JP2563554B2 - 管中の流体の流速測定用超音波作動変換装置 - Google Patents

管中の流体の流速測定用超音波作動変換装置

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JP2563554B2 JP63503354A JP50335488A JP2563554B2 JP 2563554 B2 JP2563554 B2 JP 2563554B2 JP 63503354 A JP63503354 A JP 63503354A JP 50335488 A JP50335488 A JP 50335488A JP 2563554 B2 JP2563554 B2 JP 2563554B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、管中の流体の流速測定用超音波作動変換装
置であり、管の両側に取付けられ、流れの方向に対して
斜めに向けた２個の変換器を含み、両変換器が交互に、
それぞれ音の波動を送信し、受信している。
本発明は、特に炭化水素の調査、製造用施設と連絡す
る、いわゆるフレアへのガスの流れを測定するのと関連
して開発されているが、このような用途にのみ限定され
るものではない。
１個の変換器の配置によって、比較的広範囲の流速を
正確な方法で測定できることが、確実に必要であり、安
全、特にいわゆる危険区域内での安全も重要である。
（従来の技術） 最初に述べた種類の、今日知られている変換装置は、
速度の測定範囲が比較的限られているという欠点を有し
ている。また、測定の正確さも、常に完全に満足すべき
ものではない。危険区域（爆発の危険）での測定の場合
には、安全地域に評価信号を送信する必要があり、信号
の送信はしばしば測定を阻害するであろう。何故ならば
その信号が電線によって送信される間に、周囲から電磁
波の影響にさらされるからである。
（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、上記のような欠点を改良された、管
中流体の流速測定用超音波作動変換装置を提供すること
である。
（課題を解決するための手段） 本発明によれば、２個の変換器は、両変換器間の仮空
の接続線から中心軸をずらせて、流速を測定すべき流体
の流れ方向に対してある方向に配置されている。変換器
の先広がりの向きが、流体流れ中の音の波動に影響を与
えるずれを埋め合わせるので、広範囲の測定が達成され
るのである。
本発明によれば、フレアに導く管中のガス流速測定用
の新変換装置の意図した利用と関連して、仮空の接続線
が流れ方向に約50度の角度を形成するのが有利であり、
それぞれの変換器のずれは、約７〜10度であろうことが
見出された。
管径とは無関係な変換器のこのようなずれによって、
０〜約100m/secの可能測定範囲は、本発明によるただ１
個の変換装置でカバーすることができる。
さらに、本発明によれば、低速、好ましくは０〜7m/s
ecの範囲ではCW信号（連続波信号）が使用でき（瞬間周
波数が波動の全期間にわたって直線的に増加する矩形波
信号）、一方、中速及び高速、好ましくは7m/secを超え
100m/secまでの流速には、相関検知を伴なうCHIRP信号
が使用される。
このように２信号系を使用することによって、広い測
定範囲が非常に有利な方法で達成される。高速及び中速
の流速には、相関検知を伴なうCHIRP信号が高レベルの
ノイズを克服するために使用され、一方、CHIRP測定と
組み合わせたCW相測定は、より低い速度に使用される。
CHIRP信号は、流速値をおおよそ測定するために上流
及び下流に送られ、次いで精度を高めるCW衝撃波がこれ
に続く。7m/secを超える流速用のCW測定の実行は、CHIR
P測定用波長帯域を２倍にすることができる。
本発明によれば、それぞれの変換器として、茶碗形金
属体で作られた変換器を使用するのが有利であり、その
膜状の底部分は、流体流れに対して密封された電極をそ
の内側に備え、茶碗形の壁面は、強力な遮音材、たとえ
ばエポキシ、ゴム、または金属粉と混合したエポキシで
満たされた環で作られている。その環は茶碗形の底部分
の外方に向って開いているのが有利であり、特に有利な
態様では、茶碗形金属体はチタン製であり、そのような
態様は、ガス流に関連した使用に特に適している。
この型の変換器は、空気またはガス中を他のものと比
較して、いわゆる非常に低い“鳴り響き”で長距離にわ
