JP4178348B2

JP4178348B2 - 超音波渦流量計

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Publication number: JP4178348B2
Application number: JP00817499A
Authority: JP
Inventors: 廣男樫本; 敦朗千; 博史吉倉
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1999-01-14
Filing date: 1999-01-14
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2019-01-14
Also published as: JP2000205910A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定流体の流量を測定する超音波渦流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被測定流体の流量を計測する超音波渦流量計の一例として、被測定流体が流れる管と、該管の通路に設けられてカルマン渦を下流側左右に発生させる渦発生体と、渦発生体の内側に、前記通路と連通して形成され前記カルマン渦に同期した被測定流体の流れの変化（流体流れ変化）を発生させる流路を設け、流体流れ変化発生領域を間にして１組の超音波センサを設け、超音波が前記流体流れ変化により変調されることを利用して前記管を流れる被測定流体の流量を求めるように構成した超音波渦流量計がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、超音波渦流量計では、信頼性向上に対する期待が大きく、この期待に応えるために、流体流れ変化発生領域を介して２つの超音波伝搬路を形成するように超音波センサを２組設け、一方の組の超音波センサが故障した際、他方の組の超音波センサを用いて流量計測を行い流量測定の信頼性の向上を図るように構成したものや、２組の超音波センサが流体流れ変化による超音波の変調を逆位相で受けるようにして互いの受信超音波の位相を比較して、受信感度を向上させたものが考えられる。
【０００４】
なお、このように２つの超音波伝搬路を形成するタイプの超音波渦流量計では、２組の超音波センサを同時使用するが、この場合、２組の超音波センサにおける送信側の２つの超音波送信器からの２つの超音波が干渉して（すなわち、２つの超音波伝搬路が部分的に重複した部分で超音波が合成され、打ち消し合ったり強めあったりする状態になって）しまい、良好な流量計測が阻害されることが起こり得た。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、２組の超音波センサの利用が可能でかつ超音波の干渉を防止できる超音波渦流量計を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の超音波渦流量計に係る発明は、被測定流体が流れる管と、該管内に設けられてカルマン渦を下流側左右に発生させる長手状の渦発生体と、前記渦発生体の長手方向に沿って延びるように当該渦発生体内に形成された内部空間と、前記渦発生体の下流側の周壁部の左右それぞれに設けられ、前記渦発生体の前記内部空間と外側とを連通する左右の連通孔と、前記渦発生体の長手方向に沿って前記内部空間を２室に画成するように設けられた遮蔽板と、該遮蔽板における前記左右の連通孔に対して前記長手方向に異なる位置に形成されて前記２室を連通させる遮蔽板通路と、前記２室をそれぞれ挟むように相対向して配置される２組の超音波送信器、受信器からなり、前記各室内を流れる被測定流体に向けて超音波を送信すると共に当該被測定流体中を伝播してくる超音波を受信する２組の超音波センサと、前記カルマン渦発生に伴って発生する前記各室内の前記被測定流体の流れの変化により変調され、前記各超音波センサにより検出される超音波に基づき前記管を流れる被測定流体の流量を計測する信号処理回路と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、前記信号処理回路は、前記各超音波センサで受信される超音波の位相を比較することで前記被測定流体の流れの変化を検出して流量を計測することを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の構成において、前記信号処理回路は、前記各超音波センサの送信と受信との超音波の位相を比較することで前記被測定流体の流れの変化を検出して流量を計測することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態の超音波渦流量計を図１及び図２に基づいて説明する。
