CN112673238A - 流量测量装置 - Google Patents

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Abstract

流量测量装置从第1换能器发送具有至少一个第1频率的第1测量信号，经由管路的内部的流体通过第2换能器接收第1测量信号。流量测量装置根据第1测量信号决定第2频率。流量测量装置从第3换能器向管路和流体的界面发送具有第2频率的第2测量信号，通过第4换能器接收在界面上反射后的第2测量信号。流量测量装置根据第1测量信号和第2测量信号，以反映流体的粘度的方式计算管路的内部的流体的流量。

Description

流量测量装置
技术领域
本公开涉及测量具有规定截面积的管路的内部的流体的流量的流量测量装置。
背景技术
已知通过使例如超声波等测量信号经由流体传播来测量流体的速度，以得到管路的内部的流体的流量。根据这样的测量信号可知的流体的速度是管路内的一部分区域中的速度。但是，管路的横截面的整个范围内的流体的速度分布根据流体的粘度(或运动粘度)而不同。因此，为了准确地测量流体的流量，需要考虑流体的粘度(或运动粘度)。
例如，专利文献1和2公开了考虑流体的运动粘度来测量管路的内部的流体的流量。
专利文献1公开了如下超声波流量计：通过使用设置于配管中的流道截面积不同的测量部位或者配管中的内表面的表面粗糙度不同的测量部位的多个超声波收发器来进行超声波的收发，由多个超声波收发器分别计测测量用流体的流速或者流量，根据各计测值之比或者差来校正测量用流体的流量。由此，即使在测量用流体的种类、浓度发生了变化的情况下，也能够准确地进行流量校正。
专利文献2公开了如下超声波流量计：存储按照多种流体的每一种规定了多种流体中的声速、密度和运动粘度系数的三者之间的关系的流量校正用数据，并根据数据、声音参数计算单元计算出的流体的声速和密度计算单元计算出的流体的密度来确定在管路中流动的流体的种类。由此，确定流体的种类来进行与该流体的种类对应的准确流量校正。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5282955号公报
专利文献2：日本特许第5608884号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，专利文献1的超声波流量计为了将多个超声波收发器设置于配管中的流路截面积不同的测量部位或配管中的内表面的表面粗糙度不同的测量部位，需要特殊形状的配管(管路)。其结果，难以测量现有的管路的内部的流体的流量，此外，在没有充分的空间以设置特殊形状的管路的情况下，难以测量流体的流量。因此，要求能够在无需特殊形状的管路的情况下测量流体的流量的流量测量装置。
此外，专利文献2的超声波流量计需要预先存储按照多种流体的每一种规定了多种流体中的声速、密度和运动粘度系数的三者之间的关系的流量校正用数据。其结果，针对不具有流量校正用数据的流体，无法获得该流体的运动粘度，所测量的流量的精度下降。因此，要求能够在无需表示粘度和其他参数的关系的预先给出的表的情况下测量流体的流量的流量测量装置。
本发明的目的在于提供一种流量测量装置，该流量测量装置能够在无需特殊形状的管路并且无需表示粘度和其他参数的关系的预先给出的表的情况下，反映流体的粘度而高精度地测量流体的流量。
用于解决课题的手段
根据本公开的一个方式的流量测量装置，其测量具有规定截面积的管路的内部的流体的流量，所述流量测量装置与分别设置于所述管路的第1换能器～第4换能器连接，第1换能器及第3换能器将电信号转换为声音信号，第2换能器及第4换能器将声音信号转换为电信号，所述流量测量装置从所述第1换能器发送具有至少一个第1频率的第1测量信号，经由所述管路的内部的流体通过所述第2换能器接收所述第1测量信号，所述流量测量装置根据所述第1测量信号决定第2频率，所述流量测量装置从所述第3换能器向所述管路和所述流体的界面发送具有所述第2频率的第2测量信号，由所述第4换能器接收在所述界面上反射后的所述第2测量信号，所述流量测量装置根据所述第1测量信号和第2测量信号，以反映所述流体的粘度的方式计算所述管路的内部的所述流体的流量。
由此，能够在无需特殊形状的管路并且无需表示粘度和其他参数的关系的预先给出的表的情况下，反映流体的粘度而高精度地测量流体的流量。
根据本公开的一个方式的流量测量装置，所述流量测量装置根据所述第1测量信号计算所述流体的第1速度，所述流量测量装置根据所述流体的第1速度计算所述流体的剪切速度，所述流量测量装置以与所述流体的剪切速度成比例的方式决定所述第2频率。
由此，能够设定最适于测量流体的粘度的第2频率，高精度地测量流体的粘度，因此，能够高精度地测量流体的流量。
