JPH01503486A - 管中の流体の流速測定用超音波作動変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 管中の流体の流速測定用 超音波作動変換装置 本発明は、管中の流体の流速測定用超音波作動変換装置であり、管の両側に取付 けられ、流れの方向に対して斜めに向けた２個の変換器を含み、両度換器が交互 に、それぞれ音の波動を送信し、受信している。

技術分野 本発明は、特に炭化水素の調査、製造用施設と連絡する、いわゆるフレアへのガ スの流れを測定するのと関連して開発されているが、このような用途にのみ限定 されるものではない。

１個の変換器の配置によって、比較的広範囲の流速を正確な方法で測定できるこ とが、確実に必要であり、安全、特にいわゆる危険区域内での安全も重要である 。

背景技術 最初に述べた種類の、今日知られている変換装置は、速度の測定範囲が比較的限 られているという欠点を有している。また、測定の正確さも、常に完全に満足す べきものではない、危険区域（爆発の危険）での測定の場合には、安全地域に評 価信号を送信する必要があり、信号の送信はしばしば測定を阻害するであろう、 何故ならばその信号が電線によって送信される間に、周囲からｔ磁波の影響にさ らされるからである。

発明の開示 本発明によれば、２個の変換器は、再変換器間の仮空の接続線から中心軸をずら せて、流速を測定すべき流体の流れ方向に対しである方向に配置されている。変 換器の先広がりの向きが、流体流れ中の音の波動に影響を与えるずれを埋め合わ せるので、広範囲の測定が達成されるのであ。

本発明によれば、フレアに導く管中のガス流速測定用の新変換装置の意図した利 用と関連して、仮空の接続線が流れ方向に約５０度の角度を形成するのが有利で あり、それぞれの変換器のずれは、約７〜１０度であろうことが見出された。

管径とは無関係な変換器のこのようなずれによって、０〜約１００　ｍ／ｓｅｃ の可能測定範囲は、本発明によるただ１個の変換装置でカバーすることができる 。

さらに、本発明によれば、低速、好ましくはＯ〜７＋ｅ／ｓｅｃの範囲ではＣＷ 像信号連続波信号）が使用でき（瞬間周波数が波動の全期間にわたって直線的に 増加する矩形波信号）、一方、中速及び高速、好ましくは７　ｍ／ｓｅｃを超え １００■／ｓｅｃまでの流速には、相関検知を伴なうＣ）ＩＩＲＰ信号が使用さ れる。

このように２信号系を使用することによって、広い測定範囲が非常に有利な方法 で達成される。高速及び中速の流速には、相関検知を伴なうＣＨＩＲＰ信号が高 レベルのノイズを克服するために使用され、一方、ＣＩＩＩＲＰ測定と組み合わ せたＣＷ相測測定、より低い速度に使用される。

ＣＨＩＲＰ信号は、流速値をおよそ測定するために上流及び下流に送られ、次い で精度を高めるＣＷＷ撃波がこれに続＜　、　７　ｍ／ｓｅｃを超える流速用の ＣＷ測測定実行は、ＣＨＩＲＰ測定用波長帯域を２倍にすることができる。

本発明によれば、それぞれの変換器として、茶碗形金属体で作られた変換器を使 用するのが有利であり、その膜状の底部分は、流体流れに対して密封された電極 をその内側に備え、茶碗形の壁面は、強力な遮音材、たとえばエポキシ、ゴム、 または金属粉と混合したエポキシで満たされた環で作られている。その環は茶碗 形の底部分の外方に向って開いているのが有利であり、特に有利な態様では、茶 碗形金属体はチタン製であり、そのような態様は、ガス流に関連した使用に特に 適している。

この型の変換器は、空気またはガス中を他のものと比較して、いわゆる非常に低 い“鳴り響き”で長距離にわたつて信号を伝えることを実現しており、商業的に 有用な超音波変換器である。さらに、この型の変換器は、先天的に安全であり、 それ故、たとえば爆発性ガスの流れ測定の場合に利用できる。

本発明による有利な変換器配置は、各変換器に接続された送信器及び受信器を含 み、このような各送信器、受信器は、それぞれ、光受信器部及び光送信器部をを している。第１多重送信器が、光ファイバを介して２台の送信器に連結され、第 ２多重送信器が、光ファイバを介して２台の受信器に連結されている。

