JPH0886675A - 超音波流量計 - Google Patents
超音波流量計Info
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- JPH0886675A JPH0886675A JP7109826A JP10982695A JPH0886675A JP H0886675 A JPH0886675 A JP H0886675A JP 7109826 A JP7109826 A JP 7109826A JP 10982695 A JP10982695 A JP 10982695A JP H0886675 A JPH0886675 A JP H0886675A
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- transducers
- transducer
- ultrasonic flowmeter
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
- G01F1/662—Constructional details
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- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
- G01F1/663—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters by measuring Doppler frequency shift
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- G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
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- G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
- G01F1/668—Compensating or correcting for variations in velocity of sound
Abstract
(57)【要約】
【目的】 高度な測定精度を可能にする構造の簡単な超
音波流量計を提供すること。 【構成】 超音波流量計は、環状圧電体を有するかまた
は圧電部分からなる２つの環状圧電変換器（１、２）を
含む。両変換器（１、２）は、軸方向に距離を隔てて設
けられている。一方は超音波送信機として作動し、他方
は超音波受信機として作動する。流量を測定すべき媒体
は両変換器（１、２）間を実質的に軸（Ｌ−Ｌ）に平行
に流れる。
音波流量計を提供すること。 【構成】 超音波流量計は、環状圧電体を有するかまた
は圧電部分からなる２つの環状圧電変換器（１、２）を
含む。両変換器（１、２）は、軸方向に距離を隔てて設
けられている。一方は超音波送信機として作動し、他方
は超音波受信機として作動する。流量を測定すべき媒体
は両変換器（１、２）間を実質的に軸（Ｌ−Ｌ）に平行
に流れる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、気体または、液体媒体
の流量を測定するための超音波流量計に関する。
の流量を測定するための超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】産業上の利用にとって、チュービングシ
ステムにおける気体または液体の流量は非常に重要であ
る。今日存在する測定システムのほとんどは、液体また
は気体の流れを利用して、ホイールの単位時間当たりの
回転数を流量に比例させてホイールを駆動するものであ
る。しかし、これらのシステムは、長時間の使用におい
て信頼性を欠く。
ステムにおける気体または液体の流量は非常に重要であ
る。今日存在する測定システムのほとんどは、液体また
は気体の流れを利用して、ホイールの単位時間当たりの
回転数を流量に比例させてホイールを駆動するものであ
る。しかし、これらのシステムは、長時間の使用におい
て信頼性を欠く。
【０００３】その他の知られた測定システムは、超音波
を応用している。ここにおいては、流れる媒体によって
導入される超音波の移相が、媒体の流速度の尺度とな
る。超音波送信機および超音波受信機は通常、管の軸に
対して所定の角度をもってチュービングシステムに取り
付けられている。対応する例が、欧州特許公開公報第00
40 837号に記載されている。このようなシステムは、構
造がかなり複雑で、且つ、移相が０とは異なる所定の角
度のコサインに依存するために測定精度が劣るという不
利な点をさらに有する。
を応用している。ここにおいては、流れる媒体によって
導入される超音波の移相が、媒体の流速度の尺度とな
る。超音波送信機および超音波受信機は通常、管の軸に
対して所定の角度をもってチュービングシステムに取り
付けられている。対応する例が、欧州特許公開公報第00
40 837号に記載されている。このようなシステムは、構
造がかなり複雑で、且つ、移相が０とは異なる所定の角
度のコサインに依存するために測定精度が劣るという不
利な点をさらに有する。
【０００４】媒体の流速度は主に、送信機がパルスモー
ドによって作動する場合、超音波送信機から超音波受信
機への時間的遅延に基づいて決定されるといえる。
ドによって作動する場合、超音波送信機から超音波受信
機への時間的遅延に基づいて決定されるといえる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記の、ホイールの回
転によって流量を測定する方法は、長時間の使用におい
て信頼性を欠く。
転によって流量を測定する方法は、長時間の使用におい
て信頼性を欠く。
【０００６】超音波を応用する方法においては、構造が
かなり複雑で、且つ測定精度が劣る。
かなり複雑で、且つ測定精度が劣る。
【０００７】本発明の目的は、高度な測定精度を可能に
する、簡単な構造の超音波流量計を提供することにあ
る。
する、簡単な構造の超音波流量計を提供することにあ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明による超音波流量
計は、環状圧電体を有するかまたは圧電部分からなる２
つの環状圧電変換器（１、２）を含み、該両変換器
