JP2013174567A

JP2013174567A - 超音波送受信器及び該送受信器を用いたクランプオン型超音波流量計

Info

Publication number: JP2013174567A
Application number: JP2012040588A
Authority: JP
Inventors: Eiichi Murakami; 英一村上; Motoyoshi Kurose; 元義黒瀬
Original assignee: ATSUDEN CORP; ATSUDEN KK; Tokyo Keiso Co Ltd
Current assignee: ATSUDEN CORP; ATSUDEN KK; Tokyo Keiso Co Ltd
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2013-09-05

Abstract

【課題】管体に接する面に高分子材料から成るシート体を接着しておくことにより、施工が容易となり、長期に渡って安定して超音波ビームの伝達特性を維持できる。
【解決手段】超音波送受信器１１の外筐１２は箱型の合成樹脂製とされ、斜め外側上方に向けて円筒部１３が一体に形成されている。円筒部１３の内端から外筐１２の底面にかけて、合成樹脂材から成る三角形状としたビーム伝達体１４が配置されている。ビーム伝達体１４の後端には超音波ビームを送受信するための圧電素子１７が配置されている。
外筐１２、ビーム伝達体１４の底面には、粘弾性を有する高分子材料から成るシリコンジェルシート体２０が、接着剤又は両面接着剤により貼り付けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、管路内の流体に超音波ビームを伝播させて流量を測定する超音波送受信器及び該送受信器を用いたクランプオン型超音波流量計に関するものである。

図１１は超音波流量計の原理的説明図である。特許文献１、２のように、流体Ｆが流れる管体Ｐには、上流側と下流側の外表面に、合成樹脂製のビーム伝達体１を介して、超音波送受信器２ａ、２ｂがそれぞれ固定されている。更には、ビーム伝達体１と管体Ｐの表面の密着性を向上させるために、これらの間には超音波ビームＢを良好に伝達させるために、グリス等の粘性体３が介在されている。

超音波送受信器２ａ、２ｂから、ビーム伝達体１、粘性体３、管体Ｐを通過して、管体Ｐ内に交互に発信された超音波ビームＢは、対向する管体Ｐの内面で反射して再び管体Ｐ、粘性体３、ビーム伝達体１を通過し、相手側の超音波送受信器３ｂ、３ａに到達する。このような双方向に到達する超音波ビームＢ同士の伝播時間差から、既知の手段により管体Ｐ内を流れる流体Ｆの流量が測定可能になる。

しかし、ビーム伝達体１と管体Ｐとの間の密着性を改善するために、油状の粘性体３を塗布すると、装置の組立、解体の際に管体Ｐの周囲が粘性体によって汚染される。特に、一体型の流量計ユニット等の内部において、超音波送受信器２ａ、２ｂが管体Ｐと接する場合にはさほどの問題が生じないが、既設の配管に超音波送受信器２ａ、２ｂを固定する際に粘性体３を使用すると、その施工が煩雑になったり、測定する環境によってはこのような油類の使用が許されない場合もある。更には時間と共に、これらの粘性体３の量が減少したり、温度上昇によって流動し易くなったり、外気に接することによる経年変化によって性能が劣化する場合も多い。

特許文献３には、グリス等の粘性体の代りに、シート状シリコンジェルを使用することが開示されている。このシート状シリコンジェルはグリス等の使用による不具合を解消すると共に、超音波ビームを管体との間で良好に伝達させるためのものであり、施工に際してシート状シリコンジェルを管体と超音波送受信器の間に挟み込んで使用している。

特開２００１−２８１０３２号公報特開２００５−１８１２６８号公報特開２００１−３５６０３２号公報特開２００７−１２７６３６号公報

既設の管体に一対の超音波送受信器を取り付ける所謂クランプオン型の場合には、種々の径の管体に適応させる必要がある。従って、超音波送受信器から相互に超音波ビームを送信させると共に受信しながら、その超音波送受信器の配置すべき位置を探索し、調整しなければならない。その際には、超音波送受信器を管体の表面に沿って長手方向に移動させる必要がある。

