JP2003121223A - 超音波流速測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 受信波の振幅を増大させるとともに、受信
波のドリフトを低減させることができ、ひいては流体の
流速を精度良く測定することが可能な超音波流速測定装
置の提供を目的とする。 【解決手段】 流速測定管１の屈曲部１ａの内側に超音
波振動子２、３を設けるとともに、屈曲部１ａの外側に
超音波反射部材４、５をそれぞれ設ける。これら超音波
反射部材４、５は、いずれも超音波振動子に対して内側
に湾曲する円筒内面に形成されている。また、超音波振
動子２、３の円筒内面の曲率半径の半分の位置付近にお
いて、円筒内面の中心軸線θが超音波振動子２、３の軸
線αと流速測定管１の軸線βと等角度となるように設け
られている。

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】 【従来の技術および発明が解決しようとする課題】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
量を演算す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４
にて説明すると次のとおりである。図４において、
（１）は内部をガス等の流体が流れる超音波流速測定管
である。この超音波流速測定管（１）内には、流れ方向
の上流側及び下流側に、互いに所定距離を隔てて対向す
る態様で円筒状の超音波振動子（２）（３）が配置され
ている。この超音波振動子（２）（３）は、駆動パルス
発生回路（６）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（６）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）で受波されるまでの伝搬時間と、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
までの伝搬時間との差は、流速に関係することから、こ
の超音波の伝搬時間差をクロック波を利用する等して求
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４において、（８）は各超音波振
動子（２）（３）と駆動パルス発生回路（６）及び受信
増幅回路（７）の接続を切り替える切替回路であり、ま
ず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
（７）を接続して、上流側から下流側への伝搬時間を測
定したのち、該切替回路（８）の作動により駆動パルス
発生回路（６）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（７）とが接続さ
れるように切替えて、下流側から上流側への伝搬時間を
測定するものとなされている。 【０００６】しかしながら、上述のように超音波振動子
（２）（３）を対向する態様で配置するものだと、超音
波振動子（２）（３）から垂直に送信された直進超音波
は対向する超音波振動子（３）（２）にそのまま同位相
で受信されるが、その直進超音波は図４（ｂ）に示すよ
うに流速測定管（１）の断面一部を通過するだけで数少
なく、それ以外の大半の超音波は反射超音波として流速
測定管の内面で１回以上反射したあと、直進超音波より
位相が遅れて対向する超音波振動子（３）（２）に受信
される。このため、受信増幅回路（７）から出力される
受信波は、その振幅が小さくなるとともに、ドリフトが
生じ、流速を精度良く測定することができないという問
題があった。 【０００７】この発明は、受信波の振幅を増大させると
ともに、受信波のドリフトを低減させることができ、ひ
いては流体の流速を精度良く測定することが可能な超音
波流速測定装置の提供を目的とする。 【０００８】 【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するために、流速測定管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、それら超音波の伝搬
時間の差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、内面の少なくとも一部が
超音波振動子に対して内側に湾曲する断面円弧状に形成
された超音波反射部が、前記超音波振動子から前記円弧
の曲率半径の半分の位置または半分の位置付近におい
て、前記円弧の中心軸線が超音波振動子および流速測定
管の軸線と等角度となるように設けられていることを特
徴とする。 【０００９】これによれば、送信側の超音波振動子から
送信された超音波の大部分は、送信側の反射部において
互いに流速測定管の軸線方向に平行となるように反射す
る。そして、その反射した超音波は、そのまま流速測定
管内を軸線方向に平行に通過し、受信側の反射部におい
て受信側の超音波振動子に収束するように反射して、受
信側の超音波振動子に受信される。 【００１０】このため、超音波の大部分が同一位相で受
信されるので、受信波の振幅を増大させることができる
とともに、受信波のドリフトを低減させることができ、
ひいては流体の流速を精度良く測定することが可能とな
る。また、超音波の大部分は流速測定管内を断面一杯に
軸線方向に平行に通過し得るので、流体が小流量で流速
測定内のいずれかの箇所に偏って流れる場合であっても
