JP3721404B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

【０００１】
【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)

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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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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