專利名稱：鉗式多普勒超聲波流速分布儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提供一種鉗式多普勒超聲波流速分布儀，以便通過應(yīng)用超聲波的多普勒效應(yīng)對要測量的流體的流速分布進(jìn)行非接觸式測量。該流速分布儀從安放在一個(gè)管道外側(cè)之上的超聲波換能器發(fā)射射入到該管道內(nèi)的流體上的超聲波。
背景技術(shù)：
眾所周知，這種鉗式多普勒超聲波流速分布儀通過測量流體中包含的懸浮微?；蚴菤馀莸囊苿?dòng)速度，基于這些懸浮微?；驓馀菔且酝摿黧w相同的速度運(yùn)動(dòng)的假設(shè)，來測量流速分布或測量流體的流量。
也就是說，如在說明多普勒超聲波流速分布儀工作原理的圖14中所示的，一個(gè)超聲波換能器11被緊固到管道21的外表面上，同時(shí)，一個(gè)使其傾斜的聲波傳播楔形物31被放置在管道21和換能器之間。從超聲波換能器11將具有基頻f0的超聲波脈沖以入射角θW發(fā)射到管道21。該入射超聲波脈沖被流體22中的如懸浮微粒的反射物23以一個(gè)回波頻率來反射，該回波頻率由于多普勒效應(yīng)依賴于反射物23的移動(dòng)速度(該流體的流速)從基頻偏移。此情況下的回波的多普勒偏移頻率fd被表達(dá)式(1)表示為fd＝(2·Vf·sinθf·f0)/Cf(1)其中，Vf為流體22的流速，θf為管道21和流體22間邊界平面處超聲波的折射角，且Cf是流體22中的音速。
因此，流體22的流速V能通過下面的表達(dá)式(2)獲得。流速Vf和多普勒偏移頻率fd，各自為沿徑向位置x的一個(gè)函數(shù)，被分別表達(dá)為Vf(x)和fd(x)Vf(x)＝(Cf·fd(x))/(2·sinθf·f0) (2)圖15是解釋圖14中流速分布儀主要部分以及依賴管道21中上述位置x的流速分布的圖形。
從上面的表達(dá)式(2)，該超聲波脈沖的測量線ML上的流速Vf以一定間隔被測量以便獲得一種流速分布。所得的這種分布在管道21的橫截面積A上被以表達(dá)式(3)中所表示的來積分以便獲得該流體22的流量Q＝∫Vf·dA (3)下面，圖16是顯示這種鉗式多普勒超聲波流速分布儀(顯示超聲波換能器11以及連接到換能器11的轉(zhuǎn)換器18的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的框圖)整體結(jié)構(gòu)的框圖。該結(jié)構(gòu)同例如JP-A-2000-97742的圖1中顯示的多普勒超聲波流量計(jì)的結(jié)構(gòu)基本相同。
在圖16中，參考數(shù)字12表示的是對超聲波脈沖發(fā)射及其回波接收進(jìn)行計(jì)時(shí)控制的發(fā)射接收計(jì)時(shí)控制單元。發(fā)射接收計(jì)時(shí)控制單元12使發(fā)射脈沖產(chǎn)生單元13開始工作以便產(chǎn)生脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)用來產(chǎn)生從超聲波換能器11發(fā)射的超聲波脈沖。超聲波換能器11也接收回波。由所接收到的回波導(dǎo)致的信號(hào)被接收信號(hào)放大控制單元14放大。被放大的接收信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換單元15處根據(jù)來自發(fā)射接收計(jì)時(shí)控制單元12的A/D采樣時(shí)鐘，進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。被數(shù)字化的信號(hào)在流速分布運(yùn)算單元16處根據(jù)上面的表達(dá)式(2)被運(yùn)算，由此獲得流速的分布。所獲得的流速分布在流量運(yùn)算單元17處根據(jù)表達(dá)式(3)被進(jìn)一步運(yùn)算，由此獲得了流量。
根據(jù)上面所解釋的原理，一定可以通過表達(dá)式(2)和表達(dá)式(1)的運(yùn)算而無須依靠該超聲波脈沖的發(fā)射頻率f0來實(shí)際獲得流體22的流速Vf和流量Q。然而本發(fā)明人已獲得了這樣的研究結(jié)果，即超聲波發(fā)射頻率f0的不同導(dǎo)致了所獲得的流速Vf和流量Q的變化，特別是，當(dāng)管道21是由薄金屬材料構(gòu)成時(shí)，這樣的頻率相關(guān)性變得非常明顯，而當(dāng)管道21由塑料構(gòu)成時(shí)，這種頻率相關(guān)性很小。
而且，在申請人已經(jīng)申請的第2003-396755號(hào)日本專利申請中公開的一種超聲波流速分布儀中，超聲波換能器被緊固到一個(gè)楔形物上，同時(shí)該超聲波換能器與管道傾斜，使得從該楔形物入射到管道上的超聲波的入射角不小于管道內(nèi)縱波的臨界角且不大于管道內(nèi)橫波的臨界角。這樣設(shè)置以便當(dāng)在管道內(nèi)傳播的超聲波的橫波的音速等于或大于楔形物(當(dāng)使用金屬管道時(shí))中縱波的音速時(shí)，僅有橫波在管道內(nèi)傳播。
