JP4296947B2

JP4296947B2 - Ultrasonic transceiver unit of Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter

Info

Publication number: JP4296947B2
Application number: JP2004022584A
Authority: JP
Inventors: 紀友平山; 俊広山本; 博信矢尾; 拓也小野寺
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: JP2005214820A

Description

本発明は、ドップラー式超音波流速分布計に関し、特に、配管の外周面の一部に設置して（クランプオンして）用いられるドップラー式クランプオン型超音波流速分布計に関する。 The present invention relates to a Doppler ultrasonic flow velocity distribution meter, and more particularly to a Doppler clamp-on ultrasonic flow velocity distribution meter that is installed (clamped on) on a part of the outer peripheral surface of a pipe.

従来、ドップラー式超音波流速分布計の１つに、クランプオン型超音波流量計がある。このクランプオン型超音波流量計は、被測定流体が内部を所定の向きに通過する配管に対し、その配管の外周面の一部に、音波を配管に伝えるための材料、すなわち、楔（くさび）を設置し（クランプオンし）、その楔を介して音波を配管内部に送信することにより、その配管の管状体の内部を移動する流体の流量を測定する流量計である。なお、以下の説明において、特にことわらない限り、配管内の流体は水平方向に流れているものとする。 Conventionally, there is a clamp-on type ultrasonic flow meter as one of Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meters. This clamp-on type ultrasonic flowmeter is a material for transmitting sound waves to a pipe, that is, a wedge (wedge), on a part of the outer peripheral surface of the pipe through which a fluid to be measured passes in a predetermined direction. ) Is installed (clamped on), and a sound wave is transmitted to the inside of the pipe through the wedge, thereby measuring the flow rate of the fluid moving inside the tubular body of the pipe. In the following description, it is assumed that the fluid in the pipe flows in the horizontal direction unless otherwise specified.

クランプオン型超音波流量計には、伝播時間差式のものとドップラー式のものとがある。
伝播時間差式クランプオン型超音波流量計では、超音波を管状体の内部を移動する流体を斜めに横切るような経路で往復させて、超音波が往路と復路のそれぞれを伝播するのに要する時間の差から、流体の流量を測定している。 The clamp-on type ultrasonic flowmeter includes a propagation time difference type and a Doppler type.
In the propagation time difference type clamp-on type ultrasonic flowmeter, the time required for the ultrasonic wave to travel in the forward and return paths by reciprocating the ultrasonic wave in a path that crosses the fluid moving inside the tubular body diagonally. The flow rate of the fluid is measured from the difference.

これに対し、ドップラー式クランプオン型超音波流量計では、流体中に含まれる浮遊粒子や気泡が流体と同じ速度で移動すると仮定して、浮遊粒子などの移動速度から流体の流量を測定している。このドップラー方式では、流体中に送信された超音波の周波数が、浮遊粒子などに反射して、ドップラー効果により変化する点に注目し、その反射された超音波の周波数を検出することにより浮遊粒子の移動速度を測定している。 In contrast, the Doppler clamp-on ultrasonic flowmeter measures the flow rate of fluid from the moving speed of suspended particles, assuming that suspended particles and bubbles contained in the fluid move at the same speed as the fluid. Yes. In this Doppler method, focusing on the fact that the frequency of the ultrasonic wave transmitted into the fluid is reflected by floating particles and changes due to the Doppler effect, and by detecting the frequency of the reflected ultrasonic wave, the floating particles The moving speed of is measured.

図５は、従来のドップラー式クランプオン型超音波流速分布計の構成を示す図である。
図５において、ドップラー式クランプオン型超音波流速分布計は、超音波送受信ユニット４０、増幅器５１、ＡＤ変換器５２、流速分布計測部５３、コンピュータ６１、表示部６２からなる。 FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a conventional Doppler clamp-on type ultrasonic flow velocity distribution meter.
In FIG. 5, the Doppler clamp-on type ultrasonic flow velocity distribution meter includes an ultrasonic transmission / reception unit 40, an amplifier 51, an AD converter 52, a flow velocity distribution measurement unit 53, a computer 61, and a display unit 62.

超音波送受信ユニット４０は、基本周波数ｆ0の電気信号を発生させる発振器４１、この発振器４１からの電気信号を所定の時間間隔（１／Ｆrpf）毎にパルス状に出力するエミッタ４２、エミッタ４２からのパルス電気信号の印加により基本周波数ｆ0の超音波パルスを測定線に沿って発信させる超音波振動子４３、その超音波を配管７１に伝えるために所定の材料にて構成される楔４４、からなる。 The ultrasonic transmission / reception unit 40 includes an oscillator 41 that generates an electrical signal having a fundamental frequency f 0, an emitter 42 that outputs the electrical signal from the oscillator 41 in a pulse shape at predetermined time intervals (1 / Frpf), and an emitter 42 An ultrasonic transducer 43 that transmits an ultrasonic pulse of a fundamental frequency f0 along a measurement line by applying a pulse electric signal, and a wedge 44 made of a predetermined material for transmitting the ultrasonic wave to the pipe 71. .

なお、上記基本周波数ｆ0は、基本的には、配管７１の内径に反比例して定まる所要周波数である。また、超音波パルスは、例えば５ｍｍ程度のパルス幅を有する直進性のビームである。 The basic frequency f0 is basically a required frequency determined in inverse proportion to the inner diameter of the pipe 71. The ultrasonic pulse is a straight beam having a pulse width of about 5 mm, for example.

また、楔４４は、一面を配管７１の外周面の一部に設置されると共に他面に上記超音波振動子４３を装着して所定の材料にて構成される。超音波振動子４３が装着された楔４４の面は、その法線方向が配管７１の横断面の法線方向とは９０度より小さい角度で交わるように、一定の角度だけ傾斜している面である。 In addition, the wedge 44 is provided on one surface of a part of the outer peripheral surface of the pipe 71 and is configured of a predetermined material by mounting the ultrasonic vibrator 43 on the other surface. The surface of the wedge 44 to which the ultrasonic transducer 43 is attached is a surface inclined by a certain angle so that the normal direction of the wedge 44 intersects with the normal direction of the cross section of the pipe 71 at an angle smaller than 90 degrees. It is.

また、超音波振動子４３は、送信器の機能の他に、超音波振動子４３が発信した超音波が、流体７２中の反射体に当たって反射されて生じるエコー超音波を受信する受信器としても機能する。 In addition to the function of the transmitter, the ultrasonic transducer 43 may be a receiver that receives echo ultrasonic waves generated when the ultrasonic wave transmitted by the ultrasonic transducer 43 strikes a reflector in the fluid 72 and is reflected. Function.

このような流体７２中の反射体としては、流体中に一様に含まれる気泡、Ａｌの微粉末等のパーティクル、被測定流体とは異なる音響インピーダンスを有する異物、などがある。 Examples of the reflector in the fluid 72 include bubbles uniformly contained in the fluid, particles such as Al fine powder, and foreign matter having an acoustic impedance different from that of the fluid to be measured.

