JPS638515A - 超音波流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は例えば超音波の管路向流６体中の伝播時間よ
シ流量を算出する超音波流量夕ｊ１定装置において、特
に測定流体の温度変化による音響伝播路の修正に関する
。

〔従来の技術〕

管路内の流体の流速又は流量を御１定する超音波を使用
した光景測定装置において、管路の外周に１組の超音波
送受波器を配置して管路内ＩＩＬ体の流、先。

量の測定に関しては昭４４−２５８３八実用新案公報［
超音波流量測定装置」及び昭５１−２５７５０号特許公
報「超音波流量測定装置」に示されている。

１組の超音波送受波器を管路の外周にその流体の流れ方
向である管軸に沿って設置して、超音波送受波器の管路
への取付位置については管路寸法、管路材質および流体
の種類などにより一方の超音波送受波器から放射される
超音波が他方の超音波送受波器にて十分な感度にて受信
できるように音響伝播路が決定されている。

上記条件にて一組の超音波送受波器を設置したとき測定
流体温度が変化すると、音響伝播路を形成している楔体
、管路、流体などの媒質の音速度が変わって音響伝播路
が変化する。

第４図は従来の反射型音響伝播路の説明図であり、音響
伝播路が管路内の反射を利用した例を示すもので、１は
内径りの管路、３−１．３−２は超音波送受波器（以下
送受波器と云う）、１１は合成樹脂材よシなる楔体、Ｌ
は１組の送受波器３−１．３−２の超音波ビームの管路
１への入射位置間隔である。

第５図は従来の透過型音響伝播路の説明図であり、音響
伝播路が管路内の超音波の直接伝播を利用した例を示す
もので、管路１は鉄系材料で内径はＤ、送受波器３−１
，３−２は超音振動子（以下振動子という）の放射面に
合成樹脂材より成る楔体１１が設けられ、管路１内の流
体は水とする。

上記音響伝播路にある媒質の境界面ばおいて！・ま媒質
の音速度と入射角によって超音波の屈折が発生する。（
スネルの法則）流体の温度が変化すると媒質の音速度が
変わるので屈折角が変化して音響伝播路が変わる。従っ
て送受波器６−１から放射される超音波ビームは音響伝
播路の変化により送受波器３−２の所定位置から偏位し
た位置へ到達する。

例えばＪＩＳ−Ｇ−３４５２配管用炭素鋼鋼管を使用し
、振動子はＰＺＴ、ｉ体１１の材質はアクリルとし第４
図に示す反射型音響伝播路の管路１において、送受波器
３−１よシ放射される超音波ビームの管路１への入射角
を４７とすると流体の温度が１０℃から６０℃へ変わっ
たとき、管路寸法２５　Ａ、５０　Ａ、１００Ａ、２０
０Ａにおける超音波ビームの到達位置の送受波器３−１
．３−２（７）　所定入射間Ｖ４　Ｌ　ヨ、！ｌ）　（
７）偏位Ｘハ５．４　ｍ、　　ａ　８　ｍ　。

１５．６鱈、３０．３ｍ　　となυ、流体温度が変わる
と超音波ビームの到達位置が変化するので送受波器３−
２における超音波の受信信号レベルが低下する。

また一方において、 Ｃ：流体の音速度、　　φ：超音波の流体への屈折角τ
；固定遅延時間、　Ｖ：流体の流速 ｔｄ；送受波器３−１から送受波器６−２の流れに順方
向の伝播時間、 １＋＋：送受波器３−２から送受波器３−１の流れに逆
方向の伝播時間とすると、 ””　（ｃ＋ｖ廊φ）■φ　＋７ １°＝死コ厖刀；「＋７ 温度が変わると音響伝播路を構成する各媒質の音速度が
変化する。従って管路１への超音波ビームの入射角を一
定とすると屈折角φが変化するので流速Ｖが変わシ測定
誤差になる。

流体の流速及び流量は超音波の一組の送受波器３−１．
３−２間の伝播時間差ならびに管軸と超音波の伝播方向
のなす角度によって決まるので、同一流速あるいは同一
流量において流体温度が変化すると出力は変化して測定
誤差を発生する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような従来の超音波流量測定装置では流体の温度
が変わると音響伝播路を形成する媒質の音速度が変化し
て各媒質の境界面における超音波の屈折角が変化するの
で音響伝播路が偏位して、送受波器３−１から送信され
た超音波ビームは送受波器３−２の所定位置よシ偏位し
た位置に到達する。この状態は流体温度の変化ならびに
管路寸法が大きくなるに対応して顕著になるので、送受
波器６−２が受信する超音波レベルが減少して受信感度
の低下をもたらし、極端な場合は音響伝播路の偏位が大
きくなり超音波ビームが到達せず受信不能になる。更に
従来の方法では温度変化による測定誤差の介入は避けら
れなかった。従って受信感度の低下とともに測定誤差が
介入しまた測定不能になることがある。

