CN100380101C - 多普勒型超声波流量计 - Google Patents

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Abstract

提供了一种通过利用超声波多普勒频移来测量流体(10)的流速的多普勒型超声波流量计(1)。一对超声波换能器(3a，3b)发射超声波并接收通过超声波反射所获得的超声波回波。换能器(3a，3b)对称地排列在测量线ML的延长线上并放置在管子(2)的外部，进行多普勒频移测量，以将其中液体(10)流动的管子(2)的中心轴(5)夹在中间。相对于管子(2)的中心轴(5)与排列超声波换能器(3a，3b)侧相对的那侧的流速分布被用于计算流体(10)的流速。

Description

多普勒型超声波流量计
技术领域
本发明涉及通过利用超声波的多普勒频移来测量测量目标流体的体积流量的多普勒型超声波流量计，特别是涉及即使在测量目标流体的流量在不对称的情况下也能够进行测量的多普勒型超声波流量计。
背景技术
作为在测量测量目标流体的体积流量时具有良好响应度的流量计，有多普勒型超声波流量计。将参照图1来说明多普勒型超声波流量计测量测量目标流体的体积流量的原理。
首先，用在附图中未示出的振荡器产生预定的频率(主频)f0，该主频f0的频率通过发射器(未示出)。所产生的主频f0的脉冲电信号被输入到发送器121。作为施加脉冲电信号的结果，主频f0的脉冲电信号从发送器121被输出到有测量目标流体流过其的管子102的内部。通过超声波换能器103将脉冲电信号转换成超声波脉冲，该超声波脉冲沿着测量线ML射入管子102的内部。
所发射的超声波脉冲在管子102中被诸如气泡之类的示踪物(反射物)反射。反射的超声波回波被超声波换能器103接收。
超声波换能器103将接受到的超声波回波转换成回波电信号。该转换的回波电信号被图1中未示出的放大器放大，并由A/D转换器122转换成数字回波信号。该数字回波信号被输入到流速计算电路123。
在流速计算电路123中，将从发送器121射入管子102内的主频为f0电信号与从反射波所获得的数字回波信号进行比较。作为经过以某一速度在管子102内流动的测量目标流体的结果，数字回波信号的频率被偏移。根据这两个信号的频率差来计算测量目标流体的流速。
在流速分布计算电路124中，可获得在测量线ML上的反射波测量区域中的流速分布。所获得的流速分布用超声波的入射角α来校正以获得在垂直于管子102中心轴的横截面中的流速分布。通过积分在垂直于管子102中心轴的整个横截面上所获得的流速分布，可获得在给定时间内的流量。
在设置超声波换能器103侧的管子102的管壁附近，不能正确地获得流速分布。这是因为在超声波换能器103中超声波装置发射的超声波被超声波换能器103的端面和管子102的内壁所反射，并相对于从管子102内的颗粒所散射的适当超声波信号，变成大的噪声，从而无法正确地获得多普勒信号。
作为解决该问题的多普勒型超声波流量计，已经揭示了一种在相对于管子的轴向中心一侧的流量与另一侧的流量对称的前提下有可能显示流速分布的多普勒型超声波流量计(例如专利文献1)。图2是该显示的示例。对于因在那儿设置了超声波换能器引起噪声变大的管子管壁附近的流速，在其相对于管子的轴向中心与噪声相对较小侧的流速对称的前提下，可获得流速分布并将其显示在监视器上等。
作为解决上述问题的另一种多普勒型超声波流量计，已经揭示了一种对于在噪声较大的管壁附近侧的流速分布，外推噪声较小的管壁侧的流速分布数据的多普勒型超声波流量计(例如专利文献2)。图3示出了由专利文献2的多普勒型超声波流量计所检测到的流速分布和校正的流速分布。示出图3(A)的流速分布、噪声较大的流速分布(区域Xn)不用于计算体积流量。其值被同一图的外推(C)所校正。对于噪声较小的区域(区域Xm)，假设(B)为具有正常值的流速分布，并在体积流量的计算中被不变地使用。通过该方法，有可能补偿在安装有超声波换能器侧的管壁附近测量精度的下降。
专利文献1：JP-A-2004-12204
专利文献2：JP-A-10-281832
上述现有技术只能在能够假设在安装超声波换能器的一侧与其相对侧流速分布是对称的情况下使用。并且，该现有技术不能够应用在测量目标流体的流动成曲线的位置或在流动会聚的位置。
发明内容
