JP2009041912A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】配管形状の影響が少なく、細管においても正確な測定精度を得る。
【解決手段】管軸をｚ軸方向とする測定用管体１は角管とされ、管体１の上面１ａの上流側及び下流側には１対の超音波送受信器２、３が取り付けられている。管体１の下面１ｂには反射率を大きくした超音波反射体４が配置されており、超音波反射体４の前後両側の下面１ｂは反射率が十分に低くされている。
一般に、超音波ビームの送信振幅はｘ軸方向、つまり管体１の幅方向に一様に分布するものでなく、超音波送受信器２、３で使用するピエゾ振動子の中央部は送信振幅が大きく、周辺部は小さくなる。そこで、超音波反射体４のｚ軸方向の長さをｘ軸方向に沿って調整することにより、受信振幅の最大値のｘ軸方向の分布を一様にすることにより、受信側の超音波送受信器では超音波ビームの伝播路上の流速の平均値に依存する波形を受信することになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、角管から成る測定用管体内に超音波反射率を制御した超音波反射体を設け、精度の良い測定を可能とした超音波流量計に関するものである。

一般に超音波流量計では、所謂時間差方式が実用性の高い流量計として使用されている。通常では、円管の上流側及び下流側に超音波送受信器を設置し、上流向け及び下流向け伝播時間の差から管内流流量を測定しているが、超音波ビームが管軸を通る簡単な構成では、流体の粘度の影響を受けることが知られている。特殊な例としては、２つの超音波ビームを断面半径を垂直に２分する位置に取り付けるタイプも使用され、この場合に軸対称流では流速分布誤差が少ない。

一般に、精度の良い測定をするためには、超音波ビームの伝播距離を長くすることが時間差が大きくなるので望ましい。大径の流体管路においては、管内面に超音波反射体を配置するなどして、伝播距離を大きくすることも可能である。

しかし、小径の管体においては内部に超音波反射体を配置することが困難である。

本発明の目的は、上述の問題点を解決して、構造が簡単であり、細管においても適用できる超音波流量計を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波流量計の技術的特徴は、測定流体を流す角管から成る測定用管体のｌつの面の流れ方向の上流側と下流側に、少なくとも１対の超音波送受信器を設置すると共に、前記管体内の前記超音波送受信器の取付面と対向する面上に周囲の管内面よりも超音波反射率が大きい超音波反射体を配置し、前記上流側又は下流側の超音波送受信器から発信した超音波ビームが前記超音波反射体で反射して前記下流側又は上流側の前記超音波送受信器に伝播する超音波流量計であって、前記超音波反射体の前記管体の管軸と直交する方向の超音波反射率の分布を調整し、前記超音波ビームの振幅分布が前記管体内で均等化するようにしたことにある。

本発明に係る超音波流量計によれば、少なくとも１対以上の超音波送受信器により送受信され、超音波反射体を経た超音波ビームは伝播路上の流速の平均値に応じた伝播時間差を与え、更に超音波反射体は送信振幅に拘わらず受信振幅を均一にして反射するので、得られる時間差信号は断面内の流速を平均したものとなる。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は実施例１の超音波流量計の構成図である。管軸をｚ軸方向とし、測定流体を流す測定用管体１は、断面矩形状又は方形の角管とされ、管体１の上面１ａの上流側及び下流側には１対の超音波送受信器２、３が取り付けられている。なお、管軸のｚ軸方向と直交する水平方向をｘ軸、上下方向をｙ軸とする。

超音波送受信器２、３間の管体１の下面１ｂの内面には、超音波反射率を大きくした超音波反射体４が配置されており、超音波反射体４の周囲の面は超音波反射率が十分に低くされている。そして、超音波送受信器２、３には、図示しない駆動測定回路を接続するリード線５、５’及び６、６’がそれぞれ接続されている。

このような構成により、上流側の超音波送受信器２内の任意の点Ａ及び点Ｂから送信される超音波ビームは、それぞれ超音波反射体４内の点Ａ’及び点Ｂ’で反射し、点Ａ”及び点Ｂ”において下流側の超音波送受信器３に達する。下流側の超音波送受信器３から上流側に超音波ビームが送られる場合には、上記の逆の経路を経て伝播する。

