JPH0749976B2 - 超音波式測定装置 - Google Patents
超音波式測定装置Info
- Publication number
- JPH0749976B2 JPH0749976B2 JP61039056A JP3905686A JPH0749976B2 JP H0749976 B2 JPH0749976 B2 JP H0749976B2 JP 61039056 A JP61039056 A JP 61039056A JP 3905686 A JP3905686 A JP 3905686A JP H0749976 B2 JPH0749976 B2 JP H0749976B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ultrasonic
- sound velocity
- unit
- calculation unit
- propagation time
- Prior art date
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- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- 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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- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、流体の流速または流量を測定する超音波式
測定装置に関する。
測定装置に関する。
この種の測定装置として、流体の流れに対し超音波の送
受信が可能な超音波センサを少なくとも１対配置し、該
センサの一方を送信側とし他方を受信側として超音波を
上流から下流（順方向）および下流から上流（逆方向）
へとそれぞれ送受信させたときの各超音波伝搬時間を測
定し、これにもとづいて流量または流速を測定する超音
波式測定装置が良く知られている（必要ならば、例えば
特開昭54−149670号公報，特公昭59−14171,14172号公
報等を参照のこと。）。
受信が可能な超音波センサを少なくとも１対配置し、該
センサの一方を送信側とし他方を受信側として超音波を
上流から下流（順方向）および下流から上流（逆方向）
へとそれぞれ送受信させたときの各超音波伝搬時間を測
定し、これにもとづいて流量または流速を測定する超音
波式測定装置が良く知られている（必要ならば、例えば
特開昭54−149670号公報，特公昭59−14171,14172号公
報等を参照のこと。）。
第２図はかゝる超音波測定装置における測定原理を説明
するための原理図である。同図において、11は配管、12
a,12bは超音波センサ、13a,13bはくさび部材、14は流体
である。
するための原理図である。同図において、11は配管、12
a,12bは超音波センサ、13a,13bはくさび部材、14は流体
である。
いま、超音波を流体の流れに対し順方向に送受信したと
きの伝搬時間をT1、同じく逆方向に送受信したときのそ
れをT2とすると、これには流体中の伝搬時間t1，t2とく
さび部材13a,13bや配管11中の伝搬時間τ（τ/2＋τ/
2）が含まれ、 T1＝t1＋τ ……（１） T2＝t2＋τ ……（２） と表わされる。一方、流体中の各伝搬時間t1，t2は流体
中の音速をＣ、流速をＶ、配管11の内径をＤ、超音波伝
搬角度をθとすると、 の如く表わされることが知られている。
きの伝搬時間をT1、同じく逆方向に送受信したときのそ
れをT2とすると、これには流体中の伝搬時間t1，t2とく
さび部材13a,13bや配管11中の伝搬時間τ（τ/2＋τ/
2）が含まれ、 T1＝t1＋τ ……（１） T2＝t2＋τ ……（２） と表わされる。一方、流体中の各伝搬時間t1，t2は流体
中の音速をＣ、流速をＶ、配管11の内径をＤ、超音波伝
搬角度をθとすると、 の如く表わされることが知られている。
（３）式および（４）式から時間差ΔＴを求めると次式
の如くなり、時間差ΔＴは流速Ｖに比例することがわか
る。
