JP2005241494A - Clamp-on type doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、管体の外側に設置した超音波トランスデューサから管体内部の被測定流体へ超音波を入射し、ドップラー効果を利用して被測定流体の流速分布を非接触で計測するようにしたクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計に関するものである。 In the present invention, ultrasonic waves are incident on a fluid to be measured inside the tubular body from an ultrasonic transducer installed outside the tubular body, and the flow velocity distribution of the fluid to be measured is measured in a non-contact manner using the Doppler effect. The present invention relates to a clamp-on type Doppler ultrasonic flow velocity distribution meter.
クランプオン型超音波流量計は、超音波トランスデューサを配管等の管体の外周面の一部に装着し、管体の内部を移動する被測定流体の流量を管体の外側から測定する流量計である。このクランプオン型超音波流量計は、主に、伝搬時間差式とドップラー式とに分類することができる。 The clamp-on type ultrasonic flowmeter is a flowmeter in which an ultrasonic transducer is attached to a part of the outer peripheral surface of a pipe or the like and the flow rate of the fluid to be measured moving inside the pipe is measured from the outside of the pipe. It is. This clamp-on type ultrasonic flowmeter can be mainly classified into a propagation time difference type and a Doppler type.
伝搬時間差式は、管体の内部を移動する被測定流体を斜めに横切るような経路で超音波を往復させ、超音波が往路と復路のそれぞれを伝搬するのに要する時間の差から、被測定流体の流量を測定する方法である。
一方、ドップラー式は、被測定流体中に含まれる浮遊粒子や気泡が流体と同じ速度で移動すると仮定して、浮遊粒子等の移動速度から被測定流体の流量を測定する方法である。すなわち、被測定流体中に超音波を送信すると、浮遊粒子等により反射した超音波の周波数がドップラー効果により浮遊粒子等の移動速度に応じて変化することから、反射超音波の周波数を検出して浮遊粒子等の移動速度、すなわち被測定流体の速度を検出し、流速分布や流量を測定するものである。
The propagation time difference formula reciprocates the ultrasonic wave in a path that crosses the measured fluid moving inside the tube diagonally, and the difference in time required for the ultrasonic wave to propagate in each of the forward path and the return path This is a method for measuring the flow rate of a fluid.
On the other hand, the Doppler method is a method of measuring the flow rate of the fluid to be measured from the moving speed of the suspended particles and the like, assuming that the suspended particles and bubbles contained in the fluid to be measured move at the same speed as the fluid. That is, when an ultrasonic wave is transmitted into the fluid to be measured, the frequency of the ultrasonic wave reflected by the suspended particles changes according to the moving speed of the suspended particles due to the Doppler effect. The moving velocity of suspended particles, that is, the velocity of the fluid to be measured is detected, and the flow velocity distribution and flow rate are measured.
このようなドップラー式超音波流量計の従来技術として、例えば後述の特許文献1に記載された「ドップラー式超音波流量計」がある。図3は、この流量計の概略的な構成を示している。
As a prior art of such a Doppler type ultrasonic flow meter, for example, there is a “Doppler type ultrasonic flow meter” described in
図3に示すドップラー式超音波流量計は、配管21の内部を流れる被測定流体22の流速を非接触で測定する超音波速度分布計測ユニット(以下、UVPユニットという)10を備えている。このUVPユニット10は被測定流体22に対し測定線MLに沿って所要周波数(基本周波数F0)の超音波パルスを送信する超音波送信手段11と、被測定流体22に入射した超音波パルスの測定領域から反射した超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体22の流速分布を測定する流速分布計測回路12と、被測定流体22の流速分布に基づき演算処理して配管21の半径方向の積分を行うことにより、被測定流体22の流量を時間依存で求める流量演算手段としてのマイコン、CPU、MPU等のコンピュータ31と、このコンピュータ31からの出力を時系列的に表示する表示装置32とを備えている。
The Doppler ultrasonic flow meter shown in FIG. 3 includes an ultrasonic velocity distribution measurement unit (hereinafter referred to as a UVP unit) 10 that measures the flow velocity of the
超音波送信手段11は、例えば1[MHz],2[MHz],4[MHz]等の基本周波数F0の電気信号を発生する発振器13と、この発振器13からの電気信号を所定周期(1/Frpf)毎に周波数Frpfのパルスとして出力するエミッタ14とからなる信号発生器15を備え、この信号発生器15から前記基本周波数F0のパルス電気信号が超音波トランスデューサ16に入力される。
