JP2020201259A - 超音波流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不均一な流れにおいても高い測定精度を有する超音波流量測定装置。【解決手段】超音波流量測定装置１は、少なくとも１つの測定管２、少なくとも１つの第１の超音波変換器３および第２の超音波変換器４、および少なくとも３つの反射面が設けられている。超音波変換器の間の超音波信号の経路６，７が信号経路を規定するようになっており、信号経路は、少なくとも１つの第１の信号経路区間６および少なくとも１つの第２の信号経路区間７を有しており、第１の信号経路区間は、少なくとも２つの部分区間６．１、６．３を有しており、第２の信号経路区間は、少なくとも２つの部分区間７．１、７．３を有しており、第１の信号経路区間の信号経路は、第１の回転方向を有しており、第２の信号経路区間の信号経路は、第１の回転方向とは反対の、第２の回転方向を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波流量測定装置であって、少なくとも１つの測定管、少なくとも１つの第１の超音波変換器および第２の超音波変換器を備えており、第１の超音波変換器は、超音波送信器としてかつ／または超音波受信器として形成されており、第２の超音波変換器は、超音波送信器としてかつ／または超音波受信器として形成されており、超音波変換器はそれぞれ、流れ方向に見てずらされて測定管に配置されており、これにより、その時々の送信器が運転中に超音波信号を流れ方向または流れ方向とは反対の方向に送信し、かつ受信器は、送信器から送信された超音波信号を、少なくとも３回の反射の後に受信するようになっており、少なくとも３つの反射面が設けられており、超音波変換器の間の超音波信号の経路が信号経路を規定する、超音波流量測定装置を起点とする。

超音波流量測定装置を用いた、測定管を通流する媒体の流量の測定は、従来技術から周知である。超音波流量測定装置は、一般に測定管と、超音波送信器および／または超音波受信器として形成された少なくとも２つの超音波変換器とを有しており、超音波変換器は、流れ方向（測定管軸線に対して軸方向）において互いに離されて測定管に配置されている。流量を測定するためには、超音波変換器の間の信号経路に沿って、超音波信号が流れ方向と、流れ方向とは反対の方向の両方向に送信される。連行作用に基づき、信号経路に沿って流れと共にもしくは流れに抗して移動する信号の、それぞれ異なる進行時間が生じる。進行時間の差から流速が求められると共に、測定管横断面を考慮して体積流量が求められる。

やはり周知の超音波流量測定装置では、２つの超音波変換器の間の信号経路が、各１つの反射面における１回または複数回の反射により延長されている。

刊行物である独国特許出願公開第１０２０１３１０５９２２号明細書に開示された超音波流量測定装置では、信号経路が２つの超音波変換器の間に形成されており、これにより、測定管横断面を軸方向に見た平面図において、信号経路は１つの閉じられた信号経路延在部を形成しており、信号が、測定管内の２カ所においてほぼ同一平面内に反射し戻されるようになっている。この文献の主旨において、該当する平面は、信号経路の部分区間により張設される、測定管軸線に対して平行な平面として規定されている。閉じられた信号経路延在部と、２回の戻り反射とを組み合わせることにより、例えば管内の障害、例えば管屈曲部、９０°の曲管等に続いて生じ得る渦動を伴った回転流も確実に検出することができる。

さらに、刊行物である欧州特許出願公開第０６３９７７６号明細書から公知の超音波流量測定装置では、複数の超音波変換器対が測定管に配置されており、これにより、少なくとも２つの超音波信号が測定管に送信されるようになっており、この場合、超音波信号のそれぞれの経路により形成される信号経路は、流れの断面の対称性に対してそれぞれ異なる感度を有しており、この場合、少なくとも１つの音波は測定管を時計回り方向に通走し、少なくとも１つの音波は測定管を反時計回り方向に通走する。この配置形式により、例えば渦動を有する流れの断面も、確実に測定することができる。

この点において基本的に、１つの反射面に少なくとも１回の反射を有する複数の信号経路（いわゆる多経路システム）では、超音波信号が測定管を通走する回転方向が（時計回りまたは反時計回りに相応して）規定され得る。

この従来技術を起点として本発明の課題は、特に簡単に形成されていると共に、例えば渦動を有する不均一な流れにおいても特に高い測定精度を有する超音波流量測定装置を提供することにある。

