JP2017223654A - 配管内を流れる流体の流速を測定するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で十分に幅の広い超音波放射を得ることのできる超音波変換器を提供する。【解決手段】外側から配管壁２２に取り付けられた少なくとも１つの超音波変換器１８ａと、配管壁の部分領域３２に結合された振動子３４とを備え、部分領域が超音波変換器の振動可能な振動板として作用する配管内を流れる流体の流速を測定するための測定装置１０において、振動板と振動子の間に振動子の断面よりも小さい断面を有する結合片３６が配置されていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１又は１２のプレアンブルに記載の、配管内を流れる流体の流速を測定するための測定装置及び方法に関する。

超音波に基づく流速又は流量の測定については様々な測定原理が知られている。ドップラー法では、流れる流体の表面で反射された超音波信号の、流速に応じて変化する周波数シフトが評価される。差分伝播時間法では、筒状配管の外周面に一対の超音波変換器が長手方向に互いにずれた状態で取り付けられる。これら２つの超音波変換器は、両者の間に張り渡された測定路に沿って流れを横切るように交互に超音波信号の発信と記録を行う。流体により運ばれる超音波信号は、その進行方向に応じて、流れにより加速又は減速される。その結果生じる伝播時間の差から、幾何学的な寸法を用いて流体の平均流速が求められる。更に断面積を用いれば、その流速から体積速度又は流量が得られる。より高精度な測定のために、それぞれ一対の超音波変換器を備える複数の測定路を設けて、流れの一断面を２つ以上の点で捕らえてもよい。

超音波の発生に用いられる超音波変換器は振動子（多くの場合、セラミック）を有している。この振動子を用いて、例えば圧電効果により電気信号から超音波への変換及びその逆の操作が行われる。用途に応じて、超音波変換器は音源、音検出器又はその両方として作動する。その際、流体と超音波変換器を結合させる必要がある。周知の解決策の一つは超音波変換器を配管内に突出させて流体と直接接触させるというものである。このように内側に突出した探知器は流れを妨害するため精密な測定が困難になることがある。逆に、浸漬された超音波変換器は流体並びにその圧力及び温度に曝されるため、損傷したり、堆積物により機能を喪失したりする可能性がある。

原則的には、内壁面が完全に閉じたままである技術も知られている。一例として特許文献１等に記載のいわゆる「クランプ・オン・取り付け（Clamp-On-Montage）」がある。この方法では超音波変換器が外側から配管上に固定される。しかし、この方法では管軸を通る直径方向の測定路しか実現できないため、流れのプロファイルが軸対称ではない場合に余分な誤差が生じる。

特許文献２では、超音波発生素子を内壁の外側に取り付けることが提案されている。クランプ・オン法とは異なり、その手法では超音波変換器がいわば壁の内部に統合されている。超音波変換器の領域には内壁の他の部分に比べて壁厚がはるかに薄いポケット部が形成され、残った壁の厚さが超音波変換器の振動板となる。「クランプ・イン（Clamp-In）」とも呼ばれるこの取り付け方式は、いわば配管内での固定的な取り付けとクランプ・オン・取り付けの中間型である。しかしそのために、複数の部品から成る比較的複雑な変換器が用いられる。それにも関わらず、高めの周波数で広範囲に放射を行うには放射面が大きすぎるままである。

特許文献３には別の流量測定装置が開示されている。該装置では、配管に穿孔された穴の底面で圧電素子が配管壁と接している。しかし、簡単な構造の変換器で十分に幅の広い放射を得るという課題はそこでもやはり解決されていない。

特許文献４では、媒質と接している作用面に超音波変換器を直接取り付けることが提案されている。流れ方向に成分を有する経路の調整が、作用面ひいては配管にテーパをつけることにより成される。ゆえに、平坦で障害物のない内壁面を持つ管は除外される。

US 4 467 659 EP 1 378 272 B1 特開2000-337940 DE 102 48 542 A1

故に、本発明の課題は、超音波を用いた流速測定のための、改良された変換器の基本構成を提示することである。

この課題は、請求項１又は１２に記載の配管内を流れる流体の流速を測定するための測定装置及び方法により解決される。基礎となるのは先に説明したクランプ・インの原理である。つまり、超音波変換器が外側から配管壁に取り付けられ、その振動子が配管壁の部分領域に結合される。例えば圧電セラミックである該振動子は前記部分領域を振動板として利用する。そして、本発明の出発点となる基本思想は、振動板と振動子の間に結合片を配置することにある。この結合片は振動子よりも細い（実際の応用では振動子よりもはるかに細くなる）。従って、振動子はピストンのように結合片で以て配管壁の上に設置され、該結合片が振動板と振動子の間で超音波を伝送する。これは、超音波変換器が発信器又は受信器のいずれの役割を果たすかに応じて双方向に生じ得る。この構造によれば、振動子の寸法ではなく結合片の寸法が放射面の大きさを限定する。これにより、変換板又は実効的な振動板の小型化と振動子の大型化を両立することができる。

