专利名称：流量测量中的波型抑制的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声流量计，特别涉及把高次声波波型引起的测量误差降至最小的方法。
公知的流体在管道中的流速测量是发射声信号，使通过管道，并测量该信号沿管道传播的时间;对于已知的距离，自可算出速率。通常要考虑沿着管道的两个方向的测量，以提高结果的精度。
但是，如果管道中传播的是脉冲声信号时，声波包要分成多个变换波型，每种波型都有一个与发射频率相对应的频率，但是在沿着管道不同点附近有不同的相位，每种波型都有其自己的零位点组，在这种点处该种波型的幅值为零。此外，不同波型的声速不同。
为进行流量测量，须在管道中的一些点上安装传感器或类似的装置，以接收声波。不过，这种接收传感器并不接收所发射的单个声能脉冲，而是接收多种具有不同能量且在不同时间被接收的波型。根据所接收的信号的能量，显然，在测定收到一个特定波包(由此可确定流量)的时刻时会产生误差。正因如此，这一误差会转移到最后的流速计算中。
本发明的目的在于通过一种能显著地减小流速误差的方法，从本质上克服或改善上述问题。
按照本发明的第一个实施例，公开了一种测量多个声波包在流体中两个位置之间飞行时间的方法，流体中所说波包的通路上至少有一个声反射面。所说的方法包括步骤(a)在两个位置之间至少发射一个具有第一相位的声波包;测量其飞行时间;
(b)发射一个关于前一波包具有相反相位或极性的声波包，以显著地减小高次声波波型对具有第一相位的前面一个或多个波包和/或接下去的一个或多波包的影响;测量其飞行时间。
通道端点通常由输送流体的管道，最好是输水管界定。
步骤(a)和(b)最好能重复多次(譬如1到106次，常用的是32到64次)并算出平均飞行时间，然后由此确定与液体介质有关的参量，如流体流量。
反相波包的高次波型通常用来取消接下去波包的高次波型。
常见的是在两个或多个传感器(常用超声波传感器)之间发射这种声波包，而且有一个声波包一经被一个传感器接收到，就立刻开始发射接下去的波包。
按照本发明的第二个实施例，公开了一种确定管道中流体流速的方法，其中第一和第三声传感器在管道中被分开一段予先规定的距离。这个方法包括步骤(1)自第一传感器向第二传感器发射一个声波包(具有第一相位);
(2)用第二传感器检测该声波包，并记下该声波包在两个传感器之间的传播时间;
(3)利用一经检测到前一个所收到的声波包立即开始接下去的发射，将步骤(1)和(2)实施i次(i＝1，2，3…);
(4)通过发射一个具有与所说的第一相位反相(第二相位)或极性相反的声波包来实施步骤(1)和(2);
(5)将步骤(1)至(4)实施j次(j＝1，2，3…);
(6)实施步骤(1)至(5)，所不同的只是由第二传感器发射，第一传感器检测;
(7)累加在各方向传统的时间，并关于各方向上发射的次数n(n＝ij)确定在各方向的平均传播时间，从而可利用所规定的距离算出流体的流速。
按照本发明的第三个实施例，公开了一种测量流体流速的装置。该装置包括两个声传感器，它们在所说的流体中被分开一个予先规定的距离，分别用来发射及接收声能;在所说的传感器之间至少有一个声反射面;
控制装置，它输出第一个信号，在所说的传感器之间激发声波包的发射;
发射装置，由所说的第一个信号启动，并与所说的传感器之一相连，以激发该传感器发射一个声波包;
与另一个传感器相连的接收装置接收该声波包，并相应于收到该波包给出第二个信号;
计时装置，它与第一个信号相连，用以开始对所说的波包沿着管道在两个传感器之间的传播记时，它还与第二个信号相连，用于终止该记时;
