JP2001083170A - 超音波流速測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 連結部材の周囲の温度変化に対して、超音波
振動子の温度を同一に保つことができ、ひいては流体の
流速を精度良く測定することができる超音波流速測定装
置の提供を目的とする。 【解決手段】 超音波流速測定装置内を流れる計測流体
の上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子２、３を配置
し、それら超音波振動子２、３を熱伝導性の高い物質で
形成された連結部７により連結する。これにより、連結
部材７の周囲の温度が長さ方向に異なる状態になった場
合でも、連結部材７全体に効率よく熱が伝導する。従っ
て、連結部材７の周囲の温度分布にかかわらず連結部材
７全体がほぼ同一の温度となり、該連結部材７に連結さ
れている両超音波振動子２、３の温度もほぼ同一に保つ
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波を利用し
てガスその他の流体の流速を測定する超音波流速測定装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ガスそ
の他の流体の流量を求めるに際し、まず流体の流速を連
続的ないし定期的に測定し、これに基づいて流量を演算
することが行われている。そして、このような流体の流
速測定方法の一つとして、超音波を利用した方法が知ら
れている。

【０００３】かかる超音波流速測定方法の原理を、図４
に示される従来の装置により説明すると次のとおりであ
る。図４において、（３１）はガスが流れる上向きに開
口するコ字形状の超音波流速測定管であり、該超音波測
定管（３１）の下部水平部が直管状の連結部材（３２）
となされている。また、前記連結部材（３２）の両側に
は、流体を連結部材（３２）に流入せしめる流体流入管
（３３）と、流体を連結部材（３４）から流出せしめる
流体流出管とが設けられている。

【０００４】また、前記超音波流速測定管（１）内に
は、流れ方向の上流側と下流側に、互いに所定距離を隔
てて超音波振動子（２）（３）が配置されている。この
超音波振動子（２）（３）は、パルス発生回路（４）か
らの駆動パルスにより駆動されて振動し、超音波を発生
送信する一方、送信されてきた超音波を受信するもの
で、それら超音波振動子（２）（３）が振動したときの
受信波が増幅回路（５）から電気信号として出力される
ものとなされている。

【０００５】そして、上流側の超音波振動子（２）から
流れに対して順方向に送信された超音波が下流側の超音
波振動子（３）で受信されるまでの超音波の伝搬時間
と、下流側の超音波振動子（３）から流れに対して逆方
向に送信された超音波が上流側の超音波振動子（２）で
受信されるまでの超音波の伝搬時間との差は流速に関係
することから、この伝搬時間差を求めることにより流体
の流速を測定するものとなされている。なお、図４にお
いて、（６）は各超音波振動子（２）（３）とパルス発
生回路（４）および増幅回路（５）の接続を切り替える
切替回路であり、まずパルス発生回路（４）と上流側の
超音波振動子（２）、下流側の超音波振動子（３）と増
幅回路（５）を接続して、上流側から下流側への伝搬時
間を測定した後、該切替回路（６）によりパルス発生回
路（４）と下流側の超音波振動子（３）、上流側の超音
波振動子（２）と増幅回路（５）とが接続されるように
切り替えて、下流側から上流側への伝搬時間を測定する
ものとなされている。

【０００６】ところで、超音波の伝搬時間は、増幅回路
（５）から出力される受信波に基づいて求められるが、
この受信波の周期は超音波振動子（２）（３）の共振周
波数の影響を受ける。そして、これら超音波振動子の共
振周波数は、超音波振動子の構成部品のバネ定数に影響
され、バネ定数は温度変化の影響を受けて変化する。つ
まり、温度が変化するとバネ定数が変化し、それに伴っ
て超音波振動子（２）（３）の共振周波数が変化する。
従って、超音波振動子（２）（３）間の共振周波数のズ
レを防止するためには、超音波振動子（２）（３）の温
度を流速測定の際に同一に保つ必要がある。特に流体が
小流量の場合は、超音波の伝搬時間差が小さく、超音波
振動子（２）（３）の共振周波数の影響が大きいので、
超音波振動子（２）（３）の温度を同一に保つことは重
要である。

