JPH09243421A

JPH09243421A - 流量計測装置

Info

Publication number: JPH09243421A
Application number: JP8049915A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Ochi; 謙三黄地; Yukio Nagaoka; 行夫長岡
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-03-07
Filing date: 1996-03-07
Publication date: 1997-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波流量計の計測精度を高める。【解決手段】流路１に設けられた上流側の振動子３
と、下流側の振動子４との間の伝搬時間差から流体の流
速と、超音波の音速とを演算し、これらから流量値を求
め、超音波の基準音速で流量値を換算する。これによっ
て、流体の温度変化に対し追従性に優れ、精度の高い流
量計測ができる。また、ハニカム状の均熱帯を有してい
るので、流体の温度分布を改善でき、計測精度が高くな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波を利用して
ガス・水などの流体の流量を計測する流量計測装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の流量計測装置は、図８に
示すように、管状の流路１０１の上流側と下流側とに、
流体の流れと斜交して一対の超音波振動子１０２、１０
３を設けるとともに流体の温度を検知する温度発振器１
０４を管壁に設けていた。このような構成において、上
流側の振動子１０２から流れ方向に超音波を送信し、こ
の超音波を下流側の振動子１０３で受信する時間と、下
流側の振動子１０３から流れ方向に逆らって超音波を送
信し、上流側の振動子１０２で受信する時間とを、伝搬
時間測定回路１０５で検知し、それぞれの伝搬時間の差
と、温度発振器１０４を用いる温度測定回路１０６の温
度出力とから、温度不安定要因を除去した気体流量値を
流量演算部１０７で演算していた。なお、図中の矢印１
０８は流体の流れる方向を示す（特開平４−３２８４２
４号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の流量計測装置では、管状流路１０１内の流体の温度
を測定するのに温度発振器１０４が必要であるため、構
成が複雑であった。また、温度発振器１０４を管状流路
１０１の管壁に設けているため、流れている流体の温度
を正確に検知できない。このため、流量を正確に検知で
きないなどの課題があった。

【０００４】本発明は上記課題を解決するもので、簡単
な構成で、高精度に流量計測ができる流量計測装置を提
供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の流量計測装置に
おいては、超音波の伝播方向と流体の流れ方向とが、斜
交するように設置された超音波を送受信する一対の振動
子と、振動子から超音波を送信する送信手段と、振動子
で超音波を受信する受信手段と、送信・受信を切換える
切換え手段と、振動子間相互の超音波伝達を連続して複
数回繰り返し行う繰り返し手段と、切り換え手段と連動
して超音波伝播の累積時間を検知する時間検知手段と、
超音波伝搬の各々の累積時間と、累積時間の平均時間と
から流体の流速を演算する流速演算手段とを備えてい
る。

【０００６】この本発明によれば、流体中の超音波の音
速を用いて流速を演算しているため、流体の温度変化に
対し追従性に優れ、また安定した流量値が求められる。

【０００７】

【発明の実施の形態】上記目的を達成するために本発明
の流量計測装置は、以下の構成とした。

【０００８】すなわち、流路の上流と下流とに、超音波
の伝播方向と流体の流れ方向とが、斜交するように設置
された超音波を送受信する一対の振動子と、前記振動子
の送信受信の切り換え手段と、前記振動子間相互の超音
波伝達を連続して複数回繰り返し行う繰り返し手段と、
前記切り換え手段と連動して超音波伝播の累積時間を検
知する時間検知手段と、超音波伝搬の各々の累積時間
と、前記累積時間の平均時間とから流体の流速を演算す
る流速演算手段と、流量演算手段とを備えた構成とし
た。

【０００９】また、流体中の超音波の音速演算手段と、
音速の上限値、下限値とを設定することのできる上下限
設定手段と、演算された音速と設定されている音速とを
比較する音速比較手段とを備えた構成とした。

【００１０】また、外部へ測定流量値の異常を報知する
異常報知手段を備えた構成とした。また、基準温度での
流体中の超音波の音速を設定する基準音速設定手段と、
設定された基準音速での流量に換算する流量換算手段と
を備えた構成とした。

