TW577978B - Doppler-type ultrasonic flowmeter - Google Patents

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577978 A7 B7 經濟部智慧財產局8工消費合作社印製 五、發明説明（4) 變成無法測定。例如：在於L形配管或者U字型的反轉配 管之類的彎管的正後方處，流體的流動因離心力作用而變 成三次元的流動，在於這種場所，即使設置了傳統的流量 計也無法正確地測定出流量。 因此，本發明人等乃在於日本特願平10-272359號專利 申請案的說明書中提出一種利用超音波的都卜勒偏移法來 測定被測定流體的流量時，即使是對於非定常狀態的流動 ’亦可用依存時間的方式，正確且高精度地以非接觸的方 法來進行測定的都卜勒式超音波流量計。 這種都卜勒式超音波流量計是應用：從流經流體配管 內的被測定流體的瞬間的流速分布來算出直接流量的方法 ’被認爲是對於被測定流體的流量測定具有很高的精度以 及快速回應性。 【本發明所欲解決的課題】 即使是傳統的都卜勒式超音波流量計，也是被期待能 夠很簡單地測定流經流體配管內的被測定流體的流量，且 具有很大的泛用性。 爲了以都卜勒式超音波流量計很順暢地測定流經各種 流體配管內的被測定流體的流速，即使對於各種管壁厚度 的流體配管也必須充分地確保超音波的穿透效率，以確保 充分的反射波的S/N比。 傳統的都卜勒式超音波流量計，是藉由改變金屬壁白勺 厚度來調查超音波穿透金屬壁的穿透特性，以便設定出最 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -7 - 577978 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（5) 適當的流體配管的厚度。 然而，如果要將都卜勒式超音波流量計應用到實際的 測定時，根本不可能去將流體配管的厚度做各種的改變， 所以必須針對於每一種流體配管預先準備好具有最適當的 超音波穿透特性的超音波流量計，如此一來，就降低了其 泛用性。 本發明是有鑒於上述的問題點而開發完成的，其主要 目的是在於提供一種可簡單容易且以非接觸的方式正確且 高精度地測定出流經過各種流體配管內的被測定流體的流 量之高泛用性的都卜勒式超音波流量計。 本發明的另一目的是在於提供一種可自動選定對於流 體配管的各種管壁厚度產生共鳴性穿透現象的超音波的最 適頻率或者超音波的最適入射角度，而可利用超音波的都 卜勒偏移現象來正確且高精度地測定被測定流體的流量的 都卜勒式超音波流量計。 此外，本發明的另一目的是在於提供一種即使是針對 於無法適用光學方式的流量測定方法的不透明或半透明的 液體，也可以正確且高精度地測定流量的都卜勒式超音波 流量計。 此外，本發明的另一目的是在於提供一種即使流體配 管內產生迴旋流、或者與配管不平行的流動的情況，也可 以正確且高精度地測定流經過流體配管內的被測定流體的 都卜勒式超音波流量計。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -8 - 577978 A7 ___B7 五、發明説明（6) 【發明內容】 【用以解決課題之手段】 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明的都卜勒式超音波流量計，爲了解決上述的課 題’是具備有：從超音波訊號電測轉換器將超音波脈衝入 射到流經流體配管內的被測定流體的超音波發訊手段；和 可接收被入射到被測定流體的超音波脈衝之中的從流體配 管內的測定區域所反射的超音波回聲，以測定上述測定區 域中的被測定流體的流速分布的流速分布測定手段；和依 據上述被測定流體的流速分布計算出被測定流體的流量的 流體流量運算手段；和可自動選擇出從超音波訊號電測轉 換器震盪之可對於上述流體配管的管壁產生共鳴性的穿透 現象的超音波的基本頻率的頻率選擇設定手段，而且這個 頻率選擇設定手段係以令超音波訊號電測轉換器震盪出所 選擇的最適頻率的方式來控制上述超音波發訊手段的作動 〇 經濟部智慧財產局8工消費合作社印製 又，爲了解決上述的課題，本發明的都卜勒式超音波 流量計的較佳實施形態之中，震盪頻率選擇設定手段係可 自動地調節設定從超音波訊號電測轉換器震盪的超音波脈 衝的震盪頻率，並且是以超音波半波長的整數倍剛好成爲 流體配管的管壁厚度的方式，來選擇超音波脈衝的震盪頻 率，而且，震盪頻率選擇設定手段係具備有··可令超音波 訊號電測轉換器震盪出所需的震盪頻率的超音波的震盪用 放大器；和可改變地調節設定這個震盪用放大器的震盪頻 率的震盪頻率可變裝置；和可在預先指定的頻率範圍內令 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -9 - 577978 A7 _____ B7__ 五、發明説明（7 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 震盪頻率可變裝置作動的頻率範圍設定手段；和用來接收 從上述超音波訊號電測轉換器所震盪的超音波脈衝之中的 由流體配管內的測定區域反射的超音波回聲的超音波接收 手段；和用以抽出所接收到的超音波回聲的強度，並將其 記憶起來的反射波強度抽出手段，震盪頻率選擇設定手段 係可反覆地執行震盪頻率的抽出選定操作，以自動地選擇 出超音波的最適頻率。 此外，都卜勒式超音波流量計又具備有：可調節設定 從超音波訊號電測轉換器被入射到被測定流體內的超音波 脈衝的入射角度的入射角度調節設定手段，這個入射角度 調節設定手段是以讓超音波脈衝成爲可對於流體配管的管 壁產生共鳴性的穿透現象的入射角度的方式，將超音波訊 號電測轉換器可調節設定地設在流體配管上，而且是組合 了頻率選擇設定手段與入射角調節設定手段而成的。