JPH05502295A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 超音波流量計 本発明は請求の範囲１の前文による超音波流量計に関する。

超音波により動作する流量計は従来の技術から知られており、また並行特許比１ １１ＧＲ８９Ｐ２０１４およびＧＲ８９Ｐ２０１５明細書で提藁すレテイル、コ レらの明細書の説明の内容は本発明の説明の付加の構成部分である。

流量計は主として当該の媒体が流れる管から成っており、その管内部に１つの音 響経路が延びている。流れる媒体による超音波の影響が測定量であり、それから たとえば単位時間あたり管断面を通って流れる気体または液体の体積がめられる 。このような流量計はたとえば家庭用ガスメータのような気体流量計として適し ている。

前記の音響測定区間は音響送信変換器と音響受信変換器との間に構成されている 。送信変換器および受信変換器はそれ自体は公知の仕方で媒体が流れる管の側壁 に、送信変換器から凍れ方間に平行な成分を有する音響放射が管内部に向けて送 られるように取り付けられている。超音波の斜め入射は広く普及している方法で あり、その際に超音波は管の向かい合う壁で反射され、またたとえば管内壁にお ける３回の相続く反射により送信変換器と受信変換器との間の全体としてＷ形状 の経路を形成する。

流れによる超音波の影響の評価は一般に、測定区間が交互に下流および上流で超 音波により通過され、また画題音波測定に対して流れの影響から生ずる差値が評 価信号であるように行われる。すなわち送信変換器および受信変換器は作動中に 交換可能に利用されている。

前記のＷ形状の経路は単に■形状の経路にくらべて、送信変換器と受信変換器と の間の管軸線に関する予め定められた軸線方向間隔により利点が得られるので、 好まれる。３回の反射の代わりに一層多くの、特に奇数の反射を有する超音波経 路が設けられていてもよい、その際に本質的なことは、超音波変換器が直接に“ 見ない”こと、すなわち反射なしには超音波がそのつどの送信変換器から当該の 受信変換器へ到達しないことである。

たとえば第１図に示されるような装置において、下側および上側の管壁に参照符 号４および５が付され、変換器に参照符号１１および１２が付されているが、こ の装置にＷ形状の超音波経路２１を利用すると、不可避的に送信変換器と受信変 換器との間の■形状の経路２２を経ての信号伝達も生ずる。これは、送信変換器 の放射ローブおよび受信変換器の受信ローブが任意に鋭く向けられていることは できないことに起因する。

前記の以前の両特許出願においては、Ｗ形状の経路の利用信号にくらべて■形状 の経路の寄生的信号をできるかぎり抑制するための提案がなされている。一方で は２：１ないし１５：１よりも大きい、好ましくは５：１ないし６；１の高さＨ 対幅Ｂの比を有する際立った長方形の管断面を使用することが提案されている。

このような長方形断面は、加えて、そのつどの流れ断面の超音波通過照射に均等 に作用するという利点をも有する。他方の特許出願においては、必ずしも長方形 の断面を有していない測定管に対して第１図の変換器１１および１２を適切に変 更された仕方で１つの“誤位置”に配置することが提案されている。第１図では 変換器は相互の軸線方向間隔に関して、また放射面１１１および１１２の角度方 向に関して、Ｗ形状の経路の終端区間がこれらの面１１１．１１２のそのつどの 垂線と一致しないように配置されている。ミスオリエンケーン５ンは、軸線方向 間隔をより大きく選ぶこと、および（または）変換器１１．１２がそれらの面１ １１．１１２の角度を第１図の変換器の角度方間に比較して“ミスオリエンテー ビすなわち傾けて配置することにある。これらの両装置は組み合わされて講しら れていてよい。

本発明の課題は、Ｗ形状の経路の利用信号にくらべて寄生的な■形状の経路の信 号を抑制するための別の装置を提供することである。特に、できるかぎり有効で 実際上完全なまでの寄生信号の抑制を達成することが課題である。

この課題は請求の範囲１の特徴により解決される。

第１図から明らかなように、Ｗ形状の経路の反射、すなわち変換器と同がい合う 管壁における反射の軸線方向位置は■形状の経路の相応の反射位置と異なってい る。

■形状の経路の反射の位１に管内壁にた左えばフェルトカバーのような音波吸収 要素を設ける試みは既にされている。しかし、このような措ｌは流れに対して不 利であることが判明しており、また必要な使用寿命に欠けている。達成可能な信 号減衰もほどほどに過ぎない、方向性反射を避けるために管の内壁を構造化する ことも使用可能な結果に通しない。