【０００７】しかしながら、従来の超音波流速測定装置
は、超音波振動子（２）（３）を連結している連結部材
（３２）について、温度変化に対する工夫がなされてい
なかった。このため、連結部材（３２）の周囲の温度が
連結部材の長さ方向において異なると、超音波振動子
（２）（３）に温度差が生じ、その結果、超音波振動子
（２）（３）間の共振周波数にズレが生じて、流体の流
速を精度良く測定することが困難であるという問題があ
った。

【０００８】この発明は、上述の問題に鑑みてなされた
ものであって、連結部材の周囲の温度変化に対して、超
音波振動子の温度を同一に保つことができ、ひいては流
体の流速を精度良く測定することができる超音波流速測
定装置の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、超音波流速測定装置内を流れる計測流
体の上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子が配置さ
れ、前記各超音波振動子から相互に超音波を発生送信す
るとともに、送信された超音波を相互に受信し、超音波
の伝搬時間の差に基づいて流速測定するものとなされて
いる超音波流速測定装置において、前記上流側と下流側
の前記超音波振動子を連結する連結部材が設けられ、該
連結部材が熱伝導性の高い物質で形成されていることを
特徴とする。

【００１０】これによれば、前記連結部材は熱伝導性の
高い物質で形成されているので、連結部材の周囲の温度
が長さ方向に異なる状態になった場合でも、連結部材全
体に効率よく熱が伝導する。従って、連結部材の周囲の
温度分布にかかわらず連結部材全体がほぼ同一の温度と
なり、該連結部材に連結されている両超音波振動子の温
度もほぼ同一に保つことができる。

【００１１】また、前記連結部材は、前記上流側および
下流側の超音波振動子が熱的接触状態に設けられた流速
測定管またはケーシングからなるのが望ましい。これに
よれば、連結部材を別途設ける必要がないので、簡単か
つ確実に超音波振動子の温度をほぼ同一に保つことがで
きる。

【００１２】また、計測流体を流入せしめる流体流入管
と計測流体を流出せしめる流体流出管とが、前記流速測
定管またはケーシングを介して設けられるとともに、前
記流体流入管および流体流出管の長さ方向の一部または
全部が熱絶縁物で形成されているのが望ましい。これに
よれば、流体流入管または流体流出管の外部の温度変化
によって、流体流入管または流体流出管の熱絶縁物に対
して連結部材と反対側部分の温度が変化しても、当該反
対側部分から連結部材への熱伝導が熱絶縁物により制限
されるので、流体流入管または流体流出管の温度変化に
よる連結部材の温度変化を防止することができる。

【００１３】また、前記連結部材の周囲に熱遮断物が設
けられているのが望ましい。これによれば、熱遮断物外
の温度が変化しても、熱遮断物外から熱遮断物内の連結
部材への熱移動が熱遮断物により制限されるので、熱遮
断物外の温度変化による連結部材の温度変化を防止する
ことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】［実施形態１］図１ないし図２
は、この発明に係る超音波流速測定装置を、ガスの流量
を測定する装置に適用した状態を示す図である。

【００１５】図１において、（１）はガスが流れる上向
きに開口するコ字形状の超音波流速測定管であり、該超
音波測定管（１）の下部水平部が直管状の連結部材
（７）となされている。また、前記連結部材（７）の長
さ方向両側部には、流体を連結部材（７）に流入せしめ
る流体流入管（９）と、流体を連結部材（７）から流出
せしめる流体流出管（１０）とが連結部材（７）に垂直
な態様で設けられている。

