JP3569799B2

JP3569799B2 - 超音波流量計

Info

Publication number: JP3569799B2
Application number: JP35975398A
Authority: JP
Inventors: 清小谷野; 良子薄井; 海涛潘
Original assignee: Izumi Giken KK
Current assignee: Izumi Giken KK
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2018-12-17
Also published as: JP2000180228A; US6490933B2; US20020100335A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は小径配管に好適な超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
配管内を流れる流体（気体又は液体）の流量を計測する技術には、オリフィスやノズルを筆頭に各種のものがあり、近年は超音波を利用した超音波流量計も普及しつつある。
【０００３】
図７は超音波流量計の原理図であり、測定管１０１に一定の距離Ｌをおいて第１振動子１０２と第２振動子１０３を取付け、一方の振動子１０２又は１０３から超音波を発信し、他方の振動子１０３又は１０２で受信させたときに第１振動子１０２から第２振動子１０３に超音波が到達するための時間ｔ１と、第２振動子１０３から第１振動子１０２に超音波が到達するための時間ｔ２との間に、差が生じる。流体における音速をｃ、流体の速度をｖとすれば次の計算式が成り立つ。
【０００４】
【数１】

【０００５】
即ち、▲１▼式の逆数から▲２▼式の逆数を差引くことで▲３▼式を導き出し、この▲３▼式をｖについて整理したものが▲４▼式である。この▲４▼式によれば、流体の流速ｖは距離Ｌ、時間ｔ１及び時間ｔ２が定まれば求まる。この様にして求めた流速ｖに測定管１０１の内断面積を乗ずれば、流量が求まる。
【０００６】
上記原理に基づく発明に、例えば特開平１０−１２２９２３号公報「超音波流量計」があり、この発明は同公報の図３に示されるとおり、測定管１（符号は公報記載のものを流用）にリング形状の超音波振動子２Ａ，２Ｂを嵌め、管１との隙間にグリース３，３を充填して超音波振動子２Ａ，２Ｂを測定管１に結合（音響的結合）させるという極めて簡単な構成のものである。測定管１の内部は平滑であって汚れや清掃を心配する必要が無く、測定管１の口径に合せて超音波振動子２Ａ，２Ｂを小径にすることができるので、測定管１の口径は小さくすることができるというものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図８は従来の超音波流量計の課題を示す図であり、測定管１に超音波振動子２Ａ及び２Ｂを取付け、超音波振動子２Ａ側を発信側、超音波振動子２Ｂを受信側としたときに、基本的には振動波は矢印▲１▼と通りに、測定管１内を流れる流体（媒質）を伝搬する。このときに測定管１自体も伝搬部材となり、矢印▲２▼の振動波が超音波振動子２Ｂへ伝搬する。
【０００８】
すると、矢印▲２▼の振動波がノイズとなって、流量計測に悪影響を及ぼすことがある。特に、矢印▲２▼の伝搬速度が矢印▲１▼の伝搬速度に近似すると影響は大きなものとなる。
そこで、本発明の目的は、測定管自体を伝搬する振動波の影響を除くことのできる超音波流量計を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、測定管自体を伝搬する振動波の影響を除くために、測定管に振動波を減衰する機能を付加することを思い立ち、次の手法を開発することに成功した。
その手法は、測定管が振動波を良好に伝搬する金属製又は同等の材料で構成されている場合には、測定管に音響フィルタを取付けて、振動波をカット若しくは低減する。
【００１０】
具体的には、請求項１は、計測すべき流体を流し、この流体の流れを妨げる障害物を管内に有していない金属製若しくは金属並みの超音波伝搬性能を有する材料で構成した測定管（１１）と、この測定管（１１）の外周面に取付けた第１振動子（１２）と、この第１振動子（１２）から流体の流れに沿って所定の距離を置いて前記測定管（１１）の外周面に取付けた第２振動子（１３）と、測定管（１１）を伝搬する振動波の高域波をカットするために測定管（１１）に取付けた音響フィルタ（２１、２２）と、からなり、上流側の振動子（１２）から発した超音波が下流側の振動子（１３）に達するまでの時間と下流側の振動子（１３）から発した超音波が上流側の振動子（１２）に達するまでの時間との時間差に基づいて流体の流量を計測する超音波流量計（１０）において、
