使用时间反转声学的全数字行程时间流量计制造技术

一种用于利用任意波形信号利用超声波行程时间流量计的电子处理单元来确定流速的微控制器和方法。电子处理单元包括接收器和发射器端子、信号处理单元和信号发生单元，信号发生单元被配置为生成具有时间相关幅度的振荡电输出信号，其中时间相关幅度根据存储的信号参数而变化。参数而变化。参数而变化。

【技术实现步骤摘要】
使用时间反转声学的全数字行程时间流量计


[0001]本申请涉及流量计，具体而言，涉及超声行程时间流量计。

技术介绍

[0002]目前，各种类型的流量计用于测量通过管道的例如液体或气体的流体的体积流量。超声流量计是利用声学多普勒效应的多普勒流量计，或者是利用由源和介质的相对运动引起的传播时间差的行程时间流量计(有时也被称为传输流量计)。行程时间也称为飞行时间或渡越时间。
[0003]一种超声行程时间流量计评估超声脉冲在流动方向与反流动方向上传播的传播时间的差。提供超声流量计作为在线流量计，也称为侵入式或湿式流量计，或者作为夹持式流量计，也称为非侵入式流量计。其它形式的流量计包括文丘里通道、溢流堰、雷达流量计、科里奥利流量计、差压流量计、磁感应流量计和其它类型的流量计。
[0004]当存在不规则的流动剖面或开放通道时，可能需要多于一个的传播路径来确定平均流速。其中，在诸如IEC41或EN ISO6416的水文标准中描述了多径过程。作为进一步的应用，超声流量计也用于测量流动剖面，例如利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)。ADCP也适用于测量河流和开放水域的水流速度和排放。
[0005]Zhaohong Zhang的“Matched
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Filter Ultrasonic Sensing:Theory and Implementation”(White Paper SLAA814
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2017年12月)公开了基于匹配滤波器的超声传感技术的操作理论和使用(TI)MSP430FR6047微控制器的单芯片实施平台。

