JP5372831B2 - Ultrasonic densitometer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、時間差式の超音波流量計の原理を利用して、流体の濃度を測定する超音波式濃度計に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic densitometer that measures the concentration of a fluid using the principle of a time difference type ultrasonic flowmeter.
時間差式の超音波流量計は図9に示すように、例えば流体が矢印方向に流れるコ字型の管路1の両側に、超音波振動子である圧電素子2、3を取り付けた構造とされている。一方の圧電素子2に電圧を印加して発振させることにより、流体中に超音波ビームを伝播させることができる。他方の圧電素子3はこの超音波ビームを受信すると、その応力から圧電効果を生じ、誘起された電荷を読み取ることで、超音波ビームの受信信号を得ることができる。圧電素子2、3による超音波ビームの送信、受信を交互に行って、流体中の超音波ビームの上流から下流へ、下流から上流への伝播時間をそれぞれ検出する。
As shown in FIG. 9, the time difference type ultrasonic flowmeter has a structure in which, for example,
このようにして、超音波ビームを上流の圧電素子2から流体を経て下流の圧電素子3に伝播させたときの伝播時間Tdと、下流の圧電素子3から上流の圧電素子2に伝播させたときの伝播時間Tuの時間差を基に、流量を測定することは例えば特許文献1等において公知である。
In this way, when the ultrasonic beam is propagated from the upstream
即ち、管路1の長さをL、流体の音速をC、管路1内の流体の流速をVとすると、伝播時間Td、Tuは次式のようになる。
Td=L/(C+V) ・・・(1)
Tu=L/(C−V) ・・・(2)
That is, if the length of the
Td = L / (C + V) (1)
Tu = L / (C−V) (2)
これらの式(1)、(2)から音速Cを消去すると、流速Vに関する式(3)が得られる。逆に、流速Vを消去することで、音速Cに関する式(4)を得ることができる。これらの式(3)、(4)は超音波ビームの伝播時間Tu、Tdを求めれば、流速V、音速Cを得ることができることを示している。
V=L(Tu−Td)/(2・Td・Tu) ・・・(3)
C=(L/2)(1/Td+1/Tu) ・・・(4)
When the sound velocity C is eliminated from these equations (1) and (2), equation (3) relating to the flow velocity V is obtained. Conversely, by eliminating the flow velocity V, the equation (4) relating to the sound velocity C can be obtained. These equations (3) and (4) indicate that the flow velocity V and the sound velocity C can be obtained by obtaining the ultrasonic beam propagation times Tu and Td.
V = L (Tu−Td) / (2 · Td · Tu) (3)
C = (L / 2) (1 / Td + 1 / Tu) (4)
超音波流量計では、式(3)を用いて流速Vを求め、これに次式(5)のように、管路1の断面積Sを乗ずることにより流体の流量Fを算出できる。
F=V・S ・・・(5)
In the ultrasonic flowmeter, the flow rate F of the fluid can be calculated by obtaining the flow velocity V using the equation (3) and multiplying this by the cross-sectional area S of the
F = V · S (5)
液体の濃度と音速は相関関係があり、超音波ビームによる反射時間等を用いて流体の濃度を測定することは、例えば特許文献2等で知られている。予め、液体の濃度と音速の関係をテーブルとして記憶しておくことで、液体内の超音波ビームの音速を測定し濃度に換算することができる。
There is a correlation between the concentration of the liquid and the speed of sound, and measuring the concentration of the fluid using the reflection time by an ultrasonic beam or the like is known from
しかし、音速は液体の温度により変動するので、濃度測定中に温度を計測し、得られた濃度を温度により補正する必要がある。また、従来の超音波ビームを利用した濃度計は、所定の容器等に液体を充填して測定するものであり、配管中を流れる流体を対象としたものは少ない。 However, since the speed of sound varies depending on the temperature of the liquid, it is necessary to measure the temperature during the concentration measurement and to correct the obtained concentration based on the temperature. Further, a conventional densitometer using an ultrasonic beam is to measure a predetermined container filled with a liquid, and few are intended for a fluid flowing in a pipe.
本発明の目的は、上述の課題を解決し、従来の超音波流量計の原理を利用して、温度センサを用いることなく、流体の濃度を精度良く測定可能な超音波式濃度計を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an ultrasonic densitometer that can accurately measure the concentration of a fluid without using a temperature sensor by using the principle of a conventional ultrasonic flowmeter, solving the above-described problems. There is.