以下に、図５のドップラー式クランプオン型超音波流速分布計の動作を説明する。
まず、エミッタ４２からのパルス電気信号の印加により基本周波数ｆ0の超音波パルスが超音波振動子４３から配管７１内の流体７２に発信される。この超音波パルスは流体７２中の反射体に当たって反射され、超音波エコーとして、再び超音波振動子４３によって受信され、エコー電気信号に変換される。 The operation of the Doppler clamp-on type ultrasonic flow velocity distribution meter of FIG. 5 will be described below.
First, an ultrasonic pulse having a fundamental frequency f 0 is transmitted from the ultrasonic transducer 43 to the fluid 72 in the pipe 71 by applying a pulse electric signal from the emitter 42. This ultrasonic pulse is reflected by a reflector in the fluid 72, is received again by the ultrasonic transducer 43 as an ultrasonic echo, and is converted into an electrical echo signal.

このエコー電気信号は増幅器５１を介して増幅され、その増幅されたエコー電気信号はＡＤ変換器５２を介してデジタル化される。
デジタル化されたエコー電気信号は流速分布計測部５３に入力される。なお、図からは定かでないが、流速分布計測部５３には発振器４１からの基本周波数ｆ0の電気信号も入力され、エコー電気信号と基本周波数の電気信号との周波数差からドップラーシフトに基づく流速の変化を計測し、測定線に沿う測定領域の流速分布を算出している。そして、算出した測定領域の流速分布を傾斜角で補正することにより配管７１の横断面における流速分布を求めている。 The echo electrical signal is amplified via an amplifier 51, and the amplified echo electrical signal is digitized via an AD converter 52.
The digitized echo electrical signal is input to the flow velocity distribution measuring unit 53. Although not certain from the figure, the electric velocity distribution measuring unit 53 also receives an electric signal of the fundamental frequency f0 from the oscillator 41, and the velocity of the velocity based on the Doppler shift is calculated from the frequency difference between the echo electric signal and the electric signal of the fundamental frequency. The change is measured and the flow velocity distribution in the measurement region along the measurement line is calculated. And the flow velocity distribution in the cross section of the piping 71 is calculated | required by correct | amending the calculated flow velocity distribution of the measurement area | region with an inclination angle.

従来のドップラー式クランプオン型超音波流速分布計による流速分布の測定技術の問題点について以下に説明する。この説明に先立って問題点の概要を記載すると次のようになる。すなわち、流量または流速分布を求める際に用いられる超音波エコーには、多重反射に起因するノイズが乗っている、というものである。 The problems of the flow velocity distribution measurement technique using the conventional Doppler clamp-on type ultrasonic flow velocity distribution meter will be described below. Prior to this explanation, the outline of the problem is described as follows. In other words, the ultrasonic echo used when determining the flow rate or flow velocity distribution is accompanied by noise due to multiple reflections.

なお、本発明の構成に至るに際して、課題の発見が主要な役割りを果たしており、その関係から、上記問題点の説明を詳しく行う。
その説明に関連して、まず、ドップラー式超音波流量計の動作原理について、図６を参照して説明する。 Note that the discovery of the problem plays a major role in reaching the configuration of the present invention, and the above problem will be described in detail based on the relationship.
In relation to the description, first, the operation principle of the Doppler type ultrasonic flowmeter will be described with reference to FIG.

図６（ａ）に示すように、超音波振動子４３からの超音波パルスは、鉛直方向に対し角度αだけ傾けた角度から、被測定流体７２の流れ方向に合流するようにして配管７１内に入射される。この超音波パルスは、例えば流体中に一様に分布する反射体に当たって反射し、超音波エコーとなって入射経路を逆方向に戻り超音波振動子４３によって受信され、エコー電気信号に変換される。 As shown in FIG. 6A, the ultrasonic pulse from the ultrasonic transducer 43 is merged in the flow direction of the fluid 72 to be measured from an angle inclined by an angle α with respect to the vertical direction. Is incident on. The ultrasonic pulse is reflected by, for example, a reflector uniformly distributed in the fluid, becomes an ultrasonic echo, returns in the reverse direction of the incident path, is received by the ultrasonic transducer 43, and is converted into an echo electric signal. .

図６（ｂ）は、図５のＡＤ変換器の出力を示す図である。
図６（ｂ）において、符号ａで示される部分は、反射体から反射された超音波エコーに対応している。また、符号ｂで示される部分は、超音波パルスが入射される側の管壁で多重反射する多重反射エコーに対応している。また、符号ｃで示される部分は、超音波パルスが入射される側から見た反対側の管壁で多重反射する多重反射エコーに対応している。超音波振動子から所定の時間間隔（１／Ｆrpf）で出力される超音波パルスに対応して、符号ｂ、ａ、ｃで示される信号部分が繰り返される。 FIG. 6B is a diagram illustrating an output of the AD converter of FIG.
In FIG. 6B, the part indicated by the symbol a corresponds to the ultrasonic echo reflected from the reflector. Further, the portion indicated by the symbol b corresponds to a multiple reflection echo that is multiple-reflected by the tube wall on the side where the ultrasonic pulse is incident. Further, the portion indicated by the symbol c corresponds to a multiple reflection echo that is multiple-reflected by the opposite tube wall viewed from the side on which the ultrasonic pulse is incident. Corresponding to the ultrasonic pulses output from the ultrasonic transducer at a predetermined time interval (1 / Frpf), signal portions indicated by symbols b, a, and c are repeated.

図６（ｂ）のエコー電気信号に対して、さらに、ＡＤ変換処理、フィルタリング処理を行い、流速分布計測部によりドップラーシフト法を用いて測定線に沿って流速分布を計測する。ここで、ドップラーシフト法とは、上記超音波エコーの周波数が、流速に比例した大きさだけ周波数シフトする原理を利用する流速の計測方法である。 Further, AD conversion processing and filtering processing are performed on the echo electric signal of FIG. 6B, and the flow velocity distribution is measured along the measurement line by the flow velocity distribution measuring unit using the Doppler shift method. Here, the Doppler shift method is a flow velocity measurement method that uses the principle that the frequency of the ultrasonic echo is shifted by a magnitude proportional to the flow velocity.

図６（ｃ）は、この流速分布計測部の出力を示す図である。
図６（ｃ）において、横軸は、測定線に沿う位置を示しており、また、縦軸は各位置に対応する流速を示している。 FIG. 6C is a diagram showing the output of the flow velocity distribution measuring unit.
In FIG.6 (c), the horizontal axis has shown the position along a measurement line, and the vertical axis | shaft has shown the flow velocity corresponding to each position.

流速が求められた場合に、その流速から流量を求めるには、以下の手順で行う。このような方法は、例えば下記特許文献１をはじめとする多数の文献に示されている。
まず、流体の時間ｔにおける流量ｍ（ｔ）は下記（１）式で表すことができる。ここで、ρ：被測定流体の密度、ｖ（ｘ・ｔ）：時間ｔにおける速度成分である。 When the flow velocity is obtained, the flow rate is obtained from the flow velocity by the following procedure. Such a method is shown in many documents including the following patent document 1, for example.
First, the flow rate m (t) of the fluid at time t can be expressed by the following equation (1). Here, ρ is the density of the fluid to be measured, and v (x · t) is a velocity component at time t.

（１）式から配管を流れる時間ｔにおける流量ｍ（ｔ）は、次の（２）式に書き換えることができる。 From the equation (1), the flow rate m (t) at the time t flowing through the pipe can be rewritten as the following equation (2).

