超聲波流量計的制作方法
【專利摘要】一種超聲波流量計，管體使用FRP，使在管體中沿管軸方向進行傳輸?shù)某暡}沖信號衰減，從而以高精度檢測在管體內(nèi)的流體中進行傳輸?shù)某暡}沖信號。在要測量的流體進行流動的管體（1）的上游側(cè)及下游側(cè)的沿著外側(cè)的位置上固定有成對的超聲波收發(fā)器（2a、2b）。管體（1）使用FRP（纖維強化樹脂），纖維的排列方向設(shè)為與管體（1）的管軸正交的方向，即圓周方向。通過采用該FRP制的管體（1），從其中一個超聲波收發(fā)器（2a，2b）向另一個超聲波收發(fā)器（2b，2a）進行的經(jīng)由管體（1）的用虛線表示的傳輸由于FRP的纖維排列方向而被極大程度地阻擋，用實線表示的在流體中進行了傳輸?shù)某暡}沖信號能夠以高S/N被接收。
【專利說明】超聲波流量計
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及對管體上使用FRP并測量在管體內(nèi)流動的流體的流量的超聲波流量計。
【背景技術(shù)】
[0002]時間差方式的超聲波流量計被廣泛地實際應(yīng)用，所述時間差方式的超聲波流量計將成對的超聲波收發(fā)器配置于流體進行流動的管體外部的上游側(cè)和下游側(cè)，從管體的外側(cè)貫穿管壁將超聲波脈沖信號發(fā)送到流體的液流內(nèi)，根據(jù)超聲波脈沖信號從上游側(cè)向下游側(cè)傳輸?shù)臅r間與超聲波脈沖信號從下游側(cè)向上游側(cè)傳輸?shù)臅r間之差求出流體的流速，將該流速乘以管體的橫截面積從而測量在管路內(nèi)流動的流量。
[0003]該方法隨著電子電路技術(shù)的進步向聞精度化發(fā)展，為了進一步實現(xiàn)聞精度化，有必要更準確地求出超聲波脈沖信號的傳輸時間差，以高S/N檢測進行傳輸?shù)某暡}沖信號是很重要的。
[0004]但是，從設(shè)置在超聲波流量計的管體上的其中一個超聲波收發(fā)器發(fā)出的超聲波脈沖信號的一部分在管體中傳輸而被另一個超聲波收發(fā)器接收，與在流體中進行了傳輸?shù)某暡}沖信號重疊地被接收。但是，這些信號由于頻率相同，因此用濾波器進行分離極其困難。
[0005]另一方面，已知如下的例如專利文獻I中記載的多普勒式超聲波流量計:向流體進行流動的管體內(nèi)發(fā)射超聲波脈沖信號，檢測從流體中包含的塵?；驓馀莸犬愇锓瓷涞某暡}沖信號的多普勒頻率，從而測量管體內(nèi)的流量。
[0006]在該多普勒式的超聲波流量計中，即使使用容易傳輸超聲波脈沖信號的材質(zhì)的管體，在管體中傳輸?shù)某暡}沖信號和用于測量的多普勒檢測信號也容易分離。另外，即使管體的材質(zhì)是能夠良好地傳輸超聲波脈沖信號的材質(zhì)，在多普勒式超聲波流量計的場合下也不會對流量測量形成很大的障礙。
[0007]在專利文獻I中，記載了對該多普勒式的超聲波流量計的管體使用FRP(fiberreforced plastic:纖維強化樹脂)，但如上所述，在多普勒式的超聲波流量計中，管體的材質(zhì)幾乎不會產(chǎn)生問題，并不是出于本實用新型的目的而使用FRP。
[0008]另一方面，在專利文獻2等中公開了 FRP中混入的纖維的排列方向使得超聲波脈沖信號的聲速或傳輸具有極強的各向異性，超聲波脈沖信號的聲速或傳輸?shù)乃p根據(jù)FRP中的纖維的排列方向、頻率存在很大的差異。例如，沿纖維排列方向的聲速相對于與纖維正交的方向的聲速，還取決于頻率，但大概比其大5倍左右。
