专利名称：计算超声波脉冲的渡越时间的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及用于计算发送的脉冲的渡越时间(transit time)的自动方法和系统，尤其是用于通过从第一超声波换能器到第二换能器的流体流动来计算发送的超声波脉冲的渡越时间。
背景技术：
已知超声波流速计系统用于测量流体(如气体或液体)在诸如导管之类的管道内流动速率。在一个特定系统中，两个换能器彼此成一斜角、被放置在管道的外部，并且它们通称为上游换能器和下游换能器。通过首先从上游换能器向下游换能器发送一脉冲来确定流体流过管道的速率。接着，下游换能器向上游换能器发送一脉冲。从上游换能器向下游换能器发送的脉冲的渡越时间小于反方向上发送的脉冲的渡越时间，从而可以基于测量的这两个脉冲的渡越时间之差来确定(计算)流体流动速率。本领域技术人员知道，换能器可以被夹在管道的外部，或者可以被插入管道壁中(例如，“浸湿式换能器”)。
超声波系统可以用于测量许多不同类型和密度的液体或气体的流，并且可以在各种程度条件下与不同类型的管道一起使用。当一个换能器向另一换能器发送时，这些广泛变化的环境可以产生不同的信噪比。例如，如果要测量的流体是液体，则信噪比通常将较高。如果要测量的流体是气体，则信噪比通常将较低。根据信噪比，采用不同的技术来测量渡越时间以及上和下渡越时间之间的时间差。例如，如果信噪比高，则一种高分辨度的测量渡越时间的技术是互相关技术。参见通过引用并入这里的美国专利No.4787252。但是，如果信噪比低，则高分辨率方法的互相关技术可能导致计算渡越时间时的误差，从而导致不准确的流动速率确定。因此，本领域技术人员可以采用其他技术来测量渡越时间。在信噪比低时测量渡越时间的技术的一个例子是美国专利申请No.4538469中披露的积分阈值技术，这里也通过引用将其并入这里。尽管积分阈值技术不提供如互相关技术那样高的分辨率，但它更加健壮。
此外，如果管道老化的话，那么任何特定换能器布置的信噪可能随着时间变化，例如，信噪比可能降低。因此，超声波流速计系统控制器(电子设备)在安装时由于信噪比高而可以被配置来采用互相关技术。但是，以后如果信噪比降低的话，互相关技术将不再提供准确的流动速率确定。
在现有技术中，在选择计算每个发送脉冲的渡越时间的特定技术并测量渡越时间之前，常常需要让技术人员或工程师通过将示波器连接到流速计(或控制器)来确定信噪比以在估计流测量点之后安装超声波流速计。这一操作费时、昂贵，而且有时可能不准确。此外，示波器是需要专家操作的昂贵设备器件。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供一种用于计算从第一超声波换能器向第二超声波换能器发送的脉冲化信号的渡越时间的自动方法和系统。即使信噪比随着时间改变，本发明的方法和系统也能准确地确定换能器之间的脉冲渡越时间。不需要示波器和工程师或技术人员来确定信噪比，从而节省了时间和费用。
在至少一个实施例中，本发明是通过一种自动和易用的方法实现的，该方法用于计算从第一超声波换能器通过流体流发送到第二超声波换能器的脉冲的渡越时间，它是通过自动计算接收的脉冲的信噪比、然后基于信噪比电平来自动选择适当的技术计算接收的脉冲的渡越时间来实现的。
在一个实施例中，本发明特征在于一种用于计算从第一超声波换能器向第二超声波换能器发送的脉冲化信号的渡越时间的自动方法。该方法包括测量在第二换能器处从第一换能器接收的脉冲化信号的幅度；测量任何与接收的脉冲化信号接近的噪声的幅度；以及分别计算接收的脉冲化信号与噪声的信噪比。如果信噪比高于预定阈值，则执行第一技术来计算接收的脉冲化信号的渡越时间。而如果信噪比低于预定阈值，则执行另一第二技术来计算接收的脉冲化信号的渡越时间。
