JP2005241628A - ドップラー式超音波流速分布計 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度変化の影響を考慮した高精度な流速及び流量測定を可能とする。
【解決手段】 配管の外壁面に設置した超音波送受信手段から該配管内の流体へ超音波を発信し、該流体内の反射体に反射された超音波エコーのドップラー周波数に基づき、流体の流速分布を計測するクランプオン型のドップラー式超音波流速分布計において、超音波送受信手段の超音波振動子１３と配管の外壁面との間に、該超音波振動子１３を所定角度に傾斜させて超音波を流体に伝送するための楔１４を介在させ、該楔１４の温度を温度センサー１５により測定するとともに、該測定結果から楔の音速を導き出し、これら楔の音速，ドップラー周波数，楔内の超音波傾斜角及び超音波送受信手段の送信周波数を、特定の式に代入し流体の流速を算出する構成としてある。
【選択図】図２

Description

本発明は、配管内の流体中に存在する浮遊粒子や気泡等に反射された超音波エコーのドップラー周波数に基づいて流速分布を計測するドップラー式超音波流速分布計に関し、特に、前記配管の外壁面に楔を介して超音波送受信手段を設置（クランプオン）するドップラー式超音波流速分布計に関する。

クランプオン型超音波流量計は、管状体の外周面の一部に装着し、その管状体の内部を移動する流体の流量を、管状体の外側から測定する流量計である。このような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に分類できる。

伝搬時間差式は、超音波を、管状体の内部を移動する流体を斜めに横切るような経路で往復させて、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、流体の流量を測定する方法である。一方、ドップラー式は、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、浮遊粒子などの移動速度から流体の流量を測定する方法である。浮遊粒子などの移動速度は、流体中に超音波を送信して、浮遊粒子などに反射され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から、超音波の周波数を検出することにより測定する。

ここで、図５は特開２０００−９７７４２号で提案されている従来のドップラー式超音波流速分布計を示す簡略的な構成図である。ドップラー式超音波流量計１１０は、配管１１１内を流れる流体１１２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。) １１３を備える。ＵＶＰユニット１１３は、流体１１２に測定線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させる超音波送信手段１１５と、流体１１２に入射された超音波パルスの測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における流体１１２の流速分布を測定する流体速度分布測定手段１１６と、流体１１２の流速分布に基づいて演算処理して半径方向の積分を行ない、流体１１２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１１７と、このコンピュータ１１７からの出力を時系列的に表示可能な表示装置１１８とを有する。

超音波送信手段１１５は、所要周波数、例えば１MHz,２MHz,４MHz等の基本周波数ｆ₀ の電気信号を発生させる発振器（オッシレータ）１２０と、この発振器１２０からの電気信号を所定の時間間隔(１／Ｆ_rpf )毎にパルス状に出力するエミッタ１２１(周波数Ｆ_rpf )とからなる信号発生器１２２を備え、この信号発生器１２２から基本周波数f₀ のパルス電気信号が超音波トランスジューサ１２３に入力される。超音波トランスジューサ１２３は、パルス電気信号の印加により基本周波数ｆ₀ の超音波パルスが測定線ＭＬに沿って発信せしめられる。超音波パルスは、例えばパルス幅５mm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。

このような超音波トランスジューサ１２３は、送受信器を兼ねており、発信された超音波パルスが流体中の反射体に当って反射される超音波エコーを受信するようになっている。反射体は、流体１１２中に一様に含まれる気泡であったり、Ａｌの微粉末等のパーティクルであったり、又は流体１１２とは音響インピーダンスが異なる異物である。

超音波エコーは、超音波トランスジューサ１２３に受信され、エコー電気信号に変換される。このエコー電気信号は、増幅器１２４で増幅された後、ＡＤ変換器１２５を通ってデジタル化され、このデジタルエコー信号が流速分布計測回路１２６に入力される。流速分布計測回路１２６には、発振器１２０からの基本周波数ｆ₀ の電気信号が入力され、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計測し、測定線ＭＬに沿う測定領域の流速分布を算出している。測定領域の流速分布を傾斜角αで補正することで配管１１１の横断面における流速分布を計測することができる。

