JP2006337313A

JP2006337313A - 超音波流量計

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Publication number: JP2006337313A
Application number: JP2005165334A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Saito; 勇一齋藤; Yasukuni Wakui; 泰邦涌井
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2005-06-06
Filing date: 2005-06-06
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2025-06-06
Also published as: JP4738897B2

Abstract

【課題】気泡の混入を精度良く検出する。
【解決手段】超音波振動子２及び３を交互に送信側及び受信側として、発信回路５から出力される超音波信号の伝播時間を測定する。マイコン４には、流体中の音速と流体の温度との対応表、及び、流体の温度と受信信号レベルとの対応表が記憶されている。マイコン４は、前記伝播時間の測定結果からそのときの音速を算出し、前記音速と温度との対応表からそのときの流体の温度を決定し、その温度に対応する受信信号レベルを求める。前記平滑回路７から出力される実際の受信信号レベルと、測定した音速から決定された温度により求めた受信信号レベルとを比較し、実際の受信信号レベルが異常に低いときには、気泡の混入があったものと検出する。これにより、温度による超音波の吸収特性を考慮して高精度に気泡の混入を検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、伝播時間差法を用いた超音波流量計に関する。

液体の流速または流量を超音波で計測する場合、液体中に気泡が混入すると、測定精度が低下したり、出力をしなくなるという弱点がある。これは、気体の体積弾性率が、液体のそれに比べて４桁も小さいため、音圧によって気泡が収縮・膨張の振動をするため音波は散乱され、音波のエネルギーの一部が気泡によって消散されるためである。通常の使用であれば、常に気泡が混入すると想定されるライン（配管系）に超音波を利用した流量計は使われない。超音波流量計を使用するのは、気泡の混入が稀であるか、他に選択肢がないという場合といえ、多くは気泡が単体で流れてくるか、気泡群として流れてくることとなる。
前述のように、気泡が振動することにより音波のエネルギーの一部が消散するので、気泡群を含む液中では進行音波の減衰は増加し、気泡のない部分と気泡を含む部分との境界では音波を反射する。
音波の反射は一般に２つの媒質の境界で発生し、入射側の媒質の密度と音速をρi、ｃi、透過側の媒質の密度と音速をρo、ｃoとすると、音圧の反射率は、
（ρo・ｃo−ρi・ｃi）／（ρo・ｃo＋ρi・ｃi）
となる。これは密度と音速の積の差が大きいほど反射しやすいことを示している。
例えば、液体が体積比で１０^-4程度の微量の気泡を含むとすると、体積弾性率の平均値は１／２程度まで低下してしまい減衰し、平均の密度も低下するので反射が起きて受信側に到達する超音波は相当に小さなものになってしまう。

図７は、ある超音波流量計を組み込んだ配管における実験の一例を示す図である。ここで、配管径は約５mmで気泡の大きさは１mm以下であるが目視可能な大きさとなっている。
図７の（ａ）は気泡のほとんど無い状態で受信レベルを１００mVに合わせたときの受信波形の一例を示す。図７の（ｂ）は、この配管に容積比で１．７×１０^-3程度の気泡を含ませた流体（水）を流速約０．４m/sで流したときの受信波形の一例であり、（ｃ）は、配管中に容積比率で１０^-3程度の気泡を含ませた流体を流速が約１．２m/sで流したときの受信波形の一例である。
容積比は（ｂ）の場合の方が大きいが、（ｃ）の場合の方が流速が早いので単位時間あたりの気泡の通過量は（ｃ）の方が多い。したがって、（ｃ）の場合の方が（ｂ）の場合よりも受信信号のレベルが低下している。

超音波流量計では発信信号の電圧に比べ、受信信号の電圧が微弱なため気泡混入により超音波が減衰すると、超音波信号を受け取ることができなかったり、到達時間を受信信号の一定の電圧レベル（検波レベル）で測定している場合にズレが生じて誤った到達時間を検出し、精度が低下することがあった。
図８は、この様子を示す図である。図中実線で示すＡは、気泡が混入していないときの受信波形の一例を示し、破線で示すＢは、気泡が混入してレベルが低下した受信波形を示している。この図に示すように、気泡が混入した場合には、受信波形のレベルが低下するため、信号の受信を検出するタイミングにずれが生じてしまうこととなる。

