JPH08110254A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】管内の流速分布が乱れている配管の屈曲部近く
に配置しても高精度の流量測定が可能な超音波流量計を
提供する。 【構成】超音波流量計の流量検出部を、配管に音響的に
結合して設けられ、超音波送受波器10a 10bを配管の管
軸の回りに周回移動を案内する超音波送受波器のそれぞ
れに対応する一対のステー3a，3bと、一対の超音波送受
波器を超音波を送波して受波する位置に配置して結合す
るアーム８と、一体に結合された超音波送受波器を前記
ステーに沿って移動させる駆動手段とによって構成し、
計測制御部を、駆動手段を通じて一体に結合された超音
波送受波器を配管軸の回りの予め定めた複数位置に移動
させて各位置で流速を測定し、各位置で測定した流速の
平均値を演算して平均流量値として出力するようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体の流れによる超音
波の伝搬時間差から流体の流速または流量を計測する超
音波流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波が流れのある流体中を伝播すると
き、上流から下流に向かう場合と下流から上流に向かう
場合では伝播速度が異なる。この伝播速度の速度差が流
体の流速に比例関係になることを利用して流速を測定す
る従来技術による透過形超音波流量計の原理構成を図３
に示し、この図によって従来技術を説明する。

【０００３】図３の超音波流量計において、１ａと１ｂ
とは超音波振動子であり、２ａと２ｂとは配管５の中の
流体９と超音波振動子とを音響的に結合する斜角楔であ
り、超音波振動子と斜角楔は音響的に結合して超音波送
受波器10ａ，10ｂを構成している。図３の超音波流量計
の上流の超音波送受波器10ａに励振パルスを印加して励
振すると超音波が射出され、射出された超音波は斜角楔
２ａを経て配管５から配管内の流体９へと伝播する。そ
うして、配管内の流体９へと伝搬した音波は配管の対向
面に到着し、斜角楔２ｂに案内されて受波モードとなっ
ている超音波送受波器10ｂに導かれて受信される。この
上流の超音波送受波器10ａから下流の超音波送受波器10
ｂに到着するまでの音波の伝搬時間をＴ₁₂とし、逆に下
流の超音波送受波器10ｂを励振して上流の超音波送受波
器10ａで音波を受信する場合の伝播時間をＴ₂₁とする
と、それぞれの伝播時間Ｔ₁₂とＴ₂₁とは、下記の式
（１）および式（２）で表される。

【０００４】

【数１】

【０００５】

【数２】

【０００６】ここにＤ； 配管の内径 τ； 配管、斜角楔での伝搬時間 Ｃ； 流体中での音速 Ｖ； 流体の流速 θ； 流体中への超音波の入射角 上式より明らかなように、流速があるとＴ₁₂、Ｔ₂₁に時
間差が発生する。

【０００７】超音波流量計では、式（１）で与えられる
流れに沿う方向の超音波の伝播時間Ｔ₁₂と、式（２）で
与えられる流れに逆方向の超音波の伝播時間Ｔ₂₁を計測
して連立方程式に代入、流速Ｖを演算によって求めてい
る。超音波流量計を構成するに当たって、超音波送受波
器を図３の原理説明図の通り、流体配管５をはさんで両
側に超音波の伝播経路がＺ字形になるよう配置して構成
する場合と、配管の管壁で反射されて音波打出し側と同
側に戻った反射超音波をとらえるよう、超音波送受波器
を配管の同側に超音波の伝播経路がＶ字形になるように
配置して図４に例示のように構成する場合とがある。

【０００８】図４に例示のように超音波送受波器を流体
配管の同側に配置すると、超音波は配管の直径方向を往
復して受信されるので、式（１）と（２）中の配管内径
Ｄを２Ｄとすることによって伝波時間Ｔ₁₂，Ｔ₂₁と流速
Ｖの関係が与えられ、図３の構成の超音波流量計と原理
的には全く同等である。図４のように超音波送受波器を
配管の同側に配置してＶ方式の超音波流量計を構成する
と、超音波送受波器の取付機構部をコンパクト簡素に構
成でき、超音波送受波器の配管への取付と位置の調整が
容易になる。

【０００９】ところで、実際の流体は多少とも粘性を有
しているので配管中を流れるとき、管壁付近では流速が
低下し、管の中心部で最大流速となる図５の（ａ）に例
示のような流速分布Ｕ(X) をもつこととなる。このた
め、図３の測定原理の超音波流量計が検出する流速は、
超音波送受波器１ａと１ｂとを結ぶ直線が乗る平面上で
流速分布Ｕ(X) を積分平均した式（３）で表される平均
流速となる。