の如くなり、時間差ΔＴは流速Ｖに比例することがわか
る。
（５）式から明らかなように、この式の中には流体の音
速Ｃが含まれている。この音速Ｃは流体の成分や温度な
どの変動によつて変化し、これが流量係数に含まれるこ
とは好ましくないので、次式の如くこれを消去する。す
なわち、静止流体中の超音波伝搬時間をT0とすると、
（１），（２）式より となるから、これを と変形して（５）式に代入すると、 が得られる。流量Ｑは、 Ｑ＝断面積×平均流速 として計算できるから、先の（５）式から が得られる。なお、Ｋは定数である。また、T0は流体が
静止しているときの超音波伝搬時間であるが、流れてい
る場合は次式で近似でき、 T0＝（T1＋T2）/2 ……（10） これは平均伝搬時間に相当する。
速Ｃが含まれている。この音速Ｃは流体の成分や温度な
どの変動によつて変化し、これが流量係数に含まれるこ
とは好ましくないので、次式の如くこれを消去する。す
なわち、静止流体中の超音波伝搬時間をT0とすると、
（１），（２）式より となるから、これを と変形して（５）式に代入すると、 が得られる。流量Ｑは、 Ｑ＝断面積×平均流速 として計算できるから、先の（５）式から が得られる。なお、Ｋは定数である。また、T0は流体が
静止しているときの超音波伝搬時間であるが、流れてい
る場合は次式で近似でき、 T0＝（T1＋T2）/2 ……（10） これは平均伝搬時間に相当する。
一方、超音波センサ12a,12bの取付角度をθ1、センサ間
の距離（取付寸法）をＬとし、角度θ，θ2、寸法D,
D1，L1および音速C1，C2の関係を図示の如くすると、超
音波は音速の異なる境界面で屈折する性質を持つている
ことから、 なる関係が成立し、θ，θ2およびＬを次式の如く表わ
すことができる。
の距離（取付寸法）をＬとし、角度θ，θ2、寸法D,
D1，L1および音速C1，C2の関係を図示の如くすると、超
音波は音速の異なる境界面で屈折する性質を持つている
ことから、 なる関係が成立し、θ，θ2およびＬを次式の如く表わ
すことができる。
θ＝sin-1（C/C1sinθ1） ……（11） θ2＝sin-1（C2／C1sinθ1） ……（12） Ｌ＝2D1・tanθ2＋Ｄ・tamθ ……（13） 以上のことから、配管の内径D,超音波伝搬角度θおよび
伝搬時間τを与えれば、超音波伝搬時間T1，T2を測定す
ることにより、先の（９）式より流量を求めることがで
きる。この場合、配管の内径Ｄは測定対象によつて一義
的に決まり、伝搬時間τも第２図に示される諸量を用い
て、 で表わされることから、配管の材質やくさびの材質が決
まれば定数として求められる。また、上記（11）式より
明らかなように、θは音速Ｃの関数であるが、これには
然かるべき値を与えることにする。
伝搬時間τを与えれば、超音波伝搬時間T1，T2を測定す
ることにより、先の（９）式より流量を求めることがで
きる。この場合、配管の内径Ｄは測定対象によつて一義
的に決まり、伝搬時間τも第２図に示される諸量を用い
て、 で表わされることから、配管の材質やくさびの材質が決
まれば定数として求められる。また、上記（11）式より
明らかなように、θは音速Ｃの関数であるが、これには
然かるべき値を与えることにする。
すなわち、以上の如き原理にもとづく超音波式測定装置
は、既設配管の外壁にセンサを取り付けて流速，流量が
測定できるので、ポータブル形にしてプラントの流量チ
エツクを行なうのに好適な装置と云える。ところで、超
音波信号は上述の如く配管外側より発射され、管内を伝
わつて他方のセンサへと伝えられるが、このとき互いに
音速が相違する境界面で屈折し、流れの方向と超音波の
伝搬方向とのなす角、つまり超音波伝搬角度θが流速ま
たは流量の測定精度に影響を与えることが知られてい
る。また、この角度θは先の（13）式で表わされる２つ
の超音波センサ間の距離Ｌにも影響を与えることにな
る。したがつて、流体中の音速Ｃを正しく知ることが、
精度を向上させる上からも受信波を正しくキヤツチする
上からも望ましいことがわかる。
は、既設配管の外壁にセンサを取り付けて流速，流量が
測定できるので、ポータブル形にしてプラントの流量チ
エツクを行なうのに好適な装置と云える。ところで、超
