CN105203165A - 外夹式超声波流量计以及流量的计测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够正确计测流体的流量的外夹式超声波流量计以及流量的计测方法。该外夹式流量计具有:第一超声波传感器(101),使第一超声波信号以超过临界角的角度θ_wi1入射至流体流动的配管(10)，并使倏逝波在配管(10)的管壁产生；第二超声波传感器(102)，使第二超声波信号以与第一超声波信号的入射角度θ_wi1相同的角度θ_wi2入射至配管(10)，并使倏逝波在配管(10)的管壁产生；以及流量算出部(320)，基于第一超声波信号经由配管(10)内到达第二超声波传感器(102)为止的第一时间、以及第二超声波信号经由配管内到达第一超声波传感器(101)为止的第二时间，计算出配管(10)内的流体的流速以及/或者流量。

Description

外夹式超声波流量计以及流量的计测方法

技术领域

本发明涉及一种流体计测技术，尤其涉及外夹式超声波流量计以及流量的计测方法。

背景技术

外夹式超声波流量计具有分别配置在配管的外侧的上游侧和下游侧的超声波传感器。外夹式的流量计一般利用超声波，所以在以下的本说明书中，有时将“外夹式超声波流量计”仅简称为“外夹式流量计”。外夹式流量计朝着在配管中流动的流体发送超声波，基于从流体的上游至下游方向传播的超声波的传播时间、以及从下游至上游方向逆向传播的超声波的传播时间，计算出在配管内流动的流体的流速以及流量(例如，参照专利文献1。)。外夹式流量计具有如下优点：由于只要接触式地将超声波传感器设在配管的外侧即可，所以无需在设置时切断配管，由于不与在配管内的空腔部流动的流体接触，所以测定对象的流体可以是腐蚀性，对测定对象的流体的纯度没有影响，以及由于结构物不被插入配管内，所以不会产生压力损失等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1欧洲专利第1173733号说明书

发明内容

发明要解决的问题

本发明将提供能正确地计测流体的流量的外夹式超声波流量计以及流量的计测方法作为目的之一。在此，流体包括气体以及液体。

用于解决课题的手段

根据本发明的形态，提供一种外夹式超声波流量计，其具有：(a)第一超声波传感器，其使第一超声波信号以超过临界角的角度入射至流体流动的配管，并使倏逝波在配管的管壁产生；(b)第二超声波传感器，其被配置在能够接收第一超声波信号的位置，使第二超声波信号以与第一超声波信号的入射角度相同的角度入射至配管，并使倏逝波在配管的管壁产生；以及(c)流量算出部，其基于第一超声波信号经由配管内到达第二超声波传感器为止的第一时间、以及第二超声波信号经由配管内到达第一超声波传感器为止的第二时间，计算出配管内的流体的流速以及/或者流量。

根据本发明的其他形态，提供一种流量的计测方法，包括如下步骤：(a)使第一超声波信号以超过临界角的角度从第一超声波传感器入射至流体流动的配管，并使倏逝波在配管的管壁产生；使第二超声波信号以与第一超声波信号的入射角度相同的角度从第二超声波传感器入射至配管，并使倏逝波在所述配管的管壁产生，所述第二超声波传感器被配置在能够接收第一超声波信号的位置；以及基于所述第一超声波信号经由所述配管内到达所述第二超声波传感器为止的第一时间、以及第二超声波信号经由配管内到达第一超声波传感器为止的第二时间，计算出配管内的流体的流速以及/或者流量。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种能正确地计测流体的流量的外夹式超声波流量计以及流量的计测方法。

