JPS6041726B2

JPS6041726B2 - 超音波流速測定装置

Info

Publication number: JPS6041726B2
Application number: JP50095558A
Authority: JP
Inventors: 信夫上杉; 竜雄宮沢
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1975-08-06
Filing date: 1975-08-06
Publication date: 1985-09-18
Also published as: JPS5219565A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、パイプ内の液体、気体等の流体の流速を超
音波を用いて測定する超音波流速測定装置に関する。

一般に、超音波を利用した流速測定装置は、水道、水力
発電所、石油工業など工業計測分野で流体の流量を測定
する場合に使用されている。

流速測定装置の原理には時間差法、周波数法、位相差法
、ドップラ法など種々あるが工業計測には周波一上、８
曹゛、’ＡＡＬ゛ノ、、られている。

従来、このようなジンクアラウンド法を使用した流速測
定装置としては、第１図に示すように流体を図中矢印で
示す方向へ速度Ｖで移送するパイプ１の長手方向の外周
壁に第１、第２の振動子２、３をそれぞれくさび４、５
を挾んて図に示すように斜め対向して設けたものが知ら
れている。

これは、ます第１の振動子２を超音波を送出する送波側
とし、第２の振動子３を超音波を受ける受渡側としてお
き、第１の振動子２から送出され流体を通過した超音波
を第２の振動子３て受け、その受けた超音波を信号変換
して増幅器（図示せず）で増幅し、その増幅された信号
を上記第１の振動子２へ供給して再ひ超音波を送出させ
るようにし、超音波信号を第１の振動子２−流体一第２
の振動子３→増幅器一第１の振動子２のように循環させ
、その循環に要する時間の逆数をジンクアラウンド周波
数として求める。この場合、求められるジンクアラウン
ド周波数は、超音波が図中実線の矢印で示すように流体
の下流方向へ伝搬するときのものである。次に第２の振
動子３を送波側とし、第１の振動子２を受渡側としてお
き、超音波信号を逆に第２の振動子３→流体→第１の振
動子２→増幅器→第２の振動子３のように循環させて超
音波が図中点線の矢印て示すように流体の上流方向へ伝
搬するときのシングアラウンド周波数を求める。そこで
今、下流方向のシングアラウンド周波数をｆ１、上流方
向のシングアラウンド周波数をＦ２とすれは、Ｆｌ，ｆ
２は次式で与えられる。

ＶＶこＹ＼ｖ νＶ＆―＆Ｙノここで、ｄはバイブの内径、■は流体速度、Ｃは流体中
の音速、φは超音波の流体中の屈折角、τは、超音波が
くさび４，５、バイブの周壁、伝送路などを伝搬するに
要する時間と電気回路による遅れ時間との和である。

今、■が数ｍ／Ｓ以下であるとすれば、Ｃ）■となるか
ら、この点を考慮して上記（１）式と（２）式からｆ１
とＦ２の周波数差Δｆはとなる。

また、流体静止時のシングアラウンド周波数Ｆ。

は上記（１）式よりとなる。

上記（３），（４）式よりΔｆはとなる。

したがつて、Ｄ，φ，ＦＯ，Ｃが与えられればΔｆから
流速■を求めることができる。尚、ちは十分な精度をも
つて次式から求めることもで．きる。このように、シン
グアラウンド法を使用した流速測定装置は、下流方向の
シングアラウンド周波！数と上流方向のシングアラウン
ド周波数を求めることによつてバイブ１内を移送する流
体の流速を測定するものである。

ところで、シングアラウンド法等を用いる流速測定装置
では、バイブの周壁が厚い場合の超音波く減衰やバイブ
の内周壁と流体との境界面での反射による超音波減衰が
問題となるが、従来この種の装置は送、受波器を構成す
る振動子をくさびを挾んでバイブの外周壁に取付けてい
るため、更にくさびとバイブの外周壁との反射損失があ
り超音波信号の減衰がかなり大きくなる問題があつた。

