JPH0554609B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は超音波流量計に関するものであり、
さらに詳しくは、流体の流れに所定の角度をもつ
て超音波を順方向および逆方向にそれぞれ送受波
したときの各伝搬時間の差△Ｔおよび両者の平均
伝搬時間T₀から、所定の演算式を用いて流体の
流量を計測するに当たり、特に流量を重量単位で
計測し得るようにした超音波流量計に関する。

〔従来の技術〕

第５図は超音波流量計の従来例を示すブロツク
図である。

この例では、超音波振動子１および１′がクサ
ビ部材２および２′にそれぞれ図示の如く取り付
けられ、クサビ部材２および２′は、流体３が流
れる管をこの振動子の一方から発せられる超音波
が所定の角度θをもつて横切り、管４の他方の振
動子に受信されるよう、管４の外側に取り付けら
れ、これによつて超音波振動子１、クサビ部材
２、管４の内壁、流体３，管４の内壁、クサビ部
材２′および超音波振動子１′が互いに音響的に結
合される。

すなわち、超音波振動子１は、発信部５から実
線位置にある切替スイツチ部６ａを介して入力さ
れる電気信号を超音波に変換し、これを他方の超
音波振動子１′に向けて発振する。振動子１′で
は、受信した超音波を電気信号に変換して出力す
る。受信及び時間計測回路７は、発信部５からの
受信々号と実線位置にある切替スイツチ部６ｂを
介して受信した振動子１′からの受信々号とによ
つて、超音波の伝搬時間T¹を計測する。この計
測時間T₁は、実線位置にある切替スイツチ部６
ｃを介して記憶回路８に与えられ、記憶される。
次にスイツチ６ａ，６ｂおよび６ｃを破線位置へ
と切り替え、振動子１′を発信側、同じく１を受
信側とすることにより、上記とは逆方向に超音波
の発、受信を行ない、このときの超音波の伝搬時
間T₂を測定し、もう一方の記憶回路９に記憶さ
せる。

ところで、振動子１から１′までの、流れに対
する順方向の超音波伝搬時間T₁および振動子1′か
ら１までの逆方向の超音波伝搬時間T₂は、流体
中の伝搬時間をそれぞれt₁，t₂とし、流体以外の
クサビ部材や管壁における伝搬時間をτとする
と、次式で表わすことができる。

T₁＝t₁＋τ ……(1) T₂＝t₂＋τ ……(2) したがつて、その伝搬時間差ΔTは次式の如く求
めることができる。

ΔT＝T₂−T₁ ＝（t₂＋τ）−（t₁＋τ） ＝t₂−t₁ ……(3) いま、管４の内径をＤ、流体中の音速（超音波の
伝搬速度）をＣ、超音波の入射角をθ、管内の流
速をＶとすると、上記伝搬時間t₁，t₂は一般に次
式の如く表わされることが知られている。

t₁＝Ｄ／cosθ／Ｃ＋Vsinθ ……(4) t₂＝Ｄ／cosθ／Ｃ−Vsinθ ……(5) したがつて、ΔTは次の如くなる。

ΔT＝（Ｄ／cosθ）・（2Vsinθ）／C₂−V₂sin²θ…
…(6) こゝで、流体中の音速Ｃと管内の流速Ｖとを比較
すると、流体が水の場合、Ｃは一般に1000〜1600
ｍ／ｓの範囲にあるのに対し、Ｖは10ｍ／ｓ以下
である。したがつて、 C²≫V²sin²θ となり、ΔTは次の如く近似することができる。

ΔT＝2Dsinθ／C²cosθ・Ｖ ……(7) 流体中の超音波音速Ｃが一定であれば、 sinθ／C²cosθ なる量は一定となり、ΔTは流速Ｖに比例する。
したがつて、ΔTを計測することによつて、流速
Ｖおよびこれと所定の比例関係にある流量を計測
することができる。

ところで、上記(7)式においては、流体の音速Ｃ
が変化しないときは、 ΔTαV の関係が成り立つが、流体中の音速Ｃは流体の温
度または圧力が変わることによつて変化する。ま
た、音速Ｃが変化することにより反射・屈折に関
するスネルの法則にしたがつて角度θも変化する
ため、音速Ｃが変化すると流速Ｖの計測値に誤差
が生じる。特に、流体が常温から高温（300℃位）
まで変化するとか、管の厚みが大きい場合には、
音速Ｃの変化による影響も大きくなり、計測誤差
が大となる。そこで、上記(7)式を次式の如く変形
する。

