CN112997051A

CN112997051A - 超声换能器的动态温度校准

Info

Publication number: CN112997051A
Application number: CN201980071336.8A
Authority: CN
Inventors: 阿南德·达巴克; 斯里纳特·拉马斯瓦米; 路易斯·费尔南多·雷诺索·科瓦鲁维瓦斯
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-06-18
Also published as: EP3903073A1; WO2020139612A1; EP3903073A4; JP2022516484A; US20200209031A1

Abstract

一种计算机可读存储装置(106)存储机器指令，所述机器指令在由一或多个中央处理单元CPU核心(102)执行时致使所述一或多个CPU核心使用第一超声换能器(95)及第二超声换能器(98)来使用当前测量频率来测量流体流量及执行温度校准过程。所述温度校准过程包含针对所述第一超声换能器(95)循序产生多个电信号，所述经产生电信号各自具有不同频率。针对每一频率，所述温度校准过程包含测量来自所述第二超声换能器(98)的信号的振幅。基于来自所述第二超声换能器(98)的所述信号的所述经测量振幅，所述温度校准过程包含确定新测量频率。所述第一及第二超声换能器(95、98)用于使用所述新测量频率测量流体流量。

Description

超声换能器的动态温度校准

背景技术

流量计用于测量通过管的流体流量。一些流量计使用超声换能器，其中超声信号在两个超声换能器之间的流体流的下游方向上被注入到流体流中且在所述下游方向上确定绝对飞行时间(TOF)。在上游方向上注入另一超声信号，且也确定那个方向上的换能器之间的绝对TOF。上游方向与下游方向之间的TOF之差可用于计算流体流的速度，且在了解管的横截面面积的情况下，用于计算流率。

发明内容

一种计算机可读存储装置存储机器指令，所述机器指令在由一或多个中央处理单元CPU核心执行时致使所述一或多个CPU核心使用第一超声换能器及第二超声换能器来使用当前测量频率来测量流体流量及执行温度校准过程。所述温度校准过程包含针对所述第一超声换能器循序产生多个电信号，所述经产生电信号各自具有不同频率。针对每一频率，所述温度校准过程包含测量来自所述第二超声换能器的信号的振幅。基于来自所述第二超声换能器的所述信号的所述经测量振幅，所述温度校准过程包含新测量频率的确定。所述第一及第二超声换能器用于使用所述新测量频率测量流体流量。

附图说明

针对各个实例的详细描述，现将参考附图，其中：

图1说明根据一个实例的流量计。

图2说明超声换能器的频率响应是至少部分温度相依的。

图3说明在基于温度的校准过程期间执行的频率扫描。

图4说明在基于温度的校准过程期间使用的脉冲串。

图5展示可用于执行基于温度的校准过程的超声换能器电路的实例。

图6展示基于温度的校准过程的方法的实例。

具体实施方式

针对在流量计中使用的至少一些超声换能器，所述换能器的灵敏度随着频率变化。举例来说，最大换能器灵敏度可处于特定频率。此外，换能器的灵敏度可随着温度变化。即，对应于换能器的最大灵敏度的频率可随着流量计正监测其流率的流体的温度而变化。

所描述的实例涉及用于流量计的执行基于温度的校准过程的电路(例如，集成电路(IC))。流量计包括多个超声换能器。基于温度的校准过程包含在从较低频率到较高频率的频率范围内扫描换能器中的一者(即，将一系列激发频率提供到换能器)，监测来自流量计中另一换能器的信号的振幅，及确定所述频率范围内对应于最大灵敏度的频率。接着，流量计经配置以用作激发频率，所述频率根据在测量流体的流率时进行的校准过程确定。可随着时间的推移重复进行基于温度的校准过程，借此响应于温度的变化而动态地调整其激发频率。因此动态地执行基于温度的校准过程，即，当流量计正用于进行对管中的流体流的流率测量时执行。

图1展示流量计100的实例。实例流量计100包含一或多个中央处理单元(CPU)核心102、超声换能器(UST)电路104、存储装置106、及显示器108。术语“CPU核心”(单数)在本文中用于指代单个CPU核心或多个CPU核心。在一个实施方案中，流量计100包括经制造为共同半导体衬底上的集成电路的微控制器单元(MCU)。流量计100还包含或耦合到超声换能器95及98，展示超声换能器95及98耦合到其中流体在箭头99的方向上流动的管90。在此实例中，一对超声信号反射器92及93包含于管90中。UST电路104可将电信号提供到换能器95或98中的任一者及监测来自另一换能器的所得信号。举例来说，换能器95可将来自UST电路104的电信号转换成注入到管90中的流体流中的超声信号。超声信号从反射器92反射且接着从反射器93反射，如由箭头96指示(在下游方向上)。接着，超声信号由换能器98接收且被转换回成电信号且被提供到UST电路104。替代地，UST电路104可使用换能器98作为发射换能器且使用换能器95作为接收换能器，借此导致超声信号在箭头97的方向上(在上游方向上)传递通过流体。在一些实施方案中，管90的确包含反射器92及93。

