CN1237330C - 流量计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明中，输入单元接收与振荡器接收到的超声波信号相对应的信号，该输入单元的输入阻抗被设定为远远小于振荡器的极间电容量所具有的阻抗值。因此，输入单元的输入阻抗对接收信号的延时的影响大于振荡器的阻抗变化的影响。流量测定装置中振荡器的阻抗变化对接收信号的延时的影响可以降低，超声波传播时间的测定精度能得以提高。振荡器的极间电容量即便因温度变化而发生大幅度变化，本流量测定装置也可高精度地测定出传播时间，正确地测定流量。

Description

流量计量装置

技术领域

本发明涉及对流体的流量进行计量的流量计量装置。

背景技术

图6中示出了现有的流量计量装置。在流体流经的管路1上相对于流体流向设置有用于发射及接收超声波信号的第1振荡器2及第2振荡器3。驱动装置4驱动第1振荡器2发射出超声波。第2振荡器3接收此超声波信号，并由接收检测装置7从接收到的信号中检测出接收时刻。计时装置8测定从驱动装置4驱动第1振荡器2至接收检测装置7检测到接收时刻为止所需的时间，并由此检测出超声波的传播时间T1。此后，切换装置6改变超声波的发射/接收方向，并由计时手段8测定超声波在相反方向上的传播时间T2。再由流量计算装置9依据超声波的在两个方向上的传播时间求出流体流量。

下面参照图7对接收检测装置7进行说明。

接收检测装置7由检测从接收波的前沿算起第3个波峰W3的第3波峰检测装置和检测接收波的过零点的过零点检测装置构成。当接收波波形被输入后，首先由第3波峰检测装置检测出从接收信号的前沿算起的第3个波峰W3(图7的A处)，其输出信号使过零点检测装置的检测处于可能状态。过零点检测装置检测出下一个过零点(图7的B处)及确定接收时刻，并向计时装置8输出。通过首先根据上述顺序确定接收时刻，测定出超声波在两个方向上的传送时间T1及T2，然后由流量计算装置9通过下面的公式1求出流量Q。

Q＝(T1-T2)/(T1×T2)×K  ……(公式1)

公式中的常数K由流路的截面面积、超声波的传播长度、传感器与流路之间的位置关系及它们的单位所决定。

在公式1中，比起T1及T2各自的绝对值来，(T1-T2)的值即T1及T2的相对精确度更是决定检测精度的重要因素。所以，为了提高T1及T2的相对精确度，必须在发射/接收超声波的两个方向的通路上，使超声波到达振荡器后转换成电信号、再由接收检测装置7检测出为至的延迟时间保持一致。

但是，在上述的现有流量计量装置中，其接收侧的振荡器的等价电路如图2所示，由将超声波振动转换为电信号的信号源11、振荡器的内部阻抗12(Zo)以及振荡器的极间电容13(C)构成。相对于超声波的振动而言，上述振荡器是在延迟由内部阻抗和极间电容13决定的一段时间后再输出与振动相对应的电信号的。即，延迟时间与(C×Zo)的值成比例，也就是说内部阻抗12和极间电容13越大，其值也就越大。

周围温度发生变化时，极间电容13也随之变化，振荡器的输出信号的延迟时间也发生变化，故无法正确测定出T1及T2。

另外，由于接收检测装置7的输人阻抗越大可使信号电压越大，所以，一般由较大阻抗的电路接受振荡器的输出。

另外，在日本专利公开公报特开平8-70926号中公开了另一种现有的流量计量装置。此装置中，为使与振荡器相连接的电路的阻抗在发射及接收时保持一致，对该电路进行阻抗匹配后再将其与发射/接收信号电路相连接，并且该电路的阻抗为一定的低值。在此流量计量装置中，在与基本时钟信号同步的时间点上测定接收波形的振幅，从测定出的振幅与基本时钟的关系计算出基本时钟的相位信息。然后，将基本时钟的大体时间与具有高度分辨能力的相位信息进行组合，得出超声波的传播时间。使用这种检测方法，当接收波形的振幅发生变化时，其变化将演变成时间信息，从而产生误差。因此，从上游向下游传播的超声波波形与从下游向上游传播再被转变成电信号的超声波波形有必要进行统一，因此要使发射/接收信号时的阻抗一致。

