JP2000266578A - 非接触式流体流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定流体の流通配管内における流動態様が
満水であるか否かに拘らず、常に効果的かつ正確な流量
測定を行う非接触式流体流量測定装置を提供すること。 【解決手段】 流通配管１０の上部外周面に軸方向に間
隔をおいて超音波発振素子１１と超音波検出素子１２と
を配置し、超音波発振素子１１から被測定流体Ａの上方
空間部または流体内を通して放射し、流体液面で反射さ
れる超音波信号を超音波検出素子１２で検出し、超音波
信号のピーク値が超音波検出素子１２で検出されるまで
の時間と、超音波信号の空間部内または流体中での伝搬
速度を基準にして、超音波信号の発振および検出の各周
波数差により、流体の流速を求め、ピーク値対応の超音
波信号の到達時間により、流体の配管内断面積を求め、
これら流体の流速、配管内断面積から流量を測定する。
また、電気絶縁性の流通配管の上下部に静電容量測定電
極を配置し、測定される静電容量から被測定流体の深さ
を求め、被測定流体の流速と配管内断面積から流体の流
量を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流通配管内を流動
する液体やスラリーのような被測定流体の流量を非接触
で測定する非接触式流体流量測定装置に係り、特に、既
設の流通配管内を流動する流路の流体流量を測定する装
置として効果的な非接触式流体流量測定装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、流通配管内を流動する液体や
スラリーのような流体の流量測定には、流動する被測定
流体を直接計量して流量測定する接触式流体流量測定方
式による装置と、流動する被測定流体には全く接触せず
に該被測定流体の流速を基準にして流量測定する非接触
式流体流量測定方式による装置が知られている。

【０００３】接触式流体流量測定方式を適用した従来の
装置としては、流通配管の流路系中に介在して設ける容
積計量型の流体流量測定装置がある。この容積計量型の
流体流量測定装置は、通常、流通配管の流路内での横断
面を塞ぐように容積計量型の回転ロータを組込み、該回
転ロータ内に流路内を流動する被測定流体を直接取り込
んで、その１回転毎の流体の定量を積算することによ
り、回転数換算で該流体の流量を求めるものである。

【０００４】このように、容積計量型による接触式流体
流量測定装置では、流通配管内を流動する被測定流体を
回転ロータで直接計量して流量を求めるところから、常
に正確な流量測定が可能であるという利点を有するが、
その反面、例えば、測定対象の流体が腐食性のものであ
る場合には、測定自体が被測定流体に直接接触してなさ
れる点で実質的に適用不能、もしくは適用困難であり、
さらに、例えば、既設の流通配管内の流体流量を測定し
ようとする場合には、流通配管の内部に回転ロータを組
込む必要上、該流通配管自体を一旦切断した後に、その
流路中に装置を介在させる等の比較的大掛かりな改造工
事を行わなければならないという難点がある。

【０００５】一方、後者の非接触式流体流量測定方式と
しては、例えば図５、図６に示すような装置が知られて
いる。

【０００６】図５に示した非接触式流体流量測定装置
は、被測定流体内での超音波信号のドップラー効果の原
理を利用するものであり、図６の非接触式流体流量測定
装置は、トランジットタイム方式と呼ばれるもので、被
測定流体内での超音波信号の伝搬時間差を利用したもの
である。

【０００７】図５に示したドップラー効果による非接触
式流体流量測定装置は、被測定流体Ａが流動する流通配
管２０の管軸を挟んで、流動方向に間隔を置いて、その
外周面に１組の超音波発振器（超音波発振素子）２１
（上流側）と超音波検出器（超音波検出素子）２２（下
流側）が配置されて構成されている。

【０００８】図５の装置においては、上流側の超音波発
振器２１から、流通配管２０の内部、つまり、被測定流
体Ａ中に発振放射される超音波信号のパルス周波数と、
該流通配管２０内で上流側から下流側へ流動する被測定
流体Ａを介して、下流側の超音波検出器２２で検出され
る超音波信号の周波数とは伝搬媒体である被測定流体Ａ
の流速に対応して変化する。

【０００９】すなわち、超音波発振器２１から放射され
る超音波信号の周波数をｆＡ、超音波検出器２２で検出
される超音波信号の周波数をｆＢ、被測定流体Ａ内を伝
搬する超音波信号の伝搬速度をｕ、被測定流体Ａの流速
をＶとしたとき、被測定流体が流動することによるドッ
プラー効果によって、両周波数と流速間には、次の関係
式が成り立つ。

