JPH11287679A

JPH11287679A - 超音波渦流量計

Info

Publication number: JPH11287679A
Application number: JP10103546A
Authority: JP
Inventors: Koichi Tashiro; 耕一田代
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 1999-10-19

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波渦流量計において、超音波受信器によ
って安定したカルマン渦による変調信号を受信するとと
もに、回り込みノイズを低減する。【解決手段】管路４内に渦発生体５を設け、カルマン
渦の発生領域をはさんでハウジング３の取付穴19，20に
超音波送受信器６，７の圧電素子6a，7aを取付ける。圧
電素子6a，7aを互いに異なる方向に向けて、超音波送信
器６の送信ビーム幅Ｔと超音波受信器７の受信領域とが
ラップする検出ビーム幅R₁の超音波信号が渦発生体５と
直交し、管路４の中心付近を通過するようにする。これ
により、カルマン渦が発生する乱流域において被測流体
の流速分布が略一様となる管路４の中心付近に生じる安
定したカルマン渦を検出することができ、超音波の位相
変調量を安定させて、流量計測精度を高めることができ
る。また、受信ビーム幅R₁を限定することにより、回り
込みノイズを低減してＳ／Ｎ比を向上させることができ
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、カルマン渦の発生
周期に基づいて管路内の被測流体の流量を計測する超音
波渦流量計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波渦流量計の一例について、
図６ないし図８を参照して説明する。図６および図７に
示すように、超音波渦流量計１は、被測流体（流れ方向
を太矢印で示す）が流れる配管２に接続されたハウジン
グ３内の管路４を横切るように渦発生体５が設けられて
いる。ハウジング３の管壁には、被測流体の流れによっ
て渦発生体５の後流に生じるカルマン渦の発生領域をは
さんで、一対の超音波送受信器６，７が渦発生体５と直
交するように取付けられている。

【０００３】超音波送受信器６，７は、それぞれ、圧電
素子6a，7aが、ハウジング３の外周部に設けられた取付
穴８，９内に挿入され、ハウジング３に螺着、溶着また
は接着等によって固定される蓋部材10により、シリコン
ゴム等の弾性体11を介して押圧されて、振動伝搬部6b，
7bを形成する管壁に接着剤またはグリース等の音響接合
剤12を介して密着固定（接合）されている。

【０００４】図８に示すように、超音波渦流量計１の流
量測定回路の概略構成は、発振回路13が超音波送信器６
（圧電素子6a）および位相比較回路14に接続され、ま
た、超音波受信器７（圧電素子7a）が増幅回路15を介し
て位相比較回路14に接続され、そして、位相比較回路14
が変換回路16に接続されている。なお、図中、17は電源
回路である。

【０００５】次に、超音波渦流量計１の作動について説
明する。

【０００６】発信回路13からの電気信号によって超音波
送信器６の圧電素子6aが振動し、音響接合剤12および振
動伝搬部6bを介して管路４内の被測流体中に超音波を発
振する。この超音波は、管路４の被測流体中を伝搬し、
被測流体の流れによって渦発生体５の後流に生じるカル
マン渦Ｋによって変調を受けた後、振動伝搬部7bおよび
音響接合剤12を介して圧電素子7aによって受信されて電
気信号に変換される。

【０００７】この電気信号は、増幅回路12によって増幅
されて位相比較回路14に入力される。位相比較回路14で
は、超音波受信器７からのカルマン渦Ｋによる変調分を
含む信号と、発振回路13からの原信号との位相を比較し
て、カルマン渦Ｋによる変調分を検出してカルマン渦Ｋ
の発生周期と等しい周波数を有する変調信号として出力
する。変調信号の周波数は被測流体の流速に比例するた
め、変換回路16では、この変調信号を処理して被測流体
の流量を表すパルス信号そして出力する。そして、この
パルス信号を各種演算および制御回路（図示せず）によ
って処理することにより、被測流体の計測流量を得るこ
とができる。

【０００８】上記のようにカルマン渦の発生周波数を超
音波を利用して検出するようにした超音波渦流量計にお
いては、カルマン渦の状態がその発生周波数の検出精度
に大きく影響し、結果的に流量の計測制度を左右するこ
とになる。

【０００９】渦発生体によって発生するカルマン渦の状
態を図９および図10を参照して説明する。図９は、渦発
生体の下流側から見た流体流れ方向に垂直な配管４の概
略を示し、図10は、流体流れ方向に平行な配管４の断面
の概略を示している。図中、５は渦発生体、矢印は各部
分における流体の流れ方向および大きさを示している。

