JP2000221068A

JP2000221068A - 超音波流速測定方法

Info

Publication number: JP2000221068A
Application number: JP11021549A
Authority: JP
Inventors: Akio Kono; 明夫河野; Tetsuya Yasuda; 哲也保田
Original assignee: Kansai Gas Meter Co Ltd
Current assignee: Kansai Gas Meter Co Ltd
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2000-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】流体温度Ｔに影響されることなく基準温度に
おける流速を求めることができ、ひいては流体の流量を
正確に求めることができる超音波流速測定方法を提供す
ることを目的とする。【解決手段】流体の上流側から下流側に送信された超
音波の伝播時間ｔ１と、下流側から上流側に送信された
超音波の伝搬時間ｔ２とを測定した後、前記伝搬時間ｔ
１、ｔ２の和ｐｔに基づいて、伝搬時間測定時の流体温
度Ｔを導出すると共に、前記伝搬時間ｔ１、ｔ２の差Δ
ｔに基づいて、伝搬時間測定時の流体温度Ｔにおける流
速ｖを導出する。そして、前記流体温度Ｔと流速ｖを、
流速と温度の関係を示す式［１］に代入することによっ
て、ある一定の基準温度Ｔ ₀における流速ｖ ₀を求める

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波を利用し
てガスその他の流体の流速を測定する超音波流速測定方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び解決しようとする課題】ガスその他の
流体の流量を求めるに際し、まず流体の流速を連続的な
いし定期的に測定し、これに基いて流量を演算すること
が行われている。そして、このような流体の流速測定方
法の一つとして、超音波を利用した方法が知られてい
る。

【０００３】かかる超音波流速測定方法の原理を、図３
に示される従来の装置により説明すると次のとおりであ
る。図３において、（１）は内部をガス等の流体が流れ
る超音波流速測定管である。この超音波流速測定管
（１）内には、流れ方向の上流側及び下流側に、所定距
離を隔てて送受波器（２）（３）が配置されている。こ
の送受波器（２）（３）は図示略の超音波振動子を有し
ており、パルス発生回路（４）からの駆動パルスにより
駆動されて振動し、超音波を発生送信する一方、送信さ
れてきた超音波を受信するもので、その送受波器（２）
（３）が振動したときの受信波が受信回路（５）から受
信信号として出力されるものとなされている。

【０００４】そして、前記パルス発生回路（５）の他方
の出力側にはクロック回路（７）及びカウンタ（８）が
設けられており、図２に示すように、送受波器（２）
（３）から超音波が送信された時刻（Ａ）から、送信さ
れた超音波が送受波器（３）（２）に受信される時刻
（Ｂ）までにクロック回路（７）から出力されたクロッ
ク波（Ｗ）の波数を、カウンタ（８）によりカウントす
ることによって、超音波の伝搬時間ｔ１、ｔ２を求め
る。そして、カウンタ（８）の出力側に設けられた演算
回路（２１）によって、超音波の伝搬時間ｔ１、ｔ２の
差Δｔに基づいて、流速ｖを求める。

【０００５】なお、図３において、（６）は各送受波器
（２）（３）とパルス発生回路（４）及び受信回路
（５）の接続を切替える切替回路であり、まずパルス発
生回路（４）と上流側の送受波器（２）、下流側の送受
波器（３）と受信回路（５）を接続して、上流側から下
流側への伝搬時間ｔ１を測定したのち、該切替回路
（６）の作動によりパルス発生回路（４）と下流側の送
受波器（３）、上流側の送受波器（２）と受信回路
（５）とが接続されるように切替えて、下流側から上流
側への伝搬時間ｔ２を測定するものとなされている。

【０００６】しかしながら、上述の超音波の伝搬時間差
Δｔから求められた流速ｖは、伝搬時間測定時の流体温
度Ｔによって大きさが変化するため、以下のような問題
があった。

【０００７】すなわち、伝搬時間測定時の流体温度Ｔが
高い場合は、流速ｖは大きくなり、従って求められる流
体の流量も大きくなる一方、伝搬時間測定時の流体温度
Ｔが低い場合は、流速ｖは小さくなり、流体の流量も少
なくなる。ところが、流体の流量は、上述のように伝搬
時間測定時の流体温度Ｔによって大きくなったり、小さ
くなったりするものの、実際は流体に含まれる分子数は
流体温度Ｔにかかわらず同数であり、流体の体積が流体
温度Ｔに応じて膨張ないし収縮したにすぎない。従っ
て、ある一定の基準温度に基づいて流速を求めなけれ
ば、流体の流量を正確に求めることができないという問
題があった。

