JP2002131104A - 超音波流速測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波の経路長を十分に長くすることがで
き、ひいては十分な測定精度を確保することが可能な超
音波流速測定方法の提供を課題とする。 【解決手段】 流速測定管１内に二重のジグザグ状の流
速測定部１４を形成し、該流速測定部１４の折り返し部
１４ａに、一重目の流速測定部１４から入射してきた超
音波を、該折り返し部１４ａを挟んで隣接する二重目の
流速測定部１４に向けて反射せしめる超音波反射部材１
５を設ける。これにより、送信側の超音波振動子２から
送信された超音波は、一重目の流速測定部１４を通過し
たあと、流速測定部１４の折り返し部分１４ａの超音波
反射部材１５において反射して、二重目の流速測定部１
４を通過して、受信側の超音波振動子３に受信されるの
で、超音波の経路長を十分に長くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波を利用し
てガスその他の流体の流速を測定する超音波流速測定装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガスその他の流体の流量を求める
に際し、まず流体の流速を連続的ないし定期的に測定
し、これに基いて流量を求めることが行われている。そ
して、このような流体の流速測定方法の一つとして、超
音波を利用した方法が知られている。

【０００３】かかる超音波流速測定方法の原理を、図３
にて説明すると次のとおりである。図３において、
（１）は内部をガス等の流体が流れる流速測定管であ
る。この流量測定管（１）内には、流体の上流側と下流
側にそれぞれ超音波振動子（２）（３）が対向状態に配
置されている。この超音波振動子（２）（３）は、駆動
パルス発生回路（４）からの駆動パルスにより駆動され
て振動し、超音波を発生送信する一方、送信されてきた
超音波を受信するもので、その超音波振動子（３）
（２）が振動したときの受信波が受信増幅回路（５）か
ら出力されるものとなされている。

【０００４】そして、上流側の超音波振動子（２）から
流れに対して順方向に送信された超音波が下流側の超音
波振動子（３）で受信されるまでの伝搬時間τと、下流
側の超音波振動子（３）から流れに対して逆方向に送信
された超音波が上流側の超音波振動子（２）で受信され
るまでの伝搬時間τ’とは流速に関係することから、こ
の超音波の伝搬時間を求めることにより流体の流速を測
定するものとなされている。

【０００５】なお、図３において、（６）は各超音波振
動子（２）（３）と駆動パルス発生回路（４）及び受信
増幅回路（５）の接続を切替える切替回路であり、まず
駆動パルス発生回路（４）と超音波振動子（２）、超音
波振動子（３）と受信増幅回路（５）を接続して、順方
向の伝搬時間τを測定したのち、該切替回路（６）の作
動により駆動パルス発生回路（４）と超音波振動子
（３）、超音波振動子（２）と受信増幅回路（５）とが
接続されるように切り替えて、逆方向の伝搬時間τ’を
測定するものとなされている。

【０００６】ところで、順方向の超音波の伝搬時間τと
逆方向の超音波の伝搬時間τ’との差が大きい方が流体
の流速を精度良く測定できることから、超音波の経路長
はできるだけ長い方が望ましい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
流速測定管は一重の直管状に形成されたものであり、し
かも流速測定管が組み込まれる装置の大きさも設置個所
や輸送の問題により限界があることから、超音波の経路
長を十分に長くすることができず、十分な測定精度を確
保することができない場合があるという問題があった。
例えば、流速測定管を家庭用ガスメータ（６号型）内に
組み込む場合、該家庭用ガスメータの口金間距離は１３
０ｍｍであるため、流速測定管の流速測定部の長さは最
高でも１００ｍｍ程度となり、超音波の経路長を十分に
長くすることができない。

【０００８】この発明は、上述の問題に鑑みてなされた
ものであって、超音波の経路長を十分に長くすることが
でき、ひいては十分な測定精度を確保することが可能な
超音波流速測定方法の提供を課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記課題を
解決するために、流速測定部を流れる計測流体の上流側
と下流側にそれぞれ超音波振動子が配置され、前記各超
音波振動子から相互に超音波を発生送信するとともに、
送信された超音波を相互に受信し、各受信波から求めた
超音波の伝搬時間に基づいて流速を測定するものとなさ
れている超音波流速測定装置において、前記流速測定部
は少なくとも二重のジグザグ状に形成されるとともに、
該流速測定部の折り返し部分に、一の流速測定部から入
射してきた超音波を、該折り返し部を挟んで隣接する他
の流速測定部に向けて反射せしめる超音波反射部となさ
れてなることを特徴とする。

