專利名稱：多普勒式超聲波流量計及其運算處理裝置、程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多普勒式超聲波流量計。
背景技術(shù)：
夾緊型超聲波流量計是在水道管等管狀體外周面的一部分上安裝超聲波傳感器(接收發(fā)送任意頻率的超聲波脈沖的模塊)，從管狀體外側(cè)測量在該管狀體內(nèi)部流過的流體流速·流量方式的流量計。夾緊型超聲波流量計大體可以分類為傳播時間差式和多普勒式。
傳播時間差式是在傾斜地橫切在管狀體內(nèi)部流過的流體那樣的路徑上使超聲波往復，根據(jù)超聲波在往路和回路的各個傳播所需要的時間差測量流體流量的方法。
另一方面，多普勒式是假設流體中包含的懸浮粒子或氣泡等以與流體相同速度移動，從懸浮粒子或氣泡等的移動速度測量流體流量的方法。這是由于向流體中發(fā)送超聲波，被懸浮粒子等反射的超聲波頻率因多普勒效應而改變，所以根據(jù)其頻率偏移計算流體的流速分布，此外，通過對流速分布進行積分運算，計算流體流量。
這樣的多普勒式超聲波流量計的現(xiàn)有技術(shù)在例如專利文獻1等公開。在該專利文獻1的發(fā)明上，對非穩(wěn)定狀態(tài)的流體提出可以非接觸式、高精度地測量的多普勒式超聲波流量計。在專利文獻1的發(fā)明，以所要的間隔對被測量流體發(fā)送超聲波脈沖(組)，接收由在測量線上的反射體反射的超聲波回波。在此前提下，計算多普勒位移(頻率位移頻率變化)，求出被測量流體的流速分布，根據(jù)該流速分布，通過積分運算導出流量，可進行流量測量。
參照圖6對該流速分布、流量運算加以說明。
在圖6，圖上(1)所示的一組反射回波是對某發(fā)送脈沖的反射回波，圖上(2)所示的一組反射回波是對接該發(fā)送脈沖而送出的脈沖的反射回波。圖6的Δt是發(fā)送脈沖的重復周期(脈沖重復周期T)。在反射回波內(nèi)在A部分和B部分內(nèi)具有持有大振幅的部分。A部分是被配管入射壁反射的反射回波。B部分是被配管反對壁反射的反射回波。A和B之間示出沿著配管內(nèi)的側(cè)線(超聲波的行進路)的部分，通過測量該A-B間各位置的反射回波的多普勒位移量可以測定在與該位置對應的側(cè)線上位置處的流體流速。據(jù)此，通過計算各位置的流速，可以求出例如圖示那樣的流速分布。
流速分布根據(jù)接收的反射回波，通過幾十次、幾百次重復計算流速的處理得到。此外，側(cè)線相對配管管軸的垂線構(gòu)成角度θf，實際上，上述側(cè)線上的位置用該角度θf變換為配管截面上的位置。
而且，通過對這樣求出的流速分布進行積分處理，可以算出流量。其際，用全部的流速分布，不僅進行積分處理，而且用圖示那樣的積分范圍的流速分布進行積分處理。積分范圍取例如從配管中心(管軸)直到反對壁為止的范圍。
此外，對上述側(cè)線上(配管截面上)的特定位置稱為流道(channel)。換言之，對側(cè)線的任意范圍進行任意分割的各范圍稱為流道。例如分成50時，應當存在50個流道(該分成數(shù)與空間分辨能力有關(guān))。上述流速應當對該各流道求出，圖6所示的流速分布各點應當表示各流道位置及其流速。
因為預先知悉管壁內(nèi)或流體內(nèi)的音速或超聲波進行的距離，所以根據(jù)這些可以求出在圖6所示的反射回波波形中哪個定時的數(shù)據(jù)與哪個位置的流道對應。即，預先對配管截面上的各位置的每個流道，求出從發(fā)送到接收為止花費的時間，可以保持該流道位置和時間之間的對應關(guān)系。
專利文獻1特開2000-97742號公報。
因為根據(jù)上述所示的流速分布，通過積分處理計算流量，所以積分范圍大大影響流量的量測精度。然而，通常由于產(chǎn)生空間分辨能力的量子化誤差，所以產(chǎn)生積分誤差，其結(jié)果產(chǎn)生了測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務是通過用對空間分辨能力的量子化誤差修正后的流量計算式算出流量，提供可高精度測量流量的多普勒式超聲波流量計，及其運算處理裝置等。
