JPH09287989A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型にして高い測定精度を確保することがで
きる超音波流量計を提供すること。 【解決手段】 測定管２の内部に気体あるいは液体等の
流体物質を流し、電気−音響変換手段１ａ又は１ｂから
出射された超音波を測定管２内を貫流する流体物質中を
透過させて他方の電気−音響変換手段１ｂ又は１ａで受
波し、これらを双方で切り替えて超音波伝播時間を測定
して測定管２の内部に流れる流体物質の流量測定を行う
ように構成されている。一対の電気−音響変換手段１
ａ，１ｂにより構成される超音波の伝播経路Ｔｄは、Ｎ
型に成されている。したがって測定管２の一側壁内面を
伝わる直接伝播波Ｔｓ等の影響を受けることがなく、本
来の受波に波形歪みを起こさせることで測定誤差を生み
出すという問題点を解消することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定管内部に気体
若しくは液体などの流体物質を貫流し、その流量を測定
するするようにした超音波流量計に関するものであり、
特に測定管を小型に形成した場合において測定精度を向
上させることが可能な超音波流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波流量計は流速測定型の流量計であ
り、流量は測定管内部を流れる気体若しくは液体などの
流体物質の流速を測定し、測定した流速に管断面積等を
乗ずることにより求められる。そして、この種の超音波
による流速測定は、一対の電気−音響変換手段を具備
し、一方の電気−音響変換手段から出射された超音波を
測定管内の流体物質中を透過させて他方の電気−音響変
換手段で受波し、これらを双方で切り替えて超音波伝播
時間を測定し、超音波ビームの伝播時間の逆数差を求め
ることで行われる。

【０００３】図５は、従来のこの種の超音波流量計の例
を断面図によって示したものである。この図５の例にお
いては、測定管２の対向する内側壁部分に、一対の電気
−音響変換手段１ａ，１ｂを測定管２の軸線に対してほ
ぼ４５度の傾きをもって直接対向するように配置されて
いる。

【０００４】この図５に示された超音波流量計による
と、一方の電気−音響変換手段１ａから他方の電気−音
響変換手段１ｂに、またその逆方向に図中実線で示した
ような直線的な伝播経路Ｔａを介して超音波が伝播し、
この伝播経路Ｔａにおける超音波の伝播速度を測定する
ことにより、測定管２を貫流する流体物質の流量を演算
することができる。

【０００５】すなわち、流体物質の流れの方向に対して
上流側、下流側に設けられた電気−音響変換手段として
の超音波送受波器１ａ，１ｂから測定管２に対して発射
された超音波ビームを双方で切り替えて、これら順逆方
向の伝播時間ｔ１，ｔ２を繰り返し計測させる。

【０００６】この計測された時間を逆数に演算すること
により、音速Ｃの影響がなくなり以下の式が得られる。

【０００７】 ｔ１＝Ｌ1 ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ1 ） ……式１ ｔ２＝Ｌ1 ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ1 ） ……式２

【０００８】式１及び式２より Ｖ＝（Ｌ1 ／２ｃｏｓθ1 ）×〔（１／ｔ１）−（１／ｔ１）〕……式３

【０００９】ただし、Ｌ1 ：超音波の伝播路長（Ｌ1 ＝
Ｄ／ｓｉｎθ1 ） Ｄ ：管内径 Ｃ ：流体物質中の音速 θ1 ：超音波伝播路と管軸のなす角 Ｖ ：超音波伝播路上の線平均流速

【００１０】この構成による超音波流速計は音響パスに
沿った平均流速を計測する装置である。そして、測定管
内の流速分布は、流量により変化する。この流量を得る
ためには流速分布変化の補正が必要となる。そして体積
流量Ｑは計測された線平均流速Ｖと、測定部の断面積Ａ
と、流速分布補正計数Ｋｎから計算される。

【００１１】すなわち次の式４のように表すことができ
る。 Ｑ＝Ａ×Ｖ×Ｋｎ ……式４

【００１２】前記Ｋｎは測定された線平均流速と管断面
の平均流速の比であり、レイノルズ数の関数である。 Ｋｎ＝１／（１．１１９−０．０１１ ｌｏｇ Ｒｅ） ……式５

【００１３】層流域におけるＫｎは、理論的に計算する
ことが可能であり、Ｋｎ＝０．７５（一定）が得られて
いる。ここで、レイノルズ数が２３２０より小さい場合
の流れは層流と呼ばれ、その分布は一定で変わらない。

【００１４】図５に示す装置を用い、以上に示した式１
乃至式５のような理論式により演算することにより、流
体物質の流量を算出することが可能である。

【００１５】ところで、前記した構成による流量計の測
定精度を向上させるには、超音波ビームの伝播時間を正
確に測定できるようにすることが必要となる。この場
合、超音波ビームの伝播距離を大きくとった方が超音波
ビームの伝播時間を正確に測定することが可能となり、
よって流量の測定精度も向上させることができる。

