JP2005351827A - Wedge used for doppler ultrasound flowmeter, and wedge unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、配管の外周面の一部に設置して（クランプオンして）用いられるクランプオン型ドップラー式超音波流量計に関し、特に、そのような流量計に用いて好適な楔および楔ユニットに関する。 The present invention relates to a clamp-on type Doppler ultrasonic flow meter that is installed (clamped on) on a part of the outer peripheral surface of a pipe, and in particular, a wedge and a wedge unit suitable for use in such a flow meter. About.
従来、ドップラー式超音波流量計の１つに、クランプオン型超音波流量計がある。このクランプオン型超音波流量計は、被測定流体が内部を所定の向きに通過する配管に対し、その配管の一部に、音波を配管に伝えるための材料、すなわち、楔（くさび）を設置し（クランプオンし）、その楔を介して音波を配管内部に送信することにより、その配管の管状体の内部を移動する流体の流量を計測する流量計である。なお、以下の説明において、特にことわらない限り、配管内の流体は水平方向に流れているものとする。 Conventionally, there is a clamp-on type ultrasonic flow meter as one of Doppler type ultrasonic flow meters. This clamp-on type ultrasonic flowmeter is equipped with a material, i.e., a wedge, that transmits sound waves to the pipe in a part of the pipe for the fluid to be measured to pass through the pipe in a specified direction. It is a flowmeter that measures the flow rate of the fluid that moves inside the tubular body of the pipe by transmitting a sound wave to the inside of the pipe through the wedge. In the following description, it is assumed that the fluid in the pipe flows in the horizontal direction unless otherwise specified.
クランプオン型ドップラー式超音波流量計には、伝播時間差式のものと、ドップラー式のものとがある。伝播時間差式クランプオン型超音波流量計では、超音波を管状体の内部を移動する流体を斜めに横切る経路で往復させて、超音波が往路と復路のそれぞれを伝播するのに要する時間の差から、流体の流量を算出している。 The clamp-on type Doppler type ultrasonic flowmeter includes a propagation time difference type and a Doppler type. In the propagation time difference type clamp-on type ultrasonic flowmeter, the difference in the time required for the ultrasonic wave to travel in the forward path and the return path by reciprocating the ultrasonic wave in a path crossing the inside of the tubular body diagonally. From this, the flow rate of the fluid is calculated.
これに対し、ドップラー式クランプオン型超音波流量計では、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算出している。このドップラー式では、流体中に送信された超音波の周波数が、浮遊粒子などに反射して、ドップラー効果により変化する点に注目し、その反射された超音波の周波数を検出することにより、浮遊粒子の移動速度を測定している。 In contrast, Doppler clamp-on ultrasonic flowmeters calculate the flow rate of fluid from the moving speed of suspended particles, etc., assuming that suspended particles and bubbles contained in the fluid move at the same speed as the fluid. Yes. In this Doppler method, focusing on the fact that the frequency of the ultrasonic wave transmitted into the fluid is reflected by suspended particles and changes due to the Doppler effect, and by detecting the frequency of the reflected ultrasonic wave, floating The moving speed of particles is measured.
図５は、従来のドップラー式クランプオン型超音波流量計に設けられる楔を、それがクランプオンされる配管の一部と共に示した断面図である。
図５において、楔４２は、一面を介して配管４３の外周面の一部に設置されると共に、他面には超音波振動子４１が装着される。この超音波振動子４１は、電気信号によって超音波を発生させ、その超音波を配管内部を通過する流体４４に入射させ、かつ、その流体４４中の上記浮遊粒子などの反射体にその超音波が当たることによって得られる反射波（エコー超音波）を受信する。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a wedge provided in a conventional Doppler clamp-on type ultrasonic flowmeter together with a part of a pipe to which it is clamped.
In FIG. 5, the wedge 42 is installed on a part of the outer peripheral surface of the pipe 43 through one surface, and the ultrasonic transducer 41 is mounted on the other surface. The ultrasonic transducer 41 generates an ultrasonic wave by an electric signal, causes the ultrasonic wave to enter a fluid 44 passing through the inside of the pipe, and the ultrasonic wave is applied to a reflector such as the floating particles in the fluid 44. The reflected wave (echo ultrasonic wave) obtained by hitting is received.
超音波振動子４１が送信する超音波は、例えば、５ｍｍ程度のパルス幅を有する直進性のビームである。また、上記反射体としては、流体中に一様に含まれる気泡、Ａｌの微粉末等のパーティクル、被測定流体とは異なる音響インピーダンスを有する異物、などがある。 The ultrasonic wave transmitted by the ultrasonic transducer 41 is, for example, a straight beam having a pulse width of about 5 mm. Examples of the reflector include bubbles uniformly contained in the fluid, particles such as Al fine powder, and foreign matter having an acoustic impedance different from that of the fluid to be measured.
受信されたエコー超音波は、流量の算出を行うユニット（不図示）に供給され、そこで、配管内部の被測定流体に対する流量が算出される。
より具体的には、反射体からの超音波エコー信号に信号処理を行って流速（分布）を求め、その流速から流量を求めている。流速から流量を求める方法は、例えば、下記特許文献１に開示されている。
The received echo ultrasonic waves are supplied to a unit (not shown) that calculates the flow rate, where the flow rate for the fluid to be measured inside the pipe is calculated.
More specifically, the flow rate (distribution) is obtained by performing signal processing on the ultrasonic echo signal from the reflector, and the flow rate is obtained from the flow rate. A method for obtaining the flow rate from the flow velocity is disclosed in, for example, Patent Document 1 below.
すなわち、まず、流体の時間ｔにおける流量ｍ（ｔ）は下記（１）式で表すことができる。ここで、ρ：被測定流体の密度、ｖ（ｘ・ｔ）：時間ｔにおける速度成分、である。 That is, first, the flow rate m (t) of the fluid at time t can be expressed by the following equation (1). Here, ρ is the density of the fluid to be measured, and v (x · t) is the velocity component at time t.
（１）式から配管を流れる時間ｔにおける流量ｍ（ｔ）は、次の（２）式に書き換えることができる。 From the equation (1), the flow rate m (t) at the time t flowing through the pipe can be rewritten as the following equation (2).
ここで、ｖｘ（ｒ・θ・ｔ）は、時間ｔにおいて、配管の横断面の中心から距離ｒ、その横断面の中心を通る所定方向から見て角度θの位置における、配管の軸方向（管軸方向）の速度成分を表している。
以上、説明したことから、流量を高精度で算出（計測）するには、その流量を算出する際に用いられる流速分布を精度よく検出することが必要となるが、その流速分布については、上記したように、超音波エコーを処理して求めているので、結局、この超音波エコーに所望とする音響信号のみが含まれるようにする必要がある。 As described above, in order to calculate (measure) the flow rate with high accuracy, it is necessary to accurately detect the flow velocity distribution used when calculating the flow rate. As described above, since the ultrasonic echo is processed and obtained, it is necessary to eventually include only the desired acoustic signal in the ultrasonic echo.
しかし、以下に述べるような各種の原因によって、従来のドップラー式クランプオン型超音波流量（流速分布）計による流速分布の測定においては、流量または流速分布を求める際に用いられるエコー超音波信号には各種ノイズ、例えば、多重反射に起因するノイズが乗るために、流量を高精度で算出することが困難になっている。 However, due to various causes as described below, in the measurement of flow velocity distribution using a conventional Doppler clamp-on type ultrasonic flow rate (flow velocity distribution) meter, the echo ultrasonic signal used to obtain the flow rate or flow velocity distribution is used. Since various noises such as noise due to multiple reflections are present, it is difficult to calculate the flow rate with high accuracy.
