JP5156918B2 - Ultrasonic density meter - Google Patents
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Description
本発明は、超音波を利用して流体の密度を測定する超音波密度計に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic density meter that measures the density of a fluid using ultrasonic waves.
従来、超音波を利用して液体の体積流量を測定する超音波流量計が提案されている(例えば、特許文献1参照)。具体的には、図11に示されるように、特許文献1の超音波流量計60では、液体W1を流す配管61の上流側及び下流側において対向するよう一対の超音波振動子62,63が配置される。そして、一方の超音波振動子から発せられた超音波が液体W1中を伝搬して他方の超音波振動子に至るまでの伝搬時間を測定する。具体的には、流体W1の流れの正逆方向に超音波を伝搬させ、その正方向の伝搬時間と逆方向の伝搬時間とを測定する。ここで、各超音波振動子62,63間の超音波の伝搬距離L、流体W1中の音速C、液体W1の流速Vとすると、正方向の伝搬時間Tdと逆方向の伝搬時間Tuとは、それぞれ以下の式(1),(2)で表される。
すなわち、液体W1の流速Vが速くなると、正方向に伝搬される超音波S0の伝搬時間Tdは短くなり、逆方向に伝搬される超音波S0の伝搬時間Tuは長くなる(図12参照)。そして、それら超音波S0の伝搬時間差ΔTは、次式(3)のように表される。
ここで、液体W1の流速Vは音速Cと比較すると無視できる程度の速さである。そのため、上記の式(3)は次式(4)のように表すことができる。
従って、流速Vは、次式(5)により求めることができる。
さらに、この流速Vに配管61の断面積Sを乗算することで液体W1の体積流量Q(=SV)が求められる。
Further, the volume flow rate Q (= SV) of the liquid W1 is obtained by multiplying the flow velocity V by the cross-sectional area S of the
また、超音波を利用して流体の密度を計測し、その密度と体積流量とを乗算することで流体の質量流量を求める超音波質量流量計が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, an ultrasonic mass flow meter that measures the density of a fluid using ultrasonic waves and obtains the mass flow rate of the fluid by multiplying the density and the volume flow rate has been proposed (for example, see Patent Document 2). .
特許文献2の超音波質量流量計では、流体を流す流管(流路)に体積流量を測るための超音波送受信器が設けられ、その流管から分岐したバイパスラインの直管部の両端に密度を測るための超音波送信器及び超音波受信器が対向するよう設けられている。また、バイパスラインの途中には流量調整弁が設けられている。その流量調整弁を閉じてバイパスラインに流れる流体が静止状態となるよう流体の流れを設定しておき、その状態で超音波送信器からバイパスラインの流体中に超音波を伝搬させ、その超音波を超音波受信器で受信する。そして、超音波受信器での受信信号に基づいて、流体中を伝搬する超音波の減衰量を測定し、その減衰量から流体の密度を求めている。
ところで、例えば、化学工場などにおいて、二種類以上の液体を混合して生成した流体の流量を調整する場合、その混合が十分に行われずに液体の密度が不均一の状態となっても、体積流量ではその状態を確実に検出することはできない。この場合、液体の密度変化を検出する必要がある。 By the way, for example, in a chemical factory or the like, when adjusting the flow rate of a fluid generated by mixing two or more kinds of liquids, even if the density of the liquid is not uniform and the liquid density is not uniform, The state cannot be reliably detected by the flow rate. In this case, it is necessary to detect the density change of the liquid.
ところが、特許文献2に開示されている従来の超音波質量流量計では、バイパスラインで流体を静止状態にしないと正確な密度を求めることができず、流路を流れている流体の密度をリアルタイムで検出することは困難である。また、超音波を利用しない一般的な密度計を用いる場合でも、計測器本体側に流体を移し変えて密度を測定する必要があり、流路を流れる流体の密度をリアルタイムに検出することは困難である。
However, the conventional ultrasonic mass flow meter disclosed in
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、超音波を利用して流路を流れる流体の密度を迅速に測定することができる超音波密度計を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic density meter that can quickly measure the density of a fluid flowing through a flow path using ultrasonic waves. .
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、流路を流れる流体に超音波を照射しその反射波に基づいて流体の密度を求める超音波密度計であって、前記流路を構成する管本体の外壁面に配置され、前記流体中にその流れと直交する方向に超音波を伝搬させるとともに、前記管本体の内壁面で反射した超音波を受信する一対の超音波振動子と、前記流体中を伝搬する超音波の伝搬時間と伝搬距離とに基づいて前記流体の音速を求める音速算出手段と、前記各超音波振動子で受信した反射波の信号強度と、前記管本体の音響インピーダンスとに基づいて、前記流体の音響インピーダンスを求める音響インピーダンス算出手段と、前記流体の音響インピーダンスを前記音速で除算することにより前記流体の密度を求める密度算出手段とを備えたことを特徴とする超音波密度計をその要旨とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in
請求項1に記載の発明によれば、流路を構成する管本体の外壁面に一対の超音波振動子が配置され、各超音波振動子により、流路を流れる流体中にその流れと直交する方向に超音波が伝搬されるとともに、管本体の内壁面で反射した超音波が受信される。そして、音速算出手段により、流体中を伝搬する超音波の伝搬時間と伝搬距離とに基づいて流体の音速が求められる。また、音響インピーダンス算出手段により、各超音波振動子で受信した反射波の信号強度と、管本体の音響インピーダンスとに基づいて、流体の音響インピーダンスが求められる。さらに、密度算出手段により、流体の音響インピーダンスを音速で除算することにより流体の密度が求められる。このように超音波密度計を構成することにより、管本体内の流路に流体を流した状態でその流体の密度をリアルタイムで測定することができるため、その流体の密度変化を迅速に検出することができる。 According to the first aspect of the present invention, a pair of ultrasonic vibrators are arranged on the outer wall surface of the tube body constituting the flow path, and each ultrasonic vibrator is orthogonal to the flow in the fluid flowing through the flow path. The ultrasonic wave is propagated in the direction to be transmitted, and the ultrasonic wave reflected by the inner wall surface of the tube main body is received. Then, the sound velocity calculation means obtains the sound velocity of the fluid based on the propagation time and propagation distance of the ultrasonic wave propagating in the fluid. Further, the acoustic impedance calculation means determines the acoustic impedance of the fluid based on the signal intensity of the reflected wave received by each ultrasonic transducer and the acoustic impedance of the tube body. Furthermore, the density of the fluid is obtained by dividing the acoustic impedance of the fluid by the speed of sound by the density calculating means. By configuring the ultrasonic density meter in this way, the density of the fluid can be measured in real time while the fluid is flowing through the flow path in the tube body, so that the density change of the fluid can be detected quickly. be able to.
