CN102257366A - 超声波流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波流量计，通过使超声波在有被测量流体流动的具有矩形截面的测量流路以及在测量流路中流动的被测量流体中传播来测量被测量流体的流速，在测量流路中，隔板被配置成沿被测量流体的流动方向相平行，并且，隔板被配置成与壁面平行，该壁面是测量流路的相对置的壁面之间的流速分布相对于被测量流体的流动方向的中心更加对称的壁面。

Description

超声波流量计

技术领域

本发明涉及一种超声波流量计。

背景技术

图11是以往的超声波流量计的流路截面图。在图11中，对于截面形状为长方形的流路30，通过多个隔板31对该流路30的长边相对的方向进行分割而将该流路30分割成多个分割通路，由此构成多层流路32。而且，在多层流路32的上游侧和下游侧连接有截面固定的导流流路(Approach Flow Paths)33、34。

导流流路33、34各自的前端以突出状态置于与流路30一起形成U字形状的上游室35和下游室36中。设置折回板37、38以对流体流进行整流。另外，设置由多孔体形成的整流部件39以在多层流路32内进行整流。

未图示的超声波换能器是超声波发送接收单元。超声波换能器与纸面呈固定角度且隔着流路30地设置于流路30的相对置的短边侧，以使超声波倾斜地横穿流体的流动方向。

这种超声波流量计根据取决于一对超声波换能器的发送接收的超声波的传播时间来计算实时流速，根据需要将该流速与流路截面面积相乘，由此运算出流量(例如参照专利文献1)。

然而，在以往的超声波流量计的结构中，在存在流路弯曲、以及流路30局部的截面面积变化等的情况下，在弯曲部会产生偏流。当测量流体从上游侧流入测量部时，在测量部入口附近在上下方向产生偏流，流体不能均等地流入各层。

因此，难以利用超声波来测量整个流路的流量，显现出流速分布的影响，测量精确度根据流速而不同。

为了提高超声波流量计的测量精确度，需要用于整流的附加结构，超声波流量计的构造变得复杂。另外，存在由于量产超声波流量计时的工时增加等而成本变大的问题。

专利文献1：日本特开2004-132928号公报

发明内容

本发明的超声波流量计通过使超声波在有被测量流体流动的具有矩形截面的测量流路以及在测量流路中流动的被测量流体中传播来测量被测量流体的流速，在测量流路中，隔板被配置成沿被测量流体的流动方向相平行，并且，隔板被配置成与壁面平行，该壁面是测量流路的相对置的壁面之间的流速分布相对于被测量流体的流动方向的中心更加对称的壁面。

其结果是，即使在测量流路的入口处存在流体流的弯曲部而产生了偏流，在利用隔板划分出的各个流路中也会流通具有对称的流速分布的被测量流体，因此难以产生测量上的误差。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的超声波流量计的横截面图。

图2是上述超声波流量计的动作说明图。

图3是上述超声波流量计的其它结构的横截面图。

图4是上述超声波流量计的多层流路中的流速分布的说明图。

图5A是说明上述超声波流量计中的流体流的横截面图。

图5B是说明上述超声波流量计中的流体流的俯视图。

图6是上述超声波流量计的另一个结构的横截面图。

图7A是上述超声波流量计的测量流路截面(铅直截面)的流速分布图。

图7B是与图7A的测量流路截面垂直相交的截面(水平截面)的流速分布图。

图8是本发明的实施方式2的超声波流量计的横截面图。

图9是上述超声波流量计的其它结构的横截面图。

图10是上述超声波流量计的另一个结构的横截面图。

图11是以往的超声波流量计的流路截面图。

附图标记说明

1：导入路径；2：流入口；3：开闭阀；4：开闭阀下游侧流路；5：流路单元；6：弯曲部；7：测量流路入口；8：测量流路；9：排出弯曲部；10：第一超声波换能器；11：第二超声波换能器；12：传感器单元；13、14：开口部；15、16：金属丝网；17：排出路径；18：流出口；19：测量控制部；20：运算部；21：电源部；22：驱动部；23：阀座开口部；24：隔板；25：挡板。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的实施方式。

