JPH09504110A - 流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 交互に送信/受信モードで動作する２つの超音波変換器が測定管部の一方の側に配設されている。測定管部の、超音波変換器に対向する側には２つの反射器が固定されており、これらの反射器は次のように幾何学的に配置構成されている。すなわち超音波が螺旋状に測定管部を通って案内されるように配置構成されている。それにより、支配的な貫流形態に依存することのない流量測定が達成される。

Description

【発明の詳細な説明】 流量測定装置 本発明は請求の範囲第１項の上位概念による、超音波流量測定装置に関する。 移動する流体状の又はガス状の媒質（流動体）の流量を超音波を用いて測定す る際には次のような問題が生じる。すなわち受信器（超音波変換器）から供給さ れる測定信号が、流量のみでなくそれぞれの測定管部における流動形態や貫流す る流体の種類にも依存する問題がある。流体の速度に応じて様々な流動形態が形 成される。図１ａに示されているような、断面が矩形状のの管部における層状の 流動形態は、流量速度が比較的緩慢な場合に生じる。管内部に示されている層は 、同じ流動速度の領域を表している。層状の流動形態は例えば図１ｃに記載のよ うに放物線形状で表される。最大流速は管部の中心で生じる。流量が多ければ多 い程、つまり流速が速ければ速いほど、流動形態はより一層箱形に近くなる。図 １ｂには乱流の流動形態が示されている。この流動形態は流速が速い場合に生じ る。その他の管部領域では流速はほぼ同じままである。 これまでの公知の超音波変換器はほぼガウス状の感度分布を有していた。超音 波変換器の最大感度はその 中心にある。この感度は縁部に向けて大幅に鈍る。さらに超音波が管壁部を通し て照射される場合には、感度は管壁部の特性に大きく影響される。ドイツ連邦共 和国特許公開第４０１０１４８号公報から公知のように、音の伝播時間からある いはドップラー効果を用いて流速を検出するために、貫流チャネル内を移動する 媒質を超音波変換器で検査する場合には、特に流動形態が層状の場合、貫流チャ ネルの中心に生じる最大流速は、貫流チャネル周辺部に生じる比較的低い流速よ りも著しく強く評価される。このことは各流動形態毎にそして各媒質毎に固有の 測定特性曲線が生じることとなる。これは評価ユニットをより複雑にする。 さらにドイツ連邦共和国特許公開第４０１０１４８号公報では、超音波信号が 測定管部の構造に基づいてｗ字状だけではなく寄生のｖ字状の経路でも伝播され 得るために、これによって生ぜしめられる信号成分を抑圧するための付加的な手 段が必要となる欠点が述べられている。 公知文献“Ultrascchall-Durchflussmessung,(Ultrasound flowmeasurement}b y H.Bernard,messen＋pruefen/automatik{Measurement Testing/automatic syst em},Issue 5,1982,258頁〜263頁”からは流体が貫流する測定管部を有する流量 測定装置が公知である。この装置では流動形態の障害が次のようにして低減され ている。すなわち複数の超音波変換器から生ぜしめられ る測定ビームを管部断面に亘って分布させることによって低減されている。しか しながら信号評価に対するコストは使用する超音波変換器の数と共に上昇する。 公知文献“Ultrasonic Measurements for Process Control;by L.C.Linworth, Academic Press,Sandiego,1989”288頁には、測定管部が超音波送信側変換器と 超音波受信側変換器を有している流量測定装置が記載されている。超音波変換器 の送受信面は次のように傾斜されている。