JPH0447770B2 - - Google Patents
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- JPH0447770B2 JPH0447770B2 JP58204886A JP20488683A JPH0447770B2 JP H0447770 B2 JPH0447770 B2 JP H0447770B2 JP 58204886 A JP58204886 A JP 58204886A JP 20488683 A JP20488683 A JP 20488683A JP H0447770 B2 JPH0447770 B2 JP H0447770B2
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- JP
- Japan
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- fluid
- ultrasonic
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- flow
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- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 31
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 5
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
- G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の属する技術分野〕
本発明は、超音波流量計に関するものであり、
更に詳しくは、流体の流れを横切つてその流れに
順方向および逆方向にそれぞれ超音波を送受波し
てその間の伝播時間T1，T2および両者の平均伝
播時間T0を求め、該T0から音速変化に起因した
流量測定誤差の除去を行なうようにした超音波流
量計に関するものである。
更に詳しくは、流体の流れを横切つてその流れに
順方向および逆方向にそれぞれ超音波を送受波し
てその間の伝播時間T1，T2および両者の平均伝
播時間T0を求め、該T0から音速変化に起因した
流量測定誤差の除去を行なうようにした超音波流
量計に関するものである。
第１図は従来の超音波流量計を示すブロツク図
である。同図において、超音波振動子１及び１′
は、クサビ部材２及び２′にそれぞれ図示の如く
取付けられ、クサビ部材２及び２′は、流体３の
流れる管４を前記振動子の一つから発生される超
音波が斜めに横切つて他方の振動子に受信される
ように相対して管の外側に取付けられる。
である。同図において、超音波振動子１及び１′
は、クサビ部材２及び２′にそれぞれ図示の如く
取付けられ、クサビ部材２及び２′は、流体３の
流れる管４を前記振動子の一つから発生される超
音波が斜めに横切つて他方の振動子に受信される
ように相対して管の外側に取付けられる。
しかも、超音波振動子１、クサビ部材２、管４
の壁部、流体３、管４の壁部、クサビ部材２′、
及び超音波振動子１′は相互に音響的に結合され
る。
の壁部、流体３、管４の壁部、クサビ部材２′、
及び超音波振動子１′は相互に音響的に結合され
る。
超音波振動子１は、発信部５から実線位置にあ
る切替スイツチ６ａを介して入力される電気信号
を超音波に変換し、相対している他方の超音波振
動子１′に向けて発信する。超音波振動子１′で
は、受信した超音波を電気信号に変換して出力す
る。時間計測回路７では、発信部５からの発信信
号と実線位置にある切替スイツチ６ｂを介して振
動子１′から受信した信号により、超音波の発信
から受信までの時間T1を計測する。記憶回路８
では、実線位置にある切替スイツチ６ｃを介して
計測された時間T1を受け、これを記憶する。
る切替スイツチ６ａを介して入力される電気信号
を超音波に変換し、相対している他方の超音波振
動子１′に向けて発信する。超音波振動子１′で
は、受信した超音波を電気信号に変換して出力す
る。時間計測回路７では、発信部５からの発信信
号と実線位置にある切替スイツチ６ｂを介して振
動子１′から受信した信号により、超音波の発信
から受信までの時間T1を計測する。記憶回路８
では、実線位置にある切替スイツチ６ｃを介して
計測された時間T1を受け、これを記憶する。
次にスイツチ６ａ，６ｂ，６ｃを破線位置へ切
替え、振動子１′を発信側、１を受信側とするこ
とにより、前記と逆の方向に超音波の発信及び受
信を行ない、このときの発信から受信までの時間
T2を測定して今度はこれを記憶回路９に記憶す
る。
替え、振動子１′を発信側、１を受信側とするこ
とにより、前記と逆の方向に超音波の発信及び受
信を行ない、このときの発信から受信までの時間
T2を測定して今度はこれを記憶回路９に記憶す
る。
記憶回路８に記憶された時間T1と記憶回路９
に記憶された時間T2との時間差ΔTを演算部１０
