(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体が流れる流管の上流側と下流側にそれぞれ、
前記流管に所定の傾斜角度を有して設置された検出器の取り付け空間部を有する検出器取付部と、
前記空間部に設置された検出器とを有し、Ｖ法による流量測定を行う超音波流量計において、
下流側の前記検出器を該検出器の検出端が前記流管内の流路から出る位置に設置し、
上流側の前記検出器を該検出器の検出端が前記流路から離間する位置に設置したことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
上流側の前記検出器の検出端が前記流路から離間する位置を、上流側の前記検出器取付部と上流側の前記検出器により挟持されるスペーサにより調整することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波流量計に関し、より詳細には、流管の内壁に沿って進む信号成分を抑えることにより検出信号のＳＮ比を改善する超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波流量計で広く使用される測定原理として伝搬時間逆数差法（周波数差法）が周知である。この伝搬時間逆数差法は、流体の測定流速Ｖを流体中の超音波の伝搬速度の変化、すなわち伝搬時間の逆数である周波数の差Δｆとして計測し、既知の流水断面積Ａと乗算することにより流量Ｑを測定する方法である。
【０００３】
前記時間差法が適用される超音波流量測定の例として、超音波パルスを測定管内面で一回反射させるＶ法（反射法）が知られている。
【０００４】
図６は、Ｖ法による流量測定の原理を説明するための超音波流量計の機器系統図で、測定管の上流側に検出端（即ち、超音波の送受信を行う装置の終端…以下、同じ）Ｐｕを、その下流側に検出端Ｐｄを取り付け、変換器Ｔの送信回路より発振された送信パルスが専用ケーブルＣを経て検出端Ｐｕに設置された図示しない振動子を励振する。振動子は送信パルス（電気信号）を超音波パルス（音響信号）に変換し流体中へ発射する。
【０００５】
流体中を伝搬した超音波パルスは管材で反射し、検出端Ｐｄに到達し、検出端Ｐｄの振動子を励振する。振動子は超音波パルスを受信し、受信パルス（電気信号）に変換し、専用ケーブルを経て、変換器Ｔの受信回路に帰還する。この電気信号と音響信号が一巡するサイクル、送信回路→専用ケーブル→検出端Ｐｕ→流体→管材（反射）→流体→検出端Ｐｄ→専用ケーブル→受信回路で、流れに沿ったＰｕ→Ｐｄ方向（順方向）の伝搬時間ｔｄが測定できる。伝搬時間ｔｄの測定が終了すると、直ちに次の測定動作である流れに逆らったＰｄ→Ｐｕ方向（逆方向）の伝搬時間ｔｕの測定を行う。即ち、送信回路→専用ケーブル→検出端Ｐｄ→流体→管材（反射）→流体→検出端Ｐｕ→専用ケーブル→受信回路で、流れに逆らった方向の伝搬時間ｔｕが測定できる。
【０００６】
流体中の超音波パルスの伝搬経路長のうち、検出端Ｐｄ→管材の反射面までの経路長をＬとすれば、反射面→検出端Ｐｕまでの経路長はＬとなるので、検出端Ｐｄから検出端Ｐｕまでの伝搬経路長は２Ｌである。流体固有の音速をＣ、超音波の伝搬経路と管軸のなす角をθとすると、検出端ＰｕとＰｄとの間を往き来する超音波パルスの音速Ｃ0は流速Ｖの影響を受け
Ｃ0＝Ｃ±Ｖｃｏｓθ
となる。
【０００７】
ここで、超音波パルスの流体中の伝播時間を、順方向（Ｐｕ→Ｐｄ）のときをｔｄＬ、逆方向（Ｐｄ→Ｐｕ）のときをｔｕＬとすると、ｔｄＬとｔｕＬはそれぞれ
ｔｄＬ＝２Ｌ／Ｃ0＝２Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
ｔｕＬ＝２Ｌ／Ｃ0＝２Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
となる。
【０００８】
ここに、伝搬時間ｔｄＬ，ｔｕＬの逆数に比例した測定回路上の周波数ｆｄ，ｆｕを考えると、
ｆｄ＝Ｎ／ｔｄＬ
ｆｕ＝Ｎ／ｔｕＬ
ここで、Ｎは測定回路上の定数（倍数）であり、これらの周波数差Δｆをとると、
【０００９】
【数１】
0003821571.tif 000002
【００１０】
で表される。よって、測定流速Ｖは、
【００１１】
【数２】
0003821571.tif 000003
【００１２】
となり、従って、測定流速に平均流速に換算するための流量補正係数と流管断面積を演算することにより、流量を求めることができる。
【００１３】
また、上述の伝搬時間逆数差法の他に伝播時間差法により流量を求めることもできる。
【００１４】
