CN100449275C - 多普勒式超声波流量计及其运算处理装置和流体的流量运算处理方法 - Google Patents

Abstract

通过用修正了空间分辨能力的量子误差的流量计算式计算流量，可高精度测量流量，其解决方法如下：通过超声波传感器(3)等发送接收超声波脉冲，对接收信号施以规定的处理，进行(A/D)变换，据此，在运算控制部(10)上，直到流速分布计算部(11)求出流速分布为止，大体上与现有技术是同样的。而在流量运算处理部(12)的流量计算用修正了空间分辨能力的量子化误差的流量计算式进行。

Description

多普勒式超声波流量计及其运算处理装置和流体的流量运算处理方法

技术领域

本发明涉及多普勒式超声波流量计。

背景技术

夹紧型超声波流量计是在水道管等管状体外周面的一部分上安装超声波传感器(接收发送任意频率的超声波脉冲的模块)，从管状体外侧测量在该管状体内部流过的流体流速·流量方式的流量计。夹紧型超声波流量计大体可以分类为传播时间差式和多普勒式。

传播时间差式是在倾斜地横切在管状体内部流过的流体那样的路径上使超声波往复，根据超声波在往路和回路的各个传播所需要的时间差测量流体流量的方法。

另一方面，多普勒式是假设流体中包含的悬浮粒子或气泡等以与流体相同速度移动，从悬浮粒子或气泡等的移动速度测量流体流量的方法。这是由于向流体中发送超声波，被悬浮粒子等反射的超声波频率因多普勒效应而改变，所以根据其频率偏移计算流体的流速分布，此外，通过对流速分布进行积分运算，计算流体流量。

这样的多普勒式超声波流量计的现有技术在例如专利文献1等公开。在该专利文献1的发明上，对非稳定状态的流体提出可以非接触式、高精度地测量的多普勒式超声波流量计。在专利文献1的发明，以所要的间隔对被测量流体发送超声波脉冲(组)，接收由在测量线上的反射体反射的超声波回波。在此前提下，计算多普勒位移(频率位移：频率变化)，求出被测量流体的流速分布，根据该流速分布，通过积分运算导出流量，可进行流量测量。

参照图6对该流速分布、流量运算加以说明。

在图6，图上(1)所示的一组反射回波是对某发送脉冲的反射回波，图上(2)所示的一组反射回波是对接该发送脉冲而送出的脉冲的反射回波。图6的Δt是发送脉冲的重复周期(脉冲重复周期T)。在反射回波内在A部分和B部分内具有持有大振幅的部分。A部分是被配管入射壁反射的反射回波。B部分是被配管反对壁反射的反射回波。A和B之间示出沿着配管内的侧线(超声波的行进路)的部分，通过测量该A-B间各位置的反射回波的多普勒位移量可以测定在与该位置对应的侧线上位置处的流体流速。据此，通过计算各位置的流速，可以求出例如图示那样的流速分布。

流速分布根据接收的反射回波，通过几十次、几百次重复计算流速的处理得到。此外，侧线相对配管管轴的垂线构成角度θf，实际上，上述侧线上的位置用该角度θf变换为配管截面上的位置。

而且，通过对这样求出的流速分布进行积分处理，可以算出流量。其际，用全部的流速分布，不仅进行积分处理，而且用图示那样的积分范围的流速分布进行积分处理。积分范围取例如从配管中心(管轴)直到反对壁为止的范围。

此外，对上述侧线上(配管截面上)的特定位置称为流道(channel)。换言之，对侧线的任意范围进行任意分割的各范围称为流道。例如分成50时，应当存在50个流道(该分成数与空间分辨能力有关)。上述流速应当对该各流道求出，图6所示的流速分布各点应当表示各流道位置及其流速。

因为预先知悉管壁内或流体内的音速或超声波进行的距离，所以根据这些可以求出在图6所示的反射回波波形中哪个定时的数据与哪个位置的流道对应。即，预先对配管截面上的各位置的每个流道，求出从发送到接收为止花费的时间，可以保持该流道位置和时间之间的对应关系。

