JP2008151794A - 超音波流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流速を求める際に接線方向障害および半径方向障害をほぼ完全に消去できる超音波流量測定装置を提供する。
【解決手段】第１の超音波トランスデューサ対と第２の超音波リフレクタとが一方の測定管半部に、第２の超音波トランスデューサ対と第１の超音波リフレクタとが他方の測定管半部に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、媒体の通流する測定管と２つの超音波トランスデューサ対と各超音波トランスデューサ対に１つずつ対応する超音波リフレクタとが設けられており、測定管は断面で見て２つの半部を有し、１つの超音波トランスデューサ対の各超音波トランスデューサは測定管の長手方向で見て共通の一方の測定管半部に相互にずらされて配置されており、当該の超音波トランスデューサ対に対応する超音波リフレクタは測定管の長手方向で見て他方の測定管半部の２つの超音波トランスデューサ間に配置されており、１つの超音波トランスデューサ対の一方の超音波トランスデューサから送信された超音波信号はＶ字状信号路に沿って当該の超音波トランスデューサ対に対応する超音波リフレクタを介して他方の超音波トランスデューサへ達する、超音波流量測定装置に関する。

超音波流量測定装置では、測定管を通流する媒体の流れに障害があり、媒体流の特性が完全な積層流特性または乱流特性から偏差すると、一般に測定精度が劣化する。流れに障害があると例えば媒体の通流する断面積が変化したり、測定管が撓んだりする。こうした障害はふつう３つのタイプ、すなわち軸線方向障害、渦などの接線方向障害および半径方向障害に区別される。接線方向障害および半径方向障害は真の体積流量を変化させることはない。しかし次に説明するような超音波測定には影響を与える。

超音波流量測定装置には一般に少なくとも２つの超音波トランスデューサが設けられており、この２つの超音波トランスデューサが流れ方向で見て相互にずらされて配置され、１つの超音波トランスデューサ対を形成している。第１の超音波トランスデューサが通流する媒体を通して超音波信号を送信し、第２の超音波トランスデューサがこれを受信する。ここでふつうは第２の超音波トランスデューサも超音波信号を送信し、第１の超音波トランスデューサがこれを受信する。このようにして、媒体流の流れ方向に対して交互に順方向および逆方向に走行する超音波信号が送受信される。媒体流における共流効果に基づいて、流れ方向に対して順方向と逆方向とでは異なる走行時間が生じる。音響信号路の長さおよび音響信号路と流れ方向とのなす角度が既知となっていれば、流れ方向に対して順方向および逆方向の走行時間から媒体の流速が求められる。

管路が上下左右へ向かって撓んだり曲がったりすると、流れ特性に軸線方向障害および接線方向障害が生じることが予測される。このとき、接線方向障害は音響信号路によって定められる測定路に沿って付加的な速度成分を生じさせ、これにより全体の流速にとって重要な走行時間に誤りを引き起こす。

この問題に対処するため、従来は共通の１平面に少なくとも２つの交差する測定路が設けられてきた。各測定路と流れ方向とのなす角度が等しければ、測定路ごとに求められた速度が平均され、接線方向障害および半径方向障害に起因する望ましくない速度成分が消去される。

しかしこの手段には通常に比べて少なくとも２倍の数の超音波トランスデューサが必要となるという欠点がある。測定管に複数の超音波トランスデューサを設ける場合、一般には測定管の壁に付加的なトランスデューサポケットを形成しなければならなくなるので、これによりさらなる流れ障害が発生してしまう。

前述した問題に対処する別のアプローチとしてＶ字状信号路を用いる手段が挙げられる。この場合、１つの超音波トランスデューサ対の各超音波トランスデューサは測定管の一方側に配置され、対向するもう一方の側に超音波リフレクタが配置される。それぞれの平面における測定管の曲がり具合に応じて、超音波リフレクタは測定管の内壁から成ることもあるし、プレーナプレートの形態で個別に設けられることもある。この構成は従来技術にも後述する本発明にも共通に当てはまる。

１つの超音波トランスデューサ対の第１の超音波トランスデューサから送信される超音波信号はＶ字状信号路に沿って超音波リフレクタを介して第２の超音波トランスデューサへ走行する。第２の超音波トランスデューサから第１の超音波トランスデューサへの超音波信号の送信も同様である。前述したように、基本的にはこうした配置により接線方向障害および半径方向障害は平均によって消去される。この手段によれば付加的な超音波トランスデューサが必要ないということが重要な利点である。

