JPH0584850B2 - - Google Patents
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- JPH0584850B2 JPH0584850B2 JP62066819A JP6681987A JPH0584850B2 JP H0584850 B2 JPH0584850 B2 JP H0584850B2 JP 62066819 A JP62066819 A JP 62066819A JP 6681987 A JP6681987 A JP 6681987A JP H0584850 B2 JPH0584850 B2 JP H0584850B2
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、超音波流速測定方法およびその装置
に係り、とくに配管の外面に超音波送受波器を装
着して内部の流速を測定する超音波流速測定方法
およびその装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an ultrasonic flow velocity measurement method and an apparatus therefor, and particularly relates to an ultrasonic flow velocity measurement method and an apparatus for measuring the flow velocity inside a pipe by attaching an ultrasonic transducer to the outer surface of the pipe. The present invention relates to a method and device for measuring a sound wave velocity.
従来例を第9図に示す。この第9図の従来例に
おいて、一方の超音波送受波器50の超音波振動
子51から下流側に向けて出力される超音波は、
伝播経路l1,l2,l3,l4、及びl5を経て他方の超音
波送受波器60の超音波振動子61に至る。そし
て、この場合に要する伝播時間をtdとする。
A conventional example is shown in FIG. In the conventional example shown in FIG. 9, the ultrasonic waves output toward the downstream side from the ultrasonic transducer 51 of one ultrasonic transducer 50 are as follows:
It reaches the ultrasonic transducer 61 of the other ultrasonic transducer 60 via propagation paths l 1 , l 2 , l 3 , l 4 , and l 5 . Then, let t d be the propagation time required in this case.
また、他方の超音波送受波器60の超音波振動
子61から上流側に向けて出力される超音波は、
伝播経路l5,l4,l3,l2、及びl1を経て一方の超音
波送受波器50の超音波振動子51に至る。そし
て、この場合の伝播時間をtuとする。 Further, the ultrasonic waves outputted toward the upstream side from the ultrasonic transducer 61 of the other ultrasonic transducer 60 are as follows:
It reaches the ultrasonic transducer 51 of one ultrasonic transducer 50 via propagation paths l 5 , l 4 , l 3 , l 2 , and l 1 . In this case, let the propagation time be t u .
この場合、配管3内の流速は、次式にて求ま
る。 In this case, the flow velocity in the pipe 3 is determined by the following equation.
V=(C2/2Dtanθ)・(tu−td)
ここで、Dは配管3の内径、θは流動体中の屈
折角、Cは流動体の音速を示す。 V=(C 2 /2Dtanθ)·(t u −t d ) Here, D is the inner diameter of the pipe 3, θ is the refraction angle in the fluid, and C is the sound speed of the fluid.
この結果、流動体の音速が予め確定しているも
のについては、上式に基づいて配管3内の流動体
の流速を比較的容易に測定することができ、同時
に配管3の内径が明らかとなつていることから配
管3内の流動体の流量も極く容易に求め得るよう
になつている。 As a result, if the sound velocity of the fluid is determined in advance, the flow velocity of the fluid in the pipe 3 can be measured relatively easily based on the above equation, and at the same time, the inner diameter of the pipe 3 can be determined. Therefore, the flow rate of the fluid in the pipe 3 can be determined very easily.
しかしながら、かかる従来例においては、配管
3内の流動体の音速が不明なもの、特に音速測定
用のサンプルを採取し得ないものについては、そ
の流動体の流速及び流量を全く測定することがで
きないという本質的欠点を常に備えていた。
However, in such conventional examples, if the sound velocity of the fluid in the pipe 3 is unknown, especially if a sample for measuring the sound velocity cannot be collected, the flow velocity and flow rate of the fluid cannot be measured at all. It has always had this essential flaw.
本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善
し、配管内の流動体の音速が全く不明であつても
当該配管内の流動体の音速を温度誤差を伴うこと
なく高精度に測定することのできる超音波流速測
定方法およびその装置を提供することを、その目
的とする。
The present invention improves the disadvantages of the conventional example and makes it possible to measure the sound velocity of the fluid in the pipe with high accuracy without temperature error even if the sound velocity of the fluid in the pipe is completely unknown. The object of the present invention is to provide an ultrasonic flow velocity measuring method and an apparatus therefor.
そこで、本発明では、超音波の伝播線上に沿つ
て配管の上流側と下流側にそれぞれ超音波送受波
器を固定装備したのち、当該配管の外壁から超音
波を交互に斜入射させて測定時における管壁部分
の超音波による位相速度Vpと群速度Vgとを測定
する。これらの測定に相前後して、前記上流側か
ら下流側へまたは下流側から上流側へ各々発振さ
れる超音波がそれぞれ管壁内もしくは管内流動体
を伝播して受信されるまでの時間と、それより管
内流動体中をN行程(N=2,4,6,……)多
く経て受信されるまでの時間との差Δtu,Δtdを
それぞれ測定する。これらの測定値に基づいて予
め特定された所定の関数すなわち、
f1(Vp,Vg,Δtu,Δtd,C)=0
を演算して管内流動体の音速Cを算定する。次
に、この演算により特定されるリアルタイムの音
速Cと前記各測定値Vp,Vg,Δtu,Δtdとに基づ
いて他の関数すなわち、
V=f2(Vp,Vg,Δtu,Δtd,C)
を演算して配管内流動体の流速を算定する等の構
成を採つている。
Therefore, in the present invention, ultrasonic transducers are fixedly installed on the upstream and downstream sides of the piping along the ultrasonic propagation line, and then ultrasonic waves are alternately obliquely incident from the outer wall of the piping during measurement. Measure the phase velocity V p and group velocity V g due to the ultrasonic waves in the tube wall portion at . Before and after these measurements, the time it takes for the ultrasonic waves oscillated from the upstream side to the downstream side or from the downstream side to the upstream side to propagate within the pipe wall or the fluid in the pipe and to be received, Then, the difference Δt u and Δt d from the time taken until the signal is received after passing through the fluid in the pipe for N strokes (N=2, 4, 6, . . . ) are measured, respectively. Based on these measured values, a predetermined function specified in advance, ie, f 1 (V p , V g , Δt u , Δt d , C)=0, is calculated to calculate the sound speed C of the fluid in the pipe. Next, based on the real-time sound speed C specified by this calculation and the measured values V p , V g , Δt u , Δt d , another function, namely, V=f 2 (V p , V g , Δt The configuration is such that the flow velocity of the fluid in the pipe is calculated by calculating u , Δt d , C).