专利文献1：特开2000-97742号公报。

因为根据上述所示的流速分布，通过积分处理计算流量，所以积分范围大大影响流量的量测精度。然而，通常由于产生空间分辨能力的量子化误差，所以产生积分误差，其结果产生了测量误差。

发明内容

本发明的任务是通过用对空间分辨能力的量子化误差修正后的流量计算式算出流量，提供可高精度测量流量的多普勒式超声波流量计，及其运算处理装置等。

本发明的多普勒超声波流量计的构成为，利用超声波的多普勒位移测量配管内流过的被测量流体的流量，其包括：在任意的脉冲重复频率下向前述被测量流体送出超声波脉冲，接收其超声波回波并施以规定的处理从而抽取多普勒位移成分的超声波接收发送单元；根据由前述超声波发送接收单元抽样的多普勒位移成分，求出前述被测量流体的流速分布的流速分布计算单元；和根据该算出的流速分布中规定积分范围的流速分布，用修正了空间分辨能力的量子化误差的流量计算式算出流量的流量计算单元。

在上述构成的多普勒式超声波流量计，因为在流量计算单元用修正了空间分辨能力的量子化误差的流量计算式算出流量，没有积分误差，所以可高精度测量流量。

修正了前述空间分辨能力的量子化误差的流量计算公式是，例如，针对前述积分范围的开始、终止位置的流道而除去该流道所占区域中的积分范围外区域的计算式。

在修正前的流量计算式为以下(1)式时，所谓修正了前述空间分辨能力的量子化误差的流量计算公式具体讲例如指的是以下的(8)式。

(算式3)

v_i：流道i的流速，

r_i：从管中心到流道i中心的距离，

Δr_i：流道i的宽度；

(算式4)

根据本发明的多普勒式超声波流量计、其运算处理装置等，通过用修正了空间分辨能力的量子化误差的流量计算式算出流量，可进行高精度的流量测量。

附图说明

图1是通过本例产生的多普勒式超声波流量计的概略构成图。

图2是用于说明空间分辨能力的量子化误差的图。

图3是用于说明流量计算式的修正方法的图。

图4是用于说明流道的图。

图5是示出实际的实验结果一例的图。

图6是用于说明现有技术的流速分布、流量运算的图。

符号说明：1配管，2流体，3超声波传感器，4接收发送定时控制器，5发送脉冲生成部，6发送电压控制部，7放大控制部，8滤波控制部，9 A/D变换部，10运算控制部，11流速分布计算部，12流量计算部。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施形态加以说明。

图1是本发明的多普勒式超声波流量计的概略构成图。

图示的多普勒式超声波流量计具有：超声波传感器3，接收发送定时控制部4，发送脉冲生成部5，发送电压控制部6，放大控制部7，滤波器控制部8，A/D变换器9及运算控制部10。运算控制部10是例如微机(CPU/MPU)等，具有流速分布计算部11、流量计算部12。

汇集上述超声波传感器3、发送接收室时控制部4、发送脉冲生成部5、发送电压控制部6、放大控制部7、滤波控制部8和A/D变换部9，称为超声波发送接收部。超声波发送接收部，如以下说明所示，在任意的脉冲重复频率下，把超声波脉冲送出到配管1内的被测量流体2，接收作为由反射体或配管内壁产生的反射波的超声波回波，从其中抽取多普勒位移成分，作A/D变换。图示的多普勒式超声波流量计是上述夹紧型超声波流量计。

此外，流速分布计算部11、流量计算部12通过执行上述微机(CPU或MPU：计算机)由内部或未图示的存储器等储存装置内储存的规定程序实现。执行该程序所必要的数据也储存在上述存储装置内。

上述超声波脉冲在规定的脉冲重复周期下重复发送。该脉冲重复周期通过发送接收定时控制部4加以控制。即，发送接收定时控制部4遵从自己保持的重复脉冲周期，在每次脉冲发送定时到来时，对发送脉冲生成部5指示生成发送脉冲。发送脉冲生成部5具有产生规定频率f0的电信号TXD0的石英振荡器，通过上述指示把该电信号TXD0(发送脉冲)传送到发送电压控制部6。发送电压控制部6把以该电信号TXD0的电压为规定电压(发送电压)而构成的电信号TXD1传送到超声波传感器3。据此，通过超声波传感器3把与上述发送电压的振幅对应的超声波脉冲送出到配管1内。

