JP2006275686A

JP2006275686A - 超音波式流量計測装置

Info

Publication number: JP2006275686A
Application number: JP2005093693A
Authority: JP
Inventors: Tokio Sugi; 時夫杉; Yoshiaki Hashimoto; 美明橋本; Hiroshi Koyanagi; 洋小柳; Fukusei In; 福星殷; Kenji Watabe; 健司渡部; Yoichiro Kitamura; 陽一郎北村
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; National Institute for Materials Science; Tokyo Keiso Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; National Institute for Materials Science; Tokyo Keiso Co Ltd
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】
上流側と下流側の超音波送受信センサ間を伝播する必要かつ十分な超音波信号音だけを有効に測定するために、周囲導管や被測定流体を伝わってくる必要信号音以外の有害音を遮断、除去し、また周囲導管等を従来使用されている高分子材料よりも高強度で変形性状などの経年的変化の殆どない金属製とし、超音波式流量計システムの耐久性、信頼性の向上させ、加えてシステムのコンパクト化および単純明快性を可能とする。
【解決手段】
被測定流体の流路たる導管１または導管の一部あるいはセンサ２、３と導管１との間の部材に、超音波式流量計測装置に使用される周波数２０ｋサイクル以上の帯域の超音波音波に対して減衰係数が１０ｄＢ／ｍ以上である内部損失の大きい金属または合金よりなる超音波減衰材料を使用した。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定流体中を伝播する超音波の伝播時間または周波数変化により流体の流量を測定する超音波式流量計測装置に関する。

流体用の超音波式流量計測定装置は、図１０に示されるように液体または気体の流路となる導管３１の上流および下流の両端あるいは中間の離れた２点に一対または複数対の超音波送受信センサ３２、３３を設け、上流側センサ３２から下流側センサ３３へ、および下流側センサ３３から上流側センサ３２への超音波の伝播時間あるいは伝播した超音波の周波数をそれぞれ測定し、伝播時間の差あるいは周波数変化から流体の流量を求めるものである。

すなわち、上流側センサ３２から下流側センサ３３へ伝播する超音波Ａは、流体の流れに乗って伝播し、逆に下流側センサ３３から上流側センサ３２へ伝播する超音波Ｂは流体の流れに逆らって伝播するので、ＡとＢの伝播時間の差または受信された超音波の周波数の変化から流体の流速が得られ、流速が得られれば流路をなす導管３１の内断面積から流量を求めることができる。

具体的には、伝播時間の差に基づいて流量を求める場合、被測定流体の流速をＶ、静止流体中における超音波の音速をｖとすると、被測定流体の流れ方向における伝播速度V_Ａ＝Ｖ＋ｖと、流れ方向に逆らう方向における伝播速度V_Ｂ＝Ｖ−ｖの和は、
Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｂ＝（Ｖ＋ｖ）+（Ｖ−ｖ）＝２Ｖ
となり、導管３１の内断面積をＳとすると被測定流体の流量Ｑは、
Ｑ＝Ｖ×Ｓ＝（Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｂ）／２×Ｓ
で求めることができる。

したがって上述した流量測定においては、超音波の伝播時間や周波数を正確に求めることが流量測定の精度を向上させる上で極めて重要であり、例えば伝播時間の差に基づいて流量を求める場合には、被測定流体の流れ方向における伝播速度V_Ａと、流れ方向に逆らう方向における伝播速度V_Ｂとを正確に測定する必要がある。

上記伝播速度Ｖ_ＡおよびＶ_Ｂは、一対の超音波送受信センサ３２、３３間における伝播時間から求められるので、被測定流体中を伝播して受信側センサに到達する超音波信号のＳ／Ｎ比が低いと伝播時間を正確に得ることができなくなり、したがって測定流量値の精度低下を招いてしまう。