このため、振動子をくさびなしで取付け、しかも流体中
に大きな角度をもつて超音波を入射させるようにするこ
とが望まれる。また、高温の環境下（高速炉などでは流
体は３００℃〜５００゜Ｃになる。

）の場合、従来のこの種装置は振動子とくさび、くさび
とバイブの外周壁との接着には大きな問題があつた。こ
のため超音波冫信号の伝送路中の接着個所を１ケ所でも
少なくすることが望まれる。更に振動子からくさび、バ
イブの周壁などを通過するとき、超音波は屈折するので
、従来のこの種の装置では流体内を伝搬する超音波の進
行方向・の設定や受波側の振動子位置の設定が難しく、
振動子の取付けがきわめて煩わしいという問題があつた
。

しかも振動子を一度取付けてしまうと、その指向性がく
さびによつて限定されるため、流体の温度変化が大きく
なつて超音波の進行方向が変・化すると受波側の振動子
は超音波を受けることができなくなる問題があつた。例
えば第１図においてくさび４，５およびバイブ１として
鉄系材料を使用し、流体としてナトリウムを使用し、バ
イブ１の周壁に対する超音波の入射角をφ１、超音波の
周壁中の屈折角をφ２とし、φ１＝３０超に設定してナ
トリウムの温度を１０００Ｃ〜６００゜Ｃに変化したと
すると、屈折角φ１，φの変化は下表のようになる。そ
してＴ＝１００゜Ｃ．（５Ｔ＝６００゜Ｃの場合の超音
波信号レベルは例えば超音波周波数４．２ＭＨＺバイブ
の周壁の厚さ２．２６７！とすれば、Ｔ＝１００℃のと
き信号は得られるが、Ｔ＝６００′Ｃのときバイブの周
壁中の横波伝搬はカットオフになるので、信号の受信レ
ベルは非常に小さくなる。

これは受波側て流体から周壁への入射角φが横波の伝搬
特性のカットオフ領域になるためてある。第２図に板の
透過度と超音波の入射角の関係を定性的に示すが、バイ
ブの周壁中では横波を使用しているから入射角φ１およ
びφはθ８くφ１，φ〈θ、の範囲てなければならない
。但し、θ６は縦波カットオフ角度、θ８〜θ、は横波
の通過角度である。しかしながら、温度変化等によつて
音速が変われば屈折角が変わり受波側の入射角φが変わ
るので、透過率が変わり信号レベルが変化する。また入
射角φの変化が大きいときは信号レベルが大きく低下し
Ｓ／Ｎく１になることがある。更に信号レベルが変わる
とシングアラウンド周波数が変わり測定精度が悪くなる
。この点、従来の装置では、くさびを使用しているので
温度変化等があつても入射角φ１が常に一定てあるため
、入射角φを調整することができず受波側の振動子は超
音波を受けることができない虞があつた。

そこて温度変化等があつても受波側の振動子が常に安定
した超音波信号を受けるようにすることが測定精度を向
上するうえで要望される。この発明は、このような要望
を満たすためになされたもので、超音波伝送路中におけ
る超音波反射層の数を少なくすることによつて超音波信
号の減衰を小さくし、レベの大きな安定な信号を得るこ
とがてきるとともに流体の温度変化あるいは周囲の環境
変化あるいはバイブの材料などの経年変化等によつて超
音波の進行方向に変化をきたしても確実に超音波を受信
することができ、レベル変動のない安定な信号を得るこ
とができる超音波流速測定装置を提供するものてある。