超音波トランスデューサ16からは、基本周波数F0の超音波パルスが測定線MLに沿って配管21内部の被測定流体22に発信される。この超音波パルスは、例えばパルス幅5[mm]程度で拡がりをほとんど持たない直進性のビームである。
The
From the
超音波トランスデューサ16は送受信器を兼ねており、発信された超音波パルスが被測定流体22中の反射体に当たって反射される超音波エコーを受信可能に構成されている。上記反射体は、被測定流体22中に一様に含まれる気泡や浮遊粒子、言い換えれば、被測定流体22とは音響インピーダンスが異なる異物である。
The
超音波トランスデューサ16により受信された超音波エコーは、このトランスデューサ16でエコー電気信号に変換される。このエコー電気信号はUVPユニット10内の増幅器17により増幅された後、A/D変換器18を通ってディジタル化され、このディジタルエコー信号が流速分布計測回路12に入力される。
The ultrasonic echo received by the
流速分布計測回路12には、発振器13からの基本周波数F0の電気信号がA/D変換器18によりディジタル化されて入力されており、両信号の周波数差からドップラーシフトに基づく流速の変化を測定し、測定線MLに沿う測定領域の被測定流体22の流速分布を算出している。この測定領域の流速分布を超音波トランスデューサ16の傾斜角α(配管21の長手方向に直交する方向に対する傾斜角)で補正することにより、配管21の横断面における流体22の流速分布を測定することができる。
An electric signal having a fundamental frequency F 0 from the
次に、図4を参照して、ドップラー式超音波流量計の動作原理について更に詳述する。
図4(A)に示すように、超音波トランスデューサ16を前記角度αだけ被測定流体22の流れ方向に傾けて設置した状態で、超音波トランスデューサ16から基本周波数F0の超音波パルスを配管内に入射すると、この超音波パルスは測定線ML上の被測定流体22に一様に分布する浮遊粒子等の反射体に当たって反射し、図4(B)に示すように超音波エコーaとなって超音波トランスデューサ16に受信される。
Next, the operation principle of the Doppler type ultrasonic flowmeter will be described in more detail with reference to FIG.
As shown in FIG. 4A, in the state where the
なお、図4(B)において、符号bは超音波パルス入射側の配管21の管壁で反射する多重反射エコーであり、符号cは反対側の配管21の管壁で反射する多重反射エコーである。超音波トランスデューサ16から発信される超音波パルスの発信周期は、図示する如く(1/Frpf)である。
In FIG. 4B, the symbol b is a multiple reflection echo reflected from the tube wall of the
超音波トランスデューサ16により受信したエコー信号aをフィルタリング処理し、ドップラーシフト法を利用して測定線MLに沿って流速分布を計測すると、図4(C)のように表示される。この流速分布は、UVPユニット10の流速分布計測回路12によって測定され、コンピュータ31を介して表示装置32により表示されるものである。
When the echo signal a received by the
上述したように、ドップラーシフト法は、配管21内部を流れる被測定流体22中に超音波パルスを放射すると、この超音波パルスは流体22中に混在または一様に分布する反射体により反射して超音波エコーとなり、この超音波エコーの周波数が流速に比例した大きさだけ周波数シフトする原理を応用したものである。
また、流速分布計測回路12により測定された被測定流体22の流速分布信号はコンピュータ31に送られ、流速分布信号を配管21の半径方向に積分することにより被測定流体22の流量を時間依存で求めることができる。この流体22の時間tにおける流量m(t)は、数式1によって表すことができる。
As described above, in the Doppler shift method, when an ultrasonic pulse is radiated into the
The flow velocity distribution signal of the fluid under
上記流量m(t)は、数式2のように書き換えることができる。 The flow rate m (t) can be rewritten as Equation 2.
上述した従来のドップラー式超音波流量計において、被測定流体22の流量を定常状態、非定常状態の如何を問わず高精度で計測するためには、配管21内部の被測定流体22の流速分布を精度よく検出する必要がある。
前述の計測原理からわかるように、被測定流体22の流速分布は、被測定流体22中の反射体による超音波エコーを信号処理して演算することにより得られるため、この超音波エコーに目的とする音響信号のみが含まれるようにする必要があり、音響的及び電気的ノイズを排除する必要がある。
この超音波エコーに影響する音響的なノイズとして、音響インピーダンスが異なる媒質間の反射や散乱等から発生するものがあるが、これ以外にも配管材料等の固体中で発生する縦波と横波がある。
In the conventional Doppler type ultrasonic flowmeter described above, in order to measure the flow rate of the
As can be seen from the above-described measurement principle, the flow velocity distribution of the
Some acoustic noise that affects this ultrasonic echo is generated from reflection or scattering between media with different acoustic impedances. is there.
一般的に金属等の固体中では、疎密波と呼ばれる波動の伝搬方向と同一方向に変位を有する縦波と、せん断波と呼ばれる波動の伝搬方向と直交する方向に変位を有する横波との2種類の音波が存在する。
ここで、参考文献1として、「電気音響工学概論」((株)昭晃堂出版(p247〜251)に記載されているように、流体から固体へ斜めに音波が入射する場合、固体中には、縦波の他に横波が発生する。また、固体から固体へと音波が伝搬する場合は、透過及び反射の両方に縦波と横波とが発生することが一般的に知られている。
In general, in solids such as metals, there are two types: longitudinal waves that have displacement in the same direction as the propagation direction of waves called dense waves, and transverse waves that have displacement in the direction orthogonal to the propagation direction of waves called shear waves. There are sound waves.