在一个示例中，所述第一技术可以包括互相关技术，而所述第二技术可以包括积分阈值技术。所述预定阈值可以大约在7到13之间。第一换能器和第二换能器可以在管道的同侧，或者第一换能器和第二换能器可以在管道的异侧。第一换能器和第二换能器可以被夹在管道上。第一换能器和第二换能器可以以浸湿式配置放置在管道中。该方法还可以包括步骤基于计算的信噪比，调节发送的脉冲化信号的预选特性。该方法还可以包括步骤如果信噪比低于第二预定阈值，则输出出错消息。所述第二预定阈值可以在0.25与1.0之间。
所述测量脉冲化信号的幅度的步骤可以包括测量脉冲化信号的最大幅度。所述测量噪声的幅度的步骤可以包括测量在预定时间窗口内噪声的最大幅度。所述测量噪声的幅度的步骤可以包括窗口化(windowing)噪声数据。该窗口可以在接收的脉冲信号紧前面。可以在测量噪声幅度之前测量脉冲化信号的幅度。
本发明特征还在于一种用于计算脉冲化信号传过管道的渡越时间的系统，该系统包括可连接到管道的第一换能器；可连接到管道的至少第二换能器；连接到第一换能器和第二换能器的控制器。该控制器被配置成测量在第二换能器处从第一换能器接收的脉冲化信号的幅度，测量任何与接收的脉冲化信号接近的噪声的幅度，分别计算接收的脉冲化信号与噪声的信噪比，如果信噪比高于预定阈值，则执行第一技术来计算接收的脉冲化信号的渡越时间，以及如果信噪比低于预定阈值，则执行另一第二技术来计算接收的脉冲化信号的渡越时间。
在一个示例中，所述第一技术是互相关技术，而所述第二技术是积分阈值技术。所述预定阈值可以大约在7到13之间。第一换能器和第二换能器可以在管道的同侧。第一换能器和第二换能器可以在管道的异侧。第一换能器和第二换能器可以被夹在管道上，或者第一换能器和第二换能器可以以浸湿式配置放置在管道中。控制器可以被配置成基于计算的信噪比，调节发送的脉冲化信号的预选特性。控制器还可以被配置成如果信噪比低于第二预定阈值(如在0.25与1.0之间)，则输出出错消息。控制器还可以被配置成测量脉冲化信号的最大幅度。控制器还可以被配置成测量在预定时间窗口内信号噪声的最大幅度。所述测量噪声的幅度的步骤可以包括窗口化噪声数据。该窗口可以在接收的脉冲信号紧前面。可以在测量噪声幅度之前测量脉冲化信号的幅度。控制器可以包括发送器、接收器和访问存储器的处理器，并且该存储器包括计算机代码，该计算机代码用于测量在第二换能器处从第一换能器接收的脉冲化信号的幅度，测量与接收的脉冲化信号接近的噪声的幅度，以及分别计算接收的脉冲化信号与噪声的信噪比。
本发明特征还在于一种计算机程序，用于计算从第一超声波换能器通过管道发送到第二超声波换能器的脉冲化信号的渡越时间。该程序包括指令，用于测量在第二换能器处从第一换能器接收的脉冲化信号的幅度，测量任何与接收的脉冲化信号接近的噪声的幅度，分别计算接收的脉冲化信号与噪声的信噪比，如果信噪比高于预定阈值，则执行第一技术来计算接收的脉冲化信号的渡越时间，而如果信噪比低于预定阈值，则执行另一第二技术来计算接收的脉冲化信号的渡越时间。
通过下面对优选实施例和附图的描述，本领域技术人员将想到其他目的、特征和优点，其中图1A、1B和1C是用于确定流体流过管道的速率的典型超声波系统的示意图；图2A和2B是从第一换能器通过液体发送的、并在第二换能器处接收的低噪声超声波信号的电压对时间图；图3是从第一换能器通过气体发送的、并在第二换能器处接收的高噪声超声波信号的电压对时间图；图4是示出与根据本发明的一个实施例的一个示例相关的主要组件的框图，该系统用于计算从第一超声波换能器到第二超声波换能器的脉冲的渡越时间；图5是使用图4的系统、通过气体发送并在换能器处接收的脉冲的电压对时间图；以及图6是示出与根据本发明一个实施例的一个示例方法相关的主要步骤的流程图，该方法用于计算从第一超声波换能器到第二超声波换能器的脉冲的渡越时间，并且还示出与图4系统的存储器相关的编程。
具体实施例方式
除了下面所披露的优选实施例之外，本发明能够应用其他实施例，并且以各种方式实践或实现。因此，应当理解，本发明在其应用方面不限于下面描述中阐述或附图中所示的组件的具体结构和布置。
