專利名稱：超聲流體振動流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種超聲流體振動流量計，用來測定待測流體的流量，采用向流體發(fā)送超聲波，引起流體振動并接收經(jīng)流體振動調(diào)制的超聲信號的方法，尤其是有效地消除了噪聲，使改進(jìn)的超聲流體振動流量計能夠穩(wěn)定的工作。
作為流體振動流量計的先有技術(shù)，有一種用來測量待測流體流量的渦旋流量計，當(dāng)待測流體撞擊渦旋發(fā)生器，用一種引起流體振動的方式發(fā)送超聲波到渦旋上，用記數(shù)渦旋的數(shù)量和其頻率來測量流量;另一種測量待測流體流量的是射流流量計，通過一個噴咀把流體噴射的一股射流沖射沖擊板，并引起流體的振動，采用安裝在測量管道內(nèi)壁上的壓電傳感器，測定流體振動的頻率，并從形成在射流兩側(cè)的壓力差測定流體的流量。
本說明中，對這些流體振動流量計的先有技術(shù)，將以渦旋流量計作為先有技術(shù)的基礎(chǔ)。首先，以一種渦旋流量計已在日本實用新型出版物第48-17010中公開的“流速測量裝置”，結(jié)合

圖1至圖3作梗概說明如下。
圖1是一結(jié)構(gòu)圖，表示先有技術(shù)渦旋流量計的結(jié)構(gòu)。在圖中，將安放在流體中用以產(chǎn)生卡門渦旋的一個渦旋發(fā)生器1，以一圓柱形物體來表示。參考數(shù)字(2)表示由渦旋發(fā)生器1所生成的渦旋，(3)表示測量管道，待測流體在其中流動，(4)是超聲信號發(fā)送器，而(5)是一個超聲信號接收器。
這些超聲信號發(fā)送器4和超聲信號接收器5，被安裝在測量管道3上渦旋發(fā)生器1的下游處，彼此面對著并與流體的流動方向大致成為一個直角，并組成為一檢測器用來檢測所生成的卡門渦旋數(shù)目(單位時間內(nèi)流過的渦旋數(shù)目)。
如果在超聲信號的傳播路徑上沒有渦旋，圖1中傳播路徑用虛線表示，則其傳播時間τ可用下式表示τ0＝D/CA (1)其中D是超聲信號發(fā)送器4和超聲信號接收器5之間的距離，而CA是介質(zhì)中的聲速。
其次，若管道中存在卡門渦旋，而超聲波的發(fā)送方向和渦旋的速度分量V1的方向相同時，傳播時間τ1可以下式表示τ1＝〔dv/(CA+V1)〕+〔(D-dv)/CA〕(2)其中dv是渦旋的直徑。
還有，若管道中存在卡門渦旋，而超聲波的發(fā)送方向與渦旋速度分量V2的方向相反時，傳播時間τ2可以下式表示τ2＝〔dv/(CA-V2)〕+〔(D-dv)/CA〕(3)其中dv是渦旋的直徑。
以上所述，可以用超聲信號的傳播時間隨時間t的變化表示在圖2中，由于在單位時間內(nèi)信號的傳播時間的變化次數(shù)與通過傳播路徑的渦旋數(shù)目是相等的，也就是說，與所生成的卡門渦旋數(shù)目是相等的，用一個適當(dāng)?shù)难b置通過變化次數(shù)的計數(shù)，就可找出流體的流量。
圖3表示一種變化次數(shù)的計數(shù)裝置，由包括一脈沖發(fā)生器、放大器等的電子電路6，調(diào)頻信號調(diào)制器7和計數(shù)器8等組成。
電子電路6施加一脈沖信號給超聲信號發(fā)送器4，超聲信號發(fā)送器4將超聲信號發(fā)送給渦旋。另一方面，超聲信號接收器5也是通過電子電路6將一個徑渦旋調(diào)制的接收信號生成的新的脈沖信號，旋加于超聲信號發(fā)送器4。
其結(jié)果，生成一頻率與總的延遲時間成反比的脈沖信號P0，總的延遲時間是與超聲信號發(fā)送器4的延遲時間、流體中的傳播時間、超聲信號接收器5的延遲時間以及回路中的其它延遲時間的總和相對應(yīng)。
因為每次卡門渦旋通過流體的傳播時間發(fā)生變化，故脈沖信號P0是一個頻率被渦旋調(diào)制過的信號。該脈沖信號P0經(jīng)解調(diào)器7解調(diào)并施加于計數(shù)器8。根據(jù)計數(shù)器8的記數(shù)結(jié)果就可得到流體的流量。
然而，雖然上述渦旋流量計在原理上是可行的，但在實際試圖使之成為產(chǎn)品時卻問題隨之出現(xiàn)。采用圖4中所示的渦旋流量計的縱向剖面圖來說明所出現(xiàn)的問題。
渦旋發(fā)生器1是被安裝在用不銹鋼制成的測量管道3的直徑方向上，而超聲信號發(fā)送器4和超聲信號接收器5是安裝在管道3的外壁上，渦旋發(fā)生器1的下游處并且彼此相對，處于與待測流體不相接觸的狀態(tài)。
結(jié)果，當(dāng)超聲波從超聲信號發(fā)送器4發(fā)送時，有一個在圖上用虛線表示的超聲波B通過測量管道3的內(nèi)部，被超聲信號接收器5接收，一個在圖上用細(xì)線表示的超聲波C，作為駐波在測量管道3的內(nèi)壁來回反射之后被超聲信號接收器5接收，另外一個在圖上用粗線表示的超聲波A與渦旋交叉通過傳播路徑，被超聲信號接收器5接收。
超聲波B和C為噪聲，由于超聲信號接收器5檢測的超聲波中包括這些噪聲，以因為超聲信號發(fā)送器4發(fā)送的超聲波是一個連續(xù)波，所以在圖3所示渦旋流量計結(jié)構(gòu)中，不可能穩(wěn)定地、準(zhǔn)確地檢測到渦旋。
綜上所述，在測量管道中有噪聲傳播和在測量管道中形成駐波，這一存在于渦旋流量計先有技術(shù)中的問題，使之不可能形成為產(chǎn)品。
另外，前述射流流量計中存在的問題是它是利用設(shè)在測量管道內(nèi)壁上的接觸流體型的壓電傳感器，來檢測射流兩側(cè)的壓力變化，所以它不能用于測量具有腐蝕性或被污染的待測流體。
于是，本發(fā)明的一個目的是要克服先有技術(shù)中存在的問題，所提供的流體振動流量計不受測量管道中噪聲傳播，和在測量管道中形成的駐波的影響。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種流體振動流量計，可用于有腐蝕性和受污染的待測流體。
為了達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明，一種通過向流體發(fā)送超聲波引起流體振動，并接收徑流體振動調(diào)制過的超聲波信號，用來測量流體流量的超聲流體振動流量計，其中包括一對超聲波發(fā)送器和超聲波接收器安裝在測量管道上，處于與待測流體不相接觸的狀態(tài)，用以發(fā)送和接收超聲波。
驅(qū)動裝置，用含有一個振蕩頻率的脈沖波，斷續(xù)地驅(qū)動超聲波發(fā)送器。
