超声信号传送和接收电路组装件和使用该电路组装件的超声系统和方法

文档序号:10663310阅读:366来源:国知局
超声信号传送和接收电路组装件和使用该电路组装件的超声系统和方法
【专利摘要】一种超声信号传送和接收电路组装件包括第一和第二传送器电路、第一和第二接收器电路以及各与超声换能器耦合的第一和第二电极。该超声信号传送和接收电路还包括开关电路,该开关电路具有用来将第一传送器电路和第一接收器电路选择性地连接到第一或第二电极的第一开关、以及用来将第二传送器电路和第二接收器电路选择性地连接到第一或第二电极的第二开关。
【专利说明】超声信号传送和接收电路组装件和使用该电路组装件的超声 系统和方法
【背景技术】
[0001] 超声设备,如超声波流量计和B模式超声诊断扫描仪,被广泛应用于工业和医疗领 域。用于测量流体流量的超声方法有多种,其中目前应用中最广泛使用的方法包括渡越时 间法(transit-time method)和多普勒法(Doppler method)。
[0002] 如图1所示,在用于测量流体流的流量的典型渡越时间(transi t-1ime )法中,采用 上游换能器和下游换能器。通过在这两个换能器之间交替地传送和接收声音能量突发,并 测量声音在两个换能器之间传播所花费的渡越时间,可以测量声音从上游换能器传播到下 游换能器的第一传送时间!\^"以及声音从下游换能器传播到上游换能器的第二传送时间 TUP。可以按如下公式计算声音路径上取均值的流速V:
其中P是是穿过流体的超声路径以及Θ是路径角度。
[0003] 流量计算为%* HA * V,其中A是管道的内横截面面积,以及K是仪表系数。K常 常通过标定来确定。
[0004]在该交替过程中,通常使用两个不同的传送器电路分别为上游换能器和下游换能 器生成脉冲,同时使用两个不同的接收器电路分别接收来自下游换能器和上游换能器的信 号。这些不同的电路可能导致时间误差,从而可能使得渡越时间法的精度下降,而渡越时间 法要求时间参数的高测量精度。
[0005] 多普勒法是用来测量含有第二相颗粒或"散射体"的流体的流量。如图2所示,在典 型的多普勒法中,给定频率的声波在移动散射体上发生反射,且反射频率偏移与移动散射 体的速度成比例。按照多普勒理论,可以通过如下公式计算速度:
其中V是散射体的速度,Ft是传送频率,FR是接收频率,α是声音束相对于流动轴的角 度,以及c是声音在流体中的速度。因此,流量可以根据速度V来计算。
[0006] 在多普勒法中,确定时间参数时的精度要求不像渡越时间法中的精度要求那样 高。而且,多普勒法不需要两个单独的换能器。在多普勒法中可以使用单个双元件换能器来 传送和接收声音。鉴于这两种方法的不同要求,对于渡越时间法和多普勒法可能使用不同 类型的超声换能器。
[0007] 为了支持不同配置的超声换能器,可能需要不同配置的传送器-接收器电路。为了 能够兼应用于渡越时间法和多普勒法,设想的超声系统需要包括两种或更多种不同传送 器-接收器电路,并且由于电路规模增加,无可避免地复杂且成本高。
[0008] 因此,需要一种实用的系统,其可用于使用渡越时间法和多普勒法中任一种或二 者兼用来监视管道内的流体特性。

【发明内容】

[0009] 在一个方面中,本发明公开涉及超声信号传送和接收电路组装件,其包括第一和 第二传送器电路、第一和第二接收器电路以及各与超声换能器耦合的第一和第二电极。该 超声信号传送和接收电路还包括开关电路,该开关电路具有用来将第一传送器和接收器电 路选择性地连接到第一或第二电极的第一开关、以及用来将第二传送器和接收器电路选择 性地连接到第一或第二电极的第二开关。
[0010] 在另一个方面中,本发明公开涉及一种超声系统,其包括第一和第二传送器电路、 第一和第二接收器电路、各用来与超声换能器耦合的第一和第二电极以及及耦合到该第一 和第二电极的至少一个超声换能器。该超声系统还包括开关电路,该开关电路具有用来将 第一传送器和接收器电路选择性地连接到第一或第二电极的第一开关,以及用来将第二传 送器和接收器电路选择性地连接到第一或第二电极的第二开关。
