专利名称：流率测量方法和超声流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用超声波测量气体或液体流率的方法并涉及一种实行该测量方法的超声流量计。
在上述这种众所周知的超声流量计中，通过在以与流率无关的时段发射超声波来测量流速和流率。因此，传统超声流量计的功耗大，这引起短时间内电池耗尽。
根据本发明的超声测量方法包括以下步骤(a)以与流体流向相同或相反的方向发射超声波；(b)接收该超声波；(c)确定超声波从发射到接收的传播时间；(d)由传播时间确定流率；(e)根据流率和延时之间的关系，设置对应于该流率的延时，其中，延时随流率的增大而减小；和(f)延时过后重复步骤(a)到(e)。
可以设置流率和延时之间的关系，使得延时随流率的增大而线性地、逐步地或反比地减小。
根据本发明的另一种测量流率的方法包括以下步骤(a)以与流体流向相同或相反的方向发射超声波；(b)接收该超声波；(c)确定从发射到接收的传播时间；(d)由传播时间确定流率；(e)将该流率作为流率数据进行存储；(f)执行步骤(a)到(e)至少两次；(g)根据流率和延时之间的关系，其中延时随流率的增大而减小，设置对应于来自所存储流率数据的流率的延时；和(h)延时过后重复步骤(a)到(e)。
根据本发明的又一种测量流率的方法包括以下步骤(a)以与流体流向相同或相反的方向发射超声波；(b)接收该超声波；(c)确定从发射到接收的传播时间；(d)由传播时间确定流率；(e)将流率作为流率数据进行存储；(f)执行步骤(a)到(e)至少两次；(g)根据流率和延时之间的关系，其中延时随流率的增大而减小，设置对应于来自所存储流率数据的流率的延时；(h)根据所存储的多个流率数据，判断当前流率是增大还是减小；(h1)当流率增大时，根据流率数据值修正并缩短延时；(h2)当流率减小时，根据流率数据值修正并延长延时；和(i)经过修正后的延时之后重复步骤(a)到(e)。
根据本发明的又一种测量流率的方法包括以下步骤(a)以与流体流向相同或相反的方向发射超声波；(b)接收该超声波；(c)确定超声波从发射到接收的传播时间；(d)由传播时间确定流率；(e)将流率作为流率数据进行存储，并将最早存储的流率数据抹掉；
(f)根据流率和延时之间的关系，其中重复数随流率的增大而减小，由多个所存储的流率数据重新设置重复数；和(g)重复步骤(a)到(f)。
根据本发明的又一种测量流率的方法包括以下步骤(a)以与流体流向相同或相反的方向发射超声波；(b)接收该超声波；(c)确定超声波从发射到接收的传播时间；(d)由传播时间确定流率；(e)根据诸如有关一天中的时间和／或有关月份和日期等的时间信息与消耗流体的总量之间的关系，设置延时；和(f)延时过后重复步骤(a)到(e)。
根据本发明的另一种测量流率的方法包括以下步骤(a)以与流体流向相同或相反的方向发射超声波；(b)接收该超声波；(c)确定超声波从发射到接收的传播时间；(d)由传播时间确定流率；(e)根据有关流体消耗量方面的信息设置延时；和(f)延时过后重复步骤(a)到(e)。
根据本发明的一种超声流量计包括(a)流体流经的导管；(b)用于向流体发射超声波的发生器，该发生器被安排在导管内；(c)用于接收超声波的接收器，根据流体的流向该接收器在导管内被安置于发生器的上游方向或下游方向；(d)第一计算装置，用于确定超声波从发生器到接收器的传播时间；(e)第二计算装置，用于根据传播时间确定流率；(f)信号发生装置，用于根据流率和时段之间的关系，其中时段随流率的增大而减小，以对应于流率的时段产生信号；和(g)驱动装置，响应于信号驱动发生器。
根据本发明的另一种超声流量计包括(a)流体流经的导管；(b)用于向流体发射超声波的发生器，该发生器被安置在导管内；
(c)用于接收超声波的接收器，根据流体的流向该接收器在导管内被安置于发生器的上游方向或下游方向；(d)第一计算装置，用于确定超声波从发生器到接收器的传播时间；(e)第二计算装置，用于根据传播时间确定流率；(f)延时设置装置，用于根据流率和延时之间的关系，其中延时通常随流率的增大而减小，设置对应于流率的延时；和(g)驱动装置，用于在延时过后驱动发生器。
