JP2000337936A - 超音波渦流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノイズ等をキャンセルする目的で受信信号
同士を比較するため、超音波送信器と超音波受信器とを
２対設けた超音波渦流量計においてそれぞれの超音波が
打ち消しあったり強め合ったりするなど互いに干渉して
しまうことの防止する。 【解決手段】 渦発生体３内に設けられた内部空間４
を空間４ｄと空間４ｅとに仕切る仕切り４ｃを設けるこ
とにより、受信器７ａが受信する超音波の受信経路と受
信器７ｂが受信する超音波の伝播経路とが異なるように
したため、受信器７ａが受信する超音波と受信器７ｂが
受信する超音波とが互いに干渉を起こして流量計測に影
響を及ぼすことを防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量を計測
する超音波渦流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波渦流量計を、図３に基づき
説明する。

【０００３】従来の超音波渦流量計５１においては、被
測定流体であるガスが流れる管５２内に、管５２の中心
を通って管５２の直径方向と軸方向が平行となる略３角
柱形状の渦発生体５３が設けられ、この渦発生体５３
は、三角形の底辺に当たる側面が被測定流体の上流方向
に向けられ、その内部に当該渦発生体５３の両端部に開
口した内部空間５４が形成されている。

【０００４】また、渦発生体５３の周壁部には該内部空
間５４と管２内とを連通する孔５５，５５が、渦発生体
５３の三角形の両辺に当たる側面に互いに渦発生体５３
の軸方向にずれて、一つずつ穿設されている。

【０００５】前記内部空間５４の一側の開口部には超音
波を内部空間５４に向けて送信する送信器５６ａ，５６
ｂが設けられ、前記内部空間５４の他側の開口部には前
記送信器５６が送信した超音波を受信して超音波信号と
して出力する受信器５７ａ，５７ｂが設けられている。

【０００６】送信器５６ａ，５６ｂの入力端子は、送信
器５６ａ，５６ｂへ所定の周波数の発振信号を出力する
ことで該発振信号の周波数の超音波を送信させる発振回
路５８の出力端子に接続されており、また、受信器５７
ａ，５７ｂの出力端子は超音波信号（受信した超音波信
号を電気信号化したもの）を増幅する増幅回路５９ａ，
５９ｂの入力端子に接続されている。

【０００７】また、発振回路５８の出力端子は位相比較
回路６０ａ，６０ｂの一の入力端子にも接続されてお
り、位相比較回路６０ａ，６０ｂの他の入力端子は、前
記増幅回路５９ａ，５９ｂに接続されている。

【０００８】位相比較回路６０ａ，６０ｂは、発振回路
５８の発振信号と増幅回路５９ａ，５９ｂからの増幅さ
れた超音波信号との位相を比較し、その位相差信号（超
音波信号の発振信号に対する位相の遅進の変化を示す信
号）を出力する。

【０００９】位相比較回路６０ａ，６０ｂの出力端子
を、図示しない増幅・波形整形回路の入力端子に接続
し、増幅・波形整形回路で、アナログ信号である位相差
信号を増幅しパルス化し、さらに、図示しない演算回路
で、パルス化された位相差信号の周波数から管５２内の
流量を演算し図示しない表示器や制御装置に出力するよ
うに接続する。この場合には、位相比較回路６０ａ，６
０ｂからの出力それぞれに対応して２つの流量値が求め
られるため、平均をとるなどして出力する。

【００１０】または、図示しない位相差比較回路の入力
端子に前記増幅回路５９ａ，５９ｂそれぞれの出力端子
を接続し、該図示しない位相差比較回路の出力端子を図
示しない増幅・波形整形回路の入力端子に接続し、増幅
・波形整形回路で、アナログ信号である位相差信号を増
幅しパルス化し、さらに、図示しない演算回路で、パル
ス化された位相差信号の周波数から管５２内の流量を演
算し図示しない表示器や制御装置に出力するように接続
してもよい。この場合には、求められる流量値は１つで
ある。

【００１１】上記流量計５１において、前記管５２内を
被測定流体が流れると、前記渦発生体５３により該渦発
生体５３の下流には渦発生体５３断面の三角形の両辺に
当たる側面に交番にカルマン渦が発生する。

【００１２】渦発生体５３断面の三角形の両辺に当たる
側面のうち一の側面側にカルマン渦が発生すると、一の
側面には負圧が生じ、該一の側面の孔５５から内部空間
５４内の被測定流体が流出するため、他の側面の孔５５
から被測定流体が流入し、内部空間５４内に他の側面の
孔５５から一の側面の孔５５へ被測定流体の流れが生じ
る。

