JPH04328423A - 超音波気体流量計 - Google Patents
超音波気体流量計Info
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- JPH04328423A JPH04328423A JP3124826A JP12482691A JPH04328423A JP H04328423 A JPH04328423 A JP H04328423A JP 3124826 A JP3124826 A JP 3124826A JP 12482691 A JP12482691 A JP 12482691A JP H04328423 A JPH04328423 A JP H04328423A
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- Japan
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- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 36
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 abstract 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 16
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
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- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は例えば超音波を用いて
管路内を流れる気体の温度補正された流量を測定する超
音波気体流量計に関する。
管路内を流れる気体の温度補正された流量を測定する超
音波気体流量計に関する。
【0002】
【従来の技術】図5は従来の超音波気体流量計の一例を
示すブロック図であり,1は管路,2は第1超音波プロ
ーブ,3は第2超音波プローブ,27は温度発信器,2
8は伝搬時間測定回路,29は流量演算回路,30は測
定流量の温度補正を行う温度補正回路,Dは管路1内径
,Lは管路1内の超音波伝搬路長,Vは流速である。 従来の超音波気体流量計は上記のように構成され,内径
Dの管路1の中心からθだけ傾いた軸上に第1超音波プ
ローブ2と第2超音波プローブ3を配置し,それぞれの
超音波プローブには伝搬時間測定回路28,流量演算回
路29および温度補正回路30が接続される。
示すブロック図であり,1は管路,2は第1超音波プロ
ーブ,3は第2超音波プローブ,27は温度発信器,2
8は伝搬時間測定回路,29は流量演算回路,30は測
定流量の温度補正を行う温度補正回路,Dは管路1内径
,Lは管路1内の超音波伝搬路長,Vは流速である。 従来の超音波気体流量計は上記のように構成され,内径
Dの管路1の中心からθだけ傾いた軸上に第1超音波プ
ローブ2と第2超音波プローブ3を配置し,それぞれの
超音波プローブには伝搬時間測定回路28,流量演算回
路29および温度補正回路30が接続される。
【0003】管路1内に音速Cの気体が流速Vにて矢示
の方向へ流れている場合,第1超音波プローブ2から第
2超音波プローブ3への超音波が伝搬するのに要する時
間tuは
の方向へ流れている場合,第1超音波プローブ2から第
2超音波プローブ3への超音波が伝搬するのに要する時
間tuは
【数1】
第2超音波プローブ3から第1超音波プローブ2への超
音波伝搬時間tdは
音波伝搬時間tdは
【数2】
τは固定遅延時間,すなわち超音波信号の第1波からト
リガ波まで,あるいは回路やケーブルなどによって生じ
る時間遅れの総和を示す。
リガ波まで,あるいは回路やケーブルなどによって生じ
る時間遅れの総和を示す。
【0004】上記伝搬時間tu,tdを用いて流量演算
回路29にて流量を算出する。伝搬時間の逆数の差から
の流速Vは
回路29にて流量を算出する。伝搬時間の逆数の差から
の流速Vは
【数3】
従って流量Qは管路1の断面積をSとすると
【数4】
(3)式を代入して
【数5】
上式のとおり流量Qを得る。
