JP5373218B1 - Ultrasonic flow meter - Google Patents
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Abstract
【課題】超音波振動子の面と直交する方向に超音波ビームを発信し、曲面反射体を有するビーム伝達体を介して管体の円周上に超音波ビームを集束し測定精度を向上させる。
【解決手段】管体11から離隔し中心部に孔が開けられた円板状の超音波振動子12Aから出射された平行束の超音波ビームBは、ビーム伝達体12Bに形成された凹曲反射部12Cで反射し、管体11の外周の周囲に円環状に集束される。ビーム伝達体12Bは管体11の外周を取り囲むように配置されているので、超音波ビームは管体11の円周上から管体11内の流体Fに伝搬し、流体Fに大きな超音波振動エネルギを伝達させることが可能となる。超音波ビームBは一円周上から管体11内に入射し、超音波ビームBは流体F中を伝播して他方の超音波送受信器12、12’に送信される。
【選択図】図2An ultrasonic beam is transmitted in a direction orthogonal to the surface of an ultrasonic transducer, and the ultrasonic beam is focused on the circumference of a tube through a beam transmission body having a curved reflector to improve measurement accuracy. .
A parallel bundle of ultrasonic beams B emitted from a disk-shaped ultrasonic transducer 12A that is spaced apart from a tube 11 and has a hole in the center is a concave curve formed in a beam transmission body 12B. The light is reflected by the reflecting portion 12 </ b> C and converged in an annular shape around the outer periphery of the tubular body 11. Since the beam transmission body 12B is disposed so as to surround the outer periphery of the tube body 11, the ultrasonic beam propagates from the circumference of the tube body 11 to the fluid F in the tube body 11, and a large ultrasonic vibration occurs in the fluid F. It becomes possible to transmit energy. The ultrasonic beam B enters the tube body 11 from one circumference, and the ultrasonic beam B propagates through the fluid F and is transmitted to the other ultrasonic transceivers 12 and 12 ′.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、管体中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。 The present invention relates to an ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of a fluid flowing in a tubular body.
従来のクランプオン式超音波流量計においては、超音波送受信器を管体の外側に取り付けて超音波ビームを管体内に送受信して流量測定を行うため、超音波送受信器が接液することがなく、既存の管体に後から超音波流量計を構成できる利点がある。しかし、このクランプオン式超音波流量計では、一対の超音波送受信器を管体に対して斜めに取り付け、管体内を超音波ビームを伝播させる必要がある。 In a conventional clamp-on type ultrasonic flowmeter, an ultrasonic transmitter / receiver is attached to the outside of a tube and an ultrasonic beam is transmitted / received into the tube to measure the flow rate. In addition, there is an advantage that an ultrasonic flow meter can be configured later on an existing tube body. However, in this clamp-on type ultrasonic flowmeter, it is necessary to attach a pair of ultrasonic transmitters / receivers obliquely with respect to the tubular body and propagate the ultrasonic beam through the tubular body.
このような方式では、管体に対して斜めに超音波ビームを送受信することで、管体内全体を通過する流量を推定して求めるために、流速分布の影響を受けて正確な測定がなかなか難しい。更に、管体の直径が小さくなると表面の曲率が小さくなり、管体に対して正確に斜めに超音波ビームを送受信することが困難であり、また信号伝搬距離も短くなって、時間差方式の測定において分解能が低下するという問題点がある。 In such a method, an ultrasonic beam is transmitted / received obliquely with respect to the tubular body, and the flow rate passing through the entire tubular body is estimated and obtained, so accurate measurement is difficult due to the influence of the flow velocity distribution. . Furthermore, as the diameter of the tube decreases, the curvature of the surface decreases, making it difficult to transmit and receive an ultrasonic beam accurately and obliquely to the tube, and also shortening the signal propagation distance, so that the time difference measurement is performed. There is a problem that the resolution is lowered.
