專利名稱：鉗型多普勒超聲波流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉗型普勒超聲波流量計(jì)，它從設(shè)置在管體外側(cè)的超聲波傳感器(transducer)向管體內(nèi)部的被測定流體發(fā)射超聲波，并利用多普勒效應(yīng)，從而以非接觸的方式測定被測定流體的流速分布。
背景技術(shù)：
鉗型超聲波流量計(jì)是在配管等的管體外周面的一部分上安裝超聲波傳感器，并從管體外側(cè)測定在管體內(nèi)部移動的被測定流體的流量的流量計(jì)。這種鉗型超聲波流量計(jì)主要可以分為傳播時(shí)間差式和多普勒式。
傳播時(shí)間差式是如下的方法，即、使超聲波往返于斜穿在管體內(nèi)部移動的被測定流體的路徑，并從超聲波在往返路徑傳播所需的時(shí)間差，測定被測定流體的流量。
而多普勒式是如下的方法，假設(shè)包含在被測定流體中的浮游粒子或氣泡以與流體相同的速度移動，從而從浮游粒子等的移動速度來測定被測定流體的流量。換言之，若向被測定流體中發(fā)送超聲波，因通過浮游粒子等反射的超聲波的頻率，根據(jù)基于多普勒效應(yīng)的浮游粒子等的移動速度而發(fā)生變化，因此，檢測反射超聲波的頻率并檢測浮游粒子等的移動速度、即被測定流體的速度，從而測定流速分布和流量。
作為這種多普勒超聲波流量計(jì)的目前技術(shù)，有例如后述的專利文獻(xiàn)1中所公開的“多普勒超聲波流量計(jì)”。圖6表示了該流量計(jì)大致構(gòu)造。
圖6所示的多普勒超聲波流量計(jì)具有超聲波速度分布測定裝置10(以下稱UVP裝置)，它以非接觸的方式測定在配管21內(nèi)部流動的被測定流體22的流速。該UVP裝置10具有超聲波發(fā)送設(shè)備11、流速分布測定電路12、作為流量運(yùn)算設(shè)備的微型計(jì)算機(jī)、CPU、MPU等計(jì)算機(jī)31、顯示裝置32。其中，超聲波發(fā)送設(shè)備11沿著測定線ML向被測定流體22發(fā)送所需頻率(基本頻率fo)的超聲波脈沖；流速分布測定電路12接收從發(fā)射至被測定流體22的超聲波脈沖的測定區(qū)域反射的超聲波回波，并以此對測定區(qū)域內(nèi)的被測定流體22的流速分布進(jìn)行測定；計(jì)算機(jī)31根據(jù)被測定流體22的流速分布進(jìn)行運(yùn)算處理，從而通過進(jìn)行配管21半徑方向的積分，用時(shí)間相關(guān)求出被測定流體22的流量；顯示裝置32以時(shí)序顯示計(jì)算機(jī)31的輸出。
超聲波發(fā)送設(shè)備11具有由發(fā)出1MHz、2MHz、4MHz等基本頻率fo的電信號的發(fā)振器13和發(fā)射極14構(gòu)成的信號發(fā)生器15，該發(fā)射極14在每個(gè)規(guī)定周期(1/Frpf)將從該發(fā)振器13發(fā)出的電信號作為頻率Frpf的脈沖進(jìn)行輸出，而前述基本頻率fo的脈沖電信號被從該信號發(fā)生器15輸入至超聲波傳感器16內(nèi)。
基本頻率fo的超聲波脈沖從超聲波傳感器16，沿著測定線ML被發(fā)送至配管21內(nèi)部的被測定流體22。該超聲波脈沖在脈沖寬度為5mm左右，是幾乎沒有保持的展寬的線性電子束。
超聲波傳感器16兼作收發(fā)器，其構(gòu)造能夠接收發(fā)出的超聲波脈沖遇到被測定流體22中的反射體而被反射的超聲波回波。上述反射體是一同包含在被測定流體22中的氣泡或浮游粒子，換言之，它是與被測定流體22聲響阻抗不同的異物。
通過超聲波傳感器16接收的超聲波回波，在該傳感器16內(nèi)被轉(zhuǎn)換成回波電信號。該回波電信號在通過UVP裝置10內(nèi)的放大器17被放大之后，通過AD轉(zhuǎn)換器18從而使其數(shù)字化，并將該數(shù)字回波信號輸入流速分布測定電路12內(nèi)。
