JPS63233323A - 超音波送受波装置 - 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、超音波送受波器に係り、とくに超音波式流量
測定装置に好適な超音波送受波器に関する。

〔従来の技術〕

超音波による配管内の流量測定方法としては、従来より
第１０図に示すものがある。この第１０図の従来例にお
いて、一方の超音波送受波器５０の超音波振動子５１か
ら下流側に向けて出力される超音波は、伝播経路Ｉｔ、
、　　１２．　　Ａ’、、　　／４゜ｌ、及び１６を経
て他方の超音波送受波器６０の超音波振動子６１に至る
。そして、この場合に要する伝播時間をｔ４とする。ま
た、他方の超音波送受波器６０の超音波振動子６１から
上流側に向けて出力される超音波は、伝播経路’＆＋’
５＋７！、、Ｉｌ、、　　β２．及びｘ、を経て一方の
超音波送受波器５０の超音波振動子５１に至る。そして
、この場合に要する時間をｔｕとする。

この場合、配管３内の流速は、次式にて求まる。

Ｖ＝（Ｃ”　／２Ｄ−ｔａｎ　θ）　　・　（ｔｕ−ｔ
４＞ここで、Ｄは配管３の内径、θは流動体中の屈折角
、Ｃは流動体の音速を示す。

この結果、流動体の音速が予め確定しているものについ
ては、上式に基づいて配管３内の流動体の流速Ｖを比較
的容易に測定することができ、同時に配管３の内径が明
らかとなっていることから配管３内の流動体の流量も極
く容易に求め得るようになっている。

一方、かかる従来例においては、被測定流動体の音速が
不明の場合には配管３内の流速及び流量を測定すること
ができないという本質的欠点を有している。このため、
発明者らは、配管３の測定時における管壁部分の超音波
の位相速度と群速度とを測定することにより、配管３内
の液体の音速が不明であっても当該被測定流動体の流速
および流量を掻く容易に算定し得る新たな手法を開発し
た。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前述した従来例に示す超音波送受波器５
０．６０においては、特に配管３の管壁部分の超音波の
位相速度を測定するのが非常に困難となっており、むし
ろ不可能に近いものとなっている。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、とく
に流速及び流量の測定時に配管の管壁部分の超音波の位
相速度を極く容易に求めることができる超音波送受波器
を提供することを、その目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明では、傾斜面と超音波放射面とを備えた
クサビ部材と、このクサビ部材の前記傾斜面に固着され
た超音波振動子とを有し、前記超音波放射面に当接され
る被測定物に対して超音波を斜入射せしめる構造の超音
波送受波器において、前記超音波放射面で内部反射する
超音波成分のクサビ部材内における進行方向先に、当該
内部反射波の進行方向に直交する超音波反射面を設ける
という構成を採り、これによって前記目的を達成しよう
とするものである。

〔発明の第１実施例〕 次に、本発明の第１実施例を第１図ないし第３図に基づ
いて説明する。

第１図において、超音波送受波器１は、クサビ部材ＩＡ
と超音波振動子ＩＢとを備えている。クサビ部材ＩＡは
、断面が台形状をなし、その一方の斜面１ａに超音波振
動子ＩＢが固着されている。

また、他方の斜面１ｃは、超音波振動子ＩＢから発信さ
れた超音波が入射面１ｂで反射してクサビ部材ＩＡ内を
伝播する場合の当該伝播経路に直交する超音波反射面を
構成している。このため、クサビ部材ＩＡを伝播する内
部反射波は、超音波振動子ＩＢ側に戻るようになってい
る。

第２図は、上記超音波送受波器１を実際の超音波式流量
測定装置に組込んだ場合を示す説明図である。ここで、
超音波送受波器２は、上記超音波送受波器１と全く同一
のものが使用されている。

すなわち、第２図において、■は配管３の上流側に装備
された一方の超音波送受波器を示し、２は同じく配管３
の下流側に装備された他方の超音波送受波器を示す。こ
の内、前記一方の超音波送受波器１は、図に示すように
超音波を配管３へ斜入射せしめるためのクサビ部材ＩＡ
と振動子ＩＢとを備えている。また、他方の超音波送受
波器２も同一に形成されたクサビ部材２Ａと振動子２Ｂ
とを備えている。

これらの各超音波送受波器１．２の各々は、送受信切換
部１０を介して発信回路部１１及び受信回路部１２に各
別に接続されている。この第２図においては、配管３内
の液体は図の左方から右方へ流動する場合が示されてい
る。