この課題は本発明に基づき、信号経路が、少なくとも１つの第１の信号経路区間および少なくとも１つの第２の信号経路区間を有しており、第１の信号経路区間は、少なくとも２つの部分区間を有しており、第２の信号経路区間は、少なくとも２つの部分区間を有しており、第１の信号経路区間の部分区間の数は、第２の信号経路区間の部分区間の数に等しくなっており、第１の信号経路区間の信号経路は、第１の回転方向を有しており、第２の信号経路区間の信号経路は、第１の回転方向とは反対の、第２の回転方向を有していることにより解決される。

特に、第１の信号経路区間は、直接に連続する複数の部分区間を有しており、第２の信号経路区間も同様に、直接に連続する複数の部分区間を有している。

本発明により、多経路システムでは、測定管横断面を軸方向に見た平面図において、第１の信号経路区間内では流れの断面の第１の走査が所定の回転方向に、例えば時計回りに行われ、かつ第２の信号経路区間内では被測定流の走査が反対の回転方向に、例えば反時計回りに行われるように超音波変換器が方向付けられていることにより、特に高い測定精度が達成され得る、ということが判った。

この場合、本発明では２つの信号経路区間は同数の部分区間を有しているため、第１の回転方向と反対の回転方向とにおいて同量の流れを通走するようになっている。本発明によるこの構成は、超音波信号を用いて流動媒体を測定する際に仮想の速度成分を生ぜしめる流れの回転成分、特に渦動を、複数の異なる方向に通走することにより、これらの妨害成分を効果的に除去することができる、という利点を有している。

よって結果的に本発明による超音波流量測定装置は、特に渦動を含む不均一な流れの断面においても、特に高い測定精度を有していることになる。

第１の構成では、測定管は内壁を有しており、測定管の内壁により、少なくとも１つの反射面が形成されている。好適には、１つの信号経路区間内の全ての反射面は、つまり第１の信号経路区間と第２の信号経路区間との間に配置された反射面を除き、測定管の内壁により形成されている。個々の反射面はいずれも、例えば測定管の平滑な内壁または測定管の加工成形部により形成されていてよく、この場合、反射面は測定管中に突入するように形成されるか、または内壁に対して後退するように配置されて形成される。

次の有利な構成では、少なくとも１つのリフレクタ部材が設けられており、この場合、少なくとも１つのリフレクタ部材は、好適には第１の信号経路区間と第２の信号経路区間との間に配置されている。つまり特に好適には、リフレクタ部材は流れ方向に見て、２つの超音波変換器の間の特に中間に配置されている。１つの構成では、２つの超音波変換器と、リフレクタ部材により形成される反射面とは、軸方向に見て、測定管の周方向における同一箇所に配置されている。

特に第１の信号経路区間と第２の信号経路区間との間に反射面を備えたリフレクタ部材を設けることは、第１の信号経路区間から第２の信号経路区間への超音波信号の反射部が、反射方向に関して、反射面の相応の構成および配置に基づき特にフレキシブルに形成されていてよい、という利点を有している。

１つの特に好適な構成では、第１および第２の信号経路区間内で複数の反射面が、それぞれ測定管の平滑な内壁により形成されており、第１の信号経路区間と第２の信号経路区間との間の反射面は、リフレクタ部材により形成されている。この構成は、特に簡単に形成されている、という利点を有している。それというのも、１つのリフレクタ部材のみを介して、流れの断面の完全な走査が２つの回転方向に行われるからである。

次の構成では、リフレクタ部材もしくはリフレクタ部材により形成される反射面が、測定管の内壁に対して後退するように配置されている。択一的または追加的に、少なくとも１つのリフレクタ部材もしくはリフレクタ部材により形成される反射面は、測定管中に突入している。択一的または追加的に、リフレクタ部材もしくはリフレクタ部材により形成される反射面は、測定管の内壁と面一になるように形成されている。

特に流動媒体の縁部領域を測定するためにはやはり、少なくとも１つの超音波変換器または２つの超音波変換器が、測定管の内壁に対して後退するように配置されていることも考えられる。択一的に、少なくとも１つの超音波変換器または２つの超音波変換器は、測定管中に突入していてもよい。