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 另外，本發明的都卜勒式超音波流量計爲了要解決上 述的課題，係具備有：從超音波訊號電測轉換器將超音波 脈衝入射到流經流體配管內的被測定流體的超音波發訊手 段；和接收被入射到被測定流體的超音波脈衝之中的從流 體配管內的測定區域所反射的超音波回聲，以測定上述測 定區域中的被測定流體的流速分布的流體速度分布測定手 段；和依據上述被測定流體的流速分布計算出被測定流體 的流量的流體流量運算手段；和用以調節設定從超音波訊 號電測轉換器被入射到被測定流體內的超音波脈衝的入射 角度的入射角調節設定手段，這個入射角調節設定手段是 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐1 " -10- 577978 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（8) 以讓超音波脈衝成爲可對於流體配管的管壁產生共鳴性的 穿透現象的入射角度的方式，將超音波訊號電測轉換器可 調節設定地設在流體配管上。 此外，入射角調節設定手段也可以是具備有：從外側 設置於流體配管上的超音波訊號電測轉換器；和可調節設 定從這個超音波訊號電測轉換器所震盪的超音波脈衝的入 射角度的入射角變換機構；和可在預先指定的入射角區域 的範圍內令上述入射角變換機構作動的入射角區域設定手 段；和用來接收從上述超音波訊號電測轉換器所震盪的超 音波脈衝之中的由流體配管內的測定區域反射的超音波回 聲，並且抽出超音波回聲的強度，並將其記憶起來的反射 波強度抽出手段，前述入射角調節設定手段可反覆地執行 超音波脈衝入射角度的抽出選定操作以自動地選擇出最適 的超音波脈衝入射角度。又，超音波訊號電測轉換器是可 自由調節安裝角度地被設在流體配管的外側，藉由入射角 變換機構來選擇上述超音波訊號電測轉換器的安裝角度， 藉此，亦可調節設定從超音波訊號電測轉換器所震盪的超 音波脈衝的入射角度。 此外，本發明的都卜勒式超音波流量計，爲了解決上 述課題，係具備有：設在流體配管上的第一超音波訊號電 測轉換器；和被設置成在於流體配管的軸方向上與這個第 一超音波訊號電測轉換器分開的第二超音波訊號電測轉換 器；和可令第一超音波訊號電測轉換器相對於第二超音波 訊號電測轉換器前進/後退的超音波訊號電測轉換器移動 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -11 - 577978 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（9) 機構，將上述兩個超音波訊號電測轉換器設置成由兩者所 震盪的超音波脈衝在於流體配管內的測定區域內呈垂直相 交，並且具備有：可分別接收來自於第一和第二超音波訊 號電測轉換器所震盪的超音波脈衝之從流體配管內的測定 區域所反射的超音波回聲的反射波接收器；和可分別從各 反射波接收器所接收到的超音波回聲強度計算出超音波測 定線方向的速度向量的速度向量計算手段；和可從各速度 向量計算手段所計算出來的速度向量的向量和値，計算出 被測定流體的流速向量的流速向量計算手段，而可以從流 速向量計算手段所計算出來的流體配管內的測定線方向的 流速分布計算出被測定流體的流量。 如上所述，本發明的都卜勒式超音波流量計中，係設 置有：可自動地選擇設定從超音波訊號電測轉換器所震盪 的超音波脈衝的震盪頻率的頻率選擇設定手段；或者，可 將從超音波訊號電測轉換器所震盪的超音波脈衝的入射角 度選擇設定成最適角度的入射角調節設定手段，所以可自 動地設定：對於流體配管的管壁厚度產生共鳴性的穿透現 象的超音波的最適頻率和最適入射角度，不必再針對於各 種流體配管的每一種都設置最適合的超音波訊號電測轉換 器，因此具有很高的泛用性，可以簡單容易，以非接觸的 狀態正確且高精度地測定出流經流體配管內的被測定流體 的流量。 又，本發明的都卜勒式超音波流量計係可利用超音波 的都卜勒偏移現象來正確且高精度地測定出被測定流體的 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -12- 577978 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（1C) 流量，即使是光學方式的流量測定手段所無法測定的不透 明或半透明的流體，或者，在流體配管內產生迴旋流、渦 流、非平行流動的流體也能夠正確且高精度地測定出被測 定流體的流量。 此外，本發明的上述或者其他的構成方式以及特徵， 將可以從後述的實施形態的記載以及附圖當中獲得更爲明 確的理解。 【發明之實施形態】 茲佐以圖面，說明本發明的都卜勒式超音波流量計的 實施形態如下。 第1圖是顯示本發明的都卜勒式超音波流量計的第一 實施形態的圖。都卜勒式超音波流量計10是用來測定流經 流體配管Π內的液體、氣體等等的被測定流體1 2的流速 分布，利用時間上的互相依存關係，可瞬間地測定出流量 都卜勒式超音波流量計1 0是具備有：可以非接觸的方 式來測定出流經流體配管11內的被測定流體1 2的流速的 超音波速度分布測定單元（以下，簡稱爲UVP單元）1 3。 而該UVP單元13則是具備有：沿著測定線ML將所需的頻 率（基本頻率f。）