請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記管本体は、前記流体の流れる方向に平行な一対の内壁面を有し、前記超音波振動子は、一方の内壁面を介して流路内の流体中に超音波を伝搬させ、他方の内壁面で反射した超音波を受信することをその要旨とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the tube main body has a pair of inner wall surfaces parallel to the direction in which the fluid flows, and the ultrasonic transducer flows through one inner wall surface. The gist is to propagate ultrasonic waves into the fluid in the passage and receive the ultrasonic waves reflected by the other inner wall surface.
請求項2に記載の発明によれば、超音波振動子によって、流体の流れと直交する方向に超音波を確実に伝搬させることができ、流路の各内壁面で反射した反射波を正確に受信することができる。 According to the second aspect of the present invention, the ultrasonic transducer can reliably propagate the ultrasonic wave in the direction orthogonal to the fluid flow, and the reflected wave reflected by each inner wall surface of the flow path can be accurately detected. Can be received.
請求項3に記載の発明は、請求項2において、前記一対の超音波振動子は、前記管本体における上流側及び下流側の外壁面にそれぞれ配置され、その上流側と下流側とで前記内壁面の間隔を異ならせたことをその要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the pair of ultrasonic transducers are respectively disposed on an outer wall surface on the upstream side and the downstream side of the pipe body, and the inner side is formed between the upstream side and the downstream side. The gist is that the interval between the walls is different.
請求項3に記載の発明によれば、一対の超音波振動子を上流側及び下流側の外壁面にずらして配置しているので、各超音波振動子から発せられた超音波が干渉することがなく、反射波を確実に受信することができる。また、管本体における上流側と下流側とで超音波の伝搬距離が異なるため、その伝搬距離に応じて超音波が減衰することにより、信号強度が異なる反射波が各超音波振動子で受信される。そして、それら反射波の信号強度と管本体の音響インピーダンスとに基づいて、流体の音響インピーダンスを求めることができる。
According to the invention described in
請求項4に記載の発明は、請求項2において、前記一対の超音波振動子は、前記管本体における上流側及び下流側の外壁面にそれぞれ配置され、その上流側と下流側とで前記管本体の音響インピーダンスを異ならせたことをその要旨とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect, the pair of ultrasonic transducers are respectively disposed on an outer wall surface on the upstream side and the downstream side of the pipe main body, and the pipe is formed on the upstream side and the downstream side. The main point is that the acoustic impedance of the main body is varied.
請求項4に記載の発明によれば、一対の超音波振動子を上流側及び下流側の外壁面にずらして配置しているので、各超音波振動子から発せられた超音波が干渉することがなく、反射波を確実に受信することができる。また、管本体における上流側と下流側とで音響インピーダンスが異なるため、その音響インピーダンスに応じて超音波の反射率が変化することにより、信号強度が異なる反射波が各超音波振動子で受信される。そして、それら反射波の信号強度と管本体の各音響インピーダンスとに基づいて、流体の音響インピーダンスを求めることができる。
According to the invention described in
請求項5に記載の発明は、請求項2において、前記管本体は長方形状に形成され、前記一対の超音波振動子のうちの一方の超音波振動子は、前記管本体における第1の外壁面に配置されるとともに、他方の超音波振動子はその第1の外壁面と直交する第2の外壁面に配置されることをその要旨とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the second aspect, the tube main body is formed in a rectangular shape, and one ultrasonic transducer of the pair of ultrasonic transducers is a first outer portion of the tube main body. The gist is that the other ultrasonic transducer is disposed on the wall surface and disposed on the second outer wall surface orthogonal to the first outer wall surface.
請求項5に記載の発明によれば、一方の超音波振動子と他方の超音波振動子とにおいて、超音波の伝搬距離が異なるため、その伝搬距離に応じて超音波が減衰することにより、信号強度が異なる反射波が各超音波振動子で受信される。そして、それら反射波の信号強度と管本体の音響インピーダンスとに基づいて、流体の音響インピーダンスを求めることができる。またこの場合、流体の流通方向(上流側または下流側の方向)に各超音波振動子をずらして配置する必要がないため、超音波密度計をコンパクトに形成することができる。 According to the invention described in claim 5, since the ultrasonic propagation distance is different between one ultrasonic transducer and the other ultrasonic transducer, the ultrasonic wave is attenuated according to the propagation distance, Reflected waves having different signal intensities are received by each ultrasonic transducer. And based on the signal intensity of these reflected waves and the acoustic impedance of the tube body, the acoustic impedance of the fluid can be obtained. In this case, since it is not necessary to dispose each ultrasonic transducer in the fluid flow direction (upstream or downstream direction), the ultrasonic density meter can be formed compactly.
以上詳述したように、請求項1〜5に記載の発明によると、超音波を利用して流路を流れる流体の密度を迅速に測定することができる超音波密度計を提供することができる。 As described above in detail, according to the first to fifth aspects of the present invention, an ultrasonic density meter capable of quickly measuring the density of the fluid flowing through the flow path using ultrasonic waves can be provided. .