以下、本発明の一実施例を図面に従つて説明す
る。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
第1図において、1は配管3の上流側に装備さ
れた一方の超音波送受波器を示し、2は同じく配
管3の下流側に装備された他方の超音波送受波器
を示す。この内、前記一方の超音波送受波器1
は、図に示すように超音波を配管3へ斜入射せし
めるためのクサビ部材1Aと振動子1Bとを備え
ている。また、他方の超音波送受波器2も同一に
形成されたクサビ部材2Aと振動子2Bとを備え
ている。 In FIG. 1, 1 indicates one ultrasonic transducer installed on the upstream side of piping 3, and 2 indicates the other ultrasonic transducer similarly installed on the downstream side of piping 3. Among these, the one ultrasonic transducer 1
As shown in the figure, the apparatus includes a wedge member 1A and a vibrator 1B for obliquely injecting ultrasonic waves into the piping 3. Further, the other ultrasonic transducer 2 also includes a wedge member 2A and a vibrator 2B that are formed in the same manner.
これらの各超音波送受波器1,2の各々は、送
受信切換部10を介して発信回路部11及び受信
回路部12に各別に接続されている。この第1図
においては、配管3内の液体は図の左方から右方
へ流動する場合が示されている。 Each of these ultrasonic transducers 1 and 2 is separately connected to a transmitting circuit section 11 and a receiving circuit section 12 via a transmitting/receiving switching section 10. In FIG. 1, a case is shown in which the liquid in the pipe 3 flows from the left to the right in the figure.
前記超音波送受波器1,2の各々においては、
配管3内の流速に応じて第2図に示す如き繰り返
し信号が受信される。 In each of the ultrasonic transducers 1 and 2,
Depending on the flow velocity in the pipe 3, a repeating signal as shown in FIG. 2 is received.
この第2図において、同図1のN=0の波は、
第1図に示す経路l1,l2,l7,l5及びl6の順に伝播
し、流動体中を通過することなく他方の超音波送
受波器2に到達する受信波を示す。一方、同図2
のN=0の波は、超音波送受波器2から発射され
た超音波が第1図に示す経路l6,l5,l7,l2及びl1
の順に伝播し、流動体中を通過することなく一方
の超音波送受波器1に到達する受信波、すなわち
同じ通過領域を逆方向に伝播する超音波信号波を
示す。 In this figure 2, the wave of N=0 in figure 1 is
1 shows received waves that propagate in the order of paths l 1 , l 2 , l 7 , l 5 and l 6 shown in FIG. 1 and reach the other ultrasonic transducer 2 without passing through the fluid. On the other hand, Figure 2
The wave of N=0 is the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic transducer 2 along the paths l 6 , l 5 , l 7 , l 2 and l 1 shown in FIG.
This shows a received wave that propagates in the order of , and reaches one of the ultrasonic transducers 1 without passing through the fluid, that is, an ultrasonic signal wave that propagates in the opposite direction through the same passage area.
また、第2図1のN=2の波は、超音波が第1
図における配管3の上側の管壁部分から一度流動
体4内に漏洩し、流動体4中を伝播して配管部3
における下側の管壁部分に入射し、同管壁部分を
伝播しながら再度流動体4内へ漏洩伝播して配管
部3の上側の管壁部分に入射し、続いて上側の管
壁部分を伝播して超音波送受波器2に到達する波
を示す。すなわち、N=2の波は流動体中の伝播
行程が2行程となる受信波を示す。一方、同図2
におけるN=2の波は、流動体中を第1図1にお
けるN=2の波の逆方向を伝播する伝播行程が2
行程の受信波を示す。 In addition, the wave of N=2 in FIG.
It leaks once into the fluid 4 from the upper pipe wall portion of the pipe 3 in the figure, propagates through the fluid 4, and then leaks into the pipe section 3.
It enters the lower pipe wall part of the pipe, propagates through the same pipe wall part, leaks and propagates again into the fluid 4, enters the upper pipe wall part of the piping part 3, and then passes through the upper pipe wall part. A wave propagating and reaching the ultrasonic transducer 2 is shown. That is, a wave with N=2 indicates a received wave whose propagation path in the fluid is two. On the other hand, Figure 2
The wave of N=2 in FIG.
Shows the received waves of the journey.
同様に、N=4の波は、流動体中の経路が4行
程となる受信波を示す。 Similarly, a wave with N=4 indicates a received wave whose path through the fluid is four strokes.
