JPH0688738A

JPH0688738A - 超音波流量計

Info

Publication number: JPH0688738A
Application number: JP4265401A
Authority: JP
Inventors: Osamu Ono; 治小野; Hiroaki Nakazawa; 博昭中沢; Shingo Gomi; 信吾五味
Original assignee: Oval Corp
Current assignee: Oval Corp
Priority date: 1992-09-08
Filing date: 1992-09-08
Publication date: 1994-03-29
Anticipated expiration: 2016-02-19
Also published as: JP3136002B2

Abstract

(57)【要約】【目的】超音波トランスデューサを配設する流管内径
が不明もしくは公称値しか分からない場合でも正しい流
量測定を可能にする。【構成】内径Ｄが不明もしくは公称値しか分からない
流管１の管壁１ａに、正しく測定された距離Ｍを隔てて
超音波トランスデューサＡとＢとを反射面１ｂから反射
する超音波を送受波可能に取り付ける。まず、トランス
デューサＡ，Ｂ間の超音波伝播時間ｔと距離Ｍとから流
体中の音速Ｃを求め、流速Ｖを求める式に基いて、超音
波パス距離Ｌ、次に超音波発射角φとを順次求めて、求
めた流速Ｖと、算出した流管内径Ｄとから正しい流量Ｑ
を求める。

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、内径が不明なもしくは公称値が分からない流管に
一対の超音波素子を装着した反射形の超音波流量計に関
する。

【０００２】

【従来技術】超音波流量計には、測定流体中に超音波を
発射したとき、流体流速に重畳して伝播する超音波の伝
播速度の変化から流速を測定する超音波流速計を利用し
た伝播時間差方式、および、測定流体中に含まれ、測定
流体の流速と略等して速度で流れる気泡粒子に周波数一
定の超音波を所定角度で発射した場合、発射した超音波
が、粒子速度に応じたドップラーシフトを受けることを
利用した超音波ドップラー方式のものがあり、これらの
方式の超音波流量計が主流をなしている。伝播時間差方
式の超音波流量計では、測定流体中に粒子が含まれない
ことが必要であるが、ドップラー方式のものでは粒子が
なければ流量測定ができないので、粒子が含まれていな
い測定流体の流量測定では伝播時間差方式の超音波流量
計が使用される。

【０００３】伝播時間差方式の超音波流量計は、前述の
ように所定の流速で流れている測定流体中に超音波を正
逆方向に発射したときの伝播時間差から流量を求めるも
のであるから超音波の測定流体中の超音波伝播速度及び
超音波伝播距離が知られていなければならない。超音波
の伝播速度、すなわち音速は測定流体の種類や温度によ
って変化するので、音速をパラメータとした超音波流量
計では、音速の変化は流量測定上大きい変動要因とな
る。このため、通常、測定上音速が介在しないような伝
播時間差の逆数差、即ち伝播周波数差を求める方式が適
用される。他方、超音波の伝播距離は、流管径が明らか
でないと求めることはできず伝播距離の誤差は流量誤差
をもたらす。流管通常配管では、流管の正確な寸法は明
らかではなく、特に既設配管に超音波送受器のみを設置
して流量計を構成する場合、正確な寸法測定は極めて困
難である。更には、長期間使用された流管内部は腐触さ
れて、その分内径が変化していることがある。このこと
は超音波伝播時間差方式の超音波流量計に対して適用さ
れるもので、反射形の超音波流量計の場合も同様であ
る。

【０００４】

【目的】本発明は、上述の実情に鑑みなされたもので、
従来、管の内径を使用して音速を求める方法は知られて
いるが、測定により、流管内での超音波の音速を求める
ことにより、流管内径が不明の場合でも、流管内径を正
確に求めて、超音波伝播距離の不正確さによる流量誤差
のない反射形の超音波流量計を提供することを目的とす
るものである。

【０００５】図６は、従来の反射形の超音波流量計の原
理を説明するための図で、２１は流管、２２，２３はト
ランスデューサの取付筒、２４はトランスデューサＡ、
２５はトランスデューサＢ、２６は超音波反射面であ
る。尚、この反射面は特別に取りつけるものでなくても
よく、説明のために付加してある。

【０００６】図において、流管２１は内径Ｄで流管２１
の軸方向壁面に所定距離を隔て、取付筒２２，２３が配
設され、この取付筒２２内には超音波を送受波するトラ
ンスデューサＡ、取付筒２３内にはトランスデューサＢ
が配設されている。トランスデューサＡ，Ｂ内には圧電
素子が装着されており、このトランスデューサＡ，Ｂ何
れの一方から流管２１の軸に対して角度φの発射角で超
音波が発射され超音波反射面２６で反射され、他のトラ
ンスデューサＢ，Ａの何れかで受波される。いま、測定
流体が矢印方向に流速Ｖで流れているとすると、流速Ｖ
は、下記（１）式で求められる。

