JPH11201791A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波流量計において、測定部配管の管路内
を流れる流体の速度分布の影響を平均化し、安定した補
正係数を得ることにより、また回折波の影響を少なくし
て、良好な受波信号を得ることにより、安定した測定を
可能にし、流体の体積流量を正確に計測することにあ
る。 【解決手段】 アスペクト比が４以上である矩形断面管
路２を有し、方形状の音波出口開口部６、７が形成され
た測定部配管１と、管路２の短辺幅Ａの２倍以上の直径
Ｄを有する超音波センサ４、５を備え、管路２の短辺幅
Ａが超音波センサ波長の５倍以上であり、音波出口開口
部６、７の横方向の長さＥが管路２の短辺幅Ａに等し
く、その縦方向の長さＦが超音波センサ波長の１０倍以
上であると共に、管路２の短辺幅Ａの２倍以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波流量計、特に
超音波センサを用いることにより気体又は液体の体積流
量を計測する超音波流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ガス等の流体の流量を計測す
る場合には、例えば図７に示す超音波流量計が使用され
ていることは、よく知られている。この超音波流量計
は、図示するように、測定部配管２０の対向する外壁２
１に、一組の超音波センサ２２、２３が設置され、流体
の流れＦｌｏｗの上流側の超音波センサ２２と、下流側
の超音波センサ２３は、それぞれ所定の角度θを以て取
り付けられている。

【０００３】この構成により、超音波流量計は、超音波
センサ２２、２３間の平均流速Ｖを計測し、管路２４の
断面積Ａと、補正係数Ｋを乗じることにより、体積流量
Ｑが計測される。

【０００４】上記補正係数Ｋは、断面平均流速と、超音
波伝播経路２５上の平均流速Ｖの比であり、管路２４内
の速度分布に依存する。

【０００５】即ち、流れＦｌｏｗに沿って上流側センサ
２２から下流側センサ２３へ発射される超音波ビームＳ
１の伝播時間をｔ１、流体の流れＦｌｏｗに逆らって下
流側センサ２３から上流側センサ２２へ発射される超音
波ビームＳ２の伝播時間をｔ２、超音波センサ２２、２
３間の距離をＬ、このセンサ２２、２３間の流体の平均
流速をＶ、各センサ２２、２３の設置角度をθ、音速を
Ｃとすれば、これらの関係は次式で表される。

【０００６】 ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）・・・・・・・・・・・ ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）・・・・・・・・・・・

【０００７】式と式とから、音速Ｃを消去すれば、 Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ｛（１／ｔ１）−（１／ｔ２）｝・・・・

【０００８】しかし、式で表される流体の平均流速Ｖ
は、超音波伝播経路２５に沿った線平均流速に過ぎず、
体積流量Ｑを求めるには、この線平均流速Ｖを断面平均
流速に補正する必要がある。

【０００９】そこで、この場合の補正係数をＫ、管路２
４の断面積をＡとすれば、体積流量Ｑは、次式で表され
る。

【００１０】Ｑ＝Ａ×Ｖ×Ｋ・・・・・ 但し、Ｋ＝Ｕ_AVE ／Ｕ _MEAN であり、Ｕ_AVE は断面平均
流速、Ｕ _MEAN はセンサ２２、２３間の線平均流速であ
る。

【００１１】この補正係数Ｋは、図７に示すような滑ら
かな管路２４における十分に発達した流れＦｌｏｗの場
合は、理論的に求められる。

【００１２】即ち、層流速度分布では、断面平均流速は
最大流速の１／２、中心線上の平均流速（線平均流速）
は最大流速の２／３であるから、その比である補正係数
Ｋ＝（１／２）÷（２／３）＝３／４＝０．７５であ
る。

【００１３】また、乱流速度分布では、例えば対数関数
で近似した対数則、ブラジウスの管摩擦係数を用いる
と、断面平均流速と線平均流速の比である補正係数Ｋ
は、次式のようにレイノズル数Ｒｅの関数として表され
る。 Ｋ＝１／（１＋０．２４８８Ｒｅ^-0.125）・・・・・

