JPH10122923A

JPH10122923A - 超音波流量計

Info

Publication number: JPH10122923A
Application number: JP8293338A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Koyano; 清小谷野; Ryoko Usui; 良子薄井; Tadashi Igawa; 忠井川; Tokio Sugi; 時夫杉
Original assignee: Tokyo Keiso Co Ltd; Izumi Giken KK
Current assignee: Tokyo Keiso Co Ltd; Izumi Giken KK
Priority date: 1996-10-15
Filing date: 1996-10-15
Publication date: 1998-05-15
Also published as: US6055868A

Abstract

(57)【要約】【課題】全長に亘って同径な管体よりなる検出器を備
え、それでいて小流量用の管径が小さく、さらにコンパ
クトな超音波流量計を提供する。【解決手段】測定管１は全長に亘って同径なものとし、
この測定管に２個の円環状の超音波振動子２Ａ、２Ｂを
その内周面が測定管の外周面と実質的に密着するように
測定管の軸線方向へ所定の間隔で設け、これら２個の振
動子のうちの一方の振動子に交番電気エネルギが与えら
れることにより発信した超音波を他方の振動子によって
受信し、発信側と受信側の振動子を交互に切り換えるこ
とにより上流側から下流側への超音波の伝播時間と下流
側から上流側への超音波の伝播時間とをそれぞれ計測
し、演算回路６によりこれら伝播時間の差を演算して測
定管内を流れる流体の流速を求められるようにし、測定
管１は直管のものあるいは曲成された非直管のものとし
てある。

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た流
量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術とその問題点】管路を流れる流体内に超音
波を伝播せしめ、流れの上流から下流への超音波伝播速
度と、下流から上流への超音波伝播速度の差によって流
体の流速を求め、これに基づいて管路を流れる流体の流
量を計測する流量計は伝播速度差式超音波流量計または
伝播時間差式超音波流量計と呼ばれ、広く実用に供せら
れている。

【０００３】この方式の流量計の検出器は構造上次ぎの
２種類に分類できる。第１の方式は、図６のように検出
器の伝播管は直管であり、２個一対の超音波振動子は伝
播管の管壁に軸線方向へずれて固定され、発生する超音
波は流体中を流体の流れに対して斜めに伝播する（以下
タイプ１と呼ぶ）。

【０００４】第２の方式は、図７、図８(a) 、図９のよ
うに、検出器が、閉塞された両端部に超音波振動子を備
える直管の伝播管と、伝播管の両端部側面に接続した流
入管及び流出管とによって構成され、振動子が発生する
超音波は伝播管を流れる流体内を流れと平行に伝播する
（以下タイプ２と呼ぶ）。

【０００５】伝播速度差の測定方法は、主として測定精
度とコスト上の理由により、タイプ１、タイプ２ともに
交互切換式が用いられる。すなわち２個の超音波振動子
を、互いに相手方が発信した超音波ビームを受信できる
位置、角度に取り付け、一方が発信した超音波を他方が
受信するまでの時間を、発信側、受信側を交互に入れ替
えて測定し、それらの差（伝播時間差）から流速を求め
る。

【０００６】これらタイプ１、タイプ２にはそれぞれ次
のような短所、長所があり、使用目的によって有利な方
が選択使用されている。タイプ１は検出器が流入管、伝
播管、流出管が一直線に連続する直管であることが最大
の特徴であり、コスト面のほか圧力損失が極小であるこ
と、管体内の洗浄が容易なことなど多くの利点がある。

【０００７】しかし、管径が小さくなるにつれて超音波
の伝播距離が小となり、伝播時間差の測定精度が低下す
るため管径の小さい（流量の小さい）ものには不適であ
る。現状では管外径２５ｍｍ程度が実用上の下限であ
り、むしろ管径が大きい場合にその長所が発揮される。

【０００８】一方、タイプ２は検出器の構造が複雑であ
り、重量、大きさ、コストの面ではタイプ１に比べて不
利であり、また圧力損失、洗浄のしやすさにおいても劣
る。しかし、超音波の伝播距離を管径とは無関係に設定
できるため、管径の小さい（流量の小さい）ものには適
用しやすい。要約すれば、タイプ１は大流量向き、タイ
プ２は小流量向きといえる。

【０００９】なお、在来のタイプ２の小口径用の場合
は、測定精度を確保するためには２個の振動子の間隔が
一定距離以上必要となり、また一定距離を隔てて検知可
能な超音波を伝播させるためには一定値以上の発振エネ
ルギが必要となる。したがって管路長Ｌと振動子の径Ｄ
は変えることができない。

