JP3045677B2 - 超音波流量計 - Google Patents

超音波流量計

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662Constructional details

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は超音波を利用した流
量測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術とその問題点】管路を流れる流体内に超音
波を伝播せしめ、流れの上流から下流への超音波伝播速
度と、下流から上流への超音波伝播速度の差によって流
体の流速を求め、これに基づいて管路を流れる流体の流
量を計測する流量計は伝播速度差式超音波流量計または
伝播時間差式超音波流量計と呼ばれ、広く実用に供せら
れている。
【0003】この方式の流量計の検出器は構造上次ぎの
2種類に分類できる。第1の方式は、図7のように検出
器の伝播管は直管であり、2個一対の超音波振動子は伝
播管の管壁に軸線方向へずれて固定され、発生する超音
波は流体中を流体の流れに対して斜めに伝播する(以下
タイプ1と呼ぶ)。
【0004】第2の方式は、図8、図9(a) 、図10の
ように、検出器が、閉塞された両端部に超音波振動子を
備える直管の伝播管と、伝播管の両端部側面に接続した
流入管及び流出管とによって構成され、振動子が発生す
る超音波は伝播管を流れる流体内を流れと平行に伝播す
る(以下タイプ2と呼ぶ)。
【0005】伝播速度差の測定方法は、主として測定精
度とコスト上の理由により、タイプ1、タイプ2ともに
交互切換式が用いられる。すなわち2個の超音波振動子
を、互いに相手方が発信した超音波ビームを受信できる
位置、角度に取り付け、一方が発信した超音波を他方が
受信するまでの時間を、発信側、受信側を交互に入れ替
えて測定し、それらの差(伝播時間差)から流速を求め
る。
【0006】これらタイプ1、タイプ2にはそれぞれ次
のような短所、長所があり、使用目的によって有利な方
が選択使用されている。タイプ1は検出器が流入管、伝
播管、流出管が一直線に連続する直管であることが最大
の特徴であり、コスト面のほか圧力損失が極小であるこ
と、管体内の洗浄が容易なことなど多くの利点がある。
【0007】しかし、管径が小さくなるにつれて超音波
の伝播距離が小となり、伝播時間差の測定精度が低下す
るため管径の小さい(流量の小さい)ものには不適であ
る。現状では管外径25mm程度が実用上の下限であ
り、むしろ管径が大きい場合にその長所が発揮される。
【0008】一方、タイプ2は検出器の構造が複雑であ
り、重量、大きさ、コストの面ではタイプ1に比べて不
利であり、また圧力損失、洗浄のしやすさにおいても劣
る。しかし、超音波の伝播距離を管径とは無関係に設定
できるため、管径の小さい(流量の小さい)ものには適
用しやすい。要約すれば、タイプ1は大流量向き、タイ
プ2は小流量向きといえる。
【0009】なお、在来のタイプ2の小口径用の場合
は、測定精度を確保するためには2個の振動子の間隔が
一定距離以上必要となり、また一定距離を隔てて検知可
能な超音波を伝播させるためには一定値以上の発振エネ
ルギが必要となる。したがって管路長Lと振動子の径D
は変えることができない。
【0010】しかし、伝播管の口径は小さくすることが
できるが、図9(a) に示す流量計の伝播管の口径を図9
(b) のように小さくすると、流体中を伝播する超音波の
割合は口径とともに減少し、測定が次第に困難となる。
現在タイプ2方式で実用に供せられている流量計の最も
口径の小さいものは管内径5mm程度である。
【0011】以上の説明から明らかなように、超音波流
量計に対する最大の改良要望点はタイプ1のように構造
が簡単で、しかも管径の小さな流量計にも適用できるよ
うにすることである。
【0012】
【発明の目的】本発明の目的とするところは、全長に亘
って同径な管体よりなる検出器を備え、それでいて小流
量用の管径の小さい伝播速度差式または伝播時間差式
の、しかも (a) 製造コストが低い (b) 測定精度が高い (c) 保守(洗浄等の)、修理が容易 (d) 設置スペースが小さくてすむ (e) 重量が軽い 超音波流量計を提供できるようにした。
【0013】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の超音波流量計は、測定管内を流れる流体内
に超音波を伝播せしめ、流れの上流から下流への超音波
伝播速度と、下流から上流への超音波伝播速度の差によ