本発明は、干渉により■形状の経路の音響信号のほぼ完全な消去を達成するとい う考えに基づいている０本発明によれば、■形状の経路の反射の当該の個所に、 反射に対して問題となる管内壁の表面を少なくとも２つに、好ましくは２つの部 分または半部に分割するインサートが管内部の管内壁に設けられる。好ましくは 、元の管内壁は一方の半部を形成し、また他方の半部は管内壁のパツキンの寸法 りだけ高くされた面である。相応の凹みが設けられていてもよいが、より費用が かかる。第２図、第３図、第４図および第５図にはこのような分割の例が示され ている。すなわち第２ａ図ないし第５ａ図には■形状の経路の反射の個所におけ る内壁の平面図が、また第２ｂｌｋないし第５ｂ図には付属の断面ａおよびａ　 が示されている。これらの図面から寸法りの意味は、これ以上の説明なしに理解 される。第２図ないし第５図にはＶ形状の経路２２の１つの部分片が記入されて いる。

面部分ＸおよびＹに対して反射の後に２つの平行な超音波経路２２ａおよび２２ ｂが生ずる。厚みは角度βに関係して、これらの両経路２２ａ、２２ｂが互いに 消去干渉にあるように選定される。好ましくは第一次の干渉が利用される。

部分Ｘおよび（または）Ｙは面をたとえば第３図および第５図に示されているよ うにもう１回分割されていてよい、それによって一層高度に信組できる消去を達 成することができる。いずれの場合にも、面部分Ｘで反射された強度が面部分Ｙ で反射された強度に等しくなければならないという規則が当てはまり、その際空 気中の１７０ｋＨｚの周波数に相当するほぼ２ｍｍに等しいλの音波波長では段 の高さＤｋは角度βに対する通常の寸法では１ｍｍよりも小さくまたはそれに等 しい。流れに対してこのように選定された管内部のインサートはたいして問題と ならず、たかだかわずかな流れの乱れにしか通しない６選定の基礎となっている のは以下に説明する“音波の干渉”である。

Ｉ−貴波至士渉 ｃ−ｆ・λ　（３） が成り立つ、ここでＣはそのつどの媒体中の音速、ｆは変換器周波数、またλは 媒体中の波長である。

等しい伝播方向、周波数および振幅を有する２つの音波は、それらがδ−（２に ＋１）　・λ／２　ｋ＝０．Ｌ２．・・・　（４）の経路差を有するならば、消 滅する。垂直入射の際に″はこの経路差δは両反射面の間隔 Ｄｍ　（２に＋１）　・λ／４　ｋ＝０．１．２．・・・　（５）に対して、す なわちに−０の際にはｄ−λ／４に対して達成される。

゛Ｗ′測定管のなかに生ずる“■”信号の入射角度βの顧慮のもとに、消滅のた めに必要な高さｄが Ｄ’＋−５ｉｎβ（２に＋ｔ）λ／４　ｋ−０，１，２，−（６）から計算され 、または種々の媒体の顧慮のもとにＤｍ−ｓｉｎβ（２に＋１）ｃ／４ｆ　ｋ− ０，１，２，・−（７）として表される。

この干渉現象は“Ｖ”信号の抑制のために利用される。そのためにすべての関与 する音波に対する伝播方向はほぼ一定とみなされ得る。簡単化のためにこの考察 では変換器共振の中心周波数のみが顧慮された。

空気から固体媒体への音波に対する大きいインピーダンス跳躍のゆえに、薄い層 の上面および下面における部分反射は可能でない（たとえば薄い層における光学 系中のように）、従って、波面は均等に被覆された面ではほぼ反射されずに、反 射面は等しい面積の２つの範囲に分割され、それらのうち一方の面は他方の面に 対してずれＤだけずらされており（第２図）、従って経路差が発生される。より 密な媒体における反射の際のλ／２の位相跳躍がここで画部分において生じ、従 って顧慮される必要はない、経路差は受信変換器への方向に両部分画において反 射される“■”信号の両成分の相互消滅に、従ってまたその有効な抑制に通ずる 。

３、Ｗ”　のなかでの応　の　弘 ＷｆＩｓ定管に対する典型的な値はＬｍ　−１７４ｍｍ、ｒ−７ｍｍおよびｈ− ３０ｍｍならびにα　＝３５°であり、従って（２）式によりβ−２１，４°と なる。