ＣＨＩＲＰ発生器とＣＷＷ生器が第１多重送信器に接続され、ＣＨＩＲＰ相関器 とＣＷＷ知器が他の多重送信器に接続される。一方、時計・シーケンス発生器が 、多重送信器、Ｃ）ＩＩＲＰ発生器、ＣＷＷ生器、ＣＨＩＲＰ相間器、ＣＷＷ間 器及びＣＷＷ知器に接続され、そのためコンピュータが、発生器、ＣＷＷ知器、 ＣＨＩＲＰ相関器に接続される。

ここで、光ファイバの使用は、特に重要である。これの使用は、測定個所と制御 室間の“通信チャンネル”が電線による通常の送電での妨害の原因となり得る種 類の妨害信号を受けないであろうことを意味する。

図面の簡単な説明 本発明は、図面を参照しつつ、さらに詳しく説明されるだろう、ここに、第１図 は、互に斜めに対向して置かれた２個の変換器をつけた管の図式的縦断面図を示 し、第２図は、本発明による変換装置の操作系統を示し、第３図は、２種類の可 能で有利な変換器の態様を示している。

本発明の実施法 第１図においては、ガス輸送管１が示されている。管壁内に１個の変換器が取付 けられ、これと斜めに対向して、第２の変換器３が管壁に取付けられている。２ 個の変換器２．３は、管１内のガス流の方向に関して、第１図で示されたような 両者の仮空の接続線が流れ方向と５５度の角度を形成するという、矢印で示され たような工合に向けられている。並行ｔ：ｆＬを送信する変換器２は、流れ方向 に関して６５度の角度を形成し、そこで接続線からは１０度ずれる。対向電流を 送信する変換器３は、接続線から１０度の対応するずれがあり、それによって並 行流と４５度の角度を形成する。第１図に示されているように、両方向のずれは 、仮空の接続線の上流側に位置する。

第１図で述べられた値は、管１内での少（とも０〜８ｉ／ｓｅｃの速度範囲をカ バーすることができるような最適例を示している。

前述のように、示された変換器の向きで、もしＣＷ倍信号より低い流速範囲、好 ましくは０〜７　ｔｎ／ｓｅｃからＣＨＩＲＰ信号と組み合わせて使用され、一 方、中速及びより高い流速、７７〜１００閲八ｅｃまで用には、相関検知を伴な うＣＨＩＲＰ信号が使用されるならば、非常に良好な測定が達成される。これを 可能にする操作系統が、第２図に示されている。

第２図に示された模式図では、２個の変換器２及び３は、破線２０で囲まれた、 いわゆる危険区域（爆発の危＠）内に示されている。各変換器２．３は、直流的 に絶縁され、それぞれ送信器及び受信器４．５及び６，７に接続されている。そ のような送信器及び受信器は、それぞれ光受信ユニット及び光送信ユニットを含 み、光ファイバ８．９．１０及び１１によ、りて第１多重送信器１２及び第２多 重送信器１３にそれぞれ接続される。光ファイバＢ、９゜工０及び１１は、変換 器が置かれでいる危険区域と安全地域にある制御室３０との間の光の連絡を形成 する。２台の多重送信器１２．１３の他に、ＣＨＩＲＰ発生器１４、ＣＷ発生器 １９及びＣＨＩＲＰ相間器１６が、時計・シーケンス発生器１７及びコンピュー タと共にすべて制御室内に見出される。

第２図から見られるように、ＣＨＩＲＰ発生器１４及びＣＷ発生器１９は第４多 重送信器１２に接続される。ＣＷ検知器は第２多重送信器に接続され、Ｃ［ＲＰ 相間器は第２多重送信器に接続される０時計・シーケンス発生器１３は、図示の ように多重送信器１２．１３の両方、ＣＨＩＲＰ発生器１４、ＣＷ発生器１９、 ＣＷ検知器１５、Ｃ）ＩＩＲＰ相関器１６及びコンピュータ１８に接続され、コ ンピュータ１８は、ＣＷ検知器１５及びＣｔｌｌＲＰ相間器１６にも接続されて いる。

本発明で提供される流量計は、通過時差型である。測定原理は、運動媒体中にお ける超音波の伝播速度が伝播方向の媒体速度によって変調されるであろうという 事実に基いている。２個の超音波変換器は、流れ方向に関してθの角度で互の方 向に向けられ、媒体の流速は、次の等式によって計算される。

ｓｉｎ　２θ　ｔ、・ｔｉｔ ここでＵｘ−管の軸に沿った流速 り一管径 θ−流れ方向または管の軸に対する接続線角ｔ２３−変換器２及び変換器３から の通過時間（下流）、及び ｔ、−変換器３から変換器２への通過時間（上流）対向伝播超音波は、第３及び ４図に示された型の変換器で発生されるのが有利である。