【００１０】管路４の中心付近では、図２に示されるよ
うに流速が大きく、また、ほぼ一定のため、渦発生体５
によって、超音波送受信方向の流速も大きい略同一周期
のカルマン渦が渦発生体５の軸に垂直な面に平行に２次
元的に発生する（図９および図10中、実線で示す矢印参
照）。しかし、管路４の中心から管壁に近づくにしたが
って流速が小さくなるため、管壁付近では、管路中心付
近の渦発生周期に比して遅い周期で、かつ、管壁と渦発
生体との接する部分の影響で、馬蹄渦と呼ばれる渦発生
体５を取り巻くような乱れが発生する（図９および図10
中、破線で示す矢印参照）。

【００１１】この馬蹄渦は、管路中心付近のカルマン渦
よりも遅く、かつ、不規則な周期で発生するため、超音
波受信器で受信される超音波がカルマン渦による変調に
加えて馬蹄渦による変調を受けると、位相比較回路14で
検出される変調信号は、異なる周波数を有する複数の波
形が重畳されたものとなり、流量計則に必要なカルマン
渦の発生周期のみを得ることができない。

【００１２】また、馬蹄渦は、流れを３次元的に複雑化
してカルマン渦の生成に乱れを生じさせるため、管壁に
近い部分で発生するカルマン渦は、２次元で安定した周
期を保つことができないので、さらに変調信号を複雑化
する原因となる。したがって、超音波が馬蹄渦や馬蹄渦
によって乱れを生じたカルマン渦による変調を受けない
ように、超音波送受信器を管路中心付近に対向させて配
置することにより、カルマン渦の発生周期のみを安定し
て検出することができ、流量の計測制度を高めることが
できる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の超音波渦流
量計１を用いて微少流量の計測を実現するためには、被
測流体の流速（レイノルズ数）をカルマン渦の発生領域
まで高めて安定したカルマン渦の生成を行う必要があ
り、このため、管路４の直径Ｄを充分小さく設定する必
要がある。

【００１４】しかしながら、超音波送受信器６，７は、
圧電素子の性能安定性の確保等の関係から、微少流量計
測に対応して小径化した管路４に対して圧電素子6a，7a
を適度に小さくすることが困難である。このため、管路
４の直径Ｄに対して超音波送受信器６，７の寸法Ｄが相
対的に大きくならざるを得なかった（図７参照）。

【００１５】図７に示すように、超音波送信器６から発
振された超音波は、所定の送信ビーム幅Ｔの指向性（広
がり）をもって管路４内の流体中を伝搬し、超音波受信
器７の圧電素子7aの所定の検出ビーム幅R₀の範囲で受信
される。管路４の直径Ｄに対して超音波送受信器６，７
（圧電素子6a，7a）の幅Ｈ、すなわち渦発生体５の軸方
向に沿った寸法が大きいと、超音波受信器７の圧電素子
7aによる検出ビーム幅R₀が管路４の直径Ｄよりも大きく
なる。

【００１６】図７に示すように、超音波送受信器６，７
を互いに正対して配置した場合の検出ビーム幅R₀と渦発
生体によって発生する渦との位置関係を図11に示す。こ
の場合、超音波は、カルマン渦によって受ける周期的な
変調に加えて管路４の渦発生体５の上下の管壁近傍の不
安定な馬蹄渦や馬蹄渦によって乱れを生じたカルマン渦
による変調を受け、その影響によって位相比較回路14で
検出される超音波の変調量を示す変調信号にばらつきが
生じて、カルマン渦の発生周期のみを得られず、流量の
計測精度が低下することになる。また、図７に示すよう
に、検出ビーム幅R₀が管路４の直径Ｄよりも大きい場合
には、超音波送信器６の圧電素子6aから発振されてハウ
ジング３の管壁を伝搬して被測流体の流れによる変調を
受けずに、直接超音波受信器７の圧電素子7aに受信され
る信号（回り込みノイズ）が増大してＳ／Ｎ比が悪化す
ることになる。

【００１７】図12に、超音波送受信器６，７の圧電素子
6a，7aの幅Ｈが管路４の直径Ｄよりも大きい場合の位相
比較回路14の出力波形Ａ（被測流体の流れによる変調信
号波形である渦信号波形）および波形整形回路16の出力
パルス波形Ｂを示す。図12から、管壁近傍の不安定な流
れの乱れの検出および回り込みノイズ等の影響によっ
て、出力波形Ａ（渦信号波形）がばらついて、超音波が
純粋にカルマン渦のみによって変調を受けたときに得ら
れる安定した正弦波が得られず、この出力波形Ａをパル
ス化した出力パルス波形Ｂに波形の欠落が生じているこ
とがわかる。波形の欠落した出力パルス波形Ｂに基づい
て被測流体の流量を演算することにより、流量の計測精
度が低下してしまう。