空気中の音速は室温ではｃ−，３４０ｍ／ｓであり、メタン中ではｃ＝４４０ｍ ／Ｓである。ｒ−７ｍｍを存する変換器に対しては実際上１つのラジアル共振周 波数ｆ！＝ｉ１７０ｋＨｚが定められる。それによって（７）式がら０■”音波 経路の消滅に対して可能な上昇ｄ、は空気中ではり。＝０．１８２ｍｍ、ｄ、− ０，５４６ｍｍ、ｄｚ　＝０．９１２ｍｍ、ｄｓ　＝１．２７７ｍｍ、またメタ ン中ではＤｏ−０，２３６ｍｍ、ｄ＋−０，７０８ｍｍ、、ｄｚ　＝１．１８０ ｍｍ、ｄ３＝１゜６５２ｍｍとなる０両媒体中での、また中間範囲内のすべての 音速に対しての良好な抑制のために、たとえばｄ＃０．２ｍｍまたはｄｉ：ｉｏ 、６ｍｍが選ばれ得る。

必要に応してｄは特定の媒体に精密に適合させられ得る。ｄの前記の値はごくわ ずかな流れインサートを意味する。ｒ−１０，５ｍｍおよびｆ’；１３０ｋＨｚ を有する変換器に対してはβ−２３，９”である。それによって（７）弐により 空気中ではＤｅ　＝０．２６５ｍｍ、、Ｄ＋−０，７９６ｍｍ、Ｄｍ−１，３２ ６ｍｍ。

またメタン中ではＤａ−０，３４３ｍｍ、Ｄ＋−１，０３ｍｍ、Ｄｘ−１，７１ ６ｍｍとなり、従って両媒体中および中間範囲内での良好な抑制のために、たと えばＤζ０．３ｍｍまたはＤ！＝ｒＯ，９ｍｍが選ばれるべきであろう。

測定例＝β−２１，４°およびｒ　−７ｍｍでは、すなわちｆ’＋１７０ｋＨｚ を有する変換器に対しては、入射面の長さは３９ｍｍとなる。１５〜２０ｍｍの 長さにおいてｄ＝０．６ｍｍの段の高さにより、第２図から明らかなように、優 れた結果が得られた。そこには、第２図により３λ／４板（ｄ−０，６ｍｍ）の 使用により約１８ｄＢだけ減衰され得る”■”信号のみが示されている（“Ｗ“ 利用信号はここでは消されている）。

土」Ｌ　れた　の口　な 第２図に示されている実施例とならんで面分割の他の変形例も考えられる。第４ ａ図には第２図に示されている形状が再び示されており、高くされていない／高 くされている／高くされていないの列が流れ方向に配！されている。第４ｂ図に はそれに対して相補性の高くされている／高くされていない／高くされているの 列を有する配置が示されている。同じく流れ方向に対して垂直な列を存する配置 も考えられる。第４ｃ図にはこの意味で高くされている／高（されていないの配 置が、また第４ｄ図には高くされている／高くされていない／高くされているの 配置が示されている。流れ方向に対して垂直な種々の面の列はわずがな流れイン サートを意味しよう。

要約書 超音波流量計 国際調査報告 国際調査報告 ＥＰ　９００２１７９ ５Ａ　４２４７４

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．気体／液体が流れる測定管（１）と、超音波送信変換器／受信変換器（１１ 、１２）とを備え、超音波送信変換器／受信変換器（１１、１２）は測定管（１ ）のなかで行われる多重の反射を有する“Ｗ”形状の超音波経路（２１）に対し て互いに所与の間隔をおいて測定管（１）の同一の側壁（５）に取り付けられて いる超音波流量計において、 既知のように測定管（１）のなかに生ずる寄生的な“Ｖ”形状の超音波経路のノ イズ信号を液少／除去するために、 管内部に、変換器（１１、１２）を設けられている管壁（５）と向かい合ってお りＶ形状経路の反射が生ずる管壁（４）に、Ｖ形状経路の反射の範囲内に、この 反射範囲の半分にわたって延びている、段の高さ（Ｄｋ）を有する管壁の高くさ れた／低くされた部分が存在しており（第２図ないし第５図）、その際に段の高 さ（Ｄｋ）が、“Ｖ”形状の径路の超音波放射に対して消滅干渉が一方では前記 の半部（Ｘ）で反射される放射（２２ａ）と他方てはこの反射範囲の残りの半部 （Ｙ）で反射される放射（２２ｂ）との間で生ずるように選ばれていることを特 徴とする超音波流量計。
2. ２．反射範囲の半部（Ｘ、Ｙ）の少なくとも１つがそれ自体、個々の面部分（Ｘ １、Ｘ２）に分割されている（第３図、第５図）ことを特徴とする請求の範囲１ に記載の流量計。