で計算し、スケールフアクタ演算部１１で時間差
ΔTに所定のスケールフアクタを乗じることによ
り流量信号を得て出力する。
に記憶された時間T2との時間差ΔTを演算部１０
で計算し、スケールフアクタ演算部１１で時間差
ΔTに所定のスケールフアクタを乗じることによ
り流量信号を得て出力する。
所で、流れに対して順方向の振動子１から１′
までの超音波伝播時間T1及び逆方向の振動子
１′から１までの超音波伝播時間T2は、流体中の
伝播時間をそれぞれt1，t2とし、流体以外のクサ
ビ部材や管壁における伝播時間をτとすると次式
で表わすことができる。
までの超音波伝播時間T1及び逆方向の振動子
１′から１までの超音波伝播時間T2は、流体中の
伝播時間をそれぞれt1，t2とし、流体以外のクサ
ビ部材や管壁における伝播時間をτとすると次式
で表わすことができる。
T1＝t1＋τ ……(1)
T2＝t2＋τ ……(2)
ここで伝播時間差ΔTは次式の如く求めること
ができる。
ができる。
ΔT＝T2−T1＝（t2＋ｒ）−（t1＋τ）
＝t2−t1 ……(3)
管４の内径をＤ、流体中の音速（超音波の伝播
速度）をCw、超音波の入射角度をθ、管内の流
速をＶとすると、一般に前記伝播時間t1，t2は次
式で示されることが知られている。
速度）をCw、超音波の入射角度をθ、管内の流
速をＶとすると、一般に前記伝播時間t1，t2は次
式で示されることが知られている。
t1＝Ｄ／cosθ／Cw−Vsinθ ……(4)
t2＝Ｄ／cosθ／Cw−Vsinθ ……(5)
従つてΔTは次の如くなる。
ΔT＝（Ｄ／cosθ）・（2Vsinθ）／Cw 2−V2sinθ2…
…(6) ここで流体中の音速Cwと管内の流速Ｖとを比
較すると流体が水の場合、Cwは一般に1000〜
1600ｍ／ｓの範囲にあるのに対しＶは10ｍ／ｓ以
下である。故にCw 2＞＞V2sinθ2となりΔTは次の
近似式で表わすことができる。
…(6) ここで流体中の音速Cwと管内の流速Ｖとを比
較すると流体が水の場合、Cwは一般に1000〜
1600ｍ／ｓの範囲にあるのに対しＶは10ｍ／ｓ以
下である。故にCw 2＞＞V2sinθ2となりΔTは次の
近似式で表わすことができる。
ΔT＝2D・sinθ／Cw 2・cosθ・Ｖ ……(7)
流体中の音速Cwが一定であれば（sinθ／CW
2cosθ）は一定となり、ΔTは流速Ｖに比例する。
つまりΔTを計測することにより流速Ｖが得られ
流量を計測することができる。
2cosθ）は一定となり、ΔTは流速Ｖに比例する。
つまりΔTを計測することにより流速Ｖが得られ
流量を計測することができる。
なお第２図に、前述の諸量を分り易いように図
示した。
示した。
所でここに一つの問題点がある。前記(7)式で流
体の音速Cwが変化しないときはΔT∝Ｖの関係が
成り立つが、流体中の音速Cwは流体の温度又は
圧力が変わることにより変化する。
体の音速Cwが変化しないときはΔT∝Ｖの関係が
成り立つが、流体中の音速Cwは流体の温度又は
圧力が変わることにより変化する。
また音速Cwが変化することにより、反射・屈
折に関するスネルの法則に従つて角度θも変化す
る。従つて音速Cwが変化すると流速Ｖの計測値
に誤差を生じる。特に流体が常温から高温（300
℃位）まで変化する場合と管の厚みが厚い場合に
は、音速Cwの変化による影響が大きく出て計測
誤差は大きくなる傾向にあり、このことは従来の
超音波流量計における大きな欠点と云える。
折に関するスネルの法則に従つて角度θも変化す
る。従つて音速Cwが変化すると流速Ｖの計測値
に誤差を生じる。特に流体が常温から高温（300
℃位）まで変化する場合と管の厚みが厚い場合に
は、音速Cwの変化による影響が大きく出て計測
誤差は大きくなる傾向にあり、このことは従来の
超音波流量計における大きな欠点と云える。
本発明は、超音波流量計において、流体の温度
や圧力が変化することにより流体中の音速Cwが
変化しても、それを補正し正確な流速Ｖひいては
流量を計測することのできる超音波流量計を提供
することを目的とする。
や圧力が変化することにより流体中の音速Cwが
変化しても、それを補正し正確な流速Ｖひいては
流量を計測することのできる超音波流量計を提供
することを目的とする。
流体の温度及び圧力が変化することにより流体
中の音速Cwが変化すると、前記伝播時間T1とT2
の平均伝播時間T0も変化するので、これを用い
た補正回路を設けることにより、流体の温度、圧
力を直接計測することを要せずして流体の正確な
流速Ｖひいては流量を計測できるようにした点が
本発明の要点である。
中の音速Cwが変化すると、前記伝播時間T1とT2
の平均伝播時間T0も変化するので、これを用い
た補正回路を設けることにより、流体の温度、圧
力を直接計測することを要せずして流体の正確な
流速Ｖひいては流量を計測できるようにした点が
本発明の要点である。
第３図は本発明の一実施例を示すブロツク図で
ある。同図において第１図におけるのと共通の部
分には同一番号を付してある。
ある。同図において第１図におけるのと共通の部
分には同一番号を付してある。