【００１６】（２）（３）は超音波を発信送信する超音
波振動子で、前記連結部材（７）の長さ方向両側部に対
向して配置されている。（４）は超音波振動子（２）
（３）を駆動するためのパルスを発生する発生回路、
（５）は超音波振動子（２）（３）で受信した受信波を
出力する増幅回路、（６）は超音波振動子（２）（３）
とパルス発生回路（４）および増幅回路（５）の接続を
切り替える切替回路である。 前記連結部材（７）は熱
伝導性の高い材質、例えば銅やアルミニウムなどで形成
されている。このため、連結部材（７）の周囲の温度が
長さ方向に異なる状態になった場合でも、連結部材
（７）全体に効率よく熱が伝導し、その結果、連結部材
（７）全体が同一またはほぼ同一の温度となり、該連結
部材（７）に設けられている超音波振動子（２）（３）
の温度を同一に保つことができる。

【００１７】また、前記連結部材（７）は、中間部（７
ｂ）の左右両側に反射部（７ａ）（７ａ）が形成されて
なり、また反射部（７ａ）（７ａ）の一端開口部の内径
が前記超音波振動子の外径とほぼ同一に形成されてい
る。前記反射部（７ａ）は、いずれも一端開口部から中
間部（７ｂ）にかけて次第に径小になる放物内面を有し
ており、両放物内面は互いに連結部材中央で焦点位置が
一致し、かつ同一軸上に配置せしめられている。このた
め、送信側の超音波振動子（２）（３）から計測流体の
流れに平行に送信された超音波はすべて、送信側の反射
部（７ａ）の放物内面で１回だけ反射した後、放物内面
の焦点（８）を通過する。そして、その焦点（８）を通
過した超音波は、そのまま受信側の反射部（７ａ）の放
物内面で１回だけ反射し、計測流体の流れに平行になっ
た後、受信側の超音波振動子（３）（２）に受信され
る。従って、計測流体に平行に送信される超音波はすべ
て流速測定に用いられ、受信波の利得を最大限に増大さ
せことができる。

【００１８】また、前記中間部（７ｂ）は、内径小の円
筒内面に形成されているため、流体の流速が大きくな
り、超音波の伝搬時間差を確実に求めることができる。
すなわち、流体の流速が大きくなると、上流側の超音波
振動子（２）から流れに対し順方向に送信された超音波
が下流側の超音波振動子（３）で受信されるまでの伝搬
時間が短くなる一方、下流側の超音波振動子（３）から
流れに対して逆方向に送信された超音波が上流側の超音
波振動子（２）で受信されるまでの伝搬時間が長くなる
ので、超音波の伝搬時間差を確実に求めることができ、
特に超音波の伝搬時間差が小さい小流量の場合にその効
果が発揮される。

【００１９】次に、図１に示す超音波流速測定装置を用
いた超音波流速測定の原理を説明する。

【００２０】まず、図１の白抜矢印に示すように、超音
波流速測定管（１）にガス等の流体を流すと、その流体
は連結部材（７）の左端部から連結部材（７）内に流入
し、該連結部材（７）の左側の反射部（７ａ）、中間部
（７ｂ）、右側の反射部（７ａ）を順に流れた後、連結
部材（７）の右端部から流出する。このとき、中間部
（７ｂ）が上述のように内径小の円筒内面に形成されて
いるため、流体の流速は大きくなっている。

【００２１】そして、パルス発生回路（４）から流体の
上流側の超音波振動子（２）を駆動するためのパルスを
出力すると、その超音波振動子（２）の振動に応じて超
音波が送信される。このうち、上流側の超音波振動子
（２）から計測流体の流れに平行に送信された超音波は
すべて、上流側の反射部（７ａ）の放物内面で１回だけ
反射した後、その放物内面の焦点（８）を通過する。そ
して、その焦点（８）を通過した超音波は、そのまま下
流側の反射部（７ａ）の放物内面で１回だけ反射し、計
測流体の流れに平行になった後、下流側の超音波振動子
（３）に受信される。

【００２２】次に、切替回路により接続を切り替え、流
体の下流側の超音波振動子（３）から超音波を送信する
と、上記と同様にして、計測流体の流れに平行に送信さ
れた超音波はすべて、上流側の超音波振動子（３）に受
信される。