根据本公开的一个方式的流量测量装置，所述流量测量装置根据所述第1测量信号计算所述流体的第1速度，所述流量测量装置根据所述第2测量信号计算所述管路和所述流体的界面上的反射率，根据所述反射率计算所述流体的粘度，所述流量测量装置根据所述流体的粘度，校正所述流体的第1速度来计算所述流体的第2速度，所述流量测量装置根据所述第2速度计算所述管路的内部的所述流体的流量。
由此，能够反映流体的粘度而高精度地测量流体的流量。
根据本公开的一个方式的流量测量装置，所述流量测量装置根据所述流体的粘度计算所述流体的雷诺数，所述流量测量装置根据所述雷诺数，决定所述流体是层流还是紊流，所述流量测量装置将所述流体的第1速度乘以层流的校正系数或紊流的校正系数，计算所述流体的第2速度。
由此，根据流体是紊流还是层流来适当地校正流体的速度。
根据本公开的一个方式的流量测量装置，所述第1测量信号包含多个频率，所述第2测量信号包含单一的频率。
由此，与使用单一频率的信号的情况相比，第1测量信号难以被噪声掩埋。
根据本公开的一个方式的流量测量装置，所述第1测量信号具有随着从起始起的时间经过而发生变化的频率。
由此，与使用单一频率的信号或较短的时间长度的信号的情况相比，第1测量信号难以被噪声掩埋。
根据本公开的一个方式的流量测量装置，所述流量测量装置与作为所述第3换能器和第4换能器发挥功能的一个换能器连接。
由此，能够减少将换能器配置于管路的工夫。
根据本公开的一个方式的流量测量装置，所述流量测量装置与作为所述第1换能器、第3换能器和第4换能器发挥功能的一个换能器连接。
由此，能够减少将换能器配置于管路的工夫。
发明效果
根据本公开的一个方式的流量测量装置，能够在无需特殊形状的管路并且无需表示粘度和其他参数的关系的预先给出的表的情况下，反映流体的粘度而高精度地测量流体的流量。
附图说明
图1是示出实施方式的流量测量装置1的结构的框图。
图2是示出由图1的控制电路11执行的流量测量处理的流程图。
图3是示出在图2的步骤S2中收发的例示性的第1测量信号M1的波形的图。
图4是示出图3的第1测量信号M1的频率特性的图。
图5是说明图2的步骤S5中的流体7的剪切速度D的计算的图。
图6是示出在图2的步骤S7中收发的例示性的第2测量信号M2的波形的图。
图7是示出在图2的步骤S7中收发的例示性的第2测量信号M2的传播路径的图。
图8是示出图1的管路6的内部的作为层流的流体7的例示性的速度分布的图。
图9是示出图1的管路6的内部的作为紊流的流体7的例示性的速度分布的图。
图10是示出由实施方式的第1变形例的流量测量装置使用的换能器2-1～2-3、3-1～3-3的配置的图。
图11是示出由实施方式的第2变形例的流量测量装置使用的换能器2、3-1～3-3的配置的图。
图12是示出由实施方式的第3变形例的流量测量装置使用的换能器2、3的其他配置的图。
图13是示出由实施方式的第4变形例的流量测量装置使用的换能器2-1、2-2、3-1、3-2的配置的图。
图14是示出由实施方式的第5变形例的流量测量装置1使用的换能器2、3、4A的配置的图。
图15是示出由实施方式的第6变形例的流量测量装置1使用的换能器2、3A的配置的图。
具体实施方式
以下，根据附图说明本公开的一个侧面的实施方式(以下，也记作“本实施方式”)。在各附图中，相同的标号表示相同的结构要素。
[应用例]
图1是示出实施方式的流量测量装置1的结构的框图。流量测量装置1测量具有规定截面积的管路6的内部的流体7的流量。流体7可以是液体，也可以是气体。在图1中，示出管路6具有圆形的横截面形状的情况，该圆形具有内侧的直径2a，但是，不限于此，管路6也可以具有其他任意的横截面形状。
流量测量装置1与分别设置于管路6的换能器2～5连接，换能器2、4将电信号转换为声音信号，换能器3、5将声音信号转换为电信号。换能器2～5设置于管路6的外侧。换能器2、3以相互具有距离L并且以通过换能器2、3的直线相对于管路6的长度方向(例如、管路6的内表面)具有角度θ的方式，分别设置于管路6。换能器4、5相互接近地设置。
可以将一个换能器作为换能器2和4共用，也可以替代该情况，将一个换能器作为换能器3和5共用。
换能器2、3各自也可以将电信号与声音信号相互转换。换能器2、3例如也可以是将电信号与超声波信号相互转换的超声波换能器。换能器2、3例如也可以为压电元件。此外，换能器2、3各自也可以是相互临近地配置的、将电信号转换为声音信号的换能器与将声音信号转换为电信号的换能器的组合。
流量测量装置1从换能器2(或3)发送具有至少一个第1频率的第1测量信号M1，经由管路6的内部的流体7通过换能器3(或2)接收第1测量信号M1。流量测量装置1根据第1测量信号M1决定第2频率。流量测量装置1从换能器4向管路6和流体7的界面发送具有第2频率的第2测量信号M2，由换能器5接收在界面上反射后的第2测量信号M2。流量测量装置1根据第1测量信号M1和第2测量信号M2，以反映流体7的粘度的方式计算管路6的内部的流体7的流量。
