JPS60115810A

JPS60115810A - 超音波流量計

Info

Publication number: JPS60115810A
Application number: JP22529583A
Authority: JP
Inventors: Masao Fukunaga; 福永　正雄
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-11-28
Filing date: 1983-11-28
Publication date: 1985-06-22

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】〔発明の利用分野〕本発明は超音波流量計に係シ、特に微小口径用とするの
に好適な超音波流量計に関するものである。

〔発明の背景〕

超音波流ｆＩＩｔ１′は、超音波が金属配管や水などの
流体中を容易に透過することを利用したもので、流体中
に超音波を照射し、その透過音波またし１反射音波の信
号から流体の速度または流量を測定する流量計である。

前者は伝搬時間差法（速度差法）、後者はドツプラー法
の流量計としてそれぞれ実用化されておシ、上水、下水
、農業用水５工栗用水等の流量測定に多用されている。

これらは、通常、内径１００〜３０００ｍの中太口径で
あり、しかも、既設管に容易に取り付けられるように、
配管の外側に振動子Ｃ検出器）を装着するのが一般的で
あシ、また、それが超音波流量針の最大の特徴でもあっ
た。

第１図は従来の伝搬時間差方式の超音波流量計の検出部
の最も一般的な原理構成図である。詳しい説明は省略す
るが、要は、振動子１，２からの超音波の送受信がパイ
プ３中の流体４を斜めに横切って行われるように、振動
子１，２をバイブ３の外側に装着し、流体４の流れに沿
った方向の超音波の伝搬時間と流体４の流れに逆らった
方向の超音波の伝搬時間との差が流体４の移動速度に比
例することを利用して流体４の流速あるいは流量を測定
するようにしである。

しかし、第１図に示すような構成の超音波流量計では、
配管（バイブ３）口径が小さくなると、流体４中の超音
波の伝搬時間に対して配管の管壁や振動子１．２中での
伝搬時間の値が無視できなくなると同時に伝搬時間その
ものが短くなる結果、超音波の残響、多重反射等の影響
の除去や信号処理が難しくなって測定精度、安定度が低
下し、現状では直径５ｏｚ＋＋程度が限界であった。

一方、直径５０節以下では、従来、この種の流量計とし
てＶｉ電磁流量計が一般的であったが、電磁流量計はそ
の測定原理上低導電率の流体の流量測定が困難もしくは
不可能である。

ところで、最近、流量計の用途が増えているファインケ
ミカル、食品、半導体製造等の産業では、高純度薬品や
純水を使う機会が多く、これらは低導電率であるだめ電
磁流量計を用いることができない場合がしばしば見られ
る。また、その流量が少なく、直径１０ｍｍ以下の微小
口径となることが多い。

〔発明の目的〕

本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目的とする
ところは、微小口径とすることができ、しかも、精度、
安定性を大幅に向上することかでＫＴ。

きる超音波流量計を提供すること＃マ啼る。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、流体導入口を設けた第１の支持体と、
流体導出口を設けた第２の支持体と、上記第１の支持体
と上記第２の支持体との間に接続した上記流体導入口か
らの流体を上記流体導出口へ流す直線状のパイプと、上
記第１．第２の支持体にそれぞれ上記パイプの各端面と
対向するように設けた上記パイプ内の流体を経て超音波
の送受信を行う超音波送受波用振動子とよシなる検出部
と、この検出部の上記各振動子への励振パルス送信およ
び上記各振動子からの信号受信を行う送受信部と上記各
振動子からの信号を用いて必要な演算を行って上記流体
の流速または流量に比例した電気信号を出力する信号処
理部とを備えた変換部と、上記電気信号にょシ流速また
は流量を表示する表示装置とよシなる構成とした点にあ
る。

〔発明の実施例〕

以下本発明を第２図、第３図、第７図〜第１０図に示し
た実施例および第４図〜第６図を用いて詳細に説明する
。

第２図は本発明の超音波流量計の検出部の一実施例を示
す断面図である。第２図において、５は流体導入口６を
設けである支持体、７は流体導出口８を設けである支持
体、９は支持体５と７の間に着脱自在に接続した流体導
入口６からの流体１０を流体導出口８へ流す直線状のパ
イプ、１１゜１２はそれぞれ支持体５．７にパイプ９の
両端面に対向するように設けたパイプ９内の流体１０を
経て超音波の送受波を行う超音波送受波用振動子である
。

