JP2005172547A

JP2005172547A - 超音波流量計

Info

Publication number: JP2005172547A
Application number: JP2003411361A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Ukesono; 信博請園
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】測定管の管軸方向に所定間隔を持って配置した第１の送受信超音波振動子に加えて、測定管の管断面方向の対向する位置に配置した第２の送受信超音波振動子を備えることで、第１の送受信超音波振動子で測定する測定流体の流速成分に含まれている偏流等の流速成分を除去して管軸方向の流速のみで測定流体の流量を計測できる超音波流量計を提供する。
【解決手段】超音波流量計は、測定管内に流れる測定流体の流量を超音波を利用して計測する超音波流量計であって、前記測定管の管軸方向に所定間隔を保って配置された複数の第１の送受信超音波振動子と、前記測定管の管断面方向の対向する位置に配置された複数の第２の送受信超音波振動子と、を備え、前記第１の送受信超音波振動子で計測した流速成分から前記第２の送受信超音波振動子で計測した流速成分を除去して、前記測定流体の流量を算出することである。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波流量計に関し、詳しくは一対の超音波送受信器からなる超音波検出部を流体の流れる測定管の外周に設置し、流体の流れ順方向及び逆方向に超音波を伝播させたときに、それぞれの伝播時間に基づいて計測制御部が流体の流量を演算して出力する超音波流量計の超音波変換器の構成と信号処理に関するものである。

従来技術における超音波流量計は、図３に示すように、測定管１１１の外周に超音波を発射或いは受信する振動子１１２ａ、１１２ｂを備えた超音波センサー１１３ａ、１１３ｂが上流と下流に1つずつ備え、これらの超音波センサー１１３ａ、１１３ｂは変換器１１４に接続された構成になっている。
このような構成の超音波流量計においては、変換器１１４より送信信号を上流（又は下流）の超音波センサー１１３ａに送り、振動子１１２ａから超音波を発射させる。発射した超音波は、測定管１１１内の測定流体１１５を通り、反対側の測定管１１１内面で反射して、再度測定流体１１５を通り、下流（又は上流）の振動子１１２ｂで受信され、受信信号として変換器１１４に送られる。
変換器１１４では、上流から下流へ、又、下流から上流へ送信した超音波信号の到達時間から、測定管１１１内の流速を測定する。

特願２００３−３２９２６０（第５頁第１図）

しかし、従来技術で説明した超音波流量計においては、測定管の流れに偏流等があり、十分に発達している流速でないときに、管軸方向以外に流速成分が発生し、超音波伝播面の管断面の半径方向に流速成分を持つ場合には、その成分が誤差になってしまうという問題がある。

従って、管断面の半径方向の流速成分を測定し、その測定値から測定した流量を補正し、管断面の半径方向の流速成分に起因する誤差を除去することに解決しなければならない課題を有する。

このような課題を達成するために、本発明の超音波流量計は、次に示す構成にすることである。

（１）超音波流量計は、測定管内に流れる測定流体の流量を超音波を利用して計測する超音波流量計であって、前記測定管の管軸方向に所定間隔を保って配置された複数の第１の送受信超音波振動子と、前記測定管の管断面方向の対向する位置に配置された複数の第２の送受信超音波振動子と、を備え、前記第１の送受信超音波振動子で計測した流速成分から前記第２の送受信超音波振動子で計測した流速成分を除去して、前記測定流体の流量を算出することである。
（２）前記複数の第１の送受信超音波振動子は、一対の振動子で形成され、これらの振動子は向き合った方向であって、管軸斜め方向内部に向けて超音波が発射できるように配置したことを特徴とする（１）に記載の超音波流量計。
（３）前記複数の第２の送受信超音波振動子は、一対の振動子で形成され、これらの振動子は向き合った方向であって、管断面方向に向けて超音波が発射できるように配置したことを特徴とする（１）又は（２）に記載の超音波流量計。
（４）前記第２の送受信超音波振動子を利用して、前記測定管のつまりによる偏流等の測定管内の測定流体の流れ乱れ状態を検出して、警報を発生させる警報発生手段を備えたことを特徴とする（１）又は（３）に記載の超音波流量計。
（５）前記第１の送受信超音波振動子のうちの１つの振動子を備えた検出器部材に、前記第２の送受信超音波振動子のうちの１つの振動子を配置したことを特徴とする（１）、（２）、（３）又は（４）に記載の超音波流量計。
（６）前記複数の第１の送受信超音波振動子及び前記複数の第２の送受信超音波振動子は、前記測定管の外周面に配置したことを特徴とする（１）に記載の超音波流量計。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）流量測定を行った結果から、誤差要因である管断面の半径方向の流速を補正することによって、高精度な測定が可能になる。
（２）管断面の半径方向の流速から、つまりによる偏流等の配管内の流れの乱れ状態を検出して、報知等の警報を発生させることができ、このことによって、測定管の状態の診断を行うことができる。
（３）流量測定用の検出器内に流量測定用の振動子と管断面半径方向に流速測定用の振動子を取り付けることによって、設置する変換器の数が少なくなり、設置が容易になる。