（１、２）が軸対称に距離を隔てて設けられ、一方が超
音波送信機として作動し、他方が超音波受信機として作
動し、流量を測定すべき媒体が該両変換器（１、２）間
を実質的に軸（Ｌ−Ｌ）に平行に流れ、そのことにより
上記目的が達成される。
計は、環状圧電体を有するかまたは圧電部分からなる２
つの環状圧電変換器（１、２）を含み、該両変換器
（１、２）が軸対称に距離を隔てて設けられ、一方が超
音波送信機として作動し、他方が超音波受信機として作
動し、流量を測定すべき媒体が該両変換器（１、２）間
を実質的に軸（Ｌ−Ｌ）に平行に流れ、そのことにより
上記目的が達成される。
【０００９】好適な実施態様においては、前記両変換器
（１、２）が別体の変換器ハウジング（１０）によって
囲まれている。
（１、２）が別体の変換器ハウジング（１０）によって
囲まれている。
【００１０】好適な実施態様においては、前記両変換器
（１、２）が、該変換器（１、２）の共通軸に一致する
長手方向軸（Ｌ−Ｌ）を有する円筒状パイプ（３）の壁
（４）に、該変換器（１、２）の位置における該パイプ
（３）の断面が減少しないように、一体化されている。
（１、２）が、該変換器（１、２）の共通軸に一致する
長手方向軸（Ｌ−Ｌ）を有する円筒状パイプ（３）の壁
（４）に、該変換器（１、２）の位置における該パイプ
（３）の断面が減少しないように、一体化されている。
【００１１】好適な実施態様においては、前記両変換器
（１、２）が、柔らかい材料（５；１１）に埋め込まれ
ることにより前記パイプ（３）の前記壁（４）から音的
にデカップルされている。
（１、２）が、柔らかい材料（５；１１）に埋め込まれ
ることにより前記パイプ（３）の前記壁（４）から音的
にデカップルされている。
【００１２】好適な実施態様においては、前記両変換器
（１、２）が、端部にパイプシステムに接続するための
接続部材（７、８）を備えた短いパイプ部（３）内に設
けられている。
（１、２）が、端部にパイプシステムに接続するための
接続部材（７、８）を備えた短いパイプ部（３）内に設
けられている。
【００１３】好適な実施態様においては、超音波受信機
として作動する前記変換器（２）の出力電圧が、増幅
後、超音波送信機として作動する前記変換器（１）にフ
ィードバックされる。
として作動する前記変換器（２）の出力電圧が、増幅
後、超音波送信機として作動する前記変換器（１）にフ
ィードバックされる。
【００１４】好適な実施態様においては、前記両変換器
（１、２）が、同一の物理的特性を有すること、および
該変換器（１、２）の半径方向に振動するモードにおけ
るシステムの自己励磁のために、該両変換器（１、２）
間の軸方向距離ｄと音波長λが、ｎが自然数である場合
に
（１、２）が、同一の物理的特性を有すること、および
該変換器（１、２）の半径方向に振動するモードにおけ
るシステムの自己励磁のために、該両変換器（１、２）
間の軸方向距離ｄと音波長λが、ｎが自然数である場合
に
【００１５】
【化４】
【００１６】の関係を保持し、且つａが該変換器（１、
２）の内半径である場合に、δに関して反復的に解くこ
とのできる式
２）の内半径である場合に、δに関して反復的に解くこ
とのできる式
【００１７】
【化５】
【００１８】を有する。
【００１９】好適な実施態様においては、ｆ0が前記媒
体が休止状態にある場合の自己励磁における、音速ｃを
有する超音波周波数であり、Δｆが流速度ｖを有する該
媒体における自己励磁の周波数チューンシフトであり、
λ0＝ｃ／ｆ0が請求項７にしたがって決定されるｄによ
り求められる音波長である場合に、該媒体の流速度ｖが
体が休止状態にある場合の自己励磁における、音速ｃを
有する超音波周波数であり、Δｆが流速度ｖを有する該
媒体における自己励磁の周波数チューンシフトであり、
λ0＝ｃ／ｆ0が請求項７にしたがって決定されるｄによ
り求められる音波長である場合に、該媒体の流速度ｖが
【００２０】
【化６】
【００２１】から得られる。
【００２２】好適な実施態様においては、前記両変換器
（１、２）が、半径方向に振動するモードの共振周波数
に近い自己励磁によって作動する。
（１、２）が、半径方向に振動するモードの共振周波数
に近い自己励磁によって作動する。
【００２３】好適な実施態様においては、共振カーブが
拡張される。
拡張される。
【００２４】好適な実施態様においては、前記超音波変
換器（２）として作動する変換器が、前記超音波送信機
（１）として作動する変換器のパルスによる励磁後、超
音波の遅延時間を測定するように配置されている。
換器（２）として作動する変換器が、前記超音波送信機
（１）として作動する変換器のパルスによる励磁後、超
音波の遅延時間を測定するように配置されている。
【００２５】好適な実施態様においては、前記変換器
（１、２）の各々が、超音波送信機または超音波受信機
として選択的に作動可能である。
（１、２）の各々が、超音波送信機または超音波受信機
として選択的に作動可能である。
【００２６】
【作用】本発明による超音波流量計は、２つの環状圧電
変換器を含む。一方は超音波送信機として作動し、他方
は超音波受信機として作動する。両変換器は間に空間を
隔てて、且つ対称軸が一致するように配置されている。
このような構成により、完全な軸対象が実現する。上記
の角度は、最適な測定精度が達成されるように、ゼロ度
である。
変換器を含む。一方は超音波送信機として作動し、他方
は超音波受信機として作動する。両変換器は間に空間を
隔てて、且つ対称軸が一致するように配置されている。
このような構成により、完全な軸対象が実現する。上記
の角度は、最適な測定精度が達成されるように、ゼロ度
である。
【００２７】各変換器は、別体の変換器ハウジングに囲
まれ得る。このことは一方では流れる媒体の影響からの
保護を提供する。他方では、変換器ハウジングは、音の
デカップリング材料をさらに設けること、および各環状
圧電変換器を囲む振動停止環の取り付けを可能にする。
まれ得る。このことは一方では流れる媒体の影響からの
保護を提供する。他方では、変換器ハウジングは、音の
デカップリング材料をさらに設けること、および各環状
圧電変換器を囲む振動停止環の取り付けを可能にする。
【００２８】好適な配置においては、両変換器が円筒状
パイプの壁に、円筒状パイプの長手方向軸と変換器の共
通軸とを一致させた状態で一体化される（直接または別
体の変換器ハウジングを介する）。この設計によると、
変換器の位置におけるパイプの断面積は減少しない。し
たがって、超音波流量計は媒体に対するさらなる抵抗を