次に、上述した従来のドップラー式超音波流量計１１０の動作原理について、図６（Ａ）〜（Ｃ）を参照しつつ説明する。図６（Ａ）に示すように、超音波トランスジューサ１２３を配管１１１の流れの鉛直方向に対し角度αだけ被測定体の流れ方向に傾けて設置した状態で、超音波トランスジューサ１２３から所要周波数ｆ₀ の超音波パルスを入射させると、この超音波パルスは、測定線ＭＬ上の流体１１２に一様に分布する反射体に当って反射し、図６（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ジューサ１２３に戻される。なお、同図（Ｂ）において符号ｂは超音波パルス入射側の管壁で反射する多重反射エコーであり、符号ｃは、反対側管壁で反射する多重反射エコーである。超音波トランスジューサ１２３から発信される超音波パルスの発信間隔は１／Ｆ_rpfである。

そして、超音波トランスジューサ１２３で発信したエコー信号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６（Ｃ）のように表示される。この流速分布はＵＶＰユニット１１３の流体速度分布測定手段１１６で測定することができる。

ここで、ドップラーシフト法は、配管１１１内を流れる流体１１２中に超音波パルスを放射すると、流体１１２中に混在あるいは一様分布の反射体によって反射され、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、超音波流体速度分布測定手段１１６で測定された流体１１２の流速分布信号は流量演算手段としてのコンピュータ１１７に送られ、ここで径方向流速分布信号を配管１１１の半径方向に積分し、流体１１２の流量を時間依存で求めることができる。この流体１１２の時ｔにおける流量をm（ｔ）とすると、下記（２）式で表わすことができる。

但し、ρ：流体の密度，ｖ（ｘ・ｔ）：時間ｔにおける速度成分（ｘ方向）
上記（２）式から配管１１１を流れる時間ｔの流量m（ｔ）は、下記（３）式に書き換えることができる。

但し、ｖｘ（ｒ・θ・ｔ）：時間ｔにおける配管横断面上の中心から距離ｒ，角度θの管軸方向の速度成分
以上のような計測原理から分かるように、ドップラー式超音波流速分布計による流量測定は、超音波の反射体からの超音波エコーを信号処理から流速分布を求め、配管の断面積で積分処理を行うことで算出する。

このため高精度な流量測定を行うには、超音波エコー信号から求めた流速分布が精度良く、計測され、演算されている必要がある。下記に超音波エコー信号より求めたドップラー周波数ｆ_dより流速ｖを求める計算式を下記（４）式に記述する。

但し、ｖ：流体の流速，Ｃ_f：流体の音速，θ_f：水中入射角，ｆ_d：ドップラー周波数，ｆ₀：超音波トランスジューサからの送信周波数
特開２００１−１２４６０３号公報 特開２０００−９７７４２号公報 特開平１０−２８１８３２号公報

上述した従来のドップラー式超音波流速分布計では、上記（４）式に基づいて、超音波エコーのドップラー周波数ｆ_dから流体の流速ｖの分布を求め、これを配管の断面積で積分処理することによって前記流体の流量を算出していた。

しかし、上記（４）式に基づいて流速ｖを算出する場合、ドップラー周波数ｆ_dから流速ｖを演算するには、流体の音速Ｃ_f、水中入射角度θ_f、トランスジューサからの送信周波数ｆ₀が必要となる。例えば、金属配管へクランプオンで流量を高精度に計測しようとすると、流体の音速Ｃ_fと、水中入射角θ_fを知る必要がある。このため従来技術では、音速Ｃ_fが不明な流体を測定する場合には、この流体の音速Ｃ_fを事前に調査する必要があった。

