专利名称：具有零阻抗测量电子装置的超声波流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声波流量计以及操作超声波流量计的方法。
背景技术：
在过渡时间(transit time)类型的消耗超声波流量计中，消耗的确定是基于对消耗的介质的流速测量进行的。所述流速测量是基于测量介质流中的相对传播的超声波之间的过渡时间的差异进行的。超声波是由压电超声波换能器产生的。典型的超声波信号通过介质的过渡时间是非常短的，并且因此，所述过渡时间或者至少时间的差异需要以非常高的精度进行测量。与测量的精度有关的一个重要因素是当换能器充当超声波信号的发送器和接收器时由换能器观察到的电子布置的阻抗。在这两种情况下的阻抗中的任意差异将转化为测量不确定性。
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EP0846936公开了一种超声波流量计。它公开了用于控制超声波换能器的电子布置包括通过直接的电连接而彼此连接的单独的发生器电路和单独的接收器电路，其中，超声波换能器经由开关连接至该直接连接。在该设置中，每个换能器观察到发生器电路的相同的低输出阻抗以及接收器电路的相同的高输入阻抗，而与它充当发送器还是接收器无关。DE10048959C2公开了一种具有用于控制超声波换能器的电子布置的超声波流量计，其中，发生器电路和接收器电路组合为单个电路，并且每个换能器观察到由输入/输出电阻器限定的相同的阻抗，而与它充当发送器还是接收器无关。FRl.355.584公开了一种具有用于控制超声波换能器的电子布置的超声波流量计，其中，电子布置保证在换能器前面的阻抗在发送模式和接收模式两者中都极其小，并且每个换能器因此观察到非常小的阻抗，而与它充当发送器或接收器无关，并且由此，阻抗之间的任意差异也是非常小的。在这些系统中，在超声波信号传播通过介质的同时在发送换能器与接收换能器之间切换开关。虽然切换本身可以实际上是瞬时的，但是在可以进行精确的测量之前需要使由切换引起的任意电子瞬变逐渐消失。因此，流量计内的超声波必须覆盖一定的距离，从而妨碍了小流量计的制造等等。W094/17371公开了一种具有电子布置的超声波流量计，其中，以如下方式应用开关:在超声波信号传播通过介质的同时不需要切换，并且流管的长度因此不受使与开关相关的电子瞬变逐渐消失所花费的时间的限制。然而，在W094/17371的公开内容中，电子布置需要每个流量计电路必须是阻抗匹配的以用于所谓的相互操作。对每个流量计电路执行操作是耗时且昂贵的。
发明内容
实现不受超声波信号的最小传播时间限制的超声波流量计将是有利的，然而其能够在不单独调整电子电路的情况下以高精度测量传播时间。此外，实现对换能器的机电特性较不敏感的超声波流量计将是有利的。一般地，本发明优选地旨在单独地或以任意组合的方式缓和、减轻或消除现有技术中的流量计的一个或多个缺点。在本发明的第一方案中，提供了一种超声波流量计，包括:-至少两个超声波换能器，布置为跨越测量距离在相反方向上发送和接收超声波信号，所述至少两个超声波换能器包括设置在所述测量距离的一端的至少第一换能器以及设置在所述测量距离的另一端的至少第二超声波换能器；-换能器切换模块，电连接到所述至少两个超声波换能器；-发生器电路，用于受控地产生电信号以发送到所述至少两个超声波换能器，所述发生器电路包括信号源或者连接至信号源；-接收器电路，用于接收来自所述至少两个超声波换能器的电信号，所述接收器电路与所述发生器电路分隔开，所述接收器电路还包括用于连接至检测模块的接收器输出端;其中，所述换能器切换模块布置为用于:-将所述第一超声波换能器受控地功能性连接至所述发生器电路或所述接收器电路，以及-将所述第二超声波换能器受控地功能性连接至所述发生器电路或所述接收器电路；从而使得所述第一超声波换能器被电连接至所述发生器电路且所述第二超声波换能器被电连接至所述接收器电路，反之亦然，并且