另外，为了实现日本专利公开公报特开平8-70926号中的流量计量装置，电路结构将会复杂，同时还必须保证两个方向上的超声波信号波形彼此相似。因此，必须考虑到流路壁侧的反射波产生的干扰，其设计将非常困难。另外，在投入批量生产时还必须考虑到产品之间的偏差问题，计量装置的设计就更为困难。

如果一对振荡器的特性一致，无论其任何一方成为接收方，(C×Zo)值都为相同值，延迟时间也相同，因此，在流量计量的重要因素即传播时间中就不会产生误差。但是，当一对振荡器的特性不一致时，即第1振荡器2和第2振荡器3的(C×Zo)值不同时，第1振荡器2为接收方时与第2振荡器3为接收方时的振荡器输出信号的延迟时间也就不同。此时，计时装置8将不能通过将接收方和发射方相互交换来正确测定各自的传播时间，流量计算装置19得出的流量值会出现误差。

如上所述，现有的流量计量装置中两个超声波振荡器的特性不相同的话就无法保证检测精度。而且，如图3所示，由温度变化产生的极间电容的变化随振荡器不同而不同，故必须进行先测定出温度变化时的内部阻抗变化及电极间容量变化，再挑出相同特性的两个振荡器等一些繁琐的准备工作。

发明内容

本发明的流量计量装置包括：设置在流体管路中用于发射/接收超声波信号的第1和第2振荡器；用于使第1和第2振荡器中的超声波信号发射/接收操作发生交换的切换装置；接受与第1和第2振荡器接收到的超声波信号相对应的输出的输入单元；从输入单元的输出检测超声波信号的接收情况的接收检测装置；驱动第1和第2振荡器发射出超声波信号的驱动装置；测定第1和第2振荡器之间的超声波传播时间的计时装置；以及以测定出的时间为基础计算出流量的流量计算装置。输入单元具有比第1和第2振荡器的阻抗都低的输入阻抗。

本流量计量装置即便将特性不同的振荡器配对使用，其检测精度也可以保证。

附图说明

图1为本发明的实施例1中的流量计量装置的方框图。

图2为流量计量装置的振荡器部分的等价电路图。

图3为该实施例中的流量计量装置的振荡器极间电容量的温度特性图。

图4A与图4B为该实施例中的计量装置的输入单元的结构图。

图5为本发明的实施例2中的流量计量装置的方框图。

图6为现有的流量计量装置的方框图。

图7中示出了计量装置中的接收信号波及检测时机。

具体实施方式

(实施例1)

图1为本发明实施例1中的流量计量装置的方框图。图2为实施例1中的流量计量装置中的振荡器的等价电路图。图3为表示实施例1中的流量计量装置的第1和第2振荡器的极间电容的温度特性的示意图。

在图1中，被测流体在流体管路1内部流动。第1振荡器和第2振荡器分别发射和接收超声波信号。上述振荡器由驱动装置4加以驱动。输入单元5以低阻抗接受振荡器2，3的输出信号。切换装置6负责切换振荡器2，3和驱动装置4及输入单元5之间的连接。接收检测装置7从输入单元5的输出信号检测出接收时刻并将其输出。计时装置8测定从输入表示超声波开始发射的启动信号到收到接收检测装置7的输出为止所需的时间。计算装置9根据计时装置8的输出得出流量值。控制单元10在设定好切换装置6后，对驱动装置4和计时装置8发出上述的启动信号。

下面对实施例1中的流量计量装置的操作情况进行说明。首先，控制单元10按照测定超声波传播时间的方向对切换装置6进行控制。在此，由于要测定从第1振荡器2到第2振荡器3的超声波传播时间，切换装置6使第1振荡器2与驱动装置4连接，使第2振荡器3与输入单元5相连接。然后，从控制单元10向驱动装置4和计时装置8输出启动信号，驱动装置4发出驱动第1振荡器2的信号，计时装置8便开始计时。被驱动的第1振荡器2发射出超声波。第2振荡器3接收此超声波信号，并输出与之对应的接收信号。该接收信号由输入单元5加以接收，当接收检测装置7到检测其接时刻时，计时装置8计时停止。计时装置8向流量计算装置9输出计得的时间。下一步，由控制单元10控制切换装置6进行连接设定，以测定相反方向上的传播时间。也就是说，切换装置6使第2振荡器3和驱动装置4相连接，第1振荡器2和输入单元5相连接。接下来，计时装置8通过与上面一样的方法测定相反方向的传播时间，并将测出的时间值向流量计算装置9输出。计算装置9将两个方向上的发射时间的倒数的差乘以常数得出流量。