前記音響フィルタ（２１、２２）は、孔の径（Ｄ）が前記測定管（１１）の外径（Ｄ）と同一であって、前記測定管（１１）の外周面に付設するフランジで構成したことを特徴とする。
【００１１】
基本的には、上流側の振動子から発した超音波が下流側の振動子に達するまでの時間と下流側の振動子から発した超音波が上流側の振動子に達するまでの時間との時間差に基づいて流体の流量を計測する。
このときに、音響フィルタで測定管を伝搬する振動波を有効にカットするので、この振動波が流体の流量計測に及ぼす影響はごく小さなものとなる。
従って、請求項１によれば、流量計測の精度を大いに高めることができる。
加えて、音響フィルタは、フランジであることを特徴とする。音響フィルタを単純なフランジで構成したので、超音波流量計のコストアップを抑えることができる。
【００１２】
請求項２は、計測すべき流体を流し、この流体の流れを妨げる障害物を管内に有していない金属製若しくは金属並みの超音波伝搬性能を有する材料で構成した測定管（１１）の中央に第１振動子（１２）を取付け、この第１振動子（１２）から下流側及び上流側に各々第２振動子（１３Ａ），（１３Ｂ）を取付け、、且つ第１振動子（１２）と第２振動子（１３Ａ），（１３Ｂ）との間において測定管（１１）に音響フィルタ（２１），（２２）を取付け、
第１振動子（１２）から発した超音波は下流側の第２振動子（１３Ａ）に到達するに要する時間が短くなり、上流側の第２振動子（１３Ｂ）に到達するに要する時間が長くなるから、これらの時間差に基づいて流体の流量を計測する超音波流量計（１０）において、
前記音響フィルタ（２１、２２）は、孔の径（Ｄ）が前記測定管（１１）の外径（Ｄ）と同一であって、前記測定管（１１）の外周面に付設するフランジで構成したことを特徴とする。
【００１３】
請求項２では、第１振動子１２から発した超音波は下流側の第２振動子１３Ａに到達するに要する時間は短くなり、上流側の第２振動子１３Ｂに到達するに要する時間は長くなるから、これらの時間差によって流体の流速を求めることができる。
そして、音響フィルタとしてのフランジ２１，２２が測定管１１自体を伝搬する振動波を減衰するので、計測精度が高まる。
振動子１２，１３Ａ，１３Ｂは合計３個必要であるが、スイッチは不要である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る超音波式流量計（第１実施例）の原理図であり、超音波式流量計１０は、測定管１１と、この測定管１１に一定の距離Ｌをおいて配置した第１振動子１２及び第２振動子１３と、第１振動子１２に第１スイッチ１４及び第２振動子１３に第２スイッチ１５を介して結合した電源１７及び増幅器１８と、測定管１１に取付けた音響フィルタとしてのフランジ２１，２２とからなる。
図中、白抜き矢印は流体の流れ方向を示す。以下同様。
【００１５】
なお、第１振動子１２及び第２振動子１３は音響結合材１９，１９を介して測定管１１に密に取付ける。音響結合材１９は振動子１２，１３が振動を受ける等して測定管１１の軸方向へずれることを妨げる程度に結合し、且つ振動を良好に伝達する材料であり、エポキシ樹脂やグリースが好適である。
【００１６】
第１・第２スイッチ１４，１５を図の様にＡ側に切換えることにより、第１振動子１２を発振器、第２振動子１３を受振器として、順流れの伝搬時間を計測し、また、第１・第２スイッチ１４，１５を図とは逆にＢ側に切換えることにより、第１振動子１２を受振器、第２振動子１３を発振器として、逆流れの伝搬時間を計測することができる。
【００１７】
このときに、音響フィルタとしてのフランジ２１，２２は、測定管１１自身を伝搬する振動波、特に高域波をカットする作用を発揮する。その原理を次に説明する。
図２（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る音響フィルタの音響モデル図である。
（ａ）は前記図１を略図化したものであり、音響フィルタとしてのフランジ２１，２２の厚さをＬ１、音響フィルタ２１，２２の内のりをＬ２、測定管１１の内径をｄ、外径をＤと定める。
（ｂ）は測定管１１の断面図であり、内径がｄで外径がＤであるため、測定管１１における有効断面積ａ２は（π／４）×Ｄ^２−（π／４）×ｄ^２となる。
【００１８】
（ｃ）は角フランジ２１，２２の断面図であり、角フランジ２１，２２はＷ×Ｗの角フランジであり、そこに径Ｄの孔が開いているため、フランジ２１，２２における有効断面積ａ１はＷ^２−（（π／４）×Ｄ^２）となる。
上記モデルを超音波の伝搬路と考えれば低域通過形フィルタ、すなわち高域カット形フィルタとなり、このときの遮断角周波数（ｃｕｔｏｆｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ω２は次の通りである。
【００１９】
【数２】

