脉冲多普勒方法和通过时间方法为公知的超声波流量测量方法。
脉冲多普勒方法中的流量测量运用了多普勒频移，其中，超声波 脉冲被发射到待测量的流体，由诸如存在于流体中的气泡的混入物反 射的超声波回波的频率被改变与流速成比例的量。与通过时间方法相 比较，脉冲多普勒方法的特点在于高精确度、快速响应、优良的抗气 泡特性、以及通过提供多级测量线，即使在扭曲流动(skewed flow) 中仍可以具有高精度。然而，其问题在于，在几乎不包含气泡和/或颗 粒的流体中无法进行正确的测量，并且流速的可测量范围受限。作为 脉冲多普勒方法中的流量测量技术，例如，专利文献1的技术是公知 的。
另一方面，在通过时间方法中，使用了一对超声波传感器 (transducer)来比较从上游(upstream)到下游(downstream)的 超声波通过时间和从下游到上游的超声波通过时间，并计算流速和流 量。在该方法中，与脉冲多普勒方法相比，可以适当地测量几乎不包 含气泡和/或颗粒的流体和纯水的流量，并且流速的可测量范围很宽。
传统的超声波流量计利用脉冲多普勒方法或通过时间方法来进 行测量。
这样，上述方法具有优点和缺点，但他们可以互为补充，最好是 超声波流量计具有能够使用这两种方法来测量流量的硬件资源，并且 合适地在两者之间切换。
本发明旨在提供一种超声波流量计，其方法和程序能够使用脉冲 多普勒方法和通过时间方法两者，通过根据脉冲多普勒方法和通过时 间方法的接收波来自动选择脉冲多普勒方法和通过时间方法中的任一 种，从而能够测量流量，而不论待测流体中是否存在/缺少诸如气泡等 的反射体。
专利文献1：日本公布的专利申请第2000-97742号。

根据本发明的选择测量方法的方法使用能够使用脉冲多普勒方 法进行流量测量和通过时间方法进行流量测量的超声波流量计，选择 其中一种测量方法，并且包括：确定当前测量方法的确定步骤；确定 接收波可靠性的确定步骤；以及当确定接收波可靠性不够时，选择不 同于当前测量方法的测量方法的选择步骤。
另外，根据本发明的选择测量方法的方法使用能够使用脉冲多普 勒方法进行流量测量和通过时间方法进行流量测量的超声波流量计， 选择其中一种测量方法，并且包括：确定当前测量方法的确定步骤； 确定接收波可靠性的确定步骤；以及当确定接收波可靠性不够时，选 择不同于当前测量方法的测量方法的选择步骤，以及获得一个值作为 与脉冲多普勒方法和通过时间方法的每一个相关的接收波可靠性指 标，相互比较作为测量方法指标的值，并当确定接收波可靠性不够时， 选择具有更高指标值的测量方法。
本发明并不限于上述选择测量方法的方法，它还可被配置为能够 使用两种方法的超声波流量计、能够同时使用两种方法的超声波流量 计、或者程序或存储指示这些装置执行上述方法的程序的记录介质。
根据本发明的所述方法、所述装置等，在能够利用通过时间方法 和脉冲多普勒方法的系统中，方法的选择是自动确定的，利用这些方 法的优点，从而进行流量测量，而不论待测流体中是否存在/缺少反射 体。由于在每种测量方法中适当地观测接收到的超声波的强度、频率 的功率谱、相位变化、流速的正常检测率等，以及基于预定的阈值来 自动确定待使用的方法，能够以高精确度进行满足测量条件的流量测 量。
附图说明
图1显示了根据本发明的实施例，能够使用脉冲多普勒方法和通 过时间方法来进行流量测量的超声波流量计的结构略图；
图2显示了根据通过时间方法进行流量测量的原理；
图3显示了根据脉冲多普勒方法进行流量测量的原理；
图4为根据本发明第一个实施例的切换操作的流程图；
图5为如图4所示的脉冲多普勒方法中进行切换操作的流程图； 以及
图6为根据本发明第二个实施例的切换操作的流程图。

以下参考实施例和附图详细说明本发明。对多幅图中出现的相同 组件在图中被赋给了相同的标号。
