JP3438371B2 - 流量計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波を利用してガス
・水などの流体の流量を計測する流量計測装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の流量計測装置は、図７に
示すように、流体管路１の一部に超音波振動子２と３を
流れの方向に相対して設け、振動子２から流れ方向に超
音波を発生しこの超音波を振動子３で検出すると再び振
動子２から超音波を発生させ、この繰り返しを行ってそ
の時間を計測し、逆に振動子３から流れに逆らって超音
波を発生し同様の繰り返し時間を計測し、この時間の差
から流体の速度を演算していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の流量計測装置では、流体管路内の流体の流速に依存
した流速分布を示すため、即ち、低流速の場合には層流
となり、高流速の場合には乱流となる。従って、低流速
の場合の層流域と、高流速の場合の乱流域とでは流体の
流速から流体の流量を換算する際の流量換算係数が異な
り、これが流体の流量を求める時の誤差となり、測定精
度に影響を与え、広い流量範囲にわたって高精度の測定
が困難であった。

【０００４】本発明は上記課題を解決するもので、広い
流量範囲にわたって高精度の流量計測ができる流量計測
装置を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の流量計測装置は、流路中の流体を介して超音
波を送受信する一対の振動子と、超音波伝播の時間から
流体の流速を演算する流速演算手段と、振動子で受信さ
れる超音波受信信号の振幅を検出する振幅検出手段と、
前記振幅検出手段に基づく超音波の振幅から流量補正係
数を演算する流量補正係数演算手段と、前記流速演算手
段による流体の流速と前記流量補正係数演算手段による
流量補正係数とから流体の流量を算出する流量演算手段
とを備えた構成とした。

【０００６】また流速演算手段にて演算した流速を予め
設定された上限、下限の流速値と比較する流速比較手段
を備え、前記流速比較手段により比較された結果に基づ
いて流量補正係数を決定し、流体の流量を算出するよう
にした。

【０００７】また流速演算手段にて演算した流速が、予
め設定された上限流速値よりも大きい場合、あるいは予
め設定された下限流速値よりも小さい場合に、流量補正
係数は、予め設定されたそれぞれの流量補正係数に設定
するようにした。

【０００８】また速演算手段にて演算した流速が、予め
設定された下限流速値から上限流速値までの間の場合
に、流量補正係数演算手段による補正係数の演算を行う
ようにした。

【０００９】また振幅検出手段に基づく振幅を予め設定
された上限、下限の振幅値と比較する振幅比較手段と、
前記振幅比較手段により比較された結果に基づいて流量
補正係数を決定し、流体の流量を算出するようにした。

【００１０】また振幅検出手段にて検出された振幅が、
予め設定された上限振幅値よりも大きい場合、あるいは
予め設定された下限振幅値より小さい場合に、流量補正
係数は予め設定された係数とするようにした。また振幅
検出手段にて検出された振幅が、予め設定された下限振
幅値から上限振 幅値までの間の場合に、流量補正係数演
算手段による補正係数の演算を行うようにした。

【００１１】また流速演算手段により演算した流速を予
め設定された上限、下限の流速値と比較する流速比較手
段と、振幅検出手段に基づく振幅を予め設定された上
限、下限の振幅値と比較する振幅比較手段とを備え、前
記流速比較手段により比較された結果と前記振幅比較手
段により比較された結果とに基づいて流量補正係数を決
定し、流体の流量を算出するようにした。

【００１２】また流速演算手段により演算した流速が予
め設定された上限流速値よりも大きい場合、あるいは予
め設定された下限流速値より小さい場合に、流量補正係
数は予め設定された係数とするようにした。

【００１３】また流速演算手段により演算した流速が予
め設定された下限振幅値から上限振幅値までの間の場合
に、流量補正係数演算手段による補正係数の演算を行う
ようにした。

【００１４】また振幅検出手段にて検出された振幅が予
め設定された上限振幅値よりも大きい場合、あるいは予
め設定された下限振幅値より小さい場合に、流量補正係
数は予め設定された係数とするようにした。

