CN104236648A - 超声波流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波流量计。所述超声波流量计包括多个超声波元件，所述超声波元件安装在测量对象流体流过的管路的外壁上，发送接收超声波信号，至少一个所述超声波元件是超声波发送元件，所述超声波发送元件以超声波发送面与所述管路的管轴方向平行的方式安装在所述管路的外壁上，其他的至少一个所述超声波元件是超声波接收元件，所述超声波接收元件以超声波接收面与所述管路的管轴方向平行的方式安装在所述管路的外壁上。

Description

超声波流量计

相关申请的交叉参考

本申请要求2013年06月18日向日本特许厅提交的日本专利申请第2013-127652号的优先权，因此将所述日本专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及超声波流量计。

背景技术

夹装式超声波流量计在各种领域中被广泛使用。其理由如下，即：夹装式超声波流量计可以后设在现有的管路上。此外，在夹装式超声波流量计中，发送接收超声波信号的传感器部安装在管路的外侧，因此不产生压力损失。此外，即使是腐蚀性流体和/或高压流体，夹装式超声波流量计也能容易地对所述流体进行测量。

图10A和图10B是说明现有的夹装式超声波流量计的一个例子的结构的图(例如参照日本专利公报第3043758号)。更详细地说，图10A是表示该流量计整体结构的图，图10B是表示图10A的传感器4的局部剖面。超声波流量计在管路1的上部沿管轴方向具有第一支架3和第二支架5。第一支架3上安装有被罩覆盖的第一超声波传感器2，第二支架5上安装有被罩覆盖的第二超声波传感器4。所述的第一支架3和第二支架5以保持规定的位置关系的方式分别通过金属带6、7固定在管路1上。

如图10B所示，被罩覆盖的传感器2、4分别收纳有基座8，所述基座8具有安装有超声波转换元件9的规定的倾斜面。

具有所述结构的超声波流量计按照下述方式发挥作用。即，超声波从固定于管路1的上部的、第一超声波传感器2的超声波转换元件，相对于管路1的轴倾斜放射。边将第二超声波传感器4在管路1的上部滑动边探索使第二超声波传感器4的超声波转换元件能最佳地接收所述超声波的、第二超声波传感器4的最佳位置。而后，将第二超声波传感器4固定在探索到的位置。

图11是说明现有的夹装式超声波流量计的另外的例子的结构的图(例如参照日本公表公报特表2011-501191号)。如图11所示，超声波流量计10包括多个脚部14以及千分表(ダイヤルゲージ)15。多个脚部14彼此分开配置，并且与管11的规定部分12的外周面13接触。千分表15设置在脚部14之间。千分表15显示沿外周面13从测量基准点向周围方向测量的、多个位置的每个位置的曲率半径。用千分表15测量到的多个位置的曲率半径数据和另外测量到的配管厚度数据，被传送到处理器16。这些数据例如在用于判断管11的规定部分12的横截面的面积的计算中使用。

在日本专利公报第3043758号所记载的测量装置中，在管路1上设置超声波传感器2和超声波传感器4时，进行边将超声波传感器2和超声波传感器4在管路1的上部滑动边探索它们的最佳位置这样的操作。

另一方面，在日本专利公表公报特表2011-501191号所记载的测量系统中，当求流量时，实施事前测量配管的厚度和曲率这样的另外的操作。

发明内容

本发明的一个目的是实现一种能较简单地设置在管路上的夹装式超声波流量计。

本发明的第一方式的超声波流量计，其包括多个超声波元件，所述超声波元件安装在测量对象流体流过的管路的外壁上，发送接收超声波信号，至少一个所述超声波元件是超声波发送元件，所述超声波发送元件以超声波发送面与所述管路的管轴方向平行的方式安装在所述管路的外壁上，其他的至少一个所述超声波元件是超声波接收元件，所述超声波接收元件以超声波接收面与所述管路的管轴方向平行的方式安装在所述管路的外壁上。