其中所说的第二个信号输入到所说的控制装置，立即引起继第一信号后的又一发射，以便引起按顺序发射一串波包。所说的控制装置还向所说的发射装置输出一个倒相信号，它与予定数目的第一信号相一致。该倒相信号使所说的发射装置及一个传感器发射一个与前面刚收到的波包反相的声波包。通过所说的控制装置存贮计时装置所记的时间并平均之，以利用所说的予先规定的距离算出流体流速。
最好是在发射三个有相同位相的波包之后发射一个反相声波包。流体可为气体或液体，也可两者兼有。
以下参照附图描述本发明的优选实施例，其中
图1表示测量流体流速的一个简化了的装置;
图2A表示由管道传播的初波或基波波型;
图2B表示由管道传播的第一高次波型(“02”波型);
图3用表格表示几种常见类型的公知发射方案及其导致的明显误差;
图4用表格表示几种常见类型的本实施例发射方案，它明显地使误差减小;
图5A表示一个简单的倒相电路;
图5B表示一个驱动传感器用的脉冲串最佳实施例;
图6为与公知方法有关的误差曲线;
图7为与本优选实施例的方法有关的误差曲线;
图8表示图1中电子组件的一个实施例。
图1表示一个简化的测量流体速度用的装置。两个声传感器1和2在输送流体的管道3内彼此对面放置，并分开一个已知距离X。电子组件4与传感器1，2相连，它提供激励发射信号、检测及接收信号、存贮器存贮的信号以及速度计算信号。箭头指明流体流动的方向;在这种情况下是自传感器1向着传感器2的。
通过测量在管内传播的声信号沿流动方向(1到2)及与流动方向相反的方向(2到1)所经过的两个时间，即可测得流体在管道3中流动的速度。这些信号传播的速度以简单相加的方式受到介质速度的影响，也即
Vs＝C±Vf(1)其中Vs是信号的速度，C为声音在该种静止介质中的速度，Vf是介质的速度。若信号沿着流动方向传播，则取加号;沿反向传播，则取减号。于是有Vs+＝C+Vf(2)Vs-＝C-Vf(3)继而可将信号飞行的时间τ+和τ-写作τ+＝ (X)/(Vs+) ＝ (X)/(C+Vf) (4)τ-＝ (X)/(Vs-) ＝ (X)/(C-Vf) (5)其中X为信号传播的距离。进而有Vf＝ (X)/2 ( 1/(τ+) - 1/(τ-) )。(6)在测量这些经历的时间时，采用被称之为振铃环绕法(ring-around)或音响环绕法(sing-around)的方法是很方便的。这种方法中，当一个脉冲被检测到时，另一个立刻就被发射出来。这就有利于计算，由于可以测得一个与大量脉冲的横越事件相对应的大时间间隔，以此代替仅只一次横越事件的时间，所以很容易测得信号的传播时间。当然，尚须测得横越事件的次数，不过这是很容易地。τ的值满足τ＝t/n其中t是n次横越事件经历的时间间隔，所以可以得出τ值。
当声波在管道中传播时，它们可以多种波型进行。可将这些波型看做与管道中一些适当的波动方程的解相对应，也正是从这些解的数学特性，可将这些波型区别成诸如0，0型或1，3型等。另外一种看法可将这些波型看做受到管壁反射而通过管道传播着的。不经管壁反射而直接通过的波型的特性与自由波差不多，并被称为基波波型、初波波型或平面波波型。其它波型要经一次或多次反射。在矩形截面管道的情况下，给予每个波型的一对数可看做自平行管壁的每一个反射的次数。通过理论上更为抽象的考虑，这同样可用到其它截面的管道上。大约有50%的声能属于基波波型，其余属较高次波型;而较高次波型中能量的大部分又属于0，2波型。如果不采取步骤衰减较高次的发射波型，就会有多余的声能在测量管道中积累，导致波型变形，并无法准确定传播时间。
实验表明，图1中管道3的长度(X)与直径(ω)之比对分到高次波型能量的多少是很重要的。对于较小的直径ω，发射波的频散会使更多的能量在相对地较宽的角度上自管道3的壁反射。这就造成沿管道3的多径传播。在比值X/ω较小的地方，由于发射传感器附近的小角度反射，就无助于高次波型的传播。但在其它方面与这种所希望的现象相抵触的却是，当X/ω较小时，几乎很难在低流速条件下获得准确的流速测量。譬如在气体网状系统中测量导流的情况即是如此。