【００１１】また、流体中での超音波音速の温度係数を
設定する温度係数設定手段を備えた構成とした。

【００１２】また、管状流路に設置された一対の超音波
振動子の上流側、下流側にハニカム状の温度均一化手段
を備えた構成にした。

【００１３】また、一対の超音波振動子の上流側、下流
側にハニカム状の温度均一化手段を設けるとともに、流
路断面形状が矩形であり、かつ、超音波を矩形断面の長
手方向に伝搬させる構成とした。

【００１４】本発明は上記構成によるため、温度発振器
の不要な簡単な構成の流量計が実現できる。また、流体
中を伝搬する超音波の音速を温度指標として用いるた
め、流れている流体の温度を正確に把握することができ
るとともに、温度追従性にすぐれた高精度な流量計が実
現できる。

【００１５】以下、本発明の第１の実施例を図面にもと
づいて説明する。図１において、管状の流路１に、矢印
２の方向に流れる流体に斜交して超音波が伝搬するよう
に一対の超音波振動子３、４とを、それぞれ上流側、下
流側に設けた。一対の振動子３、４間の破線は超音波の
伝搬経路を示す。それぞれの振動子３、４は、切換手段
５により、それぞれ送信機６あるいは受信機７に接続さ
れる。例えば、バースト信号を出力する送信機６からの
信号が、上流側の振動子３に伝えられ、超音波が下流側
の振動子４に向かって送信される。下流側の振動子４で
受信された信号は、受信機７に伝送される。受信機７で
受信された信号は、即座に送信機６に伝えられ、同様の
ことを繰り返し、いわゆるシングアラウンド計測系を構
成する。なお、繰り返し回数は繰り返し手段８で決定さ
れ、一般に時間分解能を向上させるために用いられ、通
常の場合繰り返し回数は約１００〜１０００回程度が多
用されている。この間の累積時間は時間検知手段９で検
知される。同様のことが、下流側の振動子から上流側の
振動子に向かって超音波を送信し、実施される。

【００１６】このようにして、上流側から下流側へ、あ
るいは下流側から上流側への繰り返し回数、Ｎ回、あた
りの超音波の伝播の累積時間が測定される。すなわち、
上流側から下流側への時間をｔdn、下流側から上流側へ
の時間をｔupとすると、ｔdn ＝Ｎ*［Ｌ／(ｃ＋ｖ) ＋ dＴ］ｔup ＝Ｎ*［Ｌ／(ｃ−ｖ）＋ dＴ］で示される。

【００１７】ここで、dＴは受信から送信までの回路系
で遅れる遅延時間を示し、ｃは流体中での超音波の音速
を示し、Ｌは上流と下流との振動子間の距離を示す。な
お、回路系での遅延時間dＴ、超音波が伝搬する時間に
較べ充分小さいので、以下の計算においては無視した。

【００１８】ここで、速度ｖは流路内での流体の流速を
Ｖfとし、超音波の伝搬方向と流体との交叉角をθとす
ると、ｖ＝Ｖf*COS（θ）で示される。

【００１９】また、伝搬時間ｔupとｔdnとの時間差ｄｔ
は次式で示される。ｄｔ＝ｔup−ｔdn ＝２*Ｌ*Ｎ*ｖ／［（ｃ−ｖ）*（ｃ＋ｖ）］〜２*Ｌ*Ｎ*ｖ／（ｃ²）ここで、ｃ≫ｖを用い近似した。

【００２０】よって、ｖ＝（ｃ²*ｄｔ）／（２*Ｎ*Ｌ）
となる。従って、流体の流速Ｖfは、Ｖf＝ｖ／COS（θ）＝（ｃ²*ｄｔ）／［２*Ｎ*Ｌ*COS（θ）］このように、流体の流速Ｖfは、流体中の超音波の音速
ｃと、測定された時間差ｄｔとから求められる。

【００２１】また、この時の伝搬時間ｔupとｔdnとの平
均時間ｔmはｔm＝（ｔup＋ｔdn）／２＝Ｎ*Ｌ*ｃ／［（ｃ−ｖ）*（ｃ＋ｖ）］〜Ｎ*Ｌ／ｃここでも、ｃ≫ｖを用い近似した。

【００２２】平均時間ｔmは、流体中の超音波の音速ｃ
と強く結びついている。このため、超音波の音速ｃはｃ＝Ｎ*Ｌ／ｔm となり、測定した平均時間ｔm、繰り返し回数Ｎ、振動
子間の距離Ｌとから演算することができる。

