超声波测量装置及其操作方法.pdf

本发明提供了一种超声波测量装置及其操作方法。所述超声波测量装置（100）包括以驱动频率进行驱动的第一超声波换能器（102a）和第二超声波换能器（102b）。感测对应的超声波信号并对其数据样本进行一次或多次统计操作。超声波流量计（100）配置为基于统计操作的结果进行操作。

权利要求书
1.  一种操作超声波测量装置（100）的方法，所述超声波测量装置（100）包括第一超声波换能器（102a）和第二超声波换能器（102b），所述方法包括：
（a）以驱动频率驱动所述第一超声波换能器（102a）和所述第二超声波换能器（102b），使得所述第一超声波换能器（102a）和所述第二超声波换能器（102b）分别生成第一超声波信号（112）和第二超声波信号，
（b）在所述第一超声波换能器（102a）处感测所述第二超声波信号以产生第一测量信号（202），并在所述第二超声波换能器（102b）处感测所述第一超声波信号（112）以产生第二测量信号（204），
（c）识别所述第一测量信号（202）中的第一组数据点（206）和所述第二测量信号（204）中的第二组数据点（208），其中所述第一组数据点（206）中的每个数据点唯一地对应于所述第二组数据点（208）中的数据点，
（d）基于连续地确定与所述第一组数据点（206）中的每个数据点和所述第二组数据点（208）中的对应数据点对应的时刻之间的时间差来生成频率数据序列，
（e）基于所述频率数据序列来执行一次或多次统计操作，
其中针对适用于驱动所述第一超声波换能器（102a）和所述第二超声波换能器（102b）的一组驱动频率中的至少一个驱动频率执行步骤（a）至（e），以及
（f）基于以与至少一个所述驱动频率对应的所述频率数据序列为基础的一次或多次所述统计操作，来配置适用于驱动所述第一超声波换能器（102a）和所述第二超声波换能器（102b）的操作频率。

2.  根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
（a）从与所述操作频率对应的所述第一组数据点（206）中选择连续数据点的子集并从所述第二组数据点（208）中选择连续数据点的对应的子集，
（b）基于连续地确定与所述第一组数据点（206）的子集中的每个数据点和所述第二组数据点（208）的子集中的对应数据点对应的时刻之间的时间差来生成范围数据序列，
（c）基于所述范围数据序列来执行一次或多次统计操作，以及
（d）基于以与所述第一组数据点（206）中的数据点的至少一个子集对应的所述范围数据序列为基础的一次或多次所述统计操作，来配置适用于检测所述第一超声波信号（112）和所述第二超声波信号的到达的信号检测范围。

3.  根据权利要求1或2所述的方法，其中一次或多次所述统计操作包括确定方差、确定标准差、回归分析及曲线拟合中的至少一个。

4.  根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述超声波测量装置（100）是超声波流量计（100）。

5.  一种超声波测量装置（100）的诊断的方法，所述超声波测量装置（100）包括第一超声波换能器（102a）和第二超声波换能器（102b），所述方法包括：
（a）以操作频率驱动所述第一和所述第二超声波换能器（102a，102b），使得所述第一超声波换能器（102a）和所述第二超声波换能器（102b）分别生成第一超声波信号（112）和第二超声波信号，
（b）在所述第一超声波换能器（102a）处感测所述第二超声波信号以产生第一测量信号（202），并在所述第二超声波换能器（102b）处感测所述第一超声波信号（112）以产生第二测量信号（204），
（c）识别所述第一测量信号（202）中的第一组数据点（206）和所述第二测量信号（204）中的第二组数据点（208），其中所述第一组数据点（206）中的每个数据点唯一地对应于所述第二组数据点（208）中的数据点，
（d）基于连续地确定与所述第一组数据点（206）中的每个数据点和所述第二组数据点（208）中的对应数据点对应的时刻之间的时间差来生成频率数据序列，
（e）基于所述频率数据序列来执行一次或多次统计操作，以及
（f）基于以所述频率数据序列为基础的至少一次所述统计操作来生成第一诊断事件。

6.  根据权利要求5所述的方法，其中针对适用于驱动所述第一超声波换能器（102a）和所述第二超声波换能器（102b）的一组驱动频率中的至少一个所述驱动频率执行步骤（a）至（e），使得所述驱动频率与所述操作频率不相同，并且其中所述第一诊断事件是基于与至少一个所述驱动频率对应的至少一次所述统计操作和与所述操作频率对应的至少一次所述统计操作来生成。

7.  根据权利要求5或6所述的方法，进一步包括：
（a）从所述第一组数据点（206）中选择连续数据点的子集并从所述第二组数据点（208）中选择连续数据点的对应的子集，
（b）基于连续地确定与所述第一组数据点（206）的子集中的每个数据点和所述第二组数据点（208）的子集中的对应数据点对应的时刻之间的时间差来生成范围数据序列，
（c）基于所述范围数据序列来执行一次或多次所述统计操作，以及
（d）基于以所述范围数据序列为基础的至少一次所述统计操作来生成第二诊断事件。

