JPS6128821A - 超音波流量計 - Google Patents

超音波流量計

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JPS6128821A
JPS6128821A JP15026584A JP15026584A JPS6128821A JP S6128821 A JPS6128821 A JP S6128821A JP 15026584 A JP15026584 A JP 15026584A JP 15026584 A JP15026584 A JP 15026584A JP S6128821 A JPS6128821 A JP S6128821A
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JP
Japan
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piping
ultrasonic
absorber
sound wave
wave absorber
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JP15026584A
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English (en)
Inventor
Hiroyuki Yoshimura
弘幸 吉村
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Fuji Electric Corporate Research and Development Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662Constructional details

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  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

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】 〔兜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3図に示したように、流体を
導く配管1の外側に流体の進行方向に互に位置をずらせ
て配置された一対の超音波送受波器2a、21〕から構
成され、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2
b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■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4図に示したように、たとえばジルコン
・ヂ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l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、とのシ
ュー4の底面5は配管1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の取伺面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はシュー4を通り介装材6を介して
鋼材などから成る配管1に打ち込まれ、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に交流電圧を発生する。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100B以下)に適用すると、配管内を多重反射し
なか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5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を通り介装材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6
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1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
Trはそれぞれ次の式で表わせる。
Ti = 2Z2/(Z2 + Zl )     ・
・・・・(1)’l’r−(Z2  Zl’ )/(Z
2 +Zs )  −−(2)なおここでZl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1が鉄であり、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うな音
響特性を有する。
表1:鉄、水の音響特性 この場合鉄と水との界面での音波の透過率Ttは112
チ、反射率Trは891%となる。すなわち音波の大部
分が反射される。配管工に入射した超音波パルス信号P
は第6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1内を伝搬する。従
ってこの反射波は多重反射しなから第5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Ij ! 
+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。例とじて配管1の内径が27
.6 mm、厚さが32順であシ、シュー4から42°
の打ち込み角で音波が配管1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胡で、シ
ュー4の音速が2503m/sであるとすると、伝搬路
Llを伝搬する音波11は鉄と水との界面で次式で示す
N1回だけ反射する。
N1 = 40/3,2  (18n(Sin−1(3
230/2503xsin42))l/2= 4 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。
Nz−((πX27.6)2+402)’m/3.2/
〔tan(sin ”(3230/2503xsin4
2))))/2 辷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チ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12および流体内の直接音波13
の音波レベルA、 、A2.A3はそれぞれ次の通りと
なる。
A□= Ko x O,89]4= Ko x O,6
3A2 = Ko x O,89110= Ko x 
O,32A3 二 Kox O,1]、2x  1.8
