JPH0572011A - 超音波流量計 - Google Patents
超音波流量計Info
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- JPH0572011A JPH0572011A JP3234958A JP23495891A JPH0572011A JP H0572011 A JPH0572011 A JP H0572011A JP 3234958 A JP3234958 A JP 3234958A JP 23495891 A JP23495891 A JP 23495891A JP H0572011 A JPH0572011 A JP H0572011A
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- ultrasonic
- wave
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- transmitting
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 超音波の受信Ｓ／Ｎを上げ、測定精度を向上
させる。 【構成】 １対の送受波器２ａ，２ｂを配管１の外壁面
に互いに位置をずらして対向配置するとともに、配管外
壁面に金属薄板９ａ，９ｂを密着配置し、超音波を図示
のように配管肉厚部に伝播させてから流体中に伝播させ
ることにより、受信側では音束ｌ１，ｌ２，ｌ３（超音
波発射面の音束の２倍以上）を受信できるようにして受
信波レベルを上げ、これによりＳ／Ｎを向上させる。ま
た、受信可能な音束が拡大するので、液体の温度変化に
よる受信超音波のずれの影響も少なくなる。
させる。 【構成】 １対の送受波器２ａ，２ｂを配管１の外壁面
に互いに位置をずらして対向配置するとともに、配管外
壁面に金属薄板９ａ，９ｂを密着配置し、超音波を図示
のように配管肉厚部に伝播させてから流体中に伝播させ
ることにより、受信側では音束ｌ１，ｌ２，ｌ３（超音
波発射面の音束の２倍以上）を受信できるようにして受
信波レベルを上げ、これによりＳ／Ｎを向上させる。ま
た、受信可能な音束が拡大するので、液体の温度変化に
よる受信超音波のずれの影響も少なくなる。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、配管外壁から流体中
に超音波を発射させて配管外壁面で受信し、その伝搬時
間が流体の流速または流量に比例する原理を利用したい
わゆる超音波流量計、特に配管径が比較的小さい（小口
径）ものに使用して好適な超音波流量計に関する。
に超音波を発射させて配管外壁面で受信し、その伝搬時
間が流体の流速または流量に比例する原理を利用したい
わゆる超音波流量計、特に配管径が比較的小さい（小口
径）ものに使用して好適な超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のこの種の超音波流量計の例を図１
２および図１３に示す。まず、図１２に示すものは、流
体中に超音波を発射し配管内壁面で反射した超音波を受
信する超音波送受波器（以下、単に送受波器ともいう）
２ａ，２ｂを、流体を導く配管１の外壁に互いに位置を
ずらし音響カップリング材（図示なし）を介して対向配
置した例である。図１３に示すものは、流体中に超音波
を発射し流体中を伝搬した超音波を配管肉厚部を介して
直接受信する方式で、送受波器を配管の外壁面に互いに
対向させ位置をずらして音響カップリング材（図示な
し）を介して配置した例である。図１４に送受波器の構
成例を示す。同図に示すように、送受波器は超音波透過
材として一般的に用いられているエポキシ系樹脂等のブ
ロック（以下、くさびともいう）５に、ＰＺＴのような
圧電素子である超音波振動子６を接着した構造となって
いる。なお、１は配管、３は流体、４は音響カップリン
グ材、７は超音波を超音波振動子６に導くためのケーブ
ル、８は送受波器外ケースをそれぞれ示している。
２および図１３に示す。まず、図１２に示すものは、流
体中に超音波を発射し配管内壁面で反射した超音波を受
信する超音波送受波器（以下、単に送受波器ともいう）
２ａ，２ｂを、流体を導く配管１の外壁に互いに位置を
ずらし音響カップリング材（図示なし）を介して対向配
置した例である。図１３に示すものは、流体中に超音波
を発射し流体中を伝搬した超音波を配管肉厚部を介して
直接受信する方式で、送受波器を配管の外壁面に互いに
対向させ位置をずらして音響カップリング材（図示な
し）を介して配置した例である。図１４に送受波器の構
成例を示す。同図に示すように、送受波器は超音波透過
材として一般的に用いられているエポキシ系樹脂等のブ
ロック（以下、くさびともいう）５に、ＰＺＴのような
圧電素子である超音波振動子６を接着した構造となって
いる。なお、１は配管、３は流体、４は音響カップリン
グ材、７は超音波を超音波振動子６に導くためのケーブ
ル、８は送受波器外ケースをそれぞれ示している。
【０００３】ここで、送受波器２ａから発射した超音波
が送受波器２ｂに到達するまでの時間をＴ１２とし、逆
に送受波器２ｂから発射した超音波が送受波器２ａに到
達するまでの時間をＴ２１とすると、それぞれの伝搬時
間は次の（１），（２）式で表わされる。 上式からも明らかなように、流速があるとＴ１２，Ｔ２
１に時間差が発生するので、この時間差から流体の流速
または流量を求められることが分かる。なお、上記
（１），（２）式に示す各記号の意味は次のとおりであ
る。 ｔ ：配管，くさびでの伝搬時間 ｄ ：配管の内径 ＣF ：流体の音速 ＶF ：流体の流速
が送受波器２ｂに到達するまでの時間をＴ１２とし、逆
に送受波器２ｂから発射した超音波が送受波器２ａに到