【０００７】

【数１】

【０００８】である。しかし、（１）,（２）式から明
らかなように、流管の内径Ｄが不明の場合は流速Ｖを求
めることはできない。

【０００９】

【構成】本発明は、上記目的を達成するために、（１）
流管管壁の軸方向に既知の間隔を隔てて配設された一対
の超音波素子を有し、該超音波素子の何れか一方から対
向する管壁に所定発射角度で流れの正逆方向に発射した
超音波の反射波が他方の超音波素子に受信されるまでの
時間差に基いて流量を求める反射形の超音波流量計にお
いて、前記既知の間隔を伝播する超音波の伝播時間から
前記流体内の音速を求める音速測定手段と、測定された
音速から超音波素子間の超音波の伝播距離を算出する超
音波伝播距離算出手段と、算出された超音波伝播距離
と、前記既知の間隔とから実質的な超音波発射角度算出
手段と、前記超音波伝播距離及び超音波発射角度より前
記流管内径を算出する流管内径算出手段とを有し、測定
された音速と超音波伝播距離と超音波発射角及び流管内
径とに基いて流量を求めること、更には、（２）前記
（１）において、超音波素子を、流量測定するために超
音波発射角度で配設された流量測定超音波素子と、音速
測定するために流管軸に直角に配設された音速測定超音
波素子と、該超音速測定超音波素子と流量測定超音波素
子とを一体に収納するトランスデューサ筐体とで構成し
たこと、更には、（３）前記（１）において、超音波素
子を装着したトランスデューサを超音波素子部と、保持
部と、前記超音波素子を流量測定のための超音波発射角
度および音速測定のための流管軸に直角な角度とに回転
切換可能に支持する支持部とで構成したこと、更には、
（４）前記（１）において、一対の超音波素子から各々
発射される該超音波素子間を直接伝播する超音波の副極
波の伝播時間の平均値を算出する前記副極波伝播時間測
定手段と、前記一対の超音波素子間の既知な距離と前記
副極波の伝播時間の平均値とから音速を測定する音速測
定手段とを有することを特徴とするものである。以下、
本発明の実施例に基いて説明する。

【００１０】図１は、本発明における超音波流量計を説
明するための図で、図中、１は流管、２，３はトランス
デューサの取付筒、４はトランスデューサＡ、５は超音
波素子、６は支持ロッド、７はトランスデューサＢ、８
は超音波送受波面、９は支持ロッドである。

【００１１】流管１は、内径Ｄ（不明）の管体で、管軸
に平行した管壁１ａ面には、予め正確に測定された中心
距離Ｍを隔てて取付筒２と３とが配設されており、取付
筒２内にはトランスデューサＡが超音波素子５を超音波
反射面１ｂに向けた姿勢で支持ロッド６を介して取り付
けられている。同様に、取付筒３内にもトランスデュー
サＢが超音波送受波面を超音波反射面１０に向けた姿勢
で、支持ロッド９を介して取り付けられている。また、
トランスデューサＡ，Ｂは各々矢印の軸方向にＹだけ移
動できるように取り付けられており超音波の送受波する
超音波素子５，８の中央の位置点Ｐ₁，Ｐ₂が超音波発射
の代表位置に定められている。また、点Ｐ₁，Ｐ₂は、流
量計測時は流管１の内壁面１ａと同一線上にあり、図示
は音速計測時の位置を示す。

【００１２】図において、測定流体が矢印方向に流速Ｖ
で流れているとする。図示のトランスデューサＡ，Ｂを
流管軸に向けて引き下げた位置で、超音波をトランスデ
ューサＡからトランスデューサＢに流れの順方向に向け
て送波する。この間の時間をｔ₁とする。次にトランス
デューサＢからＡに流れの逆方向に向けて超音波を発射
したときの時間をｔ₂とする。このときの平均伝播時間
は（ｔ₁＋ｔ₂）／２であるから音速Ｃ＝２Ｍ／（ｔ₁＋ｔ₂）（３）である。流速Ｖ＝０のときは何れか一方向の超音波伝播
時間ｔをとれば音速計測手段（図示せず）により音速Ｃ
が求められる。

