專利名稱：多普勒型超聲流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多普勒型超聲流量計(jì)，它通過采用超聲波的多普勒偏移用來測(cè)量要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率(a flow rate)，更具體地，本發(fā)明涉及一種多普勒型超聲流量計(jì)，它允許自動(dòng)地調(diào)節(jié)和設(shè)定超聲波的最佳頻率和最佳入射角度。
背景技術(shù)：
用來測(cè)量在流體管道中流過的要測(cè)量的流體的流速(flowvelocities)和流動(dòng)速率的流量計(jì)按照測(cè)量原理大致可以分成兩種類型。
第一種類型的流量計(jì)通過利用下述事實(shí)測(cè)量流動(dòng)速率流過一根流體管道的流體的數(shù)量的變化取決于流動(dòng)的方向。作為這種類型的流量計(jì)有一種小孔流量計(jì)。小孔流量計(jì)通過利用下述事實(shí)測(cè)量流動(dòng)速率在一個(gè)小孔上游那一側(cè)的流體壓力與在下游那一側(cè)的流體壓力不同。下面將把這種流動(dòng)速率測(cè)量方法稱為“平均值近似”。
主要在圓管中使用第二種類型的流量計(jì)測(cè)量流體的流動(dòng)速率。
這種類型的流量計(jì)適宜于在管道流中的一個(gè)點(diǎn)測(cè)量流速，例如在管道軸線上的一個(gè)預(yù)先確定的點(diǎn)測(cè)量流速，隨后在所得到的測(cè)量值的基礎(chǔ)上由理論值推測(cè)出在管道中流速的型面構(gòu)形。將流速的型面構(gòu)形積分確定出流動(dòng)速率。下面將把這種流動(dòng)速率測(cè)量方法稱為“近似積分”。
其間，某些流量計(jì)被稱為超聲流量計(jì)，通過將超聲波加到要測(cè)量的流體上測(cè)量流體的流動(dòng)速率。
這樣的超聲流量計(jì)大致可以分成兩種類型一種類型靠平均值近似方法測(cè)量流動(dòng)速率，一種類型靠近似積分測(cè)量流動(dòng)速率。
采用平均值近似的超聲流量計(jì)通過確定兩個(gè)預(yù)先確定的點(diǎn)之間的平均速度測(cè)量流動(dòng)速率，其中利用了下述事實(shí)超聲脈沖在兩個(gè)預(yù)先確定的點(diǎn)之間行進(jìn)所需要的時(shí)間由于流體的流速而不同，取決于超聲脈沖是朝向流體流的上游側(cè)前進(jìn)還是相反朝向流的下游側(cè)前進(jìn)。
采用近似積分的超聲流量計(jì)利用多普勒頻移法在管道的中心軸線上的一點(diǎn)確定要測(cè)量的流體的速度，從而在所測(cè)量的流體速度的基礎(chǔ)上測(cè)量它的流動(dòng)速率，方法之一已經(jīng)在日本專利公開出版物No.HEI 6-294670中公開。以近似積分為基礎(chǔ)的超聲流量計(jì)由理論值或者經(jīng)驗(yàn)規(guī)律確定流速的型面構(gòu)形，然后進(jìn)行積分。例如，在管道中層流區(qū)域的流速型面由一個(gè)拋物面表示，從而可以利用在管道壁上的邊界條件采用在它的中心軸線上測(cè)量的流速確定流動(dòng)速率。嚴(yán)格地說，這個(gè)理論的解決方案適用于在定常狀態(tài)的流動(dòng)，因此，以近似積分為基礎(chǔ)的超聲流量計(jì)僅只可以用于定常狀態(tài)的流動(dòng)，而不能用于非定常狀態(tài)的流動(dòng)。
一般說來，普遍地知道用Navier-Stokes方程(下面把它稱為“NS方程”)表示粘性流體的流動(dòng)。傳統(tǒng)的超聲流量計(jì)利用關(guān)于定常狀態(tài)的流動(dòng)分布的知識(shí)確定流動(dòng)速率，而忽略了NS方程中的時(shí)間微商項(xiàng)。由于這個(gè)原因，如果被測(cè)量的對(duì)象是這樣一個(gè)流場(chǎng)(流體的流場(chǎng))在該流場(chǎng)中由于流動(dòng)速率與時(shí)間相關(guān)的變化近似積分不再保持成立，那么，測(cè)量的精度可能明顯地變壞，或者測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性可能受到破壞。
這樣的流場(chǎng)包括例如流動(dòng)速率系統(tǒng)的改變時(shí)間比確定平均流動(dòng)速率所需要的時(shí)間短的流場(chǎng)，或者流動(dòng)還沒有充分發(fā)展的流場(chǎng)。在前一種情況下，NS方程中的時(shí)間微商項(xiàng)還沒有達(dá)到零，而在后一種情況下，NS方程的一維近似不再成立。
傳統(tǒng)的流量計(jì)用來在定常狀態(tài)下進(jìn)行流動(dòng)速率測(cè)量，使得以足夠高的精度測(cè)量流動(dòng)速率要求例如非常長(zhǎng)的流動(dòng)通道，為的是在測(cè)量位置的上游側(cè)使流動(dòng)穩(wěn)定。這要求時(shí)間，成本和勞動(dòng)力以便鋪設(shè)管線。此外，因?yàn)榱髁坑?jì)是用來測(cè)量定常狀態(tài)下的流動(dòng)速率，所以測(cè)量非定常狀態(tài)下的流動(dòng)速率很困難。
進(jìn)而，傳統(tǒng)的流量計(jì)適宜于測(cè)量在封閉管道壁如圓管中流過的流體的平均流動(dòng)速率，這使得不可能測(cè)量較大的流動(dòng)系統(tǒng)中的局部的流動(dòng)速率。例如，沒有任何流量計(jì)能夠測(cè)量在巨大的攪拌罐的入口或出口附近隨時(shí)間改變的特征流動(dòng)速率。
在三維空間的流場(chǎng)中要測(cè)量的流體流動(dòng)用一個(gè)三維向量表示，而傳統(tǒng)的流量計(jì)測(cè)量的流動(dòng)速率假設(shè)在管道中是一維流動(dòng)。由于這個(gè)原因，即使在封閉的管道中，如果流動(dòng)是三維的，流動(dòng)速率的測(cè)量精度將極大地變壞，或者測(cè)量變成不可能。例如，剛剛流過一個(gè)彎曲的管道比如肘形管道或者一個(gè)U字形的反向流動(dòng)管道，由于離心作用流體的流動(dòng)返回到三維的流動(dòng)。安裝在這樣位置的傳統(tǒng)流量計(jì)將不能進(jìn)行精確的流動(dòng)測(cè)量。本發(fā)明人已經(jīng)在日本專利申請(qǐng)No.HEI10-272359的描述中提出了一種多普勒型超聲流量計(jì)，它利用超聲波的多普勒頻移，使得即使要測(cè)量的流體處于非定常狀態(tài)下也可以實(shí)現(xiàn)精密的、與時(shí)間相關(guān)的、無接觸的流動(dòng)速率測(cè)量。
多普勒型超聲流量計(jì)采用一種技術(shù)從而由在流體管道中要測(cè)量的流體的瞬時(shí)的流速型面直接計(jì)算出流動(dòng)速率，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它在要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率測(cè)量中給出高精度和靈敏度。
也要求傳統(tǒng)的多普勒型超聲流量計(jì)使得能夠容易地并且有多方面適應(yīng)性地測(cè)量在流體管道中要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率。