[第1の実施の形態] [First Embodiment]
以下、本発明を具体化した第1の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図1は本実施の形態の超音波流量計1を示す概略構成図である。超音波流量計1は、超音波伝搬時間差方式で液体W1(例えば半導体洗浄用の薬液)の体積流量を測定するための第1センサ部2と、液体W1の音速や密度などを測定するための第2センサ部3とを備え、液体W1を供給するための供給配管4の途中に設けられている。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS A first embodiment embodying the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an
供給配管4の上流側には、液体W1の流量を調整するための調整バルブ5が設けられており、この調整バルブ5には、その開度を変更するためのコントローラ6が接続されている。本実施の形態において、超音波流量計1で計測された体積流量または質量流量の測定値がコントローラ6に送信され、そのコントローラ6が調整バルブ5の開度を制御することにより、供給配管4を流れる液体W1の流量が予め設定された所定の流量となるよう調整される。
An adjustment valve 5 for adjusting the flow rate of the liquid W1 is provided on the upstream side of the
以下、本実施の形態の超音波流量計1の具体的な構成について詳述する。
Hereinafter, a specific configuration of the
図1に示されるように、超音波流量計1の第1センサ部2は、略コ字状に屈曲形成された配管11と、その配管11の2つのコーナー部11a,11bにそれぞれ固定され配管11の直管部11cを介して対向するよう配置される一対の超音波振動子12,13とを備える。第1センサ部2の配管11は、耐薬品性に優れるフッ素樹脂(例えばテフロン(登録商標))を用いて形成されており、直管部11cの長さは10cm程度である。また、この配管11内に形成される流路の断面形状は円形であり、その口径は10mm程度である。このように、流路の断面形状を円形とすることにより、その流路内において、液体W1の乱流が防止され、液体W1がスムーズに流れるようになっている。
As shown in FIG. 1, the
また、図2に示されるように、第2センサ部3は、第1センサ部2の下流側に接続される配管15(管本体)と、その配管15における上流側及び下流側の外壁面に配置される一対の超音波振動子16,17とを備える。第2センサ部3の配管15も、耐薬品性に優れるフッ素樹脂(例えばテフロン(商標名))を用いて形成されている。この配管15内に形成される流路の断面形状は四角形であり、各超音波振動子16,17から発せられた超音波S0は、液体W1の流れる方向と平行な一対の内壁面15a,15bに対して垂直に交わる角度で入射するようになっている。この配管15では、一対の超音波振動子16,17が設けられる上流側と下流側とで内壁面15a,15bの間隔を異ならせている。具体的には、上流側の内壁面15a,15bの間隔d1は下流側の内壁面15a,15bの間隔d2の2倍の間隔となっている。また、一対の超音波振動子16,17が設けられている配管15の側壁の厚さは、上流側と下流側とで等しくなっている。
As shown in FIG. 2, the
超音波流量計1において、第1センサ部2の各超音波振動子12,13及び第2センサ部3の各超音波振動子16,17には、制御装置20が電気的に接続されている。本実施の形態では、第2センサ部3と制御装置20とによって超音波密度計が構成される。
In the
図3は、超音波流量計1の電気的構成を示すブロック図である。図3に示されるように、制御装置20は、CPU21、第1信号処理回路22、第2信号処理回路23、メモリ24、入力装置25、表示装置26、データ出力回路27を備える。
FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the
第1信号処理回路22は、切り替え回路31、パルス発生回路32、受信回路33、検波回路34、及びA/D変換回路35を備える。
The first
切り替え回路31は、一対の超音波振動子12,13のうちの上流側の超音波振動子12をパルス発生回路32に接続するとともに下流側の超音波振動子13を受信回路33に接続する第1の接続位置と、下流側の超音波振動子13をパルス発生回路32に接続するとともに上流側の超音波振動子12を受信回路33に接続する第2の接続位置とを切り替え可能に構成されている。この切り替え回路31における接続位置は、CPU21から出力される切り替え信号によって制御される。
The switching
パルス発生回路32は、CPU32からの制御信号に応答して動作し、超音波振動子12,13を駆動するための駆動パルスを出力する。この駆動パルスが切り替え回路31を介して各超音波振動子12,13に供給される。ここで例えば、切り替え回路31が第1の接続位置に切り替えられた場合、上流側の超音波振動子12に駆動パルスが供給され、その超音波振動子12が振動することにより、所定周波数(具体的には、1MHzの周波数)の超音波が出力される。そして、その超音波は、配管11の液体W1中をその液体W1の流れの正方向に伝搬して下流側の超音波振動子13で受信される。また逆に、切り替え回路31が第2の接続位置に切り替えられた場合には、下流側の超音波振動子13に駆動パルスが供給され、その超音波振動子13が振動することにより、所定周波数(具体的には、1MHzの周波数)の超音波が出力される。そして、その超音波は、配管11の液体W1中をその液体W1の流れの逆方向に伝搬して上流側の超音波振動子12で受信される。
The
受信回路33は、図示しない信号増幅回路を含み、各超音波振動子12,13で受信された超音波信号を増幅した後、検波回路34に出力する。検波回路34は、図示しないゲート回路を含み、受信信号の中から1パルス分の超音波信号を抽出してA/D変換回路35に出力する。A/D変換回路35では、アナログ信号である超音波信号をデジタル信号にA/D変換する。CPU21は、このA/D変換後の超音波信号を取り込み、メモリ24に一旦記憶する。
The
第2信号処理回路23は、切り替え回路41、パルス発生回路42、受信回路43、検波回路44、A/D変換回路45、及びタイマ46を備える。
The second
切り替え回路41は、第1スイッチ部41aと第2スイッチ部41bとを備え、第1スイッチ部41aでは、上流側の超音波振動子16と下流側の超音波振動子17とのいずれか一方に接続位置を切り替え、第2スイッチ部41bでは、パルス発生回路42と受信回路43とのいずれか一方に接続位置を切り替える。この切り替え回路41における接続位置も、CPU21から出力される切り替え信号によって制御される。
The switching
パルス発生回路42は、CPU21からの制御信号に応答して動作し、超音波振動子16,17を駆動するための駆動パルスを出力する。駆動パルスは、例えば500ms毎に出力され、切り替え回路41を介して上流側の超音波振動子16と下流側の超音波振動子17とに交互に供給される。そして、駆動パルスによって超音波振動子16,17が振動することにより、所定周波数(具体的には、1MHzの周波数)の超音波が出力される。
