JPH08512126A - 流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 流量計は流体の流れる方向に離して配置した一対のトランスジューサ８、９を備えている。送信器２０は、流体を通して両方向に音響信号がトランスジューサによって送られるようにしており。プロセッサ２２は、トランスジューサが受信する音響信号の走行時間を監視することにより流体の流れに関する情報を決定し。トランスジューサとトランスジューサとの間の空間の部分が形成する流路は、軸方向で流れ方向に延びる複数の流路５１、５２；６１、６２；７１、７２を有する流れ構造体５から成る。これらの流路の横断面直径は実質的に平面音響波のみを流路の流体が通すように選定されており、そして作動状態で流体は、全体積流速に対するそれぞれの流路の体積流速の比が全体積流速に対して実質的に一定であるようにそれぞれの流路を流れている。

Description

【発明の詳細な説明】 流量計 本発明は、第２の音響トランスジューサの上流に第１の音響トランスジューサ を備え、これらのトランスジューサ間の音波の進行時間を使って、これらのトラ ンスジューサ間に流れる流体の流速を測定する形式の流量計に係るものである。 この方法を利用する超音波流体移動装置は欧州特許公開公報０３４７０９６に 記載されている。これを使って既知の大きさの通路を流れるガスの流速を測定で きる。測定した速度に速度の関数である係数を掛けることによって体積流速を計 算できる。この装置は国内のガスメータの部分として使用してもよい。 欧州特許公開公報０３４７０９６のような先行技術の欠点は、測定した速度に 速度の関数である係数を掛けることによって体積流速を計算しなければならない ことである。測定した速度と体積流速との関係は非線形であって、そのためこの 技術を複雑で、実際に使用すると不正確なものとしている。それ故、体積流速を 計算するもっと正確な方法があると好都合である。 「通過時間式超音波流量計の理論」（ジェイ・ヘンプ、クランフイールド・イ ンスティチュート オヴ テクノロジ、１９８１年７月２７日）に説明されてい るが、ある流れ条件と音響条件の下では管を流下する平面波の、管内を流れるこ とに因る位相シフトは体積流速だけに比例する。これは平面音波の集積特性に因 るのである。 軸離れモード（off-axis mode）に対する補償は国際公開９３／００５７０に 記載されている。この方法で使っているリングアラウンド・トランスミッション においては、４番目毎のウエーブパケットを先行パケットに対して反転させてダ クト内の高次モードの進行効果を無効としている。 米国特許４３６５５１８に開示されている音響流量計においては流量計を通る 流路を、超音波の波長に対して十分に大きい何本かの管に分けて超音波が歪みな くそれぞれの管を進行するようにしている。この先行技術は線形応答する範囲が 狭い。 英国特許２２０９２１６においては、あるカット・オフ点以下の直径を有する 通路を設けることによってその流路に沿って平面波だけを通している。この場合 、 速度の関数である係数を使用しなくても体積流速は直接計算できる。位相誤差を 生じる建設的な、もしくは破壊的なエコーによって変えられることなく、測定さ れた信号が直接伝播路を辿るとき、最高の精度が得られる。それ故、信号が直接 路を辿ることを確実にすることにより、モード抑圧も精度を改善している。しか しながら、流路管内に多数の流路を詰め込むようにして配置しているため流路管 の中心軸からのこれら流路の半径方向の距離は異なっている。このことが、測定 された流速に誤差を生じさせる。 本発明の第１の特徴によれば流量計は、流体の流れる方向に間隔をあけて配置 した一対のトランスジューサ、これらのトランスジューサによって流体を通して 両方向に音響信号を送る送信手段、そしてトランスジューサによって受けた音響 信号の走行時間を監視することによって流体の流れについての情報を決定する処 理手段を備え、一対のトランスジューサ間の空間の部分が形成する流路が流れの 方向に軸方向にのびる複数の平行流路を有する流路構造から成り、これらの複数 の流路の横断面積は、流体が音響平面波だけをその流路に通すように選定されて おり、そして全体積流速に対する各流路を流れる体積流速の比が全体積流速に対 して一定であるように、作動中それぞれの流路を流体が流れるようになっている 。 