この内、上流側の超音波送受波器1から下流側
に向けて超音波を発射した場合に下流側の超音波
送受波器2に受信される各受信波の伝播時間td
(d=1,2,4,……)は、第1図においては
次式で表わされる。 Among these, when ultrasonic waves are emitted from the upstream ultrasonic transducer 1 toward the downstream side, the propagation time t d of each received wave received by the downstream ultrasonic transducer 2
(d=1, 2, 4, . . . ) is expressed by the following equation in FIG.
td=〔(L−ND・tanθ)/Vg〕+
〔(ND/cosθ)/(C+V・sinθ)〕
+τ1+τ2 ……
θ=sin-1(C/Vp) ……
但し、
L:超音波送受波器相互間の間隔
N:流動体中の伝播行程数(往復の場合はN=
2となる)
Vg:配管部を伝播する超音波の群速度
Vp:配管部を伝播する超音波の位相速度
θ:第1図に示す超音波の漏洩伝播角
τ1,τ2:超音波が超音波送受波器内を通過する
のに要する時間
一方、下流側の超音波送受波器2から上流側に
向けて超音波が発射された場合に上流側の超音波
送受波器1に受信される受信波の全伝播時間tu
(u=1,3,5,……)は、式と同様に次
式で表わされる。 t d = [(L-ND・tanθ)/V g ]+ [(ND/cosθ)/(C+V・sinθ)] +τ 1 +τ 2 ... θ=sin -1 (C/V p ) ... However, L: Distance between ultrasonic transducers N: Number of propagation strokes in the fluid (for round trip, N =
2) V g : Group velocity of the ultrasonic wave propagating in the piping section V p : Phase velocity of the ultrasonic wave propagating in the piping section θ : Leakage propagation angle of the ultrasonic wave shown in Fig. 1 τ 1 , τ 2 : Ultrasonic wave velocity Time required for sound waves to pass through the ultrasonic transducer 1 On the other hand, when ultrasonic waves are emitted from the downstream ultrasonic transducer 2 toward the upstream side, The total propagation time t u of the received wave
(u=1, 3, 5, . . . ) is expressed by the following equation similarly to the equation.
tu=〔(L−ND・tanθ)/Vg〕+
〔(ND/cosθ)/(C−V・sinθ)〕
+τ1+τ2 ……
但し、L,N,Vg,Vp,θ及びτ1,τ2は、式
の場合と同じ。 t u = [(L-ND・tanθ)/V g ]+ [(ND/cosθ)/(C-V・sinθ)] +τ 1 +τ 2 ... However, L, N, V g , V p , θ and τ 1 and τ 2 are the same as in Eq.
これらの受信波は、N=0,N=2,N=4の
順で受信回路部12及び信号選択手段13Aを介
して計時手段13でそれぞれ計時されたのち、そ
の伝播時間に係る情報が第1のメモリ14へ送ら
れるようになつている。 These received waves are clocked in the order of N=0, N=2, N=4 by the clocking means 13 via the receiving circuit section 12 and the signal selection means 13A, and then the information regarding the propagation time is 1 memory 14.
次に、流動体中経路の行程がM行程異なる2つ
の受信波の伝播時間差Δtd,Δtuは、
Δtd=(−MD・tanθ/Vg)+
〔(MD/cosθ)/(C+V・sinθ)〕 ……
Δtu=(−MD・tanθ/Vg〕+
〔(MD/cosθ)/(C−V・sinθ)〕 ……
ここで、M=2の場合、第2図との関係では、
Δtd=2td=t2−t1=t4−t2
Δtu=2tu=t3−t1=t5−t3
となる。 Next, the propagation time difference Δt d and Δt u of the two received waves whose paths in the fluid differ by M distances is Δt d = (−MD・tanθ/V g )+ [(MD/cosθ)/(C+V・sinθ)] ... Δt u = (-MD・tanθ/V g ]+ [(MD/cosθ)/(CV・sinθ)] ... Here, if M=2, the relationship with Fig. 2 Then, Δt d =2t d =t 2 −t 1 =t 4 −t 2 Δt u =2t u =t 3 −t 1 =t 5 −t 3 .
この式の演算は時間差算定手段15で行わ
れ、その結果が第2のメモリ16に記憶されるよ
うになつている。この式より、流動体の音速
Cは、次式の根として算出し得る。 The calculation of this equation is performed by the time difference calculation means 15, and the result is stored in the second memory 16. From this equation, the sound speed C of the fluid can be calculated as the root of the following equation.
f1(Vp,Vg,Δtu,Δtd,C)
=(1+αVg 2)C4−(2VpVg+
αVp 2Vg 2)C2+Vp 2Vg 2=0 ……
α=(Δtu+Δtd)2/4M2D2
かかる式の演算は、第1演算部17で行わ
れ、その結果が第2のメモリ16へ送られ、同時
に表示手段18で表示されるようになつている。 f 1 (V p , V g , Δt u , Δt d , C) = (1+αV g 2 )C 4 −(2V p V g + αV p 2 V g 2 )C 2 +V p 2 V g 2 =0… ...α=(Δt u +Δt d ) 2 /4M 2 D 2 The calculation of this formula is performed in the first calculation unit 17, and the result is sent to the second memory 16 and displayed on the display means 18 at the same time. It's becoming like that.
この第2のメモリ16は、音速Cのデータを入
力すると直ちに他の記憶されている全データ、即
ち配管3の超音波の位相速度Vpおよび群速度Vg
と、伝播時間差に係る2つのデータΔtdおよび
Δtuとともに、音速Cのデータを再び第2演算部
17へ送り込むようになつている。この場合、第
2演算部17では、下式の演算が行われる。 This second memory 16 immediately inputs all other stored data, namely the phase velocity V p and group velocity V g of the ultrasonic wave of the pipe 3.
