JPS629223A - 超音波による気体流量測定方法 - 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、配管内を流れる高温の気体
等の流量を測定する、超音波による気体流１　ｉ１定方
法の改良に関するものである。

【従来の技術】

従来、気体ＩＩ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ｊ！
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、２１１ｍ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（矢印へ方向）に対して順°方向の伝播
時間をｔ　（秒）、逆方向の伝播時間を１　′（秒）と
し、気体の流速Ｖ（＋ｅ／秒）との関係を求めると、次
式のようになる。 ｔ　＝Ｌ／　（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）−（１）ｔ　−−１／
　（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）・・・（２）Ｖ−Ｌ／２ｃｏｓθ
ｘ　（１／ｌ　−１／ｌ　−）・・・（３） ここで、しは送受波器１０間の距離（■）、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（＋＋／
秒）である。 流量は、配管１２の断面平均流速に断面積を乗じて求め
ることができるが、例えば伝播時間逆数差演算方式によ
り前出（３）式で求められる流速Ｖは、超音波伝播軸の
線平均流速であるので、従来は、プランティールの速度
分布方程式により、次式を用いて断面平均流速Ｖに換算
している。 Ｖ−Ｖ／　　（１＋　　０．０１　　　　　　、　　　
　十　　　　　　　ｅ　　”ｉ　　　）・・・　（４） ここでＲｅはレイノイズ数である。

【発明が解決しようとする問題点】

しかしながら従来の気体超音波流量計は、使用限界温度
が１８０〜２５０℃程度であり、１５０℃以上の高温気
体の場合には、超音波送受波器１０の先端部分の振動子
（白銅の発信子）とその外側に貼られたテフロンの間に
剥離が起き、計測不能となるという問題点を有していた
。 そこで従来は、高温気体等では差圧式の流量計を使用し
ていたが、圧損を少なくしたい場合等、どうしても超音
波流量計が有利であり、上記問題点を解決する必要があ
った。 一方、本発明と同様に超音波゛送受波器を配管内面より
外側引込んだ位置に対向して設けたものとしては、例え
ば特開昭５９−７５１１９に、超音波送受波器の輻射面
を測定管内壁から適当な距離を設けてプローブソケット
内に引き込めることにより、粉塵の衝突を避け、測定不
能な状態の発生を除くようにした気体流量の測定方法が
開示されている。 しかしながら、特開昭５９−７５１１９の目的とすると
ころは、粉塵が輻射面に衝突する際に発生プる音響的ノ
イズを除去することにあり、本発明のように、超音波送
受波器の先端部分の剥離を防止づると共に、伝播時間を
温度補正して正確な線平均流速を求めるものではなかっ
た。

【発明の目的】

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、高温気体の流速測定に際して、超音波送受波器の
先端部分の剥離を防止づると共に、伝播時間を温度補正
して正確な線平均流速を求めることができ、従って、気
体流量を正確に測定することができる、超音波による気
体流量測定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、、ＭＡ！：ａを用いて、配管内を流れる高温
の気体等の流量を測定する超音波による気体流量測定方
法において、ある軸方向断面内で、配管の軸心に対して
、測定線がある角度をもって互いに交差する複数組の超
音波送受波器を、配管内面より外側に引込んだ温度が低
い位置に対向して設け、各組の送受波器筒における超音
波パルスの送受信伝播時間を各々検出し、該伝播時間か
ら、気体の温度及び各送受波器の配管内面からの引込み
距離による形容を除いて線平均流速を求め、該線平均流
速より気体流量を測定することにより、前記目的を達成
したものである。 又、本発明の実施Ｂ様は、前記線平均流速を、前記断面
内の流速分布を積算して平均したと同等の真の線平均流
速としたものである。 又、本発明の他の実施態様は、前記複数組の超音波送受
波器の一組を、配管の軸心に対して、測定線が垂直に交
差するよう対向して設けたものである。

