CN112601939A - 超声波流量计 - Google Patents

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高桥志英
中井弘
安田宪司
萱场贵士
阿南裕己
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    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters

Abstract

超声波流量计包括测量流路(1)、配置于测量流路(1)的第1面的上游和下游的一对超声波传感器(2a、2b)。另外，超声波流量计包括流量运算部，该流量运算部基于自一对超声波传感器(2a、2b)中的一者发送的超声波信号随着在测量流路(1)的与第1面相对的第2面反射一次以上而传输到一对超声波传感器(2a、2b)中的另一者接收信号为止的传输时间，检测被测量流体的流量。而且，在测量流路(1)的内壁面设有用于一体成型的模具的脱模斜度，一对超声波传感器(2a、2b)以超声波信号相对于第2面的反射超声波信号的反射面(12)的入射角相等的方式固定于测量流路(1)。

Description

超声波流量计
技术领域
本公开涉及一种具有测量流路并利用超声波的传输时间测量流量的超声波流量计。
背景技术
在图7中表示以往的这种超声波流量计的一例。图7是专利文献1所记载的以往的超声波流量计的结构图。图7所示的超声波流量计由测量流路101、分隔板102、卷入流动抑制片103作为单独构件而制成。测量流路101具有部件插入口106，将分隔板102和卷入流动抑制片103以预定的角度自插入口106插入到测量流路101内。然后，将超声波传感器安装块104利用熔接等方法固定于测量流路101，将一对超声波传感器105a、105b安装于超声波传感器安装块104。在该状态下，构成为被测量流体不自部件插入口106泄漏。
然后，自一个超声波传感器105a发送的超声波信号在测量流路101的底面反射而向另一个超声波传感器105b传输，根据该传输时间计算被测量流体的流量。
图8表示以往的超声波流量计的测量流路的模具结构，如图8所示，自部件插入口106脱出模具109a，自测量流路101的测量流路入口107脱出模具109b，自测量流路101的测量流路出口108脱出模具109c，从而成型测量流路101。这样，超声波传感器105a、105b测量被测量流体的流量的区域是利用模具109a成型的区域，测量流路101的反射超声波信号的底面101a不具有脱模斜度。
而且，超声波传感器105a、105b的超声波相对于测量流路101的底面101a的入射角均相等，由此，超声波传感器的放射面的每个位置的接收信号波形的相位匹配，接收信号波形稳定，能够高精度地进行流量测量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-215060号公报
发明内容
然而，在以往的结构中，将安装于测量流路101的分隔板102、卷入流动抑制片103以及超声波传感器安装块104分别设为单独部件，因此部件个数较多，具有材料费和组装工时的成本较高这样的问题。在此，考虑通过将多个部件一体成型为一个部件而减少部件个数并减少成本。
在图9中表示该一体成型的例子。图9是将图7所示的测量流路101的分隔板102、卷入流动抑制片103以及超声波传感器安装块104一体地成型而成的测量流路201的立体图。
但是，在树脂成型该测量流路201的情况下，为了自测量流路入口207和测量流路出口208脱出模具，超声波信号的测量部分需要脱模斜度。另外，在测量流路入口207侧和测量流路出口208侧的模具的抵接部，具有分模线，其位置由模具向流路内部进入的深度决定，但根据脱模斜度和分模线的形成方式，有时成为流量测量的误差的原因。
在此，使用图10、图11、图12，说明可能成为流量测量的误差的原因的模具的脱模斜度、分模线的形成方式。
图10是在以往的超声波流量计的一体成型而成的测量流路中在底面具有斜度的测量流路201的剖视图。图11是在以往的超声波流量计的一体成型而成的测量流路中在上表面具有斜度的测量流路301的剖视图。图12是在以往的超声波流量计的一体成型而成的测量流路中在超声波信号的反射面具有分模线的测量流路401的剖视图。