達するまでの時間をＴ２１とすると、それぞれの伝搬時
間は次の（１），（２）式で表わされる。 上式からも明らかなように、流速があるとＴ１２，Ｔ２
１に時間差が発生するので、この時間差から流体の流速
または流量を求められることが分かる。なお、上記
（１），（２）式に示す各記号の意味は次のとおりであ
る。 ｔ ：配管，くさびでの伝搬時間 ｄ ：配管の内径 ＣF ：流体の音速 ＶF ：流体の流速
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１２
および図１３の如く構成される超音波流量計では、配管
内外壁に沿って、または配管肉厚部で多重反射しながら
伝搬する超音波（以下、回り込み波ともいう）が直接波
に対してノイズとして重畳されるため、受信波のＳ／Ｎ
が低下する。また、流体の温度が変化すると流体の音速
も変化することから、流体中からの超音波がずれて受信
されるために超音波が減少し、受信される超音波が減少
して直接波のゲインが低下し、上記と同じく受信波のＳ
／Ｎが低下する。その結果、流体の流速または流量に比
例する直接波の伝搬時間の計測精度が低下し、超音波流
量計の測定精度が悪くなるという問題がある。したがっ
て、この発明の課題は送受波器における受信波のＳ／Ｎ
を高め、流体の温度変化による受信超音波のずれをカバ
ーし、測定精度を向上させることにある。
および図１３の如く構成される超音波流量計では、配管
内外壁に沿って、または配管肉厚部で多重反射しながら
伝搬する超音波（以下、回り込み波ともいう）が直接波
に対してノイズとして重畳されるため、受信波のＳ／Ｎ
が低下する。また、流体の温度が変化すると流体の音速
も変化することから、流体中からの超音波がずれて受信
されるために超音波が減少し、受信される超音波が減少
して直接波のゲインが低下し、上記と同じく受信波のＳ
／Ｎが低下する。その結果、流体の流速または流量に比
例する直接波の伝搬時間の計測精度が低下し、超音波流
量計の測定精度が悪くなるという問題がある。したがっ
て、この発明の課題は送受波器における受信波のＳ／Ｎ
を高め、流体の温度変化による受信超音波のずれをカバ
ーし、測定精度を向上させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め、第１の発明では、超音波の送信，受信が可能な１対
の送受波器を配管の外壁面に互いに位置をずらして対向
配置し、送信側の送受波器から配管外壁面へと超音波を
発射し、この発射面を覆う音束の少なくとも２倍を前記
配管肉厚部に伝搬させてから流体中に伝搬させ、これを
対向する受信側の送受波器で受信することを特徴として
いる。また、第２の発明は、第１の発明において、前記
発射面を覆う音束の少なくとも２倍を前記配管肉厚部に
伝搬させるために、発信側，受信側の各送受波器と対向
する配管外壁面にそれぞれ所定長さの金属薄板を密着し
て取り付けたことを特徴としている。
め、第１の発明では、超音波の送信，受信が可能な１対
の送受波器を配管の外壁面に互いに位置をずらして対向
配置し、送信側の送受波器から配管外壁面へと超音波を
発射し、この発射面を覆う音束の少なくとも２倍を前記
配管肉厚部に伝搬させてから流体中に伝搬させ、これを
対向する受信側の送受波器で受信することを特徴として
いる。また、第２の発明は、第１の発明において、前記
発射面を覆う音束の少なくとも２倍を前記配管肉厚部に
伝搬させるために、発信側，受信側の各送受波器と対向
する配管外壁面にそれぞれ所定長さの金属薄板を密着し
て取り付けたことを特徴としている。
【０００６】第３の発明では、超音波の送信，受信が可
能な１対の送受波器を配管の外壁面に互いに位置をずら
して対向配置し、送信側の送受波器から配管外壁面へと
超音波を発射して流体中を伝播させ、対向する受信側送
受波器にてこれを受信する超音波流量計において、前記
発信側，受信側の各超音波の発信部，受信部の少なくと
も一方にホーンを配置することを特徴としている。第４
の発明では、超音波の送信，受信が可能な１対の送受波
器を配管の外壁面に互いに位置をずらして対向配置し、
送信側の送受波器から配管外壁面へと超音波を発射して
流体中を伝播させ、対向する受信側送受波器にてこれを
受信する超音波流量計において、前記超音波の発信側と
受信側の超音波の発受信の関係が同一の状態を少なくと
も２回繰り返した後、超音波の発受信の関係を変えて超
音波の発信と受信を行なうことにより、流体の温度変化
による超音波のずれを補正可能にしたことを特徴として
いる。
能な１対の送受波器を配管の外壁面に互いに位置をずら
して対向配置し、送信側の送受波器から配管外壁面へと
超音波を発射して流体中を伝播させ、対向する受信側送
受波器にてこれを受信する超音波流量計において、前記
発信側，受信側の各超音波の発信部，受信部の少なくと
も一方にホーンを配置することを特徴としている。第４
の発明では、超音波の送信，受信が可能な１対の送受波
器を配管の外壁面に互いに位置をずらして対向配置し、
送信側の送受波器から配管外壁面へと超音波を発射して
流体中を伝播させ、対向する受信側送受波器にてこれを
受信する超音波流量計において、前記超音波の発信側と
受信側の超音波の発受信の関係が同一の状態を少なくと
も２回繰り返した後、超音波の発受信の関係を変えて超
音波の発信と受信を行なうことにより、流体の温度変化
による超音波のずれを補正可能にしたことを特徴として
いる。
【０００７】
【作用】超音波の送信，受信が可能な１対の送受波器を
配管の外壁面に互いに位置をずらして対向配置するとと
もに、送受波器の振動子の外径の２倍以上の音束となる
よう、例えば配管外壁面に金属薄板を密着させるか、ま
たは超音波をホーンを介して導き配管に対する発信子の
