超声波流量计

技术领域

本发明涉及一种用于测量沿着流路流动的流体的流速及流量的流量计量系统，更加详细而言，涉及一种利用通过流体传播的超声波来测量流体的流速及流量的超声波流量计。另一方面，包括利用流量的热量和能量计算功能。

背景技术

在上下水、热水供应管乃至供气管以及供油管等供流体流动的管道中广泛使用收发超声波能量来测量流速及流量的超声波流量计。图1中示出现有的超声波流量计。

图1是用于说明现有的超声波流量计和流速测量原理的概略结构图。

参考图1，现有的超声波流量计9具备中空以使流体通过内侧流动的测量管1。在所述测量管1的两端形成有用于与上下水道管p等管道连接的凸缘部1a、1b。另外，在测量管设置有固定座5、6。所述固定座5、6相对于测量管1的轴方向倾斜布置。在各固定座5、6插入设置有超声波振子3、4，原则上两个超声波振子3、4彼此相对。但是，当通过反射面延长或者改变超声波波束的传递路径时，振子作为以被反射的波束为基准相对的结构，一定形成一对。超声波振子3、4与控制器(未图示)电连接而被控制器控制。

简单说明如上构成的超声波流量计9测量流量的原理，可以以如下公式表示。

Q＝A×V

此时，Q：流体的流量(m

A：测量流路的截面积(m

V：流体的平均速度(m/s)

即，在测量流路中，当已知流体的截面积和流体的流速时，能够计算其流量。在流体填满测量流路的前提下，流体的截面积与其测量流路的截面积相同。若出现未填满管，则追加设置水位计之类确认截面积的测量装置非常重要。

另一方面，在超声波流量计中，对流体的流速测量通常是通过传播时间差方法来获得。即，例如将一对超声波振子3、4设置为相对于流体的行进方向(测量管的轴方向)以一定角度(θ)分别在测量流路的A地点和B地点相对，所述B地点在流体的流动方向上位于所述A地点的下游侧。若在流体不移动的静止条件下，将在超声波振子射出的超声波通过流体传播的音速设为C，将流体的平均速度设为V，将超声波振子之间的距离设为L，则在A地点射出的超声波到达B地点为止的时间t

受到流速的影响，超声波相对于流体的行进方向朝顺方向(从A地点向B地点)射出时的传播时间相比超声波相对于流体的行进方向朝逆方向(从B地点向A地点)射出时的传播时间短，因此产生时间差。

利用上述时间差，能够如下式求出流体的速度，能够在流体的速度乘以测量流路的截面积而计算出流量。

如上所述，在利用超声波的传播时间差的超声波流量计中，从上游朝下游侧传播超声波的时间和朝逆方向传播超声波的时间之差越大，测量的准确性越提高。为了产生更大的传播时间差，需要流体的速度快或者加长超声波的行进路径。

即，若结构被决定，则在电子电路的超声波传播时间的时间差的测量能力上存在局限，这是因为流速越慢，以及超声波的路径越短(超声波振子之间的间距越短)，流体流动在顺方向和逆方向上产生的超声波传播时间差越小。

因此，当在小口径的测量管中流体的流速慢时，超声波流量计相比在大口径的测量管中流体的流速快的情况，使用相同的测量电路时，存在流量测量的准确性相对降低的问题。

为了解决这种问题，尝试过多种方法。

在现有的流体低速流动的圆形的小口径测量管中，为了延长超声波振子之间的间距，将超声波振子设置为相对于流体的流速方向稍微倾斜，但是此情况下，在流体受到很多斜线成分(朝斜线方向流动的流体的流速，余弦效应(cosine effect))的影响，从而降低流量测量的准确性。另外，若倾斜平躺，则还一同发生测量管的整体长度(大小)变长的问题。

另外，在超声波振子的倾斜程度变大的情况下，当将超声波振子设置于管道时，管道和超声波振子之间凹陷的空间r也变大，因此由于在该空间r中的压力变化，超声波信号失真，导致流量测量的准确性降低。不仅如此，若该凹陷的空间r变大，则在该区域，流体产生涡流，从而降低流量测量的准确性。

作为用于解决所述问题的其他方法，尝试使用反射超声波的反射法，从而解决低流速、小口径测量管存在的问题。但是，在圆形的测量管中，在相对应的两个超声波振子之间形成彼此对称的超声波反射路径并不容易，因此存在额外配置用于反射的构造物等设计上困难。虽然中心线是反射面对称而接收反射信号，但是存在根据口径而反射信号失真的问题。