如后所述，流体7的粘度能够根据管路6和流体7的界面上的反射率来计算。因此，流量测量装置1能够根据第2测量信号M2计算流体7的粘度，以反映流体7的粘度的方式计算流体7的流量。由于根据第2测量信号M2可知流体7的粘度，所以能够在无需特殊形状的管路的情况下，使用设置于任意形状的管路6的换能器2～5来测量流体7的流量。此外，由于根据第2测量信号M2可知流体7的粘度，所以能够在无需表示粘度和其他参数的关系的预先给出的表的情况下，测量流体7的流量。这样，根据实施方式的流量测量装置1，能够在无需特殊形状的管路的情况并且无需表示粘度和其他参数的关系的预先给出的表的情况下，反映流体7的粘度而高精度地测量流体7的流量。
在本说明书中，也将换能器2、3的一方称作“第1换能器”、另一方称作“第2换能器”。此外，在本说明书中，也将换能器4称作“第3换能器”、换能器5称作“第4换能器”。
[实施方式]
参照图1～图11，对实施方式的流量测量装置进行说明。
[流量测量装置的结构]
图1是示出实施方式的流量测量装置1的结构的框图。流量测量装置1具有控制电路11、发送电路12、接收电路13、开关电路14、输入装置15和显示装置16。
控制电路11对流量测量装置1的其他结构要素进行控制，此外，执行参照图2后述的流量测量处理，从而测量流体7的流量。
发送电路12在控制电路11的控制下，产生第1测量信号M1和第2测量信号M2。第1测量信号M1例如以具有多个频率(第1频率)的方式产生。第1测量信号M1的频率可以遍及规定的频带宽度而具有连续值，也可以具有离散值。第1测量信号M1例如可以具有随着从起始起的时间经过而发生变化的频率，例如，也可以是线性调频(chirp)信号(扫描(sweep)信号)。测量信号也可以部分地包含例如在该测量信号的起始具有固定的频率的时间区间。第2测量信号M2以具有单一的频率(第2频率)的方式产生。所产生的第1测量信号M1和第2测量信号M2经由开关电路14发送到换能器2～4，并且发送到控制电路11。
接收电路13经由开关电路14而与换能器2、3、5连接。接收电路13取得从换能器2、3的一方发送并由另一方接收的第1测量信号M1。此外，接收电路13取得从换能器4发送并由另一方由换能器5接收的第2测量信号M2。
开关电路14包含开关14a～14d。开关电路14在控制电路11的控制下，将发送电路12与换能器2、3的一方连接，将接收电路13与换能器2、3的另一方连接。这时，换能器4、5不与发送电路12和接收电路13连接。此外，开关电路14在控制电路11的控制下，将发送电路12与换能器4连接，将接收电路13与换能器5连接。这时，换能器2、3不与发送电路12和接收电路13连接。
输入装置15对控制电路11指示根据用户输入来测量流体7的流量的情况。输入装置15例如包含键盘、开关和/或指示设备等。
显示装置16显示所测量的流体7的流量。
管路6例如也可以由钢或合成树脂(例如，特氟龙(注册商标))构成。管路6例如具有外径13mm和内径8mm。管路6可以具有更小的尺寸(例如，外径3mm和内径1.6mm)，也可以具有更大的尺寸(例如，外径60mm)。
[流量测量装置的动作]
图2是由图1的控制电路11执行的流量测量处理的流程图。
在步骤S1中，控制电路11对发送电路12设定第1测量信号M1的参数。此处，第1测量信号M1的参数包含第1测量信号M1的多个频率(第1频率)。在第1测量信号M1的频率具有连续值的情况下，第1测量信号M1的参数包含第1测量信号M1的中心频率和频带宽度。在第1测量信号M1的频率具有离散值的情况下，第1测量信号M1的参数包含第1测量信号M1所包含的各频率成分。第1测量信号M1的参数可以经由输入装置15作为用户输入取得，也可以从与控制电路11连接或内置在该控制电路11中的存储器(未图示)读出。
在步骤S2中，控制电路11对开关电路14进行切换，从换能器2发送第1测量信号M1并由换能器3接收该第1测量信号M1，接着，从换能器3发送第1测量信号M1并由换能器2接收该第1测量信号M1。第1测量信号M1经由管路6的内部的流体7而传播。发送电路12也将所发送的第1测量信号M1发送到控制电路11。接收电路13将所接收的第1测量信号M1发送到控制电路11。
图3是示出在图2的步骤S2中收发的例示性的第1测量信号M1的波形的图。在本说明书中，对第1测量信号M1是具有随着从起始起的时间经过而发生变化的频率的线性调频信号(扫描信号)的情况进行说明。第1测量信号M1例如具有20微妙的时间长度。通过使用具有多个频率和规定的时间长度的第1测量信号M1，与使用单一频率的信号或较短的时间长度的信号的情况相比，第1测量信号M1难以被噪声掩埋，能够高精度地测量流体7的流量。
