JP2006030142A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】可燃性気体の流量を安全に測定できる超音波流量計を提供する。
【解決手段】本発明の超音波流量計は、流体５が流れる配管２と、配管２の外側に設けられた一対の超音波送受波器３と、配管２の内側に設けられた音響整合部４と、一対の超音波送受波器の間を超音波が伝播する時間を計測する計測回路と、計測回路からの信号に基づいて流量を算出する演算部とを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波を用いて流体の流量や流速を計測する超音波流量計に関し、特に、気体などの低密度の流体を安全かつ高い精度で測定し得る超音波流量計に関している。

近年、超音波が伝搬経路を伝達する時間を計測し、流体の移動速度を測定して流量を計測する超音波流量計がガスメータ等に利用されつつある（特許文献１〜４）。図１は、このようなタイプの超音波流量計の主要部断面構成を示している。

超音波流量計１は、流量を測定すべき測定対象となる流体５が配管２の内部を流れるように配置されており、配管２には、一対の超音波送受波器３ａ、３ｂが対向して設置されている。以下、一対の超音波送受波器３ａ、３ｂを総称して、「超音波送受波器３」と簡略的に称する場合がある。

配管２は、典型的には円筒形状を有している。超音波送受波器３ａ、３ｂは、電気エネルギー／機械エネルギー変換素子として構成されており、圧電ブザー、圧電発振子と同様に共振特性を示す。図１に示されている超音波送受波器１は、圧電体３０１と、一対の電極３０２と、楔型の伝搬媒体３０３とを有している。

以下、図１に示す超音波流量計１の動作を説明する。

超音波送受波器３ａの共振周波数近傍の周波数を持つ交流電圧を、超音波送受波器３ａ内の圧電体３０１に印加すると、超音波送受波器３ａは超音波送波器として機能し、流体５中に超音波６を放射する。放射された超音波は、図示した超音波６の経路を伝搬して、超音波送受波器３ｂに到達する。このとき、超音波送受波器３ｂは受波器として機能し、超音波を受けて電圧に変換する。

次に、超音波送受波器３ｂが超音波送波器として機能し、超音波送受波器３ａが超音波受波器として機能する。すなわち、超音波送受波器３ｂの共振周波数近傍の周波数を持つ交流電圧を超音波送受波器３ｂ内の圧電体に印加することにより、超音波送受波器３ｂから流体中に超音波を放射させる。放射された超音波は、経路Ｌ２を伝搬して、超音波送受波器３ａに到達する。超音波送受波器３ａは伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。

このように、超音波送受波器３ａ、３ｂは、送波器としての機能と受波器としての機能を交互に果たすために、一般に超音波送受波器と総称される。

図１に示す超音波流量計では、連続的に交流電圧を印加すると超音波送受波器から連続的に超音波が放射されて伝搬時間を測定することが困難になるので、通常はパルス信号を搬送波とするバースト電圧信号を駆動電圧として用いる。

以下、上記超音波流量計の測定原理をより詳細に説明する。

駆動用のバースト電圧信号を超音波送受波器３ａに印加することにより、超音波送受波器３ａから超音波バースト信号を放射すると、超音波バースト信号は経路Ｌ１を伝搬してｔ時間後に超音波送受波器３ｂに到達する。経路Ｌ１の距離は、経路Ｌ２の距離と同様にＬであるとする。

超音波送受波器３ｂは、伝達して来た超音波バースト信号のみを高いＳＮ比で電気バースト信号に変換することができる。この電気バースト信号を電気的に増幅して、再び、超音波送受波器３ａに印加して超音波バースト信号を放射する。この装置を「シング・アラウンド型装置」と呼ぶ。

また、超音波パルスが超音波送受波器３ａから放射された後、超音波送受波器３ｂに到達するまでの時間を「シング・アラウンド周期」という。「シング・アラウンド周期」の逆数は「シング・アラウンド周波数」と呼ばれる。

図１において、管の中を流れる流体の流速をＶ、流体中の超音波の速度をＣ、流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向の角度をθとする。超音波送受波器３ａを超音波送波器、超音波送受波器３ｂを超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器３ａから出た超音波パルスが超音波送受波器３ｂに到達する時間であるシング・アラウンド周期をｔ１、シング・アラウンド周波数ｆ１とすれば、次式（１）が成立する。

ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（１）

逆に、超音波送受波器３ｂを超音波送波器として、超音波送受波器３ａを超音波受波器として用いたときのシング・アラウンド周期をｔ２、シング・アラウンド周波数ｆ２とすれば、次式（２）の関係が成立する。

ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（２）

両シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、 次式（３）で示される。

Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ ・・・（３）

式（３）によれば、超音波の伝搬経路の距離Ｌと周波数差Δｆとから、流体の流速Ｖを求めることができる。そしてその流速Ｖから、流量を決定することができる。式（３）には流体の音速Ｃが入っていないため、流体の種類によらず、また温度変化による流体の音速変化にも影響を受けることがない。

