JP2006138667A - 超音波流量計および流体漏洩検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度の高い超音波流量計を安価に提供する。
【解決手段】超音波流量計１は、被測定流体６の流路を規定する流路壁２と、流路壁２に固定され、超音波を送受信する１個の超音波センサ４と、流路壁２に設けられ、超音波の伝搬方向を変える変向部３と、超音波センサ４との間で電気信号を送受信する送受信部８と、被測定流体６および流路壁２の一部を伝搬する超音波の伝搬時間を計測する計測部９と、計測部９の信号に基づいて流量を算出する演算部１０とを備えている。
【選択図】図２

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、および当該超音波流量計を備えた流体漏洩検知装置に関している。

図１６は、従来の超音波流量計の主要部の断面を示している。図示されている超音波流量計１は、被測定流体６が流れる流路空間を規定する流路壁２と、流路壁２に固定され、超音波５を送受信する２個の超音波センサ４ａ、４ｂを備えている。流路壁２は、ガスや液体などの被測定流体を流路空間内に閉じ込める構造を有しており、典型的には、円筒または矩形形状を有する管から構成されている。なお、図示されている被測定流体６は、点線矢印で示した方向へ流れている。

このような構成を有する公知の超音波流量計１では、ある動作時間において、超音波センサ４ａから放射された超音波を超音波センサ４ｂで受け取り、その伝搬時間ｔ１を計測する。そして、他の動作時間においては、超音波センサ４ｂから放射された超音波を超音波センサ４ａで受けとり、その伝搬時間ｔ２を計測する。通常、これらの計測を複数回繰り返して実行することにより、伝搬時間ｔ１、ｔ２の各々の平均値を測定値として得ることができる。

超音波センサ４ａと超音波センサ４ｂとの間を伝搬する超音波５の速度（伝搬距離／伝搬時間）は、被測定流体６の流速に応じて変化する。被測定流体６が流れる方向を規定するベクトルと、超音波５の伝搬方向を規定する速度ベクトルとの間の角度が９０°より小さいとき、超音波の伝搬速度は高くなり、両ベクトルのなす角度が９０°よりも大きいとき、超音波の伝搬速度は低くなる。すなわち、伝搬時間ｔ１、ｔ２は、被測定流体６の流れの影響を受けて変化する。この伝搬時間ｔ１、ｔ２を測定することにより、被測定流体６の平均速度を求めることが可能である。更には、被測定流体６の平均速度と流路断面積との積により、流量を求めることが可能となる。

このようなタイプの超音波流量計では、流量の計測を行うために２つの超音波センサ４ａ、４ｂが必要であり、このことが超音波流量計の低価格化を妨げる要因となっていた。また、２つの超音波センサ４ａ、４ｂの間に特性の差異が存在すると、流量測定の誤差が生じるという問題もある。このような問題を解決するためには、超音波センサ４ａ、４ｂの特性管理を厳しく行なうことが必要となる。また、超音波センサ４ａ、４ｂの特性の差異に起因する測定誤差を最小限に抑えるため、送受信回路のインピーダンスを高精度に合わせる必要もある。

上記課題を解決するため、単一の超音波センサで流量の測定を行なう超音波流量計が検討され、特許文献１〜２に開示されている。特許文献１〜２に開示されている超音波流量計は、環状構造の流路を備えており、流体の滞留する部分を利用して流速や流量の測定を可能としている。
特開２００１−１６５７２９号公報 特許第３３４１７２１号明細書

しかしながら、特許文献１〜２に開示されている超音波流量計は、流路の構造が複雑であるため、製造コストが上昇するという問題を有している。また、環状流路を構成するための屈曲部が流路に存在するため、屈曲部で被測定流体の流れが乱れるという問題もある。このような屈曲部により流れの乱れが生じると、測定の精度が大きく劣化してしまう。また、上記の流量計では、流体の滞留する部分における流速が略０（ゼロ）になるとの前提で流量計算を行っているが、実際には、滞留部分でも流速が０にならない。そのため、滞留部分の存在そのものが、流量測定に誤差を生じさせ、正確な流量測定の阻害要因となっている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、単一の超音波センサで精度の高い測定を実現でき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流路空間を規定する流路壁と、前記流路壁に固定され、超音波を送受信する１個の超音波センサと、前記流路壁に設けられた超音波の伝搬方向を変える変向部と、前記超音波センサに接続され、電気信号を送受信する送受信部と、前記被測定流体および前記流路壁の一部を伝搬する超音波の伝搬時間を計測する計測部と、前記計測部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、前記流路壁は、前記被測定流体と前記流路壁との間で超音波の透過効率を向上させる透過効率向上部を有する。

好ましい実施形態において、前記透過効率向上部は、前記被測定流体の音響インピーダンスと前記流路壁の音響インピーダンスとの間の大きさの音響インピーダンスを有する材料から形成されている。

好ましい実施形態において、前記透過効率向上部は、前記流路壁の一部が超音波の入出方向に対して実質的に垂直となるように傾斜した面から形成されている。

好ましい実施形態において、前記流路壁は、超音波を反射または減衰させる部分を有する。

好ましい実施形態において、前記変向部は、前記流路壁の音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有する部分と前記流路壁との界面で超音波を反射させる。

好ましい実施形態において、前記流路壁は、超音波を伝搬させる超音波伝搬部を有する。

好ましい実施形態において、前記変向部は、前記超音波伝搬部と前記流路壁の境界部で超音波を反射させる。

好ましい実施形態において、前記超音波伝搬部は、前記被測定流体の音響インピーダンスと前記流路壁の音響インピーダンスとの間の大きさの音響インピーダンスを有する材料から形成されている。

