JP3341721B2 - 超音波式流量計 - Google Patents
超音波式流量計Info
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- ultrasonic sensor
- flow path
- gas
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- 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
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波式流量計、
特に超音波センサを用いてガスや液体などの流量を計測
する超音波式流量計に関する。
特に超音波センサを用いてガスや液体などの流量を計測
する超音波式流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】図４に、従来の超音波式流量計を示す。
図４において、超音波式流量計１は、流体管２と、流体
管２の側壁に設けられた超音波センサ３および４から構
成されている。ここで、２つの超音波センサ３および４
は、互いに対向するとともに、その方向を流体管２の内
部の流路に直交する方向に対して一定角度だけ傾けて配
置されている。なお、超音波センサ３および４は、超音
波の放射と受信の両方の機能を有するものとする。
図４において、超音波式流量計１は、流体管２と、流体
管２の側壁に設けられた超音波センサ３および４から構
成されている。ここで、２つの超音波センサ３および４
は、互いに対向するとともに、その方向を流体管２の内
部の流路に直交する方向に対して一定角度だけ傾けて配
置されている。なお、超音波センサ３および４は、超音
波の放射と受信の両方の機能を有するものとする。
【０００３】このように構成された超音波式流量計１に
おいて、流体管２にガスＧが一定の速度で流れていると
する。この場合、超音波センサ３はガスＧの上流側、超
音波センサ４はガスＧの下流側に位置することになる。
おいて、流体管２にガスＧが一定の速度で流れていると
する。この場合、超音波センサ３はガスＧの上流側、超
音波センサ４はガスＧの下流側に位置することになる。
【０００４】ここで、超音波センサ３および４から同時
にパルス状の超音波ＡおよびＢを発生させ、それぞれ超
音波センサ４および３でそれぞれ受信する。超音波セン
サ３から超音波センサ４への超音波Ａは、ガスＧの上流
から下流へ向かう方向になるため、その到達時間Ｔａ
は、逆の方向になる超音波センサ４から超音波センサ３
への超音波Ｂの到達時間Ｔｂより短くなる。そして、こ
の到達時間の差はガスＧの流速に比例する。
にパルス状の超音波ＡおよびＢを発生させ、それぞれ超
音波センサ４および３でそれぞれ受信する。超音波セン
サ３から超音波センサ４への超音波Ａは、ガスＧの上流
から下流へ向かう方向になるため、その到達時間Ｔａ
は、逆の方向になる超音波センサ４から超音波センサ３
への超音波Ｂの到達時間Ｔｂより短くなる。そして、こ
の到達時間の差はガスＧの流速に比例する。
【０００５】したがって、超音波ＡおよびＢの到達時間
の差を検出することによってガスＧの流速を計測するこ
とができる。さらに、流体管２の断面積が既知であれ
ば、ガスＧの流速から流量を計測することができる。
の差を検出することによってガスＧの流速を計測するこ
とができる。さらに、流体管２の断面積が既知であれ
ば、ガスＧの流速から流量を計測することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
超音波式流量計１においては、２つの超音波センサを必
要とするため、超音波式流量計の低価格化を妨げる原因
となっていた。また、２つの超音波センサの特性ばらつ
きが流量計の測定精度を劣化させる原因になるため、超
音波センサのばらつきの管理が必要という問題もあっ
た。さらに、超音波センサのばらつきを抑えるための選
別なども、低価格化を妨げる原因となっていた。
