JPH0259404B2 - - Google Patents
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- JPH0259404B2 JPH0259404B2 JP57003652A JP365282A JPH0259404B2 JP H0259404 B2 JPH0259404 B2 JP H0259404B2 JP 57003652 A JP57003652 A JP 57003652A JP 365282 A JP365282 A JP 365282A JP H0259404 B2 JPH0259404 B2 JP H0259404B2
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
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- Fluid Mechanics (AREA)
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- Measuring Volume Flow (AREA)
Description
この発明は流体の流速を測定する超音波流量計
において被測定流体の温度変化に対する出力補正
機能を有した超音波流量計に関するものである。 超音波流量計は流体の流れ方向に対して順方向
および逆方向でそれぞれ超音波を送受波し、それ
ぞれの超音波の伝播時間の差から流体流速を求め
ようとするものである。第１図に従来の超音波流
量計の機能を説明するためのブロツク図を示す。
図において、１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂはそれぞれ
超音波送受信子、３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂはそれ
ぞれ超音波送受信子取付部材、５は配管であり、
超音波送受信子１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂは超音波
取付部材３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂを介して配管５
に取付固定されている。 超音波流量計は超音波が流体中を伝播する際、
流れ方向に対して順方向の超音波伝播時間と流れ
方向に対して逆方向の超音波伝播時間との間に伝
播時間差が生じ、その伝播時間差が流体流速に比
例することを利用したものである。このことにつ
いて第１図を用いて説明する。 第１図に示すように、配管内径ｄ、流体流速
Ｖ、超音波送受信子取付部材３ａ，３ｂ，４ａ，
４b1体あたりの超音波伝播時間τ0／２、配管壁と
流体の境界で超音波入射角θ、超音波の流体中の
音速をCoとする。 流体の順方向に向つて送信される超音波の流体
中の音速は流体流速に比して充分大きいので、入
射角は変化せず超音波の音速成分のみが変化し、
Co＋Vcosθとなる。また、超音波の伝播距離は
ｄ／sinθであるので、流体中を伝播する超音波の
伝播時間はｄ／（Co＋Vcosθ）sinθとなる。従つ
て、順方向に伝播する超音波が第１図における超
音波送受信子１ａより超音波送受信子２ｂに到達
する伝播時間tLは tL＝ｄ／（Co＋Vcosθ）sinθ＋τ0 ……(1) となる。 同様に流れ方向に対して逆方向に伝播する超音
波が超音波送受信子１ｂから超音波送受信子２ａ
に到達する伝播時間tuは tu＝ｄ／（Co−Vcosθ）sinθ＋τ0 ……(2) となる。(1)。(2)式から流体流速Ｖを求めると、 Ｖ＝ｄ（tu−tL）／sin2θ（tL−τ0）（tu−τ0）…
…(3) となる。ここで、tu−tLは伝播時間差であり△ｔ
とおく、また、tL−τ0≫△ｔであるので(3)式は Ｖ＝ｄ／sin2θ（tu−τ0）2△ ……(4) と得られる。このように伝播時間差△ｔを測定す
ることにより、流体流速Ｖを求めることができる
というものである。 従来の超音波流量計は以上のような動作原理に
基づいているので、超音波伝播時間tu、および伝
播時間差△ｔを測定することにより(3)式において
超音波音速Coが入つていないことから、流体温
度変化に対する超音波流量計出力の温度補正はあ
る程度までは可能である。しかし、配管内径ｄ、
超音波入射角θ、さらに超音波送受信子取付部材
を使用することによるτ0の温度依存性が補正され
ていない。この点が高精度の超音波流量計を実現
する際の大きな問題点として残存しており、被測
定流体が広い温度変化範囲を有するプラント等に
超音波流量計を適用する際の困難を生じていた。 この発明は上記のような従来の超音波流量計の