(实施方式1)

图1是本发明的实施方式1的超声波流量计的横截面图。图1的超声波流量计是应用于煤气表的例子。超声波流量计包括被测量流体的导入路径1、流入口2、电磁式或步进马达式等的开闭阀3、开闭阀下游侧流路4、流路单元5、传感器单元12等。

流路单元5包括弯曲部6、测量流路入口7、测量流路8、排出弯曲部9、流量测量部。弯曲部6与导入路径1的开闭阀下游侧流路4相连接。被测量流体在测量流路8的管壁内流动，该测量流路8与导入路径1的开闭阀下游侧流路4的中心轴大致形成为直角。

此外，流路单元5与导入路径1和后述的排出路径分别由独立的单元构成，并相互连接。

在测量流路8的上游侧和下游侧，第一超声波换能器10、第二超声波换能器11倾斜地设置于与导入路径1正交的壁面上，其发送波能够在测量流路8的对置面上反射后被接收。而且，第一超声波换能器10、第二超声波换能器11作为传感器单元12而形成为一体，并被安装成与测量流路8合为一体。即，第一超声波换能器10、第二超声波换能器11沿在测量流路8内流动的被测量流体的流动方向连接在测量流路8的管壁的一面上。而且第一超声波换能器10、第二超声波换能器11向被测量流体发出超声波，将超声波沿被测量流体的流动方向即顺方向和沿流动方向的逆方向传播的传播时间的差发送到流量测量部。这样，超声波流量计通过使超声波在流入测量流路8的被测量流体内进行传播来测量被测量流体的流速。

流路单元5与传感器单元12的接合部、即超声波的传播部分处设置有用于传播的开口部13、14。利用金属丝网15、16来覆盖传感器单元12侧的开口部分，以避免测量流路8中的流体流入到传感器单元12侧。此外，金属丝网15、16也可以覆盖流路单元5侧的开口部分。

排出弯曲部9与排出路径17相连接。被测量流体(气体)从排出路径17的流出口18流出。另外，本发明的实施方式1的超声波流量计的横截面形状为U字型。

流量测量部由测量控制部19和运算部20构成。测量控制部19使第一超声波换能器10、第二超声波换能器11之间交替地发送接收超声波。而且，测量控制部19针对被测量流体的流体流以固定间隔计算超声波沿顺方向和逆方向传播的传播时间的差，将其作为传播时间差信号而输出。

另外，运算部20接收来自测量控制部19的传播时间差信号来测量气体的流速，根据需要将该流速与测量流路8的截面面积和校正系数相乘来运算流量。

并且，电源部21由锂电池等构成。测量控制部19、运算部20、电源部21的一部分以及开闭阀3的驱动部22被安装于构成为U字型的超声波流量计内侧的空间。

在具有矩形截面的测量流路8中，隔板24沿被测量流体的流动方向平行地分隔流路的截面，从而使测量流路8的一部分或全部成为两层以上的多层结构，上述流路的截面是第一超声波换能器10、第二超声波换能器11发送接收超声波的截面。这样，隔板24在测量流路8中被配置成沿被测量流体的流动方向相平行。

下面，说明本发明的实施方式的超声波流量计的动作、作用。

作为被测量流体的气体从导入路径1的流入口2经由未图示的外部配管而流入。然后，气体从开放的开闭阀3通过阀座开口部23，流向下游侧的测量流路入口7，经弯曲部6流入测量流路8。并且，气体经由排出弯曲部9、排出路径17向未图示的外部配管流出。即，当将导入路径1与测量流路8配置成正交时，能够将导入路径1和排出路径17的配管方向构成为相同的铅直方向(U字型)。因此，作为被测量流体的外部配管的导入路径1和排出路径17与测量流路8之间的配管连接变得容易。

如上所述，本发明的实施方式的超声波流量计为以下的构造：将各超声波换能器的安装部和测量流路部分单元化，将其进行组合。因此，不仅组装性较好，在要修改测量装置的规格的情况下，只要以单元单位进行修改即可，因此构造变更等作业也变得容易。