また、一般に物質の音速は温度依存性を有するため、配管内の流体の温度変化によってその音速Ｃ_fが変化してしまい事前調査した値と誤差が生じてしまう。これに加え、クランプオン型の場合には、楔の温度変化によってその音速Ｃ_wも変化してしまい、スネルの法則（後述する（５）式参照）に従って、これら音速Ｃ_f，Ｃ_wの変化により流体内の超音波傾斜角θ_fも変化してしまう。したがって、上述した従来のドップラー式超音波流速分布計では、配管内流体の流量を高精度に計測するためには、流体の音速Ｃ_fと楔の音速Ｃ_wの変化により、水中入射角θ_fも変化するため、流体の音速Ｃ_f及び楔の音速Ｃ_wを共に正確に把握しなければ、流体の流速及び流量を高精度に算出することができないという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、流体及び楔の音速が不明な場合であっても何ら事前調査を要することなく、該流体の流速及び流量を高精度に測定することができるクランプオン型のドップラー式超音波流速分布計を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の本発明に係るドップラー式超音波流速分布計は、配管の外壁面に設置した超音波送受信手段から該配管内の流体へ超音波を発信し、該流体内の反射体に反射された超音波エコーのドップラー周波数に基づき、前記流体内の流速分布を計測するクランプオン型のドップラー式超音波流速分布計において、前記超音波送受信手段の超音波振動子と前記配管の外壁面との間に、該超音波振動子を所定角度に傾斜させて超音波を前記流体に伝送するための楔を介在させ、該楔の温度を温度センサーにより測定するとともに、該測定結果から楔の音速を導き出し、これら楔の音速，ドップラー周波数，楔の超音波傾斜角及び超音波送受信手段の送信周波数を、下記（１）式に代入し前記流体の流速を算出する構成としてある。

但し、ｖ：流体の流速，Ｃ_w：楔の音速，θ_w：楔内の超音波傾斜角，ｆ_d：ドップラー周波数，ｆ₀：超音波送受信手段の送信周波数
また、上記目的を達成するために、第２の本発明に係るドップラー式超音波流速分布計は、配管の外壁面に設置した超音波送受信手段から該配管内の流体へ超音波を発信し、該流体内の反射体に反射された超音波エコーのドップラー周波数に基づき、前記流体内の流速分布を計測するクランプオン型のドップラー式超音波流速分布計において、前記超音波送受信手段の超音波振動子と前記配管の外壁面との間に、該超音波振動子を所定角度に傾斜させて超音波を前記流体に伝送するための第１楔を介在させ、一方、前記流体の進行方向を基準にして前記第１楔よりも後方に、該第１楔とほぼ同一構成の第２楔を配置し、該第２楔における前記第１楔の超音波送受信手段の超音波振動子と前記配管の外壁面との中間部に対応する部分の温度を温度センサーにより測定し、該測定結果から楔の音速を導き出し、これら楔の音速，ドップラー周波数，楔の超音波傾斜角及び超音波送受信手段の送信周波数を、下記（１）式に代入し前記流体の流速を算出する構成としてある。

但し、ｖ：流体の流速，Ｃ_w：楔の音速，θ_w：楔内の超音波傾斜角，ｆ_d：ドップラー周波数，ｆ₀：超音波送受信手段の送信周波数
好ましくは、上記各ドップラー式超音波流速分布計における、前記温度センサーを感温抵抗とし、該温度センサーを前記楔又は第２楔とほぼ同等の膨張係数を有する充填材とともに該楔又は第２楔に埋設した構成としてもよい。

上記構成からなる本発明のドップラー式超音波流速分布計によれば、流体の音速と流体内の超音波傾斜角とを、スネルの法則に基づいて、楔の音速と楔内の超音波傾斜角（＝楔の傾斜角）とに置き換えて流速を算出することにより、温度変化の影響を考慮した高精度な流速及び流量の測定を行うことができる。

また、従来技術では、流体の音速及び流体の超音波傾斜角という二つの要素を事前調査しなければならず、音速が不明な流体を対象とする場合はその音速を事前調査する手間がかかるという問題があったが、本ドップラー式超音波流速分布計では、楔の温度変化と音速の関係を一度だけ事前調査すれば、同じ材料の楔を使用する限り二度と事前調査を要しないで高精度な流速及び流量の測定を行うことができる。

