JP2007178244A - 超音波流量計および超音波流量計に用いるくさび - Google Patents

Abstract

【目的】 配管表面の温度が高いものであっても、より正確な流量の計測に寄与する超音波流量計を提供する。
【構成】 超音波送信手段と超音波エコーを受信する受信手段とを一体に形成してトランスデューサ(20)とする。被測定流体(11)に係る流体配管(10)の外壁面に対して前記超音波送信手段(トランスデューサ20)を固定するためのくさび(30)を設け、そのくさび(30)は、黒鉛を焼結させて成型して形成する。また、流体配管(10)の外壁面から内壁面に通過する距離が入射する超音波の半波長の整数倍であり、くさび(30)におけるトランスデューサ(20)から流体配管(10)の外壁面に至る距離が、入射する超音波の半波長の整数倍となるように形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、配管の表面温度が高温となる場合における当該配管内の流体の流速を測定する場合に生じる問題点を解決可能な、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、特許文献１に記載される技術である。

特開２０００−９７７４２号

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デ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。

超音波流量計においては、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。

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）とを一つの超音波発信受信装置として提供することが多い。超音波の発振装置とその超音波の反射波を受信する装置とを別々に用意した超音波流量計では、それぞれを流体配管へ厳格な位置決めをして取り付けなければならないが、超音波発信受信装置として提供された超音波流量計では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。

さて、測定精度が高い超音波流量計を、原子力発電所の設備配管に用いようとする場合、以下のような技術が提供されている。例えば、特許文献２、特許文献３に記載される技術である。

特開平１１−２３０８０１号

特開２００１−１４１５３４号

特許文献２に記載された技術は、測定管の外表面に放熱フィンを設けることで、超音波流量計における超音波振動子が耐えられる温度に下げる技術である。
また、特許文献３に記載された技術は、配管表面と超音波振動子との間に冷却用空間を設けるとともに、その冷却用空間を水冷などによって超音波振動子が耐えられる温度に下げることを意図した技術である。

しかしながら、このような環境でくさびの材質として通常選択されるエンジニアリングプラスチックは、温度によって通過する超音波の音速が大きく異なってしまうことが判明した。温度が低い部位では音速が速くなるのである。すなわち、配管表面に接している摂氏220度の部位と、トランスデューサに到達する摂氏100度以下の部位との間には、異なる音速を有する部材がいくつもの複雑な層をなしていることと同じである。

音速と密度の積で表される音響インピーダンスが異なる部材の界面では超音波が反射、屈折することは良く知られているが、温度勾配により音速が変化する部材中でもこれと似た現象が予想される。このため、図５に示すように超音波振動子から発信された超音波の入射角度が楔の設置角度と異なり、正確に流速分布が測定できない。

本発明が解決しようとする課題は、配管表面の温度が高いものであっても、より正確な流量の計測に寄与する技術を提供することである。
請求項１に記載の発明の目的は、配管表面の温度が高いものであっても、より正確な流量の計測に寄与する超音波流量計を提供することである。
請求項２から請求項４に記載の発明は、配管表面の温度が高いものであっても、より正確な流量の計測に寄与する超音波流量計用のくさびを提供することである。

（請求項１）
請求項１記載の発明は、 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスデューサから測定線に沿って流体配管(10)内の被測定流体(11)中へ入射させる超音波送信手段(20)と、 被測定流体(11)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超音波流量計に係る。その超音波流量計においては、超音波送信手段と超音波エコーを受信する受信手段とを一体に形成する。
そして、被測定流体(11)に係る流体配管(10)の外壁面に対して前記超音波送信手段(20)を固定するためのくさび(30)を設け、 そのくさび(30)は、黒鉛を焼結させて成型して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。
両者とも、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスデ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。

「成型」については、超音波の伝達に妨げとならない表面コーティングは可能である。
焼結および成型において必要であれば、バインダーを混入する。「バインダー」についても、超音波の伝達に妨げとならないことが条件である。たとえば、黒鉛繊維を形成してはならない。メッシュ構造が超音波を遮断してしまうからである。

（作用）
黒鉛は、図２に示すように、摂氏25度から摂氏230度まで、ほとんど音速が変化しない。したがって、黒鉛を焼結させて成型して形成したくさびも、摂氏230度の配管表面に設置しても、均質な材質として流速分布の測定が可能である。したがって、原子力発電設備などにある配管表面の温度が高いものであっても、より正確な流量の計測に寄与する超音波流量計として用いることができる。