これらの変換器は、８０ｋＨｚの送信器周波数で作動するようになっている。変 換器は、爆発環境でも使用するようになっている。変換器の励起用エネルギー供 給は、測定区域近辺で使用されている電源である。変換器からの変調信号の送信 は、制御室から制御され、測定点での両変換器、制御室内の信号処理・評価ユニ ット間の通信の連結は、前述のように光ファイバによって行われる。光ファイバ の使用は、光ファイバが変換器と制御室との間に形成する“チャンネル”が、周 囲からの電的ノイズのいかなる生成も受けない通信チャンネルであるから、最適 の配置を提供する。そのようなｔ磁的ノイズは、家庭用電気器具に使っている電 気と結びついたり、あるいは結びつかなかったり、そして多分他の電気配線で結 びついたりしたたとえば無ｍ電波に起因される。測定点での両変換器と制御室と の間の光学的接続は、それ故、周囲からの多くの妨害信号に対する障害物として 機能する。

光ファイバによる信号送信は、完全な直流絶縁も保証する。光ファイバの使用に よって、信号減衰なしての送信距離は、１０００ｍまで達することができる。

実際の変換器は、重要な要素であり、互に変形である第３．４図に示された変換 器は、本発明による変換装置用に非常に通している。第３．４図に示された変換 器は、空気またはガス中を長距離にわたって、多くの商業的に利用されている超 音波変換器に比べて非常に低い“鳴り響き”で信号送信できる。

第３図に示された変換器２は断面で示され、茶碗形である。茶碗の底部材２１は 、機械加工され、膜を形成している。茶碗の底部材または膜２１の内側には、圧 電素子２２が取付けられている。実際のケース２３は１個の電極として働き、一 方、圧電素子の自由端は、変換器の電気的励起用の他の電極として使用される。

第３図に示されたように、茶碗形の側壁２３は機械加工され、環２４が形成され ている。この環は非常に深いので、変換器の取付は側から膜２１と同じ高さまで 、ずっと延びている。環２４は、強力な遮音材で満たされている。そのような遮 音材は、たとえば、エポキシ、ゴム、または金属粒子を埋め込んだエポキシでよ い。

変換器ケース２３全体は、気密封止方式で、取付け＠２５０図示されていない支 持台に接合されているので、電気接点は、変換器が使用される環境にさらされる ことから防がれている。このことは、変換器が爆発環境で使用されるときには、 当然ながら特に有利である。

変換器の作動周波数は、圧電素子２２の選んだ適当な大きさ及び金属膜２１の厚 さによって決定される。第３図に示された変換器は、通常の音の周波数及び超音 波の周波数をカバーするように作られている。

変換器の茶碗形２３の金属材料は、変換器の作られた要求（環境的要求）により 選ばれる。チタン、鋼、アルミニウム、炭素繊維、その他の材料が、変換器ケー ス用に使用される。

使用される膜の態様は、ガス媒体との良好な結合を与える。膜の縁には、所望の 境界条件を達成し、ケースにあまり強く結合するのを避けるために、相当多量の 金属塊がある。ケースへの結合はノイズの原因となり、ノイズの影響は、環２４ 中に埋め込まれた遮音材によって有効に抑えられる。

第４図の！ｌ様は、はとんど第３図の態様に対応し、実質的差異は、環２４が腹 側からでなくて取付は側２５から機械加工されていることだけである。それ故第 ３図のと同じ引用番号が使用されているが、ケースと環を指している引用番号２ ３と２４にはダッシュがついている。

使用されているＣ）ＩＩＩＩＰ信号は、瞬間周波数が波動の期間中直線的に増加 する矩形波である。受信器の相関器用出力は、圧縮波である。相関器出力の最大 振巾は、トップ検知器で検知され、送信時間は、送信の終了から相関トップの検 知まで測定される。

ＣＷ倍信号、バースト波に、例えば６７．５６７６ＫＨｚで与えられる。このよ うな信号の継続時間は、１４．８秒となるだろう８問題は、送信時間中の大きな 変化のある個所であり、相検知器出力は、周期に対応する間隔、すなわち１４． ８秒で繰返すであろう、それ故、信顛すべき結果を達成するために、通過時間中 の全ＣＷ周期の数を知ることがａ・要である。　ＣＨＩＲＰ測定の結果は、この 数を決定するのにここで用いられ、一方、ＣＷ測測定端数を提供する。