附图说明

图1是本发明的实施形态所涉及的外夹式流量计的示意性的截面图。

图2是本发明的实施形态所涉及的外夹式流量计的示意性的截面图。

图3是本发明的实施形态所涉及的外夹式流量计的示意性的截面图。

图4是本发明的实施形态所涉及的外夹式流量计的示意性的截面图。

图5是现有技术所涉及的外夹式流量计的示意性的截面图。

图6是本发明的实施形态所涉及的超声波波包(パケット)的图表。

图7是本发明的实施例所涉及的超声波波包的图表。

图8是本发明的实施例所涉及的超声波波包的图表。

具体实施方式

以下对本发明的实施形态进行说明。在以下的附图的记载中，对于同一或者类似的部分以同一或者类似的符号来表示。但是，附图都是示意性的图。因此，具体的尺寸等应该参照以下的说明来进行判断。又，当然附图相互之间也包含了相互的尺寸关系、比率不同的部分。

如图1以及图2所示,实施形态所涉及的外夹式流量计具有:第一超声波传感器101,其使第一超声波信号以超过临界角的角度θ_wi1入射至流体流动的配管10，并使倏逝波在配管10的管壁产生；以及第二超声波传感器102，其被配置在能够接收第一超声波信号的位置，使第二超声波信号以与第一超声波信号的入射角度θ_wi1相同的角度θ_wi2入射至配管10，并使倏逝波在配管10的管壁产生。流体是指气体或者液体。

第一超声波传感器101被配置于在配管10内流动的流体的上游侧，第二超声波传感器102被配置在下游侧。从第一超声波传感器101发出的第一超声波信号经由配管10由第二超声波传感器102接收。从第二超声波传感器102发出的第二超声波信号经由配管10由第一超声波传感器101接收。例如，第一超声波传感器101和第二超声波传感器102被交替地施加驱动信号，交替地发出超声波信号。

第一超声波传感器101以及第二超声波传感器102与中央处理装置(CPU)300电连接。CPU300包括：对第一超声波信号从第一超声波传感器101发出之后经由配管10内到达第二超声波传感器102为止的第一时间、以及第二超声波信号从第二超声波传感器102发出之后经由配管内到达第一超声波传感器101为止的第二时间进行计测的时间计测部301；以及基于第一时间和第二时间，计算出配管10内的流体的流速以及/或者流量的流量算出部302。

第一超声波传感器101具有：例如，发出第一超声波信号的第一振子1；以及被配置在配管10的外表面上，以使第一超声波信号以超过临界角的角度θ_wi1向配管10入射的第一楔形体11。同样地，第二超声波传感器102具有：例如，发出第二超声波信号的第二振子2；以及被配置在配管10的外表面上，以使第二超声波信号以超过临界角的角度θ_wi2向配管10入射的第二楔形体12。配管10是由例如不锈钢等的金属材料构成的金属配管。第一楔形体11以及第二楔形体12由例如聚醚酰亚胺等塑料等的合成树脂等构成。

超声波在各向同性的固体内传播的情况下，纵波和横波这两种平面波能够传播，其被称为体波(bodywave)。纵波和横波分别按照斯涅尔定律在两个介质的界面折射。设第一超声波传感器101以及第二超声波传感器102的第一楔形体11以及第二楔形体12中的超声波的声速为c_W、配管10的管壁中的超声波的声速为c_P，相对于第一楔形体11与配管10的界面的自第一楔形体11的入射角为θ_Wi1，相对于第二楔形体12与配管10的界面的自第二楔形体12的入射角为θ_Wi2，向配管10的管壁的出射角为θ_P的话，则根据斯涅尔定律，满足以下的式(1)。

sin(θ_Wi1)/c_W

＝sin(θ_Wi2)/c_W

＝sin(θ_P)/c_P(1)

因此，入射角θ_W的临界角θ_c由以下的式(2)求得。

θ_c＝sin^-1(c_Wi1/c_P)

＝sin^-1(c_Wi2/c_P)(2)