图1显示了根据本发明的实施例，能够使用脉冲多普勒方法和通 过时间方法来进行流量测量的超声波流量计的结构略图。
在图1中，在为待测量流体提供流动路径的管道的外壁上安装能 够使用所述两种方法的超声波流量计，并且该超声波流量计配置有： 传感器1(超声波传感器)，用于以脉冲多普勒方法发送和接收超声 波来进行流量测量；一对传感器2和3(超声波传感器)，彼此相对 地附着在管道外壁上；电路4，用于检测多普勒频率并进行A/D转换， 用于脉冲多普勒方法的流量测量；电路5，用于进行放大和A/D转换， 用于通过时间方法的流量测量；切换电路6，用于在脉冲多普勒方法 和通过时间方法之间进行切换；以及控制单元7，用于控制整个超声 波流量计。电路4的多普勒频率检测实际上是通过混和发射的超声波 脉冲频率和接收的回波频率并滤波发送频率分量来进行的，从而提取 并输出指示多普勒频移分量的信号。更详细地，它是通过正交检测来 获得分析信号的方法。即，回波被乘以发送频率的正弦和余弦分量， 回波被分解为发送频率分量和多普勒频移分量，然后由低通滤波器仅 提取指示多普勒频移分量的信号并输出。
虽然未在附图中显示，还有用于通过向每个传感器输出发送脉冲 信号而从每个传感器输出超声波脉冲的发送电路。该发送电路配置有 例如发生器和发射器。发生器产生基本频率为f0的电信号，而发射器 在每个预定时间间隔(1/fprf)以脉冲形式输出来自发生器的电信号。这 样，每个传感器在每个预定时间间隔(1/fprf)输出基本频率为f0的 超声波脉冲。然后，发送超声波脉冲，并接收和处理由反射物或管道 壁反射的脉冲被定义为一个测量操作。该测量操作被重复预定次数 (Nprf，例如，几百至几千次)。基于所得到的结果，控制单元7按 照惯例获得了多普勒接收波fd(i)，计算每个测量点的流速(即流动剖 面)，并进一步计算流量。在本方法中，获得随后说明的接收波幅度 和功率谱以与设定值(阈值)进行比较，从而确定测量方法的切换。
控制单元7最好配置有未在附图中显示的CPU(central processing unit，中央处理器)、ROM(read-only storage device，只 读存储设备)，RAM(arbitrary access storage device，随机存取存储 设备)等构成的微机。控制单元7执行各单元的功能，流量计算单元 8根据来自脉冲多普勒方法中电路4和来自通过时间方法中电路5的 信号，通过每个方法来计算流量；输出处理单元9输出(例如显示) 流量处理单元8的处理结果；以及方法切换单元10基于本发明的原理 而进行方法切换。处理单元8至10的每一个通过未在附图中显示的 CPU读取和执行存储在同样未在附图中显示的ROM中的预定程序来 实现。
脉冲多普勒方法中电路4和流量计算单元8的流量测量通过现有 方法来执行。同样地，通过时间方法中电路5和流量计算单元8的流 量测量也通过现有方法来执行。
在图1中，方法切换单元10切换电路4和5。然而，当单独提供 两种方法所需的硬件资源时，可以同时进行通过这两种方法的流量测 量。因此，切换电路4和5可以被从两种方法的测量结果中选择一个 来代替。
另外，能够使用两种方法的超声波流量计被单独提供两种方法所 需的硬件资源。然而，本发明不能被提供电路5以进行通过时间方法 测量，但是在能够使用两种方法的超声波流量计中，可以将脉冲多普 勒方法所使用的电路4的放大器(未在附图中显示)和A/D转换器应 用于通过时间方法的流量测量中。
在解释根据本发明切换方法的方法之前，将在下面简单说明通过 时间方法和脉冲多普勒方法。
