JPS58137711A - 流速の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は流体の流速を測定する超音波流量計において
、被側定流体の温度変化に対する出力補正機能を有した
超音波流量針に関するものである。

超音波流量針は流体の流れ方向に対して願万向および逆
方向でそれぞれ超音波を送受波し。

それぞれの超音波の伝播時間の差から流体流速を求めよ
うとするものである。第１図に従来の超音波流量針の機
能を説明するためのブロック図を示す。図において、　
　（１ａ）　、　　（１ｂ）　、　　（２ａ）　、　（
２ｂ）はそれぞれ超音波送受信子、（菖）　、　　（３
ｂ）　、　　（ａ）。

（４１））　ｄそれぞれ超音波送受信子版付部材、　（
５１は配管でアシ、超音波送受信子（１ａ）　、　　（
１ｂ）　、　　（２ａ）。

（２ｂ）　ｔｊ超音波取付部材（３ａ）、　　（５１）
）、　　（４１Ｌ）ｔ　　（４ｂ）を介して配管俤）Ｋ
取付固定されている。

超音波流量計は超音波が流体中を伝播する際。

流れ方向に対して順方向の超音波伝播時間と流れ方向に
対して逆方向の超音波伝播時間との間に伝播時間差が生
じ、その伝播時間差が流体流速に比例することを利用し
たものである。このことについて第１図を用いて説明す
る。

第１図に示すように、配管内径ｄ、流体流速Ｖ、超音波
送受信取付部材（ｘａ）　、　　（３ｂ）　、　　（４
ａ）　。

（４ｂ）　１体あたりの超音波伝播時間τ／２．配管壁
と流体の境界で超音波入射角θ、超音波の流体中の音速
をＣとする。

流体の順方向に向って送信される超音波の流体中の音速
は流体流速に比して充分大きいので。

入射角ａは変化せず超音波の音速成分のみが変化し、Ｃ
＋ＶＯｏｓｉ９　　となる。マエ、超音波の伝播距離は
百ｍであるので、流体中を伝播する超音波の伝播時間は
、。＋ｖ０゜ａ＃）ｓｉｎ＃となる。

従って、第１図における超音波送受信子（１ａ）よシ超
音波送受信子（２ｂ）−１での超音波の伝播時間ｔＬは ′＝□＋・　　　　−（１１ （０＋Ｖｃｏｓθ）　ｓｉｎ＃ となる。

同様に流れ方向に対して逆方向に伝播する超音波が超音
波送受信子（１ｂ）から超音波送受信子（２ａ）までの
超音波の伝播時間ｔｕはｔｕ＝　　　　　　　　　　十
τ （Ｃ−Ｖｃｏａ＃）　ａｉｎ＃　　　　　　　−、・ｍ
となる。（１１，（り式から流体流速Ｖを求めると。

となる。ここで、１ｕ−ｔｂｔｊ伝播時間差でＴｏＪ）
Δｔとおく。また、　　ｔｚ−τｔ　　ｔｕ−丁）Δｔ
　でありｔＬ−τ二ｔｕ−τであるので（３）式はｖ＝
　　　　　　　　２＋Δｔ　　　　　・・・（４１６１
ｎ２θ（ｔｕ−τ） と得られる。このように伝播時間差Δｔを測定すること
により、流体流速Ｖを求めることができるというもので
ある。

従来の超音波流量針は以上のような動作原理に基づいて
いるので、超音波伝播時間ｔｕ、　　および伝播時間差
Δｔを測定することにより（３）式において超音波音速
Ｃが入っていないことから。

流体温度変化に対する超音波流量計出力の温度補正ｒｌ
ｒある程度までは可能である。しかし、配管内径ｄ、超
音波入射角０．さらに超音波取付部材を使用することに
よるτの温度依存性が補正されていない。また、０）式
から（４１式を求める際の近似誤差が補償されていない
。この点が高精度の超音波流量針を実現する際の誤差要
因として残っており１％に被測定流体が広い温度範囲で
変化するプラント等に超音波流量針を適用する際に困難
を生じてい友。

この発明は上記のような従来の超音波流量針の欠点を除
去するためになされたもので、被測定流体の温度信号を
必要とせず、超音波流量計単独で被測定流体の温度変化
に対応し九出力の温度補正を可能にし、原子力、火力等
各種プラント運転条件によ）広い範囲にわたって被測定
流体の温度が変化するような状況に対しても高精度の超
音波流量針を提供することを目的とするものである。

