CN102713531A - 超声波流量计 - Google Patents

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藤井裕史
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Abstract

一种超声波流量计：通过对由于因超声波换能器的特性的变动和温度变化等所引起的接收波形的变化而产生的与真实传播时间的误差进行校正，来提高测量精度。该超声波流量计包括：一对超声波换能器(2,7)，用于发送/接收超声波信号；传播时间测量块(5)，用于测量从超声波换能器(2)所发送的超声波要被超声波换能器(7)接收所需的传播时间；控制块(4)，用于根据传播时间确定流量；校正值计算部件，用于考虑到由于以下情况所引起的与真实传播时间的误差来计算校正值：超声波换能器的特性的变动、从发送侧超声波换能器发送超声波起直到开始传播时间测量为止的延迟、从超声波到达接收侧超声波换能器起直到接收检测电路检测到接收了超声波为止的延迟、以及接收波和反射波的合成；校正值选择部件(10)，用于从校正值计算部件所计算出的校正值中选择适合于传播时间的校正值；以及传播时间校正单元(11)，用于对传播时间进行校正。

Description

超声波流量计
技术领域
本发明涉及一种超声波流量计，该超声波流量计用于利用一对能够进行发送/接收的超声波换能器来测量超声波的传播时间，由此测量被测流体的流量。
背景技术
根据现有技术的超声波流量计所使用的超声波传播时间测量方法，使一对能够进行发送/接收的超声波换能器彼此相对配置。这两个超声波换能器的其中一个超声波换能器利用猝发信号(burst signal)进行驱动，由此发送超声波。另一个超声波换能器接收超声波，由此测量这些超声波的传播时间(例如，参见专利文献1)。图3是现有技术的超声波流量计的框图。图4示出发送侧的超声波换能器的驱动波形以及接收侧的超声波换能器所接收到的接收波形。
如图3所示，现有技术的超声波流量计包括：超声波换能器2，其配置于流体所流经的测量流路1中；驱动电路3，用于对超声波换能器2进行驱动；控制块4，用于向驱动电路3输出启动信号；传播时间测量块5，用于测量超声波的传播时间；超声波换能器7，用于接收从超声波换能器2所发送来的超声波；放大器6，用于对超声波换能器7的输出进行放大；以及接收检测电路15，用于将放大器6的输出与基准电压进行比较，并且在大小关系反转时停用传播时间测量块5。由于使用传播时间倒数差法以使得可以忽略温度对声速的影响，因此一般的超声波流量计配备有切换开关8，从而能够测量超声波从测量流路1的上游位置行进到下游位置的传播时间以及超声波从下游位置行进到上游位置的传播时间。
现在参考图4来说明该测量方法。
在图4中，横轴表示时间；纵轴表示电压；附图标记T0表示驱动波形W1的开始时间点；并且附图标记T1表示驱动操作开始之后所实现的第三波的结束时间点。附图标记R0表示接收开始时间点，并且附图标记R1表示接收操作开始之后所实现的第三波的结束时间点。如上所述，可以通过以驱动波形的第m(m=3)波的过零点T1作为起点、并且以另一超声波发送/接收装置所接收到的电信号的第m(m=3)波的过零点R1作为终点来测量超声波的传播时间。利用该传播时间来测量流体的流速，由此计算出流量。
具体地，由于无法以高精度检测接收开始时间点R0，因此可以利用第m波的终点R1来间接测量驱动波形W1的开始时间点T0以及接收开始时间点R0。
为了进一步提高精度，实际进行反射波的接收，由此提高测量精度。以下说明提高测量精度的原理。
传播时间测量块5所配备的接收延迟时间测量部件对如下时间进行测量，其中该时间是自发送侧超声波换能器以驱动波形W1发送超声波起、直到接收侧超声波换能器接收到第一次的接收波形W2为止所经过的时间Tp。接着，该测量部件对如下时间进行测量，其中该时间是从接收侧超声波换能器和发送侧超声波换能器各自使超声波反射一次起、直到接收侧超声波换能器接收到第二次的接收波形W4为止所经过的时间Tp2。换句话说，接收侧的超声波换能器所反射的超声波作为波形W3到达发送侧的超声波换能器。该超声波的波形在发送侧的超声波换能器上进一步进行反射，由此作为接收波形W4到达接收侧的超声波换能器。如果超声波的波形的到达被看作该波形的第二次接收，则可以通过以下等式(等式1)来确定不易受接收波形的形状等所影响的真实传播时间Tp0。因而，可以防止由于相对于真实传播时间的误差所引起的测量精度的劣化，其中该相对于真实传播时间的误差是在接收波形因超声波换能器的特性的变动、温度变化或测量流路内的反射波而改变的情况下所发生的。
