TWI400444B - 超音波相位偏移之偵測裝置 - Google Patents

Description

超音波相位偏移之偵測裝置

本發明係關於一種偵測裝置，尤指一種用於偵測超音波相位偏移之偵測裝置。

若欲測量流體的濃度或流速等狀態，習知可使用超音波流量計對流體進行量測，其係於流體中發射超音波信號並偵測其於流體中的相位偏移，由於流體的濃度或流速改變會使射入的超音波信號產生相位差，因此藉由量測其相位偏移即可推測流體在濃度或流速上的改變。

請參照圖1，圖1係習知之超音波流量計1之示意圖。如圖1所示，超音波流量計1包括一微處理器11、一流體管12、一放大器13、以及一計數器14；微處理器11連接至流體管12及計數器14，放大器13連接至流體管12及計數器14。其中，流體管12包括一發射端121、一接收端122、一流入口123、以及一流出口124，發射端121及接收端122分別用以發射及接收超音波信號，流入口123及流出口124分別供一流體流入及流出。其中，流體係佈滿於流體管12之中；微處理器11產生並驅動發射端121發射超音波信號，同時通知計數器14開始計數；當接收端122接收到超音波信號時，傳送至放大器13進行放大，並通知計數器14停止計數；計數器14將計數結果以一數位結果信號輸出。上述韌體控制的程序相當複雜，使用時必須經常調整及校正參數，並且習知的超音波流量計於硬體製造時即需設計於所欲進行流體量測的裝置內部。此外，若使用者需要類比信號的量測結果，則必須外加硬體線路以進行信號轉換。

發明人爰因於此，本於積極發明之精神，亟思一種使用程序簡易、可同時提供類比及數位量測結果、且為獨立可外接之「超音波相位偏移之偵測裝置」，幾經研究實驗終至完成此項嘉惠世人之發明。

本發明之主要目的係在提供一種超音波相位偏移之偵測裝置，其係用以偵測超音波信號的相位偏移，進而可由其偵測結果對流體在濃度或流速上的改變進行計算。

依據本發明之一特色，本發明係提供一種超音波相位偏移之偵測裝置，包括：一時脈產生器，用以產生一時脈信號；一除頻器，係連接至時脈產生器，用以將時脈產生器所產生之時脈信號進行除頻，以將其頻率降至一預定頻率，進而產生頻率為預定頻率之一輸入之超音波信號；一第一計數器，係連接至除頻器，用以接收除頻後之時脈信號以進行計數；一比較器，係連接至第一計數器，用以比較第一計數器之計數值與一預定數目，並於第一計數器之計數值小於或等於預定數目時，傳送輸入之超音波信號；一相位偵測器，係連接至比較器，用以接收輸入之超音波信號與一傳遞後之超音波信號，並將輸入之超音波信號與傳遞後之超音波信號進行相位比較，然後產生類比結果信號以供偵測裝置輸出；以及一第二計數器，係連接至相位偵測器，用以對由相位偵測器所傳送之類比結果信號進行計數，並產生數位結果信號以供偵測裝置輸出。

在本發明之一實施例中，比較器係將輸入之超音波信號同時傳送至相位比較器及一流體管內之一發射端。

在本發明之一實施例中，相位偵測器所接收之傳遞後之超音波信號係來自於流體管內之一接收端。

請參閱圖2，圖2係本發明一較佳實施例之超音波相位偏移之偵測裝置2之示意圖。如圖2所示，本發明之超音波相位偏移之偵測裝置2係連接至流體管9，偵測裝置2包括一時脈產生器21、一除頻器22、一第一計數器23、一比較器24、一相位偵測器25以及一第二計數器26，流體管9包括一發射端91、一接收端92、一流入口93以及一流出口94。時脈產生器21連接至除頻器22及第二計數器26，第一計數器23連接至除頻器22以及比較器24，比較器24連接至發射端91以及相位偵測器25，相位偵測器25連接至發射端91以及接收端92，第二計數器26連接至相位偵測器25。