【０００８】この発明は、上述のような技術背景に鑑み
たなされたもので、流体温度Ｔに影響されることなく基
準温度における流速を求めることができ、ひいては流体
の流量を正確に求めることが可能な超音波流速測定方法
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題は、超音波流速
測定管を流れる計測流体の上流側と下流側にそれぞれ送
受波器が配置され、前記各送受波器から相互に超音波を
発生送信するとともに、送信された超音波を相互に受信
し、前記超音波の伝搬時間の和に基づいて、伝搬時間測
定時の流体温度Ｔを導出すると共に、前記超音波の伝搬
時間の差に基づいて、伝搬時間測定時の流体温度Ｔにお
ける流速ｖを導出し、前記流体温度Ｔと流速ｖを下式
［１］に代入することによって、基準温度Ｔ ₀における
流速ｖ ₀を求めることを特徴とする超音波流速測定方法
によって解決される。

【００１０】ｖ ₀＝（Ｔ ₀×ｖ）／Ｔ・・・［１］ｖ ₀：基準温度における流速Ｔ ₀：基準温度（絶対温度）ｖ：伝搬時間測定時の流体温度における流速Ｔ：伝搬時間測定時の流体温度（絶対温度）すなわち、この超音波流速測定方法は、流体の上流側か
ら下流側に送信された超音波の伝播時間ｔ１と、下流側
から上流側に送信された超音波の伝搬時間ｔ２とを測定
した後、前記伝搬時間ｔ１、ｔ２の和ｐｔに基づいて、
伝搬時間測定時の流体温度Ｔを導出すると共に、前記伝
搬時間ｔ１、ｔ２の差Δｔに基づいて、伝搬時間測定時
の流体温度Ｔにおける流速ｖを導出する。そして、これ
ら導出された流体温度Ｔと流速ｖを、流速と温度の関係
を示す上式［１］に代入することによって、ある一定の
基準温度Ｔ ₀における流速ｖ ₀を求めるものである。こ
の方法によれば、伝搬時間測定時の流速ｖと流体温度Ｔ
から、基準温度Ｔ ₀における流速ｖ ₀を簡単かつ確実
に求めることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、この発明を実施するため
の超音波流速測定装置を示すものである。図１におい
て、（１）は超音波流速測定管、（２）（３）は流れ方
向の上流側及び下流側に所定距離を隔てて配置された送
受波器、（４）は駆動パルスを発生するパルス発生回
路、（５）は送受波器（２）（３）で超音波を受信した
ときに受信信号を出力する受信回路、（６）は各送受波
器（２）（３）とパルス発生回路（４）及び受信回路
（５）の接続を切り替える切替回路であり、こられは図
３に示したものと同じである。

【００１２】また、前記パルス発生回路（５）の出力側
にはクロック回路（７）が設けられている。このクロッ
ク回路（７）は、図２に示すように、送受波器（２）
（３）から超音波が送信される時刻（Ａ）と同期して、
一定周期のクロック波（Ｗ）を出力するものである。

【００１３】また、前記クロック回路（７）の出力側に
はカウンタ（８）が設けられている。このカウンタ
（９）は、送受波器（２）（３）から超音波が送信され
る時刻（Ａ）から、送信された超音波を送受波器（２）
（３）で受信して受信回路（５）から受信信号が出力さ
れる時刻（Ｂ）までにクロック回路（７）から出力され
たクロック波（Ｗ）の波数をカウントすることによっ
て、超音波の伝搬時間ｔ１、ｔ２を求めるものである。
なお、この実施形態では、伝搬時間ｔ１、ｔ２を求める
方法として、クロック回路（８）から出力されたクロッ
ク波（Ｗ）をカウンタ（９）でカウントするこによって
超音波の伝搬時間ｔ１、ｔ２を求める方法を採用した
が、その他の方法であってもよい。

【００１４】さらに、この実施形態では、前記カウンタ
（８）の出力側にマイクロコンピュータ（Ｉ）が設けら
れている。このマイクロコンピュータ（Ｉ）は、超音波
の伝搬時間ｔ１、ｔ２の和ｐｔに基づいて流体温度Ｔを
導出する第１演算回路（９）と、超音波の伝搬時間ｔ
１、ｔ２の差Δｔに基づいて伝播時間測定時の流体温度
Ｔにおける流速ｖを導出する第２演算回路（１０）と、
流体温度Ｔと前記流速ｖから基準温度Ｔ ₀における流速
ｖ ₀を求める第３演算回路（１１）とから構成される。

