(57)【要約】【課題】ドップラー式超音波流量計において、配管内で旋回する流れや最大流速の位置が配管中心からずれる偏流の影響を低減し、高精度の流量測定ができるようにする。【解決手段】超音波送受信手段を、配管３に対して傾斜するように設置されて配管内の流速分布を測定するための第１の超音波発生源１ａと、配管３に対して平行に設置されて配管内の径方向の流速を測定するための第２の超音波発生源１ｂとから構成することで、偏流に基づく誤差の補正が可能となるようにし、測定精度を向上させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波発生源とこの超音波発生源と一体化され配管と接触して設置される楔とからなり
超音波を送受信する超音波送受信手段と、測定流体に入射される超音波パルスの測定領域から反射される超音波エコーを受信し測定領域における測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、測定流体の流速分布に基づき演算処理をして半径方向の積分を行ないドップラー効果を利用して測定流体の流量を求める流量演算手段とを備えたドップラー式超音波流量計において、
前記超音波送受信手段を、前記配管に対して傾斜するように設置されて配管内の流速分布を測定するための第１の超音波発生源と、前記配管に対して平行に設置されて配管内の径方向の流速を測定するための第２の超音波発生源とから構成することを特徴とするドップラー式超音波流量計。
【請求項２】
前記第１，第２の超音波発生源を、前記同一の楔に固定して構成することを特徴とする請求項１に記載のドップラー式超音波流量計。
【請求項３】
一体的に構成された前記超音波送受信手段を、前記配管の径方向に２つ以上設置し、多線化することを特徴とする請求項１または２に記載のドップラー式超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、配管の外壁に超音波送受信器を設置し、配管の外側から配管内の流体へ超音波を入射させたとき、流体中の浮遊粒子や気泡などから反射される超音波の周波数がドップラー効果により変化することを利用して測定流体の流速分布を計測し、測定流体の流量を時間依存で瞬時に測定するドップラー式超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
クランプオン型超音波流量計は、管状体の外周面の一部に装着され、その管状体の内部を移動する流体の流量を、管状体の外側から測定する流量計であり、主に、伝搬時間差式とドップラー式とに分類できる。
前者の伝搬時間差式は、超音波を管状体の内部を移動する流体を斜めに横切るような経路で往復させて、超音波が往路と復路のそれぞれを伝搬するのに要する時間の差から、流体の流量を測定するものである。
【０００３】
一方、後者のドップラー式は、流体中に含まれる浮遊粒子や気泡が流体と同じ速度で移動すると仮定して、浮遊粒子などの移動速度から流体の流量を測定する。浮遊粒子などの移動速度は、流体中に超音波を送信し浮遊粒子などで反射された超音波の周波数が、ドップラー効果により変化することから、超音波の周波数を検出することにより測定するもので、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平２０００−０９７７４２号公報（第４−５頁、図１−２）
【特許文献２】特開平１０−２８１８３２号公報（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のものには下記のような問題がある。
すなわち、従来のドップラー式超音波流量計では、気泡などの反射体が流体の流れと同一であり、かつ、流体の流れが配管の長手方向と平行であることが前提条件となっている。しかしながら、実際の配管ではバルブやエルボ、配管同士のつなぎ目であるフランジなどがあり、これらによって、配管内で旋回する流れや最大流速の位置が配管の中心からずれるような流速分布の乱れ、いわゆる偏流が発生する。
【０００６】
偏流の例を図２に示す。ここでは、エルボの後の流れの状態について水平分布と垂直分布を示す。図の３Ｄ〜１００Ｄはエルボからの距離を示す。エルボからの距離Ｄが小さいほど、最大流速の位置が配管の中心からずれていることが分かる。
つまり、このような偏流が流量分布の測定誤差となり、精度低下することになる。そこで、この偏流の影響について、図３を参照して定量的に説明する。
図３において、超音波振動子１から送信された超音波は楔２を介して伝搬し、流速Ｖｍに相当するドップラー周波数ｆｍの超音波が、超音波振動子１に向けて反射される。
【０００７】
このときの、ドップラー周波数ｆｍは次式により計算できることが知られている。
ｆｍ＝２Ｖｍｓｉｎθｆ×ｆ０／Ｃｆ                                …（１）
Ｖｍ：測線方向の流速、Ｃｆ：流体の音速、θｆ：水中入射角、
ｆｍ：ドップラー周波数、ｆ０：超音波振動子からの送信周波数
【０００８】
流量計は、測線方向に沿ったドップラー周波数ｆｍから配管内の流速分布を計算するが、これは上記（１）式を用い次の（２）式から、配管内の長手方向と平行な流速Ｖｍｘを求めることにより行なわれる。
Ｖｍｘ＝Ｃｆ×ｆｍ／（２ｓｉｎθｆ×ｆ０）                          …（２）
そのため、実際の配管内の長手方向と平行な流速はＶｄｘであり、流れが配管の流れ方向と平行でない場合はＶｍｘを検出することになる。このように、ドップラー式超音波流量計では、流体の流れが配管の長手方向と平行でない場合には、測定誤差が大きくなるという問題がある。
