JP2007051913A

JP2007051913A - 超音波流量計の補正方法

Info

Publication number: JP2007051913A
Application number: JP2005236737A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Nakazato; 敏仲里
Original assignee: ATSUDEN CORP; ATSUDEN KK; Tokyo Keiso Co Ltd
Current assignee: ATSUDEN CORP; ATSUDEN KK; Tokyo Keiso Co Ltd
Priority date: 2005-08-17
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2007-03-01

Abstract

【課題】演算により音速、温度を求めて動粘度による流量の補正をする。
【解決手段】Ｓ１で超音波送受波器により受信したそれぞれの超音波パルスの伝播時間を求め、Ｓ２でそれぞれの伝播時間から音速Ｃを求める。Ｓ３で記憶手段に記憶している音速Ｃ対温度Ｔのテーブルから、Ｓ２で求めた音速Ｃを基に流体の温度Ｔ（℃）を求める。Ｓ４で温度Ｔ（℃）を基に記憶手段に記憶している温度Ｔ対動粘度νのテーブルから動粘度ν（ｍｍ²／ｓ）を得る。Ｓ５でそれぞれの伝播時間から流体の流速Ｖを求める。Ｓ６において、流速Ｖに対して動粘度νの補正を行う。記憶手段は各動粘度ν及び各流速Ｖにおける補正係数表を記憶しており、対応する補正係数を求め、流速Ｖに補正係数を乗じて流速Ｖ’を演算する。Ｓ７で流速Ｖ’から流量Ｑを演算し、Ｓ８でこの流量Ｑを出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波の伝播時間差方式により流量を測定する超音波流量計の補正方法に関するものである。

従来、超音波流量計は使用流体の動粘度ごとの各流速における補正値を記憶したテーブルを有しており、流量を使用する流体の動粘度補正テーブルを用いて決定している。

例えば、補正テーブルは各動粘度及び各流速における補正値が記憶され、計測する流体ごとに使用する動粘度を決定し、使用する補正テーブルの列を決定する。決定されたテーブルの列は固定値として補正手段に入力され、計測された流速と、補正テーブルの流速値との照合により補正値が決定し、補正手段において補正される。

なお、流速ごとに動粘度による補正を行うのは、流路径が一定の場合に、動粘度と流速によって、流れの状態を示すレイノルズ数Ｒｅが次式のように決定されるからである。
Ｒｅ＝ｖｄ／ν （ただし、ｖは流速、ｄは管路内径、νは動粘度）

同一管路であれば、レイノルズ数Ｒｅが等しければ、流れの状態が類似していることになり、それに伴い実流量と流量計測値との誤差も、レイノルズ数Ｒｅによって類似したものとなると考えられているためである。

しかし、流体の動粘度は流体温度によって変化し、単に流速に対する動粘度の補正テーブルを用いるだけでは、補正が正しく行われないことがある。

また、別の従来方式としては、特許文献１のように温度信号を使用することによって、温度に対応した動粘度を求め、流体温度の変化に伴う動粘度の変化を補正する流量計も知られている。

特開平７−２６０５３２号公報

このように、従来行われてきた動粘度用の補正テーブルを使用することによる補正では、温度変化に伴う動粘度の変化によって、使用すべき補正テーブルが誤差を含むことになり、正しい補正が行われないという問題がある。

また、特許文献１のように、或いは温度補正を行う場合には、管体中に温度計を設置するなど、何らかの手段により温度情報を求める必要があるが、温度計を設けると圧力損失が生じたり、乱流発生の原因となる。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、温度変化に対応した動粘度により正しく補正し得る超音波流量計の補正方法を提供することにある。

上述の目的を達成する本発明に係る超音波流量計の補正方法の技術的特徴は、測定用流体が流れる管体の上流側及び下流側にそれぞれ配置した超音波送受波器により相互に超音波パルスを発信し、下流側及び上流側の前記超音波送受波器により前記超音波パルスを受信し、上流側から下流側にまた下流側から上流側に伝播する前記超音波パルスの伝播時間の差を基に前記流体の流量を測定する超音波流量計において、前記２つの伝播時間の和を基に前記流体中の超音波パルスの伝達速度である音速を演算する工程と、該音速を基に前記流体の温度を求める工程と、該温度を基に前記流体の動粘度を求める工程と、該動粘度を基に測定した前記流量を補正する工程とを備えたことにある。