發(fā)振器13發(fā)出的基本頻率fo的電信號通過AD轉(zhuǎn)換器18、從而使其數(shù)字化并被輸入流速分布測定電路12內(nèi)，從兩個(gè)信號的頻率之差測定基于多普勒頻移的流速的變化，并算出沿著測定線ML的測定區(qū)域的被測定流體22的流速分布。通過用超聲波傳感器16的傾斜角α(與配管21的縱向正交方向間的傾斜角)對該測定區(qū)域的流速分布進(jìn)行補(bǔ)正，可以測定配管21的橫截面中流體22的流速分布。
下面參照圖7，對多普勒超聲波流量計(jì)的操作原理進(jìn)行更為詳細(xì)的說明。
如圖7(A)所示，僅以前述角度α向被測定流體22的流向傾斜超聲波傳感器16而設(shè)置的狀態(tài)，若從超聲波傳感器16向配管內(nèi)發(fā)射基本頻率fo的超聲波脈沖，該超聲波脈沖遇到一同分布在測定線ML上的被測定流體22中的浮游粒子等的反射體進(jìn)而反射，并如圖7(B)所示，變成超聲波回波a進(jìn)而被超聲波傳感器16所接收。
此外，在圖7(B)中，符號b是在超聲波脈沖發(fā)射一側(cè)的配管21的管壁所反射的多重反射回波，符號c是在相反一側(cè)的配管21的管壁所反射的多重反射回波。由超聲波傳感器16發(fā)出的超聲波脈沖的發(fā)送周期如圖所示(1/Frpf)。
若對通過超聲波傳感器16接收的回波信號a進(jìn)行濾波處理，并利用多普勒頻移法沿著測定線ML測定流速分布，則其成如圖7(C)所示的形式。該流速分布被通過UVP裝置10的流速分布測定電路12進(jìn)行測定，并通過計(jì)算機(jī)31在顯示裝置32中顯示。
如上所述，多普勒頻移法是應(yīng)用下一原理的一種方法，即、如果向在配管21內(nèi)部流動的被測定流體22中發(fā)出超聲波脈沖，則該超聲波脈沖通過混雜或一同分布在流體22內(nèi)的反射體反射，從而成為超聲波回波，且該超聲波回波的頻率僅進(jìn)行同流速成比例的大小的頻率變換。
此外，通過流速分布測定電路12所測定的被測定流體22的流速分布信號被發(fā)送至計(jì)算機(jī)31，并通過對流速分布信號在配管21的半徑方向進(jìn)行積分，可以利用時(shí)間相關(guān)求出被測定流體22的流量。該流體22在時(shí)間t內(nèi)的流量m(t)可以用公式1表示。
m(t)＝ρ∫v(x·t)·dA(公式1)其中ρ被測定流體的密度v(x·t)時(shí)間t內(nèi)的速度成分(x方向)A配管的截面面積上述流量m(t)可以換成公式2。
m(t)＝ρ∫∫vx(r·θ·t)·r·dr·dθ (公式2)其中，vx(r·θ·t)在時(shí)間t內(nèi)的從配管橫截面上中心處的距離r、角度θ的管軸方向的速度成分上述現(xiàn)有的多普勒超聲波流量計(jì)中，為了無論在被測定流體22的流量處于穩(wěn)定狀態(tài)還是非穩(wěn)定狀態(tài)，高精確度的進(jìn)行測定，需要高精度地檢測出配管21內(nèi)部的被測定流體22的流速分布。
由前述的測定原理可知，為了將通過對被測定流體22中的反射體反射產(chǎn)生的超聲波回波進(jìn)行信號處理并進(jìn)行運(yùn)算而獲得被測定流體22的流速分布，需要在該超聲波回波中僅包含目標(biāo)聲信號，并需要消除聲電噪音。
作為影響該超聲波回波的聲音噪音，雖然有由于聲阻抗不同的介質(zhì)之間的反射或散射等而產(chǎn)生的噪音，但除此之外也有在配管材料等的固體中產(chǎn)生的縱波和橫波。
通常在金屬等固體中存在縱波和橫波兩種聲波，縱波具有與疏密波的波動傳播方向相同方向的位移，而橫波具有與剪切波的波動傳播方向正交方向的位移。
此處，作為參考文獻(xiàn)1，如《電聲工程概論》((株式會社)昭晃堂出版(247～251頁))中所記載的內(nèi)容，在聲波從流體斜射入固體的情況下，在固體中除了縱波還產(chǎn)生橫波。此外，眾所周知，在聲波從固體向固體傳播時(shí)，在透過及反射兩者中產(chǎn)生縱波和橫波。