根據(jù)這種流速分布儀，由于在波入射到該流體前，只有橫波在管道中傳播，因此從要測量的流體中的反射物反射的回波成了一個(gè)波。這樣，該換能器沒有接收到由于縱波的回波，減少了聲音噪聲。然而，上述流速Vf和流量Q的頻率相關(guān)問題并未解決。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的就是解決上述問題并提供一種具有較小頻率相關(guān)性并通過充分設(shè)置超聲波的發(fā)射頻率以及超聲波到管道的入射角而以高精度測量流速以及流量的鉗式多普勒超聲波流速分布儀。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的第一方面是在鉗式多普勒超聲波流速分布儀中，其中，從安裝在管道外邊的超聲波換能器發(fā)射的超聲波被入射到了該管道內(nèi)要測量的流體上以便通過應(yīng)用以下的原理來測量要被測量的流體的流速分布，即超聲波的頻率，當(dāng)被存在于該流體內(nèi)的反射物反射時(shí)，由于多普勒效應(yīng)會(huì)根據(jù)流速而發(fā)生改變；且聲波傳播楔形物被放置在該超聲波換能器和該管道之間，所發(fā)射的超聲波的頻率被設(shè)置在一個(gè)頻率上，該頻率不同于使管道中各蘭姆波模式中的波的折射角成為90度的頻率，此頻率由超聲波從該楔形物入射到所述管道的入射角、該楔形物中的音速、該管道內(nèi)橫波和縱波的音速以及該管道的板厚計(jì)算得到。
本發(fā)明的第二方面是，在鉗式多普勒超聲波流速分布儀中，發(fā)射的超聲波的頻率被設(shè)置在兩個(gè)頻率之間的中心頻率附近，在這兩個(gè)頻率的每個(gè)頻率處，管道中蘭姆波的兩種連續(xù)模式的每個(gè)的波的折射角成為90度，這兩個(gè)頻率由超聲波從楔形物入射到管道上的入射角、該楔形物中的音速、該管道中橫波和縱波的音速、以及該管道的板厚計(jì)算得到。
本發(fā)明的第三方面是，在鉗式多普勒超聲波流速分布儀中，發(fā)射的超聲波的頻率被設(shè)置在一個(gè)比使管道中反對稱蘭姆波的第一階模式中波的折射角成為90度的頻率更低的頻率，該頻率由超聲波從楔形物入射到管道上的入射角、該楔形物中的音速、該管道中橫波和縱波的音速、以及該管道的板厚計(jì)算得出。
本發(fā)明的第四方面是，在鉗式多普勒超聲波流速分布儀中，從楔形物入射到管道上的超聲波的入射角大于管道中反對稱蘭姆波的第一階模式中波的折射角成為90度時(shí)的入射角，該入射角由從所發(fā)射的超聲波的一個(gè)頻率、該楔形物中的音速、該管道中橫波和縱波的音速、以及該管道的板厚計(jì)算得出。
本發(fā)明的第五方面是，在鉗式多普勒超聲波流速分布儀中，發(fā)射的超聲波的頻率被設(shè)置在一個(gè)低于反對稱蘭姆波的第一階模式中波的截止頻率的頻率處，該截止頻率從該蘭姆波的色散曲線(dispersioncurve)確定。
本發(fā)明的第六方面是，在第一到第五方面的任意一種中，蘭姆波特征方程的一個(gè)漸進(jìn)解被用作該蘭姆波的相位速度用來確定被發(fā)射超聲波的頻率或入射角之一。
本發(fā)明的第七方面是，在第一到第六方面的任意一種中，一個(gè)用來校準(zhǔn)從已測流量分布推導(dǎo)出的流量的實(shí)際流動(dòng)校準(zhǔn)常數(shù)由一個(gè)比例給出，該比例是用安裝在一個(gè)包括以基準(zhǔn)流量流動(dòng)的流體的基準(zhǔn)管道上的超聲波換能器測得的流速分布中得出的流量值與同時(shí)由設(shè)置在該超聲波換能器旁邊的基準(zhǔn)流量測量裝置所測量的作為該基準(zhǔn)管道中流動(dòng)的流體的基準(zhǔn)流量的流量值之比。
本發(fā)明的第八方面是，在第七方面中，所述實(shí)際流動(dòng)校準(zhǔn)常數(shù)被作為每個(gè)超聲波換能器的校準(zhǔn)常數(shù)特征。
本發(fā)明的第九方面是，在第一到第八方面的任意一種中，其中被測值基于由蘭姆波導(dǎo)致的測量誤差的計(jì)算結(jié)果來被矯正。
根據(jù)本發(fā)明，對超聲波發(fā)射頻率以及超聲波射入到管道的入射角的充分設(shè)置使這樣一種鉗式多普勒超聲波流速分布儀能夠?qū)崿F(xiàn)，即它能降低由蘭姆波導(dǎo)致的測量值的頻率相關(guān)性以便能使測量誤差大約達(dá)到一個(gè)最小值。
而且，對超聲波換能器實(shí)際流動(dòng)的校準(zhǔn)允許消除偏移誤差，并且同此允許確保換能器之間的互換性，由此即使改變了與轉(zhuǎn)換器的結(jié)合，也能維持很高的準(zhǔn)確度。


圖1是顯示超聲波以不大于管道中縱波臨界角的入射角對角地入射到該管道上的傳播圖；圖2是顯示超聲波以不小于管道中縱波臨界角以及不大于該管道中橫波臨界角的的入射角對角地入射到該管道上的傳播圖；圖3是顯示蘭姆波色散曲線的示例圖；圖4是顯示根據(jù)本實(shí)施方式的超聲波流速分布儀的一種設(shè)置安排的示意圖；圖5是顯示用于每種蘭姆波模式的發(fā)射頻率和折射角間的關(guān)系圖；圖6是顯示發(fā)射頻率和流量測量誤差間的關(guān)系圖；圖7是顯示關(guān)于每種蘭姆波模式各自測量的水的流速分布圖；圖8是顯示發(fā)射頻率和流量誤差間關(guān)系的計(jì)算結(jié)果圖；圖9是顯示管道板厚和流量測量誤差之間的關(guān)系圖；圖10是顯示頻率與管道板厚的示例表，在其每個(gè)頻率，對每種蘭姆波模式的折射角達(dá)到90度，這些頻率是作為蘭姆波特征方程的漸進(jìn)解計(jì)算出來的；圖11是顯示有實(shí)際流動(dòng)的校準(zhǔn)設(shè)備的一種設(shè)置示意圖；圖12是說明圖11中顯示的校準(zhǔn)設(shè)備工作的示意圖；圖13是對本發(fā)明實(shí)施方式中有實(shí)際流動(dòng)的校準(zhǔn)過程的概念說明；圖14是說明多普勒超聲波流速分布儀的工作原理圖；圖15是說明圖14中顯示的流速分布儀主要部分及管道中流速分布的示意圖；以及圖16是顯示該鉗式多普勒超聲波流速分布儀整體布置的框圖。