上述した超音波信号のＳ／Ｎ比を低下させるノイズとしては、外部からの振動や、送信側センサから導管３１を経由して受信側センサに伝達する超音波信号があり、従来から防音や雑音除去のために、周囲導管内壁あるいは流路への吸音材の装着や、周囲導管外壁への振動制御材の装着、周囲導管の一部への制振材料の介在が提案されている（例えば、特許文献１参照）が、それぞれ難点があるか、効果がないかあるいは少ないため、実用化技術が未熟なため超音波式流量計測装置として実際の製品には採用されていない。

上述した周囲導管内壁あるいは流路への吸音材の装着については、流体発生雑音制御や水中音響計測の研究機材や施設などに採用されているが、超音波流量計測装置に適用するには次の難点があり、超音波流量計測装置には採用されない。

すなわち、通気性のある発泡体樹脂、フェルト、グラスウールなどの不織布は流路の抵抗を増したり、被測定流体を汚染したり、耐蝕性、耐久性、信頼性、加工設置に伴う費用効果に難がある上、測定において最も有害な周囲導管内を伝播する音波を吸収することができない。なお、金属性多孔質吸音材は特に流体抵抗が大である。

また、周囲導管外壁への振動制御材の装着については、外壁に装着する振動制御材は周囲導管外壁に密着させて装着する必要があり、主として粘弾性材料が適用される。
粘弾性材料は剪断歪みによって振動エネルギーを吸収するので、幕振動、特に共振系振動の制御に効果が認められるが、周囲導管外壁を縦波で伝播する超音波周波数帯の雑音抑制には効果がないかあるいは少ないことがわかっている。

したがって、周囲導管外壁への振動制御材の装着も超音波式流量計測装置の防音・雑音除去の手段としては採用されていない。
なお振動制御材が金属である場合は、加工、装着、重量増に難があり費用対効果の点でもメリットがないので利用されていない。

そして周囲導管の一部に制振材料を介在させる方策については、周囲導管を直接伝播する音波を遮断することは可能であり、実際の効果を期待することができる。
しかし、制振材料の選定、制御材料を介在させる手段および量などによっては目的の効果がなかったり、減殺されたり、装置としての信頼性を損なうことがあることがわかっている。

なお、従来から制振金属（合金を含む）は振動について内部損失が大であるということが公知であり、機械振動の伝達防止や騒音（可聴周波数範囲音）の低減の目的で使用されているが、組成や製造方法によって金属組織が異なり、そのため、機械的性質、物理的性質、化学的性質のみならず制振性が異なる。

また、制振金属（合金を含む）の振動減衰効果については、現在知られている周波数依存性は殆ど１０ｋサイクル以下であり、少なくとも５０ｋサイクル以上の周波数を有する超音波についての吸音特性（減衰特性）については資料がなかった。

また、周囲導管の一部に制振材料を介在させる方策には次のような大きな欠点がある。
すなわち、制振材料は一対の超音波送受波センサの中間に配置され、周囲導管を伝播する音波を制振材料の部分で遮断することを目的としているが、制振材料ではない周囲導管部分および超音波送受信センサの取付部とその近傍に直接接触している被測定流体には音波が雑音として伝播してしまう。

そのため、周囲導管の一部に制振材料を介在させる方法の場合、超音波送受波センサ取付部およびその近傍にも制振材料を使用しないと十分な効果が得られない。
しかも、制振材料が粘弾性材料の場合、介在させる手段として接着あるいはフランジ継手を用いた圧着などによるが、金属などの材料に比べ強度、シール耐久性、耐圧性などについての経年特性が極端に劣り、信頼性の確保が困難であることがわかっている。

また、制振材料が金属の場合、介在させる手段としては溶接、蝋つけ、圧接あるいはボルト・フランジ継手によるが、この場合、制振性が大きいとされる各種鋳造品、アルミニウム素材及び合金、マグネシウム合金などの金属の制振材料については、有効な介在手段と共に被測定流体の音速または変調周波数測定に用いる周波数の超音波に対する吸音性能の有無について資料がなく、実用化に難がある。