The
図2に示されるように、各超音波振動子16,17から出力された超音波S0は、配管15の側壁を介してその内側を流れる液体W1に伝搬する。このとき、超音波S0の一部は、配管15と液体W1との境界面(流路の一方の内壁面15a)で反射するとともに、一部が通過して液体W1中に伝搬する。さらに、液体W1を伝搬した超音波S0の一部は、液体W1と配管15との境界面(流路の他方の内壁面15b)で反射する。ここで、上流側において、一方の内壁面15aで反射した反射波S01と他方の内壁面15bで反射した反射波S11とが超音波振動子16で受信され、電子信号に変換される。また、下流側において、一方の内壁面15aで反射した反射波S02と他方の内壁面15bで反射した反射波S12とが超音波振動子17で受信され、電子信号に変換される。それら反射波S01,S11,S02,S12の信号は、切り替え回路41を介して受信回路43に供給される。
As shown in FIG. 2, the ultrasonic wave S 0 output from each of the
受信回路43は、図示しない信号増幅回路を含み、超音波振動子16,17で受信された反射波S01,S11,S02,S12の信号を増幅した後、検波回路44に出力する。検波回路44は、配管15内の各内壁面15a,15bで反射した超音波の反射波S01,S11,S02,S12を検出するための回路であり、図示しないゲート回路や比較回路などを含む。具体的には、検波回路44は、ゲート回路により各反射波S01,S11,S02,S12を抽出し、各反射波S01,S11,S02,S12の信号強度に対応した電圧信号をA/D変換回路45に出力する。A/D変換回路45では、アナログ信号である電圧信号をデジタル信号にA/D変換し、CPU21は、このA/D変換後の電圧信号を取り込み、各反射波S01,S11,S02,S12の信号強度としてメモリ24に記憶する。また、検波回路44は、比較回路により反射波S01,S11,S02,S12の信号が所定のしきい値電圧を超えたタイミングを検出し、その検出信号をタイマ46に通知する。
The
タイマ46は、検波回路44から出力される検出信号に基づいて、超音波S0の伝搬時間を計測し、その時間に対応したデータを出力する。この伝搬時間のデータは、CPU21によってメモリ24に記憶される。
The
CPU21は、メモリ24を利用して制御プログラムを実行し、装置全体を統括的に制御する。制御プログラムとしては、音速、密度、体積流量、及び質量流量を算出するためのプログラムやそれらの測定値を表示するためのプログラムなどを含む。なお、CPU21が実行するプログラムとしては、メモリカードなどの記憶媒体に記憶されたプログラムや、通信媒体を介してダウンロードしたプログラムでもよく、その実行時には、メモリ24に読み込んで使用する。
The
表示装置26は、例えば液晶ディスプレイであり、音速、密度、体積流量、及び質量流量の測定値を表示するために用いられる。入力装置25は、各種の操作ボタンを含み、測定の開始・終了、表示モードの設定などを行うために用いられる。データ出力回路27は、データ出力用のインターフェース(例えば、RS232などのポート)を含み、測定した体積流量または質量流量に関するデータをコントローラ6に転送する。
The
次に、本実施の形態における液体W1中の音速Cの具体的な算出方法について説明する。 Next, a specific method for calculating the speed of sound C in the liquid W1 in the present embodiment will be described.
まず、第2センサ部3において、上流側の超音波振動子16から超音波S0を出力する。配管15はフッ素樹脂からなり液体W1と音響インピーダンスが異なるため、一対の内壁面15a,15b(液体W1との境界面)で超音波S0がそれぞれ反射する。そして、各反射波S01,S11の受信時刻t1,t2から超音波の伝搬時間T1(=t2−t1)を取得する(図4参照)。具体的には、図4に示されるように、各反射波S01,S11の受信時刻t1,t2(波形信号が所定のしきい値電圧を超えたタイミング)において検波回路44から検出信号が出力される。タイマ46では、その検出信号に基づいて反射波S01が受信されてから反射波S11が受信されるまでの時間が計測され、その計測値が伝搬時間T1として取得される。ここで、超音波S0の伝搬距離は、各内壁面15a,15bの間隔d1(流路の幅)の2倍であるため、次式(6)のように、伝搬距離2d1を伝搬時間T1で除算することで液体W1中の音速Cが求められる。
また、液体W1中の音速Cは、下流側の超音波振動子17を用いても同様に求めることができる。なおこの場合、超音波の伝搬距離は2d2となる。
Also, the sound velocity C in the liquid W1 can be obtained in the same manner by using the
次に、液体W1の音響インピーダンス及び密度の算出方法について説明する。 Next, a method for calculating the acoustic impedance and density of the liquid W1 will be described.
第2センサ部3において、各超音波振動子16,17から発せられた超音波S0は、その一部が配管15と液体W1との境界面(各内壁面15a,15b)で反射する(図2参照)。
In the
これら内壁面15a,15bでの反射波S01,S11,S02,S12の信号強度は、次式(7),(8)の関係が成り立つ。
ここで、αは、液体W1の減衰定数であり、Z0は、配管15を構成するフッ素樹脂の音響インピーダンスであり、Zfは、液体W1の音響インピーダンスである。
Here, α is the attenuation constant of the liquid W1, Z 0 is the acoustic impedance of the fluororesin constituting the
これら式(7)及び式(8)により、各反射波S01,S11,S02,S12の信号強度と音響インピーダンスZ0とに基づいて液体W1の音響インピーダンスZfを求めることができる。 These formula (7) and (8), it is possible to obtain the reflected waves S 01, S 11, S 02 , the acoustic impedance Z f of the liquid W1 based on the signal strength and the acoustic impedance Z 0 of the S 12 .
そして、液体W1の密度ρは、その音響インピーダンスZfと音速Cとに基づいて次式(9)により求められる。
次に、本実施の形態における体積流量及び質量流量の具体的な算出方法について説明する。 Next, a specific method for calculating the volume flow rate and the mass flow rate in the present embodiment will be described.