たって信号を伝えることを実現しており、商業的に有用
な超音波変換器である。さらに、この型の変換器は、本
来的に安全であり、それ故、たとえば爆発性ガスの流れ
測定の場合に利用できる。
本発明による有利な変換器配置は、各変換器に接続さ
れた送信器及び受信器を含み、このような各送信器、受
信器は、それぞれ、光受信器部及び光送信器部を有して
いる。第１多重送信器が、光ファイバを介して２台の送
信器に連結され、第２多重送信器が、光ファイバを介し
て２台の受信器に連結されている。
CHIRP発生器とCW発生器が第１多重送信器に接続さ
れ、CHIRP相関器とCW検知器が他の多重送信器に接続さ
れる。一方、時計・シーケンス発生器が、多重送信器、
CHIRP発生器、CW発生器、CHIRP相関器、CW相関器及びCW
検知器に接続され、そのためコンピュータが、発生器、
CW検知器、CHIRP相関器に接続される。
ここで、光ファイバの使用は、特に重要である。これ
の使用は、測定個所と制御室間の“通信チャンネル”が
電線による通常の送電での妨害の原因となり得る種類の
妨害信号を受けないであろうことを意味する。
本発明は、図面を参照しつつ、さらに詳しく説明され
るであろう。
（実施例） 第１図においては、ガス輸送管１が示されている。管
壁に１個の変換器２が取付けられ、これと斜めに対向し
て、第２の変換器３が管壁に取付けられている。２個の
変換器2,3は、管１内のガス流の方向に関して、第１図
で示されたような両者の仮空の接続線が流れ方向と55度
の角度を形成するという、矢印で示されたような方向に
向けられている。並行電流を送信する変換器２は、流れ
方向に関して65度の角度を形成し、そのとき接続線から
は10度ずれる。対向電流を送信する変換器３は、接続線
から10度の対応するずれがあり、それによって並行流と
45度の角度を形成する。第１図に示されているように、
両方向のずれは、仮空の接続線の上流側に位置する。
第１図で述べられた値は、管１内での少くとも０〜8m
/secの速度範囲をカバーすることができるような最適例
を示している。
前述のように、示された変換器の向きで、もしCW信号
がより低い流速範囲、好ましくは０〜7m/secからCHIRP
信号と組み合わせて使用され、一方、中速及びより高い
流速、７〜100m/secまで用には、相関検知を伴なうCHIR
P信号が使用されるならば、非常に良好な測定が達成さ
れる。これを可能にする操作系統が、第２図に示されて
いる。
第２図に示された模式図では、２個の変換器２及び３
は、破線20で囲まれた、いわゆる危険区域（爆発の危
険）内に示されている。各変換器2,3は、直流的に絶縁
され、それぞれ送信器4,5及び受信器6,7に接続されてい
る。そのような送信器及び受信器は、それぞれ光受信ユ
ニット及び光送信ユニットを含み、光ファイバ8,9,10及
び11によって第１多重送信器12及び第２多重送信器13に
それぞれ接続される。光ファイバ8,9,10及び11は、変換
器が置かれている危険区域と安全地域にある制御室30と
の間の光の連絡を形成する。２台の多重送信器12,13の
他に、CHIRP発生器14、CW発生器19、CW検知器15及びCHI
RP相関器16が、時計・シーケンス発生器17及びコンピュ
ータと共にすべて制御室内に見出される。
第２図から見られるように、CHIRP発生器14及びCW発
生器19は第１多重送信器12に接続される。CW検知器は第
２多重送信器に接続され、CHIRP相関器は第２多重送信
器に接続される。時計・シーケンス発生器17は、図示の
ように多重送信器12,13の両方、CHIRP発生器14、CW発生
器19、CW検知器15、CHIRP相関器16及びコンピュータ18
に接続され、コンピュータ18は、CW検知器15及びCHIRP
相関器16にも接続されている。
本発明で提供される流量計は、通過時差型である。測
定原理は、運動媒体中における超音波の伝播速度が伝播
方向の媒体速度によって変調されるであろうという事実
に基いている。２個の超音波変換器は、流れ方向に関し
てθの角度で互の方向に向けられ、媒体の流速は、次の
等式によって形成される。
ここでｘ＝管の軸に沿った流速 Ｄ＝管径 θ＝流れ方向または管の軸に対する接続線角 t32＝変換器２から変換器３への通過時間（下流）、及
び t23＝変換器３から変換器２への通過時間（上流） 対向伝播超音波は、第３及び第４図に示された型の変
換器で発生されるのが有利である。
