JP2008032752A - Ultrasonic flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of a fluid.
従来、この種の流量計101は、図13に示すような構成であった。図13は、断面図を示し、液体あるいは気体などの流体が流れる流路102内に、上流側および下流側とに一対の超音波変換器103、104を、流体を介し対向して設置する構成としていた。また、105は流路102の側断面図を示し、高さH、幅Wの矩形断面としていた。この一対の超音波変換器103、104間を伝搬する超音波の伝搬時間から流体の流速を計測し、流量を演算し、流量計としていた。なお、図中の片矢印106(実線)は流体の流れる方向を示し、両矢印107(破線)は超音波の伝搬する方向を示している。なお、流体の流れる方向と、超音波の伝搬する方向とは角θで交叉させていた。通常、交叉角θは15〜75度程度としていた。また、流路の高さHは、図に示したように、流路の幅Wよりも小さくし、流体が安定して流れ、流速分布が上下(Hの方向)の面で規制されるように設定していた。なお、側断面図105において、下流側の超音波変換器104を図示したが、上流側の超音波変換器103は、図面が煩雑になるため省略した。
Conventionally, this type of
このような構成の従来の流量計101では、高精度の計測をするために、流路102内を流れる流体を空間的、時間的に安定にすることが必要である。また、一対の超音波変換器103、104間を伝搬する超音波は、一方の超音波変換器から送信され、他方の超音波変換器で受信される以外は、空間的、時間的に減衰する必要があった。特に、矩形流路においてシングアラウンドの様な長時間にわたる高精度な計測の場合、超音波変換器から送信された超音波が、超音波変換器の超音波送出面と矩形流路の側壁とが平行であるため、この側壁間で何度も反射を繰り返し、吸収されることなく流路内に音響残響として残留することがあった。このため、伝搬時間を決定する零クロス点が、音響残響により不安定となり、高精度の計測ができないという課題を有していた。
In the
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、音響残響の少ない矩形流路を提供し、高精度な超音波流量計を実現することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems, and to provide a rectangular flow path with less acoustic reverberation and to realize a highly accurate ultrasonic flow meter.
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、流体が流れる流路と、この流路を斜めに交差し、相対向して設けられた一対の超音波変換器とを備え、超音波の伝搬方向と、流体の流れる方向とが形成する平面に対し、前記流路の前記超音波変換器を配置し他方の超音波変換器に対向している側面が斜交するように構成したものである。 In order to solve the above-described conventional problems, an ultrasonic flowmeter of the present invention includes a flow path through which a fluid flows and a pair of ultrasonic transducers that are obliquely crossed and provided opposite to each other. The ultrasonic transducer in the flow path is disposed with respect to the plane formed by the ultrasonic wave propagation direction and the fluid flow direction, and the side surface facing the other ultrasonic transducer is obliquely crossed. It is configured.
この構成により、超音波変換器から送信された超音波が、矩形流路の側面で反射しても、超音波変換器の超音波放出面と、矩形流路の側面とが平行でないため、反射した超音波は、反射の度に方向が変化し、何度も反射を繰り返すことができないため、流路内に音響残響として残留することがなくなり、伝搬時間を決定する零クロス点が、音響的に安定し、高精度の計測を実現できる。 With this configuration, even if the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer is reflected by the side surface of the rectangular flow path, the ultrasonic wave emission surface of the ultrasonic transducer and the side surface of the rectangular flow path are not parallel. Since the direction of the ultrasonic wave changes every time it is reflected and cannot be reflected many times, it does not remain as acoustic reverberation in the flow path, and the zero cross point that determines the propagation time is Stable and highly accurate measurement.
本発明によれば、流量計測に不要な超音波を減衰させることができ、シングアラウンドなどの長時間にわたる計測においても、高精度な流量計測が実現できる。 According to the present invention, it is possible to attenuate an ultrasonic wave that is unnecessary for flow rate measurement, and it is possible to realize high-accuracy flow rate measurement even in long-time measurement such as sing-around.