的超音波脈衝發訊給被測定流體1 2的超 音波發訊手段1 5 ;和接收來自於被入射到被測定流體1 2的 超音波脈衝的測定區域的反射波也就是超音波回聲，以測 定出測定區域中的被測定流體1 2的流速分布的流速分布測 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2⑴X297公釐） -13- 577978 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（11) 定手段1 6 ;和依據被測定流體1 2的流速分布做運算處理， 並且進行半徑方向的積分之可作爲利用時間上的互相依存 關係來計算出被測定流體1 2的流量之流體流量運算手段的 微電腦、CPU、MPU等等的電腦17 ;和可將來自於這個電 腦17的輸出以時序方式顯示出來的顯示裝置18 ;和可自動 選定出流經流體配管11的被測定流體1 2的最適（最佳） 頻率的超音波的頻率選擇設定手段19。 超音波發訊手段15是具備有：可震盪出所需頻率的超 音波脈衝的超音波訊號電測轉換器20 ;和作爲可令這個超 音波訊號電測轉換器20震盪的訊號產生器之震盪用放大器 21。震盪用放大器21是具備有：可產生所需的基本頻率f〇 的電氣訊號的震盪器23 ;和每間隔預定的時間（1/Frpf)就 將來自於這個震盪器23的電氣訊號輸出成脈衝狀的發射器 24 (頻率Frpf)，從這個訊號產生器也就是震盪用放大器 21將所需的基本頻率f。的脈衝電氣訊號輸入到超音波訊號 電測轉換器20。 藉由施加脈衝電氣訊號到超音波訊號電測轉換器20， 可令其沿著測定線ML發訊出基本頻率f。的超音波脈衝。 超音波脈衝是例如：脈衝寬度5mm程度之幾乎不會擴散的 具有直進性的脈衝波束。 超音波訊號電測轉換器20係兼作爲發訊收訊器，超音 波訊號電測轉換器20係可接收其所發出的超音波脈衝打到 流體中的反射體而被反射回來的超音波回聲。反射體就是 被測定流體1 2中均勻地含有的氣泡、金屬的微粉末等等的 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -14- 577978 經濟部智慧財產局8工消費合作社印製 A7 ΒΊ五、發明説明（ 粒子、或者具有與被測定流體12不同的音響阻抗的異物。 被超音波訊號電測轉換器20所接收到的超音波回聲係 由反射波接收器27來收訊，並以這個反射波接收器27將 其轉換成回聲電氣訊號。這個回聲電氣訊號受到放大器28 放大之後，再透過A/D轉換器29進行數位處理，這個數位 回聲訊號再被輸入到構成流體速度分布測定手段的流速分 布測定電路3 0。來自於震盪用放大器21的基本頻率f〇的電 氣訊號先被數位化之後，才被輸入到流速分布測定電路30 ，而流速分布測定電路30則是從兩種訊號的頻率差値測定 出依據都卜勒偏移現象的流速的變化，並且計算出沿著測 定線ML的測定區域的流速分布。再以傾斜角α來校正測定 區域的流速分布，即可測定出流體配管11的橫斷面上的流 速分布。 另外，至於超音波訊號電測轉換器20所震盪出來的超 音波脈衝的基本頻率f〇，則是利用頻率選擇設定手段19來 選擇出可對於流體配管11的管壁厚度產生共鳴性穿透現象 的最適値。本發明人發現了一種創見，就是當流體配管1 1 的管壁厚度剛好是超音波的基本頻率f〇的1/2或者其整數 倍的時候，超音波的金屬壁穿透特性非常高。 基於這種創見，就在於這個都卜勒式超音波流量計1 0 中組裝了 ：不必改變流體配管1 1的管壁的厚度，而是可對 於各種流體配管11自由且自動地選擇出產生共鳴性穿透現 象所需的基本頻率“的頻率選擇設定手段19。 這個頻率選擇設定手段1 9是具備有：可令超音波訊號 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -15- 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 577978 A7 _B7 五、發明説明（θ 電測轉換器2 0震盪出所需的震盪頻率（基本頻率“）的超 音波的震邊用放大器21 ;和可改變地調節設定這個震邊用 放大器21的震盪頻率的震盪頻率可變裝置31 ;和可在於預 先指定的範圍內例如：200kHz〜4MHz的頻率範圔內，令這 個震盪頻率可變裝置3 1作動的基本頻率區域設定手段3 2 ; 和作爲可接收被前述流體配管11內的測定區域所反射的超 音波回聲的超音波收訊手段的反射波接收器27 ;和具有可 將收訊到的超音波回聲訊號以放大器28放大之後，抽出超 音波回聲的強度，並將其記憶起來的記憶體的反射波強度 抽出手段33 ;和具有可顯示出被這個反射波強度抽出手段 3 3所抽出且被記憶的反射強度（超音波回聲強度）的反射 強度顯示功能的顯示裝置1 8。 因此，頻率選擇設定手段19雖然可利用震盪用放大器 2 1令超音波訊號電測轉換器20震盪，以令其震盪出超音波 脈衝，但是，震盪用放大器21的震盪頻率f〇則是取決於震 盪頻率可變裝置31的輸出訊號。震盪頻率可變裝置31係 可在於由基本頻率區域設定手段32所預先設定的頻率區域 範圍內，可自由改變地設定震盪用放大器21的震盪頻率。 頻率選擇設定手段1 9係藉由反射波強度抽出手段33 以及震盪頻率可變裝置31等的共同作用，反覆地執行超音 波的震盪頻率的抽出選擇操作，而得以自動地選擇並設定 出對於流體配管11的管壁厚度產生共鳴性穿透現象的超音 波的最適頻率。 一旦，超音波的最適頻率被選擇及設定之後，即可依 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29*7公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-16- 577978 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（ 據來自於震盪頻率可變裝置31的輸出訊號來決定出震盪用 放大器21的震盪頻率，利用這個震盪用放大器21令超音 波訊號電測轉換器20震盪，而從超音波訊號電測轉換器20 將最適頻率所需的基本頻率f〇的超音波脈衝發訊到流體配 管11內。 