JP4939907B2 - 気体用超音波流量計 - Google Patents
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Description
本発明は、管体内を流れる気体の流量を時間差方式により、広い流量範囲で測定できる気体用超音波流量計に関するものである。
管体内を流れる流体の流量を計測する超音波流量計において、最も広く使用されている原理は時間差法である。この時間差法では流体の流速Ｖを、流体中の超音波の伝播速度の変化、即ち伝播時間差Δｔとして計測し、管体の既知の断面積を乗算することにより流量Ｑを測定する。
この時間差方式の超音波流量計は、液体、気体を対象として実用に供されているが、気体の場合には気体音速と測定流速の比が液体の場合ほど大きくない。従って、上流側を送信側として流体を横切るように下流側に送られた超音波ビームは、気体の流速が大になると気体の流れにより下流側に押し流されて、下流側の超音波送受信器の位置を超えてしまい、受信信号が得られなくなるという問題がある。
また、下流側から上流側に向かう場合の超音波ビームも、流れに押し戻され、上流側の超音波送受信器の手前に到達してしまうことになる。このときの限界流速は流量計各部の寸法にもよるが、概略３０ｍ／ｓ程度であって、これよりも大きい流速の気体を対象とした流量計測はなかなか困難である。
図４は従来の管体１の両側に超音波送受信器２、３を取り付けた構成の気体用超音波流量計の実用例であり、上流側から送信する場合に、実線は流速が零のときの超音波ビームの軌跡を示し、破線は気体Ｆの流量が大きいときの超音波ビームの軌跡を示している。この場合に、流量が大きいと超音波ビームが反れて、超音波送受信器３での超音波ビームが受信不能になり、超音波ビームの向きが逆の場合も同様に受信することができないことがある。
図５は管体１内の反射面４で超音波ビームを１回反射させた例であるが、反射面４は管体１内の壁を利用する場合が普通であり、気体Ｆの流量が大きいときに超音波ビームの受信が困難であることは、図４の場合と同様である。
このような問題点を解決するための手段として、特許文献１、２が知られている。これらの特許文献１、２においては、管体内の反射面を凹球面としており、超音波ビームの反射点が若干ずれても、超音波ビームは相手側の超音波送受信器に到達し易くされている。
この場合の凹球面の焦点は、２つの気体用超音波流量計の平均的位置に設けられており、正確に焦点位置に気体用超音波流量計を配置したものではない。従って、測定対象が気体のように、流速によって反射点位置が変化する場合には、たとえ反射面を凹球面としても、超音波ビームが相手側の超音波送受信器に到達するとは限らない。
本発明の目的は、上述の課題を解消し、反射面として２つの焦点を有する楕円面を使用し、流速に関する測定限界を拡大し、実用性を高めた気体用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気体用超音波流量計の技術的特徴は、測定すべき気体を流す測定用管体の流れ方向の上流側と下流側とに一対の超音波送受信器を配置すると共に、これらの超音波送受信器の間の前記管体内に超音波反射体を取り付け、前記一方の超音波送受信器から発信した超音波ビームが前記反射体で反射して前記他方の超音波送受信器に伝播する気体用超音波流量計において、前記超音波反射体の反射面は前記超音波送受信器同士を結ぶ線を主軸とする楕円形の一部とし、前記超音波送受信器のそれぞれを前記楕円形の焦点位置に配置し、流速が零のときの前記超音波反射体に前記超音波ビームが入射する位置を中心として、前記超音波反射体の下流側の管軸方向の長さを上流側よりも大きくしたことにある。
本発明に係る気体用超音波流量計によれば、送信された超音波ビームは測定対象の気体流量に拘わらず、受信側の超音波送受信器に伝播し、受信信号が失われることが少なく、流速が大きくとも測定が可能となる。
本発明を図１〜図３に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は気体用超音波流量計の構成図である。測定対象である気体Ｆが矢印方向に流れる管体１１には、上流及び下流側にそれぞれ超音波送受信器１２、１３が配置されている。そして、一方の超音波送受信器から発した超音波ビームが他方の超音波送受信器に至る過程で反射する管体１１の内面に、別個に製作した超音波反射体１４が配置されている。
超音波送受信器１２、１３はそれぞれ切換器１５に接続され、切換器１５の一方には駆動源１６が接続され、切換器１５の他方には増幅器１７、変換器１８、流量出力端１９が順次に接続されている。
