超音波流量計
【課題】流体の種類・温度に依らず一定の流量感度を持つ超音波流量計を提供する。
【解決手段】真直ぐな測定管１の上流側と下流側に円環状超音波振動子２，３を一定距離Ｌを隔てて設け、一方が超音波送信機、他方が超音波受信機として交互に作動させ、下流方向超音波伝播時間Ｔ１と上流方向超音波伝播時間Ｔ２の時間差ΔＴを測定して流速ｖを算出する、いわゆる伝播時間差方式の超音波流量計において、流体の音速ｃ０を超音波の伝播速度ｃの所定の関数ｆ（ｃ）として表し、その関数の導関数を組み込んだ式ｖ＝ｆ‘（ｃ）・ｃ２・ΔＴ／２Ｌにより、実測した伝播速度ｃ及び伝播時間差ΔＴを用いて、流体の流速ｖを算出する。
【解決手段】真直ぐな測定管１の上流側と下流側に円環状超音波振動子２，３を一定距離Ｌを隔てて設け、一方が超音波送信機、他方が超音波受信機として交互に作動させ、下流方向超音波伝播時間Ｔ１と上流方向超音波伝播時間Ｔ２の時間差ΔＴを測定して流速ｖを算出する、いわゆる伝播時間差方式の超音波流量計において、流体の音速ｃ０を超音波の伝播速度ｃの所定の関数ｆ（ｃ）として表し、その関数の導関数を組み込んだ式ｖ＝ｆ‘（ｃ）・ｃ２・ΔＴ／２Ｌにより、実測した伝播速度ｃ及び伝播時間差ΔＴを用いて、流体の流速ｖを算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、全長に亘って同径な測定管に、２個の円環状超音波振動子をその内周面が測定管に接触するように一定距離を隔てて設け、この２個の円環状超音波振動子を一方が超音波送信機、他方が超音波受信機として交互に作動させ、下流方向超音波伝播時間と、上流方向超音波伝播時間の時間差を測定して流速を算出する、いわゆる伝播時間差方式の超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、超音波流量計は、配管の外側から流量を測定でき、また測定に伴う圧力損失が全く無い、正逆いずれも流速ゼロから測定可能であるなどの優れた特徴がある。
超音波流量計には、伝播時間差方式とドップラー方式とがあるが、性能の安定した伝播時間差方式が一般的である。
【０００３】
伝播時間差方式の超音波流量計の一般的な形態としては、図４に示す斜め入射角方式の検出部の構造のように、２個のくさび型超音波振動子を管体の外面において斜めに向かい合わせの位置に設け、この２個の超音波振動子を一方が超音波送信機、他方が超音波受信機として交互に作動させるものであり、発生した超音波は、管内の流体中を流れに対して斜めに伝播する（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
上記のようなくさび型の超音波振動子により管体に対して斜めに超音波を打ち込む方法に対しては、管体の外径が小さくなるにつれ、測定間隔が短くなり、十分な測定精度が得られなかった。
【０００５】
このため、上流下流の超音波振動子の間隔を十分に取る目的で、図５に示すように管路を上流部および下流部で直角に曲げて、直角部の外面から管体の軸方向に、流速方向と平行に、超音波を伝播させる方法が広く用いられている。
しかし測定管の口径を更に小さくすると、管体の断面積が超音波振動子の振動断面積に比べ非常に小さくなり、管内の流体を伝播する超音波の割合が減少し、測定がますます困難になる。
【０００６】
そこで小口径管における流量測定を可能にするために、円環状の超音波振動子を使用することが行われている（例えば特許文献２参照）。
この超音波振動子は、図１に示すように、２個の円環状超音波振動子を真直ぐな測定管により貫通されるようにして管の外面に接触するように距離を隔てて装填したものである。
この形体を取ることにより、微小口径管においても超音波による流量測定が適用できることになった。
【０００７】
しかもこの方式では、超音波が真直ぐな管の断面全体を伝播するため乱流と層流のような流速分布の影響を受けないので数ミリ以下の測定管に微小流量を流す時にも平均流量が得られる長所がある。
【０００８】
さらに上下流に配置する一対の超音波流量計振動子の距離を十分な長さにとれることから、上流方向と下流方向への伝播時間の差を大きくできて、測定感度を高められるという長所がある。
【０００９】
ところで、伝播時間差方式超音波流量計の一般的な測定方法は、先ず上流側振動子から超音波を送信し、下流側振動子で受信する。このときの伝播時間をＴ１とする。次に送受信機を切替えて、下流側から超音波を送信し、上流側で受信する。このときの伝播時間をＴ２とする。
【００１０】
この時、上下流超音波振動子間の距離をＬ、超音波の伝播速度をｃ、流体の流速をｖとすると以下の式が成立する。
【００１１】
Ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋ｖ）、 Ｔ２＝Ｌ／（ｃ−ｖ） ・・・・・（１）
そこで、測定した上下流の伝播時間Ｔ１とＴ２から
Ｔ０＝（Ｔ１＋Ｔ２）／２ ・・・・・（２）
ｃ＝Ｌ／Ｔ０ ・・・・・（３）
【数１】
を演算し、（４）式から流体の流速ｖは、
【数２】
と表せる。
【００１２】
つまり、上下流伝播時間Ｔ１とＴ２を測定し、そこから伝播時間差ΔＴと伝播速度ｃを演算し、流体の流速ｖを算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平８−３１３３１７号公報
【特許文献２】特開平８−８６６７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記したように円環状の超音波振動子を使って測定管を介して超音波を伝播させる構造の場合は、超音波は測定管内の流体だけでなく、測定管自身を介しても伝播するものである。
【００１５】
そのため、実際、上記伝播速度ｃの値は、流体の音速とはかけ離れたものとなる。
例えば、測定管を外径６ｍｍ、内径４ｍｍのＰＦＡ管、流体を水として実測した場合、常温では、水の音速が１．５ｋｍ／ｓのところ、伝播速度ｃは約１．１５ｋｍ／ｓであった。
【００１６】
したがって、上記（１）式のように、伝播速度ｃが流速ｖによって、ｃ±ｖに変わるという前提が成立しない。上記（１）式は超音波の伝播が全て流体を介して行われると仮定した場合に限り適用できるものである。
実際、前述の外径６ｍｍ、内径４ｍｍのＰＦＡ管を用いて実測したところでは、水を介して伝播している超音波の割合は３割以下であった。
【００１７】