下面對固體中縱波和橫波對超聲波回波的影響進(jìn)行說明。
如圖8所示，在聲波從介質(zhì)1向介質(zhì)2傳播的情況下，介質(zhì)1、介質(zhì)2中聲波傳播角度θin(兩介質(zhì)的界面處的入射角)、θout(兩介質(zhì)的界面處的折射角或出射角)的關(guān)系如公式3所示。
sinθinc1=sinθoutc2]]>(公式3)c1介質(zhì)1中的聲速c2介質(zhì)2中的聲速θin介質(zhì)1中的角度(入射角)θout介質(zhì)2中的角度(折射角)此外還有臨界角，其在聲波從介質(zhì)1向介質(zhì)2發(fā)射時(shí)，在介質(zhì)2中的聲速c2比介質(zhì)1中的聲速c1大(c1＜c2)的情況下，聲波在兩個(gè)介質(zhì)的界面發(fā)生全反射。該臨界角θc用公式4表示。
θc=sin-1(c1c2)]]>(公式4)(c1＜c2)
c1介質(zhì)1中的聲速c2介質(zhì)2中的聲速下面根據(jù)以下的參考文獻(xiàn)2、3，對利用圖6所示的目前技術(shù)的多普勒超聲波流量計(jì)中超聲波傳感器16的傾斜角(向配管21發(fā)射超聲波的入射角)進(jìn)行說明。
參考文獻(xiàn)2《使用超聲波流速分布測定(UVP)的流量測定設(shè)備的開發(fā)(6)NIST(美國)校準(zhǔn)流量測定用回路進(jìn)行測定—試驗(yàn)結(jié)果和精確度檢驗(yàn)》(原子力學(xué)協(xié)會 1999年秋季大會H13)參考文獻(xiàn)3“Development of a novel flow metering system usingultrasonic velocity profile measurement”(Experiments in Fluids，32，2002，153-160)參考文獻(xiàn)2是在不銹鋼配管的外壁設(shè)置多普勒超聲波流量計(jì)而進(jìn)行測定的所謂鉗型流量計(jì)的例子，超聲波傳感器的傾斜角是10度或者5度。
而在參考文獻(xiàn)3中記述，雖然以1MHz的頻率驅(qū)動的超聲波傳感器以對于配管成5度傾斜角的方式設(shè)置，且對于以4MHz的頻率驅(qū)動的超聲波傳感器，它以對應(yīng)配管成0～20度傾斜角的方式設(shè)置，但是超聲波傳感器和配管之間夾著厚度為2mm的丙烯作為楔子而夾持。
如果圖示相當(dāng)于參考文獻(xiàn)3中所記載的測定條件的構(gòu)造，則如圖9所示。
在圖9中，以丙烯為材料的楔子42上固定著超聲波傳感器41。其中，該超聲波傳感器41按照與配管43的縱向正交的方向成傾斜角θin的方式而設(shè)置。換言之，超聲波從楔子42向配管43的入射角為θin。
根據(jù)參考文獻(xiàn)2、3，圖9所示的被測定流體44是水，且配管43是不銹鋼制造。此外，水中的聲速約為1500m/s，不銹鋼內(nèi)縱波的聲速約為5750m/s，橫波的聲速約為3206m/s。而丙烯制的楔子42中縱波的聲速約為2730m/s。
如果根據(jù)前述公式4計(jì)算縱波和橫波的臨界角θc，則楔子42和配管43的界面中縱波的臨界角為28.3度，橫波的臨界角為58.4度。
例如，如果將聲波從傾斜角(入射角)θin為20度的超聲波傳感器41發(fā)出，則在作為固體的楔子42和配管43的界面產(chǎn)生縱波和橫波，但是由于上述界面中入射角θin小于等于縱波及橫波兩者的臨界角，因此，縱波和橫波這兩種聲波在配管43中傳播。
此外，由于在配管43中傳播的縱波、橫波分別折射而入射水中，因此，產(chǎn)生兩條測定線ML。
另外，在圖9所示的配管43內(nèi)，縱波的折射角(出射角)θpl為46.1度，而橫波的折射角θps為23.7度。
