JP3857373B2

JP3857373B2 - 超音波流量計

Info

Publication number: JP3857373B2
Application number: JP04045297A
Authority: JP
Inventors: 豊田中; 俊彦宮本; 徳行鍋島
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 1997-02-25
Filing date: 1997-02-25
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2017-02-25
Also published as: JPH10239124A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波流量計の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波流量計の測定原理の基本方式は、ドップラ方式と伝播時間測定方式の２方式に分かれる。
【０００３】
又、伝播時間測定方式には時間差法、時間逆数差法及び位相差法の３つの方法がある。そして、伝播時間測定方式における超音波パスを通す方式として送受波器（振動子）を配管に対して斜めに対向して通すシングルパス方式と、配管内で１回反射させて通すシングルリフレクション方式（反射方式）が周知である。
【０００４】
図４はシングルパス方式、図５はシングルリフレクション方式で、Ｔｕは上流に配設した送受波器、Ｔｄは下流に配設した送受波器である。
時間差法は伝播時間測定方式の基本的な考え方で流体中の音波の伝播速度が上流から下流に向かう時、下流から上流に向かう時では異なるという原理に基づいており、超音波の送受信を交互に切り換え、その伝播時間の差から流速を測定する。
【０００５】
図６において、上流の送受波器Ｔｕから下流の送受波器に向かう音波の伝播時間ｔｄは、
ｔｄ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）・・・（１）
で、下流の送受波器Ｔｄから上流の送受波器Ｔｕに向かう音波の伝播時間ｔｕは、
ｔｕ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）・・・（２）
である。
【０００６】
Ｌは両送受波器間の距離、Ｃは静止流体中の音速、Ｖは流速、θは超音波伝播軸と管路１の中心軸の角度である。
伝播時間差Δｔはｔｕ−ｔｄであり、通常の条件では、
（Ｖｃｏｓθ）²≪Ｃ²・・・（３）
であるので、これらよりΔｔは、
Δｔ＝２ＶＬｃｏｓθ／｛Ｃ²＋（Ｖｃｏｓθ）²｝・・・（４）
従って、
Δｔ＝２ＶＬｃｏｓθ／Ｃ²・・・（５）
となり、流速Ｖを、
Ｖ＝Ｃ²Δｔ／２Ｌｃｏｓθ ・・・（６）
として求めている。
【０００７】
なお、図６でＤは円筒形管路１の内径、つまり流路径である。
（３）式の条件が成立するように、流速Ｖが音速Ｃよりもかなり小さい０〜３０ｍ／ｓの流速範囲で計測可能である。流速が３０ｍ／ｓを越えると（４）式の（Ｖｃｏｓθ）²の項を無視したことによる（６）式の計算誤差や気体の圧縮性の影響による誤差が大きくなるからである。
【０００８】
また、流量は（流速）×（流路断面積）であるので、流量に応じた流路断面積が必要となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、管内流速を安定化して正確な測定をするために、流量計測部の長さ（管路の軸方向の長さ）を仮に１０Ｄとすれば、それなりに当然全長も長くなり、超音波送受波器間の距離Ｌも大きくなる。
【００１０】
そのため、計測する最大流量が大きくなると、それに応じて流量計全体が大きくなり、それに対応して上下流に必要な直管部の長さも大きくなって、流量計測に大きなスペースが必要になって設置に関しての制約が多いという問題があった。
【００１１】
また、前述のように超音波送受波器間の距離Ｌが大きくなることによって送受波器駆動電力が大きくなり、流量計の消費電力が増大するという問題点があった。
【００１２】
そこで、本発明はこれらの問題点を解消できる超音波流量計を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、
流速計測部の流路（４）を構成する２つの壁面（２）（３）が、同軸状の円筒面からなり、一方の壁面（２）はケーシング（５）に形成された円筒面で構成され、他方の壁面（３）は流路（４）の中央部に配設されたほぼ砲弾形の部材（６）の大径部外周に形成され、
前記２つの壁面（２）（３）が前記両円筒面の半径方向に間隔（Ｈ）をおいて互いに対向し、これらの２つの壁面（２）（３）で挟まれた流速計側部（４）を流体が前記円筒面の母線方向に直線状に流れると共に、前記両壁面（２）（３）が前記両円筒面の円周方向（Ｙ）に間隔（Ｈ）の大きさよりも大きく延在しており、
かつ、ケーシング（５）に形成された円筒面で構成される一方の壁面（２）の上流部と下流部は小径となっていて、流速計側部への流体の入口と出口を形成し、入口部、出口部に向かって小径となる径変化部の途中に、入口側には上流側送受波器（Ｔｕ）を、出口側には下流側送受波器（Ｔｄ）を設置したことを特徴とする超音波流量計である。
【００１４】
本発明では、安定した流線、流速分布となるコンパクトな構造のものとなり、かつ流路全体として均一の流速分布となる。
