專利名稱：渦流流量計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種渦流流量計，更確切地說，涉及的是一種適用于檢測靠渦旋發(fā)生器在流體中產(chǎn)生的卡門渦旋而導致流體中所傳播的超聲波相位改變，并且通過檢測卡門渦旋的發(fā)生來測量該流體流率的渦流流量計。
根據(jù)日本公開實用新案昭和57-25141和日本公開特許昭和58-32333號申請中所描述的現(xiàn)有技術的渦流流量計中，渦旋發(fā)生器配置在流體中，并且通過由超聲波所檢測的、在渦旋發(fā)生器的下游側(cè)所產(chǎn)生的卡門渦旋的數(shù)目，來測量該流體的流率。
圖6所示的是一種公知類型的渦流流量計的結構，在圖6中，由振蕩器1產(chǎn)生的并由超聲波發(fā)射器2a傳輸?shù)搅黧w里的超聲波，沿著垂直于流體流動方向的方向上，且沿著平行于附圖平面的通路傳播，并由超聲波接收器2b對其進行檢測。由超聲波接收器2b輸出的信號，經(jīng)由相位控制器3后，作為α信號加到相位比較器4上。在另一方面，從振蕩器1的輸出中分離出來的、與穿過流體的超聲波相分開的一束振蕩信號，經(jīng)由相位控制器5，作為β信號，加在相位比較器4的另一個輸入端上。
相位比較器4對α和β的相位進行比較，在穿過沒有卡門渦旋出現(xiàn)的流體的情況下，超聲波信號α與原始的超聲波信號β在相位上相差一常量。
在圖6中，當被檢測流率的流體在附圖所示的管線6中垂直地向下流動時，則這些規(guī)則的渦旋，即所謂的卡門渦旋，在設置在管線6里的某種公知的渦旋發(fā)生器7的下游側(cè)的流體中的左側(cè)和右側(cè)交替地產(chǎn)生。
在這種情況下，當穿過流體的超聲波在流體里傳播時，而且當該超聲波與渦旋發(fā)生器7產(chǎn)生的卡門旋渦相遷時，該超聲波將受到卡門渦旋在側(cè)向方向上的(或稱平行于附圖表面和超聲波傳播方向的方向上)流率分量的相位調(diào)制。這樣，施加于相位比較器4的這兩種信號α和β，將出現(xiàn)相位差，其不同于超聲波通過流體且未遷到卡門渦旋時所得到的那個恒定的相位差。如果檢測相位差的這種變化，并經(jīng)過濾波器8的輸出端8a輸出這種變化，則可檢測出正比于該流率的所產(chǎn)生的卡門渦旋的數(shù)目，并由此可以測量被測流體的流率。
應該注意到，傳播過流體的超聲波的相位除了卡門渦旋之外，還將隨各種外界因素，側(cè)如流體溫度的變化等等而改變。因此，由于某種外界因素如溫度變化等，所產(chǎn)生的相位變化，有可能使施加到相位比較器4上的兩個信號間的相位差，偏離出相位比較器的線性工作范圍。
為了防止這種偏離的出現(xiàn)，首先用濾波器濾掉由于外界因素所產(chǎn)生的各種相位變化，再將這種處理過了的輸出，加到相位控制器3和5上，以便可以對施加在相位比較器4上的兩個超聲波信號間的相位差進行控制，從而確保其處于相位比較器4的線性工作范圍之內(nèi)。這樣，即使由諸如溫度變化等等的外界因素所產(chǎn)生的超聲波的相位變化相當大，也可以克服這樣的相位變化。
如上所述，對于在先技術中的渦流流量計，如果需要防止由于諸如流體溫度變化等等的外界因素的變化而產(chǎn)生的施加于相位比較器4的兩束超聲波間的相位差的這種偏離，并使其仍處于相位比較器4的線性工作范圍之內(nèi)，則相位控制器3、5的電路必然相當復雜。由于用來檢測卡門渦旋產(chǎn)生的超聲波信號的信/噪比在具有低雷諾數(shù)的流體中必須相當?shù)牡停蚨仨氃龃筮m用于放大這種超聲波的信號和頻率放大器的增益，從而導致電能損耗的增加。
還應注意到，如果采用便宜的相位控制器3和5，則控制器對調(diào)節(jié)相位變化的能力是有限的。這意味著，當由于前面提到的外界因素所產(chǎn)生的相位變化的范圍超出了某一給定的允許限度時，上述的這種采用便宜的相位控制器3和5的渦流流量計則不可能工作。
