JPWO2005064289A1 - 超音波流量計、超音波トランスジューサ、超音波送受信ユニットおよび超音波流量計を用いた流量測定方法 - Google Patents
超音波流量計、超音波トランスジューサ、超音波送受信ユニットおよび超音波流量計を用いた流量測定方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
(請求項1)
請求項1記載の発明では、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に係る。
すなわち、前記の超音波トランスジューサは、エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きくしたことを特徴とする超音波流量計を提供する。
両者とも、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する。
エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きくしているので、測定体積および配管壁で発生するノイズを小さく保ったまま、受信感度が良く、正確な流量の算出に寄与する。
請求項2記載の発明は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に係る。
すなわち、前記の超音波トランスジューサは、楕円型の振動子を有することを特徴とする超音波流量計である。
上記の超音波流量計もまた、一般のドップラ式超音波流量計と、相関法を用いた超音波流量計とを含む。相関法を用いた超音波流量計とは、例えば、特開2003−344131号に開示されているような超音波流量計である。
請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2のいずれかに記載の超音波流量計を限定したものである。
すなわち、前記の超音波トランスジューサは、 配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、 超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するように、前記第一の超音波送受信器に対して、配管の管軸方向に離間した位置にくさびを介して固定される第二の超音波トランスジューサと、 前記第一および第二の超音波トランスジューサによって受信される各測定信号の差分を出力し、測定時のノイズ成分を除去するノイズ除去手段とを備える。
そして、前記ノイズ除去手段によりノイズ成分が除去された各測定信号の差分を用いて演算部により演算処理し、流速分布を算出することを特徴とする。
第一の超音波送受信器と第二の超音波送受信器は、両者の入射角度が一致するようにくさびを介して配管に取り付けられる。このため、第一の超音波送受信器により受信した測定信号と第二の超音波送受信器により測定した測定信号とは、ノイズの影響がないとすれば、本来、所定の位相差を持って一致するはずである。しかし現実には、ノイズ成分、特にコモンモードノイズが測定信号に重畳している。そこで、本発明では、2つの測定信号の差分を算出し、その差分を用いて演算処理し、ノイズ成分を除去する。
請求項4記載の発明は、請求項1または請求項2のいずれかに記載の超音波流量計を限定したものである。
すなわち、超音波トランスジューサは、 配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、 超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備える。
そして、第一および第二の超音波トランスジューサにおけるHotからの受波信号を入力する差動アンプと、 その差動アンプの出力と第一および第二の超音波トランスジューサにおけるColdとを入力する増幅器とを用いて配管壁面にて発生するノイズを除去するノイズ除去手段を備える。 そのノイズ除去手段によって得る流体中を流れる反射体からのエコー信号を用いて演算処理し、流速分布を算出する。
ここで、Hotとは正極、Coldとは負極のことをいうものとする。
請求項記載の発明もまた、請求項1または請求項2のいずれかに記載の超音波流量計を限定したものである。
すなわち、超音波トランスジューサは、 配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、 超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備える。
そして、第二トランスデューサは、その極性を逆にすることで、圧電素子の出力に対して第一トランスデューサと逆の電気出力が得られるようにするとともに、 第一トランスジューサにおけるHotと第二トランスジューサのColdとを増幅器41に結線することで形成したノイズ除去手段を備える。 そのノイズ除去手段によって第一および第二の超音波トランスジューサが受ける外来同相ノイズを除去して二倍の電気的強度のエコー信号を出力し、エコー信号を用いて演算処理し、流速分布を算出することを特徴とする。
すなわち、超音波の受信部を二種類用意するとともに、超音波の送信部を兼用とした複合型も含まれる。
請求項6記載の発明は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる超音波トランスジューサに係る。
その超音波トランスジューサは、エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きくしたことを特徴とする。
エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きくしているので、測定体積および送信の際発生するノイズを小さく保ったまま、受信感度が良く、正確な流量の算出に寄与する。
請求項7記載の発明もまた、超音波流量計に用いる超音波トランスジューサに係る。
すなわち、楕円型の振動子を有することを特徴とする。
請求項8記載の発明もまた、超音波流量計に用いる超音波トランスジューサに係る。
すなわち、配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、 超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備えるとともに、 第一および第二の超音波トランスジューサにおけるHotからの受波信号を入力する差動アンプと、 その差動アンプの出力と第一および第二の超音波トランスジューサにおけるColdとを入力する増幅器とを用いて配管壁面にて発生するノイズを除去するノイズ除去手段を備えたことを特徴とする。
請求項9記載の発明もまた、超音波流量計に用いる超音波トランスジューサに係る。
すなわち、配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、 超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備えるとともに、 第一および第二の超音波トランスジューサにおけるHotからの受波信号を入力する差動アンプと、 その差動アンプの出力と第一および第二の超音波トランスジューサにおけるColdとを入力する増幅器とを用いて配管壁面にて発生するノイズを除去するノイズ除去手段を備えたことを特徴とする
