JPS61144512A - 超音波流量計 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は特に小口径の配管内を流れる流体の流速や流量
を測定する透過形の超音波流量計に関する。

〔従来技術とその問題点〕

この種の超音波流量計は第４図に示したよシュ、流体を
ｍ＜配管１の外側に流体の進行方向６二互Ｃ；位置をず
らせて配置された一対の超音波送受波■。

２　ａ　、２ｂｒｌｔち準成１れ、第１の送受波器２ａ
から放射された超音波が第２の送受波器２ｂに到達する
時間と、第２の送受波器２ｂから放射された超音波が第
１の送受波器２ａに到達する時間との差に基づいて配管
１内の流体の速度Ｖおよびそれに伴なって流量を求める
。一般にこれらの送受波器２ａ。

２ｂは第５図に示したように、たとえばジルコン・チタ
ン酸鉛系のセラミックスなどの圧電素子を円板状に成形
してその両面に銀電極が蒸着されている超音波変換子３
と、この超音波変換子３から発せられる超音波を配管１
に伝達して打ち込むアクリル樹脂や金属などの超音波伝
搬部材から成るシュー４とから構成され、このシュー４
の底面５は配管ｌの表面に音響的にマツチングを取るた
めの介装材６を介して密着される。シュー４の超音波変
換子３の取付面７はその底面５に対して角度θをもって
斜めに形成され、これによって超音波変換子３から発せ
られる超音波が、シュー底面５に対して斜めに打ち込ま
れるように形成されている。

超音波変換子３の両面の電極に接続されたリード線８．
９を介して超音波変換子３に所定周波数の交流が印加さ
れると、超音波変換子３は同周波数で振動して超音波パ
ルス信号Ｐを発する。超音波パルス信号Ｐはシ二一４を
通シ介装材６を介して鋼材などから成る配管１に打ち込
オれ、逆に介装材６を介してシュー４を通って上記周波
数の超音波パルスが超音波変換子３に到達すると、超音
波変換子３が同一周波数で振動してリード線８，９に初
流電圧を発生する。この発生電圧はリード線８．９に接
続された電気回路で測定信号に変換される。

このような構成をした透過形の超音波流量計を小口径（
直径ｔｏｏｉｎ以下）に適用すると、配管内を多重反射
しながら伝搬する反射波が生じ、この多重反射波と流体
内を直接伝搬する音波とを送受波器が一緒に受信するの
で、高い精度で測定できないという欠点を生ずる。

このことを配管１内での超音波伝搬経路を示す第６図を
参照して詳細に説明する。送受波器２ａの超音波変換子
３が発生した超音波パルス信号Ｐは上述したようにシュ
ー４を通り介挿材６を介して配管１に入射する。この超
音波パルス信号Ｐは指向角ζで拡がって伝搬する。第７
図はこの超音波パルス信号Ｐの指向性を示している。こ
の配管ｌと流体１０との音響インピーダンスが異なって
いるために、配管１と流体１０との界面で音波の透過と
反射が生ずる。その音波透過率Ｔｔおよび音波反射率Ｔ
、はそれぞれ次の式で表わせる。

Ｔ、　＝　２　Ｚ２／（Ｚ２＋Ｚ、）　　　　　　　　
＝−（１）Ｔｒ＝（Ｚ２−Ｚ□）／（Ｚ２＋Ｚ□）　　
　　　　　−・−・−（２）なおここでＺ□は配管１の
音響インピーダンス　、ｚ２は流体１０の音響インピー
ダンスである。例として配管ｌが鉄であシ、流体１０が
水であるとすると、鉄および水は次の表に示すよ５な音
響特性を有する。

この場合鉄と水どの一界面ＩＩｔ＆の、音波の透過率Ｔ
、は１１．２％、反射率Ｔｒは８９．１％となる。すな
わち音波の大部分が反射される。配管１に入射した超音
波パルス信号Ｐは第７図に示した指向性を有しているの
で、鉄と水との界面での反射波も同じ指向性で配管ｌ内
を伝搬する。従ってとの反射波は多重反射しながら第６
図に示す伝搬路Ｌ１．Ｌ２を伝搬し、流体中を直接伝搬
してきた音波と一緒に送受波器２ｂの超音波変換子３に
受信される。