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の技
術には、次のような課題がある。

【００１５】（１）管路２４内の流体の流れＦｌｏｗの
速度分布変化に影響され、測定が不安定となる。即ち、
既述したように、従来の超音波流量計において計測され
る流速Ｖは、センサ２２、２３間の線平均流速であり
（式）、体積流量Ｑを求めるには、この線平均流速Ｖ
を断面平均流速に変換するための補正係数Ｋを乗じる必
要がある（式）。

【００１６】ところが、この補正係数Ｋは、測定部配管
２０の上流に接続した配管の状態による速度分布変化
や、層流から乱流への遷移による速度分布変化により、
変化する。

【００１７】例えば、図８に示すように、管路２４が半
径ｒの円管により構成された測定部配管２０の場合は、
レイノズル数Ｒｅが一定値を越え層流から乱流へ遷移す
ると、補正係数Ｋが変化する（図９）。

【００１８】そのため、従来の超音波流量計では、測定
が不安定になり、体積流量Ｑ（式）を正確に求めるこ
とができない。

【００１９】また、例えば、図１０に示すように、管路
２４の断面形状が正方形であって、管路２４の辺の幅Ａ
が、音波出口開口部２７、２８の横方向の長さＥより十
分大きい場合にも、円管の場合と同様に（図８、図
９）、レイノズル数Ｒｅが一定値を越え、層流から乱流
へ遷移すると、補正係数Ｋが変化する（図１１）。

【００２０】そのため、測定が不安定になり、体積流量
Ｑ（式）を正確に求めることができない。

【００２１】この場合には、図１２に示す管路中央線上
の速度分布から明らかなように、内部速度分布も遷移の
影響を受けて、様子が変化している。

【００２２】更に、例えば、図１３に示すように、管路
２４の断面形状が矩形であって、矩形の長辺と短辺
のアスペクト比ｂ／ａが２であり、管路２４の短辺幅Ａ
が、音波出口開口部２７、２８の横方向の長さＥより十
分大きい場合にも、円管の場合と同様に（図８、図
９）、レイノズル数Ｒｅが一定値を越え、層流から乱流
へ遷移すると、補正係数Ｋが変化する（図１４）。

【００２３】従って、この場合も測定が不安定になり、
体積流量Ｑ（式）を正確に求めることができない。

【００２４】また、この場合にも、図１５に示す管路の
長辺中央線上の速度分布と、図１６に示す管路の短辺中
央線上の速度分布から明らかなように、内部速度分布も
遷移の影響を受けて、様子が変化している。

【００２５】上述したように、測定が不安定になるとい
う課題を、超音波センサ２２、２３から発射された超音
波ビームＳ１、Ｓ２が、Ｖ型反射伝播経路２６に沿って
伝播するＶ反射方式（図８、図１０、図１３）について
言及した。

【００２６】しかし、この測定が不安定になるという課
題は、Ｖ反射方式に限らず、超音波センサ２２、２３か
ら発射された超音波ビームＳ１、Ｓ２が、真っ直ぐな直
接伝播経路２５（図７）に沿って伝播する直接方式等の
場合にも、同様に生じる。

【００２７】（２）Ｖ反射方式の場合、音波出口開口部
の大きさによっては、上流側の超音波センサから発射さ
れた超音波ビームの回折波が、下流側の超音波センサに
直接に到達する。

【００２８】例えば、図８に示すように、音波出口開口
部２７の大きさが、管路２４の断面の大きさに比べてあ
まりに小であると、上流側の超音波センサ２２から発射
された超音波ビームＳ１が回折して、回折波Ｓ３が発生
する。

【００２９】そして、この回折波Ｓ３は、Ｖ型反射伝播
経路２６に沿うことなく、反射せずに下流側の超音波セ
ンサ２３に直接到達する。

【００３０】その結果、従来の超音波流量計において
は、Ｖ型反射伝播経路２６に沿った本来の超音波ビーム
Ｓ１による受波信号Ｒ１（図８）の他に、この回折波Ｓ
３による受波信号Ｒ３が検知され、これがノイズになっ
て、測定が不安定になる。