って流体の流速を求め、これに基づいて測定管内を流れ
る流体の流量を計測するいわゆる伝播速度差式超音波流
量計または伝播時間差式超音波流量計において、測定管
は全長に亘って同径なものとし、この測定管に3個の円
環状の超音波振動子をその内周面が測定管の外周面と実
質的に密着するように測定管の軸線方向へ所定の間隔で
設け、これら3個の振動子のうちの中央の振動子に超音
波を発生させ、その超音波を前後に位置する2個の振動
子によって検出し、前側の振動子が検出した超音波波形
と、後側の振動子が検出した超音波波形とを比較回路に
よって演算して測定管内を流れる流体の流速を求められ
るようにし、測定管は直管のものあるいは曲成された非
直管のものとしてある。
【0014】より詳しくは、中央の振動子へパルス的
に、あるいは間欠的に交番電気エネルギを与えたときに
は、中央の振動子が発生する超音波が前後の振動子に到
達するまでの時間差(例えば到達時の時間差)を検出す
る。また、中央の振動子へ一定周波数の交流電圧を印加
したときには、前後の振動子が出力する電気信号の波形
の位相差を検出する。
【0015】
【実施例】以下本発明を添付図面の図1〜6に示す実施
例によって説明する。図1は測定管1を直管とした第1
実施例を示し、全長に亘って外径が均一な直管に、直管
の外径よりわずかに径の大きい内孔を有するリング状の
3個の超音波振動子2A、2B、2Cを嵌めて、直管の
軸線方向に所要の間隔で、しかも振動子の内周面と直管
外周面との隙間にはグリース等の半流動体や半固形物よ
りなる超音波が伝播しやすい物質3を充填し、いわゆる
音響結合状態にして各超音波振動子2A、2B、2Cを
直管へ実質的に固定する。
【0016】図2は測定管に非直管を使用した第2実施
例を示し、同図中の(a) はU型曲管の場合、同図中の
(b) はU型曲管が反対方向に連続する場合、同図中の
(c) は曲回部を有する場合を示す。
【0017】前記構成において、各振動子は交番電気エ
ネルギを与えられると縮径、拡径して半径方向に振動
し、また半径方向の振動が外部から加えられると振動波
形と相似の電気信号を発生する。流量の測定にあたって
は、3個の振動子のうちの中央の振動子2Bに電源4よ
り交番電気エネルギを与えて振動子2Bから超音波を発
生させる。
【0018】測定管内部が流体で満たされているとき、
中央の振動子2Bから発生する超音波は管壁を経て流体
に伝えられ、一旦振動子の中心(直管の中心)位置に向
かって伝播した後、直角に向きを変えて管と平行に前後
両方向に伝播する。
【0019】超音波は圧力振動の一種であるため伝播の
際には管の半径方向にも圧力変化が生じるので、前後の
2個の超音波振動子2A、2Cは圧力変化(振動)を受
けることによって圧力変化に対応する電気信号を出力
し、各電気信号は増幅器5A、5Cによって増幅されて
比較回路6に入力される。
【0020】中央の振動子と、前後の振動子との距離が
等しい場合、測定管内の流体の流速が0(静止状態)で
あれば、中央の振動子が発生する超音波は前後に対称に
伝播するので、図4のように前後の振動子2A、2Cに
発生する電気信号は時系列的に等しくなる。
【0021】しかし測定管内の流体が流れている場合に
は、図5のように上流側振動子2Aと下流側振動子2C
との二つの出力には時間的なずれが生じ、このずれは流
体の流速に比例して大きくなる。したがって、この時間
的なずれを比較回路6で計測することにより測定管内の
流体の流速を知ることができる。
【0022】この実施例ではショット的あるいは間欠的
に超音波を発生させ、前後の振動子が超音波振動を最初
に感知した時刻の差Δtを求めて流量を検出するが、比
較回路では光学式距離計などに用いられる位相差検出法
によって流量を検出する手段の場合もある。
【0023】この方法は、中央の振動子2Bに一定周波
数の交流電圧を印加し、図6に示すように、前後の振動
子の2A、2Cが出力する電気信号の波形Fa、Fcを
フーリエ解析することにより振動波形のずれを位相差と
して検出し、この位相差から両者の時間的なずれが正確
に求められる。
【0024】前述の、前後の振動子が超音波振動を最初
に感知したときの差を求める方法に対し、この方法は超
音波を常時発生させておくことができ、したがって流量
が変化した場合にその流量変化を捉えることができる利
点がある。これは近年の半導体技術の進歩によりマイク
ロプロセッサを使用して低コストで実施できるようにな
り、広く実用に供せられている技術である。
【0025】なお、前後の振動子を中央の振動子からそ
れぞれ等距離に置いた場合について説明したが、伝播時
間差から流速を求める演算において補正を行えば、等距