超声波传感器3是超声波脉冲的发送接收器，从上述超声波传感器3输出的超声波脉冲在流体2的上流方向以对配管管轴的垂线的角度为θf，入射到配管1内流过的流体2内。该超声波脉冲是例如以脉冲宽度5mm左右几乎没有扩展的直进性的光束，在图示的侧线ML上行进。在图1，是令安装超声波传感器3的配管1的管壁为管壁1a(入射壁)，其反对侧的管壁为管壁1b(反对壁)。此外，令配管1的内径为D。

一旦超声波传感器3接收上述超声波脉冲由流体2内包含的反射体(气泡或异物等)反射而构成的超声波回波，则将把该回波变换为电信号构成的回波波RXD0传送到放大控制部7。

因为该回波波RXD0电压电平低，所以通过放大控制部7以规定的放大率对该回波波RXD0进行放大。而且把作为放大后的回波波的放大控制输出RXD1传送到滤波控制部8。

滤波控制部8把该放大控制输出RXD1分离为发送频率成分和多普勒位移成分，其后只通过低通滤波器抽取多普勒位移成分。该抽样的多普勒位移成分是滤波器控制输出RXD2，把它传送到A/D变换部9。A/D变换部9将根据规定的取样时钟对滤波器控制输出RXD2进行A/D变换后的A/D变换输出RXD3(数字数据)交给运算控制部10。在A/D变换部9进行A/D变换之际用的取样时钟是发送接收定时控制部生成·输出并将其输入。

在这里，对于上述滤波器控制部8在现有技术中大体作了详细说明。首先，反射回波的频率对发送脉冲频率，根据流体的流速(反射体的速度)而位移(多普勒位移)。例如，如果取发送脉冲的频率为900(kHz)，反射回波的频率为902(kHz)，则上述位移过的频率(以下称为多普勒频率)为2(kHz)。在上述滤波器控制部8，抽取该多普勒频率的信号成分(多普勒位移成分)。具体讲，混合发送的超声波脉冲频率和接收的反射回波的频率，通过对发送频率成分进行滤波，可抽取多普勒位移成分。更详细说，这是用通过正交检波产生的解析信号导出手法，对反射回波波乘以发送频率的正弦·余弦成分，把反射回波波分离为发送频率成分和多普勒位移成分，其后，通过低通滤波器只对多普勒位移成分抽样。

而且，通过A/D变换部9把抽样的多普勒位移成分信号变换为数字数据，输入到微机等的运算处理部10内。在运算处理部10，从该多普勒位移成分(余弦·正弦)算出一定周期的相位角变化部分，据此，求出流速分布，从流速分布通过积分运算求出流量。

发送频率为数百(kHz)～数(MHz)的量级，多普勒频率为小于等于数(kHz)的量级。

在接受上述A/D变换部9输出的运算处理部10，首先流速分布计算部11运算沿着上述测量线ML的测量区域的流速分布。此外，流量运算处理部12用该流速分布中的规定积分范围的流速分布进行积分，算出流量。在本例，流速分布计算部11与现有技术是相同的，然而，在流量运算处理部12的流量计算用修正了空间分辨能力的量子化误差的流量计算式进行。

以下，对流量运算处理部12用的流量计算式加以说明。

在这里，首先对流量运算处理部12的现有技术的流量计算式加以说明。

在这里，例如，作为积分方式采用中点规则(midpoint；也称为中间坐标规则)，此外，积分范围取从管中心(管轴)到反对壁1b，在该积分范围内包含的流道数取从流道0到流道N的N+1个。据此，流量运算处理部12例如通过以下的(1)式计算流量。

算式5

v_i：流道i的流速，

r_i：从管中心到流道i中心的距离，

Δr_i：流道i的宽度。

即，对各流道，求出其流道在配管截面上占有的面积，通过将该流道的流速乘以该面积，求出该流道的流量，求出全部的流道的流量总和。

这时，如图2所示，积分范围两端的流道(流道0和流道N)其区域的一部分有时成为积分范围外。这时，如果通过上述式(1)计算流量，则因为也增加了积分范围外的部分，所以计算结果比实际的流量多。这样的误差在这里称之为上述空间分辨能力的量子化误差(或由此产生的积分误差)。