【００３１】この課題を解決しようとして、音波出口開
口部２７の縦方向の長さＦ（図８）を著しく大にする
と、流体の流れＦｌｏｗが、この音波出口開口部２７に
入り込んで、流速分布に影響を与え、測定が不安定にな
る。

【００３２】本発明の目的は、超音波流量計において、
測定部配管の管路内を流れる流体の速度分布の影響を平
均化し、安定した補正係数を得ることにより、また回折
波の影響を少なくして、良好な受波信号を得ることによ
り、安定した測定を可能にし、流体の体積流量を正確に
計測することにある。

【００３３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、図１に示すように、 Ａ．流体が流れる管路２の断面形状が矩形であって、該
矩形の長辺と短辺のアスペクト比ｂ／ａが４以上で
あり、方形状の音波出口開口部６、７が形成されている
測定部配管１と、 Ｂ． 該測定部配管１の管路２の短辺幅Ａの２倍以上の
直径Ｄを有し、上記音波出口開口部６、７を介して超音
波ビームＳ１、Ｓ２を管路２内に発射する超音波センサ
４、５を備え、 Ｃ．上記管路２に関し、その短辺幅Ａが超音波ビームＳ
１、Ｓ２の波長の５倍以上であり、 Ｄ．上記音波出口開口部６、７に関し、その横方向の長
さＥが管路２の短辺幅Ａに等しく、その縦方向の長さＦ
が超音波ビームＳ１、Ｓ２の波長の１０倍以上であると
共に、管路２の短辺幅Ａの２倍以下であり、 Ｅ．流体の流れＦｌｏｗに沿った超音波ビームＳ１の伝
播時間ｔ１と、流体の流れＦｌｏｗに逆らった超音波ビ
ームＳ２の伝播時間ｔ２とに基づいて、上記管路２の矩
形断面を通過する流体の体積流量Ｑを計測することを特
徴とする超音波流量計という技術的手段を講じている。

【００３４】上記構成によれば、本発明に係る超音波流
量計は、管路２内を流れる流体の速度分布の影響を、超
音波ビームＳ１、Ｓ２の全体が受けることにより、その
影響が平均化され、安定した補正係数を得ることができ
る。

【００３５】また、Ｖ反射方式の場合には、回折波の影
響を少なくして、ノイズが重畳しない良好な受波信号を
得ることができる。

【００３６】従って、安定した測定を可能にし、流体の
体積流量を正確に計測することができる。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、実施形態により
添付図面を参照して、説明する。図１は本発明の実施形
態を示す図、図２は本発明の他の実施形態を示す図であ
る。図１において、参照符号１は測定部配管、２は管
路、３は外壁、４、５は超音波センサ、６、７は音波出
口開口部、８、９はケーブル、１０は演算部である。

【００３８】（１）構成 図１に示す測定部配管１の管路２内には、ガス等の流体
が流れており、該測定部配管１には、図示するように、
方形状の音波出口開口部６、７が、例えば同じ側にそれ
ぞれ形成されている。

【００３９】上記測定部配管１の同じ外壁３上には、こ
の音波出口開口部６、７を覆うようにして、超音波セン
サ４、５が例えばθ＝４５°に傾斜して設けられ、該超
音波センサ４、５の直径Ｄは、管路２の短辺幅Ａの２倍
以上である。

【００４０】そして、超音波センサ４、５からは、超音
波ビームＳ１、Ｓ２が、音波出口開口部６、７を介して
管路２内に発射され、Ｖ型反射伝播経路１１に沿って伝
播する（図１（Ｂ））。

【００４１】また、超音波センサ４、５は、ケーブル
８、９を介して演算部１０に接続されている。

【００４２】この構成により、演算部１０において、流
体の流れＦｌｏｗに沿った超音波ビームＳ１の伝播時間
ｔ１と、流体の流れＦｌｏｗに逆らった超音波ビームＳ
２の伝播時間ｔ２とが算出されると共に（式、
式）、流体の線平均流速Ｖが算出され（式）、後述す
るように、安定した補正係数Ｋ（図３）と、管路２の断
面積Ａを乗ずることにより、流体の体積流量Ｑ（式）
が安定状態で計測される。

