專利名稱：超聲流速測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用超聲束測(cè)量流體流速的技術(shù)，特別涉及超聲流速測(cè)量裝置，以測(cè)量較大的河或排水道敞開溝的流速。
傳統(tǒng)的流量計(jì)使用超聲束在流體流過的較大尺寸的標(biāo)定管或敞開溝的橫截線上測(cè)量流速。目前流速由超聲傳輸時(shí)間差方法測(cè)量如下
其中，Δt等于t12和t21的差，t12和t21是超聲束在流體中以角度傳輸或在流速方向上反向傳輸?shù)臅r(shí)間，L是兩個(gè)超聲振子間的距離，d等于Lcos，C為流體中聲速(以下稱為“超聲傳輸速度”)。
上述使用超聲傳輸時(shí)間差的流速測(cè)量方法是公知的，絕大多數(shù)超聲流量計(jì)使用該方法。換句話說(shuō)，為了測(cè)量超聲傳輸時(shí)間t12和t21，測(cè)量從超聲傳輸時(shí)刻到接收時(shí)刻的時(shí)間。如果超聲振子間的間隔L較長(zhǎng)，或在流體流動(dòng)中有不同尺寸的旋渦或渦流，或在自然的河流中懸浮濃度變化，超聲束的聲壓在超聲接收位置嚴(yán)重波動(dòng)，因?yàn)槌暿环瓷浠蛏⑸?，或吸收衰減因數(shù)變化。
另外，即使傳輸具有短波長(zhǎng)的理想超聲束，接收信號(hào)變成鐘形脈沖，因?yàn)檩^高的超聲束的諧波分量被嚴(yán)重衰減。為此，在檢測(cè)超聲束的接收時(shí)刻時(shí)常發(fā)生對(duì)應(yīng)于數(shù)個(gè)超聲束周期的接收誤差，接收失敗經(jīng)常發(fā)生。
為了不扭曲傳輸和接收超聲束時(shí)的接收脈沖的形狀，使用一寬帶放大器，但各種噪聲被放大了。特別是，由于這些脈沖噪音，干擾了超聲傳輸時(shí)間的測(cè)量。
如上所述，由于大尺寸標(biāo)定管、較大的河流或排水道敞開溝中的這些因素，在接收點(diǎn)經(jīng)常不能精確測(cè)量超聲傳輸時(shí)間t12和t21。另外，較小的標(biāo)定管的流量計(jì)可引起超聲發(fā)射振子處于振動(dòng)激勵(lì)。此時(shí)，將電能轉(zhuǎn)化成超聲波的效率大大惡化。
結(jié)果，這些問題使得在超聲束在具有較大的寬度的排水道敞開溝和河流中傳輸和接收時(shí)很難使用超聲傳輸時(shí)間差方法測(cè)量流速。超聲流量計(jì)的使用受到限制。
為了解決這些問題和缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種使用超聲傳輸時(shí)間差方法測(cè)量流速的裝置，其中不是使用超聲脈沖，而是使用連續(xù)的超聲波(正弦波)傳輸和接收，并測(cè)量其傳輸時(shí)間。
一種超聲流速測(cè)量裝置，包括兩個(gè)振子，在要測(cè)量流速的段內(nèi)與流速方向形成一定的角度，兩個(gè)振子彼此傳輸和接收超聲束，以測(cè)量超聲傳輸時(shí)間，然后計(jì)算流速，其中，兩振子通過一振子開關(guān)部與輸出放大器相連，放大器連接一頻率調(diào)制振蕩器，以產(chǎn)生預(yù)定調(diào)制頻率的連續(xù)波，頻率調(diào)制振蕩器連接一沖息多諧振蕩器，以振動(dòng)一給定的頻率脈沖來(lái)操作頻率調(diào)制振蕩器，沖息多諧振蕩器連接一控制方波發(fā)生部，以使得沖息多諧振蕩器在給定的周期被操作，控制方波脈沖發(fā)生部連接一振子開關(guān)部和輸出開關(guān)部并控制其工作