音波信号は上述の如く配管外側より発射され、管内を伝
わつて他方のセンサへと伝えられるが、このとき互いに
音速が相違する境界面で屈折し、流れの方向と超音波の
伝搬方向とのなす角、つまり超音波伝搬角度θが流速ま
たは流量の測定精度に影響を与えることが知られてい
る。また、この角度θは先の（13）式で表わされる２つ
の超音波センサ間の距離Ｌにも影響を与えることにな
る。したがつて、流体中の音速Ｃを正しく知ることが、
精度を向上させる上からも受信波を正しくキヤツチする
上からも望ましいことがわかる。
しかしながら、先にも指摘したように流体中の音速は流
体の種類とその混合比，温度または圧力等により変化す
ることから、前もつて正しい音速を知ることは難かし
く、その結果測定精度を悪くしたり、あるいは適用の対
象となる流体種別が制限されたりするという問題があ
る。
体の種類とその混合比，温度または圧力等により変化す
ることから、前もつて正しい音速を知ることは難かし
く、その結果測定精度を悪くしたり、あるいは適用の対
象となる流体種別が制限されたりするという問題があ
る。
しがつて、この発明は特別な制限を何ら設けることな
く、正確な測定が可能な超音波式測定装置を提供するこ
とを目的とする。
く、正確な測定が可能な超音波式測定装置を提供するこ
とを目的とする。
上記目的達成のため、本発明では、流体が流れる配管に
設けられ超音波の送受信を行う一対の超音波センサと、
該センサの一方を送信側とし他方を受信側として超音波
を順方向および逆方向にそれぞれ送受信したときの各超
音波伝搬送時間を測定する伝搬時間測定部と、この伝搬
時間測定部の出力に基づいて順方向および逆方向の超音
波伝搬時間の平均値を演算する平均伝搬時間演算部と、
前記伝搬時間測定部の出力と前記平均伝搬時間演算部の
出力に基づいて前記流体の流速または流量を演算する流
速・流量演算部と、この流速・流量演算部の演算結果を
表示する表示部と、からなる超音波式測定装置におい
て、 前記流体の音速の設定値を入力する設定部と、前記音速
設定値に基づいて前記流速または流量の演算に必要な諸
量を演算する主演算部と、前記平均伝搬時間演算部の出
力に基づいて前記流体の音速を演算する音速演算部と、
この音速演算部が出力する音速の演算値または前記音速
設定値に基づいて前記超音波センサ対の取付寸法を演算
する取付寸法演算部と、を備えた。
設けられ超音波の送受信を行う一対の超音波センサと、
該センサの一方を送信側とし他方を受信側として超音波
を順方向および逆方向にそれぞれ送受信したときの各超
音波伝搬送時間を測定する伝搬時間測定部と、この伝搬
時間測定部の出力に基づいて順方向および逆方向の超音
波伝搬時間の平均値を演算する平均伝搬時間演算部と、
前記伝搬時間測定部の出力と前記平均伝搬時間演算部の
出力に基づいて前記流体の流速または流量を演算する流
速・流量演算部と、この流速・流量演算部の演算結果を
表示する表示部と、からなる超音波式測定装置におい
て、 前記流体の音速の設定値を入力する設定部と、前記音速
設定値に基づいて前記流速または流量の演算に必要な諸
量を演算する主演算部と、前記平均伝搬時間演算部の出
力に基づいて前記流体の音速を演算する音速演算部と、
この音速演算部が出力する音速の演算値または前記音速
設定値に基づいて前記超音波センサ対の取付寸法を演算
する取付寸法演算部と、を備えた。
それにより前記音速演算値が前記音速設定値に対して所
定値以上ずれていることを検出して前記超音波センサ対
の正しい取付寸法を前記表示部に表示するようにする。
定値以上ずれていることを検出して前記超音波センサ対
の正しい取付寸法を前記表示部に表示するようにする。
第１図はこの発明の実施例を示す構成図である。同図に
おいて、２は送受信部、３は受波監視部、４は伝搬時間
測定部、５は制御部、６は流量演算部、７は平均伝搬時
間演算部、８は音速演算部、９は取付寸法演算部、10は
主演算部、21は設定部、22は表示部である。なお、11は
配管、12a,12bは超音波センサである。
おいて、２は送受信部、３は受波監視部、４は伝搬時間
測定部、５は制御部、６は流量演算部、７は平均伝搬時
間演算部、８は音速演算部、９は取付寸法演算部、10は