米国出願第２００４／００１１１４１号明細書から冒頭に言及した形式の超音波流量測定装置が公知である。この装置では相互に平行な２つの平面に複数のＶ字状信号路が設けられている。測定管の一方側に超音波トランスデューサ対が配置され、離れた他方側に超音波リフレクタが配置されている。こうした配置は、少なくとも最上部のＶ字状信号路と最下部のＶ字状信号路とが測定管の内壁に対して小さな距離で配置される場合に特に有利である。測定管の内壁までの距離が小さい信号路では軸線方向障害を高精度に求めて消去することができるので、測定精度が向上する。さらに、超音波トランスデューサが測定管の一方側のみに配置されていることによりメンテナンスが簡単となり、特に測定管が重いときや一方側からしか取り扱えないときに有利である。

相互に平行な２つの平面に複数のＶ字状信号路を配置すると、上述した従来の構成に比べて、接線方向障害および半径方向障害をいちじるしく良好に消去できることがわかっている。しかし本発明の発明者らが調べたところ、それでもなお約０．１５％の誤差が発生することが判明した。
米国出願第２００４／００１１１４１号明細書

本発明の基礎とする第１の課題は、流速を求める際に接線方向障害および半径方向障害をほぼ完全に消去できる超音波流量測定装置を提供することである。

この課題は、第１の超音波トランスデューサ対と第２の超音波リフレクタとが一方の測定管半部に、第２の超音波トランスデューサ対と第１の超音波リフレクタとが他方の測定管半部に配置されている構成により解決される。

本発明によれば、各超音波トランスデューサ対が測定管の対向する２つの側に配置されており、第１の超音波トランスデューサ対の超音波信号は測定管の一方側から媒体流に対して、第２の超音波トランスデューサ対の超音波信号は他方側から媒体流に対して送信される。この新たな配置のしかたは、接線方向障害および半径方向障害を消去する際に従来生じていた誤差が主として一定でない軸線方向障害に基づいているという知識を基礎としている。本発明のように信号路を配置することにより誤差はほぼ完全に消去され、測定がいっそう正確に行われるようになる。

ここで、或る超音波トランスデューサまたは或る超音波リフレクタを一方の測定管半部に配置するとは超音波信号が測定管の内壁の領域で送受信および反射されることを意味するということを指摘しておく。

また、Ｖ字状信号路とは、各超音波トランスデューサが流れ方向で見て相互にずらされて配置され、超音波リフレクタが流れ方向で見て各超音波トランスデューサ間に配置されることを意味する。ただし、Ｖ字状であるといっても、特に２本の脚部が所定の角度をなす必要も２本の脚部が同じ長さを有する必要もない。

基本的には２つのＶ字状信号路は同じ平面に延在してよい。ただし、本発明の有利な実施形態によれば、２つのＶ字状信号路はそれぞれ異なる平面に延在する。また有利には、各平面は測定管内部で交差しない。特に有利には、各平面は相互に平行に延在する。

前述した本発明の利点は２つの超音波トランスデューサ対しか設けられない場合にも達成される。しかし、本発明の有利な実施形態によれば、少なくとも１つの別の超音波トランスデューサ対およびこの超音波トランスデューサ対に対応する超音波リフレクタが設けられ、さらなるＶ字状信号路が実現される。ここで特に有利には、複数の付加的な超音波トランスデューサ対が形成され、複数の異なる平面、有利には相互に平行な複数の平面にそれぞれ１つずつＶ字状信号路が実現される。このとき、隣接する信号路では各超音波トランスデューサがそれぞれ異なる測定管半部に配置される。測定管の径方向で見ると、それぞれのＶ字状信号路のＶ字の開いたところと頂点とが交互に測定管半部に並ぶように配置される。

本発明の有利な実施形態によれば、２つの超音波リフレクタは測定管の長手方向で見て最大で１つの超音波トランスデューサ対の２つの超音波トランスデューサ間の最大距離だけ懸隔されている。このとき、特に有利には、全ての超音波リフレクタは測定管の長手方向で見て同じ測定管長さの位置に配置されている。

本発明の基礎とする第２の課題は、適正な測定動作が維持されているか否かを記述できる診断機能を備えた超音波流量測定装置を提供することである。

この課題は、第３の超音波トランスデューサ対およびこの第３の超音波トランスデューサ対に対応する第３の超音波リフレクタが設けられており、測定管内部の２つの平面に交差する第３の平面に延在する第３のＶ字状信号路が実現されている構成により解決される。