图2是本发明的实施方式1的超声波流量计的动作说明图。构成为以下的结构：将第一超声波换能器10、第二超声波换能器11单元化，将第一超声波换能器10、第二超声波换能器11配置在测量流路8的同一截面上。因此，发送接收超声波的传播路径是利用对置面使该超声波反射而形成的V字型的传播路径，在第一超声波换能器10、第二超声波换能器11之间以该传播路径进行超声波的发送接收。即，本发明的实施方式1的超声波流量计将第一超声波换能器10、第二超声波换能器11设置于作为测量流路8的相对置的两个面中的任一面的第一面上。而且第一超声波换能器10、第二超声波换能器11中的任一个超声波换能器所发出的超声波在与第一面相对置的第二面上进行一次以上的反射后由另一个超声波换能器接收。

这样，通过将第一超声波换能器10和第二超声波换能器11安装在测量流路8的管壁的同一面侧，传感器单元的构成变得容易，并且，由于利用反射，因此超声波的传播路径变长而测量精确度提高。

测量传播时间T1，该传播时间T1是从上游侧的第一超声波换能器10发出的超声波直到被下游侧的第二超声波换能器11接收为止的传播时间。另外，测量传播时间T2，该传播时间T2是从下游侧的第二超声波换能器11发出的超声波直到被上游侧的第一超声波换能器10接收为止的传播时间。

在运算部20中，根据这样测量出的传播时间T1和T2，通过下面的运算式来算出流量。

当将测量流路8中的气体的流动方向的流速设为V、将该流动方向与超声波传播路径所形成的角度设为θ、将第一超声波换能器10、第二超声波换能器11之间的距离设为2×L、将气体(被测量流体)的音速设为C时，通过下面的式子算出流速V。

T1＝2×L/(C+Vcosθ)

T2＝2×L/(C-Vcosθ)

通过用T1的倒数减去T2的倒数的式子来消去音速C，

V＝(2×L/2cosθ)[(1/T1)-(1/T2)]

θ和L是已知的，因此利用T1和T2的值能够算出流速V。

在想要计算气体的流量而假设角度θ＝45度、距离L＝35mm、音速C＝340m/秒、流速V＝8m/秒时，T1＝2.0×10^-4秒，T2＝2.1×10^-4秒，这意味着能够进行瞬时测量。

此外，即使传播路径不是V字型，而是如图3、即本发明的实施方式1的超声波流量计的其它结构的横截面图所示那样的利用三次反射的W字型的传播路径，也能够进行同样的测量。即，超声波的传播路径如下那样形成W字形状：在与测量流路8的壁面的一面相对的面和该壁面的一面上进行三次反射。

并且，W字型的传播路径与V字型的传播路径相比传播时间更长，因此能够进一步提高测量精确度。

另外，通过使测量流路8的截面形状相对于超声波传播路径的中心相对称，除了流体向顺方向流动的情况以外，在流体向逆方向流动的情况下也能够以同样精确度进行测量。因此，对于脉动等现象也能够进行测量。

此外，在本发明的实施方式1中，利用隔板24将测量流路8分隔从而将其多层化，对其效果进行说明。

图4是本发明的实施方式1的超声波流量计的多层流路中的流速分布的说明图。通过将流路多层化，即使测量流路8内流动的被测量流体的流量相同，多层部的雷诺数也会变小。因此，即使处于大流量的测量范围，也由于被测量流体维持层流状态而能够减小流体流紊乱的影响，从而能够进行稳定的测量。

通过减小图4的h，能够减小雷诺数而实现层流状态。此外，通过下面的式子来表示雷诺数。

R(雷诺数)＝L×V/ν

L是代表性长度，是由流路截面的高度h和宽度决定的值

V是流速

ν是流体的运动粘性系数

接下来说明流路中的流体流。

图5A是说明本发明的实施方式1的超声波流量计中的流体流的横截面图，图5B是说明上述超声波流量计中的流体流的俯视图。

当由导入路径1导入的被测量流体进入测量流路8时，流路大幅弯曲，因此流速在铅直方向会产生较大偏斜。在测量流路8的入口处，被测量流体的铅直方向的速度分布变得不均匀，从而在测量流路8的铅直方向上产生偏斜。在利用隔板24将矩形的测量流路8多层化的情况下，依据偏流方向，流入各层中的被测量流体的流量不均匀。