上記目的を達成するための本発明に係る超音波式濃度計は、流体が流れる管体に距離を隔てて一対の超音波送受信素子を配置し、これらの超音波送受信素子間で前記管体中の流体に対し超音波ビームをそれぞれ送信、受信し、前記超音波ビームの上流から下流へ、下流から上流への伝播時間をそれぞれ検出する伝播時間検出手段と、超音波ビームの受信波形の前半の強制振動部分と後半の自由振動部分のうち、前記後半の自由振動部分の受信パルスの周期を基に流体の温度を算出する温度算出手段と、前記伝播時間検出手段で得られた前記2つの伝播時間から流体の音速を算出する音速算出手段と、該音速算出手段により得られた音速から流体の濃度を算出する濃度算出手段と、前記音速又は前記濃度を前記温度算出手段で得られた温度により補正する温度補正手段とを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an ultrasonic densitometer according to the present invention has a pair of ultrasonic transmission / reception elements arranged at a distance from a pipe through which a fluid flows, and the ultrasonic transmission / reception elements are disposed in the pipe between the ultrasonic transmission / reception elements. An ultrasonic beam is transmitted to and received from the fluid, and a propagation time detecting means for detecting the propagation time from the upstream to the downstream and from the downstream to the upstream of the ultrasonic beam, and the first half of the received waveform of the ultrasonic beam of forced oscillation portion and the free vibration portion of the second half, the temperature calculation means for calculating the temperature of the fluid based on the period of the received pulse of the free vibration portion of the second half, the propagation time detecting means obtained in the two propagation A sound speed calculating means for calculating the sound speed of the fluid from the time, a concentration calculating means for calculating the concentration of the fluid from the sound speed obtained by the sound speed calculating means, and the sound speed or the concentration to the temperature obtained by the temperature calculating means. Yo And having a correction to the temperature compensation means.
本発明に係る超音波式濃度計によれば、流体の温度補正がなされた濃度を求めることができる。 According to the ultrasonic densitometer according to the present invention, it is possible to obtain the concentration of the fluid subjected to temperature correction.
本発明を図1〜図8に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図1は実施例の超音波式濃度計のブロック回路構成図である。例えば、合成樹脂製の円管から成る管体11に対して、上流及び下流の2個所の所定位置に、超音波送受信素子として超音波ビームを送信、受信するための圧電素子12、13が固定されている。圧電素子12、13は管体11と一体に射出成型された合成樹脂製の取付ベース14、15に固定されている。
The present invention will be described in detail based on the embodiment shown in FIGS.
FIG. 1 is a block circuit diagram of an ultrasonic densitometer of the embodiment. For example,
圧電素子12、13には送受信切換スイッチ16を介して、送信部17、受信部18がそれぞれ択一的に接続されている。送信部17、受信部18は制御演算部19に接続され、更に制御演算部19にはメモリ部20、表示部21が接続されている。制御演算部19は例えばCPUであり、送受信切換スイッチ16、送信部17、受信部18、メモリ部20、表示部21を制御すると共に、内蔵のメモリに記憶したプログラムに従って所定の演算を行う。
A
測定に際しては、制御演算部19の指令で送受信切換スイッチ16により送信部17に圧電素子12を切換え、受信部18を圧電素子13に切換える。図2に示すように、送信部17から圧電素子12に駆動用のパルス電圧を加え、圧電素子12から発生した超音波ビームを流体中に伝達する。超音波ビームは流体中を伝播し、圧電素子13において受信波形Wが得られ、この受信波形Wは受信部18、制御演算部19を経てメモリ部20に記憶される。制御演算部19はメモリ部20に記憶した受信波形Wから超音波ビームの伝播時間Tdを検出する。
At the time of measurement, the
次に、送受信切換スイッチ16を切換えて、圧電素子13から超音波ビームを送信し、圧電素子12で得られた受信波形Wから同様にして伝播速度Tuを検出する。本実施例においては、これらの伝播速度Td、Tuを基に、前述の式(4)により濃度と相関のある音速Cを求める。
Next, the transmission /
本来、超音波ビームの伝播時間とは、図2に示すように正確には送信側の圧電素子にパルスを印加した時間から、受信側の圧電素子による超音波ビームの受信波形の最初の受信パルスが0Vから正の電圧に変わる立ち上がり点の時間t0までのことである。しかし、この立ち上がり点はそれ以前の必要な負の波形データが得られないことから検出が困難であり、一般に近似的な方法としてゼロクロス法が用いられている。 Originally, the propagation time of the ultrasonic beam is, as shown in FIG. 2, precisely the first received pulse of the received waveform of the ultrasonic beam by the receiving piezoelectric element from the time when the pulse is applied to the transmitting piezoelectric element. Is the rising point time t0 when the voltage changes from 0V to a positive voltage. However, this rising point is difficult to detect because the necessary negative waveform data before that cannot be obtained, and the zero cross method is generally used as an approximate method.