為了用多普勒型超聲流量計(jì)順利地測(cè)量在多種類型的流體管道中要測(cè)量的流體的流速，必須對(duì)于有各種管壁厚度的流體管道確保足夠的超聲波傳輸效率，并確保足夠的反射波信噪比(S/N ratios)。
在傳統(tǒng)的多普勒型超聲流量計(jì)中，通過改變金屬壁的厚度檢查流體管道的金屬壁的超聲波傳輸特征，從而確定流體管道的最佳厚度。
然而，多普勒型超聲流量計(jì)對(duì)于實(shí)際設(shè)備的應(yīng)用使得改變流體管道的厚度變得不可能，必須制備出對(duì)于每種類型的流體管道有最佳超聲波傳輸特征的超聲流量計(jì)，使得通用性很差。
考慮到上面描述的情況，本發(fā)明提供了一種高通用性的多普勒型超聲流量計(jì)，這也是本發(fā)明的一個(gè)主要目的，它使得可以在各種流體管道中對(duì)要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、容易、無接觸、并且精確的測(cè)量。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種多普勒型超聲流量計(jì)，它可以自動(dòng)地選擇最佳的超聲頻率或者最佳的超聲入射角度，使得關(guān)于流體管道的各種壁厚可以發(fā)生一種共振的傳輸現(xiàn)象，從而通過利用超聲波的多普勒頻移可以對(duì)要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格并精確的測(cè)量。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種多普勒型超聲流量計(jì)，它使得可以甚至對(duì)于不透明或者半透明的流體可以實(shí)現(xiàn)流體流動(dòng)速率的精確和嚴(yán)格的測(cè)量，而光學(xué)的流動(dòng)速率測(cè)量方法對(duì)于這些流體不能應(yīng)用。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種多普勒型超聲流量計(jì)，它使得甚至在流體管道中產(chǎn)生了漩流或者與管道不平行的流動(dòng)的條件下可以對(duì)流體管道中要測(cè)量的流體實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格和精確的測(cè)量。
發(fā)明內(nèi)容
上面描述的本發(fā)明的目的可以通過提供一種多普勒類型的超聲流量計(jì)實(shí)現(xiàn)，它包括一個(gè)超聲傳輸裝置，此裝置設(shè)有一個(gè)超聲傳感器(或變換器)，用來發(fā)射超聲脈沖，且適于使來自超聲傳感器的超聲脈沖進(jìn)入正在流體管道中流動(dòng)的要測(cè)量的流體中；一個(gè)流速型面測(cè)量裝置，用來接收進(jìn)入要測(cè)量的流體中的超聲脈沖的超聲波回聲，該超聲波回聲由流體管道中的一個(gè)測(cè)量區(qū)域反射，并且測(cè)量在測(cè)量區(qū)域中要測(cè)量的流體的流速型面；一個(gè)流體流動(dòng)速率計(jì)算裝置，用來在要測(cè)量的流體的速度型面的基礎(chǔ)上計(jì)算要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率；以及一個(gè)頻率選擇和設(shè)定裝置，用來關(guān)于流體管道的管壁自動(dòng)地選定由超聲傳感器發(fā)出的超聲波的基頻，使得實(shí)現(xiàn)一種共振傳輸現(xiàn)象，其中，該頻率選擇和設(shè)定裝置控制超聲傳輸裝置的運(yùn)行，使得由超聲傳感器發(fā)射出所選定的最佳頻率的超聲波。
為了解決上面描述的問題，在按照本發(fā)明的多普勒類型的超聲流量計(jì)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，振蕩頻率選擇和設(shè)定裝置自動(dòng)地調(diào)整和設(shè)定由超聲傳感器發(fā)射的超聲脈沖的振蕩頻率，使得超聲波的半波長(zhǎng)的整數(shù)倍等于流體管道的壁厚。該頻率選擇和設(shè)定裝置包括一個(gè)振蕩放大器，它用來由超聲傳感器發(fā)射出所要求的振蕩頻率的超聲波，一個(gè)振蕩頻率改變裝置，它用來可變地調(diào)節(jié)并設(shè)定振蕩放大器的振蕩頻率，一個(gè)基頻區(qū)域(或基頻域)設(shè)定裝置，它用來使振蕩頻率改變裝置在一個(gè)事先指定的頻率區(qū)域中運(yùn)行，一個(gè)超聲波接收裝置，它用來接收超聲傳感器發(fā)射的超聲脈沖的由流體管道中的測(cè)量區(qū)域反射的超聲波回聲，以及一個(gè)反射波強(qiáng)度得出裝置，它用來得出并儲(chǔ)存所接收的超聲波回聲的強(qiáng)度，其中，振蕩頻率選擇和設(shè)定裝置重復(fù)得出并選擇振蕩頻率的操作，自動(dòng)地選定最佳的超聲波頻率。
多普勒類型的超聲流量計(jì)還包括一個(gè)入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置，用來調(diào)節(jié)并設(shè)定由超聲傳感器發(fā)射進(jìn)入要測(cè)量的流體中的超聲脈沖的入射角度，其中，入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置具有設(shè)置在流體管道上的超聲傳感器，從而調(diào)節(jié)并設(shè)定成提供給超聲脈沖一個(gè)入射角度，使得關(guān)于流體管道的管壁實(shí)現(xiàn)共振傳輸現(xiàn)象，把頻率選擇和設(shè)定裝置與入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置結(jié)合起來。
而且，為了實(shí)現(xiàn)上述目的按照本發(fā)明提供了一種多普勒類型的超聲流量計(jì)，它包括一個(gè)超聲傳輸裝置，此裝置設(shè)有一個(gè)超聲傳感器，用來由超聲傳感器發(fā)射出超聲脈沖進(jìn)入正在流體管道中流動(dòng)的要測(cè)量的流體中；一個(gè)流速型面測(cè)量裝置，用來接收進(jìn)入要測(cè)量的流體中的超聲脈沖的超聲波回聲，該超聲波回聲由流體管道中的測(cè)量區(qū)域反射，并且測(cè)量在測(cè)量區(qū)域中要測(cè)量的流體的流速型面；一個(gè)流體流動(dòng)速率計(jì)算裝置，用來在要測(cè)量的流體的速度型面的基礎(chǔ)上計(jì)算要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率；以及一個(gè)入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置，用來調(diào)節(jié)并設(shè)定由超聲傳感器發(fā)射進(jìn)入要測(cè)量的流體中的超聲脈沖的入射角度，其中，入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置具有設(shè)置在流體管道上的超聲傳感器，從而可以調(diào)節(jié)并設(shè)定它，可以提供給超聲脈沖一個(gè)入射角度，使得關(guān)于流體管道的管壁實(shí)現(xiàn)共振傳輸現(xiàn)象。
