JP2000266580A - 流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流体の種類や速度によらずに流速を計測する
ことができ、計測時に流速・流量以外の物理的要素も計
測できる流量計を提供すること。 【解決手段】 流体の流れる断面が取り付けられた配管
１´と同じ形状をし、前記流体の流量を測定する測定管
１と、測定管１の内面側に取り付けられ、レーザー光線
の乱反射による誤測定を防ぐ吸光材１Ａと、測定管１の
側面に斜めに開けられ貫通孔を介して取り付けられ、連
続したパルス状のレーザー光線を発振する発振器２と、
発振器２から発振されたレーザー光線を受信し、入力し
たレーザー光線の強さに応じた信号を出力する受信機４
とを備えたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は流体の流速を測定す
る流量計に関し、特にレーザー光線を用いた流量計に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の流量計は、次の様な種々の方法
で、流速や流量を計測している。

【０００３】（１）音波を用いる場合には、流体中に連
続パルス状に超音波を発振し、流体中を超音波が通過す
る際の伝搬時間差や、浮遊微小粒子に衝突した際に生じ
るドップラー効果を観測することで計測を行なう。

【０００４】（２）機械的方法を用いる場合には、流体
の流れによって羽車などを回転させ、その運動量を流速
や流量に換算する。

【０００５】（３）圧力を用いる揚合には、流体が配管
中の狭隘部や障害物近傍を通過する際の圧力変化や、大
気圧との差圧を計測して流速や流量に換算する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来の手法は、
流体の温度や種類などによる超音波の伝搬速度の違い、
羽車等による場合は機械的要因による誤差などのため、
別途計器と組み合わせての補正や、測定時の流量に付い
ても一定以上の流量でなければ計測できないなど、種々
の使用条件や制約があった。

【０００７】また、一般に液体の計測用に多くの分野で
利用される電磁流量計は、流体にある程度の電導率が必
要であり、さらに原理上、微少電流を流体中に流すた
め、気体や可燃性流体には使用できない。

【０００８】その他、測定対象の流体の種類や、使用条
件によっても、多数の形式の流量計が必要である。流量
の測定のみでも上に述べたような多数の使用条件や制約
があるうえに、プラントでは流量以外にも、温度や濁
度、各種の濃度など産業プラントの用途により、測定の
必要な異なる項目が多数あり、測定対象の流体の物理状
態ごと、測定機器が必要であった。

【０００９】したがって本発明は、配管中を流れる流体
中に必ず存在し流体とほぼ同じ速度にて移動する微小粒
子をレーザー光線で照射し、微小粒子への照射波と、微
小粒子からの反射波を比較して、ドップラー効果を検出
することで、各種の流体の流量を得ることと、流速・流
量を測定すると同時に流体の他の物理条件も同時に測定
することのできる流量計を提供することを目的としてい
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の流量計は、流体
の流量を測定する測定管と、この測定管の内面に取り付
けられた、レーザー光線の乱反射による誤測定を防ぐ吸
光材と、前記測定器にその管軸に対して斜め方向にレー
ザー光線を放射するように取り付けられた発振器と、前
記測定管における前記発振器の取付け位置に対して、前
記測定管の中心軸に対して対称の位置に取り付けられ、
前記発振器から発振された前記レーザー光線の反射光を
受信るレーザー光受信機と、前記レーザー光線の発振波
長と前記受信波の波長とを比較し流速に変換する変換手
段とを備えたことを特徴とするものである。

【００１１】すなわち、本発明は、これまでの超音波ド
ップラー流量計の測定機構において、超音波の発振器お
よび受信機に替えて、レーザー光線の発振器、受信機お
よび演算器を組み合わせ、配管中の流体の流量測定を行
えるようにしたこと、また、レーザー光線を用いること
によって、他の流体の要素も同時に計測可能なようにし
たことを特徴としている。

【００１２】その結果、流量計の各部分はそれぞれ次の
ような作用をする。即ち、測定管にはパルス状のレーザ
ー光線を発振する発振器と、複数の受信機が別々に取り
付けられており、発振器を出たパルス状のレーザー光線
は、流体中の微小粒子で反射してわずかに周波数が変わ
って受信機に入る。