前記超音波送受波器１．２の各々においては、配管３内
の流速に応じて第３図に示す如き繰り返し信号が受信さ
れる。

この第３図において、同図（１）のＮ−０の波は、第２
図に示す経路Ａ、、　　ｌ、、Ａ？、ｉｓおよびｌ、の
順に伝播し、流動体中を通過することなく他方の超音波
送受波器２に到達する受信波を示す。

一方、同図（２）のＮ＝０の波は、超音波送受波器２か
ら発射された超音波が第２図に示す経路１６゜ｌＳ、１
７，１２および！、の順に伝播し、流動体中を通過する
ことなく一方の超音波送受波器１に到達する受信波、す
なわち同じ通過領域を逆方向に伝播する超音波信号波を
示す。

また、第３図（１）のＮ＝２の波は、超音波が第１図に
おける配管３の上側の管壁部分から一度流動体４内に漏
洩し、流動体４中を伝播して配管部３における下側の管
壁部分に入射し、同管壁部分を伝播しながら再度流動体
４内へ漏洩伝播して配管部３の上側の管壁部に入射し、
続いて上側の管壁部分を伝播して超音波送受波器２に到
達する波を示す。すなわち、Ｎ−２の波は流動体中の伝
播行程が２行程となる受信波を示す。一方、第３図（２
）におけるＮ＝−２の波は、同図（１）におけるＮ−２
の波の逆方向を伝播する２行程の受信波を示す。

同様に、Ｎ＝４の波は、流動体中の経路が４行程となる
受信波を示す。

この内、上流側の超音波送受波器１から下流側に向けて
超音波を発射した場合に下流側の超音波送受波器２に受
信される各受信波の伝播時間１゜（ｄ＝１．２．４．・
・・・・・）は、第２図においては次式で表わされる。

ｔａ　＝　（（Ｌ−ＮＤ−ｔａｎ　θ）　／Ｖ、　：ｌ
　＋（（ＮＤ／ｃｏｓ　θ）／（Ｃ＋ｖ−３ｉｎθ）〕
＋τ、＋τ２　　　　　　　　　　・・・・・・■θ−
５ｉｎ　−’　（Ｃ／　Ｖ、　）　　　　　　　　−・
”■但し、Ｌ：超音波送受波器相互間の間隔Ｎ：流動体
中の伝播行程数（往復の場合はＮ−２） ■、：配管部を伝播する超音波の群速度ｖ、：配管部を
伝播する超音波の位相速度θ　：第２図に示す超音波の
漏洩伝播角τ３．τ２　：超音波が超音波送受波器内を
通過するのに要する時間 一方、下流側の超音波送受波器２から上流側に向けて超
音波が発射された場合に上流側の超音波送受波器１に受
信される受信波の全伝播時間ｔｕ（ｕ＝１．３，５．・
・・・・・）は、式■■と同様に次式で表わされる。

ｔｕ　＝　（（Ｌ−ＮＤ−ｔａｎ　θ’）／ｖ＊　）＋
（（ＮＤ／ｃｏｓ　θ）　／　（Ｃ−Ｖ−ｓｉｎ　θ）
〕＋τ、＋τ２　　　　　　　　　　・・・・・・■但
し、Ｌ、Ｎ、Ｖ、、Ｖｐ、　　θ及びτＩｔ　　τ！は
、式■■の場合と同じ。

これらの受信波は、Ｎ＝Ｏ，Ｎ＝２．Ｎ−４の順で受信
回路部１２及び信号選択手段１３Ａを介して計時手段１
３でそれぞれ計時されたのち、信号処理部２０へ送られ
るようになっている。

次に、流動体中経路の行程がＭ行程具なる２つの受信波
の伝播時間差Δｔ４．Δｔｕは、Δｔａ　””　（ＭＤ
−ｔａｎ　θ／ＶＷ　）　＋（（ＭＤ／ｃｏｓ　θ）　
／　（Ｃ＋Ｖ　−５ｉｎ　θ）〕・・・・・・■− Δｔ、　”　（−ＭＤ−ｔａｎ　θ／Ｖ、）”（（ＭＤ
／ｃｏｓ　　θ）　　／　　（Ｃ−Ｖ　−５ｉｎ　　θ
）〕・・・・・・■ ここで、Ｍ−２の場合、第３図との関係では、Δｔ４＝
２ｔ４−ｔ２−ｔ、−ｔ４−ｔｔΔｔｕｘ２ｊｕ−ｘｉ
、　ｔｔ＝ｔｓ　　ｔｓこの式■■より、流動体の音速
Ｃは、次式〇の根として算出し得る。