特に工業用プラントにおいて管路１内流犠を測定すると
き、管路寸法、管路材質、流体の種類（水以外の流体）
、流体の温度など音響伝播路を変える要因が非常に多い
。音響伝播路を修正するには送受波器３−１．３−２の
振動子放射面に設けられている裸体１１の形状を変えて
管路１への超音波ビームの入射角を変更しなければなら
ないという問題点があった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、流量計測の応用面を拡大するために管路寸法、管路
材質、流体の音速度や流体温度などが変化しても、１組
の送受波器３−１．３−２の超音波の音響伝播路が安定
して常時正常な受信信号が得られ測定誤差の発生を抑制
するようＫ、送受波器３−１．３−２から放射される超
音波ビームの管路１への入射角を自動的に制御できる超
音波流量測定装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

管路の外周に管軸方向に縦列Ｖｃ１組の超音波送受波器
を配置して管路内流体の超音波伝播時間よシ流体の流量
を測定する超音波流量測定装置において、複数個の個別
に励振される超音波振動子を合成樹脂材よシなる裸体の
管軸方向の傾斜面に配列された超音波送受波器と、超音
波送受波器内に配列される一方の端の超音波振動子を基
皐にして配列順にΔｔ、２Δｔ、　３Δｔ…の遅延量を
与える遅延量可調節の複数個の遅延回路と７超音波送受
波器へ遅延回路を経て、パルス信号を供給するパルス回
路と、流体の温度を検出する温度検出手段と、遅延回路
の遅延量を温度検出手段の出力信号に対応した制御信号
を発生する制御回路とを具備したものである。

〔作用〕

この発明においては、送受波器は夫々複数個の振動子よ
シ成り、相互の振動子のパルス信号による励振はパルス
発生回路より遅延回路を経て加えられ、夫々の遅延回路
の一定の関連をもって遅延される遅延量は測定する流体
温度に対応して自動的に制御されるので夫々の振動子の
パルス信号の励振位相が流体温度により調節され、この
励振位相を変えることにより送受波器から放射される超
音波ビームの管路への入射角を変化させて音響伝播路が
適正に維持される。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図であり、
１は上記従来装置と同一である。２は超音波を発生する
電気−音響変換を行う振動子、６は個別に励振され、−
列に配列された複数個の振動子２より成る送受波器、４
は複数個の振動子２を個別励振するパルス信号を発生す
るパルス回路、５は複数個の振動子毎に設けられパルス
回路４のパルス信号の励振位相に一定の関連をもって遅
延を与える遅延回路、６は測定流体の温度信号を発生す
る温度検出器、７は流体温度信号により各遅延回路５の
遅延量を調節する制御回路、８は送受波器３が放射する
超音波ビームの放射方向である。

上記のように構成された超音波流量測定装置において、
送受波器３の内部には例えば個別に励振される４個の振
動子２が設けられ、パルス回路４より４回路に分岐され
たパルス信号が個別の遅延回路５を経て振動子２を励振
する。

流体温度が常温に等しいときは各遅延回路５の遅延量は
凡て等しく、個別に励振された振動子２よシなる送受波
器３から放射される超音波ビームの森を方向８は送受波
器３の放射面に垂直な方向となる。

流体温度が常温より上昇したとき温度検出手段の出力信
号が変化して制御回路７の出力は遅延回路５が備えてい
る遅延量切替タップへの接続位置を切替えて各振動子２
へ加えられる励振パルス信号の遅延量が制御される。複
数個の振動子２の励振パルス信号の位相を夫々変化した
ときの送受波器６よυ放射される超音波ビームの校躬特
性について、 第２図は送受波器３の超音波ビームの放射特性の説明図
、ｄは振動子２の配置間隔、Ｃは媒質の音速度、Δｔは
遅延回路４の遅延量、θは超音波ビームの寂射方向の偏
位角、各振動子２へのノくルス信号の遅延量は図に示す
とおり、その振動子２の配列によりｄｄｎθに対応して
付与されて超音波ビームの偏位角は Ｃ・　Δｔ θ＝、１ｈ１（−−７−） となる、振動子２を個別に励振するパルス信号に振動子
２の配列順に配列の一方の端からΔｔ、　２Δｔ。

３ｅｔ…の振動子２毎に異なる遅延を夫々与えて励振パ
ルス信号の位相を変化させることにょシ、複数個の振動
子２から放射され合成超音波ビームの放射方向は振動子
２の放射面に垂直な方向から振動子２の配列方向にその
遅延量に比例して偏位角が増加するように偏位させるこ
とができる。また振動子２へ与える遅延量の基準位置を
他方の端として順次遅延量を垢・加すると超音波ビーム
の喝位角は垂直方向から上記偏位方向と逆の方向に偏位
させることができる。

第６図に送受波器３の購造図の一例を示す。

１２は合成樹脂材より成る背板で４個の振動子２が一定
間隔ｄに配置されて合成樹脂により一体構造に成形さル
ており、楔体１１の傾斜面に沿って振動子２を配列し且
つ放射面を楔体１１に接着させて送受波器３を管路１へ
装着したとき、超音波ビームは楔体１１を経て管路１内
へ放射される構造となっている。