鑒于以上所指出的問題，本發(fā)明的申請人曾提議的一種如圖7所示的渦流流量計，它公開在申請?zhí)枮檎押?62-23651的日本專利申請中，構成這種渦流流量計的超聲波發(fā)射裝置的第一、第二超聲波發(fā)射器9a′、10a′被配置在渦旋發(fā)生器下游側(cè)的管線壁上，而構成這種渦流流量計的超聲波接收裝置的第一、第二超聲波接收器9b洹 0b′，被配置在分別與第一、第二超聲波發(fā)射器9a′、10a′相向的管線壁上，第一超聲波傳播路線由第一超聲波發(fā)射器9a′到第一超聲波接收器9b′，而第二超聲波傳播路線由第二超聲波發(fā)射器10a′到第二超聲波接收器10b′，且這兩條傳播路線彼此平行但傳播方向相反，第一和第二超聲波發(fā)射器9a′、10a′和第一和第二超聲波接收器9b′、10b′應這樣排布，即應使得由渦旋發(fā)生器連續(xù)產(chǎn)生的渦旋，同時穿過第一、第二超聲波傳播路線，而且由相位比較器11對由第一、第二超聲波接收器9b′，10′，分別輸出的超聲波信號的相位進行比較，以便檢測出由渦旋發(fā)生器連續(xù)產(chǎn)生的渦旋。
但是，當?shù)谝?、第二超聲波傳播路線以彼此平行的方式排布時，如果超聲波發(fā)射器9a′、10a′以及超聲波接收器9b′、10b′是通過緊固裝置固定在管線6的外壁表面上時，被傳播的超聲波在傳播時的折射與在由超聲波發(fā)射器9a′到超聲波接收器9b′的超聲波傳播路線中存在傳播介質(zhì)界面所發(fā)生的情況相類似，如圖8所示。由于這一原因，超聲波發(fā)射器和超聲波接收器的安裝應使該超聲波以傾斜的方式入射到傳播介質(zhì)中，而且其相對于各自的傳播介質(zhì)邊緣處的入射角還將隨溫度變化等等因素的改變而變化，這將不可能可靠地發(fā)射和接收超聲波。
另外，在通過嵌入把超聲波發(fā)射器和超聲波接收器安裝在穿通管線而開鑿的多個安裝孔里的配置方式中，被固定在安裝孔里的超聲波發(fā)射器9a′、10a′和超聲波接收器9b′、10b′、的頂端部分相對于管線的內(nèi)壁表面，至少部分地殘留下不平坦的部分，這意味著，當流經(jīng)安裝孔的不平坦的部分時，與該內(nèi)壁表面鄰接的流體的流率將可能改變，因此內(nèi)壁表面的這種不平坦的部分的存在是不必要的。在渦流流量計中，最好不存在這樣凹入部分，以免使流體流經(jīng)該管線內(nèi)壁處時產(chǎn)生擾動，盡可能使超聲波發(fā)射器9a′、10a′和超聲波接收器9b′、10b′插入在管線6的內(nèi)壁表面的頂端部分，對所有的可能使用的管線的內(nèi)壁，都具有相同的構形，這也是相當重要的。
本發(fā)明的目的就是提供一種能解決上述種種問題并能滿足上述種種要求的渦流流量計。
本發(fā)明的渦流流量計的組成為構成該渦流流量計超聲波發(fā)射裝置的第一、第二超聲波發(fā)射器，其被配置在渦旋發(fā)生器下游側(cè)的管線的壁上，而構成該渦流流量計超聲波接收裝置的第一、第二超聲波接收器亦分別被配置在管線的壁上，且分別與第一、第二超聲波發(fā)射器相向配置，由第一超聲波發(fā)射器到第一超聲波接收器的第一超聲波傳播路線和由第二超聲波發(fā)射器到第二超聲波接收器的第二超聲波傳播路線，按下述方式配置，即，使它們彼此相交且按相反方向傳播，分別由第一、第二超聲波接收器輸出的超聲波信號之間的相位，由相位比較器進行比較，并由此可測量由渦旋發(fā)生器產(chǎn)生的渦旋。
由諸如溫度變化等等外界因素所導致的超聲波相位的變化，也將以相類似的方式影響傳播過同一流體的這兩束超聲波的相位。例如諸如溫度變化等等的外界因素，以某種方式使所獲得的一束超聲波的相位推前，則以相反方向傳播的另一束超聲波的相位亦將被推前。