すなわち、流体導入口６からの流体１０は、支持体５の
内部、パイプ９の内部および支持体７の内部を通って流
体導出口８よシ出て行く。超音波の伝搬については、あ
る瞬間に振動子１１から放射された超音波が支持体５の
管壁を通って流体１０に入シ、破線で示す経路を経て支
持体７に伝搬後、振動子１２に入る。また、次の瞬間に
は、振動子１２から放射された超音波が支持体７の管壁
を通って流体１０に入シ、上記と逆の経路を経て撮動子
１１に入る。振動子１１．１２よりの超音波の放射は、
図示しない装置によって制御される。

いま、流体１０が図示のように流速Ｖで流れておシ、超
音波の流体１０中の伝搬速度をＣ１流体ｌＯ中の伝搬路
長をＬとすれば、超音波の振動子１１から１２への伝搬
時間ＴＩおよび振動子１２から１１への伝搬時間Ｔ２１
１−ｔ、それぞれ次式で示される。

間（１）、（２）式から、となる。一般に流速Ｖは１０ｍ／ｖ以下であり、音速Ｃ
は約１５００ｍ／ｓ程度なので、ｖ２／Ｃ２（４，４Ｘ
１０−５であるから、（３）式より、Ｔｓ　Ｔ＋’ｑ２
ｖ／Ｃ２−−・・印・（４）が得られる。（４）式にお
いて、Ｃは流体中音速であシ、流体の条件が定まれば定
数と考えてよい。したがって、時間差（ＴｚＴｌ　）と
流速Ｖとは比例することになシ、この時間差を測定する
ことにより流速Ｖをめることができる。流速Ｖがまれば
、パイプ９の内径をｄとすれば、流量Ｑは、からまる。

以上が超音波流量計の基本動作原理である。

第２図によれば、支持体５．７の振動子１１゜１２側の
側壁の厚みを薄くすれば、支持体５．７中の超音波の伝
搬時間を実用上無視できる程度まで減らすことができ、
また、残響、多重反射等も小さくできる。まだ、場合に
よっては、振動子１１．１２を支持体５．７を介するこ
となく、表向に薄い絶縁コーチイブを施して直接流体に
接触させるようにすることも可能である。

第３図は第２図の支持体５の部分の一実施例を示す詳細
断面図で、支持体７の部分も同様である。

１１は振動子、１３は気密を保保持するためのＯリング
、１４は充てん材、１５は吸音材、１６はケーブルであ
る。

第４図は本発明に係る超音波流量針の試験状態を示す説
明図で、１７は超音波流量計の変換部、１８はレコーダ
で、１９は計爺僧、２０は水道を示す。この場合、パイ
プ９としては内径１３ｍｍ。

長さ３６０■（支持体５・７の部分を含む）の塩化ビニ
ルパイプを使用し、振動子１１．１２は直径が１５ｗｎ
でＩＭＩＩ７のものとした。測定流体は水道水である。

なお、送受信部および信号処理部は、従来の伝搬時間差
法による超音波流量計用のものを振動子駆動電圧を約２
０Ｖに下げて用いた。

この程度にエネルギーレベルを下げても受信信号の波形
は良好で、十分な８／Ｎ比が得られた。

第５図は流速Ｖと出力信号Ｅとの関係の実験結果を示す
線図で、第６図は出力信号の安定性を示す線図で、流速
１．７　ｍ　／　ｓの場合を示しである。

第５図かられかるように、流速１　ｍ　／　ｓをフルス
ケールとした場合、流速５ｍ／Ｓの低流速測定時でも測
定分解能があり、そのときの誤差は０．１１フルスケー
ルであった。また、第６図に示すように、そのときの出
力の安定性は、従来の超音波流ｌｊ計に比べるとふらつ
きの度合が少なく、少なくとも３倍以上は改善され、電
磁流量計に近い値が得られた。

なお、本発明に係る超音波流量計によれば、バイブ９の
長さ工、は、任意の長さにできるので、伝搬時間の犬専
さは、バイブ９の口径と無関係に十分大板〈選定でへる
。これによって、単位流速当シの（Ｔ２　Ｔ１　）の時
間着は犬勇〈選ぶことができ、信号処理部の時間測定分
解能および検出部内での時間遅れ等の制約からくる流速
測定分解能、測定精度の低下を防止できる。従来技術で
ヱ、第１図に示すように、超音波伝搬路がバイブ３内を
斜めに横切るようになっているので、超音波の伝搬路長
をバイブ３の内径の２倍以上とすることは困難で、その
ため、微小口径での測定には限界があった。

