專利名稱：用于確定和/或監(jiān)控介質(zhì)的體積和/或質(zhì)量流量的超聲測量儀表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定和/或監(jiān)控在流動方向上流經(jīng)容器的介質(zhì)的體積和/或質(zhì)量流量的裝置，其包括至少一個超聲換能器，其發(fā)送和/或接收超聲測量信號；和控制/分析單元，其根據(jù)行程時間差原理或多普勒原理，基于超聲測量信號確定容器中的介質(zhì)的體積和/或質(zhì)量流量。
超聲流量測量儀表常用于過程和自動化技術(shù)中。利用它們可以無接觸地確定特別是管道中的介質(zhì)的體積和/或質(zhì)量流量。
已知的超聲流量測量儀表或者基于多普勒原理或者基于行程時間差原理工作。在行程時間原理的情況中，分析在介質(zhì)的流動方向和與流動方向相反的方向上，超聲測量信號的不同行程時間。為此，在介質(zhì)的流動方向和與流動方向相反的方向上，交替發(fā)射和接收超聲傳感器的超聲測量信號?；诔暅y量信號的行程時間之差，測定流速，并且在已知管道直徑的情況下由此得到體積流量，或者在已知介質(zhì)密度的情況下由此得到質(zhì)量流量。
在多普勒原理的情況中，預(yù)定頻率的超聲測量信號被耦合入流動介質(zhì)。分析在介質(zhì)中反射的超聲測量信號?；谠谌肷浼胺瓷涑暅y量信號之間產(chǎn)生的頻移，也可以確定介質(zhì)的流速或體積和/或質(zhì)量流量。然而，根據(jù)多普勒原理工作的流量測量儀表的使用僅僅可以在介質(zhì)中存在上面可以反射超聲測量信號的氣泡或雜質(zhì)時可行。于是，與根據(jù)行程時間差原理工作的超聲流量測量儀表相比，這種超聲流量測量儀表的使用非常有限。
關(guān)于測量儀表的類型，引入管道中的超聲流量測量儀表和其中超聲換能器被利用夾鉗機構(gòu)從外部壓在管道上的夾鉗式流量測量儀表不同。夾鉗式流量測量儀表例如在EP 0 686 255 B1和US-PS 4,484,478或US-PS 4,598,593中有所記載。
在這兩種超聲流量測量儀表的情況中，超聲測量信號被以預(yù)定角度輻射進入管道(流動介質(zhì)位于其中)和/或從該管道接收超聲測量信號。為了能夠以一定的角度將超聲測量信號輻射入管道并因而進入介質(zhì)，在夾鉗式流量測量儀表的情況中，通過中間元件，例如耦合楔實現(xiàn)超聲測量信號到管道的入射和出射。然而，為了獲得最佳的阻抗匹配，已知由合適的折射材料，例如塑料制造耦合楔。超聲換能器的主要部件通常是至少一個壓電元件，其產(chǎn)生和/或接收超聲測量信號。
另外，在過程自動化中越來越需要使用兩線制儀表。與在測量儀表和遠程控制位置之間發(fā)生通信的測量儀表相比，兩線制儀表同樣通過分離的線路實現(xiàn)測量儀表的供電，優(yōu)點在于節(jié)省了至少一條導(dǎo)線或?qū)Ь€對。通過節(jié)省線路，成本和安裝時間顯著減少。另外，由于較低的能耗，兩線制儀表最適用于有爆炸危險的區(qū)域，這使它與三線制或四線制儀表相比具有突出的吸引之處。
然而，在兩線制儀表的情況中，除了顯著減少可用能量之外，存在滿足測量儀表的能量需求的問題。正如已經(jīng)指出的，在超聲流量測量儀表的情況中，超聲測量信號被發(fā)送經(jīng)過被測介質(zhì)，并且另外，在夾鉗式流量測量儀表的情況中，超聲測量信號被輻射經(jīng)過管壁而進入被測介質(zhì)，然后輻射出被測介質(zhì)。由于不好的阻抗比，經(jīng)歷超聲測量信號的主要衰減，從而需要的幅度處于20～120dB的量級。超聲測量信號的頻率位于大約100kHz～10MHz之間。在這個頻率范圍中工作的電子元件需要較大的電流，而這與在超聲流量測量儀表中使用兩線制技術(shù)是對立的。
本發(fā)明的目的是提供一種優(yōu)選地以兩線制技術(shù)進行流量測量的裝置，其突出之處在于優(yōu)化的電流消耗或者相對較小的能耗。
