TWI475196B

TWI475196B - Flow measurement device

Info

Publication number: TWI475196B
Application number: TW099138129A
Authority: TW
Inventors: Harumichi Sato; Jun Akedo; Eiichi Murakami
Original assignee: Nat Inst Of Advanced Ind Scien; Atsuden Co Ltd
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2015-03-01
Also published as: CN102639970B; US20120272747A1; HK1172081A1; EP2508850A4; JP5582480B2; EP2508850B1; EP2508850A1; WO2011065201A1; CN102639970A; TW201140003A; US8997581B2; JPWO2011065201A1

Description

流量測定裝置

發明領域

本發明係有關於一種利用超音波之流量測定裝置，特別是有關於一種藉非接觸方式測定流動於半導體製造裝置等所使用之細管內部之流體之流速之裝置。

發明背景

以往，作為利用超音波之流量測定裝置，使超音波傳輸於流動於管線內之流體內，並藉流體之自上游向下游之超音波傳輸速度與自下游向上游之超音波傳輸速度之差而求出流體之速度，以之為據而測量流動於管線內之流體之流量之流量計稱為傳輸速度差式超音波流量計而為人所知。

然而，利用超音波之上述之流量測定裝置並未就傳輸於管線中之波予以進行徹底之理論分析，故難以進行最佳化。

本發明之發明人就管線內流動之流體之流速與超音波發送元件所激發之導波之傳輸速度之關係加以鑽研，結果發現流體之流速一旦改變，傳輸於管線中之導波之傳輸速度將受影響，目前仍持續深入研究中。

另，本說明書中所謂「導波」係指板形、棒形、管形等具有邊緣之介質中朝長向傳輸之超音波。

又，本案之申請人就採用導波之流量測定裝置之發明至今已申請特願2006-109218(參照特開2007-298275號公報。以下稱為「習知技術1」)及特願2007-280888(參照特開2009-109299號公報。以下稱為「習知技術2」)。

習知技術1係提案一種流量測定裝置，其包含控制、解析裝置，可驗證充滿靜水之管線內傳輸之波為導波，並於流體所流動之管線外面間隔距離L而設置2個超音波振動元件，以前述2個超音波振動元件之一方為發送元件，他方則為接收元件而令其等相互作動，並由藉超音波振動元件之驅動以管線與內部流體作為一介質而激發之導波在距離間隔L之超音波收發元件間自上游向下游傳輸時之傳輸時間T1與自下游向上游傳輸時之傳輸時間T2之傳輸時間差求出流體之流速。

又，習知技術2乃習知技術1之流量測定裝置之改良，係一種利用超音波之流量測定裝置，包含控制、解析裝置，於流體所流動之管線外面間隔距離L而設置2個超音波振動元件，並以前述2個超音波振動元件之一方為發送元件，他方則為接收元件而令其等相互作動，且由藉超音波振動元件之驅動以管線與內部流體為一介質而激發之導波在距離間隔L之超音波收發元件間自上游向下游傳輸時之傳輸時間T1與自下游向上游傳輸時之傳輸時間T2之傳輸時間差求出流體之流速，其中使用於流體之縱波波速附近相速之變化量較小之模式之導波。

另，業已進行充滿靜水之管線內傳輸之導波之解析者，已知有非專利文獻1及2。

【先行技術文獻】【專利文獻】

【專利文獻1】特開2007-298275號公報

【專利文獻2】特開2009-109299號公報

【非專利文獻】

【非專利文獻1】佐藤治道、Maxim Lebedev、明渡純：Proc. Symp. Ultrason. Electron. 26(2005) 443.

