JPH0915012A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波流量計の計測精度を高める。 【構成】 流路５を同一径の多数個の細管９で構成し、
流路内の流速分布を低減するとともに、細管９の上流側
と下流側とに送受信可能な振動子１０、１１を設け、さ
らに細管９内を平面波に近い超音波を流体の流れと順方
向に、および逆方向に超音波を伝搬させる。そしてその
伝搬時間の差から流体の流速を検知する。これによって
高精度な流量計測が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波を利用してガス
・水などの流体の流量を計測する超音波流量計に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の超音波流量計は、図１０
に示すように、流路１の上流と下流とに一対の超音波振
動子２と３を流れの方向（図中に矢印で示す）に相対し
て設け、上流側の振動子２から流れの方向に超音波を発
信し、この超音波を下流側の振動子３で受信し、振動子
２から３への超音波の伝搬時間、Ｔdnを計測する。

【０００３】また、逆に下流側の振動子３から流れに逆
らって超音波を発信し、この超音波を上流側の振動子２
で受信し、振動子３から２への超音波の伝搬時間、Ｔup
を計測する。この２つの伝搬時間から流路１を流れる流
体の平均的な流速を演算し、あらかじめ解っている流路
１の断面積とから、流体の流量を検知していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の超音波流量計では、流路１内の流体の流速分布が流
速に依存して変化するため、即ち、低流速の場合には層
流となり、高流速の場合には乱流となる。従って、低流
速の場合の層流域と、高流速の場合の乱流域とでは、流
体の平均流速から流体の流量を換算する際の流量換算係
数が異なり、これが流体の流量を求める時の誤差とな
り、測定精度に影響を与え、広い流量範囲にわたって高
精度の測定が困難であった。

【０００５】また、超音波振動子２、または、３から送
信された超音波は、流路１内に広がり、流路１の管壁４
から反射し、その反射波が超音波振動子３、または、２
で受信される。このため超音波振動子で受信される信号
波形に時間遅れの成分がオーバーラップされて乱れた
り、弱められたりするため、Ｓ／Ｎ比が悪くなり、高精
度の測定が困難であった。

【０００６】本発明は上記課題を解決するもので、広い
流量範囲にわたって高精度の流量計測ができる超音波流
量計を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の超音波流量計は、以下の構成とした。

【０００８】すなわち、多数個の管からなる流路と、前
記流路の上流と下流とに、超音波を送受信する一対の振
動子とを備えた構成とした。

【０００９】また、管状のハニカムからなる流路と、前
記流路の上流と下流とに、超音波を送受信する一対の振
動子とを備えた構成とした。

【００１０】また、前面に超音波整流体を有する一対の
超音波振動子を、流路の上流と下流とに備えた構成とし
た。

【００１１】また、前面に円錐状の超音波整流体を有す
る一対の超音波振動子を、流路の上流と下流とに、備え
た構成とした。

【００１２】また、多数個の管からなる流路と、前記流
路の上流と下流とに、前面に超音波整流体を有する一対
の超音波振動子を備えた構成とした。

【００１３】また、多数個の管からなる流路と、前記流
路の上流と下流とに、超音波を送受信する一対の振動子
と、前記流路の上流と下流との差圧を検知する差圧計と
を備えた構成とした。

【００１４】

【作用】本発明は、流路を多数個の管から構成している
ため、流路全体の流速分布が発生しがたくなり、均一ま
流速分布が得られ、広い流量範囲にわたって、高精度な
流量計測ができる超音波流量計測が実現できる。また、
振動子から送信された超音波は、超音波整流体もしく
は、多数個の管からなる流路を伝搬するため、超音波
は、流路全体に広がることもなく収束して伝搬するた
め、Ｓ／Ｎ比、受信感度ともに向上し、高精度な流量計
測ができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例を図面にもとづ
いて説明する。図１(a)は本発明に基づく超音波流量計
の断面図を示し、図１(b)は、図１(a)のＡ−Ａ’線断面
図である。管状の流路５は、流量計測を行う直管部６
（内径２０mm）と、その両端に設けた絞り部７、８とか
ら構成され、直管部６は多数個の同じ長さの細管９（外
径５mm、内径４.５mm）で満たされている。超音波を送
信・受信する振動子１０、１１は直管部６内の細管９の
端部からほぼ振動子の径以上離れた絞り部７、８内に設
置し、流れを乱さないようにした。また、振動子１０、
１１の直径は、直管部６の内径の約０．７程度とした。
なお、矢印は流体の流れの方向を示しす。同図の場合、
振動子１０が上流側で、振動子１１が下流側となる。振
動子１０、１１は中心周波数が２０〜５００kHzのもの
を用いた。この構成の超音波流量計で、上流から下流へ
の超音波の伝搬時間（Ｔdn）、下流から上流への超音波
の伝搬時間（Ｔup）、をそれぞれ計測した。振動子間の
距離をＬ、音速をｃ、流体の流速をｖとすると、 Ｔdn＝Ｌ／(ｃ＋ｖ） Ｔup＝Ｌ／(ｃ−ｖ） の関係となる。また、それぞれの逆数をとると、次のよ
うになる。