本実施の形態では、まず、第1センサ部2の一対の超音波振動子12,13において、例えば、250μs毎に、正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで一方の超音波振動子から超音波を送信するとともに、液体W1中を伝搬した各超音波を他方の超音波振動子で受信する。このとき、超音波振動子12,13で電気信号に変換された超音波信号は、さらに第1信号処理回路22において切り替え回路31、受信回路33、検波回路34、及びA/D変換回路35を経てデジタル信号に変換された後、超音波の波形信号としてメモリ24に記憶される。なお、本実施の形態では、上述した所定パターンの超音波の送受信にて取得された4パルス分の波形信号が、液体W1の流量を求めるためのデータの塊としてメモリ24に記憶される。
In the present embodiment, first, in the pair of
そして、それら超音波の波形信号を比較することで、波形信号の相関関数を算出する。具体的には、例えば、最初に送受信した第1パルスの波形信号と次に送受信した第2パルスの波形信号とを比較して、第1パルスを基準とした相関関数を求める。また、第1パルスの波形信号と第3パルスの波形信号とを比較して、第1パルスを基準とした相関関数を求める。さらに、第1パルスの波形信号と第4パルスの波形信号とを比較して、第1パルスを基準とした相関関数を求める。同様に、第2パルスの波形信号と第3パルスの波形信号とを比較して第2パルスを基準とした相関関数を求め、第2パルスの波形信号と第4パルスの波形信号とを比較して第2パルスを基準とした相関関数を求める。さらに、第3パルスの波形信号と第4パルスの波形信号とを比較して第3パルスを基準とした相関関数を求める。 Then, the correlation function of the waveform signal is calculated by comparing the waveform signals of the ultrasonic waves. Specifically, for example, the waveform signal of the first pulse transmitted / received first is compared with the waveform signal of the second pulse transmitted / received next, and a correlation function based on the first pulse is obtained. In addition, the waveform signal of the first pulse and the waveform signal of the third pulse are compared to obtain a correlation function based on the first pulse. Further, the waveform signal of the first pulse and the waveform signal of the fourth pulse are compared to obtain a correlation function based on the first pulse. Similarly, the second pulse waveform signal and the third pulse waveform signal are compared to obtain a correlation function based on the second pulse, and the second pulse waveform signal and the fourth pulse waveform signal are compared. To obtain a correlation function based on the second pulse. Further, the third pulse waveform signal and the fourth pulse waveform signal are compared to obtain a correlation function based on the third pulse.
ここで、配管11を流れる液体W1中に気泡などの異物が含まれる場合、その異物によって超音波が乱反射するため、受信された各超音波はその波形が異なるものとなる。この場合、各波形信号により求められた相関関数の相関値は、1よりも相当小さくなる。一方、液体W1中に気泡が含まれない場合には、各超音波の波形は類似したものとなるため、相関関数の相関値が1に近い値(例えば0.97)となる。従って、本実施の形態では、相関関数の相関値が1に近い値(例えば、0.9以上)である場合に、測定に有効な波形信号であると判定する。そして、有効と判定した波形信号に基づいて、超音波の伝搬時間差を求める。
Here, when a foreign substance such as a bubble is included in the liquid W1 flowing through the
本実施の形態では、第1パルスの超音波及び第4パルスの超音波は、両方とも液体W1中を正方向に伝搬している。従って、図5に示されるように、これら超音波の波形信号を比較して求めた相関関数f1は、その時間的なズレ量が0となる。これに対して、第1パルスの超音波及び第2パルスの超音波は、正方向及び逆方向に伝搬している。そのため、これら超音波の波形信号を比較して求めた相関関数f2は、前記相関関数f1と比較すると、超音波の伝搬時間差ΔTのズレが生じる。よって、本実施の形態では、相関関数f2の相関値が最大となる時刻に基づいて、超音波の伝搬時間差ΔTが求められる。 In the present embodiment, both the first pulse ultrasonic wave and the fourth pulse ultrasonic wave propagate in the liquid W1 in the positive direction. Therefore, as shown in FIG. 5, the correlation function f1 obtained by comparing the waveform signals of these ultrasonic waves has a temporal deviation of zero. In contrast, the ultrasonic waves of the first pulse and the ultrasonic waves of the second pulse propagate in the forward direction and the reverse direction. For this reason, the correlation function f2 obtained by comparing these ultrasonic waveform signals causes a deviation of the ultrasonic propagation time difference ΔT when compared with the correlation function f1. Therefore, in the present embodiment, the ultrasonic propagation time difference ΔT is obtained based on the time when the correlation value of the correlation function f2 becomes maximum.