つまり、超音波送受信器の適正位置を探索する際には、超音波送受信器４ａ、４ｂの管体Ｐに対する入出射角θが定められているために、管体Ｐの径に適応するように図１２に示すように超音波送受信器２ａ、２ｂを移動しなければならない。従って、移動の度にシリコンジェル等を挟み込むことは極めて能率の悪い結果となる。

従って、引用文献３のようにシリコンジェルがたとえシート状であっても、管体Ｐと超音波送受信器２ａ、２ｂの間に挟み込むには施工上の厄介さがある。また、超音波送受信器２ａ、２ｂを管体に沿って移動するに際してめくれたり外れたりする虞れがあり、必ずしもシート状シリコンジェルが移動に追従して正しい位置に挟み込まれるとは限らない。

クランプオン型超音波流量計において、超音波送受信器を管体に固定する機構は例えば特許文献４に記載されている。しかし、この特許文献４においては、保守等のために解体し再度組み立てる際に、元の状態に正しく整合させることを意図しており、超音波送受信器の最適の位置の探索を目的とし、超音波送受波器を適切な位置に調整することについては記載されていない。

本発明の目的は、上述の課題を解消するために、高分子材料から成るシート体を予め接着しておいて、既設の管体に取り付ける際に管体に押し当てながら移動することによって、施工が容易となる超音波送受信器及び該送受信器を用いたクランプオン型超音波流量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送受信器は、管体内の流体の流速測定のために、筐体内の圧電素子から前記筐体の底面の一部に配置したビーム伝達体を介して前記管体内に超音波ビームを送受信する超音波送受信器であって、前記ビーム伝達体の前記管体への接触面に高分子材料から成り粘弾性を有するシート体を接着したことを特徴とする。

また、本発明に係るクランプオン型超音波流量計は、管体内の流体の流速測定のために、筐体内の圧電素子から前記筐体の底面の一部に配置したビーム伝達体を介して超音波ビームを送受信し超音波ビームの送受信方向を前記管体に対して斜め方向とし、前記ビーム伝達体の前記管体への接触面に高分子材料から成り粘弾性を有するシート体を接着し、前記管体に固着するための固着機構を備えた一対の超音波送受信器を、前記管体に沿って固定したレールに前記送受信方向が互いに向き合うようにして前記固着機構により固定し、前記レールに沿って前記超音波送受信器を前記シート体を介在して前記管体の長手方向に移動可能としたことを特徴とする。

本発明に係る超音波送受信器及び該送受信器を用いたクランプオン型超音波流量計によれば、予め管体に接する面に粘弾性を有する高分子材料から成るシート体を接着しておくことにより、施工が容易であり、超音波ビームの伝達が良好で、長期に渡って安定して良好な伝達特性を維持することができる。

超音波送受信器の斜視図である。固着機構を取り付けた超音波送受信器の正面図である。固着機構を取り付けた超音波送受信器の側方から見た断面図である。送受信器固定装置の構成図である。送受信器固定装置の要部斜視図である。超音波送受信器を管体に固定した状態の側面図である。超音波送受信器を管体に固定した状態の断面図である。超音波流量計の回路構成図及び適合位置を探索する説明図である。超音波流量計の測定状態の説明図である。超音波送受波器の底面を円弧状とした背面図である。超音波流量計の原理的説明図である。超音波送受信器の位置を調整する説明図である。

本発明を図１〜図１０に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は超音波送受信器の斜視図、図２は超音波送受信器に固着機構を取り付けた状態の正面図、図３は側面から見た断面図である。

超音波送受信器１１の外筐１２は箱型の合成樹脂製とされ、斜め方向の角度θで外側上方に向けて円筒部１３が一体に形成されている。円筒部１３の内端から外筐１２の底面にかけて、超音波ビームを後述する管体に伝達させるために、合成樹脂材から成る円柱体の先端を斜めに切削して、側面から見て先端を三角形状としたビーム伝達体１４が配置されている。また、外筐１２の上部には、後述する固着機構を取り付けるためのねじ孔１５が形成されている。

