JP2003014513A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】流体が流れる管路と、この管路に沿って設置さ
れる複数の超音波トランスジューサとを備えた流量計に
おいて、ステンレス鋼や硝子などの硬質の素材で構成さ
れる管壁を介して伝搬する超音波を減衰させることによ
り、受信信号のＳＮと測定精度の向上を図る。 【解決手段】本発明の流量計は、ステンレス鋼や硝子な
どの硬質の素材で構成される管路の外周面に軟質の樹脂
層を介在させながら巻回された金属箔から成る振動吸収
層が形成することにより、管壁を介して伝搬する超音波
振動をこの振動吸収層内で吸収し、減衰させるように構
成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波流量計、特
に、小径の管路を用いる場合に好適な超音波流量計に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】種々の流体の流速や流量の計測に超音波
流量計がひろく利用されてきた。超音波流量計の典型的
なものは、流体の流路にそって１対の超音波トランスジ
ューサを配置し、超音波を流路の下流に伝搬させた場合
の伝搬所要時間と、逆に上流に伝搬させた場合の伝搬所
要時間とを測定し、両者の差から流体の流速と流量とを
計測するように構成されている。

【０００３】最近、微小な流量の測定も要求されるよう
になってきた。この場合、測定対象の流速が超音波の伝
搬速度に比べて圧倒的に小さくなり、測定精度が低下す
るという問題がある。この測定精度の低下を回避するた
め、流路の径を絞って流速を増加させることも行われて
いる。この結果、内径が数ｍｍのごく細の管路の使用な
どが必要になってきている。このごく細の管路を使用す
るために、中心部分に開口が形成された円環形状のトラ
ンスジューサを使用し、その中心部分の開口に極く細の
管路を嵌合されせた構造の超音波流量計が使用される。

【０００４】本出願人が先に出願した特願２０００−１
７０４１９号には、円環形状のトランスジューサに嵌合
されるステンレス鋼等の硬質の素材から成るごく細の管
路の表面に樹脂やゴムの振動吸収層を形成し、管壁を伝
搬する超音波振動を減衰させ、測定制度を高める構成が
開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の円環形状の
送受波器の中心部分にごく細の管路を嵌合させる構造の
超音波流量では、硬質の管路の表面に樹脂やゴムなどの
振動吸収層を形成しただけでは管壁を伝搬する超音波振
動を十分に減衰させることが困難である。このため、測
定精度が低下するという問題がある。管壁を伝搬する超
音波振動を十分に減衰させて抑圧するには、管路そのも
のを樹脂などの軟質の素材で形成することが有効であ
る。しかしながら、この場合、流体中を伝搬する超音波
も減衰してしまい、必要な測定精度を確保できないとい
う問題がある。従って、本発明の目的は、管路の管壁を
伝搬する超音波振動のみを有効に減衰させることにより
受信信号のＳＮ比と測定精度を向上させた超音波流量計
を提供することにある。

【０００６】

【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、流体が流れる管路とこ
の管路の延長方向に離間して設置される複数の超音波ト
ランスジューサとを備えている。そして、管路は金属や
硝子などの硬質の素材から成り、この管路の外周面に軟
質の樹脂層を介在させながら巻回された金属箔から成る
振動吸収層が形成されることにより、管路を伝搬する超
音波振動を振動吸収層に吸収させて減衰させ、測定精度
を向上させるように構成されている。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の好適な実施の形態によれ
ば、金属箔から成る振動吸収層は管路の長手方向に離散
して複数形成されることにより、振動吸収層を媒介とす
る超音波の伝搬を阻止しながら振動吸収の効果を高める
ように構成されている。

【０００８】本発明の他の好適な実施の形態によれば、
振動吸収層を構成する軟質の樹脂層は接着剤の層から成
ることにより、振動吸収層を形成するための製造工程の
簡略化を図るように構成されている。

【０００９】本発明の更に他の好適な実施の形態によれ
ば、管路と振動吸収層の金属箔の素材はステンレス鋼で
あり、金属箔の合計の厚みを管路の厚みと同程度の値に
設定するように構成されている。