いま、流体が静止しているもの（Ｖ＝０）とす
ると、上記(4)および(5)式より、 t₁＝Ｄ／cosθ／Ｃ ……(8) t₂＝Ｄ／cosθ／Ｃ ……(9) となり、t₁＝t₂となる。そこで T₁＝T₂−T₀ とおくと、先の(1)，(2)式より、 T₀＝Ｄ／cosθ／Ｃ＋τ ……(10) となり、これを変形すると、 Ｃ＝Ｄ／cosθ／T₀−τ ……(11) が得られる。この(11)式を(7)式に代入すると、 ΔT＝（T₀−τ）²cos²θ／D²・2Dsinθ／cosθ・Ｖ ＝sin2θ／Ｄ（T₀−τ）²・Ｖ …(12) となり、 Ｖ＝Ｄ／sin2θ・ΔT／（T₀−τ）² …(13) が得られる。こゝで、流体が流れているときに
は、 T₀＝T₁＋T₂／２ として近似的にT₀を求めることができ、上記(13)
式はＶ≠０のときも成立する。つまり、この(13)式
において、ΔT，T₀はさておき、角度θおよびτ
を計測できれば所定の演算装置を用いて流速Ｖを
求めることができるが、この角度θおよび流体以
外の部分における伝搬時間τをそれぞれ独立に計
測することは、必ずしも容易ではない。しかしな
がら、T₀と１／sin2θおよび１／〔sin2θ・（T₀−
τ）²〕との間にはそれぞれ所定の関係が成立し、
これは温度、圧力等の条件にかかわりなく成立す
ることが確かめられている。したがつて、第５図
の如く、演算回路１０にて伝搬時間差ΔTを求め
る一方、演算回路１１にて平均伝搬時間T₀を求
め、この演算値T₀から関数発生器やROM等を用
いて１／〔sin2θ・（T₀−τ）²〕の値を求め、音速
補正及びスケールフアクタ演算部１２においてこ
の値にΔTを乗算した後、所定のスケールフアク
タ（換算係数）を考慮することにより、流体の流
量を求めることができる。ところで、こうして得
られる流量値Q_vは容積流量であるため、密度補
正演算部１５′では、外部の所定センサから与え
られる温度信号Ｔおよび圧力信号Ｐを用いて流体
の密度を求め、この密度と容積流量Q_vとから重
量流量Q_wを求めるようにしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記流体の温度信号Ｔおよび圧
力信号Ｐは、超音波流量計とは別の検出部（セン
サ）によつて計測されるため、超音波流量計の計
測時間と温度、圧力の計測時間との間には時間的
なずれが生じてしまう。特に、密度変化に対して
大きな影響を与える温度計測は、温度計の保護管
の厚み等によつて相当の計測応答遅れのあること
が知られている。したがつて、流体温度が変化し
ているときには密度補正演算に誤差が生じ、これ
は急激な温度変化をしているとき程顕著となる。
また、これらセンサまたは変換器のもつ誤差が補
正演算の誤差となる。さらには、密度補正のため
にわざわざ温度信号および圧力信号を導入するの
は煩わしいばかりでなく、流量計の信頼性を低下
させる原因ともなる。

したがつて、この発明は流体の温度および圧力
を直接計測することなく密度補正演算、すなわち
容積流量単位から重量流量単位への変換が可能な
超音波流量計を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

超音波の順、逆方向の伝搬時間差と平均伝搬時
間とを含む量から所定の演算をして容積流量を求
め、これに流体の密度（比重）を考慮してその重
量流量を演算するに当たり、容積流量値を入力と
しそれに応じた圧力値を出力する第１の関数発生
器と、平均伝搬時間値を入力としそれに応じた温
度または比重値を出力する第２の関数発生器とを
設ける。

〔作用〕

流体の比重および超音波の平均伝搬時間は温
度、圧力の関数で、とりわけ温度による影響が大
きいこと、および流体の圧力が容積流量の関数で
あることにそれぞれ着目し、平均伝搬時間から圧
力一定としたときの比重値を求め、この比重値に
対して圧力に応じた補正をすることにより、流体
の温度、圧力を直接計測することなく、比重が正
確に求められるようにする。

〔実施例〕

第１図はこの発明の実施例を示すブロツク図、
第２図は温度と密度との関係を説明するためのグ
ラフ、第３図は温度と平均伝搬時間との関係を説
明するためのグラフ、第４図は流量と圧力との関
係を説明するためのグラフである。

第１図からも明らかなように、この実施例は流
量信号Q_vを入力としてそれに対応する圧力補正
値を出力する関数発生器１３、平均伝搬時間信号
T₀を入力としてそれと対応する温度または比重
値を出力する関数発生器１４、、およびこれら関
数発生器からの信号を入力として容積流量Q_vか
ら重量流量Q_wを求める密度補正演算部１５を設
けた点が特徴であり、その他は第１図に示すもの
と同様である。

