JPH0511767B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、超音波を利用して被測定流体の流量
を測定する超音波流量計に係り、特に電磁力を利
用して超音波振動を発生させる超音波流量計に関
する。

＜従来の技術＞ この種の従来の超音波流量計の構成を第１０
図、その要部の構成を第１１図に示す。

第１０図および第１１図において、１は送波器
であり、静磁界発生手段２およびドライバコイル
５からなる。送波器１は１ａから１ｎまで任意の
数だけ設けられている。静磁界発生手段２におい
て、２ａは磁性体で構成された断面がＥ字形のヨ
ーク、２ｂはヨーク２ａに巻かれたコイルであ
る。なお、静磁界発生手段２としては永久磁石を
用いてもよい。送波器１にはドライバコイル５に
高周波パルス電流を電流発生機構６が接続されて
いる。７は受波器であり、静磁界発生手段８およ
び検出コイル１１からなる。受波器７は７ａから
７ｂまで送波器１と同数だけ設けられている。静
磁界発生手段８において、８ａは磁性体で構成さ
れ断面がＥ字形のヨーク、８ｂはヨーク８に巻か
れたコイルである。なお、静磁界発生手段８とし
ては永久磁石を用いてもよい。受波器７には検出
コイル１１で検出した電圧を増幅して超音波検出
信号とする超音波検出機構１２が接続されてい
る。１３は金属材で構成された管壁で、内部を流
量測定すべき流体１４が流速Ｖで流れている。送
波器１および受波器７は、管壁１３を挾んで非接
触に対向して配置されている。１５は遅延回路
で、１５ａ〜１５ｎまで設けられ、それぞれの遅
れ時間は異なる。これらの遅延回路１５ａ〜１５
_ｏ−１は、各送波器１ａ〜１ｎと電流発生機構６と
の間にそれぞれ接続されている。１６は信号処理
回路であり、電流発生機構６と超音波検出機構１
２からの信号を受けて流体１４の流量を算出す
る。

このような構成の超音波流量計において、超音
波の発生および検出は次のようにして行なわれ
る。

外部の回路（図示せず）によりコイル２ｂおよ
び８ｂを励磁して管壁１３内に破線矢印で示すよ
うな磁界B₁，B₂を発生させておく。ここで、電
流発生機構６によりドライバコイル５に強い高周
波パルス電流を流すと、管壁１３内で電荷がV₁，
V₂の速度で移動し、これにより渦電流が誘起さ
れる。速度V₁の方向は紙面の表から裏へ向かう
方向であり、V₂はその逆方向である。このとき、
渦電流は磁界B₁，B₂と直角方向に実線矢印で示
すような強い力すなわちローレンツ力F₁，F₂を
短時間に受けるため、管壁１３はローレンツ力
F₁，F₂の方向に変位する。これにより、管壁１
３内のローレンツ力F₁，F₂が作用する場所から
矢印Ａ方向にパルス状の弾性波すなわち超音波が
発生する。この超音波は、さらに流体１４内を球
面状に超音波ビームとなつて伝搬する。流体１４
内を伝搬した超音波は、受波器７が対向している
管壁１３に到達すると、管壁１３内に渦電流を誘
起させる。この渦電流の誘起による磁束変化から
受波器７の検出コイル１１は超音波を検出する。

このような超音波の発生および検出において、
流量の測定は次のようにして行なわれる。

各送波器１ａ〜１ｎにはそれぞれ遅れ時間の異
なる遅延回路１５ａ〜１５_o-1が接続されている
ため、各送波器１ａ〜１ｎにより管壁１３から超
音波ビームが発生する時刻はそれぞれ異なる。送
波器１は１ａから１ｎへいくほど管壁１３から超
音波ビームが発生する時刻は遅れる。ある時刻に
おいて、各送波器１ａ〜１ｎによつて管壁１３か
ら発生したそれぞれの超音波ビームの先端に接す
る面すなわち包絡面１７を第１２図に示す。第１
２図に示すように各超音波ビームの進行方向は、
包絡面１７に直交する方向で、しかも管壁１３と
直交する方向に対して角度φをなすように各遅延
回路１５ａ〜１５_o-1の遅れ時間が設定されてい
る。