ところで、周囲導管および超音波送受信センサ取付部を制振材料で形成し、超音波送信側センサと受信側センサ間の有害雑音を除去する方策は従来からあり、そのうち最も有効な技術としては、周囲導管および超音波送受信センサ取付部にポリテトラフルオロエチレンなどの高分子材料を使用した超音波式流量計技術である（例えば、特許文献２参照）。

高分子材料は超音波の吸収率が大きい上、被測定流体が液体である場合、この被測定流体に比して音波伝播速度が遅いので必要な超音波信号を有害雑音より先に取得することができるという特長を利用したものであり、音響学的には優れていて、この技術を採用した超音波式流量測定装置は実用に供されている。

しかし、高分子材料は金属材料に比して硬度、強度、伸びなどの機械的性質が劣り、シール特性、経年耐久性などの信頼性確保、コンパクト化などについて難があった。

なお、周囲導管を、耐久性を確保するために、機械的、物理的、化学的性質の優れるステンレス鋼などの金属製とすると、一般に金属を伝播する音波の速度が流体を伝播する場合より速い上、音波の内部損失がほとんどないので、金属製周囲導管を伝播した発信側センサからの超音波が、流体を伝播する超音波すなわち測定に必要な超音波より先に受信側センサに到達して大きな外乱となり必要信号音の測定が不可能となる。

また、従来、有害雑音と必要信号を分離するために、フィルタ、時間遅延回路などの電気信号処理技術を用いて測定精度の向上を計る技術が実用化されているが、複雑かつ高価になる欠点があった。
特開２００１−３１１６３６（第１〜１７頁、図１〜１８）特許第２７９３１３３号公報（第１〜４頁、図１、２）

本発明が解決しようとする課題の一つは、上流側の超音波送受信センサと下流側超音波送受信センサとの間を伝播する必要かつ十分な超音波信号音だけを有効に測定するために、周囲導管や被測定流体を伝わってくる必要信号音以外の有害音を遮断、除去することである。

また二つには、周囲導管等を従来使用されている高分子材料よりも高強度で変形性状などの経年的変化の殆どない金属製とし、超音波式流量計システムの耐久性、信頼性の向上させることであり、加えてシステムのコンパクト化および単純明快性を可能とすることである。

本発明は、超音波式流量計測装置が計測に使用する超音波周波数帯域において超音波減衰性能を持つ金属材料を用いて周囲導管を製作することにより、一対または複数対の送受波器間の測定用超音波信号に対する有害雑音を除去すると共に、超音波式流量計測装置の耐久性、信頼性を向上し、システムの単純化、コンパクト化を実現するものである。

発明者らは、超音波式流量計測装置が使用する範囲の超音波の吸音特性（減衰特性）に優れた金属材料（超音波減衰材料）の周囲導管への適用および実用化について研究を重ねた結果、課題解決に十分有効であるという結論を得た。

すなわち、本発明は、超音波式流量計測装置の周囲導管、周囲導管の一部に超音波式流量計測装置に使用する周波数帯域の超音波音波に対して、内部損失の大きい減衰金属材料を使用することにより、周囲導管等を伝播する有害雑音を受信側センサに到達する前に遮断除去し、被測定流体内を伝播する有効音のみの測定を可能とするとともに、周囲導管等を金属とすることによって超音波式流量計測装置システムの耐久性、信頼性を向上させ、同システムの単純化、コンパクト化を可能とした。

しかして本発明に係る超音波式流量計測装置は、被測定流体の流路を構成する導管に、前記被測定流体の流れ方向に離間して超音波の送受信が交互に行われる１対以上の超音波送受信センサを備え、被測定流体の流れ方向に伝播する超音波と、被測定流体の流れ方向に逆らって伝播する超音波との伝播時間あるいは周波数変化から被測定流体の流量を測定する超音波式流量計測装置において、少なくとも前記１対の超音波送受信センサ間における導管の部分あるいは同センサと導管との間に介在する部材を、超音波減衰材料で構成し、この超音波減衰材料を、周波数が２０ｋサイクル以上の帯域において減衰係数が１０ｄＢ／ｍ以上である金属または合金で構成したものとしてある。