ＣＷ測測定平均は、信号の１２８周期から計算される。

正しい結果には、対比信号の同一周期以内にあることが、各測定に必要である。

これを達成するために、２系列の検知系が使用される。対比信号に間しての受信 信号の相対的な相は測定に先立って検知され、相測定のインフェイスまたはアラ が選択される。

通過時間の差δｔ、すなわち前記の流速Ｕχの式中のＦｔ　Ｆｇは、ＣＷ測測定 ＣＨＩＲＰ測定の組み合わせを基礎としたコンピユータに決定される。そこで流 速は、δｔとＣＨＩＲＰ測定からの通過時間によって計算される。

手続補正書（眩） 特許庁長官　、　昭［１６３年１２月２７８１、事件の表示　ＰＣＴ／Ｎｏ　８ ８１０００３０２、発明の名称　管中の流体の流速測定用超音波作動変換装置３ 、補正をする者 事件どの関係　特許出願人 任　所　ノルウェー国、エヌー４００トスタバンゲル。

ポストボックス・３００ 名　称　デン・ノルスフ・ステーツ・オルジエセルスカプ・アクシエセルスカプ ４、代理人 〒１０５住　所　東京都港区西新橋１丁目１番１５号物産ビル別館　む（５９１ ）０２６１ ５、補正の対象 （１）明細書の翻訳文 （２）請求の範囲の翻訳文 ６、補正の内容 明ｍ書の翻訳文及び請求の範囲の翻訳文国際調査報告

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．管（１）中の流体流速測定用であり、管の両側にそれぞれ取付けられ、流れ 方向（２，３）に対して斜めに向けられた２個の変換器を含み、両変換器が交互 に、それぞれお互いからお互へ音の波動を送信し、受信する超音波作動変換装置 であって、２個の変換器（２，３）が、前記流れ方向（１）に対して向けられた 両変換器間の仮空の接続線からその中心軸をずらせて配置されていることを特徴 とする変換装置。
2. ２．仮空の接続線が並行法れに約５５度の角度を形成し、それぞれの変換器（２ ．３）のずれが約１０度であることを特徴とする請求項１記載の変換装置。
3. ３．流速の低い範囲、好ましくは０〜７ｍ／ｓｅｃからではＣＨＩＲＰ信号と組 合わせたＣＷ信号が使用され、流速の中程度及び高い範囲、好ましくは７ｍ／ｓ ｅｃを超えて７７〜１００ｍ／ｓｅｃまでは相関検知をともなうＣＨＩＲＰ信号 が使用されることを特徴とする請求項１または２記載の変換装置。
4. ４．各変換器として茶碗形部材（２１）が用いられ、その膜のような底部材（１ ９）が液体流れから密封された内側に電極（２０）を備えており、茶碗形の壁面 は、強力な遮音材、たとえばエポキシ、ゴム、金属粉子と混合されたエポキシで 満たされた環（２４）で作られていることを特徴とする請求項１ないし３のいず れかに記載の変換装置。
5. ５．環（２２′）が茶碗形の底部材の外側に向って開いていることを特徴とする 請求項４記載の変換装置。
6. ６．環（２２）が茶碗形の上方に向って開いている請求項４記載の変換装置。
7. ７．茶碗形金属体（２１）がチタン製であることを特徴とする請求項４ないし６ のいずれかに記載の変換装置。
8. ８．各変換器（２，３）が、それぞれ光受信部及び光送信部を有する送信器（４ ，５）及び受信器（６，７）に接続され、第１多重送信器（１２）が光ファイバ （８，１０）を介して２個の送信器（４，５）に接続され、第２多重送信器（１ ３）が光ファイバ（９，１１）を介して２個の受信器（６，７）に接続され、Ｃ ＨＩＲＰ発生及び発生器（１９）が第１多重送信器（１２）に接続され、ＣＷ検 知（１５）及びＣＨＩＲＰ相関器（１６）が第２多重送信器（１２，１３）、Ｃ ＨＩＲＰ発生器（１４）、ＣＷ発生器（１９）、ＣＷ検知器（１５）及びＣＨＩ ＲＰ相関器（１６）に接続され、コンピュータ（１８）が発生器（１７）、ＣＷ 検知器（１５）及びＣＨＩＲＰ相関器（１６）に接続されていることを特徴とす る請求項１ないし７のいずれかに記載の変換装置。