ところで、このような超音波流量計では、高い精度が求められる。高い精度を実現するためには超音波を高い感度で送受波することが重要である。

ところが図１の超音波流量計では、気体などの低密度な流体を高精度に測定することは困難である。

これは図１に示す超音波流量計では、金属などで構成される配管から直接に測定すべき流体へ超音波が伝搬させる構成となっているため、配管と測定流体の音響インピーダンスが大きく異なる場合、配管と流体との界面で超音波の大部分が反射してしまい、流体中へ超音波がほとんど伝搬せず、またわずかに流体に放射され伝搬してきた超音波も、受波器となる超音波送受波器に到達する前に、流体と配管との界面でその殆どが反射してしまうためである。

ここで、音響インピーダンスＺとは、材質の音速Ｃと密度ρで規定されるもので、式４に定義される。

Ｚ＝ρ×Ｃ・・・（４）

図１の場合において、配管をステンレスとし、流体を空気と仮定して音響インピーダンスを算出してみると、ステンレスは、密度７．９×１０³ｋｇ／ｍ³、音速は約５５００ｍ／秒であり、音響インピーダンスは、約４．３×１０⁷ｋｇ／ｍ²／秒である。空気は、密度１．１８ｋｇ／ｍ³、音速は３４０ｍ／秒であり、音響インピーダンスは、約４．０×１０²ｋｇ／ｍ²／秒であり、配管と空気の音響インピーダンスは１０⁵程度異なる（ステンレスの音響インピーダンスは空気の約１０００００倍）。

このように音響インピーダンスが大きく異なる媒体に効率よく超音波を伝搬させるために、音響整合部が一般的に用いられる。

図２は、音響整合部４を有する超音波送受波器を用いた超音波流量計を示している。図２に示す超音波流量計では、圧電体の音波放射面側の電極を介して音響整合部を有する超音波送受波器を用い、この一対の超音波送受波器が測定流体の流れに対して、所定の角度θで超音波の送受波が可能なように配管に設けた穴の部分に配置されている。

このような超音波流量計では、圧電体で発生した超音波は音響整合部を介して、測定流体へと伝搬していく。音響整合部は圧電体と気体の間の音響インピーダンスの不整合による超音波の低い透過効率を改善して、高感度な送受波を可能とするものであり、特に式（５）で示す音響インピーダンスＺ２を持つ物質を挿入すると効率よく超音波の伝搬を実現することが知られている。

Ｚ２＝（Ｚ１×Ｚ３）^1/2・・・（５）

このような音響インピーダンスＺ２をもつ物質を挿入すると、境界面での反射が抑えられ、音波の透過率が向上する。
特開２０００−３０４５８１号公報 特表２００２−５３５６３９号公報 特開２００３−３４８６８１号公報 特開２００４−１８４４２３号公報

しかしながら、従来の超音波流量計には、以下に示す問題がある。

図１に示す超音波流量計では、金属などからなる配管から直接に流体に超音波を伝搬させるため、特に気体や上記などの低密度の流体を測定の場合には、送受波効率が極めて悪く、送受波感度が低くなる結果、測定精度が低下してしまう場合がある。

また、図２に示す超音波流量計では、電圧の印加される圧電体が測定流体と直接接しているため、流体が可燃性や爆発性を有する場合には印加や爆発性の危険性があった。また、超音波送受波機の封止がゴムなどにより行われるが、ゴムの劣化や、内圧がかかった際に、信頼性が、通常の配管の接続部などに比べ低い場合があり、ガス漏れの危険性があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、可燃性や爆発性を有するガスが比較的高い圧力で流れる場合においても、安全かつ高精度で流量の測定が可能となる超音波流量計を提供することにある。

本発明の超音波流量計は、被測定流体が流れる配管と、前記配管の外側に設けられた一対の超音波送受波器と、前記配管の内側に設けられた音響整合部と、前記一対の超音波送受波器の間を超音波が伝播する時間を計測する計測回路と、前記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する演算部とを備えている。

好ましい実施形態において、前記配管は、前記超音波送受波器を被測定流体から遮断している。

好ましい実施形態において、前記配管のうち、前記超音波送受波器が取り付けられる部分の内径は他の部分の内径から異なる値を有している。

好ましい実施形態において、前記音響整合部は、前記配管の内壁に堆積された少なくとも１つの超音波整合層を有している。

好ましい実施形態において、前記配管のうちの前記超音波送受波器が取り付けられる部分における前記超音波整合層は、他の部分における前記超音波整合層とは異なる大きさに設定されている。

好ましい実施形態において、前記超音波整合層は、乾燥ゲルから形成されている。

好ましい実施形態において、前記被測定流体は気体である。

好ましい実施形態において、前記気体は可燃性または爆発性を有している。

好ましい実施形態において、一方の超音波送受波器から放射された超音波が前記配管を直接に伝播して他方の超音波送受波器に達することを抑制する構造が前記配管に設けられている。