流速を精度よく測定することができる。さらに、超音波
振動子が流速測定管の内側に配置された場合、超音波振
動子の設置スペースを流速測定管の外側に設ける必要が
なくなり、装置の小型化を図ることができる。 【００１１】 【発明の実施の形態】次に、この発明の一実施形態につ
いて図面を参照しつつ説明する。 【００１２】図１において、（１）は流体が流れるＵ字
状の流速測定管、（２）（３）は前記流速測定管（１）
の屈曲部（１ａ）の内側において屈曲部（１ａ）の外側
に向けて設けられた円筒状の超音波振動子、（４）
（５）は流速測定管（１）の屈曲部（１ａ）の外側にお
いて屈曲部（１ｂ）の内側に向けて設けられた金属製等
の超音波反射部材である。 【００１３】また、（６）は超音波振動子（２）（３）
に印可する駆動パルスを発生する駆動パルス回路、
（７）は超音波振動子（２）（３）に受信された超音波
に基づいて受信波を出力する受信増幅回路、（８）は超
音波振動子（２）（３）と駆動パルス発生回路（６）お
よび受信増幅回路（７）との接続を切り替える切替回路
であり、これらは図４（ａ）に示したものと同一なの
で、同一符合を付してその説明を省略する。 【００１４】前記流速測定管（１）は、図１に示すよう
に、その下方水平部が断面矩形状に形成されており、流
速測定管（１）の左側の端部から流入した流体が、その
まま下部水平部を通過し、その間に流速が測定されてた
あと、流速測定管（１）の右側の端部から流出するもの
となされている。 【００１５】前記超音波反射部材（４）（５）は、超音
波振動子（２）（３）に対して内側に屈曲する円筒内面
に形成されるとともに、超音波振動子（２）（３）から
前記円筒内面の曲率半径Ｒの半分の位置付近に設けられ
ている。このように構成するのは、図３に示すように、
円弧の曲率半径Ｒの半分の位置から放射状に送信された
超音波は、その円弧において互いに平行となるように反
射する一方、互いに平行な状態で円弧において反射した
超音波は、円弧の曲率半径Ｒの半分の位置に収束すると
いう性質を利用するためである。 【００１６】また、前記超音波反射部材（４）（５）
は、図２に示すように、その中心軸線θが超音波振動子
（２）（３）の軸線αと流速測定管（１）の軸線βに対
してそれぞれ等角度となるように設けられている。この
ため、超音波振動子（２）（３）から軸線α方向に対し
て水平に送信された超音波は、前記超音波反射部材
（４）（５）において流速測定管（１）の軸線β方向に
対して平行に反射する。また、流速測定管（１）の軸線
β方向に対して平行な状態で送信されてきた超音波は、
超音波反射部材（５）（４）において超音波振動子
（３）（２）の軸線α方向に対して水平に反射する。な
お、説明の便宜上、図２において、前記中心軸線θを超
音波反射部材（４）（５）の円筒内面に接するところま
でずらして描いている。 【００１７】しかして、送信側の超音波振動子（２）
（３）から送信された超音波の大部分は、送信側の反射
部（４）（５）において互いに流速測定管（１）の軸線
β方向に平行となるように反射する。そして、その反射
した超音波は、そのまま流速測定管（１）内を断面一杯
に軸線β方向に平行に通過し、受信側の反射部（５）
（４）において受信側の超音波振動子（３）（２）に収
束するように反射して、受信側の超音波振動子（３）
（２）に受信される。 【００１８】このため、超音波の大部分が同一位相で受
信されるので、受信波の振幅を増大させることができる
とともに、受信波のドリフトを低減させることができ
る。また、超音波の大部分は流速測定管（１）内を断面
一杯に軸線方向に平行に通過するので、流体が小流量で
流速測定（１）内のいずれかの箇所に偏って流れる場合
であっても流速を精度よく測定することができる。さら
に、超音波振動子（２）（３）が流速測定管（１）の屈
曲部（１ａ）の内側に配置されているので、超音波振動
子（２）（３）の設置スペースを流速測定管（１）の外
側に設ける必要がなくなり、装置の小型化を図ることが
できる。 【００１９】次に、図１に示す超音波流速測定装置を用
いた超音波流速測定方法について説明する。 【００２０】まず、切替回路（８）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）とが接続され
るようにした上で、駆動パルス発生回路（６）において
駆動パルスを発生し超音波振動子（２）に印加すると、
超音波振動子（２）から超音波が放射状に送信される。 【００２１】この超音波振動子（２）から送信された超
音波の大部分は、前記反射部（４）において、互いに流
速測定管（１）の軸線β方向に平行となるように反射
し、そのまま流速測定管（１）内を断面一杯に軸線β方
向に平行に通過する。 【００２２】そして、前記反射部（４）から流速測定管
（１）の軸線β方向に平行に送信されてきた超音波は、
下流側の反射部（５）において、下流側の超音波振動子
（３）に収束するように反射して、下流側の超音波振動
子（３）に受信される。 【００２３】受信増幅回路（６）では、下流側の超音波
振動子（３）に受信された超音波に基づいて受信波が出
力される。このときの受信波は、超音波の大部分が同一
位相で受信されることから、その振幅が増大するととも
に、ドリフトが低減している。 【００２４】次に、切替回路（８）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
るように切替えて、超音波振動子（３）から超音波を送
信すると、超音波振動子（２）から超音波を送信した場
