JPS6262218A - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は超音波流量計に関するものであり、さらに詳
しくは、流体の流れに所定の角度をもって超音波を順方
向および逆方向にそれぞれ送受波したときの各伝搬時間
の差ΔＴおよび両者の平均伝搬時間Ｔ。から、所定の演
算式を用いて流体の流量を計測するに当たり、特に流量
を重量単位で計測し得るようにした超音波流量計に関す
る。

〔従来の技術〕

第５図は超音波流量計の従来例を示すブロック図である
。

この例では、超音波振動子１および１′がクサビ部材２
および２′にそれぞれ図示の如く取り付けられ、クサビ
部材２および２′は、流体３が流れる管をこの振動子の
一方から発せられる超音波が所定の角度θをもって横切
り、管４の他方の振動子に受信されるよう、管４の外側
に取り付けられ、これによって超音波振動子１．クサビ
部材２゜管４の内壁、流体３．管４の内壁、クサビ部材
２′および超音波振動子１′が互いに音響的に結合され
る。

すなわち、超音波振動子１は、発信部５から実線位置に
ある切替スイッチ部６ａを介して入力される電気信号を
超音波に変換し、これを他方の超音波振動子１′に向け
て発振する。振動子１′では、受信した超音波を電気信
号に変換して出力する。受信及び時間計測回路７は、発
信部５からの発信々号と実線位置にある切替スイッチ部
６ｂを介して受信した振動子１′からの受信々号とによ
って、超音波の伝搬時間Ｔ１を計測する。この計測時間
Ｔ、は、実線位置にある切替スイッチ部６Ｃを介して記
憶回路８に与えられ、記憶される。次にスイッチ６ａ、
６ｂおよび６ｃを破線位置へと切り替え、振動子１′を
発信側、同じく１を受信側とすることにより、上記とは
逆方向に超音波の発、受信を行ない、このときの超音波
の伝搬時間Ｔ２を測定し、もう一方の記憶回路９に記憶
させる。

ところで、振動子１から１′までの、流れに対する順方
向の超音波伝搬時間Ｔ、および振動子１′から１までの
逆方向の超音波伝搬時間Ｔ２は、流体中の伝搬時間をそ
れぞれｔＩ＋’２とし、流体以外のクサビ部材や管壁に
おける伝搬時間をτとすると、次式で表わすことができ
る。

Ｔ、＝ｔ、　　＋τ　　　　　　　　　　　・・・・・
・（１）Ｔ２＝ｔ２＋τ　　　　　　　　　　　・・・
・・・（２）したがって、その伝搬時間差ΔＴは次式の
如く求めることができる。

ΔＴ＝Ｔｚ　　Ｔ＋ −（ｔ２＋τ）　　　Ｎ＋　十τ） −１，−１，・・・・・・（３） いま、管４の内径をＤ、流体中の音速（超音波の伝搬速
度）をＣ１超音波の入射角をθ、管内の流速をＶとする
と、上記伝搬時間ｔｌ＋　　ｔ２は一般に次式の如（表
わされることが知られている。

したがって、ΔＴは次の如くなる。

し−−ｖ−ｓｔｎ”σ こ＼で、流体中の音速Ｃと管内の流速Ｖとを比較すると
、流体が水の場合、Ｃは一般に１，０００〜１．６００
ｍへの範囲にあるのに対し、■は１０ｍ／ｓ以下である
。したがって、 Ｃ２＞Ｖ２ｓｉｎ２θ となり、ΔＴは次の如く近似することができる。

流体中の超音波音速Ｃが一定であれば、ｓｉｎθ／Ｃ２
ｃｏｓθ なる量は一定となり、ΔＴは流速■に比例する。

したがって、ΔＴを計測することによって、流速■およ
びこれと所定の比例関係にある流量を計測することがで
きる。

ところで、上記（７）式においては、流体の音速Ｃが変
化しないときは、 ΔＴαＶ の関係が成り立つが、流体中の音速Ｃは流体の温度また
は圧力が変わることによって変化する。また、音速Ｃが
変化することにより反射・屈折に関するスネルの法則に
したがって角度θも変化するため、音速Ｃが変化すると
流速■の計？１！１４ｍに誤差が生じる。特に、流体が
常温から高温く３００℃位）まで変化するとか、管の厚
みが大きい場合には、音速Ｃの変化による影響も大きく
なり、計測誤差が大となる。そこで、上記（７）式を次
式の如く変形する。

