JPS61147112A - 超音波流量計の送受波器 - 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】 【発明の属する技術分野】

この発明は、流れの上、下流に超音波振動子を配設し、
相互に送信、受信を行い、流体の流速によって送信から
受信までの各々の伝搬時間に差が生ずることを利用して
、流量を測定する非挿入式透過型超音波流量針の送受波
器に関する。

【従来技術とその問題点】

この種の非挿入式透過型超音波流量計を第４図に示す。 流体を導く配管１に流体の進行方向に互いに位置をずら
せて超音波送受波器２ａ、２ｂを配置し、超音波送受波
器２ａから放射された超音波が超音波送受波器２ｂに到
達する時間と、超音波送受波器２ｂから放射された超音
波が超音波送受波器２８Ｇこ到達する時間との時間差に
基づいて配管ｌ内の流体の速度から配管１内の流体の流
量を求めるものである。このようにして使用される超音
波送受波器として第５図に示す構造のものが知られてし
する。。 図中符号３は超音波変換子である。この超音波変換子３
は例えばジルコン・チタン酸鉛系のセラミックス圧電素
子を円板上に成形し、その両面に銀電極を蒸着したもの
で、超音波伝搬部材としてのクサビ４に固定されている
。クサビ４は超音波変換子３から発生する超音波を配管
１に伝達するためのもので、エポキシ樹脂１アクリル樹
脂、金属などから構成されている。またクサビ４の底面
５は超音波送受波器の使用に際して、配管１に音響的マ
ツチングを取るために介装材６を介して密着される。こ
のクサビ４の超音波変換子取付面７は底面５に対して角
度θをもって斜めに形成されており、これにより超音波
変換子３から発生する超音波が底面５に対して斜めに放
射されるようになっている。 第６図に配管ｌでの超音波伝ｖｌｉ経路を示す。リード
８．９を介して一方の超音波変換子３に所定の周波数の
交流を印加すると、超音波変換子３が同周波数で振動し
て超音波パルス信号Ｐを発生する。この超音波パルス信
号Ｐはクサビ４を通り、介装材６．配管１を介して、測
定対象の流体に入射し１、配管１の対向面で反射して、
再び配管１゜介装材６を介してクサビ４を通り、他方の
超音波変換子３に到達すると、超音波変換子３とリード
線８．９に接続された電気回路で測定信号に変換される
。 ところで、このようなりサビ／介装材、介装材／配管、
配管／流体の界面での音波の人出射角はスネルの法則に
よって定まる。スネルの法則を弐（１１に示す。 Ｓｉｎθａ　　　　Ｃｈ θ、：媒ｆａの人出射角、θ１　：媒質すの人出射角、
Ｃ１：媒質ａの音速、ｃｌ　：媒質すの音速、媒質の音
速には温度依存性があり、クサビがエポキシ樹脂、介装
がシリコングリース、配管が鋼管。 流体が水の場合のそれぞれの音速の温度特性を第７図な
いし第１Ｏ図に示す、このように音速が温度によって変
化することによって、音波の出射角が変化し、超音波パ
ルス信号Ｐの伝搬方向が異なり、超音波パルス信号Ｐが
超音波送受波器２ｂで受信される位置が温度と共に移動
することになる。各温度での超音波パルス信号Ｐを送受
可能な超音波送受波器２ａ、２ｂの間隔を式（２）に示
す。 Ｄ　＝　　２　寧７．　　ｊａｎ　　θｓ　　＋　　２
傘Ｔ＠　　ｔａｎ　　θ、　＋２傘Ｔ、　　ｔａｎ　　
θ、　　＋　　２＊Ｔｇ　　ｔａｎ　　θｔ　　・＝−
−−（ｇ）Ｄ：超音波送受波器２ａ、２ｂの間隔、Ｔ１
　：クサビでの超音波変換子の高さ、Ｔ、：介装材の厚
み、ＴＰ　：配管の厚み、Ｔｔ　：配管の内径、θ□　
：クサビでの音波の人出射角、θ、：介装材での音波の
人出射角、θ、：配管での音波の人出射角、θ。 ；流体での音波の人出射角、 第７図ないし第１０図の温度に対する音速を用いて、式
（２）により求めた超音波パルス信号Ｐを送受可能な超
音波送受波器２ａ、２ｂの間隔を第１１図に示す。図に
おいて測定における諸条件は、打ち込み角：４２度、ク
サビでの超音波変換子の高さくＴユ）：１４０、配管の
厚み（Ｔｐ）＝３．２鶏、配管の内径（Ｔ、）：　２７
．６ｍである。また第１２図に最大受信可能位置（超音
波パルス信号Ｐの送受可能な位置）を示す。 これによると、超音波パルス信号Ｐを送受可能な超音波
送受波器２ａ、２ｂの間隔は温度により、大きく変化し
、温度に無関係に超音波変換子を配管に固定していると
、超音波変換子に受信される超音波パルス信号Ｐは変化
し、Ｓ／Ｎ比が温度と共に変化する。この様子の実験値
を第１３図および第１４図に示す、このように従来の超
音波流量計では受渡器Ｓ／Ｎ比が温度と共に大きく変化
し、温度が変化すると安定した流量測定が不可能であっ
た。