合と逆の経路を辿って超音波振動子（４）に受信され
る。 【００２５】しかして、上記で得られた、上流側の超音
波振動子（２）から送信された超音波が下流側の超音波
振動子（３）に受信されるまでの伝搬時間と、下流側の
超音波振動子（３）から送信された超音波が上流側の超
音波振動子（２）に受信されるまでの伝搬時間との差を
求めることにより流体の流速を測定する。 【００２６】なお、この実施形態では、反射部材（４）
（５）は、円筒内面に形成するものとしたが、これに限
定されるものでなく、球面などのその他の形状の内面に
形成するものとしてもよい。要は、超音波反射部材
（４）（５）は、内面の少なくとも一部が超音波振動子
（２）（３）に対して内側に湾曲する断面円弧状に形成
されたものであればよい。 【００２７】また、超音波反射部は、流速測定管（１）
と別体の超音波反射部材（４）（５）としたが、流速測
定管（１）の内面に直接形成するものとしてもよい。 【００２８】また、超音波反射部材（４）（５）は、流
速測定管（１）の屈曲部（１ａ）の外側に設けるものと
したが、超音波振動子２、３の軸線α方向に対応してそ
れ以外の箇所に設けるものとしてもよい。要は、超音波
反射部材（４）（５）は、超音波振動子２、３から円筒
内面の曲率半径Ｒの半分の位置または半分の位置付近に
おいて、円筒内面の中心軸線θが超音波振動子２、３の
軸線αと流速測定管１の軸線βと等角度となるように設
ければよい。 【００２９】 【発明の効果】この発明によれば、超音波の大部分が同
一位相で受信されるので、受信波の振幅を増大させるこ
とができるとともに、受信波のドリフトを低減させるこ
とができ、ひいては流体の流速を精度良く測定すること
が可能となる。 【００３０】また、超音波の大部分は流速測定管内を断
面一杯に軸線方向に平行に通過し得るので、流体が小流
量で流速測定内のいずれかの箇所に偏って流れる場合で
あっても流速を精度よく測定することができる。 【００３１】さらに、超音波振動子が流速測定管の内側
に配置された場合、超音波振動子の設置スペースを流速
測定管の外側に設ける必要がなくなり、装置の小型化を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】この発明の一実施形態に係る超音波流速測定装
置の構成概略図である。 【図２】超音波反射部材における超音波の反射状態を示
す平面図である。 【図３】図１の超音波流速測定装置の要部拡大図であ
る。 【図４】従来の超音波流速測定装置の構成概略図であ
る。 【符号の説明】 １・・・流速測定管 ２、３・・・超音波振動子 ４、５・・・超音波反射部材

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【手続補正書】 【提出日】平成１３年１１月１３日（２００１．１１．
１３） 【手続補正１】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】００２０ 【補正方法】変更 【補正内容】 【００２０】まず、切替回路（８）により駆動パルス発
生回路（６）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（７）とが接続され
るようにした上で、駆動パルス発生回路（６）において
駆動パルスを発生し超音波振動子（２）に印加すると、
超音波振動子（２）から超音波が放射状に送信される。 【手続補正２】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】００２３ 【補正方法】変更 【補正内容】 【００２３】受信増幅回路（７）では、下流側の超音波
振動子（３）に受信された超音波に基づいて受信波が出
力される。このときの受信波は、超音波の大部分が同一
位相で受信されることから、その振幅が増大するととも
に、ドリフトが低減している。 【手続補正３】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】００２４ 【補正方法】変更 【補正内容】 【００２４】次に、切替回路（８）により駆動パルス発
生回路（６）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（７）とが接続され
るように切替えて、超音波振動子（３）から超音波を送
信すると、超音波振動子（２）から超音波を送信した場
合と逆の経路を辿って超音波振動子（４）に受信され
る。

フロントページの続き (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 DA05 DA19 DA23

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 流速測定管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、それら超音波の伝搬時
   間の差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、 内面の少なくとも一部が超音波振動子に対して内側に湾
   曲する断面円弧状に形成された超音波反射部が、前記超
   音波振動子から前記円弧の曲率半径の半分の位置または
   半分の位置付近において、前記円弧の中心軸線が超音波
   振動子および流速測定管の軸線と等角度となるように設
   けられていることを特徴とする超音波流速測定装置。