超音波式流量計１においては、２つの超音波センサを必
要とするため、超音波式流量計の低価格化を妨げる原因
となっていた。また、２つの超音波センサの特性ばらつ
きが流量計の測定精度を劣化させる原因になるため、超
音波センサのばらつきの管理が必要という問題もあっ
た。さらに、超音波センサのばらつきを抑えるための選
別なども、低価格化を妨げる原因となっていた。
【０００７】そこで、本発明では、超音波センサのばら
つきに起因する問題を無くすことができ、低価格化を実
現できる超音波式流量計を提供することを目的とする。
つきに起因する問題を無くすことができ、低価格化を実
現できる超音波式流量計を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の超音波式流量計は、遮蔽部によって内部を
第１および第２の流路に分割された流体管と、該流体管
の一端に設けられた超音波センサと、前記流体管の他端
に設けられ、前記超音波センサから放射されて前記第１
および第２の流路を経由して到達した超音波を反射し
て、それぞれ互いに異なる流路を経由して前記超音波セ
ンサに戻す反射板と、前記流体管の一端および他端の近
傍にそれぞれ設けられ、前記第１の流路と接続する第１
および第２の接続流路とを有することを特徴とする。
に、本発明の超音波式流量計は、遮蔽部によって内部を
第１および第２の流路に分割された流体管と、該流体管
の一端に設けられた超音波センサと、前記流体管の他端
に設けられ、前記超音波センサから放射されて前記第１
および第２の流路を経由して到達した超音波を反射し
て、それぞれ互いに異なる流路を経由して前記超音波セ
ンサに戻す反射板と、前記流体管の一端および他端の近
傍にそれぞれ設けられ、前記第１の流路と接続する第１
および第２の接続流路とを有することを特徴とする。
【０００９】また、本発明の超音波式流量計は、前記流
体管の一端および他端の近傍にそれぞれ接続された第１
および第２の接続管を有し、該第１および第２の接続管
の内部に前記第１および第２の接続流路がそれぞれ形成
されてなることを特徴とする。
体管の一端および他端の近傍にそれぞれ接続された第１
および第２の接続管を有し、該第１および第２の接続管
の内部に前記第１および第２の接続流路がそれぞれ形成
されてなることを特徴とする。
【００１０】このように構成することにより、本発明の
超音波式流量計は、低価格化を実現することができる。
超音波式流量計は、低価格化を実現することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１に、本発明の超音波式流量計
の一実施例を示す。図１は、超音波式流量計の断面図を
示している。図１において、超音波式流量計１０は、流
体管１１と、流体管１１の一端に設けられた超音波セン
サ１５と、同じく他端に設けられた反射板１６と、流体
管１１に接続された接続管１７および１９から構成され
ている。ここで、流体管１１の内部は遮蔽部１２によっ
て第１の流路１３と第２の流路１４に分割されている。
そして、接続管１７および１９は、流体管１１の第１の
流路１３側の一端と他端の近傍に接続されている。接続
管１７および１９の内部は第１の接続流路１８および第
２の接続流路２０となっており、それぞれ第１の流路１
３と接続されている。
の一実施例を示す。図１は、超音波式流量計の断面図を
示している。図１において、超音波式流量計１０は、流
体管１１と、流体管１１の一端に設けられた超音波セン
サ１５と、同じく他端に設けられた反射板１６と、流体
管１１に接続された接続管１７および１９から構成され
ている。ここで、流体管１１の内部は遮蔽部１２によっ
て第１の流路１３と第２の流路１４に分割されている。
そして、接続管１７および１９は、流体管１１の第１の
流路１３側の一端と他端の近傍に接続されている。接続
管１７および１９の内部は第１の接続流路１８および第
２の接続流路２０となっており、それぞれ第１の流路１
３と接続されている。
【００１２】このように構成された超音波式流量計１０