このような気泡の混入を避けるために、超音波流量計に気泡が入らないように上流で気泡を除去する気泡除去装置が提案されている（特許文献１）。この気泡除去装置は従来のものに比べて小型で安価ではあるが、３方切換弁に比べるとまだまだ高価な部類に入る。
また、特許文献２には、気泡の混入を検知して超音波式渦流量計の出力を維持することにより、計測する流量への気泡の影響を除去することが提案されている。
さらに、特許文献３には、気泡の混入を検知したときに、受信信号のレベルを増加させて応急的に流量測定を継続することが提案されている。
特開２００２−１５１４５８号公報特開２００４−１１７２８３号公報特開平０７−１５９２１３号公報実吉純一他２名監修、「超音波技術便覧（新訂版）」、日刊工業新聞社、昭和５９年１２月３０日、ｐ．１２８５−１２８７

上述した従来技術においては、受信信号の電圧を監視することにより液体中に気泡が混入したと判断していた。
しかしながら、超音波の受信信号の電圧は流体の温度によっても変動することが知られている。これは、流体による音波吸収が温度依存性を持っているためである。
図９は、水の超音波吸収の温度変化特性を示す図である（非特許文献１）。ここで、αは吸収率、ｆは周波数を示している。この図に示すように、水温が高くなるほど吸収率は低下している。
したがって、従来のように、受信信号の電圧を監視するだけでは、流体温度の変化による電圧の低下か、気泡の混入による電圧の低下であるかを切り分けることが困難であり、精度よく気泡の混入を検出することができなかった。

そこで、本発明は、気泡混入の判断を正確に行うことができる超音波流量計を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の超音波流量計は、測定管路と、該測定管路を横切るように対向して設けられた１対の超音波送受波器と、制御部と、前記超音波送受波器からの受信信号を平滑する平滑回路と、前記超音波送受波器からの受信信号のゲインを制御するゲイン制御回路と、前記ゲイン制御回路の出力を波形整形する波形整形回路と、前記制御部の制御により超音波信号を出力する発信回路と、前記１対の超音波送受波器の送信と受信を切り替える送受切替回路とを有する超音波流量計であって、前記制御部は、前記１対の超音波送受波器間の伝播時間から音速を算出し、該算出した音速に基づいて、音速と流体温度の関係から流体温度を算出し、該算出した流体温度から対応する受信信号レベルを算出し、該算出した受信信号レベルと前記平滑回路の出力とに基づいて気泡の混入を検出するようになされているものである。
また、前記音速と流体温度の関係を示す対応表と、流体温度と受信信号レベルの関係を示す対応表を記憶する記憶部を有するものである。

このような本発明の超音波流量計によれば、流体温度による超音波の減衰量を把握することができるため、気泡の混入をより高精度に判断することが出来るようになり、システムの信頼性を上げることができる。

図１は、本発明の超音波流量計の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
この図において、１は被測定流体が流れる測定管路、２及び３は超音波送受波器（超音波振動子）、４はマイクロコンピュータなどからなる制御部（以下、「マイコン」と呼ぶ。）、５は超音波信号を出力する発信回路、６は前記超音波送受波器２及び３の送信／受信を切り替える送受切替回路、７は前記超音波送受波器２又は３からの受信波を平滑し、平均電圧レベルに対応する信号を出力する平滑回路、８は前記超音波送受波器２又は３からの受信波のレベルを一定の大きさに制御するゲイン制御回路、９は前記ゲイン制御回路８によって一定の大きさに制御された受信信号をマイコン４が流量を演算できる形に波形整形して出力する波形整形回路である。
非測定流体が流れる測定管路１の両端の外部のそれぞれに、又は、測定管路１と横切るように対向して、１対の超音波送受波器２及び３が設けられている。送受切替回路６を制御することにより、超音波送受波器２及び３から、交互に、超音波信号が送信及び受信される。
前記平滑回路７は、受信波の大きさを常に監視するために、１回の受信波を平滑してその平均電圧レベルに対応する信号をマイコン４に出力する。
前記マイコン４は、流体の温度変化による超音波の減衰などをキャンセルするために、ゲインを可変する制御信号を前記ゲイン制御回路８に出力し、ゲイン制御回路８は、前記超音波送受波器２又は３からの受信波形が一定の大きさに増幅されるように増幅して、波形整形回路９に出力する。前記マイコン４は、例えば、前記平滑回路７からの第１回目の出力に基づいて、ゲイン制御回路８に出力するゲイン制御信号を決定する。
前記マイコン４は、前記発信回路５から信号を発生させた時刻と、前記波形整形回路９から受け取った信号を元に、前記超音波送受波器間の伝播時間を演算し、この伝播時間から流体の流速ｖを求め、測定管路１の断面積を乗算することにより流量Ｑを算する。
この超音波流量計の出力としてはアナログ（１−５Ｖや４−２０ｍＡ）、ディジタル（周波数や積算用パルス）、警報用のオープンコレクタなどによる出力が用意され、通信機能も付加される場合がある。