すなわち照射された音波がその実施形 態に応じて測定管部の１つ又は２つあるいは４つの反射個所において反射される ように傾斜されている。 本発明の課題は、より高い測定精度を有し、測定信号が流量のみに依存して、 使用される媒質や存在する流動形態にはもはや依存しない、流量測定装置を提供 することである。 前記課題は請求の範囲第１項の特徴部分に記載された本発明によって解決され る。 本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載される。 次に本発明を図面に基づき詳細に説明する。 図面 図１は、流動チャネル断面における層状及び乱流状の流動形態を示した側面図 である。 図２は、側壁に平行な貫流チャネルの音響伝播特性を備えたｈ従来の超音波流 量計を示した図である。 図３、図２による超音波流量測定装置のエラー特性曲線を示した図である。 図４は、貫流チャネルが螺旋状の音響伝播特性を備えた超音波流量測定装置を 示した図である。 図５は、反射角度を検出するための貫流チャネルの相対寸法を示した図である 。 図６は、本発明による超音波流量測定装置の別の実施例を示した図である。 図７は、図４による超音波流量測定装置に対するエラー特性曲線を示した図で ある。 図８は、図４による超音波流量測定装置の反射器を示した図である。 図９は、図６による超音波流量測定装置に対するエラー特性曲線を示した図で ある。 図１０は、図６による超音波流量測定装置の反射器を示した図である。 図１１と図１２は、複数の超音波送信側変換器と受信側変換器かないしは軸線 方向でずらされた超音波送受信側変換器を備えた本発明による超音波流量測定装 置の別の実施例を示した図である。 実施例 直径ｄ≦５０ｍｍの貫流チャネルに対する測定装置においては音響が通常は貫 流チャネル側壁ＳＷに対して平行に、送信機として用いられる超音波変換器ＵＳ Ｗ１から超音波受信側変換器ＵＳＷ２に案内される（ 図２参照）。図示の流量測定装置では音響が貫流チャネルを通ってｖ字状の経路 を伝播する。この場合送信機ＵＳＷ１に対向する反射器Ｒ１が超音波を貫流チャ ネルコーナーＳＤの方向に変向させ、第２の反射器Ｒ２は超音波を受信側変換器 ＵＳＷ２の方向に変向させる。使用される超音波変換器の方向特性は、変換器中 心間の接続ラインの感度の増加に作用する。この場合は変換器中心から周辺に向 けての感度のガウス状の分布が想定される。これは図２において変換器ＵＳＷ１ からのライン状の濃淡描写で表されている（濃色；最大感度、淡色；最小感度） 。超音波が側壁ＳＷに平行した状態でのみ伝播される場合には、ビーム（以下で はウエーブフロントの伝播方向を単にビーム伝播方向と称する）は最大感度で貫 流チャネルの中心領域を通って伝播され、その結果高い数価の比較的速い速度が 記録される。それとは反対に貫流チャネルの周辺部領域では低い感度のビームが 伝播する。そのためここでは相応に数価の低い遅い速度が記録される。その結果 低い速度（＝少ない流量）のもとで非常に大きなエラーを伴ったエラー特性曲線 が生ぜしめられる。このエラーは速い速度（＝流量が多い）毎に徐々に低減され る。図３に示されているエラー特性曲線では、例えば磁気誘導形流量測定装置（ ＭＩＤ）を用いた測定等の基準方式と比較した超音波測定の相対的な測定エラー が示されている。 十分に均質な音響、つまりチャネル断面に亘って均一な感度を保証するために 、比較的高い感度の音波、すなわち変換器ＵＳＷ１から照射される超音波が、反 射器Ｒ１/Ｒ２の適切な配置により貫流チャネルの全領域を通って案内される（ 図４及び図６参照）。これは、貫流チャネルの側壁ＳＷ,上方面ＳＤ,基底面ＳＢ における超音波の反射の組み合わせや入れ替えによって行われる。