【００１３】また、トランスデューサＡからＢまでの超
音波伝播時間ｔ_ABおよびトランスデューサＢからトラン
スデューサＡまでの伝播時間ｔ_BAは

【００１４】

【数２】

【００１５】が得られ、（６）式に（３）式の音速Ｃを
代入すると超音波パス長さＬが得られる。この演算は、
超音波伝播距離算出手段（図示せず）により求められ
る。

【００１６】超音波パス長さＬ及びトランスデューサ
Ａ，Ｂ間の距離Ｍが知られているから超音波発射角度算
出手段（図示せず）により超音波発射角φは、下記
（７）式より求められる。

【００１７】

【数３】

【００１８】従って、（６），（７）より超音波パス長
さＬおよび超音波発射角φが求められたので、前記
（１）式に代入することにより流体流速Ｖが求められ
る。尚、流速Ｖは流管１内で所定の流速分布をもってお
り、流速分布は流管１内を流れる流体のレイノルズ数Ｒ
ｅにより定められるので、流速Ｖはレイノルズ数Ｒｅに
よる補正を行う必要がある。レイノルズ数補正係数をＫ
とすると、流量Ｑは

【００１９】

【数４】

【００２０】により求められる。なお、流管１の内径Ｄ
はＤ＝Ｌsinφ／２（９）の演算を行って求められる。

【００２１】図２は、本発明に係るトランスデューサの
構造の一例を説明するための図で、図中、１０は音速測
定用圧電素子であり、図１と等しい作用をする部分に
は、図１と同一の参照番号を付している。トランスデュ
ーサ４は、流管１の軸に対して垂直なＯ−Ｏ軸に対して
角度φで超音波Ｓ₁を発射する圧電素子からなる超音波
素子５と、音速測定用超音波Ｓ₂を発射するＯ−Ｏ軸に
平行な音速測定超音波素子１０とをトランスデューサ外
筐４ａ内に収納したものである。なお、トランスデュー
サ７も、超音波素子８をトランスデューサ４の超音波素
子５と対称的に配設された同一形状のトランスデューサ
である。

【００２２】図３（ａ）（ｂ）は、本発明によるトラン
スデューサの他の構造の例を説明するための図で、図
（ａ）は流速測定時、図（ｂ）は音速測定時の状態を示
す図で、図中、１１はトランスデューサの保持部、１２
は超音波素子部、１３は支持部、１４は超音波素子、１
５はトランスデューサである。

【００２３】図において、トランスデューサ１５は保持
部１１と超音波素子部１２と、超音波素子１２を支持部
１１に対して所定角度で回転可能に支持する支持部１３
とより構成され、超音波素子部１２内には、超音波Ｓ₃
を発射する圧電素子等の超音波素子１４が発射面１２ａ
と平行して固着されている。

【００２４】流量測定は、保持部１１と超音波素子部と
が固着された（ａ）図の状態で使用されるが、流量測定
前（ｂ）図の状態に支持部１３まわりに超音波素子部１
２を回転して超音波素子１２を流管１軸に直角な方向で
固定して前述の手段により音速を測定する。なお、流量
測定用の超音波素子駆動周波数と、音速測定用の超音波
素子駆動周波数とを素子寸法を選択することにより異な
る値にして測定精度向上を計ることができる。また、こ
の方式は反射形の超音波流量計にのみ適用するのではな
く、他の伝播時間差法の超音波流量計にも適用できる。

【００２５】図４は、本発明における超音波流量計の、
更に他の実施例を説明するための図で、図中、Ｐｓ₁は
超音波の主極波、Ｐｓ₂は第２副極波、Ｐｓ₃は第３副極
波であり、図１と同じ作用する部分には図１と同一の参
照番号を付している。

【００２６】一対の超音波素子４及び７からは、最も音
圧の高い主極波Ｐｓ₁が素子面から直角方向に発射され
るが、この主極波Ｐｓ₁の他に発射角を異にする第２副
極波Ｐｓ₂および第３副極波Ｐｓ₃が同時に発射される。
第２副極波Ｐｓ₂や第３副極波Ｐｓ₃は圧電素子の種類、
形状により異なるが、例えば、直径が１０ｍｍのＰＺＴ
（ジルコン酸チタン酸鉛）では主極波Ｐｓ₁に対し第２
副極波Ｐｓ₂は±２５°、第３副極波Ｐｓ₃は±４５°の
角度をもって発射される。従って、超音波素子４及び７
を各々第３副極波Ｐｓ₃が反対向きとなるように超音波
素子４と７とを流管１の軸に対してφ_Aの角度で配設す
る。言い換えれば、超音波素子４から発射した第３副極
波Ｐｓ₃が超音波素子７に直接受信され、超音波素子７
から発射した第３副極波Ｐｓ₃が超音波素子４に直接受
信し、各々の第３副極波Ｐｓ₃の流れ方向の伝播時間ｔ
_AB′及び流れに反対方向の伝播時間ｔ_BA′の平均時間ｔ
₀を求め、この平均時間ｔ₀で超音波素子４と７との間の
距離Ｍを除算すると、測定流体の音速が算出される。