UST电路104测量超声信号从一个换能器传递通过流体流到另一换能器所花费的时间。在相对于换能器95、98无流体流动的情况下，流体中的超声信号的速度依据管90中流体的类型而变。时间是距离/速度，且因此，超声信号在下游方向上(即，从换能器95通过流体且到换能器98)传递所需的时间是L/(c+v)，其中L是从换能器95到反射器92到反射器93且到换能器98的经组合距离且是已知值，c是超声相对于被监测的流体的速度，且v是流体流在方向99上的速度。在上游方向上(即，从换能器98到换能器95)，超声信号从换能器98传递到换能器95所需的时间是L/(c-v)。时间值之差是ΔT且流体的速度是：

其中T1是从换能器95到换能器98的经测量时间，且T2是从换能器98到换能器95的经测量时间。因此，通过使用UST电路104测量T1及T2，可计算流体流的速度。管90的横截面面积也是已知的且换能器95与98之间的管的内部的体积可被计算出且是先验已知的。假设管装满了流体，那么可基于计算出的速度确定流体流率。

存储装置106包括易失性或非易失性存储器(非暂时性计算机可读存储装置)且包含固件(机器指令)111。固件111可由一或多个CPU核心102执行。在执行了固件111之后，CPU核心102与UST电路104交互以(a)确定管90中流体的流率及(b)执行温度校准过程以确定用于在给定管90中的流体的当前温度的情况下测量流率的激发频率。在一些实施方案中，周期性地(例如，每隔5分钟、每隔10分钟等)及在流率确定之间(以便不干涉评估流率)执行温度校准过程。显示器108可由CPU核心102用来显示流率、状态等。

图2说明超声换能器的两个实例频率响应曲线202及204。每一曲线202、204表示由换能器响应于跨频率范围的超声信号的接收产生的电信号的振幅。由换能器接收的超声信号的振幅在每一频率下相同。换能器基于接收到的超声信号产生电输出信号。每一曲线202、204说明来自换能器的电输出信号的振幅随频率而变化。振幅响应针对曲线202在频率Fm1下最大且针对曲线204在频率Fm2下最大，频率响应曲线202表示超声换能器针对换能器在其下操作的一种温度的频率响应，且频率响应204表示同一换能器在不同温度下的频率响应。如可见，峰值振幅(最大灵敏度)依据温度变化。本文中描述的温度校准过程确定给定流体温度的峰值振幅且使用对应频率进行流率确定。

返回参考图1，UST电路104包含包括一或多个寄存器的寄存器集110。至少一些寄存器可由CPU核心102配置及/或读取。在一个实施方案中，CPU核心102将寄存器集110编程有指示UST电路104将针对换能器95、98中的一者产生的频率的一或多个值。在温度校准过程期间，CPU核心102循序通过从第一频率到第二频率的频率范围。第一频率可低于第二频率，或反之亦然。即，频率扫描可从较低频率到较高频率，或从较高频率到较低频率。频率范围应足够宽以包含将对应于在给定管90中流体的当前温度的情况下最大换能器灵敏度的激发频率。在一个实例中，第一频率是160KHz，且第二频率是260KHz。

针对每一频率，CPU核心102将值配置到寄存器集110中。UST电路104使用那个值产生具有对应于由CPU核心102编程的值的频率的电信号。在一个实例中，UST电路产生电信号作为脉冲串的在特定频率下的特定数目个脉冲。CPU核心102将编码UST电路104将产生的脉冲的频率及数目(例如，10个脉冲)的值编程到寄存器集110中。

接着，UST电路104产生到换能器95、98中的一者的所期望电信号—哪一换能器被用作激发换能器是不重要的—以借此产生超声信号。UST电路104从另一换能器接收信号且确定与那个信号的振幅成比例的值。接着，UST电路104将经确定振幅存储于例如存储装置106中。接着，CPU核心102将不同值编程到寄存器集110中以致使UST电路104在不同频率下产生激发电信号。所得换能器振幅与指示其激发频率的值一起被存储于存储装置106中。过程重复直到达到第二频率。邻近频率步长之间的分离是应用特定的。在一个实例中，在校准过程期间使用以1KHz步长中从160KHz到260KHz的频率。