そこで、この問題を回避するために、特許文献1には、図5に示すように管体1の周囲に配置し中央に孔が開けられた円板状の超音波振動子2を用いて、管体1の円周全体から超音波ビームを打ち込む方法が開示されている。この方法では、管体1内の流速分布の影響を受けることもなく、曲率の小さな管体1の表面からでも超音波ビームの送受信を容易に行うことができる利点がある。しかし、この方法ではリング状の超音波振動子の直径方向の振動モードの超音波ビームを利用することになるため、低周波数の超音波ビームしか利用できず、測定の分解能を上げることができない欠点がある。
Therefore, in order to avoid this problem,
また、測定の時間分解能を向上させるためには、円板状の超音波振動子の厚み方向の振動モードの超音波パルスを管体の外周全体から管体内に打ち込む必要がある。そこで、特許文献2、3には図6に示すような超音波振動子3のコーン状のビーム伝達体(シュー)4を用いて、管体1内に超音波ビームを打ち込む方法が開示されている。この方法は、超音波振動子3の厚み方向の振動モードを利用するため、高い周波数の超音波ビームを利用できる利点がある。
In order to improve the time resolution of the measurement, it is necessary to drive an ultrasonic pulse in the vibration mode in the thickness direction of the disk-shaped ultrasonic transducer from the entire outer periphery of the tube. Therefore,
しかし、このコーン状の超音波ビーム伝達体4は、対となる相手側の超音波送受信器に向けて同軸方向で信号の方向を絞ってゆく構造となる。従って、ビーム伝達体4と外部の界面であるコーンの外形面で反射して管体1に至る超音波ビームの伝搬経路は1個所ではなく、複数個所に拡散されて出射してゆくことになる。
However, the cone-shaped ultrasonic
従って、超音波ビームは分散されて伝達するため、単位面積辺りのエネルギ強度が弱くなるだけでなく、超音波ビームのビーム伝達体4から管体1内の流体への伝搬位置の正確な特定が困難になる。管体1に対する超音波ビームの打ち込み位置、取り込み位置が正確に特定できないと、超音波ビームの伝達経路長が正確に決められないという問題点がある。
Accordingly, since the ultrasonic beam is distributed and transmitted, not only the energy intensity per unit area is weakened, but also the accurate specification of the propagation position of the ultrasonic beam from the
このように、特許文献2、3のようなコーン状の超音波ビーム伝達体4を用いて管体1内の流体に超音波ビームを伝えようとすると、超音波ビームが拡散し、超音波流量計の高精度化を妨げるという問題がある。超音波ビームが拡散すると、受信信号が弱くなって信号のSN比も悪くなり、測定精度が悪くなる一因となる。
As described above, when the ultrasonic beam is transmitted to the fluid in the
本発明の目的は、上述の課題を解消し、超音波振動子の面と直交する方向に超音波ビームを発信し、凹面反射部を有するビーム伝達体を介して管体の一円周上に超音波ビームを集束し、高精度な測定が可能な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-mentioned problems, transmit an ultrasonic beam in a direction orthogonal to the surface of the ultrasonic transducer, and pass on a circumference of a tubular body via a beam transmission body having a concave reflecting portion. An object of the present invention is to provide an ultrasonic flowmeter that can focus an ultrasonic beam and perform highly accurate measurement.
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、流体が流れる管体の上流側と下流側のそれぞれの外周に少なくとも2つの超音波送受信器を配置し、一方の前記超音波送受信器から前記管体内の流体中に超音波ビームを発信し他方の前記超音波送受信器により受信し、前記超音波ビームが上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間差から前記管体内の流体の速度を求め、前記管体内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計において、前記超音波送受信器は、中央に孔を開けた円板状の超音波振動子を前記管体の周囲に厚み方向が前記管体の長さ方向と平行になるように配置し、前記超音波振動子と前記管体との間に、前記超音波ビームを略直交方向に屈曲すると共に集束機能を有する凹曲反射部を備えたビーム伝達体を前記管体を取り囲むように配置し、前記超音波振動子で発信した前記超音波ビームを前記ビーム伝達体を介して前記管体の一円周上に集束させて前記管体内に出射し、また到達した前記超音波ビームを前記管体の一円周上から入射し、前記ビーム伝達体を介して前記超音波振動子で受信することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an ultrasonic flowmeter according to the present invention includes at least two ultrasonic transmitters / receivers disposed on the outer circumferences of an upstream side and a downstream side of a tubular body through which a fluid flows, The time difference between the time when the ultrasonic beam is transmitted from the upstream side to the downstream side and the time when the ultrasonic beam is transmitted from the upstream side to the downstream side is transmitted by the other ultrasonic transmitter / receiver. In the time difference type ultrasonic flowmeter for obtaining the flow velocity of the fluid in the tubular body and obtaining the flow rate flowing in the tubular body, the ultrasonic transceiver includes a disk-shaped ultrasonic vibrator having a hole in the center. The tube is arranged around the tube so that the thickness direction is parallel to the length of the tube, and the ultrasonic beam is bent in a substantially orthogonal direction between the ultrasonic transducer and the tube. And a concave reflector with a focusing function The example was beam transmitting members arranged to surround the tube body, the tube body said the originated by the ultrasonic transducer an ultrasound beam is focused on one circumference of the tubular body through said beam transmission body The ultrasonic beam that has exited and reached is incident from one circumference of the tubular body, and is received by the ultrasonic transducer via the beam transmission body .