【００１０】本発明の更に他の好適な実施の形態によれ
ば、管路の厚みは、0.2 ｍｍ以下に設定されることによ
り振動吸収層によっては吸収しにくい縦波が管壁を介し
て伝搬するのを抑圧するように構成されている。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の超音波流量計の
構成を示すブロック図である。この超音波流量計は、ご
く細の管路１と、この管路に沿って間隔をおいて設置さ
れる１対の超音波送受波器２ａ，２ｂと、送受信回路３
ａ，３ｂと、送受制御回路４と、送信信号発生回路５
と、受信回路６と、Ａ／Ｄ変換回路７と、受信信号処理
回路８と、表示部９と、送受波器２ａ，２ｂ間において
管路１の管壁上に形成される複数の振動吸収層１０とを
備えている。

【００１２】ごく細の管路１は内径が１ｍｍ乃至１０ｍ
ｍの範囲、厚みが0.1 ｍｍから0.2ｍｍの範囲でステン
レス鋼を素材とする。超音波送受波器２ａ，２ｂは、図
２の斜視図に示すように、中心部分に開口が形成された
円環形状を呈しており、それぞれの開口に管路１が嵌合
される。超音波送受波器２ａ，２ｂは100 ｍｍ〜200ｍ
ｍの間隔をおいて配置される。

【００１３】振動吸収層１０は、図３の部分拡大断面図
に示すように、肉厚1.5 ｍｍの管路１の管壁上に、厚み
40μｍのステンレス鋼の箔１１を、厚み80μｍの接着剤
層１２を介在させながら４から５回ていど巻回した構成
を有している。このような構成の振動吸収層１０は、株
式会社スリオンテック社から製品番号８８１４として市
販されている幅５０乃至１００ｍｍの範囲のステンレス
薄膜テープを管路１の管壁上に巻回することにより容易
に実現される。

【００１４】送信信号発生回路５は、図４に示すような
幅Ｔの矩形パルス状の送信信号を発生する。１／Ｔ＝ｆ
とすれば、この周波数ｆは数百kHz の超音波帯域に設定
される。送受信回路３ａ，３ｂは、送信信号発生回路５
から供給される送信信号を増幅し、対応の超音波送受波
器２ａ，２ｂに供給するという送信動作を行う。この送
信動作は、送受信制御回路４からの制御信号に従って送
受信回路３ａ，３ｂ間で交互に反復される。送受信回路
３ａ，３ｂは、上記送信動作を行わない期間内は、対応
の超音波送受波器２ａ，２ｂが受けた受信信号を増幅・
濾波回路６に転送する受信動作を行う。

【００１５】超音波送受波器２ａ，２ｂは、送信信号で
励振されると、径方向に伸縮することにより管路１をそ
の径方向に圧縮・膨張させる。この管路１の径方向への
圧縮・膨張は流体に伝達され、これによる圧縮・膨張を
受けた流体中に流路方向に圧縮・膨張する縦波が励振さ
れ、管路の延長方向に伝搬される。超音波送受波器２
ａ，２ｂの一方から流体中に励振され、流体中を伝搬し
て他方の送受波器に受信された超音波振動は、送受信回
路３ａ，３ｂの一方に受信される。この受信信号の波形
を、図５に例示する。この受信信号は、増幅・濾波回路
６を経てＡ／Ｄ変換回路７に供給される。Ａ／Ｄ変換回
路７は、送信信号発生回路５から供給される送信トリガ
信号に同期して、アナログ受信信号をディジタル受信信
号に変換し、信号処理回路８に供給する。

【００１６】信号処理回路８は、トリガ信号の発生時点
からディジタル受信信号の立ち上がり時点までの時間を
検出することにより、超音波が送受波器２ａ，２ｂ間の
流体中を伝搬するのに要した伝搬所要時間を検出する。
信号処理回路８は、超音波が送受波器２ａから２ｂへと
下流方向に伝搬するのに要した伝搬所要時間と、送受波
器２ｂから２ａへと上流方向に伝搬するのに要した伝搬
所要時間とを検出し、これらの差に基づき、流体の流速
を検出する。信号処理回路８は、検出した流速に流路の
断面積と、流速の分布を補正するための係数を乗算する
ことにより、流速から流量を算定し、表示部９に表示さ
せる。