设置流率和测量时段或延时之间的关系，使得延时随流率的增大线性地、逐步地成反比地减小。
根据本发明的又一种超声流量计包括(a)流体流经的导管；(b)用于向流体发射超声波的发生器，该发生器被安置在导管内；(c)用于接收超声波的接收器，根据流体的流向该接收器在导管内被安置于发生器的上游方向或下游方向；(d)第一计算装置，用于确定超声波从发生器到接收器的传播时间；(e)第二计算装置，用于根据传播时间确定流率；(f)存储装置，用于把由计算装置确定的至少两个流率作为流率数据进行存储；(g)延时设置装置，用于根据存储于存储装置中的流率数据以及流率和延时之间的关系，其中延时随流率的增大而减小，设置延时；和(h)驱动装置，用于在延时过后驱动发生器和接收器。
存储有多个流率数据的存储装置，在新的流率数据存入时，优选地将最早存储的流率数据抹掉，使得延时的设置是根据所存储流率数据的平均值进行的。
超声流量计优选地包括判断装置，用于根据多个被存储的流率数据判断当前的流率是增大还是减小；修正装置，用于在流率增大时根据流率数据值修正并缩短延时，在流率减小时根据流率数据值修正并延长延时。
根据本发明的又一种超声流量计包括(a)流体流经的导管；
(b)一对超声振荡器，被安置在导管内，使得根据流体流向一个振荡器位于另一个振荡器的上游方向，且每个振荡器均能发射和接收超声波；(c)流率测量装置，用于根据超声波从此振荡器到彼振荡器及从彼振荡器到此振荡器的传播时间来确定流率；(d)重复装置，用于在由此振荡器发射超声波而彼振荡器接收超声波的第一状态和由彼振荡器发射超声波而此振荡器接收超声波的第二状态之间重复进行预定次数的切换；和(e)用于根据所确定的注率以及流率和重复数之间的关系，其中重复数随流率的增大而减小，重新设置重复数的装置。对所说的重复数进行设置，使其随流率的增大而线性地、逐步地或反比地减小。
根据本发明的又一种超声流量计包括(a)流体流经的导管；(b)用于向流体发射超声波的发生器，该发生器被安置在导管内；(c)用于接收超声波的接收器，根据流体流向该接收器在导管内被安置于发生器的上游方向或下游方向；(d)第一计算装置，用于确定超声波从发生器到接收器的传播时间；(e)第二计算装置，用于根据传播时间确定流率；(f)输出装置，用于输出至少是有关年、月、日的信息以及有关一天中的时间信息之一；(g)设置装置，用于根据来自输出装置的信息设置延时；和(h)驱动装置，用于延时过后驱动发生器和接收器。
根据本发明的又一种超声流量计包括(a)流体流经的导管；(b)用于向流体发射超声波的发生器，该发生器被安置在导管内；(c)用于接收超声波的接收器，根据流体流向该接收器在导管内被安置于发生器的上游方向或下游方向；(d)第一计算装置，用于确定超声波从发生器到接收器的传播时间；(e)第二计算装置，用于根据传播时间确定流率；(f)报告装置，用于报告一种装备的工作状态，该装备消耗流体且与导管相连；(g)延时设置装置，用于根据工作状态设置延时；和(h)驱动装置，用于延时过后驱动发生器和接收器。
根据本发明的又一种超声流量计包括(a)流体流经的导管；(b)用于向流体发射超声波的发生器，该发生器被安置在导管内；(c)用于接收超声波的接收器，根据流体流向该接收器在导管内被安置于发生器的上游方向或下游方向；(d)第一计算装置，用于确定超声波从发生器到接收器的传播时间；(e)第二计算装置，用于根据传播时间确定流率；(f)驱动装置，用于驱动发生器；存储装置，用于将由第二计算装置确定的流率作为流率数据进行存储；和(g)断路器装置，用于当流率数据连续出现预定次数的零流率时，将第一计算装置、第二计算装置和驱动装置的至少任一电源切断一段预定时间。
图10描述了流率和根据流率增大或减小的状况而修正过的测量时段(和延时)之间的关系(特性曲线)；图11是描述对第三实施方案的超声流量计进行控制的框图；图12是描述对图11中超声流量计进行控制的部分流程图；图13是描述对第四实施方案的超声流量计进行控制的框图；图14是描述对图13中超声流量计进行控制的部分流程图；图15是描述对第五实施方案的超声流量计进行控制的框图；图16是描述对图15中超声流量计进行控制的流程图；图17是描述对第六实施方案的超声流量计进行控制的框图；和图18是描述对图17中超声流量计进行控制的流程图。
