JP2009246559A - 反射体発生装置及び反射体発生装置を用いた超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は，コンプレッサやポンプなどの重量物を不要にし計測作業の負担を軽減するとともに，注入箇所から近い位置でも高精度な計測を可能とし，径が大きい配管内でも安定した計測を可能とする反射体発生装置およびそのような反射体発生装置を用いた超音波流量計を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明にかかる反射体発生装置は，超音波を反射させるための反射体としての気泡を配管内に供給する反射体発生装置であって，配管の内側に配置され，反射体を配管内に供給するための超音波振動子と，超音波振動子に所定の発振周波数の駆動電力を付与する超音波発振器とを備え，超音波振動子は，キャビテーションにより反射体を発生させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は，配管内を流れる流体に反射体を発生させる反射体発生装置および当該反射体発生装置を用いた超音波流量計に関する。

ドップラ式超音波流量計などの超音波流量計を用いて配管内を流れる流体の流量を測定する場合，被測定流体内に，測定に十分な気泡などの反射体が存在する必要がある。反射体が十分に存在しない場合は，外部から反射体を供給する方法があり，例えば，特許文献１にその技術が開示されている。特許文献１に開示される技術について，図４を用いて説明する。

図４に示される従来の気泡発生装置は，気泡発生機能部と均一分散機能部とを備え，気泡発生機能部は，気泡を流体管内へ送り込むベンチュリ管を含むものである。かかる気泡発生機能部および均一分散機能部は，一組として，流体管の軸方向に垂直な断面に取り付けられ，流体管の断面中心点に対して対称に配置される。気泡発生機能部とは，被測定流体内へ照射する超音波パルスの所要周波数に適した気泡をベンチュリ管によって発生させて流体管内へ送り込む機能をなすものである。

図４に示すように，かかる気泡発生装置は，配管を流れる流体中に気泡を注入するために，気泡の材料である空気を高圧にて供給するエアコンプレッサ，そのエアコンプレッサから供給される空気を調整するレギュレータ，ニードル弁，発生した気泡を粉砕して，気泡同士が結合するのを防ぐための送水ポンプ，ベンチュリ管，およびこれらの装置を接続する送水ホース，エアホースにより構成される。

ベンチュリ管の軸方向は流体管の軸方向と垂直とし，かつ流体管の中心線と交差するように形成し，エアコンプレッサから供給された空気を流体管の被測定流体に対して吐出する。

そのベンチュリ管を覆うように二重管を設置し，送水ポンプを介してその二重管の内側とベンチュリ管の外側との間から流体管内の流体を吸い込む。これによって，ベンチュリ管から吐出した気泡を均一に分散させることとなる。

また，特許文献２には，配管内を流れる流体に超音波振動を付与してキャビテーションを発生させる超音波キャビテーション発生装置の技術が開示されている。かかる超音波キャビテーション発生装置は，キャビテーション発生用の超音波振動子と，その超音波振動子に駆動電力を付与する超音波発振器と，配管内流体の温度を測定する温度センサと，超音波発振器の周波数を制御するコントローラとを備えるものである。

コントローラが，温度センサにより測定された温度に基づいて，配管内に流れる流体にキャビテーションを発生させる周波数を求めるとともに，キャビテーション発生用超音波振動子を駆動する超音波発振器を該周波数の超音波振動を発生させるように制御することにより，流体の温度変化が生じた場合でも確実にキャビテーションを発生させることができる装置である。
特開２００４−３５４１８５号公報 特開２００５−３５１７７１号公報

特許文献１のベンチュリ管を用いた気泡発生装置は，当該気泡発生装置を構成するエアコンプレッサや送水ポンプなどの機材を注入箇所に運搬する必要がある。しかし，発電所によっては自動車などに機材を積んで注入箇所にアクセスすることが困難な場合がある。また，かかるエアコンプレッサや送水ポンプは，その重量が１０ｋｇを超えるものがほとんどであり，構成機材の数の多さも相まって，計測作業者にとって気泡発生装置の測定現場への運搬，据え付けは大きな負担となる。

また，ベンチュリ管では，そのノズルから秒速１０ｍ以上の流速で噴水されるため，気泡注入箇所から流れ方向に対し，おおよそ１０ｍ以内の下流位置で計測を行うと，かかる噴流の流速分布を計測することになり，本来の流速分布の計測とならず，流量値に誤差が生じ得る。