8.  根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中一次或多次所述统计操作包括确定方差、确定标准差、回归分析及曲线拟合中的至少一个。

9.  一种超声波测量装置（100），包括：
（a）第一超声波换能器（102a）和第二超声波换能器（102b），所述第一超声波换能器（102a）和所述第二超声波换能器（102b）适用于机电能量间相互转化，
（b）驱动模块（402），配置为以驱动频率驱动所述第一超声波换能器（102a）和所述第二超声波换能器（102b），使得所述第一超声波换能器（102a）和所述第二超声波换能器（102b）分别生成第一超声波信号（112）和第二超声波信号，
（c）感测模块（404），配置为在所述第一超声波换能器（102a）处感测所述第二超声波信号以产生第一测量信号（202），并在所述第二超声波换能器（102b）处感测所述第一超声波信号（112）以产生第二测量信号（204），
（d）信号处理模块（406），配置为：
-识别所述第一测量信号（202）中的第一组数据点（206）和所述第二测量信号（204）中的第二组数据点（208），其中所述第一组数据点（206）中的每个数据点唯一地对应于所述第二组数据点（208）中的数据点，
-基于连续地确定与所述第一组数据点（206）中的每个数据点和所述第二组数据点（208）中的对应数据点对应的时刻之间的时间差来生成频率数据序列，
-基于所述频率数据序列来执行一次或多次统计操作，以及
（e）配置模块（408），配置为基于以与适用于驱动所述第一超声波换能器（102a）和所述第二超声波换能器（102b）的一组驱动频率中的至少一个所述驱动频率对应的所述频率数据序列为基础的一次或多次所述统计操作，来配置适用于驱动所述第一超声波换能器（102a）和所述第二超声波换能器（102b）的操作频率的所述驱动模块（402）。

10.  根据权利要求9所述的超声波测量装置（100），其中所述信号处理模块（406）进一步配置为：
-从与所述操作频率对应的第一组数据点（206）中选择连续数据点的子集，并从第二组数据点（208）中选择连续数据点的对应的子集，
-基于连续地确定与所述第一组数据点（206）的子集中的每个数据点和所述第二组数据点（208）的子集中的对应数据点对应的时刻之间的时间差来生成范围数据序列，以及
-基于所述范围数据序列来执行一次或多次统计操作，
并且进一步地，其中所述配置模块（408）进一步配置为：
-基于以与所述第一组数据点（206）中的数据点的至少一个子集对应的所述范围数据序列为基础的一次或多次所述统计操作， 来配置适用于感测所述第一超声波信号（112）和所述第二超声波信号的到达的信号检测范围的所述感测模块（404）。

11.  根据权利要求10所述的超声波测量装置（100），其中所述超声波测量装置（100）进一步包括诊断模块（410），配置为基于与所述频率数据序列和所述范围数据序列中的至少一个相关联的至少一个所述统计操作来生成诊断事件。