超音波流量計の基本前提である（１）式が崩れると、測定流体の温度変化や、測定流体の種類が変わると、一定温度の水で校正した流量計の指示値に大きな誤差が発生することになる。
【００１８】
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、上式（１）における伝播速度ｃと流速ｖの関係を正すことにより、流体温度や流体の種類によらず、正確かつ適正な流量測定をなし得る超音波流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記目的を達成するために、本発明の超音波流量計は、２個の円環状超音波振動子を、被測定流体を流す測定管により貫通されて測定管に接触するように距離を隔てて設け、前記２個の円環状超音波振動子を一方が超音波送信機、他方が超音波受信機として交互に作動させ、被測定流体の上流側の超音波振動子を超音波送信機としたときの下流方向超音波伝播時間と、被測定流体の下流側の超音波振動子を超音波送信機としたときの上流方向超音波伝播時間との時間差により流速を算出する超音波流量計において、下流方向超音波伝播時間Ｔ１、上流方向超音波伝播時間Ｔ２を測定する超音波伝播時間測定手段と、前記各測定結果を入力して下記（６）、（７）及び（８）式により伝播時間差ΔＴ、伝播速度ｃを算出する第１の演算部と、２個の超音波振動子間の距離Ｌ、測定管の外径ｂと内径ａ、測定管材のヤング係数Ｅとポアソン比σ及び測定管内を流れる流体の密度ρ１と超音波の伝播速度ｃからＧｒｏｅｎｗａｌｌの式（９）に基づいて演算係数ｙを算出する第２の演算部と、流体音速ｃ０を超音波の伝播速度ｃの関数として表した（１１）式の導関数を計算する第３の演算部と、前記伝播時間差ΔＴ、前記超音波振動子間の距離Ｌ、および前記超音波伝播速度ｃから下式（１２）により流体の流速ｖを算出する演算を行う第４の演算部とから構成されている。
【００２０】
【数３】
ここで、Ａの値は、測定管の材質・寸法に固有の部分を抜き出したものである。
【００２１】
ここで、（９）式を流体音速ｃ０について書き直し、関数f（ｃ）で表す。
【数４】
ここで、ｆ‘（ｃ）は関数ｆ（ｃ）の導関数である。
【００２２】
また、この発明の超音波流量計において、
前記Ｇｒｏｅｎｗａｌｌの式（９）のｙの３次項以上を省き、
【数５】
と近似化し、
前記第４の演算部では、測定管の材質・寸法の固有値となる部分を抜き出した
（２０）式の
【数６】
のＡの値と、振動子間距離Ｌ及び流体密度ρ１を設定し、
実測した伝播速度ｃおよびΔＴから（２４）式
【数７】
を演算して流速ｖを得るようにしても良い。
【００２３】
さらに、この発明の超音波流量計において、
前記第２の演算部において、（２０）式
【数８】
のＡの値を使用現場で直接設定入力するのではなく、測定管の材質・寸法は製品型式として固定であり、あらかじめ工場出荷以前に水の温度を変化させ、流体温度ｔ°Ｃに対応した上記（２０）式のＡ値の特性曲線を作成して、これを演算装置に組み込んでおき、現地で流体温度ｔ°Ｃを設定入力することにより、その時の温度に対応したＡ値を取り込めるようにした演算部を設けても良い。
【発明の効果】
【００２４】
この発明によれば、流速ｖと流速変化による伝播速度ｃの変化の関係を定めたことにより、工場出荷時の水による校正精度を、現場での流体の種類や流体温度の変化に対して広く適用できることにより、流体の種類や流体温度の如何によらず、正確かつ適正な流量測定をなし得ることができ、超音波流量計としての実用的価値を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】一実施形態に係る超音波流量計の検出部の構造を示す外観斜視図である。
【図２】同実施形態超音波流量計の回路構成を示す回路ブロック図である。
【図３】同実施形態超音波流量計の測定動作を説明するためのフロー図である。
【図４】従来の斜め入射角方式の超音波流量計を説明するための概略図である。
【図５】従来、使用されている９０度折り曲げ形検出部を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、実施の形態により、この発明をさらに詳細に説明する。図１はこの発明の一実施形態超音波流量計の超音波振動子の設置状態を示す外観斜視図である。この実施形態超音波流量計では、超音波振動子として、円環式の２個の超音波振動子２，３が流量を測定すべき流体を流す測定管１に、それぞれ内径部分が測定管１の外壁に接するように挿通され、所定の距離Ｌをおいて設置されている。
【００２７】
測定管１に、被測定流体が左方から右方に流される場合、図１において、超音波振動子２が上流側に設置される超音波振動子であり、右側の超音波振動子３が下流側に設置され る超音波振動子である。
【００２８】
図２は、この実施形態超音波流量計の基本的な回路構成を示す回路ブロック図である。この実施形態超音波流量計は、上記した上流側超音波振動子２と、下流側超音波振動子３と、これら上流側超音波振動子２及び下流側超音波振動子３の一方を送信機とし、他方を受信機として機能切替を行うための切替回路４と、超音波振動子２，３のいずれかを送信機として駆動するための信号を切替回路４を介して超音波振動子に加える振動子駆動回路５と、受信機用の超音波振動子より切替回路４を介して超音波信号を受信する受信回路６と、振動子駆動回路５より切替回路４を介して送信超音波振動子を指定して、超音波を発信させ、その超音波信号を受信超音波振動子、切替回路４より、受信回路６を経て取込み、流量信号を算出する制御演算を行う制御・演算部７と、を備えている。
【００２９】
もっとも、ここに示す円環式の超音波振動子２，３及び切替回路４，振動子駆動回路５，受信回路６及び制御・演算部７の基本的構成は、従来の伝送時間差式の超音波流量計の構成と、特に代わるものではなく、この実施形態超音波流量計の最も特徴とするところは、制御・演算部７が有する処理機能にある。
【００３０】
この実施形態超音波流量計において、制御・演算部７は、流量測定の開始時に、切替回路４をａ接点側に切り替えて、振動子駆動回路５より切替回路４を経て超音波振動子２を送信機として駆動させ、測定管１内を伝播する超音波を超音波振動子３で受信させ、受信回路６を経て取込み、下流側超音波伝播時間Ｔ１を計測し記憶する機能を備えている。
【００３１】