さらに、超音波振動子と温度センサーとをそれぞれ別個の第１楔と第２楔とに設け、第２楔における第１楔の超音波振動子と配管の外壁面との中間部に対応する部分の温度を、温度センサーにより測定する構成とした場合は、第１楔における音波の伝搬経路上の中間点の温度を温度センサーによって擬似的に測定することができ、超音波振動子を有する第１楔のより正確な温度の計測が可能となる。また、超音波振動子と温度センサーとをそれぞれ別個の第１楔と第２楔とに設けているので、温度センサーが超音波振動子の音波の伝播経路と干渉しない。これにより、流速及び流量をより高精度に測定することが可能となる。

これに加え、温度センサーを楔又は第２楔とほぼ同等の膨張係数を有する充填材とともに埋設したことにより、楔又は第２楔の温度変化による膨張・収縮に伴って充填材も膨張・収縮するので、温度センサーが外気に曝されることなく楔又は第２楔（これに対応する第１楔）の温度を正確に検知することができる。

以下、本発明の実施形態に係るドップラー式超音波流速分布計について、図面を参照しつつ説明する。まず、本発明の第１実施形態に係るドップラー式超音波流速分布計について、図１〜図３を参照しつつ説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るドップラー式超音波流速分布計を示す簡略的な構成図、図２は上記ドップラー式超音波流速分布計の楔周辺部の拡大図，図３は楔に用いるアクリルの温度変化と音速の関係を示すグラフである。

図１において、１は本実施形態に係るクランプオン型のドップラー式超音波流速分布計であり、超音波送受信手段１０（図中の波線で囲まれた部分参照），増幅器２０，ＡＤ変換器３０，流速分布計測手段４０，流量演算手段５０及び表示装置６０を備えている。なお、７０は配管であり、８０は該配管内を流れる流体である。

超音波送受信手段１０は、送信周波数ｆ₀の電気信号を発生する発振器１１と、この発振器１１からの電気信号を所定の時間間隔（１／Ｆ_rpf）毎にパルス状に出力するエミッタ１２と、ＰＺＴ（ジルコン・チタン酸鉛）などの圧電材料からなり、エミッタ１２からのパルス電気信号の印加により送信周波数ｆ₀の超音波パルスを発信し、反射された超音波エコーを受信する超音波振動子１３と、該超音波パルスを配管７０に伝送する所定材料により形成した楔１４と、該楔１４に埋設した温度センサー１５とで構成してある。

ここで、楔１４は、アクリルやポリ塩化ビニル等の樹脂材料からなり、配管７０を流れる流体８０の進行方向と逆方向に下降傾斜する傾斜面１４ａを有している。該傾斜面１４ａには、例えば、エポキシ系の接着剤などにより前記超音波振動子１３が接着してあり、これと対向する底面１４ｂは、配管７０の外壁面に当接している。このような構成からなる楔１４は、図示しない金属ベルト，布ベルト又はばね等を巻き付けることによって、既存の配管７０に設置（クランプオン）してある。

また、温度センサー１５は、熱電対，測温抵抗体又はサーミスタ等の感温抵抗であり、楔１４における超音波振動子１３が発信した超音波パルスの伝播経路（図２中の破線参照）と干渉しない位置に孔１４ｃを穿設し、該孔１４ｃに楔１４とほぼ同等の膨張係数を有する充填材１５ａとともに埋設してある。

増幅器２０は、超音波振動子１３からのエコー電気信号と、温度センサー１５からの温度電気信号とを受信して増幅した後、これら二種の電気信号をＡＤ変換器３０に送信する。ＡＤ変換器３０は、増幅器２０からエコー電気信号及び温度電気信号を受信する一方で、発振器１１から送信周波数ｆ₀の電気信号を受信し、これら三種の電気信号をデジタル化して流速分布計測手段４０に送信する。

流速分布計測手段４０は、これら三種のデジタル信号を受信して、デジタル化された送信周波数ｆ₀とデジタルエコー信号の周波数差に基づいてドップラー周波数ｆ_dを算出するとともに、デジタル温度信号に基づいて楔１４の音速Ｃ_wを導き出す。

