JPH05223608A

JPH05223608A - 超音波流量計

Info

Publication number: JPH05223608A
Application number: JP4030236A
Authority: JP
Inventors: Ryohei Mogi; 良平茂木; Yutaka Kashiwase; 裕柏瀬; Toshio Sato; 敏夫佐藤
Original assignee: Tokimec Inc
Current assignee: Tokimec Inc
Priority date: 1992-02-18
Filing date: 1992-02-18
Publication date: 1993-08-31

Abstract

(57)【要約】【目的】超音波を利用した超音波流量計に関し、測定精
度を向上させることができ、取り扱いが簡単で、かつ、
どの種類の流体にも適用することを目的とする。【構成】管の上流と下流の間を測定管部として、該測定
管部を断面が矩形となるように形成し、測定管部の平行
面の外壁に送受波器を取り付けるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波を利用した超音
波流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波流量計としては、例えば図
７および図８に示すようなものがある。図７および図８
において、１は内部を流体が流れる管壁２を有する管、
３，４はプラスチックの楔、５，６はセンサとしての送
受波器である。

【０００３】送受波器５，６は、例えばセラミック振動
子などよりなり、楔３，４を介して管１の外壁に固定具
により固定される。ここで、測定原理について簡単に説
明する。上流側の送受波器５から超音波が発信され、そ
れが管壁２を通過し、流体中を流れに乗って斜めに伝搬
し、さらに管壁２を通過し下流側の送受波器６で受信さ
れるまでの超音波伝搬時間ｔｄは、

【０００４】

【数１】

【０００５】で表わされ、逆に下流側の送受波器６から
超音波が発信され、前記経路と逆に流体の流れにさから
って伝搬して上流側の送受波器５で受信されるまでの超
音波伝搬時間ｔｕは、

【０００６】

【数２】

【０００７】で表わされる。ここで、Ｄは管内径、θは
流体中放射角、Ｃは音速、Ｖは流体の流速、τは管壁な
どを超音波が伝搬するのに要する全体の時間で、予め測
定されてセットされる。伝搬時間ｔｕ，ｔｄの差Δｔ
は、下記に表わされ、流体の流速Ｖに比例する。

【０００８】

【数３】

【０００９】通常、流体が水の場合、Ｃ＝１５００ｍ／
ｓ，Ｖ＝〜１０ｍ／ｓで、Ｃ＞＞Ｖである。したがっ
て、伝搬時間ｔｕ，ｔｄの差Δｔは、次の（１）式で表
わされる。

【００１０】

【数４】

【００１１】・・・（１）また、伝搬時間ｔｕ，ｔｄの平均値ｔｏは

【００１２】

【数５】

【００１３】であるから、音速Ｃは、次の（２）式で表
わされる。

【００１４】

【数６】

【００１５】・・・（２）（１），（２）式により、（３）式で表わされる流速Ｖ
が得られる。

【００１６】

【数７】

【００１７】・・・（３）流量Ｑは、（３）式に断面積をかければ次の（４）式で
求められる。

【００１８】

【数８】

【００１９】・・・（４）しかしながら、（３）式で求めた流速Ｖは、超音波伝搬
経路に沿った平均であるので、これを面平均流速Ｖ_A に
計算し直して用いないと正確ではない。そこで、次の流
速分布補正係数Ｋが流体力学的に理想的な流速分布（軸
対称分布）を仮定して、求められている。Ｋ＝Ｖ_A ／Ｖ実際には、この係数をかけて、Ｑが次の（５）式で求め
られている。

【００２０】

【数９】

【００２１】・・・（５）流速分布補正係数Ｋを決めるときには、例えば、図９の
ような軸対称分布が想定されており、それはＮikrause
等により導出されている。一方、直径上で平均した流速
Ｖと断面積全体で平均した流速ＶＡとの比として、ゲ
・イ・ビルゲル等が次の流速分布補正係数Ｋを提案して
いる。

【００２２】

【数１０】

【００２３】ここで、Ｒｅはレイノルズ数である。この
流速分布補正係数Ｋは、管壁２がなめらかで、直管長
（送受波器から上流部分で管がまっすぐになっている部
分の長さ）が十分ある時には正しいが、現実の流れは、
直管長が短いなどのため、これとは違っていることが多
い。このような流速分布の問題点を克服する方法とし
て、例えば直交２測線法と平行多測線法がある。