以下、この発明の一実施例を図について説明スル。第２
図にオイてｅ　　（１’）　ｅ　　（１ｂ）ｅ　　（２
ａ）ｔ　（２ｂ）は超音波送受信子、　　（！Ｉａ）　
、　　（３ｂ）　、　　（４ａ）　、　　（４ｂ）　ｕ
それぞれ上記超音波送受信子（１ａ）　、　　（ｔｂ）
　、　　（抛）。

（２ｂ）に対応し九超音波送受信子城付部材、（ｆｉ）
ｉｊその中を被測定流体が流れる配管、（６）は超音波
送受信子（１ａ）　、　　（１ｂ）　、　　（２ａ）　
、　　（２ｂ）に対し超音波信号の送信、受信を制御し
、かつ被測定流体の流れ方向く対する順方向と逆方向の
超音波伝播時間差、お・よび超音波信号の送信から受信
までの超音波伝播時間を測定するための超音波流量計測
定部、（７）は超音波流電計測定部（６）よ）の流れ方
向に対する逆方向の超音波伝播時間、および超音波伝播
時間差を用い超音波流量計出力に対する出力温度補償を
自動的に行うための超音波流量計出力温度補償部である
。

第３図は、−第２図における出力温度補償部ｆｆ〉の機
能を示すためＯ詳細構成図であ夛、Ｉａは流体流れ方向
に対する逆方向の超音波伝播時間信号、（９）は超音波
伝播時間差信号、　ａｎｔ；を超音波伝播信号の１の信
号電圧を平方するための二乗器。

ＣＩ２は二乗器ｎの出力電圧を増幅し調整するための増
幅調整器１．ｆｆｌは超音波伝播時間信号（（転）の信
号電圧を増幅、ｌｌ整する丸めの増幅調整器２゜ｑａｔ
ａ増＠ｉｌｌ整器２ｎの出力電圧にバイアス電圧をかけ
るためのバイアス電圧器、ｒｓは増幅調整器１ａ２とバ
イアス電圧器（２）の出力電圧を加算するための加算器
、（至）は超音波伝播時間差信号（２）の信号電圧を加
算ａ＋（２）の出方電圧で除するための割算器である。

ここでは２本発明の基本ＭＭｉＫついて記述し。

以って第２図に示し九この発明の一実施例の構成におけ
る出力温度補償部（至）の役割について明らかにする。

超音波流量計においては超音波伝播時間および超音波伝
播時間差を測定することＫより被測定流体中の超音波音
速を消去した形て−）弐によ）流体流速が求められる仁
とは先きに説明し九通りである。まえ、ＩＷ１様に被測
定流体中での超音波音速の寄与を含めた形での流体流速
と流れ方向に対する順方向、逆方向での超音波伝播時間
差との関係は次式で与えられる。

ｃＬ （４１式は（５１式中より被測定流体中の超音波音速を
消去し、超音波伝播時間を測定するζ七によ）被測定流
体温度変化に対応した流体流速を求めようとする実際の
測定式である。

しかし、（４）式によって測定しても超音波流量計出力
の被測定流体の温度変化に対する出方温度補正は高精度
の超音波流量計を実現する丸めには充分でないことは前
述した通シである。

本発明においては、（４）式を導出する前の（３）式右
辺を以下の手順で整理する。

・−・（６） ここで、（６）式と（５）式を流体流速Ｖに対し装置し
。

Δｔｆ消去すると。

と得られ、正式を整理し２次式を得る。

（７１式において、測定対象である超音波伝播時間２ｄ
　・ ｔｕ、ｔＬに対する□。８．。２　の関係を被測定流体
の温度変化に対してあらかじめ求める。被測定流体、超
音波送受信子取付部材、配管の材料。

幾何形状、温度範囲は超音波流量針を設置するプラント
が決定すれば、あらかじめ知れるので。

超音波流量針を実地にプラントに設置して槻定しなくて
も前もって計算等によりｔｕ＊ｔＬとπ円−７との関係
を求め、こうして求められた両者の関係から次式を満足
するα、β、ｒを決定する。

ｔａｎ＃　−０２”“”　ｔｕｔＬ＋β°（ｔｕ＋ｔＬ
）　＋１　　　”°（８１こうして、得られたα、β、
ｒを用いると、流体流速は結果的に次式で求められるこ
とになり。

