JP3721404B2 - 超音波流量計 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
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、管壁内を伝搬する超音波を減衰させることよって精度を向上させた超音波流量計に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
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汎用されてきた。
【0003】
図7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。
【0004】
図7に図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は、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。
【0005】
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する金属やシリカなどの素材で構成しなければならないという制約が生じる。
【0006】
従来、金属やシリカなど硬質の素材からなる管壁中や表面を伝搬する超音波振動を減衰させるために、極細の管路を、シリコンゴムその他の弾性体層の間に押圧状態で保持することによって弾性体層に振動を吸収させようにしたるものがある(例えば、特許文献1参照)。
【0007】
【特許文献】
特開2001−343265号公報(第4頁、図5)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献に開示された超音波振動の減衰方法では、流体の管路が極めて細いため、これを弾性体の層で押圧状態で保持することは容易であり、減衰の効果も高いという利点があった。しかしながら、ガスなどの流量測定に利用される通常の太さの管路については、これを弾性体の層で押圧状態で保持する構成はかなり大がかりなものとなり、製造費用がかさむという問題がある。従って、本発明の目的は、小型で安価な減衰機構を有する超音波流量計を実現することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
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外側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、流速測定管路の外側を同軸状に延長されかつ厚肉部と薄肉部とが交互に形成された金属製の筒状体から成る減衰機構を備えている。
【0010】
さらに、本発明の超音波流量計によれば、上記減衰機構が、流入部から流出部まで連続的に延長され、その長さ方向の中央付近で前記流速測定管路を保持する構造を有する。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、上記減衰機構は、流入部から流速測定管路の途中まで延長される流入部側と、流出部から流速測定管路の途中まで延長される流出部側とに分離されている。
【0012】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、個々の薄肉部の長さは、超音波トランスジューサが発生する超音波の波長の1/20程度の値に設定されている。
【0013】
本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、厚肉部と薄肉部の厚みの差は、超音波トランスジューサが発生する超音波の波長の1/4程度の値に設定されている。
【0014】
【実施例】
図1は、本発明の一実施例の超音波流量計の構成を管路部分については断面図で、電気回路部分については機能ブロック図で示す図である。11は直線状の流速測定管路、12は流体の流入部、13は流体の流出部、14、15は超音波トランスジューサ、16は超音波振動に対する減衰部である。さらに、1は制御・演算回路、2は送信回路、3は受信増幅回路、4は切り換え回路である。
【0015】
直線状の流速測定管路11は円筒体から構成される。流速測定管路11の両端に大径の中空円盤形状の流入部12と流出部13とが流速測定管路11と中心軸を一致させた同軸状態で、かつ減衰部16を介在させながら配置される。流速測定管路11は、その長手方向の中心部の外壁上に形成されたフランジ状の結合部16dを介して減衰部16の内部に中心軸を一致させた同軸状で保持される。
【0016】