图1A所示的超声波流速计10测量管道12内的流体流动速率。两个换能器14和16被放置在管道12的外部上。换能器14和16显示为位于管道12的异侧，但也可以位于管道的同侧。显示为夹紧式换能器，但它们也可以是浸湿式换能器。如上所述，通过首先从换能器14(又称为上流换能器)向换能器16(又称为下游换能器)发送超声波脉冲，来确定流体流过管道12的速率。接着，换能器16将向换能器14发送信号。由于从换能器14发送的脉冲的渡越时间将比从换能器16发送的脉冲快，因此可以通过将换能器14发送的脉冲的渡越时间与从换能器16发送的脉冲相减，来确定流体流过管道12的速率。来自换能器14和16的各脉冲的定时和测量由控制器20控制。发送的脉冲或脉冲化信号可以是方波或正弦波、脉冲序列、编码脉冲或任何类型的各种信号。
换能器14和16每一个发送脉冲18，其通过管道12一次，而在图1B的另一示例中，流速计10’的换能器14’和16’位于管道12’的同侧，并且每一个被配置成发送脉冲18’，脉冲18’在被另一换能器接收之前被管道12’的内表面反射一次。控制器20’向换能器14’或16’发送脉冲，并且换能器中的另一个接收该脉冲。控制器20’测量脉冲18’的信号到达时间。图1C的流速计10”的换能器14”和16”以及控制器20”也可以被配置成将脉冲18”发送并由沟道12”的内表面反射两次，在这种情况下，换能器14”和16”位于管道12”的异侧。
尽管换能器14、16、14’和16’显示为被夹到管道12，但这些换能器也可以以浸湿式配置放置在管道12上。在浸湿式配置中，换能器14和16将直接与管道12中流动的流体接触。
图2A的曲线图30示出在换能器14或16之一处接收的脉冲32的电压电平。在时间t0从换能器14或16之一发送的脉冲在时间t1在另一换能器处被接收到。因此，该脉冲的渡越时间被测量为t0与t1之间。在脉冲32被接收到之后，脉冲32的回波34、34’和34”在接收换能器处被接收到。信号36是两个换能器经由管壁之间的串扰，并不是有用信息。可以看出，噪声39的电平相对于脉冲32要低，这是当要测量的流是液体时的一般情况。时间窗口38所包括的在其范围内的脉冲32在图2B的40中呈现更高的分辨率，这也示出脉冲32对于噪声39的信噪比相对较高。
图3的曲线图44示出对于在时间t0发送的通过气体的脉冲、在时间t1’噪声39’相对于接收的脉冲32’的高电平。在t0’的串扰36’的电平也显示为很高。可能对于某些气体，接收脉冲32’的电平甚至比噪声39’的电平要低，在这种情况下将需要复杂的信号处理技术来确定接收脉冲32’的电平和位置。
根据本发明的一个实施例，图4的系统50包括控制器20a，后者包括处理器51和存储器52。控制器20a的处理器51连接到换能器14a和16a这两者，换能器14a和16a每一个连接到管道12a。存储器52可以是可擦可编程只读存储器(EPROM)，并且其中存储有可编程代码54。处理器51和存储器52一起被配置成测量在换能器之一接收的脉冲的幅度，测量接近该脉冲的任何噪声的幅度，以及测量该脉冲相对于该噪声的信噪比。处理器51控制发送器53来通过复用器57向换能器14a或16a发送电信号，后者向其他换能器发送脉冲。当换能器14a或16a之一接收到脉冲时，它通过复用器57向接收器55发送信号，后者向处理器51发送对应于接收的脉冲的数字化信号。
然后当计算的信噪比大于预定阈值时，控制器20a将自动执行诸如互相关技术(也存储在存储器52中)之类的一种技术来计算接收的脉冲的渡越时间。然而如果信噪比小于预定阈值，则控制器20a将执行另一种不同的技术来计算接收的脉冲的渡越时间。一种这样的技术是积分阈值技术。
用这种方式，控制器20a将基于信噪比选择适当的计算渡越时间的方法。让控制器20a基于信噪比选择适当技术，这防止了控制器20a在信噪比远低于期望时进行错误的测量，这可能发生在管道12中存在意想不到的流体、或者管道由于使用或年限而经受老化、或者任何其他条件使信噪比电平太低而难以精确用于互相关技术的情况下。