【００１０】これによれば、送信側の超音波振動子から
送信された超音波は、一重目の流速測定部を通過したあ
と、一重目と二重目の流速測定部の折り返し部分の超音
波反射部において反射して、二重目の流速測定部を通過
するというように、各超音波反射部において反射を繰り
返しながら各流速測定部を順に通過していき、最後に受
信側の超音波振動子に受信される。このため、超音波の
経路長を十分に長くすることができ、順方向および逆方
向の超音波の伝搬時間の差が大きくなり、十分な測定精
度を確保することが可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、この発明を実施するため
の超音波流速測定装置を示すものである。図１におい
て、（１）は流速測定管、（２）（３）は流れ方向の上
流側及び下流側に配置された超音波振動子、（４）は駆
動パルス（Ｋ）を発生する駆動パルス発生回路、（５）
は超音波振動子（２）（３）で超音波を受信したときに
受信波（Ｗ）を出力する受信増幅回路、（６）は超音波
振動子（２）（３）と駆動パルス発生回路（４）及び受
信増幅回路（５）の接続を切り替える切替回路であり、
流速測定管（１）以外は図３に示したものと同じであ
る。

【００１２】この実施形態では、前記流速測定管（１）
内に二重のジグザグ状の流速測定部（１４）が形成され
ている。このため、流速測定部（１４）に流入した流体
は、図１の白抜き矢印に示すように、一重目の流速測定
部（１４）に沿って流れたあと、流速測定部（１４）の
折り返し部（１４ａ）において折り返して、二重目の流
速測定部（１４）に沿って流れて、流速測定部（１４）
から流出していく。

【００１３】また、流速測定部（１４）の両開口部付近
には超音波振動子（２）（３）が設けられるとともに、
流速測定部（１４）の折り返し部（１４ａ）には超音波
を反射する超音波反射部材（１５）が設けられている。
この超音波反射部材は、二つの反射面が互いに直交関係
にある側面視外開きコ字状の部材であり、前記反射面が
流速測定部（１４）の軸線方向に対して４５度の角度を
なす態様で流速測定部（１４）の折り返し部（１４ａ）
分に設けられている。

【００１４】このため、送信側の超音波振動子（２）
（３）から流速測定部（１４）の軸線方向に送信された
超音波は、図１に示す矢印のように、そのまま一重目の
流速測定部（１４）を軸線方向に沿って通過したあと、
流速測定部（１４）の折り返し部（１４ａ）分の超音波
反射部材の一方の反射面において直角に反射し、さらに
他方の反射面において直角に反射し、二重目の流速測定
部（１４）を軸線方向に沿って通過して、受信側の超音
波振動子（３）（２）に受信されるので、超音波の経路
長を長くすることができる。

【００１５】また、受信増幅回路（５）の出力側に比較
回路（７）が設けられている。この比較回路（７）は、
図２に示すように、受信増幅回路（５）から出力された
受信波（Ｗ）と、基準電圧発生回路（８）から出力され
る基準電圧値Ｅとを比較して、受信波（Ｗ）が基準電圧
値Ｅに到達した時点を超音波の到達タイミングと特定
し、該超音波到達タイミングと同時に後述のカウンタ
（１０）に受信信号を送信する回路である。

【００１６】一方、駆動パルス発生回路（４）の出力側
には、クロック回路（９）、カウンタ（１０）および伝
搬時間演算回路（１１）が設けられている。このクロッ
ク回路（９）は、図２に示すように、超音波振動子
（２）（３）から超音波が送信される時刻（Ａ）と同期
して、一定周期のクロック波（Ｌ）を出力するものであ
る。

【００１７】前記カウンタ（１０）は、超音波振動子
（２）（３）から超音波が送信された時刻（Ａ）から、
その送信された超音波が超音波振動子（３）（２）に受
信されるまでの時刻（Ｂ）までの時間内において、クロ
ック回路（９）から出力されたクロック波（Ｌ）の波数
をカウントするものである。

