JP2011226844A - 超音波式濃度計 - Google Patents

Abstract

【課題】時間差式の超音波流量計の原理を利用して、温度センサを用いることなく、流体の濃度を精度良く測定可能な超音波式濃度計を得る。
【解決手段】所定の温度、濃度の水溶液に対する受信波形Ｗの自由振動部分Ｗｂのゼロクロス点から振動の平均周期を求めると、平均周期は温度のみに依存する。流体である水溶液に対し上流と下流から超音波ビームを発し、水溶液中を伝播する伝播時間から水溶液の音速を求める。音速は濃度と比例関係にあり、音速は水溶液の温度によって変化するので、得られた音速と温度によって、温度補正がされた濃度を算出できる。
【選択図】図７

Description

本発明は、時間差式の超音波流量計の原理を利用して、流体の濃度を測定する超音波式濃度計に関するものである。

時間差式の超音波流量計は図９に示すように、例えば流体が矢印方向に流れるコ字型の管路１の両側に、超音波振動子である圧電素子２、３を取り付けた構造とされている。一方の圧電素子２に電圧を印加して発振させることにより、流体中に超音波ビームを伝播させることができる。他方の圧電素子３はこの超音波ビームを受信すると、その応力から圧電効果を生じ、誘起された電荷を読み取ることで、超音波ビームの受信信号を得ることができる。圧電素子２、３による超音波ビームの送信、受信を交互に行って、流体中の超音波ビームの上流から下流へ、下流から上流への伝播時間をそれぞれ検出する。

このようにして、超音波ビームを上流の圧電素子２から流体を経て下流の圧電素子３に伝播させたときの伝播時間Ｔｄと、下流の圧電素子３から上流の圧電素子２に伝播させたときの伝播時間Ｔｕの時間差を基に、流量を測定することは例えば特許文献１等において公知である。

即ち、管路１の長さをＬ、流体の音速をＣ、管路１内の流体の流速をＶとすると、伝播時間Ｔｄ、Ｔｕは次式のようになる。
Ｔｄ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ） ・・・（１）
Ｔｕ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ） ・・・（２）

これらの式（１）、（２）から音速Ｃを消去すると、流速Ｖに関する式（３）が得られる。逆に、流速Ｖを消去することで、音速Ｃに関する式（４）を得ることができる。これらの式（３）、（４）は超音波ビームの伝播時間Ｔｕ、Ｔｄを求めれば、流速Ｖ、音速Ｃを得ることができることを示している。
Ｖ＝Ｌ（Ｔｕ−Ｔｄ）／（２・Ｔｄ・Ｔｕ） ・・・（３）
Ｃ＝（Ｌ／２）（１／Ｔｄ＋１／Ｔｕ） ・・・（４）

超音波流量計では、式（３）を用いて流速Ｖを求め、これに次式（５）のように、管路１の断面積Ｓを乗ずることにより流体の流量Ｆを算出できる。
Ｆ＝Ｖ・Ｓ ・・・（５）

特開２０１０−２５６８０号公報 特開２００４−３０９４５０号公報

液体の濃度と音速は相関関係があり、超音波ビームによる反射時間等を用いて流体の濃度を測定することは、例えば特許文献２等で知られている。予め、液体の濃度と音速の関係をテーブルとして記憶しておくことで、液体内の超音波ビームの音速を測定し濃度に換算することができる。

しかし、音速は液体の温度により変動するので、濃度測定中に温度を計測し、得られた濃度を温度により補正する必要がある。また、従来の超音波ビームを利用した濃度計は、所定の容器等に液体を充填して測定するものであり、配管中を流れる流体を対象としたものは少ない。

本発明の目的は、上述の課題を解決し、従来の超音波流量計の原理を利用して、温度センサを用いることなく、流体の濃度を精度良く測定可能な超音波式濃度計を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波式濃度計は、流体が流れる管体に距離を隔てて一対の超音波送受信素子を配置し、これらの超音波送受信素子間で前記管体中の流体に対し超音波ビームをそれぞれ送信、受信し、前記超音波ビームの上流から下流へ、下流から上流への伝播時間をそれぞれ検出する伝播時間検出手段と、超音波ビームの受信波形の前半の強制振動部分と後半と自由振動部分のうち、前記後半の自由振動部分の受信パルスの周期を基に流体の温度を算出する温度算出手段と、前記伝播時間検出手段で得られた前記２つの伝播時間から流体の音速を算出する音速算出手段と、該音速算出手段により得られた音速から流体の濃度を算出する濃度算出手段と、前記音速又は前記濃度を前記温度算出手段で得られた温度により補正する温度補正手段とを有することを特徴とする。

