CN1022133C

CN1022133C - 涡流流量计

Info

Publication number: CN1022133C
Application number: CN89104405A
Authority: CN
Inventors: 稻田丰; 川崎一政; 西山繁; 吉仓博史
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-05-20
Filing date: 1989-05-20
Publication date: 1993-09-15
Anticipated expiration: 2004-05-20
Also published as: JPH01292212A; CN1038159A; US4924710A; JPH0660832B2

Abstract

一种涡流流量计，包括若干超声波发射器和接收由涡旋发生器产生了涡旋的流体传来的超声的超声波接收器，用相位比较器对输出信号进行比较，通过检测超声波因涡旋引起的相位差，来测量液体的流率。第一、二超声波发射器位于涡旋发生器下游侧壁上，第一、二超声波接收器亦在管壁上与第一、二超声波发射器相向配置，第一超声波发射器到第一接收器的传播通路与第二超声波发射器到第二接收器的传播通路彼此相交且向相反方向延伸。

Description

本发明涉及一种涡流流量计，更确切地说，涉及的是一种适用于检测靠涡旋发生器在流体中产生的卡门涡旋而导致流体中所传播的超声波相位改变，并且通过检测卡门涡旋的发生来测量该流体流率的涡流流量计。

根据日本公开实用新案昭和57-25141和日本公开特许昭和58-32333号申请中所描述的现有技术的涡流流量计中，涡旋发生器配置在流体中，并且通过由超声波所检测的、在涡旋发生器的下游侧所产生的卡门涡旋的数目，来测量该流体的流率。

图6所示的是一种公知类型的涡流流量计的结构，在图6中，由振荡器1产生的并由超声波发射器2a传输到流体里的超声波，沿着垂直于流体流动方向的方向上，且沿着平行于附图平面的通路传播，并由超声波接收器2b对其进行检测。由超声波接收器2b输出的信号，经由相位控制器3后，作为α信号加到相位比较器4上。在另一方面，从振荡器1的输出中分离出来的、与穿过液体的超声波相分开的一束振荡信号，经由相位控制器5，作为β信号，加在相位比较器4的另一个输入端上。

相位比较器4对α和β的相位进行比较，在穿过没有卡门涡旋出现的流体的情况下，超声波信号α与原始的超声波信号β在相位上相差一常量。

在图6中，当被检测流率的液体在附图所示的管线6中垂直地向下流动时，则这些规则的涡旋，即所谓的卡门涡旋，在设置在管线6里的某种公知的涡旋发生器7的下游侧的流体中的左侧和右侧交替地产生。

在这种情况下，当穿过流体的超声波在流体里传播时，而且当该超声波与涡旋发生器7产生的卡门旋涡相适时，该超声波将受到卡门涡旋在侧向方向上的（或称平行于附图表面和超声波传播方向的方向上）流率分量的相位调制。这样，施加于相位比较器4的这两种信号α和β，将出现相位差，其不同于超声波通过流体且未迁到卡门涡旋时所得到的那个恒定的相位差。如果检测相位差的这种变化，并经过滤波器8的输出端8a输出这种变化，则可检测出正比于该流率的所产生的卡门涡旋的数目，并由此可以测量被测流体的流率。

应该注意到，传播过流体的超声波的相位除了卡门涡旋之外，还将随各种外界因素，侧如流体温度的变化等等而改变。因此，由于某种外界因素如温度变化等，所产生的相位变化，有可能使施加到相位比较器4上的两个信号间的相位差，偏离出相位比较器的线性工作范围。

为了防止这种偏离的出现，首先用滤波器滤掉由于外界因素所产生的各种相位变化，再将这种处理过了的输出，加到相位控制器3和5上，以便可以对施加在相位比较器4上的两个超声波信号间的相位差进行控制，从而确保其处于相位比较器4的线性工作范围之内。这样，即使由诸如温度变化等等的外界因素所产生的超声波的相位变化相当大，也可以克服这样的相位变化。