【作用】

本発明においては、超音波を用いて、配管内を流れる高
温の気体等の流量を測定するに際して、超音波送受波器
を、配管内面より外側に引込んだ温度が低い位置に対向
して設けるようにしている。 従って、超音波送受波器の先端部分の温度を、例えば１
５０℃以下とすることができ、先端部の剥離等の問題が
なくなって、高温気体の計測が可能となる。 又、前記超音波送受波器を、ある軸方向断面内で、配管
の軸心に対して、測定線がある角度をも−って互いに交
差プるよう複数組設け、各組の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、該伝播時間か
ら、気体の温度及び各送受波器の配管内面からの引込み
距離による影響を除いて線平均流速を求めるようにして
いる。従って、気体の温度や各送受波器の配管内面から
の引込み距離による影響を受けることなく、高温気体の
流量を高精度で求めることができる。 なお前記線平均流速を、航記断面内の流速分布を積算し
て平均したと同等の真の線平均流速とすることにより、
より高精度の測定を行うことができる。 更に、前記１１８２組の超音波送受波器の１組を、配管
の軸心に対して、測定線が垂直に交差するよう対向して
設けることにより、演算を簡略化することができる。 【実施例１ 以下図面を参照して、本発明が採用された気体流量測定
装置の実施例を詳細に説明する。 本発明の第１実施例においては、第１図及び第２図に示
す如く、ある軸方向断面内で、配管１２の軸心に対して
、測定線がある角度をもって互いに交差する２組の超音
波送受波！１１０．２０が、配管１２の内面より外側に
引込んだ湿度が１５０℃以下の低い位置に対向して設け
られている。前記各超音波送受波器１０．２０の直前及
び前記配管１２には、それぞれ熱電対あるいは測温抵抗
体からなる温度センサ２２．２４がそれぞれ配設されて
いる。前記各超音波送受波器１０．２０．温度センサ２
２．２４の出力はマイクロコンピュータ２６に入力され
、そこで求められた流量が表示器２８で表示される。 以下第１実施例の作用を説明する。 前出第１図及び第２図に示したような配置において、超
音波送受波器１０１Ｉｌの流速に対して順方向の伝播時
ＲＴｗ（秒）は、次式で表わされる。 Ｔ１−Σ（ｎ＋　（１＋Ｅｌ　）　／ｋ　１Ｇ。 ；“ 一ΣＬ　ｔ　／ｎ　ＣＸ　（１＋　ｖｎ／Ｃｘ　ｃｏｓ
θ１）−’　＋　（■＋ｐ　）　／ｋ　１Ｃ。 −ΣＬ　＋　／ｎ　ＣＸ　（１−ｖｎ／Ｃｘ　ｃｏｓθ
１＋（Ｖｉ／ＣＸＣＯ３θ１）２−−＋　（Ｖｎ／Ｃｘ
ｃｏｓθ１）ｎ） ＋　（１＋Ｄ　）／ｋ　ＩＣｏ　　　　、、Ｈ（５）こ
こで、ｔｎは、配管１２の垂直方向をｎ等分した場合の
、超音波送受波器１０間の測定線に沿う各区間の伝播時
間（秒）、ｍ、ｐは、第２図に示す如く、超音波送受波
器間のパルス系路の送受波器先端部と配管内面までの距
離（１）、ｋｔは、超音波送受波器１０の取付けられて
いるノズル内の温度における静止気体中の超音波の伝播
速度と０℃における膠化気体中の超音波の伝播速度の比
、ＣＯは、０℃における静止気体中の超音波の伝播速度
（ｌ／′秒）、Ｌｌは、超音波送受波器１０間の距１（
Ｉｔ）、ｖｎ’は、配管１２の垂直方向を「１等分した
時の超音波送受波器間の測定線に沿う各区間の流速（ｍ
／゛秒）、θ１は、超音波送受波器１ｏｒｉのパルス系
路と配管１２の軸心のなす角度、Ｃは、配管内の温度に
みける気体が静止している時の超音波の伝播速度（ｍ／
秒）である。 同様に、超音波送受波器１０間の流速に対して逆方向の
伝播ＦＲ闇Ｔ１′（秒）は、次式で表わされる。 Ｔ＋　’−ｊ！ｉｌＬ＊／ｎ　Ｃｘ　（１＋　　ｖｎ／
