JP2022076233A - Ultrasonic flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波流量計に関する。 The present invention relates to an ultrasonic flow meter.
従来、図10に示すように、配管55内の流量を算出する超音波流量計は、流体の流れ方向51に対して斜めに対面状に配設される一対の超音波センサ52,53を備え、上流側の第1超音波センサ52から発信された第1超音波V1 が、流体の流れに乗って、下流側の第2超音波センサ53に受信されるまでの第1伝播(伝搬)時間を計測し、かつ、下流側の第2超音波センサ53から発信された第2超音波V2 が、流体の流れに逆らって、上流側の第1超音波センサ52に受信されるまでの第2伝播(伝搬)時間を計測し、第1伝播時間と第2伝播時間の差分から流速を求め、該求めた流速に基づいて流量を算出するトランジットタイム計測式の超音波流量計が公知である(例えば、特許文献1参照)。
Conventionally, as shown in FIG. 10, the ultrasonic flow meter for calculating the flow rate in the
また、従来、トランジットタイム計測式の超音波流量計として、図11に示す如く、流体が流れる配管55内に測定ユニット56を配管軸心に直交する方向から配管55内に挿入(差込み)して保持し、計測を行うものが知られている(特許文献2参照)。即ち、図11に於て、S1 が第1超音波センサ、S2 が第2超音波センサであり、反射板58にて、第1・第2超音波センサS1 ,S2 からの超音波を反射して、その反射した超音波を、第2・第1超音波センサS2 ,S1 で受信し、流速を計測するものである。さらに、従来から、図12に示すように、第1超音波センサS1 と第2超音波センサS2 を測定路(窓部)61の上端面61Aに設けると共に、下端面61Bを超音波の反射面とした測定ユニット57を、配管軸心Lp に直交する方向から深く配管55内に差込み、流速を計測する装置が公知であった。
Further, conventionally, as a transit time measurement type ultrasonic flow meter, as shown in FIG. 11, the
しかし、図10~図12、及び、上記特許文献1,2に示された超音波流量計は、いずれも、配管内の流路全体の断面積のほんの僅かな一部位についてのみ平均流速を求め、その平均流速に流路の横断面積を乗じて、流量を算出していたため、(配管内を流れる)全体の流量を精度良く算出できなかった。
However, in each of the ultrasonic flowmeters shown in FIGS. 10 to 12 and
しかも、上記流路横断面積自体が、配管内面への錆・スケール等の付着に伴って、経年変化している場合には、全体流量の算出値は、さらに不正確となるという問題があった。
また、配管記録(ドキュメント)が紛失する等によって、配管の内径寸法が不明である場合には、流量を算出できないという問題が発生する。
Moreover, if the cross-sectional area of the flow path itself changes over time due to rust, scale, etc. adhering to the inner surface of the pipe, there is a problem that the calculated value of the total flow rate becomes more inaccurate. ..
In addition, if the inner diameter of the pipe is unknown due to loss of the pipe record (document), there arises a problem that the flow rate cannot be calculated.
そこで、本発明は、配管内面への錆・スケール等が付着して流路横断面積が変化していたり、上記ドキュメント紛失に伴って配管の内径寸法が不明───従って流路横断面積が不明───であっても、精度良く流量を算出できる超音波計を提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, the inner diameter of the pipe is unknown due to rust, scale, etc. adhering to the inner surface of the pipe and the cross-channel area of the flow path is changed, or the inner diameter of the pipe is unknown due to the loss of the above document. Even if it is ───, the purpose is to provide an ultrasonic meter that can calculate the flow rate with high accuracy.