ここで、ｖｘ（ｒ・θ・ｔ）は、時間ｔにおいて、配管の横断面の中心から距離ｒ、その横断面の中心を通る所定方向から見て角度θの位置における、配管の軸方向（管軸方向）の速度成分を表している。
特開２０００−９７７４２号公報「ドップラ式超音波流量計」 Here, vx (r · θ · t) is a distance r from the center of the cross section of the pipe at time t, and an axial direction of the pipe at a position of an angle θ when viewed from a predetermined direction passing through the center of the cross section ( It represents the velocity component in the tube axis direction).
JP 2000-97742 A “Doppler Ultrasonic Flowmeter”

このようなことから、流量を高精度で計測するには、その流量を算定する際に用いられる流速分布を精度よく検出することが必要である。このことは、その被測定流体が定常状態であるか非定常状態であるかを問わず、必要なことである。 For this reason, in order to measure the flow rate with high accuracy, it is necessary to accurately detect the flow velocity distribution used when calculating the flow rate. This is necessary regardless of whether the fluid to be measured is in a steady state or an unsteady state.

さらに、その流速分布は、反射体からの超音波エコーに信号処理を行って求めているので、この超音波エコーに所望の音響信号のみが含まれるようにすることが理想である。
しかし、このようなドップラー式クランプオン型超音波流速分布計においては、配管内の流体の音響インピーダンスと配管（の材料）の音響インピーダンスとでは、配管の方が大きいため、超音波振動子から楔を介して配管内に入射しようとする超音波は、その配管と流体との境界面において、大部分が配管内に反射し、以降、その配管材の内部で配管外壁と内壁の間で多重反射を繰り返していく。そして、この多重反射が管内への入射に対して大きいことが、所望とする超音波エコーにノイズを乗らせることにつながり、流量計測における誤差を生じさせる原因となっている。 Further, since the flow velocity distribution is obtained by performing signal processing on the ultrasonic echo from the reflector, it is ideal that only the desired acoustic signal is included in the ultrasonic echo.
However, in such a Doppler clamp-on type ultrasonic flow velocity distribution meter, since the pipe is larger in the acoustic impedance of the fluid in the pipe and the acoustic impedance of the pipe (material), the ultrasonic transducer is wedged. Most of the ultrasonic waves entering the pipe through the pipe are reflected in the pipe at the interface between the pipe and the fluid, and then multiple reflections are made between the pipe outer wall and the inner wall inside the pipe material. Repeat. Then, the fact that this multiple reflection is large with respect to the incidence inside the tube leads to noise being placed on the desired ultrasonic echo, and causes an error in flow rate measurement.

図７は、上記したことについて、より詳細に説明する図である。
図７において、超音波振動子４３から発振された超音波は側線２０１に沿って楔４４に入射し、側線２０２ａに沿って配管７１に入射し、その側線２０２ａに沿って配管７１の内壁まで進む。 FIG. 7 is a diagram for explaining the above in more detail.
In FIG. 7, the ultrasonic wave oscillated from the ultrasonic transducer 43 enters the wedge 44 along the side line 201, enters the pipe 71 along the side line 202a, and travels to the inner wall of the pipe 71 along the side line 202a. .

配管７１の内壁において、超音波は、配管内壁を透過して側線２０２ｂに沿って流体に入射する超音波と、配管内壁で反射し側線２０３に沿って配管外壁に向かう超音波とに分かれる。 In the inner wall of the pipe 71, the ultrasonic wave is divided into an ultrasonic wave that passes through the inner wall of the pipe and enters the fluid along the side line 202b, and an ultrasonic wave that is reflected by the inner wall of the pipe and travels toward the outer wall of the pipe along the side line 203.

外壁まで進んだ超音波は、外壁において、殆ど全てが反射され、再び、側線２０４ａに沿って内壁に向かう。そして、内壁において、同様にして、その超音波は、その内壁を透過して側線２０４ｂに沿って流体７２に入射する超音波と、内壁で反射し外壁に向かう超音波とに分かれる。 The ultrasonic waves that have traveled to the outer wall are almost entirely reflected at the outer wall, and again travel toward the inner wall along the side line 204a. Similarly, on the inner wall, the ultrasonic wave is divided into an ultrasonic wave that passes through the inner wall and enters the fluid 72 along the side line 204b, and an ultrasonic wave that is reflected by the inner wall and travels toward the outer wall.

それぞれの超音波は、側線に沿って往復することで、再度、超音波振動子４３に超音波エコーとして受信され、その超音波エコーに基づいて、流速分布、流量が求められる。
すなわち、図では、側線２０２ｂ、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子４３まで戻る超音波エコー、側線２０４ｂ、２０４ａ、２０３、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子４３まで戻る超音波エコー、などがある。なお、これらのうちで、側線２０２ｂ、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子４３まで戻る超音波エコーのことを、「所望とする超音波エコー」という。 Each ultrasonic wave reciprocates along the side line so that it is received again as an ultrasonic echo by the ultrasonic transducer 43, and a flow velocity distribution and a flow rate are obtained based on the ultrasonic echo.
That is, in the figure, an ultrasonic echo returning to the ultrasonic transducer 43 along the side lines 202b, 202a, 201, an ultrasonic echo returning to the ultrasonic transducer 43 along the side lines 204b, 204a, 203, 202a, 201, etc. There is. Of these, the ultrasonic echoes that return to the ultrasonic transducer 43 along the side lines 202b, 202a, and 201 are referred to as “desired ultrasonic echoes”.

図では、所望とする超音波エコーに、例えば、側線２０４ｂ、２０４ａ、２０３、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子まで戻る超音波エコーがノイズとして重なってしまうという問題がある。 In the drawing, there is a problem that the ultrasonic echo that returns to the ultrasonic transducer along the side lines 204b, 204a, 203, 202a, and 201 overlaps with the desired ultrasonic echo as noise, for example.

この問題につき、具体的に説明するために、まず、一般的な計算式を導く。
図８は、媒質１から媒質２に向かう音波が、媒質１と媒質２との境界において、反射または透過する様子を説明する図である。 In order to explain this problem specifically, first, a general calculation formula is derived.
FIG. 8 is a diagram for explaining how sound waves traveling from the medium 1 toward the medium 2 are reflected or transmitted at the boundary between the medium 1 and the medium 2.

図８において、音波が境界面に垂直な方向から見て角度θinだけ傾斜した方向から入射して、媒質１から媒質２に進む場合に、入射波、反射波、透過波の間には、次の（３）式に示されるような関係が成り立つ（スネル（Snell）の法則）。 In FIG. 8, when a sound wave enters from a direction inclined by an angle θin when viewed from a direction perpendicular to the boundary surface and proceeds from the medium 1 to the medium 2, the incident wave, the reflected wave, and the transmitted wave are The relationship shown in the equation (3) is established (Snell's law).

ここで、（３）式において、ｃ１：媒質１の音速、ｃ２：媒質２の音速、θin：媒質１での入射角、θout：媒質２での角度、θref：媒質１での反射角、である。
また、媒質１および２における音響インピーダンスＺ１、Ｚ２はそれぞれ（４）（５）式で定義される。 Here, in Equation (3), c1: sound velocity of medium 1, c2: sound velocity of medium 2, θin: incident angle on medium 1, θout: angle on medium 2, θref: reflection angle on medium 1 is there.
The acoustic impedances Z1 and Z2 in the media 1 and 2 are defined by the equations (4) and (5), respectively.

