JP2004340622A - Method of measuring flow rate of fluid moving in tubular or ditch-like flow passage - Google Patents

Method of measuring flow rate of fluid moving in tubular or ditch-like flow passage Download PDF

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一正 大西
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To precisely measure a flow rate of a fluid moving in an inside of a tubular or ditch-like flow passage. <P>SOLUTION: The flow rate of the fluid moving in the flow passage is measured using a transmission time of an oscillatory wave propagated through a wall body portion in a slender area measured by a structure provided with the tubular or ditch-like flow passage partitioned by a wall body, the first oscillatory wave generation detecting means attached onto an outer surface of the flow passage wall body, and the second oscillatory wave generation detecting means attached with a space from the first oscillatory wave generation detecting means, and attached on a prolonged line prolonged along the flow passage from an attaching position of the first oscillatory wave generation detecting means on the outer surface of the flow passage wall body, wherein a thickness of the wall body portion in the slender area including a contact portion contacting with the respective oscillatory wave generation detecting means on the outer surface of the wall body, and the prolonged line, has a thickness different from a thickness of both side wall portions. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、壁体により区画された管状もしくは溝状の流路を移動する流体の流量の測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
管状体（壁体により区画された管状の流路）の内部を移動する流体の流量を測定する流量計のうちの一つとして、クランプオン型超音波流量計が知られている。クランプオン型超音波流量計は、管状体の壁体の外側表面に付設され、管状体の内部を移動する流体の流量を、管状体の外部にて測定する流量計である。
【０００３】
図１は、クランプオン型超音波流量計を用いた従来の流体の流量測定方法を説明する断面図である。クランプオン型超音波流量計は、一対の超音波発生検出手段１ａ、１ｂから構成されている。図１に記入した矢印７は、管状体の内部の流体の移動方向を示している。
【０００４】
超音波発生検出手段１ａは、超音波振動子２ａと超音波伝搬材３ａから構成されている。超音波振動子２ａは、超音波伝搬材３ａの斜面５ａに付設されている。超音波振動子２ａとしては、圧電振動子が用いられている。圧電振動子は、圧電セラミックと、その両面に付設された一対の電極とから構成されている。超音波発生検出手段１ｂの構成は、超音波発生検出手段１ａと同様である。
【０００５】
超音波振動子２ａ、２ｂのそれぞれは、その電極に電圧を印加すると超音波を発生し、そして超音波が付与されるとその電極に電圧を発生する。従って、超音波振動子が備えられた超音波発生検出手段１ａ、１ｂのそれぞれは、超音波の発生手段でもあり、検出手段でもある。
【０００６】
管状体の内部を移動する流体の流量は、以下のようにして測定される。先ず、超音波発生検出手段１ａの超音波振動子２ａに電圧パルスを印加して、超音波を発生させる。超音波は、図１に記入した破線９に沿って、超音波伝搬材３ａ、管状体の壁体６、流体、管状体の壁体６、そして超音波伝搬材３ｂをこの順に伝わり、そして超音波発生検出手段１ｂの超音波振動子２ｂに到達する。そして超音波が、超音波発生検出手段１ａから流体内を伝わって、超音波発生検出手段１ｂまで伝わるのに要する伝達時間（Ｔ１ ）を測定する。
【０００７】
次に、超音波発生検出手段１ｂの超音波振動子２ｂに電圧パルスを印加して、超音波を発生させる。超音波は、前記の経路を逆の向きに伝わり、そして超音波発生検出手段１ａの超音波振動子２ａに到達する。そして超音波が、超音波発生検出手段１ｂから壁体内部を伝わって、超音波発生検出手段１ａまで伝わるのに要する伝達時間（Ｔ２ ）を測定する。
【０００８】
超音波の伝達時間Ｔ１ 、Ｔ２ は、超音波が流体内を伝わる方向（図１に記入した矢印９ａ、９ｂの示す方向）により、互いに異なる値となる。
【０００９】
超音波発生検出手段１ａから超音波発生検出手段１ｂに（矢印９ａが示す方向に）伝わる超音波は、流体の流れに乗って流体内を伝わるので、伝達時間（Ｔ１ ）は、流体が静止している場合よりも小さな値を示す。
【００１０】
超音波発生検出手段１ｂから超音波発生検出手段１ａに（矢印９ｂが示す方向に）伝わる超音波は、流体の流れに逆らって流体内を伝わるので、伝達時間（Ｔ２ ）は、流体が静止している場合よりも大きな値を示す。
【００１１】
これらの伝達時間の差（Ｔ２ −Ｔ１ ）は、管状体の内部を移動する流体の流量（流速）と相関がある。そして、この伝達時間の差と、別に用意された超音波の伝達時間の差と流量との関係を示す較正用のデータとを比較することによって、管状体の内部を移動する流体の流量を決定する。
【００１２】
クランプオン型超音波流量計は、工場などに既設の管状体を取り外すことなく、その内部を移動する流体の流量を測定することができるという大きな利点を有している。また、クランプオン型超音波流量計は、内径の小さな管状体の内部を移動する流体の流量を測定した場合に、流量の測定精度が低下するという欠点を有している。管状体の内径が小さい場合、超音波が流体内を伝わる距離が短くなり、前記の伝達時間の差が非常に小さな値となる。このため、測定される伝達時間の差に含まれる誤差の割合が大きくなり、流量の測定精度が低下する。市販のクランプオン型超音波流量計では、測定可能な管状体の内径は、通常２５ｍｍ程度以上とされている。
【００１３】
クランプオン型超音波流量計は、比較的大きな内径の管状体の内部を移動する流体の流量の測定に用いられているが、その流量の測定精度は、十分満足できるものではなかった。クランプオン型超音波流量計においては、超音波が流体内を伝わる距離は、超音波が伝わる経路（図１：破線９）により定まる。この超音波の経路は、スネルの法則により、管状体の壁体の外側表面における超音波の入射角と、超音波伝搬材、管状体、および流体の材料の音速値によって定まるからである。
【００１４】
超音波伝搬材あるいは管状体の材料の選定により、超音波が流体内を伝わる距離を長く設定することはできる。しかし、超音波伝搬材や管状体に用いることのできる材料の数は限られている。このため、材料の選定によって超音波が流体内を伝わる距離を長く設定することによっては、流量計の測定精度をある程度以上に高くすることは難しい。
【００１５】
また、超音波の入射角を大きく設定することによっても超音波が流体内を伝わる距離を長く設定することはできる。しかし、超音波の入射角が大きくなるにつれて管状体の外側表面における超音波の反射量が多くなり、流量の測定に用いる流体内を伝わる超音波の強度が低下して流量の測定精度が低下したり、さらに入射角が大きくなると管状体の外側表面において超音波が全反射して、超音波を流体内に伝えることができずに流量の測定ができなくなる場合がある。このため、超音波の入射角の設定よって超音波が流体内を伝わる距離を長く設定することによっては、流量計の測定精度をある程度以上に高くすることは難しい。
【００１６】
さらに、クランプオン型流量計は、上記のように超音波の伝わる経路が、超音波伝搬材、管状体、および流体の材料の音速値などにより定まる。この材料の音速値は、温度により変動するため、超音波の経路が変動する。そして超音波の経路が変動すると、超音波発生検出手段にて検出される超音波の量が少なくなり、流量の測定精度が低下する。このため、従来の超音波流量計は、その温度特性も十分満足できるものではなかった。
【００１７】
非特許文献１には、内径の小さな管状体の内部を移動する流体の流量測定に用いることができる超音波流量計について記載されている。この超音波流量計は、一対のリング状の超音波振動子（超音波発生検出手段）から構成されている。一対のリング状の超音波振動子は、その各々の孔に、測定対象の流体を移動させる管状体を通すことにより管状体の外側表面に付設される。
【００１８】
リング状の超音波振動子を用いた超音波流量計により、管状体の内部を移動する流体の流量は、以下のようにして測定される。先ず、一方の超音波振動子にて超音波を発生させ、この超音波が流体内を管状体の長さ方向に伝わって、他方の超音波振動子に到達するまでの伝達時間を測定する。次いで前記の他方の超音波振動子にて超音波を発生させ、この超音波が流体内を管状体の長さ方向に伝わって、前記の一方の超音波振動子に到達するまでの伝達時間を測定する。そして、測定された伝達時間の差と、別に用意された超音波の伝達時間の差と流量との関係を示す較正用のデータとを比較することによって、管状体の内部を移動する流体の流量を決定する。
【００１９】
リング状の超音波振動子を用いた超音波流量計においては、超音波が流体内を管状体の長さ方向に沿って伝わる。従って、一対のリング状の超音波振動子の間隔を広げることにより、超音波が流体内を伝わる距離を長く設定することができる。このため、リング状の超音波振動子を用いた超音波流量計により、内径が小さな管状体の内部を移動する流体の流量を高い精度で測定できるとされている。
【００２０】
しかし、リング状の超音波振動子を用いた超音波流量計は、工場などに既設の管状体の内部を移動する流体の流量を測定するためには、管状体を取り外して流量計を設置する必要があるという問題を有している。
【００２１】
また、リング状の超音波振動子を用いた超音波流量計においては、内径の大きな管状体の内部を移動する流体の流量を測定する場合には、大きなサイズ（直径）の超音波振動子を用いる必要がある。一般に、超音波振動子は、そのサイズが大きくなるにつれて、低い周波数の超音波を発生することが知られている。従って、内径の大きな管状体の内部を移動する流体の流量を測定する場合には、前記の伝達時間を測定するために、より低い周波数の超音波を用いる必要がある。周波数の低い超音波を用いると、一方の超音波振動子にて発生した超音波を、他方の超音波振動子にて検出する際に、検出される超音波の波形の立ち上がりが緩やかであるために、測定される伝達時間に含まれる誤差が大きくなる。このため、内径の大きな管状体の内部を移動する流体の流量を測定する場合には、リング状の超音波振動子を用いた超音波流量計の流量の測定精度は、十分満足できるものではないと推測される。
【００２２】
また、内径の小さな管状体の内部を移動する流体の流量の測定に、電磁流量計を用いることも知られている。電磁流量計は、管状体の内径が小さい場合であってもその内部を移動する流体の流量を高い精度で測定することができる。しかし、工場などに既設の管状体の内部を移動する流体の流量を測定するためには、管状体を取り外して流量計を設置する必要があるという問題を有している。また、電磁流量計を用いた流量測定方法は、導電性を有しない液体の流量の測定ができないなどの問題も有している。
【００２３】
【非特許文献１】
石川博朗等著，「液体用超音波微小流量計のセンサ配置と流量特性」，計測自動制御学会論文集，２０００年，第３６巻，第１２号，ｐ．１０７１−１０７８
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、既設の管状体を取り外すことなく、その内部を移動する流体の流量の測定が可能であり、そして内径の小さな管状体の内部を移動する流体の流量測定にも好ましく用いることのできる流量測定方法の発明について、２００２年１１月１３日に国際出願（国際出願番号：ＰＣＴ／ＪＰ０２／１１８２１号）をした。
【００２５】
上記国際出願をした発明は、下記の工程を含む流路を移動する流体の流量の測定方法にある。
（１）壁体によって区画された管もしくは溝状の流路、及びその壁体の外側表面もしくは内側表面に流路に沿って配設された第一の振動波発生検出手段と第二の振動波発生検出手段を有する構造体を用意する工程。
（２）流路に測定対象の流体を移動させる工程。
（３）第一の振動波発生検出手段にて振動波を発生させ、その振動波を壁体に付与する工程。
（４）上記振動波が、該振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する壁体を伝わって第二の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間を測定する工程。
（５）第二の振動波発生検出手段にて振動波を発生させ、その振動波を壁体に付与する工程。
（６）上記振動波が、該振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する壁体を伝わって第一の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間を測定する工程。
（７）上記（４）の工程で測定した伝達時間と上記（６）の工程で測定した伝達時間との差を算出する工程。
（８）上記（１）の工程で用いた構造体もしくは該構造体の均等物の流路に、上記（２）の工程で用いた流体もしくは該流体の均等物を既知の流量で移動させて、上記（３）と（４）に記載の測定、そして上記（５）と（６）に記載の測定を行ない、次いで上記（７）に記載の伝達時間の差を算出して作製した、流量と振動波の伝達時間の差との関係を示す較正用データを用意する工程。
（９）上記（７）の工程で算出した伝達時間の差と、上記（８）の工程で用意した較正用データとを比較することによって、上記（２）の工程で移動した流体の流量を決定する工程。
【００２６】
この流量測定方法は、これまでは流量を測定する際にノイズと考えられていた管状体の壁体を伝わる振動波を用いて、壁体により区画された管状もしくは溝状の流路を移動する流体の流量の測定をするものである。このような、流路の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法により、内径が大きな管状体（壁体により区画された管状の流路）の内部を移動する流体の流量、さらには内径の小さな管状体の内部を移動する流体の流量をも高い精度で測定することができる。
【００２７】
本発明者は、この流量測定方法（以下、改良前の方法と記載する）を、さらに高い精度での流量測定が実現できるように改良することを検討した。
【００２８】
本発明の目的は、壁体により区画された管状もしくは溝状の流路を移動する流体の流量を、高い精度で測定することができる流量の測定方法を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の工程を含む管状もしくは溝状の流路を移動する流体の流量の測定方法にある。
（１）壁体により区画された管状もしくは溝状の流路、該流路壁体の外側表面に付設された第一の振動波発生検出手段、および該第一の振動波発生検出手段から流路に沿って間隔をあけて、かつ該流路壁体の外側表面の第一の振動波発生検出手段の付設位置から流路に沿って伸びる延長線上に付設された第二の振動波発生検出手段を備え、前記壁体の外側表面の各々の振動波発生検出手段との接触部分と前記延長線とを含む細長い領域の壁体部分の厚みが、その両側の壁体部分の厚みとは異なる厚みとされている構造体を用意する工程。
（２）流路にて測定対象の流体を一方の方向に移動させる工程。
（３）第一の振動波発生検出手段にて振動波を発生させ、この振動波を上記細長い領域の壁体部分に付与する工程。
（４）上記振動波が、該振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する上記細長い領域の壁体部分を伝わって第二の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間を測定する工程。
（５）第二の振動波発生検出手段にて振動波を発生させ、この振動波を上記細長い領域の壁体部分に付与する工程。
（６）上記振動波が、該振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する上記細長い領域の壁体部分を伝わって第一の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間を測定する工程。
（７）上記（４）の工程で測定した伝達時間と、上記（６）の工程で測定した伝達時間との差を算出する工程。
（８）上記（１）の工程で用いた構造体もしくは該構造体の均等物の流路にて、上記（２）の工程で用いた流体もしくは該流体の均等物を、既知の流量で一方の方向に移動させて、上記（３）と（４）に記載の測定、そして上記（５）と（６）に記載の測定を行ない、次いで上記（７）に記載の伝達時間の差を算出して作成した、振動波の伝達時間の差と流量との関係を示す較正用データを用意する工程。
（９）上記（７）の工程で算出した伝達時間の差と、上記（８）の工程で用意した較正用データとを用いて、上記（２）の工程で移動した流体の流量を決定する工程。
【００３０】
本発明の流量測定方法の好ましい態様は、下記の通りである。
１）流路壁体の外側表面に、前記の細長い領域を底面とする溝が形成されている。
２）流路壁体の外側表面に、前記の細長い領域を頂面とする突起が形成されている。
３）流路の壁体が、金属材料から形成されている。
４）各々の振動波発生検出手段が、振動子と振動方向制御素子とを含み、該振動子で発生した振動波を、主として流路壁体に対して垂直な方向に振動する振動波として該流路壁体に付与する。
【００３１】
なお、本発明の流量測定方法に含まれる（８）の較正用データを用意する工程は、（９）の流体の流量を決定する工程を実施する前であれば、いつ実施してもよい。
【００３２】
また、上記本発明の流量測定方法において、較正用データを用意するために用いられる構造体の均等物とは、流量を測定するための構造体と同一の物性を示す材料を用いて同一の構成とした、別の構造体を意味する。同様に、測定対象の流体の均等物とは、構造体の流路にて移動させる測定対象の流体と密度が実質的に等しい流体、あるいは構造体の均等物の流路にて移動させる測定対象の流体と同じ流体もしくは測定対象の流体と密度が実質的に等しい流体を意味する。密度が実質的に等しいとは、流体の均等物の密度の値が、測定対象の流体の密度の値の０．３乃至１．７倍の範囲にあることを意味する。流体の均等物の密度の値は、測定対象の流体の密度の値の０．４乃至１．６倍の範囲にあることが好ましい。流体の均等物としては、測定対象の流体と同じ流体を用いることが最も好ましい。但し、測定対象の流体が引火性や毒性などを有して取り扱いに注意が必要である場合には、較正用データを用意するために前記流体の均等物（例えば、水など）を用いることもできる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の流量測定方法に用いられる、管状体の壁体を伝わる振動波、およびこの振動波を用いた流量測定方法の原理について説明する。
【００３４】
管状体の内部を移動する流体の流量を測定するために、管状体、および管状体の外側表面に管状体の長さ方向に沿って付設された一対の振動波発生検出手段から構成される流量測定用の構造体を用意する。
【００３５】
図２は、管状体に振動波を付与するために用いられる振動波発生検出手段の一例の構成を示す斜視図である。振動波発生検出手段２１は、振動方向制御素子２３の二つの側面のそれぞれに、振動子２２ａ、２２ｂが付設された構成を有している。
【００３６】
振動子２２ａ、２２ｂのそれぞれとしては、板状の圧電セラミックと、その各々の平面に付設された電極（図示は略する）とから構成される圧電振動子が用いられている。圧電セラミックの幅Ｗは１０ｍｍ、高さＨ１ は２５ｍｍ、そして厚みＴ１ は０．５ｍｍである。圧電セラミックは、その厚み方向（図２に記入した矢印２７の示す方向）に分極されている。振動子２２ａ、２２ｂのそれぞれは、その電極に電圧を印加することにより、図２に記入した矢印２０の示す方向に振動する。圧電セラミックは、ジルコン酸チタン酸鉛系のセラミック材料から形成されている。
【００３７】
振動子２２ａ、２２ｂは、電気的に並列に接続されている。振動波発生検出手段による振動波の発生、そして検出は、この並列接続された振動子２２ａ、２２ｂに電圧を印加、そして並列接続された振動子にて発生する電圧を検出することにより実施される。なお、振動子の電気的な接続方法（すなわち、振動子に電圧を印加する方法、そして振動子にて発生する電圧を検出する方法）は、上記の例に限定されるわけではない。
【００３８】