進(jìn)而，入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置可以裝設(shè)有由外側(cè)面設(shè)置在流體管道上的一個(gè)超聲傳感器，允許調(diào)節(jié)和設(shè)定由超聲傳感器發(fā)射的超聲脈沖的入射角度的一個(gè)入射角度改變機(jī)構(gòu)，用來在一個(gè)事先指定的一個(gè)入射角度范圍內(nèi)致動(dòng)入射角度改變機(jī)構(gòu)的一個(gè)入射角度范圍設(shè)定裝置，以及一個(gè)得出反射波強(qiáng)度的裝置，此裝置用來接收超聲傳感器發(fā)射的超聲脈沖的由流體管道中的測(cè)量區(qū)域反射的超聲波回聲，并且得出并儲(chǔ)存超聲波回聲的強(qiáng)度，其中，入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置可以重復(fù)地進(jìn)行得出并選擇超聲脈沖入射角度的操作，從而自動(dòng)地選定最佳的超聲脈沖入射角度。該超聲傳感器可以設(shè)置在流體管道的外側(cè)面上，使得它的安裝角度可以調(diào)節(jié)，并且由入射角度改變機(jī)構(gòu)選定超聲傳感器的安裝角度，從而調(diào)節(jié)并設(shè)定由超聲傳感器發(fā)射的超聲脈沖的入射角度。
進(jìn)而，為了實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的多普勒類型的超聲流量計(jì)包括設(shè)置在流體管道上的第一超聲傳感器；第二超聲傳感器，它設(shè)置成在流體管道的軸向方向上離開第一超聲傳感器；一個(gè)超聲傳感器移動(dòng)機(jī)構(gòu)，用來關(guān)于第二超聲傳感器向前或向后相對(duì)移動(dòng)第一超聲傳感器，將兩個(gè)超聲傳感器設(shè)置成使得所發(fā)射的超聲脈沖在流體管道的測(cè)量區(qū)域中正交；反射波接收器，用來接收來自流體管道的一個(gè)測(cè)量區(qū)域的超聲波回聲，這些回聲是分別由第一和第二超聲傳感器發(fā)射的超聲脈沖的反射波；速度向量計(jì)算裝置，用來由被反射波接收器接收的超聲波回聲的強(qiáng)度計(jì)算在超聲測(cè)量線的方向上的速度向量；以及一個(gè)流速向量計(jì)算裝置，用來由速度向量計(jì)算裝置計(jì)算的速度向量的向量和中計(jì)算出要測(cè)量的流體的流速向量，其中，由在流體管道的測(cè)量線的方向上的流速型面計(jì)算出要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率，由流速向量計(jì)算裝置計(jì)算出該流速型面。
如上所述，按照本發(fā)明的多普勒型超聲流量計(jì)設(shè)有用來自動(dòng)地選擇并設(shè)定由超聲傳感器發(fā)出的超聲脈沖的振蕩頻率的頻率選擇和設(shè)定裝置和用來可以選擇地把由超聲傳感器發(fā)出的超聲脈沖的入射角度設(shè)定到最佳角度的入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置。按照這種設(shè)置，可以自動(dòng)地設(shè)定超聲波的最佳頻率或最佳入射角度，這使得關(guān)于流體管道的壁厚實(shí)現(xiàn)共振傳輸現(xiàn)象。這樣不再需要對(duì)于每種類型的流體管道提供最佳適用的超聲傳感器。因此，多普勒型超聲流量計(jì)的通用性強(qiáng)，并且可以對(duì)正在流體管道中流動(dòng)的要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、容易、嚴(yán)格并高度精確和無接觸測(cè)量。
按照本發(fā)明的多普勒型超聲流量計(jì)通過利用超聲波的多普勒頻移使得可以實(shí)現(xiàn)對(duì)要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率的嚴(yán)格和高度精確的測(cè)量，使得即使對(duì)不透明或者半透明的流體，這些流體不能用光學(xué)流動(dòng)速率測(cè)量裝置測(cè)量，或者對(duì)在流體管道中有漩渦，渦流或者不平行的流動(dòng)的流體也可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格和高度精確的測(cè)量。
進(jìn)而，由下面參考著附圖給出的對(duì)實(shí)施例的描述將會(huì)清楚地理解本發(fā)明的上述和其它結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。
圖1為一個(gè)簡(jiǎn)圖，示出了按照本發(fā)明的多普勒型超聲流量計(jì)的第一實(shí)施例；圖2為用來解釋用按照本發(fā)明的多普勒型超聲流量計(jì)進(jìn)行流動(dòng)速率測(cè)量的原理的圖；圖3示出了超聲波在金屬壁表面的傳輸特征；圖4示出了正在流體管道中流動(dòng)的要測(cè)量的流體的平均流速型面；圖5示出了按照本發(fā)明的多普勒型超聲流量計(jì)的第二實(shí)施例；圖6示出了在多普勒頻率的基礎(chǔ)上計(jì)算出的在超聲波入射角度方向上的速度分量，此圖用來解釋按照本發(fā)明的多普勒型超聲流量計(jì)的第三實(shí)施例；圖7為一個(gè)原理圖，說明按照本發(fā)明的多普勒型超聲流量計(jì)的第三實(shí)施例；以及圖8為信號(hào)處理方框圖，示出了按照本發(fā)明的多普勒型超聲流量計(jì)的第三實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
下面將參考著附圖解釋按照本發(fā)明的多普勒型超聲流量計(jì)的實(shí)施例。
圖1為一個(gè)簡(jiǎn)圖，示出了按照本發(fā)明的多普勒型超聲流量計(jì)的第一實(shí)施例。多普勒型超聲流量計(jì)10測(cè)量要測(cè)量的流體12比如正在流體管道11中流動(dòng)的液體或氣體的速度型面，從而實(shí)現(xiàn)流動(dòng)速率的與時(shí)間相關(guān)的瞬時(shí)測(cè)量。
多普勒型超聲流量計(jì)10設(shè)有一個(gè)超聲波速度型面測(cè)量單元(下面把它稱為“UVP單元”)13，用來對(duì)于正在流體管道11中流動(dòng)的流體12實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。UVP單元13有一個(gè)超聲波傳輸裝置15，用來沿著測(cè)量線ML向流體12發(fā)射預(yù)先確定頻率(基頻為f0)的超聲波脈沖，還有一個(gè)流速型面測(cè)量裝置16，用來接收進(jìn)入流體12的超聲脈沖的超聲波回聲(這些回聲是來自測(cè)量區(qū)域的反射波)，測(cè)量在測(cè)量區(qū)域中流體12的流速型面，該單元還有一臺(tái)計(jì)算機(jī)17，比如微處理機(jī)，一個(gè)CPU或者M(jìn)PU，其功能是作為流體流動(dòng)速率計(jì)算裝置，用來在要測(cè)量的流體12的速度型面的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算處理，在徑向方向上進(jìn)行積分，從而以時(shí)間相關(guān)的方式確定流體12的流動(dòng)速率，該單元還有一個(gè)顯示裝置18，使得可以以時(shí)間序列的方式顯示出計(jì)算機(jī)17的輸出，該單元還有一個(gè)頻率選擇和設(shè)定裝置19，用來對(duì)于正在流體管道11中流動(dòng)的流體12自動(dòng)地選擇最佳頻率的超聲波。