【００２３】しかして、上流側の超音波振動子（２）か
ら流れに対し順方向に送信された超音波が下流側の超音
波振動子（３）で受信されるまでの伝搬時間と、下流側
の超音波振動子（３）から流れに対して逆方向に送信さ
れた超音波が上流側の超音波振動子（２）で受信される
までの伝搬時間との差を導出し、流体の流速を測定す
る。この流体の流速測定の際、連結部材（７）の周囲の
温度が長さ方向に異なる状態になった場合があるが、連
結部材は熱伝導性の高い物質で形成されているので、連
結部材（７）全体に効率よく熱が伝導し、その結果、連
結部材（７）全体が同一またはほぼ同一の温度となり、
該連結部材（７）に設けられている超音波振動子（２）
（３）の温度を同一に保つことができる。従って、超音
波振動子（２）（３）管の共振周波数のズレの発生を防
止することができ、流体の流速を精度よく測定すること
が可能となる。

【００２４】［実施形態２］この実施形態では、図２に
示すように、前記流体流入管（１１）および流体流出管
（１２）は、長さ方向一部が熱絶縁物（１３）で形成さ
れている。これによれば、流体流入管（１１）または流
体流出管（１３）の周囲の温度変化によって、流体流入
管（１１）または流体流出管（１２）の熱絶縁物（１
３）に対して連結部材（７）と反対側部分の温度が変化
しても、当該反対側部分から連結部材（７）への熱伝導
が熱絶縁物により制限されるので、流体流入管（１１）
または流体流出管（１２）の温度変化による連結部材
（７）の温度変化を防止することができる。なお、前記
流体流入管（１１）および流体流出管（１２）は、全体
が熱絶縁物で形成されるものであってもよい。

【００２５】また、前記連結部材（７）の周囲には、熱
遮断物（１４）が設けられている。これによれば、連結
部材（７）の周囲の温度が変化しても、熱遮断部（１
４）により連結部材（７）が保護されているので、連結
部材（７）周囲の温度変化による連結部材（７）の温度
変化を防止することができる。

【００２６】なお、その他の構成部材で図１に示すもの
と同じものは、同一の符号を付してその説明を省略す
る。

【００２７】［実施形態３］この実施形態では、ケーシ
ング（１６）が熱伝導性の高い連結部材となされてお
り、該ケーシング（１６）の長さ方向両側部に超音波振
動子（２）（３）が互いに対向する態様で設けられてい
る。このケーシング（１６）の内部は区画壁（１７）に
より流入室（１８）と流出室（１９）とに区画され、そ
れら流入室（１７）及び流出室（１９）に流入管（２
０）及び流出管（２１）が連結されている。また、前記
区画壁（１７）には、計測管（２２）が区画壁（１７）
を貫通する態様で設けられており、流入室（１８）と流
出室（１９）とが連通せしめられている。

【００２８】しかして、流入管（２０）を流れてきた流
体は、図７の白抜矢印のように、前記計測管（２２）の
長さ方向と交差する向きで流入室（１８）に流入し、該
流入室（１８）において流れの勢いが緩和される。そし
て、流れの勢いが緩和された流入室（１８）内の流体
は、計測管（２２）の流入室（１８）側の開口部まで流
れ、該開口部から計測管（２２）内に流入する。計測管
（２２）内に流入した流体は、そのまま計測管（２２）
内を流入室（１８）側から流出室（１９）側に流れ、計
測管（２２）の流出室（１９）側の開口部から流出室
（１９）に流出したあと、そのまま流出管（２１）に流
出していく。そして、計測管（２２）内を流れる流体の
流速を、上述の超音波を利用した方法で計測し、さらに
流速に基づいて流量を求めるものとなされている。