图2为振荡器的等价电路图。振荡器由将接收的信号转变成电信号并输出的信号源11、内部阻抗12(Zo)和极间电容13(C)组成。被转换为电信号的信号在延迟由阻抗12和极间电量13决定的一段延迟时间后再输出。阻抗12和极间电容13越大，该延迟时间也就越大。另外，如众所周知的那样，振荡器中配有一对电极、设置在它们之间的压电元件及固定其中一个电极上的振动板。振荡于是通过在这一对电极上施加电压，使压电元件发生振动并输送出信号。另外，振动板接收到超声波信号时，通过压电元件将其转变为电压。

如图3所示，一般来说，电极间容量13和及其因温度变化所产生的变化因振荡器不同而不同(个体差)，这种差异又使振荡器输出信号的延迟时间产生差异，由此导致出现测量误差。

实施例1中，接收方的振荡器的输出信号由具有与接收方振荡器的极间电容13所拥有的阻抗12相比较小的输入阻抗的输入单元5来接收。通过减小输入单元5的输入阻抗，可以减少电极间容量13的偏差和变动对由极间电容13和输入单元5的值所决定的振荡器内部延迟时间所产生的影响。因此，传播时间的测定精度就会提高。即便振荡器的电极间容量13在温度、制造时间、湿度等因素的影响下发生变化，实施例1中的流量计量装置也可正确测定传播时间，高精度地检测流体流量。

另外，将输入单元5的输入阻抗设定在由接收方振荡器的内部阻抗12和极间电容13并联连接而形成的阻抗的1/2以下。这样一来，对于接收方振荡器输出信号的延迟时间而言，输入单元5与电极间容量13相比更具有支配力，从而可以减少电极间容量13的变化对接收信号时刻的影响。因此，传波时间的测定精度得到提高，电极间容量13即便是在温度、制造时间、湿度等因素的影响下发生变化，流量计量装置也可正确测定传播时间，高精度地检测流体流量。

如图2中的虚线所示，输入阻抗(Z)的输入单元5与接收方振荡器相连接。阻抗2为振荡器阻抗(Zo)的比方说1/10时，阻抗(Z)和阻抗(Zo)呈并联状，连接后的总阻抗Zt如下式所示。

$\mathrm{Zt}=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{Zo}}+\frac{1}{Z}}=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{Zo}}+\frac{10}{\mathrm{Zo}}}=\frac{1}{11}\mathrm{Zo}$

因此，相对于不具备低输入阻抗输入单元5的现有计量装置中的振荡器延迟时间而言，拥有低输入阻抗输入单元5的实施例1中的计量装置振荡器的延迟时间为其的1/11。因此，即便第1振荡器2和第2振荡器3的电极间容量13之间有差别，对波及传播时间测定精度的影响与以往的计量装置相比能被降低至1/11。

另外，设定输入单元5的阻抗时，使必要的时间精度即检测时间的可容许时间(Δt)、第1振荡器2和第2振荡器3的极间电容的变化量(ΔC1)与输入单元5的输入阻抗(Zi1)之间的关系如下式所示。

Δt＞ΔC1×Zi1

延迟时间的变动基本为ΔC1×Zi1，振荡器的极间电容量13即便是受温度、制造时间、湿度等的影响而产生变化，实施例1中的流量计量装置也能够在必要时间精度内的延迟时间内测定出超声波的传播时间，高精度地检测出流量。

下面参照图3对上述的变化量(ΔC1)进行详细说明。比方说，第2振荡器3的极间电容拥有如图3所示的温度特性。计量装置一般来说在最低温度-25℃(θ1)和最高温度60℃(θ2)之间使用。计量装置在所规定的范围内使用时，其最高使用温度θ2和最低使用温度θ1之间的极间电容量将产生如图3中的变化量(ΔC1)所示的差值。根据极间电容量的变化量ΔC1和针对延迟时间变化的许可时间精度(Δt)，对输入单元5的阻抗(Zi1)进行设定，使之满足上述的关系式。