ゼロクロス法とは受信波形Wの測定できる部分のうち、受信波形Wの電圧レベルが0Vとなる点であり、パルス印加時間から例えば特定の何番目かの受信パルスのゼロクロス点までの時間、或いは幾つか受信パルスのゼロクロス点の平均時間を求め、超音波ビームの伝播時間としている。 The zero-cross method is a point at which the voltage level of the received waveform W becomes 0 V among the measurable part of the received waveform W, and the time from the pulse application time to the zero-cross point of a certain number of received pulses, for example, Or the average time of the zero-cross point of the received pulse is obtained as the propagation time of the ultrasonic beam.
本実施例における音速Cの測定においては、制御演算部19によってこのような従来のゼロクロス法によって伝播時間を求めることができる。例えば図3に示すように、1受信波形ごとにドット間隔50ns(クロック周波数20MHz)で100点の波形データを取り込む。各波形について取り込んだデータの中で、最も大きい電圧の点を100mVとし、最も小さい電圧の点を−100mVとして規格化し、0V近傍の4点(正の点2、負の点2)を最小二乗法で線形近似し、その直線と時間軸の交点を求めるべきゼロクロス点とする。
In the measurement of the sound speed C in the present embodiment, the propagation time can be obtained by the control
一定の流速で、15、20、25、30℃の水の超音波ビームの受信波形を各160波形ずつ、つまり圧電素子12から圧電素子13に伝播させた80個の受信波形、圧電素子13から圧電素子12に伝播させた80個の受信波形を使用した。このようなゼロクロス法から求めた伝播時間Td、Tuを80波形分平均し、制御演算部19によって式(3)から流速Vを求めると、温度の順に0.647、0.654、0.631、0.624(m/s)となった。
From the
ゼロクロス法以外にも伝播時間を検出するには相関法が知られているが、更に正確な伝播時間を得るためには、次に説明するように受信波形から最初の立ち上がりの時間t0を推定して使用することが好ましい。 In addition to the zero cross method, the correlation method is known for detecting the propagation time. However, in order to obtain a more accurate propagation time, the first rise time t0 is estimated from the received waveform as described below. Are preferably used.
復元力のあるばねモデルとして運動方程式を解くと、得られた変位は圧電素子による超音波ビームの受信波形Wと考えられる。図2の受信波形Wのうち、前半の4周期は入力パルス由来の力による強制振動部分Waで、後半は外力が働かない周波数の復元力による自由振動部分Wbである。 When the equation of motion is solved as a spring model having a restoring force, the obtained displacement is considered to be the received waveform W of the ultrasonic beam by the piezoelectric element. In the received waveform W of FIG. 2, the first four periods are the forced vibration portions Wa due to the force derived from the input pulse, and the second half are the free vibration portions Wb due to the restoring force of the frequency at which no external force works.
受信波形Wの前半の強制振動部分Waの周波数は、入力された超音波ビームの共振周波数に支配されているため温度依存性が少なく、超音波ビームの伝播時間の検出に適している。一方、5周期目以降は自由振動部分Wbであり、その共振周波数は弾性スティフネスの影響を受けるため温度変化によって変化する。 Since the frequency of the forced vibration portion Wa in the first half of the received waveform W is governed by the resonance frequency of the input ultrasonic beam, it has little temperature dependence and is suitable for detecting the propagation time of the ultrasonic beam. On the other hand, the fifth and subsequent cycles are free vibration portions Wb, and the resonance frequency thereof is affected by the elastic stiffness, and therefore changes with temperature.