【発明の目的】

この発明は、上記に鑑みなされたものであり、超音波パ
ルス信号Ｐを超音波送受波器で受信する際、温度変化に
対する超音波パルス信号Ｐの送受可能な位置の変化を少
なくし、超音波送受波器でのＳ／Ｎ比の低下を最低限に
抑え、温度が変化しても常に所定以上のＳ／Ｎ比を得て
、所望の測定精度で計測出来る非挿入式透過型超音波流
量計の送受波器を提供することを目的とする。

【発明の要点】

この発明は超音波変換子と配管との間に介装される超音
波伝搬部材を中空の枠体で形成し、この枠体内に音速の
温度依存性が配管内を流れる流体のそれとほぼ等しい媒
体を封入することによって、温度変化に対する超音波パ
ルス信号Ｐの送受可能な位置の変化を少な（し、超音波
送受波器でのＳ／Ｎ比の低下を１＆低限に抑えようとす
るものである。

【発明の実施例］ 第１図はこの発明の実施例を示すもので、超音波伝搬部
材としてのクサビは中空の枠体で構成され、その材質と
して鉄を用いている。この枠体１２には、音速の温度依
存性が流量測定の対象となる流体ＩＯの音速の温度依存
性とほぼ等しい媒体が封入されている０例えば、流体１
０が水であると媒体１３も水にする。 第２図は超音波送受波器の配管１への取付状態を示すも
のである。枠体１２と媒体１３からなるクサビ４に超音
波変換子３を装着し、組み立てられた超音波送受波器２
ａ、２ｂを配管１に配設し、配管１および超音波送受波
器２ａ　、　２ｂを断熱材１４で覆い、可能な限り枠体
１２内の媒体１３の温度を配管ｌを流れる流体の温度に
近づける。このようにすると、配管１から流体１０への
音波の打ち込み角は、温度が変化しようともクサビ４の
超音波変換子取付面７の底面５に対する角度θに常に等
しくなる。なお、超音波パルス信号Ｐを超音波送受波器
で受信する際の温度変化に対する超音波パルス信号Ｐの
送受可能な位置の変化は、枠体１２．介装材６．配管１
での音速の温度変化にも影響されるが、枠体１２は０．
５ｆｉ程度、介装材６は１００μ−程度であること、音
波打ち込み角が小さいことから、これらによる送受可能
な位置の変化は無視出来、結局、配管１での音速の温度
変化による位置の変化のみとなる。 第３図にこの発明を適用したときの温度と送受可能な超
音波送受波器の間隔との関係を示す。図において、測定
における諸条件は、打ち込み角：２３．２度、クサビで
の超音波変換子の高さくＴ＠）：１４鶴、介装材の厚み
（Ｔ、）：０．１ｍｍ、配管の厚み：３．２ｆｉ、配管
の内径：　２７．６ｍ、枠体の厚み（Ｔ　ｓ、ｌ）　’
０．５■である。第１１図と比較して、本発明によれば
温度変化に対する超音波パルス信号Ｐの送受可能な位置
の変化が非常に少なくなることがわかる。 【発明の効果】 以上の説明から明らかなようにこの発明によれば、音波
打ち込み用クサビの材質の音速の温度依存特性を流量測
定対象物の音速の温度依存特性とほぼ同等としたので、
超音波パルス信号を超音波送受波器で受信する際の温度
変化に対する超音波パルス信号の送受可能な位置の変化
を抑え、温度が変化しても常に所定以上のＳ／Ｎ比を得
て、所望の測定精度で計測が出来るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す超音波送受波器の断面
図、第２図は本発明による超音波送受波器の配管取付状
態を示す側面図、第３図は本発明により改善された温度
と送受可能な超音波送受波器の間隔との関係を示すグラ
フ、第４図は非挿入式透過型超音波流量計の構成図、第
５図は従来の超音波送受波器の断面図、第６図は配管で
の超音波伝搬経路を示す概略図、第７図はエポキシ樹脂
の音速の温度依存性を示すグラフ、第８図はシリコング
リスの音速の温度依存性を示すグラフ、第９図は鋼管の
音速の温度依存性を示すグラフ、第１０図は水の音速の
温度依存性を示すグラフ、第１１図は従来の超音波送受
波器による温度と送受可能な超音波送受波器の間隔との
関係を示すグラフ、第１２図は従来の超音波送受波器に
よる温度と最大受信可能位置との間隔との関係を示すグ
ラフ、第１３図は超音波送受波器を配管に固定したとき
の温度と超音波受信レベルとの関係を示すグラフ、第１
４図は超音波送受波器を配管に固定したときの温度と超
音波レベルとの関係を示すグラフである。 第１図 第２図 ラ＆＆（’Ｇン ９１浪（°り 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）超音波変換子と配管との間に介装される超音波伝搬
   部材を中空の枠体で形成し、この枠体内に前記配管内を
   流れる流体とほぼ等しい音速の温度依存性を有する媒体
   を封入したことを特徴とする超音波流量計の送受波器。