超音波送信面，受信面の少なくとも一方の外径を小さく
ことにより、Ｓ／Ｎを上げ測定精度の向上を図る。ま
た、同一の送受信モードを少なくとも２回繰り返して、
流体の温度変化による受信超音波の伝播時間差を検出し
補正することにより、温度変化による影響を無くすよう
にする。
配管の外壁面に互いに位置をずらして対向配置するとと
もに、送受波器の振動子の外径の２倍以上の音束となる
よう、例えば配管外壁面に金属薄板を密着させるか、ま
たは超音波をホーンを介して導き配管に対する発信子の
超音波送信面，受信面の少なくとも一方の外径を小さく
ことにより、Ｓ／Ｎを上げ測定精度の向上を図る。ま
た、同一の送受信モードを少なくとも２回繰り返して、
流体の温度変化による受信超音波の伝播時間差を検出し
補正することにより、温度変化による影響を無くすよう
にする。
【０００８】
【実施例】図１はこの発明の実施例を示す構成図で、同
図（イ）は流体の流れに沿う断面図、同図（ロ）は流体
の流れと直角方向の断面図を示す。なお、同図におい
て、１は配管、２ａ，２ｂは送受波器、３は流体、４は
音響カップリング材、９ａ，９ｂは金属性の薄板、１０
ａ １０ｂは固定シャフト、１１はＵ字ボルト、１２な
いし１４は固定金具をそれぞれ示す。すなわち、この実
施例は送受波器２ａ，２ｂと対向する配管外壁面に、適
当な材質の長さと厚さをもつ金属薄板９ａ，９ｂを密着
した点が特徴である。こうすることにより、受信波を大
きくして回り込み波の影響を相対的に小さくできるだけ
でなく、超音波の発信部と受信部とを配管の外壁面に互
いに対向させ、かつ位置をずらすことにより、送受波器
の振動子の外径の少なくとも２倍の音束が受信されるよ
うにして受信波レベルを大きくし、受信のＳ／Ｎを高め
るようにしている。さらには、受信可能な音束が拡大す
ることから、流体の温度変化による受信超音波のずれの
影響を少なくすることができる。
図（イ）は流体の流れに沿う断面図、同図（ロ）は流体
の流れと直角方向の断面図を示す。なお、同図におい
て、１は配管、２ａ，２ｂは送受波器、３は流体、４は
音響カップリング材、９ａ，９ｂは金属性の薄板、１０
ａ １０ｂは固定シャフト、１１はＵ字ボルト、１２な
いし１４は固定金具をそれぞれ示す。すなわち、この実
施例は送受波器２ａ，２ｂと対向する配管外壁面に、適
当な材質の長さと厚さをもつ金属薄板９ａ，９ｂを密着
した点が特徴である。こうすることにより、受信波を大
きくして回り込み波の影響を相対的に小さくできるだけ
でなく、超音波の発信部と受信部とを配管の外壁面に互
いに対向させ、かつ位置をずらすことにより、送受波器
の振動子の外径の少なくとも２倍の音束が受信されるよ
うにして受信波レベルを大きくし、受信のＳ／Ｎを高め
るようにしている。さらには、受信可能な音束が拡大す
ることから、流体の温度変化による受信超音波のずれの
影響を少なくすることができる。
【０００９】図２は上述の如き金属薄板を用いない場合
の、直接波と回り込み波との関係を説明するための説明
図である。すなわち、送受波器２ａの超音波振動子６か
ら発射された超音波は、直接波ｌとして流体中を伝播す
る一方、残りは回り込み波として図示されない他方の送
受波器に受信される。ところで、実験により回り込み波
の成分を調べて見ると、回り込み波は配管１の肉厚部で
多重反射しながら伝播する波ｉと、配管１の外壁面１６
に沿って伝播する波ｊと、配管１の内壁面１５に沿って
伝播する波ｋとの混在波であることが判明している。こ
れらの回り込み波のうち、配管内外外壁面に沿って伝播
する波ｊとｋについては、例えば液状の「油」等の超音
波吸収材を配管外壁面に塗布すると減衰することが確か
められているが、所望の計測精度を得るために必要なＳ
／Ｎとなるまでに減衰させることは難しいのが現状であ
る。したがって、ここではかかる回り込み波を減衰させ
るのではなく受信波のレベルを上げることにより、回り
込み波の影響を相対的に少なくしようとするものであ
る。
の、直接波と回り込み波との関係を説明するための説明
図である。すなわち、送受波器２ａの超音波振動子６か
ら発射された超音波は、直接波ｌとして流体中を伝播す
る一方、残りは回り込み波として図示されない他方の送
受波器に受信される。ところで、実験により回り込み波
の成分を調べて見ると、回り込み波は配管１の肉厚部で
多重反射しながら伝播する波ｉと、配管１の外壁面１６
に沿って伝播する波ｊと、配管１の内壁面１５に沿って
伝播する波ｋとの混在波であることが判明している。こ
れらの回り込み波のうち、配管内外外壁面に沿って伝播
する波ｊとｋについては、例えば液状の「油」等の超音
波吸収材を配管外壁面に塗布すると減衰することが確か
められているが、所望の計測精度を得るために必要なＳ
／Ｎとなるまでに減衰させることは難しいのが現状であ
る。したがって、ここではかかる回り込み波を減衰させ
るのではなく受信波のレベルを上げることにより、回り
込み波の影響を相対的に少なくしようとするものであ
る。
【００１０】図３は図１の作用を説明するための説明図
である。すなわち、超音波の発信部と受信部との対向す
る配管外壁面に、図１のように金属薄板９ａ，９ｂを密
着配置し、配管外壁面から発射される超音波を図３のよ
うに配管肉厚部に伝播させてから流体中に伝播させるこ
とにより、受信側では音束ｌ１，ｌ２，ｌ３を受信でき
るので、受信波レベルを従来よりも大きく（この例で
は、従来の３倍）することができ、液体の温度変化によ
る受信超音波のずれの影響も少なくすることができる。
なお、図３（イ）は配管のながれ方向の断面図、同図
（ロ）は配管と直角方向の断面図を示す。また、金属薄
板９ａ，９ｂの厚さを適宜に選定して、例えば図４に示
すように音線ｉ２とｉ３の位相がほぼ同位相となるよう
