JPH09287990A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型にして高い測定精度を得ることができる
超音波流量計を提供すること。 【解決手段】 測定管２の内部に流体物質を流し、電気
−音響変換手段１ａ又は１ｂから出射された超音波を測
定管２内を貫流する流体物質中を透過させて他方の電気
−音響変換手段１ｂまたは１ａで受波し、これらを双方
で切り替えて超音波伝播時間を測定して測定管２の内部
に流れる流体物質の流量測定を行うように構成されてい
る。一対の電気−音響変換手段１ａ，１ｂにより構成さ
れる超音波の伝播経路Ｔｃは、測定管内を反射させて受
波するＶ字型となるように構成されている。また一対の
電気−音響変換手段間を結ぶ測定管２の内側壁には、遮
音物質２ｃが配置されており、この遮音物質２ｃにより
測定管の内側壁表面に沿って伝播する直接伝播波を効果
的に遮断させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定管内部に気体
もしくは液体などの流体物質を貫流し、その流量を測定
するようにした超音波流量計に関するものであり、特に
測定精度を向上させることが可能な超音波流量計に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超音波流量計は流速測定型の流量計であ
り、流量は測定管内部を流れる気体もしくは液体などの
流体物質の流速を測定し、測定した流速に管断面積等を
乗ずることにより求められる。そして、この種の超音波
による流速測定は、一対の電気−音響変換手段を具備
し、一方の電気−音響変換手段から出射された超音波を
測定管内の流体物質中を透過させて他方の電気−音響変
換手段で受波し、これらを双方で切り替えて超音波伝播
時間を測定し、超音波ビームの伝播時間の逆数差を求め
ることで行われる。

【０００３】図５は、従来のこの種の超音波流量計の例
を断面図によって示したものである。この図５に示す例
においては、測定管２の対向する内側壁部分に、一対の
電気−音響変換手段１ａ，１ｂを測定管２の軸線に対し
てほぼ４５度の傾きをもって直接対向するように配置さ
れている。

【０００４】この図５に示された超音波流量計による
と、一方の電気−音響変換手段１ａから他方の電気−音
響変換手段１ｂに、またその逆方向に図中実線で示した
ような直線的な伝播経路Ｔａを介して超音波が伝播し、
この伝播経路Ｔａにおける超音波の伝播速度を測定する
ことにより、測定管２を貫流する流体物質の流量を演算
することができる。

【０００５】すなわち流体物質の流れの方向に対して上
流側、下流側に設けられた電気−音響変換手段としての
超音波送受波器１ａ，１ｂから測定管２に対して発射さ
れた超音波ビームを双方で切り替えて、これら順逆方向
の伝播時間ｔ１，ｔ２を繰り返し計測させる。

【０００６】この計測された時間を逆数に演算すること
により、音速Ｃの影響がなくなり以下の式が得られる。

【０００７】 ｔ１＝Ｌ1 ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ1 ） ……式１ ｔ２＝Ｌ1 ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ1 ） ……式２

【０００８】式１および式２より Ｖ＝（Ｌ1 ／２ｃｏｓθ1 ）×〔（１／ｔ１）−（１／ｔ１）〕……式３

【０００９】ただし、Ｌ1 ：超音波の伝播路長（Ｌ1 ＝
Ｄ／ｓｉｎθ1 ） Ｄ ：管内径 Ｃ ：流体物質中の音速 θ1 ：超音波伝播路と管軸のなす角 Ｖ ：超音波伝播路上の線平均流速

【００１０】この構成による超音波流速計は音響パスに
沿った平均流速を計測する装置である。そして、測定管
内の流速分布は、流量により変化する。この流量を得る
ためには流速分布変化の補正が必要となる。そして体積
流量Ｑは計測された線平均流速Ｖと、測定部の断面積Ａ
と、流速分布補正計数Ｋｎから計算される。

【００１１】すなわち次の式４のように表すことができ
る。

【００１２】Ｑ＝Ａ×Ｖ×Ｋｎ ……式４

【００１３】前記Ｋｎは測定された線平均流速と管断面
の平均流速の比であり、レイノルズ数の関数である。

【００１４】 Ｋｎ＝１／（１．１１９−０．０１１ ｌｏｇ Ｒｅ） ……式５

【００１５】層流域におけるＫｎは、理論的に計算する
ことが可能であり、Ｋｎ＝０．７５（一定）が得られて
いる。ここで、レイノルズ数が２３２０より小さい場合
の流れは層流と呼ばれ、その分布は一定で変わらない。