超音波を専ら 側壁ＳＷに対して平行に第１の超音波変換器から第２の超音波変換器へ送信する 代わりに、すなわち上方面と基底面の反射だけを利用することの代わりに、本発 明による流量測定装置では超音波が貫流チャネルを螺旋状に伝播する。それによ って達成される貫流チャネル内の音響の均質性は、大きく異なる感度のビームを 伴って、特に図４ｂ,図６ｂ,図２ｂとの比較で明らかとなる。 以下に記載する実施例は、長さがｌ（ｌ＝壁部中心の間隔）で四角い断面（幅 ＝ｂ，高さ＝ｈ）を有している。 貫流チャネルの幾何学構造と反射器Ｒ１,Ｒ２の配向を決定するためには反射 角度が算出されなければならない。上方面反射と基底面反射に対する従来の角度 α（この角度は図示の実施例において典型的なＶ字状経路を生ぜしめる）に対し て、さらに側壁における新たな反射角度Ψが加えられる（図４ｃ参照）。 本発明は２つの角度αとΨを、以下に述べる周辺条 件を考慮する下で算出し、組み合わを行うものである。 １）干渉による部分ビームの不所望な消去を避けるために、個々のビーム経路の 長さを同じ長さにする。それによりウエーブフロント形状は維持され続ける。 ２）角度α（基底部−上方部−反射）に対しては本発明による実施例で選定され ている変換器と反射器の配置構成では２つの可能な音波経路、すなわちＶ字状と Ｗ字状の音波経路のみが与えられる（貫流方向に対して垂直な前進伝播経路ない し戻り伝播経路は測定信号に対しては影響を与えないので考慮されない）。 Ｖ字状の音波経路は次のことによって特徴付けられる。すなわち変換器ＵＳＷ １からの音波が反射器Ｒ１を介して貫流チャネルの上方部ＳＤに達し、そこから Ｒ２方向に反射され、反射器Ｒ２から超音波変換器ＵＳＷ２へ変向されることに よって特徴付けられる（上方部反射、図４ｄ参照）。 図示されていないＷ字状音波経路の場合では送信側変換器から照射された超音 波は、固定的な第１の反射器−貫流チャネル上方部−貫流チャネル基底部−貫流 チャネル上方部−第２の反射器を介して受信側変換器に達する（貫流チャネルの 壁部における３つの反射）。 横断方向の音波なしの場合（Ψ＝０）では、Ｖ字状音波経路に対する仰角α_V とＷ字状音波経路に対する 仰角α_Wは以下のように算出される。 α_V＝0.5・ｌ・arctan（0.5・l/h） α_W＝0.5・ｌ・arctan（0.25・l/h） α_V＝Ｖ字状音波経路の場合の仰角 α_W＝Ｗ字状音波経路の場合の仰角 横断方向音波ありの場合（方位角Ψ≠０）では２つの仰角α_Vとα_Wは以下のよ うに算出される。 α_V＝0.5・ｌ・arctan(｜0.5・l/cos(Ψ)｜) ＝0.5・larctan(l_αｖ/h) α_W＝0.25・ｌ・arctan(｜0.25・l/cos(Ψ)｜) ＝0.5・larctan(l_αｗ/h) 方位角Ψ（横断方向音波：側壁ＳＷにおける反射）に対しては反射器の配分と 配置構成によって１つの値範囲がが可能である。しかしながら適切な感度の均一 な分布は僅かしか保証できない。第１の反射器Ｒ１と側壁ＳＷ上の反射点との間 の間隔lΨと、貫流チャネルの幅ｂからは方位角Ψが以下のように求められる（ 図５参照）。 Ψ＝±arctan(ｂ／ｌ_Ψ) この式からは以下に述べる実施例が得られる。 第１実施例： ２つの反射器Ｒ１,Ｒ２及び反射面ＲＦ１,ＲＦ２は、方位角Ψだけ回転する（ 図４ｃ参照）。この回転方向は、非対称な構成が生じるので不適切である。間隔 l_Ψは以下のように選択可能である。 l_Ψ＝｛1/2・l;1/4・l;1/6・l｝ ここでは比較的高い次数は無視される。さもなければ反射の数の増加によって信 号品質が損ねられるからである。 第２実施例： 一方の反射器が方位角Ψだけ回転され、他方の反射器は−Ψだけ回転される。 間隔l_Ψは以下のように選択される。 l_Ψ＝｛1/3・l｝ 第３実施例： 反射器はそれぞれ２つの反射面に分割される。これらの各反射面には固有の配 向特性＋Ψ,−Ψが与えられる（図６ｃ参照）。