にすることにより、受信波レベルを上げることができ
る。これらのことから、流体の流速または流量に比例す
る直接波の伝播時間の計測精度を上げることが可能とな
り、液体の温度変化による影響も少なくすることができ
る。
である。すなわち、超音波の発信部と受信部との対向す
る配管外壁面に、図１のように金属薄板９ａ，９ｂを密
着配置し、配管外壁面から発射される超音波を図３のよ
うに配管肉厚部に伝播させてから流体中に伝播させるこ
とにより、受信側では音束ｌ１，ｌ２，ｌ３を受信でき
るので、受信波レベルを従来よりも大きく（この例で
は、従来の３倍）することができ、液体の温度変化によ
る受信超音波のずれの影響も少なくすることができる。
なお、図３（イ）は配管のながれ方向の断面図、同図
（ロ）は配管と直角方向の断面図を示す。また、金属薄
板９ａ，９ｂの厚さを適宜に選定して、例えば図４に示
すように音線ｉ２とｉ３の位相がほぼ同位相となるよう
にすることにより、受信波レベルを上げることができ
る。これらのことから、流体の流速または流量に比例す
る直接波の伝播時間の計測精度を上げることが可能とな
り、液体の温度変化による影響も少なくすることができ
る。
【００１１】図５にこの発明の第２の実施例を示す。こ
れは超音波振動子６にホーン１７を取り付けたもので、
図６にその詳細を示す。すなわち、超音波振動子６にホ
ーン１７を取り付け、これらを取付フランジ１８および
ホーン固定ブロック１９を介して外ケース８に固定する
ことにより、発信子における超音波送信面の半径を小さ
くするものである。なお、図６の１は配管、３は流体、
４は音響カップリング材、５はくさび、７はケーブルを
それぞれ示している。こうすることにより、超音波の音
線ｌが配管の半径方向の法線に近づき、対向する送受波
器から多重反射伝播波が離れることになるので、多重反
射伝播波の影響を少なくすることが可能となる。これ
は、発信側だけであるが、受信側も同様の構成にする
と、受信強度は低下するが、受信される回り込み波の量
が減り、回り込み波の影響を少なくすることができる。
れは超音波振動子６にホーン１７を取り付けたもので、
図６にその詳細を示す。すなわち、超音波振動子６にホ
ーン１７を取り付け、これらを取付フランジ１８および
ホーン固定ブロック１９を介して外ケース８に固定する
ことにより、発信子における超音波送信面の半径を小さ
くするものである。なお、図６の１は配管、３は流体、
４は音響カップリング材、５はくさび、７はケーブルを
それぞれ示している。こうすることにより、超音波の音
線ｌが配管の半径方向の法線に近づき、対向する送受波
器から多重反射伝播波が離れることになるので、多重反
射伝播波の影響を少なくすることが可能となる。これ
は、発信側だけであるが、受信側も同様の構成にする
と、受信強度は低下するが、受信される回り込み波の量
が減り、回り込み波の影響を少なくすることができる。
【００１２】図７に超音波をホーン形状としない場合
に、配管内を超音波が伝播する様子を示す。つまり、超
音波振動子６から発射された超音波は、流体中を伝播す
る直接波および回り込み波として図示されない他方の送
受波器に受信され、このうちの回り込み波は配管１の肉
厚部で多重反射しながら伝播する波と、配管１の外壁面
に沿って伝播する波と、配管１の内壁面に沿って伝播す
る波との混在波であることは図３で説明したとおりであ
る。ところで、配管肉厚部での多重反射伝播波は配管径
に対して超音波の送信面の径が小さくなると、受信され
る多重反射伝播波の量が減少する。すなわち、超音波の
音線ｌが配管１の半径方向の法線に近づく程、対向する
送受波から多重反射伝播波が離れる方向となる。これら
の回り込み波は外部から減衰させることは難しいので、
ここでは超音波の音線を配管の半径方向の法線に近づ
け、対向する送受波から多重反射伝播波を離すことによ
り、多重反射伝播波の影響を少なくするものである。
に、配管内を超音波が伝播する様子を示す。つまり、超
音波振動子６から発射された超音波は、流体中を伝播す
る直接波および回り込み波として図示されない他方の送
受波器に受信され、このうちの回り込み波は配管１の肉
厚部で多重反射しながら伝播する波と、配管１の外壁面
に沿って伝播する波と、配管１の内壁面に沿って伝播す
る波との混在波であることは図３で説明したとおりであ
る。ところで、配管肉厚部での多重反射伝播波は配管径
に対して超音波の送信面の径が小さくなると、受信され
る多重反射伝播波の量が減少する。すなわち、超音波の
音線ｌが配管１の半径方向の法線に近づく程、対向する
送受波から多重反射伝播波が離れる方向となる。これら
の回り込み波は外部から減衰させることは難しいので、
ここでは超音波の音線を配管の半径方向の法線に近づ
け、対向する送受波から多重反射伝播波を離すことによ
り、多重反射伝播波の影響を少なくするものである。
【００１３】ところで、流体の温度が変化すると流体中
の音速も変化し、演算される受信超音波の伝播時間差に
も誤差が生じるため、流体の温度変化に対する何らかの
手当てが必要となる。図８は流体に温度変化がない場合
の超音波の伝播経路を説明するための説明図、図９は流
体に温度変化が生じた場合の超音波の伝播経路を説明す
るための説明図である。図８において、送受波器２ａか
ら送信した超音波は送受波器２ｂで受信されるが、この
ときの送信から受信までの時間をＴN とすると、この時
間ＴN は同図からも明らかなように、 ＴN ＝ｔa ＋ｔb ＋ｔpa＋ｔpb＋ｔl …（３） と表わされる。ここで、流体の温度が変化し流体中の音
速が遅くなると、図９に示すように流体中の超音波の伝
播角度がθ1 からθ2 に変化する。そこで、流体温度が