[0011] 在又一个方面中,本发明公开涉及一种方法,在该方法的过程中,提供和使用一种 超声信号传送和接收电路组装件。该超声信号传送和接收电路组装件包括第一和第二传送 器电路、第一和第二接收器电路、各用来与超声换能器耦合的第一和第二电极以及开关电 路,该开关电路具有用来将第一传送器和接收器电路选择性地连接到第一或第二电极的第 一开关以及用来将第二传送器和接收器电路选择性地连接到第一或第二电极的第二开关。 第一和第二电极分别与第一和第二超声换能器耦合或都与一超声换能器耦合。至少在一阶 段中,将第一传送器和接收器电路连接到第一电极,同时将第二传送器和接收器电路连接 到所述第二电极,并由此将信号从第一传送器电路传送到第一电极,以及在第二接收器电 路处接收来自第二电极的信号。
【附图说明】
[0012] 根据结合附图进行的后续详细描述,本发明公开的前述和其他方面、特征和优点 将变得显而易见的,其中: 图1是图示典型渡越时间超声测量方法的示意图。
[0013] 图2是图示典型多普勒型超声测量方法的示意图。
[0014] 图3是根据本发明公开的一个实施例的包括灵活并复用的超声信号传送和接收电 路组装件的示范性超声系统的电路图。
[0015] 图4是根据本发明公开的一个实施例的包括灵活并复用的超声信号传送和接收电 路组装件的另一个示范性超声系统的电路图。
[0016] 图5示出本发明公开的一个实施例的包括超过一个灵活并复用的超声信号传送和 接收电路组装件的示范性超声系统的电路图。
[0017] 图6示出图4的超声系统的第一阶段,其中第一脉冲器传送信号给第一超声换能器 以及第二接收器接收来自第二超声换能器的信号。
[0018] 图7示出图4的超声系统的第二阶段,其中第一声脉冲器传送信号给第二超声换能 器以及第二接收器接收来自第一超声换能器的信号。
【具体实施方式】
[0019] 本发明公开的实施例一般涉及一种灵活并复用的超声信号传送和接收电路组装 件,其包括第一和第二传送器电路、第一和第二接收器电路、各用来与超声换能器耦合的第 一和第二电极以及开关电路,该开关电路具有用来将第一传送器和接收器电路选择性地连 接到第一或第二电极的第一开关以及用来将第二传送器和接收器电路选择性地连接到第 一或第二电极的第二开关。正如本文所使用的,术语"选择性地"表示让开关以选择性方式 将第一传送器和接收器电路(或第二传送器和接收器电路)以选择性方式连接到第一电极 或第二电极。具体来说,第一开关可以将第一传送器和接收器电路连接到第一电极或第二 电极,以及第二开关可以将第二传送器和接收器电路连接到第一电极或第二电极。该超声 信号传送和接收电路可适用于不同配置的超声换能器,并且能够实现包括但不限于多普勒 法和渡越时间法的多种超声测量方法。使用这种超声信号传送和接收电路后,多通道超声 系统可以将其电路规模缩小约例如一半之多。
[0020] 具体地,当应用于渡越时间法时,该超声信号传送和接收电路组装件可让声音脉 冲在声音脉冲顺流动方向传播和逆流动方向传播的两个阶段中沿着完全相同的电路行进, 从而可以避免由于在两个阶段中使用不同的电路而导致的时间误差。由此,可以提高确定 时间参数的精度,这对于渡越时间法而言是很重要的。
[0021] 下文将描述本发明公开的一个或多个具体实施例。除非另外定义,否则本文使用 的技术和科学术语具有与本发明所属的领域中的技术人员所共识的相同含义。如本文所使 用的术语"第一"、"第二"等不表示任何次序、数量或重要性,而是用于将一个元件与另一个 元件相区分。再有,术语"一个"和"一"不表示数量的限制,而是表示存在至少一个所引述的 项。术语"或者"表示涵盖性的,并且意味着所列出的项的其中一个、多个或全部。"包括"、 "包含"或"具有"及其变化的使用意味着涵盖其后所列出的项及其等效物以及附加项。再 有,术语"親合"和"连接"不应区分组件之间的直接和/或间接耦合/连接。相反,除非另作指 示,否则此类组件可以是直接或间接耦合/连接的。