图2显示了通过时间方法中的流量测量原理。在通过时间方法中， 如图2的(a)部分所示，传感器2(在图2中被称为“TD2”)穿过楔 子和管道向待测流体直径上的测量线发射超声波(幅度为A0)，并且 传感器3穿过相对的楔子和管道接收经由被测流体的超声波。图2的 (b)部分示出接收波形。连续地，传感器3同样对传感器2进行发送。 图2的(c)部分显示了TD2的接收波形。然后，由传感器2和3的 接收波形之间的时间差(ΔT＝T2-T1)来获得待测流体的平均流速。由 通过时间方法进行的流量测量将一对传感器中的每个传感器发送发送 脉冲以及使用此时接收的两个接收波来测量流量的周期定义为“一个 测量周期”。
图3显示了由脉冲多普勒方法进行流量测量的原理。在脉冲多普 勒方法中，如图3的(a)部分所示，传感器1(在图3中被称为“TD1”) 穿过楔子和管道向测量线的直径上的测量区发射超声波(幅度为A1)， 并且传感器接收来自测量区中的反射体的回波(反射波)。基于从发 送到接收所用的时间来计算测量线上的反射位置，以及根据取决于每 个位置(测量点)的反射体的速度的多普勒频移来获得反射体的流速。 对应于从多普勒频移的频率(fd)得到的采样定理，以频率fprf (fprf≥2fd)将上述过程重复预定次数(Nprf)，并得到测量线上的 流动剖面。然后，通过对沿管道内径的每个流速进行积分来得到流量。 在图3的(b)部分中，最粗的垂直线表示发送波，第二粗的垂直线表 示从相对壁表面的反射波。连接这些垂直粗线的粗水平线表示流体中 的反射体的回波。有关脉冲多普勒方法的流量测量，对于一个脉冲发 送的测量操作的周期被定义为“一个测量周期”。
基于上述Nprf次测量的结果，如图3(c)部分所示，对每个测 量点(位置)获得多普勒接收波fd(i)。在该解释下，脉冲多普勒方法 中的接收波(多普勒接收波)指的是电路4的输出信号或基于Nprf 次测量结果而产生的信号，但不是指每次测量得到的原始接收波。
为了知道流速，要得到多普勒频移中的频率变化。然而，用实际 的测量装置，首先使用多普勒频移ωd和重复周期Δt来计算相角，并 进行算术运算，从而得到流速。
基于上述定义在下面解释方法切换单元10的切换操作。
【第一实施例】
图4是根据本发明第一实施例的切换操作的流程图。根据本发明， 对每个测量周期进行图4中显示的方法。当图4(a)部分中的处理开 始时，确定当前的流量测量方法是什么(步骤102)。由于控制单元7 控制方法的切换，控制单元7自然知道当前的流量测量方法。如果当 前的流量测量方法是脉冲多普勒方法，则控制传递至步骤104，并且 基于至此进行的Nprf次测量的结果，生成有关接收信号(即，图3(c) 部分所示的多普勒接收波fd(i))的可靠性的指标值。
图4的(b)部分显示了步骤104中的方法的实例。如图4(b) 部分所示，例如，在步骤104a中，获得接收波的幅度，即，多普勒接 收波fd(i)的幅度A1’与预定幅值A的比值ARrr。
另外，如在步骤104b中，对多普勒接收波进行傅立叶变换，获 得作为发送波频率和接收波频率之间的差的多普勒频率fd，检测接收 波的功率，并且这些处理被重复若干次，从而获得水平轴和垂直轴分 别指示多普勒频率fd和功率的功率谱，并且得到获得的功率谱与预定 功率值P的比值PRrr。对每个测量点都获取功率谱。
在确定步骤108中，确定在步骤104(例如，104a或104b)中 获得的值是否小于预定的设定值(Q或R)。实际上，当在步骤104a 中得到多普勒接收波fd(i)的幅度A1’与预定幅值A的比值ARrr时， 确定比值ARrr是否小于为比值ARrr预定的设定值Q。同样，当在 步骤104b中获得比值PRrr时，确定比值PRrr是否小于为比值PRrr 预定的设定值R。
如果获得的值小于预定的设定值，则在测量周期内收集的多普勒 接收波的可靠性较低，并且推荐不采用该方法。相应地，在步骤110 中改变该方法。即，在这种情况下，由于当前正在使用脉冲多普勒方 法，则方法被改变为通过时间方法。步骤110之后，切换操作终止。