請求項1記載の発明は、流体が流れる流路と、この流路を斜めに交差し相対向して設けられた一対の超音波変換器とを備え、前記流路の超音波の伝搬方向と流体の流れる方向とが形成する平面に対し前記超音波変換器を配置し他方の超音波変換器に対向している側面を斜交させてその断面形状を台形状とし、前記流路の上流側に上方から流体を流す流入口を設けて前記流路で水平方向に流れ方向を変更させた構成としているので、音響的な残響が残留することがなくなり、高精度な流量計測が実現できる。
The invention according to
請求項2記載の発明は、特に請求項1記載の矩形流路を、流体の流入口が上方とし、台形の長辺が上方とする構成とした。この構成により、音響的な残響が残留することがなくなり、高精度な流量計測が実現できる。また、上方から矩形流路に流入する流体の流速分布を上方を小さく、下方を大きくするように働き、偏った流速分布が得られ、流量係数が1.0に近づき、さらに計測精度が向上することができる。
The invention described in
請求項3記載の発明は、特に請求項1記載の矩形流路を、流体の流入口が上方とし、台形の長辺が下方とする構成とした。この構成により、音響的な残響が残留することがなくなり、高精度な流量計測が実現できる。また、上方から矩形流路に流入する流体の流速分布を下方を小さく、上方を大きくするように働き、より均一な流速分布が得られ、流量係数が安定し、さらに再現性が向上することができる。
The invention according to
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中の同一番号を付けているものは、同一構成要素を示し、説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, what attaches | subjects the same number in a figure shows the same component, and abbreviate | omits description.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における流量計1の断面図を示し、流体の流れる流路2の上流側と下流側とに一対の超音波変換器3、4を対向して設置した。流量計測部の超音波変換器3、4間の距離Ldは、約100[mm]、流路2の断面積Srは約30[mm^2]とした。また、超音波変換器3、4の有効高さは、6[mm]のものを用いた。なお、図中の片矢印6(実線)は流体の流れる方向を示し、両矢印7(破線)は超音波の伝搬する方向を示している。なお、流体の流れる方向は、超音波の伝搬する方向とは角θ(45度)で交叉するようにした。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a
図2は、流量計1の側断面図を示し、3は上流側超音波変換器、4は下流側超音波変換器、HおよびWは流路2の高さ、幅をそれぞれ示す。なお、幅Wは高さHよりも大きく設定した。流路2の上面、下面は、超音波変換器3、4の超音波放出面3a、4aと垂直とし、流路2の前記超音波変換器を配置し他方の超音波変換器に対向している側面8は、超音波変換器3、4の超音波放出面3a、4aとは平行とならないように構成した。図2に示すように、流路2の側断面の形状は平行四辺形とした。なお、側面の傾斜角は、超音波変換器の中央部から出た超音波が、側面で反射し、超音波変換器の送出面に到達しえない角度(本発明の構成であれば、約1.7度)以上であれば、流路2内に残留する超音波が急激に減少することが実験により確認されている。
FIG. 2 is a side sectional view of the
図3にシングアラウンド計測回路のブロック図を示す。計測開始信号がトリガ−9から発信されると、回数設定部10でシングアラウンド回数Nsを設定し、駆動回路11は、バ−スト信号からなる駆動信号を送信側切換スイッチ(SW)12に接続されている上流側の超音波変換器3に供給する。上流側の超音波変換器3から超音波が流路2内に送信され、下流側の超音波変換器4で受信される。この受信信号は受信側切換SW13を介して増幅器14に伝達される。この信号は、遅延回路15を介して駆動回路11へ伝達されるとともに、回数設定部にも伝達されシングアラウンド回数がモニタ−される。また、遅延
回路15からの信号は時間計測回路16にも伝達されるが、回数設定部10からシングアラウンド回数Nsを越えたという信号が伝達されるまで、時間計測回路16は動作しない。時間計測回路16が動作し、時間計測した結果は、演算部17に伝達され、流量演算が実施される。以下に数字を用いてより具体的に説明する。