如上所述，对于在先技术中的涡流流量计，如果需要防止由于诸如流体温度变化等等的外界因素的变化而产生的施加于相位比较器4的两束超声波间的相位差的这种偏离，并使其仍处于相位比较器4的线性工作范围之内，则相位控制器3、5的电路必然相当复杂。由于用来检测卡门涡旋产生的超声波信号的信/噪比在具有低雷诺数的流体中必须相当的低，因而必须增大适用于放大这种超声波的信号和频率放大器的增益，从而导致电能损耗的增加。

还应注意到，如果采用便宜的相位控制器3和5，则控制器对调节相位变化的能力是有限的。这意味着，当由于前面提到的外界因素所产生的相位变化的范围超出了某一给定的允许限度时，上述的这种采用便宜的相位控制器3和5的涡流流量计则不可能工作。

鉴于以上所指出的问题，本发明的申请人曾提议的一种如图7所示的涡流流量计，它公开在申请号为昭和-62-23651的日本专利申请中，构成这种涡流流量计的超声波发射装置的第一、第二超声波发射器9a′、10a′被配置在涡旋发生器下游侧的管线壁上，而构成这种涡流流量计的超声波接收装置的第一、第二超声波接收器9b′、10b′，被配置在分别与第一、第二超声波发射器9a′、10a′相向的管线壁上，第一超声波传播路线由第一超声波发射器9a′到第一超声波接收器9b′，而第二超声波传播路线由第二超声波发射器10a′到第二超声波接收器10b′，且这两条传播路线彼此平行但传播方向相反，第一和第二超声波发射器9a′、10a′和第一和第二超声波接收器9b′、10b′应这样排布，即应使得由涡旋发生器连续产生的涡旋，同时穿过第一、第二超声波传播路线，而且由相位比较器11对由第一、第二超声波接收器9b′、10b′，分别输出的超声波信号的相位进行比较，以便检测出由涡旋发生器连续产生的涡旋。

但是，当第一、第二超声波传播路线以彼此平行的方式排布时，如果超声波发射器9a′、10a′以及超声波接收器9b′、10b′是通过紧固装置固定在管线6的外壁表面上时，被传播的超声波在传播时的折射与在由超声波发射器9a′到超声波接收器9b′的超声波传播路线中存在传播介质界面所发生的情况相类似，如图8所示。由于这一原因，超声波发射器和超声波接收器的安装应使该超声波以倾斜的方式入射到传播介质中，而且其相对于各自的传播介质边缘处的入射角还将随温度变化等等因素的改变而变化，这将不可能可靠地发射和接收超声波。

另外，在通过嵌入把超声波发射器和超声波接收器安装在穿通管线而开凿的多个安装孔里的配置方式中，被固定在安装孔里的超声波发射器9a′、10a′和超声波接收器9b′、10b′的顶端部分相对于管线的内壁表面，至少部分地残留下不平坦的部分，这意味着，当流经安装孔的不平坦的部分时，与该内壁表面邻接的流体的流率将可能改变，因此内壁表面的这种不平坦的部分的存在是不必要的。在涡流流量计中，最好不存在这样凹入部分，以免使流体流经该管线内壁处时产生扰动，尽可能使超声波发射器9a′、10a和超声波接收器9b′、10b′插入在管线6的内壁表面的顶端部分，对所有的可能使用的管线的内壁，都具有相同的构形，这也是相当重要的。

本发明的目的就是提供一种能解决上述种种问题并能满足上述种种要求的涡流流量计。

本发明的涡流流量计的组成为：构成该涡流流量计超声波发射装置的第一、第二超声波发射器，其被配置在涡旋发生器下游侧的管线的壁上，而构成该涡流流量计超声波接收装置的第一、第二超声波接收器亦分别被配置在管线的壁上，且分别与第一、第二超声波发射器相向配置，由第一超声波发射器到第一超声波接收器的第一超声波传播路线和由第二超声波发射器到第二超声波接收器的第二超声波传播路线，按下述方式配置，即，使它们彼此相交且按相反方向传播，分别由第一、第二超声波接收器输出的超声波信号之间的相位，由相位比较器进行比较，并由此可测量由涡旋发生器产生的涡旋。

