JPH06249690A

JPH06249690A - 超音波流量計

Info

Publication number: JPH06249690A
Application number: JP5064720A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Nakazawa; 博昭中沢; Osamu Ono; 治小野
Original assignee: Oval Corp
Current assignee: Oval Corp
Priority date: 1993-03-01
Filing date: 1993-03-01
Publication date: 1994-09-09
Anticipated expiration: 2014-05-24
Also published as: JP2895704B2

Abstract

(57)【要約】【目的】同一断面積の測定管でも超音波伝播時間差測
定精度を上げ、配管影響を受けない小形な流量計とす
る。【構成】測定管１０の形状を、同一軸上に断面円形の
流入口１１と流出口１２とを有し、中間部１３の一定区
間Ｋの断面が偏平な一定形状とし、中間部１３から流入
口１１と流出口１２に向けて連続した曲面からなるもの
とし、流管１０の一定偏平断面の区間Ｋにおいて中心軸
Ｘ−Ｘ’を含む面上に角度θをもった計測パス７上に、
超音波のトランスデューサ５，６を配設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、超音波流量計に関し、より詳細
には、超音波伝播路における測定管の形状を偏平断面と
した超音波流量計に関する。

【０００２】

【従来技術】超音波伝播時間差法および伝播時間逆数差
法による超音波流量計は、超音波を流れ方向に送波した
場合の順方向の超音波伝播時間と、流れと逆方向に送波
した場合の逆方向の超音波伝播時間の伝播時間差または
伝播時間逆数差を利用した、代表的な超音波流量計であ
る。超音波流量計は、測定流体を媒体として超音波の伝
播時間を測定する流量計であるから、測定管内に流れに
抵抗を与える特別の流速検出素子を有しない理想的な流
量計のひとつである。これと同様な流量計に電磁流量計
があるが、電磁流量計は、測定流体の電磁誘導を利用し
ているので測定流体が非導電性の気体や油等の液体の流
量計測は不可能である。

【０００３】図５（ａ），（ｂ）は、従来のシングルパ
ス形の超音波流量計の原理構造を説明するための図で、
（ａ）図は縦断面図、（ｂ）図はＹ−Ｙ’線断面図を示
す。測定管２０は直径Ｄの円管で、該測定管２０の中心
軸Ｘ−Ｘ’を含む平面の管壁に第１超音波送受波器（以
後単にトランスデューサと呼ぶ）２１、および第２トラ
ンスデューサ２２を対向して配設している。第１，第２
トランスデューサ２１，２２は同一形状構造のものでＰ
ＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の圧電素子を要部とし
て構成されている。

【０００４】第１，第２トランスデューサ２１，２２は
何れか一方が駆動され、超音波を送波し、他方が受波す
る。例えば、上流側の第１トランスデューサ２１が駆動
されて送波された超音波を下流側の第２トランスデュー
サ２２が受波したときの時間遅れＴ_Dは、音速をＣ流速
をＶとし、第１，第２トランスデューサ２１，２２の超
音波の送受波振動の立ち上りによる時間遅れによる時間
誤差を無視すると、

【０００５】

【数１】

【０００６】逆に、下流側の第２トランスデューサ２２
が駆動されて、送波した超音波を上流側の第１トランス
デューサ２１が受波したときの時間遅れＴ_Uは

【０００７】

【数２】

【０００８】第１、第２トランスデューサ間の距離ＬはＬ＝Ｄ／ｓｉｎθ …（３）である。従って、伝播時間差△Ｔは

【０００９】

【数３】

【００１０】ここでＣ²≫Ｖ²ｃｏｓ²θであるから下記
（５）式の如く流速Ｖは、超音波の伝播時間差△Ｔに比
例する。以上が伝播時間差法である。しかし、（５）式
の伝播時間差法による伝播時間差法では温度に応じて変
化する音速Ｃが含まれるので一般には音速Ｃに影響され
ない伝播時間逆数差法が用いられる。一方、伝播時間逆
数差法は、（１）式から、Ｔ_Dの逆数は

