JPH05264310A - 超音波流量計 - Google Patents
超音波流量計Info
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- JPH05264310A JPH05264310A JP4063407A JP6340792A JPH05264310A JP H05264310 A JPH05264310 A JP H05264310A JP 4063407 A JP4063407 A JP 4063407A JP 6340792 A JP6340792 A JP 6340792A JP H05264310 A JPH05264310 A JP H05264310A
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- pipe
- vibrator
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 配管の周方向に伝播する音波成分を減少させ
て廻り込み波を低減させＳ／Ｎ比の向上を図る。 【構成】 超音波振動子６を微小振動子の集合と見たと
きに各微小振動子の法線が配管４の軸中心を通るよう
に、その形状を或る中空円錐体の一部をなす形状にする
とともに、振動子６を配管４の軸中心を含む面で切断し
たときの中心線が配管の軸中心線に対して或る一定の打
ち込み角を形成するように配置し、廻り込み波を低減さ
せる。このとき、斜角くさび３の形状はその上面は振動
子６の、また下面は配管４の形状にそれぞれ合わせるよ
うにする。
て廻り込み波を低減させＳ／Ｎ比の向上を図る。 【構成】 超音波振動子６を微小振動子の集合と見たと
きに各微小振動子の法線が配管４の軸中心を通るよう
に、その形状を或る中空円錐体の一部をなす形状にする
とともに、振動子６を配管４の軸中心を含む面で切断し
たときの中心線が配管の軸中心線に対して或る一定の打
ち込み角を形成するように配置し、廻り込み波を低減さ
せる。このとき、斜角くさび３の形状はその上面は振動
子６の、また下面は配管４の形状にそれぞれ合わせるよ
うにする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、流体の流れに対して
斜めに音波を伝播させたときの、超音波の伝搬時間差か
ら流体の流速または流量を計測するようにした、いわゆ
る超音波流量計に関する。
斜めに音波を伝播させたときの、超音波の伝搬時間差か
ら流体の流速または流量を計測するようにした、いわゆ
る超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１０は透過型超音波流量計の測定原理
を説明するための説明図である。まず、上流の超音波振
動子１を超音波により励起すると、出射された超音波は
斜角クサビ３に伝搬される。この斜角クサビ３は流体の
流れ５に対し、超音波を斜めに入射させるものである。
さらに、超音波は配管４から配管内の流れ５へと伝搬す
るが、斜角クサビ３と配管４、配管４と配管内の流れ５
との各境界面においては、図１１に示す如きスネルの法
則に従って音波は屈折する。なお、図１１のｉ，ｏはそ
れぞれ媒質、θｉ，θｏはそれぞれ入射角，反射（出
射）角、Ｃｏ，Ｃｉはそれぞれ媒質ｉ，ｏでの音速を示
している。
を説明するための説明図である。まず、上流の超音波振
動子１を超音波により励起すると、出射された超音波は
斜角クサビ３に伝搬される。この斜角クサビ３は流体の
流れ５に対し、超音波を斜めに入射させるものである。
さらに、超音波は配管４から配管内の流れ５へと伝搬す
るが、斜角クサビ３と配管４、配管４と配管内の流れ５
との各境界面においては、図１１に示す如きスネルの法
則に従って音波は屈折する。なお、図１１のｉ，ｏはそ
れぞれ媒質、θｉ，θｏはそれぞれ入射角，反射（出
射）角、Ｃｏ，Ｃｉはそれぞれ媒質ｉ，ｏでの音速を示
している。
【０００３】配管内の流れ５へと伝搬した音波は対向面
に到達し、再び境界面で屈折したのち下流の超音波振動
子２に受信される。この上流から下流の超音波センサに
到達するまでの音波の伝搬時間をＴ１２とし、逆に下流
の超音波振動子２を励起し上流の超音波振動子１で音波
を受信する場合の伝搬時間をＴ２１とすると、それぞれ
の伝搬時間は次の（１），（２）式で表わされる。な
お、τは配管，斜角クサビでの伝搬時間、Ｄは配管の内
径、Ｃは流体の音速、Ｖは流体の流速をそれぞれ示す。 上式からも明らかなように、流速があると（Ｖが零でな
いとき）Ｔ１２，Ｔ２１に時間差が生じることが分か
る。
に到達し、再び境界面で屈折したのち下流の超音波振動