【００１６】１／Ｔdn＝（ｃ＋ｖ）／Ｌ １／Ｔup＝（ｃ−ｖ）／Ｌ これらの差を演算すると、 （１／Ｔdn）−（１／Ｔup）＝（２・ｖ）／Ｌ となり、Ｌは振動子間の距離であり、予め既知である。
従って、時間の逆数差をとることにより、音速ｃの値に
かかわらず、流体の流速ｖを演算することができる。こ
のとき得られる流体の流速ｖは、上流側、下流側の振動
子で囲まれる流路内の平均的な流速となる。

【００１７】本発明の流路は、多数個の同じ径の管９で
構成されているため、管状の流路５全体、即ち、管９間
における流速分布は発生しがたいため、広範囲の流量域
で高精度に流量を計測できる。また、管９の内径が用い
る超音波の波長と同程度、即ち、数倍から数分の一以内
であるため、管９内を伝搬する超音波は平面波状に伝搬
すると考えられ、管９内に流速分布が生じても、管９内
の平均的な流速に依存し超音波が伝搬するため、安定し
て、高精度な流量計測ができ、高精度な超音波流量計を
実現できる。

【００１８】なお、この場合、管９の肉厚は薄いほど、
超音波のその部分での反射が減少し、より強力な超音波
を伝搬させることができ、Ｓ／Ｎ比はよく、より高精度
に流量を計測できる。例えば、管９の肉厚0.1mmであれ
ば、約１０〜２０％程度の反射損失が生じるが、充分計
測できる範囲である。また、多数個の管９の外径で構成
される狭い流路１２も流体が流れるため、充填材など充
填する方が、受信波形の乱れが少なくなり、より高精度
に流量を計測できるが、反射損失は約１５％程度に増加
する。しかし、この程度の反射損失であれば、実用上問
題になるレベルの反射損失ではない。さらに、管９を図
２に示すように、上流、下流の一部を残し、中央部を取
り去ると、より圧損の小さい超音波流量計とすることが
できる。なお、この場合、管の長さは用いる超音波の波
長と同程度、もしくは２倍程度あれば充分である。前記
実施例では、同じ径の細管９を用いたが、数種類の径の
細管を組み合わせて、効率よく流体が流れるようにし
て、圧損が小さくなるようにしても、細管９の径が、振
動子の径よりも充分小さい場合、本発明の効果は得られ
る。なお、管９に用いる材質は、中空部を流体および超
音波を通すことのできる材料であれば何でもよく、ＳＵ
Ｓ、アルミ、鉄などの金属系でも、ポリエチ、ビニルな
どの柔軟な樹脂系でも良い。

【００１９】図３は、図１に示した第１の実施例の細管
９の代わりに用いたハニカム１３からなる流路の断面を
示す。この構成のように、多数個の細管の代わりに、肉
厚の薄いＳＵＳ、アルミなどの金属箔でハニカム１３を
構成すると、肉厚を小さくすることができ、超音波の伝
搬特性が向上し、反射損失も、約５％以下にすることが
できる。また、流体が流れる時の差圧も小さくなるなど
流体の流量特性も向上した。なお、用いたハミカム１３
の六角形の一辺の長さは、約２mm、肉厚は０.０５mmで
あった。ハニカムで構成することにより、すべての流路
を同じ寸法に構成することが、簡単になった。また、ハ
ニカムで構成すると、肉厚が薄くても、強度が大きいた
め、０．０３〜０．０１mm程度までの肉厚にすることも
可能である。また、径方向への伸縮性にも優れているた
め、管状あるいは、矩形状の流路であっても、相似的に
伸縮自在であるため、作業性がよく、同一形状の多数個
の流路に構成することが容易となり、実用上大きな利点
となる。なお、管壁４との接触部の隙間１４は、充填材
で充填しても、しなくても流量特性、および超音波特性
にはほとんど影響が無かった。