本発明に係る超音波流量計は、配管の周囲壁に設けられている孔部から配管軸心に直交する方向に差込まれる挿入細管と、該挿入細管の先端に設けられたヘッド部とを、備えた超音波流量計に於て;上記ヘッド部は、上流側の第1超音波センサと下流側の第2超音波センサから成るセンサユニットを複数具備し;上記複数のセンサユニットは、ヘッド軸心廻りに等分配角度をもって、配設され;上記ヘッド軸心を上記配管軸心に略一致させるように上記挿入細管とヘッド部を配管内へ差込んだ流量測定姿勢において、上記ヘッド部の複数の上記センサユニットから配管の周囲壁内面に対して、超音波を放射線状に発信し、上記周囲壁内面から反射した各超音波を受信し、上記ヘッド部から上記周囲壁内面までの各周方向位置毎の半径方向距離を測定すると共に;上記等分配角度を中心角度とする略扇型の分割区域の各流路面積及び各流量を算出し;各流量を合算して、配管全体の流量を求めるように構成した。 The ultrasonic flow meter according to the present invention has an insertion thin tube inserted in a direction orthogonal to the pipe axis from a hole provided in the peripheral wall of the pipe, and a head portion provided at the tip of the insertion thin tube. The head portion includes a plurality of sensor units including a first ultrasonic sensor on the upstream side and a second ultrasonic sensor on the downstream side; the plurality of sensor units are heads. The head portion is arranged around the axis with an equal distribution angle; in the flow measurement posture in which the insertion thin tube and the head portion are inserted into the pipe so that the head axis is substantially aligned with the pipe axis. Ultrasonic waves are radially transmitted from the plurality of sensor units to the inner surface of the peripheral wall of the pipe, each ultrasonic wave reflected from the inner surface of the peripheral wall is received, and each circumference from the head portion to the inner surface of the peripheral wall. While measuring the radial distance for each directional position; calculate each flow path area and each flow rate of the substantially fan-shaped divided area with the above equal distribution angle as the center angle; add up each flow rate and flow rate of the entire pipe. Was configured to ask for.
本発明によれば、高精度な流量計測が可能となる。特に、配管の内面に錆・スケールが付着して配管の内部断面積が減少したり、あるいは逆に、セメントライニング管等で内部断面積が増加していても、高精度に全体の流量を算出できる。さらには、ドキュメント紛失等で内径不明の配管(内径不明管)であっても、正確に流量測定が可能である。 According to the present invention, highly accurate flow rate measurement is possible. In particular, even if rust or scale adheres to the inner surface of the pipe and the internal cross-sectional area of the pipe decreases, or conversely, the internal cross-sectional area of the cement lining pipe increases, the overall flow rate is calculated with high accuracy. can. Furthermore, even if the inner diameter of the pipe is unknown (inner diameter unknown pipe) due to loss of a document or the like, the flow rate can be accurately measured.
以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
本発明に係る超音波流量計は、(温度計によって)水温を予め測定し、該当水温における水中音速を(水中音速データに基づいて)求める。その後、超音波の伝播(伝搬)時間を計測し、さらに計測した流速に基づいて流量を算出(演算)するトランジットタイム計測式(伝播時間差式)を活用しつつ、以下、説明するように、その測定精度等を著しく向上させた流量計である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the illustrated embodiment.
The ultrasonic flow meter according to the present invention measures the water temperature in advance (by a thermometer) and obtains the underwater sound velocity at the corresponding water temperature (based on the underwater sound velocity data). After that, while utilizing the transit time measurement formula (propagation time difference formula) that measures the propagation (propagation) time of ultrasonic waves and calculates (calculates) the flow rate based on the measured flow velocity, as described below. It is a flow meter with significantly improved measurement accuracy.
図1~図8に於て、配管Pの周囲壁1に予め形成された(消火栓や空気弁等の)孔部11から、配管軸心Lp に直交する方向に差込まれる挿入細管5と、この挿入細管5の先端に設けられたヘッド部3とを、備えている。この挿入細管5の基端(上端)には、ハンドル部材20と制御ボックス21とを有し、このボックス21内に(図外の)制御部との接続用コネクタ等が内設されている。
そして、ヘッド部3には、上流側の第1超音波センサS1 と、下流側の第2超音波センサS2 から成るセンサユニットSy を、複数、備えている。
In FIGS. 1 to 8, an insertion
The
各センサユニットSy における第1超音波センサS1 と第2超音波センサS2 は、配管軸心Lp に平行な方向に沿って、上流側・下流側に、配設される。
しかも、複数のセンサユニットSy は、ヘッド軸心L3 廻りに、等分配角度βをもって、配設されている(図5,図7参照)。
The first ultrasonic sensor S 1 and the second ultrasonic sensor S 2 in each sensor unit Sy are arranged on the upstream side and the downstream side along the direction parallel to the pipe axis Lp.