において、第１の接続流路１８を通して流体管１１にガ
スＧを流入させると、ガスＧは流体管１１の第１の流路
１３や第２の流路１４に充満し、さらに、第２の接続流
路２０から流出する。そして、ガスＧが第１の接続流路
１８から流れ込み続けている状態においては、第１の接
続流路１８から流入し、第１の流路１３を経由して、第
２の接続流路２０から流出するガスＧの流れができる。
このとき、第２の流路１４に充満したガスＧはほとんど
流れることなく停滞している。
において、第１の接続流路１８を通して流体管１１にガ
スＧを流入させると、ガスＧは流体管１１の第１の流路
１３や第２の流路１４に充満し、さらに、第２の接続流
路２０から流出する。そして、ガスＧが第１の接続流路
１８から流れ込み続けている状態においては、第１の接
続流路１８から流入し、第１の流路１３を経由して、第
２の接続流路２０から流出するガスＧの流れができる。
このとき、第２の流路１４に充満したガスＧはほとんど
流れることなく停滞している。
【００１３】ここで、超音波センサ１５からパルス状の
超音波を放射すると、放射された超音波は第１の流路１
３および第２の流路１４の双方を経由して反射板１６に
到達する。このうち、第１の流路１３を経由する超音波
をＣとし、第２の流路を経由する超音波をＤとする。そ
して、反射板１６に到達した超音波は、それぞれ異なる
流路の方を経由して超音波センサ１５に再び到達するよ
うに反射される。すなわち、第１の流路１３を経由して
反射板１６に到達した超音波Ｃは、第２の流路１４を経
由して超音波センサ１５に再び到達する。また、第２の
流路１４を経由して反射板１６に到達した超音波Ｄは、
第１の流路１３を経由して超音波センサ１５に到達す
る。そして、超音波センサ１５をパルス状の超音波を放
射した後で受信状態にしておくことによって、超音波Ｃ
とＤは超音波センサ１５で受信される。
超音波を放射すると、放射された超音波は第１の流路１
３および第２の流路１４の双方を経由して反射板１６に
到達する。このうち、第１の流路１３を経由する超音波
をＣとし、第２の流路を経由する超音波をＤとする。そ
して、反射板１６に到達した超音波は、それぞれ異なる
流路の方を経由して超音波センサ１５に再び到達するよ
うに反射される。すなわち、第１の流路１３を経由して
反射板１６に到達した超音波Ｃは、第２の流路１４を経
由して超音波センサ１５に再び到達する。また、第２の
流路１４を経由して反射板１６に到達した超音波Ｄは、
第１の流路１３を経由して超音波センサ１５に到達す
る。そして、超音波センサ１５をパルス状の超音波を放
射した後で受信状態にしておくことによって、超音波Ｃ
とＤは超音波センサ１５で受信される。
【００１４】このとき、第１の流路１３においては、第
１の接続流路１８に接続された位置と第２の接続流路２
０に接続された位置の間に、超音波センサ１５から反射
板１６へ向かう方向のガスＧの流れが存在する。そのた
め、第１の流路１３においては、超音波センサ１５から
反射板１６に向かう超音波Ｃの速度の方が、反射板１６
から超音波センサ１５に向かう超音波Ｄの速度より速く
なる。なお、第２の流路１４においてはガスの流れが存
在しないため、超音波センサ１５から反射板１６に向か
う超音波Ｄの速度と反射板１６から超音波センサ１５に
向かう超音波Ｃの速度は等しい。
１の接続流路１８に接続された位置と第２の接続流路２
０に接続された位置の間に、超音波センサ１５から反射
板１６へ向かう方向のガスＧの流れが存在する。そのた
め、第１の流路１３においては、超音波センサ１５から
反射板１６に向かう超音波Ｃの速度の方が、反射板１６
から超音波センサ１５に向かう超音波Ｄの速度より速く
なる。なお、第２の流路１４においてはガスの流れが存
在しないため、超音波センサ１５から反射板１６に向か
う超音波Ｄの速度と反射板１６から超音波センサ１５に
向かう超音波Ｃの速度は等しい。
【００１５】その結果、同時に超音波センサ１５から放
射された超音波ＣとＤのうち、第１の流路１３を超音波
センサ１５から反射板１６に向かう方向に伝搬した超音