【００１１】

【数４】

【００１２】（２）式から、Ｔ_Uの逆数は

【００１３】

【数５】

【００１４】ここで、伝播時間逆数差Δｆは、（５）
（６）式から

【００１５】

【数６】

【００１６】すなわち、下記（８）式の如く流速Ｖは、
超音波の伝播時間逆数差Δｆに比例する。

【００１７】

【数７】

【００１８】以上が伝播時間逆数差法である。

【００１９】（５）式または（８）式により求めた流速
Ｖは、測定管２０の計測パスにおける平均流速である
が、測定管２０内の平均流速を表すものではない。測定
管２０内を流れる実際の流れは、レイノルズ数（Ｒｅ）
に応じた図示の層流分布Ｖ_L、乱流分布Ｖ_Tのように変化
したパターンの流速分布を有している。このため超音波
伝播路の長さＬ上において、レイノルズ数による流速パ
ターンの変化による流域を補正し、真の管内平均流速に
する必要がある。

【００２０】

【数８】

【００２１】しかし、上記補正係数Ｋの値は、測定管２
０内の流れが正規分布の場合のものである。従って配管
状況により、偏流や旋回流が発生した場合には上記の補
正係数Ｋを適用しても高精度の補正はできない。このた
め、超音波流量計の前後流側の配管に制限が加えられ、
超音波流量計に流入する流体の流速分布が、正規分布と
なるような整流装置の取り付けや上流配管長等の条件設
定が必要であった。

【００２２】また、超音波の伝播速度は、媒質の物理的
条件により定められる一定速度であるから、小口径の超
音波流量計では超音波伝播距離Ｌが小さく伝播時間が小
さい。このため、伝播時間差△Ｔおよび伝播時間逆数差
△ｆも小さく、トランスデューサの振動立ち上りの時間
遅れ誤差を無視できなくなり器差が大きくなる。

【００２３】図６（ａ），（ｂ）は、従来のシングルパ
ス・リフレクションタイプの超音波流量計の構成を示す
図であるが、該超音波流量計は、測定管２０の中心軸Ｘ
−Ｘ’を含む面上の一方の測定管壁に第１トランスデュ
ーサ２２と第２トランスデューサ２３を配設し、他方の
壁面の点Ｆを超音波反射面として超音波の送受波を可能
とするようにすることにより、超音波伝播路を長くして
伝播時間差測定精度および伝播時間逆数差測定精度を高
めることを目的としたものであるが、図５に示した、シ
ングルパス形の超音波流量計と同様の問題点があった。

【００２４】

【目的】本発明は、上述のごとき実情に鑑みなされたも
ので、同一管径の測定管でも超音波伝播路の長さを大き
くして、伝播時間測定精度を上げ、更には、配管による
旋回流や偏流を減少することにより、小形で、高精度の
超音波流量計を提供することを目的とする。

【００２５】

【構成】本発明は、上記目的を達成するために、（１）
測定管の断面を偏平形状とし、超音波が伝播する測定パ
スを測定管断面の長軸を含む面としたこと、更には、
（２）前記（１）において同軸上に円形断面の流入口及
び流出口を有し、該流入口から流出口に向けて順次一定
の偏平断面形状に変形する流路を有する測定管と、該測
定管の偏平断面の長軸を含む面に前記軸と所定角度をも
って超音波の送受波可能に前記測定管壁に配設された一
対の超音波送受波器と、該一対の超音波送受波器間にお
いて流れと逆方向及び順方向に超音波が伝播する伝播時
間差を検知する時間差測定手段または伝播時間逆数差測
定手段を有し、前記超音波の伝播時間差または伝播時間
逆数差に比例して流体の流量を測定すること、更には、
（３）前記（１）又は（２）において一対の超音波送受
波器を測定管の断面が一定形状の区間に配設したこと、
更には、（４）前記（１）乃至（３）の何れかにおいて
測定管の偏平断面を楕円形状としたこと、更には、
（５）前記（１）乃至（３）の何れかにおいて測定管の
偏平断面を平行面と、該平行面端部を半円で接続した閉
曲面としたこと、更には、（６）前記（１）乃至（３）
の何れかにおいて測定管の偏平断面を矩形断面の角部を
四分円とした閉曲面としたことを特徴とするものであ
る。以下、本発明の実施例に基づいて説明する。