ここで、（４）（５）式において、ｃ１：媒質１の音速、ｃ２：媒質２の音速、ρ１：媒質１の密度、ρ２：媒質２の密度、である。
この時、音圧の透過率、反射率は、それぞれ（６）（７）式で示される。 Here, in the equations (4) and (5), c1: sound speed of medium 1, c2: sound speed of medium 2, ρ1: density of medium 1, and ρ2: density of medium 2.
At this time, the transmittance and the reflectance of the sound pressure are expressed by equations (6) and (7), respectively.

これらの数式を上記した配管（の材料）とその配管内の流体とに適用することで、配管と流体との境界面における反射率、透過率を求めることができる。
図９は、配管材にステンレスを用い、配管内の流体として水を用いた場合の計算例を示す図である。 By applying these mathematical formulas to the above-described pipe (material) and the fluid in the pipe, the reflectance and transmittance at the interface between the pipe and the fluid can be obtained.
FIG. 9 is a diagram illustrating a calculation example in the case where stainless steel is used as the piping material and water is used as the fluid in the piping.

ステンレスは音速が３２５０ｍ／ｓ、密度が７．９１×１０³ｋｇ／ｍ³で与えられ、また、水は音速が１４９０ｍ／ｓ、密度が１．００×１０³ｋｇ／ｍ³で与えられる。
図９に示すように、配管からの超音波の入射角を４７ｄｅｇとすると、（６）（７）式を用いて、透過率が約６％、反射率が約９４％と求まり、超音波の殆どが水中に入射せずに配管内に反射する。 Stainless steel is provided at a sound velocity of 3250 m / s and density of 7.91 × 10 ³ kg / m ³ , and water is provided at a sound velocity of 1490 m / s and density of 1.00 × 10 ³ kg / m ³ .
As shown in FIG. 9, when the incident angle of the ultrasonic wave from the pipe is 47 deg, the transmittance is about 6% and the reflectance is about 94% using the equations (6) and (7). Most of the light is reflected in the pipe without entering the water.

配管の内壁で反射した超音波に対しても同様にして、透過率、反射率の計算が可能である。配管の外壁ではステンレスと空気とが接しているので、空気は音速が３４４ｍ／ｓ、密度が１．２９３×１０³ｋｇ／ｍ³で与えられることを考慮し、（６）（７）式を用いて、透過率が約０．００１％、反射率が約９９．９９９％と求まる。この場合、超音波の殆どが空気中に入射せず、配管内に反射する。 Similarly, transmittance and reflectance can be calculated for ultrasonic waves reflected from the inner wall of the pipe. Since stainless steel and air are in contact with each other on the outer wall of the pipe, considering that the air is given a sound velocity of 344 m / s and a density of 1.293 × 10 ³ kg / m ³ , formulas (6) and (7) The transmittance is about 0.001% and the reflectance is about 99.999%. In this case, most of the ultrasonic waves do not enter the air and are reflected in the pipe.

再度、配管（ステンレス）と流体（水）との境界に達した超音波に対し、同様の計算を行うと、この側線の水中へ入射する音圧は５．４％と計算される。ただし、この計算値は、最初に配管に入射した超音波の音圧を１００％とした場合の相対値である。 When the same calculation is performed again on the ultrasonic wave that reaches the boundary between the pipe (stainless steel) and the fluid (water), the sound pressure incident on the water on the side line is calculated to be 5.4%. However, this calculated value is a relative value when the sound pressure of the ultrasonic wave first incident on the pipe is 100%.

最初の透過波に対応する超音波エコー、すなわち、所望とする超音波エコーに反射波から生じる超音波エコーが重なる様子を具体的に示すには、配管材の厚み、配管の内径が必要である。ここでは、配管の厚みを６ｍｍ、配管の内径を１０２ｍｍとした。 In order to specifically show how the ultrasonic echo corresponding to the first transmitted wave, that is, the ultrasonic echo generated from the reflected wave overlaps the desired ultrasonic echo, the thickness of the piping material and the inner diameter of the piping are required. . Here, the thickness of the pipe was 6 mm, and the inner diameter of the pipe was 102 mm.

入射角（この場合、４７ｄｅｇ）から超音波のとる側線（の長さ）が分かり、それを各媒質（ステンレスまたは水）中での音速で割ることにより所要時間が求まる。
図７に示す側線２０４ｂと側線２０２ｂとの配管内壁からの側線に沿った対応する位置では、側線２０４ｂで発生した超音波エコーの方が側線２０３、２０４ａを往復する時間だけ遅れて、超音波振動子に受信される。 From the incident angle (in this case, 47 deg), the side line (length) taken by the ultrasonic wave is known, and the required time is obtained by dividing it by the speed of sound in each medium (stainless steel or water).
At the corresponding positions along the side line from the inner wall of the pipe between the side line 204b and the side line 202b shown in FIG. 7, the ultrasonic echo generated on the side line 204b is delayed by the time for reciprocating the side lines 203 and 204a. Received by the child.

よって、側線２０４ｂに沿った任意の位置で発生する超音波エコーが時間的に連続して超音波振動子４３に受信される区間は、側線２０３、２０４ａを往復する時間だけ遅れて、側線２０２ｂに沿った任意の位置で発生する超音波エコーが時間的に連続して超音波振動子４３に受信される区間に重ねられる。 Therefore, the section in which ultrasonic echoes generated at an arbitrary position along the side line 204b are continuously received by the ultrasonic transducer 43 is delayed by the time for reciprocating the side lines 203 and 204a, and is moved to the side line 202b. Ultrasonic echoes generated at arbitrary positions along the line are superimposed on a section in which the ultrasonic transducer 43 receives the ultrasonic echoes continuously in time.

図１０は、このような異なる側線から超音波振動子４３に戻る超音波エコーが重なって受信される様子を示す図である。
図１０においては、上記した配管材の厚み、配管の内径、入射角から、側線２０３、２０４ａを往復する距離が、１２．２ｍｍ×４＝４８．８ｍｍと求められ、ステンレス製の配管中の横波の速度が上記３２５０ｍ／ｓである関係から、その往復による遅延時間が１５μｓｅｃと求められる。また、５５ｂ、５７ｂ、等の側線を音波が往復するのに要する時間は、水中での音速が上記１４９０ｍ／ｓである関係から、１３７μｓｅｃと求められる。よって、図に示す区間Ｘにおいて、側線５５ｂ、５７ｂからのエコー信号が重ねられて超音波振動子に受信される。 FIG. 10 is a diagram illustrating a state in which ultrasonic echoes returning from the different side lines to the ultrasonic transducer 43 are received in an overlapping manner.
In FIG. 10, the distance of reciprocating the side lines 203 and 204a is calculated as 12.2 mm × 4 = 48.8 mm from the thickness of the piping material, the inner diameter of the piping, and the incident angle, and the transverse wave in the stainless steel piping is obtained. Therefore, the delay time due to the round trip is determined to be 15 μsec. Further, the time required for the sound wave to reciprocate along the side lines such as 55b and 57b is determined to be 137 μsec because the sound speed in water is 1490 m / s. Therefore, in the section X shown in the figure, echo signals from the side lines 55b and 57b are superimposed and received by the ultrasonic transducer.