波Ｃの方が、第１の流路１３を反射板１６から超音波セ
ンサ１５に向かう方向に伝搬した超音波Ｄより早く超音
波センサ１５に到達し、受信される。そして、この超音
波Ｃと超音波Ｄの受信時間のズレが流路１３を流れるガ
スＧの流速に比例する。したがって、超音波ＣおよびＤ
の到達時間の差を検出することによってガスＧの流速、
ひいてはガスＧの流量を計測することができる。
射された超音波ＣとＤのうち、第１の流路１３を超音波
センサ１５から反射板１６に向かう方向に伝搬した超音
波Ｃの方が、第１の流路１３を反射板１６から超音波セ
ンサ１５に向かう方向に伝搬した超音波Ｄより早く超音
波センサ１５に到達し、受信される。そして、この超音
波Ｃと超音波Ｄの受信時間のズレが流路１３を流れるガ
スＧの流速に比例する。したがって、超音波ＣおよびＤ
の到達時間の差を検出することによってガスＧの流速、
ひいてはガスＧの流量を計測することができる。
【００１６】図２に、超音波センサ１５から超音波とし
て送信される信号と受信される信号の時間変化を示す。
図２において、（ａ）は送信した信号を、（ｂ）は受信
した信号を示している。
て送信される信号と受信される信号の時間変化を示す。
図２において、（ａ）は送信した信号を、（ｂ）は受信
した信号を示している。
【００１７】図２に示すように、まず単発のパルス状の
信号Ｓｔが送信される。信号Ｓｔは超音波センサ１５か
ら超音波ＣおよびＤとなって放射され、第１および第２
の流路１３、１４を経由し、再び超音波センサ１５で受
信される。このとき、先に超音波センサ１５に到達した
超音波Ｃは信号Ｓｃとして受信され、後で超音波センサ
１５に到達した超音波Ｄは信号Ｓｄとして受信される。
信号ＳｃとＳｄの間には時間差Ｄｔが存在する。上述の
ように、この時間差ＤｔがガスＧの流速に比例するた
め、これを検出することによってガスＧの流速や流量を
計測することができる。
信号Ｓｔが送信される。信号Ｓｔは超音波センサ１５か
ら超音波ＣおよびＤとなって放射され、第１および第２
の流路１３、１４を経由し、再び超音波センサ１５で受
信される。このとき、先に超音波センサ１５に到達した
超音波Ｃは信号Ｓｃとして受信され、後で超音波センサ
１５に到達した超音波Ｄは信号Ｓｄとして受信される。
信号ＳｃとＳｄの間には時間差Ｄｔが存在する。上述の
ように、この時間差ＤｔがガスＧの流速に比例するた
め、これを検出することによってガスＧの流速や流量を
計測することができる。
【００１８】なお、超音波式流量計１０において、第１
の流路１３を逆の方向にガスＧが流れているときには、
超音波Ｄの方が超音波Ｃより先に超音波センサ１５に到
達して受信されるために、信号ＳｄとＳｃが入れ替わ
る。そして、この場合にも同様にガスＧの流速や流量を
計測することができる。
の流路１３を逆の方向にガスＧが流れているときには、
超音波Ｄの方が超音波Ｃより先に超音波センサ１５に到
達して受信されるために、信号ＳｄとＳｃが入れ替わ
る。そして、この場合にも同様にガスＧの流速や流量を
計測することができる。
【００１９】上記の実施例においては、パルス状の超音
波を放射する方式について説明したが、超音波センサか
ら放射される超音波としては、いくつかの波をまとめて
出力するバースト状の超音波であっても構わない。図３
に、超音波センサ１５からバースト状の超音波を放射し
た場合の、第１の流路１３を超音波センサ１５から反射
板１６に向かう方向に伝搬する超音波Ｅの受信信号Ｓ
ｅ、および第１の流路１３を反射板１６から超音波セン
サ１５に向かう方向に伝搬する超音波Ｆの受信信号Ｓ
ｆ、および両者を合成して、実際に超音波センサ１５で
受信して出力される出力信号Ｓｇ波形を示す。ここで、
図３（ａ）はガスＧの流速がゼロの場合を、図３（ｂ）
はガスＧが一定の流速で流れている場合を、図３（ｃ）
はガスＧの流速がさらに速い場合を示している。なお、
図３において、横軸は時間を、縦軸は信号の振幅を表し
ている。
波を放射する方式について説明したが、超音波センサか
