JP2014178202A - 超音波流量計及び超音波流量測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】管1の内面12から流体への屈折角が6°から7°の縦波となるように斜角入射する送信用トランスデューサ2と、流体を横断伝播するとともに管の内面でのモード変換で横波超音波として管壁を伝播して管の表面に達する超音波を受信する受信用トランスデューサ3とが備えられている。受信用トランスデューサ3を送信用トランスデューサ2より下流側に配置した第1測定モードにおける超音波受信信号と、受信用トランスデューサ3を送信用トランスデューサ2より上流側に配置した第2測定モードにおける超音波受信信号との伝播時間差から流体の流速または流量が算定される。
【選択図】図1
Description
特許文献2による超音波流量計では、入射角70°で入射させた横波を管内面でモード変換させて生じた縦波を管内流体に伝播させている。これは、この超音波流量計が採用している方法では、入射された超音波を管の表面と内面との間で繰り返し反射(スキップ)させるためである。このように入射角70°で入射させた横波は、効率よく管の表面と内面との間でスキップするが、このスキップ波(管壁反射波)が伝播時間差方式にとっては致命的となるような強いノイズ波となってしまう。
しかも、この超音波流量計では、伝播時間差法を採用しているので、一組の超音波トランスデューサを用意するだけでよい。第1測定モードと第2測定モードでの測定とでは、各超音波トランスデューサの送信機能と受信機能を逆にすればよい。
図1に示された管1の内部を都市ガス、空気、LPG、水などの流体が流れている。本発明による超音波流量計はクランプオン式であり、管1の表面(外周面)11に送信され、流体を通過した超音波を再び表面(外周面)11から受信し、この受信信号を評価することで管1を流れる流体の速度を測定する。この流速測定には、伝播時間差法が用いられている。伝播時間差法では、2つの送受信可能な超音波トランスデューサ2,3が上流側と下流側に配置される。上流側の超音波トランスデューサ(送信用超音波トランスデューサ)2から超音波を送信して下流側の超音波トランスデューサ3(受信用超音波トランスデューサ)で受信するまでの伝播時間と、下流側の超音波トランスデューサ(送信用超音波トランスデューサ)3から超音波を送信して上流側の超音波トランスデューサ(受信用超音波トランスデューサ)2で受信するまでの伝播時間との時間差から、管内を流れる流体の速度が求められる。ここでは、前者の配置構成での測定を第1測定モードと称し、後者の配置構成での測定を第2測定モードと称する。流体の速度が求められると、管1の断面積を乗じれば(必要に応じて流量補正係数も用いられる)流量が得られる。
ここで、流体を斜め横断する縦波超音波の伝播経路長をLとし、管1を流れている流体の音速をCとし、流体の速度をVとすると、よく知られているように、第1測定モードでの伝播時間T1と第2測定モードでの伝播時間T2との差ΔTは以下の式で表すことができる。
ΔT=T2−T1=(2LVcos(90−θ3))/C2。
よって、流体の速度Vは、
V=C2ΔT/(2Lcos(90−θ3))
となり、ΔTから求めることできる。
管1の内面12を境界面とする縦波超音波の屈折角θ3は、その境界面への入射角θ2、管1の横波音速、流体の縦波音速によって変化する。本発明では、管表面への入射角θ2を80°〜85°に設定することで、管壁を反射しながら伝播する反射波を抑制している。例えば、管1の材料として横波音速が3240m/秒の鋼を用い、縦波音速が380m/秒の都市ガスが測定対象流体である場合、流体を通過する超音波縦波の屈折角θ3は6.5〜6.7°となる。
表示部55は、超音波受信信号の波形や算定された流体の流速や流量などの情報を表示する、液晶等のディスプレイである。
2:送信用超音波トランスデューサ(超音波トランスデューサ)
3:受信用超音波トランスデューサ(超音波トランスデューサ)
4:超音波吸収部材
5:超音波処理ユニット
50:モード切替部
51:送信回路
52:受信回路
53:信号評価部
53a:伝播時間算定部
53b:流速算定部
53c:流量算定部
53d:表示データ生成部
54:パラメータ設定部
6:締付ユニット
Claims (6)
- 管の表面から横波超音波として斜角入射するとともに前記管の内面でのモード変換で縦波超音波として管内流体を横断伝播する超音波を送信する送信用超音波トランスデューサと、
前記縦波超音波として前記管内流体を横断伝播するとともに前記管の内面でのモード変換で横波超音波として管壁を伝播して前記管の表面に達する超音波を受信する受信用超音波トランスデューサと、
前記受信用超音波トランスデューサを前記送信用超音波トランスデューサより下流側に配置した第1測定モードにおける超音波受信信号と、前記受信用超音波トランスデューサを前記送信用超音波トランスデューサより上流側に配置した第2測定モードにおける超音波受信信号との伝播時間差から前記管内流体の流速または流量あるいはその両方を算定する評価ユニットとを備え、
前記管の内面から流体へ入射する縦波超音波の屈折角が6°から7°に設定されている超音波流量計。 - 前記送信用超音波トランスデューサが、前記管壁における共振周波数を有する超音波を送信するように構成された請求項1に記載の超音波流量計。
- 前記管の周壁に沿って伝播する壁体伝播超音波を吸収するために前記送信用超音波トランスデューサと前記受信用超音波トランスデューサの間の前記管の表面に載置される超音波吸収部材と、前記超音波吸収部材を前記管の表面に所定圧力で押し付ける締付ユニットが備えられている請求項1または2に記載の超音波流量計。
- 前記超音波吸収部材は複数層からなり、各層の音響インピーダンスは前記管の外周面に近い層ほど前記管の音響インピーダンスとの差が少ない請求項3に記載の超音波流量計。
- 前記超音波はバースト波であり、前記評価ユニットは、前記バースト波を構成する各波のピークをバースト波ピーク列として検出し、前記第1測定モードと前記第2測定モードにおける前記バースト波ピーク列の時間差に基づいて前記管内流体の流速または流量あるいはその両方を算定する請求項1から4のいずれか一項に記載の超音波流量計。
- 管の内面から流体へ入射される超音波が6°から7°の入射角で縦波超音波として斜角入射するとともに前記管の内面でのモード変換で縦波超音波として管内流体を横断伝播する超音波を送信する送信用超音波トランスデューサを管の表面に配置するステップと、
前記縦波超音波として前記管内流体を横断伝播したのちに前記管の内面でのモード変換で横波超音波として管壁を伝播して前記管の表面に達する超音波を受信するように、受信用超音波トランスデューサを配置するステップと、
前記受信用超音波トランスデューサを前記送信用超音波トランスデューサより下流側に配置した第1測定モードにおける超音波受信信号と、前記受信用超音波トランスデューサを前記送信用超音波トランスデューサより上流側に配置した第2測定モードにおける超音波受信信号との伝播時間差から前記管内流体の流速または流量あるいはその両方を算定するステップと、
を備える超音波流量測定方法。
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