JP4325922B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流路を非満水状態で流れる液体の流速及び流量を計測可能な超音波流量計及び超音波式流量計測方法に関する。

従来、この種の超音波流量計として、流路の底面に超音波送受波器を配置し、その超音波送受波器から送波した超音波を、液体中の浮遊物に反射させて受波し、送波した超音波と受波した超音波の波長の相違に基づいて流速又は流量を計測するドップラー式の超音波流量計が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−２２９７３４号公報（段落［００１２］、［００１３］、図２）

ところが、流路を流れる液体は、各深さ毎に流速が異なるため、浮遊物体が所定の深さに偏って分布した場合には、流速を精度よく計測することができなかった。また、液体中に気泡や浮遊物体が含まれていない場合には、流速の計測自体が不可能となるという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、非満水状態で流れる液体の流速及び／又は流量を従来より高精度で計測可能な超音波流量計の提供を目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１の発明に係る超音波流量計は、液体が流れる流路の上流側と下流側とに分けて配置される１対の超音波送受波器の間で、液体の流れに沿った順方向と流れに逆行した逆方向との両方向で超音波を送受波し、順方向及び逆方向の超音波の到達時間の差を求めて、液体の流速及び／又は流量を計測する超音波流量計において、１対の超音波送受波器は、流路の底部に配置され、一方の超音波送受波器から送波した超音波を液体の液面で反射させて、他方の超音波送受波器で受波するように構成し、１対の超音波送受波器の間に差し渡された連絡部を有して、１対の超音波送受波器を所定の間隔に保持する送受波器保持具を備え、連絡部は、液面で反射した超音波を受けるとその超音波を側方に反射して、液面と連絡部との間における超音波の複数回の反射を防止可能な山形状になっているところに特徴を有する。

請求項２の発明は、請求項１に記載の超音波流量計において、連絡部は、断面三角形であるところに特徴を有する。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の超音波流量計において、送受波器保持具は、１対の超音波送受波器の間隔を変更可能に構成されたところに特徴を有する。

請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の超音波流量計において、各超音波送受波器は送受波する超音波の指向性の軸線が、流路の満水時の半分の深さで交差するように設定したところに特徴を有する。

［請求項１の発明］
請求項１の超音波流量計では、流路の底部に配置された１対の超音波送受波器のうち一方の超音波送受波器から送波された超音波が、液体の底部と液面との間を往復して他方の超音波送受波器に受波されるので、流路の底部から液面までの平均した流速及び／又は流量を計測することができる。また、液体中の浮遊物と異なり液面は必ず存在するので、安定した計測を行うことができる。これらにより、本発明の超音波流量計によれば、従来の超音波流量計より精度よく液体の流速及び／又は流量を計測することが可能になる。
また、送受波器保持具を流路の底部に固定するだけで、１対の超音波送受波器を流路内に設置することができると共に、１対の超音波送受波器の相対位置を固定することができ、超音波流量計の設置作業が容易になる。
さらに、送受波器保持具のうち１対の超音波送受波器の間に差し渡された連絡部は、液面で反射した超音波を受けたときに、その超音波を側方に反射する山形状になっているので、液面と連絡部との間で超音波が複数回反射して受波される事態を防ぐことができる。具体的には、請求項２の発明のように、連絡部を断面三角形にすることで、液面と連絡部との間で超音波が複数回反射して受波される事態を防ぐことができる。

［請求項３の発明］
請求項３の超音波流量計では、１対の超音波送受波器の間の距離を調節することができ、種々の流路に対応することが可能になる。

［請求項４の発明］
請求項４の超音波流量計では、流路の満水時の半分の深さを中心にして、液体の深さが変動した場合に、精度よく液体の流速及び／又は流量を計測することが可能になる。

［第１実施形態］
以下、本発明の実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。
図１における符号１０は、流路であって断面円形の円管状（図２参照）をなし、流路１０の内部には、図１の右側から左側へ向かって液体１１（例えば、水）が流れている。また、この流路１０では、液位が変化し、例えば、満水状態から満水時の半分の液位の間を液面１２が変化する。