這個目的以本發(fā)明的裝置的第一實施例實現(xiàn)，其特征在于提供具有第一時鐘脈沖率的第一時鐘脈沖發(fā)生器和具有第二時鐘脈沖率的第二時鐘脈沖發(fā)生器，其中第一時鐘脈沖發(fā)生器的第一時鐘脈沖率大于第二時鐘脈沖發(fā)生器的第二時鐘脈沖率；并且控制/分析單元間歇地操作第一時鐘脈沖發(fā)生器，其中控制/分析單元依賴于可用能量測定接通或測量相位和/或靜止相位的持續(xù)時間。于是，測量相位的持續(xù)時間是可變的并且例如被確定，以使它最優(yōu)地匹配可用能量。
在本發(fā)明的另一實施例中，通過以下特征實現(xiàn)該目的第一時鐘脈沖發(fā)生器以第一時鐘脈沖率工作，第二時鐘脈沖發(fā)生器以第二時鐘脈沖率工作，其中第一時鐘脈沖發(fā)生器的第一時鐘脈沖率大于第二時鐘脈沖發(fā)生器的第二時鐘脈沖率；并且這樣選擇第一時鐘脈沖發(fā)生器的時鐘脈沖率，使得存在接通相位或測量相位期間操作裝置所需的最小能量。在這種情況中，第一時鐘脈沖發(fā)生器的時鐘脈沖率同樣是恒定的。
本發(fā)明的上述實施方式基于以下事實超聲流量測量儀表的放大器上的電流的主要部分由控制/分析單元以及相關(guān)聯(lián)的快速時鐘脈沖發(fā)生器或振蕩器消耗。為了使控制/分析單元正確運轉(zhuǎn)，必須持續(xù)向它提供時鐘脈沖?？刂?分析單元由微處理器和邏輯電路的組合構(gòu)成。這個控制/分析單元與兩個時鐘脈沖發(fā)生器相關(guān)聯(lián)第一時鐘脈沖發(fā)生器是快速時鐘脈沖發(fā)生器，其比慢速第二時鐘脈沖發(fā)生器的電流消耗要高。這個快速時鐘脈沖發(fā)生器是行程時間測量、超聲測量信號采樣、數(shù)據(jù)載入存儲器單元、計算流經(jīng)測量管的流量等等所需要的。
第二時鐘脈沖發(fā)送器是相對慢速的時鐘脈沖發(fā)生器，其比第一快速時鐘脈沖發(fā)生器的電流消耗小。這個時鐘脈沖發(fā)生器是作為待機時鐘脈沖發(fā)生器所需的。在不需要具有較高電流消耗的快速時鐘脈沖發(fā)生器的持續(xù)時間中，根據(jù)本發(fā)明，將該快速時鐘脈沖發(fā)生器去活?，F(xiàn)在，僅僅通過慢速時鐘脈沖發(fā)生器向控制/分析單元提供時鐘脈沖。如果控制/分析單元處于待機模式，那么它消耗較少的電流。一旦再次需要快速時鐘脈沖發(fā)生器，它就再次被激活。
在本發(fā)明的裝置的具有優(yōu)點的進一步發(fā)展中，流量測量儀表是夾鉗式流量測量儀表或可引入容器的測量儀表。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，第一時鐘脈沖發(fā)生器是振蕩器的構(gòu)造是具有優(yōu)點的。對于第二時鐘脈沖發(fā)生器，優(yōu)選地使用石英，例如時鐘石英。這提供了成本低廉的解決方案。
特別地，進一步，控制/分析單元間歇地操作第二時鐘脈沖發(fā)生器。然而，還可以持續(xù)操作第二時鐘脈沖發(fā)生器，因為它由于較低的時鐘脈沖率而具有相對較低的能耗。
在本發(fā)明的裝置的具有優(yōu)點的實施例中，提供電流傳感器，其向控制/分析單元發(fā)送有關(guān)在預(yù)定時刻的可用電流的信息。另一種可能是從測量變量確定電流。另外，控制/分析單元根據(jù)在預(yù)定時刻的可用電流，確定第一時鐘脈沖發(fā)生器和/或第二時鐘脈沖發(fā)生器的測量和/或靜止相位的持續(xù)時間。
現(xiàn)在根據(jù)附圖詳細解釋本發(fā)明，附圖中

圖1是本發(fā)明的裝置的實施例的示意圖；圖2是顯示本發(fā)明的裝置的操作的框圖；圖3是時序圖，其中a)第一時鐘脈沖發(fā)生器b)第二時鐘脈沖發(fā)生器，c)禁用信號(Disable)；和圖4是用于操作安裝在本發(fā)明的裝置中的控制/分析單元的流程圖。