主演算部、21は設定部、22は表示部である。なお、11は
配管、12a,12bは超音波センサである。
配管11は流体の流れの中に設置され、その外壁には例え
ばPZT（ジルコンチタン酸鉛）からなる少なくとも１対
の超音波センサ12a,12bが取り付けられる。この超音波
センサ12a,12bはそれぞれ電気信号を音響信号へ、また
は音響信号を電気信号に変換する変換素子であり、或る
モードにおいてはセンサ12aが送信側、センサ12bが受信
側となる一方、他のモードではこの関係が互いに逆にな
るように切り換えられる。送受信部２は超音波を送受
し、受信波を受波監視部３へ送る。受波監視部３は超音
波を受信するための増幅器ゲインおよび設定値の設定，
変更ならびに送，受波バランスの調整等を行ない、超音
波が最適な条件で受信されるように調整する。伝搬時間
測定部４は、超音波の送信からこれを受信する迄の順，
逆方向の伝搬時間T1，T2をそれぞれ測定し、平均伝搬時
間演算部７は（10）式で表わされる平均伝搬時間T0を演
算する。流量演算部６は、伝搬時間測定部４からの超音
波伝搬時間T1，T2および平均伝搬時間演算部７からの平
均伝搬時間T0にもとづき、（９）式で表わされる流量を
演算する。音速演算部８は（７）式で表わされる音速Ｃ
を演算し、取付寸法演算部９は（13）式で表わされるセ
ンサ間距離Ｌを演算する。設定部21では配管仕様や測定
条件等の入力が行なわれ、表示部22では取付寸法や測定
値の表示が行なわれる。主演算部10は、各演算部６〜９
にて演算される量以外で流量計測に必要な量、例えば第
（11），（12）式のθ，θ2または伝搬時間τ等の演算
を行なう。制御部５は送受信部２、受波監視部３、伝搬
時間測定部４、流量演算部６および主演算部10等の制御
を行なう。
ばPZT（ジルコンチタン酸鉛）からなる少なくとも１対
の超音波センサ12a,12bが取り付けられる。この超音波
センサ12a,12bはそれぞれ電気信号を音響信号へ、また
は音響信号を電気信号に変換する変換素子であり、或る
モードにおいてはセンサ12aが送信側、センサ12bが受信
側となる一方、他のモードではこの関係が互いに逆にな
るように切り換えられる。送受信部２は超音波を送受
し、受信波を受波監視部３へ送る。受波監視部３は超音
波を受信するための増幅器ゲインおよび設定値の設定，
変更ならびに送，受波バランスの調整等を行ない、超音
波が最適な条件で受信されるように調整する。伝搬時間
測定部４は、超音波の送信からこれを受信する迄の順，
逆方向の伝搬時間T1，T2をそれぞれ測定し、平均伝搬時
間演算部７は（10）式で表わされる平均伝搬時間T0を演
算する。流量演算部６は、伝搬時間測定部４からの超音
波伝搬時間T1，T2および平均伝搬時間演算部７からの平
均伝搬時間T0にもとづき、（９）式で表わされる流量を
演算する。音速演算部８は（７）式で表わされる音速Ｃ
を演算し、取付寸法演算部９は（13）式で表わされるセ
ンサ間距離Ｌを演算する。設定部21では配管仕様や測定
条件等の入力が行なわれ、表示部22では取付寸法や測定
値の表示が行なわれる。主演算部10は、各演算部６〜９
にて演算される量以外で流量計測に必要な量、例えば第
（11），（12）式のθ，θ2または伝搬時間τ等の演算
を行なう。制御部５は送受信部２、受波監視部３、伝搬
時間測定部４、流量演算部６および主演算部10等の制御
を行なう。
以下、動作について説明する。
イ）流体の音速はだいたい1000〜2000m/S程度であるか
ら、まず適当な音速Ccを設定部21から入力する。
ら、まず適当な音速Ccを設定部21から入力する。
ロ）設定された音速Ccにより（７），（13）式の演算を
行ない、センサの取付寸法Ｌを表示するとともに、時間
測定のために必要な各種設定が行なわれる。
行ない、センサの取付寸法Ｌを表示するとともに、時間
測定のために必要な各種設定が行なわれる。
ハ）表示された取付寸法でセンサを取付た場合、音速が
その設定値と実測値が違つていても超音波ビームには或
る広がりがあつて超音波が伝搬できるので、これを利用
して超音波を送信し、受信できたらその平均伝搬時間T0
を求める。
その設定値と実測値が違つていても超音波ビームには或