また、前記超音波減衰材料を、周波数が２０ｋサイクル以上の帯域において減衰係数が１００ｄＢ／ｍ以上である金属または合金で構成し、前記導管全体を前記超音波減衰材料で構成したものとしてある。

本発明によれば、少なくとも１対の送受信センサ間において、送信側センサから発信されて導管を伝播する超音波による有害な雑音が超音波減衰材料の部分で吸収・減衰されて受信側センサに伝播されるのが防止され、したがって受信側センサには被測定流体中を伝播した測定対象の超音波がクリアに到達し、鮮明な受信信号に基づいて正確な流量測定を行なうことができる。

以下、本発明に係る超音波式流量計測装置の実施例を添付図面に示す具体例に基づいて説明する。
被測定流体の流路を構成する導管１は、導管の軸線方向と直交する流入口１ａと流出口１ｂを端部寄りに備え、導管１の開口両端部はそれぞれセンサホルダ４によって塞がれ、これらセンサホルダを介して超音波送受信センサ２、３が設けられている。
なお、上記センサホルダ４は例えばステンレス製の有底筒状のものとしてあって、その底部外面が導管１内に接液し、内底部には例えば絶縁性を有するＦＲＰやＣＲＰ等の樹脂よりなる整合部材２ａ、３ａを介在させてセンサ２、３を取り付けてあって、上記整合部材は音響インピーダンスを整合させてセンサからの超音波信号を高効率で導管内に送出し、また導管内から受け取ることができるようにしてある。

上記超音波送受信センサ２、３は、図示を省略した制御回路によって送信と受信が交互に切替えられるものとしてあって、一方の送受信センサから発信された超音波が導管１内を流過する被測定流体内を伝播して他方の送受信センサに受信される構成となっている。

そして、伝播時間差方式の流量測定の場合には、送信側のセンサから受信側のセンサへ伝播する超音波の伝播時間を、被測定流体の流れ方向のものと流れに逆らう方向のものとの両方を測定し、これらの時間差に基づいて被測定流体の流量を得るようになっている。

しかして、前記導管１は超音波を殆ど伝播しない超音波減衰材料で構成してあって、この超音波減衰材料は、周波数が２０ｋサイクル以上の帯域すなわち可聴音波領域を超える周波数帯域において減衰係数が１０ｄＢ／ｍ以上である金属または合金で構成してあり、好ましくは上記減衰係数が１００ｄＢ／ｍ以上である金属または合金としてある。

上記減衰係数は、この減衰係数をα、発信される超音波の音圧をＰ_０、伝播距離をｘ、受信された超音波の音圧をＰ_ｘとすると、
α＝２０ｌｏｇ（Ｐ_０／Ｐ_ｘ）／ｘ（単位はｄＢ／ｍ）
で表される。

なお、例えば減衰係数が１００ｄＢ／ｍとは、長さ２００ｍｍの材料を伝播する超音波の音圧が、１０％にまで減少することを意味している。

各種材料と超音波減衰係数との関係については、例えば室温における２Ｍサイクルの超音波については図２に示される表のとおりであり、同図２の表におけるＭｅｄｉｕｍおよびＨｉｇｈの欄に示される材料のうち、金属または合金のものが本発明の導管の材料として好適である。

また、超音波の周波数と超音波減衰係数との関係については図３に示されるグラフに示されるように、一般に周波数が高くなると減衰係数も大となる傾向が顕著であり、同図３に示された減衰係数によれば本発明に係る装置の導管の材料としてはＭ２０５２合金が最も好適であることがわかる。

