JPS635218A - 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〉 本発明は、管路に設けられた送受波器により被測定流体
の流れに対して順方向と逆方向に放射された超音波の伝
播時間差により被測定流体の流量を測定する超音波流量
計に係り、特に音速の異なる各種流体の流量をも測定で
きるように改良した超音波流量計に関する。

〈従来の技術〉 この種の従来の超音波流量計として、特願昭５９−１８
８７３号（発明の名称：超音波流量計）が提案されてい
る。提案されている内容を要約すると以下の様になる。

先ず、あらかじめ決められた被動定流体の比重と測尾さ
れた被測定流体の濡髪とに基づいて被測定流体中を伝播
する音速を所定の演算式により演算する。次に、この演
算された音速に基づき送受波器と管路と被測定流体間に
成立するスネルの法則と送受彼器間に成立する束縛条件
とから超音波が被測定流体から管路へ入射する入射角を
演算して補正係数を算出する。そこで、この補正係数を
用いて伝播時間差から測定された流量に対して流量補正
をする。この様にして音速の異なる流体、例えば各種の
油の＃Ｃ，量をできるだけ正確に測定する。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、この様な超音波流量計では被測定流体の
比重が異なれば音速の推定値が異なり、また音速は温度
と比重たけでは決定できないのでこれに基づいて補正し
ても正しい流量が得られないという問題点がある。

く問題点を解決するための手段〉 この発明は、以上の問題点を解決し音速の異なる被測定
流体でも正確に流量？測定するために、管路中の被測定
流体の流速方向とこれとは逆方向に前記管路に固定され
たシューと送受波器を介して放射された超音波の伝播時
間差を用いて被測定流体の＃ｒ、童を演算する流量演算
手段と、シューなどの温度を用いて所定の演算式により
シ二一と管路の音速を演算する音速演算手段と、この音
速と被測定流体の推定音速と送受波器の設置条件などか
ら推測される超音波の伝播経路の総伝播時間を演算する
時間演算手段と、流量演算手段で得られる実測伝播時間
と総伝播時間とが一致するように演算し一致したときの
伝播経路における被測定流体への超音波の屈折角と被測
定流体を超音波が伝播する伝播時間とを算出する経路演
算手段と、屈折角と伝播時間などを用いて流量に対して
補正する補正演算手段とを具備するようにしたものであ
る。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例について図面に基づき説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図である。

管路ｌに被測定流体２が矢印下の方向に流され、被測定
流体２の流量Ｑを測定する。このために管路１に送受波
器３．４が流れの方向Ｆに対して斜めに対向して設置さ
れている。送受波器３．４のいずれか一方にはクロック
発振器を有する同期回路５よりトリガパルスＴ、が駆動
回路６に印加されこれに伴いその出力に例えばピーク値
が２００ｖ程度の値をもつ微分状の駆動パルスＤ　が発
生しこれが切換スイッチ７を介して印加される。送受波
器３．４の他方には被測定流体２を介して受波された超
音波パルスが切換スイッチ７を介して増幅器８に受信さ
れる。

増幅器８の出力の超音波パルスＨは比較器９の入力の一
端に印加され、他端には比較電圧Ｖ　が印加されている
。比較器９の出力端には振動波状の超音波パルスのうち
比較電圧Ｖ　を越えた波形のゼロクロス部分がパルス化
されて出力パルスＰとして出力される。

演算回路１０の入力端Ｉ、には比較器９の出力パルスＰ
が印加され、入力端Ｉ２には同期回路５からトリガパル
スＴ　の送出と同時に発信されるスタート信号Ｓが印加
され、これ等の時間差を演算回路ｌＯが演算し、超音波
パルスの伝播経路における伝播時間を測定する。また、
切換信号Ｓｗにより切換スイッチ７が清快えられて同＠
に伝播時間が測定される。

また、管路１の管壁には温度センサ１１が固定されこの
管壁あるいはシューなどの温度を温度信号ｔとして検出
する。

１２は演算回路１０と温度センサ１１からの信号を受信
して信号処理をして出力するマイクロコンピュータ部で
ある。１３は演算回路１０からの時間信号をデジタル値
に変換するアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）
である。１４は温度センサ１１からの温度信号ｔをデジ
タル値に変換するＡ／Ｄ変換器である。１５はＲＡＭ　
（ランダムアクセスメモリ）、１６はＲＯＭ　（リード
オンリーメモリ）であり、これ等のアドレス指定はＣＰ
Ｕ（フロセッサ）１７からバス１８、ラッチデコーダ１
９を介してなされる。Ａ／Ｄ変換器１３．１４からの各
出力データはデータバス２０を介してＲＡＭ１５に格納
される。ＲＯＭ１６には所定の演算プログラムおよび、
初期データが格納されており、ＣＰＵ１７の制御のもと
にＲＯＭ１６に格納された演算手順に従って演算され、
その結果は８人Ｍ１５に格納される。２１はコントロー
ルバスであリ、ＣＰＵ１７によりＡ／Ｄ変換器１３．１
４、ＲＡＭ１５、ＲＯＭ１６の動作を制御すると共に同
期回路５へはタイミング信号Ｔｍ１切替回路７には切換
信号ＳＷを出力する。