本发明的第二方式的超声波流量计是在第一方式的超声波流量计中，所述超声波发送元件包括声学透镜。

本发明的第三方式的超声波流量计是在第一方式的超声波流量计中，所述超声波发送元件是相控阵列(フェーズドアレイ)元件。

本发明的第四方式的超声波流量计是在第一方式的超声波流量计～第三方式的超声波流量计中的任意一种方式的超声波流量计中，所述超声波元件具有柔性。

本发明的第五方式的超声波流量计是在第四方式的超声波流量计中，所述超声波元件的超声波接收面为平坦面状。

本发明的第六方式的超声波流量计是在第一方式的超声波流量计～第五方式的超声波流量计中的任意一种方式的超声波流量计中，所述超声波发送元件以及以夹着所述超声波发送元件的方式配置的两个所述超声波接收元件，沿管轴方向排列。

本发明的第七方式的超声波流量计是在第一方式的超声波流量计～第六方式的超声波流量计中的任意一种方式的超声波流量计中，所述超声波流量计还包括一体化构件，所述一体化构件用于固定所述多个超声波元件的相对位置关系。

本发明的第八方式的超声波流量计是在第一方式的超声波流量计～第七方式的超声波流量计中的任意一种方式的超声波流量计中，所述超声波流量计还包括自校正部，所述自校正部根据在与所述管路的管轴方向垂直的方向上行进的超声波信号，计算所述测量对象流体的管轴方向的行进距离和流体中的声速。

本发明的第九方式的超声波流量计是在第八方式的超声波流量计中，所述超声波流量计还包括流量测量计算部，所述流量测量计算部使用所述自校正部的计算结果，计算所述测量对象流体的流量。

按照所述的方案，能够实现能较简单地设置在管路上的夹装式超声波流量计。

附图说明

图1是说明本发明一个实施方实的超声波流量计的一个结构例子的图。

图2是说明本发明一个实施方实的超声波流量计的另外的结构例子的图。

图3A和图3B是说明本发明一个实施方式的超声波流量计另外的结构例的图。

图4A和图4B是说明本发明一个实施方式的超声波流量计的测量动作的图。

图5A～图5F是说明在流体中边扩展边传播的超声波信号的传播状态的图。

图6A和图6B是说明在流体中边多次反射边传播的超声波信号的传播状态的图。

图7是表示本发明一个实施方式的超声波流量计的整体结构例子的框图。

图8是说明本发明一个实施方式的超声波流量计的另外的结构例的图。

图9A和图9B是说明本发明一个实施方式的超声波流量计的另外的结构例的图。

图10A和图10B是说明现有的夹装式超声波流量计的一个例子结构的图。

图11是说明现有的夹装式超声波流量计的另外的例子的结构的图。

具体实施方式

在下面的详细说明中，出于说明的目的，为了提供对所公开的实施方式的彻底的理解，提出了许多具体的细节。然而，显然可以在没有这些具体细节的前提下实施一个或更多的实施方式。在其它的情况下，为了简化制图，示意性地示出了公知的结构和装置。

下面参照附图详细说明本发明的实施方式。图1是说明本发明一个实施方式的超声波流量计的一个结构例子的图。图1表示了沿着管路的轴方向(以下简称为管轴方向)TA的管路的截面。如图1所示，在测量对象流体17流过的管路18的外壁上部，沿管轴方向TA配置有发送接收超声波信号的多个超声波元件19～21。多个超声波元件19～21以各自的超声波发送接收面(超声波发送面或超声波接收面)与管轴方向TA平行的方式按照规定的位置关系配置。

超声波元件19例如可以是包括超声波发送面的超声波发送元件。此外，超声波元件20和超声波元件21可以是以夹着超声波发送元件19的方式配置的、两个包括超声波接收面的超声波接收元件。此外，超声波发送元件19和超声波接收元件20的间隔与、超声波发送元件19与超声波接收元件21的间隔，可以相等，也可以实质上相等。

图2是说明本发明一个实施方式的超声波流量计的另外的结构例的图。在该实施例中，超声波元件19～21具有柔性。通过使超声波元件19～21具有柔性，可以将超声波元件19～21卷绕到管路18的所希望的部分。并且，超声波元件19～21具有平坦状面(以下称为元件面)。因此，超声波元件19～21可以利用宽广的元件面发送接收超声波。由于超声波元件19～21具有所述的结构，所以超声波流量计能够抑制接收信号的衰减从而能更准确地测量流量。