本発明によれば、第３の信号路はつねに他の２つの平面に対してゼロとは異なる角度で延在しており、媒体流の領域においてこれら２つの平面と交差している。このような構成により、測定管の底部に汚れが溜まっていないかどうかを検出する診断機能が得られる。

測定管の底部に汚れが蓄積されると、反射位置が測定管の中央へ向かってずれ、音響信号路が短くなっていく。測定動作の経過につれて２つの平面に交差する第３の平面に延在する第３の信号路での走行時間が短くなることが検出される場合、望ましくない汚れの蓄積が示唆される。また当該の実施形態において測定管内部の２つの平面に交差する平面に第３のＶ字状信号路を設けることにより流量値の付加的な検出も可能となり、流量測定の精度がさらに向上する。

ここで、本発明の有利な実施形態によれば、測定管内部の２つの平面は交差しない。有利には、測定管内部の２つの平面は相互に平行に延在しており、第３の平面はこれら２つの平面に対して垂直に延在している。ここで、本発明の有利な実施形態によれば、第３の平面は測定管の長手軸線を含む。

本発明の有利な実施形態によれば、さらに第４の超音波トランスデューサ対およびこの第４の超音波トランスデューサ対に対応する第４の超音波リフレクタが設けられ、測定管内部の２つの平面に交差する第４の平面に延在する第４のＶ字状信号路が実現され、ここで第３の平面および第４の平面は相互に平行ではなくかつ９０゜とは異なる角度で測定管内部の２つの平面に交差する。このようにすると診断機能が拡張され、例えば複数の反射位置を検査することができる。

別の有利な実施形態では、前述した本発明の第１の手段に関連して、特に複数の超音波トランスデューサ対が設けられ、相互に平行な複数の平面に複数のＶ字状信号路が相互に実現される。

また本発明は、媒体の通流する測定管と１つの超音波トランスデューサ対とこの超音波トランスデューサ対に対応する１つの超音波リフレクタとが設けられており、測定管は断面で見て２つの半部を有し、超音波トランスデューサ対の各超音波トランスデューサは測定管の長手方向で見て共通の一方の測定管半部に相互にずらされて配置されており、対応する超音波リフレクタは測定管の長手方向で見て他方の測定管半部の２つの超音波トランスデューサのあいだに配置されており、超音波トランスデューサ対のうち一方の超音波トランスデューサから送信された超音波信号はＶ字状信号路に沿ってこの超音波トランスデューサ対に対応する超音波リフレクタを介して他方の超音波トランスデューサへ達する、超音波流量測定装置に関する。

前述したように、超音波トランスデューサはふつう測定管の壁に配置されたトランスデューサポケットに収容される。この点について、液体成分を含む気体を測定する場合、液体成分がトランスデューサポケットに溜まってそこで新たな誤差を引き起こすという問題がある。例えばトランスデューサポケットに水滴が落ちると、当該の水滴が場合により超音波トランスデューサと測定管とのあいだを橋絡してしまい、音響的に測定管から分離されるべきトランスデューサに望ましくない音響結合を生じさせることがある。

本発明の第３の課題は、こうした問題を回避できる超音波流量測定装置を提供することである。

この課題は、超音波トランスデューサ対の各超音波トランスデューサが対応する超音波リフレクタよりも高い位置にくるように測定管が配向されている構成により解決される。

本発明によれば、超音波センサの収容されるトランスデューサポケットは測定管内部に向かって傾斜しており、媒体の液体成分またはペースト成分を自動吐出できるようになっている。この手段は基本的に前述した全ての構成に組み合わせることができる。

本発明の有利な実施形態によれば、少なくとも１つの別の超音波トランスデューサ対およびこの超音波トランスデューサ対に対応する超音波リフレクタが設けられており、測定管内部の第１のＶ字状信号路を有する第１の平面に交差しない平面にさらなるＶ字状信号路が実現されており、当該の超音波トランスデューサ対の各超音波トランスデューサは対応する超音波リフレクタよりも高い位置に配置されている。特に有利には、各平面は相互に平行に延在しており、超音波トランスデューサ対が一方の測定管半部に、超音波リフレクタが他方の測定管半部に配置されている。このようにすれば、複数のＶ字状信号路を設ける際にも、超音波トランスデューサのために要求される前述のトランスデューサポケットの自動吐出が達成される。

