JPH06103206B2

JPH06103206B2 - 超音波流速測定方法およびその装置

Info

Publication number: JPH06103206B2
Application number: JP62139398A
Authority: JP
Inventors: 良平茂木; 真一竹内; 敏夫佐藤
Original assignee: 株式会社トキメック
Priority date: 1987-06-03
Filing date: 1987-06-03
Publication date: 1994-12-14
Anticipated expiration: 2009-12-14
Also published as: JPS63304117A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、超音波流速測定方法およびその装置に係り、
とくに配管の外面に超音波送受波器を装着して内部の流
速を測定する超音波流速測定方法およびその装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来例を第９図に示す。この第９図の従来例において、
一方の超音波送受波器50の超音波振動子51から下流側に
向けて出力される超音波は、伝播経路l₁，l₂，l₃，l₄，
及びl₅を経て他方の超音波送受波器60の超音波振動子61
に至る。そして、この場合の伝播時間をt_dとする。

また、他方の超音波送受波器60の超音波振動子61から上
流側に向けて出力される超音波は、伝播経路l₅，l₄，
l₃，l₂，及びl₁を経て一方の超音波送受波器50の超音波
振動子51に至る。そして、この場合の伝播時間をt_uとす
る。

この場合、配管３内の流速は、次式にて求まる。

Ｖ＝（C²/2Dtanθ）・（t_u−t_d） …（ａ）ここで、Ｄは配管３の内径、θは流動体中の屈折角、Ｃ
は流動体の音速を示す。

この結果、流動体の音速が予め確定しているものについ
ては、上式に基づいて配管３内の流動体の流速を比較的
容易に測定することができ、同時に配管３の内径が明ら
かとなっていることから配管３内の流動体の流量も極く
容易に求め得るようになっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、超音波は、振動源（振動子もしくは振動
面）の大きさによってその指向性すなわち伝播方向への
広がりが著しく変化する。一方、入射角Φのとり得る値
はこの指向性に大きく依存する。すなわち、振動源が小
さくなると入射角Φは幅広いものとなる。このため、超
音波利用の流量測定においては、測定条件によって測定
値に多くの誤差が入り易い。

この指向性の大小を表示する第１零幅射角の指向角β
は、一般に、 β≒57・λ/b（度） ……（ｂ）で表される。ここで、ｂは振動源の幅を示し、λは伝播
媒体中における超音波の波長を示す。

一方、通常最も多く使用されている流量計用の超音波送
受波器では、配管に対する当接面の寸法が管壁内でｂ≒
５λないし８λのものが多い。ｂ≒10λのものは極くま
れである。このため指向角βは、ｂ≒10λの場合でもβ
≒5.7°となる。従って、通常の超音波送受波器では、
常時±３°以上の広がり角を常に有している。

このように、従来の超音波送受波器では、広い指向性を
有し、それが、式（ｂ）に見られる如く、屈折角θの広
がりが流体の流速誤差の直接の原因となるため、屈折角
が正しく設定されるように、受信側では、広い角度幅を
もったビームの中から適性な角度で伝播してくる超音波
の中心位置を特定するのに多くの時間と労力を要すると
いう本質的な欠点があった。

同時に、伝播超音波の指向性角度の広がりは、配管の厚
さ固有の複数の共振モード（板波のＡモード又はＳモー
ド）の内の一又は二以上の励振条件（入射角によって決
まる）に近接したり含んだりする。