子２に受信される。この上流から下流の超音波センサに
到達するまでの音波の伝搬時間をＴ１２とし、逆に下流
の超音波振動子２を励起し上流の超音波振動子１で音波
を受信する場合の伝搬時間をＴ２１とすると、それぞれ
の伝搬時間は次の（１），（２）式で表わされる。な
お、τは配管，斜角クサビでの伝搬時間、Ｄは配管の内
径、Ｃは流体の音速、Ｖは流体の流速をそれぞれ示す。 上式からも明らかなように、流速があると（Ｖが零でな
いとき）Ｔ１２，Ｔ２１に時間差が生じることが分か
る。
【０００４】かかる超音波流量計は内径が２５ｍｍ〜３
０００ｍｍの配管内の流速，流量が測定できることか
ら、一般に幅広く用いられている。しかし、伝播する音
波は図１２（イ）に示すように、水中を伝播する本来の
波（直接波）Ｗの他に、配管壁を伝わる廻り込み波Ｗ１
１，Ｗ１２が発生する。なお、同図（ロ）は受信波を示
す波形図、（ハ）はその拡大図である。この廻り込み波
は配管の上面を結ぶ経路を伝播する廻り込み波Ｗ１１
と、配管の底面を通過して配管を１周するように伝播す
る廻り込み波Ｗ１２に分類されるが、流速の検出（伝播
時間の計測）に大きな影響を及ぼすのが廻り込み波Ｗ１
２である。この廻り込み波Ｗ１２と直接波Ｗとが受信側
の超音波振動子によって受信される時間差は、配管の管
径に応じて異なって来る。例えば、口径が１００ｍｍ以
上ならば廻り込み波Ｗ１２と本来の直接波Ｗとの間には
充分な時間差があるので、特に問題とはならない。これ
に対し、内径が２５ｍｍ程度の小口径管ではこの時間差
が余りなく、廻り込み波Ｗ１２の尾引きが長くなって本
来の直接波Ｗに重畳すると、正確な伝播時間が測定でき
なくなる。なお、この廻り込み波Ｗ１２は、配管口径が
同じであっても壁の厚みが厚い程大きくなる。
０００ｍｍの配管内の流速，流量が測定できることか
ら、一般に幅広く用いられている。しかし、伝播する音
波は図１２（イ）に示すように、水中を伝播する本来の
波（直接波）Ｗの他に、配管壁を伝わる廻り込み波Ｗ１
１，Ｗ１２が発生する。なお、同図（ロ）は受信波を示
す波形図、（ハ）はその拡大図である。この廻り込み波
は配管の上面を結ぶ経路を伝播する廻り込み波Ｗ１１
と、配管の底面を通過して配管を１周するように伝播す
る廻り込み波Ｗ１２に分類されるが、流速の検出（伝播
時間の計測）に大きな影響を及ぼすのが廻り込み波Ｗ１
２である。この廻り込み波Ｗ１２と直接波Ｗとが受信側
の超音波振動子によって受信される時間差は、配管の管
径に応じて異なって来る。例えば、口径が１００ｍｍ以
上ならば廻り込み波Ｗ１２と本来の直接波Ｗとの間には
充分な時間差があるので、特に問題とはならない。これ
に対し、内径が２５ｍｍ程度の小口径管ではこの時間差
が余りなく、廻り込み波Ｗ１２の尾引きが長くなって本
来の直接波Ｗに重畳すると、正確な伝播時間が測定でき
なくなる。なお、この廻り込み波Ｗ１２は、配管口径が
同じであっても壁の厚みが厚い程大きくなる。
【０００５】図１３に従来の超音波センサの構成例を示
す。つまり、円板または角板の超音波振動子６を底面が
平坦な斜角クサビ３に接着材７で直接接着して構成さ
れ、斜角クサビ３と配管４の境界面には、例えば図１４
に示すように、グリース（媒質）８などを塗布すること
により、良好な音響透過性を得るようにしている。ここ
で、超音波振動子６を矩形状の微小振動子６Ａ，６Ｂ，
６Ｃの集合からなるとすると、個々の微小振動子の指向
性Ｒは以下の式で示され、これをグラフ化すると図１５
のようになる。同図からも明らかなように、音波の出射
強度，受信感度の高い方向は微小振動子の領域の法線
（メインビーム）方向である。 ただし、２ａ：微小振動子の長さ Ｋ：ω（角周波数）／Ｃ（音速） γ：指向角度
す。つまり、円板または角板の超音波振動子６を底面が
平坦な斜角クサビ３に接着材７で直接接着して構成さ
れ、斜角クサビ３と配管４の境界面には、例えば図１４
に示すように、グリース（媒質）８などを塗布すること
により、良好な音響透過性を得るようにしている。ここ
で、超音波振動子６を矩形状の微小振動子６Ａ，６Ｂ，
６Ｃの集合からなるとすると、個々の微小振動子の指向
性Ｒは以下の式で示され、これをグラフ化すると図１５
のようになる。同図からも明らかなように、音波の出射
強度，受信感度の高い方向は微小振動子の領域の法線
（メインビーム）方向である。 ただし、２ａ：微小振動子の長さ Ｋ：ω（角周波数）／Ｃ（音速） γ：指向角度
【０００６】超音波振動子を含み配管の軸に垂直な断面
を示すのが図１４であり、この図を参照して個々の微小
振動子からの法線方向の音波につき、その伝播経路を考