好ましい実施形態において、前記変向部は、前記被測定流体の移動方向に平行な方向に超音波を反射する傾斜面を有している。

好ましい実施形態において、前記流路壁は、前記超音波センサを前記被測定流体と音響的に結合させ、かつ流体的に分離する流体制御部を有する。

好ましい実施形態において、前記超音波センサは、少なくとも異なる２方向に対して超音波を送受信する機能を有する。

好ましい実施形態において、前記超音波センサの送受信面は、前記被測定流体と接している。

好ましい実施形態において、前記超音波センサの送受信面は、前記流路壁の一部に対向している。

好ましい実施形態において、前記超音波センサの送受信面には音響整合層が設けられている。

好ましい実施形態において、前記超音波センサは、背面負荷材を有する。

好ましい実施形態において、前記超音波流量計は、超音波パルス信号により計測を行う。

好ましい実施形態において、前記超音波流量計は、超音波バースト信号により計測を行う。

本発明による流体漏洩検知装置は、上記いずれかの複数の超音波流量計と、前記複数の超音波流量計の各々からの出力に基づいて流体の漏洩を検知する比較器とを備えている。

本発明の超音波流量計によれば、単一の超音波センサで流体の流量が測定可能であるため、センサ特性の違いによる計測誤差を低減でき、また、測定回路を含む装置の価格を大幅に低減することができる。また、流路構造を複雑なものにする必要が無いため、被測定流体の流れを乱すことなく流量測定が可能になるため、正確な流量測定を実現することがきる。

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１を参照しながら本発明による超音波流量計の第１の実施形態を説明する。

図１に示されている超音波流量計１は、被測定流体が流れる流路空間を規定する流路壁２と、流路壁２に固定され、超音波を送受信する１個の超音波センサ４と、流路壁２に設けられた超音波４の伝搬方向を変える２つ変向部３および超音波伝搬部５を備えている。より具体的には、１個の超音波センサ４が流路壁２の一面に固定されており、流路壁２のうち、超音波センサ４が設けられている部分の壁面に対向する壁面には、流路壁２の一部としても機能する超音波伝搬部５が設けられている。各変向部３は、流路壁２と超音波伝搬部５の境界部で形成されている。

次に、図２を参照しながら、超音波流量計１の構成および動作を、より詳細に説明する。図２は、超音波流量計１のＺＹ平面に平行な断面を示す図である。

図２の例において、被測定流体６は、図２の点線で示される矢印の方向へ移動しているものとする。超音波センサ４から放射された超音波７は、図の実線の矢印で示された径路上を右周りと左回りの２つの方向に伝搬することになる。

本実施形態で使用する超音波センサ４は、送受信部８から入力された電気信号に応答して超音波７を放射し、また、受け取った超音波７を電気信号に変換して送受信部８に出力する。送受信部８には計測部９が接続されており、計測部９は送受信部８からの信号に基づいて、超音波７の伝搬時間を測定する。計測部９には演算部１０が接続されており、演算部１０は、計測部９の出力に基づいて流量を算出する。

流路壁２は、被測定流体６を内部に保持し、外部に漏らさない機能を有している。測定すべき被測定流体６が流路壁２の内部を移動する。本実施形態において、被測定流体６は水である。このような流路壁２は、剛性、化学的安定性、加工性、およびコストなどの観点から、金属または樹脂などの材料から形成されることが好ましい。本実施形態の流路壁２は、ステンレスから形成されている。流路壁２の両端部に存在する開口部は、図示されていない管に接続されている。

本実施形態における流路壁２は、図１に示すように、ＺＸ面に平行な断面が長方形の筒型形状を有している。流路壁２に規定される流路空間は、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向のサイズは、それぞれ、７０ｍｍ、２００ｍｍ、および３０ｍｍである。流路壁２の肉厚は１０ｍｍ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。

図２に示す例では、流路壁２に超音波センサ４を取付けるための孔が設けられており、超音波センサ４の２つの超音波送受信面４０ａ、４０ｂが被測定流体６に接するように流路壁２に取り付けられている。流路壁２の内壁面のうち、超音波センサ４が取り付けられている面に対向する面には、超音波伝搬部５と変向部３とが設けられている。

超音波センサ４における超音波送受信面４０ａ、４０ｂの向きが超音波７の伝搬方向を決めるため、超音波センサ４の向きを高い精度で調節することが好ましい。超音波センサ４の向きを適切な状態で流路壁２に固定するためには、図２に示すように、流路壁２に設ける孔の形状を超音波センサ４の形状に整合させておくことが好ましい。具体的には、図２に示すように直行する２つの超音波送受信面４０ａ、４０ｂに対応する傾斜面を形成するように流路壁２の一部に孔（開口部）を設けている。

図１および図２に示す例では、流路壁２に設けた孔に固定した超音波センサ４の長軸方向がＺＹ平面に垂直となるため、変向部２に設けた孔の傾斜面もＺＹ平面に垂直となることが好ましい。

一方、２つの変向部３を形成する傾斜面（反射面）の１つは、超音波センサ４の一方の超音波送受信面４０ａまたは４０ｂから放射された超音波７を適切に受ける位置に配置される。２つの変向部２の傾斜面のうちの他の１つは、超音波センサ４の他方の超音波送受信面４０ｂまたは４０ａから放射された超音波７を適切に受ける位置に配置される。

このようにして超音波センサ４の向きを決定した後、図２に示すように、被測定流体６が外部に漏洩しないように流路壁２の一部として機能する封止部２１によって封止を行なう。封止は、被測定流体６と化学的に反応しない安定な材料を用いて行なうことが好ましい。流路内部が加圧される場合は、その圧力によって、被測定流体６が外部に漏れることがないように封止材料（例えばゴムや樹脂など）を適宜選択することができる。本実施形態では、エポキシ系の接着剤を用いて封止を行っている。