因爲是從超音波訊號電測轉換器20發訊出最適頻率的 超音波脈衝，所以可確保充分的反射波的S/N比，可大幅 地取得反射波也就是超音波回聲的訊號。爲了大幅地取得 超音波回聲訊號，選擇出對於流體配管1 1的管壁厚度（測 定線ML方向的管壁厚度）產生共鳴性穿透現象的超音波的 基本頻率f。的工作是非常地重要。 如果流體配管11的管壁厚度是超音波半波長的整數倍 的話，即可藉由共鳴效果，使得流體配管11的界面上的超 音波穿透率明顯增加，超音波穿透率增大的結果，也會使 得來自於被測定流體1 2的反射體的反射波也就是超音波回 聲訊號增大。 因此，利用頻率選擇設定手段19來選擇出由超音波訊 號電測轉換器20所震盪出來的超音波脈衝的震盪頻率之中 的對於流體配管11的管壁厚度之最適的基本頻率f〇的話， 在於超音波路徑（測定線ML方向的行走路徑）中的衰減量 會變小，而且在於流體配管11的界面的超音波穿透率會增 加，所以可獲得充分的反射波強度。 此外，在於第1圖中，圖號3 5是代表：可讓超音波訊 號電測轉換器20所震盪的超音波順暢地傳達到流體配管11 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X公釐） -17- 577978 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（1与 內的接觸媒體。設置接觸媒體35之目的是要降低從超音波 訊號電測轉換器20震盪後入射到流體配管11內的音響阻 抗而使得音響轉換（s 〇 u n d s w i t c h i n g )效果更好。 此外，在於第一實施形態中，雖然是採用反射波接收 器27來接收超音波脈衝的反射波也就是超音波回聲，但是 並不一定需要單獨設置反射波接收器27，也可以將反射波 接收器內藏在超音波訊號電測轉換器20的收訊功能中。 其次，佐以第2 (2(A)、2(B)、2(C))圖說明都 卜勒式超音波流量計10的作動原理。 如第2圖（A )所示，在於將超音波訊號電測轉換器20 設置成對於流體配管11的輸送方向也就是被測定流體1 2 的流動方向傾斜α角度的狀態下，從超音波訊號電測轉換 器20將所需的基本頻率f。的超音波脈衝入射進去的話，這 個超音波脈衝將會撞擊到測定線ML上的被測定流體12中 呈均勻分布的氣泡、異物等等的反射體，並且如第2圖（B ) 所示般地，變成反射波也就是超音波回聲而回到超音波訊 號電測轉換器20。此外，在第2圖（B )中的圖號b是代表 在超音波脈衝入射側的管壁所反射的多重反射回聲，圖號c 是代表在反射側管壁所反射的多重反射回聲。從超音波訊 號電測轉換器20所發訊的超音波脈衝的發訊間隔是1/Frpf 〇 然後，將超音波訊號電測轉換器20所發訊的回聲訊號 進行濾波處理，再利用都卜勒偏移法沿著測定線ML來測定 出流速分布的話，即可獲得如第2圖（C )所示的分布曲線。 本紙張尺度適财關家縣（CNS ) A4規格（210X297公釐) ~ ' -18- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 577978 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（1乃 心相隔距離1·處的角度0的管軸方向的速度成分。 依據數式（2)，都卜勒式超音波流量計10可以瞬間例如 :50微秒〜100微秒程度的回應速度就獲得被測定流體12 的流速的空間分布情形。即使被測定流體1 2是流體配管11 內的流動體，如果是無法取得充分的助跑區間的時候，或 者因爲閥門的開閉、泵浦的啓動•停止等原因，而存在著 時間性的變動的時候，流體的流動是非定常狀態而具有三 次元的分布，但是，本發明的這種都卜勒式超音波流量計 10係可以利用時間上的依存性，瞬間就計算出測定區域的 流速分布，所以無論被測定流體12的流量是處於定常狀態 或者非定常狀態，都可以正確且高精度地計算出來。 此外，使用本發明的都卜勒式超音波流量計10進行了 從超音波訊號電測轉換器20所震盪出來的超音波的穿透特 性的確認試驗。 第3圖就是顯示超音波的壁面穿透特性的試驗結果。 這個試驗中所採用的都卜勒式超音波流量計1 0是可在 於200kHz〜數MHz例如2 MHz爲止的範圍內，每次以5 kHz的刻度，由頻率選擇設定手段19自動地調節設定從超 音波訊號電測轉換器20所震盪的超音波的基本頻率者。 超音波的壁面穿透試驗是將不銹鋼埋進到直徑250mm 的壓克力材質的配管的某一部份當中，將超音波訊號電測 轉換器20設置在這個不銹鋼壁的外部而射入超音波，並且 改變基本頻率來調查來自於壓克力配管對向側的壁面的超 音波的反射強度者。第3圖中顯示出：以每一次5 kHz的 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -20- 577978 經濟部智慧財產局8工消費合作社印製 A7 _ B7__五、發明説明（1弓 刻度改變基本頻率時的反射波的穿透強度曲線h、i、j。 在於超音波的壁面穿透試驗中，是準備了三種類的不 錄鋼的管壁厚度’分別是9.5mm;11.5mm; 13mm。第3圖係 顯示出管壁厚度9.5mm的不銹鋼的超音波的壁面穿透試驗 例。橫軸表示超音波的基本頻率f。，縱軸表示來自於對向 壁的超音波的反射強度。所採用的三種類的超音波訊號電 測轉換器的特性頻率是0·25ΜΗζ ; 0.5MHz以及1MHz，其穿 透強度曲線分別以圖號h、i、j來表示。 另外，在第3圖中，箭頭1、m、η係分別表示超音波 的震盪頻率的波長與不銹鋼的管壁厚度的關係，是從超音 波波長較低的這一側起，顯示不銹鋼的管壁厚度的1 /2倍； 1倍；以及3/2倍的頻率位置。 