當(dāng)聲波從配管43入射水中時(shí)，聲波被變換為縱波，它在水中的折射角θfl為10.84度。關(guān)于這樣的聲波從金屬射入水中之時(shí)的聲波透過率，參照以下的參考文獻(xiàn)4。
參考文獻(xiàn)4“超聲波手冊”超聲波手冊編輯委員會丸善株式會社參考文獻(xiàn)4中所記載的例子是在圖8中介質(zhì)1為鋁，介質(zhì)2為水的情況。
此外，圖10是該參考文獻(xiàn)4中所記載的示意圖，它表示當(dāng)橫波入射相當(dāng)于介質(zhì)1的鋁板和相當(dāng)于介質(zhì)2的水的界面之時(shí)的、入射角和能量反射系數(shù)(反射率)、能量透過系數(shù)(透過率)之間的關(guān)系。SV波為橫波，而L波為縱波。根據(jù)該圖10可知，即使橫波的入射角超過28度也不會產(chǎn)生全反射，因而縱波可以透過。
而且，圖11表示縱波入射鋁板和水的界面之時(shí)的，入射角和反射率及透過率之間的關(guān)系，由圖11可知，只有縱波透過。
下面，圖12是用于說明圖9的構(gòu)造中超聲波回波的特性的示意圖。
來自水中的反射體的超聲波回波，經(jīng)過與從配管43側(cè)入射水中之時(shí)相同的路線，從水中返回超聲波傳感器41。由于從水中入射至鋁制的配管43時(shí)的超聲波回波的入射角θf為10.84度，因此，由后述的圖2可知，產(chǎn)生縱波和橫波兩種波。
此外，如圖12所示，由于當(dāng)超聲波回波從水中入射配管43之時(shí)，產(chǎn)生縱波、橫波的兩條測定線，因此，在配管43內(nèi)存在四個(gè)超聲波回波。而且，在超聲波回波從配管43入射楔子42的情況下，雖然根據(jù)公式3聲波發(fā)生折射，但是由于楔子42的材質(zhì)的聲波比配管43的材質(zhì)的聲速慢，因此，不存在臨界角，從而不會發(fā)生全反射，四個(gè)超聲波回波在楔子42內(nèi)部向超聲波傳感器41行進(jìn)。
因此，在楔子42內(nèi)部傳播的四個(gè)超聲波回波，根據(jù)超聲波傳感器41的傳播路線的聲速，以一定的時(shí)間差入射超聲波傳感器41。
此外，在圖12中，θpl是被測定流體(水)44和配管43的界面中縱波的折射角、θps是橫波的折射角、θwl是配管43和楔子42的界面中縱波的折射角、θws是橫波的折射角。
通過超聲波傳感器41接收的超聲波回波的時(shí)間軸，相當(dāng)于配管43內(nèi)的直徑方向的位置。此外，在配管43內(nèi)，縱波和橫波有聲速差。
因此，通過超聲波傳感器41在某一時(shí)刻接收的超聲波回波，成為合成了圖13中通過配管43中的橫波所測定的流體44的A點(diǎn)流速、和通過配管43中的縱波所測定的流體44的A’點(diǎn)(同所述A點(diǎn)在配管43的直徑方向上不同的位置)流速后的回波。
換言之，如圖14概念性所示，從通過超聲波傳感器41在某一時(shí)刻接收的超聲波回波求出的流速，實(shí)際上是在不同的位置A點(diǎn)和A’點(diǎn)的流速的合成，因此無法測定配管43內(nèi)部的流體44的正確流速分布甚至流量。
如上所述，在測定配管內(nèi)部的流速分布而求出流量的多普勒超聲波流量計(jì)中，由于從超聲波傳感器發(fā)出的聲波在配管內(nèi)產(chǎn)生縱波與橫波，兩條測定線入射被測定流體，而通過二者從各自的反射體所反射的超聲波回波被接收，因此，有流速分布變得不準(zhǔn)確，且對測定精度產(chǎn)生壞的影響的問題。

發(fā)明內(nèi)容
于是本發(fā)明的目的在于提供一種鉗型多普勒超聲波流速分布計(jì)，其在配管等管體中傳播的縱波與橫波兩條測定線所產(chǎn)生的超聲波回波中，除去基于縱波的超聲波回波，從而能夠?qū)α魉俜植己土髁窟M(jìn)行更為準(zhǔn)確的測定。