[0009]圖6為基于FRP的纖維排列方向的差異的以頻率為橫軸的衰減特性的曲線圖。與用虛線表示的超聲波脈沖信號在纖維的排列方向上的大小相比，用實線表示的超聲波脈沖信號在與纖維的排列方向正交的方向上的大小產(chǎn)生充分大的衰減。其原因是因為:FRP中的超聲波的聲速與纖維的各排列方向上的楊氏模量和材料的密度相關(guān)，衰減與基于纖維的各排列方向上的散射和材料的粘性的吸收有關(guān)。[0010]FRP多用作航空器或汽車等的材料，并且被應(yīng)用于通過超聲波進行的探傷技術(shù)等的非破壞檢查中。已知在這樣的檢查中根據(jù)經(jīng)驗傳輸與超聲波的頻率成比例地衰減，通常極少利用使衰減開始的IOOKHz以上頻率的超音波。即，為了檢查，如何能夠使超聲波在FRP內(nèi)良好地傳輸是非常需要關(guān)注的事情，在超聲波檢查中利用傳輸?shù)乃p幾乎不受纖維的排列方向影響的IOOkHz以下的頻率。
[0011]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0012]專利文獻
[0013]專利文獻1:日本特開2005-156401號公報
[0014]專利文獻2:日本特開平7-284198號公報
實用新型內(nèi)容
[0015]本實用新型所要解決的技術(shù)問題
[0016]在使用以往的金屬管或通常的合成樹脂管的管體的時間差方式的超聲波流量計中，在管體中直接傳輸?shù)某暡}沖信號構(gòu)成干擾，使得測量用的在流體中進行傳輸?shù)男盘柕腟/N劣化，因此需要抑制在管體中進行傳輸?shù)某暡}沖信號。
[0017]另外，當在從管體內(nèi)和管體外向管體傳來的振動中包含測量頻率的情況下，也成為以相同的理由使測量精度劣化的一個原因，為了提高超聲波流量計的精度，解決這些問題成為課題。因此，盡管進行了電路技術(shù)上的改善，但還不能成為充分的解決方案。
[0018]本實用新型的目的在于提供一種超聲波流量計，其能夠解決上述的問題，對管體使用FRP，使在管體中沿管軸方向進行傳輸?shù)某暡}沖信號衰減，從而能夠以高精度檢測出在管體內(nèi)的流體中進行傳輸?shù)某暡}沖信號。
[0019]解決技術(shù)問題的技術(shù)手段
[0020]為了達成上述目的，本實用新型的超聲波流量計為時間差方式的超聲波流量計，所述時間差方式的超聲波流量計將成對的超聲波收發(fā)器配置于在管體內(nèi)流動的流體的上游側(cè)和下游側(cè)的管體的外側(cè)，交替地重復(fù)進行將超聲波脈沖從所述其中一個超聲波收發(fā)器發(fā)射到流體中、并用所述另一個超聲波收發(fā)器接收的動作，根據(jù)所述超聲波脈沖信號以與所述流體的流動順行的方式傳輸?shù)臅r間和以與所述流體的流動逆行的方式傳輸?shù)臅r間差，求出所述流體的速度，從而測量在所述管體內(nèi)流動的流量，本實用新型的超聲波流量計的特征在于:所述管體的全部或一部分由在音響傳輸特性上具有各向異性的FRP構(gòu)成，并且以使所述超聲波脈沖信號難以在所述管體中沿管軸方向傳輸?shù)姆绞竭x擇所述FRP的纖維的排列方向。
[0021]技術(shù)效果
[0022]本實用新型涉及的超聲波流量計對管體使用FRP，并利用其音響傳輸特性的各向異性，抑制在管體中沿管軸方向進行傳輸?shù)某暡}沖信號，因此能夠以高精度求出原本的在流體中進行傳輸?shù)某暡}沖信號。
[0023]S卩，利用FRP的音響傳輸特性的各向異性，使構(gòu)成管體的纖維排列方向為與管軸大致正交的方向，因此能夠很好地抑制在管體中進行傳輸?shù)某暡}沖信號。
【專利附圖】

【附圖說明】[0024]圖1為實施例1的超聲波流量計的結(jié)構(gòu)圖。
[0025]圖2為由FRP構(gòu)成的管體的纖維排列方向的說明圖。
[0026]圖3為沿著FRP的纖維排列方向時以及與排列方向正交的方向時的超聲波脈沖信號的傳輸特性的曲線圖。
[0027]圖4 (a)和圖4 (b)為在FRP制的管體和不銹鋼制的管體的管體內(nèi)的水中進行傳輸所接收到的超聲波脈沖信號的傳輸特性的曲線圖。
[0028]圖5為實施例2的超聲波流量計的結(jié)構(gòu)圖。
[0029]圖6為基于FRP的纖維排列方向的差異的針對各頻率的衰減特性的曲線圖。【具體實施方式】
[0030]以下，基于圖1至圖5所示的實施例對本實用新型進行詳細說明。
