JP2000146644A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軽量，低コストとし、気体の流量計測も可能
とする。 【解決手段】 超音波センサ部７４を備えた検出部７
を、測定管１の上流側，下流側それぞれの外部配管４と
の結合部分にて挟み込んで設置することにより、軽量，
低コストに気体の流量計測ができるようにする。センサ
間の距離も、或る程度の自由度を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、管路内を流れる
液体，気体を含む流体の流速，流量を計測する超音波流
量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波流量計は管路の管軸方向の上流側
と下流側に、圧電セラミックス等の圧電体による電気／
機械エネルギー変換効果を利用し、超音波を送受信する
超音波センサを取り付け、一方が超音波パルスを送信し
他方で受信することを交互に行ない、それぞれの音波の
伝播時間を測定し、その時間差から流速を求め流量に換
算するものである。図１２は外挿式超音波流量計の従来
例を示す。同図（ａ）は測定管の軸に直角方向の断面
図、同（ｂ）は軸方向の断面図である。

【０００３】流体を流す測定管１はプラント設備に既設
の配管であり、その材質は鉄，ステンレス，塩化ビニー
ル等様々である。配管材質の違いで配管入射角θｐが変
化するため、センサ間距離を調節し超音波センサの指向
性による減衰を少なくする必要がある。外挿式の超音波
センサ２は測定管１の上流側，下流側でそれぞれ独立し
ており、ユーザまたはサービスエンジニアが位置決めを
して設置される。

【０００４】図１３に超音波センサの具体例を示す。す
なわち、超音波センサは、電気エネルギーを機械エネル
ギーに変換し、超音波を送受信する圧電セラミックス等
の圧電体からなる超音波発振子２１と、この超音波発振
子２１から送信される超音波の挿入損失を低減する整合
層２２と、これらをケーシングする筐体２３等から構成
されている。このような外挿式のものは、測定管の外側
から流速測定が可能なため圧力損失が少なく、誤差要因
の１つである流れの乱れによる影響がないことが特徴
で、主として液体の流量計測に用いられるが、次の
（１），（２）のような問題がある。 （１）測定管を流れる流体が気体の場合、気体の音速が
測定管材料の音速に比べてかなり小さいため、測定精度
の確保に十分な超音波伝播時間差が発生するような斜入
射の角度で超音波が透過せず、気体の流量測定ができな
い。 （２）取り付け誤差の影響を受け易い。

【０００５】図１４に外挿式に対立する内挿式超音波流
量計の従来例を示す。同図（ａ）は測定管の軸に直角方
向の断面図、同（ｂ）は軸方向の断面図である。図１５
は図１４で用いられるセンサ例を示す構成図である。す
なわち、測定管５には、超音波センサ６からの超音波を
測定流体に対し直接打ち込むため、その管壁に穴５１が
開けられ、超音波センサ６を設置するための設置スペー
ス５２が形成されている。そして、超音波センサ６を設
置スペース５２に設置した後、パッキン５４を押さえ付
け固定とシールを行なう。かかる内挿式のセンサは、セ
ンサの取り付け誤差を低減したい場合や、気体の流量計
測をする場合に用いられるが、次の（イ）〜（ハ）のよ
うな問題点がある。 （イ）筐体形状が管路口径に合わせて大きくなり、重量
が大となって取り扱い難い。 （ロ）大型で形状も複雑なため、材料コスト，製造コス
トが増大する。 （ハ）プラントに組み込む場合、センサの面間距離が固
定という拘束条件が加わる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】したがって、この発明
の課題は、上記のような問題点を解決し以下の条件を満
足する超音波流量計を提供することにある。 １）気体流量計測可能 ２）低コスト化 ３）低重量化 ４）小型化 ５）取り扱いの容易さ ６）センサの面間距離可変

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
べく、請求項１の発明では、配管内を流れる流体の流
速，流量を計測する超音波流量計において、超音波を送
受信する少なくとも１つの超音波センサを有する一対の
検出部を、測定管の上流側，下流側それぞれの外部配管
との結合部分に、測定管と外部配管との間に挟み込んで
設置するようにしている。

【０００８】上記請求項１の発明においては、前記測定
管の上流側，下流側それぞれに設置される一対の超音波
センサは、互いに対向して管路内に配置することができ
る（請求項２の発明）。請求項１または２に記載の発明
においては、前記測定管の上流側，下流側それぞれに設
置される各検出部は、外部配管と同径，同ピッチのボル
ト穴が開けられたフランジ部を有することができ（請求
項３の発明）、または、前記測定管の上流側，下流側そ
れぞれに設置される各検出部は、前記超音波センサ部を
固定する金属製の筐体と、外部配管と同径，同ピッチの
ボルト穴が開けられるとともに、絶縁性，弾性を有し押
圧時にシール効果を持つ材料からなり、かつ内部に中継
リードが埋め込まれるパッキン部とを有することができ
る（請求項４の発明）。