持たない。
パイプの壁に、円筒状パイプの長手方向軸と変換器の共
通軸とを一致させた状態で一体化される（直接または別
体の変換器ハウジングを介する）。この設計によると、
変換器の位置におけるパイプの断面積は減少しない。し
たがって、超音波流量計は媒体に対するさらなる抵抗を
持たない。
【００２９】好適には、両変換器がパイプシステムへの
接続のために端部に接続部材を備えた短いパイプ部に取
り付けられる。これらの接続部材は、例えば所定のチュ
ービングシステム用に設けられたフランジまたはスリー
ブであり得る。したがって、あまり手間をかけることな
く所定のチュービングシステムに取り付けられ得るコン
パクトな部品が入手可能となる。
接続のために端部に接続部材を備えた短いパイプ部に取
り付けられる。これらの接続部材は、例えば所定のチュ
ービングシステム用に設けられたフランジまたはスリー
ブであり得る。したがって、あまり手間をかけることな
く所定のチュービングシステムに取り付けられ得るコン
パクトな部品が入手可能となる。
【００３０】本発明による超音波流量計は好適には自己
励磁において作動する。すなわち受信機として作動する
超音波変換器の出力電圧が、増幅された後送信機として
作動する超音波変換器にフィードバックされる。詳細は
実施例において説明する。
励磁において作動する。すなわち受信機として作動する
超音波変換器の出力電圧が、増幅された後送信機として
作動する超音波変換器にフィードバックされる。詳細は
実施例において説明する。
【００３１】また別の例においては、受信機として作動
する超音波変換器が、送信機として作動する超音波変換
器のパルスによる励磁の後に、超音波の遅延時間を測定
するために切り換えられる。遅延時間の測定は、チュー
ビングシステムおよびハウジングに結合された外部の音
によってシステムにゆがんが生じる場合に有利である。
この場合、チュービングシステムまたはハウジングを通
じての短い通過時間が、電子ゲートによる媒体を通じて
の長い通過時間と区別され得る。
する超音波変換器が、送信機として作動する超音波変換
器のパルスによる励磁の後に、超音波の遅延時間を測定
するために切り換えられる。遅延時間の測定は、チュー
ビングシステムおよびハウジングに結合された外部の音
によってシステムにゆがんが生じる場合に有利である。
この場合、チュービングシステムまたはハウジングを通
じての短い通過時間が、電子ゲートによる媒体を通じて
の長い通過時間と区別され得る。
【００３２】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。
説明する。
【００３３】図１に示すように、環状圧電変換器１およ
び環状圧電変換器２が、互いの対称軸が一致する状態で
互いに距離を隔てて配置されている。変換器１および２
は各々、環状の圧電体を有していることもあり得、また
は圧電部分からなっていることもあり得る。両変換器１
および２ともパイプ部３内に位置し、流量を決定すべき
液体または気体媒体がパイプ３内を長手方向軸Ｌ−Ｌの
方向に流れる。流体の断面は円形である。変換器１およ
び２の共通回転対称軸は、長手方向軸Ｌ−Ｌに一致す
る。
び環状圧電変換器２が、互いの対称軸が一致する状態で
互いに距離を隔てて配置されている。変換器１および２
は各々、環状の圧電体を有していることもあり得、また
は圧電部分からなっていることもあり得る。両変換器１
および２ともパイプ部３内に位置し、流量を決定すべき
液体または気体媒体がパイプ３内を長手方向軸Ｌ−Ｌの
方向に流れる。流体の断面は円形である。変換器１およ
び２の共通回転対称軸は、長手方向軸Ｌ−Ｌに一致す
る。
【００３４】両変換器１および２とも、同様にパイプ部
３の壁４に埋め込まれている。脆弱材料５、例えばフォ
ームが、変換器１および２と壁４との間の音のデカップ
リング材料として作用する。変換器１および２の電気コ
ネクション６は、壁４を介して密閉された状態で外部に
導かれている。電気コネクション６は、単純なワイヤコ
ンダクタまたは銅製の薄シートであり得る。
３の壁４に埋め込まれている。脆弱材料５、例えばフォ
ームが、変換器１および２と壁４との間の音のデカップ
リング材料として作用する。変換器１および２の電気コ
ネクション６は、壁４を介して密閉された状態で外部に
導かれている。電気コネクション６は、単純なワイヤコ
ンダクタまたは銅製の薄シートであり得る。
【００３５】別の配置例によると、変換器１および２は
パイプ部３の壁４に直接一体化されず、各変換器１およ
び２が別体の変換器ハウジングによって囲まれている。
図２は、変換器１が環状変換器ハウジング１０内にどの
ようにして設けられているかを示す。好適な脆弱デカッ
プリング材料１１が音のデカップリング材として機能
し、変換器１の外周部が直接振動停止リング１２によっ
て囲まれている。電気コネクション６は密閉された状態
で外部に導かれている。変換器ハウジング１０は、例え
ばステンレス鋼、セラミック、またはプラスチック材料
からなり得る。また、金属−セラミックの設計も可能で
ある。好適には、変換器１および２の構成は同一であ
る。
パイプ部３の壁４に直接一体化されず、各変換器１およ
び２が別体の変換器ハウジングによって囲まれている。
図２は、変換器１が環状変換器ハウジング１０内にどの
ようにして設けられているかを示す。好適な脆弱デカッ
プリング材料１１が音のデカップリング材として機能
し、変換器１の外周部が直接振動停止リング１２によっ
て囲まれている。電気コネクション６は密閉された状態
で外部に導かれている。変換器ハウジング１０は、例え
ばステンレス鋼、セラミック、またはプラスチック材料
からなり得る。また、金属−セラミックの設計も可能で
ある。好適には、変換器１および２の構成は同一であ
る。
【００３６】別体の変換器ハウジングを有する構成にお
いては、変換器ハウジングを有する変換器１および２は
好適には、内部パイプに突出する部分がないようにパイ
プ部３に挿入されている。パイプ部３が超音波界の伝搬
に関与することを回避するために、変換器ハウジングの
内部に設けられたデカップリング材料１１に加えて、さ
らなるデカップリング体が、例えば図１と類似の態様で
配置された脆弱材料５が、変換器ハウジングの外部とパ
イプ部３との間に設けられ得る。例えば、周知の方法に
より変換器１と２との間においてパイプ部３の振動を止
めることによっても、適切なデカップリングが達成され
得る。
いては、変換器ハウジングを有する変換器１および２は
