JP2012230095A

JP2012230095A - 超音波流量計

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Publication number: JP2012230095A
Application number: JP2011110817A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2012-11-22

Abstract

【課題】測定精度が高くかつ安全性の高い超音波流量計を提供すること。
【解決手段】超音波流量計１は、ＰＦＡ（熱可塑性フッソ系樹脂）製の配管ブロック６ａ、６ｂに同じくＰＦＡ製のパイプである流入部４と流出部５を溶着により取り付ける。そしてＰＦＡ製の測定配管２（外径１４ｍｍ、内径１０ｍｍ、長さ１００ｍｍ）を配管ブロック６ａ、６ｂに溶着により取り付ける。さらに配管ブロック６ａ、６ｂの端面に５．５ｍｍ角で厚さが２ｍｍの矩形状の複合圧電素子３ａ、３ｂを、エポキシ樹脂を用いて接合する。
【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、流路の上流方向と下流方向への伝播時間差から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る。

従来、超音波を測定対象の流路内の流体に伝搬させ、この超音波が流路の上流、下流双方向に伝搬する際の伝搬時間差を利用して流体の流速（流量）を測定する超音波流量計が用いられてきた。

特許文献１は、従来の典型的な超音波流量計の構成を説明している。直線状の測定管路の両端に流体の流入部と流出部を取り付け、これら流入部と流出部のそれぞれの外側に超音波トランスジューサを対向させて取付ける。一対の超音波トランスジューサと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内を流れる流体の流速が測定される。

ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電素子３３で構成される円柱形状の超音波トランスジューサは、超音波帯域の周波数で厚み方向への伸縮を繰り返す。しかしながら、超音波トランスジューサの形状は、詳細に見ると、図７に示すように変化する。すなわち、非動作時の静止状態では、Ａに示すように、円柱形状を呈する。厚み方向への縮小状態では、径方向に伸びて、Ｂに強調して示すように凹レンズの形状となる。また、厚み方向への伸長状態では、径方向に縮んで、Ｃに強調して示すように凸レンズのような形状となる。この結果、図７のＤの矢印に示すように、円柱の中心に近づくほど厚み方向（円柱の軸方向）への移動量が増加し、往復動の速度Ｖも増加する。この結果、放射される超音波のエネルギーは、中心部ほど増加する。

一般に、流速測定管路内を流れる流体の流速は、管路の断面内で一様でなく、管路の中心部分が大きく、管壁に近づくにつれて低下するという分布をする。一般に、低速の層流では図８のＡに示すような放物形状の速度分布となり、高速の乱流では図８のＢに示すような速度分布となる。従来、超音波の伝搬経路を流速測定管路の流路断面の中心部分に集中させることによってこの中心部分の流速を測定し、これを層流、乱流に応じた流速分布の補正係数を乗算することにより、流路の断面内の平均流速を算定していた。

このように、流路の中心部分の流速を測定する方法では、図７を参照して説明したように、中心部分の振動速度が大きく、放射される超音波のエネルギーが中心部分ほど大きくなるような超音波トランスジューサを使用することが望まれていた。

上記、流路の中心部分の流速を測定し、これに流速分布の補正係数を乗算して平均流速を算定する方法では、流速の分布が理論的なものとは必ずしも一致しない場合がある。また、層流か乱流かはレイノルズ数で判定されるが、境界付近ではこの判定に誤差が生じる場合もあり、測定精度の低下の原因となる。

また、図９に示したように、超音波トランスジューサの超音波の端面が凹凸形状になるため、この端面の法線方向に放射される超音波が管路の軸線に対して平行とはならずに傾斜してしまう。この結果、図９に示すように、超音波トランスジューサから放射された超音波の一部が管路の内壁近傍を伝搬したり、内壁による反射を受けたりする。この結果、超音波が流路の中心付近を伝搬するという仮定のもとに行われる流速分布に対する補正の精度が低下する。

さらに、図中の点線の矢印で示すように反射を受けた超音波の成分は伝播時間が長くなるため、図中の実線の矢印で示すように反射を受けずに直接受信される成分より遅れて受信される。この結果、受信波形が鈍ってしまい、受信時点の遅れを引き起こし、検出精度の低下を招くという問題がる。