振動方向制御素子２３としては、樹脂材料シート２８中に複数本の高弾性繊維２９がシート平面に沿って平行に整列配置された繊維強化樹脂シートの複数枚が、底面２４に垂直な方向に積層、そして一体化された構成の繊維強化樹脂材が用いられている。繊維強化樹脂材の幅Ｗは１０ｍｍ、高さＨ２ は２７ｍｍ、そして厚みＴ２ は３ｍｍである。繊維強化樹脂材を構成する樹脂材料としてはエポキシ樹脂が、そして高弾性繊維としては炭素繊維が用いられている。
【００３９】
振動波発生検出手段２１は、振動子２２ａ、２２ｂに電圧を印加することにより振動波を発生する。この振動波は、振動方向制御素子２３の内部を伝わる。振動方向制御素子２３の複数本の高弾性繊維２９は、その長さ方向に沿った振動の発生を抑制する。このため振動波は、振動方向制御素子２３の底面２４に向かって伝わる。振動波は、振動方向制御素子２３の内部を主に縦波成分からなる振動波として伝わるので、その振動方向は、振動方向制御素子の底面２４に垂直な方向となる。従って、流量測定対象の流体を移動させる管状体の外側表面に、振動波発生検出手段２１を、その底面２４が管状体の外側表面に接するようにして付設した場合、振動波発生検出手段は、その各々の振動子で発生した振動波を、主として管状体の壁体に対して垂直な方向に振動する振動波として管状体に付与する。振動方向制御素子については、特開平７−２８４１９８号公報に詳しく記載されている。
【００４０】
次に、図２の振動波発生検出手段２１の一対を、管状体の外側表面に管状体の長さ方向に沿って付設し、一方の振動波発生検出手段（第一の振動波発生検出手段という）にて振動波を発生して、この振動波を管状体に付与した場合に、他方の振動波発生検出手段（第二の振動波発生検出手段という）にて検出される振動波について説明する。なお、各々の振動波発生検出手段は、振動方向制御素子の高弾性繊維の長さ方向が管状体の長さ方向と一致するように管状体の外側表面に付設した。第二の振動波発生検出手段は、第一の振動波発生検出手段から管状体の長さ方向に沿って間隔をあけて、かつ管状体の外側表面の第一の振動波発生検出手段の付設位置から管状体の長さ方向に沿って伸びる延長線上に付設した。
【００４１】
図３は、外径が２ｍｍ、そして内径が１ｍｍのステンレススチール製の管状体の内部に水を満たした状態（水は静止している状態）において、その外側表面に付設された第一の振動波発生検出手段に印加した電圧の波形（Ｓ１ ）、および第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波に対応する電気信号の電圧波形（Ｓ２ ）を示す図である。一対の振動波発生検出手段の間隔（第一の振動波発生検出手段の振動方向制御素子の幅方向の中央の位置と、第二の振動波発生検出手段の振動方向制御素子の幅方向の中央の位置との間の距離）は、３００ｍｍに設定した。
【００４２】
図３の電圧波形（Ｓ１ ）に示すように、第一の振動波発生検出手段の各々の振動子には、周波数が５６ｋＨｚ、そして振幅が３０Ｖ（ピークピーク値）である正弦波電圧の４周期を印加した。管状体の壁体は、この正弦波電圧の印加により第一の振動波発生検出手段にて発生した振動波が付与されることにより、管状体の内部で静止している流体と共に振動する。
【００４３】
図３に示すように、第一の振動波発生検出手段にて発生した振動波が、第二の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間（Ｔ０ ）は１５４μ秒であった。一対の振動波発生検出手段の間隔は３００ｍｍに設定されているため、第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波の速度は約１９４８ｍ／秒となる。
【００４４】
一般に、振動波は、液体中もしくは気体中を縦波としてのみ伝わり、固体中を縦波、横波、あるいは縦波成分と横波成分とを有する波として伝わることが知られている。そして、水を伝わる振動波（縦波）の速度は、約１４５０ｍ／秒であることも知られている。従って、上記の第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波は、管状体の壁体を伝わる振動波であることがわかる。また、一般に、ステンレススチールを伝わる縦波成分のみからなる振動波の速度は、約５７９０ｍ／秒であることが知られている。従って、上記の第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波は、管状体の壁体を低速で伝わる横波成分を有する振動波であることがわかる。
【００４５】
次に、このステンレススチール製の管状体の内部の水を、第一の振動波発生検出手段から第二の振動波発生検出手段へと向かう方向に移動させた。
【００４６】
そして、管状体の内部の水を移動させた状態で、振動波が、第一の振動波発生検出手段から管状体の壁体を伝わって、第二の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間（Ｔ１ ）を測定した。管状体の壁体は、第一の振動波発生検出手段にて発生した振動波が付与されることにより、管状体の内部を移動する流体と共に振動する。そして前記の伝達時間を測定した結果、伝達時間（Ｔ１ ）は、管状体内部の水の流れの影響を受けて、水が静止している場合の振動波の伝達時間（図３のＴ０ ）よりも小さな値を示した。なお、第二の振動波発生検出手段にて検出された電圧波形は、図３の電圧波形Ｓ２ との時間差が極僅か（数十ナノ秒程度）であるため、図示は略する。
【００４７】
次いで、振動波が、第二の振動波発生検出手段から管状体の壁体を伝わって、第一の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間（Ｔ２ ）を測定した。その結果、伝達時間（Ｔ２ ）は、管状体内部の水の流れの影響を受けて、水が静止している場合の伝達時間（Ｔ０ ）よりも大きな値を示した。
【００４８】
そして、このようにして測定した伝達時間（Ｔ１ ）と伝達時間（Ｔ２ ）との差（Ｔ２ −Ｔ１ ）の値が、管状体の内部を移動する流体（水）の流量値と相関があることが判明した。従って、測定された伝達時間の差と、別に用意された超音波の伝達時間の差と流量との関係を示す較正用のデータを用いて、管状体の内部を移動する流体の流量を測定することができる。
【００４９】
図４は、上記のステンレススチール製の管状体の内部で水を一方の方向に移動させた状態において、電磁流量計により測定された水の流量と、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）により測定された水の流量との関係を示すグラフである。図４に示すように、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法により測定された水の流量は、電磁流量計により測定された水の流量とほぼ一致することがわかる。このように、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法により、管状体の内部を移動する流体の流量を測定することができる。
【００５０】
図５は、管状体に振動波を付与するために用いられる振動波発生検出手段の別の構成例を示す図である。振動波発生検出手段５１は、円盤状の振動子５２と、円盤状の振動方向制御素子５３とが積層された構成を有している。
【００５１】
円盤状の振動子５２としては、円盤状の圧電セラミックと、その平面のそれぞれに付設された電極（図示は略する）とから構成される圧電振動子が用いられている。圧電セラミックの直径は１０ｍｍ、そして厚みは１．０ｍｍである。圧電セラミックは、その厚み方向（図５に記入した矢印２７の示す方向）に分極されている。円盤状の振動子５２は、その電極に電圧を印加することにより、円盤の径方向に（円盤面が拡縮するように）振動する。円盤状の振動子が前記のように振動すると、振動子は、そのポアソン比に基づいて厚み方向にも振動する。圧電セラミックは、ジルコン酸チタン酸鉛系のセラミック材料から形成されている。
【００５２】
振動方向制御素子５３としては、樹脂材料シート５８中に複数本の高弾性繊維５９ａがシート平面に沿って平行に整列配置された繊維強化樹脂シートの複数枚が、底面５４に垂直な方向に積層、そして一体化された構成の繊維強化樹脂材が用いられている。図５に示すように、振動方向制御素子５３は、複数枚の繊維強化樹脂シートが、隣接する各シートの備える高弾性繊維の長さ方向が互いに直交するように交互に積層された構成を有している。図５に記入した破線５９ｂは、前記の高弾性繊維５９ａを備える繊維強化樹脂シートに隣接する繊維強化樹脂シートが備える高弾性繊維を示している。繊維強化樹脂材の直径は１０ｍｍ、そして厚みは２．５ｍｍである。繊維強化樹脂材を構成する樹脂材料としてはエポキシ樹脂が、そして高弾性繊維としては炭素繊維が用いられている。
【００５３】
振動方向制御素子５３として用いる繊維強化樹脂材は、その内部の高弾性繊維によって前記円盤状の振動子の円盤の径方向の振動を抑制し、そして振動子の厚み方向に振動する振動波を、選択的に振動方向制御素子の底面５４へと伝える。
【００５４】
次に、図５の振動波発生検出手段５１の一対（第一の振動波発生検出手段及び第二の振動波発生検出手段）を、管状体の外側表面に管状体の長さ方向に沿って付設した。管状体としては、外径が６ｍｍ、そして内径が４ｍｍのアクリル樹脂製の管状体を用いた。
【００５５】
各々の振動波発生検出手段は、その振動方向制御素子の高弾性繊維５９ａの長さ方向と、管状体の長さ方向とのなす角度が４５度になるようにして、管状体の外側表面に付設した。第二の振動波発生検出手段は、第一の振動波発生検出手段から管状体の長さ方向に沿って間隔をあけて、かつ管状体の外側表面の第一の振動波発生検出手段の付設位置から管状体の長さ方向に沿って伸びる延長線上に付設した。一対の振動波発生検出手段の間隔（円盤状の第一の振動波発生検出手段の円盤の中心の位置と、円盤状の第二の振動波発生検出手段の円盤の中心の位置との間の距離）は、１００ｍｍに設定した。
【００５６】
各々の振動波発生検出手段は、管状体の外側表面に、その底面５４が接するように付設される。従って振動波発生検出手段５１は、円盤状の振動子５２で発生した振動波を、主として管状体の壁体に対して垂直な方向に振動する振動波として管状体に付与する。
【００５７】
そして、管状体の内部に水を満たした状態（水は静止している状態）において、その外側表面に付設された第一の振動波発生検出手段の振動子に電圧を印加して振動波を発生し、この振動波が第二の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間を測定した。なお、第一の振動波発生検出手段の振動子には、周波数が２４８ｋＨｚ、そして振幅が３０Ｖ（ピークピーク値）である正弦波電圧の４周期を印加した。
【００５８】
その結果、第一の振動波発生検出手段にて発生した振動波が、第二の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間（Ｔ０ ）は７３．６μ秒であった。一対の振動波発生検出手段の間隔は１００ｍｍであるため、第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波の速度は約１３５９ｍ／秒となる。
【００５９】
前記のように、一般に、水を伝わる振動波（縦波）の速度は、約１４５０ｍ／秒であることが知られている。従って、上記の第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波は、管状体の壁体を伝わる振動波であることがわかる。また、一般に、アクリル樹脂を伝わる縦波成分のみからなる振動波の速度は約２７３０ｍ／秒であることが知られている。従って、上記の第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波は、管状体の壁体を低速で伝わる横波成分を有する振動波であることがわかる。
【００６０】
そして、上記の図２の振動波発生検出手段を用いる場合と同様にして、管状体の内部の水を移動させ、管状体の壁体を伝わる振動波の伝達時間の差の値を用いて水の流量を測定した。その結果、同様に管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法により測定された水の流量が、電磁流量計により測定された流量とほぼ一致することが確認できた。このように、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）により、管状体の内部を移動する流体の流量を測定することができる。
【００６１】
従来の超音波流量計においては、管状体の壁体を伝わる振動波は、流量を測定する際のノイズと考えられていた。例えば、特開２０００−１８０２２８号公報には、超音波流量計を用いて流量を測定をする際に、管状体の壁体を伝わる振動波を除去するために、管状体の壁体にフランジ状の音響フィルタを付設する技術について記載されている。
【００６２】
本発明者は、このような管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法について、前記の国際出願をした。管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）においては、一対の振動波発生検出手段の間隔を、管状体の内径とは無関係に大きな値に設定することができる。このため、管状体の内径が小さい場合であっても、その内部を移動する流体の流量を高い精度で測定することができる。また、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法は、管状体の内径が大きい場合であっても、周波数の高い振動波を用いて伝達時間の測定ができるため、内径の大きな管状体の内部を移動する流体の流量も高い精度で測定することができる。さらに、流量の測定に用いる振動波を管状体の壁体に垂直に入射させるために、管状体を形成する材料の音速値が温度によって変動しても、超音波の伝わる経路は変動しない。このため、測定環境の温度が変動しても、管状体の内部を移動する流体の流量を高い精度で測定することができる。
【００６３】
このような流量測定方法においては、管状体の内部を移動する流体の影響を受けながら管状体の壁体を伝わる振動波を用いて流体の流量を測定している。このような管状体の壁体を伝わる振動波が、管状体の内部を移動する流体の影響を受ける原因は、次のように理解される。
【００６４】
管状体の壁体を伝わる振動波は、流量測定とは別の分野で利用されている。Ｎ．Ｋａｎａｂｅ等の技術報告（ Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，Ｖｏｌ．９３，Ｎｏ．６，ｐ．３２３５，１９９３−０６）には、超音波振動子により、管状体の壁体をその長さ方向に沿って伝わる振動波を発生させ、この振動波により管状体内部にある粉体を輸送する技術について記載されている。この振動波は、振動方向が管状体の壁体に垂直で、そして管状体の長さ方向に沿って伝わる主として横波成分からなる振動波である。
【００６５】
そして前記の流量測定方法に用いる振動波も、この文献に記載されているように、主として横波成分からなる振動波として、管状体の壁体を伝わっていると理解することができる。そして管状体の壁体を伝わる振動波は、この振動波の付与によって振動する管状体の壁体が、管状体の内部で流体を一方の方向に移動させた場合に管状体と共に振動する流体において発生するコリオリ力を受けるために、その位相（振動波の伝達時間に対応する）が変化すると理解される。
【００６６】
また、流量測定に用いる振動波としては、上記の主として横波成分からなる振動波のみでなく、管状体の壁体を伝わる様々な振動波を用いることができる。振動波の一例としては、板波が挙げられる。板波とは、縦波と横波が板の上下面（本発明においては、管状体の壁体の外側表面と内側表面）にて反射を繰り返しながら伝わる振動波である。また、板波は、板の上下面において縦波と横波の振動モードの変換を伴いながら板を伝わる振動波である。このように、板（本発明においては、管状体の壁体）を伝わる板波も、本発明の流量測定方法における振動波として用いることができる。
【００６７】
そして、振動波が第一の振動波発生検出手段から第二の振動波発生検出手段に伝わる場合と、第二の振動波発生検出手段から第一の振動波発生検出手段に伝わる場合とで、管状体の壁体が流体から受けるコリオリ力の位相（方向）が１８０度異なるために、振動波が流体の移動方向に沿って壁体を伝わるときには、伝達時間が短くなり、振動波が流体の移動方向とは逆の方向に沿って壁体を伝わるときには、伝達時間が長くなると理解される。そして管状体の壁体は、流体の流量に対応する大きさのコリオリ力を受けるため、壁体を伝わる振動波の伝達時間をもとに管状体の内部を流れる流体の流量が測定できると理解される。なお、流体が気体である場合にもコリオリ力は発生するので、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法により、気体の流量も測定することができる。
【００６８】
本発明者は、この流路の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）を、さらに高い測定での流量測定が実現できるように改良することを検討した。
【００６９】
図６は、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）を実施するために用意される流量測定用の構造体の構成例、及び振動波発生検出手段にて発生した振動波が壁体を伝わる経路を説明する図である。
【００７０】
図６に示すように、改良前の方法においては、管状体（壁体により区画された管状の流路）６７、及び管状体６７の壁体の外側表面に管状体の長さ方向に沿って配設された第一の振動波発生検出手段６１ａと第二の振動波発生検出手段６１ｂを有する構造体が用意される。
【００７１】
振動波発生検出手段６１ａ、６１ｂのそれぞれは、平板状の振動子６２と、平板状の振動方向制御素子６３とが積層された構成を有している。そして各々の振動波発生検出手段は、平板状の振動子６２で発生した振動波を、主として管状体６７の壁体に対して垂直な方向に振動する振動波として管状体６７に付与する。
【００７２】
図６に示すように、第一の振動波発生検出手段６１ａにて発生させた振動波は、図６に記入した矢印６０ａが示す振動波の経路に沿って壁体を伝わり、第二の振動波発生検出手段６１ｂにて検出される。ところが、第一の振動波発生検出手段６１ａにて発生した振動波は、上記の経路６０ａ以外の経路、例えば、図６に記入した矢印６０ｂに沿って壁体を伝わる振動波成分、あるいは矢印６０ｃに沿って壁体を螺旋状に伝わる振動波成分も有している。
【００７３】
第一の振動波発生検出手段６１ａにて発生させた振動波のうち、最も長さの短い経路６０ａに沿って伝わる振動波が、第二の振動波発生検出手段６１ｂにて最初に検出される。続いて、経路６０ｂに沿って伝わる振動波成分、次いで経路６０ｃに沿って伝わる振動波成分が第二の振動波発生検出手段６１ｂにて検出される。このような様々な経路に沿って伝わる振動波が、順次第二の振動波発生検出手段６１ｂに到達すると、検出される振動波は、前記の各々の振動波が合成されることにより、長時間にわたって振動を続ける振動波となる（図３に示す第二の振動波発生検出手段６１ｂにて検出された振動波に対応する電気信号の波形（Ｓ２ ）を参照）。
【００７４】
伝達時間の測定には、主に経路６０ａ（経路６０ａ近傍の経路も含む）に沿って伝わる振動波、すなわち第二の振動波発生検出手段６１ｂにて検出された振動波の波形の立ち上がり部分あるいはその近傍の部分が用いられる。伝達時間の測定には用いられない、例えば、経路６０ｂ、６０ｃに沿って伝わる振動波成分が存在すると、第一の振動波発生検出手段６１ａに与えた電気エネルギーがこれらの振動波成分の発生に用いられるために、伝達時間の測定に用いる振動波の強度が小さくなり、流量の測定精度を低下させる原因となる。
【００７５】
また、このような伝達時間の測定には用いられない振動波成分は、伝達時間の測定に用いる振動波と合成されて、検出される振動波の波形にノイズを発生させる原因となる場合もある。振動波の伝わる管状体は、樹脂材料や金属材料から形成される場合が多い。特に金属製の管状体を用いる場合には、樹脂製の管状体を用いる場合と較べて、検出される振動波の波形に多くのノイズが発生する場合が多い。これは、振動波が金属製の管状体の壁体を伝わる場合には、樹脂製の管状体の壁体を伝わる場合よりも、振動波が壁体の内部で減衰し難いことに原因があると理解される。すなわち、金属製の管状体の壁体を、例えば、経路６０ｂ、６０ｃなどに沿って伝わる振動波が、途中で大きく減衰することなく第二の振動波発生検出手段に到達することに原因があると理解される。
【００７６】
このような、伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生を低減させることができれば、伝達時間の測定に用いる振動波の強度が大きくなって、流量の測定精度を高くすることができ、そして検出される振動波に発生するノイズを低減することができる。
【００７７】
図７は、溝状の流路の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）を実施するために用意される流量測定用の構造体の構成例、及び振動波発生検出手段にて発生した振動波が壁体を伝わる経路を説明する図である。
【００７８】
図７の構造体の構成は、流路として壁体により区画された溝状の流路７７が用いられ、そして振動波発生検出手段６１ａ、６１ｂが溝状の流路７７の底部壁体の外側表面に付設されていること以外は、図６の構造体と同様である。図７に示すように、構造体に溝状の流路７７を用いる場合にも、前記と同様に、経路６０ｂなどに沿って伝わる伝達時間の測定には用いられない振動波が存在する。
【００７９】
次に、本発明の流量測定方法を、添付の図面を用いて説明する。図８は、本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の構成例を示す図である。図８（ａ）は構造体の正面図であり、そして図８（ｂ）は、図８（ａ）の構造体の側面図である。
【００８０】