【００１０】 ｆＢ＝ｆＡ＊ｕ／（ｕ−Ｖ） ‥‥‥‥ (1) ∴ Ｖ＝ｕ＊（１−ｆＡ／ｆＢ） ‥‥‥‥ (2) ここで、前記超音波発振器２１の出力周波数ｆＡと、超
音波検出器２２の入力周波数ｆＢと、それに、被測定流
体Ａ内での超音波信号の伝搬速度ｕとのそれぞれについ
ては、既知もしくは簡単に測定可能であるから、結果と
して、被測定流体Ａの流速Ｖを比較的容易に求め得るの
である。

【００１１】また、図６に示すトランジットタイム方式
の非接触式流体流量測定装置は、被測定流体Ａが流動す
る流通配管３０に対して、管軸に沿って流通配管３０上
部外周面位置に、上流側に第１の超音波トランスデュー
サ（超音波発振・検出素子）３１、下流側に第２の超音
波トランスデューサ（超音波発振・検出素子）３２をそ
れぞれ配置する。

【００１２】この図６に示した装置では、上流側の第１
の超音波トランスデューサ３１から、流通配管３０内の
被測定流体Ａ内に発振放射した超音波信号が下流側の第
２の超音波トランスデューサ３２で検出されるまでの時
間と、これとは逆に、下流側の超音波トランスデューサ
３２から、被測定流体Ａ内に発振放射した超音波信号が
上流側の超音波トランスデューサ３１で検出されるまで
の時間との差によって、同様に、該被測定流体Ａの流速
を求めることができる。

【００１３】すなわち、この場合、第１および第２の各
超音波トランスデューサ３１，３２の相互間の距離を
Ｌ、第１の超音波トランスデューサ３１から放射される
超音波信号が第２の超音波トランスデューサ３２で検出
されるまでの時間をＴ1 、第２の超音波トランスデュー
サ３２から放射される超音波信号が第１の超音波トラン
スデューサ３１で検出されるまでの時間をＴ2 、被測定
流体Ａ内を伝搬する超音波信号の伝搬速度をｕ、被測定
流体Ａの流速をＶとしたとき、これらの相互間において
も、次の関係式が成り立つ。

【００１４】 Ｔ1 ＝Ｌ／（ｕ＋Ｖ） ‥‥‥‥ (3) Ｔ2 ＝Ｌ／（ｕ−Ｖ） ‥‥‥‥ (4) ∴ Ｖ＝（Ｌ／Ｔ1 −Ｌ／Ｔ2 ）／２ ‥‥‥‥ (5) 以上のようにして、この場合にも、被測定流体Ａの流速
Ｖを求めることができる。

【００１５】そして、上記図５および図６に示した従来
の各流体流量測定装置では、その何れもが被測定流体Ａ
に対して非接触であり、かつ該装置構成を流通配管２０
および３０へ設置するにあたって流通配管２０，３０の
各所定外周面位置に、それぞれの各超音波素子２１，２
２および３１，３２を配置させるのみで済むから、接触
式でのように該流通配管２０を切断する等の改造工事を
行う必要が全くない。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成による従来の各非接触式流体流量測定装置の場合、そ
れぞれの測定結果から計算式で求め得るのは、その何れ
についても、被測定流体Ａの流速のみであって、求めよ
うとする本来の流体Ａの流量ではない。

【００１７】つまり、これらの各装置において、被測定
流体Ａの流量が得られるのは、流通配管２０，３０内が
被測定流体Ａによって完全に満たされている満水状態で
の流動時であり、このように被測定流体Ａが満水状態で
流動していることを条件にして、配管内径から流路にお
ける流体部分の断面積を求めた上で、測定された流速を
基準に所要の流体流量を計算できることになる。

【００１８】従って、例えば、各流通配管２０，３０内
を流動する被測定流体Ａの水位が任意に変動すること
で、流動液面の上部に空洞部（空間部）を生じている非
満水状態の場合等には、たとえ、その流速自体は上記の
ようにして求め得たとしても、肝心な流動部分での流体
断面積が不明であるために、その流量を正確に測定する
ことは不可能である。