好適には、内部パイプに突出する部分がないようにパイ
プ部３に挿入されている。パイプ部３が超音波界の伝搬
に関与することを回避するために、変換器ハウジングの
内部に設けられたデカップリング材料１１に加えて、さ
らなるデカップリング体が、例えば図１と類似の態様で
配置された脆弱材料５が、変換器ハウジングの外部とパ
イプ部３との間に設けられ得る。例えば、周知の方法に
より変換器１と２との間においてパイプ部３の振動を止
めることによっても、適切なデカップリングが達成され
得る。
【００３７】パイプ部３にはその端部にフランジ７およ
びフランジ８が設けられている。そのため、パイプ３か
らなる流センサそして両変換器１および２はあまり手間
をかけずに、フランジが習慣的に設けられている既成の
パイプシステムに一体化され得る。
びフランジ８が設けられている。そのため、パイプ３か
らなる流センサそして両変換器１および２はあまり手間
をかけずに、フランジが習慣的に設けられている既成の
パイプシステムに一体化され得る。
【００３８】その他の製造方法も考えられる。変換器１
および２は、プラスチックからなるパイプ部３に成形さ
れ得る。また、システムが予め製造された環状部に接着
され得る。このような予め製造された環状部は、様々な
金属または非金属材料から製造され得る。金属セラミッ
ク密閉部を有するセラミック材料も考えられる。好適に
圧電材料からなる変換器１および２が、流れる媒体に接
触すべきでない場合は、変換器１および２は保護層によ
り覆われ得る。さらに、上記の別体の変換器ハウジング
は、流れる媒体との接触に対する保護を可能にする。
および２は、プラスチックからなるパイプ部３に成形さ
れ得る。また、システムが予め製造された環状部に接着
され得る。このような予め製造された環状部は、様々な
金属または非金属材料から製造され得る。金属セラミッ
ク密閉部を有するセラミック材料も考えられる。好適に
圧電材料からなる変換器１および２が、流れる媒体に接
触すべきでない場合は、変換器１および２は保護層によ
り覆われ得る。さらに、上記の別体の変換器ハウジング
は、流れる媒体との接触に対する保護を可能にする。
【００３９】変換器１および２はパイプ部３の内部空間
に突出しないため、流れる媒体にとって障害とはならな
い。そのため、流速度が実際に変換器１および２によっ
て変化することはない。
に突出しないため、流れる媒体にとって障害とはならな
い。そのため、流速度が実際に変換器１および２によっ
て変化することはない。
【００４０】変換器１および２が自己励磁で作動する場
合（特にこれが共振周波数近傍（下記を参照のこと）で
起こった場合）、超音波流量計は高感度を有する。これ
を以下により詳細に説明する。
合（特にこれが共振周波数近傍（下記を参照のこと）で
起こった場合）、超音波流量計は高感度を有する。これ
を以下により詳細に説明する。
【００４１】図３は、両変換器１および２を有するシス
テムの環状構造の斜視図である。変換器１は、超音波送
信機として作動し、変換器２は超音波受信機として作動
する。変換器１と２との間の距離をｄとすると、内半径
ａを有する変換器１（変換器２も同様であるが）の内表
面におけるソースポイントＱと変換器２の内表面におけ
るフィールドポイントとの間の距離ｒが図３から得られ
得る。
テムの環状構造の斜視図である。変換器１は、超音波送
信機として作動し、変換器２は超音波受信機として作動
する。変換器１と２との間の距離をｄとすると、内半径
ａを有する変換器１（変換器２も同様であるが）の内表
面におけるソースポイントＱと変換器２の内表面におけ
るフィールドポイントとの間の距離ｒが図３から得られ
得る。
【００４２】
【数１】
【００４３】三角関数を適用すると、式１が式２に変換
される。
される。
【００４４】
【数２】
【００４５】超音波送信機として作動する変換器１は、
パイプ部３の直径に依存する所定のカットオフ周波数を
超える周波数においては、複素速度振幅(complex veloc
ityamplitude)ｖ 0によって純粋ラジアルモードで振動す
ると考えられる。（カットオフ周波数より低い周波数に
おいては、横波は存在しないが、長手方向の波がパイプ
部３に沿った平面波として伝搬する）。密度ρを有する
媒体内の音界(soundfield)が複素圧振幅(complex press
ure amplitude)ｐにより式３により表され得る。
パイプ部３の直径に依存する所定のカットオフ周波数を
超える周波数においては、複素速度振幅(complex veloc
ityamplitude)ｖ 0によって純粋ラジアルモードで振動す
ると考えられる。（カットオフ周波数より低い周波数に
おいては、横波は存在しないが、長手方向の波がパイプ
部３に沿った平面波として伝搬する）。密度ρを有する
媒体内の音界(soundfield)が複素圧振幅(complex press
ure amplitude)ｐにより式３により表され得る。
【００４６】
【数３】
【００４７】Cremer，L., Hubert、M., "Vorlesungen ub
er Technische Akustik"、4．Auflage,Springer，Berlin
1990，eq．2ー217，第１７８頁を参照のこと。ここにお
いて、波数ｋは式４を考慮した場合の送信機の角振動数
ωおよび媒体の音速ｃの商である。
er Technische Akustik"、4．Auflage,Springer，Berlin
1990，eq．2ー217，第１７８頁を参照のこと。ここにお
いて、波数ｋは式４を考慮した場合の送信機の角振動数
ωおよび媒体の音速ｃの商である。
【００４８】
【数４】
【００４９】式４を考慮した場合、積分は全音界領域の
表面Ｓ全体に及ばなければならない。上記表面のうち超
音波送信機として作動する圧電環の内面を除く全表面に
おいてｖ 0＝０を有する剛性壁を考えた場合、積分は変
換器１のみの内側環状面全体に及ばなければならない。
表面Ｓ全体に及ばなければならない。上記表面のうち超
音波送信機として作動する圧電環の内面を除く全表面に
おいてｖ 0＝０を有する剛性壁を考えた場合、積分は変
換器１のみの内側環状面全体に及ばなければならない。
【００５０】第１の推量に対して、半径ａは変換器１と
２との間の距離ｄ（図３を参照のこと）に比較して小さ
いと考えられる。
２との間の距離ｄ（図３を参照のこと）に比較して小さ
いと考えられる。
【００５１】
【数５】
【００５２】式３の成分はTaylor's Seriesに拡大され