由第3圖可知，使用例如1 MHz的超音波訊號電測轉換 器的情況下，配合不銹鋼配管的管壁厚度將基本頻率設定 爲約9 1 0 kHz來進行測定流量的話，可獲得良好的超音波的 穿透特性。可看出頻率的穿透強度曲線j在於箭頭η的位置 具有很高的反射波的穿透強度。 其次，依據第3圖所示的超音波的穿透特性，準備了 管壁厚度9.5mm的含碳鋼（內徑150mm)的流體配管，使 用特性頻率1MHz的超音波訊號電測轉換器20，利用頻率 選擇設定手段19將超音波訊號電測轉換器20所震盪的基 本頻率f〇選擇設定在9 1 0kHz，然後測定被測定流體的流速 分布。 將這個測定試驗所獲得的被測定流體的時間平均流速 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -21 - 577978 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _B7五、發明説明（θ 分布結果顯示於第4圖。被測定流體的流速分布的測定點 是位於60mm〜150mm處。在於較之含碳鋼的流體配管的管 中心部更靠近前方側（0mm〜60mm的範圍），因爲管壁內 部的超音波的反射，而難以獲得充分的流速分布，但是， 在於較之管中心部更爲後方側的測定區域處，被測定流體 1 2的流速分布上，不會出現有壁面的影響，可以獲得比較 平順的平均流速分布曲線〇。 再依據這個平均流速分布曲線0，將平均流速分布曲 線在於流體配管11內的範圍進行積分，藉此，即可高精度 且以非接觸狀態來測定出流經流體配管1 1內的被測定流體 1 2的流量。 第5圖係顯示本發明的都卜勒式超音波流量計的第2 實施形態的圖。 這種實施形態所示的都卜勒式超音波流量計10A並不 是選定被射入到流體配管1 1內的超音波脈衝的最適頻率， 取而代之，是以改變流體配管11的管壁厚度使其產生共鳴 性的穿透現象的做法，來作爲提高反射波的S/N比的方法 〇 但是，實際上要改變流體配管1 1的管壁厚度的做法並 不太可能，所以乃採用改變超音波訊號電測轉換器20的安 裝角度的做法，當作與改變流體配管！丨的管壁厚度同等效 果的做法。 第2實施形態中，是利用入射角調節設定手段4〇來調 節設定從超音波訊號電測轉換器20震盪出來的超音波脈衝 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -22- 577978 A7 __ B7_ 五、發明説明（2〇 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 的入射角度α ’而可自動地選定出適合流體配管u的管壁 厚度的超音波的入射角度。其他與第丨實施形態所示的都 卜勒式超音波流量計1 〇相同的構件都標示相同的圖號，並 且省略其說明。 第5圖所不的都卜勒式超音波流量計1 〇 a，是設置有入 射角調節設定手段40來取代頻率選擇設定手段丨9。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 入射角調節設定手段40是具備：被設置在流體配管11 的外側之可自由調節安裝角度的超音波訊號電測轉換器20 ;和可調節設定由這個超音波訊號電測轉換器20所震盪的 超音波的入射角度α的入射角變換機構41 ;和可在於預先 指定的入射角區域的範圍內，例如：在於入射角度α爲5 度〜45度的角度區域寬度的範圍內進行變化地，令入射角 變換機構4 1作動的入射角區域設定手段43 ;和可接收從前 述流體配管11內的測定區域反射的超音波回聲並且抽出超 音波回聲的強度，加以記憶起來的反射波強度抽出手段44 ，被該反射波強度抽出手段44所抽出和記憶的超音波回聲 的強度則是由具備反射波強度顯示功能的顯示裝置1 8顯示 出來。 前述入射角調節設定手段40是可令入射角變換機構4 1 在於超音波的入射角度α約5度〜45度的範圍進行變化的 機構，然後再根據從這個入射角變換機構41所輸出的訊號 ，可自動地將超音波訊號電測轉換器20的安裝角度調整設 定成最適値。超音波訊號電測轉換器20的安裝角度，係根 據從入射角變換機構41所輸出的輸出訊號，驅動例如：步 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） -23 - 577978 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（21) 進馬達46之類的安裝角度變更調整機構，而可自由變化地 調整設定超音波訊號電測轉換器20的安裝角度。 從超音波訊號電測轉換器20所震盪的超音波的入射角 度是與流體配管11的管表面的垂直線或垂直面之間所形 成的角度。從超音波訊號電測轉換器20所震盪的超音波的 入射角度α是由入射角調節設定手段40設定成可對於流體 配管11的管壁厚度產生共鳴性穿透現象的最適角度。 入射角調節設定手段40是根據來自於入射角變換機構 4 1的輸出訊號，以約5度〜45度程度的入射角的角度範圍 內來改變從超音波訊號電測轉換器20所震盪的超音波的入 射角度，並且利用反射波強度抽出手段44抽出反射波強度 且加以記憶起來。被反射波強度抽出手段44所記憶的反射 波強度係由顯示裝置1 8所顯示，同時，入射角調節設定手 段40則反覆地執行超音波的入射角度的抽出選擇操作而可 自動地選定出超音波脈衝的最適的入射角度。 藉由以入射角調節設定手段40來將從超音波訊號電測 轉換器20所震盪的超音波脈衝的入射角度調節設定成最適 的入射角度，可以達成與物理性地改變流體配管11的管壁 厚度同等的效果，所以利用從超音波訊號電測轉換器20所 震盪的超音波脈衝，可正確且高精度地測定出流過流體配 管1 1內的被測定流體1 2的流速分布以及流量。 