FIG. 3 shows a block diagram of the sing-around measurement circuit. When the measurement start signal is transmitted from the trigger 9, the number setting unit 10 sets the number of sing-around times Ns, and the drive circuit 11 connects the drive signal composed of the burst signal to the transmission side changeover switch (SW) 12. To the upstream
図3に示したように、上流側の超音波変換器3を送信側、下流側の超音波変換器4を受信側とする場合のシングアラウンド回数Ns、遅延回路15での遅延時間Td、超音波の音速Vs、流路2を流れる流体の流速をVf、時間計測結果をT(34)とした時の、それぞれの関係は、以下のようになる。
As shown in FIG. 3, when the upstream
T(34)={Ld/[Vs+Vf×cos(θ)]}×Ns+Td×(Ns−1)
同様にして、下流側の超音波変換器4を送信側、上流側の超音波変換器3を受信側とする場合の時間計測結果をT(43)とすると、以下のようになる。
T (34) = {Ld / [Vs + Vf × cos (θ)]} × Ns + Td × (Ns−1)
Similarly, assuming that the time measurement result when the downstream ultrasonic transducer 4 is the transmission side and the upstream
T(43)={Ld/[Vs−Vf×cos(θ)]}×Ns+Td×(Ns−1)
これらより、
[T(34)−Td×(Ns−1)]/Ns=Ld/[Vs+Vf×cos(θ)]
[T(43)−Td×(Ns−1)]/Ns=Ld/[Vs−Vf×cos(θ)]
従って、
Vs+Vf×cos(θ)=(Ns×Ld)/[T(34)−Td×(Ns−1)]
Vs−Vf×cos(θ)=(Ns×Ld)/[T(43)−Td×(Ns−1)]
これらより、上の式から下の式の両辺を引き算すると、超音波の音速Vsの項を消去することができ、以下のようになる。
T (43) = {Ld / [Vs−Vf × cos (θ)]} × Ns + Td × (Ns−1)
From these,
[T (34) −Td × (Ns−1)] / Ns = Ld / [Vs + Vf × cos (θ)]
[T (43) −Td × (Ns−1)] / Ns = Ld / [Vs−Vf × cos (θ)]
Therefore,
Vs + Vf × cos (θ) = (Ns × Ld) / [T (34) −Td × (Ns−1)]
Vs−Vf × cos (θ) = (Ns × Ld) / [T (43) −Td × (Ns−1)]
From these, by subtracting both sides of the above equation from the above equation, the term of the ultrasonic sound velocity Vs can be eliminated, and the following is obtained.
2×Vf×cos(θ)=(Ns×Ld)/[T(34)−Td×(Ns−1)]
−(Ns×Ld)/[T(43)−Td×(Ns−1)]
この結果より、シングアラウンド回数Ns、超音波変換器間の距離Ld、遅延時間Tdは、それぞれ既知であるので、右辺は簡単に計算することができる。このようにして流体の流速Vfが得られる。
2 × Vf × cos (θ) = (Ns × Ld) / [T (34) −Td × (Ns−1)]
− (Ns × Ld) / [T (43) −Td × (Ns−1)]
From this result, since the number of times of sing-around Ns, the distance Ld between the ultrasonic transducers, and the delay time Td are known, the right side can be easily calculated. In this way, the fluid flow velocity Vf is obtained.
また、同様に上の式と下の式の両辺を足し算すると、流体の流速Vfの項が消去され、以下のようになる。 Similarly, when both sides of the above equation and the following equation are added, the term of the fluid flow velocity Vf is eliminated, and the following is obtained.