離でなくても問題はない。
【0026】本発明の流量計は振動子2Bから発せられ
た超音波が振動子2Aに伝達するまでの時間TA と、振
動子2Cに伝達するまでの時間TC との差TA −TC
よって流量を求めるようにしてあるので、2A〜2B、
2B〜2Cの距離が長いほど流量の測定精度を高くでき
る。
【0027】高精度を得るために2A〜2B、2B〜2
Cの距離を長くすると、測定管が直管の場合は同一面
(例えば平面)での管の占める長さが長くなり、流量計
の全長が長くならざるを得ない。
【0028】これに対し、図2に示す第2実施例の各図
のものでは一部に曲管部があるので、2A〜2B、2B
〜2Cの長さを長くしても流量計の見かけの全長(外
形)は短くてすむ。特に図2(c) の方式で測定管を螺旋
状に何回も巻くようにすることにより外形はコンパクト
で十分長い超音波伝播部2A〜2B、2B〜2Cを構成
することができ、より精度の高いものとすることができ
る。
【0029】また、計測のための電子回路を曲管部がつ
くるゾーンZ(同図の(b) ではゾーンZ1 またはZ2
に収納すれば、電子回路を内蔵した一体形の超音波流量
計が、きわめてコンパクトなサイズで実現できる。
【0030】
【発明の効果】本発明においては3個の超音波振動子の
間隔は管径に無関係に選択できるので、管径が小さい場
合にもリング状振動子を直管の外径に合わせて製作で
き、小口径すなわち小流量用にも支障なく適用でき、ま
た、前述の目的で述べた(a) 乃至(e) の利点を有する流
量計を提供できる。
【0031】なお、本発明の場合、口径が小さくなって
も流体内を伝播する超音波の割合が小さくなる要素はな
く、孔径の小さい超音波振動子を製作することにも技術
的困難はないので、従来のタイプ2方式のものよりもさ
らに口径の小さい流量計も実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る超音波流量計の第1実施例を示す
斜視図。
【図2】本発明に係る超音波流量計の第2実施例の各例
を示す平面図。
【図3】測定管における振動子取付部の縦断面図。
【図4】流体静止時における中央の振動子に印加する交
番電圧と、前後の振動子で検出される電気信号の時系列
関係を示す図。
【図5】流体流動時における中央の振動子に印加する交
番電圧と、前後の振動子で検出される電気信号の時系列
関係を示す図。
【図6】波形の位相差を示す図。
【図7】従来のタイプ1の超音波式流量計を示す図。
【図8】従来のタイプ2の超音波式流量計を示す図。
【図9】(a) は従来のタイプ2の超音波式流量計の他の
例を示し、(b) は(a) の伝播管を小径にした場合の例を
示す図。
【図10】従来のタイプ2の超音波式流量計の他の例を
示す図。
【符号の説明】
1 測定管 2A、2B、2C 超音波振動子 3 グリース 4 電源 5A、5C 増幅器 6 比較回路 Fa、Fc 振動波形 Z 曲管部で構成されるゾーン Z1 、Z2 曲回部で構成されるゾーン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井川 忠 神奈川県横浜市金沢区福浦1丁目1番地 の1 株式会社泉技研内 (72)発明者 杉 時夫 東京都世田谷区東玉川2丁目35番13号 (56)参考文献 特開 昭54−50361(JP,A) 特開 昭54−151068(JP,A) 特開 昭61−132823(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01F 1/66

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】全長に亘って同径をなす測定管の軸線方向
    をなす前後3カ所の部位の外周部にそれぞれ円環状の振
    動子をその内周面が測定管の外周面と実質的に密着する
    ように設け、これら3個の振動子のうちの中央の振動子
    に交番電気エネルギを与えることにより超音波を発生さ
    せ、その超音波を前後に位置する2個の振動子によって
    検出し、前側の振動子が検出した超音波と後側の振動子
    が検出した超音波とを比較回路で演算して測定管内を流
    れる流体の流速を求める超音波流量計。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の測定管を直管で構成して
    なる超音波流量計。
  3. 【請求項3】請求項1に記載の測定管を非直管で構成し
    てなる超音波流量計。
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