本発明に係る超音波式濃度計によれば、流体の温度補正がなされた濃度を求めることができる。

実施例の超音波式濃度計のブロック回路構成図である。 超音波ビームの発信及び受信波形図である。 ゼロクロス法による伝播時間の求め方の説明図である。 強制振動部分から立ち上り点の時間ｔ０を算出する説明図である。 ゼロクロス法による時間と最初の立ち上がり点の時間の温度に対する流速の関係のグラフ図である。 自由振動部分における温度と平均周期のグラフ図である。 自由振動部分の平均周期を求める説明図である。 水溶液の濃度と音速の関係のグラフ図である。 超音波流量計の構成図である。

本発明を図１〜図８に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は実施例の超音波式濃度計のブロック回路構成図である。例えば、合成樹脂製の円管から成る管体１１に対して、上流及び下流の２個所の所定位置に、超音波送受信素子として超音波ビームを送信、受信するための圧電素子１２、１３が固定されている。圧電素子１２、１３は管体１１と一体に射出成型された合成樹脂製の取付ベース１４、１５に固定されている。

圧電素子１２、１３には送受信切換スイッチ１６を介して、送信部１７、受信部１８がそれぞれ択一的に接続されている。送信部１７、受信部１８は制御演算部１９に接続され、更に制御演算部１９にはメモリ部２０、表示部２１が接続されている。制御演算部１９は例えばＣＰＵであり、送受信切換スイッチ１６、送信部１７、受信部１８、メモリ部２０、表示部２１を制御すると共に、内蔵のメモリに記憶したプログラムに従って所定の演算を行う。

測定に際しては、制御演算部１９の指令で送受信切換スイッチ１６により送信部１７に圧電素子１２を切換え、受信部１８を圧電素子１３に切換える。図２に示すように、送信部１７から圧電素子１２に駆動用のパルス電圧を加え、圧電素子１２から発生した超音波ビームを流体中に伝達する。超音波ビームは流体中を伝播し、圧電素子１３において受信波形Ｗが得られ、この受信波形Ｗは受信部１８、制御演算部１９を経てメモリ部２０に記憶される。制御演算部１９はメモリ部２０に記憶した受信波形Ｗから超音波ビームの伝播時間Ｔｄを検出する。

次に、送受信切換スイッチ１６を切換えて、圧電素子１３から超音波ビームを送信し、圧電素子１２で得られた受信波形Ｗから同様にして伝播速度Ｔｕを検出する。本実施例においては、これらの伝播速度Ｔｄ、Ｔｕを基に、前述の式（４）により濃度と相関のある音速Ｃを求める。

本来、超音波ビームの伝播時間とは、図２に示すように正確には送信側の圧電素子にパルスを印加した時間から、受信側の圧電素子による超音波ビームの受信波形の最初の受信パルスが０Ｖから正の電圧に変わる立ち上がり点の時間ｔ０までのことである。しかし、この立ち上がり点はそれ以前の必要な負の波形データが得られないことから検出が困難であり、一般に近似的な方法としてゼロクロス法が用いられている。

ゼロクロス法とは受信波形Ｗの測定できる部分のうち、受信波形Ｗの電圧レベルが０Ｖとなる点であり、パルス印加時間から例えば特定の何番目かの受信パルスのゼロクロス点までの時間、或いは幾つか受信パルスのゼロクロス点の平均時間を求め、超音波ビームの伝播時間としている。

本実施例における音速Ｃの測定においては、制御演算部１９によってこのような従来のゼロクロス法によって伝播時間を求めることができる。例えば図３に示すように、１受信波形ごとにドット間隔５０ｎｓ（クロック周波数２０ＭＨｚ）で１００点の波形データを取り込む。各波形について取り込んだデータの中で、最も大きい電圧の点を１００ｍＶとし、最も小さい電圧の点を−１００ｍＶとして規格化し、０Ｖ近傍の４点（正の点２、負の点２）を最小二乗法で線形近似し、その直線と時間軸の交点を求めるべきゼロクロス点とする。