而且，即便尝试过所述多种方法，但是在小口径的测量管中，准确测量低速流动的流体的流量存在局限。

发明内容

本发明用于解决所述问题，其目的在于提供一种结构改进以便在低速流动的小口径的管道中也能够准确测量流体的流速、流量以及热量的超声波流速、流量以及热量计。

用于解决所述目的的本发明的超声波流量计包括：测量管，形成为中空形，并插入设置于供流体流动的管道；超声波测量线路，包括第一超声波振子和第二超声波振子构成，所述第一超声波振子设置在所述测量管的一侧而能够发送和接收超声波，所述第二超声波振子沿着所述流体的流动方向与所述第一超声波振子隔开设置，并在与所述第一超声波振子之间发送和接收超声波；以及控制器，与所述第一超声波振子以及所述第二超声波振子电连接，并利用从所述第一超声波振子以及所述第二超声波振子传送的信号来计算在所述管道中流动的流体的流量，供所述流体流动的所述测量管内部的流路呈多边形状构成，从所述第一超声波振子和所述第二超声波振子分别射出的超声波在所述测量管的内壁面反射之后，分别被所述第二超声波振子以及所述第一超声波振子接收。

在本发明的一实施例中，优选为，所述测量管内部的流路的截面积小于所述管道内部的流路的截面积，以增加从管道流入到测量管的流体的流速。

另外，在本发明的一实施例中，所述第一超声波振子和所述第二超声波振子布置在多边形的所述测量管的一面，所述测量管包括：安装面，设置所述第一超声波振子和所述第二超声波振子；以及反射面，与所述安装面平行布置而与所述安装面相对，以反射从所述第一超声波振子和所述第二超声波振子射出的超声波。

优选的是，所述测量管内部的流路的截面为偶数多边形，尤其优选为四边形，优选的是设置所述超声波振子的安装面和反射超声波的反射面在所述四边形中形成短边。

然后，所述测量管内部的流路的截面形状是六边形、八边形之类具有偶数面，形成为对称结构。

另外，从所述第一超声波振子和所述第二超声波振子分别射出的超声波在所述测量管的内壁面反射一次以上之后，分别被所述第二超声波振子和所述第一超声波振子接收。

在本发明中，当流路截面为多边形时，可以如下求出求出旋转角：在保持布置在一面上的第一超声波振子和第二超声波振子的入射角的同时，使得彼此朝相反方向旋转，由此使反射面朝向相邻面而多次反射，从而彼此能够准确获得信号。此时，反射路径的数是将长度相同的多边形面数除以面数以下的自然数而自然数时的数。例如，如图9所示，当正方形时，4/1＝4，4/2＝2，4/4＝1。其中，路径为4和2，因此反射面为3、1和0。即，反射3次，因此从侧面观察时，路径的形状为四边形结构，1次意指反射形结构，0次意指长方形。当六边形时，6/1＝6，6/2＝3，6/3＝2，6/6＝1，因此，反射面为5、2、1和0。

在本发明的一实施例中，优选为，所述超声波测量线路设置多个，在所述流路的多个区域测量所述流体的流速而计算所述流体的流量。

本发明具有如下优点：即便通过管道的流体为低流速，也能够临时增加流体的流速，提高利用超声波的流量测量的准确性。

另外，本发明具有如下优点：通过反射超声波来延长传播路径，从而即便在小口径的管道中也能够提高流量测量的准确性。

另外，在本发明的一实施例中，具有如下优点：通过流体的多个截面传播超声波，从而即便存在旋转成分，也能够提高流速测量的准确性。

另外，延长路径的长度而使入射角变小，从而减小余弦成分，获得整体上减小测量截面的效果，最终具有减小流速、流量以及热量计主体长度的效果。

另外，与对象管道连接的流入部和流出部自然地从多边形扩展为圆形，此时，流入的流体发生整流而具有流速分布更加均匀的特性，由此具有测量的线性提高的附加效果。

另外，所述缩小效果起到抑制管道内部中异物沉淀和污垢生长而加大清扫效果的功能。

附图说明

图1是用于说明超声波流量计中流量测量原理的图。

图2是本发明的一实施例的超声波流量计的概略立体图。

图3是沿图2的a-a线截取的概略截面图。

图4是沿图2的b-b线截取的概略截面图。

图5是沿图2的c-c线截取的概略截面图。

图6是在本发明的其他实施例中采用的测量管的概略纵截面图。

图7以及图8是在本发明的又一其他实施例中采用的测量管的概略纵截面图。

图9是测量管的流路截面的示意图。

附图标记说明

100、110、120、130：超声波流量计；10：测量管；11：安装面；12：反射面；13：测量部；14：连接部；15：凸缘部；21：第一超声波振子；22：第二超声波振子；w：流路。