図１及び図２において、超音波渦流量計１は、被測定流体が流れる管２と、管２に対向して形成された孔（以下、第１、第２の孔）３，４に挿通して管２に取り付けられ下流の左右側にカルマン渦を発生させる長手状の略三角柱状の渦発生体５とを備えている。
【００１０】
渦発生体５は、略三角柱状の渦発生体本体６と、渦発生体本体６の両端側に連接され前記第１、第２の孔３，４に嵌合される嵌合部７とからなり、渦発生体本体６及び嵌合部７の中心部には、この渦発生体５の長手方向に沿って延び両端側が開口する内部空間８が形成されている。渦発生体５は、渦発生体本体６の２つの斜面部９（図２上側、下側）が管２の通路１０の下流側に向くようにしてこの渦発生体本体６を通路１０内に位置させ、嵌合部７を第１、第２の孔３，４に嵌合して管２に取り付けられている。そして、前記カルマン渦は、渦発生体５の２つの斜面部９（通路１０における渦発生体５の下流側左右）で、流速に比例する周期で交互に発生するようになっている。
【００１１】
嵌合部７には、前記内部空間８に連通する孔（以下、ホルダ挿入孔）１１を形成したスペーサ１２が接合されている。スペーサ１２のホルダ挿入孔１１は、断面視略Ｖ字形をなすように形成されており、スペーサ１２が嵌合部７に接合された状態で、２つのホルダ挿入孔１１が開口したものになっている。
【００１２】
渦発生体本体６の２つの斜面部９における長手方向（図１上下方向）の中央部分にはそれぞれ、内部空間８と外側（通路１０）とを連通する孔（渦発生体連通孔。以下、図１左側の孔を第１連通孔１３、右側の孔を第２連通孔１４という。）が形成されている。
上述したように渦発生体本体６の下流左右側にカルマン渦が発生すると、第１、第２連通孔１３，１４の部分で圧力差が生じ、この圧力差に応じて内部空間８に、「第１連通孔１３→内部空間８→第２連通孔１４」の被測定流体の流れ及びこの逆方向（第２連通孔１４→内部空間８→第１連通孔１３）の被測定流体の流れ（流体流れ変化、被測定流体の流れの変化）が前記カルマン渦に同期して交互に生じるようになっている。
本実施の形態では、第１、第２連通孔１３，１４及び内部空間８により流路を構成している。
【００１３】
前記スペーサ１２のホルダ挿入孔１１には圧電素子や磁歪素子等からなる超音波変換素子１５が収納されたセンサホルダ１６がそれぞれ嵌合されている。センサホルダ１６とスペーサ１２との間には図示しないシール部材が介装されている。図１上側の２つの超音波変換素子１５には発振器１７が接続されている。当該２つの超音波変換素子１５が送信器（以下、図１上側左、右の超音波変換素子１５を第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂという。）を構成している。
【００１４】
また、図１下側左右の２つの超音波変換素子１５は流体流れ変化発生領域を間にして第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂに対向して配置されており、第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂに対する受信器（以下、図１下側左、右の超音波変換素子１５を第１、第２の受信器１５ｃ，１５ｄという。）を構成している。本実施の形態では、前記第１の送・受信器１５ａ，１５ｃ及び第２の送・受信器１５ｂ，１５ｄがそれぞれ超音波センサを構成している。以下、適宜、第１の送・受信器１５ａ，１５ｃを第１の超音波センサ１８ａ、第２の送・受信器１５ｂ，１５ｄを第２の超音波センサ１８ｂという。第１の超音波センサ１８ａ及び第２の超音波センサ１８ｂにより、内部空間８に２つの超音波伝搬路１９が形成されるようになっている。
【００１５】