好ましい実施形態において、前記構造は、前記配管に設けられた凹部および／または凸部である。

好ましい実施形態において、前記超音波の反射を抑制する膜が前記配管の外側に設けられている。

好ましい実施形態において、前記配管は、前記超音波送受波器を前記配管の外側面に固定するためのボルトと係合する凹部を前記外側面に有している。

好ましい実施形態において、前記超音波送受波器は、前記ボルトと係合するネジ穴を有している。

本発明の超音波流量計用配管は、内壁に設けられた音響整合部を備え、前記音響整合部が乾燥ゲルから形成された少なくとも１つの音響整合層を有している。

本発明の超音波流量計によれば、気体や蒸気などの低密度の流体の流量を測定するに際して、ガス漏れなどの危険性を低下させることより、安全性および測定精度の両方を向上させることが可能になる。

以下、図面を参照しながら本発明による超音波流量計の実施形態を説明する。

［実施形態１］
まず、図３を参照する。図３は、本実施形態における超音波流量計の一断面を示している。

図示されている超音波流量計１は、配管２と、配管２の外側に設けられた一対の超音波送受波器３と、配管２の内側に設けられた音響整合部４とを備えている。

測定対象となる流体５は、配管２の内部を点線の矢印で示される方向に移動する。流体５の流速は、図３において、参照符号「Ｖ」で示されている。流体５は、例えば可燃性を有するガス（天然ガスなど）である。

超音波６は、一対の超音波送受波器３の間を伝搬する。各超音波送受波器３は、圧電体３０１の両面に電極３０２を設けた公知の構成を有している。この圧電体３０１は圧電性を有する材料から形成されており、電極方向に分極処理がなされている。一対の電極３０２は、不図示の信号線を介して公知の送受波回路に接続される。

本実施形態で最も特徴的な点は、超音波送受波器３が配管２の外側に配置されていることである。より具体的には、円筒形状を有する配管２の外側周囲に取付部７が設けられており、この取付部７に送受波面を対向させるような配置関係で一対の超音波送受波器３が固着されている。

このように、本実施形態では、配管２そのものが超音波送受波器３と配管２内の流体５との接触を遮断しているため、配管２の内部を可燃性ガスが高圧（例えば１ＭＰａ以上）で流れる場合でも、ガスのリークが生じず、安全性が向上する。

以下、本実施形態の超音波流量計の動作を説明する。

一対の超音波送受波器３における一方の圧電体３０１上に設けられた電極３０２に電圧信号が印加されると、電圧信号に基づいて、その圧電体３０１が伸縮し、圧電体３０１の超音波送受波面から超音波６が放射される。この超音波は配管２を伝搬し、配管２の内側面に設けられた音響整合部４を通って、流体５へ放射される。一方、流体５を伝搬してきた超音波６は、音響整合部４を介して配管２に伝搬し、さらに他方の超音波送受波器３における圧電体３０１へ伝搬して、その電極３０２間に電圧信号を発生させる。

以上の動作を一対の超音波送受波器３による送受波を交互にスイッチしながら繰り返して実行することにより、同じ経路に沿って逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間の差が計測され、その計測値に基づいて流速Ｖを算出する。そして、測定された流速Ｖおよび配管２の断面積から、流量が求められる。

本実施形態の超音波流量計で用いる配管２は、次のような特性を備えていることが好ましい。

１：測定する流体が外部に漏れないよう内部に保持する。
２：流体との反応で劣化することがないように化学的に安定である。
３：内圧の変化や、外からの衝撃に対して安定である。

以上のような観点から、本実施形態では配管２は金属材料（具体的にはステンレス）から形成している。配管２は、引抜き法などの一般的な工法で作成された継ぎ目の無いものが好ましく、こうして形成された配管に、プレス成型などの方法により超音波送受波器の取付部が形成されたものを用意する。ただし、測定対象となる流体の種類や内圧などにより、危険性、コストなどを勘案して樹脂や、セラミックスなどの配管を用いることもできる。

図３に示す配管２における取付部７は、対向配置されるべき一対の超音波送受波器３を、流体５に対して所定の角度で固定できるように、配管２の長軸方向（円筒の中心軸方向）に対して傾斜した面を有している。超音波送受波器３から放射される超音波の向きは、この面の傾斜角によって調整される。本実施形態では、一対の超音波送受波器３を結ぶ直線（超音波の伝搬経路Ｌ）と流体５の移動方向（配管２の長軸方向）との間の角度θが約６０度に設定されている。すなわち、超音波送受波器３の超音波送受波面に対して流体５の移動方向が約３０度の角度を形成するように取付部７の形状が規定されている。なお、図１に示すような楔形の超音波伝搬部３０３を取付部７に設ける場合は、取付部７における取り付け面の形態を変えることなく、上記の角度θを調節することが可能である。