中空円盤形状の流入部12と流出部13のそれぞれの側面には、測定しようとする流体を流入させる流入管路Iと、測定済みの流体を流出させる流出管路Oが取り付けられる。この実施例では、流量測定対象の流体として水素であり、流速測定管路11、流入部12、流出部13、減衰部16はすべてステンレス鋼などの金属を素材としている。減衰部16を形成する円筒体には、厚肉部16aと薄肉部16bとが交互に周期的に形成されている。
【0017】
送信側の超音波トランスジューサ14,15が放射した超音波の一部は、流入部12や流出部13の円盤形状の外側の端面を通して流入部12や流出部13の内部に伝搬し、流速測定管路11の内部の流体中を伝搬する。送信側の超音波トランスジューサ14,15が放射した超音波の他の一部は、流入部12や流出部13の円盤形状の外側の端面と円筒形状の側面を通して、互いに接近した内側の円盤形状の端面に伝達される。この内側の端面に伝達された超音波は、減衰部16中を減衰しながら伝搬したのち、流出部13や流入部12の円盤形状の内側の端面に到達し、ここから円筒形状の側面と外側の端面を通して受信側の超音波トランスジューサ15,14に受信される。
【0018】
図2の部分拡大断面図に示すように、減衰部16の個々の薄肉部16bの長さは、超音波トランスジューサ14,15が発生する超音波の波長λの1/20程度に設定される。また、厚肉部16aと薄肉部16bの厚みの差は、前記超音波の波長λの1/4または3/4程度に設定される。これらの音波の波長と溝の幅および深さの関係は、厚肉部16aの内部や表面近傍で発生した振動が、薄肉部16bの上空を通過して隣の厚肉部16aに伝搬される際に生ずる減衰量を最大にするための条件として知られている(例えば、日本音響学会編「音響工学講座4 騒音と振動 pp.206)。ただし、薄肉部16bの厚みは十分に大きいことが想定されている。
【0019】
溝を通過する際に生ずる音波の減衰率は、溝の深さが超音波の波長λの4分の1のときに0.5 になり、4分の3のときに0.33になる。溝の深さをこれ以上大きくしてもそれ以上の減衰の効果はほとんどない。溝の深さを3λ/4にすれば減衰量は最大となるが、厚肉部の径が増加して減衰機構が大型となる。この結果、減衰部16の製造費用がかさむとともに、設置空間も大きくなり、扱いにくくなる。大きな減衰量と製造費用や使い易さとを勘案すると、溝の深さを超音波の波長の4分の1程度にするのが好適である。
【0020】
図3(A)は、薄肉部分16bを伝搬してきた超音波が厚肉部分16aに入射する時の様子を示す概念図である。薄肉部分16bを伝搬してきた超音波が波動の回折現象に従って、厚肉部分16aの内部に拡散してゆく。厚肉部分16aに入射した超音波の大部分は、この厚肉部分16aを囲む壁面によって多重反射を受けて閉じ込められ、わずかな部分が図3(B)に示すように、薄肉部分16bに出てゆく。厚肉部分に閉じ込められた超音波の成分は減衰を受けて消滅する。この結果、厚肉部分16aが存在しない場合に薄肉部分16bの内部を伝搬する超音波のエネルギーが大幅に弱まる。
【0021】
図1の制御・演算回路1の指令に従って、送信回路2から切り替え回路4を経て超音波トランスジューサ14,15の一方に励振が行われる。超音波トランスジューサ14,15が発生した超音波は、流入部12や流出部13を経て流速測定回路11内に放射され、その内部を伝搬して超音波トランスジューサ14,15の他方に受信され、切り替え回路4を経て受信増幅回路3に供給される。受信増幅回路3は、超音波信号を受信すると、その旨を制御・演算回路1に通知する。制御・演算回路1は、送信回路2に送信指令を発してから受信増幅回路3から受信の通知を受けるまでの経過時間を流速測定管路11内の超音波の伝搬所要時間として算定する。
【0022】
図4は、本発明の他の実施例の超音波流量計のうち管路部分の構成を示す断面図である。本図中、図1と同一の構成要素には図1の場合と同一の参照符号を付す。すなわち、11は直線状の流速測定管路、12は流体の流入部、13は流体の流出部、14、15は超音波トランスジューサ、16は超音波振動の減衰部である。この実施例でも、厚肉部16aと薄肉部16bの寸法の関係は図1の構成と同一である。また、流量測定対象の流体は水素であり、流速測定管路11、流入部12、流出部13、減衰部16はすべてステンレス鋼などの金属を素材としている。
【0023】
この実施例の管路部分が図1の実施例のものと異なる点は、減衰部16が入力部12から出力部13まで連続しているのではなく、流速測定管路11の長手方向の中央付近において、入力側と出力側とに分離されている点である。すなわち、減衰部16の入力部側は、入力部12から流速測定管路11の長手方向の中央部に結合部16eを介して結合されている。同様に、減衰部16の出力部側は、出力部13から流速測定管路11の長手方向の中央部に結合部16eを介して結合されている。
【0024】
