JP2022188333A - ultrasonic flow meter - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、超音波を用いて流体に対する計測を行う超音波流量計に関する。 The present invention relates to an ultrasonic flowmeter that uses ultrasonic waves to measure a fluid.
従来、一対の超音波送受信器により送受信される超音波の伝播時間の差に基づいて、測定対象である流体に対する計測を行う超音波流量計が知られている。
このような超音波流量計において、伝播時間差を大きくするためには、伝播長を長くする必要がある。そのため、超音波の伝播方式として、Vパス(1回反射)又はトライアングルパス(2回反射)等の反射方式が知られている(例えば特許文献1,2参照)。
2. Description of the Related Art Conventionally, an ultrasonic flowmeter is known that measures a fluid to be measured based on the difference in propagation time of ultrasonic waves transmitted and received by a pair of ultrasonic transmitter/receivers.
In such an ultrasonic flowmeter, it is necessary to increase the propagation length in order to increase the propagation time difference. Therefore, as an ultrasonic wave propagation method, a reflection method such as a V-pass (one-time reflection) or a triangle-pass (two-time reflection) is known (see
一方、超音波流量計の測定対象である流体が水であり、且つ、当該超音波流量計の測定管が黄銅系材料で構成されている場合、超音波の入射角がある角度になると、表面波が発生し、受信信号の強度(受信強度)が低下してしまう。なお、超音波の入射角は、超音波が反射する反射面の法線方向に対して超音波が入射する角度である。 On the other hand, when the fluid to be measured by the ultrasonic flowmeter is water and the measurement tube of the ultrasonic flowmeter is made of a brass-based material, when the incident angle of ultrasonic waves reaches a certain angle, the surface A wave is generated, and the strength of the received signal (reception strength) decreases. The incident angle of the ultrasonic wave is the angle at which the ultrasonic wave is incident with respect to the normal direction of the reflecting surface on which the ultrasonic wave is reflected.
図5は、超音波の入射角の違いによる表面波の発生有無の違いを示している。図5Aは超音波の入射角が35°の場合を示し、図5Bは超音波の入射角度が40°の場合を示し、図5Cは超音波の入射角度が45°の場合を示し、図5Dは超音波の入射角が50°の場合を示している。なお、図5では、測定対象である流体は水であり、測定管は黄銅で構成された場合を示している。
ここで、図5A及び図5Bに示すように、超音波の入射角が35°及び40°の場合には、表面波は発生していない。一方、図5C及び図5Dに示すように、超音波の入射角が45°及び50°の場合には、表面波が発生している。図5C及び図5Dにおいて、符号51は表面波を示している。
FIG. 5 shows the presence or absence of occurrence of surface waves due to the difference in the incident angle of ultrasonic waves. 5A shows the case where the incident angle of the ultrasonic waves is 35°, FIG. 5B shows the case where the incident angle of the ultrasonic waves is 40°, FIG. 5C shows the case where the incident angle of the ultrasonic waves is 45°, and FIG. 5D. indicates the case where the incident angle of ultrasonic waves is 50°. Note that FIG. 5 shows a case where the fluid to be measured is water and the measurement tube is made of brass.
Here, as shown in FIGS. 5A and 5B, no surface wave is generated when the incident angles of the ultrasonic waves are 35° and 40°. On the other hand, as shown in FIGS. 5C and 5D, surface waves are generated when the incident angles of the ultrasonic waves are 45° and 50°. In FIGS. 5C and 5D,
また、図6は、超音波の入射角が48°の場合での、測定管の材料の違いによる受信信号の強度の違いを示している。図6Aは測定管が黄銅で構成された場合を示し、図6Bは測定管がステンレスで構成された場合を示している。なお、図6では、測定対象である流体は水である場合を示している。
この図6に示すように、測定管がステンレスで構成された場合に対し、測定管が黄銅で構成された場合では、受信信号の強度が低くなっている(受信信号の強度が約1/3になっている)。
Moreover, FIG. 6 shows the difference in received signal intensity due to the difference in the material of the measurement tube when the incident angle of the ultrasonic wave is 48°. FIG. 6A shows a case where the measuring tube is made of brass, and FIG. 6B shows a case where the measuring tube is made of stainless steel. Note that FIG. 6 shows a case where the fluid to be measured is water.
As shown in FIG. 6, the intensity of the received signal is lower when the measuring tube is made of brass than when the measuring tube is made of stainless steel (the intensity of the received signal is about 1/3). It has become).
