JPH10508111A - 体積流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、流動媒体を案内する管路測定区間と、該管路測定区間の２つの対向端部に配設され流動媒体内へ超音波信号を送出する及び/又は流動媒体からの超音波信号を受信する超音波変換器と、制御及回路と、評価回路とを有し、前記制御及び評価回路は、管路測定区間を通る体積流量の検出のために超音波変換器間の超音波信号の伝播時間を測定する、伝播時間測定方式に従って作動する流動媒体のための体積流量測定装置に関する。本発明は、超音波変換器（２,３）が断熱性の超音波導波管（６,７,８）を介して超音波信号を流動媒体内へ入射させるように構成されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 体積流量測定装置 従来の技術 本発明は、伝播時間測定方式に従って作動する流動媒体のための体積流量測定 装置であって、流動媒体を案内する管路測定区間と、該管路測定区間の２つの対 向端部に配設され流動媒体内へ超音波信号を送出する及び/又は流動媒体からの 超音波信号を受信する超音波変換器と、制御及回路と、評価回路とを有しており 、前記制御及び評価回路は、管路測定区間を通る体積流量の検出のために超音波 変換器間の超音波信号の伝播時間を測定する、体積流量測定装置に関する。 本発明が基礎を置く公知の体積流量測定装置は、工業分野での使用において非 常に有益な存在であり、この体積流量測定装置は今後においても益々多種多様な 適用分野で開発が行われるものである。特に流動媒体の温度が著しく高い適用分 野では重要となる。この場合例えばオイル供給領域での使用が挙げられる。公知 の体積流量測定装置の場合では、通常は圧電クリスタルが超音波変換器の基本構 成部として用いられるため、この公知の体積流量測定装置の使用範囲は、１２０ ℃までの温度範囲（但し最大では１５０℃まで）に制限される。特に高温では、 定期的に使用される超音波 変換器が障害を受け易く完全な機能不全に陥りやすい。 それ故に本発明の課題は、公知の体積流量測定装置を、高温の流動媒体のもと でも十分に使用可能にし、しかも高い測定精度を有するように改善することであ る。 上記課題は伝播時間の原理に基づいて作動する本発明の体積流量測定装置によ り、超音波変換器が断熱性の超音波導波管を介して超音波信号を流動媒体内へ入 射させるように構成されて解決される。 本発明の手段によれば、流動媒体内で生じている高温が、流動媒体と超音波変 換器の間に配設される断熱性の超音波導波管のために非常な高温でそのまま達す ることはない。断熱性超音波導波管の有利な構成例によれば、従来方式の安価な 構成の超音波変換器でも影響を受けることなく１０００℃までの流体媒体温度が 許容できるようになる。 本発明の別の有利な実施例によれば、超音波導波管がロッド状に構成される。 この超音波導波管のロッド状の構造によれば、所要の超音波導波管特性に関して は特に良好な素材特性を備えているが熱伝導係数が比較的高いような材料でも、 超音波導波管の製造素材として使用可能となる。 流動媒体の温度と超音波変換器の温度との間で特に大きな温度差があるときに は、本発明による体積流量 測定装置の別の有利な実施例により超音波導波管に冷却用の装置を設けることで 補償される。この場合の冷却装置として、例えば液冷式又は空冷式のアクティブ 冷却装置やパッシブな冷却装置も考えられる。 本発明の別の有利な実施例によれば、超音波導波管がそれぞれ少なくとも１つ の放熱ヒレを備えている。このパッシブな冷却装置は、付加的なコストがかから ない点と、損傷を受けにくい点で優れている。 特に有利には、超音波導波管がステンレススチールで形成される。このように 形成された超音波導波管は安価であり、熱伝導係数も比較的僅かで、しかも良好 な超音波導波管特性を有している。 本発明による体積流量測定装置は、伝播時間測定方式による体積流量の検出方 法への流用にも重要である。 本発明の構成による体積流量測定装置を用いて伝播時間測定方式により体積流 量を検出するための方法によれば、有利には、制御及び評価回路によって、超音 波変換器間の超音波信号の全伝播時間と、超音波導波管内での超音波信号の伝播 時間の和との差分に基づいて体積流量が検出される。超音波導波管内での超音波 信号の伝播時間を考慮しなければ、体積流量に対する測定結果には比較的大きな エラーが含まれる危険性がある。そのため本発明による体積流量検出方法の別の 有利な実施例では、以下に述べるようにしてこのこと が回避されている。 超音波導波管内の超音波信号の伝播時間は、例えば較正過程の枠内で検出され 、制御及び評価回路により固定値として算入される。 特に有利には、制御及び評価回路によって、超音波導波管内の超音波信号の伝 播時間が、流動媒体に向いた側の超音波導波管端部において反射した超音波信号 成分から検出される。それにより次のことが保障される。