図１１は、エコー信号が重ね合わされることでノイズが生じることを説明する図である。
図１１において、符号Ｉは、側線２０２ｂから得られた超音波エコーに基づいて求められた流速分布、符号IIは、側線２０４ｂから得られた超音波エコーに基づいて求められた流速分布、符号III は、上記符号Ｉによるものと、上記符号IIによるものとを重ねて得られる流速分布を、それぞれ示している。この図から、測定結果として得られる流速分布（符合IIIの流速分布）が、所望とする流速分布に対応する符号Ｉにて示される流速分布からずれていることが分かる。 FIG. 11 is a diagram for explaining that noise is generated when echo signals are superimposed.
In FIG. 11, reference numeral I is a flow velocity distribution obtained based on the ultrasonic echo obtained from the side line 202b, and reference numeral II is a flow velocity distribution obtained based on the ultrasonic echo obtained from the side line 204b, reference numeral III. Shows the flow velocity distribution obtained by superimposing the above-mentioned code I and the above-mentioned code II. From this figure, it can be seen that the flow velocity distribution obtained as a measurement result (flow velocity distribution of symbol III) is deviated from the flow velocity distribution indicated by symbol I corresponding to the desired flow velocity distribution.

本発明の課題は、音響ノイズを低減させることが可能なドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニットを提供することである。 An object of the present invention is to provide an ultrasonic transmission / reception unit of a Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter capable of reducing acoustic noise.

本発明の第１態様の超音波送受信ユニットは、ドップラー式超音波流速分布計の流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する超音波送受信ユニットにおいて、基本周波数の電気信号を発生させる発振器と、その発振器からの電気信号を所定の時間間隔毎にパルス状に出力するエミッタと、そのエミッタからのパルス電気信号の印加により基本周波数の超音波パルスを測定線に沿って配管内に発信させると共に、上記配管からの超音波エコーを受信する超音波振動子と、一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に他面に上記超音波振動子を装着した所定の材料にて構成される楔と、上記超音波振動子から上記楔を介して上記配管に入射した超音波が配管内壁での反射によって最初に配管外壁に達する位置を含むようにして上記配管の外周面に設置された超音波減衰手段と、を備えることを特徴とするドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニットである。 An ultrasonic transmission / reception unit according to a first aspect of the present invention is an oscillator that generates an electrical signal of a fundamental frequency in an ultrasonic transmission / reception unit that supplies an ultrasonic echo signal to a unit that calculates a flow rate of a Doppler ultrasonic flow velocity distribution meter. And an emitter that outputs an electric signal from the oscillator in a pulsed manner at predetermined time intervals, and an ultrasonic pulse having a fundamental frequency is transmitted into the pipe along the measurement line by applying the pulse electric signal from the emitter. And an ultrasonic transducer that receives ultrasonic echoes from the pipe, and a predetermined material in which one surface is installed on a part of the outer peripheral surface of the pipe and the ultrasonic transducer is mounted on the other surface And a position where the ultrasonic wave incident on the pipe from the ultrasonic transducer via the wedge first reaches the outer wall of the pipe by reflection on the inner wall of the pipe. Disposed on the outer peripheral surface of serial pipe and ultrasonic attenuation means, an ultrasonic transmit-receive unit of a Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter, characterized in that it comprises a.

ここで、配管内壁で反射された超音波が最初に配管外壁に達する位置を含むように上記超音波減衰手段を設け、それにより、その配管外壁に達した超音波の一部を吸収させるようにしているので、その配管外壁からのさらなる反射によって生じる側線を介して上記超音波振動子によって受信されるノイズとなるエコー信号を減衰させることができ、音響ノイズの低減が可能となる。 Here, the ultrasonic attenuation means is provided so as to include the position where the ultrasonic wave reflected by the inner wall of the pipe first reaches the outer wall of the pipe, thereby absorbing a part of the ultrasonic wave reaching the outer wall of the pipe. As a result, the echo signal, which is noise received by the ultrasonic transducer, can be attenuated via a side line generated by further reflection from the outer wall of the pipe, and acoustic noise can be reduced.

本発明の第２態様の超音波送受信ユニットは、ドップラー式超音波流速分布計の流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する超音波送受信ユニットにおいて、基本周波数の電気信号を発生させる発振器と、その発振器からの電気信号を所定の時間間隔毎にパルス状に出力するエミッタと、そのエミッタからのパルス電気信号の印加により基本周波数の超音波パルスを測定線に沿って配管内に発信させると共に、上記配管からの超音波エコーを受信する超音波振動子と、一面を上記配管の外周面の一部に設置されると共に他面に上記超音波振動子を装着した所定の材料にて構成される楔と、上記配管と略同じ音響インピーダンスを有すると共に、上記超音波振動子から上記楔を介して上記配管に入射した超音波が配管内壁での反射によって最初に配管外壁に達する位置を含むようにして上記配管の外周面に設置された超音波透過手段と、を備えることを特徴とするドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニットである。 The ultrasonic transmission / reception unit according to the second aspect of the present invention is an oscillator that generates an electrical signal of a fundamental frequency in an ultrasonic transmission / reception unit that supplies an ultrasonic echo signal to a unit that calculates the flow rate of a Doppler ultrasonic flow velocity distribution meter. And an emitter that outputs an electric signal from the oscillator in a pulsed manner at predetermined time intervals, and an ultrasonic pulse having a fundamental frequency is transmitted into the pipe along the measurement line by applying the pulse electric signal from the emitter. And an ultrasonic transducer that receives an ultrasonic echo from the pipe, and a predetermined material having one surface installed on a part of the outer peripheral surface of the pipe and the ultrasonic transducer mounted on the other surface And the ultrasonic wave incident on the pipe from the ultrasonic transducer through the wedge is reflected on the inner wall of the pipe. Therefore as including first reaches the pipe outer wall position is an ultrasonic transmit-receive unit of a Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter, characterized in that it comprises a ultrasonic transmitting means placed on the outer peripheral surface of the pipe.

ここで、配管内壁で反射された超音波が最初に配管外壁に達する位置を含むように上記超音波透過手段を設け、それにより、その配管外壁に達した超音波を透過させるようにしているので、その超音波透過手段の外面等による更なる反射によって、その配管外壁からの透過波が拡散して、上記した超音波振動子にノイズとして戻るエコー信号を低減させることができ、音響ノイズの低減が可能となる。 Here, the ultrasonic transmission means is provided so as to include the position where the ultrasonic wave reflected by the inner wall of the pipe first reaches the outer wall of the pipe, thereby transmitting the ultrasonic wave reaching the outer wall of the pipe. Further, by the further reflection by the outer surface of the ultrasonic wave transmitting means, the transmitted wave from the outer wall of the pipe diffuses, and the echo signal that returns to the ultrasonic transducer as noise can be reduced, thereby reducing acoustic noise. Is possible.

