JPS6252417A - 超音波による気体流速測定方法 - 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】

（産業上の利用分野］ 本発明は、超音波を用いて、配管内や空間を流れる気体
等の流速を測定する、超音波による気体流速測定方法の
改良に関するものである。

【従来の技術】

従来、気体流口の測定は、差圧式、カルマン渦・・・等
を利用した流量計測方式で行っていたが、これらの流冷
測定方式は、保守上、レンジアビリティ、精度、圧力損
失・・・等に問題点があった。 そこで、特に圧力損失がないという利点を有する気体超
音波流量計が登場してきた。これは、超音波の伝播速度
が、気体が流動するとその流向と流速に対応して変化し
、流れの向きと超音波の伝播方向が順方向であれば伝播
速度Ｃは流速ｖ分だけ増加し、逆方向であれば流速ｖ分
だけ減少することを利用したもので、例えば特開昭５６
−７４６２２に開示されている。 即ち、例えば第５図に示す如く、２個の超音波送受波器
１０を互いに対向させて配管１２の管壁に斜めに取付け
、交互に繰返して超音波パルスを送受信させた場合、ガ
ス体の流れ（矢印六方向）に対して順方向の伝播時間を
ｔ　（秒）、逆方向の伝播時間をｔ　′（秒）とし、気
体の流速Ｖ　（ｍ　／秒）との関係を求めると、次式の
ようになる。 ｔ　＝Ｌ／　（Ｃ十Ｖ　ｃｏｓθ）　　　　　　−・・
・・−−−−（１）ｔ　　＝　＝　Ｌ／　　（Ｃ−Ｖ　
　ｃｏｓθ）　　　　　　　＝　　（２）Ｖ＝Ｌ／２ｃ
ｏｓθＸ　　（１／ｌ　　−１／ｌ　　−）　　・・・
　（３）ここで、Ｌは送受波器１０間の距離（ｍ）、θ
は超音波伝゛播軸（以下測定軸と称する）と配管１２の
中心軸とがなす角度、Ｃは静止気体中の超音波の伝播速
度（ｍ／秒）である。 従って、前出（３）式により伝播時間

【、ｔ′の逆数差
を演算することによって、気体の流速Ｖを求めることが
できる（いわゆる伝播時間逆数差演算方式）。 又、超音波により気体の流速■を測定する他の方式とし
ては、特開昭５５−１３１７８６に、次式が開示されて
いる。 Ｖ＝Ｌ／２　（ｔ　′−ｔ　）／（ｔ　Ｘｔ　ｉ・（４
）この（４）式において、【は、気体の流れと同じ向き
の伝播時間、ｔ′は反対向きの伝播時間である。 【発明が解決しようとする問題点】 しかしながら、超音波により気体流速を測定する他の方
式も望まれていた。

【発明の目的１ 本発明は、前記従来の問題点を解消するとぎなされたも
ので、超音波により気体流速を測定する新しい方法を提
供することを目的とする。 【問題点を解決するための手段】 本発明は、超音波を用いて、気体等の流速を測定りる超
音波による気体流速測定方法において、気体等の流れの
方向に対して、測定線がある角度をもって交差する一対
の超音波送受波器を対向して設け、前記送受波器間にお
ける超音波パルスの送受信伝播時間を各々検出し、流れ
に対して順方向と逆方向の伝播時間の差と、各伝播時間
の和′の２乗の比から、線平均流速を求めるようにして
、前記目的を達成したものである。

【作用】

本発明の構成は、第１図及び第２図に示す如くであり、
一対の超音波送受波器１０が気体等の流れの方向Ａ（配
管１２の軸心と同じ）に対して、測定線がある角度をも
って交差するよう対向して設けられている。 今、超音波送受波器１０間の距離りをｎ等分したときの
各区間の距離りをｎ等分したときの各区間の距離をβ（
１）、静止気体中の超音波の伝播速度をＣ（ｎ＋／秒）
、第３図に示す如く、配管１２をｎ等分したときの各区
間の流速をｖ１〜Ｖｆｉ（ｍ／秒）、超音波送受波器１
０間のパルス経路と配管１２の軸心のなす角度をθとす
ると、配管１２をｎ等分したときの各区間における順方
向の伝播時間ｔ１〜ｔｎ（秒）は、次式で表わされる。