本実施形態の超音波流量計２０に備えた１対の超音波送受波器２１，２２は、流路１０の底部に取り付けられている。詳細には、超音波送受波器２１，２２は、液体１１の流れ方向（流路１０の軸方向）と並行に並べられて、流路１０の最下部に螺子又は接着剤にて固定されている。

超音波送受波器２１，２２は超音波振動子を内蔵しており、流路１０の外部に配置された信号処理部２３に接続されている。信号処理部２３には、図示しない送波回路又は受波回路が備えられ、両超音波送受波器２１，２２は、送波回路に接続されると超音波を送波し、受波回路に接続されると超音波を受波することが可能になる。

さて、図１に示すように、超音波送受波器２１，２２が送受波する超音波の指向性の軸線１３（以下、「指向性軸線１３」という）は、流路１０における所定の深さの液面で互いに交差するように斜め上方に向けられている。これにより、上流側の超音波送受波器２１から送波した超音波が、液面で１度反射して下流側の超音波送受波器２２に受波され、同様に、下流側の超音波送受波器２２から送波した超音波が、液面で１度反射して、下流側の超音波送受波器２１に受波される。より具体的には、超音波送受波器２１，２２の指向性軸線１３は、流路１０における液体１１の径の略半分の深さの液面で互いに交差するように斜め上方に向けられている。なお、両超音波送受波器２１，２２を結ぶ線をＸ１とし、満水時の液面における反射位置と超音波送受波器２１，２２とを結ぶ線Ｘ３とすると、指向性軸線１３と前記線Ｘ１とがなす角度θ１は、線Ｘ１，Ｘ３がなす角度θ２の半分に設定してもよい。

また、超音波送受波器２１，２２から送波される超音波は、指向性軸線１３を中心として所定の角度で拡がるように指向分布を有しており、これにより、流路１０の半分の深さを中心にして、例えば満水時から半分以下の液位の範囲で、超音波を液面１２で反射させて両超音波送受波器２１，２２の間で送受波することができる。

信号処理部２３は、上流側の超音波送受波器２１が超音波を送波してからその超音波を下流側の超音波送受波器２２が受信するまでの時間Ｔ１（これを、「順方向の超音波の到達時間Ｔ１」という）を計測すると共に、下流側の超音波送受波器２２が超音波を送波してからその超音波を上流側の超音波送受波器２１が受信するまでの時間Ｔ２（これを、「逆方向の超音波の到達時間Ｔ２」という）を計測する。また、超音波送受波器２２には、温度センサ２４が設けられており、信号処理部２３は、温度センサ２４が検出した液温から液体１１における超音波の伝搬速度Ｃを演算する。

ここで、超音波送受波器２１，２２同士の間隔を２ｄとし、液体の流速をＶとし、超音波送受波器２１，２２と液面１２における反射位置とを結ぶ線Ｘ２と前記線Ｘ１とがなす角度をθとし、液体１１の深さをｈとした場合、

１／Ｔ１＋１／Ｔ２＝Ｃ・ｃｏｓ（θ）／ｄ （式１）
１／Ｔ１−１／Ｔ２＝Ｖ・（ｃｏｓ（θ））^２／ｄ （式２）
ｈ＝ｄ・ｔａｎ（θ） （式３）
という関係式が成り立つ。

信号処理部２３は、上記（式１）及び（式２）から流速Ｖと角度θとを演算し、（式３）と角度θとから液体１１の深さｈを演算し、さらに、その深さｈから流路１０の断面における液体１１に満たされた範囲の断面積Ｓを演算する。そして、流速Ｖと断面積Ｓとから単位時間当たりの流量Ｑと演算する。また、信号処理部２３は、図示しない表示部に、前記した流速Ｖ、流量Ｑ、温度センサ２４による検出温度、液体１１の深さｈを表示する。