【００１９】そして、このように流通配管２０，３０内
で被測定流体Ａの水位、ひいては流動量が変動している
状態で、該被測定流体Ａの流量を敢て求めようとする場
合には、該流通配管２０，３０の測定範囲内だけでも被
測定流体Ａの満水状態を具現化する必要があり、例え
ば、流通配管中に下方へ向けたＵ字状等の屈曲部分を形
成することで、該Ｕ字管部に被測定流体Ａを導いて満水
状態にさせる等の対策手段を講じたりしなければならな
いが、たとえ、このように配管自体を変形させても、該
Ｕ字管部の形成には、従前通りに配管部分の切断、変形
等が不可避であるほか、Ｕ字管部内での流体残滓の沈殿
や詰まりが懸念される等の好ましくない問題点を生ずる
ものであった。

【００２０】本発明は、このような従来の各課題を解決
するためになされたもので、その目的とするところは、
被測定流体の流通配管内における流動態様が満水である
か否かに拘らず、常に効果的かつ正確な流量測定を行い
得るようにした非接触式流体流量測定装置を提供するこ
とである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る請求項１に記載の発明は、任意横断面
形状の流通配管内を流動する被測定流体の流量を非接触
で測定する非接触式流体流量測定装置において、前記被
測定流体が流動する流通配管の管軸に直交する方向の上
部に配置された超音波発振素子と、前記超音波発振素子
から管軸方向に所定の間隔をおいて配置され前記超音波
発振素子から前記流通配管内へ放射されて流体表面で反
射した超音波信号を受信する少なくとも１個の超音波検
出素子と、前記超音波検出素子により受信された流体表
面で反射して入射した超音波信号の到達時間から被測定
流体の深さを求め、該被測定流体の深さと前記被測定流
体の流速から前記流通配管内を流れる流体の流量を求め
る演算装置とを具備したことを特徴とする。

【００２２】また、請求項２に記載の発明は、任意横断
面形状の電気絶縁性の流通配管内を流動する被測定流体
の流量を非接触で測定する非接触式流体流量測定装置に
おいて、前記被測定流体が流動する流通配管の管軸に直
交する方向の上下部に配置された静電容量測定電極と、
前記静電容量測定電極により測定される静電容量から被
測定流体の深さを求め、該被測定流体の深さと前記被測
定流体の流速から前記流通配管内を流れる流体の流量を
求める演算装置とを具備したことを特徴とする。

【００２３】請求項１記載の装置では、流通配管の上部
外周面に超音波発振素子と超音波検出素子とを配置した
ので、超音波発振素子から流体液面の上方空間部を通し
て放射される超音波信号が、例えば、流体液面で反射し
て超音波検出素子に到達し、そのピーク値が検出される
までの時間、および超音波信号の空間部内での伝搬速度
をそれぞれ基準にして、超音波信号の発振および検出の
各周波数差から、ドップラー効果の原理に基づいて流動
する被測定流体の流速が求められ、一方、ピーク値対応
の超音波信号の反射角度から、流動する被測定流体の配
管内断面積が求められるのであり、これらの被測定流体
の流速と配管内断面積とで流体流量が算出される。

【００２４】本発明の請求項２に記載の発明は、流通配
管が電気絶縁性の任意横断面形状の電気絶縁性の流通配
管内を流動する被測定流体の流量を非接触で測定する非
接触式流体流量測定装置において、前記被測定流体が流
動する流通配管の管軸に直交する方向の上下部に配置さ
れた静電容量測定電極と、前記静電容量測定電極により
測定される静電容量から被測定流体の深さを求め、該被
測定流体の深さと前記被測定流体の流速から前記流通配
管内を流れる流体の流量を求める演算装置とを具備した
ことを特徴とする。

【００２５】本請求項２の非接触式流体流量測定装置
は、被測定流体と、その上部空間で流通配管との間の隙
間を形成している空気や被測定流体の揮発ガスでは、誘
電率が非常に違うため、静電容量を測定することによ
り、被測定流体の深さを求めることができる原理を応用
したものである。この場合においても、被測定流体の流
速は公知の任意の非接触式の流速測定方法により測定さ
れる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る非接触式流体
流量測定装置の実施形態につき、図１ないし図４を参照
して詳細に説明する。

【００２７】図１は、本発明の第１の実施形態を適用し
た非接触式流体流量測定装置の概要を模式的に示した管
軸に沿う縦断面図、図２は、同じく上流体流量測定装置
での管軸に直交する部分の横断面図であり、また、図３
は、超音波検出器で検出される超音波信号の波形図であ
る。

