JP3246851B2 - 超音波流量計用検出器 - Google Patents

超音波流量計用検出器

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    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring 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
    • G01F1/662—Constructional details

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は超音波で流量を測定する
装置の検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】流れている流体中を超音波が伝播すると
き、その伝播速度は流速が０のときの伝播速度Ｖ0 と流
体の流速Ｕのベクトル和になる。したがって、流れの上
流から下流に伝播する超音波の伝播速度と下流から上流
に伝播する超音波の伝播速度の差から流体の流速を知る
ことができる。
【０００３】この原理を用い、２定点Ａ、Ｂに超音波を
発信および受信する機能を持つ素子（送受波器と称す
る）を設け、被測定流体中をＡからＢへ伝播する時間ｔ
1 と、ＢからＡへ伝播する時間ｔ2 を測定し、伝播速度
の差から管路内の流体の流量を求めるいわゆる伝播速度
差式超音波流量計が広く実用に供せられている。
【０００４】この種の従来の流量計は、超音波の伝播経
路に関して図３にように伝播経路が流れに対して傾斜角
をもつ斜測線式と、図４のように伝播経路が流れに対し
てほぼ平行な平行測線式の２つに分類される。
【０００５】斜測線式は管体が直管でよく、圧力損失も
ほとんどなく、構造が簡単なことが特長であるが、管路
の口径が小さくなると超音波の伝播経路が短くなって伝
播時間の測定精度が低下し、流量の測定精度が得られな
いため、小流量用には適用が難しい。
【０００６】平行測線式は管路が小口径になっても適用
可能であるが、以下に述べるようないくつかの問題点が
あり、現状では斜測線式が適用困難な小口径用にのみ使
用されている。
【０００７】平行測線式には次のような問題点がある。
図４のように、管内を流体が流れる距離が管内の場所に
よって異なるため、超音波の伝播経路となる測定管内の
流体の流速は流れの上部側(a) では遅く、下部側(b) で
は速くなり、流れに直角な断面内の流速分布が不均一と
なる。したがって、測定管内を伝播する超音波の伝播時
間が場所によって異なり、図５のように受信波形は発信
波形に比べて時間幅が広くなり、ピークが不明確にな
る。
【０００８】図６に示した９０°の曲管における流速分
布の測定例からもわかるように、流速分布ａ，ｂ，ｃは
管内の場所によって複雑であり、流量によっても変化す
るため、幅の広い受信波形から測定管内の平均伝播時間
を正確に求めることは困難で、このため高い精度の流量
測定を行うことができない。
【０００９】工業用の流量計として使用する場合、多く
の流量計はパイプラインに挿入され、フランジで取り付
けられる。したがって、上流側、下流側のフランジの中
心軸は同一直線上に位置することが望ましく、平行測線
式の場合は図７のような構造となる。この構造では、測
定管がフランジ中心軸の片側に大きく張り出し、取り付
けに大きなスペースが必要になり、パイプラインのレイ
アウト上、大きな制約条件となる。また、流量計の面間
寸法（上流、下流フランジ間の距離）は測定管の長さに
フランジネック部を加えた長さとなり、寸法が大きく重
量も重くなる。
【００１０】上記２つの問題点は、工業用流量計として
は斜線式にくらべて致命的な欠点であり、斜測線式では
適用困難な小口径にのみ平行測線式が使用される基本的
な理由となっている。
【００１１】
【本発明の目的】本発明は上記の平行測線式の問題点を
改善し、斜測線式に対しても明確な優位点をもつ超音波
流量計を実現できるようにしたことを目的とする。
【００１２】
【本発明の手段】本発明に係る超音波流量計用検出器
は、両端が閉塞された直管よりなり、閉塞両端部にそれ
ぞれ送受波器を備え、水平面に対して或る角度で傾斜す
る測定管と、上記測定管の傾斜方向での上位端部の下側
部に、曲管をもって接続した水平な流入管と、上記測定
管の傾斜方向での下位端部の上側部に、曲管をもって接
続した水平な流出管とを備え、上記流入管、測定管およ
び流出管の各軸線が同一立面上に位置し、かつ流入管と
流出管の軸心が同一の水平な基軸線上に位置し、しかも
上記基軸線上に前記測定管の流体流れ方向での中央部の
中心点が位置し、この中心点に対して前記流入管と流出
管が対称をなすように設定したものとしてある。
【００１３】
【実施例】以下本発明に係る超音波式流量計用検出器の
一例を図１〜２に基いて具体的に説明する。本発明の流
量計用検出器は測定管１、流入管２、流出管３とよりな
り、測定管１は両端が閉塞された直管で構成され、閉塞
両端部にそれぞれ超音波送受波器４ａ，４ｂを備えてお
り、測定管１、流入管２、流出管３は次ぎのように接続
されている。
【００１４】(イ) 測定管１は或る角度で傾斜しており、
測定管には、傾斜方向での上位端部の下側部に水平な流
入管２を曲管２ａをもって接続し、また、傾斜方向での