【非專利文獻2】佐藤治道等人，JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 45-5B(2006) pp. 4573-4576

發明概要

習知技術1及習知技術2均係採用導波之流量測定裝置，但具有以下之問題。

(1)雖揭露使用流體之縱波波速附近相速之變化量較小之模式之導波，但具體上並未明示選用何種頻率，且，假設使超音波收發元件振盪已選定之頻率，實際上仍存在壓電元件之個體差異及管線之個體差異、電子電路之特性等，而難以使選定之頻率與超音波收發元件所振盪之頻率一致。

(2)同時檢出複數頻率之導波而發生「拍頻(beat)」，或因溫度影響等而使頻率之波峰偏移時，其「拍頻」之波形形狀將改變而對流量測定造成不良影響。

(3)流體流動之管線直徑若減小，則超音波收發元件之直徑亦減小而可注入之能量也減少。又，流體流動之管線直徑若增大，則流速下降，流速感度亦將降低。

本發明係有鑑於習知技術之問題而設計者，本發明之目的則在使超音波頻率最佳化而可測量可達群速之波峰之頻率之導波(最早傳輸之波)，且增大自超音波收發元件注入之能量並提昇接收感度，以及提昇流速感度，以提供一種已改善測定精度之流量測定裝置。

可達成上述目的之本發明之流量測定裝置，第1特徵係於流量測定部之兩側間隔距離L而分別設置超音波發送元件、接收元件，而可由藉超音波發送元件之驅動而激發之導波朝相距距離L之超音波接收元件自上游向下游傳輸時之傳輸時間T₁ 與自下游向上游傳輸時之傳輸時間T₂ 之傳輸時間差求出流體之流速，其並可將導波之群速之複數波峰中孤立之導波之群速之波峰之頻率與超音波發送元件、接收元件之共振頻率設定成一致，且將超音波發送元件、接收元件所激發、接收之超音波之功率頻譜之半頻寬設定成不與群速之其它波峰重複之大小。

另，前述之「將導波之群速之複數波峰中孤立之導波之群速之波峰之頻率與超音波發送元件、接收元件之共振頻率設定成一致」中之「一致」在狹意上指一致以外，亦包括超音波收發元件在激發、接收之超音波之功率頻譜之半頻寬之範圍內一致之情形。

又，實際上用於流速計算之訊號係經過共振電路及放大器之訊號，故經過其等之訊號在功率頻譜之半頻寬之範圍內與導波之群速之複數波峰中孤立之導波之群速之波峰之頻率一致極為重要。

依據第1特徵，可使超音波發送元件所發送之頻率最佳化，而僅測量複數之群速之波峰之頻率之導波(最早傳輸之波)，故可避免同時檢出複數頻率之導波而發生「拍頻」，或進而因溫度影響等使頻率之波峰偏移時之「拍頻」之波形形狀改變而對流量測定造成不良影響。

又，本發明之流量測定裝置，第2特徵係在第1特徵中，於脈波產生電路與兩側之超音波發送元件、接收元件之間，設有依序排列共振電路、放大器、共振電路及放大器而成之放大電路。

又，本發明之流量測定裝置，第3特徵係在第1特徵中，於兩側之超音波發送元件、接收元件與流量測定側之控制器之間，設有依序排列共振電路、放大器、共振電路及放大器而成之放大電路。

依據第2及第3特徵，可放大訊號並減小激發或檢出之超音波之功率頻譜之半頻寬△f，且有助於避免同時檢出複數頻率之導波。

又，本發明之流量測定裝置，第4特徵係在第1乃至第3特徵之任一特徵中，流量測定部之流道之入口側及出口側之直徑設成較大，中央部之直徑設成較小，且入口側及出口側與中央部連接成錐狀。

又，本發明之流量測定裝置，第5特徵係在第4特徵中，流量測定部之流道之入口側及出口側之大徑流道之直徑為Φ₁ ，而中央部之小徑流道之直徑為Φ₂ 時，設定為Φ₂ /Φ₁ =1/10~2/3之範圍。

又，本發明之流量測定裝置，第6特徵係在第4或第5特徵中，流量測定部之流道全長為L₀ ，中央部之小徑流道長為L₁ 時，設定為L₁ /L₀ =0.6~0.98之範圍。