内部空間８の中央部分には遮蔽板２０が配置されており、内部空間８を２つの内部空間８（図１左側、右側の内部空間８をそれぞれ第１、第２の内部空間８ａ，８ｂという。）に画成し、前記２つの超音波伝搬路１９を分離する（２つの超音波伝搬路１９が重複しない）ようにしている。遮蔽板２０の両端部は、２つのホルダ挿入孔１１の分岐部分まで延びており、２つのホルダ挿入孔１１をこの遮蔽板２０により画成し、画成された２つのホルダ挿入孔１１がそれぞれ第１、第２の内部空間８ａ，８ｂに連通するようにしている。
【００１６】
遮蔽板２０における第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂ側（図１上側）には、被測定流体を通す遮蔽板通路２１が形成されている。すなわち、遮蔽板通路２１に対して第１、第２連通孔１３，１４が渦発生体５の図１下側の端部に配置されている。そして、前記流体流れ変化はこの遮蔽板通路２１を通して行われ、「第１連通孔１３→内部空間８→第２連通孔１４」の被測定流体の流れの場合、第１の内部空間８ａでは被測定流体は図１上方向に流れ、第２の内部空間８ｂでは被測定流体は図１下方向に流れる。また、「第２連通孔１４→内部空間８→第１連通孔１３」の被測定流体の流れの場合、第１の内部空間８ａでは被測定流体は図１下方向に流れ、第２の内部空間８ｂでは被測定流体は図１上方向に流れる。
一方、第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂからの超音波の向きは、第１、第２の内部空間８ａ，８ｂにおいて下向きである。
【００１７】
第１、第２の受信器１５ｃ，１５ｄの出力側には信号処理回路２２が接続されている。
信号処理回路２２は第１、第２の受信器１５ｃ，１５ｄにそれぞれ接続され入力信号のうち発振周波数帯域成分のみを通過させるバンドパスフィルタ２３と、このバンドパスフィルタ２３の出力側に接続された増幅回路２４と、両増幅回路２４からの信号（受信側超音波信号）をそれぞれ入力する受信側位相比較器２５とを備えている。受信側位相比較器２５は前記入力信号（２つの受信側超音波信号）の位相差をとって、超音波が流体流れ変化により受けた変調（流体流れ変化ひいてはカルマン渦の発生周波数に対応する）を検出し、カルマン渦（流体流れ変化）の発生状態に同期したパルス信号を発生する。
【００１８】
上述したように、第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂからの超音波の向きに対して第１、第２の内部空間８ａ，８ｂにおいて被測定流体の流れの向きが逆方向になっていることにより、第１、第２の受信器１５ｃ，１５ｄが受信する超音波は反対方向の変調を受けている。このため、上述したように、受信側位相比較器２５が第１、第２の受信器１５ｃ，１５ｄからの受信側超音波信号の位相差をとることにより、流体流れ変化による変調量として２倍の値（復調量）を得ることになり、計測効率の向上を図ることができる。
【００１９】
また、第１、第２の受信器１５ｃ，１５ｄからの受信側超音波信号の位相差をとることにより、両受信側超音波信号が受ける音速変化の影響がキャンセルされ、その分、良好な流量計測を行うことができる。
信号処理回路２２は、さらに受信側位相比較器２５の出力側に接続し入力信号の増幅、波形整形を行うフィルタ回路２６と、フィルタ回路２６の出力側に接続し、フィルタ回路２６からの信号に基づいて管２の流量を求める演算回路２７とを備えている。
演算回路２７には、管２の流量を示す流量信号を図示しない外部回路に出力する出力回路２８と、前記流量信号の内容を表示する表示回路２９とが接続されている。
【００２０】
このように構成された超音波渦流量計１では、被測定流体が管２内を流れると、渦発生体５の下流側にカルマン渦が発生すると共に、カルマン渦発生に伴い第１、第２の内部空間８ａ，８ｂに流体流れ変化が発生する。この際、遮蔽板通路２１に対して第１、第２の渦発生体５連通孔が共に図１下側に配置されており、第１、第２の内部空間８ａ，８ｂにおける流体流れの向きは互いに逆方向になる。
【００２１】
一方、発振器１７からの駆動信号により第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂが駆動されて超音波を内部空間８に送信する。この際、遮蔽板２０により内部空間８が第１、第２の内部空間８ａ，８ｂに画成されていることにより、第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂからの超音波は第１、第２の内部空間８ａ，８ｂを通して第１、第２の受信器１５ｃ，１５ｄに受信される。このため、第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂからの超音波が干渉するようなことがなく、その分、計測精度の向上を図ることができる。