圖1顯示了本發(fā)明的超聲流量測量儀表1的實施例的示意圖。測量儀表1是夾鉗式流量測量儀表。在所示的情況中，測量儀表1根據(jù)已知的行程時間差方法確定介質(zhì)4的體積流量或質(zhì)量流量。
夾鉗式超聲流量測量儀表1的基本部件包括兩個超聲換能器5、6和控制/分析單元11。利用圖1中未特別示出的緊固工具將兩個超聲換能器5、6安裝在管道2上，彼此相距距離L。合適的緊固工具在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的并且由本申請人出售。介質(zhì)4在流動方向S上流經(jīng)內(nèi)徑為di的管道2。
超聲換能器5、6包括至少一個壓電元件9、10作為組成部件，其產(chǎn)生和/或接收超聲測量信號。超聲測量信號被經(jīng)由耦合楔7、8射入或射出介質(zhì)4在其中流動的管道2。耦合楔7、8這樣以已知的方式實現(xiàn)，使得在從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)的過渡中獲得盡可能好的阻抗匹配。SP代表聲音路徑，超聲測量信號在其上傳播進入管道2和介質(zhì)4。在所示的情況中，顯示了超聲換能器5、6的所謂的雙渡越設(shè)置。在這種情況中，渡越表示聲音路徑SP的一部分，超聲測量信號在其上橫跨容器2一次。依賴于超聲換能器5、6的設(shè)置以及是否在聲音路徑SP中提供反射器元件，渡越可以在直徑上或者弦上進行。
盡可能這樣測定兩個超聲換能器5、6的間距L，使得由每一超聲換能器5、6輻射入管道2的能量大部分被另一超聲換能器6、5接收。兩個超聲換能器5、6的最優(yōu)間距L依賴于多個系統(tǒng)和過程變量。如果這些變量是已知的，那么可以通過超聲測量信號的行程時間高度精確地計算超聲換能器5、6的最優(yōu)間距L。以已知的方式在計算中使用Snell定律。系統(tǒng)和過程變量特別地包括管道2的內(nèi)徑di、管壁3的厚度w、在管道2的材料中的聲速cr或者在介質(zhì)4中的聲速c。
圖2顯示了本發(fā)明的裝置1的操作的框圖，而圖3a、3b、3c分別顯示了第一時鐘脈沖發(fā)生器12、第二時鐘脈沖發(fā)生器13和禁用信號的時序圖，控制/分析單元11利用該禁用信號接通和切斷第一時鐘脈沖發(fā)生器12。盡管第一時鐘脈沖發(fā)生器12間歇地操作，在所示情況中，第二時鐘脈沖發(fā)生器13連續(xù)操作。與第一時鐘脈沖發(fā)生器12相關(guān)聯(lián)的是計數(shù)器14，與第二時鐘脈沖發(fā)生器13相關(guān)聯(lián)的是計數(shù)器15。
正如上面已經(jīng)提到的，超聲流量測量儀表1的放大器上的電流I的主要部分由控制/分析單元11以及相關(guān)聯(lián)的快速振蕩器(這里是時鐘脈沖發(fā)生器12)消耗。為了控制/分析單元11正常工作，必須持續(xù)向它提供時鐘脈沖?？刂?分析單元11由微處理器和邏輯電路的組合構(gòu)成。與這個控制/分析單元11相關(guān)聯(lián)的是兩個時鐘脈沖發(fā)生器12、13。對于行程時間測量、超聲測量信號采樣、測量數(shù)據(jù)載入存儲器單元和計算流經(jīng)測量管2的介質(zhì)4的流量，需要具有較高時鐘脈沖率fFast的第一時鐘脈沖發(fā)生器12。
具有較慢時鐘脈沖率fSlow的第二時鐘脈沖發(fā)生器13比第一快速時鐘脈沖發(fā)生器12的電流消耗低。需要時鐘脈沖發(fā)生器13作為待機時鐘脈沖發(fā)生器。根據(jù)本發(fā)明，具有較高電流消耗的快速時鐘脈沖發(fā)生器12在不被需要的持續(xù)時間(靜止相位)中被去活?，F(xiàn)在，控制/分析單元11僅僅由具有較慢時鐘脈沖率fSlow的時鐘脈沖發(fā)生器13提供時鐘脈沖。如果控制/分析單元11在這種待機模式中，那么它消耗校對較小的電流I。一旦再次需要具有較高時鐘脈沖率fFast的時鐘脈沖發(fā)生器12，或者一旦有足夠的能量可用于操作超聲流量測量儀表1，就再次激活具有較高時鐘脈沖率fFast的第一時鐘脈沖發(fā)生器12。