一定の流速で、１５、２０、２５、３０℃の水の超音波ビームの受信波形を各１６０波形ずつ、つまり圧電素子１２から圧電素子１３に伝播させた８０個の受信波形、圧電素子１３から圧電素子１２に伝播させた８０個の受信波形を使用した。このようなゼロクロス法から求めた伝播時間Ｔｄ、Ｔｕを８０波形分平均し、制御演算部１９によって式（３）から流速Ｖを求めると、温度の順に０．６４７、０．６５４、０．６３１、０．６２４（ｍ／ｓ）となった。

ゼロクロス法以外にも伝播時間を検出するには相関法が知られているが、更に正確な伝播時間を得るためには、次に説明するように受信波形から最初の立ち上がりの時間ｔ０を推定して使用することが好ましい。

復元力のあるばねモデルとして運動方程式を解くと、得られた変位は圧電素子による超音波ビームの受信波形Ｗと考えられる。図２の受信波形Ｗのうち、前半の４周期は入力パルス由来の力による強制振動部分Ｗａで、後半は外力が働かない周波数の復元力による自由振動部分Ｗｂである。

受信波形Ｗの前半の強制振動部分Ｗａの周波数は、入力された超音波ビームの共振周波数に支配されているため温度依存性が少なく、超音波ビームの伝播時間の検出に適している。一方、５周期目以降は自由振動部分Ｗｂであり、その共振周波数は弾性スティフネスの影響を受けるため温度変化によって変化する。

そこで本実施例においては、音速Ｃを求めるための伝播時間Ｔｄ、Ｔｕの検出は、温度依存性が少ない前半の強制振動部分Ｗａから求めることが好ましく、温度情報を後半の自由振動部分Ｗｂから求める。

図４に示すように、制御演算部１９によって強制振動部分Ｗａのゼロクロス点の位置と時間の例えば４つのプロット点に対し最小二乗法を用いて直線を引くと、その時間軸に対して交叉する切片は最初の立ち上がり点の時間ｔ０を示すことになる。このように、強制振動部分Ｗａから求めた最初の立ち上がり点の時間ｔ０を基に超音波ビームの伝播時間が得られる。

強制振動部分Ｗａからの時間ｔ０により、先のゼロクロス法と同じ条件で制御演算部１９によって伝播時間Ｔｄ、Ｔｕを求めて、式（３）から流速Ｖを算出すると、温度の順に０．６４７、０．６５０、０．６５０、０．６４９（ｍ／ｓ）となった。

図５はゼロクロス法と立ち上り点の時間ｔ０による流速の関係をグラフ図としたものである。従来のゼロクロス法による普遍分散は１．９０×１０^-4で、最初の立ち上がり点を算出して用いる場合には１．７８×１０^-6である。

この結果から、ゼロクロス法を用いるよりも、強制振動部分Ｗａにより最初の受信パルスの立ち上がり点を求めた伝播時間の検出は、温度に対する影響が少ないことが確認できた。

超音波ビームの受信波形Ｗの自由振動部分Ｗｂは、流体の温度変化の影響を受け、例えば温度が上昇すると共振周波数が下がるため、自由振動部分Ｗｂの周期が長くなる。制御演算部１９によってこの自由振動部分Ｗｂの周波数を算出し、その変化から流体の温度情報を得ることができる。

メタノールを水で希釈して作製した濃度０、５、１０、１５、２０％の水溶液について、温度を１５、２０、２５、３０℃と変化させ、自由振動部分Ｗｂの平均周期を求めたところ、表１のデータが得られた。

表１ 自由振動部分の平均周期（ｎｓ）
０％ ５％ １０％ １５％ ２０％
１５℃ ４７２．９ ４７２．９ ４７２．９ ４７２．９ ４７３．０
２０℃ ４７３．６ ４７３．６ ４７３．６ ４７３．６ ４７３．５
２５℃ ４７４．２ ４７４．３ ４７４．３ ４７４．３ ４７４．２
３０℃ ４７４．８ ４７４．７ ４７４．７ ４７４．８ ４７４．８