超音波の伝播経路Ｌと流体５のなす角度θは、超音波送受波器３の送受信感度に影響を与えるため、高い精度で調節する必要がある。超音波送受波器３の対向する面が所定の向きからずれると、一方の超音波送受波器３から放射された超音波が他方の超音波送受波器３に適切に到達することができず、受信効率が低下する。また、角度のずれが大きい場合、超音波送受波器３から外れて配管２の内壁に達した超音波が配管２の内部で多重に反射して測定に悪影響を及ぼす可能性がある。

図３に示す角度θは、０〜９０度の範囲内に設定されるが、角度θが０度に近づくほど、超音波の伝搬時間が長くなるため、測定精度が高くなる。ただし、超音波の減衰が生じやすい流体の流量を測定する場合は、伝播距離が長くなると、送受波感度が低下する。このため、角度θの大きさは、測定精度や送受波感度の両方を考慮して最適な範囲に設定されるべきである。

本実施形態における配管２のサイズは、内径が２５ｍｍ、外径が３４ｍｍ、肉厚が４．５ｍｍ、長さが３００ｍｍである。また、超音波送受波器３の圧電体３の直径は３．６ｍｍである。ただし、これらのサイズは、本実施形態における値以外の種々の値をとり得る。

取付部７は、例えばプレス加工などの方法によって配管２の一部を変形することにより形成される。取付部７の位置における配管２の厚さは約４．０ｍｍである。配管２の端部は、変形しておらず、一般的な方法により、他の配管との接続が可能な形状を有している。このように、本実施形態では、超音波送受波器３の取付部７から測定対象の流体５が外部に漏れる可能性がないため、安全性に優れた超音波流量計を提供できる。

本実施形態では、上記構成を有する配管２の内面に音響整合部４を設けている。音響整合部４は、圧電体３０１で発生した超音波を、配管２を介して配管２の内部の流体５へ効率よく伝搬させる役割を果たすとともに、流体５を伝搬してきた超音波を、配管２を介して効率よく圧電体３０１へ伝える役割を果たす。このような音響整合部４を設けることにより、高精度超音波流量計を実現することができる。

本実施形態の音響整合部４は層状の乾燥ゲルから形成されている。乾燥ゲルは、密度ρと音速Ｃの積で規定される音響インピーダンスを極めて小さくすることが可能な材料である。このため、気体や蒸気などの低密度の気体への超音波の送受波効率を極めて高くすることが可能となる。

乾燥ゲルとは、ゾルゲル反応によって形成される多孔質体である。より具体的には、ゲル原料液の反応によって固体化した固体骨格部を有する。まず、この固体骨格部が溶媒を含んだ湿潤ゲルが形成され、その後、乾燥によって溶媒を除去することにより、最終的な乾燥ゲルが得られる。この乾燥ゲルは、数ｎｍ〜数μｍ程度の固体骨格部を有し、この固体骨格部の間に平均細孔直径が１ｎｍ〜数μｍ程度の範囲にある連続気孔が形成された多孔質体である。

乾燥ゲルは、密度の低い状態では、固体部分を伝搬する音速が極端に小さくなるとともに、細孔によって多孔質体内の気体部分を伝搬する音速も極端に小さくなるという性質を有する。そのため、密度の低い状態では音速が５００ｍ／秒以下の非常に遅い値を示し、極めて低い音響インピーダンスを示す。特に、固体骨格部および細孔径が数ｎｍ程度と小さい場合には、極めて遅い音速を有する多孔質体が得られる。また、ナノメートルサイズの細孔部では、気体の圧損が大きいため音響整合部材として用いた場合に超音波を高い音圧で放射できるという特徴も有する。

音響整合部４を構成する乾燥ゲルの材質としては、無機材料、有機高分子材料などを用いることができる。無機材料の固体骨格部としては、酸化ケイ素（シリカ）、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化チタンなどを用いることができる。また有機材料の固体骨格部としては、一般的な熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂を用いることができ、例えば、ポリウレタン、ポリウレア、フェノール硬化樹脂、ポリアクリルアミド、ポリメタクリル酸メチルなどを用いることができる。

本実施形態では、コスト、環境安定性、および製造のしやすさなどの観点から、固体骨格部として酸化ケイ素を持つ乾燥ゲルを採用している。このような乾燥ゲルからなる音響整合部を、配管内側に形成する。音響整合部材となる乾燥ゲルの特性は、前述の（式５）の関係式を満足するとき、送受波感度が最も高くなり、好ましい。

本実施形態では、式（５）を満足するものではないが、製造のしやすさと、乾燥ゲルの強度の点、送受波感度の点から密度３．０ｋｇ×１０²ｋｇ／ｍ³、音速５００ｍ／秒の乾燥ゲルを用いた。

音響整合部４として機能する乾燥ゲル層の厚さは、送受波する超音波の波長の１／４程度としたときに送受波効率が特に高くなる。本実施形態では、音響整合部４である乾燥ゲル内の音速が５００ｍ／秒であり、周波数が２００ｋＨｚであるため、乾燥ゲルの厚さを約０．６ｍｍとしている。