上記の課題を解決するため特許文献２の超音波流量計が提案された。特許文献２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を取り付け、これら流入部と流出部のそれぞれに超音波トランスジューサを対向させて取り付け、前記流速測定管路の内部の前記超音波トランスジューサ間を伝搬する超音波の伝搬所要時間から前記流速測定管路内を流れる流体の流速と流量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、各超音波トランスジューサが、流速測定管路の断面積よりも大きな断面形状を有するコンポジット振動子から構成されている。

特許文献２の超音波流量計は、超音波トランスジューサを流速測定管路の断面形状よりも大きな断面形状を有するコンポジット振動子で構成されているので、流路の断面内にわたって一様なエネルギーの超音波が、流路の軸線方向にほぼ平行に伝搬する。この結果、流路断面内の流速分布に対する補正が不要で、高精度な流量計を実現できるとされている。

特開２０００−１７１４７８号公報特開２００４−１９８３３９号公報

塩嵜忠、「新・圧電材料の製造と応用」、株式会社シーエムシー、１９８７年１２月、ｐ９９−１０９

しかし、特許文献２の超音波流量計は、超音波トランスジューサを測定管路の断面形状よりも大きな断面形状を有するコンポジット振動子を用いるため、測定管路の管直径が大きい場合、例えば、１０ｍｍを超える場合、これより大きなコンポジット振動子を使用しなければならないため、製造コストが高くなってしまう。

また、コンポジット振動子の直径が測定管路の管直径が大きい場合、測定管路にコンポジット振動子の超音波振動が伝搬するため、流体を伝搬する超音波振動が、測定管路を伝搬する超音波振動に影響されて、正確に受信できなくなるという問題点がある。

さらに、コンポジット振動子が円盤状であるため、放射される超音波のエネルギーが中心部分ほど大きくなり、流路の断面内で超音波エネルギーが一様にならず、層流と乱流の境界で流量の測定精度に誤差が生じる。

また、コンポジット振動子が円盤状であるため、コンポジット振動子を構成する圧電素子が矩形状で５個以上の場合、外周の圧電素子と内部の圧電素子の形状が異なるため、流体中を伝搬する波動に分布が生じ、この結果受信波形が鈍ってしまい、検出精度の低下を招くという問題がる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、測定管路の材質によらず高精度の流量の測定が可能であり、しかも安価な超音波流量計を提供することにある。

本発明は、被測定液体を流す測定配管の流れ方向の上流と下流側とに一対の超音波トランスジューサを配置して、前記超音波トランスジューサ間の超音波の伝播所要時間から測定配管の内部を流れる被測定液体の流量または流速を測定する超音波流量計において、超音波トランスジューサを矩形状の複合圧電素子とするものである。

本発明はまた、複合圧電素子の形状が矩形状であり、その対角線の長さが測定配管の内径以下であり、測定配管の内径の長さの１／２以上である上記に記載の超音波流量計とするものである。

本発明はまた、矩形状の圧電素子の最も長い辺以上の厚さを持つ複合圧電素子を備える上記に記載の超音波流量計とするものである。

本発明はまた、流路断面を矩形状とする上記に記載の超音波流量計とするものである。

本発明の超音波流量計によれば、管路内の流速分布および測定管路の材質によらず高精度に流体に流速または流量を測定できる。

本発明による超音波流量計の実施形態を示す断面図である。複合圧電素子の形状を示す平面図である。複合圧電素子の形状を示す側面図である。円盤状複合圧電素子の形状を示す平面図である。矩形状複合圧電素子の形状を示す平面図である。超音波流量計の流量を測定する回路を説明する図である。従来の円盤状圧電素子の振動変位を説明する図である。測定管路内の流速の分布の様子を説明するための概念図である。超音波が管路の内壁近傍を伝搬したり、そこで反射されたりする様子を説明するための概念図である。