Tp0=(Tp2-Tp)/2…(等式1)
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-172556
发明内容
发明要解决的问题
然而，在现有技术的结构中，每次都进行反射波的测量，直到生成反射波形为止。因而，存在如下问题：电流消耗增加；由于接收波形的形状因反射而发生失真因此无法进行精确测量；以及测量软件变得复杂化。
本发明解决现有技术的上述问题，并且目的在于提供一种超声波流量计，其中该超声波流量计通过针对每一传播时间预先测量用于真实传播时间与测量得到的传播时间之间的误差的校正值，来提高测量精度并降低电流消耗。
用于解决问题的方案
为了解决传统设备的上述问题，根据本发明的超声波流量计包括：被测流体所流经的测量流路；一对超声波换能器，其配置于所述测量流路中，并且能够进行超声波信号的发送和接收；传播时间测量块，用于对在从所述一对超声波换能器的其中一个超声波换能器所发送的超声波信号传播穿过所述被测流体而到达另一个超声波换能器之前所经过的传播时间进行测量；传播时间校正块，用于对所述传播时间测量块所测量得到的传播时间进行校正，由此计算校正传播时间；以及控制块，用于根据所述校正传播时间来计算所述被测流体的流量，其中，所述传播时间校正块具有校正值计算部件，所述校正值计算部件用于根据预定条件下预先测量得到的真实传播时间来计算对所述传播时间测量块测量得到的传播时间进行校正所使用的校正值。
即使当接收波形因超声波换能器的变动或温度变化等而改变的情况下，也根据先前测量得到的真实传播时间来计算针对各传播时间的校正值。因此，可以总是进行精确的传播时间测量。
发明的效果
本发明的超声波流量计可以在不受超声波换能器的变动、温度变化或流路内的反射波的影响的情况下，总是计算精确的超声波传播时间。因此，可以实现电流消耗较低的精度非常高的超声波流量计。
附图说明
图1是本发明第一实施例的超声波流量计的框图。
图2是本发明第二实施例的超声波流量计的框图。
图3是现有技术的超声波流量计的框图。
图4是超声波流量计的发送波形和接收波形的图。
具体实施方式
第一发明包括：被测流体所流经的测量流路；一对超声波换能器，其配置于所述测量流路中，并且能够进行超声波信号的发送和接收；传播时间测量块，用于对在从所述一对超声波换能器的其中一个超声波换能器所发送的超声波信号传播穿过所述被测流体而到达另一个超声波换能器之前所经过的传播时间进行测量；传播时间校正块，用于对所述传播时间测量块所测量得到的传播时间进行校正，由此计算校正传播时间；以及控制块，用于根据所述校正传播时间来计算所述被测流体的流量，其中，所述传播时间校正块具有校正值计算部件，所述校正值计算部件用于根据预定条件下预先测量得到的真实传播时间来计算对所述传播时间测量块测量得到的传播时间进行校正所使用的校正值，由此可以根据真实传播时间来计算流量，并且可以提高超声波流量计的测量精度。
第二发明包括：被测流体所流经的测量流路；一对超声波换能器，其配置于所述测量流路中，并且能够进行超声波信号的发送和接收；传播时间测量块，用于对在从所述一对超声波换能器的其中一个超声波换能器所发送的超声波信号传播穿过所述被测流体而到达另一个超声波换能器之前所经过的传播时间进行测量；传播时间校正块，用于对所述传播时间测量块所测量得到的传播时间进行校正，由此计算校正传播时间；以及控制块，用于根据所述校正传播时间来计算所述被测流体的流量，其中，所述传播时间校正块具有：校正值计算部件，用于根据预定条件下预先测量得到的真实传播时间，针对各传播时间计算对所述传播时间测量块测量得到的传播时间进行校正所使用的校正值；存储部件，用于存储所述校正值计算部件所计算出的校正值；以及校正值选择部件，用于从所述存储部件所存储的校正值中，选择适合于所述传播时间测量块所测量得到的传播时间的校正值，由此可以根据真实传播时间来计算流量，并且可以提高超声波流量计的测量精度。
在基于第一发明或第二发明的第三发明中，所述被测流体是气体；以及所述校正值计算部件根据通过作为所述预定条件在保持气体种类恒定的情况下改变温度所测量得到的真实传播时间，来计算任意温度下的传播时间和校正值之间的关系。结果，可以计算出气体种类固定时所获取的针对各传播时间的校正值，从而可以针对各温度进行校正。即使当温度已发生改变时，也可以提高超声波流量计的测量精度。
在特别是基于第一发明或第二发明的第四发明中，所述被测流体是气体；以及所述校正值计算部件根据通过作为所述预定条件在保持温度恒定的情况下改变气体种类所测量得到的真实传播时间，来计算针对任意气体种类的传播时间和校正值之间的关系。结果，可以计算出温度固定时所实现的针对各传播时间的校正值，从而可以针对各气体种类进行校正。即使当气体种类已发生改变时，也可以提高超声波流量计的测量精度。