同様に、制御・演算部７は、切替回路４をｂ接点側に切替えて、下流側の超音波振動子３を送信機として機能させ、この超音波振動子２より上流側に向けて送信された超音波を超音波振動子２で受信させ、受信回路６を経て取込み上流側超音波伝播時間Ｔ２を計測しし記憶する機能を備えている。
【００３２】
制御・演算部７は、上記下流側超音波伝播時間Ｔ１、上流側超音波伝播時間Ｔ２及び両超音波振動子２，３間の距離Ｌに基づいて、伝播時間差ΔＴ、平均伝播時間Ｔ０、伝播速度ｃを算出する式
ΔＴ＝Ｔ２―Ｔ１ ・・・・・（６）
Ｔ０＝（Ｔ１＋Ｔ２）／２ ・・・・・（７）
ｃ＝Ｌ／Ｔ０ ・・・・・（８）
を算出しており、それぞれを算出する機能を備えている。換言すれば、制御・演算部７は、上記（６）、（７）及び（８）式により伝播時間差ΔＴ、伝播速度ｃを算出する第１の演算部としての機能を備えている。
【００３３】
また、制御・演算部７は、測定管１の外径ｂと内径ａ、測定管材のヤング係数Ｅとポアソン比σおよび測定管１を流れる流体の密度ρ１と超音波の伝播速度ｃからＧｒｏｅｎｗａｌｌの式（９）、
【数９】
及び、これに基づいて演算係数ｙを求める式（１０）、
【数１０】
を記憶しており、演算係数ｙを算出する機能を備えている。この点、制御・演算部７は、演算係数ｙを算出する第２の演算部としての機能を備えている。
【００３４】
さらに、制御・演算部７は、式（９）を流体音速ｃ０について書き直した下式（１１）
【数１１】
を記憶しており、流体音速ｃ０を算出する機能を備えている。この点、制御・演算部７は、流体音速ｃ０を超音波の伝播速度ｃの関数として表した式（１１）の導関数を計算する第３の演算部としての機能を備えている。
【００３５】
さらに、制御・演算部７は、式（１１）の関数ｆ（ｃ）を、微分した下式（１２）
【数１２】
を記憶しており、つまり、伝播時間差ΔＴ、超音波振動子間の距離Ｌ、伝播速度ｃ、流体音速ｃ０の導関数ｆ‘（ｃ）より流体流速ｖを算出する第４の演算部としての機能を備えている。制御・演算部７が、このような機能を備えることにより、この実施形態超音波流量計では、流体温度、流体物にかかわりなく、流体流速を正確に算出することができる。
なお、ここで、上記の流速ｖと伝播時間差ΔＴの関係式（１２）の導出を、下式（１３）〜（１８）に沿って説明する。
【００３６】
まず流速ｖに対応して伝播速度の微小変化Δｃが発生するとして、
Ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋Δｃ）、 Ｔ２＝Ｌ／（ｃ―Δｃ） ・・・・・（１３）
が成立する。
この両式から、Δｃを求めると、
【数１３】
下式を上式に代入すると
【数１４】
流体の音速ｃ０と伝播速度ｃとの関係は、前記定義で
ｃ０＝ｆ（ｃ） ・・・・・（１７）
と表現したので、その微分値は、
Δｃ０＝ｆ｀（ｃ）Δｃ ・・・・・（１８）
ここでｆ｀（ｃ）は、関数ｆ（ｃ）の導関数である。
【００３７】
また、流速ｖが流体の音速ｃ０の変化量に相当するので
ｖ＝ｆ｀（ｃ）Δｃ ・・・・・（１９）
したがって、（１８）式のΔｃに（１６）式を代入すると
【数１５】
を導出できる。
【００３８】
次に、図３に示すフロー図を参照して、実施形態超音波流量計の流速（流量）検出処理動作を説明する。処理が開始されると、先ずステップＳＴ１において、制御・演算部７より、切替回路４に対し切替信号を送り、切替回路４の各切替スイッチの接片をａ接点に投入する。このａ接点ＯＮにより、超音波振動子２が送信機に設定され、超音波振動子３が受信機に設定される。次にステップＳＴ２へ移行する。
【００３９】
ステップＳＴ２においては、制御・演算部７より送信指令が振動子駆動回路５に加えられ、この送信指令を受けて振動子駆動回路５は超音波振動子２を駆動する。これにより超音波振動子２より超音波信号が測定管１の下流方向に送信され超音波振動子３で受信され、切替回路４の接点ａより受信回路６を経て、制御・演算部７に取込まれる。これにより、制御・演算部７で超音波振動子２から超音波が送信されてから超音波振動子３で受信されるまでの下流方向超音波伝送時間Ｔ１が求められ、記憶される。次にステップＳＴ３へ移行する。
【００４０】
ステップＳＴ３においては、制御・演算部７より、切替回路４に対し切替信号を送り、切替回路４の各切替スイッチの接片をｂ接点に投入する。このｂ接点ＯＮにより、超音波振動子３が送信機に設定され、超音波振動子２が受信機に設定される。次にステップＳＴ４へ移行する。
【００４１】
ステップＳＴ４においては、制御・演算部７より送信指令が振動子駆動回路５に加えられ、この送信指令を受けて振動子駆動回路５は超音波振動子３を駆動する。これにより超音波振動子３より超音波信号が測定管１の上流方向に送信され超音波振動子２で受信され、切替回路４の接点ｂより受信回路６を経て、制御・演算部７に取込まれる。これにより、制御・演算部７で超音波振動子３から超音波が送信されてから超音波振動子２で受信されるまでの上流方向超音波伝送時間Ｔ２が求められ、記憶される。次にステップＳＴ５へ移行する。
【００４２】
ステップＳＴ５においては、式（６）を用いての差、つまり伝播時間差ΔＴを算出、記憶する。続いてステップＳＴ６へ移行する。ステップＳＴ６においては、式（７）を用いて、上流方向超音波伝送時間Ｔ２と下流方向超音波伝送時間Ｔ１の平均値、つまり平均伝播時間Ｔ０を算出記憶する。次に、ステップＳＴ７へ移行する。
【００４３】
ステップＳＴ７においては、２つの超音波振動子２，３間の距離Ｌが設定されているか否か判定する。新たな測定管１に設定した状態で、まだ、その振動子間距離Ｌが設定されていない場合は、ステップＳＴ８へ移行する。ステップＳＴ８においては、今回の振動子間距離Ｌを制御・演算部７に設定記憶する。設定記憶後、続いてステップＳＴ９へ移行する。一方、ステップＳＴ７において、振動子間距離Ｌが、すでに設定されている場合は、判定ＹＥＳで、ステップＳＴ８をスキップしてステップＳＴ９へ移行する。
【００４４】
ステップＳＴ９においては、式（８）を用いて、すなわち予め設定記憶してある超音波振動子間距離Ｌを平均伝播時間Ｔ０で除算して超音波の伝播速度ｃを算出、記憶する。次にステップＳＴ１０へ移行する。
【００４５】
ステップＳＴ１０においては、測定管１の材質・寸法に固有な部分に相当する定数Ａ、流体密度ρ１が設定されているか否か判定する。新たな測定管１に新たな流体を流し始める前であり、まだ定数Ａ、流体密度ρ１が設定されていない場合は、判定ＮＯでステップＳＴ１１へ移行する。
【００４６】