以下、本発明の超音波流量計の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

本発明の超音波流量形は、図１に示すように、測定管１１の上流側外周端から管軸斜め方向の測定管１１内部に超音波を発射し或いは受信できるように配置した第１の流量測定用振動子１２ａと、測定管１１の下流側外周端に第１の流量測定用振動子１２ａから発射した超音波を受信でき、或いは第１の流量測定用振動子１２ａ方向に超音波を発射する位置に配置した第２の流量測定用振動子１２ｂと、第１の流量測定用振動子１２ａ側であって、測定管１１の断面半径方向に超音波を発射し或いは受信できるように配置した第１の流速測定用振動子１３ａと、この第１の流速測定用振動子１３ａと対向する位置に第１の流速測定用振動子１３ａから発射された超音波を受信し或いは第１の流速測定用振動子１３ａ側に発射する第２の流速測定用振動子１３ｂとを備え、これら第１及び第２の流量測定用振動子１２ａ、１２ｂ及び第１及び第２の流速測定用振動子１３ａ、１３ｂは変換器１４に接続され、第１の流量測定用振動子１２ａの受信状態及び第２の流量測定用振動子１２ｂの受信状態で測定管１１内に流れる測定流体１５の流量を計測すると共に、第１の流速測定用振動子１３ａで受信した超音波の受信状態及び第２の流速測定用振動子１３ｂで受信した超音波の受信状態で測定流体１５についての管断面の半径方向の流速成分を求め、この求めた流速成分を第１及び第２の流量測定用振動子１２ｂで求めた管軸方向の流速成分から除去するように補正して測定流体１５の流量を計測する。
ここで、第１の流量測定用振動子と第２の流量測定用振動子とで、第１の送受信超音波振動子を形成し、第１の流速測定用振動子と第２の流速測定用振動子とで、第２の送受信超音波振動子を形成する。
第１の流量測定用振動子１２ａは、管軸斜め方向に超音波が発射するように、直方体形状の第１の取付部材１６ａのコーナーをカットしたカット面１７ａに取り付けた構造となっている。この第１の取付部材１６ａの頂部１８ａに第１の流速測定用振動子１３ａを取り付けた構造となっている。
第２の流量測定用振動子１２ｂは、第１の流量測定用振動子１２ａからの超音波を受信できるように、受信面を第１の流量測定用振動子１２ａ側に向くように直方体形状の第２の取付部材１６ｂのコーナーをカットしたカット面１７ｂに取り付けられている。
第２の流速測定用振動子１３ｂは、第１の流速測定用振動子１３ａから発射された管断面方向の超音波を受信できるように、第１の取付部材１６ａと対向する位置に設けた直方体形状の第３の取付部材１６ｃの頂部１８ｂに取り付けた構造となっている。

変換器１４は、第１の流量測定用振動子１２ａから発射された超音波信号を第２の流量測定用振動子１２ｂで受信することで、超音波信号の時間的遅延から測定管１１内部を流れている測定流体１５の流量を算出する流量測定回路２２と、第１の流速測定用振動子１３ａから発射された超音波信号を受信する第２の流速測定用振動子１３ｂにより超音波の時間的遅延から半径方向への測定流体の流速を測定する半径方向流速測定回路２３と、半径方向流速測定回路２３で得られた半径方向の超音波信号を流量測定回路２２で得られた超音波信号から除去するように補正する流量補正回路２４と、半径方向流速測定回路２３で得られた超音波信号から流れの乱れを検出する流れ乱れ検出回路２５と、この流れ乱れ検出回路２５で検出した流れの乱れに基づいて警報を発する警報発生回路２６とからなる。

