超声波流量计及其流量的测量方法-尊龙凯时官方app下载

文档序号:5879903阅读:753来源:国知局
专利名称:超声波流量计及其流量的测量方法
技术领域
本发明涉及一种采用超声波来测量流体流量的超声波流量计以及测量流体流量的方法。另外,本发明还涉及一种燃气表。
下面,就现有技术的超声波流量计的构造及其测量原理进行说明。

图12是表示现有技术的超声波流量计的一例的方框图。图12所示的超声波流量计例如公开在非专利文件1中。如图12所示,超声波振子1及2配置成夹住流过流体的流路14的状态。超声波振子1及2分别起到了发送器和接收器的功能。就是说,当超声波振子1作为发送器使用时,超声波振子2作为接收器使用;而当超声波振子2作为发送器使用时,超声波振子1作为接收器使用。如图12所示,超声波振子1以及2之间所形成的超声波传播路径与流体的流动方向呈θ角倾斜。
当使超声波从超声波振子1向超声波振子2传播时,由于超声波相对流体流动沿顺方向前进,其速度就变快,相反,当使超声波从超声波振子2向超声波振子1传播时,由于超声波相对流体流动沿逆方向前进,其速度就变慢。因此,由超声波振子1到超声波振子2的超声波传播时间和超声波振子2到超声波振子1的超声波传播时间的差,可以求出流体的速度。另外,还可以通过流路14的截面积和流速的积求出流量。
根据上述原理,作为求流体流量的具体方法,说明一下由声循环法的测量方法。
如图12所示,超声波流量计包括发送部3以及接收部6,超声波振子1通过切换部10与发送部3或接收部6中的一方进行有选择的连接。此时,超声波振子2与超声波振子1未连接的发送部3或接收部6中的一方连接。
当发送部3和超声波振子1连接时,发送部3驱动超声波振子1,产生的超声波横穿流动的流体而到达超声波振子2。由超声波振子2所接收的超声波,被转换成电信号,接收信号由接收部6放大。在零交叉检测部7,检测出接收信号达到规定电平之后的第1个零交叉点,生成零交叉检测信号。所谓零交叉点是指,接收信号的振幅从正到负,或从负到正发生变化的点。把这个零交叉点,作为超声波到达超声波振子2的时刻。根据零交叉检测信号,在延迟规定时间的时刻生成触发信号,输入到发送部3。把从生成零交叉检测信号到生成触发信号之间的时间叫做延迟时间。
发送部3根据触发信号驱动超声波振子1,产生下一个超声波。把这种超声波的发送—接收—放大·延迟—发送的环形反复循环称为声循环。循环次数称做声循环数。
在计时部9,计测规定次数、重复循环需要的时间,并将计测结果传送到流量计算部11。接着,切换切换部10,将超声波振子2作为发送器使用,将超声波振子1作为接收器使用时,进行同样的测量。
从通过上述方法测量的时间中减去迟延时间与声循环数相乘的值,再除以声循环数后所得的值即为超声波传播时间。设将超声波振子1作为发送侧时的传播时间为t1,设将超声波振子2作为发送侧时的传播时间为t2。
另外,如图12所示,设超声波振子1与超声波振子2之间的距离为l,并设流体的流速及超声波的音速分别为v以及c。
此时,t1及t2可用下面的式子表示。
(数1) 由上式可得表示流速v的下面的式子,(数2)v=l2cosθ(1t1-1t2)···(2)]]>如果可求出流体流速v,便可由流路14的截面积和流速v的积求出流量q。
(非专利文件1)日本电气计测器工业会规格,jemis5032“超声波的流量测量法”日本电气计测工业会1987年。
在上述超声波流量计中,是通过零交叉检测,测量传播在超声波振子1和超声波振子2之间的超声波的传播时间t1及t2的。因此,需要从超声波振子1发送的超声波在超声波振子2接收时的波形,与从超声波振子2发送的超声波在超声波振子1接收时的波形保持一致。
但是,实际上,由于超声波振子1和超声波振子2之间的特性的差异,其波形不会完全一致。图13示出了当流体的流速为0,超声波振子1和超声波振子2之间的特性不同时,由超声波振子1发送的超声波在超声波振子2接收时的波形18,和由超声波振子2发送的超声波在超声波振子1接收时的波形19。接收信号超过电平a之后第1个的零交叉点,在波形18及波形19中,分别为点18a及点19a,这些点并不一致。就是说,即使是在需要测量的气体或液体还未流动时,结果也会显示错误的流量。
另外,超声波振子是由压电元件构成,一般地,其特性会受到温度的影响。图14示出了流体流速为0时,上述传播时间t1和t2的差δt的温度相关性。如图14中用20a表示的那样,存在δt对温度几乎成正比变化的情况,和如用曲线20b或曲线20c表示的那样,存在随着温度的上升δt会急剧地增大或急剧地减小的情况。分析认为这是由于超声波振子1及超声波振子2的特性,即温度相关性不同引起的,其结果,会在组合特性变化的倾向上,也产生各种模式。