本実施形態で使用する超音波センサ４は、被測定流体６に接する２つ面４０ａ、４０ｂで超音波の送受波が可能である。このような超音波センサ４は、図３に示す構成を有している。すなわち、超音波センサ４は、直方体の形状を有するように成形された圧電体１１と、圧電体１１のＸ方向に垂直な各端面上に設けられた電極２０とを有しており、圧電体１１はＸ方向に分極している。

圧電体１１は、圧電性を有する材料から形成されており、超音波の送受信効率を高くするためには圧電性能の高い材料から形成されることが望ましい。圧電体材料としては、圧電セラミック、圧電単結晶、圧電高分子などが有効に利用される。本実施形態では、圧電性の高い圧電セラミックであるチタン酸ジルコン酸鉛セラミックスを用いている。電極２０は、電気インピーダンスの低い一般的な金属から形成され得る。本実施形態では銀を用いている。

このような圧電体１１上に設けられた電極２０に電気信号を与えると、その電気信号に応じて圧電体１１が伸縮する。圧電体１１は、分極方向に伸縮するとともに、分極方向に垂直な方向（超音波送受信方向）にも伸縮する。図４は、圧電体１１の分極方向の変位と超音波送受信方向の変位との関係を示すグラフである。図４のグラフの横軸は時間を示し、縦軸は圧電体１１の変位を示している。グラフ中の実線は超音波送受信方向における変位を示しており、点線は分極方向の変位を示している。なお、変位の振幅値は、それぞれの方向における最大振幅値で規格化されている。

図４からわかるように、圧電体１１の伸縮のタイミングは、分極方向の伸縮と超音波送受信方向の伸縮との間には、１／２波長に相当するπラジアンの位相差が生じている。本実施形態では、分極方向（Ｘ方向）に垂直な２つの異なる方向（超音波送受信方向）に圧電体１１が伸縮して放射される超音波を利用し、流量の測定を実行する。

一方、被測定流体６を伝搬してきた超音波が超音波センサ４の送受信面４０ａ、４０ｂに到達すると、超音波に応じた変形が圧電体に発生し、その変形に応じた電位差が一対の電極２０に発生する。このように、本実施形態によれば、超音波センサ４のうち、被測定流体６に接している超音波送受信面４０ａ、４０ｂが交互に超音波の送信および受信を繰り返すことができるので、単一の超音波センサ４を用いて流量測定が可能になる。

超音波送受信面４０ａ、４０ｂは、いずれも、同じ共振周波数を有することが望ましい。後に詳しく説明するように、本実施形態における超音波センサ４では、図２に示す超音波送受信面４０ａから放射された超音波を超音波送受信面４０ｂで受信し、また逆に、超音波送受信面４０ｂから放射された超音波を超音波送受信面４０ａで受信する。超音波の送受信効率を高くするためには、単一の超音波センサ４における圧電体１１の異なる面から放射される超音波の周波数を等しく設定することが好ましい。

同一圧電体１１の異なる超音波送受信面４０ａ、４０ｂにおける共振周波数を等しくするためには、超音波送受信方向における圧電体のサイズを等しくすればよい。共振周波数は圧電体の音速および振動方向のサイズに依存するからである。

本実施形態では、送受信する超音波の周波数を２００ｋＨｚに設定している。圧電体１１の超音波送受信方向におけるサイズが、超音波の１／２波長に等しいとき、強く共振が生じ、効率が高くなる。本実施形態における圧電体１１の材料（チタン酸ジルコン酸鉛セラミックス）の音速は３８００ｍ／ｓであるため、超音波送受信方向における圧電体１１のサイズを、それぞれ、９．５ｍｍに設定している。

一方、圧電体１１の分極方向（Ｘ方向）におけるサイズは、２００ｋＨｚ付近で共振しないように設定されることが好ましく、本実施形態では、６０ｍｍに設定している。超音波を送受信するべき方向以外の方向に共振が生じると、超音波送受信方向における超音波の送受信効率が低下するからである。

再び図２を参照する。

流路壁２の内側面に設けられた超音波伝搬部５は、被測定流体６の内部を伝搬してきた超音波７を効率良く取り込み、変向部３にて方向を変えて超音波伝搬部５の内部を伝搬させる。超音波伝搬部５の内部を伝搬してきた超音波は、変向部３にて方向を変えて効率良く被測定流体６へ放射され、超音波センサ４の位置する方向へ向かうことになる。

このような超音波伝搬部５が超音波７を効率良く取り込むためには、その密度と音速の積で定義される音響インピーダンスが被測定流体６の音響インピーダンスに近いことが望ましい。また、超音波伝搬部５の内部を超音波が伝搬するときに超音波の減衰が生じにくいことが好ましい。

超音波伝搬部５の端部（流路壁２の境界部）に形成される変向部３では、超音波７の反射率が高いことが望ましい。そのため、超音波伝搬部５と流路壁２との間で音響インピーダンスが大きく異なることが望ましい。

本実施形態では、被測定流体６として水を用い、流路壁２としてステンレスを用いている。水は、密度が１．０×１０³ｋｇ／ｍ³、音速が１５００ｍ／ｓであり、音響インピーダンスが１．５×１０⁶ｋｇ／ｍ²／ｓである。ステンレスは、密度が７．９×１０³ｋｇ／ｍ³、音速が５５００ｍ／ｓ、音響インピーダンスが４３．５×１０⁶ｋｇ／ｍ²／ｓである。

ステンレスの音響インピーダンスは、水の音響インピーダンスの約３０倍の大きさを有しているため、超音波伝搬部５の音響インピーダンスとして、水の音響インピーダンスに近い値を設定すると、超音波伝搬部５と流路壁２との間で音響インピーダンスの大きな差が生じる。