技术实现思路

[0006]本说明书的目的是提供一种改进的渡越时间流量计和相应的计算机实施的方法，一般用于测量流体的平均流速或流动剖面，并且特别地用于诸如水的液体和/或气体。
[0007]在根据本说明书的流量测量装置中，使用例如压电元件形式的声换能器，也称为压电换能器，来生成和接收测量信号。
[0008]替代的声音发射器包括激励金属膜或其它光吸收表面振动的激光器，或线圈驱动的扬声器。根据其它实施例，流量计以其它方式产生压力波，例如通过MEMS装置、通过使用压电膜等。接收器侧也可以由不同于压电换能器但检测超声波的其它装置表示。
[0009]尽管在本说明书中经常使用术语“压电换能器”，但是它也代表产生或检测超声波的其它声波换能器。
[0010]根据本说明书的测量信号可以由匹配滤波器来建模。当参考信号操纵步骤使用词语“信号”时，其可以特别地指计算机存储器中的信号的表示。
[0011]特别地，信号表示可以由数字化幅度和相关联的离散时间的值对来定义。
[0012]根据本说明书的超声流量计可以通过使用任意形状的信号来提供聚焦特性的期望特性，以便超声流量计在接收换能器处或者通过在接收ADC之后的计算获得具有期望特性的信号。
[0013]作为示例，在根据本专利技术的流量计中使用的声波的频率可以在20kHz和2MHz之间，这对应于0.5微秒(μs)的振荡周期，但是它甚至可以高达800MHz。
[0014]在一方面，本说明书公开了一种用于利用使用时间反转数字化信号的超声行程时间流量计来确定流速的微控制器。特别地，在信号评估通过数字信号处理完成并且施加到超声换能器的电信号是阶跃信号(其也可以被认为是数字信号)的意义上，流量计可以是“全数字”的。即，电信号具有在预定采样时间上恒定的离散电压电平序列。因此，不需要具有模拟部分的DAC，并且DAC可以由脉冲发生器代替。
[0015]微控制器能够生成任意的脉冲信号。特别地，微控制器可以被配置为输出具有任意频率和长度的脉冲串。
[0016]根据本说明书的微控制器可包含多个缓冲器输出端子，例如四个或八个输出端子，而不是仅一个输出端子。为此，微控制器可以包括并行结构的多个缓冲器，例如四个或八个缓冲器，这允许所有信号到所有相应通道或缓冲器的时间复用输出。
[0017]即，芯片或FGPA中的发射器路径或信号生成路径，或连接到这种芯片或FPGA的路径可操作以生成具有任意选择的脉冲长度的任意脉冲串。在本文中，“任意”意味着在预定范围和精度内的任意，例如在预定最小和最大频率范围内并且在预定精度内。
[0018]微控制器包括用于连接第一超声换能器的第一接收器端子、用于连接第一超声换能器的第一发射器端子、用于连接第二超声换能器的第二接收器端子、用于连接第二超声换能器的第二发射器端子。接收器端子和发射器端子也被称为“连接器”。
[0019]在一个实施例中，第一接收器端子和第一发射器端子以及第二接收器端子和第二发射器端子重合。当不存在重叠的发送和接收时，这可能是特别有用的。
[0020]第一接收器端子和第二接收器端子与信号处理单元或信号处理装置连接，提供该信号处理单元或信号处理装置以用于评估从换能器接收的信号。信号处理单元包括模数转换器(ADC)和评估电路。与简单的定时器电路不同，ADC可以提供各种选项来计算信号的形状。
[0021]预测的信号形状可用于降低ADC的采样率和/或幅度分辨率。特别地，功率节省特征可以利用根据本说明书的信号形状。ADC的幅度数字化的采样率和/或准确幅度也可以是非均匀的和时间相关的，以进一步降低功耗，并且该时间相关性可以取决于预测的信号形状。此外，ADC可以仅在发送测量信号之后的指定时间之后导通，并且在已经接收到响应信号之后再次关断。
[0022]第一发射器端子和第二发射器端子连接到信号发生单元。该信号发生单元包括用于存储信号参数的存储器和缓冲器。
[0023]信号发生单元和信号处理单元被配置为将振荡电输出信号发送到第一发射器端子，并且在第二接收器端子处接收响应信号，并且至少根据所接收的响应信号导出流体的流速。
[0024]在一个实施例中，信号发生单元的缓冲器连接到脉宽调制(PWM)单元，该PWM单元连接到低通滤波器。脉宽调制可以提供简单和鲁棒的方式来从数字信号生成模拟电信号，然后将该模拟电信号施加到超声换能器，诸如压电元件、压电膜或扬声器膜、微机电元件或另一类型的换能器。通过使用功率电子装置，可以使脉宽调制的输出信号足够大，使得在许多情况下不需要额外的信号放大。PWM可以提供足够质量的结果模拟信号。
[0025]微控制器的PWM也可在缓冲器或PWM的输出之后与弱低通滤波一起使用或无低通滤波使用，以生成具有阶梯形状或类似阶梯形状的输出信号。为此，可以将低通滤波器提供为可调节或可开关低通滤波器。
[0026]PWM信号在信号的时间信息中存储幅度信息。时间分辨率的粒度对PWM信号的分辨率有影响。为此，PWM信号发生器可以被设计成提供比可比较的ADC更高的频率，例如10倍那么高。PWM信号发生器的幅度可以与脉冲发生器相同或相似。
[0027]在另一实施例中，微控制器的信号发生单元包括现场可编程门阵列(FPGA)，其连接到数字输入/输出连接器。信号发生单元操作用于根据FPGA的输出信号导出振荡信号，其中借助本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于使用数字时间反转声学滤波方法利用超声行程时间流量计(60)来确定具有流体导管(12)的通道(77)中的流体的流速的方法，所述方法包括以下步骤：
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利用可调脉冲发生器单元(76)执行训练过程，所述训练过程包括以下步骤：
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将输入信号(x[n])施加到第一超声换能器(11)，所述第一超声换能器(11)在第一位置处安装到所述流体导管(12)；
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在第二超声换能器(13)处接收对所述输入信号(x[n])的第一响应信号，所述第二超声换能器(13)在第二位置处安装到所述流体导管(12)，所述第二位置相对于所述流体的流动方向(14)在所述第一位置的上游或下游；
