JPH052249B2

JPH052249B2 -

Info

Publication number: JPH052249B2
Application number: JP62066818A
Authority: JP
Inventors: Noritoshi Nakabachi; Ryohei Mogi; Shinichi Takeuchi; Toshio Sato
Original assignee: Tokyo Keiki Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1987-03-20
Filing date: 1987-03-20
Publication date: 1993-01-12
Also published as: JPS63233333A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、音速測定方法に係り、とくに、配管
内の液体の音速測定方法に関する。

〔従来の技術〕

一般に、液体上の音速は、サンプルの液体を取
り出して所定の器に入れ、超音波の往復伝播時間
又は一方から他方へ至る超音波の伝播時間を測定
することにより、極く容易に測定される。

このため、現存する大部分の液体については音
速が物理定数として測定され判明している。ま
た、液体の音速は温度依存性が大きいことも一般
に知られている。

一方、配管内を流動する液体の流速及び流量の
測定に際しては、被測定流動体の音速が明らかに
されていないと当該流速及び流量の測定を行うこ
とができない。

このため、配管内の水の流速および流量の測定
に際しては、予め配管の近傍で水の温度を測定
し、その測定温度から配管内を流動する水の温度
を特定するとともに音速を一応特定し、その後外
部から配管内の水の流速及び流量を測定するとい
う手法が採られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、配管の当該箇所に温度計が装備
されているとは限らない。このため配管内の液体
のサンプルを採取できない箇所では、当該液体の
音速が不明であることから配管内における液体の
流速及び流量等を正確に測定することができない
という不都合があつた。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善
し、配管内を流動する液体の音速を当該液体に当
接することなくリアルタイムで正確に測定するこ
とのできる音速測定方法を提供することを、その
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明では、超音波を斜入射可能に形
成されたクサビ部材を有する一方と他方の超音波
送受波器を、超音波の伝播線上に沿つて配管の上
流側と下流側の外壁部分にそれぞれ送受信方向を
向かい合わせて固定装備し、一方又は他方の超音
波送受波器のクサビ部材内を伝播する超音波の音
速に基づいてこれに当接する管壁部分の超音波の
位相速度V_pを算定すると共に、この管壁部分を
介して一方の超音波送受波器から他方の超音波送
受波器に伝播する超音波の伝播時間に基づいて当
該管壁部分の超音波の群速度V_gを算定する。そ
して、これら管壁部分の超音波の位相速度V_pお
よび群速度V_gの算定に相前後して、配管の上流
側から下流側へ、および下流側から上流側へ各々
発信される超音波がそれぞれ管壁部分もしくは配
管内流動体を伝播して受信されるまでの時間と、
それより当該流動体内をＮ行程（Ｎ＝２，４，
６，……）多く伝播して受信されるまでの時間と
の差Δt_d，Δt_uとをそれぞれ測定し、これらの測定値Δt_d，Δt_uおよび算定された位
相速度V_p、群速度V_gに基づいて予め特定された
所定の関数、即ち、 ₁（V_p，V_g，Δt_d，Δt_u，Ｃ）＝（１＋αV_g ²）C⁴−（2V_pV_g＋ αV_p ²V_g ²）C²＋V_p ²V_g ²＝０ α＝（Δt_u＋Δt_d）²／4M²D² もしくはこれと同等の関数を演算することにより
配管内流動体の音速Ｃを特定する、という構成を
採つている。これによつて前述した目的を達成し
ようとするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に従つて説明す
る。

第１図において、符号１は配管３の上流側に装
備された一方の超音波送受波器を示し、符号２は
同じく配管３の下流側に装備された他方の超音波
送受波器を示す。この内、一方の超音波送受波器
１は、図に示すように超音波を配管３へ斜入射せ
しめるためのクサビ部材１Ａと振動子１Ｂとを備
えている。また、他方の超音波送受波器２も同一
に形成されたクサビ部材２Ａと振動子２Ｂとを備
えている。

これらの各超音波送受波器１，２の各々は、送
受信切換部１０を介して発信回路部１１及び受信
回路部１２に各別に接続されている。この第１図
においては、配管３内の液体は図の左方から右方
へ流動する場合が示されている。