下面将对流量计1的工作情况进行描述。当从触发器单元14发出触发信号时，根据该触发信号发生器16产生并输出一短时脉冲信号。振荡器6被该短时脉冲信号激励，向振荡器8发射超声波。超声波被振荡器8接收，并由放大器18对振荡器8的接收信号进行放大。然后，比较器20产生一对应于超声波传播时间的信号，并向时间计数器22输出该信号。时间计数器22计算出传播时间，随后，流率计算器由传播时间计算出流率。接着，根据示于图2的关系，时序控制器26确定对应于已确定流率的测量时段。特别地，如果当前测量到的流率大于上次测量到的流率，测量时段被设置得更短些，而如果流率变小，测量时段被设置得更长些。然后，触发器单元14按新近被设置的测量时段输出触发信号，以激励振荡器6发射超声波。超声波被振荡器8检测，流率得以测定。此后，上述过程重复进行。
根据本发明，随流率增大它可更频繁地被测量，因此，可以在象气量计这样的设备内确定流率的累加值，这种气量计要求以较高精度确定累加值，而并未考虑流率的测量误差对累加值有很大影响。
下面将描述时间计数器22内传播时间的计算。假定超声波在静止流体中传播的速度为(c)，流体的速度为(v)，则超声波沿流体流动方向的传播速度为(c+v)。根据以下方程(1)得出超声波从振荡器6到振荡器8的传播时间t=L／(c+v·cosφ)(1)方程(1)中，(L)是振荡器6和8之间的距离。
方程(1)可被变形为以下方程(2)v=(L／t-c)／cosφ(2)根据该方程，由于L和c已知，通过测量传播时间t即可确定流速。另一方面，流率(Q)由以下方程(3)给出Q=K·S·v(3)在方程(3)中，(S)是导管2的横截面积，而(k)是修正系数。
流率和测量时段之间的关系可以是如图3所示，测量时段随流率的增大逐步地减小，也可以如图4所示，测量时段与流率成反比。
在第一实施方案中，虽然根据流率和测量时段之间的预定关系由测定的流率在时序控制器26确定测量时段，由触发器单元14输出的触发信号的延时可由测定的流率确定，使得触发器单元14在延时过后被激励。
流率和延时之间的关系，就延时通常随流率的增大而减小这一点而论，可以是线性关系(图5)、步进关系(图6)和反比关系(图7)的其中之一。第二实施方案图8描述了第二实施方案的超声流量计1A，包括许多与图1的超声流量计相同的元件，并且，由于相同的元件各自实现相似的功能，它们因此被标识成相同的参照数。不过，超声流量计1A增加了一种存储单元28，用于存储流率数据。在存储单元28中，由流率计算器24计算出的预定数目的流率值作为流率数据被顺序存储，并且该数据通过用最新的流率数据代替最早的流率数据而得以刷新。根据多个所存储的流率数据的平均值，利用图2到图4或图5到图7的任何一种关系，在时序控制器30对测量时段或延时进行设置。
在考虑当前流率是增大还是减小后，优选地对流率和测量时段及流率和延时之间的关系进行修正。例如，如图9的流程图所示，时序控制器30根据存储于存储单元28中的流率数据判断当前流率是增大还是减小。当流率增大时，测量时段和延时被修正得短于那些流率未变时根据相同流率而设置的值；当流率减小时，测量时段和延时被修正得更长。接着，根据已经修正的测量时段或延时输出一触发信号。流率和通过这种方式修正的测量时段或延时之间的关系，如图10所示。对流率作如此修正是有益处的，例如，即使在流率骤增时仍可以准确测定流率的增大。第三实施方案图11描述了第三实施方案的超声流量计1B，它具有许多与图1中所示的超声流量计相同的元件，由于相同元件各自实现相似功能，因而被标识成相同的参照数。对超声流量计1B，增加了一个函数，通过它根据它是否是气流被特别消耗的时区而改变测量时段和延时。特别地，超声流量计1B包括时钟32，由时钟32输出的当前时间被发送给时序控制器34。如图12的流程图所示，时序控制器34利用时间信息判断是否处于气流被大量消耗的时间。例如，一个从午夜十二点到早晨五点的午夜时区被设置成低气流消耗时区，而其他被设置成高气流消耗时区，并确定当前是处于低的还是高的气流消耗时区。当当前时间被判断是属于低气流消耗时区时，测量时段(或延时)以更长的预定时间被设置。眼下被设置的测量时段或延时与根据示于图2到图4(或图5到图7)的一种关系由流率所确定的时间相比是不同且无关的。接着，对流率是否变化进行判断；如果流率变化了，根据示于图2到图4或图5到图7各个关系中的一个，利用新近测定的流率设置新的测量时段或延时。