変化する前の超音波の伝播時間をＴN1とすれば、 ＴN1＝ｔa1＋ｔb1＋ｔpa1 ＋ｔpb1 ＋ｔl1 …（４） となり、温度変化後の伝播時間をＴN2とすれば、 ＴN2＝ｔa2＋ｔb2＋ｔpa2 ＋ｔpb2 ＋ｔl2 …（５） となる。したがって、流体の温度変化がない場合はＴN1
−ＴN2＝０であるが、温度変化があると｜ＴN1−ＴN2｜
＞０となる。
の音速も変化し、演算される受信超音波の伝播時間差に
も誤差が生じるため、流体の温度変化に対する何らかの
手当てが必要となる。図８は流体に温度変化がない場合
の超音波の伝播経路を説明するための説明図、図９は流
体に温度変化が生じた場合の超音波の伝播経路を説明す
るための説明図である。図８において、送受波器２ａか
ら送信した超音波は送受波器２ｂで受信されるが、この
ときの送信から受信までの時間をＴN とすると、この時
間ＴN は同図からも明らかなように、 ＴN ＝ｔa ＋ｔb ＋ｔpa＋ｔpb＋ｔl …（３） と表わされる。ここで、流体の温度が変化し流体中の音
速が遅くなると、図９に示すように流体中の超音波の伝
播角度がθ1 からθ2 に変化する。そこで、流体温度が
変化する前の超音波の伝播時間をＴN1とすれば、 ＴN1＝ｔa1＋ｔb1＋ｔpa1 ＋ｔpb1 ＋ｔl1 …（４） となり、温度変化後の伝播時間をＴN2とすれば、 ＴN2＝ｔa2＋ｔb2＋ｔpa2 ＋ｔpb2 ＋ｔl2 …（５） となる。したがって、流体の温度変化がない場合はＴN1
−ＴN2＝０であるが、温度変化があると｜ＴN1−ＴN2｜
＞０となる。
【００１４】いま、上流から下流に向けての送受信モー
ドをＵＰモード、逆のモードをＤＮモードと呼ぶことに
すると、ＵＰモードでの伝播時間ｔ1up は近似的に次式
のように表わされる。 ｔ1up ＝ｄ／（ＣF ｃｏｓθ）−ｄ・ＶF ｔａｎθ／ＣF 2 …（６） これは、先の（１）式の分数部分ｂを、 と変形し、ΔｘをΔｘ＜＜１なる値とするとき、 なる関係から（７）式を次のように変形したものであ
る。 上記と同様にして、ＤＮモードにおける伝播時間ｔ1dn
は次式のように表わされる。 ｔ1dn ＝ｄ／（ＣF ｃｏｓθ）＋ｄ・ＶF ｔａｎθ／ＣF 2 …（９）
ドをＵＰモード、逆のモードをＤＮモードと呼ぶことに
すると、ＵＰモードでの伝播時間ｔ1up は近似的に次式
のように表わされる。 ｔ1up ＝ｄ／（ＣF ｃｏｓθ）−ｄ・ＶF ｔａｎθ／ＣF 2 …（６） これは、先の（１）式の分数部分ｂを、 と変形し、ΔｘをΔｘ＜＜１なる値とするとき、 なる関係から（７）式を次のように変形したものであ
る。 上記と同様にして、ＤＮモードにおける伝播時間ｔ1dn
は次式のように表わされる。 ｔ1dn ＝ｄ／（ＣF ｃｏｓθ）＋ｄ・ＶF ｔａｎθ／ＣF 2 …（９）
【００１５】ここで、静止流体中の伝播時間ｄ／（ＣF
ｃｏｓθ）をｔf 、流速に比例する伝播時間の比例定数
ｄｔａｎθ／ＣF 2 をｋf でそれぞれ表わすと、ＵＰモ
ードでの伝播時間ｔ1up は、 ｔ1up ＝ｔf −ｋf ＶF となり、ＤＮモードにおける伝播時間ｔ1dn は、 ｔ1dn ＝ｔf ＋ｋf ＶF となり、両者の時間差をΔｔl とすると、 Δｔl ＝ｔ1dn −ｔ1up ＝２ｋf ＶF …（１０） と表わされる。
ｃｏｓθ）をｔf 、流速に比例する伝播時間の比例定数
ｄｔａｎθ／ＣF 2 をｋf でそれぞれ表わすと、ＵＰモ
ードでの伝播時間ｔ1up は、 ｔ1up ＝ｔf −ｋf ＶF となり、ＤＮモードにおける伝播時間ｔ1dn は、 ｔ1dn ＝ｔf ＋ｋf ＶF となり、両者の時間差をΔｔl とすると、 Δｔl ＝ｔ1dn −ｔ1up ＝２ｋf ＶF …（１０） と表わされる。
【００１６】以上のような流体の温度変化による影響を
調べるために、ここでは次のような工夫を施している。
図１０はこの発明による送受信方法を説明するためのタ
イムチャートである。すなわち、ここでは例えば第１回
目と第２回目でＤＮモードの送受信を行ない、第３回目
でＵＰモードの送受信を行ない、これを１測定サイクル
として繰り返し行なうものとする。このようにするの
は、第１回目と第２回目の送受信で流体の温度変化を検
出し、第３回目の送受信でｋf とＶF を求められるよう
にするためである。つまり、同図（イ），（ロ）がＤＮ
モードの送受信（ＤＮ１，ＤＮ２）を示し、同図（ハ）
がＵＰモードの送受信（ＵＰ３）を示す。また、同図の
符号Ｘは送信トリガー、Ｓは受信波、ＴＮは伝播時間
差、Δｔｉｍｅは補正時間をそれぞれ示している。この
とき、温度変化があるようにするため、ＤＮモードの送
受信時間はＵＰモードのそれよりも充分に長くなるよう
にする。
調べるために、ここでは次のような工夫を施している。
図１０はこの発明による送受信方法を説明するためのタ
イムチャートである。すなわち、ここでは例えば第１回
目と第２回目でＤＮモードの送受信を行ない、第３回目
でＵＰモードの送受信を行ない、これを１測定サイクル
として繰り返し行なうものとする。このようにするの
は、第１回目と第２回目の送受信で流体の温度変化を検
出し、第３回目の送受信でｋf とＶF を求められるよう
にするためである。つまり、同図（イ），（ロ）がＤＮ
モードの送受信（ＤＮ１，ＤＮ２）を示し、同図（ハ）
がＵＰモードの送受信（ＵＰ３）を示す。また、同図の
符号Ｘは送信トリガー、Ｓは受信波、ＴＮは伝播時間
差、Δｔｉｍｅは補正時間をそれぞれ示している。この
とき、温度変化があるようにするため、ＤＮモードの送
受信時間はＵＰモードのそれよりも充分に長くなるよう
にする。
【００１７】ここで、図１０図の如く送受信した場合の
第１回目の伝播時間をＴN1、第２回目のそれをＴN2とす
れば、これらはそれぞれ、 ＴN1＝ｔpC1 ＋ｔf1＋ｋf1ＶF ＴN2＝ｔpC2 ＋ｔf2＋ｋf2ＶF …（１１） と表現できる。簡単化のためｔpC＋ｔf ＝ＴP として、 ｔpC1 ＋ｔf1＝ＴP1 ｔpC2 ＋ｔf2＝ＴP2 …（１２） とすると、（１１）式は次式のように表わすことができ
