JP2014016330A

JP2014016330A - 超音波流量計

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Publication number: JP2014016330A
Application number: JP2012164147A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2014-01-30

Abstract

【課題】気泡の影響の少なく、そして超音波伝播路に気泡の滞留がほとんどない超音波流量計を提供すること。
【解決手段】ＰＦＡ（ポリテトラフルオロエチレン）製の測定管４（外径６．３５ｍｍ、内径４．３５ｍｍ）とＰＦＡ製の流入管５（外径６．３５ｍｍ、内径４．３５ｍｍ）そしてＰＦＡ製の流出管６（外径６．３５ｍｍ、内径４．３５ｍｍ）を溶着により取り付けて流量計体７を作成する。流量計体７に整合板８、圧電素子９を接合し超音波流量計本体を作成する。そして超音波流量計本体を動作させる測定回路を用いて流量を測定する。流量計体７に用いられたＰＦＡ管の内面の平均表面粗さ（Ｒａ）は、約１６０ｎｍであった。
【選択図】図２

Description

本発明は、測定対象の流体中に超音波を伝播させ、流路の上流方向と下流方向への伝播時間差から流体の流速や流量を測定する超音波流量計に関するものである。

従来、超音波を測定対象の流路内の流体に伝搬させ、この超音波が流路の上流、下流双方向に伝搬する際の伝搬時間差を利用して流体の流速（流量）を測定する超音波流量計が用いられてきた。

しかし、流路内の流体に気泡が混入すると流体中を伝播する超音波の受信波形が大きく変化する。そのため、正確な流量の測定が困難になる。そこで、特許文献１に記載されているように電気的そしてソフト的に様々な処理をして気泡の影響を極力小さくする。

特開２０００−１７１４７８号公報

しかし、特許文献１の超音波流量計は、あくまでも受信信号が電気的そしてソフト的な処理が可能な範囲であり、それ以上の気泡の存在では流量測定が不正確になるか又は不可能になる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、気泡の影響を小さくする測定管の構成を持つ超音波流量計を提供することにある。

本発明は、被測定液体を流す測定路の流れ方向の上流と下流側とに一対の超音波トランスジューサを配置して、前記超音波トランスジューサ間の超音波の伝播所要時間から測定路の内部を流れる被測定液体の流量または流速を測定する超音波流量計において、流入路、測定路そして流出路が同じ断面形状であり、流入路の中心軸と測定路の中心軸が直交し、測定路の中心軸と流出路の中心軸が直交し、そして流入路と測定路がそれぞれの中心軸に対して４５度傾斜した面とを共有すること及び流出路と測定路がそれぞれの中心軸に対して４５度傾斜した面とを共有するものである。

本発明はまた、被測定液体を流す測定管の流れ方向の上流と下流側とに一対の超音波トランスジューサを配置して、前記超音波トランスジューサ間の超音波の伝播所要時間から測定配管の内部を流れる被測定液体の流量または流速を測定する超音波流量計において、流入管、測定管そして流出管が同じ断面形状であり、流入管の中心軸と測定管の中心軸が直交し、測定管の中心軸と流出管の中心軸が直交し、そして流入管と測定管がそれぞれの中心軸に対して４５度傾斜した面とを共有すること及び流出管と測定管がそれぞれの中心軸に対して４５度傾斜した面とを共有する超音波流量計とするものである。

本発明はまた、被測定液体を流す測定管の流れ方向の上流と下流側とに一対の超音波トランスジューサを配置して、前記超音波トランスジューサ間の超音波の伝播所要時間から測定配管の内部を流れる被測定液体の流量または流速を測定する超音波流量計において、流入路、測定路が同じ断面形状であり、流入路の中心軸と測定路の中心軸が直交し、そして流入路と測定路がそれぞれの中心軸に対して４５度傾斜した面とを共有するブロック及び流出路、測定路が同じ断面形状であり、流出路の中心軸と測定路の中心軸が直交し、そして流出路と測定路がそれぞれの中心軸に対して４５度傾斜した面とを共有する流体ブロックを持つ超音波流量計とするものである。

本発明はまた、超音波振動子が測定路の中心軸に直交する平面を持つ圧電素子であり、超音波振動子の中心軸と測定路の中心軸が一致する前記に記載の超音波流量計とするものである。

