JP2002267513A - 超音波流量計 - Google Patents
超音波流量計Info
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Abstract
量を下げてレンジャビリティを拡大する。 【解決手段】 流体は断面が矩形または円形の流管1内
の流路8を右方へ流れる。小〜大流量域では、第1の超
音波送受波器対2,3間で斜めの直線4上で超音波の送
受を行い、直線4上での線平均流速から流量を計測す
る。層流の一定以下の微小流量では送受波器を代えて、
第2の超音波送受波器5,6間で流路の軸線X−X上の
最大流速から流量を計測する。
Description
る。
め方向に超音波ビームの送受信を行う1対の送受波器を
管壁に配設し、超音波の順方向伝搬時間と逆方向伝搬時
間に基づいて流体の流速や流量を計測する超音波流量計
では、順方向伝搬時間と逆方向伝搬時間の差とか、順方
向伝搬時間の逆数と逆方向伝搬時間の逆数との差から流
速や流量を演算して求めている。
順方向や逆方向の伝搬時間の測定精度とか測定の分解能
によって測定下限値が決まり、流量計としての測定精度
やレンジャビリティの向上が困難であるという問題点が
あった。
流量計としての測定精度の向上やレンジャビリティの拡
大ができる超音波流量計を提供することを目的とするも
のである。
に、請求項1の発明は、流路を流れる流体の流れ中を、
流れと斜め方向に超音波の送受を行う第1の送受波器対
と、流路の軸線に沿って超音波の送受を行う第2の送受
波器対とを具備し、一定以上の流量域では第1の送受波
器対で測定した伝搬時間に基づいて流量を計測し、一定
未満の流量域では第2の送受波器対で測定した伝搬時間
に基づいて流量を計測することを特徴とする超音波流量
計である。
流量計において、流れに直角な流路断面がほぼ矩形で、
第1の送受波器対を構成する送受波器間を結ぶ直線が、
流路の軸線に対して、流れに直角な前記流路断面の矩形
長辺方向に傾斜していることを特徴とするものである。
超音波流量計において、第2の送受波器対を構成する送
受波器が、超音波ビームの広がりを抑制する手段を備え
ていることを特徴とするものである。
流量計において、流れに直角な流路断面のほぼ矩形の中
央付近の幅を広くしたことを特徴とするものである。
を図面の実施例に従って説明する。
円形の流管1の管壁に設けた第1の超音波送受波器対
2,3は、互いに両送受波器間を結ぶ直線4に沿って、
流体の流れ方向に対して斜めに超音波の送受を行う。直
線4上での線平均流速は、送受波器2から3までの超音
波の順方向伝搬時間と、送受波器3から2までの超音波
の逆方向伝搬時間とから、時間逆数差法または時間差法
を用いて周知の方法で測定する。線平均流速を流管断面
での平均流速に変換する計算式は周知の式を用いること
ができる。そして、こうして求めた流管断面での平均流
速に流管断面積を乗算して流量を算出するのも周知の計
算を用いる。
域と、流量が大きい乱流領域とでは流速分布が異なるた
め、線平均流速を流管断面での平均流速に変換する周知
の前記計算式は異なる。層流領域では、図2に示すよう
に、流路の軸線X−X方向の座標をxとすると半径方向
の座標rの関数として流速Vが、 V(r)=(R2 /4μ)(−dp/dx){1−(r/R)2 }…(1) で表される。
放物線状になり、軸線X−X上で最大値となり、計算
上、断面平均流速の2倍となる。また、直線4上での線
平均流速は、断面平均流速の1.5倍となる。そこで、
図1の流量計で第1の送受波器対2,3で計測した流量
が層流領域での比較的小さい値である一定未満の微流量
となったら、流路の軸線X−X上に配置した第2の送受
波器対5,6に切り換えて、両送受波器を結ぶ直線7上
で超音波の送受を行い、直線7上での順方向伝搬時間と
逆方向伝搬時間に基づいて最大流速Vmax を測定する。
この測定値は、同じ流量時での直線4上での前記平均流
速の(2/1.5)倍である1.33倍となるため、伝
搬時間差の測定精度が30%以上向上し、その分流量測
定精度が向上するので、測定下限流量を第1の送受波器
対2,3で測定した場合に比較して下げられる。従っ
て、流量計としてのレンジャビリティも拡大する。な
お、8は流路である。
流れ方向に対して斜めに設けた第1の送受波器対2,3
で計測し、一定未満の微小流量域では、流路の軸線上に
設けた第2の送受波器対5,6で計測する。そのため、
微小流量域での計測精度と計測可能な下限流量を第1の
送受波器対だけで計測する場合に比較して改善できる。
理図を、図5(a)(b)に具体例を示す。この実施例
2では、図3,4のように流路8Aの軸線X−Xを含む
流路の垂直な断面が符号9で示す高さH、長さLの矩形
で、流路8Aの断面が図1(b)に示すように高さH、
幅Wの矩形に形成され、流路8Aの軸線X−Xに対して
角度θだけ斜めに第1の超音波送受波器対を構成する送
受波器2と3が両送受波器を結ぶ直線4を挟んで対向配
置されている。直線4は矩形9を含む平面内にある。ま