Here, as described in
以下に、固体中における縦波と横波による超音波エコーの影響について説明する。
図5に示すように、媒質1から媒質2に音波が伝搬する場合、媒質1、媒質2における音波の伝搬角度θin(両媒質の境界面における入射角)、θout(同じく屈折角または出射角)の関係は数式3のようになる。
Below, the influence of the ultrasonic echo by the longitudinal wave and the transverse wave in the solid will be described.
As shown in FIG. 5, when a sound wave propagates from the
更に、媒質1から媒質2へ音波が入射するときに、媒質2における音速c2が媒質1における音速c1よりも大きい場合(c1<c2)には、音波が両媒質の境界面で全反射を起こす臨界角がある。この臨界角θcは、数式4で示される。
Further, when the sound waves from the
ここで、図3に示した従来技術のドップラー式超音波流速分布計における超音波トランスデューサ16の傾斜角度(配管21への超音波の入射角)について、以下の参考文献2,3に基づいて説明する。
参考文献2:「超音波流速分布計測(UVP)を用いた流量計測手法の開発(6)NIST(米国)キャリブレーション流量計測用ループによる測定−試験結果と精度検証」(原子力学会 99年秋季大会 H13)
参考文献3:「Development of a novel flow metering system using ultrasonic velocity profile measurement」
Here, the inclination angle of the ultrasonic transducer 16 (the incident angle of the ultrasonic wave to the pipe 21) in the conventional Doppler ultrasonic flow velocity distribution meter shown in FIG. 3 will be described based on the following references 2 and 3. To do.
Reference 2: “Development of Flow Measurement Method Using Ultrasonic Velocity Distribution Measurement (UVP) (6) Measurement with NIST (USA) Calibration Flow Measurement Loop-Test Results and Accuracy Verification” H13)
Reference 3: “Development of a novel flow metering system using ultrasonic velocity profile measurement”
参考文献2は、ドップラー式超音波流速分布計をステンレス製配管の外壁に設置して測定した、いわゆるクランプオン式での例であり、超音波トランスデューサの傾斜角度は10度または5度である。
また、参考文献3では、1[MHz]の周波数で駆動される超音波トランスデューサは配管に対して5度の傾斜角度で設置し、4[MHz]の周波数で駆動される超音波トランスデューサについては、配管に対して0〜20度の傾斜角度で設置されるが、超音波トランスデューサと配管との間に厚み2[mm]のアクリルを楔として挟んでいることが記述されている。
Reference 2 is an example of a so-called clamp-on type in which a Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter is installed on the outer wall of a stainless steel pipe, and the inclination angle of the ultrasonic transducer is 10 degrees or 5 degrees.
In Reference 3, an ultrasonic transducer driven at a frequency of 1 [MHz] is installed at an inclination angle of 5 degrees with respect to a pipe, and an ultrasonic transducer driven at a frequency of 4 [MHz] Although it is installed at an inclination angle of 0 to 20 degrees with respect to the pipe, it is described that acrylic having a thickness of 2 [mm] is sandwiched between the ultrasonic transducer and the pipe as a wedge.
参考文献3に記載された測定条件に相当する構成を図示すると、図6のようになる。
図6において、アクリルを材料とする楔42に、超音波トランスデューサ41が固定される。ただし、この超音波トランスデューサ41は、配管43の長手方向に直交する方向に対して、角度θinだけ傾斜して設置される。すなわち、楔42から配管43への超音波の入射角はθinである。
A configuration corresponding to the measurement conditions described in Reference 3 is illustrated in FIG.
In FIG. 6, an
参考文献2,3によれば、図6に示す被測定流体44は水であり、配管43はステンレス製である。また、水中の音速は約1500[m/s]であり、ステンレス内の縦波の音速は約5750[m/s]、横波の音速は約3206[m/s]である。更に、アクリル製の楔42における縦波の音速は2730[m/s]である。
According to References 2 and 3, the fluid to be measured 44 shown in FIG. 6 is water, and the
縦波と横波との臨界角θcを前述した数式4から計算すると、楔42と配管43との境界面における縦波の臨界角は28.3度であり、横波の臨界角は58.4度である。
例えば、傾斜角度(入射角)θinが20度である超音波トランスデューサ41から音波を出射すると、何れも固体である楔42と配管43との境界面で縦波と横波が発生するが、上記境界面における入射角θinが縦波及び横波の両方の臨界角以下であるため、配管43中には縦波と横波の両方の音波が伝搬する。
When the critical angle θ c between the longitudinal wave and the transverse wave is calculated from Equation 4 described above, the critical angle of the longitudinal wave at the interface between the
For example, when a sound wave is emitted from the
更に、配管43中を伝搬する縦波、横波の成分は、それぞれ屈折して水中に入射するため、測定線MLが2本発生することになる。
なお、図6に示す配管43内において、縦波の屈折角(出射角)θplは46.1度、横波の屈折角θpsは23.7度である。
Furthermore, since the longitudinal wave and transverse wave components propagating through the
In the
配管43から水中へ音波が入射する際は、音波は縦波に変換され、水中における屈折角θflは10.84度となる。このように金属から水中へ音波が入射する際の音波の透過率については、以下の参考文献4に示されている。
参考文献4:「超音波便覧」超音波便覧編集委員会 丸善(株)
When sound waves enter the water from the
Reference 4: “Ultrasonic Handbook” Ultrasonic Handbook Editorial Committee Maruzen Co., Ltd.