第１図に示した構成と異なる点は、前記伝播時
間T1，T2の平均伝播時間T0を演算する回路１２
とそのT0を基にして音速補正演算を行なう演算
部１３とを設けた点にある。
間T1，T2の平均伝播時間T0を演算する回路１２
とそのT0を基にして音速補正演算を行なう演算
部１３とを設けた点にある。
ここで流体が静止しているとき、すなわちＶ＝
０のとき前記(4)式及び(5)式より t1＝Ｄ／cosθ／Cw ……(8) t2＝Ｄ／cosθ／Cw ……(9) となりt1＝t2となる。そこでT1＝T2＝T0と置
くと、前記(1)または(2)式より T0＝Ｄ／cosθ／Cw＋τ ……(10) 上記(10)式より Cw＝Ｄ／cosθ／T0-〓 ……(11) 前記(7)式に(11)式を代入すると ΔT＝（T0−τ）2cosθ／D2・2Dsinθ／cosθ・Ｖ ＝sin2θ／Ｄ（T0−τ）2・Ｖ ……(12) 故にＶ＝Ｄ／sin2θ・ΔT／（T0-〓) ……(13) ここで流体が流れているときにはT0＝
T1＋T2／２で近似的にT0を求めることができ、上 記(13)式はＶ≠０のときも成立する。つまり上記(13)
式においてΔT以外に角度θ、T0及びτを計測で
きれば電子計算機などで流速Ｖを計算することが
できる。しかし角度θ、流体以外の部分における
伝播時間τを計測することは、まず困難である。
仮に計測できてもこれらを用いての工業計器レベ
ルでの演算は実際問題として難しい面がある。
０のとき前記(4)式及び(5)式より t1＝Ｄ／cosθ／Cw ……(8) t2＝Ｄ／cosθ／Cw ……(9) となりt1＝t2となる。そこでT1＝T2＝T0と置
くと、前記(1)または(2)式より T0＝Ｄ／cosθ／Cw＋τ ……(10) 上記(10)式より Cw＝Ｄ／cosθ／T0-〓 ……(11) 前記(7)式に(11)式を代入すると ΔT＝（T0−τ）2cosθ／D2・2Dsinθ／cosθ・Ｖ ＝sin2θ／Ｄ（T0−τ）2・Ｖ ……(12) 故にＶ＝Ｄ／sin2θ・ΔT／（T0-〓) ……(13) ここで流体が流れているときにはT0＝
T1＋T2／２で近似的にT0を求めることができ、上 記(13)式はＶ≠０のときも成立する。つまり上記(13)
式においてΔT以外に角度θ、T0及びτを計測で
きれば電子計算機などで流速Ｖを計算することが
できる。しかし角度θ、流体以外の部分における
伝播時間τを計測することは、まず困難である。
仮に計測できてもこれらを用いての工業計器レベ
ルでの演算は実際問題として難しい面がある。
ところでクサビ部材の寸法、クサビ部材の取付
位置、管の内径、管の肉厚は、測定もしくはあら
かじめ製作時に寸法を定めることにより求まる。
また温度、圧力が分かれば、流体、クサビ部材、
及び管部における流速は定まり、知ることができ
る。従つて、このようにして各部の流速が決まれ
ば上記(13)式のT0，τ，１／sin2θをそれぞれ計算す ることは可能である。
位置、管の内径、管の肉厚は、測定もしくはあら
かじめ製作時に寸法を定めることにより求まる。
また温度、圧力が分かれば、流体、クサビ部材、
及び管部における流速は定まり、知ることができ
る。従つて、このようにして各部の流速が決まれ
ば上記(13)式のT0，τ，１／sin2θをそれぞれ計算す ることは可能である。
即ち前記(13)式は、
Ｖ＝Ｍ・△Ｔ（但しＭは定数）
と書き直すことができ、その結果
流量＝Ｋ・△Ｔ（但しＫは定数）
と表すことができる。
そこで各部の流速が変化しうる範囲にわたつて
T0，τ，１／sin2θをそれぞれ計算する。その結果 を整理すると、T0とτとの間には、温度、圧力
がどのように変化しようと第４図に示すような、
ほぼリニヤな一定した関係のあることが判つた。
T0，τ，１／sin2θをそれぞれ計算する。その結果 を整理すると、T0とτとの間には、温度、圧力
がどのように変化しようと第４図に示すような、
ほぼリニヤな一定した関係のあることが判つた。
また同様にT0と１／sin2θとの間にも第５図に示
すようなほぼ一定した関係のあることが判つた。
ここで○イ点は０℃、○ロ点は約70℃、○ハ点は約300
℃のときの関係を示している。この関係は、管内
径、厚さ、温度、圧力の諸条件が変わつても成り
立つ。
ここで○イ点は０℃、○ロ点は約70℃、○ハ点は約300
℃のときの関係を示している。この関係は、管内
径、厚さ、温度、圧力の諸条件が変わつても成り
立つ。
これはT0のみを測定すれば上記(13)式の
１／（T0-〓）2 及び１／sin2θが求まることを示している。
１／（T0-〓）2 及び１／sin2θが求まることを示している。
なお第４図、第５図において、わずかな幅でズ
レを生ずるが超音波流量計の補正演算としては問
題にならない。つまりT0を入力信号とし、その
関数として（T0-〓）または１／sin2θを出力する関数 発生器を第３図の流速補正演算部に用いることに
より三角関数の演算などを行わず、しかも比較的
正確に流速変化を補正することができる。
レを生ずるが超音波流量計の補正演算としては問
題にならない。つまりT0を入力信号とし、その