【００２４】直交２測線法では、図１０に示すように、
管１の中心Ｏを通り直交２測線に対して、超音波で流速
Ｖを測定し、測線Ｌ１の流速Ｖ１と測線Ｌ２の流速Ｖ２
の平均として、流速Ｖを求める。これにより、非軸対称
分布でも測線を増加して平均を求めれば、精度が向上す
るという考え方であり、これによって、面全体の効果を
求めようとするものである。なお、図１０中８は流速分
布の等高線を示す。

【００２５】一方、平行多測線法では、図１１に示すよ
うに、平行な複数の測線９を形成するので、面全体の平
均効果が格段に向上する。したがって、精度向上もかな
り期待できる。この方法では、管壁２（鋼、音速、横波
で３２００ｍ／ｓ）と水（音速１５００ｍ／ｓ）とでは
音速がかなり異なるので、管壁の外に送受波器をつける
クランプオン方式では、屈折による臨界角の制限が生
じ、図１１の両端のような測線９は形成できない。した
がって、この方法ではクランプオン方式をとることがで
きず、送受波器５，６は管壁２に穴をあけ、水に接する
形態になる。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の超音波流量計にあっては、直交２側線法で
は、測線をかなり多く増加しても、図１２からも分かる
ように、中心部のみを多く考慮し、周辺部の影響の考慮
は少ない。したがって、中心Ｏを通る測線１０を多用し
たとしても流速分布誤差が生じ、精度の向上を図ること
ができないという問題点があった。特に、上流側の直管
長が短いと、誤差が大きくなる。

【００２７】一方、平行多測線法では、次のような問題
点があった。取付け、保守、交換の取扱いが難しい。ま
た、管壁内面に凸部や凹部を作り、その部分の流量が見
積りにくいので、誤差を生む。さらに、液体に送受波器
が接するので、異物をきらう液体には使用しにくく、例
えば、飲料水、薬品、原子力等には適用することができ
ない。

【００２８】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、測定精度を向上させることが
でき、取り扱いが簡単で、かつ、どの種類の流体にも適
用することができる超音波流量計を提供することを目的
とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、超音波を発信するとともに超音波を受信
する複数の送受波器を用いて、管内の流体の流量を測定
する超音波流量計において、前記管の上流と下流の間を
測定管部として、該測定管部を断面が矩形となるように
形成し、測定管部の平行面の外壁に前記送受波器を取り
付けたものである。

【００３０】

【作用】本発明においては、測定管部の断面を矩形と
し、その平行面に複数個の送受波器を取り付けるように
したため、平行な複数の測線を形成することができ、面
全体の平均効果を向上させることができるので、測定精
度を向上させることができる。

【００３１】また、送受波器の取付け、保守、交換が簡
単となり、取り扱いが容易になる。また、管壁内面に凸
部や凹部をつくることがないので、その部分での誤差が
生じなくなる。また、液体に送受波器が接することがな
いので、どの種類の液体にも適用することができる。さ
らに、測定管部矩形断面を上流、下流の円形断面より小
さくすると、整流効果を期待することができる。Ｓ／Ｎ
比も向上させることができるので、測定精度を向上させ
ることができる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１〜図６は本発明の一実施例を示す図である。
図１および図２において、１１は所定の管壁１２を有す
る管であり、管１１の内部には流体である測定液が流れ
る。管１１の上流端部１３および下流端部１４は、断面
が円形にそれぞれ形成されている。上流端部１３と下流
端部１４の間には測定管部１５が一体的に形成され、測
定管部１５はその断面が矩形に形成される。測定管部１
５は対向する各一対の平面な平行面１６，１７，１８，
１９を有する。

【００３３】２０，２１はセンサとしての送受波器であ
り、送受波器２０，２１は、例えばピエゾ振動子よりな
り、超音波の発信および受信を行う。送受波器２０，２
１は所定の放射角で超音波を発信するように、プラスチ
ックの楔２２，２３を介して平行面１６，１７の外壁に
取り付けられる。送受波器２０，２１は、平行な複数の
測線２４を形成するように複数個設けられる。