ステップＳＴ１１においては、定数Ａ、流体密度ρ１を制御・演算部７に設定記憶する。設定記憶後、続いてステップＳＴ１２へ移行する。一方、ステップＳＴ１０において、すでに定数Ａ、流体密度ρ１が記憶されている場合は、判定ＹＥＳでステップＳＴ１１をスキップしてステップＳＴ１２へ移行する。
【００４７】
ステップ１２においては、超音波振動子間の距離Ｌ、測定管の外径ｂと内径ａ、測定管材のヤング係数Ｅとポアソン比σおよび測定管内を流れる流体の密度ρ１と超音波の伝播速度ｃからＧｒｏｅｎｗａｌｌの式（９）に基づいて、（１０）式から、設定された定数Ａ、流体密度ρ１、及び伝播速度ｃを用い、演算係数ｙを算出、記憶する。次に、ステップＳＴ１３へ移行する。
【００４８】
ステップＳＴ１３においては、流体音速ｃ０を超音波の伝播速度ｃの関数とした式（１１）の導関数を計算する。続いてステップＳＴ１４へ移行する。
ステップＳＴ１４においては、式（１１）で求めた流体音速ｃ０＝ｆ（ｃ）を微分して導関数ｆ‘（ｃ）を算出する。次にステップＳＴ１５へ移行する。ステップＳＴ１５においては、式（１２）を用いて、伝播時間差ΔＴと、超音波伝播速度ｃと、超音波振動子間の距離Ｌと、導関数ｆ‘（ｃ）とにより、流体速度ｖを算出する。
【００４９】
次に、上記した、実施形態超音波流量計に対して、簡易な変形を加えて実施できる他の実施形態超音波流量計について説明する。
第１に、上記した流体の音速ｃ０と伝播速度ｃとの関係式、Ｇｒｏｅｎｗａｌｌの（９）式において、ｙの３次項以上を省いて実施しても良い。
【００５０】
このＧｒｏｅｎｗａｌｌの（９）式に定義されたｙの実際値は、測定管１として外径６ｍｍ、内径４ｍｍのＰＦＡチューブを利用すると、常温においてｙ＝０．１６であった。するとｙの３次項は、
ｙ＝０．００４
となり、１にくらべて無視できる。
したがって、Ｇｒｏｅｎｗａｌｌの（９）式において、ｙの３次項以上を省くと
【数１６】
また，ｙの値の、使用する測定管の材質・寸法によって測定時には一定値となる部分をＡとして、
【数１７】
と表すと、ｙは
【数１８】
と表現できる。
上記（１９）式のｙに（２１）式を代入すると
【数１９】
（２２）式を微分すると
【数２０】
式（１２）のｆ’（ｃ）として、（２３）式のΔｃを代入すると
【数２１】
となる。
【００５１】
上記ステップＳＴ１５の処理に相当する第４の演算部において、既知の数値である、流体密度ρ１、測定管の定数Ａ、超音波振動子間の距離Ｌと実測した伝播速度ｃ及び伝播時間差ΔＴから（２４）式を用いて流速ｖを算出する。
【００５２】
上記した、実施形態超音波流量計に対して、さらに簡易な変形を加えて実施できる他の実施形態超音波流量計について説明する。
超音波流量計に関し、工場出荷に際しては、水を用いて校正試験を実施するのが一般的である。実際の使用現場で測定液の種類が、工場校正試験の水と異なる場合には、上記（１０）式の演算係数ｙの値が異なるので、出荷時の目盛と食違いが生じる。
【００５３】
本願発明の他の実施形態として、上記（１０）式に現れる測定流体の密度ρ１を、現地でも設定入力出来るようにしておくことにより、測定流体の種類に依らず、一定精度の測定が可能となる。
さらに実際の使用現場で測定液の温度が、工場校正試験時と異なる場合には、上記（１０）式の演算係数ｙの値が、おもにヤング係数Ｅ及びポアソン比σの温度特性によって変化し、流速測定値が校正値からずれて来る。
【００５４】
本願発明の更に他の実施形態として、測定管の材質・寸法は製品型式として固定であるから、あらかじめ工場出荷以前に流す水の温度を変化させ、流体温度ｔ°Ｃに対応した上記（２０）式のＡ値の特性曲線を作成して、これを演算・制御部（演算装置）に組込んで記憶しておくことにより、現地で流体温度ｔ°Ｃを入力するだけで、その時の温度に対応したＡ値が得られ、このＡ値を設定入力しておき、これを用いて実測することにより、正確な流量測定を行うことができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 測定管
２ 上流側超音波振動子
３ 下流側超音波振動子
４ 切替回路
５ 振動子駆動回路
６ 受信回路
７ 制御・演算部回路
【技術分野】
【０００１】
この発明は、全長に亘って同径な測定管に、２個の円環状超音波振動子をその内周面が測定管に接触するように一定距離を隔てて設け、この２個の円環状超音波振動子を一方が超音波送信機、他方が超音波受信機として交互に作動させ、下流方向超音波伝播時間と、上流方向超音波伝播時間の時間差を測定して流速を算出する、いわゆる伝播時間差方式の超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、超音波流量計は、配管の外側から流量を測定でき、また測定に伴う圧力損失が全く無い、正逆いずれも流速ゼロから測定可能であるなどの優れた特徴がある。
超音波流量計には、伝播時間差方式とドップラー方式とがあるが、性能の安定した伝播時間差方式が一般的である。
【０００３】
伝播時間差方式の超音波流量計の一般的な形態としては、図４に示す斜め入射角方式の検出部の構造のように、２個のくさび型超音波振動子を管体の外面において斜めに向かい合わせの位置に設け、この２個の超音波振動子を一方が超音波送信機、他方が超音波受信機として交互に作動させるものであり、発生した超音波は、管内の流体中を流れに対して斜めに伝播する（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
上記のようなくさび型の超音波振動子により管体に対して斜めに超音波を打ち込む方法に対しては、管体の外径が小さくなるにつれ、測定間隔が短くなり、十分な測定精度が得られなかった。
【０００５】
このため、上流下流の超音波振動子の間隔を十分に取る目的で、図５に示すように管路を上流部および下流部で直角に曲げて、直角部の外面から管体の軸方向に、流速方向と平行に、超音波を伝播させる方法が広く用いられている。
しかし測定管の口径を更に小さくすると、管体の断面積が超音波振動子の振動断面積に比べ非常に小さくなり、管内の流体を伝播する超音波の割合が減少し、測定がますます困難になる。
【０００６】
そこで小口径管における流量測定を可能にするために、円環状の超音波振動子を使用することが行われている（例えば特許文献２参照）。
この超音波振動子は、図１に示すように、２個の円環状超音波振動子を真直ぐな測定管により貫通されるようにして管の外面に接触するように距離を隔てて装填したものである。