【００２２】
また、上述したように第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂからの超音波の向きに対して第１、第２の内部空間８ａ，８ｂにおいて被測定流体の流れの向きが逆方向になっていることにより、第１、第２の受信器１５ｃ，１５ｄが受信する超音波が反対方向の変調を受けており、受信側位相比較器２５が第１、第２の受信器１５ｃ，１５ｄからの受信側超音波信号の位相差をとることにより、流体流れ変化による変調量のみが倍加して抽出され、その分、計測効率の向上を図ることができる。
【００２３】
また、第１、第２の受信器１５ｃ，１５ｄからの受信側超音波信号の位相差をとることにより、両受信側超音波信号が受ける音速変化の影響がキャンセルされるので、良好な流量計測を行うことができる。
【００２４】
また、本実施の形態では、流体流れ変化により超音波が受ける変調は流れの中を伝搬する距離に比例することから、遮蔽板通路２１から第１、第２連通孔１３，１４までの距離を調節することにより超音波が受ける変調量を制御することができる。上述した位相比較器を用いた従来技術では、管の口径ごとに超音波周波数を変更しないと、流体流れ変化により超音波が受ける位相変調が位相比較器の復調範囲を超えて良好な流量計測が阻害される虞があったが、本実施の形態では、上述したように遮蔽板通路２１及び第１、第２連通孔１３，１４の位置（距離）により変調量を調整できるので、上述した従来技術で必要とされた口径ごとの超音波周波数の変更が不要となり、第１、第２の超音波センサ１８ａ，１８ｂ及び信号処理回路２２の共通化が可能となり、その分、汎用性の向上を図ることができる。
【００２５】
なお、従来の超音波渦流量計は内部空間に軸方向の流れを発生させるために２つの連通孔を上下に設けなくてはならなかったが本実施の形態ではカルマン渦のまま流速の最も大きい中心部分に連通孔を設けて流れが導入できるので、流れの流速も大きく検出でき感度が向上する。また、このように感度向上が図れることに関しては、以下に述べる第２、第３の実施の形態についても同様に言えることである。
【００２６】
上記実施の形態では、第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂを収納するセンサホルダ１６を２つ設け、かつスペーサ１２に２つのセンサホルダ１６を収納する場合を例にしたが、これに代えて図３に示すように構成（本発明の第２の実施の形態）してもよい。この第２の実施の形態のスペーサ１２は、内部空間８に連通する一つのホルダ挿入孔１１を形成している。このホルダ挿入孔１１には、２つの超音波変換素子１５（第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂ）を収納するセンサホルダ１６が嵌合されている。センサホルダ１６の中央部１６Ａには、前記遮蔽板２０の端部が接合されている。また、第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂはセンサホルダ１６の中央部１６Ａを間にして配置されており、第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂが第１、第２の内部空間８ａ，８ｂに分離されて臨むようになっている。
【００２７】
この第２の実施の形態も、前記第１の実施の形態と同様に、第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂからの超音波の干渉を抑制し、計測精度の向上を図ることができる。また、第１、第２の受信器１５ｃ，１５ｄが受信する超音波が反対方向の変調を受け、受信側位相比較器２５が第１、第２の受信器１５ｃ，１５ｄからの受信側超音波信号の位相差をとることにより、流体流れ変化による変調量が倍加され、その分、計測効率の向上を図ることができる。さらに、第１、第２の受信器１５ｃ，１５ｄからの受信側超音波信号の位相差をとることにより、両受信側超音波信号が受ける音速変化の影響がキャンセルされるので、良好な流量計測を行うことができる。