以下に本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。

図１のａ，ｂには本発明の超音波流量測定装置の第１の実施例の概略的な断面図および斜視図が示されている。ここには本発明の超音波流量測定装置の重要な要素のみが示されている。すなわち、媒体は示されておらず、媒体の通流する測定管１、複数の超音波トランスデューサ３から成る超音波トランスデューサ対２、および、各超音波トランスデューサ対２に１つずつ対応する超音波リフレクタ４が示されている。この場合、超音波トランスデューサ対２は交互に一方の測定管半部と他方の測定管半部とに配置されており、それぞれＶ字状信号路５を有する相互に平行な複数の平面が生じている。超音波トランスデューサ２および相応の超音波リフレクタ４を２つの測定管半部に交互に配置することにより、測定管の２つの側に向かって交互に開く複数のＶ字状信号路が実現される。中央のレベルの平面の信号路では測定管の内壁が超音波リフレクタとして作用し、個別の超音波リフレクタが必要ないことも示されている。

このことは図２のａ，ｂにも示されている。図２のａには右方へ開いた唯一のＶ字状信号路を有する従来技術の装置が示されている。この図では１つの信号路しかないが複数の信号路がある場合もあり、ただし全ての信号路が右方へ開くかたちをとる。これに対して、図２のｂには、図１に示されている本発明の装置の第１の実施例の信号路が示されている。ここでは右方へ開いたＶ字状信号路も左方へ開いたＶ字状信号路も存在している。このように構成すると測定精度がいちじるしく向上することが判明している。

図３のａ，ｂには本発明の超音波流量測定装置の第２の実施例の断面図および斜視図が示されている。この実施例では、複数の超音波トランスデューサ対および対応する複数の超音波リフレクタが相互に平行な複数の平面にそれぞれＶ字状信号路を形成するように配置されている。付加的に、相互に平行な複数の平面に対して垂直な平面にさらなるＶ字状信号路が形成されるように、測定管１の上方に超音波トランスデューサ３が配置されている。垂直な平面は測定管１の長手軸線を含み、超音波リフレクタとして測定管１の内壁を用いるので、個別の超音波リフレクタを有さない。同じことが相互に平行な複数の平面のうち中央のレベルの平面についても当てはまる。

このような構成により、測定管１の底部に汚れが蓄積していないかどうかを検出する診断機能が得られる。前述したように、測定管の底部に汚れが蓄積されると反射位置が測定管の中央へ向かってずれ、音響信号路が短くなってしまう。時間が経過するにつれて２つの平面に交差する平面の信号路での信号の走行時間が短くなっていくことが検出される場合、望ましくない汚れの蓄積が示唆される。さらに、測定管内部の２つの平面に交差する平面にＶ字状信号路を設けることにより流量値の付加的な検出も可能となり、流量測定の精度がさらに向上する。

図４のａ，ｂには本発明の超音波流量測定装置の第３の実施例の断面図および斜視図が示されている。この実施例の構成は前述した第２の実施例の構成に類似しており同様の効果が得られるが、測定管内部の２つの平行な平面に交差する平面が１つだけでなく、所定の角度をなす２つの平面にそれぞれ信号路が設けられている点が異なる。共通の超音波リフレクタが設けられる場合、前述した測定管１の汚れに関する診断機能が拡張され、複数の反射位置を検査することができる。

図５には本発明の超音波流量測定装置の第４の実施例の断面図が示されている。ここでは、各超音波トランスデューサ３が対応する超音波リフレクタ４よりも高い位置に配置されており、超音波トランスデューサを収容するトランスデューサポケット６が下方へ向かって傾斜していることが重要である。これにより、トランスデューサポケット６が媒体の液体成分またはペースト成分を自動吐出できることが保証される。

本発明の超音波流量測定装置の第１の実施例の概略図である。 従来の装置の信号路と本発明の第１の実施例の信号路とを比較する概略図である。 本発明の超音波流量測定装置の第２の実施例の概略図である。 本発明の超音波流量測定装置の第３の実施例の概略図である。 本発明の超音波流量測定装置の第４の実施例の概略図である。

符号の説明

１ 測定管、 ２ 超音波トランスデューサ対、 ３ 超音波トランスデューサ、 ４ 超音波リフレクタ、 ５ Ｖ字状信号路、 ６ トランスデューサポケット

Claims (16)