图4是示出图3的第1测量信号M1的频率特性的图。作为线性调频信号的第1测量信号M1具有随着从起始起的经过时间而线性地增大的频率。作为替代，也可以使用图4所示的测量信号M1a～M1c。测量信号M1a是具有随着从起始起的时间经过而指数地增大的频率的线性调频信号。测量信号M1b是具有随着从起始起的时间经过而线性地减小的频率的线性调频信号。测量信号M1c是具有随着从起始起的时间经过而指数地减小的频率的线性调频信号。不限于图4所示的第1测量信号M1、M1a～M1c，只要具有多个频率和规定的时间长度即可，能够使用其他任意的测量信号。频率的初始值或最终值也可以不为零。
在图2的步骤S3中，控制电路11计算表示从换能器2发送的第1测量信号M1的基准信号与由换能器3接收到的第1测量信号M1之间的相关系数，并且计算表示从换能器3发送的第1测量信号M1的基准信号与由换能器2接收到的第1测量信号M1之间的相关系数。在图1的例子中，控制电路11将由发送电路12产生的测量信号直接用作基准信号。控制电路11例如对所发送的测量信号f(x)和所接收的测量信号g(x)用离散时间m＝1、……、M分别进行采样，得到所离散化的测量信号f(m)和g(m)。在该情况下，时刻n的相关系数Cor(n)例如通过下式计算。
[式1]
Figure BDA0002963460780000081
相关系数Cor(n)达到峰值时的时刻n表示接收到第1测量信号M1的瞬间。
在步骤S4中，控制电路11计算第1测量信号M1的传播时间。此处，控制电路11计算从由换能器2发送了第1测量信号M1的瞬间起到由换能器3接收到第1测量信号M1的瞬间(即，到达了第1测量信号M1的相关系数的峰值的瞬间)为止的时间长度T1。此外，控制电路11计算从由换能器3发送了第1测量信号M1的瞬间起到由换能器2接收到第1测量信号M1的瞬间(即，到达了第1测量信号M1的相关系数的峰值的瞬间)为止的时间长度T2。
在步骤S5中，控制电路11根据第1测量信号M1的传播时间计算流体7的第1速度v1。在本说明书中，将不考虑流体7的粘度而计算出的流体7的速度称作“第1速度v1”。
在设流体7的第1速度为v1、声速为c时，从换能器2向换能器3的第1测量信号M1的传播时间T1用T1＝L/(c+v1·cosθ)表示。此外，从换能器3向换能器2的第1测量信号M1的传播时间T2用T2＝L/(c-v1·cosθ)表示。因此，流体7的第1速度v1用下式表示。
[式2]
Figure BDA0002963460780000091
第1速度v1表示第1测量信号M1的传播路径中的流体7的速度的平均值。
在步骤S5中，控制电路11还根据流体7的第1速度v1计算流体7的剪切速度D。
图5是说明图2的步骤S5中的流体7的剪切速度D的计算的图。流体7在管路6的中心(即，从管路6的内表面起的距离a的位置)具有最大的速度v，在与管路6的内表面接触的部分具有速度零。此外，在其他位置处，流体7越接近管路6的中心，具有越大的速度，越接近管路6的内表面，具有越小的速度。在该情况下，流体7的剪切速度D用D＝v/a表示。
流体7的剪切应力τ与剪切速度D成比例，用τ＝μ·D表示。此处，系数μ表示与剪切应力τ和剪切速度D相关联的流体7的粘度，在本说明书中，也称作“剪切粘度”。
在图2的步骤S5中，将第1速度v1视作管路6的中心的流体7的速度。因此，流体7的剪切速度D通过D＝v1/a获得。
在图2的步骤S6中，控制电路11根据流体7的剪切速度D(即，根据第1测量信号M1)，对发送电路12设定第2测量信号M2的参数。此处，第2测量信号M2的参数包含第2测量信号M2的一个频率(第2频率)。如后所述，流量测量装置1使用第2测量信号M2来测量流体7的粘度。因此，控制电路11将最适于测量流体7的粘度的频率设定为第2测量信号M2的频率。
使用超声波等声音信号测量流体的粘度是“动态粘弹性测量法”的一种。这是指，通过声音信号的振动对流体施加周期性的剪切变形，通过观测其响应来掌握粘弹性。“粘弹性”是指如“粘性”这种如在液体中所见那样在施加了固定的剪切应力时变形量随时间发生变化的性质与如“弹性”这种如在固体中所见那样在施加外力时发生变形并且当去除外力时恢复原样的性质的组合。通过G*＝Ga+i·Gb表示具有粘弹性的流体的复弹性模量G*。此处，i表示虚数单位。Ga表示流体的弹性成分，也称作“储能模量”，Gb表示流体的粘性成分，也称作“损耗模量”。损耗模量Gb与声音信号的角频率ω成比例，用Gb＝ω·ηa表示。此处，系数ηa表示与损耗模量Gb和角频率ω相关联的流体7的粘度，在本说明书中，也称作“运动粘度”。
与损耗模量Gb同样，复弹性模量G*也被认为与声音信号的角频率ω成比例，用G*＝i·ω·η*表示。此处，系数η*用η*＝ηa-i·ηb表示，在本说明书中，也称作“复运动粘度”。复运动粘度的虚数部ηb满足Ga＝ω·ηb。