由诸如温度变化等等外界因素所导致的超声波相位的变化，也将以相类似的方式影响传播过同一流体的这两束超声波的相位。例如诸如温度变化等等的外界因素，以某种方式使所获得的一束超声波的相位推前，则以相反方向传播的另一束超声波的相位亦将被推前。

在另一方面，当两束超声波传播路线彼此相交且以向相反方向延伸的方式配置，并且卡门涡旋同时与这两条传播路线相交的情况下，卡门涡旋的侧向分量将对这两束超声波的相位产生相反的作用。

更确切地说就是，如果一束超声波的相位由于卡门涡旋的影响而被推前时，则另一束超声波的相位则必然被滞后。

因此，当用相位比较器比较这两束超声波信号的相位时，由诸如温度变化等等的外界因素所产生的相位变化将被消除，而由卡门涡旋所产生的两束超声波间的相位变化将更加突出。

还应注意的是，第一、第二超声波发射器和第一、第二超声波接收器并不需要固定在管线的壁里，因此允许超声波以倾斜的方式入射，并且发射器和接收器在管线壁上的排布不会干扰其内部流体的流动。

图1是本发明一实施例的侧面剖面图。

图2（A）示出了没被包括在图1测面剖面图中的电路原理方框图。

图2（B）是沿着图1中ⅡB-ⅡB线所取的垂直剖面图。

图3示出了描述涡旋发生器、卡门涡旋和超声波发射装置及接收装置间的关系的示意图。

图4为两束超声波相位之间关系的波形示意图。

图5是当两束超声波的相位差转换为电压时，在该时点的电压与相位差的特性曲线。

图6是在先技术中的一种涡流流量计的方框图。

图7是在先技术中的一种涡流流量计的方框图。

图8是图7中“A”部分的放大剖示图，用于说明在先技术中的一种涡流流量计中所产生的超声波的入射角。

以下将结合附图描述本发明的最佳实施例。

图1是根据本发明一个实施例构成的涡流流量计的侧面剖面图。其展示的是管线6的内侧情况。如图1所示，当流体由管线6的左侧流向其右侧时，涡旋发生器将在其下游处产生卡门涡旋。

图2（A）是沿图1中的ⅡA-ⅡA线所取的剖面图，它集中描述了作为超声波源的振荡器1，超声波发射器9a，10a，和分别用于接收相应的超声波的超声波接收器9b、10b，以及相位比较器11。在图2（A）中流体应理解为以垂直于附图平面的方向，从前面向后流动。

在图2（B）中，示出了嵌入并固接在管线6的两对安装孔6a、6b、6c、6d中的超声波发射器9a、10a和超声波接收器9b、10b。被开凿的各个安装孔6a～6d均穿过管线6并朝向其横截面的中心。由图中可见，安装孔6a、6c设置在同一直线的两个位置上。而安装孔6b、6d，被设置在另一条直线的两个位置上。一组安装孔6a、6c相对另一组安装孔6b、6d成α角、朝向轴线P开凿。

各超声波发射器9a、10a和各超声波接收器9b、10b的顶端部分9a₁、9b₁、10a₁、10b₁分别嵌入相应的安装通孔6a、6d、6b、6c中，而其凸出于管线6的外圆周上的直径较大的部分9a₂、9b₂、10a₂、10b₂，用安装螺栓（未画出）牢固地安装在管线6的外侧圆周上。超声波发射器9a、10a，和超声波接收器9b、10b的顶端部分9a₁、10a₁、9b₁、10b₁与流经管线6的流体相接触，并使其振荡，故各顶端部分9a₁、10a₁、9b₁、10b₁的直径应略小于各自安装孔6a-6d的直径，并且与各相应的安装孔6a-6d呈松配合关系。