在超声波的入射角超过临界角θ_c的情况下，超声波在界面全反射，平面波不会从第一楔形体11以及第二楔形体12向配管10的管壁内传播。一般来说，由于与纵波相比，横波的临界角更大，所以在入射角超过横波的临界角的情况下，纵波和横波都不能作为平面波向配管10的管壁内传播。此时，配管10的管壁内的声场在与界面垂直的方向上呈指数衰减，在与界面平行的方向上为具有周期性的波动。将该声场称为倏逝波。倏逝波的能量沿着与界面垂直的方向从界面集中到波长左右的范围，不会进行更深的渗透(例如，参照《超声波用语辞典》，2005年，工业调查会，27页。)。

例如，在配管10由不锈钢(SUS304)构成的情况下，纵波的声速为5780m/s，横波的声速为3141m/s。因此，在由SUS304构成的配管10的管壁内，例如1MHz的超声波的纵波的波长为5.8mm，横波的波长为3.1mm。由此，如果管壁的厚度为数毫米左右的话，则在配管10的外表面侧产生的倏逝波能够渗透到内表面。倏逝波与外表面的法线方向平行地渗透，所以倏逝波未改变倏逝波的峰与峰、谷与谷的间隔地传递到内表面。通过倏逝波渗透至配管10的内表面，作为第一超声波信号的平面波从配管10的管壁内向配管10内的流体出射。由于配管10的管壁的外表面和内表面的超声波振动的峰与峰、谷与谷之间的间隔相同，所以可以忽略管壁部分而适用斯涅尔定律。在此，设配管10内的流体中的超声波的声速为c_a，出射的平面波的出射角θ_ao1由以下的(3)式求得。

θ_ao1＝sin^-1(sinθ_Wi1·c_a/c_W)(3)

作为第一超声波信号的平面波在配管10内的流体中行进，入射至配管10的管壁的与出射的部分相对的部分。在此，再次产生倏逝波，倏逝波作为第一超声波信号在配管10的管壁内渗透。进一步地，作为第一超声波信号的平面波从配管10的管壁以与角度θ_wi1相同的角度θ_wo1出射至配管外部，并由第二超声波传感器102接收。

作为从第二超声波传感器102发出的第二超声波信号的平面波也以超过临界角的角度θ_wi2入射至配管10，在配管10的管壁产生倏逝波。倏逝波作为第二超声波信号渗透到配管10的管壁内。通过倏逝波渗透至配管10的内表面，作为第二超声波信号的平面波从配管10的管壁内向配管10内的流体出射，平面波入射至配管10的管壁的与出射的部分相的部分。在此，再次产生倏逝波，倏逝波作为第二超声波信号在配管10的管壁内渗透。进一步地，作为第二超声波信号的平面波从配管10的管壁以与角度θ_wi2相同的角度θ_wo2向配管外部出射，并由第一超声波传感器101接收。

在配管10的内部，流体以流速v流动。如上所述，第一超声波传感器101被配置于在配管10内流动的流体的上游侧，第二超声波传感器102被配置在下游侧。因此，从第一超声波传感器101发出的第一超声波信号随着流体的流动在配管10内的空腔部中传播。相对于此，从第二超声波传感器102发出的第二超声波信号在配管10内的空腔部中与流体的流动逆向传播。由此，在配管10内的空腔部中，在第一超声波信号的传播时间和第二超声波信号的传播时间之间，由于流体的流速v而产生时间差。

第一超声波信号横穿配管10内的空腔部所需要的传播时间t₁由以下的(4)式求得。

t₁＝L/(c_a+v·cos((π/2)-θ_ao1))(4)

又，第二超声波信号横穿配管10内的空腔部所需要的传播时间t₂由以下的(5)式求得。

t₂＝L/(c_a-v·cos((π/2)-θ_ao2))(5)

在此，如图3以及图4所示，L表示第一超声波信号以及第二超声波信号各自横穿配管10内的空腔部的长度。

又，由于θ_ao2与θ_ao1相等，所以根据上述(5)式，得到以下的(6)式。

t₂＝L/(c_a-v·cos((π/2)-θ_ao1))(6)