在第2测量信号M2的频率(第2频率)具有与流体7的剪切速度D成比例的规定值时，通过使用作为声音信号的第2测量信号M2来测量流体7的运动粘度η，能够获得流体7的剪切粘度μ。因此，控制电路11将与流体7的剪切速度D成比例的频率F＝α·D作为第2测量信号M2的频率设定给发送电路12。比例常数α例如在0.5<α<1.5的范围内。例如，在剪切速度D＝200的情况下，第2测量信号M2的频率设定为100kHz～300kHz。剪切速度有可能随时间发生变化，此外，根据管路4的内表面是平滑还是粗糙而发生变化，并根据流动是层流还是紊流而发生变化。即使在产生这样的剪切速度的变化的情况下，也能够适当地设定第2测量信号M2的频率。比例常数α也可以通过测量来调整。
在图2的步骤S7中，控制电路11对开关电路14进行切换，从换能器4向管路6和流体7的界面发送具有第2频率的第2测量信号M2，由换能器5接收在界面上反射后的第2测量信号M2。发送电路12也将所发送的第2测量信号M2发送到控制电路11。
图6是示出在图2的步骤S7中收发的例示性的第2测量信号M2的波形的图。第2测量信号M2包含与流体7的剪切速度D成比例的单一的频率。
图7是示出在图2的步骤S7中收发的例示性的第2测量信号M2的传播路径的图。第2测量信号M2从换能器4发送并在管路6中传播，在管路6和流体7的界面(图6的点A)上反射，接着，再次在管路6中传播而由换能器5接收。
在图2的步骤S8中，控制电路11根据从换能器4发送的第2测量信号M2和由换能器5接收的第2测量信号M2，计算流体7的运动粘度η。控制电路11根据第2测量信号M2计算管路6和流体7的界面上的反射率r，根据反射率r计算流体7的运动粘度η。反射率r和运动粘度η如以下那样计算。
管路6具有密度ρ1和声音阻抗Z1，流体7具有密度ρ2和声音阻抗Z2。在该情况下，反射系数R用下式表示。
[式3]
Figure BDA0002963460780000111
r表示管路6和流体7的界面上的反射率(即，入射到界面的第2测量信号M2的振幅与从界面反射的第2测量信号M2的振幅的比率)，α表示界面上的第2测量信号M2的相移量。反射率r和相移量α根据所发送的第2测量信号M2和所接收的第2测量信号M2来计算。此外，在本说明书中，附加有上标“*”的标记表示由该标记表示的量具有复数值，未附加有上标“*”的标记表示由该标记表示的量具有实数值。假设固体的管路6是完全弹性体，并且，流体7是粘弹性体。由此，在式(3)中，管路6具有实数值的声音阻抗Z1，流体7具有复数值的声音阻抗Z2*。
根据声波传播的理论，传播介质的声音阻抗Z*与传播介质的密度ρ及复弹性模量G*满足下式的关系。
[式4]
Figure BDA0002963460780000112
如上所述，如果流体7是牛顿流体，则不具有弹性成分，因此，流体7的复弹性模量G*通过G*＝i·Gb表示。因此，流体7的声音阻抗Z2通过将损耗模量Gb＝ω·ηa代入式(4)的右边，用下式表示。
[式5]
Figure BDA0002963460780000113
当将式(5)代入式(3)中而进行整理时，运动粘度ηa如下式那样计算。
[式6]
Figure BDA0002963460780000114
此处，管路6的声音阻抗Z1和流体7的密度ρ2是已知的，可以经由输入装置15作为用户输入取得，也可以从与控制电路11连接或内置在该控制电路11中的存储器(未图示)读出。此外，在步骤S6中决定第2测量信号M2的角频率ω。此外，如上所述，根据第2测量信号M2计算管路6和流体7的界面上的反射率r。
在步骤S9中，控制电路11根据流体7的粘度计算流体7的雷诺数。流体7的雷诺数Re通过Re＝ρ2·v1·L/ηa计算。此处，L是表征流体7流过的***的长度。在流体7在管路6中流过的情况下，L例如也可以设定为管路6的直径2a或半径a。
在步骤S10中，控制电路11判断雷诺数Re是否比预先确定的阈值Th高，由此，决定流体7是紊流还是层流。此处，在Re>Th时，进入步骤S11，在相反时，进入步骤S12。在采用具有圆形的横截面形状的管路6的情况下，阈值Th例如也可以设定为2300。
图8是示出图1的管路6的内部的作为层流的流体7的例示性的速度分布的图。图9是示出图1的管路6的内部的作为紊流的流体7的例示性的速度分布的图。管路6的内部的流体7的流量根据在管路6的横截面上的流体7的速度的平均值与管路6的截面积之积来计算。但是，如上所述，在管路6的横截面上的流体7的速度分布根据流体7的粘度而不同。此外，在管路6的横截面上的流体7的速度分布也根据流体7的密度、流体7的速度和管路6的尺寸而不同。例如，在流体7作为层流流动的情况下，流体7以越接近管路6的中心，具有越大的速度，越接近管路6的内表面，越具有较小的速度的方式，具有抛物线的速度分布。另一方面，在流体7作为紊流流动的情况下，伴随较大的扰动，流体7被混合，由此，整体上的流体7的速度比层流的情况更均质化。这样，在管路6的横截面上的流体7的速度分布根据流体7是紊流还是层流而不同，因此，在管路6的横截面上的流体7的速度的平均值也不同。