【００１６】しかしながら、図５に示す構成において
は、一方と他方の電気−音響変換手段１ａ，１ｂの間の
伝播距離Ｔａは、前記一方の電気−音響変換手段１ａと
他方の電気−音響変換手段１ｂとの間の測定管の軸方向
の距離Ｌ2 の約１．４倍程度であり、測定管２を小型に
形成した場合においては、その伝播距離Ｔａを大きく取
ることができず、超音波流量計の測定精度を向上させる
には限界がある。

【００１７】そこで、測定管を小型に形成しつつ、一対
の電気−音響変換手段１ａ，１ｂ間の伝播距離を大きく
する手段として、図６に示すような構成を考えることが
できる。この図６に示す構成は、測定管２の一方の内側
壁２ａに一対の電気−音響変換手段１ａ，１ｂを配置
し、測定管２の他方の内側壁２ｂを超音波の反射面とし
て利用し、超音波の伝播経路を略Ｖ字型とすることで、
その伝播距離Ｔｂを大きくとるようにしたものである。

【００１８】この図６に示す構成によると、それぞれの
測定管２の軸線に対する電気−音響変換手段１ａ，１ｂ
の超音波出射角θを４５度とした場合、前記図５に示す
例に比較して２倍の伝播距離を取ることができる。した
がって超音波流量計の測定精度をより向上させることが
できる。

【００１９】また、これを発展させて図７に示すような
構成も考えることができる。この図７に示す構成は、測
定管２の一方の内側壁２ａに一対の電気−音響変換手段
１ａ，１ｂを配置し、測定管２の他方の内側壁２ｂ及び
一対の電気−音響変換手段１ａ，１ｂを配置した測定管
２の一方の内側壁２ａの中間部をそれぞれ超音波の反射
面として利用し、超音波の伝播経路ＴｃをＷ字型とした
ものである。

【００２０】この図７に示す構成によると、それぞれの
測定管２の軸線に対する電気−音響変換手段１ａ，１ｂ
の超音波出射角θを４５度とした場合、前記図６に示す
例に比較して２倍の伝播距離を取ることができ、超音波
流量計の測定精度をさらに向上させることができる。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】以上のように図６に示
す構成によると、図５に示す構成に対して超音波の伝播
距離を２倍とすることができ、図７に示す構成による
と、図６に示す構成に対して更に超音波の伝播距離を２
倍とすることができる。

【００２２】したがって、図６或いは図７に示す構成を
採用することにより、小型にして超音波流量計の測定精
度をより向上させることが期待できる。

【００２３】しかしながら、一対の電気−音響変換手段
１ａ，１ｂにおける超音波の出射エネルギーは、比較的
広範囲な指向特性を有しており、超音波の出射軸以外に
も超音波信号の一部が放射される。

【００２４】このために、図６に示すように一対の電気
−音響変換手段１ａ，１ｂを配置した測定管２の一方の
内側壁２ａの表面経路を伝わって一方の電気−音響変換
手段１ａから他方の電気−音響変換手段１ｂに、またそ
の逆方向に図中破線Ｔｓで示したように超音波信号の一
部が直接的に伝播する（直接伝播波）という現象が発生
する。

【００２５】また図７に示す例によると、前記した直接
伝播波Ｔｓに加え、一対の電気−音響変換手段１ａ，１
ｂに対向する測定管２の他方の内側壁２ｂのほぼ中間部
を反射面として一方の電気−音響変換手段１ａから他方
の電気−音響変換手段１ｂに、またその逆方向に、図中
破線Ｔｖで示したように超音波信号の一部がＶ字状に反
射して伝播する（Ｖ状反射波）という現象が発生する。

【００２６】前記図６に示したような直接伝播波Ｔｓ
は、本来の受波が到達する直前、若しくは同時に現れ、
本来の受波に対して波形歪みなどを起こさせることで測
定誤差を生み出す。この度合は測定管２内の流量が多く
なればなる程、すなわち流量が増大する程、測定誤差を
増大させる。

【００２７】また図７に示したようなＶ状反射波Ｔｖ
も、同様の作用により本来の受波に波形歪みを起こさせ
ることで測定誤差を生み出す。しかも図７に示す構成に
よると、超音波の伝播経路ＴｃはＷ字型を経ているため
に、本来の受波レベルが低下しており、したがってＳ／
Ｎの低下は免れない。しかも、これに前記した直接伝播
波Ｔｓ及びＶ状反射波Ｔｖが加わった場合には、更に測
定誤差を増大させるという問題点を含んでいる。