そして、式(6)により求めた液体W1中の音速Cとこの伝搬時間差ΔTとを上記の式(5)に代入して流体W1の流速Vを求める。さらに、この流速Vに配管11の断面積Sを乗算することで液体W1の体積流量Q(=SV)を求める。
Then, the flow velocity V of the fluid W1 is obtained by substituting the sound velocity C in the liquid W1 obtained by the equation (6) and the propagation time difference ΔT into the equation (5). Further, the volume flow rate Q (= SV) of the liquid W1 is obtained by multiplying the flow velocity V by the cross-sectional area S of the
なお、実際の流量測定時には、配管11の2つのコーナー部11a,11bにおいて液体W1の流れが乱れる。また、配管11において中央部の方が側壁側よりも液体W1の流れが速くなる。従って、この液体W1の流速の分布を考慮して補正演算を行うことにより、より正確な体積流量Qが算出される。さらに、上記の式(9)により求めた密度ρと体積流量Qとを乗算することにより質量流量M(=ρQ)が求められる。
In the actual flow rate measurement, the flow of the liquid W1 is disturbed in the two
次に、本実施の形態において、液体W1の密度ρを測定するための処理例について図6のフローチャートを用いて説明する。なお、図6の処理は、作業者が入力装置25に設けられている開始ボタンを操作したときに開始される。
Next, in the present embodiment, a processing example for measuring the density ρ of the liquid W1 will be described with reference to the flowchart of FIG. 6 is started when an operator operates a start button provided on the
まず、CPU21は、第2信号処理回路23のパルス発生回路42を動作させ、例えば500ms毎に駆動パルスを出力させるとともに、切り替え回路41の接続位置を切り替えて、第2センサ部3における上流側の超音波振動子16及び下流側の超音波振動子17に対して駆動パルスを順次供給する(ステップ100)。これにより、各超音波振動子16,17から超音波S0が照射され、流路の各内壁面15a,15bで反射された各反射波S01,S11,S02,S12の電気信号が検波回路44で抽出される。そして、CPU21は、A/D変換回路45で変換されたデータを取り込み、反射波S01,S11,S02,S12の信号強度のデータとしてメモリ24に記憶する。またこのとき、タイマ46により、反射波S01,S11の受信タイミングに基づいて超音波の伝搬時間T1が計測され、その伝搬時間T1のデータがメモリ24に記憶される。
First, the
そして、音速算出手段としてのCPU21は、超音波の伝搬時間T1と伝搬距離2d1とに基づいて、液体W1の音速Cを求める(ステップ110)。また、音響インピーダンス算出手段としてのCPU21は、各反射波S01,S11,S02,S12の信号強度と配管15(フッ素樹脂)の音響インピーダンスZ0とに基づいて、液体W1の音響インピーダンスZfを求める(ステップ120)。さらに、密度算出手段としてのCPU21は、液体W1の音響インピーダンスZfを音速Cで除算することにより液体W1の密度ρを求める(ステップ130)。
Then,
その後、CPU21は、密度ρの測定処理を継続するか否かを判定する(ステップ140)。具体的には、CPU21は、入力装置25の終了ボタンが操作されているか否かを判定し、終了ボタンが操作されていない場合には、ステップ100の処理に戻り、ステップ100〜ステップ140の処理を再度行う。そして、入力装置25の終了ボタンが操作された場合、CPU21は図6の処理を終了する。
Thereafter, the
次に、本実施の形態において、液体W1の質量流量Mを測定するための処理例について図7のフローチャートを用いて説明する。図7の処理は、図6の処理によって液体W1の音速Cや密度ρが測定された後に実行される。 Next, in the present embodiment, a processing example for measuring the mass flow rate M of the liquid W1 will be described with reference to the flowchart of FIG. The process of FIG. 7 is executed after the sound speed C and the density ρ of the liquid W1 are measured by the process of FIG.
先ず、CPU21は、第1信号処理回路22のパルス発生回路32を動作させ、250μs毎に駆動パルスを出力させるとともに、切り替え回路31の接続位置を切り替えて、上流側の超音波振動子12及び下流側の超音波振動子13に対して駆動パルスを順次供給する(ステップ200)。これにより、各超音波振動子12,13において、正方向、逆方向、逆方向及び正方向の順序となる所定パターンで超音波の送受信が行われる。そして、各超音波振動子12,13で受信された超音波信号は、第1信号処理回路22において切り替え回路31、受信回路33、検波回路34、及びA/D変換回路35を経てデジタル信号に変換される。CPU21は、そのA/D変換後の超音波信号を順次取り込み、超音波の波形信号としてメモリ24に記憶する。なおここでは、上述した所定パターンの4パルス分の波形信号がメモリ24に記憶される。
First, the
その後、CPU21は、各超音波の波形信号を読み出し、それら波形信号を比較して相関関数を算出する(ステップ210)。そして、CPU21は、波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かを判定する(ステップ220)。具体的には、相関関数の相関値が所定のしきい値(例えば、0.9)以上である場合、CPU21は、測定に有効な波形信号であると判定し、その波形信号のデータをメモリ24に残す。一方、所定のしきい値よりも小さい場合には、比較した波形信号の少なくとも一方が測定に無効な波形信号である。この場合、CPU21は、他の波形信号との比較で求めた相関関数により、測定に無効な波形信号を特定して、その波形信号のデータをメモリ24から削除する。そして、4パルスの超音波において、正方向の第1パルス及び第4パルスの波形信号の両方、または逆方向の第2パルス及び第3パルスの波形信号の両方が無効な波形信号であると判定した場合、液体中に異物の混入ありと判断して、CPU21はその旨を表示装置26に表示させる(ステップ230)。その後、CPU21は、ステップ200の処理に戻り、所定パターンでの超音波の送受信を再度行う。
Thereafter, the
一方、正方向の第1パルス及び第4パルスの波形信号の少なくとも一方が有効であると判定し、かつ逆方向の第2パルス及び第3パルスの波形信号の少なくとも一方が有効であると判定した場合、CPU21は、有効と判定した波形信号の相関関数に基づいて、正方向に伝搬した超音波と逆方向に伝搬した超音波との伝搬時間差ΔTを求める(ステップ240)。
On the other hand, it is determined that at least one of the waveform signals of the first pulse and the fourth pulse in the forward direction is valid, and at least one of the waveform signals of the second pulse and the third pulse in the reverse direction is determined to be valid. In this case, the
さらに、CPU21は、図6の処理で求めた音速Cとその伝搬時間差ΔTとを用い、式(5)に対応した演算を行うことにより液体W1の流速Vを求め、さらにその流速Vと配管11の断面積Sとを乗算することにより液体W1の体積流量Qを求める(ステップ250)。また、CPU21は、体積流量Qと密度ρとを乗算することにより質量流量Mを求める(ステップ260)。