此外，超声波元件19～21可以都是具有宽频带的频率特性的聚偏氟乙烯树脂(PVDF)元件。此时，即使利用自校正的超声波共振法，一直到高的频带也会显现重复频率。因此，可以更准确地测量管路18的厚度以及更准确地求出流速。

图3A和图3B是说明本发明一个实施方式的超声波流量计的另外的结构例的图。在该实施例中，超声波元件19～21的相对位置关系被一体化构件22固定。由此，不需要像前述的日本专利公报第3043758号所记载那样的、调整作为超声波发送元件和超声波接收元件使用的超声波传感器2、4在管路1上的安装位置。其结果，能够提高安装操作的效率。

图4A和图4B是说明本发明一个实施方式的超声波流量计的测量动作的图。在图4A中，设管路18内的流体17沿管轴方向行进的行进距离(管轴行进距离)为dx，设流速为F，设流体中的声速为Cw。而且，把从流体向管路18入射的入射角设为θw。此时，按照下述的方式求出上游的超声波的传播时间T1与下游的超声波的传播时间T2的差ΔT。

$T1=\frac{L_p}{C_w-F\sin {\mathrm{\θ}}_w}$

$T2=\frac{L_p}{C_w+F\sin {\mathrm{\θ}}_w}$

$\mathrm{\ΔT}=T1-T2=\frac{L_p}{C_w-F\sin {\mathrm{\θ}}_w}-\frac{L_p}{C_w+F\sin {\mathrm{\θ}}_w}=\frac{2L_p\sin {\mathrm{\θ}}_w}{{C_w}^2-F^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_w}F$

由于

C_w ²＞＞F²sin²θ_w

所以

$\mathrm{\ΔT}\≈\frac{2L_p\sin {\mathrm{\θ}}_w}{{C_w}^2}F=\frac{2d_x}{{C_w}^2}F---\left(1\right)$

因此，通过利用以下说明的自校正，求出流体17的管轴方向的行进距离dx和流体中的声速Cw，由此可以求出流速。也可以在流量计设置时自动进行所述自校正。此时，不需要如日本专利公表公报特表2011-501191号所记载那样的、用于事前测量管的尺寸和配管厚度的繁杂的操作。此外，通过在设置超声波流量计之后，在线进行所述自校正，能够提高长期的测量稳定性。

在自校正时，根据超声波的传播时间和频谱，求出图4A所示的管路18中的声速Cs、流体中的声速Cw以及管路18的外径dl、内径dw和厚度ds。如图4A所示，使用通过超声波传播路径1的、在管壁中传递的超声波信号并根据发送接收元件间距离Ls以及传播时间T1和传播时间T2，求出管路18中的声速Cs。

如图4B所示，超声波传播路径2是围绕管路18的外周的超声波信号的路径。超声波传播路径3是在管路18的内壁上反射并往返的超声波信号的路径。根据超声波传播路径2的传播时间和声速Cs，求出管路18的外周的长度。由此，求出管路18的外径dl。此外，通过超声波共振法求出管路18的厚度ds。

即，根据在通过图4B所示的超声波传播路径3的超声波的频谱上出现的重复频率f和声速Cs，通过ds＝Cs/2f求出管路18的厚度ds。根据以前求出的外径dl和厚度ds，通过dw＝dl-2ds求出内径dw。

超声波传播路径3的传播时间Td由以下的数学式(2)表示。

$T_d=\frac{2d_s}{C_s}+\frac{2d_w}{C_w}---\left(2\right)$

因此，可以根据以前求出的管路18的内径dw、厚度ds和声速Cs，求出流体中的声速Cw。

按照上述方式，求出管路18中的声速Cs、流体中的声速Cw以及管路18的外径dl、内径dw和厚度ds。

接着，求出图4A的管轴行进距离dx。在此，发送接收元件间距离Ls由以下的数学式(3)表示。

L_s＝2d_stanθ_s+2d_wtanθ_w (3)

此外利用斯涅耳定律，导出以下的数学式(4)。

$\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_s}{\sin {\mathrm{\θ}}_w}=\frac{C_s}{C_w}---\left(4\right)$

