DE102011004668A1

DE102011004668A1 - Ultraschalldurchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102011004668A1
Application number: DE102011004668A
Authority: DE
Inventors: Makiko Sugiura; Takahiko Yoshida
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: JP2011179940A; US8613226B2; US20110209558A1; JP5477051B2; DE102011004668B4

Abstract

Ein Ultraschalldurchflussmessgerät (1) enthält einen ersten Ultraschallsensor (4), einen zweiten Ultraschallsensor (5), einen Volumenflussbetriebsabschnitt (21, S1–S5), einen Temperaturbetriebsabschnitt (21, S8), einen Druckbetriebsabschnitt (21, S7) und einen Korrekturbetriebsabschnitt (21, S9). Die Ultraschallsensoren (4, 5) senden und empfangen mehrere Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen und sind auf gegenüberliegenden Seiten eines Fluidkanals (3c), in dem ein Fluid fließt, angeordnet. Der Volumenflussbetriebsabschnitt (21, S1–S5) berechnet einen Volumenfluss des Fluids auf der Grundlage einer Fortpflanzungszeitdifferenz der Ultraschallwelle. Der Temperaturbetriebsabschnitt (21, S8) analysiert Signale von einem der Ultraschallsensoren (4, 5) und berechnet eine Temperatur des Fluids. Der Druckbetriebsabschnitt (21, S7) analysiert Signale von einem der Ultraschallsensoren (4, 5) und berechnet einen Druck des Fluids. Der Korrekturbetriebsabschnitt (21, S9) korrigiert den Volumenfluss mit der Temperatur und dem Druck.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschalldurchflussmessgerät, das einen Volumenfluss oder Massenfluss eines Fluids unter Verwendung einer Ultraschallwelle misst.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Die JP-A-56-67716 beschreibt ein Ultraschalldurchflussmessgerät, das ein Fortpflanzungszeitdifferenzverfahren verwendet. 7 ist ein Diagramm, das das Ultraschalldurchflussmessgerät zeigt. Das Ultraschalldurchflussmessgerät enthält Vorrichtungen 91 und 92, die an einer Seitenwand eines Rohrs 90, in dem ein Fluid fließt, angeordnet sind. Die Vorrichtung 91 ist stromauf in einer Fließrichtung des Fluids angeordnet, und die Vorrichtung 92 ist stromab in der Fließrichtung des Fluids angeordnet. Die Vorrichtungen 91 und 92 sind schräg angeordnet, so dass eine Strahlachse einer Ultraschallwelle die Fließrichtung des Fluids in einem spitzen Winkel kreuzt.
Wenn eine Fortpflanzungszeit einer Ultraschallwelle von der Vorrichtung 91 zu der Vorrichtung 92 durch „tA” angegeben wird, eine Fortpflanzungszeit der Ultraschallwelle von der Vorrichtung 92 zu der Vorrichtung 91 durch „tB” angegeben wird, ein Abstand zwischen den Vorrichtungen 91 und 92 durch „L” angegeben wird, eine Schallgeschwindigkeit durch „C” angegeben wird, eine Fließrate des Fluids durch „V” angegeben wird und ein Winkel zwischen der Fließrichtung und der Strahlachse der Ultraschallwelle durch „θ” angegeben wird, und wenn die Fließrate V = 0 ist, ist die Beziehung tA = tB = L/C erfüllt. Wenn V > 0 gilt, werden die Beziehungen tA = L/(C + Vcosθ) und tB = L/(C – Vcosθ) erfüllt. Das heißt, es gilt V = L((1/tA) – (1/tB))/2cosθ. Wenn ein Querschnittsbereich des Rohrs 90 durch „S” angegeben wird, wird der Volumenfluss „Q” durch Q = S V berechnet.
Die Schallgeschwindigkeit hängt von einem Druck des Fluids und einer Feuchtigkeit des Fluids ab. Somit ist es, um den Volumenfluss mit hoher Genauigkeit zu berechnen, notwendig, den Volumenfluss auf der Grundlage des Drucks des Fluids und der Feuchtigkeit des Fluids zu korrigieren. Die WO 2007/020113 A1 (entsprechend der US 2009/0178490 A1 ) beschreibt ein Ultraschalldurchflussmessgerät, das einen Druck eines Fluids und eine Feuchtigkeit des Fluids durch Bereitstellen eines Ultraschallsensors, eines Drucksensors und eines Temperatursensors an einem Fließkanal misst und einen Volumenfluss auf der Grundlage der Messwerte korrigiert. Der Temperatursensor wird verwendet, wenn die Schallgeschwindigkeit mit der Feuchtigkeit korrigiert wird.
Da das oben beschriebene Ultraschalldurchflussmessgerät den Drucksensor und den Temperatursensor benötigt, vergrößert sich die Abmessung des Ultraschalldurchflussmessgeräts, und es vergrößert sich ebenfalls der Unterbringungsraum für das Ultraschalldurchflussmessgerät. Außerdem erhöhen sich die Herstellungskosten des Ultraschalldurchflussmessgeräts.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf die obigen Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ultraschalldurchflussmessgerät zu schaffen, das einen Volumenfluss auf der Grundlage eines Drucks und einer Feuchtigkeit eines Fluids ohne einen Drucksensor und einen Temperatursensor korrigieren kann.