根据本实施方案，在未使用气体的午夜时区，通过设置更长的测量时段或延时可以减少不必要的功耗。然而，如果气流在午夜被消耗，流率将以与之对应的某些测量时段或延时被测定。
在诸如气体等的流体的消耗量随季节变化的地区，有关月份和日期的信息代替或连同有关一天中时间的信息，可由时钟输出并作为参照来控制流率的测量。第四实施方案图13描述了第四实施方案的超声流量计1c，它具有许多与示于图1的超声流量计相同的元件，由于相同的元件各自实现相似的功能，因而被标识成相同的参照数。在超声流量计1c中，消耗气流的装备，例如加热器36、炉子38和热水源40等的工作状态被输入给时序控制器42。如图14的流程图所示，时序控制器42对气流消耗装备36、38或40是否解除激励进行判断。当判定所有的气流消耗装备均被解除激励，测量时段(或延时)被设置为预定的更长些的一段时间。用这种方法设置的测量时段(或延时)与基于示于图2到图4(或图5到图7)的关系之一由流率而确定的时间相比是不同而且无关的。接着，对流率是否变化进行判断，如果流率变化，根据示于图2到4或图5到7的各关系的其中之一，由新近测定的流率设置新的测量时段或延时。根据本实施方案，通过在未消耗气流时将测量时段或延时设置得更长些，减少了不必要的功耗。第五实施方案图15描述了第五实施方案的超声流量计器，它具有许多与示于图1的超声流量计相同的元件，并且由于相同的元件各自实现相似的功能，因而被标识成相同的参照数。在超声流量计1D中，均具有发射和接收超声波功能的振荡器44和46沿直线12被彼此相对地安置在导管2内，直线12与导管2的中心轴10以预定角φ相交。振荡器切换单元48在发射超声波的此状态和接收超声波的彼状态之间交替地对振荡器进行切换。用于设置重复数的单元50对振荡器44和46重复发射超声波的次数进行设置。重复控制器52将由此振荡器44以对应于流率的次数发射超声波而由彼振荡器46接收该超声波的第一状态切换到由彼振荡器46发射同样次数的超声波而由此振荡器44接收该超声波的第二状态，反之亦然。将流率和重复数之间的关系设置成重复数通常随流率的增大而减小。
参照图16所示的流程图，上述流量计1D的工作情况将被专门描述如下，假定由用于设置重复数的单元50将重复数设置为(n)，由切换单元48确立第一状态。随后，由触发器单元14输出触发信号，并由发生器16输出短时脉冲信号。由此，以预定延时由此振荡器44向彼振荡器46发射超声波。由振荡器46接收到的信号在放大器18中被放大，并在比较器20中与一参考信号相比较。然后，由时间计数器22计算出超声波的传播时间。接着，对振荡器44是否已经发射(n)次超声波进行判断。如果已发射(n)次超声波，这些发射(n)次的超声波的传播时间由时间计数器求和。另一方面，如果超声波发射次数少于(n)，则由触发器单元14再次输出又一触发信号，实行超声波的发射和接收。
当完成第一状态的测量后，振荡器切换单元48被切换到第二状态。于是，由振荡器46发射超声波并由另一振荡器44接收的操作被重复(n)次，然后这些发射(n)次的超声波的传播时间被求和。
接着，根据第一状态和第二状态中传播时间的和值或平均值确定流率。然后通过将新近测定的流率与上次测定的流率进行比较，对流率是增大还是减小进行判断，并在用于设置重复数的单元50对对应于新近测定的流率的重复数进行设置。如此设置的重复数通常随流率的增大而减小，因此，即使低流率也可被准确测量出。