本發(fā)明的多普勒超聲波流量計的構(gòu)成為，利用超聲波的多普勒位移測量配管內(nèi)流過的被測量流體的流量，其包括在任意的脈沖重復頻率下向前述被測量流體送出超聲波脈沖，接收其超聲波回波并施以規(guī)定的處理從而抽取多普勒位移成分的超聲波接收發(fā)送單元；根據(jù)由前述超聲波發(fā)送接收單元抽樣的多普勒位移成分，求出前述被測量流體的流速分布的流速分布計算單元；和根據(jù)該算出的流速分布中規(guī)定積分范圍的流速分布，用修正了空間分辨能力的量子化誤差的流量計算式算出流量的流量計算單元。
在上述構(gòu)成的多普勒式超聲波流量計，因為在流量計算單元用修正了空間分辨能力的量子化誤差的流量計算式算出流量，沒有積分誤差，所以可高精度測量流量。
修正了前述空間分辨能力的量子化誤差的流量計算公式是，例如，針對前述積分范圍的開始、終止位置的流道而除去該流道所占區(qū)域中的積分范圍外區(qū)域的計算式。
在修正前的流量計算式為以下(1)式時，所謂修正了前述空間分辨能力的量子化誤差的流量計算公式具體講例如指的是以下的(8)式。
(算式3)流量 vi流道i的流速，ri從管中心到流道i中心的距離，Δri流道i的寬度；(算式4)流量 式根據(jù)本發(fā)明的多普勒式超聲波流量計、其運算處理裝置等，通過用修正了空間分辨能力的量子化誤差的流量計算式算出流量，可進行高精度的流量測量。


圖1是通過本例產(chǎn)生的多普勒式超聲波流量計的概略構(gòu)成圖。
圖2是用于說明空間分辨能力的量子化誤差的圖。
圖3是用于說明流量計算式的修正方法的圖。
圖4是用于說明流道的圖。
圖5是示出實際的實驗結(jié)果一例的圖。
圖6是用于說明現(xiàn)有技術(shù)的流速分布、流量運算的圖。
符號說明1配管，2流體，3超聲波傳感器，4接收發(fā)送定時控制器，5發(fā)送脈沖生成部，6發(fā)送電壓控制部，7放大控制部，8濾波控制部，9A/D變換部，10運算控制部，11流速分布計算部，12流量計算部。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的實施形態(tài)加以說明。
圖1是本發(fā)明的多普勒式超聲波流量計的概略構(gòu)成圖。
圖示的多普勒式超聲波流量計具有超聲波傳感器3，接收發(fā)送定時控制部4，發(fā)送脈沖生成部5，發(fā)送電壓控制部6，放大控制部7，濾波器控制部8，A/D變換器9及運算控制部10。運算控制部10是例如微機(CPU/MPU)等，具有流速分布計算部11、流量計算部12。
匯集上述超聲波傳感器3、發(fā)送接收室時控制部4、發(fā)送脈沖生成部5、發(fā)送電壓控制部6、放大控制部7、濾波控制部8和A/D變換部9，稱為超聲波發(fā)送接收部。超聲波發(fā)送接收部，如以下說明所示，在任意的脈沖重復頻率下，把超聲波脈沖送出到配管1內(nèi)的被測量流體2，接收作為由反射體或配管內(nèi)壁產(chǎn)生的反射波的超聲波回波，從其中抽取多普勒位移成分，作A/D變換。圖示的多普勒式超聲波流量計是上述夾緊型超聲波流量計。
此外，流速分布計算部11、流量計算部12通過執(zhí)行上述微機(CPU或MPU計算機)由內(nèi)部或未圖示的存儲器等儲存裝置內(nèi)儲存的規(guī)定程序?qū)崿F(xiàn)。執(zhí)行該程序所必要的數(shù)據(jù)也儲存在上述存儲裝置內(nèi)。
上述超聲波脈沖在規(guī)定的脈沖重復周期下重復發(fā)送。該脈沖重復周期通過發(fā)送接收定時控制部4加以控制。即，發(fā)送接收定時控制部4遵從自己保持的重復脈沖周期，在每次脈沖發(fā)送定時到來時，對發(fā)送脈沖生成部5指示生成發(fā)送脈沖。發(fā)送脈沖生成部5具有產(chǎn)生規(guī)定頻率f0的電信號TXD0的石英振蕩器，通過上述指示把該電信號TXD0(發(fā)送脈沖)傳送到發(fā)送電壓控制部6。發(fā)送電壓控制部6把以該電信號TXD0的電壓為規(guī)定電壓(發(fā)送電壓)而構(gòu)成的電信號TXD1傳送到超聲波傳感器3。據(jù)此，通過超聲波傳感器3把與上述發(fā)送電壓的振幅對應的超聲波脈沖送出到配管1內(nèi)。