この構成においては各流路は全流速を表す一部分を採取している。 先行技術とは対照的に本発明は３桁で±３％の線形を達成することができる。 流路間の隙間はそれに沿って流体が流れないように閉塞しておくのが好ましい 。 各通路の横断面は円形であるのが好ましい。 円形断面の流路を使用すると、例えば英国特許２２０９２１６で使用されてい るような六角形断面の流路と比較して幾つもの利点がある。流路に沿う圧力降下 を最小とするという必要性と位相シフトを最大とするという必要性との間で、最 適の妥協を現実に求めることができる。 典型的には、流路の両端の中心にトランスジューサを配置して対称的なアセン ブリとすることによって本発明を実施できる。トランスジューサの中心を結ぶ一 本の線から半径方向に流路の中心を等距離にして流路を配置でき、それ故、もし 流れが外部の影響から隔離されていれば、同じ流れと音響的な場でデータを収集 できる。本質的なことではないが、外部の影響から隔離するには、流路の軸方向 に速度の成分を持たない回転流を入口室につくればよい。 第２の特徴によれば、本発明の流量計は、流体の流れる方向に間隔をあけて配 置した一対のトランスジューサ、これらのトランスジューサによって流体を通し て両方向に音響信号を送る送信手段、そしてトランスジューサによって受けた音 響信号の走行時間を監視することによって流体の流れについての情報を決定する 処理手段を備え、一対のトランスジューサ間の空間の部分が形成する流路が環状 の流路を有する流路構造から成り、それに対応してトランスジューサも環状の形 を取っている。 これら総ての場合において、流路構造体で音響エコーを防止することが望まし い。このことは例えば、流路構造体に近接してトランスジューサを配置すること により、もしくは流路構造体上に吸収材料を使用することによって達成できる。 到来音響信号に対して流路構造体が角度をつけた、平坦な面を呈しているのが好 ましい。 上に述べたような流量計は小型にすることができ（例えばレンガ位の大きさ） 、そして低価格で製作できる。ここに説明したようなユニットは家庭のガスメー タに最も適している。 高い電気−音響変換効率と簡単なデータ処理とによって電力消費は非常に少な く、電池による長期の作動を可能としている。 ガスメータとして使用してもガスの成分に不感であり、また液体例えば水を含 む様々な流体にも使用できる。 本発明の流量計の一例を添付図を参照して以下に説明する。 図１は全システムのブロック図である。 図２は流れセンサ装置の横断面図である。 図３は先細りの流路管を示す。 図４は別の先細りの流路管を示す。 図５は図１の流路構造体の線Ａ−Ａに沿う横断面図である。 図６は図５と同様な横断面図であるが、第２の例を示す。 図７は図５と同様な横断面図であるが、第３の例を示す。 図８は図５と同様な横断面図であるが、第４の例を示す。 図９は、図８の流路内へ音響波を送り込む圧電トランスジューサを示す。 図１０は図９の平面図であり、圧電要素の半径方向の振動を示す。 図１１は普通のラウドスピーカーを示す。 図１２は環状流路に音波を送り込む環状トランスジューサの第２の例を示す。 図１３は図５と同様な横断面図であるが、第５の例を示す。 図１と図２とに示す流量計は２つの部分、フローセンサー１と電子計測システ ム２とから成る。流体は、入口３でフローセンサーに入り、入口室６と出口室７ とを結ぶ計測管５を通った後出口４から出る。 計測管を通る音のパルスを放出し、そして受ける２つの超音波トランスジュー サ８と９を使ってフローセンサー内の流れを計測する。送信から受信までの経過 時間Δｔは電子システム２によって上流（＋）方向と下流（−）方向で測定され る。これらの測定から流量計を流れる体積流速を上に述べたようにして決定する 。上流測定のためのトランスジューサ８を駆動し、切り換えて下流測定のための トランスジューサ９を駆動する信号発生器から電子システム２が成っているのが 典型である。音響信号が測定管５を進行し、他方のトランスジューサによって受 けられる。