外夾式超聲波流量計以及流量的計測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種流體計測技術(shù)，尤其涉及外夾式超聲波流量計以及流量的計測方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 外夾式超聲波流量計具有分別配置在配管的外側(cè)的上游側(cè)和下游側(cè)的超聲波傳 感器。外夾式的流量計一般利用超聲波，所以在以下的本說明書中，有時將"外夾式超聲波 流量計"僅簡稱為"外夾式流量計"。外夾式流量計朝著在配管中流動的流體發(fā)送超聲波， 基于從流體的上游至下游方向傳播的超聲波的傳播時間、以及從下游至上游方向逆向傳播 的超聲波的傳播時間，計算出在配管內(nèi)流動的流體的流速以及流量（例如，參照專利文獻(xiàn) 1。）。外夾式流量計具有如下優(yōu)點：由于只要接觸式地將超聲波傳感器設(shè)在配管的外側(cè)即 可，所以無需在設(shè)置時切斷配管，由于不與在配管內(nèi)的空腔部流動的流體接觸，所以測定對 象的流體可以是腐蝕性，對測定對象的流體的純度沒有影響，以及由于結(jié)構(gòu)物不被插入配 管內(nèi)，所以不會產(chǎn)生壓力損失等。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0004] 專利文獻(xiàn)
[0005] 專利文獻(xiàn)1歐洲專利第1173733號說明書

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明要解決的問題
[0007] 本發(fā)明將提供能正確地計測流體的流量的外夾式超聲波流量計以及流量的計測 方法作為目的之一。在此，流體包括氣體以及液體。
[0008] 用于解決課題的手段
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的形態(tài)，提供一種外夾式超聲波流量計，其具有：(a)第一超聲波傳感 器，其使第一超聲波信號以超過臨界角的角度入射至流體流動的配管，并使倏逝波在配管 的管壁產(chǎn)生；(b)第二超聲波傳感器，其被配置在能夠接收第一超聲波信號的位置，使第二 超聲波信號以與第一超聲波信號的入射角度相同的角度入射至配管，并使倏逝波在配管的 管壁產(chǎn)生；以及（c)流量算出部，其基于第一超聲波信號經(jīng)由配管內(nèi)到達(dá)第二超聲波傳感 器為止的第一時間、以及第二超聲波信號經(jīng)由配管內(nèi)到達(dá)第一超聲波傳感器為止的第二時 間，計算出配管內(nèi)的流體的流速以及/或者流量。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的其他形態(tài)，提供一種流量的計測方法，包括如下步驟：(a)使第一超 聲波信號以超過臨界角的角度從第一超聲波傳感器入射至流體流動的配管，并使倏逝波在 配管的管壁產(chǎn)生；使第二超聲波信號以與第一超聲波信號的入射角度相同的角度從第二超 聲波傳感器入射至配管，并使倏逝波在所述配管的管壁產(chǎn)生，所述第二超聲波傳感器被配 置在能夠接收第一超聲波信號的位置；以及基于所述第一超聲波信號經(jīng)由所述配管內(nèi)到達(dá) 所述第二超聲波傳感器為止的第一時間、以及第二超聲波信號經(jīng)由配管內(nèi)到達(dá)第一超聲波 傳感器為止的第二時間，計算出配管內(nèi)的流體的流速以及/或者流量。
[0011] 發(fā)明的效果
[0012] 根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種能正確地計測流體的流量的外夾式超聲波流量計以及 流量的計測方法。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的實施形態(tài)所涉及的外夾式流量計的示意性的截面圖。
[0014]圖2是本發(fā)明的實施形態(tài)所涉及的外夾式流量計的示意性的截面圖。
[0015]圖3是本發(fā)明的實施形態(tài)所涉及的外夾式流量計的示意性的截面圖。
[0016]圖4是本發(fā)明的實施形態(tài)所涉及的外夾式流量計的示意性的截面圖。
[0017]圖5是現(xiàn)有技術(shù)所涉及的外夾式流量計的示意性的截面圖。
[0018] 圖6是本發(fā)明的實施形態(tài)所涉及的超聲波波包（y卜）的圖表。
[0019]圖7是本發(fā)明的實施例所涉及的超聲波波包的圖表。
[0020] 圖8是本發(fā)明的實施例所涉及的超聲波波包的圖表。
【具體實施方式】