上述したように本実施形態の超音波流量計２０では、流路１０の底部に配置された１対の超音波送受波器２１，２２のうち一方の超音波送受波器から送波した超音波が、液体１１の液面１２と底部の間を１往復して他方の超音波送受波器に受波されるので、流路１０の底部から液面までの平均した流速Ｖ及び流量Ｑを計測することができる。また、液体１１中の浮遊物と異なり液面１２は必ず存在するので、安定した計測を行うことができる。これらにより、本実施形態の超音波流量計２０によれば、従来の超音波流量計より精度よく液体１１の流速Ｖ及び流量Ｑを計測することが可能になる。しかも、液体１１の温度を検出する温度センサ２４を備え、超音波の伝播速度Ｃを温度の関数として求めるので、液温が変化した場合にも精度よく流速Ｖ及び流量Ｑを計測することが可能になる。また、流路１０の満水時の半分の深さを中心にして、液体１１の深さが変動した場合にも、精度よく流速Ｖ及び流量Ｑを計測することが可能になる。

［計測精度実験］
以下、第１実施形態の超音波流量計２０を用いて行った計測精度実験について説明する。実験方法は以下のようである。
（Ａ）流路１０を呼び径２５０［ｍｍ］の円筒管で構成し、その流路１０における所定の深さ毎に従来の流速計を複数セットする。
（Ｂ）液体１１の水位（液位）と流路１０の勾配とを、下記表１の条件にして流路１０に液体１１としての水を流す。
（Ｃ）各深さ毎（水位毎）の流量計による計測結果を求めてグラフにする。
（Ｄ）流路１０における深さ方向の微分断面積と各水位毎の流速との積の総和を求め、その総和を微分断面積の総和で除して水の平均流速Ｖａを求める。
（Ｄ）第１実施形態の超音波流量計２０を用いて、表１の条件で流速Ｖｂを求める。

なお、上記表１において、水深０．５Ｄ、０．２５Ｄは、流路１０の内径Ｄに対して水位が半分（＝０．５Ｄ）と、４分の１（＝０．２５Ｄ）を意味する。また、勾配２は、１０００［ｍｍ］水平方向に進んで２［ｍｍ］垂直方向に下った勾配を意味し、勾配４は、１０００［ｍｍ］水平方向に進んで４［ｍｍ］垂直方向に下った勾配を意味する。

実験結果として、図３及び図４のグラフに示すように、水位毎に流速が異なることがわかる。そして、表１の結果に示されているように、複数の流量計を用いた場合の平均流速Ｖａと、超音波流量計２０によって求めた流速Ｖｂとが近似していることが分かる。このことから、超音波流量計２０によれば、流路１０の底部から液面１２までの平均した流速Ｖを計測したことになることが推定される。即ち、この実験結果から明らかなように、本発明の超音波流量計２０では、水位ごとに流速が異なる場合でも正確に流量及び平均流速を計測することができる。

［第２実施形態］
本実施形態は、図５に示されており、流路１０Ａの構造が前記第１実施形態と異なり、矩形の溝構造をなしている。そして、本実施形態では、前記第１実施形態と同じ構成の超音波流量計２０を流路１０Ａの底部に固定してある。ここで、本実施形態では、超音波流量計２０のうちの一方の超音波送受波器２１が流路１０Ａの幅方向の一方側に配置され、他方の超音波送受波器２２が流路１０Ａの幅方向の他方側に配置されている。換言すると、両超音波送受波器２１，２２は、流路１０Ａを上方から見て、液体１１の流れ方向に対して斜めに交差する方向に並べて配置されている。他の構成に関しては、前記第１実施形態と同様であるので、同一部位には第１実施形態と同一符合を付して、重複した説明は省略する。

本実施形態の構成によれば、両超音波送受波器２１，２２の間で送受波される超音波が、流路１０Ａの幅方向の少なくとも一部を横切るので、流路１０Ａの幅方向でも平均した流速Ｖ及び流量Ｑを計測することが可能となり、計測精度をさらに向上させることができる。