Moreover, the plurality of sensor units Sy are arranged around the head axis L3 with an equidistributed angle β (see FIGS. 5 and 7).
ところで、配管P内に挿入されたヘッド部3の軸心L3 は、配管Pの軸心Lp に、略一致させる。従って、複数のセンサユニットSy は、配管軸心Lp 廻りに、等分配角度βをもって、配設されていると、言うこともできる。
By the way, the axis L 3 of the
ところで、図5~図8に示す図例に於ては、軸心L3 ,Lp の方向から見て、ヘッド部3は、正八角形の場合を示す。その正八角形の内で、一辺3Aは、挿入細管5の下端と、連結される構造であるため、センサユニットSy は配設できない。従って、本発明の説明に於て、センサユニットSy を、ヘッド軸心L3 廻りに等分配角度βをもって、配設するとは、全ての等分配角度に配設する場合に限らず、全ての等分配角度の内の一つに配設しない場合をも、包含するものと定義する。
By the way, in the illustrations shown in FIGS. 5 to 8, the
そして、ヘッド軸心L3 を配管軸心Lp に略一致させるように、挿入細管5とヘッド部3を、配管P内へ差込んだ流量測定姿勢において、ヘッド部3の複数(図例では7個)のセンサユニットSy から、配管Pの周囲壁内面10に対して、第1超音波W1 と第2超音波W2 を、放射線状に発信し、周囲壁内面10から反射した各超音波W1 ,W2 を受信する。
Then, in a flow measurement posture in which the insertion
このようにして、ヘッド部3から周囲壁内面10までの(各周方向位置毎の)半径方向距離を測定すると共に、(前述した)等分配角度βを中心角度θとする略扇型───ショートケーキ型───の分割区域Zの各流路面積及び各流量を、算出可能となる。
但し、上記中心角度θは等分配角度βと相等しいが、β/2分だけ、ヘッド軸心L3 廻りに回転させて、分割区域Zを、設定する(図1と図5参照)。
In this way, the radial distance (for each circumferential position) from the
However, although the center angle θ is equal to the equidistributed angle β, the division zone Z is set by rotating the head axis L 3 by β / 2 (see FIGS. 1 and 5).
ところで、図5と図7において既に述べたように、ヘッド部3と挿入細管5とが連結されているヘッド部3の一辺3Aには、センサユニットSy が全く省略されている。
故に、図1に於て、中心角度θ0 をもって示した一区域Z0 では、半径方向距離及び流量を算出できない。
By the way, as already described in FIGS. 5 and 7, the sensor unit Sy is completely omitted from the
Therefore, in FIG. 1, in one area Z 0 shown by the central angle θ 0 , the radial distance and the flow rate cannot be calculated.
そこで、以下のような演算方法によって、前記一区域Z0 の流量を求めれば良い。
即ち、θ0 =θとすれば、図1では、8区域Z(Z0 )に分割されているが、断面略扇型(ショートケーキ型)の中心角度θで示した7区域の流量は算出できたから、その平均流量をもって、中心角度θ0 で示した一区域Z0 の流量であると予測すれば、8区域全体の流量を求め得る。
又は、図1に於て、中心角度θの一区域Z0 に隣設した2区域Z,Zの流量の平均値をもって、一区域Z0 の流量と予測すれば、8区域全体の流量を求めることができる。
Therefore, the flow rate of the one area Z 0 may be obtained by the following calculation method.