另外，在求出流量的计算过程中，因为是在传播时间的倒数的差上乘以常数，所以相对于在两个方向上的振荡器输出信号的延迟时间绝对值的变动而言，延迟时间之差的变动将对精度有更大的影响。因此，使必要时间精度(Δt)、第1振荡器和第2振荡器的极间电容量之差的变化量(ΔC2)与输入单元5的输入阻抗(Zi2)之间满足如下的关系：

Δt＞ΔC2×Zi2

因此，两个振荡器的极间电容13的阻抗之差即便是受温度、制造时间、湿度等的影响而产生变化，延迟时间的变动差也基本为(ΔC2×Zi2)。在，此，ΔC2＜ΔC1，因许可延迟时间(Δt)与上述公式相同，所以Zi2＞Zi1可成立，因此，低输入阻抗的输入单元5也就更容易得以实现。这样一来，实施例1中的流量计量装置就可以根据必要时间精度内的延迟时间，正确地测定传播时间，高精确度地检测出流量。

下面参照图3对上述变化量(ΔC2)进行详细说明。在温度θx上，第1振荡器2的极间电容量和第2振荡器3的极间电容量之间存在极间电容量差(ΔCx)。电容量差(ΔCx)因温度而变化，最高使用温度θ2时为ΔC21，最低使用温度θ1时为ΔC11。

ΔC2可用公式

ΔC2＝ΔC21-ΔC11来表示。通过极间电容量差的变化量(ΔC2)和针对延迟时间变化的容许时间精度Δ_t，可设定输入单元5的阻抗(Zi2)，使之满足上述关系式。

图4A和图4B表示输入单元5的详细构成。图4A所示的由低电阻器14和放大器15构成的输入单元5因为是由比振荡器阻抗的电阻值小的电阻器14来接收输入信号，所以，输入阻抗(Z)基本由电阻器14的电阻值来决定。电阻器14两端的电压由放大器15放大到必要的电压后再输出。这样，结构简单并具有必要的输出输入特性的输入单元5就得以实现。

图4B所示的输入单元5由阻抗变换器即变压器16构成。输入电阻可由输入线圈17和输出线圈18之间的圈数比及与输出线圈18相连接的电阻19来决定。这样，结构简单并具有必要的输出输入特性的输入单元5就得以实现。

(实施例2)

图5中示出了本发明实施例2中的的流量计量装置。对于和图1所示的实施例1中的计量装置的各组成部分及同一符号的组成部分，原则上省略了对它们的说明。

重复装置20从接收检测装置7的比较装置7a接收到输出信号后向触发装置21发出重复信号。延迟装置22从触发装置21接收到输出后开始对规定的延迟时间进行计时。

驱动装置4接收到触发装置21的输出并从延迟装置22接收上述延迟时间结束的信号后，通过切换装置6驱动振荡器。计时装置8从启动装置24接收检测开始信号后，开始测定到从具有输入低阻抗的输入单元5收到接收方振荡器的超声波接收信号为止的所需时间。流量计算装置9从计时装置8所测得的时间及延迟装置22所定的延迟时间，求得在流体管路1中流动的流体流量。

下面对具有上述结构的流量计量装置的操作情况进行说明。

首先，由启动装置24发出检测开始信号，重复装置20使切换装置6开始工作，将第1振荡器2设定为发射方，第2振荡器设定为接收方。即，将第1振荡器2与驱动装置4相连接，将第2振荡器3与输入单元5的低阻抗接收装置14相连接。因此，超声波信号将从流体的流动方向的上游传到下游。

其次，将重复装置20的重复次数设定为初期值，计时装置8开始测定时间。重复装置20使触发装置21工作，延迟装置22根据来自触发装置21的触发信号也开始测定时间。驱动装置4在从触发装置21接收到输出并且延迟装置22结束所规定时间的计时时，驱动第1振荡器2，向流路1内发射超声波信号。

超声波信号在流体管路1传播，并在一定的传播时间后到达第2振荡器3。从接收到超声波信号的第2振荡器3送出的接收信号被输出到输入单元5，由输入单元5的低阻抗接收装置14接收此信号，在接收检测装置7中对输入单元5的输出信号的时机进行检测。