12.  根据权利要求9至11中任一项所述的超声波测量装置（100），其中一次或多次所述统计操作包括确定方差、确定标准差、回归分析及曲线拟合中的至少一个。

13.  根据权利要求9至12中任一项所述的超声波测量装置（100），其中所述超声波测量装置（100）是超声波流量计（100）。

14.  根据权利要求9至13中任一项所述的超声波测量装置（100），其中所述超声波测量装置（100）是钳式超声波流量计。

15.  根据权利要求9至13中任一项所述的超声波测量装置（100），其中所述超声波测量装置（100）是直列式超声波流量计。

说明书超声波测量装置及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种超声波测量装置及其操作方法。具体地，本发明涉及一种可在非可逆情况下操作的超声波测量装置及操作该超声波测量装置的操作方法。
背景技术
在从测量仪器到医学成像仪器等各种应用中使用超声波测量装置。超声波测量装置的一个特定应用是渡越时间超声波流量计。
渡越时间超声波流量计通过确定与在流体流动路径的上游和下游传输的超声波信号对应的渡越时间差来测量管道中流动的流体的流动速度。通常，渡越时间超声波流量计包括沿流体流路径适当定位的第一超声波换能器和第二超声波换能器。可以将第一和第二超声波换能器适当插入管道中，配置被称为直列式配置。可选地，第一和第二超声波换能器可以从外部与管道的外侧耦合，配置被称为钳式配置。超声波流量计的操作的基本原理保持不变，如下面所述。
向传输超声波信号的第一超声波换能器施加电激励信号。超声波信号穿过流体朝向第二超声波换能器，该第二超声波换能器接收超声波信号并生成与超声波信号对应的电测量信号。由此，测量一个方向上的渡越时间。在另一方向上重复该过程，其中第二超声波换能器充当发射器并且第一超声波换能器充当接收器，以在相反方向上测量渡越时间。最后，这两个方向上的渡越时间差用于确定流体的流动速度。
超声波流量计的基本操作原理如上所述基于上游路径和下游路径中可逆性的假设，也就是说，上游渡越时间与下游渡越时间之间的时间差完全是由流体流动引起的。换句话说，在零流动状态下，上游超声波信号和下游超声波信号的渡越时间应该相同。然而，该假设在实际应用中由于以下几个原因而无法成立。
众所周知的非可逆性原因之一是至少一个超声波换能器错误安装，与至少一个超声波换能器相关联的错误辅助电子设备等。
另一个重要的非可逆性源来自与超声波流量计的一个或多个组成元素，比如超声波换能器、耦合构件、电缆及辅助电子设备相关联的各个参数的变化。例如，超声波换能器可以为压电陶瓷圆盘的形式，其中规定的压电陶瓷圆盘的每个尺寸具有+/-10%的公差。虽然这些参数的这些变化正好在组成元素的规定制造公差内，但是超声波流量计的精度可能会受到这些变化的显著影响。
由于上述原因导致的超声波流量计非可逆性可以被称为超声波流量计的固有非可逆性。
除了固有非可逆性之外，如上所述，超声波流量计还易于出现流体诱导的非可逆性。流体诱导的非可逆性会导致上游和下游超声波信号在管道中的有限流动状态下出现差异，所述差异超过上游和下游超声波信号在管道中的零流动状态下产生的差异。
流体诱导的非可逆性的主要原因与在管道中流动的流体的声学特性有关。例如，考虑钳式超声波流量计的情况。在这种情况下，来自发射传感器的超声波信号通过管道壁进入流体，使得在管道壁上创建多个声反射。这些声反射还到达接收传感器，其中主要超声波信号和声反射发生干涉以产生最终信号，该最终信号通过接收传感器感测。声反射可以建设性地或破坏性地发生干扰，这取决于多个因素，包括但不限于，流体的声学 特性、流速、传感器间距等。此外，声反射沿上游和下游方向表现出差分特性，这会导致超声波流量计发生流体诱导的非可逆性。
现有技术中已知的各个系统和方法实施了零校准技术，其中在零流动状态下确定上游和下游超声波信号之间的渡越时间差，这个差被视为“零误差”并相应地校准超声波流量计的标度。然而，广泛使用的零校准技术只解释了超声波流量计的固有非可逆性。这些现有技术系统和方法无法认识并处理有限流动情况下诱导的其他的非可逆性，即如上所述的流体诱导的非可逆性。因此，本技术领域的已知的系统和方法在操作超声波流量计期间会导致错误的流量测量。
鉴于上述情况，需要一种能够在非可逆状态下提供精确测量的超声波测量设备，比如超声波流量计及操作该超声波测量设备的方法。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够在非可逆状态下提供精确测量的超声波测量装置及操作该超声波测量装置的方法。
本发明的目的通过权利要求1和权利要求5所述的方法以及权利要求9所述的超声波测量装置来实现。在从属权利要求中解释了本发明的进一步实施例。