本発明の流量測定方法は、下記（１）から（９）の工程を実施することを特徴とする。
【００８１】
（１）管状体（壁体により区画された管状の流路）８７、管状体８７の壁体の外側表面に付設された第一の振動波発生検出手段６１ａ、および第一の振動波発生検出手段６１ａから管状体８７に沿って間隔をあけて、かつ管状体の壁体の外側表面の第一の振動波発生検出手段６１ａの付設位置から管状体に沿って伸びる延長線上に付設された第二の振動波発生検出手段６１ｂを備え、前記壁体の外側表面の各々の振動波発生検出手段との接触部分と前記延長線とを含む細長い領域の壁体部分の厚みが、その両側の壁体部分の厚みとは異なる厚みとされている構造体を用意する工程。
（２）管状体８７内部で測定対象の流体を一方の方向に移動させる工程。
（３）第一の振動波発生検出手段６１ａにて振動波を発生させ、この振動波を上記細長い領域の壁体部分に付与する工程。
（４）上記振動波が、この振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する上記細長い領域の壁体部分を伝わって第二の振動波発生検出手段６１ｂに到達するまでの伝達時間を測定する工程。
（５）第二の振動波発生検出手段６１ｂにて振動波を発生させ、この振動波を上記細長い領域の壁体部分に付与する工程。
（６）上記振動波が、この振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する上記細長い領域の壁体部分を伝わって第一の振動波発生検出手段６１ａに到達するまでの伝達時間を測定する工程。
（７）上記（４）の工程で測定した伝達時間と、上記（６）の工程で測定した伝達時間との差を算出する工程。
（８）上記（１）の工程で用いた構造体もしくはこの構造体の均等物の管状体にて、上記（２）の工程で用いた流体もしくはこの流体の均等物を、既知の流量で一方の方向に移動させて、上記（３）と（４）に記載の測定、そして上記（５）と（６）に記載の測定を行ない、次いで上記（７）に記載の伝達時間の差を算出して作成した、振動波の伝達時間の差と流量との関係を示す較正用データを用意する工程。
（９）上記（７）の工程で算出した伝達時間の差と、上記（８）の工程で用意した較正用データとを用いて、上記（２）の工程で移動した流体の流量を決定する工程。
【００８２】
本発明の流量測定方法は、図８に示すように、管状体８７の上記の細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１ ）が、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２ ）よりも大きくされている構造体を用いること以外は、改良前の方法と同様にして実施することができる。図８に記入したＷは、上記細長い領域の幅を示している。図８に示すように、管状体８７の壁体の外側表面には、上記細長い領域を頂面とする突起８７ａが形成されている。
【００８３】
このように、上記の細長い領域の壁体部分の厚みを、その両側の壁体部分の厚みより大きくする（あるいは小さくする）ことにより、前記の伝達時間の測定に用いられない振動波の発生を低減することができる理由は、以下のように理解される。
【００８４】
伝達時間を測定するために振動波発生検出手段にて発生した振動波は、上記細長い領域の壁体部分に付与される。この振動波の付与により励起される振動モードとしては、主に下記の二つのモードが想定される。一つは、上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１ ）に関係する振動モードであり、もう一つは、上記細長い領域の壁体部分の両側の壁体部分の厚みに（Ｄ２ ）関係する振動モードである。上記のように、振動波は上記細長い領域の壁体部分に付与されるため、この振動波の付与により上記の細長い領域の壁体部分の厚みに関係する振動モードが励起され、そして上記細長い領域の壁体部分の両側の壁体部分の厚みに関係する振動モードは励起され難いものと理解される。
【００８５】
このために、振動波発生検出手段６１ａにて発生させた振動波の大部分は、上記細長い領域の壁体部分を伝わって第二の振動波発生検出手段６１ｂに到達する。そして、例えば、図６の経路６０ｂ、６０ｃに沿って伝わる伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生は低減される。従って、上記細長い領域の壁体部分を伝わる伝達時間の測定に用いる振動波の強度が大きくなり、流量の測定精度を高めることができると理解される。
【００８６】
前記の様に、管状体の壁体が金属材料から形成されている場合、一方の振動波発生検出手段にて発生した振動波の伝達時間の測定には用いられない振動波成分は、途中で大きく減衰することなく第二の振動波発生検出手段に到達する。本発明の流量測定方法は、伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生が低減されているため、構造体に金属製の管状体を用いた場合にも、管状体の内部を移動する流体の流量を高い精度で測定することができる。
【００８７】
上記細長い領域の壁体部分の厚みは、管状体の厚みの０．０５乃至２０倍、好ましくは０．１乃至１５倍の範囲にあることが好ましい。
【００８８】
上記細長い領域の壁体部分は、図８（ｂ）に示すように、振動波発生検出手段６１ａと振動波発生検出手段６１ｂとの両外側にまで延長して形成されていることが好ましい。これは、上記細長い領域の壁体部分が、振動波発生検出手段６１ａと振動波発生検出手段６１ｂとの間にのみ形成されている場合、あるいは振動波発生検出手段６１ａと振動波発生検出手段６１ｂとの両外側に僅かに延長して形成されている場合には、例えば、振動波発生検出手段６１ａにて発生させた振動波が、第二の振動波発生検出手段６１ｂに到達するのとほぼ同時に、第一の振動波発生検出手段６１ａにて発生させた振動波が、上記細長い領域の壁体部分の端部にて反射され、そして第二の振動波発生検出手段に到達することがあるため、第二の振動波発生検出手段にて検出される振動波の波形にノイズを発生させる場合があるからである。
【００８９】
上記細長い領域の壁体部分の幅Ｗに特に制限はないが、実用的には、０．１乃至２０ｍｍの範囲にあることが好ましい。管状体の直径が小さい場合には、それに対応させて上記細長い領域の壁体部分の幅Ｗを適宜小さな値に設定する。また、上記細長い領域の幅は、一対の振動波発生検出手段の間の部分にて、さらに細い幅とすることもできる。
【００９０】
図９は、図８の構造体の振動波発生検出手段６１ａの構成を示す斜視図である。振動波発生検出手段６１ａは、平板状の振動子６２と、平板状の振動方向制御素子６３とが積層された構成を有している。なお、振動波発生検出手段６１ｂの構成は、振動波発生検出手段６１ａと同様である。
【００９１】
平板状の振動子６２としては、平板状の圧電セラミックと、その平面のそれぞれに付設された電極（図示は略する）とから構成される圧電振動子が用いられている。圧電セラミックは、その厚み方向（図７に記入した矢印２７の示す方向）に分極されている。振動子６２は、その電極に電圧を印加することにより、その平面が拡縮するように振動する。平板状の振動子が前記のように振動すると、振動子は、そのポアソン比に基づいて厚み方向にも振動する。圧電セラミックは、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛系のセラミック材料から形成される。
【００９２】
振動方向制御素子６３としては、樹脂材料シート中に複数本の高弾性繊維６９がシート平面に沿って平行に整列配置された繊維強化樹脂シートの複数枚が、底面６４に垂直な方向（管状体６７の壁体に垂直な方向）に積層、そして一体化された構成の繊維強化樹脂材が用いられている。このような繊維強化樹脂材料を用いる場合には、振動波発生検出手段を、繊維強化樹脂材の高弾性繊維の長さ方向が、管状体の長さ方向に対して直交するように、上記細長い領域の壁体部分の表面に付設することが好ましい。
【００９３】
繊維強化樹脂材は、複数枚の繊維強化樹脂シートが、隣接する各繊維強化樹脂シート内の高弾性繊維の長さ方向が互いに垂直となるように交互に積層一体化された構成を有していることも好ましい。このような繊維強化樹脂材料を用いる場合には、振動波発生検出手段を、繊維強化樹脂材の高弾性繊維の長さ方向と、管状体の長さ方向とのなす角度が４５度となるように、上記細長い領域の壁体部分の表面に付設することが好ましい。
【００９４】
繊維強化樹脂材を構成する樹脂材料としては、例えば、エポキシ樹脂が用いられる。そして高弾性繊維としては、例えば、炭素繊維が用いられる。
【００９５】
振動方向制御素子６３として用いる繊維強化樹脂材は、その内部の高弾性繊維によって前記平板状の振動子６２の平面が拡縮するような振動を抑制し、そして振動子の厚み方向に振動する振動波を、選択的に振動方向制御素子の底面６４へと伝える。このように、振動子と振動方向制御素子から構成される振動波発生検出手段を用いることにより、振動子で発生した振動波を、効率よく上記細長い領域の壁体部分に付与することができる。
【００９６】
なお、図８の構造体においては、振動波発生検出手段のサイズは、上記細長い領域を頂面とする突起８７ａの表面よりも大きなサイズであっても良い。すなわち、振動波発生検出手段は、突起８７ａの表面に付設された際に、突起８７ａの表面からはみ出るサイズであっても良い。このような構造体を用いた流量測定方法は、管状体の外径が小さい場合であっても、大きなサイズの振動波発生検出手段を用いることができるため、外径の小さな管状体の内部を移動する流体の流量測定にも好ましく用いることができる。
【００９７】
図１０は、本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。図１０（ａ）は構造体の正面図であり、そして図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した構造体の断面図である。図１０の構造体の構成は、管状体１０７の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１ ）が、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２ ）よりも小さくされていること以外は、図８の構造体と同様である。図１０に示すように、管状体１０７の壁体の外側表面には、上記細長い領域を底面とする溝１０７ｂが形成されている。
【００９８】
図１０の構造体の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１ ）は、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２ ）よりも小さい。このため、図１０の構造体を流量測定に用いることにより、図８の構造体の場合と同様に、上記の伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生が低減されるために、流量の測定精度を高めることができる。
【００９９】
図１１は、本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。図１１（ａ）は構造体の正面図であり、そして図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の構造体の側面図である。図１１の構造体の構成は、管状体１１７の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１ ）が、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２ ）よりも小さくされていること以外は、図８の構造体と同様である。図１１に示すように、管状体１１７の壁体の外側表面には、上記細長い領域と対応する切り欠き１１７ｂが形成されていても良い。
【０１００】
図１１の構造体の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１ ）は、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２ ）よりも小さい。このため、図１１の構造体を流量測定に用いることによっても、図８の構造体の場合と同様に、上記の伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生が低減されるために、流量の測定精度を高めることができる。
【０１０１】
図１１の構造体においては、振動波発生検出手段のサイズは、上記細長い領域の壁体部分の表面よりも大きなサイズであっても良い。すなわち、振動波発生検出手段は、上記細長い領域の壁体部分の表面に付設された際に、上記細長い領域の壁体部分からはみ出るサイズであっても良い。このような構造体を用いた流量測定方法は、管状体の外径が小さい場合であっても、大きなサイズの振動波発生検出手段を用いることができるため、外径の小さな管状体の内部を移動する流体の流量測定にも好ましく用いることができる。
【０１０２】
図１２は、本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。図１２（ａ）は構造体の正面図であり、そして図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の構造体の側面図である。図１２の構造体の構成は、管状体１２７の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１ ）が、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２ ）よりも小さくされていること以外は、図８の構造体と同様である。図１２（ａ）に示すように、管状体１２７の外周は四角い形状とされ、そして内周は丸い形状とされている。
【０１０３】
図１２の構造体の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１ ）は、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２ ）よりも小さい。このため、図１２の構造体を流量測定に用いることによっても、図８の構造体の場合と同様に、上記の伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生が低減されるために、流量の測定精度を高めることができる。
【０１０４】
上記の細長い領域の壁体部分の厚みを、その両側の壁体部分の厚みと異なる厚みとする方法は、上記の図８、図１０、図１１及び図１２に示す構造体における方法（例、管状体の壁体の外側表面に、上記細長い領域を頂面とする突起を形成する方法）に限定されない。例えば、管状体の壁体の内側表面に、上記細長い領域の壁体部分を頂面とする突起を形成したり、あるいは上記細長い領域の壁体部分を底面とする溝を形成したりするなどの方法によっても、上記細長い領域の壁体部分の厚みを、その両側の壁体部分の厚みと異なる厚みとすることもできる。
【０１０５】
図１３は、本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。図１３（ａ）は構造体の正面図であり、そして図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に記入した切断線ＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した構造体の断面図である。図１３の構造体の構成は、管状体１３７の壁体の外側表面に、上記細長い領域を底面とする溝１０７ｂが四本形成され、そして各々の溝の底面に、振動波発生検出手段６１ａ、６１ｂが付設されていること以外は、図１０の構造体と同様である。
【０１０６】
図１３の構造体の各々の細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１ ）は、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２ ）よりも小さい。このため、図１３の構造体を流量測定に用いることによっても、図８の構造体の場合と同様に、上記の伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生が低減されるために、流量の測定精度を高めることができる。
【０１０７】
図１３の構造体の四個の振動波発生検出手段６１ａが備える振動子６２ａは、電気的に並列に接続されている。振動波発生検出手段６１ａによる振動波の発生、そして検出は、この並列接続された振動子６２ａに電圧を印加、そして並列接続された振動子６２ａにて発生する電圧を検出することにより実施される。同様に、四個の振動波発生検出手段６１ｂが備える振動子６２ｂも、電気的に並列に接続されている。そして振動波発生検出手段６１ｂによる振動波の発生、そして検出も、この並列接続された振動子６２ｂに電圧を印加、そして並列接続された振動子６２ｂにて発生する電圧を検出することにより実施される。なお、振動子の電気的な接続方法（すなわち、振動子に電圧を印加する方法、そして振動子にて発生する電圧を検出する方法）は、上記の例に限定されるわけではない。
【０１０８】
本発明の流量測定方法においては、流量の測定に管状体の壁体を伝わる振動波を用いている。管状体は、その長さ方向のいずれかの位置にて支持固定されているため、あるいは管状体、その内部を移動する流体、あるいはその外側表面に付設される振動波発生検出手段の質量を受けるために、その壁体内部に歪みを生じる。このような歪みの大きさは、管状体の壁体内部の場所により不均一な値を示す。そして流量測定に用いられる振動波は、振動波の伝わる経路によって異なる大きさの歪みを生じている管状体の壁体を伝わる。このため、振動波の伝わる経路によって、その伝達時間が変動するものと理解される。例えば、一対の振動波発生検出手段が管状体の頂部に付設され、振動波が管状体の頂部壁体を伝わる場合と、一対の振動波発生検出手段が管状体の底部に付設され、振動波が管状体の底部壁体を伝わる場合とで測定される伝達時間が互いに異なる値を示し、測定される流量値に僅かに変動を生じる場合がある。
【０１０９】
図１３の構造体においては、四個の振動波発生検出手段６１ａにて同時に発生した複数の振動波を、その各々の振動波が四個の振動波発生検出手段６１ｂのそれぞれに到達することにより発生される電気信号の和として検出する。振動波を前記の電気信号の和として検出することは、管状体の四つの細長い領域の壁体部分のそれぞれ伝わる振動波をその合成波として検出することを意味している。このため、前記の管状体の歪みの影響を受け難くなり、測定される流量値の変動が低減されると理解される。
【０１１０】
図１４は、本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。図１４（ａ）は構造体の正面図であり、そして図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に記入した切断線ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断した構造体の側面図である。図１４の構造体の構成は、流路として壁体により区画された溝状の流路１４７が用いられていること、溝状の流路１４７の底部壁体の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１ ）が、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２ ）よりも小さくされていること以外は、図１０の構造体と同様である。
【０１１１】
図１４の構造体の上記細長い領域の壁体部分の厚み（Ｄ１ ）は、その両側の壁体部分の厚み（Ｄ２ ）よりも小さい。このため、図１４の構造体を流量測定に用いることによっても、図８の構造体の場合と同様に、上記の伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生が低減されるために、流量の測定精度を高めることができる。
【０１１２】
以下に、本発明の流量測定方法を実施するために用意される構造体の振動波発生検出手段などについて詳しく説明する。
【０１１３】
振動波発生検出手段は、上記細長い領域の壁体部分に振動波を付与、そして検出することが可能であれば、その構成に特に制限はない。従って、振動波発生検出手段としては、従来の超音波流量計に用いられている公知の超音波発生検出手段、例えば、振動子と超音波（振動波）伝搬材から構成された振動波発生検出手段などを用いることができる。この場合には、超音波伝搬材は、音響インピーダンスの値が、振動子の音響インピーダンスの値と、流路の壁体の音響インピーダンスの値との間にある樹脂材料あるいは金属材料などから形成することが好ましい。このような材料から超音波伝搬材を形成することにより、流路の壁体の外側表面における振動波の反射を低減して、振動波を効率良く上記細長い領域の壁体部分に付与することができる。
【０１１４】
本発明においては、振動波を効率良く上記細長い領域の壁体部分に付与するために、各々の振動波発生検出手段が、振動子と振動方向制御素子を含む構成を有していることが好ましい。そして、振動方向制御素子により振動波の振動方向を制御することにより、振動波発生検出手段が、振動子で発生した振動波を主として流路壁体（上記細長い領域の壁体部分）に対して垂直な方向に振動する振動波として流路壁体に付与することが好ましい。このような振動波を用いることにより、振動波を効率良く上記細長い領域の壁体部分に付与することができる。なお、流路壁体（上記細長い領域の壁体部分）に対して垂直な方向とは、流路壁体の表面の法線とのなす角度が１０度未満、好ましくは５度未満である方向を意味する。
【０１１５】
さらに、本発明においては、振動波を効率よく上記細長い領域の壁体部分に付与するために、振動波の周波数を、管状体などの流路の固有振動数、あるいはその内部にある流体を一体とする固有振動数と一致させることが好ましい。これらの固有振動数は、例えば、有限要素法を用いた解析用のソフトウエア「ＡＮＳＹＳ」（ＡＮＳＹＳ社製）を用いたシミュレーションにより決定することができる。振動波発生検出手段により上記細長い領域の壁体部分に付与する振動波の周波数は、一般に超音波と呼ばれる２０ｋＨｚ以上の周波数に限定される訳ではない。振動波としては、周波数が１０ｋＨｚ乃至３ＭＨｚの範囲にある振動波、あるいはパルス状の振動波を好ましく用いることができる。