参考文献4に記載されている例は、図5において、媒質1がアルミ、媒質2が水の場合である。
また、図7は、この参考文献4に記載されている図であり、媒質1に相当するアルミ板と媒質2に相当する水との境界面に横波が入射した場合の、入射角とエネルギー反射係数(反射率)、エネルギー透過係数(透過率)との関係を示している。なお、SV波は横波、L波は縦波である。この図7によれば、横波の入射角が28度を越えても全反射とはならず、縦波が透過することがわかる。
The example described in Reference 4 is the case where the
Further, FIG. 7 is a diagram described in Reference Document 4, and the incident angle and energy reflection when a transverse wave is incident on the boundary surface between the aluminum plate corresponding to the
更に、図8は、アルミ板と水との境界面に縦波が入射した場合の入射角と反射率及び透過率との関係を示しており、図8によれば、縦波のみが透過することがわかる。 Further, FIG. 8 shows the relationship between the incident angle, the reflectance, and the transmittance when the longitudinal wave is incident on the boundary surface between the aluminum plate and the water. According to FIG. 8, only the longitudinal wave is transmitted. I understand that.
次に、図9は、図6の構成における超音波エコーの挙動を説明するための図である。
水中の反射体からの超音波エコーは、配管43側から水中へ入射する時と同じ経路をたどって水中から超音波トランスデューサ41へ戻る。水中からアルミ製の配管43へ入射するときの超音波エコーの入射角θfは10.84度であるため、縦波と横波の両方が発生する。
Next, FIG. 9 is a diagram for explaining the behavior of ultrasonic echoes in the configuration of FIG.
The ultrasonic echo from the underwater reflector returns to the
また、図9に示すように超音波エコーが水中から配管43へ入射した際に縦波成分、横波成分の2本の測定線が発生するため、配管43内では4本の超音波エコーが存在する。更に、配管43から楔42に超音波エコーが入射する場合、数式3に従って音波は屈折するが、楔42の材質の音速の方が配管43の材質の音速よりも遅いため、臨界角は存在せず、全反射は起こらずに4本の超音波エコーが楔42の内部を超音波トランスデューサ41方向に進む。
このため、楔42の内部を伝搬する4本の超音波エコーが、超音波トランスデューサ41の伝搬経路の音速に応じて超音波トランスデューサ41に時間差をもって入射することになる。
なお、図9において、θplは被測定流体(水)44と配管43との境界面における縦波の屈折角、θpsは横波の屈折角、θwlは配管43と楔42との境界面における縦波の屈折角、θwsは横波の屈折角である。
Also, as shown in FIG. 9, when ultrasonic echoes enter the
For this reason, the four ultrasonic echoes propagating inside the
In FIG. 9, θ pl is the refraction angle of the longitudinal wave at the interface between the fluid (water) 44 to be measured and the
超音波トランスデューサ41により受信される超音波エコーの時間軸は、配管43内の径方向の位置に相当する。また、配管43内では、縦波と横波とで音速に差がある。
このため、超音波トランスデューサ41によってある時刻に受信される超音波エコーは、図10における配管43中の横波によって測定した流体44のA点の流速と、配管43中の縦波によって測定した流体44のA’点(前記A点とは配管43の径方向に沿って異なった位置である)の流速とを合成したものとなる。
つまり、図11に概念的に示す如く、超音波トランスデューサ41によってある時刻に受信される超音波エコーから求めた流速は、実際には異なる位置であるA点及びA’点の流速を合成したものとなり、配管43内部の流体44の正確な流速分布ひいては流量を測定することができない。
The time axis of the ultrasonic echo received by the
For this reason, the ultrasonic echo received at a certain time by the
That is, as conceptually shown in FIG. 11, the flow velocity obtained from the ultrasonic echo received at a certain time by the
以上のように、配管内部の流速分布を測定して流量を求めるドップラー式超音波流量計では、超音波トランスデューサから送信した音波が配管中で縦波と横波を発生し、2本の測定線が被測定流体に入射してそれぞれによる反射体からの超音波エコーが受信されるため、流速分布が不正確になり、測定精度に悪影響を与えるという問題があった。 As described above, in the Doppler type ultrasonic flowmeter that determines the flow rate by measuring the flow velocity distribution inside the pipe, the sound wave transmitted from the ultrasonic transducer generates longitudinal and transverse waves in the pipe, and the two measurement lines are Since the ultrasonic echoes from the respective reflectors are received by being incident on the fluid to be measured, there is a problem that the flow velocity distribution becomes inaccurate and adversely affects the measurement accuracy.