ビーム伝達体１４の後端の円筒部１３には円筒状のホルダ１６が挿入され、ホルダ１６の先端には超音波ビームを送受信するための圧電素子１７が固定され、ホルダ１６は後方からねじ込まれたプラグ１８により円筒部１３内に押し込まれている。圧電素子１７はビーム伝達体１４の後面にホルダ１６により押圧され、圧電素子１７とビーム伝達体１４の間には例えばグリス等の超音波伝達媒体が介在されている。この場合のグリス等は密封された円筒部１３内にあるので、流出したり経年変化する虞れは少ない。圧電素子１７からは２本のリード線１９が引き出され、プラグ１８の２個の端子１８ａ、１８ｂに内側から接続されている。

そして、外筐１２、ビーム伝達体１４の底面、つまり管体Ｐに対する接触面には、粘弾性を有する高分子材料から成るシート体、例えばシリコンジェルシート体２０が接着剤又は両面接着シートを介して貼り付けられている。このシリコンジェルシート体２０における超音波ビームの伝達率は、高分子材料の硬さ、厚さに依存する。特に、厚さに関しては薄過ぎる場合には界面効果により伝達効率は低下し、厚過ぎるとシリコンジェルシート体２０内での伝達損失によって伝達効率が低下するため、作業性をも考慮すると通常では０．５〜３ｍｍ程度の厚みであることが望ましい。また、シリコンジェルシート体２０を外筐１２、ビーム伝達体１４に接着する接着剤としては、超音波ビームの伝達を妨げないような高分子材料が好ましい。

外筐１２の上部のねじ孔１５には、管体にレールを介して超音波送受信器１１を固定するための固着機構３１が取り付けられている。この固着機構３１の主体は例えば金属製の固定用ねじ棒３２であり、固定用ねじ棒３２の下端は径が大きい太径部３２ａとされている。固着機構３１においては、固定用ねじ棒３２以外の部材は例えば全て合成樹脂製とされ、太径部３２ａの上に外筐１２のねじ孔１５に螺合する止めねじ３３が回転自在に挿通されている。固定用ねじ棒３２の中間部周囲には外ねじ３２ｂが刻設され、上端は把持部３２ｃとされている。固定用ねじ棒３２の外ねじ３２ｂには円筒状の移動部材３４の内ねじ３４ａが螺合されており、移動部材３４の外周に外ねじ３４ｂが設けられ、下端には長方形の当て板３４ｃが形成されている。

移動部材３４の外ねじ３４ｂの外側には、両側にＬ字状に下方に折曲した係止部３５ａを有する押さえ板３５が挿通されている。この押さえ板３５の幅は後述する一対のレール間の幅よりも広くされている。押さえ板３５の上部には、移動部材３４の外ねじ３４ｂと螺合する内ねじ３６ａを有する固定ナット３６が配置されている。そして、これらの固定ナット３６、押さえ板３５は移動部材３４の外ねじ２３ｃから外すことにより、外部に抜き出せるようになっている。

この固着機構３１を外筐１２に取り付けるには、固着機構３１の止めねじ３３を外筐１２のねじ孔１５に螺合することにより、固着機構３１の固定用ねじ棒３２の太径部３２ａは外筐１２から抜け出すことなく、固定用ねじ棒３２は外筐１２上に回転自在に植立される。

図４は一対の超音波送受信器１１を既設の流路用管体Ｐの外側に取り付けて、クランプオン型超音波流量計として使用するための送受信器固定装置４１の構成図、図５は要部斜視図である。例えば、テフロン（登録商標）等の合成樹脂から成る管体Ｐの長手方向に沿って、断面コ字形の形鋼４２の上辺を刳り抜いて形成した２本の条片状のレール４３が配置されている。形鋼４２の両端は管体Ｐに接するレール保持部４４により支持され、形鋼４２とレール保持部４４は金属バンド４５によって管体Ｐに強固に固定されている。