【００４３】一方、上記測定部配管１の管路２の断面形
状は矩形である。そして、その矩形の長辺と短辺の
アスペクト比ｂ／ａが４以上、例えば５であり、これに
より、流体のコーナー渦の影響が押さえられ、二次元の
流れＦｌｏｗの領域を大きくし、安定した測定を可能に
している。

【００４４】また、管路２の短辺幅Ａは、音波出口開口
部６、７の横方向の長さＥに等しく、しかも超音波ビー
ムＳ１、Ｓ２の波長の５倍以上である。

【００４５】この構成により、図１（Ｂ）に示すよう
に、超音波センサ４、５から音波出口開口部６、７を介
して、発射される超音波ビームＳ１、Ｓ２は、平面波に
近くなって、管路２を流れる流体の速度分布全体の影響
（図４、図５）を平均化することにより、多くの情報を
取り込むことができる。これにより、断面平均流速Ｕ
_AVE と線平均流速Ｕ _MEAN との比である補正係数Ｋは
（図３）、１に近くなり、従来に比べて極めて安定す
る。

【００４６】即ち、従来は、図８と図１０と図１３に示
すように、管路２４の断面形状や、その管路２４と音波
出口開口部２７、２８の相対的な大きさ等が原因で、音
波出口開口部２７、２８を介して管路２４内に発射され
る超音波ビームＳ１、Ｓ２が、流体の速度分布の全ての
影響を受けることができない。

【００４７】従って、流体の速度分布の影響を平均化す
ることが困難であり、流体の流れＦｌｏｗに関する情報
が漏れることがあり、安定した補正係数Ｋを得ることは
できなかった（図９、図１１、図１４）。

【００４８】しかし、本発明によれば、上述したよう
に、超音波ビームＳ１、Ｓ２が、流体の速度分布全体の
影響を受けることができる。

【００４９】このため、流体の速度分布の影響が平均化
され、流体の流れＦｌｏｗに関する多くの情報を取り込
むことができるので、安定した補正係数Ｋを得ることが
できる（図３）。

【００５０】また、本発明による補正係数Ｋを示す図３
において、◆は、測定部配管１（図１）に曲がり配管を
結合しない場合の測定値であり、□は、図２に示すよう
に、測定部配管１の上流と下流に、曲がり配管１Ａと１
Ｂをそれぞれ結合した場合の測定値である。

【００５１】例えば、結合例としては、図２に示すよう
に、管路２のアスペクト比が５の測定部配管１におい
て、その上流と下流に、上方に９０°の角度で曲がり配
管１Ａと１Ｂを結合した場合（図２（Ａ））、水平に９
０°の角度で曲がり配管１Ａと１Ｂを結合した場合（図
２（Ｂ））、下方に９０°の角度で曲がり配管１Ａと１
Ｂを結合した場合（図２（Ｃ））の３つの場合がある。

【００５２】この３つの場合について、上記本発明の構
成によれば（図１）、曲がり配管１Ａと１Ｂを結合しな
い場合（図３の◆）に比べて殆ど差異は見られず、安定
した補正係数Ｋを得ることができる（図３の□）。

【００５３】このような場合、従来は、安定した補正係
数Ｋを得るためには、上流の曲がり配管１Ａの影響を無
くす必要があり、そのために測定部配管１の上流の真っ
直ぐな部分の長さ（上流真管長）を大にする必要があっ
た。

【００５４】しかし、本発明によれば、その必要がなく
なり、上流真管長を小にできるという効果がある。

【００５５】更に、音波出口開口部６、７の縦方向の長
さＦは、超音波ビームＳ１、Ｓ２の波長の１０倍以上で
あり、これにより、Ｖ反射方式の場合に問題となった回
折波Ｓ３（図８）の発生を少なくし、良好な受波信号Ｒ
１（図８）のみを得ることがでる。