【００２０】図４は、第３の実施例であり、振動子１
０、１１の前面にハニカム状の超音波整流体１５、１６
を設けた。ハニカム状の超音波整流体１５、１６の流れ
方向への長さは、用いる超音波の波長の２倍以上とし
た。この構成にすることにより、振動子の指向性が大幅
に向上し、流路５の直管部６、絞り部７、８の管壁部か
らの反射波の強度が大幅に減少し、振動子が受信する受
信波形に位相乱れなども無くなり、Ｓ／Ｎ比、受信感度
とも向上し、高精度な流量計測ができる。

【００２１】図５は、第４の実施例を示し、超音波振動
子１０を、前面にハニカム部分からなる超音波整流体１
７有するカバー部１８内の収納する構成とした。この構
成により、振動子１０を、流路６を流れる流体から保護
することができ、流体から振動子１０に及ぼす振動など
の雑音が減少し、さらにＳ／Ｎ比が向上した。より高精
度な流量計測が実現できる。

【００２２】図６は、第５の実施例を示し、超音波振動
子１０、１１の前面に円錐状の超音波整流体１９、１０
を設けた。この構成により、振動子１０の径が、流路５
の直管部６の内径と同等、もしくは、それ以上であって
も、流体の流れを乱すこと無く使用することができる。
従って、より強力な超音波を流速計測部である直管部６
に導入することができ、さらにＳ／Ｎ比が向上する。

【００２３】なお、図７に示すような構成にすると、即
ち、凹面状の振動子２１と、ホーン状の超音波整流体２
２とから構成すると、受信波の位相乱れを凹面状の振動
子で補正することができ、受信波の強度をさらに大きく
とれ、受信感度も、Ｓ／Ｎ比も大幅に向上した。従っ
て、さらに高精度な流量計測ができる。

【００２４】図８は、第６の実施例による超音波流量計
の断面図を示す。流路５は、流量計測を行う直管部６
と、その両端に設けた絞り部７、８とから構成した。直
管部６は前記実施例に示したハニカム１３で満たし、超
音波が広がることなく伝搬するようにした。また超音波
振動子１０、１１の前面には、前記実施例で示したハニ
カム状の超音波整流体１４、１５を設けた。この構成に
より、流路を流れる流体も乱れることなく流れ、また振
動子から送信される超音波は、広がることなく、また流
路の側壁などで反射されることもなく、他方の振動子に
向かって伝搬するため、受信感度が大きく、位相乱れも
小さく、また雑音も小さくなる。

【００２５】従って、より一層高精度な超音波流量計が
実現できる。図９は、第７の実施例を示す。２３、２４
は、それぞれ流路５の上流側、下流側の圧力導入管を示
し、２５はそれらの圧力差を検知する差圧検知器を示
す。細管９を層流管として動作させることができるた
め、差圧検知器２５からも、流体の流量を検知すること
ができる。従って、超音波流量計で測定した流体の流量
を校正することができ、誤動作が防止でき、高精度な流
量計を実現できる。即ち、超音波の伝搬時間から測定し
た流量と、差圧検知器の差圧から測定した流量とが一致
しない場合、誤動作であると判別することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明の
流量計測装置によれば次の効果が得られる。

【００２７】（１）多数個の管からなる流路と、前記流
路の上流と下流とに、超音波を送受信する一対の振動子
とを備えたので流路内の流速分布が小さく、また、超音
波が管内の平均流速に依存して伝搬するため、高精度な
超音波流量計が実現できる。

