JP3275011B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波流量計、特に
高温流体の流量を測定できるようにした超音波流量計に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、超音波センサを用いた計測機
器としては、例えば図３に示す超音波流量計がある。

【０００３】この超音波流量計は、図示するように、配
管３０に、一組の対向する超音波センサ３１、３２が設
置され、流体の流れＦｌｏｗの上流側の超音波センサ３
１と、下流側の超音波センサ３２は、それぞれ所定の角
度θを以て取り付けられている。

【０００４】この構成により、流れＦｌｏｗに沿って上
流側センサ３１から下流側センサ３２へ発射される超音
波Ｓ１の伝播時間ｔ１と、流体の流れＦｌｏｗに逆らっ
て下流側センサ３２から上流側センサ３１へ発射される
超音波Ｓ２の伝播時間ｔ２を計測する。

【０００５】これにより、超音波センサ３１、３２間の
距離をＬとして、センサ３１、３２間の流体の平均流速
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ｛（１／ｔ１）−（１／ｔ２）｝を
求め、これに配管３０の断面積、及び一定の補正係数を
掛けることにより、流体の流量を測定できることは、よ
く知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の技
術には、次のような課題がある。

【０００７】即ち、図３に示す従来の超音波流速計にお
いては、図示するように、配管３０に取り付けられてい
る超音波センサ３１、３２の振動子は、それぞれ圧電体
であるセラミックにより形成されている。

【０００８】ところが、このセラミックは、キューリ温
度以上の温度になると、圧電体としての特性が失われ、
電圧を印加しても、超音波を発振しなくなる。

【０００９】また、超音波センサ３１、３２は、振動子
を構成するセラミックと、そのセラミックを接着剤で取
り付けている筐体により形成されているが、一定の温度
以上になると、接着剤が溶けてしまい、超音波センサ３
１、３２が正常に機能しなくなる。

【００１０】このように、超音波センサ３１、３２に
は、所定の限界温度があり、それ以上の温度になると、
正常に動作しなくなる。

【００１１】従って、従来の超音波流速計においては、
自動車エンジンの排気ガス、溶鉱炉やゴミ処理場のよう
な加熱処理敷設から排出される熱風等の１０００°Ｃ以
上の高温流体が配管３０に流入し、所定の限界温度を越
えた場合には、超音波センサ３１、３２が正常に動作し
なくなり、高温流体の流量を正確に測定できない。

【００１２】本発明の目的は、高温流体の流量を正確に
測定できる超音波流量計を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、図１〜図２に示すように、温度が常に一
定に維持されている冷却水１１で満たされた冷却槽１
と、冷却水１１に浸漬されて上流側から高温流体を流入
させ下流側から低温流体を排出する測定部配管２と、冷
却槽１内であって測定部配管２に取り付けられている超
音波センサ３、４と、冷却槽１外であって測定部配管２
の上流側と下流側にそれぞれ取り付けられた圧力センサ
７、９及び温度センサ８、１０と、超音波センサ３、４
を介して測定した低温流体１７の流量Ｑ ₀ を、圧力セン
サ７、９、温度センサ８、１０を介して測定した圧力、
温度を考慮して高温流体１６の流量Ｑ ₁ に変換すること
により、高温流体の流量を測定する演算部２０を有する
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。

【００１４】上記構成によれば、例えば図１に示すよう
に、冷却槽１に収納された冷却水１１により、測定部配
管２全体が冷却されるので、たとえ超音波センサ３、４
の限界温度を越える高温流体１６が測定部配管２に流入
しても、該高温流体１６は、冷却されている測定部配管
２に進入すると低温流体１７になり、該低温流体１７の
流量Ｑ₀ は、超音波センサ３、４により測定できる。

【００１５】従って、低温流体１７の流量Ｑ₀ を、例え
ば演算部２０により温度と圧力とを考慮して高温流体１
６の流量Ｑ₁ （図１）に変換すれば、以下に述べるよう
に、高温流体の流量を正確に測定できる超音波流量計を
提供することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、実施形態により
添付図面を参照して、説明する。図１は本発明の構成を
示す図、図２は本発明の外観斜視図である。図１におい
て、参照符号１は冷却槽、２は測定部配管、３と４は超
音波センサ、５は上流配管、６は下流配管、７と９は圧
力センサ、８と１０は温度センサ、２０は演算部であ
る。

【００１７】（１）構成 図１に示す冷却槽１には、冷却水１１が収納され、該冷
却水１１は冷却槽１の給水口１２から入り、排水口１３
から排出され、常に一定の温度に維持されている。