具體實(shí)施例方式
在下面，將參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行解釋。
首先，根據(jù)本發(fā)明人進(jìn)行的研究，上述頻率相關(guān)性由發(fā)生在管道中的色散現(xiàn)象(一種依賴頻率的音速變化的現(xiàn)象)導(dǎo)致?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)該管道被假設(shè)是與該管道的板一樣厚的板子時(shí)，該色散現(xiàn)象由將板子作為波導(dǎo)的板子中傳播的波的標(biāo)準(zhǔn)模式所導(dǎo)致。這里，板子中的波的每種標(biāo)準(zhǔn)模式是具有特定頻率和特定波長的滿足邊界條件的并且沿有限厚度而無限延伸的平板傳播的聲波。在板子中出現(xiàn)波的標(biāo)準(zhǔn)模式依賴于該板的材料和厚度。
板子中波的標(biāo)準(zhǔn)模式以一種SH波(一種水平極化橫波)和蘭姆波出現(xiàn)。這里，眾所周知，蘭姆波是一種縱波和SV波(一種垂直極化橫波)彼此相互結(jié)合，并同時(shí)在平板的上表面發(fā)生模式轉(zhuǎn)換的波。
在板子中的波的各種標(biāo)準(zhǔn)模式中，在該平板和流體間邊界處沒有引起縱波的SH波，不被認(rèn)為在該流體中傳播。因此，是蘭姆波引起了所述的色散現(xiàn)象，并且認(rèn)為該蘭姆波的行為被認(rèn)為是前述頻率相關(guān)性的原因。
當(dāng)一種超聲波被對角地入射到一個(gè)板子上(管道)并在該板內(nèi)傳播時(shí)，圖1和圖2是分別示出一種蘭姆波的色散模式的示意圖。圖1顯示的情況是入射角θw給定為θw≤(該管道內(nèi)縱波的臨界角)。圖2顯示的情況是在該管道上的入射角θw給定為(該管道內(nèi)縱波的臨界角)≤θw≤(該管道內(nèi)橫波的臨界角)。
根據(jù)本發(fā)明人進(jìn)行的研究認(rèn)為，當(dāng)超聲波被射入到楔形物到達(dá)該管道時(shí)，由于不同的相位速度(＝ω/K，ω角頻率，K波數(shù))，在管道中激發(fā)出的多個(gè)蘭姆波，它們的頻率保持在一個(gè)常數(shù)頻率。由于入射角θw為如圖1所示的θw≤(該管道內(nèi)縱波的臨界角)，因此除了L波(縱波)和SV波以外，還分別激發(fā)出了具有模式Am的反對稱蘭姆波和具有模式Sm的對稱蘭姆波(m表示的是對應(yīng)于不同波長的連續(xù)模式級(jí)數(shù)，為m＝0，1，2，...)，它們分別具有將在后面解釋的特征方程所決定的波長。部分所產(chǎn)生的反對稱和對稱蘭姆波入射到了該流體上。而且，如圖2中所示，除了SV波以外，由于入射角θw給定為(該管道內(nèi)縱波的臨界角)≤θw≤(該管道內(nèi)橫波的臨界角)，具有模式Am和模式Sm的蘭姆波以同樣方式激發(fā)，其中的一部分入射到了該流體上。
這里，根據(jù)對比文件1(Cho-onpa Benran Henshu Iin-kai(UltrasonicsHandbook Editorial Committee)，Ed.，Cho-onpa Benran(UltrasonicsHandbook)，第63頁到65頁，Maruzen Co.，Ltd.(日文))，蘭姆波的特征方程被表達(dá)式(4)-(7)表達(dá)為β12＝(-β2)2＝(ω/V1)2-k2(4)β32＝(-β4)2＝(ω/VS)2-k2(5)
在對稱模式情況下tan(β1d/2)/tan(β3d/2)＝-(k2-β32)2/(4k2β1β3)(6)在反對稱模式情況下tan(β3d/2)/tan(β1d/2)＝-(k2-β32)2/(4k2β1β3)(7)在表達(dá)式(4)-(7)中，β1到β4為聲音傳播系數(shù)，d為板厚，ω為角頻率，V1是縱波的音速，VS是橫波的音速，且k為波數(shù)。
由上面的特征方程，有關(guān)對稱蘭姆波和反對稱蘭姆波的各模式m(第m階)，可計(jì)算出它們頻率和它們波長間的關(guān)系。而且，可通過下面的表達(dá)式(8)和(9)獲得作為波束實(shí)際傳播速度的相位速度Vp以及群速度Vg(通常，Vg≠Vp，但無色散現(xiàn)象存在時(shí)，Vg＝Vp)。
VP＝ω/k(8)Vg＝ω/k(9)而且，從上面的相位速度以及斯涅耳定律，可計(jì)算出在管道處蘭姆波每種模式的折射角θP。
圖3是顯示通過解上面特征方程而獲得的蘭姆波的色散曲線(ω-K色散曲線)的示例的示意圖。該圖被包括在前面對比文件1的第64頁中。每一條實(shí)線代表了反對稱蘭姆波的每種模式Am的色散曲線并且每一條虛線代表了對稱蘭姆波的每種模式Sm的色散曲線。