本発明に係る超音波流量計によれば、管体の一円周上に超音波振動子からの超音波ビームを集束させ、また到達した超音波ビームを一円周上から超音波振動子に導くことによって、超音波ビームの拡散を防ぎ、伝搬経路長を明確にし、更に超音波ビーム信号のSN比を改善できることにより測定精度が向上する。 According to the ultrasonic flowmeter of the present invention, the ultrasonic beam from the ultrasonic transducer is focused on one circumference of the tubular body, and the reached ultrasonic beam is fed from one circumference to the ultrasonic transducer. By guiding, the diffusion of the ultrasonic beam can be prevented, the propagation path length can be clarified, and the SN ratio of the ultrasonic beam signal can be improved, thereby improving the measurement accuracy.
本発明を図1〜図4に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 embodiment shown in FIGS.
図1は実施例1の斜視図であり、図2はビーム伝達体内の超音波ビームの伝播経路の説明図である。 FIG. 1 is a perspective view of the first embodiment, and FIG. 2 is an explanatory view of a propagation path of an ultrasonic beam in the beam transmission body.
直管状の管体11の上流側と下流側に、所定の間隔をおいて超音波送受信器12、12’が配置されている。これらの超音波送受信器12、12’には、管体11から離隔し中心部に孔が開けられた円板状の超音波振動子12Aが使用されている。超音波振動子12Aと管体11との間に円環状の超音波ビーム伝達体12Bが配置され、超音波ビームのビーム伝達体12Bの内周面は管体11の表面に密着されている。これらの超音波送受信器12、12’からはそれぞれリード線が引き出され、図示しない測定回路に接続されている。
Ultrasonic transmitters /
超音波振動子12Aで発生し出射された平行束の超音波ビームBは、ビーム伝達体12Bに形成された凹曲反射部12Cで反射し、管体11の外周の周囲に円環状に集束されるようになっている。また、超音波送受信器12、12’を受信器として使用する際には、管体11から超音波振動子12Aに戻る超音波ビームBは反対の経路を通ることになる。
The parallel bundle of ultrasonic beams B generated and emitted by the
一般に、超音波振動子12Aは電圧を印加する方向に最も大きな振動エネルギを生じさせる。超音波振動子12Aは面と直交する軸線方向に伸縮するので、ビーム伝達体12Bの凹曲反射部12Cを介して超音波ビームBを管体11の長手方向と略直交方向に屈曲して伝達させることができる。また、ビーム伝達体12Bは管体11の外周を取り囲むように配置されているので、超音波ビームは管体11の一円周上から管体11内の流体Fに伝搬し、流体Fに大きな超音波振動エネルギを伝達させることが可能となる。
In general, the
凹曲反射部12Cは球面、楕円面、放物面等の超音波振動子12Aからの超音波ビームBの平行束を、管体11の外周面に集束できる機能を有していればよく、ビーム伝達体12Bの外表面を目的の曲面に形成し、超音波ビームBは凹曲反射部12Cの内面で全反射するようにされている。なお、これらの凹曲反射部12Cは、平面である多数の反射部を組合わせて、全体として多面体による凹曲面を構成することもできる。
The concave reflecting
このようにして、超音波送受信器12、12’の超音波振動子12Aから発信された超音波ビームBは、ビーム伝達体12Bを経て一円周上から管体11内に出射し、超音波ビームBは流体F中を伝播して他方の超音波送受信器12’、12に送信される。一方、管体11中の超音波ビームBを受信する際にも、管体11の一円周上からビーム伝達体12Bに入射した超音波ビームBはビーム伝達体12B内で平行束とされ、超音波振動子12Aにより受信されることになる。
In this way, the ultrasonic beam B transmitted from the
実際の超音波送受信器12、12’では、図3に示すようにビーム伝達体12Bは必要なビーム経路以外にも肉盛りがなされていて、ビーム伝達体12Bを介して管体11に取り付け易いようにされている。
In the actual ultrasonic transmitters /
既設の管体11に超音波送受信器12、12’を取り付けるには、予め超音波送受信器12、12’を例えば2つ割りにしておいて、管体11を挟み付けるように取り付ければよい。
In order to attach the ultrasonic transmitters /
この超音波流量計では、管体11中を流体Fが流れている状態で、超音波送受信器12、12’から交互に超音波パルス信号が送信され、管体11内の流体Fを通過して他方の超音波送受信器12’、12で受信される。そして、流体Fの流れに順行した場合と逆行した場合との超音波ビームの伝搬時間を計測する。この伝播時間は測定管路長L間を流れる流体Fの速度Vに関係するので、演算で得られた速度Vに管体1の断面積Sを乗ずることにより時間差方式で流量を求めることができる。