本発明のドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニットによれば、配管内壁で反射された超音波が最初に配管外壁に達する位置を含むように超音波減衰手段を設け、それにより、その配管外壁に達した超音波の一部を吸収させるようにしているので、その配管外壁からのさらなる反射によって生じる側線を介して上記超音波振動子によって受信されるノイズとなるエコー信号を減衰させることができ、音響ノイズの低減が可能となる。また、音響ノイズを低減させることで、流速分布、流量の測定精度を向上させることができる。 According to the ultrasonic transmission / reception unit of the Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter of the present invention, the ultrasonic attenuation means is provided so as to include the position where the ultrasonic wave reflected by the inner wall of the pipe first reaches the outer wall of the pipe. Since a part of the ultrasonic wave reaching the pipe outer wall is absorbed, the echo signal that becomes noise received by the ultrasonic transducer is attenuated through a side line generated by further reflection from the pipe outer wall. And acoustic noise can be reduced. Further, by reducing acoustic noise, it is possible to improve the measurement accuracy of the flow velocity distribution and the flow rate.

また、本発明のドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニットによれば、配管内壁で反射された超音波が最初に配管外壁に達する位置を含むように超音波透過手段を設け、それにより、その配管外壁に達した超音波を透過させるようにしているので、その超音波透過手段の外面等による更なる反射によって、その配管外壁からの透過波が拡散して、上記した超音波振動子にノイズとして戻るエコー信号を低減させることができ、音響ノイズの低減が可能となる。また、音響ノイズを低減させることで、流速分布、流量の測定精度を向上させることができる。 Further, according to the ultrasonic transmission / reception unit of the Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter of the present invention, the ultrasonic transmission means is provided so as to include the position where the ultrasonic wave reflected on the inner wall of the pipe first reaches the outer wall of the pipe, thereby Since the ultrasonic wave reaching the outer wall of the pipe is transmitted, the reflected wave from the outer wall of the pipe diffuses due to further reflection by the outer surface of the ultrasonic wave transmitting means, and the ultrasonic transducer described above The echo signal returning as noise can be reduced, and acoustic noise can be reduced. Further, by reducing acoustic noise, it is possible to improve the measurement accuracy of the flow velocity distribution and the flow rate.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態のドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニット１０の構成を示す図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an ultrasonic transmission / reception unit 10 of the Doppler ultrasonic flow velocity distribution meter according to the present embodiment.

図１において、本実施形態のドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニット１０は、基本周波数ｆ0の電気信号を発生させる発振器１１、この発振器１１からの電気信号を所定の時間間隔（１／Ｆrpf）毎にパルス状に出力するエミッタ１２、エミッタ１２からのパルス電気信号の印加により基本周波数ｆ0の超音波パルスを測定線に沿って発信させる超音波振動子１３、その超音波を配管２１に伝えるために所定の材料にて構成される楔１４、前記超音波振動子１３から前記楔１４を介して前記配管２１に入射した超音波が配管内壁での反射によって最初に配管外壁に達する位置を含むようにして前記配管２１の外周面に設置された超音波減衰材１５、からなる。 In FIG. 1, an ultrasonic transmission / reception unit 10 of the Doppler ultrasonic flow velocity distribution meter according to the present embodiment includes an oscillator 11 that generates an electric signal having a fundamental frequency f0, and an electric signal from the oscillator 11 at a predetermined time interval (1 / Frpf) is output in a pulsed manner, and an ultrasonic transducer 13 that transmits an ultrasonic pulse of a fundamental frequency f0 along the measurement line by applying a pulse electric signal from the emitter 12 and the ultrasonic wave to the pipe 21 A wedge 14 made of a predetermined material for transmission, and a position where ultrasonic waves incident on the pipe 21 from the ultrasonic transducer 13 through the wedge 14 first reach the outer wall of the pipe by reflection on the inner wall of the pipe. The ultrasonic attenuating material 15 is provided on the outer peripheral surface of the pipe 21 so as to include it.

なお、上記基本周波数ｆ0は、基本的には、配管２１の内径に反比例して定まる所要周波数である。また、超音波パルスは、例えば５ｍｍ程度のパルス幅を有する直進性のビームである。 The fundamental frequency f0 is basically a required frequency determined in inverse proportion to the inner diameter of the pipe 21. The ultrasonic pulse is a straight beam having a pulse width of about 5 mm, for example.

また、楔１４は、一面を配管２１の外周面の一部に設置されると共に他面に上記超音波振動子１３を装着して所定の材料、例えば、アクリル、ポリ塩化ビニルなどの樹脂材料にて構成される。また、上記超音波振動子１３は、ＰＺＴ（ジルコン・チタン酸鉛）などの圧電材料で構成され、例えば、エポキシ系の接着剤で上記楔１４に固定される。 In addition, the wedge 14 is installed on a part of the outer peripheral surface of the pipe 21 and mounted on the other surface with the ultrasonic vibrator 13 on a predetermined material, for example, a resin material such as acrylic or polyvinyl chloride. Configured. The ultrasonic transducer 13 is made of a piezoelectric material such as PZT (zircon lead titanate), and is fixed to the wedge 14 with an epoxy adhesive, for example.

超音波振動子１３が装着された楔１４の面は、その法線方向が配管２１の横断面の法線方向（配管の長手方向）とは９０度より小さい角度で交わるように、一定の角度だけ傾斜している面である。 The surface of the wedge 14 on which the ultrasonic transducer 13 is mounted has a constant angle so that the normal direction intersects the normal direction of the cross section of the pipe 21 (the longitudinal direction of the pipe) at an angle smaller than 90 degrees. It is the only inclined surface.

また、超音波振動子１３は、送信器の機能の他に、超音波振動子１３が発信した超音波が、流体２２中の反射体に当たって反射されて生じるエコー超音波を受信する受信器としても機能する。 Further, in addition to the function of the transmitter, the ultrasonic transducer 13 may be a receiver that receives echo ultrasonic waves generated when the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer 13 is reflected by a reflector in the fluid 22. Function.

図１において、超音波振動子１３から発振された超音波は側線１０１に沿って楔１４に入射し、側線１０２ａに沿って配管２１に入射し、その側線１０２ａに沿って配管２１の内壁まで進む。 In FIG. 1, the ultrasonic wave oscillated from the ultrasonic transducer 13 enters the wedge 14 along the side line 101, enters the pipe 21 along the side line 102a, and proceeds to the inner wall of the pipe 21 along the side line 102a. .

配管２１の内壁において、超音波は、配管内壁を透過して側線１０２ｂに沿って流体に入射する超音波と、配管内壁で反射し側線１０３に沿って配管外壁に向かう超音波とに分かれる。 On the inner wall of the pipe 21, the ultrasonic waves are divided into an ultrasonic wave that passes through the inner wall of the pipe and enters the fluid along the side line 102 b, and an ultrasonic wave that is reflected by the inner wall of the pipe and travels toward the outer wall of the pipe along the side line 103.

外壁まで進んだ超音波は、少なくともその位置を含むように外壁に接して設置された超音波減衰材１５の作用により、その所定部分がその超音波減衰材１５に入射し、残りが外壁において反射され、再び、側線１０４ａに沿って内壁に向かう。 The ultrasonic wave that has traveled to the outer wall is incident on the ultrasonic attenuating material 15 by the action of the ultrasonic attenuating material 15 placed in contact with the outer wall so as to include at least the position of the ultrasonic wave, and the remaining part is reflected on the outer wall. Again, it goes to the inner wall along the side line 104a.