本実施形態では、超音波伝搬部５をエポキシ系樹脂から形成している。エポキシ系樹脂は、密度が１．２×１０³ｋｇ／ｍ³、音速が２０００ｍ／ｓ程度であり、音響インピーダンスが約２．４×１０⁶ｋｇ／ｍ²／ｓである。このようなエポキシ樹脂の音響インピーダンスは、水の音響インピーダンスに近く、ステンレスの音響インピーダンスからは大きく離れている。

超音波伝搬部５の作製は、例えば、次のようにして行なうことができる。すなわち、流路壁２において、超音波センサ４に対向する領域内にＸ方向サイズが６０ｍｍ、Ｙ方向サイズが７０ｍｍ、深さ５ｍｍの凹部を形成した後、その凹部内をエポキシ樹脂で埋めこむ。このような凹部は、旋盤などを用いた加工を行なうことにより形成され得る。その後、恒温槽で約８０℃２時間程度の加熱を行なうことにより、樹脂を硬化させ、樹脂からなる超音波伝搬部５の形成を完了する。

超音波伝搬部５と流路壁２との境界で形成される変向部３は、変向部３で反射された超音波７がＺＹ面に平行な方向に伝搬するように、変向部３として機能する凹部側面における傾斜面をＺＹ面に垂直に形成することが好ましい。また、変向部３の傾斜面がＸＹ面に関して形成する傾斜角は、超音波センサ４から放射された超音波７が超音波伝搬部５を介して正確に超音波センサ４へ戻るように決定される。

超音波伝搬部５の内部で超音波７の多重反射が生じると、一方の変向部３から入射してきた超音波７が他方の変向部３に到達する前に、超音波７の一部が被測定流体６に漏洩しやすくなる。このような超音波７の漏洩が生じると、超音波センサ４に到達する超音波７の振幅が低下する。また、漏洩した超音波７の一部が不適切な経路を介して超音波センサ４に到達すると、測定誤差が生じる。このような超音波７の漏洩や、超音波７の減衰は、変向部３の傾斜角を調整することにより、抑制することができる。

超音波伝搬部５のうち、被測定流体６に露出している面の一部は、超音波を反射または減衰させる材料の膜によって被覆されていることが好ましい。このような構成を採用することにより、超音波伝搬部５から被測定流体６への超音波の漏洩を抑制し、高精度な流量測定が可能となる。ただし、このような膜によって変向部３近傍の超音波伝搬部５が覆われると、超音波の入力または超音波伝搬部５からの超音波の出力が効率的に行なえなくなる。このため、少なくとも変向部３が形成されている近傍の領域は、上記の膜で覆わないことが好ましい。

上記の構成を有する超音波流量計１では、１個の超音波センサ４から放射された超音波７が、被測定流体６と流路壁２を含む２つの異なる経路を通って再び超音波センサ４に入射する。このため、１個の超音波センサ４で被測定流体６の流れを乱すことなく、高精度の流量測定が可能となる。

以下、超音波流量計１の測定動作を説明する。

まず、超音波センサ４の電極間にパルス状の電気信号を印加する。この電気信号に応答して超音波センサ４の流体に面した超音波送受信面４０ａ、４０ｂから超音波パルスが被測定流体６に放射される。超音波送受信面４０ａから放射された超音波７は、被測定流体６中を伝搬し、超音波伝搬部５の表面に到達する。超音波伝搬部５の表面に達した超音波７の一部は超音波伝搬部５の内部に侵入し、変向部３で反射され、超音波伝搬部５内をＹ方向に伝播する。その後、超音波７は、もう１つの変向部３で反射され、伝搬方向を変え、超音波伝搬部５の内部から再度、被測定流体６へ放射される。被測定流体６へ放射された超音波７は、超音波センサ４の超音波送受信面４０ｂに到達する。

超音波送受信面４０ｂへ到達した超音波７は、超音波センサ４の電極間に電気信号を発生させるため、送受信部８が電気信号を検知する。一方、超音波送受信面４０ｂから放射された超音波７は、逆の経路で伝搬し、超音波送受信面４０ａへ到達し、送受信部８で電気信号として検知される。

このように本実施形態では、同一の経路を反対回りに伝搬するため、反対回りの径路の各々について、送信から受信までの伝搬時間を計測部９が測定する。演算部１０は、各伝搬時間に基づいて被測定流体６の流速、流量を測定することができる。

次に、伝搬時間と流量の関係を更に詳しく説明する。

ここで、超音波センサ４の超音波送受信面４０ａと、これに対応する変向部３との距離が、超音波送受信面４０ｂと、これに対応する変向部３との距離が等しく、Ｌであると仮定する。また、被測定流体６の流れ方向（Ｙ方向）と超音波７の伝搬経路との間の角度をθ、被測定流体６の流れの速度をｖ、被測定流体６中の音速をｃとする。

超音波７が伝搬する経路のうち、超音波伝搬部５の内部を超音波７が伝搬する時間は、被測定流体６の流れに影響を受けないため、この部分を通過する超音波７の伝搬時間は、超音波伝搬部５を構成する材料の音速および伝搬距離によって定まり、この伝搬時間は既知である。

このため、図２に示すように超音波７の右回り（時計回り）の経路全体についての伝搬時間から、超音波伝搬部５を伝搬している時間を引いた値、すなわち被測定流体６を超音波７が伝搬している時間ｔ１が計測可能である。また、左回り（反時計回り）の経路について、同様に被測定流体６を伝搬している伝搬時間ｔ２が計測可能である。