[0022] 参考图3,超声系统100包括灵活并复用的超声信号传送和接收电路组装件110,其 具有第一脉冲器(传送器电路)111、第一接收器(接收器电路)112、第二脉冲器113、第二接 收器114以及各用来与超声换能器耦合的第一电极115和第二电极116。在图示的实施例中, 第一和第二电极115和116与同一个超声换能器130耦合,超声换能器130可以是双元件换能 器。传送和接收电路组装件110还包括开关电路117。在图示的实施例中,开关电路117包括 双刀双掷(double-pole double-throw,DPDT)型开关装置,其具有第一开关118,用来将第 一脉冲器111和第一接收器112选择性地连接到电极115或116以及具有第二开关119,用来 将所述第二脉冲器113和第二接收器114选择性地连接到电极115或116。开关118和119可以 通过致动器140在两个电极之间进行切换,致动器140可以是继电器。
[0023] 如图4所示,超声系统200包括与图3所示类似的灵活并复用的超声信号传送和接 收电路组装件210。电路组装件210包括第一脉冲器211、第一接收器212、第二脉冲器213、第 二接收器214、第一电极215、第二电极216以及开关电路217,开关电路217包括用来将第一 脉冲器211和第一接收器112选择性地连接到电极215或216的第一开关218以及用来将第二 脉冲器213和第二接收器214选择性地连接到电极215或216的第二开关219。开关218和219 可通过致动器240在两个电极之间执行切换。与图3不同的是,第一和第二电极215和216分 别与第一和第二超声换能器231和232耦合。第一和第二超声换能器231和232可以是单元件 换能器。
[0024]如图3和4所示,超声系统100、200还包括用来控制系统的操作的控制电路150、 250。在一个具体实施例中,控制电路150、250耦合到第一脉冲器111、211、第二脉冲器113、 213、以及致动器140、240,以便控制超声信号的产生和传送,以及通过致动器控制开关的动 作。而且,超声系统100、200还包括信号处理电路160、260,用来处理来自第一接收器112、 212和第二接收器114、214的回声信号。具体根据所使用的测量方法或算法,信号处理电路 160、260可以包括不同的计算单元。例如,如果超声系统100应用于多普勒法,则信号处理电 路160可以包括计算单元,该计算单元用来基于声波相对流体中的移动散射体发生的频率 偏移来计算目标流体的流量。如果超声系统200应用于渡越时间法,信号处理电路260可包 括计算单元,该计算单元用来基于通过在两个换能器之间交替地传送和接收超声并测量超 声在这两个换能器之间行进的渡越时间,以计算目标流体的流量。
[0025]在一些实施例中,如前所述的超声信号传送和接收电路组装件可以并联或串联起 来使用,以便提供多通道超声系统。例如,如图5所示,多通道超声系统300设有两个或更多 个超声信号传送和接收电路组装件310-1、310-2.....310-n,如前所述,该些组装件每个包 括第一和第二脉冲器、第一和第二接收器以及第一和第二电极。不同的超声信号传送和接 收电路组装件310-1、310-2.....310-n可以耦合到相同或不同类型的换能器。在图示的实 施例中,电路组装件310-1和310-2都将其第一和第二电极分别耦合到单独的两个换能器 上。但是,电路组装件310-1和310-2中的一个或两个也可以将其第一和第二电极耦合到同 一个换能器,如双元件换能器。
[0026]多通道超声系统300还包括控制电路350和信号处理电路360。在图示的实施例中, 控制电路350耦合到系统中的所有脉冲器和致动器,从而控制整个系统的操作。信号处理电 路360耦合到系统中的所有接收器,以便处理来自任意一个或多个接收器中的信号。
[0027] 本发明公开的实施例还涉及一种使用如前所述的超声系统来获得目标信息的方 法。例如,这些超声系统特别适合于用作工业领域中的超声流量计,以用于获得流体流的流 速。在该方法中,在提供如前所述的超声信号传送和接收电路组装件之后,将第一和第二电 极分别耦合到单独的两个超声换能器或都耦合到单个超声换能器上。然后,方法控制为将 第一脉冲器和接收器连接到第一电极,并将第二脉冲器和接收器连接到第二电极,并且至 少在第一阶段处,第一脉冲器传送超声信号到第一电极,而第二接收器接收来自第二电极 的回声信号。