【0005】ところが一般に気体の体積は温度によって
膨脹・収縮を行い
膨脹・収縮を行い
【数6】
ここでQ1は絶対温度T1(゜k)における体積,Q2
は絶対温度T2(゜k)における体積である。従って標
準状態の絶対温度をTnとおくと標準状態の流量Qnは
は絶対温度T2(゜k)における体積である。従って標
準状態の絶対温度をTnとおくと標準状態の流量Qnは
【数7】
ここでTは温度発信器27からの流量測定時の絶対温度
である。
である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記のような超音波気
体流量計では,気体流量の測定は管路1内気体の流れの
順方向ならびに逆方向における超音波伝搬時間の逆数の
差と温度補正された音速Cを用いて行う。上記測定の超
音波伝搬時間には固定遅延時間τが含まれている。超音
波伝搬時間は送信回路から超音波プローブ,超音波伝搬
路長L,超音波プローブから受信回路により形成される
超音波伝搬路にかかわり,例えばφ100管路1におい
ては上記値は約400μs,しかし流量測定にかかわる
順方向と逆方向との伝搬時間差△tは管路1寸法や流速
に依存するが約30〜40μsである。超音波伝搬路に
生ずる固定遅延時間τは超音波プローブの管路1への実
装後には測定できない上,その値は超音波プローブ毎に
異なるため管路1への実装前に測定し設定値として記憶
して置かなければならない。
体流量計では,気体流量の測定は管路1内気体の流れの
順方向ならびに逆方向における超音波伝搬時間の逆数の
差と温度補正された音速Cを用いて行う。上記測定の超
音波伝搬時間には固定遅延時間τが含まれている。超音
波伝搬時間は送信回路から超音波プローブ,超音波伝搬
路長L,超音波プローブから受信回路により形成される
超音波伝搬路にかかわり,例えばφ100管路1におい
ては上記値は約400μs,しかし流量測定にかかわる
順方向と逆方向との伝搬時間差△tは管路1寸法や流速
に依存するが約30〜40μsである。超音波伝搬路に
生ずる固定遅延時間τは超音波プローブの管路1への実
装後には測定できない上,その値は超音波プローブ毎に
異なるため管路1への実装前に測定し設定値として記憶
して置かなければならない。
【0007】また固定遅延時間τは振動子の弾性定数が
変わりその結果共振周波数が変化して時間差測定におけ
る固定遅延時間τが変動して,上記設定値との間に偏差
が生じスケールファクタが変化するため流量測定精度が
低下する。更に算出された気体流量は温度補正が行われ
る。このため管路1内気体温度測定に用いる温度発信器
27ならびにこれの管路1への装着のための取付具と温
度補正回路30を設けなければならないという問題点が
あった。
変わりその結果共振周波数が変化して時間差測定におけ
る固定遅延時間τが変動して,上記設定値との間に偏差
が生じスケールファクタが変化するため流量測定精度が
低下する。更に算出された気体流量は温度補正が行われ
る。このため管路1内気体温度測定に用いる温度発信器
27ならびにこれの管路1への装着のための取付具と温
度補正回路30を設けなければならないという問題点が
あった。
【0008】この発明はかかる問題点を解決するために
なされたもので,超音波伝搬路の固定遅延時間τの測定
ならびに管路1に気体温度測定のための温度発信器の装
着を行うことなく温度補正された気体流量が得られる超
音波気体流量計を得ることを目的とする。
なされたもので,超音波伝搬路の固定遅延時間τの測定
ならびに管路1に気体温度測定のための温度発信器の装
着を行うことなく温度補正された気体流量が得られる超
音波気体流量計を得ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明に係る超音波気
体流量計は,管路内気体の流れに対する順方向ならびに
逆方向の超音波伝搬時間を測定する伝搬時間測定回路と
,管路寸法や管路への超音波プローブ取付姿態ならびに
標準状態の温度指定にかかわる定数を設定する係数設定
器と,伝搬時間測定回路にて測定された順方向および逆
方向の伝搬時間から得られた伝搬時間差と係数設定器に
て設定された定数に基づいて温度補正された気体流量へ
の変換を行う流量演算回路を設けたものである。
体流量計は,管路内気体の流れに対する順方向ならびに