【００１０】しかし、伝播管の口径は小さくすることが
できるが、図８(a) に示す流量計の伝播管の口径を図８
(b) のように小さくすると、流体中を伝播する超音波の
割合は口径とともに減少し、測定が次第に困難となる。
現在タイプ２方式で実用に供せられている流量計の最も
口径の小さいものは管内径５ｍｍ程度である。

【００１１】以上の説明から明らかなように、超音波流
量計に対する最大の改良要望点はタイプ１のように構造
が簡単で、しかも管径の小さな流量計にも適用できるよ
うにすることである。

【００１２】

【発明の目的】本発明の目的とするところは、全長に亘
って同径な管体よりなる検出器を備え、それでいて小流
量用の管径の小さい伝播速度差式または伝播時間差式
の、しかも (a) 製造コストが低い (b) 測定精度が高い (c) 保守（洗浄等の）、修理が容易 (d) 設置スペースが小さくてすむ (e) 重量が軽い超音波流量計を提供できるようにした。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の超音波流量計は、測定管内を流れる流体内
に超音波を伝播せしめ、流れの上流から下流への超音波
伝播速度と、下流から上流への超音波伝播速度の差によ
って流体の流速を求め、これに基づいて測定管内を流れ
る流体の流量を計測するいわゆる伝播速度差式超音波流
量計または伝播時間差式超音波流量計において、測定管
は全長に亘って同径なものとし、この測定管に２個の円
環状の超音波振動子をその内周面が測定管の外周面と実
質的に密着するように測定管の軸線方向へ所定の間隔で
設け、これら２個の振動子のうちの一方の振動子に交番
電気エネルギが与えられることにより発信した超音波を
他方の振動子によって受信し、発信側と受信側の振動子
を交互に切り換えることにより上流側から下流側への超
音波の伝播時間と下流側から上流側への超音波の伝播時
間とをそれぞれ計測し、演算回路によりこれら伝播時間
の差を演算して測定管内を流れる流体の流速を求められ
るようにし、測定管は直管のものあるいは曲成された非
直管のものとしてある。

【００１４】

【実施例】以下本発明を添付図面の図１〜５に示す実施
例によって説明する。図１は測定管１を直管とした第１
実施例を示し、全長に亘って外径が均一な直管に、直管
の外径よりわずかに径の大きい内孔を有するリング状の
２個の超音波振動子２Ａ、２Ｂを嵌めて、直管の軸線方
向に所要の間隔で、しかも振動子の内周面と直管外周面
との隙間にはグリース等の半流動体や半固形物よりなる
超音波が伝播しやすい物質３を充填し、いわゆる音響結
合状態にして各超音波振動子２Ａ、２Ｂを直管へ実質的
に固定する。

【００１５】図２は測定管に非直管を使用した第２実施
例を示し、同図中の(a) はＵ型曲管の場合、同図中の
(b) はＵ型曲管が反対方向に連続する場合、同図中の
(c) は曲回部を有する場合を示す。

【００１６】前記構成において、各振動子は交番電気エ
ネルギを与えられると縮径、拡径して半径方向に振動
し、また半径方向の振動が外部から加えられると振動波
形と相似の電気信号を発生する。流量の測定にあたって
は、２個の振動子のうちの一方の振動子例えば下流側の
振動子２Ｂに電源４より交番電気エネルギを与えて超音
波を発生させる。

【００１７】測定管内部が流体で満たされているとき、
振動子２Ｂから発生する超音波は管壁を経て流体に伝え
られ、一旦振動子の中心（直管の中心）位置に向かって
伝播した後、直角に向きを変えて管と平行に前後両方向
に伝播する。

【００１８】超音波は圧力振動の一種であるため伝播の
際には管の半径方向にも圧力変化が生じるので、上流側
の超音波振動子２Ａは圧力変化（振動）を受けることに
よって圧力変化に対応する電気信号を出力する。

【００１９】振動子２Ｂに加えられた電気エネルギの波
形と振動子２Ａが出力する電気信号は伝播時間計測回路
５Ａに入力され、下流側の振動子２Ｂから上流側の振動
子２Ａへの超音波の伝播時間ｔ₁ が求められる。次に、
連動するスイッチＳＷ₁ 、ＳＷ₂ の操作によって回路を
切り換えることにより上流側の振動子２Ａに電気エネル
ギを加えて超音波を発信させ、この超音波を下流側の振
動子２Ｂで受信して伝播時間計測回路５Ｂにより上流側
の振動子２Ａから下流側の振動子２Ｂへの超音波の伝播
時間ｔ₂ が求められる。