この形体を取ることにより、微小口径管においても超音波による流量測定が適用できることになった。
【０００７】
しかもこの方式では、超音波が真直ぐな管の断面全体を伝播するため乱流と層流のような流速分布の影響を受けないので数ミリ以下の測定管に微小流量を流す時にも平均流量が得られる長所がある。
【０００８】
さらに上下流に配置する一対の超音波流量計振動子の距離を十分な長さにとれることから、上流方向と下流方向への伝播時間の差を大きくできて、測定感度を高められるという長所がある。
【０００９】
ところで、伝播時間差方式超音波流量計の一般的な測定方法は、先ず上流側振動子から超音波を送信し、下流側振動子で受信する。このときの伝播時間をＴ１とする。次に送受信機を切替えて、下流側から超音波を送信し、上流側で受信する。このときの伝播時間をＴ２とする。
【００１０】
この時、上下流超音波振動子間の距離をＬ、超音波の伝播速度をｃ、流体の流速をｖとすると以下の式が成立する。
【００１１】
Ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋ｖ）、 Ｔ２＝Ｌ／（ｃ−ｖ） ・・・・・（１）
そこで、測定した上下流の伝播時間Ｔ１とＴ２から
Ｔ０＝（Ｔ１＋Ｔ２）／２ ・・・・・（２）
ｃ＝Ｌ／Ｔ０ ・・・・・（３）
【数１】
を演算し、（４）式から流体の流速ｖは、
【数２】
と表せる。
【００１２】
つまり、上下流伝播時間Ｔ１とＴ２を測定し、そこから伝播時間差ΔＴと伝播速度ｃを演算し、流体の流速ｖを算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平８−３１３３１７号公報
【特許文献２】特開平８−８６６７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記したように円環状の超音波振動子を使って測定管を介して超音波を伝播させる構造の場合は、超音波は測定管内の流体だけでなく、測定管自身を介しても伝播するものである。
【００１５】
そのため、実際、上記伝播速度ｃの値は、流体の音速とはかけ離れたものとなる。
例えば、測定管を外径６ｍｍ、内径４ｍｍのＰＦＡ管、流体を水として実測した場合、常温では、水の音速が１．５ｋｍ／ｓのところ、伝播速度ｃは約１．１５ｋｍ／ｓであった。
【００１６】
したがって、上記（１）式のように、伝播速度ｃが流速ｖによって、ｃ±ｖに変わるという前提が成立しない。上記（１）式は超音波の伝播が全て流体を介して行われると仮定した場合に限り適用できるものである。
実際、前述の外径６ｍｍ、内径４ｍｍのＰＦＡ管を用いて実測したところでは、水を介して伝播している超音波の割合は３割以下であった。
【００１７】
超音波流量計の基本前提である（１）式が崩れると、測定流体の温度変化や、測定流体の種類が変わると、一定温度の水で校正した流量計の指示値に大きな誤差が発生することになる。
【００１８】
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、上式（１）における伝播速度ｃと流速ｖの関係を正すことにより、流体温度や流体の種類によらず、正確かつ適正な流量測定をなし得る超音波流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記目的を達成するために、本発明の超音波流量計は、２個の円環状超音波振動子を、被測定流体を流す測定管により貫通されて測定管に接触するように距離を隔てて設け、前記２個の円環状超音波振動子を一方が超音波送信機、他方が超音波受信機として交互に作動させ、被測定流体の上流側の超音波振動子を超音波送信機としたときの下流方向超音波伝播時間と、被測定流体の下流側の超音波振動子を超音波送信機としたときの上流方向超音波伝播時間との時間差により流速を算出する超音波流量計において、下流方向超音波伝播時間Ｔ１、上流方向超音波伝播時間Ｔ２を測定する超音波伝播時間測定手段と、前記各測定結果を入力して下記（６）、（７）及び（８）式により伝播時間差ΔＴ、伝播速度ｃを算出する第１の演算部と、２個の超音波振動子間の距離Ｌ、測定管の外径ｂと内径ａ、測定管材のヤング係数Ｅとポアソン比σ及び測定管内を流れる流体の密度ρ１と超音波の伝播速度ｃからＧｒｏｅｎｗａｌｌの式（９）に基づいて演算係数ｙを算出する第２の演算部と、流体音速ｃ０を超音波の伝播速度ｃの関数として表した（１１）式の導関数を計算する第３の演算部と、前記伝播時間差ΔＴ、前記超音波振動子間の距離Ｌ、および前記超音波伝播速度ｃから下式（１２）により流体の流速ｖを算出する演算を行う第４の演算部とから構成されている。
【００２０】
【数３】
ここで、Ａの値は、測定管の材質・寸法に固有の部分を抜き出したものである。
【００２１】
ここで、（９）式を流体音速ｃ０について書き直し、関数f（ｃ）で表す。
【数４】
ここで、ｆ‘（ｃ）は関数ｆ（ｃ）の導関数である。
【００２２】
また、この発明の超音波流量計において、
前記Ｇｒｏｅｎｗａｌｌの式（９）のｙの３次項以上を省き、
【数５】
と近似化し、
前記第４の演算部では、測定管の材質・寸法の固有値となる部分を抜き出した
（２０）式の
【数６】
のＡの値と、振動子間距離Ｌ及び流体密度ρ１を設定し、
実測した伝播速度ｃおよびΔＴから（２４）式
【数７】
を演算して流速ｖを得るようにしても良い。
【００２３】
さらに、この発明の超音波流量計において、
前記第２の演算部において、（２０）式
【数８】
のＡの値を使用現場で直接設定入力するのではなく、測定管の材質・寸法は製品型式として固定であり、あらかじめ工場出荷以前に水の温度を変化させ、流体温度ｔ°Ｃに対応した上記（２０）式のＡ値の特性曲線を作成して、これを演算装置に組み込んでおき、現地で流体温度ｔ°Ｃを設定入力することにより、その時の温度に対応したＡ値を取り込めるようにした演算部を設けても良い。
【発明の効果】
【００２４】
この発明によれば、流速ｖと流速変化による伝播速度ｃの変化の関係を定めたことにより、工場出荷時の水による校正精度を、現場での流体の種類や流体温度の変化に対して広く適用できることにより、流体の種類や流体温度の如何によらず、正確かつ適正な流量測定をなし得ることができ、超音波流量計としての実用的価値を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】一実施形態に係る超音波流量計の検出部の構造を示す外観斜視図である。