超聲波傳感器3是超聲波脈沖的發(fā)送接收器，從上述超聲波傳感器3輸出的超聲波脈沖在流體2的上流方向以對配管管軸的垂線的角度為θf，入射到配管1內(nèi)流過的流體2內(nèi)。該超聲波脈沖是例如以脈沖寬度5mm左右?guī)缀鯖]有擴展的直進性的光束，在圖示的側(cè)線ML上行進。在圖1，是令安裝超聲波傳感器3的配管1的管壁為管壁1a(入射壁)，其反對側(cè)的管壁為管壁1b(反對壁)。此外，令配管1的內(nèi)徑為D。
一旦超聲波傳感器3接收上述超聲波脈沖由流體2內(nèi)包含的反射體(氣泡或異物等)反射而構(gòu)成的超聲波回波，則將把該回波變換為電信號構(gòu)成的回波波RXD0傳送到放大控制部7。
因為該回波波RXD0電壓電平低，所以通過放大控制部7以規(guī)定的放大率對該回波波RXD0進行放大。而且把作為放大后的回波波的放大控制輸出RXD1傳送到濾波控制部8。
濾波控制部8把該放大控制輸出RXD1分離為發(fā)送頻率成分和多普勒位移成分，其后只通過低通濾波器抽取多普勒位移成分。該抽樣的多普勒位移成分是濾波器控制輸出RXD2，把它傳送到A/D變換部9。A/D變換部9將根據(jù)規(guī)定的取樣時鐘對濾波器控制輸出RXD2進行A/D變換后的A/D變換輸出RXD3(數(shù)字數(shù)據(jù))交給運算控制部10。在A/D變換部9進行A/D變換之際用的取樣時鐘是發(fā)送接收定時控制部生成·輸出并將其輸入。
在這里，對于上述濾波器控制部8在現(xiàn)有技術(shù)中大體作了詳細說明。首先，反射回波的頻率對發(fā)送脈沖頻率，根據(jù)流體的流速(反射體的速度)而位移(多普勒位移)。例如，如果取發(fā)送脈沖的頻率為900(kHz)，反射回波的頻率為902(kHz)，則上述位移過的頻率(以下稱為多普勒頻率)為2(kHz)。在上述濾波器控制部8，抽取該多普勒頻率的信號成分(多普勒位移成分)。具體講，混合發(fā)送的超聲波脈沖頻率和接收的反射回波的頻率，通過對發(fā)送頻率成分進行濾波，可抽取多普勒位移成分。更詳細說，這是用通過正交檢波產(chǎn)生的解析信號導出手法，對反射回波波乘以發(fā)送頻率的正弦·余弦成分，把反射回波波分離為發(fā)送頻率成分和多普勒位移成分，其后，通過低通濾波器只對多普勒位移成分抽樣。
而且，通過A/D變換部9把抽樣的多普勒位移成分信號變換為數(shù)字數(shù)據(jù)，輸入到微機等的運算處理部10內(nèi)。在運算處理部10，從該多普勒位移成分(余弦·正弦)算出一定周期的相位角變化部分，據(jù)此，求出流速分布，從流速分布通過積分運算求出流量。
發(fā)送頻率為數(shù)百(kHz)～數(shù)(MHz)的量級，多普勒頻率為小于等于數(shù)(kHz)的量級。
在接受上述A/D變換部9輸出的運算處理部10，首先流速分布計算部11運算沿著上述測量線ML的測量區(qū)域的流速分布。此外，流量運算處理部12用該流速分布中的規(guī)定積分范圍的流速分布進行積分，算出流量。在本例，流速分布計算部11與現(xiàn)有技術(shù)是相同的，然而，在流量運算處理部12的流量計算用修正了空間分辨能力的量子化誤差的流量計算式進行。
以下，對流量運算處理部12用的流量計算式加以說明。
在這里，首先對流量運算處理部12的現(xiàn)有技術(shù)的流量計算式加以說明。
在這里，例如，作為積分方式采用中點規(guī)則(midpoint；也稱為中間坐標規(guī)則)，此外，積分范圍取從管中心(管軸)到反對壁1b，在該積分范圍內(nèi)包含的流道數(shù)取從流道0到流道N的N+1個。據(jù)此，流量運算處理部12例如通過以下的(1)式計算流量。
算式5流量 式vi流道i的流速，
ri從管中心到流道i中心的距離，Δri流道i的寬度。
即，對各流道，求出其流道在配管截面上占有的面積，通過將該流道的流速乘以該面積，求出該流道的流量，求出全部的流道的流量總和。