在步骤S5中计算的第1速度v1不表示在管路6的横截面上的流体7的速度的平均值，如上所述，而是表示第1测量信号M1的传播路径中的流体7的速度的平均值。因此，控制电路11为了计算流体7的准确流量，根据流体7是紊流还是层流来计算不同的校正系数并乘以第1速度v1，由此，计算在管路6的横截面上的流体7的速度的平均值(第2速度v2)。
在步骤S11中，控制电路11判断为流体7作为紊流流动并计算紊流的校正系数kt，使用紊流的校正系数kt来校正流体7的第1速度v1，从而计算流体7的第2速度v2(v2＝v1/kt)。紊流的校正系数kt能够根据表示紊流的数学模型来进行各种各样的计算，例如，也可以通过下式来计算。
[式7]
Figure BDA0002963460780000131
[式8]
kt＝1.119-0.011·log Re
在步骤S12中，控制电路11判断为流体7作为层流流动并计算层流的校正系数kl，使用层流的校正系数kl来校正流体7的第1速度v1，从而计算流体7的第2速度v2(v2＝v1/kl)。在流体7作为层流流动时，使用第1测量信号M1而测量的第1速度v1成为在管路6的横截面上的流体7的速度的最大值的2/3。此外，在流体7作为层流流动时，在管路6的横截面上的流体7的速度的平均值成为在管路6的横截面上的流体7的速度的最大值的1/2。因此，层流的校正系数kl用kl＝4/3表示。
这样，控制电路11将流体7的第1速度乘以层流的校正系数kl或紊流的校正系数kt，计算流体7的第2速度。换言之，控制电路11根据流体7的雷诺数Re(即，根据流体7的运动粘度ηa)，校正流体7的第1速度v1来计算流体7的第2速度v2。
在步骤S13中，控制电路11根据第2速度v2计算管路6的内部的流体7的流量，将流体7的流量显示在显示装置16上。由管路6的截面积与流体7的第2速度v2之积表示。因此，在图1的例子中，流体7的流量Q用Q＝π·a2·v2表示。
这样，控制电路11根据第1测量信号M1和第2测量信号M2，以反映流体7的粘度的方式计算管路6的内部的流体7的流量。
[实施方式的变形例]
图10是示出由实施方式的第1变形例的流量测量装置使用的换能器2-1～2-3、3-1～3-3的配置的图。流量测量装置也可以在多对换能器2-1～2-3、3-1～3-3之间分别收发第1测量信号M1，分别计算流体7的流量，计算所计算的多个流量的平均值。由此，与仅使用一对换能器2、3的情况相比，能够更高精度地计算流体7的流量。
图11是示出由实施方式的第2变形例的流量测量装置使用的换能器2、3-1～3-3的配置的图。流量测量装置也可以在换能器2、3-1之间收发第1测量信号M1，在换能器2、3-2之间收发第1测量信号M1，在换能器2、3-3之间收发第1测量信号M1，根据这些第1测量信号M1分别计算流体7的流量，计算所计算的多个流量的平均值。由此，与仅使用一对换能器2、3的情况相比，能够更高精度地计算流体7的流量。
图12是示出由实施方式的第3变形例的流量测量装置使用的换能器2、3的其他配置的图。换能器2、3也可以配置成在从该一个换能器发送的第1测量信号M1被另一个换能器接收以前，通过管路6的内表面至少反射1次。当流体7的流动不与管路6的长度方向平行，在半径方向上也具有速度成分时，产生误差。在该情况下，通过如图12所示那样配置换能器2、3，能够抵消管路6的半径方向上的流体7的速度成分，难以产生误差。此外，通过如图12所示那样配置换能器2、3，能够延长在流体7中传播的第1测量信号M1的路径长度。由此，更高精度地计算第1测量信号M1的传播时间，因此，能够更高精度地计算流体7的流量。
图13是示出由实施方式的第6变形例的流量测量装置使用的换能器2-1、2-2、3-1、3-2的配置的图。
换能器2-1、2-2、3-1、3-2也可以配置成换能器2-1、3-1之间的第1测量信号M1的路径与换能器2-2、3-2之间的第1测量信号M1的路径交叉。由于空间限制，有时无法如图12所示那样配置换能器2、3。在该情况下，通过如图13所示那样配置换能器2-1、2-2、3-1、3-2，与图12的情况同样，能够抵消管路6的半径方向上的流体7的速度成分，难以产生误差。
图14是示出由实施方式的第5变形例的流量测量装置1使用的换能器2、3、4A的配置的图。流量测量装置1也可以与作为图1的换能器4(第3换能器)和换能器5(第4换能器)发挥功能的一个换能器3A连接。由此，能够通过比图1的情况少的个数的换能器2、3、4A测量流体7的流量，能够减少将换能器配置于管路6的工夫。