欠点を除去するためになされたもので、被測定流
体の温度信号を必要とせず、超音波流量計単独で
被測定流体の温度変化に対応した出力の温度補正
を可能にし、原子力および各種プラント等運転条
件により広い範囲にわたつて被測定流体温度が変
化するような場合に対しても高精度の超音波流量
計を提供することを目的としている。 上記目的を実現するため、以下、この発明の一
実施例を図について説明する。第２図において、
１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂは超音波送受信子、３
ａ，３ｂ，４ａ，４ｂはそれぞれ上記超音波送受
信子１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂに対応した超音波送
受信子取付部材、５は配管、６は超音波送受信子
１ａ〜２ｂに対し超音波信号の発信、受信を制御
し、かつ被測定流体の流れ方向に対する順方向と
逆方向の超音波伝播時間差、および超音波の発信
から受信までの超音波伝播時間を測定するための
超音波流量計回路部、７は超音波流量計回路部６
よりの超音波伝播時間および伝播時間差情報を用
い超音波流量計出力に対する出力温度補正演算部
である。 第３図は、第２図における出力温度補正演算部
７の機能を示すための詳細構成図であり、８は超
音波伝播時間差信号、９は超音波伝播時間信号、
７１は超音波伝播時間差信号８の信号電圧を増幅
調整する増幅調整器、７２は超音波伝播時間信号
９の信号電圧に対してバイアス電圧をかけるため
のバイアス回路部、７３はバイアス回路部７２に
てバイアス電圧がかけられた信号電圧を平方する
二乗器、７４は増幅調整器７１の出力電圧を二乗
器７３の出力電圧で除するための割算器である。 ここでは本発明の基本原理について記述し、以
つて第２図に示したこの発明の一実施例の構成に
おける出力温度補正演算部７の役割について明ら
かにする。超音波流量計においては超音波伝播時
間および伝播時間差を測定することにより被測定
流体中の超音波音速を消去した形で(4)式により流
体流速が求められる事は先きに説明した。また、
同様に被測定流体中での超音波音速の寄与を含め
た形での流体流速と流れ方向に対する順方向、逆
方向での超音波伝播時間差との関係は次式で与え
られている。 Ｖ＝tanθ・Co2／2d△ｔ ……(5) いわば(5)式は被測定流体の流れ方向の順方向と
逆方向での超音波伝播時間差が流体流速に比例し
たものであることを示すもので超音波流量計の測
定原理式であり、一方(4)式又は(5)式中より被測定
流体中の超音波音速を消去し、超音波伝播時間を
測定することにより被測定流体温度変化に対応し
た流体流速を求めようとする実際の測定式であ
る。 しかし、(4)式によつて測定しても超音波流量計
出力の被測定流体の温度変化に対する出力温度補
正は充分でないことは前述した通りである。本発
明においては(4)式、(5)式とを流体流速Ｖに対して
等置し、 tanθ・Co2／2d△ｔ＝ｄ／sin2θ・（tu−τ0）2△ｔ とし、さらに超音波伝播時間差△ｔを消去し、超
音波流量計において被測定流体の温度変化に依存
する成分を抽出し、上式を整理して次式を得る。 (6)式において測定対象である超音波伝播時間tu
に対する
において被測定流体の温度変化に対する出力補正
機能を有した超音波流量計に関するものである。 超音波流量計は流体の流れ方向に対して順方向
および逆方向でそれぞれ超音波を送受波し、それ
ぞれの超音波の伝播時間の差から流体流速を求め
ようとするものである。第１図に従来の超音波流
量計の機能を説明するためのブロツク図を示す。
図において、１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂはそれぞれ
超音波送受信子、３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂはそれ
ぞれ超音波送受信子取付部材、５は配管であり、
超音波送受信子１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂは超音波
取付部材３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂを介して配管５
に取付固定されている。 超音波流量計は超音波が流体中を伝播する際、
流れ方向に対して順方向の超音波伝播時間と流れ
方向に対して逆方向の超音波伝播時間との間に伝
播時間差が生じ、その伝播時間差が流体流速に比
例することを利用したものである。このことにつ
いて第１図を用いて説明する。 第１図に示すように、配管内径ｄ、流体流速
