JP3217021B2 - 超音波流量計 - Google Patents
超音波流量計Info
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Description
超音波センサを用いることにより気体又は液体の体積流
量を計測する超音波流量計に関する。
る場合には、例えば図7に示す超音波流量計が使用され
ていることは、よく知られている。この超音波流量計
は、図示するように、測定部配管20の対向する外壁2
1に、一組の超音波センサ22、23が設置され、流体
の流れFlowの上流側の超音波センサ22と、下流側
の超音波センサ23は、それぞれ所定の角度θを以て取
り付けられている。
センサ22、23間の平均流速Vを計測し、管路24の
断面積Aと、補正係数Kを乗じることにより、体積流量
Qが計測される。
波伝播経路25上の平均流速Vの比であり、管路24内
の速度分布に依存する。
22から下流側センサ23へ発射される超音波ビームS
1の伝播時間をt1、流体の流れFlowに逆らって下
流側センサ23から上流側センサ22へ発射される超音
波ビームS2の伝播時間をt2、超音波センサ22、2
3間の距離をL、このセンサ22、23間の流体の平均
流速をV、各センサ22、23の設置角度をθ、音速を
Cとすれば、これらの関係は次式で表される。
は、超音波伝播経路25に沿った線平均流速に過ぎず、
体積流量Qを求めるには、この線平均流速Vを断面平均
流速に補正する必要がある。
4の断面積をAとすれば、体積流量Qは、次式で表され
る。
流速、U MEAN はセンサ22、23間の線平均流速であ
る。
かな管路24における十分に発達した流れFlowの場
合は、理論的に求められる。
最大流速の1/2、中心線上の平均流速(線平均流速)
は最大流速の2/3であるから、その比である補正係数
K=(1/2)÷(2/3)=3/4=0.75であ
る。
で近似した対数則、ブラジウスの管摩擦係数を用いる
と、断面平均流速と線平均流速の比である補正係数K
は、次式のようにレイノズル数Reの関数として表され
る。 K=1/(1+0.2488Re-0.125)・・・・・
術には、次のような課題がある。
速度分布変化に影響され、測定が不安定となる。即ち、
既述したように、従来の超音波流量計において計測され
る流速Vは、センサ22、23間の線平均流速であり
(式)、体積流量Qを求めるには、この線平均流速V
を断面平均流速に変換するための補正係数Kを乗じる必
要がある(式)。
20の上流に接続した配管の状態による速度分布変化
や、層流から乱流への遷移による速度分布変化により、
変化する。
径rの円管により構成された測定部配管20の場合は、
レイノズル数Reが一定値を越え層流から乱流へ遷移す
ると、補正係数Kが変化する(図9)。
が不安定になり、体積流量Q(式)を正確に求めるこ
とができない。
24の断面形状が正方形であって、管路24の辺の幅A
が、音波出口開口部27、28の横方向の長さEより十
分大きい場合にも、円管の場合と同様に(図8、図
9)、レイノズル数Reが一定値を越え、層流から乱流
へ遷移すると、補正係数Kが変化する(図11)。
Q(式)を正確に求めることができない。
の速度分布から明らかなように、内部速度分布も遷移の
影響を受けて、様子が変化している。
24の断面形状が矩形であって、矩形の長辺と短辺
のアスペクト比b/aが2であり、管路24の短辺幅A
が、音波出口開口部27、28の横方向の長さEより十
分大きい場合にも、円管の場合と同様に(図8、図
9)、レイノズル数Reが一定値を越え、層流から乱流
へ遷移すると、補正係数Kが変化する(図14)。
体積流量Q(式)を正確に求めることができない。
長辺中央線上の速度分布と、図16に示す管路の短辺中
央線上の速度分布から明らかなように、内部速度分布も
遷移の影響を受けて、様子が変化している。
う課題を、超音波センサ22、23から発射された超音
波ビームS1、S2が、V型反射伝播経路26に沿って
伝播するV反射方式(図8、図10、図13)について
言及した。
題は、V反射方式に限らず、超音波センサ22、23か
ら発射された超音波ビームS1、S2が、真っ直ぐな直
接伝播経路25(図7)に沿って伝播する直接方式等の
場合にも、同様に生じる。
の大きさによっては、上流側の超音波センサから発射さ
れた超音波ビームの回折波が、下流側の超音波センサに
直接に到達する。
部27の大きさが、管路24の断面の大きさに比べてあ
