[发明专利]超声流量计

说明书

技术领域

本发明涉及用于测量尤其是渡越时间（transit time）流量测定领域中的流体流量的超声流量计。

背景技术

一般而言，借助于渡越时间方法的流量测定包括在需要测量的流体流量的流动路径中以适当的相互距离放置两个超声换能器。代表性地几兆赫兹频率和几微秒持续时间的超声信号通过流体从第一换能器发送到第二换能器，且记录第一发送时间。接下来，类似的超声信号在相反方向通过流体发送，即从第二换能器发送到第一换能器，且记录第二发送时间。知道两个换能器之间的物理距离、两个记录的发送时间之间的差异可以用于计算流动路径中流动的流体的流速。然而，计算的流速必须借助于考虑声速和流体的粘度的校正表校正。两个特性均取决于温度，当流体类型已知时，具有取决于温度的校正值的校正表是足够的。

当使用这种类型的流量计工作时需要面对的一个问题在于，换能器参数不仅极有可能在样本之间不同，而且随着时间变化且在温度变化时变化。这种差异和变化改变了接收信号的形状，使得难以使用这种形状作为计算绝对渡越时间的基础。

在过去的25年里，看到了超声流量测定从低容量实验室仪器到以极高容量制造的标准装备的急速发展。技术和商业挑战一定程度地被克服：在流量测定的很多领域中，相对于包括机械仪表的多数其他方法，技术现在是有竞争力的。例如，以高容量制造的高度精确的流量计现在通常用作水表、热量计、气量计和用于计费的其他仪表。

仍需继续的一些挑战是改善仪表，使得它们在仍然保持仪表稳定且可生产的同时对于电学和声学噪声较不敏感且不牺牲成本和功耗。对于噪声的灵敏度可以通过增加信噪比减小，最有效的方法是增大信号。

超声流量计中典型的声学噪声源是流动电流中的边缘和外部振荡，二者均产生与仪表本身产生的超声无关的固定声学噪声水平。对于声学噪声的灵敏度可以通过增加换能器产生的声学信号或通过改变流量计的物理形状来减小。

超声流量计中的电学噪声可以具有很多源，诸如热噪声、外部感应（通过电磁、电场或磁场或通过电线）电压和电流或内部感应（来自电路中的其他信号或时钟）交叉耦合，其中的一些是信号水平相关的且其中的一些是信号水平无关的。减小对于电学噪声的灵敏度的最有效方式是通过增加涉及的电学信号且通过将电学节点的阻抗保持得尽可能低以减小电学噪声源的影响。

涉及这些主题的很多不同电路在本领域是已知的，诸如GB2017914（Hemp）、US4,227,407（Drost）、DE19613311（Gaugler）、US6,829,948（Nakabayashi）、EP0846936（Tonnes）和EP1438551（Jespersen），其中每一个具有强项和弱项。

上面提及的最后两个文档（Tonnes和Jespersen）显示换能器耦合具有这样的益处：从换能器看到的阻抗在发送情形和接收情形中是相等的。这两个专利文档中的讨论解释了该特征是证明整个流量计在真实寿命情况中的稳定性且可生产性的先决条件，即，对于仪表中组件之间的匹配没有不切实际的需求。该事实的原因在于，精确的阻抗匹配允许流量计完全采用互易定理。

尽管已知相互作用和稳定流量测定之间的关系很多年，这些专利文档中显示的耦合仅是迄今知道的完全实现吸收压电超声换能器的自然容差以使得可以制造可生产和稳定流量计的实践方式。

这两个文档二者中显示的换能器耦合包含阻抗，该阻抗具有将从换能器接收的电流信号转换成可测量电压信号的功能。不幸的是，如下面更详细解释，该阻抗也限制了可以供应到换能器的电学信号，且为了最大可能地产生接收电压信号，阻抗的大小在感兴趣的频率处被限制为处于超声换能器的阻抗的0.5至2倍之间的范围内。

Nakabayashi（US6,829,948）具有另一方法，其中发生器和接收器通过两个不同装置实施，但是在该配置中，接收信号强度被牺牲以用于在变化的换能器参数处得出稳定的结果。

发明内容

在下文中描述的本发明的目的是克服上面确定的问题且提供能够发送高声学信号的稳定的可生产的流量计。

本发明涉及一种用于估计和校正或至少减小超声流量计中接收的超声信号中的相位误差的方法，所述方法包含以下步骤：测量超声流量计中的一个或更多信号，该一个或更多信号取决于超声流量计中一个或更多超声换能器的特征，使用一个或更多测量信号以计算估计的相位误差值，且使用估计的相位误差值以校正超声流量计测量的传输时间。

这种方法允许快速和可靠的相位误差校正而无需超声流量计的正常使用期间的不必要测量和计算。