2×Vs=(Ns×Ld)/[T(34)−Td×(Ns−1)]
+(Ns×Ld)/[T(43)−Td×(Ns−1)]
この結果においてもまた、シングアラウンド回数Ns、超音波変換器間の距離Ld、遅延時間Tdは、それぞれ既知であるので、右辺は簡単に計算することができる。このようにして超音波の音速Vsが得られる。
2 * Vs = (Ns * Ld) / [T (34) -Td * (Ns-1)]
+ (Ns × Ld) / [T (43) −Td × (Ns−1)]
Also in this result, since the number of times of sing-around Ns, the distance Ld between ultrasonic transducers, and the delay time Td are known, the right side can be easily calculated. In this way, the ultrasonic velocity of sound Vs is obtained.
例えば、流体が水の場合は、超音波の伝搬速度は約1500[m/sec]であり、流体が空気の場合には、超音波の伝搬速度は約340[m/sec]である。 For example, when the fluid is water, the ultrasonic wave propagation speed is about 1500 [m / sec], and when the fluid is air, the ultrasonic wave propagation speed is about 340 [m / sec].
シングアラウンド回数Nsを100とし、流体が空気の場合に計測時間を概算すると、流体の流速は高々10[m/sec]であり、無視することができる。超音波変換器間の距離Ldが約100[mm]であるので、超音波の伝搬時間Tpは、
Tp=(100[mm])/(340[m/sec])=294[μsec]
となる。
When the number of times of sing-around Ns is 100 and the measurement time is approximated when the fluid is air, the flow velocity of the fluid is at most 10 [m / sec] and can be ignored. Since the distance Ld between the ultrasonic transducers is about 100 [mm], the propagation time Tp of the ultrasonic wave is
Tp = (100 [mm]) / (340 [m / sec]) = 294 [μsec]
It becomes.
また、遅延時間Tdを超音波の伝搬時間と同程度とすると、
計測時間 T(34)およびT(43)は、
T(34) ≒ T(43) ≒ Tp×Ns+Td×(Ns−1)
≒ 58 [msec] となる。
If the delay time Td is approximately the same as the propagation time of the ultrasonic wave,
Measurement times T (34) and T (43) are
T (34) ≈T (43) ≈Tp × Ns + Td × (Ns−1)
≒ 58 [msec].
このようにシングアラウンド法で計測すると、伝搬時間約294[μsec]を、シングアラウンド回数Ns(100回)、即ち、約58[msec]にわたって積算して計測することに相当する。このように、時間計測におけるクロックなどの時間分解能が低くても精度良く正確に計測することができる。例えば、流体の流速が数[mm/sec]程度の場合には、T(34)およびT(43)の時間差は、数[nsec]程度であり、時間分解能は数[nsec]程度必要となる。しかし、シングアラウンド回数を、例えば、100回とすると、時間分解能は数100[nsec]程度で良いことに相当する。時間計測の分解能は用いるクロック回路に依存し、より高分解能が要求される場合、シングアラウンド回数が大きく設定される。なお、通常の場合、シングアラウンド回数は、時間計測のクロック時間分解能、計測精度等により決定され、数回〜数百回程度に設定されることが多い。 Thus, when measured by the sing-around method, the propagation time of about 294 [μsec] is equivalent to measuring by integrating over the number of times of sing-around Ns (100 times), that is, about 58 [msec]. As described above, even if the time resolution of a clock or the like in time measurement is low, it can be measured accurately and accurately. For example, when the flow rate of the fluid is about several [mm / sec], the time difference between T (34) and T (43) is about several [nsec], and the time resolution is about several [nsec]. . However, if the number of times of sing-around is, for example, 100, this corresponds to a time resolution of about several hundreds [nsec]. The resolution of time measurement depends on the clock circuit used, and when higher resolution is required, the number of times of single-around is set large. In a normal case, the number of times of sing-around is determined by the clock time resolution of time measurement, measurement accuracy, etc., and is often set to several times to several hundred times.