請求項10記載の発明は、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信し、測定領域から反射する超音波エコーを受信する超音波送受信器と、前記超音波送受信器を支持するくさびとを備え、受信した測定信号を演算部により処理し、被測定流体の流速分布を算出する超音波流量計に用いられる超音波送受信ユニットに係る。
その超音波送受信ユニットは、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信可能に前記くさびを介して固定される第一の超音波トランスジューサと、 超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するように、前記第一の超音波送受信器に対して、配管の管軸方向に離間した位置に前記くさびを介して固定される第二の超音波トランスジューサとを具備する。
また、前記第一および第二の超音波トランスジューサは、エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きく形成するとともに、 前記第一および第二の超音波トランスジューサによって受信される各測定信号の差分を用いることにより、測定時のノイズ成分を除去可能であることを特徴とする。
請求項11記載の発明もまた、超音波流量計に用いられる超音波送受信ユニットに係る。
すなわち、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信可能に前記くさびを介して固定される第一の超音波トランスジューサと、 超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するように、前記第一の超音波送受信器に対して、配管の管軸方向に離間した位置に前記くさびを介して固定される第二の超音波トランスジューサとを具備してなり、
前記第一および第にの超音波トランスジューサは、楕円型の振動子を有するとともに、 前記第一および第にの超音波トランスジューサによって受信される各測定信号の差分を用いることにより、測定時のノイズ成分を除去可能であることを特徴とする。
請求項12記載の発明は、超音波流量計を用いた流量測定方法に係る。
配管の管軸方向に離間させて被測定流体への入射角度を一致させて第一の超音波トランスジューサと第二の超音波トランスジューサとを配置し、 その第一および第二の超音波トランスジューサは、エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きく形成している。
第一および第二の超音波トランスジューサを用いて、それぞれ、配管内の被測定流体中に超音波パルスを発信し、測定領域から反射する超音波エコーを受信し、 受信した各測定信号の差分を用いて演算部により演算処理し、流速分布を算出することを特徴とする。
請求項13記載の発明もまた、超音波流量計を用いた流量測定方法に係る。
配管の管軸方向に離間させて被測定流体への入射角度を一致させて第一の超音波トランスジューサと第二の超音波トランスジューサとを配置し、 その第一および第二の超音波トランスジューサは、楕円型の振動子を有している。
第一および第二の超音波トランスジューサを用いて、それぞれ、配管内の被測定流体中に超音波パルスを発信し、測定領域から反射する超音波エコーを受信し、 受信した各測定信号の差分を用いて演算部により演算処理し、流速分布を算出することを特徴とする。
図1は、本発明の実施形態に係る超音波トランスジューサを模式的に示している。円柱状に形成した超音波トランスジューサの一方の円形面に、送波用振動子と、受信用振動子とを備える。
送波用振動子は送波信号を送信し、受信用振動子は被測定流体からの反射波を受信して、受波信号として流量算出ユニットへ送信する役割を果たしている。
AD変換器42によりデジタル化した後に、二つの測定信号の一方の符号を反転させてから加算し、加算結果の1/2をバックグランドノイズとして測定信号から除去する、といった手段もあるが、ここではアナログ回路上にて他の手段にてノイズを除去する方法について、図7および図8を用いて説明する。
図9に示した超音波トランスジューサでは、受波用振動子を二種類用意し、それを交互に配置している。図10に示した超音波トランスジューサもまた、受波用振動子を二種類用意しているが、3つずつ連続させて配置している。
そして、前記の受波用振動子は、一方を第一トランスジューサ21(または第一トランスジューサにおけるHot(21a))として用い、他方を第二トランスジューサ22(または第二トランスジューサにおけるHot(22a))として用いる。
このような複合型の超音波トランスジューサを採用すれば、物理的に二つの超音波トランスジューサを配置固定するよりも簡単にセッティングできるなどのメリットがある。
20 超音波送受信手段(トランスジューサ)
21 第一の超音波トランスジューサ
22 第二の超音波トランスジューサ
24 ダミー
30 くさび
31a 第一の支持部 31b 第二の支持部
32 型材 33 流動体
40 ドップラ式超音波流量計 41 増幅器
42 AD変換器
43 演算部 43a 流量分布算出手段
44 表示装置
45 ノイズ除去手段
Claims (13)
- 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計であって、
前記の超音波トランスジューサは、エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きく形成したことを特徴とする超音波流量計。 - 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計であって、
前記の超音波トランスジューサは、楕円型の振動子を有することを特徴とする超音波流量計。 - 前記の超音波トランスジューサは、
配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、
超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するように、前記第一の超音波送受信器に対して、配管の管軸方向に離間した位置にくさびを介して固定される第二の超音波トランスジューサと、
前記第一および第二の超音波トランスジューサによって受信される各測定信号の差分を出力し、測定時のノイズ成分を除去するノイズ除去手段とを備え、
前記ノイズ除去手段によりノイズ成分が除去された各測定信号の差分を用いて演算部により演算処理し、流速分布を算出することを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の超音波流量計。 - 前記の超音波トランスジューサは、
配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、
超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備えるとともに、
第一および第二の超音波トランスジューサにおけるHotからの受波信号を入力する差動アンプと、
その差動アンプの出力と第一および第二の超音波トランスジューサにおけるColdとを入力する増幅器とを用いて配管壁面にて発生するノイズを除去するノイズ除去手段を備え、
