在所描述的计算时间差的方法的示例中，该方法包括对第一超声波信号(r21)进行采样以产生第一采样信号(y1(i))(502)，并对第二超声波信号(r12)进行采样以产生第二采样信号(y2(i))(502)。在该第一采样信号越过阈值(θ1)的时间和该第二采样信号越过该阈值的时间之间确定第一时间(LEAD_LAG)(512)。该第一采样信号与该第二采样信号互相关以产生第二时间(SAMP_OFFSET)。响应于该第一时间和该第二时间计算该时间差。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本文涉及超声波信号的模数(ADC)采样以确定流体速度。
技术介绍
已经开发了用于测量已知尺寸的管道中的流体速度的超声波技术。通常，这些测量解决方案仅使用模拟处理并限制该解决方案的准确性和灵活性。超声波速度计可以从外部附接到管道，或者超声波换能器可以放置在管道内。可以通过将流体速度乘以该管道的内部面积来测量流体流量。可以通过随时间积分流体流量来测量累积的流体体积。图1示出了定位用于流体速度测量的超声波换能器的示例。存在许多替代配置，并且图1仅是为了示出用于流体速度的超声波测量的一些基本公式的目的的示例。两个超声波换能器UT1和UT2安装在管道100内，并且流体以速度V流过管道。L是超声波换能器UT1和超声波换能器UT2之间的距离，并且θ是在连接换能器的虚线和该管道的壁之间的角度。传播时间t12或飞行时间(TOF)是超声波信号在流体内从UT1行进到UT2的时间。同样地，传播时间t21是超声波信号在流体内从UT2行进到UT1的TOF。如果C是流体中超声波信号的速度，并且V是管道100中流体的速度，则这些传播时间由公式[1]和[2]给出。该角度θ和该距离L是已知的，并且目标是测量流体速度V。如果流体中的超声波信号的速度C是已知的，则仅需要传播时间t12和传播时间t21之间的差。然而，该速度C是温度的函数，并且基于该测量系统的目标成本，可能包括或可能不包括温度传感器。另外，流量计可以用于不同的流体诸如水、加热油和气体。测量两个不同的传播时间(t12和t21)消除了C的可变性。组合公式[1]和公式[2]得到流体速度V的公式[3]。
技术实现思路
为了在不知道流体中超声波信号的速度的情况下确定流体速度，执行两个超声波传播时间(t12和t21)的测量，其具有改善的成本和精度。在描述计算时间差的方法的示例中，该方法包括对第一超声波信号进行采样以产生第一采样信号，并对第二超声波信号进行采样以产生第二采样信号。在第一采样信号越过阈值的时间和第二采样信号越过阈值的时间之间确定第一时间。第一采样信号与第二采样信号互相关以产生第二时间。响应于第一时间和第二时间来计算时间差。附图说明图1是根据现有技术的具有用于流体流量测量的超声波换能器的管道的图示。图2A是所描述的用于测量流体流量的示例的一种超声波测量电路的电路图。图2B是示出图2A的信号处理电路208的细节的电路图。图3A和图3B示出了通过所描述的示例解决的由采样引起的潜在测量误差。图3C和图3D示出了通过所描述的示例解决的由失配的超声波换能器引起的潜在测量误差。图4A是说明抛物线内插以从采样值确定局部峰值的正弦波的图示。图4B是说明线性内插以从采样值确定局部过零值的正弦波的图示。图5A是示出图2A的信号处理电路208的操作的流程图。图5B是示出来自图5A的接收的超声波信号的采样值的包络确定504的流程图。图5C是示出从图5A的接收的超声波信号的采样值确定最大正信号电平506的流程图。图5D是示出图5A的接收的超声波信号的采样值的归一化508的流程图。图5E是使用接收的超声波信号(图5A)的阈值与可选的抛物线内插来确定对准点510的第一实施例的流程图。图5F是示出从采样的接收的超声波信号计算飞行差分时间512(图5A)的流程图。图5G是示出从内插的接收的超声波信号计算差分飞行时间512(图5A)的流程图。图5H是示出来自图5A的右(上)分支和左(下)分支接收信号包络的对准点的图示。图6是如图5A中的采样波形y1(i)和采样波形y2(i)的图示。图7A是示出了来自y1(i)和y2(i)的互相关的样本偏移SAMP_OFFSET的流程图。图7B是示出来自互相关值的δ(图9A)的抛物线近似的流程图。图8是示出差分飞行时间(ΔTOF)的确定的流程图。图9A至图9E是用于各种样本值的差分飞行时间(ΔTOF)确定的示例。图10A是示出图9A至图9E的估计样本偏移的图示。图10B是示出图9A至图9E的估计超前滞后值的图示。图10C是图9A至图9E的差分飞行时间(ΔTOF)的估计误差的图示。图11是示出用于各种超前滞后和样本偏移值的标准差的表格。具体实施方式如将从下面的详细描述变得明显，示例实施例提供超声波差分飞行时间(ΔTOF)测量技术在流体中或气体介质中优于现有技术的方法的显著优点。图2A是一种用于测量流体流量的超声波电路的电路图。参考图1，信号r12是由换能器UT1产生并从换能器UT2接收的超声波信号，如公式4给出。同样地，信号r21是由换能器UT2产生并从换能器UT1接收的超声波信号，如公式5给出。发射换能器的中心频率是fC，并且f(t)是接收信号的包络。r12＝f(t)sin(2πfCt)[4]r21＝f(t+δt)sin(2πfC(t+δt))[5]电路200包括由控制总线226上的信号控制的多路复用电路202(MUX2)和多路复用电路220(MUX1)。