また、流速の方向と超音波の伝搬方向が同一であるので
、流速によって受ける超音波の伝搬時間の変調の度合が
大きくなり、それだけ流速検出感度が高くなる。

なお、特に微小流量を測定する場合は、＃ｔ、門測定範
囲に応じてバイブ９の口洋やパイプ長を変える必要があ
るが、この場合は、第７図に示すように、両端部の内面
にテーパ状の収縮部２１ａ。

２１ｂを設けた内径の小さいバイブ２１を用量シておき
、バイブ９をこのバイブ２１に交換すればよく、このよ
うに、バイブの交換により広い流唯範囲の測定を精度良
く行うことができる。ここに、バイブ両端部の内面にテ
ーパ状の拡大部または収縮部を設けると、整流効果があ
り、また、バイブ内径が超音波ビーム径より小さい場合
の超音波の多重反射を防止するという効果もある。

さらに、第８図に示すように、流体導入口６（または流
体導出口８）とバイブ９との接続部である支持体５（ま
たは支持体７）の内部に流体の流れ方向の断面よりも大
きい断面の流体空間２２を設け、流体が９０°曲がる際
に生ずる流れの乱れを防止するようにすると、測定精度
をさらに向上することができる。

また、第２図において、バイブ９に振動子１１（または
振動子１２）からの超音波の流体１０まだは支持体５（
まだは支持体７）を介しての音響的な結合によシ超音波
の多重反射が生じることがあるが、バイブ９の内面また
は外面に流体１ｏ−ｔたはバイブ９の材質と比較的音響
インピーダンスが近く、シかも、超音波の減衰率の大き
い飼料からなる吸音材を装着するようにすると、多重反
射を減衰さすることかできる。

なお、超音波のビーム径がバイブ９の内径と完全に一致
し、バイブ９の断面全体の平均流速をとらえ、かつ、流
体導入口６、流体導出口８での９０°曲管部の影響が無
視できる場合には、測定した時間差と流速■とは正確に
比例するが、現実には、それらの影響は無視できない。

第５図に示す結果において、流体の流速■と出力信号Ｅ
との間の関係式は次式のようになシ、直線性に曲りが見
られる。その値は、フルスケール換算で２チ程度である
。したがって、変換部にそれの補正手段を設けて流体の
流速と出力何月とが十分に比例するようにすることが必
要となる。

Ｅ＝　Ｋ、ｖｏ、ｅｚａｓ　−、−、−、＝（６）ここ
に、Ｋ；比例常数第９図は本発明の超音波流量計の一実施例を示す全体構
成図である。第９図において、２３は第２図に示す検出
部で、検出部２３の振動子１１゜１２（第２図参照）か
らの出力信号は、変換部２４で流速ｖｉたは流量Ｑに比
例した電気信号に変換される。変換器２４には、Ｔ４　
ｅ　Ｔｌをめ、（４）式、（５）式の演算を行ってｖ、
Ｑをめる信号処理部と、垂動子１１．１２から交互に超
音波を流体１０中に放射させ、さらに、振動子１１．１
２からの出力信号を受信する送受信部とを内蔵している
ことはいうまでもない。ところで、本発明においては、
変換部２４のほかに、補正演算部２５を設けてあ郵、補
正演算部２５で非直線補正を行って、流速■または流量
Ｑに十分比例した電気信号が得られるようにしである。

また、流体条件が変わり音速が変化すると、スパンが変
わるので、補正演算部２５にスパン補正機能も持たせる
ようにしである。２６は変換部２４からの電気信号によ
って流速または流量をディジタル表、示するディジタル
表示部である。なお、第９図に示す実施例では、全体を
国体２７内に内稜してあシ、流体導入口６より測定流体
を導入し、流体導出口８よシその流体を導出するように
すれば、その流速または流量をディジタル表示部２６で
直読できるようにしである。パイプ９の口径と長さが決
まれば、検出部２３の幾何学的な構造が決まセ、したが
って、パイプ９を流れる流体の流速まだは流量と変換部
２４からの電気信号とは１：１に対応し、変換部２４の
レンジおよびスパンをあらかじめ基準流量で校正してお
けば、流速または流量を直読することができ、極めて操
作性の容易なポータプルの超音波流量計とすることがで
きる。