图2A给出基波波型的表示，而图2B则表示的是0.2波型。更高次波型因其复杂就未予示出了。这些波型并非以相同的速度传播，不过却可表示出平面波型要比其它波型传播得更快些，这就造成难于使用振铃环绕方法。一个以平面波型速度之半传播的波型，将在平面波型发生后一个音响环绕周期时与平面波一起到达。一个以平面波型速度的三分之一传播的波型，将在平面波开始发射之后的两周期时与平面波同时到达，其余波型类推。那种传播速度不是平面波型速度的整数约数的波型，不会与平面波到达接收器的同时到达。
图3表示到达平面波型速度四分之一的整数约数波型，它们经历了多个连续的振铃环绕周期，被标明为A、B、C等。
信号的位置由箭头来表示，箭头上方的数字指明它与平面波型速度的整数关系，所以3就表示一个速度为平面波速度三分之一的波型。箭头底下的字母给出它所发生的振铃环绕周期。
叠加原理表明，这些波型在接收传感器上的效果为它们各自效果的总和。这意味着，当电子组件4正在测定平面波到达的时间时，若有一个或多个其它波型与平面波一起到达。它就会显示一个与平面波到达时间不同的时间。这本身倒并不一定会对特性曲线产生严重的不利，但是若流体介质是以变化的速度在运动，则这些波型将在不同程度上受到这种扰动的影响。于是它们在接收器上组合的叠加效果将不同，检测器还将显示不同的传播时间。这种与平面波型传播时间上的差是速度的某种函数。由于平面波型(或另一种特定波型)的传播时间与Vf有关(恰如方程(4)和(5)所示)，所以任何两种不同C值，但在接收传感器处有确定的相位关系的波型，对于其一的流量与对于另一个的流量有所不同。
这些复杂的关系在用方程式(6)通过测量时间间隔的办法测得Vf值时表现为误差。因此，对于精确的测量或者非常重要的测量，就必须减小这种误差。
那些用来激发传感器1，2的信号通常都是具有非零偏差的振荡;除非是采用电子线路导入。再有，由于要从它们获得特定的时间参考点，需要某种脉冲特性，所以它们的幅值也不恒定。
接收信号可表示为时间的函数F(t)，而且为了计时目的，还须利用信号的一个特定的特征得出接收时刻。这常常是一个过零点，也就是方程F(t)＝0(8)的一个解τ，因而有F(τ)＝0。(9)当干扰信号以较低速度的波型形式出现时，它可由f(t)来表示，根据叠加原理，收到的信号应为F(t)+f(t)，过零值将是方程F(t)+f(t)＝0(10)的解;通常这个解不等于τ。
可是，发射信号有正、负两种形式，照此而论，接收到的信号就会有F(t)或-F(t)两种。而且，同时产生却不在同时被接收的干扰信号也将为f(t)或-f(t)。这样，就可能收到四种信号，即(i)+F(t)+f(t)(ii)-F(t)-f(t)(11)(iii)+F(t)-f(t)(iv)-F(t)+f(t)由于存在干扰信号f(t)，未干扰信号特定的过零点将在时间上发生漂移。过零时间应为满足由上面表示式(ⅰ)至(ⅳ)等于零所形成的四个方程的解。方程式(ⅰ)和(ⅱ)有相同的解，就像(ⅲ)和(ⅳ)有相同解一样。令这些解为τ1和τ2，它们可表示为τ1＝τ+δτ1(12)τ2＝τ+δτ2(13)其中δτ1和δτ2是由小微扰f(t)对τ引起的微小变化。这之后(ⅰ)式和(ⅱ)式给出F(τ+δτ1)+f(τ+δτ1)＝0。(14)其近似泰劳展开式给出F(τ)+F′(τ)δτ1+f(τ)+f′(τ)δτ1＝0(15)δτ1＝ (-f(τ))/(F′(τ)+f′(τ)) (16)类似地有δτ2＝ (f(τ))/(F′(τ)-f′(τ)) (17)若f(t)接近最大值时，一般地说f′(t)为最小就是正确的。
回顾F(τ)＝0意味着F′(τ)接近最大值，于是F′(τ)＞＞f′(τ)(18)因而得到一个很好的近似式δτ1＝ (-f(τ))/(F′(τ)) (19)和δτ2＝ (f(τ))/(F′(τ)) ＝-δτ1(20)