9 =に、o  x  O,2まただしKO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L1、伝搬
路L2および流体内をそれぞれ伝搬する反射波]1、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に到達する捷での到達時間T1.T2.T3はそ
れぞれ次の通シとなる。
T、 =407(3230/2503 x sin 4
2)/3230 + r= 1.4.3+τ (μ5e
c) T2−〔(πX276)2+402〕にX(3230/
2503Xsin42)/3230=25.5+r  
(μ5ec)T3 ””27.6/CO5(5ln−”
(1482,7/2503 X s+n42 )l:]
/14.82.7 +3.2 x2/cos(sin’
(3230/2503XSi1〕42))/3230=
24.2+7  (μ5ec)ただしτは送受波器2 
a、、 2 bの両方のンユー4の音波伝搬時間である
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、伝搬路り、、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]3よりも前に受信されることも
ある)、しかもこの直接音波]3のレベルが小さく、直
接音波13の          (伝搬時間を0.1
 n5ec (精度1係相当)の精度で測定することが
できない。
〔発明の目的〕
不発BJJの目的は、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%相描)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、超音波の送受を行なう2個
の超音波送受波器を配管上に備えた超音波流量計におい
て、配管壁面を伝搬する多重反射波を減衰させる音波吸
収体を配管表面上に設け、この音波吸収体上に再起音波
送受波器を設けることによって達成される。
〔発明の実施例〕
次に第1図および第2図に示す実施例に基づいて本発明
の詳細な説明する。
第1図において流体を移送する配管1の超音波送受波器
2a、2bの周辺と配管1内を多重反射て配管1内を伝
搬する多重反射波を減衰させる音波吸収体14が接着な
いし形成されて設けられている。この音波吸収体14は
配管1内老伝搬する多重反射波11.12を吸収するた
めに、(1)  配管1と音波吸収体14の音響インピ
ーダンス整合層との音響インピーダンスを一致させる、
(2)音波吸収体14の音響インピーダンス整合層以降
(音波伝搬方向)の材質に吸音率の良い吸収体を使用す
る、 という条件を満足させる必要があり、この実施例の場合
音波吸収体14は音波伝搬方向にゴム15と金属粒子1
6との密度勾配を有する混合体から構成されている。
い捷−例として、配管1が鉄であり、音波吸収体14の
ゴム15がシリコンゴム、金属粒子16がタングステン
である場合について説明すると、これらの材料の音響特
性は次の表の通りである。
表2.鉄、シリコンゴム、タングステンの音響特性金属
粒子16の粒径を音波の一波長よシ十分小さくすると、
音波吸収体14の音響インピーダンス整合層17におけ
るゴム15と金属粒子16と、 の配合比Xは、次の式
の音響インピーダンス整合条件によって定する。
(1−X)ρ2C2+Xρ3C3−ρ1C□   ・・
・・・・(3)ここでρ1は配管1の密度、ρ2はゴム
15の密度、ρ3は金属粒子1゛6の密度、C1は配管
工の音速、C2はゴム15の音速、C3は金属粒子16
の音速である。
この式(3)に、上記表2の数値を当てはめると、金属
粒子16の配合比Xは22.4係となる。一方この音波
吸収体14の音速Cは次式で表わされる。
C−(1−X)C2+XC3・・・・・(4)この式(
4)に同様に上記表2の数値を当てはめると、音波吸収
体14の音速Cは2193yn/Sとなる。
音波の周波数をI MHzとすると音波の波長は2.1
93叫となり、金属粒子16の粒径はこの波長よりも十
分小さく、たとえば50μm程度にしなければならない
更に上記条件(2)を満足させるために、音波吸収体1
4の金属粒子16の配合比Xは、音響インピーダンス整
合層17以降(音波伝波方向)において連続的に低下さ
れ、音響インピーダンスの不連続面を作ることなしに音
波吸収体14の一部はゴム15だけにされている。この
ことによって音波が音波駄収体14を空気の界面に到達
する短かい距離の間で十分に吸音され減衰される。
夫 〔発明の効果〕 本発明によれば、流体を移送する配管内を伝搬する多重
反射波が音波吸収体によって著しく吸収、減衰され、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
受波器で受信され、音波の発信力・ら受信までの伝搬時
間を0.1 n5et(精度1%相当)の精度で測定で
きるので、小口径の配管においても高精度で流速、流量
を測定できる。
【図面の簡単な説明】
WS 1図は本発明に基づく超音波流量計の概略斜視図
、第2図は本発明に基づく音波吸収体の一実施例の概略
断面図、第3図は従来の超音波流量計の配置構成図、第
4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、第5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6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:音波吸収体、  15:ゴム
、  16:金属粒子、  17コ音響インピ一ダンス
整合層。 第1図 第2図 第5図 第6図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)超音波の送受を行なう2個の超音波送受波器を配管
    上に備えた超音波流量計において、配管壁面を伝搬する
    多重反射波を減衰させる音波吸収体を配管表面上に設け
    、この音波吸収体上に両超音波送受波器を設けたことを
    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、音波吸収体が配管と同じ音響インピーダンスの音響
    インピーダンス整合層を有し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、音波吸収体がタングステン粒子を混入し
    たシリコンゴムから成つていることを特徴とする超音波
    流量計。 4)特許請求の範囲第3項に記載の超音波流量計におい
    て、タングステン粒子の混合比が音響インピーダンス整
    合層以遠において連続的に低下されていることを特徴と
    する超音波流量計。
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