在本发明的第一方面，提供了一种操作超声波测量装置的方法。所述超声波测量装置包括第一超声波换能器和第二超声波换能器。第一和第二超声波换能器以驱动频率驱动使得第一和第二超声波换能器分别生成第一超声波和第二超声波。在第一超声波换能器处感测第二超声波以产生第一测量信号。类似地，在第二超声波换能器处感测第一超声波以产生第二测量信号。随后，在第一测量信号中识别第一组数据点并在第二测量信号中识别第二组数据点，使得第一组数据点中的每个数据点唯一对应于第二 组数据点中的数据点。基于连续确定与第一组数据点中的每个数据点和第二组数据点中的对应数据点对应的时刻之间的时间差，来生成频率数据序列。此后，基于频率数据序列来执行一次或多次统计操作。针对适用于驱动第一和第二超声波换能器的一组驱动频率中的至少一个驱动频率执行前述的步骤。最后，基于以与至少一个驱动频率对应的频率数据序列为基础的一次或多次统计操作，来配置适用于驱动第一和第二超声波换能器的操作频率。
因此，本发明的第一方面提供了一种操作超声波测量装置的方法使得超声波测量装置在非可逆状态下以最佳频率驱动以提供精确测量。
根据本发明的实施例，从与操作频率对应的第一组数据点中选择连续数据点的子集并从第二组数据点中选择连续数据点的对应子集。基于连续地确定与第一组数据点的子集中的每个数据点和第二组数据点的子集中的对应数据点对应的时刻之间的时间差来生成范围数据序列。随后，基于范围数据序列来执行一次或多次统计操作。基于以与第一组数据点中的数据点的至少一个子集对应的范围数据序列为基础的一次或多次统计操作，来配置适用于检测第一和第二超声波的到达的信号检测范围。本发明的技术特征有利于基于信号强度与给定操作频率的非可逆情况的影响之间的最佳权衡来检测超声波信号。
根据本发明的另一实施例，一次或多次统计操作包括确定方差、确定标准差、回归分析及曲线拟合中的至少一个。该技术特征有利于对频率和/或范围数据序列进行统计分析以确定操作超声波测量装置的最佳频率和最佳信号检测范围。
在本发明的第二方面，提供了一种超声波测量装置的诊断的方法。所述超声波测量装置包括第一超声波换能器和第二超声波换能器。第一和第二超声波换能器以操作频率驱动，使得第一和第二超声波换能器分别生成第一超声波和第二超声波。在第一超声波换能器处感测第二超声波以产生 第一测量信号并在第二超声波换能器处感测第一超声波以产生第二测量信号。在第一测量信号中识别第一组数据点并在第二测量信号中识别第二组数据点，使得第一组数据点中的每个数据点唯一对应于第二组数据点中的数据点。基于连续地确定与第一组数据点中的每个数据点和第二组数据点中的对应数据点对应的时刻之间的时间差，来生成频率数据序列。随后，基于频率数据序列来执行一次或多次统计操作。基于以频率数据序列为基础的至少一次统计操作来生成第一诊断事件。
因此，本发明的第二方面提供一种超声波测量装置诊断的方法，使得在超声波测量装置在非可逆状态下不以最佳操作频率驱动的情况下生成诊断事件。
根据本发明的实施例，生成频率数据序列，并针对适用于驱动第一和第二超声波换能器（102a，102b）的一组驱动频率中的至少一个驱动频率对其执行一次或多次统计操作，使得驱动频率以与操作频率的方式类似的方式与操作频率不相同。基于与至少一个驱动频率对应的至少一次统计操作和与操作频率对应的至少一次统计操作来生成第一诊断事件。该技术特征确保了只有在更适宜的操作频率可以选自这组驱动频率时才生成第一诊断事件。
根据本发明的另一实施例，从与操作频率对应的第一组数据点中选择连续数据点的子集并从第二组数据点中选择连续数据点的对应子集。基于连续地确定与第一组数据点的子集中的每个数据点和第二组数据点的子集中的对应数据点对应的时刻之间的时间差，来生成范围数据序列。随后，基于范围数据序列来执行一次或多次统计操作。基于以范围数据序列为基础的至少一次统计操作来生成第二诊断事件。该技术特征有利于在超声波信号的检测偏离信号强度与非可逆情况的影响之间的最佳权衡的情况下生成诊断事件。
在本发明的第三方面，提供了一种超声波测量装置。所述超声波测量装置包括第一超声波换能器和第二超声波换能器。进一步地，所述超声波测量装置包括驱动模块、感测模块、信号处理模块及配置模块。每个所述第一和第二超声波换能器适用于机电能量间相互转化。所述驱动模块配置为以驱动频率驱动第一和第二超声波换能器，使得第一和第二超声波换能器分别生成第一超声波和第二超声波。所述感测模块配置为在第一超声波换能器处感测第二超声波以产生第一测量信号，并在第二超声波换能器处感测第一超声波以产生第二测量信号。所述信号处理模块配置为识别第一测量信号中的第一组数据点和第二测量信号中的第二组数据点，使得第一组数据点中的每个数据点唯一对应于第二组数据点中的数据点，基于连续确定与第一组数据点中的每个数据点和第二组数据点中的对应数据点对应的时刻之间的时间差，来生成频率数据序列，并基于频率数据序列来执行一次或多次统计操作。所述配置模块配置为基于以与适用于驱动第一和第二超声波换能器的一组驱动频率中的至少一个驱动频率对应的频率数据序列为基础的一次或多次统计操作，来配置适用于驱动第一和第二超声波换能器的操作频率的驱动模块。
因此，本发明的第三方面提供一种适用于配置以便在非可逆情况下以最佳频率驱动以提供精确测量的超声波测量装置。