具体实施方式

以下，参考附图更加详细说明本发明的一实施例的超声波流量计。

图2是本发明的一实施例的超声波流量计的概略立体图，图3是沿图2的a-a线截取的概略截面图，图4是沿图2的b-b线截取的概略截面图，图5是沿图2的c-c线截取的概略截面图。

参考图2至图5，本发明的超声波流量计100设置在供流体流动的管道上，用于测量管道内流体的流速及流量，包括测量管10、至少一个超声波测量线路以及控制器(未图示)。

管道为供水管、供气管、供热管、供油管等非常多样，在本实施例中举例说明管道为供水管p。

测量管10设置在供水管p上。测量管10形成为中空形，在内部形成有可供流体流动的流路w。该流路w与供水管p内部的流路连接，流体从供水管p通过测量管10。

在本实施例中，测量管10包括测量部13、连接(扩展)部14以及凸缘部15。凸缘部15为与设置在供水管p的端部的凸缘f相结合的部分，形成为圆形以与供水管p的凸缘f相对应，并沿着外围方向形成有多个通孔15a。通过螺栓b和螺母n，牢固结合供水管p的凸缘f和测量管10的凸缘部15。在凸缘部15的内侧供流体流动的区域其形状以及面积形成为与供水管p内部的流路完全一致。当然，根据情况，也可以不设置凸缘部而直接与对象管道相结合。

测量部13是设置有后述的第一超声波振子21以及第二超声波振子22而测量流体流速的区域，在本发明中，该测量部13其纵截面形状呈多边形。更加详细地，测量部13的内侧面的纵截面，即供流体流动的区域(流路的截面)为多边形，尤其，测量部13具备相互平行地相对的安装面11和反射面12。测量部13可以由偶数面构成而所有面各自成双而平行相对，但是至少两个面相互平行地相对也可以。在本实施例中，流路的截面呈正方形。

在本实施例中，正方形的一面形成设置有后述的第一超声波振子21以及第二超声波振子22的安装面11，与安装面11平行相对的面形成反射面12。其是平行的，因此与口径无关而能够固定且稳定地形成反射信号的形状。反射面12将从第一超声波振子21射出的超声波反射到第二超声波振子22侧，与此相反地，将从第二超声波振子22射出的超声波反射到第一超声波振子21侧。

然后，多边形的流路w的截面的宽度形成为相比供水管p内部的流路的截面积较窄。由此，若流体从供水管p向测量管10的测量部13流入，则产生流路的截面积变小而速度增加的现象。

即，当经过供水管p的流体的流速慢时，对利用超声波测量流体的流速存在困难，因此通过将测量部13的截面积设为较窄，临时增加流体的流速，从而提高流量测量的准确性。

然后，连接部14是用于连接凸缘部15和测量部13的部分，形成为面积逐渐变窄。即，如上所述，测量部13的流路w形成为相比凸缘部15的内侧流路较窄，因此连接部14其宽度需要逐渐变小。即，从圆形变为多边形。尤其是，若流路的宽度阶梯式急剧减小而不是逐渐减小，则影响流体的流动，因此优选的是连接部14的截面积逐渐变小。

另一方面，在测量管10的测量部13，更加详细地在安装面11安装有多个固定座16、17。固定座16、17是插入后述的第一超声波振子21和第二超声波振子22进行固定的部分，相对于测量管10的轴方向倾斜布置。固定座16、17形成为中空形，安装有固定座16、17的地点的测量管10被穿孔，因此固定座16、17的内侧与测量管10的内侧连通。虽然后述，本实施例的超声波流量计100为三线制流量计(一线路以上)，因此第一超声波振子21和第二超声波振子22成对构成的超声波测量线路设有三线路，由此固定座16、17也安装三对。

在各固定座16、17插入设置第一超声波振子21和第二超声波振子22。第一超声波振子21以及第二超声波振子22各自成对，成对超声波振子互相对应而发出和接收超声波。即，在流体的行进方向上，由布置于上游侧的第一超声波振子21射出的超声波通过流体被布置于下游侧的第二超声波振子22接收，与此相反地，由布置于下游侧的第二超声波振子22射出的超声波通过流体传播而被布置于上游侧的第一超声波振子21接收。

在本发明中，与现有的超声波流量计不同，采用反射超声波1次以上的结构以延长超声波通过流体传播的路径而能够更加准确反映流体的速度。在小口径的流量计中，如果是流体的流速快的情况，则即便是超声波的传播路径不长的情况，也能够在一定程度上准确测量流速，但是在小口径的流量计中，如果是流速慢的情况，如果就连超声波的传播路径也短，则由于时间差过小，无法保障流速测量的准确性，因此在本发明中设置为反射超声波，为此，在测量部13中将安装面11和反射面12布置为相对着平行。