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其中，从所述至少两个超声波换能器观察到的所述发生器电路的输出阻抗基本上为零，并且其中，从所述至少两个超声波换能器观察到的所述接收器电路的输入阻抗基本上为零。因此，提供了一种超声波流量计，其包括用于产生电信号以驱动超声波换能器的单独的电子电路以及用于接收由超声波换能器接收的信号的单独的电子电路。通过将发生器电路的输出阻抗以及接收器电路的输入阻抗限制为零，或者至少基本上为零，每个换能器将总是观察到相同的阻抗，即零或基本上为零，而与它充当发送器还是接收器无关。具有零或基本上为零的阻抗的效果是电子布置的电子Q值也可以变得非常低，其使得电子布置对换能器的机电特性较不敏感，并且尤其是对在换能器的电子特性的缺陷，或者对换能器的电子特性之间的变化较不敏感。零或基本上为零的阻抗应当理解为发生器电路的输出阻抗和接收器电路的输入阻抗至少与换能器的机电阻抗相比非常小，例如在百分之几以下，例如在2%以下或在1%以下，或者甚至更低，例如在千分之一的范围内，例如千分之一或甚至更低。理想地，所述阻抗是零欧姆。因为换能器切换模块布置为用于将每个超声波换能器受控地功能性连接(即切换)至发生器电路或接收器电路，使得第一超声波换能器被电连接至发生器电路且第二超声波换能器被电连接至接收器电路，反之亦然，在超声波信号传播通过介质的同时，在不需要改变切换状态的情况下在测量之前可以对切换模块进行设置，并且不存在对在流量计内将由超声波覆盖的最小距离的要求。因此，在流量检测之前设定的用于与开关配置一起产生和接收至或来自超声波换能器的电信号的单独的电子电路，以及将输出阻抗和输入阻抗限制为基本上为零，提供了使得能够提供短的高精度超声波流量计的协同作用。然而，本发明也可以有利地结合其它类型的流量计使用，因为所述方案使流量确定对换能器特性较不敏感，并且因为消除了由在信号穿过介质的同时需要切换开关而带来的任意限制，所述方案是在其它类型的流量计中也可以是有益的方案。在重要的实施例中，发生器电路和接收器电路基于具有经由换能器切换模块与换能器连接的反相输入端以及与参考源连接的非反相输入端的运算放大器。在这样的配置中，运算放大器将换能器加载的阻抗固定为差不多零欧姆。这种类型的设置因此保证超声波换能器总是观察到相同的阻抗，即零或基本上为零，而与它们充当发送器还是接收器无关。这些实施例的优点在于在制造期间不需要独立电路的阻抗匹配来补偿在电子部件(以相同的原理)之间的阻抗变化，因为，由于适当配置的运算放大器的电特性确保反相输入端保持在零欧姆的阻抗，不需要这样的补偿。在有利的实施例中，将额外的开关添加至电子电路中以进一步改进电路的特性。通过适当设置的额外的开关，可以通过除了在相对于流动方向的同向和反向传播超声波之间的切换之外切换两个放大器的角色来去除在流量计算中来自电路部件(尤其是所述开关)的寄生贡献。为此，流量计算可以基于四个测量而不是在一些常规的流量计(例如在本发明的背景中提及的流量计)中使用的两个测量。在这些流量计中，可能引入(例如来自所应用的两个开关的不同开关-导通阻抗的)寄生相移。在本发明的第二方案中，提供了一种操作根据第一方案的实施例提供的超声波流量计的方法。所述方法包括两个开关配置，其中:-在第一开关配置中，所述换能器切换模块将所述第一超声波换能器连接至所述发生器电路，并且将所述第二超声波换能器连接至所述接收器电路；-在第二开关配置中， 所述换能器切换模块将所述第二超声波换能器连接至所述发生器电路，并且将所述第一超声波换能器连接至所述接收器电路；并且其中，所述方法包括以下步骤:a)应用所述第一开关配置；b)操作所述发生器电路以产生用于在所连接的换能器处发送的信号；c)在不改变所述换能器切换模块的情况下，检测在另一个换能器处接收到的信号;d)从所述接收到的信号中导出信号特征；e)应用所述第二开关配置；f)执行步骤b)至d);以及h)根据在步骤d)获得的导出的信号特征来确定流速。在实施例中所述方法可以适于包括四个开关，并且其中，在实施例中，所述方法利用四个开关配置，其中:-在所述第一开关配置中，所述换能器切换模块将所述第一超声波换能器连接至所述发生器电路并将所述第二超声波换能器连接至所述接收器电路，并且所述检测器切换模块将所述检测模块连接至所述接收器电路，并且所述信号源切换模块将所述信号源连接至所述发生器电路；-在所述第二开关配置中，所述换能器切换模块将所述第二超声波换能器连接至所述发生器电路并将所述第一超声波换能器连接至所述接收器电路，并且所述检测器切换模块将所述检测模块连接至所述接收器电路，并且所述信号源切换模块将所述信号源连接至所述发生器电