本発明はまた、流入管、測定管そして流出管の断面形状が円管である前記に記載の超音波流量計とするものである。

本発明はまた、流体ブロックの流路の断面形状が円である前記に記載の超音波流量計とするものである。

本発明はまた、流路の内面の表面粗さが平均面さ粗さＲａが５００ｎｍ以下である前記に記載の超音波流量計とするものである。

本発明はまた、流路の材料が、フッ素系の樹脂からなる前記に記載の超音波流量計とするものである。

本発明はまた、流入管、測定管、流出管そしてブロックを射出成形により作成する超音波流量計とするものである。

本発明の超音波流量計によれば、気泡の影響をできるだけ小さくして流量を測定できる。

本発明による超音波流量計の第１の実施形態を示す平面図である。図１のＡ−Ａ線での断面を示す図である。整合板と圧電素子の形状を示す平面図である。図３のＢ−Ｂ線での断面を示す図である。超音波流量計の流量を測定する回路を説明する図である。本発明による超音波流量計の第２の実施形態を示す平面図である。図１のＣ−Ｃ線での断面を示す図である。流入用ブロックの平面図である。図８のＤ−Ｄ線での断面を示す図である。流出用ブロックの平面図である。図９のＥ−Ｅ線での断面を示す図である。

第１の実施の形態である基本的な構成を図１の平面図と図１の平面図でのＡ−Ａ線での断面で示す図２を用いて示す。

図１で示す超音波流量計１は、超音波流量計本体２と図示しない測定回路３から構成される。ＰＦＡ（ポリテトラフルオロエチレン）製の測定管４（外径６．３５ｍｍ、内径４．３５ｍｍ）とＰＦＡ製の流入管５（外径６．３５ｍｍ、内径４．３５ｍｍ）そしてＰＦＡ製の流出管６（外径６．３５ｍｍ、内径４．３５ｍｍ）を溶着により取り付けて流量計体７を作成する。流量計体７に整合板８、圧電素子９を接合し超音波流量計本体を作成する。そして超音波流量計本体２を動作させる測定回路３を用いて流量を測定する。

流入管５は一方の端部その中心軸に対して４５度の角度で切断して作成する。測定管４は、両端を中心軸に対して４５度の角度で切断して作成する。流出管６は一方の端部その中心軸に対して４５度の角度で切断して作成する。流入管５の切断面と測定管４の一方の切断面をそれぞれの中心軸の角度が９０度になる角度で流入管５の切断面と測定管４の一方の切断面を溶着により接合する。次に流出管６の切断面と測定管４の他方の切断面をそれぞれの中心軸の角度が９０度になる角度で流出管の切断面と測定管４の他方の切断面を溶着により接合し、流量計体を作成する。

流量計体７に用いられたＰＦＡ管の内面の平均表面粗さ（Ｒａ）は、約１６０ｎｍであった。

流量計体７の測定管４の中心軸と延長した外側の流入管５と流出管６に炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）製の整合板８ａ、８ｂを接合して、さらに前記整合板８ａ、８ｂに圧電素子９ａ、９ｂを、エポキシ樹脂を用いて接着する、なお、ＰＦＡとＣＦＲＰをエポキシ樹脂により接着する前には、ＰＦＡを化学処理する。

整合板８と圧電素子９について図３の平面図と図３の平面図でのＢ−Ｂ線での断面で示す図４を用いて示す。炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）製の整合板８の直径は１０ｍｍであり、そして厚さの最も大きい厚さは２ｍｍであり、最も薄い厚さは約０．３ｍｍであり、炭素繊維は超音波伝播方向に直交してＣＦＲＰ中に配向している。

圧電素子９は、鉛系圧電セラミックであり、形状は直径１０ｍｍそして厚さは１ｍｍであり、分極方向は厚さ方向である。

以下に上記の構成の超音波流量計１の動作を、図１、図２を用いて説明する。

一対の超音波トランスジューサである一方の圧電素子９ａ上に設けたれた電極に２ＭＨｚの電圧信号が印加されると、電圧信号に基づいて、その圧電素子３ａが伸縮し、圧電素子９ａの超音波送受波面から超音波が放射される。この超音波は、整合板８ａ、ＰＦＡ面に伝搬し、純水１０に放射される。一方、純水１０を伝搬してきた超音波は、ＰＦＡ面を介して整合板８ｂ、圧電素子９ｂへ伝搬して、その電極間に２ＭＨｚの電圧信号を発生させる。