図4に、超音波変換器の駆動波形と、受信波形とを示す。18は複数の矩形波からなる超音波変換器の駆動波形を示し、19は超音波を超音波変換器で受信した波形を示す。即ち、駆動波形18を送信側超音波変換器(例えば、上流側超音波変換器3)に印加すると、超音波送出面3aから超音波が流路2内に送信され、受信側超音波変換器、例えば下流側超音波変換器4で受信される。受信された信号は、増幅回路14で、例えば、受信波形のピ−ク値が一定となるよう成形される。このとき予め決められた参照レベル(破線20)を越えた時点21の次の零クロス点22において超音波が到達したと判断される。従って、駆動波形18のスタ−ト時点23から零クロス点22までの時間が超音波の伝搬時間Tpとして計測される。シングアラウンド計測の場合、駆動・受信が、数回から数百回程度連続して繰り返される。従って、駆動・受信を複数回繰り返した場合には、例えば、流路2内に音響的残響が残っている場合、その音響的残響が受信側超音波変換器で受信される場合が発生する。この場合には、受信波形が図5に示すようになり受信波形25の前方部26が雑音により太くなり、S/Nの悪い波形となる。この場合には、雑音により零クロス点が時間的に不安定となり、その結果、計測流量値の精度が低下することになる。
FIG. 4 shows a driving waveform of the ultrasonic transducer and a received waveform.
このような流量計おいて、超音波送出面3a、4aと流路2の側面8とを平行でなくすることにより、超音波変換器から送信された超音波は、流路2内に長時間にわたって音響的雑音として残留することがなくなり、S/Nの良い受信波形が得られ、計測精度が大幅に向上し、高精度な超音波流量計を実現することができる。
In such a flow meter, the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transducer can be kept in the
(実施の形態2)
図6および図7に、実施の形態2における流路の台形状の側断面を示す。図6は、上辺が長い場合の、図7は下辺が長い場合の台形をそれぞれ示す。流路側面をこのようにすることにより、側面で反射する超音波は、2回程度の反射により、急激に減衰する。従って、長時間にわたるシングアラウンド計測においても、受信波形のS/Nは殆ど劣化することがなくなり、高精度な計測が可能となる。
(Embodiment 2)
6 and 7 show a trapezoidal side cross section of the flow channel in the second embodiment. FIG. 6 shows a trapezoid when the upper side is long, and FIG. 7 shows a trapezoid when the lower side is long. By making the channel side surface in this way, the ultrasonic wave reflected by the side surface is attenuated rapidly by the reflection of about twice. Therefore, even in a sing-around measurement over a long period of time, the S / N of the received waveform is hardly deteriorated, and a highly accurate measurement is possible.
なお、図6および図7に流路断面が台形状の場合を示したが、相対向する流路側面が平行でなければ、側面で反射した超音波は、反射の度に、散乱される、急速に減衰することになる。このため、上記と同様の効果が得られる。 6 and 7 show the case where the cross section of the flow path is trapezoidal, but if the flow path side surfaces facing each other are not parallel, the ultrasonic waves reflected by the side surfaces are scattered every time they are reflected. It will decay rapidly. For this reason, the effect similar to the above is acquired.
なお、流路断面を台形状としたので、切削加工、あるいは、鋳型加工が容易になり、生産性が向上するという効果も得られた。本発明の構成では、台形状の傾斜角が約1.7度以上となり、流路を構成する材料、例えば、アルミダイキャスト、樹脂などの場合には、切削加工、あるいは、鋳型加工が大いに容易となった。 Since the cross section of the flow path has a trapezoidal shape, cutting or mold processing is facilitated, and the effect of improving productivity is also obtained. In the configuration of the present invention, the trapezoidal inclination angle is about 1.7 degrees or more, and in the case of a material constituting the flow path, for example, aluminum die-casting or resin, cutting processing or mold processing is greatly facilitated. It became.