由于各安装孔6a-ad，分别以朝向管线6的轴线P的方向穿过管线6而开凿的，各超声波发射器9a、10a和各超声波接收器9b、10b彼此相向地配置在轴线P的两侧。由各超声波发射器9a、10a、发射出的超声波将被横垮过轴线P的超声波接收器9b、10b检测。

还应给予注意的是，由于各个超声波发射器9a、10a和超声波接收器9b、10b彼此是面朝着管线6的轴线P，各顶端部分9a₁、10a₁、9b₁、10b₁的端部表面可以这样构成，即按照确保它们不会在管线6的内壁上有任何实质上的凸出。更确切地说就是，各顶端部分9a₁、10a₁、9b₁、10b₁的端表面与管线6的内壁基本上是齐平的。

这样，流体就能带有最小的影响，自各个超声波发射器9a、10a，和各个超声波接收器9b、10b以及它们的安装孔6a～6d流经管线6。从而可以降低对卡门涡旋所产生的影响，并且可从进一步地提高该涡流流量计的测量精度。

图3是描述由涡旋发生器7在流体中产生的卡门涡旋、超声波发射器9a、10a和超声波接收器9b、10b之间的位置关系的模拟透视图。在图3中，虚线箭头表示超声波传播的方向。由图3可以看出，两束超声波是以相反的方向传播并相交于轴线P处。由图3还可以看出，卡门涡旋13a已经穿过由超声波发射器9a、10a发射出的两束超声波的传播路线，而且下一个卡门涡旋13b正在到达这两束超声波的传播路线上。

图4（A）和图4（B）示出了当卡门涡旋通过两束超声波传播路线（如图3所示）时，这两束脉动超声波的波形及其相位关系。

由图3中可见，由于卡门涡旋13b具有与超声波a的方向相同的取向分量，所以由超声波发射器9a发射的超声波a在相位上被推前了，而由于在卡门涡旋13b的该侧向分量的相反方向上，发出的波束b，所以由超声波发射器10a发射的超声波b在相位上被推后了。

当卡门涡旋13b由图3所示的位置的下游方向发出的，超声波a的相位的超前率和超声波b的相位的滞后率将会降低。当卡门涡旋的中心穿过这两束超声波的传播路线时，超声波a的相位推前和超声波b的相位的滞后则均将为零。而当该卡门涡旋的后半部分穿过这两束超声波的传播路线时，与上述情况相反，超声波a的相位将被滞后而超声波b的相位将被推前。由此可见，当一个卡门涡旋穿过两束超声波的传播路线时，两束超声波a、b间的相位差将按某一正弦波的半周期的比率变化，用检测超声波束a、b间的相位差的这种变化的方法，可以检测出卡门涡旋的发生，而通过在某一给定的时间内对卡门涡旋的数目进行计算的方法，可以测量出该流体的流率。

当超声波信号ab间的相位差变为Q时，相位比较器11将输出与该相位差Q相对应的输出电压Vq。

图5示出了两束超声波信号a、b间的相位差与相位比较器11的输出电压之间的关系。正如图5所示，利用相位比较器11，在两束超声波ab间相位差的范围内，即从-360°到360°的范围内，该输出电压可以线性变化。

当被测流率的流体的温度发生变化时，通过该流体所传播的超声波的相位也将发生相应的变化，但是，诸如温度变化等等的外界因素对两条不同路经传播的超声波产生相同的影响。更确切地说，如果某一外界因素使某一超声波的相位延迟时，而以相反方向被传播的另一束超声波的相位也将被相应地延迟。

在图4（A）和4（B）中，分别用虚线示出的波形，表示由于诸如温度变化等等的外界因素使以实线示出的原超声波的相位产生延迟的情况。在这种情况下，如果由图4（A）所示的波形a的相位的延迟量为ψ，则由图4（B）所示的波形b的相位也相应地被延迟了ψ。而且，即使诸如温度变化等等的外界因素发生变化，两波形a、b间的相位差关系亦将基本上维持不变。在相位比较器11中，对两信号a、b的相位进行比较，因而有可能只检测出单纯由卡门涡旋产生的相位变化。还应注意的是，由于是以变化相互被叠加的方式对两束超声波的相位进行检测的，因而其能够比在先技术中，仅采用一个超声波发射器和一个超声波接收器的装置来检测卡门涡旋，具有更高的灵敏度。