【００２８】本発明は、前記した従来のものの問題点に
鑑みてなされたものであって、特に測定管を小型に形成
した場合において、本来の受波以外の妨害波を受ける要
因を少なくし、測定精度を向上させることが可能な超音
波流量計を提供することを目的とするものである。

【００２９】

【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ために成された本発明に係る超音波流量計は、一方の電
気−音響変換手段から出射された超音波を測定管内の流
体物質中を透過させて他方の電気−音響変換手段で受波
し、これらを双方で切り替えて超音波伝播時間を測定し
て測定管内部に流れる流体物質の流量測定を行う超音波
流量計であって、前記一方の電気−音響変換手段と他方
の電気−音響変換手段との間における測定管の軸方向の
距離をＬとし、前記一方の電気−音響変換手段と他方の
電気−音響変換手段のそれぞれの超音波の出射角度と測
定管の軸線に対する交差角度をθとし、前記一方の電気
−音響変換手段と他方の電気−音響変換手段との間の測
定管の軸方向に対する直角方向の距離をａとした場合、
Ｌ＝３・（ａ／ tanθ）の関係となるように、前記一方
の電気−音響変換手段と他方の電気−音響変換手段が測
定管内に配置されたものである。この場合、好ましくは
前記θが４５度に構成される。そして前記測定管は、該
測定管の軸方向に対して直角な断面形状が長方形に構成
される。この様な構成により、一対の電気−音響変換手
段によって形成される超音波の伝播経路はいわゆるＮ字
型を構成し、従来のもののように測定管の一側壁内面を
伝わる直接伝播波Ｔｓ、又は前記したＶ状反射波Ｔｖの
影響を受けることがない。

【００３０】したがって、本来の受波に波形歪みを起こ
させることで測定誤差を生み出すという問題点を解消さ
せることができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る超音波流量計
について図１を参照しつつ説明する。なお、図１におい
て従来の装置と同一の構成及び機能を有するものについ
ては同じ符号を用いて示している。

【００３２】測定管２は、図１（ａ）に断面状態で示す
ようにその両端部においてフランジ状の接続部３ａ，３
ｂによって、それぞれ配管４ａ，４ｂに対して接続され
ている。そして測定管２は、図１（ｂ）に示すように測
定管２の軸方向に対して直角な断面形状が長方形に成さ
れており、その開口の横幅がＷ、高さがｈの角状ダクト
を構成している。なお図１に示す実施例における測定管
２の開口のアスペクト比（Ｗ対ｈ）は、１：５に成され
ている。またこの開口のアスペクト比は、一般に１：３
乃至１：７程度に選定される。

【００３３】そして、一対の電気−音響変換手段１ａ，
１ｂがそれぞれ測定管２の一方の内側壁２ａ及び他方の
内側壁２ｂに配置され、一方の電気−音響変換手段１ａ
から他方の電気−音響変換手段１ｂに対して、またその
逆方向にそれぞれＮ字状の超音波信号の伝播経路Ｔｄが
構成されるようになされている。

【００３４】そして、図２に示すように一方の電気−音
響変換手段１ａ及び他方の電気−音響変換手段１ｂは、
それぞれ測定管２の軸線に対して交差角度θをもって出
射されるように配置されている。この時、一方の電気−
音響変換手段１ａと他方の電気−音響変換手段１ｂとの
間の測定管２の軸方向に対する直角方向の距離をａと
し、それぞれの電気−音響変換手段１ａ，１ｂの位置
と、それらの超音波出射軸が到達する他方の内壁面位置
との間の測定管２の軸方向の距離をｌとした場合、ｌ＝
（ａ／ tanθ）として現される。

【００３５】そしてＬ＝３ｌであり、したがってＬ＝３
・（ａ／ tanθ）の関係となるように、前記一方の電気
−音響変換手段１ａと他方の電気−音響変換手段１ｂが
測定管２内に配置されている。

【００３６】ここで、図示例の場合には、θ＝４５度に
成されており、したがってＬ＝３ｌであり、Ｌ＝３ａの
関係に成されている。

【００３７】なお前記一対の電気−音響変換手段１ａ，
１ｂは例えばピエゾセラミック素子により構成された超
音波送受波器であり、この超音波送受波器１ａ，１ｂか
らは間欠的に交互に２００ＫＨｚ程度の超音波ビームが
発射され、超音波ビームの伝播時間に基づいて測定管２
内に貫流する流体物質の流量を測定するように成され
る。

【００３８】このようにして超音波送受波器１ａ，１ｂ
から交互に間欠的に超音波ビームが発射され、超音波送
受波器１ａ，１ｂはこれを交互に受けて測定管２内に貫
流する流体物質の流量を測定する。この場合の演算処理
は、図５に示した従来の例と同様であり、その詳細な説
明は省略する。