なお、音響整合部４の表面を化学的反応性の高い流体から保護するため、超音波の伝搬に対して音響的に影響を与えない厚さの保護膜（例えば金属などの材料から形成される）で音響整合部４の表面を薄く覆っても良い。

次に、図４を参照しながら、内面に音響整合部４が形成された配管２を作製する方法の例を説明する。

まず、図４（ａ）に示すように円筒状の金属製配管２を用意した後、図４（ｂ）に示すように、取付部７を配管２に形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、ゲル原料液のディッピング法によって配管２の表面にゲル原料液の膜を形成する。原料液を蓄えた槽から取り出した配管２には、図４（ｄ）に示すように、配管内側のみならず外側面にもゲル原料液が付着している。このため、配管２の外側に付着したゲル原料液は除去し、その後に熱処理を行ってゲル化を実行する。

次に、疎水化処理を行った後、乾燥させることにより、図４（ｅ）に示すように乾燥ゲルで表面が覆われた配管２を得る。乾燥ゲルの作製方法を本実施形態では以下のようにして行った。

工程１： ゲル原料液の用意
ゲル原料液は、テトラメトキシシラン／エタノール／アンモニア水を、１／１／４（モル比）の混合比で混ぜることで用意した。

工程２： ディッピングによる塗膜形成
工程１で用意したゲル原料液をディッピング法によって配管内面にゲルの原料の塗膜を形成する。塗膜の形成前に配管とゲルとの密着がよくなるように、アセトン中で超音波洗浄を行った。その後、十分に乾燥させた。これを工程１で調整したゲル原料液の中に浸漬し、配管の長さ方向に引き上げることにより、配管２の内面にゲル原料液の塗膜を形成した。

工程３： ゲル化
配管２の内面にゲル原料液の塗膜を形成した後、これをすぐに４０℃の高温槽に入れてゲル化を完了させ、配管内面に約０．６ｍｍの湿潤ゲル層を形成した。この際、配管外側に形成されたゲル原料液の塗膜はその度にふき取って、配管外側にゲル層が形成されないようにした。

工程４： 疎水化処理
疎水化処理は必須の工程ではないが、乾燥ゲルの安定化のために行うことが好ましい。実際の処理は以下のように行った。湿潤ゲルを形成した配管を、ジメチルジメトキシシラン／エタノール／１０重量％アンモニア水を、重量比で４５／４５／１０の割合で混合して得られた疎水化液に、４０℃で、約１日間、浸漬することによって行った。

工程５： 乾燥
最後に湿潤ゲルを大気中で乾燥し、内側に乾燥ゲルの層（音響整合部）が形成された配管２を得た（図４（ｅ））。

その後、図４（ｆ）に示すように超音波送受波器３を配管２に取り付ける。

本実施形態では、密度の一定な１層からなる乾燥ゲル層を音響整合部４として形成したたが、上述の工程２〜３を繰り返し、密度の異なる多層の乾燥ゲル層を形成することも可能である。音響整合部４の材料は、乾燥ゲルに限定されず、流体５の種類（化学的な反応性など）や、その音響インピーダンスによっては、中空の球体を樹脂でモールドした複合材料などから音響整合部４を形成しても良い。このような複合材料の密度および音速は、乾燥ゲルの密度および音速よりも高くなるため、送受波感度が低下するが、機械的強度が上昇する利点が得られる。このため、配管２の外部から衝撃が頻繁に加わるような場合において、配管２から音響整合部４が剥離しにくくなり、信頼性が向上する。

音響整合部４と流体５とが接触する面において、音響整合部４を保護する膜で音響整合部４の表面を被覆しても良い。なお、そのような保護膜が超音波の伝搬に対して音響的な影響を与えないように保護膜の厚さを調整する必要がある。

このようにして内面に音響整合部４を形成した配管２を用意した後、超音波送受波器３を配管２の外側に取付ける。

本実施形態で用いる圧電体３０１の材料は任意であり、公知の圧電材料を用いることができる。圧電体材料としては、圧電セラミックス、圧電単結晶など圧電性の高い材料が好ましい。好適に用いられる圧電セラミックは、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸鉛などを用いることができる。また圧電単結晶は、チタン酸ジルコン酸鉛単結晶、ニオブ酸リチウム、水晶などを用いることができる。また圧電体３０１に代えて電歪体を用いても超音波送受波器３を作製することができる。電歪体を用いる場合にも、その材料は任意であり、公知の材料を用いることができる。