【００２０】測定管内の流体の流速が０（静止状態）で
あれば、図４のように測定管内の流体中を伝播する超音
波の速度は等しいからｔ₁ ＝ｔ₂ となる。

【００２１】しかし測定管内の流体が流れている場合に
は、図５のように上流側振動子２Ａから下流側振動子２
Ｂへの伝播時間ｔ₂ は流体の流速の影響を受けて流体の
静止状態における伝播時間より小となり、反対に下流側
から上流側への伝播時間ｔ₁は大となる。したがって伝
播時間ｔ₁ 、ｔ₂ の差は流体の流速に比例して大きくな
るので、伝播時間の差ｔ₁ −ｔ₂ を時間差演算回路６に
よって求めることにより測定管内の流体の流速を知るこ
とができる。

【００２２】本発明の流量計は振動子２Ｂから発せられ
た超音波が振動子２Ａに伝達するまでの時間ｔ₁ と、振
動子２Ａから発せられた超音波が振動子２Ｂに伝達する
までの時間ｔ₂ との差ｔ₁ −ｔ₂ によって流量を求める
ようにしてあるので、振動子２Ａ、２Ｂ間の距離が長い
ほど流量の測定精度を高くできる。

【００２３】高精度を得るために振動子２Ａ、２Ｂ間の
距離を長くすると、測定管が直管の場合は同一面（例え
ば平面）での管の占める長さが長くなり、流量計の全長
が長くならざるを得ない。

【００２４】これに対し、図２に示す第２実施例の各図
のものでは一部に曲管部があるので、振動子２Ａ、２Ｂ
間の長さを長くしても流量計の見かけの全長（外形）は
短くてすむ。特に図２(c) の方式で測定管を螺旋状に何
回も巻くようにすることにより外形はコンパクトで十分
長い超音波伝播部２Ａ〜２Ｂを構成することができ、よ
り精度の高いものとすることができる。

【００２５】また、計測のための電子回路を曲管部がつ
くるゾーンＺ（同図の(b) ではゾーンＺ₁ またはＺ₂ ）
に収納すれば、電子回路を内蔵した一体形の超音波流量
計をきわめてコンパクトなサイズで実現できる。

【００２６】

【発明の効果】本発明においては２個の超音波振動子の
間隔は管径に無関係に選択できるので、管径が小さい場
合にもリング状振動子を直管の外径に合わせて製作で
き、小口径すなわち小流量用にも支障なく適用でき、ま
た、前述の目的で述べた(a) 乃至(e) の利点を有する流
量計を提供できる。

【００２７】なお、本発明の場合、口径が小さくなって
も流体内を伝播する超音波の割合が小さくなる要素はな
く、孔径の小さい超音波振動子を製作することにも技術
的困難はないので、従来のタイプ２方式のものよりもさ
らに口径の小さい流量計も実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波流量計の第１実施例を示す
斜視図。

【図２】本発明に係る超音波流量計の第２実施例の各例
を示す平面図。

【図３】測定管における振動子取付部の縦断面図。

【図４】流体静止時における中央の振動子に印加する交
番電圧と、前後の振動子で検出される電気信号の時系列
関係を示す図。

【図５】流体流動時における中央の振動子に印加する交
番電圧と、前後の振動子で検出される電気信号の時系列
関係を示す図。

【図６】従来のタイプ１の超音波式流量計を示す図。

【図７】従来のタイプ２の超音波式流量計を示す図。

【図８】(a) は従来のタイプ２の超音波式流量計の他の
例を示し、(b) は(a) の伝播管を小径にした場合の例を
示す図。

【図９】従来のタイプ２の超音波式流量計の他の例を示
す図。

【符号の説明】

１測定管２Ａ、２Ｂ超音波振動子３グリース４電源５Ａ、５Ｂ伝播時間計測回路６時間差演算回路Ｚ曲管部で構成されるゾーンＺ₁ 、Ｚ₂ 曲回部で構成されるゾーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者薄井良子神奈川県横浜市金沢区福浦１丁目１番地の１株式会社泉技研内 (72)発明者井川忠神奈川県横浜市金沢区福浦１丁目１番地の１株式会社泉技研内 (72)発明者杉時夫東京都世田谷区東玉川２丁目35番13号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】全長に亘って同径をなす測定管の軸線方向
をなす前後２カ所の部位の外周部にそれぞれ円環状の振
動子をその内周面が測定管の外周面と実質的に密着する
ように設け、これら２個の振動子のうちの一方の振動子
に交番電気エネルギが与えられることにより発信した超
音波を他方の振動子によって受信し、発信側と受信側の
振動子を交互に切り換えることにより上流側から下流側
への超音波の伝播時間と下流側から上流側への超音波の
伝播時間とをそれぞれ計測し、演算回路によりこれら伝
播時間の差を演算して測定管内を流れる流体の流速を求
める超音波流量計。
【請求項２】請求項１に記載の測定管を直管で構成して
なる超音波流量計。
【請求項３】請求項１に記載の測定管を非直管で構成し
てなる超音波流量計。