【００１８】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
であり、超音波受信器によって、馬蹄渦や馬蹄渦によっ
て乱れを生じたカルマン渦による超音波の変調を排除し
て、安定したカルマン渦による変調信号を受信するとと
もに、回り込みノイズを低減することができる超音波渦
流量計を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１の発明は、被測流体が流れる管路内に渦
発生体を設け、圧電素子を有する一対の超音波送受信器
を前記管路の前記渦発生体によって発生するカルマン渦
の発生領域をはさむように配設し、前記超音波送受信器
によって検出される前記カルマン渦の発生周期に基づい
て前記被測流体の流量を計測する超音波渦流量計におい
て、前記一対の超音波送受信器のうち一方の超音波送信
領域と、該一対の超音波送受信器のうち他方の超音波受
信領域との重なり部分の前記渦発生体軸方向の幅を、前
記他方の圧電素子の超音波受信面の幅よりも小さくなる
ように、前記一対の超音波送受信器を互いにオフセット
して配置することを特徴とする。

【００２０】このように構成したことにより、一対の超
音波送受信器を相対向して配置した場合よりも、超音波
送信領域と超音波受信領域との重なり部分の渦発生体軸
方向の幅が小さくなる。

【００２１】なお、請求項１でいうオフセットして配置
とは、一対の超音波送受信器が、管路の中心をはさむよ
うに正対しない、または、渦発生体軸方向の位置が等し
くないといういずれかの条件を満たすように配置するこ
とである。

【００２２】また、請求項２の発明は、被測流体が流れ
る管路内に渦発生体を設け、圧電素子と該圧電素子に音
響接合剤によって接合された振動伝搬部とからなる一対
の超音波送受信器を前記管路の前記渦発生体によって発
生するカルマン渦の発生領域をはさむように配設し、前
記超音波送受信器によって検出される前記カルマン渦の
発生周期に基づいて前記被測流体の流量を計測する超音
波渦流量計において、前記一対の超音波送受信器のうち
少なくともいずれか一方における圧電素子と振動伝搬部
との音響接合剤による接合部分の前記渦発生体軸方向の
幅を、当該圧電素子の前記渦発生体軸方向の幅よりも小
さくしたことを特徴とする。

【００２３】このように構成したことにより、音響接合
剤によって、超音波送受信器の圧電素子の全面が該圧電
素子と組みをなす振動伝搬部に接合された場合よりも、
超音波送信領域または超音波受信領域のうち少なくとも
いずれかの渦発生体軸方向の幅が小さくなる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明におい
て、図６ないし図８に示す従来例と同様の部分には、同
一の符号を付して異なる部分についてのみ詳細に説明す
る。

【００２５】図１に示すように、本実施形態に係る超音
波渦流量計18では、超音波送受信器６，７の圧電素子6
a，7aの取付穴19，20は、互いに異なる方向に向けて、
渦発生体５の軸方向に対して所定の角度をもってオフセ
ットされており、圧電素子6a，7aの一部が互いに対向し
て、超音波送信器６の圧電素子6aから発振された所定の
送信ビーム幅Ｔの指向性（広がり）を有する超音波と超
音波受信器７の圧電素子7aの受信領域とがラップする
（重なる）検出ビーム幅R₁の超音波が渦発生体５の軸方
向と直交し、管路４の中心付近を通過するようになって
いる。

【００２６】さらに、超音波送受信器６，７は、検出ビ
ーム幅R₁が、管路４内でカルマン渦が発生する乱流域に
おいて、被測流体の流速分布がほぼ一様となる管路４の
中心付近領域を通過するように配置されている。さらに
具体的には、円管内の流速分布を示す図２に基づいて、
検出ビームが、流速が大きく略一定である領域、すなわ
ち、管路４の中心から渦発生体軸方向にそれぞれ0.35Ｄ
（Ｄ：管路４の直径）の距離の範囲以内に限定される。