依據第4乃至第6特徵，可增大自超音波發送元件注入流道之能量並提昇接收感度，進而可提昇流道之流速，故可大幅提昇流量測定之檢出感度。

本發明可獲致以下之優良效果。

(1)將導波之群速之複數波峰中孤立之導波之群速之波峰之頻率與超音波收發元件之共振頻率設成一致，並將超音波收發元件所激發、接收之超音波之功率頻譜之半頻寬設成不與群速之其它波峰重複之大小，即可使超音波發送元件所發送之頻率最佳化，而可僅測量複數之群速之波峰之頻率之導波(最早傳輸之波)，故可避免同時檢出複數頻率之導波而發生「拍頻」，進而或因溫度影響等使頻率之波峰偏移時之「拍頻」之波形形狀改變而對流量測定造成不良影響。

(2)於脈波產生電路與超音波收發元件之間或在超音波收發元件與流量測定側之控制器之間設置依序排列共振電路、放大器、共振電路、放大器而成之放大電路，則可放大訊號，並減小激發或檢出之超音波之功率頻譜之半頻寬 △f，而有助於避免同時檢出複數頻率之導波。

(3)將流量測定部之流道之入口側及出口側之直徑設成較大，而將中央部之直徑設成較小，且使入口側及出口側與中央部連接成錐狀，即可增大可自超音波發送元件朝流道注入之能量並提昇接收感度，進而可提昇流道之流速，故可大幅提昇流量測定之檢出感度。

圖式簡單說明

第1圖係說明本發明實施例之流量測定裝置之流速之測定原理之說明圖。

第2圖係顯示傳輸於內部盛滿靜水之1/8吋PFA製管線(外徑3.17mm，內徑1.59mm)中之導波之相速者。

第3圖係顯示由第2圖計算群速之結果者。

第4圖係顯示傳輸於內部盛滿靜水之外徑15.56mm、內徑2.4mm之PFA管線中之導波之群速者。

第5圖係顯示為應用於第4圖所示之傳輸於內部盛滿靜水之外徑15.56mm、內徑2.4mm之PFA管線中之導波之群速之測定裝置而準備之超音波發送元件、接收元件中激發、檢出之波形之功率頻譜之例者。

第6圖係顯示頻寬與導波之速度分散之關係者。

第7圖係顯示本發明實施例之流量測定裝置之概念圖。

第8圖係顯示用於計算朝z軸方向傳輸之導波之相速及位移(u)之以管線之中心為z軸之圓柱座標之模型者。

第9圖係顯示使用第8圖之模型而算出之最大位移之分布者。

用以實施發明之形態

參照圖示詳細說明本發明之流量測定裝置之實施形態，但本發明之解讀並不受限於此，在未逸脫本發明範圍限度內，可基於同業之知識而追加各種變更、修正、改良。

[流速之測定原理]

第1圖係說明本發明實施例之流量測定裝置之流速之測定原理之說明圖

第1圖中，向左開口之字形狀之超音波流量測定管1係由流體流入部1-1、流量測定部1-2及流體流出部1-3所形成。

又，前述超音波流量測定管1之流量測定部1-2內，於流動方向之上游側與下游側相隔預定距離L而分別配置有超音波收發元件2、3。上述超音波收發元件2、3分別可受來自超音波收發裝置4、5之驅動脈波所驅動而振動，並產生發送超音波，且接收送至之超音波，該等超音波收發元件2、3振動後之接收波將經超音波收發裝置4、5及控制器6而送至流量演算電路7，並將演算結果送至流量顯示電路8。

另，第1圖中，雖於流量測定部1-2之兩側分別設有1個超音波收發元件2、3，而切換使用發送功能及接收功能，但亦可構成於流量測定部1-2之兩側分別設置1組超音波發送元件及接收元件，或設置2組電路而自兩側之發送元件(收發元件)同時進行發送，並由兩側之接收元件(收發元件)同時進行接收，則屬當然。本說明書中，係包含切換使用發送功能及接收功能之構造、個別設置發送元件及接收元件之構造及設置2組電路而自兩側之發送元件(收發元件)同時進行發送並由兩側之接收元件(收發元件)同時進行接數之構成在內，而於流量測定部之兩側分別設置超音波發送元件、接收元件。

第1圖中，一旦以可達超音波流量測定管1之直徑以上之波長之頻率驅動超音波收發元件2、3，則將激發、傳輸將超音波流量測定管1與內部流體視為一介質之導波(細節參照上述非專利文獻1)。