其中，一流體係佈滿於流體管9之中，且其係由流入口93流入，並由流出口94流出。使用者首先依所需於比較器24設定一預定數目，以對由發射端91所發出的超音波信號的個數進行設定。時脈產生器21產生時脈信號，其頻率係為例如20MHz，但不限於此，只要是大於20KHz者均可；除頻器22接收時脈信號並對其進行除頻，以將其頻率降至預定頻率，進而產生頻率為預定頻率的一輸入之超音波信號，預定頻率係為例如40KHz，但不限於此，只要是大於20KHz者均可；第一計數器23接收除頻後的時脈信號以進行計數；比較器24對第一計數器的計數值與所設定的預定數目進行比較，並於第一計數器的計數值小於或等於所設定的預定數目時，將輸入之超音波信號同時傳送至發射端91以及相位偵測器25；發射端91係於流體管9中發射輸入之超音波信號，輸入之超音波信號係經流體而由接收端92接收為傳遞後之超音波信號，然後傳送至相位偵測器25；相位偵測器25對由比較器24所傳送的輸入之超音波信號、以及由接收端92所傳送的傳遞後之超音波信號進行相位比較，然後產生類比結果信號以供偵測裝置2輸出，並同時將類比結果信號傳送至第二計數器26；第二計數器26係對所接收的類比結果信號進行計數，並依據時脈信號之頻率以及其計數值產生數位結果信號供偵測裝置2輸出；偵測裝置2輸出類比結果信號以及數位結果信號。

本發明之超音波相位偏移之偵測裝置2所輸出的類比結果信號係由相位偵測器25對所接收的輸入之超音波信號以及傳遞後之超音波信號進行之相位比較而產生，請參照圖3，圖3係本發明一較佳實施例之超音波相位偏移之偵測裝置之相位偵測器之相位比較之示意圖。在圖3中，(A)為相位偵測器25所接收的輸入之超音波信號，(B)為相位偵測器25所接收的傳遞後之超音波信號，(C)為相位偵測器25所產生的類比結果信號；其中，當輸入之超音波信號觸發為高電位時，相位偵測器25將類比結果信號觸發為高電位，並且當傳遞後之超音波信號觸發為高電位時，相位偵測器25將類比結果信號觸發為低電位，進而可產生代表相位偏移的類比結果信號。在圖3中，(D)係第二計數器26接收由相位偵測器25所產生的類比結果信號並進行計數；當第二計數器26接收類比結果信號，其係於類比結果信號為高電位時進行計數，並依據其計數值以及時脈產生器21所產生之輸入之超音波信號之頻率進行計算而產生數位結果信號。

使用者亦可將預定數目設定為一相對大的數值，以將本發明之超音波相位偏移之偵測裝置2設定為連續模式，由此設定，比較器24連續傳送輸入之超音波信號，以由發射器91持續於流體管9中發射；相位偵測器25持續對輸入之超音波信號與傳遞後之超音波信號的進行相位比較，並連續輸出類比結果信號。

本發明之超音波相位偏移之偵測裝置2較佳係為一可程式邏輯裝置(Programmable Logic Device，PLD)，例如一複雜可程式邏輯裝置(Complex Programmable Logic Device，CPLD)，其係可於一積體電路內實現各種運算和組合邏輯。因此，本發明之超音波相位偏移之偵測裝置2的所有控制及執行程序，包括超音波信號的產生及輸入/輸出、相位比較、以及結果信號的輸出，僅需一複雜可程式邏輯裝置積體電路(CPLD IC)即可實現。

而在實際應用上，本發明之超音波相位偏移之偵測裝置係為一獨立裝置，其可直接外接於其他裝置上以進行偵測，例如組設於一製氧機內以對其所製出的氧氣濃度進行量測，由於本發明之偵測裝置可設置於一複雜可程式邏輯裝置積體電路(CPLD IC)中而不需微處理器，因此，對於例如製氧機等之裝置的廠商來說，本發明可有效降低製造成本，並且更簡化了習知的量測程序。另外，本發明可同時將量測結果以類比信號與數位信號兩種方式輸出，在後續的信號處理上更較習知彈性且方便。

