JP2009068894A - 超音波流速計 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度が低下しにくく、耐久性に優れた超音波流速計を提案する。
【解決手段】流体の速度を計測するものにおいて、
超音波の伝搬路が流速方向と直交するように対向して設置された一対の超音波発信素子Ａ及び受信素子Ｂと、
流速をＶ、音速をＣ、発信素子Ａから受信素子Ｂまでの超音波の伝搬時間をＴ、発信素子Ａから受信素子Ｂまでの距離をＤとするとき、
Ｖ＝｛（ＣＴ）²−Ｄ²｝^1/2／Ｔ
に基づいて、計測されたＴからＶを算出する演算プログラムと
を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、超音波流速計に関する。

トンネル内の風速、ガス管内のガス流速などの流速を測る計器として超音波流速計が汎用されている。従来の超音波流速計では、いずれも図４に示すように超音波伝搬路が流速方向に対して傾斜するように上流側と下流側に超音波素子ａ、ｂが配置され、交互に超音波が送受信される。そして、流速に対する伝搬路の傾斜角度をθとするとき、素子ａから素子ｂへの伝搬時間Ｔabと逆方向の伝搬時間Ｔbaに基づいて下記の式より流速Ｖが求められる（非特許文献１）。
Ｖ＝(Ｌ／２cosθ)(１／Ｔab−１／ba)
http://www.oval.co.jp/techinfo/ultrasonic/ultrasonic1.html

しかし、従来の超音波流速計は、伝搬路を流速に対して傾斜させる必要上、図４に示したように発信面及び受信面と管内面とを同一平面にすることができなかった。このため、発信面及び受信面と管内面とで段差が生じ、図示の如く発信面及び受信面が管内面よりも窪んでいる構造の場合はくぼみにゴミが溜まって測定精度が低下するし、逆に突出している場合は摩耗により素子が劣化するという問題があった。
それ故、この発明の課題は、測定精度が低下しにくく、耐久性に優れた超音波流速計を提案することにある。

その課題を解決するために、この発明の超音波流速計は、
流体の速度を計測するものにおいて、
超音波の伝搬路が流速方向と直交するように対向して設置された一対の超音波発信素子及び受信素子と、
流速をＶ、音速をＣ、発信素子から受信素子までの超音波の伝搬時間をＴ、発信素子から受信素子までの距離をＤとするとき、
Ｖ＝｛（ＣＴ）²−Ｄ²｝^1/2／Ｔ
に基づいて、計測されたＴからＶを算出する演算プログラムと
を備えることを特徴とする。

超音波は本来一方向ではなく、発信素子を中心とする同心円の波紋が広がるように伝搬する。従って、図１に示すように発信素子Ａから発せられた波紋Ｐは、受信素子Ｂに到達するまでの間に流速Ｖ方向に距離Ｘだけ移動する。
そこで、伝搬距離をＬとすると、Ｌ²＝Ｘ²＋Ｄ²にＬ＝ＣＴ、Ｘ＝ＶＴを代入し、Ｖを求めると前記の式となる。従って、伝搬時間Ｔを測定することで流速Ｖを計測することができる。
しかも発信素子及び受信素子は、伝搬路が流速方向と直交するように対向して設置されているので、前記流体が管内を流れるものであるとき、前記発信素子の発信面及び受信素子の受信面が管内面と同一平面になるように発信素子及び受信素子を管内面に取り付けることができる。従って、ゴミが溜まることはなく、素子が摩耗することもない。

ゴミが溜まらないので測定精度が低下しにくく、素子が摩耗しないので耐久性に優れる。よって、一定の精度で長期的に計測することができる。

図２は、この発明の実施形態に係る超音波流速計のブロック図である。流速計１は、図３の如く管Ｗ内の気体の流速を計測するもので、発信部２、受信部３及びマイクロプロセッサ４を備える。発信部２及び受信部３の接続端子にはそれぞれ超音波発信素子Ａ、及び受信素子Ｂが接続されている。発信素子Ａ及び受信素子Ｂを結ぶ直線は管軸と直交している。発信素子Ａの発信面及び受信素子Ｂの受信面は管Ｗ内面と同一平面になるように発信素子Ａ及び受信素子Ｂが管Ｗ内面に取り付けられている。マイクロプロセッサ４は、演算部４１を有し、前記式Ｖ＝｛（ＣＴ）²−Ｄ²｝^1/2／Ｔに基づいて、計測されたＴからＶを算出する演算プログラムが組み込まれている。

流速を計測する場合は、マイクロプロセッサ４で周波数決定され、送信波数決定された超音波が発信素子Ａより発信される。同時に発信時刻がマイクロプロセッサ４に記録される。前記超音波が受信素子Ｂで受信され、前置増幅器、帯域制限フィルタ、可変利得増幅器及び検波器を経て電気信号に変換されてマイクロプロセッサ４に入力される。前記発信時刻と入力時刻との差から伝搬時間Ｔが求められ、演算部４１にて流速Ｖが算出される。

この実施形態によれば、発信素子Ａの発信面及び受信素子Ｂの受信面と管Ｗ内面と間に段差が無いので、ゴミが溜まることはなく、素子Ａ、Ｂが摩耗することもない。よって、一定の精度で長期的に計測することができる。
尚、前記式で本発明の課題は解決されるが、式中に音速が含まれていると流体の質の影響が大きく現れるため、実用に際しては超音波素子の指向性から許せる程度のやや斜めに素子Ａ、Ｂを配置するとよい。

発明の作用を説明する図である。 実施形態に係る超音波流速計のブロック図である。 実施形態に係る超音波流速計の取り付け状態を示す断面図である。 従来の超音波流速計の取り付け状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 超音波流速計
２ 発信部
３ 受信部
４ マイクロプロセッサ
Ａ 発信素子
Ｂ 受信素子
Ｗ 管

Claims (2)

1. 流体の速度を計測するものにおいて、
   超音波の伝搬路が流速方向と直交するように対向して設置された一対の超音波発信素子及び受信素子と、
   流速をＶ、音速をＣ、発信素子から受信素子までの超音波の伝搬時間をＴ、発信素子から受信素子までの距離をＤとするとき、
   Ｖ＝｛（ＣＴ）²−Ｄ²｝^1/2／Ｔ
   に基づいて、計測されたＴからＶを算出する演算プログラムと
   を備えることを特徴とする超音波流速計。
2. 前記流体が管内を流れるものであって、前記発信素子の発信面及び受信素子の受信面が管内面と同一平面になるように発信素子及び受信素子が管内面に取り付けられている請求項１に記載の超音波流速計。

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