另，自上游側之超音波收發元件2對流體朝順向發送之超音波為下游側之超音波收發元件3所接收為止之超音波之傳輸時間T₁ ，與自下游側之超音波收發元件3對流體朝逆向發送之超音波為上游側之超音波收發元件2所接收為止之超音波之傳輸時間T₂ 之差△T與流速有關，故求出該傳輸時間差△T即可測定流體之流速。

以下，設定流速為v，導波之群速為v_g ，超音波收發元件之間隔為L，超音波流速測定管內部流體之流速對導波之群速造成之影響之代表因素為β(細節參考特開2007-298275號公報)，則傳輸時間差△T可顯示如下。

△T=T₂ -T₁ =L/(v_g -β v)-L/(v_g +β v)=[2L β/(v_g ² -β² v²⁾ ]v≒[2L β/v_g ² ]v

因此，流速v可由下式求出。

v≒[v_g ² /2L β]△T

[振盪頻率之選定]

導波具備速度分散性，故並非可激發導波之頻率之任何頻率均可適用於超音波流量計，且，並非所有模式之導波均可適用於流量計。故，必須特別選定對流體部分感度較高之模式。

第2圖即顯示於內部盛滿靜水之1/8吋PFA製管(外徑3.17mm，內徑1.59mm)中傳輸之導波之相速作為具體例。

第2圖中之各曲線顯示了由L(0,1)、L(0,2)、L(0,3)、L(0,4)…所代表之模式，雖僅標示至L(0,4)為止，但已圖示至L(0,34)。

又，圖中縱軸之1500m/s代表水之縱波波速，1230m/s代表PFA之縱波波速。

第2圖中，亦尤以連結水之縱波波速1500m/s附近涵括複數模式之斜度較小之部分之圖中由A、B、C…K與J字母所代表之假設模式為有效。其斜度平緩之部分雖不連續，但跨模式而存在，實際上若計算導波之振幅，則頻率上雖不連續，但振幅之分布卻較同一模式之其它頻率之分布更接近鄰近之斜度平緩部分之振幅之分布，此已藉計算予以確認。因此，所謂「假想模式」係推測為相當於收斂為圓柱波之縱波波速之導波者，本發明中，乃PFA管與水之2層構造，故先達水之縱波波速1500m/s後，再收斂為PFA之縱波波速1230m/s。

該等假想模式A、B、C…K有效之理由，係因水之縱波波速1500m/s附近之頻率相關性較小之故。相速接近水之縱波波速係指包含較多水之資訊，故亦將包含較多音速之資訊。

實際上，由第2圖計算群速者為第3圖。

另，基本之計算方法則請參照上述之非專利文獻2。

可確認希臘數字所示之假想模式之群速較快。

假想模式在頻率較低時，將發散至無限大。即，頻率較低時群速較慢，頻率增高則隨之徐緩接近水之縱波波速，因此，相速之變化量將減少。此時之群速將最為接近水之縱波波速。其相當於第3圖之群速之波峰。進而提高頻率，則相速將再開始降低，故群速將降低。然後，一旦接近PFA之縱波波速，則相速之變化將再減少，群速亦將接近PFA之縱波波速。

在第3圖中已圖示之範圍內，可確認在頻率0.3~1.2MHz、1.5~1.9MHz、2.3~3.3MHz、3.5~4.7MHz下若使用連結水之縱波波速鄰近之斜度較小之部分之假想模式，則傳輸時間可縮短，並利於進行測定。

第4圖係顯示內部盛滿靜水之外徑15.56mm、內徑2.4mm之PFA管中傳輸之導波之群速者。第4圖中僅顯示導波之群速中較大而主要者，而省略較小者。又，群速係藉與第3圖相同之計算方法而求出。

在第4圖中已圖示之範圍內，於頻率3.54MHz(第1波峰)、3.68MHz(第2波峰)及3.88MHz(第3波峰)鄰近已確認3個群速約1300m/s之波峰。

[超音波收發元件所激發之超音波]