根据以上的数学式(3)和数学式(4)，求出入射角θw。因此，管轴行进距离dx可以由以下的数学式求出。

d_x＝2d_wtanθ_w

如上所述，通过自校正求出管轴行进距离dx和流体中的声速Cw。因此，最终可以通过数学式(1)求出流速。

此外，当设流量修正系数为K、管路18的截面积为S时，流量V如下所述地表示，成为

$V=\mathrm{KSF}=\mathrm{\πK}{\left(\frac{d_w}{2}\right)}^{2}F---\left(5\right)$

由此，求出流量V。

图5A～图5F是说明在流体中边扩展边传播的超声波信号的传播状态的图。从超声波发送元件19入射的超声波，在流体中以球面状的方式扩展。所述超声波边反复被管路18的内壁反射边向管路18的上下游扩展，并到达超声波接收元件20和超声波接收元件21。在此，如图5A至图5F所示，如果反射次数增加，则波面的形状从球面波接近平面波。

图6A是说明在流体中边多次反射边传播的超声波信号的传播状态的图。从该图可知，如果反射次数增加，则超声波的行进方向接近于与管轴垂直。图6A所示的、在流体中行进的超声波的管轴行进距离dx，对应于反射次数的增加，接近发送接收元件间距离Ls。即，如果反射次数增加，则如数学式(1)所示，流速的灵敏度接近用通常的倾斜放射的超声波流量计得到的灵敏度。因此，能够以与将元件面相对于管轴倾斜设置的通常情况同等的精度进行测量。

图6B是表示具有彼此不同的反射次数的多个反射波的接收波形的例子的图。随着反射次数增加为一次、二次、三次，电压振幅缩小。

图7是表示本发明一个实施方式的超声波流量计的整体结构的框图。对管轴垂直超声波检测部23获取由能切换接收发送的超声波元件19检测的、与管路18的管轴垂直的超声波信号。对管轴垂直超声波检测部23将该信号向配管构件内声速测量部24、频谱测量部25和流体内声速测量部26输出。

配管构件内声速测量部24、频谱测量部25和流体内声速测量部26，将各自的计算结果(处理结果)向由在线自动控制部28控制的自校正部27输出。

例如，配管构件内声速测量部24可以计算管路18中的声速Cs。例如，配管构件内声速测量部24可以根据来自超声波元件20的输出信号取得上游的超声波的传播时间T1。并且，配管构件内声速测量部24可以根据来自超声波元件21的输出信号取得下游的超声波的传播时间T2。

此外，例如频谱测量部25可以计算管路18的外径dl、内径dw和厚度ds。此外，流体内声速测量部26例如可以计算流体中的声速Cw。

自校正部27根据所述的配管构件内声速测量部24、频谱测量部25和流体内声速测量部26的输出信号(例如包含管路18中的声速Cs、流体中的声速Cw以及管路18的外径dl、内径dw和厚度ds的计算结果的信号)，进行前述的自校正计算，并将计算结果向流量测量计算部31输出。例如，自校正部27可以计算流体17的管轴方向的行进距离(管轴行进距离)dx和流体中的声速Cw，并将计算结果向流量测量计算部31输出。

对管轴非垂直超声波检测部29获取由超声波元件20和超声波元件21检测的、与管路18的管轴不垂直的超声波信号，向多次反射传播时间测量部30输出。多次反射传播时间测量部30将其计算结果向流量测量计算部31输出。流量测量计算部31根据自校正部27的计算结果和多次反射传播时间测量部30的计算结果，计算流过管路18的流体的流量并将计算出的流量输出。

例如，多次反射传播时间测量部30可以利用数学式(2)求出超声波传播路径3的传播时间Td。流量测量计算部31可以通过数学式(1)求出流速，通过数学式(5)求出流量V。

如上所述，在本发明一个实施方式的超声波流量计中，超声波发送元件与超声波接收元件被一体化，因此，不再需要现有的夹装式超声波流量计所必需的针对管路1的位置调整。因此，能够提高元件相对于管路的安装的便捷性。