る。Taylor's Seriesは式２により一次タームを考慮す
ると式６に到達する。
る。Taylor's Seriesは式２により一次タームを考慮す
ると式６に到達する。
【００５３】
【数６】
【００５４】圧力場に関しては、式３より、
【００５５】
【数７】
【００５６】積分がなされた後、式８が得られる。
【００５７】
【数８】
【００５８】この結果は容易に以下のように解釈され得
る。すなわち、距離ｄを隔てて配置された変換器送信機
１から変換器受信機２へ軸方向に沿って伝搬する音波に
は、予想される相遅延ｋｄに式９で表される補正ターム
を加えたものからなる相遅延が起こる。
る。すなわち、距離ｄを隔てて配置された変換器送信機
１から変換器受信機２へ軸方向に沿って伝搬する音波に
は、予想される相遅延ｋｄに式９で表される補正ターム
を加えたものからなる相遅延が起こる。
【００５９】
【数９】
【００６０】式９は式５を考慮すると、ほぼ式１０によ
って表され得る。
って表され得る。
【００６１】
【数１０】
【００６２】この補正タームは、超音波送信機環１上の
全ソースポイントと、超音波受信機環２上のフィールド
ポイントとの間の路長の相違を要約している。環状片１
および２の内半径ａに比較して変換器１と２との間の距
離ｄが長いほど、補正量は小さい。
全ソースポイントと、超音波受信機環２上のフィールド
ポイントとの間の路長の相違を要約している。環状片１
および２の内半径ａに比較して変換器１と２との間の距
離ｄが長いほど、補正量は小さい。
【００６３】超音波受信機は圧電変換器であるため、超
音波受信機２において観察される圧力場は対応する出力
電圧に変換される。フィードバック信号としてのこの信
号は、このとき増幅されて超音波送信機として作動する
圧電変換器２にフィードバックされる。これにより、超
音波送信機の入力電圧と超音波受信機の出力電圧との間
の位相角がゼロまたは２πの整数倍であるという条件に
おいて、システムの自己励磁が起こり得る。この全位相
角は、２つの理由からなる。一方は音の伝搬によるもの
であり、他方は超音波送信機および受信機各々の内部移
相の総計によるものである。両変換器１および２が同一
の物理的特性を有する場合、後者は消滅する。このこと
は、例えば変換器１および２を同一の条件で製造された
一対のものとして選択することにより達成され得る。
音波受信機２において観察される圧力場は対応する出力
電圧に変換される。フィードバック信号としてのこの信
号は、このとき増幅されて超音波送信機として作動する
圧電変換器２にフィードバックされる。これにより、超
音波送信機の入力電圧と超音波受信機の出力電圧との間
の位相角がゼロまたは２πの整数倍であるという条件に
おいて、システムの自己励磁が起こり得る。この全位相
角は、２つの理由からなる。一方は音の伝搬によるもの
であり、他方は超音波送信機および受信機各々の内部移
相の総計によるものである。両変換器１および２が同一
の物理的特性を有する場合、後者は消滅する。このこと
は、例えば変換器１および２を同一の条件で製造された
一対のものとして選択することにより達成され得る。
【００６４】同一の物理的特性を有する一対の超音波送
信機および超音波受信機を得るための方法としてさらに
考えられるものは、圧電環を２つの半環に切断すること
にある。これにより、これらの半環のうちの一方が超音
波送信機として作動し、他方が超音波受信機として作動
し得る。
信機および超音波受信機を得るための方法としてさらに
考えられるものは、圧電環を２つの半環に切断すること
にある。これにより、これらの半環のうちの一方が超音
波送信機として作動し、他方が超音波受信機として作動
し得る。
【００６５】したがって、システムの自己励磁を達成す
るためには、音伝搬による移相が２πの整数倍でなけれ
ばならない。式８、９および１０を考慮すると、超音波
送信機と超音波受信機との間の軸方向距離ｄに関する以
下の条件が得られる。下記条件によると、所定の角振動
数ω＝ｃｋにおいて、自己励磁が起こる。
るためには、音伝搬による移相が２πの整数倍でなけれ
ばならない。式８、９および１０を考慮すると、超音波
送信機と超音波受信機との間の軸方向距離ｄに関する以
下の条件が得られる。下記条件によると、所定の角振動
数ω＝ｃｋにおいて、自己励磁が起こる。
【００６６】
【数１１】
【００６７】タンジェント関数のためのさらなる定理に
よると、
よると、
【００６８】
【数１２】
【００６９】または
【００７０】
【数１３】
【００７１】となる。式１３は反復して解くとｄが得ら
れ得る。この目的のために、補正タームσは式１４によ
って定義される。
れ得る。この目的のために、補正タームσは式１４によ
って定義される。
【００７２】
【数１４】
【００７３】ここにおいて、λ＝２π／ｋは超音波の波
長であり、ｎは自然数である。式１３および１４より、
式１５により表される反復条件が得られる。
長であり、ｎは自然数である。式１３および１４より、
式１５により表される反復条件が得られる。
【００７４】
【数１５】
【００７５】以下に、ｎに２つの異なる値を与えて反復
工程の数的例を述べる。
工程の数的例を述べる。
【００７６】各々の例において、超音波周波数ｆ＝ω／
（２π）は150 kHzであると考える。音速c=1400 m/sは
9.33°10-3という音波長λにつながる。ａは0.01 mと考
える。両方の例においてのδの初期値は-2°10-3と考え
る。以下の表に４つの十分な反復ステップを示す。
（２π）は150 kHzであると考える。音速c=1400 m/sは
9.33°10-3という音波長λにつながる。ａは0.01 mと考
える。両方の例においてのδの初期値は-2°10-3と考え
る。以下の表に４つの十分な反復ステップを示す。
【００７７】
【表１】
【００７８】上記の展開はいかなる超音波周波数にも有
効である。しかし、両変換器１および２が共振周波数近
傍で作動すると、システムは特に効率的に作用する。す
なわち、共振周波数において、電力は最適に音界力に変
換され、その逆もまた同様である。再度このことを説明
する。送信機、音伝搬路、受信機、および増幅器を含む
電気フィードバックを含む閉ループシステムの自己励磁
は、変換器の共振周波数と区別されなければならない。
音界における相条件がさらに満たされ、且つ十分な増幅
が保証されれば、自己励磁は原則としていかなる超音波
周波数においても可能である。しかし、とくに好適であ
るのは、変換器の共振周波数に一致する自己励磁周波数