本発明の実施の形態である基本的な構成を図１の断面図で示す。

図１で示す超音波流量計１は、ＰＦＡ（熱可塑性フッソ系樹脂）製の配管ブロック６ａ、６ｂに同じくＰＦＡ製のパイプである流入部４と流出部５を溶着により取り付ける。そしてＰＦＡ製の測定配管２（外径１４ｍｍ、内径１０ｍｍ、長さ１００ｍｍ）を配管ブロック６ａ、６ｂに溶着により取り付ける。さらに配管ブロック６ａ、６ｂの端面に５．５ｍｍ角で厚さが２ｍｍの矩形状の複合圧電素子３ａ、３ｂを、エポキシ樹脂を用いて接合する。なお、複合圧電素子３ａ、３ｂと接合する配管ブロック６ａ、６ｂの端面は、エポキシ樹脂による接着を強固にするために予め化学的処理をした。このように流体と接触する材料をすべてＰＦＡとすることで例えば強酸性の流体でも安全に取り扱うことができる。ここで超音波トランスジューサは、複合圧電素子３ａ、３ｂである。

図２の平面図、図３の側面図を用いて複合圧電素子３の詳細を示す。矩形状の複合圧電素子３ａ、３ｂは、一辺の長さが５．５ｍｍ、厚さ２ｍｍの正４角柱であり、厚さ方向に分極されている。そして、複合圧電素子３を構成する個々の圧電素子７は１．５ｍｍ角で厚さ２ｍｍであり、圧電素子７と圧電素子７を接合しているエポキシ樹脂８の幅は約０．５ｍｍである。圧電素子７は、鉛系圧電セラミックであり、いわゆるＬｏｗＱ材である。

ここで一般的な複合圧電素子について説明する。複合圧電素子は、圧電セラミックなどの圧電体と樹脂が構造的に複合化され、圧電セラミックや圧電高分子にはない特徴を持つ材料である。非特許文献１に詳しく記載されているが、複合圧電振動子は圧電素子単体では、実現不可能な特性を得るために開発されたものであり、現在はその価格が高いこともあり医療用として主に使用されている。複合圧電振動子は、セラミックと高分子の複合体であり、セラミックと高分子の各々が何次元かの物理的（いくつの方向）に自己結合しているかにより分類される。すなわち、圧電活性な成分である圧電セラミックがその複合体の中で連なっている次元数ｍと圧電非活性な成分である高分子が連なっている次元数ｎでｍ−ｎ複合体と表示する。複合圧電振動子の中でも、もっとも実用的な１−３複合体であり、本発明に用いた。

ここで、矩形状複合圧電振動子３２と円盤状複合圧電振動子３１の形状を比較して矩形状複合圧電振動子３２が優れていることを説明する。図４の平面図で示すように円盤状複合圧電振動子３１の各圧電素子７は、外周部で矩形が欠けた形状になっている。例えば、図４には３種類の圧電素子７ａ、７ｂ、７ｃの形状がある。この３種類の形状の圧電素子７ａ、７ｂ、７ｃはそれぞれが異なる固有振動数を持つ。したがって、それぞれが異なった伝搬波形で流体中を伝搬する。この結果受信波形が鈍ってしまい、検出精度の低下を招くという問題がる。

これに対して図５に示す矩形状複合圧電素子３２は、圧電素子７がすべて同じ形状でありすべての圧電素子７が同じ固有振動数を持ち、同じ伝搬波形にて伝搬する。したがって、伝播時間の誤差はなく、正確な流量を測定できる。

また、図８に示すように層流と乱流では管内の流速分布が異なる。従来の超音波流量計１では、管内の全部の流速を測定できないので、層流と乱流との境界で流量の測定で誤差が生じる。

そこで測定流管２の形状で円管と矩形管を比較する。円管の内径の全面積に円盤状複合圧電振動子３１を接合した超音波流量計と、矩形管の矩形の内側に矩形状複合圧電振動子３２を接合した２種類があるが、円盤状複合圧電振動子３１は先に説明したように個々の圧電素子７ａ、７ｂ、７ｃが同一形状でないため、受信波形が鈍ってしまい、検出精度の低下を招く。

他方、矩形状複合圧電振動子３２を構成する個々の圧電素子７は形状が同一であるため受信波形がより同一の位相と成るため正確な測定ができる。よって、矩形管の矩形の内側に矩形状複合圧電振動子３２を接合した超音波流量計１だけが、層流と乱流の流速分布に関係なく正確な流量を測定できる唯一の超音波流量計１である。