【００１５】また振幅検出手段にて検出された振幅が予
め設定された下限振幅値から上限振幅値までの間の場合
に、流量補正係数演算手段による補正係数の演算を行う
ようにした。

【００１６】また流速分布推定方法として、流路内の流
体に対して超音波を伝播させ受信し、前記受信した超音
波の振幅を検出し、前記検出した振幅から流路内の流体
の流速分布を推定するようにした。

【００１７】また流量測定方法として、流路内の流体に
対して上流から下流に超音波を伝播させる時間と下流か
ら上流に超音波を伝播させる時間との差から前記流路内
の流体の流速を求める工程と、前記超音波を伝播させ受
信した超音波受信信号の振幅を検出し、前記検出した振
幅から前記流路内の流体の流速分布を推定する工程と、
前記推定した流速分布と前記求めた流速から前記流路内
を流れる流体の流量を計測するようにした。

【００１８】さらに流量測定方法として、流路内の流体
に対して上流から下流に超音波を伝播させる時間と下流
から上流に超音波を伝播させる時間との差から前記流路
内の流体の流速を求める工程と、前記超音波を伝播させ
受信した超音波受信信号の振幅を検出し、前記検出した
振幅から前記流路内の流量補正係数を演算する工程と、
前記演算した流量補正係数と求めた流速から前記流路内
を流れる流体の流量を計測するようにした。

【００１９】

【作用】本発明は上記構成によって、広い流量範囲にわ
たって、高精度な流量計測ができるものである。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例を図面にもとづ
いて説明する。図１において、管状の流路４は、流量計
測を行う直管部５と、その両端に設けた絞り部６、７と
から構成した。

【００２１】超音波を送信・受信する振動子８、９は直
管部５の端部からほぼ振動子の径以上離れた絞り部内に
設置し、流れを乱さないようにした。また、振動子８、
９の直径は、直管部５の内径の約０．７程度とした。

【００２２】なお、矢印１０は超音波の伝播の方向を示
し、矢印１１は流体の流れの方向を示し、それぞれの方
向が一致するようにした。同図の場合、振動子８が上流
側で、振動子９が下流側となる。

【００２３】切り換え手段１２で、バースト信号を発生
する発振器１３からの信号が、上流側の振動子８と結線
されている場合、上流側の振動子８からでた超音波は流
路４内を伝播し、下流側の振動子９で受信される。受信
信号は、切り換え手段１２を通って増幅回路１４に入力
される。

【００２４】増幅回路１４では、受信信号を増幅し、一
方は振幅検出手段１５へ出力し、他方は繰り返し手段１
６へ出力する。振幅検出手段１５では、超音波の受信信
号の振幅を検出し、その結果を流量補正係数演算手段１
７へ伝送する。

【００２５】流量補正係数演算手段１７では、流量補正
係数ｋを演算後、その結果を流量演算手段１８へ伝送す
る。

【００２６】一方、増幅回路１４から繰り返し手段１６
へ伝送された信号は、予め決められた回数決定手段１９
の回数分だけ、バースト信号発生器に伝送され、前記の
超音波伝播を繰り返すことになる。

【００２７】予め決められた回数だけ超音波の伝播を繰
り返した後、タイマーなどの計時手段２１で、全所要時
間を計時する。全所要時間を計時した後、切り換え手段
１２を切り換えて、バースト信号を発生する発振器１３
からの信号が、下流側の振動子９に伝送されるように
し、また、上流側の振動子８で受信された信号が、増幅
回路１４に伝送されるようにする。

【００２８】このようにして、予め決められた回数だけ
超音波の伝播を繰り返した後、計時手段２１で、全所要
時間を計時する。

【００２９】このようにして、上流から下流、下流から
上流への１回あたりの超音波の伝播時間が求めれれる。
すなわち、上流から下流への時間をｔｄｎ、下流から上
流への時間をｔｕｐとすると、 ｔｄｎ＝Ｌ／(ｃ＋ｖ）＋ｄＴ、 ｔｕｐ＝Ｌ／(ｃ−ｖ）＋ｄＴで示される。