第１の反射器Ｒ１の反射面ＲＦ １１は角度−Ψだけ回転され、第１の反射器Ｒ１の反射面ＲＦ１２は＋Ψだけ回 転される。第２の反射器Ｒ２の反射面ＲＦ２１とＲＦ２２もこれと同じように回 転される。方位角Ψの算出値は前記第１実施例と第２実施例において記述した前 記式から得られる。このような反射器の組み合わせの結果生じるウエーブフロン トは、異なる方向に引き続き伝播される２つのウエーブフロントに分割される。 これらのウエーブフロントは同じ長さの経路を伝播した後で第２の反射器Ｒ２に おいて再結合される。間隔l_Ψは以下のように選択される。 l_Ψ＝｛l;1/2・l;1/3・l;1/4・l;1/5・l…｝ 第４実施例： 方位角Ψは次のように選定される。すなわち、第１の反射器Ｒ１と第２の反射 器Ｒ２の凸状の組み合わせが生じるように、すなわち第１の反射器Ｒ１の第１の 反射面ＲＦ１１は方位角−Ψだけ回転され、第１の反射器Ｒ１の第２の反射面Ｒ Ｆ２１は＋Ψだけ回転され、第２の反射器Ｒ２の第１の反射面ＲＦ１２は方位角 ＋Ψだけ回転され、第２の反射器Ｒ２の第２の反射面ＲＦ２２は−Ψだけ回転さ れるように選定される。この場合第２の反射器Ｒ２におけるウエーブフロントの 再結合は、中心から周辺方向と周辺から中心方向への感度の再分布と共に行われ る。これによって分布は向上するが、信号レベルの損失も見込まれる。間隔l_Ψ は以下のように選択される。 l_Ψ＝｛2/3・l｝ 第５実施例： 方位角Ψは次のように選択される。すなわち、第１の反射器Ｒ１と第２の反射 器Ｒ２の凹状の組み合わせが生じるように、すなわち第１の反射器Ｒ１の第１の 反射面ＲＦ１１は方位角＋Ψだけ回転され、第１の反射器Ｒ１の第２の反射面Ｒ Ｆ２１は−Ψだけ回転され、第２の反射器Ｒ２の第１の反射面ＲＦ１２は方位角 ＋Ψだけ回転され、第２の反射器Ｒ２の第２の反射面ＲＦ２２は−Ψだけ回転さ れるように選定される。この場合のウエーブフロントの再結合も第４実施例のよ うに行われる。間隔l_Ψは以下のように選択される。 l_Ψ＝｛2/3・l｝ 前述した全ての実施例では間隔l_Ψは所定の値範囲を下回るべきではない。さ もなければ反射の数の増加によって信号品質が損なわれるからである。 図４に示されたＶ字状の音波経路を有する第１実施例はその試行の中で線形性 と特性曲線の材料への非依存性に関して最良の結果を示す（これに関しては図７ 参照）。試験媒質がグリコールの場合のエラーは、検査測定領域が１００〜４０ ００ｌ/ｈにおいて±１.５％よりも少ない。音響伝播が側壁に対して平行である 特性を有する図２に示された超音波流量測定装置では、少ない流量の場合の測定 エラーは１８％よりも多い。水に対してのエラーは、０.５％の最大エラーが認 められるＭＩＤ流量測定装置とのそれぞれの比較において、０.８％以下の帯域 にある（以前では９％）。 図８に示されている反射器を例えば図４による用いることも可能である。反射 器は、有利には黄銅から製造され、以下のテーブルに示す寸法を有している。テーブル１ 長さ l =130mm 高さ h = 22mm 幅 b = 22mm 反射器半径 r = 14mm 反射器寸法 bb =3.11mm 反射器寸法 x =4.27mm 左方向回転角度 ΨL=ーArcTan[b/(0.5・l)] =-18.69° 右方向回転角度 ΨR=ΨL=-18.699° Ｖ-経路設定値 l_t1=0.5・l 回転されたＶ-経路 l_α=Abs[l_t1/(Cos[ΨL])] 基底面/上方面間の迎え角 α=0.5・l・ArcTan[l_α/h] =36.11° 側壁間の迎え角 φ=90-2α=17.77° aa=r/(Cos[α]+Sin(α)/Tan[Pi/2-2α]) x=aa Cos[α」 bb=aa Sin[α] 前記ｘは斜面aaの水平投射を表し、bbは縁部の高さを表す。 