る。 ＴN1＝ＴP1＋ｋf1ＶF ＴN2＝ＴP2＋ｋf2ＶF …（１３） 一方、第３回目の伝播時間ＴN3は、 ＴN3＝ＴP3−ｋf2ＶF （ただし、ｋf2＝ｋf3とする） …（１４） と表わされる。
第１回目の伝播時間をＴN1、第２回目のそれをＴN2とす
れば、これらはそれぞれ、 ＴN1＝ｔpC1 ＋ｔf1＋ｋf1ＶF ＴN2＝ｔpC2 ＋ｔf2＋ｋf2ＶF …（１１） と表現できる。簡単化のためｔpC＋ｔf ＝ＴP として、 ｔpC1 ＋ｔf1＝ＴP1 ｔpC2 ＋ｔf2＝ＴP2 …（１２） とすると、（１１）式は次式のように表わすことができ
る。 ＴN1＝ＴP1＋ｋf1ＶF ＴN2＝ＴP2＋ｋf2ＶF …（１３） 一方、第３回目の伝播時間ＴN3は、 ＴN3＝ＴP3−ｋf2ＶF （ただし、ｋf2＝ｋf3とする） …（１４） と表わされる。
【００１８】（１３），（１４）式より、ＴN2＋ＴN3＝
２ＴP2となることから、 ＴP2＝（ＴN2＋ＴN3）／２ …（１５） として求められる。また、（１３）式より、 ｋf1ＶF ＝ＴN1−ＴP1 …（１６） であり、（１３），（１４）式より、 ＴN2−ＴN3＝Δｔl ＝２ｋf2ＶF …（１７） であるから、流体の温度が変化した後の流速に比例する
伝播時間の比例定数ｋf2は、（１６），（１７）式より
次式の如く表現することができる。なお、ＴP1とｋf1は
流量計校正時に既知となる値で、流量計の入力設定時に
セットされているものとする。 ｋf2＝ｋf1／２・（ＴN2−ＴN3）／（ＴN1−ＴP1） ＝ｋf1・Δｔl ／２（ＴN1−ＴP1） …（１８） また、流速ＶF は次式で表わされる。 ＶF ＝（ＴN2−ＴN3）／２ｋf2＝Δｔl ／２ｋf2 …（１９） なお、上記ではＤＮモード２回、ＵＰモード１回を基本
サイクルとしたが、ＤＮモードを２回以上としても良
く、またＵＰモードを少なくとも２回、ＤＮモード１回
を基本サイクルとするようにしても良いことは勿論であ
る。ただし、このときの流速に比例する伝播時間の比例
定数ｋf や伝播時間差Δｔl等は上記とは異なるが、上
記と同様の手法により求めることができる。
２ＴP2となることから、 ＴP2＝（ＴN2＋ＴN3）／２ …（１５） として求められる。また、（１３）式より、 ｋf1ＶF ＝ＴN1−ＴP1 …（１６） であり、（１３），（１４）式より、 ＴN2−ＴN3＝Δｔl ＝２ｋf2ＶF …（１７） であるから、流体の温度が変化した後の流速に比例する
伝播時間の比例定数ｋf2は、（１６），（１７）式より
次式の如く表現することができる。なお、ＴP1とｋf1は
流量計校正時に既知となる値で、流量計の入力設定時に
セットされているものとする。 ｋf2＝ｋf1／２・（ＴN2−ＴN3）／（ＴN1−ＴP1） ＝ｋf1・Δｔl ／２（ＴN1−ＴP1） …（１８） また、流速ＶF は次式で表わされる。 ＶF ＝（ＴN2−ＴN3）／２ｋf2＝Δｔl ／２ｋf2 …（１９） なお、上記ではＤＮモード２回、ＵＰモード１回を基本
サイクルとしたが、ＤＮモードを２回以上としても良
く、またＵＰモードを少なくとも２回、ＤＮモード１回
を基本サイクルとするようにしても良いことは勿論であ
る。ただし、このときの流速に比例する伝播時間の比例
定数ｋf や伝播時間差Δｔl等は上記とは異なるが、上
記と同様の手法により求めることができる。
【００１９】図１１に流体の温度変化に対処し得る構成
例を示す。同図において、２１は送受信の切換回路、２
２は送信信号発生回路、２３はコントローラ、２４はＡ
ＧＣ（自動ゲイン調節回路）付増幅器、２５は受信時間
幅検出回路、２６はＴP 検出回路、２７はｋf2検出回
路、２８はΔｔl検出回路、２９は変換器、３０は入力
設定回路、３１はカウンタ回路、３２はクロック源をそ
れぞれ示す。まず、上側の送受波器２ａから送信して下
側の送受波器２ｂで受信するかまたはその逆にするか、
つまりＵＰモードとするかＤＮモードとするかは、切換
回路２１がコントローラ２３からの指示を受けてその切
り換えを行なう。送信信号発生回路２２は単発の高圧パ
ルスを発生し、送信側の送受波器は切換回路２１により
超音波付勢される。一方、送受波器に対する受信信号は
切換回路２１において切り換えられ、ＡＧＣ付増幅器２
４で一定振幅に増幅された後受信時間幅検出回路２５に
与えられ、ここで上述の如き各送受信モードでの送信か
ら受信までの伝播時間ＴN が検出される。また、流速に
関係しない温度ドリフトに相当する超音波の伝播時間Ｔ
P をＴP検出回路２６で、流速に比例する超音波の伝播
時間の差Δｔl をΔｔl 検出回路２８で、また流速に比
例する伝播時間の比例定数ｋf2をｋf2検出回路２７でそ
れぞれ検出し、変換器２９にてΔｔl とｋf2から先の
（１９）式にもとづく演算をして流速ＶF を算出し、出
力する。先に説明したＴP1とｋf1は同図の入力設定回路
３０に予め設定されており、これがカウンタ回路３１を
介して各検出器に与えられる。なお、その他の部分はこ
こでは特に関係がないと考えられるので、説明は省略す
る。
例を示す。同図において、２１は送受信の切換回路、２
２は送信信号発生回路、２３はコントローラ、２４はＡ
ＧＣ（自動ゲイン調節回路）付増幅器、２５は受信時間
幅検出回路、２６はＴP 検出回路、２７はｋf2検出回
路、２８はΔｔl検出回路、２９は変換器、３０は入力
設定回路、３１はカウンタ回路、３２はクロック源をそ
れぞれ示す。まず、上側の送受波器２ａから送信して下
側の送受波器２ｂで受信するかまたはその逆にするか、
つまりＵＰモードとするかＤＮモードとするかは、切換
回路２１がコントローラ２３からの指示を受けてその切