最終の演算結果は、デジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ
変換器）２２を介してアナログ信号に変換されて出力端
２３に出力される。

次に、第１図に示すヤイクロコンピュータ部での信号処
理について第２図に示すフローチャート図を用いて説明
する。

先ずステップ■で初期データとして流量の補正係数Ｒｘ
がＲＯＭ１６からＲＡＭ１２に設定される。次にステッ
プ■で被測定流体への超音波の屈折角θと被測定流体を
超音波が伝播する伝播時間Ｔや、音速を演算するための
温度に関する多項式の係数あるいは管路の内径などの各
種定数がＲＯＭ１６からＲＡＭＩ　５に設定される。

ステップ■でハ、コントロールパス２１からの切換信号
Ｓｗにより切換スイッチ７が一方に切換られ例えば送受
波器４から送受波器３へ駆動回路６から駆動パルスＤ　
が放射される状態とされ、コントロールパス２１からの
タイミング信号Ｔｒｎにより伝播時間Ｔ、が演算回路１
０で測定されたＲＡＭＩ　５に格納される。次に、切換
信号ＳＷにより切換スイッチ７が他方に切換えられて同
様にして伝播時間Ｔ２が測定されＲＡＭ１５に格納され
る。伝播時間Ｔ、とＴ２の伝播時間差ΔＴは８０Ｍ１６
に内蔵された演算プログラムにより演算されＲＡＭＩ　
５に格納される。

伝播時間差ΔＴは管路１の中を流れる流量Ｑに反比例す
るので、この値を用いてＲＯＭＩ　６に格納された流量
演算式によりステップ■で流ｆｉｔＱの演算がなされる
。

この流量値は温度などによりエラーがあるので補正をす
る必要がある。しかし、急激な変動はないので流量の演
算に比べて長い補正周期Ｔｃで補正すれば良い。そのた
めの補正周期１００判断をステップ■で実行する。

補正周期Ｔ　１にオーバしたときはステップ■に移り温
度センサー１から温度信号ｔを胱込む。

次に、ステップ■に移り送受波器３．４を管路１に固定
するシｚ−２４，２５の音速Ｃ７と管路１の音速Ｃ２を
ＲＯＭＩ　６に格納された温度信号ｔに関する下記の２
次式の演算プログラムに従りて演算する。この場合、シ
ュー２４．２５、管路１および被測定流体２の温度はほ
ぼ同一とみられる。

Ｃ，＝Ａ＋Ｂｔ＋Ｃｔ　　　　　　　　　　（１１ｃ　
　＝　Ａ’＋　Ｂ’ｔ　＋ｃ’ｔ”　　　　　　　　　
（２１ここで、Ａ、　Ｂ、　Ｃ，Ａ’、　Ｂ’、　Ｃ’
はそれぞれステップ■であらかじめ設定されている。

ステップ■では伝播経路のモテルにしたがい超音波の総
伝播時間Ｔ８の演算を実行する。以下、この演算につい
て説明する。第３図は管路１の附近を拡大した拡大図で
ある。

先ず、超音波の伝播経路を求める。シューの音速をＣい
管路１の音速をＣ２、シュー２４から管路１への超音波
の入射角をθい管路１から被測定流体への超音波の入射
角を０２とし、更に被測定流体への推定音速をＣい被測
定流体から管路１への超音波の入射角をθ６．！：推定
すると、ステップ■で算出された音速Ｃ，，Ｃ２を用い
て下記のスネルの法則に従がって入射角θ１．θ２が算
出される。

また、送受波器３．４Ｖｉこれ等の水平距離がＬ＝Σ　
ｘ　　ｔａｎθ１（４） １＝１１ を満足するように設置される。ここで、ｘ、／２．１２
／２、Ｘ５はそれぞれ送受波器３（４）の中心から管路
ｌの外壁までの距離、管路１の肉厚、管路１の内径であ
る。゛ 以上の如くして、超音波の伝播経路が計算により決定で
きるが、これ等の演′ＪｊＬに必要な演算プログラムは
ＲＯＭ１６に格納されており、推定音速Ｃ３、入射角θ
い□距離Ｘ、〜ｘ３などはステップ■であらかしめ設定
されている。

