JP5049689B2 - Ultrasonic flow meter - Google Patents
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Description
本発明は、角管から成る測定用管体内に超音波反射率を制御した超音波反射体を設け、精度の良い測定を可能とした超音波流量計に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic flowmeter in which an ultrasonic reflector having a controlled ultrasonic reflectivity is provided in a measuring tube made of a square tube to enable accurate measurement.
一般に超音波流量計では、所謂時間差方式が実用性の高い流量計として使用されている。通常では、円管の上流側及び下流側に超音波送受信器を設置し、上流向け及び下流向け伝播時間の差から管内流流量を測定しているが、超音波ビームが管軸を通る簡単な構成では、流体の粘度の影響を受けることが知られている。特殊な例としては、2つの超音波ビームを断面半径を垂直に2分する位置に取り付けるタイプも使用され、この場合に軸対称流では流速分布誤差が少ない。 In general, in an ultrasonic flow meter, a so-called time difference method is used as a highly practical flow meter. Normally, ultrasonic transmitters / receivers are installed upstream and downstream of a circular pipe, and the flow rate in the pipe is measured from the difference in propagation time upstream and downstream. It is known that the configuration is affected by the viscosity of the fluid. As a special example, there is also used a type in which two ultrasonic beams are attached at a position where the cross-sectional radius is vertically divided into two. In this case, the flow velocity distribution error is small in the axially symmetric flow.
一般に、精度の良い測定をするためには、超音波ビームの伝播距離を長くすることが時間差が大きくなるので望ましい。大径の流体管路においては、管内面に超音波反射体を配置するなどして、伝播距離を大きくすることも可能である。 Generally, in order to perform measurement with high accuracy, it is desirable to increase the propagation distance of the ultrasonic beam because the time difference increases. In a large-diameter fluid conduit, the propagation distance can be increased by arranging an ultrasonic reflector on the inner surface of the tube.
しかし、小径の管体においては内部に超音波反射体を配置することが困難である。 However, it is difficult to arrange an ultrasonic reflector inside a small-diameter tube.
本発明の目的は、上述の問題点を解決して、構造が簡単であり、細管においても適用できる超音波流量計を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide an ultrasonic flowmeter that has a simple structure and can be applied to a thin tube.
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、測定流体を流す角管から成る測定用管体のlつの面の流れ方向の上流側と下流側に、少なくとも1対の超音波送受信器を設置すると共に、前記管体内の前記超音波送受信器の取付面と対向する面上に周囲の管内面よりも超音波反射率が大きい超音波反射体を配置し、前記上流側又は下流側の超音波送受信器から発信した超音波ビームが前記超音波反射体で反射して前記下流側又は上流側の前記超音波送受信器に伝播する超音波流量計であって、前記超音波反射体の前記管体の管軸方向の長さを管軸に直交する方向に沿って変化させることにより、前記超音波反射体の前記管体の管軸と直交する方向の超音波反射率の分布を調整し、前記超音波ビームの振幅分布が前記管体内で均等化するようにしたことを特徴とする。
また、本発明に係る超音波流量計は、測定流体を流す角管から成る測定用管体のlつの面の流れ方向の上流側と下流側に、少なくとも1対の超音波送受信器を設置すると共に、前記管体内の前記超音波送受信器の取付面と対向する面上に周囲の管内面よりも超音波反射率が大きい超音波反射体を配置し、前記上流側又は下流側の超音波送受信器から発信した超音波ビームが前記超音波反射体で反射して前記下流側又は上流側の前記超音波送受信器に伝播する超音波流量計であって、前記超音波反射体の表面粗度を管軸に直交する方向に沿って変化させることにより、前記超音波反射体の前記管体の管軸と直交する方向の超音波反射率の分布を調整し、前記超音波ビームの振幅分布が前記管体内で均等化するようにしたことを特徴とする。
更に、本発明に係る超音波流量計は、測定流体を流す角管から成る測定用管体のlつの面の流れ方向の上流側と下流側に、少なくとも1対の超音波送受信器を設置すると共に、前記管体内の前記超音波送受信器の取付面と対向する面上に周囲の管内面よりも超音波反射率が大きい超音波反射体を配置し、前記上流側又は下流側の超音波送受信器から発信した超音波ビームが前記超音波反射体で反射して前記下流側又は上流側の前記超音波送受信器に伝播する超音波流量計であって、前記超音波反射体の取付面に対する傾きを管軸に直交する方向に沿って変化させることにより、前記超音波反射体の前記管体の管軸と直交する方向の超音波反射率の分布を調整し、前記超音波ビームの振幅分布が前記管体内で均等化するようにしたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, an ultrasonic flowmeter according to the present invention includes at least one pair of ultrasonic waves on the upstream side and the downstream side in the flow direction of one surface of a measurement tube body including a square tube through which a measurement fluid flows. The transmitter / receiver is installed, and an ultrasonic reflector having a higher ultrasonic reflectivity than the inner surface of the surrounding tube is disposed on the surface facing the mounting surface of the ultrasonic transmitter / receiver in the tube, and the upstream side or the downstream side An ultrasonic flowmeter in which an ultrasonic beam transmitted from