表１は所定の濃度、温度の水溶液に関し、自由振動部分Ｗｂの１１番目〜１９番目までのゼロクロス点から求めた振動の平均周期を示している。これを図６に示すと、何れの濃度においても平均周期は温度に対しほぼ一定値であり、自由振動部分Ｗｂの平均周期は濃度によらず温度によって定まるパラメータであることが分かる。このように、超音波ビームの自由振動部分Ｗｂの平均周期は、メタノール水溶液濃度０〜２０％の間では、温度変化のみに依存することが実験により確認できた。従って、平均周期が得られれば図６から温度を求めることができる。

自由振動部分Ｗｂの平均周期を得るためには、制御演算部１９は自由振動部分Ｗｂのゼロクロス点を適当に２つ選択し、その差から求めればよい。しかし本実施例では、約２ＭＨｚの受信波形Ｗに対し５０ｎｓの間隔で波形を取り込んでいるため、単純に差を求めると分散が大きく、明確な温度依存性が得られない。

そこで、本実施例では図７に示すように、各受信パルスのゼロクロス点を番号順にプロットし、自由振動部分Ｗｂの平均周期を求めている。この方法はゼロクロス点まで時間をプロットしているので、その直線の傾きが用いたゼロクロス点に関する平均周期となっており、直線の傾きが大きいほど温度が高くなっている。

また、メタノールを水で希釈して作製した濃度０、５、１０、１５、２０％の水溶液について、温度を１５、２０、２５、３０℃と変化させ、各音速Ｃを求めたところ、表２のデータが得られた。

表２ メタノール水溶液の音速（ｍ／ｓ）
０％ ５％ １０％ １５％ ２０％
１５℃ １５５５ １５７３ １５９４ １６１４ １６３１
２０℃ １５６６ １５８２ １６００ １６１８ １６３３
２５℃ １５７７ １５９０ １６０６ １６２１ １６３３
３０℃ １５８６ １５９７ １６１０ １６２２ １６３２

流体の濃度が変化すると音速Ｃが変化し、また温度が変化すると音速Ｃが変化し、温度が一定の条件であれば、音速Ｃと濃度は比例関係にあることが実験により確められた。この表２をグラフ化すると図８に示すようになり、予めテーブルとしてメモリ部２０に記憶しておけば、制御演算部１９は表１で得られた温度を基に、音速Ｃを濃度に換算することができる。

このように、本実施例では超音波ビームの伝播速度から音速Ｃを求めることができ、先の算出した自由振動部分Ｗｂから得られた平均周期から求めた温度により温度補正を行って、制御演算部１９は水溶液の濃度を算出し、表示部２１に表示することができる。なお、演算の過程で音速に対し温度補正を行っても濃度に対し温度補正を行っても何れでもよい。

１１ 管体
１２、１３ 圧電素子
１６ 送受信切換スイッチ
１７ 送信部
１８ 受信部
１９ 制御演算部
２０ メモリ部
２１ 表示部

Claims (4)

1. 流体が流れる管体に距離を隔てて一対の超音波送受信素子を配置し、これらの超音波送受信素子間で前記管体中の流体に対し超音波ビームをそれぞれ送信、受信し、前記超音波ビームの上流から下流へ、下流から上流への伝播時間をそれぞれ検出する伝播時間検出手段と、超音波ビームの受信波形の前半の強制振動部分と後半と自由振動部分のうち、前記後半の自由振動部分の受信パルスの周期を基に流体の温度を算出する温度算出手段と、前記伝播時間検出手段で得られた前記２つの伝播時間から流体の音速を算出する音速算出手段と、該音速算出手段により得られた音速から流体の濃度を算出する濃度算出手段と、前記音速又は前記濃度を前記温度算出手段で得られた温度により補正する温度補正手段とを有することを特徴とする超音波式濃度計。
2. 前記伝播時間検出手段は前記強制振動部分の波形から前記受信波形の最初の立ち上がり点の時間を算出して前記伝播時間を検出することを特徴とする請求項１に記載の超音波式濃度計。
3. 前記伝播時間検出手段は前記受信波形のゼロクロス点の時間を基に前記伝播時間を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波式濃度計。
4. 前記温度算出手段は前記自由振動部分の複数のゼロクロス点の時間間隔から周期を算出することを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の超音波式濃度計。

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