【００１７】本発明者は、この実施例の超音波流量計の
開発段階において、振動吸収層を設けることなく上述し
た計測を実行しようとした。しかしながら、管路１の管
壁を介して伝搬する超音波振動の成分が大きすぎて、測
定精度が不能であるという事態に遭遇した。図６は、そ
のような管路１の管壁を介して伝搬する超音波振動の成
分による受信波形の一例を示している。横軸は時間（μ
sec ）、縦軸は受信した信号の振幅（volt）である。こ
の受信信号の波形は、管路１の内部を測定対象の液体で
はなく空気で満たした状態で測定されたものである。管
壁を介して伝搬する超音波の振動成分が大きく、しかも
長時間かけて徐々に減衰してゆくことが判る。

【００１８】次に、図１に示すように、送受波器２ａ，
２ｂ間に振動吸収層１０が複数形成された実施例の構成
について同様の実験を行った。すなわち、図１の超音波
流量計の管路１を測定対象の液体で満たす代わりに空気
で満たし、一方の送受波器で送信信号を発生させ、管壁
を介して伝搬してきた超音波振動を他方の送受波器で受
信するという実験を行った。受信信号の波形を図７に示
す。この実験結果を図６の実験結果と比較すると、振動
吸収層１０の付加に伴い、管壁を介して伝搬する超音波
振動の成分がこの振動吸収層１０によって十分に吸収さ
れ、減衰されていることが判明する。

【００１９】図８は、受信信号の振幅の振動吸収層１０
の厚みに対する依存性を示す実験データである。振動吸
収層１０の厚みは、これを形成するステンレス薄膜テー
プの巻回の回数で表現し、この巻回の回数を横軸の数字
で示している。縦軸は超音波振動の受信信号の振幅であ
り、振動吸収層１０を設けない場合の値を基準（０dB）
に設定している。ステンレス薄膜テープの巻回の回数と
共に、すなわち振動吸収層の厚みの増加につれて超音波
振動の受信振幅は急激に減少するが、４回程度を越える
とそれ以上回数が増加してもほぼ一定値にとどまる。ス
テンレス薄膜テープの４回の巻回回数では振動吸収層１
０の厚みは (40＋80) ×4 ＝480 μｍ、ステンレス鋼の
薄膜の合計の厚みは 40 ×4 ＝160 μｍ となり、管路
１の管壁の厚み0.15ｍｍと同程度の値になる。

【００２０】ステンレス鋼や硝子等の硬質の素材から成
る管路１の管壁の厚みを 0.2ｍｍよりも大きな値に設定
すると、管壁内を縦波のモードで伝搬する超音波が発生
し、振動吸収層１０を形成してもこの縦波のモードを吸
収することが困難であることが判明した。この縦波モー
ドに対して、管壁を横波のモードで伝搬する超音波は、
振動吸収層１０と容易に結合する。すなわち、振動吸収
層１０内に横波のモードが容易に励振され、この振動吸
収層の内部で減衰される。これに対して、管壁の厚みが
0.2ｍｍよりも大きな場合に管壁内部を伝搬する縦波の
モードは、振動吸収層１０とはほとんど結合しない。す
なわち、振動吸収層１０の内部には縦波が励振されず、
従って、その内部での吸収が生じない。管路１の管壁の
厚みが0.2 ｍｍ以下で縦波のモードが発生しにくくなる
原因は現在のところ明確ではないが、管壁の厚みをその
範囲に設定することは、振動吸収層１０による減衰が困
難な縦波の励振を抑圧するうえで極めて有効であること
が判明した。

【００２１】以上、ステンレス鋼を素材する管路を使用
する場合に例にとって本発明を説明した。しかしなが
ら、ステンレス鋼と同程度の固さのガラスなどを素材と
する管路についても、本発明を適用することにより、管
壁を伝わって伝搬する超音波成分を吸収し減衰させるこ
とが可能である。

【００２２】また、ごく細の管路を使用する場合を例示
した。しかしながら、そのようなごく細の管路を使用し
ない場合にも本発明を適用することにより、管壁を伝っ
て伝搬する超音波を吸収・減衰させるという効果を実現
することができる。