超音波送受信器１１の管体Ｐへの固定に際しては、図６の側面図、図７の断面図に示すように、レール４３に一対の超音波送受信器１１をその送受信方向が互いに向き合うように固定する。即ち、押さえ板３５を固定ナット３６により上方に移動しておいて、超音波送受信器１１をレール４３の管体Ｐ側に位置させ、移動部材３４の当て板３４ｃをレール４３の下側に当てがい、押さえ板３５との間でレール４３を挟み込む。そして、固定ナット３６をその内ねじ３６ａを移動部材３４の外ねじ３４ｂに螺合し締め付けると、超音波送受信器１１をレール４３に固定することができる。このとき、押さえ板３５の両側の係止部３５ａが一対のレール４３を両側から挟み込むので、固着機構３１がレール４３から外れることはない。

また、把持部３２ｃにより固定用ねじ棒３２を回転すると、固定用ねじ棒３２の外ねじ３２ｂにより移動部材３４がその内ねじ３４ａを介してレール４３に対して上下動する。従って、移動部材３４が下降するように固定用ねじ棒３２を回転させることにより、レール４３を固定部として超音波送受信器１１の底部、つまりシリコンジェルシート体２０を管体Ｐに押し付けることができる。

しかし、前述したように固定すべき既設の管体Ｐの径は必ずしも一定ではない。従って、管体Ｐの径に合わせて超音波送受信器１１から送受信される超音波ビームＢが相手側の超音波送受信器１１で正しく受信できるように、超音波送受信器１１の位置を調整しなければならない。このため、少なくとも一方の超音波送受信器１１をシリコンジェルシート体２０を介在して管体Ｐに沿って移動させることが必要である。

超音波送受信器１１が管体Ｐに沿って移動可能な程度に固着機構３１によりレール４３に仮固着しておき、また超音波送受信器１１もシリコンジェルシート体２０を介在して移動可能な程度の押圧力により管体Ｐに仮押圧しておく。この状態で、図８に示すように超音波送受信器１１を相互に移動させながら、超音波ビームＢが相手側の超音波送受信器１１に正しく到達するようにして最適な位置を探索する。

図８に示すように、超音波送受信器１１内の圧電素子１７には、パルス信号を供給する駆動手段５１の出力が接続され、圧電素子１７の出力信号は演算制御手段５２に接続され、更に演算制御手段５２の出力は表示手段５３に接続されている。

超音波送受信器１１の位置調整に際しては、管体Ｐ内に被測定流体を充満し、送受信器固定装置４１において仮固定した超音波送受信器１１により、駆動手段５１、演算制御手段５２を用いて、管体Ｐ内に超音波ビームＢを送受信し、表示手段５３で得られた信号などを基に位置を調整する。なお、この位置調整に際しては、一方の超音波送受信器１１は本固着、本押圧して移動ができないようにしておき、他方の超音波送受信器１１のみを移動することにより調整してもよい。また、この調整については調整用の電気回路等は別個の専用の試験回路を使用することもできる。

このとき、超音波送受信器１１の底面には、シリコンジェルシート体２０が接着されているので、調整のために超音波送受信器１１を管体Ｐに沿って移動しても、シリコンジェルシート体２０は超音波送受信器１１の移動に追随して超音波送受信器１１と管体Ｐの間で位置ずれすることはない。従って、シリコンジェルシート体２０はそのまま使用することができる。

この超音波ビームＢの送受信により、超音波送受信器１１の位置が適正であることが確認できれば、固定ナット３６により超音波送受信器１１の外筐１２をレール４３に本固着し、更に把持部３２ａにより固定用ねじ棒３２を回転させて、超音波送受信器１１をシリコンジェルシート体２０を介して管体Ｐに適切な押圧力で本押圧する。

なお、超音波送受信器１１を取り外す場合には逆の手順により行えばよいが、必要に応じてシリコンジェルシート体２０を交換しなければならない場合には、固定用ねじ棒３２を回転して、超音波送受信器１１と管体Ｐの間に隙間を空けて交換をすればよい。