まりに小であると、上流側の超音波センサ22から発射
された超音波ビームS1が回折して、回折波S3が発生
する。
経路26に沿うことなく、反射せずに下流側の超音波セ
ンサ23に直接到達する。
は、V型反射伝播経路26に沿った本来の超音波ビーム
S1による受波信号R1(図8)の他に、この回折波S
3による受波信号R3が検知され、これがノイズになっ
て、測定が不安定になる。
口部27の縦方向の長さF(図8)を著しく大にする
と、流体の流れFlowが、この音波出口開口部27に
入り込んで、流速分布に影響を与え、測定が不安定にな
る。
測定部配管の管路内を流れる流体の速度分布の影響を平
均化し、安定した補正係数を得ることにより、また回折
波の影響を少なくして、良好な受波信号を得ることによ
り、安定した測定を可能にし、流体の体積流量を正確に
計測することにある。
め、本発明は、図1に示すように、 A.流体が流れる管路2の断面形状が矩形であって、該
矩形の長辺と短辺のアスペクト比b/aが4以上で
あり、方形状の音波出口開口部6、7が形成されている
測定部配管1と、 B. 該測定部配管1の管路2の短辺幅Aの2倍以上の
直径Dを有し、上記音波出口開口部6、7を介して超音
波ビームS1、S2を管路2内に発射する超音波センサ
4、5を備え、 C.上記管路2に関し、その短辺幅Aが超音波ビームS
1、S2の波長の5倍以上であり、 D.上記音波出口開口部6、7に関し、その横方向の長
さEが管路2の短辺幅Aに等しく、その縦方向の長さF
が超音波ビームS1、S2の波長の10倍以上であると
共に、管路2の短辺幅Aの2倍以下であり、 E.流体の流れFlowに沿った超音波ビームS1の伝
播時間t1と、流体の流れFlowに逆らった超音波ビ
ームS2の伝播時間t2とに基づいて、上記管路2の矩
形断面を通過する流体の体積流量Qを計測することを特
徴とする超音波流量計という技術的手段を講じている。
量計は、管路2内を流れる流体の速度分布の影響を、超
音波ビームS1、S2の全体が受けることにより、その
影響が平均化され、安定した補正係数を得ることができ
る。
響を少なくして、ノイズが重畳しない良好な受波信号を
得ることができる。
体積流量を正確に計測することができる。
添付図面を参照して、説明する。図1は本発明の実施形
態を示す図、図2は本発明の他の実施形態を示す図であ
る。図1において、参照符号1は測定部配管、2は管
路、3は外壁、4、5は超音波センサ、6、7は音波出
口開口部、8、9はケーブル、10は演算部である。
が流れており、該測定部配管1には、図示するように、
方形状の音波出口開口部6、7が、例えば同じ側にそれ
ぞれ形成されている。
の音波出口開口部6、7を覆うようにして、超音波セン
サ4、5が例えばθ=45°に傾斜して設けられ、該超
音波センサ4、5の直径Dは、管路2の短辺幅Aの2倍
以上である。
波ビームS1、S2が、音波出口開口部6、7を介して
管路2内に発射され、V型反射伝播経路11に沿って伝
播する(図1(B))。
8、9を介して演算部10に接続されている。
体の流れFlowに沿った超音波ビームS1の伝播時間
t1と、流体の流れFlowに逆らった超音波ビームS
2の伝播時間t2とが算出されると共に(式、
式)、流体の線平均流速Vが算出され(式)、後述す
るように、安定した補正係数K(図3)と、管路2の断
面積Aを乗ずることにより、流体の体積流量Q(式)
が安定状態で計測される。
状は矩形である。そして、その矩形の長辺と短辺の
アスペクト比b/aが4以上、例えば5であり、これに
より、流体のコーナー渦の影響が押さえられ、二次元の
流れFlowの領域を大きくし、安定した測定を可能に
している。
部6、7の横方向の長さEに等しく、しかも超音波ビー
ムS1、S2の波長の5倍以上である。
に、超音波センサ4、5から音波出口開口部6、7を介
して、発射される超音波ビームS1、S2は、平面波に
近くなって、管路2を流れる流体の速度分布全体の影響
(図4、図5)を平均化することにより、多くの情報を
取り込むことができる。これにより、断面平均流速U
AVE と線平均流速U MEAN との比である補正係数Kは
(図3)、1に近くなり、従来に比べて極めて安定す
る。
すように、管路24の断面形状や、その管路24と音波
出口開口部27、28の相対的な大きさ等が原因で、音
波出口開口部27、28を介して管路24内に発射され
る超音波ビームS1、S2が、流体の速度分布の全ての
影響を受けることができない。