上記したエコー超音波信号に乗るノイズとしては、２種類のノイズが考えられるが、まず、その第１のものについて説明する。
ドップラー式クランプオン型超音波流量計においては、配管内の流体の音響インピーダンスと配管材の音響インピーダンスとでは、配管の方が大きいため、超音波振動子から楔を介して配管内に入射しようとする超音波は、配管内壁と流体との境界面において、大部分が配管内壁から配管外壁の方に反射し、以降、その配管材の内部で（配管外壁と配管内壁との間で）多重反射を繰り返していく。そして、この多重反射が配管内壁から管内への入射に対して大きいことが、所望とする超音波エコーにノイズを乗らせることにつながり、流量計測における誤差を生じさせる原因となっている。
Two types of noise can be considered as noise that rides on the echo ultrasonic signal described above. First, the first one will be described.
In the Doppler clamp-on type ultrasonic flowmeter, the pipe is larger in the acoustic impedance of the fluid in the pipe and the acoustic impedance of the pipe material. Most of the ultrasonic waves reflected from the inner wall of the pipe and the fluid are reflected from the inner wall of the pipe toward the outer wall of the pipe, and thereafter multiple reflections are performed inside the pipe material (between the outer wall of the pipe and the inner wall of the pipe). Repeat. Then, the fact that this multiple reflection is large with respect to the incidence from the inner wall of the pipe into the pipe leads to noise on the desired ultrasonic echo, which causes an error in flow measurement.
上記したことにつき、図５を参照して、より詳細に説明する。
図５において、超音波振動子４１から発振された超音波は、側線２０１に沿って楔４２に入射し、側線２０２ａに沿って配管４３に入射し配管４３の内壁まで進む。
The above will be described in more detail with reference to FIG.
In FIG. 5, the ultrasonic wave oscillated from the ultrasonic transducer 41 enters the wedge 42 along the side line 201, enters the pipe 43 along the side line 202 a, and travels to the inner wall of the pipe 43.
配管４３の内壁において、超音波は、配管内壁を透過して側線２０２ｂに沿って流体に入射する超音波と、配管内壁で反射し側線２０３に沿って配管外壁に向かう超音波とに分かれる。 On the inner wall of the pipe 43, the ultrasonic wave is divided into an ultrasonic wave that passes through the inner wall of the pipe and enters the fluid along the side line 202b, and an ultrasonic wave that is reflected by the inner wall of the pipe and travels toward the outer wall of the pipe along the side line 203.
外壁まで進んだ超音波は、外壁において、殆ど全てが反射され、再び、側線２０４ａに沿って内壁に向かう。そして、内壁において、同様にして、その超音波は、その内壁を透過して側線２０４ｂに沿って流体に入射する超音波と、内壁で反射し外壁に向かう超音波とに分かれる。 The ultrasonic waves that have traveled to the outer wall are almost entirely reflected at the outer wall, and again travel toward the inner wall along the side line 204a. Similarly, on the inner wall, the ultrasonic wave is divided into an ultrasonic wave that passes through the inner wall and enters the fluid along the side line 204b, and an ultrasonic wave that is reflected by the inner wall and travels toward the outer wall.
それぞれの超音波は、側線に沿って往復することで、再度、超音波振動子に超音波エコーとして受信される。そして、受信された超音波エコーに基づいて、流速分布、流量が求められる。 Each ultrasonic wave reciprocates along the side line, and is received again as an ultrasonic echo by the ultrasonic transducer. Based on the received ultrasonic echoes, the flow velocity distribution and the flow rate are obtained.
すなわち、図では、側線２０２ｂ、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子まで戻る超音波エコー、側線２０４ｂ、２０４ａ、２０３、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子まで戻る超音波エコー、などがある。なお、これらのうちで、側線２０２ｂ、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子まで戻る超音波エコーのことを、「所望とする超音波エコー」という。 That is, in the figure, there is an ultrasonic echo returning to the ultrasonic transducer along the side lines 202b, 202a, 201, an ultrasonic echo returning to the ultrasonic transducer along the side lines 204b, 204a, 203, 202a, 201, and the like. . Of these, the ultrasonic echo that returns to the ultrasonic transducer along the side lines 202b, 202a, 201 is referred to as "desired ultrasonic echo".
図では、所望とする超音波エコーに、例えば、側線２０４ｂ、２０４ａ、２０３、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子まで戻る超音波エコーがノイズとして重なってしまうという問題がある。 In the drawing, there is a problem that the ultrasonic echo that returns to the ultrasonic transducer along the side lines 204b, 204a, 203, 202a, and 201 overlaps with the desired ultrasonic echo as noise, for example.
この問題につき、以下でより具体的に説明する。
図６は、媒質１から媒質２に向かう音波が、媒質１と媒質２との境界において、反射または透過する様子を説明する図である。
This problem will be described in more detail below.
FIG. 6 is a diagram for explaining how sound waves traveling from the medium 1 to the medium 2 are reflected or transmitted at the boundary between the medium 1 and the medium 2.
図６において、音波が境界面に垂直な方向から見て角度θinだけ傾斜した方向から入射して、媒質１から媒質２に向かう場合に、入射波、反射波、透過波の間には、次の（３）式に示されるような関係が成り立つ（スネル（Snell）の法則）。 In FIG. 6, when a sound wave enters from a direction inclined by an angle θin when viewed from a direction perpendicular to the boundary surface and travels from the medium 1 to the medium 2, there is the following between the incident wave, the reflected wave, and the transmitted wave: The relationship shown in the equation (3) is established (Snell's law).
ここで、（３）式において、ｃ１：媒質１の音速、ｃ２：媒質２の音速、θin：媒質１での入射角、θout：媒質２での角度、θref：媒質１での反射角、である。
また、媒質１および２における音響インピーダンスｚ１、ｚ２はそれぞれ（４）、（５）式で定義される。
Here, in Equation (3), c1: sound speed of medium 1, c2: sound speed of medium 2, θin: incident angle on medium 1, θout: angle on medium 2, θref: reflection angle on medium 1 is there.
The acoustic impedances z1 and z2 in the media 1 and 2 are defined by the equations (4) and (5), respectively.
ここで、（４）、（５）式において、ｃ１：媒質１の音速、ｃ２：媒質２の音速、ρ１：媒質１の密度、ρ２：媒質２の密度、である。
この時、音圧の透過率Ｔｐ、反射率Ｒｐは、それぞれ（６）、（７）式で示される。
Here, in the equations (4) and (5), c1: sound speed of medium 1, c2: sound speed of medium 2, ρ1: density of medium 1, and ρ2: density of medium 2.
At this time, the transmittance Tp and the reflectance Rp of the sound pressure are expressed by equations (6) and (7), respectively.
これらの数式を上記した配管材とその配管内の流体とに適用することで、配管と流体との境界における反射率、透過率を求めることができる。
図７は、配管材にステンレスを用い、配管内の流体として水を用いた場合の計算例を示す図である。
By applying these mathematical formulas to the pipe material and the fluid in the pipe, the reflectance and transmittance at the boundary between the pipe and the fluid can be obtained.
FIG. 7 is a diagram illustrating a calculation example in the case where stainless steel is used as a piping material and water is used as a fluid in the piping.
ステンレスは音速が３２５０ｍ／ｓ、密度が７．９１×１０3ｋｇ／ｍ3で与えられ、また、水は音速が１４９０ｍ／ｓ、密度が１．００×１０3ｋｇ／ｍ3で与えられる。
図７に示すように、配管からの超音波の入射角を４７ｄｅｇとすると、（６）、（７）式を用いて、透過率が約６％、反射率が約９４％と求まり、超音波の殆どが水中に入射せずに配管内に反射することが分かる。
Stainless steel is provided at a sound velocity of 3250 m / s and density of 7.91 × 10 3 kg / m 3 , and water is provided at a sound velocity of 1490 m / s and density of 1.00 × 10 3 kg / m 3 .