根据上述(4)以及(6)式，传播时间t₂与传播时间t₁之差Δt由以下的(7)式求得。

根据上述(7)式，在配管10内的空腔部流动的流体的流速v由以下的(8)式求得。

v＝c_a ²Δt/(2L·sinθ_ao1)(8)

在此，出射角θ_ao1能够根据上述(3)式计算出。长度L能够根据配管10的直径和出射角θ_ao1计算出。又，在配管10内的空腔部流动的流体中的声速c_a是由流体的种类、温度决定的常数。因此，通过计算第一超音波信号以及第二超音波信号的传送时间之差Δt，可以计算出在配管10内的空腔部流动的流体的流速v。

进一步地，在配管10内的空腔部流动的流体的流量q能够基于下述的(9)式计算出。

q＝kSv(9)

在上述(9)式中，k是流量校正系数，S表示配管10的截面积。将配管10的内直径设为D的话，则

L＝D/cos(θ_ao1)

S＝πD²/4

根据(8)以及(9)式，可以如以下那样表示流体的流量q。

q＝πkDc_a ²Δt/(4·tanθ_ao1)(9’)

图1至图4所示的时间计测部301对第一超声波传感器101发出第一超声波信号的时刻、第二超声波传感器102接收第一超声波信号的时刻进行监视，对第一超声波信号从第一超声波传感器101发出之后经由配管10内到达第二超声波传感器102为止的第一时间进行计测。又，时间计测部301对第二超声波传感器102发出第二超声波信号的时刻、第一超声波传感器101接收第二超声波信号的时刻进行监视，对第二超声波信号从第二超声波传感器102发出之后经由配管10内到达第一超声波传感器101为止的第二时间进行计测。

时间计测部301计算出第二时间与第一时间之差的值，并传送给流量算出部302。但是，时间计测部301可以直接计测第二时间与第一时间之差。在此，在第一楔形体11、第二楔形体12以及配管10的管壁内部，在第一超声波信号的传播时间和第二超声波信号的传播时间之间，没有产生差值。因此，第二时间与第一时间之差仅由于由上述(7)式求得的配管10内的空腔部中的传播时间t₂与传播时间t₁之差Δt产生。

流量算出部302例如基于上述(3)式，计算出从配管10的管壁出射至空腔部的第一超声波信号的出射角θ_ao1的值。另外，流量算出部302也可以存储预先计算出的出射角θ_ao1。

流量算出部302将所算出的值代入上述(8)式的右边的变量，计算出在配管10内的空腔部流动的流体的流速v。另外，流量算出部302可以基于第一时间的倒数和第二时间的倒数之差计算出流速。又，流量算出部302将所算出的值代入上述(9)式的右边的变量，计算出在配管10内的空腔部流动的流体的流量q。流量存储装置303以及输出装置304连接于CPU300。流量算出部302将所计算出的流体的流速v以及流量q保存于流量存储装置303，并输出至输出装置304。

本发明的发明者在锐意研究之后，发现了以下见解。即，在现有的外夹式流量计中，相对于配管以不超过临界角的角度入射超声波信号，以使得在楔形体11和配管10的接合部不发生全反射。因此，体波未发生全反射地进入配管的管壁。又，根据配管的管壁的厚度的不同，在配管管壁内部，与体波一起，产生、混合传播形态不同的多种导波。但是，传播形态不同的超声波各自的声速不同。因此，所计测的超声波的传播时间产生分布，所计算出的流体的流速产生误差。

相对于此，根据本发明的实施形态，通过相对于配管10以超过临界角的角度入射超声波信号，使体波全反射，在配管的管壁，产生倏逝波。由此，由于在配管管壁内的多重反射没有发生，所以能够抑制所计测的流体的流速的误差。