在图10所示的测量流路中，在将在测量流路201内的超声波的反射面212不具有斜度的情况的反射角度设为θ、将脱模斜度设为α的情况下，来自超声波传感器105a的超声波信号的放射方向与反射面212所成的角度θ1为θ+α，来自超声波传感器105b的超声波信号的放射方向与反射面212所成的角度θ2为θ―α。
这样，在超声波信号的反射面212与超声波传感器105a的放射方向所成的角度θ1与θ2不同的情况下，自在超声波传感器105a的放射面209a上分开距离d的两个点A、B放射的超声波信号在其传输路径P201和P202上长度产生差异。
而且，自超声波传感器105a放射的超声波信号的传输路径P201、P202相对于超声波传感器105b的放射面209b的入射角θ3成为π/2－2α，产生相当于2α大小的角度的传输路径的差，传输路径P201比传输路径P202长dtan2α。
接收信号波形作为自放射面的整体放射的超声波信号的合成波被接收，因此由微小的传输时间差导致相位不同的超声波信号重叠，从而接收信号波形的相位变得不稳定。而且，相位不同的超声波信号重叠，从而接收信号波形的振幅也变小，因此容易受到噪声的影响。这样的情况成为流量测量的误差的原因。
超声波信号的频率为数百kHz这样的较高的值，波长较短，因此即使是0.3～0.5°左右的脱模斜度，也产生与波长同等水平的传输路径的长度的差，相位的变化的大小也无法忽略。
图11所示的测量流路存在反射面312与具有开口部203a、203b的面311不平行而相对于反射面312具有角度β的斜度的情况。即使自超声波传感器105a的放射面209a放射的超声波信号的传输路径P203、P204的整体的长度相同，通过被测量流体的部分即在图11中用实线表示的部分的长度也在传输路径P203、P204中不同。
因而，在被测量流体以流速v流动的情况下，自在超声波传感器105a的放射面209a上的分开距离d的两个点A、B放射的超声波信号在传输路径上受到被测量流体的流动的影响的距离变化，与P203相比P204受到流速v的影响较大。
接收信号波形作为自放射面的整体放射的超声波信号的合成波被接收，因此相位不同的超声波信号重叠，接收信号波形的相位变得不稳定。而且，相位不同的超声波信号重叠，从而接收信号波形的振幅也变小，容易受到噪声的影响。这样的情况成为流量测量的误差的原因。
图12所示的测量流路利用使中央对合的模具成型测量流路401，在超声波信号的反射面412上形成分模线413，由于形成于分模线413的毛刺，超声波信号漫反射，接收信号波形的形状变得不稳定。这个情况成为流量测量的误差的原因。
本公开提供通过一体成型与以往的结构相比削减材料费和组装工时，并且防止由模具的脱模斜度和分模线导致接收信号波形变得不稳定而产生流量测量的误差，高精度地进行流量测量的超声波流量计。
本公开的超声波流量计包括截面矩形的测量流路，该测量流路的供被测量流体流动的流路由第1面、与第1面相对的第2面以及跨设于第1面与第2面之间的第3面和第4面构成。另外，超声波流量计包括：一对超声波传感器，其配置于测量流路的第1面，能够进行超声波信号的收发；开口部，其设于第1面，供超声波传感器收发超声波信号；以及流量运算部，其基于自一个超声波传感器发送的超声波信号在被测量流体随着在测量流路的第2面反射至少一次而传输到另一个超声波传感器接收信号为止的传输时间，检测被测量流体的流量。而且，在超声波流量计的测量流路的内壁面设有用于一体成型的模具的脱模斜度，一对超声波传感器以超声波信号相对于第2面的反射超声波信号的反射面的入射角相等的方式固定于测量流路。
根据该结构，与以往的结构相比削减材料费和组装工时，并且防止根据超声波传感器的放射面的位置而导致放射的超声波信号所经过的传输路径的长度变化，超声波传感器的放射面的每个位置的接收信号波形的相位匹配，从而接收信号波形稳定，能够高精度地进行流量测量。
本发明能够提供一种通过一体成型削减以往产生的部件的成本，并且能够高精度地进行流量测量的超声波流量计。
附图说明
图1是第1实施方式和第2实施方式的超声波流量计的结构图。
图2是第1实施方式和第2实施方式的超声波流量计的测量流路的立体图。