圖4顯示了在本發(fā)明的裝置中使用的控制/分析單元11的操作的流程圖。特別地在圖4中顯示了何時使用哪一時鐘脈沖發(fā)生器12、13，或者從一個時鐘脈沖發(fā)生器12、13切換至另一時鐘脈沖發(fā)生器13、12是什么規(guī)則。
程序從點16開始。在程序點17，將第一計數(shù)器14設(shè)置為計數(shù)器狀態(tài)NFast＝0。由于Disable被設(shè)置為1，具有時鐘脈沖頻率fFast的快速時鐘脈沖發(fā)生器12被關(guān)斷。同樣，第二計數(shù)器15被設(shè)置為計數(shù)器狀態(tài)NSlow＝0。然后，控制/分析單元11規(guī)定測量相位的持續(xù)時間Tmper?？梢砸灾辽賰煞N方式確定測量相位的持續(xù)時間Tmper的規(guī)定和/或計算1.測量相位的持續(xù)時間Tmper是恒定的(Tmper＝const.)。這樣選擇測量相位或測量周期的持續(xù)時間Tmper，使得總不會超過可用的最小能量。
2.測量相位的持續(xù)時間Tmper是可變的，并且被根據(jù)可用能量而最優(yōu)地預(yù)計算或預(yù)確定?？捎媚芰恳蕾囉诋?dāng)前測量變量的值。當(dāng)前測量變量例如是流量。由于例如在4～20mA技術(shù)中，測量的流量值對應(yīng)于一定的電流值，所以從以下公式計算可用電流Current I＝4mA+((測量變量)*16mA))/(滿標(biāo)度)于是，1/Tmper＝f(I)，其中F是單調(diào)遞增函數(shù)。結(jié)果，測量相位的測量周期或持續(xù)時間Tmper越小，電流I越大。在程序點18進行電流I以及當(dāng)前可用能量的計算。當(dāng)然，還可以將能量存儲在能量存儲元件中。一旦下一測量相位所需的能量可用，控制/分析單元11就啟動下一測量相位。
在點19，程序比較慢速時鐘脈沖發(fā)生器13的計數(shù)器15的計數(shù)器狀態(tài)Nslow是否大于TMper*fSlow。一旦已經(jīng)達到預(yù)定的計數(shù)器狀態(tài)，程序跳轉(zhuǎn)至程序點20并激活快速時鐘脈沖發(fā)生器12。一旦快速時鐘脈沖發(fā)生器穩(wěn)定工作，就可以開始下一測量相位。在測量時間Tmess期間，啟動計數(shù)器15。當(dāng)計數(shù)器15的計數(shù)器狀態(tài)Nslow大于TMess*fFast時，必須結(jié)束測量。這個檢查在程序點21進行。如果滿足所述條件，則再次去活快速時鐘脈沖發(fā)生器12，并且程序在循環(huán)中跳回程序點17。
權(quán)利要求
1.用于確定和/或監(jiān)控在流動方向(S)上流經(jīng)容器(2)的介質(zhì)(4)的體積和/或質(zhì)量流量的裝置，其包括至少一個超聲換能器(5，6)，其發(fā)送和/或接收超聲測量信號；和控制/分析單元(11)，其根據(jù)行程時間差原理或根據(jù)多普勒原理，基于超聲測量信號確定容器(2)中的介質(zhì)(4)的體積和/或質(zhì)量流量，其特征在于，提供具有第一時鐘脈沖率(fFast)的第一時鐘脈沖發(fā)生器(12)和具有第二時鐘脈沖率(fSlow)的第二時鐘脈沖發(fā)生器(13)，其中第一時鐘脈沖發(fā)生器(12)的第一時鐘脈沖率(fFast)大于第二時鐘脈沖發(fā)生器(13)的第二時鐘脈沖率(fSlow)；并且控制/分析單元(11)間歇地操作第一時鐘脈沖發(fā)生器(12)，其中控制/分析單元(11)依賴于可用能量測定接通或測量相位和/或靜止相位的持續(xù)時間。