路；-在第三开关配置中，所述换能器切换模块将所述第一超声波换能器连接至所述发生器电路并将所述第二超声波换能器连接至所述接收器电路，并且所述检测器切换模块将所述检测模块连接至所述发生器电路，并且所述信号源切换模块将所述信号源连接至所述接收器电路；-在第四开关配置中，所述换能器切换模块将所述第二超声波换能器连接至所述发生器电路并将所述第一超声波换能器连接至所述接收器电路，并且所述检测器切换模块将所述检测模块连接至所述发生器电路，并且所述信号源切换模块将所述信号源连接至所述接收器电路；并且其中，所述方法包括执行以上限定的步骤a)至h)，然而步骤f)改为:f)执行步骤b)至d)直至已经应用了全部的四个开关配置。在实施例中，超声波流量计可以是诸如水量计、气量计、热量计或冷却计之类的充入式消耗流量计，或者是其一部分。消耗流量计可以结合区域供热或区域供冷使用。所述消耗流量计可以是合法的流量计，即其符合规定的要求，这样的规定要求可以是对测量精确度的要求。一般地，在本发明的范围内，可以以任意可能的方式组合和耦合本发明的各种方案。从下文描述的实施例中，本发明的这些和其它方案、特征和/或优点将是显而易见的，并且将参考下文描述的实施例介绍本发明的这些和其它方案、特征和/或优点。
将通过参考附图而仅仅举例描述本发明的实施例，在所述附图中:图1示出了超声波流量计的实施例的示意性截面图；图2是示出了根据本发明的实施例的流量计的电子电路的元件的示意性框图；图3示出了发生器电路、接收器电路和换能器切换模块的有利的实施方式；图4示出了驱动信号和接收到的信号的示例；以及图5示出了具有利用两个额外的开关的耦合方案的实施例。
具体实施例方式图1示出了消耗流量计形式的超声波流量计的实施例的示意性截面图。所述流量计包括具有入口 2和出口 3的壳体I。流量计进一步包括电子单元4,所述电子单元4包括超声波换能器5或连接至超声波换能器5。流量计包括测量距离6，此处由贯通通道示意性地示出。将用于产生和检测超声波信号的超声波换能器5设置成使得所产生的信号可以被引入测量距离。将反射器7设置成使得从每个换能器中发出的信号8被沿着流动通道引导到相对的换能器上以用于检测。向上游传 播的信号比向下游传播的信号传播得更快，并且可以通过测量所发出的信号在另外的换能器处的到达时间的差异来确定流速。流速的确定以及流速的输出由电子单元4完成。电子单元至少包括测量电路，所述测量电路可操作地连接至超声波换能器并布置为确定代表流速的值。超声波换能器和测量电路在实施例中可以提供为适于安装在壳体上的单元。此外，消耗流量计通常装备有计算器单元，其适于基于代表流速的值来计算消耗的量以及可选地计算额外的量。计算器单元可以是单独的单元或者与用于操作换能器的测量电路组合的单元。电子单元可以额外地包括如下元件:例如无线电发送器形式的发送器，以及例如电池或有线连接形式的电源，以及与其它部件。所示出的超声波流量计包括在测量距离的一端设置的第一超声波换能器以及在测量距离的另一端设置的第二超声波换能器。一般地，在每一端可以设置更多的换能器。此外，可以采用三个或更多的反射器单元来弓I导超声波信号通过所述测量距离。本发明的实施例涉及基于渡越时间(time-of-flight)原理的超声波流量计。在这样的流量计中，对流体流速V的估计可以从以下的表达式获得:
权利要求
1.一种超声波流量计，布置为测量流体的流速，所述超声波流量计包括: -至少两个超声波换能器，布置为跨越测量距离、在相反方向上发送和接收超声波信号，所述至少两个超声波换能器包括设置在所述测量距离的一端的至少第一换能器以及设置在所述测量距离的另一端的至少第二超声波换能器； -换能器切换模块，电连接到所述至少两个超声波换能器； -发生器电路，用于受控地产生电信号以发送到所述至少两个超声波换能器，所述发生器电路包括信号源或者连接至信号源； -接收器电路，用于接收来自所述至少两个超声波换能器的电信号，所述接收器电路与所述发生器电路分隔开，所述接收器电路还包括用于连接至检测模块的接收器输出端；其中，所述换能器切换模块布置为用于: -将所述第一超声波换能器受控地功能性连接至所述发生器电路或所述接收器电路，以及 -将所述第二超声波换能器受控地功能性连接至所述发生器电路或所述接收器电路；从而使得所述第一超声波换能器被电连接至所述发生器电路且所述第二超声波换能器被电连接至所述接收器电路，反之亦然，并且 其中，从所述至少两个超声波换能器观察到的所述发生器电路的输出阻抗基本上为零，并且其中，从所述至少两个超声波换能器观察到的所述接收器电路的输入阻抗基本上为零。
