外夹式超声波流量计以及流量的计测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种流体计测技术，尤其涉及外夹式超声波流量计以及流量的计测方 法。
【背景技术】
[0002] 外夹式超声波流量计具有分别配置在配管的外侧的上游侧和下游侧的超声波传 感器。外夹式的流量计一般利用超声波，所以在以下的本说明书中，有时将"外夹式超声波 流量计"仅简称为"外夹式流量计"。外夹式流量计朝着在配管中流动的流体发送超声波， 基于从流体的上游至下游方向传播的超声波的传播时间、以及从下游至上游方向逆向传播 的超声波的传播时间，计算出在配管内流动的流体的流速以及流量（例如，参照专利文献 1。）。外夹式流量计具有如下优点：由于只要接触式地将超声波传感器设在配管的外侧即 可，所以无需在设置时切断配管，由于不与在配管内的空腔部流动的流体接触，所以测定对 象的流体可以是腐蚀性，对测定对象的流体的纯度没有影响，以及由于结构物不被插入配 管内，所以不会产生压力损失等。
[0003] 现有技术文献
[0004] 专利文献
[0005] 专利文献1欧洲专利第1173733号说明书
【发明内容】
[0006] 发明要解决的问题
[0007] 本发明将提供能正确地计测流体的流量的外夹式超声波流量计以及流量的计测 方法作为目的之一。在此，流体包括气体以及液体。
[0008] 用于解决课题的手段
[0009] 根据本发明的形态，提供一种外夹式超声波流量计，其具有：(a)第一超声波传感 器，其使第一超声波信号以超过临界角的角度入射至流体流动的配管，并使倏逝波在配管 的管壁产生；(b)第二超声波传感器，其被配置在能够接收第一超声波信号的位置，使第二 超声波信号以与第一超声波信号的入射角度相同的角度入射至配管，并使倏逝波在配管的 管壁产生；以及（c)流量算出部，其基于第一超声波信号经由配管内到达第二超声波传感 器为止的第一时间、以及第二超声波信号经由配管内到达第一超声波传感器为止的第二时 间，计算出配管内的流体的流速以及/或者流量。
[0010] 根据本发明的其他形态，提供一种流量的计测方法，包括如下步骤：(a)使第一超 声波信号以超过临界角的角度从第一超声波传感器入射至流体流动的配管，并使倏逝波在 配管的管壁产生；使第二超声波信号以与第一超声波信号的入射角度相同的角度从第二超 声波传感器入射至配管，并使倏逝波在所述配管的管壁产生，所述第二超声波传感器被配 置在能够接收第一超声波信号的位置；以及基于所述第一超声波信号经由所述配管内到达 所述第二超声波传感器为止的第一时间、以及第二超声波信号经由配管内到达第一超声波 传感器为止的第二时间，计算出配管内的流体的流速以及/或者流量。
[0011] 发明的效果
[0012] 根据本发明，能够提供一种能正确地计测流体的流量的外夹式超声波流量计以及 流量的计测方法。
【附图说明】
[0013]图1是本发明的实施形态所涉及的外夹式流量计的示意性的截面图。
[0014]图2是本发明的实施形态所涉及的外夹式流量计的示意性的截面图。
[0015]图3是本发明的实施形态所涉及的外夹式流量计的示意性的截面图。
[0016]图4是本发明的实施形态所涉及的外夹式流量计的示意性的截面图。
[0017]图5是现有技术所涉及的外夹式流量计的示意性的截面图。
[0018] 图6是本发明的实施形态所涉及的超声波波包（y卜）的图表。
[0019]图7是本发明的实施例所涉及的超声波波包的图表。
[0020] 图8是本发明的实施例所涉及的超声波波包的图表。
【具体实施方式】
[0021] 以下对本发明的实施形态进行说明。在以下的附图的记载中，对于同一或者类似 的部分以同一或者类似的符号来表示。但是，附图都是示意性的图。因此，具体的尺寸等应 该参照以下的说明来进行判断。又，当然附图相互之间也包含了相互的尺寸关系、比率不同 的部分。