る広がりがあつて超音波が伝搬できるので、これを利用
して超音波を送信し、受信できたらその平均伝搬時間T0
を求める。
なお、受波が受からない時はその表示を出してイ）へも
どり、音速の設定を変更する。
どり、音速の設定を変更する。
ニ）平均伝搬時間T0より所定の値τを引き、次の計算式
により音速Ｃを求める。
により音速Ｃを求める。
ホ）求められた音速Ｃが設定音速Ccより所定の値以上ず
れている時または必要に応じて、求められた音速Ｃによ
りセンサ取付寸法および測定に必要な諸量を演算，表示
するととゝもに、時間測定部の再設定を行なう。なお、
音速のずれ量を例えばC/Ccなる値で表わし、これが所定
値αよりも大きいか否かによりずれ量を判断するものと
する。ヘ）表示された取付寸法を用いて再度センサ取付
位置を変更することにより、正確な流量測定を行なう。
れている時または必要に応じて、求められた音速Ｃによ
りセンサ取付寸法および測定に必要な諸量を演算，表示
するととゝもに、時間測定部の再設定を行なう。なお、
音速のずれ量を例えばC/Ccなる値で表わし、これが所定
値αよりも大きいか否かによりずれ量を判断するものと
する。ヘ）表示された取付寸法を用いて再度センサ取付
位置を変更することにより、正確な流量測定を行なう。
以上では、予め設定された音速Ccに対し、演算により求
められた音速Ｃが所定値以上ずれているときは、センサ
取付位置を変更するようにしたが、次のようにすること
も考えられる。
められた音速Ｃが所定値以上ずれているときは、センサ
取付位置を変更するようにしたが、次のようにすること
も考えられる。
すなわち、以上ではθ1を定数と考えたが、こゝではこ
れを変数として扱い、予め設定されたＬの値となるよう
なθ1の値を求め、これから先の（12）式を利用してθ
を求め、これを設定値として入力することにより、流
速，流量値を補正することとする。たゞし、このような
手法は上記のC/Ccなる値が所定値αよりも小さいときに
行なうことが望ましく、所定値よりも大きくなつたとき
は取付寸法を調整する方が超音波を正しく受信する上か
らも望ましい。また、このとき、第１図の送受信部２に
おいて受信される超音波の強度を判断の指標として用い
ても良く、例えば上記C/Ccの値が所定値αよりも小さ
く、かつ受波が弱いときはθ1を変数と考えて補正を行
なう方法を採用し、C/Ccの値が所定値αよりも大きい
か、または受波が弱いときは取付寸法を変更する方法を
採るようにすることができる。なお、受波の強度は例え
ば、送受信部２内に設けられる増幅器に対するゲイン
（受波監視部３によつてコントロールされる）から判断
することができる。
れを変数として扱い、予め設定されたＬの値となるよう
なθ1の値を求め、これから先の（12）式を利用してθ
を求め、これを設定値として入力することにより、流
速，流量値を補正することとする。たゞし、このような
手法は上記のC/Ccなる値が所定値αよりも小さいときに
行なうことが望ましく、所定値よりも大きくなつたとき
は取付寸法を調整する方が超音波を正しく受信する上か
らも望ましい。また、このとき、第１図の送受信部２に
おいて受信される超音波の強度を判断の指標として用い
ても良く、例えば上記C/Ccの値が所定値αよりも小さ
く、かつ受波が弱いときはθ1を変数と考えて補正を行
なう方法を採用し、C/Ccの値が所定値αよりも大きい
か、または受波が弱いときは取付寸法を変更する方法を
採るようにすることができる。なお、受波の強度は例え
ば、送受信部２内に設けられる増幅器に対するゲイン
（受波監視部３によつてコントロールされる）から判断
することができる。
この発明によれば、予め設定された音速から実際の音速
を演算し、これにもとづいてセンサの正しい取付寸法を
求めて表示するとゝもに、流速または流量演算のための
各種設定を変更するようにしたので、最初は音速が不明
でもこれを演算によつて求めることができ、したがつて
正確な測定が可能となる利点がもたらされるものであ
る。
を演算し、これにもとづいてセンサの正しい取付寸法を
求めて表示するとゝもに、流速または流量演算のための
各種設定を変更するようにしたので、最初は音速が不明