2.根据权利要求1所述的超声波流量计，其中，所述发生器电路包括运算放大器，所述运算放大器具有连接至所述信号 源的第一输入端、第二输入端以及经由反馈连接而连接至所述第二输入端的输出端，并且其中，所述第二输入端进一步连接到所述换能器切换模块，以使得所述第二输入端被经由所述切换模块可操作地连接至所述至少两个换能器。
3.根据前述权利要求中的任意一项所述的超声波流量计，其中，所述接收器电路包括运算放大器，所述运算放大器具有连接至地或参考电势的第一输入端、第二输入端以及经由反馈连接而连接至所述第二输入端的输出端，并且其中，所述第二输入端进一步连接到所述换能器切换模块，以使得所述第二输入端经由所述切换模块可操作地连接至所述至少两个换能器。
4.根据前述权利要求中的任意一项所述的超声波流量计，其中，所述检测模块包括用于将接收到的信号数字化的模数转换器(ADC)。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的超声波流量计，进一步包括检测器切换模块，以用于在所述接收器输出端与所述发生器输出端之间切换与所述检测模块的连接。
6.根据权利要求5所述的超声波流量计，进一步包括信号源切换模块，以用于在所述发生器模块与所述接收器电路的输入端之间切换所述信号源的输出端。
7.一种操作根据权利要求1至6中的任意一项所述的超声波流量计的方法，其中: -在第一开关配置中，所述换能器切换模块将所述第一超声波换能器连接至所述发生器电路，并且将所述第二超声波换能器连接至所述接收器电路； -在第二开关配置中，所述换能器切换模块将所述第二超声波换能器连接至所述发生器电路，并且将所述第一超声波换能器连接至所述接收器电路； 并且其中，所述方法包括以下步骤:a)应用所述第一开关配置； b)操作所述发生器电路以产生用于在所连接的换能器处发送的信号； c)在不改变所述换能器切换模块的情况下，检测在另一个换能器处接收到的信号； d)从所述接收到的信号中导出信号特征； e)应用所述第二开关配置； f)执行步骤b)至d);以及 h)根据在步骤d)获得的导出的信号特征来确定流速。
8.根据权利要求7所述的操作超声波流量计的方法，其中: -在所述第一开关配置中，所述换能器切换模块将所述第一超声波换能器连接至所述发生器电路并将所述第二超声波换能器连接至所述接收器电路，并且所述检测器切换模块将所述检测模块连接至所述接收器电路，并且所述信号源切换模块将所述信号源连接至所述发生器电路； -在所述第二开关配置中，所述换能器切换模块将所述第二超声波换能器连接至所述发生器电路并将所述第一超声波换能器连接至所述接收器电路，并且所述检测器切换模块将所述检测模块连接至所述接收器电路，并且所述信号源切换模块将所述信号源连接至所述发生器电路； -在第三开关配置中，所述换能器切换模块将所述第一超声波换能器连接至所述发生器电路并将所述第二超声波换能器连接至所述接收器电路，并且所述检测器切换模块将所述检测模块连接至所述发生器 电路，并且所述信号源切换模块将所述信号源连接至所述接收器电路； -在第四开关配置中，所述换能器切换模块将所述第二超声波换能器连接至所述发生器电路并将所述第一超声波换能器连接至所述接收器电路，并且所述检测器切换模块将所述检测模块连接至所述发生器电路，并且所述信号源切换模块将所述信号源连接至所述接收器电路； 并且其中，所述方法包括执行权利要求7中的步骤a)至h)，然而步骤f)改为: f)执行步骤b)至d)直至已经应用了全部的四个开关配置。
全文摘要
本发明公开了一种超声波流量计，包括发生器电路以及与发生器电路电隔离的接收器电路。流量计进一步包括换能器切换模块，用于将超声波换能器受控地连接到发生器电路或接收器电路。发生器电路的输出阻抗和接收器电路的输入阻抗被控制为基本上为零。
文档编号G01F1/66GK103229025SQ201180056926
公开日2013年7月31日 申请日期2011年10月14日 优先权日2010年10月27日
发明者J·L·瑟恩森, J·奥诺雷 申请人:卡姆鲁普股份有限公司