As shown in FIG. 7, when the incident angle of the ultrasonic wave from the pipe is 47 deg, the transmittance is about 6% and the reflectance is about 94% using the equations (6) and (7). It can be seen that most of the light is reflected in the pipe without entering the water.
配管の内壁で反射した超音波に対しても同様に、透過率、反射率を計算できる。配管の外壁においては、ステンレスと空気とが接していて、空気の音速が３４４ｍ／ｓ、密度が１．２９３×１０3ｋｇ／ｍ3で与えられることを考慮し、（６）、（７）式を用いて、透過率が約０．００１％、反射率が約９９．９９９％と求まる。この場合、超音波の殆どが空気中に入射せず、配管内に反射する。 Similarly, transmittance and reflectance can be calculated for ultrasonic waves reflected from the inner wall of the pipe. Considering that stainless steel and air are in contact with the outer wall of the pipe, the sound velocity of air is given at 344 m / s and the density is 1.293 × 10 3 kg / m 3 , (6), (7) Using the equation, the transmittance is about 0.001% and the reflectance is about 99.999%. In this case, most of the ultrasonic waves do not enter the air and are reflected in the pipe.
再度、配管（ステンレス）と流体との境界に達した超音波に対して、同様の計算を行なうと、この側線に沿って水中へ入射する音圧は５．４％と計算される。ただし、この計算値は、最初に配管に入射した超音波の音圧を１００％とした場合の相対値である。 When the same calculation is performed again on the ultrasonic wave that reaches the boundary between the pipe (stainless steel) and the fluid, the sound pressure incident on the water along this side line is calculated to be 5.4%. However, this calculated value is a relative value when the sound pressure of the ultrasonic wave first incident on the pipe is 100%.
なお、配管材の厚み、配管の内径を具体的に指定することによって、超音波の伝播時間等を算出することが可能となるが、ここでは、配管の厚みを６ｍｍ、配管の内径を１０２ｍｍとした。 It is possible to calculate the propagation time of ultrasonic waves by specifically specifying the thickness of the piping material and the inner diameter of the piping. Here, the thickness of the piping is 6 mm, and the inner diameter of the piping is 102 mm. did.
入射角（この場合、４７ｄｅｇ）から超音波がとる経路である側線の長さが分かり、それを各媒質（ステンレス、または、水）中での音速で割ることによって所要時間が求まる。 From the incident angle (in this case, 47 deg), the length of the side line that is the path taken by the ultrasonic wave is known, and the required time is obtained by dividing it by the speed of sound in each medium (stainless steel or water).
図５に示す側線２０４ｂと側線２０２ｂとの配管内壁からの側線に沿った対応する位置では、側線２０４ｂで発生した超音波エコーの方が側線２０３、２０４ａを往復する時間だけ遅れて、超音波振動子４１に受信される。 At the corresponding positions along the side line from the inner wall of the pipe between the side line 204b and the side line 202b shown in FIG. 5, the ultrasonic echo generated on the side line 204b is delayed by the time for reciprocating the side lines 203 and 204a. Received by the child 41.
よって、側線２０４ｂに沿った任意の位置で発生する超音波エコーが時間的に連続して超音波振動子４１に受信される区間は、側線２０３、２０４ａを往復する時間だけ遅れて、側線２０２ｂに沿った任意の位置で発生する超音波エコーが時間的に連続して超音波振動子４１に受信される区間に重ねられる。 Therefore, the section in which ultrasonic echoes generated at an arbitrary position along the side line 204b are continuously received by the ultrasonic transducer 41 is delayed by the time for reciprocating the side lines 203 and 204a, and is moved to the side line 202b. An ultrasonic echo generated at an arbitrary position along the line is superimposed on a section in which the ultrasonic transducer 41 receives the ultrasonic echo continuously in time.
図８は、超音波振動子に超音波エコーが重なって受信される様子を説明する図である。
図８において、上記した配管の厚み、配管の内径、入射角から、側線２０３、２０４ａを往復する距離が、１２．２ｍｍ×４＝４８．８ｍｍと求められ、ステンレス製の配管中の横波の速度が上記３２５０ｍ／ｓである関係から、その往復による遅延時間が１５μｓｅｃと求められる。また、２０２ｂ、２０４ｂ、等の水中を横切る側線を音波が往復するのに要する時間は、水中での音速が上記１４９０ｍ／ｓである関係から、１３７μｓｅｃと求められる。よって、図に示す区間Ｘにおいて、側線２０２ｂ、２０４ｂからの超音波エコー信号が重ねられて超音波振動子に受信される。
FIG. 8 is a diagram for explaining a state in which ultrasonic echoes are received on an ultrasonic transducer.
In FIG. 8, the distance of reciprocating the side lines 203 and 204a is calculated as 12.2 mm × 4 = 48.8 mm from the thickness of the pipe, the inner diameter of the pipe, and the incident angle, and the speed of the transverse wave in the stainless steel pipe. Is 3250 m / s, the delay time due to the round trip is determined to be 15 μsec. Further, the time required for the sound wave to reciprocate the side lines crossing underwater such as 202b, 204b, etc. is determined to be 137 μsec from the relationship that the sound velocity in water is 1490 m / s. Therefore, in the section X shown in the figure, the ultrasonic echo signals from the side lines 202b and 204b are superimposed and received by the ultrasonic transducer.
図９は、エコー信号が重ねあわされることでノイズが生じることを説明する図である。
図９において、符号Ｉは、側線２０２ｂから得られた超音波エコーに基づいて求められた流速分布、符号ＩＩは、側線２０４ｂから得られた超音波エコーに基づいて求められた流速分布、符号ＩＩＩは、側線２０２ｂからの超音波エコーに基づくものと、側線２０４ｂからの超音波エコーに基づくものとを重ねて得られる流速分布、をそれぞれ示している。この図から、測定結果として得られる符号ＩＩＩの流速分布が、所望とする流速分布に対応する符号Ｉの流速分布からずれていることが分かる。
FIG. 9 is a diagram for explaining that noise is generated by overlapping echo signals.
In FIG. 9, symbol I is a flow velocity distribution obtained based on the ultrasonic echo obtained from the side line 202b, symbol II is a flow velocity distribution obtained based on the ultrasonic echo obtained from the side line 204b, symbol III. Shows the flow velocity distribution obtained by superimposing the ultrasonic echo from the side line 202b and the ultrasonic echo from the side line 204b. From this figure, it can be seen that the flow velocity distribution of symbol III obtained as a measurement result deviates from the flow velocity distribution of symbol I corresponding to the desired flow velocity distribution.
図１０は、従来のドップラー式クランプオン型超音波流量計に設けられる楔を、それがクランプオンされる配管の一部と共に示した断面図である。また、この図は、従来技術における第２の問題点を説明する図である。 FIG. 10 is a cross-sectional view showing a wedge provided in a conventional Doppler type clamp-on type ultrasonic flowmeter together with a part of a pipe to which it is clamped. Moreover, this figure is a figure explaining the 2nd problem in a prior art.
図１０において、超音波振動子５１が装着された楔５２が配管５３の外壁の一部にクランプオンされる。
図１０は、超音波振動子の直径に対して配管の厚みが薄い（それらの比が所定値未満である）場合に相当する。この場合、図に示すように、超音波ビームの直径内で多重反射が発生する。すなわち、例えば位置Ｐ11で、配管外壁から入射した超音波ビームが位置Ｐ12で、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達した場合、この位置Ｐ12において、配管外壁から入射する超音波ビームと重なることで多重反射が生じる。
In FIG. 10, the wedge 52 to which the ultrasonic transducer 51 is attached is clamped on a part of the outer wall of the pipe 53.