いま、流体が静止しているもの（Ｖ−０）とすると、上
記（４）および（５）式より、となり、１．＝１２とな
る。そこで Ｔ　＋　−Ｔ　２　＝　Ｔ　。

とおくと、先の（１）　、　（２）式より、となり、こ
れを変形すると、 が得られる。この（１１）式を（７）式に代入すると、
Ｄ となり、 が得られる。こ−で、流体が流れているときには、とし
て近偵的にＴｏを求めることができ、上記（１３）式は
■キＯのときも成立する。つまり、この（１３）式にお
いて、ΔＴ、Ｔ、はさておき、角度θおよびτを計測で
きれば所定の演算装置を用いて流速■を求めることがで
きるが、この角度θおよび流体以外の部分における伝搬
時間τをそれぞれ独立に計測することは、必ずしも容易
ではない。

しかしながら、Ｔｏとｌ／５ｉｎ２θおよび１／〔５ｉ
ｎ２θ・（Ｔｏ−τ）ｚ〕との間にはそれぞれ所定の関
係が成立し、これは温度、圧力等の条件にかかわりなく
成立することが確かめられている。したがって、第５図
の如く、演算回路１０にて伝搬時間差ΔＴを求める一方
、演算回路１１にて平均伝搬時間Ｔ０を求め、この演算
値Ｔ０から関数発生器やＲＯＭ等を用いて１／（ｓｉｎ
２θ・（Ｔ　ｏ−τ）ｔ〕の値を求め、音速補正及びス
ケールファクタ演算部１２においてこの値にΔＴを乗算
した後、所定のスケールファクタ（換算係数）を考慮す
ることにより、流体の流量を求めることができる。

ところで、こうして得られる流量値Ｑｖは容積流量であ
るため、密度補正演算部１５′では、外部の所定センサ
から与えられる温度信号Ｔおよび圧力信号Ｐを用いて流
体の密度を求め、この密度と容積流量ＱＶとから重量流
量Ｑ＋、＋を求めるようにしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記流体の温度信号Ｔおよび圧力信号Ｐ
は、超音波流量計とは別の検出部（センサ）によって計
測されるため、超音波流量計の計測時間と温度、圧力の
計測時間との間には時間的なずれが生じてしまう。特に
、密度変化に対して大きな影響を与える温度計測は、温
度計の保護管の厚み等によって相当の計測応答遅れのあ
ることが知られている。したがって、流体温度が変化し
ているときには密度補正演算に誤差が生じ、これは急激
な温度変化をしているとき程顕著となる。

また、これらセンサまたは変換器のもつ誤差が補正演算
の誤差となる。さらには、密度補正のためにわざわざ温
度信号および圧力信号を導入するのは煩わしいばかりで
なく、流量計の信頼性を低下させる原因ともなる。

したがって、この発明は流体の温度および圧力を直接計
測することなく密度補正演算、すなわち容積流量単位か
ら重量流量単位への変換が可能な超音波流量計を提供す
ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

超音波の順、逆方向の伝搬時間差と平均伝搬時間とを含
む量から所定の演算をして容積流量を求め、これに流体
の密度（比重）を考慮してその重量流量を演算するに当
たり、容積流量値を入力としそれに応じた圧力値を出力
する第１の関数発生器と、平均伝搬時間値を入力としそ
れに応じた温度または比重値を出力する第２の関数発生
器とを設ける。

〔作用〕

流体の比重および超音波の平均伝搬時間は温度。

圧力の関数で、とりわけ温度による影響が大きいこと、
および流体の圧力が容積流量の関数であることにそれぞ
れ着目し、平均伝搬時間から圧カ一定としたときの比重
値を求め、この比重値に対して圧力に応じた補正をする
ことにより、流体の温度、圧力を直接計測することなく
、比重が正確に求められるようにする。

〔実施例〕

第１図はこの発明の実施例を示すブロック図、第２図は
温度と密度との関係を説明するためのグラフ、第３図は
温度と平均伝搬時間との関係を説明するためのグラフ、
第４図は流量と圧力との関係を説明するためのグラフで
ある。

第１図からも明らかなように、この実施例は流量信号Ｑ
ｖを入力としてそれに対応する圧力補正値を出力する関
数発生器１３、平均伝搬時間信号Ｔ０を入力としてそれ
と対応する温度または比重値を出力する関数発生器１４
、およびこれら関数発生器からの信号を入力として容積
流量Ｑｖから重量流量Ｑ。を求める密度補正演算部１５
を設けた点が特徴であり、その他は第１図に示すものと
同様である。