【００１３】同様に渦発生体５３の他の側面側にカルマ
ン渦が発生すると、内部空間５４内に一の側面の孔５５
から他の側面の孔５５へ被測定流体の流れが生じる。

【００１４】このカルマン渦によって内部空間５４内に
生じる被測定流体の流れは、前記送信器５６ａから前記
受信器５７ａへ送信される超音波及び前記送信器５６ｂ
から前記受信器５７ｂへ送信される超音波の伝播方向と
略同方向または逆方向となるため、超音波の伝播方向と
同方向の被測定流体の流れが生じているときには超音波
の位相が進み、超音波の伝播方向と逆方向の被測定流体
の流れが生じているときには超音波の位相が遅れる。

【００１５】この超音波の位相遅進の周波数はカルマン
渦の発生周波数と同期しており、カルマン渦の発生周波
数は、管５２内の流速に比例するので、超音波の位相遅
進の周波数を計測することで管５２内の被測定流体の流
量を演算することができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の超音波渦流
量計は、ノイズ等をキャンセルする目的で受信信号同士
を比較するため、超音波送信器と超音波受信器とを２対
設けている。

【００１７】このような構成において、各対の超音波の
伝播方向が略同方向（逆向き）にあるため、それぞれの
超音波が打ち消しあったり強めあったりするなど互いに
干渉してしまい、良好な流量計測が阻害されるおそれが
ある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、請求項１の発明は、被測定流体が流れる管と、該管
に設けられて下流側にカルマン渦を発生させる渦発生体
と、該渦発生体内に設けられた内部空間と、渦発生体の
前記管内壁と対抗する一側面に穿設され、前記内部空間
と前記管の内部とを連通させる第１の孔と、渦発生体の
前記一側面に対抗する側面に穿設され、前記内部空間と
前記管の内部とを連通させる第２の孔と、前記内部空間
内に設けられ、基端が当該内部空間の一端に位置し、先
端が当該内部空間の他端側に向けて前記第１の孔と第２
の孔とを結ぶ線よりも突出することにより、当該内部空
間の一端側を前記渦発生体の一側面側と他側面側との２
つに仕切る仕切りと、前記内部空間のうちの他端側に設
けられ、当該内部空間の一端に超音波を送信する送信器
と、前記仕切りにより仕切られた一端側にそれぞれ設け
られ、前記送信器から送信された超音波を受信する２つ
の受信器と、前記２つの受信器により受信される超音波
から前記管に流れる被測定流体の流量を求める流量計測
手段と、を備えたことを特徴とする。

【００１９】これにより、２つの受信手段で受信される
超音波が、異なる伝播経路をとるため、互いに干渉する
ことを防止できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１を用い
て説明する。

【００２１】図１の超音波渦流量計１Ａは、被測定流体
である被測定流体であるガスが流れる管２内に、管２の
中心を通って管２の直径方向と軸方向が平行となる略３
角柱形状の渦発生体３が設けられ、この渦発生体３は、
三角形の底辺に当たる側面が被測定流体の上流方向に向
けて設けられている。

【００２２】該渦発生体３内部には、当該渦発生体３の
軸方向に沿って形成された内部空間４が設けられてお
り、また、渦発生体３断面の三角形の両辺に当たる側面
の管２中央付近には、内部空間４と管２内とを連通する
孔５ａ，５ｂがそれぞれ穿設されている。

【００２３】該内部空間４内には、基端が当該内部空間
４の一端側の開口部４ａに位置し、先端が内部空間４の
他端側の開口部４ｂに向けて前記孔５ａと孔５ｂとを結
ぶ線よりも突出する仕切り４ｃが設けられており、該仕
切り４ｃによって、内部空間４の一端側は孔５ａ側の空
間４ｄと孔５ｂ側の空間４ｅとに仕切られている。

【００２４】前記内部空間４の他端側の開口部４ｂには
超音波を前記仕切り４ｃによって仕切られた一端側の開
口部４ａａ，４ａｂそれぞれに向けて送信する送信器６
が、前記内部空間４の開口部４ａａ，４ａｂには前記送
信器６が送信した超音波を受信して超音波信号として出
力する受信器７ａ，７ｂが設けられている。

【００２５】送信器６の入力端子は、送信器６へ所定の
周波数の発振信号を出力することで該発振信号の周波数
の超音波を送信させる発振回路８の出力端子に接続され
ており、また、受信器７ａ，７ｂの出力端子は、超音波
信号（受信した超音波信号を電気信号化したもの）を増
幅する増幅回路９ａ，９ｂの入力端子に接続されてい
る。