えて見る。音波の伝播するベクトルは、配管の長手方向
のベクトルとこれに直交する成分とに分解することがで
き、ここでは廻り込み波の原因となる直交成分について
のみ取り扱い、この直交ベクトルを配管の軸方向に投影
して示したのが図１４というわけである。なお、この成
分は実際は受信までに１回転のスパイラル状の伝播をす
ると考えれば良い。すなわち、超音波振動子の中心の微
小振動子６Ａから出射された音波は、配管４に対して法
線方向に入射するので屈折することなく配管４から水中
へと透過して直接波となる。一方、端部の微小振動子６
Ｂ，６Ｃからの音波は配管の法線ベクトルに対して斜め
に入射し、図１１に示すようなスネルの法則に従って屈
折する。ここで、配管中の音速はグリース８での音速よ
りも速いので、図１４に示す角度βとθとの関係はβ＞
θとなる。そして、この音波が配管の中を多重反射して
廻り込み波Ｗ１２となるのである。ここでは、両極端の
場合について説明したが、微小振動子には指向性がある
ため、実際にはこの点も考慮しなければならない。な
お、斜角くさび３とグリース８との境面では、微小振動
子からのメインビームは垂直に入射するので屈折は生じ
ない。また、配管／流体の音響インピーダンスの差が大
きいので、配管から流体に透過する透過率よりも反射率
の方が大きい。
を示すのが図１４であり、この図を参照して個々の微小
振動子からの法線方向の音波につき、その伝播経路を考
えて見る。音波の伝播するベクトルは、配管の長手方向
のベクトルとこれに直交する成分とに分解することがで
き、ここでは廻り込み波の原因となる直交成分について
のみ取り扱い、この直交ベクトルを配管の軸方向に投影
して示したのが図１４というわけである。なお、この成
分は実際は受信までに１回転のスパイラル状の伝播をす
ると考えれば良い。すなわち、超音波振動子の中心の微
小振動子６Ａから出射された音波は、配管４に対して法
線方向に入射するので屈折することなく配管４から水中
へと透過して直接波となる。一方、端部の微小振動子６
Ｂ，６Ｃからの音波は配管の法線ベクトルに対して斜め
に入射し、図１１に示すようなスネルの法則に従って屈
折する。ここで、配管中の音速はグリース８での音速よ
りも速いので、図１４に示す角度βとθとの関係はβ＞
θとなる。そして、この音波が配管の中を多重反射して
廻り込み波Ｗ１２となるのである。ここでは、両極端の
場合について説明したが、微小振動子には指向性がある
ため、実際にはこの点も考慮しなければならない。な
お、斜角くさび３とグリース８との境面では、微小振動
子からのメインビームは垂直に入射するので屈折は生じ
ない。また、配管／流体の音響インピーダンスの差が大
きいので、配管から流体に透過する透過率よりも反射率
の方が大きい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】以上に詳述したよう
に、受信用超音波センサにおいて直接波の直前に現れる
廻り込み波は、超音波振動子からの音波の直交ベクトル
が配管の法線ベクトルに対して斜めになることにより、
発生することが分かる。したがって、配管径に対して振
動子の径を充分に小さくすることにより、廻り込み波の
発生を低減させることも考えられるが、このようにする
と直接波のレベルも低下してしまうので実用的でない。
つまり、廻り込み波の尾引きの短縮化，超音波振動子の
小型化だけでは、管厚の大きな配管では精度１％に必要
なＳ／Ｎ比および感度が得られないという問題が発生す
る。したがって、この発明の課題は本質的に廻り込み波
を発生し難いセンサ構造とし、充分なＳ／Ｎ比を確保し
得るようにすることにある。
に、受信用超音波センサにおいて直接波の直前に現れる
廻り込み波は、超音波振動子からの音波の直交ベクトル
が配管の法線ベクトルに対して斜めになることにより、
発生することが分かる。したがって、配管径に対して振
動子の径を充分に小さくすることにより、廻り込み波の
発生を低減させることも考えられるが、このようにする
と直接波のレベルも低下してしまうので実用的でない。
つまり、廻り込み波の尾引きの短縮化，超音波振動子の
小型化だけでは、管厚の大きな配管では精度１％に必要
なＳ／Ｎ比および感度が得られないという問題が発生す
る。したがって、この発明の課題は本質的に廻り込み波
を発生し難いセンサ構造とし、充分なＳ／Ｎ比を確保し
得るようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め、第１の発明では、配管内を流れる流体の流れに対し
て或る一定の打ち込み角度をもって音波を伝搬させ、上
流の超音波振動子から下流の超音波振動子までの音波の