專利文獻(xiàn)1日本特開2000-97742號公報(bào)(圖1、圖2)為了解決上述課題，本發(fā)明第一方面提供一種鉗型多普勒超聲波流速分布計(jì)，它從設(shè)置在管體外側(cè)的超聲波傳感器向管體內(nèi)部的被測定流體發(fā)射超聲波，利用存在于被測定流體中的反射體所反射的超聲波的頻率根據(jù)多普勒效應(yīng)而發(fā)生變化的原理，對被測定流體的流速分布進(jìn)行測定。在產(chǎn)生縱波超聲波的超聲波傳感器的聲波發(fā)生源與管體之間有聲波傳播性的楔子的鉗型多普勒超聲波流速分布計(jì)中，當(dāng)在管體中傳播的超聲波的縱波及橫波的聲速大于等于楔子中縱波的聲速時(shí)，超聲波從楔子入射管體的入射角大于等于由楔子中縱波的聲速和管體中縱波的聲速所決定的縱波的臨界角，且小于等于由楔子中縱波的聲速和管體中橫波的聲速所決定的橫波的臨界角，以此方式使聲波發(fā)生源傾斜而固定在楔子上。
本發(fā)明第二方面提供一種鉗型多普勒超聲波流速分布計(jì)，它在管體中傳播的超聲波的縱波及橫波的聲速大于等于被測定流體中的聲速時(shí)，使從管體入射被測定流體的超聲波入射角大于等于由被測定流體中的聲速和管體中縱波的聲速所決定的縱波的臨界角，且小于等于由被測定流體中的聲速和管體中橫波的聲速所決定的橫波的臨界角，以此方式使聲波發(fā)生源傾斜而固定在楔子上。
此外，本發(fā)明第三方面至本發(fā)明第六方面可以在前述楔子及管體中使用具有聲波傳播性的樹脂或金屬。
作為楔子所使用的樹脂，例如是丙烯樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氯乙烯樹脂、聚苯硫醚(PPS)樹脂等，而作為楔子所使用的金屬是鐵、鋼、鑄鐵、不銹鋼、銅、鉛、鋁、黃銅等。
此外作為管體所使用的金屬是鐵、鋼、球墨鑄鐵、鑄鐵、不銹鋼、銅、鉛、鋁、黃銅等，而作為管體所使用的樹脂是聚氯乙烯樹脂、丙烯樹脂、FRP、聚乙烯樹脂、特氟隆(注冊商標(biāo))、焦油環(huán)氧樹脂、砂漿等。
發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明第一方面，可以消除由超聲波傳感器發(fā)出后從楔子在管體中傳播的超聲波的縱波成分，在被測定流體中僅存在沿著由管體中的橫波產(chǎn)生的一條測定線的超聲波。于是，被測定流體中的反射體所反射的超聲波回波也僅成為管體中橫波所產(chǎn)生的超聲波回波，縱波所產(chǎn)生的超聲波回波不會被超聲波傳感器接收，從而減少噪音。
此外，根據(jù)本發(fā)明第二方面，可以消除從被測定流體在管體中傳播的超聲波回波的縱波成分，僅超聲波回波的橫波被超聲波傳感器所接收，因此，與本發(fā)明第一方面相同，使噪音減少。
所以，在任何一項(xiàng)發(fā)明中，不僅可以提高流速分布的測定精度，還可以高精度地算出流量。


圖1是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式主要部分的構(gòu)造圖。
圖2是參考資料5中所記載的，從水中向配管的入射角與配管中縱波、橫波的能量透過系數(shù)之間關(guān)系的特征圖。
圖3是超聲波振動子的傾斜角為15度時(shí)，在配管的直徑方向位置流速的測定例子。
圖4超聲波振動子的傾斜角為45度時(shí)，配管的直徑方向位置流速的測定例子。
圖5比較根據(jù)本發(fā)明的第1實(shí)施方式與傳統(tǒng)技術(shù)的流量輸出的測定誤差的示意圖。
圖6傳統(tǒng)技術(shù)的構(gòu)造圖。
圖7多普勒超聲波流量計(jì)的操作原理的說明圖。
圖8聲波在不同的介質(zhì)之間傳播狀態(tài)的示意圖。
圖9參考文獻(xiàn)2、3中所記載的測定條件的說明圖。
圖10參考文獻(xiàn)4中所記載的入射角與透過率及反射率之間的關(guān)系示意圖。
圖11參考文獻(xiàn)4中所記載的入射角與透過率及反射率之間的關(guān)系示意圖。