以上の動作を一対の超音波トランスジューサによる送受波を交互にスイッチしながら繰り返して実行することにより、同じ経路にそって逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間の差が計測され、その計測値に基づいて流速を計算する。そして、測定された流速および配管の断面積から流量が求められる。

さて超音波流量計の従来の構成では流路を流れる気泡が流路の内面に付着することにより流路に留まり、気泡が成長し続け、やがて超音波の伝播に影響を及ぼすことになる。

そこで本発明の超音波流量計１では、超音波流量計１の流量計体７の形状と流路の内面の表面粗さについての新たな考察により、流路を流れる気泡が、流路の内面にほとんど付着しないで、流体と共に流れることを実現した。

まず純水１０が流路を流れる際、気泡を流路の内面にほとんど付着させないため、流量計体７に用いられたＰＦＡ管の内面の平均表面粗さ（Ｒａ）は、約１６０ｎｍした結果、流路には気泡が付着することなく純水１０と共に流れた。なお純水１０は、約１００ｍｌ／ｍｉｎの流量で流した。これに対して、化学処理を行ってＰＦＡ管の内面の平均表面粗さ（Ｒａ）を、約５００ｎｍにしたものは、純水１０を約１００ｍｌ／ｍｉｎの流量で流した状態において、流路に付着する気泡の数が多くなり、また気泡が大きくなる現象も生じた。したがって、流路の内面の平均表面粗さ（Ｒａ）は、約５００ｎｍ未満にすることが必要である。

次に流入管５の中心軸１１ａと測定管４の中心軸１１ｂが直交し、流出管６の中心軸１１ｃと測定管４の中心軸１１ｂが直交し、流入管５の中心軸１１ａと流出管６の中心軸１１ｂが平行である構成において、それぞれの管の断面形状の変化ができるだけ小さくするため、以下の構成とした。流入管５はＰＦＡ管の中心軸１１ａに対して４５度の角度で切断して作成する。測定管４は、ＰＦＡ管の両端を、中心軸１１ｂに対して４５度の角度で切断して作成する。流出管６はＰＦＡ管の中心軸に対して４５度の角度で切断して作成する。流入管５の切断面と測定管４の一方の切断面をそれぞれの中心軸１１ａ、１１ｂの角度が９０度になる角度で流入管５の切断面と測定管４の一方の切断面を溶着により接合する。次に流出管６の切断面と測定管４の他方の切断面をそれぞれの中心軸１１ｂ、１１ｃの角度が９０度になる角度で流出管６の切断面と測定管４の他方の切断面を溶着により接合し、流量計体７を作成する。

このような流路にすることで、気泡の留まる易い断面形状が大きく変化する流路を無くすることができるため、従来の構成と比較して気泡の滞留を大幅に改善できる。

以下、この超音波流量計の測定動作を、図５を用いて詳細に説明する。

切替回路、受波検知回路、タイマ、演算部、駆動回路そして制御部で構成する測定回路３を用いて被測定流体として、純水１０が測定管４の内部を流れる場合について説明する。圧電素子９ａ、９ｂの駆動周波数を約２ＭＨｚとする。制御部は、駆動回路に送波開始信号を出力すると同時に、タイマの時間計測を開始させる。

駆動回路は送波開始信号を受けると、圧電素子３ａを駆動し、超音波パルスを送波する。送波された超音波パルスは、測定管４の内部の純水１０を伝搬して、圧電素子９ｂで受波される。受波された超音波パルスは圧電素子９ｂで電気信号に変換され、受波検知回路に出力される。

受波検知回路では、受波信号の受波タイミングを決定し、タイマを停止させる。演算部は、伝搬時間ｔ１を演算する。

次に、切替回路により駆動回路および受波検知回路に接続する圧電素子９ａおよび圧電素子９ｂを切り替える。そして、再び、制御部は駆動回路に送波開始信号を出力すると同時に、タイマの時間計測を開始させる。

伝搬時間ｔ１の測定と逆に、圧電素子９ｂで超音波パルスを送波し、圧電素子９ａで受波し、演算部で伝搬時間ｔ２を演算する。

伝搬時間ｔ１、ｔ２は、それぞれ測定によって求められる。距離Ｌは既知であるので時間ｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖから流量を決定することができる。