伝搬時間と下流の超音波振動子から上流の超音波振動子
までの音波の伝搬時間との差から流体の流速または流量
を計測する超音波流量計において、前記超音波振動子を
複数の微小な振動子の集合と見たときに、個々の微小振
動子の法線方向が前記配管の中心軸を通るような或る厚
みを持った中空円錐体の一部をなす形状とし、かつこの
円錐体を配管中心軸を含む面で切断したときの切断面の
中心軸方向が配管中心軸に対して或る一定の打ち込み角
度を持つように配置することを特徴としている。この第
１の発明では、前記超音波振動子と配管との間に配置さ
れ、超音波振動子からの出射音波を流体に対して一定の
打ち込み角度をもって打ち込むための斜角くさびを、そ
の上面は前記超音波振動子に合う形状とし、その下面は
配管に合う形状とすることができる。
め、第１の発明では、配管内を流れる流体の流れに対し
て或る一定の打ち込み角度をもって音波を伝搬させ、上
流の超音波振動子から下流の超音波振動子までの音波の
伝搬時間と下流の超音波振動子から上流の超音波振動子
までの音波の伝搬時間との差から流体の流速または流量
を計測する超音波流量計において、前記超音波振動子を
複数の微小な振動子の集合と見たときに、個々の微小振
動子の法線方向が前記配管の中心軸を通るような或る厚
みを持った中空円錐体の一部をなす形状とし、かつこの
円錐体を配管中心軸を含む面で切断したときの切断面の
中心軸方向が配管中心軸に対して或る一定の打ち込み角
度を持つように配置することを特徴としている。この第
１の発明では、前記超音波振動子と配管との間に配置さ
れ、超音波振動子からの出射音波を流体に対して一定の
打ち込み角度をもって打ち込むための斜角くさびを、そ
の上面は前記超音波振動子に合う形状とし、その下面は
配管に合う形状とすることができる。
【０００９】第２の発明では、配管内を流れる流体の流
れに対して或る一定の打ち込み角度をもって音波を伝搬
させ、上流の超音波振動子から下流の超音波振動子まで
の音波の伝搬時間と下流の超音波振動子から上流の超音
波振動子までの音波の伝搬時間との差から流体の流速ま
たは流量を計測する超音波流量計において、前記超音波
振動子の形状を平板状とし、この超音波振動子からの出
射音波を流体に対して一定の打ち込み角度をもって打ち
込むための斜角くさびを、その内部の音波の伝播速度が
互いに異なる２層以上の媒体から構成することを特徴と
している。この第２の発明では、前記斜角くさびの２層
以上の媒体の各境界面の配管の径方向の断面形状を、Ｖ
字形，逆Ｖ字形またはＵ字形，逆Ｕ字形とすることがで
き、この斜角くさびの２層以上の各媒体における音波の
伝播速度を、Ｖ字形またはＵ字形の場合は配管に近い方
を速くし、逆Ｖ字形または逆Ｕ字形の場合は配管に近い
方を遅くすることができる。
れに対して或る一定の打ち込み角度をもって音波を伝搬
させ、上流の超音波振動子から下流の超音波振動子まで
の音波の伝搬時間と下流の超音波振動子から上流の超音
波振動子までの音波の伝搬時間との差から流体の流速ま
たは流量を計測する超音波流量計において、前記超音波
振動子の形状を平板状とし、この超音波振動子からの出
射音波を流体に対して一定の打ち込み角度をもって打ち
込むための斜角くさびを、その内部の音波の伝播速度が
互いに異なる２層以上の媒体から構成することを特徴と
している。この第２の発明では、前記斜角くさびの２層
以上の媒体の各境界面の配管の径方向の断面形状を、Ｖ
字形，逆Ｖ字形またはＵ字形，逆Ｕ字形とすることがで
き、この斜角くさびの２層以上の各媒体における音波の
伝播速度を、Ｖ字形またはＵ字形の場合は配管に近い方
を速くし、逆Ｖ字形または逆Ｕ字形の場合は配管に近い
方を遅くすることができる。
【００１０】
【作用】超音波振動子または斜角くさびの形状に工夫を
凝らして、超音波振動子からの出射音波が配管の周方向
に垂直に入射して配管の軸中心を通るようにすることに
より、本質的に廻り込み波を発生し難い構造とし、Ｓ／
Ｎ比を向上させるようにする。
凝らして、超音波振動子からの出射音波が配管の周方向
に垂直に入射して配管の軸中心を通るようにすることに
より、本質的に廻り込み波を発生し難い構造とし、Ｓ／
Ｎ比を向上させるようにする。
【００１１】
【実施例】図１はこの発明の１実施例を示す構成図であ
る。これは、斜角くさび３の上面に湾曲した超音波振動
子６を取り付けて構成される超音波センサを、グリース
などを用いて配管４の表面に密着させて配置したもので
ある。なお、配管上には上流側，下流側のそれぞれに設
けられるが、構造的には全く同じなのでここでは一方だ
けを示している。図２に超音波振動子の構造を示す。同