Ｖ、超音波送受信子取付部材３ａ，３ｂ，４ａ，
４b1体あたりの超音波伝播時間τ0／２、配管壁と
流体の境界で超音波入射角θ、超音波の流体中の
音速をCoとする。 流体の順方向に向つて送信される超音波の流体
中の音速は流体流速に比して充分大きいので、入
射角は変化せず超音波の音速成分のみが変化し、
Co＋Vcosθとなる。また、超音波の伝播距離は
ｄ／sinθであるので、流体中を伝播する超音波の
伝播時間はｄ／（Co＋Vcosθ）sinθとなる。従つ
て、順方向に伝播する超音波が第１図における超
音波送受信子１ａより超音波送受信子２ｂに到達
する伝播時間tLは tL＝ｄ／（Co＋Vcosθ）sinθ＋τ0 ……(1) となる。 同様に流れ方向に対して逆方向に伝播する超音
波が超音波送受信子１ｂから超音波送受信子２ａ
に到達する伝播時間tuは tu＝ｄ／（Co−Vcosθ）sinθ＋τ0 ……(2) となる。(1)。(2)式から流体流速Ｖを求めると、 Ｖ＝ｄ（tu−tL）／sin2θ（tL−τ0）（tu−τ0）…
…(3) となる。ここで、tu−tLは伝播時間差であり△ｔ
とおく、また、tL−τ0≫△ｔであるので(3)式は Ｖ＝ｄ／sin2θ（tu−τ0）2△ ……(4) と得られる。このように伝播時間差△ｔを測定す
ることにより、流体流速Ｖを求めることができる
というものである。 従来の超音波流量計は以上のような動作原理に
基づいているので、超音波伝播時間tu、および伝
播時間差△ｔを測定することにより(3)式において
超音波音速Coが入つていないことから、流体温
度変化に対する超音波流量計出力の温度補正はあ
る程度までは可能である。しかし、配管内径ｄ、
超音波入射角θ、さらに超音波送受信子取付部材
を使用することによるτ0の温度依存性が補正され
ていない。この点が高精度の超音波流量計を実現
する際の大きな問題点として残存しており、被測
定流体が広い温度変化範囲を有するプラント等に
超音波流量計を適用する際の困難を生じていた。 この発明は上記のような従来の超音波流量計の
欠点を除去するためになされたもので、被測定流
体の温度信号を必要とせず、超音波流量計単独で
被測定流体の温度変化に対応した出力の温度補正
を可能にし、原子力および各種プラント等運転条
件により広い範囲にわたつて被測定流体温度が変
化するような場合に対しても高精度の超音波流量
計を提供することを目的としている。 上記目的を実現するため、以下、この発明の一
実施例を図について説明する。第２図において、
１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂは超音波送受信子、３
ａ，３ｂ，４ａ，４ｂはそれぞれ上記超音波送受
信子１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂに対応した超音波送
受信子取付部材、５は配管、６は超音波送受信子
１ａ〜２ｂに対し超音波信号の発信、受信を制御
し、かつ被測定流体の流れ方向に対する順方向と
逆方向の超音波伝播時間差、および超音波の発信
から受信までの超音波伝播時間を測定するための
超音波流量計回路部、７は超音波流量計回路部６
よりの超音波伝播時間および伝播時間差情報を用
い超音波流量計出力に対する出力温度補正演算部
である。 第３図は、第２図における出力温度補正演算部
７の機能を示すための詳細構成図であり、８は超
音波伝播時間差信号、９は超音波伝播時間信号、
７１は超音波伝播時間差信号８の信号電圧を増幅
調整する増幅調整器、７２は超音波伝播時間信号
９の信号電圧に対してバイアス電圧をかけるため
のバイアス回路部、７３はバイアス回路部７２に
てバイアス電圧がかけられた信号電圧を平方する
二乗器、７４は増幅調整器７１の出力電圧を二乗
器７３の出力電圧で除するための割算器である。 ここでは本発明の基本原理について記述し、以
つて第２図に示したこの発明の一実施例の構成に
おける出力温度補正演算部７の役割について明ら
かにする。超音波流量計においては超音波伝播時
間および伝播時間差を測定することにより被測定
流体中の超音波音速を消去した形で(4)式により流
体流速が求められる事は先きに説明した。また、
同様に被測定流体中での超音波音速の寄与を含め
た形での流体流速と流れ方向に対する順方向、逆
方向での超音波伝播時間差との関係は次式で与え
られている。 Ｖ＝tanθ・Co2／2d△ｔ ……(5) いわば(5)式は被測定流体の流れ方向の順方向と
逆方向での超音波伝播時間差が流体流速に比例し
たものであることを示すもので超音波流量計の測
定原理式であり、一方(4)式又は(5)式中より被測定
流体中の超音波音速を消去し、超音波伝播時間を