特許文献２の技術においては，配管の外側に，キャビテーション発生用の超音波振動子が配置される。水力発電施設で流体が流れる配管として使用される水圧鉄管のように径が大きい場合には，配管外側から超音波振動を与えても，配管内の流体に，十分なキャビテーションを均一に安定して発生させることができない場合がある。

本発明は，このような課題に鑑み，コンプレッサやポンプなどの重量物を不要にし計測作業の負担を軽減するとともに，注入箇所から近い位置でも高精度な計測を可能とし，径が大きい配管内でも安定した計測を可能とする反射体発生装置およびそのような反射体発生装置を用いた超音波流量計を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために，本発明にかかる反射体発生装置の代表的な構成は，超音波を反射させるための反射体としての気泡を配管内に供給する反射体発生装置であって，配管の内側に配置され，反射体を配管内に供給するための超音波振動子と，超音波振動子に所定の発振周波数の駆動電力を付与する超音波発振器とを備え，超音波振動子は，キャビテーションにより反射体を発生させることを特徴とする。

上記構成によれば，超音波発振器の発振周波数で振動する超音波振動子が，配管内の流体に発生させたキャビテーションにより反射体（気泡）が生成される。かかる反射体発生装置は，超音波振動子と超音波発振器の簡単な構成のため，計測作業の負担が軽減される。また，超音波振動子により発生したキャビテーションによる反射体（気泡）は，配管内の流体の流れに大きな影響を与えないため，反射体の注入箇所から近い位置でも高精度な計測が確保される。

かかる反射体発生装置は，配管内に配置されるため，配管の外側に配置される場合に比べて，配管の径の大きさに影響されにくいことから，水力発電施設で使われる配管のように径が大きい配管においても利用することができる。

本発明にかかる反射体発生装置は，超音波流量計を使用した，配管内を流れる流体の流速分布および流量の測定に用いる反射体を発生させることを特徴とする。

超音波を配管内の流体へ照射し流体中の反射体により反射された超音波エコーを受信して配管内の流体の流速分布および流量を計測する超音波流量計による測定においては，流体内に反射体が十分に安定して供給されている必要がある。従って，上記の反射体発生装置は，かかる超音波流量計による測定において特に効果を発揮する。

本発明にかかる反射体発生装置は，水力発電施設における，水槽と水圧鉄管の接合部である水圧鉄管のみくちに設置されることを特徴とする。

反射体発生装置を水圧鉄管のみくちに設置することにより，水圧鉄管の中に反射体である気泡を効率的に流すことができる。反射体発生装置は水槽内が配置しやすいが，流量測定は水圧鉄管の部分でする必要がある。そして，キャビテーション現象によって発生した気泡は早期に消滅するが，反射体発生装置ののみくちへの設置は，水槽内の他の場所での配置に比べ，消滅前に超音波流量計での測定が可能となるため効率的である。また，配管内の他の場所での設置に比べ，設置スペースの点から設置が容易である。すなわち，例えば，ドップラ式超音波流量計用の反射体発生装置として使用可能な当該反射体発生装置は，水力発電施設における配管内の流体の流速分布や流量測定に適している。

上記の反射体発生装置を構成する超音波振動子は，水圧鉄管のみくち近傍に固定されてもよい。

超音波振動子の重量が大きくない場合や，超音波振動子を固定する手段が十分でない場合は，配管内を流れる流体の流圧により，当該反射体発生装置が配管内を移動して，反射体を安定して供給できない可能性がある。しかし，超音波振動子が水圧鉄管のみくち近傍に固定されていれば，反射体発生装置の配管内の移動を防止することができる。固定の方法は，例えば，超音波振動子を土台に着脱可能とし，その土台底部を溶接により水圧鉄管のみくち近傍に固定する方法がある。

本発明にかかる反射体発生装置を備える超音波流量計の発明として構成してもよい。かかる超音波流量計の代表的な構成は，超音波を配管内の流体へ入力する入力部と，入力された超音波が流体中の反射体により反射された超音波エコーを受信する受信部と，受信された超音波エコーにより配管内の流体の流速分布および流量を測定する測定部とを備えた超音波流量計であって，上記の反射体発生装置を備える超音波流量計とすることができる。

かかる構成によれば，負担の軽減された計測作業が可能となり，反射体注入箇所から近い位置でも高精度な流量測定が可能となる。また，径の大きな配管を使用する水力発電施設における測定も可能となる。