このため、送波器１ａ〜１ｎにより管壁１３か
ら発生された超音波ビームは管壁１３に対してθ
の角度をなす方向に進む。この超音波ビームは流
体１４の流体粒子によつて反射され、受波器７ａ
〜７ｎが対向して配置されている管壁１３にθの
角度をなして当たる。そして、超音波ビームは管
壁１３内に渦電流を誘起することにより受波器７
ａ〜７ｎの検出コイル１１により検出される。超
音波ビームは流体粒子によつて反射されることに
より、ドツプラー効果によつて周波数が変化す
る。

ここで、送波器１ａ〜１ｎにより発生した超音
波の送信周波数を_t、送信周波数_tと受波器７ａ
〜７ｎが受信した超音波の周波数との差すなわち
ドツプラーシフト周波数を_d、流体１４内の超音
波の伝搬速度をＣとすると、流体１４の流速Ｖは Ｖ＝Ｃ／２（cosθ）_{t d} となる。信号処理回路１６は、送信周波数_t、ド
ツプラーシフト周波数_dおよび超音波の伝搬速度
Ｃの値を信号として受け、上式から流速Ｖを算出
し、さらに測定流量を求める。

このような構成の超音波流量計によれば、送波
器１ａ〜１ｎおよび受波器７ａ〜７ｎが管壁１３
に非接触であるため、流体１４が高温である等の
原因により管壁１３が高温である場合にも送波器
１ａ〜１ｎと受波器７ａ〜７ｎが正常に作動し流
量測定を行なうことができる。

以上は、電磁力を利用したドツプラー方式によ
る流量測定の場合であるが、これは伝搬時間差法
による場合でも同じである。

＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら、この様な従来の超音波流量計で
は以下に示す問題がある。

この超音波流量計では、ドライバコイル５に超
音波パルス電流を流し、これによつて矢印Ａの方
向にパルス状の弾性波を管壁１３に生じさせ、こ
れにより流体中に縦波として超音波ビームを送出
している。従つて、この場合の流体への超音波の
伝達効率は単に管壁１３から流体１４への縦波の
伝達効率に支配され、その伝達効率が−40〜−
60dBときわめて低い。

これは、弾性波を管壁１３から流体１４に単に
放出するとこれ等の境界面で多重反射を起し大き
なエネルギのロスを生じるためである。

＜問題点を解決するための手段＞ この発明は、管壁と流体との間の伝達効率の向
上を図るため、流体を流す金属製の導管と、この
導管の外壁あるいはその近傍に流体の流れ方向に
対して斜めに対向して配置され導管の管壁に静磁
界を発生する磁界発生部と高周波電流が流されあ
るいは管壁に流れる渦電流を検出する送受信コイ
ルとを有する送受波器と、流体の流れる方向とこ
れとは逆方向に送受信コイルを介して超音波を送
受しこの超音波の伝播時間差から流量を算出する
時間差演算手段とを具備し、送受波器により発生
した超音波を導管でラム波に変換させる構成とし
たものである。

＜実施例＞ 以下、本発明の実施例について図面に基づき説
明する。第１図は本発明の一実施例を示すブロツ
ク図である。

導管１８の外壁の近傍に超音波の送受波を行な
う送受波器１９，２０が互いに斜めに対向して設
けてある。送受波器１９，２０には励振用の直流
電源２１より直流電流が供給されている。

２２は送受波器１９，２０を駆動するための駆
動回路であり、駆動回路２２から切換回路２３を
介して送受波器１９，２０に駆動信号を送出し、
導管１８の管壁を超音波振動させる。