【００２７】以上のように構成した本実施形態の作用に
ついて次に説明する。

【００２８】図６ないし図８に示すものと同様に、超音
波送信器６から発振された超音波は、所定の送信ビーム
幅Ｔの指向性（広がり）をもって伝搬し、その一部が管
路４内の被測流体中を伝搬してカルマン渦Ｋによって変
調されて、超音波受信器７によって受信される。このと
き、カルマン渦４の検出領域は送信ビーム幅Ｔと超音波
受信器７の受信領域とがラップする検出ビーム幅R₁に限
定されるので、流速分布がほぼ一様となる管路４の中心
付近に生成された安定したカルマン渦を検出することが
でき、位相比較回路14で検出される変調信号を安定させ
ることができる。

【００２９】また、超音波受信器７の圧電素子7aによる
検出ビーム幅R₁を限定することにより、超音波送信器６
の圧電素子6aから発振されてハウジング３の側壁を伝搬
して直接超音波受信器７に受信される信号（回り込みノ
イズ）が減少してＳ／Ｎ比が向上する。

【００３０】このようにして、馬蹄渦や馬蹄渦によって
乱れを生じたカルマン渦による変調を受けた超音波を受
信しないことで変調信号（位相比較回路14の出力波形）
を安定させるともに、検出ビーム幅R₁にハウジング３の
みを超音波が伝搬してしまう領域を含まないようにする
ことで超音波の回り込みノイズを低減してＳ／Ｎ比を向
上させることにより、位相比較回路14の出力波形および
波形整形回路16の出力パルス波形を安定させて、流量の
計測精度を高めることができる。

【００３１】図３に、本実施形態に係る超音波渦流量計
18による位相比較回路14の出力波形Ｃおよび波形整形回
路16の出力パルス波形Ｄを示す。図３に示す出力波形Ｃ
および出力パルス波形Ｄは、図12に示す出力波形Ａおよ
び出力パルス波形Ｂに比して、波形の欠落が無く非常に
安定していることがわかる。

【００３２】そして、微小流量の計測のため、管路４の
直径Ｄを小さくした場合でも、超音波受信器７の寸法を
小さくすることなく、所望の検出ビーム幅R₁を得ること
ができ、Ｓ／Ｎ比が高く、安定した変調信号を検出して
流量の計測精度を高めることができる。これにより、超
音波受信器７の圧電素子の性能安定性を容易に確保し、
小型化による製造および組付作業性の低下を防止し、ま
た、製造コストが高くなるのを防止することができる。
さらに、計測流量に応じて各寸法の圧電素子を製造する
必要がなくなり、部品の共通化が可能となって製造コス
トを低減することができる。

【００３３】なお、上記実施形態では、超音波の検出ビ
ーム幅R₁を管路４の中心部付近のみに限定して安定した
変調信号を検出することにより、流量の計測制度を高め
ているが、例えば図４に示すように、送信ビーム幅Ｔと
ラップする検出ビーム幅R₂が、渦発生体５の端部付近の
馬蹄渦の影響を受ける部分を少しでも避けるように、超
音波送受信器６，７の圧電素子6a，7aを配置することに
より、上記従来技術に対して、ある程度安定した変調信
号を検出することができ、流量計測制度向上させことが
できる。

【００３４】また、上記実施形態では、超音波送受信器
６，７の圧電素子6a，7aの取付角度によって検出ビーム
幅R₁を限定するようにしているが、本発明はこれに限ら
ず、例えば、圧電素子6a，7a間に、超音波の伝達経路を
遮断する音響マスク手段を適宜配置することによって、
管路４の中心部付近で検出ビーム幅R₁を限定することも
できる。

【００３５】この場合、例えば図５に示すように、互い
に正対して配置した超音波送受信器６，７の受信側の取
付穴９の底部（振動伝搬部7b）の中央部に、圧電素子7a
の超音波受信面よりも小さい接合部21を突出させ、この
接合部21を圧電素子7aの超音波受信面に音響接合剤22を
介して接合させることにより、圧電素子7aと振動伝搬部
7bとの間に形成される空間Ｓを音響マスク手段として、
管路４の中心部付近に検出ビーム幅R₁を限定することが
でき、上記実施形態と同様の作用、効果を奏することが
できる。このほか、送信側の取付穴８の底部（振動伝搬
部6b）に接合部を突出させて、圧電素子6aとの接合部を
小さくすることによって、送信側のビーム幅を小さくし
て検出ビーム幅を限定することもできる。なお、図５
中、図７に示すのものと同様の部分には、同一の符号が
付してある。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１に係る超
音波渦流量計によれば、一対の超音波送受信器のうち一
方の超音波送信領域と、該一対の超音波送受信器のうち
他方の超音波受信領域との重なり部分の渦発生体軸方向
の幅を、他方の圧電素子の超音波受信面の幅よりも小さ
くなるように、一対の超音波送受信器を互いにオフセッ
トして配置したので、一対の超音波送受信器を相対向し
て配置した場合よりも、超音波送信領域と超音波受信領
域との重なり部分の渦発生体軸方向の幅を小さくするこ
とができる。したがって、管路が小径化しても圧電素子
を小さくすることなく超音波のビームは場を小さくでき
るため、超音波送受信器の圧電素子の性能安定性を容易
に確保し、小型化による製造および組付作業性の低下を
防止し、また、製造コストが高くなるのを防止すること
ができる。さらに、計測流量に応じて各寸法の圧電素子
を製造する必要がなくなり、部品の共通化が可能となっ
て製造コストを低減することができる。