【００３０】ここで、dＴは受信から送信までの回路系
で遅れる遅延時間を示し、ｃ、ｖはそれぞれ流体中での
超音波の伝播速度と、流体の流速とを示し、Ｌは振動子
間の距離を示す。

【００３１】回路系での遅延時間dＴは、同一の回路系
を使用するため、同じと考えることができ、予め既知で
ある。従って、時間差dｔは、逆数をとって、次のよう
になる。

【００３２】 １／ｄｔ＝１／(ｔｄｎ−ｄＴ)−１／(ｔｕｐ−ｄＴ) ＝(ｃ＋ｖ)／Ｌ−(ｃ−ｖ)／Ｌ ＝２・ｖ／Ｌ このように、Ｌは振動子間の距離であり、予め既知であ
るから、時間差の逆数をとることにより、流体の流速ｖ
を演算することができる。

【００３３】このとき得られる流体の流速ｖは、上流
側、下流側の振動子で囲まれる流路内の平均的な流速と
なる。なお、この演算過程は、計時手段２１での計時結
果のあと、流速演算手段２２で実施される。

【００３４】次に振動子の受信信号について述べる。図
２に、管状の流路４内の流体の流速分布を示す。一点鎖
線２３は直管部５の中心軸を示す。実線２５は、流体の
流速ｖが大きく、流体の流れが乱流状態の時の流速分布
を示す。破線２６は、流体の流速ｖが小さく、流れが層
流状態の時の流速分布を示す。

【００３５】なお、流速分布は中心軸２３上の流速を
１．０として、相対的に示している。乱流状態の時（実
線２５）、管内の中央部では一様な流速分布を示し、管
壁のごく近傍でのみ流速が低下している。

【００３６】また、層流状態の時（破線２６）、管内の
中心軸から離れるに従って流速が放物線状に変化してい
る。例えば、管内の流れが層流の場合に、上流側の振動
子から下流側の振動子へ超音波を伝播させると、上流側
の振動子から出発した超音波の内、中心軸近傍を伝播す
る超音波は最も速く下流の振動子に到達し、管壁近傍を
伝播する超音波は少し遅れて到達することになる。図３
（ａ）、（ｂ）に、このときの振動子で受信される超音
波の受信波形を模式的に示す。

【００３７】同図（ａ）は、中心軸近傍を伝播してきた
超音波の受信波形を示し、同図（ｂ）は、管壁近傍を伝
播してきた超音波の受信波形を示し、この２つの受信波
が下流側の受信用振動子で同時に受信され、合成波が受
信信号として出力される。図中に示したｄＴは、流路内
の流速分布のために到達時間に差が発生し、その時間差
を示している。

【００３８】従って、層流の場合、時間差ｄＴが発生
し、位相差が生じるため、受信用振動子で受信される、
その合成波の振幅は、お互いに弱め合うため、小さくな
る。

【００３９】逆に、流れが乱流の場合、超音波の到達時
間差ｄＴが小さい、もしくは、零であるため、受信用振
動子で受信される、その合成波は、お互いに強め合うこ
とになる。

【００４０】このようにして、受信された合成波の振幅
から、管内の流体の流速分布を推定できる。この流速分
布の推定は、振幅検知手段１５で検知された受信波の振
幅を用いて、流量補正手段１７で実施され、流量補正係
数ｋを与える。流量補正係数ｋは、次のように与えられ
る。

【００４１】ｋ＝ｖ／＜ｖ＞ ここで、ｖは前記流速演算手段２２で演算された流体の
流速、＜ｖ＞は流体の流速分布を考慮した管内の平均流
速であり、一般に、流量補正係数ｋは、流速に依存する
が約１．０２〜１．１程度の値をとる。

【００４２】以上説明したように、流速演算手段２２で
演算された流速ｖと、流量補正手段１７で得られた流量
補正係数ｋとを用い、流量演算手段１８で流量Ｑを次の
様に与える。