an ultrasonic transmitter / receiver on the side is reflected by the ultrasonic reflector and propagates to the ultrasonic transmitter / receiver on the downstream side or the upstream side, and the ultrasonic reflector By changing the length of the tube body in the tube axis direction along the direction orthogonal to the tube axis, the distribution of the ultrasonic reflectance of the ultrasonic reflector in the direction orthogonal to the tube axis of the tube body is changed. The amplitude distribution of the ultrasonic beam is equalized in the tube Characterized in that way the.
In the ultrasonic flowmeter according to the present invention, at least one pair of ultrasonic transmitters / receivers is installed on the upstream side and the downstream side in the flow direction of one surface of a measurement tube body made of a square tube through which a measurement fluid flows. In addition, an ultrasonic reflector having a higher ultrasonic reflectivity than the inner surface of the surrounding tube is disposed on a surface of the tube facing the mounting surface of the ultrasonic transmitter / receiver, and the ultrasonic transmission / reception on the upstream side or the downstream side is arranged. An ultrasonic flowmeter in which an ultrasonic beam transmitted from a vessel is reflected by the ultrasonic reflector and propagates to the ultrasonic transmitter / receiver on the downstream side or the upstream side, and the surface roughness of the ultrasonic reflector is measured By changing along the direction orthogonal to the tube axis, the distribution of the ultrasonic reflectance of the ultrasonic reflector in the direction orthogonal to the tube axis of the tube is adjusted, and the amplitude distribution of the ultrasonic beam is It is characterized by equalization in the tube.
Furthermore, in the ultrasonic flowmeter according to the present invention, at least one pair of ultrasonic transmitters / receivers is installed on the upstream side and the downstream side in the flow direction of one surface of a measurement tube body including a square tube through which a measurement fluid flows. In addition, an ultrasonic reflector having a higher ultrasonic reflectivity than the inner surface of the surrounding tube is disposed on a surface of the tube facing the mounting surface of the ultrasonic transmitter / receiver, and the ultrasonic transmission / reception on the upstream side or the downstream side is arranged. An ultrasonic flowmeter in which an ultrasonic beam transmitted from a vessel is reflected by the ultrasonic reflector and propagates to the ultrasonic transmitter / receiver on the downstream side or the upstream side, and is inclined with respect to the mounting surface of the ultrasonic reflector Is changed along the direction orthogonal to the tube axis to adjust the distribution of the ultrasonic reflectance of the ultrasonic reflector in the direction orthogonal to the tube axis of the tube, and the amplitude distribution of the ultrasonic beam is It is characterized by equalization in the tube That.
本発明に係る超音波流量計によれば、少なくとも1対以上の超音波送受信器により送受信され、超音波反射体を経た超音波ビームは伝播路上の流速の平均値に応じた伝播時間差を与え、更に超音波反射体は送信振幅に拘わらず受信振幅を均一にして反射するので、得られる時間差信号は断面内の流速を平均したものとなる。 According to the ultrasonic flowmeter of the present invention, the ultrasonic beam transmitted / received by at least one pair of ultrasonic transmitter / receiver and passing through the ultrasonic reflector gives a propagation time difference according to the average value of the flow velocity on the propagation path, Furthermore, since the ultrasonic reflector reflects the reception amplitude evenly regardless of the transmission amplitude, the obtained time difference signal is obtained by averaging the flow velocity in the cross section.
