JP4818713B2

JP4818713B2 - 超音波流量計

Info

Publication number: JP4818713B2
Application number: JP2005374183A
Authority: JP
Inventors: 英一村上; 敏仲里
Original assignee: Tokyo Keiso Co Ltd; Atsuden Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiso Co Ltd; Atsuden Co Ltd
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: JP2007178155A

Description

本発明は、超音波の伝播時間差方式により流量を測定する超音波流量計に関するものである。

従来、内径が例えば１０ｍｍ以下の小口径の管路における超音波流量計においては、その測定を精度良く実施することは困難とされている。

例えば、図６に示すようなコの字型の管路１を用い、両側に超音波送受波器２、３を配置し、この間の超音波伝播によって流量を測定することがある。しかし、この型式の測定方式は管路１に直角路があって、管路１の内部に気泡が溜まり易く、気泡による音波受信強度の低下によって測定誤差を生ずることがある。

また、通常行われている図７に示すＺ式や、図８に示すＶ式の超音波伝達経路では、管路１の径が小さいと流体中を超音波が伝播する距離が短いため、流量測定の分解能が低い。

そこで、図９に示すように超音波送受波器２、３間の距離を長くすると、超音波が管路１の管壁で反射する回数が増えてしまい、得られる信号波形は超音波受強度が減衰し、ＳＮ比の小さなものとなってしまう。

これらの問題を解決し、波路長を長くするために超音波送受波器２、３の管路１に対する超音波送受信角度を大きくして反射回数を減らすと、超音波の管路内への送信効率や管内からの受信効率が悪化する。

このような観点から、小口径の管路における超音波による流量測定においては、次の条件を備えることが好ましい。

（１）超音波の反射は減衰が伴うので、管壁での反射回数をできるだけ少なくする。

（２）管路内での反射における管壁外への透過波を少なくするために、管壁の法線に対し大きな反射角度を持たせる。

（３）管路内への超音波送受波器からの送信、管路内からの送受波器への受信において、管壁透過時の送受信損失を少なくするために管壁の法線に対し送受信角度を小さくする。

（４）管路内での超音波送受波器における伝達時間の測定精度の分解能を高めるために、超音波の伝播距離を長くする。

しかし、このような（１）〜（４）の条件を同時に満足させることは、従来のような直管路のみの管路だけでは実現が難しい。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、小口径の管路において流量測定を行う際に、管路の一部に曲管路を用いた流量測定精度が高い超音波流量計を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波流量計の技術的特徴は、流路用管体にそれぞれ取り付けた１対の超音波送受波器により交互に前記流路用管体に超音波パルスを送信し、相手側の前記超音波送受波器からの超音波パルスを受信し、前記流路用管体内を流れる流体を伝播する超音波の伝播時間の変化を基に流量を測定する伝播時間差方式の流量計であって、前記流路用管体は曲管路の両側に２つの直管路を配し、前記２つの直管路に前記超音波送受波器をそれぞれ設置し、一方の前記超音波送受波器から送信した超音波を前記曲管路の少なくとも２個所の管壁で反射させて他方の前記超音波送受波器で受信し、前記２つの超音波送受波器の前記２つの直管路に対する超音波の送受信角度θ１を、前記曲管路における反射角度θ２よりも小さくしたことにある。

本発明に係る超音波流量計によれば、小さな送信角で送信側超音波送受波器から直管路に送信した超音波を曲管路で大きな角度で管壁を反射させ、直管路に設けた受信側超音波送受波器に小さな受信角で到達させるので、測定精度が向上する。

本発明を図１〜図５に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は実施例１の超音波流量計の構成図を示し、本実施例１では流体用管体として、曲管路１１の両側に２つの直管路１２、１３が接続され、各直管路１２、１３に１個ずつ第１、第２の超音波送受波器１４、１５が配置され、直管路１２、１３の軸線は一致している。

本実施例１においては、超音波が第１の送受波器１４から第２の送受波器１５に管路内を伝播する過程で、曲管路１１の管壁の反射点１１ａ、１１ｂの２個所で反射するようにされている。また、第２の送受波器１５から第１の送受波器１４に至る過程においても、超音波は逆の経路の反射点１１ｂ、１１ａを経て伝播するようになっている。

第１、第２の送受波器１４、１５は直管路１２、１３の送受信点１２ａ、１３ａにおける法線Ｎに対する超音波の送受信角度θ１は、超音波が効率良く管路内に対して送受信できるように小さな角度とされている。

一方、曲管路１１における反射においては、超音波がなるべくは反射点１１ａ、１１ｂにおいて全反射し、反射点１１ａ、１１ｂから外部に透過しないように、反射点１１ａ、１１ｂの法線ｎに対する反射角度θ２は送受信角度θ１よりも大きくされ、θ１＜θ２の関係がある。

このような条件において、直管路１２の第１の送受波器１４から発信された超音波は、効率良く管路内に入射して、曲管路１１の反射点１１ａ、１１ｂにおいて、少ない反射損失で２回反射して、第２の送受波器１５に入射して、測定データとなる超音波信号が得られる。また、第２の送受波器１５から第１の送受波器１４に至る場合も同様である。

