用于超声波流量计的驱动器结构转让专利
申请号 : CN200680030800.1
文献号 : CN101247762B
文献日 : 2010-11-10
发明人 : 基思·V·格罗舍尔
申请人 : 丹尼尔度量和控制公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种超声波测量计,包括:
筒形件,该筒形件被配置成结合在流体流中;
第一上游转换器,该第一上游转换器机械地结合至所述筒形件;
第一下游转换器,该第一下游转换器机械地结合至所述筒形件,所述第一下游转换器与所述第一上游转换器具有操作关系;
转换器驱动器,该转换器驱动器被配置成驱动所述第一上游转换器和所述第一下游转换器;
接收器电路;
第一多路复用器,该第一多路复用器结合至所述第一上游转换器和所述第一下游转换器;以及第二多路复用器,该第二多路复用器结合在所述第一多路复用器和所述转换器驱动器及所述接收器电路之间;
其中所述第一多路复用器和所述第二多路复用器被配置成将所述转换器驱动器选择性地结合至所述第一上游转换器和所述第一下游转换器;以及其中所述第一多路复用器和所述第二多路复用器被配置成将所述接收器电路选择性地结合至第一上游转换器和所述第一下游转换器。
2.根据权利要求1所述的超声波测量计,还包括:第二上游转换器,该第二上游转换器机械地结合至所述筒形件;
以及
第二下游转换器,该第二下游转换器机械地结合至所述筒形件,所述第二下游转换器与所述第二上游转换器具有操作关系;
其中所述转换器驱动器被配置成驱动所述第二上游转换器和所述第二下游转换器;
其中所述第一多路复用器和所述第二多路复用器被配置成将所述转换器驱动器选择性地结合到所述第二上游转换器和所述第二下游转换器;以及其中所述第一多路复用器和所述第二多路复用器被配置成将所述接收器电路选择性地结合到所述第二上游转换器和所述第二下游转换器。
3.根据权利要求1所述的超声波测量计,其中所述第一多路复用器和所述第二多路复用器被配置成将所述转换器驱动器结合到所述第一上游转换器,然后将所述第一上游转换器从所述转换器驱动器断开,并将所述接收器电路结合到所述第一下游转换器。
4.一种用于测量流体流量的方法,包括:
通过第一多路复用器和第二多路复用器将第一转换器结合到转换器驱动器预定的时间量;
通过用所述转换器驱动器驱动所述第一转换器,在流体中产生第一超声波信号;
通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将所述第一转换器从所述转换器驱动器断开;
在第二转换器处接收所述第一超声波信号,其中接收所述第一超声波信号还包括通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将所述第二转换器结合到接收器电路;
通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将所述第二转换器结合到所述转换器驱动器预定的时间量;
通过用所述转换器驱动器驱动第二转换器,在流体中产生第二超声波信号;
通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将所述第二转换器从所述转换器驱动器断开;以及在所述第一转换器处接收所述第二超声波信号,其中接收所述第二超声波信号还包括通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将所述第一转换器结合到所述接收器电路。
5.根据权利要求4所述的方法,还包括:
通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将第三转换器结合到转换器驱动器预定的时间量;
通过用转换器驱动器驱动所述第三转换器,在所述流体中产生第三超声波信号;
通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将所述第三转换器从所述转换器驱动器断开;
在第四转换器处接收所述第三超声波信号;
通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将第四转换器结合到所述转换器驱动器预定的时间量;