Then, data on the speed of sound C is sent to the second calculation unit 17 again along with two data Δt d and Δt u related to the propagation time difference. In this case, the second calculation unit 17 performs the following calculation.
V=f2(Vp,Vg,Δtu,Δtd,C)
=〔Vp−(C2/Vg)〕・
(Δtu−Δtd)/(Δtu+Δtd)……′
これによつて、当該配管3内の流動体4の流速
が直ちに算定され、その結果が表示手段18へ送
られる。表示手段18では、この流速データとと
もに当該流速データに基づいてこれを流量に変換
表示するようになつている。 V=f 2 (V p , V g , Δt u , Δt d , C) = [V p −(C 2 /V g )]・(Δt u −Δt d )/(Δt u +Δt d )...' As a result, the flow velocity of the fluid 4 in the pipe 3 is immediately calculated, and the result is sent to the display means 18. The display means 18 is adapted to convert and display this flow rate data as well as the flow rate data based on the flow rate data.
すなわち、超音波送受波器1および2で受信さ
れるN=0,2又はN=2,4の各受信波の到達
時間を計時しその差(例えばN=0とN=2の時
間差)を求めることにより、配管3の管壁部の位
相速度Vpと群速度Vgとが判明していると、配管
部3内の流動体4の音速Cを、更には流速および
流量をリアルタイムで直ちに且つ高精度に算定表
示することができる。 That is, the arrival time of each reception wave of N=0, 2 or N=2, 4 received by the ultrasonic transducers 1 and 2 is measured, and the difference (for example, the time difference between N=0 and N=2) is calculated. By calculating, if the phase velocity V p and group velocity V g of the pipe wall of the pipe 3 are known, the sound velocity C of the fluid 4 in the pipe 3, as well as the flow velocity and flow rate can be immediately determined in real time. In addition, calculations can be displayed with high accuracy.
ここで、配管3の管壁部を伝播する超音波の位
相速度Vpと群速度Vgを求める場合の動作原理に
ついて説明する。 Here, the operating principle when determining the phase velocity V p and group velocity V g of the ultrasonic waves propagating through the pipe wall portion of the pipe 3 will be explained.
まず、第3図に、超音波送受波器1のクサビ部
材1Aと超音波振動子1Bとを示す。このクサビ
部材1Aは、断面が台形状をなし、その一方の斜
面1aに超音波振動子1Bが固着されている。ま
た、他方の斜面1Cは、超音波振動子1Bから発
信された超音波が入射面1bで反射してクサビ部
材1A内を伝播する場合の当該伝播経路に直交す
る面を構成するようになつている。このため、ク
サビ部材1A内を伝播する内部反射波は、超音波
振動子1Bに戻るようになつている。l1,l1′は、
その場合の伝播経路及び距離を示す。 First, FIG. 3 shows the wedge member 1A and the ultrasonic transducer 1B of the ultrasonic transducer 1. This wedge member 1A has a trapezoidal cross section, and an ultrasonic transducer 1B is fixed to one slope 1a. Further, the other slope 1C constitutes a surface perpendicular to the propagation path when the ultrasonic waves emitted from the ultrasonic transducer 1B are reflected by the incident surface 1b and propagated within the wedge member 1A. There is. Therefore, the internally reflected waves propagating within the wedge member 1A return to the ultrasonic transducer 1B. l 1 , l 1 ′ are
The propagation route and distance in that case are shown.
従つて、この時のクサビ部材1A内の超音波の
伝播時間T0を測定することにより、クサビ部材
1A内の音速Cpは次式によつて算出し得る。 Therefore, by measuring the propagation time T 0 of the ultrasonic wave within the wedge member 1A at this time, the sound speed C p within the wedge member 1A can be calculated by the following equation.
Cp=2(l1+l1′)/T0 ……
また、クサビ部材1Aの音速Cpと配管部3を
伝播する超音波の位相速度Vpとの間には、次式
の関係がある。 C p = 2 (l 1 + l 1 ′) / T 0 ... In addition, the relationship between the sound velocity C p of the wedge member 1A and the phase velocity V p of the ultrasonic wave propagating through the piping section 3 is expressed by the following equation. be.
Vp=Cp/sinθi ……
但し、θi:入射角(第3図参照)
さらに、第1図に示す如く、2つの超音波送受
波器1,2の超音波入射点相互間の距離をLと
し、超音波振動子1Bから発信された超音波が配
管3の管壁を伝播して超音波振動子2Bに到達す
る場合の伝播時間をTとすると、配管3の管壁部
を伝搬する超音波の群速度Vgは、次式で表わさ
れる。 V p = C p /sin θ i ... However, θ i : Incident angle (see Figure 3) Furthermore, as shown in Figure 1, the distance between the ultrasound incident points of the two ultrasound transducers 1 and 2 is If the distance is L and the propagation time is T when the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic transducer 1B propagates through the pipe wall of the pipe 3 and reaches the ultrasonic transducer 2B, then the pipe wall of the pipe 3 is The group velocity V g of the propagating ultrasonic wave is expressed by the following equation.