流量測定に際しては、図９に示すように、位置決めした上流側の超音波送受信器１１の圧電素子１７から駆動手段５１によるパルス信号により超音波ビームＢを発し、この超音波ビームＢはビーム伝達体１４、シリコンジェルシート体２０を介して管体Ｐ内に入射する。そして、下流側の超音波送受信器１１の圧電素子１７において、流体Ｆを通過し管体Ｐの他側の内壁で反射し、管体Ｐ、シリコンジェルシート体２０、ビーム伝達体１４を経た超音波ビームＢを受信し、演算制御手段５２に送信する。次いで、下流側の超音波送受信器１１の圧電素子１７から発した同様の流路を経た超音波ビームＢを上流側の超音波送受信器１１で受信する。このように、一対の圧電素子１７により超音波ビームＢの発信、受信を交互に繰り返す。

超音波ビームＢが流体Ｆの上流側の超音波送受信器１１から下流側の超音波送受信器１１に到達する往きの時間と、下流側の超音波送受信器１１から上流側の超音波送受信器１１に到達する戻りの時間との伝播時間差を演算制御手段５２により平均的に求める。この伝播時間差を基に、演算制御手段５２において、既知の方法により流体Ｆの流速測定を算出し、この流速に管体Ｐの断面積を乗じて流量値を求め、表示手段５３に表示する。

なお、超音波送受信器１１の平坦な底面は、円弧状の管体Ｐの表面と管体Ｐに沿って線状に接することになる。しかし、この接触を少しでも面接触として安定した接触が得られるように、図１０に示すように超音波送受信器１１の底面を管体Ｐの外形に沿うように僅かに円弧状に形成し、シリコンジェルシート体２０もこの円弧に沿って接着するようにしてもよい。

なお、実施例においては、シリコンジェルシート体２０を外筐１２、ビーム伝達体１４の底面に接着しているが、ビーム伝達体１４の底面の面積が大きければ、ビーム伝達体１４の底面のみにシリコンジェルシート体２０を接着してもよい。

１１超音波送受信器
１２外筐
１４ビーム伝達体
１７圧電素子
２０シリコンジェルシート体
３１固着機構
３２固定用ねじ棒
３３止めねじ
３４移動部材
３６固定ナット
４１送受信器固定機構
４２形鋼
４３レール
４４レール保持部
５１駆動手段
５２演算制御手段
５３表示手段
Ｐ管体
Ｆ流体
Ｂ超音波ビーム

Claims

管体内の流体の流速測定のために、筐体内の圧電素子から前記筐体の底面の一部に配置したビーム伝達体を介して前記管体内に超音波ビームを送受信する超音波送受信器であって、前記ビーム伝達体の前記管体への接触面に高分子材料から成り粘弾性を有するシート体を接着したことを特徴とする超音波送受信器。
前記シート体はシリコンジェルとしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波送受信器。
前記超音波ビームは前記管体に対する送受信方向を前記筐体の前記接触面に対し斜め方向としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波送受信器。
前記筐体を前記管体に沿って配置したレールに固着するための固着機構を前記筐体に取り付けた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送受信器。
管体内の流体の流速測定のために、筐体内の圧電素子から前記筐体の底面の一部に配置したビーム伝達体を介して超音波ビームを送受信し超音波ビームの送受信方向を前記管体に対して斜め方向とし、前記ビーム伝達体の前記管体への接触面に高分子材料から成り粘弾性を有するシート体を接着し、前記管体に固着するための固着機構を備えた一対の超音波送受信器を、前記管体に沿って固定したレールに前記送受信方向が互いに向き合うようにして前記固着機構により固定し、前記レールに沿って前記超音波送受信器を前記シート体を介在して前記管体の長手方向に移動可能としたことを特徴とするクランプオン型超音波流量計。
前記レールは２本とし、これらのレールの両端をレール固定機構により前記管体に固定したことを特徴とする請求項５に記載のクランプオン型超音波流量計。
前記超音波送受信器は前記固着機構により前記レールに沿って移動可能な仮固定を可能としたことを特徴とする請求項５又は６に記載のクランプオン型超音波流量計。
前記超音波送受信器は前記固着機構により前記管体に対する押圧力を可変とした請求項５〜７の何れか１つの請求項に記載のクランプオン型超音波流量計。