JP2006234754A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】受波点における受波信号のＳ／Ｎを向上させ、高精度の測定を可能とする。
【解決手段】測定すべき流体が流れる管体１１の斜めに対向する２個所に超音波振動子１２、１３が配置されている。超音波振動子１２、１３から交互に流体に超音波が加えられ、流体の流れの順逆に従って、超音波振動子１３、１２に伝搬する超音波の時間が異なるので、これらの時間差を基に流速を測定する。そして、これらの超音波振動子１２、１３の送受波面は凹面とされ、相手方の超音波振動子１３、１２の近傍に超音波ビームの焦点を結ぶようにされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、管体内を流れる流体の流量を測定する超音波流量計に関するものである。

管体内を流れる流体の流量を計測する超音波流量計において、最も広く使用されている原理は時間差法である。例えば、非特許文献１に記載されているように、この時間差法は流体の流速Ｖを、流体中の超音波の伝搬速度の変化、即ち伝搬時間差Δｔとして計測し、管体の既知の断面積Ｓと乗算することにより流量Ｑを測定する。

この原理を用いた超音波振動子の配置には、Ｖ字法、Ｚ字法、Ｎ字法、Ｗ字法などが知られている。

有限会社工業新聞社発行 社団法人日本計量機器工業連合会「流量計測ＡｔｏＺ」第１２１頁〜第１４２頁

しかし何れの方法でも、超音波を送受波する超音波振動子に円板や角板の圧電セラミックを用いているため、管体の径によって超音波振動子の選定が必ずしも適切ではなく、特に管体との間にクサビを介在する場合には、管体の材質・クサビの材質の音速の相違から音圧ビームの制御が困難となることも多い。

送波用超音波振動子から送波される超音波ビームは、通常使用されている平面板セラミック超音波振動子を用いた場合には、媒質中の音速及び周波数、超音波振動子の直径によりビーム指向幅が形成される。そして、遠距離音域として音圧が定まる距離は存在するが、この距離は大きく、任意に調整することは困難であり、また音圧レベルはそれほど高いものではない。

このため、受波点における超音波信号を大きくし、Ｓ／Ｎを向上させる手段として、送波時の送波電圧を高くするなどの電気的な解決方法が多く用いられている。

本発明の目的は、上述の課題を解決し、電気的な手法によることなく、受波点における受波信号のＳ／Ｎを向上させ、高精度の測定が可能な超音波流量計を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波流量計の技術的特徴は、管体に所定の距離を隔てて２個の超音波振動子を取り付け、前記管体内を流れる流体の流速を測定する超音波流量計において、前記超音波振動子の送波部を凹面とし、該送波部から出射する超音波が前記流体を経て他方の前記超音波振動子の受波部近傍に集束するようにしたことにある。

本発明に係る超音波流量計によれば、超音波振動子の送波部を凹面形状とすることにより、その曲率に応じた所定位置に超音波を集束させることによって音圧を高め、Ｓ／Ｎを向上させることができる。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は実施例の構成図であり、測定すべき流体Ｆが流れる管体１１の斜めに対向する２個所に超音波振動子１２、１３が配置されている。これらの超音波振動子１２、１３の送受波面は共に、図２に示すように曲率半径Ｒｃを有する凹面１４とされ、相手方の超音波振動子１３、１２の近傍に超音波ビームの焦点を結ぶようにされている。なお、超音波振動子１２、１３に電気回路を接続することは当然であるが、この電気回路は既知なので図示は省略している。

超音波振動子１２、１３の送波面から交互に相手側の超音波振動子に、つまり流体Ｆの流れ方向Ｄに対し順逆交互に超音波を発し、これらの流体Ｆ中の超音波伝達時間の差を求めて、流体Ｆの流量を測定する。

図３のＡは凹面１４を有する超音波振動子の距離に対する超音波放射面軸上の音圧レベルを示すグラフ図である。超音波振動子は圧電セラミックから成っており、焦点位置（約９ｍｍ）における音圧のレベルが顕著に高くなることが確かめられている。なお、超音波周波数は２ＭＨｚであり、超音波振動子は直径Ｌ＝１０ｍｍ、厚さｄ＝１ｍｍ、曲率半径Ｒｃ＝１０ｍｍ、音速１５００ｍ／Ｓの場合である。

点線Ｂは比較のために併記した送波部を平面とした超音波振動子の音圧レベルであり、凹面でない点を除いて、凹面１４を有する超音波振動子と諸元は同じである。この従来の平面状の超音波振動子では、距離の依存性が比較的少ないが、大きな音圧レベルが得られないことが明らかとなっている。

このように、管体１１の所定位置に凹面１４を有する超音波振動子１２、１３を配置し、所定の周波数で超音波振動子１２を励振すると、超音波振動子１２の前方の選定した音響焦点位置に音圧レベルの極大値を示す音圧増強効果が生じ、この位置の超音波振動子１３により超音波信号を受波することにより、通常の平板等の超音波振動子を用いた場合に比べて、受波される信号が増大して、Ｓ／Ｎを良好にすることができる。

図４は超音波振動子の送波部の凹面１４の曲率を変えた場合の計算による焦点距離の変化を示すグラフ図である。超音波振動子の直径１０ｍｍ、周波数２ＭＨｚ、音速１５００ｍ／Ｓを条件としている。このように、音圧レベルがピークを示す焦点位置は、超音波振動子の凹面１４の曲率を変えることにより任意に調整できることになる。

実施例における凹面は、曲率半径をＲｃとする円弧としたが、管体の形状によっては、楕円面、双曲面などとすることもできる。

管体にクサビを介在して超音波振動子を固定する場合でも、クサビによる屈折を考慮して超音波振動子同士を配置すれば、相手側に超音波を集束することができる。

また従来では、気体流量を測定する場合には、受波レベルが低下し測定が困難であったが、本発明においては従来の気体測定の場合よりも、送波時の励振電圧を比較的低く設定しても測定が可能となる。

なお、従来の平面状送波部から発信される超音波ビームには、主極の他に多くの副極が発生し測定技術上の困難が伴っていたが、本発明のように凹面１４により超音波ビームを集束するようにすると、副極の発生が少ないことが確かめられている。

図５〜図７は凹面１４を有する超音波振動子２１を使用し、管体２２内を流れる流体Ｆの流速を測定する例を示している。図５に示すように超音波を管壁越しに送受波する場合には、超音波振動子２１と管壁間にオイルなどの音響整合層２３を介在することが好ましい。

また、図６はＶ字法、図７はＷ字法による配置例であり、何れの場合においてもほぼ相手側の超音波振動子２１に超音波を集束するようにしている。

流量を測定する場合の超音波振動子の配置図である。 超音波振動子の断面図である。 距離と音圧レベルのグラフ図である。 曲率半径と焦点距離のグラフ図である。 超音波振動子による測定例の構成図である。 超音波振動子による測定例の構成図である。 超音波振動子による測定例の構成図である。

符号の説明

１１、２２ 管体
１２、１３、２１ 超音波振動子
１４ 凹面
２３ 音響整合層

Claims (4)

1. 管体に所定の距離を隔てて２個の超音波振動子を取り付け、前記管体内を流れる流体の流速を測定する超音波流量計において、前記超音波振動子の送波部を凹面とし、該送波部から出射する超音波が前記流体を経て他方の前記超音波振動子の受波部近傍に集束するようにしたことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記凹面は曲率中心を有する円弧としたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記２つの超音波振動子は共に超音波送波と受波ができるようにした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。
4. 前記超音波振動子は共に送波部を凹面とした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。

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