本発明に係る超音波流量計の補正方法によれば、温度測定を実施することなく、流体温度に対応した動粘度を用いた補正が可能となり、正確な流量測定ができる。

以下に、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１はブロック回路構成図であり、測定用流体が流れる管体１の上流及び下流に超音波送受波器２ｕ、２ｄが設けられている。これらの送受波器２ｕ、２ｄから出力される超音波パルスは相手側の送受波器２ｄ、２ｕに管体１内の流体を通過して到達する。送受波器２ｄ、２ｕの出力は伝播時間検出手段３に接続され、伝播時間検出手段３の出力は音速算出手段４及び流速算出手段５に接続されている。

音速算出手段４の出力は温度算出手段６を介して動粘度算出手段７に接続されている。そして、温度算出手段６には流体の種類ごとの音速Ｃ対温度Ｔの対応データテーブルを記憶した記憶手段８、動粘度算出手段７には温度Ｔ対動粘度νの対応データテーブルを記憶した記憶手段９が接続されている。

動粘度算出手段７の出力は流速算出手段５の出力と共に、流速補正演算手段１０に接続され、流速補正演算手段１０には動粘度ν対流速Ｖの補正係数テーブルを記憶した記憶手段１１が接続されており、流速補正演算手段１０の出力は流量演算手段１２を経て流量出力手段１３を介して外部の表示器等に出力されている。

なお、これらの検出手段、算出手段、演算手段は１個のＣＰＵにより演算可能であり、記憶手段はＣＰＵに付設したハードディスクなどの記憶装置に代替できる。

図２はこの補正演算動作のフローチャート図である。先ずステップＳ１において、伝播時間検出手段３により超音波送受波器２ｕ、２ｄにより受信したそれぞれの超音波パルスの伝播時間を求める。

理解を容易にするために、図３に示す超音波伝播経路を基に説明する。伝播時間検出手段３で得られた超音波送受波器２ｕから２ｄへの超音波パルスの伝播時間ｔｕ、送受波器２ｄから２ｕへの伝播時間ｔｄは、超音波伝播距離をＬ、流体中の超音波パルスの伝播速度である音速をＣ、流体の流速をＶとすると、次式から成立している。なお、θは管体１に対する伝播経路の傾斜角であり、距離Ｌと共に既知である。
ｔｕ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） …（１）
ｔｄ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） …（２）

次のステップＳ２で、音速算出手段４において流体の音速Ｃを求める。式（１）、（２）から伝播時間ｔｕ、ｔｄの平均伝播時間は次式となる。
（ｔｕ＋ｔｄ）／２＝Ｌ・Ｃ（Ｃ²−Ｖ²ｃｏｓ²θ） …（３）

通常では、水中の音速Ｃは１０００ｍ／ｓ以上、気体中の音速Ｃは３００ｍ／ｓ以上であって、流速Ｖは高々数ｍ／ｓであり、ｃｏｓθ＜１であるから、Ｃ²≫Ｖ²ｃｏｓ²θである。従って、Ｃ²−Ｖ²ｃｏｓ²θ≒Ｃ²となり、音速Ｃは次式のように伝播時間ｔｕ、ｔｄから求めることができる。
Ｃ＝２Ｌ／（ｔｕ＋ｔｄ） …（４）

この音速Ｃは未知の温度における音速ではあるが、流体の種類は既知なので、ステップＳ３において、温度算出手段６は記憶手段８に記憶している図４に示す例えば水の場合の音速Ｃ対温度Ｔのグラフ図を数値化したテーブルから、ステップＳ２で求めた音速Ｃを基に流体の温度Ｔ（℃）を求めることができる。
なお、図４は流体が水の場合のグラフ図であるが、温度Ｔが７４℃のときに音速Ｃが最高となり、それ以上の温度Ｔでは音速が減少するため、水の場合には同じ音速で２つの温度Ｔが得られることがある。従って、０℃〜７４℃までの範囲、又は７４℃〜１００℃の何れかの温度範囲に限定することにより、流体温度Ｔが流体音速Ｃによって一意的に決めることができる。

ステップＳ３で流体の温度Ｔ（℃）が求まれば、ステップＳ４において動粘度算出手段７により、記憶手段９に記憶している図５に示す温度Ｔ対動粘度νのグラフ図のテーブルから動粘度ν（ｍｍ²／ｓ）が得られる。

続いて、ステップＳ５で流速算出手段５により流体の流速Ｖを求める。流体の流速Ｖは、良く知られているように、式（１）、（２）による時間差Δｔ＝ｔｄ−ｔｕから次式により求め得る。
Δｔ＝ｔｄ−ｔｕ＝２Ｌ・Ｖｃｏｓθ／（Ｃ²−Ｖ²ｃｏｓ²θ） …（５）