これは、流体の密度（比重）が第２図に示す如
く温度と圧力の関数であること、また超音波の平
均伝搬時間T₀も第３図の如く流体温度と圧力の
関数であることから、流体の圧力が一定ならば平
均伝搬時間T₀より流体の温度または密度が求め
られることに着目し、この密度によつて容積流量
から重量流量を求めるものである。すなわち、流
体の密度は温度によつて大きく変化するが、圧力
による影響は比較的小さい。例えば、流体温度が
250℃で、圧力が200ata（絶対圧力）、300ataのと
きの密度は、第２図の如き関係からそれぞれ816
Kg／cm³、825Kg／cm³であり、凡そ１％程度の変化
に過ぎない。したがつて、精度を無視するなら
ば、基本的には平均伝搬時間T₀によつて流体の
温度または密度が求められることになる。

しかしながら、精度も無視できない場合には、
圧力による補正が必要となる。ところで、流体の
流量と流体圧力との関係は、ポンプのＱ（流量）−
Ｈ（圧力）カーブ、ポンプ台数およびポンプの回
転数等から決定され、例えば第４図の如き関係に
あることが知られている。したがつて、流体の流
量が分かれば、これから圧力を推定することがで
きる。なお、この場合の推定誤差は凡そ±５Kg／
cm²程度であり、密度誤差にすれば±0.05％にすぎ
ない。

以上のことから、超音波流量計の流量信号Q_v
および平均伝搬時間T₀とから流体の密度を求め
得ることがわかるので、第１図の実施例では流量
信号を入力とする関数発生器１３と、平均伝搬信
号を入力とする関数発生器１４とを設けて圧力信
号および温度信号をもとめ、密度補正演算部１５
においてこれらの信号から密度補正演算して重量
流量Q_wを求めるようにしている。

こうすることにより、外部からの温度、圧力信
号を必要とせず、しかも流量計測の基本となる伝
搬時間T₁，T₂と、補正のための基本となる平均
伝搬時間T₀とが常に同じ計測信号であるため、
検出時間のずれによる誤差を生じないものとする
ことができる。つまり、従来の如く外部の温度、
圧力信号を利用するものでは温度、圧力の検出誤
差と検出時間のずれによる誤差とが生じていた
が、この発明によればかかる誤差をなくすことが
できる。

なお、上記の実施例では関数発生器１３，１４
および密度補正演算部１５に分けて説明したが、
平均伝搬時間T₀から直接密度を求め、これを圧
力信号により補正する方が現実的であり、有効で
ある。

〔発明の効果〕

この発明によれば、以下の如き利点または効果
を期待することができる。

(1) 個別の温度、圧力センサを用いて密度補正
し、単位変換をする従来例に比べて応答性およ
び精度が向上する。

(2) 個別の温度、圧力センサまたは変換器を用い
ないため、低コスト化が図られるばかりでな
く、信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す構成図、第２
図は温度と密度との関係を説明するためのグラ
フ、第３図は温度と平均伝搬時間との関係を説明
するためのグラフ、第４図は流量と圧力との関係
を説明するためのグラフ、第５図は超音波流量計
の従来例を示すブロツク図である。 符号説明 １，１′…超音波振動子、２，２′…
クサビ部材、３…流体、４…管材（パイプ）、５
…発信部、６ａ，６ｂ，６ｃ…切替スイツチ部、
７…受信及び時間計測部、８，９…記憶回路、１
０…時間差（ΔT）演算部、１１…平均伝搬時間
（T₀）演演算部、１２…音速補正及びスケールフ
アクタ演算部、１３，１４…関数発生器、１５，
１５′…密度補正演算部、Q_v…容積流量、Q_w…重
量流量。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流体の流れに対し所定の角度をもつて超音波
   信号を順方向および逆方向にそれぞれ送受信して
   その伝搬時間差および平均伝搬時間を求めるとと
   もに、これらの量を含む所定の演算をして容積流
   量を求め、該容積流量に流体の密度（比重）によ
   る換算をして重量流量を計測する超音波流量計に
   おいて、前記容積流量値を入力としてそれに応じ
   た圧力値を出力する第１の関数発生器と、前記平
   均伝搬時間値を入力としてそれに応じた温度また
   は比重値を出力する第２の関数発生器とを設け、
   該第１，第２関数発生器の各出力にもとづき所定
   の演算をして流体の比重を求めることを特徴とす
   る超音波流量計。