根据本发明的实施例，信号处理模块进一步配置为从与操作频率对应的第一组数据点中选择连续数据点的子集，并从第二组数据点中选择连续数据点的对应子集，基于连续地确定与第一组数据点的子集中的每个数据点和第二组数据点的子集中的对应数据点对应的时刻之间的时间差，来生成范围数据序列，以及基于范围数据序列来执行一次或多次统计操作。另外，配置模块进一步配置为基于以与第一组数据点中的数据点的至少一个子集对应的范围数据序列为基础的一次或多次统计操作，来配置适用于感测第一和第二超声波的到达的信号检测范围的感测模块。本发明的技术特 征有利于基于信号强度与给定操作频率的非可逆情况的影响之间的最佳权衡来检测超声波信号。
根据本发明的另一实施例，超声波测量装置进一步包括诊断模块，配置为基于与频率数据序列和范围数据序列中的至少一个相关联的至少一个统计操作来生成诊断事件。该技术特征有利于在超声波测量装置在非可逆状态下没有以最佳操作频率驱动的情况下生成诊断事件。另外，该技术特征同样有利于在超声波信号的检测偏离信号强度与非可逆情况的影响之间的最佳权衡的情况下生成诊断事件。
附图说明
下文参照附图中所示的所阐述的实施例对本发明进行进一步描述，其中：
图1示出了超声波流量计的示意图，
图2示出了第一测量信号和第二测量信号的图示，
图3A-3B示出了时间差数据序列图的两个示例性表示，
图4示出了超声波流量计的框图，
图5示出了分别与从适用于驱动第一和第二超声波换能器的一组驱动频率中选择的驱动频率对应的一组频率数据序列图，
图6示出了与操作频率对应的一组范围数据序列图，
图7示出了与根据本发明实施例的操作超声波测量装置的方法对应的流程图，
图8示出了与根据本发明另一实施例的操作超声波测量装置的方法对应的流程图，
图9示出了与根据本发明实施例的超声波测量装置诊断的方法对应的流程图，以及
图10示出了与根据本发明另一实施例的超声波测量装置诊断的方法对应的流程图。
具体实施方式
参照附图对各个实施例进行描述，其中类似的参考编号在各附图中指代类似的元件。在以下描述中，出于解释目的，阐述了多个具体细节，以提供对一个或多个实施例的透彻理解。显而易见的是，在不需要这些具体细节的情况下可以实施这些实施例。
图1示出了其中使用超声波流量计100的环境的示意图。超声波流量计100包括第一超声波换能器102a、第二超声波换能器102b及控制模块104。本发明的环境包括管道106和流过该管道106的流体110。管道106包括管道壁108。第一超声波换能器102a生成超声波信号112，该超声波信号又使得生成多个声反射114。
应注意的是，图1中所示的超声波流量计100是钳式超声波流量计。然而，本发明的各个实施例同样也可适用于直列式超声波流量计。
在操作超声波流量计100期间，第一超声波换能器102a基于超声波流量计100的操作频率来生成第一超声波信号112。超声波信号112通过管道壁108进入管道106。当第一超声波信号112通过管道壁108进入管道106时，第一超声波信号112的至少一部分首先从管道壁108的内表面内反射，然后从管道壁108的外表面反射。该反射信号然后以第一级声反 射的形式进入管道106。该现象又因为每次声反射而重复以产生更高级声反射。多次声反射被总体描述为多个声反射114。
第二超声波换能器102b接收第一超声波信号112和声反射114，并生成对应的电信号。电信号被传送至控制模块104。
上述步骤随后以与第二超声波换能器102b基于超声波流量计100的操作频率来传输第二超声波信号类似的方式重复。在第一超声波换能器102a处接收超声波信号和声反射。第一超声波换能器102a生成对应的电信号，将该电信号传输至控制模块104。
控制模块104从第一和第二超声波换能器102接收电信号并分别生成第一测量信号和第二测量信号。图2中示出了第一和第二测量信号。
应该注意的是，以超声波流量计的背景解释本发明的各种实施例。然而，本发明可适用于在非可逆情况下操作的任何超声波测量装置。进一步地，就多路径超声波流量计而言，本发明的各种实施例能够适用于该多路径超声波流量计中所包括的各超声波换能器对。
图2示出了第一测量信号202和第二测量信号204的图示。另外，图2描述了第一组数据点206和第二组数据点208。
在根据本发明实施例的超声波流量计100操作期间，作为第一步骤，在第一测量信号202中识别第一组数据点206。在本发明的示例性实施例中，每个数据点对应于第一测量信号202中的从正值至负值的零交叉。如果信噪比（SNR）低于阈值，可以引入适当偏移以避免零交叉的假检测。因此，一般情况下，可以定义任意适当的阈值以识别第一组点。在本发明的以下描述中，术语“零交叉”，除非另有规定，否则旨在包括所有这样的可能性。因此，第一组数据点206包括第一测量信号202中的第一零交叉、第二零交叉等。
随后，以类似方式在第二测量信号204中识别第二组数据点208。因此，第二组数据点208包括第二测量信号204中的第一零交叉，第二零交叉等。因此，第一组数据点206中的每个数据点唯一对应于第二组数据点208中的数据点。