1. 媒体の通流する測定管（１）と２つの超音波トランスデューサ対（２）と各超音波トランスデューサ対に１つずつ対応する超音波リフレクタ（４）とが設けられており、測定管は断面で見て２つの半部を有し、１つの超音波トランスデューサ対の各超音波トランスデューサ（３）は測定管の長手方向で見て共通の一方の測定管半部に相互にずらされて配置されており、当該の超音波トランスデューサ対に対応する超音波リフレクタは測定管の長手方向で見て他方の測定管半部の２つの超音波トランスデューサ間に配置されており、１つの超音波トランスデューサ対の一方の超音波トランスデューサから送信された超音波信号はＶ字状信号路（５）に沿って該超音波トランスデューサ対に対応する超音波リフレクタを介して他方の超音波トランスデューサへ達する、
   超音波流量測定装置において、
   第１の超音波トランスデューサ対と第２の超音波リフレクタとが一方の測定管半部に、第２の超音波トランスデューサ対と第１の超音波リフレクタとが他方の測定管半部に配置されている
   ことを特徴とする超音波流量測定装置。
2. ２つのＶ字状信号路は異なる平面に延在している、請求項１記載の装置。
3. 各平面は測定管内部で交差しない、請求項２記載の装置。
4. 各平面は相互に平行に延在する、請求項３記載の装置。
5. 少なくとも１つの別の超音波トランスデューサ対および該超音波トランスデューサ対に対応する超音波リフレクタが設けられており、さらなるＶ字状信号路が実現されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. ２つの超音波リフレクタは測定管の長手方向で見て最大で１つの超音波トランスデューサ対の２つの超音波トランスデューサ間の最大距離だけ懸隔されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 全ての超音波リフレクタは測定管の長手方向で見て同じ測定管長さの位置に配置されている、請求項６記載の装置。
8. 媒体の通流する測定管（１）と２つの超音波トランスデューサ対（２）と各超音波トランスデューサ対に１つずつ対応する超音波リフレクタ（４）とが設けられており、測定管は断面で見て２つの半部を有し、１つの超音波トランスデューサ対の各超音波トランスデューサ（３）は測定管の長手方向で見て共通の一方の測定管半部に相互にずらされて配置されており、当該の超音波トランスデューサ対に対応する超音波リフレクタは測定管の長手方向で見て他方の測定管半部の２つの超音波トランスデューサ間に配置されており、１つの超音波トランスデューサ対の一方の超音波トランスデューサから送信された超音波信号はＶ字状信号路（５）に沿って該超音波トランスデューサ対に対応する超音波リフレクタを介して他方の超音波トランスデューサへ達する、
   超音波流量測定装置において、
   さらに第３の超音波トランスデューサ対および該第３の超音波トランスデューサ対に対応する第３の超音波リフレクタが設けられており、測定管内部の２つの平面に交差する第３の平面に延在する第３のＶ字状信号路が実現されている
   ことを特徴とする超音波流量測定装置。
9. 測定管内部の２つの平面は交差しない、請求項８記載の装置。
10. 測定管内部の２つの平面は相互に平行に延在しており、第３の平面は該測定管内部の２つの平面に対して垂直に延在している、請求項９記載の装置。
11. 第３の平面は測定管の長手軸線を含む、請求項８から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. さらに第４の超音波トランスデューサ対および該第４の超音波トランスデューサ対に対応する第４の超音波リフレクタが設けられており、測定管内部の２つの平面に交差する第４の平面に延在する第４のＶ字状信号路が実現されており、第３の平面および第４の平面は相互に平行ではなくかつ９０゜とは異なる角度で測定管内部の２つの平面に交差している、請求項８から１０までのいずれか１項記載の装置。
13. 少なくとも１つの別の超音波トランスデューサ対および該超音波トランスデューサ対に対応する超音波リフレクタが設けられ、測定管内部の２つの平面の一方に平行な平面に延在するさらなるＶ字状信号路が実現される、請求項８から１２までのいずれか１項記載の装置。
14. 少なくとも１つの超音波トランスデューサ対の各超音波トランスデューサが対応する超音波リフレクタよりも高い位置にくるように測定管が配向されている、請求項８から１３までのいずれか１項記載の装置。
15. 少なくとも１つの別の超音波トランスデューサ対および該超音波トランスデューサ対に対応する超音波リフレクタが設けられており、測定管内部の第１のＶ字状信号路を有する第１の平面に交差しない平面にさらなるＶ字状信号路が実現されており、当該の超音波トランスデューサ対の各超音波トランスデューサは対応する超音波リフレクタよりも高い位置に配置されている、請求項１４記載の装置。
16. 各平面は相互に平行に延在しており、超音波トランスデューサ対が一方の測定管半部に、超音波リフレクタが他方の測定管半部に配置されている、請求項１５記載の装置。

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