た軸線X−X上に第2の超音波送受波器対を構成する送
受波器5と6が対向配置されている。7は送受波器5と
6を結ぶ直線である。
を示す。この具体例では、直線4を水平に設け、流路8
Aの軸線と直線7を傾けている。被計測流体は流入部1
0から計量室11に入り、矩形流路部12の流路8Aに
矢印Aのように左から入る。流路8Aを図示右方へ直線
7に沿って流れ、流路8Aの右方から出て、矢印Bのよ
うに流出する。13は流入部側と流出部側を仕切る仕切
り壁で、矩形流路部12がこの仕切り壁13を貫通して
固定されている。計量室11の相対する左右の各壁面1
4,15には送受波器2,5と3,6が対向配置されて
いる。
X上の直線4が送受波器5,6を結ぶ直線7に対し、角
度θをなすように傾斜して取り付けられている。この実
施例でも、第1の送受波器対2,3は互いに超音波の送
受を行うことで、流れに斜め直線4上の線平均流速を順
方向伝搬時間と逆方向伝搬時間に基づいて求める。ま
た、第2の送受波器対5,6は互いに超音波の送受を行
うことで、微流量域での直線7上の層流時の最大流速を
求める。第1の送受波器による測定から第2の送受波器
の測定への切り換えは、第1の送受波器によって測定し
た流量が層流領域での一定未満の微流量になったときに
自動的に切り換えるように構成しておく。なお切換時期
は、流量の大小による代りに、順方向と逆方向の超音波
の伝搬時間の差に基づいて行っても良い。各送受波器
2,3,5,6の発受信口16,17,18,19はそ
れぞれ全周に流速が発生するように壁面14,15から
突き出ている。
流速分布状態の差が小さい流路であり、その矩形流路に
超音波送受波器を流路断面の長辺(H)方向に斜めに設
置することでその差がより小さくなって測定精度の向上
等に効果がある。
速を効果的に計測するには、第2の送受波器対による超
音波の伝搬領域を狭くして、超音波ビームの広がりを抑
えるのが好ましく、そのためには、超音波送受波器の指
向性を高めたり、発射面を小さくしたり、送受波器の前
方に設けた発受信口を小さくする。
おける図3(b)と同じ図で、実施例2の流路8Aの断
面を示し、高さがHで幅がWの矩形断面である。図6
(b)(c)及び(d)は同図(a)と比較した他の実
施例での断面形状で、すべて高さHは実施例と同じであ
るが、高さHの中央付近の幅を広くし、更に同図(b)
(c)の例では高さHの上部と下部における幅を同図
(a)と比較して小さくしている。こうすることで、微
小流量の層流領域における流路の軸線上の最大流速をよ
り大きくできるため、微流量域での測定精度の向上と測
定下限流量の拡大が図れる(請求項4)。
成されているので、微小流量での測定精度が向上し、更
に微小流量側の測定下限流量計量が小さくなり、レンジ
ャビリティが拡大する。
は微小流量の計測に特化しているので、第1の送受波器
対の間を流れる小〜大流量の流れに悪影響を与えないよ
うにし、微小流量域では流れが超音波の伝搬を乱すこと
もなく、安定した受信波を得られ、伝搬領域を絞った弱
い超音波ビームでも確実に受信可能となる。
面を使うことで、第1の送受波器対による送信波は流路
全体に広がり、流路の断面平均流速に相関した伝搬状態
となるため、層流と乱流状態等の流速分布変化に関係な
く、求めたい断面平均流速が直接得られ易く、この面か
らも流量計の精度向上に寄与する。また、流路の高さ方
向の制約が緩和され、より大流量の計測が可能になっ
た。
軸線上の最大流速を確実に計測取得できるため、その面
からの計測精度の向上が図れる。
量域における流路軸線上の最大流速を大きくでき、その
面からも計測精度の向上に寄与する。
説明する図。
器の配置関係を説明する略図で、(a)は縦断面図、
(b)は横断面図。
図。
縦断平面図、(b)は縦断正面図。
(b)(c)(d)はそれぞれ異なる断面形状を示す。
Claims (4)
- 【請求項1】 流路を流れる流体の流れ中を、流れと斜
め方向に超音波の送受を行う第1の送受波器対と、流路
の軸線に沿って超音波の送受を行う第2の送受波器対と
を具備し、 一定以上の流量域では第1の送受波器対で測定した伝搬
時間に基づいて流量を計測し、一定未満の流量域では第
2の送受波器対で測定した伝搬時間に基づいて流量を計
測することを特徴とする超音波流量計。 - 【請求項2】 流れに直角な流路断面がほぼ矩形で、第
1の送受波器対を構成する送受波器間を結ぶ直線が、流
路の軸線に対して、流れに直角な前記流路断面の矩形長
辺方向に傾斜していることを特徴とする請求項1記載の
超音波流量計。 - 【請求項3】 第2の送受波器対を構成する送受波器
が、超音波ビームの広がりを抑制する手段を備えている
ことを特徴とする請求項1又は2記載の超音波流量計。 - 【請求項4】 流れに直角な流路断面のほぼ矩形の中央
付近の幅を広くしたことを特徴とする請求項2記載の超
音波流量計。
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