【００４３】 Ｑ＝＜ｖ＞・Ｓ ＝（ｖ／ｋ）・Ｓ ここで、Ｓは管状の流路４の断面積を示す。

【００４４】本実施例による超音波流量計測装置では、
広い流量範囲にわたって、流量補正係数ｋで補正された
高精度な流量を測定することができる。

【００４５】図４は、第２の実施例であり、流速演算手
段２２で演算された流体の流速ｖを予め設定された上限
流速ＶH、下限流速ＶLと比較する流速比較手段２７を設
けた。

【００４６】流速比較手段２７では、演算された流体の
流速ｖを上限流速ＶH、あるいは下限流速ＶLと比較し、
上限流速ＶHよりも大きい場合は、乱流とみなし、予め
設定された流量補正係数ｋHを与えるようにした。同様
に、下限流速ＶLよりも小さい場合は、層流とみなし、
予め設定された流量補正係数ｋLを与えるようにした。

【００４７】従って、演算された流体の流速ｖが、上限
流速ＶHより小さく、下限流速ＶLよりも大きい場合、即
ち、層流と乱流の中間域にあたる遷移領域でのみ、流量
補正係数ｋを演算処理するようにした。これにより、演
算時間を短縮することができ、効率的となった。

【００４８】図５は第３の実施例であり、振幅検出手段
１５で検出された超音波の受信振幅を、予め設定された
上限振幅ＡH、下限振幅ＡLと比較する振幅比較手段２８
を設けた。

【００４９】振幅比較手段２８では、検出された超音波
の受信振幅を、予め設定された上限振幅ＡH、下限振幅
ＡLと比較し、上限振幅ＡHよりも大きい場合は、乱流と
みなし、予め設定された流量補正係数ｋHを与えるよう
にした。

【００５０】同様に、下限振幅ＡLよりも小さい場合
は、層流とみなし、予め設定された流量補正係数ｋLを
与えるようにした。

【００５１】従って、検出された超音波の受信振幅が上
限振幅ＡHよりも小さく、下限振幅ＡLよりも大きい場
合、即ち、層流と乱流の中間域にあたる遷移領域での
み、流量補正係数ｋを演算処理するようにした。これに
より、演算時間を短縮することができ、効率的となっ
た。

【００５２】図６は第４の実施例であり、流速演算手段
２２で演算された流体の流速ｖを予め設定された上限流
速ＶH、下限流速ＶLと比較する流速比較手段２７を設け
るとともに、振幅検出手段１５で検出された超音波の受
信振幅を、予め設定された上限振幅ＡH、下限振幅ＡLと
比較する振幅比較手段２８を設けた。

【００５３】従って、流体の流速により予め設定された
遷移領域でのみ、且つ、超音波の受信振幅により予め設
定された遷移領域でのみ流量補正係数ｋを演算処理する
ようにした。これにより、演算時間をより一層短縮する
ことができ、より効率的となった。

【００５４】上述した実施例の特長をまとめれば以下次
ぎの通りである。

【００５５】（１）流路中の流体を介して超音波を送受
信する一対の振動子と、前記振動子の送信受信の切り換
え手段と、前記振動子間相互の超音波伝達を連続して複
数回 繰り返し行う繰り返し手段と、超音波伝播の累積時
間から流体の流速を演算する流速演算手段と、超音波受
信振幅検出手段と、前記超音波受信振幅検出手段に基づ
く超音波受信振幅から流量補正係数を演算する流量補正
係数演算手段と、前記流速演算手段による流体の流速と
前記流量補正係数演算手段による流量補正係数とから流
体の流量を算出する流量演算手段とを備えたので、広い
流量範囲にわたって、流量補正係数ｋで補正された高精
度な流量を測定することができる。

【００５６】（２）流路中の流体を介して超音波を送受
信する一対の振動子と、前記振動子の送信受信の切り換
え手段と、前記振動子間相互の超音波伝達を連続して複
数回繰り返し行う繰り返し手段と、超音波伝播の累積時
間から流体の流速を演算する流速演算手段と、前記演算
された流速を予め設定された上限、下限の流速値と比較
する流速比較手段と、超音波受信振幅検出手段と、前記
超音波受信振幅検出手段に基づく超音波受信振幅から流
量補正係数を演算する流量補正係数演算手段と、前記流
速比較手段により比較された流体の流速と前記流量補正
係数演算手段による流量補正係数とから流体の流量を算
出する流量演算手段とを備えたので、広い流量範囲にわ
たって、流量補正係数ｋで補正された高精度な流量を測
定することができ、さらに、流速により効率よく演算処
理することができる。