圖3中水平軸對應(yīng)的是超聲波的波數(shù)且垂直軸對應(yīng)的是該超聲波的發(fā)射頻率。在一發(fā)射頻率、一管道厚度、以及管道內(nèi)的一音速激發(fā)出的蘭姆波的模式是一種與正交于垂直軸的水平軸相交于一點(diǎn)的色散曲線的模式，該點(diǎn)具有對應(yīng)發(fā)射頻率的值。然而，實(shí)際激發(fā)的模式局限于那些由該楔形物中音速以及每種模式相位速度決定的臨界角大于管道上入射角θw的情況。
有關(guān)蘭姆波每種模式中頻率和波長的精確解要通過解前述特征方程而獲得。然而，當(dāng)波數(shù)k和板厚d的積kd很大時(shí)，該計(jì)算可通過用漸進(jìn)解代替精確解而得到很大簡化。即，對于如表達(dá)式(10)中表達(dá)的零階模式(m＝0)，相位速度VP漸進(jìn)地接近瑞利波的相位速度VR。同時(shí)，對于更高階模式(m＝1，2，...)，速度VP漸進(jìn)地接近如方程(11)中所表達(dá)的對應(yīng)模式的橫波特征方程的每個(gè)解(橫波的音速VS)VP(A0)＝VP(S0)＝VR(m＝0)(10)VP(Am)＝ω/{(ω/VS)2-(2mπ/d)2}1/2VP(Sm)＝ω/{(ω/VS)2-((2m+1)π/d)2}1/2(m＝1，2，...) (11)在方程(11)中，上標(biāo)Am和Bm分別表示反對稱蘭姆波以及對稱蘭姆波的第m階模式。
而且，因?yàn)橛嘘P(guān)瑞利波相位速度的方程中存在近似解，在應(yīng)用上述表達(dá)式(10)時(shí)，實(shí)際上用該近似解替換其精確解以允許其計(jì)算簡化。
在參考文件2中(katsuo Negishi等人，Cho-ohpa Gijutsu(UltrasonicsTechnology)，第173到174頁，Tokyo Daigaku Shuppan-kai(PublicationAssociation ofUniversity of Tokyo)(日文))，其中說明了可通過將L和S設(shè)置成L＝{1-(VR/V1)2}1/2，S＝{1-(VR/VS)2}1/2來獲得瑞利波的相位速度VR的精確解作為方程(12)的解。
而且，其中說明了可通過使泊松比為σ，用表達(dá)式(13)表達(dá)近似解為4LS-(1+S2)2＝0 (12)VR＝VS(0.87+1.12σ)/(1+σ) (13)下面，圖4是顯示根據(jù)本實(shí)施方式的超聲波流速分布儀的一種設(shè)置的示意圖。在如圖4中所示的設(shè)置中包括了超聲波換能器11、楔形物12和不銹鋼管21，計(jì)算超聲波的發(fā)射頻率和蘭姆波每個(gè)模式的折射角θp之間的關(guān)系。該計(jì)算通過表達(dá)式(14)和(15)實(shí)現(xiàn)，其關(guān)于以下情況使用表達(dá)式(10)和(11)所表示的相位速度的漸進(jìn)解以及斯涅耳定律，其中入射到管道21上的入射角θw被設(shè)置不小于管道21中縱波的臨界角且不大于其橫波的臨界角(等同于圖2中顯示的情況)。
θP(Am)＝sin-1(VP(Am)/CW·sinθW)θP(Sm)＝sin-1(VP(Sm)/CW·sinθW) (14)在表達(dá)式(14)中，CW為楔形物31中的音速。
圖5為示出發(fā)射頻率和用上面表達(dá)式計(jì)算的每種蘭姆波模式折射角之間的關(guān)系的示意圖。
而且，通過使用類似于上面的管道21，發(fā)射頻率和流量測量值誤差間的關(guān)系被測量。其結(jié)果在圖6中顯示。
圖5和圖6指示了測量誤差在頻率Fcritical附近變得最大，在此蘭姆波一種模式(A2，S1)的某階折射角θP(Am)和θP(Sm)達(dá)到90度。這里，上述頻率fcritical可通過下面的表達(dá)式(15)獲得。通過將表達(dá)式(14)中的θP(Am)和θP(Sm)設(shè)為θP(Am)＝θP(Sm)＝90度，將表達(dá)式(11)中的VP(Am)和VP(Sm)替換表達(dá)式(14)中的那些，就推導(dǎo)出表達(dá)式(15)，然后解當(dāng)ω(＝2πf)時(shí)的表達(dá)式(14)fcritical(Am)＝m/{(1/VS)2-(sinθW/CW)2}1/2/d(m＝1，2，...)fcritical(Sm)＝(2m+1)/{(1/VS)2-(sinθW/CW)2}1/2/d/2(m＝1，2，...)(15)因此，通過將超聲波的發(fā)射頻率設(shè)置在不同于上面的頻率fcritical的某一頻率，可阻止流量測量值誤差接近其最大值。
在圖5和圖6中，設(shè)置頻率被顯示位于某兩個(gè)頻率間的中間點(diǎn)處，在這兩個(gè)頻率處，蘭姆波模式A2和S1的折射角θP(A2)和θP(S2)分別接近90度。在這種方式中，在對應(yīng)蘭姆波兩個(gè)連續(xù)模式A2和S1的折射角θP(A2)和θP(S1)的角度分別到達(dá)90度的頻率之間的中間點(diǎn)處，存在著將測量誤差降低到最小值附近的某個(gè)量值的頻率。因此，通過將位于該中間點(diǎn)處的頻率設(shè)定為其發(fā)射頻率，就可能通過避免使誤差成為最大值而將該測量誤差降低到最小值附近的某個(gè)量值。