In this ultrasonic flowmeter, an ultrasonic pulse signal is alternately transmitted from the ultrasonic transmitters /
上述の実施例では、1組の超音波送受信器12、12’を用いて、交互に超音波ビームBを発振し、流体F中に順行する場合と逆行する場合の時間差を測定している。
In the above-described embodiment, the ultrasonic beam B is alternately oscillated by using a pair of ultrasonic transmitters /
しかし、図4に示す実施例2のように、管体11に沿って3個の超音波送受信器12、12’、12”を等間隔に配置し、中央の超音波送受信器12は発信専用とし、上流側及び下流側の超音波送受信器12、12’は受信専用とすることもできる。或いは、中央の超音波送受信器12は受信専用とし、超音波送受信器12’、12”は発信専用とすることもできる。
However, as in the second embodiment shown in FIG. 4, three ultrasonic transmitters /
また、計4個の2組の超音波送受信器を用いて、1組ずつ順行専用、逆行専用に伝播時間の測定を行うようにしてもよい。 Further, the propagation time may be measured for only forward and backward only one by one using a total of two sets of four ultrasonic transceivers.
11 管体
12、12’、12” 超音波送受信器
12A 超音波振動子
12B ビーム伝達体
12C 凹曲反射部
B 超音波ビーム
F 流体
11
Claims (3)
前記超音波送受信器は、中央に孔を開けた円板状の超音波振動子を前記管体の周囲に厚み方向が前記管体の長さ方向と平行になるように配置し、前記超音波振動子と前記管体との間に、前記超音波ビームを略直交方向に屈曲すると共に集束機能を有する凹曲反射部を備えたビーム伝達体を前記管体を取り囲むように配置し、
前記超音波振動子で発信した前記超音波ビームを前記ビーム伝達体を介して前記管体の一円周上に集束させて前記管体内に出射し、また到達した前記超音波ビームを前記管体の一円周上から入射し、前記ビーム伝達体を介して前記超音波振動子で受信することを特徴とする超音波流量計。 At least two ultrasonic transmitters / receivers are arranged on the outer circumferences of the upstream and downstream sides of the tube through which the fluid flows, and an ultrasonic beam is transmitted from one of the ultrasonic transmitters / receivers into the fluid in the tube. The flow rate of the fluid that is received by the ultrasonic transmitter / receiver and that determines the velocity of the fluid in the tube from the time difference between the time that the ultrasonic beam propagates from the upstream side to the downstream side and the time that the ultrasonic beam propagates from the downstream side to the upstream side. In the time difference type ultrasonic flowmeter
In the ultrasonic transceiver, a disk-shaped ultrasonic transducer having a hole in the center is arranged around the tube so that a thickness direction is parallel to a length direction of the tube, and the ultrasonic wave Between the vibrator and the tubular body, a beam transmission body provided with a concave reflection part having a focusing function while bending the ultrasonic beam in a substantially orthogonal direction is disposed so as to surround the tubular body,
The ultrasonic beam transmitted by the ultrasonic transducer is focused on one circumference of the tubular body via the beam transmission body and emitted into the tubular body, and the reached ultrasonic beam is the tubular body An ultrasonic flowmeter that is incident from one circumference and received by the ultrasonic transducer via the beam transmission body .
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