ここで、楔１４の音速Ｃ_wは、例えば、図３に示すアクリルの温度変化と音速の関係のように、サンプル材料の温度変化と音速の関係を実験等により事前調査し、流速分布計測手段４０にあらかじめ演算式又はデータとして保持してある。

また、流速分布計測手段４０には、楔１４内の超音波傾斜角θ_wの値をあらかじめ設定してある。より具体的に、本実施形態では、該楔１４内の超音波傾斜角θ_wを楔１４の傾斜角、すなわち、楔１４の傾斜面１４ａの角度とみなして、温度変化に左右されない一定の値としている。

そして、流速分布計測手段４０は、これら楔１４の音速Ｃ_w，楔１４内の超音波傾斜角θ_w，ドップラー周波数ｆ_d及び送信周波数ｆ₀を下記（１）式に代入し流体８０の流速ｖを求め、測定領域における流速分布を算出する。

但し、ｖ：流体の流速，Ｃ_w：楔の音速，θ_w：楔内の超音波傾斜角，ｆ_d：ドップラー周波数，ｆ₀：超音波送受信手段の送信周波数
ここで、上記（１）式に基づく流速ｖの計測原理について詳細に説明する。上述した通り、配管７０内の流体８０の音速Ｃ_fはその温度変化に伴って変化するものであるが、当該流体８０の温度変化をクランプオンで正確に測定することはできない。そこで、温度変化を考慮した高精度な測定を行うべく、下記（５）式に表されるスネルの法則に基づいて下記（６）式を導き、従来の上記（４）式における流体８０の音速Ｃ_fと流体８０内の超音波傾斜角θ_fとを、楔１４の音速Ｃ_wと楔１４内の超音波傾斜角θ_wとに置き換えて流体８０の流速ｖを算出することとしている。

但し、Ｃ_w：楔の音速，Ｃ_p：配管材の音速，Ｃ_f：流体の音速，θ_w：楔内の超音波傾斜角，θ_p：配管材内の超音波傾斜角，θ_f：流体の超音波傾斜角

但し、ｖ：流体の流速，Ｃ_f：流体の音速，θ_f：流体内の超音波傾斜角，Ｃ_w：楔の音速，θ_w：楔内の超音波傾斜角
上述したように、楔１４内の超音波傾斜角θ_wは、楔１４の傾斜面１４ａの角度とみなしているので、この値が温度変化によらず一定となり、温度センサー１５の検知結果に基づいて楔１４の音速Ｃ_wを温度補正しながら正確に算出することにより、流体８０の流速ｖを高精度に計測することができる。例えば、図３のアクリルの温度変化と音速の関係より、温度２０℃の音速は２７６０［ｍ／ｓ］、温度２５℃の音速は２７４０［ｍ／ｓ］で約１％音速が違う。この約１％は直接流速ｖの誤差に影響するので、楔１４の温度を測定して温度補正を行う必要がある。

流量演算手段５０は、流速分布計測手段４０からの流速分布に基づいて、配管７０の半径方向の積分を行ない、流体８０の流量を時間依存で算出する。表示装置６０は、流量演算手段５０の算出結果を時系列的に表示する。

上記構成からなる本実施形態のドップラー式超音波流速分布計によれば、流体８０の音速Ｃ_fと流体８０内の超音波傾斜角θ_fとを、スネルの法則に基づいて、楔１４の音速Ｃ_wと楔１４内の超音波傾斜角（＝楔の傾斜角）θ_wとに置き換えて流速ｖを算出することにより、温度変化の影響を考慮した高精度な流速ｖ及び流量の測定を行うことができる。

また、従来技術では、流体８０の音速Ｃ_f及び流体８０の超音波傾斜角θ_fという二つの要素を事前調査しなければならず、音速Ｃ_fが不明な流体を対象とする場合はその音速Ｃ_fを事前調査する手間がかかるという問題があったが、本ドップラー式超音波流速分布計では、楔１４の温度変化と音速Ｃ_wの関係を一度だけ事前調査すれば、同じ材料の楔１４を使用する限り二度と事前調査を要しないで高精度な流速ｖ及び流量の測定を行うことができる。