（９）式におけるα、β、ｒを用いることによシ被測定
流体の温度変化に対応した高精度の出力温度補正が実現
さ九るというのが９本発明の基本原理である。ところが
、流体流れ方向に対する順方向の超音波伝播時間ｔＬと
、　逆方向の超音波伝播時間ｔｕとの差は超音波伝播時
間差Δｔであり１通常ｔＬ、ｔＱは数Ｉ　Ｇｏ　μｓｅ
ｃ程度の値であるのに対し、Δｔけ０．１μｓｅｃ程度
の値である。

すなわち、（８１式において、　　ｔＬとｔｕを等しい
としても誤差としてｉｊ、ＩＬ１％以下程度の寄与しか
及ぼさないと言える。すなわち、実際上は。

次式におけるα′、β′、γ′を決定すればよいことに
なる。

ｄ ｔａｔ古「Ｔｉ］−＝α′・ｔｕ′＋β′・ｔｕ＋γ′
　　・・・輪こうして得られたα′、β′、γ′を用い
ると、流体流速は最終的に次式で求められる。

α′、βＺＮの求め方Ｆ！直交座標系において、横軸Ｋ
　ｔｕを、縦軸に＃を被測定流体の各温度に対してプロ
ットシ、′パ最小二乗法等によシ決定すればよい。０９
式の具体的な実地構成が第２図に示した出力温度補償部
（７）でＴｏ）、出力温度補償部（７）における詳細構
成を示したのが菖３図である。第３図において、超音波
伝播時間差信号（８１に対して、二乗器（２）において
平方演算がなされ、しかる後、ａ５式での定数α′　に
よって決定される増幅度が二乗器（２）の出力に対して
増幅調整器１（２）においてかけられる。−万、超音波
伝播時間信号（８）に対して、０９式の定数β′　で決
定される増幅度が増幅調整器２ｎにおいてかけられ、さ
らに０９式における定数γ′で決定されるバイアス電圧
が増幅調整器２ｆｆ３の出力電圧にバイアス電圧器σａ
においてかけられる０次に加算器（ハ）において、増幅
調整器１ｎとバイアス電圧器ｆｆ番の出力電圧が加算さ
れ、０９式の分母項に＠幽する値が演算出力される。し
かる後９割算器（至）にて超音波伝播時間差信号（９）
の信号電圧を加算６四の出力で除することによ〕最終的
にａυ式で示゛される処理が施され、高精度の超音波流
量計出力温度補正が実現されることになる。

なお、上記実施例では超音波流量針における流速出力に
対して説明したが、流体流量出力に対する温度補正も超
音波流量針による流体流速すなわち線平均流速と、流体
流量を求めるために必要な面平均流速との比（流速補正
係数）を用いて、上記説明の中でＯＩ式によシ、定数α
′。

β′、γ′を決定すればよい。

すなわち、超音波流量針による流速値Ｖから。

流量Ｑを求めるには、流速補正係数としてよく知られた
次式で与えられるゲイビル係数Ｋを用いれば。

Ｋ＝　１　＋Ｂ、０１、−二２５７−、　ａ　、　Ｒ，
Ｏ−２５７Ｒθ；レイノルズ数 配管内断面積を８として。

Ｑ＝、−８ で与えられる。

また、第２図における超音波送受信子取付部材（５＆）
、　　（３ｂ）、　　（４ａ）、　　（４ｂ）　’に配
管（５１壁部を貫通させ、超音波入射角θの影響を消去
した方式の超音波流量計に対しても本発明の方法によシ
上記実施例と同等の効果を奏する。

さらに、上記実施例では第３図におけるバイアス電圧器
ａａを増幅調整器２ｎの後段に設けたものを示したが、
増幅調整器１ｎの後段に設けてもよいし、ｔた。加算６
四の後段に設けてもよい。さらに、上記実施例では流体
流れ方向に対する逆方向の超音波伝播時間ｔｕを超音波
伝播時間信号（８）としたが、流体流れ方向に対する順
方向の超音波伝播時間ｔＬを用いてもよい。