また、図7は、超音波の入射角の違いによる受信信号の強度の違いを示している。なお、図7では、測定対象である流体は水であり、測定管は黄銅で構成された場合を示している。
この図7に示すように、測定管が黄銅で構成された場合には、超音波の入射角が45°~55°の間において受信信号の強度が低下しており、超音波の入射角が50°付近で最も受信信号の強度が低下している。
Also, FIG. 7 shows the difference in received signal intensity due to the difference in the incident angle of the ultrasonic waves. Note that FIG. 7 shows a case where the fluid to be measured is water and the measurement tube is made of brass.
As shown in FIG. 7, when the measurement tube is made of brass, the intensity of the received signal decreases when the incident angle of the ultrasonic waves is between 45° and 55°. The intensity of the received signal drops most near 50°.
このような表面波は、測定管が黄銅系材料で構成された場合に限らず、測定管が黄銅系材料以外の材料で構成された場合にも発生する。
なお、表面波が発生する超音波の入射角は、測定管の構成材料の物性値及び測定管を流れる流体により異なる。そして、表面波が発生する超音波の入射角の値は、スネルの法則により推定することが可能である。例えば、測定管がステンレスで構成され、且つ、当該測定管を流れる流体が水である場合、スネルの法則により、表面波が発生する超音波の入射角は30°付近になることが分かる。
Such surface waves are generated not only when the measuring tube is made of a brass-based material, but also when the measuring tube is made of a material other than the brass-based material.
The incident angle of the ultrasonic waves that generate the surface waves varies depending on the physical properties of the constituent material of the measurement tube and the fluid flowing through the measurement tube. Then, the value of the incident angle of the ultrasonic waves generated by the surface waves can be estimated by Snell's law. For example, when the measurement tube is made of stainless steel and the fluid flowing through the measurement tube is water, Snell's law shows that the incident angle of the ultrasonic waves that generate the surface waves is around 30°.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来に対して受信信号の強度の低下を抑制可能な超音波流量計を提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an ultrasonic flowmeter capable of suppressing a decrease in the intensity of a received signal as compared with the conventional art.
この発明に係る超音波流量計は、測定管と、測定管の上流側に取付けられ、下流側との間で超音波の送受信を行う第1の超音波送受信器と、測定管の下流側に取付けられ、上流側との間で超音波の送受信を行う第2の超音波送受信器とを備え、第1の超音波送受信器及び第2の超音波送受信器で用いられる超音波は、測定管内で1回以上反射し、且つ、入射角は表面波が発生しない角度であることを特徴とする。 An ultrasonic flowmeter according to the present invention comprises a measuring pipe, a first ultrasonic transmitter/receiver attached to the upstream side of the measuring pipe and transmitting/receiving ultrasonic waves to/from the downstream side, and and a second ultrasonic transmitter/receiver for transmitting/receiving ultrasonic waves to/from the upstream side, wherein the ultrasonic waves used in the first ultrasonic transmitter/receiver and the second ultrasonic transmitter/receiver are transmitted within the measurement pipe. , and the incident angle is an angle at which no surface wave is generated.
この発明によれば、上記のように構成したので、従来に対して受信信号の強度の低下を抑制可能となる。 According to the present invention, since it is configured as described above, it is possible to suppress the decrease in strength of the received signal compared to the conventional art.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
