JP2013213755A

JP2013213755A - 超音波流量計

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Publication number: JP2013213755A
Application number: JP2012084640A
Authority: JP
Inventors: Kitaru Ito; 来伊藤
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2013-10-17

Abstract

【課題】流体の温度によって変化する入射角に対応して管路内を伝播する超音波の経路を変えることを可能とする超音波流量計を実現する。
【解決手段】流体が流れる管路と、この管路の外周に楔形部材を介して実装され、流体が流れる方向の上流側および下流側に配置された超音波送受波器とを有し、流体の流体方向に成分をもつ順方向と、この逆方向に成分をもつ逆方向と、の双方向に其々超音波を伝搬させたときの各伝搬時間の時間差に基づいて、前記流体の流速を測定する超音波流量計において、
前記管路の上流側および下流側に配置され、其々が異なる入射角を形成する複数対の超音波受波器と、
前記流体の温度を計測する温度検出手段と、
前記温度検出手段の温度検出値に基づいて前記複数対の超音波送受波器の一対を選択して前記流速を演算する変換器と、
を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体が流れる管路と、この管路の外周に楔形部材を介して設置され、流体が流れる方向の上流側および下流側に配置された超音波送受波器とを有し、流体の流れ方向に成分をもつ順方向と、この逆方向に成分をもつ逆方向と、の双方向に其々超音波を伝搬させたときの各伝搬時間の時間差に基づいて、前記流体の流速を測定する超音波流量計に関するものである。

図１０は、従来の超音波流量計の構成例を示す機能ブロック図である。流体Ｆが矢印方向に流れる管路１０の上流側および下流側に斜めに対向して楔形部材２０および３０が接続され、各楔形部材２０および３０には、超音波送受波器２０ａおよび３０ａが実装されている。

変換器４０は、信号Ｃ２０により超音波送受波器２０ａに対する超音波の送信励起と受信信号の取得を実行する。同様に、信号Ｃ３０により超音波送受波器３０ａに対する超音波の送信励起と受信信号の取得を実行する。

上流側の超音波送受波器２０ａから超音波を励起すると、出射された超音波は、楔形部材２０に伝播される。この楔形部材２０は、流体Ｆに対して超音波を斜めに入射させるためにある角度を持たせている。

出射された超音波は、楔形部材２０、管路１０から管路内の流体Ｆに対して伝播するが、楔形部材２０と管路１０、管路１０と管路内の流体Ｆに対して、スネルの法則に従って屈折する。

図１１は、スネル則の説明図である。図中のi、oは其々の媒質、θi、θoは其々の入射角、Ci、Coは其々の媒質i、oでの音速を示している。入射角θi、θoは、スネル則に従う。

管路１０内の流体Ｆへ伝播した超音波は、伝搬経路Ｌ１で対向面に到達し、再び境界面である管路１０、楔形部材３０で屈折した後、３０に実装される下流の超音波送受波器３０ａで受信される。

上流側の超音波送受波器２０ａから下流の超音波送受波器３０ａに伝搬経路Ｌ１を経て到達するまでの超音波の伝播時間をｔ１とし、逆に下流超音波送受波器３０ａから伝搬経路Ｌ１を経て上流の超音波送受波器２０ａで受信するまでの伝播時間をｔ２とすると、各伝播時間ｔ１，ｔ２は、次の式（１），式（２）で表記される。

ｔ1＝２τ＋（D/cosθ）/C+V・ｓｉｎθ ・・・（１）
ｔ2＝２τ＋（D/cosθ）/C-V・ｓｉｎθ ・・・（２）
なお、τは管路および楔形部材での伝播時間、Dは管路の内径、Cは流体Ｆの音速、Vは流体Ｆの流速、θは流体Ｆ内での屈折角度を示す。

流速Ｖがあると、t1，t2に時間差が生じ、この伝播時間差から管路１０内の流速、流量を測定することが可能である。このような伝搬時間差方式による超音波流計については、特許文献１に技術開示がある。

特開平７−２９４３００

従来構成の伝搬時間差方式による超音波流計では、楔形部材２０，３０の管路１０に対する接続角度は変更することがでず、従って、伝搬経路Ｌ１の入射角も変更することができない。

しかし、流体Ｆ中の音速は温度によって変化するため、流体温度の条件によっては流体内の屈折角度θが変化してしまうため、伝搬経路Ｌ１がシフトし、受信信号が小さくなってしまうことや、伝搬経路Ｌ２で示すように信号自身が送受波器より外れて受信不能となるため、流速測定可能な温度範囲が限定されるという課題があった。