【００１８】この冷却水１１には、図示するように、測
定部配管２が浸漬され、該測定部配管２の外壁２Ｂに
は、超音波センサ３、４が取り付けられている。

【００１９】この超音波センサ３、４は、後述する演算
部２０に接続され、振動子３Ａ、４Ａが受波した受波信
号は、電気信号Ｇ１、Ｇ２に変換されて演算部２０に入
力される。

【００２０】これに基づいて低温流体１７の流量Ｑ₀ を
測定し、それを一定の条件の下に変換することにより、
高温流体１６の流量Ｑ₁ が測定されるようなっている。

【００２１】上記記測定部配管２は、フランジ２Ａを有
し、該フランジ２Ａは、上流配管５のフランジ５Ａと、
また他方のフランジ２Ａは、下流配管６のフランジ６Ａ
と、それぞれボルト１４とナット１５により結合されて
いる。

【００２２】一方、冷却槽１には、開口部１Ａ、１Ｂが
形成され、該開口部１Ａ、１Ｂに沿って、防水シール１
８、１９が施され、上記上流配管５と下流配管６は、そ
れぞれ防水シール１８、１９を介して、上記開口部１
Ａ、１Ｂを貫通している。

【００２３】上流配管５には、排気ガス等の高温流体１
６が流入し、該高温流体１６は、冷却水１１に浸漬して
いる測定部配管２に進入すると低温流体１７になり、下
流配管６から排出される。

【００２４】この上流配管５には、圧力センサ７と温度
センサ８が取り付けられ、圧力センサ７では高温流体１
６の圧力Ｐ₁ が、また温度センサ８では高温流体１６の
温度Ｔ₁ がそれぞれ検出され、電気信号Ｇ３、Ｇ４に変
換されて演算部２０に入力する。

【００２５】また下流配管６には、圧力センサ９と温度
センサ１０が取り付けられ、圧力センサ９では低温流体
１７の圧力Ｐ₀ が、また温度センサ１０では低温流体１
７の温度Ｔ₀ がそれぞれ検出され、電気信号Ｇ５、Ｇ６
に変換されて演算部２０に入力する。

【００２６】演算部２０は、既述した超音波センサ３、
４からの信号Ｇ１、Ｇ２、圧力センサ７、９からの信号
Ｇ３、Ｇ５、及び温度センサ８、１０からの信号Ｇ４、
Ｇ６をそれぞれ入力し、低温流体１７の流量Ｑ₀ を測定
すると共にそれを一定の条件の下に変換し、高温流体１
６の流量Ｑ₁ を測定する。

【００２７】また、演算部２０は、図１の装置全体の制
御を掌どる。

【００２８】（２）作用 以下、上記構成を有する本発明の作用を説明する。

【００２９】（２）−Ａ 測定部配管２の冷却 先ず、図１、図２に示すように、冷却槽１の給水口１２
から冷却水１１を入れ、排水口１３から排水し、冷却槽
１を常に一定の温度に維持された冷却水１１で満たして
おく。

【００３０】この状態で、測定部配管２を冷却水１１に
浸漬すると、該測定部配管２とそれに取り付けられた超
音波センサ３、４は、一定の温度に冷却される。

【００３１】（２）−Ｂ 高温流体１６の流入と低温化 上記のように測定部配管２全体が冷却されている状態
で、上流配管５に高温流体１６を流入すると、該高温流
体１６が測定部配管２に進入するにつれて低温流体１７
になり、下流配管６から排出される。

【００３２】（２）−Ｃ 低温流体１７の流量Ｑ₀ の測
定 測定部配管２には、既述したように超音波センサ３、４
が取り付けられ、高温流体１６は、この測定部配管２に
進入すると低温流体１７になる。

【００３３】従って、先ず、次のようにして、低温流体
１７の流量Ｑ₀ を測定する。

【００３４】即ち、演算部２０は、入力される受波信号
Ｇ１、Ｇ２に基づいて、低温流体１７の流れに沿って上
流側センサ３から下流側センサ４へ発射される超音波Ｓ
１の伝播時間ｔ１と、低温流体１７の流れに逆らって下
流側センサ４から上流側センサ３へ発射される超音波Ｓ
２の伝播時間ｔ２を計測する。

【００３５】これにより、超音波センサ３、４間の距離
をＬ、両者の設置角度をθとして、演算部２０は、セン
サ３、４間の低温流体１７の平均流速Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓ
θ｛（１／ｔ１）−（１／ｔ２）｝を求め、これに測定
部配管２の断面積、及び一定の補正係数を掛けることに
より、低温流体１７の流量Ｑ₀ を測定する。