Ｃｘ　ｃｏｓθ１＋（Ｖ　ｎ／　ＣＸ　ＣＯ２Ｏ３）２
＋−＋　（ｖ１／′ＱＸ　ｃｏｓθ１）ｎ）＋（１＋Ｄ
　）／ｋ　ＩＧｏ・・・（６）従って、順方向と逆方向
の伝播ｆＩ＃間の差Ｔ１−丁７′は次式で表わされる。 Ｔ　、−Ｔ　Ｉ　　−一ρ１ｍ１−　＋　／′ｎ　　Ｃ
Ｘ　（２ｖｎ／Ｃｘｃｏｓ　θ＋＋２Ｖｎ３／Ｃ３ｘｃ
ｏｓ　　ｊ　θ１＋　−＋　２　　Ｖ　ｎｎ−’　／　
Ｃ’−’ＸＣＯ３’″θ　１　） ＋２Ｌ＋／Ｃ２ｘｃｏｓ　　θ＋ＸＶ ・・・　（７、） 従って、断面内の流速分布Ｖｎを積算して平均したと同
等の真の線平均流速Ｖ（ＩＩＩ／′秒）は、次式で表わ
される。 Ｖ＝Ｃ２／２１１ＣＯ５θ＋Ｘ（Ｔ＋−−Ｔ１）・・・
（８） 一方、超音波送受波器１０間の順方向及び逆方向の往復
伝播時間Ｔ　＋　＋　Ｔ　ｔ−は、次式で表わされる。 Ｔ＋　＋Ｔ＋　　′＝ＡｉｌｌｌＬ＋／ｎ　Ｃｘ　（２
ｎ　＋　（２ＶＱ２００Ｓ　２θ＋）／Ｃ２十−＝＋　
（２ｖｎ　ｎｃｏｓ　ｎθ＋　）　／　Ｃ’　）＋２　
　（１＋１１　　＞／ｋ　　＋　Ｃ。 ÷（２Ｌ＋／Ｃ）＋２（１＋１１＞／ｋ　１ｃ。 ・・・（９） 同様にして、超音波送受波器２０間の順方向及び逆方向
の往復伝播時間Ｔ２＋７２−は、次式で表わされる。 Ｔ２＋７２−÷（２Ｌ　２　／’　Ｃ）　＋２　（ＩＩ
Ｉ　＋　Ｄ　）／　ｋ　　２　　Ｃｏ　　＝　　（１０
）ここで、Ｌ２は、超音波送受波器２０間の距離（Ｉｌ
ｌ）、ｋｚは、超音波送受波器２ｏの取付けられている
ノズル内の温度における静止気体中の超音波の伝播速度
と０℃における静止気体中の超音波の伝播速度の比であ
る。 前出（９）式と（１０）式から超音波の伝播速度Ｃ（Ｉ
ｌｌ　／−’秒）は、次式で表わされる。 Ｃ＝２　（ｋ　１Ｌ１−ｋ　２Ｌ２） ／’（ｋｔ　　（Ｔ＋＋Ｔ＋−）−ｋｚ（Ｔｚ＋Ｔｚ−
））・・・（１１） この（１１）式を前出（８）式に代入すると、線平均流
速Ｖ　（Ｉｎ／秒）は、次式で求められる。 Ｖ＝２　（ｋ　＋　Ｌ＋　　ｋ　ｚＬｚ）’／Ｌ＋ｃｏ
ｓθ１Ｘ（Ｔ’＋−Ｔ＋）／（ｋ＋（Ｔ＋＋Ｔ＋−）−
ｋ　２　（Ｔｚ十Ｔｚ））’　　　・・・（１２）前記
マイクロコンピュータ２６は、前出（１２）式の演算を
行って、断面内の流速分布を積算して平均したと同等の
真の線平均流速■を求め、該線平均流速Ｖより気体流量
Ｑを演算して、演算結果を表示器２８に出力して表示す
る。 なお、ノズル内の超音波流速により伝播速度の比に＋、
に２の値は変換するので、各ノズルの送受波器のところ
の温度と配管１２内の温度とを温度センサ２２．２４で
測定し、これらの間の積分を行うことにより、０℃にお
ける静止気体中の超音波の伝播速度の比を求めるように
している。 次に、本発明の第２実施例を詳細に説明する。 この第２実施例は、第３図及び第４図に示す如く、１組
の超音波送受波器３０を配管１２の軸心に対して、測定
線が垂直に交差するように対向して設けたものである。 他の点については前記第１実施例と同様であるので説明
は省略づる。 以下、第２実施例の作用を説明する。 この第２実施例のように、１組の超音波送受波器３０を
配管１２の軸心に対して垂直に取付けたとき、該超音波
送受波器３０間の流速に対して順方向の伝播時間Ｔ３（
秒）及び逆方向の伝播時間Ｔ３′〈秒）゛は、次式で表
わされる。 Ｔｓ　＝　（［）、／’Ｃ）　＋（ｍ　＋ｌ）　）　、
７′ｋ　３Ｃ。 ・・・（１３） Ｔｓ　　＝　　＝　　（Ｄ／Ｃ）　　＋　　（１ｍ　　
＋１）　　）　　、−’ｋ　　　ｓ　　Ｃ。 ・・・（１４） ここで、Ｄは、超音波送受波器３０間のパルス経路の配
管１２内の長さく配管径）（ｔｌ）、ｋａは、超音波送