【０１１６】
振動子の例としては、電歪振動子、および磁歪振動子が挙げられる。電歪振動子の例としては、圧電振動子、および圧電振動子を一対の金属部材でボルト締めした構成のランジュバン型振動子が挙げられる。磁歪振動子の例としては、金属磁歪振動子、およびフェライト振動子が挙げられる。振動子としては、その構成が簡単であることから、電歪振動子（特に、圧電振動子）を用いることが好ましい。
【０１１７】
振動方向制御素子としては、樹脂材料シート中に複数本の高弾性繊維がシート平面に沿って平行に整列配置された繊維強化樹脂シートの複数枚が、その底面に垂直な方向（上記細長い領域の壁体部分の表面に垂直な方向）に積層、そして一体化された構成の繊維強化樹脂材を用いることが好ましい。
【０１１８】
樹脂材料の例としては、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、およびポリカーボネート樹脂が挙げられる。
【０１１９】
高弾性繊維の例としては、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、ナイロン繊維、アラミド繊維、およびポリアミド繊維が挙げられる。
【０１２０】
なお、振動波発生検出手段と上記細長い領域の壁体部分との接触面には、この接触面における振動波の反射を防止するために、グリースやワセリンなどの接触媒質からなる薄い層を付設することが好ましい。
【０１２１】
上記細長い領域の壁体部分を伝わる振動波の伝達時間の測定は、一方の振動波発生検出手段にて振動波の発生を開始してから、他方の振動波発生検出手段にて振動波に対応する電気信号の検出が開始されるまでの時間に限定されない。例えば、振動波の伝達時間を、一方の振動波発生検出手段にて振動波の発生を開始してから、他方の振動波発生検出手段にて検出される電気信号の電圧値が、所定のしきい値を超えたのちに零となるまでの時間としても、伝達時間の差を算出すれば、上記の伝達時間の差（Ｔ２ −Ｔ１ ）と同じ値が得られるからである。このようにして伝達時間を測定し、そして伝達時間の差を得る方法は、ゼロクロス法と呼ばれており、従来の超音波流量計において流体中を伝わる超音波の伝達時間の差を得るために一般的に用いられている方法である。
【０１２２】
すなわち、本明細書において、振動波の伝達時間とは、一方の振動波発生検出手段にて発生した振動波の波形の特定の位置を時間計測の開始点として、他方の振動波発生検出手段にて検出された振動波の波形の特定の位置を時間計測の終了点として計測された時間を意味する。
【０１２３】
振動波の伝達時間は、上記他方の振動波検出手段にて検出された振動波に対応する電気信号を、Ａ−Ｄ変換器（アナログ−デジタル変換器）を用いてデジタル信号に変換し、これをＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を用いて演算処理して決定することが好ましい。
【０１２４】
また、流量を決定するために用いられる較正用のデータは、例えば、以下のようにして作成することができる。まず、管状体の内部で流体を既知の流量Ｖ０ で一方の方向に移動させる。この既知の流量値は、例えば、管状体に接続された電磁流量計などによって確認する。この既知の流量は、管状体にて流体を所定の時間で一方の方向に移動させ、この時間で移動された水の量（例、質量、体積）を実測し、実測された水の量を前記の時間で除して求めることもできる。
【０１２５】
次に、前記のようにして、上記細長い領域の壁体部分を伝わる振動波の伝達時間を測定することにより、伝達時間の差（ΔＴ＝Ｔ２ −Ｔ１ ）を算出する。振動波の伝達時間の差（ΔＴ）と、管状体の内部を移動する流体の流量とは相関（ほぼ比例関係）がある。このことから、較正用のデータとしては、例えば、上記の既知の流量値Ｖ０ を、振動波の伝達時間の差ΔＴで除して得られる比例定数ｋ（＝Ｖ０ ／ΔＴ）を用いることができる。すなわち、管状体の内部を移動する流体の流量値は、測定された伝達時間の差の値に、前記の比例定数ｋを乗ずることにより決定することができる。
【０１２６】
較正用データとしては、前記の比例定数ｋ以外のものも用いることができる。例えば、振動波の伝達時間の差と、既知の流量との関係を示す較正曲線を用いることもできる。また、較正用データは、測定環境の温度、管状体の歪み、管状体及び板状部材の材料、あるいは測定対象の流体の種類などに対応するデータとすることもできる。
【０１２７】
【発明の効果】
本発明の流量測定方法においては、流体の流量と相関のある振動波の伝達時間を測定するために用いる第一の振動波発生検出手段と第二の振動波発生検出手段との間隔を、管状体の内径とは無関係に長く設定することができる。そして管状体の壁体の外側表面の各々の振動波発生検出手段との接触部分と、前記壁体の外側表面の第一の振動波発生検出手段の付設位置から流路に沿って伸びる延長線とを含む細長い領域の壁体部分の厚みを、その両側の壁体部分の厚みとは異なる厚みに設定することにより、流量測定における伝達時間の測定には用いられない振動波成分の発生が低減されている。従って、本発明の流量測定方法により、管状体の内部を移動する流体の流量を高い精度で測定することができる。また、本発明の流量測定方法においては、流量測定に用いる振動波を管状体の外側表面に付設された板状部材の表面に垂直に入射させるために、管状体を形成する材料の音速値が温度によって変動しても、超音波の伝わる経路は変動しない。このため、測定環境の温度が変動しても、管状体の内部を移動する流体の流量を高い精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の流体の流量測定方法を説明する断面図である。
【図２】振動波発生検出手段の構成例を示す斜視図である。
【図３】ステンレススチール製の管状体の内部に水を満たした状態（水は静止している状態）において、その外側表面に付設された第一の振動波発生検出手段の振動子に印加した電圧の波形（Ｓ１ ）、および第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波に対応する電気信号の電圧波形（Ｓ２ ）を示す図である。
【図４】ステンレススチール製の管状体の内部で水を一方の方向に移動させた状態において、電磁流量計で測定された水の流量と、管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）により測定された水の流量との関係を示すグラフである。
【図５】振動波発生検出手段の別の構成例を示す図である。
【図６】管状体の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）を実施するために用意される流量測定用の構造体の構成例、及び振動波発生検出手段にて発生した振動波が壁体を伝わる経路を説明する図である。
【図７】溝状の流路の壁体を伝わる振動波を用いた流量測定方法（改良前の方法）を実施するために用意される流量測定用の構造体の構成例、及び振動波発生検出手段にて発生した振動波が壁体を伝わる経路を説明する図である。
【図８】本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の構成例を示す図である。
【図９】図８の構造体の振動波発生検出手段６１ａの構成を示す斜視図である。
【図１０】本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。
【図１１】本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。
【図１２】本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。
【図１３】本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。
【図１４】本発明の流量測定方法を実施するために用意される流量測定用の構造体の別の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ 超音波発生検出手段
２ａ、２ｂ 超音波振動子
３ａ、３ｂ 超音波伝搬材
４ａ、４ｂ 底面
５ａ、５ｂ 斜面
６ 管状体の壁体
７ 流体の移動方向を示す矢印
９ 超音波の伝わる経路を示す破線
９ａ、９ｂ 超音波の伝わる方向を示す矢印
２０ 振動子の振動方向を示す矢印
２１ 超音波発生検出手段
２２ａ、２２ｂ 振動子
２３ 振動方向制御素子
２４ 底面
２７ 分極方向を示す矢印
２８ 樹脂材料シート
２９ 高弾性繊維
Ｔ０ 管状体内部の水が静止状態にある場合の振動波の伝達時間
Ｓ１ 第一の振動波発生検出手段に印加した電圧の波形
Ｓ２ 第二の振動波発生検出手段にて検出された振動波に対応する電気信号の電圧波形
５１ 振動波発生検出手段
５２ 振動子
５３ 振動方向制御素子
５４ 底面
５８ 樹脂シート
６０ａ 伝達時間の測定に用いる振動波の伝わる経路に例を示す矢印。
６０ｂ、６０ｃ 伝達時間の測定に用いられない振動波成分の経路の例を示す矢印
６１ａ、６１ｂ 振動波発生検出手段
６２ 振動子
６３ 振動方向制御素子
６４ 底面
６５ 溝
６７ 管状体
６９ 高弾性繊維
７７ 溝状の流路
８７、１０７、１１７、１２７、１３７ 管状体
１４７ 溝状の流路
８７ａ 突起
１０７ｂ 溝
１１７ｂ 切り欠き部
Ｄ１ 、Ｄ２ 壁体部分の厚み
Ｗ 細長い領域の壁体部分の幅[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for measuring a flow rate of a fluid moving in a tubular or grooved flow path defined by a wall.
[0002]
[Prior art]
A clamp-on type ultrasonic flowmeter is known as one of flowmeters for measuring the flow rate of a fluid moving inside a tubular body (a tubular flow path defined by a wall). The clamp-on ultrasonic flowmeter is a flowmeter attached to the outer surface of the wall of the tubular body and measures the flow rate of the fluid moving inside the tubular body outside the tubular body.
[0003]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a conventional method for measuring the flow rate of a fluid using a clamp-on ultrasonic flowmeter. The clamp-on type ultrasonic flow meter is constituted by a pair of ultrasonic generation detecting means 1a and 1b. The arrow 7 shown in FIG. 1 indicates the moving direction of the fluid inside the tubular body.
[0004]
The ultrasonic generation detecting means 1a is composed of an ultrasonic transducer 2a and an ultrasonic wave propagation material 3a. The ultrasonic transducer 2a is attached to the slope 5a of the ultrasonic wave propagation member 3a. A piezoelectric vibrator is used as the ultrasonic vibrator 2a. The piezoelectric vibrator includes a piezoelectric ceramic and a pair of electrodes provided on both surfaces thereof. The configuration of the ultrasonic generation detection means 1b is the same as that of the ultrasonic generation detection means 1a.
[0005]
Each of the ultrasonic transducers 2a and 2b generates an ultrasonic wave when a voltage is applied to its electrode, and generates a voltage at the electrode when the ultrasonic wave is applied. Therefore, each of the ultrasonic wave generation detecting means 1a and 1b provided with the ultrasonic vibrator is also an ultrasonic wave generation means and a detection means.
[0006]
The flow rate of the fluid moving inside the tubular body is measured as follows. First, a voltage pulse is applied to the ultrasonic transducer 2a of the ultrasonic generation detecting means 1a to generate an ultrasonic wave. The ultrasonic wave travels along the ultrasonic wave propagation material 3a, the wall body 6 of the tubular body, the fluid, the wall body 6 of the tubular body, and the ultrasonic wave propagation material 3b in this order along the broken line 9 shown in FIG. It reaches the ultrasonic transducer 2b of the sound wave generation detecting means 1b. Then, the transmission time (T) required for the ultrasonic wave to travel through the fluid from the ultrasonic wave generation detecting means 1a and to the ultrasonic wave generation detecting means 1b. 1 ) Is measured.
[0007]
Next, a voltage pulse is applied to the ultrasonic transducer 2b of the ultrasonic generation detecting means 1b to generate an ultrasonic wave. The ultrasonic wave propagates in the above-described path in the opposite direction, and reaches the ultrasonic transducer 2a of the ultrasonic wave generation detecting means 1a. Then, the transmission time (T) required for the ultrasonic wave to travel from the ultrasonic wave generation detecting means 1b to the inside of the wall and to the ultrasonic wave generation detecting means 1a. 2 ) Is measured.
[0008]
Ultrasonic transmission time T 1 , T 2 Have different values depending on the direction in which the ultrasonic wave propagates in the fluid (the direction indicated by arrows 9a and 9b shown in FIG. 1).
[0009]
The ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic wave generation detecting means 1a to the ultrasonic wave generation detecting means 1b (in the direction indicated by the arrow 9a) travels inside the fluid by riding on the flow of the fluid. 1 ) Indicates a smaller value than when the fluid is stationary.
[0010]
Since the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic wave generation detecting means 1b to the ultrasonic wave generation detecting means 1a (in the direction indicated by the arrow 9b) propagates in the fluid against the flow of the fluid, the transmission time (T 2 ) Indicates a larger value than when the fluid is stationary.
[0011]
The difference between these transmission times (T 2 -T 1 ) Is correlated with the flow rate (flow velocity) of the fluid moving inside the tubular body. Then, the flow rate of the fluid moving inside the tubular body is determined by comparing the difference in the transmission time with the calibration data indicating the relationship between the difference in the transmission time of the ultrasonic wave and the flow rate prepared separately. I do.
[0012]
The clamp-on type ultrasonic flowmeter has a great advantage in that the flow rate of a fluid moving inside the tubular body can be measured without removing an existing tubular body in a factory or the like. In addition, the clamp-on type ultrasonic flowmeter has a drawback that when the flow rate of a fluid moving inside a tubular body having a small inner diameter is measured, the flow rate measurement accuracy is reduced. When the inner diameter of the tubular body is small, the distance over which the ultrasonic wave travels in the fluid becomes short, and the difference in the transmission time becomes a very small value. For this reason, the ratio of the error included in the difference in the measured transmission time increases, and the measurement accuracy of the flow rate decreases. In a commercially available clamp-on type ultrasonic flow meter, the inner diameter of the tubular body that can be measured is usually about 25 mm or more.