上述した構成による本発明の超音波式流量計測装置においては、送信側センサから発信された超音波が被測定流体および導管１に伝わり、被測定流体中を伝播する超音波はそのまま受信側センサに到達するが、導管１においては超音波が吸収・減衰されて導管中を殆ど伝播せず、したがって受信側センサには、有害雑音信号となる導管を経由する超音波は殆ど到達せず、したがって受信側センサにおいては被測定流体中を伝播した有用な超音波のみがクリアに受信される。

したがって、超音波の伝播時間あるいは伝播した超音波の周波数が正確に得られ、信頼性の高い測定結果を求めることができる。

なお、図４(ａ)および図５(ａ)は導管の材料にＭ２０５２Ａ合金を用いた装置による超音波の受信波形を、図４(ｂ)および図５(ｂ)のステンレス製の導管を用いたものと比較して示す測定結果であり、図４は導管内に流体が液体である場合を想定して水を満たしたもの、図５は流体が気体であることを想定して空気を満たしたものであり、流量はいずれも０すなわち被測定流体の流れがない状態である。

図４、５から明らかなように、導管１の材料にＭ２０５２Ａ合金を用いたもの（本実施例）はステンレス製のものに比して測定に有害な雑音が殆どなく、受信波のピークを明確に捉えることができるクリアなものとなっている。

なお、超音波減衰材料の表面に、耐久性向上、防蝕、その他の目的でメッキなどの処理をすることができ、このような表面処理をしても超音波減衰性能が低下するおそれはない。

上述した実施例のものは、導管全体を超音波減衰材料で構成しているが、図６に示されるように流入口５ａと流出口５ｂを備える導管５を被測定流体の上流側部材６と下流側部材７とに分けてステンレス等の一般的に導管として用いられる素材で構成し、各導管部材の相対する端面にフランジ６ａ、７ａを設けてこれらフランジ間に超音波減衰材料８を介在させるように構成する場合もある。

この場合、超音波送受信センサ２、３のうちの発信側センサから出力された超音波が発信側センサの導管部材に伝達しても、上流側と下流側の導管部材６、７間に設けられた超音波減衰材料８において遮断されて受信側センサを備える導管部材には殆ど伝播せず、したがって受信側センサには被測定流体中を伝播したクリアな超音波信号が到達する。

また、上述した実施例のものでは、導管の端部に超音波送受信センサを設けてあるが、図７に示されるように流入口９ａと流出口９ｂを備え、前記超音波減衰材料よりなる導管９の外側に導管の軸線に対して傾斜する線上にて向かい合う１対の超音波送受信センサ２、３を設けるようにする場合もあり、例えば流量が大で口径の大なる導管を流過する被測定流体の流量測定に好適である。

同図７の実施例のものではセンサ２、３をそれぞれ固定治具１０を介して導管９に設けた窓１１、１１まわりの外側に、センサ先端が導管内に臨むように取り付けてある。なお、図７中の符号１２は導管を他の流路管と接続するための接続用フランジを示す。

上述した各実施例のものでは、導管全体あるいは導管におけるセンサ間の一部を超音波減衰材料で構成してあるが、導管を一般的な超音波流量計で採用されるステンレス等の素材のもので構成し、センサと導管との間に超音波減衰材料を介在せしめる場合もある。

具体的には、図８に示されるように流入口１３ａと流出口１３ｂを備える例えばステンレス製の導管１３の開口両端と、この両端を塞ぐセンサホルダ４、４との間に超音波減衰材料１４を介在させる。この場合、センサホルダの外周面と導管の内周面との間には微小な隙間を設けるとともにＯリング等のシール材を介設して、センサホルダ外周と導管内周面との間で超音波の伝達が行われないようにする。