受波器３０が取付けられているノズル内の温度における
静止気体中の超音波の伝播速度と０℃における静止気体
中の超音波の伝播速度の比である。 又、次式の関係が成立する。 （ｋ−＋Ｔ＋　　ｋａ（Ｔ３＋７３−）／２）Ｘ　（ｋ
　＋Ｔ＋　−−ｋ　３　（Ｔ３＋７３−）／２）　　　
−＝（ｋ　＋Ｌ＋　−ｋ　３Ｄ）２／’Ｃ２・・・（１
５）この（１５）式を前出（８）式に代入すれば、線平
均流速Ｖ（ｍ／秒）は、次式で求められる。 Ｖ＝（ｋ＋Ｌ＋　　ｋ３Ｄ）２／’２Ｌ＋ｃｏｓθ１Ｘ
（Ｔ＋−Ｔ１　）／１（ｋｔＴ＋ −ｋ　　３　（Ｔ３＋Ｔ３−）／２）Ｘ　［ｋ　　＋Ｔ
＋　　−ｋ　　３　（Ｔ３＋Ｔ３−）／２）］　・・・
（１６）他の作用については前記第１実施例と同様であ
るので説明は省略する。 本実施例においては、超音波送受波器の１組を配ｆ！１
１２の軸心に対して測定線が垂直に交差するように対向
して設けているので、マイクロコンピュータ２６内の計
算が簡単である。 前記実施例においては、いずれも、前出（６）式、（７
）式、（９）式から明らかな如く、線平均流速を、断面
内の流速分布ｖ１〜Ｖｊｌを積算して平均したと同等の
真の線平均流速としているので、特に高精度の測定が可
能である。なお、線平均流速を求める方法はこれに限定
されず、例えば配管内に関しては流速分布が均一である
と仮定して計算することも可能である。 【発明の効果１ 以上説明した通り、本発明によれば、超音波送受波器の
先端部分の剥離を防止することができると共に、伝播時
間を温度補正した線平均流速を求めることができ、高温
流体の流量を高精度で求め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、本発明が採用された超音波による気体流量測
定装置の第１実施例の全体構成を示す、一部ブロック線
図を含む断面図、第２図は、前記第１実施例の計算で用
いられている記号を説明するための断面図、第３図は、
本発明が採用された超音波による気体流量測定装置の第
２実施例の全体構成を示す、一部、ブロック線図を含む
断面図、第４図は、前記第２実施例で用いられている記
号を説明するための断面図、第５図は、従来の超音波気
体流Ｉ測定方法の原理を示す断面図である。 １０．２０．３０・・・超音波送受波器、１２・・・配
管、 ２２．２４・・・温度センサ、 ２６・・・マイクロコンピュータ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波を用いて、配管内を流れる高温の気体等の
   流量を測定する超音波による気体流量測定方法において
   、 ある軸方向断面内で、配管の軸心に対して、測定線があ
   る角度をもつて互いに交差する複数組の超音波送受波器
   を、配管内面より外側に引込んだ温度が低い位置に対向
   して設け、 各組の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、 該伝播時間から、気体の温度及び各送受波器の配管内面
   からの引込み距離による影響を除いて線平均流速を求め
   、 該線平均流速より気体流量を測定することを特徴とする
   超音波による気体流量測定方法。
2. （２）前記線平均流速を、前記断面内の流速分布を積算
   して平均したと同等の真の線平均流速とした特許請求の
   範囲第１項記載の超音波による気体流量測定方法。
3. （３）前記複数組の超音波送受波器の一組を、配管の軸
   心に対して、測定線が垂直に交差するよう対向して設け
   た特許請求の範囲第１項記載の超音波による気体流量測
   定方法。