在另一方面，當兩束超聲波傳播路線彼此相交且以向相反方向延伸的方式配置，并且卡門渦旋同時與這兩條傳播路線相交的情況下，卡門渦旋的側(cè)向分量將對這兩束超聲波的相位產(chǎn)生相反的作用。更確切地說就是，如果一束超聲波的相位由于卡門渦旋的影響而被推前時，則另一束超聲波的相位則必然被滯后。
因此，當用相位比較器比較這兩束超聲波信號的相位時，由諸如溫度變化等等的外界因素所產(chǎn)生的相位變化將被消除，而由卡門渦旋所產(chǎn)生的兩束超聲波間的相位變化將更加突出。
還應注意的是，第一、第二超聲波發(fā)射器和第一、第二超聲波接收器并不需要固定在管線的壁里，因此允許超聲波以傾斜的方式入射，并且發(fā)射器和接收器在管線壁上的排布不會干擾其內(nèi)部流體的流動。


圖1是本發(fā)明一實施例的側(cè)面剖面圖。
圖2(A)示出了沒被包括在圖1測面剖面圖中的電路原理方框圖。
圖2(B)是沿著圖1中ⅡB-ⅡB線所取的垂直剖面圖。
圖3示出了描述渦旋發(fā)生器、卡門渦旋和超聲波發(fā)射裝置及接收裝置間的關系的示意圖。
圖4為兩束超聲波相位之間關系的波形示意圖。
圖5是當兩束超聲波的相位差轉(zhuǎn)換為電壓時，在該時點的電壓與相位差的特性曲線。
圖6是在先技術中的一種渦流流量計的方框圖。
圖7是在先技術中的一種渦流流量計的方框圖。
圖8是圖7中“A”部分的放大剖示圖，用于說明在先技術中的一種渦流流量計中所產(chǎn)生的超聲波的入射角。
以下將結合附圖描述本發(fā)明的最佳實施例。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例構成的渦流流量計的側(cè)面剖面圖。其展示的是管線6的內(nèi)側(cè)情況。如圖1所示，當流體由管線6的左側(cè)流向其右側(cè)時，渦旋發(fā)生器將在其下游處產(chǎn)生卡門渦旋。
圖2(A)是沿圖1中的ⅡA-ⅡA線所取的剖面圖，它集中描述了作為超聲波源的振蕩器1，超聲波發(fā)射器9a，10a，和分別用于接收相應的超聲波的超聲波接收器9b、10b，以及相位比較器11。在圖2(A)中流體應理解為以垂直于附圖平面的方向，從前面向后流動。
在圖2(B)中，示出了嵌入并固接在管線6的兩對安裝孔6a、6b、6c、6d中的超聲波發(fā)射器9a、10a和超聲波接收器9b、10b。被開鑿的各個安裝孔6a～6d均穿過管線6并朝向其橫截面的中心。由圖中可見，安裝孔6a、6c設置在同一直線的兩個位置上，而安裝孔6b、6d，被設置在另一條直線的兩個位置上。一組安裝孔6a、6c相對另一組安裝孔6b、6d成α角、朝向軸線P開鑿。
各超聲波發(fā)射器9a、10a和各超聲波接收器9b、10b的頂端部分9a1、9b1、10a1、10b1分別嵌入相應的安裝通孔6a、6d、6b、6c中，而其凸出于管線6的外園周上的直徑較大的部分9a2、9b2、10a2、10b2，用安裝螺栓(未畫出)牢固地安裝在管線6的外側(cè)園周上。超聲波發(fā)射器9a、10a，和超聲波接收器9b、10b的頂端部分9a110a1、9b110b1與流經(jīng)管線6的流體相接觸，并使其振蕩，故各頂端部分9a1、10a1、9b1、10b1的直徑應略小于各自安裝孔6a-6d的直徑，并且與各相應的安裝孔6a-6d呈松配合關系。
由于各安裝孔6a-ad，分別以朝向管線6的軸線P的方向穿過管線6而開鑿的，各超聲波發(fā)射器9a、10a和各超聲波接收器9b、10b彼此相向地配置在軸線P的兩側(cè)。由各超聲波發(fā)射器9a、10a、發(fā)射出的超聲波將被橫垮過軸線P的超聲波接收器9b、10b檢測。
還應給予注意的是，由于各個超聲波發(fā)射器9a、10a和超聲波接收器9b、10b彼此是面朝著管線6的軸線P，各頂端部分9a1、10a1、9b1、10b1的端部表面可以這樣構成，即按照確保它們不會在管線6的內(nèi)壁上有任何實質(zhì)上的凸出。更確切地說就是，各頂端部分9a1、10a1、9b1、10b1的端表面與管線6的內(nèi)壁基本上是齊平的。