このため、受信側では、常に最大値を検出するように受
信位置を設定することから、しばしばエネルギ透過率の
大きい他の共振モードを検出することとなり、測定値に
著しい誤差が生じる。すなわち、超音波の指向角が広
く，超音波ビームが平行ビームとはみなせなかったり，
また、有害モードのために予想外の方向へ伝播するため
に、超音波の伝播経路が、クサビ内，管壁内および管内
流動体中のいずれにおいても正確には特定し得なくなる
ので、測定した伝播時間t_u，t_dの中でどれだけの時間が
管内流動体中を通過するのに要した時間なのかを捕らえ
にくくなり、測定原理の基本がドプラー効果にある従来
形の超音波流速流量計では、本質的に精度の信頼性に欠
けるという欠点を有していた。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、とく
に、配管上に装備する一対の超音波送受波器相互間の距
離を大まかに設定しても配管内流体の流速を高精度に測
定することのできる作業性良好な超音波流速測定方法お
よびその装置を提供することを、その目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明では、指向性角度が著しく小さく形成さ
れた二つの超音波送受波器を適当な間隔をおいて被測定
管の上流側と下流側にそれぞれ配設し、当該配管の外壁
から超音波を交互に斜入射させて測定時における超音波
送受波器内のクサビ部分の音速C₁を測定し、これらの測
定に相前後して、前記上流側から下流側へ，又は下流側
から上流側へそれぞれ超音波を発振するとともに、この
各発振された超音波が管壁及び管内流動体を伝播して受
信されるまでの時間t_d，t_uを順次測定し、これらの測定
値C₁，t_d，t_uと前記超音波送受波器相互間の間隔L_Xを予
め特定された所定の関数，すなわちＶ＝Ｆ（C₁，t_u，t_d，L_X）に代入して他の必要な定数とともにこれを演算し、管内
流動体の流速Ｖを算定する、等の構成を採り、これによ
って前記目的を達成しようとするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第８図に基づい
て説明する。

第１図において、１は配管３の上流側に装備された一方
の超音波送受波器を示し、２は同じく配管３の下流側に
装備された他方の超音波送受波器を示す。この内、前記
一方の超音波送受波器１は、第３図に示すように超音波
を配管３へ斜入射せしめるためのクサビ部材1Aと振動子
1Bとを備えている。クサビ部材1Aは、アクリル樹脂等に
より形成され、断面が台形状をなし、その一方の斜面1a
に超音波振動子1Bが固着されている。また、他方の斜面
1cは、超音波振動子1Bから発信された超音波が超音波放
射面としての入射面1bで反射してクサビ部材1A内を伝播
する場合の当該伝播経路に直交する超音波反射面を構成
している。このため、クサビ部材1Aを伝播する内部反射
波は、超音波振動子1B側に戻るようになっている。さら
に管内に超音波を漏洩放射する際の開口面となる入射面
1bの長さｂを，使用中心周波数に対して略18波長以上と
なるようにしている。

第４図に示すように振動子1Bの開口がある程度以上に長
くなり入射面1bの長さｂが略18波以上の長さを有すると
指向角が非常に小さくなるので、超音波送受波器内のク
サビ部分，管壁部分及び管内流動体部分を順次伝播する
超音波ビームは、ほぼ平行ビームとみなせる。

これらの各超音波送受波器1,2の各々は、第１図に示す
ように送受信切換部10を介して発信回路部11及び受信回
路部12に各別に接続されている。この第１図において
は、配管３内の液体は図の左方から右方へ流動する場合
が示されている。

前記超音波送受波器1,2の各々においては、配管３内の
流速に応じて第２図に示す如き繰返し信号が受信され
る。すなわち、第１図に示すように上流側の超音波送受
波器１から出力された超音波は、配管３の管壁内を伝播
する伝播波Ａと、配管３の管壁を経て配管３内の液体中
への伝播波Ｂとに分けられる。

これを更に詳述する。まず、上流側から下流側に向けて
超音波が出力された場合、第２図（１）に示す到来超音
波の受信信号は、受信回路部12,信号選択手段13Aを介し
て計時手段13へ送られ、ここで、その伝播時間t_dが計時
されて第１のメモリ14に一時的に記憶される。

次に、前記送受信切換部10が作用して下流側から上流側
に向かって超音波が出力された場合、第２図（２）に示
す到来超音波の受信信号は、同じく受信回路部12を介し
て計時手段13へ送られ、ここでその伝播時間t_uが計時さ
れて第１のメモリ14に一時的に記憶される。

次に、上記動作と相前後して、超音波送受波器内のクサ
ビ中の音速C₁を測定しておく，これは，各流速測定毎に
行う必要はなく，必要な時に適宜実行すれば良い。クサ
ビ中の音速を測定する場合は、超音波送受波器１あるい
は２のいずれか１つが第１図に示す送受信切換部10を介
して発信回路部11及び受信回路部12に接続される。例え
ば，超音波送受波器１が接続された場合は、第２図に示
す振動子1Bから出力された超音波が第２図中の経路l₁，
l₁′を往復伝播して振動子1Bで受信される。この信号
は、受信回路部12及び信号選択手段13Aを介して計時手
段13へ送られ、ここでその伝播時間例えばt_wが計時され
て第１のメモリ14に一時的に記憶される。