標(biāo)準(zhǔn)定時裝置，用來送出標(biāo)準(zhǔn)信號的控制發(fā)送脈沖波的時間。
取樣信號發(fā)生裝置，用來生成與標(biāo)準(zhǔn)信號同步的取樣信號，脈沖起點時間是隨測量管道的直徑和待測流體的聲速的改變而改變的。
取樣裝置，用來抽取一個調(diào)幅信號，調(diào)幅信號是由于調(diào)頻信號引起流體在超聲接收器內(nèi)的振動，借助取樣信號使它的振幅被調(diào)制。
濾波裝置，用來找出由取樣裝置抽取的調(diào)幅信號的包絡(luò)線，從包絡(luò)線內(nèi)對流體的振動頻率進(jìn)行檢波。
本發(fā)明的特性、以及其它目的，用途和優(yōu)點將通過以下詳盡的闡述和附圖而更為明了。
圖1是一個先有技術(shù)渦旋流量計檢測段的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是一個說明圖1所示渦旋流量計工作時的波形圖。
圖3是一個表示整體的結(jié)構(gòu)圖，其中包括圖1所示的渦旋流量計的檢測段。
圖4是為解釋圖1所示渦旋流量計的一個問題的說明圖。
圖5表示本發(fā)明的一個實施例的方框圖。
圖6A至圖6G是表示圖5所示實施例工作時的波形圖。
圖7是表示圖5所示實施例工作時的另一個波形圖。
圖8是圖5所示超聲波發(fā)送器和超聲波接收器的等效電路圖。
圖9是表示圖5所示超聲波發(fā)送器和超聲波接收器的阻抗特性的特性曲線。
圖10是圖5所示實施例結(jié)構(gòu)的一個改進(jìn)部分的局部縱向剖面圖。
圖11是圖10所示超聲波接收器的內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)的縱向剖面圖。
圖12是說明附有一個固定壓電振蕩器的阻抗特性變化的特性曲線。
圖13a和13b是圖5所示另一實施例的超聲波接收器的縱向剖面圖。
圖14是圖5所示實施例經(jīng)改進(jìn)，為消除超聲波發(fā)送/接收表面的彎曲影響的結(jié)構(gòu)橫向剖面圖。
圖15是為說明當(dāng)測量管道曲率增大時的影響的橫向剖面圖。
圖16是說明當(dāng)測量管道具有一個入射角時，入射角度與能量分布率之間關(guān)系的特性曲線。
圖17是圖5所示實施例為消除超聲波發(fā)射/接收表面的彎曲影響，經(jīng)改進(jìn)后的另一結(jié)構(gòu)橫向剖面圖。
圖18a，18b和18c為說明用時間差分離噪聲問題的波形圖。
圖19是為說明在具有一個曲率的測量管道內(nèi)部，超聲波信號傳播情況的解釋圖。
圖20是表示為減少在測量管道內(nèi)部波的傳播，經(jīng)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)橫向剖面圖。
圖21a和21b是表示為減少在測量管道內(nèi)部波的傳播，經(jīng)改進(jìn)的另外的結(jié)構(gòu)橫向剖面圖。
圖22是考慮到在厚度剪切方向和厚度方向的頻率與阻抗關(guān)系的特性曲線。
圖23是圖5所示振蕩器經(jīng)改進(jìn)后的一個振蕩器結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖24是圖5所示的振蕩器經(jīng)改進(jìn)后的另一個振蕩器結(jié)構(gòu)的縱向剖面圖。
圖25a和25b是對于一對超聲波發(fā)送器和超聲波接收器在共振頻率附近，頻率與阻抗特性關(guān)系的頻率分布曲線。
圖26是圖5所示本實施例程序改進(jìn)后的一個信號處理過程的方框圖。
圖27是圖26所示的一個可變高通濾波器具體結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖28a，28b和28c是為說明圖26所示電路工作時，各部分電路的波形曲線。
圖29是本發(fā)明的另一個實施例的結(jié)構(gòu)，其中它的傳感器被經(jīng)過改進(jìn)了的結(jié)構(gòu)圖。
現(xiàn)參照附圖，詳細(xì)闡述本發(fā)明的實施例。圖5是一張方框圖，表示本發(fā)明一種實施例的結(jié)構(gòu)。
一根例如是用不銹鋼制成的測量管道10，管內(nèi)流著待測流體。一個渦旋發(fā)生器11被安裝在沿測量管道10的直徑方向，且具有梯形截面形狀，一超聲發(fā)送器12安裝在測量管道10的外壁上，位于渦旋發(fā)生器11的下游側(cè)，處于與待測流體不相接觸的狀態(tài)。另外，一個超聲接收器13相對于超聲發(fā)送器12設(shè)置。
振蕩器14發(fā)送出一振蕩電壓Vos給開關(guān)15，以約為1-2光赫的振蕩頻率連續(xù)振蕩。開關(guān)15的開啟/閉合是受控于一門脈沖寬度為W1的標(biāo)準(zhǔn)信號S1。將振蕩電壓Vos施加于超聲發(fā)送器12，作為與門脈沖寬度為W1對應(yīng)的脈沖波SB阻尼電路16用標(biāo)準(zhǔn)信號S1開啟/閉合，用阻尼振動電壓VR使伴生在超聲發(fā)送器12中的一個緩慢起伏的剩余振蕩很快地衰減并終止于零電平。
一個標(biāo)準(zhǔn)定時電路17發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)信號S1，并給定一個取樣信號的時間標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)信號S1轉(zhuǎn)入高電平時，打開開關(guān)15，當(dāng)S1轉(zhuǎn)入低電平時，打開阻尼電路16的電阻，與此同時標(biāo)準(zhǔn)定時電路17向取樣信號發(fā)生電路18輸出標(biāo)準(zhǔn)信號S1。
取樣信號發(fā)生電路18接收標(biāo)準(zhǔn)信號S1，經(jīng)過一段時間T延遲后，將它作為一取樣信號S2和復(fù)位信號S3輸出，其中的時間T是由測量管道10的內(nèi)徑L和待測流體的聲速CA之比(L/CA)來確定。
取樣信號S2具有預(yù)先設(shè)定的門脈沖寬度W2，它是與門脈沖寬度W1相對應(yīng)的，而復(fù)位信號S3被作為信號輸出，它是在門脈沖寬度W2的一個非常短的時間寬度內(nèi)復(fù)位的。
另一方面，超聲接收器13收到的調(diào)幅信號SA，用預(yù)放大器19放大，并輸出到取樣電路20。取樣電路20只抽取取樣信號S21中進(jìn)入門脈沖寬度W2的調(diào)幅信號SA，并輸出到一調(diào)諧放大器21。