Ein Ultraschalldurchflussmessgerät gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält einen ersten Ultraschallsensor, einen zweiten Ultraschallsensor, einen Volumenflussbetriebsabschnitt, einen Temperaturbetriebsabschnitt, einen Druckbetriebsabschnitt und einen Korrekturbetriebsabschnitt. Sowohl der erste Ultraschallsensor als auch der zweite Ultraschallsensor überträgt und empfängt mehrere Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen. Der erste Ultraschallsensor ist auf einer Seite eines Fließkanals angeordnet, in dem ein Fluid in einer Fließrichtung fließt. Der zweite Ultraschallsensor ist auf einer dem ersten Ultraschallsensor gegenüberliegenden Seite des Fließkanals angeordnet. Der zweite Ultraschallsensor ist stromab des ersten Ultraschallsensors in der Fließrichtung angeordnet. Der Volumenflussbetriebsabschnitt weist den ersten Ultraschallsensor und den zweiten Ultraschallsensor abwechselnd an, eine der Ultraschallwellen zu senden und zu empfangen. Der Volumenflussbetriebsabschnitt berechnet eine Fortpflanzungszeitdifferenz der einen der Ultraschallwellen zwischen dem ersten Ultraschallsensor und dem zweiten Ultraschallsensor und berechnet einen Volumenfluss des Fluids auf der Grundlage der Fortpflanzungszeitdifferenz. Der Temperaturbetriebsabschnitt analysiert Signale, die von demjenigen ersten Ultraschallsensor oder zweiten Ultraschallsensor, der die Ultraschallwellen empfängt, ausgegeben werden, und berechnet eine Temperatur des Fluids entsprechend einer Feuchtigkeit des Fluids auf der Grundlage eines Analyseergebnisses. Der Druckbetriebsabschnitt analysiert Signale, die von demjenigen ersten Ultraschallsensor oder zweiten Ultraschallsensor, der die Ultraschallwellen empfängt, ausgegeben werden, und berechnet einen Druck des Fluids auf der Grundlage eines Analyseergebnisses. Der Korrekturbetriebsabschnitt korrigiert den Volumenfluss, der von dem Volumenflussbetriebsabschnitt berechnet wird, mit der Temperatur, die von dem Temperaturbetriebsabschnitt berechnet wird, und dem Druck, der von dem Druckbetriebsabschnitt berechnet wird.
Das Ultraschalldurchflussmessgerät berechnet den Volumenfluss des Fluids, den Druck des Fluids und die Temperatur des Fluids entsprechend der Feuchtigkeit des Fluids und korrigiert den Volumenfluss mit dem berechneten Druck und der berechneten Temperatur. Somit kann das Ultraschalldurchflussmessgerät den Volumenfluss auf der Grundlage des Drucks des Fluids und der Feuchtigkeit des Fluids ohne einen Drucksensor und einen Temperatursensor korrigieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen deutlich. Es zeigen:
1 ein Diagramm, das ein Ultraschalldurchflussmessgerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2A eine Querschnittsansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem ein erster Ultraschallsensor und ein zweiter Ultraschallsensor in dem Ultraschalldurchflussmessgerät an einem Rohr befestigt sind, und 2B eine Querschnittsansicht entlang der Linie IIB-IIB der 2A;
3A eine Querschnittsansicht des ersten Ultraschallsensors und 3B eine Querschnittsansicht des zweiten Ultraschallsensors;
4A ein Zeitdiagramm, das Ultraschallwellen, die von dem ersten Ultraschallsensor übertragen bzw. gesendet werden, und Ultraschallwellen, die von dem zweiten Ultraschallsensor empfangen werden, zeigt, und 4B ein Zeitdiagramm, das Ultraschallwellen, die von dem zweiten Ultraschallsensor übertragen bzw. gesendet werden, und Ultraschallwellen, die von dem ersten Ultraschallsensor empfangen werden, zeigt;
5 ein Zeitdiagramm, das Ultraschallwellen, die von dem ersten Ultraschallsensor übertragen bzw. gesendet werden, und Ultraschallwellen, die von dem zweiten Ultraschallsensor empfangen werden, zeigt;
6 ein Flussdiagramm, das einen Massenflussbetrieb, der von einer CPU ausgeführt wird, zeigt; und
7 eine Querschnittsansicht, die einen Ultraschallsensor gemäß dem Stand der Technik zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird ein Ultraschalldurchflussmessgerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1 bis 3B beschrieben. In der folgenden Beschreibung meint eine übertragene bzw. gesendete Welle eine Ultraschallwelle, die von dem Ultraschalldurchflussmessgerät 1 übertragen bzw. gesendet wird, und eine empfangene Welle meint eine Ultraschallwelle, die von dem Ultraschalldurchflussmessgerät 1 empfangen wird.
Wie es in 1 gezeigt ist, enthält das Ultraschalldurchflussmessgerät 1 einen ersten Ultraschallsensor 4 und einen zweiten Ultraschallsensor 5. Der erste Ultraschallsensor 4 enthält Sendeelemente A1 und B1, die Ultraschallwellen an den zweiten Ultraschallsensor 5 senden bzw. übertragen, und ein Empfangselement C1, das Ultraschallwellen, die von dem zweiten Ultraschallsensor 5 gesendet werden, empfängt. Der zweite Ultraschallsensor 5 enthält Sendeelemente A2 und B2, die die Ultraschallwellen an den ersten Ultraschallsensor 4 senden bzw. übertragen, und ein Empfangselement C2, das die Ultraschallwellen, die von dem ersten Ultraschallsensor 4 gesendet werden, empfängt.
Die Sendeelemente A1 und B1 senden Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen, und die Sendeelemente A2 und B2 senden Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen. Die Sendefrequenzen der Sendeelemente A1 und A2 sind dieselben, und die Sendefrequenzen der Sendeelemente B1 und B2 sind dieselben. Das Empfangselement C2 empfängt die Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen, die von den Sendeelementen A1 und B1 gesendet werden. Das Empfangselement C1 empfängt die Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen, die von den Sendeelementen A2 und B2 gesendet werden. Die Sendefrequenz jedes der Sendeelemente A1 und A2 wird durch „fa” angegeben, und die Sendefrequenz jedes der Sendeelemente B1 und B2 wird durch „fb” angegeben.