此后，针对第一和第二测量信号202和204中的每对对应数据点连续地确定与第一组数据点206中的数据点和第二组数据点208中的对应数据点对应的时刻之间的时间差。因此，生成了时间差数据序列，如图3所示。
图3A和图3B示出了时间差数据序列图302和304的两个示例性表示。每个时间差数据序列图都描述第一组和第二组数据点206和208中的多对数据点的时间差。
为了精确测量第一和第二测量信号202和204之间的渡越时间差，需要第一和第二测量信号202和204具有基本上相同的波形。如果第一和第二测量信号202和204具有相同的波形，则时间差数据序列图得到具有平坦响应的曲线，类似于时间差数据序列图302。
另一方面，在第一和第二测量信号202和204没有匹配的情况下，时间差数据序列图得到具有非零斜率的曲线，类似于时间差数据序列图304。
第一和第二测量信号202和204之间的失配是根据超声波流量计100中的非可逆性和比如超声波换能器102的操作频率的一组操作参数。
本发明提出在不同的操作条件下调查时间差数据序列图，比如时间差数据序列图302和304，并基于其中获得的结果来适当配置超声波流量计100。
在结合前图简要描述了本发明的基本原理之后，现在在下图中对本发明进行更详细的描述。
图4示出了超声波流量计100的框图。如结合图1所解释的，超声波流量计100包括第一和第二超声波换能器102，以及控制模块104。控制模块104包括驱动模块402、感测模块404、信号处理模块406、配置模块408及诊断模块410。信号处理模块406包括数据采样模块412、数据序列生成模块414及统计计算模块416。
第一和第二超声波换能器102适用于机电能量间相互转化。因此，当将电激励信号提供给超声波换能器102时，超声波换能器102生成超声波信号，反之亦然。
如在本领域中已知的那样，超声波换能器的转化效率随电激励信号的频率变化。超声波换能器通常具有倒钟形频率响应。超声波换能器的频率选择性用超声波换能器的Q值表示。低Q值表示低峰效率但具有宽操作频率范围。相反，高Q值表示高峰效率但具有较窄操作频率范围。宽频带换能器具有低Q值，使得其可以在宽频率范围内操作，而不会明显降低转化效率。
根据本发明的实施例，每个超声波换能器102是宽频带超声波换能器，因此可在宽操作频率范围内操作。
驱动模块402以驱动频率驱动第一和第二超声波换能器102，使得第一和第二超声波换能器102分别生成第一超声波信号和第二超声波信号。在本发明的各种实施例中，驱动模块402配置为以适用于操作超声波换能器102的宽操作频率范围内的一组驱动频率进行操作。显然，这组驱动频率中可以包括任何所需数量的驱动频率，只要驱动频率在超声波换能器102的宽操作频率范围内。
应注意的是，在本发明的各种实施例中，如本文所使用的术语“驱动频率”旨在指代任何合适的信号形态比如离散频率信号、双频信号、编码频率信号等。
在超声波流量计100操作期间，驱动模块402以从适用于驱动第一和第二超声波换能器102的一组驱动频率中选择的驱动频率驱动第一和第二超声波换能器102。这会导致分别从第一和第二超声波换能器102生成第一和第二超声波信号。来自一个超声波换能器102的超声波信号在另一个超声波换能器102上接收。将超声波信号转化为电信号，将所述电信号提供给感测模块404。
感测模块404感测在第一超声波换能器102a处接收的第二超声波信号以产生第一测量信号202。类似地，感测模块404感测第二超声波换能器102b处的第一超声波信号以产生第二测量信号204。
信号处理模块406识别第一测量信号202中的第一组数据点206和第二测量信号204中的第二组数据点208。如结合图2所阐述的，第一组数据点中的每个数据点唯一对应于第二组数据点中的数据点。
此后，针对第一和第二测量信号202和204中的每对对应数据点连续地确定与第一组数据点206中的数据点和第二组数据点208中的对应数据点对应的时刻之间的时间差。因此，生成了第一时间差数据序列。时间差数据序列对应于驱动模块402用于驱动第一和第二超声波换能器102的驱动频率，并且为了清楚起见，其被称为频率数据序列。
随后，信号处理模块406基于频率数据序列来执行一次或多次统计操作。根据本发明的各种实施例，统计操作包括但不限于，确定方差、确定标准差、回归分析及曲线拟合。在本发明的示例性实施例中，频率数据序列根据第一和第二组数据点中的数据点的位置进行制图以生成二维散布图，随后生成最佳拟合直线并确定最佳拟合直线的斜率。如结合图3A和图3B所解释的，最佳拟合直线的斜率在理想情况下为零。
驱动模块402，感测模块404及信号处理模块406可以连续执行这组驱动频率中包括的多个驱动频率的各操作。当最佳拟合直线的斜率低于预 定阈值时，可以完成该操作。对应驱动频率被选择作为超声波流量计100的操作频率。可选地，当使用这组驱动频率中的每个驱动频率时，可以完成操作。在这种情况下，生成斜率值最小的最佳拟合直线的驱动频率被选择作为超声波流量计100的操作频率。
配置模块408根据所选的操作频率来配置驱动模块402以驱动第一和第二超声波换能器102。