【００３６】（２）−Ｄ 高温流体１６の流量Ｑ₁ への
変換 一方、演算部２０には、既述したように、圧力センサ７
で検出された高温流体１６の圧力信号Ｇ３、温度センサ
８で検出された高温流体１６の温度信号Ｇ４、圧力セン
サ９で検出された低温流体１７の圧力信号Ｇ５、温度セ
ンサ１０で検出された低温流体１７の温度信号Ｇ６が、
それぞれ入力されている。

【００３７】従って、（２）−Ｃで流量Ｑ₀ を測定した
低温流体１７について、圧力をＰ₀ 、温度をＴ₀ とし、
これから流量Ｑ₁ を求めようとする高温流体１６につい
て、圧力をＰ₁ 温度をＴ₁ とすれば、よく知られている
ように、Ｂｏｙｌｅ−Ｃｈａｒｌｅｓの法則により、流
量Ｑ₁ は、次式で換算される。

【００３８】 Ｑ₁ ＝Ｑ₀ ×｛（Ｐ₀ ／Ｔ₀ ）×（Ｔ₁ ／Ｐ₁ ）｝・・・・

【００３９】即ち、低温流体１７の流量Ｑ₀ について
は、 Ｑ₀ ∝ Ｔ₀ ／Ｐ₀ ・・・・・

【００４０】また、高温流体１６の流量Ｑ₁ について
は、 Ｑ₁ ∝ Ｔ₁ ／Ｐ₁ ・・・・・

【００４１】従って、式と式から、式が導かれ、
高温流体１６の流量Ｑ₁ が測定される。

【００４２】尚、上記実施形態の説明に際しては、高温
流体１６が排気ガスについて詳述したが、本発明はそれ
に限定されず、溶鉱炉やゴミ処理場のような加熱処理敷
設からの熱風、あるいはプラスチック成形工場から排出
される高温流体についても適用され、同様の効果を奏す
ることは勿論である。

【００４３】

【発明の効果】上記のとおり、本発明によれば、測定部
配管全体が冷却されるので、たとえ超音波センサの限界
温度を越える高温流体が測定部配管に流入しても、該高
温流体は、冷却されている測定部配管に進入すると低温
流体になり、該低温流体の流量は、超音波センサにより
測定できる。

【００４４】従って、低温流体の流量を、温度センサと
圧力センサを用いて測定した温度と圧力とを考慮して高
温流体の流量に変換すれば、高温流体の流量を正確に測
定できるという技術的効果を奏することとなった。

【００４５】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示す図である。

【図２】本発明の外観斜視図である。

【図３】従来技術の説明図である。

【符号の説明】

１ 冷却槽 ２ 測定部配管 ２Ａ 測定部配管２のフランジ ２Ｂ 測定部配管２の外壁 ３、４ 超音波センサ ３Ａ、４Ｂ 超音波センサ３、４の振動子 ５ 上流配管 ５Ａ 上流配管５のフランジ ６ 下流配管 ６Ａ 下流配管６のフランジ ７、９ 圧力センサ ８、１０ 温度センサ １１ 冷却水 １２ 給水口 １３ 排水口 １４ ボルト １５ ナット １６ 高温流体 １７ 低温流体 １８、１９ 防水シール ２０ 演算部

フロントページの続き (72)発明者 清水 和義 東京都羽村市栄町３−１−５ 株式会社 カイジョー内 審査官 飯野 茂 (56)参考文献 特開 平８−122353（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−43941（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−287990（ＪＰ，Ａ) 特表 平10−508111（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/66

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温度が常に一定に維持されている冷却水
   で満たされた冷却槽と、冷却水に浸漬されて上流側から
   高温流体を流入させ下流側から低温流体を排出する測定
   部配管と、冷却槽内であって測定部配管に取り付けられ
   ている超音波センサと、冷却槽外であって測定部配管の
   上流側と下流側にそれぞれ取り付けられた圧力センサ及
   び温度センサと、超音波センサを介して測定した低温流
   体の流量を、圧力センサ、温度センサを介して測定した
   圧力、温度を考慮して高温流体の流量に変換することに
   より、高温流体の流量を測定する演算部を有することを
   特徴とする超音波流量計。
2. 【請求項２】 上記圧力センサ及び温度センサは、測定
   部配管に結合され冷却槽を貫通している上流配管と下流
   配管にそれぞれ取り付けられている請求項１記載の超音
   波流量計。