ここで、ｔ１およびｔ２は、それぞれ、以下の（数１）で表すことができる。

測定されたｔ１およびｔ２の逆数の差をΔｆと定義すると、Δｆを用いて被測定流体６の速度ｖは、以下の（数２）のように表すことができる。

すなわち、図２に示される同一経路を２つの異なる向きに伝搬する超音波の伝搬時間を測定することにより、被測定流体６の速度ｖを測定することが可能になる。ここで求めた速度ｖは、被測定流体６の平均速度である。この速度ｖに対し、流路壁２に囲まれた流路空間の断面積を掛けることにより、流量を求めることができる。

本実施形態の超音波流量計では、パルス状超音波を放射させるために駆動した圧電体に生じる振動の残響が流量測定を困難にする場合がある。すなわち、流量測定のために被測定流体６を伝搬してきた超音波を受けたときに圧電体に生じる振動が、残響による振動とから適切に判別されにくくなる場合がある。このような場合には、放射した超音波の残響がほぼ収まった後に、受信信号の計測を開始することが有効である。具体的には、被測定流体６の速度ｖによって変動する伝搬時間ｔ１、ｔ２を考慮して、計測開始位置を設定することになる。

本実施形態では、パルス状の電気信号を超音波センサ４に与えて発生するパルス状超音波を利用しているが、送受信する超音波の感度を向上させるために、超音波センサ４の共振に周波数を合わせたバースト状の電気信号を利用してもよい。この場合、同一経路を２つの反対周りに伝搬する超音波の間の時間差により、超音波バーストの持続時間が長くなることがある。そうなると、超音波信号が重なり合い、伝搬時間差ｔ１、ｔ２を測定することができなくなる可能性がある。

上記の問題を解決するには、同一径路を異なる向きに伝搬してきた２種類の超音波が重ね合わされた信号の振幅から、伝搬時間差に相当する位相差を読み取ることができる。以下、図５を参照しながら、このような位相差を読み取る方法を説明する。

図５（ａ）は、超音波送受信面４０ａ、４０ｂから放射された超音波の波形を示している。このような波形を有する超音波が所定の伝搬経路を通って超音波送受信面４０ｂ、４０ａに入射すると、入射した超音波は電圧信号として観測される。実際に観測される超音波は、超音波送受信面４０ａ、４０ｂに入射した超音波の重ね合わせである。

前述のように、被測定流体６の流れの影響により、所定経路を逆方向に進行する超音波の伝搬時間に差が生じる。その結果として、観測される超音波の波形に変化が生じることになる。図５（ｂ）は、被測定流体６が静止した状態にあり、同一経路を２つの逆回りに伝搬してきた超音波の伝搬時間に差が無い場合に得られる超音波の波形である。図５（ｂ）の波形の振幅は、異なる向きに伝播してきた超音波に位相差が生じていないため、最大化されている。

図５（ｃ）は、被測定流体６の流量が少なく、受信される超音波の間に僅かの伝搬時間差が生じる場合に得られる波形を示している。図５（ｃ）の波形における振幅は、図５（ｂ）の波形における振幅よりも小さい。図５（ｄ）は、２つの超音波の間の伝搬時間差が大きくなった場合の波形を示している。

このように、受信信号の振幅は、２つの超音波信号の間に生じる伝搬時間差に依存して変化する。図６は、観測される超音波の振幅と伝搬時間差に相関があるため、超音波の振幅を観測することにより流量の測定を行うことが出来る。図６において横軸は伝搬時間差であり、縦軸は受信振幅である。

以上のように、被測定流体６および流路壁２の一部に設けた超音波伝搬部５を、超音波の伝搬経路を逆回りに伝搬する伝搬時間差を用いることにより、単純な流路構成で流体の流れを乱すこと無く、高精度な流速および流量の測定が可能となる。

本実施形態における被測定流体６は水であるが、気体や蒸気などの流速および流量を測定することも可能である。気体や蒸気は、密度が低く、音速が遅い流体（音響インピーダンスが小さい流体）であるため、超音波の送受信効率を高めるためには、超音波伝搬部５は、相対的に音響インピーダンスの小さな材料から形成することが好ましい。このような材料としては、乾燥ゲルが優れている。乾燥ゲルは、ゾルゲル反応によって形成される多孔質体であり、極めて小さい密度および音速を有する。このため、乾燥ゲルから形成した部材を介在させることにより、一般的な液体や固体と気体との界面で効率の高い超音波の透過が可能になる。乾燥ゲルは、無機材料、有機高分子材料などから形成される。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様々な材料を乾燥ゲルとして用いることができる。

［実施形態２］
次に、図７を参照して本発明による超音波流量計の第２の実施形態を説明する。図７は、本実施形態で使用する超音波センサ４の断面構成を示す図である。本実施形態の超音波流量計が実施形態１の超音波流量計と異なる点は、超音波センサ４が、圧電体１１上に形成された音響整合層１２と背面負荷材１３とを備えている点にある。

圧電体１１の音響インピーダンスと被測定流体６の音響インピーダンスとの間に大きな差が存在する場合、超音波の送受信効率が低くなるため、これらの音響インピーダンスの中間的な大きさの音響インピーダンスを有する音響整合層１２を圧電体１１と被測定流体６との間に挿入することが好ましい。

圧電体１１の音響インピーダンスをＺ１とし、被測定流体６の音響インピーダンスをＺ０とするとき、以下の（数３）で示される音響インピーダンスＺ２を持つ材料から音響整合層１２を形成すると、送受信効率が高くなる。

音響整合層１２は、超音波の波長の１／４程度の厚さを有するときに最も高い効果を発揮する。超音波の送受信効率を高くするという観点から、超音波の減衰が少ない材料を用いることが好ましい。