そこで本発明は、配管等の管体中を伝搬する縦波と横波の2本の測定線に起因する超音波エコーのうち、縦波に基づく超音波エコーを除いてより正確に流速分布や流量を測定可能としたクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計を提供しようとするものである。 Therefore, the present invention more accurately eliminates the ultrasonic echo based on the longitudinal wave out of the ultrasonic echo caused by the two measurement lines of the longitudinal wave and the transverse wave propagating in the pipe body such as a pipe, and the flow velocity distribution and the flow rate. It is intended to provide a clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter that can measure the above.
上記課題を解決達成するために、請求項1に記載した発明は、管体の外側に設置した超音波トランスデューサから管体内部の被測定流体へ超音波を入射し、被測定流体中に存在する反射体により反射した超音波の周波数がドップラー効果により変化することを利用して被測定流体の流速分布を計測するクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計であって、超音波を発生する超音波トランスデューサの音波発生源と前記管体との間に音波伝搬性の楔を介在させてなるクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
前記楔を、前記管体と音響インピーダンスが近い材料により構成すると共に、
被測定流体から前記管体に入射する超音波エコーの入射角が、
被測定流体における音速と前記管体における縦波の音速とから決定される縦波の臨界角以上であり、かつ、被測定流体における音速と前記管体における横波の音速とから決定される横波の臨界角以下となるように、前記音波発生源を傾斜させて前記楔に固定するものである。
In order to achieve the above object, the invention described in
The wedge is made of a material having an acoustic impedance close to that of the tubular body,
The incident angle of the ultrasonic echo incident on the tube from the fluid to be measured is
A longitudinal wave that is equal to or greater than the critical angle of the longitudinal wave determined from the sound velocity in the fluid to be measured and the longitudinal wave in the tube, and the transverse wave determined from the sound velocity in the fluid to be measured and the sound velocity of the transverse wave in the tube. The sound wave generation source is tilted and fixed to the wedge so as to be equal to or less than the critical angle.
請求項2に記載した発明は、管体の外側に設置した超音波トランスデューサから管体内部の被測定流体へ超音波を入射し、被測定流体中に存在する反射体により反射した超音波の周波数がドップラー効果により変化することを利用して被測定流体の流速分布を計測するクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計であって、超音波を発生する超音波トランスデューサの音波発生源と前記管体との間に音波伝搬性の楔を介在させてなるクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
前記楔を、前記管体と音響インピーダンスが近い材料により構成すると共に、
被測定流体から前記管体に入射する超音波エコーの入射角が、
被測定流体における音速と前記管体における縦波の音速とから決定される縦波の臨界角以下となるように、前記音波発生源を傾斜させて前記楔に固定し、かつ、
前記音波発生源を、前記管体及び楔の内部を伝搬した超音波エコーの横波のみを受信可能な位置に配置したものである。
According to the second aspect of the present invention, an ultrasonic wave is incident on a fluid to be measured inside the tubular body from an ultrasonic transducer installed outside the tubular body, and the frequency of the ultrasonic wave reflected by a reflector existing in the fluid to be measured. Is a clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter that measures the flow velocity distribution of the fluid to be measured by utilizing the change due to the Doppler effect, the ultrasonic wave generation source of the ultrasonic transducer that generates ultrasonic waves and the tube body In a clamp-on type Doppler ultrasonic flow velocity distribution meter with a sound-propagating wedge interposed between
The wedge is made of a material having an acoustic impedance close to that of the tubular body,
The incident angle of the ultrasonic echo incident on the tube from the fluid to be measured is
The sound wave source is inclined and fixed to the wedge so as to be equal to or less than the critical angle of the longitudinal wave determined from the sound velocity in the fluid to be measured and the longitudinal wave velocity in the tube, and
The sound wave generation source is arranged at a position where only the transverse wave of the ultrasonic echo propagated through the tube body and the wedge can be received.
また、請求項3〜請求項8に記載したように、楔及び管体には音波伝搬性の樹脂や金属を用いることができる。
音波伝搬性の樹脂は、例えばポリ塩化ビニル、アクリル、FRP(繊維強化プラスチック)、ポリエチレン、テフロン(登録商標)、タールエポキシ、モルタル等であり、また、音波伝搬性の金属は、鉄、鋼、タグタイル鋳鉄、鋳鉄、ステンレス、銅、鉛、アルミニウム、黄銅等である。
特に、楔及び管体は、音波伝搬性を有する同一種類の樹脂または金属によって形成することが好ましい。
Further, as described in claims 3 to 8, a sound propagation resin or metal can be used for the wedge and the tube.
Examples of the sound propagation resin include polyvinyl chloride, acrylic, FRP (fiber reinforced plastic), polyethylene, Teflon (registered trademark), tar epoxy, mortar, and the like, and the sound propagation metal includes iron, steel, Tag tile cast iron, cast iron, stainless steel, copper, lead, aluminum, brass, etc.
In particular, the wedge and the tube are preferably formed of the same type of resin or metal having sound wave propagation properties.