信噪比的阈值可以大约为10，或者可以在7到13的范围之间选择。在该阈值以上，控制器20a可以选择执行互相关方法来计算接收的脉冲的渡越时间。如果信噪比测量为低，例如低于10，则控制器20a可以决定执行积分阈值方法来计算接收的脉冲的渡越时间。此外，控制器20a可以使用第二阈值，如0.5或在0.25和1.0之间的数值，低于该第二阈值，则控制器20a由于信噪比太低难以获得准确的流速计算，因此将不计算渡越时间。低于第二阈值，控制器20a可以向用户输出出错信息信噪比太低难以确定流体流速。因此，基于信噪比更准确地测量超声波脉冲的渡越时间(下游和上游)。
控制器20a可以基于测量的信噪比改变脉冲的特性。例如，控制器20a可以基于测量的信噪比，改变脉冲的形状、持续时间和/或类型，如正弦或方波。
尽管图4显示换能器14a和16a被放置在管道12a的异侧，但这并不是对本发明的限制。换能器14a和换能器16a可以被放置在管道12a的同侧，发送的脉冲18a将被管道12a的内侧反射一次。此外，尽管换能器14a和16a显示为被夹到管道12a上，但换能器14a和16a也可以以浸湿式配置放置在管道12a中。
为了测量噪声39a，在图5中接收的脉冲附近，使用窗口38a来估计预定时间范围内的噪声。窗口38a被放在接收的脉冲32a之前以获得最佳结果。可以在获得脉冲32a的粗略位置之后确定数据窗口38a的位置。管道12a的类型、流过管道12a的流体、以及流体的粗略声速通常对于用户是已知的。流体的粗略声速可以从查找表获得或者被预置到流速计中。同样，可以使用窗口38b来确定接收的脉冲32a的幅度。可以通过使用窗口38b内接收的脉冲的最大幅度60除以窗口38a内接收的噪声的最大幅度62来确定信噪比，尽管也可以使用其他方法来确定噪声和接收的脉冲的幅度。
在图6中，根据本发明的一个实施例的用于计算从第一超声波换能器发送到第二超声波换能器的渡越时间的方法，在步骤70开始，测量在第二换能器处从第一换能器接收的脉冲的幅度。在步骤72，测量任何与接收的脉冲接近的噪声的幅度。在步骤70和72中可以使用数据窗口来进行这些测量。在步骤74，计算接收的脉冲和噪声的信噪比。可以使用在它们各自窗口内噪声的最大值和脉冲的最大值来进行该计算。在步骤76，如果信噪比高于预定阈值，则执行第一技术(例如，互相关)来计算接收的脉冲的渡越时间。在步骤78，如果信噪比小于预定阈值，则执行第二技术(例如，积分阈值技术)来计算接收的脉冲的渡越时间。控制器20a可以执行该方法的步骤，或者该方法可以用软件或计算机代码实现，并且被放在控制器20a内的存储器52中。用于执行该方法的代码可以在EPROM芯片上提供，并且作为位于Waltham，Massachusetts的GE Panameterics制造的超声波流速计GC 868或PT878GC的升级。
尽管本发明的特定特征在一些附图中示出而未在其他附图中示出，但这仅仅是为了方便，每个特征可以根据本发明与任意或所有其他特征组合。这里使用的词“包括”、“包含”、“具有”和“带有”应当广义和综合地解释，而不限于任何物理互连。此外，在本申请中披露的任何实施例都不应被当作唯一可能的实施例。例如，可以使用本领域技术人员公知的、适于不同信噪比的其他技术来计算脉冲的渡越时间。
本领域技术人员将想起落入权利要求书中的其他实施例。
权利要求
1.一种用于计算从第一超声波换能器(14a)向第二超声波换能器(16a)发送的脉冲化信号(18d)的渡越时间的自动方法，该方法包括测量(70)在第二换能器(16a)处从第一换能器(14a)接收的脉冲化信号的幅度；测量(72)任何与接收的脉冲化信号(32a)接近的噪声的幅度；分别计算(74)接收的脉冲化信号与噪声的信噪比；如果信噪比高于预定阈值，则自动执行(76)第一技术来计算接收的脉冲化信号的渡越时间；以及如果信噪比低于预定阈值，则自动执行(78)第二技术来计算接收的脉冲化信号的渡越时间。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一技术包括互相关技术。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二技术包括积分阈值技术。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定阈值大约在7到13之间。