【００１５】前記第１演算回路（９）は、上述のように
超音波の伝搬時間の和ｐｔに基づいて流体温度Ｔを導出
する回路で、具体的には以下の演算を行う。

【００１６】上流側の送受波器（２）から流れに対して
順方向に送信された超音波が下流側の送受波器（３）で
受波されるまでの伝搬時間ｔ１、下流側の送受波器
（３）から流れに対して逆方向に送信された超音波が上
流側の送受波器（２）で受波されるまでの伝搬時間ｔ２
はそれぞれ、ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋ｖ）・・・［２］ｔ２＝Ｌ／（ｃ−ｖ）・・・［３］Ｌ：測定管（１）の長さｃ：超音波の速度ｖ：伝搬時間測定時の流体温度Ｔにおける流速と表されるから、伝搬時間の和ｐｔは、ｐｔ＝ｔ２＋ｔ１＝Ｌ／（ｃ−ｖ）＋Ｌ／（ｃ＋ｖ）＝Ｌ／ｃ×１／｛１−（ｖ／ｃ）² ｝・・・［４］となる。

【００１７】ところで、一般に流速ｖは超音波の速度ｃ
に比べて小さく、（ｖ／ｃ）² はおおよそ１／１０００
の値となるので、上式［４］は下式［５］のように近似
できる。

【００１８】ｐｔ＝Ｌ／ｃ＝Ｌ／｛４５５＋（Ｔ−３０）×０．８８｝＝Ｌ／（４２８＋０．８８Ｔ）（ｍ／ｓ）・・・［５］すなわち、管路の長さＬは既知であるから、超音波の伝
搬時間の和ｐｔが求まれば、上式［５］によって流体温
度Ｔを導出することができる。従って、第２演算回路
（１０）は、前記カウンタ（８）から送られてきた超音
波の伝搬時間ｔ１、ｔ２の和ｐｔを上式［５］に代入す
ることによって、伝播時間測定時の流体温度Ｔを導出
し、該流体温度Ｔを第２演算回路（１０）及び第３演算
回路（１１）に送信する。なお、上式［５］において、
流体がメタンガスの場合として、超音波の流速ｃを４５
５＋（Ｔ−３０）×０．８８と定めたが、流体がメタン
ガス以外の場合は、その流体に応じて超音波の速度ｃを
定めればよい。

【００１９】前記第２演算回路（１０）は、上述のよう
に超音波の伝搬時間ｔ１、ｔ２の差Δｔに基づいて、伝
播時間測定時の流体温度Ｔにおける流速ｖを導出する回
路で、具体的には以下の演算を行う。

【００２０】超音波の伝搬時間ｔ１、ｔ２はそれぞれ上
式［２］［３］のように表されるから、伝搬時間の差Δ
ｔは、 Δｔ＝ｔ２−ｔ１＝Ｌ／（ｃ−ｖ）−Ｌ／（ｃ＋ｖ）＝２Ｌｖ／（ｃ−ｖ）（ｃ＋ｖ）＝２Ｌｖ／（４２８＋０．８８Ｔ−ｖ）（４２８＋０．８８Ｔ＋ｖ）・・・［６］となる。

【００２１】すなわち、測定管（１）の長さＬは既知
で、流体温度Ｔも前記第１演算回路から送信されるか
ら、超音波の伝搬時間差Δｔが求まれば、上式［６］に
よって伝播時間測定時の流体温度Ｔにおける流速ｖを導
出することができる。従って、第１演算回路（９）は、
前記第１演算回路（９）から送信されてきた流体温度Ｔ
と、前記カウンタ（８）から送られてきた超音波の伝搬
時間ｔ１、ｔ２の差Δｔとを上式［６］に代入すること
によって、伝播時間測定時の流体温度Ｔにおける流速ｖ
を導出する。

【００２２】前記第３演算回路（１１）は、上述のよう
に前記流体温度Ｔと流速ｖから基準温度Ｔ ₀における流
速ｖ ₀を求める回路で、具体的には以下の演算を行う。

【００２３】すなわち、第１演算回路（９）によって導
出された伝搬時間測定時の流体温度Ｔと、第２演算回路
（１０）によって導出された伝搬時間測定時の流体温度
Ｔにおける流速ｖとを下式［１］に代入することによっ
て、基準温度Ｔ ₀における流速ｖ ₀を求める。

【００２４】ｖ ₀＝（Ｔ ₀×ｖ）／Ｔ・・・［１］ｖ ₀：基準温度における流速Ｔ ₀：基準温度（絶対温度）ｖ：伝搬時間測定時の温度における流速Ｔ：伝搬時間測定時の温度（絶対温度）なお、このような流体温度と流速比例関係式は、ボイル
・シャルルの法則の関係式、Ｐｖ／Ｔ＝Ｐ ₀ｖ ₀／Ｔ ₀・・・［６］において、圧力Ｐ、Ｐ ₀が一定であると仮定することに
よって導き出される。