[0013]
The clamp-on type ultrasonic flowmeter is used for measuring the flow rate of a fluid moving inside a tubular body having a relatively large inner diameter, but the measurement accuracy of the flow rate is not sufficiently satisfactory. In the clamp-on type ultrasonic flowmeter, the distance over which the ultrasonic wave travels in the fluid is determined by the path through which the ultrasonic wave travels (FIG. 1: broken line 9). This is because the path of the ultrasonic wave is determined by the angle of incidence of the ultrasonic wave on the outer surface of the wall of the tubular body and the sound velocity values of the ultrasonic wave propagation material, the tubular body, and the fluid material according to Snell's law.
[0014]
By selecting the ultrasonic wave propagation material or the material of the tubular body, the distance over which the ultrasonic wave propagates in the fluid can be set long. However, the number of materials that can be used for the ultrasonic wave propagation material and the tubular body is limited. For this reason, it is difficult to increase the measurement accuracy of the flowmeter to a certain degree or more by setting the distance over which the ultrasonic wave propagates in the fluid to be long by selecting the material.
[0015]
Also, by setting the incident angle of the ultrasonic wave large, the distance over which the ultrasonic wave travels in the fluid can be set long. However, as the angle of incidence of the ultrasonic wave increases, the amount of the ultrasonic wave reflected on the outer surface of the tubular body increases, and the intensity of the ultrasonic wave transmitted through the fluid used for measuring the flow rate decreases, and the measurement accuracy of the flow rate decreases. In addition, if the incident angle is further increased, the ultrasonic wave may be totally reflected on the outer surface of the tubular body, and the ultrasonic wave may not be transmitted into the fluid, so that the flow rate may not be measured. For this reason, it is difficult to increase the measurement accuracy of the flowmeter to a certain degree or more by setting the distance at which the ultrasonic wave travels through the fluid by setting the incident angle of the ultrasonic wave.
[0016]
Further, in the clamp-on type flow meter, the path through which the ultrasonic wave is transmitted is determined by the ultrasonic wave propagation material, the tubular body, the sound velocity value of the fluid material, and the like as described above. Since the sound velocity value of this material varies with temperature, the path of the ultrasonic wave varies. When the path of the ultrasonic wave fluctuates, the amount of the ultrasonic wave detected by the ultrasonic wave generation detecting means decreases, and the measurement accuracy of the flow rate decreases. For this reason, the temperature characteristics of the conventional ultrasonic flowmeter were not sufficiently satisfactory.
[0017]
Non-Patent Document 1 describes an ultrasonic flowmeter that can be used for measuring the flow rate of a fluid moving inside a tubular body having a small inner diameter. This ultrasonic flowmeter is composed of a pair of ring-shaped ultrasonic transducers (ultrasonic generation detecting means). The pair of ring-shaped ultrasonic transducers are attached to the outer surface of the tubular body by passing the tubular body for moving the fluid to be measured through each of the holes.
[0018]
The flow rate of the fluid moving inside the tubular body is measured by the ultrasonic flow meter using the ring-shaped ultrasonic transducer as follows. First, an ultrasonic wave is generated by one ultrasonic vibrator, and the ultrasonic wave propagates through the fluid in the longitudinal direction of the tubular body, and a transmission time until the ultrasonic wave reaches the other ultrasonic vibrator is measured. Next, an ultrasonic wave is generated by the other ultrasonic vibrator, and the ultrasonic wave propagates through the fluid in the longitudinal direction of the tubular body, and the transmission time until the ultrasonic wave reaches the one ultrasonic vibrator is determined. Measure. Then, the flow rate of the fluid moving inside the tubular body is compared by comparing the difference in the measured transmission time with the calibration data indicating the relationship between the difference in the transmission time of the ultrasonic wave and the flow rate prepared separately. To determine.
[0019]
In an ultrasonic flowmeter using a ring-shaped ultrasonic vibrator, ultrasonic waves propagate in a fluid along the length of a tubular body. Therefore, by increasing the distance between the pair of ring-shaped ultrasonic transducers, the distance over which ultrasonic waves propagate in the fluid can be set longer. For this reason, it is said that an ultrasonic flowmeter using a ring-shaped ultrasonic transducer can measure the flow rate of a fluid moving inside a tubular body having a small inside diameter with high accuracy.
[0020]
However, in order to measure the flow rate of a fluid moving inside an existing tubular body at a factory or the like, an ultrasonic flowmeter using a ring-shaped ultrasonic vibrator removes the tubular body and installs a flowmeter. There is a problem that it is necessary.
[0021]
Also, in an ultrasonic flowmeter using a ring-shaped ultrasonic vibrator, when measuring the flow rate of a fluid moving inside a tubular body having a large inner diameter, an ultrasonic vibrator of a large size (diameter) is required. Must be used. Generally, it is known that an ultrasonic transducer generates an ultrasonic wave of a lower frequency as its size increases. Therefore, when measuring the flow rate of a fluid moving inside a tubular body having a large inner diameter, it is necessary to use lower frequency ultrasonic waves in order to measure the transmission time. When using an ultrasonic wave with a low frequency, the ultrasonic wave generated by one ultrasonic vibrator is detected by the other ultrasonic vibrator, because the rising edge of the detected ultrasonic wave is gentle. In addition, the error included in the measured transmission time increases. Therefore, when measuring the flow rate of the fluid moving inside the tubular body having a large inner diameter, the measurement accuracy of the flow rate of the ultrasonic flow meter using the ring-shaped ultrasonic vibrator is not sufficiently satisfactory. It is presumed.
[0022]
It is also known to use an electromagnetic flow meter for measuring the flow rate of a fluid moving inside a tubular body having a small inner diameter. The electromagnetic flowmeter can measure the flow rate of the fluid moving inside the tubular body with high accuracy even when the inside diameter of the tubular body is small. However, there is a problem that it is necessary to remove the tubular body and install a flow meter in order to measure the flow rate of the fluid moving inside the existing tubular body in a factory or the like. Further, the flow measuring method using the electromagnetic flow meter also has a problem that the flow rate of the liquid having no conductivity cannot be measured.
[0023]
[Non-patent document 1]
Hiroaki Ishikawa et al., "Sensor Arrangement and Flow Characteristics of Ultrasonic Flowmeter for Liquid", Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, 2000, Vol. 36, No. 12, p. 1071-1078
[0024]
[Problems to be solved by the invention]
The inventor of the present invention can measure the flow rate of a fluid moving inside an existing tubular body without removing the existing tubular body, and preferably uses the same for measuring the flow rate of a fluid moving inside a tubular body having a small inner diameter. An international application (international application number: PCT / JP02 / 11821) was filed on November 13, 2002 for the invention of a possible flow measurement method.
[0025]
The invention filed in the international application is a method for measuring the flow rate of a fluid moving through a flow path, which includes the following steps.
(1) A pipe or groove-shaped flow path defined by a wall, and first vibration wave generation detecting means and second vibration disposed along the flow path on the outer surface or the inner surface of the wall. A step of preparing a structure having wave generation detecting means;
(2) A step of moving the fluid to be measured to the flow path.
(3) A step of generating a vibration wave by the first vibration wave generation detection means and applying the vibration wave to the wall.
(4) a step of measuring a transmission time until the vibration wave travels along the wall that vibrates together with the moving fluid and reaches the second vibration wave generation detecting means by applying the vibration wave.
(5) A step of generating a vibration wave by the second vibration wave generation detecting means and applying the vibration wave to the wall.
(6) A step of measuring a transmission time until the vibration wave travels along the wall that vibrates together with the moving fluid and reaches the first vibration wave generation detecting means by the application of the vibration wave.
(7) a step of calculating a difference between the transmission time measured in the step (4) and the transmission time measured in the step (6).
(8) The fluid used in the step (2) or the equivalent of the fluid is moved at a known flow rate to the flow path of the structure used in the step (1) or the equivalent of the structure. The measurement described in the above (3) and (4), the measurement described in the above (5) and (6) were performed, and the flow rate was calculated by calculating the difference in the transmission time described in the above (7). Preparing calibration data indicating the relationship between the difference and the transmission time of the vibration wave.
(9) By comparing the difference in the transmission time calculated in the step (7) with the calibration data prepared in the step (8), the flow rate of the fluid moved in the step (2) can be determined. The process of determining.
[0026]
This flow rate measuring method uses a vibration wave transmitted through a wall of a tubular body, which was considered to be noise when measuring the flow rate, and moves a tubular or groove-shaped flow path defined by the wall. It measures the flow rate of the fluid. By such a flow rate measuring method using the vibration wave transmitted through the wall of the flow path, the flow rate of the fluid moving inside the tubular body having a large inner diameter (the tubular flow path partitioned by the wall), and further, the inner diameter The flow rate of the fluid moving inside the small tubular body can be measured with high accuracy.
[0027]
The present inventor has studied improvement of this flow measurement method (hereinafter, referred to as a method before improvement) so that flow measurement with higher accuracy can be realized.
[0028]
An object of the present invention is to provide a flow rate measuring method capable of measuring the flow rate of a fluid moving through a tubular or groove-shaped flow path defined by a wall with high accuracy.
[0029]
[Means for Solving the Problems]
The present invention resides in a method for measuring the flow rate of a fluid moving through a tubular or grooved flow path, which includes the following steps.
(1) A tubular or groove-shaped flow path partitioned by a wall, a first vibration wave generation detection means attached to an outer surface of the flow path wall, and a flow from the first vibration wave generation detection means. Second vibration wave generation detection provided at an interval along the path and on an extension extending along the flow path from the position where the first vibration wave generation detection means is provided on the outer surface of the flow path wall body Means, wherein the thickness of the wall portion in the elongated area including the contact portion of each of the outer surfaces of the wall with the vibration wave generation detecting means and the extension line is different from the thickness of the wall portions on both sides thereof A step of preparing a structure having a thickness.
(2) A step of moving the fluid to be measured in one direction in the flow path.
(3) a step of generating a vibration wave by the first vibration wave generation detection means and applying the vibration wave to the wall portion of the elongated region.
(4) a step of measuring a transmission time until the vibration wave travels along the wall portion of the elongated region vibrating together with the moving fluid and reaches the second vibration wave generation detecting means by applying the vibration wave; .
(5) A step of generating a vibration wave by the second vibration wave generation detection means and applying the vibration wave to the wall portion of the elongated region.
(6) A step of measuring a transmission time until the vibration wave travels along the wall portion of the elongated region vibrating together with the moving fluid and reaches the first vibration wave generation detecting means by applying the vibration wave. .
(7) a step of calculating a difference between the transmission time measured in the step (4) and the transmission time measured in the step (6).
(8) In the flow path of the structure used in the step (1) or the equivalent of the structure, the fluid used in the step (2) or the equivalent of the fluid is one-sided at a known flow rate. , The measurements described in (3) and (4) above, and the measurements described in (5) and (6) above, and then the difference between the transmission times described in (7) is calculated. Preparing calibration data indicating the relationship between the difference in the transmission time of the vibration wave and the flow rate created in the above.
(9) Using the difference between the transmission times calculated in the step (7) and the calibration data prepared in the step (8), the flow rate of the fluid moved in the step (2) is determined. Process.
[0030]
Preferred embodiments of the flow measurement method of the present invention are as follows.
1) On the outer surface of the flow path wall, a groove having the above-described elongated region as a bottom surface is formed.
2) On the outer surface of the channel wall, a projection having the above-described elongated region as a top surface is formed.
3) The wall of the channel is formed of a metal material.
4) Each vibration wave generation detecting means includes a vibrator and a vibration direction control element, and converts the vibration wave generated by the vibrator into a vibration wave mainly vibrating in a direction perpendicular to the flow path wall. Applied to the channel wall.
[0031]
The step (8) of preparing the calibration data included in the flow rate measuring method of the present invention may be performed any time before the step (9) of determining the fluid flow rate is performed.
[0032]
Further, in the flow rate measuring method of the present invention, the equivalent of the structure used for preparing the calibration data is the same as the structure having the same physical properties as the structure for measuring the flow rate. Means another structure. Similarly, the equivalent of the fluid to be measured is a fluid having substantially the same density as the fluid to be measured to be moved in the flow path of the structure, or the measurement object to be moved in the flow path of an equivalent of the structure. Of the same fluid or a fluid having a density substantially equal to that of the fluid to be measured. By substantially equal in density is meant that the density value of the fluid equivalent is in the range of 0.3 to 1.7 times the density value of the fluid being measured. Preferably, the value of the density of the fluid equivalent is in the range of 0.4 to 1.6 times the value of the density of the fluid to be measured. Most preferably, the same fluid is used as the fluid to be measured. However, if the fluid to be measured has flammability or toxicity and requires careful handling, an equivalent of the fluid (for example, water) may be used to prepare calibration data. it can.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, the vibration wave transmitted through the wall of the tubular body used in the flow measurement method of the present invention and the principle of the flow measurement method using the vibration wave will be described.
[0034]
In order to measure the flow rate of the fluid moving inside the tubular body, the flow rate comprises a tubular body, and a pair of vibration wave generation detecting means attached to the outer surface of the tubular body along the length of the tubular body. Prepare a structure for measurement.
[0035]
FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of an example of a vibration wave generation detecting means used for applying a vibration wave to a tubular body. The vibration wave generation detecting means 21 has a configuration in which vibrators 22a and 22b are attached to two side surfaces of the vibration direction control element 23, respectively.
[0036]
As each of the vibrators 22a and 22b, a piezoelectric vibrator composed of a plate-shaped piezoelectric ceramic and electrodes (not shown) attached to respective planes is used. The width W of the piezoelectric ceramic is 10 mm and the height H 1 Is 25mm and thickness T 1 Is 0.5 mm. The piezoelectric ceramic is polarized in its thickness direction (the direction indicated by the arrow 27 shown in FIG. 2). Each of the vibrators 22a and 22b vibrates in a direction indicated by an arrow 20 shown in FIG. 2 by applying a voltage to its electrode. The piezoelectric ceramic is formed from a lead zirconate titanate-based ceramic material.
[0037]
The vibrators 22a and 22b are electrically connected in parallel. The generation and detection of the vibration wave by the vibration wave generation detecting means are performed by applying a voltage to the vibrators 22a and 22b connected in parallel and detecting a voltage generated by the vibrators connected in parallel. . The method of electrically connecting the vibrator (that is, the method of applying a voltage to the vibrator and the method of detecting the voltage generated in the vibrator) is not limited to the above example.
[0038]
As the vibration direction control element 23, a plurality of fiber reinforced resin sheets in which a plurality of high elastic fibers 29 are arranged in parallel along a sheet plane in a resin material sheet 28 are stacked in a direction perpendicular to the bottom surface 24. And, a fiber reinforced resin material having an integrated structure is used. The width W of the fiber reinforced resin material is 10 mm and the height H 2 Is 27mm and thickness T 2 Is 3 mm. Epoxy resin is used as the resin material constituting the fiber reinforced resin material, and carbon fiber is used as the high elasticity fiber.
[0039]
The vibration wave generation detecting means 21 generates a vibration wave by applying a voltage to the vibrators 22a and 22b. This vibration wave propagates inside the vibration direction control element 23. The plurality of high elastic fibers 29 of the vibration direction control element 23 suppress the generation of vibration along the length direction. Therefore, the vibration wave propagates toward the bottom surface 24 of the vibration direction control element 23. Since the vibration wave propagates inside the vibration direction control element 23 as a vibration wave mainly composed of longitudinal wave components, the vibration direction is a direction perpendicular to the bottom surface 24 of the vibration direction control element. Therefore, when the vibration wave generation detecting means 21 is attached to the outer surface of the tubular body for moving the fluid to be measured for flow rate so that the bottom surface 24 is in contact with the outer surface of the tubular body, the vibration wave generation detecting means Vibration waves generated by the respective vibrators are applied to the tubular body as vibration waves mainly vibrating in a direction perpendicular to the wall of the tubular body. The vibration direction control element is described in detail in JP-A-7-284198.
[0040]
Next, a pair of the vibration wave generation detecting means 21 of FIG. 2 is attached to the outer surface of the tubular body along the longitudinal direction of the tubular body, and one of the vibration wave generation detecting means (the first vibration wave generation detecting means) is provided. ), The vibration wave detected by the other vibration wave generation detecting means (referred to as second vibration wave generation detecting means) when the vibration wave is applied to the tubular body will be described. I do. In addition, each vibration wave generation detecting means was attached to the outer surface of the tubular body so that the length direction of the high elasticity fiber of the vibration direction control element coincided with the length direction of the tubular body. The second vibration wave generation detecting means is provided at an interval along the longitudinal direction of the tubular body from the first vibration wave generation detecting means, and is provided with the first vibration wave generation detecting means on the outer surface of the tubular body. It was attached on an extension extending from the position along the length of the tubular body.
[0041]
FIG. 3 shows a first vibration attached to the outer surface of a stainless steel tubular body having an outer diameter of 2 mm and an inner diameter of 1 mm filled with water (water is stationary). Of the voltage applied to the wave generation detecting means (S 1 ), And the voltage waveform (S) of the electric signal corresponding to the vibration wave detected by the second vibration wave generation detecting means. 2 FIG. The distance between the pair of vibration wave generation detecting means (the center in the width direction of the vibration direction control element of the first vibration wave generation detection means, and the center in the width direction of the vibration direction control element of the second vibration wave generation detection means) Is set to 300 mm.