関数として（T0-〓）または１／sin2θを出力する関数 発生器を第３図の流速補正演算部に用いることに
より三角関数の演算などを行わず、しかも比較的
正確に流速変化を補正することができる。
なお、実際の補正に際しては第４図と第５図の
各特性を掛け合せて得られる第６図の特性をもつ
た一つの関数発生器を用いることにより、補正す
るようにしてもよい。
各特性を掛け合せて得られる第６図の特性をもつ
た一つの関数発生器を用いることにより、補正す
るようにしてもよい。
ここに関数発生器としては、T0の各値に対す
る１／sin2θ・１／（T0-〓））2の値ひいては前述の定
数Ｋ の値を予め計算し、T0の値をアドレスとしてこ
れら計算値を記憶するROMを用い得ることは勿
論である。
る１／sin2θ・１／（T0-〓））2の値ひいては前述の定
数Ｋ の値を予め計算し、T0の値をアドレスとしてこ
れら計算値を記憶するROMを用い得ることは勿
論である。
測定流体及び該流体を通す管や温度や圧力が変
化すると、流体及び管を伝播する音速が変化す
る。
化すると、流体及び管を伝播する音速が変化す
る。
本発明によれば、これらの温度、圧力を直接計
測することなく、それらの変化に起因した音速変
化の補正が行える。流体及び管の温度、圧力を他
のセンサで計測しそれによつて音速を補正する方
法もあるが、この場合、計測（検出）時と音速補
正時との間の時間のズレによる誤差が生じる。特
に急激な温度変化が起きているときは、誤差が大
きくなる。
測することなく、それらの変化に起因した音速変
化の補正が行える。流体及び管の温度、圧力を他
のセンサで計測しそれによつて音速を補正する方
法もあるが、この場合、計測（検出）時と音速補
正時との間の時間のズレによる誤差が生じる。特
に急激な温度変化が起きているときは、誤差が大
きくなる。
この点、本発明によれば、流量の基本となる伝
播時間差信号と、補正の基本となる平均伝播時間
とは常に同時に計測されるため検出時間のズレに
よる誤差は生じない。本発明は、使用する関数発
生器の関数を変えることにより、あらゆる流体を
計測の対象とする超音波流量計に適用することが
できる。
播時間差信号と、補正の基本となる平均伝播時間
とは常に同時に計測されるため検出時間のズレに
よる誤差は生じない。本発明は、使用する関数発
生器の関数を変えることにより、あらゆる流体を
計測の対象とする超音波流量計に適用することが
できる。
第１図は従来の超音波流量計を示すブロツク
図、第２図は流量計測に必要な諸量の関係説明
図、第３図は本発明の一実施例を示すブロツク
図、第４図は平均伝播時間T0と流体中の伝播時
間（T0-〓）の関係を示すグラフ、第５図は平均
伝播時間T0と１／sin2θとの関係を示すグラフ、第 ６図は平均伝播時間T0と補正係数との関係を示
すグラフ、である。 符号説明、１，１′……超音波振動子、２，
２′……クサビ部材、３……流体、４……管、５
……発信部、６ａ，６ｂ，６ｃ……切替スイツチ
部、７……受信及び時間計測回路、８……記憶回
路（T1）、９……記憶回路（T2）、１０……時間
差（ΔT）演算部、１１……スケールフアクタ演
算部、１２……平均伝播時間（T0）演算部、１
３……音速補正演算部。
図、第２図は流量計測に必要な諸量の関係説明
図、第３図は本発明の一実施例を示すブロツク
図、第４図は平均伝播時間T0と流体中の伝播時
間（T0-〓）の関係を示すグラフ、第５図は平均
伝播時間T0と１／sin2θとの関係を示すグラフ、第 ６図は平均伝播時間T0と補正係数との関係を示
すグラフ、である。 符号説明、１，１′……超音波振動子、２，
２′……クサビ部材、３……流体、４……管、５
……発信部、６ａ，６ｂ，６ｃ……切替スイツチ
部、７……受信及び時間計測回路、８……記憶回
路（T1）、９……記憶回路（T2）、１０……時間
差（ΔT）演算部、１１……スケールフアクタ演
算部、１２……平均伝播時間（T0）演算部、１
３……音速補正演算部。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 流体の流れを横切つてその流れの順方向およ
び逆方向にそれぞれ超音波を送受波してその間の
伝播時間T1，T2、両者の平均伝播時間T0および
両者の差△Ｔを求め、 流量＝Ｋ・△Ｔ（但しＫは定数） なる演算式を演算することにより、前記流体の流
量を測定する超音波流量計であつて、 前記演算式における定数Ｋの、超音波伝播時の
音速に依存する補正量を、前記T0の関数として
記憶し出力することのできる関数発生器を具備し
音速変化による影響を排除したことを特徴とする
超音波流量計。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58204886A JPS6098313A (ja) | 1983-11-02 | 1983-11-02 | 超音波流量計 |