[0021] 以下對本發(fā)明的實施形態(tài)進(jìn)行說明。在以下的附圖的記載中，對于同一或者類似 的部分以同一或者類似的符號來表示。但是，附圖都是示意性的圖。因此，具體的尺寸等應(yīng) 該參照以下的說明來進(jìn)行判斷。又，當(dāng)然附圖相互之間也包含了相互的尺寸關(guān)系、比率不同 的部分。
[0022] 如圖1以及圖2所示，實施形態(tài)所涉及的外夾式流量計具有：第一超聲波傳感器 101，其使第一超聲波信號以超過臨界角的角度ewll入射至流體流動的配管1〇,并使倏逝 波在配管10的管壁產(chǎn)生；以及第二超聲波傳感器102,其被配置在能夠接收第一超聲波信 號的位置，使第二超聲波信號以與第一超聲波信號的入射角度0wll相同的角度0 "2入射 至配管10,并使倏逝波在配管10的管壁產(chǎn)生。流體是指氣體或者液體。
[0023] 第一超聲波傳感器101被配置于在配管10內(nèi)流動的流體的上游側(cè)，第二超聲波傳 感器102被配置在下游側(cè)。從第一超聲波傳感器101發(fā)出的第一超聲波信號經(jīng)由配管10 由第二超聲波傳感器102接收。從第二超聲波傳感器102發(fā)出的第二超聲波信號經(jīng)由配管 10由第一超聲波傳感器101接收。例如，第一超聲波傳感器101和第二超聲波傳感器102 被交替地施加驅(qū)動信號，交替地發(fā)出超聲波信號。
[0024] 第一超聲波傳感器101以及第二超聲波傳感器102與中央處理裝置（CPU) 300電 連接。CPU300包括：對第一超聲波信號從第一超聲波傳感器101發(fā)出之后經(jīng)由配管10內(nèi)到 達(dá)第二超聲波傳感器102為止的第一時間、以及第二超聲波信號從第二超聲波傳感器102 發(fā)出之后經(jīng)由配管內(nèi)到達(dá)第一超聲波傳感器101為止的第二時間進(jìn)行計測的時間計測部 301;以及基于第一時間和第二時間，計算出配管10內(nèi)的流體的流速以及/或者流量的流量 算出部302。
[0025] 第一超聲波傳感器101具有：例如，發(fā)出第一超聲波信號的第一振子1 ;以及被配 置在配管10的外表面上，以使第一超聲波信號以超過臨界角的角度0wll向配管10入射的 第一楔形體11。同樣地，第二超聲波傳感器102具有：例如，發(fā)出第二超聲波信號的第二振 子2 ;以及被配置在配管10的外表面上，以使第二超聲波信號以超過臨界角的角度0 wl2向 配管10入射的第二楔形體12。配管10是由例如不銹鋼等的金屬材料構(gòu)成的金屬配管。第 一楔形體11以及第二楔形體12由例如聚醚酰亞胺等塑料等的合成樹脂等構(gòu)成。
[0026] 超聲波在各向同性的固體內(nèi)傳播的情況下，縱波和橫波這兩種平面波能夠傳播， 其被稱為體波（bodywave)?？v波和橫波分別按照斯涅爾定律在兩個介質(zhì)的界面折射。設(shè) 第一超聲波傳感器101以及第二超聲波傳感器102的第一楔形體11以及第二楔形體12中 的超聲波的聲速為cw、配管10的管壁中的超聲波的聲速為cP，相對于第一楔形體11與配管 10的界面的自第一楔形體11的入射角為0Wll，相對于第二楔形體12與配管10的界面的 自第二楔形體12的入射角為0Wl2，向配管10的管壁的出射角為0P的話，則根據(jù)斯涅爾定 律，滿足以下的式（1)。
[0027] sin(0Wll)/cw
[0028] =sin( 0wi2)/cw
[0029] =sin(9p)/cP (1)
[0030] 因此，入射角9 ￥的臨界角9。由以下的式（2)求得。
[0031] 0 c=sin1 (cWil/cP)
[0032] =sin1 (cWi2/cP) (2)
[0033] 在超聲波的入射角超過臨界角0。的情況下，超聲波在界面全反射，平面波不會從 第一楔形體11以及第二楔形體12向配管10的管壁內(nèi)傳播。一般來說，由于與縱波相比， 橫波的臨界角更大，所以在入射角超過橫波的臨界角的情況下，縱波和橫波都不能作為平 面波向配管10的管壁內(nèi)傳播。此時，配管10的管壁內(nèi)的聲場在與界面垂直的方向上呈指 數(shù)衰減，在與界面平行的方向上為具有周期性的波動。將該聲場稱為倏逝波。倏逝波的能 量沿著與界面垂直的方向從界面集中到波長左右的范圍，不會進(jìn)行更深的滲透（例如，參 照《超聲波用語辭典》，2005年，工業(yè)調(diào)查會，27頁。）。
[0034] 例如，在配管10由不銹鋼（SUS304)構(gòu)成的情況下，縱波的聲速為5780m/s，橫波 的聲速為3141m/s。因此，在由SUS304構(gòu)成的配管10的管壁內(nèi)，例如1MHz的超聲波的縱 波的波長為5. 8_，橫波的波長為3. 1_。由此，如果管壁的厚度為數(shù)毫米左右的話，則在配 管10的外表面?zhèn)?