圖12圖9中超聲波回波的運(yùn)作說明圖。
圖13圖9的擴(kuò)大圖。
圖14說明本發(fā)明的課題的流速分布的說明圖。
符號說明51超聲波振子(聲波發(fā)生源)；52楔子；52a斜面；53配管；54被測定流體。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖，對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
首先，圖1是第1實(shí)施方式的主要部分的構(gòu)造圖。該構(gòu)造實(shí)際上與圖9、圖12、圖13等所示的構(gòu)造相同，但是為了方便起見而改變參照符號。
在圖1中，51是作為超聲波傳感器的聲波發(fā)生源的超聲波振子，它由PZT(鋯鈦酸鉛)等壓電材料構(gòu)成，并兼作超聲波的收發(fā)器。52是丙烯樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氯乙烯樹脂、聚苯硫醚(PPS)樹脂等具有聲波傳播性的樹脂材料構(gòu)成的楔子，在形成于其上端部的斜面52a上，用環(huán)氧類粘合劑固定著超聲波振動子51。此處，前述斜面52a以如下方式傾斜，即其與配管53的縱向正交方向的超聲波振子51的傾斜角(楔子52和配管53的界面內(nèi)的超聲波脈沖的入射角)為θin。此外，54是被測定流體。
在圖1的構(gòu)造中，假定配管53內(nèi)的聲速比楔子52內(nèi)的聲速快，且楔子52的材質(zhì)例如為丙烯樹脂，配管53的材質(zhì)為鋁，以此情況進(jìn)行說明。此外，假定被測定流體54為水。
附帶說明，丙烯樹脂內(nèi)的聲速約為2730m/s，鋁中縱波的聲速約為6420m/s，橫波的聲速約為3040m/s，水中的聲速約為1500m/s。
此處，作為前述配管53的材質(zhì)，除了使用鋁之外，還可以使用鐵、鋼、球墨鑄鐵、不銹鋼、銅、鉛、黃銅等具有聲波傳播性的金屬材料。
在圖1中，在超聲波脈沖從楔子52向配管53入射時(shí)和超聲波回波從被測定流體54向配管53入射時(shí)存在臨界角。
而且，由眾所周知的斯涅耳定律可知，各個(gè)材質(zhì)中的角度存在公式5的關(guān)系。
公式5sinθincw=sinθplcpl=sinθpscps=sinθfcf]]>cw楔子52中的聲速cpl配管53中縱波的聲速cps配管53中橫波的聲速cf流體54中的聲速θin楔子52中聲波的傾斜角(向配管53的入射角)θpl配管53中縱波的角度(折射角)θps配管53中橫波的角度(折射角)θf流體54中的入射角θ
關(guān)于各個(gè)構(gòu)件的材質(zhì)，在如前所述楔子52為丙烯樹脂、配管53為鋁、被測定流體54為水的情況下，超聲波從楔子52向配管53入射時(shí)的縱波的臨界角為25.2度，橫波的臨界角為63.9度。于是，如果使超聲波振子51的傾斜角θin(楔子52和配管53的界面內(nèi)的入射角)處于上述各個(gè)臨界角的范圍之內(nèi)，即25.2度≤θin≤63.9度，則縱波在楔子52和配管53的界面發(fā)生全反射，因此在配管53內(nèi)只有橫波傳播。
因此，只有配管53內(nèi)的橫波所產(chǎn)生的沿著一條測定線的超聲波入射水中，來自水中的反射體的超聲波回波也僅通過橫波產(chǎn)生。換言之，由于縱波引起的超聲波回波無法被超聲波振子51所接收，且包含在將要測定的流速中的噪音減少。因此，不僅流速分布的測定精度得以提高，而且可以對流量進(jìn)行高精度的運(yùn)算。
其次，在圖1的構(gòu)造中，以楔子52內(nèi)的聲波的入射角θin為45度的具體例子進(jìn)行說明。
在聲波從楔子52向鋁制的配管53中傳播的情況下，由于上述入射角θin超過25.2度的縱波臨界角，因此，縱波在楔子52和配管53的界面被全反射，并不在配管53內(nèi)傳播。而橫波在配管53中以折射角51.9度進(jìn)行傳播。