這時，如圖2所示，積分范圍兩端的流道(流道0和流道N)其區(qū)域的一部分有時成為積分范圍外。這時，如果通過上述式(1)計算流量，則因為也增加了積分范圍外的部分，所以計算結(jié)果比實際的流量多。這樣的誤差在這里稱之為上述空間分辨能力的量子化誤差(或由此產(chǎn)生的積分誤差)。
在這里，對處于該積分范圍開始位置和終止位置的流道(流道0和流道N)修正上述計算式(1)，使之成為除去該流道占據(jù)的區(qū)域中的積分范圍外區(qū)域的計算式。對此，參照圖3加以說明。
首先，對流道0加以說明。在這里，如圖3所示，令從管中心直到流道0的中心的距離為r0。此處，在流道0的區(qū)域中，成為積分范圍外的部分(圖示的斜線部分)的長度也可以說是“Δr/2-ro”。
如以下那樣地求出哪個流道是上述流道0和上述r0值。
首先，作為輸入?yún)?shù)，輸入從入射壁1a開始直到取入開始位置的距離DCH。所謂取入開始位置是流速分布的量測開始位置，可以由設計者等任意決定。正如現(xiàn)有技術(shù)所說明那樣，流速分布也對積分范圍外的流道量測，例如如圖4所示，設定以離開入射壁1a的距離DCH的位置作為其中心的流道，以此作為流速分布的測量開始流道(圖示的CH(0))，從該CH(0)順序地間隔Δr直到反射壁1b為止設定流道。即，設定如圖4所示的CH(0)～CH(Z)。而且，通過計算對這些各流道的每個流道的流速，得到流速分布，然而流量計算采用積分范圍內(nèi)的各流道的流速進行。在這里，因為如上述所示，將從上述通管中心直到反對壁為止的長度D/2的范圍作為積分范圍，所以在圖4的例中，CH(M)成為積分范圍的開始流道。這是圖2、圖3中的流道0。使M變?yōu)?是由于應用上述計算式(1)的緣故。
通過以上所述，如果從入射壁1a直到各流道中心的距離CHD(X)用上述距離DCH和Δr，則可以通過以下的(2)式求出。
CHD(X)＝DCH+Δr×X…(2)式(X；0～Z)從該計算結(jié)果看到，該CHD(X)滿足以下條件(3)的流道是上述積分范圍的開始流道(圖4的CH(M)，圖3的流道0)。通過把以下條件式中的D/2置換為D的條件式也可以求出積分范圍終止流道。
D/2-Δr/2≤CHD(X)≤D/2+Δr/2…(3)式在圖4的例，因為CHD(M)應當滿足該條件式(3)，所以通過以下的(4)式，求出上述的r0。
r0＝CHD(M)-D/2…(4)式在上述(1)式中的ri可以通過ri＝r0+Δr×i…(5)式求出。
據(jù)此，首先用上述r0和從管中心到下一流道1中心為止的距離r1(r1＝r0+Δr)，通過以下的(6)、(7)式求出在流道0區(qū)域中積分范圍內(nèi)的區(qū)域(除了圖示的斜線部分以外的部分)的寬度Δr0’和中心點r0’。
Δr0’＝(r0+r1)/2…(6)式r0’＝0.5×(r0+r1)/2…(7)式此外，對于流道N，在這里，如圖3所示，令從管中心直到流道N中心的距離為rN，從管中心直到前一流道N-1中心的距離為rN-1(這些值也可以如上述所示求出)。這種情況下，在流道N的區(qū)域中，積分范圍內(nèi)的區(qū)域(除去圖示斜線部分以外)的寬度ΔrN’和中心點rN’可以如下所示求出。
算式6ΔrN′=D2-rN-1+rN2,rN′=12·(D2+rN-1+rN2)]]>如果根據(jù)上述求出的結(jié)果，對上述(1)式修正，則修正后的流量計算式成為如以下的(8)式。
算式7流量 式即，對于積分范圍的開始，終止位置的流道，取該流道所占據(jù)的區(qū)域中的積分范圍外區(qū)域被除去那樣的計算式。
流量運算處理部12用該(8)式計算流量。因此，可以進行不受空間分辨能力的量子化誤差影響的高精度的流量測量。
圖5示出實際的實驗結(jié)果的一例。
在本實驗，用內(nèi)徑D為50(mm)的配管，配管內(nèi)流過的流體取用水，分割數(shù)(流道數(shù))取作40，對于平均流速5(m/s)、3(m/s)的各流速，通過流量運算處理部12，用有/無修正的各自的流量計算式測量流量。此外，以電磁流量計作為基準儀器。