調(diào)諧放大器21選擇并放大所抽樣的調(diào)幅信號SA，作為調(diào)諧信號Ss輸出到下一階段峰值檢波/半波電路22。調(diào)諧放大器21的Q值設(shè)得較正常值為低，也就是說，例如Q約等于10到20。
因為波是連續(xù)輸出的，超出包含在門脈沖寬度W1中的振蕩頻率fos的預(yù)定波的數(shù)目，即使沒有脈沖波輸出，如果Q值大也會對下一個信號過程中產(chǎn)生影響。
復(fù)位信號S3被施加到峰值檢波/半波電路22，通過重復(fù)地保持調(diào)諧信號Ss的峰值，和在保持峰值之前重新設(shè)定的一個短的時間間隔，形成一個與調(diào)諧信號Ss相對應(yīng)的矩形波，隨后被半波整流輸出一個半波整流電壓SH該半波整流電壓SH輸出到低通濾波器23，低通濾波器具有高截止頻率，消除產(chǎn)生在峰值檢波/半波電路22中的噪聲等，并輸出到主低通濾波器24。
主低通濾波器24被設(shè)置在一個低截止頻率處，它消除渦旋信號中的噪聲，即低頻噪聲，如流體噪聲，并輸出到施密特觸發(fā)電路25。施密特觸發(fā)電路25將主低通濾波器24輸出的渦旋信號轉(zhuǎn)化成一個脈沖信號Sv參照圖6A-6G及圖7所示波型，將對上述實施例的工作過程加以說明。
當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)信號S1(圖6B)處于高電平時，輸出振蕩電壓Vos(圖6A)的振蕩器14被打開，而當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)信號S1處于低電平時，則振蕩器14被關(guān)閉。圖6C所示的脈沖波SB被輸出到超聲發(fā)送器12。
由于在組成超聲發(fā)送器12的振蕩器中存有一個殘留振動，即使脈沖波SB展示為一個急劇變化狀態(tài)，并被施加于超聲發(fā)送器12，也會導(dǎo)致振蕩電壓VR中度起伏，如圖6D所示。
如果延長振動電壓VR的周期，將會持續(xù)到送出第二個脈沖波SB時刻。為了避免發(fā)生此類情況，在標(biāo)準(zhǔn)信號S1(圖6B所示)處于低電平期間即用阻尼電路16中的電阻終止超聲波發(fā)送器12，以快速集中殘留振動。
當(dāng)將脈沖波SB施加于超聲發(fā)送器12，從超聲發(fā)送器12發(fā)出的超聲波被送到渦旋。超聲波經(jīng)過渦旋調(diào)頻，并被超聲接收器13作為調(diào)幅信號SA(圖6E)接收。
在調(diào)幅信號SA中，除了經(jīng)渦旋調(diào)頻過的渦旋信號分量X外，與由通過測量管道10傳播的管道傳播波N1，和已參照圖6說明過的測量管道10內(nèi)壁之間傳播的駐波N2，所引起的噪聲混雜在一起(圖6E)。
該調(diào)幅信號SA按預(yù)定的倍數(shù)由前置放大器19放大，并輸出到取樣電路20。圖6F中所示的取樣信號S2由取樣信號發(fā)生電路18施加于取樣電路20，通過取樣信號S2抽取調(diào)幅信號SA渦旋信號分量X出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)信號S1送出經(jīng)過時間T之后，也就在此時刻它被取樣信號S2抽取。被抽取的調(diào)幅信號SA所包含的渦旋信號分量X，經(jīng)由調(diào)諧放大器21放大，并從其輸出端輸出，如圖6G中所示的調(diào)諧信號Ss由于圖6B中所示的標(biāo)準(zhǔn)信號S1是以預(yù)先確定的時間間隔連續(xù)地送出，當(dāng)按時間序列方式排列形成如圖7中所示的調(diào)諧信號波形。對應(yīng)于渦旋信號分量X的部分被包含在此波形中。在此情況下，α部分表示當(dāng)超聲波方向與卡門渦旋方向相反時的情況，β部分表示當(dāng)超聲波的方向與卡門渦旋的方向相同時的情況，也就是說，峰值和渦旋是一一對應(yīng)的。
因此，獲得的調(diào)諧信號Ss被輸出到峰值檢波/半波電路22。復(fù)位信號S3被施加于峰值檢波/半波電路22，以形成調(diào)諧信號Ss的矩形波。調(diào)諧信號被電路22半波整流，并從電路輸出端輸出半波整流電壓SH半波整流電壓SH中的噪聲由低通濾波器23，和主低通濾波器24消除，而半波整流電壓SH是以脈沖信號Sv輸出的，該信號與施密特觸發(fā)電路25的輸出端的渦旋數(shù)目相對應(yīng)。
其次，使圖5所示超聲接收器13能夠大量地、穩(wěn)定地接收調(diào)幅信號SA的條件將在下面說明。
如沒有渦旋時，傳播時間τ0由表達(dá)式(1)給出。如有一個渦旋存在時，傳播時間τ0考慮公式(2)和(3)，由下式給出τ3＝〔dv/(CA+VASinωvt)〕+〔(D-dv)/CA〕(4)其中VASinωvt是渦旋的流體振動，VA是渦旋的環(huán)流速度。
因此，當(dāng)渦旋流過時導(dǎo)致超聲波位相的改變?yōu)閐Φ＝(τ0-τ3)ωos(5)其中ωos(＝2πfos)是振蕩器14的振蕩電壓Vos的振蕩角頻率。
若假設(shè)最大相移為△Φ，根據(jù)關(guān)系式C2A≥V2A，給出以下表達(dá)式△Φ＝±VAdvωos/C2A(6)若假設(shè)此時的最大頻移為△fMAX，可得出△fMAX＝(△Φ)′＝2VAdvωos/C2A(7)另一方面，超聲接收器13含有壓電振動器，一個等效電路26在振動器的共振頻率fa和反共振頻率fr附近，可以一個并聯(lián)電路表示，其中電容C2與電感L1，電容C1和電阻R1的串聯(lián)電路并聯(lián)，在圖8中用虛線框出。
為了擴(kuò)大頻帶將一個電感L2串聯(lián)到并聯(lián)電路，并將電路拉出兩個終端T1和T2。從圖9可見，終端T1和T2的阻抗Z在共振頻率fa處為最小，在反共振頻率fr處為最大。
在這些頻率區(qū)域內(nèi)所見到的阻抗Z的變化大于其它頻率區(qū)域。因此，將振蕩頻率fos設(shè)置在共振頻率fa和反共振頻率fr之間，可得到一個大的阻抗變化量△Z。
因此，在超聲接收器13的輸出端可以獲得一個由渦旋調(diào)制后的大振幅的調(diào)幅信號。見圖6E，這也同樣應(yīng)用于調(diào)幅信號SA，當(dāng)其為波群(aburstowe)時。