したがって、この発明の課題は、上述のような偏流の影響を受け難くし、流量の測定精度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、超音波発生源とこの超音波発生源と一体化され配管と接触して設置される楔とからなり超音波を送受信する超音波送受信手段と、測定流体に入射される超音波パルスの測定領域から反射される超音波エコーを受信し測定領域における測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、測定流体の流速分布に基づき演算処理をして半径方向の積分を行ないドップラー効果を利用して測定流体の流量を求める流量演算手段とを備えたドップラー式超音波流量計において、
前記超音波送受信手段を、前記配管に対して傾斜するように設置されて配管内の流速分布を測定するための第１の超音波発生源と、前記配管に対して平行に設置されて配管内の径方向の流速を測定するための第２の超音波発生源とから構成することを特徴とする。
【００１０】
上記請求項１の発明においては、前記第１，第２の超音波発生源を、前記同一の楔に固定して構成することができる（請求項２の発明）。
また、請求項１または２の発明においては、一体的に構成された前記超音波送受信手段を、前記配管の径方向に２つ以上設置し、多線化することができる（請求項３の発明）。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、超音波送受信手段を、前記配管に対して傾斜するように設置されて配管内の流速分布を測定するための第１の超音波送受信手段と、前記配管に対して平行に設置されて配管内の径方向の流速を測定するための第２の超音波送受信手段とから構成することで、偏流の影響による測定誤差を低減でき、測定精度を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１はこの発明の実施の形態を説明するための説明図である。なお、ここでは主として超音波送受信手段につき説明し、全体的な構成や動作原理は従来と全く同様なので、その説明は省略する。
図示のように、この発明による超音波送受信器はアクリル，ポリ塩化ビニルなどの樹脂材料からなる楔２に、ＰＺＴ（ジルコン・チタン酸）などの圧電材料からなる超音波振動子１ａ，１ｂを、例えばエポキシ系などの接着剤にて固定して構成される。
【００１３】
ここに、超音波振動子１ａが固定される楔２の部分は、配管３の長手方向と垂直な方向に対してθｗの角度だけ傾斜して設置され、超音波振動子１ｂが固定される楔２の部分は、配管３の長手方向と平行になるように設置される。図１では、同一の楔２に超音波振動子１ａと１ｂが一体的に設置されているが、これらは別々でも良い。また、超音波振動子１ａ，１ｂと一体的に構成される前記超音波送受信手段を、配管３の径方向に２つ以上設置し、多線化することもできる。
図１の作用について、以下に説明する。なお、超音波振動子１ａの機能は従来例と同様なので、説明は省略する。
【００１４】
超音波振動子１ｂは、配管３の長手方向と平行に設置されているため、配管３内の流体４の流れが配管３の長手方向と平行であれば、超音波振動子１ｂから出射される超音波と反射体からの反射は直角になるため、先の（１）式よりドップラー周波数は０となる（ｓｉｎθｆ＝０）。これに対し、配管３内の流体４の流れが長手方向と平行でなく、角度を持っている場合には、ドップラー周波数ｆｄｒが次式のように測定される。
ｆｄｒ＝２Ｖｄｒ×ｆ０／Ｃｆ＝２Ｖｄｓｉｎθｆ×ｆ０／Ｃｆ          …（３）
Ｖｄｒ：径方向の流速、Ｃｆ：流体の音速、ｆｄｒ：径方向のドップラー周波数、
ｆ０：超音波振動子からの送信周波数
【００１５】
（３）式のように、径方向のドップラー周波数を測定でき、流体の音速Ｃｆおよび超音波振動子からの送信周波数ｆ０は判っているので、径方向の流速Ｖｄｒは次の（４）式により求めることができる。
Ｖｄｒ＝ｆｄｒ×Ｃｆ／２ｆ０                                          …（４）
【００１６】
また、配管３内の流体４の流れ方向である角度αも分からないが、求めたい流速ｖｄｘは図１から判るように、Ｖｍｘから径方向の流速成分を差し引けばよく、次の（５）式から求められる。
Ｖｄｘ＝Ｖｍｘ−Ｖｄｒ／ｔａｎθｆ                                    …（５）
なお、径方向の流速Ｖｄｒは先の（４）式より、測線方向の流速Ｖｍｘは先の（２）式より、それぞれ求めるものとする。
【００１７】
以上のことから、図１のように構成することにより、超音波振動子１ｂを利用してＶｄｒを測定し、これとＶｍからＶｄｘを求めるようにすれば、従来問題とされていた測線方向に対して発生する偏流の影響が補正され、正確な流量測定が可能になるという利点がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の実施の形態を示す要部説明図
【図２】偏流の例を説明するための分布図
【図３】従来例を説明するための概要図
【符号の説明】
【００１９】
１ａ，１ｂ…超音波振動子、２…楔、３…配管、４…流体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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