超音波送受波器１，２の各々においては、配管
３内の流速に応じて第２図に示す如き繰り返し信
号が受信される。

この第２図において、同図１のＮ＝０の波は、
第１図に示す経路l₁，l₂，l₇，l₅及びl₆の順に伝播
し、流動体中を通過することなく他方の超音波送
受波器２に到達する受信波を示す。一方、同図２
のＮ＝０の波は、超音波送受波器２から発射され
た超音波が第１図に示す経路l₆，l₅，l₇，l₂及びl₁
の順に伝播し、流動体中を通過することなく一方
の超音波送受波器１に到達する受信波、すなわち
同じ通過領域を逆方向に伝播する超音波信号波を
示す。

また、第２図１のＮ＝２の波は、超音波が第１
図における配管３の上側の管壁部分から一度流動
体４内に漏洩し、流動体４中を伝播して配管部３
における下側の管壁部分に入射し、同管壁部分を
伝播しながら再度流動体４内へ漏洩伝播して配管
部３の上側の管壁部分に入射し、続いて上側の管
壁部分を伝播して超音波送受波器２に到達する波
を示す。すなわち、Ｎ＝２の波は流動体中の伝播
行程が２行程となる受信波を示す。一方、同図２
におけるＮ＝２の波は、流動体中を第１図１にお
けるＮ＝２の波の逆方向を伝播する伝播行程が２
行程の受信波を示す。

同様に、Ｎ＝４の波は、流動体中の経路が４行
程となる受信波を示す。

この内、上流側の超音波送受波器１から下流側
に向けて超音波を発射した場合に下流側の超音波
送受波器２に受信される各受信波の伝播時間t_d
（ｄ＝１，２，４，……）は、第１図においては
次式で表わされる。

t_d＝〔（Ｌ−ND・tanθ）／V_g〕＋〔（ND／cosθ）／（Ｃ＋Ｖ・sinθ）〕＋τ₁＋τ₂ …… θ＝sin^-1（Ｃ／V_P） …… 但し、Ｌ：超音波送受波器相互間の間隔Ｎ：流動体中の伝播行程数（往復の場合は
Ｎ＝２となる） V_g：配管部を伝播する超音波の群速度 V_p：配管部を伝播する超音波の位相速度 θ：第１図に示す超音波の漏洩伝播角 τ₁，τ₂：超音波が超音波送受波器内を通過
するのに要する時間一方、下流側の超音波送受波器２から上流側に
向けて超音波が発射された場合に上流側の超音波
送受波器１に受信される受信波の全伝播時間t_u
（ｕ＝１，３，５，……）は、式と同様に次
式で表わされる。

t_u＝〔（Ｌ−ND・tanθ）／V_g〕＋（〔ND／cosθ）／（Ｃ−Ｖ・sinθ）〕＋τ₁＋τ₂ …… 但し、Ｌ，Ｎ，V_g，V_P，θ及びτ₁，τ₂は、式
の場合と同じ。

これらの受信波は、Ｎ＝０，Ｎ＝２，Ｎ＝４の
順で受信回路部１２及び信号選択手段１３Ａを介
して計時手段１３でそれぞれ計時されたのち、そ
の伝播時間に係る情報が第１のメモリ１４へ送ら
れるようになつている。

次に、流動体中経路の行程がＭ行程異なる２つ
の受信波の伝播時間差Δt_d，Δt_uは、 Δt_d＝（−MD・tanθ／V_g）＋〔（MD／cosθ）／（Ｃ＋Ｖ・sinθ）〕 …… Δt_u＝（−MD・tanθ／V_g）＋〔（MD／cosθ）／（Ｃ−Ｖ・sinθ）〕 …… ここで、Ｍ＝２の場合、第２図との関係では、 Δt_d＝2t_d＝t₂−t₁＝t₄−t₂ Δt_u＝2t_u＝t₃−t₁＝t₅−t₃ となる。

この式の演算は時間差算定手段１５で行わ
れ、その結果が第２のメモリ１６に記憶されるよ
うになつている。この式より、流動体の音速
Ｃは、次式の根として算出し得る。

₁（V_p，V_g，Δt_u，Δt_d，Ｃ）＝（１＋αV_g ²）C⁴−（2V_pV_g＋ αV_p ²V_g ²）C²＋V_p ²V_g ²＝０ …… α＝（Δt_u＋Δt_d）²／4M²D² かかる式の演算は、第１演算部１７で行われ、
その結果が第２のメモリ１６へ送られ、同時に表
示手段１８で表示されるようになつている。