第１のメモリ14に記憶された伝播時間t_d，t_u及びt_wの各
データは、直ちに演算手段17に送られる。そして、この
演算手段17により式に基づいて演算され特定された流
速Ｖは、表示手段18によって表示されるようになってい
る。さらに、流量は、流速Ｖを管内断面積とにより演算
17で演算され、これも表示手段18に表示される。19は、
これら各構成手段の一連の動作を制御する主制御部を示
す。

次に、計測された伝播時間t_w，t_u，t_dを用いて流速Ｖが
求められるに到る理論的な過程を説明する。

まず、超音波送受波器1,2内のクサビ中の音速C₁は、次
式で求まる。

C₁＝２（l₁＋l₁′）／t_w …… 但し、ここでl₁，l₁′は第３図に示す経路l₁，l₁′の経
路長である。

以下、第４図で説明する。

流速Ｖ＝０のときの全伝播時間t_oは次式となる。

T_o＝［２｛（L_x−L_o）/2｝・sinθ₁／C₁］＋｛２（d/co
sθ₂）／C₂｝＋｛Ｎ（D/cosθ₃）／C₃＋τ_c …… ここで、L_oは中心経路g_oの入射点1Pと2Pの間の距離であ
り、L_xは振動子接合面1aおよび2aと超音波放射面1b及び
2bとの交点,1Rと2Rの間の距離である。θ₁，θ₂，θ₃は
クサビ内，壁内及び流動体内での超音波の入射角であ
り，C₁，C₂，C₃はそれぞれの音速である。但し、これら
は超音波の指向角が狭いので、スネルの法則を満足して
いる。ｄは管の板厚,Dは管内径を示す。Ｎは超音波の流
動体内径路数であり、第１図及び第４図の場合はＮ＝２
となる。τ_cは、ケーブル内等の電気的遅延時間を示
す。

次に流速Ｖが０ではない時に、求まる伝播時間t_w，t
_dは、次のようになる。

t_u＝［｛（Ｌ−L_o）sinθ₁｝／C₁］＋｛（2d/cosθ₂）
／C₂｝＋｛（ND/cosθ₃）／（C₃−Vsinθ₃）｝＋τ_c …
… t_d＝［｛（Ｌ−L_o）sinθ₁｝／C₁］＋｛（2d/cosθ₂）
／C₂｝＋｛（ND/cosθ₃）／（C₃＋Vsinθ₃）｝＋τ_c …
… 通常C₃＞＞Ｖ（例えば、流動体が水の場合はC₃≒1500m/
s,Vの最大値でも20m/sとなるから近似的に t_o＝（t_u＋t_d）/2 …… 従って流速Ｖは，スネルの法則とC₃＞＞Ｖの近似に
より、Ｖ＝（C₁ ³/sinθ₁）・［｛（t_u＋t_d−２τ）（t_u−
t_d）｝／｛C₁ ²（t_u＋t_d−２τ）²＋（2NDsinθ₁）²｝］
…… 但し、τ＝｛（Lsinθ₁）／C₁｝＋｛（2dcosθ₂）／
C₂｝＋τ_c …… 結果的に，第１のメモリ14に、クサビ内径路長（l₁＋
l₁′），取り付け間隔L_x，クサビ中入射角θ₁，管壁中
の音速C₂，ケーブル内遅延時間τC,流動体中の経路数N,
および管の厚さd,管内径Ｄを記憶しておけば，式およ
び次式 cosθ₂／C₂ ＝（1/C₂）²−（sinθ₁／C₁）² …… さらには式，式を用いて流速Ｖを算出できる。な
お、本方式によると，流動体中の音速C₃は、次式で表せており、結果的に流速Ｖの式中には、流動体の
音速C₃が不要となる。即ち、流動体の音速C₃が不明であ
っても、本方式によると充分に求まるものである。

また、入射点1Pと2Pの間の距離L_oも式内では不要とな
っており、従って結果的に超音波送受波器内の入射点と
いうものを厳密に特定する必要性が全く無くなり、取り
付け間隔L_xさえわかっておれば良いことになる。従って
超音波送受波器の取り付け装置の精度は、殆ど不要であ
り、かなりの許容範囲が見込まれている。