【００３７】請求項２に係る超音波渦流量計によれば、
一対の超音波送受信器のうち少なくともいずれか一方に
おける圧電素子と振動伝搬部との音響接合剤による接合
部分の渦発生体軸方向の幅を、当該圧電素子の渦発生体
軸方向の幅よりも小さくしたので、音響接合剤によっ
て、超音波送受信器の圧電素子の全面が該圧電素子と組
みをなす振動伝搬部に接合された場合よりも、超音波送
信領域または超音波受信領域のうち少なくともいずれか
の渦発生体軸方向の幅を小さくすることができる。した
がって、管路が小径化しても圧電素子を小さくすること
なく超音波のビームは場を小さくできるため、超音波送
受信器の圧電素子の性能安定性を容易に確保し、小型化
による製造および組付作業性の低下を防止し、また、製
造コストが高くなるのを防止することができる。さら
に、計測流量に応じて各寸法の圧電素子を製造する必要
がなくなり、部品の共通化が可能となって製造コストを
低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る超音波渦流量計の管
路を横切る縦断面図である。

【図２】円管内の流速分布を示す説明図である。

【図３】図１の装置の位相比較回路の出力波形および波
形整形回路の出力パルス波形を示すグラフ図である。

【図４】図１に示す実施形態の変形例に係る超音波渦流
量計の管路を横切る縦断面における超音波送受信器の圧
電素子の配置を示す概略図である。

【図５】本発明の他の実施形態に係る超音波渦流量計の
管路を横切る縦断面図である。

【図６】従来の超音波渦流量計の横断面図である。

【図７】図６の超音波渦流量計の管路を横切る縦断面図
である。

【図８】図６の超音波渦流量計の流量計測回路の概略構
成を示すブロック図である。

【図９】渦発生体によって発生するカルマン渦の状態を
示す管路を横切る縦断面である。

【図１０】渦発生体によって発生するカルマン渦の状態
を示す管路に沿った縦断面である。

【図１１】図６に示す従来例において、超音波の検出ビ
ーム幅と渦発生体によって発生する渦との位置関係を示
す管路を横切る縦断面である。

【図１２】図６の超音波渦流量計の位相比較回路の出力
波形および波形整形回路の出力パルス波形を示すグラフ
図である。

【符号の説明】

４管路５渦発生体６超音波送信器７超音波受信器 6a,7a 圧電素子 6b,7b 振動伝搬部 12 音響接合剤 18 超音波渦流量計

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測流体が流れる管路内に渦発生体を設
け、圧電素子を有する一対の超音波送受信器を前記管路
の前記渦発生体によって発生するカルマン渦の発生領域
をはさむように配設し、前記超音波送受信器によって検出される前記カルマン渦
の発生周期に基づいて前記被測流体の流量を計測する超
音波渦流量計において、前記一対の超音波送受信器のうち一方の超音波送信領域
と、該一対の超音波送受信器のうち他方の超音波受信領
域との重なり部分の前記渦発生体軸方向の幅を、前記他
方の圧電素子の超音波受信面の幅よりも小さくなるよう
に、前記一対の超音波送受信器を互いにオフセットして配置
することを特徴とする超音波渦流量計。
【請求項２】被測流体が流れる管路内に渦発生体を設
け、圧電素子と該圧電素子に音響接合剤によって接合された
振動伝搬部とからなる一対の超音波送受信器を前記管路
の前記渦発生体によって発生するカルマン渦の発生領域
をはさむように配設し、前記超音波送受信器によって検出される前記カルマン渦
の発生周期に基づいて前記被測流体の流量を計測する超
音波渦流量計において、前記一対の超音波送受信器のうち少なくともいずれか一
方における圧電素子と振動伝搬部との音響接合剤による
接合部分の前記渦発生体軸方向の幅を、当該圧電素子の
前記渦発生体軸方向の幅よりも小さくしたことを特徴と
する超音波渦流量計。