超聲波傳輸裝置15有用來發(fā)射所要求頻率的超聲脈沖的超聲傳感器20和用作信號(hào)發(fā)生器的一個(gè)振蕩放大器21，用來使超聲傳感器20振蕩。振蕩放大器21裝設(shè)有用來產(chǎn)生預(yù)先確定的基頻f0的電信號(hào)的一個(gè)振蕩器23和一個(gè)發(fā)射器24(頻率為Frpf)，用來在預(yù)先確定的時(shí)間間隔(1/Frpf)由振蕩器23以脈沖的形式輸出電信號(hào)。由作為信號(hào)發(fā)生器的振蕩放大器21輸入所要求基頻f0的脈沖電信號(hào)，輸?shù)匠晜鞲衅?0。當(dāng)把脈沖電信號(hào)加到超聲傳感器20上時(shí)，沿著測(cè)量線ML發(fā)射出基頻為f0的超聲脈沖。超聲脈沖例如為一個(gè)線性束，它的脈沖寬度大約為5毫米，并且很難擴(kuò)展開。
超聲傳感器20也用作一個(gè)發(fā)射-接收裝置，并且超聲傳感器20用來接收所發(fā)射的超聲脈沖被流體中的反射體反射的超聲波回聲。反射體是在要測(cè)量的流體12中均勻分布的空氣氣泡，金屬微細(xì)粉末或類似物，或者與流體12的聲學(xué)阻抗不同的外部物體。
一個(gè)反射波接收器27接收被超聲傳感器20接收的超聲波回聲，并且此反射波接收器27將這些回聲轉(zhuǎn)換成回聲電信號(hào)。一個(gè)放大器28將這些回聲電信號(hào)放大，并且隨后通過A/D變換器29對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化，并將數(shù)字化的回聲電信號(hào)提供給流速型面測(cè)量線路30，該線路構(gòu)成流速型面測(cè)量裝置。流速型面測(cè)量線路30由振蕩放大器21接收基頻為f0的數(shù)字化的電信號(hào)，在由兩個(gè)信號(hào)之間的頻率差得到的多普勒頻移的基礎(chǔ)上測(cè)量流速的變化，并且計(jì)算出在測(cè)量區(qū)域中沿著測(cè)量線ML的流速型面。在測(cè)量區(qū)域中將流速型面校正一個(gè)傾斜角度α使得可以測(cè)量出在流體管道11的截面中的流速型面。
其間，頻率選擇和設(shè)定裝置19關(guān)于流體管道11的壁厚選定一個(gè)最佳值作為由超聲傳感器20發(fā)射出的超聲波脈沖的基頻f0，從而產(chǎn)生一種共振傳輸現(xiàn)象。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體管道11的壁厚為超聲波的基頻f0的半整數(shù)倍或者整數(shù)倍時(shí)，超聲波的金屬壁傳輸特征極其明顯。
在這個(gè)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，多普勒型超聲流量計(jì)10包括頻率選擇和設(shè)定裝置19，它使得可以自由地并且自動(dòng)地選擇所要求的基頻f0，這個(gè)基頻使得各種類型的流體管道11可以實(shí)現(xiàn)共振的傳輸現(xiàn)象，而不用改變流體管道11的管壁厚度。
頻率選擇和設(shè)定裝置19有一個(gè)振蕩放大器21，它用來使得超聲傳感器可以發(fā)射出所要求的振蕩頻率(基頻為f0)的超聲波，一個(gè)振蕩頻率改變裝置31，它可變地調(diào)節(jié)并設(shè)定振蕩放大器21的振蕩頻率，一個(gè)基頻區(qū)域設(shè)定裝置32，它用來使振蕩頻率改變裝置31在對(duì)于該頻率改變裝置31事先指定的范圍內(nèi)例如在200kHz到4MHz的頻率區(qū)域中運(yùn)行，作為超聲波接收裝置的一個(gè)反射波接收器27，它用來接收由流體管道11中的一個(gè)測(cè)量區(qū)域反射的超聲波回聲，一個(gè)反射波強(qiáng)度得出裝置33，它設(shè)有用于區(qū)域(the city)的強(qiáng)度的一個(gè)記憶體，此區(qū)域用一個(gè)放大器28放大所接受的超聲波回聲信號(hào)，隨后得出超聲波回聲信號(hào)的強(qiáng)度，并且把它們儲(chǔ)存在對(duì)于裝置33設(shè)置的一個(gè)記憶體中，以及有反射波強(qiáng)度顯示功能的一個(gè)顯示裝置18，在此顯示裝置上顯示由反射波強(qiáng)度得出裝置33得出并且儲(chǔ)存的反射強(qiáng)度(超聲波回聲強(qiáng)度)。
這樣，頻率選擇和設(shè)定裝置19通過振蕩放大器21使超聲傳感器20振蕩，發(fā)射出超聲脈沖。在振蕩頻率改變裝置31的輸出信號(hào)的基礎(chǔ)上決定振蕩放大器21的振蕩頻率f0。振蕩頻率改變裝置31在事先由基頻區(qū)域設(shè)定裝置32決定的頻率區(qū)域中可以變化地設(shè)定振蕩放大器21的振蕩頻率。
頻率選擇和設(shè)定裝置19通過反射波強(qiáng)度得出裝置33，振蕩頻率改變裝置31等裝置的合作重復(fù)地實(shí)現(xiàn)超聲振蕩頻率的得出和選定，并且自動(dòng)地選擇和設(shè)定關(guān)于流體管道11的壁厚的最佳超聲頻率，此頻率可以產(chǎn)生共振傳輸現(xiàn)象。
當(dāng)選擇和設(shè)定最佳超聲頻率時(shí)，在來自振蕩頻率改變裝置31的輸出信號(hào)的基礎(chǔ)上決定振蕩放大器21的振蕩頻率。振蕩放大器21使超聲傳感器20振蕩，將所要求基頻f0的超聲脈沖發(fā)射進(jìn)流體管道11中，該基頻是最佳頻率。
因?yàn)橛沙晜鞲衅?0發(fā)射出最佳頻率的超聲脈沖，所以可以保證適當(dāng)?shù)胤瓷涞牟ǖ男旁氡?，可以獲得較大的超聲波回聲信號(hào)，這種回聲就是反射波。為了保證有較大的超聲波回聲信號(hào)，重要的是選擇超聲波的基頻f0，使得關(guān)于流體管道11的壁厚(在測(cè)量線ML方向上的壁厚)發(fā)生共振傳輸現(xiàn)象。
將流體管道11的壁厚設(shè)定為超聲波波長(zhǎng)的一半的整數(shù)倍使得在流體管道11的接口的超聲波傳輸能力由于共振效應(yīng)而明顯地提高。超聲波傳輸能力提高的結(jié)果會(huì)增大超聲波回聲信號(hào)，這種回聲信號(hào)是來自要測(cè)量的流體12中的反射體的反射波。
因此，如果頻率選擇和設(shè)定裝置19選定的基頻f0對(duì)于流體管道11的壁厚是最佳的頻率，作為由超聲傳感器20發(fā)射的超聲脈沖的振蕩頻率，那么，在超聲路徑(即在測(cè)量線ML方向的行進(jìn)路徑)的衰減降低，同時(shí)在流體管道11的接口的超聲傳輸能力提高，因此可以獲得適當(dāng)?shù)姆瓷洳◤?qiáng)度。
在圖1中附圖標(biāo)記35表示一種接觸介質(zhì)，用來使得由超聲傳感器20發(fā)射出的超聲波容易平穩(wěn)地進(jìn)入流體管道11中。設(shè)置這種接觸介質(zhì)35確保由于降低由超聲傳感器20發(fā)射進(jìn)入流體管道11中的超聲波的聲學(xué)阻抗帶來良好的聲學(xué)開關(guān)性能。
在第一實(shí)施例中，反射波接收器27接收超聲波回聲，這種回聲是超聲脈沖的反射波。然而，單獨(dú)地設(shè)置反射波接收器27不總是必須的，可以替代地將反射波接收器結(jié)合在超聲傳感器20的接收功能中。
現(xiàn)在參見圖2(2A，2B和2C)，將解釋多普勒型超聲流量計(jì)10的工作原理。
如在圖2A中所示，當(dāng)由超聲傳感器20發(fā)射出頻率為所要求的基頻f0的超聲脈沖時(shí)，同時(shí)將超聲傳感器20安裝在要測(cè)量的流體流動(dòng)的方向相對(duì)于流體管道11的徑向方向的夾角為α，均勻地分布在要測(cè)量的流體12中的反射體比如空氣氣泡或者外部物體在測(cè)量線ML上反射超聲波脈沖，并且隨后以超聲波回聲a的形式返回到超聲傳感器20，此回聲就是反射波，如在圖2B中所示。在圖2B中的附圖標(biāo)記b表示在超聲脈沖進(jìn)入的那一側(cè)被管道壁反射的多重反射的回聲，而附圖標(biāo)記c表示在相對(duì)的那一側(cè)被管道壁反射的多重反射的回聲。由超聲傳感器20發(fā)射出的超聲脈沖的發(fā)射間隔為1/Frpf。