また１両者ｔｕとｔＬの平均を超音波伝播時間信号（８
）として用いてもよい。

以上のように、この発明によれば超音波流量計出力に対
する被測定流体の温度変化が相当大きい場合をも含めて
温度補正を非常に簡便な手段で、しかも被測定流体の温
度情報を必要とせず高精度に実現し得るので、原子力、
火カフ゛ラントおよび化学プラント等、プラント運転条
件によシ広い範囲にわたって被測定流体温度が変化する
ような場合に対しても高精度の超音波流量計を提供し得
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波流量針の動作原理および測定原理
を示す機能ブロック図、第２図はこの発明の一実施例に
よる超音波流量針を示す機能ブロック図、第３図は第２
図の機能ブロック図における一機能をよ）詳細に示す詳
細機能ブロック図である。 図中＃　　（１ａ）ｌ　　（１ｂ）　ｍ　　（２ａ）　
＋　　（２ｂ）　＝・超音波送受信子、　　（３ａ）　
、　　（５ｂ）　、　　（４ａ）　、　　（４ｂ）−超
音波送受信子取付部材、（５）・・・配管、（６）・−
・超音波流量計回路部、（７）・・・出力温度補償部、
（８）・−流体流れ方向に対する逆方向の超音波伝播時
間信号、伸）・・・超音波伝播時間差信号、ｆｆ１＋・
・・二乗器、ｎ−・・増幅調整器１．ｎ・・・増幅調整
器２．σ−・・・バイアス電圧器。 伺・・、加算器、（至）・・・割算器である。 なお１図中、同一符号ｔｉｔ同一、又は相轟部分を示す
。 代理人　篇　野　信　− ｖ−Ｉ　　あ 率　２　θ 寥　３　ぬ 季許庁長官殿 事件の表示　　　　特願昭ＩＦ−ｆｆｉ＠＄４１、発明
の名称 超音ｔｌＬｆＩＬ量針 補正をす”る者 事件との関係　　　特許出願人 住　所　　　　　東京都千代田区丸の内二丁目２番３号
名　称（６０１）　　　三菱電機株式会社代表者片山仁
八部 代理人 ｉ　補正の対象 明細書の特許請求の範囲および発明の詳細な説明の−１
補正の内容 （１１明細書の特許請求の範囲を別紙のとおシ訂正する
。 （ｌ　明細書をつぎのとおり訂正する。 特許請求の範囲 ｉｌｌ　　管内流体をよき゛シ、管壁の一方の側から他
方の側へ伝播する超音波の、流体流れ方向に対する順方
向、逆方向の伝播時間、および両者の伝播時間差を測定
する超音波流量計において、下記（１）弐によって決定
されるα、β、γを用い、下記（２）弐によって流体流
速を求めることを特徴とする超音波流量針。 α、β、γ：出力温度補正定数 Ｖ：流体流速 ｄ：被測定流体配管内径 θ；配配管内体体中超音波伝播入射 角０被測定流体中超音波音速 ｔ：超音波伝播時間（流体流れ方向に対する順方向、も
しくは逆方向超音波 伝播時間、あるいは両者の平均伝播 時間） Δｔ：超音波伝播時間差 （２１特許請求の範囲第１項記載の超音波流量計音波伝
播時間信号を増幅調整する増幅調整器２゜この増幅調整
器２出力から一定電圧を加減するバイアス電圧器、上記
増幅調整器１出力と上記バイアス電圧器出力を加算する
加算器、超音波伝播時間差信号を上記加算器出力で除す
る割算器を備えた超音波流量計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ０）　管内流体をよぎり、管壁の一万の側から他方の側
   へ伝播する超音波の、流体流れ方向に対する順方向、逆
   方向の伝播時間、および′両者の伝播時間差を測定する
   超音波流量針において、下記（１）式によって決定され
   るα、β。 γを用い、下記（２）式によって流体流速を求めること
   を特徴とする超音波流量針。 α、β、γ；出力温度補正定数 Ｖ　；流体流速 ｄ　：被測定流体配管円径 θ　；配管向流体中超音波伝播入射角 Ｃ；被測定流体中超音波音速 ｔ：超音波伝播時間（流体流れ方向に対する順方向、も
   しくは逆方向超音波伝播 時間、あるいは両者の平均伝播時間） Δｔ；超音波伝播時間差 （２、特許請求の範囲第１項記載の超音波流量針におり
   て、超音波伝播時間信号を平方する二乗路、この二乗器
   出力を増幅調整する増幅調整器１．超音波伝播時、開信
   号を増幅調整する増幅調整器２．この増＠調整器２出力
   から一定電圧を加減するバイアス電圧器、上記増幅調整
   器１出力と上記バイアス電圧器出力を加算する加算器、
   超音波伝播時間差信号を上記加算器出力で除する割算器
   を備え九超音波流量針。