このように、その配管との境界において、その境界に達した超音波の一部を超音波減衰材に吸収させることにより、再び、側線１０４ａに沿って内壁に向かう超音波を弱め、側線１０４ｂに沿って流体中に透過する超音波が、所望とする超音波エコー（側線１０２ｂに沿って流体中に透過する超音波に対応する超音波エコー）に及ぼすノイズを、測定値に誤差を生じさせない程度にまで下げるようにしている。 In this way, at the boundary with the pipe, by absorbing a part of the ultrasonic wave reaching the boundary by the ultrasonic attenuating material, the ultrasonic wave directed toward the inner wall along the side line 104a is weakened again to the side line 104b. The noise that the ultrasonic wave transmitted into the fluid along the fluid does not cause an error in the measurement value with respect to the desired ultrasonic echo (the ultrasonic echo corresponding to the ultrasonic wave transmitted into the fluid along the side line 102b) To lower.

このように、配管内壁で反射された超音波が（側線１０３に沿って）最初に配管外壁に達する位置を含むように上記超音波減衰材１５を設けることにより、その配管外壁に達した超音波の所定部分を吸収させるようにしているので、その配管外壁からのさらなる反射によって生じる側線を介して上記超音波振動子１３によって受信されるノイズとなるエコー信号を減衰させることができ、音響ノイズの低減が可能となる。 In this way, by providing the ultrasonic attenuating material 15 so as to include the position where the ultrasonic wave reflected by the pipe inner wall first reaches the pipe outer wall (along the side line 103), the ultrasonic wave reaching the pipe outer wall is provided. Therefore, the echo signal that becomes noise received by the ultrasonic transducer 13 through the side line generated by further reflection from the outer wall of the pipe can be attenuated, and acoustic noise can be attenuated. Reduction is possible.

なお、内壁まで達した超音波は、同様にして、その内壁を透過して側線１０４ｂに沿って流体２２に入射する超音波と、内壁で反射し外壁に向かう超音波とに分かれる。
それぞれの超音波は、側線に沿って往復することで、再度、超音波振動子１３に超音波エコーとして受信され、その超音波エコーに基づいて、流速分布、流量が求められる。 Similarly, the ultrasonic wave reaching the inner wall is divided into an ultrasonic wave that passes through the inner wall and enters the fluid 22 along the side line 104b, and an ultrasonic wave that is reflected by the inner wall and travels toward the outer wall.
Each ultrasonic wave reciprocates along the side line, and is received again as an ultrasonic echo by the ultrasonic transducer 13, and a flow velocity distribution and a flow rate are obtained based on the ultrasonic echo.

すなわち、図では、側線１０２ｂ、１０２ａ、１０１に沿って超音波振動子１３まで戻る超音波エコー、側線１０４ｂ、１０４ａ、１０３、１０２ａ、１０１に沿って超音波振動子１３まで戻る超音波エコー、などがある。 That is, in the figure, an ultrasonic echo returning to the ultrasonic transducer 13 along the side lines 102b, 102a, 101, an ultrasonic echo returning to the ultrasonic transducer 13 along the side lines 104b, 104a, 103, 102a, 101, etc. There is.

超音波振動子１３が受信したエコー超音波（エコー信号）は、図１に示すドップラー式超音波流速分布計の流量の算出を行うユニットに供給される。この算出ユニットは例えば図５の増幅器５１、ＡＤ変換器５２、流速分布計測部５３を備える。 The echo ultrasonic wave (echo signal) received by the ultrasonic transducer 13 is supplied to a unit that calculates the flow rate of the Doppler ultrasonic flow velocity distribution meter shown in FIG. The calculation unit includes, for example, the amplifier 51, the AD converter 52, and the flow velocity distribution measurement unit 53 shown in FIG.

図２は、図１の紙面右側から見た横断面図である。
図２に示すように、楔１４および超音波減衰材１５は、配管２１に接するように設置されている。 FIG. 2 is a cross-sectional view seen from the right side of FIG.
As shown in FIG. 2, the wedge 14 and the ultrasonic attenuating material 15 are installed in contact with the pipe 21.

クランプオン式であることから、上記設置は、後で取り外しが可能なように、例えば、金属ベルトなどにより楔１４および超音波減衰材１５を配管２１に巻きつけるようにして行なわれるのが一般的である。しかし、取り外しを考慮しない場合には、例えば、接着剤などによりこれらを配管２１に固定することもできる。なお、超音波減衰材１５を楔１４に接着剤で固定するようにしてもよい。 Since it is a clamp-on type, the above installation is generally performed by wrapping the wedge 14 and the ultrasonic attenuating material 15 around the pipe 21 with a metal belt or the like so that they can be removed later. It is. However, when the removal is not considered, these can be fixed to the pipe 21 with an adhesive or the like, for example. The ultrasonic attenuating material 15 may be fixed to the wedge 14 with an adhesive.

上記超音波減衰材１５としては、上記配管２１の材質よりも小さい音響インピーダンスを有する材料、例えば、タングステンゴムを用いることができる。
なお、楔１４を図２に示すように、配管２１に接するようにして載置する場合でも、超音波振動子１３からの超音波は、実際には、配管外壁と配管内壁との間の空間において、２次元的な広がりをもって反射を繰り返している。 As the ultrasonic attenuating material 15, a material having an acoustic impedance smaller than the material of the pipe 21, for example, tungsten rubber can be used.
Even when the wedge 14 is placed so as to be in contact with the pipe 21 as shown in FIG. 2, the ultrasonic waves from the ultrasonic transducer 13 are actually the space between the pipe outer wall and the pipe inner wall. The reflection is repeated with a two-dimensional spread.

その意味では、図３に示すように、このような２次元的な広がりをもつ反射波が最初に配管外壁に達する位置を含むように、配管の外壁に沿ったＲが設けられている超音波減衰材１６を配管２１に設置すれば、上記したノイズとなるエコー信号を減衰させることが一層可能となり、音響ノイズの低減効果が高まる。 In that sense, as shown in FIG. 3, an ultrasonic wave provided with R along the outer wall of the pipe so as to include a position where the reflected wave having such a two-dimensional spread first reaches the outer wall of the pipe. If the damping material 16 is installed in the pipe 21, it becomes possible to further attenuate the echo signal that becomes the above-mentioned noise, and the effect of reducing acoustic noise is enhanced.

また、図１〜図３において、超音波減衰材を用いる代わりに、配管材とほぼ等しい音響インピーダンスを有する超音波透過材を用いた場合、例えばステンレス製の配管上に所定形状を有するステンレス材を設置した場合、境界面上での若干の反射は生じるものの、配管内壁で反射された超音波が最初に配管外壁に達する位置においては、その超音波の殆どが透過する。この結果、そのステンレス材の外面等による更なる反射によって、その配管外壁からの透過波が拡散して、上記した超音波振動子１３にノイズとして戻るエコー信号を低減させることができ、音響ノイズの低減が可能となる。 1 to 3, instead of using an ultrasonic attenuating material, when an ultrasonic transmitting material having an acoustic impedance substantially equal to the piping material is used, for example, a stainless material having a predetermined shape on a stainless steel piping is used. When installed, although some reflection on the boundary surface occurs, most of the ultrasonic wave is transmitted at the position where the ultrasonic wave reflected by the inner wall of the pipe first reaches the outer wall of the pipe. As a result, the reflected wave from the outer wall of the pipe diffuses due to further reflection by the outer surface of the stainless steel material, and the echo signal that returns to the ultrasonic transducer 13 as noise can be reduced. Reduction is possible.