切換器１５により、超音波送受信器１２、１３は交互に超音波ビームの発信、受信を繰り返すようにされ、超音波送受信器１２から発信した超音波ビームは、超音波反射体１４で反射されて超音波送受信器１３で受信される。また、超音波送受信器１３から発信した超音波ビームは、超音波反射体１４で反射されて超音波送受信器１２で受信される。これら２つの超音波ビームの管体１１内の伝播時間差を求め、管体１１の断面積を基に、管体１１内を流れる気体Ｆの流量を測定する。
本実施例においては、図２に示すように超音波反射体１４の反射面は楕円球面の一部とされ、この楕円球面の主軸上の２つの焦点Ａ、Ｂの位置に、超音波送受信器１２、１３がそれぞれ配置されている。また、超音波反射体１４は管体１１の下流側に延長され、超音波ビームが入射する位置が拡大されている。例えば、上流側の超音波送受信器１２の楕円の一方の焦点である位置Ａから発信された超音波ビームが、気体Ｆの流速により点線のように押し流されたとしても、超音波反射体１４の一部に入射すれば、楕円の焦点の性質に基づいて、超音波ビームは楕円の他方の焦点である位置Ｂに配置された超音波送受信器１３に向けて収束されて反射される。
更に、超音波反射体１４から超音波送受信器１３に向かう途中で、超音波ビームは流速により押し流されることもあるが、超音波ビームの指向性が特に鋭くないことや、組み合わせる変換器の自動ゲイン制御機能により所要の高流速まで測定ができる場合がある。ただし、このような流速で測定ができないこともあり得るので、この場合には超音波反射体１４の反射面形状を修正すればよい。
また、下流側の位置Ｂの超音波送受信器１３から超音波ビームを発信する場合には、超音波ビームは気体Ｆの流速により押し戻されてから超音波反射体１４の一部に到達する。そして、超音波ビームの超音波反射体１４による反射は、位置Ａの超音波送受信器１２に収束して向けられる。この場合も、気体Ｆの流速にあまり影響されることなく、送信側の超音波送受信器１３から発信した超音波ビームは、受信側の超音波送受信器１２に伝播することになる。
流速が零のとき、超音波ビームが実線のように超音波反射体１４に入射する位置をＯとすると、超音波反射体１４の管軸方向の長さを上流、下流で非対称とし、超音波ビームが流速により押し流され、或いは押し戻される分以上に下流側に長くすることが好ましい。
なお、超音波反射体１４の下流側端部の形状は、例えば斜面として不要な渦の発生を防止することが好適である。
また、超音波反射体１４は管体１１の内部に突出させるのではなく、管体１１に対して凹ませて形成することもできる。
本実施例２においては、超音波反射体１４は実施例１における楕円球面に代えて、楕円柱面が使用されている。この場合には、図３に示すような超音波反射体１４を形成して、管体１１内に固定すればよい。この超音波反射体１４の反射面は管軸と直交する柱軸を有する位置Ａ、Ｂを焦点とする楕円柱面の一部とし、その長さは下流側に延長されている。
実施例１の楕円球面の場合には、管軸に対し側方に散乱した超音波ビームも、位置Ｂに向けて収束されるが、この実施例２においては楕円柱面の加工が容易である。本実施例２における超音波反射体１４の管軸に直交する軸方向の長さ、即ち幅は超音波送受信器１２、１３の送受信面の直径と同程度にすればよい。
１１ 管体
１２、１３ 超音波送受信器
１４ 超音波反射体
１５ 切換器
１６ 駆動源
１７ 増幅器
１８ 変換器
１９ 流量出力端
Ａ、Ｂ 楕円の焦点
１２、１３ 超音波送受信器
１４ 超音波反射体
１５ 切換器
１６ 駆動源
１７ 増幅器
１８ 変換器
１９ 流量出力端
Ａ、Ｂ 楕円の焦点
Claims (3)
- 測定すべき気体を流す測定用管体の流れ方向の上流側と下流側とに一対の超音波送受信器を配置すると共に、これらの超音波送受信器の間の前記管体内に超音波反射体を取り付け、前記一方の超音波送受信器から発信した超音波ビームが前記反射体で反射して前記他方の超音波送受信器に伝播する気体用超音波流量計において、前記超音波反射体の反射面は前記超音波送受信器同士を結ぶ線を主軸とする楕円形の一部とし、前記超音波送受信器のそれぞれを前記楕円形の焦点位置に配置し、流速が零のときの前記超音波反射体に前記超音波ビームが入射する位置を中心として、前記超音波反射体の下流側の管軸方向の長さを上流側よりも大きくしたことを特徴とする気体用超音波流量計。
- 前記反射面は楕円球面の一部としたことを特徴とする請求項１に記載の気体用超音波流量計。
- 前記反射面は楕円柱面の一部としたことを特徴とする請求項１に記載の気体用超音波流量計。
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