【００２６】該増幅回路９ａ，９ｂの出力端子は、位相
比較回路１０の各入力端子に接続されており、該位相比
較回路１０は、増幅回路９ａ，９ｂからの増幅された超
音波信号の位相を比較し、その位相差信号（２つの超音
波信号の位相の遅進の変化を示す信号）を出力する。

【００２７】位相比較回路１０の出力端子は、増幅・波
形整形回路１１の入力端子に接続され、該増幅・波形整
形回路１０の出力端子は、演算回路１２の入力端子に接
続されている。増幅・波形整形回路１０は、アナログ信
号である位相差信号を増幅しパルス化して渦信号として
出力する。演算回路１２は、パルス化された位相差信号
の周波数から管２内の流量を演算し流量信号を出力す
る。演算回路１２の出力端子は、演算した流量を表示す
る表示回路１３及び外部装置に流量信号を出力する出力
回路１４に接続されている。

【００２８】次に、上記のように構成した超音波渦流量
計１Ａの動作を説明する。

【００２９】前記管２内を被測定流体が流れると、前記
渦発生体３により該渦発生体３の下流には渦発生体３断
面の三角形の両辺に当たる側面から下流に交番にカルマ
ン渦が発生する。

【００３０】渦発生体３断面の三角形の両辺に当たる側
面のうち一の側面（図中Ｘ側面）側にカルマン渦が発生
すると、Ｘ側面には負圧が生じ、該Ｘ側面の孔５ａから
内部空間４の空間４ｄ内にある被測定流体が流出するた
め、他の側面（図中Ｙ側面）の孔５ｂから内部空間４の
空間４ｅ内に被測定流体が流入し、内部空間４内に孔５
ｂから仕切り４ｃの先端付近を経由して孔５ａへ図中点
線で示したように略Ｖ字状の被測定流体の流れが生じ
る。

【００３１】同様に渦発生体３のＹ側面側にカルマン渦
が発生すると、内部空間４内に孔５ａから仕切り４ｃの
先端付近を経由して孔５ｂへ図中点線で示したように略
Ｖ字状の被測定流体の流れが生じる。

【００３２】このとき、仕切り４ｃの先端が孔５ａと孔
５ｂとを結ぶ線よりも突出していない場合には被測定流
体の流れが孔５ａから孔５ｂへ直線的に生じてしまい、
前記のように略Ｖ字状とはならなくなってしまうが、本
実施の形態では、仕切り４ｃの先端は孔５ａと孔５ｂと
を結ぶ線よりも突出しているため、カルマン渦によって
内部空間４内に生じる被測定流体の流れは略Ｖ字状とな
り、前記送信器６から前記受信器７ａ，７ｂへ送信され
る超音波の伝播経路（図中一点鎖線で示した部分）付近
において伝播方向と略同方向または逆方向となる。

【００３３】このため、超音波の伝播方向と同方向の被
測定流体の流れが生じているときには超音波の位相が進
み、超音波の伝播方向と逆方向の被測定流体の流れが生
じているときには超音波の位相が遅れる。例えば、孔５
ａから孔５ｂへ被測定流体の流れが生じるときには、受
信器７ａで受信される超音波の位相は遅れ、受信器７ｂ
で受信される超音波の位相は進む。また、同様に、孔５
ｂから孔５ａへ被測定流体の流れが生じるときには、受
信器７ａで受信される超音波の位相は進み、受信器７ｂ
で受信される超音波の位相は遅れる。

【００３４】このように、２つの受信器７ａ，７ｂで受
信される超音波の位相が一方は進み、一方は遅れるよう
に構成しているため、位相比較回路１０でそれぞれの超
音波の差分をとった場合には、位相の遅進のみが差とし
て残り、超音波成分やノイズ成分はキャンセルされてし
まう。そして、この超音波の位相遅進の周波数はカルマ
ン渦の発生周波数と同期しており、カルマン渦の発生周
波数は、管２内の流速に比例することに基づいて、管２
内の被測定流体の流量を演算することができる。

【００３５】上記のように、本実施の形態の超音波渦流
量計１Ａにおいては、内部空間４を空間４ｄと空間４ｅ
とに仕切る仕切り４ｃを設けることで受信器７ａが受信
する超音波の受信経路と受信器７ｂが受信する超音波の
伝播経路とが異なるようにしたため、受信器７ａが受信
する超音波と受信器７ｂが受信する超音波とが互いに干
渉を起こして流量計測に影響を及ぼすことを防止でき
る。

【００３６】また、本実施の形態の超音波渦流量計１Ａ
は、内部空間４を略Ｖ状とし被測定流体の流れを取り込
む孔５ａ，５ｂを空間４ｄ，４ｅに穿設して内部空間４
内の被測定流体の流れを略Ｖ字状とすることで位相の遅
れと進みを受ける超音波の伝播方向を略同方向とするこ
とができるため、送信器６が１つで済み、部品数の低減
が図れる。

