專利名稱：一種確定流動(dòng)介質(zhì)流速的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定通道內(nèi)流動(dòng)液體流速的裝置和方法，該流體由液體或氣體構(gòu)成。
以往人們知道，確定通道內(nèi)流體的流速可以發(fā)送兩個(gè)脈沖狀的振蕩信號(hào)通過流體，其中一個(gè)信號(hào)逆向流體移動(dòng)，另一個(gè)信號(hào)順著流體移動(dòng)。然后接收兩信號(hào)，通過接收脈沖狀信號(hào)因流體引起的相移，確定流速。與逆向流體發(fā)送的信號(hào)相比，順著流體發(fā)送的信號(hào)更快到達(dá)信號(hào)接收器，在兩個(gè)信號(hào)之間產(chǎn)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(dòng)方向相距一定距離放置的兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器，從每個(gè)信號(hào)發(fā)生器朝向另一個(gè)信號(hào)發(fā)生器發(fā)送信號(hào)，在被傳輸?shù)拿}沖狀的信號(hào)到達(dá)信號(hào)發(fā)生器之前，將信號(hào)發(fā)生器轉(zhuǎn)換為信號(hào)接收器。流體內(nèi)信號(hào)速度對(duì)不同流體是不同的，如果溫度和壓力不同，在同一流體內(nèi)的脈沖狀振蕩信號(hào)的停留時(shí)間也將不同，這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)之間的相移，即使流體的流速一致，該停留時(shí)間也不同。雖然這種確定方法精確性較差，但對(duì)現(xiàn)有確定流速的方法來說，當(dāng)然還算一個(gè)較有效的方法。
現(xiàn)有技術(shù)中還有另一種確定通道內(nèi)流速的方法，從第一點(diǎn)至第二點(diǎn)發(fā)送一個(gè)脈沖狀的振蕩信號(hào)，該兩點(diǎn)位于流動(dòng)方向的兩端位置，然后對(duì)到達(dá)第二點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，數(shù)字化的該信號(hào)記錄在電子存儲(chǔ)器中。再將脈沖狀振蕩信號(hào)向相反方向發(fā)送，即從第二點(diǎn)到第一點(diǎn)，然后同樣進(jìn)行數(shù)字化并記錄在電子存儲(chǔ)器中。在流體內(nèi)，因?yàn)橐粋€(gè)信號(hào)順著流體移動(dòng)，另一個(gè)信號(hào)逆向流體移動(dòng)，在信號(hào)之間產(chǎn)生一個(gè)相移，該相移用來確定流速?，F(xiàn)有方法中，存在一個(gè)不足是信號(hào)無法同時(shí)發(fā)送和接收，這就產(chǎn)生流速的暫時(shí)變動(dòng)，這將會(huì)對(duì)流速的確定產(chǎn)生影響。另一個(gè)不足是，實(shí)施該方法需要非常昂貴的電路。
本發(fā)明的目的是提供確定通道內(nèi)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(shí)現(xiàn)不同功能成為可能。
為了與該目的一致，根據(jù)本發(fā)明，所述方法的特征是，在對(duì)脈沖狀振蕩信號(hào)在流體內(nèi)的停留時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)間相移的確定。由此，相對(duì)于流體內(nèi)的信號(hào)速度，對(duì)信號(hào)間相移進(jìn)行校正，使用于確定流速的相移可以由與流體內(nèi)信號(hào)同一停留時(shí)間的信號(hào)間的相移來實(shí)現(xiàn)。
在根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的方法中，兩個(gè)脈沖狀振蕩信號(hào)同時(shí)分別從每一個(gè)信號(hào)發(fā)生器并行發(fā)送，這兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器位于流體方向的兩端位置，分別指向一個(gè)信號(hào)接收器，這里宜采用可轉(zhuǎn)換為信號(hào)接收器的信號(hào)發(fā)生器。這樣，兩個(gè)脈沖狀振蕩信號(hào)從一個(gè)信號(hào)發(fā)生器向另一個(gè)信號(hào)發(fā)生器發(fā)送，然后在被傳輸脈沖狀信號(hào)到達(dá)另外另一個(gè)之前，該信號(hào)發(fā)生器轉(zhuǎn)換為信號(hào)接收器。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，較佳的是在通道的不同側(cè)進(jìn)行信號(hào)發(fā)送和接收，在對(duì)流體方向和信號(hào)移動(dòng)方向間的角度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下，實(shí)現(xiàn)信號(hào)間相移的確定。