図６に示された実施例３では、線形性と特性曲線の材料への非依存性に関する 同じような良好な結果が得られる（図９参照）。しかしながら所要の信号レベル はいずれにせよ実施例３の場合よりもやや低い。グリコール（水）による検査の 際のエラーは、測定領域１００〜４０００ｌ/ｈにおいて±２％（１％）よりも 少ない。 図６による流量測定装置に用いられる反射器は、以 下に述べるような図１０に示された構成部から形成してもよい。 構成部Ｂのそれぞれ１つの対からは一方ではグレーマーク部分がそして他方では 白部分が、ＣおよびＤに示されているように適合する手段でカットされる。部分 ＣとＤのそれぞれ１つの半部から部分Ｅ及びＦが合成される（２つのグレー部分 は１つのＥ部分を形成し、２つの白部分は１つの部分Ｅを形成する）。寸法と角 度は図１０及び以下のテーブル２に示される。テーブル２ ： 長さ l =130mm 高さ h = 22mm 幅 b = 22mm 反射器半径 r = 14mm 反射器寸法 bb =3.11mm 反射器寸法 x =4.27mm 第１の左方向回転角度 ΨL=-ArcTan[b/(0.5・l)] =18.69° 第１の右方向回転角度 ΨR=-ΨL=18.699° 第２の左方向回転角度 ΨL=-ΨL=18.69° 第２の右方向回転角度 ΨR=ΨL=-18.699° Ｖ-経路設定値 l_t1=0.5・l 回転されたＶ-経路 l_α=Abs[l_t1/(Cos[ΨL])] 基底面/上方面間の迎え角 α=0.5・ｌ・ArcTan[l_α/h] =36.11° 側壁間の迎え角 φ=90-2α=17.77° 以下には本発明による測定装置の構成に対するさらなる変化例が示される。： −軸方向及び横軸方向の反射の全ての組み合わせ −長さの変化 −管部寸法の比率の変化 −異なる測定特性を有する２つ又は複数の測定管部の組み合わせ −比較的広い基準幅の複数の送信器の使用 −六角形の断面 −長楕円又は円形の断面 −円錐状管部の軸方向での直径の変化 −異なる壁部での反射 −回転される平面的反射器 −回転され複数の反射面に分割される反射器 −回転さるか又は回転されない湾曲した反射器 −貫流チャネルの片側上の送信及び受信変換器 −相互に対向する送信及び受信変換器 −軸方向で偏移している送信及び受信変換器（図１２参照） −異なる側壁上に分割された複数の送信及び受信変換器（図１１参照） 本発明による測定装置は流量測定に最も関係の深い液体に対してのみ適してい るのではなく、流量測定に最も関係の深いガスや、加熱/冷却系における熱量計 とも称される水量測定装置等にも適するものである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年７月２８日 【補正内容】 米国特許第４１０３５５１号明細書からは、異なる流量特性に対する超音波測 定系が公知である。この装置は円形管部内での超音波流量測定に用いられ、この 管部は２つの超音波変換器を有している。これらの超音波変換器は、管部内の音 響経路に沿って相互にコミュニケーションする。この音響経路は管部半径を半分 にした弦部を含んでいる。 ヨーロッパ公開特許第０２６８３１４号公報からは円筒形管部内で流量を検出 するための装置が公知である。この流量測定装置は、第１と第２の超音波変換器 対を有している。これらの超音波変換器のうちのそれぞれ１つは、超音波信号を 斜めに管部内へ照射する。この管部内では信号が測定管部の２つの個所で反射さ れる。この装置によれば、流れの中に生じた渦による障害が補償される。 本発明の課題は、より高い測定精度を有し、測定信号が流量のみに依存して、 使用される媒質や存在する流動形態にはもはや依存しない、流量測定装置を提供 することである。 