5.如权利要求1所述的方法，还包括步骤基于计算的信噪比，调节发送的脉冲化信号的预选特性。
6.如权利要求1所述的方法，还包括步骤如果信噪比低于第二预定阈值，则输出出错消息，所述第二预定阈值在0.25与1.0之间。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述测量脉冲化信号的幅度的步骤(70)包括测量脉冲化信号的最大幅度。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述测量噪声的幅度的步骤(72)包括测量在预定时间窗口内噪声的最大幅度。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述测量噪声的幅度的步骤(72)包括窗口化噪声数据。
10.如权利要求1所述的方法，其中，在测量噪声幅度之前测量脉冲化信号的幅度。
11.一种用于计算脉冲化信号传过管道的渡越时间的系统，该系统包括可连接到管道(12a)的第一换能器(14a)；可连接到管道(12a)的至少第二换能器(16a)；连接到第一换能器(14a)和第二换能器(16a)的控制器(20a)，其被配置成测量在第二换能器处从第一换能器接收的脉冲化信号的幅度，测量任何与接收的脉冲化信号接近的噪声的幅度，分别计算接收的脉冲化信号与噪声的信噪比，如果信噪比高于预定阈值，则执行第一技术来计算接收的脉冲化信号的渡越时间，并且如果信噪比低于预定阈值，则执行不同的第二技术来计算接收的脉冲化信号的渡越时间。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述第一技术包括互相关技术。
13.如权利要求11所述的系统，其中，所述第二技术包括积分阈值技术。
14.如权利要求11所述的系统，其中，所述预定阈值大约在7到13之间。
15.如权利要求11所述的系统，其中，第一换能器(14a)和第二换能器(16a)在管道(12a)的同侧。
16.如权利要求11所述的系统，其中，第一换能器(14a)和第二换能器(16a)在管道(12a)的异侧。
17.如权利要求11所述的系统，其中，第一换能器(14a)和第二换能器(16a)被夹在管道(12a)上。
18.如权利要求11所述的系统，其中，第一换能器(14a)和第二换能器(16a)以浸湿式配置放置在管道(12a)中。
19.如权利要求11所述的系统，其中，所述测量噪声的幅度的步骤包括窗口化噪声数据。
20.如权利要求11所述的系统，其中，控制器包括发送器(53)、接收器(55)和访问存储器(52)的处理器(51)，并且该存储器包括计算机代码，该计算机代码用于测量在第二换能器处从第一换能器接收的脉冲化信号的幅度，测量与接收的脉冲化信号接近的噪声的幅度，以及分别计算接收的脉冲化信号与噪声的信噪比。
全文摘要
提供一种用于计算从第一超声波换能器向第二超声波换能器发送的脉冲化信号的渡越时间的自动方法和系统。该方法包括测量在第二换能器处从第一换能器接收的脉冲化信号的幅度；测量任何与接收的脉冲化信号接近的噪声的幅度；以及分别计算接收的脉冲化信号与噪声的信噪比。如果信噪比高于预定阈值，则自动执行第一技术来计算接收的脉冲化信号的渡越时间。如果信噪比低于预定阈值，则自动执行另一第二技术来计算接收的脉冲化信号的渡越时间。
文档编号G01P5/00GK1977149SQ200580015383
公开日2007年6月6日 申请日期2005年2月11日 优先权日2004年3月12日
发明者晓雷·S·奥, 奥利格·A·卡拉科维斯基, 杰弗里·D·蒂尔登 申请人:帕纳米特里科斯股份有限公司