，其中輸出放大器放大來(lái)自頻率調(diào)制振蕩器的輸出信號(hào)，振子開關(guān)部將輸出放大器的輸出信號(hào)輸入給兩個(gè)振子中的任一個(gè)，然后，來(lái)自相應(yīng)的振子的輸出信號(hào)輸入給接收放大器，輸出開關(guān)部將接收放大器的輸出信號(hào)施加給頻率鑒別器，輸出開關(guān)部的一輸入端連接接收放大器，另一輸入端連接衰減輸出放大器的輸出電壓的衰減器，其輸出端連接頻率鑒別器，以檢測(cè)頻率調(diào)制時(shí)刻，頻率鑒別器連接一脈沖整形部以將其輸出整形為方波脈沖，脈沖整形部連接一時(shí)間間隔測(cè)量部以測(cè)量脈沖整形部的兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間差，時(shí)間間隔測(cè)量部連接一流速算術(shù)邏輯處理單元以計(jì)算流速。
下面對(duì)照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，其中

圖1是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的超聲流速測(cè)量裝置的方框圖；圖2是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的超聲流速測(cè)量裝置的操作的圖；圖3A和3B是說(shuō)明超聲束的頻率調(diào)制的視圖。
參見圖1和2，超聲傳輸振子1和超聲接收振子2彼此相對(duì)設(shè)置，并與一振子開關(guān)部14電連接，該開關(guān)部14與輸出放大器6和接收放大器7聯(lián)接。因此，為了操作超聲傳輸振子1，輸出放大器6與一頻率調(diào)制振蕩器3相連，以產(chǎn)生預(yù)定調(diào)制頻率的連續(xù)波。頻率調(diào)制振蕩器3與一沖息多諧振蕩器4相連，以振動(dòng)一給定的頻率脈沖，施加給振蕩器3。沖息多諧振蕩器4與一控制方波脈沖發(fā)生部5相連，以使得沖息多諧振蕩器4在給定的周期操作，而同時(shí)控制輸出開關(guān)部8。輸出放大器6放大頻率調(diào)制振蕩器3的輸出信號(hào)，將其輸出給傳輸振子1。衰減器13連接在輸出放大器6和輸出開關(guān)部8之間，以衰減放大器6的輸出電壓。接收放大器7通過輸出開關(guān)部8將放大的接收信號(hào)施加給頻率鑒別器9。一脈沖整形部10接收輸出開關(guān)部8的輸出電壓，將其變?yōu)榉讲}沖。時(shí)間間隔測(cè)量部11測(cè)量脈沖整形部10出來(lái)的兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間差。流速算術(shù)邏輯處理單元12使用超聲傳輸時(shí)間差方法計(jì)算流速。衰減器13與輸出開關(guān)部8相連。
超聲流速測(cè)量裝置的操作如下控制方波脈沖發(fā)生部5產(chǎn)生方形長(zhǎng)脈沖T1，其具有給定的周期，如圖2的A所示。沖息多諧振蕩器4在該方形長(zhǎng)波T1的上升沿工作，以產(chǎn)生具有周期T2的方波脈沖，如圖2的B所示。頻率調(diào)制振蕩器3產(chǎn)生一振蕩信號(hào)或正弦頻率f的信號(hào)，其中在該方波周期T2振蕩頻率f變成振蕩頻率f0(＝f+Δf)，然后在方波脈沖周期T2的下降沿返回成正弦頻率f，見圖2的C，其中頻率f0是振子1和2的諧振頻率，Δf是頻率偏移。然后頻率調(diào)制振蕩器3將其輸出施加給輸出放大器6，輸出放大器6放大頻率調(diào)制信號(hào)，通過振子開關(guān)部14將其施加給傳輸振子1。傳輸振子1在流體中傳輸超聲束，如圖2的D所示。同時(shí)，來(lái)自輸出放大器6的信號(hào)通過衰減器13和輸出開關(guān)部8輸入給頻率鑒別器9。因此，頻率鑒別器9在頻率調(diào)制周期產(chǎn)生輸出電壓，如圖2的E所示。信號(hào)電壓輸入給脈沖整形部10以產(chǎn)生一脈沖，如圖2的F所示。