次にこの超音波変換子３に受信される伝搬路Ｌ１゜Ｌ２
を伝搬する反射波１１，１２）および流体中を直接伝搬
する音波（以下直接音波と呼ぶ）１３の音波レベルにつ
いて説明する。例として配管１の内径が２７．６１１．
厚さが３．２關であシ、シュー４から４２°の打ち込み
角で音波が配管ｌに打ち込まれ、両送受波器２ａ、２ｂ
の音波出射位置間の間隔が４０鰭で、シュー４の音速が
２５０３ｍ／Ｓであるとすると、伝搬路Ｌ□を伝搬する
音波１１は鉄と水との界面で次式で示すＮ□回だけ反射
する。

Ｎ１＝４０／３．２　（ｔａｎ（ｓｉｎ−”　（３２３
０／２５０３Ｘｓｉｎ４２）刀カ一方伝搬路Ｌ２を伝搬
する音波１２は鉄と水との界面で次式で示すＮ２回だけ
反射する。

Ｎ２＝（（ｒＸ２７．６）２＋４０２ｆ”／３．２／（
ｔａｎ　（ｓ　ｉｎ−”（３２３０／２５０３Ｘｓｉｎ
４２）　）））／２与１０ それぞれ鉄と空気の界面でも、同様の反射が生ずるが、
音響インピーダンスが大きく異なるためほぼ１００＊が
配管内で反射される。従って送受波器２ｂの超音波変換
子３に受信される各音波、すなわち反射波１１、反射波
工２および流体内の直接音波１３の音波レベルＡ□、Ａ
２．Ａ３はそれぞれ次の通シとなる。

Ａ□＝＝に、Ｘｏ、８９１’＝に、Ｘｏ、６３Ａ２＝に
、Ｘｏ、８９１１０＝に０Ｘ０．３２Ａ　＝Ｋ　Ｘｏ、
１１２Ｘ１．８９＝ＫｏＸ０．２１ただしに０は比例定
数である。

またそれぞれの音波が発信されてから伝搬路Ｌ□。

伝搬路Ｌ２および流体内をそれぞれ伝搬する反射波１１
．反射波１２および直接音波１３の送受波器２ｂの超音
波変換子３に到達するまでの到達時間Ｔ□、Ｔ２．Ｔ３
はそれぞれ次の通りとなる。

Ｔ　□＝４０／　（３２３０／２５０３Ｘｓ　ｉ　ｎ４
２）／３２３０＋ｔ＝１４．３＋ｒ　（ｊＩＳｅｅ　） Ｔ２＝〔侮ｘ２７．６　）　２＋４０２）　１１２ｘ（
３２３０／２５０３ｘｓｉｎ４２）／３２３０ ＝２５．５＋ｒ　（７＋５ｅＣ） Ｔ３＝２７．６／ｃｏｓ（ｓ　ｉｎ−”　（１４８２，
７／２５０３ＸＳ　１ｎ４２））／１４８２．７＋３．
２Ｘ２／ｃｏｓ（ｓ　ｉｎ−”　（３２３０／２５０３
Ｘｓｉｎ４２））／３２３０ ＝２４．２＋τ　（μｓｅｃン ただしｒは送受波器２ａ、２ｂの両方のシュー４の音波
の伝搬時間である。

上述したように流体内を直接伝搬してきた直接音波１３
は、伝搬路Ｌユ、Ｌ２を伝搬してきた反射波１１．１２
の間で受信され（ただし配管１の内径、厚さによっては
伝搬路Ｌ２を伝搬してきた反射波１２が流体内を直接伝
搬してきた直接音波１３よりも前に受信されることもあ
る）、シかもこの直接音波１３のレベルが小さく、直接
音波１３の伝搬時間をｇ、１　ｎ　ｓｅｃ　（精度１チ
相当］の精度で測定することができない。