【００３９】ここで、図１及び図２に示した実施例によ
ると、一対の電気−音響変換手段１ａ，１ｂはそれぞれ
測定管２の一方の内側壁２ａ及び他方の内側壁２ｂに配
置され、しかも一方の電気−音響変換手段１ａから他方
の電気−音響変換手段１ｂに対して、またその逆方向に
それぞれＮ字状の超音波信号の伝播経路Ｔｄが構成され
るようになされている。

【００４０】したがって前記図６に示すような直接伝播
波Ｔｓを互いに受けて本来の受波に対して波形歪みなど
を起こさせることがなく、また図７に示すような直接伝
播波Ｔｓ及びＶ状反射波Ｔｖを互いに受けて、同様に本
来の受波に対して波形歪みなどを起こさせる可能性を除
去することができる。

【００４１】図３は、その測定精度に関する結果を示し
たものであり、縦軸に信号レベルを横軸に時間経過を示
している。そして図中下側に描かれた波形が測定管の流
体物質を通過してきた波形信号であり、図中上側に描か
れたピーク状の信号がこれによって生成される受波信号
を示している。

【００４２】図１及び図２に示された実施例の場合に
は、図３に示されたように、その前半において直接伝播
波Ｔｓ等によるノイズ成分の影響を受けず、したがって
本来の受波に対して波形歪みなどを受けることがなく、
受波信号として認識されるピーク状の信号が正確な位置
に発生することが判る。

【００４３】一方、図４は、図６に示した従来例におけ
る測定精度に関する結果を同様に示したものであり、そ
の前半において直接伝播波Ｔｓ等によるノイズ成分の影
響を受けており、したがって本来の受波に対して波形歪
みなどを受け、受波信号として認識されるピーク状の信
号が図３に示した場合に比較して時間的に前に発生し、
測定誤差が発生していることが判る。

【００４４】

【発明の効果】以上の説明で明らかなとおり、本発明に
係る超音波流量計によれば、一対の電気−音響変換手段
によって形成される超音波の伝播経路はいわゆるＮ字型
を構成し、従来のもののように測定管の一側壁内面を伝
わる直接伝播波Ｔｓ、又はＶ状反射波Ｔｖの影響を受け
ることがない。したがって、本来の受波に波形歪みを起
こさせることで測定誤差を生み出すという問題点を解消
することができる。そして、超音波の伝播経路がＮ字型
を構成するようにしたので、比較的小型の測定管を用い
ても、伝播経路を長く取ることが可能であり、したがっ
て小型にして高い測定精度を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る超音波流量計の基本構成
を示した断面図である。

【図２】図２は、図１に示す構成における各部の位置関
係を示した断面図である。

【図３】図３は、図１に示す超音波流量計における特性
を示した波形図である。

【図４】図４は、従来の超音波流量計における特性を示
した波形図である。

【図５】図５は、従来の超音波流量計の基本構成を示し
た断面図である。

【図６】図６は、従来の他の超音波流量計の基本構成を
示した断面図である。

【図７】図７は、従来のさらに他の超音波流量計の基本
構成を示した断面図である。

【符号の説明】

１ａ 超音波送受波器（電気−音響変換手段） １ｂ 超音波送受波器（電気−音響変換手段） ２ 測定管 ３ａ 接続部 ３ｂ 接続部 ４ａ 配管 ４ｂ 配管 Ｔｄ 伝播経路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方の電気−音響変換手段から出射され
   た超音波を測定管内の流体物質中を透過させて他方の電
   気−音響変換手段で受波し、これらを双方で切り替えて
   超音波伝播時間を測定して測定管内部に流れる流体物質
   の流量測定を行う超音波流量計であって、 前記一方の電気−音響変換手段と他方の電気−音響変換
   手段との間における測定管の軸方向の距離をＬとし、前
   記一方の電気−音響変換手段と他方の電気−音響変換手
   段のそれぞれの超音波の出射角度と測定管の軸線に対す
   る交差角度をθとし、前記一方の電気−音響変換手段と
   他方の電気−音響変換手段との間の測定管の軸方向に対
   する直角方向の距離をａとした場合、Ｌ＝３・（ａ／ t
   anθ）の関係となるように、前記一方の電気−音響変換
   手段と他方の電気−音響変換手段が測定管内に配置され
   ていることを特徴とする超音波流量計。
2. 【請求項２】 前記θを４５度に構成したことを特徴と
   する請求項１に記載の超音波流量計。
3. 【請求項３】 前記測定管は、該測定管の軸方向に対し
   て直角な断面形状が長方形であることを特徴とする請求
   項１又は請求項２に記載の超音波流量計。