【００２９】このように、ケーシング（１６）が熱伝導
性の高い連結部材となされいるので、ケーシング（１
６）の周囲の温度が長さ方向に異なる状態になった場合
でも、ケーシング（１６）全体に効率よく熱が伝導す
る。従って、ケーシング（１６）の周囲の温度分布にか
かわらずケーシング（１６）全体が同一またはほぼ同一
の温度となり、該ケーシング（１６）に設けられている
超音波振動子（２）（３）の温度を同一に保つことがで
きる。

【００３０】なお、これらの実施形態では、連結部材を
流速測定管（７）またはケーシング（１４）としたが、
これに限られず、流速測定管（７）またはケーシング
（１４）とは別に超音波振動子（２）（３）を連結する
熱伝導性の高い連結部材を設けるものとしてもよい。

【００３１】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、前記連結
部材は熱伝導性の高い物質で形成されているので、連結
部材の周囲の温度が長さ方向に異なる状態になった場合
でも、連結部材全体に効率よく熱が伝導する。従って、
連結部材の周囲の温度分布にかかわらず連結部材全体が
ほぼ同一の温度となり、該連結部材に連結されている両
超音波振動子の温度もほぼ同一に保つことができ、ひい
ては流体の流速を精度良く測定することが可能となる。

【００３２】請求項２に係る発明によれば、別途連結部
材を設ける必要がないので、簡単かつ確実に超音波振動
子の温度をほぼ同一に保つことができる。

【００３３】請求項３に係る発明によれば、流体流入管
または流体流出管の外部の温度変化によって、流体流入
管または流体流出管の熱絶縁物に対して連結部材と反対
側部分の温度が変化しても、当該反対側部分から連結部
材への熱伝導が熱絶縁物により制限されるので、流体流
入管または流体流出管の温度変化による連結部材材の温
度変化を防止することができる。

【００３４】請求項４に係る発明によれば、熱遮断物外
の温度が変化しても、熱遮断物外から熱遮断物内の連結
部材への熱移動が熱遮断物により制限されるので、熱遮
断物外の温度変化による連結部材の温度変化を防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態に係る超音波流速測定装
置を示す概略構成図である。

【図２】この発明の他の実施形態に係る超音波流速測定
装置を示す概略構成図である。

【図３】この発明のさらに他の実施形態に係る超音波流
速測定装置を示す概略構成図である。

【図４】従来の超音波流速測定装置を示す概略構成図で
ある。

【符号の説明】

１・・・流速測定管 ２、３・・・超音波振動子 ７・・・連結部材材 ８・・・焦点 ９・・・流体流入管 １０・・・流体流出管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山▲崎▼ 優 大阪市東成区東小橋２丁目10番16号 関西 ガスメータ株式会社内 (72)発明者 松田 年史 大阪市東成区東小橋２丁目10番16号 関西 ガスメータ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F035 DA07 DA14 DA22

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波流速測定装置内を流れる計測流体
   の上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子が配置され、
   前記各超音波振動子から相互に超音波を発生送信すると
   ともに、送信された超音波を相互に受信し、超音波の伝
   搬時間の差に基づいて流速測定するものとなされている
   超音波流速測定装置において、 前記上流側と下流側の超音波振動子を連結する連結部材
   が設けられ、該連結部材が熱伝導性の高い物質で形成さ
   れていることを特徴とする超音波流速測定装置。
2. 【請求項２】 前記連結部材は、前記上流側および下流
   側の超音波振動子が熱的接触状態に設けられた流速測定
   管またはケーシングからなる請求項１に記載の超音波流
   速測定装置。
3. 【請求項３】 計測流体を流入せしめる流体流入管と計
   測流体を流出せしめる流体流出管とが、前記流速測定管
   またはケーシングを介して設けられるとともに、前記流
   体流入管および流体流出管の長さ方向の一部または全部
   が熱絶縁物で形成されている請求項２に記載の超音波流
   速測定装置。
4. 【請求項４】 前記連結部材の周囲に熱遮断物が設けら
   れている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の超
   音波流速測定装置。