‑
使用模数转换器(64)将所述第一响应信号转换成第一数字化响应信号；以及
‑
根据所述第一数字化响应信号导出第一数字响应滤波器(120)；
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将所述输入信号(x[n])施加到所述第二超声换能器(13)；
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在所述第一超声换能器(11)处接收对所述输入信号(x[n])的第二响应信号；
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使用所述模数转换器(64)将所述第二响应信号转换成第二数字化响应信号；以及
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根据所述第二数字化响应信号导出第二数字响应滤波器(121)；
‑
利用所述可调脉冲发生器单元(76)执行测量过程，所述测量过程包括以下步骤：
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将所述输入信号(x[n])施加到所述第一超声换能器(11)；
‑
在所述第二超声换能器(13)处接收所述输入信号(x[n])的第三响应信号；
‑
使用所述模数转换器(64)将所述响应信号转换成第三数字化响应信号(y
12
'[n])；
‑
利用所述可调脉冲发生器单元(76)执行反向测量过程，所述反向测量过程包括以下步骤：
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将所述输入信号(x[n])施加到所述第二超声换能器(13)；
‑
在所述第一超声换能器(11)处接收对所述输入信号(x[n])的第四响应信号；
‑
使用所述模数转换器(64)将所述第四响应信号转换成第四数字化反向响应信号(y
21
'[n])；
‑
根据所述第三数字化响应信号(y
12
'[n])和所述第一数字响应滤波器(120)导出第一相关性输入信号(y
12
[n])，所述导出包括相对于时间反转所述第三数字化响应信号(y
12
'[n])或所述第一数字响应滤波器(120)；
‑
根据所述第四数字化响应信号(y
21
'[n])和所述第二数字响应滤波器(121)导出第二相关性输入信号(y
21
[n])，所述导出包括相对于时间反转所述第四数字化响应信号(y
21
'[n])或所述第二数字响应滤波器(121)；以及
‑
通过计算所述第一相关性输入信号(y
12
[n])与所述第二相关性输入信号(y
21
[n])的离散相关性，根据所述第一相关性输入信号(y
12
[n])和所述第二相关性输入信号(y
21
[n])导出飞行时间差(ΔT)，其中使用内插方法确定所述离散相关性的最大值的时间索引。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二数字响应滤波器(121)等于所述第一数字响应滤波器(120)。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二数字响应滤波器(121)是数字反向响应滤波器，其中，对所述反向响应滤波器的确定包括以下步骤：
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利用所述可调脉冲发生器单元(76)执行反向训练过程；
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将所述反向输入信号(x[n])施加到所述第二超声换能器(13)；
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在所述第一超声换能器(11)处接收对所述反向训练信号的反向响应信号；
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使用所述模数转换器(64)将所述反向响应信号转换成数字化反向响应信号；
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根据所述数字化反向响应信号导出数字反向响应滤波器抽头(h
MF,21
[n])；以及
‑
根据所述数字反向响应滤波器抽头(h
MF,21
[n])导出所述第二数字响应滤波器(121)。4.一种用于使用数字时间反转声学滤波方法利用超声行程时间流量计(60)来确定具有流体导管(12)的通道(77)中的流体的流速的方法，所述方法包括以下步骤：
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利用可调脉冲发生器单元(76)执行训练过程，所述训练过程包括以下步骤：
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将输入信号(x[n])施加到第一超声换能器(11)，所述第一超声换能器(11)在第一位置处安装到所述流体导管(12)；
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在第二超声换能器(13)处接收对所述输入信号(x[n])的第一响应信号，所述第二超声换能器(13)在第二位置处安装到所述流体导管(12)，所述第二位置相对于所述流体的流动方向在所述第一位置的上游或下游；
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使用模数转换器(64)将所述第一响应信号转换成第一数字化响应信号；
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根据所述第一数字化响应信号确定具有滤波器抽头(h
MF,21
[n])的第一数字响应滤波器；
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将所述输入信号(x[n])施加到所述第二超声换能器(13)；