在这里，对处于该积分范围开始位置和终止位置的流道(流道0和流道N)修正上述计算式(1)，使之成为除去该流道占据的区域中的积分范围外区域的计算式。对此，参照图3加以说明。

首先，对流道0加以说明。在这里，如图3所示，令从管中心直到流道0的中心的距离为r₀。此处，在流道0的区域中，成为积分范围外的部分(图示的斜线部分)的长度也可以说是“Δr/2-ro”。

如以下那样地求出哪个流道是上述流道0和上述r₀值。

首先，作为输入参数，输入从入射壁1a开始直到取入开始位置的距离D_CH。所谓取入开始位置是流速分布的量测开始位置，可以由设计者等任意决定。正如现有技术所说明那样，流速分布也对积分范围外的流道量测，例如如图4所示，设定以离开入射壁1a的距离D_CH的位置作为其中心的流道，以此作为流速分布的测量开始流道(图示的CH(0))，从该CH(0)顺序地间隔Δr直到反射壁1b为止设定流道。即，设定如图4所示的CH(0)～CH(Z)。而且，通过计算对这些各流道的每个流道的流速，得到流速分布，然而流量计算采用积分范围内的各流道的流速进行。在这里，因为如上述所示，将从上述通管中心直到反对壁为止的长度D/2的范围作为积分范围，所以在图4的例中，CH(M)成为积分范围的开始流道。这是图2、图3中的流道0。使M变为0是由于应用上述计算式(1)的缘故。

通过以上所述，如果从入射壁1a直到各流道中心的距离CH_D(X)用上述距离D_CH和Δr，则可以通过以下的(2)式求出。

CH_D(X)＝D_CH+Δr×X…(2)式

(X；0～Z)

从该计算结果看到，该CH_D(X)满足以下条件(3)的流道是上述积分范围的开始流道(图4的CH(M)，图3的流道0)。通过把以下条件式中的D/2置换为D的条件式也可以求出积分范围终止流道。

D/2-Δr/2≤CH_D(X)≤D/2+Δr/2…  (3)式

在图4的例，因为CH_D(M)应当满足该条件式(3)，所以通过以下的(4)式，求出上述的r₀。

r₀＝CH_D(M)-D/2…(4)式

在上述(1)式中的ri可以通过ri＝r₀+Δr×i…(5)式求出。

据此，首先用上述r₀和从管中心到下一流道1中心为止的距离r₁(r₁＝r₀+Δr)，通过以下的(6)、(7)式求出在流道0区域中积分范围内的区域(除了图示的斜线部分以外的部分)的宽度Δr₀’和中心点r₀’。

Δr₀’＝(r₀+r₁)/2  …(6)式

r₀’＝0.5×(r₀+r₁)/2…(7)式

此外，对于流道N，在这里，如图3所示，令从管中心直到流道N中心的距离为r_N，从管中心直到前一流道N-1中心的距离为r_N-1(这些值也可以如上述所示求出)。这种情况下，在流道N的区域中，积分范围内的区域(除去图示斜线部分以外)的宽度Δr_N’和中心点r_N’可以如下所示求出。

算式6

${{\mathrm{\Δr}}_N}^{\′}=\frac{D}{2}-\frac{r_{N-1}+r_N}{2},$ ${r_N}^{\′}=\frac{1}{2}\·(\frac{D}{2}+\frac{r_{N-1}+r_N}{2})$

如果根据上述求出的结果，对上述(1)式修正，则修正后的流量计算式成为如以下的(8)式。

算式7

即，对于积分范围的开始，终止位置的流道，取该流道所占据的区域中的积分范围外区域被除去那样的计算式。

流量运算处理部12用该(8)式计算流量。因此，可以进行不受空间分辨能力的量子化误差影响的高精度的流量测量。

图5示出实际的实验结果的一例。

在本实验，用内径D为50(mm)的配管，配管内流过的流体取用水，分割数(流道数)取作40，对于平均流速5(m/s)、3(m/s)的各流速，通过流量运算处理部12，用有/无修正的各自的流量计算式测量流量。此外，以电磁流量计作为基准仪器。