[0042]
The voltage waveform (S 1 4), four periods of a sine wave voltage having a frequency of 56 kHz and an amplitude of 30 V (peak-peak value) were applied to each vibrator of the first vibration wave generation detecting means. The wall of the tubular body vibrates together with the fluid that is stationary inside the tubular body by applying the vibration wave generated by the first vibration wave generation detecting means by applying the sine wave voltage.
[0043]
As shown in FIG. 3, the transmission time (T) until the vibration wave generated by the first vibration wave generation detecting means reaches the second vibration wave generation detecting means. 0 ) Was 154 μs. Since the interval between the pair of vibration wave generation detecting means is set to 300 mm, the velocity of the vibration wave detected by the second vibration wave generation detecting means is about 1948 m / sec.
[0044]
In general, it is known that an oscillating wave propagates only in a liquid or a gas as a longitudinal wave, and propagates in a solid as a longitudinal wave, a transverse wave, or a wave having a longitudinal wave component and a transverse wave component. It is also known that the speed of a vibration wave (longitudinal wave) transmitted through water is about 1450 m / sec. Therefore, it can be understood that the vibration wave detected by the second vibration wave generation detecting means is a vibration wave transmitted through the wall of the tubular body. It is generally known that the velocity of a vibration wave consisting of only a longitudinal wave component transmitted through stainless steel is about 5790 m / sec. Therefore, it can be seen that the vibration wave detected by the second vibration wave generation detecting means is a vibration wave having a transverse wave component that propagates at low speed through the wall of the tubular body.
[0045]
Next, the water inside the stainless steel tubular body was moved in the direction from the first vibration wave generation detecting means to the second vibration wave generation detecting means.
[0046]
Then, in a state where the water inside the tubular body is moved, the vibration wave travels from the first vibration wave generation detecting means to the wall of the tubular body and reaches the second vibration wave generation detecting means. Transmission time (T 1 ) Was measured. The wall of the tubular body vibrates together with the fluid moving inside the tubular body by receiving the vibration wave generated by the first vibration wave generation detecting means. As a result of measuring the transmission time, the transmission time (T 1 ) Is the transmission time of the vibration wave when the water is stationary due to the influence of the flow of water inside the tubular body (T in FIG. 3). 0 ). The voltage waveform detected by the second vibration wave generation detecting means is the voltage waveform S shown in FIG. 2 Is very small (about several tens of nanoseconds), and is not shown.
[0047]
Next, the transmission time (T) from when the vibration wave propagates through the wall of the tubular body from the second vibration wave generation detecting means to reach the first vibration wave generation detecting means. 2 ) Was measured. As a result, the transmission time (T 2 ) Is affected by the flow of water inside the tubular body, and the transmission time when the water is stationary (T 0 ).
[0048]
Then, the transmission time (T 1 ) And transmission time (T 2 ) And the difference (T 2 -T 1 ) Was found to correlate with the flow value of the fluid (water) moving inside the tubular body. Therefore, the flow rate of the fluid moving inside the tubular body is measured using the measured transmission time difference and the calibration data indicating the relationship between the ultrasonic transmission time difference and the flow rate prepared separately. be able to.
[0049]
FIG. 4 shows the flow rate of water measured by an electromagnetic flow meter and the vibration wave propagating through the wall of the tubular body in a state where water is moved in one direction inside the stainless steel tubular body. 4 is a graph showing the relationship between the measured flow rate (method before improvement) and the flow rate of water. As shown in FIG. 4, it can be seen that the flow rate of water measured by the flow rate measurement method using the vibration wave transmitted through the wall of the tubular body substantially matches the flow rate of water measured by the electromagnetic flow meter. As described above, the flow rate of the fluid moving inside the tubular body can be measured by the flow rate measuring method using the vibration wave transmitted through the wall of the tubular body.
[0050]
FIG. 5 is a diagram showing another configuration example of the vibration wave generation detecting means used to apply a vibration wave to the tubular body. The vibration wave generation detecting means 51 has a configuration in which a disk-shaped vibrator 52 and a disk-shaped vibration direction control element 53 are stacked.
[0051]
As the disk-shaped vibrator 52, a piezoelectric vibrator composed of a disk-shaped piezoelectric ceramic and electrodes (not shown) attached to respective planes thereof is used. The diameter of the piezoelectric ceramic is 10 mm and the thickness is 1.0 mm. The piezoelectric ceramic is polarized in its thickness direction (the direction indicated by the arrow 27 shown in FIG. 5). The disk-shaped vibrator 52 vibrates in the radial direction of the disk (to expand and contract the disk surface) by applying a voltage to its electrode. When the disk-shaped vibrator vibrates as described above, the vibrator also vibrates in the thickness direction based on the Poisson's ratio. The piezoelectric ceramic is formed from a lead zirconate titanate-based ceramic material.
[0052]
As the vibration direction control element 53, a plurality of fiber reinforced resin sheets in which a plurality of high elastic fibers 59a are arranged in parallel along a sheet plane in a resin material sheet 58 are stacked in a direction perpendicular to the bottom surface 54. And, a fiber reinforced resin material having an integrated structure is used. As shown in FIG. 5, the vibration direction control element 53 has a configuration in which a plurality of fiber reinforced resin sheets are alternately stacked such that the length directions of the high elasticity fibers of the adjacent sheets are orthogonal to each other. are doing. A broken line 59b shown in FIG. 5 indicates a high elastic fiber included in the fiber reinforced resin sheet adjacent to the fiber reinforced resin sheet including the high elastic fiber 59a. The fiber reinforced resin material has a diameter of 10 mm and a thickness of 2.5 mm. Epoxy resin is used as the resin material constituting the fiber reinforced resin material, and carbon fiber is used as the high elasticity fiber.
[0053]
The fiber reinforced resin material used as the vibration direction control element 53 suppresses the radial vibration of the disk of the disk-shaped vibrator by the high elastic fiber inside, and the vibration wave vibrating in the thickness direction of the vibrator, It is selectively transmitted to the bottom surface 54 of the vibration direction control element.
[0054]
Next, a pair of the vibration wave generation detecting means 51 of FIG. 5 (the first vibration wave generation detecting means and the second vibration wave generation detecting means) is attached to the outer surface of the tubular body along the longitudinal direction of the tubular body. Attached. As the tubular body, an acrylic resin tubular body having an outer diameter of 6 mm and an inner diameter of 4 mm was used.
[0055]
Each vibration wave generation detecting means is provided on the outer surface of the tubular body so that the angle between the length direction of the high elasticity fiber 59a of the vibration direction control element and the longitudinal direction of the tubular body is 45 degrees. Attached. The second vibration wave generation detecting means is provided at an interval along the longitudinal direction of the tubular body from the first vibration wave generation detecting means, and is provided with the first vibration wave generation detecting means on the outer surface of the tubular body. It was attached on an extension extending from the position along the length of the tubular body. The distance between the pair of vibration wave generation detecting means (between the center position of the disk of the first disk-shaped vibration wave generation detecting means and the position of the center of the disk of the second disk-shaped vibration wave generation detecting means) Distance) was set to 100 mm.
[0056]
Each vibration wave generation detecting means is attached to the outer surface of the tubular body such that the bottom surface 54 is in contact with the outer surface. Therefore, the vibration wave generation detecting means 51 applies the vibration wave generated by the disk-shaped vibrator 52 to the tubular body as a vibration wave mainly vibrating in a direction perpendicular to the wall of the tubular body.
[0057]
Then, in a state where the inside of the tubular body is filled with water (water is stationary), a voltage is applied to the vibrator of the first vibration wave generation detecting means attached to the outer surface to generate the vibration wave. The transmission time required for the generated vibration wave to reach the second vibration wave generation detecting means was measured. Note that four cycles of a sine wave voltage having a frequency of 248 kHz and an amplitude of 30 V (peak-peak value) were applied to the vibrator of the first vibration wave generation detecting means.
[0058]
As a result, the transmission time (T) until the vibration wave generated by the first vibration wave generation detecting means reaches the second vibration wave generation detecting means. 0 ) Was 73.6 μs. Since the interval between the pair of vibration wave generation detecting means is 100 mm, the velocity of the vibration wave detected by the second vibration wave generation detecting means is about 1359 m / sec.
[0059]
As described above, it is generally known that the speed of a vibration wave (longitudinal wave) transmitted through water is about 1450 m / sec. Therefore, it can be understood that the vibration wave detected by the second vibration wave generation detecting means is a vibration wave transmitted through the wall of the tubular body. It is generally known that the velocity of a vibration wave consisting of only a longitudinal wave component transmitted through an acrylic resin is about 2730 m / sec. Therefore, it can be seen that the vibration wave detected by the second vibration wave generation detecting means is a vibration wave having a transverse wave component that propagates at low speed through the wall of the tubular body.
[0060]
Then, the water inside the tubular body is moved in the same manner as in the case where the vibration wave generation detecting means of FIG. 2 is used, and the water is transmitted using the difference in the transmission time of the vibration wave transmitted through the wall of the tubular body. Was measured. As a result, it was confirmed that the flow rate of the water measured by the flow rate measurement method using the vibration wave transmitted through the wall of the tubular body almost coincided with the flow rate measured by the electromagnetic flow meter. As described above, the flow rate of the fluid moving inside the tubular body can be measured by the flow rate measuring method using the vibration wave transmitted through the wall of the tubular body (the method before the improvement).
[0061]
In the conventional ultrasonic flowmeter, the vibration wave transmitted through the wall of the tubular body was considered as noise when measuring the flow rate. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-180228 discloses that when measuring a flow rate using an ultrasonic flowmeter, a flange-shaped member is formed on the wall of the tubular body in order to remove vibration waves transmitted through the wall of the tubular body. A technology for attaching an acoustic filter is described.
[0062]
The present inventor has filed the above-mentioned international application for a flow rate measuring method using a vibration wave transmitted through a wall of such a tubular body. In the flow measurement method using the vibration wave transmitted through the wall of the tubular body (the method before the improvement), the interval between the pair of vibration wave generation detecting means may be set to a large value regardless of the inner diameter of the tubular body. it can. Therefore, even when the inner diameter of the tubular body is small, the flow rate of the fluid moving inside the tubular body can be measured with high accuracy. Further, the flow measurement method using the vibration wave transmitted through the wall of the tubular body, even when the inner diameter of the tubular body is large, since the transmission time can be measured using a high frequency vibration wave, the inner diameter of the tubular body is large. The flow rate of the fluid moving inside the tubular body can also be measured with high accuracy. Further, since the vibration wave used for measuring the flow rate is perpendicularly incident on the wall of the tubular body, even if the sound speed value of the material forming the tubular body varies with the temperature, the path through which the ultrasonic wave propagates does not vary. For this reason, even if the temperature of the measurement environment fluctuates, the flow rate of the fluid moving inside the tubular body can be measured with high accuracy.
[0063]
In such a flow rate measuring method, the flow rate of a fluid is measured using an oscillating wave transmitted through a wall of the tubular body while being affected by the fluid moving inside the tubular body. The reason why the vibration wave propagating through the wall of such a tubular body is affected by the fluid moving inside the tubular body is understood as follows.
[0064]
The vibration wave transmitted through the wall of the tubular body is used in a field other than flow measurement. N. A technical report by Kanab et al. (J. Acoustic. Soc. Am., Vol. 93, No. 6, p. 3235, 1993-06) describes that a wall of a tubular body is lengthened by an ultrasonic vibrator. There is described a technique of generating a vibration wave transmitted along a pipe and transporting the powder inside the tubular body by the vibration wave. This vibration wave is a vibration wave mainly composed of a transverse wave component whose vibration direction is perpendicular to the wall of the tubular body and propagates along the length of the tubular body.
[0065]
And, as described in this document, it can be understood that the vibration wave used in the flow rate measuring method is transmitted along the wall of the tubular body as a vibration wave mainly composed of a transverse wave component. And the vibration wave propagating through the wall of the tubular body is a fluid that vibrates together with the tubular body when the wall of the tubular body vibrating by the application of the vibration wave moves the fluid in one direction inside the tubular body. It is understood that the phase (corresponding to the transmission time of the vibration wave) changes in order to receive the generated Coriolis force.
[0066]
Further, as the vibration wave used for the flow rate measurement, not only the vibration wave mainly composed of the above-mentioned transverse wave component but also various vibration waves transmitted through the wall of the tubular body can be used. An example of the vibration wave is a plate wave. The plate wave is a vibration wave in which the longitudinal wave and the transverse wave are repeatedly reflected on the upper and lower surfaces of the plate (the outer surface and the inner surface of the wall of the tubular body in the present invention). The plate wave is a vibration wave transmitted through the plate while converting the vibration mode between the longitudinal wave and the transverse wave on the upper and lower surfaces of the plate. Thus, a plate wave propagating through a plate (in the present invention, a wall of a tubular body) can also be used as a vibration wave in the flow measurement method of the present invention.
[0067]
Then, in the case where the vibration wave is transmitted from the first vibration wave generation detection means to the second vibration wave generation detection means, and in the case where the vibration wave is transmitted from the second vibration wave generation detection means to the first vibration wave generation detection means, Since the phase (direction) of the Coriolis force received from the fluid by the fluid of the tubular body differs by 180 degrees, when the vibration wave propagates through the wall along the moving direction of the fluid, the transmission time is shortened, and the vibration wave is generated by the fluid. It is understood that when traveling down the wall along the direction opposite to the direction of movement, the transmission time will be longer. Since the wall of the tubular body receives Coriolis force of a magnitude corresponding to the flow rate of the fluid, it is understood that the flow rate of the fluid flowing inside the tubular body can be measured based on the transmission time of the vibration wave transmitted through the wall body. Is done. Since Coriolis force is also generated when the fluid is a gas, the flow rate of the gas can also be measured by a flow rate measuring method using a vibration wave transmitted through the wall of the tubular body.
[0068]
The present inventor has studied improvement of a flow measurement method (a method before the improvement) using the vibration wave propagating through the wall of the flow passage so as to realize a flow measurement with higher measurement.
[0069]
FIG. 6 shows a structural example of a flow rate measuring structure prepared for carrying out a flow rate measuring method (a method before improvement) using a vibration wave transmitted through a wall of a tubular body, and a vibration wave generation detecting means. FIG. 4 is a diagram illustrating a path along which a generated vibration wave propagates through a wall.
[0070]
As shown in FIG. 6, in the method before the improvement, a tubular body (a tubular flow path divided by a wall) 67 and an outer surface of the wall of the tubular body 67 are arranged along the longitudinal direction of the tubular body. A structure having the first vibration wave generation detection means 61a and the second vibration wave generation detection means 61b provided is prepared.
[0071]
Each of the vibration wave generation detecting means 61a and 61b has a configuration in which a plate-shaped vibrator 62 and a plate-shaped vibration direction control element 63 are stacked. Then, each of the vibration wave generation detecting means applies the vibration wave generated by the plate-shaped vibrator 62 to the tubular body 67 as a vibration wave mainly vibrating in a direction perpendicular to the wall of the tubular body 67.
[0072]
As shown in FIG. 6, the vibration wave generated by the first vibration wave generation detecting means 61a is transmitted along the wall along the path of the vibration wave indicated by the arrow 60a shown in FIG. It is detected by the wave generation detecting means 61b. However, the vibration wave generated by the first vibration wave generation detecting means 61a is a path other than the path 60a described above, for example, a vibration wave component transmitted along the wall along the arrow 60b shown in FIG. Also has a vibration wave component that spirally propagates along the wall along the axis.
[0073]
Among the vibration waves generated by the first vibration wave generation detection means 61a, the vibration wave transmitted along the shortest path 60a is detected first by the second vibration wave generation detection means 61b. . Subsequently, the vibration wave component transmitted along the path 60b and then the vibration wave component transmitted along the path 60c are detected by the second vibration wave generation detection unit 61b. When the vibration waves transmitted along such various paths sequentially reach the second vibration wave generation detecting unit 61b, the detected vibration waves are synthesized for a long time by the respective vibration waves being combined. (A waveform (S) of an electric signal corresponding to the vibration wave detected by the second vibration wave generation detecting unit 61b shown in FIG. 3). 2 )).
[0074]
In measuring the transmission time, the vibration wave mainly transmitted along the path 60a (including the path near the path 60a), that is, the rising part of the waveform of the vibration wave detected by the second vibration wave generation detecting unit 61b or A portion in the vicinity is used. When vibration wave components transmitted along the paths 60b and 60c are not used for measuring the transmission time, for example, the electric energy given to the first vibration wave generation detection unit 61a causes the generation of these vibration wave components. Since it is used, the intensity of the vibration wave used for measuring the transmission time is reduced, which causes a decrease in the measurement accuracy of the flow rate.
[0075]
In addition, the vibration wave component that is not used for measuring the transmission time may be combined with the vibration wave used for measuring the transmission time to cause noise in the waveform of the detected vibration wave. . The tubular body to which the vibration wave is transmitted is often formed of a resin material or a metal material. In particular, when a metal tubular body is used, a large amount of noise is often generated in the waveform of the detected vibration wave as compared with the case where a resin tubular body is used. This is due to the fact that the vibration wave is less likely to be attenuated inside the wall when the vibration wave is transmitted through the wall of the metal tubular body than when it is transmitted through the wall of the resin tubular body. Is understood. That is, for example, the vibration wave propagating along the wall of the metal tubular body along the paths 60b, 60c, etc. reaches the second vibration wave generation detection unit without being greatly attenuated in the middle. Is understood.
[0076]
If the generation of such vibration wave components that are not used for measuring the transmission time can be reduced, the intensity of the vibration wave used for measuring the transmission time increases, and the measurement accuracy of the flow rate can be increased. , And noise generated in the detected vibration wave can be reduced.