图3是第1实施方式的超声波流量计的主要部分剖视图。
图4是第1实施方式的超声波流量计的测量流路的模具插入时的剖视图。
图5是第2实施方式的超声波流量计的主要部分剖视图。
图6是第2实施方式的超声波流量计的测量流路的模具插入时的剖视图。
图7是以往的超声波流量计的结构图。
图8是以往的超声波流量计的测量流路的成型时的模具结构图。
图9是以往的超声波流量计的一体成型而成的测量流路的立体图。
图10是在以往的超声波流量计的一体成型而成的测量流路中在底面具有斜度的情况的剖视图。
图11是在以往的超声波流量计的一体成型而成的测量流路中在上表面具有斜度的情况的剖视图。
图12是在以往的超声波流量计的一体成型而成的测量流路中在超声波信号的反射面具有分模线的情况的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本公开的实施方式。
(第1实施方式)
图1是第1实施方式的超声波流量计的结构图。图2是第1实施方式的超声波流量计的测量流路的立体图。图3是第1实施方式的超声波流量计的测量流路的主要部分剖视图。图4是第1实施方式的超声波流量计的测量流路的模具插入时的剖视图。
以下，使用图1、图2，说明本实施方式的超声波流量计的结构。
流通被测量流体的测量流路1是截面矩形的配管，形成有用于固定一对超声波传感器2a、2b的安装部3a、3b，由分隔板8分割为多层。测量流路1、安装部3a、3b、分隔板8一体地成型。此外，将测量流路1的供一对超声波传感器2a、2b配置于被测量流体的上游和下游的一侧的内表面设为作为第1面的流路上表面4，将与流路上表面4相对的面设为作为第2面的流路底面5，将跨设于流路上表面4与流路底面5之间的两个面设为作为第3面、第4面的侧面15、16。
自一对超声波传感器2a、2b中的一者发送的超声波信号在作为第2面的流路底面5反射，传输到一对超声波传感器中的另一者。然后，根据作为接收信号波形而得到的电压到达预定的电压的时刻而测量传输时间，根据该传输时间，利用流量运算部7计算被测量流体的流量。
如上所述，在一对超声波传感器2a、2b相对于位于作为第2面的流路底面5的超声波信号的反射面12所成的角度不同的情况下，换言之，在一对超声波传感器2a、2b以自一对超声波传感器2a、2b发送的超声波信号相对于反射面12的入射角不同的方式固定于安装部3a、3b的情况下，产生以下的情况。即，自一对超声波传感器2a、2b的放射面9a、9b上的在与分隔板8平行的方向上分开距离的两个点放射的超声波信号在传输路径的长度上产生差异。接收信号波形作为自放射面9a或放射面9b的整体放射的超声波信号的合成波被接收，因此相位不同的超声波信号重叠，不仅接收信号波形的相位变得不稳定，而且振幅也变小，容易受到噪声的影响。由此，成为流量测量的误差的原因。
另外，在反射面12与开口部6a的组合、反射面12与开口部6b的组合中的任一组合不平行，并且，开口部6a与开口部6b平行，存在被测量流体的流量的情况下，产生以下的情况。即，自一对超声波传感器2a、2b的放射面9a、9b上的在与分隔板8平行的方向上分开距离的两个点放射的超声波信号在传输路径上受到被测量流体的流动的影响的距离变化。接收信号波形作为自放射面9a或放射面9b的整体放射的超声波信号的合成波而被接收，因此相位不同的超声波信号重叠，不仅接收信号波形的相位变得不稳定，振幅也变小，容易受到噪声的影响。由此，成为流量测量的误差的原因。
另外，在位于作为第2面的流路底面5的超声波信号的反射面12具有分模线13的情况下，由于产生于分模线13的毛边，超声波信号漫反射，接收信号波形的形状变得不稳定。由此，成为流量测量的误差的原因。
本实施方式避免在上述的以往例中说明的成为流量测量的误差的原因的形状而提供能够一体成型的测量流路，以下，说明具体的结构。
图3表示在测量流路1的成型时自流路入口10和流路出口11这两者脱出模具而成型内部的情况的流路截面，在作为第1面的流路上表面4和作为第2面的流路底面5形成脱模斜度。在本实施方式中，特别是对于与分隔板8垂直的面即流路上表面4和流路底面5的脱模斜度进行处理。此外，实际的模具的脱模斜度为0.3°左右，在图中为了能够视觉识别脱模斜度而强调地图示脱模斜度。