そこで本実施例においては、音速Cを求めるための伝播時間Td、Tuの検出は、温度依存性が少ない前半の強制振動部分Waから求めることが好ましく、温度情報を後半の自由振動部分Wbから求める。 Therefore, in the present embodiment, the detection of the propagation times Td and Tu for obtaining the sound velocity C is preferably obtained from the first-half forced vibration part Wa having low temperature dependence, and the temperature information is obtained from the second-half free vibration part Wb. .
図4に示すように、制御演算部19によって強制振動部分Waのゼロクロス点の位置と時間の例えば4つのプロット点に対し最小二乗法を用いて直線を引くと、その時間軸に対して交叉する切片は最初の立ち上がり点の時間t0を示すことになる。このように、強制振動部分Waから求めた最初の立ち上がり点の時間t0を基に超音波ビームの伝播時間が得られる。
As shown in FIG. 4, when a straight line is drawn using the least square method for the position and time of the zero-crossing point of the forced vibration portion Wa and, for example, four plot points, the
強制振動部分Waからの時間t0により、先のゼロクロス法と同じ条件で制御演算部19によって伝播時間Td、Tuを求めて、式(3)から流速Vを算出すると、温度の順に0.647、0.650、0.650、0.649(m/s)となった。
Based on the time t0 from the forced vibration portion Wa, the
図5はゼロクロス法と立ち上り点の時間t0による流速の関係をグラフ図としたものである。従来のゼロクロス法による普遍分散は1.90×10-4で、最初の立ち上がり点を算出して用いる場合には1.78×10-6である。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the zero cross method and the flow velocity according to the rise time t0. The universal dispersion according to the conventional zero-cross method is 1.90 × 10 −4 , and 1.78 × 10 −6 when the first rising point is calculated and used.
この結果から、ゼロクロス法を用いるよりも、強制振動部分Waにより最初の受信パルスの立ち上がり点を求めた伝播時間の検出は、温度に対する影響が少ないことが確認できた。 From this result, it was confirmed that the detection of the propagation time in which the rising point of the first received pulse was obtained by the forced vibration portion Wa had less influence on the temperature than using the zero cross method.
超音波ビームの受信波形Wの自由振動部分Wbは、流体の温度変化の影響を受け、例えば温度が上昇すると共振周波数が下がるため、自由振動部分Wbの周期が長くなる。制御演算部19によってこの自由振動部分Wbの周波数を算出し、その変化から流体の温度情報を得ることができる。
The free vibration portion Wb of the received waveform W of the ultrasonic beam is affected by the temperature change of the fluid. For example, when the temperature rises, the resonance frequency decreases, so the period of the free vibration portion Wb becomes longer. The frequency of the free vibration part Wb can be calculated by the
メタノールを水で希釈して作製した濃度0、5、10、15、20%の水溶液について、温度を15、20、25、30℃と変化させ、自由振動部分Wbの平均周期を求めたところ、表1のデータが得られた。 For an aqueous solution having a concentration of 0, 5, 10, 15, 20% prepared by diluting methanol with water, the temperature was changed to 15, 20, 25, 30 ° C., and the average period of the free vibration part Wb was determined. The data in Table 1 was obtained.
表1 自由振動部分の平均周期(ns)
0% 5% 10% 15% 20%
15℃ 472.9 472.9 472.9 472.9 473.0
20℃ 473.6 473.6 473.6 473.6 473.5
25℃ 474.2 474.3 474.3 474.3 474.2
30℃ 474.8 474.7 474.7 474.8 474.8
Table 1 Average period of free vibration part (ns)
0% 5% 10% 15% 20%
15 ° C 472.9 472.9 472.9 472.9 473.0
20 ° C 473.6 473.6 473.6 473.6 473.5
25 ° C 474.2 474.3 474.3 474.3 474.2
30 ° C 474.8 474.7 474.7 474.8 474.8
表1は所定の濃度、温度の水溶液に関し、自由振動部分Wbの11番目〜19番目までのゼロクロス点から求めた振動の平均周期を示している。これを図6に示すと、何れの濃度においても平均周期は温度に対しほぼ一定値であり、自由振動部分Wbの平均周期は濃度によらず温度によって定まるパラメータであることが分かる。このように、超音波ビームの自由振動部分Wbの平均周期は、メタノール水溶液濃度0〜20%の間では、温度変化のみに依存することが実験により確認できた。従って、平均周期が得られれば図6から温度を求めることができる。 Table 1 shows the average period of vibration obtained from the eleventh to nineteenth zero cross points of the free vibration portion Wb for the aqueous solution having a predetermined concentration and temperature. FIG. 6 shows that the average period is almost constant with respect to the temperature at any concentration, and the average period of the free vibration portion Wb is a parameter determined by the temperature regardless of the concentration. Thus, it has been confirmed by experiments that the average period of the free vibration portion Wb of the ultrasonic beam depends only on the temperature change when the methanol aqueous solution concentration is 0 to 20%. Therefore, if the average period is obtained, the temperature can be obtained from FIG.