[0077]
FIG. 7 shows a configuration example of a flow rate measurement structure prepared for performing a flow rate measurement method (a method before improvement) using a vibration wave transmitted through a wall of a groove-shaped flow path, and vibration wave generation. It is a figure explaining the course which the vibration wave generated by the detecting means propagates through the wall.
[0078]
The configuration of the structure shown in FIG. 7 is such that a groove-shaped channel 77 defined by a wall is used as a channel, and the vibration wave generation detecting means 61a and 61b are provided outside the bottom wall of the groove-shaped channel 77. It is the same as the structure of FIG. 6 except that it is attached to the surface. As shown in FIG. 7, even when the groove-shaped flow path 77 is used in the structure, there are vibration waves that are not used for measuring the transmission time transmitted along the path 60b and the like as described above.
[0079]
Next, the flow rate measuring method of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of a flow rate measurement structure prepared for carrying out the flow rate measurement method of the present invention. FIG. 8 (a) is a front view of the structure, and FIG. 8 (b) is a side view of the structure of FIG. 8 (a).
[0080]
The flow rate measuring method of the present invention is characterized by performing the following steps (1) to (9).
[0081]
(1) A tubular body (a tubular flow path defined by a wall) 87, first vibration wave generation detecting means 61a attached to the outer surface of the wall of the tubular body 87, and first vibration wave generation detection At a distance from the means 61a along the tubular body 87, and on the extension line extending along the tubular body from the attachment position of the first vibration wave generation detecting means 61a on the outer surface of the wall of the tubular body. Two vibration wave generation detecting means 61b, and the thickness of the wall portion in the elongated region including the contact portion of each of the outer surfaces of the wall with the vibration wave generation detecting means and the extension line is set to the wall on both sides thereof. A step of preparing a structure having a thickness different from the thickness of the body part.
(2) a step of moving the fluid to be measured in one direction inside the tubular body 87;
(3) A step of generating a vibration wave by the first vibration wave generation detection means 61a and applying the vibration wave to the wall portion of the elongated region.
(4) By applying the vibration wave, the transmission time until the vibration wave travels through the wall portion of the elongated region vibrating together with the moving fluid and reaches the second vibration wave generation detecting unit 61b is measured. Process.
(5) A step of generating a vibration wave by the second vibration wave generation detection means 61b and applying the vibration wave to the wall portion of the elongated region.
(6) By applying the vibration wave, the transmission time until the vibration wave travels along the wall portion of the elongated region vibrating with the moving fluid and reaches the first vibration wave generation detecting means 61a is measured. Process.
(7) a step of calculating a difference between the transmission time measured in the step (4) and the transmission time measured in the step (6).
(8) The fluid used in the step (2) or the equivalent of the fluid used in the step (2) is mixed at a known flow rate with the tubular body of the structure used in the step (1) or an equivalent of the structure. , The measurements described in (3) and (4) above, and the measurements described in (5) and (6) above, and then the difference between the transmission times described in (7) is calculated. Preparing calibration data indicating the relationship between the difference in the transmission time of the vibration wave and the flow rate created in the above.
(9) Using the difference between the transmission times calculated in the step (7) and the calibration data prepared in the step (8), the flow rate of the fluid moved in the step (2) is determined. Process.
[0082]
As shown in FIG. 8, the flow rate measuring method of the present invention employs the thickness (D 1 ) Is the thickness (D 2 The method can be carried out in the same manner as the method before the improvement, except that a structure larger than the structure (1) is used. W shown in FIG. 8 indicates the width of the elongated region. As shown in FIG. 8, a projection 87a having the elongated region as a top surface is formed on the outer surface of the wall of the tubular body 87.
[0083]
As described above, by making the thickness of the wall portion in the elongated region larger (or smaller) than the thickness of the wall portions on both sides thereof, generation of the vibration wave which is not used for the measurement of the transmission time is prevented. The reason for the reduction can be understood as follows.
[0084]
The vibration wave generated by the vibration wave generation detecting means for measuring the transmission time is applied to the wall of the elongated region. The following two modes are mainly assumed as the vibration modes excited by the application of the vibration waves. One is the thickness of the wall portion (D 1 ), And the other is that the thickness of the wall portions on both sides of the wall portion in the elongated region is (D 2 ) Related vibration modes. As described above, since the vibration wave is applied to the wall portion of the elongated region, a vibration mode related to the thickness of the wall portion of the elongated region is excited by the application of the vibration wave, and the elongated region is excited. It is understood that the vibration modes related to the thickness of the wall portions on both sides of the wall portion are hardly excited.
[0085]
Therefore, most of the vibration wave generated by the vibration wave generation detecting means 61a reaches the second vibration wave generation detecting means 61b through the wall of the elongated region. Then, for example, the generation of vibration wave components that are not used for measuring the transmission time traveling along the paths 60b and 60c in FIG. 6 is reduced. Accordingly, it is understood that the intensity of the vibration wave used for measuring the transmission time transmitted through the wall portion of the elongated region increases, and the measurement accuracy of the flow rate can be improved.
[0086]
As described above, when the wall of the tubular body is formed of a metal material, the vibration wave component that is not used for measuring the transmission time of the vibration wave generated by one of the vibration wave generation detection means is generated on the way. The vibration wave reaches the second vibration wave generation detecting means without being greatly attenuated. In the flow rate measurement method of the present invention, since the generation of vibration wave components that are not used for measuring the transmission time is reduced, even when a metal tubular body is used for the structure, the flow rate moves inside the tubular body. The flow rate of the fluid to be measured can be measured with high accuracy.
[0087]
It is preferable that the thickness of the wall portion of the elongated region is in the range of 0.05 to 20 times, preferably 0.1 to 15 times the thickness of the tubular body.
[0088]
As shown in FIG. 8B, it is preferable that the wall portion of the elongated region is formed to extend to both outer sides of the vibration wave generation detecting means 61a and the vibration wave generation detecting means 61b. This is because the wall portion of the elongated region is formed only between the vibration wave generation detection means 61a and the vibration wave generation detection means 61b, or the vibration wave generation detection means 61a and the vibration wave generation detection means 61b In the case where the vibration wave is slightly extended to both outer sides of the vibration wave generation detection means 61a, for example, the vibration wave generated by the vibration wave generation detection means 61a almost reaches the second vibration wave generation detection means 61b. At the same time, the vibration wave generated by the first vibration wave generation detection means 61a may be reflected at the end of the wall portion of the elongated region, and may reach the second vibration wave generation detection means. Therefore, noise may be generated in the waveform of the vibration wave detected by the second vibration wave generation detection means.
[0089]
The width W of the wall portion in the elongated region is not particularly limited, but is practically preferably in the range of 0.1 to 20 mm. When the diameter of the tubular body is small, the width W of the wall portion of the elongated region is set to a small value accordingly. Further, the width of the elongated region may be further reduced at a portion between the pair of vibration wave generation detecting means.
[0090]
FIG. 9 is a perspective view showing the configuration of the vibration wave generation detecting means 61a of the structure shown in FIG. The vibration wave generation detecting means 61a has a configuration in which a plate-shaped vibrator 62 and a plate-shaped vibration direction control element 63 are stacked. The configuration of the vibration wave generation detecting means 61b is the same as that of the vibration wave generation detecting means 61a.
[0091]
As the plate-shaped vibrator 62, a piezoelectric vibrator composed of a plate-shaped piezoelectric ceramic and electrodes (not shown) attached to each of the planes is used. The piezoelectric ceramic is polarized in its thickness direction (the direction indicated by the arrow 27 shown in FIG. 7). The vibrator 62 vibrates so that its plane expands and contracts by applying a voltage to its electrode. When the flat vibrator vibrates as described above, the vibrator also vibrates in the thickness direction based on the Poisson's ratio. The piezoelectric ceramic is formed from, for example, a lead zirconate titanate-based ceramic material.
[0092]
As the vibration direction control element 63, a plurality of fiber reinforced resin sheets in which a plurality of high elastic fibers 69 are arranged in parallel along a sheet plane in a resin material sheet are arranged in a direction perpendicular to the bottom surface 64 (tubular body). 67 (a direction perpendicular to the wall), and a fiber-reinforced resin material having an integrated structure is used. When such a fiber reinforced resin material is used, the vibration wave generation detecting means is set to the elongated shape so that the length direction of the high elasticity fiber of the fiber reinforced resin material is orthogonal to the length direction of the tubular body. Preferably, it is attached to the surface of the wall portion of the region.
[0093]
The fiber reinforced resin material has a configuration in which a plurality of fiber reinforced resin sheets are alternately laminated and integrated such that the length directions of the high elasticity fibers in each adjacent fiber reinforced resin sheet are perpendicular to each other. Is also preferred. When such a fiber reinforced resin material is used, the angle between the length direction of the highly elastic fiber of the fiber reinforced resin material and the length direction of the tubular body is set to 45 degrees. In addition, it is preferable to attach the elongate region to the surface of the wall portion.
[0094]
As a resin material constituting the fiber reinforced resin material, for example, an epoxy resin is used. As the high elasticity fiber, for example, carbon fiber is used.
[0095]
The fiber reinforced resin material used as the vibration direction control element 63 suppresses the vibration such that the plane of the flat vibrator 62 expands and contracts due to the high elastic fiber inside, and the vibration wave vibrates in the thickness direction of the vibrator. Is selectively transmitted to the bottom surface 64 of the vibration direction control element. As described above, by using the vibration wave generation detecting means including the vibrator and the vibration direction control element, the vibration wave generated by the vibrator can be efficiently applied to the wall portion of the elongated region.
[0096]
In the structure shown in FIG. 8, the size of the vibration wave generation detecting means may be larger than the surface of the protrusion 87a having the elongated region as the top surface. That is, the vibration wave generation detecting means may have a size protruding from the surface of the projection 87a when attached to the surface of the projection 87a. The flow measurement method using such a structure can use the large-sized vibration wave generation detecting means even when the outer diameter of the tubular body is small, so that the inside of the tubular body having the small outer diameter can be used. It can also be preferably used for measuring the flow rate of a moving fluid.
[0097]
FIG. 10 is a diagram showing another example of the structure of the flow rate measurement structure prepared for carrying out the flow rate measurement method of the present invention. FIG. 10 (a) is a front view of the structure, and FIG. 10 (b) is a cross-sectional view of the structure taken along line II of FIG. 10 (a). The structure of the structure shown in FIG. 10 is based on the thickness (D) of the wall portion of the elongated region of the tubular body 107. 1 ) Is the thickness (D 2 8) except that it is smaller than the structure shown in FIG. As shown in FIG. 10, a groove 107b having the elongated region as a bottom surface is formed on the outer surface of the wall of the tubular body 107.
[0098]
The thickness (D) of the wall portion of the elongated region of the structure of FIG. 1 ) Is the thickness (D 2 ) Less than. For this reason, by using the structure of FIG. 10 for the flow rate measurement, similarly to the case of the structure of FIG. 8, the generation of the vibration wave component not used for the measurement of the transmission time is reduced. Measurement accuracy of the flow rate can be improved.
[0099]
FIG. 11 is a view showing another example of the structure of the flow rate measurement structure prepared for carrying out the flow rate measurement method of the present invention. FIG. 11 (a) is a front view of the structure, and FIG. 11 (b) is a side view of the structure of FIG. 11 (a). The configuration of the structure shown in FIG. 11 is based on the thickness (D) of the wall portion of the elongated region of the tubular body 117. 1 ) Is the thickness (D 2 8) except that it is smaller than the structure shown in FIG. As shown in FIG. 11, a cutout 117b corresponding to the elongated region may be formed on the outer surface of the wall of the tubular body 117.
[0100]
The thickness (D) of the wall portion of the elongated region of the structure of FIG. 1 ) Is the thickness (D 2 ) Less than. For this reason, by using the structure of FIG. 11 for the flow rate measurement, as in the case of the structure of FIG. 8, the generation of the vibration wave component not used for the measurement of the transmission time is reduced. , The measurement accuracy of the flow rate can be improved.
[0101]
In the structure shown in FIG. 11, the size of the vibration wave generation detection means may be larger than the surface of the wall portion in the elongated region. That is, the vibration wave generation detecting means may have a size protruding from the wall portion of the elongated region when attached to the surface of the wall portion of the elongated region. The flow measurement method using such a structure can use the large-sized vibration wave generation detecting means even when the outer diameter of the tubular body is small, so that the inside of the tubular body having the small outer diameter can be used. It can also be preferably used for measuring the flow rate of a moving fluid.
[0102]
FIG. 12 is a diagram showing another example of the structure of the flow measurement structure prepared for carrying out the flow measurement method of the present invention. FIG. 12 (a) is a front view of the structure, and FIG. 12 (b) is a side view of the structure of FIG. 12 (a). The configuration of the structure shown in FIG. 12 is based on the thickness (D 1 ) Is the thickness (D 2 8) except that it is smaller than the structure shown in FIG. As shown in FIG. 12A, the outer periphery of the tubular body 127 has a square shape, and the inner periphery has a round shape.
[0103]
The thickness (D) of the wall portion of the elongated region of the structure of FIG. 1 ) Is the thickness (D 2 ) Less than. For this reason, by using the structure of FIG. 12 for the flow rate measurement, as in the case of the structure of FIG. 8, the generation of the vibration wave component not used for the measurement of the transmission time is reduced. , The measurement accuracy of the flow rate can be improved.
[0104]
The method of making the thickness of the wall portion of the elongated region different from the thickness of the wall portions on both sides thereof is based on the method of the structure shown in FIGS. 8, 10, 11 and 12 (for example, The method is not limited to a method in which a projection having the above-described elongated region as a top surface is formed on the outer surface of the wall of the tubular body. For example, on the inner surface of the wall of the tubular body, a projection having the top of the wall portion of the elongated region is formed, or a groove having the bottom of the wall portion of the elongated region is formed. Depending on the method, the thickness of the wall portion in the elongated region may be different from the thickness of the wall portions on both sides thereof.
[0105]
FIG. 13 is a diagram showing another example of the structure of the flow measurement structure prepared for carrying out the flow measurement method of the present invention. 13 (a) is a front view of the structure, and FIG. 13 (b) is a cross-sectional view of the structure taken along the line II-II shown in FIG. 13 (a). The configuration of the structure of FIG. 13 is such that four grooves 107b having the above-described elongated region as the bottom surface are formed on the outer surface of the wall of the tubular body 137, and the vibration wave generation detecting means 61a, It is the same as the structure of FIG. 10 except that 61b is provided.
[0106]
The thickness (D) of the wall portion of each elongated region of the structure of FIG. 1 ) Is the thickness (D 2 ) Less than. For this reason, by using the structure of FIG. 13 for the flow rate measurement, as in the case of the structure of FIG. 8, the generation of the vibration wave component not used for the measurement of the transmission time is reduced. , The measurement accuracy of the flow rate can be improved.
[0107]
The vibrators 62a provided in the four vibration wave generation detecting means 61a of the structure shown in FIG. 13 are electrically connected in parallel. The generation and detection of the vibration wave by the vibration wave generation detecting means 61a are performed by applying a voltage to the vibrator 62a connected in parallel and detecting the voltage generated in the vibrator 62a connected in parallel. . Similarly, the vibrators 62b of the four vibration wave generation detecting means 61b are also electrically connected in parallel. The generation and detection of the vibration wave by the vibration wave generation detecting means 61b are also performed by applying a voltage to the vibrator 62b connected in parallel and detecting the voltage generated in the vibrator 62b connected in parallel. You. The method of electrically connecting the vibrator (that is, the method of applying a voltage to the vibrator and the method of detecting the voltage generated in the vibrator) is not limited to the above example.
[0108]
In the flow rate measuring method of the present invention, a vibration wave transmitted through the wall of the tubular body is used for measuring the flow rate. The tubular body is supported and fixed at any position in the longitudinal direction, or receives the mass of the tubular body, the fluid moving inside the body, or the vibration wave generation detecting means attached to the outer surface thereof As a result, distortion occurs inside the wall. The magnitude of such distortion shows a non-uniform value depending on the location inside the wall of the tubular body. The vibration wave used for the flow measurement travels through the wall of the tubular body having different magnitudes of distortion depending on the path of the vibration wave. Therefore, it is understood that the transmission time varies depending on the path through which the vibration wave propagates. For example, a case where a pair of vibration wave generation detecting means is attached to the top of the tubular body and the vibration wave propagates through the top wall of the tubular body, and a case where the pair of vibration wave generation detecting means is attached to the bottom of the tubular body and The transmission time measured when the gas flows through the bottom wall of the tubular body shows different values from each other, and the measured flow value may slightly fluctuate.
[0109]
In the structure shown in FIG. 13, a plurality of vibration waves simultaneously generated by the four vibration wave generation detecting units 61a are converted into a plurality of vibration waves by the respective vibration waves reaching the four vibration wave generation detecting units 61b. It is detected as the sum of the generated electric signals. Detecting the vibration wave as the sum of the electric signals means detecting the vibration wave transmitted through each of the wall portions of the four elongated regions of the tubular body as a composite wave thereof. For this reason, it is understood that the tube is less susceptible to the distortion of the tubular body, and that the fluctuation of the measured flow value is reduced.