【００１０】

【数３】

【００１１】配管の直管部が十分に長い場合には、配管
中で流体は配管軸に関して軸対称に流れることとなるの
で、管内の流速分布Ｕ(X) は管軸に関し軸対称となり、
超音波送受波器１ａと１ｂとを結ぶ線が配管軸を横切る
配置関係にあるかぎり、管軸に対する超音波送受波器の
取付方位に依存せずに平均流速が検出される。一方、配
管が屈曲している部位あるいは口径が急に大きくなって
いるような部位では流れは屈曲によって乱され、流速分
布は図５の（ｂ）に例示のように配管軸に関して軸対称
でなくなり、管の軸方向断面における平均流速は断面の
軸に関する回転方位で異なることとなる。このため流管
の屈曲部分近辺に超音波送受波器を配置すると、検出さ
れる平均流速は管軸に対する超音波送受波器の取付方位
に依存し、流量計測の誤差が超音波送受波器取付方位に
大きく存在することとなる。

【００１２】配管の屈曲部で乱されて流速分布が管軸に
関して軸対称でなくなった流れは、十分に長い直管部を
流れる間に流体が有する粘性を介する相互作用の結果平
均化され、その位置で流速分布Ｕ(X) は再び管軸に関し
軸対称となる。このため従来技術による超音波流量計に
おいては超音波送受波器を十分な直管部を設けて配置す
るよう要請されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】超音波流量計を設置し
ようとするプラント施設の状況によっては、十分な直管
長を確保できない場合がある。このような場合、図６に
例示のように配管の管軸に直交する複数の測線上に超音
波送受波器を配置し、複数の流量計による流量測定値の
平均値を求める計測装置システムを構成すれば、配管の
屈曲部の直近であっても高精度の測定が原理的には可能
である。

【００１４】しかしながら、実際に複数対の超音波送受
波器を屈曲部近くの流管に配置し取付けることは困難で
あり、装置システムの構成は複雑となり設置接続の調
整、さらには保守の作業も面倒なものとなり、更に費用
も過大となる。本発明は、管内の流速分布が乱れていて
もその影響を測線の数を増やすことなく回避して測定す
る配管の屈曲部近くに配置しても高精度の流量測定が可
能な超音波流量計を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】流体の流れ方向とその逆
方向に、それぞれ超音波を伝搬させたときの各々の伝搬
時間に基づいて計測制御部が流体の流速流量を演算して
出力する超音波流量計が流量測定に要する時間間隔は、
配管中の流体の流量時間変動に比べ通常十分に早い。そ
こで、本発明においては、超音波流量計の流量検出部
を、配管に音響的に結合して設けられ、かつ超音波送受
波器の配管の管軸回りの周回移動を案内する超音波送受
波器のそれぞれに対応する一対のステーと、一対の超音
波送受波器を超音波を送波して受波する位置に配置して
結合するアームと、一体に結合された超音波送受波器を
前記ステーに沿って移動させる駆動手段とによって構成
し、計測制御部を、駆動手段を通じて一体に結合された
超音波送受波器を配管軸の回りの予め定めた複数位置に
移動させて各位置で流速を測定し、各位置で測定した流
速の平均値を演算して平均流量値として出力するように
する。

【００１６】

【作用】アームによって一体に結合された一対の超音波
送受波器は、駆動手段によって配管の管軸の回りに音響
的に結合して設けられたステーに沿って移動し、移動し
た位置において配管中流体を伝播する超音波の伝播時間
が測定され、計測制御部は各位置で測定された流速の平
均値を演算して平均流量値を求めて出力する。

【００１７】

【実施例】本発明にもとづいてＶ方式の超音波流量計を
構成する場合の超音波送受波器取付機構部の１実施例の
構造を図１に示し本発明を説明する。図１において１ａ
と１ｂとは超音波振動子であり、２ａ，２ｂは超音波振
動子を配管５を流れる流体９と音響的に結合する斜角楔
であり、超音波振動子と斜角楔は音響的に結合して超音
波送受波器10ａ，10ｂを構成している。そして、３ａ，
３ｂは、超音波送受波器10ａ，10ｂを配管５の外周に沿
って音響結合を保ちながら移動させるにあたってガイド
となるステーである。このステー３には斜角楔２から突
出させたキー21が嵌挿される案内溝31が周設されてお
り、ステー３ａと３ｂとは、可塑性部剤からなるコンパ
ウンド４を介して配管５に音響的に結合固着されてい
る。

【００１８】８は、一対の超音波送受波器10ａ，10ｂが
配管軸に平行にステー３ａ，３ｂのそれぞれに沿って同
時に一体となって摺動周回するように両送受波器を結合
固定するアームであり、両超音波送受波器の固定間隔
は、一方の超音波送受波器10ａの超音波振動子１ａから
放射された超音波が配管５中の流体９を伝播して配管の
他端で反射され、入射側の配管壁に戻って再度配管に侵
入して伝播する超音波をとらえる位置に、もう一方の超
音波送受波器10ｂの超音波振動子１ｂが配置されるよう
に定められている。