Wie es in 2A und 2B gezeigt ist, weist ein Rohr 3 näherungsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf. Das Rohr 3 stellt einen Fließkanal 3c bereit, in dem ein Fluid F fließt. Das Fluid F fließt in einer Fließrichtung, die durch den Pfeil D1 gezeigt ist. Das Fluid F ist ein Gas, und eine Temperatur des Gases wird durch eine Änderung der Feuchtigkeit geändert. Das Gas enthält beispielsweise Luft. Das Rohr 3 weist eine Seitenwand 3a, die an einer Seite des Fließkanals 3c angeordnet ist, und eine Seitenwand 3b, die auf der von der Seitenwand 3a gegenüberliegenden Seite des Fließkanals 3c angeordnet ist, auf. Der erste Ultraschallsensor 4 ist an der Seitenwand 3a angeordnet, und der zweite Ultraschallsensor 5 ist an der Seitenwand 3b angeordnet. Der zweite Ultraschallsensor 5 ist stromab des ersten Ultraschallsensors 4 in der Fließrichtung D1 angeordnet. Der erste Ultraschallsensor 4 weist einen Abstand „r” zu dem zweiten Ultraschallsensor 5 auf. Ein Winkel zwischen der Fließrichtung D1 und einer Strahlrichtung der Ultraschallwellen wird durch „θ” angegeben.
Der erste Ultraschallsensor 4 sendet die Ultraschallwellen von stromauf nach stromab des Fließkanals 3c in einer Richtung, die durch den Pfeil D3 angegeben ist. Der zweite Ultraschallsensor 5 sendet die Ultraschallwellen von stromab nach stromauf des Fließkanals 3c in der Richtung, die durch den Pfeil D4 angegeben ist. Somit ist eine Fortpflanzungszeit „ta”, wenn die Ultraschallwelle von dem ersten Ultraschallsensor 4 zu dem zweiten Ultraschallsensor 5 gesendet wird, kürzer als eine Fortpflanzungszeit „tb”, wenn die Ultraschallwelle von dem zweiten Ultraschallsensor 5 zu dem ersten Ultraschallsensor 4 gesendet wird. Das heißt, es wird eine Fortpflanzungszeitdifferenz der Ultraschallwelle erzeugt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist jedes der Sendeelemente A1, A2, B1 und B2 ein Resonanzelement, und jedes der Empfangselemente C1 und C2 ist ein Nicht-Resonanzelement. Wie es in 3A gezeigt ist, enthält das Sendeelement A1 ein Siliziumsubstrat 2d, einen Hohlraum (hohler Abschnitt) 2f, eine Membran (dünner Abschnitt) 2e, ein piezoelektrisches Element 2a, eine akustische Abstimmungsschicht 2b und ein Vibrationsverringerungselement 2c. Der Hohlraum 2f ist an einem Oberflächenabschnitt des Siliziumsubstrats 2d vorgesehen. Die Membran 2e bedeckt das Siliziumsubstrat 2d. Das piezoelektrische Element 2a ist auf einer Oberfläche der Membran 2e angeordnet. Die akustische Abstimmungsschicht 2b ist in das piezoelektrische Element 2a eingefügt. Ein Ende der akustischen Abstimmungsschicht 2b ist in das Vibrationsverringerungselement 2c eingefügt.
Jedes piezoelektrische Element 2a ist mit einer Ansteuerschaltung (nicht gezeigt) gekoppelt. Wenn ein Ansteuersignal von der Ansteuerschaltung an das piezoelektrische Element 2a angelegt wird, bewirkt das piezoelektrische Element 2a einen piezoelektrischen Effekt und vibriert in vertikaler Richtung. Die Vibration des piezoelektrischen Elements 2a wird auf die Membran 2e übertragen, und dadurch vibriert die Membran 2e. Die Vibration der Membran 2e wird auf die akustische Abstimmungsschicht 2b übertragen, und dadurch vibriert die akustische Abstimmungsschicht 2b und überträgt die Ultraschallwelle.
Die akustische Abstimmungsschicht 2b bringt eine akustische Impedanz des piezoelektrischen Elements 2a mit einer akustischen Impedanz des Fluids F in Übereinstimmung. Die akustische Abstimmungsschicht 2b schützt außerdem die Oberfläche des Sendeelements A1. Da die akustische Abstimmungsschicht 2b mit dem piezoelektrischen Element 2a versehen ist, kann ein Schalldruck der Ultraschallwelle, die von dem Sendeelement A1 gesendet wird, vergrößert werden. Die akustische Impedanz der akustischen Abstimmungsschicht 2b liegt zwischen der akustischen Impedanz des Fluids F und der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements 2a. Jedes der Sendeelemente A2, B1 und B2 weist dieselbe Struktur wie das Sendeelement A1 auf.
Das Empfangselement C1 enthält ein Siliziumsubstrat 5d, einen Vibrationserfassungsabschnitt 5a, eine akustische Abstimmungsschicht 5b und ein Vibrationsverringerungselement 5c. Der Vibrationserfassungsabschnitt 5a ist auf einer Oberfläche des Siliziumsubstrats 5d angeordnet. Die akustische Abstimmungsschicht 5b ist auf eine Oberfläche des Vibrationserfassungsabschnitts 5a geschichtet. Ein Ende der akustischen Abstimmungsschicht 5b ist in das Vibrationsverringerungselement 5c eingefügt. Der Vibrationserfassungsabschnitt 5a ist mit einer Erfassungsschaltung (nicht gezeigt) gekoppelt. Der Vibrationserfassungsabschnitt 5a ist ein bekanntes kapazitives Element, das zwei Elektroden, die über einen Zwischenraum einander gegenüberliegen, aufweist.
Wenn die empfangene Welle an die akustische Abstimmungsschicht 5b übertragen wird, vibriert die akustische Abstimmungsschicht 5b. Aufgrund der Vibration der akustischen Abstimmungsschicht 5b vibrieren die Elektroden des Vibrationserfassungsabschnitts 5a, und es wird eine Kapazität zwischen den Elektroden geändert. Die Erfassungsschaltung erfasst die empfangene Welle auf der Grundlage der Kapazität.