根据本发明的实施例，继识别如上所述的合适操作频率之后，还识别合适信号检测范围。在该实施例中，对于给定操作频率来说，信号处理模块406从第一组数据点206中选择连续数据点的子集，并从第二组数据点208中选择连续数据点的对应子集。在本发明的各种实施例中，连续数据点的子集可以包括两个或两个以上数据点。
此后，确定与第一组数据点的子集中的每个数据点和第二组数据点的子集中的对应数据点对应的时刻之间的时间差。因此，生成第二时间差数据序列。时间差数据序列与给定操作频率的限定范围对应。因此，为了清楚起见，其被称为范围数据序列。
随后，信号处理模块406以与频率数据序列的一次或多次统计操作相似的方式来执行基于范围数据序列的一次或多次统计操作。因此，统计操作包括但不限于确定方差、确定标准差、回归分析及曲线拟合。在本发明的示例性实施例中，选择提供最佳拟合直线的最小值的连续数据点的子集。
如果连续数据点的两个或两个以上子集提供最佳拟合直线的斜率的相同或基本上相同的值，则选择与对应频率数据序列图的在前部分对应的连续数据点的子集。进一步地，可以包括额外标准比如信号强度，并同时选择信号检测范围的连续数据点的子集。
配置模块408根据连续数据点的所选子集，来配置适用于感测第一和第二超声波信号的到达的信号检测范围的感测模块404。例如，连续数据点的每个子集可以包括三个数据点，并且选择中间数据点来配置信号检测范围。因此，例如，如果连续数据点的所选子集包括第三零交叉、第四零交叉和第五零交叉，则感测模块404配置为按第四零交叉等来检测超声波信号的到达。
诊断模块410是可选模块。诊断模块410可以触发信号处理模块406以生成与超声波流量计100中配置的操作频率对应的频率数据序列。如果由此获得的最佳拟合直线的斜率低于预定阈值，则可以生成第一诊断事件。
诊断事件可以自动启动如上所述的操作频率配置。可选地，此诊断事件可以提醒超声波流量计100的用户停止超声波流量计100的操作并重新配置操作频率。
可选地，诊断模块410可以触发信号处理模块104生成与超声波流量计100中配置的操作频率对应的范围数据序列。如果信号检测范围不符合在正如前面所述的配置信号检测范围期间使用的标准，则诊断模块410生成第二诊断事件。如在第一诊断事件的情况下，第二诊断事件可以自动启动如上所述的信号检测范围配置。可选地，此诊断事件可以提醒超声波流量计100的用户停止超声波流量计100的操作并重新配置信号检测范围。
在本发明的各种实施例中，诊断模块410可以配置为按预定时间间隔进行操作。可选地，诊断模块410可以提供用户接口使得可以手动触发诊断模块410的操作。
图5示出了分别与从适用于驱动第一和第二超声波换能器102的一组驱动频率中选择的驱动频率对应的一组频率数据序列图A，B，C和D，下文分别称为图A，B，C和D。
如结合图4所述，这些频率数据序列图通过根据这组对应的数据点，例如零交叉制作时间差值的图来获得。在这些图中，省略第十零交叉及其以上的时间差值，因为信号强度在这个范围内明显衰减。
从图5可以明显看出，图A提供从第一零交叉至第十零交叉的平坦响应。另一方面，图D具有最下垂的响应，带有最佳拟合直线的最大斜率。如图所示，图B和图C具有最佳拟合直线的斜率的中间值。因此，如果在适用于驱动超声波换能器102的这组驱动频率中选择四个驱动频率，并且这四个驱动频率生成图5中所示的图，则与图A对应的驱动频率被选择作为操作频率。
图6示出了与操作频率对应的一组范围数据序列图。为了生成这组范围数据序列图，首先生成频率序列图。此后，选择连续数据点的子集来调查各范围数据序列图。换句话说，选择时间窗口，比如时间窗口602，其在频率数据序列图上移位。
进一步地，如结合图4所述，选择具有最佳拟合直线的斜率的最小值的时间窗口。如果两个或两个以上时间窗口具有最佳拟合直线的斜率的相同或基本上相同的值，则选择与对应频率数据序列图的在前部分对应的连续数据点的子集。进一步地，可以包括其他的标准比如信号强度，并同时选择信号检测范围的连续数据点的子集。
图7示出了与根据本发明实施例的操作超声波测量装置的方法对应的流程图。超声波测量装置，例如超声波流量计，包括第一超声波换能器和第二超声波换能器。
在步骤702中，第一和第二超声波换能器以驱动频率驱动使得第一和第二超声波换能器分别生成第一超声波和第二超声波。
在步骤704中，在第一超声波换能器处感测第二超声波以产生第一测量信号。类似地，在第二超声波换能器处感测第一超声波以产生第二测量信号。
在步骤706中，在第一测量信号中识别第一组数据点，并在第二测量信号中识别第二组数据点，使得第一组数据点中的每个数据点唯一对应于第二组数据点中的数据点。
在步骤708中，基于连续地确定与第一组数据点中的每个数据点和第二组数据点中的对应数据点对应的时刻之间的时间差来生成频率数据序列。
在步骤710中，基于频率数据序列来执行一次或多次统计操作。
根据本发明的各种实施例，统计操作包括但不限于确定方差、确定标准差、回归分析及曲线拟合。在本发明的示例性实施例中，频率数据序列根据第一和第二组数据点中的数据点的位置进行制作生成二维散布图，生成最佳拟合直线并确定最佳拟合直线的斜率。