图15是示出由实施方式的第6变形例的流量测量装置1使用的换能器2、3A的配置的图。流量测量装置1也可以与作为图1的换能器3(第2换能器)、换能器4(第3换能器)和换能器5(第4换能器)发挥功能的一个换能器3A连接。同样地，流量测量装置1也可以与作为图1的换能器2(第1换能器)、换能器4(第3换能器)和换能器5(第4换能器)发挥功能的一个换能器连接。由此，能够用比图1和图14的情况少的个数的换能器2、3A测量流体7的流量，能够减少将换能器配置于管路6的工夫。
图1的流量测量装置1也可以在一对换能器2、3之间反复收发测量信号，根据这些测量信号分别计算流体7的流量，计算所计算的多个流量的平均值。由此，能够更高精度地计算流体7的流量。
如上所述，用于计算相关系数的基准信号也可以是由发送电路12产生的测量信号本身。
也可以通过考虑换能器2、3的频率特性来调整由发送电路12产生的测量信号的至少一部分的频率成分，来生成用于计算相关系数的基准信号。从发送电路12输入到换能器2、3的电信号的波形与从换能器2、3输出的声音信号的波形由于换能器2、3的频率特性而相互不同。同样地，输入到换能器2、3的声音信号的波形和从换能器2、3输入到接收电路13的电信号的波形相互不同。例如，也可以通过强调由发送电路12产生的测量信号的多个频率成分中的、换能器2、3的谐振频率附近的频率成分，来生成基准信号。
也可以在每次从换能器2、3输出声音信号时，通过监视声音信号来生成用于计算相关系数的基准信号。
也可以通过取得从换能器2、3输出的一些声音信号的平均值，来生成用于计算相关系数的基准信号。作为替代，也可以通过监视在理想状态下输入到换能器2、3中的声音信号，来生成用于计算相关系数的基准信号。在每次由发送电路12产生测量信号时监视测量信号(电信号或声音信号)导致精度的提高，但是，存在处理的负荷增大的问题。因此，也可以使用平均后的声音信号或理想状态下的声音信号等预先确定的基准信号来计算相关系数，以减小处理的负荷。
[实施方式的效果]
根据实施方式的流量测量装置1，能够在无需特殊形状的管路并且无需表示粘度和其他参数的关系的预先给出的表的情况下，反映流体7的粘度而高精度地测量流体7的流量。
此外，根据实施方式的流量测量装置1，通过使用线性调频信号等频带宽的第1测量信号M1，高精度地测量第1速度v1，因此，能够高精度地测量流体7的流量。
此外，根据实施方式的流量测量装置1，通过根据第1测量信号M1决定最适于测量运动粘度ηa的第2测量信号M2的频率，高精度地测量运动粘度ηa，因此，能够高精度地测量流体7的流量。
[其他变形例]
第1测量信号M1能够决定流体7的第1速度v1和剪切速度D(因此，决定第2测量信号M2的第2频率)即可，不限于线性调频信号，也可以是其他任意的信号。第1测量信号M1也可以包含单一的频率。
在图2中，对根据第1测量信号M1的传播时间计算流体7的流量的情况进行了说明，但是，作为替代，也可以根据在第1测量信号M1中产生的多普勒偏移来计算流体7的流量。设所发送的第1测量信号M1的频率为fa、所接收的第1测量信号M1的频率为fb。频率fb用fb＝fa×(c+v·cosθ)/(c-v·cosθ)表示。流体7的速度v用v＝c/(2cosθ)·(fb-fa)/fb表示。因此，在图1的例子中，流体7的流量Q用Q＝π·r2·v表示。在该情况下，也可以在换能器2、3之间仅在单向上发送第1测量信号M1。即使在第1测量信号M1包含多个频率的情况下，也能够通过与上述实质上相同的方法来计算流体7的流量。
在本说明书中，对流体7是牛顿流体的情况进行了说明，但是，在流体7是非牛顿流体的情况下，也能够使用适当的模型来计算流体7的流量。非牛顿流体是指粘度根据剪切速度D而发生变化的液体，例如对应的有墨水、熔融树脂等。与牛顿流体的情况不同，在非牛顿流体的情况下，在测量流量的方面，剪切速度D成为重要的参数。此外，非牛顿流体不仅具有粘性，还具有弹性的性质，但是，注意在式(6)中，忽略了弹性。
[总结]
本公开的各侧面的流量测量装置也可以如下这样表现。
根据本公开的第1侧面的流量测量装置，测量具有规定截面积的管路6的内部的流体7的流量。流量测量装置1与分别设置于管路6的第1换能器2～第4换能器5连接，第1换能器2及第3换能器4将电信号转换为声音信号，第2换能器3及第4换能器5将声音信号转换为电信号。流量测量装置1从第1换能器2发送具有至少一个第1频率的第1测量信号，经由管路6的内部的流体7通过第2换能器3接收第1测量信号。流量测量装置1根据第1测量信号决定第2频率。流量测量装置1从第3换能器4向管路6和流体7的界面发送具有第2频率的第2测量信号，由第4换能器5接收在界面上反射后的第2测量信号。流量测量装置1根据第1测量信号和第2测量信号，以反映流体7的粘度的方式计算管路6的内部的流体7的流量。