宜于對(duì)各個(gè)信號(hào)發(fā)生器施以正弦波脈沖狀電壓，通過信號(hào)發(fā)生器轉(zhuǎn)化為超聲波信號(hào)，該超聲波信號(hào)穿過流體抵達(dá)信號(hào)接收器，然后又轉(zhuǎn)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(hào)接收器的正弦波脈沖狀電壓加到模擬相位檢測(cè)器中。流體用的通道可以用一個(gè)管子構(gòu)成，該管子的材料可以使超聲波穿過時(shí)不會(huì)產(chǎn)生太大阻尼或外展。然而，該管壁應(yīng)該由一種相對(duì)同質(zhì)材料構(gòu)成以能提供較好的較清晰的信號(hào)。為了避免當(dāng)超聲波穿過管壁時(shí)出現(xiàn)的問題，還可以將信號(hào)發(fā)生器設(shè)置在管子內(nèi)部。
本發(fā)明還包括一種實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。
參考附圖，下面將對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。


圖1為根據(jù)本發(fā)明，說明本發(fā)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(jù)本發(fā)明另一個(gè)裝置的模式圖。
圖5表示以邏輯電路形式的本發(fā)明方法和裝置。
圖6表示包括在根據(jù)本發(fā)明的裝置內(nèi)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(gè)傳感器單元6和8，與管2和一個(gè)計(jì)算機(jī)單元10相連。該傳感器單元6和8采用超聲波可轉(zhuǎn)換傳送器/接收器，調(diào)整使其位于管子2縱向相對(duì)兩側(cè)間隔一定距離，這樣從其中一個(gè)傳感器單元6或8傳輸?shù)某暡▽?duì)準(zhǔn)另一個(gè)傳感器單元8或6。該傳感器單元6和8在預(yù)定時(shí)間內(nèi)并同時(shí)施以正弦波電壓脈沖。該電壓脈沖在傳感器單元內(nèi)通過壓電元件轉(zhuǎn)換為一個(gè)超聲波脈沖。傳感器單元6內(nèi)產(chǎn)生的超聲波按箭頭12所示的方向從傳感器單元發(fā)送出來，朝向傳感器單元8。同時(shí)傳感器單元8產(chǎn)生的超聲波脈沖按照箭頭14的方向發(fā)送出來指向傳感器單元6。當(dāng)超聲波脈沖離開傳感器單元6和8時(shí)，這兩個(gè)傳感器轉(zhuǎn)換到接收狀態(tài)，這樣傳感器單元6可以接收從傳感器單元8發(fā)出的超聲波，傳感器單元8接收從傳感器單元6發(fā)出的超聲波。當(dāng)超聲波脈沖到達(dá)傳感器單元6和8時(shí)，再通過位于傳感器內(nèi)的壓電元件轉(zhuǎn)換為正弦波電壓脈沖，這些電壓脈沖都傳輸?shù)诫娮訂卧?0。
應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，通過流過管2的流體發(fā)送的兩個(gè)超聲波脈沖相對(duì)于流體以相同的速度移動(dòng)。在溫度和壓力的現(xiàn)有情況下，該速度受所述正常流體速度限定。還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在超聲波脈沖從傳感器單元6順著流體流向移動(dòng)的同時(shí)，且傳感器單元8發(fā)出的超聲波脈沖逆向流體流動(dòng)方向移動(dòng)的同時(shí)，對(duì)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(guān)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(dá)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(dá)傳感器單元8。流動(dòng)介質(zhì)流速，相對(duì)流體流動(dòng)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(shí)差。超聲波脈沖達(dá)到傳感器6和8的時(shí)差提供了傳感器單元6和8內(nèi)的壓電石英產(chǎn)生的兩個(gè)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(nèi)的流體流速，以及在介質(zhì)內(nèi)受超聲波脈沖速度和在相對(duì)流體流動(dòng)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(dòng)所需的時(shí)間。在介質(zhì)流過管2的過程中，電子單元10內(nèi)的相移20根據(jù)不同的超聲波速度進(jìn)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(cè)器，在該檢測(cè)器內(nèi)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(shí)差，來確定所采用的結(jié)果，由此確定管子2內(nèi)流體的流速。在確定流體內(nèi)的聲速時(shí)，超聲波信號(hào)穿過傳感器單元6和8之間所花費(fèi)的時(shí)間與所通過的路徑相關(guān)，即與管子的內(nèi)徑尺寸和信號(hào)方向相對(duì)流體流速的角度相關(guān)。
這樣，電子單元10內(nèi)實(shí)現(xiàn)的計(jì)算如下a)流體內(nèi)的超聲波信號(hào)速度由超聲波信號(hào)從傳感器單元6到達(dá)傳感器單元8所需時(shí)間和管子2內(nèi)徑和相對(duì)于流體流動(dòng)方向的信號(hào)方向的角度有關(guān)。