図７は、上述の測定原理が適用される超音波流量計の検出器取付部の断面構成図で、図中、１は流管、２は流管１に設置された検出器取付部である。該検出器取付部２は円筒形状を成し、一方の端部は後述する検出器が挿入される開口部２ａとそれに連なるフランジ２ｂを有して開口し、他方の端部は流管１に穿たれた穴部３により流路内に連通するとともに所定の角度θをもって溶接により流管１に固着されている。
【００１５】
図８は、検出器の側面図で、図中、４は検出器、５は有底の円筒部、６は検出器４の検出端、７は該円筒部５を前記フランジ２ｂに留める鍔部、８は円筒部５に設けられたケーブルコネクタである。前記円筒部５内には図示しない振動子が設置されており、図示しないリード線によりケーブルコネクタ８に接続されている。９は図示しない変換器に接続される専用ケーブルである。ｌ1（エル）は円筒部５の長さを表わす。
【００１６】
図９は、検出器４が検出器取付部２に設置された状態を示す図で、検出器４の円筒部５が検出器取付部２の開口部２ａからその中空部に挿入され、フランジ２ｂに鍔部７が留まるように設置され、ねじ１０により固着される。なお、流体は矢印に従い、右側（上流側）から左側（下流側）へと流れる。ｌ2は検出器取付部２の長さを表わし、Ｓは前記穴部３に設定された流管１の内壁面を延長した仮想ラインである。また、参照番号は上流側検出器のみに付し、下流側検出器は上流側検出器と同じであるので付与を省略する。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
検出器取付部２の長さｌ2と検出器４の円筒部５の長さｌ1との関係は、規格化されているわけではなく、製造メーカが自由に決めている。このため、通常は、円筒部５の長さ方向の中心線が検出端６の中心と仮想ラインＳで一致するような取り付け位置関係になっているのが実情である。図９は、このような寸法関係により検出器４が検出器取付部２に取り付けられている状態を示している。つまり、検出端６は流路に臨み、その角部が流路内に露出する。この結果、超音波の発射信号は前述の経路長２Ｌを辿るほか、流管１の内壁を這うようにして進む信号Ｇがあることがわかっている。
【００１８】
この信号は、所謂ゴースト信号であり、検出信号のＳＮ比を悪化させる要因となるものである。これを改善する技術として、特開平９−２８７９９０号公報に開示された技術があるが、狭い管路内に様々な加工を施さなければならず、実用上難点があった。
【００１９】
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、簡単な構成により、流管の内壁に沿って進む信号成分を抑え、検出信号のＳＮ比を改善した超音波流量計を提供するものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、被測定流体が流れる流管の上流側と下流側にそれぞれ、前記流管に所定の傾斜角度を有して設置された検出器の取り付け空間部を有する検出器取付部と、前記空間部に設置された検出器とを有し、Ｖ法による流量測定を行う超音波流量計において、下流側の前記検出器を該検出器の検出端が前記流管内の流路から出る位置に設置し、上流側の前記検出器を該検出器の検出端が前記流路から離間する位置に設置したことを特徴とし、もって、発信器から流管の内壁に沿って直接受信器で受信される信号成分を抑制し、検出信号のＳＮ比を改善したものである。
【００２１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、上流側の前記検出器の検出端が前記流路から離間する位置を、上流側の前記検出器取付部と上流側の前記検出器により挟持されるスペーサにより調整することを特徴とし、もって、色々な寸法の検出器取付部に対応して検出器の位置調整を容易に行うことができるようにしたものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明が適用される超音波流量計の検出器取付部の断面構造図で、図中、図９の構成部分と同じ部分には同一参照番号を付し説明を省略する。
【００２３】
本発明は、上流側の検出器４の円筒部５の寸法を短くし又は取り付け位置を変化させるなどして位置調整を行い、検出器４の検出端６が流路内に露出しないよう流路から離間したものである。
【００２４】
図２は、検出器の取り付け位置調整をスペーサにより行う状況を示す図で、１１はフランジ２ｂと検出器４の鍔部７により挾持されるスペーサである。該スペーサ１１により、検出器４の検出端６が流路から離間するように検出器４の取り付け位置の調整を行う。
【００２５】