由超聲傳感器20發(fā)射的回聲信號(hào)經(jīng)過濾波處理，采用多普勒頻移法測(cè)量出沿著測(cè)量線ML的流速型面。在圖2C中示出了測(cè)量結(jié)果。可以由UVP單元13的流速型面測(cè)量裝置16測(cè)量出流速型面。
在多普勒頻移法應(yīng)用的原理中，混合在流體12中或者均勻分布在流體中的反射體反射發(fā)射進(jìn)入在流體管道11中流動(dòng)的流體12中的超聲脈沖，被反射的超聲脈沖返回，成為超聲波回聲，超聲波回聲的頻率移動(dòng)的數(shù)量與流速成正比。
將超聲波流速型面測(cè)量裝置16測(cè)量的流體12的流速型面信號(hào)送到用作流速型面計(jì)算裝置的計(jì)算機(jī)17，在計(jì)算機(jī)中將流速型面信號(hào)在流體管道11的徑向方向上積分，從而與時(shí)間相關(guān)地確定出要測(cè)量的流體12的流速。如果用m(t)表示要測(cè)量的流體12在時(shí)刻t的流速，那么流動(dòng)速率可以用下面給出的表達(dá)式表示m(t)＝p∫v(x·t)·dA………(1)其中p為要測(cè)量的流動(dòng)速率，v(x，t)為在時(shí)刻t(在x方向)的速度分量。
由表達(dá)式(1)可以將在時(shí)刻t在流體管道11中的流動(dòng)速率m(t)重新寫成下面給出的表達(dá)式m(t)＝p∫∫vx(r·θ·t)·r·dr·dθ ………(2)其中vx(r，θ，t)為在管道軸線的方向上在角度θ并且在管道的截面上離開中心的距離為r的位置在時(shí)刻t的速度分量。
多普勒型超聲流量計(jì)10可以由這個(gè)表達(dá)式(2)立即以例如大約5毫秒到大約100毫秒的響應(yīng)速度得到要測(cè)量的流體12的流動(dòng)的空間型面。如果不能保證一個(gè)適當(dāng)?shù)钠饎?dòng)區(qū)域或者由于閥門的打開/關(guān)閉或泵的啟動(dòng)/停止存在隨時(shí)間的起伏，在流體管道(圓形管道)11中流體12的流動(dòng)有不穩(wěn)定狀態(tài)的三維型面。然而，多普勒型超聲流量計(jì)10使得可以立即與時(shí)間相關(guān)地確定在測(cè)量區(qū)域中的流速型面，從而可以以高精度嚴(yán)格地確定出要測(cè)量的流體12的流動(dòng)速率，與流動(dòng)是處于穩(wěn)定狀態(tài)還是不穩(wěn)定狀態(tài)無關(guān)。
進(jìn)而，通過采用按照本發(fā)明的多普勒型超聲流量計(jì)10進(jìn)行了關(guān)于由超聲傳感器20發(fā)射出的超聲波的傳輸特點(diǎn)的證實(shí)性試驗(yàn)。
圖3示出了試驗(yàn)的結(jié)果，示出了超聲波的壁表面?zhèn)鬏斕卣鳌?br>
用于這個(gè)試驗(yàn)的多普勒型超聲流量計(jì)10靠頻率選擇和設(shè)定裝置19能夠自動(dòng)地調(diào)節(jié)和設(shè)定由超聲傳感器20發(fā)射出的超聲波的基頻，例如以5kHz為單位由200kHz到幾MHz例如2MHz變化。
為了進(jìn)行關(guān)于超聲波的壁表面?zhèn)鬏數(shù)脑囼?yàn)，在直徑為250毫米的聚丙烯管道的一部分嵌入不銹鋼，并且把超聲傳感器20裝在不銹鋼壁的外部上。發(fā)射超聲波，在不同的基頻下檢查超聲波由聚丙烯管道的對(duì)面壁表面的反射強(qiáng)度。示出了當(dāng)使基頻以5kHz為單位改變基頻時(shí)獲得的反射波傳輸強(qiáng)度曲線h，i和j。對(duì)于關(guān)于超聲波的壁表面?zhèn)鬏數(shù)脑囼?yàn)采用了三種不同的不銹鋼壁厚9.5毫米，11.5毫米和13毫米。圖3示出了采用9.5毫米壁厚的不銹鋼超聲波壁表面?zhèn)鬏斣囼?yàn)的示例。橫坐標(biāo)軸表示超聲波的基頻f0，而縱坐標(biāo)軸表示超聲波由相對(duì)的壁反射的強(qiáng)度。所采用的三種類型的超聲傳感器的特征頻率為0.25MHz，0.5MHz和1MHz，它們的傳輸強(qiáng)度曲線由附圖標(biāo)記h，i和j表示。
在圖3中箭頭l，m和n表示超聲波的振蕩頻率波長(zhǎng)與不銹鋼壁厚之間的關(guān)系，并且表示以最短的超聲波波長(zhǎng)開始波長(zhǎng)為1/2倍，1倍和3/2倍不銹鋼壁厚的頻率的位置。
在圖3的基礎(chǔ)上可以理解到如果例如使用1-MHz的超聲傳感器，那么當(dāng)按照不銹鋼管道的壁厚將基頻設(shè)定在大約910kHz進(jìn)行流動(dòng)速率測(cè)量時(shí)可以獲得好的超聲波傳輸特征。可以看到頻率傳輸強(qiáng)度曲線j示出了在箭頭n表示的位置反射波的傳輸強(qiáng)度水平較高。
現(xiàn)在以在圖3中示出的超聲波傳輸特征為基礎(chǔ)，準(zhǔn)備由碳鋼(內(nèi)徑為150毫米)制作的一根流體管道，它的壁厚為9.5毫米，采用特征頻率為1-MHz的超聲傳感器20，并且頻率選擇和設(shè)定裝置19將由超聲傳感器20發(fā)射的基頻f0選擇和設(shè)定到910kHz，測(cè)量要測(cè)量的流體的流速型面。
在圖4中示出了測(cè)量試驗(yàn)得到的要測(cè)量的流體的時(shí)間平均流速型面的結(jié)果。流體的流速型面的測(cè)量點(diǎn)的范圍由60毫米到150毫米。在由碳鋼制作的流體管道的管道中心部分之前的那一側(cè)(范圍為0毫米到60毫米)，超聲波在壁的反射使得很難獲得適當(dāng)?shù)牧魉傩兔妗Ｈ欢谠竭^管道中心部分的那一側(cè)的測(cè)量區(qū)域中，壁表面不影響測(cè)量流體12的流速型面，可以獲得相當(dāng)平滑的平均流速型面曲線“0”。
在平均流速型面曲線“0”的基礎(chǔ)上，將流體管道11中的平均流速型面積分，從而可以實(shí)現(xiàn)在流體管道11中流動(dòng)的流體12的流動(dòng)速率的精確的無接觸測(cè)量。
圖5示出了按照本發(fā)明的多普勒型超聲流量計(jì)的第二實(shí)施例。
在這個(gè)實(shí)施例中示出的多普勒型超聲流量計(jì)可以用來改變流體管道11的壁厚，實(shí)現(xiàn)共振傳輸現(xiàn)象，作為改進(jìn)反射波信噪比的一種方法，代替選擇進(jìn)入流體管道11的超聲波脈沖的最佳頻率。
然而，因?yàn)閷?shí)際上不可能改變流體管道11的壁厚，通過改變超聲傳感器20的安裝角度提供了與改變流體管道11的壁厚等價(jià)的一種手段。
在第二實(shí)施例中，入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置40調(diào)節(jié)并設(shè)定由超聲傳感器20發(fā)射的超聲脈沖的入射角度α，從而自動(dòng)地選擇與流體管道11的壁厚相對(duì)應(yīng)的超聲波入射角度。把相同的附圖標(biāo)記加到參考著第一實(shí)施例描述的多普勒型超聲流量計(jì)10由相同的附圖標(biāo)記表示的那些件相對(duì)應(yīng)的件上，并且在這里將省略對(duì)它們的解釋。
在圖5中示出的多普勒型超聲流量計(jì)10A設(shè)有入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置40，代替頻率選擇和設(shè)定裝置19。