この第２のメモリ１６は、音速Ｃのデータを入
力すると直ちに他の記憶されている全データ、即
ち配管３の超音波の位相速度V_p及び群速度V_gと、
伝播時間差に係る２つのデータΔt_dおよびΔt_uと
ともに、音速Ｃのデータを再び第２演算部１７へ
送り込むようになつている。この場合、第２演算
部１７では、下式の演算が行われる。

Ｖ＝₂（V_p，V_g，Δt_u，Δt_d，Ｃ）＝〔V_p−（C²／V_g）〕・（Δt_u−Δt_d）／（Δt_u＋Δt_d）……′ これによつて、当該配管３内の流動体４の流速
が直ちに算定され、その結果が表示手段１８へ送
られる。表示手段１８では、この流速データとと
もに当該流速データに基づいてこれを流量に変換
表示するようになつている。

すなわち、超音波送受波器１および２で受信さ
れるＮ＝０，２又はＮ＝２，４の各受信波の到達
時間を計時しその差（例えばＮ＝０とＮ＝２の時
間差）を求めることにより、配管３の管壁部の位
相速度V_pと群速度V_gとが判明していると、配管
部３内の流動体４の音速Ｃを、更には流速および
流量をリアルタイムで直ちに且つ高精度に算定表
示することができる。

ここで、配管３の管壁部を伝播する超音波の位
相速度V_pと群速度V_gを求める場合の動作原理に
ついて説明する。

まず、第３図に、超音波送受波器１のクサビ部
材１Ａと超音波振動子１Ｂとを示す。このクサビ
部材１Ａは、断面が台形状をなし、その一方の斜
面１ａに超音波振動子１Ｂが固着されている。ま
た、他方の斜面１Ｃは、超音波振動子１Ｂから発
信された超音波が入射面１ｂで反射してクサビ部
材１Ａ内を伝播する場合の当該伝播経路に直交す
る面を構成するようになつている。このため、ク
サビ部材１Ａ内を伝播する内部反射波は、超音波
振動子１Ｂに戻るようになつている。l₁，l₁′は、
その場合の伝播経路及び距離を示す。

従つて、この時のクサビ部材１Ａ内の超音波の
伝播時間T₀を測定することにより、クサビ部材
１Ａ内の音速C_pは次式によつて算出し得る。

C_p＝２（l₁＋l₁′）／T₀ …… また、クサビ部材１Ａの音速C_pと配管部３を
伝播する超音波の位相速度V_pとの間には、次式
の関係がある。

V_p＝C_p／sinθ_i …… 但し、θ_i：入射角（第３図参照）さらに、第１図に示す如く、２つの超音波送受
波器１，２の超音波入射点相互間の距離をＬと
し、超音波振動子１Ｂから発信された超音波が配
管３の管壁を伝播して超音波振動子２Ｂに到達す
る場合の伝播時間をＴとすると、配管３の管壁部
を伝搬する超音波の群速度V_gは、次式で表わさ
れる。

V_g＝Ｌ／〔Ｔ−T₀（l₁／（l₁＋l₁′））〕 …… となる。ここで、Ｌ，l₁，l₁′は幾何学的に求まる
数値であることから、結局、式における伝播時
間ＴおよびT₀を計時し当該式を演算すること
により、必要とする配管３の管壁部の群速度を極
く容易に算定することができる。この群速度及び
位相速度の演算は、信号処理部２０の第１演算部
１３Ｂでとり行われる。

受信回路部１２で受信される信号は、信号選択
手段１３Ａを介して計時手段１３へ送られ、ここ
で伝播時間の計時が行われたのち信号処理部２０
にて所定の信号処理がなされる。この信号処理部
２０は、第１のメモリ１４と、時間差算定手段１
５と、第２のメモリ１６と、音速及び流速を演算
する第２演算部１７とを有し、更に計時手段１３
と第２のメモリ１６との間に第１演算部１３Ｂを
備えた構成となつている。この信号処理部２０で
は、配管３の管壁部の位相速度V_p、群速度V_g、
配管３内の流動体の音速Ｃおよび当該流動体の流
速Ｖ等が後述するように演算される。この信号処
理部２０における演算結果は、表示手段１８で表
示されるようになつている。