即，在利用隔板24在与纸面垂直的方向上将图5A所示的U字型流路中的测量流路8的一部分或全部流路分隔而将其多层化的情况下，如果测量流路8中存在偏流则各层中流量是不同的。因此，如果不能进行超声波传播贯穿所有层的测量，则会产生误差。在此，U字型流路包括流入口2、开闭阀下游侧流路4、弯曲部6、测量流路8、排出弯曲部9、排出路径17、流出口18。

另外，测量流路8入口的流速分布还根据被测量流体的流量大小而变化，因此误差相对于真正值的比例本身也根据流量而变化。因此，仅测量任意一个流量来对整个测量规格范围的测量值进行校正是困难的。

在本发明的实施方式1中，如图5B所示，利用沿铅直方向竖起的隔板24将具有矩形截面的测量流路8分割成多层。

此外，相对于铅直方向，在图5A的纸面的深度方向上几乎不产生气体流的偏斜。而且，利用隔板24在截面形状为矩形的测量流路8的纵方向进行划分来形成多层构造，由此气体均等地流入测量流路8的各层中。通过多层化使每层的间隙减小，流动被二维化，由流速引起的流速分布的变化也进一步被抑制。

并且，在本发明的实施方式1中，使多片隔板24的间隔相等，因此，即使无法使超声波在所有层中传播来进行测量，通过测量一部分层的流量也与测量全部流量大致等同。因此，能够测量出正确的流量，能够使流量的测量难以受到流体流在铅直方向的分布偏斜的影响。

此外，在图5A中，为测量流路8与开闭阀下游侧流路4垂直相交的L字型。但是，也可以如图6、即本发明的实施方式1的超声波流量计的另一个结构的横截面图所示那样不是L字型。在测量流路8相对于开闭阀下游侧流路4具有规定角度而倾斜于该开闭阀下游侧流路4的情况下，在测量流路8的入口处会产生偏流，因此，对隔板24的分隔方向进行设置以使流速分布更具有对称性。由此，偏流对测量的影响变小。即，以与壁面平行的方式配置隔板24，该壁面是测量流路8的相对置的壁面之间的流速分布相对于被测量流体的流动方向的中心更加对称的壁面。

图7A是本发明的实施方式1的超声波流量计的测量流路截面(铅直截面)的流速分布图，图7B是与图7A的测量流路截面垂直相交的截面(水平截面)的流速分布图。

在图7A和图7B中，流路截面流速分布A和流路截面流速分布B是针对测量流路8中的流动方向的、两对壁间的各自的中心截面的流速分布。流路截面流速分布A的截面和流路截面流速分布B的截面垂直相交。

在如流路截面流速分布A和流路截面流速分布B那样偏斜相对于中心不存在差异、即流速分布相对于中心以相同程度对称的情况下，分隔流速分布形状更平坦(均等)的壁与壁之间(图7B所示的截面)。这样，配置隔板24使其与壁面之间的两个流速分布中的流速分布更均匀的一方的壁面相平行。

由此，能够使在多层之间流动的被测量流体的流量的分布均匀。其结果是，能够减小超声波流量计的测量偏差，从而进一步提高可靠性。

(实施方式2)

图8是本发明的实施方式2的超声波流量计的横截面图。

在开闭阀下游侧流路4与测量流路8呈L字状相交的情况下，在测量流路8的入口处产生偏流。在由于偏流而被测量流体的紊乱较严重的情况下，会变成被测量流体的流体流在测量流路8的入口处与流路的壁面分离以及产生涡流等非常紊乱的状态。在超声波在该紊乱的流体流中进行传播的情况下，超声波的传播受到流体流的影响，因此超声波的传播波形也变得不稳定。即，用于超声波振进行测量的超声波的传播路径位于流体流紊乱较小的区域对于精确测量是有效的。