图4是仅图示测量流路1及成形其内部的模具的剖视图。如图所示，自流路入口10插入的模具14a和自流路出口11插入的模具14b在成型时在分模线13抵接。在测量流路1的成型后，模具14a自流路入口10向D1方向脱出，模具14b自流路出口11向D2方向脱出。此外，分模线13设于比超声波的反射面12靠下游侧的位置。
在作为第1面的流路上表面4，在流路入口10侧和流路出口11侧形成相对于中心线A形成相同的角度α的脱模斜度，超声波传感器2a、2b的超声波信号的传输路径长度、传输路径的被测量流体中的传输路径的长度设为在放射面的各位置相等。
在作为第2面的流路底面5，在流路入口10侧形成相对于中心线A形成角度β的脱模斜度，在流路出口11侧形成相对于中心线A形成角度γ的脱模斜度。角度β与角度γ不必一定相同。另外，在超声波传感器2a、2b的超声波信号的反射面12，避免形成脱模斜度，与超声波传感器2a、2b的放射面所成的角相同，均为θ。换言之，自一对超声波传感器2a、2b发送的超声波信号相对于反射面12的入射角相同，均为θ。
根据以上的结构，在一体成型测量流路1的情况下也是，超声波传感器2a、2b的超声波信号的传输路径长度、传输路径的被测量流体中的传输路径的长度在放射面9a、9b的各位置相等，而且，在反射面12上也不存在成为漫反射的原因的分模线，因此接收信号波形稳定，能够高精度地进行流量测量。
(第2实施方式)
第2实施方式的超声波流量计具有与在第1实施方式中说明的图1同样的结构，测量流路1的形状与第1实施方式不同。
图5表示第2实施方式的超声波流量计的测量流路的剖视图，仅在流路上表面形成脱模斜度。
图6是仅图示测量流路21及成型其内部的模具的剖视图。如图所示，自流路入口20插入的模具24a和自流路出口21插入的模具24b在成型时在分模线23抵接。在测量流路21的成型后，模具24a自流路入口20向D3方向脱出，模具24b自流路出口21向D4方向脱出。此外，分模线23设于比超声波的反射面22靠上游侧的位置，从而避开作为超声波信号反射的区域的反射面22。
作为第2面的流路底面25利用模具24a、24b形成相对于中心线A平行的一个平面，与超声波传感器2a、2b的放射面所成的角度相等。在作为第1面的流路上表面24，在流路入口20侧、流路出口21侧形成相对于中心线A形成角度β的脱模斜度。而且，模具24a、24b以相对于流路底面25向流路上表面24侧倾斜角度β/2的方向D3、D4脱出。
由此，能够在作为第2面的流路底面25上更大地形成平面的反射面22。在被测量流体以顺流流动的情况下，超声波信号的反射位置向作为下游侧的流路出口21侧偏移，但分模线23位于反射面22的作为上游侧的流路入口10侧，因此也不易受到分模线23处的超声波信号的漫反射的影响。由此，接收信号波形更稳定，能够高精度地进行流量测量。
此外，实际的模具的脱模斜度为0.3°左右，在图中为了能够视觉识别而强调地图示脱模斜度。
根据以上的结构，与第1实施方式同样，在一体成型测量流路21的情况下也是，超声波传感器2a、2b的超声波信号的传输路径长度、传输路径的被测量流体中的传输路径的长度在放射面的各位置相等，而且，在反射面22上也不存在成为漫反射的原因的分模线23，因此接收信号波形稳定，能够高精度地进行流量测量。
如以上说明的那样，第1公开的超声波流量计包括截面矩形的测量流路，该测量流路的供被测量流体流动的流路由第1面、与第1面相对的第2面以及跨设于第1面与第2面之间的第3面和第4面构成。另外，超声波流量计包括：一对超声波传感器，其配置于测量流路的第1面的上游和下游，能够进行超声波信号的收发；以及开口部，其设于第1面，供一对超声波传感器收发超声波信号。另外，超声波流量计包括流量运算部，该流量运算部基于自一对超声波传感器中的一者发送的超声波信号在被测量流体随着在测量流路的第2面反射至少一次而传输到一对超声波传感器中的另一者接收信号为止的传输时间，检测被测量流体的流量。而且，在测量流路的内壁面设有用于一体成型的模具的脱模斜度，一对超声波传感器以超声波信号相对于第2面的反射超声波信号的反射面的入射角相等的方式固定于测量流路。