又，如图5所示，现有的外夹式流量计由于相对于配管以没有超过临界角的角度入射超声波信号，所以在配管的管壁内，发生了超声波的多重反射。但是，发生了多重反射的话，如图6所示，在接收侧的超声波传感器中，波形随时间流逝而扩展，有时难以确定振幅的峰值是(1)还是(2)。由此，超声波的传播时间的确定有时也变得困难。相对于此，通过采用未发生多重反射的倏逝波，在接收侧的超声波传感器，能够抑制波形的随时间的扩展。因此，信号波形变锐，超声波的传播时间的确定变得容易。进一步地，在现有的外夹式流量计中，在配管的管壁内发生了多重反射的超声波由于配管的凸缘面等反射而返回，所以不是本来的超声波信号的信号在接收侧的超声波传感器被接收，有时会对正确的计测造成影响。相对于此，通过采用未发生多重反射的倏逝波，在接收侧的超声波传感器，能够以高的SN比接收本来的接收信号。

(实施例)

准备壁厚为3.7mm的不锈钢(SUS304)钢管(40ASchedule40)。在该钢管上配置分别具有由聚醚酰亚胺构成的楔形体的发送侧超声波传感器以及接收侧超声波传感器。制作楔形体，使得至不锈钢的超声波的入射角为54°以及57°。

聚醚酰亚胺中的超声波的纵波的声速为2438m/s。又，不锈钢中的超声波的纵波的声速为5780m/s，其横波的声速为3141m/s，因此纵波、横波的临界角分别为24.9°、50.9°。入射角超过50.9°的话，超声波的体波(纵波、横波)不能传递到配管，因此不单是角度的量的问题，是在质上不同的状态。

使0.3MPaG的压缩空气在不锈钢钢管中流动，从发送侧超声波传感器发出超声波信号之后，如图7以及图8所示，无论入射角为54°以及57°中的哪一个，都能够抑制波形的随时间的扩展，且能够通过接收侧超声波传感器接收振幅充分的超声波信号。

(其他的实施形态)

如上述那样通过实施形态记载了本发明，构成该公开的一部分的记述以及附图不应该理解为对本发明进行的限定。基于该公开，各种代替实施形态、实施例以及运用技术对于本领域的技术人员来说应是显而易见的。例如，楔形体的材料并不限定于聚醚酰亚胺，配管的材料也不限定于不锈钢。这样，本发明应该理解为包含了在此没有记载的各种实施形态等。

符号的说明

1第一振子

2第二振子

10配管

11第一楔形体

12第二楔形体

101第一超声波传感器

102第二超声波传感器

301时间计测部

302流量算出部

303流量存储装置

304输出装置。

Claims (18)

1.一种外夹式超声波流量计，其特征在于，具有：

第一超声波传感器，其使第一超声波信号以超过临界角的角度入射至流体流动的配管，并使倏逝波在所述配管的管壁产生；

第二超声波传感器，其被配置在能够接收所述第一超声波信号的位置，使第二超声波信号以与所述角度相同的角度入射至所述配管，并使倏逝波在所述配管的管壁产生；以及

流量算出部，其基于所述第一超声波信号经由所述配管内到达所述第二超声波传感器为止的第一时间、以及所述第二超声波信号经由所述配管内到达所述第一超声波传感器为止的第二时间，计算出所述配管内的流体的流速以及/或者流量。

2.如权利要求1所述的外夹式超声波流量计，其特征在于，

所述第一超声波信号以及所述第二超声波信号作为所述倏逝波在所述配管的管壁的外表面和内表面之间渗透。

3.如权利要求1或2所述的外夹式超声波流量计，其特征在于，

所述第一超声波传感器具有：发出所述第一超声波信号的第一振子；和被配置在所述配管上的第一楔形体，所述第一楔形体被配置为使得所述第一超声波信号以超过所述临界角的角度入射至所述配管。

4.如权利要求1至3中任一项所述的外夹式超声波流量计，其特征在于，

所述第二超声波传感器具有：发出所述第二超声波信号的第二振子；和被配置在所述配管上的第二楔形体，所述第二楔形体被配置为使得所述第二超声波信号以超过所述临界角的角度入射至所述配管。

