專利名稱：一種確定流動介質流速的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種確定通道內流動液體流速的裝置和方法，該流體由液體或氣體構成。
以往人們知道，確定通道內流體的流速可以發送兩個脈沖狀的振蕩信號通過流體，其中一個信號逆向流體移動，另一個信號順著流體移動。然后接收兩信號，通過接收脈沖狀信號因流體引起的相移，確定流速。與逆向流體發送的信號相比，順著流體發送的信號更快到達信號接收器，在兩個信號之間產生相移，以此確定流速。采用該方法來確定給定流速，需要用到一種裝置，該裝置包括在流動方向相距一定距離放置的兩個信號發生器，從每個信號發生器朝向另一個信號發生器發送信號，在被傳輸的脈沖狀的信號到達信號發生器之前，將信號發生器轉換為信號接收器。流體內信號速度對不同流體是不同的，如果溫度和壓力不同，在同一流體內的脈沖狀振蕩信號的停留時間也將不同，這會導致信號之間的相移，即使流體的流速一致，該停留時間也不同。雖然這種確定方法精確性較差，但對現有確定流速的方法來說，當然還算一個較有效的方法。
現有技術中還有另一種確定通道內流速的方法，從第一點至第二點發送一個脈沖狀的振蕩信號，該兩點位于流動方向的兩端位置，然后對到達第二點的信號進行數字化，數字化的該信號記錄在電子存儲器中。再將脈沖狀振蕩信號向相反方向發送，即從第二點到第一點，然后同樣進行數字化并記錄在電子存儲器中。在流體內，因為一個信號順著流體移動，另一個信號逆向流體移動，在信號之間產生一個相移，該相移用來確定流速?，F有方法中，存在一個不足是信號無法同時發送和接收，這就產生流速的暫時變動，這將會對流速的確定產生影響。另一個不足是，實施該方法需要非常昂貴的電路。
本發明的目的是提供確定通道內流體流速的一種方法和裝置，消除了上述方法的精確性的不足，使較便宜電路實現不同功能成為可能。
為了與該目的一致，根據本發明，所述方法的特征是，在對脈沖狀振蕩信號在流體內的停留時間進行補償的同時，實現信號間相移的確定。由此，相對于流體內的信號速度，對信號間相移進行校正，使用于確定流速的相移可以由與流體內信號同一停留時間的信號間的相移來實現。
在根據本發明優選的方法中，兩個脈沖狀振蕩信號同時分別從每一個信號發生器并行發送，這兩個信號發生器位于流體方向的兩端位置，分別指向一個信號接收器，這里宜采用可轉換為信號接收器的信號發生器。這樣，兩個脈沖狀振蕩信號從一個信號發生器向另一個信號發生器發送，然后在被傳輸脈沖狀信號到達另外另一個之前，該信號發生器轉換為信號接收器。
在根據本發明的方法中，較佳的是在通道的不同側進行信號發送和接收，在對流體方向和信號移動方向間的角度進行補償的情況下，實現信號間相移的確定。
宜于對各個信號發生器施以正弦波脈沖狀電壓，通過信號發生器轉化為超聲波信號，該超聲波信號穿過流體抵達信號接收器，然后又轉化為正弦波脈沖狀電壓。為確定正弦波脈沖狀電壓之間的相移，來自信號接收器的正弦波脈沖狀電壓加到模擬相位檢測器中。流體用的通道可以用一個管子構成，該管子的材料可以使超聲波穿過時不會產生太大阻尼或外展。然而，該管壁應該由一種相對同質材料構成以能提供較好的較清晰的信號。為了避免當超聲波穿過管壁時出現的問題，還可以將信號發生器設置在管子內部。
本發明還包括一種實現該方法的裝置。
參考附圖，下面將對本發明進行說明。