[0022] 如图1以及图2所示，实施形态所涉及的外夹式流量计具有：第一超声波传感器 101，其使第一超声波信号以超过临界角的角度ewll入射至流体流动的配管1〇,并使倏逝 波在配管10的管壁产生；以及第二超声波传感器102,其被配置在能够接收第一超声波信 号的位置，使第二超声波信号以与第一超声波信号的入射角度0wll相同的角度0 "2入射 至配管10,并使倏逝波在配管10的管壁产生。流体是指气体或者液体。
[0023] 第一超声波传感器101被配置于在配管10内流动的流体的上游侧，第二超声波传 感器102被配置在下游侧。从第一超声波传感器101发出的第一超声波信号经由配管10 由第二超声波传感器102接收。从第二超声波传感器102发出的第二超声波信号经由配管 10由第一超声波传感器101接收。例如，第一超声波传感器101和第二超声波传感器102 被交替地施加驱动信号，交替地发出超声波信号。
[0024] 第一超声波传感器101以及第二超声波传感器102与中央处理装置（CPU) 300电 连接。CPU300包括：对第一超声波信号从第一超声波传感器101发出之后经由配管10内到 达第二超声波传感器102为止的第一时间、以及第二超声波信号从第二超声波传感器102 发出之后经由配管内到达第一超声波传感器101为止的第二时间进行计测的时间计测部 301;以及基于第一时间和第二时间，计算出配管10内的流体的流速以及/或者流量的流量 算出部302。
[0025] 第一超声波传感器101具有：例如，发出第一超声波信号的第一振子1 ;以及被配 置在配管10的外表面上，以使第一超声波信号以超过临界角的角度0wll向配管10入射的 第一楔形体11。同样地，第二超声波传感器102具有：例如，发出第二超声波信号的第二振 子2 ;以及被配置在配管10的外表面上，以使第二超声波信号以超过临界角的角度0 wl2向 配管10入射的第二楔形体12。配管10是由例如不锈钢等的金属材料构成的金属配管。第 一楔形体11以及第二楔形体12由例如聚醚酰亚胺等塑料等的合成树脂等构成。
[0026] 超声波在各向同性的固体内传播的情况下，纵波和横波这两种平面波能够传播， 其被称为体波（bodywave)。纵波和横波分别按照斯涅尔定律在两个介质的界面折射。设 第一超声波传感器101以及第二超声波传感器102的第一楔形体11以及第二楔形体12中 的超声波的声速为cw、配管10的管壁中的超声波的声速为cP，相对于第一楔形体11与配管 10的界面的自第一楔形体11的入射角为0Wll，相对于第二楔形体12与配管10的界面的 自第二楔形体12的入射角为0Wl2，向配管10的管壁的出射角为0P的话，则根据斯涅尔定 律，满足以下的式（1)。
[0027] sin(0Wll)/cw
[0028] =sin( 0wi2)/cw
[0029] =sin(9p)/cP (1)
[0030] 因此，入射角9 ￥的临界角9。由以下的式（2)求得。
[0031] 0 c=sin1 (cWil/cP)
[0032] =sin1 (cWi2/cP) (2)
[0033] 在超声波的入射角超过临界角0。的情况下，超声波在界面全反射，平面波不会从 第一楔形体11以及第二楔形体12向配管10的管壁内传播。一般来说，由于与纵波相比， 横波的临界角更大，所以在入射角超过横波的临界角的情况下，纵波和横波都不能作为平 面波向配管10的管壁内传播。此时，配管10的管壁内的声场在与界面垂直的方向上呈指 数衰减，在与界面平行的方向上为具有周期性的波动。将该声场称为倏逝波。倏逝波的能 量沿着与界面垂直的方向从界面集中到波长左右的范围，不会进行更深的渗透（例如，参 照《超声波用语辞典》，2005年，工业调查会，27页。）。
[0034] 例如，在配管10由不锈钢（SUS304)构成的情况下，纵波的声速为5780m/s，横波 的声速为3141m/s。因此，在由SUS304构成的配管10的管壁内，例如1MHz的超声波的纵 波的波长为5. 8_，横波的波长为3. 1_。由此，如果管壁的厚度为数毫米左右的话，则在配 管10的外表面侧