FIG. 10 corresponds to a case where the thickness of the pipe is thin with respect to the diameter of the ultrasonic transducer (the ratio thereof is less than a predetermined value). In this case, as shown in the figure, multiple reflection occurs within the diameter of the ultrasonic beam. That is, for example, the position P 11, the ultrasonic beam position P 12 entering from the pipe outer wall, when initially reaching the pipe outer wall after reflection at the pipe inner wall, in this position P 12, the ultrasonic waves entering from the pipe outer wall Multiple reflection occurs by overlapping with the beam.
そして、この多重反射に対応して、配管内の流速を測定（算出）する際に用いられる側線も多重に発生する。これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、流速分布算出、または、流量算出において、誤差を生じさせるという問題がある。 Corresponding to this multiple reflection, multiple side lines are used for measuring (calculating) the flow velocity in the pipe. The ultrasonic echo signal received through the generated side line overlaps the desired ultrasonic echo signal, which causes a problem in that an error is caused in the flow velocity distribution calculation or the flow rate calculation.
本発明の課題は、音響ノイズを低減させることが可能なドップラー式超音波流量計に用いられる楔および楔ユニットを提供することである。 An object of the present invention is to provide a wedge and a wedge unit used in a Doppler type ultrasonic flowmeter capable of reducing acoustic noise.
本発明の第１態様のドップラー式超音波流量計に用いられる楔は、流体が内部を通過する配管の外壁に設置されると共に、超音波を前記流体に入射させ、その反射波を受信して、流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する、ドップラー式超音波流量計に用いられる楔において、一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着され、前記超音波振動子が設置された楔の他面の傾斜角度に応じて定まる、該超音波振動子からの超音波が配管の外壁に作る射影の大きさが、その超音波が配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、前記超音波振動子の直径を設定したことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔である。 The wedge used in the Doppler type ultrasonic flowmeter of the first aspect of the present invention is installed on the outer wall of the pipe through which the fluid passes, and the ultrasonic wave is incident on the fluid to receive the reflected wave. In a wedge used in a Doppler type ultrasonic flowmeter that supplies an ultrasonic echo signal to a unit that calculates the flow rate, one surface is installed on a part of the outer peripheral surface of the pipe, and an electric signal is applied to the other surface. An ultrasonic transducer that generates the ultrasonic wave and receives the reflected wave, and is determined according to an inclination angle of the other surface of the wedge on which the ultrasonic transducer is installed So that the size of the projection made by the ultrasonic wave on the outer wall of the pipe does not exceed the difference between the position where the ultrasonic wave is incident from the outer wall of the pipe and the position where the ultrasonic wave first reaches the outer wall after reflection on the inner wall of the pipe. Set the diameter of the ultrasonic transducer. A wedge Doppler type ultrasonic flow meter, characterized in that it has.
ここで、超音波振動子の直径内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化することを防ぐことができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差をなくすことができる。 Here, since the ultrasonic waves overlap each other within the diameter of the ultrasonic transducer, it is possible to prevent side lines from being multiplexed, and an ultrasonic echo signal received via these generated side lines is desired. The generated error can be eliminated by overlapping the ultrasonic echo signal.
また、本発明の第２態様のドップラー式超音波流量計に用いられる楔ユニットは、流体が内部を通過する配管の外壁に設置されると共に、超音波を前記流体に入射させ、その反射波を受信して、流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する、ドップラー式超音波流量計に用いられる楔ユニットにおいて、一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着された楔と、超音波エコー信号へのノイズとなる超音波成分を減衰させるための超音波減衰材と、を備え、前記超音波振動子が設置された楔の他面の傾斜角度に応じて定まる、該超音波振動子からの超音波が配管の外壁に作る射影の大きさが、その超音波が配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、前記超音波振動子の直径を設定したと共に、前記超音波振動子からの超音波が、配管外壁に作る前記射影を回避するように、超音波減衰材を前記配管の外周面に設置したことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔ユニットである。 In addition, the wedge unit used in the Doppler type ultrasonic flowmeter of the second aspect of the present invention is installed on the outer wall of a pipe through which the fluid passes, and the ultrasonic wave is incident on the fluid, and the reflected wave is transmitted to the fluid. In a wedge unit used in a Doppler type ultrasonic flowmeter that receives and supplies an ultrasonic echo signal to a unit that calculates a flow rate, one side is installed on a part of the outer peripheral surface of the pipe, and the other side Includes an ultrasonic wave for attenuating an ultrasonic component that causes noise to the ultrasonic echo signal, and a wedge on which an ultrasonic transducer that generates the ultrasonic wave by an electric signal and receives the reflected wave is mounted. The size of the projection produced by the ultrasonic wave from the ultrasonic transducer on the outer wall of the pipe is determined according to the inclination angle of the other surface of the wedge on which the ultrasonic transducer is installed. Ultrasound enters from the pipe outer wall The diameter of the ultrasonic transducer was set so as not to exceed the difference between the measured position and the position that first reached the outer wall of the pipe after reflection at the inner wall of the pipe, and the ultrasonic wave from the ultrasonic vibrator was The wedge unit of the Doppler type ultrasonic flowmeter, wherein an ultrasonic attenuating material is installed on the outer peripheral surface of the pipe so as to avoid the projection formed on the outer wall.
ここで、第２態様においては、上記第１態様に加え、さらに、超音波が、配管外壁に入射する前に超音波減衰材８に入射して反射することを防ぐことができる。
また、本発明の第３態様のドップラー式超音波流量計に用いられる楔ユニットは、流体が内部を通過する配管の外壁に設置されると共に、超音波を前記流体に入射させ、その反射波を受信して、流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する、ドップラー式超音波流量計に用いられる楔ユニットにおいて、一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着された楔と、前記超音波振動子が送信する超音波のビーム径を制限し、かつ、楔の底面に設けられた第１および第２ビーム径制限手段と、を備え、前記第１および第２ビーム径制限手段の少なくとも１つは、超音波エコー信号へのノイズとなる超音波成分を減衰させるための超音波減衰材を兼用したことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔ユニットである。
Here, in the second mode, in addition to the first mode, it is possible to further prevent the ultrasonic waves from entering and reflecting the ultrasonic attenuating material 8 before entering the outer wall of the pipe.
In addition, the wedge unit used in the Doppler type ultrasonic flowmeter of the third aspect of the present invention is installed on the outer wall of the pipe through which the fluid passes, and the ultrasonic wave is incident on the fluid, and the reflected wave is transmitted to the fluid. In a wedge unit used in a Doppler type ultrasonic flowmeter that receives and supplies an ultrasonic echo signal to a unit that calculates a flow rate, one side is installed on a part of the outer peripheral surface of the pipe, and the other side The ultrasonic wave is generated by an electrical signal, and a wedge on which an ultrasonic transducer for receiving the reflected wave is mounted, a beam diameter of the ultrasonic wave transmitted by the ultrasonic transducer, and First and second beam diameter limiting means provided on the bottom surface of the wedge, and at least one of the first and second beam diameter limiting means has an ultrasonic component that becomes noise to the ultrasonic echo signal. To attenuate A wedge unit of the Doppler type ultrasonic flow meter, characterized in that also serves as a ultrasonic attenuation material.
ここで、スリットと超音波減衰材との組み合わせに応じて、制限されたビーム径の内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化する度合いを軽減することができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差を軽減することができる。 Here, depending on the combination of the slit and the ultrasonic attenuating material, the ultrasonic waves overlap each other within the limited beam diameter, so that the degree of multiplexing of the side lines can be reduced. The ultrasonic echo signal received via the side line overlaps the desired ultrasonic echo signal, thereby reducing the generated error.