以上の２点は、従来の超音波流量計においては、流動体
の温度変化により，流動体の音速C₃が不明となったり，
入射点1P,2Pまたは伝播経路が不明となったりしていた
問題点が克服されたことをも意味する。

以上の論点から特許の請求の範囲第（１）項に明記され
た所定の関数とは，式を中心として，，，式を
も含む関数群全体を指すものである。

ここで、超音波流量計における測定値の誤差は、超音波
送受波器1,2の指向性によって著しく変化することを、
従来例との関係及び実験結果に基づいて説明する。

第５図において、従来の場合は、超音波送受波器１から
入射角Φ₀で配管３に入射された超音波は、前述した如
くその中心屈折角θ₀に対して一般に±３°以上の広が
りをもって配管３内へ伝播し、反対側の内壁で反射もし
くは再放射されて受信側の超音波送受波器２へ伝播す
る。

更に、この広がりをもった入射角が先に述べた配管の共
振モード（板波）の励振条件に近いところにあると、超
音波送受波器１部分の管壁部分では、V_poの板波が第５
図の如く発生し、同時にこの板波V_poの伝播に伴って漏
洩波が配管３内の特定の方向、例えばθ₁へ向かって放
射される傾向を有している。漏洩伝播波は反対側の壁面
で反射もしくは再放射する。この結果、受信側の配管３
の管壁部分では、配管３内の流動体中をθ₁の方向から
伝播してくる成分の超音波をも受信することとなり、全
体として、受信する波の屈折角は、当初スネルの法則で
予定されたθ₀の方向とは異なる。

これを更に具体例をもって説明すると、第３図におい
て、クサビ部材1A,2Aをアクリル樹脂とし、１〔MH_z〕の
超音波を使用し、配管３を厚さ3.2〔mm〕の鋼管で形成
し、内部に水が流動する場合を考える。この場合、エネ
ルギ透過率は第６図のようになっている。

いま、入射角Φ₀として、Φ₀＝47°に設定すると、配管
３の流動水中へは、スネルの屈折の法則よりθ₀＝23°
の方向に20°から26°の広がりをもって超音波が液中に
放射され、反射漏洩波が超音波送受波器２側へ反射伝播
してくる。この範囲の反射波は超音波送受波器２部分で
は、スネルの法則より換算すると、入射角38°から入射
角61°の範囲で配管３を励振して得られる超音波を受信
することとなる。この範囲には第６図に示す如くS₀モー
ドが存在する。

このため、第６図について説明した上記具体例において
は、入射角Φ₁＝47°で得られる超音波を出力したにも
かかわらず，受信側では入射角Φ₁＝56°でS₀モードの
共振波の超音波を出力しているが如く，当初予定した屈
折角とは異なった屈折角の超音波成分をも強く受信す
る。この結果、測定値としては信頼性の少ないものとな
っている。

次に、第１図においてｂ＝18λに設定した本発明の場合
を検討してみる。この場合、式（ｂ）よりβ≒3.2°と
なり、指向性は±1.6°となる。この場合は第７図に示
す如く、入射角Φ₀＝47°に対し受信側では38°ないし5
2°の方向の伝播波を受信する。従って、かかる場合はS
₀モードの発生が殆ど無い状態となっており、屈折角の
異なる有害波が殆ど発生しないことから送信側の超音波
を当初予定した屈折角θ₀のままで有効に受信すること
ができる。

第８図はかかる一連の検討に加えて、具体的な流量測定
の場合における超音波送受波器1,2の放射開口面の大き
さ（長さ）と流速換算の測定値の誤差との関係を実験的
に調べたものである。この実験結果では、放射開口面の
大きさがｂ≧15λで誤差が1.5〔％〕以下になるという
結果が得られた。

従って、式（ｂ）及び第８図の実験結果より、ｂ≧18λ
であれば指向性も±1.6°以内となり平行ビームに近い
特性を示し、従って測定誤差も十分に少なくすることが
できるという確証を得ることができた。

