JP2005180988A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波を管軸とほぼ平行に伝播させると共に、管軸を伝播する不要波を抑圧した高精度の超音波流量計を提供する。
【解決手段】本発明の超音波流量計によれば、流速測定管路(1) に流入部(2) と流出部(3) が取付けられ、これら流入、流出部のそれぞれに法線が流速測定管路の軸線とほぼ一致するようにかつ対向させて超音波トランスジューサ(4,5) が取付けられ、超音波トランスジューサの送受波面の径よりも小さくかつ管軸方向にほぼ同一の内径を有する内部管路(12)が流速測定管路(12)内に同軸状に形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測定対象の流体中に超音波を伝播させ、この超音波の流路の上流方向と下流方向への伝播時間差に基づいて流体の流速や流量を測定する超音波流量計に関するものであり、特に、水素ガスなど密度の小さなをガスの流量測定に適した超音波流量計に関するものである。

従来、超音波を測定対象の流路内の流体中に伝播させ、この超音波が流路の上流方向と下流方向に伝播する際の伝播所要時間の違いを利用して流体の流速（流量) を測定する超音波流量計が汎用されてきた。

図３は、上記従来の典型的な超音波流量計の流路部分の構成を示す断面図である。直線状の流速測定管路２１の両端に、流体の流入部２２と流出部２３とを取り付け、これら流入部２２と流出部２３のそれぞれの外側に超音波トランスジューサ２４と２５を対向させて取り付ける。超音波トランスジューサ２４，２５の間を伝搬する超音波の伝搬所要時間から流速測定管路２１内を上流方向や下流方向に流れる流体の流速が測定される。

上記従来の超音波流量計では、超音波トランスジューサの径が流速測定管路の径よりも小さいため、超音波の波面が伝播しながら拡大する。すなわち、伝播経路が管路の中心軸と交わる成分が発生し、内壁面で多重反射が生じる。この結果、長さの異なる多数の伝播経路（マルチパス）が形成され、受信波形の立ち上がり部分がなまって受信信号の出現時点が不明確になり、検出誤差が生じる。逆に、超音波ビームを絞られすぎると、流路断面の中心部分など特定の箇所の流速が検出される。この場合、特定箇所の流速を断面内の平均流速に換算しなければならず、誤差の原因となる。

特開平１０−２７４５５１号公報（特許文献１）や、特開２００２−７１４０９号公報（特許文献２）には、流速測定管路の内径を管軸方向に滑らかに変化させることにより、管路中央部の内径を超音波トランスジューサの送受波面の径よりも小さくした構成が開示されている。

また、図３に示した従来の超音波流量計では、超音波トランスジューサ２４，２５の一方が発生した超音波の一部が、流入部２２、流出部２３および流速測定管路２１の管壁中、あるいは管壁に沿って、縦波、横波、表面波などとして伝搬し、超音波トランスジューサ２４，２５の他方に受信される。この受信信号成分は、流速測定管路２１の内部の流体中を伝搬して受信される所望の信号成分に対して不要な妨害波となり、測定の精度を低下させるという問題もある。

流速測定管路２１、流入部２２、流出部２３を金属ではなく、エポキシ樹脂などの樹脂で構成すれば、これらの表面や内部を伝搬する超音波信号の減衰量が増大し、不要波による妨害がかなり軽減される。しかしながら、測定対象の流体が水素など原子番号の小さな気体の場合には、管路を樹脂で構成すると流体の漏洩が生じ、安全や衛生上の問題を引き起こす。この流体の漏洩を防止するうえで、流速測定管路などを緻密な組織を有し音波の伝播減衰量が小さな金属やシリカなどの特殊な素材で構成しなければならないという制約が生じる。

特開平２００２─２３６０４２号公報（特許文献３）には、超音波トランスジューサの間の管壁に振動減衰手段を形成することにより管壁を伝播する超音波を減衰させる構成が開示されている。

特開平１０−２７４５５１号公報（要約） 特開２００２−７１４０９号公報（要約） 特開２００２−２３６０４２号公報（図１、図４）

上記特許文献１，２に開示された構成では、管路の内径がその両端部と中央部分とで大幅に変化するため、その流体の流速が流れの方向にそって大幅に変化してしまい、その結果、流速の算定が複雑化し、測定誤差の原因にもなるという問題がある。従って、本発明が解決しようとする課題の一つは、流量方向への流速の大幅な変化を回避しつつ超音波を管軸とほぼ平行に伝播させることにより精度を向上させた超音波流量計を提供することにある。

また、上記特許文献３に開示された管壁の内部や表面を伝播する不要な超音波信号の減衰方法では、管路上に形成する減衰機構が複雑になり、製造コストがかさむという問題がある。従って、本発明が解決しようとする他の課題の一つは、管壁の内部や表面を伝播する不要な超音波信号を抑圧可能な簡易・安価な減衰機構を備えた超音波流量計を提供することにある。