下位端部の上側部を水平な流出管３に曲管３ａをもって
接続してある。 (ロ) 測定管の中心点（両端から等距離にある縦断面の中
心）をＰ0 、流入管の入口端面の中心（外部配管との接
続面内にある管断面の中心）をＰ1 、流出管の出口端面
の中心をＰ2 とすると、流入管と流出管の形状は点Ｐ0
に関して互いに対称で、Ｐ1 を通って流入管端面に垂直
な直線が点Ｐ0 およびＰ2を通るようにしてある。
【００１５】すなわち、流入管１、測定管２、流出管３
の各軸線は同一立面上に位置し、また、流入管及び流出
管の軸心が同一の水平な基軸線Ｘ上に位置し、かつ、測
定管の流体流れ方向での中央部の中心が流入管、流出管
を結ぶ前記基軸線上に位置するように設定してある。
【００１６】上記の条件を満たす流量検出器において
は、流入管先端から流出管先端までの流れに沿った長さ
が断面上のどの点においてもほぼ等しいため、超音波の
伝播経路上の流速の平均値（平均流速）は、管壁のごく
近くを除いて測定管内全域でほぼ一定となり、超音波の
伝播時間も均一となるため、液中を伝播した超音波の受
信波形は図２のようなシャープな波形となる。
【００１７】したがって、伝播時間が高精度で測定で
き、かつ断面内流速分布が小さいため、流速から流量を
求める演算の誤差も小さく、高精度の流量計が実現でき
る。また、上記条件により、流入管、流出管の先端にフ
ランジを装着すれば、両端のフランジは平行でかつ両者
の中心軸は一致するから、通常のパイプラインに挿入し
て取り付けられる。
【００１８】さらに図１と図７を比較すれば明らかであ
るが、本発明のものは測定管部分の張り出しがフランジ
軸に対して左右均等であるため、従来の図７のものに比
べて全幅が小さく、また測定管が傾斜していることによ
り全長も短くなり、パイプラインのレイアウト上の制約
も著しく軽減される。本発明に係る検出器の場合、検出
器の外形寸法は測定管の長さと傾角によって決まり、測
定管の長さを小さくすれば外形寸法は小さくなる。
【００１９】前記のように本発明に係る検出器では流れ
断面の流速分布が均一になり、測定管が短くても高精度
が得られるので、精度がほぼ同等のものを考えれば、本
発明の検出器は在来の平行測線式超音波流量計に比べて
著しい小型化が可能である。
【００２０】
【発明の効果】本発明により平行測線式の大きな欠点が
改善された結果、在来の斜測線式に比べて次のような長
所が顕在化し、従来斜測線式のみが用いられてきた中口
径においても本発明の平行測線式が優位となる。
【００２１】(1) 測定管を長くすることにより、斜測線
式より高い精度のものが容易に得られる（斜測線式は超
音波の伝播距離は口径ごとに一定）。 (2) 流入管、流出管部を持つため、測定管内の流れが外
部配管の影響を受けにくく、検出器の上、下流に長い直
管部分を必要としない（斜測線式は十分な直管部分を設
けないと精度が劣化する）。 (3) 斜測線式では高精度を得るためには、超音波送受波
器を２組以上用いる必要があるが、本発明の場合１組で
よく、コスト的に有利である。
【００２２】以上のように、本発明により在来の平行測
線式超音波流量計の２つの大きな欠点を改善し、斜測線
式にはない長所を備える新しい流量計を実現することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波式流量計用検出器の縦断面
図。
【図２】本発明に係る検出器による場合の発信波、受信
波との伝播時間の関係を示す図。
【図３】従来の斜線式流量検出器の縦断面図。
【図４】従来の平行式流量検出器の縦断面図。
【図５】平行式流量検出器による場合の発信波、受信波
との伝播時間の関係を示す図。
【図６】曲管を備える管の場合の流速分布図。
【図７】平行式流量検出器の従来のものを示す図。
【符号の説明】
１・・・流入管 ２・・・測定管 ２ａ・・・曲管 ３・・・流出管 ３ａ・・・曲管 ４ａ・・・送受波器 ４ｂ・・・送受波器 Ｘ・・・基軸線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−311062（ＪＰ，Ａ) 米国特許4140012（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01F 1/66 - 1/66 103

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】(a) 両端が閉塞された直管よりなり、閉塞
    両端部にそれぞれ送受波器を備え、水平面に対して或る
    角度で傾斜する測定管(b) 上記測定管の 傾斜方向での上位端部の下側部に、曲
    管をもって接続した水平 な流入管 (c) 上記 測定管の傾斜方向での下位端部の上側部に、曲
    管をもって接続した水平 な流出管を備え、 (d) 上記 流入管、測定管および流出管の各軸線が同一立
    面上に位置し、(e) かつ流入管と流出管の軸心が同一の水平な基軸線上
    に位置し、(f) しかも上記基軸線上に前記測定管の流体流れ方向で
    の中央部の中心点が位置し、この中心点に対して前記流
    入管と流出管が対称をなすように設定してなる超音波流
    量計用検出器。
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