【００３７】また、本実施の形態の超音波渦流量計１Ａ
は、管２内で流速の最も高い管２の中心付近に孔５ａ，
５ｂを穿設しているため、カルマン渦のエネルギーが大
きく内部空間４内に生じる被測定流体の流れのエネルギ
ーが大きくなり、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

【００３８】なお、本実施の形態の超音波渦流量計１Ａ
では、内部空間４が一端側の開口部４ａから他端側の開
口部４ｂへ向けて断面積が逓減しそれに伴って仕切り４
ｃの断面積も逓減するよう構成したが、図２に示す超音
波渦流量計１Ｂのように内部空間４の断面積が一端側の
開口部４ａと他端側の開口部４ｂと変わらないようにし
また仕切り４ｃも断面積一定の板状となるよう構成して
も同様の効果が図れる。

【００３９】なお、仕切り４ｃの先端を送信器６と平行
な平面状とするとそこで送信器６から送信された超音波
が反射して定在波が生じて流量計測に悪影響を及ぼすお
それがあるため、実施の形態の超音波流量計１Ａのよう
に先端を尖らせたり、変形例の超音波流量計１Ｂのよう
に先端を丸めたりするほうが望ましい。

【００４０】

【発明の効果】上記のように、本発明の超音波渦流量計
は、内部空間を２つに仕切る仕切りを設けることで一の
受信器が受信する超音波の受信経路と他の受信器が受信
する超音波の伝播経路とが異なるようにしたため、一の
受信器が受信する超音波と他の受信器が受信する超音波
とが互いに干渉を起こして流量計測に影響を及ぼすこと
を防止できる。

【００４１】また、本発明の超音波渦流量計は、第１の
孔と第２の孔とを渦発生体と管との接合部付近に設ける
ことなく内部空間内で被測定流体の流れによって超音波
が変調を受ける距離を大きくすることができ、したがっ
て、流量測定に誤差が生じさせることなくＳ／Ｎ比を向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態の超音波渦流量計１Ａを
示す概略図である。

【図２】 本発明の実施の形態の変形例の超音波渦流量
計１Ｂを示す概略図である。

【図３】 従来の超音波渦流量計を示す概略図である。

【符号の説明】

１Ａ 実施の形態の超音波渦流量計 １Ｂ 実施の形態の変形例の超音波渦流量計 ２ 管 ３ 渦発生体 ４ 内部空間 ４ａ 内部空間４の一端側の開口部 ４ｂ 内部空間４の他端側の開口部 ４ｃ 仕切り ４ｄ 仕切り４ｃによって仕切られた一方の空間 ４ｅ 仕切り４ｃによって仕切られた他方の空間 ５ａ 孔 ５ｂ 孔 ６ 送信器 ７ａ 受信器 ７ｂ 受信器 ８ 発振回路 ９ａ 増幅回路 ９ｂ 増幅回路 １０ 位相比較回路 １１ 増幅・波形整形回路 １２ 演算回路 １３ 表示回路 １４ 出力回路 ５１ 従来の超音波渦流量計 ５２ 管 ５３ 渦発生体 ５４ 内部空間 ５５ 孔 ５６ 送信器 ５７ 受信器 ５８ 発振回路 ５９ 増幅回路 ６０ 位相比較回路 ６１ 増幅・波形整形回路 ６２ 演算回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定流体が流れる管と、 該管に設けられて下流側にカルマン渦を発生させる渦発
   生体と、 該渦発生体内に設けられた内部空間と、 渦発生体の前記管内壁と対抗する一側面に穿設され、前
   記内部空間と前記管の内部とを連通させる第１の孔と、 渦発生体の前記一側面に対抗する側面に穿設され、前記
   内部空間と前記管の内部とを連通させる第２の孔と、 前記内部空間内に設けられ、基端が当該内部空間の一端
   に位置し、先端が当該内部空間の他端側に向けて前記第
   １の孔と第２の孔とを結ぶ線よりも突出することによ
   り、当該内部空間の一端側を前記渦発生体の一側面側と
   他側面側との２つに仕切る仕切りと、 前記内部空間のうちの他端側に設けられ、当該内部空間
   の一端に超音波を送信する送信器と、 前記仕切りにより仕切られた一端側にそれぞれ設けら
   れ、前記送信器から送信された超音波を受信する２つの
   受信器と、 前記２つの受信器により受信される超音波から前記管に
   流れる被測定流体の流量を求める流量計測手段と、を備
   えたことを特徴とする超音波渦流量計。