入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置40裝設(shè)有一個(gè)超聲傳感器20，將此傳感器由外側(cè)面設(shè)置在流體管道11上，其方式為它的安裝角度可以調(diào)節(jié)，裝置40還有能夠調(diào)節(jié)和設(shè)定由超聲傳感器20發(fā)射的超聲脈沖的入射角度α的一個(gè)入射角度改變機(jī)構(gòu)41，用來在一個(gè)事先指定的一個(gè)入射角度范圍中，例如入射角度可以在由5度到45度的角度寬度范圍內(nèi)改變，致動(dòng)入射角度改變機(jī)構(gòu)41的一個(gè)入射角度范圍設(shè)定裝置43，以及一個(gè)得出反射波強(qiáng)度的裝置44，此裝置接收由流體管道11中一個(gè)測(cè)量區(qū)域反射的超聲波回聲，并且隨后得出并儲(chǔ)存超聲波回聲的強(qiáng)度。隨后在由反射波強(qiáng)度顯示功能的一個(gè)顯示裝置上顯示由得出反射波強(qiáng)度的裝置44得出并儲(chǔ)存的超聲波回聲強(qiáng)度。
入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置40是一個(gè)使得入射角度改變機(jī)構(gòu)41在大約5度到大約45度的范圍內(nèi)改變超聲波入射角度α的機(jī)構(gòu)。在由入射角度改變機(jī)構(gòu)41發(fā)出的一個(gè)輸出信號(hào)的基礎(chǔ)上，自動(dòng)地將超聲傳感器20的安裝角度調(diào)整并設(shè)定到一個(gè)最佳值。通過致動(dòng)一個(gè)安裝角度改變和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)比如一臺(tái)步進(jìn)馬達(dá)46或類似裝置由入射角度改變機(jī)構(gòu)41發(fā)出的輸出信號(hào)可以變化地調(diào)節(jié)并設(shè)定超聲傳感器20的安裝角度。
由超聲傳感器20發(fā)射的超聲波的入射角度α是相對(duì)于流體管道11的管道表面的一根垂直線或者一個(gè)垂直表面形成的角度。入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置40將由超聲傳感器20發(fā)射的超聲波的入射角度設(shè)定到關(guān)于流體管道11的壁厚的最佳角度，從而使得實(shí)現(xiàn)一種共振傳輸現(xiàn)象。
入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置40靠由入射角度改變機(jī)構(gòu)41發(fā)出的輸出信號(hào)在由大約5度到大約45度的一個(gè)入射角度范圍內(nèi)改變由超聲傳感器20發(fā)射的超聲波的入射角度，并且得出反射波強(qiáng)度的裝置44得出并儲(chǔ)存反射波強(qiáng)度。顯示單元18顯示得出反射波強(qiáng)度的裝置44儲(chǔ)存的反射波強(qiáng)度，同時(shí)，入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置40重復(fù)地實(shí)現(xiàn)得出并選擇超聲脈沖的入射角度的操作，自動(dòng)地選擇并采用超聲脈沖的最佳入射角度。
入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置40將由超聲傳感器20發(fā)射的超聲波脈沖的入射角度調(diào)節(jié)并設(shè)定到最佳角度將與流體管道11的壁厚的實(shí)體改變等價(jià)，并且由超聲傳感器20發(fā)射的超聲波脈沖使得可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于流體管道11中要測(cè)量的流體12的流速型面和流動(dòng)速率的嚴(yán)格和精確的測(cè)量。
通過改變由超聲傳感器20發(fā)射的超聲波的入射角度(進(jìn)入角度)可以改變?cè)诓牧现械膫鞑ゾ嚯x，即，超聲波在流體管道11中的傳播距離。進(jìn)而，把超聲波的傳播距離設(shè)定到超聲波的半波長(zhǎng)的整數(shù)倍使得關(guān)于流體管道11的壁厚實(shí)現(xiàn)共振傳輸現(xiàn)象。這使得可以保證得到一個(gè)適當(dāng)?shù)姆瓷洳ㄐ旁氡龋梢员ＷC超聲波回聲的強(qiáng)度，該回聲是一種反射波。因此，可以精確并且無接觸地測(cè)量出在流體管道11中流動(dòng)的要測(cè)量的流體12的流速型面和流動(dòng)速率。
在所描述的多普勒型超聲流量計(jì)的每個(gè)實(shí)施例中，示出了裝設(shè)有頻率選擇和設(shè)定裝置19的示例，并且已經(jīng)示出了裝設(shè)有入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置40的示例。然而替代地，可以將頻率選擇和設(shè)定裝置19與入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置40結(jié)合在單一的多普勒型超聲流量計(jì)中。在裝設(shè)有兩種設(shè)定裝置19和40的組合的多普勒型超聲流量計(jì)使得可以容易地自動(dòng)選擇和設(shè)定最佳頻率和最佳入射角度。
在圖1到4中示出的多普勒型超聲流量計(jì)10和10A適宜于用流速型面的線性測(cè)量方法測(cè)量要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率，這種方法采用超聲脈沖和超聲波回聲的多普勒頻移。因此，為了改進(jìn)測(cè)量精度，必須增加測(cè)量線ML的數(shù)目和所安裝的超聲傳感器20的數(shù)目。在實(shí)踐中，將需要把N個(gè)超聲傳感器20安裝在管道11的沿圓周方向預(yù)先確定的間隔上，并且將測(cè)量線ML設(shè)定在相對(duì)于管道壁的垂線的一個(gè)角度α，使得所有測(cè)量線ML穿過管道11的軸線。
因此，如果在管道11中流動(dòng)的流體12的流正在管道軸線的方向上流動(dòng)，并且在徑向方向上的流速vr和在角度θ的流速v0可以忽略，那么，vx＞＞vr，vx＞＞v0。流速測(cè)量將變得簡(jiǎn)單，并且可以由下面給出的表達(dá)式表示m(t)=ΣiN·2πN∫RK{vx(r·θi·t)/sinα}·r·dr---(3)]]>因此顯示單元18可以以與時(shí)間相關(guān)的方式立即顯示出所確定的流體12的流動(dòng)速率。顯示單元18也能夠顯示出在流體管道11中沿著測(cè)量線ML的流速型面或者在管道的截面中的流速型面。
圖6到圖8示出了按照本發(fā)明的多普勒型超聲流量計(jì)的第三實(shí)施例。
如在圖6中所示，這個(gè)實(shí)施例的多普勒型超聲流量計(jì)10B在多普勒頻率的基礎(chǔ)上計(jì)算出正在流體管道11中流動(dòng)的要測(cè)量流體12的在超聲波入射角度(進(jìn)入角度)方向上的速度分量。由所計(jì)算的多普勒頻率按照現(xiàn)行測(cè)量方法確定出沿著測(cè)量線ML的流速型面，從而計(jì)算出流體12的流動(dòng)速率。
多普勒型超聲流量計(jì)10B由多普勒頻率計(jì)算出在超聲波路徑(測(cè)量線ML)方向上的速度向量V2，并且用速度向量V2除以sinα，從而計(jì)算出在流體管道11的軸線方向上的速度向量V1。