(実施の形態3)
図8(a)に、流体の流入孔および流出孔を含む流量計27の外観図を示す。28、29は流体の流入孔および流出孔を示し、30および31は流入側および流出側の流体バッファ部を示す。32は流体の流速を計測する流路部を示す。図8(b)に、図8(a)のC−C’断面33を示す。流路断面33は、上面を長辺とする台形状とした。なお、流路側面に設置されている上流側および下流側の超音波変換器は、図面が煩雑になるため省略した。流体流入孔28から流入した流体は、上流側流体バッファ部30を通り、断面形状が台形状の矩形流路を流れ、下流側流体バッファ部31を通り、流体流出孔29から流出する。
(Embodiment 3)
FIG. 8A shows an external view of the
この構成により、上述したように、超音波変換器から送信された超音波は、側面での反射数回で大いに散乱され、音響残響として流路内に長時間にわたって残留しなくなり、高精度の超音波流量計を実現することができた。さらに、計測された流量値がより安定するという予期しなかった効果も得られた。その効果について、以下に説明する。図8(a)に示すように、上方から流体を流し、水平方向に流れ方向を変更させた場合、水平方向の流路32内での上下方向の流速分布は、正弦分布よりも下方部の方が若干大きくなることが知られている。図9に、流路32内の上下方向の流速が小さい場合の流速分布を示す。34および35は断面が台形状流路33の上面および下面を示し、実線36は下方に大きく偏った正弦状流速分布を示す。
With this configuration, as described above, the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer is greatly scattered by several reflections on the side surface, and does not remain in the flow path for a long time as acoustic reverberation. A sonic flow meter could be realized. Furthermore, an unexpected effect that the measured flow rate value became more stable was also obtained. The effect will be described below. As shown in FIG. 8A, when the fluid is flowed from above and the flow direction is changed in the horizontal direction, the vertical flow velocity distribution in the
なお、一点鎖線37は流路32の上下方向の中心線を示す。また、破線38は、側面が平行である場合の、流速分布を示し、正弦状の分布が若干下方に偏っている分布を示す。一般に、超音波流量計の超音波変換器は、流路の上下方向の中央部に設置され、ある一定幅の領域(超音波変換器の有効高さ)を流れる流体の平均的な流速を計測する。従って、正弦状の流速分布の場合には、最も流速の大きい部分を計測するため、計測した流速Vmは、流路を流れる流体の平均流速Va、に比べ、非常に大きくなる。一方、大きく下方に偏った流速分布の場合には、最も流速の大きい部分が下方に偏っているため、計測した流速Vmは、正弦状の流速分布の場合に比べ、かなり小さくなる。このため、流量係数の変動が小さくなる結果となり、計測した流量値が安定することになる。なお、流量係数(R)は、平均流速(Va)の計測流速(Vm)に占める割合、R=Va/Vm、として定義される。すなわち、計測した流速(Vm)に、流量係数(R)を乗じ、平均流速(Va)を算出し、この値に流路32の有効断面を積算して流量値を得ている。
Note that the alternate long and
従って、流速が小さい場合(正弦状の流速分布38)、最も流速の大きな部分の平均的な流速を計測するため、流量係数は小さくなる。一方、本発明に示したように下方に大きく偏った流速分布である場合には、平均流速が同じであっても、中央部の計測流速(Vm)が小さくなるので、流量係数は若干大きくなる。また、流速が大きい場合、流路32内の流体は乱流状態となり、流速分布は上下方向に対し、概ねフラット状になるため、流量係数は1.0に収束することになる。
Therefore, when the flow velocity is small (sinusoidal flow velocity distribution 38), the average flow velocity of the portion with the largest flow velocity is measured, and therefore the flow coefficient is small. On the other hand, as shown in the present invention, when the flow velocity distribution is greatly biased downward, even if the average flow velocity is the same, the measured flow velocity (Vm) at the center is small, so the flow coefficient is slightly large. . Further, when the flow velocity is large, the fluid in the