すなわち実際の温度に 依存した超音波導波管内の超音波信号の伝播時間が常に補正に用いられることが 保障される。この手段によれば一回限りの超音波導波管内の超音波信号伝播時間 の検出に比べて、約０．２％〜４％の精度の向上がみられる。 さらなる精度の向上は、制御及び評価回路によって、超音波導波管内の超音波 信号の伝播時間から、流動媒体の温度を検出し、さらに制御及び評価回路によっ て、前記流動媒体の温度に基づき体積流量結果の補正を行うことによって得られ る。超音波導波管内の超音波信号の伝播時間は超音波導波管の温度に対する直接 の尺度にもなるので、超音波導波管内の超音波信号の伝播時間からは流動媒体の 温度を逆推論することができる。流動媒体の温度は体積流量測定装置の精度へ大 きな影響を与える。温度の依存性においては例えば管路測定区間の管路直径も変 化する。例えば対象が質量流量測定装置ではなくて体積流量測定装置の場合、管 路測定区間の直径の拡大は、流動媒体の測定される速度の低下にも結び付く。こ れも補正なしでは、体積流量に対して過度に低い値を発するようになる。このよ うな影響のもとでは例えば流動媒体の温度が２４０℃から２６０℃に上昇した場 合に、補正なしでは約１．５％の誤差が生じる。しかしながら前述した本発明に よる補正によればこの誤差が０．１％まで低減される。 本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載される。 図面の説明 図１は、公知の伝播時間測定方式による流動媒体のための体積流量測定装置を 概略的に示した図である。 図２は、本発明による伝播時間測定方式に従って作動する流動媒体のための体 積流量測定装置を概略的に示した図である。 図３は、本発明による超音波導波管の実施例の断面図である。 図４は、本発明による体積流量測定装置のもとでの流動媒体の温度と超音波変 換器温度との依存関係を表したダイヤグラムである。 図５は、超音波導波管内の超音波信号の伝播時間と該当する温度との依存関係 を表したダイヤグラムである。 図６は、超音波導波管内の超音波信号の伝播速度と 流動媒体の温度との依存関係を表したダイヤグラムである。 実施例 次に本発明を図面に基づき詳細に説明する。 図１には伝播時間測定方式に従って作動する流動媒体のための体積流量測定装 置が示されている。この体積流量測定装置は、流動媒体を案内する管路測定区間 １を有している。この管路測定区間１のそれぞれ対向する端部には超音波信号を 流動媒体内へ送出する、及び/又は流動媒体からの超音波信号を受信する２つの 超音波変換器２，３が配設されている。図１には示されていないが、制御及び評 価回路は、管路測定区間１を通る体積流量を測定するために、前記超音波変換器 ２，３間の超音波信号の伝播時間を測定する。 図１に示されている管路測定区間１は、管路系内部の独立した部分か、管路系 を成す一部から形成されている。 図１に示されているように、一般的に公知の体積流量測定装置は次のように構 成されている。すなわち超音波変換器２，３の接続ラインを形成する測定ライン ４と管路測定区間１の長手軸線が所定の角度φで交わっている。特に超音波変換 器２，３が管路系の湾曲部において管路測定区間１の長手軸線５上に配置される ならば、この角度φは０°となる。 超音波変換器２，３において高感度な超音波信号の 受信を保証するために有利には、超音波変換器２，３が相互に位置合わせされて 配向される。 ２つの超音波変換器２，３は、制御及び評価回路によって次のように制御され る。すなわちそれぞれ一方の超音波変換器２，３が超音波信号を送信し、それぞ れ他方の超音波変換器３，２によって受信されるように制御される。流動媒体内 での超音波信号の伝播速度ｃ₀がわからない場合には、超音波変換器２，３を交 互に送信機と受信機として制御する必要がある。それにより２つの超音波変換器 ２，３間の伝播時間は以下の式から得られる。 Ｔ₁＝Ｌ/Ｖ₁＝Ｌ/(ｃ₀＋Ｖ_mcosφ) 式１ Ｔ₂＝Ｌ/Ｖ₂＝Ｌ/(ｃ₀＋Ｖ_mcosφ) 式２ この場合、前記Ｌは２つの超音波変換器２，３間の距離を表し、前記Ｖ_mは管 路測定区間１内を流動する媒体の平均速度を表す。流動媒体のゼロでない平均速 度Ｖ_mによって超音波変換器２から超音波変換器３への超音波信号の伝播時間Ｔ₁ は超音波変換器３から超音波変換器２への伝播時間Ｔ₂よりも少ない。 前記式１及び２からは既知の伝播時間Ｔ₁，Ｔ₂のもとで未知の伝播時間ｃ₀と 平均速度Ｖ_mが算出可能である。最終的に、管路測定区間１を通る検出すべき体 積流量は、前記平均速度Ｖ_mと管路測定区間１の断面積から得られる。 前述した機能は、公知の体積流量測定装置に相応し ている。 図２には本発明による構成の体積流量測定装置が示されている。この体積流量 測定装置が公知の体積流量測定装置と異なっている点は、超音波変換器２，３が 流動媒体と直接接触することなく配設されている点である。図２には、超音波変 換器２，３が耐熱性の超音波導波間６，７を介して流動媒体内へ超音波を入射さ せる構成が概略的に示されている。