り換えを行なう。送信信号発生回路２２は単発の高圧パ
ルスを発生し、送信側の送受波器は切換回路２１により
超音波付勢される。一方、送受波器に対する受信信号は
切換回路２１において切り換えられ、ＡＧＣ付増幅器２
４で一定振幅に増幅された後受信時間幅検出回路２５に
与えられ、ここで上述の如き各送受信モードでの送信か
ら受信までの伝播時間ＴN が検出される。また、流速に
関係しない温度ドリフトに相当する超音波の伝播時間Ｔ
P をＴP検出回路２６で、流速に比例する超音波の伝播
時間の差Δｔl をΔｔl 検出回路２８で、また流速に比
例する伝播時間の比例定数ｋf2をｋf2検出回路２７でそ
れぞれ検出し、変換器２９にてΔｔl とｋf2から先の
（１９）式にもとづく演算をして流速ＶF を算出し、出
力する。先に説明したＴP1とｋf1は同図の入力設定回路
３０に予め設定されており、これがカウンタ回路３１を
介して各検出器に与えられる。なお、その他の部分はこ
こでは特に関係がないと考えられるので、説明は省略す
る。
【００２０】
【発明の効果】この発明によれば、超音波の送信，受信
が可能な１対の送受波器を配管の外壁面に互いに位置を
ずらして対向配置するとともに、送受波器の振動子の外
径の２倍以上の音束となるよう、例えば配管外壁面に所
定長さの金属薄板を密着させるようにしたので、受信波
の振幅が大きくなってＳ／Ｎが向上するだけでなく、流
体温度の変化による受信超音波のずれの影響を少なくす
ることができる。また、超音波をホーンを介して導き配
管に対する発信子の超音波送信面，受信面の少なくとも
一方の外径を小さくするようにしたので、回り込み波の
影響を少なくすることができ、受信強度は低下するもの
の結果的にＳ／Ｎを上げることができる。さらには、同
一の送受信モードを少なくとも２回繰り返して、流体の
温度変化による受信超音波の伝播時間差を検出し補正す
るようにしたので、温度変化による影響を無くすことが
可能となる。以上のことから、温度ドリフトが少なく、
測定精度を向上させた信頼性のある超音波流量計を提供
することができる利点が得られる。
が可能な１対の送受波器を配管の外壁面に互いに位置を
ずらして対向配置するとともに、送受波器の振動子の外
径の２倍以上の音束となるよう、例えば配管外壁面に所
定長さの金属薄板を密着させるようにしたので、受信波
の振幅が大きくなってＳ／Ｎが向上するだけでなく、流
体温度の変化による受信超音波のずれの影響を少なくす
ることができる。また、超音波をホーンを介して導き配
管に対する発信子の超音波送信面，受信面の少なくとも
一方の外径を小さくするようにしたので、回り込み波の
影響を少なくすることができ、受信強度は低下するもの
の結果的にＳ／Ｎを上げることができる。さらには、同
一の送受信モードを少なくとも２回繰り返して、流体の
温度変化による受信超音波の伝播時間差を検出し補正す
るようにしたので、温度変化による影響を無くすことが
可能となる。以上のことから、温度ドリフトが少なく、
測定精度を向上させた信頼性のある超音波流量計を提供
することができる利点が得られる。
【図１】この発明の１実施例を示す断面図である。
【図２】配管内における超音波の一般的な伝播経路を説
明するための説明図である。
明するための説明図である。
【図３】図１の作用を説明するための説明図である。
【図４】図１の特に金属薄板の厚みによる作用を説明す
るための説明図である。
るための説明図である。
【図５】この発明の別の実施例を示す全体構成図であ
る。
る。
【図６】図５における送受波器の詳細を示す断面図であ
る。
る。
【図７】送信波をホーン形状にしない場合の、回り込み
波を説明するための説明図である。
波を説明するための説明図である。
【図８】流体に温度変化がない場合の、超音波の伝播経
路を説明するための説明図である。
路を説明するための説明図である。
【図９】流体に温度変化がある場合の、超音波の伝播経
路を説明するための説明図である。
路を説明するための説明図である。
【図１０】この発明による送受信方法例を説明するため
のタイムチャートである。
のタイムチャートである。
【図１１】流体の温度変化に対処可能なこの発明による
超音波流量計の実施例を示すブロック図である。
超音波流量計の実施例を示すブロック図である。
【図１２】超音波センサの従来例を示す概要図である。
【図１３】超音波センサの別の従来例を示す概要図であ
る。
る。
【図１４】図１２，図１３で用いられる送受波器の具体
例を示す断面図である。
例を示す断面図である。
１ 配管 ３ 流体 ４ 音響カップリング材 ５ くさび ６ 超音波振動子 ７ ケーブル ８ 外ケース ２ａ ２ｂ 送受波器 ９ａ，９ｂ 金属薄板 １１ Ｕ字ボルト １２，１３，１４ 固定金具 １５ 管内壁 １６ 管外壁 １７ ホーン １８ 取付フランジ １９ ホーン固定ブロック ２１ 切換回路 ２２ 送信信号発生回路 ２３ コントローラ ２４ ＡＧＣ付増幅器 ２５ 受信時間幅検出回路 ２６ ＴP 検出回路 ２７ ｋf2検出回路 ２８ Δｔl 検出回路 ２９ 変換器 ３０ 入力設定回路 ３１ カウンタ回路 ３２ クロック源 １０ａ，１０ｂ 固定シャフト
Claims (4)
- 【請求項１】 超音波の送信，受信が可能な１対の送受
波器を配管の外壁面に互いに位置をずらして対向配置
し、送信側の送受波器から配管外壁面へと超音波を発射
し、この発射面を覆う音束の少なくとも２倍を前記配管
肉厚部に伝搬させてから流体中に伝搬させ、これを対向
する受信側の送受波器で受信することを特徴とする超音
波流量計。 - 【請求項２】 前記発射面を覆う音束の少なくとも２倍
を前記配管肉厚部に伝搬させるために、発信側，受信側
の各送受波器と対向する配管外壁面にそれぞれ所定長さ