【００２３】また、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビ
ニル樹脂、アクリル樹脂等の軟質の樹脂から成る接着剤
層を介在させながらステンレス鋼の金属箔を巻回する構
造の振動吸収層を形成する構成を例示した。しかしなが
ら、そのような接着剤層のかわりに、接着性を有しない
か接着性の弱い他の適宜な軟質の樹脂層を介在させなが
ら金属箔を巻回し、端部だけを別途接着剤を使用して固
定する構成を採用することもできる。

【００２４】さらに、１対の送受波器を流路に沿って離
間させて設置し、交互に超音波を送信させる構成を一実
施例として示した。しかしながら、上記１対の送受波器
の中間に送波器を設置し、この送波器で励振した超音波
を上流側と下流側に同時に伝搬させ、上流側と下流側に
設置された送受波器でこの超音波を受信することにより
上流側への伝搬所要時間と下流側への伝搬所要時間とを
検出する構成とすることもできる。

【００２５】

【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、金属や硝子などの硬質の素材で構成され
トランスジューサで励振された超音波振動が伝搬しやす
い管路の外周面に、軟質の樹脂層を介在させながら巻回
された金属箔から成る振動吸収層が形成する構成である
から、管壁を介して伝搬する超音波振動が効率良く吸収
されて減衰し、測定精度が向上す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構成を示す
ブロック図である。

【図２】図１中の管路１と超音波送受波器２ａ，２ｂの
構成と結合状態を示すを示す斜視図である。

【図３】図１の振動吸収層１０の構成を詳細に示す部分
拡大断面図である。

【図４】送受波器に対する駆動信号の波形を示す概念図
である。

【図５】送受波器の受信信号の波形の一例を示す概念図
である。

【図６】振動吸収層１０を設けない場合、管路１の管壁
を伝わって伝搬する超音波振動の受信信号の波形を示す
実験データである。

【図７】振動吸収層１０を設けた場合、管路１の管壁を
伝わって伝搬する超音波振動の受信信号の波形を示す実
験データである。

【図８】振動吸収層の厚み（金属薄膜の巻回回数）と超
音波振動の振幅の関係を示す概念でである。

【符号の説明】

１ 管路 2a,2b 超音波送受波器 3a,3b 送受信回路 4 送受制御回路 5 送信信号発生回路 6 増幅・濾波回路 7 Ａ／Ｄ変換回路 8 信号処理回路 9 表示部 10 振動吸収層

フロントページの続き (72)発明者 谷口 真 東京都羽村市栄町３丁目１番地の５ 株式 会社カイジョー内 (72)発明者 清水 和義 東京都羽村市栄町３丁目１番地の５ 株式 会社カイジョー内 (72)発明者 高本 正樹 茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法 人産業技術総合研究所 つくばセンター内 Ｆターム(参考） 2F035 DA05 DA07 DA14

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体が流れる管路と、この管路の延長方向
   に離間して設置される複数の超音波トランスジューサと
   を備えた超音波流量計において、 前記管路が金属、硝子などの硬質の素材から成り、この
   管路の外周面に軟質の樹脂層を介在させながら巻回され
   た金属箔から成る振動吸収層が形成されたことを特徴と
   する超音波流量計。
2. 【請求項２】前記振動吸収層は、管路の長手方向に離散
   して複数形成された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】前記振動吸収層の前記軟質の樹脂層は、接
   着剤の層から成ることを特徴とする請求項１と２のそれ
   ぞれに記載の超音波流量計。
4. 【請求項４】前記管路と前記振動吸収層の金属箔の素材
   は、ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１乃至
   ３のそれぞれに記載の超音波流量計。
5. 【請求項５】前記振動吸収層の前記金属箔の合計の厚み
   は、前記管路の厚みと同程度であることを特徴とする請
   求項１乃至４のそれぞれに記載の超音波流量計。
6. 【請求項６】前記管路の厚みは、0.2 ｍｍ以下お範囲に
   設定されたことを特徴とする請求項１乃至５のそれぞれ
   に記載の超音波流量計。
7. 【請求項７】前記管路の内径は、１ｍｍから１０ｍｍま
   での範囲に設定されたことを特徴とする請求項１乃至６
   のそれぞれに記載の超音波流量計。
8. 【請求項８】前記超音波の送受波器は、中心部に形成さ
   れた開口に前記管路が嵌合せしめれる構造を有すること
   を特徴とする請求項１乃至７のそれぞれに記載の超音波
   流量計。