説明

超音波流量計の補正方法

【課題】 演算により音速、温度を求めて動粘度による流量の補正をする。
【解決手段】 S1で超音波送受波器により受信したそれぞれの超音波パルスの伝播時間を求め、S2でそれぞれの伝播時間から音速Cを求める。S3で記憶手段に記憶している音速C対温度Tのテーブルから、S2で求めた音速Cを基に流体の温度T(℃)を求める。S4で温度T(℃)を基に記憶手段に記憶している温度T対動粘度νのテーブルから動粘度ν(mm2/s)を得る。S5でそれぞれの伝播時間から流体の流速Vを求める。S6において、流速Vに対して動粘度νの補正を行う。記憶手段は各動粘度ν及び各流速Vにおける補正係数表を記憶しており、対応する補正係数を求め、流速Vに補正係数を乗じて流速V’を演算する。S7で流速V’から流量Qを演算し、S8でこの流量Qを出力する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波の伝播時間差方式により流量を測定する超音波流量計の補正方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、超音波流量計は使用流体の動粘度ごとの各流速における補正値を記憶したテーブルを有しており、流量を使用する流体の動粘度補正テーブルを用いて決定している。
【0003】
例えば、補正テーブルは各動粘度及び各流速における補正値が記憶され、計測する流体ごとに使用する動粘度を決定し、使用する補正テーブルの列を決定する。決定されたテーブルの列は固定値として補正手段に入力され、計測された流速と、補正テーブルの流速値との照合により補正値が決定し、補正手段において補正される。
【0004】
なお、流速ごとに動粘度による補正を行うのは、流路径が一定の場合に、動粘度と流速によって、流れの状態を示すレイノルズ数Reが次式のように決定されるからである。
Re=vd/ν (ただし、vは流速、dは管路内径、νは動粘度)
【0005】
同一管路であれば、レイノルズ数Reが等しければ、流れの状態が類似していることになり、それに伴い実流量と流量計測値との誤差も、レイノルズ数Reによって類似したものとなると考えられているためである。
【0006】
しかし、流体の動粘度は流体温度によって変化し、単に流速に対する動粘度の補正テーブルを用いるだけでは、補正が正しく行われないことがある。
【0007】
また、別の従来方式としては、特許文献1のように温度信号を使用することによって、温度に対応した動粘度を求め、流体温度の変化に伴う動粘度の変化を補正する流量計も知られている。
【0008】
【特許文献1】特開平7−260532号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
このように、従来行われてきた動粘度用の補正テーブルを使用することによる補正では、温度変化に伴う動粘度の変化によって、使用すべき補正テーブルが誤差を含むことになり、正しい補正が行われないという問題がある。
【0010】
また、特許文献1のように、或いは温度補正を行う場合には、管体中に温度計を設置するなど、何らかの手段により温度情報を求める必要があるが、温度計を設けると圧力損失が生じたり、乱流発生の原因となる。
【0011】
本発明の目的は、上述の課題を解消し、温度変化に対応した動粘度により正しく補正し得る超音波流量計の補正方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上述の目的を達成する本発明に係る超音波流量計の補正方法の技術的特徴は、測定用流体が流れる管体の上流側及び下流側にそれぞれ配置した超音波送受波器により相互に超音波パルスを発信し、下流側及び上流側の前記超音波送受波器により前記超音波パルスを受信し、上流側から下流側にまた下流側から上流側に伝播する前記超音波パルスの伝播時間の差を基に前記流体の流量を測定する超音波流量計において、前記2つの伝播時間の和を基に前記流体中の超音波パルスの伝達速度である音速を演算する工程と、該音速を基に前記流体の温度を求める工程と、該温度を基に前記流体の動粘度を求める工程と、該動粘度を基に測定した前記流量を補正する工程とを備えたことにある。
【発明の効果】
【0013】