在确定步骤108中，如果在步骤104中获得的值大于设定值(Q 或R)，则在测量周期内收集的多普勒接收波的可靠性等于或高于预 定水平。因此，不需要采取行动(不改变方法)并且过程终止。
由用户可选地将预定幅值A、预定功率值P以及预定设定值(Q 或R)设置为适当的值。
另一方面，如果在第一确定步骤102中确定当前方法是通过时间 方法，则控制被传递至步骤106，并且获得在当前测量周期中收集的 接收信号的可靠性的指标值。实际上，它是在图4的(c)部分中所示 的步骤106a或106b中获得的。例如，在步骤106a中，获得发送波的 最大幅度(图2的(b)部分中显示的A0)与接收波的最大幅度(图 2的(b)部分中显示的A0’)的比值Artr。另外，在步骤106b中， 通过对接收波进行傅立叶变换来计算接收波中包含的发送频率的功率 谱，并且可以获得功率谱与发送波的比值PRtr。
然后，在确定步骤108中，确定在步骤106(例如，106a或106b) 中得到的值是否小于该量的设定值。实际上，当在步骤106a中获得发 送波的最大幅度与接收波的最大幅度的比值Artr时，确定比值Artr 是否小于为比值Artr预定的设定值。同样，当在步骤106b中获得功 率比值PRtr时，确定比值PRtr是否小于为比值PRtr预定的设定值。
如果得到的值小于预定的设定值，则在测量周期内收集的接收波 的可靠性较低，并且推荐不采用该方法。因此，在步骤110中改变该 方法。即，在这种情况下，由于当前的方法是通过时间方法，则方法 被改变为脉冲多普勒方法。步骤110之后，切换操作终止。
在确定步骤108中，如果步骤106中得到的值大于设定值，则在 测量周期内收集的通过时间方法中的接收波的可靠性等于或高于预定 水平。因此，不需要采取行动(不改变方法)并且过程终止。
如果当前测量方法是脉冲多普勒方法，则不进行图4中显示的方 法，但可以执行图5中显示的方法。即，如图5的(a)部分中所示， 确定整个测量点是否能被正确地测量(步骤S120)。如果可以被正确 测量的测量点数(或如果正确测量的点与所有测量点的比值)小于第 一预定阈值(步骤S112中为“是”)，则确定不能用脉冲多普勒方法来 进行测量，并且测量方法被改变为通过时间方法(步骤S124)。如果 该数等于或高于第一预定阈值(步骤S122中为“否”)，则确定可以由 脉冲多普勒方法来执行测量，并且过程终止(不改变方法)。
步骤S120中的确定方法实际上是图5的(b)部分中所示的方法 或图5的(c)部分中所示的方法。
在图5的(b)部分中所示的方法中，每次执行预定次数(例如 Nprf次)测量时，对于每个测量点获得接收波的波形未连续改变的次 数。如果该次数小于预定第二阈值，则确定该测量点可以被正确测量 (步骤S120a)。另一方面，如果得到的次数等于或大于第二预定阈 值，则确定该测量点的测量状态异常。“接收波的波形不连续改变的次 数”中的“波形不变化”指的是以下含义。
即，在脉冲多普勒方法中，可以由从发送超声波脉冲到接收反射 波所用的时间来确定反射体在哪个测量点反射了接收波。即，当在时 基上观看反射波(接收波)时，波形在对应于反射体的测量点的时间 发生变化，否则波形不改变。因此，对于某测量点“接收波的波形不改 变”表示反射体没有经过，并且在对应于“接收波的波形不连续改变的 次数”的时间内，反射体未经过测量点。相应地，较大的“接收波的波 形不连续改变的次数”所指的含意是，有小量的反射体经过测量点。因 此，当它等于或大于第二阈值时，确定不能正确进行测量。
以下说明的是图5(c)部分中所示的方法。
图5(c)部分中所示方法的操作原理在以下被解释。
即，在脉冲多普勒方法中的流量测量中，在每个测量周期内在每 个测量点测到的流速不是常量，并且存在实质上为正态分布的变化。