【００１３】さらに演算機では、送信波と受信波の波形
を比べ、ドップラー効果によって微妙に波長のずれた反
射波を検出し、その周波数の差から流体中の微小粒子の
速度＝流体速度を検出する。また、別の受信機へ入射し
た光について光量、強度や受信機に入射した光との位相
差を比較する。散乱光の周波数分布について詳しく調べ
るなどの解析を演算機で行えば、流体の温度、濁度や浮
遊物質等の濃度など複数の物理的な要素を同時に測定可
能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に本発明による流量計の実施の
形態を説明する。

【００１５】図１に示す実施の形態では、測定管１にお
ける全体の平均流速ではなく、中心線付近の一点の流量
を計測することになる。まず図１は、本発明の実施にお
ける流量計の機器配置の一例を示すものである。

【００１６】測定管１は流体の流れる断面が円形の配管
１´に取り付けられており、その形状は測定管１が取り
付けられている配管１´と同じである。測定管１の内面
にはレーザー光線の乱反射による誤測定を防ぐため、光
を吸収する性質のある黒い塗料などの吸光材１Ａが用い
られている。この測定管１の内部を流体Ｋは右から左へ
流れている。

【００１７】測定管１の中心軸を通り、側面から見て斜
めとなる線上の位置に貫通孔が開けられ、貫通孔Ｋには
発振器２が取り付けられている。発振器２は連続したパ
ルス状のレーザー光線を発振する機能が備えられてい
る。

【００１８】また測定管１の発振器２の位置に対して、
測定管１の中心軸に対して線対称の位置には、受信機４
が発振器２と同じ方法で測定管１に取り付けられてい
る。

【００１９】発振器２と受信機４は測定管１の中心軸か
ら見て同一平面上にあり、中心軸に対して同じ角度Ｐの
位置に取り付けられている。そして受信機４は入力した
レーザー光線の強さに応じた信号を出力することで入力
波を電気信号として再現する機能を持っている。

【００２０】演算機５は発振器２および受信機４のそれ
ぞれと個別に信号線２ａ、４ａによって繋がれている。
そして演算機５は表示や制御のために置かれた外部機器
７に対して演算結果の信号を出力する。

【００２１】次に、図２を用いて流量計の動作を説明す
る。

【００２２】第１段階として発振器２を中心にして次の
ことが行われる。即ち、演算機５に備えられたレーザ発
振機能５Ａは発振器２ヘレーザー光線の発振信号を送
る。発振器２から出るパルス状のレーザー光線の波長・
波形は常に一定であり、演算機５に記憶されている。

【００２３】第２段階として測定管１の中で次のことが
起こる。即ち、発振器２から出力されたレーザー光線
は、測定管１の中心軸付近の流体中の微量な微小粒子６
に当たつて反射し、わずかに周波数が変わって、受信機
４に入る。発振器２を出たパルス状のレーザー光線は、
流体中を流体に流されて、流体とほぼ同速度で動く微小
粒子６に当たって散乱されると、ドップラー効果により
微小粒子６の速度分だけ波長がずれる。本実施の形態の
場合では、波長が長くなる方向にずれる。その散乱した
レーザー光線の一部が、反射光として受信機４へ戻る。
また、不定形の微小粒子６によって散乱される以上、受
信機４へ入射しないレーザー光線もあるが、これは測定
管１の内面に使用されている吸光材１Ａに吸収され、受
信機４へ入射することはほとんどない。図２において、
比較機能２４は微小粒子での反射状況を判定し、比較機
能２５は受信機への入射状況を判定する。

【００２４】第３段階として演算機５を中心にして次の
ことが行われる。即ち、受信機４ではそれぞれ受信した
レーザー光線の強弱や周波数に対応する電気信号を演算
機５へ送信する。演算機５に備えられた演算機能５Ｂに
おいて受信機４の信号を受取り、発信波形と受信波形を
比較して流体の速度を検出する。

【００２５】また、演算機能５Ｂのステップ２７では受
信機４で捉えた反射波と、予め記憶された発振器２から
の発信波の間の、ドップラー効果による波長のずれを比
較する。まず、受信機４からの受信波はパルス状のた
め、ある時間、受信周波数を積算した後の結果として、
受信信号の周波数に対する信号数の分布を調べる。直進
波、反射波とも、ピークとなる周波数があり、その値を
検出する。但し、反射波の場合は、直進波と同じ周波数
のピークは除く。直進波、反射波ともピークからずれた
部分の周波数は余計な反射等を経て到達したものと考え
られ、状態を代表する値として用いるべぎでない。