【００５６】また、この音波出口開口部６、７の縦方向
の長さＦは、管路２の短辺幅Ａの２倍以下であり、これ
により、音波出口開口部６、７に流れ込む流体の量を少
なくして、測定の安定化を図っている。

【００５７】（２）作用 以下、上記構成を有する本発明の作用を説明する。

【００５８】先ず、図１に示すように、測定部配管１の
管路２内に流体が流れると、該管路２の長辺方向中央
線上の速度分布と（図４）、該管路２の短辺方向中央
線上の速度分布（図５）から明らかなように、流体の速
度分布は、層流から乱流への遷移の影響を受けて変化し
ている。

【００５９】また、この管路２の管摩擦係数λも（図
６）、層流から乱流への遷移の影響を受けて変化してい
る。

【００６０】しかし、上述した本発明の構成によれば、
図３に示すように、流量特性を表す補正係数Ｋは、上記
流体の速度分布の影響を受けずに安定しており、しかも
補正係数Ｋは１に近く、演算部１０において（図１）算
出される線平均流速Ｖが（式）、管路２内を流れる流
体の断面平均流速を表している。

【００６１】即ち、既述したように、測定部配管１の管
路２の断面形状を矩形にすると共に、該矩形の長辺と
短辺のアスペクト比ｂ／ａを４以上にすることによ
り、流体のコーナー渦の影響が押さえられ、二次元の流
れＦｌｏｗの領域を大きくし、安定した測定を可能にし
ている。

【００６２】また、管路２の短辺幅Ａを、音波出口開口
部６、７の横方向の長さＥに等しく、しかも超音波ビー
ムＳ１、Ｓ２の波長の５倍以上にすることにより、発射
される超音波ビームＳ１、Ｓ２は、平面波に近くなっ
て、指向性が鋭くなる（図１（Ｂ））。

【００６３】更に、超音波センサ４、５の直径Ｄを、管
路２の短辺幅Ａの２倍以上にすることにより、発射され
る超音波ビームＳ１、Ｓ２が管路２の断面一杯に広がり
（図１（Ｂ））、振動速度が一様な有効部分を使用する
ことができる。

【００６４】従って、管路２を流れる流体の速度分布全
体の影響が平均化され、演算部１０（図１）においては
多くの情報を取り込むことができるので、算出される線
平均流速Ｖが（式）、管路２の断面平均流速を表し、
得られる補正係数Ｋが１に近付く（図３）。

【００６５】一方、音波出口開口部６、７の縦方向の長
さＦを、超音波ビームＳ１、Ｓ２の波長の１０倍以上に
することにより、Ｖ反射方式の場合に問題となった回折
波Ｓ３（図８）の発生が抑制され、良好な受波信号Ｒ１
（図８）のみを得ることがでる。

【００６６】しかも、この音波出口開口部６、７の縦方
向の長さＦを、上記管路２の短辺幅Ａの２倍以下にする
ことにより、音波出口開口部６、７に流れ込む流体の量
を最小限にして、測定の安定化が図られている。

【００６７】尚、本実施形態においては、本発明をＶ反
射方式に適用することにより（図１）、安定した補正係
数が得られる例について詳述したが、本発明はそれに限
定されず、超音波センサを、測定部配管の対向する外壁
上に例えば１５°の角度で設置して、超音波ビームが直
接伝播経路に沿って伝播するいわゆる直接方式等にも適
用した場合にも安定した補正係数が得られ（図２、図
３）、同様の効果を奏することは勿論である。

【００６８】

【発明の効果】上記のとおり、本発明によれば、超音波
流量計を、アスペクト比が４以上である矩形断面管路を
有し、方形状の音波出口開口部が形成された測定部配管
と、管路の短辺幅の２倍以上の直径を有する超音波セン
サを使用し、管路の短辺幅を超音波センサ波長の５倍以
上にし、上記音波出口開口部の横方向の長さを管路の短
辺幅に等しく、その縦方向の長さを超音波センサ波長の
１０倍以上にすると共に、管路の短辺幅の２倍以下にす
るように構成したことにより、測定部配管の管路内を流
れる流体の速度分布の影響を平均化し、安定した補正係
数を得ることにより、また回折波の影響を少なくして、
良好な受波信号を得ることにより、安定した測定を可能
にし、流体の体積流量を正確に計測するという技術的効
果を奏することとなった。