【００２８】
また、本実施の形態では、流体流れ変化により超音波が受ける変調は流れの中を伝搬する距離に比例することから、遮蔽板通路２１から第１、第２連通孔１３，１４までの距離を調節することにより超音波が受ける変調量を制御することができるので、位相比較器を用いた従来技術で必要とされた口径ごとの超音波周波数の変更が不要となり、第１、第２の超音波センサ１８ａ，１８ｂ及び信号処理回路２２の共通化が可能となり、その分、汎用性の向上を図ることができる。
【００２９】
次に、本発明の第３の実施の形態を図４に基づいて説明する。
この第３の実施の形態は、前記第１の実施の形態に比して、第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂに対応してそれぞれに駆動信号を入力して駆動する第１、第２の２つの発振器１７ａ，１７ｂを設けたこと、及び信号処理回路２２が２組（以下、第１、第２の超音波センサ１８ｂに対応してそれぞれ第１、第２の信号処理回路２２ａ，２２ｂという。）設けられ、かつ受信側位相比較器２５に代えて第１、第２の発振器１７ａ，１７ｂの駆動信号（送信側信号）と第１、第２の受信器１５ｃ，１５ｄからの信号（受信側信号）とを位相比較する２つの送・受信側位相比較器２５Ａを設けたことが主に異なっている。
【００３０】
この第３の実施の形態では、第１の発振器１７ａ、第１の超音波センサ１８ａ及び第１の信号処理回路２２ａからなるセンサユニットと第２の発振器１７ｂ、第２の超音波センサ１８ｂ及び第２の信号処理回路２２ｂからなるセンサユニットの２組のセンサユニットが形成され、２組のセンサユニットのいずれにおいても、流量計測を行うことが可能となる。このため、仮に一方のセンサユニットの構成部材のいずれかが故障した場合、他方のセンサユニットを用いて流量計測を行うことが可能であり、流量計測を中断させることがなく、信頼性の向上を図ることができる。
【００３１】
また、本実施の形態では、流体流れ変化により超音波が受ける変調は流れの中を伝搬する距離に比例することから、遮蔽板通路２１から第１、第２連通孔１３，１４までの距離を調節することにより超音波が受ける変調量を制御することができるので、位相比較器を用いた従来技術で必要とされた口径ごとの超音波周波数の変更が不要となり、第１、第２の超音波センサ１８ａ，１８ｂ及び第１、第２の信号処理回路２２ａ，２２ｂの共通化が可能となり、その分、汎用性の向上を図ることができる。
【００３２】
また、２組のセンサユニットを同時に使用し、得られる計測結果を比較する（例えば平均値を求める）ことにより、計測精度の向上を図ることができる。なお、２組のセンサユニットを同時に使用する場合においても、遮蔽板２０により内部空間８が第１、第２の内部空間８ａ，８ｂに画成されていて上述したように第１、第２の送信器１５ａ，１５ｂからの超音波が干渉するようなことがなく、その分、計測精度の向上を図ることができる。
【００３３】
また、上記各実施の形態において、流体流れ変化により超音波が受ける変調は流れの中を伝搬する距離に比例することから、遮蔽板通路２１から第１、第２連通孔１３，１４までの距離を調節することにより超音波が受ける変調量を制御することができる。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１から３に記載の発明は、被測定流体が流れる管と、該管内に設けられてカルマン渦を下流側左右に発生させる長手状の渦発生体と、前記渦発生体の長手方向に沿って延びるように当該渦発生体内に形成された内部空間と、前記渦発生体の下流側の周壁部の左右それぞれに設けられ、前記渦発生体の前記内部空間と外側とを連通する左右の連通孔と、前記渦発生体の長手方向に沿って前記内部空間を２室に画成するように設けられた遮蔽板と、該遮蔽板における前記左右の連通孔に対して前記長手方向に異なる位置に形成されて前記２室を連通させる遮蔽板通路と、前記２室をそれぞれ挟むように相対向して配置される２組の超音波送信器、受信器からなり、前記各室内を流れる被測定流体に向けて超音波を送信すると共に当該被測定流体中を伝播してくる超音波を受信する２組の超音波センサと、前記カルマン渦発生に伴って発生する前記各室内の前記被測定流体の流れの変化により変調され、前記各超音波センサにより検出される超音波に基づき前記管を流れる被測定流体の流量を計測する信号処理回路と、を備えており、渦発生体の下流左右側にカルマン渦が発生し、圧力差により左右の連通孔のいずれか一方から他方に向けて遮蔽板を通して被測定流体が流れる場合、２室において被測定流体の流れの向きが逆方向になると共に、遮蔽板の画成により渦発生体の内部空間内に得られた２室が、２組の超音波センサのそれぞれの超音波伝搬路として重複しない状態で形成される。