通过用所述转换器驱动器驱动所述第三转换器,在所述流体中产生第四超声波信号;
通过所述第一多路复用器和所述第二多路复用器将所述第四转换器从所述转换器驱动器断开;以及在所述第三转换器处接收所述第四超声波信号。
说明书 :
用于超声波流量计的驱动器结构
技术领域
背景技术
此,测量精确的Δt对确定精确的流量而言是重要的。
换器与接收电子装置之间的传播延迟;接收电子装置与处理器之间的传播延迟;以及与具
有试图测量已经历时间的有限响应次数的控制电子装置相关的延迟。在对气态流体的流动
进行测量的超声波测量计中,延迟时间对整个流体流动计算的影响不大。然而,在对高密度流体、例如液体的流动进行测量的超声波流量计中,该延迟时间有着较大的影响。
发明内容
换器,该第一下游转换器机械地结合到所述筒形件上(所述第一下游转换器与所述第一上
游转换器具有相互作用的关系);以及第一转换器驱动器,该第一转换器驱动器选择性地
结合到所述第一上游转换器和所述第一下游转换器。所述转换器驱动器驱动所述第一上游
转换器,并且还驱动所述第一下游转换器。
一转换器驱动器驱动所述第二转换器,从而在流体中产生第二声学信号;以及在第一转换
器处接收所述第二声学信号。
附图说明
具体实施方式
一对转换器120和130以及它们各自的外壳125和135沿着筒形件100的长度定位。转换
器120和130优选为超声波收发机,这是指它们都产生和接收超声波信号。本文中的“超声
波”指的是在一些实施例中频率高于约20千赫兹的声学信号。在一些实施例中,超声波信
号可具有约125千赫兹的频率(用于气体测量计)、以及1兆赫的频率(用于液体测量计)。
无论是何种频率,这些信号均可由每个转换器内的压电元件产生和接收。为了生成超声波
信号,以电的方式激发该压电元件,且该压电元件以振动进行响应。压电元件的振动生成超声波信号,该超声波信号通过流体行进穿过筒形件而到达转换器对中的相应的转换器。接
收压电元件一旦受到超声波信号的入击就会振动并产生电信号,与测量计相关联的电子装
置就对该电信号进行检测、数字化和分析。
转换器120和130所生成的声学信号进入和离开在筒形件100内流动通过的流体的位置。
转换器120和130的位置可由角度θ、转换器120和130之间测量的第一长度L、与点140
和145之间的轴向距离对应的第二长度X、以及与管直径对应的第三长度D来限定。在大多
数情况下,在测量计的制造过程中就精确确定了距离D、X和L。而且,诸如120和130的转
换器通常分别放置在距离点140和150的特定距离处,而与流量计的大小(即,筒形件的直
径)无关。
的回程超声波信号。这样,转换器120和130沿着弦路径110“发送和接收”超声波信号
115。在运行过程中,每个转换器对每分钟可能要进行数万次的这一程序。
传输时间部分取决于超声波信号115相对于流体流是上行还是下行。下行(即与流动的方
向相同)的超声波信号的传输时间小于上行(即逆着流动)时的传输时间。可采用上行和
下行的传输时间来计算沿着信号路径的平均速度,并且可用来计算流体流中的声速。给定
载有流体的测量计的横截面测量值以及该平均速度,就可计算流动通过筒形件100的流体
的体积。
的四个弦路径A、B、C和D。弦路径A至D中的每个对应于交替用作发射机和接收机的两个
转换器。而且还示出了控制电子装置160,其从所述四个弦路径A至D获取数据并对所述数
据进行处理。图1B中没有示出与弦路径A至D对应的所述四对转换器。
器端口125和135,包括相关的转换器。包含有端口165和175(仅仅部分示出)的另一对
转换器端口,该端口包括相关的转换器,安装成使得其弦路径相对于转换器端口125和135
的弦路径大致地形成“X”形。类似地,转换器端口185和195布置成与转换器端口165和
175平行,但是处于不同的“高度”(即,处于管或测量计筒形件内的不同径向位置处)。第四对转换器和转换器端口在图1C没有明确示出。结合图1B和图1C,所述转换器对布置成
对应于弦A和B的上面两对转换器形成X形,而对应于弦C和D的下面两对转换器也形成
X形。确定每个弦A至D处的流体流动速度,从而获得弦流动速度,并将弦流动速度组合起
来以确定整个管内的平均流动速度。