然后，在方形長(zhǎng)脈沖周期T1到達(dá)后沿時(shí)，輸出開關(guān)部8和振子開關(guān)部14接通，以使得由接收放大器7輸出的信號(hào)輸入給頻率鑒別器9。換句話說(shuō)，來(lái)自傳輸振子1的超聲束在流體中傳輸給接收振子2。接收振子2在接收到傳輸振子1的信號(hào)時(shí)，將其輸出信號(hào)施加給接收放大器7。接收放大器7放大接收信號(hào)，如圖2的G所示，將其施加給頻率鑒別器9。頻率鑒別器9產(chǎn)生如圖2的H所示的信號(hào)來(lái)操作脈沖整形部10。脈沖整形部10產(chǎn)生一短波，如圖2的I所示，其中頻率鑒別器9的輸出信號(hào)(圖2的E和H)彼此相等，其基于瞬態(tài)現(xiàn)象的延遲時(shí)間τ相等。
時(shí)間間隔測(cè)量部11接收?qǐng)D2的F和I的短脈沖以測(cè)量其間的時(shí)間間隔t12，其中短脈沖通過脈沖整形部10將頻率鑒別器9的輸出信號(hào)整形而得。時(shí)間間隔測(cè)量部11將時(shí)間間隔信號(hào)輸入給算術(shù)邏輯處理單元12，將其存儲(chǔ)在其存儲(chǔ)器中。注意，t12是將超聲束從傳輸振子1傳輸?shù)浇邮照褡?的時(shí)間。
完成了傳輸振子1到接收振子2的超聲傳輸時(shí)間的測(cè)量后，振子開關(guān)部14在控制方波脈沖發(fā)生部5的脈沖信號(hào)的后沿工作以使得接收振子2傳輸超聲束給傳輸振子1。類似地，測(cè)量超聲傳輸時(shí)間t21并輸入給算術(shù)邏輯處理單元12。
算術(shù)邏輯處理單元12存儲(chǔ)兩個(gè)振子之間的間隔L和預(yù)先設(shè)定在存儲(chǔ)器中的距離d(＝Lcos)，并利用公式(1)使用超聲傳輸時(shí)間t12和t21的結(jié)果計(jì)算流速V。如果想計(jì)算流率，計(jì)算出的流速值可輸入給流率計(jì)算裝置。
注意，傳輸振子的效率比使用超聲脈沖時(shí)增加到3-5倍，因?yàn)椴粋鬏敵暶}沖，而使用了頻率調(diào)制超聲正弦波。超聲束的強(qiáng)度也提高了。更重要的是，捕捉接收信號(hào)頻率改變的時(shí)刻，而不是捕捉接收信號(hào)的幅值，以測(cè)量超聲傳輸時(shí)間。另外，由于檢測(cè)延遲時(shí)間而造成的誤差被消除了，因?yàn)轭l率鑒別器檢測(cè)接收和傳輸信號(hào)。
因此，盡管接收信號(hào)的幅值嚴(yán)重波動(dòng)，但接收信號(hào)被足夠放大。例如，接收信號(hào)放大到飽和狀態(tài)(即達(dá)到頻率鑒別器輸入允許電壓)，輸入給頻率鑒別器。使用f0-f頻率的帶通濾波器可容易地消除噪音，因?yàn)檎也ㄟB續(xù)地傳輸和接收。它也消除了測(cè)量超聲傳輸時(shí)間時(shí)的干擾，因?yàn)槭褂脤拵Х糯笃饕苑乐故褂贸暶}沖時(shí)波形的變形。