【００２３】また、管状の流路１の断面積をＳとする
と、流量ＱmはＱm＝Ｓ*Ｖf ＝Ｓ*（ｃ²*ｄｔ）／［２*Ｌ*Ｎ*COS（θ）］＝Ｓ*［（Ｎ*Ｌ／ｔm）²*ｄｔ］／［２*Ｌ*Ｎ*COS（θ）］＝（１／２）*Ｓ*Ｎ*Ｌ*（ｄｔ／ｔm²）このように、流体の流量Ｑmを、管状の流路１の断面積
Ｓ、繰り返し回数Ｎ、振動子間距離Ｌ、伝搬時間の差ｄ
ｔ、電波時間の平均時間ｔmで得られる。これらは全て
既知の値や、測定した値であり、温度変化による超音波
の音速ｃの温度変化を受けることなく正確に流量を演算
することができる。

【００２４】なお、これらの演算は、流速演算手段１０
と、流量演算手段１１とで演算される。

【００２５】以上説明したように、温度変化に敏感な流
体中の超音波の音速を用いて流量を演算しているため、
演算された流量値は温度変化に対しても安定し、正確と
なる。一方、上記の従来例では、流路の管壁に設けた温
度発振器により流体の温度を検知しているため、流体の
温度を正確に検知しているとは考えられない。

【００２６】また、本願発明では、流体中の超音波の音
速を用いて流量を演算しているため流体の温度変化に対
し、追従性に優れている。

【００２７】次に、図２を用いて本発明の第２の実施例
を説明する。第２の実施例においては、流体中の超音波
の音速を演算する音速演算手段１２と、音速の上限値、
下限値を設定する上下限設定手段１３と、音速比較手段
１４とを、本発明の第１の実施例に付加した。この構成
により、前記実施例１に示したように音速演算手段１２
により流体中の超音波の音速ｃが演算されると、流体中
の音速の上限値、下限値が予め設定されている上下限値
設定手段１３の音速値と、音速比較手段１４により比較
される。例えば、測定された流体中の超音波の音速が、
上限値、下限値をはみ出していた場合、流量の測定が誤
りであったと判断することができる。また、範囲内にあ
れば、流量が正常に測定されたと判断することができ
る。このため、測定精度が大幅に改善され、誤動作する
ことがない。また、積算流量計などの場合は、積算値を
更新しないようにしておけば、誤積算することもない。

【００２８】次に、図３を用いて本発明の第３の実施例
を説明する。第３の実施例においては、流量測定の異常
を外部報知することができる異常報知手段１５を、本発
明の第２の実施例に付加した。この構成により、測定さ
れた流体中の超音波の音速が、上限下限設定手段で設定
される範囲をはみ出した場合に、測定値が異常であると
外部報知することができる。従って、流量値が異常であ
ることを簡単に知ることが可能となる。例えば、異常報
知手段を、有線、無線などで構成すれば、例えば通信セ
ンタなどで、広い地域にわたって用いられている流量計
などの動作を簡単にモニタすることができる。また、異
常報知手段を特殊な構成にすれば、流量計のユーザーに
知られることなくモニタすることも可能となる。また、
異常を発生とほぼ同時に知ることが出来るので、即座に
修理、調整などが可能となり、ユーザーメリットが大き
くなる。

【００２９】次に、図４を用いて本発明の第４の実施例
を説明する。第４の実施例においては、基準温度での流
体中での超音波の音速を設定できる基準音速設定手段１
６と、測定した流量値を基準音速での流量値に換算する
流量換算手段１７とを本発明の第２の実施例に付加し
た。この構成により、例えば基準温度を常温の２０℃と
した場合、流体が空気であれば超音波の音速（Ｖstd）
は約３４０m/secである。この時、測定された流体中の
超音波の音速がｃであれば、流体の温度を測定すること
なく、測定された流量値Ｑmを、基準温度２０℃での流
量値Ｑstdに換算すことができる。即ち、超音波の音速
は、一般に流体の温度の(1/2)乗に比例するといわれ、
また気体の体積は絶対温度に比例すると言われているた
め、次式のように換算される。