ることが困難であり、流体の流れFlowに関する情報
が漏れることがあり、安定した補正係数Kを得ることは
できなかった(図9、図11、図14)。
に、超音波ビームS1、S2が、流体の速度分布全体の
影響を受けることができる。
され、流体の流れFlowに関する多くの情報を取り込
むことができるので、安定した補正係数Kを得ることが
できる(図3)。
において、◆は、測定部配管1(図1)に曲がり配管を
結合しない場合の測定値であり、□は、図2に示すよう
に、測定部配管1の上流と下流に、曲がり配管1Aと1
Bをそれぞれ結合した場合の測定値である。
に、管路2のアスペクト比が5の測定部配管1におい
て、その上流と下流に、上方に90°の角度で曲がり配
管1Aと1Bを結合した場合(図2(A))、水平に9
0°の角度で曲がり配管1Aと1Bを結合した場合(図
2(B))、下方に90°の角度で曲がり配管1Aと1
Bを結合した場合(図2(C))の3つの場合がある。
成によれば(図1)、曲がり配管1Aと1Bを結合しな
い場合(図3の◆)に比べて殆ど差異は見られず、安定
した補正係数Kを得ることができる(図3の□)。
数Kを得るためには、上流の曲がり配管1Aの影響を無
くす必要があり、そのために測定部配管1の上流の真っ
直ぐな部分の長さ(上流真管長)を大にする必要があっ
た。
なり、上流真管長を小にできるという効果がある。
さFは、超音波ビームS1、S2の波長の10倍以上で
あり、これにより、V反射方式の場合に問題となった回
折波S3(図8)の発生を少なくし、良好な受波信号R
1(図8)のみを得ることがでる。
の長さFは、管路2の短辺幅Aの2倍以下であり、これ
により、音波出口開口部6、7に流れ込む流体の量を少
なくして、測定の安定化を図っている。
管路2内に流体が流れると、該管路2の長辺方向中央
線上の速度分布と(図4)、該管路2の短辺方向中央
線上の速度分布(図5)から明らかなように、流体の速
度分布は、層流から乱流への遷移の影響を受けて変化し
ている。
6)、層流から乱流への遷移の影響を受けて変化してい
る。
図3に示すように、流量特性を表す補正係数Kは、上記
流体の速度分布の影響を受けずに安定しており、しかも
補正係数Kは1に近く、演算部10において(図1)算
出される線平均流速Vが(式)、管路2内を流れる流
体の断面平均流速を表している。
路2の断面形状を矩形にすると共に、該矩形の長辺と
短辺のアスペクト比b/aを4以上にすることによ
り、流体のコーナー渦の影響が押さえられ、二次元の流
れFlowの領域を大きくし、安定した測定を可能にし
ている。
部6、7の横方向の長さEに等しく、しかも超音波ビー
ムS1、S2の波長の5倍以上にすることにより、発射
される超音波ビームS1、S2は、平面波に近くなっ
て、指向性が鋭くなる(図1(B))。
路2の短辺幅Aの2倍以上にすることにより、発射され
る超音波ビームS1、S2が管路2の断面一杯に広がり
(図1(B))、振動速度が一様な有効部分を使用する
ことができる。
体の影響が平均化され、演算部10(図1)においては
多くの情報を取り込むことができるので、算出される線
平均流速Vが(式)、管路2の断面平均流速を表し、
得られる補正係数Kが1に近付く(図3)。
さFを、超音波ビームS1、S2の波長の10倍以上に
することにより、V反射方式の場合に問題となった回折
波S3(図8)の発生が抑制され、良好な受波信号R1
(図8)のみを得ることがでる。
向の長さFを、上記管路2の短辺幅Aの2倍以下にする
ことにより、音波出口開口部6、7に流れ込む流体の量
を最小限にして、測定の安定化が図られている。
射方式に適用することにより(図1)、安定した補正係
数が得られる例について詳述したが、本発明はそれに限
定されず、超音波センサを、測定部配管の対向する外壁
上に例えば15°の角度で設置して、超音波ビームが直
接伝播経路に沿って伝播するいわゆる直接方式等にも適
用した場合にも安定した補正係数が得られ(図2、図
3)、同様の効果を奏することは勿論である。
流量計を、アスペクト比が4以上である矩形断面管路を
有し、方形状の音波出口開口部が形成された測定部配管
と、管路の短辺幅の2倍以上の直径を有する超音波セン
サを使用し、管路の短辺幅を超音波センサ波長の5倍以
上にし、上記音波出口開口部の横方向の長さを管路の短
辺幅に等しく、その縦方向の長さを超音波センサ波長の
10倍以上にすると共に、管路の短辺幅の2倍以下にす
るように構成したことにより、測定部配管の管路内を流