Vg=L/〔T−T0(l1/
(l1+l1′)) ……〕
となる。ここで、L,l1,l1′は幾何学的に求まる
数値であることから、結局、式における伝播時
間TおよびT0を計時し当該式を演算すること
により、必要とする配管3の管壁部の群速度を極
く容易に算定することができる。この群速度及び
位相速度の演算は、信号処理部20の第1演算部
13Bでとり行われる。 V g =L/[T- T0 ( l1 /( l1 + l1 '))...]. Here, since L, l 1 and l 1 ' are numerical values determined geometrically, by measuring the propagation times T and T 0 in the formula and calculating the formula, the required amount of piping 3 can be calculated. The group velocity of the tube wall can be calculated very easily. This calculation of the group velocity and phase velocity is performed by the first calculation section 13B of the signal processing section 20.
前記受信回路部12で受信される信号は、信号
選択手段13Aを介して計時手段13へ送られ、
ここで伝播時間の計時が行われたのち信号処理部
20にて所定の信号処理がなされる。この信号処
理部20は、第1のメモリ14と、時間差算定手
段15と、第2のメモリ16と、音速及び流速を
演算する第2演算部17とを有し、更に前記計時
手段13と第2のメモリ16との間に第1演算部
13Bを備えた構成となつている。この信号処理
部20では、配管部3の位相速度Vp、群速度Vg、
配管3内の流動体の音速Cおよび当該流動体の流
速V等が後述するように演算される。この信号処
理部20における演算結果は、表示手段18で表
示されるようになつている。 The signal received by the receiving circuit section 12 is sent to the clock means 13 via the signal selection means 13A,
After the propagation time is measured here, the signal processing section 20 performs predetermined signal processing. This signal processing section 20 has a first memory 14, a time difference calculation means 15, a second memory 16, and a second calculation section 17 for calculating sound velocity and flow velocity, and further includes the time measurement means 13 and a second calculation section 17 for calculating sound velocity and flow velocity. The configuration includes a first calculation section 13B between the second memory 16 and the second memory 16. In this signal processing section 20, the phase velocity V p of the piping section 3, the group velocity V g ,
The sound velocity C of the fluid in the pipe 3, the flow velocity V of the fluid, etc. are calculated as described later. The calculation results in the signal processing section 20 are displayed on the display means 18.
この信号処理部20及び前述した計時手段13
等の各電気系は、それぞれ主制御部30によつて
駆動制御されるようになつている。 This signal processing section 20 and the above-mentioned time measurement means 13
Each of the electrical systems, etc., is driven and controlled by the main control section 30, respectively.
この主制御部30は回路全体の動作のタイミン
グを一致させるための全体的な駆動制御信号を出
力するほか、測定時の配管における超音波位相速
度を求める第1の制御機能と、同じく配管3の超
音波群速度を求める第2の制御機能と、配管内流
動体の音速を求める第3の制御機能とを有してい
る。主制御部30のこれらの制御機能は、本実施
例では測定条件設定部30Aを用いてオペレータ
により外部指令によつて切換えられるようになつ
ている。 This main control unit 30 outputs an overall drive control signal for synchronizing the operation timing of the entire circuit, and also has a first control function to determine the ultrasonic phase velocity in the pipe during measurement, and It has a second control function for determining the ultrasonic group velocity and a third control function for determining the sound velocity of the fluid in the pipe. In this embodiment, these control functions of the main control section 30 can be switched by an external command by an operator using a measurement condition setting section 30A.
次に、上記実施例の全体的な動作について説明
する。 Next, the overall operation of the above embodiment will be explained.
まず最初に、配管3の外面で当該配管の中心線
に沿つて配管3の上流側と下流側にそれぞれ超音
波送信受波器1,2を固定装備する。次に、主制
御部30の第1の制御機能を稼働させ、回路全体
を配管3の管壁部分における位相速度Vpの測定
状態(位相速度測定モード)に設定する。回路全
体がこの位相速度測定モードに設定されると、他
方の超音波送受波器2が送受信切換部10から電
気的に切離され、これによつて一方の超音波送受
波器1のみが送信動作と受信動作とを行うように
設定される(なお、一方の超音波送受波器1の代
りに他方の超音波送受波器2を使用してもよい)。
第4図はこの場合の送受信信号の伝送状態を示す
もので、発信回路部11から送信された送信信号
TR1は、超音波送受波器1及び受信回路部12へ
同時に送られ、また超音波送受波器1からの内部
反射波RE1も受信回路部12へ送られる。この各
信号TR1,RE1は、信号選択手段13Aを通過し
て計時手段13へ送られ、ここでその時間差T0
が計時され、その時間データが第1演算部13B
へ送られる。第1演算部13Bでは、測定時間
T0に基づいて式及び式の演算が行われ、そ
の結果が第2のメモリ16に記憶されるとともに
表示手段18に表示されるようになつている。 First, ultrasonic transmitter/receivers 1 and 2 are fixedly installed on the outer surface of the pipe 3 on the upstream side and the downstream side of the pipe 3, respectively, along the center line of the pipe. Next, the first control function of the main control unit 30 is activated, and the entire circuit is set to a measurement state of the phase velocity V p in the pipe wall portion of the pipe 3 (phase velocity measurement mode). When the entire circuit is set to this phase velocity measurement mode, the other ultrasonic transducer 2 is electrically disconnected from the transmission/reception switching section 10, so that only one ultrasonic transducer 1 is able to transmit. It is set to perform operation and reception operation (note that the other ultrasonic transducer 2 may be used instead of one ultrasonic transducer 1).
FIG. 4 shows the transmission state of the transmitted and received signals in this case.
