使用接收信号的窗口化的超声流量计的制作方法

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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

此发明内容简要指出本发明的性质和本质。应当理解，所述发明内容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(coupled to)”或“与......耦合(couples with)”(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。

步骤104包括在脉冲串期间，R₁₂和R₂₁的振幅增强以提供激励部分。步骤105包括终止脉冲串，其中在终止之后，R₁₂和R₂₁随着在整个系统的谐振频率下振荡的受阻自由振荡衰减，这如上所述被认为对温度敏感。受阻自由振荡能够提供尾部部分(参看下文所描述的图4B)。

步骤106包括窗口化R₁₂和R₂₁以产生窗口化部分。在时间域中执行所公开的窗口化。如信号处理中已知的，窗函数通过应用数学函数提供窗口化(还称为切趾(apodization)函数或渐变函数)，在到所关注信号的某一选定间隔外所述数学函数为零值。例如，在间隔内恒定并且在别处为零的函数称为矩形窗，所述矩形窗描述其图形表示的形状。当另一函数或波形/数据序列乘以窗函数时，在间隔外乘积也为零，其中其余信号是信号重叠的部分。在一个特定实施例中，窗口化选择性地清除尾部部分以仅传递激励部分。窗口化还能够清除接收信号的不需要部分(不是积累和尾部部分的一部分)并且仅选择接收信号波形的特定部分。

步骤107包括仅使用窗口化部分计算t₁₂与t₂₁之间的信号延迟(ΔTOF)。如上所述，t₁₂是超声波从T₁传播到T₂的时间，并且t₂₁是超声波从T₂传播到T₁的时间。ΔTOF＝t₁₂-t₂₁，假设t₁₂是下游方向，而t₂₁是上游方向。

t₁₂＝L/(c+υ)；t₂₁＝L/(c-υ)，ΔTOF＝t₁₂-t₂₁

其中，txy是从x到y的TOF，L是发射换能器与接收换能器(T₁、T₂)之间的距离，c是超声波/声波的速度，并且υ是被测量对象的速度。步骤108包括根据计算出的ΔTOF计算流体的流量。下文描述用于确定ΔTOF(下文示为ΔT)的两个示例性运算方法：示例性方法1：已知c随着温度以及被测量对象的温度而变，能够通过以下等式确定ΔT：

示例性方法2：不需要温度测量，仅计算绝对飞行时间t₁₂和t₂₁：

υ＝L/2x(1/t₁₂-1/t₂₁)＝L/2x(t₂₁-t₁₂)/(t₂₁t₁₂)＝L/2x(ΔT)/(t₂₁t₁₂)

以上等式用于流量计，其中超声波在相应换能器之间以直线行进。对于下文描述的与在两个换能器T₁与T₂之间不以直线行进的超声波一起操作的图2中所示的内联超声流量计200，应该用Lcos(Θ)替代L，其中L是超声波在T₁与T₂之间行进的距离，且Θ是超声波采用的路径与₁与T₂之间的线之间的角度。

图2描绘根据一个示例性实施例的示为安装在管线部分230a与230b之间的示例性内联超声流量计200，所述超声流量计200包含位于计量器管壁205a的内部部分的一侧上的换能器201和203以及可选的超声反射器212。超声流量计200包含计量器主体205，所述计量器主体205包含计量器管壁205a。连接凸缘208示为处于超声流量计200的每一末端上，以将超声流量计200用螺栓紧固到管线部分230a和230b。

在计量器管壁205a的第一部分205₁上的换能器201和203一起提供第一换能器对。超声反射器212通常位于计量器管壁205a的内测上并且用于增加换能器对的反射路径的效率(超声信号强度)。反射器212通常采用金属板的常规形式。

