JP2005345358A - 超音波流量計およびそれに用いるくさび - Google Patents

Abstract

【目的】 複数種類の波が発生することを原因とする測定誤差をなくして正確な流量を計測可能な超音波流量計を提供する。
【構成】 被測定流体に係る流体配管の外壁面に対して前記超音波トランスジューサを固定するためのくさびとを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計において、超音波トランスジューサは、超音波の進行方向に対する横波のみを発振するものを採用する。また、くさびは、被測定流体の測定領域を二次元で表現した場合に、前記超音波トランスジューサが発振する横波をその二次元に垂直な方向に振動するＳＨ波となるように前記超音波トランスジューサを固定するように形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測定領域の流速分布から被測定流体の流量を時間依存で瞬時に測定することが可能な超音波流量計およびそれに関連する技術に関する。

非接触で流量を測定可能であるドップラ式超音波流量計については、さまざまな技術が提供されている。（例えば、特開２０００−９７７４２号）

特開２０００−９７７４２号公報

上記の技術を具体的に説明する。上記文献に開示されているドップラ式超音波流量計は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体（たとえば水）の配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定するものである。

この技術は、配管内を流れる被測定流体の流速分布を測定し、時間的に変動する過渡時の流量を応答性に優れている。また、流体の流れが充分に発達していない箇所や流れが三次元になっている場所、例えばエルボ配管やＵ字状の反転配管のように曲げられた配管の直後でも、被測定流体の流量を効率的に精度よく瞬時に測定できる。それ以前に提供されていた超音波流量計と比較した場合、実験値や経験値などから割り出された「流量補正係数」がなくても正確な測定が可能であるという特徴があり、大きく評価されている。

さて、上記の技術では、被測定流体が液体である場合にはくさびを介して超音波送信手段を配管へ固定する「クランプオン形」を用いることが多い。配管に対して「後付け」が可能であるなどの利点があるからである。そのくさびについては、超音波を通しやすい材質であることが第一条件である。一方、超音波の入射角度を決定した後に超音波送信手段の固定作業を行うなどの便宜から、一般には合成樹脂（例えばアクリル樹脂）を採用する。

また、最近の超音波流量計では、超音波の発振装置（エミッション）とその超音波の反射波を受信する装置（レシーバ）とを一つの超音波送受信装置（超音波トランスジューサ）として提供することが多い。前述した「くさび」を用いた流体配管への取り付け作業が一度で済むなどの利点がある。
更に、前述の超音波送受信装置は、縦波の超音波を発信する振動子を備えたものが一般的であった。

図５には、超音波がくさびをアクリル樹脂、流体配管の材質を鋼材とした場合に、くさびおよび配管をどのように通過するか、波の種類に応じて示すものである。
図６に示すように、縦波の超音波を発する振動子を備えた超音波トランスジューサから発せられた超音波は、くさびをアクリル樹脂、流体配管の材質を鋼材とした場合、くさびと配管表面との境界においてモード変換し、縦波（進行方向に振動する波＝Ｐ波）と横波（進行方向に直行する面内にて振動する波＝Ｓ波）とに分離する。分離した縦波（Ｐ波）と横波（Ｓ波）とが配管内を介して流体内に入射してしまうと、超音波の経路が複数となり、気泡などに対する超音波の反射を捉えて流速分布を測定する超音波流量計の測定精度に影響が出てしまう。

そこで、縦波（Ｐ波）を入射させずに横波（Ｓ波）のみを被測定流体内に入射するため、「スネルの法則にて決定される臨界角」以上の角度となるようなくさびを選択するという方法が考案された（日本機械工学会：２００３年９月１９日）。

しかし、くさびをアクリル樹脂、流体配管の材質を鉄とした場合には「臨界角」は約２９度となり、被測定流体の最大計測可能速度を制約する条件となる。このため、大口径の配管の場合や被測定流体の速度が非常に速い場合には、採用できない方法である。
また、上記の文献で言及されているのは、被測定流体に対して縦波（Ｐ波）を入射させずに横波（Ｓ波）のみを入射させるための技術であり、くさびと配管表面との境界において発生する縦波および横波については問題とされていなかった。

更に、超音波の横波（Ｓ波）は、進行方向に直行する面内にて振動する波であるから、被測定流体の測定領域を紙面上に示すとその紙面に垂直な方向に振動するＳＨ波と、紙面に平行な方向に振動するＳＶ波という二つの成分があると考えることができる。
図７に示すように、ＳＶ波については、くさびと配管表面との境界において縦波（Ｐ波）と横波（ＳＶ波）とに分離して入射する。このため、縦波（Ｐ波）と横波（Ｓ波）とが配管内を介して流体内に入射してしまうことによる前述の問題点は、依然として残る。