なお、この場合において、超音波透過材の外面部に超音波を乱反射させる機構を設けて、これにより、その透過材に入射する超音波をより一層拡散（乱反射）させ減衰させるようにしてもよい。そのような乱反射の機構としては、例えば、図４に示すように、その透過材１７の外面部の形状を入射する超音波の波長と同程度のピッチの三角形状にすることが考えられる。 In this case, a mechanism for irregularly reflecting ultrasonic waves may be provided on the outer surface of the ultrasonic transmitting material, so that the ultrasonic waves incident on the transmitting material may be further diffused (diffusely reflected) and attenuated. . As such an irregular reflection mechanism, for example, as shown in FIG. 4, it is conceivable that the shape of the outer surface portion of the transmission material 17 is a triangular shape having a pitch similar to the wavelength of the incident ultrasonic wave.

本発明は、配管の外周面の一部に設置して（クランプオンして）用いられるドップラー式クランプオン型超音波流速分布計に適用することができる。 The present invention can be applied to a Doppler clamp-on type ultrasonic flow velocity distribution meter that is installed (clamped on) on a part of the outer peripheral surface of a pipe.

本実施形態のドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニットの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the ultrasonic transmission / reception unit of the Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter of this embodiment. 図１の紙面右側から見た横断面図（その１）である。It is the cross-sectional view (the 1) seen from the paper surface right side of FIG. 図１の紙面右側から見た横断面図（その２）である。FIG. 2 is a cross-sectional view (No. 2) viewed from the right side of FIG. 超音波透過材を用いる場合において、その外面部の形状の一変形例を示す図である。When using an ultrasonic transmission material, it is a figure which shows one modification of the shape of the outer surface part. 従来のドップラー式クランプオン型超音波流速分布計の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional Doppler clamp-on type ultrasonic flow velocity distribution meter. ドップラー式超音波流量計の動作原理について説明する図であり、（ａ）は、超音波振動子からの超音波パルスが配管内に発振される様子を、（ｂ）は、図５のＡＤ変換器の出力を、（ｃ）は、図５の流速分布計測部の出力を、それぞれ示す図である。It is a figure explaining the operation | movement principle of a Doppler type ultrasonic flowmeter, (a) is a mode that the ultrasonic pulse from an ultrasonic transducer is oscillated in piping, (b) is AD conversion of FIG. (C) is a figure which each shows the output of the flow-velocity distribution measurement part of FIG. 従来例において、超音波エコーに乗るノイズを説明する図である。In a prior art example, it is a figure explaining the noise riding on an ultrasonic echo. 媒質１から媒質２に向かう音波が、媒質１と媒質２との境界において、反射または透過する様子を説明する図である。FIG. 3 is a diagram for explaining how sound waves traveling from a medium 1 to a medium 2 are reflected or transmitted at the boundary between the medium 1 and the medium 2. 配管材にステンレスを用い、配管内の流体として水を用いた場合の計算例を示す図である。It is a figure which shows the example of a calculation at the time of using stainless steel for piping material and using water as a fluid in piping. 従来例において、異なる側線から超音波振動子に戻る超音波エコーが重なって受信される様子を示す図である。In a prior art example, it is a figure which shows a mode that the ultrasonic echo which returns to an ultrasonic transducer | vibrator from a different side line overlaps and is received. 従来例において、エコー信号が重ね合わされることでノイズが生じることを説明する図である。In a prior art example, it is a figure explaining that noise arises when an echo signal is superimposed.

符号の説明Explanation of symbols

１０，４０超音波送受信ユニット
１１，４１発振器
１２，４２エミッタ
１３，４３超音波震動子
１４，４４楔（くさび）
１５，１６超音波減衰材
１７超音波透過材
２１，７１配管
２２，７２流体
５１増幅器
５２ＡＤ変換器
５３流速分布計測部
６１コンピュータ
６２表示部

10, 40 Ultrasonic transmitting / receiving unit 11, 41 Oscillator 12, 42 Emitter 13, 43 Ultrasonic vibrator 14, 44 Wedge
15, 16 Ultrasonic attenuating material 17 Ultrasonic transmitting material 21, 71 Piping 22, 72 Fluid 51 Amplifier 52 AD converter 53 Flow velocity distribution measuring unit 61 Computer 62 Display unit

Claims

ドップラー式超音波流速分布計の流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する超音波送受信ユニットにおいて、
基本周波数の電気信号を発生させる発振器と、
該発振器からの電気信号を所定の時間間隔毎にパルス状に出力するエミッタと、
該エミッタからのパルス電気信号の印加により基本周波数の超音波パルスを測定線に沿って配管内に発信させると共に、前記配管からの超音波エコー信号を受信する超音波振動子と、
一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に他面に前記超音波振動子を装着した所定の材料にて構成される楔と、
前記配管と略同じ音響インピーダンスを有すると共に、前記超音波振動子から前記楔を介して前記配管に入射した超音波が配管内壁での反射によって最初に配管外壁に達する位置を含むようにして前記配管の外周面の外周面に設置された超音波透過手段と、
を備えることを特徴とするドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニット。 In the ultrasonic transmission / reception unit that supplies the ultrasonic echo signal to the unit that calculates the flow rate of the Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter,
An oscillator that generates an electrical signal of a fundamental frequency;
An emitter that outputs an electrical signal from the oscillator in a pulsed manner at predetermined time intervals;
An ultrasonic transducer for transmitting an ultrasonic pulse of a fundamental frequency into a pipe along a measurement line by applying a pulse electric signal from the emitter, and receiving an ultrasonic echo signal from the pipe;
A wedge constructed of a predetermined material having one surface installed on a part of the outer peripheral surface of the pipe and the ultrasonic transducer mounted on the other surface;
The outer periphery of the pipe has substantially the same acoustic impedance as the pipe and includes a position where ultrasonic waves incident on the pipe from the ultrasonic transducer via the wedge first reach the pipe outer wall by reflection on the pipe inner wall. Ultrasonic transmission means installed on the outer peripheral surface of the surface;
An ultrasonic transmission / reception unit for a Doppler type ultrasonic flow velocity distribution meter.

前記超音波透過手段は、その外面部に超音波を乱反射させる機構を設けたことを特徴とする請求項１記載の超音波送受信ユニット。 It said ultrasonic transmitting means, the ultrasonic transmit-receive unit of claim 1, wherein in that a mechanism for irregular reflection of ultrasonic waves to the outer surface.

前記超音波透過手段の前記配管との接触部に対して、前記配管外周と同じＲを設けたことを特徴とする請求項１記載の超音波送受信ユニット。 The relative contact portion between the pipe of the ultrasonic transmission means, the ultrasonic transmit-receive unit of claim 1, wherein the provision of the same R and the pipe periphery.