在特别是基于第一发明至第四发明中任一项的第五发明中，所述校正值计算部件在所述被测流体的流量为0时计算校正值。在不存在流量流动时进行校正值的计算，由此可以减少电流消耗。
以下将参考附图来说明本发明的各实施例。然而，本发明不应当局限于这些实施例。
第一实施例
图1示出本发明第一实施例的超声波流量计的框图。
如图1所示，本实施例的超声波流量计包括：超声波换能器2和7，其配置于流体所流经的测量流路1中；驱动电路3，用于对超声波换能器2和7进行驱动；控制块4，用于向驱动电路3输出启动信号；传播时间测量块5，用于测量超声波的传播时间；传播时间校正块11，用于对传播时间进行校正；放大器6，用于对来自超声波换能器2和7的输出进行放大；以及切换开关8，用于对上游侧的超声波换能器7和下游侧的超声波换能器2之间的发送/接收进行切换。在该超声波流量计中，切换开关8将超声波换能器2和7的其中一个切换为发送侧并将另一个切换为接收侧，由此使得可以测量如下的传播时间：从超声波换能器2发送超声波起、直到超声波换能器7接收到这些超声波为止所经过的传播时间；以及从超声波换能器7发送超声波起、直到超声波换能器2接收到这些超声波为止所经过的传播时间。传播时间校正块11配备有校正值计算部件9，其中校正值计算部件9用于根据温度和气体种类来计算适当的校正值。对传播时间校正块11进行配置，从而计算校正传播时间，其中该校正传播时间是通过利用校正值计算部件9计算出的校正值对传播时间测量块5测量得到的传播时间进行校正所确定出的。
现在说明如上所配置的超声波流量计的操作和作用。
首先，对用于根据作为被测流体的气体的种类来计算适当校正值的校正值计算部件9进行配置，从而能够针对各传播时间计算考虑了由于如下因素而产生的测量得到的传播时间与真实传播时间之间的误差的校正值：超声波换能器的特性的变动；从发送侧的超声波换能器发送超声波与开始传播时间测量之间的延迟；超声波到达接收侧的超声波换能器与接收检测电路检测到超声波的接收之间的延迟；以及接收波和反射波的合成。校正值计算部件9根据通过实际进行流量测量所获取的传播时间来计算校正值，并对传播时间测量块5所测量得到的传播时间进行校正，由此计算真实传播时间。
顺便提及，校正值计算部件9还可以预先获得如下计算等式，其中该计算等式能够根据以利用背景技术所述的(等式1)的方法所测量得到的真实传播时间与图4所示的传播时间Tp0之间的关系来计算校正值。这样在通常测量期间无需进行反射波的测量。此外，可以通过测量传播时间Tp0来针对该传播时间Tp0计算校正值，并计算校正传播时间。
如上所述，本实施例配备有传播时间校正块11，其中传播时间校正块11用于利用校正值计算部件9根据传播时间测量块5测量得到的传播时间所计算出的校正值，来对该传播时间进行校正。由此可以对以下影响进行校正：超声波换能器的特性的变动；从发送侧的超声波换能器发送超声波与开始传播时间测量之间的延迟；超声波到达接收侧的超声波换能器与接收检测电路检测到超声波的接收之间的延迟；以及接收波与反射波的合成等。
第二实施例
图2示出本发明第二实施例的超声波流量计的框图。
在图2中，本实施例在基本结构方面与第一实施例相同。这两个实施例的不同之处在于如下内容：传播时间校正块12包括用于根据温度或气体种类等来计算适当校正值的校正值计算部件9、用于存储校正值计算部件9所计算出的校正值的存储部件14、以及用于从存储部件14所存储的校正值中选择适合于传播时间的校正值的校正值选择部件10；以及利用所选择的校正值来对传播时间进行校正。
以下说明如上所配置的超声波流量计的操作和作用。
首先，用于根据气体种类来计算适当校正值的校正值计算部件9针对各传播时间计算考虑了由于如下因素而产生的测量得到的传播时间与真实传播时间之间的误差的校正值，然后将由此所计算出的校正值存储到存储部件14：超声波换能器的特性的变动；从发送侧的超声波换能器发送超声波与开始传播时间测量之间的延迟；超声波到达接收侧的超声波换能器与接收检测电路检测到超声波的接收之间的延迟；以及接收波和反射波的合成。校正值选择部件10根据实际进行流量测量时测量得到的传播时间来选择适当的校正值，并对该传播时间进行校正，由此计算真实传播时间。
另一方面，还将校正值计算部件9配置为：根据以利用背景技术所述的(等式1)的方法所测量得到的真实传播时间与图4所示的传播时间Tp0之间的关系来计算校正值。此外，还可以将存储部件14配置为针对各传播时间存储校正值。可以将校正值选择部件10配置为根据测量得到的传播时间来选择校正值。结果，由此在通常测量期间无需进行反射波的测量。可以通过测量传播时间Tp0来选择针对该传播时间Tp0的校正值，并计算校正传播时间。
