金纳股份公司