【００６９】更に、測定部配管に曲がり配管を結合した
場合でも、上流真管長を短くできるという効果もある。

【００７０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す図である。

【図２】本発明の他の実施形態を示す図である。

【図３】本発明による補正係数を示す図である。

【図４】本発明による管路の長辺方向中央線上の速度分
布を示す図である。

【図５】本発明による管路の短辺方向中央線上の速度分
布を示す図である。

【図６】本発明による管路摩擦係数を示す図である。

【図７】超音波流量計の一般的説明図である。

【図８】第１従来技術を示す図である。

【図９】第１従来技術による補正係数を示す図である。

【図１０】第２従来技術を示す図である。

【図１１】第２従来技術による補正係数を示す図であ
る。

【図１２】第２従来技術による管路中央線上の速度分布
を示す図である。

【図１３】第３従来技術を示す図である。

【図１４】第３従来技術による補正係数を示す図であ
る。

【図１５】第３従来技術による管路の長辺方向中央線上
の速度分布を示す図である。

【図１６】第３従来技術による管路の短辺方向中央線上
の速度分布を示す図である。

【符号の説明】

１ 測定部配管 ２ 管路 ３ 外壁 ４、５ 超音波センサ ６、７ 音波出口開口部 ８、９ ケーブル １０ 演算部 １１ Ｖ型反射伝播経路 Ａ 管路２の短辺幅 Ｂ 管路２の長辺幅 Ｅ 音波出口開口部６、７の横方向の長さ Ｆ 音波出口開口部６、７の縦方向の長さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 博朗 東京都羽村市栄町３−１−５ 株式会社カ イジョー内 (72)発明者 清水 和義 東京都羽村市栄町３−１−５ 株式会社カ イジョー内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体が流れる管路の断面形状が矩形であ
   って、該矩形の長辺と短辺のアスペクト比が４以上であ
   り、方形状の音波出口開口部が形成されている測定部配
   管と、 該測定部配管の管路の短辺幅の２倍以上の直径を有し、
   上記音波出口開口部を介して超音波ビームを管路内に発
   射する超音波センサを備え、 上記管路に関し、その短辺幅が超音波ビームの波長の５
   倍以上であり、 上記音波出口開口部に関し、その横方向の長さが管路の
   短辺幅に等しく、その縦方向の長さが超音波ビームの波
   長の１０倍以上であると共に、管路の短辺幅の２倍以下
   であり、 流体の流れに沿った超音波ビームの伝播時間と、流体の
   流れに逆らった超音波ビームの伝播時間とに基づいて、
   上記管路の矩形断面を通過する流体の体積流量を計測す
   ることを特徴とする超音波流量計。
2. 【請求項２】 上記測定部配管の上流と下流には、曲が
   り配管がそれぞれ結合されている請求項１記載の超音波
   流量計。
3. 【請求項３】 上記超音波ビームがＶ型反射伝播経路に
   沿って伝播するＶ反射方式により、上記体積流量を計測
   する請求項１記載の超音波流量計。
4. 【請求項４】 上記超音波ビームを発射する超音波セン
   サが、測定部配管の同じ外壁上に４５°の角度でそれぞ
   れ設置されている請求項３記載の超音波流量計。
5. 【請求項５】 上記超音波ビームが直接伝播経路に沿っ
   て伝播する直接方式により、上記体積流量を計測する請
   求項１記載の超音波流量計。
6. 【請求項６】 上記超音波ビームを発射する超音波セン
   サが、測定部配管の対向する外壁上に１５°の角度でそ
   れぞれ設置されている請求項５記載の超音波流量計。