蘭姆波的每種模式由于相位速度不同而造成的在管道中折射角θp的不同，以及由于群速率Vg的不同，在管道中具有不同的傳播時(shí)間τ。這里，作為蘭姆波各種模式漸進(jìn)解的群速率Vg被顯示在表達(dá)式(16)中。而且，在管道中的傳播時(shí)間τ依據(jù)群速率Vg而變得不同，如表達(dá)式(17)中所示Vg(A0)＝Vg(S0)＝VRVg(Am)＝Vs2/Vp(Am)
Vg(Sm)＝Vs2/Vp(Sm)(16)τ(Am)＝d/cosθp(Am)/Vg(Am)τ(Sm)＝d/cosθp(Sm)/Vg(Sm)(17)因此，回波以一種形式被收到，其中，在遵從主要原理表達(dá)式的超聲波的回波上(例如，橫波的SV波以及縱波的L波)，重疊了其他蘭姆波(干擾波)的回波，這些回波在各自時(shí)間上偏移。因此，所獲得的流速分布具有從重疊在原始流速分布上的各種模式的蘭姆波得到的流分布。這導(dǎo)致了流速分布測量誤差，并且因此導(dǎo)致了流量的測量誤差。
表達(dá)式(18)表示流體(水中)中蘭姆波的傳播時(shí)間T，其中D是管道的內(nèi)直徑。由于流體中的傳播時(shí)間T以及管道中的傳播時(shí)間τ，每種蘭姆波模式會(huì)導(dǎo)致如在表達(dá)式(19)的每個(gè)中表達(dá)的徑向的位置上的不同T＝D/cosθf/Vf(18)r(Am)/R＝2(τ(Am)-τ(Vs))/Tr(Sm)/R＝2(τ(Sm)-τ(Vs))/T(19)其中R是其內(nèi)直徑為D的管道的半徑(＝D/2)，且r是沿其半徑R到該管道中心的距離(r≤R)。
圖7是顯示水關(guān)于蘭姆波模式A0到A2，S0和S1，以及作為橫波的SV波(Vs)的每個(gè)測量到的流速分布的示意圖。水平軸代表了在徑向從該管道中心相對于該管道半徑的位置并且垂直軸代表了流速的測量值。在此測量中，水的平均流速為2m/s。
從圖7中已知，流速分布依每種模式A0到A2，S0和S1而不同，且對于同樣的流速，導(dǎo)致了在徑向的位置的不同，這又導(dǎo)致了測量誤差。而且，圖8是顯示通過使用與獲得圖7中所示的流速分布的管道相同的模型計(jì)算出的流量誤差計(jì)算的結(jié)果的圖表。在圖8中，誤差在頻率fcritical附近(大約為1.4MHz和1.9MHz)為最大，在此蘭姆波的折射角各為90度。
而且，表達(dá)式(20)是為獲得圖7中所示的流速分布而用來計(jì)算湍流流速分布的。而且，表達(dá)式(21)是那些用來計(jì)算獲得圖8中所示的流量誤差的。這里，在圖8中，蘭姆波所有模式中的誤差被簡單平均。
V(r)＝Vmax{1-(r-r(Am))/R}1/n，或V(r)＝Vmax{1-(r-r(Sm))/R}1/nn＝2.1logRe-1.9Re＝VavD/v(20)其中，Re為雷諾數(shù)，Vmax是最大流速，Vav是平均流速，且v是運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)ΔQ(Am)/Q0＝{(2n+1)/n}{2r(Am)/R-(r(Am)/R)1+1/n}+(1-r(Am)/R)2+1/n-(r(Am)/R)2+1/n-1ΔQ(Sm)/Q0＝{(2n+1)/n}{2r(Sm)/R-(r(Sm)/R)1+1/n}+(1-r(Sm)/R)2+1/n-(r(Sm)/R)2+1/n-1ΔQ/Q0＝∑(ΔQ(Am)+ΔQ(Sm))/Q0/N(21)其中N是模式數(shù)。
此外，通過使用三種有著不同厚度的不銹鋼制成的管道，測量該板厚和流量誤差間的關(guān)系。在測量值中，作為發(fā)射頻率的一個(gè)頻率設(shè)置在兩個(gè)頻率之間的中間點(diǎn)附近。在這兩個(gè)頻率的每個(gè)處，例如前面說明的蘭姆波的模式A1和S1的兩個(gè)連續(xù)模式的每個(gè)中的蘭姆波的折射角θP到達(dá)90度。其結(jié)果在圖9中顯示。在圖9中，頻率1.9MHz，頻率1.6MHz和頻率1.8MHz被分別設(shè)為對應(yīng)板厚d1，d2和d3的發(fā)射頻率。
根據(jù)圖9，有可能減少每個(gè)測量值誤差而不管管道的厚度。
而且，除上述方法外，作為另一種抑制頻率相關(guān)性的方法，存在一種方法，其中，使發(fā)射頻率低于使第一階模式A1中的反對稱蘭姆波的折射角θP到達(dá)90度的頻率。由于具有低于折射角θP到達(dá)90度處的頻率的頻率，所以不會(huì)產(chǎn)生A1模式。同時(shí)，只有SV波和蘭姆波的零階模式A0和S0能被產(chǎn)生，由此所述頻率相關(guān)性能被很大程度地抑制。
圖10是顯示關(guān)于在每種蘭姆波模式的折射角到達(dá)90度處的每個(gè)頻率的計(jì)算結(jié)果實(shí)例的列表。對于各種管道板厚來獲得這些頻率以作為蘭姆波特征方程的漸進(jìn)解。當(dāng)蘭姆波模式m的階數(shù)不斷增加時(shí)，蘭姆波折射角到達(dá)90度處的頻率變高。因此可知比上述模式A1的折射角θP到達(dá)90度處的頻率低的發(fā)射頻率不會(huì)產(chǎn)生所有的具有一階或更高模式的蘭姆波。