このような超音波流量計において、伝搬時間ｔ１、ｔ２は、ゼロクロス法と呼ばれる方法によって好適に測定される。

以上述べたように本発明の超音波流量計は、超音波が伝播する経路に気泡の滞留がないため受信感度の変動が小さい流量の測定ができる。また、超音波が伝播する経路を完全に遮断する大きな気泡が生じないため測定不能になることはない。

以上述べたように本発明の超音波流量計は、測定管２として有機材料であるＰＦＡを用いた例について説明したが、測定管２としてステンレスなどの金属材料でもよい。

第２の実施の形態である基本的な構成を図６の平面図と図６の平面図でのＣ−Ｃ線での断面で示す図７を用いて示す。

ＰＦＡ（ポリテトラフルオロエチレン）製の流入用ブロック１２ａにＰＦＡ製の流入管５と一方の測定管４の端部を溶着により接合する。そしてＰＦＡ製の流出用ブロック１２ｂにＰＦＡ製の流出管６と測定管４の他方の端部を溶着により取り付ける。ブロック１２ａ、１２ｂ、流入管５、測定管４そして流出管６は、射出成型により作成され、流体が通過する内面は、平均表面粗さ（Ｒａ）は、約１６０ｎｍである。

ブロック１２ａを図８の平面図と図８の平面図でのＤ−Ｄ線での断面で示す図９を用いて示す。ブロック１２ａの流体が通過する流入路１３の直径は４．３５ｍｍであり、測定路１４の直径も４．３５ｍｍである。そして、流入路、測定路が同じ断面形状であり、流入路の中心軸と測定路の中心軸が直交し、そして流入路と測定路がそれぞれの中心軸に対して４５度傾斜した面とを共有する。流入路１３と測定路１４の内面の平均表面粗さ（Ｒａ）は、約１６０ｎｍであった。ブロック１２ａは、射出成形にて作成した。

ブロック１２ｂを図１０の平面図と図１０の平面図でのＥ−Ｅ線での断面で示す図１１を用いて示す。ブロック１２ｂの流体が通過する流出路１５の直径は４．３５ｍｍであり、測定路１４の直径も４．３５ｍｍである。流出路、測定路が同じ断面形状であり、流出路の中心軸と測定路の中心軸が直交し、そして流出路と測定路がそれぞれの中心軸に対して４５度傾斜した面とを共有する。流出路１３と測定路１４の内面の平均表面粗さ（Ｒａ）は、約１６０ｎｍであった。ブロック１２ｂは、射出成形にて作成した。

ブロック１２ａ、１２ｂの流体が通過する流入路１３、測定路１４そして流出路１５の直径は４．３５ｍｍであり、流入管５、測定管４そして流出管６は、外径６．３５ｍｍ、内径４．３５ｍｍである。また、流量計体７の測定管４の中心軸と延長したブロック１２ａ、１２ｂの位置の厚さは２ｍｍである。この厚さが４ｍｍ以上では受信感度が小さくなりすぎる。

流量計体７の測定管４の中心軸と延長したブロック１２ａ、１２ｂの外側に炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）製の整合板８ａ、８ｂを接合して、さらに前記整合板８ａ、８ｂに圧電素子９ａ、９ｂを、エポキシ樹脂を用いて接着する。なお、ＰＦＡとＣＦＲＰをエポキシ樹脂により接着する前には、ＰＦＡを化学処理する。

炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）製の整合板８ａ、８ｂは、直径１０ｍｍであり、厚さは約０．３ｍｍである。そして炭素繊維は超音波伝播方向に直交してＣＦＲＰ中に配向している。

圧電素子９ａ、９ｂは、鉛系圧電セラミックであり、形状は直径１０ｍｍそして厚さは１ｍｍであり、分極方向は厚さ方向である。

以下に上記の構成の超音波流量計１の動作を、図６、図７を用いて説明する。

一対の超音波トランスジューサである一方の圧電素子９ａ上に設けたれた電極に２ＭＨｚの電圧信号が印加されると、電圧信号に基づいて、その圧電素子９ａが伸縮し、圧電素子３ａの超音波送受波面から超音波が放射される。この超音波は、整合板、ＰＦＡ面に伝搬し、純水１０に放射される。一方、純水１０を伝搬してきた超音波は、ＰＦＡ面、整合板を介して圧電素子９ｂへ伝搬して、その電極間に２ＭＨｚの電圧信号を発生させる。