測定することにより被測定流体温度変化に対応し
た流体流速を求めようとする実際の測定式であ
る。 しかし、(4)式によつて測定しても超音波流量計
出力の被測定流体の温度変化に対する出力温度補
正は充分でないことは前述した通りである。本発
明においては(4)式、(5)式とを流体流速Ｖに対して
等置し、 tanθ・Co2／2d△ｔ＝ｄ／sin2θ・（tu−τ0）2△ｔ とし、さらに超音波伝播時間差△ｔを消去し、超
音波流量計において被測定流体の温度変化に依存
する成分を抽出し、上式を整理して次式を得る。 (6)式において測定対象である超音波伝播時間tu
に対する
【式】の関係を被測定流体の
温度変化に対してあらかじめ求める。被測定流
体、超音波送受信子取付部材、配管の材料、幾可
形状、温度変化範囲は超音波流量計を設置する対
象プラントが決定すれば、あらかじめ知れるの
で、超音波流量計を実地にプラントに設置測定し
なくても前もつて計算等によりtuと
体、超音波送受信子取付部材、配管の材料、幾可
形状、温度変化範囲は超音波流量計を設置する対
象プラントが決定すれば、あらかじめ知れるの
で、超音波流量計を実地にプラントに設置測定し
なくても前もつて計算等によりtuと
【式】との関係は求められる。こうし
て求められた両者の関係から次式を満足する定数
Ａ，Ｂを決定する。 すなわち、tuと
Ａ，Ｂを決定する。 すなわち、tuと
【式】との関係はお
おむね許容誤差範囲内で、直線となり、この直線
の勾配および切片とから得られる。こうして得ら
れた定数Ａ，Ｂを用いると、流体流速は結果的に
次式で求められることになり、 Ｖ＝Ａ／（tu−Ｂ）2△ｔ ……(8) (8)式におけるＡ，Ｂを用いることにより被測定
流体の温度変化に対応した高精度の出力温度補正
が実現されることになる。(8)式の具体的な実施構
成が第２図に示した出力温度補正演算部７であ
り、出力温度補正演算部７における詳細構成を示
したのが第３図である。第３図において、超音波
伝播時間差信号８に対して、(8)式での定数Ａによ
つて決定される増幅度を増幅調整器７１において
調整すとは明らかである。また、第２図における
超音波送受信子取付部材３ａ〜４ｂを配管５壁部
を貫通させ超音波入射角θの影響を消去した方式
の超音波流量計に対しても本発明の方法により上
記実施例と同等の効果を奏する。さらに、上記実
施例では第３図における増幅器調整器７１を割算
器７４の前段に設けたものを示したが、割算器７
４の後段に設けてもよい。 以上のように、この発明によれば超音波流量計
出力に対する被測定流体の温度変化が相当大きい
場合をも含めた温度補正を非常に簡易な機能で高
精度に実現し得るので、原子力および各種プラン
ト等、プラント運転条件により広い範囲にわたつ
て被測定流体温度が変化するような場合に対して
も高精度の超音波流量計を提供し得るものであ
る。
の勾配および切片とから得られる。こうして得ら
れた定数Ａ，Ｂを用いると、流体流速は結果的に
次式で求められることになり、 Ｖ＝Ａ／（tu−Ｂ）2△ｔ ……(8) (8)式におけるＡ，Ｂを用いることにより被測定
流体の温度変化に対応した高精度の出力温度補正
が実現されることになる。(8)式の具体的な実施構
成が第２図に示した出力温度補正演算部７であ
り、出力温度補正演算部７における詳細構成を示
したのが第３図である。第３図において、超音波
伝播時間差信号８に対して、(8)式での定数Ａによ
つて決定される増幅度を増幅調整器７１において
調整すとは明らかである。また、第２図における
超音波送受信子取付部材３ａ〜４ｂを配管５壁部
を貫通させ超音波入射角θの影響を消去した方式
の超音波流量計に対しても本発明の方法により上
記実施例と同等の効果を奏する。さらに、上記実
施例では第３図における増幅器調整器７１を割算
器７４の前段に設けたものを示したが、割算器７
４の後段に設けてもよい。 以上のように、この発明によれば超音波流量計
出力に対する被測定流体の温度変化が相当大きい
場合をも含めた温度補正を非常に簡易な機能で高
精度に実現し得るので、原子力および各種プラン
ト等、プラント運転条件により広い範囲にわたつ
て被測定流体温度が変化するような場合に対して
も高精度の超音波流量計を提供し得るものであ
る。
第１図は従来の超音波流量計の動作原理および
測定原理を示す機能ブロツク図、第２図はこの発
明の一実施例による超音波流量計を示す機能ブロ
ツク図、第３図は第２図の機能ブロツク図におけ
る一機能をより詳細に示す詳細機能ブロツク図で
ある。 １ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ……超音波送受信子、