通过计算形成上述正态分布的测量结果的平均值，最终输出在每 个测量点的流速。虽然存在以上所述的或多或少的变化，当测量结果 和平均值之间存在较大差别时，可以认为不能获得正确测量结果。
基于操作的原理，执行图5(c)部分中所示的步骤S120b中的 方法。步骤S120b由以下子步骤构成。即，首先在步骤202中，处理 目标是第一测量点。在步骤204中，获得在当前测量点(＝反射点) 的流速。在步骤206中，计算直到最后一次测量为止获得的当前测量 点的流速的平均值。在步骤208中，获得步骤204中得到的流速与计 算的平均值之间的差值。在确定步骤210中，确定所述差值是否等于 或大于第三阈值。如果所述差值不高于预定第三阈值，则确定对于该 测量点的测量被正确地执行。计数确定已对其正确执行了测量的测量 点的数目。在下一个确定步骤212中，确定将被处理的当前测量点是 否为最后一个测量点。如果不是最后一个点，则在步骤218中将下一 个测量点设为处理目标，控制被返回至步骤204。在确定步骤210中， 当差值超过第三阈值时，认为该测量点的测量异常，并且在步骤216 中，使用直到上一次为止获得的平均值或相邻测量点的平均值等，来 校正步骤204中获得的流速，然后控制被转到步骤212。如果在确定 步骤212中确定当前处理目标的测量点为最后一个测量点，则控制被 转到步骤214，并且获得正常测量点数与测量点总数的比值(％)。 步骤214中的处理可以被省略，并且可以使用计数的正常测量点数， 象在步骤122中的方法中一样。
如上所述，当获得已对其执行了正常测量的测量点数(或该数目 与测量点总数的比值)时，控制被转到确定步骤122。在步骤122中， 确定得到的值是否超过第一阈值。自然地，在执行步骤120a中的处理 的情况下和执行步骤120b中的处理的情况下，对第一阈值设定不同的 值。
在步骤120b中的示例中，每个测量点的流速被用作确定标准。 然而，由于每个点的多普勒频移与流速一样存在实质上正态分布的变 化，每个测量点的多普勒频移可以被用于步骤120b中的确定标准。
第一、第二和第三阈值为用户可选设定的适当值。
根据本发明，可以通过如上所述在流量测量期间选择最优流量测 量方法，来进行适应测量条件的高精度流量测量。
通过使用当前使用的任一测量方法的接收数据来确定切换，来实 现切换测量方法的方法。以下说明基于两种方法的测量数据来确定切 换的方法。
【第二实施例】
图6是根据本发明第二个实施例的切换操作的流程图。图6中所 示的方法首先执行步骤302和304。步骤302中的方法与图5的(b) 部分中所示的步骤120a相同，并且步骤304中的方法与图5的(a) 部分中的步骤122相同。当步骤304中的确定(122)为“是”时，则确 定不能以脉冲多普勒方法进行测量，并且方法被切换至通过时间方法 (步骤306)，从而终止该过程。然而，当步骤304中的确定(122) 为“否”时，并不立即确定将继续脉冲多普勒方法，而是在步骤308至 318中确定脉冲多普勒方法和通过时间方法哪个更适合，并且采用更 合适的方法。如果两者都不适合，则确定存在某种异常条件。   在图6中所示的示例中，使用了图5的(b)部分中所示步骤120a 中的方法，但也可以使用图5的(c)部分中所示步骤120b中的方法。 另外，图6中所示的示例是基于脉冲多普勒方法为当前测量方法，但 该方法并不局限于脉冲多普勒方法，并且执行图4的(a)部分中所示 的步骤102中的确定。当当前测量方法为通过时间方法时，步骤302 中的方法可以被步骤106中的方法所代替(例如，图4中(c)部分中 所示的步骤106a或106b)。在这种情况下，如果步骤304中的判断 为“是”，则步骤306中的处理为“切换至脉冲多普勒方法”。