この超音波振動により流体中に超音波振動が伝
達されるが、このうち点線で示す経路の超音波に
より導管１８が振動され送受波器２０，１９で受
波される。

送受波器２０，１９ではこの超音波振動を電圧
に変え、切替回路２３を介して受信回路２４で受
信される。

演算回路２５は送受波器１９から２０へ、ある
いはこの逆に超音波を送出するように切替回路２
３を制御し、送受波器１９から２０へ超音波が伝
播する伝播時間T₁とこの逆の場合の伝播時間T₂
との差（T₁−T₂）を演算して流速Ｖおよび流量
Ｑを求めて出力回路２６に送出する。

第２図は第１図における主要な構成である送受
波器１９，２０の内部を示す構成図である。

鉄心２７は例えば角柱状であり、その周囲に励
磁コイル２８が巻れており、鉄心２７はヨーク２
９で囲まれ、ヨーク２９は導管１８の外壁に固定
されている。

励磁コイル２８は直流電源２１より直流電流が
供給され導管１８の管壁に直流磁界Ｂを形成させ
る。

鉄心２７の下端近傍でヨーク２９の内側には送
受信コイル３０が例えば樹脂材３１などで固めら
れて固定されている。送受信コイル３０は第３図
に示すようにピツチがＰの櫛形に形成されたコイ
ルが複数回巻いてあり、その中心軸Ａ−A′が導
管１８の管軸に一致するように配置される。

この受信コイル３０は、駆動するときは駆動回
路２２から切替回路２３を介して、例えば250K
Hz程度の周波数の駆動電流が流されて後述するよ
うに導管１８に超音波振動を発生させ、受信のと
きは導管１８の管壁の振動により導管１８中に生
じた渦電流による磁界が送受信コイル３０で電圧
として検出される。

鉄心２７、励磁コイル２８、ヨーク２９および
送受信コイル３０などで送受波器１９，２０を構
成しており、これ等は駆動用としても受信用とし
ても使用できる。

次に、以上の如く構成された送受波器１９，２
０の動作について説明する。

第２図において、直流磁界Ｂが印加された状態
で送受信コイル３０に高周波の駆動電流I_Sを流す
と、送受信コイル３０により図示の方向に導管１
８中に高周波の渦電流Ｊが生ずる。この渦電流Ｊ
と直流磁界Ｂとでローレンツ力が働らくので、導
管１８の管軸方向に伸縮する力Ｆが導管１８に生
じ、導管１８の管壁には超音波振動が生じる。特
に、この超音波振動を導管の固有振動であるラム
波（板波）振動に一致させると超音波エネルギの
伝達効率がきわめて向上する。

ラム波は、この波の波長をλ_g、伝搬速度をC_g、
駆動周波数をとすれば、送受信コイル３０のピ
ツチＰをＰ＝λ_g＝C_g／なる関係に選定すると
発生する。

この様にして発生するラム波は第４図に示す様
なモードで振動する。実際には、S₀，S₁，S₂，
…，a₀，a₁，a₂，…などの多くのモードがあるが
簡単なため第４図ではS₀，a₀の各モードのみ示し
てある。このS₀，a₀モードのラム波は、横波の波
長をλ_s、速度をC_s、導管１８の板厚をＴとすれ
ば、Ｔλ_s／２、λ_s＝C_s／の如くに選定するこ
とによつて得られる。

導管１８に生じたラム波は導管１８の内部にあ
る流体に超音波振動を与え、第１図に点線で示し
た経路の超音波振動により送受波器１９，２０が
設置されている部分の導管１８の管壁を第２図に
点線で示した形に振動させる。この管壁には直流
磁界が印加されているので、導管１８中には渦電
流Ｊが流れ、これによつて発生する高周波の磁界
が送受信コイル３０と鎖交して送受信コイル３０
に電圧を発生させる。この電圧は受信回路２４で
検出される。

送受波器１９，２０より流体中に送出する超音
波振動は第５図に示すようにラム波の波長λ_gと流
体中の音波長λ_aとが、sinθ_r＝λ_a／λ_gとなるθ_rの方
向において音波の位相が合うので強い音の伝播が
生じる。従つて、送受波器１９，２０は流体中の
音の伝播角度がθ_rとなる位置に配置するのが望ま
しい。