這樣，流體就能帶有最小的影響，自各個超聲波發(fā)射器9a、10a，和各個超聲波接收器9b、10b以及它們的按裝孔6a～6d流經(jīng)管線6。從而可以降低對卡門渦旋所產(chǎn)生的影響，并且可以進一步地提高該渦流流量計的測量精度。
圖3是描述由渦旋發(fā)生器7在流體中產(chǎn)生的卡門渦旋、超聲波發(fā)射器9a、10a和超聲波接收器9b、10b之間的位置關系的模擬透視圖。在圖3中，虛線箭頭表示超聲波傳播的方向。由圖3可以看出，兩束超聲波是以相反的方向傳播并相交于軸線P處。由圖3還可以看出，卡門渦旋13a已經(jīng)穿過由超聲波發(fā)射器9a、10a發(fā)射出的兩束超聲波的傳播路線，而且下一個卡門渦旋13b正在到達這兩束超聲波的傳播路線上。
圖4(A)和圖4(B)示出了當卡門渦旋通過兩束超聲波傳播路線(如圖3所示)時，這兩束脈動超聲波的波形及其相位關系。
由圖3中可見，由于卡門渦旋13b具有與超聲波a的方向相同的取向分量，所以由超聲波發(fā)射器9a發(fā)射的超聲波a在相位上被推前了，而由于在卡門渦旋13b的該側(cè)向分量的相反方向上，發(fā)出的波束b，所以由超聲波發(fā)射器10a發(fā)射的超聲波b在相位上被推后了。
當卡門渦旋13b由圖3所示的位置的下游方向發(fā)出的，超聲波a的相位的超前率和超聲波b的相位的滯后率將會降低。當卡門渦旋的中心穿過這兩束超聲波的傳播路線時，超聲波a的相位推前和超聲波b的相位的滯后則均將為零。而當該卡門渦旋的后半部分穿過這兩束超聲波的傳播路線時，與上述情況相反，超聲波a的相位將被滯后而超聲波b的相位將被推前。由此可見，當一個卡門渦旋穿過兩束超聲波的傳播路線時，兩束超聲波a、b間的相位差將按某一正弦波的半周期的比率變化，用檢測超聲波束a、b間的相位差的這種變化的方法，可以檢測出卡門渦旋的發(fā)生，而通過在某一給定的時間內(nèi)對卡門渦旋的數(shù)目進行計算的方法，可以測量出該流體的流率。
當超聲波信號ab間的相位差變?yōu)镼時，相位比較器11將輸出與該相位差Q相對應的輸出電壓Vq。
圖5示出了兩束超聲波信號a、b間的相位差與相位比較器11的輸出電壓之間的關系。正如圖5所示，利用相位比較器11，在兩束超聲波ab間相位差的范圍內(nèi)，即從-360°到360°的范圍內(nèi)，該輸出電壓可以線性變化。
當被測流率的流體的溫度發(fā)生變化時，通過該流體所傳播的超聲波的相位也將發(fā)生相應的變化，但是，諸如溫度變化等等的外界因素對兩條不同路經(jīng)傳播的超聲波產(chǎn)生相同的影響。更確切地說，如果某一外界因素使某一超聲波的相位延遲時，而以相反方向被傳播的另一束超聲波的相位也將被相應地延遲。
在圖4(A)和4(B)中，分別用虛線示出的波形，表示由于諸如溫度變化等等的外界因素使以實線示出的原超聲波的相位產(chǎn)生延遲的情況。在這種情況下，如果由圖4(A)所示的波形a的相位的延遲量為φ，則由圖4(B)所示的波形b的相位也相應地被延遲了φ。而且，即使諸如溫度變化等等的外界因素發(fā)生變化，兩波形a、b間的相位差關系亦將基本上維持不變。在相位比較器11中，對兩信號a、b的相位進行比較，因而有可能只檢測出單純由卡門渦旋產(chǎn)生的相位變化。還應注意的是，由于是以變化相互被疊加的方式對兩束超聲波的相位進行檢測的，因而其能夠比在先技術中，僅采用一個超聲波發(fā)射器和一個超聲波接收器的裝置來檢測卡門渦旋，具有更高的靈敏度。
不難理解，盡管在上述實施例中，在管線壁上配置了孔洞，以使各超聲波發(fā)射器和各超聲波接收器以直接而對著該管線內(nèi)流動的流體的方式安裝，但發(fā)射器、接收器安裝于管線壁上的方式?jīng)Q不僅局限于上述的這種方式，各超聲波發(fā)射器和各超聲波接收器也可以利用緊固裝置，以不直接面對著流體通路的方式安裝在管線壁上。