本実施形態における超音波センサ４では、圧電体１１がチタン酸ジルコン酸鉛セラミックスから形成されているので、その密度は７．７×１０³ｋｇ／ｍ³、音速は３８００ｍ／ｓ、音響インピーダンスは３０×１０⁶ｋｇ／ｍ²／ｓである。被測定流体６である水の音響インピーダンスは１．５×１０⁶ｋｇ／ｍ²／ｓであるため、圧電体１１の音響インピーダンスは、水の音響インピーダンスの約２０倍程度になり、両者の間には大きな差異が存在している。このような場合に音響整合層１２を設けることが有効である。

本実施形態の例では、（数３）の関係を満足する音響インピーダンスＺ２は６．７×１０⁶ｋｇ／ｍ²／ｓ程度になる。このような大きさの音響インピーダンスを有する材料としては、例えばセラミック粉末を樹脂と混合し固化させたものを用いることができる。本実施形態では、アルミナ粉末をエポキシ樹脂と混合し、固化したものから音響整合像１２を形成している。この材料の密度は２．２×１０³ｋｇ／ｍ³、音速は２８００ｍ／ｓであるので、音響インピーダンスは６．２×１０⁶ｋｇ／ｍ²／ｓとなる。この音響インピーダンスは、上記の音響インピーダンスの最適値に極めて近い。音響整合層１２の厚さは、超音波の１／４波長となるように３．５ｍｍに設定している。音響整合層１２はエポキシ系接着剤によって圧電体１１に固着されている。

背面負荷材１３は、圧電体１１の背面側に伝搬する超音波を減衰させ、それによって周波数の広帯域化を実現する機能を発揮する。背面負荷材１３としては、音響インピーダンスが圧電体１１の音響インピーダンスに近く、超音波の減衰が大きい材料から形成されることが好ましく、金属フィラーをゴムと混練りして成形したものなどが好適に用いられる。本実施形態では、タングステン粉をゴムと混合し、固化したものから背面負荷材１３を形成している。この材料の密度は４．０×１０³ｋｇ／ｍ³、音速は２０００ｍ／ｓ、音響インピーダンスは８．０×１０⁶ｋｇ／ｍ²／ｓである。このような材料は特に超音波の減衰が大きいため、背面負荷材１３の材料として好適に用いられる。背面負荷材１３はエポキシ系接着剤によって圧電体１１に固着されている。

音響整合層１２および背面負荷材１３の両方を圧電体１１に固着する必要はなく、音響整合層１２および背面負荷材１３の一方のみを圧電体１１に固着してもよい。

ただし、２つの方向へ放射する超音波の周波数特性が同じになるように、音響整合層１２および背面負荷材１３の材料および構造を設定する必要がある。例えば、２つの超音波送受信面の一方にのみ音響整合層１２を配置することは好ましくなく、音響整合層１２および背面負荷材１３の配置は２つの方向に関して対称的であることが望ましい。

［実施形態３］
次に、図８を参照して本発明による超音波流量計の第３の実施形態を説明する。本実施形態の超音波流量計が実施形態１の超音波流量計と異なる点は、超音波センサ４と被測定流体６との間に流体制御部１４を設けている点にある。

図８に示される超音波センサ４は、流路壁２の内壁面に凹凸を形成しないように、流路壁２の内壁面よりも被測定流体６の側に突出していない。このため、超音波センサ４と流路とを流体的に連通しないよう分離し、かつ超音波送受信を損なわないように流体制御部１４が配置されている。このような構成によれば、被測定流体６の流れを乱すことなく、流量測定が可能となるため、流体の乱れによる測定誤差を低減することできる。

本実施形態では、流体制御部１４として金属製のメッシュを用いているが、流路壁２に形成された凹部と流体制御部１４とによって囲まれた空間は、乾燥ゲルなどの低音響インピーダンス材料で埋められてもよい。

［実施形態４］
次に、図９を参照して本発明による超音波流量計の第４の実施形態を説明する。本実施形態の超音波流量計が実施形態１の超音波流量計と異なる点は、流路壁２に超音波伝搬部５を設けていない点にある。

被測定流体６に圧力が殆ど加わらず、また、流体に可燃性や爆発性が無く安全である場合、樹脂などの音響インピーダンスが低い材料から形成された流路壁２を用いることができる。そのような場合には、超音波伝搬部５を流路壁２の表面に設けなくとも、被測定流体５から直接に流路壁２に超音波を高い効率で透過させることができる。このため、より簡単な構成で超音波流量計を構成でき、コストの低減に役に立つ。

図９に示す構成では、流路壁２のうち、超音波センサ４と対向する部分の外側に細い溝が形成されており、この溝が変向部３として機能する。変向部３として機能する溝は、数μｍ程度以上の幅を有していれば、超音波の進行方向を変える機能を十分に果たす。この溝の幅や形状は、流路壁２の強度や加工精度に基づいて適宜変更され得る。

変向部３で超音波の反射率は、流路壁２と変向部３との間に発生する音響インピーダンスの差に依存して決まり、変向部３の傾斜面（溝の内壁面）の傾斜角度を調節することにより、超音波の反射方向を決定することができる。

変向部３における超音波の反射効率を向上させ、超音波送受信感度を高くするため、変向部３を形成している溝の内部を埋めている材料（本実施形態では空気）と流路壁２との間で音響インピーダンスが大きく異なることが望ましい。このような観点から、溝の内部を音響インピーダンスの低い乾燥ゲルのような材料などで充填してもよい。また、流路壁２が樹脂などから形成されている場合には、金属などの音響インピーダンスの高い材料で溝の内部を充填しても良い。