而且，作為抑制頻率相關(guān)性的另一種方法，可使入射到管道上的超聲波的入射角比一階模式A1的反對稱蘭姆波的臨界角大。當(dāng)蘭姆波模式階數(shù)變高時(shí)，蘭姆波的相位速度變得更快且其臨界角更小。因此，如果超聲波，對于一階模式A1的反對稱蘭姆波，以大于其臨界角的入射角入射，那么就不會(huì)產(chǎn)生具有一階或更高模式的蘭姆波，以使得頻率相關(guān)性被很大程度地抑制。
而且，也可以考慮使發(fā)射頻率低于一階模式A1的反對稱蘭姆波的截止頻率的方法。該截止頻率為相位速度變?yōu)闊o限大而其群速度為零處的頻率(在圖3示意圖中kd＝0處的值，即在垂直軸上的一個(gè)截距)。在低于該截止頻率的頻率處，不考慮入射角θw，沒有模式A1的蘭姆波產(chǎn)生。當(dāng)模式階數(shù)變高時(shí)，截止頻率變高。因此，在低于模式A1的蘭姆波的截止頻率的頻率處，不會(huì)產(chǎn)生比模式A1更高的模式，不考慮入射角θw，這允許相當(dāng)大地抑制頻率相關(guān)性。
順便一提，如前面在圖6和圖8中顯示的，即使將設(shè)置頻率取作使蘭姆波的兩個(gè)連續(xù)模式的折射角θP分別到達(dá)90度處的頻率的大約中間頻率的情況下，也會(huì)造成如圖8中所示的偏移誤差。該偏移誤差可如在由本申請人作為更早申請?zhí)峤坏牡?004-50998號(hào)日本專利申請中所述，通過對基準(zhǔn)管道中的實(shí)際流動(dòng)進(jìn)行超聲波換能器的校準(zhǔn)來抵消。在第2004-50998號(hào)日本專利申請中說明的用實(shí)際流動(dòng)進(jìn)行的校準(zhǔn)是以抑制θw和Cw中的變化為目的而提出的。
圖11是顯示具有上面第2004-50998號(hào)日本專利申請中提出的實(shí)際流動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)備的一種設(shè)置的示意圖。圖12是說明該校準(zhǔn)設(shè)備工作的示意圖。這種有實(shí)際流動(dòng)的校準(zhǔn)設(shè)備中提供了基準(zhǔn)管道21A、基準(zhǔn)流量計(jì)41、流量控制閥42以及基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器51。該基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器51設(shè)置有前面敘述的圖16中的塊12到塊17。
基準(zhǔn)管道21A具有內(nèi)表面，被處理成具有準(zhǔn)確的橫截面面積A。與此同時(shí)，該內(nèi)表面在一端相當(dāng)長的筆直管道上被平滑地實(shí)現(xiàn)以使得該管內(nèi)流體的流動(dòng)充分地成為了一種對稱流。而且，基準(zhǔn)管道21A的外表面也同樣被平滑地實(shí)現(xiàn)以使得同其內(nèi)表面平行。
這樣，可通過調(diào)節(jié)流量控制閥42的開口來準(zhǔn)確地建立或控制在基準(zhǔn)管道21A中流動(dòng)的流體的流量，同時(shí)由基準(zhǔn)流量計(jì)41來監(jiān)測流量。為準(zhǔn)確控制流體的流量，可使用基準(zhǔn)箱43代替基準(zhǔn)流量計(jì)41來準(zhǔn)確測量該流體，該流體從基準(zhǔn)流量計(jì)41中流過并存儲(chǔ)于基準(zhǔn)箱43中，在每一單位時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)一定量。
超聲波換能器11被安裝在并緊固到基準(zhǔn)管道21A上。與此同時(shí)，基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器51被連接到了超聲波換能器11以便通過該超聲波換能器11和該基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器51進(jìn)行流速測量以及流量測量。在使該流體以已知(真實(shí))的由基準(zhǔn)流量計(jì)41和流量控制閥42準(zhǔn)確設(shè)定的流量QS流動(dòng)，來進(jìn)行測量。在這時(shí)測量的流量QF和已知流量QS的基礎(chǔ)上，超聲波換能器11的實(shí)際流動(dòng)校準(zhǔn)常數(shù)α被計(jì)算成為α＝QS/QF。校準(zhǔn)常數(shù)α被存儲(chǔ)在使用換能器11的超聲波流量計(jì)中作為換能器11的常數(shù)特征用于對測量的流量進(jìn)行校準(zhǔn)。
根據(jù)這個(gè)第2004-50998號(hào)日本專利申請，在該管道和該流體間的邊界平面處的折射角θf以及前述表達(dá)式(2)中流體中的音速Cf根據(jù)表達(dá)式(22)體現(xiàn)的斯涅耳定律被入射到該管道上的入射角θw以及該楔形物中的音速Cw所替換。這樣，表達(dá)式(2)變成了表達(dá)式(23)Cf/sinθf＝CP/sinθp＝CW/sinθw(22)Vf(x)＝(CW·fd(x))/(2·sinθW·f0) (23)在第2004-50998號(hào)日本專利申請的說明中，為了以高準(zhǔn)確度獲得由表達(dá)式(23)給出的流體的流速Vf(x)，要用實(shí)際流動(dòng)的校準(zhǔn)來改正θw和Cw。