以下将描述本实施方案中流速和流速的计算。假定超声流在静止的流体中的速度为(c)，而流体的流速为(v)，则超声波在流动方向上的传播速度为(c+v)，而超声波在与流向相反的方向上的传播速度为(c-v)。流动方向上总的传播时间T1以及与流向相反的方向上总的传播时间T2分别由方程(4)和(5)给出。T1=Σi=1nL/(c+vi·cosφ)------(4)]]>T2=Σi=1nL/(c-vi·cosφ)------(5)]]>方程(4)和(5)中，φ是导管中心轴和振荡器连线之间的夹角，而n是重复数。
根据方程(4)和(5)，以下方程(6)给出了流速的测量和(v1+……+vn)=L·n·(1／T1-1／T2)／2·cosφ(6)根据方程(16)，以下方程(7)给出了流速的和∑Qn=K·S·(v1+…+vn) (7)在方程(7)中，∑Qn、(K)和(S)分别代表流速的和、修正系数和导管的横截面积。
由方程(6)和(7)显而易见，流率值的和随测量次数的增大而增大。换句话说，即使在低流速情况下，由于增加测量次数会引起流率值和流速值的和增大，因此使包括在每次测量中的误差相对变小。相反，在大流速的情况下，由于T1和T2之间的差较大，因此即使减少测量次数相对测量误差依然保持很小。
因此，在本发明中，用于设置重复数的单元50在低流率情况下设置一个大的重复数，而在高流率的情况下单元50设置一个小的重复数。流率和重复数之间的关系只可能是重复数通常随流率的增大而减小，并且这一关系被设置成重复数随流率的增大而线性地、逐步地或反比地减小。
一个振荡器发射超声波(n)次，然后另一振荡器发射发射超声波(n)次，对此已作过描述；然而，由一个振荡器发射一次超声波而后另一振荡器发射一次超声波的操作可以重复执行达重复数之多。第六实施方案图17描述了第六实施方案的超声流量计1E，它具有许多与示于图1的超声流量计相同的元件、由于相同元件各自实现相似的功能，因而被标识成相同的数码。流量计1E包括断路器54，并且如图18的流程图所示，在流率计算器24中计算出的多个流率值作为流率数据被存储在存储器56中。当根据存储器56中的流率数据流率被判定为零时，流率被连续判定为零的次数被存储。在流率被连续判定为零的次数达到预定次数时，断路器54被驱动，使之在一预定时间内至少切断触发器单元、发生器16、放大器18、比较器20、时间计数器22和流率计算器24的电源中的一个。因此，只要流体不流动，即可采用长的测量时段使功耗得以节省。
权利要求
1．用于测量流率的方法，该方法包括以下步骤(a)根据指示流体消耗的信息设置延时；(b)沿与流体流向相同或相反的方向发射超声波；(c)接收该超声波；(d)确定超声波从发射到接收的传播时间；(e)根据传播时间确定流率；(f)根据流率，其中延时随流率的增大而减小，调整延时；和(g)延时过后重复步骤(b)到(f)。
2．权利要求1中所述的用于测量流率的方法，其中，如果由指示流体消耗的信息确定流体没有消耗，则延长延时。
3．与流体和消耗流体的装备协同使用的超声流量计，包括流体流经的导管；用于向流体发射超声波的超声波发生器，该发生器安置在导管内；用于接收超声波的接收器，根据流体的流向，该接收器在导管内被安置于超声波发生器的上游或下游；第一计算装置，用于确定超声波从发生器到接收器的传播时间；第二计算装置，用于根据传播时间确定流率；报告装置，用于报告所述消耗流体的装备的工作状态，该装备与导管相连；延时设置装置，用于根据工作状态设置延时和用于改变延时，其中当流率增大时延时减小；和驱动装置，用于延时过后驱动超声波发生器和接收器。
全文摘要
一种超声流量计包括:流体流经的导管(2),超声发生器(6),用于在发生器上游或下游方向接收超声波的接收器(8),用于确定超声波传播时间的时间计数器(32),用于由传播时间计算流率的流率计算器(24),和时序控制器(26)。由事先设置的流率和测定的延时之间的关系,时序控制器(26)设置对应于所测定流率的延时。经过此延时之后,根据由触发器单元(14)输出的驱动信号,由发生器(6)发射超声波,而流率得以确定.因为采用了适于流率的延时来如此测量流率,流率因此可被准确确定,并且减少了功耗。
文档编号G01F1/66GK1295236SQ0012699
公开日2001年5月16日 申请日期1995年10月19日 优先权日1994年10月19日
发明者长冈行夫, 名和基之, 黄地谦三 申请人:松下电器产业株式会社