That is, if θ 0 = θ, in FIG. 1, it is divided into 8 areas Z (Z 0 ), but the flow rate of 7 areas shown by the center angle θ of a substantially fan-shaped cross section (short cake type) is calculated. Therefore, if it is predicted that the average flow rate is the flow rate of one area Z 0 shown by the central angle θ 0 , the flow rate of the entire eight areas can be obtained.
Alternatively, in FIG. 1, if the average value of the flow rates of the two areas Z and Z adjacent to the one area Z 0 of the central angle θ is predicted to be the flow rate of the one area Z 0 , the flow rate of the entire eight areas is obtained. be able to.
本発明は、図1,図5等に示したように、8等分に限らず、6等分や12等分等の場合もある。従って、N等分された場合では、測定できない前述の一区域Z0 の流量は、(N-1)区域の合計流量に、(N/N-1)を掛けて算出すれば良い。あるいは、一区域Z0 に隣設した2区域Z,Zの流量の平均値をもって、一区域Z0 の流量を想定する方法も、活用できる。
As shown in FIGS. 1 and 5, the present invention is not limited to 8 equal parts, but may be 6 equal parts, 12 equal parts, and the like. Therefore, the flow rate of the above-mentioned one area Z 0 that cannot be measured when divided into N equal parts may be calculated by multiplying the total flow rate of the (N-1) area by (N / N-1). Alternatively, a method of assuming the flow rate of one area Z 0 by using the average value of the flow rates of the two areas Z 0 adjacent to the one
図6と図7と図8に示す実施形態に於て、8枚の帯板片7をもって横断面正八角形に組立てられている。
上辺の帯板片7Aを除いて7枚の帯板片7には、2個ずつの貫孔9,9を設け、この貫孔9,9は、図8に示すように、第1・第2超音波W1 ,W2 がラジアル外方向にゆくに従って、相互に接近するように、僅かに傾斜させて、第1・第2超音波W1 ,W2 が嵌着される。
In the embodiments shown in FIGS. 6, 7, and 8, eight
Except for the
また、図6と図8に示すように、低い8角錐状のカバー部材12,13が付設される。各カバー部材12,13の底面には、浅い(8角形の)凹所14が形成され、上記帯板片7,7Aが横断面8角形状に組合わせた状態で、凹所14に嵌着され、ボルト杆体15及びボルト16等にて、組立てられている。上述のような低角錐形状のカバー部材12,13を付設するヘッド部3は、流れを乱すことが少なく、従って、精度良く、流速及び流量を算出可能となる。
Further, as shown in FIGS. 6 and 8, low octagonal pyramid-shaped
図9は、横軸に時間を、縦軸に超音波の発信・受信の強さを示すグラフ図である。
(a1)は、第1超音波センサS1 から発信された第1超音波W1 が、t1 時間後に、第2超音波センサS2 にて第1超音波受信波W1Rとして受信されたことを示す。他方、(a2)は、第2超音波センサS2 から発信された第2超音波W2 が、t2 時間後に、第1超音波センサS1 にて第2超音波受信波W2Rとして受信されたことを示す。
Δt=t2 -t1 であって、配管P内の流れFの影響による。
FIG. 9 is a graph showing time on the horizontal axis and intensity of ultrasonic wave transmission / reception on the vertical axis.
In (a1), the first ultrasonic wave W 1 transmitted from the first ultrasonic sensor S 1 was received as the first ultrasonic wave W 1 R by the second ultrasonic sensor S 2 one hour later. Show that. On the other hand, in (a2), the second ultrasonic wave W 2 transmitted from the second ultrasonic sensor S 2 is received as the second ultrasonic wave W 2 R by the first ultrasonic sensor S 1 after t 2 hours. Indicates that it was done.
Δt = t 2 -t 1 due to the influence of the flow F in the pipe P.