TR 1 is simultaneously sent to the ultrasonic transducer 1 and the receiving circuit section 12 , and the internally reflected wave RE 1 from the ultrasonic transducer 1 is also sent to the receiving circuit section 12 . These signals TR 1 and RE 1 pass through the signal selection means 13A and are sent to the clock means 13, where the time difference T 0
is measured, and the time data is sent to the first calculation unit 13B.
sent to. In the first calculation unit 13B, the measurement time
Formulas and calculations are performed based on T 0 , and the results are stored in the second memory 16 and displayed on the display means 18 .
次にオペレータによつて主制御部30の第2の
制御機能が稼働されると、回路全体が配管3の群
速度測定モードに設定される。 Next, when the second control function of the main control section 30 is activated by the operator, the entire circuit is set to the group velocity measurement mode of the pipe 3.
この場合、一方の超音波送受波器1が送信動作
をなし他方の超音波送受波器2が受信動作をな
す。すなわち、送信信号TR1と受信信号RE2とは
第5図の如く伝送される。この各信号TR1,RE2
は、信号選択手段13Aを通過して計時手段13
へ送られ、ここでTR1とRE1の波の時間差が計時
され、その時間データが第1演算部13Bへ送ら
れる。第1演算部13Bでは、測定時間T0に基
づいて式の演算が行われ、その結果求まる群速
度Vgが、位相速度Vpの時と同様に第2のメモリ
16に記憶され、同様に表示手段18に表示され
るようになつている。 In this case, one ultrasonic transducer 1 performs a transmitting operation, and the other ultrasonic transducer 2 performs a receiving operation. That is, the transmission signal TR 1 and the reception signal RE 2 are transmitted as shown in FIG. Each of these signals TR 1 , RE 2
passes through the signal selection means 13A and enters the timekeeping means 13.
Here, the time difference between the waves TR 1 and RE 1 is measured, and the time data is sent to the first calculation unit 13B. In the first calculation unit 13B, the equation is calculated based on the measurement time T0 , and the group velocity V g obtained as a result is stored in the second memory 16 in the same way as the phase velocity V p . It is adapted to be displayed on the display means 18.
続いて、オペレータによる入力指令によつて主
制御部30の第3の制御機能が稼働されると、回
路全体が配管部3の内部を流動する液体の音速測
定モードに設定される。この内部流動体の音速測
定モードにおいては、前述した式及び式の
td,tuが第2図のt1,t2,t3,……の時間経過とと
もに具体的に測定される。第6図1の場合は、td
が測定される。具体的には、例えばTR1を基準と
してN=0,N=2,N=4の場合の各受信信号
RE2の受信時間t1,t2,t4が測定され、受信回路
部12で増幅された後、信号選択手段13Aへ送
られる。この信号選択手段13Aでは、入力信号
の内、主制御部30の指令に基づいて例えばN=
0とN=2の受信信号を選択して計時手段13へ
送り出すようになつている。計時手段13では、
二つの入力信号の時間t1,t2を計時してその時間
データを時間差算定手段15へ出力する。この時
間差算定手段15では直ちにt1とt2の時間差Δtd
を算定し第2のメモリ16へ記憶させるようにな
つている。 Subsequently, when the third control function of the main control section 30 is activated in response to an input command from the operator, the entire circuit is set to a mode for measuring the sound velocity of the liquid flowing inside the piping section 3. In this internal fluid sound velocity measurement mode, the above equations and equations are
t d and t u are specifically measured over time at t 1 , t 2 , t 3 , . . . in FIG. 2. In the case of Figure 6 1, t d
is measured. Specifically, for example, each received signal in the case of N=0, N=2, N=4 with TR 1 as a reference
The reception times t 1 , t 2 , and t 4 of RE 2 are measured, amplified by the reception circuit section 12, and then sent to the signal selection means 13A. In this signal selection means 13A, among the input signals, for example, N=
0 and N=2 received signals are selected and sent to the clock means 13. In the timing means 13,
The times t 1 and t 2 of the two input signals are measured and the time data is output to the time difference calculating means 15 . This time difference calculation means 15 immediately calculates the time difference Δt d between t 1 and t 2 .
is calculated and stored in the second memory 16.
このΔtd(式)の算定及び記憶動作が完了す
ると、送受信切換部10は直ちに第6図2に示す
如く他方の超音波送受波器2を送波器とし一方の
超音波送受波器1を受波器に設定して前述した
Δtdの場合と同様の測定を行い、2つの受信波の
伝播時間(例えばt1とt3)の差Δtuを求め、同様
にしてこれを第2のメモリ16へ記憶させる。 When the calculation and storage operation of this Δt d (formula) is completed, the transmission/reception switching unit 10 immediately sets the other ultrasonic transducer 2 as a transmitter and one ultrasonic transducer 1 as a transmitter, as shown in FIG. Set it on the receiver and perform the same measurement as in the case of Δt d described above, find the difference Δt u between the propagation times of the two received waves (for example, t 1 and t 3 ), and similarly calculate this as the second It is stored in the memory 16.
第2のメモリ16では、このΔtd及びΔtuが入
力されると、これらとともに予め記憶されている
配管3の超音波の位相速度Vp及び群速度Vgに係
るデータを第2演算部17へ出力する。この第2
演算部17では、これらの入力データに基づいて
式を演算し、その結果得られる配管3内の流動
体の音速Cをリアルタイムで表示手段18へ出力
するとともに、前述した如く直ちに式′の演算
を行つて流速を算定した後、その流速データを表
示手段18へ出力するようになつている。 In the second memory 16, when these Δt d and Δt u are input, data related to the phase velocity V p and group velocity V g of the ultrasonic waves of the piping 3 stored in advance together with them are transferred to the second calculation unit 17 . Output to. This second
The calculation unit 17 calculates the equation based on these input data, outputs the sound velocity C of the fluid in the pipe 3 obtained as a result to the display means 18 in real time, and immediately calculates the equation ' as described above. After calculating the flow velocity, the flow velocity data is output to the display means 18.