そのノイズ除去手段によって得る流体中を流れる反射体からのエコー信号を用いて演算処理し、流速分布を算出することを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の超音波流量計。 - 前記の超音波トランスジューサは、
配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、
超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備え、
第二トランスデューサは、その極性を逆にすることで、圧電素子の出力に対して第一トランスデューサと逆の電気出力が得られるようにするとともに、
第一トランスジューサにおけるHotと第二トランスジューサのColdとを増幅器41に結線することで形成したノイズ除去手段を備え、
そのノイズ除去手段によって第一および第二の超音波トランスジューサが受ける外来同相ノイズを除去して二倍の電気的強度のエコー信号を出力し、エコー信号を用いて演算処理し、流速分布を算出することを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の超音波流量計。 - 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる超音波トランスジューサであって、
エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きくしたことを特徴とする超音波トランスジューサ。 - 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる超音波トランスジューサであって、
楕円型の振動子を有することを特徴とする超音波トランスジューサ。 - 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる超音波トランスジューサであって、
配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、
超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備えるとともに、
第一および第二の超音波トランスジューサにおけるHotからの受波信号を入力する差動アンプと、
その差動アンプの出力と第一および第二の超音波トランスジューサにおけるColdとを入力する増幅器とを用いて配管壁面にて発生するノイズを除去するノイズ除去手段を備えたことを特徴とする超音波トランスジューサ。 - 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる超音波トランスジューサであって、
配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、
超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備え、
第二トランスデューサは、その極性を逆にすることで、圧電素子の出力に対して第一トランスデューサと逆の電気出力が得られるようにするとともに、
第一トランスジューサにおけるHotと第二トランスジューサのColdとを増幅器41に結線することで形成したノイズ除去手段を備えたことを特徴とする超音波トランスジューサ。 - 配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信し、測定領域から反射する超音波エコーを受信する超音波送受信器と、前記超音波送受信器を支持するくさびとを備え、受信した測定信号を演算部により処理し、被測定流体の流速分布を算出する超音波流量計に用いられる超音波送受信ユニットであって、
配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信可能に前記くさびを介して固定される第一の超音波トランスジューサと、
超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するように、前記第一の超音波送受信器に対して、配管の管軸方向に離間した位置に前記くさびを介して固定される第二の超音波トランスジューサとを具備してなり、
前記第一および第二の超音波トランスジューサは、エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きく形成するとともに、
前記第一および第二の超音波トランスジューサによって受信される各測定信号の差分を用いることにより、測定時のノイズ成分を除去可能であることを特徴とする超音波送受信ユニット。 - 配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信し、測定領域から反射する超音波エコーを受信する超音波送受信器と、前記超音波送受信器を支持するくさびとを備え、受信した測定信号を演算部により処理し、被測定流体の流速分布を算出する超音波流量計に用いられる超音波送受信ユニットであって、
配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信可能に前記くさびを介して固定される第一の超音波トランスジューサと、
超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するように、前記第一の超音波送受信器に対して、配管の管軸方向に離間した位置に前記くさびを介して固定される第二の超音波トランスジューサとを具備してなり、
前記第一および第二の超音波トランスジューサは、楕円型の振動子を有するとともに、
前記第一および第二の超音波トランスジューサによって受信される各測定信号の差分を用いることにより、測定時のノイズ成分を除去可能であることを特徴とする超音波送受信ユニット。 - 超音波流量計を用いた流量測定方法であって、
配管の管軸方向に離間させて被測定流体への入射角度を一致させて第一の超音波トランスジューサと第二の超音波トランスジューサとを配置し、
その第一および第二の超音波トランスジューサは、エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きく形成しており、
第一および第二の超音波トランスジューサを用いて、それぞれ、配管内の被測定流体中に超音波パルスを発信し、測定領域から反射する超音波エコーを受信し、
受信した各測定信号の差分を用いて演算部により演算処理し、流速分布を算出することを特徴とする超音波流量計を用いた流量測定方法。 - 超音波流量計を用いた流量測定方法であって、
配管の管軸方向に離間させて被測定流体への入射角度を一致させて第一の超音波トランスジューサと第二の超音波トランスジューサとを配置し、
その第一および第二の超音波トランスジューサは、楕円型の振動子を有しており、
第一および第二の超音波トランスジューサを用いて、それぞれ、配管内の被測定流体中に超音波パルスを発信し、測定領域から反射する超音波エコーを受信し、
受信した各測定信号の差分を用いて演算部により演算処理し、流速分布を算出することを特徴とする超音波流量計を用いた流量測定方法。
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