圖3A示出了接收振子的輸出信號(hào)的波形。接收信號(hào)在諧振頻率f0處的幅值a2和接收信號(hào)在頻率f(＝f0+Δf或f0-Δf)處的幅值a1間的差隨頻率偏移的增加而變大。但是如果頻率Δf/f0約等于0.1，幅值a1和a2之間的差不太大。
圖3B示出了接收信號(hào)放大到飽和狀態(tài)時(shí)的波形。放大的信號(hào)可輸入給頻率鑒別器。當(dāng)然，飽和狀態(tài)放大的信號(hào)的幅值應(yīng)等于頻率鑒別器的最大允許輸入電壓。如圖1所示的衰減器13的作用是減小放大器6的輸出電壓至頻率鑒別器的最大允許輸入電壓。
即使兩個(gè)振子之間的間隔距離L為幾百米本發(fā)明也能保證超聲接收，即使由于許多因素在超聲接收點(diǎn)聲壓嚴(yán)重波動(dòng)，也能保證超聲傳輸時(shí)間測(cè)量，以增加流速的準(zhǔn)確性。
權(quán)利要求
1.一種超聲流速測(cè)量裝置，包括兩個(gè)振子，在要測(cè)量流速的段內(nèi)與流速方向形成一定的角度，兩個(gè)振子彼此傳輸和接收超聲束，以測(cè)量超聲傳輸時(shí)間，然后計(jì)算流速，其特征在于，兩振子通過一振子開關(guān)部與輸出放大器相連，放大器連接一頻率調(diào)制振蕩器，以產(chǎn)生預(yù)定調(diào)制頻率的連續(xù)波，頻率調(diào)制振蕩器連接一沖息多諧振蕩器，以振動(dòng)一給定的頻率脈沖來(lái)操作頻率調(diào)制振蕩器，沖息多諧振蕩器連接一控制方波發(fā)生部，以使得沖息多諧振蕩器在給定的周期被操作，控制方波脈沖發(fā)生部連接一振子開關(guān)部和輸出開關(guān)部并控制其工作，其中輸出放大器放大來(lái)自頻率調(diào)制振蕩器的輸出信號(hào)，振子開關(guān)部將輸出放大器的輸出信號(hào)輸入給兩個(gè)振子中的任一個(gè)，然后，來(lái)自相應(yīng)的振子的輸出信號(hào)輸入給接收放大器，輸出開關(guān)部將接收放大器的輸出信號(hào)施加給頻率鑒別器，輸出開關(guān)部的一輸入端連接接收放大器，另一輸入端連接衰減輸出放大器的輸出電壓的衰減器，其輸出端連接頻率鑒別器，以檢測(cè)頻率調(diào)制時(shí)刻，頻率鑒別器連接一脈沖整形部以將其輸出整形為方波脈沖，脈沖整形部連接一時(shí)間間隔測(cè)量部以測(cè)量脈沖整形部的兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間差，時(shí)間間隔測(cè)量部連接一流速算術(shù)邏輯處理單元以計(jì)算流速。
全文摘要
一種流速測(cè)量裝置,用于測(cè)量超聲傳輸時(shí)間,傳輸和接收對(duì)于時(shí)間調(diào)頻的超聲連續(xù)正弦波,其中一頻率鑒別器檢測(cè)超聲束的頻率在傳輸和接收時(shí)調(diào)制的時(shí)刻。因此,由于檢測(cè)延遲時(shí)間而造成的誤差消除了,因?yàn)橐活l率鑒別器檢測(cè)接收和傳輸信號(hào),即使接收信號(hào)的幅值嚴(yán)重波動(dòng)超聲傳輸時(shí)間測(cè)量的誤差也可防止。該流速測(cè)量裝置可有效用于大尺寸標(biāo)定管和大河流或排水道敞開溝。
文檔編號(hào)G01P5/24GK1247985SQ99117918
公開日2000年3月22日 申請(qǐng)日期1999年8月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月26日
發(fā)明者張學(xué)洙 申請(qǐng)人:昌民技術(shù)株式會(huì)社