與此相比，在本發(fā)明中，不僅θw和Cw，而且偏移誤差也一起被實(shí)際流動(dòng)的校準(zhǔn)改正。
同樣在本發(fā)明中，用實(shí)際流動(dòng)的校準(zhǔn)是通過與使用基準(zhǔn)流量計(jì)41或基準(zhǔn)箱43高準(zhǔn)確度測得的流量相比而執(zhí)行的。由于將通過使用基準(zhǔn)流量計(jì)41測得的流量設(shè)為QS，QS與基于由超聲波換能器11測得的流速分布Qf的比例被設(shè)為了實(shí)際流動(dòng)校準(zhǔn)常數(shù)α。此時(shí)，QS被表達(dá)式(24)表達(dá)成QS＝α·Qf＝∫{α(CW·fd(x))/(2·sinθw·g0)}·dA(24)即，在圖13中，作為一種對本發(fā)明實(shí)施方式中用實(shí)際流動(dòng)校準(zhǔn)的概念說明，使用超聲波換能器11和轉(zhuǎn)換器18測量的流量Qf與實(shí)際流動(dòng)校準(zhǔn)常數(shù)α相乘。這使得流量的測量值獲得與由基準(zhǔn)流量計(jì)41測得的流量的測量值一樣高的準(zhǔn)確度。因此，在沒有分別測量和矯正θw、Cw和偏移誤差情況下，通過僅使用一個(gè)校準(zhǔn)常數(shù)α，能同時(shí)對它們進(jìn)行矯正。
由于將校準(zhǔn)常數(shù)α作為了每個(gè)超聲波換能器11的常數(shù)特征并顯示在其銘牌上，所測得的流量將被所使用的換能器11上顯示的特征校準(zhǔn)常數(shù)α相乘。即使當(dāng)換能器11和轉(zhuǎn)換器18的結(jié)合有變化時(shí)，這也允許獲得高準(zhǔn)確度的流量，由此，確保了換能器間的互換性。
而且，作為矯正所述偏移誤差的另一種方式，圖8中顯示的誤差計(jì)算值可同或不同實(shí)際流動(dòng)的校準(zhǔn)一起使用。而且，當(dāng)使用的管道具有不同于基準(zhǔn)管道21A的材料和板厚時(shí)，校準(zhǔn)可以通過使用計(jì)算結(jié)果來做出，該計(jì)算結(jié)果是關(guān)于在使用基準(zhǔn)管道21A的情況中偏移誤差與偏移誤差之間的差值而進(jìn)行的。
本發(fā)明也能被應(yīng)用到前面所解釋的在第2003-396755號(hào)日本專利申請中公開的超聲波流速分布儀上。在這種超聲波流速分布儀中，如已經(jīng)解釋的，其超聲波換能器被緊固在了楔形物上，同時(shí)該換能器與管道相傾斜，以使得從該楔形物入射到管道上的超聲波入射角既不小于在該管道中縱波的臨界角也不大于管道內(nèi)橫波的臨界角。這樣設(shè)置以便當(dāng)在管道內(nèi)傳播的超聲波的橫波的音速等于或大于楔形物內(nèi)縱波的音速時(shí)，管道內(nèi)只有橫波在傳播。同樣在這種情況中，由蘭姆波導(dǎo)致的所測量的流速和流量中的頻率相關(guān)性有可能被減小。
盡管參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，已經(jīng)對本發(fā)明做了具體顯示以及說明，不過本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將理解在不背離本發(fā)明的精神以及范圍的情況下，可對其形式和細(xì)節(jié)做出前述和其他的變化。
權(quán)利要求
1.一種鉗式多普勒超聲波流速分布儀，其中從安裝在管道外邊的超聲波換能器發(fā)射的超聲波被入射到所述管道內(nèi)要測量的流體上以便通過應(yīng)用以下原理測量要測量的流體的流速分布，所應(yīng)用的原理是由存在于所述流體內(nèi)的反射物所反射的超聲波的頻率，由于多普勒效應(yīng)根據(jù)流速而被改變，所述超聲波流速分布儀具有位于所述超聲波換能器和所述管道之間的聲波傳播楔形物，其中的改進(jìn)在于所述被發(fā)射的超聲波的頻率被設(shè)置為不同于使所述管道內(nèi)蘭姆波每個(gè)模式中的波的折射角成為90度的頻率的一個(gè)頻率，該頻率由所述超聲波從所述楔形物入射到所述管道上的入射角、所述楔形物內(nèi)的音速、所述管道內(nèi)橫波和縱波的音速、以及所述管道的板厚來計(jì)算。
2.一種鉗式多普勒超聲波流速分布儀，其中從安裝在管道外邊的超聲波換能器上發(fā)射的超聲波被入射到所述管道內(nèi)要測量的流體上以便通過應(yīng)用以下原理測量要測量的流體的流速分布，所應(yīng)用的原理是由存在于所述流體內(nèi)的反射物所反射超聲波的頻率，由于多普勒效應(yīng)根據(jù)流速而被改變，所述超聲波流速分布儀具有位于所述的超聲波換能器和該管道之間的聲波傳播楔形物，其中的改進(jìn)是被發(fā)射的超聲波的頻率被設(shè)置為分別使所述管道內(nèi)蘭姆波的兩個(gè)連續(xù)模式的每一個(gè)中的波的折射角各成為90度的兩個(gè)頻率之間的中心頻率附近，所述兩個(gè)頻率由所述超聲波從所述楔形物入射到所述管道上的入射角、所述楔形物內(nèi)的音速、所述管道內(nèi)橫波和縱波的音速、以及所述管道的板厚來計(jì)算。