所以,使用现有技术的超声波流量计构成燃气表时,会因2个超声波振子的特性差异所产生误差,有可能会出现虽然没有使用燃气而当作已使用燃气进行测量的错误。并且,由于其特性差异的温度相关性,即使在一天当中,在温度低的早上和在温度高的中午,即使使用相同燃气器具也会测出不同的使用量。
另外,不仅会发生测量上的误差,如果燃气表上附加有燃气泄漏检测功能的话,也可能会降低检测功能的可靠性。
本发明的超声波流量计,包括收发超声波,使在流体的流路中形成所述超声波传播路径而配置的第1及第2超声波振子;驱动所述第1及第2超声波振子中的一方的发送部;与所述发送部连接,调整所述发送部输出阻抗的第1匹配部;以及具有与所述经调整的输出阻抗大致相等、或比所述经调整的输出阻抗小的输入阻抗,接收到达第1及第2超声波振子中的另一方的超声波的接收部,通过检测在传播路径之间所传播的超声波双向的传播时间差,从而测量流体流量。
在优选实施方案中,所述经调整的输出阻抗,要比所述第1及第2超声波振子中的一方在共振频率处所具有的阻抗值的1/2还要大。
在优选实施方案中,所述经调整的输出阻抗与所述第1及第2超声波振子中一方的阻抗值实质相等。
所述在优选实施方案中,所述输出阻抗为40ω以下,20ω以下更好。
在优选实施方案中,超声波流量计,还具有旨在检测由所述第1或第2超声波振子与所述发送部之间的阻抗不匹配而产生的反射波的反射波检测部。
在优选实施方案中,超声波流量计,还具有旨在将反射波有选择地引导到所述反射波检测部的方向耦合器。
在优选实施方案中,超声波流量计还具有根据所述反射波检测部检测的反射波来控制所述第一匹配部的控制部。
在优选实施方案中,超声波流量计,还包括有选择地连接所述第1匹配部与所述第1及第2超声波振子中的一方的第1切换部,以及有选择地连接所述接收部与所述第1及第2超声波振子中的一方的第2切换部。
在优选实施方案中,调整所述第1匹配部,使所述输出阻抗与由所述切换部所选择的超声波振子在共振频率处的阻抗实质上匹配。
在优选实施方案中,还包括有选择地连接调整所述发送部的输出阻抗的第2匹配部、所述发送部以及所述第1匹配部及所述第2匹配部中的一方的第1切换部,和有选择地连接所述接收部和所述第1及第2超声波振子中的一方的第2切换部,所述第1及所述第2匹配部分别与所述第1或第2超声波振子连接。
在优选实施方案中,调整所述第1及第2匹配部,使所述输出阻抗与所述第1及第2超声波振子在共振频率处的阻抗实质上匹配。
在优选实施方案中,所述第1及第2超声波振子以厚薄振动方式进行振动。
在优选实施方案中,还包括旨在检测经所述接收部放大的接收信号的检测部,在所述检测部通过零交叉点来决定所述接收信号的到达时刻。
在优选实施方案中,超声波流量计,还包括旨在检测经所述接收部放大的接收信号的检测部,在所述检测部,对所述接收信号设定多个零交叉点,并用所述多个零交叉点进行流量的修正。
另外,本发明的燃气表,包括设置在有燃气流过的流路中的上述任一种超声波流量计;阻断流过所述流路的燃气的断流阀;以及控制所述超声波流量计及断流阀的控制装置。
另外,本发明的流体流量的测量方法,采用一对超声波振子作为发送器及接收器在流体的流路中形成超声波传播路径,使用旨在驱动所述一对超声波振子中的一方的发送部,和具有与所述发送部的输出阻抗大致相等或者比所述发送部的输出阻抗小的输入阻抗、并接收到达所述一对的超声波振子的另一方的超声波的接收部,使超声波沿着所述传播路径双向地传播,通过检测出双向传播的时间差来进行流体流量的测量。
在优选实施方案中,调整所述发送部的输出阻抗,使其至少为用作发送器的所述超声波振子在共振频率处的阻抗的1/2以上的值,使旨在接收所述超声波的接收部的输入阻抗小于所述发送部的输出阻抗值。
在优选实施方案中,调整所述发送部的输出阻抗,使其与用作发送器的所述超声波振子在共振频率处的阻抗值实质相等。
在优选实施方案中,把所述接收部的输入阻抗要调整在40ω以下,20ω以下更好。在优选实施方案中,检测由超声波振子与所述发送部之间的阻抗不匹配而产生的反射波,通过调整所述发送部的输出阻抗使所述反射波变小。
图2(a)为说明本发明的超声波流量计的原理的方框图,(b)为用四端网络表示的(a)的部分。
图3表示本发明所使用的超声波流量计的电气特性的阻抗曲线图。
图4表示本发明的超声波流量计第1实施例的方框图。
图5如图4所示的主要部分的具体构成的电路图。
图6说明用声循环法进行测量的图。
图7是在本发明的超声波流量计中,流体静止时的第1超声波振子以及第2超声波振子接收信号的波形图。
图8(a)和(b)为大流量时的接收波形图。
图9为本发明的超声波流量计第2实施例的方框图。
图10为本发明的超声波流量计第3实施例中的主要部分方框图。
图11为本发明的第4实施例的燃气表的方框图。