如上所述，在本实施例中，传播时间校正块12具有：校正值计算部件9，用于计算针对传播时间的校正值；以及校正值选择部件10，用于选择适合于传播时间测量块5所测量得到的传播时间的校正值。由此，可以对以下影响进行校正：超声波换能器的特性的变动；从发送侧的超声波换能器发送超声波与开始传播时间测量之间的延迟；超声波到达接收侧的超声波换能器与接收检测电路检测到超声波的接收之间的延迟；以及接收波和反射波的合成等。
还可以将校正值计算部件9设置为：在不存在流量的流动时计算校正值，以使得可以在电力消耗较低的状态下提高测量精度。
如果将校正值计算部件9配置为通过使气体种类固定并使温度改变两个点以上来计算温度和校正值之间的关系，则将在各温度下进行校正。因此，即使当发生温度改变时，也可以提高超声波流量计的测量精度。
如果将校正值计算部件9配置为通过使温度固定并使气体种类改变来计算气体种类和校正值之间的关系，则即使当气体种类发生改变时，也可以提高超声波流量计的测量精度。
作为本发明要保护的范围，本发明意图包含本领域技术人员在没有背离本发明的主旨和范围的情况下基于说明书的记载以及众所周知的技术所进行的各种改变和应用。此外，可以在没有背离本发明的范围内任意组合前述实施例的构成元件。
本发明基于2010年1月7日提交的日本专利申请(日本特愿2010-001686)，在此通过引用包含其全部内容。
产业上的可利用性
如上所述，由于本发明的超声波流量计针对各传播时间进行校正，因此不必考虑超声波换能器的特性以及反射波的影响。由于可以总是测量精确的超声波传播时间，因此可以实现精度非常高的超声波流量计。因此，本发明可适用于如流量测量基准器、燃气表和水表等的用途。
附图标记说明
1测量流路
2、7超声波换能器
5传播时间测量块
9校正值计算部件
10校正值选择部件
11传播时间校正块
12传播时间校正块
14存储部件

Claims (5)

1.一种超声波流量计，包括：
被测流体所流经的测量流路；
一对超声波换能器，其配置于所述测量流路中，并且能够进行超声波信号的发送和接收；
传播时间测量块，用于对在从所述一对超声波换能器的其中一个超声波换能器所发送的超声波信号传播穿过所述被测流体而到达另一个超声波换能器之前所经过的传播时间进行测量；
传播时间校正块，用于对所述传播时间测量块所测量得到的传播时间进行校正，由此计算校正传播时间；以及
控制块，用于根据所述校正传播时间来计算所述被测流体的流量，
其中，所述传播时间校正块具有校正值计算部件，所述校正值计算部件用于根据预定条件下预先测量得到的真实传播时间来计算对所述传播时间测量块测量得到的传播时间进行校正所使用的校正值。
2.一种超声波流量计，包括：
被测流体所流经的测量流路；
一对超声波换能器，其配置于所述测量流路中，并且能够进行超声波信号的发送和接收；
传播时间测量块，用于对在从所述一对超声波换能器的其中一个超声波换能器所发送的超声波信号传播穿过所述被测流体而到达另一个超声波换能器之前所经过的传播时间进行测量；
传播时间校正块，用于对所述传播时间测量块所测量得到的传播时间进行校正，由此计算校正传播时间；以及
控制块，用于根据所述校正传播时间来计算所述被测流体的流量，
其中，所述传播时间校正块具有：校正值计算部件，用于根据预定条件下预先测量得到的真实传播时间，针对各传播时间计算对所述传播时间测量块测量得到的传播时间进行校正所使用的校正值；存储部件，用于存储所述校正值计算部件所计算出的校正值；以及校正值选择部件，用于从所述存储部件所存储的校正值中，选择适合于所述传播时间测量块所测量得到的传播时间的校正值。
3.根据权利要求1或2所述的超声波流量计，其特征在于，
所述被测流体是气体；以及
所述校正值计算部件根据通过作为所述预定条件在保持气体种类恒定的情况下改变温度所测量得到的真实传播时间，来计算任意温度下的传播时间和校正值之间的关系。
4.根据权利要求1或2所述的超声波流量计，其特征在于，
所述被测流体是气体；以及
所述校正值计算部件根据通过作为所述预定条件在保持温度恒定的情况下改变气体种类所测量得到的真实传播时间，来计算针对任意气体种类的传播时间和校正值之间的关系。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的超声波流量计，其特征在于，
所述校正值计算部件在所述被测流体的流量为0时计算校正值。
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