逆方向の超音波伝搬時間を測定する伝搬時間測定回路と
,管路寸法や管路への超音波プローブ取付姿態ならびに
標準状態の温度指定にかかわる定数を設定する係数設定
器と,伝搬時間測定回路にて測定された順方向および逆
方向の伝搬時間から得られた伝搬時間差と係数設定器に
て設定された定数に基づいて温度補正された気体流量へ
の変換を行う流量演算回路を設けたものである。
【0010】
【作用】この発明においては,気体が流れている管路の
中心軸に対して傾斜した直線上に対向配置された一対の
超音波プローブを用いて,両者の間を流れる気体の方向
に対して順方向および逆方向の超音波伝搬時間を測定し
,これらから得られた伝搬時間差ならびに管路寸法や管
路へのプローブ取付姿態などの係数に基づき流量演算回
路において温度補正された気体流量を測定する。
中心軸に対して傾斜した直線上に対向配置された一対の
超音波プローブを用いて,両者の間を流れる気体の方向
に対して順方向および逆方向の超音波伝搬時間を測定し
,これらから得られた伝搬時間差ならびに管路寸法や管
路へのプローブ取付姿態などの係数に基づき流量演算回
路において温度補正された気体流量を測定する。
【0011】上記測定においては,順方向ならびに逆方
向への超音波伝搬時間の伝搬時間差を用いるため,超音
波伝搬路の固定遅延時間は両者に共通な温度その他に起
因する変動の影響が除去できる。また温度による気体の
体積の変化を温度発信器を用いることなく補正すること
ができる。
向への超音波伝搬時間の伝搬時間差を用いるため,超音
波伝搬路の固定遅延時間は両者に共通な温度その他に起
因する変動の影響が除去できる。また温度による気体の
体積の変化を温度発信器を用いることなく補正すること
ができる。
【0012】
【実施例】この発明の一実施例を添付図面を参照して詳
細に説明する。図1はこの発明の一実施例を示すブロッ
ク図であり,1,2,3,C,V,D,θ,τは上記従
来流量計と同一で,同一符号は同一または相当部分を示
す。5は超音波伝搬時間を測定する伝搬時間測定回路,
6は管路1寸法や管路1への超音波プローブの取付姿態
ならびに温度と音速との関連を示す諸定数を設定する係
数設定器,7は気体の流れる順方向ならびに逆方向の伝
搬時間差△tに基づき流量を算出する流量演算回路,8
は減算器,9は乗算器を示している。
細に説明する。図1はこの発明の一実施例を示すブロッ
ク図であり,1,2,3,C,V,D,θ,τは上記従
来流量計と同一で,同一符号は同一または相当部分を示
す。5は超音波伝搬時間を測定する伝搬時間測定回路,
6は管路1寸法や管路1への超音波プローブの取付姿態
ならびに温度と音速との関連を示す諸定数を設定する係
数設定器,7は気体の流れる順方向ならびに逆方向の伝
搬時間差△tに基づき流量を算出する流量演算回路,8
は減算器,9は乗算器を示している。
【0013】上記のように構成された超音波気体流量計
においては,気体が流れている管路1の中心軸に対して
傾斜した直線上に被測定流体を介して対向させて実装し
た,第1超音波プローブ2から第2超音波プローブ3へ
超音波が伝搬するのに要する時間の移動平均値tu,お
よび逆に第2超音波プローブ3から第1超音波プローブ
2へ超音波が伝搬する際の時間の移動平均値tdが下記
のとおり求められる。
においては,気体が流れている管路1の中心軸に対して
傾斜した直線上に被測定流体を介して対向させて実装し
た,第1超音波プローブ2から第2超音波プローブ3へ
超音波が伝搬するのに要する時間の移動平均値tu,お
よび逆に第2超音波プローブ3から第1超音波プローブ
2へ超音波が伝搬する際の時間の移動平均値tdが下記
のとおり求められる。
【0014】音速Cの気体が流速Vで流れている場合,
第1超音波プローブ2から第2超音波プローブ3へ超音
波が伝搬するのに要する時間tuは
第1超音波プローブ2から第2超音波プローブ3へ超音
波が伝搬するのに要する時間tuは
【数8】
第2超音波プローブ3から第1超音波プローブ2への超
音波の伝搬時間tdは
音波の伝搬時間tdは
【数9】
流量演算回路7においてそれぞれの超音波伝搬時間tu
,tdから流量を算出する,すなわち伝搬時間差△tは
,tdから流量を算出する,すなわち伝搬時間差△tは
【数10】
【0015】空気の流量測定においては,C=340(