另外，接收信号由放大器15放大到规定的电平后，输出到接收检测装置7的比较装置7a中，与其内藏的标准值进行比较。此信号在标准值以上时，比较装置7a将检测信号向重复装置20输出。

重复装置20再次向触发装置21发出信号，使延迟装置22开始计时。延迟装置22计满规定的时间时，触发装置21使驱动装置4开始工作，驱动第1振荡器2再次发射超声波信号。此后，直到重复装置20的重复次数达到设定值为止，由超声波的发射、接收及由延迟手段22产生的超声波发射/接收暂停等构成的循环过程将反复进行。

当循环达到设定值的次数时，计时装置8停止计时，流量计算装置9读入计时装置8的所计时间(T)。如果反复次数标记为N，延迟装置22所设定的时间为Td，则从第1振荡器2到第2振荡器3的超声波信号传播时间(T1)为，

T1＝(T-Td×N)/N该时间被存储到流量计算装置9中。

接下来，再次使启动装置开始检测，并将重复装置20的重复次数及计时装置8的计时时间设定为初期值。切换装置6将第1振荡器2与输入单元5相连接，并将第2振荡器3与驱动装置4相连接，从流体下游往上游传播超声波信号。与传播时间(T1)相同，从第2振荡器3到第1振荡器2的超声波信号发射时间(T2)按以下公式求出，并存储到流量计算装置9。

T2＝(T-Td×N)/N这里，N为重复次数，Td为由延迟装置设定的规定时间。

如果流体管路1中的流体在流动，超声波信号从流体下游向流体上游时的传播时间则变长。故从第2振荡器3到第1振荡器2的传播时间(T2)将大于T1，即T2＞T1。流量计算装置9求出T1和T2的倒数的差，并根据流路1的截面积和流体状态等因素算出流量。

Claims (11)

1.一种流量测定装置，其特征在于包括：

设置在流体管路中的、用于发射/接收超声波信号的第1和第2振荡器；

使所述第1和第2振荡器中的上述超声波信号的发射/接收操作发生交换的切换装置；

用以接收从所述第1和第2振荡器送出的、与接收到的超声波信号相对应的输出信号，并具有比所述第1和第2振荡器的阻抗低的输入阻抗的输入单元；

用以从上述输入单元的输出检测超声波信号的接收情况的接收检测装置；

用以驱动上述第1或第2振荡器发射出上述超声波信号的驱动装置；

用以测定上述超声波信号在上述第1和第2振荡器之间的传播时间的计时装置；

用以根据上述检测出的传播时间算出流量的流量计算装置。

2.如权利要求1中所述的流量测定装置，其特征在于：所述输入单元的所述输入阻抗为所述第1和第2振荡器的各阻抗的1/2以下。

3.如权利要求1中所述的流量测定装置，其特征在于：要求所述传播时间达到的时间精度(Δt)、第1和第2振荡器其中一方的极间电容的变化量(ΔC1)及所述输入单元的输入阻抗(Z)满足以下关系：

Δt＞ΔC1×Z

4.如权利要求3中所述的流量测定装置中，其特征在于：上述变化量(ΔC1)是在规定温度范围内最高温度和最低温度之间的上述极间电容量的变化量。

5.如权利要求1中所述的流量测定装置，其特征在于：要求上述传播时间达到的时间精度(Δt)、上述第1和第2的振荡器的极间电容量之间的差值的变化量(ΔC2)及上述输入单元的输入阻抗(Z)满足以下关系：

Δt＞ΔC2×Z

6.如权利要求5中所述的流量测定装置，其特征在于：所述变化量(ΔC2)是规定温度范围内最高温度和最低温度之间上述极间电容量的上述差值的变化量。

7.如权利要求1中所述的流量测定装置，其特征在于：上述输入单元包括：

与上述第1和第2振荡器并联连接的电阻器；及

将上述电阻器两端的电压加以放大的放大器。

8.如权利要求1中所述的流量测定装置，其特征在于：上述输入单元备有阻抗变换器。

9.如权利要求1中所述的流量测定装置，其特征在于：上述输入单元与第1和第2振荡器呈并联连接。

10.如权利要求1中所述的流量测定装置，其特征在于：上述第1和第2振荡器具有相互不同的特性。

11.如权利要求1中所述的流量测定装置，其特征在于：所述第1和第2振荡器的极间电容量随温度、制造时间、湿度而产生变化。

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