上記第３態様において、ビーム径が配管の外壁に作る射影の大きさが、そのビームのいずれかが配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、前記ビーム径制限手段または前記超音波減衰材を設置してもよい。 In the third aspect, the difference between the position at which one of the beams is incident from the outer wall of the pipe and the position at which the beam reaches the outer wall first after reflection on the inner wall of the pipe is the size of the projection that the beam diameter creates on the outer wall of the pipe The beam diameter limiting means or the ultrasonic attenuating material may be installed so as not to exceed.
また、本発明の第４態様のドップラー式超音波流量計に用いられる楔は、流体が内部を通過する配管の外壁に設置されると共に、超音波を前記流体に入射させ、その反射波を受信して、流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する、ドップラー式超音波流量計に用いられる楔において、一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着され、前記超音波振動子が送信する超音波のビーム径を制限するビーム径制限手段を楔内部に設けたことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔である。 In addition, the wedge used in the Doppler type ultrasonic flowmeter of the fourth aspect of the present invention is installed on the outer wall of the pipe through which the fluid passes, and the ultrasonic wave is incident on the fluid and the reflected wave is received. Then, in the wedge used in the Doppler type ultrasonic flowmeter that supplies the ultrasonic echo signal to the unit that calculates the flow rate, one side is installed on a part of the outer peripheral surface of the pipe, and the other side An ultrasonic transducer that generates the ultrasonic wave by an electric signal and receives the reflected wave is mounted, and a beam diameter limiting unit that limits the beam diameter of the ultrasonic wave transmitted by the ultrasonic transducer is provided inside the wedge. A wedge of a Doppler type ultrasonic flowmeter characterized by being provided.
ここで、スリットがビーム径を制限する度合いに応じて、そのビーム径の内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化する度合いを軽減することができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差を軽減することができる。 Here, depending on the degree to which the slit restricts the beam diameter, the ultrasonic waves overlap each other within the beam diameter, so that the degree to which the side lines are multiplexed can be reduced. When the ultrasonic echo signal received in this manner overlaps with the desired ultrasonic echo signal, the error that occurs can be reduced.
上記第４態様において、前記超音波減衰材は、前記超音波振動子から前記配管に入射される超音波が、配管外壁に最初に達する位置を回避するように、前記配管の外周面に設置されると共に、前記ビーム径制限手段は、前記制限されたビーム径が配管の外壁に作る射影の大きさが、そのビームのいずれかが配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、前記楔内部に設けられるようにしてもよい。 In the fourth aspect, the ultrasonic attenuating material is installed on the outer peripheral surface of the pipe so as to avoid the position where the ultrasonic wave incident on the pipe from the ultrasonic transducer first reaches the pipe outer wall. In addition, the beam diameter limiting means has a projection size created by the limited beam diameter on the outer wall of the pipe, the position where one of the beams is incident from the outer wall of the pipe, and the outer wall of the pipe after reflection on the inner wall of the pipe. It may be provided inside the wedge so as not to exceed the difference from the first position reached.
本発明によれば、超音波振動子の直径内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化することを防ぐことができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差をなくすことができる。よって、音響ノイズを低減させることが可能となる。 According to the present invention, the ultrasonic waves overlap each other within the diameter of the ultrasonic transducer, so that side lines can be prevented from being multiplexed, and the ultrasonic echo signal received via these generated side lines. However, by overlapping the desired ultrasonic echo signal, the generated error can be eliminated. Therefore, acoustic noise can be reduced.
また、本発明によれば、スリットと超音波減衰材との組み合わせに応じて、制限されたビーム径の内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化する度合いを軽減することができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差を軽減することができる。よって、音響ノイズを低減させることが可能となる。 Further, according to the present invention, the degree of side line multiplexing can be reduced by overlapping the ultrasonic waves within the limited beam diameter according to the combination of the slit and the ultrasonic attenuation material. The ultrasonic echo signal received via the generated side line overlaps the desired ultrasonic echo signal, thereby reducing the generated error. Therefore, acoustic noise can be reduced.
また、本発明によれば、スリットがビーム径を制限する度合いに応じて、そのビーム径の内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化する度合いを軽減することができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差を軽減することができる。よって、音響ノイズを低減させることが可能となる。 Further, according to the present invention, depending on the degree to which the slit restricts the beam diameter, the ultrasonic waves overlap each other within the beam diameter, thereby reducing the degree of multiplexing of the side lines. The ultrasonic echo signal received via the generated side line overlaps the desired ultrasonic echo signal, thereby reducing the generated error. Therefore, acoustic noise can be reduced.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態の超音波流量計に用いられる楔ユニットの断面図である。この楔ユニットは、超音波振動子が装着された楔と、超音波減衰材とからなる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a sectional view of a wedge unit used in the ultrasonic flowmeter according to the first embodiment of the present invention. The wedge unit includes a wedge on which an ultrasonic transducer is mounted and an ultrasonic attenuating material.
図１において、楔２と超音波減衰材８とは、流体４が内部を通過する配管３の外壁に設置される。楔２の一面は、配管３の外周面の一部に設置される。また、楔２の他面には、超音波振動子１が装着される。この超音波振動子１は、駆動回路（不図示）からの電気信号によって超音波を発生させ、その超音波を流体４に入射させ、その反射波を受信する。その受信された反射波は、その後、流量の算出を行うユニット（不図示）に超音波エコー信号として供給される。 In FIG. 1, the wedge 2 and the ultrasonic attenuating material 8 are installed on the outer wall of the pipe 3 through which the fluid 4 passes. One surface of the wedge 2 is installed on a part of the outer peripheral surface of the pipe 3. An ultrasonic transducer 1 is attached to the other surface of the wedge 2. The ultrasonic transducer 1 generates an ultrasonic wave by an electric signal from a drive circuit (not shown), causes the ultrasonic wave to enter the fluid 4, and receives the reflected wave. The received reflected wave is then supplied as an ultrasonic echo signal to a unit (not shown) that calculates the flow rate.
楔２は、好ましくは、アクリル、ポリ塩化ビニルなどの樹脂材料で構成される。また、超音波振動子１は、好ましくは、ＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛）などの圧電材料で構成される。超音波振動子１は、エポキシ系の接着剤などで楔２に固定される。なお、図に示すように、この超音波振動子１が装着された（固定された）楔２の面は、配管３の長手方向の垂直方向に対して、角度θｗだけ傾斜している。 The wedge 2 is preferably made of a resin material such as acrylic or polyvinyl chloride. The ultrasonic vibrator 1 is preferably made of a piezoelectric material such as PZT (lead zirconate titanate). The ultrasonic vibrator 1 is fixed to the wedge 2 with an epoxy adhesive or the like. As shown in the figure, the surface of the wedge 2 on which the ultrasonic transducer 1 is mounted (fixed) is inclined by an angle θw with respect to the vertical direction of the longitudinal direction of the pipe 3.
本実施形態においては、超音波振動子１が設置された楔２の他面の傾斜角度に応じて定まる、その超音波振動子１からの超音波が配管３の外壁に作る射影の大きさが、その超音波が配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、超音波振動子１の直径を設定している。 In the present embodiment, the size of the projection created on the outer wall of the pipe 3 by the ultrasonic wave from the ultrasonic vibrator 1 is determined according to the inclination angle of the other surface of the wedge 2 on which the ultrasonic vibrator 1 is installed. The diameter of the ultrasonic transducer 1 is set so as not to exceed the difference between the position where the ultrasonic wave enters from the outer wall of the pipe and the position where the ultrasonic wave first reaches the outer wall after reflection on the inner wall of the pipe.
これにより、超音波振動子１の直径内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化することを防ぐことができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差をなくすことができる。 As a result, the ultrasonic waves overlap each other within the diameter of the ultrasonic transducer 1 to prevent the side lines from being multiplexed, and the ultrasonic echo signal received via these generated side lines is By overlapping the desired ultrasonic echo signal, it is possible to eliminate an error that occurs.