如果有两个干扰信号fA及fB，则由上述，时间变量δτAB由下式给出δτAB＝ (fA(τ)+fB(τ))/(F＇(τ)) (21)也即为fA及fB各自产生的两个变量之和。这意味着，若有几个干扰信号一起作用时，则可看做它们分别起作用并将这些相加，得到总效果，即δτAB＝δτA+δτB。(22)方程(20)和(22)的结果构成消除与所需信号共生的干扰信号的方法基础。相应地，利用振铃环绕脉冲的倒相，可明显地减小因接收高次波型所引起的误差。
图4是一张与图3相似的图表，它表示一种发射按四种形式被倒相(用倒相箭号表示)的波型分布。
考虑4τ、5τ、6τ及7τ时的接收。主信号与半速波型的相互作用由四种可能的相互作用(前面称之为(ⅰ)至(ⅳ))中的三种给出。第一种为(ⅳ)类，第二种为(ⅲ)类，第三种为(ⅰ)类，第四种为(ⅰ)类。如前所述，(ⅲ)类与(ⅳ)类具有相同的时间误差，它们与(ⅰ)类的误差等值但相反。因此，合起来看，由半速波型引起的计时误差便可消除。
三分之一速度的波型与主信号的相互作用为(ⅳ)类、(ⅰ)类、(ⅲ)类和(ⅰ)类，它们也可被消除。四分之一速度的波型产生(ⅳ)类、(ⅰ)类、(ⅰ)类和(ⅲ)类干扰，它们再次被消除。
在振铃环绕法期间，重复发射顺序+1，+1，+1，-1(这里+1表示正常发射，-1为倒相发射)。对高次波型的分析表明除1/5，1/9，…1/(4n+1)速度的波型以外，所有时间干扰都被消除。超过四分之一速度的波型幅值并不很大，因而这表明所得的结果不会有较大的缺陷。
正常发射与倒相发射的其它组合可以类似于+1，+1，+1，-1发射所表示的方式一样消除这种干扰。不过，要想完全消除干扰，就需要偶次序列的发射。于是，就不会有5次发射的序列，因为它会导致所有波型的干扰消除到第5次。还可以表明，不会存在6个脉冲的序列，它会导致消除到第6次或者第5次。做为奇数7的序列不可能导致完全消除干扰。重复顺序+1，+1，+1，-1所得到的8次发射的序列，将消除1/2，1/3，1/4，1/6，1/7以及1/8速度的波型干扰，也就是不含1/5速度的波型。有一些能消除1/5速度波型所引起误差的序列，不过它们都不能消除较低次波型的干扰。根据各种波型的量级，它们或许是有用的。
可用任何适当的方法得到倒相发射。图5A给出一个适用于某些情况的电路。在此，通过运算放大器10获得倒相，具有所需要的+1或-1增益。电阻器R1、R2及R3的值相同;倒相信号使场效应三极管12的电阻从高变到低。还有许多其它方法可做到这一点。
为将这个电路从正常发射转换成倒相发射所产生的脉冲序列，完全取决于选择合适的序列。对于+1，+1，+1，-1序列，一个除法电路即为全部所需。
本优选实施例是用一串脉冲来激发发射传感器(1或2)的，图5B就给出了一串这样的脉冲。图5B表示四组振铃环绕脉冲群20，22，24和26，它与振铃环绕脉冲群28所表示的下一串相串接。每个脉冲群(20，22，24，26，28)所具有的脉冲单独构成一个声波包，各波包含有一个平面波型及更高次波型。脉冲群20和22各包括三个不同的脉冲，它们各给出一个具有基波波型和高次波型的声波包。
本优选实施例特别适用于只存在单向供电的场合，譬如使用电池。为获得一倒相波包，就如30所表示的那样，信号的左边为高，因而脉冲群24只包括两个半脉冲。所以，第三脉冲群26由负跃变32开始，与其它脉冲群的正跃变开始相反。因此，与这个脉冲群相连带的波包被倒相，或者说其相位移动180°。而且，跟它前面的波包一样，它是由两个半脉冲的群构成的。
当主信号发生倒相时，还可能需要将接收信号倒相，以维持由主信号所产生的计时脉冲的质量。类似于图5A的电路也可用于此目的。