【００１５】
そして、流路壁面を形成する２つの円筒面の半径方向の短い間隔（Ｈ）により安定流速となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に図１（ａ）（ｂ）に従って本発明の流速計測部の概略について説明する。
【００１８】
間隔Ｈをおいて互いに同軸的に配設された２つの円筒形の壁面（円筒面）２と３に挟まれた円筒形の流速計測部の流路４内を、被計測流体が同図（ｂ）に太い矢印で示すように左方から右方に流れる。この流れ方向は同図（ｂ）で符号Ｚで示す図示左右方向で、両円筒面２，３の母線方向に相当し、同図（ａ）では紙面に直角な方向となる。
【００１９】
従って、両円筒面（壁面）２，３は円筒面同士の半径方向の間隔Ｈの方向と、この半径方向Ｈに対して直角な流れ方向即ち母線方向Ｚとに対して第３の方向即ち円周方向Ｙに間隔Ｈの大きさよりも大きな寸法で延在する互いに対向する曲面で形成されている。Ｌ₁は直管部の長さである。
【００２０】
もっとも、両壁面２，３は互いに同軸に配設された円筒面であるので、請求項１では両壁面２，３が間隔Ｈをおいて互いに対向すると表現してある。
【００２１】
ところで、図２（ａ）（ｂ）に示すように円管の管路１を用いる従来技術では、直管部の長さＬ₀が直径φＤ₀の１０倍（仮）以上の時に定常流となると考えられ、φＤ₀が大きければ流量計の全長はかなりの長さになる。例えば、φＤ₀＝φ６０とすると、Ｌ₀＝６００となる。
【００２２】
図１（ａ）（ｂ）の本発明の場合には、流路断面積を図２の従来技術と同じにするために、
Ｄ₀ ²＝Ｄ₁ ²−ｄ_１ ²
とする。そして、壁面（円筒面）２と壁面（円筒面）３との間隔Ｈによって流速分布が形成されるので、Ｌ₁＝１０Ｈで定常流となる。仮にＨ＝１５とするとＬ₁は１５０ｍｍで定常流となり、図２の場合に比べて数分の１の長さでも定常流になる。また、導入出流路を適当に構築すれば上流下流の影響を受けにくい計測部となる。
【００２３】
また、間隔Ｈと長さＬ₁の値をある程度の範囲に限定すれば、流量計の最大流量の大小にかかわらず全長が単一となり、かつ超音波送受波器関係の電子回路が共有化できる。
【００２４】
〔実施例１〕
図３（ａ）（ｂ）の実施例は、図１（ａ）（ｂ）で説明した円筒面からなる２つの壁面２，３に挟まれる流路４を備えたものである。
【００２５】
壁面２はケーシング５に形成された円筒面で構成されている。また、壁面３は流路４の中央部に配設されたほぼ砲弾形の部材６の大径部外周に形成された円筒面で構成されている。
【００２６】
超音波送受波器ＴｕとＴｄはケーシング５において、流路４の上流と下流に図示のように対向設置されて、シングルパス方式を構成している。
【００２７】
円筒面２の上流部と下流部は符号２Ａと２Ｂで示すように小径となっていて、流速計測部への流体の入口と出口を形成する。
上述の説明で明らかなように、この図３の実施例では、図１と同様に流路４が２重円管状（ドーナツ状）となり、半径方向の間隔Ｈの短巾により安定流速とすることができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の超音波流量計は上述のように構成されていて、短い距離で定常流が得られるため、全長を短くしてコンパクトにできる。また、流速計測部の流路断面形状から、上流下流の影響を受けにくい。
【００２９】
そして、大流量用の流量計でも間隔（Ｈ）が短巾ということで送受波器間の距離を小さくできるため、送波器としての駆動電力を低減できる。また、間隔（短巾）（Ｈ）を、流量計の口径の違いによらず一定とすれば、最大流量によらず同じ超音波送受波器を共用化できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流速計測部の流路形状を示す図で、（ａ）は正断面図、（ｂ）は側断面図である。
【図２】従来技術の流路形状を示す図で、（ａ）は正断面図、（ｂ）は側断面図である。
【図３】本発明の第１実施例で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線横断面図である。
【図４】従来技術のシングルパス方式を示す図である。
【図５】従来技術のシングルリフレクション方式を示す図である。
【図６】従来技術のシングルパス方式の原理を説明する図である。
【符号の説明】
１管路
２壁面
３壁面
４流路
Ｈ間隔
Ｙ，Ｚ方向

Claims

流速計測部の流路（４）を構成する２つの壁面（２）（３）が、同軸状の円筒面からなり、一方の壁面（２）はケーシング（５）に形成された円筒面で構成され、他方の壁面（３）は流路（４）の中央部に配設されたほぼ砲弾形の部材（６）の大径部外周に形成され、
前記２つの壁面（２）（３）が前記両円筒面の半径方向に間隔（Ｈ）をおいて互いに対向し、これらの２つの壁面（２）（３）で挟まれた流速計側部（４）を流体が前記円筒面の母線方向に直線状に流れると共に、前記両壁面（２）（３）が前記両円筒面の円周方向（Ｙ）に間隔（Ｈ）の大きさよりも大きく延在しており、
かつ、ケーシング（５）に形成された円筒面で構成される一方の壁面（２）の上流部と下流部は小径となっていて、流速計側部への流体の入口と出口を形成し、入口部、出口部に向かって小径となる径変化部の途中に、入口側には上流側送受波器（Ｔｕ）を、出口側には下流側送受波器（Ｔｄ）を設置したことを特徴とする超音波流量計。