なお，超音波流量計の流量演算手段等，測定手段に関わる技術は，一般事項であるので，ここでの説明は省略する。

本発明によれば，コンプレッサやポンプなどの重量物を不要にし計測作業の負担を軽減するとともに，注入箇所から近い位置でも高精度な計測が可能となる反射体発生装置を提供できる。また，かかる反射体発生装置は径の大きな配管でも利用可能となる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法，材料，その他具体的な数値などは，発明の理解を容易とするための例示にすぎず，特に断る場合を除き，本発明を限定するものではない。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能，構成を有する要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略し，また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は，本実施形態にかかる反射体発生装置の外観図である。反射体発生装置１０は，土台１４に取り付けられた超音波振動子１１と，信号線１３により超音波振動子１１と接続される超音波発振器１２から構成される。超音波振動子１１には振動板１５が取り付けられている場合が多い。かかる反射体発生装置１０は，所定の発振周波数の駆動電力が超音波発振器１２から信号線１３を介して超音波振動子１１に付与され，超音波振動子１１はその発振周波数で振動する。超音波振動子１１の振動に連動した振動板１５の振動により配管内の水中にキャビテーションを発生させ，このキャビテーションにより反射体（気泡）４１（図２参照）を生成させることにより配管内に反射体４１を供給する。キャビテーションによる反射体４１（気泡）の生成については，後に詳述する。

超音波振動子１１は単数でも複数でもよく，測定に十分な反射体を供給できればよい。土台１４は，例えば，平板が用いられる。

本実施形態では，超音波振動子１１は土台１４に取り付けられて配置されているが，超音波振動子１１を安定して配置可能であれば，他の形態でもよい。例えば，剛体の単管パイプ等で組み立てられたガイドに超音波振動子１１を固定してもよい。配管内の流体中で受ける流圧が小さい場合は，超音波振動子１１そのもののみを配置することでもよいし，複数の超音波振動子１１同士をひもやワイヤでくくりつけた構成としてもよい。

超音波発振器１２は所定の発振周波数を出力可能であればよく，超音波振動子１１に安定した電力を供給可能であればよい。

図２は，反射体発生装置の配管内での位置を説明する図である。水力発電施設は，一般に，河川等から取水された水が供給される水槽２１と，水槽２１に貯蓄されている水を水車（図示せず）に供給するための水圧鉄管２３を有する。水槽２１と水圧鉄管２３の接合部分を水圧鉄管のみくち２２と称する。反射体発生装置１０は，例えば水槽２１内に配置される。図２中の矢印は，配管内の流体の流れる方向，および，その水流にのって流れる反射体４１の流れる方向を示している。

反射体発生装置１０では，信号線１３を介して，超音波発振器１２から所定の発振周波数の電力が超音波振動子１１に供給され，超音波振動子１１の振動に連動した振動板１５の振動によりキャビテーションが発生し，反射体（気泡）４１が生成される。超音波発振器１２は，例えば，水槽２１の外部に配置される。

図２では反射体発生装置１０から上方に向かって生成された反射体４１が，矢印の水流にのって下流方向に流れる様子を示しているが，反射体４１の生成される方向は，上方向に限らず，横方向でもよいし，下方向でもよい。例えば，剛体の単管パイプ等で組み立てられたガイドに超音波振動子１１を固定すれば，下方向に向けて反射体４１を生成させることも容易にできる。

図２では，反射体発生装置１０は，水圧鉄管のみくち２２付近に設置されている。水圧鉄管のみくち２２付近への設置は，配管内の他の場所への設置に比べ，効率的である。反射体発生装置１０を水槽２１内の他の場所に設置した場合，超音波流量計のセンサ３１の測定領域までの距離が長いと，キャビテーションにより生成した反射体４１（気泡）が，センサ３１の測定領域に到達する前に消滅してしまう場合があり得る。また，水圧鉄管２３内への設置は，設置スペースが狭隘な場合は，作業者の負担となる。これに対し，反射体発生装置１０の水圧鉄管のみくち２２付近への設置は，センサ３１の取り付け位置を調整することにより，センサ３１の測定領域に効率よく反射体４１（気泡）を供給できる。

反射体発生装置１０の水圧鉄管のみくち２２付近への設置においては，反射体発生装置１０を索体などで上方から吊り下げることにより設置することができる。また，超音波振動子１１またはこれを取り付けた土台１４を水圧鉄管のみくち２２近傍に溶接により固定して設置してもよい。溶接による固定の他に，ネジ止めや，水圧鉄管のみくち近傍に溝を形成して嵌め込むことにより固定してもよい。強力磁石を利用して固定することも可能である。これらの方法により固定すれば，水流が強くなっても反射体発生装置１０が移動しないため，安定して反射体４１を供給可能となる。