【００２０】
すなわち、ω２はスティフネスｓと質量ｍとの関数からなる式▲５▼となり、スティフネスｓは式▲６▼、質量ｍは式▲７▼となるから、これらを式▲５▼に代入して、整理することにより式▲８▼が求まり、また、周波数ｆ２は式▲９▼で求まるから、ｃ，Ｌ１，Ｌ２，ａ１及びａ２からｆ２を求めることができる。
【００２１】
図３は本発明に係る超音波式流量計の参考図であり、音響フィルタとしてのダンパ２４を測定管１１に付設したものであり、例えば第１振動子１２で発生した超音波のうち、測定管１１自体を伝搬する振動波はダンパ２４に吸収されるため、振動波のかなりの部分をカットすることができる。
【００２２】
図４は本発明に係る超音波式流量計（第２実施例）の原理図であり、測定管１１の中央に第１振動子１２を取付け、この第１振動子１２から下流側及び上流側に各々第２振動子１３Ａ，１３Ｂを取付け、前記第１振動子１２に電源１７を繋ぎ、第２振動子１３Ａ，１３Ｂの各々に増幅器１８Ａ，１８Ｂを取付け、且つ第１振動子１２と第２振動子１３Ａ，１３Ｂとの間において測定管１１に音響フィルタとしてのフランジ２１，２２を取付けたものである。
第１振動子１２から発した超音波は下流側の第２振動子１３Ａに到達するに要する時間は短くなり、上流側の第２振動子１３Ｂに到達するに要する時間は長くなるから、これらの時間差によって流体の流速を求めることができる。
振動子１２，１３Ａ，１３Ｂは合計３個必要であるが、スイッチは不要である。
そして、音響フィルタとしてのフランジ２１，２２が測定管１１自体を伝搬する振動波を減衰するので、計測精度が高まる。
【００２３】
また、測定管１１はステンレス管、炭素鋼管又はガラス管であれば、超音波伝搬性能が高いため、上述の音響フィルタが必要となる。しかし、測定管１１を四ふっ化エチレンなどの樹脂管とすれば、樹脂は金属に比べて格段に振動波の減衰性能が高いため、樹脂自体で振動波を減衰することが可能となる。この結果、フランジ等の付設物をつける必要が無く、超音波流量計の構成が簡単になり、外観性も高まる。
【００２４】
【実施例】
本発明に係る実験例を次に説明する。ただし、本発明はこの実験例に限定するものではない。
実験モデルは、基本的に図２に示すものであり、各数値は次の通りである。
ｄ＝２．８ｃｍ
Ｄ＝３．２ｃｍ
Ｌ１＝１．５ｃｍ
Ｌ２＝１．５ｃｍ
Ｗ＝７ｃｍ
この数値から、断面積ａ１は４１ｃｍ^２、断面積ａ２は１．９ｃｍ^２になる。
【００２５】
計測管の材質は、ステンレス鋼であり、伝搬速度（音速）ｃは、約５．３×１０^５（ｃｍ／ｓ）である。なお、計測すべき流体（媒質）は水であり、１気圧，０℃における水の伝搬速度（音速）ｃは、約１．４×１０^５（ｃｍ／ｓ）である。
【００２６】
ａ１＝４１（ｃｍ^２）、ａ２＝１．９（ｃｍ^２）、Ｌ１＝１．５（ｃｍ）、Ｌ２＝１．５（ｃｍ）、ｃ＝５．３×１０^５（ｃｍ／ｓ）を、前記式▲８▼に代入し、得られた値から前記式▲９▼にて、周波数ｆ２を計算すると、約１７ｋＨｚになった。この周波数より高域超音波はカットされる見通しである。
【００２７】
図５（ａ）〜（ｃ）は音響フィルタの効果を示す比較実験グラフであり、測定対象（媒質）を流さずにドライの状態で、音響フィルタ無し測定管の第１振動子を振動させたときの受信波形を（ｂ）に示し、音響フィルタ付き測定管の第１振動子を振動させたときの受信波形を（ｃ）に示した。
（ａ）はそれらの前提となる送信波形図であり、前記周波数ｆ２が約１７ｋＨｚであることを考慮して、本図における搬送周波数を約１０倍の１７０ｋＨｚとした。
（ｂ）から振幅が極めて大きいことが分かる。一方、（ｃ）では振幅がごく小さいことが分かる。
（ｃ）は、測定管に音響フィルタを付けたことにより振幅が大幅に低減できたことを示す。
【００２８】
図６（ａ），（ｂ）は本発明の超音波流量計で計測した時間差を示すグラフである。
（ａ）は図５（ａ）と同じ送信波形図であり、搬送周波数は１７０ｋＨｚである。
（ｂ）は音響フィルタ付き測定管に水を通し、第１振動子を振動させたときの受信波形図であり、図中ｔ１が求める測定時間である。
この（ｂ）は前記図５（ｃ）の測定管に水を通したものであるから、得られた波形は大部分が水を伝搬した超音波によるものと考えられる。従って、測定時間ｔ１の信頼性は極めて高い。
【００２９】
一方、前記図５（ｂ）び音響フィルタ無し測定管に水を通したとすれば、図５（ｂ）の波に図６（ｂ）の波が重なった若しくは合成した波が受信波となる見込みである。とすれば、受信波は測定管自体を伝搬する波と、水を伝搬する波との合成波となり、受信波が真に水の速度を測っているとは言えないことになる。
このように、本発明の音響フィルタは著しい効果を発揮するものである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、測定管の外に第１，第２振動子を置くことで、測定管内に障害物を置かぬようにしたものである。測定管の内部に障害物があると、障害物にものが堆積する虞れがあり、清掃も面倒である。この点、請求項１では測定管内に障害物が無いので異物が測定管内に堆積し難くなり、仮に清掃するとしてもその作業はごく簡単に済ませることができる。
そして、測定管に音響フィルタを取付けることで、測定管を伝搬する振動波を減衰するようにしたので、測定対象物である流体に係る振動波を主として受信することができ、この結果、流体の流量の計測精度を高めることができる。
加えて、音響フィルタは、フランジであることを特徴とする。音響フィルタを単純なフランジで構成したので、超音波流量計のコストアップを抑えることができる。
【００３１】
請求項２では、振動子は合計３個必要であるが、スイッチは不要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波式流量計（第１実施例）の原理図
【図２】本発明に係る音響フィルタの音響モデル図
【図３】本発明に係る超音波式流量計の参考図
【図４】本発明に係る超音波式流量計（第２実施例）の原理図
【図５】音響フィルタの効果を示す比較実験グラフ
【図６】本発明の超音波流量計で計測した時間差を示すグラフ
【図７】超音波流量計の原理図
【図８】従来の超音波流量計の課題を示す図
【符号の説明】
１０…超音波流量計、１１…測定管、１２…第１測定子、１３，１３Ａ，１３Ｂ…第２測定子、１９…音響結合材、２１，２２…音響フィルタ（フランジ）。