再次，在聲波從配管53向作為流體54的水入射的情況下，如前所述，由于橫波在水中僅成為縱波，因此，縱波沿著向水中的折射角(圖1中θfs)為22.8度的一條測定線進(jìn)行傳播。
而且，對于由縱波引起的來自反射體的超聲波回波，它也以入射角22.8度向配管53入射。
此外，對于從水中向鋁制的配管入射，有圖2所示的數(shù)據(jù)，該圖被記載在參考文獻(xiàn)5中。
參考文獻(xiàn)5“Accoustic Wave(聲波)”(Cordon S.Kino)該圖2表示從水中向配管的入射角和配管中縱波、橫波的能量透過系數(shù)(透過率)之間的關(guān)系。
根據(jù)圖2，由于向配管53的入射角為22.8度、大于等于縱波的臨界角，因此，縱波在水和配管53的界面發(fā)生全反射。即縱波不在配管53中傳播。于是，配管53中的測定線是因橫波產(chǎn)生的超聲波回波的一條，由于超聲波子51僅接收該橫波的超聲波回波，因此，可以減少現(xiàn)有方式的縱波引起的噪音。
如上所述，以對超聲波振動子51的傾斜角(向配管53的入射角)進(jìn)行改善而除了配管53內(nèi)的縱波，與現(xiàn)有技術(shù)相比可以改善流速分布的測定精度。
在此，圖3、圖4是在超聲波振子51的傾斜角為15度的情況(圖3)和45度的情況下(圖4)，對配管53的直徑方向位置的流速的測定例。
通過使超聲波振動子51的傾斜角成為大于等于超聲波從楔子52入射至配管53時(shí)的縱波的臨界角(25.2度)且小于等于橫波的臨界角(63.9度)的45度，如圖4所示，可以根據(jù)直徑方向位置獲得流速連續(xù)變換的準(zhǔn)確的測定數(shù)值。
而圖3所示的傾斜角為15度的情況下，由于在配管53中存在縱波、橫波，其超聲波回波被超聲波振子51所接收，因此，它包含很多噪音，流速分布的測定數(shù)值也不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致測定精度降低。
與上述相同，圖5是比較根據(jù)本實(shí)施方式使超聲波振子51的傾斜角為45度時(shí)和按照傳統(tǒng)方式使其角度為15度時(shí)的、通過流速分布而測定電磁流量計(jì)的流量輸出時(shí)的測定誤差的示意圖。
從該圖也可知，根據(jù)本實(shí)施方式，與目前方式相比，測定誤差有了大幅度地改善。
此外，作為本發(fā)明的第2實(shí)施方式，僅除去從被測定流體54中的反射體進(jìn)行反射而在配管53內(nèi)傳播的超聲波回波的縱波成分。
例如，被測定流體54為水的情況下，通過水中的反射體反射而入射鋁制的配管53的超聲波回波中，如果使水中的聲波為1500m/s，則縱波的臨界角為13.5度，橫波的臨界角為29.6度。
因此，通過使聲波從配管53入射水中的入射角大于等于13.5度且小于等于29.6度，于是當(dāng)超聲波回波從水入中入射配管53內(nèi)之時(shí)，由于在配管53中只有橫波成分透過，而縱波成分被除去，因此，減少縱波所產(chǎn)生的噪音。
于是，由于在超聲波振子51僅接收配管53中的橫波的超聲波回波，因此，配管53中的縱波所產(chǎn)生的噪音被減少，這樣不僅可以高精度地測定流速分布，同時(shí)還可以提高流量測定精度。
此外，作為楔子，也可以使用鐵、鋼、鑄鐵、不銹鋼、銅、鉛、鋁、黃銅等具有聲波傳播性的金屬，而作為配管也可以使用聚氯乙烯樹脂、丙烯樹脂、FRP、聚乙烯樹脂、特氟隆(注冊商標(biāo))、焦油環(huán)氧樹脂、砂漿等具有聲波傳播性的樹脂。
權(quán)利要求