【００３４】図３に示すように、他の平行面１８，１９
に送受波器２５，２６を取り付けるようにしても良い。
これにより、面全体の平均効果を上げることができる。
また、図４に示すように、一方の平行面１６にのみ送受
波器２０，２１を設けて、反射波を受信するようにして
も良い。図２中２７はスイッチよりなる送受切換器であ
り、送受切換器２７は送受波器２０，２１にそれぞれ接
続されている。送受切換器２７はＭＰＵ２８からの指令
により、超音波の発信方向を逆転させる。

【００３５】２９はトランシーバよりなる送受信器であ
り、送受信器２９は送受切換器２７に対する信号の送信
および送受切換器２９からの信号の受信を行う。３０は
送受信器２９に接続されたカウンタであり、カウンタ３
０はパルス数を計測して、超音波伝搬時間ｔｄ，ｔｕを
求める。カウンタ３０の出力は、ＭＰＵ２８に与えら
れ、ＭＰＵ２８は超音波伝搬時間ｔｄ，ｔｕに基づい
て、流量Ｑ（（５）式、参照）を演算する。求めた流量
Ｑは、ＭＰＵ２８からプリンタ３１または、表示器３２
に出力される。

【００３６】このように、平行な複数の測線２４を形成
することができるので、面全体の平均効果を向上させる
ことができ、測定精度を向上させることができる。平面
な平行面１６，１７に送受波器２０，２１をクランプオ
ン式で取り付けるので、取付け、保守、交換が簡単にな
る。また、管壁１２の内面に凸部や凹部をつくらないの
で、その部分での誤差を生じることがない。

【００３７】また、測定液に送受波器２０，２１が接し
ないので、どのような種類の測定液にも適用することが
できる。このように、両方法の長所を合わせ持つことが
できる。また、上流端部１３および下流端部１４の各内
形断面よりも測定管部１５の矩形断面を小さくしておく
と、整流効果を期待することができる。

【００３８】すなわち、図５に示すような上流の流速分
布が、測定管部１５中では絞られて、図６のように整流
され、流速分布も一様となる。したがって、管内壁近く
での流速分布の不均一が減少し測定精度の向上も期待す
ることができる。さらに、この測定管部１５では流れを
絞っているので、流速が大きくなっている。したがっ
て、流速の原信号とも言えるΔｔが大きくなる。それ
は、（５）式を次のように変形することにより理解する
ことができる。

【００３９】

【数１１】

【００４０】すなわち、上流、測定管部１５中ともに、
Ｑは変わらないが、内径Ｄが小さくなったと考えられ
る。一方、伝搬時間ｔもＤが小さくなるのに応じて小さ
くなるが、分子は２乗の効果なのに対し、分母は３乗の
効果である。したがって、Δｔは大きくなる。Δｔが大
きくなることは、それだけＳ／Ｎ比が向上することにも
なるので、この点でも測定精度の向上を期待することが
できる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、測定精度を向上させることができ、また、取扱いが
簡単となり、さらに、どの種類の測定液にも適用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図

【図２】他の断面図

【図３】送受波器の追加例を示す図

【図４】送受波器の他の取付け例を示す図

【図５】上流の流速分布を示す図

【図６】．測定管部の流速分布を示す図

【図７】従来例を示す断面図

【図８】従来例の他の断面図

【図９】流速の軸対称分布を示す図

【図１０】直交２側線法の説明図

【図１１】平行多測線法の説明図

【図１２】問題点の説明図

【符号の説明】

１１：管１２：管壁１３：上流端部１４：下流端部１５：測定管部１６〜１９：平行面２０，２１，２５，２６：送受波器２２，２３：楔２４：測線２７：送受切換器２８：ＭＰＵ２９：送受信器３０：カウンタ３１：プリンタ３２：表示器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波を発信するとともに超音波を受信す
る複数の送受波器を用いて、管内の流体の流量を測定す
る超音波流量計において、前記管の上流と下流の間を測定管部として、該測定管部
を断面が矩形となるように形成し、測定管部の平行面の
外壁に前記送受波器を取り付けることを特徴とする超音
波流量計。
【請求項２】前記測定管部の矩形断面を前記管の上流の
円形断面より小さくしたことを特徴とする前記請求項１
の超音波流量計。
【請求項３】前記測定管部の平行面の外壁に水平方向お
よび垂直方向に前記送受波器を取り付けたことを特徴と
する前記請求項１の超音波流量計。
【請求項４】前記測定管部の一方の平行面の外壁にのみ
に前記送受波器を取り付けたことを特徴とする前記請求
項１の超音波流量計。