請求項1に記載した発明によれば、被測定流体から管体中を伝搬する超音波エコーの縦波を除去し、超音波トランスデューサには、横波による1本の測定線に沿った超音波エコーだけが受信されるため、縦波に起因する音響ノイズが低減される。
また、請求項2に記載した発明によれば、超音波振動子の傾斜角度を小さくした結果、管体中を伝搬する超音波エコーの縦波が発生したとしても、横波のみを受信可能な位置に超音波トランスデューサを配置するため、請求項1と同様に縦波に起因する音響ノイズが低減される。
従って、何れの発明においても、流速分布の測定精度が向上し、流量の高精度な演算が可能になる。
According to the first aspect of the present invention, the longitudinal wave of the ultrasonic echo propagating in the tubular body is removed from the fluid to be measured, and the ultrasonic transducer has an ultrasonic echo along one measurement line due to the transverse wave. Since only the signal is received, the acoustic noise caused by the longitudinal wave is reduced.
Further, according to the invention described in claim 2, even if a longitudinal wave of an ultrasonic echo propagating in the tubular body is generated as a result of reducing the inclination angle of the ultrasonic transducer, the position where only the transverse wave can be received Since the ultrasonic transducer is disposed in the same manner as in the first aspect, the acoustic noise caused by the longitudinal wave is reduced.
Accordingly, in any of the inventions, the measurement accuracy of the flow velocity distribution is improved, and the flow rate can be calculated with high accuracy.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図1は請求項1に相当する第1実施形態の主要部構成図である。その構成要素は図6,図9,図10等に示したものと実質的に同様であるが、便宜的に参照符号を変えてある。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, FIG. 1 is a block diagram of the main part of a first embodiment corresponding to claim 1. The constituent elements are substantially the same as those shown in FIGS. 6, 9, 10 and the like, but the reference numerals are changed for convenience.
図1において、51は超音波トランスデューサの音波発生源としての超音波振動子であり、PZT(ジルコン・チタン酸鉛)等の圧電材料によって構成され、超音波の送受信器を兼ねている。
また、52は楔であり、その上端部に形成された斜面52aに、超音波振動子51がエポキシ系の接着剤等で固定されている。更に、53は被測定流体54が通過する配管である。
In FIG. 1,
ここで、楔52及び配管53の材料は、ポリ塩化ビニル、アクリル、FRP、ポリエチレン、テフロン(登録商標)、タールエポキシ、モルタル等の音波伝搬性の樹脂材料、若しくは、鉄、鋼、タグタイル鋳鉄、鋳鉄、ステンレス、銅、鉛、アルミニウム、黄銅等の音波伝搬性の金属材料であり、何れにしても、楔52及び配管53は音響インピーダンスが近い(同一またはほぼ同一のものを含む)材料によって形成されている。好ましくは、楔52及び配管53を同一種類の金属(例えばステンレス)や樹脂によって形成することが望ましい。
Here, the material of the
なお、前記斜面52aは、配管53の長手方向に直交する方向に対する超音波振動子51の傾斜角度(楔52と配管53との境界面における超音波パルスの入射角)がθinとなるように傾斜している。
また、図1において、θplは配管53における縦波の屈折角(出射角)、θflは被測定流体54における縦波の屈折角(出射角)である。
Incidentally, the inclined surface 52a, as the inclination angle of the
In FIG. 1, θ pl is the refraction angle (outgoing angle) of the longitudinal wave in the
図1の構成において、楔52及び配管53の材質をステンレスとし、被測定流体54を水とした場合の前記傾斜角度θin等について考察する。
ちなみに、ステンレスにおける縦波の音速は約5750[m/s]、横波の音速は約3250[m/s]、水中の音速は約1490[m/s]とする。
In the configuration of FIG. 1, the inclination angle θ in and the like when the
By the way, the sound speed of longitudinal waves in stainless steel is about 5750 [m / s], the speed of sound of shear waves is about 3250 [m / s], and the speed of sound in water is about 1490 [m / s].