其结果，如图示所示，在平均流速5(m/s)的情况，通过电磁流量计产生的流量测量结果为647.17(L/min)，与此相反，在未修正时，为723.54(L/min)，误差为11.80(％)。另一方面，在有修正时，为649.11(L/min)，几乎没有误差(0.3％程度)。平均流速为3(m/s)的情况也具有大体相同的结果。

这样一来，在用上述修正了的流量计算式(8)时，可进行非常高精度的流量测量。电磁流量计虽然是可高精度的流量测量，但不利之处是，因为不是夹紧型，所在存在所谓设置之际化费工夫和费用非常大的缺点。

在上述的说明中以作为积分方式用中点规则的情况作例，但并不限于此，用其它积分方式(梯形规则、辛普森规则)时也可以用本法。

Claims (4)

1、一种多普勒式超声波流量计，利用超声波多普勒位移测量在配管内流过的被测量流体的流量，其特征为，该流量计具有：

超声波接收发送单元，在任意脉冲重复频率下，把超声波脉冲送出到所述被测量流体，接收其超声波回波，通过施以规定的处理抽取多普勒位移成分；

流速分布计算单元，根据由所述超声波接收发送单元抽取的多普勒位移成分，求出所述被测量流体的流速分布；和

流量计算单元，根据该计算的流速分布中的处于规定积分范围内的流速分布，使用修正了空间分辨能力的量子化误差的流量计算式计算流量，

修正了所述空间分辨能力的量子化误差的流量计算式是对所述积分范围的开始、终止位置的流道，将该流道所占领的区域中的积分范围外的区域除去后进行计算的计算式。

2、根据权利要求1所述的多普勒式超声波流量计，其特征为，

在修正前的流量计算式为以下的(1)式的情况下，修正了所述空间分辨能力的量子化误差的流量计算式是如以下的(8)式，

…(1)式

                                           …(8)式，

$+v_N\·[\frac{1}{2}\·(\frac{D}{2}+\frac{r_{N-1}+r_N}{2})]\·(\frac{D}{2}-\frac{r_{N-1}+r_N}{2})]$

v_i：流道i的流速，

v₀：所述积分范围的第一流道的流速，

r_i：从管中心到流道i中心的距离，

Δr_i：流道i的宽度；

D：所述配管的直径；

$(\frac{1}{2}\·\frac{r_0+r_1}{2})\·\left(\frac{r_0+r_1}{2}\right)$ 是开始流道的流量系数；

$[\frac{1}{2}\·(\frac{D}{2}+\frac{r_{N-1}+r_N}{2})]\·(\frac{D}{2}-\frac{r_{N-1}+r_N}{2})$ 是终止流道的流量系数。

3、一种多普勒式超声波流量计的运算处理装置，该多普勒式超声波流量计利用超声波多普勒位移，测量在配管内流过的被测量流体的流量，其特征为，包括：

流速分布计算单元，根据对作为向所述配管内送出的超声波脉冲的反射波的超声波回波的接收信号施以规定处理得到的多普勒位移成分，求出所述被测量流体的流速分布；和

流量计算单元，根据该计算出的流速分布中的处于规定积分范围内的流速分布，用修正了空间分辨能力的量子化误差的流量计算式，计算流量，

修正了所述空间分辨能力的量子化误差的流量计算式是对所述积分范围的开始、终止位置的流道，将该流道所占领的区域中的积分范围外的区域除去后进行计算的计算式。

4、一种基于多普勒式超声波流量计的流体的流量运算处理方法，该多普勒式超声波流量计利用超声波多普勒位移测量配管内流过的被测量流体的流量，该方法包括以下工序：

根据对作为向所述配管内送出的超声波脉冲的反射波的超声波回波的接收信号施以规定处理得到的多普勒位移成分，求出所述被测量流体的流速分布的工序；和

根据该求出的流速分布中的处于规定的积分范围内的流速分布，用修正了空间分辨能力的量子化误差的流量计算式计算流量的工序，

修正了所述空间分辨能力的量子化误差的流量计算式是对所述积分范围的开始、终止位置的流道，将该流道所占领的区域中的积分范围外的区域除去后进行计算的计算式。

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