【００１６】図５に示す装置を用い、以上に示した式１
乃至式５のような理論式により演算することにより、流
体物質の流量を算出することが可能である。

【００１７】ところで、前記した構成による流量計の測
定精度を向上させるには、超音波ビームの伝播時間を正
確に測定できるようにすることが必要となる。この場
合、超音波ビームの伝播距離を大きくとった方が超音波
ビームの伝播時間を正確に測定することが可能となり、
よって流量の測定精度も向上させることができる。

【００１８】しかしながら、図５に示す構成において
は、一方と他方の電気−音響変換手段１ａ，１ｂの間の
伝播距離Ｔａは、前記一方の電気−音響変換手段１ａと
他方の電気−音響変換手段１ｂとの間の測定管の軸方向
の距離Ｌ2 の約１．４倍程度であり、測定管２を小型に
形成した場合においては、その伝播距離Ｔａを大きく取
ることができず、超音波流量計の測定精度を向上させる
には限界がある。

【００１９】そこで、測定管を小型に形成しつつ、一対
の電気−音響変換手段１ａ，１ｂ間の伝播距離を大きく
する手段として、図６に示すような構成を考えることが
できる。この図６に示す構成は、測定管２の一方の内側
壁２ａに一対の電気−音響変換手段１ａ，１ｂを配置
し、測定管２の他方の内側壁２ｂを超音波の反射面とし
て利用し、超音波の伝播経路Ｔｂを略Ｖ字型とすること
で、その伝播距離を大きくとるようにしたものである。

【００２０】この図６に示す構成によると、それぞれの
測定管２の軸線に対する電気−音響変換手段１ａ，１ｂ
の超音波出射角θを４５度とした場合、前記図５に示す
例に比較して２倍の伝播距離を取ることができる。した
がって超音波流量計の測定精度をより向上させることが
できる。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】このように図６に示す
構成によると、図５に示す構成に対して超音波の伝播距
離を２倍とすることができ、したがって超音波流量計の
測定精度をより向上させることが期待できる。

【００２２】しかしながら、一対の電気−音響変換手段
１ａ，１ｂにおける超音波の出射エネルギーは、比較的
広範囲な指向特性を有しており、超音波の出射軸以外に
も超音波信号の一部が放射される。

【００２３】このために、図６に示すように一対の電気
−音響変換手段１ａ，１ｂを配置した測定管２の一方の
内側壁２ａの表面経路を伝わって一方の電気−音響変換
手段１ａから他方の電気−音響変換手段１ｂに、またそ
の逆方向に図中破線Ｔｓで示したように超音波信号の一
部が直接的に伝播する（直接伝播波）という現象が発生
する。

【００２４】この図６に示したような直接伝播波Ｔｓ
は、本来の受波が到達する直前、もしくは同時に現れ、
本来の受波に対して波形歪みなどを起こさせることで測
定誤差を生み出す。この度合は測定管２内の流量が多く
なればなる程、すなわち流量が増大する程、測定誤差を
増大させるという問題点を含んでいる。

【００２５】本発明は、前記した従来のものの問題点に
鑑みてなされたものであって、特に一方の電気−音響変
換手段から出射された超音波を測定管内を反射させて他
方の電気−音響変換手段によって受波するＶ型の超音波
伝播経路を形成した超音波流量計において、本来の受波
以外の妨害波を受ける要因を少なくし、測定精度を向上
させることが可能な超音波流量計を提供することを目的
とするものである。

【００２６】

【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ために成された本発明に係る超音波流量計は、一方の電
気−音響変換手段から出射された超音波を測定管内の流
体物質中を透過させて他方の電気−音響変換手段で受波
し、これらを双方で切り替えて超音波伝播時間を測定し
て測定管内部に流れる流体物質の流量測定を行う超音波
流量計であって、前記一方の電気−音響変換手段から出
射された超音波を測定管内を反射させて他方の電気−音
響変換手段によって受波するＶ型の超音波伝播経路を形
成し、前記一方の電気−音響変換手段と他方の電気−音
響変換手段との間を結ぶ測定管の内側壁面に遮音物質を
配置するように構成されたものである。そして、前記遮
音物質は好ましくは、測定管を構成する同一材料を測定
管内面に対して一体に突出させて配置される。また、前
記遮音物質は、測定管内に貼着された遮音材により構成
される場合もある。この場合の前記遮音材はグラスウー
ルであることが望ましい。そして、前記測定管は、該測
定管の軸方向に対して直角な断面形状が長方形に構成さ
れる。

