ガス超音波流量計とは、ガスが流れるパイプラインに設置され、超音波原理を利用してガスの流量を測定する流量計を指します。シングルパスガス超音波流量計は 1 つの音響パスのみを備えたデバイスを指しますが、2 つ以上の音響パスを備えたガス超音波流量計はマルチパスガス超音波流量計と呼ばれます-。
超音波流量計の仕組み 気体超音波流量計で流速を測定する基本原理は、気体媒体中の超音波の伝播時間を測定することにより、気体流体の流速、流量、密度などを計算することです。この章では、主に通過時間超音波流量測定の動作原理と流量測定に影響を与える要因を分析し、マルチパス気体超音波流量測定方法と機構モデリングの研究の準備を行うために、流量測定精度を向上させる方法についてシミュレーション研究を実施します。{{3}
通過時間超音波ガス流量測定の動作原理の解析-
通過時間超音波ガス流量-測定法-測定法は、ガスの同じ経路長にわたって、下流と上流に伝わる 2 つの超音波信号の伝播時間差を使用して、音響経路に沿った平均ガス流速を決定するガス流量-測定法です。超音波が流れる気体媒体中を伝播するとき、超音波の伝播速度は気体の流速に応じて変化します。
具体的には、超音波の伝播速度はガスの流速と同じ方向に変化し、ガスの流速が増加すると、それに応じて同じ方向に伝播する超音波の速度も増加する。逆に、超音波の伝播方向と逆にガス流速が増加すると、それに応じて超音波速度は減少します。
超音波パイプ流量センサーの基本構造-
図. 2.1に示すように、超音波パルスの送信と受信の両方が可能な 2 つの超音波トランスデューサー (プローブまたはトランスデューサーと呼ばれます) がパイプラインの片側または両側に埋め込まれています。送信トランスデューサーと受信トランスデューサーの間の超音波信号の実際の経路は音響経路と呼ばれます。したがって、一対のトランスデューサが 1 つの音響経路を形成します。音を伝達する膜または音響導波管壁の一部が、トランスデューサと流体媒体の間に配置されます。シングルパス超音波流量計では、2 つの超音波トランスデューサ間の導波管が機器の軸と交差します。
図. 2.1 通過時間超音波流量測定の原理の概略図-
図. 2.1に示すように、パイプの直径はDです。パイプラインの両側に埋め込まれた振動子AとBの端面間の直線距離が音響路長L（音響距離Lとも呼ばれます）であり、直径Dとの関係は次のようになります。
図. 2.1超音波流量計の音響-経路長とパイプ直径-の通過時間の幾何学的関係
ここで、φは音響経路の傾斜角、すなわち音響経路と管軸との間の角度である。音響経路の傾斜角は超音波の入射角でもある。入射角 φ は、流体内の音速だけでなく、ウェッジやパイプ壁の材質内の音速にも影響されます。{4}}
一般に、固体材料の温度による音速の変化は、気体材料の場合よりも小さくなります。温度変化が大きくない場合、測定精度に対するくさびやパイプ壁の材質の影響は無視できます。-ただし、温度変化範囲が大きい場合は、くさびやパイプ壁の材質における音速の大きな変化を補正する必要があります。-
入射角 30 度のトランスデューサの場合、透過係数は比較的高く、エネルギー損失は小さく、必要な励起電圧は低くなります。このようなトランスデューサは、AC 電源の使用が不便な手持ち式超音波流量計に適しています。入射角45度の変換器は透過係数が比較的低いですが、変換器チップの大型化と高い励振電圧を採用できるため、固定式の超音波流量計や交流電源を使用できる超音波流量計に適しています。
通過時間-超音波ガス流量測定の動作原理
通過時間-超音波ガス流量-測定技術は、ガス媒体中を下流と上流に伝播する超音波の時間差を測定することにより、音響経路と軸によって形成される平面上の軸方向平均流速 Vz を決定します。超音波の伝播時間は下流方向と上流方向で異なります。下流の通過時間は次のとおりです。
図. 2.2下流の超音波通過時間の方程式-
上流の通過時間は
図. 2.3上流の超音波通過時間の方程式-
ここで、C は静止した測定流体中の超音波の音速、つまり音速です。 Vz は、超音波経路とパイプ軸によって形成される平面上の軸方向の流体の平均流速であり、経路-平均速度とも呼ばれます。
内部パイプ環境による音速変動の影響を考慮しない場合、経路の平均速度の式は次のようになります。-
図. 2.4 経路の平均軸方向速度の式-
超音波の下流伝播時間 tD と上流伝播時間 tU を測定することにより、上流と下流の伝播時間の差は次のように求められます。
図. 2.5上流と下流の通過時間差の定義-
通過時間法を使用すると、1 つの音響パスのパス平均速度を取得できます。{0}{1}さまざまな音響経路の平均速度に基づいて、適切なアルゴリズムを使用すると、断面全体に垂直な平均速度を計算できます。これを体積平均速度 V と呼びます-。
上流と下流の超音波伝播の通過時間差を測定することによってパイプラインの流体（体積）平均速度 V を測定する方法は、通過時間超音波流量測定方法-と呼ばれます-。通過時間超音波法を使用してパイプラインの流体流量を測定する流量計は、通過時間超音波流量計と呼ばれます-。
通過時間型超音波流量計の音響経路の-経路平均速度-とパイプライン内の体積平均速度-の関係は次のとおりです。
図. 2.6 流速補正係数の定義-
ここで、K は流速補正係数と呼ばれます。{0}流量-速度補正係数は、流量計の測定セクションの速度分布プロファイルの数学的モデルから導出されます。パイプライン内のガスの流れ状況に応じて、流速補正係数を取得できます。-したがって、式 (2.4) および (2.6) から、パイプライン内の平均ガス速度は次のようになります。