【０００９】上記請求項１の発明では、前記測定管の上
流側，下流側それぞれに設置される各検出部の超音波セ
ンサは、管軸方向と垂直に超音波を送受信するものと
し、その超音波を管軸方向へ反射させる反射器を備える
ことができる（請求項５の発明）。上記請求項５の発明
においては、前記検出部に設置された反射器は、超音波
受波の感度が最大となるように管軸方向に対する傾きを
持つ部品よりなることができ（請求項６の発明）、また
は、前記検出部に設置された反射器は、超音波受波の感
度が最大となるように管軸方向に対する傾きが調整可能
な調整機構を有することができる（請求項７の発明）。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の第１の実施の形
態を示す構造図である。同図（ａ）は測定管の軸に直角
方向の断面図、同（ｂ）は軸方向の断面図である。これ
は、測定管１に一対の検出部７が対向配置された様子を
示し、検出部７が測定管１の上流側，下流側のそれぞれ
で測定管１のフランジ部１１と外部配管４のフランジ部
４３の間に挟み込まれて形成されている。このとき、検
出部７のフランジ部７１には、測定管１のフランジ部１
１と外部配管４のフランジ部４３と同じ径，ピッチのボ
ルト穴７２が開けられており、超音波センサ部７４を挟
み込み、ボルト４２とナット４１による固定を可能にし
ている。パッキン３は、測定管１のフランジ部１１およ
び外部配管４のフランジ部４３と、検出部７のフランジ
部７１との間で流体をシールする。

【００１１】測定管１は既製品，規格品またはプラント
の既設の配管を用いることが可能である。ただし、この
場合、センサ間距離（配管の直管方向長さ）は、最小測
定流量時の時間差が変換器の測定分解能以上となる距離
よりも大きく、超音波の減衰によるＳ／Ｎの悪化が精度
に影響する距離よりも小さい範囲内に限定される。この
センサ間距離を外部から図示されない変換器に入力し
て、ドライキャリブレーションを実施する。検出部７の
設置距離が或る範囲内で自由度を持つので、使用用途が
拡がる可能性がある。

【００１２】図２に検出部の詳細を示す。同図（ａ）は
側面図、同（ｂ）は正面図である。図示のように、検出
部７はフランジ部７１、超音波センサ７３を格納する超
音波センサ部７４、この超音波センサ部７４をフランジ
部７１と固定し内部にリード７５が通る穴が形成された
ガイド部７６等より構成される。検出部７の軸方向の厚
さは小型，軽量化のため、駆動電圧印加および受信信号
出力用のリード７５のスペースが最低限確保できる１０
ｍｍ程度としている。また、検出部筐体７７はロストワ
ックス等により一体成形により製作されるため、従来に
比べ小型，軽量となり生産効率の向上，材料費低減によ
る低コスト化が期待される。検出部の超音波センサ部７
４およびガイド部７６を管路内へ挿入したとき発生する
圧力損失低減のため、金属表面粗さを出来る限り細かく
し、表面摩擦が小さくなるように成形することとする。
なお、超音波センサ７３はここでは１個だけとしたが、
２個以上設けるようにしても良い。

【００１３】図３はセンサ部の詳細説明図である。検出
部筐体７７の各部は可能な限り流線形状として抵抗を小
さくし、差圧流量計や渦流量計等に比べ圧力損失を低減
し得る形状とする。図３（ａ）は超音波センサ部７４の
断面図で、その背面７４１は円錐状の突起形状とし、背
面方向からの流れに対して滑らかでその抵抗を小さくし
ている。図３（ｂ）はガイド部７６の断面図で、これも
流れに対して滑らかな形状としている。上流側，下流側
それぞれの検出部筐体７７を共用化するため、断面形状
は管軸方向に対称形にしている。

【００１４】図４は超音波センサ部の組立工程説明図で
ある。 （１）超音波センサ７３は整合層７３１を接着した圧電
セラミックス等の圧電体からなる超音波発振子７３２
で、これを格納スペース７４２に挿入する前に、ガイド
部７６から延びたリード７５に半田付けするか、または
コネクタ接続する（図４（ａ）参照）。 （２）リード７５を引っ張って超音波センサ７３を、格
納スペース７４２に引き込む（図４（ｂ）参照）。 （３）ネジ部を有する固定蓋７４３により、整合層７３
１の部分で筐体７７と超音波発振子７３２を固定する。
その接触面７７１で気密性を十分確保するように予めネ
ジを切っておくとともに、整合層７３１と筐体７７との
間にシール剤７８を封入する（図４（ｃ）参照）。 （４）筐体７７の外部に引き出されたリード７５は、図
示されない変換器へ接続される。