超音波收發元件所激發之超音波之頻率宜與群速之波峰之頻率一致。然而，實際上亦存在壓電元件之個體差異、管線之個體差異或電子電路之特性等，而難以達成一致。因此，在超音波收發元件可激發或檢出頻寬之範圍內，宜使群速之波峰孤立。一旦同時檢出複數頻率之導波，將發生「拍頻」，或因溫度影響等使頻率之波峰偏移時改變上述「拍頻」之波形形狀而對流量測定造成不良影響。第4圖之3個波峰中，第1、第2及第5波峰之群速較大，可知第2波峰孤立於第1及第3波峰之外。

第5圖係顯示為應用於第4圖所示之內部盛滿靜水之外徑15.56mm、內徑2.4mm之PFA管中傳輸之導波之群速之測定裝置而準備之超音波收發元件中激發、檢出之波形之功率頻譜之例者。

共振波峰之共振頻率f₀ =3.677MHz，振動能量為共振波峰之半寬之頻率之半頻寬Δf=0.133MHz，代表振動狀態之無因次數Q=27.74。

可將半頻寬Δf減為0.133MHz係如第7圖所示，乃因使用了為放大訊號而使來自脈波產生電路之輸出經由共振電路及放大器，進而通過共振電路及放大器後之訊號之故。

半頻寬Δf內若存在同程度大小之群速之複數波峰，則將導致測定誤差，故須設定適當之頻寬。

第6圖係顯示頻寬與導波之速度分散之關係者。

f₀ =3.677MHz與第4圖之第2波峰大致一致，第1波峰及第3波峰則遠離以第2波峰為中心之半頻寬Δf=0.133MHz之範圍。

超音波收發元件所發送或接收之頻寬若可設在第6圖之第2波峰附近，則可獲致安定之流量測定裝置，然若更小則第1波峰可能位於半頻寬Δf內，且過大時第5波峰亦可能位於半頻寬Δf內，而無法實現安定之流量測定裝置。

[流量測定裝置]

第7圖係顯示本發明實施例之流量測定裝置之概念圖。

第7圖中，向上開口之字形狀之超音波流量測定管10係由流體流入部11、流量測定部12及流體流出部13所形成。又，前述超音波流量測定管1之流量測定部12於流動方向之上游側與下游側相隔預定距離L而分別配置有超音波收發元件14、15。上述超音波收發元件14、15分別可為來自收發切換器16、17之驅動脈波所驅動而振動，並產生發送超音波，且接收送至之超音波，上述超音波收發元件14、15振動後之接收波則經收發切換器16、17及控制器18而送至流量演算電路19，並朝流量顯示電路20送入演算結果。

收發切換器16、17與控制器18之間，為放大訊號而連接有依序排列有共振電路22、放大器23、共振電路24及放大器25之放大電路。該放大電路中，為放大訊號而使用共振電路，故亦發揮了可減小所激發之波形之功率頻譜之半頻寬Δf之效果。

依序排列有共振電路22、放大器23、共振電路24及放大器25之放大電路不限於第7圖所示之設在收發切換器16、17與控制器18之間，設於脈波產生電路21與收發切換器16、17之間亦可獲致相同之效果。