[0031]實施例1
[0032]圖1為實施例1的超聲波流量計的結(jié)構(gòu)圖。該超聲波流量計采用當管體I的直徑較小時所使用的稱作所謂V型的超聲波傳輸方式。在要測量的流體進行流動的管體I的上游側(cè)及下游側(cè)的沿著外側(cè)的位置上固定有一對超聲波收發(fā)器2a、2b。
[0033]尤其是，管體I使用FRP (纖維強化樹脂)，如圖2所示，該纖維F的排列方向為與管體I的管軸C正交的方向，也就是圓周方向。
[0034]在實施例1的時間差方式的超聲波流量計中，在流體在管體I中流動的狀態(tài)下，超聲波脈沖信號從超聲波收發(fā)器2a、2b中交替地被發(fā)送,橫穿管體I內(nèi)的流體，在管體I的相反側(cè)的管壁上以V字狀被反射，并被另一個超聲波收發(fā)器2b、2a接收。然后，測量與流體的流動順行時和與流體的流動逆行時的超聲波脈沖信號的傳輸時間差A(yù)t。由于該時間差Δ t與流體的流速V相當，因此，通過將時間差Λ t乘以管體I的橫截面積S，得到流量Q為Q = S* At。
[0035]通過采用如上所述的FRP制的管體1，從其中一個超聲波收發(fā)器2a、2b向另一個超聲波收發(fā)器2b、2a進行的經(jīng)由管體I的用虛線表示的傳輸由于FRP的纖維排列而被極大程度地阻擋，用實線表示的在流體中進行了傳輸?shù)某暡}沖信號能夠以高S/N被接收。
[0036]圖3示出了對使用由FRP構(gòu)成的管體I和不銹鋼制的管體I時的超聲波頻率和接收信號的S/N的關(guān)系進行了實際測量的曲線圖。實線為沿與FRP的纖維的排列方向正交的方向在管體I中傳輸超聲波脈沖信號的情況，虛線為在不銹鋼制的管體I中傳輸超聲波脈沖信號的情況。
[0037]由此可知，與不銹鋼制的管體I的情況相比，在FRP制的管體I的情況下，在管體I中沿管軸方向傳輸?shù)某暡}沖信號較少，接收信號的S/N較大。另外，從該曲線圖中可知，使用FRP制的管體I的超聲波流量計優(yōu)選使用500KHz至3MHz的頻率，尤其是使用I至
1.5MHz的頻率能夠獲得S/N良好的信號。
[0038]圖4 (a)為將超聲波收發(fā)器2a、2b安裝在FRP的纖維排列方向為與管軸C正交的方向的管體I上、通過這些超聲波收發(fā)器2a、2b獲得的超聲波脈沖信號的傳輸特性的曲線圖。另外，圖4 (b)為不銹鋼制的管體I時的相同的曲線圖。
[0039]在如圖4 (a)所示的由FRP構(gòu)成的管體I中，在沒有接收到超聲波脈沖信號時，在幾乎不檢測來自外部的干擾噪聲的情況下，獲得在管體I內(nèi)的流體中進行了傳輸?shù)某暡}沖信號，超聲波脈沖信號還獲得整齊排列的波形，因此信號處理變得容易。
[0040]另一方面，在如圖4 (b)所示的不銹鋼制的管體I中，在管體I中傳輸?shù)某暡ㄐ盘柋仍瓉肀匾脑诠荏wI的流體中進行傳輸?shù)某暡}沖信號更早到達，所獲得的超聲波脈沖信號為經(jīng)過管體I內(nèi)的流體的信號、來自外部的噪音以及在管體I中傳輸?shù)男盘査铣傻男盘?，原來的信號很難提取。
[0041]與不銹鋼制的管體I相比，F(xiàn)RP制的管體I能夠最大以40dB (100倍)左右的良好的S/N接收在流體中進行了傳輸?shù)某暡}沖信號。由此也可知，纖維的排列方向為與管軸正交的方向的FRP制的管體I抑制在管體I中進行傳輸?shù)某暡}沖信號的傳輸。
[0042]像這樣，通過適當?shù)剡x擇FRP的纖維的排列方向，使用FRP作為管體I的材料，并將所使用的超聲波頻率優(yōu)選設(shè)為500KHZ以上，根據(jù)計算，構(gòu)成噪音的超聲波脈沖信號在管體I中進行傳輸?shù)膹姸让縄Ocm下降至1/30以下。
[0043]實施例2
[0044]圖5為實施例2的超聲波流量計的結(jié)構(gòu)圖，其為在直徑較大的管體I的情況下所使用的結(jié)構(gòu)，超聲波收發(fā)器2a、2b沿著管軸方向被配置在管體I的外側(cè)的相反側(cè)，并且示出了所謂I型的超聲波脈沖信號的路徑。