m/s),V=30(m/s),θ=(60°)のとき
,
m/s),V=30(m/s),θ=(60°)のとき
,
【数11】
C2の対してV2cos2θは0.19%程度なので省
略する。従って
略する。従って
【数12】
また流量Qは管路1の断面積をsとすると
【数13】
流速の式を代入して
【数14】
【0016】ここで空気の音速Cは次式で示される
【数
15】 aは比例係数,Tは流体の絶対温度(°k),従って
15】 aは比例係数,Tは流体の絶対温度(°k),従って
【
数16】 標準状態における流量Qnは
数16】 標準状態における流量Qnは
【数17】
となり標準状態の絶対温度を規定すると気体の温度に依
存せず伝搬時間差△tのみに比例する気体流量を得る。
存せず伝搬時間差△tのみに比例する気体流量を得る。
【0017】気体の流れの順・逆方向における超音波伝
搬時間tu,tdは伝搬時間測定回路5にて測定され移
動平均などによる平均値となり,流量演算回路7の減算
器8を経て両者の超音波伝搬時間差△tを得る。管路1
寸法や管路1へのプローブ取付姿態ならびに標準状態で
の温度の指定などの定数を設定する係数設定器6からの
出力と共に乗算器9に加わる。温度補正された気体流量
Qnが得られる。
搬時間tu,tdは伝搬時間測定回路5にて測定され移
動平均などによる平均値となり,流量演算回路7の減算
器8を経て両者の超音波伝搬時間差△tを得る。管路1
寸法や管路1へのプローブ取付姿態ならびに標準状態で
の温度の指定などの定数を設定する係数設定器6からの
出力と共に乗算器9に加わる。温度補正された気体流量
Qnが得られる。
【0018】図2は固定遅延時間の一例を示す説明図で
あり,プローブに用いられる振動子の音−電変換時の立
上り特性の一例を示し,s1は正常時における振動子の
立上り特性,s2は閾値を示し閾値を超えた信号により
回路が動作し,信号が基線s3と交叉する位置までの立
上り時間を固定遅延時間τとする。s4は振動子の他の
立上り特性を示している。
あり,プローブに用いられる振動子の音−電変換時の立
上り特性の一例を示し,s1は正常時における振動子の
立上り特性,s2は閾値を示し閾値を超えた信号により
回路が動作し,信号が基線s3と交叉する位置までの立
上り時間を固定遅延時間τとする。s4は振動子の他の
立上り特性を示している。
【0019】特性s4における振動子の立上り特性は固
定遅延時間τに対して更に振動子特性や接合構造などの
相違により△τ1の遅延が生じる。また振動子はその厚
さが動作周波数の半波長λ/2に等しい寸法にて共振し
,この感度のよい状態で通常使用されているが,しかし
気体温度により音速が変わるのでこのとき厚さ一定の振
動子は波長即ち共振周波数が変化する。この状態におい
ても固定遅延時間τが変わり同様に△τ2の遅延が生じ
る。従って△τ=△τ1+△τ2の遅延が発生するが,
超音波伝搬路の順方向ならびに逆方向の時間差の演算に
より遅延は相殺され測定精度へ影響を与えない。
定遅延時間τに対して更に振動子特性や接合構造などの
相違により△τ1の遅延が生じる。また振動子はその厚
さが動作周波数の半波長λ/2に等しい寸法にて共振し
,この感度のよい状態で通常使用されているが,しかし
気体温度により音速が変わるのでこのとき厚さ一定の振
動子は波長即ち共振周波数が変化する。この状態におい
ても固定遅延時間τが変わり同様に△τ2の遅延が生じ
る。従って△τ=△τ1+△τ2の遅延が発生するが,
超音波伝搬路の順方向ならびに逆方向の時間差の演算に
より遅延は相殺され測定精度へ影響を与えない。
【0020】図3は超音波気体流量計の一例を示すブロ
ック図,図4は超音波気体流量計動作のタイムチャート
を示し,1,2,3,5,6,7,8,9,は上記実施
例と同一で,クロックパルス発生器15にて駆動された
タイマ16からのタイマ指令s4により第1切換器17
は超音波の管路1内伝搬方向を切換える。
ック図,図4は超音波気体流量計動作のタイムチャート
を示し,1,2,3,5,6,7,8,9,は上記実施
例と同一で,クロックパルス発生器15にて駆動された
タイマ16からのタイマ指令s4により第1切換器17
は超音波の管路1内伝搬方向を切換える。
【0021】例えば送信回路18からの送信波s5によ