【００１５】図５はこの発明の第２の実施の形態を示す
構造図である。この例も図１と同様、一対の検出部７が
対向配置され、測定管１の上流側，下流側のそれぞれで
測定管１のフランジ部１１と外部配管４のフランジ部４
３の間に挟み込まれている。以下、主として第１の例
（図１〜図４）との相違点につき説明する。大きな相違
点は検出部７に図１に示すようなフランジ部７１がない
点であり、絶縁性，弾性およびシール性を有するパッキ
ング部７９と、金属材料からなる検出部筐体７７とから
構成されている点である。したがって、第１の例のよう
に４枚のパッキン（上流側，下流側に各２枚）を取り付
ける必要がなくなり、パッキン取り付けの手間が省かれ
ることになる。なお、フランジ部がなくその固定用のボ
ルト穴がないため、検出部７は測定管１の内径より僅か
に小さい外径を持つカップリング部７７２により、位置
決め固定されている。

【００１６】図６に検出部の詳細を、また、図７にパッ
キング部の詳細を示す。検出部筐体７７に凸部７７３
を、パッキング部７９に凹部７９１を設け、筐体の突き
出したカップリング部７７２の外径を測定管１の内径よ
りやや小さくすることにより、測定管１へのはめ込みを
可能としている。また、パッキング部７９の厚さを、無
荷重状態では検出部筐体７７の測定管１と外部配管４そ
れぞれとの接面部７７４の厚さより厚くし、取り付けの
際の押圧時にシール性が失われないようにする。絶縁材
質であるパッキング部７９には、導電性の金属線７９２
が埋め込まれる。この金属線７９２は、駆動電圧印加お
よび受信信号出力のためのリードとなる。

【００１７】図８にパッキング部と検出部との組み立て
手順を示す。 （１）パッキング部７９の弾性変形を利用して凹部７９
１を押し広げ、検出部筐体７７の凸部７７３と合わせこ
む。この際、リード７５をパッキング部７９の導電性金
属線７９２と位置合わせをすることが必要である（図８
（ａ）参照）。 （２）パッキング部７９のリード７５と、導電性金属線
７９２とが接触する位置に開けた穴７９３の一方より半
田こて８、他方より半田９を挿入し、接合する（図８
（ｂ）参照）。 （２）パッキング部７９の穴７９３に、シリコン系樹脂
等の弾性接着剤７９４を充填する（図８（ｃ）参照）。

【００１８】図９はこの発明の第３の実施の形態を示す
構造図である。同図（ａ）は側面図、同（ｂ）は正面図
である。これは、フランジ板状の筐体７７を有する検出
部７を有し、超音波センサ６は超音波が管軸方向に垂直
な方向に送受信されるように設置され、同じ筐体７７に
超音波センサ６と対向して反射板７ａが設置された構造
となっている。したがって、上流側，下流側のいずれか
一方の検出部７の超音波センサ６から送信された超音波
は、それと対向する反射板７ａで反射され、他方の検出
部７の反射板７ａでさらに反射されて対向する反射板７
ａで受信される。第１，第２の例では超音波センサを対
向させるようにしているため圧力損失が大きいが、この
例では反射板７ａを設けることで管路内に存在する部分
が小さくなるので、圧力損失を低減することが可能とな
る、というのが大きな特徴である。

【００１９】図１０に検出部の詳細を示し、図１１にセ
ンサ部の詳細を示す。この検出部の超音波センサ７３は
従来の内挿式と同じであるため、先の第１，第２の例に
比較してセンサ筐体７７の厚みが増す。超音波センサ７
３は筐体７７に開けられたセンサ穴７７５に筐体外部よ
り挿入され、さらにパッキン７ｂを挿入し、固定蓋７ｃ
で固定する。反射板７ａは筐体７７の段付き部７７６に
はめ込まれ、固定ネジ１０で固定される。このとき、固
定ネジ１０が筐体７７の厚み方向に出っ張らないよう
に、筐体７７には予めネジ溝７ｄを形成しておく。反射
板７ａの管軸に対する傾斜角は、超音波センサの指向性
による減衰を低減するよう測定管の長さに対応させる。
このため、設置距離が或る範囲内で自由度を持ち、使用
用途が広がる可能性がある。