2.用于確定和/或監(jiān)控在流動方向(S)上流經(jīng)容器(2)的介質(zhì)(4)的體積和/或質(zhì)量流量的裝置，其包括至少一個超聲換能器(5，6)，其發(fā)送和/或接收超聲測量信號；和控制/分析單元(11)，其根據(jù)行程時間差原理或根據(jù)多普勒原理，基于超聲測量信號確定容器(2)中的介質(zhì)(4)的體積和/或質(zhì)量流量，其特征在于，提供具有第一時鐘脈沖率(fFast)的第一時鐘脈沖發(fā)生器(12)和具有第二時鐘脈沖率(fSlow)的第二時鐘脈沖發(fā)生器(13)，其中第一時鐘脈沖發(fā)生器(12)的第一時鐘脈沖率(fFast)大于第二時鐘脈沖發(fā)生器(13)的第二時鐘脈沖率(fSlow)；并且這樣選擇第一時鐘脈沖發(fā)生器(12)的時鐘脈沖率(fFast)，使得存在接通相位或測量相位期間操作裝置所需的最小能量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中流量測量儀表(1)是夾鉗式流量測量儀表或可引入容器(2)的測量儀表。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中第一時鐘脈沖發(fā)生器(12)是振蕩器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中第二時鐘脈沖發(fā)生器(13)是石英。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的裝置，其中控制/分析單元(11)間歇地操作第二時鐘脈沖發(fā)生器(13)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的裝置，其中第二時鐘脈沖發(fā)生器(13)被持續(xù)操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中提供電流傳感器，其向控制/分析單元(11)發(fā)送有關(guān)在預(yù)定時刻的可用電流的信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中控制/分析單元(11)根據(jù)在預(yù)定時刻的可用電流，確定第一時鐘脈沖發(fā)生器(12)和/或第二時鐘脈沖發(fā)生器(13)的測量和/或靜止相位的持續(xù)時間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定和/或監(jiān)控在流動方向(S)上流經(jīng)容器(2)的介質(zhì)(4)的體積和/或質(zhì)量流量的裝置，其包括至少一個超聲換能器(5，6)，其發(fā)送和/或接收超聲測量信號；和控制/分析單元(11)，其根據(jù)行程時間差原理或多普勒原理，基于超聲測量信號確定容器(2)中的介質(zhì)(4)的體積和/或質(zhì)量流量。根據(jù)本發(fā)明，提供具有第一時鐘脈沖率(fFast)的第一時鐘脈沖發(fā)生器(12)和具有第二時鐘脈沖率(sSlow)的第二時鐘脈沖發(fā)生器(13)，其中第一時鐘脈沖發(fā)生器(12)的第一時鐘脈沖率(fFast)大于第二時鐘脈沖發(fā)生器(13)的第二時鐘脈沖率(fSlow)。控制/分析單元(11)間歇地操作第一時鐘脈沖發(fā)生器(12)，其中控制/分析單元(11)依賴于可用能量測定接通或測量相位和/或靜止相位的持續(xù)時間。
文檔編號G01F1/66GK1950678SQ200580014574
公開日2007年4月18日 申請日期2005年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月7日
發(fā)明者托馬斯·弗勒利希, 克勞斯·比桑熱, 索爾·雅各布森 申請人:恩德斯+豪斯流量技術(shù)股份有限公司