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在所述第一超声换能器(11)处接收第二响应信号；
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使用所述模数转换器(64)将所述第二响应信号转换成第二数字化响应信号；以及
‑
根据所述第二数字化响应信号确定具有滤波器抽头(h
MF,21
[n])的第二数字响应滤波器，
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利用所述可调脉冲发生器单元(76)执行测量过程，所述测量过程包括以下步骤：
‑
将所述输入信号(x[n])施加到所述第一超声换能器(11)；
‑
在所述第二超声换能器(13)处接收所述输入信号(x[n])的第三响应信号；
‑
使用所述模数转换器(64)将所述第三响应信号转换成第三数字化响应信号(y
12
'[n])；
‑
利用所述可调脉冲发生器单元(76)执行反向测量过程，所述反向测量过程包括以下步骤：
‑
将所述输入信号(x[n])施加到所述第二超声换能器(13)；
‑
在所述第一超声换能器(11)处接收对所述输入信号(x[n])的第四响应信号；
‑
使用所述模数转换器(64)将所述第四响应信号转换成第四数字化响应信号(y
21
'[n])；
‑
通过计算所述第三数字化响应信号(y
12
'[n])与所述第一数字化响应信号的离散相关性，根据所述第三数字化响应信号(y
12
'[n])和所述第一数字化响应信号导出第一飞行时间(T
abs,12
)，其中，使用内插方法确定所述离散相关性的最大值的时间索引；
‑
通过计算所述第四数字化响应信号(y
21
'[n])与所述第二数字化响应信号的离散相关性，根据所述第四数字化响应信号(y
21
'[n])和所述第二数字化响应信号导出第二飞行时间(T
abs,21
)，其中，使用内插方法确定所述离散相关性的最大值的时间索引；以及
‑
通过先前导出的飞行时间(T
abs,12
、T
abs,21
)的相减导出飞行时间差(ΔT)。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二数字响应滤波器等于所述第一数字响应
滤波器。6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一数字响应滤波器是前向响应滤波器；其中，所述第二数字响应滤波器是反向响应滤波器；其中，根据所述第一数字化响应信号导出所述前向响应滤波器的滤波器抽头(h
MF,12
)；以及其中，根据所述第二数字化响应信号导出所述反向响应滤波器的滤波器抽头(h
MF,21
)。7.一种用于使用超声行程时间流量计来确定流体导管(12)中的流体的流速的方法，所述方法包括以下步骤：
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利用可调脉冲发生器单元(76)生成训练信号；
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将所述训练信号施加到第一超声换能器(11)，所述第一超声换能器(11)在第一位置处安装到所述流体导管(12)；
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在第二超声换能器(13)处接收对所述训练信号的响应信号，所述第二超声换能器(13)在第二位置处安装到所述流体导管(12)，所述第二位置相对于所述流体的流动方向在所述第一位置的上游或下游；
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使用模数转换器(64)将所述响应信号转换成数字化响应信号；
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相对于时间反转所述数字化响应信号，以便获得反转数字化响应信号；
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根据反转数字化响应信号生成脉宽调制测量信号；
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将所述脉宽调制测量信号施加到所述第一超声换能器(11)；
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在所述第二超声换能器(13)处接收对所述脉宽调制测量信号的响应信号；以及
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根据所述响应信号导出飞行时间(ΔT)。8.一种电子处理单元(53)，用于使用数字时间反转声学滤波方法利用超声行程时间流量计(60)来确定具有流体导管(12)的通道(77)中的流体的流速，包括：
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可调脉冲发生器单元(76)，所述脉冲发生器单元(76)可操作以利用输入信号(x[n])执行训练过程；
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传送模块，所述传送模块可操作以将所述输入信号(x[n])施加到第一超声换能器(11)，所述第一超声换能器(11)在第一位置处安装到所述流体导管(12)；
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接收模块，所述接收模块可操作以在第二超声换能器(13)处接收对所述输入信号(x[n])的第一响应信号，所述第二超声换能器(13)在第二位置处安装到所述流体管道(12)，所述第二位置相对于所述流体的流动方向在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：马库斯，
申请(专利权)人：GWF测量系统有限公司，
类型：发明
国别省市：