【００２６】演算機５は、発振器２の発信波と、受信機
４からの受信波の周波数のピーク値を比べ、ドップラー
効果によって発生する微妙な波長のずれ、すなわち周波
数のずれを検出し、その周波数の差から、流体速度の近
似値として、流体中の微小粒子６の速度を検出する。

【００２７】第４段階として演算機５を中心にして次の
ことが行われる。また、演算機５は入力された受信波か
ら得られたドップラー効果による波長の伸縮を観測する
ことで、流体の流れる向きも検出する事が可能である。
例えば、ドップラー効果によって反射波の波長が直接入
射波の波長より長く伸びる場合は、発振器２から微小粒
子６、すなわち流体が遠ざかる方向に動いていることを
示し、逆に波長が短く縮む方向の場合は、発振器２へ向
かって微小粒子６すなわち流体が近づいていることを示
す。

【００２８】周波数の変化量で流体の速度が、変化の方
向で流体の流れる向きを検出できる。測定管の直径から
決まる固定値の測定管断面積を流速に掛け合わせること
で、流体の流量が計算できる。

【００２９】第５段階として演算機５にて次のことが行
われる。この流体の流速もしくは流量と流体の流れの方
向の二つを組み合わせて、表示や制御のための外部機器
７に信号を出力する。即ちステップ２８において結果を
流量に変換し、ステップ２９において外部に出力する。

【００３０】別の実施の形態例として、流体に汚水等の
液体を用いて流速以外の要素も同時に計測する場合の実
施例を以下に示す。

【００３１】図３は他の実施の形態における流量計の機
器配置の一例を示すものである。測定管１は流体の流れ
る断面が円形の配管１´´に取り付けられおり、その形
状は取り付けられている配管と同じである。測定管１の
内面には、レーザー光線の乱反射による誤測定を防ぐた
め、光を吸収する性質のある黒い塗料などの吸光材１Ａ
が用いられている。この測定管１の内部を、流体Ｋは図
３の中で右から左へ流れている。測定管１の中心軸を通
り、側面から見て斜めとなる線上の位置に貫通孔１ａが
開けられ、貫通孔１ａには発振器２が取り付けられてい
る。そして発振器２は連続したパルス状のレーザー光線
を発振する機能を備えている。

【００３２】また測定管１の発振器２の位置に対して、
測定管１の中心軸に対して線対称の位置には受信機４が
あり、発振器２と同じ方法で測定管１に取り付けられて
いる。

【００３３】発振器２と受信機４は測定管１の中心軸か
ら見て同一平面上にあり、中心軸に対して同じ角度Ｐの
位置に取り付けられている。更に測定管１には発振器２
に対して、測定管１の反対側で発振器２から放射される
レーザー光線の延長線上の位置に、受信機３が取り付け
られている。そして受信機３、４は入力したレーザー光
線の強さに応じた信号を出力することで入力波を電気信
号として再現する機能を持っている。

【００３４】演算機５は発振器２、受信機３および受信
機４のそれぞれと個別に信号線によって繋がれており、
演算機５は表示や制御の為に置かれた外部機器７に対し
て、演算結果の信号を出力する。図４を用いて流量計の
動作を説明する。

【００３５】第１段階として発振器２を中心にして次の
ことが行われる。即ち、演算機５に備えられたレーザ発
振機能５Ａは発振器２ヘレーザー光線の発振信号を送
る。発振器２から出るパルス状のレーザー光線の波長・
波形は常に一定である。

【００３６】第２段階として測定管１の中で次のことが
起こる。なお、発振器２から出力されたレーザー光線は
次の二つの経路のいずれかをとる。

【００３７】（１）流体中の微量な微小粒子６に当たつ
て反射し、わずかに周波数が変わって受信機４に入る。
発振器２を出たパルス状のレーザー光線は、流体中を流
体に流されて、流体とほぽ同速度で動く微小粒子６に当
たって散乱されると、ドップラー効果により微小粒子６
の速度分だけ波長がずれる。

【００３８】本実施の形態例の場合では波長が長くなる
方向にずれる。その散乱したレーザー光線の一部が反射
光として受信機４に戻っていく。また、不定形の微小粒
子６によって散乱される以上、受信機４へ入射しないレ
ーザー光線もあるが、これは測定管１の内面に使用され
ている吸光材１Ａに吸収され、受信機３、４へ入射する
ことはほとんどない。