当步骤304中的确定为“否”时，控制被转到步骤308。在步骤308 中，计算由以下等式定义的通过时间方法中的切换值Vp。
Vp＝ARtr·W1+PRtr·W2
其中：
ARtr＝发送波幅度与接收波最大幅度的比值；
PRtr＝发送波与接收波频率功率的比值；以及
W1，、W2为任意设定的权重值。
在步骤310中，计算由以下等式定义的多普勒方法中的切换值 Vd。
Vd＝ARrr·W3+PRrr·W4
其中：
ARrr＝多普勒接收波的幅度与预定幅值的比值；
比值PRrr＝多普勒频率的功率谱与预定功率值的比值；以及
W3，、W4为任意设定的权重值。
上述W1和W2由用户根据ARtr或PRtr哪一个更重要而任意 设定。当只有ARtr和PRtr中的一个将被使用时，可以进行设定W1＝0， W2＝0等。对于W3和W4也同样。
在步骤312中，通过时间方法中的切换值Vp或脉冲多普勒方法 中的切换值Vd中的更大者被选择为Vx(x＝p或d)。在确定步骤314 中，确定所选择的值Vx是否大于预定值。如果所选的值Vx更大，则 方法被切换为在步骤316中选择的方法，从而终止该过程。如果所选 的值Vx不大于步骤314中的预定值，则确定不能进行测量，并且在 步骤318中发布结果的信息，从而终止该过程。
根据本实施例能够使用两种方法的超声波流量计可以是，例如， 在日本专利申请第2004-052348号中所说明的，能够有选择地使用两 种方法的超声波流量计和能够同时使用两种方法的超声波流量计。能 够有选择地使用两种方法的超声波流量计可以使用两种方法中的一种 来进行测量。能够同时使用两种方法的超声波流量计可以一直使用两 种方法来进行测量，但采用和输出两种方法中的一种的测量结果。
根据第二实施例的切换测量方法的方法基于脉冲多普勒方法和 通过时间方法的测量数据来确定切换。因此，它可以应用于能够同时 使用两种方法的超声波流量计，但不能应用于能够有选择地使用两种 方法的超声波流量计。另一方面，根据第一实施例的切换方法使用两 种方法之一的测量数据来确定切换。因此，它可以被应用于能够应用 两种方法的超声波流量计，无论是能够同时或者有选择地使用两种方 法的超声波流量计。
以上实施例的说明仅是为了解释本发明。因此，本领域的技术人 员可以很容易地以各种方式在本发明的技术概念或原理内对上述实施 例的说明进行改动、改进或增加。
例如，步骤104a和104b中的方法被描述为图4中所示的步骤 104中的方法的示例。然而，在步骤104中，接收信号的可靠性的指 标值并不限于该示例。例如，在步骤104a中，获得接收波幅度与预定 可测量幅值的比值ARrr，但也可以使用接收波幅值本身。在这种情 况下，在步骤108中，确定接收波的幅值是否小于参考幅值(例如， 脉冲多普勒方法中可接受的最小接收波幅值)。它也可被应用于步骤 106中的方法。
在步骤104a、104b、106a和106b中，获得比值以减小由于产生 发送脉冲引起的电压变化、用于放大接收波的增益变化、管道中状态 变化等所带来的接收波状态变化的影响。因此，可以使用幅值本身而 不是比值ARrr，如在上述幅值的情形中。
图4的(a)部分中所示的步骤104中的方法以上被解释为图4 的(b)部分中所示的步骤104a或104b中的方法。然而，它也可以 作为图6中所示的步骤310中的方法来执行。同样，图4的(a)部分 所示的步骤106中的方法以上被解释为图4的(c)部分所示的步骤 106a或106b中的方法。然而，它也可以作为图6中所示的步骤308 中的方法来执行。另一方面，可以执行代替图6中步骤310中方法的 图4的(b)部分中所示的步骤104a或104b中的方法。同样，可以 执行代替图6中步骤308中方法的图4的(c)部分中所示的步骤106a 或106b中的方法。即，上述切换值Vp和Vd仅作为接收波可靠性指 标的示例值，其它合适的值也可以被应用。