如果改變從超音波訊號電測轉換器20所震盪的超音波 脈衝的入射角度（進入角度）的話，物質內的傳播距離也 就是流體配管11內的超音波的傳播距離也會改變。藉由將 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（21〇χ297公釐） -24- 577978 A7 B7 五、發明説明（2$ 的方向的流動Vi·、νθ的話，就變成Vx > > Vi·，Vx > > Ve ，而可簡化流量的測定工作變成以下列數式表現出來。 m(t) 5= V · ^x(r ·θί-i)/sina \r^dr —NJ_R ……數式（3) 以這種方式求出來的被測定流體1 2的流量可利用顯示 裝置1 8根據時間上的依存關係瞬間就顯示出來。這個顯示 裝置1 8也可以顯示出沿著流體配管11內的測定線ML的被 測定流體1 2的流速分布或位於配管橫斷面上的流速分布。 第6圖〜第8圖係顯示本發明的都卜勒式超音波流量 計的第3實施形態。 這個實施形態所示的都卜勒式超音波流量計10B係如 第6圖所示般地利用都卜勒頻率計算出流經流體配管11內 的被測定流體1 2的超音波入射角度（進入角度）方向的速 度成分V2，再從所計算出來的速度成分V2利用線測定法 求出沿著測定線ML的流速分布，以計算出被測定流體1 2 的流量。 這種都卜勒式超音波流量計10B是從都卜勒頻率計算 出沿著超音波路徑方向（測定線ML )的速度向量V2，再 將這個速度向量V2除以sina，即可計算出沿著流體配管 11的軸方向的速度向量V1。 這種都卜勒式超音波流量計10B，當被測定流體12的 流動並不是與流體配管11呈平行的情況，也就是說，流體 配管11內發生了迴旋流或者在於流體配管11內部發生了 非平行流動的時候，就無法計算出正確的流速。例如：如 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） l·— n u n ϋ n m - _ n (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -26- 577978 A7 B7 經濟部智慧財產局S工消費合作社印製 五、發明説明（24 第7圖所示般地，當具有速度向量V3的氣泡存在的時候， 這個速度向量V3係與被測定流體1 2的速度向量V1共有同 一方向的速度向量V2，所以在表面上（非實際上的）很容 易將被測定流體12的氣泡的速度誤認爲是大的流體配管11 的軸方向速度。 爲了要解決這種由表面上（非實際上的）的速度所計算出 來的流量，都卜勒式超音波流量計10B乃具備了兩個超音 波訊號電測轉換器20、20a，安裝於流體配管11。將其中一 方的超音波訊號電測轉換器20設置成與另一方的超音波訊 號電測轉換器20a垂直相交，利用兩個超音波訊號電測轉 換器20、20a來分別求出雙方的速度向量V2、V4，再藉由 計算出這些速度向量V2、V4的向量和，而得以正確地求出 被測定流體12的流速以及氣泡的流速。 這種都卜勒式超音波流量計10B爲了要正確地測定出 被測定流體1 2的流速，其所採用的構造是將其中一方的超 音波訊號電測轉換器20a製作成可相對於另一方的超音波 訊號電測轉換器20在於流體配管11上移動。 因此，都卜勒式超音波流量計10B，是具備有可令其中 一方的超音波訊號電測轉換器20a相對於另一方的超音波 訊號電測轉換器20進退的超音波訊號電測轉換器移動機構 46，而其結構是如第8圖的訊號處理方塊圖所示。 第8圖所示的都卜勒式超音波流量計1 〇B，兩個超音波 訊號電測轉換器20、20a是配置成：從這兩個超音波訊號 電測轉換器20、20a所震盪出來的超音波脈衝的入射方向 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -27- 577978 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7五、發明説明（约 在於流體配管11內是呈互相垂直相交。也就是說，都卜勒 式超音波流量計10B是將兩個超音波訊號電測轉換器20、 20a是配置成：從這兩個超音波訊號電測轉換器20、20a所 震盪出來的超音波脈衝在於流體配管11內的測定區域是呈 互相垂直相交。 前述都卜勒式超音波流量計10B是具備有：可分別接 收兩個超音波訊號電測轉換器20、20a所震盪出來的超音 波脈衝之從流體配管11內的測定區域所反射回來的反射波 也就是超音波回聲的反射波接收器27、27a ;及可分別從各 反射波接收器27、27a所接收到的超音波回聲的強度來計 算出超音波測定線方向的速度向量的速度向量計算手段47 、47a ;及可從各速度向量計算手段47、47a所計算出來的 速度向量的向量和來計算出被測定流體的流速向量的流速 向量計算手段48，然後再從流速向量計算手段48所計算出 來的流體配管1 1內的測定線ML方向的流速分布來計算出 被測定流體12的流量者。 而兩個超音波訊號電測轉換器20、20a所震盪出來的 超音波脈衝之從流體配管11內的測定區域所反射回來的反 射波也就是超音波回聲是分別由各個反射波接收器27、27a 所接收。各反射波接收器27、27a所接收到的超音波回聲 的強度訊號是利用速度向量計算手段47、47a轉換成測定 線ML方向（路徑方向）的速度向量。再利用流速向量計算 手段48計算出測定線ML方向（路徑方向）的速度向量的 向量和，進而計算出被測定流體1 2的流速的正確的速度向 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -28- 577978 A7 B7 五、發明説明（2弓 量° (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 藉由上述速度向量計算手段47、47a以及流速向量計 算手段48來構成流速分布測定電路30，可測定出流經流體 配管11內的被測定流體1 2之沿著路徑方向（測定線ML ) 的流速分布，再藉由將這種流速分布，做超音波的路徑方 向上的積分運算，即可求出被測定流體1 2的流量。 