以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。

まず、構成について述べる。

第３図において１１は流体を図中矢印て示す方向へ速度
Ｖで移送するバイブであり、このバイ１１の長手方向の
外周壁に第１の送受波器１２および第２の送受波器１３
を互いに位置をすらして対向して設けている。前記第１
の送受波器１２は、ｎ個の振動子Ｔｌ，Ｔ２，Ｔ３・・
・Ｔｎを上記バイブ１１の外周壁にそのバイブ１１の長
手方向に沿つて一定の間隔をあけて付着し、その各振動
子Ｔｌ，Ｔ２，Ｔ３，Ｔｎにそれぞれ遅延時間τＴｌ，
τＴ２，τＴ３，・・τＴｎを有する遅延回路Ａｌ，Ａ
２，Ａ３，・・・Ａｎを接続したものである。第２の送
受波器１３も第１の送受波器１２と同様にｎ個の振動子
Ｒｌ，Ｒ２，Ｒ３，・・・Ｒｎを上記バイブ１１の外周
壁にそのバイブ１１の長手方向に沿つて一定の間隔をあ
けて付着し、その各振動子Ｒｌ，Ｒ２，Ｒ３・・・Ｒｎ
にそれぞれ遅延時間τＲｌ，τＲ２，τＲ３，・・τＲ
ｎをもつ遅延回路Ｂｌ，Ｂ２，Ｂ３・・・Ｂｎを接続し
たものである。ここで、振動子Ｔ１〜Ｔｎ，Ｒｌ〜Ｒｎ
は球面波状の超音波を送受波するものとする。

尚第１の送受波器１２の各振動子Ｔｌ，Ｔ２，Ｔ３・・
・Ｔｎの間隔と第２の送受波器１３の各振動子Ｒｌ，Ｒ
２，Ｒ３・・・Ｒｎの間隔とを等しくしている。そして
送受波器１２，１３の各遅延回路Ａｌ，Ａ２，Ａ３・・
・Ａｎ，Ｂｌ，Ｂ２，Ｂ３・・・Ｂ．．に対して高周波
パルス発生器１４から高周波パルスを第１の切換回路１
５によつて選択的に供給するようにしている。高周波パ
ルス発生器１４は、インパルス発生器１６からパルスを
供給されて高周波パルスを発生するものてある。また、
送受波器１２，１３の各遅延回路Ａｌ，Ａ２，Ａ３・・
・Ａ。，Ｂｌ，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ。から得られる出力を第
２の切換回路１７によつて選択的に増幅器１８供給する
ようにしている。この増幅器１８の出力を検波器１９を
介してパルス整形波２０に供給している。パルス整形器
２０はその出力を高周波パルス発生器１４に供給すると
ともに周波数カウンタ２１に供給している。周波数カウ
ンタ２１へ供給されたパルス整形器出力は更にＤ−Ａ変
換器２２を介して記録計２３へ供給されている。前記第
１、第２の切換回路１５，１７は所要のタイミングで自
動的に回路切換えを行うもので、第１の切換回路１５が
第１の送受波器１２を送波器として動作させるときには
、第２の切換回路１７が第２の送受波器１３を受波器と
して動作さｌせ、逆に第１の切換回路１５が第２の送受
波器１３を送波器として動させるときには第２の切換回
路１７が第１の送受波器１２を受波器として動作させる
ようにしている。

次に、上述した構成を有する本実施例の作用にｊついて
述べる。

今、第１の切換回路１５が第１の送受波器１２を送波器
として選択し、第２の切換回路１５か第２の送受波器１
３を受波器として選択している状態でインパルス発生器
１６からパルスが高周波パ）ルス発生器１４に供給され
るとその高周波パルスが発生し第１の切換回路１５を介
して第１の送受波器１２の各遅延回路Ａｌ，Ａ２，Ａ３
，・・・Ａ．．に供給される。

この各遅延回路Ａｌ，Ａ２，Ａ３・・・Ａｎは第４図に
示すように各振動子Ｔｌ，Ｔ２，Ｔ３・・・Ｔｎから順
次遅延された超音波が送出するように各振動子Ｔｌ，Ｔ
２，Ｔ３・・・Ｔｎの駆動信号（高周波パルス）を遅延
させる。このようにすると、各振動子Ｔｌ，Ｔ２，Ｔ３
・・・Ｔ．．から送出される球面波状である超音波の干
渉作用により、これらの超音波の合成波面は振動子Ｔｌ
，Ｔ２，Ｔ３，Ｔｎの配列方向、つまりバイブ１１の壁
面に対して斜めの方向となり、従つて超音波の合成波は
この合成波面と直交する第４図の矢印方向、即ち斜め前
方へ伝搬することになる。即ち、今、バイブ１１の周壁
中および流体中における超音波の進行方向をそれぞれφ
２，φとし、周壁中および流体中における超音波の音速
をそれぞれＣ２，ＣとすればＳｊｎφ２／Ｓｉｎφ＝Ｃ
２／Ｃとなり、また各遅延時間の差をΔγとし、各振動
子Ｔｌ，Ｔ２，Ｔ３・・・Ｔｎの配列間隔をＰとすれば
Δγ＝Ｐ−Ｓｊｎφ２／Ｃ２となる。