図（イ）からも明らかなように、超音波振動子６の表面
形状を円錐の表面形状の一部とし、その稜線は同図
（ロ）に示すように、配管の中心軸に対して斜角くさび
３の配管への打ち込み角（θ）を形成するようにしてい
る。また、同図（ハ），（ニ）に示すように、超音波振
動子６の配管に近い部分の半径をＣとすれば、その配管
に遠い部分の半径Ｄを、 Ｄ＝Ｃ＋Ｌｃｏｓθ の如く、Ｄ＞Ｃとしている。なお、同図（ハ），（ニ）
のｔは超音波振動子の厚みを示している。
る。これは、斜角くさび３の上面に湾曲した超音波振動
子６を取り付けて構成される超音波センサを、グリース
などを用いて配管４の表面に密着させて配置したもので
ある。なお、配管上には上流側，下流側のそれぞれに設
けられるが、構造的には全く同じなのでここでは一方だ
けを示している。図２に超音波振動子の構造を示す。同
図（イ）からも明らかなように、超音波振動子６の表面
形状を円錐の表面形状の一部とし、その稜線は同図
（ロ）に示すように、配管の中心軸に対して斜角くさび
３の配管への打ち込み角（θ）を形成するようにしてい
る。また、同図（ハ），（ニ）に示すように、超音波振
動子６の配管に近い部分の半径をＣとすれば、その配管
に遠い部分の半径Ｄを、 Ｄ＝Ｃ＋Ｌｃｏｓθ の如く、Ｄ＞Ｃとしている。なお、同図（ハ），（ニ）
のｔは超音波振動子の厚みを示している。
【００１２】図３に斜角くさびの構造を示す。同図
（イ）は斜角くさびの上面図、（ロ）は同じく側面図、
（ハ）は同じく正面図である。つまり、（ハ）のように
配管との接触面（Ｅ）を配管の表面形状に合わせるとと
もに、超音波振動子の取り付け面の形状（Ｆ）を超音波
振動子の形状と同じ円錐の表面の一部の形状となるよう
にしている。上記のような超音波振動子および斜角くさ
びを用いることにより、出射音波の伝播の様子を示す図
４からも明らかなように、超音波振動子から出射される
音波の大部分を配管の中心軸に向けて伝播させることが
可能となる。
（イ）は斜角くさびの上面図、（ロ）は同じく側面図、
（ハ）は同じく正面図である。つまり、（ハ）のように
配管との接触面（Ｅ）を配管の表面形状に合わせるとと
もに、超音波振動子の取り付け面の形状（Ｆ）を超音波
振動子の形状と同じ円錐の表面の一部の形状となるよう
にしている。上記のような超音波振動子および斜角くさ
びを用いることにより、出射音波の伝播の様子を示す図
４からも明らかなように、超音波振動子から出射される
音波の大部分を配管の中心軸に向けて伝播させることが
可能となる。
【００１３】すなわち、ここでも図４に示すように、超
音波振動子を多数の微小振動子（６Ａ，６Ｂ，６Ｃ）か
らなるものと考えると、これら微小振動子からのメイン
ビームは配管の軸方向に対して打ち込み角（θ）で入射
し、配管の周方向に対して９０度で入射するので、斜角
くさびと配管との境界面では音波のメインビームは周方
向には屈折しない。同様に、配管と流体との境界面につ
いても、配管の周方向に対して９０度で入射するので、
この境界面での音波のメインビームの周方向の屈折はあ
り得ず、したがって、図５に示すように、軸方向にのみ
音波の屈折が生じることになる。なお、配管と流体との
境界面での音波の多重反射は上述の廻り込み波Ｗ１２と
なる。一方、出射音波のメインビーム以外のものは、配
管の周方向に対して９０±α度で入射するので、斜角く
さびと配管との境界面では音波は屈折するが、従来のよ
うに大きな反射角で配管壁内を多重反射するものに比
べ、この実施例の場合は小さな反射角で配管壁内を多重
反射することになる。
音波振動子を多数の微小振動子（６Ａ，６Ｂ，６Ｃ）か
らなるものと考えると、これら微小振動子からのメイン
ビームは配管の軸方向に対して打ち込み角（θ）で入射
し、配管の周方向に対して９０度で入射するので、斜角
くさびと配管との境界面では音波のメインビームは周方
向には屈折しない。同様に、配管と流体との境界面につ
いても、配管の周方向に対して９０度で入射するので、
この境界面での音波のメインビームの周方向の屈折はあ
り得ず、したがって、図５に示すように、軸方向にのみ
音波の屈折が生じることになる。なお、配管と流体との
境界面での音波の多重反射は上述の廻り込み波Ｗ１２と
なる。一方、出射音波のメインビーム以外のものは、配
管の周方向に対して９０±α度で入射するので、斜角く
さびと配管との境界面では音波は屈折するが、従来のよ
うに大きな反射角で配管壁内を多重反射するものに比
べ、この実施例の場合は小さな反射角で配管壁内を多重
反射することになる。
【００１４】つまり、従来のものは伝播経路が短いのに
対して、この実施例によれば伝播経路を長くすることが