【００３０】即ち、ｃ／Ｖstd＝（Ｔm／Ｔstd）^1/2 Ｑstd／Ｔstd＝Ｑm／Ｔm よって、温度Ｔmで測定された流量Ｑmは、基準温度Ｔst
dでの流量ＱstdはＱstd＝Ｑm*（ｃ／Ｖstd）² となる。

【００３１】なお、Ｔm、Ｔstdはそれぞれ絶対温度で測
った測定時の流体の温度と、基準温度とを示す。このよ
うに本発明の流量計測装置では、流体の温度を測定する
ことなく測定した流量値Ｑmを基準温度Ｔstdでの流量値
Ｑstdに換算することができる。

【００３２】次に、図５を用いて本発明の第５の実施例
を説明する。第５の実施例においては、基準温度で領域
での流体中の超音波の音速の温度係数設定手段１８とを
本発明の第４の実施例に付加した。この構成により、基
準温度領域での、超音波の音速の温度係数が例えば、Ｋ
stdとすると、前記の第４の実施例で示した測定された
流量値Ｑmは、基準温度での流量値Ｑstdにより正確に換
算され、次のようになる。

【００３３】Ｑstd＝Ｑm*（ｃ−Ｖstd）／Ｋstd 流体の特性値、超音波の音速および音速の温度係数など
を用いて測定流量値Ｑmを基準温度での流量値Ｑstdに換
算しているため、流体の温度に追従した正確な流量値が
得られる。また、温度発振器などを介していないため、
温度追従性に優れている。

【００３４】次に、図６を用いて本発明の第６の実施例
を説明する。第６の実施例においては、流体の管状流路
１の、振動子３、４の上流側および下流側に熱伝導性に
優れた例えば、銅、アルミなどの箔で構成したハニカム
状の均熱帯１９を設けた。なお、箔の厚みは流体の圧損
を大きくしな程度に薄くした。また、ハニカムの流体の
流れる方向の長さは充分熱交換が行われるようにした。
この構成により、流路１を流れる流体の温度分布を大変
小さく抑えることができた。温度変化の激しい流体を流
しても、正確に基準温度での流量値Ｑstdに換算され
た。

【００３５】また、この場合前記のハニカムが流路１を
流れる流体を整流する作用も得られ、測定流量値がより
一層安定するという効果も得られた。

【００３６】次に、図７を用いて本発明の第７の実施例
を説明する。第７の実施例においては、第６の実施例で
示した流体の流れる流路１を矩形上の流路２０とした。
流体の流れる方向の垂直断面を、図７に示す。超音波の
伝搬する方向（破線２１で示す）を前記矩形の長手方向
とする構成とした。なお、流路よる圧損が変わらないよ
うに断面積は前述の流路１と同じ大きさになるように選
んだ。また、長辺と短辺との比は、３／１以上になるよ
う扁平にした。なお、３、４は上流側、下流側の振動子
を示す。この構成により、矩形流路の短辺方向には厚さ
が充分に薄くなるため、さらにまた、熱伝導性の良好な
ハニカムが設定されているため、流体と流路構成体とが
より一層熱交換される結果となった。このため流体の温
度変化に対して強くなり安定して流量を測定することが
できた。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明の
流量計測装置によれば次の効果が得られる。

【００３８】（１）流路の上流と下流とに、超音波の伝
播方向と流体の流れ方向とが、斜交するように設置され
た超音波を送受信する一対の振動子と、前記振動子の送
信受信の切り換え手段と、前記振動子間相互の超音波伝
達を連続して複数回繰り返し行う繰り返し手段と、前記
切り換え手段と連動して超音波伝播の累積時間を検知す
る時間検知手段と、超音波伝搬の各々の累積時間と、前
記累積時間の平均時間とから流体の流速を演算する流速
演算手段と、流量演算手段とを備えた構成としたため、
流体中の超音波の音速を用いて流量を演算しているため
流体の温度変化に対し、追従性に優れた、また温度変化
対しても安定した流量値が得られる流量計測装置が実現
出来る。

【００３９】（２）流体中の超音波の音速を演算する音
速演算部と、音速の上限値、下限値を設定する上下限設
定手段と、音速比較手段とからなる構成としたため、流
量測定が正常であったか、誤りであったかを判断するこ
とができる。また、このため測定精度も向上することに
なる。