换能器201、203具有装配角度以及用于提供示为V图案的所需测量路径的发射图案。在另一布置中，第二部分205₂上的两个间隔开的反射器允许矩形测量路径(参看下文描述的图4A)。流量电子模块220示为包含：处理器221和相关联的存储器222(例如，静态随机存取存储器(SRAM))，所述存储器222存储使用窗口化的所公开流量测量算法223；以及收发器225，所述收发器共同地提供基于计算机的超声电子流量测量系统，所述电子流量测量系统耦合到换能器201、203以用于使一个换能器发射超声信号并且用于分析由另一换能器产生的所接收感测信号以确定流过超声流量计200的流体的体积流量。如本文中所使用，换能器能够包含单独的发射器和接收器。其它流量电子模块电子设备，例如，信号放大器、滤波器、模数转换器(ADC，在接收电路系统中)和数模转换器(DAC，在发射电路系统中)通常是流量电子模块220的一部分，但为简明起见未示出。

超声流量计200能够使用超声脉冲的通过时间测量流过其的流体的流速，并且流量电子模块220能够计算在由此产生的测量条件下的流率。事实上，超声脉冲在随着流量的方向上比在逆着流量的方向上行进得快。

在操作期间，换能器201、203中的每一者通常用作发射器(发送器)和接收器两者(在不同时间)。选择性地在两个方向上进行测量，使得在已测量通过时间之后，发射器变成接收器且反之亦然。以此方式，减小取决于流体类型、压力和温度的音速的影响。

图3是根据一个示例性实施例的示为形成于衬底305的半导体表面305a中和上的MCU 300的示例性混合信号处理器IC的框图描述，所述信号处理器IC包含存储所公开流量测量算法223的非易失性存储器372(例如，闪存存储器)，所述流量测量算法实施所接收超声信号的所公开窗口化。片上闪存存储器通常是中央处理单元(CPU或处理器)375的所有指令的来源。处理器IC 300能够包括微处理器、数字信号处理器(DSP)或所示的MCU。尽管流量测量算法223被示为由CPU 375实施的非易失性存储器372中的所存储软件，但是MCU 300上的电路系统(即，硬件)能够整体或部分用于实施所公开的流量测量算法。

尽管未示出，但是处理器IC 300通常包含其它集成电路模块，例如，通用串行总线(USB)控制器和收发器。处理器IC 300被示为还包含ADC 343a、343b、PWM驱动器355、易失性数据存储器373、数字I/O(接口)374和时钟(或计时器)376。处理器IC 300被示为还包含数字数据总线378和地址总线379。存在耦合到数据总线378和地址总线379的通用输入/输出引脚(GPIO)351、352。GPIO 351、352如图3中所示分别耦合到换能器T₁和T₂，其中T₁和T₂能够是在图2的内联超声流量计200中所示的换能器201和203。

图4A描绘示为400的示例性超声流量计，其包含图3中所示的MCU 300以及在管道部分内具有换能器T₁和T₂以及反射器R1和R2的管道部分410，所述管道部分在上文所示的放大和ADC转换之后具有示例性发射脉冲串(TX)和接收信号(RX)。GPIO插脚351、352处于MCU 300与T₁和T₂之间的耦合路径中。当换能器T₁和T₂在接近T₁和T₂的谐振频率的频率(例如，1MHz)下由脉冲串TX激励时，在接收换能器处接收RX。RX被示为具有来自脉冲串的激励部分以及稍后的尾部部分，所述激励部分的振幅随着时间增强，所述尾部部分具有随着时间衰减的振幅。

所公开实施例的区别特征包含整个接收波形的捕获以及准确地使上游和下游所接收超声信号相关联以计算ΔTOF。为了获得准确的ΔTOF，在一个特定实施例中将接收信号窗口化以产生窗口化部分，使得仅选择激励部分。优点包含：归因于所接收超声数据的窗口化，准确地计算ΔTOF并且减小由温度改变引起的ΔTOF变化，因为认识到尾部部分通常由换能器的不同自然频率控制。此外，换能器的自然频率可以随着流体介质的温度而变化，由此在尾部部分也包含在TOF相关运算中的情况下引起ΔTOF漂移/偏移。其它益处包含：减少TOF运算所需的计算并且增加能够出现上游/下游信令的频率，因为不需要等待尾部振幅变弱。