图3展示当执行校准过程时针对管90中流体的温度针对第一频率F1与第二频率F2之间的激发频率确定的振幅302的实例。频率Fm通常指定对应于最大振幅305的频率。F1应被设置为低于最大振幅下的频率的最低预测值，且F2应被设置为大于最大振幅下的频率的最高预测值，使得频率扫描将必定包含针对可存在于管90中的任何流体温度的最大振幅下的频率。

图1中的CPU核心102从存储装置106读取回振幅值(在已经获取并存储所有振幅值之后或在存储了每一振幅值之后)及确定对应于峰值振幅(即，最大灵敏度)的激发频率。在一个实施方案中，CPU核心102确定来自存储于存储装置106中的振幅值中的最大振幅值且接着选择与那个值相关联的频率作为在确定正向前的流率时使用的激发频率。

在其它实施方案中，CPU核心102从在频率扫描期间确定的振幅302中确定最大振幅。CPU核心102将每一振幅转换成分贝(dB)，例如10*log(振幅)且从最大dB值减去XdB。在一个实例中，X dB是1dB。接着，CPU核心102确定对应于比最大dB值小X的dB值的两个频率。图3将这些频率说明为F_lower及F_upper。CPU核心102基于F_lower及F_upper确定将用于进行流率测量的激发频率。举例来说，CPU核心102可对F_lower及F_upper求平均。在另一实例中，CPU核心102将F_lower及F_upper的中值计算为激发频率。

如上文提及，UST电路104产生将被提供到换能器95、98作为的脉冲串的在特定频率下的数个脉冲的电信号。图4展示脉冲串400的实例。脉冲串400包含N个脉冲402，其中N是1或更多。在一个实例中，N是10。脉冲串的每一循环以时间值TU及TL为特征，其中TU是脉冲在其期间处于较高电压电平的时间，且TL是脉冲在其期间处于较低电压值的时间。每一循环的周期是TU+TL且是频率的逆。因而，所期望频率指示TU与TL之和。TU与TL可以相等，但不必相等。如果TU与TL相等，那么所得脉冲串具有50％工作循环，但如果TU大于TL那么工作循环可大于50％，且如果TU小于TL那么工作循环可小于50％。在一个实例中，CPU核心102将UST电路104编程有用来定义目标脉冲串的三个值。所述三个值包含TU、TL及脉冲串的脉冲402的数目。

图5展示耦合到CPU核心102、存储装置106及超声换能器96及98的UST 104的实例实施方案。图5的实例中的UST电路104包含可编程脉冲发生器(PPG)510、驱动器510、多路复用器530及535、可编程增益放大器(PGA)540、模/数转换器(ADC)550、振荡器(OSC)560、及锁相环路(PLL)570。CPU核心102将定义所期望脉冲串的值编程到寄存器集110中，寄存器集110包含于PPG 510中或是PPG 510可存取的。振荡器560基于从外部谐振器562接收的信号产生时钟565。外部谐振器可包括晶体谐振器或陶瓷谐振器。来自振荡器560的时钟565作为参考时钟被提供到PLL 570，PLL 570又产生到PPG 510的时钟575。在一些实例中，由PLL570产生的时钟575经锁相到时钟565，但具有比时钟565更高的频率。举例来说，时钟565的频率可为8MHz，且时钟575的频率可在68到80MHz的范围内。

PPG 510使用时钟575产生脉冲串。脉冲串的脉冲的数目及脉冲串的频率由被CPU核心102写入到寄存器集110的值(例如，TU、TL、及脉冲的数目)指示。所得脉冲串被提供到驱动器520，其调节脉冲串以用于驱动换能器95、98中的一者。由驱动器520实施的调节可包含电压电平移位、放大等。

针对本文中描述的温度校准过程，换能器中的一者用于产生超声信号，而另一换能器用作超声信号接收换能器。多路复用器530由控制信号CTL1配置以选择换能器95、98中的一者来从驱动器520接收脉冲串。在此实例中，PPG 510产生CTL1。PPG 510还断言配置多路复用器535以将由接收换能器产生的电信号提供到PGA 540的控制信号CTL2。为了执行温度校准过程，例如，PPG 510断言CTL1以将驱动器520电耦合到换能器95以借此产生超声信号502，且断言CTL2以将换能器95电耦合到PGA 540。