图12为现有技术的超声波流量计的方框图。
图13表示现有技术的超声波流量产生的接收波形差异的图。
图14表示现有技术的超声波流量计对温度变化的相关性的特性曲线。
图中1-第1超声波振子;2-第2超声波振子;3-发送部;4-反射波检测部;5-匹配部;6-接收部;7-零交叉检测部;8-重复部;9-计时部;10、12、13-切换部;11-流量计算部;14-流路。
具体实施式首先,就本发明的超声波流量计的工作原理进行说明。
如图1(a)所示,在流体流里14上,配置第1超声波振子以及第2超声波振子,其作用是测量流体的流量。在图1(a)中,在第1超声波振子以及第2超声波振子上,分别连接着发送部3以及接收部6,考虑用第2超声波振子2接收从第1超声波振子1发送出的超声波的情况。图1(b)将如图1(a)所示的部分,用使用f参数的四端网络来表示。如图1(b)所示,把由第1超声波振子1、第2超声波振子2、以及流路14构成一个系统看作传送线路16。另外,将发送部3的输出阻抗称为zs,接收部6的输入阻抗称为zr。将发送部3的端子k-k’之间的无负载电压用v表示。当传送线路16连接在端子k-k’之间时,设端子k-k’间的电压为vk,流过端子k的电流为ik,另外,流过输入阻抗zr的电流为i2。
此时,从端子k-k’看到的由传送线路16以及与之连接的接收部6构成的系统的阻抗zk,使用f参数,可以由以下式子(3)表示。
zk=azr bczr d···(3)]]>接着如图2(a)所示,考虑改换发送方向,将接收部6及发送部3连接在第1超声波振子1以及第2超声波振子2上的情况。设由第1超声波振子1、第2超声波振子2以及流路6构成的系统为传送线路17。另外,设发送部3的输出阻抗为zs’。接收部6的输入阻抗不变,仍为(zr)。另外,设发送部3的端子k-k’间的无负载电压为v,设传送线路17连接在端子k-k’上时的端子k-k’间的电压为vk’,设流过端子k的电流为ik’。另外,设流过输入阻抗zr的电流为i2’。
此时,从端子k-k’看到的由传送线路17以及与之连接的接收部6构成的系统阻抗zk’,可用下式(4)表示。
zk′=dzr bczr a···(4)]]>另一方面,发送部3的端子k-k’间的电压vk及vk’,可以用v、zs以及zs’,分别以式(5)及式(6)表示。
vk=zkzs zkv···(5)]]>[数6]vk′=zk′zs′ zk′v···(6)]]>将式(3)以及式(4),分别代入式(5)以及式(6)后,vk、vk’分别可以用下式(7)及式(8)表示。
vk=azr b(czr d)zs azr b···(7)]]>[数8]vk′=dzr b(czr a)zs′ dzr b···(8)]]>另外,在接收部6中,电压由zri2’以及zki2’表示。因此,端子k-k’间的电压vk以及vk’,可用传送线路16以及17的f参数和电流i2以及i2’表示如下;[数9]
vk=azi2 bi2…(9)[数10]vk’=dzri2’ bi2’ …(10)因此,由式(7)及式(9)可得下式(11)。同样,由式(8)及式(10)可得下式(12)。
azr b(czr d)zs azr bv=azri2 bi2···(11)]]>[数12]dzr b(czr a)zs′ dzr bv=dzri2′ bi2′···(12)]]>在式子(11)及式子(12)中,如果接收阻抗zr,满足zr=0条件时,式(11)及式(12)可用下列式(13)及(14)表示。
bdzs bv=bi2···(13)]]>[数14]bazs′ bv=bi2′···(14)]]>在式子(13)及式子(14)中,假如zs=b/d,zs’=b/a的话,i2=i2’。也就是说,即便在第1超声波振子1和第2超声波振子2之间,切换接收发送状态,在接收部3上,接收的接收波也没有任何差异。
另外,当输入阻抗zr为0(zr=0)时,由式子(3)及式子(4)得出zk=b/d,zk’=b/a。根据上述假设,可以得出此时,zs=zk,zs’=zk’。这样就表明发送部3的输出阻抗zs或者zs’,等于由传送线路16或17及与其连接的接收部6所构成的系统的阻抗zk或者zk’。即发送部3的输出阻抗与第1超声波振子1以及第2超声波振子2的阻抗相等。
由上可知当用第1超声波振子1,以及第2超声波振子2,测量移动在流路14的流体流量时,通过使接收部6的输入阻抗为0,使发送部3的输出阻抗与第1超声波振子及第2超声波振子2的阻抗相一致(使其匹配),可以使由超声波振子2接收从超声波振子1发送的超声波的时候的波形、与由超声波振子1接收从超声波振子2发送的超声波的时候的波形保持一致。