【００２０】反射板７ａの調整機構付の場合、調整ネジ
７ａ３による調整棒７ａ２の押し引きで、反射板７ａが
支点７７７を中心に回転し、角度が微調整される。調整
棒７ａ２による調整力と調整バネ７ａ１の反力が釣合う
ことで、反射板７ａの位置固定がなされる。このような
微調整により、組立時の位置ずれによる感度低下を防ぐ
ことが可能となる。

【００２１】

【発明の効果】この発明によれば、下記のような効果を
期待できる。 （１）従来の内挿式のように測定管部を有しない構造の
ために軽量化され、構造の簡素化による低コスト化，取
り扱いの容易さが実現できる。 （２）測定管の管軸方向の長さに或る程度の自由度があ
るため、用途の多様化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構造図であ
る。

【図２】図１の検出部の詳細説明図である。

【図３】図１のセンサ部の詳細説明図である。

【図４】図１のセンサ部の組立工程説明図である。

【図５】この発明の第２の実施の形態を示す構造図であ
る。

【図６】図５の検出部の詳細説明図である。

【図７】図５のパッキン部の詳細説明図である。

【図８】図５の検出部とパッキン部の結合過程説明図で
ある。

【図９】この発明の第３の実施の形態を示す構造図であ
る。

【図１０】図９の検出部の詳細説明図である。

【図１１】図９のセンサ部詳細説明図である。

【図１２】従来の外挿式超音波流量計の説明図である。

【図１３】図１２で用いられる超音波センサの１例を示
す構成図である。

【図１４】従来の内挿式超音波流量計の説明図である。

【図１５】図１４の検出部の詳細説明図である。

【符号の説明】

１，５…測定管、１１，４３，７１…フランジ部、２，
６，７３…超音波センサ、２１，６１，７３２…超音波
発振子、２２，６２，７３１…整合層、２３，６３…セ
ンサ筐体、２４，７５…リード、３，５４，７９，７ｂ
…パッキン、４…外部配管、４１…ボルト、４２…ナッ
ト、５１，７９３…穴、５３…固定具、７…検出部、７
２…ボルト穴、７４１…超音波センサ部背面、７４２…
格納スペース、７４３，７ｃ…固定蓋、７６…ガイド
部、７７…検出部筐体、７７１…接触面、７７２…カッ
プリング部、７７３…凸部、７７４…接面部、７７５…
センサ穴、７７６…段付部、７７７…支点、７８…シー
ル剤、７９１…凹部、７９２…金属線、７９４…弾性接
着剤、７ａ…反射板、７ａ１…調整バネ、７ａ２…調整
棒、７ａ３…調整ネジ、７ｄ…ネジ溝、８…半田こて、
９…半田、１０…固定ネジ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配管内を流れる流体の流速，流量を計測
   する超音波流量計において、 超音波を送受信する少なくとも１つの超音波センサを有
   する一対の検出部を、測定管の上流側，下流側それぞれ
   の外部配管との結合部分に、測定管と外部配管との間に
   挟み込んで設置することを特徴とする超音波流量計。
2. 【請求項２】 前記測定管の上流側，下流側それぞれに
   設置される一対の超音波センサは、互いに対向して管路
   内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の超音
   波流量計。
3. 【請求項３】 前記測定管の上流側，下流側それぞれに
   設置される各検出部は、外部配管と同径，同ピッチのボ
   ルト穴が開けられたフランジ部を有することを特徴とす
   る請求項１または２のいずれかに記載の超音波流量計。
4. 【請求項４】 前記測定管の上流側，下流側それぞれに
   設置される各検出部は、前記超音波センサ部を固定する
   金属製の筐体と、外部配管と同径，同ピッチのボルト穴
   が開けられるとともに、絶縁性，弾性を有し押圧時にシ
   ール効果を持つ材料からなり、かつ内部に中継リードが
   埋め込まれるパッキン部とを有することを特徴とする請
   求項１または２のいずれかに記載の超音波流量計。
5. 【請求項５】 前記測定管の上流側，下流側それぞれに
   設置される各検出部の超音波センサは、管軸方向と垂直
   に超音波を送受信するものとし、その超音波を管軸方向
   へ反射させる反射器を備えてなることを特徴とする請求
   項１に記載の超音波流量計。
6. 【請求項６】 前記検出部に設置された反射器は、超音
   波受波の感度が最大となるように管軸方向に対する傾き
   を持つ部品よりなることを特徴とする請求項５に記載の
   超音波流量計。
7. 【請求項７】 前記検出部に設置された反射器は、超音
   波受波の感度が最大となるように管軸方向に対する傾き
   が調整可能な調整機構を有することを特徴とする請求項
   ５に記載の超音波流量計。