このような本発明の超音波流量計において、前記マイコン４は、前記超音波送受波器２及び３間の超音波の伝播時間から流体中の音速ｃを求める。
流体温度と音速には流体毎に異なるが、ほとんどの液体で常温付近に一意に関係づけられる範囲がある。図２は、水の音速度ｃの温度変化を示す図である。この図に示すように、例えば、水の音速と温度は０.７〜７３.９５°Ｃの間で一意に決まる関係がある（０.７°Ｃで極小、７３.９５°Ｃで極大となるため）。
そこで、被測定流体の音速ｃと温度の関係を、前記マイコン４に含まれているフラッシュメモリなどに登録しておくことにより、音速を算出することで流体の温度を知ることができる。
また、前述のように、流体中を伝播する超音波の減衰は流体の温度と関係がある。減衰の原因は反射、拡散、吸収など様々な原因があるが、例えば吸収は流体温度との関連があることが知られている（非特許文献１）。
そこで、流体温度と受信信号レベルの関係を実験によって求めておく。
図３は、ある流量計における流体温度と受信信号レベルの関係の一例を示す図である。管路の材質などによっても減衰特性が変化するため、流体温度と受信信号レベルの関係を個々に求めておき、これも、前記マイコン４に含まれているフラッシュメモリなどに記憶しておく。

このように、本発明においては、前記マイコン４に設けられているメモリ中に、流体中の音速と流体温度の関係を示す第１の対応表と、流体温度と受信信号レベルの関係を示す第２の対応表を記憶している。なお、対応表でなくとも、それらに対応する演算式を記憶するようにしてもよい。
このように、求めた音速から流体温度を、流体温度から受信信号レベルの関係付けをしておけば、受信信号レベルが低下したときに流体温度によるものなのか、流体温度以外の要因が関与しているかがわかる。
流体温度以外の受信信号レベルの低下は流体の粘性によっても引き起こされるが、流体毎に音速と流体温度、流体温度と受信信号レベルの関係付けをしておけば、流体の状態による受信信号の低下ということになる。
流体の状態で受信信号に影響するものの筆頭は気泡の混入である。気泡の混入は前述の通り常時あるわけではなく多くは気泡が単体で流れてくるか、気泡群として流れてくるので、継続性がない。継続性がある場合は異常と判断できる。そこで、音速から導かれる受信信号レベルの低下の値よりも、受信信号のレベルが低下したときに気泡が混入したと判断する。
この判断はこのあと気泡が流れ去ったと想定される時間が経過しても受信信号のレベルが低下したままになっていた場合、気泡の継続混入か他の要因により異常が発生したと判断することができる。