できるので、直接波より以降に廻り込み波の発生を遅延
させることができるだけでなく、反射回数が増えること
からそのレベルも低減させることができるというわけで
ある。このことを示すのが図６で、同図（イ）は従来
例、（ロ）は実施例の場合をそれぞれ示している。この
図からも明らかなように、廻り込み波Ｗ１２は従来の場
合の方が大きな反射角で配管壁内を多重反射するのに対
し、実施例の場合の方が小さな反射角で多重反射するこ
とになり、廻り込み波の影響を従来のものよりも少なく
できることが分かる。
対して、この実施例によれば伝播経路を長くすることが
できるので、直接波より以降に廻り込み波の発生を遅延
させることができるだけでなく、反射回数が増えること
からそのレベルも低減させることができるというわけで
ある。このことを示すのが図６で、同図（イ）は従来
例、（ロ）は実施例の場合をそれぞれ示している。この
図からも明らかなように、廻り込み波Ｗ１２は従来の場
合の方が大きな反射角で配管壁内を多重反射するのに対
し、実施例の場合の方が小さな反射角で多重反射するこ
とになり、廻り込み波の影響を従来のものよりも少なく
できることが分かる。
【００１５】図７はこの発明の他の実施例を示す構成図
である。これは、図１に示す超音波振動子が特殊な形状
をしているのに対し、ここでは平板状の振動子６を使用
可能にした点、および斜角くさびを音速の異なる複数の
層（この例では２層）３Ａ，３Ｂで構成し、各々の境界
面の形状をＶまたはＵ字形（図はＶ字形の例）とした点
が特徴である。この２層の斜角くさび３Ａ，３Ｂとして
は、その中を伝播する音速がくさび３Ａの方がくさび３
Ｂよりも速くなるようにすると、前述の如きスネルの法
則により、くさび３Ｂからの音波はその境界面において
屈折し、全体として音波を配管の中心に集中させるよう
にすることができる。
である。これは、図１に示す超音波振動子が特殊な形状
をしているのに対し、ここでは平板状の振動子６を使用
可能にした点、および斜角くさびを音速の異なる複数の
層（この例では２層）３Ａ，３Ｂで構成し、各々の境界
面の形状をＶまたはＵ字形（図はＶ字形の例）とした点
が特徴である。この２層の斜角くさび３Ａ，３Ｂとして
は、その中を伝播する音速がくさび３Ａの方がくさび３
Ｂよりも速くなるようにすると、前述の如きスネルの法
則により、くさび３Ｂからの音波はその境界面において
屈折し、全体として音波を配管の中心に集中させるよう
にすることができる。
【００１６】図８は図７における出射音波の伝播態様を
説明するための説明図である。すなわち、微小振動子６
Ａ，６Ｂ，６Ｃから出射される音波はまず斜角くさび３
Ｂを伝播し、斜角くさび３Ａと３Ｂとの境界面でαなる
角度で入射する。このとき、くさび内を伝播する音速は
くさび３Ａの方が速いのでβ＞αとなり、音波は配管の
中心に集中するように屈折することになる。なお、くさ
び３Ａ，３Ｂの形状をＶ字形またはＵ字形としたのは機
械切削を容易にするためであり、超音波振動子の全ての
点からのメインローブを厳密に配管の中心に向かわせる
には、実際は端部ほど曲率を小さくすることが必要とな
る。
説明するための説明図である。すなわち、微小振動子６
Ａ，６Ｂ，６Ｃから出射される音波はまず斜角くさび３
Ｂを伝播し、斜角くさび３Ａと３Ｂとの境界面でαなる
角度で入射する。このとき、くさび内を伝播する音速は
くさび３Ａの方が速いのでβ＞αとなり、音波は配管の
中心に集中するように屈折することになる。なお、くさ
び３Ａ，３Ｂの形状をＶ字形またはＵ字形としたのは機
械切削を容易にするためであり、超音波振動子の全ての
点からのメインローブを厳密に配管の中心に向かわせる
には、実際は端部ほど曲率を小さくすることが必要とな
る。
【００１７】図７または図８ではくさび３Ａ，３ＢのＶ
字形の頂点が配管側に向くように配置されているが、こ
の関係を逆、つまりＶ字形の頂点を超音波振動子の方に
向けるように配置することもできる。図９にかかる実施
例を示す。なお、この場合は斜角くさびを伝播する音波
の伝播速度の関係を図７，図８の場合とは逆になるよう
にする。また、この関係についてはＵ字形の場合も同様
であることはいうまでもない。また、斜角くさびの配管
との接合面をここでは配管の形状に合わせて円柱面の一
部としたが、平面とすることもできる。ただ、このよう
にすると、くさびと配管との間の隙間は通常はグリース
で埋められるので、くさび／グリースおよびグリース／
配管での角境界面における音波の屈折を考慮して、くさ
び３Ａ，３Ｂの形状を決定することが必要になる。さら
に、上記では２層構造のくさびについて説明したが、配