超声波振子,通常具有如图3所示的那样的阻抗频率特性,阻抗随频率的不同而不同。在共振频率fr处阻抗值最低。因此,使发送部3的输出阻抗,在全部频带中,与第1超声波振子1及第2超声波振子2的阻抗相一致,这点实际上是很困难的。但是,当超声波振子作为发送器使用时,为了在共振频率上驱动超声波振子,使发送部3的输出阻抗与第1超声波振子1及第2超声波振子2阻抗相一致的条件,就是使发送部3的输出阻抗与第1超声波振子1及第2超声波振子2在共振频率处的阻抗相一致。
这些条件是由数式中推导出来的理想条件,当满足这些条件时就可达到本发明最好的效果。但是,要取得本发明的效果并不仅限于完全满足这个条件,只要接收部6的输入阻抗值较低,并且,发送部3的输出阻抗接近第1超声波振子1以及第2超声波振子2在共振频率处的阻抗值就可以。另外,在实际电路中,输入阻抗不会完全为0。
依据本发明者的详细研究,只要发送部3的输出阻抗为第1超声波振子1或第2超声波振子2在共振频率处的阻抗值的至少1/2以上;接收部6的输入阻抗大约100ω以下的话,就不会受到超声波振子1及超声波振子2的特性差异的大的影响,由第1超声波振子1及第2超声波振子2所接收的接收波就实质上相同。接收部6的输入阻抗最好在40ω以下,如果能在20ω以下的话,那将更理想。还有,如果发送部3的输出阻抗为第1超声波振子1或第2超声波振子2在共振频率处的阻抗值的约±20%,接收部6的输入阻抗大约10ω以下的话,那将更加理想。
在这里,这些输入阻抗及输出阻抗是表示从第1超声波振子1及第2超声波振子2观察的发送部侧的输入阻抗和接收部测的输入阻抗。也就是说,存在于第1超声波振子1及第2超声波振子2与发送部3及接收部6之间的布线阻抗和转换器等的阻抗,也包括在输入阻抗和输出阻抗中。
通常在发送部驱动发送元件时,发送部的输出阻抗越低,可以在发送元件上施加越高电压,因而是希望的。另一方面,对由接收元件接收的信号在接收部进行放大时,为了不受由接收元件所接收到信号大小的影响稳定地进行检测及放大,希望接收部的输入阻抗较大。根据这样的理由,在现有技术的超声波流量计中,接收部的输入阻抗要比发送部的输出阻抗大。具体地讲,接收部的输入阻抗设定在从几十kω到几百kω。而发送部的输出阻抗设定在从几十ω到几百ω。
与此相反,在上述条件中,使接收部的输入阻抗为现有技术的1/1000以下。当采用具备超声波流量计的测量中所使用的典型特性(即共振频率,以及共振频率处的阻抗)的超声波振子作为第1超声波振子1及第2超声波振子2时,接收部的输入阻抗,与发送部的输出阻抗大致相等,或者比发送部的输出阻抗小。当接收部的输入阻抗与发送部的输出阻抗大致相等时,接收部的输入阻抗将减小到现有技术值的1/1000左右。因此,与现有技术的超声波流量计相比,接收部输入阻抗变得足够得小,这样,能够缩小由于超声波振子1及第2超声波振子2的特性差而引起的接收波的差异。并且,接收部的输入阻抗比发送部的输出阻抗越小,越接近0的话,就越能够缩小由于超声波振子1及第2超声波振子2的特性差而引起接收波的差异。
下面,就本发明的超声波流量计的优选实施例进行说明。
(第1实施例)图4为本发明的超声波流量计的第1实施例的方框图,超声波流量计51,包括为在流体流路14中形成超声波传播路径而配置的第1超声波振子1及第2超声波振子2;发送部3;匹配部5;以及接收部6。
第1超声波振子1及第2超声波振子2,分别起到发送器和接收器的作用。从第1超声波振子1发送的超声波,通过第2超声波振子2接收;从第2超声波振子2发送的超声波,通过第1超声波振子接收。这样双向的传播路径,对流过流路14的流体的流动方向成θ角。θ角度的大小,选择在10~40度范围内。
作为第1超声波振子1及第2超声波振子2,通过厚薄振动模式、横向剪切振动模式、纵向振动模式等的振动模式,以大约20khz以上的频率驱动,可使用现有技术的超声波流量计中的各种超声波振子。按照所需测量的流体的状态、种类、以及要预测的流速等,选择最适宜的频率。在本实施例中,例如使用厚薄振动模式驱动,具有500khz共振频率的超声波振子。在共振频率处的阻抗值为150~200ω。
第1超声波振子1,以及第2超声波振2,通过切换部12与匹配部5连接。按照切换部12的选择,将第1超声波振子1及第2超声波振子2中的一方有选择地连接到匹配部5。匹配部5接在发送部3上,调节发送部3的输出阻抗,旨在使发送部3和第1超声波振子1或第2超声波振子2的阻抗进行匹配。
另外,超声波流量计51还包括设置在发送部3和匹配部5之间的方向耦合器15,以及连接在方向耦合器15上的反射波检测部4。当发送部3和第1超声波振子1或者第2超声波振子2的阻抗不匹配时,传送到第1超声波振子1或第2超声波振子2的驱动信号,由于阻抗不匹配,受第1超声波振子1或第2超声波振子2的反射,最后回到发送部3上。