b)信號(hào)相移相關(guān)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(hào)而與所采用的頻率無關(guān)，以及c)所確定的相移與現(xiàn)有的聲速相關(guān)，要使得該聲速提供相同的輸出信號(hào)而與流體內(nèi)聲速無關(guān)，據(jù)此上述輸出信號(hào)可以直接用于確定管子2內(nèi)流體的流速。
例1如果采用根據(jù)圖1的裝置以及下面的一些管子內(nèi)徑值，超聲波信號(hào)傳輸方向和流體流動(dòng)方向間的角度，以及信號(hào)頻率和相移時(shí)，下面的計(jì)算過程給出流體流速的值。
管子內(nèi)徑200角度20頻率2MHz流體水，聲速為1390m/sec時(shí)間單位納秒數(shù)字分辨率，相移1024比特?cái)?shù)字分辨率，管子內(nèi)信號(hào)所需時(shí)間200ns(用于計(jì)算流體內(nèi)聲速)相移測(cè)量值
說明相移的模擬值讀數(shù)意味著通過非常簡(jiǎn)單的方式，該方法給出了本例中約為半納秒的時(shí)間分辨率。
流體內(nèi)聲速的測(cè)量(在為此所選流體內(nèi)的上游或下游的最小影響)
說明相對(duì)流體流動(dòng)會(huì)影響測(cè)量所需時(shí)間的變化，信號(hào)穿過流體所需適當(dāng)?shù)妮^長(zhǎng)時(shí)間指在測(cè)量時(shí)可能不考慮流體的這種影響。在該例中，提供了一個(gè)為1390流體內(nèi)的聲速而設(shè)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(nèi)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(cè)量值流體內(nèi)聲速測(cè)量值
流體內(nèi)聲速測(cè)量值
上述兩例內(nèi)的數(shù)值可能與簡(jiǎn)化方式中的所選角度和所選頻率相關(guān)，且換算為時(shí)差和聲速的實(shí)際值。這又得出了流體內(nèi)聲速的不相關(guān)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(gè)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(gè)傳感器單元6a和8a位于管子同樣的兩側(cè)。傳感器單元6a和8a按照12a和14a方向發(fā)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(fā)送超聲波脈沖到達(dá)傳感器單元8a，以及傳感器單元8a發(fā)送超聲波脈沖到達(dá)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(fā)送和接收轉(zhuǎn)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(gè)較大的U形部分22。該實(shí)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(fā)送的超聲波信號(hào)的方向由箭頭12b和14b所示，且與流體流動(dòng)方向一致。這樣該實(shí)施例中不需要對(duì)超聲波信號(hào)和流體流動(dòng)方向間的角度偏差進(jìn)行任何補(bǔ)償。
圖4所示實(shí)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(jù)圖3的實(shí)施例，超聲波信號(hào)從傳感器單元6c按照箭頭12c和14c所示方向傳輸?shù)?c，且平行與流體流動(dòng)方向。該實(shí)施例中既不需要對(duì)超聲波信號(hào)和流體流向間的角度偏差進(jìn)行補(bǔ)償，也不必對(duì)流體內(nèi)超聲波信號(hào)停留時(shí)間，即流體內(nèi)超聲波的不同聲速進(jìn)行補(bǔ)償。
圖5表示以邏輯電路形式的本發(fā)明方法和裝置。
方框32給出了根據(jù)本發(fā)明的裝置內(nèi)不變量，即流體通過的管子內(nèi)徑和超聲波信號(hào)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(duì)傳送到傳感器單元的正弦波電壓脈沖的頻率進(jìn)行調(diào)整。傳感器單元發(fā)射流體內(nèi)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(hào)，此過程由方框38所確定，接收信息進(jìn)一步傳輸?shù)椒娇?0。如果該信號(hào)沒有被傳感器單元接收到，方框30轉(zhuǎn)向方框32，對(duì)加到傳感器單元上的正弦波電壓脈沖的頻率進(jìn)行調(diào)整，直到出現(xiàn)正確的接收。方框40是為確定正弦波信號(hào)的幅度是否在一個(gè)較低限值之上。如果沒有出現(xiàn)這種情況，需要為方框42提供一個(gè)反饋，以形成正弦波電壓脈沖頻率的重新調(diào)整。如果幅值在較低限值以上，方框44和46確定流體內(nèi)超聲波脈沖的停留時(shí)間和可轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)的傳感器單元內(nèi)超聲波脈沖所產(chǎn)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(nèi)徑2．超聲波信號(hào)和流體流動(dòng)方向之間的角度3．頻率4．流體內(nèi)超聲波信號(hào)的停留時(shí)間(流體內(nèi)的超聲波信號(hào)速度)5．相移計(jì)算管子內(nèi)流體流速，裝置確定的該值由方框50指定。