【００１９】配管５と斜角楔２および配管中を流れる流
体９の材質から、これらの部材中での音速の値が既知で
ある場合、各部材の境界面における超音波の屈折角は音
響原理にもとづく計算式によって求められるので、斜角
楔２，ステー３，配管５の肉厚と内径などの各部材の寸
法が与えられればアーム８の検出器取付間隔は計算によ
って定めることができる。

【００２０】一方、７は、上記アーム８に配管５の外壁
面を押圧するように回転可能に取付られた弾性部材から
なる、または弾性部材を周設した厚い円板状のローダで
あり、このローダ７は同じくアーム８に取りつけられた
ステップモータ６と共に一体に結合された超音波送受波
器10ａ，10ｂとを、ステー３ａ，３ｂに沿って移動させ
る駆動手段を構成する。すなわち、ローダ７がステップ
モータ６で回転駆動されると、この回転にともない、ア
ーム８に固着された２つの超音波送受波器10ａ，10ｂと
が、ステー３ａ，３ｂに案内されて音響的結合を保って
配管５の外周を摺動回転する。

【００２１】以上に説明の図１の構成の超音波送受波器
取付機構部を備えた超音波流速検出部10を測定対象の配
管に配置し、パルスモータ６を通じて配管５の管軸の回
りの異なる方位に超音波送受波器10ａ，10ｂを配向させ
て各配向での管内流速を測定すると、それぞれの配向に
おいて配管内の超音波伝播方向の直線が乗る平面上の平
均流速が計測される。ところで、Ｖ方式の超音波流量計
では、超音波送受波器10ａ，10ｂは配管の同側に配管軸
に平行に配置して配置対向管壁からの反射超音波を受波
しているので、超音波送受波器を配管の半周範囲を移動
させれば等価的に全周を移動させたことなる。それゆ
え、超音波送受波器10ａ，10ｂを配管５の外周に沿って
案内するステー３ａ，３ｂは配管半周の範囲に設け、こ
の範囲内で超音波送受波器を移動させればよい。

【００２２】上記図１の構成の超音波流速検出部10を、
配管の曲管部位近くで管内流速分布が管軸に関して軸対
称となっていない部位に配置して計測を実行すると、超
音波流速検出部10の超音波送受波器10ａ，10ｂと管軸を
結ぶ直線を乗せる面における平均流速として計測される
流速値は、超音波流速検出部10の管軸に対する配位方向
に依存して変動するが、多数の方位に超音波流速検出部
10を設定して得た流速値の平均値を求めれば管内の総平
均流速が得られることとなる。

【００２３】図２は、上記図１の構成の超音波流速検出
部10を備え、この超音波流速検出部を配管軸に関し異な
る方位に配向させて得た個別の流速計測値の平均値を求
めて流量値に換算して出力する本発明による計測制御回
路の１実施例の構成を示すブロック図である。図２にお
いて40は図１の構成の超音波流速検出部10を駆動して各
配位に対応の平均流速を求める演算処理を行う個別流速
演算部である。

【００２４】この個別流速演算部40は、超音波流速検出
部10における超音波送受波器10ａ，10ｂの超音波送波受
波の状態を交互に切替える順逆切替器41、送受信回路4
2、超音波送受波器10ａから送波されて10ｂで受波され
る超音波の伝播時間Ｔ₁₂と、上記とは逆方向に送受波さ
れる超音波の伝播時間Ｔ₂₁との差を検出する時間差検出
回路43および時間差検出回路43で検出された時間差をも
とにする演算処理によって流速値を求める流速演算プロ
グラム44とから構成されている。

【００２５】一方、60は個別流速演算部40における流速
の演算処理が修了したとき駆動回路61を通じて超音波流
速検出部10のステップモータ６に駆動電力を与えて超音
波送受波器10ａ，10ｂとを所定の方位に配向させる制御
を行う検出部方位制御部であり、この検出部方位制御部
60、また、個別流速演算部40と、次に説明の平均流速演
算部50の起動リセットの制御を併せて行うものである。

【００２６】平均流量演算部50は、個別流速演算部40で
得られた複数の流速データの平均値を求めて平均流量値
を出力する処理を行う演算部であり、個別流速演算部40
が出力する流速演算データの複数データを格納しておく
流速値メモリ51と、流速値メモリ51に格納された流速デ
ータの平均値を求めて平均流量値として出力する処理を
行う平均流量値演算プログラム52とで構成されており、
検出部方位制御部60が超音波送受波器10ａ，10ｂの方位
を設定する毎に、個別流速演算部40で計測演算されて出
力される流速値は流速値メモリ51に格納され、予め定め
た各方位への超音波送受波器10ａ，10ｂの設定が一巡し
て修了したことが検出部方位制御60から通知されると、
平均流量値演算プログラム52は流速値メモリ51に格納の
データの平均値を求め、配管の断面積の値を乗じて平均
流量値として出力する。