図４は、本発明の超音波流量計の動作を示すフローチャートである。
まず、前記発信回路５及び前記送受切替回路６を制御して測定処理を行う（ステップＳ１）。前記送受切替回路６により、例えば、前記超音波送受波器２を送信側、超音波送受波器３を受信側に設定し、前記発信回路５から所定時間幅の超音波パルス信号を所定回数発生させる。そして、前記超音波送受波器３からの受信信号を前記平滑回路７で平滑してそのレベルを検出するとともに、前記発信回路５から超音波パルス信号を出力させたタイミングと波形整形回路９から受信信号の整形出力が出力されるまでの時間の平均値を測定する。次に、前記送受切替回路６により、前記超音波送受波器３を送信側、超音波送受波器２を受信側とするように切り替え、同様に所定回数超音波パルス信号を出力し、伝播時間の平均値を測定する。
次に、ステップＳ２で、前記ステップＳ１で測定した伝播時間に基づいて、音速ｃと流速ｖを求める。
前記超音波送受波器２と３との間の距離をＬ、両超音波送受波器間の伝播遅延時間をＴ1、Ｔ2とすると、
音速ｃ＝Ｌ／２×（１／Ｔ1＋１／Ｔ2）
流速ｖ＝Ｌ／２×（１／Ｔ1−１／Ｔ2）
である。

次に、メモリに記憶されている前記音速と温度との関係を示す第１の対応表を参照し、算出した音速ｃから対応する流体の温度を求める（ステップＳ３）。
そして、前記メモリに記憶されている前記温度と受信レベルの関係を示す第２の対応表を参照し、その温度に対応する受信レベルを求める（ステップＳ４）。
そして、前記平滑回路７から出力される受信信号のレベルとステップＳ４で求めた受信レベルとを比較する（ステップＳ５）。
その結果、実際の受信信号レベルと音速から求めた温度に対応する受信レベルとの差が所定の範囲内（例えば、８０％以内）であるときには、正常範囲内であるとして、前記ステップＳ２で算出した流速ｖに基づく流量データを出力する（ステップＳ６）
一方、正常範囲内ではないとき、例えば、平滑回路７の出力がステップＳ４で求めた受信レベルの８０％よりも低いときには、気泡の混入があったとして、異常処理を行う。すなわち、気泡の混入があった旨の警報出力を出力する。
このように、本発明によれば、流体の音速を測定することにより、流体の温度を求め、該流体の温度による超音波の減衰量を反映させているために、精度よく気泡の混入を検出することができる。

次に、上述のようにして気泡の混入が検出された後の処理について説明する。
ここで、ユーザーの用途によって２つの方法に分けて考えることができる。
１つ目は、ユーザーとしては、少量の気泡が混入し、精度が少々低下したとしても、その気泡の量がシステムに大きな影響を与えない場合である。この場合には、直ちに警報を出力しないで、気泡が抜けるまで出力を維持して、システムを停止しないことを優先する。
例えば、冷却水の流量管理にはタービン式等の安価な流量センサを用いる場合もあるが、可動部のあるタービン式や羽根車式では寿命が短く、稼働率の高い冷却装置には渦式や超音波式の流量計が用いられる。
図５に、冷却水の流量管理を行うシステムの一例を示す。冷却水の流量管理は通常温度をフィードバック源にして流量を変化させて冷却を行う。すなわち、感温体１２の出力で温度式調整弁１３を制御している。この流量管理は冷却水の有無と過大、過小の判断で故障を検知する役目に用いられ、冷却水の流量を厳密に知る必要がない。また、負荷変動により冷却水の温度変化があった後に、温度式調整弁１３が作動して、負荷変動に応じて流量変化が行われるが、冷却水の温度が元の温度に戻るまでは、早いもので数十秒、通常は数分といった時間を要する。従って、気泡が混入した後、すぐに流量計１１より警報が出て、装置が止まってしまうことは適正な動作とは言えない。
この場合、流量計１１の測定管に混入した気泡が抜けるまでの時間的猶予があるので、システムの安定性を重視して、気泡が流れ去ったと想定される時間まで流量の出力を維持することが有効となる。
ここでいう気泡が流れ去ったと想定される時間は、例えば、受信信号のレベルが低下する直前の流量値Ｑと流路断面積Ａから超音波送受波器間距離Ｌを用いて気泡の通過時間Ｔiを、
Ｑ＝ＡＬ／Ｔiより、Ｔi＝ＡＬ／Ｑ
として計算し、Ｔiに多少の余裕（１０〜２０％程度）を持たせた時間とすることができる。
ただし、気泡がＴiより早く抜けたり、気泡が何らかの理由で消滅してしまい、送受信が可能になったときには直ちに測定をして出力の維持を解除することとなる。