【００５７】（３）流路中の流体を介して超音波を送受
信する一対の振動子と、前記振動子の送信受信の切り換
え手段と、前記振動子間相互の超音波伝達を連続して複
数回繰り返し行う繰り返し手段と、超音波伝播の累積時
間から流体の流速を演算する流速演算手段と、超音波受
信振幅検出手段と、前記超音波受信振幅検出手段に基づ
く超音波受信振幅を予め設定された上限、下限の振幅値
と比較する振幅比較手段と、前記振幅比較手段により比
較された超音波の振幅から流量補正係数を演算する流量
補正係数演算手段と、前記流速演算手段による流体の流
速と前記流量補正係数演算手段による流量補正係数とか
ら流体の流量を算出する流量演算手段とを備えたので、
広い流量範囲にわたって、流量補正係数ｋで補正された
高精度な流量を測定することができ、さらに、超音波の
受信振幅により効率よく演算処理することができる。

【００５８】（４）流路中の流体を介して超音波を送受
信する一対の振動子と、前記振動子の送信受信の切り換
え手段と、前記振動子間相互の超音波伝達を連続して複
数回繰り返し行う繰り返し手段と、超音波伝播の累積時
間から流体の流速を演算する流速演算手段と、前記演算
された流速を予め設定された上限、下限の流速値と比較
する流速比較手段と、超音波受信振幅検出手段と、前記
超音波受信振幅検出手段に基づく超音波受信振幅を予め
設定された上限、下限の振幅値と比較する振幅比較手段
と、前記振幅比較手段により比較された超音波の振幅か
ら流量補正係数を演算する流量補正係数演算手段と、前
記流速比較手段により比較された流体の流速と前記流量
補正係数演算手段による流量補正係数とから流体の流量
を算出する流量演算手段とを備えたので、広い流量範囲
にわたって、流量補正係数ｋで補正された高精度な流量
を測定することができ、さらに、超音波の受信振幅と、
流体の流速とにより効率よく演算処理することができ
る。

【００５９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、広い流量範囲にわたって高精度の流量計測が行
えるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の流量計測装置の制御ブ
ロック図

【図２】同装置の流速分布図

【図３】同装置の受信信号波形図

【図４】本発明の第２の実施例の流量計測装置の制御ブ
ロック図

【図５】本発明の第３の実施例の流量計測装置の制御ブ
ロック図

【図６】本発明の第４の実施例の流量計測装置の制御ブ
ロック図

【図７】従来の流量計測装置の制御ブロック図

【符号の説明】 ４ 流路 ８ 第１振動子 ９ 第２振動子 １５ 振幅検出手段 １７ 流量補正手段 １８ 流量演算手段 ２２ 流速演算手段

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−55276（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−135714（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−100414（ＪＰ，Ａ) 流量計測ハンドブック，日本，日刊工 業新聞社，1979年 ７月10日 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/66 101