【００１８】前記伝搬時間演算回路（９）は、前記カウ
ンタ（１０）でカウントされたクロック波（Ｌ）の波数
に基づいて伝搬時間τ（τ’）を算出するもので、具体
的には下式［１］の演算を行う。 （伝搬時間τ（τ’）） ＝（クロック波（Ｌ）の周期）×（出力されたクロック波（Ｌ）の波数） ・・・［１］ そして、前記伝搬時間演算回路（１４）の出力側には、
流体の流速を算出する流速演算回路（１０）が設けら
れ、さらに該流速演算回路（１０）の出力側には流体の
流量を算出する流量演算回路（１１）が設けられてい
る。

【００１９】前記流速演算回路（１０）は、流体の流速
を算出するために、下式［２］の演算を行う。 ｖ＝Ｌ／２×（１／τ−１／τ’）・・・［２］ ｖ：流体の流速 Ｌ：流速測定管の長さ τ：順方向の超音波の伝搬時間 τ’：逆方向の超音波の伝搬時間 なお、順方向の伝搬時間τは、 τ＝Ｌ／（ｃ＋ｖ）・・・［３］ とあらわされ、また、逆方向の超音波の伝搬時間τ’
は、 τ’＝Ｌ／（ｃ−ｖ）・・・［４］ とあらわされので（ｃ：超音波の速度）、これら［３］
［４］式より上式［２］が導出される。なお、上述のよ
うに超音波の経路長が長いので、順方向の超音波の伝搬
時間τと逆方向の超音波の伝搬時間τ’との差が大きく
なり、流体の流速を精度良く求めることができる。

【００２０】前記流量演算回路（１１）は、流体の流量
を算出するために、下式［５］の演算を行う。この流量
演算回路（１１）により算出された流体の流量Ｑは、図
示略の記憶部に積算的に記憶される。 Ｑ＝ｖ×Ｓ×ｔ・・・［５］ Ｑ：流体の流量 ｖ：流体の流速 Ｓ：流速測定管の断面積 ｔ：所定時間（２秒） 次に図１に示した装置を用いた超音波流速測定方法につ
いて説明する。

【００２１】まず、上流側から下流側への順方向の超音
波の伝搬時間τを求めるべく、切替回路（６）の作動に
より駆動パルス発生回路（４）と上流側の超音波振動子
（２）、下流側の超音波振動子（３）と受信増幅回路
（５）とを接続する。

【００２２】そして、駆動パルス発生回路（４）から３
個の駆動パルスを発生させて超音波振動子（２）に印加
せしめ、該超音波振動子（２）から超音波を発生送信さ
せる。また、超音波の発生送信と同時に、クロック回路
（９）から一定周期のクロック波（Ｌ）を出力する。

【００２３】送信側の超音波振動子（２）（３）から送
信された超音波は、図１に示す矢印のように、そのまま
一重目の流速測定部（１４）を通過したあと、流速測定
部（１４）の折り返し部（１４ａ）分の超音波反射部材
の一方の反射面において直角に反射し、さらに他方の反
射面において直角に反射し、二重目の流速測定部（１
４）を通過して、受信側の超音波振動子（３）（２）に
受信される。

【００２４】そして、受信増幅回路（４）から受信波
（Ｗ）が出力されるので、比較回路（７）において、受
信増幅回路（５）から出力された受信波（Ｗ）と、基準
電圧発生回路（８）からの基準電圧値Ｅとを比較して、
受信波（Ｗ）が基準電圧値Ｅに到達した時点を超音波の
到達タイミングと特定し、該超音波到達タイミングと同
時に後述のカウンタ（１０）に受信信号を送信する。

【００２５】前記カウンタ（９）では、超音波振動子
（２）（３）から超音波が送信された時刻（Ａ）から、
その送信された超音波が超音波振動子（３）（２）に受
信されるまでの時刻（Ｂ）までの時間内において、クロ
ック回路（９）から出力されたクロック波（Ｌ）の波数
をカウントし、その波数を伝搬時間演算回路（１１）に
送信する。

【００２６】前記伝搬時間演算回路（１１）では、カウ
ンタ（９）から送信されてきたクロック波（Ｌ）の波数
に基づいて、上式［１］の演算により超音波の伝搬時間
τを算出し、該伝搬時間τを流速演算回路（１２）に送
信する。

【００２７】こうして順方向の超音波の伝搬時間τを求
めたあとは、前記切替回路（６）の作動により駆動パル
ス発生回路（４）と下流側の超音波振動子（３）、上流
側の超音波振動子（２）と受信増幅回路（５）とが接続
されるように切り替えて、上述と同様に逆方向の超音波
の伝搬時間τ’を求め、該伝搬時間τ’を流速演算回路
（１２）に送信する。