その受け取った信号をデジタル化し、そしてデジタル信号処理ユニッ トへ送って、このデジタル信号処理ユニットから流速信号を出力する。 入口室６は円筒状のキャビテイであって、入口３を通って入ってくる流体は接 線方向に注入されて、測定管５の軸方向に速度成分を持たない流体の回転流れを 入口室６内に作る。こうすることの目的は、測定管５内の流速に影響することの ある入口３の上流側の流れの影響を取り除く、もしくは少なくすることである。 このようにして測定管５は、入ってくる流れにおける外部の擾乱影響から効果 的に切り離されており、そして管を流れる流体の流れはトランスジューサどうし の中心を結ぶ線３２の周りに回転対称である。 内部管ホルダー１０は直接路からのどんな信号も反射するような形にしてあっ て、内部管ホルダーから反射するエコーが測定完了までは直接路に干渉しないよ うにしている。このようにできるのは、横断面積の小さい角度をつけた面が信号 を散乱させ、そして信号を長い干渉路もしくは吸収路の方へ向けてしまうからで ある。 測定管５の両端１１からトランスジューサ８又は９へ音響信号が反射してエコ ーとなる。これを回避するには測定管５を図３もしくは図４に示すように設計す ればよい。測定管５は複数の流路６１、６２もしくは７１、７２を備えている。 測定管の端１１、１１’は先細りとなってトランスジューサと直接路とから離れ る方向に信号１２を反射し、それから反射するエコーが測定期間中直接路の信号 に干渉しないようにする。 トランスジューサの方向性を調整して、測定管を通らない信号のパワーを最小 とすることができる。 流量計を通る体積流速は測定速度から求められる。速度が流れの横断面にわた って均一であれば、体積流速は簡単に次式から求められる。 Ｑ＝ＵＡ ここでＱは体積流速、Ｕは一様な流速、そしてＡは流れ域の横断面積である。 しかし、粘性効果のため速度は不均一であり、そして円形パイプにおいては入 口から広がる放物線状に速度は分布すると考える。この速度プロフイールは高次 の流速における擾乱の発生によって更に変更される。 これらの条件の下では横断面積と測定された速度とを掛けただけでは体積流速 値は得られない。これを修正する必要がある。 不都合なことに、パイプ内の速度プロフイールは多くの変数の関数であって、 非線形の振る舞いをする。普通の平均の方法によってこの欠点を修正しようとし ても、費用がかかり、実際には精度も悪い。 この流量計は平面音波の集積特性を利用する。管を通る平面波は管内の流れの ため位相シフトを生じる。「トランジット・タイム超音波流量計の理論」（ジェ イ・ヘンブ、クランフイールド インスティチュート オヴ テクノロジ、１９ ８１年７月２７日、１４２頁ないし１４４頁）に記載されているように、ある流 れと音響条件の下ではこの位相シフトは流速だけに比例する。 走行時間Δｔを平面音波だけを使って測定することを保証するには、時間域分 離により及び又は測定管のカット・オフ周波数以下で作動させることにより、高 次モードを除去しなければならない。 本発明の流量計では流れを計測するのに使用する周波数において平面波だけを 送るように測定管５を設計している。周波数、流速、管壁インピーダンスそして パイプの形状のあらゆる組み合わせに対してカット・オフ周波数があって、それ 以下では音が第１モード即ち平面波としてのみ進行する。 カット・オフ周波数より高い周波数では高次のモードが進行し、様々なモード が異なる群速度で進行する。この速度における差を利用して、時間領域で進行モ ード間で区別することによって平面波伝送を隔離できる。 円形パイプにおいてカット・オフ周波数に対する支配的なパラメータはパイプ 直径である。そこで、問題をカット・オフ直径として考えることができる。カッ ト・オフ直径を定義すると、その直径以下では所与の周波数で平面波としての音 だけが進行できる直径をいう。 カット・オフ周波数とカット・オフのパイプ寸法との間の関係はほぼ線形であ って、この関係を正確に知る必要はない。完全に剛性な円形パイプに対して、こ の要件は、結局０．５８６λよりも小さい直径を使用するということになる。こ こでλは自由空間を進行する信号の波長である。