図1は実施の形態1に係る超音波流量計1の構成例を示す図である。
超音波流量計1は、超音波を用いて流体に対する計測を行う。この超音波流量計1は、図1に示すように、測定管101、超音波送受信器(第1の超音波送受信器)102、超音波送受信器(第2の超音波送受信器)103及び演算部104を備えている。なお、図1では、演算部104の図示を省略している。また、図1において、符号11は測定管101の管軸を示し、符号12は超音波の伝播経路(Vパス)を示している。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an
The
測定管101は、内部に測定対象である流体が流れる円筒状部材である。測定管101は、例えば黄銅系材料により構成されている。また、測定対象である流体は、例えば水である。
The
この測定管101には、側壁の上流側に、超音波送受信器102が取付けられる取付部1011が設けられている。取付部1011は、測定管101における外壁から内壁に通じた穴である。
また、測定管101には、側壁の下流側に、超音波送受信器103が取付けられる取付部1012が設けられている。取付部1012は、測定管101における外壁から内壁に通じた穴である。
The
Further, the
なお、取付部1011及び取付部1012の位置関係は、超音波送受信器102及び超音波送受信器103で用いられる超音波の伝播経路に応じて設計される。
超音波送受信器102及び超音波送受信器103で用いられる超音波は、伝播長を長くするために、測定管101内で1回以上反射するよう伝播経路が設計されている。実施の形態1に係る超音波流量計1の反射方式としては、Vパス又はトライアングルパス等の反射方式が挙げられる。図1に示す超音波流量計1では、Vパスが採用された場合を示している。
The positional relationship between the mounting
The propagation paths of the ultrasonic waves used in the ultrasonic transmitter/
また、取付部1011及び取付部1012の配置角度は、超音波送受信器102及び超音波送受信器103で用いられる超音波の入射角が、表面波が発生しない角度となるように設計される。超音波の入射角は、超音波が反射する反射面の法線方向に対して超音波が入射する角度である。
図1に示す超音波流量計1では、黄銅系材料で構成された測定管101に対して短面間を実現するため(測定管101の管軸方向における超音波の伝播距離を短くするため)、超音波の入射角が45°以下となるように設計されている。
Also, the arrangement angles of the mounting
In the
超音波送受信器102は、測定管101における上流側(取付部1011)に取付けられ、測定管101内で超音波送受信器103との間で超音波の送受信を行う超音波トランスデューサである。すなわち、超音波送受信器102は、測定管101内で下流側(超音波送受信器103)に対して超音波を送信し、下流側(超音波送受信器103)からの超音波を受信する。
The ultrasonic transmitter/
超音波送受信器103は、測定管101における下流側(取付部1012)に取付けられ、測定管101内で超音波送受信器102との間で超音波の送受信を行う超音波トランスデューサである。すなわち、超音波送受信器103は、測定管101内で上流側(超音波送受信器102)に対して超音波を送信し、上流側(超音波送受信器102)からの超音波を受信する。
The ultrasonic transmitter/
演算部104は、超音波送受信器102による送受信結果及び超音波送受信器103による送受信結果に基づいて、測定管101内における流体の流速を演算する。また、演算部104は、流体の流速に基づいて、流体の流量を演算してもよい。
以下、この演算部104における演算原理について、図2を参照しながら説明する。
The
The principle of operation in this
ここでは、図2に示すように、超音波の反射方式がVパスである場合を例に説明を行うが、その他の反射方式の場合についても同様である。
なお、図2において、Sは測定管101内の管軸に直交する断面の面積(断面積)を示し、Vは流体の流速を示し、L1は超音波送受信器102の送受信面から反射面までの伝播長(第1伝播長)を示し、L2は超音波送受信器103の送受信面から反射面までの伝播長(第2伝播長)を示し、t1は測定管101内における上流側から下流側への超音波の伝播時間(順方向伝播時間)を示し、t2は測定管101内における下流側から上流側への超音波の伝播時間(逆方向伝播時間)を示し、θは測定管101における反射面に対して超音波が入射する角度を示し、θiは超音波の入射角を示している。
Here, as shown in FIG. 2, the case where the ultrasound reflection method is V-pass will be described as an example, but the same applies to other reflection methods.
In FIG. 2, S indicates the cross-sectional area (cross - sectional area) perpendicular to the tube axis in the
この場合、まず、演算部104は、超音波送受信器102による送受信結果及び超音波送受信器103による送受信結果に基づいて、測定管101内における上流側から下流側への超音波の伝播時間(t1)と、測定管101内における下流側から上流側への超音波の伝播時間(t2)との時間差(Δt)を算出する。そして、演算部104は、この時間差(Δt)に基づいて、下式(1)から、流体の流速(V)を算出する。また、演算部104は、流体の流速(V)に基づいて、下式(2)から、流体の流量(Q)を算出してもよい。式(1)において、cは音速を示し、L(=L1+L2)は伝播長を示している。
V=(c2/2Lcosθ)・(t2-t1)=(c2/2Lcosθ)・Δt (1)
Q=S・V (2)
In this case, first, the
V=(c 2 /2Lcos θ)·(t 2 −t 1 )=(c 2 /2Lcos θ)·Δt (1)
Q=S・V (2)
なお、超音波の入射角の最小値は、演算部104の性能で決まる精度保障できる最小時間差によって決まる。最小時間差は流体が最小流量の場合での時間差である。