電極３０２は公知の導電性材料から形成される。本実施形態の圧電体３０１は、チタン酸ジルコン酸鉛系のセラミックスから形成され、電極３０２は銀から形成されている。

圧電体３０１の厚さ（超音波送受信方向）は、送受波する超音波の波長に基づいて決定される。本実施形態では、使用する超音波の周波数は２００ｋＨｚに設定しているため、圧電体３０１の共振周波数を約２００ｋＨｚに設定することが好ましい。圧電体３０１は、その厚さを波長の１／２の厚さとしたときに強くその共振が出ることが知られており、超音波の送受波効率が高くなる。チタン酸ジルコン酸鉛セラミックスの音速は約３８００ｍ／秒であるため、圧電体３０１を単体で用いる場合には、圧電体３０１の厚さを約９．５ｍｍ程度に設定することが望ましい。しかし、本実施形態では、圧電体３０１に配管２および音響整合部４を接合しているため、最も効率よく送受波できる超音波の周波数は、圧電体３０１を単体で使用する場合よりも低下する。効率のよい送受波ができる超音波の周波数が低下する度合いは、配管２および音響整合部４の音響インピーダンスや厚さによって変化する。

本実施形態では、配管２および音響整合部４との接合による周波数の低下を考慮し、圧電体３０１が単体では約３００ｋＨｚの共振周波数を有するように、その厚さを約６．３ｍｍに設定した。なお、圧電体３０１は、前述のように直径が３．６ｍｍの円柱形状を有している。

本実施形態では、上記構成を有する超音波送受波器３の一対の電極３０２の一方を、接着剤を介して、取付部７に接合している。この接合には、例えばエポキシ系接着剤を用いて行うことができる。接着は、超音波送受波器３が移動しないよう固定したまま、１５０℃の高温槽で１時間加熱し、エポキシ樹脂を硬化させて行うことができる。

本実施形態の超音波流量計によれば、図１の超音波流量計に比べ、超音波の送受波感度が１００倍以上高く、高精度な流量計測が可能となる。また、配管２に超音波送受波器３を取付るためなどの穴などを設けていないため、図２の超音波流量計と比較して流体５の漏れが防止され、また引火などの危険性もきわめて低い。このため、可燃性、爆発性、有毒性などの流体も安全に計測することが可能となる。

本実施形態では、配管２の内側の全面に音響整合部４を形成しているが、音響整合部４は、少なくとも超音波の伝搬経路にあたる部分にのみ設けられておればよい。

次に、図５を参照して、取付部７の近傍に溝１０を形成した構成を説明する。この溝１０は、超音波送受波器３から出た超音波が配管２を横方向に伝版することを抑制する機能を有している。このような溝１０は、音波を反射させる空気層を形成できる厚さ（１μｍ以上）であれば、その幅は極めて小さくても良い。ただし、加工上の理由から、溝１０の幅は例えば０．１〜１ｍｍ程度に設定される。溝１０の深さは、配管の肉厚に比べて半分以上であることが好ましく、溝１０の数は音波が対向する超音波送受波器へ伝搬しないように設定される。溝１０は複数であることが効果をより高めるため好ましい。図５の例では、溝１０は配管２の外側だけではなく、内側にも形成されているが、製造の容易さの観点から、溝１０は配管２の外側にのみ形成されていてもよい。

図６は、配管２の長軸方向に略垂直な断面を模式的に示している。図６では、わかりやすさのため、一対の超音波送受波器３の両方を図面中に記載している。この図に示す例では、音響整合部４は、計測に必要な超音波の伝播路を横切る位置に選択的に配置されている。これにより、配管２を伝搬する超音波が配管２から流体５へ入射しにくくなるため、ノイズが低減される。図６の例でも、図５に示す溝１０と同様の溝１０を配管２に受けている。図６に示す溝１０は、超音波が配管２を円周方向に伝播することを抑制する。

図７は、超音波送受波器３を配管２に固定するために、接着剤の代わりに固定用ボルト１１を用いた例を示している。超音波送受波器３の圧電体３０１には、ボルト１１が係合する螺子孔が予め設けられている。

図８は、音響整合部４の厚さを位置に応じて変化させた例を示している。この例では、測定のために超音波を伝搬させるべき領域では、音響整合部４の厚さを超音波の波長λの１／４程度に設定し、その領域以外の領域における音響整合部４の厚さを波長λの１／２程度に設定している。このようにすることで、伝搬させるべき領域以外に伝播した超音波を減衰させ、測定への悪影響を抑制することができる。

図９は、図８の構成例の目的と同様の目的のため、不要な反射波をカットするための反射抑制部材８を配管２の外側に被覆した例を示している。この反射抑制部材８は、配管２の内面側から外面側へ向かった超音波が再び配管２の内面側に反射・伝搬して測定に悪影響を与えることを抑制する。

［実施形態２］
次に、図１０を参照して本発明の超音波流量計の第２の実施形態を説明する。

図１０に示すように、本実施形態の超音波流量計が実施形態１における超音波流量計と異なる点は、取付部７の形状にあり、他の点は同様である。本実施形態の取付部７は、配管２に凸部形状を付与することによって形成している。この場合に、図３の配管２と同じ直径を有する配管を用いると、超音波伝搬距離を長くすることができる。