なお、図１においては、超音波エコー信号へのノイズとなる超音波成分を減衰させる超音波減衰材８をさらに有するものであるが、この超音波減衰材８を、超音波振動子１からの超音波が、配管外壁に作る上記射影、すなわち、配管外壁に最初に達する位置、を回避するように配管３の外周面に設置している。このようにすれば、超音波が、配管外壁に入射する前に超音波減衰材８に入射して反射することを防ぐことができる。 1 further includes an ultrasonic attenuating material 8 for attenuating an ultrasonic component that becomes noise in the ultrasonic echo signal. The ultrasonic wave is installed on the outer peripheral surface of the pipe 3 so as to avoid the above-mentioned projection formed on the pipe outer wall, that is, the position where the ultrasonic wave first reaches the pipe outer wall. In this way, it is possible to prevent the ultrasonic waves from entering and reflecting the ultrasonic attenuating material 8 before entering the outer wall of the pipe.
そして、さらに、超音波減衰材８を、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置を含むように、配管３の外周面に設置した場合には、側線を介して受信される２回目以降の反射波をもたらす原因となる初回の反射波について効果的に、その強度を減衰させることが可能となり、ノイズがより一層軽減される。 Further, when the ultrasonic attenuating material 8 is installed on the outer peripheral surface of the pipe 3 so as to include a position where the ultrasonic wave attenuating material 8 first reaches the outer wall of the pipe after reflection on the inner wall of the pipe, the second time is received via the side line. The intensity of the first reflected wave that causes the subsequent reflected wave can be effectively attenuated, and the noise is further reduced.
なお、超音波減衰材８は、配管内での超音波の進行方向を考慮し、その配管内での超音波の多重反射を１回以上受け止めることができる大きさであることが望ましい。また、この超音波減衰材８は、配管３よりも小さい音響インピーダンスを有する材料、例えば、タングステンゴムで構成されることが好ましい。なお、超音波減衰材８は、例えば、楔２に接着剤などで固定されてもよいし、また、例えば、金属ベルト等の固定手段により配管に直接固定されてもよい。 In addition, it is desirable that the ultrasonic attenuating material 8 has a size capable of receiving multiple reflections of ultrasonic waves in the pipe one or more times in consideration of the traveling direction of the ultrasonic waves in the pipe. The ultrasonic attenuating material 8 is preferably made of a material having an acoustic impedance smaller than that of the pipe 3, for example, tungsten rubber. The ultrasonic attenuating material 8 may be fixed to the wedge 2 with an adhesive or the like, for example, or may be directly fixed to the pipe by a fixing means such as a metal belt.
図２は、超音波振動子の直径を設定する様子を説明する図である。
図２において、超音波振動子が設置された楔の他面の傾斜角度に応じて定まる、その超音波振動子からの超音波が配管の外壁に作る射影の大きさ（点Ｐ1とＰ2の距離、すなわち、Ｌ’）が、その超音波が配管外壁から入射した位置（点Ｐ1）と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置（点Ｐ3）との差分Ｌを超えないように、超音波振動子の直径Ｄを設定している。すなわち、下記（Ａ１）式が成り立つように、直径Ｄが設定される。
FIG. 2 is a diagram for explaining how the diameter of the ultrasonic transducer is set.
In FIG. 2, the size of projections (points P 1 and P 2) determined on the outer wall of the pipe by the ultrasonic waves from the ultrasonic vibrator determined according to the inclination angle of the other surface of the wedge on which the ultrasonic vibrator is installed. , That is, L ′) is a difference L between the position where the ultrasonic wave is incident from the pipe outer wall (point P 1 ) and the position where the ultrasonic wave first reaches the pipe outer wall after reflection on the pipe inner wall (point P 3 ). The diameter D of the ultrasonic transducer is set so as not to exceed. That is, the diameter D is set so that the following formula (A1) holds.
Ｌ’≦Ｌ ・・・ （Ａ１）
一方、楔の超音波振動子が設置される面の傾斜角度をθｗとすると、下記（Ａ２）式が成り立つ。
L ′ ≦ L (A1)
On the other hand, if the inclination angle of the surface on which the wedge ultrasonic transducer is installed is θw, the following equation (A2) is established.
Ｄ＝Ｌ’ｃｏｓθｗ ・・・ （Ａ２）
また、配管の厚みをｔ、配管内の超音波の伝播方向をθｐとすると、下記（Ａ３）式が成り立つ。
D = L'cos θw (A2)
Further, when the thickness of the pipe is t and the propagation direction of the ultrasonic wave in the pipe is θp, the following expression (A3) is established.
Ｌ＝２ｔ・ｔａｎθｐ ・・・ （Ａ３）
（Ａ２）、（Ａ３）式を（Ａ１）式に代入することによって、ＬおよびＬ’を消去すると、下記（Ａ４）式が得られる。
L = 2t · tan θp (A3)
When L and L ′ are eliminated by substituting the expressions (A2) and (A3) into the expression (A1), the following expression (A4) is obtained.
（Ｄ／ｃｏｓθｗ）≦２ｔ・ｔａｎθｐ ・・・ （Ａ４）
θｗ≦π／２であるので、（Ａ４）式を整理して（Ａ５）式が得られる。
Ｄ≦２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ ・・・ （Ａ５）
射影の大きさＬ’が差分Ｌと一致するように、超音波振動子の直径Ｄを設定した場合には、ノイズカットを実現しつつ、最大の送信パワーを有する超音波振動子が得られることになる。この場合、下記（Ａ６）式が成り立つ。
(D / cos θw) ≦ 2t · tan θp (A4)
Since θw ≦ π / 2, equation (A5) is obtained by rearranging equation (A4).
D ≦ 2t · tan θp · cos θw (A5)
When the ultrasonic transducer diameter D is set so that the projection size L ′ coincides with the difference L, an ultrasonic transducer having the maximum transmission power can be obtained while realizing noise cut. become. In this case, the following formula (A6) is established.
Ｄ＝２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ ・・・ （Ａ６）
図３は、本発明の第２実施形態の超音波流量計に用いられる楔ユニットの断面図である。この楔ユニットは、超音波振動子が装着された楔と、超音波減衰材とからなる。図３の説明においては、図１と重複する部分は省略される。
D = 2t · tan θp · cos θw (A6)
FIG. 3 is a cross-sectional view of a wedge unit used in the ultrasonic flowmeter according to the second embodiment of the present invention. The wedge unit includes a wedge on which an ultrasonic transducer is mounted and an ultrasonic attenuating material. In the description of FIG. 3, portions overlapping those in FIG. 1 are omitted.
図３において、楔１２の底面には、超音波振動子１１が送信する超音波のビーム径を制限するスリット９と、超音波エコー信号へのノイズとなる超音波成分を減衰させるための超音波減衰材８とが設けられている。なお、送信される超音波が配管外壁に達する前に超音波減衰材８に入射する場合は、超音波減衰材８は、その超音波のビーム径を制限するスリットの役割を兼用している。 In FIG. 3, the bottom surface of the wedge 12 has a slit 9 for limiting the beam diameter of the ultrasonic wave transmitted by the ultrasonic transducer 11 and an ultrasonic wave for attenuating an ultrasonic component that becomes noise to the ultrasonic echo signal. A damping material 8 is provided. When the transmitted ultrasonic wave enters the ultrasonic attenuating material 8 before reaching the outer wall of the pipe, the ultrasonic attenuating material 8 also serves as a slit for limiting the ultrasonic beam diameter.