如果要測(cè)量的流體12的流動(dòng)與流體管道11不平行并且在流體管道11中存在漩渦流動(dòng)，或者在流體管道11中存在不平行的流動(dòng)，多普勒型超聲流量計(jì)10B將不能計(jì)算出正確的流速。例如，如在圖7中所示，如果有一個(gè)空氣氣泡，它的速度向量為V3，那么，速度向量V3把在同一方向上的速度向量V2分配作為流體12的速度向量V1，使得流量計(jì)錯(cuò)誤地把流體12中空氣氣泡的表觀速度計(jì)算成在流體管道11的軸向方向上的大速度。
為了解決在表觀速度的基礎(chǔ)上計(jì)算流動(dòng)速率的問題，多普勒型超聲流量計(jì)10B設(shè)有安裝在流體管道11上的兩個(gè)超聲傳感器20和20a。把一個(gè)超聲傳感器20安裝成與另一個(gè)超聲傳感器20a正交。兩個(gè)超聲傳感器20和20a確定它們的速度向量V2和V4，并且計(jì)算出速度向量V2與V4的和，從而使得可以適當(dāng)?shù)卮_定出要測(cè)量的流體12的流速和空氣氣泡的流速。
在該多普勒型超聲流量計(jì)10B中，將另一個(gè)超聲傳感器20a的構(gòu)形做成可以在流體管道11上相對(duì)于超聲傳感器20移動(dòng)，為的是適當(dāng)?shù)販y(cè)量出流體12的流速。
因此，多普勒型超聲流量計(jì)10B裝設(shè)有一個(gè)超聲傳感器移動(dòng)機(jī)構(gòu)46，用來關(guān)于一個(gè)超聲傳感器20向前或向后相對(duì)移動(dòng)另一個(gè)超聲傳感器20a，并且將該流量計(jì)的構(gòu)形做成如在圖8中示出的信號(hào)處理方框圖中所表示的那樣。
在圖8中所示的多普勒型超聲流量計(jì)10B中，將兩個(gè)超聲傳感器20和20a設(shè)置成使得由兩個(gè)超聲傳感器20和20a發(fā)射的超聲脈沖的入射方向在流體管道11中相互正交。更具體地說，在多普勒型超聲流量計(jì)10B中，將兩個(gè)超聲傳感器20和20a設(shè)置成使得由兩個(gè)超聲傳感器20和20a發(fā)射的超聲脈沖在流體管道11的測(cè)量區(qū)域中正交。
多普勒型超聲流量計(jì)10B裝設(shè)有反射波接收器27和27a，用來接收來自流體管道11的測(cè)量區(qū)域的超聲波回聲，這些回聲是由兩個(gè)超聲傳感器20和20a發(fā)射的超聲脈沖的反射波，該流量計(jì)還裝設(shè)有速度向量計(jì)算裝置47和47a，其中它用來由被各自的反射波接收器27和27a接收的超聲波回聲的強(qiáng)度計(jì)算出超聲測(cè)量線的方向上的速度向量，以及一個(gè)流速向量計(jì)算裝置48，用來由各自的速度向量計(jì)算裝置47和47a計(jì)算出的速度向量的向量和計(jì)算出要測(cè)量的流體的流速向量，其中由在流體管道11的測(cè)量線ML的方向上的流速型面計(jì)算出流體12的流動(dòng)速率，由流速向量計(jì)算裝置48計(jì)算出該流速型面。
反射波接收器27和27a分別接收超聲波回聲，這些回聲是由兩個(gè)超聲傳感器20和20a發(fā)射的超聲脈沖的反射波。速度向量計(jì)算裝置47和47a將被各自的反射波接收器27和27a接收的超聲波回聲的強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成測(cè)量線ML的方向(在路徑方向)上的速度向量。流速向量計(jì)算裝置48計(jì)算出所得到的速度向量在路徑方向上的向量的向量和，從而計(jì)算出要測(cè)量的流體12的流速的正確的速度向量。
通過采用速度向量計(jì)算裝置47，47a和流速向量計(jì)算裝置48構(gòu)形出流速型面測(cè)量線路30可以確定流體12的流動(dòng)速率，或者通過測(cè)量在流體管道11中流動(dòng)的要測(cè)量的流體12沿著路徑(測(cè)量線)ML方向的流速型面、并且隨后實(shí)現(xiàn)在超聲波的路徑方向上對(duì)流速型面積分的計(jì)算可以確定流體12的流動(dòng)速率。
在計(jì)算出流速型面測(cè)量線路30的流速向量計(jì)算裝置48的位置的流速之后，用超聲傳感器移動(dòng)機(jī)構(gòu)46使超聲傳感器20或20a在流體管道11上運(yùn)動(dòng)，在下一個(gè)位置收集數(shù)據(jù)。超聲傳感器移動(dòng)機(jī)構(gòu)46使超聲傳感器20或20a由一個(gè)位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)位置，在超聲脈沖的路徑方向上在整個(gè)區(qū)域內(nèi)確定要測(cè)量的流體12的流速型面。這使得可以通過計(jì)算嚴(yán)格地確定出流動(dòng)速率。
工業(yè)應(yīng)用性按照本發(fā)明的多普勒型超聲流量計(jì)使得可以關(guān)于流體管道的壁厚自動(dòng)地設(shè)定超聲波的最佳頻率和最佳入射角度，這使得實(shí)現(xiàn)一種共振傳輸現(xiàn)象，不再需要對(duì)于每種類型的流體管道提供最佳的超聲傳感器，通用性強(qiáng)，并且可以對(duì)正在流體管道中流動(dòng)的要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、容易、嚴(yán)格、精確和無接觸測(cè)量。
還有，按照本發(fā)明的多普勒型超聲流量計(jì)通過利用超聲波的多普勒頻移使得可以實(shí)現(xiàn)對(duì)要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率的嚴(yán)格和高度精確的測(cè)量，使得即使對(duì)不透明或者半透明的流體，這些流體不能用光學(xué)流動(dòng)速率測(cè)量裝置測(cè)量，或者對(duì)在流體管道中有漩渦，渦流或者不平行的流動(dòng)的流體也可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格和高度精確的測(cè)量，因此表明有很高的工業(yè)上的可應(yīng)用性。
權(quán)利要求
1.一種多普勒類型的超聲流量計(jì)，它包括超聲傳輸裝置，其設(shè)有超聲傳感器，用來發(fā)射超聲脈沖，適于使來自超聲傳感器的超聲脈沖進(jìn)入正在流體管道中流動(dòng)的要測(cè)量的流體中；流速型面測(cè)量裝置，用來接收進(jìn)入要測(cè)量的流體中的超聲脈沖的超聲波回聲，所述超聲波回聲由流體管道中的測(cè)量區(qū)域反射，并且測(cè)量在測(cè)量區(qū)域中要測(cè)量的流體的流速型面；流體流動(dòng)速率計(jì)算裝置，用來在要測(cè)量的流體的速度型面的基礎(chǔ)上計(jì)算出要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率；以及頻率選擇和設(shè)定裝置，用來關(guān)于流體管道的管壁自動(dòng)地選定由超聲傳感器發(fā)出的超聲波的基頻，使得實(shí)現(xiàn)共振傳輸現(xiàn)象，其中，所述頻率選擇和設(shè)定裝置控制超聲傳輸裝置的運(yùn)行，使得由超聲傳感器發(fā)射出所選定的最佳頻率的超聲波。
2.按照權(quán)利要求1所述的多普勒類型的超聲流量計(jì)，其特征在于，所述振蕩頻率選擇和設(shè)定裝置自動(dòng)地調(diào)整和設(shè)定由超聲傳感器發(fā)射的超聲脈沖的振蕩頻率，使得超聲波的半波長(zhǎng)的整數(shù)倍等于流體管道的壁厚。