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。 The present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
図1は実施例1の超音波流量計の構成図である。管軸をz軸方向とし、測定流体を流す測定用管体1は、断面矩形状又は方形の角管とされ、管体1の上面1aの上流側及び下流側には1対の超音波送受信器2、3が取り付けられている。なお、管軸のz軸方向と直交する水平方向をx軸、上下方向をy軸とする。
FIG. 1 is a configuration diagram of the ultrasonic flowmeter according to the first embodiment. The
超音波送受信器2、3間の管体1の下面1bの内面には、超音波反射率を大きくした超音波反射体4が配置されており、超音波反射体4の周囲の面は超音波反射率が十分に低くされている。そして、超音波送受信器2、3には、図示しない駆動測定回路を接続するリード線5、5’及び6、6’がそれぞれ接続されている。
On the inner surface of the
このような構成により、上流側の超音波送受信器2内の任意の点A及び点Bから送信される超音波ビームは、それぞれ超音波反射体4内の点A’及び点B’で反射し、点A”及び点B”において下流側の超音波送受信器3に達する。下流側の超音波送受信器3から上流側に超音波ビームが送られる場合には、上記の逆の経路を経て伝播する。
With such a configuration, ultrasonic beams transmitted from arbitrary points A and B in the upstream
超音波ビームは時間差方式では一般にバースト波で駆動するが、或る特定時刻tの近傍における受信波形に着目すれば正弦波と見倣せるので、点A及び点Bを通る超音波ビームの振幅をそれぞれVa及びVbとすれば、時間差方式の動作式から、次式(1)、(2)が得られる。ただし、流体中の超音波ビームの減衰は無視している。
Va=a・ma・sin{2πf(t±va・sinθ・T/2C)} …(1)
Vb=b・mb・sin{2πf(t±vb・sinθ・T/2C)} …(2)
Although the ultrasonic beam is generally driven by a burst wave in the time difference method, it can be imitated as a sine wave if attention is paid to the received waveform in the vicinity of a specific time t. Therefore, the amplitude of the ultrasonic beam passing through the points A and B is changed. Assuming that Va and Vb respectively, the following equations (1) and (2) can be obtained from the time difference operation equation. However, the attenuation of the ultrasonic beam in the fluid is ignored.
Va = a · ma · sin {2πf (t ± va · sin θ · T / 2C)} (1)
Vb = b · mb · sin {2πf (t ± vb · sin θ · T / 2C)} (2)
ここで、a、bはそれぞれの超音波ビームの送信振幅の最大値、ma、mbはそれぞれ点A’及び点B’における超音波反射体4の反射率、fは超音波送受信器2、3の駆動周波数、±の符号は下流向けが−、上流向けが+に対応し、va、vbはそれぞれ点A’及び点B’を通る超音波ビームの伝播路上の流速の平均値、θは超音波ビームの入射角、Tは超音波ビームの伝播時問、Cは流体の音速である。
Here, a and b are the maximum transmission amplitude values of the respective ultrasonic beams, ma and mb are the reflectances of the
一般に、超音波ビームの送信振幅はx軸方向、つまり管体1の幅方向に一様に分布するものでなく、超音波送受信器2、3で超音波振動子として使用するピエゾ振動子の中央部は送信振幅が大きく、周辺部は小さくなる。従って、超音波反射体4のx軸方向の反射率分布が一様な場合には、受信側の超音波送受信器の受信振幅も一様にならない。
In general, the transmission amplitude of an ultrasonic beam is not uniformly distributed in the x-axis direction, that is, the width direction of the
そこで、超音波反射体4のx軸方向の反射率分布を調整して、常にa・ma=b・mb≡p(定数)が成立するように構成すると、受信振幅の最大値のx軸方向の分布は一様になる。即ち、超音波送受信器2、3は周波数が同一で、振幅がx軸方向に一様となり、受信側の超音波送受信器では超音波ビームの伝播路上の流速の平均値に依存する位相を有する波形を受信することになる。
Therefore, if the reflectance distribution in the x-axis direction of the
図2は超音波送受信器からの超音波ビームのx軸方向の送信振幅の分布を示し、通常では管体1の中央で最大振幅値a、bが大きくなる。図3は図2の送信振幅に対応して受信側の超音波送受信器で受信する振幅が一様となるように調整した超音波反射体4のz方向長さを示している。
FIG. 2 shows the distribution of the transmission amplitude of the ultrasonic beam from the ultrasonic transmitter / receiver in the x-axis direction. Usually, the maximum amplitude values a and b increase at the center of the
このように、送信振幅に対し図1に示すように、超音波反射体4のz軸方向の長さを調整すると、受信側での超音波送受信器で受信した超音波ビームの分布が均等化される。
As described above, when the length of the
次式(3)の正弦和の公式を利用し、式(1)、(2)の2つの超音波ビームの平均振幅Vを計算すると、式(4)を得る。
sinE+sinF=2・sin(E+F)/2・cos(E−F)/2 …(3)
V=2・p・sin[2πf{t±(va+vb)/2}・sinθ・T/2C]・cos{2πf・(va−vb)sinθ・T/2C} …(4)
When the average amplitude V of the two ultrasonic beams of the formulas (1) and (2) is calculated using the sine sum formula of the following formula (3), the formula (4) is obtained.