水圧鉄管２３の外側に取り付けられたセンサ３１は，流量計３２（超音波流量計）に接続されている。センサ３１は内部に測定用の超音波振動子（図示せず）を備えており，これによって水圧鉄管２３内に超音波パルスを入力する。そして，センサ３１は，水圧鉄管２３内を流れる反射体４１によって反射された超音波パルスの周波数を認識し，流量計３２はこの周波数と入力時の超音波パルスの周波数を比較することによって，水圧鉄管２３内を流れる流体の流速分布および流量を測定する。

図３は，キャビテーションによる反射体（気泡）の生成過程を説明する図である。超音波振動子１１が，超音波発振器１２により所定の発振周波数の駆動電力を付与されて振動し，流体中に超音波を発信する場合，例えば，２０ｋＨｚから１００ｋＨｚ程度で発信された超音波は，縦波のとき，図３に示すように，波の進行方向に周期的な密度勾配を生じさせ，高圧域と低圧域を発生させる。気泡は負の圧力域で発生し，圧力の変動に伴い気泡は成長し，ある程度の大きさに成長すると急激に圧壊する。その後再膨張し，流量測定の反射体に適した気泡（図３中の核生成の部分）が生成される。

上記実施形態にかかる反射体発生装置１０の構成は，超音波振動子１１と超音波発振器１２からなる簡単なものであるため，計測作業者の負担が軽減される。また，超音波振動子１１の振動によるキャビテーションにより生成された反射体４１（気泡）は，配管内の流れに大きな影響を与えないため，反射体発生装置１０に近い位置での流量測定の精度に影響を与えない。さらに，かかる構成の反射体発生装置１０は，水圧鉄管のような径が大きい配管を有する水力発電施設での流量測定にも利用可能である。

特に，かかる反射体発生装置１０が，水力発電施設の水圧鉄管のみくち２２付近に設置される場合は，他の場所への設置に比べ，設置が容易であるにもかかわらず，超音波流量計の測定領域まで効率よく反射体４１を供給することができる。また，かかる反射体発生装置１０が水圧鉄管のみくち２２近傍に固定される場合は，配管内を流れる流体の流れが強くなっても，反射体発生装置１０が移動しないため，安定して反射体４１を供給できる。

本発明は，超音波流量計による流量測定において，配管内を流れる流体に反射体を発生させる反射体発生装置およびかかる反射体発生装置を利用した超音波流量計として利用することができる。

本実施形態にかかる反射体発生装置の外観図である。 反射体発生装置の配管内での位置を説明する図である。 キャビテーションによる反射体（気泡）の生成過程を説明する図である。 従来のベンチュリ管を用いた気泡発生装置を説明する図である。

符号の説明

１０…反射体発生装置，１１…超音波振動子，１２…超音波発振器，１３…信号線，１４…土台，１５…振動板，２１…水槽，２２…水圧鉄管のみくち，２３…水圧鉄管，３１…センサ，３２…流量計，４１…反射体

Claims (5)

1. 超音波を反射させるための反射体としての気泡を配管内に供給する反射体発生装置であって，
   前記配管の内側に配置され，前記反射体を前記配管内に供給するための超音波振動子と，
   前記超音波振動子に所定の発振周波数の駆動電力を付与する超音波発振器とを備え，
   前記超音波振動子は，キャビテーションにより反射体を発生させることを特徴とする反射体発生装置。
2. 当該反射体発生装置は，超音波流量計を使用した，前記配管内を流れる流体の流速分布および流量の測定に用いる反射体を発生させることを特徴とする請求項１に記載の反射体発生装置。
3. 当該反射体発生装置は，水力発電施設における，水槽と水圧鉄管の接合部である水圧鉄管のみくちに設置されることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の反射体発生装置。
4. 前記超音波振動子は，前記水圧鉄管のみくち近傍に固定されることを特徴とする請求項３記載の反射体発生装置。
5. 超音波を前記配管内の流体へ入力する入力部と，前記入力された超音波が流体中の反射体により反射された超音波エコーを受信する受信部と，前記受信された超音波エコーにより配管内の流体の流速分布および流量を測定する測定部とを備えた超音波流量計であって，請求項１から４のいずれか１項に記載の反射体発生装置を備える超音波流量計。