圖1為根據本發明，說明本發明基本思路形成原理的一種裝置的模式圖。
圖2,3和4為根據本發明另一個裝置的模式圖。
圖5表示以邏輯電路形式的本發明方法和裝置。
圖6表示包括在根據本發明的裝置內的電路框圖形式。
圖1中示意性表示的裝置用于確定流體的流速，例如一種液體，按照箭頭4所述的方向流過管2。該裝置包括兩個傳感器單元6和8，與管2和一個計算機單元10相連。該傳感器單元6和8采用超聲波可轉換傳送器/接收器，調整使其位于管子2縱向相對兩側間隔一定距離，這樣從其中一個傳感器單元6或8傳輸的超聲波對準另一個傳感器單元8或6。該傳感器單元6和8在預定時間內并同時施以正弦波電壓脈沖。該電壓脈沖在傳感器單元內通過壓電元件轉換為一個超聲波脈沖。傳感器單元6內產生的超聲波按箭頭12所示的方向從傳感器單元發送出來，朝向傳感器單元8。同時傳感器單元8產生的超聲波脈沖按照箭頭14的方向發送出來指向傳感器單元6。當超聲波脈沖離開傳感器單元6和8時，這兩個傳感器轉換到接收狀態，這樣傳感器單元6可以接收從傳感器單元8發出的超聲波，傳感器單元8接收從傳感器單元6發出的超聲波。當超聲波脈沖到達傳感器單元6和8時，再通過位于傳感器內的壓電元件轉換為正弦波電壓脈沖，這些電壓脈沖都傳輸到電子單元10。
應該認識到，通過流過管2的流體發送的兩個超聲波脈沖相對于流體以相同的速度移動。在溫度和壓力的現有情況下，該速度受所述正常流體速度限定。還應該認識到，在超聲波脈沖從傳感器單元6順著流體流向移動的同時，且傳感器單元8發出的超聲波脈沖逆向流體流動方向移動的同時，對于傳感器單元6和8，超聲波脈沖可以以不同速度傳輸。這種關于傳感器單元的超聲波脈沖速度差異形成了這樣一種情況在離開傳感器單元8的超聲波脈沖到達傳感器單元6之前，離開傳感器單元6的超聲波脈沖將到達傳感器單元8。流動介質流速，相對流體流動方向的超聲波脈沖角度以及流體的超聲波脈沖速度確定了時差。超聲波脈沖達到傳感器6和8的時差提供了傳感器單元6和8內的壓電石英產生的兩個正弦波電壓脈沖之間的相移。圖1所示的正弦波電壓脈沖16和18將提供相移20，即上述主要取決于管子2內的流體流速，以及在介質內受超聲波脈沖速度和在相對流體流動的超聲波脈沖方向所影響。電子單元10記錄超聲波脈沖從傳感器單元6到傳感器單元8移動所需的時間。在介質流過管2的過程中，電子單元10內的相移20根據不同的超聲波速度進行校正。校正后接著該正弦波電壓脈沖值傳遞到模擬相位檢測器，在該檢測器內確定脈沖間的相移。由此還需要考慮采用了什么頻率，用電壓脈沖間的高精度時差，來確定所采用的結果，由此確定管子2內流體的流速。在確定流體內的聲速時，超聲波信號穿過傳感器單元6和8之間所花費的時間與所通過的路徑相關，即與管子的內徑尺寸和信號方向相對流體流速的角度相關。
這樣，電子單元10內實現的計算如下a)流體內的超聲波信號速度由超聲波信號從傳感器單元6到達傳感器單元8所需時間和管子2內徑和相對于流體流動方向的信號方向的角度有關。
b)信號相移相關于且取決于所采用的頻率，要使得該頻率提供相同的輸出信號而與所采用的頻率無關，以及c)所確定的相移與現有的聲速相關，要使得該聲速提供相同的輸出信號而與流體內聲速無關，據此上述輸出信號可以直接用于確定管子2內流體的流速。
例1如果采用根據圖1的裝置以及下面的一些管子內徑值，超聲波信號傳輸方向和流體流動方向間的角度，以及信號頻率和相移時，下面的計算過程給出流體流速的值。