上記従来技術の課題を解決する本発明の超音波流量計は、直線状の流速測定管路の両端に流体の流入部と流出部とを配置し、これら流入部と流出部のそれぞれに送受波面の法線が前記流速測定管路の軸線とほぼ一致するように対向させて超音波トランスジューサを取り付け、前記流速測定管路の内部を上流方向と下流方向に伝搬する超音波の伝搬所要時間の相違に基づき前記流速測定管路内を流れる流体の流速と流量とを測定するように構成されている。そして、この超音波流量計は、上記流速測定管路内に同軸状に形成され、かつ超音波トランスジューサの送受波面の径よりも小さくかつ管軸方向にほぼ同一の内径を有する内部管路を備えている。

流速測定管路内に同軸状に形成される内部管路は、超音波トランスジューサの送受波面の径よりも小さな内径を有するため、内部管路の内部をほぼ平行にかつ均一なエネルギー分布で超音波が伝播する。このため、断面内の平均流速が検出される。また、内部管路は管軸方向にほぼ同一の内径を有するので、流路にそって流速が大幅に変化することがなくなり、測定値そのものが流路内の流れの方向と断面内の平均の流速となる。

本発明の最良のな実施の形態によれば、上記内部管路の内壁面には、端面に向けて内径が緩やかに拡大するテーパーが形成されることにより放射された超音波のひろがりを防止するように構成されている。

本発明の他の好適な実施の形態によれば、上記超音波トランスジューサは、上記流速測定管路の端部に形成されたフランジに対してガスケット、Ｏリングその他の音響インピーダンスが互いに異なる素材の複数のスペーサを介在させながら取付けられることにより、トランスジューサの発生した超音波をスペーサの境界面で反射させ、この超音波が管壁に伝播するのを阻止するように構成されている。

本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、超音波トランスジューサをフランジに取付けるボルトに対して合成樹脂製のガスケットを用いることにより、トランスジューサで発生し、ボルトの内部や表面を伝播した超音波を音響インピーダンスの異なる合成樹脂製のガスケット境界面で反射させ、不要な妨害成分として管壁に伝播するのをより有効に阻止するように構成されている。

本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、上記内部管路の流路に沿って離間する２点に設置された受信専用の超音波センサと、これら受信専用の超音波センサで受信された超音波信号の時間差を各受信信号の波形の相関に基づき検出することにより前記伝播所要時間を検出する検出部とを備え、伝播時間をより正確に検出することにより測定精度の向上を図るように構成されている。

本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、上記超音波トランスジューサのそれぞれの送受波面に音響整合層が形成されることより、超音波の送信と受信の効率をより向上させるように構成されている。

図１は、本発明の一実施例の超音波流量計の全体構成を示す図であり、図示の便宜上、管路部分については断面図で、回路部分については機能ブロック図で示している。図中、１は直線状の流量測定管路、２は流入部、３は流出部、４，５は超音波トランスジューサ、６は送信回路、７は受信回路、８は制御回路、９は信号処理回路、１０と１１は受信専用の受信センサである。さらに、１２は内部管路、１３はこの内部管路を保持する保持部である。

直線状の流速測定管路１の両端に流体（この実施例では水素ガス）の流入部２と流出部３とが形成されている。これら流入部２と流出部３のそれぞれに、超音波トランスジューサ４と５が取り付けられている。超音波トランスジューサ４と５は、それぞれの送受波面の法線が流速測定管路１の軸線とほぼ一致するように、真っ正面から対向させて取り付けられている。

超音波トランスジューサ４と５は、送受共用のものではなく送信専用のものである。これら送信専用の超音波トランスジューサ４と５から下流方向や上流方向に放出された超音波信号を受信するために、流速測定回路１内に適宜な距離を保って受信専用の受信センサ１０と１１が設置されている。

内部管路１２は、流速測定管路１内に同軸状に形成されている。この内部管路１２は、超音波トランスジューサ４、５の送受波面の径よりもわずかに小さな内径を有することにより、送受波面から放射された超音波がこの内部管路の中心線に沿ってほぼ平行に、かつこの内部管路の断面内で均一なエネルギー密度で伝播するようにする。この内部管路１２の内壁面には、上流側と下流側の各端面に向けて内径が緩やかに拡大するテーパーが形成されている。このテーパの傾斜がゆるやかでかつテーパー部分の長さも小さいため、内部管路１２の内径と流路の方向に沿ってほぼ同一の値に保たれる。