この要件は、もし粘性ダンピン グ、壁の屈曲性そして表面の質を考えると緩和してもよい。これらすべてのアス ペクトが高次のモードの進行を制限もしくは阻止するように作用して、この計算 されたカット・オフ周波数以上でパイプ内では平面波のみを進行させれることに なる。例えば、音響吸収材でパイプを裏打ちして、高次モードの反射を効果的に 吸収させてそれらの伝播を阻止するよう設計することもできる。 本発明の流量計の計測管５の全体の直径はその選定された作動周波数のカット ・オフ直径よりも遙に大きい。しかし、それを複数の軸方向に延びる通路に分割 して、それぞれの通路の直径を４０キロヘルツでのカット・オフ直径以下にする 。図５に示すように計測管５の横断面で見れば多数の通路５１、５２、５３が詰 まった構造となっている。通路５１、５２、５３間の隙間３３は塞がれている。 このことによる利点は流速を低く抑えて、流れ抵抗を小さくするということであ る。それはまた、流れノイズを低減し、そしてその方法の精度を改善する。 図５に示すきっちり詰め込んだ構造と対照的な、図６もしくは図７の構造が好 ましい。図６の隙間３３は塞がれていて、流体を含まない。図６と図７とに示す 構造は図５のきっちり詰め込んだ構造とは以下のように対照させてよい。トラン スジューサとトランスジューサとを結ぶ中心の軸線３２を図５乃至図７に示し、 この軸線は紙面に垂直である。図５の通路５１、５２、５３は中心線３２から半 径方向に異なる距離にある。このことにより異なる流れと音の路を各通路がサン プルすることになる。対照的に、図６におけるすべての通路、例えば６１、６２ そして図７における例えば７１、７２は中心線３２から等しい半径方向の距離に ある。これらの通路における流れと音の路は同じであって、そしてこのことが誤 差を少なくさせる。 すべてこれらの例においてｑn／Ｑの比は、Ｑのすべての値に対して一定であ る。ここでｑnは計測している通路の体積流速であり、そしてＱは入口室６と出 口室７との間の全体積流速である。ｑnを測定してＱの値を求める。 図８に別の流れ通路を（断面で）示す。環状流路８２は流体を含み、そして太 い棒の形の中心のソリッド部分を包囲している。この部分８１はその包囲構造体 内で羽根（図示せず）によって支えられている。距離ｄはカット・オフ直径以下 であってラジアル オフ・アクシス モード（radial off-axis mode）を抑制す る。 サーカムファレンシアル オフ・アクシス モード（CircumferentiaI off-ax is mode）は、円周に沿っての送受信応答を確実に等しくすることによって抑制 される。これはトランスジューサの適正な設計によって達成される。 図には示していないが、図８と図５との構成を様々に組み合わせることもでき る。 図９に適当なタイプのトランスジューサの一例を示す。この例では、環状流路 ８２は圧電トランスジューサ１３０が放出する波の環状域をサンプルする。トラ ンスジューサを構成している圧電要素１３３は図９の断面図に示す金属円板１３ １へ接着されている。図１０の平面図に示すように、圧電要素１３３は１４１で 示すように「半径」モードで振動し、それによって金属円板は図９に破線１３２ で示すように振動する。 環状流路に使用するのに適したトランスジューサの第２の例を図１２に示す。 このトランスジューサの構成は、図１１に示す普通の永久磁石・可動コイルの拡 声器と同じである。永久磁石１４１には１４２で示すように磁束が通る。円錐状 の膜１４５に取り付けたコイル１４３は、それに流れる電流に応答して永久磁石 １４１の磁極間の環状空間１４６の磁界内で１４７で示すように振動する。 図１２のトランスジューサでは、極片１５２、１５３は先細りとなっていてそ れらの極片間の磁界を増大させている。軽量の、非伝導性の支持膜１５４の表面 に螺旋状に導電コイル１５５を取り付けてある。この螺旋コイルは極片１５２、 １５３間の磁界内にあって、コイルを流れる電流に応答して振動する。これによ って環状の音場１５７をつくり、この音場が環状流路８２に入力され、そしてそ れは所要通り円周上では変化しない。距離１５９が約λ／２であることが好まし く、ここでλは気体内の音の波長である。 