管子內徑200角度20頻率2MHz流體水，聲速為1390m/sec時間單位納秒數字分辨率，相移1024比特數字分辨率，管子內信號所需時間200ns(用于計算流體內聲速)相移測量值
說明相移的模擬值讀數意味著通過非常簡單的方式，該方法給出了本例中約為半納秒的時間分辨率。
流體內聲速的測量(在為此所選流體內的上游或下游的最小影響)
說明相對流體流動會影響測量所需時間的變化，信號穿過流體所需適當的較長時間指在測量時可能不考慮流體的這種影響。在該例中，提供了一個為1390流體內的聲速而設置的765步驟的精確度，即1390/765分辨率=1.8m/sec。1.8m/sec被聲速1390相除得到0.12％的最大誤差。
例2參考值除流體內聲速變化不同外(示例中是由溫度變化而引起)，其他與上例相同。流體水，聲速1430m/sec。
相移測量值流體內聲速測量值
流體內聲速測量值
上述兩例內的數值可能與簡化方式中的所選角度和所選頻率相關，且換算為時差和聲速的實際值。這又得出了流體內聲速的不相關流速和所選頻率。
圖2,3和4中，給出了將傳感器單元與通過流體的管子相連的另一種方法。
圖2中，給出了一個管子2a，流體按照箭頭4a所示方向通過該管子。與圖1中傳感器單元6和8相同類型的兩個傳感器單元6a和8a位于管子同樣的兩側。傳感器單元6a和8a按照12a和14a方向發送超聲波的方式與圖1所示的傳感器單元完全相同。按照這樣的方式，即以傳感器單元6a發送超聲波脈沖到達傳感器單元8a，以及傳感器單元8a發送超聲波脈沖到達傳感器單元6a的方式，超聲波脈沖以同傳感器單元6a和8a相反方從管子2a的管壁彈回。傳感器單元6a和8a與圖1中的傳感器單元相同是可發送和接收轉換的。
圖3中，流體按照箭頭4b所示的方向流過管子2b，該管子具有一個較大的U形部分22。該實施例中，傳感器單元6a和8a位于管子2b U形部分22的腹底，排列方式為從傳感器單元6a和8a發送的超聲波信號的方向由箭頭12b和14b所示，且與流體流動方向一致。這樣該實施例中不需要對超聲波信號和流體流動方向間的角度偏差進行任何補償。
圖4所示實施例中，流體按照箭頭4c方向流過管子2c，通過徑向伸展的限位器24，把傳感器單元6c和8c支承在管子的中心部分。根據圖3的實施例，超聲波信號從傳感器單元6c按照箭頭12c和14c所示方向傳輸到8c，且平行與流體流動方向。該實施例中既不需要對超聲波信號和流體流向間的角度偏差進行補償，也不必對流體內超聲波信號停留時間，即流體內超聲波的不同聲速進行補償。
圖5表示以邏輯電路形式的本發明方法和裝置。
方框32給出了根據本發明的裝置內不變量，即流體通過的管子內徑和超聲波信號與流體流向間的角度。
方框34給出了裝置的起始過程，該過程包括對傳送到傳感器單元的正弦波電壓脈沖的頻率進行調整。傳感器單元發射流體內的超聲波脈沖，然后傳感器單元切換到接收功能。如果接收到該信號，此過程由方框38所確定，接收信息進一步傳輸到方框40。如果該信號沒有被傳感器單元接收到，方框30轉向方框32，對加到傳感器單元上的正弦波電壓脈沖的頻率進行調整，直到出現正確的接收。方框40是為確定正弦波信號的幅度是否在一個較低限值之上。如果沒有出現這種情況，需要為方框42提供一個反饋，以形成正弦波電壓脈沖頻率的重新調整。如果幅值在較低限值以上，方框44和46確定流體內超聲波脈沖的停留時間和可轉換為接收狀態的傳感器單元內超聲波脈沖所產生的正弦狀電壓脈沖的相移。方框44和46的所提供的信息通過所接收信息加到方框48上，即1．管子內徑2．超聲波信號和流體流動方向之間的角度3．頻率4．流體內超聲波信號的停留時間(流體內的超聲波信號速度)5．相移計算管子內流體流速，裝置確定的該值由方框50指定。