順便說，圖8所示的裝置中電感L2是與超聲接收器13的振動器串聯(lián)的，這種裝置是當(dāng)頻帶變寬時降低共振頻率fa的一種方法。這樣的裝置使得振蕩頻率fos(從fa到fr)的作用范圍，有一個因溫度變化而引起的頻率fa和fr的變化余地。
另外，如果選用超聲發(fā)送器12的發(fā)送端的振蕩頻率fos為共振頻率時，則從振蕩器14發(fā)出的超聲波，將以最大效益發(fā)射給待測流體。因此，考慮其共振頻率為每個超聲波發(fā)送器和接收器來選擇振蕩頻率的大小，對于保持穩(wěn)定的操作是有益的。
現(xiàn)在對圖5中所示實施例檢測靈敏度的改進(jìn)予以說明。圖10是局部縱向剖面圖，表示圖5中所示安裝超聲發(fā)送器和超聲接收器的示范裝置。在測量管道10上，用來安裝超聲發(fā)送器12和超聲接收器13的那部分管壁厚度M，選擇為M＝ 是測量管道10內(nèi)的超聲波波長)使得此時的超聲波以最大程度地傳播。
圖11是縱向剖面圖表示圖10中所示超聲發(fā)送器12和超聲接收器13的具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。以超聲接收器13為例，超聲接收器13的外殼13A做成圓柱形狀帶有一個法蘭，例如用不銹鋼制成。壓電振動器13C通過一圓盤狀硅橡膠13B，粘結(jié)在外殼13A的底部。
采用硅橡膠或其它類似物將振動器彈性粘結(jié)，壓電振動器的兩端具有類似于自由體的阻抗特性，以此展示一個急劇的阻抗變化，如參照圖9所描述的那樣。
與此相反，如壓電振動器13C采用例如環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)在外殼13A上，則結(jié)合得太嚴(yán)密，其阻抗特性如圖12所示，基本上是平坦的特性曲線。
結(jié)果，由渦旋引起超聲波頻移，使阻抗變化變小，導(dǎo)致檢測靈敏度降低。出現(xiàn)此現(xiàn)象是因為圖8中電阻R1損耗的增大，這主要取決于聲荷載的情況。
圖13a和圖13b都是縱向剖面圖，表示圖11中所示超聲接收器的另一種實施例，圖13a表示整個壓電振動器用一彈性體覆蓋住，而圖13b表示部分壓電振動器是固定著的。
超聲接收器26的壓電振動器26B存放在用不銹鋼制成的圓柱形外殼26A中，用硅橡膠整個地覆蓋住以減小聲荷載。
為了減小聲荷載，在超聲接收器27的用不銹鋼制成的圓柱形外殼27A底部做一個圓柱形的凹入部分27B，在其中放入硅橡膠，在其上放一圓盤狀壓電振動器27C，并用一環(huán)27D固定壓電振動器的周邊。
順便說，雖然上述振動器中采用硅橡膠作為彈性體，但在本實施例中不僅限于用硅橡膠，采用其它彈性體也能減小聲荷載。
下面將對圖5中所示實施例中測量管道曲率的影響進(jìn)行說明。圖14是一橫截面圖，表示一種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，為消除圖5中所示實施例的超聲發(fā)送器/接收器表面的曲率影響。
測量管道28上有固定表面28A和28B，在其上安裝超聲發(fā)送器29和超聲接收器30，測量管道28的內(nèi)壁上有發(fā)送表面和接收表面28C和28D與固定表面平行，且彼此平行。
使測量管道的這些表面平行可改進(jìn)發(fā)送和接收效果。若表面28A和28C，表面28B和28D之間的間距為W，則選定W＝n(λ/2)，(n是正整數(shù)，λ是波長)，在對于例如是連續(xù)波的情況下，在發(fā)送過程中將不會出現(xiàn)反射波，如象本實施例那樣，利用脈沖波，這種做法也是有效的。
尤其是當(dāng)測量管道的孔徑較小時，如圖15所示的測量管道的曲率較大，傳送表面的中心和邊緣處的間距W(△W/W)的差異相對較大，傳送給待測流體的超聲波信號將變小。
另一方面，還有一點擔(dān)心如果入射角QL1太大，在接收中超聲波可能在邊緣部分完全反射，圖16是說明這一點的特性圖。
圖1b是一張?zhí)匦詧D，用來說明當(dāng)超聲信號從待測流體輸入時，超聲信號和能量分布率之間的關(guān)系，這里假設(shè)流體為水，并假設(shè)管道是鋼的，超聲信號是從管道13側(cè)邊接收的。
如圖16所示，大部分超聲信號輸入以入射角為θL1的縱波，在邊界表面反射成為反射波Lr，所生成的折射角為θL2的縱波分量Lt和折射角為θt2的橫波Tt，皆為傳送波。而它們之中可利用的僅是縱波分量Lt，其入射角高達(dá)約15°，在圖上可見沒有能量的分布。
綜上所示，尤其是在管道孔徑較小時，使組成超聲發(fā)送器和超聲接收器的壓電振動器設(shè)置為沿測量管道的軸向，具有較長的固定表面是有效的。
通過在測量管道32上設(shè)置一對通孔，并通過連接器33和34把超聲發(fā)送器29和超聲接收器30固定在其上，使之具有如圖17所示的平的發(fā)送/接收表面，這同樣也能使發(fā)送/接收超聲信號效率提高。
其次，解釋圖5所示實施例中使噪聲影響減小問題，參照圖4進(jìn)行說明。當(dāng)一對超聲發(fā)送器和超聲接收器以夾緊的方式安裝在測量管道上時，作為噪聲的超聲波通過測量管道傳播，并傳到超聲接收器，另外還發(fā)送到待測流體中。
通過測量管道的超聲波噪聲和通過待測流體傳播的超聲波信號是利用傳播距離與超聲波的聲速之間的差異，而引起的時間差來區(qū)分開的，如圖6所示。
在圖6所示的波形中，當(dāng)管道傳播波N1接近渦旋信號分量X時，其接近程度取決于測量管道的尺寸(主要是內(nèi)表面曲率，和厚度等)這些差異取決于管道的孔徑和壓力基準(zhǔn)等等。尤其在測量管道是小孔徑而渦旋頻率較高的情況下，取樣周期將被縮短。
如果取樣周期，即脈沖波的周期縮短了，其優(yōu)點是將有助于渦旋信號的重現(xiàn)，如圖5所示，從調(diào)幅包絡(luò)線重現(xiàn)了渦旋信號。
然而，對于被送出的第(n-1)個，第n個和第(n+1)個標(biāo)準(zhǔn)信號S1(圖18a)，會在前一個管道傳播波N1(n-1)(圖18b)和后一個渦旋信號分量X(n)(圖18c)之間出現(xiàn)波段重疊或逼近，如圖19所示，只依靠時間差的方式是很難將噪聲分開的。
另外，在測量管道中行進(jìn)的管道傳播波N1具有定向性，當(dāng)待測流體是水，約有93%被管道的邊界表面所反射，因此，反射波會與下一個超聲波結(jié)合。它在管道中再行進(jìn)則再次反射，這樣在一段時間內(nèi)反復(fù)，在這段時間中出現(xiàn)了數(shù)個脈沖波。