【図２】同実施形態超音波流量計の回路構成を示す回路ブロック図である。
【図３】同実施形態超音波流量計の測定動作を説明するためのフロー図である。
【図４】従来の斜め入射角方式の超音波流量計を説明するための概略図である。
【図５】従来、使用されている９０度折り曲げ形検出部を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、実施の形態により、この発明をさらに詳細に説明する。図１はこの発明の一実施形態超音波流量計の超音波振動子の設置状態を示す外観斜視図である。この実施形態超音波流量計では、超音波振動子として、円環式の２個の超音波振動子２，３が流量を測定すべき流体を流す測定管１に、それぞれ内径部分が測定管１の外壁に接するように挿通され、所定の距離Ｌをおいて設置されている。
【００２７】
測定管１に、被測定流体が左方から右方に流される場合、図１において、超音波振動子２が上流側に設置される超音波振動子であり、右側の超音波振動子３が下流側に設置され る超音波振動子である。
【００２８】
図２は、この実施形態超音波流量計の基本的な回路構成を示す回路ブロック図である。この実施形態超音波流量計は、上記した上流側超音波振動子２と、下流側超音波振動子３と、これら上流側超音波振動子２及び下流側超音波振動子３の一方を送信機とし、他方を受信機として機能切替を行うための切替回路４と、超音波振動子２，３のいずれかを送信機として駆動するための信号を切替回路４を介して超音波振動子に加える振動子駆動回路５と、受信機用の超音波振動子より切替回路４を介して超音波信号を受信する受信回路６と、振動子駆動回路５より切替回路４を介して送信超音波振動子を指定して、超音波を発信させ、その超音波信号を受信超音波振動子、切替回路４より、受信回路６を経て取込み、流量信号を算出する制御演算を行う制御・演算部７と、を備えている。
【００２９】
もっとも、ここに示す円環式の超音波振動子２，３及び切替回路４，振動子駆動回路５，受信回路６及び制御・演算部７の基本的構成は、従来の伝送時間差式の超音波流量計の構成と、特に代わるものではなく、この実施形態超音波流量計の最も特徴とするところは、制御・演算部７が有する処理機能にある。
【００３０】
この実施形態超音波流量計において、制御・演算部７は、流量測定の開始時に、切替回路４をａ接点側に切り替えて、振動子駆動回路５より切替回路４を経て超音波振動子２を送信機として駆動させ、測定管１内を伝播する超音波を超音波振動子３で受信させ、受信回路６を経て取込み、下流側超音波伝播時間Ｔ１を計測し記憶する機能を備えている。
【００３１】
同様に、制御・演算部７は、切替回路４をｂ接点側に切替えて、下流側の超音波振動子３を送信機として機能させ、この超音波振動子２より上流側に向けて送信された超音波を超音波振動子２で受信させ、受信回路６を経て取込み上流側超音波伝播時間Ｔ２を計測しし記憶する機能を備えている。
【００３２】
制御・演算部７は、上記下流側超音波伝播時間Ｔ１、上流側超音波伝播時間Ｔ２及び両超音波振動子２，３間の距離Ｌに基づいて、伝播時間差ΔＴ、平均伝播時間Ｔ０、伝播速度ｃを算出する式
ΔＴ＝Ｔ２―Ｔ１ ・・・・・（６）
Ｔ０＝（Ｔ１＋Ｔ２）／２ ・・・・・（７）
ｃ＝Ｌ／Ｔ０ ・・・・・（８）
を算出しており、それぞれを算出する機能を備えている。換言すれば、制御・演算部７は、上記（６）、（７）及び（８）式により伝播時間差ΔＴ、伝播速度ｃを算出する第１の演算部としての機能を備えている。
【００３３】
また、制御・演算部７は、測定管１の外径ｂと内径ａ、測定管材のヤング係数Ｅとポアソン比σおよび測定管１を流れる流体の密度ρ１と超音波の伝播速度ｃからＧｒｏｅｎｗａｌｌの式（９）、
【数９】
及び、これに基づいて演算係数ｙを求める式（１０）、
【数１０】
を記憶しており、演算係数ｙを算出する機能を備えている。この点、制御・演算部７は、演算係数ｙを算出する第２の演算部としての機能を備えている。
【００３４】
さらに、制御・演算部７は、式（９）を流体音速ｃ０について書き直した下式（１１）
【数１１】
を記憶しており、流体音速ｃ０を算出する機能を備えている。この点、制御・演算部７は、流体音速ｃ０を超音波の伝播速度ｃの関数として表した式（１１）の導関数を計算する第３の演算部としての機能を備えている。
【００３５】
さらに、制御・演算部７は、式（１１）の関数ｆ（ｃ）を、微分した下式（１２）
【数１２】
を記憶しており、つまり、伝播時間差ΔＴ、超音波振動子間の距離Ｌ、伝播速度ｃ、流体音速ｃ０の導関数ｆ‘（ｃ）より流体流速ｖを算出する第４の演算部としての機能を備えている。制御・演算部７が、このような機能を備えることにより、この実施形態超音波流量計では、流体温度、流体物にかかわりなく、流体流速を正確に算出することができる。
なお、ここで、上記の流速ｖと伝播時間差ΔＴの関係式（１２）の導出を、下式（１３）〜（１８）に沿って説明する。
【００３６】
まず流速ｖに対応して伝播速度の微小変化Δｃが発生するとして、
Ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋Δｃ）、 Ｔ２＝Ｌ／（ｃ―Δｃ） ・・・・・（１３）
が成立する。
この両式から、Δｃを求めると、
【数１３】
下式を上式に代入すると
【数１４】
流体の音速ｃ０と伝播速度ｃとの関係は、前記定義で
ｃ０＝ｆ（ｃ） ・・・・・（１７）
と表現したので、その微分値は、
Δｃ０＝ｆ｀（ｃ）Δｃ ・・・・・（１８）
ここでｆ｀（ｃ）は、関数ｆ（ｃ）の導関数である。
【００３７】
また、流速ｖが流体の音速ｃ０の変化量に相当するので
ｖ＝ｆ｀（ｃ）Δｃ ・・・・・（１９）
したがって、（１８）式のΔｃに（１６）式を代入すると
【数１５】
を導出できる。
【００３８】
次に、図３に示すフロー図を参照して、実施形態超音波流量計の流速（流量）検出処理動作を説明する。処理が開始されると、先ずステップＳＴ１において、制御・演算部７より、切替回路４に対し切替信号を送り、切替回路４の各切替スイッチの接片をａ接点に投入する。このａ接点ＯＮにより、超音波振動子２が送信機に設定され、超音波振動子３が受信機に設定される。次にステップＳＴ２へ移行する。
【００３９】