Die akustische Abstimmungsschicht 5b bringt eine akustische Impedanz des Vibrationserfassungsabschnitts 5a und die akustische Impedanz des Fluids F in Übereinstimmung. Da die akustische Abstimmungsschicht 5b mit dem Vibrationserfassungsabschnitt 5a versehen ist, kann ein Schalldruck der Ultraschallwelle, die von dem Empfangselement C1 empfangen wird, vergrößert werden. Die akustische Impedanz der akustischen Abstimmungsschicht 5b liegt zwischen der akustischen Impedanz des Fluids F und der akustischen Impedanz des Vibrationserfassungsabschnitts 5a. Das Empfangselement C2 weist dieselbe Struktur wie das Empfangselement C1 auf. Jedes der Sendeelemente und der Empfangselemente kann durch eine MEMS-Technik (elektromechanische Mikrosysteme) oder eine andere Technik als die MEMS-Technik ausgebildet sein. Eine Konfiguration ohne eine akustische Abstimmungsschicht kann ebenfalls verwendet werden.
Im Folgenden wird eine elektrische Konfiguration des Ultraschalldurchflussmessgeräts 1 mit Bezug auf 1 beschrieben.
Wie es in 1 gezeigt ist, enthält das Ultraschalldurchflussmessgerät 1 einen Betriebsabschnitt (OPE) 20, einen Sendesteuerabschnitt (TRANS) 30 und einen Empfangssteuerabschnitt (REC) 40. Der Sendesteuerabschnitt 30 ist mit den Sendeelementen A1, B1, A2 und B2 gekoppelt und steuert die Ansteuerschaltung, die mit jedem Sendeelement gekoppelt ist. Der Sendesteuerabschnitt 30 weist die Sendeelemente A1 und A2 an, die Ultraschallwellen der Frequenz „fa” zu senden, und weist die Sendeelemente B1 und B2 an, die Ultraschallwellen der Frequenz „fb” zu senden.
Der Empfangssteuerabschnitt 40 ist mit den Empfangselementen C1 und C2 gekoppelt und steuert die Erfassungsschaltung, die mit jedem Empfangselement gekoppelt ist. Der Empfangssteuerabschnitt 40 weist die Empfangselemente C1 und C2 an, die Ultraschallwellen der Frequenzen „fa” und „fb” zu empfangen. Der Empfangssteuerabschnitt 40 empfängt ein Erfassungssignal, das der empfangenen Welle entspricht, die von der Erfassungsschaltung erfasst wird, die mit jedem Empfangselement gekoppelt ist, verstärkt das Erfassungssignal und gibt das verstärkte Erfassungssignal an den Betriebsabschnitt 20 aus.
Der Betriebsabschnitt 20 enthält eine CPU 21, einen ROM 22 und einen RAM 23. Die CPU 21 bestimmt das Sendeelements zum Senden der Ultraschallwelle und gibt eine Anweisung zum Senden an den Sendesteuerabschnitt 30 aus. Die CPU 21 berechnet einen Massenfluss „G” des Fluids F auf der Grundlage des Erfassungssignals von dem Empfangssteuerabschnitt 40. Der ROM 22 speichert ein Computerprogramm, das die CPU 21 benötigt, um den Massenfluss „G” zu berechnen. Der RAM 23 speichert zeitweilig das Computerprogramm, das aus dem ROM 22 ausgelesen wird, und ein Betriebs- bzw. Rechenergebnis der CPU 21.
Im Folgenden wird ein Massenflussbetrieb, der von der CPU 21 in dem Betriebsabschnitt 20 durchgeführt wird, mit Bezug auf 4A bis 6 beschrieben.
In Schritt S1 gibt die CPU 21 einen Sendebefehl zum Senden der Ultraschallwellen an den Sendesteuerabschnitt 30 und einen Empfangsbefehl zum Empfangen der Ultraschallwelle an den Empfangssteuerabschnitt 40 aus. Dementsprechend senden und empfangen der erste Ultraschallsensor 4 und der zweite Ultraschallsensor 5 abwechselnd die Ultraschallwellen der Frequenzen „fa” und „fb”. Der erste Ultraschallsensor 4 sendet die Ultraschallwelle der Frequenz „fa” von dem Sendeelement A1 zu dem zweiten Ultraschallsensor 5. Dann sendet der erste Ultraschallsensor 4 die Ultraschallwelle der Frequenz „fb” von dem Sendeelement B1 zu dem zweiten Ultraschallsensor 5. Das Empfangselement C2 des zweiten Ultraschallsensors 5 empfängt die Ultraschallwelle der Frequenz „fa”, die von dem Sendeelement A1 gesendet wird. Dann empfängt das Empfangselement C2 die Ultraschallwelle der Frequenz „fb”, die von dem Sendeelement B1 gesendet wird.
Eine Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem das Sendeelement A1 die Ultraschallwelle der Frequenz „fa” sendet, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem das Empfangselement C2 die Ultraschallwelle empfängt, d. h. eine Fortpflanzungszeit der Ultraschallwelle der Frequenz „fa” von dem ersten Ultraschallsensor 4 zu dem zweiten Ultraschallsensor 5 wird durch „tac1” angegeben. Eine Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem das Sendeelement B1 die Ultraschallwelle der Frequenz „fb” sendet, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem das Empfangselement C2 die Ultraschallwelle empfängt, d. h. eine Fortpflanzungszeit der Ultraschallwelle der Frequenz „fb” von dem ersten Ultraschallsensor 4 zu dem zweiten Ultraschallsensor 5 wird durch „tbc1” angegeben.
Anschließend sendet der zweite Ultraschallsensor 5 die Ultraschallwelle der Frequenz „fa” von dem Sendeelement A2 an den ersten Ultraschallsensor 4. Dann sendet der zweite Ultraschallsensor 5 die Ultraschallwelle der Frequenz „fb” von dem Sendeelement B2 zu dem ersten Ultraschallsensor 4. Das Empfangselement C1 des ersten Ultraschallsensors 4 empfängt die Ultraschallwelle der Frequenz „fa”, die von dem Sendeelement A2 gesendet wird. Dann empfängt das Empfangselement C1 die Ultraschallwelle der Frequenz „fb”, die von dem Sendeelement B2 gesendet wird.