1.一種鉗型多普勒超聲波流速分布計(jì)，它從設(shè)置在管體外側(cè)的超聲波傳感器向管體內(nèi)部的被測定流體發(fā)射超聲波，并利用存在于被測定流體中的反射體所反射的超聲波的頻率根據(jù)多普勒效應(yīng)而發(fā)生變化的原理，對被測定流體的流速分布進(jìn)行測定，而這種鉗型多普勒超聲波流速分布計(jì)使具有聲波傳播性的楔子介于產(chǎn)生縱波超聲波的超聲波傳感器的聲波發(fā)生源和所述管體之間，其特征在于，當(dāng)在所述管體中傳播的超聲波的縱波及橫波的聲速大于等于所述楔子中縱波的聲速時(shí)，使超聲波從楔子入射管體的入射角大于等于由楔子中縱波的聲速和管體中縱波的聲速所決定的縱波的臨界角，且小于等于由楔子中縱波的聲速與管體中橫波的聲速所決定的橫波的臨界角，以此方式使所述聲波發(fā)生源傾斜而固定在楔子上。
2.一種鉗型多普勒超聲波流速分布計(jì)，它從設(shè)置在管體外側(cè)的超聲波傳感器向管體內(nèi)部的被測定流體發(fā)射超聲波，并利用存在于被測定流體中的反射體所反射的超聲波的頻率根據(jù)多普勒效應(yīng)而發(fā)生變化的原理，對被測定流體的流速分布進(jìn)行測定，這種鉗型多普勒超聲波流速分布計(jì)，使具有聲波傳播性的楔子介于產(chǎn)生縱波超聲波的超聲波傳感器的聲波發(fā)生源和所述管體之間，其特征在于，當(dāng)在所述管體中傳播的超聲波的縱波及橫波的聲速大于等于被測定流體中的聲速時(shí)，使超聲波從管體入射被測定流體的入射角大于等于由被測定流體中的聲速和管體中縱波的聲速所決定的縱波的臨界角，且小于等于由被測定流體中的聲速與管體中橫波的聲速所決定的橫波的臨界角，以此方式使所述聲波發(fā)生源傾斜而固定在楔子上。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的鉗型多普勒超聲波流速分布計(jì)，其特征在于，所述楔子是由丙烯樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氯乙烯樹脂、聚苯硫醚(PPS)樹脂等具有聲波傳播性的樹脂制成。
4.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求3中任何一項(xiàng)所述的鉗型多普勒超聲波流速分布計(jì)，其特征在于，所述管體由鐵、鋼、球墨鑄鐵、鑄鐵、不銹鋼、銅、鉛、鋁、黃銅等具有聲波傳播性的金屬制成。
5.如權(quán)利要求1～權(quán)利要求3中任一項(xiàng)所述的鉗型多普勒超聲波流速分布計(jì)，其特征在于，所述管體由聚氯乙烯樹脂、丙烯樹脂、FRP、聚乙烯樹脂、聚四氟乙烯、焦油環(huán)氧樹脂、砂漿等具有聲波傳播性的樹脂制成。
6.如權(quán)利要求1、2、4或者5中任一項(xiàng)所述的鉗型多普勒超聲波流速分布計(jì)，其特征在于，所述楔子是由鐵、鋼、鑄鐵、不銹鋼、銅、鉛、鋁、黃銅等具有聲波傳播性的金屬制成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鉗型多普勒超聲波流速分布計(jì)，它從設(shè)置在管體外側(cè)的超聲波傳感器向管體內(nèi)部的流體發(fā)射超聲波，并利用存在于流體中的反射體所反射的超聲波的頻率根據(jù)多普勒效應(yīng)而發(fā)生變化的原理，對流體的流速分布進(jìn)行測定。當(dāng)在配管(53)中傳播的超聲波的縱波及橫波的聲速大于等于楔子(52)中縱波的聲速時(shí)，使超聲波從楔子(52)入射配管(53)的入射角大于等于由楔子(52)中縱波的聲速和配管(53)中縱波的聲速所決定的縱波的臨界角，且小于等于由楔子(52)中縱波的聲速和配管(53)中橫波的聲速所決定的橫波的臨界角，以此使超聲波振動子(51)傾斜而固定在楔子(52)上。
文檔編號G01F1/66GK1645060SQ200410095629
公開日2005年7月27日 申請日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月27日
發(fā)明者平山紀(jì)友, 山本俊廣, 矢尾博信 申請人:富士電機(jī)系統(tǒng)株式會社