したがつて、各遅延回路Ａｌ，Ａ２，Ａ３，・・・Ａ。
の遅延時間の差Δγを変化すれはφ２の値を変化するこ
とかてきる。そしてφ２の値を変化することは当然φの
値を変化することになるので結局、各遅延回路Ａｌ，Ａ
２，ん，・・・ＡＯ間の遅延時間差を任意に設定するこ
とによつて流体中の超音波の進行方向φを自在に調整す
ることができる。，一方、第２の送受波器１３は第１の
送受波器１２から送出される超音波を正確に受信できる
ように各遅延回路Ｂｌ，Ｂ２，Ｂ３，・・・Ｂｎによつ
て各振動子Ｒｌ，Ｒ２，Ｒ３・・・Ｒｎを遅延動作させ
る。

即ち遅延回路Ａｌ，Ａ２，Ａ３・・・Ａｎ，Ｂｌ，Ｂ２
，Ｂ３，・・・Ｂｎ間の遅延時間差をΔγに設定し、遅
延回路Ａｌ，Ａ２，〜・・・Ａｎの遅延時間をそれぞれ
τＴ１＝０，τＴ２＝Δτ，・・γＴ．，＝（ｎ−１
）Δτに設定するとともに遅延回路Ｂｌ，Ｂ２，Ｂ３，
・・・Ｂｎの遅延時間をそれぞれγ１１＝（ｎ−１）Δ
τ，γＲ２＝（ｎ一２）Δγ，γＲ３＝（ｎ−３）Δτ
，・・・τＲｒｌ＝０に設定すれば第１の送受波器１２
から送出された超音波は第２の送受波器１３によつて確
実に受信される。したがつて、たとえ温度変化などによ
つて超音波の進行方向φが変化するようなことがあつて
も各送受波器１２，１３の各遅延回路Ａｌ，Ａ２，ＡＧ
，・・・Ａｎ，Ｂｌ，Ｂ２，Ｂ３，・・・Ｂｎを調整す
ればその変化分を補償することができるから、温度変化
等によつて超音波が受信できなくなる虞はない。

しかも、第２の送受波器１３は第１の送受波器１２から
の超音波を常に同一状態で正確に受信することができる
から、温度変化等によつて超音波の受信レベルが変動す
る虞もない。しかして第２の送受波器１３によつて受信
された超音波信号は第２の切換回路１７を介して増幅器
１８によつて増幅された後、検波器１９およびパルス整
形器２０によつて処理され高周波パルス発生器１４に供
給されるとともに周波数カウンタ２１に供給される。周
波数カウンタ２１に供給された超音波信号は、更にＤ−
Ａ変換器２２を介して記録計２３へ供給される。しかし
て、高周波パルス発生器１４から発生した高周波パルス
は超音波信号として第１、第２の送受波回路１２，１３
を介して循環することにより、下流方向のシングアラウ
ンド周波数が求められる。また、第１の切換回路１５が
第２の送受波器１３を送波器として選択し、第２の切換
回路１５か第１の送受波器１２を受波器として選択する
と、この場合は高周波パルス発生器１４から発生した高
周波パルスは第１の切換回路１５を介して第２の送受波
器１３の各遅延回路Ｂｌ，Ｂ２，Ｂ３，・・・Ｂ．，に
供給されることになる超音波は第２の送受波器１３から
第１の送受波器１２へ伝搬し、その第１の送受波器１２
によつて受信された超音波信号は第２の切換回路１７を
介して増幅器１８へ供給され以後前記同様に処理される
。