上記構造において、送受波器３−１から放射される超音
波ビームのＪＩＳ　　Ｇ　　３４５２配管用炭素鋼鋼管
５０Ａを使用した管路１への入射角４７とし流体温度が
２０℃のとき、１組の送受波器６−１゜３−２の超音波
ビームの管路１への入射位置間隔（Ｌ）は５６．　Ｏ，
となる。流体温度が上昇したとき管路１の材質及びアク
リル材の楔体１１の音速塵は減少するが、流体（水）の
音速塵は増加するので音響伝播路の各媒質の境界位置に
おける屈折角、が変化して音響伝播路が変わる。

例えば流体温度が２０℃から６０℃に上昇したとき上記
入射位置間隔（Ｌ）の値は６２．７閣となる。このとき
送受波器６−１の超音波ビームの管口路５の遅延量を調
節することにより屈折角の変動による音響伝播路の変化
が修正されて超音波ビームの管路１内の反射位置は流体
温度が常温のときの位置と一致し且つ到達位置も送受波
器３−２の位置と一致する◎ 上記内容は１組の送受波器３−１．３−２を第５図に示
す透過型音響伝播路の管路１に装着しても同様に修正を
行うことができる。送受波器３−１から放射される超音
波ビームの管路１への入射角を変えると音響伝播路の各
媒質の境界面知おける屈折角が流体温度により屈折角が
変化しても超音波ビームは受信用送受波器３−２の所定
位置へ到達できるように音響伝播路が常に正しく確保ち
れる。

流体温度の検出は温度検出器を管路１へ装着して行うか
又は流体温度による音速塵の変化を利用して流量測定を
行う１組の送受波器３−１．３〜２を使用して超音波の
伝播時間よυ算出することができる。流体温度信号によ
υ遅延回路４の遅延量を自動的に変化させて各振動子２
の励振位相を変えると、送受波器３内の振動子２は管路
１の管軸方向に配列されているので超音波ビームの放射
角は管軸を含む平面内で変化するので、これにより超音
波ビームの管路１への入射角が変化できる。

この超音波流量測定装置においては、１組の送受波器３
−１及び６−２は交互励振を行うので、超音波信号の送
信時ならびに受信時に同一遅延量が付与されておυ、送
受波器３−１．３−２の超音波ビーム放射特性の管路１
とのなす角度は送信時及び受信時においても夫々等しい
。

本発明は送受波器３内に複数個の振動子２を配置して、
振動子２を励振するパルス信号の位相を流体温度信号に
より遅延回路５の遅延量を振動子２の配列に対応した一
定の関連をもって遅延量の変化を与えて制御することに
よ）常に１組の送受波器乙のビーム放射特性の管路１と
のなす角度を修正して常に適正な音響伝播路を形成させ
、送受波器乙の超音波信号の送信及び受信を最良感度の
状態にて行い流体への屈折角の変化を修正して正確な測
定を行わせることができる。

また管路寸法、管路材質や流体の種類などが変わっても
最適な音響伝播路が形成できるよう遅延画路４の遅延量
を調節して行なうことができる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとおυ、送受波器内に複数個の
振動子を配列し、夫々の振動子を励振する信号の位相を
流体温度により調節するという簡単な構造により、測定
流体の温度が変化しても測定流体の温度信号により送受
波器の各振動子を励振するパルス信号の相互の位相を一
定の関連をもって調節することにより送受波器から放射
される超音波ビームの放射特性の管路とのなす角度を制
御して常に１ｆｌｌｌｌｌの送受波器に最適な音響伝播
路を形成させて、正確な測定を行うことができる。更に
管路寸法、管路材質、測定流体の種類や流体温度などが
異なる工業用プラントなどにおける流量測定尤も広く適
用できるので超音波流量計の応用面が拡張できる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、？ＩＣ
２図は超音波ビームの放射特性の説明図、第３図は送受
波器の構造図の一例、第４図は従来の反射型音響伝播路
の説明図、第５図は従来の透過型音響伝播路の説明図で
ある。 図において、２は超音波振動子、３は超音波送受波器、
４はパルス回路、５は遅延回路、６は温度検出器、７は
制御回路、８は超音波ビームの放射方向である。 なお、各図中同一符号は同一または相当を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 管路の外周に管軸方向に縦列に１組の超音波送受波器を
   配置して管路内流体の超音波伝搬時間より流体の流量を
   測定する超音波流量測定装置において、複数個の個別に
   励振される超音波振動子を合成樹脂材よりなる楔体の管
   軸方向の傾斜面に配列されてなる超音波送受波器と、前
   記超音波送受波器内に配列される一方の端の超音波振動
   子を基準にしてその配列順にΔｔ、２Δｔ、３Δｔ…の
   遅延量を与える遅延量可調節の複数個の遅延回路と、前
   記超音波送受波器へ前記遅延回路を経てパルス信号を供
   給するパルス回路と、流体温度を検出する温度検出手段
   と、前記遅延回路の遅延量を前記温度検出手段の出力信
   号に対応させた制御信号を発生する制御回路とを具備し
   、流体温度の信号により前記超音波送受波器の超音波放
   射方向の管路とのなす角度を調節することを特徴とする
   超音波流量測定装置。