在步骤712中，分析一次或多次统计操作的结果。在本发明的一个实施例中，在步骤712中，如果最佳拟合直线的斜率低于预定阈值，则执行步骤714。可选地，另一驱动频率从适用于驱动第一和第二超声波换能器的一组驱动频率中选择，并且再次利用新驱动频率来执行步骤702至710。在本发明的另一实施例中，针对适用于操作第一和第二超声波换能器的一组驱动频率中的每个驱动频率执行步骤702至710，并选择具有最佳拟合直线的斜率的最小值的驱动频率作为超声波流量计的操作频率。应注意，在本发明的各种替代实施例中，步骤712可以基于对步骤710中执行的任何一次或多次统计操作进行的分析来实现。
在步骤714中，基于步骤710中执行的一次或多次统计操作来配置适用于驱动第一和第二超声波换能器的操作频率。
图8示出了与根据本发明另一实施例的操作超声波测量装置的方法对应的流程图。
在步骤802中，从频率数据序列中的第一组数据点中选择连续数据点的子集，并从与操作频率对应的频率数据序列中的第二组数据点中选择连续数据点的对应子集。
在步骤804中，基于连续地确定与第一组数据点的子集中的每个数据点和第二组数据点的子集中的对应数据点对应的时刻之间的时间差来生成范围数据序列。
在步骤806中，基于范围数据序列来执行一次或多次统计操作。这些统计操作以与图7的步骤710中阐述的方式类似的方式执行。
在步骤808中，基于以与第一组数据点中的数据点的至少一个子集对应的范围数据序列为基础的一次或多次统计操作，来配置适用于检测第一和第二超声波的到达的信号检测范围。
图9示出了与根据本发明实施例的超声波测量装置的诊断的方法对应的流程图。超声波测量装置，例如超声波流量计，包括第一超声波换能器和第二超声波换能器。
在步骤902中，第一和第二超声波换能器以操作频率驱动使得第一和第二超声波换能器分别生成第一超声波和第二超声波。
在步骤904中，在第一超声波换能器处感测第二超声波以产生第一测量信号并在第二超声波换能器处感测第一超声波以产生第二测量信号。
在步骤906中，在第一测量信号中识别第一组数据点并在第二测量信号中识别第二组数据点，使得第一组数据点中的每个数据点唯一地对应于第二组数据点中的数据点。
在步骤908中，基于连续地确定与第一组数据点中的每个数据点和第二组数据点中的对应数据点对应的时刻之间的时间差来生成频率数据序列。
在步骤910中，基于频率数据序列来执行一次或多次统计操作。一次或多次统计操作以与结合图7描述的步骤710中的方式相同的方式执行。
在步骤912中，基于以频率数据序列为基础的至少一次统计操作来生成第一诊断事件。在示例性实施例中，如果由此获得的最佳拟合直线的斜率低于预定阈值，则可以生成第一诊断事件，如结合图7所述。
在本发明的替代实施例中，执行步骤702至710以生成与这组驱动频率中的一个或多个驱动频率对应的一次或多次统计操作的结果。一个或多个驱动频率不同于操作频率。第一诊断基于根据本发明的教导提供更优化的操作频率的至少一个驱动频率来生成。
诊断事件可以自动启动操作频率配置过程。可替代地，这样的诊断事件可以提醒超声波流量计的用户停止超声波流量计的操作并重新配置操作频率。
图10示出了与根据本发明另一实施例的超声波测量装置诊断的方法对应的流程图。
在步骤1002中，从第一组数据点中选择连续数据点的子集并从第二组数据点中选择连续数据点的对应子集。
在步骤1004中，基于连续地确定与第一组数据点的子集中的每个数据点和与操作频率对应的第二组数据点的子集中的对应数据点对应的时刻之间的时间差来生成范围数据序列。
在步骤1006中，基于范围数据序列来执行一次或多次统计操作。一次或多次统计操作以与结合图7描述的步骤710中的方式相同的方式执行。
在步骤1008中，基于以范围数据序列为基础的至少一次统计操作来生成第二诊断事件。在本发明的各种实施例中，如果信号检测范围不符合在结合图9所述的配置信号检测范围期间使用的标准，则生成第二诊断事件。如与第一诊断事件的情况一样，第二诊断事件可以自动启动信号检测范围配置处理。可选地，此诊断事件可以提醒超声波流量计的用户停止超声波流量计的操作并重新配置信号检测范围。
因此，本发明提供了一种适用于在非可逆状态下操作的超声波测量装置。本发明提供了一种检测具有最小化非可逆性影响的最佳操作频率的系统和方法。进一步地，本发明有利于基于信号强度与给定操作频率的非可逆状态的影响之间的最佳权衡来检测超声波信号。
进一步地，本发明提供了一种超声波测量装置的诊断的系统和方法并在超声波测量装置在非可逆状态下没有以最佳频率驱动的情况下指出错误操作。另外，本发明有利于在超声波信号的检测偏离信号强度与非可逆状态的影响之间的最佳权衡的情况下的指出错误操作。
尽管已经参照某些实施例详细描述了本发明，但应该理解，本发明不限于这些实施例。鉴于本公开，许多修改和变化在不背离本发明的范围和精神的情况下可向本领域技术人员展示出来。因此，本发明的范围由以下权利要求指出而不是由前述描述指出。权利要求的等效意义和范围内的所有改变、修改和变化被视为在其范围内。