此外，在本发明一个实施方式的超声波流量计中实施自校正。由此，不需要流量计设置时的配管尺寸等的事前的测量。因此，能够减少安装时的作业工时。

另外，在本发明一个实施方式的超声波流量计中，在线自动控制部28还能够以定期进行自校正的方式控制自校正部27。由此，可以维持和提高长期测量中的稳定性。

图8是说明本发明一个实施方式的超声波流量计的另外的结构例的图。如图8所示，发送输出超声波的超声波元件19，通过声学透镜32安装在管路18上。所述声学透镜32作为产生行进方向与管轴不垂直的超声波的构件(装置)发挥功能。

即使不采用声学透镜32，也会因流体中的扩散产生行进方向与管轴不垂直的超声波。此外，通过使用声学透镜32，可以使发送输出的超声波扩展。其结果，可以提高行进方向与管轴不垂直的超声波的信号强度。

图9A和图9B是说明本发明一个实施方式的超声波流量计的另外的结构例的说明图。图9A为整体图，图9B为主要部分放大图。在图9A和图9B所示的实施例中，作为产生行进方向与管轴不垂直的超声波的构件(装置)，采用相控阵列元件33。通过采用相控阵列元件33，能适当调整发送输出的波面的角度。其结果，可以提高行进方向与管轴不垂直的超声波的强度。

如上所述，按照本发明的一个实施方式，能够实现能较简单地设置在管路上的夹装式超声波流量计。

此外，本发明一个实施方式的超声波流量计可以是以下的第一超声波流量计～第五超声波流量计。

第一超声波流量计，在测量对象流体流过的管路的外壁上安装有发送接收超声波信号的多个超声波装置，所述超声波装置中的至少一个作为超声波发送装置，以超声波发送面与所述管路的管轴方向平行的方式安装，所述超声波装置中的其他的至少一个以超声波接收面与所述管路的管轴方向平行的方式安装。

第二超声波流量计是在第一超声波流量计中，所述超声波发送装置包括声学透镜。

第三超声波流量计是在第一超声波流量计中，作为所述超声波发送装置采用相控阵列元件。

第四超声波流量计是在第一超声波流量计～第三超声波流量计中的任意一个超声波流量计中，所述超声波装置具有柔性。

第五超声波流量计是在第一超声波流量计～第四超声波流量计中的任意一个超声波流量计中，根据在与所述管路的管轴方向垂直的方向上行进的超声波信号进行自校正。

出于示例和说明的目的已经给出了所述详细的说明。根据上面的教导，许多变形和改变都是可能的。所述的详细说明并非没有遗漏或者旨在限制在这里说明的主题。尽管已经通过文字以特有的结构特征和/或方法过程对所述主题进行了说明，但应当理解的是，权利要求书中所限定的主题不是必须限于所述的具体特征或者具体过程。更确切地说，将所述的具体特征和具体过程作为实施权利要求书的示例进行了说明。

Claims (9)

1.一种超声波流量计，其特征在于，

所述超声波流量计包括多个超声波元件，所述超声波元件安装在测量对象流体流过的管路的外壁上，发送接收超声波信号，

至少一个所述超声波元件是超声波发送元件，所述超声波发送元件以超声波发送面与所述管路的管轴方向平行的方式安装在所述管路的外壁上，

其他的至少一个所述超声波元件是超声波接收元件，所述超声波接收元件以超声波接收面与所述管路的管轴方向平行的方式安装在所述管路的外壁上。

2.根据权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述超声波发送元件包括声学透镜。

3.根据权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述超声波发送元件是相控阵列元件。

4.根据权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述超声波元件具有柔性。

5.根据权利要求4所述的超声波流量计，其特征在于，所述超声波元件的超声波接收面为平坦面状。

6.根据权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述超声波发送元件以及以夹着所述超声波发送元件的方式配置的两个所述超声波接收元件，沿管轴方向排列。

7.根据权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述超声波流量计还包括一体化构件，所述一体化构件用于固定所述多个超声波元件的相对位置关系。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的超声波流量计，其特征在于，所述超声波流量计还包括自校正部，所述自校正部根据在与所述管路的管轴方向垂直的方向上行进的超声波信号，计算所述测量对象流体的管轴方向的行进距离和流体中的声速。

9.根据权利要求8所述的超声波流量计，其特征在于，所述超声波流量计还包括流量测量计算部，所述流量测量计算部使用所述自校正部的计算结果，计算所述测量对象流体的流量。