自由振動部分Wbの平均周期を得るためには、制御演算部19は自由振動部分Wbのゼロクロス点を適当に2つ選択し、その差から求めればよい。しかし本実施例では、約2MHzの受信波形Wに対し50nsの間隔で波形を取り込んでいるため、単純に差を求めると分散が大きく、明確な温度依存性が得られない。
In order to obtain the average period of the free vibration portion Wb, the
そこで、本実施例では図7に示すように、各受信パルスのゼロクロス点を番号順にプロットし、自由振動部分Wbの平均周期を求めている。この方法はゼロクロス点まで時間をプロットしているので、その直線の傾きが用いたゼロクロス点に関する平均周期となっており、直線の傾きが大きいほど温度が高くなっている。 Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 7, the zero-cross points of the respective reception pulses are plotted in numerical order to obtain the average period of the free vibration portion Wb. Since this method plots the time to the zero cross point, the slope of the straight line is the average period for the zero cross point used, and the temperature increases as the slope of the straight line increases.
また、メタノールを水で希釈して作製した濃度0、5、10、15、20%の水溶液について、温度を15、20、25、30℃と変化させ、各音速Cを求めたところ、表2のデータが得られた。 Further, regarding the aqueous solutions having concentrations of 0, 5, 10, 15, and 20% prepared by diluting methanol with water, the temperatures were changed to 15, 20, 25, and 30 ° C., and the respective sound speeds C were obtained. Data was obtained.
表2 メタノール水溶液の音速(m/s)
0% 5% 10% 15% 20%
15℃ 1555 1573 1594 1614 1631
20℃ 1566 1582 1600 1618 1633
25℃ 1577 1590 1606 1621 1633
30℃ 1586 1597 1610 1622 1632
Table 2 Sound velocity of aqueous methanol solution (m / s)
0% 5% 10% 15% 20%
15 ° C 1555 1573 1594 1614 1631
20 ° C 1566 1582 1600 1618 1633
25 ° C 1577 1590 1606 1621 1633
30 ° C 1586 1597 1610 1622 1632
流体の濃度が変化すると音速Cが変化し、また温度が変化すると音速Cが変化し、温度が一定の条件であれば、音速Cと濃度は比例関係にあることが実験により確められた。この表2をグラフ化すると図8に示すようになり、予めテーブルとしてメモリ部20に記憶しておけば、制御演算部19は表1で得られた温度を基に、音速Cを濃度に換算することができる。
When the fluid concentration changes, the sound speed C changes, and when the temperature changes, the sound speed C changes. If the temperature is constant, it has been experimentally confirmed that the sound speed C and the density are in a proportional relationship. When this Table 2 is graphed, it becomes as shown in FIG. 8, and if it is stored in the
このように、本実施例では超音波ビームの伝播速度から音速Cを求めることができ、先の算出した自由振動部分Wbから得られた平均周期から求めた温度により温度補正を行って、制御演算部19は水溶液の濃度を算出し、表示部21に表示することができる。なお、演算の過程で音速に対し温度補正を行っても濃度に対し温度補正を行っても何れでもよい。
As described above, in this embodiment, the sound speed C can be obtained from the propagation speed of the ultrasonic beam, and the temperature is corrected by the temperature obtained from the average period obtained from the previously calculated free vibration portion Wb, and the control calculation is performed. The
11 管体
12、13 圧電素子
16 送受信切換スイッチ
17 送信部
18 受信部
19 制御演算部
20 メモリ部
21 表示部
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