Further, the
その後、CPU21は、質量流量Mの測定値を表示装置26に表示させる(ステップ270)。そして、CPU21は、流量の測定処理を継続するか否かを判定する(ステップ280)。具体的には、CPU21は、入力装置25の終了ボタンが操作されているか否かを判定し、終了ボタンが操作されていない場合には、ステップ200の処理に戻り、ステップ200〜ステップ280の処理を再度行う。そして、入力装置25の終了ボタンが操作された場合、CPU21は図7の処理を終了する。
Thereafter, the
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1)本実施の形態の場合、第2センサ部3において、配管15の流路に液体W1を流した状態でその液体W1の密度ρをリアルタイムで測定することができるため、その液体W1の密度変化を迅速に検出することができる。また、その密度ρに基づいて質量流量Mを算出することができ、その算出値に応じてコントローラ6が調整バルブ5の開度を制御することにより、供給配管4を流れる液体W1の流量をより正確に調整することができる。
(1) In the case of the present embodiment, in the
(2)本実施の形態の場合、一対の超音波振動子16,17を上流側及び下流側にずらして配置しているので、各超音波振動子16,17から発せられた超音波が干渉することがなく、反射波S01,S11,S02,S12を確実に受信することができる。また、配管15の上流側と下流側とで超音波の伝搬距離を異ならせているので、その伝搬距離に応じて超音波が減衰することにより、信号強度が異なる反射波S01,S11,S02,S12が各超音波振動子16,17で受信される。従って、上式(7),(8)を用いることにより、それら反射波S01,S11,S02,S12の信号強度と配管15の音響インピーダンスZ0とに基づいて、液体W1の音響インピーダンスZfを求めることができる。
(2) In the case of the present embodiment, since the pair of
(3)本実施の形態の場合、第2センサ部3における上流側の超音波振動子16と下流側の超音波振動子17とで共通の第2信号処理回路23を設け、超音波振動子16で受信された反射波S01,S11と超音波振動子17で受信された反射波S02,S12とが同じ第2信号処理回路23を用いて取得される。この場合、各超音波振動子16,17で別々の信号処理回路を設けた場合と比較して、回路素子に起因する誤差を抑えることができる。その結果、各反射波S01,S11,S02,S12の信号強度をより正確に得ることができ、液体W1の密度ρや質量流量Mの測定精度を向上させることができる。
[第2の実施の形態]
(3) In the case of the present embodiment, the second
[Second Embodiment]
次に、本発明を具体化した第2の実施の形態を説明する。本実施の形態では、第2センサ部3における配管15の構成を変更した点が上記第1の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態の超音波流量計1において、第2センサ部3以外の他の構成(第1センサ部2や制御装置20の電気的構成など)は第1の実施の形態と同様である。
Next, a second embodiment embodying the present invention will be described. The present embodiment is different from the first embodiment in that the configuration of the
具体的には、図8に示されるように、本実施の形態における第2センサ部3の配管15(管本体)は、上流側と下流側とで音響インピーダンスが異なる配管部材51,52で形成されている。また、この配管15における内壁面15a,15bの間隔d1(流路の幅)は、上流側と下流側とで等しく形成されている。
Specifically, as shown in FIG. 8, the pipe 15 (pipe body) of the
この場合、上流側の配管部材51の音響インピーダンスをZ01、下流側の配管部材52の音響インピーダンスをZ02とすると、各内壁面15a,15bでの反射波S01,S11,S02,S12は、次式(10),(11)の関係が成り立つ。
そして、これら式(10)及び式(11)により、各反射波S01,S11,S02,S12の信号強度と音響インピーダンスZ01,Z02とに基づいて、液体W1の音響インピーダンスZfを求めることができる。さらに、液体W1の音速Cは上記第1の実施の形態と同様の手法で求めることができ、その音速Cと音響インピーダンスZfとにより液体W1の密度ρを求めることができる。
[第3の実施の形態]
Then, these equations (10) and (11), reflected waves S 01, S 11, S 02, based on the signal strength of the S 12 and the acoustic impedance Z 01, Z 02, the acoustic impedance Z of a liquid W1 f can be obtained. Furthermore, the sound velocity C of the liquid W1 can be determined in the same manner as the first embodiment, it is possible to determine the density of the liquid W1 [rho by its sound velocity C and the acoustic impedance Z f.
[Third Embodiment]
次に、本発明を具体化した第3の実施の形態を説明する。本実施の形態でも、第2センサ部3における配管15の構成を変更した点が上記第1の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態の超音波流量計1において、他の構成(第1センサ部2や制御装置20の電気的構成など)は第1の実施の形態と同様である。
Next, a third embodiment embodying the present invention will be described. This embodiment is also different from the first embodiment in that the configuration of the
具体的には、図9に示されるように、本実施の形態における第2センサ部3の配管15(管本体)は、長方形状に形成されており、一方の超音波振動子16は第1の外壁面15eに配置されるとともに、他方の超音波振動子17は第1の外壁面15eと直交する第2の外壁面15fに配置されている。また、配管15において一対の超音波振動子16,17が配置される側壁の厚さは等しく、その配管15内に形成される流路は、水平方向の幅d1(内壁面15a,15bの間隔)が垂直方向の幅d2(内壁面15c,15dの間隔)の2倍となっている。なお、図9の配管15では、紙面の手前側から奥行き方向に液体W1が流れる。
Specifically, as shown in FIG. 9, the pipe 15 (pipe body) of the
このように第2センサ部3を構成した場合、各内壁面15a,15b,15c,15dで反射する反射波S01,S11,S02,S12は、上式(7),(8)の関係が成り立つ。従って、本実施の形態でも、上記第1の実施の形態と同様に、液体W1の音響インピーダンスZfを求めることができ、さらには、液体W1の密度ρや質量流量Mを求めることができる。また、上記第1の実施の形態のように、各超音波振動子16,17を液体W1の流通方向(上流側または下流側の方向)にずらして配置する必要がないため、超音波流量計1をコンパクトに形成することが可能となる。
Thus case where the
なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。 In addition, you may change each embodiment of this invention as follows.