前述したようにＣ²−Ｖ²ｃｏｓ²θ≒Ｃ²であるから、Δｔ＝２Ｌ・Ｖｃｏｓθ／Ｃ²となり、音速ＣはステップＳ２で算出されているので、流速Ｖは次式により算出できる。
Ｖ＝Ｃ²・Δｔ／−（２Ｌ・ｃｏｓθ） …（６）

次に、ステップＳ６において、流速補正演算手段１０は流速Ｖに対して動粘度νの補正を行う。記憶手段１１は実験によって得られた各動粘度ν及び各流速Ｖにおける補正係数を表１に示すように補正係数表として記憶しており、動粘度ν、流速Ｖから対応する補正係数を求める。

表１
動粘度ν（ｍｍ²／ｓ）
流速Ｖ(ｍ／ｓ) ・１．７９１．８０１．８１１．８２・・
・
１．２０ 1.1259 1.1261 1.1278 1.1284
１．１９ 1.1265 1.1275 1.1281 1.1297
１．１８ 1.1272 1.1284 1.1299 1.1312
１．１７ 1.1289 1.1295 1.1312 1.1331
１．１６ 1.1295 1.1310 1.1323 1.1341
１．１５ 1.1310 1.1322 1.1334 1.1352
・

流速補正演算手段１０は流速算出手段５で求めた流速Ｖと、動粘度算出手段７で算出した動粘度νによる補正係数を用いて補正する。例えば、求めた動粘度νが１．８０、流速Ｖが１．１９であれば、補正係数は１．１２７５となり、流速Ｖ’を次式によって流速補正演算手段１０により演算する。
Ｖ’＝１．１２７５・Ｖ

更にステップＳ７において流量演算手段１２で、得られた流速Ｖ’から流量Ｑを演算する。流量Ｑは管体１の断面積をＡとすれば、Ｑ＝Ｖ’・Ａとして求めることができる。

ステップＳ８において、流量出力手段１３はこの流量Ｑを表示器や記憶手段に出力する。

なお実施例では、流量Ｑを演算する前に動粘度νによる流速補正を行ったが、流量Ｑを演算した後に動粘度νによる流量補正を行ってもよい。

このように本願発明では、超音波送受波器２ｕ、２ｄによって計測した超音波の伝播時間差から音速Ｃを、音速Ｃから温度Ｔを、温度Ｔから動粘度νをそれぞれ求めているため、動粘度νの温度Ｔによる変化に応じた補正を行うことができる。また、温度計などを使用せずに動粘度を求めることができるため、温度測定に伴う諸問題を解決することができる。

実施例のブロック回路構成図である。補正演算動作のフローチャート図である。超音波伝播経路の説明図である。流体が水の場合の音速対温度のグラフ図である。流体が水の場合の温度対動粘度のグラフ図である。

符号の説明

１管体
２ｕ、２ｄ超音波送受波器
３伝播時間検出手段
４音速算出手段
５流速算出手段
６温度算出手段
７動粘度算出手段
１１記憶手段
１０流速補正演算手段
１２流量演算手段
１３流量出力手段

Claims

測定用流体が流れる管体の上流側及び下流側にそれぞれ配置した超音波送受波器により相互に超音波パルスを発信し、下流側及び上流側の前記超音波送受波器により前記超音波パルスを受信し、上流側から下流側にまた下流側から上流側に伝播する前記超音波パルスの伝播時間の差を基に前記流体の流量を測定する超音波流量計において、前記２つの伝播時間の和を基に前記流体中の超音波パルスの伝達速度である音速を演算する工程と、該音速を基に前記流体の温度を求める工程と、該温度を基に前記流体の動粘度を求める工程と、該動粘度を基に測定した前記流量を補正する工程とを備えたことを特徴とする超音波流量計の補正方法。
前記温度を求める工程及び前記動粘度を求める工程は、記憶した数値を用いて算出することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計の補正方法。
前記流量を補正する工程は、前記得られた動粘度を基に流速ごとに記憶した補正係数を乗じて流速を補正し、該補正した流速を基に流量を演算することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計の補正方法。
前記補正係数は予め実験により求めた値としたことを特徴とする請求項３に記載の超音波流量計の補正方法。
前記各工程は１個のＣＰＵの演算により実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波流量計の補正方法。