ｒ、　　（ｖ、、ｖ、、　　Δｔｕｔ　　Δｔａ、Ｃ）
ｗ　（１＋（ｒＶｇ　”　）　Ｃ’　−（２Ｖｐ　Ｖ＊
　＋αＶ、”　Ｖ、”　）Ｃ”　＋Ｖ、”　Ｖ、”＝Ｏ
・・・・・・■ α−（Δｔｕ＋Δｔａ　）　”　７４Ｍ”　Ｉ）Ｚこれ
らの演算は、信号処理部２０で行われ、その結果が表示
手段１８で表示されるようになっている。

式■で求めた音速Ｃに係るデータと配管３の超音波の位
相速度Ｖ、および群速度Ｖ、と、伝播時間差に係る２つ
のデータΔｔｄおよびΔｔｕとにより信号処理部２０で
は、さらに下式の演算が行われる。

ｖ＝ｒｔ　（Ｖ、、Ｖ、、　　Δｔｌｌｌ　　Δｔａ、
Ｃ）＝　　（ｖ、−（ｃ”　／ｖ、））　　・（Δ１．
−Δｔａ）／（Δｔｕ　＋Δｔａ）・・・・・・■′ これによって、当該配管３内の流動体４の流速が直ちに
算定され、その結果が表示手段１８へ送られる。表示手
段１８では、この流速データとともに当該流速データに
基づいてこれを流量に変換表示するようになっている。

すなわち、超音波送受波器１および２で受信されるＮ＝
０．２又はＮ＝２．４の各受信波の到達時間を計時しそ
の差（例えばＮ−０とＮ＝２の時間差）を求めることに
より、配管３の管壁部の位相速度Ｖ、と群速度Ｖ、とが
判明していると、配管部３内の流動体４の音速Ｃを、更
には流速および流量をリアルタイムで直ちに且つ高精度
に算定表示することができる。

ここで、配管３の管壁部を伝播する超音波の位相速度ｖ
ｐと群速度Ｖ、を求める場合の動作原理について説明す
る。

第１図において、クサビ部材ＩＡ内を伝播する内部反射
波は、そのすべてが超音波振動子ＩＢに戻るようになっ
ている。！Ｉ＋Ｉ１１′は、その場合の伝播経路及び距
離を示す。この場合、クサビ部材ＩＡ内の超音波の伝播
時間Ｔ０を測定することにより、クサビ部材ＩＡ内の音
速Ｃｐは次式によって算出し得る。

Ｃ，＝２　　（ｊ＋　　＋ｊ＋　’　）／Ｔｏ　　　　
・旧・・■また、クサビ部材ＩＡの音速Ｃｐと第２図で
示す配管部３を伝播する超音波の位相速度■、との間に
は、次式の関係がある。

Ｖ、＝Ｃ，／ｓｔｎ　θ直　　　　　　　　　・・・・
・・■但し、θ直　：入射角（第１図参照） さらに、第２図に示す如く、２つの超音波送受波器１，
２の超音波入射点相互間の距離をＬとし、超音波振動子
ＩＢから発信された超音波が配管３の管壁部を伝播して
超音波振動子２Ｂに到達する場合の全伝播時間をＴとす
ると、管壁部を伝搬する超音波の群速度■、は、次式で
表わされる。

Ｖ、＝Ｌ／　［Ｔ−Ｔ、　　（Ｌ　　／＜Ｌ　　＋！鵞
　′））］　　・・・・・・■ここで、Ｌ、、ｌＩ、Ｉ
ｌ、’は幾何学的に求まる数値であることから、結局、
式■における伝播時間ＴおよびＴｏを計時し当該式■を
演算することにより、必要とする配管３の管壁部の群速
度を極く容易に算定することができる。この群速度及び
位相速度の演算も、信号処理部２０でとり行われる。

〔第２実施例〕 次に、第２実施例を第４図に基づいて説明する。

この第２実施例は、前述した第１実施例の他方の斜面Ｉ
Ｃ部分に吸音部材ＩＥを装着したものである。ＩＫはケ
ース部を示す。その他の構成は前述した第１実施例と同
一となっている。