この信号処理部２０及び前述した計時手段１３
等の各信号処理系は、それぞれ主制御部３０によ
つて駆動制御されるようになつている。

この主制御部３０は、回路全体の動作のタイミ
ングを一致させるための全体的な駆動制御信号を
出力するほか、信号処理部２０および各回路構成
の全体を使用超音波の位相速度算定モードに切り
換え設定する第１の制御機能と、信号処理部２０
および各回路構成の全体を前記使用超音波の群速
度算定モードに切り換え設定する第２の制御機能
と、算定された使用超音波の位相速度、群速度お
よび計時手段からの出力データ等に基づいた被測
定媒体の音速の演算を意図して信号処理部２０お
よび各回路構成の全体を音速算定モードに切り換
え設定する第３の制御機能とを備えている。主制
御部３０のこれらの制御機能は、本実施例では測
定条件設定部３０Ａを用いてオペレータにより外
部指令によつて切換えられるようになつている。

次に、上記実施例の全体的な動作について説明
する。

まず最初に、配管３の外面で当該配管の中心線
に沿つて配管３の上流側と下流側にそれぞれ超音
波送受波器１，２を固定装備する。次に、主制御
部３０の第１の制御機能を稼働させ、回路全体を
配管３の管壁部分における位相速度V_pの測定状
態（位相速度測定モード）に設定する。回路全体
がこの位相速度測定モードに設定されると、他方
の超音波送受波器２が送受信切換部１０から電気
的に切離され、これによつて一方の超音波送受波
器１のみが送信動作と受信動作とを行うように設
定される（なお、一方の超音波送受波器１の代り
に他方の超音波送受波器２を使用してもよい）。
第４図はこの場合の送受信信号の伝送状態を示す
もので、発信回路部１１から送信された送信信号
TR₁は、超音波送受波器１及び受信回路部１２へ
同時に送られ、また超音波送受波器１からの内部
反射波RE₁も受信回路部１２へ送られる。この各
信号TR₁，RE₁は、信号選択手段１３Ａを通過し
て計時手段１３へ送られ、ここでその時間差T₀
が計時され、その時間データが第１演算部１３Ｂ
へ送られる。第１演算部１３Ｂでは、測定時間
T₀に基づいて式及び式の演算が行われ、そ
の結果が第２のメモリ１６に記憶されるとともに
表示手段１８に表示されるようになつている。

次にオペレータによつて主制御部３０の第２の
制御機能が稼働されると、回路全体が配管３の群
速度測定モードに設定される。

この場合、一方の超音波送受波器１が送信動作
をなし他方の超音波送受波器２が受信動作をな
す。すなわち、送信信号TR₁と受信信号RE₂とは
第５図の如く伝送される。この各信号TR₁，RE₂
は、信号選択手段１３Ａを通過して計時手段１３
へ送られ、ここでTR₁とRE₁の波の時間差が計時
され、その時間データが第１演算部１３Ｂへ送ら
れる。第１演算部１３Ｂでは、測定時間T₀に基
づいて式の演算が行われ、その結果求まる群速
度V_gが、位相速度V_pの時と同時に第２のメモリ
１６に記憶され、同様に表示手段１８に表示され
るようになつている。

続いて、オペレータによる入力指令によつて主
制御部３０の第３の制御機能が稼働されると、回
路全体が配管部３の内部を流動する液体の音速測
定モードに設定される。この内部流動体の音速測
定モードにおいては、前述した式及び式の
t_d，t_uが第２図のt₁，t₂，t₃，……の時間経過とと
もに具体的に測定される。第６図１の場合は、t_d
が測定される。具体的には、例えばTR₁を基準と
してＮ＝０，Ｎ＝２，Ｎ＝４の場合の各受信信号
RE₂の受信時間t₁，t₂，t₄が測定され、受信回路
部１２で増幅された後、信号選択手段１３Ａへ送
られる。この信号選択手段１３Ａでは、入力信号
の内、主制御部３０の指令に基づいて例えばＮ＝
０とＮ＝２の受信信号を選択して計時手段１３へ
送り出すようになつている。計時手段１３では、
二つの入力信号の時間t₁，t₂を計時してその時間
データを時間差算定手段１５へ出力する。この時
間差算定手段１５では直ちにt₁とt₂の時間差Δt_d
を算定し第２のメモリ１６へ記憶させるようにな
つている。

このΔt_d（式）の算定及び記憶動作が完了す
ると、送受信切換部１０は直ちに第６図２に示す
如く他方の超音波送受波器２を送波器とし一方の
超音波送受波器１を受波器に設定して前述した
Δt_dの場合と同様の測定を行い、２つの受信波の
伝播時間（例えばt₁とt₃）の差Δt_uを求め、同様
にしてこれを第２のメモリ１６へ記憶させる。