【００２７】このような構成により、一対の電気−音響
変換手段によって形成される超音波の伝播経路は、測定
管内を反射させて受波するいわゆるＶ字型を構成する。
この場合、一対の電気−音響変換手段間を結ぶ測定管の
内側壁面に遮音物質が配置されているため、従来のもの
のように測定管の内側壁表面を伝わる直接伝播波Ｔｓの
影響を受けることがない。

【００２８】したがって、本来の受波に波形歪みを起こ
させることで測定誤差を生み出すという問題点を解消さ
せることができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る超音波流量計
について図１を参照しつつ説明する。なお、以下に示す
実施例において、従来の装置と同一の構成および機能を
有するものについては同じ符号を用いて示している。

【００３０】測定管２は、図１（ａ）に断面状態で示す
ようにその両端部においてフランジ状の接続部３ａ，３
ｂによって、それぞれ配管４ａ，４ｂに対して接続され
ている。そして測定管２は、図１（ｂ）に示すように測
定管２の軸方向に対して直角な断面形状が長方形で構成
されており、その開口の横幅がＷ、高さがｈの角状ダク
トを構成している。なお図１に示す実施例における測定
管２の開口のアスペクト比（Ｗ対ｈ）は、１：５に成さ
れている。またこの開口のアスペクト比は、一般に１：
３乃至１：７程度に選定される。

【００３１】そして、一対の電気−音響変換手段１ａ，
１ｂがそれぞれ測定管２の一方の内側壁２ａに配置さ
れ、一方の電気−音響変換手段１ａから他方の電気−音
響変換手段１ｂに対して、またその逆方向にそれぞれ対
向する他方の内側壁２ｂを反射面としてＶ字状の超音波
信号の伝播経路Ｔｃが構成されるようになされている。

【００３２】そして、図２に示すように一方の電気−音
響変換手段１ａおよび他方の電気−音響変換手段１ｂ
は、それぞれ測定管２の軸線に対して交差角度θをもっ
て出射されるように配置されている。

【００３３】さらに前記一方の電気−音響変換手段１ａ
と他方の電気−音響変換手段１ｂとの間を結ぶ測定管２
の内側壁２ａには、遮音物質２ｃが配置されている。こ
の遮音物質２ｃは、測定管を構成する同一材料、例えば
合成樹脂により一体となるように突出させて配置されて
いる。

【００３４】また、遮音物質２ｃが成形された一方の内
側壁２ａに対向する他方の内側壁２ｂには、遮音物質２
ｃの突出形態に対応させて凹部２ｄが形成されており、
この凹部２ｄの存在により、測定管２内を流れる流体物
質の流速が一定となるように工夫されている。

【００３５】なお前記一対の電気−音響変換手段１ａ，
１ｂは例えばピエゾセラミック素子により構成された超
音波送受波器であり、この超音波送受波器１ａ，１ｂか
らは間欠的に交互に２００ＫＨｚ程度の超音波ビームが
発射され、超音波ビームの伝播時間に基づいて測定管２
内に貫流する流体物質の流量を測定するように成され
る。

【００３６】このようにして超音波送受波器１ａ，１ｂ
から交互に間欠的に超音波ビームが発射され、超音波送
受波器１ａ，１ｂはこれを交互に受けて測定管２内に貫
流する流体物質の流量を測定する。この場合の演算処理
は、図５に示した従来の例と同様であり、その詳細な説
明は省略する。

【００３７】この場合、一対の電気−音響変換手段１
ａ，１ｂ間を結ぶ測定管２の内側壁２ａに遮音物質２ｃ
が突出するように配置されているため、電気−音響変換
手段１ａ，１ｂ間を結ぶ測定管２の内側壁２ａの表面を
沿って伝播する直接伝播波Ｔｓを遮断させることができ
る。

【００３８】したがって、一対の電気−音響変換手段１
ａ，１ｂが図６に示すように直接伝播波Ｔｓを互いに受
けて本来の受波に対して波形歪みなどを起こさせる可能
性を除去することができる。

【００３９】図２は、本発明に係る超音波流量計の他の
実施例を断面状態で示したものである。この図２に示す
例においては、遮音物質２ｃとして別体の遮音材５を用
意し、これを一対の電気−音響変換手段１ａ，１ｂ間を
結ぶ測定管２の内側壁２ａに貼着するようにしたもので
ある。この遮音材５としては、例えばグラスウール、ゴ
ム、プラスチック、金属等を挙げることができるが、他
に一般的に遮音材として作用する他の物質を採用するこ
ともできる。