Eine Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem das Sendeelement A2 die Ultraschallwelle der Frequenz „fa” sendet, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem das Empfangselement C1 die Ultraschallwelle empfängt, d. h. eine Fortpflanzungszeit der Ultraschallwelle der Frequenz „fa” von dem zweiten Ultraschallsensor 5 zu dem ersten Ultraschallsensor 4 wird durch „tac2” angegeben. Eine Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem das Sendeelement B2 die Ultraschallwelle der Frequenz „fb” sendet, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem das Empfangselement C1 die Ultraschallwelle empfängt, d. h. eine Fortpflanzungszeit der Ultraschallwelle der Frequenz „fb” von dem zweiten Ultraschallsensor 5 zu dem ersten Ultraschallsensor 4 wird durch „tbc2” angegeben.
In Schritt S2 berechnet die CPU 21 eine Fließrate „V1” zu einem Zeitpunkt, zu dem die Ultraschallwelle der Frequenz „fa” verwendet wird, anhand der folgenden Gleichung (5). In der Gleichung (5) ist „r” ein Abstand zwischen dem ersten Ultraschallsensor 4 und dem zweiten Ultraschallsensor 5, und „θ” ist ein Winkel zwischen der Fließrichtung D1 des Fluids F und der Strahlachse der Ultraschallwelle. V1 = r((1/tac1) – (1/tac2))/2cosθ (5)
In Schritt S3 berechnet die CPU 21 eine Fließrate „V2” zu einem Zeitpunkt, zu dem die Ultraschallwelle der Frequenz „fb” verwendet wird, anhand der folgenden Gleichung (6). V2 = r((1/tbc1) – (1/tbc2))/2cosθ (6)
In Schritt S4 berechnet die CPU 21 eine mittlere Fließrate „V” auf der Grundlage der Fließrate „V1” und der Fließrate „V2”. In Schritt S5 berechnet die CPU 21 einen Volumenfluss „Q” des Fluids F bei der Fließrate „V” anhand der folgenden Gleichung (7). In der Gleichung (7) ist „S” ein Querschnittsbereich des Fließkanals 3c. Q1 = S × V (7)
In Schritt S6 berechnet die CPU 21 einen mittleren Schalldruck „SPa” der Ultraschallwelle der Frequenz „fa” und einen mittleren Schalldruck „SPb” der Ultraschallwelle der Frequenz „fb”. In Schritt S7 berechnet die CPU 21 einen mittleren Fluiddruck „P”. Die CPU 21 berechnet die mittleren Schalldrücke „SPa”, „SPb” und den mittleren Fluiddruck „P” durch Analysieren der Erfassungssignale, die von der Erfassungsschaltung des Empfangselements C1 in den Empfangssteuerabschnitt 40 eingegeben werden. Die CPU 21 führt beispielsweise eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) der Erfassungssignale zum Berechnen des Schalldrucks und des Drucks durch.
Mit anderen Worten berechnet die CPU 21 eine Schallwellenkomponente (eine Komponente der Frequenz) und einen statische Druckkomponente (einen anderen Teil als die Frequenz) mittels der schnellen Fourier-Transformation der Erfassungssignale, berechnet den Schalldruck auf der Grundlage der Schallwellenkomponente und den Fluiddruck auf der Grundlage der Druckkomponente. Außerdem berechnet die CPU 21 den Schalldruck und den Fluiddruck für jede der Ultraschallwellen der Frequenzen „fa” und „fb” unter Verwendung der Erfassungssignale von dem Empfangselement C1 und den mittleren Schalldruck und den mittleren Fluiddruck anhand des Berechnungsergebnisses.
In Schritt S8 berechnet die CPU 21 die Fluidtemperatur „T”. Die folgenden Gleichungen (1)–(3) werden von E. J. Evans und E. N. Bazley in Acustica 6, Seiten 238–244 (1956) beschrieben und sind Gleichungen zum Berechnen eines Schalldrucks. In der Gleichung (1) ist „P” der Schalldruck, „P0” ist ein Anfangswert des Schalldrucks, „r” ist ein Abstand zwischen dem ersten Ultraschallsensor 4 und dem zweiten Ultraschallsensor 5, „m” ist ein Absorptionskoeffizient, „A” ist ein Koeffizient, der aus einem experimentellen Wert berechnet wird, und „e” bezeichnet die Exponentialfunktion.
Der Absorptionskoeffizient „m” kann anhand der folgenden Gleichung (2) berechnet werden. In der Gleichung (2) ist „T” die Fluidtemperatur, „f” ist die Frequenz der Ultraschallwelle und „M” ist ein Koeffizient (Literaturwert).
Der Faktor „k” in der Gleichung (2) kann anhand der folgenden Gleichung (3) berechnet werden. In der Gleichung (3) ist „G0” ein Sättigungsdampfdruck, „G” ist ein Atmosphärendruck und „h” ist eine Feuchtigkeit. k = 1,92 × ( G0 / G × h) × 10 (3)
Der Sättigungsdampfdruck in der Gleichung (3) kann anhand der bekannten Tetens-Formel gemäß der Gleichung (4) berechnet werden. In der Gleichung (4) ist „T” eine Temperatur. G0 = 6,11 × 10^7,5T/(T + 237,3) (4)
Der mittlere Schalldruck der Ultraschallwelle der Frequenz „fa” wird durch „SPa” angegeben, ein Anfangswert des Schalldrucks wird durch „SPa0” angegeben, und der Absorptionskoeffizient wird durch „ma” angegeben. Der Anfangswert „SPa0” des Schalldrucks wird im Voraus gemessen. Durch Einsetzen des mittleren Schalldrucks „SPa”, der anhand der Gleichung (7) berechnet wird, und des Anfangswerts „SPa” des Schalldrucks, der im Voraus gefunden wird, in die Gleichung (1) wird die folgende Gleichung (8) erhalten.