変向部３の反射面（溝の内壁面）の角度は、前述のように、流路壁２の内部を伝搬する超音波に多重反射が生じないように設定されることが好ましい。

変向部３の構成は、図９に示す溝に限定されるものではなく、音響インピーダンスと反射面角度の条件を満足すれば、他の形態を有していてもよい。例えば、流路壁３のうち変向部３として機能させる部分の音響インピーダンスを他の部分の音響インピーダンスから異なるようにすればよい。変向部３として機能する溝を形成する場合は、反射面の角度を適切に設定すれば、Ｖ字溝を用いても良い。

［実施形態５］
次に、図１０を参照して本発明による超音波流量計の第５の実施形態を説明する。本実施形態の超音波流量計が実施形態４の超音波流量計と異なる点は、被測定流体６から流路壁２の超音波の入射面を超音波の伝搬経路に対してほぼ直角となるように構成した透過効率向上部１５を設けている点にある。

被測定流体６から流路２への超音波の入射角度は、超音波の透過効率に影響を与える。この角度を最適化することにより、超音波の透過効率を向上することができ、精度の高い測定が可能となる。一般に、超音波が流体から固体へ透過する場合、透過効率は入射角度が９０度の時に最も大きくなる。このため、図１０に示すように流路壁２の内壁面の一部に傾斜部を設け、超音波７の伝搬経路に対して配管壁２の向きに略垂直となるようにしている。この傾斜部が透過効率向上部１５として機能する。

透過効率向上部１５の影響により、被測定流体６の流れが乱れる場合がある。このため、被測定流体６の流れの乱れを抑制できるように透過効率向上部１５の形状を設計することが好ましい。

透過効率向上部１５には、被測定流体６と流路壁２との間で音響的な整合性を高めるように、音響整合層を配置してもよい。音響整合層は、音響インピーダンスが段階的に変化する多層構造を有していもよい。それにより、被測定流体６から流路壁２への超音波の透過効率を更に高めることができ、より精度の高い流量測定を可能にする。

［実施形態６］
次に、図１１を参照して本発明による超音波流量計の第４の実施形態を説明する。本実施形態の超音波流量計が実施形態１の超音波流量計と異なる点は、超音波センサ４の送受信面４０ｃ、４０ｄが、略平行であり、超音波センサ４から放射された超音波が流路壁２を伝播してから被測定流体６に入射する点にある。

図１１に示す構成によれば、超音波センサ４の超音波送受信面４０ｃから放射された超音波は、超音波送受信面４０ｄで受け取られ、その伝播に要した伝搬時間が測定される。一方、超音波送受信面４０ｄから放射された超音波は、超音波送受信面４０ｃで受け取られ、その伝播に要した伝搬時間が測定される。

本実施形態では、図１２に示すような構成を有する超音波センサ４を用いている。すなわち、この超音波センサ４は、圧電体１１の平行な２面（超音波送受信面４０ｃ、４０ｄ）上に電極を設け、圧電体１１は厚さ方向に分極されている。

このような超音波センサ４を流路壁２の凹部内に設置し、圧電体１１の分極方向を被測定流体６の流れ方向に一致させる。圧電体１１と流路壁２とは、超音波の伝搬効率が高くなるように密着していることが好ましい。本実施形態では、圧電体１１上の電極表面にエポキシ樹脂を塗布した超音波センサを、流路壁２に設けた溝に挿入した後、加熱により、エポキシ樹脂を硬化させ、超音波センサ４を流路壁２に固着させている。

本実施形態では、超音波センサ４と流路壁２とを接着剤を介して密着させているが、超音波センサ４と流路壁２との間には何も介在させず、直接的に密着させてもよい。このような形態での密着が困難な場合は、圧電体１１の音響インピーダンスと流路壁２の音響インピーダンスの中間的な大きさの音響インピーダンスを有する材料を介して圧電体１１と流路壁２とを密着させてもよい。

本実施形態では、圧電体１１が被測定流体６に露出していないため、被測定流体６の漏洩の危険性が極めて低い。このため、本実施形態の構成は、被測定流体６が可燃性や有毒性を有する流体である場合に好適に採用される。また、流体の流れを乱す凹凸が流路内に形成されないため、高精度な流量測定が可能となるという利点もある。

超音波の送受信効率を更に高くするためには、流路壁２から被測定流体６に超音波が入射する領域に、流路壁２の音響インピーダンスと被測定流体６の音響インピーダンスの中間的な大きさの音響インピーダンスを有する材料からなる層（音響整合層）を設けても良い。このようにすることにより、超音波の透過効率を高くし、高精度な流量測定が可能となる。

流路壁２のうち、超音波センサ４に対向する面の一部（超音波反射領域）は、超音波を高い反射率で反射することが好ましいが、それ以外の部分は超音波を反射しにくい材料で構成されていることが好ましい。具体的には、超音波反射領域以外の領域は、超音波を減衰させる層で覆うことが好ましい。このような層を設けることにより、所定の経路以外を伝搬する超音波を低減して、高精度な流量測定が可能となるものである。

上述のように、本実施形態の超音波流量計では、変向部３を流路壁２に設けた溝によって形成しているが、図１３に示す本実施形態の改変例のように、流路壁２の外側に形成した段差部によって変向部３を形成してもよい。

図１４は、流路壁２のうち、被測定流体と接する内壁面の一部に前述した超音波減衰部を設けるとともに、超音波の不要な反射を抑制するための伝搬部や透過部を超音波の経路上に配置した構成例を示している。伝搬部や透過部は、界面に生じる音響インピーダンスの変化を緩和する音響整合部材であり、その音響インピーダンスや層厚の選択は、前述した通りである。図１４の実施例においては、透過部として図１０に示したような透過効率向上部を用いてもよい。超音波センサの取付けられている流路壁の形状を超音波の伝搬方向と直交するようにする事も有効である。