図10に流量に対する流量係数を示す。横軸に流量、縦軸に流量係数を示す。実線39は、本発明の流路に見られる下方に大きく偏った流速分布を示す場合の結果を、破線40は、通常の若干下方に偏った正弦状流速分布の場合の流量係数を示す。本発明の流量係数(実線:39)は、低流量域での0.85から高流量域の1.00へと、約0.15の変化を示すが、従来の下方に若干偏った流速分布での流量係数(破線:40)は、0.70から1.00へと、約0.30程度変化する。このように、本発明の流路では、流路を流れる流量により、流量係数の変化幅が小さいので、例えば、流体の温度が変化しても計測された流量値が安定であるという結果になる。また、流体の種類、例えば、空気に可燃性ガスなど混入し、組成が変動した場合にも、計測された流量値が安定であるという結果に
なる。このように、断面が台形状の流路の場合、下方に大きく偏った流速分布をも実現できるので、流量係数の変動幅の小さい、かつ、安定した流量値の得られる高精度な超音波流量計を実現することができる。
FIG. 10 shows the flow coefficient with respect to the flow rate. The horizontal axis shows the flow rate, and the vertical axis shows the flow coefficient. The
(実施の形態4)
図11(a)に、流体の流入孔および流出孔を含む流量計41の外観図を示す。42、43は流体の流入孔および流出孔を示し、44および45は流入側および流出側の流体バッファ部を示す。46は流体の流速を計測する流路部を示す。図11(b)に、図11(a)のD−D’断面47を示す。流路断面47は、下面を長辺とする台形状とした。なお、流路側面に設置されている上流側および下流側の超音波変換器は、図面が煩雑になるため省略した。流体流入孔42から流入した流体は、上流側流体バッファ部44を通り、断面形状が台形状の矩形流路を流れ、下流側流体バッファ部45を通り、流体流出孔43から流出する。
(Embodiment 4)
FIG. 11A shows an external view of a
この構成により、上述したように、超音波変換器から送信された超音波は、側面での数回の反射で大いに散乱され、音響残響として流路内に長時間にわたって残留しないため、高精度の超音波流量計を実現することができた。さらに、計測された流量値が、低流量領域において、より安定するという予期しなかった効果も得られた。その効果について、以下に説明する。図11(a)に示すように、上方から流体を流し、水平方向に流れ方向を変更させた場合、水平方向の流路46内での上下方向の流速分布は、正弦分布よりも下方部の方が若干大きくなることが知られている。
With this configuration, as described above, the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer is greatly scattered by several reflections on the side surface, and does not remain in the flow path as acoustic reverberation for a long time. An ultrasonic flow meter could be realized. Furthermore, an unexpected effect that the measured flow rate value becomes more stable in the low flow rate region was also obtained. The effect will be described below. As shown in FIG. 11A, when the fluid is flowed from above and the flow direction is changed in the horizontal direction, the vertical flow velocity distribution in the
しかし、流路の断面が下方部を長辺とする台形状であるため、若干流速が大きい下方部の横断面が広いため、流速が低下することになり、正弦分布よりも下方部の方が若干大きくなる傾向にある流速分布が、断面形状により補正されることになる。従って、流路の中央部を最大流速とする正弦状の流速分布が得られ、低流量域において、流速分布が安定する結果となり、低流量域において、高精度な流量計を実現することができる。 However, since the cross section of the flow path has a trapezoidal shape with the lower part as a long side, the cross section of the lower part where the flow velocity is slightly large is wide, so the flow rate is reduced, and the lower part is more than the sine distribution. The flow velocity distribution that tends to be slightly larger is corrected by the cross-sectional shape. Therefore, a sinusoidal flow velocity distribution having the maximum flow velocity at the center of the flow path is obtained, resulting in a stable flow velocity distribution in the low flow rate region, and a highly accurate flow meter can be realized in the low flow rate region. .