再者，習知係由微處理器產生時脈信號，其頻率易受微處理器本身的時脈影響，但本發明之偵測裝置係以一獨立的時脈產生器產生時脈信號，且時脈信號的頻率可依使用者所需進行調整，因此本發明之偵測裝置更可彈性調整量測的精準度。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1．．．超音波流量計

11．．．微處理器

12．．．流體管

121．．．發射端

122．．．接收端

123．．．流入口

124．．．流出口

13．．．放大器

14．．．計數器

2．．．偵測裝置

21．．．時脈產生器

22．．．除頻器

23．．．第一計數器

24．．．比較器

25．．．相位偵測器

26．．．第二計數器

9．．．流體管

91．．．發射端

92．．．接收端

93．．．流入口

94．．．流出口

圖1係習知之超音波流量計之示意圖。

圖2係本發明一較佳實施例之超音波相位偏移之偵測裝置之示意圖。

圖3係本發明一較佳實施例之超音波相位偏移之偵測裝置之相位偵測器之相位比較之示意圖。

2．．．偵測裝置

21．．．時脈產生器

22．．．除頻器

23．．．第一計數器

24．．．比較器

25．．．相位偵測器

26．．．第二計數器

9．．．流體管

91．．．發射端

92．．．接收端

93．．．流入口

94．．．流出口

Claims (11)

1. 一種超音波相位偏移之偵測裝置，包括：一時脈產生器，用以產生一時脈信號；一除頻器，係連接至該時脈產生器，用以將該時脈產生器所產生之該時脈信號進行除頻，以將其頻率降至一預定頻率，進而產生頻率為該預定頻率之一輸入之超音波信號；一第一計數器，係連接至該除頻器，用以接收該除頻後之時脈信號以進行計數；一比較器，係連接至該第一計數器，用以比較該第一計數器之計數值與一預定數目，並於該第一計數器之計數值小於或等於該預定數目時，傳送該輸入之超音波信號；一相位偵測器，係連接至該比較器，用以接收該輸入之超音波信號以及一傳遞後之超音波信號，並將該輸入之超音波信號與該傳遞後之超音波信號進行相位比較，然後產生一類比結果信號以供該偵測裝置輸出；以及一第二計數器，係連接至該相位偵測器，用以對由該相位偵測器所傳送之該類比結果信號進行計數，並產生一數位結果信號以供該偵測裝置輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之偵測裝置，其中該比較器係將該輸入之超音波信號同時傳送至該相位偵測器及一流體管內之一發射端。
3. 如申請專利範圍第2項所述之偵測裝置，其中該相位偵測器所接收之該傳遞後之超音波信號係來自於該流體管內之一接收端。
4. 如申請專利範圍第1項所述之偵測裝置，其中該類比結果信號係由該相位偵測器對該輸入之超音波信號以及該傳遞後之超音波信號進行之相位比較而產生，當中，當該輸入之超音波信號觸發為高電位時，該類比結果信號觸發為高電位，當該傳遞後之超音波信號觸發為高電位時，該類比結果信號觸發為低電位。
5. 如申請專利範圍第1項所述之偵測裝置，其中該第二計數器係連接至該時脈產生器，以得知該輸入之超音波信號之頻率。
6. 如申請專利範圍第5項所述之偵測裝置，其中該數位結果信號係由該第二計數器係依據該輸入之超音波信號之頻率以及其計數值所產生。
7. 如申請專利範圍第1項所述之偵測裝置，係為一複雜可程式邏輯裝置(CPLD)。
8. 如申請專利範圍第1項所述之偵測裝置，其中該預定數目係彈性可調整。
9. 如申請專利範圍第1項所述之偵測裝置，其中該時脈產生器所產生之該時脈信號之頻率係彈性可調整。
10. 如申請專利範圍第1項所述之偵測裝置，其中該輸入之時脈信號之頻率係大於20KHz。
11. 如申請專利範圍第1項所述之偵測裝置，其中該超音波信號之頻率係大於20KHz。