来自感测换能器的信号通过多路复用器535被提供到PGA 540，在PGA 540处放大信号。接着，将经修改模拟信号提供到ADC 550，ADC 550将经放大模拟信号转换成数字表示。在一个实施方案中，ADC 550包含ΣΔ调制器(例如，三阶ΣΔ调制器)。所得数字值指示由超声换能器接收的信号的振幅且被存储于例如存储装置106中。接着，CPU核心102可从存储装置106读取数字值。多个激发频率如上文描述那样使用，且所得数字值被存储于存储装置106中。CPU核心102基于所得数字值确定将使用的激发频率。

为了使用通过温度校准过程的前一次执行产生的激发频率确定流率，CPU核心102配置PPG 510以产生首先被提供到一个换能器的脉冲串，其中另一换能器的信号将被提供到PGA 540。CPU核心102可将值写入到寄存器集110以指定哪一换能器用于产生超声信号及哪一者用作超声信号接收换能器(例如，换能器95用于产生超声信号，且来自换能器98的电信号将被提供到PGA 540)。来自ADC 550的所得数字值被存储于存储装置106中。接着，CPU102可将值写入到寄存器集110以反转换能器95及98的角色(例如，换能器98用于产生超声信号，且来自换能器95的电信号将被提供到PGA 540)。从PLL输出导出的计时器可用于驱动控制PPG 510的起始时间及ADC取样开始的定序器。这两个事件之间的差异表示上游及下游飞行时间两者的静态偏移。使用由ADC 550数字化的信号，多种不同方法中的任一者可用于计算TOF。在一个实例中，计算信号的包络，及确定包络跨越经预定义阈值的时间。所述阈值可基于信号的最大振幅进行计算。跨阈值的信号的振幅用于确定信号的存在。

图6展示描述温度校准过程的实例的方法。温度校准过程由执行固件111且与USC电路104交互的CPU 102控制。温度校准过程包括由参考数字601所指示的操作604到616。操作602包括使用激发频率的当前值进行流量测量。当前激发频率可能已根据温度校准过程的先前执行确定。上文解释使用UST电路104来确定流速(且因此确定流率)。

在604处，温度校准过程包含选择初始频率，作为频率扫描的部分。在一些实施方案中，初始频率具有低于针对最大换能器振幅期望的最低频率的值。在其它实施方案中，初始频率具有高于针对最大换能器振幅期望的最高频率的值。初始频率经由固件111选择或以其它方式经编程到CPU核心102中。

在606处，温度校准过程包含在针对超声换能器95、98中的一者选择的频率下产生电信号。在一些情况中，此操作包含CPU核心102针对所选择的频率及数目的脉冲确定T1及T2的值及将对应值写入到UST电路104中的寄存器集110。接着，PPG 510产生可编程脉冲串，其通过多路复用器530(被来自PPG 510的CTL1控制)被提供到换能器中的一者(例如换能器95)。

在608处，测量由另一换能器(例如，换能器98)产生的电信号的振幅。此操作可通过放大由PGA540检测到的信号及通过ADC 550将经放大信号转换成数字表示来执行。接着，将所得数字值存储于存储装置106中(610)。

温度校准过程实施频率扫描，且因此在612处，CPU 102确定另一频率是否保持将用于频率扫描。在一个实例中，频率扫描包含在160KHz与260KHz之间以1KHz递增的频率。在一些实例中，所述频率按升序或降序使用，但在其它实例中可按除了升序或降序之外的顺序使用。如果另一频率保持被使用，那么在614处选择扫描中的下一频率，且过程在操作606处重复。一旦频率扫描的范围内的所有频率都用于产生振幅值，那么在616处，温度校准过程就基于振幅的数字值表示确定用于进行未来流率测量的新频率。上文提供如何确定要使用的激发频率的实例。接着，在620处使用最新确定的激发频率，下一次，CPU 102使用UST电路104来确定流速(流率)。

在一些情况中，在每一对连续流率测量之间执行温度校准过程601。在其它情况中，在若干对连续流率测量之间、但不一定在每一对连续流率测量之间执行温度校准过程601。举例来说，可以一分钟间隔执行流率测量，但以5分钟或10分钟(或其它)间隔执行温度校准过程。在一些情况中，以是至少5分钟间隔的间隔执行温度校准过程。

在此描述中，术语“耦合(couple/couples)意味着间接或直接有线或无线连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么那个连接可为通过直接连接或经由其它装置及连接通过间接连接。陈述“基于”意味着“至少部分基于”。因此，如果X是基于Y，那么X可随Y及任何数目个其它因素而变。