これらの変換器は、80kHzの送信器周波数で作動する
ようになっている。変換器は、爆発環境でも使用するよ
うになっている。変換器の励起用エネルギー供給は、測
定区域近辺で使用されている電源である。変換器からの
変調信号の送信は、制御室から制御され、測定点での両
変換器、制御室内の信号処理・評価ユニット間の通信の
連結は、前述のように光ファイバによって行われる。光
ファイバの使用は、光ファイバが変換器と制御室との間
に形成する“チャンネル”が、周囲からの電磁的ノイズ
のいかなる生成も受けない通信チャンネルであるから、
最適の配置を提供する。そのような電磁的ノイズは、家
庭用電気器具に使っている電気と結びついたり、あるい
は結びつかなかったり、そして多分他の電気配線で結び
ついたりしたたとえば無線電波に起因される。測定点で
の両変換器と制御室との間の光学的接続は、それ故、周
囲からの多くの妨害信号に対する障害物として機能す
る。光ファイバによる信号送信は、完全な直流絶縁も保
証する。光ファイバの使用によって、信号減衰なしでの
送信距離は、1000mまで達することができる。
実際の変換器は、重要な要素であり、互に変形である
第3,4図に示された変換器は、本発明による変換装置用
に非常に適している。第3,4図に示された変換器は、空
気またはガス中を長距離にわたって、多くの商業的に利
用されている超音波変換器に比べて非常に低い“鳴り響
き”で信号送信できる。
第３図に示された変換器２は断面で示され、茶碗形で
ある。茶碗の底部材21は、機械加工され、膜を形成して
いる。茶碗の底部材または膜21の内側には、圧電素子22
が取付けられている。実際のケース23は１個の電極とし
て働き、一方、圧電素子の自由端は、変換器の電気的励
起用の他の電極として使用される。
第３図に示されたように、茶碗形の側壁23は機械加工
され、環24が形成されている。この環は非常に深いの
で、変換器の取付け側から膜21と同じ高さまで、ずっと
延びている。環24は、強力な遮音材で満たされている。
そのような遮音材は、たとえば、エポキシ、ゴム、また
は金属粒子を埋め込んだエポキシでよい。
変換器ケース23全体は、気密封止方式で、取付け側25
の図示されていない支持台に接合されているので、電気
接点は、変換器が使用される環境にさらされることから
防がれている。このことは、変換器が爆発環境で使用さ
れるときには、当然ながら特に有利である。
変換器の作動周波数は、圧電素子22の選んだ適当な大
きさ及び金属膜21の厚さによって決定される。第３図に
示された変換器は、通常の音の周波数及び超音波の周波
数をカバーするように作られている。
変換器の茶碗形23の金属材料は、変換器の作られた要
求（環境的要求）により選ばれる。チタン、鋼、アルミ
ニウム、炭素繊維、その他の材料が、変換器ケース用に
使用される。
使用される膜の態様は、ガス媒体との良好な結合を与
える。膜の縁には、所望の境界条件を達成し、ケースに
あまり強く結合するのを避けるために、相当多重の金属
塊がある。ケースへの結合はノイズの原因となり、ノイ
ズの影響は、環24中に埋め込まれた遮音材によって有効
に抑えられる。
第４図の態様は、ほとんど第３図の態様に対応し、実
質的差異は、環24が取付け側25からでなくて膜側から機
械加工されていることだけである。それ故第３図のと同
じ引用番号が使用されているが、ケースと環を指してい
る引用番号23と24にはダッシュがついている。
使用されているCHIRP信号は、瞬間周波数が波動の期
間中直線的に増加する矩形波である。受信器の相関器用
出力は、圧縮液である。相関器出力の最大振巾は、トッ
プ検知器で検知され、送信時間は、送信の終了から相関
トップの検知まで測定される。
CW信号は、例えば67.5676KHzの周波数をもったバース
ト波で与えられる。このような信号の継続時間は、14.8
秒となるだろう。問題は、送信時間中に大きな変化のあ
る個所であり、相検知器出力は、周期に対応する間隔、
すなわち14.8秒で繰返すであろう。それ故、信頼すべき
結果を達成するために、通過時間中の全CW周期の数を知
ることが必要である。CHIRP測定の結果は、この数を決
定するのにここで用いられ、一方、CW測定は端数を提供
する。
CW測定の平均は、信号の128周期から計算される。正
しい結果には、対比信号の同一周期以内にあることが、
各測定に必要である。これを達成するために、２系列の
検知系が使用される。対比信号に関しての受信信号の相