本発明に係る超音波流量計の補正方法によれば、温度測定を実施することなく、流体温度に対応した動粘度を用いた補正が可能となり、正確な流量測定ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下に、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図1はブロック回路構成図であり、測定用流体が流れる管体1の上流及び下流に超音波送受波器2u、2dが設けられている。これらの送受波器2u、2dから出力される超音波パルスは相手側の送受波器2d、2uに管体1内の流体を通過して到達する。送受波器2d、2uの出力は伝播時間検出手段3に接続され、伝播時間検出手段3の出力は音速算出手段4及び流速算出手段5に接続されている。
【0015】
音速算出手段4の出力は温度算出手段6を介して動粘度算出手段7に接続されている。そして、温度算出手段6には流体の種類ごとの音速C対温度Tの対応データテーブルを記憶した記憶手段8、動粘度算出手段7には温度T対動粘度νの対応データテーブルを記憶した記憶手段9が接続されている。
【0016】
動粘度算出手段7の出力は流速算出手段5の出力と共に、流速補正演算手段10に接続され、流速補正演算手段10には動粘度ν対流速Vの補正係数テーブルを記憶した記憶手段11が接続されており、流速補正演算手段10の出力は流量演算手段12を経て流量出力手段13を介して外部の表示器等に出力されている。
【0017】
なお、これらの検出手段、算出手段、演算手段は1個のCPUにより演算可能であり、記憶手段はCPUに付設したハードディスクなどの記憶装置に代替できる。
【0018】
図2はこの補正演算動作のフローチャート図である。先ずステップS1において、伝播時間検出手段3により超音波送受波器2u、2dにより受信したそれぞれの超音波パルスの伝播時間を求める。
【0019】
理解を容易にするために、図3に示す超音波伝播経路を基に説明する。伝播時間検出手段3で得られた超音波送受波器2uから2dへの超音波パルスの伝播時間tu、送受波器2dから2uへの伝播時間tdは、超音波伝播距離をL、流体中の超音波パルスの伝播速度である音速をC、流体の流速をVとすると、次式から成立している。なお、θは管体1に対する伝播経路の傾斜角であり、距離Lと共に既知である。
tu=L/(C+Vcosθ) …(1)
td=L/(C−Vcosθ) …(2)
【0020】
次のステップS2で、音速算出手段4において流体の音速Cを求める。式(1)、(2)から伝播時間tu、tdの平均伝播時間は次式となる。
(tu+td)/2=L・C(C2−V2cos2θ) …(3)
【0021】
通常では、水中の音速Cは1000m/s以上、気体中の音速Cは300m/s以上であって、流速Vは高々数m/sであり、cosθ<1であるから、C2≫V2cos2θである。従って、C2−V2cos2θ≒C2となり、音速Cは次式のように伝播時間tu、tdから求めることができる。
C=2L/(tu+td) …(4)
【0022】
この音速Cは未知の温度における音速ではあるが、流体の種類は既知なので、ステップS3において、温度算出手段6は記憶手段8に記憶している図4に示す例えば水の場合の音速C対温度Tのグラフ図を数値化したテーブルから、ステップS2で求めた音速Cを基に流体の温度T(℃)を求めることができる。
なお、図4は流体が水の場合のグラフ図であるが、温度Tが74℃のときに音速Cが最高となり、それ以上の温度Tでは音速が減少するため、水の場合には同じ音速で2つの温度Tが得られることがある。従って、0℃〜74℃までの範囲、又は74℃〜100℃の何れかの温度範囲に限定することにより、流体温度Tが流体音速Cによって一意的に決めることができる。
【0023】
ステップS3で流体の温度T(℃)が求まれば、ステップS4において動粘度算出手段7により、記憶手段9に記憶している図5に示す温度T対動粘度νのグラフ図のテーブルから動粘度ν(mm2/s)が得られる。
【0024】
続いて、ステップS5で流速算出手段5により流体の流速Vを求める。流体の流速Vは、良く知られているように、式(1)、(2)による時間差Δt=td−tuから次式により求め得る。
Δt=td−tu=2L・Vcosθ/(C2−V2cos2θ) …(5)
【0025】
前述したようにC2−V2cos2θ≒C2であるから、Δt=2L・Vcosθ/C2となり、音速CはステップS2で算出されているので、流速Vは次式により算出できる。
V=C2・Δt/−(2L・cosθ) …(6)
【0026】
次に、ステップS6において、流速補正演算手段10は流速Vに対して動粘度νの補正を行う。記憶手段11は実験によって得られた各動粘度ν及び各流速Vにおける補正係数を表1に示すように補正係数表として記憶しており、動粘度ν、流速Vから対応する補正係数を求める。
【0027】
表1
動粘度ν(mm2/s)
流速V(m/s) ・ 1.79 1.80 1.81 1.82 ・・