本发明提供了一种即使在测量目标流体成曲线的位置和在流动会聚的位置也能够正确地测量体积流量的多普勒型超声波流量计。
本发明的多普勒型超声波流量计涉及通过使用超声波的多普勒频移来测量测量目标流体的多普勒型超声波流量计，其特征在于，它具有一对用于发射超声波和接收反射超声波的超声波回波的超声波换能器，该对超声波换能器相对于测量目标流体流过其内部的管子的中心轴，对称地安装在用于进行多普勒频移测量的测量线的延长线上，并且安装在管子的外部，相对于管子的中心轴、与设置相应超声波换能器侧相对的那侧的流速分布被用作计算目标测量流体的体积流量。
当来自超声波换能器的超声波射入管子的内部时，由管子内部的诸如气泡之类的示踪物所反射的超声波回波被发射超声波的超声波换能器接收。在接收的超声波回波的频率，在发射超声波的超声波换能器附近，由超声波换能器的端面和管壁所反射的超声波引起的噪声较大。两个超声波换能器相对于管子的中心轴对称地安装在测量线的延长线上，每一超声波换能器噪声较大的区域不用于计算流速分布。
为了计算两个超声波换能器的流速分布，可获得一个超声波换能器的流速分布，然后获得另一个超声波换能器的流速分布。或者超声波可从两个超声波换能器交替地射入管子，然后获得两个超声波换能器中的每一个的流速分布。
采用本发明，可获得与安装用于发射和接收超声波的超声波换能器侧相对的那侧的流速分布。由超声波换能器端面和管壁所反射的超声波引起噪声的那侧不用于计算流速分布。并且，两个超声波换能器相对于测量线对称地安装。所以，即使在流速分布相对于中心轴不对称的情况，诸如当测量流动会聚的位置的体积流量时，有可能作出更准确的体积流量测量。
附图说明
图1是现有技术的多普勒型超声波流量计的系统结构图；
图2是根据现有技术的多普勒型超声波流量计的流速分布的显示示例；
图3是说明用现有技术的多普勒型超声波流量计来校正流速分布的示意图；
图4是根据实施例1的多普勒型超声波流量计的系统结构图；
图5是实施例1的多普勒型超声波流量计测量体积流量的过程的流程图；
图6是示出根据来自两个超声波换能器的流速分布来计算整个流速分布的示意图；以及
图7是示出实施例2的多普勒型超声波流量计测量体积流量的过程的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的较佳实施例。
(实施例1)
图4是根据本发明实施例的多普勒型超声波流量计的系统结构图。流量计1是用于测量流过管子2内部的测量目标流体10体积流量的装置，并采用了测量装置20通过安装在管子2外部的超声波换能器3a和3b被连接到管子2的结构。通过从管子2的外部以预定的角度发射预定频率的超声波，并从发射波回波获得多普勒频移，根据该多普勒频移计算管子内部的流速分布形状，以及积分该流速分布形状，获得诸如流过管子2内部的液体的测量目标流体的体积流量。
管子2具有在其内部流动的测量目标流体10。测量设备20是用于测量流经管子2内部的目标测量流体10的体积流量的装置，并且，在本实施例中，它包括：用于发射脉冲电信号的发送器21；用于将从发送器21发射的脉冲电信号转换成超声波脉冲、将超声波脉冲射入管子2内部、接收由管子2内部的示踪物反射的超声波所产生的反射波回波并将该反射波回波转换成回波电信号的两个超声波换能器3a和3b；转换成将两个超声波换能器3a、3b中的任一个连接到测量装置20的开关26；用于将超声波换能器3a和3b所检测到的反射波回波转换成数字信号的A/D转换器22；用于从获得的数字信号计算测量目标流体10的流速分布的流速计算电路23；根据流速计算电路23计算的流速数据基于由超声波换能器3a或超声波换能器3b所检测到的信号计算流速分布的流速分布计算电路24；从根据超声波换能器3a和超声波换能器3b计算的流速分布计算测量目标流体10的体积流量的体积流量计算电路25。超声波换能器3a设置在测量目标流体10流动的上游，而超声波换能器3b设置在下游。以一对方式设置的两个超声波换能器3a和3b对称地设置在测量线ML的延长线ML上。
现在将参照附图来适当地说明图4中所示出的根据本实施例的多普勒型超声波流量计的工作。
发送器21由产生任意频率的电信号的振荡器和以脉冲形式用预定时间间隔(重复频率)输出由振荡器产生的电信号的发射器组成。由发送器21所发射的脉冲电信号被超声波换能器3a或3b转换成预定主频(将被写为f0)的超声波。所转换的主频f0的超声波以预定的角度(将被称为入射角α)从超声波换能器3a和3b射入管子2。射入的超声波在管子2的内部笔直地沿着测量线ML传播。