例えば、流体の最小流量が0.1m3/hであり、測定管101の断面積が200mm2であり、音速が1500m/sであり、伝播長が100mmであり、演算部104で精度保障できる最小時間差が2000psであるとする。この場合、下式(3)~(6)から、超音波の入射角の最小値は、9.3°となる。すなわち、流体が最小流量の場合に精度保障できる最小時間差を満足するためには、超音波の入射角は9.3°以上である必要がある。
0.1/3600=0.0002×V (3)
V≒0.139 (4)
θ=Cos-1((c2/2LV)・Δt) ≒Cos-1((15002/(2×0.1×1.39))×2000×10-12)≒80.7° (5)
θi=90°-θ=90°-80.7°=9.3° (6)
Note that the minimum value of the incident angle of the ultrasonic waves is determined by the minimum time difference that can guarantee accuracy determined by the performance of the
For example, the minimum flow rate of the fluid is 0.1 m 3 /h, the cross-sectional area of the measuring
0.1/3600=0.0002×V (3)
V≈0.139 (4)
θ=Cos −1 ((c 2 /2LV)·Δt) ≈Cos −1 ((1500 2 /(2×0.1×1.39))×2000×10 −12 )≈80.7° (5 )
θ i =90°−θ=90°−80.7°=9.3° (6)
次に、図1に示す実施の形態1に係る超音波流量計1による効果について説明する。
ここで、図7に示したように、従来の超音波流量計1では、測定対象である流体が水であり、且つ、測定管101が黄銅系材料(図7では黄銅)で構成されている場合、超音波の入射角がある角度(図7では45°~55°)になると、表面波が発生し、受信信号の強度が低下してしまう。
Next, the effect of the
Here, as shown in FIG. 7, in the conventional
そこで、実施の形態1に係る超音波流量計1では、超音波の入射角が、表面波が発生しない角度となるように、超音波送受信器102及び超音波送受信器103の配置角度が設計されている。測定管101が黄銅系材料で構成されている場合には、超音波の入射角が45°以下又は55°以上(短面間を実現する場合には45°以下)となるように設計されている。これにより、実施の形態1に係る超音波流量計1では、表面波の発生を回避でき、受信信号の強度の低下を防ぐことが可能となる。
Therefore, in the
なお図1では、超音波流量計1における超音波の反射方式が、Vパス(1回反射)である場合を示した。しかしながら、超音波流量計1における超音波の反射方式はこれに限らず、トライアングルパス(2回反射)又は複数反射でもよい。
例えば図3では、測定管101内の管軸に直交(略直交の意味を含む)する断面の形状が六角形に構成されており、伝播経路が三角形となるトライアングルパスの反射方式が採用された場合を示している。この場合には、測定管101内における超音波が反射する全ての反射面(図3では反射面1013及び反射面1014)に対し、超音波の入射角が、表面波が発生しない角度となるように設計される。
Note that FIG. 1 shows a case where the ultrasonic wave reflection method in the
For example, in FIG. 3, the shape of the cross section orthogonal (including the meaning of approximately orthogonal) to the tube axis in the
なお、図3に示す超音波流量計1では、測定管101に整流部材105が取付けられている。整流部材105は、測定管101の上流側に設けられ、測定管101内において流体を整流するための部材である。
In addition, in the
また、図3において、符号31は測定管101の管軸を示し、符号32は超音波の伝播経路(トライアングルパス)を示し、符号33は超音波の入射角(図3では入射角は36°)を示している。
また、図3Bにおいて、符号321はトライアングルパスにおける第1の伝播経路を示し、符号322はトライアングルパスにおける第2の伝播経路を示し、符号323はトライアングルパスにおける第3の伝播経路を示している。
In FIG. 3,
In FIG. 3B,
なお上記では、測定管101が黄銅系材料で構成された場合を想定し、超音波送受信器102及び超音波送受信器103の配置角度を調整することで、超音波の入射角が、表面波が発生しない角度となるように設計する場合を示した。しかしながら、これに限らず、超音波送受信器102及び超音波送受信器103の配置角度をある角度とし、測定管101の構成材料を調整することで、超音波の入射角が、表面波が発生しない角度となるように設計してもよい。
例えば、測定対象である流体が水であり、超音波の入射角を45°~55°の範囲内としたい場合、測定管101を黄銅系材料で構成してしまうと、表面波が発生してしまう。そこで、このような場合、測定管101の構成材料として、超音波の入射角が45°~55°の範囲内では表面波が発生しない材料(例えばステンレス)を用いてもよい。
In the above description, it is assumed that the
For example, if the fluid to be measured is water and the incident angle of the ultrasonic waves is to be within the range of 45° to 55°, surface waves will be generated if the
以上のように、この実施の形態1によれば、超音波流量計1は、測定管101と、測定管101の上流側に取付けられ、下流側との間で超音波の送受信を行う超音波送受信器102と、測定管101の下流側に取付けられ、上流側との間で超音波の送受信を行う超音波送受信器103とを備え、超音波送受信器102及び超音波送受信器103で用いられる超音波は、測定管101内で1回以上反射し、且つ、入射角は表面波が発生しない角度である。これにより、実施の形態1に係る超音波流量計1は、従来に対して受信信号の強度の低下を抑制可能となる。
As described above, according to the first embodiment, the
実施の形態2.