方向耦合器15的结构是,将这个反射波引导到反射波检测部4上。另外,使由发送部3发送到第1超声波振子1或第2超声波振子2的驱动信号不传导到反射波检测部4上。,第1超声波振子1及第2超声波振子2,通过切换部13连接到接收部6上。到达第1超声波振子1或第2超声波振子2的超声波被转换为电信号,接收信号经接收部6放大。在接收部6中的输入阻抗,在20ω以下为佳。从第1超声波振子1或第2超声波振子2观察接收部一侧时的包含切换部13的输入阻抗,在40ω以下为佳。在本实施例中,接收部6的输入阻抗为2ω。而当到达第1超声波振子1或第2超声波振子2的超声波所产生的电信号非常足够大时,接收部6也可以不进行信号放大。
最好使切换部12以及切换部13连动,使得当第1超声波振子1连接到匹配部5时,接收部6连接到第2超声波振子2,而当第2超声波振子2连接到匹配部5时,接收部6连接到第1超声波振子2上。切换部12以及切换部13,既可以是拨动开关式的机械性构造,也可以是由电子部等构成。
由接收部6放大的接收信号,传送到零交叉检测部7,在零交叉检测部7中,检测出接收信号达到规定电平之后的第1个零交叉点。由此生成零交叉检测信号。此外,也可以在接收部6和零交叉检测部7之间设置一个带通滤波器。用于从接收信号中只提取第1超声波振子1以及第2超声波振子2的共振频率处的成分。
重复部8,根据零交叉检测信号,在延迟规定时间的时刻生成触发信号,并将触发信号输出到发送部3。发送部3根据触发信号驱动第1超声波振子1或第2超声波振子2。
计时部9,计测重复规定次数的声循环法所需要的时间,其测量结果送到流量计算部11。除反射波检测部4以及匹配部5之外的各部都通过微型电子计算机等的运算装置进行控制。
图5示出了超声波流量计51的发送部3、包含方向耦合器的反射波检测部4’、匹配部5、以及接收部6的具体构成一例的电路图。如图5所示,接收部6包含运算放大器6a,运算器6a的输出通过电阻6b构成负反馈。另外,运算放大器6a的反相输入端子,不经电阻连接到第1超声波振子1或第2超声波振子2上。通过这种结构,可使接收部6的输入阻抗为2ω。
反射波检测部4’,包括线圈4a以及4b和方向耦合器。通过匹配部5,从第1超声波振子1或第2超声波子2返回来的反射波,被线圈4a以及4b检测出,其信号通过稳压二级管4d由检波输出端子4b输出。另一方面,从发送部3传送到第1超声波振子1或第2超振子2的驱动信号也被线圈4a以及4b检测出,但其信号通过电阻4c接地。因此,在检波输出端子4h上不会输出驱动信号。这样,检测反射波的线圈4a以及4b,通过方向耦合器,被插入在匹配部5和发送部3的中间。
匹配部5,包括可变电感线圈,它可以通过转动微调电容器等使阻抗变化,从而可以使发送部3的输出阻抗变化。
图5中未示出的零交叉检测部7,重复部8,计时部9,以及流量计算部11,都可以使用具有周知的构成的硬件或软件。
下面就使用超声波流量计51,测量流体流量的操作程序进行说明。首先,如图4所示,使用切换部12以及13,将匹配部5与第1超声波振子1连接,接收部13与第2超声波振子2连接。
在测量流量前,先要使发送部3的输出阻抗与第1超声波振子1在共振频率处的阻抗匹配。因此,先由发送部3发出驱动信号,使第1超声波振子1发出超声波。此时,如果发送部3和第1超声波振子1的阻抗不一致的话,驱动信号的一部分就会反射到第1超声波振子1上,作为反射波返回到匹配部5。而且,反射波通过方向耦合器15,传到反射波检测部4上,被反射波检测部4检出。反射波检测部4的检波输出端子4h上连接功率表等,例如用于测量反射波的电功率。发送部3和第1超声波振子1的阻抗差越大,反射波也就越大,反射波的电功率值也就越大。另外,当发送部3的输出阻抗和在第1超声波振子1在共振频率上处的阻抗完全一致时,其电功率值为0。此外,作为代表反射波大小的信息,除电功率值之外,还可以通过反射波检测部4,检出驻波比或反射损耗。
根据测量所得的电功率值,使匹配部5的可变阻抗5a变化,从而使发送部3的输出阻抗接近第1超声波振子1在共振频率处的阻抗。另外,再次由第1超声波振子1发出超声波,测量反射波的电功率,根据得到的电功率值,调整匹配部5的可变阻抗5a。重复上面的操作程序,使反射波电功率值将达到规定值,或在所规定值范围内。
如上所述;发送部3的输出阻抗最好为第1超声波振子1在共振频率处的阻抗的至少1/2以上;是第1超声波振子1在共振频率处的阻抗值的±20%更好。因此,预先求出当发送部3的输出阻抗为第1超声波振子1在共振频率处的阻抗的1/2时的反射波电功率值,或者,发送部3的输出阻抗为第1超声波振子1在共振频率处的阻抗值的±20%时的反射波电功率值,便可将这些所求得的值作为上述调整的目标值即可。