根據(jù)本發(fā)明，裝置內(nèi)的電子電路出現(xiàn)在圖6。
本發(fā)明在以下權(quán)項(xiàng)范圍內(nèi)可以進(jìn)行調(diào)整。
權(quán)利要求
1．一種確定流體在通道內(nèi)流速的方法，該流體由一種液體或氣體構(gòu)成，其中發(fā)送兩個(gè)脈沖狀振蕩信號(hào)經(jīng)過流體，一個(gè)信號(hào)順著流體流向，另一個(gè)信號(hào)逆向流體流向，接收兩個(gè)信號(hào)，通過用流體流動(dòng)所引起的脈沖狀接收信號(hào)之間的相移，確定流速，每個(gè)脈沖狀信號(hào)從信號(hào)發(fā)生器發(fā)送給一個(gè)信號(hào)接收器，其中信號(hào)發(fā)生器沿流體流向相距一定距離，且兩個(gè)脈沖狀振蕩信號(hào)同時(shí)發(fā)送穿過流體，其特征是，在對(duì)流體內(nèi)脈沖狀振蕩信號(hào)停留時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，確定出信號(hào)間的相移，并且從各個(gè)信號(hào)發(fā)生器相對(duì)另一個(gè)信號(hào)發(fā)生器發(fā)送兩個(gè)脈沖狀振蕩信號(hào)，并且在信號(hào)發(fā)生器接收到所發(fā)送的脈沖狀信號(hào)之前，信號(hào)發(fā)生器轉(zhuǎn)換為信號(hào)接收器。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，在通道的相對(duì)側(cè)發(fā)送并接收信號(hào)，然后在對(duì)信號(hào)移動(dòng)方向和流體流向間的角度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下，確定此時(shí)信號(hào)間的相移。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是，對(duì)各個(gè)信號(hào)發(fā)生器都加上一個(gè)正弦波脈沖狀電壓，該電壓轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)，通過流體被信號(hào)接收器接收，并由信號(hào)接收器轉(zhuǎn)換為正弦波脈沖狀電壓。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征是，信號(hào)接收器發(fā)出的正弦波脈沖狀電壓傳輸?shù)侥M相位檢測(cè)器，用于確定正弦波電壓間的相移。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征是，相對(duì)正弦波電壓所采用的頻率，對(duì)相位檢測(cè)器確定的相移進(jìn)行調(diào)整，從而在與所選頻率不相關(guān)的一個(gè)相同流速下確定出相同的輸出信號(hào)。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，用于在與所選頻率不相關(guān)的一個(gè)相同流速下確定出相同的輸出信號(hào)，將所形成的輸出信號(hào)相對(duì)流體內(nèi)給出的信號(hào)流速進(jìn)行調(diào)整。
7．用于確定根據(jù)權(quán)利要求1所述通道內(nèi)流體流速的方法的一種裝置，包括兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器(6,8)，用來通過介質(zhì)發(fā)送兩個(gè)脈沖狀振蕩信號(hào)，其中一個(gè)信號(hào)逆向流體流向，另一個(gè)信號(hào)順著流體流向，兩個(gè)信號(hào)接收器(8,6)和用于確定流體產(chǎn)生的接收脈沖狀信號(hào)間的相移的機(jī)構(gòu)，信號(hào)發(fā)生器沿流體流向相距一定距離放置，且適于同時(shí)通過流體發(fā)送脈沖狀振蕩信號(hào)，其特征是，該裝置包括在確定相移時(shí)，對(duì)流體內(nèi)脈沖狀振蕩信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臋C(jī)構(gòu)，即兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器適于相對(duì)另一個(gè)信號(hào)發(fā)生器發(fā)送脈沖狀振蕩信號(hào)，且在信號(hào)發(fā)生器接收到被傳輸脈沖狀信號(hào)之前，信號(hào)發(fā)生器還能夠轉(zhuǎn)換為信號(hào)接收器。
全文摘要
檢測(cè)通道(2)內(nèi)流體流速的方法,該流體由液體或氣體構(gòu)成,通過介質(zhì)發(fā)送兩個(gè)脈沖狀振蕩信號(hào),其中一個(gè)逆向(14)流體流向,另一個(gè)信號(hào)順著(12)流體流向(4)。接收該發(fā)送信號(hào),根據(jù)所接收到的流體引起的脈沖狀信號(hào)之間的相移確定流速。在對(duì)流體內(nèi)脈沖狀振蕩信號(hào)停留時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí),也確定出信號(hào)之間的相移(20)。
文檔編號(hào)G01F1/66GK1302371SQ99806548
公開日2001年7月4日 申請(qǐng)日期1999年3月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月25日
發(fā)明者約根·林達(dá)爾 申請(qǐng)人:約根林達(dá)爾