Der mittlere Schalldruck der Ultraschallwelle der Frequenz „fb” wird durch „SPb” angegeben, ein Anfangswert des Schalldrucks wird durch „SPb0” angegeben, und der Absorptionskoeffizient wird durch „mb” angegeben. Der Anfangswert „SPb0” des Schalldrucks wird im Voraus gemessen. Durch Einsetzen des mittleren Schalldrucks „SPb”, der anhand der Gleichung (7) berechnet wird, und des Anfangswerts „SPb” des Schalldrucks, der im Voraus gefunden wird, in die Gleichung (1) wird die folgende Gleichung (9) erhalten.
In den oben beschriebenen Gleichungen (8) und (9) sind nur die Feuchtigkeit „h” und die Temperatur „T”, die in den Faktoren „ma” und „mb” enthalten sind, unbekannt, und die Feuchtigkeit „h” und die Temperatur „T” sind variabel. Mit anderen Worten sind die Gleichungen (8) und (9) Gleichungen, die eine Beziehung zwischen der Feuchtigkeit „h” und der Temperatur „T” angeben. Somit kann durch gleichzeitiges Lösen der Gleichungen (8) und (9), in denen die Feuchtigkeit „h” und die Temperatur „T” unbekannt sind, die Temperatur „T” berechnet werden. Die berechnete Temperatur „T” reflektiert die Feuchtigkeit „h”, und die Temperatur „T”, die sich mit der Feuchtigkeit „h” ändert, kann berechnet werden.
In Schritt S9 berechnet die CPU 21 den Korrekturvolumenfluss „Q0”. Der Korrekturvolumenfluss „Q0” kann unter Verwendung des Boyle-Charles-Gesetzes berechnet werden. Die Standardtemperatur (273,15 K) wird durch „T0” angegeben, der Standarddruck (1,0332 kg/cm³) wird durch „P0” angegeben, und der mittlere Volumenfluss, der in Schritt S5 berechnet wird, d. h. der mittlere Volumenfluss, der zu korrigieren ist, wird durch „Q” angegeben. Die folgenden Gleichungen (10) und (11) werden aus dem Boyle-Charles-Gesetz erhalten. Der Faktor „k1” ist eine Konstante. Q0 = (T0/P0)k1 (10) Q = (T/P)·K1 (11)
Die folgende Gleichung (12) wird aus den obigen Gleichungen (10) und (11) erhalten. Q0 = (T0·P/T·P0) × Q (12)
Der Korrekturvolumenfluss „Q0” wird durch Einsetzen des Volumenflusses „Q”, der in Schritt S5 berechnet wird, des mittleren Fluiddrucks „P”, der in Schritt S6 berechnet wird, der Fluidtemperatur T, die in Schritt S7 berechnet wird, der Standardtemperatur T0 und des Standarddrucks P0 in die Gleichung (12) berechnet.
In Schritt S10 berechnet die CPU 21 den Massenfluss „G” anhand der folgenden Gleichung (13). In der Gleichung (13) ist „ρ” eine Dichte des Fluids F. G = ρ·Q0 (13)
Die Dichte „ρ” des Fluids F kann durch ein bekanntes Verfahren berechnet werden. Wenn beispielsweise die akustische Impedanz des Fluids „Z” und eine Schallgeschwindigkeit in dem Fluid F „C” ist, wird die folgende Gleichung (14) erhalten. Z = ρ·C (14)
Aus der Gleichung (14) kann die folgende Gleichung (15) zum Berechnen der Dichte „ρ” erhalten werden. ρ = Z/C (15)
Die akustische Impedanz kann aus der Intensität der empfangenen Welle berechnet werden. Die akustische Impedanz kann beispielsweise aus einem Spitzenwert der empfangenen Welle berechnet werden. In einem Fall, in dem das Fluid F Luft ist und die Dichte des Fluids F als ein konstanter Wert gehandhabt werden kann, kann eine Dichte eines Dampfes als die Dichte „ρ” verwendet werden. Es ist nicht notwendig, den Massenfluss „G” zu berechnen, und der Messprozess kann zu einem Zeitpunkt beendet werden, zu dem der Korrekturvolumenfluss „Q0” berechnet wurde.
Die CPU 21 in dem Betriebsabschnitt 20 kann einen Volumenflussbetriebsabschnitt, einen Temperaturbetriebsabschnitt, einen Druckbetriebsabschnitt, einen Korrekturbetriebsabschnitt und einen Massenflussbetriebsabschnitt enthalten. Der Volumenflussbetriebsabschnitt führt den Prozess der Schritte S1–S5 durch, der Temperaturbetriebsabschnitt führt den Prozess in Schritt S8 durch, der Druckbetriebsabschnitt führt den Prozess in Schritt S7 durch, der Korrekturbetriebsabschnitt führt den Prozess in Schritt S9 durch, und der Massenflussbetriebsabschnitt führt den Prozess in Schritt S10 durch.
Mit anderen Worten weist der Volumenflussbetriebsabschnitt den ersten Ultraschallsensor 4 und den zweiten Ultraschallsensor 5 an, die Ultraschallwellen abwechselnd zu senden und zu empfangen. Der Volumenflussbetriebsabschnitt berechnet eine Fortpflanzungszeitdifferenz der Ultraschallwellen zwischen dem ersten Ultraschallsensor 4 und dem zweiten Ultraschallsensor 5 und den Volumenfluss des Fluids auf der Grundlage der Fortpflanzungszeitdifferenz. Der Temperaturbetriebsabschnitt analysiert die Signale, die von demjenigen ersten Ultraschallsensor 4 oder zweiten Ultraschallsensor 5, der die Ultraschallwellen empfängt, ausgegeben werden, und berechnet die Temperatur des Fluids entsprechend der Feuchtigkeit des Fluids auf der Grundlage eines Analyseergebnisses. Der Druckbetriebsabschnitt analysiert die Signale, die von demjenigen ersten Ultraschallsensor 4 oder zweiten Ultraschallsensor 5, der die Ultraschallwellen empfängt, ausgegeben werden, und berechnet den Druck des Fluids auf der Grundlage eines Analyseergebnisses. Der Korrekturbetriebsabschnitt korrigiert den Volumenfluss, der von dem Volumenflussbetriebsabschnitt berechnet wird, mit der Temperatur, die von dem Temperaturbetriebsabschnitt berechnet wird, und dem Druck, der von dem Druckbetriebsabschnitt berechnet wird. Der Massenflussbetriebsabschnitt berechnet den Massenfluss des Fluids auf der Grundlage des Volumenflusses, der von dem Korrekturbetriebsabschnitt korrigiert wird, und der Dichte des Fluids.