[0028] 在第二阶段中,方法控制为将第一脉冲器和接收器连接到第二电极,并将第二脉 冲器和接收器连接到第一电极,并且第一脉冲器传送超声信号到第二电极,而第二接收器 接收来自第一电极的回声信号。通过交替进行第一和第二阶段的操作并在每个阶段测量渡 越时间,可以获得两个阶段之间的渡越时间之差,并由此可以通过已知的渡越时间法的算 法计算出所测流体流的速度。
[0029] 以图4的超声系统200为例,下文将描述一种使用该超声系统的示例方法。图6和图 7分别图示将超声系统200应用于渡越时间法的第一和第二操作阶段。
[0030] 如图6所示,在第一阶段,第一脉冲器211和第一接收器212经开关218耦合到第一 电极215,而第二脉冲器213和第二接收器214经开关219耦合到第二电极216。在控制电路 250的控制下,第一脉冲器211生成并且传送声音能量(超声)的突发到耦合于第一电极215 的第一超声换能器(上游换能器)131,以及第二接收器214接收来自耦合于第二电极216的 第二超声换能器(下游换能器)132的回声信号。测得超声从上游换能器131传送到下游换能 器132所花费的第一渡越时间。
[0031]如图7所示,在第二阶段中,第一脉冲器211和第一接收器212经开关218耦合到第 二电极216,以及第二脉冲器213和第二接收器214经开关219耦合到第一电极215。在控制电 路250的控制下,第一脉冲器211生成并且传送声音能量(超声)的突发到耦合于第二电极 216的第二超声换能器(下游换能器)132,以及第二接收器214接收来自所述耦合于第一电 极215的第一超声换能器(上游换能器)131的回声信号。测得超声从下游换能器132传送到 上游换能器131所花费的第二渡越时间。
[0032]基于第一和第二渡越时间之差,可以在信号处理电路中通过已知的渡越时间法的 算法计算出所测得流体流的速度。
[0033]在第一和第二阶段期间,使用脉冲器211来生成并传送超声,以及使用接收器214 接收回声信号。也就是说,在第一和第二阶段中采用完全相同的脉冲器和接收器。由此,能 够避免由于不同阶段所使用的电路不同导致的时间误差,从而能够提高渡越时间法的精 度。
[0034]在不背离本发明的精神或本质特征的前提下,可以采用其他特定形式来实施本发 明。因此,前文的实施方案在所有方面应视为说明性的而非限制本文描述的本发明。本发明 实施例的范围由所附权利要求而非由前文描述来指示,并且因此应将落在权利要求的等效 物的含义和范围内的所有更改涵盖在其中。
【主权项】
1. 一种超声信号传送和接收电路组装件,其包括: 第一和第二传送器电路; 第一和第二接收器电路; 各用于与超声换能器耦合的第一和第二电极;以及 开关电路,所述开关电路包括用来将所述第一传送器和接收器电路选择性地连接到所 述第一或第二电极的第一开关,以及用来将所述第二传送器和接收器电路选择性地连接到 所述第一或第二电极的第二开关。2. 如权利要求1所述的电路组装件,其中所述电路组装件在第一阶段中可操作,其中所 述第一传送器和接收器电路连接到所述第一电极,以及所述第二传送器和接收器电路连接 到所述第二电极,其中所述第一传送器电路和第二接收器电路是活动的以分别地传送信号 到所述第一电极以及从所述第二电极接收信号。3. 如权利要求2所述的电路组装件,其中所述电路组装件还在第二阶段中可操作,其中 所述第一传送器和接收器电路连接到所述第二电极,以及所述第二传送器和接收器电路连 接到第一电极,其中所述第一传送器电路和第二接收器电路是活动的以分别地传送信号到 所述第二电极以及从所述第一电极接收信号。4. 如权利要求1所述的电路组装件,还包括用于控制所述传送器、接收器和开关电路的 控制电路。5. -种超声系统,其包括: 第一和第二传送器电路; 第一和第二接收器电路; 各用于与超声换能器耦合的第一和第二电极; 耦合到所述第一电极和第二电极的至少一个超声换能器;以及 开关电路,所述开关电路包括用来将所述第一传送器和接收器电路选择性地连接到所 述第一或第二电极的第一开关,以及用来将所述第二传送器和接收器电路选择性地连接到 所述第一或第二电极的第二开关。