配管２の一部に取付部７として機能する形状を付与する代わりに、図１１に示すように、楔形の超音波伝搬部３０３を設けても、流体５に対して超音波を斜めに入射できる。この場合、配管２の内側に凹凸が生じず、流体の流れを妨げることが無い。図１１に示すように、楔形の超音波伝搬部３０３を設ける場合、配管２の界面で反射した超音波が楔形の超音波伝搬部３０３の内部で乱反射し、流量測定に悪影響を及ぼさないように、超音波伝搬部３０３に超音波減衰部３０４を設けることが好ましい。

図５から図９を参照しながら実施形態１について説明した事項は、本実施形態にも適用できる。

［実施形態３］
図１または図１１に示すようなくさび形の超音波伝搬体を用いた超音波流量計によれば、配管の形状を変形させる必要が無く、また配管壁面に流体の流れを妨げる構造が存在しないため、流速の計測にとって極めて有利である。一方、図１１に示す構成の場合、配管の壁面に対して斜めに超音波が入射するため、これによって問題が生じる場合がある。この問題は、配管２の音速と流体５の音速が大きく異なると、配管２と流体５の界面で超音波の屈折により、超音波を配管２の長軸方向に傾いた方向に伝搬させることが困難となるために生じる。この結果、超音波の伝搬時間自体が短くなり、また、上流→下流と下流→上流で測定した超音波の伝搬時間の差が流体の流れに影響されにくくなるため、流速の測定精度が低下する。例えば、配管２をステンレスから形成する場合において、流体５が空気であるとする。このとき、図１２に示すように、配管２の内部を伝搬してきた超音波は、音響整合部４を通って更に流体５へと伝搬してゆく。この際、流体５への超音波の入射角度θｇが小さいと、上述の理由により、測定精度が低下する。なお、入射角度θｇは、音響整合部４の特性によらず、ステンレスの音速Ｃｓおよび超音波の伝搬角度θｓ、ならびに空気の音速Ｃｇのみで決まる。例えば、超音波の伝搬角度θｓを入射角の限界に近い８９度としても、空気への超音波の入射角度θｇは約３．５度にしかならず、対向する超音波送受波器の間における配管軸方向の距離が短くなるため、測定精度を高くすることが困難になる。

このような場合、超音波送受波器の配置構成としては、図１３（ａ）に示すいわゆるＶパスや、図１３（ｂ）に示すいわゆるＷパスの配置構成を採用することにより、超音波の伝搬距離を長くすることができる。しかし、このような配置構成は、超音波の減衰の大きな流体に適用する場合、超音波の送受信感度が低くなり測定に悪影響を与える可能性があるため、流体の種類と音速とを考慮して超音波送受波器の配置構成を決定する必要がある。また、ＶパスやＷパスなどの配置構成を実現する場合、配管２の内側面で超音波を反射させるべき部分においては、配管２に超音波が透過しないよう音響整合部４を設けないことが好ましい。なお、目的とするパス（超音波の径路）以外のパスからの超音波の伝搬を防止するため、図８および図９に示す構成により、目的のパス以外の超音波を減衰させることが好ましい。

図１４（ａ）および（ｂ）は、超音波を反射すべき領域を除いて広い範囲に音響整合部７を形成した例を示している。

［実施形態４］
図１５を参照しながら、本発明による超音波流量計の測定回路部分を説明する。

本実施形態の超音波流量計の配管２は、その内部を流体が速度Ｖで流れるようにして設置される。配管２の内部には、前述したように音響整合部４が設けられている。

測定シーケンスのある時点では、図示されている超音波送受波器３ａが超音波送波器として機能し、超音波送受波器３ｂを超音波受波器として機能するが、他の時点では、超音波送受波器３ａが超音波受波器として機能し、超音波送受波器３ｂを超音波送波器として機能する。この切り替えは切替回路５３によって行われている。

超音波送受波器３ａおよび３ｂは、切替回路５３を介して、超音波送受波器３ａおよび３ｂを駆動する駆動回路５４と、超音波パルスを検知する受波検知回路５５とに接続されている。受波検知回路５５の出力は、超音波パルスの伝搬時間を計測するタイマ５６に送られる。

タイマ５６の出力は、流量を演算する演算部５７に送られる。演算部５７では、測定された超音波パルスの伝搬時間に基づいて、配管２の内部を流れる流体の速度Ｖが計算され、流量が求められる。駆動回路５４およびタイマ５６は、制御部５８に接続され、制御部５８から出力された制御信号によって制御される。

以下、この超音波流量計の動作をより詳細に説明する。

被測定流体として、例えばＬＰガスが配管２の内部を流れる場合を考える。超音波送受波器３ａおよび３ｂの駆動周波数を例えば約２００ｋＨｚとする。制御部５８は、駆動回路５４に送波開始信号を出力すると同時に、タイマ５６の時間計測を開始させる。

駆動回路５４は送波開始信号を受けると、超音波送受波器３ａを駆動し、超音波パルスを送波する。送波された超音波パルスは、配管２、超音波整合部４、および配管２の内部の流体を伝搬して、超音波送受波器３ｂで受波される。受波された超音波パルスは超音波送受波器３ｂで電気信号に変換され、受波検知回路５５に出力される。