引起這一現(xiàn)象的原因是，當(dāng)一個平面超聲波傳輸?shù)竭吔绫砻鏁r，若邊界表面有一曲率，則從超聲發(fā)送器35發(fā)送的超聲信號將引起擴(kuò)散，同時在內(nèi)壁和外壁之間反射，如圖19所示。
另外，除了發(fā)出縱波之外，在測量管道35中還生成一個橫波。由于縱波的聲速約為5900米/秒，而橫波的聲速約為3230米/秒，這就很難精確預(yù)測管道傳播波到達(dá)超聲接收器的時間。此外，傳送到待測流體的超聲波信號的聲速有很大差異，是決定于流體的種類、溫度以及其它方面。
如果能減小管道傳播波N1的影響，則取樣信號S2的門脈沖寬度可以變寬，并因此帶來好處，由于流體條件所要求的調(diào)整不再必要，而且即使聲速發(fā)生變化，取樣仍是穩(wěn)定的。
圖20和圖21是橫向剖面圖，表示為減少測量管道中的管道傳播波的傳播而改進(jìn)了的結(jié)構(gòu)。在圖20中，在超聲發(fā)送器38和超聲接收器39的兩側(cè)，沿著管道的軸向，設(shè)置深槽37A到37D。用深槽37A到37D提供反射表面，大部分管道傳播波N1靠它們反射，從超聲發(fā)送器38傳送徑測量管道37到達(dá)超聲接收器39的噪聲電平已明顯地降低了。
在圖20中反射表面是用四個深槽構(gòu)成的，當(dāng)槽口淺時，可以增加槽的數(shù)目，也可預(yù)期達(dá)到同樣的效果。也可以在測量管道37的表面上設(shè)置許多凹的、凸的部分，而不僅是用凹槽來構(gòu)成反射表面。
在圖21a和21b中所示的管道中，圖21a中在測量管道40的四個角上設(shè)有L形槽口40A到40D作為反射面。圖21b中則在測量管道的上下表面分別設(shè)置凸出部分41A和41B。
下面，將解釋氣泡對圖5所示實施例的影響。如果待測流體中含有氣泡，則將使超聲波信號明顯減弱和得不到足夠的靈敏度，其影響程度取決于氣泡的尺寸大小。下面將就這點予以說明。
當(dāng)待測流體是為液體時，而存在于液體中的氣泡或粒子具有與待測流體不同的傳聲阻抗，則超聲波將被散射或吸收。尤其是當(dāng)氣泡進(jìn)入共振狀態(tài)，將使超聲波信號明顯減弱以至難以接收到。
氣泡共振頻率fr的不同取決于其直徑的不同(a表示半徑，單位厘米)在正常的溫度和壓力下可以用公式fr＝326/a(赫芝)。因此，必須選擇并采用不致于使氣泡發(fā)生共振的超聲波頻率。
當(dāng)采用鈦鉛鋯酸鹽陶瓷(壓電躍變)作壓電振動器，會產(chǎn)生沿厚度方向和厚度剪切方向的振動型式，其中縱向超聲波有效地發(fā)射到待測流體，其頻率比約為2∶1。因而若厚度方向是1兆赫則厚度剪切方向為500千赫。
圖22是表示厚度剪切方向和厚度方向的頻率一阻抗特性曲線。在厚度剪切方向的共振頻率f1附近展示一急劇的阻抗變化部分，而沿厚度方向在共振頻頻f2附近有急劇的阻抗變化部分。
當(dāng)圖5所示實施例中的超聲接收器13采用壓電振動器的阻抗變化特性曲線時，將會出現(xiàn)如圖22所示在厚度剪切方向共振頻率f1附近出現(xiàn)阻抗急劇變化部分，而采用這部分不會影響信號處理。
圖5中所示的振蕩器14，可以用圖23中所示振蕩器42來取代。在振蕩器42中，逆變器G1與G2串聯(lián)，電阻R2連接在逆變器G1的輸入端與輸出端之間，而逆變器G1的輸出端通過中間電阻R3和電容C3連接到共電位點COM;逆變器G1的輸入端通過電容C4連接到共電位點COM，并通過開關(guān)SW與用作厚度方向的振動的壓電振動器P21和用作厚度剪切方向振動的壓電振動器PZ2連接，SW開關(guān)用電容C3和電容C4之間的轉(zhuǎn)換信號CS來轉(zhuǎn)換位置。用轉(zhuǎn)換信號CS接通/斷開這些振動器可以消除氣泡的影響。
這樣，圖5中所示調(diào)諧放大器21的調(diào)諧頻率可調(diào)整為對應(yīng)于轉(zhuǎn)換信號CS進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即它們之間具有平坦的頻率特性曲線。
用轉(zhuǎn)換壓電振動器的振動型式來減少氣泡影響的裝置已結(jié)合圖23作了說明，同樣的效果也可以通過放入多對具有不同頻率，即具有不同厚度的PZ3，PZ4和PZ5來得到，用以構(gòu)成一個超聲發(fā)送器44，并依據(jù)氣泡的直徑將它們開/斷。
另外，對圖5所示實施中的發(fā)送/接收效率所作改進(jìn)予以說明。由于圖5所示實施例中是利用超聲發(fā)送器和超聲接收器中的壓電振動器的阻抗特性曲線急劇變化部分將由渦旋引起的頻率調(diào)制轉(zhuǎn)變?yōu)檎穹{(diào)制，如它們采用相同的壓電振動器，那么將會降低超聲發(fā)送器12和超聲接收器13的效率。
現(xiàn)將利用圖25a和圖25b中所示的頻率-阻抗特性曲線說明解決此問題的一種裝置。圖25a表示超聲發(fā)送器的特性曲線，圖25b則表示超聲接收器的特性曲線。
這些超聲發(fā)送器和超聲接收器中所用壓電振動器的共振點附近的等效電路在圖8中標(biāo)以參考數(shù)字(26)。圖25a中所示發(fā)送側(cè)的共振頻率fa和反共振頻率fr，此時可分別表示為fa＝1/2π(L1＊C1)1/2fr＝1/2π[L1＊C1＊C2/(C1+C2)]1/2同樣，接收側(cè)的共振頻率fa′和反共振頻率fr′表示在圖25b中。
這時，為了要使超聲發(fā)送器發(fā)送出一個強(qiáng)超聲波信號，將振蕩器14輸出的驅(qū)動振蕩頻率fos選為與用作超聲發(fā)送器中的壓電振動器的共振頻率相同。此時的特性曲線即為圖25a中所示的特性曲線。
另一方面，用作超聲接收器的壓電振動器的接收靈敏度可以得到提高，將發(fā)送側(cè)的壓電振動器共振頻率fa選定在共振頻率f′a和反共振頻率f′r之間部分，將部分阻抗呈現(xiàn)如圖25b所示的急劇變化。
綜上所述，作這樣的選定從振蕩器14輸出的驅(qū)動振蕩頻率fos選為與超聲發(fā)送器的壓電振動器共振頻率fa相同，而該共振頻率fa又處于用作超聲接受器的壓電振動器共振頻率f′a和反共振頻率f′r之間。
壓電振動器的共振頻率很容易改變，例如厚度方向的振動只要改變壓電振動器的厚度就可以改變。因此可以得到最佳整體發(fā)送/接收效率，有利于信號處理和操作的穩(wěn)定性。
還有，與接收信號保持在恒定電平時相反所要求的驅(qū)動功率可減小，這對于功率消耗受限制的場合是有用的，如用4mA電流驅(qū)動發(fā)送器的工業(yè)領(lǐng)域。