【００２６】図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明に
おける超音波流量計の基本構成を説明するための図で、
（ａ）図は流れに平行な縦断面図、（ｂ）図は流れ方向
からみた断面図、（ｃ）図は平断面図であり、図中、１
は測定管、２は上流トランスデューサ、３は下流トラン
スデューサ、４は計測パスである。

【００２７】図１の超音波流量計は、シングルパス・リ
フレクション形のもので、測定管１の断面が偏平な形
状、たとえば楕円形状であり、長軸Ｙ−Ｙ’を挾んだ測
定管１の対称位置に上流トランスデューサ２と、下流ト
ランスデューサ３とが装着される。計測パス４は、測定
管１の長軸の反対のＹ’側に頂点Ｆを有する二等辺三角
形の斜辺である。

【００２８】測定管１の断面を楕円形のように偏平にす
ると、円形の場合と比較して計測パス４が長くなり、そ
の分超音波伝播時間が長く、時間測定精度が向上する。
また、計測パス４の同一レイノルズ数における流速分布
Ｖ_Sの面積は、図５（ａ）の測定管２０が円形である場
合の層流流速分布Ｖ_Lの面積よりも大きいので、円形の
場合に比べて、より精度よく管内平均流速を代表してい
る。従って、管内平均流速を導入するための補正係数Ｋ
の変動幅も小さく補正値の影響が小さいので高精度の平
均流速を求めることができる。

【００２９】更には、測定流体は偏平断面内を流れるの
で旋回成分が除去されるという整流効果もあるので流速
分布の変動が小さい。すなわち、上、下流側の配管影響
を受け難く、配管の制限がなくなる。従って、流量計の
多様なニーズに対応させることができる。

【００３０】図２は、本発明における超音波流量計の具
体例を説明するための図で、図中、５，６はトランスデ
ューサ、７は計測パス、１０は測定管、１１は流入端、
１２は流出端、１３は中間部である。

【００３１】図示の超音波流量計は、シングルパスのも
のである。測定管１０は、軸Ｘ−Ｘ’上に円形断面の流
路である流入端１１と、流出端１２とがあり、該流入端
１１と流出端１２との間の中間部１３の断面は、長さＫ
の区間で一定形状の楕円である。流入端１１と、流出端
１２とから中間部１３に至る流路断面は、円形から楕円
形に連続した曲面にしてある。このような形状は、円形
のパイプの中央部を、プレス又は絞り加工等により連続
して断面形状が変化するように形成される。

【００３２】トランスデューサ５，６は、中心軸Ｘ−
Ｘ’と楕円の長軸を含む面において、中心軸Ｘ−Ｘ’と
角度θをもって傾斜した計測パス７上に対向して測定管
１０の管壁に装着されている。

【００３３】図示のシングルパスの超音波流量計の場合
も、計測パス７の長さが円形断面の場合に比べて長いの
で、上述の図１の場合と同様な効果が得られる。

【００３４】図３は、本発明における超音波流量計の他
の具体例を説明するための図で、図中、８，９はトラン
スデューサで、図２と同じ作用をする部分には図２と同
一の参照番号を付している。

【００３５】図３の超音波流量計は、シングルパス・リ
フレクションタイプのもので、測定管１０は図２のもの
と同様で、シングルパス・リフレクションタイプとする
ために図１のトランスデューサ２，３と同様にトランス
デューサ８，９は一定形状の楕円断面の区間Ｋ内で、長
軸の一方の壁面に装着されている。この場合も図１と同
様の効果が得られる。