（請求項２）
請求項２記載の発明は、請求項1に示す超音波流量計に用いるくさびであって、黒鉛を焼結させて成型して形成したことを特徴とする。

（作用）
本請求項に係るくさびは、原子力発電設備などにある配管表面の温度が高いものであっても、より正確な流量の計測に寄与する超音波流量計に採用できる。
くさびは、超音波送信手段による超音波の入射角度を決定する部材であるので、複数種類を用意しておき、現場において適切なものを選択して用いる、という使い方が一般的である。したがって、数種類のくさびを黒鉛を焼結させて成型して形成したものとして準備してあれば、現場での設置作業やその後の測定作業を効率化することに寄与する。

（請求項３）
請求項３記載の発明は、被測定流体に係る流体配管に対して前記超音波送信手段を固定するための固定部と、 その固定部に固定された超音波送信手段から流体配管の外壁面に至る超音波伝達部とを備え、 その超音波伝達部は、黒鉛を焼結させて成型して形成したことを特徴とするくさびである。

請求項２に係るくさびとの相違点は、次の点である。すなわち、均質な材質として形成された請求項２に係るくさびに対し、請求項３に係るくさびは、超音波の経路となる部位のみを黒鉛としたのである。
このようなくさびとすれば、設置すべき環境や条件に合わせて、より適切なくさびを形成することができる。例えば、振動する配管に固定しなければならないような場合、超音波の経路となる部位以外の部位を黒鉛よりも強度の高い材質（例えば金属）などを採用することができる。

（請求項４）
請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３のいずれかに記載したくさびを限定したものである。
すなわち、流体配管の外壁面から内壁面に通過する距離が入射する超音波の半波長の整数倍であり、当該くさびにおける前記超音波送信手段から流体配管の外壁面に至る距離が、入射する超音波の半波長の整数倍となるように形成したことを特徴とする。

流体配管(10)の管壁を通過する距離Ｌｘ２を、発信周波数の半波長（λ／２）の整数倍とするために、超音波送信手段(20)の発信周波数を調整する必要がある。
このように超音波送信手段(20)の発信周波数を調整する。そして、この発信周波数に合わせて、くさび(30)の距離Ｌｘ１を、半波長の整数倍とするように調整する。すると、透過率が飛躍的に良くなる。
なお、Ｌｘ１の距離は、できる限り小さい方がくさび(30)内での超音波の減衰を抑制できる。

請求項１に記載の発明によれば、配管表面の温度が高いものであっても、より正確な流量の計測に寄与する超音波流量計を提供することができた。
請求項２から請求項４に記載の発明によれば、配管表面の温度が高いものであっても、より正確な流量の計測に寄与する超音波流量計用のくさびを提供することができた。
特に請求項４に記載の発明によれば、Ｌｘ１、Ｌｘ２を通過する際の透過率を上げることができる。すなわち、くさびと配管壁面の両方を効率よく透過させ、より正確な流量の計測に寄与する。

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から図５である。図１は、本発明の全体を示す概念図である。図２は、黒鉛を含むいくつかの材質における温度と音速との関係を示す図である。図３は、くさびにおける寸法比を示すための概念図であり、図４は、黒鉛からなる超音波伝達部と別部材からなる超音波振動子固定部を備えたくさびを示す図であり、図５は、温度勾配に起因する音速の変化と、それによる入射超音波の屈折の説明図である。

（図１）
図１は、被測定流体１１が流れる流体配管１０の流量を計測するための超音波流量計において、被測定流体１１に入射された超音波パルスの測定領域から反射された超音波エコーを受信する受信機を兼ねた超音波送受信手段（トランスデューサ２０）を備える様子を示す。そのトランスデューサ２０は、樹脂製のくさび３０にて配管１０の所定箇所に固定されている。

トランスデューサ２０は、被測定流体１１に対して測定線に沿って所要周波数（基本周波数）の超音波パルスを送信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を兼ねている。そして、図示は省略するが、その流速分布に基づいて被測定流体の流量を時間依存で求める流量演算手段としてのマイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ等のコンピュータと、このコンピュータからの出力を時系列的に表示可能な表示装置とに接続されている。

また、トランスデューサ２０には、トランスデューサ２０を加振させる信号発生器としての加振用アンプを備えており、加振用アンプから所要の基本周波数のパルス電気信号が超音波トランスデューサへ入力されるようになっている。そして、パルス電気信号の印加により基本周波数の超音波パルスが測定線に沿って発振せしめられる。超音波パルスは、パルス幅５mm程度で拡がりをほとんど持たない直進性のビームである。

