[发明专利]检测飞行时间的方法、飞行时间转换器、超声波流量计以及光学设备

说明书

一种检测飞行时间信号的方法，包括以下步骤。首先，通过介质发射信号串。所发射的信号串包括第一组波的或第一组波周期的和第二组波的或第二组波周期的序列。所述组根据预定的相移在时域中被移位。所发射的信号串作为接收的信号串并且作为时间的函数被接收。发射的信号串在通过介质时发生改变，并在穿过介质之后被认为是接收的信号串。检测接收的信号串中的相移。然后，使用所检测的相移作为参考，将接收的信号串的波周期分配给第一组波的各个波周期。最后，分别根据第一组波的序列和所述接收的信号串的分配的波周期来确定飞行时间信号序列。

本发明涉及检测飞行时间的方法、飞行时间转换器、超声波流量计以及光学设备。

一个应用领域是使用传输时间或飞行时间(TOF)方法的超声波流量计量。TOF能够用于测量各种参数，例如液体和气体的流动速度、流动速率和热流量。基于TOF的超声波流量计在工业和法定计量中具有各种应用，例如，对诸如超声波的安全检测。此外，TOF也能够用于光学应用，光学应用包括红外线IR、可见光Vis和紫外线UV辐射。光学TOF能够用于例如距离测量和3D成像。

超声波流量计测量通过诸如气体或液体的介质的流量。测量原理依赖于对沿着流动的上游和下游方向引入到测量体积中的超声波信号的TOF进行比较。为了获得准确的TOF读数，单独的TOF测量应该与稳健的参考相关，以便允许可靠的比较。通常，评估接收信号的过零点。在通常的应用中，接收信号的特征在于几个波周期和过零点。因此，稳定且可重复的测量通常会在接收信号内的相同的相对位置处评估过零点的明确子集。

更详细地，关于流速的信息包括在超声信号串例如脉冲串的传输时间中，并且通过比较沿例如管中的测量体积的上游和下游方向测量的传输时间来提取。为了比较传输时间，定义信号串中的参考位置。超声信号串受温度、流速、流体压力、流体混合物和测量装置例如在线装置的设计的影响。在所列参数和系统寿命的定义范围内，测量应该是稳定的。

首次检测到的过零点通常会触发所谓的第一命中。在超声波流量计应用中建立的方法包括：第一命中电平、时间延迟触发器和相关方法。每种方法都有其自身的困难。第一命中电平依赖于在达到某一接收的幅度阈值电平，即所谓的第一命中电平FHL之后，通过使用过零点来定义固定的第一命中位置。然而，该方法缺乏抵抗波串幅度变化的鲁棒性。时间延迟触发器使用可调时间延迟来掩盖不期望的较早过零。这种方法需要复杂的计算来跟踪上游和下游的波串。与其他流量测量技术相比，这两种方法都以较低的功耗用于流量计应用中。第三种变型——相关方法——广泛使用，但却具有高功耗，这在像家用流量计的电池供电设备中是一个障碍。

本发明的目的是提供一种检测飞行时间的方法、飞行时间转换器、超声波流量计和光学设备，它们允许可靠的飞行时间测量。

该目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中描述了另外的发展和实施例。

应当理解，除非明确地描述为替代，否则下文关于任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与下文描述的其他特征组合使用，并且还可以与任何其他实施例的一个或更多个特征组合使用，或者与任何其他实施例的任何组合使用。此外，在不偏离如所附权利要求中限定的检测飞行时间的方法、飞行时间转换器、超声波流量计和光学设备的范围的情况下，还可以采用下面未描述的等效物和修改。

以下涉及飞行时间TOF检测领域中的改进的概念。该改进的概念采用为例如在超声流量计或光学设备中的TOF检测建立鲁棒且稳定的参考的方式。例如，相移被添加到发射的信号，例如激发脉冲串(fire pulse)。改进的概念允许通过检测作为参考标记的添加的相移来确定接收的信号串例如接收的脉冲内的由过零、例如第一命中表示的波周期的相对位置。相移存在于时域中，并且在接收到的信号串内在时间上保持在同一相对位置处。检测相移比接收波的幅度更稳定地抵抗外部影响。这种影响包括发射的和接收的信号串所经过的介质(例如气体或液体)的吸收特性的变化。另外的示例包括的流体流速变化或由老化引起的用于产生激发脉冲串的源(例如，超声波发生器或接收器)的工作特性的变化。因此，接收的信号串的例如成比例电信号的绝对幅度可以改变到一个电平，在该电平上可以检测几个交叉点之一或者甚至根本检测不到交叉点。