以下に上記の構成の超音波流量計１の動作を、図１を用いて説明する。

一対の超音波トランスジューサである一方の複合圧電素子３ａ上に設けたれた電極に電圧信号が印加されると、電圧信号に基づいて、その複合圧電素子３ａが伸縮し、複合圧電素子３ａの超音波送受波面から超音波が放射される。この超音波は、ＰＦＡ面に伝搬し、超純水９に放射される。一方、超純水９を伝搬してきた超音波は、ＰＦＡ面を介して複合圧電素子３ｂへ伝搬して、その電極間に電圧信号を発生させる。

以上の動作を一対の超音波トランスジューサ３ａ、３ｂによる送受波を交互にスイッチしながら繰り返して実行することにより、同じ経路にそって逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間の差が計測され、その計測値に基づいて流速を計算する。そして、測定された流速および配管の断面積から流量が求められる。

以下、この超音波流量計の動作をより図６を用いて、より詳細に説明する。

被測定流体として、超純水８が測定配管２の内部を流れる場合を考える。複合圧電素子３ａ、３ｂの駆動周波数を約１ＭＨｚとする。制御部１５は、駆動回路１１に送波開始信号を出力すると同時に、タイマ１３の時間計測を開始させる。

駆動回路１１は送波開始信号を受けると、複合圧電素子３ａを駆動し、超音波パルスを送波する。送波された超音波パルスは、測定配管２の内部の超純水９を伝搬して、複合圧電素子３ｂで受波される。受波された超音波パルスは複合圧電素子３ｂで電気信号に変換され、受波検知回路１２に出力される。

受波検知回路１２では、受波信号の受波タイミングを決定し、タイマ１３を停止させる。演算部１４は、伝搬時間ｔ１を演算する。

次に、切替回路１０により駆動回路１１および受波検知回路１２に接続する複合圧電素子３ａおよび複合圧電素子３ｂを切り替える。そして、再び、制御部１５は駆動回路１１に送波開始信号を出力すると同時に、タイマ１３の時間計測を開始させる。

伝搬時間ｔ１の測定と逆に、複合圧電素子３ｂで超音波パルスを送波し、複合圧電素子３ａで受波し、演算部１４で伝搬時間ｔ２を演算する。

伝搬時間ｔ１、ｔ２は、それぞれ測定によって求められる。距離Ｌは既知であるので時間ｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖから流量を決定することができる。

このような超音波流量計において、伝搬時間ｔ１、ｔ２は、ゼロクロス法と呼ばれる方法によって好適に測定される。

以上述べたように本発明の超音波流量計は、矩形状の複合圧電素子の均一な振動により超音波が流体中を均一な波形で直進するので検出波形の位相のバラツキが小さいので精度の高い流量の測定ができる。また、測定配管を矩形状にすることで、流速分布によらず精度の高い流量の測定ができる。

以上述べたように本発明の超音波流量計は、測定配管２として有機材料であるＰＦＡを用いた例について説明したが、測定配管２としてステンレスなどの金属材料でもよく、金属材料の場合は測定配管２を伝搬する超音波振動が大きいので本発明によれば、測定配管を伝搬する超音波振動を大幅に小さくできるので、さらに好適に用いることができる。

１超音波流量計
２測定配管
３複合圧電素子
４流入部
５流出部
６配管ブロック
７圧電素子
８エポキシ樹脂
９超純水
１０切替回路
１１駆動回路
１２受波検知回路
１３タイマ
１４演算部
１５制御部
３１円盤状複合圧電素子
３２矩形状複合圧電素子
３３円盤状圧電素子

Claims

被測定液体を流す測定配管の流れ方向の上流と下流側とに一対の超音波トランスジューサを配置して、前記超音波トランスジューサ間の超音波の伝播所要時間から測定配管の内部を流れる被測定液体の流量または流速を測定する超音波流量計において、超音波トランスジューサを矩形状の複合圧電素子とすることを特徴とする。
複合圧電素子の形状が矩形状であり、その対角線の長さが測定配管の内径以下であり、測定配管の内径の長さの１／２以上であることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
矩形状の圧電素子の最も長い辺以上の厚さを持つ複合圧電素子であることを特徴とする請求項１、２に記載の超音波流量計。
流路断面が矩形状であることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。