1.20 1.1259 1.1261 1.1278 1.1284
1.19 1.1265 1.1275 1.1281 1.1297
1.18 1.1272 1.1284 1.1299 1.1312
1.17 1.1289 1.1295 1.1312 1.1331
1.16 1.1295 1.1310 1.1323 1.1341
1.15 1.1310 1.1322 1.1334 1.1352

【0028】
流速補正演算手段10は流速算出手段5で求めた流速Vと、動粘度算出手段7で算出した動粘度νによる補正係数を用いて補正する。例えば、求めた動粘度νが1.80、流速Vが1.19であれば、補正係数は1.1275となり、流速V’を次式によって流速補正演算手段10により演算する。
V’=1.1275・V
【0029】
更にステップS7において流量演算手段12で、得られた流速V’から流量Qを演算する。流量Qは管体1の断面積をAとすれば、Q=V’・Aとして求めることができる。
【0030】
ステップS8において、流量出力手段13はこの流量Qを表示器や記憶手段に出力する。
【0031】
なお実施例では、流量Qを演算する前に動粘度νによる流速補正を行ったが、流量Qを演算した後に動粘度νによる流量補正を行ってもよい。
【0032】
このように本願発明では、超音波送受波器2u、2dによって計測した超音波の伝播時間差から音速Cを、音速Cから温度Tを、温度Tから動粘度νをそれぞれ求めているため、動粘度νの温度Tによる変化に応じた補正を行うことができる。また、温度計などを使用せずに動粘度を求めることができるため、温度測定に伴う諸問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】実施例のブロック回路構成図である。
【図2】補正演算動作のフローチャート図である。
【図3】超音波伝播経路の説明図である。
【図4】流体が水の場合の音速対温度のグラフ図である。
【図5】流体が水の場合の温度対動粘度のグラフ図である。
【符号の説明】
【0034】
1 管体
2u、2d 超音波送受波器
3 伝播時間検出手段
4 音速算出手段
5 流速算出手段
6 温度算出手段
7 動粘度算出手段
11 記憶手段
10 流速補正演算手段
12 流量演算手段
13 流量出力手段

【特許請求の範囲】
【請求項1】
測定用流体が流れる管体の上流側及び下流側にそれぞれ配置した超音波送受波器により相互に超音波パルスを発信し、下流側及び上流側の前記超音波送受波器により前記超音波パルスを受信し、上流側から下流側にまた下流側から上流側に伝播する前記超音波パルスの伝播時間の差を基に前記流体の流量を測定する超音波流量計において、前記2つの伝播時間の和を基に前記流体中の超音波パルスの伝達速度である音速を演算する工程と、該音速を基に前記流体の温度を求める工程と、該温度を基に前記流体の動粘度を求める工程と、該動粘度を基に測定した前記流量を補正する工程とを備えたことを特徴とする超音波流量計の補正方法。
【請求項2】
前記温度を求める工程及び前記動粘度を求める工程は、記憶した数値を用いて算出することを特徴とする請求項1に記載の超音波流量計の補正方法。
【請求項3】
前記流量を補正する工程は、前記得られた動粘度を基に流速ごとに記憶した補正係数を乗じて流速を補正し、該補正した流速を基に流量を演算することを特徴とする請求項1に記載の超音波流量計の補正方法。
【請求項4】
前記補正係数は予め実験により求めた値としたことを特徴とする請求項3に記載の超音波流量計の補正方法。
【請求項5】
前記各工程は1個のCPUの演算により実行することを特徴とする請求項1又は2に記載の超音波流量計の補正方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2007−51913(P2007−51913A)
【公開日】平成19年3月1日(2007.3.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−236737(P2005−236737)
【出願日】平成17年8月17日(2005.8.17)
【出願人】(390026996)東京計装株式会社 (57)
【出願人】(305000482)株式会社アツデン (17)
【Fターム(参考)】