【００３９】（２）そのまま直進して受信機３に入る。
そして受信機４へ入射したレーザー光線は、測定管１の
中を透過中に微小粒子６による散乱吸収を受けて、その
光量は大きく減衰している。

【００４０】第３段階として演算機５を中心にして次の
ことが行われる。

【００４１】（１）受信機３および受信機４では、それ
ぞれ受信したレーザー光線の強弱や周波数に対応する電
気信号を演算機５ヘ送信する。演算機５は受信機４の信
号を受信し、発振器２の発信波と比較して流体の速度を
検出する。また、受信機４からの受信波を元に濁度の計
測を行う。以下流量測定の方法は、先に記載した実施の
形態例で述べた通りである。

【００４２】（２）濁度測定の方法は、試料水中を透過
し減衰して受信機３に入るので、受信機３で受信した光
量の信号を演算機５に入力し、透過光測定法を用いて計
算を行えば求めることが出来る。即ちステップ４１で入
射光の光量を電気信号に変換し、ステップ４２で入射光
の光量と発振時の光量を比較し、ステップ４３で結果を
濁度に変換する。

【００４３】第４段階として演算機５にて次のことが行
われる。即ち、この流体の流速もしくは流量と、流体の
流れの方向の二つを組み合わせて、表示や制御の為の外
部機器７に信号を出力する。これに加えて、濁度の信号
を外部機器７に出力する。なお、本発明は上記の実施の
形態に限定されるものではなく、次のような機能変更や
応用が考えられる。

【００４４】（１）流体分子によるレーザー光線のラマ
ン散乱を同時に測定することで、流体温度を計測し、温
度による流量補正を行う。

【００４５】（２）流体中を進むレーザー光線の速度を
測定し、物質中の光の伝播速度の違いを利用して流体の
成分を計測する。

【００４６】（３）流体中の微小粒子６からのレーザー
光線の反射光を用いるのではなく、流体分子自体を波長
の非常に短いレーザー光線で直接照射し、その反射波、
またはレーザー光線による励起された流体分子からの放
射光を測定に用いることで、より正確な流体流速流量を
求めることが出来る。

【００４７】（４）レーザー光線の周波数毎の強弱を電
気信号に置き換えるのではなく、演算機５にてレーザー
光線の発振と受信を行い、レーザー光線の干渉縞を測定
することでドップラー効果を測定し、流速を測定する。

【００４８】（５）気体以外にも、微小粒子を含み光を
透過物質であれば、液体でも流速測定に用いることが出
来る。

【００４９】（６）光が透過する物質の違いによる光の
伝搬速度差による位相差の測定を行うことで、対象流体
中に浮遊している固形物や、溶存物質濃度の測定機能を
併せて持たせる。

【００５０】以上に述べたように本発明によれば、流体
の種類や速度によらずに流速を計測することができ、計
測時に流速・流量以外の物理的要素も計測できる。

【００５１】

【発明の効果】以上に述べたように本発明によれば、流
体の種類や速度によらずに流速を計測することができ、
計測時に流速・流量以外の物理的要素も計測できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す流量計の構成図であ
る。

【図２】図１の作用を示すフローチャート説明図であ
る。

【図３】本発明による他の実施の形態を示す流量計の構
成図である。

【図４】図３の作用を示すフローチャート説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 測定管 １´、１´´ 配管 １Ａ 吸光材 ２ 発振器 ３ 受信機 ４ 受信機 ５ 演算機 ６ 微小粒子 ７ 外部機器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の流量を測定する測定管と、この測
   定管の内面に取り付けられた、レーザー光線の乱反射に
   よる誤測定を防ぐ吸光材と、前記測定器にその管軸に対
   して斜め方向にレーザー光線を放射するように取り付け
   られた発振器と、前記測定管における前記発振器の取付
   け位置に対して、前記測定管の中心軸に対して対称の位
   置に取り付けられ、前記発振器から発振された前記レー
   ザー光線の反射光を受信るレーザー光受信機と、前記レ
   ーザー光線の発振波長と前記受信波の波長とを比較し流
   速に変換する変換手段とを備えたことを特徴とする流量
   計。