如上所述那样为了使超声波换能器的设置场所避开流体流紊乱的区域附近，期望设置导流区间(图8中的S)，该导流区间是从测量流路8的入口处起直到流体流稳定为止的区间，将该超声波换能器的设置场所配置在该区间以后。

此外，在本发明的实施方式2中，通过将隔板24配置于导流区间以后来解决上述问题。即，隔板24被配置在离开导流区间以上距离的位置处。导流区间的长度是从测量流路8的入口处起产生被测量流体的流体流与测量流路8的内壁面分离的长度。

另外，在本发明的实施方式2中，将导流区间设置为隔板24的分隔间隔的5倍以上。

图9是本发明的实施方式2的超声波流量计的其它结构的横截面图。如图9所示，伸出了与测量流路8侧形成为一体的挡板25。即，在测量流路8的入口处，测量流路8的壁面具有向被测量流体的流体流的相反方向突出的挡板25。其结果是，测量流路8的导流区间延长了与挡板25的长度相应的量，在为了使装置小型化等而将第一超声波换能器10、第二超声波换能器11配置于接近测量流路入口7处时有效。

图10是本发明的实施方式2的超声波流量计的另一个结构的横截面图。如图10所示，使挡板25的前端部分的形状形成为从测量流路8的内侧向外部张开的喇叭状的圆弧形状。其结果是，即使开闭阀下游侧流路4与测量流路8呈L字型等的连接结构，在被测量流体流入测量流路8时，流体流也会沿挡板25的圆弧形状的壁面缓慢地被导入。因此，难以产生与测量流路8壁面分离等紊乱，第一超声波换能器10、第二超声波换能器11的配置自由度变大，容易使装置小型化。另外，由于测量流路8内的紊乱变少，因此还能够减少测量部中的压力损失。

此外，挡板25的圆弧状曲率半径优选为测量流路8的高度的1/2以上。由此，进入测量流路8的被测量流体以沿圆弧形状的方式流入。因此，难以产生流体流与测量流路8的壁面分离以及流体流的紊乱，由此，测量流路8内的流体流稳定。而且能够缩短导流区间，因此第一超声波换能器10、第二超声波换能器11的配置自由度变高。另外，由于减少了被测量流体的紊乱，因此能够减少被测量流体的压力损失。

产业上的可利用性

如上所述，本发明可用于从煤气等气体流体到水等液体流体的广泛的范围内。

Claims (8)

1.一种超声波流量计，通过使超声波在有被测量流体流动的具有矩形截面的测量流路以及在上述测量流路中流动的上述被测量流体中传播来测量上述被测量流体的流速，该超声波流量计的特征在于，

在上述测量流路中，隔板被配置成与上述被测量流体的流动方向相平行，并且，上述隔板被配置成与壁面平行，上述壁面是上述测量流路的相对置的壁面之间的流速分布相对于上述被测量流体的流动方向的中心更加对称的壁面。

2.根据权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，

上述隔板被配置成与上述壁面之间的两个流速分布中的流速分布更均匀的一方的壁面平行。

3.根据权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，

等间隔地配置上述隔板。

4.根据权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，

上述被测量流体经弯曲部流入上述测量流路。

5.根据权利要求4所述的超声波流量计，其特征在于，

上述隔板被配置在导流区间以外的位置处，该导流区间的长度是从上述测量流路的入口起上述被测量流体的流体流与上述测量流路的内壁面分离的长度。

6.根据权利要求5所述的超声波流量计，其特征在于，

还具有挡板，该挡板是在上述测量流路的入口处使上述测量流路的壁面向与上述被测量流体的流动方向相反的方向突出而形成的。

7.根据权利要求6所述的超声波流量计，其特征在于，

上述挡板的前端呈圆弧的形状，该圆弧的曲率半径为上述测量流路的高度的1/2以上。

8.根据权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，

在作为上述测量流路的相对置的两个面中的任一面的第一面上设置第一超声波换能器、第二超声波换能器，上述第一超声波换能器和上述第二超声波换能器中的任一个超声波换能器所发出的超声波在与上述第一面相对的第二面上进行一次以上的反射后由另一个超声波换能器接收。

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