管に入射する音波が配管の径方向ベクトルに近くなるよ
うにすれば、３層以上とすることも可能である。
字形の頂点が配管側に向くように配置されているが、こ
の関係を逆、つまりＶ字形の頂点を超音波振動子の方に
向けるように配置することもできる。図９にかかる実施
例を示す。なお、この場合は斜角くさびを伝播する音波
の伝播速度の関係を図７，図８の場合とは逆になるよう
にする。また、この関係についてはＵ字形の場合も同様
であることはいうまでもない。また、斜角くさびの配管
との接合面をここでは配管の形状に合わせて円柱面の一
部としたが、平面とすることもできる。ただ、このよう
にすると、くさびと配管との間の隙間は通常はグリース
で埋められるので、くさび／グリースおよびグリース／
配管での角境界面における音波の屈折を考慮して、くさ
び３Ａ，３Ｂの形状を決定することが必要になる。さら
に、上記では２層構造のくさびについて説明したが、配
管に入射する音波が配管の径方向ベクトルに近くなるよ
うにすれば、３層以上とすることも可能である。
【００１８】
【発明の効果】この発明によれば、超音波振動子から出
射される音波の大部分を配管の中心軸に向けて伝播させ
ることにより、配管の壁を伝播する廻り込み波の発生を
低減させるとともに、水中を伝播する直接波の受信以降
に廻り込み波を受信するようにしたので、小口径管にお
いても必要なＳ／Ｎ比である４０ｄＢを確保することが
でき、精度１％を達成することができる。
射される音波の大部分を配管の中心軸に向けて伝播させ
ることにより、配管の壁を伝播する廻り込み波の発生を
低減させるとともに、水中を伝播する直接波の受信以降
に廻り込み波を受信するようにしたので、小口径管にお
いても必要なＳ／Ｎ比である４０ｄＢを確保することが
でき、精度１％を達成することができる。
【図１】この発明の１実施例を示す斜視図である。
【図２】図１で用いられる超音波振動子の構造図であ
る。
る。
【図３】図１で用いられる斜角くさびの構造図である。
【図４】図１の配管の中心軸と直角な面における出射音
波の伝播態様を説明するための断面図である。
波の伝播態様を説明するための断面図である。
【図５】図１の配管の中心軸と平行な面における出射音
波の伝播態様を説明するための説明図である。
波の伝播態様を説明するための説明図である。
【図６】図１の実施例と従来例とを比較して説明するた
めの説明図である。
めの説明図である。
【図７】この発明の他の実施例を示す構成図である。
【図８】図７における出射音波の伝播態様を説明するた
めの説明図である。
めの説明図である。
【図９】図７の変形例を示す断面図である。
【図１０】一般的な超音波流量計を示す断面図である。
【図１１】スネルの法則を説明するための説明図であ
る。
る。
【図１２】廻り込み波を説明するための説明図である。
【図１３】超音波センサの従来例を示す断面図である。
【図１４】図１０における出射音波の伝播態様を説明す
るための説明図である。
るための説明図である。
【図１５】矩形微小振動子の指向性を説明するための波
形図である。
形図である。
１…超音波センサ（上流）、２…超音波センサ（下
流）、３…斜角クサビ、４…配管、５…流体（流れ）、
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ……超音波振動子、７…接着材、
８…グリース（媒体）。
流）、３…斜角クサビ、４…配管、５…流体（流れ）、
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ……超音波振動子、７…接着材、
８…グリース（媒体）。
Claims (5)
- 【請求項１】 配管内を流れる流体の流れに対して或る
一定の打ち込み角度をもって音波を伝搬させ、上流の超
音波振動子から下流の超音波振動子までの音波の伝搬時
間と下流の超音波振動子から上流の超音波振動子までの
音波の伝搬時間との差から流体の流速または流量を計測
する超音波流量計において、 前記超音波振動子を複数の微小な振動子の集合と見たと
きに、個々の微小振動子の法線方向が前記配管の中心軸
を通るような或る厚みを持った中空円錐体の一部をなす
形状とし、かつこの円錐体を配管中心軸を含む面で切断
したときの切断面の中心軸方向が配管中心軸に対して或
る一定の打ち込み角度を持つように配置することを特徴
とする超音波流量計。 - 【請求項２】 前記超音波振動子と配管との間に配置さ
れ、超音波振動子からの出射音波を流体に対して一定の
打ち込み角度をもって打ち込むための斜角くさびを、そ
の上面は前記超音波振動子に合う形状とし、その下面は
配管に合う形状とすることを特徴とする請求項１に記載