前述した如く、媒質1から媒質2へ音波が入射するときに、媒質2における音速c2が媒質1における音速c1よりも大きい場合(c1<c2)には臨界角が存在するので、図1の例では、被測定流体54から配管53への超音波エコーの入射時に臨界角が存在することになる。なお、楔52と配管53との間では、両者の材質が同一であるため、音波はそのまま伝搬される。
As described above, when the sound waves from the medium 1 to the medium 2 is incident, since the acoustic velocity c 2 in the medium 2 is a critical angle exists is larger than the sound velocity c 1 at the medium 1 (
前述の図5で説明したように、媒質1から媒質2に音波が伝搬する場合、媒質1、媒質2における音波の伝搬角度θin(両媒質の境界面における入射角)と、θout(同じく屈折角または出射角)との関係は前記数式3の通りであり、この数式3の関係は、図1における傾斜角度θinと屈折角θplとの間、屈折角θpl(つまり、配管53と被測定流体54との境界面における入射角)と屈折角θflとの間にも当てはまる。
As described above with reference to FIG. 5, when a sound wave propagates from the medium 1 to the medium 2, the propagation angle θ in of the sound wave in the
また、媒質1から媒質2へ音波が入射するときに、媒質2における音速c2が媒質1における音速c1よりも大きい場合(c1<c2)の臨界角θcは、前記数式4の通りである。
When the sound wave is incident on the medium 2 from the
従って、数式4により、被測定流体54から配管53へ超音波エコーが入射する際の臨界角θcを計算すると、縦波については15.5度、横波については23.4度となる。このため、被測定流体54から配管53へ超音波エコーが入射する際の入射角(これをθfとする。なお、このθfは図1におけるθflに等しい。)を15.5度以上で23.4度以下とすることにより、配管53には横波だけが伝搬し、縦波は伝搬しないことになる。
そこで、θfl(=θf)を上記範囲にするための超音波振動子51の傾斜角度θinを前記数式3により求めると、この傾斜角度θinは34.3度以上で60度以下となる。
Therefore, when the critical angle θ c when the ultrasonic echo enters the
Therefore, when the inclination angle θ in of the
例えば、超音波振動子51の傾斜角度θinを45度とすると、超音波振動子51から発生した横波の音波は、同一材料である楔52及び配管53の境界面を45度の角度で入出射し、被測定流体54に18.9度で出射(入射)する。すなわち、図1におけるθin=θpl=45度、θfl=18.9度となる。なお、図1では、一般的に楔52及び配管53が同一材料でない場合を考慮して、楔52及び配管53内部における音波伝搬経路を一直線上には描いていない。
For example, when the inclination angle θ in of the
被測定流体54に18.9度で入射した音波は測定領域の浮遊粒子等により反射し、超音波エコーとして入射角18.9度にて配管53に入射する。この入射角は、前述した縦波の臨界角(15.5度)以上であって横波の臨界角(23.4度)以下であるから、縦波は発生せずに横波だけが配管53内を伝搬する。そして、この横波の超音波エコーだけが超音波振動子51に受信されることにより、超音波トランスデューサには縦波に起因した超音波エコーが受信されなくなって音響ノイズが低減される。このため、流速分布の測定精度が向上し、流量の高精度な演算が可能になる。
The sound wave incident on the fluid under
なお、本実施形態における流速分布の測定原理や流量の演算方法は従来技術と同様であるため、説明を省略する。 In addition, the measurement principle of the flow velocity distribution and the calculation method of the flow rate in the present embodiment are the same as those in the prior art, and thus the description thereof is omitted.
次に、図2は請求項2に相当する第2実施形態の主要部構成図である。
この実施形態は、図2(b)に詳しく示すように、超音波振動子51の傾斜角度θinを、被測定流体54から配管53へ超音波エコーが入射する際の縦波の臨界角以下の値とした例である。
Next, FIG. 2 is a block diagram of the main part of the second embodiment corresponding to claim 2.
In this embodiment, as shown in detail in FIG. 2B, the inclination angle θ in of the
上記のように傾斜角度θinを設定すると、前記図1における被測定流体54への入射角θflは常に上記縦波の臨界角以下の値となり、被測定流体54から配管53への超音波エコーの入射角θfも縦波の臨界角以下になるので、配管53内では、縦波及び横波が発生する。しかしながら、図2に示すように、超音波振動子51を、斜面52a上で横波のみを受信可能な位置に配置することにより、縦波に起因した超音波エコーが受信されなくなって音響ノイズが低減され、第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、図2において、θpsは被測定流体54と配管53との境界面における横波の屈折角(出射角)である。
When the inclination angle θ in is set as described above, the incident angle θ fl to the measured
In FIG. 2, θ ps is the refraction angle (outgoing angle) of the transverse wave at the boundary surface between the fluid 54 to be measured and the
ここで、超音波振動子51の傾斜角度θinが、被測定流体54から配管53へ超音波エコーが入射する際の縦波の臨界角より若干大きい場合、楔52や配管53の材質、及び被測定流体54の種類によっては、前記超音波エコーの配管53への入射角が縦波の臨界角より小さくなる場合もあり、その場合にも、図2に示したように配管53内で縦波及び横波が発生する。
従って、この実施形態では、被測定流体54から配管53へ超音波エコーが入射する際の縦波の臨界角以下の角度で超音波エコーが配管53へ入射するように、超音波振動子51の傾斜角度θinを設定し、かつ、配管53及び楔52を介して超音波エコーの横波だけを受信可能な位置に超音波振動子51を配置すればよいものである。
Here, when the inclination angle θ in of the
Therefore, in this embodiment, the
51:超音波振動子
52:楔
52a:斜面
53:配管
54:被測定流体
51: Ultrasonic vibrator 52: Wedge 52a: Slope 53: Piping 54: Fluid to be measured
Claims (8)
前記楔を、前記管体と音響インピーダンスが近い材料により構成すると共に、
被測定流体から前記管体に入射する超音波エコーの入射角が、
被測定流体における音速と前記管体における縦波の音速とから決定される縦波の臨界角以上であり、かつ、被測定流体における音速と前記管体における横波の音速とから決定される横波の臨界角以下となるように、前記音波発生源を傾斜させて前記楔に固定することを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。 Utilizes the fact that ultrasonic waves are incident on the fluid to be measured inside the tube from an ultrasonic transducer installed outside the tube, and the frequency of the ultrasonic waves reflected by the reflector present in the fluid to be measured changes due to the Doppler effect. A clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter for measuring a flow velocity distribution of a fluid to be measured, wherein a wedge of sound wave propagation is provided between a sound wave generation source of an ultrasonic transducer for generating an ultrasonic wave and the tube body. In the clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter,
The wedge is made of a material having an acoustic impedance close to that of the tubular body,
The incident angle of the ultrasonic echo incident on the tube from the fluid to be measured is
A longitudinal wave that is equal to or greater than the critical angle of the longitudinal wave determined from the sound velocity in the fluid to be measured and the longitudinal wave in the tube, and the transverse wave determined from the sound velocity in the fluid to be measured and the sound velocity of the transverse wave in the tube. A clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter, wherein the sound wave generation source is tilted and fixed to the wedge so as to be equal to or less than a critical angle.