の選択である。すなわち、この場合は電気信号フィード
バック路におけるわずかな増幅が必要である。
効である。しかし、両変換器１および２が共振周波数近
傍で作動すると、システムは特に効率的に作用する。す
なわち、共振周波数において、電力は最適に音界力に変
換され、その逆もまた同様である。再度このことを説明
する。送信機、音伝搬路、受信機、および増幅器を含む
電気フィードバックを含む閉ループシステムの自己励磁
は、変換器の共振周波数と区別されなければならない。
音界における相条件がさらに満たされ、且つ十分な増幅
が保証されれば、自己励磁は原則としていかなる超音波
周波数においても可能である。しかし、とくに好適であ
るのは、変換器の共振周波数に一致する自己励磁周波数
の選択である。すなわち、この場合は電気信号フィード
バック路におけるわずかな増幅が必要である。
【００７９】実用に際しては、超音波送信機−受信機対
のパラメータは、以下の基準にしたがって決定される。
のパラメータは、以下の基準にしたがって決定される。
【００８０】−両変換器１および２が同一の特性を有す
る、圧電システムの固有モード（半径方向振動）の選
択。
る、圧電システムの固有モード（半径方向振動）の選
択。
【００８１】−上記より、自己励磁における動作周波数
は固有周波数である。内部相遅延の総計は消滅する。
は固有周波数である。内部相遅延の総計は消滅する。
【００８２】−自然数ｎ、すなわち、超音波送信機と受
信機との間の波長の数の選択。
信機との間の波長の数の選択。
【００８３】−式１４の適用による、正確な距離ｄの決
定。
定。
【００８４】これまで、音波が超音波送信機と超音波受
信機との間を伝搬する媒体は、休止状態であると考えて
きた。これ以降は、流量の尺度である定流速度ｖを考え
る。移動する媒体の場合、超音波の伝搬速度は、音界伝
搬の方向が流速度の方向であるかその反対方向であるか
によって上昇または下降する。定まった音界周波数で作
動する場合、波長が変化して、その結果移相が起こる。
ｆ0が上記の固有モードの超音波周波数である場合、媒
体が休止状態でシステムの周波数を自己励磁周波数に合
わさなければならないのであれば、システムの周波数は
消滅しない流速度に合わし直される。なぜなら、式１４
による相条件はもはや満足されないからである。しか
し、もし式１４の条件下において波長λを値λ0に定め
るような、別の音界周波数が選択されれば、システムは
消滅しない流速度に対してさえも自己励磁状態に保持さ
れる。対応する条件は式１６によって表され得る。
信機との間を伝搬する媒体は、休止状態であると考えて
きた。これ以降は、流量の尺度である定流速度ｖを考え
る。移動する媒体の場合、超音波の伝搬速度は、音界伝
搬の方向が流速度の方向であるかその反対方向であるか
によって上昇または下降する。定まった音界周波数で作
動する場合、波長が変化して、その結果移相が起こる。
ｆ0が上記の固有モードの超音波周波数である場合、媒
体が休止状態でシステムの周波数を自己励磁周波数に合
わさなければならないのであれば、システムの周波数は
消滅しない流速度に合わし直される。なぜなら、式１４
による相条件はもはや満足されないからである。しか
し、もし式１４の条件下において波長λを値λ0に定め
るような、別の音界周波数が選択されれば、システムは
消滅しない流速度に対してさえも自己励磁状態に保持さ
れる。対応する条件は式１６によって表され得る。
【００８５】
【数１６】
【００８６】ここにおいて、Δｆは周波数シフトであ
る。式１６より式１７が得られる。
る。式１６より式１７が得られる。
【００８７】
【数１７】
【００８８】変換器１および２の急な共振カーブ、すな
わち、顕著な最大値を得るために、周波数シフトは最大
値以外の動作ポイントにつながり、そのため、変換器１
および２の振幅は流測定に際して急激に減少する。自己
励磁条件における安定した動作を得るためには、また増
幅が付与されると、これは問題である。適切な対応策は
システムの帯域を拡張すること、すなわち、例えば変換
器ハウジングおよびそれに取り付けられた機械的部品
（図２を参照のこと）が圧電部品の選択された共振に近
い共振を有する場合に達成される、拡張された共振カー
ブにある。この場合、共振カーブは結合された共振器の
カーブの挙動を示す。平坦な共振カーブを得るために
は、十分な振動の停止が必要である。
わち、顕著な最大値を得るために、周波数シフトは最大
値以外の動作ポイントにつながり、そのため、変換器１
および２の振幅は流測定に際して急激に減少する。自己
励磁条件における安定した動作を得るためには、また増
幅が付与されると、これは問題である。適切な対応策は
システムの帯域を拡張すること、すなわち、例えば変換
器ハウジングおよびそれに取り付けられた機械的部品
（図２を参照のこと）が圧電部品の選択された共振に近
い共振を有する場合に達成される、拡張された共振カー
ブにある。この場合、共振カーブは結合された共振器の
カーブの挙動を示す。平坦な共振カーブを得るために
は、十分な振動の停止が必要である。
【００８９】送信機−音路−受信機の閉システムは相条
件を満たすために自己励磁の状態を保持する傾向がある
ため、システムによって適切なチューンシフトΔｆが自
動的に確立される。これは、システムが流速度ｖに対応
するチューンシフトで作動する場合にも同様である。
件を満たすために自己励磁の状態を保持する傾向がある
ため、システムによって適切なチューンシフトΔｆが自
動的に確立される。これは、システムが流速度ｖに対応
するチューンシフトで作動する場合にも同様である。
【００９０】ここまでは、音速は一定または媒体の流速
度に依存すると考えてきた。しかし実際は、このことは
温度が一定であるときにのみ正しい。温度が変化すると
音速が変化し、その結果さらなる相変化が起こる。これ
を補償するためには、周波数は自己励磁状態を保持する
ためにさらにチューニングされなければならない。実際
は、温度によるチューンシフトは、流速度によるチュー
ンシフトを超えることが多い。しかし、温度の影響は、
音の伝搬を両方向、すなわち流れに平行な方向および流
れに平行でない方向において測定を行い、チューンシフ
トの相違を考慮することによって補償され得る。帯域
は、温度および流速度によるチューンシフトの総計をカ
バーしなければならない。
度に依存すると考えてきた。しかし実際は、このことは
温度が一定であるときにのみ正しい。温度が変化すると
音速が変化し、その結果さらなる相変化が起こる。これ