１つまたは複数のリフレクタ部材および／または超音波変換器のフレキシブルな配置の可能性に基づき、異なる信号経路幾何学形状を実現することが可能である。

次の好適な構成では、第１の信号経路区間と第２の信号経路区間との間の反射面は、反射が、信号経路の回転に対して方向転換を生ぜしめるように形成されかつ配置されている。特に好適には、方向転換は、超音波信号が実質的に、入射している超音波信号の平面内に反射し戻されることにより生ぜしめられる。

１つの別の有利な構成では、第１の信号経路区間は、３つ以上の部分区間を有しており、この場合、第１の信号経路区間は、測定管横断面を軸方向に見た平面図において、流れ横断面を、実質的に一巡するように通走しており、第２の信号経路区間は、３つ以上の部分区間を有しており、この場合、第２の信号経路区間は、測定管横断面を軸方向に見た平面図において、流れ横断面を、実質的に一巡するように通走している。

第１の信号経路区間もしくは第２の信号経路区間が、流れ横断面を実質的に一巡するように通走しているとは、第１もしくは第２の信号経路区間が、軸方向に見た平面図において、それぞれ実質的に多角形を有していることを意味する。

この場合、１つの構成では、多角形は閉じられている。この構成では、第１の超音波変換器および／または第２の超音波変換器および第１の信号経路区間と第２の信号経路区間との間の反射面は、測定管の軸方向に見て、測定管の周方向において同一箇所に配置されている。

１つの別の構成では、第１の超音波変換器および第２の超音波変換器および／または第１の信号経路区間と第２の信号経路区間との間の反射面は測定管の軸方向に見て、測定管の周方向に対してややずらされて配置されている。

１つの構成では、信号経路は、測定管横断面を軸方向に見た平面図において、閉じられた経路として形成されている。この構成では、超音波変換器はそれぞれ、測定管の軸方向に見て、測定管の周方向において同一箇所に配置されている。

この構成は、流れの横断面全体を実質的に一巡して検出する、という利点を有しており、このこともやはり、測定精度を向上させる。

１つの別の有利な構成では、各信号経路区間は、軸方向に見た平面図において、１つの閉じられた経路を形成している。

特に好適には、第１の信号経路区間の信号経路と、第２の信号経路区間の信号経路とは、軸方向に見た平面図において、実質的に整合するように形成されている。この構成では、測定管軸線に対して平行な同一平面内に位置しかつ第１の信号経路区間では第１の回転方向に通走され、第２の信号経路区間では反対の回転方向に通走される、互いに対応しあう複数の部分区間が存在する。

次の構成では、第１の信号区間および第２の信号区間は、それぞれ３つ以上の部分区間を有しており、この場合、信号経路および／または各信号経路区間は、測定管横断面を軸方向に見た平面図において、実質的に多角形、特に三角形または四角形または五角形を形成している。

詳細には、本発明による超音波流量測定装置を形成しかつ改良する複数の手段が存在する。これについては、独立請求項に後置された各特許請求項と、図面に関連した、好適な各実施例の以下の説明の両方を参照されたい。

本発明による超音波流量測定装置の第１の実施例を示す図である。 本発明による超音波流量測定装置の第１の実施例を別の視点で示す図である。 本発明による超音波流量測定装置の第１の実施例の測定管横断面を軸方向に見た平面図である。 図４ａ〜図４ｄは、超音波変換器同士の間の信号経路延在部の様々な幾何学形状を軸方向に見た平面図である。 本発明による超音波流量測定装置の別の実施例を部分的に示す図である。

図１に示す超音波流量測定装置１の１つの実施例は、測定管２と、運転モードに応じて超音波送信器または超音波受信器として形成された第１の超音波変換器３と、同様に運転モードに応じて超音波送信器または超音波受信器として形成された第２の超音波変換器４とを備えている。超音波変換器３および４は、流れ方向に見てずらされて測定管に配置されており、これにより、その時々の送信器が運転中に超音波信号を流れ方向または流れ方向とは反対の方向に送信し、かつ受信器は、送信器から送信された超音波信号を受信するようになっている。超音波変換器３，４の間の超音波信号の経路は、信号経路５を規定する。