図３は、上流側検出器の円筒部５の先端の角部が前記ラインＳから１０ｍｍ後退した位置になるよう検出器４を取り付け、下流側検出器の取り付け位置は従来のままとしたときの超音波受信波の波形図であり、左側波形はゴースト波として受信された波形、右側波形は正規の経路を経て受信された波形を示す。ちなみに、図５は、従来技術における受信波の波形を示しており、これらを比較すると明らかにゴースト波の影響が改善されていることがわかる。
【００２６】
改善の理由として、円筒部５の底面，仮想ラインＳ及び検出器取付部２の壁により構成される断面略三角形状の空間部のうち、前記検出器取付部２の壁の部分が送信器から受信器に直接流管の内壁に沿って進む信号成分の遮蔽の役割を果たすためと考えられる。
【００２７】
なお、波形は、フルスケールの１２５％流量における受信波であり、試験条件は、流量…２９０ｍ3／ｈ、流速…３７.５ｍ／ｓであった。また、図３〜図５において、電圧値は、ゴースト波形においては最大波における中央値、信号波においては第３番目の信号波における中央値を表わす。
【００２８】
図３から明らかなように、下流側検出器の検出器の取り付け位置は、ゴースト波の影響改善には殆ど寄与していない。
【００２９】
そこで、発明者らは、更に実験を重ね、上流側及び下流側検出器とも、検出器取り付け位置を後退させ、ゴースト波の変化状態を測定した。図４は、その結果を示したものであり、改善状況は図３とほぼ同じであるが、正規の経路を経て受信された波形は、小さくなるという不都合も判明した。
【００３０】
前述のように、超音波流量計においては、上流側及び下流側検出器は、送信と受信を交互に繰り返すので、同一構造にしておくのが望ましい。もし、構造が異なれば、送信の場合と受信の場合のために２組の検出装置を設けなければならなくなるためである。したがって、上流側と下流側とで円筒部５の長さを変えた検出器４を使用するのでなく、スペーサにより同じ構成にするのが良い。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、被測定流体が流れる流管の上流側と下流側にそれぞれ、前記流管に所定の傾斜角度を有して設置された検出器の取り付け空間部を有する検出器取付部と、前記空間部に設置された検出器とを有し、Ｖ法による流量測定を行う超音波流量計において、下流側の前記検出器を該検出器の検出端が前記流管内の流路から出る位置に設置し、上流側の前記検出器を該検出器の検出端が前記流路から離間する位置に設置したので、発信器から流管の内壁に沿って直接受信器に到達する信号成分を抑制し、検出信号のＳＮ比を改善することができる。
【００３２】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、上流側の前記検出器の検出端が前記流路から離間する位置を、上流側の前記検出器取付部と上流側の前記検出器により挟持されるスペーサにより調整するので、色々な寸法の検出器取付部に対応して検出器の位置調整を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明が適用される超音波流量計の検出器取付部の断面構造図である。
【図２】  検出器の取り付け位置調整をスペーサにより行う状況を示す図である。
【図３】  上流側検出器の検出端を流路から離間したときの受信波の波形図である。
【図４】  上流側及び下流側検出器とも、検出端を流路から離間したときの受信波の波形図である。
【図５】  従来技術における受信波の波形図である。
【図６】  反射法による流量測定の原理を説明するための超音波流量計の機器系統図である。
【図７】  超音波流量計の検出器取付部の断面構成図である。
【図８】  検出器の側面図である。
【図９】  従来技術による検出器の取り付け状態を示す図である。
【符号の説明】
１…流管、２…検出器取付部、２ａ…開口部、２ｂ…フランジ、３…穴部、４…検出器、５…円筒部、６…検出端、７…鍔部、８…ケーブルコネクタ、９…専用ケーブル、１０…ねじ、ｌ1…円筒部の長さ、ｌ2…検出器取付部の長さ、Ｓ…仮想ライン。
【図１】
0003821571.tif 000004
【図２】
0003821571.tif 000005
【図３】
0003821571.tif 000006
【図４】
0003821571.tif 000007
【図５】
0003821571.tif 000008
【図６】
0003821571.tif 000009
【図７】
0003821571.tif 000010
【図８】
0003821571.tif 000011
【図９】
0003821571.tif 000012