を補償するためには、周波数は自己励磁状態を保持する
ためにさらにチューニングされなければならない。実際
は、温度によるチューンシフトは、流速度によるチュー
ンシフトを超えることが多い。しかし、温度の影響は、
音の伝搬を両方向、すなわち流れに平行な方向および流
れに平行でない方向において測定を行い、チューンシフ
トの相違を考慮することによって補償され得る。帯域
は、温度および流速度によるチューンシフトの総計をカ
バーしなければならない。
【００９１】両方向における測定を実施するために、変
換器１および２の各々は、超音波送信機および超音波受
信機として選択的に作動しなければならない。これはこ
れまで取ってきた、超音波送信機１および超音波受信機
２の役割は逆方向における測定に際しては交換可能であ
るという考え方には反する。このことは当業者に周知の
適切な回路手段により達成さえ得る。
換器１および２の各々は、超音波送信機および超音波受
信機として選択的に作動しなければならない。これはこ
れまで取ってきた、超音波送信機１および超音波受信機
２の役割は逆方向における測定に際しては交換可能であ
るという考え方には反する。このことは当業者に周知の
適切な回路手段により達成さえ得る。
【００９２】媒体の流速度ｖは流量の尺度である。単位
時間当たりに変換器１および２の領域を通過する媒体の
質量を推定するために、流速度を、媒体の密度および断
面積によって乗算しなければならない。流速度が断面全
体にわたって一定でない場合、測定されたチューンシフ
トに対する流量の依存度は目盛りによる測定によって決
定され得る。
時間当たりに変換器１および２の領域を通過する媒体の
質量を推定するために、流速度を、媒体の密度および断
面積によって乗算しなければならない。流速度が断面全
体にわたって一定でない場合、測定されたチューンシフ
トに対する流量の依存度は目盛りによる測定によって決
定され得る。
【００９３】流れる媒体の流速度を決定するさらなる可
能性は、超音波パルスが超音波送信機として作動する圧
電変換器から超音波受信機として作動する環状圧電変換
器まで移行するために必要とする時間的遅延を測定する
ことにある。変換器間の周知の距離にとって、遅延時間
は、流速度および流方向に依存する超音波の伝搬速度の
尺度である。
能性は、超音波パルスが超音波送信機として作動する圧
電変換器から超音波受信機として作動する環状圧電変換
器まで移行するために必要とする時間的遅延を測定する
ことにある。変換器間の周知の距離にとって、遅延時間
は、流速度および流方向に依存する超音波の伝搬速度の
尺度である。
【００９４】定期的な準静止動作を必要とする自己励磁
方法とは対照的に、遅延時間の測定はパルスモードで作
動する。これは、パイプ部内部の壁内における音の伝搬
とゲートの補助を得て電気的手段によって測定される流
れる媒体における音の伝搬との区別をつけることができ
るという利点を有する。さらなる利点は、明白な区別の
ために、例えば外部または超音波の反射による音の放射
によるゆがみを防止することができることである。遅延
時間の測定はまた、変換器とパイプ部またはハウジング
との間の音のデカップリングが十分でない場合にも有利
である。
方法とは対照的に、遅延時間の測定はパルスモードで作
動する。これは、パイプ部内部の壁内における音の伝搬
とゲートの補助を得て電気的手段によって測定される流
れる媒体における音の伝搬との区別をつけることができ
るという利点を有する。さらなる利点は、明白な区別の
ために、例えば外部または超音波の反射による音の放射
によるゆがみを防止することができることである。遅延
時間の測定はまた、変換器とパイプ部またはハウジング
との間の音のデカップリングが十分でない場合にも有利
である。
【００９５】温度の影響は、自己励磁方法に関して上記
したことと同様、超音波送信機および受信機の役割が交
換可能である場合に時間遅延の相違を決定するために媒
体の流方向に対して平行な方向および平行でない方向に
おいて測定することによって排除され得る。
したことと同様、超音波送信機および受信機の役割が交
換可能である場合に時間遅延の相違を決定するために媒
体の流方向に対して平行な方向および平行でない方向に
おいて測定することによって排除され得る。
【００９６】
【発明の効果】本発明によると、高度な測定精度を可能
にする構造の簡単な超音波流量計が実現できる。
にする構造の簡単な超音波流量計が実現できる。
【図１】２つの圧電変換器が一体化されているパイプの
軸方向断面図である。
軸方向断面図である。
【図２】別体の変換器ハウジングに囲まれた圧電変換器
の軸方向断面図である。
の軸方向断面図である。
【図３】式に用いられたシンボルを説明する図である。
【符号の説明】 １、２ 変換器 ３ パイプ部 ４ 壁 ５、１１ 脆弱材料 ６ 電気コネクション
Claims (12)
- 【請求項１】 超音波流量計であって、環状圧電体を有
するかまたは圧電部分からなる２つの環状圧電変換器
（１、２）を含み、該両変換器（１、２）が軸対称に距
離を隔てて設けられ、一方が超音波送信機として作動
し、他方が超音波受信機として作動し、流量を測定すべ
き媒体が該両変換器（１、２）間を実質的に軸（Ｌ−
Ｌ）に平行に流れる、超音波流量計。 - 【請求項２】 前記両変換器（１、２）が別体の変換器
ハウジング（１０）によって囲まれていることを特徴と
する、請求項１に記載の超音波流量計。 - 【請求項３】 前記両変換器（１、２）が、該変換器
（１、２）の共通軸に一致する長手方向軸（Ｌ−Ｌ）を
有する円筒状パイプ（３）の壁（４）に、該変換器
（１、２）の位置における該パイプ（３）の断面が減少
しないように、一体化されていることを特徴とする、請
求項１または２に記載の超音波流量計。 - 【請求項４】 前記両変換器（１、２）が、柔らかい材
料（５；１１）に埋め込まれることにより前記パイプ
（３）の前記壁（４）から音的にデカップルされている
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】 前記両変換器（１、２）が、端部にパイ
プシステムに接続するための接続部材（７、８）を備え
た短いパイプ部（３）内に設けられていることを特徴と
する、請求項３または４に記載の超音波流量計。 - 【請求項６】 超音波受信機として作動する前記変換器
（２）の出力電圧が、増幅後、超音波送信機として作動
する前記変換器（１）にフィードバックされることを特
徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の超音波流量
計。 - 【請求項７】 前記両変換器（１、２）が、同一の物理
的特性を有すること、および該変換器（１、２）の半径
方向に振動するモードにおけるシステムの自己励磁のた
めに、該両変換器（１、２）間の軸方向距離ｄと音波長
λが、ｎが自然数である場合に 【化１】 の関係を保持し、且つａが該変換器（１、２）の内半径
である場合に、δに関して反復的に解くことのできる式 【化２】 を有することを特徴とする、請求項６に記載の超音波流
量計。 - 【請求項８】 ｆ0が前記媒体が休止状態にある場合の
自己励磁における、音速ｃを有する超音波周波数であ
り、Δｆが流速度ｖを有する該媒体における自己励磁の
周波数チューンシフトであり、λ0＝ｃ／ｆ0請求項７に
したがって決定されるｄにより求められる音波長である
場合に、該媒体の流速度ｖが 【化３】 から得られることを特徴とする、請求項７に記載の超音
波流量計。 - 【請求項９】 前記両変換器（１、２）が、半径方向に
振動するモードの共振周波数近傍において自己励磁によ
って作動することを特徴とする、請求項７または８に記
載の超音波流量計。 - 【請求項１０】 共振カーブが拡張されることを特徴と
する、請求項９に記載の超音波流量計。 - 【請求項１１】 前記超音波変換器（２）として作動す
る変換器が、前記超音波送信機（１）として作動する変
換器のパルスによる励磁後、超音波の遅延時間を測定す
るように配置されていることを特徴とする、請求項１〜
５のいずれかに記載の超音波流量計。 - 【請求項１２】 前記変換器（１、２）の各々が、超音
波送信機または超音波受信機として選択的に作動可能で
あることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記
載の超音波流量計。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4416367A DE4416367C1 (de) | 1994-05-04 | 1994-05-04 | Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät |
| DE4416367.3 | 1994-05-04 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0886675A true JPH0886675A (ja) | 1996-04-02 |
Family
ID=6517704
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7109826A Withdrawn JPH0886675A (ja) | 1994-05-04 | 1995-05-08 | 超音波流量計 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5594181A (ja) |
| EP (1) | EP0684457A3 (ja) |
| JP (1) | JPH0886675A (ja) |
| DE (1) | DE4416367C1 (ja) |
Families Citing this family (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5719329B1 (en) * | 1995-12-28 | 1999-11-16 | Univ Ohio | Ultrasonic measuring system and method of operation |
| DE19605164C2 (de) * | 1996-02-13 | 1998-01-29 | Hydrometer Gmbh | Ultraschall-Strömungsmeßgerät |
| EP0800062A3 (de) * | 1996-04-04 | 1998-04-15 | Georg Fischer Rohrleitungssysteme AG | Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides |
| JP3045677B2 (ja) * | 1996-04-22 | 2000-05-29 | 東京計装株式会社 | 超音波流量計 |
| JPH10122923A (ja) * | 1996-10-15 | 1998-05-15 | Tokyo Keiso Co Ltd | 超音波流量計 |
| US6223788B1 (en) | 1998-05-29 | 2001-05-01 | Dresser Equipment Group, Inc. | Fuel nozzle dispenser using ultrasonic metering |
| US6019146A (en) * | 1998-05-29 | 2000-02-01 | Dresser Industries, Inc. | Fuel nozzle dispenser using ultrasonic metering |
| AU7834000A (en) | 1999-09-27 | 2001-04-30 | Ohio University | Determining gas and liquid flow rates in a multi-phase flow |
| GB0308222D0 (en) * | 2003-04-10 | 2003-05-14 | Univ Cranfield | A flowmeter |
| JP2005164571A (ja) * | 2003-11-11 | 2005-06-23 | Kaijo Sonic Corp | 超音波流量計及び超音波センサ |
| JP4233445B2 (ja) * | 2003-12-24 | 2009-03-04 | 旭有機材工業株式会社 | 超音波流量計 |
| US7117104B2 (en) * | 2004-06-28 | 2006-10-03 | Celerity, Inc. | Ultrasonic liquid flow controller |
| JP4851936B2 (ja) * | 2004-10-13 | 2012-01-11 | 日本フローセル製造株式会社 | 超音波流量計 |
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