現(xiàn)解釋對圖5中所示實施例的實際產(chǎn)品必須附加信號處理過程的問題。圖26是圖5所示實施例的一種改進(jìn)信號處理過程的方塊圖。
在此信號處理過程中，為保持其長期可靠性和解決應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，對圖5所示實施例附加了必要的功能元件。在以下的敘述中，對那些與圖5中所示元件具有相同功能的元件以相同的參考數(shù)字表示，并省略了對它們的說明。
從振蕩器14將振蕩電壓Vos作為響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)信號S1的一個脈沖波SB輸出到超聲發(fā)送器12，經(jīng)過渦旋調(diào)制后的調(diào)幅信號SA被超聲接收器13接收。
調(diào)幅信號SA被輸出到自動增益放大器45，其增益由一控制信號Vc1調(diào)整，之后，通過調(diào)諧放大器21，和這些與圖5中所示電路具有相同功能的脈沖電路20和峰值檢波/半波電路22，從峰值檢波/半波電路22的輸出端以半波整流電壓SH′輸出。
半波整流電壓SH′被輸出到自動增益放大器45的一個增益控制終端作為控制信號Vc1，通過一常時電路46和DC放大器控制其增益。然后，半波整流電壓SH′還被輸出到一低通濾波器23和一可變高通濾波器48。
另一方面，控制信號Vc2被輸入可變高通濾波器48。從而其轉(zhuǎn)角頻率被修正并被輸出到主低通濾波器24。然后在施密特觸發(fā)電路25中產(chǎn)生脈沖并在其輸出端輸出脈沖信號Sv′。
圖27是可變高通濾波器48具體結(jié)構(gòu)的一種例子。低通濾波器23的輸出被輸入到電容C5的另一端，C5的另一端被連接到主低通濾濾器24。
電容C5的另一端通過電阻R4被連接到共電位點COM，通過由場效晶體管Q1和電阻R5阻成的串聯(lián)電路連接到共電位點COM，場效晶體管Q1是由控制電壓Vc2來控制其內(nèi)電阻的。用此控制電壓Vc2修正高通濾波器中的轉(zhuǎn)角頻率。
再利用F/V(頻率/電壓)轉(zhuǎn)換器49將脈沖信號Sv′轉(zhuǎn)換成模擬控制信號Vc2以控制可變高通過濾器48中的轉(zhuǎn)角頻率并輸出一脈沖信號Svo，該脈沖信號Svo與開關(guān)50輸出端的渦旋數(shù)目相對應(yīng)，用保護(hù)信號Vpv控制開關(guān)的開啟/閉合。
半波整流電壓SH′也是由時間常數(shù)電路51濾波的，變成為一經(jīng)濾波信號VF輸出給比較器52。比較器52將經(jīng)過濾波的信號VF與一個比較信號Vco進(jìn)行比較，并在其輸出端輸出保護(hù)信號Vpr，以此保護(hù)信號Vpr來開啟/閉合開關(guān)50。
參照圖28.將對上述構(gòu)成實施例的附加功能元件的作用進(jìn)行解釋。
首先解釋自動增益放大器45的作用。由壓電振動器的使用時間，溫度特性等所引起的，和由待測流體或粒子或氣泡的聲阻抗所引起的接收電平的起伏。將導(dǎo)致峰值檢波/半波電路22的檢測效果改變。
自動增益放大器45的增益，是受控制電壓Vc1控制的，(對應(yīng)于Am)，是從半波整流電壓SH′經(jīng)濾波得到(圖28a)，經(jīng)過時間常數(shù)電路46保持電壓的振幅不變輸出給峰值檢波/半波電路22。
其次解釋可變高通濾波器48的作用。當(dāng)待測流體的流速較高時，出現(xiàn)一種被稱之為“起伏噪聲”的低頻噪聲頻率fL疊加于渦旋頻率fv。這對用施密特觸發(fā)電路25施加脈沖于渦旋頻率時出現(xiàn)誤差。然而，當(dāng)流速高時(也即渦旋頻率高)，通過控制信號Vc2增大轉(zhuǎn)角頻率，從而降低低頻噪聲分量。
再其次，解釋輸出保護(hù)電路的作用。保護(hù)電路由時間常數(shù)電路51，比較器52和開關(guān)50等組成。
當(dāng)開始輸送流體時，或被殘留的空氣或流入的空氣阻塞時。接收電平的輸出大幅度起伏。還有，當(dāng)不存在流體時，電路增益變大，與渦旋頻率不相干的噪聲可能會和峰值檢波/半波電路22中的半波整流電壓SH′重疊。
在這種情況下，超聲檢測法與其它方法不同，渦旋不能充分地放出，通常輸出值變?yōu)榱?。如圖5所示實施例中接收電平急劇地下降。同時，由于此時刻出現(xiàn)突然變化，時間常數(shù)電路51的時間常數(shù)要設(shè)得比時間常數(shù)電路46為小。
綜合考慮上述各點，通過時間常數(shù)電路51取到半波整流電壓SH′作為經(jīng)濾波信號VF，在比較器52中比較濾波信號VF，比較器52按圖28C所示預(yù)定比較信號Vco設(shè)置，當(dāng)濾波信號VF下降到低于比較信號Vco時，保護(hù)信號Vpr將開關(guān)50關(guān)斷。
圖29為一結(jié)構(gòu)圖，表示本發(fā)明的另外一種實施例的結(jié)構(gòu)，對其傳感部分作了改進(jìn)。在本實施例中采用流體振動(射流)傳感器作為傳感部分，由于除傳感部分而外的其它電路部分是與圖5所示的電路相同的，故下面集中就傳感部分53作說明。
在擋板56的中心部分鉆一個通孔，作為一個噴嘴55，位于金屬測量管道的上游一側(cè);靶57被固定在當(dāng)管道中的待測流體形成的從噴嘴55噴出的一股射流射擊之處。有一個比噴嘴55稍大一點的通孔58在其上的擋板59放置在靶57的下游側(cè)以擋住測量管道54。一個超聲發(fā)送器60和一個超聲接收器61面對面地安裝在該測量管道54的外壁上。
待測流體象是射流從噴嘴55噴出射擊位于下游側(cè)的靶57，并從靶57的下方向前流動(在圖中用黑色流線表示)其流程被改變了。將股流體撞擊擋板59的壁面后，象是一股下方反饋液流返回到擋板56，并將從噴嘴55噴出的與之反向的射流向上推起(在圖中用黑色箭頭表示)。
結(jié)果，射流流向靶57的上方(在圖中流線用虛線表示)。該液流撞擊擋板59的壁面，象是一股上方反饋液流返回到擋板56，并將從噴嘴55噴出的與之反向的射流向下推(在圖中用虛線箭頭表示)。
之后，射流從靶57的下方向前流動回復(fù)到第一種動作。此后反復(fù)動作導(dǎo)致流體振動。然后從超聲發(fā)送器60向該振動流體發(fā)射一脈沖波由超聲接收器61接收經(jīng)流體振動調(diào)制過的超聲信號。這以后，圖5所示信號處理得以實現(xiàn)輸出流體振動的數(shù)目也就是振動頻率fv。