また、図９に示す実施例のものは前述した図７の実施例のものと同様に、導管１５の外側に導管の軸線に対して傾斜する線上にて向かい合う１対の超音波送受信センサ２、３を設けたものであるが、導管１５は流入口１５ａと流出口１５ｂを備える一般的な導管用の素材、例えばステンレス製のものとしてあって、超音波送受信センサ２、３を導管の外側に対向して設けるのでなく、導管の軸線方向に対して同側に間隔をあけて並べて設けてある。

そしてセンサ２、３は前記超音波減衰材料よりなる固定治具１６、１６を介して導管１５に取り付けてある。
かくしてセンサ２、３のいずれか一方から送出される超音波信号は一方の窓１７を経てセンサに対向する導管内面にて反射し、他方の窓から他方のセンサに伝播する。

上述した図９の実施例のものの場合には、導管の径が小であっても超音波の伝播経路の距離をより長く取ることができるので、小流量の測定に好適であり、しかも図７の実施例のものとは異なり導管をステンレス等の一般的な素材のもので構成するので、超音波信号が導管内面で反射する際の減衰が少なくて済むというメリットがある。

本発明に係る装置の実施例を示す縦断面図。各種材料と超音波減衰係数との関係を示す表。超音波の周波数と超音波減衰係数との関係を示すグラフ。導管内に水を満たした状態における超音波の受信波形を示し、(ａ)は導管を超音波減衰材料で構成した実施例のもの、(ｂ)は導管をステンレス製のもので構成した比較例のものをそれぞれ示す。導管内に空気を満たした状態における超音波の受信波形を示し、(ａ)は導管を超音波減衰材料で構成した実施例のもの、(ｂ)は導管をステンレス製のもので構成した比較例のものをそれぞれ示す。本発明に係る装置の他の実施例を示す縦断面図。本発明に係る装置のさらに他の実施例を示す縦断面図。本発明に係る装置のさらに他の実施例を示す縦断面図。本発明に係る装置のさらに他の実施例を示す縦断面図。超音波式流量測定装置の測定原理を説明するための縦断面図。

符号の説明

１導管
２、３超音波送受信センサ
４センサホルダ
５導管
６上流側導管部材
７下流側導管部材
８超音波減衰材料
９導管
１０固定治具
１１窓
１２接続用フランジ
１３導管
１４超音波減衰材料
１５導管
１６固定治具
１７窓

Claims

被測定流体の流路を構成する導管に、前記被測定流体の流れ方向に離間して超音波の送受信が交互に行われる１対以上の超音波送受信センサを備え、被測定流体の流れ方向に伝播する超音波と、被測定流体の流れ方向に逆らって伝播する超音波との伝播時間あるいは周波数変化から被測定流体の流量を測定する超音波式流量計測装置において、少なくとも前記１対の超音波送受信センサ間における導管の部分を、超音波減衰材料で構成し、この超音波減衰材料を、周波数が２０ｋサイクル以上の帯域において減衰係数が１０ｄＢ／ｍ以上である金属または合金で構成してなる超音波式流量計測装置。
被測定流体の流路を構成する導管に、前記被測定流体の流れ方向に離間して超音波の送受信が交互に行われる１対以上の超音波送受信センサを備え、被測定流体の流れ方向に伝播する超音波と、被測定流体の流れ方向に逆らって伝播する超音波との伝播時間あるいは周波数変化から被測定流体の流量を測定する超音波式流量計測装置において、少なくとも前記超音波送受信センサと導管との間に、超音波減衰材料よりなる部材を介在せしめ、この超音波減衰材料を、周波数が２０ｋサイクル以上の帯域において減衰係数が１０ｄＢ／ｍ以上である金属または合金で構成してなる超音波式流量計測装置。
前記超音波減衰材料を、周波数が２０ｋサイクル以上の帯域において減衰係数が１００ｄＢ／ｍ以上である金属または合金で構成してなる請求項１または２に記載の超音波式流量計測装置。
前記導管全体を前記超音波減衰材料で構成してなる請求項１乃至３に記載の超音波式流量計測装置。