さらに、温度センサー１５を楔１４とほぼ同等の膨張係数を有する充填材１５ａとともに埋設したことにより、楔１４の温度変化による膨張・収縮に伴って充填材１５ａも膨張・収縮するので、温度センサー１５が外気に曝されることなく楔１４の温度を正確に検知することができる。これにより、流速ｖ及び流量をより高精度に測定することが可能となる。

次に、本発明の第２実施形態に係るドップラー式超音波流速分布計について、図４を参照しつつ説明する。図４は本発明の第２実施形態に係るドップラー式超音波流速分布計の楔周辺部の拡大図である。なお、上記第１実施形態と同様の箇所については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

同図において、本実施形態のドップラー式超音波流速分布計２は、主として、超音波振動子１３と温度センサー１５とをそれぞれ別個の第１楔１６と第２楔１７とに設け、第２楔１７における第１楔１６の超音波振動子１３と配管７０の外壁面との中間部Ｐ１に対応する部分Ｐ２の温度を、温度センサー１５により測定することにより、第１楔１６における音波の伝搬経路上の中間点の温度を温度センサー１５によって擬似的に測定する構成としてある。

第１楔１６は、上述した楔１４（図１及び図２参照）と同様に、アクリルやポリ塩化ビニル等の樹脂材料からなり、配管７０を流れる流体８０の進行方向と逆方向に下降傾斜する傾斜面１６ａを有している。該傾斜面１６ａには、例えば、エポキシ系の接着剤などにより超音波振動子１３が接着してあり、これと対向する底面１６ｂは、配管７０の外壁面に当接している。

第２楔１７は、第１楔１６と同一構成、すなわち、同一形状、同一寸法かつ同一材料により形成してあり、第１楔１６の傾斜面１６ａ及び底面１６ｂと同一の、傾斜面１７ａ及び底面１７ｂを有している。また、第２楔１７の傾斜面１７ａには、第１楔１６内の超音波傾斜角θ_wと同じ角度で傾く孔１６ｃが穿設してあり、該孔１６ｃには、第２楔１７とほぼ同等の膨張係数を有する充填材１５ａとともに温度センサー１５が埋設してある。該温度センサー１５は、第２楔１７における第１楔１６の超音波振動子１３と配管７０の外壁面との中間部Ｐ１に対応する部分Ｐ２の温度を測定する。

これら第１及び第２楔１６，１７は、ハウジング１８内に接着等により固定してあり、配管７０を流れる流体８０の進行方向を基準にして、第１楔１６よりも後方に第２楔１７を配置してある。また、ハウジング１８を、図示しない金属ベルト，布ベルト又はばね等を巻き付けることによって、既存の配管７０に設置（クランプオン）可能となっている。さらに、図示しないが、超音波振動子１３及び温度センサー１５は、図１に示すような超音波送受信手段１０の構成部材であり、超音波振動子１３はエミッタ１２、温度センサー１５は増幅器２０に接続してある。

上述した第１実施形態と同様の手順で、温度センサー１５が測定した第２楔１７の部分Ｐ２の温度に基づき、例えば、図３に示すアクリルの温度変化と音速の関係より、第２楔１７の音速Ｃ_Wを正確に算出し、これを下記（１）式へ代入すると、より正確な流速ｖを求めることができる。