3.按照權(quán)利要求1所述的多普勒類型的超聲流量計(jì)，其特征在于，所述振蕩頻率選擇和設(shè)定裝置包括振蕩放大器，它用來由超聲傳感器發(fā)射出所要求的振蕩頻率的超聲波，振蕩頻率改變裝置，它用來可變地調(diào)節(jié)并設(shè)定振蕩放大器的振蕩頻率，基頻區(qū)域設(shè)定裝置，它用來使振蕩頻率改變裝置在事先指定的頻率區(qū)域中運(yùn)行，超聲波接收裝置，它用來接收由超聲傳感器發(fā)射的超聲脈沖的由流體管道中的測(cè)量區(qū)域反射的超聲波回聲，以及反射波強(qiáng)度得出裝置，它用來得出并儲(chǔ)存所接收的超聲波回聲的強(qiáng)度，且其中，所述振蕩頻率選擇和設(shè)定裝置重復(fù)得出并選擇振蕩頻率的操作，以自動(dòng)地選定最佳的超聲波頻率。
4.按照權(quán)利要求1所述的多普勒類型的超聲流量計(jì)，其特征在于，其還包括入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置，用來調(diào)節(jié)并設(shè)定由超聲傳感器發(fā)射進(jìn)入要測(cè)量的流體中的超聲脈沖的入射角度，其中，入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置具有設(shè)置在流體管道上的超聲傳感器，從而調(diào)節(jié)并設(shè)定提供給超聲脈沖入射角度，使得關(guān)于流體管道的管壁實(shí)現(xiàn)共振傳輸現(xiàn)象，把所述頻率選擇和設(shè)定裝置與所述入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置結(jié)合起來。
5.一種多普勒類型的超聲流量計(jì)，它包括超聲傳輸裝置，其設(shè)有超聲傳感器，用來發(fā)射超聲脈沖，且適于使來自超聲傳感器的超聲脈沖進(jìn)入正在流體管道中流動(dòng)的要測(cè)量的流體中；流速型面測(cè)量裝置，用來接收進(jìn)入要測(cè)量的流體中的超聲脈沖的超聲波回聲，所述超聲波回聲由流體管道中的測(cè)量區(qū)域反射，并且測(cè)量在測(cè)量區(qū)域中要測(cè)量的流體的流速型面；流體流動(dòng)速率計(jì)算裝置，用來在要測(cè)量的流體的速度型面的基礎(chǔ)上計(jì)算出要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率；以及入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置，用來調(diào)節(jié)并設(shè)定由超聲傳感器發(fā)射進(jìn)入要測(cè)量的流體中的超聲脈沖的入射角度，其中，入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置具有設(shè)置在流體管道上的超聲傳感器，從而調(diào)節(jié)并設(shè)定提供給超聲脈沖入射角度，使得關(guān)于流體管道的管壁實(shí)現(xiàn)共振傳輸現(xiàn)象。
6.按照權(quán)利要求5所述的多普勒類型的超聲流量計(jì)，其特征在于，所述入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置包括由外側(cè)面設(shè)置在流體管道上的超聲傳感器，允許調(diào)節(jié)和設(shè)定由超聲傳感器發(fā)射的超聲脈沖的入射角度的入射角度改變機(jī)構(gòu)，用來在事先指定的入射角度范圍內(nèi)致動(dòng)入射角度改變機(jī)構(gòu)的入射角度范圍設(shè)定裝置，以及得出反射波強(qiáng)度的裝置，此裝置用來接收由超聲傳感器發(fā)射的超聲脈沖的由流體管道中的測(cè)量區(qū)域反射的超聲波回聲，并且隨后得出并儲(chǔ)存超聲波回聲的強(qiáng)度，其中，所述入射角度調(diào)節(jié)和設(shè)定裝置重復(fù)地進(jìn)行得出并選擇超聲脈沖入射角度的操作，從而自動(dòng)地選定最佳的超聲脈沖入射角度。
7.按照權(quán)利要求5所述的多普勒類型的超聲流量計(jì)，其特征在于，所述超聲傳感器設(shè)置在流體管道的外側(cè)面上，使得它的安裝角度可以調(diào)節(jié)，并且由入射角度改變機(jī)構(gòu)選定超聲傳感器的安裝角度，從而調(diào)節(jié)并設(shè)定由超聲傳感器發(fā)射的超聲脈沖的入射角度。
8.一種多普勒類型的超聲流量計(jì)，它包括設(shè)置在流體管道上的第一超聲傳感器；第二超聲傳感器，其設(shè)置成在流體管道的軸向方向上離開第一超聲傳感器；超聲傳感器移動(dòng)機(jī)構(gòu)，用來關(guān)于第二超聲傳感器向前或向后相對(duì)移動(dòng)第一超聲傳感器，將所述兩個(gè)超聲傳感器設(shè)置成使得所發(fā)射的超聲脈沖在流體管道的測(cè)量區(qū)域中正交；反射波接收器，用來接收來自流體管道的測(cè)量區(qū)域的超聲波回聲，這些回聲是分別由第一和第二超聲傳感器發(fā)射的超聲脈沖的反射波；速度向量計(jì)算裝置，用來由被反射波接收器接收的超聲波回聲的強(qiáng)度計(jì)算出在超聲測(cè)量線的方向上的速度向量；以及流速向量計(jì)算裝置，用來由速度向量計(jì)算裝置計(jì)算出的速度向量的向量和中計(jì)算出要測(cè)量的流體的流速向量，其中，由在流體管道的測(cè)量線的方向上的流速型面計(jì)算出要測(cè)量的要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率，由流速向量計(jì)算裝置計(jì)算出該流速型面。
全文摘要
一種多普勒類型的超聲流量計(jì)，其具有一個(gè)超聲傳輸裝置，用來由一個(gè)超聲傳感器發(fā)射超聲脈沖，進(jìn)入流體管道中，該流量計(jì)還有一個(gè)流速型面測(cè)量裝置，用來接收由流體管道中的一個(gè)測(cè)量區(qū)域反射的超聲波回聲，超聲波回聲由流體管道中的一個(gè)測(cè)量區(qū)域反射，從而測(cè)量要測(cè)量的流體的流速型面，該流量計(jì)還有一個(gè)流體流動(dòng)速率計(jì)算裝置，用來在要測(cè)量的流體的速度型面的基礎(chǔ)上計(jì)算出它的流動(dòng)速率，以及一個(gè)頻率選擇和設(shè)定裝置，用來自動(dòng)地選定由超聲傳感器發(fā)出的超聲波的基頻，使得實(shí)現(xiàn)一種共振傳輸現(xiàn)象。頻率選擇和設(shè)定裝置控制超聲傳輸裝置的運(yùn)行，使得由超聲傳感器發(fā)射出所選定的最佳頻率的超聲波。這種裝置使得可以提供一種有高度通用性的多普勒類型的超聲流量計(jì)，它使得可以在各種流體管道中對(duì)要測(cè)量的流體的流動(dòng)速率實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、容易、無接觸、并且高度精確的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01F1/66GK1608198SQ0282629
公開日2005年4月20日 申請(qǐng)日期2002年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月26日
發(fā)明者武田靖, 森治嗣 申請(qǐng)人:東京電力株式會(huì)社, 武田靖