上記した本発明の実施例によれば、小口径の超音波流量
計とすることが可能であり、しかも精度。

安定性を大幅に改善することができる。また、内径およ
び長さの異なるパイプに交換するだけで流量範囲を変え
ることができる。さらに、ボータプルとすることが可能
である。

なお、上記した実施例は、伝搬時間差一方式の超音波流
量計について示しであるが、ドツプラ一方式の超音波流
量計とすることも可能でアリ、同様の効果を得ることが
できる。第１０図はその一実施例を示す要部断面図であ
シ、５は支持体、６は流体導入口、９はパイプ、１０は
流体、３１は超音波送波振動子、３２は超音波受波振動
子、３３は流体中の超音波を反射する微粉子である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、微小口径の超音
波流量計とすることができ、しかも、精度、安定性を大
幅に改善することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波流量計の検出部の最も一般的な原
理構成図、第２図は本発明の超音波流量計の検出部の一
実施例を示す断面図、第３図は第２図の支持体５の部分
の一実施例を示す詳細断面図、第４図は本発明に係る超
音波流量計の試験状態を示す説明図、第５図、第６図は
それぞれ実験結果を示す線図で、第５図は流速と出力４
８号との関係線図、第６図は出力信号の安定性を示す線
図、第７図は第２図のパイプの他の実施例を示す第２図
に相当する断面図、第８図は第２図の支持体を説明する
ための断面図、第９図は本発明の超音波流量計の一実施
例を示す全体構成図、第１０図はドツプラ一方式の超音
波流量計の検出部の断面図である。５．７・・・支持体、６・・・流体導入口、８・・・流
体導出口、９．２１・・・パイプ、１０・・・流体、１
１．１２・・・超音波送受波用振動子、１３・・・０リ
ンク、１４・・・充てん材、１５・・・吸音材、２１８
．２１ｂ・・・テーパ状の収縮部、２２・・・流体空間
、２３・・・検出部、２４・・・変換部、２５・・・補
正演算部、２６・・・ディジタル表示部、２７・・・国
体。代理人　弁理士　長崎博男（ほか１名）第　ｌ　国第　２　口第　３　図第　７　凹第　８　日

Claims

【特許請求の範囲】１、流体導入口を役けた第１の支持体と、流体導出口を
設けた第２の支持体と、前記第１の支持体と前記第２の
支持体との間に接続した前記流体導入口からの流体を前
記流体導出口へ流す直線状のパイプと、前記第１．第２
の支持体にそれぞれ前記パイプの各端面と対向するよう
に設けた前記パイプ内の流体を経て超音波の送受波を行
う超音波送受波用振動子とよりなる検出部と、該検出部
の前記各振動子への励損パルス送信および前記各振動イ
かもの信号受信を行う送受信部と前記各振動ｆからの信
号を用いて必要な演算を行って前記流体の流速′または
流−しに比例した電気信号を出力する（Ｏ号処理部とを
備えた変換部と、前記電気信号νこよシ流速または流量
を表示する表示部とよシなることを／ｌ、徴とする超音
波流量計。２、前記パイプは、前記第１．第２の支持体に交換自在
に接続しである特許請求の範囲第１項記載の超音波流量
針。３、前記パイプは、内径が標準の内径と異なるものであ
るときは、両端部内面に内径の大きさに応じたテーパ状
の収縮部または拡大部を設けた構成としである特許請求
の範囲第１項またけ第２項記載の超音波流量計。４、前記パイプは、内面または外面に多重反射防止用の
吸音材を設けである特許請求の範囲第１項まだは第２項
または第３項記載の超音波流量計。５、前記第１．第２の支持体は、内部に流体の流れ方向
の断面よシ大きい断面の整流用の流体空間を設けである
特許請求の範囲第１項まだは第２項まだは第３項または
第４項記載の超音波流量計。６、前記変換部は、音速または直線性を補正する補正手
段を付加しである特許請求の範囲第１項または第２項ま
たは第３項または第４項または第５項記載の超音波流量
計。７、前記検出部、前記変換部および前記表示部は同−厘
体内に内蔵してあシ、前記流体導入口および前記流体導
出口は前記厘体の外部まで出してあリ、前記表示部の表
示が前記匣体の外部から目視で作る構成としである特許
請求の範囲第１項または第２項または第３項または第４
項または第５項捷たに第６項記載の超音波流量計。