しかして、高周波パルス発生器１４から発生した高周波
パルスは超音波信号として第２、第１の送受波回路１３
，１２を介して循環することにより、上流方向のシング
アラウンド周波数が求められる。そして、下流方向およ
び上流方向のシングアラウンド周波数から、従来同様に
流体の流速■が求められる。

このように、振動子とバイブ１１の外周壁との間にくさ
びを挟むことなく、振動子をバイブ１１の外周壁に直接
付着させているので、従来のものに比べて超音波伝送路
中における超音波直射層の数を少なくとも２層減らすこ
とができる。

実験によれば、従来のものに比べて１０〜４０ｄＢ信号
レベルを改善することができた。また、各送受波器１２
，１３における各遅延回路の遅延時間差Δτを変えるこ
とによつて超音波の進行方向φを変化することができる
ので、流体の温度変化あるいは周囲の環境変化あるいは
バイブの材料などの経年変化等よつて超音波の進行方向
に変化を来しても確実に超音波を受信することができ、
レベル変動のない安定な信号を得ることができる。

なお、前記実施例では送波器と受波器を兼ねた送受波器
を２個使用した構成について述べたが必すしもこれに限
定するものではなく、例えば送波器と受波器とを各々専
用とし下流方向のシングアラウンド周波数と上流方向の
シングアラウンド周波数をそれぞれ別々の送波器、受波
器によつて求めるようにしてもよい。

尚、本発明はシングアラウンド法による測定装置だけで
なく、一般にはバイブの長手方向で所定距離離れた送波
器及び受波器を互いに対向して設ける超音波測定装置に
適用できる。

又、一般に流量は流速Ｘ時間で表わされるからこの発明
の超音波流速測定装置は超音波流量測定装置としても使
用できるものである。

以上詳述したように、この発明によれば流体を移送する
バイブの壁面に送波器及び受波器を互いに対向して設け
、送波器から受波器へ超音波を伝搬させることにより前
記流体の流速を測定する装置において、前記送波器並に
受波器を前記バイブの壁面に複数個の振動子をバイブの
長手方向に並べて配設するとともに各振動子にそれぞれ
遅延回路を接続して形成し、これらの遅延回路の遅延時
間差を変化することにより送波器並びに受波器の指向性
を調整するようにしているので、くさび等を使用する必
要がなくレベルの大きな安定な信号を得ることがてきる
とともに、流体の温度変化あるいは周囲の環境変化ある
いはバイブの材料などの経年変化等によつて超音波の進
行方向に変化を来しても確実に超音波を受信することが
でき、レベル変動のない安定な信号を得ることができる
超音波流速測定装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を示す概略図、第２図は超音波の入射角
一透過度特性を示すグラフ、第３図はこの発明の実施例
を示すブロック図、第４図は第３図の実施例において送
受波器から送出される超音波の伝搬状態を示す説明図で
ある。１１・・・バイブ、１２，１３・・・送受波器、Ｔｌ，
Ｔ２，Ｔ３，・・・Ｔｎ，Ｒｌ，Ｒ２，Ｒ３，・・・Ｒ
ｎ・・・振動子、Ａｌ９Ａ２９Ａ３９ｌ３Ａｎ９ｌ３ｌ
９？９Ｂ３９・０Ｂｎ１０遅延回路。

Claims

【特許請求の範囲】

１流体を移送するパイプの長手方向の壁面で所定距離
離れた位置に送波器及び受波器を互いに対向して設け送
波器から受波器に超音波を伝搬させることにより前記流
体の流速を測定する装置において、前記送波器及び受波
器は前記パイプの壁面に長手方向に並設された球面波状
の超音波を送波又は受波する複数個の振動子と、これら
各振動子に接続されこれらの振動子を駆動する信号又は
これらの振動子により受波された信号を遅延させる複数
個の遅延回路とにより構成され、前記各遅延回路の遅延
時間を調整することにより前記送波器及び受波器の超音
波指向性を互いの方向に向けるようにしたことを特徴と
する超音波流速測定装置。