受波検知回路５５では受波信号の受波タイミングを決定し、タイマ５６を停止させる。演算部５７は、伝搬時間ｔ１を演算する。

次に、切替回路５３により、駆動回路５４および受波検知回路５５に接続する超音波送受波器３ａおよび３ｂを切り替える。そして、再び、制御部５９は駆動回路５４に送波開始信号を出力すると同時に、タイマ５６の時間計測を開始させる。

伝搬時間ｔ１の測定と逆に、超音波送受波器３ｂで超音波パルスを送波し、超音渡送受波器３ａで受波し、演算部５７で伝搬時間ｔ２を演算する。

伝搬時間ｔ１、ｔ２は、それぞれ、測定によって求められる。距離Ｌは既知であるので時間ｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められ、その流速Ｖから流量を決定することができる。

このような超音波流量計において、伝搬時間ｔ１、ｔ２はゼロクロス法と呼ばれる方法によって好適に測定される。

本発明の超音波流量計は、天然ガスなど気体の流量を安全かつ高精度に測定することができるため、従来のガス流量計を代替する装置として普及が見込まれている。

従来の超音波流量計を示す断面図である。 従来の他の超音波流量計を示す断面図である。 本発明による超音波流量計の第１の実施形態を示す断面図である。 （ａ）から（ｆ）は、図３に示す超音波流量計の製造方法を示す工程図である。 第１の実施形態に係る超音波流量計に設けた溝１０を示す断面図である。 第１の実施形態に係る超音波流量計に設けた溝１０の他の例を示す断面図である。 第１の実施形態に係る超音波流量計における超音波送受波器の取り付けを示す断面図である。 第１の実施形態に係る超音波流量計における音響整合部の他の形態を示す断面図である。 第１の実施形態の配管の外側に設けた反射防止膜を示す断面図である。 本発明による超音波流量計の第２の実施形態を示す断面図である。 本発明による超音波流量計の他の実施形態を示す断面図である。 本発明の実施形態における配管、音響整合層、および流体を伝搬する超音波の屈折を模式的に示す図である。 （ａ）および（ｂ）は超音波送受波器の他の配置例を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図１４（ａ）および（ｂ）に示す超音波流量計の改良例を示す断面図である。 本発明の実施形態における超音波流量計の測定回路部分の構成例を示す図である。

符号の説明

１ 超音波流量計
２ 配管
３ 超音波送受波器
４ 音響整合部
５ 流体
６ 超音波
７ 取付部
８ 反射抑制部材
５３ 切替回路
５４ 駆動回路
５５ 受波検知回路
５６ タイマ
５７ 演算部
５８ 制御部
３０１ 圧電体
３０２ 電極
３０３ 超音波伝搬体
３０４ 超音波減衰体

Claims (14)

1. 被測定流体が流れる配管と、
   前記配管の外側に設けられた一対の超音波送受波器と、
   前記配管の内側に設けられた音響整合部と、
   前記一対の超音波送受波器の間を超音波が伝播する時間を計測する計測回路と、
   前記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する演算部と
   を備えた超音波流量計。
2. 前記配管は、前記超音波送受波器を被測定流体から遮断している請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記配管のうち、前記超音波送受波器が取り付けられる部分の内径は他の部分の内径から異なる値を有している請求項１に記載の超音波流量計。
4. 前記音響整合部は、前記配管の内壁に堆積された少なくとも１つの超音波整合層を有している、請求項１に記載の超音波流量計。
5. 前記配管のうちの前記超音波送受波器が取り付けられる部分における前記超音波整合層は、他の部分における前記超音波整合層とは異なる大きさに設定されている請求項４に記載の超音波流量計。
6. 前記超音波整合層は、乾燥ゲルから形成されている請求項４または５に記載の超音波流量計。
7. 前記被測定流体は気体である請求項１から６のいずれかに記載の超音波流量計。
8. 前記気体は可燃性または爆発性を有している請求項７に記載の超音波流量計。
9. 一方の超音波送受波器から放射された超音波が前記配管を直接に伝播して他方の超音波送受波器に達することを抑制する構造が前記配管に設けられている請求項１から８のいずれかに記載の超音波流量計。
10. 前記構造は、前記配管に設けられた凹部および／または凸部である請求項９に記載の超音波流量計。
11. 前記超音波の反射を抑制する膜が前記配管の外側に設けられている請求項１から１０のいずれかに記載の超音波流量計。
12. 前記配管は、前記超音波送受波器を前記配管の外側面に固定するためのボルトと係合する凹部を前記外側面に有している、請求項１から１０のいずれかに記載の超音波流量計。
13. 前記超音波送受波器は、前記ボルトと係合するネジ穴を有している、請求項１２に記載の超音波流量計。
14. 内壁に設けられた音響整合部を備え、前記音響整合部が乾燥ゲルから形成された少なくとも１つの音響整合層を有している超音波流量計用配管。