本発明の目的は、流体の温度によって変化する入射角に対応して管路内を伝播する超音波の経路を変えることを可能とする超音波流量計を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）流体が流れる管路と、この管路の外周に楔形部材を介して実装され、流体が流れる方向の上流側および下流側に配置された超音波送受波器とを有し、流体の流体方向に成分をもつ順方向と、この逆方向に成分をもつ逆方向と、の双方向に其々超音波を伝搬させたときの各伝搬時間の時間差に基づいて、前記流体の流速を測定する超音波流量計において、
前記管路の上流側および下流側に配置され、其々が異なる入射角を形成する複数対の超音波受波器と、
前記流体の温度を計測する温度検出手段と、
前記温度検出手段の温度検出値に基づいて前記複数対の超音波送受波器の一対を選択して前記流速を演算する変換器と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。

（２）其々が異なる入射角を形成すると共に、其々が別体の楔形部材に実装された前記複数対の超音波送受波器を、合体して前記管路上の上流側および下流側に配置したことを特徴とする（１）に記載の超音波流量計。

（３）其々が同じ入射角を形成する前記複数対の超音波送受波器を、其々別体の前記楔形部材に実装すると共に、上流側の前記楔形部材の配置距離と下流側の前記楔形部材の配置距離を異ならせて前記管路上に配置したことを特徴とする（１）に記載の超音波流量計。

（４）其々が異なる入射角を形成する前記複数対の超音波送受波器を、其々別体の前記楔形部材に実装すると共に、上流側の前記楔形部材の配置距離と下流側の前記楔形部材の配置距離を異ならせて前記管路上に配置したことを特徴とする（１）に記載の超音波流量計。

（５）其々が異なる入射角を形成すると共に、其々が同一の楔形部材に実装された前記複数対の超音波送受波器を、前記管路上の上流側および下流側に配置したことを特徴とする（１）に記載の超音波流量計。

（６）複数の入射角を形成する複数の超音波送受波器が一体に実装された一対の前記楔形部材を、前記管路上の上流側および下流側に配置したことを特徴とする（１）に記載の超音波流量計。

本発明によれば、流体の温度によって、異なる入射角に設定された複数の超音波送受波器を選択することにより、超音波の管路への入射角を変えることができる。その結果、伝搬時間差法により測定流体に適した条件で流速測定が可能となる。

本発明を適用した超音波流量計の一実施例を示す機能ブロック図である。本発明を適用した超音波流量計の信号処理手順を示すフローチャートである。本発明を適用した超音波流量計の他の実施例を示す断面図である。本発明を適用した超音波流量計の更に他の実施例を示す断面図である。本発明を適用した超音波流量計の更に他の実施例を示す断面図である。本発明を適用した超音波流量計の更に他の実施例を示す断面図である。本発明を適用した超音波流量計の更に他の実施例を示す断面図である。本発明を適用した超音波流量計の更に他の実施例を示す断面図である。本発明を適用した超音波流量計の更に他の実施例を示す断面図である。従来の超音波流量計の構成例を示す機能ブロック図である。スネル則の説明図である。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した超音波流量計の一実施例を示す機能ブロック図である。図１０で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

本発明の特徴部は、管路の上流側および下流側に斜めに対向して配置され、其々が異なる入射角を形成する複数対の超音波受波器と、流体の温度を計測する温度検出手段と、温度検出値に基づいて複数対の超音波送受波器の一対を選択して流速を演算する変換器と、
を備える構成にある。

以下、図１乃至図９で説明する実施例では、実用上および説明の簡単のため、異なる入射角に設定された２対の超音波送受波器の一対を流体温度に応じて選択する構成について説明する。

図１は、其々が異なる入射角を形成し、其々が別体の楔形部材に実装された２対の超音波送受波器を、合体して管路上の上流側および下流側に斜めに対向して配置した構成を特徴としている。管路１０の上流側に接続された楔形部材１０１と、これに実装された超音波送受波器１０１ａは、図１０に示した従来構成の楔形部材２０とこれに実装された超音波送受波器２０ａと同一機能であり、伝搬経路はＬ１である。

同様に、管路１０の下流側に接続された楔形部材２０１と、これに実装された超音波送受波器２０１ａは、図１０に示した従来構成の楔形部材３０とこれに実装された超音波送受波器３０ａと同一機能である。超音波送受波器１０１ａと２０１ａは、図１０と同様に伝搬経路Ｌ１で送受信する。

変換器３００は、信号Ｃ１０１により超音波送受波器１０１ａに対する超音波の送信励起と受信信号の取得を実行する。同様に、信号Ｃ２０１により超音波送受波器２０１ａに対する超音波の送信励起と受信信号の取得を実行する。