流体が図１の矢印に示す方向に流れるとすれば、第１の送受波器１４から発信され、２個所の曲管路１１の反射点１１ａ、１１ｂで反射されて第２の送受波器１５で受信するまでの時間は、第２の送受波器１５から発信し曲管路１１での２回の反射を経て第１の送受波器１４に至る時間よりも、流速に相応して短くなる。この時間差は流体の流速に関係するので、時間差を測定することによって流速が求まり、管路の断面積を乗ずることによって測定流量が得られる。

なお実際には、送受信点１２ａ、１３ａから反射点１１ａ、１１ｂに至る経路における超音波進行方向の流体の流速方向に対するずれ角度は、反射点１１ａ、１１ｂ間の超音波進行方向の流体の流速方向に対するずれ角度と異なるために、数式は省略するが、各伝播距離、ずれ角度により、得られる時間差に対する補正が必要となる。

また、図２に示すように曲管路１１の１個所の反射点１１ａのみで反射させて送波することも考えられるが、この場合はθ１＝θ２となり、送受波器１４、１５の送受信効率又は曲管路１１における反射効率の何れかが犠牲となる。

図３は実施例１の変形例を示し、曲管路１１の中間部に直管路１６を挿入し、反射点１１ａ、１１ｂ間の距離を大としている。これにより、送受信効率、反射効率を維持したまま伝播距離を延長することができる。

図４は実施例２の構成図である。曲管路１１の両側に直管路１２、１３が配置され、直管路１２、１３において反射点１２ｂ、１３ｂで反射させ、曲管路１１において反射点１１ａ〜１１ｃで３回の反射を行うようにされている。直管路１２、１３における反射は、反射効率の関係から少ないことが好ましいが、送受波器１４、１５の配置の関係から、この実施例２のように、曲管路１１の円弧側に送受波器１４、１５を配置し、反射点１２ｂ、１３ｂで反射させることもある。

この場合においても、送受信点１２ａ、１３ａと曲管路１１の反射点間の伝播距離と進行方向のずれ角度、曲管路１１の反射点間での伝播距離と進行方向のずれ角度による補正は必要である。

曲管路１１と直管路１２、１３から成る流路用管体は、外径６．３５ｍｍ、内径４．３５ｍｍのＰＦＡ材で構成され、曲管路１１の遠心方向側外壁のなす円弧の半径は７０ｍｍ、曲管路１１の向心方向側外壁の両端の距離は４５ｍｍ、曲管路１１の向心方向側外壁の端から超音波送受波器１４、１５の中心までの距離は９．３ｍｍ、２つの直管路１２、１３の軸線同士のなす角度θ３は１５０°、送受信点１２ａ、１３ａの送受信角度θ１及び反射点１２ｂ、１３ｂの反射角は３７°、曲管路１１の反射点１１ａ、１１ｂ、１１ｃにおける各反射角度θ２はそれぞれ６４°、７５°、６４°となっている。

図５は実施例３の構成図であり、曲管路１１において反射点１１ａ〜１１ｅで５回の反射を行っている。この場合においても、θ１＜θ２の関係にある。曲管路１１における反射効率が良ければ、このように反射回数を多くしても、超音波の伝播距離を大きくできる利点がある。

この場合にも、伝播距離、進行方向のずれ角度により補正は必要である。

実際の管路の数値例を挙げれば、曲管路１１及び直管路１２、１３から成る流路用管体は、例えば外径１０ｍｍ、内径８ｍｍのＳＵＳ材で構成されており、曲管路１１の遠心方向側外壁のなす円弧の半径は７０ｍｍ、曲管路１１の向心方向側外壁の両端の距離は５５ｍｍ、曲管路１１の向心方向側外壁の端から超音波送受波器１４、１５の中心までの距離は３．２ｍｍ、２つの直管路１２、１３のなす角度、つまり軸線のずれ角度θ３は１５７°、送受信角度θ１＝３５°、曲管路１１の反射点１１ａ〜１１ｅにおける各反射角度θ２はそれぞれ５２°、６１°、５２°、６１°、５２°となっている。

実施例１の構成図である。曲管路で反射点を１点とした場合の非実施例の構成図である。変形例の構成図である。実施例２の構成図である。実施例３の構成図である。直角路を用いた従来例の超音波流量計の構成図である。Ｚ式の従来例の超音波流量計の構成図である。Ｖ式の従来例の超音波流量計の構成図である。伝播時間を延長するために送受波器間の距離を大きくした場合の超音波流量計の構成図である。

符号の説明

１１曲管路
１２、１３、１６直管路
１４、１５超音波送受波器

Claims

流路用管体にそれぞれ取り付けた１対の超音波送受波器により交互に前記流路用管体に超音波パルスを送信し、相手側の前記超音波送受波器からの超音波パルスを受信し、前記流路用管体内を流れる流体を伝播する超音波の伝播時間の変化を基に流量を測定する伝播時間差方式の流量計であって、前記流路用管体は曲管路の両側に２つの直管路を配し、前記２つの直管路に前記超音波送受波器をそれぞれ設置し、一方の前記超音波送受波器から送信した超音波を前記曲管路の少なくとも２個所の管壁で反射させて他方の前記超音波送受波器で受信し、前記２つの超音波送受波器の前記２つの直管路に対する超音波の送受信角度θ１を、前記曲管路における反射角度θ２よりも小さくしたことを特徴とする超音波流量計。
前記２つの直管路は軸線同士を同一としたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
前記２つの直管路は軸線同士をずらせたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
前記曲管路中に他の直管路を挿入したことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の超音波流量計。