利用流速分布測定電路30的流速向量計算手段48計 算出某一位置的流速之後，以超音波訊號電測轉換器移動 機構46令超音波訊號電測轉換器20或20a在於流體配管 11上移動，以便採取下一個位置的資料。藉由以超音波訊 號電測轉換器移動機構46令超音波訊號電測轉換器20、 20a不斷地進行移動操作，可求出在於超音波脈衝的整個路 徑方向上的被測定流體1 2的流速分布，再利用運算處理即 可正確地求出其流量。 【發明的效果】 經濟部智慧財產局S工消費合作社印製 經由以上的說明可知，本發明的都卜勒式超音波流量 計係可自動地設定對於流體配管的管壁厚度產生共鳴性的 穿透現象的超音波的最適頻率、最適入射角度，不必再針 對於各種流體配管的每一種都設置最適合的超音波訊號電 測轉換器，因此具有很高的泛用性，可以簡單容易，以非 接觸的狀態正確且高精度地測定出流經流體配管內的被測 定流體的流量。 又，本發明的都卜勒式超音波流量計係可利用超音波 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -29 - 577978 A7 B7 五、發明説明（ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 的都卜勒偏移現象來正確且高精度地測定出被測定流體的 流量’即使是光學方式的流量測定手段所無法測定的不透 明或半透明的流體，或者，在流體配管內產生迴旋流、渦 流、非平行流動的流體也能夠正確且高精度地測定出被測 定流體的流量。 【圖面之簡單說明】 第1圖係顯示本發明的都卜勒式超音波流量計的第一 實施形態的圖。 第2圖係本發明的都卜勒式超音波流量計用以測定流 量的作動原理的說明圖。 第3圖係顯示超音波對於金屬壁面的穿透特性的圖。 第4圖係顯示流經流體配管內的被測定流體的平均流 速分布的圖。 第5圖係顯示本發明的都卜勒式超音波流量計的第二 實施形態的圖。 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 第6圖係爲了說明本發明的都卜勒式超音波流量計的 第三實施形態的利用都卜勒頻率來計算出超音波入射角度 方向的速度成分的示意圖。 第7圖係顯示本發明的都卜勒式超音波流量計的第三 實施形態的原理圖。 第8圖係顯示本發明的都卜勒式超音波流量計的第三 實施形態的訊號處理方塊圖。 -30- 本紙張尺度適用中.國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 577978 A7 B7 五、發明説明（2$ 【圖號說明】 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 10、10A、10B:都卜勒式超音波流量計 11 :流體配管 1 2 :被測定流體 13 :超音波速度分布測定單元（UVP單元） 1 5 :超音波發訊手段 1 6 :流體速度分布測定手段 1 7 :電腦 1 8 :顯示裝置 19 :頻率選擇設定手段 20、20a :超音波訊號電測轉換器 21 :震盪用放大器 23 :震盪器 24 :發射器 27、27a :反射波接收器 28 :放大器 29 : A/D轉換器 30 :流速分布測定電路 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 31 :震盪頻率可變裝置 32 :基本頻率範圍設定手段 33 :反射波強度抽出手段 35 :接觸媒介 40 :入射角調節設定手段 41 :入射角變換機構 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -31 - 577978 A7 B7 五、發明説明（ 43 :入射角區域設定手段 44 :反射波強度抽出手段 46 :超音波訊號電測轉換器移動機構（步進馬達） 47、47a :速度向量計算手段 48 :流速向量計算手段 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -32-

Claims (1)

1. 577978 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 ^、申請專利範圍 j 1、 一種都卜勒式超音波流量計，其特徵爲： 該流量計是具備有：具有可震盪出超音波脈衝的超音 波訊號電測轉換器，並可將來自於上述超音波訊號電測轉 換器的超音波脈衝入射到流經流體配管內的被測定流體的 超音波發訊手段；和 接收被入射到被測定流體的超音波脈衝之中的從流體 配管內的測定區域所反射的超音波回聲，以測定上述測定 區域中的被測定流體的流速分布的流速分布測定手段；和 依據上述被測定流體的流速分布計算出被測定流體的 流量的流體流量運算手段；和 自動選擇出從超音波訊號電測轉換器震盪之可對於上 述流體配管的管壁產生共鳴性的穿透現象的超音波的基本 頻率的頻率選擇設定手段， 而且這個頻率選擇設定手段係以令超音波訊號電測轉 換器震盪出所選擇的最適頻率的方式來控制上述超音波發 訊手段的作動。 2、 如申請專利範圍第1項之都卜勒式超音波流量計 ，其中上述震盪頻率選擇設定手段係自動地調節設定從超 音波訊號電測轉換器震盪的超音波脈衝的震盪頻率，並且 是以超音波半波長的整數倍剛好成'爲流體配管的管壁厚度 的方式，來選擇超音波脈衝的震盪頻率。 3、 如申請專利範圍第1項之都卜勒式超音波流量計 ，其中上述震璧頻率選擇設定手段係具備有：令超音波訊 號電測轉換器震盪出所需的震盪頻率的超音波的震盪用放 Μ氏張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