这样,在调整完发送部3的输出阻抗之后,进行流量的测量。如图4以及图6所示,将触发信号输入到发送部3上,使它发出驱动信号,并使由第1超声波振子1发出超声波。在流路14中传播的超声波,经第2超声波振子2接收,再由接收部6变为接收信号被检出。在零交叉检测部7中,检出接收信号22达到规定电平之后的第1个零交叉点,生成零交叉检测信号。重复部8,根据零交叉检测信号,经过规定的延迟时间23之后,生成触发信号21’,将这个触发信号21’输出到发送部3上。这样,构成声循环法的一个循环。
规定次数(如50~1000次),将声循环法重复之后,计时部9测出重复循环所需的全部时间24,之后,将测量结果传送到流量计算部11。用声循环数除全部时间24所得的值,再减去迟延时间23所得的值,即得出式子(1)所示的t1。
下面,用切换部12及13,将匹配部5连接到第2超声波振子2上,再将接收部3连接到第1超声波振子1上。而且,同上述操作程序相同,通过匹配部5,将发送部3的输出阻抗与第2超声波振子2在共振频率处的阻抗匹配。
在调整了发送部3的输出阻抗之后,按照与上述同样的操作程序,由第2超声波振子2发出超声波,用第1超声波振子1接收超声波。按规定的次数重复声循环之后,计时部9,将重复循环所有的全部时间测量下来,然后将测量结果传送到流量计算部11。用声循环数除全部时间24所得的值,减去迟延时间的值,得出式子(1)所示的t2。
把t1以及t2的值和θ角度代入式子(2),可求得流体流速v。设流路14的截面积为s,由v×s便可求得流量q。这个流量q为每个单位时间流体的移动的量,通过对流量q进行积分,可以求得流体的量。
图7示出了在超声波流体流量51中,使流体处于静止状态时将第1超声波振子1发来的超声波,由第2超声波振子2接收时的波形28和第2超声波振子2发来的超声波,由第1超声波振子1接收时的波形29。如上所述,当由第1超声波振子1发送超声波时,通过匹配部5,使发送部3的输出阻抗与在第1超声波振子1在共振频率处的阻抗相匹配;当从第2超声波振子2发送超声波时,通过匹配部5,使发送部3的输出阻抗与在第2超声波振子2在共振频率处的阻抗相匹配。如图7所示,波形28以及波形29完全一致。因此,波形28的零交叉点28a以及波形29的零交叉点29a一致。
这样,根据本实施例,通过将发送部3的输出阻抗与在第1超声波振子1以及第2超声波振子2在共振频率处的阻抗相匹配,减小接收部6的输入阻抗,由此可以减小由于第1超声波振子1以及第2超声波振子2的特性差异而引发接收波的差异,从而可以减小由特性差异引起的测量误差。
另外,通过将发送部3的输出阻抗与在第1超声波振子1以及第2超声波振子2在共振频率处的阻抗相匹配,可以使驱动信号高效率地传播到超声波振子上。而且,可以预防发生,由于阻抗的不匹配,在切换部12及13中,反射波泄漏到接收部一侧,对需要检测的接收信号带来影响,以及引起检测误差等问题。
此外,在上述实施例中,把第2超声波振子2作为发送器使用时,也将发送部3和第2超声波振子2的阻抗进行匹配。但是,省略这步操作过程,直接把第2超声波振子2作为发送器进行测量时,发送部3也可以保持使用与第1超声波振子1匹配的输出阻抗。其原因是因为,降低接收部6的输入阻抗,使得将发送部3的输出阻抗与第1超声波振子1在共振频率处的阻抗几乎一致,从而使调整不受由第1超声波振子1和第2超声波振子2的特性差异而带来的影响。特别是作为第1超声波振子1和第2超声波振子2,从多个超声波振子中选择特性非常一致的一对超声波振子时,可以省略第2次的阻抗调整操作。
根据本实施例的超声波流量计,尽管超声波振子特性存在离散,在较大的流量范围,能够高精度地测量流体的流量。但是,当对于超声波的频率,流体的流速太大时,就可能因媒质的声阻抗的不平衡,而出现第1超声波振子1传播到第2超声波振子2的超声波频率和第2超声波振子传播到第1超声波振子1的超声波频率之间的差异,从而使测量上出现误差。就是说如果图8(a)以及(b)所示在第1超声波振子1传播到第2超声波振子2的超声波26上,振幅产生零交叉检测的点的间距a、b、c、d和在第2超声波振子2传播到第1超声波振子1的超声波27上,振幅产生零交叉检测的点的间距a’、b’、c’、d’各自不同。
这时,设定多个零交叉点,分别求出各零交叉点中的t1以及t2。之后,用各零交叉点,求得的传播时间差值,乘以预先保存的流量系数,求出修正了的流速v’,再将流速v’乘以流路截面积s,最后求出流量。通过进行这样的流量修正,即使流速很大时,也可以求出正确的流量。
另外,在所述实施例中,使用反射波检测部4,调整发送部3的输出阻抗。但是,也可以预先求出第1超声波振子1以及第2超声波振子2在厚薄振动方式下在共振频率处的阻抗,通过调整匹配部5使该阻抗匹配。