【００２８】これらの図１および図２に示す装置構成に
おいて、本第１の実施形態による非接触式流体流量測定
装置は、被測定流体Ａが流動する流通配管１０に対し
て、その管軸に直交する径方向の上部外周面でかつ流動
方向の上流側対応位置に超音波発振器（超音波発振素
子）、ここでは、超音波信号の発振方向を主に下流側に
向けて所要の角度範囲内で常時発振かつ放射させること
の可能な超音波発振器１１が設けられている。 また、
超音波発振器１１の設定位置から流動方向に所定間隔を
隔てて平行する下流側対応位置に該超音波信号を検出す
る超音波検出器（超音波検出素子）１２が設けられてい
る。

【００２９】この場合、上流側の超音波発振器１１から
下流側に向けて所要角度範囲内で放射される超音波信号
は、流通配管１０内で流動する被測定流体Ａの流体液面
（界面）で反射された後、超音波検出器１２によって検
出され、一方では、両者間に生ずる超音波信号のドップ
ラー効果によって該当流動区間内での被測定流体Ａの流
速が求められ、他方では、流体液面における超音波信号
の反射角度によって該当流動区間内における該当部分、
つまり、反射点での被測定流体Ａの断面積が求められる
のであり、これらの各測定結果から該当流動区間内での
被測定流体Ａの流量を求めることができるのである。

【００３０】次に、本第１の実施形態による装置構成の
作用について、具体的な例を挙げてより一層詳しく述べ
る。

【００３１】上記構成において、流通配管１０は、有効
内径３００ｍｍの横断面円形に設定されることで被測定
流体Ａの流路を形成しており、流通配管１０内では、流
動する被測定流体Ａの水位が随時に変動している。ま
た、流通配管１０に対しては、その管軸の径方向の上部
外周面位置で、流動方向に間隔距離２００ｍｍを隔てた
上流側位置に超音波発振器１１が配置され、下流側位置
に超音波検出器１２が配置されている。上流側の超音波
発振器１１からは、所定周波数の超音波信号が主に下流
側に向けて所要角度範囲内で放射されると共に、被測定
流体Ａの液面（界面）で反射した超音波信号が超音波検
出器１２によって検出される。ここで、超音波信号の発
振範囲は、超音波検出器１２によって検出可能な角度範
囲内であればよく、該角度範囲内に設定する。

【００３２】この状態で、上流側の超音波発振器１１か
ら、図１に示すように、発振周波数２８ｋＨｚの超音波
信号を放射させたところ、下流側の超音波検出器１２で
検出される超音波信号の入力波形は、図３に示す通りで
あり、その受信周波数のピーク値、換言すると、そのと
きの被測定流体Ａの液面高さに対応した超音波発振器１
１と超音波検出器１２間での最適な反射角による超音波
信号の検出ピーク値は２８．０１２ｋＨｚ、かつ該ピー
ク値における超音波信号の発振から検出までに要した時
間は１．１ｍｓｅｃであった。

【００３３】従って、これらの各測定結果の数値から、
被測定流体Ａの流速については、超音波発振器１１と超
音波検出器１２間で、被測定流体Ａ内を伝搬する音速を
３４０ｍ／ｓｅｃとしたとき、先に述べたドップラー効
果の各式(1),(2) によって、ここでも同様に、その流速
Ｖは、次式で与えられる。

【００３４】 Ｖ＝３４０＊（１−２８／２８．０１２）＝０．１４５ｍ／ｓｅｃ ‥‥‥‥ (6) また、このときの被測定流体Ａの流量については、該被
測定流体Ａの流通配管１０内での水位が判れば、上記式
(6) に基づいて算出可能であるから、検出信号のピーク
値における上流側の超音波発振器１１から放射した超音
波信号が下流側の超音波検出器１２で検出される方向と
流通配管１０の上部内壁面とがなしている角度をθ（図
１における符号１３に相当）とし、かつ流通配管１０の
有効内径３００ｍｍ、超音波発振器１１と超音波検出器
１２間の間隔距離２００ｍｍ、超音波信号の放射から検
出までの時間１．１ｍｓｅｃ、被測定流体Ａ内を伝搬す
る音速３４０ｍ／ｓｅｃで、流通配管１０の内底面から
被測定流体Ａの液面（水位の界面）までの求める高さを
ｈとすれば、これらの相互間には、次式の関係が成り立
つ。

