超声波流量计和超声波流量测量方法技术

一种流量计，包括：传播时间差方法单元，具有传感器和经由传感器选择开关连接到传感器的接收信号放大控制单元和流量计算单元；脉冲多普勒方法单元，具有连接到传感器的接收信号放大控制单元和积分计算单元；对它们公用的发射／接收定时控制单元；测量方法选择控制单元，用于控制传播时间差方法单元和脉冲多普勒方法单元和并行操作之间的转换；以及测量值输出选择器开关，用于选择传播时间差方法单元和脉冲多普勒方法单元的输出。即，单个流量计能通过对测量范围无限制的传播时间差方法和具有测量范围上限但允许高精度测量的脉冲多普勒方法，来执行流量测量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及超声波流量计，用于通过将超声波发射到作为测量的对象的流体中来测量流体的流量，以及更具体地说，涉及，有效地可应用于各种流体等的流量测量。
技术介绍
用于在管道外壁上安装检测器、将超声波从管道外发射到在管道中流动的流体中、以及通过测量在流体内传播的超声波的变化来测量管道内部的流量的钳制型(clamp-on type)超声波流量计具有许多优点，诸如现有管道不要求特定安装工作，以及受流体温度或压力或其腐蚀性的最小影响。存在如用于这种流量计的流量测量方法的已知技术，诸如脉冲多普勒方法和传输时间方法。通过脉冲多普勒方法进行流量测量具有至少一个检测器，该检测器具有集成的发射机-接收机，将超声波脉冲发射到作为测量对象的流体中，并接收由异物，诸如混入流体中的气泡反射的超声回波，如图1A所示。这是回波的频率偏移与流速成比例的量的原理的应用。由于回波从检测器附近的流体部分快速返回，以及返回时间随距离而被延迟，使用该现象获得沿横线位置处的流速分布Vx，然后，管道整个截面(A)上的分布的积分获得流量，用(1)表示。Q＝∫Vx·dA…(1)该方法能高精确和高速响应，并具有良好的抗气泡质量。然而，该方法面临不能测量具有少量杂质以及可测量的速度范围受限的技术问题。专利文献1已经注意到可测量的速度范围。即，用下面的表达式来表示最大可测量速度VMAXVMAX≤Cf2/(8·D·f0·sinθf)---(2)]]>其中，Cf是流体的声速，D是管道内径，以及f0是超声波的发射频率。这是因为脉冲多普勒方法通过以重复频率fprf采样多普勒频移fd来计算出fd，如图1B和1C所示，因此，根据采样定理，需要Vprf≥2·fd…(3)同时，为了测量沿测量线管道的整个面积上的流速分布，因为不可能执行后续测量直到回波从管道另一侧的管壁返回，需要Vprf≤Cf/(2·D)…(4)此外，当测量的流体的速度为Vf时，由下式来表示多普勒频移fdfd＝2·Vf·sinθf·f0/Cf…(5)表达式(3)至(5)的结合产生表达式(2)，使得存在可测量流速的上限显而易见。有关脉冲多普勒方法的另一问题是，不可能检测到检测器侧管壁附近的流速的事实。即，如果至少使用具有集成发射机/接收机的检测器，则脉冲多普勒方法进行的流量测量能够测量流速分布，但在检测器侧管壁附近，速度测量精度降低。作为该问题的对策，专利文献2已经公开了一种通过推断具有检测器的管壁部分对侧的管壁部分的正常检测流速，来获得流体流量的方法。专利文献3已经公开了一种通过在流体截面的中心将测量的速度分布划分成两个来产生两个分开的分布，以及通过折叠具有较小波动的划分的分布之一，而获得整个流体截面的流速的方法。然而，这些方法均假定流体流为凸起和对称流，并导致对于诸如弯曲或汇合处的流的不对称流，流量测量精度降低。假定流仅具有轴向分量，如果在弯曲或汇合处在流中出现径向分量，则导致发生流量测量精度降低。另一方面，传输时间方法是采用集成发射机/接收机的一对检测器的方法，如图2A所示，以及比较从上游到下游侧的超声波传输时间T1(参见图2B)和从下游到上游侧的超声波传输时间T2(参见图2C)，并根据下述表达式(6)和(7)，获得平均流速V和流量Q。Vf=Dsin2θfΔT(T0-τ)2---(6)]]>Q=π4D2·1K·Vf---(7)]]>其中，ΔT＝T2-T1；D管道直径；θf超声波进入流体的入射角；T0静水中的传播时间(＝(T1+T2)/2)；τ管壁和楔中的传播时间；K用于平均流速的转换系数。