トランスデューサ２０は、発振された超音波パルスが流体１１中の反射体（例えば「気泡」であるが図示は省略している）に当って反射される超音波エコーを受信するようになっている。
トランスデューサ２０にて受信された縦波による超音波エコーは、トランスデューサ２０が兼ねた反射波レシーバにて受信され、その反射波レシーバにてエコー電気信号へ変換される。このエコー電気信号は、増幅器で増幅された後、ＡＤ変換器を通ってデジタル化される。そして、デジタル化されたデジタルエコー信号が流速分布計測回路を備えた流速計算装置に入力される。

図４は、前記超音波送信手段を固定するための固定部と、超音波伝達部とを備え、その超音波伝達部は、黒鉛を焼結させて成型して形成したくさびを図示したものである。基本的な構成は図１に示したものと同様であるが、超音波送信手段を固定する固定部が黒鉛とは異なる部材からなる点で相違している。

（図２）
図２には、本実施形態に係るくさびの材質である黒鉛、複数のエンジニアリングプラスチック、アルミニウムの温度を変化させ、そのときの音速を計測したものである。
例えば、アルミニウムは摂氏１５０度以上で安定しているものの、摂氏１５０度までは音速が下がり続けている。
また、他のエンジニアリングプラスチックは、温度が上がると、少しずつであるが音速が下がり続けている。

しかしながら、黒鉛については、図２に示すように、摂氏２５度付近から摂氏２３０度くらいまでほとんど音速が変化しない。
したがって、くさび全体、または超音波の通路となる部位に黒鉛を採用することで、温度勾配の生じてしまう環境であっても正確な流速分布の計測を可能とするのである。

図３には、くさびにおけるトランスデューサから配管表面までの距離（Ｌｘ１）と、配管表面から被測定流体までの距離（Ｌｘ２）との関係を図示している。
超音波の周波数は、距離Ｌｘ２において、トランスデューサ２０による超音波周波数の半波長の整数倍になるように設定する。換言すれば、流体配管１０のスペック（材質や肉厚）が決まっていれば、その管壁を通過する距離Ｌｘ２も決定する。

その実際の手順としては、まず、配管肉厚を求める。これは、実測するか、配管スペックにて把握すればよい。
次に、トランスデューサ２０による超音波の入射角度、くさび３０や配管の材質などから、距離Ｌｘ２を算出する。
そして、そのＬｘ２が入射する超音波周波数の半波長の整数倍になるように、トランスデューサ２０が発振する超音波の周波数を決定する。その決定した周波数を用いて、半波長の整数倍となるようにＬｘ１を決定する。
なお、くさび３０内では超音波が減衰するので、このＬｘ１をできるだけ小さな距離となるようにして超音波の減衰を抑制することが一般的である。

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。

超音波の経路を示す概念図である。 黒鉛を含むいくつかの材質における温度と音速との関係を示す図である。 くさびにおける寸法比を示すための概念図である。 黒鉛からなる超音波伝達部と別部材からなる超音波振動子固定部を備えたくさびを示す図である。 温度勾配に起因する音速の変化と、それによる入射超音波の屈折の説明図である。

符号の説明

１０ 流体配管 １１ 被測定流体
２０ 超音波送受信手段（トランスデューサ）
３０ くさび ３１ 超音波送信手段固定部 ３２超音波伝搬部

Claims (4)

1. 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスデ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超音波流量計であって、
   超音波送信手段と超音波エコーを受信する受信手段とを一体に形成し、
   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送信手段を固定するためのくさびを設け、
   そのくさびは、黒鉛を焼結させて成型して形成したことを特徴とする超音波流量計。
2. 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスデ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、超音波送信手段と超音波エコーを受信する受信手段とを一体に形成し、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、
   黒鉛を焼結させて成型して形成したことを特徴とするくさび。
3. 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスデ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、超音波送信手段と超音波エコーを受信する受信手段とを一体に形成し、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、
   被測定流体に係る流体配管に対して前記超音波送信手段を固定するための固定部と、
   その固定部に固定された超音波送信手段から流体配管の外壁面に至る超音波伝達部とを備え、
   その超音波伝達部は、黒鉛を焼結させて成型して形成したことを特徴とするくさび。
4. 流体配管の外壁面から内壁面に通過する距離が入射する超音波の半波長の整数倍であり、当該くさびにおける前記超音波送信手段から流体配管の外壁面に至る距離が、入射する超音波の半波長の整数倍となるように形成したことを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載したくさび。
   

Images