このΔtを求めることで、(図1に示した)各分割区域Zの流速を算出できる。しかも、各分割区域Zの半径方向距離───半径───は、(t1 +t2 )/2に基づいて算出できる。
従って、各分割区域Zについて算出された、半径方向距離と、中心角度θに基づいて、扇型の断面形状を有する各区域Zの流量を演算できる。
By obtaining this Δt, the flow velocity of each divided area Z (shown in FIG. 1) can be calculated. Moreover, the radial distance of each divided area Z ─── radius ─── can be calculated based on (t 1 + t 2 ) / 2.
Therefore, the flow rate of each area Z having a fan-shaped cross-sectional shape can be calculated based on the radial distance calculated for each divided area Z and the center angle θ.
具体例として、図1では、7つの分割区域Zの各々の流量を合計し、さらに、前述した方法によって、残りの区域Z0 の流速・流量も、略正確に、演算可能であるため、7つの分割区域Zの合計流量と、残りの一つの区域Z0 の算出流量とを、合計すれば、(360°にわたっての)配管Pの全体の流量を、高精度に求めることができる。 As a specific example, in FIG. 1, the flow rates of each of the seven divided areas Z are totaled, and the flow velocity / flow rate of the remaining area Z 0 can be calculated substantially accurately by the method described above. By summing the total flow rate of one divided area Z and the calculated flow rate of the remaining one area Z 0 , the total flow rate of the pipe P (over 360 °) can be obtained with high accuracy.
従来例として示した図10,図11,図12のいずれに於ても、配管55の全体の流路を横切る、僅かな(狭い)部位の流速を計測すると共に、この流速に基づいて、流路全面積の流量を演算する方法では、誤差が大きく、演算された流量の精度は低いものであったといえる。
さらに、配管55の内面は、錆・スケール等の付着等によって、経年変化(断面積の減少)を起こしている場合には、一層、演算される流量の精度は低いものであった。
In any of FIGS. 10, 11, and 12 shown as conventional examples, the flow velocity of a small (narrow) portion crossing the entire flow path of the
Further, when the inner surface of the
なお、上述の図示の実施形態では、流路の全体の断面を、8つの区域Z,Z0 に区分けした場合を示したが、これを3区域~12区域に区分けするも自由である。3区域未満では、流量計測精度が従来とほとんど変わらないこととなり、逆に、12区域を越せば、ヘッド部3の製作が急に困難となると共に流量計測精度はほとんど改善しない結果となってしまう。
In the illustrated embodiment described above, the case where the entire cross section of the flow path is divided into eight areas Z and Z 0 is shown, but it is also possible to divide this into three areas to 12 areas. If it is less than 3 areas, the flow rate measurement accuracy will be almost the same as before, and conversely, if it exceeds 12 areas, the production of the
本発明は、以上詳述したように、配管Pの周囲壁1に設けられている孔部11から配管軸心Lp に直交する方向に差込まれる挿入細管5と、該挿入細管5の先端に設けられたヘッド部3とを、備えた超音波流量計に於て;上記ヘッド部3は、上流側の第1超音波センサS1 と下流側の第2超音波センサS2 から成るセンサユニットSy を複数具備し;上記複数のセンサユニットSy は、ヘッド軸心L3 廻りに等分配角度βをもって、配設され;上記ヘッド軸心L3 を上記配管軸心Lp に略一致させるように上記挿入細管5とヘッド部3を配管P内へ差込んだ流量測定姿勢において、上記ヘッド部3の複数の上記センサユニットSy から配管Pの周囲壁内面10に対して、超音波W1 ,W2 を放射線状に発信し、上記周囲壁内面10から反射した各超音波W1 ,W2 を受信し、上記ヘッド部3から上記周囲壁内面10までの各周方向位置毎の半径方向距離を測定すると共に;上記等分配角度βを中心角度θとする略扇型の分割区域Zの各流路面積及び各流量を算出し;各流量を合算して、配管全体の流量を求めるように構成したので、配管全体の流量を(従来よりも)著しく高い精度をもって、求めることができる。
さらに、配管内面への錆・スケール等の付着によって、流路横断面形状及び面積が変化(減少)している場合であても、あるいは、ドキュメント紛失に伴って配管に内径寸法(断面積)が全く不明である場合であっても、各周方向位置毎の半径を測定する本発明では、高い精度をもって、配管全体の流量を、算出できる。
As described in detail above, the present invention has an insertion
Furthermore, even if the cross-sectional shape and area of the flow path are changed (decreased) due to rust, scale, etc. adhering to the inner surface of the pipe, or due to the loss of the document, the inner diameter dimension (cross-sectional area) of the pipe is increased. Even if it is completely unknown, in the present invention of measuring the radius of each circumferential position, the flow rate of the entire pipe can be calculated with high accuracy.