第２のメモリ１６では、このΔt_d及びΔt_uが入
力されると、これらとともに予め記憶されている
配管３の超音波の位相速度V_p及び群速度V_gに係
るデータを第２演算部１７へ出力する。この第２
演算部１７では、これらの入力データに基づいて
式を演算し、その結果得られる配管３内の流動
体の音速Ｃをリアルタイムで表示手段１８へ出力
するとともに、前述した如く直ちに式′の演算
を行つて流速を算定した後、その流速データを表
示手段１８へ出力するようになつている。

なお、上記実施例においては、Δt_d及びΔt_uの
算出に際し第２図の受信波の内、Ｎ＝０とＮ＝２
を採用した場合を例示したが、Ｎ＝２とＮ＝４の
場合であつても全く同等である。また、上記実施
例においては、とくに配管部３の超音波の位相速
度V_pと群速度V_gとをΔt_d及びΔt_uに先だつて求め
る場合を例示したが、これらは逆の順序であつて
もよい。また、上記実施例では、オペレータの入
力指令によつて主制御部３０の第１，第２及び第
３の制御機能が稼働する場合を例示したが、これ
らの制御機能は、逐次、自動的に稼働するもので
あつてもよい。さらに、本発明は、配管３内の液
体の音速測定が高精度に可能であることから、例
えば水のように液体の温度と音速との関係が詳細
に知られている場合には、これに対応する液体の
温度変化も高精度に測定するものについても応用
することができる。

次に他の実施例を第７図ないし第８図に基づい
て説明する。

この第７図の実施例は、図示の如く他方の超音
波送受波器２を配管３の反射側（超音波送受波器
１に対して）に装着したものである。第８図は、
この場合に得られる受信波を示す。

このようにしても、前述した群速度V_gを第１
図の手法によつて予め測定しておくことにより、
前述した第１図の場合と全く同様の作用効果を得
ることができる。

〔発明の効果〕

本発明は以上のように構成され機能するので、
これによると、配管内の流動体等の液体の音速を
当該液体に当接することなく又温度補正を行うこ
となくリアルタイムで高精度に測定することがで
きるという従来に全く存在しない優れた音速測定
方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、
第２図１，２，３は第１図の音速測定モード時に
受信される受信信号等を示す説明図、第３図は第
１図の超音波送受波器の詳細説明図、第４図ない
し第６図１，２は各々第１図の動作説明図、第７
図ないし第８図は各々他の実施例を示す説明図で
ある。１，２…超音波送受波器、３…配管部、４…配
管内の流動体。

Claims

【特許請求の範囲】１超音波を斜入射可能に形成されたクサビ部材
を有する一方と他方の超音波送受波器を、超音波
の伝播線上に沿つて配管の上流側と下流側の外壁
部分にそれぞれ送受信方向を向かい合わせて固定
装備し、前記一方又は他方の超音波送受波器のクサビ部
材内を伝播する超音波の音速に基づいてこれに当
接する前記管壁部分の超音波の位相速度V_pを算
定すると共に、この管壁部分を介して前記一方の
超音波送受波器から他方の超音波送受波器に伝播
する超音波の伝播時間に基づいて当該管壁部分の
超音波の群速度V_gを算定し、これら管壁部分の超音波の位相速度V_pおよび
群速度V_gの算定に相前後して、前記配管の上流
側から下流側へ、および下流側から上流側へ各々
発信される超音波がそれぞれ管壁部分もしくは配
管内流動体を伝播して受信されるまでの時間と、
それより当該流動体内をＮ行程（Ｎ＝２，４，
６，……）多く伝播して受信されるまでの時間と
の差Δt_d，Δt_uとをそれぞれ測定し、これらの測定値Δt_d，Δt_uおよび算定された前
記位相速度V_p、群速度V_gに基づいて予め特定さ
れた所定の関数、即ち、 ₁（V_p，V_g，Δt_d，Δt_u，Ｃ）＝（１＋αV_g ²）C⁴−（2V_pV_g＋ αV_p ²V_g ²）C²＋V_p ²V_g ²＝０ α＝（Δt_u＋Δt_d）²／4M²D² もしくはこれと同等の関数を演算することにより
配管内流動体の音速Ｃを特定することを特徴とし
た音速測定方法。