本発明が解決しようとする課題は、くさびと配管表面との境界において複数種類の波が発生することを原因とする測定誤差をなくして正確な流量を計測する技術、特に、大口径の配管の場合や被測定流体の速度が非常に速い場合に高精度な計測をするのに適した技術を提供することである。
請求項１から請求項４記載の発明の目的は、複数種類の波が発生することを原因とする測定誤差をなくして正確な流量を計測可能な超音波流量計を提供することにある。
請求項５記載の発明の目的は、複数種類の波が発生することを原因とする測定誤差をなくして正確な流量を計測可能な超音波流量計を提供するためのくさびを提供することにある。

前述したように、超音波の横波（Ｓ波）は、進行方向に直行する面内にて振動する波であるから、被測定流体の測定領域を紙面上に示すとその紙面に垂直な方向に振動するＳＨ波と、紙面に平行な方向に振動するＳＶ波という二つの成分があると考えることができる。図４に示すように、このＳＨ波は、境界においてモード変換しないことが知られている。このことを用いて、本発明を案出した。

（請求項１）
請求項１記載の発明は、所定の繰り返し周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させるとともに、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信する超音波送受信手段と、 受信した超音波エコーから測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流速分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段と、 被測定流体に係る流体配管の外壁面に対して前記超音波トランスジューサを固定するためのくさびとを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に係る。
そして、前記超音波トランスジューサは、超音波の進行方向に対する横波のみを発振するものを採用し、 前記くさびは、被測定流体の測定領域を二次元で表現した場合に、前記超音波トランスジューサが発振する横波をその二次元に垂直な方向に振動するＳＨ波となるように前記超音波トランスジューサを固定するように形成したことを特徴とする。

（用語説明）
上記の超音波流量計には、一般のドップラ式超音波流量計と、相関法を用いた超音波流量計とを含む。相関法を用いた超音波流量計とは、例えば、特開２００３−３４４１３１号に開示されているような超音波流量計である。

「流量演算手段」は、たとえば、特開２０００−９７７４２号公報に開示されたものを用いる。
「くさび」とは、超音波トランスジューサをクランプオンするとともに、その超音波トランスジューサから発振される超音波の入射角度αを決定するために用いられるものである。ここで入射角度αとは、超音波トランスジューサから発振される超音波の入射角度、すなわち流体配管の管壁への垂線に対してなす角度である。

（作用）
超音波トランスジューサは、被測定流体の測定領域を二次元で表現した場合に、前記超音波トランスジューサが発振する横波をその二次元に垂直な方向に振動するＳＨ波となるように、くさびを介して固定される。
そして、その超音波トランスジューサは、所定の繰り返し周波数の超音波パルスを測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ、進行方向に対する横波のみからなる超音波を入射させる。すると、くさびと配管との境界においても超音波が分離せず、ひとつの横波（ＳＨ波）からなる超音波が被測定流体へ入射される。このため、複数種類の波が発生することを原因とする測定誤差をなくして正確な流量計測が可能となる。

被測定流体が液体である場合には、超音波は縦波よりも横波の方が被測定流体へ入るときの強度が大きい。このため、縦波を発振させる超音波振動子を採用するよりも、測定感度が高いという効果もある。
また、スネルの法則に基づく境界角の制限を受けずに入射角の設定が可能となる。このため、１メートルから数メートルといった大口径配管の場合において、高精度な測定を行うのに適している。

（請求項２）
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の超音波流量計を限定したものであり、
超音波トランスジューサおよびくさびは、くさびを流体配管へ固定した場合にＳＨ波のみが入射するように、お互いの形状を形成したことを特徴とする。
いわゆる「オスメス」の関係にある両部材につき、組み立て固定時の方向を誤らないように、いわゆる「フールプルーフ」を設けたものである。

（作用）
超音波トランスジューサおよびくさびの形状が、くさびを流体配管へ固定した場合にＳＨ波のみが入射するように形成されているので、組み立て固定時に方向を誤らない。

（請求項３）
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の超音波流量計を限定したものである。
すなわち、測定領域における被測定流体の流速分布を仮算出する流速分布仮算出手段と、 その流速分布仮算出手段が仮算出した流速分布に基づいて入射角度の適否を判断する入射角度判断手段と、 その入射角度判断手段によって入射角度が適切でないと判断された場合に、入射角を再設定補助する入射角度再設定手段とを備えた超音波流量計に係る。

（用語説明）
「入射角度判断手段」とは、たとえば、仮算出した流速分布において、流速が測定範囲との関係において不連続となる場合や、スプライン処理をしても円滑さが失われたりしている場合などを、入射角度が適切でないと判断するアルゴリズムを備えた手段である。
「入射角度再設定手段」とは、たとえば連続的に角度調整が行える機構を備えている場合にはその機構に対して直接命令を出して調整する。くさびを複数種類、あらかじめ用意している場合には、たとえば、くさびの種類のいずれかを特定するためのデータ出力を行う。