の超音波流量計。 - 【請求項３】 配管内を流れる流体の流れに対して或る
一定の打ち込み角度をもって音波を伝搬させ、上流の超
音波振動子から下流の超音波振動子までの音波の伝搬時
間と下流の超音波振動子から上流の超音波振動子までの
音波の伝搬時間との差から流体の流速または流量を計測
する超音波流量計において、 前記超音波振動子の形状を平板状とし、この超音波振動
子からの出射音波を流体に対して一定の打ち込み角度を
もって打ち込むための斜角くさびを、その内部の音波の
伝播速度が互いに異なる２層以上の媒体から構成するこ
とを特徴とする超音波流量計。 - 【請求項４】 前記斜角くさびの２層以上の媒体の各境
界面の配管の径方向の断面形状を、Ｖ字形，逆Ｖ字形ま
たはＵ字形，逆Ｕ字形とすることを特徴とする請求項３
に記載の超音波流量計。 - 【請求項５】 前記斜角くさびの２層以上の各媒体にお
ける音波の伝播速度を、Ｖ字形またはＵ字形の場合は配
管に近い方を速くし、逆Ｖ字形または逆Ｕ字形の場合は
配管に近い方を遅くすることを特徴とする請求項４に記
載の超音波流量計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4063407A JPH05264310A (ja) | 1992-03-19 | 1992-03-19 | 超音波流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4063407A JPH05264310A (ja) | 1992-03-19 | 1992-03-19 | 超音波流量計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05264310A true JPH05264310A (ja) | 1993-10-12 |
Family
ID=13228420
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4063407A Pending JPH05264310A (ja) | 1992-03-19 | 1992-03-19 | 超音波流量計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05264310A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100768390B1 (ko) * | 2006-09-14 | 2007-10-18 | 한국전력공사 | 유도초음파를 이용한 열교환기 검사장치 |
| WO2016013623A1 (ja) * | 2014-07-23 | 2016-01-28 | 東京電力株式会社 | 流量計測装置および流量計測方法 |
| JP2016109560A (ja) * | 2014-12-05 | 2016-06-20 | 東京電力株式会社 | 流量計測装置および流量計測方法 |
-
1992
- 1992-03-19 JP JP4063407A patent/JPH05264310A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100768390B1 (ko) * | 2006-09-14 | 2007-10-18 | 한국전력공사 | 유도초음파를 이용한 열교환기 검사장치 |
| WO2016013623A1 (ja) * | 2014-07-23 | 2016-01-28 | 東京電力株式会社 | 流量計測装置および流量計測方法 |
| JP2016024131A (ja) * | 2014-07-23 | 2016-02-08 | 東京電力株式会社 | 流量計測装置および流量計測方法 |
| CN106537098A (zh) * | 2014-07-23 | 2017-03-22 | 东京电力控股株式会社 | 流量计测装置及流量计测方法 |
| US10151610B2 (en) | 2014-07-23 | 2018-12-11 | Tokyo Electric Power Company Holdings, Incorporated | Flow rate measurement device and flow rate measurement method |
| JP2016109560A (ja) * | 2014-12-05 | 2016-06-20 | 東京電力株式会社 | 流量計測装置および流量計測方法 |
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