根据本公开的第2侧面的流量测量装置，在第1侧面的流量测量装置中，流量测量装置1根据第1测量信号计算流体7的第1速度，根据流体7的第1速度计算流体7的剪切速度，以与流体7的剪切速度成比例的方式决定第2频率。
根据本公开的第3侧面的流量测量装置，在第1侧面或第2侧面的流量测量装置中，流量测量装置1根据第1测量信号计算流体7的第1速度。流量测量装置1根据第2测量信号计算管路6和流体7的界面上的反射率，根据反射率计算流体7的粘度。流量测量装置1根据流体7的粘度，校正流体7的第1速度来计算流体7的第2速度。流量测量装置1根据第2速度计算管路6的内部的流体7的流量。
根据本公开的第4侧面的流量测量装置，在第3侧面的流量测量装置中，流量测量装置1根据流体7的粘度计算流体7的雷诺数。流量测量装置1根据雷诺数，决定流体7是层流还是紊流。流量测量装置1将流体7的第1速度乘以层流的校正系数或紊流的校正系数，计算流体7的第2速度。
根据本公开的第5侧面的流量测量装置，在第1侧面～第4侧面中的一个侧面的流量测量装置中，第1测量信号包含多个频率，第2测量信号包含单一的频率。
根据本公开的第6侧面的流量测量装置，在第5侧面的流量测量装置中，第1测量信号具有随着从起始起的时间经过而发生变化的频率。
根据本公开的第7侧面的流量测量装置，在第1侧面～第6侧面中的一个侧面的流量测量装置中，流量测量装置1与作为第3换能器和第4换能器发挥功能的一个换能器连接。
根据本公开的第8侧面的流量测量装置，在第7侧面的流量测量装置中，流量测量装置1与作为第1换能器、第3换能器和第4换能器发挥功能的一个换能器连接。
产业上的可利用性
根据本公开，提供一种流量测量装置，其测量具有规定截面积的管路的内部的流体的流量，能够反映流体的粘度而高精度地测量流体的流量。
标号说明
1：流量测量装置；2、2-1～2-3、3、3-1～3-3、4、5：换能器；6：管路；7：流体；11：控制电路；12：发送电路；13：接收电路；14：开关电路；15；输入装置；16：显示装置。

Claims (8)

1.一种流量测量装置，其测量具有规定的截面积的管路的内部的流体的流量，
所述流量测量装置与分别设置于所述管路的第1换能器～第4换能器连接，第1换能器及第3换能器将电信号转换为声音信号，第2换能器及第4换能器将声音信号转换为电信号，
所述流量测量装置从所述第1换能器发送具有至少一个第1频率的第1测量信号，经由所述管路的内部的流体而利用所述第2换能器接收所述第1测量信号，
所述流量测量装置根据所述第1测量信号决定第2频率，
所述流量测量装置从所述第3换能器向所述管路和所述流体的界面发送具有所述第2频率的第2测量信号，利用所述第4换能器接收在所述界面上反射后的所述第2测量信号，
所述流量测量装置根据所述第1测量信号和第2测量信号，以反映所述流体的粘度的方式计算所述管路的内部的所述流体的流量。
2.根据权利要求1所述的流量测量装置，其中，
所述流量测量装置根据所述第1测量信号计算所述流体的第1速度，
所述流量测量装置根据所述流体的第1速度计算所述流体的剪切速度，
所述流量测量装置以与所述流体的剪切速度成比例的方式决定所述第2频率。
3.根据权利要求1或2所述的流量测量装置，其中，
所述流量测量装置根据所述第1测量信号计算所述流体的第1速度，
所述流量测量装置根据所述第2测量信号计算所述管路和所述流体的界面上的反射率，根据所述反射率计算所述流体的粘度，
所述流量测量装置根据所述流体的粘度，校正所述流体的第1速度来计算所述流体的第2速度，
所述流量测量装置根据所述第2速度计算所述管路的内部的所述流体的流量。
4.根据权利要求3所述的流量测量装置，其中，
所述流量测量装置根据所述流体的粘度计算所述流体的雷诺数，
所述流量测量装置根据所述雷诺数，决定所述流体是层流还是紊流，
所述流量测量装置将所述流体的第1速度乘以层流的校正系数或紊流的校正系数，计算所述流体的第2速度。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的流量测量装置，其中，
所述第1测量信号包含多个频率，
所述第2测量信号包含单一的频率。
6.根据权利要求5所述的流量测量装置，其中，
所述第1测量信号具有随着从起始起的时间经过而发生变化的频率。
7.根据权利要求1～6中的任意一项所述的流量测量装置，其中，
所述流量测量装置与作为所述第3换能器和第4换能器发挥功能的一个换能器连接。
8.根据权利要求7所述的流量测量装置，其中，
所述流量测量装置与作为所述第1换能器、第3换能器和第4换能器发挥功能的一个换能器连接。
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