れる流体の速度分布の影響を平均化し、安定した補正係
数を得ることにより、また回折波の影響を少なくして、
良好な受波信号を得ることにより、安定した測定を可能
にし、流体の体積流量を正確に計測するという技術的効
果を奏することとなった。
場合でも、上流真管長を短くできるという効果もある。
布を示す図である。
布を示す図である。
る。
を示す図である。
る。
の速度分布を示す図である。
の速度分布を示す図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 流体が流れる管路の断面形状が矩形であ
って、該矩形の長辺と短辺のアスペクト比が4以上であ
り、方形状の音波出口開口部が形成されている測定部配
管と、 該測定部配管の管路の短辺幅の2倍以上の直径を有し、
上記音波出口開口部を介して超音波ビームを管路内に発
射する超音波センサを備え、 上記管路に関し、その短辺幅が超音波ビームの波長の5
倍以上であり、 上記音波出口開口部に関し、その横方向の長さが管路の
短辺幅に等しく、その縦方向の長さが超音波ビームの波
長の10倍以上であると共に、管路の短辺幅の2倍以下
であり、 流体の流れに沿った超音波ビームの伝播時間と、流体の
流れに逆らった超音波ビームの伝播時間とに基づいて、
上記管路の矩形断面を通過する流体の体積流量を計測す
ることを特徴とする超音波流量計。 - 【請求項2】 上記測定部配管の上流と下流には、曲が
り配管がそれぞれ結合されている請求項1記載の超音波
流量計。 - 【請求項3】 上記超音波ビームがV型反射伝播経路に
沿って伝播するV反射方式により、上記体積流量を計測
する請求項1記載の超音波流量計。 - 【請求項4】 上記超音波ビームを発射する超音波セン
サが、測定部配管の同じ外壁上に45°の角度でそれぞ
れ設置されている請求項3記載の超音波流量計。 - 【請求項5】 上記超音波ビームが直接伝播経路に沿っ
て伝播する直接方式により、上記体積流量を計測する請
求項1記載の超音波流量計。 - 【請求項6】 上記超音波ビームを発射する超音波セン
サが、測定部配管の対向する外壁上に15°の角度でそ
れぞれ設置されている請求項5記載の超音波流量計。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP02025798A JP3217021B2 (ja) | 1998-01-16 | 1998-01-16 | 超音波流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP02025798A JP3217021B2 (ja) | 1998-01-16 | 1998-01-16 | 超音波流量計 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH11201791A JPH11201791A (ja) | 1999-07-30 |
JP3217021B2 true JP3217021B2 (ja) | 2001-10-09 |
Family
ID=12022153
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP02025798A Expired - Lifetime JP3217021B2 (ja) | 1998-01-16 | 1998-01-16 | 超音波流量計 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3217021B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012103087A (ja) * | 2010-11-10 | 2012-05-31 | Panasonic Corp | 超音波流量計測ユニット |
JP6028215B2 (ja) * | 2012-03-09 | 2016-11-16 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 超音波流量計 |
-
1998
- 1998-01-16 JP JP02025798A patent/JP3217021B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPH11201791A (ja) | 1999-07-30 |
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