根据该结构，防止根据超声波传感器的放射面的位置而导致放射的超声波信号所经过的传输路径长度变化，超声波传感器的放射面的每个位置的接收信号波形的相位匹配，从而接收信号波形稳定，能够高精度地进行流量测量。
第2公开的超声波流量计特别在第1公开的基础上，也可以是，测量流路通过自流路入口和流路出口分别脱出模具而成型，自流路入口或流路出口脱出的模具的脱出方向相对于反射面倾斜。
根据该结构，在测量流路的第2面中，能够使相对于一对超声波传感器保持相同的入射角的部分更大，接收信号波形更稳定，能够高精度地进行流量测量。
第3公开的超声波流量计特别在第1公开的基础上，也可以是，设于第1面的两个开口部的角度相对于反射面均平行或分别向相反的方向倾斜。
根据该结构，防止根据超声波传感器的放射面的位置而导致放射的超声波信号所经过的被测量流体中的传输路径长度变化，超声波传感器的放射面的每个位置的接收信号波形的相位匹配，从而接收信号波形稳定，能够高精度地进行流量测量。
第4公开的超声波流量计特别在第2公开的基础上，也可以是，设于第1面的两个开口部的角度相对于反射面均平行或分别向相反的方向倾斜。
根据该结构，防止根据超声波传感器的放射面的位置而导致放射的超声波信号所经过的被测量流体中的传输路径长度变化，超声波传感器的放射面的每个位置的接收信号波形的相位匹配，从而接收信号波形稳定，能够高精度地进行流量测量。
第5公开的超声波流量计特别在第1公开～第3公开中任一公开的基础上，也可以是，在测量流路的内部具有模具的分模线，分模线位于自反射面错开的位置。
根据该结构，防止超声波信号在分模线漫反射，接收信号波形稳定，能够高精度地进行流量测量。
产业上的可利用性
如以上所述，本发明的超声波流量计能够一体成型测量流路，因此削减以往产生的部件的成本，并且防止在超声波信号的相位不匹配的状态下重叠而导致接收信号波形变得不稳定，能够高精度地进行流量测量，因此也能够应用于气体流量计等用途。
附图标记说明
1、21、测量流路；2a、2b、超声波传感器；3a、3b、安装部；4、24、流路上表面(第1面)；5、25、流路底面(第2面)；6a、6b、开口部；7、流量运算部；9a、9b、放射面；10、20、流路入口；11、21、流路出口；12、22、反射面；13、23、分模线；14a、14b、24a、24b、模具；15、侧面(第3面)；16、侧面(第4面)。

Claims (5)

1.一种超声波流量计，其中，
该超声波流量计包括：
截面矩形的测量流路，该测量流路的供被测量流体流动的流路由第1面、与所述第1面相对的第2面以及跨设于所述第1面与所述第2面之间的第3面和第4面构成；
一对超声波传感器，其配置于所述测量流路的所述第1面的上游和下游，能够进行超声波信号的收发；
开口部，其设于所述第1面，供所述一对超声波传感器收发超声波信号；以及
流量运算部，其基于自所述一对超声波传感器中的一者发送的超声波信号在所述被测量流体随着在所述测量流路的所述第2面反射至少一次而传输到所述一对超声波传感器中的另一者接收信号为止的传输时间，检测所述被测量流体的流量，
在所述测量流路的内壁面设有用于一体成型的模具的脱模斜度，
所述一对超声波传感器以超声波信号相对于所述第2面的反射超声波信号的反射面的入射角相等的方式固定于所述测量流路。
2.根据权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，
所述测量流路通过自流路入口和流路出口分别脱出模具而成型，自所述流路入口或所述流路出口脱出模具的脱出方向相对于所述反射面倾斜。
3.根据权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，
设于所述第1面的两个所述开口部的角度相对于所述反射面均平行或分别向相反的方向倾斜。
4.根据权利要求2所述的超声波流量计，其特征在于，
设于所述第1面的两个所述开口部的角度相对于所述反射面均平行或分别向相反的方向倾斜。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的超声波流量计，其特征在于，
所述测量流路在内部具有模具的分模线，所述分模线位于自所述反射面错开的位置。
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