〔発明の目的〕

本発明は、流体を移送する配管での多重反射波を減少さ
せ、流体内を直接伝搬してきた音波が高いＳ／Ｎ比で超
音波変換子に受信され、音波の発信から受信までの伝搬
時間を０．１ｎｓｅｃ（精度１チ相当）の精度で測定で
きる透過形の超音波流量計を提供することにある。

〔発明の要点〕

本発明によればこの目的は、超音波送受波器の周辺にお
ける流体を移送する配管の表面に、この配管と音速の異
なる材料から成りかつ配管内を伝搬する多重反射波と位
相が異なりこの多重反射波と干渉する音波を作成する１
７４λ板を設けることによって達成される。

〔発明の冥施例〕

次に第１図に示す冥施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

！！１図において超音波送受波器２ａ、２ｂの周辺にお
ける流体を移送する配管１の表面に、本発明に基づいて
この配管１と音速の異なる材料から成るｌ／４λ板１４
が貼着ないし成形されて設けられている。この１／４λ
板１４は音波の干渉を利用し、特定の周波数の音波のみ
を通過させる機能を持つもので、配管ｌ内を伝搬する多
重反射波を減衰する機能を有している。

次にこのことを第２図を参照して説明する。

配管ｌと流体１０および配管１と空気１５との界面で反
射された多重反射波１１が、角度αで配管ｌと１／４ス
板１４の界面のＡ点に入射すると、次式のスネルの法則
に基づいて出射角βで１／４λ板１４の中に出射する。

ｓｉｎβ／５ｉｎａ＝＝ｃ　２／Ｃ、＝＝（３）ζこで
Ｃ□は配管１の音速、Ｃ２は１／４ス仮１４の音速であ
る。いま配管ｌに鉄、！７４に仮１４にアルミニウムを
用いた場合、α＝４２°の時、１／４λ板１４での出射
角βは次の表の通シβ＝　３９．６°になる。

茨２：鉄、アルミニウム界面での音響特性この１／４人
板１４に入射した音波１６は１／４に板１４のＢ点で配
管ｌ側に反射する。一方配管工の多重反射波１１は配管
１の６点で１／４人板１４側に反射する。ここで配管１
と１／４＾板１４の界面のＤ点で多重反射波１１と音波
１６とが合致して干渉するように、次式に基づいて１／
４λ。

板１４の厚さを決定する。

ｄ　　ｔ　ａ　ｎ　／：Ｄ　　ｔ　ａ　ｎ　ａ　　　　
　　　　　−・ユ（４１ここでｄは１／４λ、板１４の
厚さ、Ｄは配管１の厚さである。配管１が鉄、１７４ス
板１４がアルミニウムの場合、 ｄ＝１．０８８Ｄ　　　　　　　　　　　　、・・・・
・（５）の式が成り立ち、いま配管（鉄）ｌの厚さが３
．２關である場合、１７４ん板（アルミニウム）１４の
厚さは３．４８１１１となる。

このようにして多重反射波１１と音波１６は配管ｌと１
／４ス仮１４の界面のＤ点で合致するが、Ａ点からＢ点
までの伝搬時間はそれぞれ次の（６）式、（７）式で表
わされ、伝搬経路中での音波の波数は（８）式、（９）
式で表わされる。

ｔ　＝２Ｄ／ｃｏｓα／Ｃ１・・・・・・（６）ｔ　２
＝２　ｄ／ｃｏｓβ／Ｃ２・・・・・・（７）Ｎ、＝ｔ
１／Ｔ　　　　　　　　　　　　・・・・・・（８）Ｎ
２＝ｔ２β　　　　　　　　　　　・・・・・・（９）
ここでｔｌは配管ｌの伝搬時間、ｔ２は１／４＾板１４
の伝搬時間、Ｎ８は配管１のＡ点からＢ点までの音波の
波数、Ｎ２は１／４λ板１４のＡ点からＢ点までの音波
の波数、Ｔは音波の周期である。いま音波の周波数を２
ＭＨ２とすると、配管１および１／４λ、板１４の音波
伝搬の６値は次表の通りとなる。