【００２８】（２）管状のハニカムからなる流路と、前
記流路の上流と下流とに、超音波を送受信する一対の振
動子とを備えたので、同一形状の多数個の流路を簡単に
構成することができる。また、肉厚を薄く構成できるた
め、圧損の小さい流量計が構成できる。また、肉厚を薄
く構成できるため、超音波の反射損失も小さく構成する
ことができる。従って、高精度な超音波流量計が実現で
きる。

【００２９】（３）前面に超音波整流体を有する一対の
超音波振動子を、流路の上流と下流とに備えたので、振
動子か送信された超音波は指向性が大幅に向上し、流路
の管壁などからの反射が減少し、受信感度が大きくな
り、Ｓ／Ｎ比が大きくとれるため、高精度な超音波流量
計が実現できる。

【００３０】（４）前面に円錐状の超音波整流体を有す
る一対の超音波振動子を、流路の上流と下流とに備えた
ので、振動子から送信された超音波の指向性が向上する
とともに、流路の内径よりも大きな径の振動子を用いる
ことができる。

【００３１】従って、より強力な超音波を伝搬させるこ
とができ、受信波のＳ／Ｎ比を向上でき、より高精度な
超音波流量計を実現できる。また、凹面状の振動子を用
いることにより、受信波の位相を揃えることができ、位
相乱れがなく、より一層受信感度を大きく向上できる。
従って、より高精度な流量計が実現できる。

【００３２】（５）多数個の管からなる流路と、前記流
路の上流と下流とに、前面に超音波整流体を有する一対
の超音波振動子を備えたので、振動子から送信された超
音波は広がることなく伝搬する。また、超音波振動子の
前面には超音波整流体があるため、振動子から送信され
た超音波は、指向性高く、広がることなく、また流路の
側壁で反射されることもなく、他方の振動子に向かって
伝搬するため、受信感度が大きく、また雑音も小さくな
る。また、流路を流れる流体も乱れること無く流れるた
め、より一層高精度な超音波流量計が実現できる。

【００３３】（６）多数個の管からなる流路と、前記流
路の上流と下流とに、超音波を送受信する一対の振動子
と、前記流路の上流と下流との差圧を検知する差圧検知
器を備えたので、前記流路を伝搬する超音波の伝搬時間
からと、前記流路の上流と下流との差圧とから、即ち、
別々の独立した手段とから流体の流量を計測できるた
め、誤動作を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の第１の実施例の流量計の断面図 （ｂ）図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図

【図２】本発明の第２の実施例の流量計の断面図

【図３】上記図１（ｂ）のＡ−Ａ’線断面をハニカム状
にした場合の断面図

【図４】本発明の第３の実施例の流量計の断面図

【図５】本発明の第４の実施例の流量計の要部断面図

【図６】本発明の第５の実施例の流量計の断面図

【図７】同流量計の振動子及び整流体を別の形状にした
場合の要部断面図

【図８】本発明の第６の実施例の流量計の断面図

【図９】本発明の第７の実施例の流量計の断面図

【図１０】従来の流量計の断面図

【符号の説明】

５ 流路 ９ 細管 １０、１１ 振動子 １３ ハニカム １５、１６ 超音波整流体 １９、２０ 円錐状超音波整流体 ２１ 凹面状振動子 ２２ ホーン状超音波整流体 ２３、２４ 圧力導入管 ２５ 差圧検出器

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多数個の管からなる流路と、前記流路の上
   流と下流とに、超音波を送受信する一対の振動子とを備
   えた超音波流量計。
2. 【請求項２】管状のハニカムからなる流路と、前記流路
   の上流と下流とに、超音波を送受信する一対の振動子と
   を備えた超音波流量計。
3. 【請求項３】前面に超音波整流体を有する一対の超音波
   振動子を、流路の上流と下流とに備えた超音波流量計。
4. 【請求項４】前面に円錐状の超音波整流体を有する一対
   の超音波振動子を、流路の上流と下流とに備えた超音波
   流量計。
5. 【請求項５】多数個の管からなる流路と、前記流路の上
   流と下流とに、前面に超音波整流体を有する一対の超音
   波振動子を備えた超音波流量計。
6. 【請求項６】多数個の管からなる流路と、前記流路の上
   流と下流とに、超音波を送受信する一対の振動子と、前
   記流路の上流と下流との差圧を検知する差圧計とを備え
   た超音波流量計。