超音波変換器３，４の間に形成された信号経路５は、第１の信号経路区間６と第２の信号経路区間７とを有しており、この場合、第１の信号経路区間６は３つの部分区間６．１，６．２，６．３を有しており、第２の信号経路区間７も同様に３つの部分区間７．１，７．２，７．３を有している。この場合、部分区間６．１および７．３、ならびに部分区間６．２および７．２ならびに部分区間６．３および７．１は、それぞれ測定管軸線に対して平行な同一平面内に位置している。第１の信号経路区間６と第２の信号経路区間７との間には、反射面９を備えたリフレクタ部材８が配置されている。各信号経路区間６，７は、２つの別の反射部を有しており、各反射面１０は、測定管２の平滑な内壁１１により形成されている。

信号経路５の延在部に基づき、測定管を通流する媒体が、運転中に流れ方向に応じて、まず反時計回りに、次いで時計回りに、またはその逆に走査される。

よって図示の超音波流量測定装置は、一方では特に簡単に形成されておりかつ他方では渦動を有する流れにおいても特に高い測定精度を保証する、という利点を有している。

図２には、超音波流量測定装置１の同じ実施例が別の視点で示されている。信号経路５全体が、しかしまた各信号経路区間６および７も、１つの閉じられた経路を形成しており、この場合、軸方向に見て超音波変換器３および４と反射面９とは、測定管の周方向における同一箇所に配置されていることが示されている。図示の実施例では、各信号経路区間６および７は、軸方向に見た平面図において三角形に形成されており、この場合、第１の信号経路区間６は、測定管の軸方向に見た平面図において反時計回りに通走しており、第２の信号経路区間７は測定管を時計回りに通走しているため、場合により流れの断面内に存在する渦動が、超音波信号が時計回りと反時計回りの両方において同一平面内の渦動を通走することにより、特に簡単に除去されるようになっている。

図３には、超音波流量測定装置１の第１の実施例の測定管横断面を軸方向に見た平面図が示されている。この図は、この視点において信号経路５もしくは信号経路区間６および７は三角形を有している、ということを示している。

図４ａ〜図４ｄには、信号経路５の択一的な信号経路延在部が、軸方向に見た平面図で略示されている。最も簡単なケースでは、各信号経路区間６，７は、例えば測定管２の内壁に対して１つの反射部を有しているだけに過ぎず、この場合、信号経路５は追加的に、第１の信号経路区間６と第２の信号経路区間７との間に、信号経路５もしくは運転中に送信される超音波信号の回転方向を転換させる、１つの反射部を有している。この特に簡単な構成は、図４ａに示されている。

さらに、信号経路５は軸方向に見た平面図において、やはり三角形（図４ｂ）であるかまたは正方形（図４ｃ）を有していてよく、これにより流れの断面の、さらに外側に位置する領域を検出することができるようになっているか、または五角形（図４ｄ）を有していてもよく、これにより流れの断面の縁部領域も検出することができるようになっている。

信号経路をフレキシブルに形成するためには、１つまたは複数のリフレクタ部材８が設けられていてよく、この場合、リフレクタ部材８もしくは反射面９は、測定管２の内壁１１に対して後退するように配置されていてよいか、または測定管２中に突入していてもよい。このことは図５に示されている。これにより反射面９の配置に応じて、流れの断面の、どちらかといえば縁部領域に位置する領域または測定管軸線付近に位置する領域も測定することが可能である。さらに、信号経路の様々な幾何学形状を実現するために、超音波変換器３，４も後退するように配置されていてよいか、または測定管２中に突入していてよい。

結論として、全ての実施例が示す超音波流量測定装置またはその構成部材において、有利な信号案内に基づき、特に高い測定精度が保証され得る。

１ 超音波流量測定装置
２ 測定管
３ 超音波変換器
４ 超音波変換器
５ 信号経路
６ 第１の信号経路区間
６．１，６．２，６．３ 部分区間
７ 第２の信号経路区間
７．１，７．２，７．３ 部分区間
８ リフレクタ
９ 反射面
１０ 反射面
１１ 測定管の内壁

Claims (10)