配管１と１／４λ板１４の界面のＤ点において音波１６
が多重反射波１１に対して１／２λだけ位この様子は第
３図に示してあシ、このとき多重反射波１１と音波１６
の振幅ができるだけ等しいはど、Ｄ点での合成波１７の
第１波以降の減衰は大きい。

いま配管１に鉄、１７４λ板１４にアルミニウムを用い
た場合のＤ点での多重反射波１１と音波１６の振幅を、
音波が斜めに入射したときの反射率、透過率を導く次の
ａ１式、ａυ式を用いて求めると、多重反射波１１の振
幅はに、Ｘｏ、２３、音波１６の振幅はＫ　Ｘｏ、２４
となる（Ｋｏは定数）。なおとれは配管１と流体１０と
の界面での反射率を０．８９．１／４λ、板１４と空気
１５の界面での反射率を１として求めた。

Ｔｐ＝４ＺＸＺ２ｃｏｓａｃｏｓｐ／（Ｚ１ｃｏｓｐ＋
Ｚ２ｃｏｓａ）　　２・・・・・・（Ｉｚ Ｒｐ＝（ＺＩＣｏＳβ−Ｚ、ｃｏｓａ）　２／（Ｚ１ｃ
ｏｓβ＋Ｚ２ｃｏｓａ）２・・・・・・峙 このようにして１／４え板１４の中に配管１内この多重
反射波１１とほぼ同じ振幅の音波１６が形成され、この
音波１６によって配管１内の多重反射波１１の第２波以
降の減衰が早められ、流体内を直接伝搬してきた音波１
３が高いＳｌＮ比で超音波送受波器に受信されることに
なる。

〔発明の効果つ 本発明によれば、流体を移送する配管の表面を取り囲む
１／４ｉ板の中に、配管内の多重反射波と位相がずれた
音波が形成され、この音波が配管内の多重反射波と干渉
して互に打ち消しあい、・この配管内の多重反射波を減
衰するのて、流体内を直接伝搬してきた音波が高いＳ／
Ｎ比で超音波送受波器に受信され、音波の発信から受信
までの伝搬時間０．１　ｎ５ｅｃ　（１ｔ１度１％相当
ンの精度で測定でき、小口径の配管においても高精度で
流量、流速を測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく超音波流量計の概略斜視図、＠
２図は本発明に基づく超音波流量計の１／４λ板内の音
波と配管内の多重反射波の伝搬経路の説明図、第３図は
！Ａｋ板内の音波と配管内の多重反射波の打ち消し状態
を示す説明図、第４図は従来の超音波流量計の配置構成
図、第５図は従来の超音波送受波器の配管への設置状態
を示す断面図、＠６図は従来の超音波流量計における配
管内での超音波伝搬経路を示す説明図、第７図は超音波
パルス信号の指向特性図である。 １・・・配管、　　２ａ、２ｂ・・・超音波送受波器、
３・・・超音波変換子、　１４・・・１／４λ板、　１
５・・・空気、　　１６・・・音波。 第１図 第２図 第３図 （（１）配管（１）のＣ−Ｄ由に伝搬してきたｌ）９重
反射（ｂ）！／４八板（１４）の８−Ｄ点（こイ五搬し
できた反射波（Ｃ）　Ｄ点での合成液

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）超音波送受波器の周辺における流体を移送する配管
   の表面に、この配管と音速の異なる材料から成りかつ配
   管内を伝搬する多重反射波と位相が異なりこの多重反射
   波と干渉する音波を形成する１／４λ板を設けたことを
   特徴とする超音波流量計。 ２）特許請求の範囲第１項に記載の超音波流量計におい
   て、１／４λ板の中に形成された音波が、配管内の多重
   反射波より１／２λだけ位相が遅れていることを特徴と
   する超音波流量計。 ３）特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の超音波流
   量計において、配管が鉄である場合、１／４λ板がアル
   ミニウムであることを特徴とする超音波流量計。