[发明专利]具有数字化欠采样流量测量的超声波流量计

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波流量计，并且更具体而言涉及一种通过对接收的信号进行数字化采样来操作超声波流量计的方法。

背景技术

在时差型超声波流量计的消耗量中，基于消耗介质的流速测量来确定消耗量。流速测量是基于测量介质流体中相对传播的超声波之间的传播时间差。通常，通过测量波包通过介质的测量距离传播的传播时间来得到该时间差。一般来说，通过当从一个换能器发射波包时开启时钟，并且在另一个换能器处接收到波包时停止时钟来得到时间测量。超声波信号通过介质的典型传播时间是非常短的，并且因此需要以很高的精度来测量所述传播时间，或至少是相对传播的波包的传播时间之间的时间差。由于该高精度，时间测量的具体执行对于系统性能是很重要的。因此，现有技术中已经发明了多个时间测量的实施方案。

在US 6,226,598B 1中，通过基于如下方式进行的：对接收的信号数字化，并且对接收的数字化信号进行数字信号处理以识别特定信号特性，从而确定可以确定到达时间的特定信号特征。所述特定信号特征是所接收的波包的过零形式。

WO 97/14936A1公开了一种类似的方法，其中对所接收的信号进行数字化并且采用数字信号处理来提取可以确定到达时间的特定信号特征。所述特定信号特征是所接收的波包的波形的斜率。

从发射器到接收器的信号转换可能使得提取对流速计算非常重要的参数是具有挑战的。所述转换是通过流量测量中涉及的各种成分滤波后的结果。具体地，压电换能器的机电参数通常导致信号形状的显著变化。此外，换能器特征能够从单元到单元而改变，并且由于老化、温度改变等而随时间变化，导致接收到的信号的形状和频率组成在流量计的生命周期内有一定程度的改变。因此，有利地是获取信号的数字化表示以便利用数字信号处理器(DSP)中的可用工具。

为了获取详细的信号表示以确定精确的到达时间，可以使用高速模数转换器ADC。然而，高速ADC很昂贵并且消耗相对高的功率，并且因此损害了电池供电的流量计的电池寿命，并且成为流量计价格水平的重要因素。

发明内容

有利地，实现操作超声波流量计的替代方法，其实现了以下至少一项：有助于经济适用的流量计，能够以节能的方式进行操作从而维持长寿命的电池电源，并且支撑多年的操作而在实践测量精度上没有或仅仅有很少的变化。还有利地实现操作超声波流量计的方法，其对于被利用部件的机电特征的变化是鲁棒的。总之，本发明优选寻求减轻、缓和或消除现有技术流量计的一个或多个缺点，单独的或以任何组合的形式。

在本发明的第一方面中，提供了一种操作超声波流量计以测量流体的流速的方法，所述超声波流量计包括：

-至少两个超声波换能器，所述至少两个超声波换能器被布置成横跨测量距离在相对方向上发射和接收超声波信号；

-发生器电路，用于由所述至少两个超声波换能器发射的声音波包的受控制的生成；

-接收器电路，用于接收从所述至少两个超声波换能器发射的信号；

-用于数字信号处理的处理模块；

其中所述方法包括：

对于沿着大体相对方向的至少两条信号路径：

-在所述至少两个超声波换能器的第一个超声波换能器处生成将要输出到测量距离的声音波包，所述波包以信号频率生成；

-在所述至少两个超声波换能器的第二个超声波换能器处接收所述声音波包作为接收的信号；

-以低于奈奎斯特极限的采样频率对所接收的信号进行数字化，以生成针对给定信号路径的数字化接收欠采样信号；

-由沿着大体相对方向的至少两个数字化接收欠采样信号，确定沿着所述测量距离的传播时间的差异。

本发明的发明人已经意识到通过对接收的信号进行适当的信号处理，可以切实可行地以足够的精度确定欠采样接收信号情形中的传播时间的差异，甚至不需要重建接收的信号。通过对接收的信号进行欠采样，可以放宽对ADC的性能需求，使得与现有技术中使用的ADC相比需要较小功率的较便宜部件。通过不重建接收的信号，而是基于对数字化接收欠采样信号的信号处理来确定传播时间的差异，数字信号处理器只需要处理较少的采样以及较少的指令，并且因此也减少了对执行数字信号处理的微处理器的性能需求。