Das Ultraschalldurchflussmessgerät 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform berechnet den Volumenfluss „Q”, den Fluiddruck „P” und die Temperatur „T, die die Feuchtigkeit reflektiert, unter Verwendung der Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen und korrigiert den Volumenfluss „Q” mit dem Fluiddruck „P” und der Temperatur „T”.
Somit kann das Ultraschalldurchflussmessgerät 1 den Volumenfluss „Q” auf der Grundlage des Fluiddrucks „P” und der Feuchtigkeit „h” ohne einen Drucksensor und einen Temperatursensor korrigieren. Da ein Unterbringungsraum für einen Drucksensor und einen Temperatursensor nicht benötigt wird, kann die Abmessung des Ultraschalldurchflussmessgeräts 1 verringert werden. Da ein Drucksensor und ein Temperatursensor nicht bereitgestellt werden, kann der Energieverbrauch des Ultraschalldurchflussmessgeräts 1 verringert werden.
Das Ultraschalldurchflussmessgerät 1 kann den Massenfluss „G” durch Berechnen des Produkts aus dem Korrekturvolumenfluss „Q0” und der Dichte „ρ” berechnen. Außerdem kann das Ultraschalldurchflussmessgerät 1 den Volumenfluss oder den Massenfluss alleine durch einen Betrieb ohne Verwendung einer Tabelle oder eines Kennlinienfelds berechnen, und der Fluiddruck und die Temperatur werden in den Messergebnissen in Echtzeit reflektiert. Somit kann die Messgenauigkeit verbessert werden.
Das Ultraschalldurchflussmessgerät 1 berechnet den Mittelwert der Fortpflanzungszeitdifferenzen jeweiliger Ultraschallwellen, die von den Ultraschallsensoren 4 und 5 gesendet und empfangen werden, und berechnet den Volumenfluss auf der Grundlage des Mittelwerts. Somit wird die Messgenauigkeit weiter verbessert. Wenn das Ultraschalldurchflussmessgerät 1 die Fluidtemperatur berechnet, berechnet es die Schalldrücke jeweiliger Ultraschallwellen der unterschiedlichen Frequenzen und verwendet den Mittelwert der Schalldrücke. Somit wird die Messgenauigkeit weiter verbessert.
Da jedes der Sendeelemente ein Resonanzelement ist, kann der Schalldruck der Ultraschallwelle verbessert werden, und es kann die Messgenauigkeit verbessert werden. Da jedes der Empfangselemente ein Nicht-Resonanzelement ist, kann außerdem jedes der Empfangselemente die Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen empfangen. Da die Anzahl der Empfangselemente verringert werden kann, kann außerdem die Abmessung des Ultraschalldurchflussmessgeräts 1 verringert werden.
Jedes der Empfangselemente ist ein kapazitives Element, und die Resonanzfrequenz ist breit. Somit wird keine hohe Abmessungsgenauigkeit für einen Vibrationsabschnitt benötigt, und das Ultraschalldurchflussmessgerät 1 kann auf einfache Weise hergestellt werden.
(Weitere Ausführungsformen)
Obwohl die vorliegende Erfindung vollständig mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen beschrieben wurde, sind verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Bereiches der Erfindung, der durch die Ansprüche angegeben ist, denkbar.
Die Feuchtigkeit des Fluids kann auch auf der Grundlage einer Phasendifferenz von Ultraschallwellen, die von mehreren Empfangselementen empfangen werden, erfasst werden, wie es beispielsweise in der JP-A-6-258298 beschrieben ist.
Als ein Sendeelement kann alternativ eine thermisch induzierte Schallquelle, die eine Ultraschallwelle durch Ausdehnen und Zusammenziehen eines Mediums aufgrund der Erzeugung von Wärme durch einen Wärmekörper erzeugt, verwendet werden, wie es beispielsweise in der JP-A-2004-153797 beschrieben ist.