在寬闊的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，振動頻率fv與待測流體的流率Q之間有一個函數(shù)關(guān)系fv＝KQ(其中K為常數(shù));同時當(dāng)雷諾數(shù)低時，也即低速率情況下，也可構(gòu)成為性能良好的流量計。
順便提一下，雖然在舉例中，將超聲發(fā)送器60和超聲接收器61以夾緊的方式固定在距擋板59的稍稍上游處的測量管道上，如圖29可見，但這些超聲發(fā)送器60和超聲接收器61的位置不僅僅局限于上面所述位置，而可被設(shè)置在超聲波傳播路徑上適合發(fā)生流體振動的位置。
參照上面已具體描述過的實施例，本發(fā)明具有以下作用。
按照權(quán)利要求1和2中所述發(fā)明，脈沖超聲波斷續(xù)地向卡門渦旋發(fā)射，而只是在出現(xiàn)用卡門渦旋調(diào)制信號的鄰近時刻抽取信號，所以流量測定不受測量管道中作為駐波存在的噪聲影響。本發(fā)明尤其適用于待測流體為液體的情況，它不受管道振動的影響還可檢測低流速流體。
由于超聲發(fā)送器和超聲接收器是夾緊在管道上的，這些部分不與待測流體相接觸，因此，待測流體不會從該處漏出。這有助于提高可靠性并有不停機(jī)檢修的優(yōu)點。
按照權(quán)利要求3中所述發(fā)明，除了權(quán)利要求1所述作用外，還有以下作用，即在寬闊的雷諾數(shù)范圍內(nèi)能得到一線性關(guān)系，尤其是對于低雷諾數(shù)即低流量范圍內(nèi)可以得到一個具有良好流量特性曲線的流體振動流量計。
按照權(quán)利要求4中所述本發(fā)明，具有低Q值的調(diào)諧放大器被設(shè)置在信號處理電路內(nèi)。因此超聲信號可以被適當(dāng)?shù)剡x定和放大。但有下述不便，波被連續(xù)地輸出超過了預(yù)定的包含在門脈沖寬度W1內(nèi)的振蕩頻率的波數(shù)，因而影響下一個信號處理。
按照權(quán)利要求5所述本發(fā)明，振蕩頻率被設(shè)定在超聲接收器的阻抗變化較大的部分，所以能有效地接收渦旋信號。
按照權(quán)利要求6所述本發(fā)明，除了權(quán)利要求5中所述的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)外，對超聲發(fā)送器的結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)，將振蕩頻率設(shè)定為與超聲發(fā)送器的共振頻率相等，這將可更為有效的接收渦旋信號。
按照權(quán)利要求7中所述本發(fā)明，超聲振動器通過彈性中間體固定在超聲發(fā)送器和超聲接收器的連接器上，這樣可避免因超聲振動器的固結(jié)而引起檢測靈敏度降低，從而獲得可靠的檢測靈敏度。
按照權(quán)利要求8中所述本發(fā)明，面向超聲發(fā)送器和超聲接收器的測量管道內(nèi)壁彼此是平行的，因而隨著超聲波的發(fā)送/接收而損失的能量將會減少，所以超聲波將被有效地發(fā)送/接收。
按照權(quán)利要求9中所述本發(fā)明，除了權(quán)利要求8所述作用外，還由于超聲發(fā)送器和超聲接收器是被固定在具有平的發(fā)送/接收表面的連接器上，因此是適用的，尤其是難以處理的小孔徑的測量管道更為適用。
按照權(quán)利要求10中所述本發(fā)明，用來反射在測量管道中傳播而漏出的超聲波的反射表面是設(shè)在測量管道的外表面上，所以信號處理中取樣頻率的自由度被加寬了，即使是依據(jù)聲速變化而變化的傳播信號也可以有一個變化的范圍，因此保持良好的信噪比。
按照權(quán)利要求11中所述本發(fā)明，振蕩器的振蕩頻率轉(zhuǎn)換到厚度方向振動頻率和厚度剪切方向振動頻率的附近，因此可避免由于外界因素如混雜在待測流體中的氣泡，粒子等而引起超聲波的衰減，而保持穩(wěn)定的接收電平。
按照權(quán)利要求12中所述本發(fā)明，采用了具有不同振動頻率的多對壓電振動器，因而，因外界因素而引起超聲波衰減的自由度得以改進(jìn)，并保持更為穩(wěn)定的接收電平。
按照權(quán)利要求13中所述本發(fā)明，調(diào)幅信號通過中間的自動增益放大裝置接收，自動增益放大裝置的放大程度是由第一控制信號控制的，因此可以避免由于接收電平變化而引起檢測效率下降，并增大穩(wěn)定性。
按照權(quán)利要求14中所述本發(fā)明，信號處理是利用可變高通濾波器過濾解調(diào)信號來實現(xiàn)的，當(dāng)流速高時，疊加于渦旋信號頻率的低頻“起伏”分量被減少。本發(fā)明的優(yōu)點是可將其應(yīng)用范圍擴(kuò)大到各個領(lǐng)域。
按照權(quán)利要求15中所述本發(fā)明，增加了輸出保護(hù)信號的比較裝置，接收電平的明顯起伏，可以在例如開始供水時刻檢測到，當(dāng)它發(fā)生時，可將輸出關(guān)斷而繼續(xù)使用。
按照權(quán)利要求16中所述本發(fā)明，發(fā)送壓電振動器用夾緊方式安裝在測量管道上斷續(xù)地發(fā)送脈沖超聲波，另一方面選定接收振動器的振蕩頻率處于共振頻率和反共振頻率之間，通過按予定時間固定峰值檢測由流體振動發(fā)生的調(diào)幅波，所以渦旋信號可被有效地接收，其可靠性得到改進(jìn)而不受噪聲的影響，不受管道振動的影響，并消除待測流體外泄等而得以提高。另外，本發(fā)明還有在操作中保養(yǎng)的優(yōu)點。
盡管對本發(fā)明已經(jīng)就其實施例參照插圖作了說明，但不意指只是局限于所示細(xì)節(jié)，因為在不違背本發(fā)明精神實質(zhì)的范圍內(nèi)可能作出各種變型和結(jié)構(gòu)變化。
權(quán)利要求
1.一種用來測量待測流體流量的超聲流體振動流量計，通過向所述流體發(fā)射超聲波引起流體振動，并接收經(jīng)所述流體振動調(diào)制的所述超聲波信號，它包括一對超聲發(fā)送器和超聲接收器以與所述待測流體不相接觸的狀態(tài)被安裝在測量管道上，用來發(fā)送和接收所述超聲波；驅(qū)動裝置用含一種振蕩頻率的脈沖波斷續(xù)地驅(qū)動所述超聲波發(fā)送器；標(biāo)準(zhǔn)定時裝置用以發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)信號以控制發(fā)送所述脈沖波的時間；取樣信號發(fā)生裝置，用以生成一個與所述標(biāo)準(zhǔn)信號同步的取樣信號，其取樣發(fā)生時刻是隨所述測量管道直徑和所述待測流體聲速而變化的；取樣裝置，借助所述取樣信號抽取一調(diào)幅信號，其振幅已由在所述超聲接收器中的所述流體振動引起的頻率調(diào)制所調(diào)制；和濾波裝置，用以得出經(jīng)所述取樣裝置抽取的所述調(diào)幅信號的包絡(luò)線，從所述包絡(luò)線檢測所述流體振動的振動頻率。