尽管该方法与上述脉冲多普勒方法相比，具有问题，诸如低精度、慢响应和由于气泡或杂质的易损性，但它具有下述优点，诸如测量没有气泡或杂质的流体的能力，以及与脉冲多普勒方法相反，没有可测量范围的局限。迄今所述，由于使用利用脉冲多普勒方法或传输时间方法的单一测量仪器来测量流量的传统方法面临降低测量精度的技术问题，或根据作为测量对象的流体的速度或诸如包括气泡的条件而不能测量，脉冲多普勒方法和传输时间方法均具有优点和缺点。公开日本专利申请公开号No.2004-12205公开日本专利申请公开号No.10-281832公开日本专利申请公开号No.2004-12204
技术实现思路
本专利技术的目的是，提供一种，能提高测量精度和可测量范围，而不受流体的状态，诸如流速和气泡量的影响。本专利技术的另一目的是，实现产品成本降低和简化安装用于超声波流量计的检测器。本专利技术的另一目的是，通过消除在单个检测器的情况下脉冲多普勒方法固有的技术问题，来提高流量的测量精度，同时抑制成本增加。此外，本专利技术的另一目的是，提供一种流量测量方法和装置，能通过根据条件，诸如流速分布或作为测量对象的流体的气泡量，而在两个测量方法，即脉冲多普勒方法和传输时间方法之间进行切换，在大范围的速度上通过高精度来测量流量。本专利技术的第一方面是，提供一种超声波流量计，其包括多个流量测量单元，用于通过以相互不同的测量原理来使用超声波，测量管道中流体的流量。本专利技术的第二方面是提供一种超声波流量计，包括多个流量测量单元，用于使用超声波，通过相互不同的测量原理来测量管道中流体的流量；以及传感器单元，用于通过被安装在管道上并在多个流量测量单元之间共用，来执行声信号和电信号之间的相互转换。本专利技术的第三方面是提供一种超声波流量计，包括第一流量测量单元，用于通过使用传输时间方法来检测管道中流体的流量；第二流量测量单元，用于通过使用脉冲多普勒方法来检测管道中流体的流量；多个第一和第二传感器单元，被安装到作为测量对象的流体在其中流过的管道上，每个传感器单元执行声信号和电信号之间的相互转换；以及传感器转换单元，用于使第一和第二流量测量单元共用所述传感器单元。本专利技术的第四方面是提供一种超声波流量测量方法，用于通过使用超声波来测量管道内流体的流量，由多个流量测量单元来测量流量，多个流量测量单元分别使用不同的测量原理、共用多个传感器单元，每个传感器单元被安装到管道上、执行声信号和电信号之间的相互转换，以及对于每个流量测量单元改变传感器单元的连接。多个流量测量单元例如可以配置成包括第一流量测量单元和第二流量测量单元，第一流量测量单元用于通过使用传输时间方法来检测管道内流体的流量，以及第二流量测量单元用于通过使用脉冲多普勒方法来检测管道内流体的流量。可以具有检测器转换单元，其允许至少一个检测器操作，以便使得脉冲多普勒方法使用需要两个检测器的传输时间方法中使用的一对检测器中的至少一个。可以配置成一对检测器被置于跨越管道轴的相对侧，并处于在流体流动方向上相互位移的位置，或可以配置成一对检测器被置于管道的同一侧，并处于在流体流向方向上相互分离的位置。如上，根据本专利技术的超声波流量计包括具有不同测量原理的第一流量测量单元和第二流量测量单元，相互独立地使用它们或同时使用它们，从而通过相互补充另一方法的缺点，使得可以在宽范围测量流体的流量并具有高精度，而没有作为测量对象本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波流量计，包括多个流量测量单元，用于以相互不同的测量原理，通过使用超声波来测量管道中流体的流量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：木代雅巳，萩原幸治，山本俊广，矢尾博信，大室善则，平山纪友，
申请(专利权)人：富士电机系统株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]