器202为负责提供激励信号的驱动器电路。处理器204通过使信号线206起作用而有选择
地使每个转换器驱动器202起作用。在转换器200作为接收机进行操作以接收超声波信号
的时间段内,通过处理器204禁用相应的转换器驱动器202,而且通过1至N多路复用器210
将转换器200结合到接收机电路208上。处理器204可通过多个控制信号线212来控制多
路复用器210。
计中更是如此。
虑到这些条件后,可在数学上将Δt表示为:
DOWN。如图3A和3B所示,上行和下行所测量的传输时间包括若干部分。对于上行传播:
路径相关的延迟时间分量(如箭头308所示)。类似地:
元件208)的信号延迟相关的延迟时间分量(图3A中的箭头328所示)。类似地,对于下行
测量有:
元件208)的信号延迟相关的延迟时间分量(图3B中的箭头334所示)。
使得与转换器驱动器相关的延迟时间分量可以抵消。图4以框图的形式示出了根据至少一
些实施例的超声波测量计1000。具体而言,超声波测量计1000包括多个转换器400A-400H。
尽管示出了八个转换器,但是同样可以采用更多或更少的转换器。每个转换器400都通过
1至N多路复用器404结合到接收器电路402。接收器电路402接收由入射到转换器的压
电元件上的超声波信号所产生的电信号并放大和检测该信号。处理器406沿着控制信号线
408发送控制信号,以当转换器处于上述“发送和接收”操作中的“接收”状态时有选择地将每个转换器400结合到接收器电路402上。处理器可以是孤立的处理器或者是微控制器。
在其他的实施例中,可通过可编程逻辑装置(PLD)、场可编程门阵列(FPGA)、特定于应用的集成电路(ASIC)等的方式执行处理器的功能。
路,这些信号然后施加到它们各自的转换器上,从而感应出振动并因而产生超声波信号。在这些实施例中,转换器驱动器可响应于处理器406的命令而沿着控制信号线413发送控制
信号。在可选的实施例中,转换器驱动器可将由处理器406(以及可能的其他装置)提供给
它们的AC信号放大,所述信号也是经由控制信号线413提供的。
器416上,该多路复用器有选择地将转换器驱动器418结合到转换器400C或400D上。转
换器驱动器422结合到多路复用器420上,该多路复用器有选择地将转换器驱动器422结
合到转换器400E或400F上。最后,转换器驱动器426结合到多路复用器424上,该多路复
用器有选择地将转换器驱动器426结合到转换器400G或400H上。每个多路复用器还经由
控制信号线414结合到处理器406上。多路复用器由处理器406上执行的程序控制。
的转换器驱动器相比,在这些实施例中转换器驱动器的数量减少了一半。在其他的实施例
中,所有的转换器可共享单个转换器驱动器,则不仅较小或消除了与转换器驱动器相关的
Δt误差,而且还减小了运行超声波测量计的部件的数量。
即,1至N多路复用器500和1至2多路复用器502。每个多路复用器500和502分别通过
控制信号线504和506结合到处理器406。在处理器406上执行的程序的控制下,处理器
406能在转换器处于“发送和接收”操作中的“接收”状态下有选择地将每个转换器400结
合到接收器电路402上。
上。在处理器406上执行的程序的控制下,处理器406能在转换器处于“发送和接收”操作
中的“发送”状态时有选择地将每个转换器400结合到转换器驱动器508上。
学信号由第二转换器接收(方框608)。然后在示例的方法中前进到用第一转换器驱动器驱
动第二转换器,从而产生第二声学信号(方框612)。最后,该第二声学信号由第一转换器接收(方框616),图示的程序结束(方框620)。如上所述,用相同的转换器驱动器驱动第一
和第二转换器减小或消除了与每个转换器具有不同转换器驱动器相关的Δt误差。
性的。例如,尽管描述了超声波测量计,但是任何电子装置中的任何公共信号路径都可受益于这里的实施例。而且,尽管针对超声波测量计所描述的实施例具有“X”形的超声波信号路径,但这并非是特别要求的,其他的图案、包括反射的路径落入本公开的范围中。此外,上述各种构造可应用于任何数量的转换器对,且信号可以是单端的或差分的。因此,保护范围不限于这里描述的实施例,而是仅仅由以下权利要求限定,所述权利要求的范围应包括其
主题的所有等同物。