ステップＳＴ２においては、制御・演算部７より送信指令が振動子駆動回路５に加えられ、この送信指令を受けて振動子駆動回路５は超音波振動子２を駆動する。これにより超音波振動子２より超音波信号が測定管１の下流方向に送信され超音波振動子３で受信され、切替回路４の接点ａより受信回路６を経て、制御・演算部７に取込まれる。これにより、制御・演算部７で超音波振動子２から超音波が送信されてから超音波振動子３で受信されるまでの下流方向超音波伝送時間Ｔ１が求められ、記憶される。次にステップＳＴ３へ移行する。
【００４０】
ステップＳＴ３においては、制御・演算部７より、切替回路４に対し切替信号を送り、切替回路４の各切替スイッチの接片をｂ接点に投入する。このｂ接点ＯＮにより、超音波振動子３が送信機に設定され、超音波振動子２が受信機に設定される。次にステップＳＴ４へ移行する。
【００４１】
ステップＳＴ４においては、制御・演算部７より送信指令が振動子駆動回路５に加えられ、この送信指令を受けて振動子駆動回路５は超音波振動子３を駆動する。これにより超音波振動子３より超音波信号が測定管１の上流方向に送信され超音波振動子２で受信され、切替回路４の接点ｂより受信回路６を経て、制御・演算部７に取込まれる。これにより、制御・演算部７で超音波振動子３から超音波が送信されてから超音波振動子２で受信されるまでの上流方向超音波伝送時間Ｔ２が求められ、記憶される。次にステップＳＴ５へ移行する。
【００４２】
ステップＳＴ５においては、式（６）を用いての差、つまり伝播時間差ΔＴを算出、記憶する。続いてステップＳＴ６へ移行する。ステップＳＴ６においては、式（７）を用いて、上流方向超音波伝送時間Ｔ２と下流方向超音波伝送時間Ｔ１の平均値、つまり平均伝播時間Ｔ０を算出記憶する。次に、ステップＳＴ７へ移行する。
【００４３】
ステップＳＴ７においては、２つの超音波振動子２，３間の距離Ｌが設定されているか否か判定する。新たな測定管１に設定した状態で、まだ、その振動子間距離Ｌが設定されていない場合は、ステップＳＴ８へ移行する。ステップＳＴ８においては、今回の振動子間距離Ｌを制御・演算部７に設定記憶する。設定記憶後、続いてステップＳＴ９へ移行する。一方、ステップＳＴ７において、振動子間距離Ｌが、すでに設定されている場合は、判定ＹＥＳで、ステップＳＴ８をスキップしてステップＳＴ９へ移行する。
【００４４】
ステップＳＴ９においては、式（８）を用いて、すなわち予め設定記憶してある超音波振動子間距離Ｌを平均伝播時間Ｔ０で除算して超音波の伝播速度ｃを算出、記憶する。次にステップＳＴ１０へ移行する。
【００４５】
ステップＳＴ１０においては、測定管１の材質・寸法に固有な部分に相当する定数Ａ、流体密度ρ１が設定されているか否か判定する。新たな測定管１に新たな流体を流し始める前であり、まだ定数Ａ、流体密度ρ１が設定されていない場合は、判定ＮＯでステップＳＴ１１へ移行する。
【００４６】
ステップＳＴ１１においては、定数Ａ、流体密度ρ１を制御・演算部７に設定記憶する。設定記憶後、続いてステップＳＴ１２へ移行する。一方、ステップＳＴ１０において、すでに定数Ａ、流体密度ρ１が記憶されている場合は、判定ＹＥＳでステップＳＴ１１をスキップしてステップＳＴ１２へ移行する。
【００４７】
ステップ１２においては、超音波振動子間の距離Ｌ、測定管の外径ｂと内径ａ、測定管材のヤング係数Ｅとポアソン比σおよび測定管内を流れる流体の密度ρ１と超音波の伝播速度ｃからＧｒｏｅｎｗａｌｌの式（９）に基づいて、（１０）式から、設定された定数Ａ、流体密度ρ１、及び伝播速度ｃを用い、演算係数ｙを算出、記憶する。次に、ステップＳＴ１３へ移行する。
【００４８】
ステップＳＴ１３においては、流体音速ｃ０を超音波の伝播速度ｃの関数とした式（１１）の導関数を計算する。続いてステップＳＴ１４へ移行する。
ステップＳＴ１４においては、式（１１）で求めた流体音速ｃ０＝ｆ（ｃ）を微分して導関数ｆ‘（ｃ）を算出する。次にステップＳＴ１５へ移行する。ステップＳＴ１５においては、式（１２）を用いて、伝播時間差ΔＴと、超音波伝播速度ｃと、超音波振動子間の距離Ｌと、導関数ｆ‘（ｃ）とにより、流体速度ｖを算出する。
【００４９】
次に、上記した、実施形態超音波流量計に対して、簡易な変形を加えて実施できる他の実施形態超音波流量計について説明する。
第１に、上記した流体の音速ｃ０と伝播速度ｃとの関係式、Ｇｒｏｅｎｗａｌｌの（９）式において、ｙの３次項以上を省いて実施しても良い。
【００５０】
このＧｒｏｅｎｗａｌｌの（９）式に定義されたｙの実際値は、測定管１として外径６ｍｍ、内径４ｍｍのＰＦＡチューブを利用すると、常温においてｙ＝０．１６であった。するとｙの３次項は、
ｙ＝０．００４
となり、１にくらべて無視できる。
したがって、Ｇｒｏｅｎｗａｌｌの（９）式において、ｙの３次項以上を省くと
【数１６】
また，ｙの値の、使用する測定管の材質・寸法によって測定時には一定値となる部分をＡとして、
【数１７】
と表すと、ｙは
【数１８】
と表現できる。
上記（１９）式のｙに（２１）式を代入すると
【数１９】
（２２）式を微分すると
【数２０】
式（１２）のｆ’（ｃ）として、（２３）式のΔｃを代入すると
【数２１】
となる。
【００５１】
上記ステップＳＴ１５の処理に相当する第４の演算部において、既知の数値である、流体密度ρ１、測定管の定数Ａ、超音波振動子間の距離Ｌと実測した伝播速度ｃ及び伝播時間差ΔＴから（２４）式を用いて流速ｖを算出する。
【００５２】
上記した、実施形態超音波流量計に対して、さらに簡易な変形を加えて実施できる他の実施形態超音波流量計について説明する。
超音波流量計に関し、工場出荷に際しては、水を用いて校正試験を実施するのが一般的である。実際の使用現場で測定液の種類が、工場校正試験の水と異なる場合には、上記（１０）式の演算係数ｙの値が異なるので、出荷時の目盛と食違いが生じる。
【００５３】
本願発明の他の実施形態として、上記（１０）式に現れる測定流体の密度ρ１を、現地でも設定入力出来るようにしておくことにより、測定流体の種類に依らず、一定精度の測定が可能となる。
さらに実際の使用現場で測定液の温度が、工場校正試験時と異なる場合には、上記（１０）式の演算係数ｙの値が、おもにヤング係数Ｅ及びポアソン比σの温度特性によって変化し、流速測定値が校正値からずれて来る。
【００５４】