不难理解，尽管在上述实施例中，在管线壁上配置了孔洞，以使各超声波发射器和各超声波接收器以直接而对着该管线内流动的流体的方式安装，但发射器、接收器安装于管线壁上的方式决不仅局限于上述的这种方式，各超声波发射器和各超声波接收器也可以利用紧固装置，以不直接面对着流体通路的方式安装在管线壁上。

还应注意的是，尽管在上述实施例中，被测流体中的两束超声波的传播路线是以彼此相交且使卡门涡旋基本上同时穿过两条超声波路线的方式配置的，但本发明并非只局限于此，除此以外，如果由于某种设计上的限制，使得必须导用使卡门涡旋依次穿过这两条超声波的传播路线的结构，（比如说图1，则可以使超声波发射器10a和超声波接收器10b向下游方向移动几个毫米，而超声波发射器9a和超声波接收器9b维持不动），若配置上某种用于补偿这一时间间隔的装置，比如说一个超声波信号滞后器，则亦可以获得类似于上述实施例中所获得的效果。

正如上面所述，根据本发明构成的涡流流量计，不需要采用具有较复杂的电路组件，如相位控制器等等，而以一种简单的结构组成就可以减小由于诸如温度变化、管线或泵的振动等等外界因素对超声波相位变化的影响，并可以用比在先技术中的涡流流量计高得多的灵敏度来检测卡门涡旋，因此本发明的涡流流量计，可以降低所使用的超声波的频率和输出放大器的增益，并可以进一步简化电路结构，从而降低功率消耗和运行费用。

根据本发明构成的涡流流量计，还可以进一步简化第一、第二超声波发射器和第一、第二超声波接收器在管线上的安装，因为它们相对于管线壁的安装，不再需要以倾斜的方式，而且还可以实现可靠的测量，因为本发明所采用的安装方式可以使其对流过管线的流体的影响为最小。

根据本发明构成的涡流流量计，还可以对在邻近于管线中心处产生最强的也是最稳定的涡旋进行检测，因为横过涡流的第一、第二超声波传播路线将不再需要垂直地分开配置，而且涡旋可以通过流体通路的横截面的中心部分。

前面已描述了本发明的涡流流量计，但是很显然，本领域的技术人员可以在不脱离本发明的发明实质和范围的条件下，制造出种种变型，因些，本发明的保护范围并不局限于在本发明书中所描述的各种实施例。

Claims

一种涡流流量计，用以测量流体的流率，该流量计包括一条管线，其内壁呈圆柱形，可通以所述流体；在所述管线中径向延伸的一个长形器件；设置在所述长形器件下游处的超声波发射装置和超声波接收装置，以提供与所述流体中由所述长形器件产生的涡旋相交的超声波传播通路；以及检测超声波相位变化以测定所述涡旋出现情况的装置；其特征在于：

所述超声波发射装置包括配置在所述管线上长形器件一侧的第一超声波发射器和配置在所述管线上长形器件另一侧的第二超声波发射器；

所述超声波接收装置包括配置在所述管线上长形器件的所述另一侧的第一超声波接收器，以提供在所述第一超声波发射器与所述第一超声波接收器之间径向延伸的第一超声波传播通路；和配置在所述管线上长形器件的所述一侧的第二超声波接收器，以提供在所述第二超声波发射器与所述第二超声波接收器之间径向延伸的第二超声波传播通路；所述第一和第二传播通路彼此相交或异面交叉；以及

所述检测超声波相位变化的装置包括一个用于比较所述第一和第二超声波接收器输出的超声波信号以检测其间相位差的位置。