このため、２組の超音波センサの各超音波送信器を同等側に配置して、各超音波受信器の受信側超音波の位相差をとることにより、流体流れ変化による変調量として２倍の値（復調量）を得ることになり、計測効率の向上を図ることができ、かつ、両受信側超音波信号が受ける音速変化の影響がキャンセルされ、その分、良好な流量計測を行うことができる。
【００３５】
請求項１から３に記載の発明は、さらに、流体流れ変化により超音波が受ける変調は流れの中を伝搬する距離に比例することから、遮蔽板通路から渦発生体の左右の連通孔までの距離を調節することにより超音波が受ける変調量を制御することができるので、位相比較器を用いた従来技術で必要とされた口径ごとの超音波周波数の変更が不要となり、２組の超音波センサ及び信号処理回路の共通化が可能となり、その分、汎用性の向上を図ることができる。
【００３６】
請求項３記載の発明は、信号処理回路は、各超音波センサの送信と受信との超音波の位相を比較することで被測定流体の流れの変化を検出して流量を計測するので、２組の超音波センサのいずれかが故障しても、故障していない方の超音波センサを用いて流量計測を行え、流量計測の信頼性を向上できる。また、２組の超音波センサを同時に使用し、得られる２つの計測結果を比較する（例えば平均値を求める）こと等により、計測精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の超音波渦流量計を模式的に示す図である。
【図２】図１の渦発生体を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の超音波渦流量計を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の超音波渦流量計を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１超音波渦流量計
２管
５渦発生体
８内部空間（流路）
８ａ，８ｂ第１、第２の内部空間
１３，１４第１、第２連通孔（流路、渦発生体連通孔）
１５超音波変換素子
１５ａ，１５ｂ第１、第２の送信器
１５ｃ，１５ｄ第１、第２の受信器
１８ａ，１８ｂ第１、第２の超音波センサ
１９超音波伝搬路
２０遮蔽板
２１遮蔽板通路
２２信号処理回路
２５受信側位相比較器
２５Ａ送・受信側位相比較器

Claims

被測定流体が流れる管と、
該管内に設けられてカルマン渦を下流側左右に発生させる長手状の渦発生体と、
前記渦発生体の長手方向に沿って延びるように当該渦発生体内に形成された内部空間と、
前記渦発生体の下流側の周壁部の左右それぞれに設けられ、前記渦発生体の前記内部空間と外側とを連通する左右の連通孔と、
前記渦発生体の長手方向に沿って前記内部空間を２室に画成するように設けられた遮蔽板と、
該遮蔽板における前記左右の連通孔に対して前記長手方向に異なる位置に形成されて前記２室を連通させる遮蔽板通路と、
前記２室をそれぞれ挟むように相対向して配置される２組の超音波送信器、受信器からなり、前記各室内を流れる被測定流体に向けて超音波を送信すると共に当該被測定流体中を伝播してくる超音波を受信する２組の超音波センサと、
前記カルマン渦発生に伴って発生する前記各室内の前記被測定流体の流れの変化により変調され、前記各超音波センサにより検出される超音波に基づき前記管を流れる被測定流体の流量を計測する信号処理回路と、
を備えたことを特徴とする超音波渦流量計。
前記信号処理回路は、前記各超音波センサで受信される超音波の位相を比較することで前記被測定流体の流れの変化を検出して流量を計測することを特徴とする請求項１記載の超音波渦流量計。
前記信号処理回路は、前記各超音波センサの送信と受信との超音波の位相を比較することで前記被測定流体の流れの変化を検出して流量を計測することを特徴とする請求項１記載の超音波渦流量計。