[0045]在該實施例2中，管體I也由FRP制作，纖維的排列方向也與管體I的管軸方向正交，因此，即使有與實施例1同樣地在管體I中沿圓周方向行進的超聲波脈沖信號，沿該管軸方向行進的超聲波脈沖信號也很少。
[0046]另外，在實施例1和2中，如果將管體I設(shè)置為使用了碳纖維的CFRP (碳纖維強化樹脂)，則管體I具有導(dǎo)電性，容易應(yīng)對靜電，如果用金屬體覆蓋管體1、超聲波收發(fā)器2a、2b，則還能夠?qū)崿F(xiàn)防爆安全結(jié)構(gòu)，將石油類作為流體的測量也變得容易。
[0047]另外，由于在管路的一部分中使用FRP，因此也可以將還包含能夠測量流量的電路部分的流量計單元插入到管路的中途位置，或者僅將該流量計單元中的管體I設(shè)置為FRP。
[0048]另外，根據(jù)流體的性質(zhì)，F(xiàn)RP有可能被腐蝕，因此還可以對由FRP構(gòu)成的管體I的內(nèi)側(cè)進行涂覆，或者配置薄壁的金屬管。
[0049]進一步地，僅在超聲波收發(fā)器2a、2b之間的管體I的一部分中插入由FRP構(gòu)成的短圓筒形的筒，或者在管體I的中途位置或管體I的外側(cè)配置FRP，在該FRP上設(shè)置超聲波收發(fā)器2a、2b，則具有阻擋超聲波脈沖信號的傳輸?shù)男阅?，因此其效果不能忽視?br> [0050]在上述的實施例中，對將FRP的纖維排列方向排列為管體I的圓周方向進行了說明，但即使不一定準確地排列為圓周方向，只要能夠有效地阻擋在管體I中沿管軸方向進行傳輸?shù)某舨}沖信號即可。另外，即使在纖維的排列方向隨機或者重疊了多個FRP的情況下，只要排列方向平均并朝向圓周方向，就會有效果。
[0051]附圖標記說明
[0052]1:管體
[0053]2a、2b:超聲波收發(fā)器
【權(quán)利要求】
1.一種超聲波流量計，其為時間差方式的超聲波流量計，所述時間差方式的超聲波流量計將成對的超聲波收發(fā)器配置于在管體內(nèi)流動的流體的上游側(cè)和下游側(cè)的管體的外側(cè)，交替地重復(fù)進行將超聲波脈沖信號從所述其中一個超聲波收發(fā)器發(fā)射到流體中、并用所述另一個超聲波收發(fā)器接收的動作，根據(jù)所述超聲波脈沖信號以與所述流體的流動順行的方式傳輸?shù)臅r間和以與所述流體的流動逆行的方式傳輸?shù)臅r間差，求出所述管體內(nèi)的所述流體的速度，從而測量在所述管體內(nèi)流動的流量，其特征在于:所述管體的全部或一部分由在音響傳輸特性上具有各向異性的FRP構(gòu)成，并且以使所述超聲波脈沖信號難以在所述管體中沿管軸方向傳輸?shù)姆绞竭x擇所述FRP的纖維的排列方向。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲波流量計，其特征在于，所述FRP的纖維的排列方向設(shè)為所述管體的大致圓周方向。
3.如權(quán)利要求1或2所述的超聲波流量計，其特征在于，所述超聲波脈沖信號使用500kHz至3MHz的頻率。
4.如權(quán)利要求3所述的超聲波流量計，其特征在于，所述超聲波脈沖信號設(shè)為I至1.5MHz的頻率。
5.如權(quán)利要求1或2所述的超聲波流量計，其特征在于，使用金屬體覆蓋所述管體、所述超聲波收發(fā)器從而形成為防爆安全結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】G01F1/66GK203551014SQ201320503631
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年8月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月9日
【發(fā)明者】阿部貴史, 小林俊朗, 高橋祐二, 高本正樹 申請人:東京計裝株式會社