sinE + sinF = 2 · sin (E + F) / 2 · cos (EF) / 2 (3)
V = 2 · p · sin [2πf {t ± (va + vb) / 2} · sin θ · T / 2C] · cos {2πf · (va−vb) sin θ · T / 2C} (4)
ここで、流体の音速Cに比べて流速が十分に小さいとすると、上式のcos項は1と見倣せるので、これを省略すれば、平均振幅Vは2つの流速va、vbの平均値(va+vb)/2のときの時間差方式の動作式にほかならない。 Here, if the flow velocity is sufficiently smaller than the sound velocity C of the fluid, the cos term in the above equation can be regarded as 1, so if this is omitted, the average amplitude V is the average value of the two flow velocity va and vb. It is nothing but an operation formula of the time difference method when (va + vb) / 2.
上述の関係は任意の超音波ビームについて成立するので、結局は超音波送受信器2、3は超音波ビームの方向とx軸とにより定まる平面上の流速の平均値を検出することができる。
Since the above relationship holds for an arbitrary ultrasonic beam, the
図4は管体1の上面1bに実施例2の2対の超音波送受信器2、3、2’、3’を配置した例を示し、図5及び図6はこのときの超音波ビームの送信振幅分布及び超音波反射体4の長さの分布を示している。
FIG. 4 shows an example in which the two pairs of ultrasonic transmitters /
複数対の超音波送受信器2、3、2’、3’の電気的接続については、上流側又は下流側ごとに、同じ極性の電極をリード線5、5’及びリード線6、6’により相互に接続されている。
For electrical connection of a plurality of pairs of ultrasonic transmitters /
この実施例2のように、使用する超音波送受信器2、3の対数を増加すれば、発信強度はより一様な分布に近付くが、一方で取り付けの煩雑さは増加する。
If the logarithm of the
なお、超音波反射体4の反射率を調整する手段として、図3、図6では超音波反射体4のz軸方向の長さを変化させたが、別の方法も考えられる。
As a means for adjusting the reflectance of the
例えば、図7は実施例1のように、1対の超音波送受信器2、3を用いた場合の超音波反射体4の表面粗度のx軸方向分布を調整した例を示している。流体中の超音波ビームの波長に比べて小さくない大きさで、超音波反射体4の表面に凹凸を形成し超音波ビームを散乱させている。凹凸の密度の高い部分ほど散乱が多くなるので、図3に示すように超音波ビームの振幅に対応させて、中央部ほど散乱が大きくなるように凹凸密度の分布を変化させることで、超音波反射率を調整することができる。
For example, FIG. 7 shows an example in which the x-axis direction distribution of the surface roughness of the
図8は他の超音波反射体4の例を示し、超音波反射体4の取付面に対する傾きを変化させてx軸方向分布を調整している。傾きが大きい部分ほど、受信側の超音波送受信器への超音波ビームの反射が少なくなるので、x軸方向の中央部における傾きを大きくすることで、中央部の超音波反射率を小さくしている。
FIG. 8 shows another example of the
上述したように、本発明の超音波流量計は角管を使用しているが、通常の管路は円管であるので、測定部の前後に角管から成る測定用管体1を円形管に変形するレジューサ管7を図9に示すように接続し、管体1と両側の円管8の断面形状を整合させることが好ましい。
As described above, the ultrasonic flowmeter of the present invention uses a square tube, but since a normal pipe line is a circular tube, a measuring
1 測定用管体
2、3、2’、3’ 超音波送受信器
4 超音波反射体
5、5’、6、6’ リード線
7 レジューサ管
1
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