本願発明の更に他の実施形態として、測定管の材質・寸法は製品型式として固定であるから、あらかじめ工場出荷以前に流す水の温度を変化させ、流体温度ｔ°Ｃに対応した上記（２０）式のＡ値の特性曲線を作成して、これを演算・制御部（演算装置）に組込んで記憶しておくことにより、現地で流体温度ｔ°Ｃを入力するだけで、その時の温度に対応したＡ値が得られ、このＡ値を設定入力しておき、これを用いて実測することにより、正確な流量測定を行うことができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 測定管
２ 上流側超音波振動子
３ 下流側超音波振動子
４ 切替回路
５ 振動子駆動回路
６ 受信回路
７ 制御・演算部回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２個の円環状超音波振動子を、被測定流体を流す測定管により貫通されて測定管に接触するように距離を隔てて設け、前記２個の円環状超音波振動子を一方が超音波送信機、他方が超音波受信機として交互に作動させ、被測定流体の上流側の超音波振動子を超音波送信機としたときの下流方向超音波伝播時間と、被測定流体の下流側の超音波振動子を超音波送信機としたときの上流方向超音波伝播時間との時間差により流速を算出する超音波流量計において、下流方向超音波伝播時間Ｔ１、上流方向超音波伝播時間Ｔ２を測定する超音波伝播時間測定手段と、前記各測定結果を入力して下記（６）、（７）及び（８）式により伝播時間差ΔＴ、伝播速度ｃを算出する第１の演算部と、２個の超音波振動子間の距離Ｌ、測定管の外径ｂと内径ａ、測定管材のヤング係数Ｅとポアソン比σ及び測定管内を流れる流体の密度ρ１と超音波の伝播速度ｃからＧｒｏｅｎｗａｌｌの式（９）に基づいて演算係数ｙを算出する第２の演算部と、流体音速coを超音波の伝播速度ｃの関数として表した（１１）式の導関数を計算する第３の演算部と、そして、前記伝播時間差ΔＴ、前記超音波振動子間距離Ｌ、および前記超音波伝播速度ｃから下式（１２）により流体の流速ｖを算出する演算を行う第４の演算部とから構成されることを特徴とする超音波流量計。
【数１】
ここで、ｆ‘（ｃ）は関数ｆ（ｃ）の導関数である。
【請求項２】
前記Ｇｒｏｅｎｗａｌｌの式（９）のｙの３次項以上を省き
【数２】
と近似化し、
前記第４の演算部では、測定管の材質・寸法の固有値となる部分を抜き出した
（２０）式の
【数３】
のＡの値と、振動子間距離Ｌ及び流体密度ρ１を設定し、
実測した伝播速度ｃおよびΔＴから（２４）式
【数４】
を演算して流速ｖを得ることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計
【請求項３】
前記第２の演算部において、（２０）式
【数５】
のＡの値を使用現場で直接設定入力するのではなく、測定管の材質・寸法は製品型式として固定であり、あらかじめ工場出荷以前に水の温度を変化させ、流体温度ｔ°Ｃに対応した上記（２０）式のＡ値の特性曲線を作成して、これを演算装置を組み込んでおき、現地で流体温度ｔ°Ｃを設定入力することにより、その時の温度に対応したＡ値を取り込めるようにした演算部を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波流量計
【請求項１】
２個の円環状超音波振動子を、被測定流体を流す測定管により貫通されて測定管に接触するように距離を隔てて設け、前記２個の円環状超音波振動子を一方が超音波送信機、他方が超音波受信機として交互に作動させ、被測定流体の上流側の超音波振動子を超音波送信機としたときの下流方向超音波伝播時間と、被測定流体の下流側の超音波振動子を超音波送信機としたときの上流方向超音波伝播時間との時間差により流速を算出する超音波流量計において、下流方向超音波伝播時間Ｔ１、上流方向超音波伝播時間Ｔ２を測定する超音波伝播時間測定手段と、前記各測定結果を入力して下記（６）、（７）及び（８）式により伝播時間差ΔＴ、伝播速度ｃを算出する第１の演算部と、２個の超音波振動子間の距離Ｌ、測定管の外径ｂと内径ａ、測定管材のヤング係数Ｅとポアソン比σ及び測定管内を流れる流体の密度ρ１と超音波の伝播速度ｃからＧｒｏｅｎｗａｌｌの式（９）に基づいて演算係数ｙを算出する第２の演算部と、流体音速coを超音波の伝播速度ｃの関数として表した（１１）式の導関数を計算する第３の演算部と、そして、前記伝播時間差ΔＴ、前記超音波振動子間距離Ｌ、および前記超音波伝播速度ｃから下式（１２）により流体の流速ｖを算出する演算を行う第４の演算部とから構成されることを特徴とする超音波流量計。
【数１】
ここで、ｆ‘（ｃ）は関数ｆ（ｃ）の導関数である。
【請求項２】
前記Ｇｒｏｅｎｗａｌｌの式（９）のｙの３次項以上を省き
【数２】
と近似化し、
前記第４の演算部では、測定管の材質・寸法の固有値となる部分を抜き出した
（２０）式の
【数３】
のＡの値と、振動子間距離Ｌ及び流体密度ρ１を設定し、
実測した伝播速度ｃおよびΔＴから（２４）式
【数４】
を演算して流速ｖを得ることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計
【請求項３】
前記第２の演算部において、（２０）式
【数５】
のＡの値を使用現場で直接設定入力するのではなく、測定管の材質・寸法は製品型式として固定であり、あらかじめ工場出荷以前に水の温度を変化させ、流体温度ｔ°Ｃに対応した上記（２０）式のＡ値の特性曲線を作成して、これを演算装置を組み込んでおき、現地で流体温度ｔ°Ｃを設定入力することにより、その時の温度に対応したＡ値を取り込めるようにした演算部を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波流量計
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−２４６２０（Ｐ２０１３−２４６２０Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５７３８９（Ｐ２０１１−１５７３８９）
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（５９１２６４４２９）コフロック株式会社 (7)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（５９１２６４４２９）コフロック株式会社 (7)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]