參照第7圖說明測定流量之例。

(1)藉收發切換器16、17進行切換至DOWN測定路徑。

(2)藉脈波產生電路21產生脈波。

(3)藉放大器放大至±10V程度之波形

(4)經DOWN測定路徑1而自超音波收發元件14、15朝流量測定部12之流道30發送超音波脈波。

(5)由超音波收發元件15接收超音波脈波。

(6)經DOWN測定路徑2朝共振電路22、放大器23、共振電路24及放大器25所構成之放大電路傳送接收訊號，並予以放大。

(7)藉A/D轉換將接收波形轉換為數位資料，並送入控制器18。

(8)於流量演算電路19計算DOWN之傳輸時間T1。

(9)藉收發切換器16、17進行切換至UP測定路徑。

(10)藉脈波產生電路21產生脈波。

(11)藉放大器放大至±10V程度之波形。

(12)經UP測定路徑1而自超音波收發元件15朝流量測定部12之流道30發送超音波脈波。

(13)由超音波收發元件14接收超音波脈波。

(14)經UP測定路徑2而朝共振電路22、放大器23、共振電路24及超音波收發元件15所構成之放大電路送入接收訊號，並予以放大。

(15)藉A/D轉換將接收波形轉換為數位資料，並送入控制器18。

(16)於流量演算電路19計算UP之傳輸時間T2。

(17)由T1、T2求出流速，並由流速求出流量。

設作為測定對象之流體之流速為v，流路內徑為r，則流量Q=π r² v。測定流動於半導體製造裝置等所使用之細管內部之微小流量時，則可減小r，並加快v。

舉例言之，若將r減為一半，而v則為4倍，檢出感度即可獲提昇。但，若減小r，則須視為導波而進行解析，一如習知技術1之說明。又，與其使用半徑較小之超音波收發元件，莫如使用半徑較大之超音波收發元件，可注入之能量較大而可提昇接收感度及檢出感度。

超音波流量測定管10內形成之流道一如第7圖所示，流量測定部12內直徑形成小於流體流入部11及流體流出部13。即，流量測定部12之流道30在與流體流入部11之流道31及流體流出部13之流道32連接之兩側部分縮小為錐部33，在中央部直徑小於前後之流道。因此，流道之流速將提高，而可提昇檢出感度。

設流道30之兩側部分之大徑流道34之直徑為Φ₁ ，中央部之小徑流道35之直徑為Φ₂ ，則宜設定Φ₂ /Φ₁ =1/10~2/3之範圍。又，設流道30之全長為L₀ ，而小徑流道35之長為L₁ (包含錐部33之長度)，則宜設定L_1/ L₀ =0.6~0.98之範圍。

而，超音波收發元件14、15係面對流量測定部12之流道30之直徑較大之兩側之大徑流道34而設置，故超音波收發元件14、15之直徑設成與大徑流道34之直徑相同或較大。如上所述，將可自超音波收發元件14、15接收能量之流道30之兩側流道34之直徑擴大，並將超音波收發元件14、15之直徑設成與大徑流道直徑相同或更大，即可增大可注入流道30之能量，並增加接收訊號所需之流體部分之截面積，而增加流體部分之位移，故可提昇接收感度。

參照第8及第9圖，說明流體部分之位移之增加。

採用以第8圖所示之管線中心為z軸之圓柱座標，而計算了朝z軸方向傳輸之導波之相速及位移(u)。

u_z 係位移方向與傳輸方向一致故為縱波成分，u_r 係位移方向與傳輸方向垂直故為橫波成分。另，由於以軸對稱模式進行計算，故u_θ =0。

依據計算結果而於第9圖顯示最大位移之分布。

由第9圖可知，流體部分之縱波成分之位移u_z 較大。

導波雖同時傳輸於管線部分及流體部分，但管線部分及流體部分之位移之比例則受模式及頻率所影響。

然而，對流量測定有主要貢獻者則為流體部分之縱波成分之位移u_z 。

激發大振幅之導波時雖宜增大超音波收發元件之面積，但為提昇流速感度則宜減小流道之截面積。然而，上述設定在S/N點上較為不利。

因此，以流道30之中央部作為小徑流道35，其兩側則為大徑流道34，即可提昇流速感度，並擴大流體部分之縱波成分之位移u_z 而進行接收，以改善S/n並提昇接收感度。