これは、流体の密度（比重）が第２図に示す如く温度と
圧力の関数であること、また超音波の平均伝搬時間Ｔ。

も第３図の如く流体温度と圧力の関数であることから、
流体の圧力が一定ならば平均伝搬時間Ｔ。より流体の温
度または密度が求められることに着目し、この密度によ
って容積流量から重量流量を求めるものである。すなわ
ち、流体の密度は温度によって大きく変化するが、圧力
による影響は比較的小さい。例えば、流体温度が２５０
℃で、圧力が２００ａｔａ（絶対圧力）、　３００ａｔ
ａのときの密度は、第２図の如き関係からそれぞれ８１
６　ｋｇ／ｃｍ″、　　８２５　ｋｇ／ｃｍ”であり、
凡そ１％程度の変化に過ぎない。したがって、精度を無
視するならば、基本的には平均伝搬時間Ｔ。

によって流体の温度または密度が求められることになる
。

しかしながら、精度も無視できない場合には、圧力によ
る補正が必要となる。ところで、流体の流量と流体圧力
との関係は、ポンプのＱ（流量）−Ｈ（圧力）カーブ、
ポンプ台数およびポンプの回転数等から決定され、例え
ば第４図の如き関係にあることが知られている。したが
って、流体の流量が分かれば、これから圧力を推定する
ことができる。なお、この場合の推定誤差は凡そ±５に
＋ｒ／ｃｍ２程度であり、密度誤差にすれば±０．０５
％にすぎない。

以上のことから、超音波流量計の流量信号Ｑｖおよび平
均伝搬時間Ｔ。とから流体の密度を求め得ることがわか
るので、第１図の実施例では流量信号を入力とする関数
発生器１３と、平均伝搬信号を入力とする関数発生器１
４とを設けて圧力信号および温度信号をもとめ、密度補
正演算部１５においてこれらの信号から密度補正演算を
して重量流量Ｑ８を求めるようにしている。

こうすることにより、外部からの温度、圧力信号を必要
とせず、しかも流量計測の基本となる伝搬時間Ｔ、、Ｔ
２と、補正のための基本となる平均伝搬時間Ｔ。とが常
に同じ計測信号であるため、検出時間のずれによる誤差
を生じないものとすることができる。つまり、従来の如
く外部の温度。

圧力信号を利用するものでは温度、圧力の検出誤差と検
出時間のずれによる誤差とが生していたが、この発明に
よればかかる誤差をなくすことができる。

なお、上記の実施例では関数発生器１３．１４および密
度補正演算部１５に分けて説明したが、平均伝搬時間Ｔ
。から直接密度を求め、これを圧力信号により補正する
方が現実的であり、有効である。

〔発明の効果〕

この発明によれば、以下の如き利点または効果を期待す
ることができる。

１）個別の温度、圧力センサを用いて密度補正し、単位
変換をする従来例に比べて応答性および精度が向上する
。

２）個別の温度、圧力センサまたは変換器を用いないた
め、低コスト化が図られるばかりでなく、信頼性を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す構成図、第２図は温度
と密度との関係を説明するためのグラフ、第３図は温度
と平均伝搬時間との関係を説明するためのグラフ、第４
図は流量と圧力との関係を説明するためのグラフ、第５
図は超音波流量計の従来例を示すブロック図である。 符号説明 １．１′・・・超音波振動子、２．２′・・・クサビ部
材、３・・・流体、４・・・管材（パイプ）、５・・・
発信部、６ａ、６ｂ、６ｃ・・・切替スイッチ部、７・
・・受信及び時間計測部、８．９・・・記憶回路、１０
・・・時間差（ΔＴ）演算部、１１・・・平均伝搬時間
（Ｔｏ　）演演算部、１２・・・音速補正及びスケール
ファクタ演算部、１３．１４・・・関数発生器、１５．
１５’・・・密度補正演算部、Ｑｖ・・・容積流量、Ｑ
、・・・重量流量。 代理人　弁理士　並　木　昭　夫 代理人　弁理士　松　崎　　　清 Ｉ！１図 第２図 湿度□ 第３図 ′、１７Ｌ− 第４図 第５図 う叛忰３ グ ー、−−ｂ ５　劉轡　姉２″７ ・６Ｃ ８を乙＝＋楚　　　［≦ン５ネ「１−−９目詩 づ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 流体の流れに対し所定の角度をもって超音波信号を順方
   向および逆方向にそれぞれ送受信してその伝搬時間差お
   よび平均伝搬時間を求めるとともに、これらの量を含む
   所定の演算をして容積流量を求め、該容積流量に流体の
   密度（比重）による換算をして重量流量を計測する超音
   波流量計において、前記容積流量値を入力としてそれに
   応じた圧力値を出力する第１の関数発生器と、前記平均
   伝搬時間値を入力としてそれに応じた温度または比重値
   を出力する第２の関数発生器とを設け、該第１、第２関
   数発生器の各出力にもとづき所定の演算をして流体の比
   重を求めることを特徴とする超音波流量計。