上流側の楔形部材１０１上には、楔形部材１０１とは入射角の異なる楔形部材１０２および超音波送受波器１０２ａが合体して形成されている。同様に、下流側の楔形部材２０１上には、楔形部材２０１とは入射角の異なる楔形部材２０２および超音波送受波器２０２ａが合体して形成されている。超音波送受波器１０２ａと２０２ａは、伝搬経路Ｌ２で送受信する。

変換器３００は、信号Ｃ１０２により超音波送受波器１０２ａに対する超音波の送信励起と受信信号の取得を実行する。同様に、信号Ｃ２０２により超音波送受波器２０２ａに対する超音波の送信励起と受信信号の取得を実行する。

変換器３００は、切り替え機能を備えている。切り替え機能の第１は、温度検出手段４００で測定される流体Ｆの温度検出値Ｔｆを取得し、所定の設定温度内であれば信号Ｃ１０１，Ｃ２０１により超音波送受波器１０１ａ，２０１ａに対する超音波の送信励起と受信信号の取得を実行し、設定温度を超えた場合には信号Ｃ１０２，Ｃ２０２により超音波送受波器１０２ａ，２０２ａに対する超音波の送信励起と受信信号の取得を実行する。

切り替え機能の第２は、超音波送受波器１０１ａ，２０１ａによる信号の受信レベルを監視し、流体の温度が設定温度に達しない場合でも、超音波の検出レベルが所定値よりも低下した場合には、信号Ｃ１０２，Ｃ２０２により超音波送受波器１０２ａ，２０２ａに対する超音波の送信励起と受信信号の取得に切り替える。

この実施例では、超音波送受波器１０１ａ，２０１ａによる伝搬経路Ｌ１と、超音波送受波器１０２ａ，２０２ａによる伝搬経路Ｌ２をほぼ一致させることができ、温度上昇により伝搬経路がシフトして受信不能になる従来構成の問題点を解消することができる。

図２は、本発明を適用した超音波流量計の信号処理手順を示すフローチャートであ、図１の実施例についての処理を示している。このフローチャートでは、超音波送受波器を振動子と略称して表記している。

設定温度以下において、ステップＳ１で処理が開始されると、ステップＳ２で振動子１０１ａ，２０１ａによる測定のためのパラメータを取得し、ステップＳ３で式（１）、式（２）を演算し、ステップＳ４で演算結果を含めたパラメータを保存する。

ステップＳ５でパラメータを読み込み、ステップＳ６で振動子１０１ａから振動子２０１ａに向けての送信信号を生成し、ステップＳ７で送信し、ステップＳ８で伝搬信号を受信する。同様に、ステップＳ９〜ステップＳ１１で振動子２０１ａから振動子１０１ａに向けての送信と受信を実行する。

ステップＳ１２で伝搬時間差に基づく流速を算出し、ステップＳ１３で流量を算出してステップＳ１４で測定結果を表示する。ここまでのステップは、従来構成と同一手順である。

ステップＳ１５では振動子の切り替え状態がチェックされ、切り替え前であればステップＳ１６で流体温度が設定温度に到達しているか否かがチェックされ、設定温度以下あればステップＳ１７で受信波形の有無がチェックされ、受信波形があればステップＳ１８で処理を終了する。

ステップＳ１６のチェックで設定温度に達している場合およびステップＳ１７のチェックで信号波形がない場合には、ステップＳ１９で振動子の切り替えを実行し、ステップＳ２０で切り替えられた振動子に関するパラメータを取得し、ステップＳ２１で式（１）、式（２）を演算し、ステップＳ４で演算結果を含めたパラメータを保存し、以下ステップＳ５〜ステップＳ１４が実行される。

ステップＳ１５のチェックで振動子が切り替え後である場合には、ステップＳ２２で受信波形の有無がチェックされ、受信波形がある場合には、ステップＳ２３で流体温度が設定値以下に戻っているか否かがチェックされる。
（００００）
このチェックで、設定値以下に戻っていない場合にはステップＳ１８で処理を終了し、戻っている場合にはステップＳ１９で振動子の切り替え（元の振動子に戻す）を実行する。ステップＳ２２のチェックで受信波形がない場合には、ステップＳ２４でアラームを生成する。

図３は、本発明を適用した超音波流量計の他の実施例を示す断面図である。図１との相違点は反射型であり、下流側の楔部材２０１とこれに合体する楔部材２０２が、上流側の楔部材１０１とこれに合体する楔部材１０２と斜めに対向配置されるのではなく、配管の同一線上に向かい合って配置され、配管内で一回反射した超音波信号の送受信を実行する構成である。測定原理は図１と同一である。

図４は、本発明を適用した超音波流量計の更に他の実施例を示す断面図である。其々が同じ入射角を形成する２対（１０１ａ，２０１ａと１０２ａ，２０２ａ）の超音波送受波器を、其々別体の楔形部材（１０１，２０１と１０２，２０２）に実装すると共に、上流側の楔形部材（１０１，１０２）の接続距離と下流側の楔形部材（２０１，２０２）の接続距離を異ならせて管路１０上に接続した構成を特徴としている。