1. 超音波流量測定装置（１）であって、少なくとも１つの測定管（２）、少なくとも１つの第１の超音波変換器（３）および第２の超音波変換器（４）を備えており、前記第１の超音波変換器（３）は、超音波送信器としてかつ／または超音波受信器として形成されており、前記第２の超音波変換器（４）は、超音波送信器としてかつ／または超音波受信器として形成されており、前記超音波変換器（３，４）はそれぞれ、流れ方向に見てずらされて前記測定管（２）に配置されており、これにより、その時々の送信器が運転中に超音波信号を流れ方向または流れ方向とは反対の方向に送信し、かつ受信器は、前記送信器から送信された超音波信号を、少なくとも３回の反射の後に受信するようになっており、少なくとも３つの反射面（９，１０）が設けられており、前記超音波変換器（３，４）の間の超音波信号の経路が信号経路（５）を規定する、超音波流量測定装置（１）において、
   前記信号経路（５）は、少なくとも１つの第１の信号経路区間（６）および少なくとも１つの第２の信号経路区間（７）を有しており、前記第１の信号経路区間（６）は、少なくとも２つの部分区間（６．１，６．２，６．３）を有しており、前記第２の信号経路区間（７）は、少なくとも２つの部分区間（７．１，７．２，７．３）を有しており、前記第１の信号経路区間（６）の前記部分区間（６．１，６．２，６．３）の数は、前記第２の信号経路区間（７）の前記部分区間（７．１，７．２，７．３）の数に等しくなっており、前記第１の信号経路区間（６）の信号経路は、第１の回転方向を有しており、前記第２の信号経路区間（７）の信号経路は、前記第１の回転方向とは反対の、第２の回転方向を有していることを特徴とする、超音波流量測定装置（１）。
2. 前記測定管（２）は内壁（１１）を有しており、前記測定管（２）の前記内壁（１１）により、少なくとも１つの反射面（１０）が形成されている、請求項１記載の超音波流量測定装置（１）。
3. 好適には前記第１の信号経路区間（６）と前記第２の信号経路区間（７）との間に配置された、少なくとも１つのリフレクタ部材（８）が設けられている、請求項１または２記載の超音波流量測定装置（１）。
4. 前記少なくとも１つのリフレクタ部材（８）もしくは該少なくとも１つのリフレクタ部材（８）により形成される前記反射面（９）は、前記測定管（２）の前記内壁（１１）に対して後退するように配置されている、請求項３記載の超音波流量測定装置（１）。
5. 前記第１の信号経路区間（６）と前記第２の信号経路区間（７）との間の前記反射面（９，１０）は、反射が、信号経路の回転に対して方向転換を生ぜしめるように形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の超音波流量測定装置（１）。
6. 前記第１の信号経路区間（６）は、３つ以上の部分区間（６．１，６．２，６．３）を有しており、前記第１の信号経路区間（６）は、測定管横断面を軸方向に見た平面図において、流れ横断面を、実質的に一巡するように通走しており、前記第２の信号経路区間（７）は、３つ以上の部分区間（７．１，７．２，７．３）を有しており、前記第２の信号経路区間（７）は、測定管横断面を軸方向に見た平面図において、流れ横断面を、実質的に一巡するように通走している、請求項１から５までのいずれか１項記載の超音波流量測定装置（１）。
7. 前記信号経路（５）は、測定管横断面を軸方向に見た平面図において、閉じられた経路として形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の超音波流量測定装置（１）。
8. 前記信号経路区間（６，７）はそれぞれ、測定管横断面を軸方向に見た平面図において、１つの閉じられた経路を形成している、請求項１から７までのいずれか１項記載の超音波流量測定装置（１）。
9. 前記第１の信号経路区間（６）の信号経路と、前記第２の信号経路区間（７）の信号経路とは、軸方向に見た平面図において、実質的に整合するように形成されている、請求項８記載の超音波流量測定装置（１）。
10. 前記第１の信号経路区間（６）および前記第２の信号経路区間（７）は、それぞれ３つ以上の部分区間を有しており、前記信号経路（５）および／または各信号経路区間（６，７）は、測定管横断面を軸方向に見た平面図において、多角形、特に三角形または四角形または五角形を形成している、請求項１から９までのいずれか１項記載の超音波流量測定装置（１）。