1 周囲壁
3 ヘッド部
5 挿入細管
10 周囲壁内面
11 孔部
L3 ヘッド軸心
Lp 配管軸心
P 配管
S1 第1超音波センサ
S2 第2超音波センサ
Sy センサユニット
W1 超音波
W2 超音波
Z 分割区域
β 等分配角度
θ 中心角度
1
10 Inner surface of the surrounding wall
11 Hole L 3 Head axis Lp Piping axis P Piping S 1 First ultrasonic sensor S 2 Second ultrasonic sensor Sy sensor unit W 1 Ultrasonic W 2 Ultrasonic Z Division area β Equal distribution angle θ Center angle
Claims (1)
上記ヘッド部(3)は、上流側の第1超音波センサ(S1 )と下流側の第2超音波センサ(S2 )から成るセンサユニット(Sy )を複数具備し、
上記複数のセンサユニット(Sy )は、ヘッド軸心(L3 )廻りに等分配角度(β)をもって、配設され、
上記ヘッド軸心(L3 )を上記配管軸心(Lp )に略一致させるように上記挿入細管(5)とヘッド部(3)を配管(P)内へ差込んだ流量測定姿勢において、上記ヘッド部(3)の複数の上記センサユニット(Sy )から配管(P)の周囲壁内面(10)に対して、超音波(W1 )(W2 )を放射線状に発信し、上記周囲壁内面(10)から反射した各超音波(W1 )(W2 )を受信し、上記ヘッド部(3)から上記周囲壁内面(10)までの各周方向位置毎の半径方向距離を測定すると共に、
上記等分配角度(β)を中心角度(θ)とする略扇型の分割区域(Z)の各流路面積及び各流量を算出し、
各流量を合算して、配管全体の流量を求めるように構成したことを、特徴とする超音波流量計。 An insertion thin tube (5) inserted from a hole (11) provided in the peripheral wall (1) of the pipe (P) in a direction orthogonal to the pipe axis (Lp), and the tip of the insertion thin tube (5). In an ultrasonic flow meter equipped with a head portion (3) provided in
The head portion (3) includes a plurality of sensor units (Sy) including a first ultrasonic sensor (S 1 ) on the upstream side and a second ultrasonic sensor (S 2 ) on the downstream side.
The plurality of sensor units (Sy) are arranged around the head axis (L 3 ) with an equidistributed angle (β).
In the flow rate measurement posture in which the insertion thin tube (5) and the head portion (3) are inserted into the pipe (P) so that the head axis (L 3 ) substantially coincides with the pipe axis (Lp). Ultrasonic waves (W 1 ) and (W 2 ) are radially transmitted from a plurality of the sensor units (Sy) of the head portion (3) to the inner surface (10) of the peripheral wall of the pipe (P), and the peripheral wall thereof. Each ultrasonic wave (W 1 ) (W 2 ) reflected from the inner surface (10) is received, and the radial distance for each circumferential position from the head portion (3) to the inner surface of the peripheral wall (10) is measured. With
Each flow path area and each flow rate of the substantially fan-shaped divided area (Z) having the equipartition angle (β) as the center angle (θ) were calculated.
An ultrasonic flow meter characterized by being configured to add up the flow rates and obtain the flow rate of the entire pipe.
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