図５は、本発明を適用した超音波流量計の更に他の実施例を示す断面図である。図４との相違点は反射型であり、下流側の楔部材２０１および２０２が、上流側の楔部材１０１および楔部材１０２と斜めに対向配置されるのではなく、配管の同一線上に向かい合って配置され、配管内で一回反射した超音波信号の送受信を実行する構成である。測定原理は図４と同一である。

図６は、本発明を適用した超音波流量計の更に他の実施例を示す断面図である。其々が異なる入射角を形成する２対（１０１ａ，２０１ａと１０２ａ，２０２ａ）の超音波送受波器を、其々別体の前記楔形部材（１０１，２０１と１０２，２０２）に実装すると共に、上流側の前記楔形部材（１０１，１０２）の接続距離と下流側の楔形部材（２０１，２０２）の接続距離を異ならせて管路１０上に接続した構成を特徴としている。

図７は、本発明を適用した超音波流量計の更に他の実施例を示す断面図である。図６との相違点は反射型であり、下流側の楔部材２０１および２０２が、上流側の楔部材１０１および楔部材１０２と斜めに対向配置されるのではなく、配管の同一線上に向かい合って配置され、配管内で一回反射した超音波信号の送受信を実行する構成である。測定原理は図６と同一である。

図８は、本発明を適用した超音波流量計の更に他の実施例を示す断面図である。其々が異なる入射角を形成すると共に、其々が同一の楔形部材（１０１，２０１）に実装された２対（１０１ａ，２０１ａと１０２ａ，２０２ａ）の超音波送受波器を、管路１０上の上流側および下流側に配置した構成を特徴とする。

図９は、本発明を適用した超音波流量計の更に他の実施例を示す断面図である。図８との相違点は反射型であり、下流側の楔部材２０１が上流側の楔部材１０１と斜めに対向配置されるのではなく、配管の同一線上に向かい合って配置され、配管内で一回反射した超音波信号の送受信を実行する構成である。測定原理は図８と同一である。

図３、図５、図７、図９に示した反射型の実施例では、簡単のため、反射回数が１回の場合を例示したが、配管が細い場合には必要な測定精度を確保するために、複数回反射させる場合がある。反射回数がｎ回の場合では、前記式（１）および式（２）の定数Ｄは、（１＋ｎ）Ｄとなる。

以上説明した図１乃至図９に示す実施例では、簡単のため設定温度以下とこれを超える場合に対応させて２対の超音波送受波器を切り替える構成を例示したが、これに限定されるものではなく、複数の温度範囲に対応させて複数対の超音波送受波器を切り替える構成をとることも可能である。

１０管路
１０１楔形部材
１０１ａ超音波送受波器
１０２楔形部材
１０２ａ超音波送受波器
２０１楔形部材
２０１ａ超音波送受波器
２０２楔形部材
２０２ａ超音波送受波器
３００変換器
４００温度検出手段

Claims

流体が流れる管路と、この管路の外周に楔形部材を介して実装され、流体が流れる方向の上流側および下流側に配置された超音波送受波器とを有し、流体の流体方向に成分をもつ順方向と、この逆方向に成分をもつ逆方向との双方向に其々超音波を伝搬させたときの各伝搬時間の時間差に基づいて、前記流体の流速を測定する超音波流量計において、
前記管路の上流側および下流側に配置され、其々が異なる入射角を形成する複数対の超音波受波器と、
前記流体の温度を計測する温度検出手段と、
前記温度検出手段の温度検出値に基づいて前記複数対の超音波送受波器の一対を選択して前記流速を演算する変換器と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。
其々が異なる入射角を形成すると共に、其々が別体の楔形部材に実装された前記複数対の超音波送受波器を、合体して前記管路上の上流側および下流側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
其々が同じ入射角を形成する前記複数対の超音波送受波器を、其々別体の前記楔形部材に実装すると共に、上流側の前記楔形部材の配置距離と下流側の前記楔形部材の配置距離を異ならせて前記管路上に配置したことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
其々が異なる入射角を形成する前記複数対の超音波送受波器を、其々別体の前記楔形部材に実装すると共に、上流側の前記楔形部材の配置距離と下流側の前記楔形部材の配置距離を異ならせて前記管路上に配置したことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
其々が異なる入射角を形成すると共に、其々が同一の楔形部材に実装された前記複数対の超音波送受波器を、前記管路上の上流側および下流側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
複数の入射角を形成する複数の超音波送受波器が一体に実装された一対の前記楔形部材を、前記管路上の上流側および下流側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。