図4は実施の形態2に係る超音波流量計1の構成例を示す図である。この図4に示す実施の形態2に係る超音波流量計1は、図1に示す実施の形態1に係る超音波流量計1に対し、反射部材106が追加されている。図4に示す実施の形態2に係る超音波流量計1におけるその他の構成例は、図1に示す実施の形態1に係る超音波流量計1の構成例と同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the
反射部材106は、測定管101の構成材料以外の材料で構成され、測定管101における、超音波送受信器102及び超音波送受信器103で用いられる超音波が反射する反射面に取付けられている。例えば、測定管101が黄銅系材料で構成された場合には、反射部材106はステンレス等で構成される。
この場合、超音波の入射角は、反射部材106の構成材料の物性値及び測定対象である流体に基づいて、表面波の発生しない角度に設計される。
The reflecting
In this case, the incident angle of the ultrasonic waves is designed at an angle at which surface waves are not generated, based on the physical properties of the constituent material of the reflecting
これにより、例えば、測定管101が黄銅系材料で構成された場合でも、超音波の反射面のみ黄銅系材料以外の材料で構成された反射部材106が取付けられることで、超音波の入射角を45°~55°の範囲内に設定可能となる。
As a result, for example, even if the
なお図4では、超音波流量計1における超音波の反射方式が、Vパス(1回反射)である場合を示した。しかしながら、超音波流量計1における超音波の反射方式はこれに限らず、トライアングルパス(2回反射)又は複数反射でもよい。
Note that FIG. 4 shows a case where the ultrasonic wave reflection method in the
また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 Further, within the scope of the present invention, it is possible to freely combine each embodiment, modify any component of each embodiment, or omit any component in each embodiment. be.
1 超音波流量計
101 測定管
102 超音波送受信器(第1の超音波送受信器)
103 超音波送受信器(第2の超音波送受信器)
104 演算部
105 整流部材
106 反射部材
1011 取付部
1012 取付部
1013 反射面
1014 反射面
1
103 ultrasonic transmitter/receiver (second ultrasonic transmitter/receiver)
104
Claims (4)
前記測定管の上流側に取付けられ、下流側との間で超音波の送受信を行う第1の超音波送受信器と、
前記測定管の下流側に取付けられ、上流側との間で超音波の送受信を行う第2の超音波送受信器とを備え、
前記第1の超音波送受信器及び前記第2の超音波送受信器で用いられる超音波は、前記測定管内で1回以上反射し、且つ、入射角は表面波が発生しない角度である
ことを特徴とする超音波流量計。 a measuring tube;
a first ultrasonic transmitter/receiver attached to the upstream side of the measurement pipe and transmitting/receiving ultrasonic waves to/from the downstream side;
a second ultrasonic transmitter/receiver attached to the downstream side of the measurement pipe and transmitting/receiving ultrasonic waves to/from the upstream side;
The ultrasonic waves used in the first ultrasonic transmitter/receiver and the second ultrasonic transmitter/receiver are reflected one or more times in the measurement tube, and the incident angle is an angle at which surface waves are not generated. and ultrasonic flowmeter.
ことを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。 2. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the measuring pipe is made of a brass-based material.
ことを特徴とする請求項2記載の超音波流量計。 3. The ultrasonic flowmeter according to claim 2, wherein an incident angle of ultrasonic waves used in said first ultrasonic transmitter/receiver and said second ultrasonic transmitter/receiver is 45[deg.] or less.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の超音波流量計。 A reflector made of a material other than the constituent material of the measuring tube and attached to a reflecting surface of the measuring tube that reflects the ultrasonic waves used in the first ultrasonic transmitter/receiver and the second ultrasonic transmitter/receiver. 3. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, further comprising a member.
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JP2021096272A Pending JP2022188333A (en) | 2021-06-09 | 2021-06-09 | ultrasonic flow meter |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2022188333A (en) |
-
2021
- 2021-06-09 JP JP2021096272A patent/JP2022188333A/en active Pending
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240304 |