2.按照權(quán)利要求1所述的超聲流體振動流量計，其中的渦旋發(fā)生器是設(shè)置在所述測量管道中，通過生成在其下游的卡門渦旋，使所述流體發(fā)生振動。
3.按照權(quán)利要求1所述超聲流體振動流量計，其中所述流體振動是通過從噴嘴噴出一股所述待測流體射流，被設(shè)置在所述噴嘴下游的靶截阻而形成的。
4.按照權(quán)利要求1，2或3所述超聲流體振動流量計，其中一個低Q值調(diào)諧放大器被裝在信號處理電路中，可以裝在取樣裝置的前方也可裝在其后方。
5.按照權(quán)利要求1，2或3所述超聲流體振動流量計，其中所述振蕩頻率被設(shè)定在所述超聲接收器的共振頻率和反共振頻率之間。
6.按照權(quán)利要求1，2或3所述超聲流體振動流量計，其中所述振蕩頻率被設(shè)定為與所述超聲發(fā)送器的共振頻率相等，在所述超聲接收器的共振頻率和反共振頻率之間。
7.按照權(quán)利要求1，2或3所述超聲流體振動流量計，其中至少有一個振動器被放入在所述超聲接收器中，該振動器通過一中間彈性體被固定在所述超聲接收器的托座上。
8.按照權(quán)利要求1，2或3所述超聲流體振動流量計，其中面朝安裝在所述測量管道上的所述成對超聲發(fā)送器和超聲接收器的所述測量管道的內(nèi)壁，彼此保持平行。
9.按照權(quán)利要求1，2或3所述超聲流體振動流量計，其中所述成對超聲發(fā)送器和超聲接收器被安裝在連接器上，連接器被固定在所述測量管道上，而連接器的發(fā)送/接收表面是平面。
10.按照權(quán)利要求1，2或3所述超聲流體振動流量計，其中用來反射通過所述測量管道傳播泄漏出的超聲波的反射表面，與所述成對超聲發(fā)送器和超聲接收器不同，是設(shè)置在所述測量管道的外表面上的。
11.按照權(quán)利要求1，2和3所述超聲流體振動流量計，其中設(shè)有一振蕩器，用來輸出所述振蕩頻率，轉(zhuǎn)換成超聲發(fā)送器和超聲接收器中采用的壓電振動器厚度方向振動頻率和厚度剪切方向振動頻率的鄰近頻率。
12.按照權(quán)利要求1，2和3所述超聲流體振動流量計，其中各具有不同振動頻率的多對壓電振動器被放入所述成對超聲發(fā)送器和超聲接收器中，分別接通/關(guān)斷輸出所述振蕩頻率。
13.一種用來測量待測流體流量的超聲流體振動流量計，通過向所述流體發(fā)射超聲波引起流體振動，并接收經(jīng)所述流體振動調(diào)制過的所述超聲波信號，它包括一對超聲發(fā)送器和超聲接收器，以不與所述待測流體相接觸的狀態(tài)，安裝在測量管道上用來發(fā)送和接收所述超聲波;驅(qū)動裝置，用含一種振蕩頻率的脈沖波斷續(xù)地驅(qū)動所述超聲波發(fā)送器;標(biāo)準(zhǔn)定時裝置，用以發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)信號來控制發(fā)送所述脈沖波的時間;取樣信號發(fā)生裝置，用以產(chǎn)生一個與所述標(biāo)準(zhǔn)信號同步的取樣信號，其取樣時刻是隨所述測量管道直徑和所述待測流體聲速而變化的;自動增益放大裝置，其放大系數(shù)由第一控制信號控制，用來放大一個以所述超聲接收器得到的調(diào)幅信號，并輸出一個放大了的調(diào)制信號;解調(diào)裝置，用所述取樣信號取樣并解調(diào)所述經(jīng)放大的調(diào)制信號，并輸出一個解調(diào)信號;和反饋裝置，用來反饋從過濾包含在所述解調(diào)信號中的DC組分，得到的一個信號作為第一控制信號，由所述解調(diào)信號的包絡(luò)線檢測所述流體振動的振動頻率。
14.按照權(quán)利要求13所述超聲流體振動流量計包括一個可變高通濾波器，其轉(zhuǎn)角頻率是由第二控制信號控制，用以濾波所述解調(diào)信號，和一個頻率/電壓轉(zhuǎn)換裝置，將從所述可變高通濾波器輸出的頻率轉(zhuǎn)換成第二控制信號。
15.按照權(quán)利要求13所述超聲流體振動流量計，包括一比較裝置，用來將包含在所述解調(diào)信號中的所述DC組分經(jīng)濾波而得的濾波信號與一預(yù)定的比較信號進(jìn)行比較，并輸出一保護(hù)信號，當(dāng)所述濾波信號比所述比較信號小時，將輸出關(guān)斷，用所述保護(hù)信號關(guān)斷出現(xiàn)在所述輸出中的振動頻率。
16.一種超聲流體振動流量計，包括一個發(fā)送壓電振動器，從測量管道的外側(cè)安裝，用來斷續(xù)地向待測流體發(fā)射含有個振蕩頻率的脈沖狀超聲波，用驅(qū)動裝置驅(qū)動使流體發(fā)生振動;一個接收壓電振動器，安裝在所述測量管道的外側(cè)，選定所述振蕩頻率處于共振頻率和反共振頻率之間，為了接收由流體振動引起的頻移作為調(diào)幅波;和信號處理裝置，按預(yù)定時間固定所述調(diào)幅波的峰值，以檢測和計算所述流體振動頻率。
全文摘要
一種用以測量待測流體流量的超聲流體振動流量計；向流體發(fā)射超聲波引起流體振動，并接收經(jīng)流體振動調(diào)制的超聲信號；它包括一對以不與流體接觸狀態(tài)安裝在測量管道上的超聲發(fā)送器和超聲接收器，驅(qū)動裝置斷續(xù)地驅(qū)動超聲發(fā)送器以發(fā)送超聲波。標(biāo)準(zhǔn)空時裝置控制發(fā)送脈沖波的時間，并由超聲接收器接收調(diào)幅信號。之后，取樣信號抽取調(diào)幅信號包絡(luò)線，其取樣時刻隨預(yù)定方式變化，在消除噪聲后，從該包絡(luò)線檢測出流體的振動頻率。
文檔編號G01F1/66GK1104767SQ9410553
公開日1995年7月5日 申請日期1994年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1993年5月20日
發(fā)明者伊藤一造, 本道雅則, 安松彰夫 申請人:橫河電機(jī)株式會社