でもこれを演算によつて求めることができ、したがつて
正確な測定が可能となる利点がもたらされるものであ
る。
第１図はこの発明の実施例を示すブロツク図、第２図は
超音波測定装置における測定原理を説明するための原理
図である。 符号説明 11……配管、12a,12b……超音波センサ、13a,13b……く
さび部材、14……流体、２……送受信部、３……受波監
視部、４……伝搬時間測定部、５……制御部、６……流
量演算部、７……平均伝搬時間演算部、８……音速演算
部、９……取付寸法演算部、10……主演算部、21……設
定部、22……表示部。
超音波測定装置における測定原理を説明するための原理
図である。 符号説明 11……配管、12a,12b……超音波センサ、13a,13b……く
さび部材、14……流体、２……送受信部、３……受波監
視部、４……伝搬時間測定部、５……制御部、６……流
量演算部、７……平均伝搬時間演算部、８……音速演算
部、９……取付寸法演算部、10……主演算部、21……設
定部、22……表示部。
Claims (1)
- 【請求項１】流体が流れる配管に設けられ超音波の送受
信を行う一対の超音波センサと、 該センサの一方を送信側とし他方を受信側として超音波
を順方向および逆方向にそれぞれ送受信したときの各超
音波伝搬時間を測定する伝搬時間測定部と、 この伝搬時間測定部の出力に基づいて順方向および逆方
向の超音波伝搬時間の平均値を演算する平均伝搬時間演
算部と、 前記伝搬時間測定部の出力と前記平均伝搬時間演算部の
出力に基づいて前記流体の流速または流量を演算する流
速・流量演算部と、 この流速・流量演算部の演算結果を表示する表示部と、 からなる超音波式測定装置において、 前記流体の音速の設定値を入力する設定部と、 前記音速設定値に基づいて前記流速または流量の演算に
必要な諸量を演算する主演算部と、 前記平均伝搬時間演算部の出力に基づいて前記流体の音
速を演算する音速演算部と、 この音速演算部が出力する音速の演算値または前記音速
設定値に基づいて前記超音波センサ対の取付寸法を演算
する取付寸法演算部と、 を備え、 前記音速演算値が前記音速設定値に対して所定値以上ず
れていることを検出して前記超音波センサ対の正しい取
付寸法を前記表示部に表示する、 ことを特徴とする超音波式測定装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61039056A JPH0749976B2 (ja) | 1986-02-26 | 1986-02-26 | 超音波式測定装置 |
| US07/017,046 US4748857A (en) | 1986-02-26 | 1987-02-20 | Ultrasonic apparatus for measuring the flow velocity of a fluid |
| DE19873706280 DE3706280A1 (de) | 1986-02-26 | 1987-02-26 | Stroemungsmesser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61039056A JPH0749976B2 (ja) | 1986-02-26 | 1986-02-26 | 超音波式測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62197714A JPS62197714A (ja) | 1987-09-01 |
| JPH0749976B2 true JPH0749976B2 (ja) | 1995-05-31 |
Family
ID=12542473
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61039056A Expired - Lifetime JPH0749976B2 (ja) | 1986-02-26 | 1986-02-26 | 超音波式測定装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
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