[0110]
FIG. 14 is a diagram showing another configuration example of the flow measurement structure prepared for carrying out the flow measurement method of the present invention. FIG. 14 (a) is a front view of the structure, and FIG. 14 (b) is a side view of the structure taken along the line III-III shown in FIG. 14 (a). The structure of the structure shown in FIG. 14 is such that a groove-shaped flow path 147 defined by a wall is used as a flow path, and the bottom wall of the groove-shaped flow path 147 has a wall portion in the elongated region. Thickness (D 1 ) Is the thickness (D 2 The structure is the same as that of FIG.
[0111]
The thickness (D) of the wall portion of the elongated region of the structure of FIG. 1 ) Is the thickness (D 2 ) Less than. For this reason, by using the structure of FIG. 14 for the flow rate measurement, as in the case of the structure of FIG. 8, the generation of the vibration wave component not used for the measurement of the transmission time is reduced. , The measurement accuracy of the flow rate can be improved.
[0112]
Hereinafter, the means for detecting vibration wave generation of a structure prepared for carrying out the flow rate measuring method of the present invention will be described in detail.
[0113]
The configuration of the vibration wave generation detecting means is not particularly limited as long as it can apply and detect a vibration wave to the wall portion of the elongated region. Therefore, as the vibration wave generation detecting means, a known ultrasonic wave generation detecting means used in a conventional ultrasonic flow meter, for example, a vibration wave generation detecting means composed of a vibrator and an ultrasonic wave (vibration wave) propagation material. Means and the like can be used. In this case, the ultrasonic wave propagation material is formed of a resin material or a metal material having an acoustic impedance value between the acoustic impedance value of the vibrator and the acoustic impedance value of the wall of the flow path. Is preferred. By forming the ultrasonic wave propagation material from such a material, it is possible to reduce the reflection of the vibration wave on the outer surface of the wall of the flow channel, and to efficiently apply the vibration wave to the wall portion of the elongated region. it can.
[0114]
In the present invention, in order to efficiently apply the vibration wave to the wall portion of the elongated region, it is preferable that each vibration wave generation detection unit has a configuration including a vibrator and a vibration direction control element. . Then, by controlling the vibration direction of the vibration wave by the vibration direction control element, the vibration wave generation detecting means mainly applies the vibration wave generated by the vibrator to the flow path wall (the wall portion of the elongated area). It is preferable that the vibration wave is applied to the flow path wall as a vibration wave vibrating in a vertical direction. By using such a vibration wave, the vibration wave can be efficiently applied to the wall portion of the elongated region. In addition, the direction perpendicular to the flow path wall (the wall part of the elongated region) is a direction in which the angle between the flow path wall and the normal to the surface of the flow path wall is less than 10 degrees, preferably less than 5 degrees. Means
[0115]
Further, in the present invention, in order to efficiently apply the vibration wave to the wall portion of the elongated area, the frequency of the vibration wave is integrated with the natural frequency of a flow path such as a tubular body or the fluid inside the flow path. It is preferable to match the natural frequency. These natural frequencies can be determined, for example, by simulation using analysis software “ANSSYS” (manufactured by ANSYS) using the finite element method. The frequency of the vibration wave applied to the wall portion of the elongated region by the vibration wave generation detecting means is not limited to a frequency of 20 kHz or more generally called an ultrasonic wave. As the vibration wave, a vibration wave having a frequency in a range of 10 kHz to 3 MHz or a pulsed vibration wave can be preferably used.
[0116]
Examples of the vibrator include an electrostrictive vibrator and a magnetostrictive vibrator. Examples of the electrostrictive vibrator include a piezoelectric vibrator and a Langevin type vibrator in which the piezoelectric vibrator is bolted with a pair of metal members. Examples of the magnetostrictive vibrator include a metal magnetostrictive vibrator and a ferrite vibrator. As the vibrator, it is preferable to use an electrostrictive vibrator (particularly, a piezoelectric vibrator) because its configuration is simple.
[0117]
As the vibration direction control element, a plurality of fiber reinforced resin sheets in which a plurality of high elastic fibers are arranged in parallel along a sheet plane in a resin material sheet are arranged in a direction perpendicular to the bottom surface (in the elongated region). It is preferable to use a fiber reinforced resin material laminated and integrated in a direction perpendicular to the surface of the wall portion.
[0118]
Examples of the resin material include an epoxy resin, a polyamide resin, a polyimide resin, a polyamideimide resin, a PEEK (polyetheretherketone) resin, a phenol resin, an unsaturated polyester resin, and a polycarbonate resin.
[0119]
Examples of high modulus fibers include carbon fibers, silicon carbide fibers, nylon fibers, aramid fibers, and polyamide fibers.
[0120]
In addition, a thin layer made of a couplant such as grease or petrolatum is provided on a contact surface between the vibration wave generation detecting means and the wall portion of the elongated region in order to prevent reflection of the vibration wave on the contact surface. Is preferred.
[0121]
The measurement of the transmission time of the vibration wave propagating through the wall portion of the above-described elongated region is performed by starting the generation of the vibration wave by one vibration wave generation detection unit and then responding to the vibration wave by the other vibration wave generation detection unit It is not limited to the time until the detection of the electrical signal to start. For example, the transmission time of the vibration wave is set such that the voltage value of the electric signal detected by the other vibration wave generation detecting means after the generation of the vibration wave is started by one vibration wave generation detecting means is a predetermined value. By calculating the difference between the transmission times, the difference between the transmission times (T 2 -T 1 ) Is obtained. The method of measuring the transmission time in this way and obtaining the difference in the transmission time is called a zero-cross method, and in order to obtain the difference in the transmission time of the ultrasonic wave transmitted through the fluid in the conventional ultrasonic flowmeter. This is a commonly used method.
[0122]
That is, in the present specification, the transmission time of the vibration wave is defined as a time measurement start point at a specific position of the waveform of the vibration wave generated by one vibration wave generation detection means, Means the time measured using a specific position of the waveform of the vibration wave detected as the end point of the time measurement.
[0123]
The transmission time of the vibration wave is determined by converting an electric signal corresponding to the vibration wave detected by the other vibration wave detecting means into a digital signal using an AD converter (analog-digital converter). Is preferably determined by arithmetic processing using a DSP (Digital Signal Processor).
[0124]
The calibration data used to determine the flow rate can be created, for example, as follows. First, a fluid is introduced into the tubular body at a known flow rate V 0 To move in one direction. This known flow value is confirmed by, for example, an electromagnetic flow meter connected to the tubular body. This known flow rate is to move the fluid in one direction at a predetermined time in the tubular body, measure the amount of water moved (eg, mass, volume) at this time, and calculate the amount of water measured It can also be obtained by dividing by the above-mentioned time.
[0125]
Next, the transmission time difference (ΔT = T 2 -T 1 ) Is calculated. There is a correlation (substantially proportional relationship) between the difference (ΔT) in the transmission time of the vibration wave and the flow rate of the fluid moving inside the tubular body. From this, as the data for calibration, for example, the above-mentioned known flow rate value V 0 Is divided by the difference ΔT in the transmission time of the vibration wave to obtain a proportional constant k (= V 0 / ΔT) can be used. That is, the flow rate value of the fluid moving inside the tubular body can be determined by multiplying the value of the difference between the measured transmission times by the proportionality constant k.
[0126]
As the calibration data, data other than the above-mentioned proportionality constant k can be used. For example, a calibration curve indicating the relationship between the difference in the transmission time of the vibration wave and the known flow rate can be used. The calibration data may be data corresponding to the temperature of the measurement environment, the distortion of the tubular body, the material of the tubular body and the plate-like member, or the type of the fluid to be measured.
[0127]
【The invention's effect】
In the flow rate measuring method of the present invention, the interval between the first vibration wave generation detection means and the second vibration wave generation detection means used for measuring the transmission time of the vibration wave correlated with the flow rate of the fluid, It can be set long independently of the inside diameter of the body. And a contact portion of the outer surface of the wall of the tubular body with each vibration wave generation detecting means, and an extension line extending along the flow path from a position where the first vibration wave generation detecting means is provided on the outer surface of the wall. By setting the thickness of the wall part of the elongated area including the thickness to be different from the thickness of the wall parts on both sides, the generation of vibration wave components not used for measuring the transmission time in flow rate measurement is reduced Have been. Therefore, the flow rate of the fluid moving inside the tubular body can be measured with high accuracy by the flow rate measuring method of the present invention. Further, in the flow measurement method of the present invention, in order to make the vibration wave used for the flow measurement perpendicularly enter the surface of the plate-shaped member attached to the outer surface of the tubular body, the sound velocity value of the material forming the tubular body is reduced. The path through which the ultrasonic waves propagate does not change even if the temperature changes. For this reason, even if the temperature of the measurement environment fluctuates, the flow rate of the fluid moving inside the tubular body can be measured with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a conventional method for measuring a flow rate of a fluid.
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration example of a vibration wave generation detecting unit.
FIG. 3 shows a state where the inside of a stainless steel tubular body is filled with water (water is stationary), and a voltage is applied to the vibrator of the first vibration wave generation detecting means attached to the outer surface thereof. Voltage waveform (S 1 ), And the voltage waveform (S) of the electric signal corresponding to the vibration wave detected by the second vibration wave generation detecting means. 2 FIG.
FIG. 4 shows a flow rate of water measured by an electromagnetic flow meter and a flow rate using vibration waves transmitted through a wall of a tubular body in a state where water is moved in one direction inside a stainless steel tubular body. It is a graph which shows the relationship with the flow rate of the water measured by the measuring method (method before improvement).
FIG. 5 is a diagram showing another configuration example of the vibration wave generation detection means.
FIG. 6 shows a structural example of a flow rate measurement structure prepared for carrying out a flow rate measurement method (a method before improvement) using a vibration wave transmitted through a wall of a tubular body, and a vibration wave generation detection means. FIG. 4 is a diagram illustrating a path through which a generated vibration wave propagates through a wall.
FIG. 7 is a structural example of a flow rate measurement structure prepared for performing a flow rate measurement method (a method before improvement) using a vibration wave transmitted through a wall of a groove-shaped flow path, and vibration wave generation. It is a figure explaining the course which the vibration wave generated by the detecting means propagates through the wall.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of a flow rate measurement structure prepared for carrying out the flow rate measurement method of the present invention.
9 is a perspective view showing a configuration of a vibration wave generation detecting means 61a of the structure shown in FIG.
FIG. 10 is a diagram showing another example of the structure of the flow measurement structure prepared for carrying out the flow measurement method of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing another example of the structure of the flow measurement structure prepared for carrying out the flow measurement method of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing another configuration example of a flow measurement structure prepared for carrying out the flow measurement method of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing another configuration example of a flow measurement structure prepared for carrying out the flow measurement method of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing another configuration example of a flow rate measurement structure prepared for carrying out the flow rate measurement method of the present invention.
[Explanation of symbols]
1a, 1b Ultrasonic generation detection means
2a, 2b ultrasonic transducer
3a, 3b Ultrasonic wave propagation material
4a, 4b bottom
5a, 5b slope
6 Tubular wall
7 Arrow indicating the direction of fluid movement
9 Broken line showing the path of ultrasonic waves
9a, 9b Arrows indicating the direction of transmission of ultrasonic waves
20 Arrow indicating the direction of vibration of the vibrator
21 Ultrasonic generation detection means
22a, 22b vibrator
23 Vibration direction control element
24 bottom
27 Arrow indicating polarization direction
28 Resin material sheet
29 High elastic fiber
T 0 Vibration wave transmission time when the water inside the tubular body is at rest
S 1 Waveform of the voltage applied to the first vibration wave generation detecting means
S 2 Voltage waveform of an electric signal corresponding to the vibration wave detected by the second vibration wave generation detecting means
51 Vibration wave generation detection means
52 vibrator
53 Vibration direction control element
54 bottom
58 resin sheet
60a Arrow showing an example of the path along which the vibration wave used for measuring the transmission time is transmitted.
60b, 60c Arrows showing examples of paths of vibration wave components not used for measuring the transmission time
61a, 61b Vibration Wave Generation Detecting Means
62 vibrator
63 Vibration direction control element
64 bottom
65 grooves
67 tubular body
69 High modulus fiber
77 Groove channel
87, 107, 117, 127, 137 tubular body
147 Groove channel
87a protrusion
107b groove
117b Notch
D 1 , D 2 Wall part thickness
W Width of the wall in the elongated area

Claims (5)

下記の工程を含む管状もしくは溝状の流路を移動する流体の流量の測定方法：
（１）壁体により区画された管状もしくは溝状の流路、該流路壁体の外側表面に付設された第一の振動波発生検出手段、および該第一の振動波発生検出手段から流路に沿って間隔をあけて、かつ該流路壁体の外側表面の第一の振動波発生検出手段の付設位置から流路に沿って伸びる延長線上に付設された第二の振動波発生検出手段を備え、前記壁体の外側表面の各々の振動波発生検出手段との接触部分と前記延長線とを含む細長い領域の壁体部分の厚みが、その両側の壁体部分の厚みとは異なる厚みとされている構造体を用意する工程；
（２）流路にて測定対象の流体を一方の方向に移動させる工程；
（３）第一の振動波発生検出手段にて振動波を発生させ、この振動波を上記細長い領域の壁体部分に付与する工程；
（４）上記振動波が、該振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する上記細長い領域の壁体部分を伝わって第二の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間を測定する工程；
（５）第二の振動波発生検出手段にて振動波を発生させ、この振動波を上記細長い領域の壁体部分に付与する工程；
（６）上記振動波が、該振動波の付与によって、移動する流体と共に振動する上記細長い領域の壁体部分を伝わって第一の振動波発生検出手段に到達するまでの伝達時間を測定する工程；
（７）上記（４）の工程で測定した伝達時間と、上記（６）の工程で測定した伝達時間との差を算出する工程；
（８）上記（１）の工程で用いた構造体もしくは該構造体の均等物の流路にて、上記（２）の工程で用いた流体もしくは該流体の均等物を、既知の流量で一方の方向に移動させて、上記（３）と（４）に記載の測定、そして上記（５）と（６）に記載の測定を行ない、次いで上記（７）に記載の伝達時間の差を算出して作成した、振動波の伝達時間の差と流量との関係を示す較正用データを用意する工程；および
（９）上記（７）の工程で算出した伝達時間の差と、上記（８）の工程で用意した較正用データとを用いて、上記（２）の工程で移動した流体の流量を決定する工程。A method for measuring the flow rate of a fluid moving through a tubular or grooved flow path, comprising the following steps:
(1) A tubular or groove-shaped flow path partitioned by a wall, a first vibration wave generation detection means attached to an outer surface of the flow path wall, and a flow from the first vibration wave generation detection means. A second vibration wave generation detection provided at intervals along the path and on an extension extending along the flow path from a position where the first vibration wave generation detection means is provided on the outer surface of the flow path wall. Means, wherein the thickness of the wall portion in the elongated area including the contact portion of each of the outer surfaces of the wall with the vibration wave generation detecting means and the extension line is different from the thickness of the wall portions on both sides thereof Providing a structure having a thickness;
(2) moving the fluid to be measured in one direction in the flow path;
(3) a step of generating a vibration wave by the first vibration wave generation detecting means and applying the vibration wave to the wall portion of the elongated region;
(4) a step of measuring a transmission time until the vibration wave travels along the wall portion of the elongated region vibrating together with the moving fluid and reaches the second vibration wave generation detecting means by applying the vibration wave; ;
(5) a step of generating a vibration wave by the second vibration wave generation detecting means and applying the vibration wave to the wall portion of the elongated region;
(6) A step of measuring a transmission time until the vibration wave travels along the wall portion of the elongated region vibrating together with the moving fluid and reaches the first vibration wave generation detecting means by applying the vibration wave. ;
(7) calculating a difference between the transmission time measured in the step (4) and the transmission time measured in the step (6);
(8) In the flow path of the structure used in the step (1) or the equivalent of the structure, the fluid used in the step (2) or the equivalent of the fluid is one-sided at a known flow rate. , The measurements described in (3) and (4) above, and the measurements described in (5) and (6) above, and then the difference between the transmission times described in (7) is calculated. Preparing the calibration data indicating the relationship between the difference between the transmission time of the vibration wave and the flow rate created by the above; and (9) the difference between the transmission times calculated in the above step (7) and the above (8) Determining the flow rate of the fluid moved in step (2) using the calibration data prepared in step (2). 流路壁体の外側表面に、前記の細長い領域を底面とする溝が形成されている請求項１に記載の流量測定方法。The flow rate measuring method according to claim 1, wherein a groove having the elongated region as a bottom surface is formed on an outer surface of the flow path wall. 流路壁体の外側表面に、前記の細長い領域を頂面とする突起が形成されている請求項１に記載の流体の流量の測定方法。The method for measuring the flow rate of a fluid according to claim 1, wherein a protrusion having the elongated region as a top surface is formed on an outer surface of the flow path wall. 流路の壁体が、金属材料から形成されている請求項１に記載の流量測定方法。The flow measurement method according to claim 1, wherein the wall of the flow path is formed of a metal material. 各々の振動波発生検出手段が、振動子と振動方向制御素子とを含み、該振動子で発生した振動波を、主として流路壁体に対して垂直な方向に振動する振動波として該流路壁体に付与する請求項１乃至４のうちのいずれかの項に記載の流量測定方法。Each vibration wave generation detecting means includes a vibrator and a vibration direction control element, and converts the vibration wave generated by the vibrator into a vibration wave vibrating mainly in a direction perpendicular to the flow path wall. The flow measurement method according to any one of claims 1 to 4, which is applied to a wall.
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