内部管路１２の先端面を超音波トランスジューサ４と５の送受波面に接近させればさせるほど、送受波面から放射された超音波のエネルギーの大部分をこの内部管路内に伝播させることが可能になる。しかしながら、このようにすると、この接近箇所の圧力損失が過大になり、被測定系に悪影響を与えるという点で測定器として不適切なものとなる。そこで、内部管路１２の先端面を超音波トランスジューサ４と５の送受波面に過度に接近させることなく、しかも、放射された超音波エネルギーの拡がりを防止して大部分を内部管路内に伝播させることを目的としてゆるやかなテーパーが形成されている。

より具体的には、超音波トランスジューサ４と５から送信されて水素ガス中を伝播する超音波の伝播速度はぼ1200m/sec であり、空気中の音速の3.5 倍程度の値となる。このため、超音波の波長も同一倍率だけ長くなる。この結果、超音波の指向角が大きくなり、横方向に拡がりやすくなる。この横方向への拡がりを抑制するために、内部管路１２の内径を超音波トランスジューサ３と４の送受波面の径よりもわずかに小さくすると共に、端面に向けて内径が緩やかに拡大するテーパーが形成されている。内部管路１２の内径の流路方向への変化量を小さな値（好のましくは、数％以下の値）とすることにより、水素ガスの流速を流路方向にほぼ一定値と近似できるようにするため、上記テーパーはきわめてゆるやな値に設定される。

超音波トランスジューサ４の細部の構造を図２に示す。図２では、構造の説明に必要な部分のみが断面図で示されている。ステンレス鋼を素材とするケース４１は、円筒形状の側部とこの側部の先端面を閉じる円板形状の先端面とが一体に形成された構造を有している。ケース４１の先端面の内側には、円盤形状の圧電素子（ＰＺＴ）４２が固定されている。

ケース４１の先端面と側部には、５mmほどの厚みの四弗化エチレン（ＴＦＥ）の被覆４３で覆われている。この被覆４３のうちケース４１の先端面に取付けられた部分は、音響整合層として機能する。すなわち、ケース４１の先端面に形成された被覆４３を構成するＴＦＥは、ケース４１の先端面を構成するステンレス鋼の音響インピーダンスと、計測対象の流体である水素ガスの音響インピーダンスとの幾何平均値に近い音響インピーダンスを有している。この被覆４３の厚みは、この被覆内部を伝播する超音波信号の１／４波長の値に設定される。送信される超音波の中心周波数を100KHz、ＴＦＥ中の音速を2000m/sec とすれば、λ/4は上述のように、ほぼ５mmとなる。

被覆４３が形成されたケース４１の側部と管路１に形成されたフランジ１４との間にはパッキン４４で封止されている。この管路のフランジ１４とケース４１に形成されたフランジ４４との間には、アルミニュウム合金製のガスケット４７の前後をＴＦＥを素材とするガスケット４５と４６とで挟んだ構造の音響反射構造が形成されている。

すなわち、圧電素子４２が発生した超音波は、ケース４１の先端面と側部とを通して超音波トランスジューサ４のフランジ４４に伝達され、このフランジ４４からガスケット４４、ガスケット４７、ガスケット４６を通って管路１のフランジ１４に伝播し、ここから、さらに管路１の管壁に伝播する。この管路１の管壁を伝播する超音波は、不要な妨害波となるので、その振幅をいかに抑圧するかが、測定精度を高める上で必要となる。

この超音波トランスジューサ４のフランジ４４から管路１のフランジ１４に伝播する超音波の不要信号の伝播経路上に、音響インピーダンスが大幅に異なるＴＦＥを素材とするガスケット４５，４６とアルミニウム合金を素材とするガスケット４７とを交互に配置することにより、相互の境界面で超音波を反射させ、これによって超音波の不要成分が管路１の管壁に伝播されることが阻止される。この超音波の不要成分の反射による伝播の阻止をさらに徹底するために、ステンレス鋼を素材とするボルト４８に対してＴＦＥ製のブッシュを使用し、音響インピーダンスが大きく異なるボルトとブッシュとの境界面で超音波を反射させ、管路の内部や表面を通って受信センサ１０や１１に受信される不要波の振幅が抑圧される。

前述した、被覆４３のうちケース４１の側面を覆う部分は、ステンレス鋼を素材とするケース４４の側面と同じくステンレス鋼を素材とするフランジ１４と４４との間に介在されることにより、ケース４１の側面からフランジ１４と４４へに伝播しようとする超音波の不要波成分の反射を促し、伝播を阻止する機能を果たす。この被覆４３のうちケース４１の側面を覆う部分は、同時に、振動エネルギーを熱に代える振動吸収材としても機能する。