次に、この様にして決定された伝播経路に沿りて超音波
が伝播するに按する総伝播時間Ｔ　を求める。　　　　
− 総伝播時間Ｔ８は、送受波器３．４の中心を点音源と仮
定した点音源モデルか、送受波器３．４を平面音源と仮
定した平面音源モデルに基づいて求めることができる。

点音源モデルによる場合は、超音波は球面波として伝播
し、音速Ｃ１が変化しても送受波器３゜４間の距離りは
変化しない。例えば、温度により各音速が変化したとき
の超音波の伝播経路は第４図（イ）に示すようになり距
離りに変化を生じない。

この場合の総伝播時間Ｔ、は次式で示される。

平面音源モデルと仮定した場合は、超音波は平面波とし
て伝播し、音速Ｃ１が変化しても入射角θ、は一定とな
る。例えば、温度により各音速が変化したときの超音波
の伝播経路は第４図仲）Ｋ示すように距４１　ＬはＬ′
にずれる。この場合の総伝播時間Ｔ、は次式で示される
。

このときのＬ′は１４）式を用いて演算する。

これらのいずれかのモデルに対応した演算プログラムは
ＲＯＭ１６の中に格納されている。

次に、ステップ■に移行する。ステップ■では演算回路
１０から入力された実測の超音波の伝播時間Ｔ、、Ｔ２
の平均値をとって伝播時間Ｔとし、これと（５）あるい
は（６）式で得られた総伝播時間Ｔ　とを比較し、屈折
角θ３を変えて逐次近似法によりＴ＝Ｔ、になる被測定
流体中を超音波が伝播する伝播時間Ｔ０と屈折角θ′３
を求める。

ステップ［相］では流量Ｑに対する補正係数ｋ　を演算
する。管路１の仮測定流体の流速Ｖは、ｋ−１を流速分
布の補正係数、Ｎを定数とすれば次式で示される。

また、ステップ■でテークとして与えた屈折角θと伝播
時間Ｔとを用いたときの流速Ｖは、で与えられるので、
（７）式ト（８）式との比ととるととなる。即ち、 ・＝７ｋｘ（ｉま ただし、 となる。この補正係数ｋｘは初期値に対する流量補正係
数であるので、ステップ■での流量演算の際にこの補正
係数ｋｘを乗することにより、リアルタイムでかつ比重
、温間などの全てのファクタをとり込んだ補正が可能と
なる。

第５図は本実施例の効果を調べた結果を示す特性図であ
る。（イ）は未補正の場合、（ロ）は点音源モデルによ
る場合、ｅ９は平面音源モデルによる場合であり、いず
れも校正用基準流計針（パイププルーバ）の流速Ｖ。に
対する誤差として示しである。

未補正の場合に比べてモデル経路を使用して補正した場
合はかなり改良された結果となっている。

なお、第１図における実施例では管路１に温度センサ１
１を設けたが、これに限らず、温度センサを別に設けて
も良い。また伝播時間の測定に際して、ΔＴ直続法で説
明したが、これはシングアラウンド法あるいはＰＬＬ法
など他の手段を採用しても良い。

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したう尺に本発明によ
ればモデル経路を実測値により推測しこれを用いて被測
定流体の中の音速を推定して流量補正係数を算出して流
量補正するようにしたので、リアルタイムでかつ音速の
異なる各種流体の流量をも正確に測定することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例全示すブロック図、第２図は
第１図における実施例の動作を説明するフローチャート
図、第３図は第１図における管路近傍？拡大し次拡大図
、第４図は音源モデルを説明する説明図、第５図は第１
図における実施例の効果？説明する特性図である。 １・・・管路、３．４・・・送受波器、７・・・切換ス
イッチ、９・・・比較器、１０・・・演算回路、１１・
・・温度センサ、１２・・・マイクロコンピュータ部。 第２図 篤３図 篇４図 （イ）点音源　　　　　（ロ）平面音二原第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 管路中の被測定流体の流速方向と、これとは逆方向に前
   記管路に固定されたシューと送受波器を介して放射され
   た超音波の伝搬時間差を用いて前記被測定流体の流量を
   演算する流量演算手段と、前記シューなどの温度を用い
   て所定の演算式により前記シューと管路の音速を演算す
   る音速演算手段と、この音速と前記被測定流体の推定音
   速と前記送受波器の設置条件などから推測される前記超
   音波の伝播経路の総伝播時間を演算する時間演算手段と
   、前記流量演算手段で得られる実測伝播時間と前記総伝
   播時間とが一致するように演算し一致したときの前記伝
   播経路における前記被測定流体への超音波の屈折角と前
   記被測定流体を超音波が伝播する伝播時間とを算出する
   経路演算手段と、前記屈折角と伝播時間などを用いて前
   記流量に対して補正する補正演算手段とを具備すること
   を特徴とする超音波流量計。