(実施の形態5)
図12に、流量計測部の上流側および下流側に不要な超音波を吸収する超音波吸収体48、49を設けた超音波流量計50の断面図を示す。超音波吸収体は、流体に対し抵抗の小さいメッシュ状、あるいはハニカム状の格子で構成した。このため、流路側面で反射を繰り返す不要な超音波は、上流側もしくは下流側の方へ拡散し、超音波吸収体に衝突し、吸収される。即ち、メッシュ状、あるいはハニカム状の格子により、より強力に散乱さて、流量計測部から、超音波を放出することになる。この放出された超音波は、流路側面で反射する場合に比べ、より大きく散乱するため、超音波減衰効果が大きくなる。従って、流量計測部内に残留する不要な超音波が超音波吸収体を設けることにより、急速に少なくなり、シングアラウンドなどの高精度な計測を実現することができる。
(Embodiment 5)
FIG. 12 is a cross-sectional view of an ultrasonic flowmeter 50 provided with
(実施の形態6)
図12に示した超音波吸収体は、流量計測部から順に、メッシュ、ハニカムとした。通常の場合、メッシュは線を編んで構成される。また、ハニカムは、平面を組合せて構成される。従って、超音波がメッシュに衝突する場合、断面が円状の線に衝突するため、散乱効果が非常に大きくなる。一方、ハニカムは、平面を組合せた構成であるため、断面は小さいながらも平面であるため、超音波に対する散乱効果はメッシュに比べ小さい。このため、超音波に対する大きな散乱効果を得るために、超音波吸収体は、流量計測部から順にメッシュ、ハニカムとした。ハニカム、メッシュとする場合に比べ、散乱効果が若干大きくなり、より高精度な超音波流量計を実現できる。なお、この場合、流体に対する整流効果も、この順に構成する方が大きくなった。この相乗効果により、より高精度な超音波流量計を実現できた。
(Embodiment 6)
The ultrasonic absorber shown in FIG. 12 was made into a mesh and a honeycomb in order from the flow rate measurement unit. Usually, the mesh is constructed by knitting a line. The honeycomb is configured by combining planes. Therefore, when the ultrasonic wave collides with the mesh, the scattering effect becomes very large because the cross section collides with a circular line. On the other hand, since the honeycomb has a configuration in which planes are combined, the cross section is small but the plane is flat. Therefore, the scattering effect on ultrasonic waves is smaller than that of the mesh. For this reason, in order to obtain a large scattering effect on the ultrasonic wave, the ultrasonic absorber is made of a mesh and a honeycomb in order from the flow rate measuring unit. Compared with the case of using a honeycomb or mesh, the scattering effect is slightly increased, and a more accurate ultrasonic flowmeter can be realized. In this case, the rectifying effect on the fluid is also greater when configured in this order. Due to this synergistic effect, a more accurate ultrasonic flowmeter could be realized.
(実施の形態7)
実施の形態6に示した超音波吸収体を、超音波反射係数のより小さい材料で構成した。即ち、ナイロン、テトロンなどの樹脂繊維でメッシュを構成するとともに、樹脂成形体でハニカムを構成した。このため、金属で構成した場合に比べ、超音波の反射係数をより小さくすることができた。なお、メッシュに用いる繊維は、単芯からなる繊維で構成するより、多芯からなる繊維で構成するほうが、より大きい効果が得られた。
(Embodiment 7)
The ultrasonic absorber shown in the sixth embodiment is made of a material having a smaller ultrasonic reflection coefficient. That is, a mesh was formed of resin fibers such as nylon and tetron, and a honeycomb was formed of a resin molded body. For this reason, compared with the case where it comprises with a metal, the reflection coefficient of the ultrasonic wave was able to be made smaller. The fiber used for the mesh was more effective when it was composed of multi-core fibers than when it was composed of single-core fibers.
1 超音波流量計
2 流路
3 上流側の超音波変換器
4 下流側の超音波変換器
8 側面
18 駆動波形
24 受信波形
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