図5に拡大して示すように、減衰部16の入力側や出力側を流速測定管路11の中央部分に向けて伝搬してきた超音波振動子は、図1の場合のように、薄肉部16bを通って直接、減衰部16の出力側や入力側に伝搬されるではなく、結合部16eを通って一旦流速測定管路11の中央部分の管壁に伝搬してのち、再び結合部16eを通って減衰部16の出力側や入力側に伝搬する。
【0025】
薄肉部16bと結合部16eの境界面と、結合部16eと流速測定管路11の境界面とで伝搬モードの変換が生ずる。減衰部16の入力側から出力側に伝搬する場合も、逆に出力側から入力側に伝搬する場合も、図5に示すように、合計4回のモード変換が生ずる。このようなモード変換にともない、超音波のモード変換損失が生じる。この結果、減衰部16内の超音波の減衰が増大し、受信側の超音波トランスジューサに受信される超音波の不要成分の振幅は低減される。
【0026】
図6は、上述した各種の超音波流量計について得られた受信波形の実験データである。それぞれの超音波流量計において、送信側の超音波トランスジューサから超音波を送信したのちに、受信側のトランスジューサで受信した受信波形を示している。(A)は、図7に示した従来の超音波流量計について得られた受信波形の実験データである。(B)は、図1に示した本発明の一実施例の超音波流量計について得られた受信波形の実験データである。(C)は、図4に示した本発明の他の実施例の超音波流量計について得られた受信波形の実験データである。(A)〜(C)の各図において、横軸は、送信の時点から計った時間、縦軸は受信信号の振幅である。
【0027】
(A)に示す従来の超音波流量計では、所望の信号の前後に大きなレベルの妨害波が出現している。図1に示す(B)の例では、減衰部16を付加した結果、妨害波が大幅に抑圧されている。(C)の例では、減衰部16を入力側と出力側とに分離してモード変換損失を生じさせることで妨害波がさらに抑圧され、ほぼ完全に除去されている。このように、減衰部16を付加することによる妨害抑圧効果、さらに、減衰部16を入力側と出力側とに分離してモード変換損失を生じさせることによるさらに大きな妨害波の抑圧効果が上記三つの実験結果によって実証された。
【0028】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の超音波流量計は、流速測定管路の外側を同軸状に延長されかつ厚肉部と薄肉部とが交互に形成された金属製の筒状体から成る減衰機構を備える構成であるから、比較的小型で安価な超音波の減衰機構を備えた高精度の超音波流量計を実現できるという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の超音波流量計の全体構成を示す一部断面図と機能ブロック図である。
【図2】図1の減衰部16の断面形状を拡大して示す部分拡大断面図である。
【図3】図3の減衰部16の断面形状をさらに拡大して示す部分拡大断面図である。
【図4】本発明の他の実施例の超音波流量計の管路部分の構成を示す断面図である。
【図5】図4の減衰部16の断面形状を拡大して示す部分拡大断面図である。
【図6】従来の超音波流量計、図1と図4の超音波流量計のそれぞれについて受信側の超音波トランスジューサによる受信信号の波形を示す実験データである。
【図7】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】
11 流速測定管路
12 流入部
13 流出部
14,15 超音波トランスジューサ
16 減衰部
16a 厚肉部
16b 薄肉部
16c 溝
16d,16e 結合部
Claims (5)
- 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超音波流量計において、
前記流速測定管路の外側を同軸状に延長されかつ厚肉部と薄肉部とが交互に形成された金属製の筒状体から成る減衰機構を備えたことと、
前記減衰機構が、前記流入部から流出部まで連続的に延長され、その長さ方向の中央付近で前記流速測定管路を保持することと
を特徴とする超音波流量計。 - 請求項1において、
前記減衰機構は、前記流入部から前記流速測定管路の途中まで延長される流入部側と、前記流出部から前記流速測定管路の途中まで延長される流出部側とに分離されたことを特徴とする超音波流量計。 - 請求項1または2のいずれかにおいて、
前記個々の薄肉部の長さは、前記超音波トランスジューサが発生する超音波の波長の1/20程度の値に設定されたことを特徴とする超音波流量計。 - 請求項1乃至3のいずれかにおいて、
前記厚肉部と薄肉部の厚みの差は、前記超音波トランスジューサが発生する超音波の波長のほぼ1/4の値に設定されたことを特徴とする超音波流量計。 - 請求項1乃至4のいずれかにおいて、
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。
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