【００２８】前記流速演算回路（１２）では、順方向お
よび逆方向の超音波の伝搬時間τ、τ’に基づいて、上
式［２］の演算により流体の流速ｖを算出し、該流体の
流速ｖを流量演算回路（１３）に送信する。

【００２９】前記流量演算回路（１３）では、上式
［５］の演算により流体の流量Ｑを算出し、該流体の流
量Ｑを図示略の記憶部に積算的に記憶する。

【００３０】このように、流速測定部（１４）を二重の
ジグザグ状に形成し、流速測定部（１４）の折り返し部
（１４ａ）分に超音波反射部材を設けることによって、
超音波の経路長を長くすることができ、ひいては十分な
測定精度を確保することが可能となる。

【００３１】なお、この実施形態では、流速測定部（１
４）を二重のジグザグ状に形成したが、三重以上のジグ
ザグ形成し、流速測定部（１４）の各折り返し部（１４
ａ）分に超音波反射部材（１５）を設けるものとしても
よい。

【００３２】また、超音波反射部材（１５）は、流速測
定部（１４）の軸線方向に平行に進む超音波を対象とし
て、二つの反射面が互いに直交関係にある側面視外開き
コ字状に形成したが、流速測定部（１４）内を反射しな
がら進む超音波を対象として、その他の形状に形成して
もよい。要は、一の流速測定部（１４）から入射してき
た超音波を、該流速測定部（１４）に折り返し部（１４
ａ）を挟んで隣接する流速測定部（１４）に反射せしめ
るものであればよい。

【００３３】また、流速測定部（１４）の折り返し部
（１４ａ）に超音波反射部としての超音波反射部材（１
５）を設けたが、流速測定管（１）が超音波を反射する
ものであれば、前記折り返し部（１４ａ）において流速
測定管（１）を折り返す態様で連続的に繋げて、その部
分をそのまま超音波反射部としてもよい。

【００３４】また、流速測定部（１４）の軸線方向の形
状は、直管状に形成したが、楕円状、放物線状、円弧状
いずれの形状に形成してもよい。

【００３５】

【発明の効果】この発明によれば、送信側の超音波振動
子から送信された超音波は、一重目の流速測定部を通過
したあと、一重目と二重目の流速測定部の折り返し部分
の超音波反射部において反射して、二重目の流速測定部
を通過するというように、各超音波反射部において反射
を繰り返しながら各流速測定部を順に通過していき、最
後に受信側の超音波振動子に受信される。このため、超
音波の経路長を十分に長くすることができ、順方向およ
び逆方向の超音波の伝搬時間の差が大きくなり、十分な
測定精度を確保することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を実施するための超音波流速測定装置
の一例を示すブロック図である。

【図２】駆動パルス、受信波、クロック波の相対関係を
示す図である。

【図３】従来の超音波流速測定装置を示すブロック図で
ある。

【符号の説明】

フロントページの続き (72)発明者 南 忠幸 大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪 瓦斯株式会社内 (72)発明者 田川 滋 大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪 瓦斯株式会社内 (72)発明者 河野 明夫 京都市下京区中堂寺鍵田町10 関西ガスメ ータ株式会社内 (72)発明者 中村 英司 京都市下京区中堂寺鍵田町10 関西ガスメ ータ株式会社内 (72)発明者 松田 年史 京都市下京区中堂寺鍵田町10 関西ガスメ ータ株式会社内 (72)発明者 保田 哲也 京都市下京区中堂寺鍵田町10 関西ガスメ ータ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F035 DA07 DA23

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流速測定部を流れる計測流体の上流側と
   下流側にそれぞれ超音波振動子が配置され、前記各超音
   波振動子から相互に超音波を発生送信するとともに、送
   信された超音波を相互に受信し、各受信波から求めた超
   音波の伝搬時間に基づいて流速を測定するものとなされ
   ている超音波流速測定装置において、 前記流速測定部は少なくとも二重のジグザグ状に形成さ
   れるとともに、 該流速測定部の折り返し部分に、一の流速測定部から入
   射してきた超音波を、該折り返し部を挟んで隣接する他
   の流速測定部に向けて反射せしめる超音波反射部が設け
   られてなることを特徴とする超音波流速測定装置。