但し、ｖ：流体の流速，Ｃ_w：楔の音速，θ_w：楔内の超音波傾斜角，ｆ_d：ドップラー周波数，ｆ₀：超音波送受信手段の送信周波数
このような本実施形態のドップラー式超音波流速分布計によれば、超音波振動子１３と温度センサー１５とをそれぞれ別個の第１楔１６と第２楔１７とに設け、第２楔１７における第１楔１６の超音波振動子１３と配管７０の外壁面との中間部Ｐ１に対応する部分Ｐ２の温度を、温度センサー１５により測定することができる。これにより、第１楔１６における音波の伝搬経路上の中間点Ｐ１の温度を温度センサー１５によって擬似的に測定することができ、超音波振動子１３を有する第１楔１６のより正確な温度の計測が可能となる。また、超音波振動子１３と温度センサー１５とをそれぞれ別個の第１楔１６と第２楔１７とに設けているので、温度センサー１５が超音波振動子１３の音波の伝播経路と干渉しない。この結果、流体８０の流速ｖ及び流量をより高精度に測定することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るドップラー式超音波流速分布計を示す簡略的な構成図である。 本発明の第１実施形態に係るドップラー式超音波流速分布計の楔周辺部の拡大図である。 本発明の第１実施形態に係るドップラー式超音波流速分布計の楔に用いるアクリルの温度変化と音速の関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係るドップラー式超音波流速分布計の楔周辺部の拡大図である。 従来のドップラー式超音波流速分布計を示す簡略的な構成図である。 同図（Ａ）〜（Ｃ）は、従来のドップラー式超音波流速分布計による流量測定における作動原理の説明面である。

符号の説明

１，２ ドップラー式超音波流速分布計
１０ 超音波送受信手段
１１ 発振器
１２ エミッタ
１３ 超音波振動子
１４ 楔
１４ａ 傾斜面
１４ｂ 底面
１４ｃ 孔
１５ 温度センサー
１５ａ 充填材
１６ 第１楔
１７ 第２楔
１６ａ，１７ａ 傾斜面
１６ｂ，１７ｂ 底面
１７ｃ 孔
１８ ハウジング
２０ 増幅器
３０ ＡＤ変換器
４０ 流速分布計測手段
５０ 流量演算手段
６０ 表示装置

Claims (3)

1. 配管の外壁面に設置した超音波送受信手段から該配管内の流体へ超音波を発信し、該流体内の反射体に反射された超音波エコーのドップラー周波数に基づき、前記流体内の流速分布を計測するクランプオン型のドップラー式超音波流速分布計において、
   前記超音波送受信手段の超音波振動子と前記配管の外壁面との間に、該超音波振動子を所定角度に傾斜させて超音波を前記流体に伝送するための楔を介在させ、
   該楔の温度を温度センサーにより測定するとともに、該測定結果から楔の音速を導き出し、これら楔の音速，ドップラー周波数，楔の超音波傾斜角及び超音波送受信手段の送信周波数を、下記（１）式に代入し前記流体の流速を算出することを特徴とするドップラー式超音波流速分布計。
   

   

   但し、ｖ：流体の流速，Ｃ_w：楔の音速，θ_w：楔内の超音波傾斜角，ｆ_d：ドップラー周波数，ｆ₀：超音波送受信手段の送信周波数
2. 配管の外壁面に設置した超音波送受信手段から該配管内の流体へ超音波を発信し、該流体内の反射体に反射された超音波エコーのドップラー周波数に基づき、前記流体内の流速分布を計測するクランプオン型のドップラー式超音波流速分布計において、
   前記超音波送受信手段の超音波振動子と前記配管の外壁面との間に、該超音波振動子を所定角度に傾斜させて超音波を前記流体に伝送するための第１楔を介在させ、
   一方、前記流体の進行方向を基準にして前記第１楔よりも後方に、該第１楔とほぼ同一構成の第２楔を配置し、該第２楔における前記第１楔の超音波送受信手段の超音波振動子と前記配管の外壁面との中間部に対応する部分の温度を温度センサーにより測定し、
   該測定結果から楔の音速を導き出し、これら楔の音速，ドップラー周波数，楔の超音波傾斜角及び超音波送受信手段の送信周波数を、下記（１）式に代入し前記流体の流速を算出することを特徴とするドップラー式超音波流速分布計。
   

   

   但し、ｖ：流体の流速，Ｃ_w：楔の音速，θ_w：楔内の超音波傾斜角，ｆ_d：ドップラー周波数，ｆ₀：超音波送受信手段の送信周波数
3. 前記温度センサーを感温抵抗とし、該温度センサーを前記楔又は第２楔とほぼ同等の膨張係数を有する充填材とともに該楔又は第２楔に埋設したことを特徴とする請求項１又は２記載のドップラー式超音波流速分布計。

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