| DE19843438976 DE3438976A1 (de) | 1983-11-02 | 1984-10-24 | Verfahren zur ultraschall-durchflussmessung und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58204886A JPS6098313A (ja) | 1983-11-02 | 1983-11-02 | 超音波流量計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6098313A JPS6098313A (ja) | 1985-06-01 |
| JPH0447770B2 true JPH0447770B2 (ja) | 1992-08-04 |
Family
ID=16498021
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58204886A Granted JPS6098313A (ja) | 1983-11-02 | 1983-11-02 | 超音波流量計 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6098313A (ja) |
| DE (1) | DE3438976A1 (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0749976B2 (ja) * | 1986-02-26 | 1995-05-31 | 富士電機株式会社 | 超音波式測定装置 |
| DE3923409A1 (de) * | 1989-07-14 | 1991-01-24 | Danfoss As | Nach dem coriolis-prinzip arbeitendes massendurchfluss-messgeraet |
| DE4241226A1 (de) * | 1992-12-08 | 1994-06-09 | Abb Patent Gmbh | Durchflußmeßvorrichtung |
| DE4302368C1 (de) * | 1993-01-28 | 1994-07-21 | Spanner Pollux Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall-Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden |
| DE10026568C2 (de) * | 2000-05-30 | 2002-11-21 | Siemens Ag | Verbindungsstück für ein Ultraschallwandlergehäuse |
| DE10138323C1 (de) * | 2001-08-10 | 2003-04-17 | Danfoss As | Messendurchflußmeßgerät und Verfahren zum Messen eines Massendurchflusses |
| DE10232101C1 (de) * | 2002-06-13 | 2003-09-25 | Krohne Ag Basel | Ultraschalldurchflußmeßverfahren |
| EP1376069A1 (de) | 2002-06-13 | 2004-01-02 | Krohne AG | Ultraschalldurchflussmessverfahren |
| JP5347940B2 (ja) * | 2009-12-16 | 2013-11-20 | 株式会社豊田中央研究所 | 流速測定装置 |
| CN110383014B (zh) * | 2017-03-07 | 2022-01-04 | Abb瑞士股份有限公司 | 用于测量管道中流体的流速的设备和方法 |
| DE102021104576A1 (de) | 2021-02-25 | 2022-08-25 | Ifm Electronic Gmbh | Verfahren, Sensoreinheit und Ultraschall-Durchflussmessvorrichtung zur Bestimmung eines Durchflusses eines fluiden Mediums durch eine Rohrleitung mittels Ultraschallwellen |
-
1983
- 1983-11-02 JP JP58204886A patent/JPS6098313A/ja active Granted
-
1984
- 1984-10-24 DE DE19843438976 patent/DE3438976A1/de active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6098313A (ja) | 1985-06-01 |
| DE3438976A1 (de) | 1985-05-09 |
| DE3438976C2 (ja) | 1988-06-09 |
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