・上記第2の実施の形態において、第2センサ部3における配管15の上流側と下流側とは、音響インピーダンスZ01,Z02が異なる配管部材51,52で形成するものであったが、図10に示されるように、超音波の反射面となる内壁面15bの一部を配管15とは音響インピーダンスが異なる板部材55で形成してもよい。このように第2センサ部3を形成した場合でも、各内壁面15a,15bにおける反射波S01,S11,S02,S12の信号強度に基づいて、配管15を流れる液体W1の音響インピーダンスZfを求めることができる。
In the second embodiment, the upstream side and the downstream side of the
・上記各実施の形態では、波形信号の相関関数を求め、相関値によって測定に有効な波形信号を判定するように構成していたが、これに限定されるものではない。例えば、気泡などを含まない液体を測定する場合には、信頼性の高い波形信号を確実に取得できるので、相関関数を算出する必要はなく、取得した波形信号をそのまま利用して伝搬時間差を算出してもよい。 In each of the above embodiments, the correlation function of the waveform signal is obtained and the waveform signal effective for measurement is determined based on the correlation value. However, the present invention is not limited to this. For example, when measuring a liquid that does not contain bubbles, a highly reliable waveform signal can be reliably acquired, so there is no need to calculate a correlation function, and the propagation time difference is calculated using the acquired waveform signal as it is. May be.
・上記各実施の形態では、表示装置26に質量流量Mの計測値を表示するように構成したが、密度ρなどの他の計測値を表示するよう構成してもよい。具体的には、例えば、入力装置25のボタン操作によって表示モードを予め設定しておき、CPU21がその表示モードを判定して、表示装置26に表示する計測値を、体積流量Q、質量流量M、密度ρ、音響インピーダンスZfのうちのいずれかに切り替えるよう構成してもよい。このように構成すれば、液体W1の状態をより厳密に確認することが可能となる。
In each of the above embodiments, the measurement value of the mass flow rate M is displayed on the
・上記各実施の形態では、第1センサ部2と第2センサ部3とで共通の制御装置20を用いたが、それらセンサ部2,3において別々に制御装置を設けてもよい。またこの場合、第2センサ部3で検出した液体W1の密度ρを、第1センサ部2で検出した液体W1の質量流量Mとは別の表示装置に表示させてもよい。
In each of the above embodiments, the
・上記各実施の形態では、第2センサ部3の各超音波振動子16,17において共通の第2信号処理回路23を設けたが、各超音波振動子16,17において別々の信号処理回路を設けてもよい。このようにすると、各信号処理回路により各反射波S01,S11,S02,S12を迅速に取得することができる。
In each of the embodiments described above, the common second
・上記各実施の形態では、供給配管4において第1センサ部2の下流側に第2センサ部3を設けたが、第1センサ部2の上流側に第2センサ部3を設けてもよい。
In each of the above embodiments, the
・上記第1の実施の形態において、第2センサ部3の配管15は、上流側における内壁面15a,15bの間隔d1が下流側の内壁面15a,15bの間隔d2よりも広くなるよう形成されているが、これとは逆に上流側の内壁面15a,15bの間隔d1が下流側の内壁面15a,15bの間隔d2よりも狭くなるよう形成されていてもよい。
In the above first embodiment, the
・上記各実施の形態では、液体W1の密度ρを測定するものであったが、液体W1以外に、例えば、高圧気体などの流体の密度ρを測定してもよい。 In each of the above embodiments, the density ρ of the liquid W1 is measured. However, in addition to the liquid W1, for example, the density ρ of a fluid such as high-pressure gas may be measured.
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した各実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。 Next, in addition to the technical ideas described in the claims, the technical ideas grasped by the respective embodiments described above are listed below.
(1)請求項1乃至5のいずれか1項において、前記一対の超音波振動子が配置される前記管本体の側壁の厚さは等しいことを特徴とする超音波密度計。
(1) The ultrasonic density meter according to any one of
(2)請求項1乃至5のいずれか1項において、前記管本体は、耐薬品性に優れる樹脂材料で形成されることを特徴とする超音波密度計。
(2) The ultrasonic density meter according to any one of
(3)請求項4において、前記管本体の上流側と下流側とは、音響インピーダンスが異なる配管部材で形成したことを特徴とする超音波密度計。
(3) The ultrasonic density meter according to
(4)請求項4において、前記管本体において前記超音波の反射面となる内壁面の一部を、前記管本体とは音響インピーダンスが異なる板部材で形成したことを特徴とする超音波密度計。
(4) The ultrasonic density meter according to
(5)請求項1乃至5のいずれか1項において、前記内壁面で反射した超音波の波形信号を抽出するための検波回路を備えたことを特徴とする超音波密度計。
(5) The ultrasonic density meter according to any one of
2…超音波密度計を構成する第2センサ部
15…管本体としての配管
15a,15b,15c,15d…内壁面
15e…第1の外壁面
15f…第2の外壁面
16,17…超音波振動子
20…超音波密度計を構成する制御装置
21…音速算出手段波、音響インピーダンス算出手段、密度算出手段としてのCPU
2 ... 2nd sensor part which comprises an
Claims (5)
前記流路を構成する管本体の外壁面に配置され、前記流体中にその流れと直交する方向に超音波を伝搬させるとともに、前記管本体の内壁面で反射した超音波を受信する一対の超音波振動子と、
前記流体中を伝搬する超音波の伝搬時間と伝搬距離とに基づいて前記流体の音速を求める音速算出手段と、
前記各超音波振動子で受信した反射波の信号強度と、前記管本体の音響インピーダンスとに基づいて、前記流体の音響インピーダンスを求める音響インピーダンス算出手段と、
前記流体の音響インピーダンスを前記音速で除算することにより前記流体の密度を求める密度算出手段と
を備えたことを特徴とする超音波密度計。 An ultrasonic density meter that irradiates a fluid flowing through a flow path with ultrasonic waves and obtains the density of the fluid based on the reflected waves,
A pair of ultrasonic waves that are disposed on the outer wall surface of the tube main body constituting the flow path, propagate ultrasonic waves in the fluid in a direction orthogonal to the flow, and receive ultrasonic waves reflected by the inner wall surface of the tube main body. A sound wave oscillator,
A sound velocity calculating means for obtaining a sound velocity of the fluid based on a propagation time and a propagation distance of the ultrasonic wave propagating in the fluid;
Based on the signal intensity of the reflected wave received by each of the ultrasonic transducers and the acoustic impedance of the tube body, acoustic impedance calculation means for obtaining the acoustic impedance of the fluid;
An ultrasonic density meter comprising: density calculating means for determining the density of the fluid by dividing the acoustic impedance of the fluid by the speed of sound.
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