【００２７】図５は、図４の超音波伝播時間を説明する
ための図で、横軸に時間ｔ、縦軸に電圧Ｅをとってあ
る。

【００２８】時間ｔ₀で超音波素子４又は７に固有振動
数の駆動電圧を発振器（図示せず）から印加すると主極
波Ｐｓ₁は、超音波反射板１ｂから反射され伝播距離Ｌ
は距離Ｍに比し大きく減衰率は大きくなるが主極波Ｐｓ
₁のパワーが大きいので主極波Ｐｓ₁の受信振幅Ｐｓ₁は
第３副極波に比し大きくなる。従って、超音波素子４又
は７を駆動してから第１主極波の伝播時間ｔ_AB又はｔ_BA
を測定後、この伝播時間ｔ_AB又はｔ_BAを基準時間、例え
ばＴ₀を設定し、この基準時間Ｔ₀以下の時間ｔ_AB′又は
ｔ_BA′内に小振幅の第３副極波が受信されれば、この時
間ｔ_AB′又はｔ_BA′が第３副極波の伝播時間として採用
される超音波伝播時間である。この方法によると、図
２，図３に示した特別の超音波素子又は構造をとること
なしに簡易に音速を測定することができる。

【００２９】

【効果】以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、流管１の内径Ｄが不明もしくは公称値しか分からな
い場合でも、トランスデューサＡ，Ｂ間の距離Ｍが正し
く計測され配設されていれば、測定流体の音速Ｃが求め
られ、この音速Ｃと実際の測定における超音波の正逆方
向の伝播時間から超音波パス長さＬが求められ、次に距
離Ｍと超音波パス長さＬとから超音波発射角φが求めら
れ、この超音波発射角φと超音波パス長さＬとから不明
だった流管内径Ｄが順次求められ、これらの構成に基い
て、流管の内径が不明もしくは公称値しか分からない場
合でも正確な流量が求められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における超音波流量計を説明するため
の図である。

【図２】本発明に係るトランスデューサの構造の一例
を説明するための図である。

【図３】本発明によるトランスデューサの他の構造の
例を説明するための図である。

【図４】本発明における超音波流量計の、更に他の実
施例を説明するための図である。

【図５】図４の超音波伝播時間を説明するための図で
ある。

【図６】従来の反射形の超音波流量計の原理を説明す
るための図である。

【符号の説明】

１…流管、２，３…トランスデューサの取付筒、４…ト
ランスデューサＡ、５…超音波素子、６…支持ロッド、
７…トランスデューサＢ、８…超音波送受波面、９…支
持ロッド、１０…音速測定用圧電素子、１２…超音波素
子部、１３…支持部、１４…超音波素子、１５…トラン
スデューサ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流管管壁の軸方向に既知の間隔を隔てて
配設された一対の超音波素子を有し、該超音波素子の何
れか一方から対向する管壁に所定発射角度で流れの正逆
方向に発射した超音波の反射波が他方の超音波素子に受
信されるまでの時間差に基いて流量を求める反射形の超
音波流量計において、前記既知の間隔を伝播する超音波
の伝播時間から前記流体内の音速を求める音速測定手段
と、測定された音速から超音波素子間の超音波の伝播距
離を算出する超音波伝播距離算出手段と、算出された超
音波伝播距離と、前記既知の間隔とから実質的な超音波
発射角度算出手段と、前記超音波伝播距離及び超音波発
射角度より流管内径を算出する前記流管内径算出手段と
を有し、測定された音速と超音波伝播距離と超音波発射
角及び流管内径とに基いて流量を求めることを特徴とす
る超音波流量計。
【請求項２】超音波素子を、流量測定するために超音
波発射角度で配設された流量測定超音波素子と、音速測
定するために流管軸に直角に配設された音速測定超音波
素子と、該音速測定超音波素子と流量測定超音波素子と
を一体に収納するトランスデューサ筐体とで構成したこ
とを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】超音波素子を装着したトランスデューサ
を超音波素子部と、保持部と、前記超音波素子を流量測
定のための超音波発射角度および音速測定のための流管
軸に直角な角度とに回転切換可能に支持する支持部とで
構成したことを特徴とした請求項１記載の超音波流量
計。
【請求項４】一対の超音波素子から各々発射される該
超音波素子間を直接伝播する超音波の副極波の伝播時間
の平均値を算出する前記副極波伝播時間測定手段と、前
記一対の超音波素子間の既知な距離と前記副極波の伝播
時間の平均値とから音速を測定する音速測定手段とを有
することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。