ら放射される超音波としては、いくつかの波をまとめて
出力するバースト状の超音波であっても構わない。図３
に、超音波センサ１５からバースト状の超音波を放射し
た場合の、第１の流路１３を超音波センサ１５から反射
板１６に向かう方向に伝搬する超音波Ｅの受信信号Ｓ
ｅ、および第１の流路１３を反射板１６から超音波セン
サ１５に向かう方向に伝搬する超音波Ｆの受信信号Ｓ
ｆ、および両者を合成して、実際に超音波センサ１５で
受信して出力される出力信号Ｓｇ波形を示す。ここで、
図３（ａ）はガスＧの流速がゼロの場合を、図３（ｂ）
はガスＧが一定の流速で流れている場合を、図３（ｃ）
はガスＧの流速がさらに速い場合を示している。なお、
図３において、横軸は時間を、縦軸は信号の振幅を表し
ている。
【００２０】まず、図３（ａ）に示すように、ガスＧが
流れていないときは受信信号ＳｅとＳｆの位相は完全に
一致する。そのために、両者を合成した出力信号Ｓｇの
振幅は大きくなる。
流れていないときは受信信号ＳｅとＳｆの位相は完全に
一致する。そのために、両者を合成した出力信号Ｓｇの
振幅は大きくなる。
【００２１】次に、図３（ｂ）に示すように、ガスＧが
一定の流速で流れている場合には、受信信号Ｓｅの方が
早く受信が始まり、受信信号Ｓｆの方は遅く受信が始ま
っているために、受信信号Ｓｅと受信信号Ｓｆの間に位
相のズレが生じる。そのため、両者を合成した出力信号
Ｓｇの振幅は、互いに相殺し合う部分があるために、ガ
スＧが流れていないときに比べて小さくなる。
一定の流速で流れている場合には、受信信号Ｓｅの方が
早く受信が始まり、受信信号Ｓｆの方は遅く受信が始ま
っているために、受信信号Ｓｅと受信信号Ｓｆの間に位
相のズレが生じる。そのため、両者を合成した出力信号
Ｓｇの振幅は、互いに相殺し合う部分があるために、ガ
スＧが流れていないときに比べて小さくなる。
【００２２】さらに、図３（ｃ）に示すように、ガスＧ
がさらに速く流れている場合には、受信信号Ｓｅと受信
信号Ｓｆの位相にさらに大きなズレが生じ、特にそのズ
レが信号周期の１／２になる場合がある。この場合に
は、両者を合成した信号はほとんどが互いに相殺されて
しまい、出力信号Ｓｇの振幅はわずかなものになる。
がさらに速く流れている場合には、受信信号Ｓｅと受信
信号Ｓｆの位相にさらに大きなズレが生じ、特にそのズ
レが信号周期の１／２になる場合がある。この場合に
は、両者を合成した信号はほとんどが互いに相殺されて
しまい、出力信号Ｓｇの振幅はわずかなものになる。
【００２３】このように、超音波センサ１５による受信
信号の時間差だけではなく、超音波センサ１５から出力
される信号の振幅によってもガスＧの流速を検出するこ
とができる。
信号の時間差だけではなく、超音波センサ１５から出力
される信号の振幅によってもガスＧの流速を検出するこ
とができる。
【００２４】以上説明したように、本発明の超音波式流
量計１０においては、１つの超音波センサを使って流量
の測定が可能となり、２つの超音波センサを用いる方式
に比べて低価格化を実現することができる。また、１つ
の超音波センサを使用するだけであるために、超音波セ
ンサの特性ばらつきを考慮する必要がなく、この点にお
いても超音波式流量計の低価格化を実現することができ
る。
量計１０においては、１つの超音波センサを使って流量
の測定が可能となり、２つの超音波センサを用いる方式
に比べて低価格化を実現することができる。また、１つ
の超音波センサを使用するだけであるために、超音波セ
ンサの特性ばらつきを考慮する必要がなく、この点にお
いても超音波式流量計の低価格化を実現することができ
る。
【００２５】なお、超音波式流量計１０においてはガス
の流量を計測する場合について説明したが、ガスの流量
に限るものではなく液体の流量であっても同様に計測す
ることができるものである。
の流量を計測する場合について説明したが、ガスの流量
に限るものではなく液体の流量であっても同様に計測す
ることができるものである。
【００２６】
【発明の効果】本発明の超音波式流量計によれば、遮蔽