【００２７】ところで、配管の注目する部分における流
体流の流速分布は、注目部分の配管の前後、特に前側の
部分の流路の形状に依存して定まり、形状が固定されて
いれば、分布の形態も一定に定まる。それゆえ、曲管部
の近くに本発明による超音波流量計検出部10を設置して
流速を測定する場合、超音波送受波器10ａ，10ｂの各配
位において測定される流速値のゆらぎは同一のパターン
を示すこととなり、各配位における測定値の平均値に一
致または近い流速値を与える配置を選択することができ
る。したがって、流量計検出部10を設置したときに、超
音波送受波器10ａ，10ｂの各方位における流速測定値を
調べて平均値に最も近い計測値を与える方位を選びだ
し、この方位に超音波送受波器10ａ，10ｂの設定を固定
して、検出部の配管軸のまわりの周回走査を行わなくて
も平均流速を代表しうる計測値を得ることができ、この
ようにすれば超音波送受波器を移動させて複数回を測定
を繰返して得た値の平均値を演算する処理は不要となり
流速測定の応答速度を大きく早めることができる。

【００２８】さらに、常時は超音波送受波器10ａ，10ｂ
の配位の方向を固定して使用することが明らかな場合に
は、超音波送受波器10ａ，10ｂとを、ステー３ａ，３ｂ
に沿って移動させる駆動手段であるローダ７とステップ
モータ６とを動作させずに超音波送受波器10ａ，10ｂを
予め選定した方位に設定してステー３ａ，３ｂに固定す
る手段を設けるようにしてもよい。

【００２９】

【発明の効果】本発明による超音波流速計測装置では、
配管周囲に音響的に密着して設けられた一対のステーの
上を一体に結合された一対の超音波送受波器が移動して
配管軸に関して異なる複数の方位に超音波送受波器が設
定されたときの流速値を検出測定し、各方位における流
速検出測定値の平均値を求めて出力しているので、配管
手流体の流速分布が配管軸に関して対称でない場合でも
平均の流速値の計測が可能となり、配管の屈曲部の近く
で流速分布が軸対称とならないような配管部でも本発明
による超音波流量計検出部を設置して正確な流量計の測
定が可能になるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波流計の超音波流速検出部の
１実施例構成図

【図２】本発明による超音波流計の計測制御部の１実施
例のブロック図

【図３】超音波流量計の原理説明図

【図４】Ｖ形超音波流量計の検出器配置説明図

【図５】配管内流体流速分布説明図

【図６】超音波送受波器配置方位と誤差の関係の例を示
す図

【符号の説明】

10 超音波計測部 10ａ，10ｂ 超音波送受波器 １ａ，１ｂ 超音波振動子 ２ａ，２ｂ 斜角楔 ３ａ，３ｂ ステー ４ コンパウンド ５ 配管 ６ ステップモータ ７ 駆動輪 ８ アーム ９ 流体 40 個別流速演算部 50 平均流量演算部 60 検出部方位制御部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の超音波送受波器からなる超音波検出
   部を流体の流れる配管の外周に設置し、流体の流れ方向
   と逆方向に超音波を伝搬させたときそれぞれの伝播時間
   を計測し、伝播時間に基づいて計測制御部が流体の流量
   を演算して出力する超音波流量計において、 超音波検出部が、配管に音響的に結合して設けられ、か
   つ超音波送受波器の配管の管軸回りの周回移動を案内す
   る超音波送受波器のそれぞれに対応する一対のステー
   と、 前記一対の超音波送受波器を超音波を送波して受波する
   位置に配置して結合するアームと、 一体に結合された超音波送受波器を前記ステーに沿って
   移動させる駆動手段と、を備え、 計測制御部が、前記駆動手段を通じて一体に結合された
   超音波送受波器の配管軸に対する位置を制御する検出部
   方位制御部と、 超音波送受波器の各配置位置において超音波を発信受信
   して各配位に対応の平均流速を求める演算処理を行う個
   別流速演算部と、 前記個別流速演算部で超音波送受波器の各配置位置に対
   応して得られた複数の流速データを一時格納し、格納値
   の平均値を求めて平均流量値を演算出力する平均流量演
   算部と、 を備えたことを特徴とする超音波流量計。
2. 【請求項２】流量検出部が、超音波送受波器をステーに
   沿う任意に選定した位置に固着する締結手段を備えたこ
   とを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。