図１３が断面で示す更に別の流路はｈ×ｗ（ｗはｈより遥に大きい）の寸法の スロット１２１を備えている。（図８と図１０に示すように流体は紙面に流れ込 む）ｈはカット・オフ直径以下であり、そしてｗ方向におけるオフ・アクシスモ ード（off-axis mode）は環状通路の場合のように、トランスジューサの適正設 計により抑制される。 この例では、最大平均流速Ｕｍａｘ＝Ｑｍａｘ／Ａがサブ・サイクリックな位 相シフト、すなわち〔ｌ／ｃ−Ｕｍａｘ−ｌ／ｃ＋Ｕｍａx〕ｆ＜１となるよう に計測管５の横断面積Ａを選定する。ここで、ｆは音波の周波数、ｃは音速そし てｌはトランスジューサとトランスジューサとの間の距離である。 このことが流量計の線形性を改善し、そして測定を容易にする。分析により言 えることは、流れに起因する位相シフトΔθをΔθ＜πに減少することが流速プ ロフイルから測定を独立させ、流量計の線形性を増大させることを確実にする。 位相シフトをサブ・サイクリックに保つことによって上流と下流とで同じ捕捉窓 を使用でき、そしてそれによりトランスジューサの応答/始動に対する感度を減 少させれる。しかしながら、サブ・サイクリック位相シフトをつくらない面積Ａ を使用して完全に許容できる性能を達成している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ， ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ (72)発明者 デイビス，クリストファー イギリス国 ケンブリッジ シービー４ ５エスエル， フェン ドレイトン， ク ーテス レーン 37 (72)発明者 フライヤー，クリストファー ジェームス ニュートン イギリス国 バッキンガムシャー， ワー バーン サンズ， チャペル ストリート 12 (72)発明者 ワハ，アレイン ヘンリ イギリス国 スタンステッド モントフィ チェット シーエム24 ８エーユー， サ ニーサイド 21

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．流体の流れる方向に離して配置した一対のトランスジューサ８、９と、流体 を通して両方向に音響信号がトランスジューサによって送られるようにする送信 手段２０と、トランスジューサが受信する音響信号の走行時間を監視することに より流体の流れに関する情報を決定する処理手段２２とを備え、トランスジュー サとトランスジューサとの間の空間の部分が形成する流路は、軸方向で流れ方向 に延びる複数の流路５１、５２；６１、６２；７１、７２を有する流れ構造体５ から成り、これらの流路の横断面直径は実質的に平面音響波のみを流路の流体が 通すように選定されており、作動状態で流体は、全体積流速に対するそれぞれの 流路の体積流速の比が全体積流速に対して実質的に一定であるようにそれぞれの 流路を流れているようにした流量計。 ２．入口室６に接線方向に流体を注入し、その入口室に流路の軸方向に実質的な 速度成分を持たない回転流れをつくる請求項１に記載の流量計。 ３．流路が実質的に円形横断面を有している請求項１もしくは２に記載の流量計 。 ４．流路間の隙間３３を塞いでこれらの隙間に沿って流体が流れないようにした 請求項１乃至３のいずれかに記載の流量計。 ５．流路をきっちり詰め込んだ構成となるよう配置した請求項４に記載の流量計 。 ６．流体の流れる方向に離して配置した一対のトランスジューサ８、９と、流体 を通して両方向に音響信号がトランスジューサによって送られるようにする送信 手段２０と、トランスジューサが受信する音響信号の走行時間を監視することに より流体の流れに関する情報を決定する処理手段２２とを備え、トランスジュー サとトランスジューサとの間の空間の部分が形成する流路は実質的に環状の一つ の流路８２から成り、トランスジューサは対応する環状の形を有するようにした 流量計。 ７．流れ構造体に沿って延びる中心軸から半径方向に実質的に等距離に複数の流 路が配置されている請求項１ないし６のいずれかに記載の流量計。 ８．流れ構造体が到来音波に対してそれぞれ角度の付いた面１１を呈する請求項 １ないし７のいずれかに記載の流量計。 ９．請求項１ないし８のいずれかに記載のガス流量計。