部によって内部を第１および第２の流路に分割された流
体管と、その一端に設けられた超音波センサと、その他
端に設けられ、超音波センサから放射されて第１および
第２の流路を経由して到達した超音波を反射して、それ
ぞれ互いに異なる流路を経由して超音波センサに戻す反
射板と、流体管の一端および他端の近傍にそれぞれ設け
られ、第１の流路と接続する第１および第２の接続流路
とを有することによって、超音波センサを１つ使うだけ
で超音波式流量計を実現することができ、超音波式流量
計の低価格化を実現することができる。
部によって内部を第１および第２の流路に分割された流
体管と、その一端に設けられた超音波センサと、その他
端に設けられ、超音波センサから放射されて第１および
第２の流路を経由して到達した超音波を反射して、それ
ぞれ互いに異なる流路を経由して超音波センサに戻す反
射板と、流体管の一端および他端の近傍にそれぞれ設け
られ、第１の流路と接続する第１および第２の接続流路
とを有することによって、超音波センサを１つ使うだけ
で超音波式流量計を実現することができ、超音波式流量
計の低価格化を実現することができる。
【図１】本発明の超音波式流量計の一実施例を示す断面
図である。
図である。
【図２】本発明の超音波式流量計において、送信および
受信される信号の波形を示す図である。
受信される信号の波形を示す図である。
【図３】本発明の超音波式流量計において、送信および
受信される信号の別の波形を示す図である。
受信される信号の別の波形を示す図である。
【図４】従来の超音波式流量計を示す断面図である。
１０…超音波式流量計 １１…流体管 １２…遮蔽部 １３…第１の流路 １４…第２の流路 １５…超音波センサ １６…反射板 １７…第１の接続管 １８…第１の接続流路 １９…第２の接続管 ２０…第２の接続流路 Ｇ…ガス Ｃ、Ｄ…超音波
Claims (2)
- 【請求項１】 遮蔽部によって内部を第１および第２の
流路に分割された流体管と、 該流体管の一端に設けられた超音波センサと 前記流体管の他端に設けられ、前記超音波センサから放
射されて前記第１および第２の流路を経由して到達した
超音波を反射して、それぞれ互いに異なる流路を経由し
て前記超音波センサに戻す反射板と、 前記流体管の一端および他端の近傍にそれぞれ設けら
れ、前記第１の流路と接続する第１および第２の接続流
路とを有することを特徴とする超音波式流量計。 - 【請求項２】 前記流体管の一端および他端の近傍にそ
れぞれ接続された第１および第２の接続管を有し、該第
１および第２の接続管の内部に前記第１および第２の接
続流路がそれぞれ形成されてなることを特徴とする、請
求項１に記載の超音波式流量計。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19636999A JP3341721B2 (ja) | 1999-07-09 | 1999-07-09 | 超音波式流量計 |
| DE60044795T DE60044795D1 (de) | 1999-07-09 | 2000-07-06 | Ultraschall-Durchflussmesser unter Verwendung nur eines Sensors |
| EP00114528A EP1067366B1 (en) | 1999-07-09 | 2000-07-06 | Ultrasonic flowmeter using only one sensor |
| US09/612,843 US6520027B1 (en) | 1999-07-09 | 2000-07-10 | Ultrasonic flowmeter for measuring the flow rate of a gas or liquid by using an ultrasonic sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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