在权利要求书的范围内，在描述的实施例中修改是可能的，且其它实施例是可能的。

Claims

1.一种存储机器指令的计算机可读存储装置，所述机器指令在由一或多个中央处理单元CPU核心执行时致使所述一或多个CPU核心进行以下操作：

使用第一超声换能器及第二超声换能器来使用当前激发频率测量流体流量；

执行包含以下各者的温度校准过程：

针对所述第一超声换能器循序产生多个电信号，每一经产生电信号具有不同相应频率；

针对每一相应频率，测量来自所述第二超声换能器的信号的振幅；及

基于来自所述第二超声换能器的所述信号的所述经测量振幅，确定新激发频率；及

使用所述第一及超声换能器来使用所述新激发频率测量流体流量。

2.根据权利要求1所述的计算机可读存储装置，其中当由所述一或多个CPU核心执行时，所述机器指令致使所述再多一个CPU核心通过指示来自所述经测量振幅中的峰值经测量振幅的频率的选择确定所述新激发频率。

3.根据权利要求1所述的计算机可读存储装置，其中当由所述一或多个CPU核心执行时，所述机器指令致使所述再多一个CPU核心通过以下操作确定所述新激发频率：

确定对应于来自所述经测量振幅中的峰值振幅的第一频率；

基于所述峰值振幅确定第二频率，所述第二频率小于所述第一频率，

基于所述峰值振幅确定第三频率，所述第三频率大于所述第一频率；及

基于所述第二及第三频率确定所述新激发频率。

4.根据权利要求3所述的计算机可读存储装置，其中当由所述一或多个CPU核心执行时，所述机器指令致使所述再多一个CPU核心将所述新激发频率确定为所述第二及第三频率的平均值。

5.根据权利要求3所述的计算机可读存储装置，其中当由所述一或多个CPU核心执行时，所述机器指令致使所述再多一个CPU核心将所述新激发频率确定为所述第二及第三频率的中值。

6.根据权利要求3所述的计算机可读存储装置，其中当由所述一或多个CPU核心执行时，所述机器指令致使所述再多一个CPU核心通过一或多个寄存器的配置产生所述多个电信号中的每一者以使其包含：

指示产生所述电信号的脉冲数目的第一值；

指示每一脉冲在其期间将处于第一电压电平的第一时间段的第二值；及

指示每一脉冲在其期间将处于第二电压电平的第二时间段的第三值。

7.根据权利要求1所述的计算机可读存储装置，其中当由所述一或多个CPU核心执行时，所述机器指令致使所述再多一个CPU核心每隔M分钟执行一次所述温度校准过程，其中M是至少5。

8.一种微控制器单元MCU，其包括：

一或多个中央处理单元CPU核心，其用于：

针对每一相应频率，测量来自所述第二超声换能器的信号的振幅；

基于来自所述第二超声换能器的所述信号的所述经测量振幅，确定新测量频率；及

9.根据权利要求8所述的MCU，其中所述再多一个CPU核心通过指示来自所述经测量振幅中的峰值经测量振幅的频率的选择确定所述新激发频率。

10.根据权利要求8所述的MCU，其中所述再多一个核心通过以下各者确定所述新测量频率：

确定对应于来自所述经测量振幅中的峰值振幅的第一频率；

基于所述第二及第三频率确定所述新激发频率。

11.根据权利要求10所述MCU，其中所述再多一个CPU核心对所述第二及第三频率求平均以确定所述新激发频率。

12.根据权利要求10所述MCU，其中所述再多一个CPU核心将新激发频率确定为所述第二及第三频率的中值。

13.根据权利要求10的所述MCU，其中所述再多一个CPU核心通过一或多个寄存器的配置产生所述多个电信号的每一者以使其包含：

指示产生所述电信号的脉冲数目的第一值；

14.根据权利要求8所述的MCU，其进一步包括：

可编程脉冲发生器，其可由所述一或多个CPU核心编程以产生所述多个多个电信号；及

模/数转换器，其用于将来自所述第二超声换能器的所述信号转换成数字值。

15.根据权利要求8所述的MCU，其中所述多个电信号的所述循序产生、所述振幅的确定、及所述新激发频率的确定包括基于温度的校准过程，且其中所述一或多个CPU核心重复地自动执行所述基于温度的校准过程。

16.一种方法，其包括：

17.根据权利要求8所述的方法，其中确定所述新激发频率包括选择指示来自所述经测量振幅中的峰值经测量振幅的频率。

18.根据权利要求16所述的方法，其中确定所述新测量频率包括：

确定对应于来自所述经测量振幅中的峰值振幅的第一频率；

基于所述第二及第三频率确定所述新激发频率。

19.根据权利要求18所述的方法，其中确定所述新激发频率包括对所述第二及第三频率求平均。

20.根据权利要求18所述的方法，其中确定所述新激发频率包括计算所述第二及第三频率的中值。