Als ein Empfangselement kann ein kapazitives Element, das durch Verarbeiten eines Siliziumhalbleitersubstrats mittels einer Silizium-Mikrobearbeitungstechnik ausgebildet wird, verwendet werden. Wenn das kapazitive Empfangselement verwendet wird, ist das Abstimmen zwischen der akustischen Impedanz und dem Fluid einfach.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 56-67716 A [0002]
WO 2007/020113 A1 [0004]
US 2009/0178490 A1 [0004]
JP 6-258298 A [0065]
JP 2004-153797 A [0066]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

E. J. Evans und E. N. Bazley in Acustica 6, Seiten 238–244 (1956) [0042]

Claims

Ultraschalldurchflussmessgerät (1), das aufweist: einen ersten Ultraschallsensor (4) und einen zweiten Ultraschallsensor (5), wobei der erste Ultraschallsensor (4) und der zweite Ultraschallsensor (5) mehrere Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen senden und empfangen, wobei der erste Ultraschallsensor (4) auf einer Seite eines Fließkanals (3c), in dem ein Fluid in einer Fließrichtung fließt, angeordnet ist, wobei der zweite Ultraschallsensor (5) auf einer dem ersten Ultraschallsensor (4) gegenüberliegenden Seite des Fließkanals (3c) angeordnet ist, wobei der zweite Ultraschallsensor (5) stromab des ersten Ultraschallsensors (4) in der Fließrichtung angeordnet ist; einen Volumenflussbetriebsabschnitt (21, S1–S5), der den ersten Ultraschallsensor (4) und den zweiten Ultraschallsensor (5) anweist, eine der Ultraschallwellen abwechselnd zu senden und zu empfangen, wobei der Volumenflussbetriebsabschnitt (21, S1–S5) eine Fortpflanzungszeitdifferenz der einen Ultraschallwelle zwischen dem ersten Ultraschallsensor (4) und dem zweiten Ultraschallsensor (5) berechnet und einen Volumenfluss des Fluids auf der Grundlage der Fortpflanzungszeitdifferenz berechnet; einen Temperaturbetriebsabschnitt (21, S8), der Signale, die von demjenigen ersten Ultraschallsensor (4) oder zweiten Ultraschallsensor (5), der die Ultraschallwellen empfängt, ausgegeben werden, analysiert und eine Temperatur des Fluids entsprechend einer Feuchtigkeit des Fluids auf der Grundlage eines Analyseergebnisses berechnet; einen Druckbetriebsabschnitt (21, S7), der Signale, die von demjenigen ersten Ultraschallsensor (4) oder zweiten Ultraschallsensor (5), der die Ultraschallwellen empfängt, ausgegeben werden, analysiert und einen Druck des Fluids auf der Grundlage eines Analyseergebnisses berechnet; und einen Korrekturbetriebsabschnitt (21, S9), der den Volumenfluss, der von dem Volumenflussbetriebsabschnitt (21, S1–S5) berechnet wird, mit der Temperatur, die von dem Temperaturbetriebsabschnitt (21, S8) berechnet wird, und dem Druck, der von dem Druckbetriebsabschnitt (21, S7) berechnet wird, korrigiert.
Ultraschalldurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 1, wobei der Temperaturbetriebsabschnitt (21, S8) die Signale, die von demjenigen ersten Ultraschallsensor (4) oder zweiten Ultraschallsensor (5), der die Ultraschallwellen empfängt, ausgegeben werden, analysiert, der Temperaturbetriebsabschnitt (21, S8) Schalldrücke der jeweiligen Ultraschallwellen auf der Grundlage des Analyseergebnisses berechnet, und der Temperaturbetriebsabschnitt (21, S8) die Temperatur des Fluids entsprechend der Feuchtigkeit des Fluids auf der Grundlage der Schalldrücke berechnet.
Ultraschalldurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 2, wobei der Temperaturbetriebsabschnitt (21, S8) die Temperatur „T” des Fluids anhand der folgenden Gleichungen (1)–(4) berechnet:
k = 1,92 × ( G0 / G × h)1,3 × 10⁵ (3) G0 = 6,11 × 10^7,5T/(T + 237,3) (4) wobei „SP” der Schalldruck ist, „SP0” ein Anfangswert des Schalldrucks ist, „r” ein Fortpflanzungsabstand der Ultraschallwellen ist, „m” ein Absorptionskoeffizient ist, „T” die Temperatur des Fluids ist, „f” eine Frequenz der jeweiligen Ultraschallwellen ist, „G” eine Atmosphärendruck ist, „G0” ein Sättigungsdampfdruck ist, „h” eine Feuchtigkeit des Fluids ist und „M” und „A” Koeffizienten sind.
Ultraschalldurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei, wenn der Temperaturbetriebsabschnitt (21, S8) die Schalldrücke berechnet, der Temperaturbetriebsabschnitt (21, S8) die Signale, die von demjenigen ersten Ultraschallsensor (4) oder zweiten Ultraschallsensor (5), der die Ultraschallwellen empfängt, ausgegeben werden, analysiert, und der Temperaturbetriebsabschnitt (21, S8) einen Mittelwert der Schalldrücke der jeweiligen Ultraschallwellen berechnet.
Ultraschalldurchflussmessgerät (1) nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der Volumenflussbetriebsabschnitt (21, S1–S5) den ersten Ultraschallsensor (4) und den zweiten Ultraschallsensor (5) anweist, die Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen abwechselnd zu senden und zu empfangen, der Volumenflussbetriebsabschnitt (21, S1–S5) einen Mittelwert der Fortpflanzungszeitdifferenzen jeweiliger Ultraschallwellen berechnet, und der Volumenflussbetriebsabschnitt (21, S1–S5) den Volumenfluss auf der Grundlage des Mittelwerts der Fortpflanzungszeitdifferenzen berechnet.
Ultraschalldurchflussmessgerät (1) nach einem der Ansprüche 1–5, das außerdem aufweist: einen Massenflussbetriebsabschnitt (21, S10), der einen Massenfluss des Fluids auf der Grundlage des Volumenflusses, der von dem Korrekturbetriebsabschnitt (21, S9) korrigiert wird, und einer Dichte des Fluids berechnet.
Ultraschalldurchflussmessgerät (1) nach einem der Ansprüche 1–6, wobei der erste Ultraschallsensor (4) und der zweite Ultraschallsensor (5) jeweils mehrere Sendeelemente (A1, A2, B1, B2) enthalten, und jedes der Sendeelemente (A1, A2, B1, B2) des jeweiligen Ultraschallsensors (4, 5) eine Ultraschallwelle einer anderen Frequenz sendet.
Ultraschalldurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 7, wobei jedes der Sendeelemente (A1, A2, B1, B2) ein Resonanzelement ist.
Ultraschalldurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 8, wobei jedes der Sendeelemente (A1, A2, B1, B2) ein piezoelektrisches Element (2a) und eine akustische Abstimmungsschicht (2b) enthält.
Ultraschalldurchflussmessgerät (1) nach einem der Ansprüche 1–9, wobei der erste Ultraschallsensor (4) und der zweite Ultraschallsensor (5) jeweils ein Empfangselement (C1, C2) enthalten, das die Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen empfängt.
Ultraschalldurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 10, wobei jedes der Empfangselemente (C1, C2) ein Nicht-Resonanzelement ist.
Ultraschalldurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 11, wobei jedes der Empfangselemente (C1, C2) ein kapazitives Element ist.