対的な相は測定に先立って検知され、相測定のインフェ
イスまたはアウトフェイスが選択される。
通過時間の差δｔ、すなわち前記の流速ｘの式中の
t32−t23は、CW測定とCHIRP測定の組み合わせを基礎と
したコンピュータに決定される。そこで流速は、δｔと
CHIRP測定からの通過時間によって計算される。
図面の簡単な説明 第１図は、互に斜めに対向して置かれた２個の変換器
をつけた管の図式的縦断面図を示し、 第２図は、本発明による変換装置の操作系統を示し、 第３図は、可能で有利な２種類の変換器の態様を示
す。
1:管、2,3:変換器、4,5:送信器、6,7:受信器、８〜1
1:光ファイバー、12:第１多重送信器、13:第２多重送信
器、14:CHIRP発生器、15:CW検知器、16:CHIRP相関器、1
7:時計・シーケンス発生器、18:マイクロコンピュー
タ、19:CW発生器、20:危険区域、21:変換器の底部材、2
2:同圧電素子、23,23′：同ケース、24,24′：同環、2
5:同取付け側、30:制御室

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】管（１）中の流体流速測定用であり、管の
    両側にそれぞれ取付けられ、流れ方向（2,3）に対して
    斜めに向けられた２個の変換器を含み、両変換器が交互
    に、それぞれお互いからお互へ音の波動を送信し、受信
    する超音波作動変換装置であって、２個の変換器（2,
    3）が、前記流れ方向に対して向けられた両変換器間の
    仮空の接続線から中心軸をずらせて配置されていること
    を特徴とする変換装置。
  2. 【請求項２】仮空の接続線が並行流れに約55度の角度を
    形成し、それぞれの変換器（2,3）のずれが約10度であ
    ることを特徴とする請求項１記載の変換装置。
  3. 【請求項３】流速の低い範囲、好ましくは０〜7m/secか
    らではCHIRP信号と組合わせたCW信号が使用され、流速
    の中程度及び高い範囲、好ましくは7m/secを超えて77〜
    100m/secまでは相関検知をともなうCHIRP信号が使用さ
    れることを特徴とする請求項１または２記載の変換装
    置。
  4. 【請求項４】各変換器として茶碗形部材が用いられ、そ
    の膜のような底部材（21）が流体流れから密封された内
    側に電極（22）を備えており、茶碗形の壁面は、強力な
    遮音材、たとえばエポキシ、ゴム、金属粉子と混合され
    たエポキシで満たされた環（24）で作られていることを
    特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の変換装
    置。
  5. 【請求項５】環（24′）が茶碗形の底部材の外側に向っ
    て開いていることを特徴とする請求項４記載の変換装
    置。
  6. 【請求項６】環（24）が茶碗形の上方に向って開いてい
    る請求項４記載の変換装置。
  7. 【請求項７】茶碗形金属体がチタン製であることを特徴
    とする請求項４ないし６のいずれかに記載の変換装置。
  8. 【請求項８】各変換器（2,3）が、それぞれ光受信部及
    び光送信部を有する送信器（4,5）及び受信器（6,7）に
    接続され、第１多重送信器（12）が光ファイバ（8,10）
    を介して２個の送信器（4,5）に接続され、第２多重送
    信器（13）が光ファイバ（9,11）を介して２個の受信器
    （6,7）に接続され、CHIRP発生器（14）及びCW発生器
    （19）が第１多重送信器（12）に接続され、CW検知器
    （15）及びCHIRP相関器（16）が第２多重送信器（1
    3）、CHIRP発生器（14）、CW発生器（19）、CW検知器
    （15）及びCHIRP相関器（16）に接続され、コンピュー
    タ（18）が発生器（17）、CW検知器（15）及びCHIRP相
    関器（16）に接続されていることを特徴とする請求項１
    ないし７のいずれかに記載の変換装置。
JP63503354A 1987-04-24 1988-04-20 管中の流体の流速測定用超音波作動変換装置 Expired - Lifetime JP2563554B2 (ja)

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