（作用）
流速分布仮算出手段が測定領域における被測定流体の流速分布を仮算出する。そして、仮算出された流速分布に基づいて、入射角度判断手段が入射角度の適否を判断する。その入射角度判断手段によって入射角度が適切でないと判断された場合に、入射角が適切な値となるような再設定を入射角度再設定手段が補助する。

（請求項４）
請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波流量計を限定したものであり、
くさびにおける超音波トランスジューサから流体配管の外壁面に至る距離を、当該くさび内を超音波が透過する速度に超音波の振動子が有する不感帯の時間を掛けて算出される距離よりも大きくなるように形成したことを特徴とする。

くさびにおける超音波トランスジューサから流体配管の外壁面に至る距離をＬｘとし、当該くさび内を超音波が透過する速度をＶｋとし、超音波の振動子が有する不感帯の時間をＴｔとすると、
Ｌｘ＞Ｖｋ×Ｔｔ
である。
具体的には、例えばくさびの材質がアクリル樹脂である場合にはＶｋ＝２７００ｍ／秒であり、Ｔｔ＝２０msであるので、５４ｍｍ以上を確保すればよいこととなる。

（作用）
ＬｘをＶｋ×Ｔｔよりも大きくなるように確保できれば、振動子に残留の振動があっても必要とする測定範囲を確保するので、超音波の反射波を受信するレシーバに振動が伝わらない。このため、ノイズによる測定誤差の発生を抑制できる。
なお、従来は、前記のＬｘを、慣習的に５〜５０ｍｍ程度としていた。その理由は、Ｌｘが短いほどくさび内を通過する超音波の減衰が小さいからである。

（請求項５）
請求項５記載の発明は、請求項１に記載する超音波流量計に用いるくさびに係る。
すなわち、被測定流体の測定領域を二次元で表現した場合に、前記超音波トランスジューサが発振する横波をその二次元に垂直な方向に振動するＳＨ波となるように前記超音波トランスジューサを固定するように形成したことを特徴とするくさびである。

（作用）
超音波流量計とは別にくさびのみを単独で供給したり、くさびを用いてのセッティング、メンテナンスに供する。

請求項１から請求項４記載の発明によれば、複数種類の波が発生することを原因とする測定誤差をなくして正確な流量を計測可能な超音波流量計を提供することができた。
請求項５記載の発明の目的は、複数種類の波が発生することを原因とする測定誤差をなくして正確な流量を計測可能な超音波流量計を提供するためのくさびを提供することができた。

以下、本発明を実施の形態及び図面に基づいて、更に詳しく説明する。ここで使用する図面は、図１乃至図４である。
（図１）
図１は、超音波の横波（ＳＨ波）がくさびおよび配管を通過する場合について示したものである。図６および図７と比較すれば明らかであるが、横波（ＳＨ波）のみが入射された場合には、他の種類の波が発生することがない。この横波（ＳＨ波）を用いて正確な流量を計測可能な超音波流量計を提供するのが、本実施形態である。

まず、超音波流量計は、所定の繰り返し周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させるとともに、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信する超音波送受信手段と、 受信した超音波エコーから測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流速分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定するものである。
また、超音波トランスジューサは、超音波の進行方向に対する横波のみを発振するものを採用する。

図２に示すように、超音波トランスジューサ２０と前記くさび３０とは、くさび３０を流体配管１１へ固定した場合にＳＨ波のみが入射するように、お互いの形状を形成している。いわゆる「オスメス」の関係にある両部材につき、組み立て固定時の方向を誤らないように、いわゆる「フールプルーフ」を設けたものである。
より具体的には、全体が円柱形をなした超音波トランスジューサ２０には、細長い長方形をなす方向決定部２１を備えている。一方のくさび３０には、円柱形の超音波トランスジューサ２０に対応した円形の固定用穴３１と、その固定用穴３１に連続して方向決定部２１に対応させた方向決定部対応穴２２とを備えている。
超音波トランスジューサ２０およびくさび３０の形状がこのように形成されているので、組み立て固定時に方向を誤らない。そのため、くさびを流体配管へ固定した場合には必ず、ＳＨ波のみが入射するようになる。

図３に示すように、流体配管１０の内部を流れる被測定流体１１の流量を測定するため、流体配管１０の外壁には、前述のくさび３０を介して超音波トランスジューサ２０を固定するのである。
ここで、くさび３０における超音波トランスジューサ２０から流体配管１０の外壁面に至る距離を、当該くさび３０内を超音波が透過する速度に超音波の振動子が有する不感帯の時間を掛けて算出される距離よりも大きくなるように形成する。