(第2实施例)图9为本发明的超声波流量计的第2实施例的方框图。超声波流量计52具有两个用于调整发送部3的输出阻抗的匹配部。这点与第1实施例的超声波流量计不同。
具体地讲,超声波流量计52具有第1匹配部5a和第2匹配部5b。它们分别安装在切换部12和第1超声波振子1以及第2超声波振子2之间。
根据本实施例的超声波流量计52,第1匹配部5a用于调整发送部3和第1超声波振子1的阻抗匹配;第2匹配部5b用于调整发送部3和第2超声波振子2的阻抗匹配。因此,每当由切换部12选择第1超声波振子1或者第2超声波振子2时,就没必要调整发送部3的输出阻抗。例如,当第1超声波振子1以及第2超声波振子2在共振频率处的阻抗不发生随时间变化时,只要进行一次调整第1匹配部5a,使发送部3和第1超声波振子1的阻抗相匹配;调整第2匹配部5b使发送部3和第2超声波振子2的阻抗匹配,便可以进行高精度的流量测量。
(第3实施例)图10为本发明的超声波流量计的第3实施例的主要部分方框图。本实施例的超声波流量计,根据反射波检测部4检出的反射波信息,具有自动控制匹配部5的控制部30。这点与第1实施例的超声波流量计不同。
控制部30包括、ad转换部31,波峰检测部32,判断部33以及可调部34。ad转换部31,将反射波检测部4检出的反射波信号转换成数字信号。所转换的数字信号其波峰值再通过波峰检测部32检出。判断部33将保存的波峰值与最新的波峰值进行比较,按照这个比较值再将发出使反射波变小的控制信号,输出到可调部34。可调部34按照控制信号,改变匹配部5的阻抗。ad转换部31,波峰检测部32,以及判断部33都采用微型电子计算机等控制。整体构成控制装置35。
由控制部30,调整匹配部5,设定计时装置,该计时装置可以随超声波流量计的用途,以及所要求的测量精度,适当选定。如果要求高精度测量的话,可以通过控制部30,经常调整匹配部5,来构成超声波流量计。考虑到第1超声波振子以及第2超声波振子会发生变化的特点,并配合发生变化的间距,通过控制部30也可以对匹配部5进行调整。
采用本实施例,可以自动地对第1超声波振子1以及第2超声波振子2和发送部3的阻抗进行调整。因此,该超声波流量计,可以达到测量精度高,可靠性好的效果。特别是在所测量流量的环境温度变化大和长时间进行流量测量的情况下,可以保证测量效果的可靠性。
本实施例,是将控制部30设置在第1实施例的超声波流量计上,当然,也可以将控制部30设置在第2实施例的超声波流量计上使用。
(第4实施例)下面,就具有本发明的超声波流量计的燃气表加以说明。
图11,为旨在测量流经管道60中流量的燃气表55的方框图。流经管道60的燃气为天然气和丙烷气体等,是一般家庭所使用的燃气。除此之外,也可以是氢气、氧气等的其它气体。
燃气表55包括旨在测量流经管道60内的燃气流量的超声波流量计56;紧急情况下隔断流经管道60的燃气的断开阀57;控制超声波流量计56以及断开阀57的微型计算机等控制装置58;以及显示用超声波流量计56测得的流量和流量累计值以及其它信息的显示部59。
在本实施例的超声波流量计56中,采用第3实施例的超声波流量计56,如在第3实施例说明的那样,超声波流量计56包括自动控制匹配部的控制部。该控制部由微型电子计算机58的功能构成。由控制部调整匹配部的时刻,可以随用途适当选定。如果要求高精度测量的话,也可以通过控制部始终调整匹配部5来构成超声波流量计,如果一天的气温变化,对测量精度产生影响时,也可以每隔1小时~数小时对匹配部进行调整。
有关超声波流量计56测量流量的数据,由微型电子计算机58处理,在显示部59显示。另外,微型电子计算机58用于监视所测量的流量是否正常。例如,当突然出现大量燃气流过时,判断为发生燃气泄漏,使断流阀57动作,停止燃气供应。
由此,根据本实施例,可以提供测量精度高,可靠性好的燃气表。特别是由于燃气表大多安装在室外,所以很容易受到一天的气温差及季节变化的平均温差的影响。但本发明的燃气表,不会受到这些温度变化的影响,可以保证高精度的测量。
根据本发明的超声波流量计,可以减小因2个超声波振子之间的特性差异而引起的接收波的差异,可以减少因特性差异而引起测量误差,因此,可以以高精度的测量流量。
权利要求
1.一种超声波流量计,包括收发超声波,使在流体的流路中形成所述超声波传播路径而配置的第1及第2超声波振子;驱动所述第1及第2超声波振子中的一方的发送部;与所述发送部连接,调整所述发送部输出阻抗的第1匹配部;以及具有与所述经调整的输出阻抗大致相等、或比所述经调整的输出阻抗小的输入阻抗,接收到达第1及第2超声波振子中的另一方的超声波的接收部,通过检测在传播路径之间所传播的超声波双向的传播时间差,从而测量流体流量。
2.如权利要求1所述的超声波流量计,其特征在于所述经调整的输出阻抗,比所述第1及第2超声波振子中的一方在共振频率处所具有的阻抗值的1/2还要大。