在管子2的内部，测量目标流体10是流动的。已经在管子2内部笔直传播的主频f0的超声波被包括在测量目标流体10中的诸如例如气泡之类的示踪物反射。反射的超声波回波沿着测量线ML笔直传播并再次被各个超声波换能器3a或3b检测到。
在信号被放大器放大之后，由超声波换能器3a或超声波换能器3b接收到的超声波回波在A/D转换器22中被转换成数字信号。该数字回波信号被输入到流速计算电路23中。
在流速计算电路23中，将从发射器21射入管子2内的属于主频f0的超声波的电信号与从反射波获得的电信号进行比较。作为经过以某一速度流过管子2的测量目标流体的结果，反射波的频率被偏移。根据这两个信号的频率差来计算测量目标流体的流速。
在流速分布计算电路24中，可获得在沿测量线ML的发射波的测量区域中的流速分布。所获得的流速分布用超声波的入射角α来校正以获得在垂直于管子2中心轴5的横截面中的流速分布。
在体积流量计算电路25中，所获得的流速分布在垂直于2的中心轴5的整个横截面上被积分。用这种方法，可获得在给定时间内的测量目标流体10的流量。
图5是示出用脉冲多普勒方法测量测量目标流体的体积流量的过程的流程图。测量目标流体体积流量测量的系列过程通过CPU执行存储在未在图中示出的存储器等中的程序来实现。
首先，在步骤S201到步骤S204的过程中，主频f0的超声波从超声波换能器3a被射入管子2并被示踪物反射多次，而获得反射波频率(将被写为f)。
在步骤S201，将主频f0的超声波从超声波换能器3a射入管子2。在步骤S202进行采样并获得用于计算反射波的频率f的数据。采样被进行多次。在步骤S203，确定是否已经执行了预定次数的采样。当还没有执行预定次数的采样时(在步骤S203否的情形)，处理返回步骤S201。当已经执行了预定次数的采样时(在步骤S203是的情形)，处理进到步骤S204。
在步骤S204，根据在步骤S201到S204获得的数据，计算作为发射的超声波的主频f0和反射波的频率f之间的差值的多普勒频率。在步骤S205，根据在步骤S204的处理中所获得的多普勒频率执行流速转换，并获得流速分布。在图4的流速计算电路23中计算流速，流速分布由图4的流速分布计算电路24的属于超声波换能器3a的电路24a计算。获得与安装有超声波换能器3a侧相对的管子2中心轴5的一侧的流速分布。图6的(a)是示出基于来自超声波换能器3a的数据计算的管子2中的流速分布的曲线图。
同样，对于超声波换能器3b，在步骤S206至步骤S210执行相同的处理，并获得流速。在图4的流速计算电路23中计算流速，流速分布由图4的流速分布计算电路24的属于超声波换能器3b的电路24b计算。在步骤S210获得的流速分布是与安装有超声波换能器3b侧相对的管子2中心轴5的一侧的流速分布，即，在以前的步骤S201至S205中使用超声波换能器3a未计算到的剩余部分。图6的(b)是示出基于来自超声波换能器3b的数据计算的管子2中的流速分布的曲线图。
当把在步骤S205所获得的跨越管子2的中心轴5在超声波换能器3a的对过的管壁侧的流速分布与在步骤S210所获得的跨越管子2的中心轴5在超声波换能器3b的对过的管壁侧的流速分布的数据联系在一起时，就获得了垂直于管子2的中心轴5的整个横截面的流速分布(步骤S211)。图6的(c)是示出由步骤S211的处理所获得的流速分布的曲线图。
根据在步骤S211获得的流速分布，对垂直于管子2的中心轴5的整个横截面积分，获得测量目标流体的体积流量(步骤S212)。
在测量线的延长线上，两个超声波换能器被设置成相对于管子的中心轴对称。对于每一个超声波换能器，只对与安装有超声波换能器侧相对的管子中心轴的一侧计算流速分布。噪声大的靠近超声波换能器侧的流速分布不用于获得总体上的流速分布。用这种方法，即使在测量目标流体的流量不相对于管子的中心轴对称时，也有可能进行更准确的流速分布乃至体积流量的测量。
(实施例2)
本实施例涉及不同于实施例1的方法的流速分布计算方法的示例。在下文中，将省略与实施例1共同点的说明，只对不同之处进行说明。
根据本实施例的多普勒型超声波流量计1的系统结构图与实施例1相同，因此这里将省略结构的描述。参照图4，将说明根据本实施例的多普勒型超声波流量计的原理。