【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年１１月１６日 【補正内容】 請求の範囲 １． ガス状又は流体状の媒質が貫流する測定管部と、前記媒質を超音波検査 する超音波変換器（ＵＳＷ１）と、測定管部内に配設された第１の反射器（Ｒ１ ）と、超音波受信変換器（ＵＡＷ２）とを有し、前記個々の構成要素は、超音波 が少なくとも一度は測定管部の平面的な壁部にて反射するように相互に配向され ており、 前記第１の反射器（Ｒ１）の面基準は、直角な座標系において０とは異なる３ つの成分を有しており、前記成分のうちの１つの軸線は貫流方向（Ｆ）に対して 平行に配向されていることを特徴とする、流量測定装置。 ２． 区分構成された第１の反射器（Ｒ１）を有し、それぞれの反射器区分（ ＲＦ１１，ＲＦ１２）の面基準は相互に平行に配向されていない、請求の範囲第 １項記載の流量測定装置。 ３． 前記第１の反射器（Ｒ１）は、測定管部内の超音波変換器（ＵＳＷ１） に対向して配設されている、請求の範囲第１項又は２項記載の流量測定装置。 ４． 前記超音波変換器（ＵＳＷ１）は、測定管部内で貫流方向に対して垂直 に超音波を発する、請求の範囲第１項〜３項いずれか１項記載の流量測定装置。 ５． 測定管部内に配設される第２の反射器（Ｒ２） を有している、請求の範囲第１項〜４項いずれか１項記載の流量測定装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ガス状又は流体状の媒質が貫流する測定管部と、前記媒質を超音波検査 する超音波変換器（ＵＳＷ１）と、測定管部内に配設された第１の反射器（Ｒ１ ）と、超音波受信変換器（ＵＡＷ２）とを有し、前記個々の構成要素は、超音波 が少なくとも一度は測定管部の壁部にて反射するように相互に配向されている、 流量測定装置において、 第１の反射器（Ｒ１）の面基準が、直角な座標系において３つの成分を有して おり、前記成分のうちの１つの軸線は貫流方向（Ｆ）に対して平行に配向されて いることを特徴とする、流量測定装置。 ２． 区分構成された第１の反射器（Ｒ１）を有し、それぞれの反射器区分（ ＲＦ１１，ＲＦ１２）の面基準は相互に平行に配向されていない、請求の範囲第 １項記載の流量測定装置。 ３． 前記第１の反射器（Ｒ１）は、測定管部内の超音波変換器（ＵＳＷ１） に対向して配設されている、請求の範囲第１項又は２項記載の流量測定装置。 ４． 前記超音波変換器（ＵＳＷ１）は、測定管部内で貫流方向に対して垂直 に超音波を発する、請求の範囲第１項〜３項いずれか１項記載の流量測定装置。 ５． 測定管部内に配設される第２の反射器（Ｒ２）を有している、請求の範 囲第１項〜４項いずれか１項 記載の流量測定装置。 ６． 前記第２の反射器（Ｒ２）の面基準は、直角な座標系において３つの成 分を有している、請求の範囲第５項記載の流量測定装置。 ７． 区分構成された第２の反射器（Ｒ２）を有し、それぞれの反射器区分（ ＲＦ２１，ＲＦ２２）は相互に平行に配向されていない、請求の範囲第５項又は ６項記載の流量測定装置。 ８． 前記第２の反射器（Ｒ２）は、測定管部内で超音波受信変換器（ＵＳＷ ２）に対向して配設されている、請求の範囲第５項〜７項いずれか１項記載の流 量測定装置。 ９． 平面的な第１又は第２の反射器（Ｒ１，Ｒ２）を有している、請求の範 囲第１項〜８項いずれか１項記載の流量測定装置。 10． 前記第１又は第２の反射器（Ｒ１，Ｒ２）の反射器区分（ＲＦ１１， ＲＦ１２，ＲＦ２１，ＲＦ２２）は、平面である、請求の範囲第１項〜９項いず れか１項記載の流量測定装置。 11． 前記超音波変換器（ＵＳＷ１）の対称軸線は、前記超音波変換器（ＵＳ Ｗ２）の対称軸線に対して平行に配向されている、請求の範囲第１項〜１０項い ずれか１項記載の流量測定装置。 12． 前記超音波変換器（ＵＳＷ１）の対称軸線は、前記超音波変換器（ＵＳ Ｗ２）の対称軸線に対して傾 斜されている、請求の範囲第１項〜１０項いずれか１項記載の流量測定装置。