5.如权利要求1至4中任一项所述的外夹式超声波流量计，其特征在于，

所述流量算出部基于从所述配管的管壁出射至所述配管内的空腔部的所述第一超声波信号以及所述第二超声波信号的出射角，计算出所述配管内的流体的流速以及/或者流量。

6.如权利要求5所述的外夹式超声波流量计，其特征在于，

基于从所述第一超声波传感器至所述配管的所述第一超声波信号的入射角、所述第一超声波传感器中的所述第一超声波信号的声速、以及在所述空腔部中流动的流体中的所述第一超声波信号的声速，计算出从所述配管的管壁出射至所述空腔部的所述第一超声波信号的出射角。

7.如权利要求5或6所述的外夹式超声波流量计，其特征在于，

基于从所述第二超声波传感器至所述配管的所述第二超声波信号的入射角、所述第二超声波传感器中的所述第二超声波信号的声速、以及在所述空腔部中流动的流体中的所述第二超声波信号的声速，计算出从所述配管的管壁出射至所述空腔部的所述第二超声波信号的出射角。

8.如权利要求1至7中任一项所述的外夹式超声波流量计，其特征在于，

所述配管为金属配管。

9.如权利要求1至8中任一项所述的外夹式超声波流量计，其特征在于，

所述流体为气体。

10.一种流量的计测方法，其特征在于，包括如下步骤：

使第一超声波信号以超过临界角的角度从第一超声波传感器入射至流体流动的配管，并使倏逝波在所述配管的管壁产生；

使第二超声波信号以与所述角度相同的角度从第二超声波传感器入射至所述配管，并使倏逝波在所述配管的管壁产生，所述第二超声波传感器被配置在能够接收所述第一超声波信号的位置；以及

基于所述第一超声波信号经由所述配管内到达所述第二超声波传感器为止的第一时间、以及所述第二超声波信号经由所述配管内到达所述第一超声波传感器为止的第二时间，计算出所述配管内的流体的流速以及/或者流量。

11.如权利要求10所述的流量的计测方法，其特征在于，

所述第一超声波信号以及所述第二超声波信号作为所述倏逝波在所述配管的管壁的外表面和内表面之间渗透。

12.如权利要求10或11所述的流量的计测方法，其特征在于，

所述第一超声波传感器具有：发出所述第一超声波信号的第一振子；和被配置在所述配管上的第一楔形体，所述第一楔形体被配置为使得所述第一超声波信号以超过所述临界角的角度入射至所述配管。

13.如权利要求10至12中任一项所述的流量的计测方法，其特征在于，

所述第二超声波传感器具有：发出所述第二超声波信号的第二振子；和被配置在所述配管上的第二楔形体，所述第二楔形体被配置为使得所述第二超声波信号以超过所述临界角的角度入射至所述配管。

14.如权利要求10至13中任一项所述的流量的计测方法，其特征在于，

基于从所述配管的管壁出射至所述配管内的空腔部的所述第一超声波信号以及所述第二超声波信号的出射角，计算出所述配管内的流体的流速以及/或者流量。

15.如权利要求14所述的流量的计测方法，其特征在于，

基于从所述第一超声波传感器至所述配管的所述第一超声波信号的入射角、所述第一超声波传感器中的所述第一超声波信号的声速、以及在所述空腔部中流动的流体中的所述第一超声波信号的声速，计算出从所述配管的管壁出射至所述空腔部的所述第一超声波信号的出射角。

16.如权利要求14或15所述的流量的计测方法，其特征在于，

基于从所述第二超声波传感器至所述配管的所述第二超声波信号的入射角、所述第二超声波传感器中的所述第二超声波信号的声速、以及在所述空腔部中流动的流体中的所述第二超声波信号的声速，计算出从所述配管的管壁出射至所述空腔部的所述第二超声波信号的出射角。

17.如权利要求10至16中任一项所述的流量的计测方法，其特征在于，

所述配管为金属配管。

18.如权利要求10至17中任一项所述的流量的计测方法，其特征在于，

所述流体为气体。