［実施形態７］
図１５は、上記いずれかの超音波流量計１を備えた流体漏洩検出装置の構成例を示している。図１５に示される流体漏洩検出装置は、複数の超音波流量計１と、配管１７と、二つの超音波流量計の流量値を比較するコンパレータ１８と、コンパレータ１８に接続された警報装置１９とを備えている。

被測定流体は配管１７および超音波流量計１の内部を移動し、その流量が各超音波流量計１によって測定される。測定された流量値はコンパレータ１８で比較され、２つの超音波流量計１で測定された流量値が異なるとき、コンパレータ１８は、２つ超音波流量計１の間の配管１７で流体漏洩が発生したと検知し、漏洩信号を警報装置１９へ送信する。本発明によれば、高精度な流体漏洩検出装置を安価に提供することができる。

本発明の超音波流量計によれば、液体、気体、蒸気などの流体を高精度に測定できるため、従来の流量計を代替する装置としての普及が見込まれる。

本発明の実施形態１における超音波流量計の斜視図である。 実施形態１における超音波流量計の断面図である。 実施形態１における超音波センサ４の構成を示す図である。 圧電体１１の分極方向の変位と超音波送受信方向の変位との関係を示すグラフである。 （ａ）は、超音波送受信面４０ａ、４０ｂから放射された超音波の波形図であり、（ｂ）から（ｄ）は、受信された超音波の波形図である。 伝搬時間差と受信振幅との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態２における超音波センサの断面図である。 本発明の実施形態３における超音波流量計の断面図である。 本発明の実施形態４における超音波流量計の断面図である。 本発明の実施形態５における超音波流量計の断面図である。 本発明の実施形態６における超音波流量計の断面図である。 実施形態６における超音波センサの構成を示す図である。 実施形態６における超音波流量計の改変例を示す断面図である。 実施形態６における超音波流量計の改変例を示す断面図である。 本発明による流体漏洩検出装置の構成例を示す図である。 従来の超音波流量計を示す断面図である。

符号の説明

１ 超音波流量計
２ 流路壁
３ 変向部
４ 超音波センサ
５ 超音波伝搬部
６ 被測定流体
７ 超音波
８ 送受信部
９ 計測部
１０ 演算部
１１ 圧電体
１２ 音響整合層
１３ 背面負荷材
１４ 流体制御部
１５ 透過効率向上部
１６ 流体漏洩検出装置
１７ 配管
１８ コンパレータ
１９ 警報装置
２０ 電極
４０ａ 超音波送受信面
４０ｂ 超音波送受信面

Claims (19)

1. 被測定流体が流れる流路空間を規定する流路壁と、
   前記流路壁に固定され、超音波を送受信する１個の超音波センサと、
   前記流路壁に設けられた超音波の伝搬方向を変える変向部と、
   前記超音波センサに接続され、電気信号を送受信する送受信部と、
   前記被測定流体および前記流路壁の一部を伝搬する超音波の伝搬時間を計測する計測部と、
   前記計測部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. 前記流路壁は、前記被測定流体と前記流路壁との間で超音波の透過効率を向上させる透過効率向上部を有する請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記透過効率向上部は、前記被測定流体の音響インピーダンスと前記流路壁の音響インピーダンスとの間の大きさの音響インピーダンスを有する材料から形成されている請求項２に記載の超音波流量計。
4. 前記透過効率向上部は、前記流路壁の一部が超音波の入出方向に対して実質的に垂直となるように傾斜した面から形成されている請求項２に記載の超音波流量計。
5. 前記流路壁は、超音波を反射または減衰させる部分を有する請求項１に記載の超音波流量計。
6. 前記変向部は、前記流路壁の音響インピーダンスよりも小さい音響インピーダンスを有する部分と前記流路壁との界面で超音波を反射させる請求項１に記載の超音波流量計。
7. 前記流路壁は、超音波を伝搬させる超音波伝搬部を有する請求項１に記載の超音波流量計。
8. 前記変向部は、前記超音波伝搬部と前記流路壁の境界部で超音波を反射させる請求項７に記載の超音波流量計。
9. 前記超音波伝搬部は、前記被測定流体の音響インピーダンスと前記流路壁の音響インピーダンスとの間の大きさの音響インピーダンスを有する材料から形成されている請求項７に記載の超音波流量計。
10. 前記変向部は、前記被測定流体の移動方向に平行な方向に超音波を反射する傾斜面を有している請求項１に記載の超音波流量計。
11. 前記流路壁は、前記超音波センサを前記被測定流体と音響的に結合させ、かつ流体的に分離する流体制御部を有する請求項１に記載の超音波流量計。
12. 前記超音波センサは、少なくとも異なる２方向に対して超音波を送受信する機能を有する請求項１に記載の超音波流量計。
13. 前記超音波センサの送受信面は、前記被測定流体と接している請求項１に記載の超音波流量計。
14. 前記超音波センサの送受信面は、前記流路壁の一部に対向している請求項１に記載の超音波流量計。
15. 前記超音波センサの送受信面には音響整合層が設けられている請求項１に記載の超音波流量計。
16. 前記超音波センサは、背面負荷材を有する請求項１に記載の超音波流量計。
17. 前記超音波流量計は、超音波パルス信号により計測を行う請求項１に記載の超音波流量計。
18. 前記超音波流量計は、超音波バースト信号により計測を行う請求項１に記載の超音波流量計。
19. 請求項１から１８のいずれかに記載の複数の超音波流量計と、
    前記複数の超音波流量計の各々からの出力に基づいて流体の漏洩を検知する比較器と、
    を備える流体漏洩検知装置。