3.如权利要求2所述的超声波流量计,其特征在于所述经调整的输出阻抗与所述第1及第2超声波振子中一方的阻抗值实质相等。
4.如权利要求1所述的超声波流量计,其特征在于所述输入阻抗在40ω以下。
5.如权利要求1所述的超声波流量计,其特征在于所述输入阻抗在20ω以下。
6.如权利要求1所述的超声波流量计,其特征在于还具有旨在检测由所述第1或第2超声波振子与所述发送部之间的阻抗不匹配而产生的反射波的反射波检测部。
7.如权利要求6所述的超声波流量计,其特征在于还具有旨在将反射波有选择地引导到所述反射波检测部的方向耦合器。
8.如权利要求6所述的超声波流量计,其特征在于还具有根据所述反射波检测部检测的反射波来控制所述第一匹配部的控制部。
9.如权利要求1~8中任一项所述的超声波流量计,其特征在于还包括有选择地连接所述第1匹配部与所述第1及第2超声波振子中的一方的第1切换部,以及有选择地连接所述接收部与所述第1及第2超声波振子中的一方的第2切换部。
10.如权利要求9所述的超声波流量计,其特征在于调整所述第1匹配部,使所述输出阻抗与由所述切换部所选择的超声波振子在共振频率处的阻抗实质上匹配。
11.如权利要求1~7中任一项所述的超声波流量计,其特征在于还包括有选择地连接调整所述发送部的输出阻抗的第2匹配部、所述发送部以及所述第1匹配部及所述第2匹配部中的一方的第1切换部,和有选择地连接所述接收部和所述第1及第2超声波振子中的一方的第2切换部,所述第1及所述第2匹配部分别与所述第1或第2超声波振子连接。
12.如权利要求11所述的超声波流量计,其特征在于调整所述第1及第2匹配部,使所述输出阻抗与所述第1及第2超声波振子在共振频率处的阻抗实质上匹配。
13.如权利要求1~12中任一项所述的超声波流量计,其特征在于所述第1及第2超声波振子以厚薄振动方式进行振动。
14.如权利要求1~13中任一项所述的超声波流量计,其特征在于还包括旨在检测经所述接收部放大的接收信号的检测部,在所述检测部通过零交叉点来决定所述接收信号的到达时刻。
15.如权利要求14所述的超声波流量计,其特征在于还包括旨在检测经所述接收部放大的接收信号的检测部,在所述检测部,对所述接收信号设定多个零交叉点,并用所述多个零交叉点进行流量的修正。
16.一种燃气表,包括设置在有燃气流过的流路中的权利要求1~15中任一项所述的超声波流量计;阻断流过所述流路的燃气的断流阀;以及控制所述超声波流量计及断流阀的控制装置。
17.一种流体流量的测量方法,其特征在于采用一对超声波振子作为发送器及接收器在流体的流路中形成超声波传播路径,使用旨在驱动所述一对超声波振子中的一方的发送部,和具有与所述发送部的输出阻抗大致相等或者比所述发送部的输出阻抗小的输入阻抗、并接收到达所述一对的超声波振子的另一方的超声波的接收部,使超声波沿着所述传播路径双向地传播,通过检测出双向传播的时间差来进行流体流量的测量。
18.如权利要求17所述的流体流量的测量方法,其特征在于调整所述发送部的输出阻抗,使其至少为用作发送器的所述超声波振子在共振频率处的阻抗的1/2以上的值,使旨在接收所述超声波的接收部的输入阻抗小于所述发送部的输出阻抗值。
19.如权利要求18所述的流体流量的测量方法,其特征在于调整所述发送部的输出阻抗,使其与用作发送器的所述超声波振子在共振频率处的阻抗值实质相等。
20.如权利要求18所述的流体流量的测量方法,其特征在于把所述接收部输入阻抗定在40ω以下。
21.如权利要求18所述的流体流量的测量方法,其特征在于把所述接收部输入阻抗定在20ω以下。
22.如权利要求18所述的流体流量的测量方法,其特征在于检测由超声波振子与所述发送部之间的阻抗不匹配而产生的反射波,通过调整所述发送部的输出阻抗使所述反射波变小。
全文摘要
一种超声波流量计,包括收发超声波,在流体流路(14)中形成所述超声波传播路径而配置的第1以及第2超声波振子(1、2);驱动所述第1以及第2超声波振子(1、2)中的一方的匹配部(3);与发送部连接,用于调整发送部输出阻抗的第1匹配部(5),与所调整的输出阻抗大致相等,或比所调整的输出阻抗小的输入阻抗,接收到达第1以及第2超声波振子其它一方的超声波的接收部(6),通过检测传播到传播路径之间的超声波的双向传播时间差,来测量流体的流量。
文档编号g01f1/66gk1455230sq03123080
公开日2003年11月12日 申请日期2003年4月30日 优先权日2002年4月30日
发明者杉内刚彦, 桥本雅彦 申请人:松下电器产业株式会社
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