   33- 577978 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 2 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 大器；和可改變地調節設定這個震盪用放大器的震盪頻率 的震盪頻率可變裝置.；和可在預先指定的頻率範圍內令震 盪頻率可變裝置作動的頻率範圍設定手段；和用來接收從 上述超音波訊號電測轉換器所震盪的超音波脈衝之中的由 流體配管內的測定區域反射的超音波回聲的超音波接收手 段；和用以抽出所接收到的超音波回聲的強度，並將其記 憶起來的反射波強度抽出手段，上述震盪頻率選擇設定手 段係反覆地執行震盪頻率的抽出選定操作，以自動地選擇 出超音波的最適頻率。 4、 如申請專利範圍第1項之都卜勒式超音波流量計 ，其中上述都卜勒式超音波流量計又具備有：用以調節設 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 定從上述超音波訊號電測轉換器被入射到被測定流體內的 超音波脈衝的入射角度的入射角度調節設定手段，這個入 射角度調節設定手段是以讓超音波脈衝成爲可對於流體配 管的管壁產生共鳴性的穿透現象的入射角度的方式，將超 音波訊號電測轉換器可調節設定地設在流體配管上，而且 是組合了上述頻率選擇設定手段與入射角調節設定手段而 成的。 5、 一種都卜勒式超音波流量計，其特徵爲： 該流量計係具備有：具有可震盪出超音波脈衝的超音 波訊號電測轉換器，將來自於上述超音波訊號電測轉換器 的超音波脈衝入射到流經流體配管內的被測定流體的超音 波發訊手段；和 接收被入射到被測定流體的超音波脈衝之中的從流體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -34 - ： 577978 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 3 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 配管內的測定區域所反射的超音波回聲，以測定上述測定 區域中的被測定流體的流速分布的流體速度分布測定手段 ;和 依據上述被測定流體的流速分布計算出被測定流體的 流量的流體流量運算手段；和 用以調節設定從上述超音波訊號電測轉換器被入射到 被測定流體內的超音波脈衝的入射角度的入射角調節設定 手段，這個入射角調節設定手段是以讓超音波脈衝成爲可 對於流體配管的管壁產生共鳴性的穿透現象的入射角度的 方式，將超音波訊號電測轉換器可調節設定地設在流體配 管上。 6、 如申請專利範圍第5項之都卜勒式超音波流量計 ，其中上述入射角調節設定手段是具備有：從外側設置於 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 流體配‘管上的超音波訊號電測轉換器；和可調節設定從這 個超音波訊號電測轉換器所震盪的超音波脈衝的入射角度 的入射角變換機構；和可在預先指定的入射角區域的範圍 內令上述入射角變換機構作動的入射角區域設定手段；和 用來接收從上述超音波訊號電測轉換器所震盪的超音波脈 衝之中的由流體配管內的測定區域反射的超音波回聲，且 抽出超音波回聲的強度，並將其記憶起來的反射波強度抽 出手段，前述入射角調節設定手段可反覆地執行超音波脈 衝入射角度的抽出選定操作以自動地選擇出最適的超音波 脈衝入射角度。 7、 如申請專利範圍第5項之都卜勒式超音波流量計 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公嫠) :35 - ： 577978 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 4 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) ，其中上述超音波訊號電測轉換器是可自由調節安裝角度 地被設在流體配管的外側，以入射角變換機構來選擇上述 超音波訊號電測轉換器的安裝角度，藉此，可調節設定從 上述超音波訊號電測轉換器所震盪的超音波脈衝的入射角 度。， 8、一種都卜勒式超音波流量計，其特徵爲： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 該流量計係具備有：設在流體配管上的第一超音波訊 號電測轉換器；和被設置成在於流體配管的軸方向上與這 個第一超音波訊號電測轉換器分開的第二超音波訊號電測 轉換器；和可令第一超音波訊號電測轉換器相對於第二超 音波訊號電測轉換器前進/後退的超音波訊號電測轉換器 移動機構，將上述兩個超音波訊號電測轉換器設置成由兩 者所震盪的超音波脈衝在於流體配管內的測定區域內呈垂 直相交，並且具備有：可分別接收來自於上述第一和第二 超音波訊號電測轉換器所震盪的超音波脈衝之從流體配管 內的測定區域所反射的超音波回聲的反射波接收器；和分 別從各反射波接收器所接收到的超音波回聲強度計算出超 音波測定線方向的速度向量的速度·向量計算手段；和從各 速度向量計算手段所計算出來的速度向量的向量和値，計 算出被測定流體的流速向量的流速向量計算手段，並且是 以從流速向量計算手段所計算出來的流體配管內的測定線 方向的流速分布計算出被測定流體的流量。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -36 -