くさびにおける超音波トランスジューサから流体配管の外壁面に至る距離をＬｘとし、当該くさび内を超音波が透過する速度をＶｋとし、超音波の振動子が有する不感帯の時間をＴｔとすると、
Ｌｘ＞Ｖｋ×Ｔｔ
となるように形成している。具体的には、くさびの材質がアクリル樹脂である場合にはＶｋ＝２７００ｍ／秒であり、Ｔｔ＝２０msであるので、Ｌｘ＞５４ｍｍとなり、本実施形態では６０ｍｍとなるようにした。

図４では、付加的な構成要素を含めたブロック図にて示している。
付加的な構成要素としては、測定領域における被測定流体の流速分布を仮算出する流速分布仮算出手段と、 その流速分布仮算出手段が仮算出した流速分布に基づいて入射角度の適否を判断する入射角度判断手段と、 その入射角度判断手段によって入射角度が適切でないと判断された場合に、入射角の再設定補助する入射角度再設定手段とがある。

「入射角度判断手段」とは、たとえば、仮算出した流速分布において、流速が測定範囲との関係において不連続となる場合に、入射角度が適切でないと判断するアルゴリズムを備えた手段である。
「入射角度再設定手段」とは、本実施形態では、角度が固定された複数種類のくさびをあらかじめ用意しているので、くさびの種類につき、いずれかが適切かを特定するためのデータ出力を行う。

以上のような付加的な構成要素により、以下のような作用をなす。
すなわち、入射角度（α１）をなすくさびを用いて超音波が発振された場合につき、流速分布仮算出手段が測定領域における被測定流体の流速分布を仮算出する。そして、仮算出された流速分布に基づいて、入射角度判断手段が入射角度（α１）の適否を判断する。その入射角度判断手段によって入射角度が適切でないと判断された場合に、入射角が適切な値となるような再設定、例えば入射角度（α２）を入射角度再設定手段が補助する。

本願発明は、ドップラ式超音波流量計に限られず、一般の超音波流量計に属する流量計においても採用することができる。
また、超音波流量計の製造業のほか、超音波流量計取り付け業、メンテナンス業においても用いられる。

超音波の横波（ＳＨ波）がくさびおよび配管を通過する場合について示す概念図である。 実施形態の主要部を示す組立斜視図である。 実施形態の主要部を示す概念図である。 実施形態の主要構成要素を示すブロック図である。 超音波がくさびおよび配管を通過する場合について示す概念図である。 超音波の縦波（Ｐ波）がくさびおよび配管を通過する場合について示す概念図である。 超音波の横波（ＳＶ波）がくさびおよび配管を通過する場合について示す概念図である。

符号の説明

１０ 流体配管 １１ 被測定流体
２０ 超音波トランスジューサ ２１ 方向決定部
３０ くさび ３１ 固定用穴
３２ 方向決定部対応穴

Claims (5)

1. 所定の繰り返し周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させるとともに、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信する超音波送受信手段と、 受信した超音波エコーから測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流速分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段と、 被測定流体に係る流体配管の外壁面に対して前記超音波トランスジューサを固定するためのくさびとを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計であって、
   前記超音波トランスジューサは、超音波の進行方向に対する横波のみを発振するものを採用し、
   前記くさびは、被測定流体の測定領域を二次元で表現した場合に、前記超音波トランスジューサが発振する横波をその二次元に垂直な方向に振動するＳＨ波となるように前記超音波トランスジューサを固定するように形成したことを特徴とする超音波流量計。
2. 超音波トランスジューサおよびくさびは、くさびを流体配管へ固定した場合にＳＨ波のみが入射するように、お互いの形状を形成したことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 測定領域における被測定流体の流速分布を仮算出する流速分布仮算出手段と、
   その流速分布仮算出手段が仮算出した流速分布に基づいて入射角度の適否を判断する入射角度判断手段と、
   その入射角度判断手段によって入射角度が適切でないと判断された場合に、入射角を再設定補助する入射角度再設定手段とを備えた請求項１または請求項２のいずれかに記載の超音波流量計。
4. くさびにおける超音波送受信手段から流体配管の外壁面に至る距離を、当該くさび内を超音波が透過する速度に超音波の振動子が有する不感帯の時間を掛けて算出される距離よりも大きくなるように形成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波流量計。
5. 所定の繰り返し周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させるとともに、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信する超音波送受信手段と、 受信した超音波エコーから測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流速分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いるくさびであって、
   前記超音波トランスジューサは超音波の進行方向に対する横波のみを発振するものであり、
   前記くさびは、被測定流体の測定領域を二次元で表現した場合に、前記超音波トランスジューサが発振する横波をその二次元に垂直な方向に振動するＳＨ波となるように前記超音波トランスジューサを固定するように形成したことを特徴とするくさび。
   

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