３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ……超音波送受信子取付
部材、５……配管、６……超音波流量計回路部、
７……出力温度補正演算部、８……超音波伝播時
間差信号、９……超音波伝播時間信号、７１……
増幅調整器、７２……バイアス回路部、７３……
二乗器、７４……割算器。なお、図中、同一符号
は同一、又は相当部分を示す。
測定原理を示す機能ブロツク図、第２図はこの発
明の一実施例による超音波流量計を示す機能ブロ
ツク図、第３図は第２図の機能ブロツク図におけ
る一機能をより詳細に示す詳細機能ブロツク図で
ある。 １ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ……超音波送受信子、
３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ……超音波送受信子取付
部材、５……配管、６……超音波流量計回路部、
７……出力温度補正演算部、８……超音波伝播時
間差信号、９……超音波伝播時間信号、７１……
増幅調整器、７２……バイアス回路部、７３……
二乗器、７４……割算器。なお、図中、同一符号
は同一、又は相当部分を示す。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 流体内における超音波の伝播時間および伝播
時間差を測定し、上記流体の流速・流量を求める
超音波流量計において、伝播時間信号から一定値
を差し引き、あるいは加えるバイアス回路部、バ
イアス回路部出力を二乗するための二乗器、伝播
時間差信号を二乗器出力で割算するための割算器
を備えた超音波流量計。 ２ 伝播時間信号から一定値を差し引き、あるい
は加える一定バイアス値を次式によるＢより求め
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
超音波流量計。 ｄ；被測定流体配管内径 θ；配管内超音波伝播入射角 Co；被測定流体中超音波音速 tu；超音波送信子→超音波受信子全伝播時間 Ａ，Ｂ；出力温度補正係数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57003652A JPS58120120A (ja) | 1982-01-13 | 1982-01-13 | 超音波流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57003652A JPS58120120A (ja) | 1982-01-13 | 1982-01-13 | 超音波流量計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58120120A JPS58120120A (ja) | 1983-07-16 |
| JPH0259404B2 true JPH0259404B2 (ja) | 1990-12-12 |
Family
ID=11563399
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57003652A Granted JPS58120120A (ja) | 1982-01-13 | 1982-01-13 | 超音波流量計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58120120A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04106701U (ja) * | 1990-10-12 | 1992-09-14 | 関本 徹 | 磁石付スケ−ル |
| JPH0536302U (ja) * | 1991-10-21 | 1993-05-18 | 武夫 伊藤 | 巻 尺 |
-
1982
- 1982-01-13 JP JP57003652A patent/JPS58120120A/ja active Granted
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04106701U (ja) * | 1990-10-12 | 1992-09-14 | 関本 徹 | 磁石付スケ−ル |
| JPH0536302U (ja) * | 1991-10-21 | 1993-05-18 | 武夫 伊藤 | 巻 尺 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58120120A (ja) | 1983-07-16 |
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