已经制成一种利用逆流通过的时间和顺流通过的时间来测量速度的气体速度计，它是由同样申请人随此一起提出的澳大利亚专利申请NO.PK6891的申请主题，为便于测量，采用振铃环绕法得到适当的较长时间间隔。这个装置的校准结果表示于图6中，它表示出被测速度与最佳配合直线的偏差;表现出明显的非周期变化。若将本优选实施例的校正方法用到澳大利亚专利申请NO.PK6891速度计的优选实施例上，就会得到图7所示的结果，在与最佳配合线的偏差上表现出非常显著的改善。利用与在第三个峰的下降沿上述进行过零检测的同时倒相各个第四发射信号，即可获得图7的结果。检测条件为传感器相隔175mm，口径14mm，每群三个脉冲，频率为115KHZ，采用室温下的普通气体。
所以，按特定的序列发射倒相和不倒相信号的方法可改善管道中声信号的计量精度，这特别适用于利用振铃环绕法测量所经过的时间。逆行及顺行所经过的时间可用于流体速度的测量。
上述波型抑制方法可以多种方式实现，图8用框图表示了一种这样的方式。其中电子组件4包括一个控制单元20，它通常是一个以微处理机为基础的装置。发射器23及接收器24被用来像图1所表示的那样从传感器1和2发射和接收声信号。该发射器23及接收器24经开关装置25与传感器1，2相连;开关装置经连线26交控制装置20的控制，实现将声音自传感器1向传感器2发射的方向变换成自传感器2向1发射。
存储装置21及计时器22经总线28接在控制装置20。计时器还经线路29接收来自控制装置20的“起始”信号，控制装置同样经线路29连到发射器23，以启动发射声波包。关于该波包的接收，接收器24经线路30输出一个“终止”信号到计时器22和控制装置20。
该“终止”信号首先把一个与波包通过管道3的飞行时间对应的时间值传给存储器21，其次通知控制装置20应予发射下一个振铃环绕的脉冲。
发射予定数目的振铃环绕脉冲(例如64个)之后，飞行时间值可由控制装置20予以数学地平均，并利用事先在存储器21中编入程序的管道3已知的长度值X算出流速值。算得的这个流速值可通过开关装置25操纵变换传播方向进一步被平均。
自控制装置20到发射器23的又一条连线31提供一个能够倒相的信号，使发射器23发射一倒相的波包。为此目的，该发射器中可包括一个如图5A所示的电路。连线31最好由每个自连线29所提供的各个第四个起始信号来启动。通常，在四波包的振铃环绕序列中，最好是第三个波包倒相，即如图5B所示者。
上面只描述了本发明的一个实施例。此外，为本领域的技术人员所显而易见的各种变型也可被得到，而不致超出本发明的范围。
譬如，所公开的这个方法还可用于测量船在水中的航速，这时，船的壳体有一个信号反射面，可导致高次波型传播。
本发明特别用于减小流体流量测量的误差以及气体速度的测量。
权利要求
1.一种测量多个声波包在流体中两个位置之间飞行时间的方法，所说流体中在所说波包的通道上至少只一个声反射面，所说的方法包括步骤(a)在两个位置之间发射至少一个具有第一种位相的声波包，并测量其飞行时间；(b)发射一个具有与前面波包相反位相或与前面波包极性相反的波包，以显著地减小高次波型对具有第一相位的前面一个或多个波包和/或接下去的一个或多个波包的影响，并测量其飞行时间。
2.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于所说通道具有由输送所说流体的管道所界定的端点。
3.一种如权利要求2所述的方法，其特征在于所说的管道为输水管。
4.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于重复步骤(a)和(b)多次，并算出平均飞行时间。
5.一种如权利要求4所述的方法，其特征在于重复步骤(a)和(b)1到106次。
6.一种如权利要求5所述的方法，其特征在于重复步骤(a)和(b)31到65次。