このため、上記実施例においては、超音波送受波器１の
振動子1Bから発射された超音波は第４図中の点線g₁，g₃
で示される平行ビームとなって伝播し、管の底面で反射
して最終的には超音波送受波器２の振動子2Bで受波され
る。但し、この場合には、図中の斜線で示した領域即ち
点線g₁，g₂に挟まれた領域を通過する超音波ビームだけ
が有効に受波され、それ以外の領域即ち点線g₂とg₃に挟
まれた領域を通過する超音波ビームは受波されない。こ
の時の中心経路は実線g₀で示されている。

従って、他方の超音波送受波器２が例えば第４図に示す
如く異なった位置ｘに配設されていても、g₂とg₃で囲ま
れた範囲の超音波ビームを受信していることとなる。か
かる点において超音波送受波器２の取付け位置の変化に
ついては測定上何ら支障をきたさないようになってい
る。

〔発明の効果〕

本発明は以上のように構成され機能するので、これによ
ると、超音波送受波器の設定位置の調整が著しく容易と
なり、従来の如く超音波送受波器の高精度の位置合わせ
を行う必要性が全く無くなり、超音波送受波器相互の相
対距離及び超音波送受波器の開口長の寸法がはっきりし
ておればその値をもって流速算定の基礎データとするこ
とができ、従って測定作業を迅速且つ高精度に行うこと
ができ、外部に露出している部分すなわち超音波送受波
器のクサビ部材及び被測定配管の各音速を予め正確に測
定しておくと、配管内の流動体の音速が不明でも温度補
正を不要とした高精度の流速測定を行うことができると
いう、従来にない優れた超音波流速測定方法およびその
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
第１図の測定データの１例を示す線図、第３図は第１図
の実施例に使われている超音波送受波器の一例を示す説
明図、第４図は第１図の測定時における超音波送受波器
部分の作を示す説明図、第５図は超音波の広がりを示す
超音波送受波器の動作説明図、第６図は指向性角度が広
い場合の受信波の広がり方及び被測定用配管の音響的共
振点を示す説明図、第７図は指向性角度が狭い場合の受
信波の広がり方及び被測定用配管の音響的共振点を示す
説明図、第８図は本実施例における指向特性の広がり角
が小さい場合の受信波の広がり方等を示す線図、第９図
は従来例を示す説明図である。 1,2……超音波送受波器、1A,2A……クサビ部材、３……
配管、10……送受信切換部、11……発信回路部、12……
受信回路部、13……計時手段、14……記憶手段としての
第１のメモリ、17……演算手段、19……主制御部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】指向性角度が著しく小さく形成された二つ
の超音波送受波器を適当な間隔をおいて被測定配管の上
流側と下流側にそれぞれ配設し、当該配管の外壁から超音波を交互に斜入射させて測定時
における超音波送受波器内のクサビ部分の音速C₁を測定
し、これらの測定に相前後して、前記上流側から下流側へ，
又は下流側から上流側へそれぞれ超音波を発振するとと
もに、この各発振された超音波が管壁及び管内流動体を
伝播して受信されるまでの時間t_d，t_uを順次測定し、こ
れらの測定値C₁，t_d，t_uと前記超音波送受波器相互間の
間隔L_Xを予め特定された所定の関数，すなわちＶ＝Ｆ（C₁，t_u，t_d，L_X）に代入して他の必要な定数とともにこれを演算し，管内
流動体の流速Ｖを算定することを特徴とした超音波流速
測定方法。
【請求項２】超音波の伝播線上に沿って配管の上流側と
下流側にそれぞれ配設される指向性角度が著しく小さく
形成された超音波送受波器と、この二つの超音波送受波
器に発振回路部と受信回路部とを必要に応じて交互に切
換接続する送受波器切換部とを設け、前記受信回路部に、前記超音波送受波器から出力され上
流側から下流側へ又は下流側から上流側へ発信される超
音波がそれぞれ管壁および管内流動体内を伝播して受信
されるまでの伝播時間t_d，t_uを測定する計時手段と、こ
の伝播時間t_d，t_uおよび前記超音波送受波器の取付け間
隔L_Xの値を記憶する記憶手段とを設け、この記憶手段に、当該流速測定時における超音波送受波
器内のクサビ部分の音速C₁の測定値その他必要とする定
数を記憶せしめるとともに、この記憶手段の各出力情報
に基づいて所定の演算を行い管内流動体の流速を特定す
る流速演算手段とを設けたことを特徴とする超音波流速
測定装置。