【１−λ／　（Ｃ＋　Ｖ　＋　ＣＯ３θ）・・・（５）
ｔ２＝β／　（Ｃ＋ｖ　ｚｃＯ３θ）・・・（６）ｔｎ
−λ／　（Ｃ＋　ｖｎｃｏｓθ）−（７）同様に、配管
１２をｎ等分したときの各区間における逆方向の伝播時
間ｔ＋”〜ｔｎ−（秒）は、次式で表わされる。 ｔ　＋　−−１２／　（Ｃｖ　＋ＣＯ３θ）　・（８）
一一− ｔ　　２　−　＝Ｊ２／　　（Ｃ−ｖ　　２　ＣＯ３θ
）・（９）ｔ　　ｎ　　−＝Ｊ２／　　（Ｃ−ＶＱＣＯ
３θ’）−（１０）従って、超音波パルスの流速に対し
て順方向の伝播時間Ｔ（秒）は、次式で表わされる。 ■＝Σ　【ｎ ２゜ 一Σλ／Ｃ×（１＋ｖｎ／ＣｘＣＯ３θ）１十（Ｖｎ／
Ｃｘｃｏｓθ）２ −　（Ｖｎ／ＣＸＣＯ３θ）３ −＋　（Ｖｉ　／ＣＸｃｏｓθ）　ｎ）　・（１１）同
様に、超音波パルスの流速に対して逆方向の伝播時間Ｔ
＝（秒）は、次式で表わされる。 Ｔ　”−＝ｅ　ｉｍＬ／ｎ　ＣＸ　（１＋　ｖｎ／ｃ　
ｘｃｏｓθ＋　（Ｖｎ／Ｃｘｃｏｓθ）２ ＋　　（Ｖｎ／Ｃｘｃｏｓ　　θ　）　３−＋　（ｖｎ
／ＣＸＣＯ３θ’）　ｎ）−＜　１２　）従って、順方
向と逆方向の伝播時間の差Ｔ−Ｔ−は次式で表わされる
。 Ｔ−Ｔ　−＝ｉｌ　ｉｍＬ／ｎ　Ｃ １＋％Ｏ啼 Ｘ　　＋　２　　Ｖｎ／　Ｃｘｃｏｓ　　θ→−２Ｖｎ
’／Ｃ３ｘｃｏｓ　　３　θ＋・”＋２　ｖｎ　ｎ／Ｃ
Ｉ″１ｘｃｏｓ　　ｎθ）＝２１／Ｃ２ｘｃｏｓ　　θ
×Ｖ　　　　　　・・・　（１３）従って、線平均流速
Ｖ（ｍ／秒）は、次式で表わされる。 Ｖ＝Ｃ２／２ＬｃｏｓθＸ（Ｔ−−Ｔ）・・・（１４）
ここで、順方向と逆方向の伝播時間の和Ｔ＋゛［′は次
式で表わされる。 Ｔ＋Ｔ＝＝ｊ２ｉｍＬ／ｎ　ＣＸ　（・２ｎ　＋２　　
Ｖｎ’／Ｃ２×ＣＯ５２θ＋−＋２　Ｖｎ　ｎ／Ｃ’ｘ
ｃｏｓ’θ） ＝＝２Ｌ／Ｃ・・・・・・・・・（１５）よって、（１
４）式と（１５）式から、求める線平均流速Ｖは、次式
で与えられる。 Ｖ＝２１／ｃｏｓθＸ（Ｔ′−Ｔ） ／（Ｔ＋Ｔ−）２・・・（１６） 次に前出（１６〉式、（１４）式について、線平均流速
Ｖが、次の条件でどのような値になるか算出してみた。 即ち、配管１２中の第４図に示す各点ａ、ｂ、ｃ、ｄ、
ｅで、ａ点、ｅ点の流速が３ｍ／秒、ｂ点、ｄ点の流速
が５ＩＩＩ／秒、０点の流速が６…／秒であるとすると
、平均流速は４゜４１０／秒になる。これに対して、前
出（１６）式で求めた線平均流速■は４．３９９１１／
秒となり、又、前出（１４）、式で求めた線平均流速Ｖ
は４゜４００ｍ／秒となり、いずれも充分な精度がある
ことが確認できた。 なお前記説明においては、配管１２内の流速を測定する
場合を例にとって説明していたが、本発明の適用範囲は
これに限定されず、一般の空間内における流速を測定す
る場合にも同様に適用可能であることは明らかである。 【実施例１ 以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する
。 本実施例は、前出第１図に示ず如く、配管１２に対して
、一対の超音波送受波器１０を、配管１２の中心軸に対
して傾けて取付けて、マイクロコンピュータ２２で前出
（１６）式により線平均流速■を求めるようにしたもの
である。第１図において、２４はアンプである。 この結果は非常に良好で、差圧発信器で流量を測定した
結果との比較でも充分満足できる結果が得られ、気体流
量管理制御用の流量計として使えることがわかった。 なお前記実施例においては、一対の超音波送受波器を用
いていたが、用いるべき超音波送受波器の組数はこれに
限定されず、２ｔｉＡ以上とすることも可能である。 【発明の効果】 以上説明した通り、本発明によれば、従来の伝播時間逆
数差演算方式を用いることなく、配管内又は空間を流れ
る気体等の流速を精度よく求めることができ、気体流量
管理制御用に用いることができるという優れた効果を有
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の詳細な説明するための、超音波送受
波器の取付は状態を示す配管の縦断面図、第２図は、同
じく、記号を説明するための断面図、第３図は、同じく
、各区間の流速分布を示す線図、第４図は、同じく、流
速分布の例を示す線図、第５図は、従来の超音波気体流
口測定方法の原理を示す断面図である。 １０・・・超音波送受波器、 １２・・・配管、 Ａ・・・流れの方向、 Ｔ・・・順方向伝播時間、 Ｔ′・・・逆方向伝播時間、 ２２・・・マイクロコンピュータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波を用いて、気体等の流速を測定する超音波
   による気体流速測定方法において、 気体等の流れの方向に対して、測定線がある角度をもつ
   て交差する一対の超音波送受波器を対向して設け、 前記送受波器間における超音波パルスの送受信伝播時間
   を各々検出し、 流れに対して順方向と逆方向の伝播時間の差と、各伝播
   時間の和の２乗の比から、線平均流速を求めることを特
   徴とする超音波による気体流速測定方法。