２つ目は、気泡の混入が許されない場合である。この場合には、気泡が混入したと判断したときには直ちに流量値の出力を変化させるとともに、流量値の出力とは別に気泡混入専用の出力を変化させて、気泡混入の旨を伝えることが大切である。
例えば、成膜工程などで粘度の高い流体を極微量だけ、塗布してコーティングする場合には気泡がコーティングの膜上に残ってしまうと均一な膜が出来ずに不具合を起こしてしまう。このため、気泡の無い流体を一定流量でノズルから吐出することが要求される。

図６はこのようなコーティングを行うシステムの一例を示す図である。この図において、２１は超音波流量計、２２は３方切換弁、２３は遠隔操作バルブ、２４はタンク、２５は液面センサ、２６はポンプ、２７はノズルであり、図には無いが、これらをコントロールするために制御・演算機能を有するシーケンサやＭＰＵなどの制御機器が存在する。ポンプ２６の吸入側に一定量の液を供給して、ポンプ２６でその一定量を吸入してノズル２７へ送り出すシステムである。
このシステムにおいて、タンク２４に気泡の無い液体を溜める工程を説明する。
１．遠隔操作バルブ２３を開いて液体をタンク２４に導く。
２．タンク２４に導く流体の流量を積算してタンク２４の液量を監視する。
３．超音波流量計２１の測定管を気泡が通過すると、３方切換弁２２を操作して気泡を含んだ液体を排出する。このとき３方切換弁２２を操作して排出している間は積算を止めておく。
４．気泡が排出されたら、再び３方切換弁２２を操作してタンク２４へ液体を導き、積算も再開する。
５．積算の値が規定量になったときに、遠隔操作バルブ２３を閉じる。
これにより、タンク２４には一定量の気泡の無い液体が溜められる。ただし、ポンプ２６の吸入動作中は、遠隔操作バルブ２３が開くことはない。なお、タンク２４へ溜める際には配管から出てくる液体が気泡を巻き込まない工夫がなされている。

本発明の超音波流量計の一実施の形態の構成を示すブロック図である。水の音速度の温度変化特性を示す図である。受信波の温度依存性を示した実験値の例を示す図である。本発明の超音波流量計の動作を説明するためのフローチャートである。本発明の超音波流量計を使用した流量管理システムの一例を示す図である。本発明の超音波流量計を使用した流量管理システムの他の例を示す図である。受信波形の一例を示す図であり、（ａ）は気泡のほとんど無い状態で受信レベルを１００mVに合わせたときの受信波形、（ｂ）は配管中に容積比率で１．７×１０^-3程度の気泡を含ませて、流速が約０．４m/sのときの受信波形、（ｃ）は配管中に容積比率で１０^-3程度の気泡を含ませて、流速が約１．２m/sのときの受信波形を示す図である。受信波形の検波について説明するための図である。水の超音波吸収の温度変化特性を示す図である。

符号の説明

１：測定管路、２，３：超音波送受波器（超音波振動子）、４：制御部（マイクロコンピュータ）、５：発信回路、６：送受切替回路、７：平滑回路、８：ゲイン制御回路、９：波形整形回路

Claims

測定管路と、
該測定管路を横切るように対向して設けられた１対の超音波送受波器と、
制御部と、
前記超音波送受波器からの受信信号を平滑する平滑回路と、
前記超音波送受波器からの受信信号のゲインを制御するゲイン制御回路と、
前記ゲイン制御回路の出力を波形整形する波形整形回路と、
前記制御部の制御により超音波信号を出力する発信回路と、
前記１対の超音波送受波器の送信と受信を切り替える送受切替回路とを有する超音波流量計であって、
前記制御部は、前記１対の超音波送受波器間の伝播時間から音速を算出し、
該算出した音速に基づいて、音速と流体温度の関係から流体温度を算出し、
該算出した流体温度から対応する受信信号レベルを算出し、
該算出した受信信号レベルと前記平滑回路の出力とに基づいて気泡の混入を検出することを特徴とする超音波流量計。
前記音速と流体温度の関係を示す対応表と、流体温度と受信信号レベルの関係を示す対応表を記憶する記憶部を有することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。