前記楔を、前記管体と音響インピーダンスが近い材料により構成すると共に、
被測定流体から前記管体に入射する超音波エコーの入射角が、
被測定流体における音速と前記管体における縦波の音速とから決定される縦波の臨界角以下となるように、前記音波発生源を傾斜させて前記楔に固定し、かつ、
前記音波発生源を、前記管体及び楔の内部を伝搬した超音波エコーの横波のみを受信可能な位置に配置したことを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。 Utilizes the fact that ultrasonic waves are incident on the fluid to be measured inside the tube from an ultrasonic transducer installed outside the tube, and the frequency of the ultrasonic waves reflected by the reflector present in the fluid to be measured changes due to the Doppler effect. A clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter for measuring a flow velocity distribution of a fluid to be measured, wherein a wedge of sound wave propagation is provided between a sound wave generation source of an ultrasonic transducer for generating an ultrasonic wave and the tube body. In the clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter,
The wedge is made of a material having an acoustic impedance close to that of the tubular body,
The incident angle of the ultrasonic echo incident on the tube from the fluid to be measured is
The sound wave source is inclined and fixed to the wedge so as to be equal to or less than the critical angle of the longitudinal wave determined from the sound velocity in the fluid to be measured and the longitudinal wave velocity in the tube, and
A clamp-on type Doppler ultrasonic flow velocity distribution meter, wherein the sound wave generation source is disposed at a position where only the transverse wave of an ultrasonic echo propagated through the inside of the tube and the wedge can be received.
前記楔が、ポリ塩化ビニル、アクリル、FRP、ポリエチレン、テフロン(登録商標)、タールエポキシ、モルタル等の音波伝搬性の樹脂からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。 In the clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter according to claim 1 or 2,
A clamp-on type Doppler ultrasonic flow velocity distribution meter, wherein the wedge is made of a resin having sound propagation properties such as polyvinyl chloride, acrylic, FRP, polyethylene, Teflon (registered trademark), tar epoxy, mortar, or the like.
前記管体が、ポリ塩化ビニル、アクリル、FRP、ポリエチレン、テフロン(登録商標)、タールエポキシ、モルタル等の音波伝搬性の樹脂からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。 In the clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter according to any one of claims 1 to 3,
A clamp-on type Doppler ultrasonic flow velocity distribution meter characterized in that the tube body is made of a sound-propagating resin such as polyvinyl chloride, acrylic, FRP, polyethylene, Teflon (registered trademark), tar epoxy, or mortar.
前記楔及び管体が、同一種類の音波伝搬性の樹脂からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。 In the clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter according to any one of claims 1 to 4,
A clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter, wherein the wedge and the tube are made of the same kind of sound propagation resin.
前記楔が、鉄、鋼、タグタイル鋳鉄、鋳鉄、ステンレス、銅、鉛、アルミニウム、黄銅等の音波伝搬性の金属からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。 In the clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter according to claim 1 or 2,
A clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter, wherein the wedge is made of a metal having sound propagation properties such as iron, steel, tag tile cast iron, cast iron, stainless steel, copper, lead, aluminum, brass.
前記管体が、鉄、鋼、タグタイル鋳鉄、鋳鉄、ステンレス、銅、鉛、アルミニウム、黄銅等の音波伝搬性の金属からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。 In the clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter according to claim 1, 2, or 6,
A clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter characterized in that the pipe body is made of a sound-propagating metal such as iron, steel, tag tile cast iron, cast iron, stainless steel, copper, lead, aluminum, or brass.
前記楔及び管体が、同一種類の音波伝搬性の金属からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。 In the clamp-on type Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter according to claim 1, 2, 6, or 7,
The clamp-on type Doppler ultrasonic flow velocity distribution meter, wherein the wedge and the tube are made of the same kind of sound-propagating metal.
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JP2004052919A JP2005241494A (en) | 2004-02-27 | 2004-02-27 | Clamp-on type doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter |
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JP2009216522A (en) * | 2008-03-10 | 2009-09-24 | Honda Electronic Co Ltd | Acoustic impedance measuring instrument and acoustic impedance measuring method |
-
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