3.一種鉗式多普勒超聲波流速分布儀，其中從安裝在管道外邊的超聲波換能器上發(fā)射的超聲波被入射到所述管道內(nèi)要測量的流體上以便通過應(yīng)用以下原理測量要測量的流體的流速分布，所應(yīng)用的原理是由存在于所述流體內(nèi)的反射物所反射超聲波的頻率，由于多普勒效應(yīng)根據(jù)流速而被改變，所述超聲波流速分布儀具有位于所述的超聲波換能器和該管道之間的聲波傳播楔形物，其中的改進(jìn)是被發(fā)射的超聲波的頻率被設(shè)置為低于使所述管道內(nèi)反對稱蘭姆波的第一階模式中波的折射角成為90度的頻率的一個(gè)頻率，該頻率由所述超聲波從所述楔形物入射到所述管道上的入射角、所述楔形物內(nèi)的音速、所述管道內(nèi)橫波和縱波的音速、以及所述管道的板厚來計(jì)算。
4.一種鉗式多普勒超聲波流速分布儀，其中從安裝在管道外邊的超聲波換能器上發(fā)射的超聲波被入射到所述管道內(nèi)要測量的流體上以便通過應(yīng)用以下原理測量要測量的流體的流速分布，所應(yīng)用的原理是被存在于所述流體內(nèi)的反射物所反射超聲波的一個(gè)頻率，由于多普勒效應(yīng)根據(jù)流速而被改變，所述超聲波流速分布儀具有位于所述的超聲波換能器和該管道之間的聲波傳播楔形物，其中的改進(jìn)是所述超聲波從所述楔形物入射到所述管道上的入射角大于使所述管道內(nèi)反對稱蘭姆波的第一階模式中波的折射角成為90度處的入射角，所述頻率從所述發(fā)射的超聲波的頻率、所述楔形物中的音速、所述管道內(nèi)橫波和縱波的音速、以及所述管道的板厚中計(jì)算出來。
5.一種鉗式多普勒超聲波流速分布儀，其中從安裝在管道外邊的超聲波換能器上發(fā)射的超聲波被入射到所述管道內(nèi)要測量的流體上以便通過應(yīng)用以下原理測量要測量的流體的流速分布，所應(yīng)用的原理是被存在于所述流體內(nèi)的反射物所反射超聲波的一個(gè)頻率，由于多普勒效應(yīng)根據(jù)流速而被改變，所述超聲波流速分布儀具有位于所述的超聲波換能器和該管道之間的聲波傳播楔形物，其中的改進(jìn)是被發(fā)射的超聲波的頻率被設(shè)置為低于反對稱蘭姆波的第一階模式中波的截止頻率的一個(gè)頻率，所述截止頻率從所述蘭姆波的色散曲線中確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任何一個(gè)所述的多普勒超聲波流速分布儀，其中蘭姆波特征方程的一個(gè)漸進(jìn)解被用作了所述蘭姆波相位速度，用來確定所述發(fā)射超聲波的頻率或所述發(fā)射超聲波的入射角之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任何一個(gè)所述的多普勒超聲波流速分布儀，其中用來校準(zhǔn)從已測流量分布推導(dǎo)出的流量的實(shí)際流動(dòng)校準(zhǔn)常數(shù)由一個(gè)比例給出，該比例是用安裝在一個(gè)包括以基準(zhǔn)流量流動(dòng)的流體的基準(zhǔn)管道上的超聲波換能器測得的流速分布中得出的流量值與同時(shí)由設(shè)置在該超聲波換能器旁邊的基準(zhǔn)流量測量裝置所測量的作為該基準(zhǔn)管道中流動(dòng)的流體的基準(zhǔn)流量的流量值之比。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多普勒超聲波流速分布儀，其中所述實(shí)際流動(dòng)校準(zhǔn)常數(shù)被作為每個(gè)超聲波換能器的校準(zhǔn)常數(shù)特征。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任何一個(gè)所述的多普勒超聲波流速分布儀，其中被測值在由蘭姆波導(dǎo)致的測量誤差的計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上被矯正。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鉗式多普勒超聲波流速分布儀，其中從安放在管道外邊的超聲波換能器上發(fā)出的超聲波被入射到所述管道內(nèi)要測量的流體上以便測量要測量流體的流速分布，所應(yīng)用的原理是超聲波的某一頻率被存在于所述流體內(nèi)的反射物所反射，由于多普勒效應(yīng)，該頻率根據(jù)流速而被改變，這種超聲波流速分布儀使聲波傳播楔形物位于所述的超聲波換能器和該管道之間。被發(fā)射的超聲波的頻率被設(shè)置為不同于使所述管道內(nèi)蘭姆波各模式中的波的折射角成為90度的頻率的某一頻率。所述頻率從由所述楔形物入射到所述管道上的超聲波的入射角、所述楔形物內(nèi)的音速、所述管道內(nèi)橫波和縱波的音速、以及所述管道的板厚中計(jì)算出來。這樣，在所提供的超聲波流速分布儀中，所述超聲波的傳播頻率和入射到所述管道上的角度被充分地選擇，從而允許以高精度來測量流體的流速或流量。
文檔編號(hào)G01F1/66GK1725019SQ20051008043
公開日2006年1月25日 申請日期2005年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月20日
發(fā)明者木代雅巳, 山本俊廣, 矢尾博信, 大室善則, 平山紀(jì)友 申請人:富士電機(jī)系統(tǒng)株式會(huì)社