スリット９は、楔材料と比較し音響インピーダンスが小さく、空気などの気体により構成されたり、または、超音波を吸収・減衰させる材料（例えば、タングステンゴム）で構成されたり、または、楔材料と比較し音響インピーダンスが大きい材料で構成される超音波反射材（例えば、ステンレスやアルミなどの金属材料）で構成されたりする。 The slit 9 has a smaller acoustic impedance than the wedge material and is composed of a gas such as air, or is composed of a material that absorbs and attenuates ultrasonic waves (for example, tungsten rubber), or is compared with the wedge material. However, it may be composed of an ultrasonic reflector made of a material having a large acoustic impedance (for example, a metal material such as stainless steel or aluminum).
このようにすれば、スリット９と超音波減衰材８との組み合わせに応じて、制限されたビーム径の内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化する度合いを軽減することができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差を軽減することができる。 In this way, according to the combination of the slit 9 and the ultrasonic attenuating material 8, the degree of side line multiplexing can be reduced by overlapping the ultrasonic waves inside the limited beam diameter. The ultrasonic echo signal received via the generated side line overlaps the desired ultrasonic echo signal, thereby reducing the generated error.
また、好ましくは、ビーム径が配管３の外壁に作る射影の大きさが、そのビームのいずれかが配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、スリット９または超音波減衰材８を設置する。 Preferably, the difference between the position at which one of the beams is incident from the outer wall of the pipe and the position at which the beam reaches the outer wall first after being reflected from the inner wall of the pipe is preferable. The slit 9 or the ultrasonic attenuating material 8 is installed so as not to exceed.
このようにすれば、上記のビーム径の内部における超音波同士の重なりを防ぐことができ、一層効果的である。
なお、第２実施形態においては、配管３の厚みｔ、配管内の超音波の伝播角度θｐ、楔の傾斜角度θｗ、としたとき、下記条件式（Ｂ１）を満たすように超音波振動子１１から送信される超音波のビーム径Ｄを制限すべくスリット９または超音波減衰材８は、好ましくは楔底面に設置されている。
In this way, it is possible to prevent the ultrasonic waves from overlapping each other within the beam diameter, which is more effective.
In the second embodiment, when the thickness t of the pipe 3, the propagation angle θp of the ultrasonic wave in the pipe, and the inclination angle θw of the wedge are set, the ultrasonic transducer 11 satisfies the following conditional expression (B1). The slit 9 or the ultrasonic attenuating material 8 is preferably installed on the bottom surface of the wedge in order to limit the beam diameter D of the ultrasonic wave transmitted from the wedge.
Ｄ≦２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ ・・・ （Ｂ１）
図４は、本発明の第３実施形態の超音波流量計に用いられる楔の断面図である。この楔は、超音波振動子が装着され、内部にスリットを含んでいる。図４の説明においては、図１と重複する部分は省略される。
D ≦ 2t · tan θp · cos θw (B1)
FIG. 4 is a sectional view of a wedge used in the ultrasonic flowmeter according to the third embodiment of the present invention. This wedge is equipped with an ultrasonic transducer and includes a slit inside. In the description of FIG. 4, portions overlapping with FIG. 1 are omitted.
図４において、楔２２内部には、超音波振動子２１が送信する超音波のビーム径を制限するスリット１０が設けられている。
このスリット１０は、楔材料と比較し音響インピーダンスが小さく、空気などの気体により構成されたり、または、超音波を吸収・減衰させる材料（例えば、タングステンゴム）で構成されたり、または、楔材料と比較し音響インピーダンスが大きい材料で構成される超音波反射材（例えば、ステンレスやアルミなどの金属材料）で構成されたりする。
In FIG. 4, a slit 10 that limits the beam diameter of the ultrasonic wave transmitted by the ultrasonic transducer 21 is provided inside the wedge 22.
The slit 10 has a smaller acoustic impedance than the wedge material, and is made of a gas such as air, or is made of a material that absorbs and attenuates ultrasonic waves (for example, tungsten rubber), or In comparison, it may be made of an ultrasonic reflecting material (for example, a metal material such as stainless steel or aluminum) made of a material having a large acoustic impedance.
このようにすれば、スリット１０がビーム径を制限する度合いに応じて、そのビーム径の内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化する度合いを軽減することができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差を軽減することができる。 In this way, depending on the degree to which the slit 10 limits the beam diameter, the ultrasonic waves overlap each other within the beam diameter, so that the degree to which the side lines are multiplexed can be reduced. The ultrasonic echo signal received via the side line thus overlapped with the desired ultrasonic echo signal can reduce the generated error.
好ましくは、超音波減衰材８は、超音波振動子２１から配管３に入射される超音波が、配管外壁に最初に達する位置を回避するように、配管３の外周面に設置される。また、スリット１０は、ビーム径が配管の外壁に作る射影の大きさが、そのビームのいずれかが配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、超音波振動子２１のビーム径を制限する。 Preferably, the ultrasonic attenuating material 8 is installed on the outer peripheral surface of the pipe 3 so as to avoid the position where the ultrasonic wave incident on the pipe 3 from the ultrasonic vibrator 21 first reaches the pipe outer wall. In addition, the slit 10 has a difference between a position where one of the beams is incident on the outer wall of the pipe and a position where one of the beams reaches the outer wall of the pipe after reflection on the inner wall of the pipe. The beam diameter of the ultrasonic transducer 21 is limited so as not to exceed.
このようにすれば、上記のビーム径の内部における超音波同士の重なりを防ぐことができ、一層効果的である。また、超音波が、配管外壁に入射する前に超音波減衰材８に入射して反射することを防ぐことができる。 In this way, it is possible to prevent the ultrasonic waves from overlapping each other within the beam diameter, which is more effective. Further, it is possible to prevent the ultrasonic waves from entering and reflecting the ultrasonic attenuating material 8 before entering the outer wall of the pipe.
そして、さらに、超音波減衰材８を、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置を含むように、配管３の外周面に設置した場合には、側線を介して受信される２回目以降の反射波をもたらす原因となる初回の反射波について効果的に、その強度を減衰させることが可能となる。 Further, when the ultrasonic attenuating material 8 is installed on the outer peripheral surface of the pipe 3 so as to include a position where the ultrasonic wave attenuating material 8 first reaches the outer wall of the pipe after reflection on the inner wall of the pipe, the second time is received via the side line. It is possible to effectively attenuate the intensity of the first reflected wave that causes the subsequent reflected wave.
なお、第３実施形態においては、配管３の厚みｔ、配管内の超音波の伝播角度θｐ、楔の傾斜角度θｗ、としたとき、下記条件式（Ｃ１）を満たすように超音波振動子２１から送信される超音波のビーム径Ｄを制限すべくスリット１０は、好ましくは楔内部に設置されている。 In the third embodiment, when the thickness t of the pipe 3, the propagation angle θp of the ultrasonic wave in the pipe, and the inclination angle θw of the wedge are set, the ultrasonic vibrator 21 satisfies the following conditional expression (C1). In order to limit the beam diameter D of the ultrasonic wave transmitted from the slit 10, the slit 10 is preferably installed inside the wedge.
Ｄ≦２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ ・・・ （Ｃ１）
なお、以上の説明では、図１と図４とにおいて、超音波の進行方向に超音波減衰材８を設置していたが、この超音波減衰材８の代わりに、配管材と同一または略同一の音響インピーダンスを有する超音波透過材を設置してもよい。この場合、この超音波透過材の外気と接触する境界面には、その境界に達した超音波を散乱させるための凹凸が設けられていることが好ましい。
D ≦ 2t · tan θp · cos θw (C1)
In the above description, in FIG. 1 and FIG. 4, the ultrasonic attenuating material 8 is installed in the traveling direction of the ultrasonic waves. Instead of the ultrasonic attenuating material 8, the same or substantially the same as the piping material. An ultrasonic transmission material having an acoustic impedance of may be installed. In this case, it is preferable that unevenness for scattering the ultrasonic wave reaching the boundary is provided on the boundary surface of the ultrasonic transmitting material that contacts the outside air.