【００３５】

【数１】 以上の算出結果から、被測定流体Ａが流動している流通
配管１０での該当区間部分に対応する流体断面積と、該
流体部分の断面積によって導き出される被測定流体Ａの
流量は、図２に示すように、被測定流体Ａの液面が流通
配管１０の内壁面に接する部分と管軸中心とがなしてい
る角度を２φ（同図２における符号１４に相当）とする
とき、次式によって求めることができる。

【００３６】

【数２】 なお、上記第１の実施形態の場合には、流通配管１０の
上部外周面位置側に間隔を隔てて超音波発振器１１と超
音波検出器１２とを配置させているが、下部外周面位置
側に配置させるように変形してもよく、この変形例で
は、被測定流体Ａを通して同様に超音波信号の発振と検
出とがなされることになるが、ほぼ同様な作用および効
果が得られる。また、流通配管１０として断面円形管を
用いているが、その他の断面方形管等の任意断面形状の
管部材を用いた場合にも、ほぼ同様に適用できる。

【００３７】次に、図４は、上記図１に対応して、本発
明の第２の実施形態を適用した非接触式流体流量測定装
置の概要を模式的に示した管軸に沿う縦断面図である。

【００３８】本第２の実施形態においては、上記第１の
実施形態での超音波発振素子１１と超音波受信素子１２
との配置において、これらの各素子のそれぞれを超音波
信号の放射および検出の可能な超音波トランスデューサ
（超音波発振・検出素子）１１′，１２′に代えたもの
であり、両者相互間での超音波信号の放射ならびに検出
によって上記と同様な作用を得ようとするもので、この
構成によって一層正確な流量測定をなし得るのである。

【００３９】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明の非接触
式流体流量測定装置によれば、被測定流体の流通配管内
における流動態様が満水であるか否かに拘らず、常に効
果的かつ正確に流量測定を行うことができる。

【００４０】また、非接触式であるので既設の流体管路
に対しても容易に適用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の非接触式流体流量測定装置
を模式的に示した縦断面図。

【図２】図１に示した実施例の部分横断面図。

【図３】図１に示した実施例の超音波検出器で検出され
る超音波信号の一例の波形図。

【図４】本発明の他の実施例の非接触式流体流量測定装
置を模式的に示した縦断面図。

【図５】従来の非接触式流体流量測定装置の一例を模式
的に示した縦断面図。

【図６】従来の非接触式流体流量測定装置の他の例を模
式的に示した縦断面図。

【符号の説明】

１０………流通配管 １１………超音波発振器（超音波発振素子） １２………超音波検出器（超音波検出素子） １１′，１２′……超音波トランスデューサ（超音波発
振・検出素子） １３………超音波信号と流通配管の上部内壁面との角度 １４………横断面において被測定流体の液面と流通配管
の内壁面の２つの交点が管中心となす角 Ａ………被測定流体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 任意横断面形状の流通配管内を流動する
   被測定流体の流量を非接触で測定する非接触式流体流量
   測定装置において、 前記被測定流体が流動する流通配管の管軸に直交する方
   向の上部に配置された超音波発振素子と、 前記超音波発振素子から管軸方向に所定の間隔をおいて
   配置され前記超音波発振素子から前記流通配管内へ放射
   されて流体表面で反射した超音波信号を受信する少なく
   とも１個の超音波検出素子と、 前記超音波検出素子により受信された流体表面で反射し
   て入射した超音波信号の到達時間から被測定流体の深さ
   を求め、該被測定流体の深さと前記被測定流体の流速か
   ら前記流通配管内を流れる流体の流量を求める演算装置
   とを具備したことを特徴とする非接触式流体流量測定装
   置。
2. 【請求項２】 任意横断面形状の電気絶縁性の流通配管
   内を流動する被測定流体の流量を非接触で測定する非接
   触式流体流量測定装置において、 前記被測定流体が流動する流通配管の管軸に直交する方
   向の上下部に配置された少なくとも１組の静電容量測定
   電極と、 前記静電容量測定電極により測定される静電容量から被
   測定流体の深さを求め、該被測定流体の深さと前記被測
   定流体の流速から前記流通配管内を流れる流体の流量を
   求める演算装置とを具備したことを特徴とする非接触式
   流体流量測定装置。