超音波ビームは時間差方式では一般にバースト波で駆動するが、或る特定時刻ｔの近傍における受信波形に着目すれば正弦波と見倣せるので、点Ａ及び点Ｂを通る超音波ビームの振幅をそれぞれＶａ及びＶｂとすれば、時間差方式の動作式から、次式（１）、（２）が得られる。ただし、流体中の超音波ビームの減衰は無視している。
Ｖａ＝ａ・ｍａ・ｓｉｎ{２πｆ(ｔ±ｖａ・ｓｉｎθ・Ｔ／２Ｃ)} …（１）
Ｖｂ＝ｂ・ｍｂ・ｓｉｎ{２πｆ(ｔ±ｖｂ・ｓｉｎθ・Ｔ／２Ｃ)} …（２）

ここで、ａ、ｂはそれぞれの超音波ビームの送信振幅の最大値、ｍａ、ｍｂはそれぞれ点Ａ’及び点Ｂ’における超音波反射体４の反射率、ｆは超音波送受信器２、３の駆動周波数、±の符号は下流向けが−、上流向けが＋に対応し、ｖａ、ｖｂはそれぞれ点Ａ’及び点Ｂ’を通る超音波ビームの伝播路上の流速の平均値、θは超音波ビームの入射角、Ｔは超音波ビームの伝播時問、Ｃは流体の音速である。

一般に、超音波ビームの送信振幅はｘ軸方向、つまり管体１の幅方向に一様に分布するものでなく、超音波送受信器２、３で超音波振動子として使用するピエゾ振動子の中央部は送信振幅が大きく、周辺部は小さくなる。従って、超音波反射体４のｘ軸方向の反射率分布が一様な場合には、受信側の超音波送受信器の受信振幅も一様にならない。

そこで、超音波反射体４のｘ軸方向の反射率分布を調整して、常にａ・ｍａ＝ｂ・ｍｂ≡ｐ（定数）が成立するように構成すると、受信振幅の最大値のｘ軸方向の分布は一様になる。即ち、超音波送受信器２、３は周波数が同一で、振幅がｘ軸方向に一様となり、受信側の超音波送受信器では超音波ビームの伝播路上の流速の平均値に依存する位相を有する波形を受信することになる。

図２は超音波送受信器からの超音波ビームのｘ軸方向の送信振幅の分布を示し、通常では管体１の中央で最大振幅値ａ、ｂが大きくなる。図３は図２の送信振幅に対応して受信側の超音波送受信器で受信する振幅が一様となるように調整した超音波反射体４のｚ方向長さを示している。

このように、送信振幅に対し図１に示すように、超音波反射体４のｚ軸方向の長さを調整すると、受信側での超音波送受信器で受信した超音波ビームの分布が均等化される。

次式（３）の正弦和の公式を利用し、式（１）、（２）の２つの超音波ビームの平均振幅Ｖを計算すると、式（４）を得る。
ｓｉｎＥ＋ｓｉｎＦ＝２・ｓｉｎ(Ｅ＋Ｆ)／２・ｃｏｓ(Ｅ−Ｆ)／２ …（３）
Ｖ＝２・ｐ・ｓｉｎ[２πｆ{ｔ±(ｖａ＋ｖｂ)／２}・ｓｉｎθ・Ｔ／２Ｃ]・ｃｏｓ{２πｆ・(ｖａ−ｖｂ)ｓｉｎθ・Ｔ／２Ｃ} …（４）

ここで、流体の音速Ｃに比べて流速が十分に小さいとすると、上式のｃｏｓ項は１と見倣せるので、これを省略すれば、平均振幅Ｖは２つの流速ｖａ、ｖｂの平均値（ｖａ＋ｖｂ）／２のときの時間差方式の動作式にほかならない。

上述の関係は任意の超音波ビームについて成立するので、結局は超音波送受信器２、３は超音波ビームの方向とｘ軸とにより定まる平面上の流速の平均値を検出することができる。