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流路中の流体を介して超音波を送受信す
   る一対の振動子と、超音波伝播の時間から流体の流速を
   演算する流速演算手段と、振動子で受信される超音波受
   信信号の振幅を検出する振幅検出手段と、前記振幅検出
   手段に基づく超音波の振幅から流量補正係数を演算する
   流量補正係数演算手段と、前記流速演算手段による流体
   の流速と前記流量補正係数演算手段による流量補正係数
   とから流体の流量を算出する流量演算手段とを備えた流
   量計測装置。
2. 【請求項２】 流速演算手段にて演算した流速を予め設
   定された上限、下限の流速値と比較する流速比較手段を
   備え、前記流速比較手段により比較された結果に基づい
   て流量補正係数を決定し、流体の流量を算出する請求項
   １記載の流量計測装置。
3. 【請求項３】 流速演算手段にて演算した流速が、予め
   設定された上限流速値よりも大きい場合、あるいは予め
   設定された下限流速値よりも小さい場合に、流量補正係
   数は、予め設定されたそれぞれの流量補正係数に設定す
   る請求項２記載の流量計測装置。
4. 【請求項４】 流速演算手段にて演算した流速が、予め
   設定された下限流速値から上限流速値までの間の場合
   に、流量補正係数演算手段による補正係数の演算を行う
   請求項１または２記載の流量計測装置。
5. 【請求項５】 振幅検出手段に基づく振幅を予め設定さ
   れた上限、下限の振幅値と比較する振幅比較手段と、前
   記振幅比較手段により比較された結果に基づいて流量補
   正係数を決定し、流体の流量を算出する請求項１記載の
   流量計測装置。
6. 【請求項６】 振幅検出手段にて検出された振幅が、予
   め設定された上限振幅値よりも大きい場合、あるいは予
   め設定された下限振幅値より小さい場合に、流量補正係
   数は予め設定された係数とする請求項５記載の流量計測
   装置。
7. 【請求項７】 振幅検出手段にて検出された振幅が、予
   め設定された下限振幅値から上限振幅値までの間の場合
   に、流量補正係数演算手段による補正係数の演 算を行う
   請求項５記載の流量計測装置。
8. 【請求項８】 流速演算手段により演算した流速を予め
   設定された上限、下限の流速値と比較する流速比較手段
   と、振幅検出手段に基づく振幅を予め設定された上限、
   下限の振幅値と比較する振幅比較手段とを備え、前記流
   速比較手段により比較された結果と前記振幅比較手段に
   より比較された結果とに基づいて流量補正係数を決定
   し、流体の流量を算出する請求項１記載の流量計測装
   置。
9. 【請求項９】 流速演算手段により演算した流速が予め
   設定された上限流速値よりも大きい場合、あるいは予め
   設定された下限流速値より小さい場合に、流量補正係数
   は予め設定された係数とする請求項８記載の流量計測装
   置。
10. 【請求項１０】 流速演算手段により演算した流速が予
    め設定された下限振幅値から上限振幅値までの間の場合
    に、流量補正係数演算手段による補正係数の演算を行う
    請求項８記載の流量計測装置。
11. 【請求項１１】 振幅検出手段にて検出された振幅が予
    め設定された上限振幅値よりも大きい場合、あるいは予
    め設定された下限振幅値より小さい場合に、流量補正係
    数は予め設定された係数とする請求項８記載の流量計測
    装置。
12. 【請求項１２】 振幅検出手段にて検出された振幅が予
    め設定された下限振幅値から上限振幅値までの間の場合
    に、流量補正係数演算手段による補正係数の演算を行う
    請求項８記載の流量計測装置。
13. 【請求項１３】 流路内の流体に対して超音波を伝播さ
    せ受信し、前記受信した超音波の振幅を検出し、前記検
    出した振幅から流路内の流体の流速分布を推定する流速
    分布推定方法。
14. 【請求項１４】 流路内の流体に対して上流から下流に
    超音波を伝播させる時間と下流から上流に超音波を伝播
    させる時間との差から前記流路内の流体の流速を求める
    工程と、前記超音波を伝播させ受信した超音波受信信号
    の振幅を検出し、前記検出した振幅から前記流路内の流
    体の流速分布を推定する工程と、前記推定した流速分布
    と前記求めた流速から前記流路内を流れる流体の流量を
    計測する流量測定方法。
15. 【請求項１５】 流路内の流体に対して上流から下流に
    超音波を伝播させる時間と下流から上流に超音波を伝播
    させる時間との差から前記流路内の流体の流速 を求める
    工程と、前記超音波を伝播させ受信した超音波受信信号
    の振幅を検出し、前記検出した振幅から前記流路内の流
    量補正係数を演算する工程と、前記演算した流量補正係
    数と求めた流速から前記流路内を流れる流体の流量を計
    測する流量測定方法。