【００３６】以上、図１〜３においては、対をなす超音
波のトランスデューサを測定管壁に装着しているが、超
音波流量計とするためには、超音波を発生するためのト
ランスデューサの駆動回路、および、受波信号を検知す
る受波回路、および、駆動回路および受波回路を交互に
切換えて超音波伝播時間差を測定する時間差測定回路ま
たは伝播時間逆数差測定回路および、伝播時間差または
伝播時間逆数差に比例した流量を算出補正する演算回路
を有するが、以上においては、これらの計測手段につい
ての説明を省いた。

【００３７】図４（ａ），（ｂ）は、本発明に係る測定
管の断面形状の他の実施例を説明するための図で、図
２，３の測定管１０の計測パス７，１７での断面を楕円
形としたが、（ａ）図の測定管１４は、平行面１４ａと
半円１４ｂとからなる偏平形状の測定管であり、（ｂ）
図の測定管１５は、矩形断面で、角部を四分円形とした
偏平形状の測定管であり、楕円形状の測定管に比して、
製作が容易で旋回成分の小さいものが得られる。

【００３８】

【効果】以上の説明から明らかなように、本発明による
と、以下のような効果がある。測定管の偏平断面の長軸方向で平均流速を計測するの
で断面積の比率が大きい。この結果、計測パス上で計測
した平均流速が管内平均流速に近くなり、補正係数を考
慮しても精度が向上する。測定管が偏平断面であることにより偏流や旋回流等は
消去されて流速分布が一定に保たれるので、上流側の配
管による旋回成分、偏流等の影響が小さく配管に対する
特別の配慮が不要となる。超音波の計測パスが長くなるので超音波の伝播時間が
長くなり、伝播時間差または伝播時間逆数差の測定精度
が向上する。逆に計測パスの長さを従来の円形断面の場
合と同じにすると、計測パスの角度θを大きくできるの
で流量計の全長を短縮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における超音波流量計の基本構成を説
明するための図である。

【図２】本発明における超音波流量計の具体例を説明
するための図である。

【図３】本発明における超音波流量計の他の具体例を
説明するための図である。

【図４】本発明に係る測定管の断面形状の他の実施例
を説明するための図である。

【図５】従来のシングルパス形の超音波流量計の原理
構造を説明するための図である。

【図６】従来のシングルパス・リフレクションタイプ
の超音波流量計である。

【符号の説明】１…測定管、２…上流トランスデューサ、３…下流トラ
ンスデューサ、４…計測パス、５，６…トランスデュー
サ、７…計測パス、８，９…トランスデューサ、１０…
測定管、１１…流入端、１２…流出端、１３…中間部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定管の断面を偏平形状とし、超音波が
伝播する測定パスを測定管断面の長軸を含む面としたこ
とを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】同軸上に円形断面の流入口及び流出口を
有し、該流入口から流出口に向けて順次一定の偏平断面
形状に変形する流路を有する測定管と、該測定管の偏平
断面の長軸を含む面に前記軸と所定角度をもって超音波
の送受波可能に前記測定管壁に配設された一対の超音波
送受波器と、該一対の超音波送受波器間において流れと
逆方向及び順方向に超音波が伝播する伝播時間差を検知
する時間差測定手段または伝播時間逆数差測定手段を有
し、前記超音波の伝播時間差または伝播時間逆数差に比
例して流体の流量を測定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】一対の超音波送受波器を測定管の断面が
一定形状の区間に配設したことを特徴とする請求項１又
は２記載の超音波流量計。
【請求項４】測定管の偏平断面を楕円形状としたこと
を特徴とする請求項１乃至３項の何れかに記載の超音波
流量計。
【請求項５】測定管の偏平断面を平行面と、該平行面
端部を半円で接続した閉曲面としたことを特徴とする請
求項１乃至３項の何れかに記載の超音波流量計。
【請求項６】測定管の偏平断面を矩形断面の角部を四
分円とした閉曲面としたことを特徴とする請求項１乃至
３項の何れかに記載の超音波流量計。