の金属薄板を密着して取り付けたことを特徴とする請求
項１に記載の超音波流量計。 - 【請求項３】 超音波の送信，受信が可能な１対の送受
波器を配管の外壁面に互いに位置をずらして対向配置
し、送信側の送受波器から配管外壁面へと超音波を発射
して流体中を伝播させ、対向する受信側送受波器にてこ
れを受信する超音波流量計において、前記発信側，受信
側の各超音波の発信部，受信部の少なくとも一方にホー
ンを配置することを特徴とする超音波流量計。 - 【請求項４】 超音波の送信，受信が可能な１対の送受
波器を配管の外壁面に互いに位置をずらして対向配置
し、送信側の送受波器から配管外壁面へと超音波を発射
して流体中を伝播させ、対向する受信側送受波器にてこ
れを受信する超音波流量計において、 前記超音波の発信側と受信側の超音波の発受信の関係が
同一の状態を少なくとも２回繰り返した後、超音波の発
受信の関係を変えて超音波の発信と受信を行なうことに
より、流体の温度変化による超音波のずれを補正可能に
してなることを特徴とする超音波流量計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3234958A JPH0572011A (ja) | 1991-09-13 | 1991-09-13 | 超音波流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3234958A JPH0572011A (ja) | 1991-09-13 | 1991-09-13 | 超音波流量計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0572011A true JPH0572011A (ja) | 1993-03-23 |
Family
ID=16978926
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3234958A Pending JPH0572011A (ja) | 1991-09-13 | 1991-09-13 | 超音波流量計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0572011A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998048247A1 (en) * | 1997-04-18 | 1998-10-29 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Ultrasonic flowmeter |
| JP2013229501A (ja) * | 2012-04-26 | 2013-11-07 | Tokyo Electron Ltd | 液処理装置、液処理方法および記憶媒体 |
| US10190896B2 (en) | 2017-01-26 | 2019-01-29 | Keyence Corporation | Ultrasonic flow sensor and method of attaching the same |
| US10203234B2 (en) | 2017-01-26 | 2019-02-12 | Keyence Corporation | Ultrasonic flow sensor and temperature measuring method using the same |
| CN110057414A (zh) * | 2019-04-09 | 2019-07-26 | 中国大唐集团科学技术研究院有限公司火力发电技术研究院 | 一种小管径封闭管道水流量超声波测量优化方法及装置 |
-
1991
- 1991-09-13 JP JP3234958A patent/JPH0572011A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998048247A1 (en) * | 1997-04-18 | 1998-10-29 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Ultrasonic flowmeter |
| US6216544B1 (en) | 1997-04-18 | 2001-04-17 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Ultrasonic flowmeter having reduced phase difference |
| JP2013229501A (ja) * | 2012-04-26 | 2013-11-07 | Tokyo Electron Ltd | 液処理装置、液処理方法および記憶媒体 |
| US10190896B2 (en) | 2017-01-26 | 2019-01-29 | Keyence Corporation | Ultrasonic flow sensor and method of attaching the same |
| US10203234B2 (en) | 2017-01-26 | 2019-02-12 | Keyence Corporation | Ultrasonic flow sensor and temperature measuring method using the same |
| CN110057414A (zh) * | 2019-04-09 | 2019-07-26 | 中国大唐集团科学技术研究院有限公司火力发电技术研究院 | 一种小管径封闭管道水流量超声波测量优化方法及装置 |
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