6. 如权利要求5所述的超声系统,其中所述至少一个超声换能器包括分别耦合到所述 第一和第二电极的第一和第二超声换能器,或包括同时耦合到所述第一和第二电极的超声 换能器。7. 如权利要求5所述的超声系统,其中所述至少一个超声换能器包括分别耦合到所述 第一和第二电极的第一和第二超声换能器。8. 如权利要求7所述的超声系统,其中所述系统在第一阶段中可操作,其中所述第一传 送器和接收器电路连接到所述第一电极,以及所述第二传送器和接收器电路连接到第二电 极,其中所述第一传送器电路和第二接收器电路是活动的以分别地传送信号到所述第一电 极以及从所述第二电极接收信号。9. 如权利要求8所述的超声系统,其中所述系统还在第二阶段中可操作,其中所述第一 传送器和接收器电路连接到所述第二电极,以及所述第二传送器和接收器电路连接到第一 电极,其中所述第一传送器电路和第二接收器电路是活动的以分别地传送信号到所述第二 电极以及从所述第一电极接收信号。10. 如权利要求5所述的超声系统,其中所述至少一个超声换能器包括耦合到所述第一 和第二电极两者的超声换能器。11. 如权利要求10所述的超声系统,其中所述第一传送器和接收器电路连接到所述第 一电极,以及所述第二传送器和接收器电路连接到第二电极,其中所述第一传送器电路和 第二接收器电路是活动的以分别地传送信号到所述第一电极以及从所述第二电极接收信 号,或者所述第二传送器电路和第一接收器电路是活动的以分别地传送信号到所述第二电 极以及从所述第一电极接收信号。12. 如权利要求5所述的超声系统,还包括用于处理来自所述第一或第二接收器电路的 回声信号的信号处理电路。13. 如权利要求5所述的超声系统,还包括用于控制所述传送器、接收器和开关电路的 控制电路。14. 如权利要求5所述的超声系统,还包括: 第三和第四传送器电路; 第三和第四接收器电路; 各用于与超声换能器耦合的第三和第四电极; 耦合到所述第三电极和第四电极的至少一个超声换能器; 开关电路,所述开关电路包括用来将所述第三传送器和接收器电路选择性地连接到所 述第三或第四电极的第三开关,以及用来将所述第四传送器电路和接收器电路选择性地连 接到所述第三或第四电极的第四开关; 信号处理电路,所述信号处理电路用于处理来自所述第一或第二接收器电路的回声信 号以及来自所述第三或第四接收器电路的回声信号;以及 用于控制所述传送器、接收器和开关电路的控制电路。15. -种方法,其包括: 提供超声信号传送和接收电路组装件,所述超声信号传送和接收电路组装件包括: 第一和第二传送器电路; 第一和第二接收器电路; 各用于与超声换能器耦合的第一和第二电极;以及 开关电路,所述开关电路包括用来将所述第一传送器和接收器电路选择性地连接到所 述第一或第二电极的第一开关,以及用来将所述第二传送器和接收器电路选择性地连接到 所述第一或第二电极的第二开关; 分别将所述第一和第二电极与第一和第二超声换能器耦合,或将所述第一和第二电极 都与超声换能器耦合;以及 至少在一阶段中,将所述第一传送器和接收器电路连接到所述第一电极,并且将所述 第二传送器和接收器电路连接到所述第二电极,并且从所述第一传送器电路传送信号到所 述第一电极,以及在所述第二接收器电路处接收来自所述第二电极的信号。16. 如权利要求15所述的方法,其还包括在另一个阶段中,将所述第一传送器和接收器 电路连接到所述第二电极,并且将所述第二传送器和接收器电路连接到所述第一电极,并 且从所述第一传送器电路传送信号到所述第二电极,以及在所述第二接收器电路处接收来 自所述第一电极的信号。
【文档编号】G01F1/66GK106030255SQ201580010280
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年2月18日
【发明人】李建林, 尚卫华, 刘逢甦, 牛冉, 吴恒, 瞿鑫, 袁龙涛
【申请人】通用电气公司
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