超声波换能器31a和31b将由发送器21发射的脉冲电信号转换成主频f0的超声波。首先，由一个超声波换能器3a转换的主频f0的超声波从超声波换能器3a发射进入测量目标流体10所流经的管子2。射入的超声波沿测量线ML传播并被诸如气泡之类的示踪物反射。反射的超声波回波沿着测量线ML传播并被超声波换能器3a接收。接着，由超声波换能器3b转换的主频f0的超声波从超声波换能器3a发射进入测量目标流体10所流经的管子2。射入的超声波沿测量线ML传播并被示踪物反射。反射的超声波回波沿着测量线ML传播并被超声波换能器3b接收。
在超声波从两个超声波换能器3a和3b交替地射入管子2之后，执行采样，获得管子2中心轴各相对侧的流速分布。根据该流速分布，获得所寻求的测量目标流体10的体积流量。
图7是示出根据本实施例的多普勒型超声波流量计测量体积流量的过程的流程图。测量目标流体体积流量测量的系列过程通过CPU执行存储在未在图中示出的存储器等中的程序来实现。
首先，在步骤S401至步骤S405的过程中，从两个超声波换能器交替发射超声波。超声波被包含在流体中的示踪物反射，反射的超声波回波被发射该超声波的超声波换能器接收。来自两个超声波换能器的超声波的交替发射被重复执行预定次数。
在步骤S401，从放置在测量目标流体流动的上游侧的超声波换能器3a发射预定频率(将写作f0)的超声波。在步骤S402，超声波被示踪物反射，并且超声波换能器3a接收超声波回波。在步骤S403和S404，类似地对于超声波换能器3b，预定频率f0的超声波被发射且由示踪物反射的超声波回波被超声波换能器3b接收。
在步骤S405，确定是否已经执行了预定次数的采样。当还没有执行预定次数的采样时(在步骤S405否的情形)，处理返回步骤S401。当它已经被测量了预定的次数时(在步骤S405是的情形)，处理进到步骤S406。
在步骤S406，根据步骤S401至步骤S404所获得的数据，计算来自超声波换能器3a在管子中心轴5的相对侧的流速分布。类似地，在步骤S407，根据在超声波换能器3b接收的波，获得与设置超声波换能器3b一侧在中心轴5的相对侧的测量目标流体10的流速分布。顺便提及，对于步骤S406和步骤S407的关系，处理的顺序不限于图7的步骤。作为替换，可先执行步骤S407的处理，然后执行步骤S406的处理。
在步骤S408，根据从步骤S406和S407所获得的、在与设置超声波换能器3a、3b一侧的中心轴5的各相对侧的测量目标流体10的流速分布，计算整个管子2的流速分布。通过积分在垂直于管子2中心轴的整个横截面上的作为整体的管子2的流速分布，获得测量目标流体10的体积流量(步骤S409)。
因为根据本实施例的多普勒型超声波流量计与根据实施例1的多普勒型超声波流量计具有相同的结构，相对于测量目标流体体积流量的测量方法，可设置执行本实施例方法或实施例1方法的测量的可选择的手段。
除此之外，本发明可与各种进一步的变化一起作用，而不受限于上面的示例。

Claims (3)

1.一种利用超声波的多普勒频移来测量测量目标流体的体积流量的多普勒型超声波流量计，其特征在于，
所述多普勒型超声波流量计具有一对用于进行超声波发射和接收反射超声波的超声波回波的超声波换能器，所述一对超声波换能器被设置在进行多普勒频移测量的测量线的延长线上，该对超声波换能器相对于测量目标流体流过其内部的管子的中心轴对称，并且设置在所述管子的外部，
相对于管子的中心轴与设置相应超声波换能器侧相对的那侧的流速分布被用于计算所述测量目标流体的体积流量。
2.如权利要求1所述的多普勒型超声波流量计，其特征在于，对形成所述对的超声波换能器，在来自第一超声波换能器的超声波射入管子并且对相对于所述管子的中心轴与设置所述第一超声波换能器侧相对侧的流速分布进行计算后，超声波从第二超声波换能器射入管子，并计算与设置所述第二超声波换能器侧相对侧的流速分布。
3.如权利要求1所述的多普勒型超声波流量计，其特征在于，对形成所述对的超声波换能器，在从第一超声波换能器和第二超声波换能器交替地将超声波射入管子后，相对于所述管子的中心轴，分别计算与设置所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器侧相对侧的流速分布。
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