なお、上記実施例においては、Δtd及びΔtuの
算出に際し第2図の受信波の内、N=0とN=2
を採用した場合を例示したが、N=2とN=4の
場合であつても全く同等である。また、上記実施
例においては、とくに配管部3の超音波の位相速
度Vpと群速度VgとをΔtd及びΔtuに先だつて求め
る場合を例示したが、これらは逆の順序であつて
もよい。また、上記実施例では、オペレータの入
力指令によつて主制御部30の第1、第2及び第
3の制御機能が稼働する場合を例示したが、これ
らの制御機能は、逐次、自動的に稼働するもので
あつてもよい。さらに、本発明は、配管3内の液
体の音速測定が高精度に可能であることから、例
えば水のように液体の温度と音速との関係が詳細
に知られている場合には、これに対応する液体の
温度変化も高精度に測定するものについても応用
することができる。 In addition, in the above embodiment, when calculating Δt d and Δt u , N=0 and N=2 of the received waves in FIG.
Although the case where N=2 and N=4 are adopted is illustrated, the case is completely equivalent. In addition, in the above embodiment, the case where the phase velocity V p and group velocity V g of the ultrasonic wave in the piping section 3 are determined prior to Δt d and Δt u was illustrated, but these are obtained in the reverse order. Good too. Further, in the above embodiment, the first, second, and third control functions of the main control unit 30 are operated in response to an input command from the operator, but these control functions are automatically operated in sequence. It may be something that works. Furthermore, since the present invention enables the measurement of the sound velocity of the liquid in the pipe 3 with high precision, it is possible to measure the sound velocity of the liquid in the pipe 3 with high accuracy. It can also be applied to devices that measure temperature changes in corresponding liquids with high precision.
次に他の実施例を第7図ないし第8図に基づい
て説明する。 Next, another embodiment will be described based on FIGS. 7 and 8.
この第7図の実施例は、図示の如く他方の超音
波送受波器2を配管3の反射側(超音波送受波器
1に対して)に装着したものである。第8図は、
この場合に得られる受信波を示す。 In the embodiment shown in FIG. 7, the other ultrasonic transducer 2 is mounted on the reflection side of the pipe 3 (relative to the ultrasonic transducer 1) as shown. Figure 8 shows
The received waves obtained in this case are shown.
このようにしても、前述した群速度Vgを第1
図の手法によつて予め測定しておくことにより、
前述した第1図の場合と全く同様の作用効果を得
ることができる。 Even in this case, the group velocity V g described above can be changed to the first
By measuring in advance using the method shown in the figure,
It is possible to obtain the same effects as in the case of FIG. 1 described above.
本発明は以上のように構成され機能するので、
これによると、配管内の液体等の流動体の流速
を、当該流動体に当接することなく、また当該流
動体の音速が全く不明であつても高精度に測定す
ることができるという従来に全くない優れた超音
波流速測定方法およびその装置を提供することが
できる。
Since the present invention is configured and functions as described above,
According to this, the flow velocity of a fluid such as a liquid in a pipe can be measured with high precision without contacting the fluid and even if the sound velocity of the fluid is completely unknown. It is possible to provide an excellent ultrasonic flow velocity measurement method and device.
第1図は本発明の一実施例を示すブロツク図、
第2図1,2,3は第1図の音速測定モード時に
受信される受信信号等を示す説明図、第3図は第
1図の超音波送受波器の詳細説明図、第4図ない
し第6図1,2は各々第1図の動作説明図、第7
図ないし第8図は各々他の実施例を示す説明図、
第9図は従来例を示す説明図である。
1,2……超音波送受波器、3……配管部、4
……配管内の流動体、10……送受信切換部、1
1……発信回路部、12……受信回路部、13A
……信号選択手段、13……計時手段、13B…
…第1演算部、15……時間差算定手段、16…
…第2のメモリ、17……第2演算部、18……
表示手段、30……主制御部、30A……測定条
件設定部。
FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of the present invention;
Fig. 2 1, 2, and 3 are explanatory diagrams showing the received signals etc. received during the sound velocity measurement mode in Fig. 1, Fig. 3 is a detailed explanatory diagram of the ultrasonic transducer shown in Fig. 1, and Figs. Figures 6 1 and 2 are explanatory diagrams of the operation of Figure 1, and Figure 7
8 through 8 are explanatory diagrams showing other embodiments, respectively,
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a conventional example. 1, 2... Ultrasonic transducer, 3... Piping section, 4
... Fluid in the pipe, 10 ... Transmission/reception switching section, 1
1... Transmission circuit section, 12... Receiving circuit section, 13A
...Signal selection means, 13...Timekeeping means, 13B...
...First calculation unit, 15... Time difference calculation means, 16...
...Second memory, 17...Second calculation unit, 18...
Display means, 30...main control section, 30A...measurement condition setting section.