り第1超音波プローブ2を付勢し,管路1内流体の流れ
の逆方向へ伝搬した超音波は第2超音波プローブ3にて
受波され,再び第1切換器17を経て受信回路19に加
わり受信波s6を得る。上記タイマ指令s4と受信波s
6は共にフリップフロップ回路20へ加わり,超音波伝
搬時間を持続時間とする方形波s7を発生する。カウン
タ21は上記方形波s7のクロックパルスによる計数を
行い,その出力は第1切換器17と同期して作動する第
2切換器22を経て第1測定回路23へ加わる。
り第1超音波プローブ2を付勢し,管路1内流体の流れ
の逆方向へ伝搬した超音波は第2超音波プローブ3にて
受波され,再び第1切換器17を経て受信回路19に加
わり受信波s6を得る。上記タイマ指令s4と受信波s
6は共にフリップフロップ回路20へ加わり,超音波伝
搬時間を持続時間とする方形波s7を発生する。カウン
タ21は上記方形波s7のクロックパルスによる計数を
行い,その出力は第1切換器17と同期して作動する第
2切換器22を経て第1測定回路23へ加わる。
【0022】つぎのタイマ指令s4により第1切換器1
7ならびに第2切換器22は共にその動作が反転し,送
信回路18からの送信波s5により第2超音波プローブ
4を付勢すると,管路1内流体の流れの順方向へ超音波
が伝搬する。同様に超音波伝搬時間に該当するクロック
パルスが計数され第2測定回路24へ加わる。
7ならびに第2切換器22は共にその動作が反転し,送
信回路18からの送信波s5により第2超音波プローブ
4を付勢すると,管路1内流体の流れの順方向へ超音波
が伝搬する。同様に超音波伝搬時間に該当するクロック
パルスが計数され第2測定回路24へ加わる。
【0023】上記のとりタイマ指令s4により管路1内
の順方向と逆方向への超音波伝搬時間から得られたクロ
ックパルスは,逐次第1測定回路23での順方向測定s
8ならびに第2測定回路24での逆方向測定s9にて,
移動平均が行われ伝搬時間の平均値を出力する。流量測
定回路7では管路1内の気体の流れの順方向ならびに逆
方向における超音波伝搬の時間差と係数設定器6からの
定数により温度補正された流量測定を行う。
の順方向と逆方向への超音波伝搬時間から得られたクロ
ックパルスは,逐次第1測定回路23での順方向測定s
8ならびに第2測定回路24での逆方向測定s9にて,
移動平均が行われ伝搬時間の平均値を出力する。流量測
定回路7では管路1内の気体の流れの順方向ならびに逆
方向における超音波伝搬の時間差と係数設定器6からの
定数により温度補正された流量測定を行う。
【0024】係数設定器6にて標準状態における絶対温
度を規定することにより標準状態における流量Qnが得
られる。上記のように温度補正された流量Qnの測定に
際しては,気体温度の測定が不要になるとともに固定遅
延時間τの影響が回避できる。なお上記演算をソフトウ
ェアで実行してもよい。
度を規定することにより標準状態における流量Qnが得
られる。上記のように温度補正された流量Qnの測定に
際しては,気体温度の測定が不要になるとともに固定遅
延時間τの影響が回避できる。なお上記演算をソフトウ
ェアで実行してもよい。
【0025】
【発明の効果】この発明は以上説明したとおり,管路内
気体の流れの順,逆方向の超音波伝搬時間から得られた
伝搬時間差ならびに測定にかかわる諸定数を設定する係
数設定器に基づいて気体流量の演算を行う流量演算回路
を設ける簡単な構造により,温度発信器を用いることな
く温度補正された流量測定ができる。装置毎に異る固定
遅延時間を出荷時に実測して固定値として設定する必要
がない。設定後の固定遅延時間の変動にともなう流量演
算誤差の発生が防止でき流量測定精度が向上できるとい
う効果がある。
気体の流れの順,逆方向の超音波伝搬時間から得られた
伝搬時間差ならびに測定にかかわる諸定数を設定する係
数設定器に基づいて気体流量の演算を行う流量演算回路
を設ける簡単な構造により,温度発信器を用いることな
く温度補正された流量測定ができる。装置毎に異る固定
遅延時間を出荷時に実測して固定値として設定する必要
がない。設定後の固定遅延時間の変動にともなう流量演
算誤差の発生が防止でき流量測定精度が向上できるとい
う効果がある。
【図1】この発明の一実施例を示すブロック図
【図2】
固定遅延時間の一例を示す説明図
固定遅延時間の一例を示す説明図