Claims

計測すべき流体を流し、この流体の流れを妨げる障害物を管内に有していない金属製若しくは金属並みの超音波伝搬性能を有する材料で構成した測定管（１１）と、この測定管（１１）の外周面に取付けた第１振動子（１２）と、この第１振動子（１２）から流体の流れに沿って所定の距離を置いて前記測定管（１１）の外周面に取付けた第２振動子（１３）と、前記測定管（１１）を伝搬する振動波の高域波をカットするために前記測定管（１１）に取付けた音響フィルタ（２１、２２）と、からなり、上流側の振動子（１２）から発した超音波が下流側の振動子（１３）に達するまでの時間と下流側の振動子（１３）から発した超音波が上流側の振動子（１２）に達するまでの時間との時間差に基づいて流体の流量を計測する超音波流量計（１０）において、
前記音響フィルタ（２１、２２）は、孔の径（Ｄ）が前記測定管（１１）の外径（Ｄ）と同一であって、前記測定管（１１）の外周面に付設するフランジで構成したことを特徴とする超音波流量計。
計測すべき流体を流し、この流体の流れを妨げる障害物を管内に有していない金属製若しくは金属並みの超音波伝搬性能を有する材料で構成した測定管（１１）の中央に第１振動子（１２）を取付け、この第１振動子（１２）から下流側及び上流側に各々第２振動子（１３Ａ），（１３Ｂ）を取付け、、且つ第１振動子（１２）と第２振動子（１３Ａ），（１３Ｂ）との間において測定管（１１）に音響フィルタ（２１），（２２）を取付け、
第１振動子（１２）から発した超音波は下流側の第２振動子（１３Ａ）に到達するに要する時間が短くなり、上流側の第２振動子（１３Ｂ）に到達するに要する時間が長くなるから、これらの時間差に基づいて流体の流量を計測する超音波流量計（１０）において、
前記音響フィルタ（２１、２２）は、孔の径（Ｄ）が前記測定管（１１）の外径（Ｄ）と同一であって、前記測定管（１１）の外周面に付設するフランジで構成したことを特徴とする超音波流量計。