根據本發明，裝置內的電子電路出現在圖6。
本發明在以下權項范圍內可以進行調整。
權利要求
1．一種確定流體在通道內流速的方法，該流體由一種液體或氣體構成，其中發送兩個脈沖狀振蕩信號經過流體，一個信號順著流體流向，另一個信號逆向流體流向，接收兩個信號，通過用流體流動所引起的脈沖狀接收信號之間的相移，確定流速，每個脈沖狀信號從信號發生器發送給一個信號接收器，其中信號發生器沿流體流向相距一定距離，且兩個脈沖狀振蕩信號同時發送穿過流體，其特征是，在對流體內脈沖狀振蕩信號停留時間進行補償的同時，確定出信號間的相移，并且從各個信號發生器相對另一個信號發生器發送兩個脈沖狀振蕩信號，并且在信號發生器接收到所發送的脈沖狀信號之前，信號發生器轉換為信號接收器。
2．根據權利要求1所述的方法，其特征是，在通道的相對側發送并接收信號，然后在對信號移動方向和流體流向間的角度進行補償的情況下，確定此時信號間的相移。
3．根據權利要求1或2所述的方法，其特征是，對各個信號發生器都加上一個正弦波脈沖狀電壓，該電壓轉換為超聲波信號，通過流體被信號接收器接收，并由信號接收器轉換為正弦波脈沖狀電壓。
4．根據權利要求3所述的方法，其特征是，信號接收器發出的正弦波脈沖狀電壓傳輸到模擬相位檢測器，用于確定正弦波電壓間的相移。
5．根據權利要求4所述的方法，其特征是，相對正弦波電壓所采用的頻率，對相位檢測器確定的相移進行調整，從而在與所選頻率不相關的一個相同流速下確定出相同的輸出信號。
6．根據權利要求5所述的方法，其特征是，用于在與所選頻率不相關的一個相同流速下確定出相同的輸出信號，將所形成的輸出信號相對流體內給出的信號流速進行調整。
7．用于確定根據權利要求1所述通道內流體流速的方法的一種裝置，包括兩個信號發生器(6,8)，用來通過介質發送兩個脈沖狀振蕩信號，其中一個信號逆向流體流向，另一個信號順著流體流向，兩個信號接收器(8,6)和用于確定流體產生的接收脈沖狀信號間的相移的機構，信號發生器沿流體流向相距一定距離放置，且適于同時通過流體發送脈沖狀振蕩信號，其特征是，該裝置包括在確定相移時，對流體內脈沖狀振蕩信號進行補償的機構，即兩個信號發生器適于相對另一個信號發生器發送脈沖狀振蕩信號，且在信號發生器接收到被傳輸脈沖狀信號之前，信號發生器還能夠轉換為信號接收器。
全文摘要
檢測通道(2)內流體流速的方法,該流體由液體或氣體構成,通過介質發送兩個脈沖狀振蕩信號,其中一個逆向(14)流體流向,另一個信號順著(12)流體流向(4)。接收該發送信號,根據所接收到的流體引起的脈沖狀信號之間的相移確定流速。在對流體內脈沖狀振蕩信號停留時間進行補償的同時,也確定出信號之間的相移(20)。
文檔編號G01F1/66GK1302371SQ99806548
公開日2001年7月4日 申請日期1999年3月25日 優先權日1998年3月25日
發明者約根·林達爾 申請人:約根林達爾
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