【図3】超音波気体流
量計の一例を示すブロック図
量計の一例を示すブロック図
【図4】超音波気体流量計
動作のタイムチャート
動作のタイムチャート
【図5】従来の超音波気体流量計
の一例を示すブロック図
の一例を示すブロック図
1 管路
2 第1超音波プローブ
3 第2超音波プローブ
5 伝搬時間測定回路
6 係数設定器
7 流量演算回路
Claims (1)
- 【請求項1】 気体が流れる管路の中心軸に対して傾
斜した直線上に一対の超音波プローブを被測定流体を介
して対抗させて実装し,両者の間を流れる流体の向きに
対して順方向および逆方向になるように超音波を伝えさ
せそれぞれの方向毎の超音波伝搬時間より気体の流量を
測定する超音波気体流量計において,管路内気体の流れ
に対する順方向ならびに逆方向の超音波伝搬時間を測定
する伝搬時間測定回路と,管路寸法や管路への超音波プ
ローブ取付姿態ならびに標準状態の温度指定にかかわる
定数を設定する係数設定器と,上記伝搬時間測定回路に
て測定された順方向および逆方向の伝搬時間から得られ
た伝搬時間差と上記係数設定器にて設定された定数に基
づいて温度補正された気体流量への変換を行う流量演算
回路とを備えたことを特徴とする気体流量計。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3124826A JPH04328423A (ja) | 1991-04-27 | 1991-04-27 | 超音波気体流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3124826A JPH04328423A (ja) | 1991-04-27 | 1991-04-27 | 超音波気体流量計 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04328423A true JPH04328423A (ja) | 1992-11-17 |
Family
ID=14895063
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3124826A Pending JPH04328423A (ja) | 1991-04-27 | 1991-04-27 | 超音波気体流量計 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH04328423A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH09243421A (ja) * | 1996-03-07 | 1997-09-19 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 流量計測装置 |
CN108387279A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-08-10 | 河北科鼎机电科技有限公司 | 一种基于声波矩阵的液体流量测量装置及测量方法 |
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1991
- 1991-04-27 JP JP3124826A patent/JPH04328423A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPH09243421A (ja) * | 1996-03-07 | 1997-09-19 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 流量計測装置 |
CN108387279A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-08-10 | 河北科鼎机电科技有限公司 | 一种基于声波矩阵的液体流量测量装置及测量方法 |
CN108387279B (zh) * | 2018-04-09 | 2024-05-24 | 河北科鼎智能科技有限公司 | 一种基于声波矩阵的液体流量测量装置及测量方法 |
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