【００４０】（３）流量測定の異常を外部報知すること
ができる異常報知手段を有する構成でらうため、測定さ
れた流量値が異常である場合、外部報知することができ
る。従って、広い地域にわたって用いられている流量計
などの動作を簡単にモニタすることができ、異常発生と
ほぼ同時に知ることが出来る。このため、即座に修理、
調整などが可能となる。

【００４１】（４）基準温度での流体中での超音波の音
速を設定できる音速設定手段と、測定した流量値を基準
音速での流量値に換算する流量換算手段とを設けた構成
としたので、測定された流量値Ｑmを、基準温度Ｔstdの
流量値Ｑstdに簡単に換算すことができる。また、流体
中の超音波の特性値により流量値を換算するので正確で
あり、温度追従性にも優れる。

【００４２】（５）基準温度領域での流体中の超音波の
音速の温度係数設定手段を設けた構成としたので、超音
波の音速および音速の温度係数を用いて測定流量値Ｑm
を基準温度Ｔstdでの流量値Ｑstdに換算しているため、
流体の温度への追従性に優れた、正確な流量値が得られ
る。

【００４３】（６）振動子３、４の上流側および下流側
に熱伝導性に優れたハニカム状の均熱帯を設けた構成と
したので、温度変化の激しい流体を流しても、測定流量
値Ｑmを正確に基準温度Ｔstdでの流量値Ｑstdに換算す
ることができる。また、ハニカム状の均熱帯を流路に設
けたので、流路を流れる流体が整流され、測定流量値が
より一層安定するようになった。

【００４４】（７）流路を矩形状とし、かつ、ハニカム
状の均熱帯を設けるので、流体の温度分布がより一層小
さくすることができ、温度変化の激しい流体を流して
も、正確に安定性よく流量計測が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の流量計測装置のブロッ
ク図

【図２】本発明の第２の実施例の流量計測装置のブロッ
ク図

【図３】本発明の第３の実施例の流量計測装置のブロッ
ク図

【図４】本発明の第４の実施例の流量計測装置のブロッ
ク図

【図５】本発明の第５の実施例の流量計測装置のブロッ
ク図

【図６】本発明の第６の実施例の流量計測装置の部分図

【図７】本発明の第７の実施例の要部断面構成図

【図８】従来の流量計測装置のブロック図

【符号の説明】

１流路３上流側の振動子４下流側の振動子５切換え手段８繰返し手段９時間検知手段１１流量演算手段１２音速演算手段１３上下限設定手段１４音速比較手段１５異常報知手段１６基準音速設定手段１７流量換算手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流路の上流と下流とに、超音波の伝播方向
と流体の流れ方向とが、斜交するように設置された超音
波を送受信する一対の振動子と、前記振動子から超音波
を送信する送信手段と、前記振動子で超音波を受信する
受信手段と、前記送信・受信を切換える切換え手段と、
前記振動子間相互の超音波伝達を連続して複数回繰り返
し行う繰り返し手段と、前記切り換え手段と連動して超
音波伝播の累積時間を検知する時間検知手段と、超音波
伝搬の各々の累積時間と、前記累積時間の平均時間とか
ら流体の流速を演算する流速演算手段とを備えた流量計
測装置。
【請求項２】流体中の超音波の音速演算手段と、音速の
上限値、下限値とを設定する上下限設定手段と、演算さ
れた音速と設定されている音速とを比較する音速比較手
段とを備えた請求項１記載の流量計測装置。
【請求項３】外部へ異常を報知する異常報知手段を備え
た請求項２記載の流量計測装置。
【請求項４】基準温度での流体中の超音波の音速を設定
する基準音速設定手段と、設定された基準音速での流量
に換算する流量換算手段とを備えた請求項２記載の流量
計測装置。
【請求項５】流体中での超音波音速の温度係数を設定す
る温度係数設定手段を備えた請求項４記載の流量計測装
置。
【請求項６】一対の超音波振動子の上流側、下流側にハ
ニカム状の温度均一化手段を備えた請求項５記載の流量
計測装置。
【請求項７】流路断面形状が矩形であり、かつ、超音波
を矩形断面の長手方向に伝搬させてなる請求項６記載の
流量計測装置。