如本文中所使用并且借助于实例且非限制性地，“硬件”能够包含离散组件、集成电路、专用集成电路、现场可编程门阵列、通用处理或服务器平台或其它合适硬件的组合。如本文中所使用并且借助于实例且非限制性地，“软件”能够包含一个或更多个对象、代理程序、线程、行代码、子程序、单独的软件应用程序、一个或更多行代码或在一个或更多个软件应用程序中或在一个或更多个处理器上操作的其它合适的软件结构，或其它合适的软件结构。在一个示例性实施例中，软件能够包含在通用软件应用程序(例如，操作系统)中操作的一个或更多行代码或其它合适的软件结构以及在特定用途的软件应用程序中操作的一个或更多行代码或其它合适的软件结构。

实例

所公开实施例进一步通过以下具体实例说明，所述具体实例不应以任何方式解释为限制本发明的范围或内容。

图4B示出图4A中所示的RX的扩展图。如图4B中所示，RX具有所识别的两个部分，即，对应于约5μsec(微妙)至23μsec的时间的激励部分，其为来自具有20个脉冲的所施加脉冲串的脉冲的积累；以及对应于约23μsec至55μsec的时间的稍后尾部部分，其对应于通过系统的自由振荡的衰减。尾部部分被视为在系统的谐振频率下在受阻振幅模式中自由振荡。然而，如上所述，系统的谐振频率取决于流体介质的温度，并且能够包含其它相关性，例如，在流体混合物的情况下流体混合物中的一个组分的浓度。

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。如图4C中所示，与接收信号的激励部分相比，RX的尾部部分具有显著更多的温度相关性。因此，使用全部数据(激励部分加上尾部部分)用于信号处理使得结果更依赖于通道的温度。

如上所述，为了减少计算的温度相关性以及对ΔTOF的所得影响，例如在一个特定实施例中，RX的窗口化用于产生窗口化部分以仅使用RX的激励部分以供进一步处理。如上所述，激励区域的振幅本质上在尾部部分中随着时间衰减。因此，RX能够通过合适的窗函数窗口化以提取激励部分并且滤出其它部分，例如，如图5A中所示的整个尾部部分。能够使用矩形(短上升和下降时间)窗，然而，激励部分的突然终止能够引起所得窗口化信号的高频振铃。为了避免振铃，能够使用例如汉宁窗(hanning/hann window)等的更平滑窗。汉宁窗((ω(n))通过以下等式给出：

其中，余弦的末端刚好接触零，使得旁瓣以约每频程18dB下降。对于低复杂性运算，示为梯形窗的线性锥形窗而不是急(快上升时间)矩形窗能够用于使边缘平滑，所述梯形窗具有带有如图5B中所示的斜坡坡度的线性斜坡窗。

图6A和6B示出使用RX的所公开窗口化(产生仅具有激励部分的窗口化RX)和已知非窗口化(RX具有激励部分和尾部部分两者)两者计算出的2个不同水流计量器的零流量处的ΔTOF结果。能够从图6A和6B中清楚地看到，来自两个流量计上的窗口化RX(仅激励部分)的结果遵循温度分布，如上所述，这会改进TOF运算的准确度。对于已知的非窗口化结果(RX具有激励部分和尾部部分)，此行为并非如此。尽管看来在如图6A中所示的流量计中使用非窗口化RX的结果更佳，因为ΔTOF既不独立也不追踪所示的温度分布，但是结果不可靠，所述结果取决于通道条件，尤其流体温度。

本发明所涉及领域中的技术人员应了解，许多其它实施例以及实施例的变化可以在所主张的发明的范围内，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以对所描述实施例作出其它添加、删除、替换和修改。例如，通过应用RX信号上的阈值并且捕获仅激励区域中的过零点，可以计算相位差和ΔTOF。然而，此布置的准确度可以受本底噪声和信噪比(SNR)影响。