JP4746903B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、管体内を流れる流体の流量を測定する超音波流量計に関するものである。

管体内を流れる流体の流量を計測する超音波流量計において、最も広く使用されている原理は時間差法である。例えば、非特許文献１に記載されているように、この時間差法は流体の流速Ｖを、流体中の超音波の伝播速度の変化、即ち伝播時間差Δｔとして計測し、管体の既知の断面積Ｓと乗算することにより流量Ｑを測定する。

この原理を用いた超音波振動子の配置には、Ｖ字型、Ｚ字型、Ｎ字型・Ｗ字型等が知られている。

有限会社工業新聞社発行 社団法人日本計量機器工業連合会「流量計測ＡｔｏＺ」第１２１頁〜第１４２頁

送波振動子から送波される超音波ビームは、通常の平板状圧電セラミック振動子を用いた場合には、平板振動子の面上の中心軸上に超音波ビームが形成される。管体の材質と内部の流体との間で両者の音速が著しく異なる場合が多いため、超音波ビームの屈折を考慮してクサビ等の中間媒質で補償することが通常実施されている。

管体の外周面に取り付けた送波振動子と受波振動子の位置関係は、上述の対策を施して最適な位置が得られるように固定されるが、なお流体が予測と異なる音速を有していたり、音速の温度依存性が高かったり、或いは低流速域から極めて高流速域まで広範囲で変化する場合等には、送波振動子からの超音波ビームが必ずしも受波振動子で最適ビーム方位で受波できるとは限らず、むしろ所定の方位から外れてしまうことが多い。

本発明の目的は、上述の課題を解決し、超音波の方位を制御して最適な方位で超音波ビームを送受波できる超音波流量計を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波流量計は、計測すべき流体を流す管体と、該管体の外周面に取り付け流体を介して超音波ビームを送受波する送波用振動子群、受波用振動子群とを備え、これらの振動子群はそれぞれ複数の超音波振動子で構成し、それぞれの超音波振動子間に所定の電気的位相制御を施すことにより超音波ビームの送波方位及び受波方位をそれぞれ制御可能とし、前記送波用振動子群、受波用振動子群において前記複数の超音波振動子は一列に配列し、前記送波用振動子群による超音波ビームの送波方位の制御は、前記配列した超音波振動子に個々に位相差を与えて励起することにより波面を揃え、該波面と垂直方向に合成した超音波ビームを送波することにより行い、前記受波用振動子群による超音波ビームの受波方位の制御は、前記配列した超音波振動子に個々に位相差を与えることにより波面を揃え、該波面と垂直方向からの超音波ビームを受波することにより行い、前記送波用振動子群による超音波ビームの送波方位に前記受波用振動子群による超音波ビームの受波方位を一致させるようにしたことを特徴とする。

本発明に係る超音波流量計によれば、振動子群を機械的に位置をずらして調整することなく、電気的に超音波ビームの方位を制御することにより、最適な方位で超音波ビームの送受波ができる。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は構成図であり、管体１の流体Ｆを介して対向する位置に、距離Ｌを隔てて第１、第２の振動子群２、３が配置されている。第１の振動子群２及び第２の振動子群３はそれぞれ複数個ずつの振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、・・・、２ｎ、及び振動子３ａ、３ｂ、・・・、３ｎを有している。

第１の振動子群２について説明すると、図２に示すように第１の振動子群２の複数個の振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、・・・、２ｎには移相回路４ａ、４ｂ、・・・、４ｎがそれぞれ接続され、スイッチ回路５を介して信号源６に接続されている。

この図２において、振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、・・・、２ｎに線分ａ〜ａ’に対応した位相差つまり遅延時間を移相回路４ａ、４ｂ、・・・、４ｎから与えながら繰り返し励振させると、各振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、・・・、２ｎからの超音波ビームは干渉し合い位相合成されて、線分Ａ〜Ａ’において波面が揃い、波面Ａ〜Ａ’と垂直方向のθ方向に超音波ビームの主軸が偏向して放射される。