図４は管体１の上面１ｂに実施例２の２対の超音波送受信器２、３、２’、３’を配置した例を示し、図５及び図６はこのときの超音波ビームの送信振幅分布及び超音波反射体４の長さの分布を示している。

複数対の超音波送受信器２、３、２’、３’の電気的接続については、上流側又は下流側ごとに、同じ極性の電極をリード線５、５’及びリード線６、６’により相互に接続されている。

この実施例２のように、使用する超音波送受信器２、３の対数を増加すれば、発信強度はより一様な分布に近付くが、一方で取り付けの煩雑さは増加する。

なお、超音波反射体４の反射率を調整する手段として、図３、図６では超音波反射体４のｚ軸方向の長さを変化させたが、別の方法も考えられる。

例えば、図７は実施例１のように、１対の超音波送受信器２、３を用いた場合の超音波反射体４の表面粗度のｘ軸方向分布を調整した例を示している。流体中の超音波ビームの波長に比べて小さくない大きさで、超音波反射体４の表面に凹凸を形成し超音波ビームを散乱させている。凹凸の密度の高い部分ほど散乱が多くなるので、図３に示すように超音波ビームの振幅に対応させて、中央部ほど散乱が大きくなるように凹凸密度の分布を変化させることで、超音波反射率を調整することができる。

図８は他の超音波反射体４の例を示し、超音波反射体４の取付面に対する傾きを変化させてｘ軸方向分布を調整している。傾きが大きい部分ほど、受信側の超音波送受信器への超音波ビームの反射が少なくなるので、ｘ軸方向の中央部における傾きを大きくすることで、中央部の超音波反射率を小さくしている。

上述したように、本発明の超音波流量計は角管を使用しているが、通常の管路は円管であるので、測定部の前後に角管から成る測定用管体１を円形管に変形するレジューサ管７を図９に示すように接続し、管体１と両側の円管８の断面形状を整合させることが好ましい。

実施例１の構成図である。 超音波ビームのｘ軸方向の発信振幅分布図である。 超音波反射体のｘ軸方向の長さ分布図である。 実施例２の構成図である。 超音波ビームのｘ軸方向の発信振幅の分布図である。 超音波反射体のｘ軸方向の長さ分布図である。 表面に凹凸を設けて超音波反射率を変化させた超音波反射体の斜視図である。 表面の傾きを変えて超音波反射率を変化させた超音波反射体の斜視図である。 管体の上流側及び下流側にレジューサ管を接続した状態の断面図である。

符号の説明

１ 測定用管体
２、３、２’、３’ 超音波送受信器
４ 超音波反射体
５、５’、６、６’ リード線
７ レジューサ管

Claims (6)

1. 測定流体を流す角管から成る測定用管体のｌつの面の流れ方向の上流側と下流側に、少なくとも１対の超音波送受信器を設置すると共に、前記管体内の前記超音波送受信器の取付面と対向する面上に周囲の管内面よりも超音波反射率が大きい超音波反射体を配置し、前記上流側又は下流側の超音波送受信器から発信した超音波ビームが前記超音波反射体で反射して前記下流側又は上流側の前記超音波送受信器に伝播する超音波流量計であって、前記超音波反射体の前記管体の管軸と直交する方向の超音波反射率の分布を調整し、前記超音波ビームの振幅分布が前記管体内で均等化するようにしたことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記超音波反射体の前記管体の管軸方向の長さを管軸に直交する方向に沿って変化させることにより、前記超音波反射体の超音波反射率を調整することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記超音波反射体の表面粗度を管軸に直交する方向に沿って変化させることにより、前記超音波反射体の超音波反射率を調整することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
4. 前記超音波反射体の取付面に対する傾きを管軸に直交する方向に沿って変化させることにより、前記超音波反射体の超音波反射率を調整することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
5. 複数対の前記超音波送受信器を用いる場合に、上流側又は下流側ごとに同じ極性の電極を相互に接続することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
6. 前記測定用管体の上流側及び下流側に、前記管体と外部接続配管との断面形状を整合するレジューサ管を接続することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。

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