このようにしても前述した第１実施例と同様の作用効果
を有するほか、超音波送受波器１内の内部における繰返
し内部反射が激減することから対応する配管３への雑音
の放散が少なくなり使用し易いという利点がある。

第５図および第６図は、第４図の応用に係るものを示す
。この内、第５図のものは、第４図の他方の斜面１０部
分に超音波反射部材ＩＦを装着したものである。

このようにするとより鮮明な１回目の内部反射波を得る
ことができ、位相速度を正確に測定し得るという利点が
ある。

また、第６図のものは、第４図の他方の斜面ＩＣ部に受
信用の超音波振動子ＩＲを装着したものである。このよ
うにしても、配管等の超音波位相速度を有効に測定する
ことができる。

〔第３実施例〕 次に、第３実施例を第７図に基づいて説明する。

この第３実施例は、前述した第２実施例におけるクサビ
部材ＩＡを、第７図に示す如く縦断面が細長の平行４辺
形状に形成したものである。この場合、他方の傾斜面Ｉ
Ｃは前記各実施例の場合と同様にクサビ部材ＩＡの内部
を反射伝播する反射波の進行方向先に直交して設けられ
た超音波反射面を示す、また、ＩＥは傾斜面１Ｃと第７
図の上端面全面に装着された吸音部材を示す。その他の
構成は前述した第２実施例と同一となっている。

このようにしても、前述した第２実施例と同等の作用効
果を有するほか、超音波の放射面１ｂの伝播方向への寸
法が大きくなることから位相速度の測定精度の向上を図
り得るという利点がある。

第８図ないし第９図は、第７図の応用に係るものを示す
。この内、第８図のものは、第８図の他方の斜面ＩＣ部
分に超音波反射部材ＩＦを装着したものである。

このようにすると、より鮮明な１回目の内部反射波を得
ることができ、位相速度を正確に測定し得るという利点
がある。

また、第９図のものは、第７図の他方の斜面ＩＣ部に受
信用の超音波振動子ＩＲを装着したものである。このよ
うにしても、配管等の超音波の位相速度を有効に測定す
ることができる。

〔発明の効果〕

本発明は以上のように構成され機能するので、これを使
用すると流量等の測定に際し配管の管壁部の超音波位相
速度をリアルタイムで極く容易に測定することができ、
測定値の温度補正を全く不要とした優れた超音波送受波
器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図ないし
第３図は各々使用状態を示す説明図、第４図は第２実施
例を示す断面図、第５図ないし第６図は各々第４図の応
用例を示す断面図、第７図は第３実施例を示す断面図、
第８図ないし第９図は各々第７図の応用例を示す断面図
、第１０図は従来例を示す説明図である。 ■・・・・・・超音波送受波器、ＩＡ・・・・・・クサ
ビ部材、１ａ・・・・・・一方の傾斜面、ＩＢ・・・・
・・超音波振動子、１ｂ・・・・・・超音波放射面、Ｉ
Ｃ・・・・・・超音波反射面としての他方の傾斜面、ｌ
Ｅ・・・・・・吸音部材。 特許出願人　　株式会社　東　京　計　器ＩＢＩｇｆｊ
液Ｓ＊＋ 第２図 第３図 第ｑ図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、傾斜面と超音波放射面とを備えたクサビ部材と
   、このクサビ部材の前記傾斜面に固着された超音波振動
   子とを有し、前記超音波放射面に当接される被測定物に
   対して超音波を斜入射せしめる構造の超音波送受波器に
   おいて、 前記超音波放射面で内部反射する超音波成分のクサビ部
   材内における進行方向先に、当該内部反射波の進行方向
   に直交する超音波反射面を設けたことを特徴とする超音
   波送受波器。
2. （２）、傾斜面と超音波開口面とを備えたクサビ部材と
   、このクサビ部材の前記傾斜面に固着された超音波振動
   子とを有し、前記超音波開口面に当接される被測定物に
   対して超音波を斜入射せしめる構造の超音波送受波器に
   おいて、 前記超音波開口部で内部反射する超音波成分のクサビ部
   材内における進行方向先の先端部分の一部に、当該内部
   反射波の進行方向に直交する超音波反射面を設けるとと
   もに、この超音波反射面の外面部分に吸音部材を装着し
   たことを特徴とする超音波送受波器。