以上の動作を一対の超音波トランスジューサの圧電素子９ａ、９ｂによる送受波を交互にスイッチしながら繰り返して実行することにより、同じ経路にそって逆方向に伝搬した超音波の伝搬時間の差が計測され、その計測値に基づいて流速を計算する。そして、測定された流速および配管の断面積から流量が求められる。

超音波流量計１の従来の構成では流路を流れる気泡が流路の内面に付着することにより流路に留まり、気泡が成長し続け、やがて超音波の伝播に影響を及ぼすことになる。

そこで本発明の超音波流量計１では、超音波流量計１の流量計体７の形状と流路の内面の表面粗さを新たに考案することにより、流路を流れる気泡が流路の内面にほとんど付着しないで、流体と共に流れる構成とした。

まず純水が流路を流れる際、気泡を流路の内面にほとんど付着させないため、流量計体７に用いられたブロック１２ａ、１２ｂ、ＰＦＡ管の内面の平均表面粗さ（Ｒａ）は、約１６０ｎｍした結果、流路には気泡が付着することなく純水と共に流れた。なお純水は、約１００ｍｌ／ｍｉｎの流量で流した。化学処理を行ってＰＦＡ管の内面の平均表面粗さ（Ｒａ）を、約５００ｎｍにしたものは、純水を約１００ｍｌ／ｍｉｎの流量で流した状態において、流路に気泡が付着し、また気泡が大きくなる現象も生じた。したがって、流路の内面の平均表面粗さ（Ｒａ）は、約５００ｎｍ未満であることが必要である。

このような流路にすることで、気泡の留まる流路の断面形状が大きく変化することを無くすることができるため、従来の構成と比較して気泡の滞留を大幅に改善できる。

１超音波流量計
２超音波流量計体
３測定回路
４測定管
５流入管
６流出管
７流量計体
８整合板
９圧電素子
１０純水
１１中心軸
１２ブロック
１３流入路
１４測定路
１５流出路

Claims

被測定液体を流す測定路の流れ方向の上流と下流側とに一対の超音波トランスジューサを配置して、前記超音波トランスジューサ間の超音波の伝播所要時間から測定路の内部を流れる被測定液体の流量または流速を測定する超音波流量計において、流入路、測定路そして流出路が同じ断面形状であり、流入路の中心軸と測定路の中心軸が直交し、測定路の中心軸と流出路の中心軸が直交し、そして流入路と測定路がそれぞれの中心軸に対して４５度傾斜した面とを共有すること及び流出路と測定路がそれぞれの中心軸に対して４５度傾斜した面とを共有することを特徴とする。
被測定液体を流す測定管の流れ方向の上流と下流側とに一対の超音波トランスジューサを配置して、前記超音波トランスジューサ間の超音波の伝播所要時間から測定配管の内部を流れる被測定液体の流量または流速を測定する超音波流量計において、流入管、測定管そして流出管が同じ断面形状であり、流入管の中心軸と測定管の中心軸が直交し、測定管の中心軸と流出管の中心軸が直交し、そして流入管と測定管がそれぞれの中心軸に対して４５度傾斜した面とを共有すること及び流出管と測定管がそれぞれの中心軸に対して４５度傾斜した面とを共有することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
被測定液体を流す測定管の流れ方向の上流と下流側とに一対の超音波トランスジューサを配置して、前記超音波トランスジューサ間の超音波の伝播所要時間から測定配管の内部を流れる被測定液体の流量または流速を測定する超音波流量計において、流入路、測定路が同じ断面形状であり、流入路の中心軸と測定路の中心軸が直交し、そして流入路と測定路がそれぞれの中心軸に対して４５度傾斜した面とを共有すること及び流出路、測定路が同じ断面形状であり、流出路の中心軸と測定路の中心軸が直交し、そして流出路と測定路がそれぞれの中心軸に対して４５度傾斜した面とを共有する流体ブロックを持つことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
超音波振動子が測定路の中心軸に直交する平面を持つ圧電素子であり、超音波振動子の中心軸と測定路の中心軸が一致することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
流入管、測定管そして流出管の断面形状が円管であることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
流体ブロックの流路の断面形状が円であることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
流路の内面の表面粗さが平均面さ粗さＲａが３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
流路の材料が、フッ素系の樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
流入管、測定管、流出管そしてブロックを射出成形により作成することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。