図. 2.7 パイプの-平均速度とパスの平均速度-の関係
体積流量は式 (2.7) から次のように取得できます。
図. 2.8体積流量-式の式
ここで、A はパイプの断面積です。-
体積流量の圧力と温度を補償した後、質量流量は次のように取得できます。
図. 2.9 圧力、温度、圧縮率を補正した質量流量式-
ここで、Z はガスの圧縮率です。 P0 と P は、それぞれ標準状態と実際の状態での圧力パラメータです。 T0 と T は、それぞれ標準状態と実際の状態での温度値です。 ρ0 は標準条件下でのガス状媒体の密度です。
流速が得られると、特定の直径のパイプを一定期間に通過する流体の体積を計算できます。 1 時間でパイプを通過する流量 F は 79 です。
図. 2.10 通過時間-測定-超音波流量計の動作原理に基づく、パイプを通過する時間当たりの流体の量
マルチパス超音波ガス流量測定の基本動作原理
ガス超音波流量計は、シングルパス タイプとマルチパス タイプに分類できます。{{1}どちらも超音波流量測定の通過時間原理に基づいています。-現在、海外の同様の製品では、音響経路の数は最大6本まであります。マルチパス超音波流量計では、ViV_iVi は iii- 番目の音響パスのパス-平均速度を表します。これは、下流と上流の超音波通過時間を測定し、それらの間の時間差を計算し、経路の平均速度を計算することで得られます。-
各音響経路の経路平均速度と流速補正係数との関係に従って、パイプライン内の体積平均ガス速度は次のように推定できます。{{2}
図. 2.11 マルチ-経路加重平均速度方程式-超音波流量計の仕組み
ここで、WiW_iWi は各音響パスの重み付け係数であり、その値は採用される統合アルゴリズムによって異なります。
図. 2.12 マルチパス体積流量-流量方程式-超音波流量計の仕組み
理論的には、音響経路が多ければ多いほど、測定精度は高くなるはずです。ただし、実際の経験によれば、断面を横切る音響パスの数が 4 に達すると、パスの数をさらに増やしても精度の向上にはほとんど寄与せず、製造コストが大幅に増加します。
超音波気体流量測定に影響を与える要因の分析
ガス超音波流量計の流速と流量-の計算式によると、流速または流量は、測定パイプの幾何学的パラメータ、流速補正係数（または重み付け係数）、超音波伝播時間の測定値などのいくつかの側面に関連しています。-これらの観点から以下の分析を行う。
流れ-速度係数の補正と測定精度の向上
前述の通過時間型ガス超音波流量計では、経路の平均速度がパイプ断面全体に均一に分布しているという理想的な状態に基づいて研究が行われています。{{1}実際の状況では、パイプ断面全体の流体の速度分布が不均一であるため、計算によって得られる速度は、実際には超音波伝播方向と軸方向に沿った経路平均速度です。-これは、測定された超音波通過時間差から得られます。-。最終的に計算された体積流量には、必然的に誤差が生じます。測定精度を確保するには、この 2 つの関係を特定し、流体力学の原理を使用して実際に測定された速度を補正する必要があります。-つまり、体積流量計で測定する場合、流量補正係数 K が導入されます。
パイプライン内の流体の流れ状態は複雑であるため、結果として生じる速度分布も複雑になります。{0}現在の研究は主に理想的な条件での速度分布、つまり滑らかなパイプ内の層流および十分に発達した乱流の下での速度分布に限定されています。層流と乱流は、パイプ内の流体の 2 つの基本的な流れ状態です。層流とは、流体粒子に横方向の運動がなく、軸方向の運動のみが考慮される状態を指します。乱流とは、流体粒子が軸方向と横方向の両方の動きをする状態を指します。パイプラインの流れの状態が異なると流れの特性が異なるため、異なる速度分布が得られます。
流体の流動特性は配管内の平均速度、動粘度、配管径の影響を受けますが、レイノルズ数ReReReは流動状態を評価する重要な指標です。いつ再<2300Re < 2300Re<2300, the flow is laminar; when Re>4000Re > 4000Re>4000, the flow is turbulent. Re=2300Re = 2300Re=2300 is usually taken as the critical value for the transition from laminar to turbulent flow. When Re>2300Re > 2300Re>２３００では、流体は乱流状態への遷移を開始し、この遷移領域も一般に乱流として扱われる。
よくある質問
通過時間型超音波ガス流量計とは何ですか?{0}
通過時間型超音波ガス流量計は、下流と上流の両方に超音波パルスを送信し、その通過時間の差から流速を計算することでガス流量を測定します。{0}
シングルパス超音波流量計とマルチパス超音波流量計の違いは何ですか?{0}
シングルパス流量計は 1 対のトランスデューサと 1 つの音響パスを使用しますが、マルチパス流量計は、速度プロファイルをより適切に捕捉して精度を向上させるために、異なる高さまたは角度で複数の音響パスを使用します。-
流れ-速度補正係数が必要なのはなぜですか?
パイプ内の速度分布は完全には均一ではないため、単一の音響経路に沿って測定された速度は断面平均速度と等しくありません。-。補正係数がこの 2 つを結び付けます。
超音波ガス流量測定の精度に影響を与える要因はどれですか?
主な要因には、速度プロファイルの歪み、設置条件、レイノルズ数、ガス組成と音速、温度と圧力の変化、信号処理エラーが含まれます。