舉一例加以說明。

使用流道30全長之直徑一致而流道直徑為2.5mm者作為比較例。

本案發明之實施例則使用流道30兩側之大徑流道34直徑為6.0mm，中央之小徑流道35直徑為2.5mm者。

又，L₁ /L₀ =0.625。

比較實施例之有效面積與比較例之有效面積如下。

3² π/1.25² π=9/1.5625=5.76倍而可增加可注入流道30之能量，並擴大流體部分之縱波成分之位移u_z 而進行接收。

1‧‧‧超音波流量測定管

1-1‧‧‧流體流入部

1-2‧‧‧流量測定部

1-3‧‧‧流體流出部

2、3‧‧‧超音波收發元件

4、5‧‧‧超音波收發裝置

6‧‧‧控制器

7‧‧‧流量演算電路

8‧‧‧流量顯示電路

10‧‧‧超音波流量測定管

11‧‧‧流體流入部

12‧‧‧流量測定部

13‧‧‧流體流出部

14、15‧‧‧超音波收發元件

16、17‧‧‧收發切換器

18‧‧‧控制器

19‧‧‧流量演算電路

20‧‧‧流量顯示電路

21‧‧‧脈波產生電路

22‧‧‧共振電路

23‧‧‧放大器

24‧‧‧共振電路

25‧‧‧放大器

30‧‧‧流道

31‧‧‧流道

32‧‧‧流道

33‧‧‧錐部

34‧‧‧大徑流道

35‧‧‧小徑流道

A、B、C~K‧‧‧模式

β‧‧‧因素

f₀ ‧‧‧共振頻率

△f‧‧‧半頻寬

L‧‧‧間隔

L‧‧‧預定距離

L0‧‧‧全長

L1‧‧‧小徑流道長

Q‧‧‧流量

Q‧‧‧無因次數

r‧‧‧內徑

△T‧‧‧傳輸時間差

u、u_z 、u_r 、u_θ ‧‧‧位移

v‧‧‧流速

v_g ‧‧‧群速

第3圖係顯示由第2圖計算群速之結果者。

第6圖係顯示頻寬與導波之速度分散之關係者。

第7圖係顯示本發明實施例之流量測定裝置之概念圖。

第9圖係顯示使用第8圖之模型而算出之最大位移之分布者。

10．．．超音波流量測定管

11．．．流體流入部

12．．．流量測定部

14、15．．．超音波收發元件

16、17．．．收發切換器

18．．．控制器

19．．．流量演算電路

20．．．流量顯示電路

21．．．脈波產生電路

22．．．共振電路

23．．．放大器

24．．．共振電路

25．．．放大器

30．．．流道

31．．．流道

32．．．流道

33．．．錐部

34．．．大徑流道

35．．．小徑流道

L．．．預定距離

L₀ ．．．全長

L₁ ．．．小徑流道長

Claims

一種流量測定裝置，於流量測定部之兩側間隔距離L分別設置超音波發送元件、接收元件，而可由藉超音波發送元件之驅動而激發之導波朝相距距離L之超音波接收元件自上游向下游傳輸時之傳輸時間T1、與自下游向上游傳輸時之傳輸時間T2之傳輸時間差求出流體之流速，其特徵在於：其並將導波之群速之複數波峰中孤立之導波之群速之波峰之頻率與超音波發送元件、接收元件之共振頻率設定成一致，且將超音波發送元件、接收元件所激發、接收之超音波之功率頻譜之半頻寬設定成不與群速之其它波峰重複之大小。
如申請專利範圍第1項之流量測定裝置，更具備有連接於兩側之超音波發送元件、接收元件之脈波產生電路，於脈波產生電路與兩側之超音波發送元件、接收元件之間，設有依序排列共振電路、放大器、共振電路及放大器而成之放大電路。
如申請專利範圍第1項之流量測定裝置，更具備有連接於兩側之超音波發送元件、接收元件的流量測定側之控制器，於兩側之超音波發送元件、接收元件與流量測定側之控制器之間，設有依序排列共振電路、放大器、共振電路及放大器而成之放大電路。
如申請專利範圍第1至3項中任一項之流量測定裝置，其中流量測定部之流道之入口側及出口側之直徑設成較大，中央部之直徑設成較小，且入口側及出口側與中央部連接成錐狀。
如申請專利範圍第4項之流量測定裝置，其中當流量測定部之流道之入口側及出口側之大徑流道之直徑為Φ₁ ，而中央部之小徑流道之直徑為Φ₂ 時，設定為Φ₂ /Φ₁ =1/10~2/3之範圍。
如申請專利範圍第4項之流量測定裝置，其中當流量測定部之流道全長為L₀ ，中央部之小徑流道的長度為L₁ 時，設定為L₁ /L₀ =0.6~0.98之範圍。