１，１１，２１，４１，５１ 超音波振動子
２，１２，２２，４２，５２ 楔
３，４３，５３ 配管
４，４４ 流体
８ 超音波減衰材
９，１０ スリット
1,11,21,41,51 Ultrasonic vibrator 2,12,22,42,52 Wedge 3,43,53 Piping 4,44 Fluid 8 Ultrasonic attenuator 9,10 Slit
Claims (26)
一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着され、
前記超音波振動子が設置された楔の他面の傾斜角度に応じて定まる、該超音波振動子からの超音波が配管の外壁に作る射影の大きさが、その超音波が配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、前記超音波振動子の直径を設定したことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔。 A Doppler-type supersonic wave is installed on the outer wall of the pipe through which the fluid passes, and an ultrasonic wave is incident on the fluid, the reflected wave is received, and an ultrasonic echo signal is supplied to the unit that calculates the flow rate. In wedges used for sonic flow meters,
One surface is installed on a part of the outer peripheral surface of the pipe, and the other surface is mounted with an ultrasonic transducer that generates the ultrasonic wave by an electric signal and receives the reflected wave,
The size of the projection made on the outer wall of the pipe by the ultrasonic wave from the ultrasonic vibrator is determined according to the inclination angle of the other surface of the wedge where the ultrasonic vibrator is installed, and the ultrasonic wave is incident from the outer wall of the pipe. The wedge of the Doppler type ultrasonic flowmeter is characterized in that the diameter of the ultrasonic transducer is set so as not to exceed a difference between the position of the ultrasonic transducer and a position where the pipe outer wall is first reached after reflection on the pipe inner wall.
Ｄ≦２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ 2. The diameter D of the ultrasonic transducer is set so as to satisfy the following conditional expression from the thickness t of the pipe, the propagation angle θp of the ultrasonic wave in the pipe, and the inclination angle θw of the wedge. Wedges.
D ≦ 2t · tan θp · cos θw
Ｄ＝２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ From the thickness t of the pipe, the propagation angle θp of the ultrasonic wave in the pipe, and the inclination angle θw of the wedge, the diameter D of the ultrasonic vibrator is set so as to satisfy or substantially satisfy the following formula: The wedge according to claim 1.
D = 2t · tan θp · cos θw
一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着された楔と、
超音波エコー信号へのノイズとなる超音波成分を減衰させるための超音波減衰材と、を備え、
前記超音波振動子が設置された楔の他面の傾斜角度に応じて定まる、該超音波振動子からの超音波が配管の外壁に作る射影の大きさが、その超音波が配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、前記超音波振動子の直径を設定したと共に、
前記超音波振動子からの超音波が、配管外壁に作る前記射影を回避するように、超音波減衰材を前記配管の外周面に設置したことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔ユニット。 A Doppler-type supersonic wave is installed on the outer wall of the pipe through which the fluid passes, and an ultrasonic wave is incident on the fluid, the reflected wave is received, and an ultrasonic echo signal is supplied to the unit that calculates the flow rate. In the wedge unit used in the sonic flow meter,
One surface is installed on a part of the outer peripheral surface of the pipe, the other surface generates the ultrasonic wave by an electrical signal, and a wedge on which an ultrasonic transducer that receives the reflected wave is mounted,
An ultrasonic attenuator for attenuating the ultrasonic component that becomes noise to the ultrasonic echo signal,
The size of the projection made on the outer wall of the pipe by the ultrasonic wave from the ultrasonic vibrator is determined according to the inclination angle of the other surface of the wedge where the ultrasonic vibrator is installed, and the ultrasonic wave is incident from the outer wall of the pipe. And setting the diameter of the ultrasonic transducer so as not to exceed the difference between the position and the position that first reaches the pipe outer wall after reflection on the pipe inner wall,
A wedge unit of a Doppler type ultrasonic flowmeter, wherein an ultrasonic attenuating material is installed on the outer peripheral surface of the pipe so that the ultrasonic wave from the ultrasonic vibrator avoids the projection formed on the outer wall of the pipe .
一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着された楔と、
前記超音波振動子が送信する超音波のビーム径を制限し、かつ、楔の底面に設けられた第１および第２ビーム径制限手段と、を備え、
前記第１および第２ビーム径制限手段の少なくとも１つは、超音波エコー信号へのノイズとなる超音波成分を減衰させるための超音波減衰材を兼用したことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔ユニット。 A Doppler-type supersonic wave is installed on the outer wall of the pipe through which the fluid passes, and an ultrasonic wave is incident on the fluid, the reflected wave is received, and an ultrasonic echo signal is supplied to the unit that calculates the flow rate. In the wedge unit used in the sonic flow meter,
One surface is installed on a part of the outer peripheral surface of the pipe, the other surface generates the ultrasonic wave by an electrical signal, and a wedge on which an ultrasonic transducer that receives the reflected wave is mounted,
A first and second beam diameter limiting means for limiting the beam diameter of the ultrasonic wave transmitted by the ultrasonic transducer and provided on the bottom surface of the wedge;
At least one of the first and second beam diameter limiting means also serves as an ultrasonic attenuating material for attenuating an ultrasonic component that becomes noise in the ultrasonic echo signal. Doppler ultrasonic flow rate Total wedge unit.
Ｄ≦２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ The beam diameter limiting means or the ultrasonic attenuating material is transmitted from the ultrasonic transducer so as to satisfy the following conditional expression from the thickness t of the pipe, the propagation angle θp of the ultrasonic wave in the pipe, and the inclination angle θw of the wedge. The wedge according to claim 11, wherein the wedge is installed to limit a beam diameter D of the ultrasonic wave.
D ≦ 2t · tan θp · cos θw
一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着され、
前記超音波振動子が送信する超音波のビーム径を制限するビーム径制限手段を楔内部に設けたことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔。 A Doppler-type supersonic wave is installed on the outer wall of the pipe through which the fluid passes, and an ultrasonic wave is incident on the fluid, the reflected wave is received, and an ultrasonic echo signal is supplied to the unit that calculates the flow rate. In wedges used for sonic flow meters,
One surface is installed on a part of the outer peripheral surface of the pipe, and the other surface is mounted with an ultrasonic transducer that generates the ultrasonic wave by an electric signal and receives the reflected wave,
A wedge of a Doppler type ultrasonic flowmeter, wherein a beam diameter limiting means for limiting a beam diameter of an ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer is provided inside the wedge.
前記ビーム径制限手段は、前記制限されたビーム径が配管の外壁に作る射影の大きさが、そのビームのいずれかが配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、前記楔内部に設けられたことを特徴とする請求項１８記載の楔。 The ultrasonic attenuating material is installed on the outer peripheral surface of the pipe so as to avoid a position where ultrasonic waves incident on the pipe from the ultrasonic vibrator first reach the pipe outer wall,
The beam diameter limiting means is configured such that the size of the projection formed by the limited beam diameter on the outer wall of the pipe is the position at which one of the beams is incident from the outer wall of the pipe, and the reflection on the inner wall of the pipe first on the outer wall of the pipe. The wedge according to claim 18, wherein the wedge is provided inside the wedge so as not to exceed a difference from a reaching position.
Ｄ≦２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ The beam diameter limiting means is configured to calculate the beam diameter of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer so as to satisfy the following conditional expression from the pipe thickness t, the ultrasonic propagation angle θp in the pipe, and the wedge inclination angle θw. 20. The wedge unit according to claim 19, wherein the wedge unit is provided inside the wedge so as to limit D.
D ≦ 2t · tan θp · cos θw
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