この方位θに超音波ビームを偏向するには、振動子２ａ、２ｂ、・・・、２ｎの間隔をｄ、λを超音波の波長とすると、ｉ番目の振動子に次の式による位相量を与えればよい。
φ_n＝（ｎ−１）（２πｄ／λ）ｓｉｎθ

従って、外部から移相回路４ａ、４ｂ、・・・、４ｎの位相量を制御することによって、超音波ビームの送波方位を任意に制御することができる。

図３は周波数ｆ＝１ＭＨｚで、振動子群２、３を水中で距離Ｌ＝１０ｍｍを隔てた場合の方位θと位相差の関係のグラフ図を示し、方位θ＝１０度の方向に超音波ビームの主軸を形成させる場合には、各振動子間に位相差φ＝７．３度を与えればよい。

このことは、第２の振動子群３が受波側となる場合においても同様であり、図４に示すように、第１の振動子群２から送波され各振動子３ａ、３ｂ、・・・、３ｎに方位θの方向から到達する超音波ビームが、振動子３ａ、３ｂ、・・・、３ｎに達するには位相差がある。従って、各振動子３ａ、３ｂ、・・・、３ｎに線分ｂ−ｂ’に対応した位相差、つまり遅延時間を移相回路７ａ、７ｂ、・・・、７ｎからスイッチ回路８を切換えることにより与え、早く到達した超音波ビームほど位相差を大きくして、線分Ｂ−Ｂ’において波面が揃うようにすれば、θ方向からの超音波ビームを効率良く受波できるようになる。

なお、超音波流量計においては、流体Ｆの流れ方向に対して、順、逆方向に交互に超音波ビームを送波し、超音波到達時間差を用いることが通常であるので、第１、第２の振動子群２、３は送波、受波を切換えて相互に送受波を行うようにする。

このようにして、管体１の外周に第１、第２の振動子群２、３を配置し、所定の周波数で振動子に位相差を与えて励振すると、第１の振動子群２の前方の選定した方位に超音波ビームの主軸を得ることができ、第２の振動子群３ではこの方向から主軸を受波することができる。

従って、第１、第２の振動子群２、３の超音波ビームの主軸が、共に相手側の第２、第１の振動子群３、２に向かうようにすれば、最短距離で超音波が伝達されることになり、信号のＳＮ比も向上し、超音波流量計として高い精度が得られる。

構成図である。 超音波ビームの送波における原理的説明図である。 方位に対応した位相量の関係のグラフ図である。 超音波ビームの受波における原理的説明図である。

符号の説明

１ 管体
２、３ 振動子群
２ａ、２ｂ、・・・、２ｎ、３ａ、３ｂ、・・・、３ｎ 振動子
４ａ、４ｂ、・・・、４ｎ、７ａ、７ｂ、・・・、７ｎ 移相回路
５、８ スイッチ回路
６ 信号源

Claims (2)

1. 計測すべき流体を流す管体と、該管体の外周面に取り付け流体を介して超音波ビームを送受波する送波用振動子群、受波用振動子群とを備え、これらの振動子群はそれぞれ複数の超音波振動子で構成し、それぞれの超音波振動子間に所定の電気的位相制御を施すことにより超音波ビームの送波方位及び受波方位をそれぞれ制御可能とし、前記送波用振動子群、受波用振動子群において前記複数の超音波振動子は一列に配列し、前記送波用振動子群による超音波ビームの送波方位の制御は、前記配列した超音波振動子に個々に位相差を与えて励起することにより波面を揃え、該波面と垂直方向に合成した超音波ビームを送波することにより行い、前記受波用振動子群による超音波ビームの受波方位の制御は、前記配列した超音波振動子に個々に位相差を与えることにより波面を揃え、該波面と垂直方向からの超音波ビームを受波することにより行い、前記送波用振動子群による超音波ビームの送波方位に前記受波用振動子群による超音波ビームの受波方位を一致させるようにしたことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記送波用振動子群と前記受波用振動子群は交互に送波、受波の機能を切換えるようにした請求項１に記載に記載の超音波流量計。

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