其結(jié)果，如圖示所示，在平均流速5(m/s)的情況，通過電磁流量計產(chǎn)生的流量測量結(jié)果為647.17(L/min)，與此相反，在未修正時，為723.54(L/min)，誤差為11.80(％)。另一方面，在有修正時，為649.11(L/min)，幾乎沒有誤差(0.3％程度)。平均流速為3(m/s)的情況也具有大體相同的結(jié)果。
這樣一來，在用上述修正了的流量計算式(8)時，可進行非常高精度的流量測量。電磁流量計雖然是可高精度的流量測量，但不利之處是，因為不是夾緊型，所在存在所謂設置之際化費工夫和費用非常大的缺點。
在上述的說明中以作為積分方式用中點規(guī)則的情況作例，但并不限于此，用其它積分方式(梯形規(guī)則、辛普森規(guī)則)時也可以用本法。
權(quán)利要求
1.一種多普勒式超聲波流量計，利用超聲速波多普勒位移測量在配管內(nèi)流過的被測量流體的流量，其特征為，該流量計具有超聲波接收發(fā)送單元，在任意脈沖重復頻率下，把超聲波脈沖送出到所述被測量流體，接收其超聲波回波，通過施以規(guī)定的處理抽取多普勒位移；流速分布計算單元，根據(jù)由所述超聲波接收發(fā)送單元抽取的多普勒位移成分，求出所述被測量流體的流速分布；和流量計算單元，根據(jù)該計算的流速分布中規(guī)定積分范圍的流速分布，使用修正了空間分辨能力的量子化誤差的流量計算式計算流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多普勒式超聲波流量計，其特征為，修正了所述空間分辨能力的量子化誤差的流量計算式是對所述積分范圍開始、終止位置的流道，將該流道所占領(lǐng)的區(qū)域中的積分范圍外的區(qū)域除去的計算式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多普勒式超聲波流量計，其特征為，在修正前的流量計算式為以下的(1)式的情況下，修正了所述空間分辨能力的量子化誤差的流量計算式是如以下的(8)式，(算式1) vi管道i的流速，ri從管中心到流道i中心的距離，Δr流道i的寬度；(算式2)
4.一種多普勒式超聲波流量計的運算處理裝置，該多普勒式超聲波流量計利用超聲波多普勒位移，測量在配管內(nèi)流過的被測量流體的流量，其特征為流速分布計算單元，根據(jù)對作為向所述配管內(nèi)送出的超聲波脈沖的反射波的超聲波回波的接收信號施以規(guī)定處理得到的多普勒位移成分，求出所述被測量流體的流速分布；和流量計算單元，根據(jù)該計算出的流速分布中規(guī)定積分范圍的流速分布，用修正了空間分辨能力的量子誤差的流量計算式，計算流量。
5.一種程序，在利用超聲波多普勒位移測量配管內(nèi)流過的被測量流體流量的多普勒式超聲波流量計的計算機中，用于實施以下功能根據(jù)對作為向所述配管內(nèi)送出的超聲波脈沖的反射波的超聲波回波的接收信號施以規(guī)定處理得到的多普勒位移成分，求出所述被測量流體的流速分布的功能；和根據(jù)該求出的流速分布中規(guī)定的積分范圍的流速分布，用修正了空間分辨能力的量子化誤差的流量計算式計算流量的功能。
全文摘要
通過用修正了空間分辨能力的量子誤差的流量計算式計算流量，可高精度測量流量，其解決方法如下通過超聲波傳感器(3)等發(fā)送接收超聲波脈沖，對接收信號施以規(guī)定的處理，進行(A/D)變換，據(jù)此，在運算控制部(10)上，直到流速分布計算部(11)求出流速分布為止，大體上與現(xiàn)有技術(shù)是同樣的。而在流量運算處理部(12)的流量計算用修正了空間分辨能力的量子化誤差的流量計算式進行。
文檔編號G01F1/66GK1661338SQ20051000752
公開日2005年8月31日 申請日期2005年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月27日
發(fā)明者山田和行, 大室善則, 平山紀友, 木代雅巳 申請人:富士電機系統(tǒng)株式會社