［第３実施形態］
本実施形態は図６に示されており、レール状をなした送受波器保持具３０の両端に、前記第１実施形態で説明した超音波送受波器２１，２２を固定した構造になっている。また、送受波器保持具３０のうち超音波送受波器２１，２２に挟まれた連絡部３１は、所謂、蒲鉾形状をなしている。換言すれば、超音波送受波器２１は、その幅方向の端部から幅方向の中央部に向かうに従って上方に突出した山形状をなしている。上記以外の構造は、前記第１実施形態と同様であるので重複した説明は省略する。

本実施形態の超音波流量計２０では、送受波器保持具３０を流路の底部に固定するだけで、１対の超音波送受波器２１，２２を流路内に設置することができると共に、１対の超音波送受波器２１，２２の相対位置を固定することができる。これにより、超音波流量計２０の設置作業が容易になる。また、送受波器保持具３０のうち１対の超音波送受波器２１，２２の間に差し渡された連絡部３１を山形状（詳細には、蒲鉾形状）にしたので、連絡部３１で反射した超音波は側方に向けられる。これにより、液面１２と連絡部３１との間で超音波が複数回反射して受波される事態を防ぐことができる。

［他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

（１）前記第２本実施形態のように両超音波送受波器２１，２２を流路１０Ａの幅方向に対して斜めに並べて配置する構成に代えて、液体１１の流れ方向に並んだ１対の超音波送受波器２１，２２を、流路１０の幅方向に複数対配置し、それら各対の超音波送受波器２１，２２で計測した流速の平均を演算して、液体１１の流速及び流量を計測しても同様の作用効果を奏する。

（２）前記第３実施形態の送受波器保持具３０を改良して、両超音波送受波器２２，２１の間隔を所望の間隔に変更可能な構成にしてもよい。そのようにすれば、１対の超音波送受波器２１，２２の間の距離を調節して、様々な流路に対応させることができる。

（３）前記第３実施形態の送受波器保持具３０における連絡部３１は、蒲鉾形状をなしていたが、超音波を側方に向けて反射させる構造であれば、蒲鉾形状に限定されるものではなく、例えば、断面三角形にしてもよい。

本発明の一実施形態に係る超音波流量計をセットした流路の側断面図 その流路を横断面図 実験結果のグラフ 実験結果のグラフ 第２実施形態の超音波流量計の斜視図 第３実施形態の超音波流量計の斜視図

符号の説明

１０，１０Ａ 流路
１１ 液体
１２ 液面
１３ 指向性軸線
２０ 超音波流量計
２１，２２ 超音波送受波器
２４ 温度センサ
３０ 送受波器保持具
３１ 連絡部

Claims (4)

1. 液体が流れる流路の上流側と下流側とに分けて配置される１対の超音波送受波器の間で、前記液体の流れに沿った順方向と流れに逆行した逆方向との両方向で超音波を送受波し、前記順方向及び前記逆方向の超音波の到達時間の差を求めて、前記液体の流速及び／又は流量を計測する超音波流量計において、
   前記１対の超音波送受波器は、前記流路の底部に配置され、一方の前記超音波送受波器から送波した超音波を前記液体の液面で反射させて、他方の前記超音波送受波器で受波するように構成し、
   前記１対の超音波送受波器の間に差し渡された連絡部を有して、前記１対の超音波送受波器を所定の間隔に保持する送受波器保持具を備え、
   前記連絡部は、前記液面で反射した超音波を受けるとその超音波を側方に反射して、前記液面と前記連絡部との間における超音波の複数回の反射を防止可能な山形状になっていることを特徴とする超音波流量計。
2. 前記連絡部は、断面三角形であることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記送受波器保持具は、前記１対の超音波送受波器の間隔を変更可能に構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波流量計。
4. 前記各超音波送受波器は送受波する超音波の指向性の軸線が、前記流路の満水時の半分の深さで交差するように設定したことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の超音波流量計。

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