【００４０】図２に示す場合においては、電気−音響変
換手段１ａ，１ｂ間を結ぶ測定管２の内側壁２ａの表面
を沿って伝播する図６に示すような直接伝播波Ｔｓを前
記遮音材５によって吸収することができる。

【００４１】よって、この図２に示す例においても、一
対の電気−音響変換手段１ａ，１ｂが直接伝播波Ｔｓを
互いに受けて本来の受波に対して波形歪みなどを起こさ
せる可能性を除去することができる。

【００４２】図３は、図２に示す本発明に係る超音波流
量計の測定精度に関する結果を示したものであり、縦軸
に信号レベルを横軸に時間経過を示している。その測定
条件は、流体物質として空気を用い、流量が５ｍ³ ／Ｈ
で、２０℃の環境下で行ったものである。図３における
下側に描かれた波形が測定管の流体物質（空気）を通過
してきた波形信号であり、図中上側に描かれたピーク状
の信号がこれによって生成される受波信号を示してい
る。

【００４３】図３に示されたように、その前半において
直接伝播波Ｔｓ等によるノイズ成分の影響を受けず、し
たがって本来の受波に対して波形歪みなどを受けること
がなく、受波信号として認識されるピーク状の信号が正
確な位置に発生することが判る。

【００４４】一方、図４は、図６に示した従来例のもの
を、同様の条件下で測定したものであり、図４に示すよ
うにその前半において直接伝播波Ｔｓ等によるノイズ成
分の影響を受けており、したがって本来の受波に対して
波形歪みなどを受け、受波信号として認識されるピーク
状の信号が図３に示した場合に比較して時間的に前に発
生し、測定誤差が発生していることが判る。

【００４５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなとおり、本発明に
係る超音波流量計によれば、一対の電気−音響変換手段
によって形成される超音波の伝播経路を、測定管内を反
射させて受波するＶ字型となるように構成し、且つ一対
の電気−音響変換手段間を結ぶ測定管の内側壁に遮音物
質を配置するようにしたので、電気−音響変換手段間を
結ぶ測定管の内側壁表面に沿って伝播する直接伝播波Ｔ
ｓを効果的に遮断させることができる。したがって、従
来のもののように一対の電気−音響変換手段が直接伝播
波Ｔｓを互いに受けて本来の受波に対して波形歪みなど
を起こさせる可能性を除去することができ、測定精度の
高い超音波流量計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る超音波流量計の第１の実
施例の基本構成を示した断面図である。

【図２】図２は、本発明に係る超音波流量計の第２の実
施例の基本構成を示した断面図である。

【図３】図３は、図１に示す超音波流量計における特性
を示した波形図である。

【図４】図４は、従来の超音波流量計における特性を示
した波形図である。

【図５】図５は、従来の超音波流量計の基本構成を示し
た断面図である。

【図６】図６は、従来の他の超音波流量計の基本構成を
示した断面図である。

【符号の説明】

１ａ 超音波送受波器（電気−音響変換手段） １ｂ 超音波送受波器（電気−音響変換手段） ２ 測定管 ２ｃ 遮音物質 ２ｄ 凹部 ３ａ 接続部 ３ｂ 接続部 ４ａ 配管 ４ｂ 配管 ５ 遮音材 Ｔｃ 伝播経路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方の電気−音響変換手段から出射され
   た超音波を測定管内の流体物質中を透過させて他方の電
   気−音響変換手段で受波し、これらを双方で切り替えて
   超音波伝播時間を測定して測定管内部に流れる流体物質
   の流量測定を行う超音波流量計であって、 前記一方の電気−音響変換手段から出射された超音波を
   測定管内を反射させて他方の電気−音響変換手段によっ
   て受波する略Ｖ型の超音波伝播経路を形成し、前記一方
   の電気−音響変換手段と他方の電気−音響変換手段との
   間を結ぶ測定管の内側壁面に遮音物質を配置したことを
   特徴とする超音波流量計。
2. 【請求項２】 前記遮音物質は、測定管を構成する同一
   材料を測定管内面に対して一体に突出させて配置したこ
   とを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 【請求項３】 前記遮音物質は、測定管内に貼着された
   遮音材であることを特徴とする請求項１に記載の超音波
   流量計。
4. 【請求項４】 前記遮音材はグラスウールであることを
   特徴とする請求項３に記載の超音波流量計。
5. 【請求項５】 前記測定管は、該測定管の軸方向に対し
   て直角な断面形状が長方形であることを特徴とする請求
   項１乃至４のうちいずれか１に記載の超音波流量計。