このような構成からなる変換器１４において、先ず、測定管１１内を流れる測定流体１５の順方向の超音波の到着時間を測定するために、第１の流量測定用振動子１２ａから超音波信号を発射させると、その超音波信号は測定管１１内を通り測定流体１５を伝播して相手側の測定管１１内面にあたり反射され、再び測定流体１５に伝播して第２の流量測定用振動子１２ｂで受信する。次に、測定管１１内を流れる測定流体１５の逆方向の超音波の到着時間を測定するために、第２の流量測定用振動子１２ｂから超音波信号を発射させると、その超音波信号は測定管１１内を通り測定流体１５を伝播して相手側の測定管１１内面にあたり反射され、再び測定流体１５に伝播して第１の流量測定用振動子１２ａで受信する。
このときの上下流方向の超音波送受信波の到着時間差より流速の測定を行う。この流速の測定値は、流速の管軸方向と管断面の半径方向の成分を含んでいる。
そこで、第１の流速測定用振動子１３ａから超音波信号を管断面方向の半径方向に発射し、その発射された超音波信号は、測定管１１内部を流れる測定流体１５に伝播して、第１の流速測定用振動子１３ａと対向する位置に設けてある第２の流速測定用振動子１３ｂで受信する。反対に、第２の流速測定用振動子１３ｂから超音波信号を管断面方向の半径方向に発射し、その発射された超音波信号は、測定管１１内部を流れる測定流体１５に伝播して、第２の流速測定用振動子１３ｂと対向する位置に設けてある第１の流速測定用振動子１３ｂで受信する。
このようにして到達時間差より管断面の半径方向の流速成分を測定する。この測定結果には、管断面の半径方向の流速成分しか含まれていない。
従って、管断面の半径方向の成分を管軸方向で得られた流速測定結果より補正し、管断面半径方向の測定結果を除去することで、管軸方向のみの測定結果を得ることができ、それに基づいて流量を算出する。
又、管断面の半径方向の流速は、そのときに応じて変化する場合があり、その流速の変化を予めしきい値等を定めておけば、流れの乱れとして検出することができ、乱れを検出すれば、その警報を警報発生回路２６から発するようにすればよい。

管軸方向に設けた一対の送受信超音波振動子に加えて、管断面方向の対向する位置に一対の送受信超音波振動子を備えた構成にして、管軸方向に設けた一対の送受信超音波振動子で得られた測定流体の流速成分に含まれている偏流といった管軸方向の流速以外の流速を除去して、管軸方向に流れる測定流体の流量を測定できる超音波流量計を提供する。

本願発明の超音波流量計を略示的に示した説明図である。同、超音波流量計の変換器の構成を示すブロック図である。従来技術における超音波流量計を略示的に示した説明図である。

符号の説明

１１測定管
１２ａ第１の流量測定用振動子
１２ｂ第２の流量測定用振動子
１３ａ第１の流速測定用振動子
１３ｂ第２の流速測定用振動子
１４変換器
１５測定流体
１６ａ第１の取付部材
１６ｂ第２の取付部材
１６ｃ第３の取付部材
１７ａカット面
１７ｂカット面
１８ａ頂部
１８ｂ頂部
２２流量測定回路
２３半径方向流速測定回路
２４流量補正回路
２５流れ乱れ検出回路
２６警報発生回路。

Claims

測定管内に流れる測定流体の流量を超音波を利用して計測する超音波流量計であって、
前記測定管の管軸方向に所定間隔を保って配置された複数の第１の送受信超音波振動子と、
前記測定管の管断面方向の対向する位置に配置された複数の第２の送受信超音波振動子と、を備え、
前記第１の送受信超音波振動子で計測した流速成分から前記第２の送受信超音波振動子で計測した流速成分を除去して、前記測定流体の流量を計測することを特徴とする超音波流量計。
前記複数の第１の送受信超音波振動子は、一対の振動子で形成され、これらの振動子は向き合った方向であって、管軸斜め方向内部に向けて超音波が発射できるように配置したことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
前記複数の第２の送受信超音波振動子は、一対の振動子で形成され、これらの振動子は向き合った方向であって、管断面方向に向けて超音波が発射できるように配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波流量計。
前記第２の送受信超音波振動子を利用して、前記測定管のつまりによる偏流等の測定管内の測定流体の流れ乱れ状態を検出して、警報を発生させる警報発生手段を備えたことを特徴とする請求項１又は３に記載の超音波流量計。
前記第１の送受信超音波振動子のうちの１つの振動子を備えた取付部材に、前記第２の送受信超音波振動子のうちの１つの振動子を配置したことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の超音波流量計。
前記複数の第１の送受信超音波振動子及び前記複数の第２の送受信超音波振動子は、前記測定管の外周面に配置したことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。