送信専用の超音波トランスジューサ３と４は、制御回路８から供給される送信トリガパルスを受けると、流路内に超音波を送信する。超音波トランスジューサ４から送信された超音波は水素ガス中を下流に向けて伝播し、超音波トランスジューサ５から送信された超音波は水素ガス中を上流に向けて伝播する。

受信回路７は、制御回路から送信トリガを受けると、受信専用の受信センサ１０と１１から供給される受信超音波信号を受信し、濾波し、増幅して信号処理回路に９に供給する。信号処理回路９は、先行の受信超音波信号に一定の遅延量τを付与しながら後続の受信超音波信号との相関をとる。信号処理回路９は、最大の相関値を得るために付与した遅延量τ₀ を受信センサ１０と１１との間の超音波の下流方向と上流方向への伝播所要時間として検出し、この伝播所要時間に基づいて水素ガスの流速と流量を算定する。

このように、受信専用の超音波センサを流路の沿って２個配置し、両者の受信信号の相関をとることによって伝播所要時間を検出する方法を採用すると、受信波形のくずれなどによる測定精度の低下を有効に防止でき、高精度の検出を行うことができる。このような高精度の測定方法の更に詳細な内容については、本出願人の先願の特許第３３６８３０５などを参照されたい。

以上、水素ガスの流量を測定する場合に例にあげて本発明の超音波流量計を説明した。しかしながら、測定対象は水素ガスに限られず、他の適宜な気体や液体などの流体とすることができる。

また、管路のフランジと超音波トランスジューサとの間にＴＦＥのガスケットとアルミニュウム合金製のガスケットとをスペーサーとして介在させて相互の境界面で超音波を反射させることにより、超音波の伝播を阻止する構成を例示した。しかしながら、音響インピーダンスの異なる素材の複数のスペーサーどうしでありさえすれば、この組合せに限定されず、ゴム製のＯリングなどを金属製のガスケットと組合せて使用することもできる。

本発明の一実施例の超音波流量計の全体構成を示す図であり、管路部分については断面図で、回路部分については機能ブロック図で示す。 図１の超音波トランスジューサ４とその取付け部分の詳細を示す部分断面図である。 従来の超音波流量計の管路部分の構成を示す断面図である。

符号の説明

1 流量測定管路
2 流入部
3 流出部
4,5 超音波トランスジューサ
6 送信回路
7 受信回路
8 制御回路
9 信号処理回路
10,11 受信センサ
12 内部管路
13 保持部
41 ケース
42 圧電素子(PZT)
43 被覆
44 フランジ
45,46 ＴＦＥ製のガスケット
47 アルミ合金製のガスケット
48 ブッシュ付き締めつけボルト
21 流速測定管路
22 流入部
23 流出部
24,25 トランスジューサ

Claims (7)

1. 直線状の流速測定管路の両端に流体の流入部と流出部とを形成し、これら流入部と流出部のそれぞれに送受波面の法線が前記流速測定管路の軸線とほぼ一致するように対向させて超音波トランスジューサを取り付け、前記流速測定管路の内部を上流方向と下流方向に伝搬する超音波の伝搬所要時間の相違に基づき前記流速測定管路内を流れる流体の流速と流量とを測定する超音波流量計において、
   前記流速測定管路内に同軸に形成されかつ前記超音波トランスジューサの送受波面の径よりも小さくかつ管軸方向にほぼ同一の内径を有する内部管路を備えたことを特徴とする超音波流量計。
2. 請求項１において、
   前記内部管路の両端部の内壁面には、各端面に向けて内径が緩やかに拡大するテーパーが形成されたことを特徴とする超音波流量計。
3. 請求項１と２のそれぞれにおいて、
   前記超音波トランスジューサは、前記流速測定管路の端部に形成されたフランジに対してガスケット、Ｏリングその他の音響インピーダンスが互いに異なる素材の複数のスペーサを介在させながら取付けられたことを特徴とする超音波流量計。
4. 請求項３において、
   前記超音波トランスジューサは、前記フランジに取付けるボルトに対して合成樹脂製のガスケットを用いたことを特徴とする超音波流量計。
5. 請求項１乃至４のそれぞれにおいて、
   前記内部管路の流路に沿って離間する２点に設置された受信専用の超音波センサと、
   これら受信専用の超音波センサで受信された超音波信号の時間差を各受信信号の波形の相関に基づき検出することにより前記伝播所要時間を検出する検出部とを備えたことを特徴とする超音波流量計。
6. 請求項１乃至５のそれぞれにおいて、
   前記超音波トランスジューサのそれぞれの送受波面に音響整合層が形成されたことを特徴とする超音波流量計。
7. 請求項１乃至６のそれぞれにおいて、
   前記流体は水素であり、前記流速測定管路、前記流入部および流出部の素材は金属であることを特徴とする超音波流量計。
   
   
   
   
   

Images