Claims (1)
流側にそれぞれ超音波送受波器を固定装備したの
ち、当該配管の外壁から超音波を交互に斜入射さ
せて測定時における管壁部分の超音波による位相
速度Vpと群速度Vgとを測定し、 これらの測定に相前後して、前記上流側から下
流側へまたは下流側から上流側へ各々発振される
超音波がそれぞれ管壁内もしくは管内流動体を伝
播して受信されるまでの時間と、それより流動体
内をN行程(N=2,4,6,……)多く経て受
信されるまでの時間との差Δtu,Δtdをそれぞれ
測定し、 これらの測定値に基づいて予め特定された所定
の関数すなわち、 f1(Vp,Vg,Δtu,Δtd,C)=0 を演算することにより、管内流動体の音速cを算
定し、 次に、この演算により特定されるリアルタイム
の音速Cと前記各測定値Vp,Vg,Δtu,Δtdとに
基づいて他の関数すなわち、 V=f2(Vp,Vg,Δtu,Δtd,C) を演算して管内流動体の流速Vを算定することを
特徴とした超音波流速測定方法。 2 超音波の伝播線上に沿つて配管の上流側と下
流側にそれぞれ配設される超音波送受波器と、こ
の二つの超音波送受波器に発信回路部と受信回路
部とを必要に応じて交互に切換接続する送受信切
換部とを有し、 前記受信回路部に、前記超音波送受波器の内の
上流側から下流側へまたは下流側から上流側へ発
信される超音波がそれぞれ管壁内もしくは管内流
動体内を伝播して受信されるまでの伝播時間と流
動体内をそれよりN行程(但し、N=2,4,
6,……)多く経て受信される伝播時間とをそれ
ぞれ測定する計時手段と、この計時手段にて測定
される同一方向の二つの受信波の到達時間差を算
定する時間差算定手段と、この時間差算定手段の
出力を記憶する記憶手段とを設け、この記憶手段
には前記管壁部分の当該流速測定時における使用
超音波の位相速度及び群速度を測定し記憶せしめ
るとともに、この記憶手段の出力情報に基づいて
所定の演算を行い管内流動体の音速を特定する音
速演算手段と、この音速演算手段及び前記記憶手
段の各出力情報に基づいて所定の演算を行い管内
流動体の流速を特定する流速演算手段とを設けた
ことを特徴とする超音波流速測定装置。[Claims] 1. Ultrasonic transducers are fixedly installed on the upstream and downstream sides of the piping along the ultrasonic propagation line, and then ultrasonic waves are alternately obliquely incident from the outer wall of the piping for measurement. Measure the phase velocity V p and group velocity V g due to the ultrasonic wave on the pipe wall portion at the same time, and before and after these measurements, the oscillation is generated from the upstream side to the downstream side or from the downstream side to the upstream side, respectively. The time it takes for the ultrasonic waves to propagate within the tube wall or the fluid inside the tube until they are received, and the time it takes for the ultrasonic waves to travel through the fluid N more steps (N = 2, 4, 6,...) before being received. Δt u and Δt d are respectively measured, and a predetermined function specified in advance, that is, f 1 (V p , V g , Δt u , Δt d , C)=0, is calculated based on these measured values. Then, other functions are calculated based on the real-time sound speed C specified by this calculation and the measured values V p , V g , Δt u , Δt d . That is, an ultrasonic flow velocity measuring method characterized in that the flow velocity V of the fluid in the pipe is calculated by calculating V=f 2 (V p , V g , Δt u , Δt d , C). 2 Ultrasonic transducers are installed on the upstream and downstream sides of the piping along the ultrasonic propagation line, and the transmitting circuit and receiving circuit are installed in these two ultrasonic transducers as necessary. and a transmitting/receiving switching unit that is alternately connected to the receiving circuit unit, and the ultrasonic wave transmitted from the upstream side to the downstream side or from the downstream side to the upstream side of the ultrasonic transducer is transmitted to the receiving circuit unit, respectively. The propagation time until it is received after propagating inside the wall or inside the fluid inside the pipe, and the N distance inside the fluid (however, N = 2, 4,
6,...) A clock means for measuring the propagation time of each wave received after a long time, a time difference calculation means for calculating the difference in arrival time of two received waves in the same direction measured by the clock means, A storage means for storing the output of the means is provided, and the storage means measures and stores the phase velocity and group velocity of the ultrasonic wave used at the time of measuring the flow velocity in the pipe wall portion, and the output information of the storage means is sound velocity calculation means for performing a predetermined calculation based on the sound velocity to specify the sound velocity of the fluid in the pipe; and a flow velocity calculation unit for performing a predetermined calculation based on each output information of the sound velocity calculation means and the storage means to specify the flow velocity of the fluid in the pipe. 1. An ultrasonic flow velocity measuring device comprising: means.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62066819A JPS63233324A (en) | 1987-03-20 | 1987-03-20 | Method and apparatus for measuring flow speed of ultrasonic wave |
| DE3809189A DE3809189A1 (en) | 1987-03-20 | 1988-03-18 | Method and device for the measurement of flow velocity using ultrasonic waves |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62066819A JPS63233324A (en) | 1987-03-20 | 1987-03-20 | Method and apparatus for measuring flow speed of ultrasonic wave |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63233324A JPS63233324A (en) | 1988-09-29 |
| JPH0584850B2 true JPH0584850B2 (en) | 1993-12-03 |
Family
ID=13326840
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62066819A Granted JPS63233324A (en) | 1987-03-20 | 1987-03-20 | Method and apparatus for measuring flow speed of ultrasonic wave |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63233324A (en) |
-
1987
- 1987-03-20 JP JP62066819A patent/JPS63233324A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63233324A (en) | 1988-09-29 |
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