MUX1被耦合以响应于微控制单元(MCU)210从驱动电路222接收激励信号。MCU210被耦合到存储器电路216且被耦合到显示电路218。MCU210还被耦合到控制测量时间的晶体振荡器电路212且被耦合到控制激励和采样频率的晶体振荡器电路214。当来自控制总线226的逻辑0被施加到MUX1时，来自驱动电路222的激励信号被施加到UT1。UT1响应地向UT2发射超声波信号。UT2产生接收信号r21，其被施加到MUX2。施加到MUX1的逻辑0也被施加到MUX2，使得r21被施加到可编程增益放大器(PGA)204。PGA204放大r21并将其施加到滤波器206。然后将该滤波的信号施加到信号处理单元208以计算r21的对准点。替代性地，当来自控制总线226的逻辑1被施加到MUX1时，来自驱动电路222的激励信号被施加到UT2。UT2响应地将超声波信号发射到UT1。UT1产生接收信号r12，其被施加到MUX2。施加到MUX1的逻辑1也被施加到MUX2，使得r12被施加到可编程增益放大器(PGA)204。PGA204放大r12并将其施加到滤波器206。然后将该滤波的信号施加到信号处理单元208以确定相应的对准点，如将详细描述的。MCU根据该对准点计算差分飞行时间(ΔTOF)和流体流量。结果被施加到通信模块224并被发射到基站。MCU还将该结果施加到显示器218。图2B是示出图2A的信号处理电路208的细节的电路图。该信号处理电路交替地从超声波换能器UT1和超声波换能器UT2接收放大的和滤波的超声波信号。模数转换器(ADC)230以由MCU210确定的采样频率对该接收的信号进行采样。该采样的信号被存储在缓冲存储器电路232中。当来自UT1和UT2两者的采样信号都被存储在缓冲存储器232中时，电路234计算每个信号的相应对准点。电路234可以是数字信号处理器或能够进行实数计算的任何通用处理器。电路234还可以是MCU210的一部分且可以包括软件和硬件两者。这些对准点由MCU210进行比较以确定ΔTOF和流体流量。图3A和图3B示出了通过所描述的示例解决的由采样引起的潜在测量误差。图3A示出了可以被施加到ADC230(图2B)的正弦波。信号样本302在时间上以采样频率fs的倒数与信号样本304分开。例如，如果采样频率是1MHz，则样本3本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种计算时间差的方法，其包括：对第一超声波信号进行采样以产生第一采样信号；对第二超声波信号进行采样以产生第二采样信号；确定所述第一采样信号越过阈值的时间与所述第二采样信号越过所述阈值的时间之间的第一时间；确定所述第一采样信号和所述第二采样信号之间的第二时间，其中所述第二时间独立于所述第一时间；以及响应于所述第一时间和所述第二时间计算所述时间差。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.10 US 14/300,3031.一种计算时间差的方法，其包括：对第一超声波信号进行采样以产生第一采样信号；对第二超声波信号进行采样以产生第二采样信号；确定所述第一采样信号越过阈值的时间与所述第二采样信号越过所述阈值的时间之间的第一时间；确定所述第一采样信号和所述第二采样信号之间的第二时间，其中所述第二时间独立于所述第一时间；以及响应于所述第一时间和所述第二时间计算所述时间差。2.根据权利要求1所述的方法，其中确定第一时间包括：确定所述第一采样信号的第一包络；确定所述第二采样信号的第二包络；以及确定所述第一包络越过所述阈值的时间与所述第二包络越过所述阈值的时间之间的所述第一时间。3.根据权利要求1所述的方法，其中确定第二时间包括使所述第一采样信号和所述第二采样信号互相关。4.根据权利要求3所述的方法，其中互相关包括：将所述第一采样信号乘以所述第二采样信号；以及将乘法的乘积相加以产生互相关值。5.根据权利要求3所述的方法，其包括通过抛物线函数内插和余弦函数内插中的一个产生所述第二时间。6.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述第二时间包括：从所述第一超声波信号产生同相信号；从所述第二超声波信号产生正交信号；以及响应于所述同相信号和所述正交信号计算所述第二时间。7.根据权利要求1所述的方法，其包括：从所述第一超声波信号产生同相信号；从所述第二超声波信号产生正交信号；采样所述同相信号；采样所述正交信号；以及响应于采样的同相信号和采样的正交信号来计算所述第二时间。8.根据权利要求1所述的方法，其包括：在第二换能器处接收来自第一换能器的所述第一超声波信号；以及在所述第一换能器处接收来自第二换能器的所述第二超声波信号。9.根据权利要求1所述的方法，其包括：确定所述第一采样信号的第一最大值；确定所述第二采样信号的第二最大值；将具有所述第一最大值的所述第一采样信号归一化；以及将具有所述第二最大值的所述第二采样信号归一化。10.一种计算时间差的方法，其包括：对第一超声波信号进行采样以产生第一采样信号；对第二超声波信号进行采样以产生第二采样信号；确定所述第一采样信号和所...
【专利技术属性】
技术研发人员：A·达巴克，V·拉玛楠，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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