7.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(a)发射三个声波包，步骤(b)发射一个单独的声波包。
8.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于在所说的每个位置处装设一个传感器，用以发射和/或接收所说的波包，其中当一个波包被一个所说的传感器接收完了就立刻开始发射接续的波包。
9.一种测量管道中流体流速的方法，其中第一及第二传感器在管道内分开一段予先规定的距离，该法包括步骤(1)自第一传感器向第二传感器发射一个具有第一种位相的声波包;(2)用第二传感器检测该声波包，并记下该声波包在两个传感器之间的传播时间;(3)利用一经检测到前一个所收到的声波包立即开始接下去的发射，将步骤(1)和(2)实施i次，i＝1，2，3…;(4)通过发射一个具有与所说的第一相位反相的第二相位声波包或极性相反的声波包，实施步骤(1)和(2);(5)将步骤(1)至(4)实施j次，j＝1，2，3…，(6)实施步骤(1)至(5)，所不同的只是由第二传感器发射，第一传感器检测;(7)累加各方向的传播时间，并关于各方向上发射的次数n，n＝ij，确定各方向的平均传播时间，从而可利用所规定的距离算出流体的流速。
10.一种如权利要求9所述的方法，其特征在于i为3。
11.一种如权利要求9所述的方法，其特征在于j为64。
12.一种如权利要求2或9所述的方法，其特征在于所说的流体为气体，所说的管道构成气体网状系统的一部分。
13.一种测定流体流速的装置，包括两个声传感器，它们在所说的流体中被分开一个予先规定的距离，分别发射和接收声能，在所说的传感器之间至少有一个声反射面;控制装置，它输出第一个信号，在所说的传感器之间激发声波包的发射;发射装置，由所说的第一个信号启动，并与所说的传感器之一相连，以激发该传感器发射一个声波包;与另一个传感器相连的接收装置接收该声波包，并相应于收到该波包给出第二个信号;计时装置，它与第一个信号相连，用以开始对所说的波包沿着管道在两个传感器之间的传播记时，它还与第二个信号相连，用以终止该记时;其特征在于所说的第二个信号进一步输入到所说的控制装置，立即引起继第一信号后的又一发射，以便引起按顺序发射一串波包;所说的控制装置还向所说的发射装置输出一个倒相信号，它与予定数目的第一信号相一致，该倒相信号使所说的发射装置及一个传感器发射一个与前面刚收到的波包倒相的声波包;通过所说的控制装置存储计时装置所记的时间并平均之，以利用所说予先规定的距离算出流体流速。
14.一种如权利要求13所述的装置，其特征在于在发射三个具有相同位相的波包之后发射一个倒相波包。
15.一种如权利要求14所述的装置，其特征在于自所说的一个传感器向所说的另一个传感器发射多个所说的波包，继而由所说的另一个传感器向所说的这一个传感器发射同样数目的所说波包。
16.一种如权利要求15所述的装置，其特征在于对于每小时0到6立方米的流量，所说流速的精度好于每秒±0.02米。
17.一种如权利要求16所述的装置，其特征在于对每小时1.5至6立方米的流量，所说流速的精度不会差于每秒±0.01米。
全文摘要
这里公开了一种减小超声波流量测量中因高次声波波型的传播所引起的误差的方法和装置。在装于管道(3)中的两个传感器(1，2)之间发射声波包。采用振铃环绕方法并由控制装置(4)来实现，其中各个第四波包关于前面的波包倒相，为的是消除高次波型在管道(3)内传播造成的影响。这就使得能够提高检测传感器(1，2)接收波包的精度，从而能提高流速测量的精度。
文档编号G01P5/18GK1072016SQ9210888
公开日1993年5月12日 申请日期1992年6月25日 优先权日1991年6月25日
发明者N·比格奈尔 申请人:联邦科学及工业研究组织, Agl咨询有限公司