【００２５】次に、図１に示した装置を用いた超音波流
速測定方法を説明する。

【００２６】まず、パルス発生回路（４）と上側送受波
器（２）、下流側の送受波器（３）と受信回路（５）を
接続しておいて、パルス発生回路（４）から駆動パルス
を駆動し上流側の送受波器（２）から超音波を発信す
る。また、該送受波器（２）から超音波を発信すると同
時に、クロック回路（７）からクロック波（Ｗ）を出力
する。

【００２７】その後、送信された超音波が下流側の送受
波器（３）で受信されると、受信回路（５）からカウン
タ（８）に受信信号が送信される。このとき、クロック
回路（７）は、図２に示すように複数個のクロック波
（Ｗ）を出力しているから、カウンタ（９）により該ク
ロック波（Ｗ）の波数をカウントすることによって、超
音波の伝搬時間ｔ１を求め、該伝搬時間ｔ１をマイクロ
コンピュータ（Ｉ）の第１演算回路（９）及び第２演算
回路（１０）に送信する。

【００２８】次に、切替回路（６）の作動によって、パ
ルス発生回路（４）と下流側の送受波器（３）、上流側
の送受波器（２）と受信回路（５）とが接続されるよう
に切り替える。そして、上述と同様にして、下流側から
上流側への超音波の伝搬時間ｔ２を求め、該伝搬時間ｔ
２をマイクロコンピュータ（Ｉ）の第１演算回路（９）
及び第２演算回路（１０）に送信する。

【００２９】そして、第１演算回路（９）において前記
カウンタ（８）から送られてきた超音波の伝搬時間ｔ
１、ｔ２の和ｐｔを上式［５］に代入することによっ
て、伝播時間測定時の流体温度Ｔを導出し、該流体温度
Ｔを第２演算回路（１０）及び第３演算回路（１１）に
送信する。

【００３０】また、第２演算回路（１０）において、前
記第１演算回路（９）から送信されてきた流体温度Ｔ
と、前記カウンタ（８）から送信されてきた超音波の伝
搬時間ｔ１、ｔ２の差Δｔを、それぞれ上式［６］に代
入することによって、伝播時間測定時の流体温度Ｔにお
ける流速ｖを導出し、該流速ｖを第３演算回路（１１）
に送信する。

【００３１】そして、第３演算回路では、第１演算回路
（９）によって導出された伝搬時間測定時の流体温度Ｔ
と、第２演算回路（１０）によって導出された伝搬時間
測定時の流体温度Ｔにおける流速ｖとを上式［１］に代
入することによって、基準温度Ｔ ₀における流速ｖ ₀を
求める。

【００３２】このように、伝搬時間測定時の流体温度Ｔ
と、伝搬時間測定時の流体温度Ｔにおける流速ｖと上式
［１］に代入することによって、流体温度Ｔに影響され
ることなく、常に基準温度Ｔ ₀における流速ｖ ₀を求め
ることができ、さらには該流速ｖ ₀ に基づいて流体の
流量を正確に求めることが可能となる。

【００３３】

【発明の効果】この発明は、超音波の伝搬時間の差に基
づいて、前記超音波の伝搬時間の和に基づいて、伝搬時
間測定時の流体温度Ｔを導出すると共に、伝搬時間測定
時の流体温度Ｔにおける流速ｖを導出し、前記流体温度
Ｔと流速ｖを式［１］に代入することによって、基準温
度Ｔ ₀における流速ｖ ₀を求めることを特徴とするか
ら、流体温度Ｔに影響されることなく基準温度における
流速を求めることができ、ひいては流体の流量を正確に
求めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を実施するための超音波流速測定装置
を示すブロック図である。

【図２】クロック回路から出力されるクロック波を示す
図である。

【図３】従来の超音波流速測定方法を実施するための超
音波流速測定装置を示すブロック図である。

【符号の説明】

１・・・超音波流速測定管２、３・・・送受波器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波流速測定管を流れる計測流体の上
流側と下流側にそれぞれ超音波振動子が配置され、前記
各超音波振動子から相互に超音波を発生送信するととも
に、送信された超音波を相互に受信し、前記超音波の伝搬時間の和に基づいて、伝搬時間測定時
の流体温度Ｔを導出すると共に、前記超音波の伝搬時間の差に基づいて、伝搬時間測定時
の流体温度Ｔにおける流速ｖを導出し、前記流体温度Ｔと流速ｖを下式［１］に代入することに
よって、基準温度Ｔ ₀における流速ｖ ₀を求めることを
特徴とする超音波流速測定方法。ｖ ₀＝（Ｔ ₀×ｖ）／Ｔ・・・［１］ｖ ₀：基準温度における流速Ｔ ₀：基準温度（絶対温度）ｖ：伝搬時間測定時の流体温度における流速Ｔ：伝搬時間測定時の流体温度（絶対温度）