第２図、第３図に示す実施例においては、励磁
コイル３０に直流電導を流して直流磁場Ｂを作つ
たが、これは永久磁石を用いても良い。この場合
には第１図に示す直流電源２１は不要である。

第２図における鉄心２７の形状は角柱状のもの
としたが、これは第６図イ，ロに示す様にＣ字状
の鉄心３２，３３としてこれに励磁コイル３４，
３５ａ，３５ｂを巻いて直流磁界B′を作つても
良い。この場合には、直流磁界B′の方向が第２
図に示す方向と異なるが、このときもラム波が生
ずる。

第７図は小口径配管の場合の構成を示してい
る。口径25〜100mm程度の小口径配管の場合、第
７図に示すように励磁コイル３６ａ，３６ｂを貫
通形とし、かつ１対の送受波器３７，３８を１つ
のケースの中に入れることが可能となり、コンパ
クトな超音波流量計が実現できる。鉄心３９，４
０の構造はＣ字状をなし、第６図イに示す構成と
なつている。

第８図に送受信コイルの別の実施例を示す。こ
のフオーカス形の送受信コイル４１は、櫛形をし
ているが、焦点P′を中心としてある曲率で湾曲さ
れている。この送受信コイル４１のＸ方向を導管
１８の管軸方向に向け、かつ上流側と下流側とで
送受信コイルに対する焦点の方向を互いに向き合
う様に配置することにより、いつそう方向性の強
い超音波の送受信が可能になる。

第９図は磁石、送受信コイルの別の実施例を示
す。永久磁石４２の相互間をフエライトコア４３
ではさんだ構成により直流磁場Ｂを導管１８に生
じさせる。導管１８と永久磁石の間には送受信コ
イル４３が設置されている。ここで、送受信コイ
ル４４に高周波の信号電流I_Sを流すことにより図
示の方向に力Ｆが働らき、点線で示すラム波が導
管１８に生じる。

＜発明の効果＞ 以上、実施例とともに具体的に説明したよう
に、本発明によれば、送受波器により発生した超
音波をラム波に変換して流体に超音波振動を与え
るようにしたので超音波の伝達効率が20dB以上
も改善され感度の良い超音波流量計が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、
第２図は第１図における送受波器の構成を示す拡
大図、第３図は第２図における送受信コイルの構
成を示す平面図、第４図は第２図に示す送受波器
によるラム波の発生状況を示す説明図、第５図は
第２図に示す超音波振動の指向性を説明する説明
図、第６図は第２図に示す鉄心と励磁コイルの変
形実施例を示す側面図、第７図は第２図に示す送
受波器の変形実施例を示す斜視断面図、第８図は
第２図における送受信コイルの変形実施例を示す
平面図、第９図は第２図に示す送受波器の他の変
形実施例を示す横断面図、第１０図は従来の超音
波流量計の構成を示す構成図、第１１図は第１０
図における送波器と受波器の部分を拡大して示し
た拡大図、第１２図は第１１図において流体に発
生された超音波ビームの包絡面を説明する説明図
である。 １……送波器、２，８……静磁界発生手段、７
……受波器、１３……管壁、１４……流体、１８
……導管、１９，２０……送受波器、２２……駆
動回路、２４……受信回路、２５……演算回路、
２８……励磁コイル、３０……送受信コイル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流体を流す金属製の導管と、この導管の外壁
   あるいはその近傍に前記流体の流れ方向に対して
   斜めに対向して配置され前記導管の管壁に静磁界
   を発生する磁界発生部と高周波電流が流されある
   いは前記管壁に流れる渦電流を検出する送受信コ
   イルとを有する送受波器と、前記流体の流れる方
   向とこれとは逆方向に前記送受信コイルを介して
   超音波を送受しこの超音波の伝播時間差から流量
   を算出する時間差演算手段とを具備し、前記送受
   波器により発生した超音波を前記導管でラム波に
   変換させることを特徴とする超音波流量計。