如上所述，在本发明中，减少测量部13的截面积来增加流体的流速，并延长超声波在流体中传播的路径，从而确保利用超声波的流量测量的准确性。这种结构尤其在低流速、小口径的管道中也发挥提高利用超声波传播时间差的流量测量的准确性的效果。

控制器(未图示)分别与第一超声波振子21以及第二超声波振子22电连接，控制其动作。即，控制器传送超声波射出信号，使位于上游侧或者下游侧的超声波振子射出超声波。如此射出的超声波通过流体被位于相反侧的超声波振子接收，接收的信号再次传送到控制器，控制器测量从传送超声波射出信号的时刻到超声波接收信号到达时刻为止的时间。另外，与此相反地，使接收超声波的超声波振子射出超声波，使射出超声波的超声波振子接收超声波，从而测量时间。在以上两个过程中测量的超声波传播时间如在现有技术中所说明那样相互产生差异，利用该时间差，运算相应路径流体的路径平均流速。

但是，流体的流速不是在测量管10的全区域中固定的，在测量管10的中心部快，而在周围部因与测量管10的内壁面的摩擦而慢。因此，如上所述，沿着管的直径方向设置多对超声波振子，分别求出经过每对超声波振子之间区域的流体的速度。分别求出的速度例如既可以乘以加权系数而换算成平均流速，也可以不利用加权系数而通过设定流速函数求出流速。如此求出流速之后，乘以测量管10的测量部13的截面积而算出流量。其实际上是，在四边形之类多边形管道中，流速分布相比圆形管道更加平稳，由此基于流速的流量系数比更加稳定，有利于测量，因此线形成优异。另外，缩小时可以附带获取整流、清扫效果以及修改旋转和斜线成分等的多种测量效果。缺点是在缩小截面产生的压力损失，但实际上是缩小为四边以上形状上时，其面积为50％以上，在区间非常短的区间发生，因此其影响几乎没有，一般来说在管道设计上不作为考虑对象。

另一方面，以上说明以及示出测量管为正方形形状的情况，但是如后述的实施例那样，也可以构成为多种形状的多边形结构。

图6是在本发明的其他实施例中采用的测量管的概略纵截面图，图7以及图8是在本发明的又一其他实施例中采用的测量管的概略纵截面图。

在图6示出的实施例的超声波流量计110中，测量管50呈长方形形状。在长方形形状中位于两侧的短边分别形成安装面11和反射面12。在图6示出的长方形形态的测量管中，从超声波振子发出的超声波经过流体的区域相比正方形形态的测量管长(通过超声波测量流速的流体的区域变多)，因此具有能够更加准确测量流体的流速的优点。在四边形管道中，长度相同的面分别为4个，为4、2、1、0，因此能够获得反射3次、2次、1次、0次的四种面。

在图7示出的实施例的超声波流量计120中，设置有正六边形形状的测量管60，在两个面分别设置两对超声波振子。在这种情况下，通过流体的多个截面测量流速，因此具有即便在流速中存在旋转成分等也能够提高流速测量的准确性的优点。实际上，能够获得路径为6、3、2、1和反射次数为5、2、1、0的线路径。

在图8示出的实施例的超声波流量计130中，设置有正八边形形状的测量管70，在三个面分别设置有一对超声波振子。其实际上路径是8、4、2，因此通过具有7次、3次、1次的反射次数的路径结构，能够调整振子的入射角和旋转角。图8也与图7示出的情况相同，在流体的多个截面测量流速，因此即便在流速中存在旋转成分的情况下也能够提高流速测量的准确性。另外，截面形状与圆形的供水管p相类似，因此具有即便截面积变小也对流体的流动产生最小限度影响的优点。

在图6至图8示出的实施例中，附图标记与参考图1至图5的实施例中标注的附图标记相同的构成要素的构成以及作用效果与参考图1至图5的实施例的相同，因此用前面的说明来代替其说明。

如以上所说明，本发明中通过减少测量部13的截面积来增加流体的流速，并延长超声波在流体中传播的路径，从而确保利用超声波的流量测量的准确性。这种结构尤其在低流速、小口径的管道中也发挥提高利用超声波传播时间差的流量测量的准确性的效果。

本发明是参考所附附图中示出的实施例进行了说明，但是其仅属于示例，只要是本领域技术人员应能够理解可以由此进行多种变形以及等同的其他实施例。因此，本发明的真正保护范围应该仅由所附的权利要求书来定。