図１と図２及び前記式１と式２からは、体積 流量の検出前に、超音波導波管６，７内の超音波信号の伝播時間を考慮すること も重要であることが見て取れる。図２には、超音波導波管６に対して、該超音波 導波管の流動媒体に向いた側の端部において超音波信号成分の一部が反射してい ることが示されている。この成分は超音波導波管６，７の特殊な構成によって変 更可能である。 図３には、ロッド状の超音波導波管８の１実施例の断面図が示されている。こ のロッド状の超音波導波管８は、その第１の端部９が流動媒体と交わり、第２の 端部１０は超音波変換器２，３とコンタクトする。本発明による図示のロッド状 超音波導波管８の利点は、第２の端部１０と組み付けフランジ１１との間に配設 される絶縁区間１２の断熱特性から得られる。この絶縁区間１２には例えば１つ 又は複数の放熱ヒレが設けられてもよく、また有利にはステンレススチールで形 成されてもよい。あるいは超音波導波管８の素材とし てセラミックやプラスチック等も考えられる。 図４には、超音波変換器２，３の温度Ｔ_UTと、流動媒体温度Ｔ_Mとの依存関係 がダイヤグラムで示されている。図４に示されているダイヤグラムは、５０℃の 周辺温度のもとで絶縁区間１２が１５ｃｍの長さを有しているケースの場合であ る。この図からは、超音波変換器２，３を損なうことのない許容流動媒体温度が ８００度まで可能であることが見て取れる。 図５には、超音波導波管６，７内の超音波信号の伝播時間と、超音波導波管６ ，７の該当する温度Ｔ_USWとの依存関係が示されている。上側の直線が表してい るのは、超音波導波管６，７の流動媒体へ向いた側の端部において反射された超 音波信号成分の伝播時間と、超音波導波管６，７の温度との依存関係である。下 側の直線が表しているのは、両方の超音波導波管６，７の超音波信号の伝播時間 の和と、該導波管温度との依存関係である。図５から明らかなことは、超音波導 波管６，７内の超音波信号の伝播時間の算出に基づいて、超音波導波管６，７の 流動媒体の方へ向いた側で反射された超音波信号成分から、個々の超音波導波管 ６，７における超音波信号の温度に依存した伝播時間の和の非常に良好な補正が 行われれることである。 図６には、超音波導波管６，７内の超音波信号の伝播速度ｃ₁と、流動媒体の 温度Ｔ_Mとの依存関係が示されている。この図から明らかなことは、流動媒体の 温 度Ｔ_Mが超音波導波管６，７内の超音波信号の伝播時間から容易に算出可能であ ると共に、体積流量に対する値の補正のためにも利用できることである。この補 正は、例えば次のように行ってもよい。すなわち所定の温度のもとでの既知の管 路測定区間１の直径から管路測定区間１の目下の直径を検出し、前述したように 求められた流動媒体の温度を管路測定区間１の素材の材料定数に基づいて確定す るように行ってもよい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．伝播時間測定方式に従って作動する流動媒体のための体積流量測定装置で あって、 流動媒体を案内する管路測定区間（１）と、 前記管路測定区間（１）の２つの対向端部に配設され、流動媒体内へ超音波信 号を送信する及び/又は流動媒体からの超音波信号を受信する超音波変換器（２ ，３）と、 制御及び評価回路とを有し、 前記制御及び評価回路は、管路測定区間を通る体積流量の検出のために超音波 変換器間の超音波信号の伝播時間を測定する形式の体積流量測定装置において、 超音波変換器（２,３）が断熱性の超音波導波管（６,７,８）を介して超音波 信号を流動媒体内へ入射させるように構成されていることを特徴とする、体積流 量測定装置。 ２．前記超音波導波管（７,８）は、ロッド状に構成されている、請求の範囲 第１項記載の体積流量測定装置。 ３．前記超音波導波管（６,７,８）の冷却のための冷却装置が設けられている 、請求の範囲第１項又は２項記載の体積流量測定装置。 ４．前記超音波導波管（６,７,８）は、それぞれ少なくとも１つの放熱ヒレを 備えている、請求の範囲第 ３項記載の体積流量測定装置。 ５．前記超音波導波管（６,７,８）は、ステンレススチールから形成される、 請求の範囲第１項から４項いずれか１項記載の体積流量測定装置。 ６．請求の範囲第１項〜５項いずれか１項記載の体積流量測定装置を用いて伝 播時間方式に従って体積流量を検出するための方法において、 制御及び評価回路によって、超音波変換器間の超音波信号の全伝播時間と、超 音波導波管内での超音波信号の伝播時間の和との差分に基づいて、体積流量を検 出することを特徴とする方法。 ７．制御及び評価回路によって、超音波導波管内の超音波信号の伝播時間を、 流動媒体に向いた側の超音波導波管端部において反射した超音波信号成分から検 出する、請求の範囲第６項記載の方法。 ８．制御及び評価回路によって、超音波導波管内の超音波信号の伝播時間から 、流動媒体の温度を検出し、さらに制御及び評価回路によって、前記流動媒体の 温度に基づいて体積流量の結果の補正を行う、請求の範囲第７項記載の方法。