還應注意的是，盡管在上述實施例中，被測流體中的兩束超聲波的傳播路線是以彼此相交且使卡門渦旋基本上同時穿過兩條超聲波路線的方式配置的，但本發(fā)明并非只局限于此，除此以外，如果由于某種設計上的限制，使得必須導用使卡門渦旋依次穿過這兩條超聲波的傳播路線的結構，(比如說圖1，則可以使超聲波發(fā)射器10a和超聲波接收器10b向下游方向移動幾個毫米，而超聲波發(fā)射器9a和超聲波接收器9b維持不動)，若配置上某種用于補償這一時間間隔的裝置，比如說一個超聲波信號滯后器，則亦可以獲得類似于上述實施例中所獲得的效果。
正如上面所述，根據(jù)本發(fā)明構成的渦流流量計，不需要采用具有較復雜的電路組件，如相位控制器等等，而以一種簡單的結構組成就可以減小由于諸如溫度變化、管線或泵的振動等等外界因素對超聲波相位變化的影響，并可以用比在先技術中的渦流流量計高得多的靈敏度來檢測卡門渦旋，因此本發(fā)明的渦流流量計，可以降低所使用的超聲波的頻率和輸出放大器的增益，并可以進一步簡化電路結構，從而降低功率消耗和運行費用。
根據(jù)本發(fā)明構成的渦流流量計，還可以進一步簡化第一、第二超聲波發(fā)射器和第一、第二超聲波接收器在管線上的安裝，因為它們相對于管線壁的安裝，不再需要以傾斜的方式，而且還可以實現(xiàn)可靠的測量，因為本發(fā)明所采用的安裝方式可以使其對流過管線的流體的影響為最小。
根據(jù)本發(fā)明構成的渦流流量計，還可以對在鄰近于管線中心處產(chǎn)生最強的也是最穩(wěn)定的渦旋進行檢測，因為橫過渦流的第一、第二超聲波傳播路線將不再需要垂直地分開配置，而且渦旋可以通過流體通路的橫截面的中心部分。
前面已描述了本發(fā)明的渦流流量計，但是很顯然，本領域的技術人員可以在不脫離本發(fā)明的發(fā)明實質(zhì)和范圍的條件下，制造出種種變型，因此，本發(fā)明的保護范圍并不局限于在本說明書中所描述的各種實施例。
權利要求
一種渦流流量計，包括以彼此相向方式配置在由管線壁限定的流動通路的兩側(cè)的超聲波發(fā)射裝置和超聲波接收裝置，由該超聲波發(fā)射裝置發(fā)射的超聲波，向通過管線的流體里傳播，并由所述的超聲波接收裝置接收，它適用于根據(jù)所述的超聲波接收裝置輸出的超聲波信號，因配置在所述的管線中的渦旋發(fā)生器所產(chǎn)生的渦旋而導致其相位的任何改變的檢測，來測量所述流體的流率，所述的渦流流量計的特征在于構成所述的超聲波發(fā)射裝置的第一、第二超聲波發(fā)射器配置在所述的渦旋發(fā)生器下游側(cè)的管線壁上，構成所述的超聲波接收裝置的第一、第二超聲波接收器分別配置在所述管線壁上，且分別與所述的第一、第二超聲波發(fā)射器相向配置，由所述的第一超聲波發(fā)射器到所述的第一超聲波接收器的第一超聲波傳播通路與由所述的第二超聲波發(fā)射器到所述的第二超聲波接收器的第二超聲波傳播通路按下述方式配置，即，使得它們彼此相交并且向相反方向延伸，并且由相位比較器對從所述的第一、第二超聲波接收器分別輸出的超聲波信號的相位進行比較，以便檢測出由所述的渦旋發(fā)生器產(chǎn)生的渦旋。
全文摘要
一種渦流流量計，包括若干超聲波發(fā)射器和接收由渦旋發(fā)生器產(chǎn)生了渦旋的流體傳來的超聲的超聲波接收器，用相位比較器對輸出信號進行比較，通過檢測超聲波因渦旋引起的相位差，來測量流體的流率。第一、二超聲波發(fā)射器位于渦旋發(fā)生器下游側(cè)壁上，第一、二超聲波接收器亦在管壁上與第一、二超聲波發(fā)射器相向配置，第一超聲波發(fā)射器到第一接收器的傳播通路與第二超聲波發(fā)射器到第二接收器的傳播通路彼此相交且向相反方向延伸。
文檔編號G01S13/50GK1038349SQ8810355
公開日1989年12月27日 申請日期1988年6月8日 優(yōu)先權日1988年6月8日
發(fā)明者稻田豊, 川崎一政, 西山繁, 吉博史 申請人:東機工株式會社