本発明はまずクランプ・インの利点を全て有している。すなわち、内部突出法と同様に高い測定精度を得ながらも、流体用の内部空間が全く妨害されずに済む。超音波変換器が配管壁内に統合されているため、測定路が直径方向に限定されず、非常に幅の広い放射特性が得られる。また、超音波変換器が少数の部品から成る簡単な構造を有しているため、小さな公差で大量且つ安価に製造できる。

振動子は縦方向及び横方向に振動可能であることが好ましい。つまり、細い結合片の上に振動子を配置することで得られる追加の自由度を利用するのである。振動の動きが枕を振るような動きを想起させるため、この振動子は「枕振動子」と呼ぶこともできる。これと比較可能な振動は、振動子の下面が配管と全面的に結合される従来の配置では全く不可能である。

結合片は配管壁と一体的に形成されていることが好ましい。この結合片は配管壁と一体化した部品である。従って、中間層がなく、結合の機械的な安定性及び超音波の最適な伝送に関する問題がない。

本測定装置は、外側から配管内に付設されたポケット部を備え、該ポケット部の底面が振動板を成し、該振動板上に前記結合片が配置されていることが好ましい。ポケット部では、配管壁のうち振動板となる部分領域が配管壁の他の部分よりも大幅に薄い。結合片は振動子及びポケット部の底面のいずれよりも断面が小さい。好ましくは、結合片が配管壁の一部であり、ポケット部を形成する際にその場所に残される。

振動子は少なくとも部分的にポケット部内に配置されていることが好ましい。より好ましくは該振動子をポケット部内に完全に収める。これにより、結合片も比較的短いままにしておくことができ、超音波変換器の構成要素が配管壁内に統合される。

ポケット部は変換器ホルダにより外部に対して閉じられていることが好ましい。従って、変換器ホルダは超音波変換器領域の蓋のようなものになる。ただし、例えば接続用又はデータ用の配線のためにこの蓋に貫通路を設けることはなお可能である。

振動子は変換器ホルダと弾性的に結合されていることが好ましい。このようにすると、振動運動を制限することなく振動子を安定的に保持できる。そのためには例えばエラストマー層が有用である。

ポケット部は円柱状又は円錐台状の部分を備えていることが好ましい。その全体が円柱又は円錐台の形であってもよいが、両方の混成形でもよい。また、ポケット部内の一又は複数の高さ位置に直径の急激な変化つまり段差を設けることも考えられる。

振動子は平行六面体状又は円柱状に形成されていることが好ましい。既述の通り、結合片を介して結合を行えば、振動子の寸法は放射面により規定されなくなる。振動子は、単なる薄いセラミックではなく、横断面と同程度の寸法で高さ方向に広がりを持っていることが好ましい。また、振動子は複数の個層から成っていてもよい。

結合片は円柱状又は円錐台状の部分を有していることが好ましい。結合片の形状についてもポケット部と同様の変形が可能である。

前記流体は液体であることが好ましい。クランプ・イン式流量計は通常、気体の流速の測定に用いられる。気体の場合、超音波域のうち、従来の構造であっても振動子や配管壁のうち振動板となる部分領域を現実的且つ製造技術的に実装できるような周波数が用いられる。構造上の要求が生じる理由は、幅の広い放射特性を得るためには波長より小さい放射面が必要だということである。ところが、液体では周波数を一層高くする必要がある。その場合、壁の残部から成る薄片の厚みが５００μｍ未満だとすると、放射面を４ｍｍ未満にしなければならない。本発明では、結合片を使用し、該結合片により振動子及び放射面の寸法設定の依存性を解消すること又は該結合片上で特殊な振動を生じさせることによりその問題が解決される。

本測定装置は、流れを挟み且つ流れ方向にずれた状態で対向する少なくとも２つの超音波変換器と、該２つの超音波変換器の間で超音波信号を交換し、流れと同方向及び逆方向にそれぞれ発信されて再度受信された超音波の伝播時間の差に基づいて流速を測定するように構成された評価ユニットとを備えていることが好ましい。この場合、最初は超音波路が１つだけ張り渡される。ただし、不均一な流れ又は乱流をより高い精度で捉えるために、追加の超音波変換器により別の超音波路を設けることも考えられる。他の測定原理の例としてはドップラー法がある。

本発明に係る方法は前記と同様のやり方で仕上げていくことが可能であり、それにより同様の効果を奏する。そのような有利な特徴は、例えば本願の独立請求項に続く従属請求項に記載されているが、それらに限定されるものではない。

以下、本発明について、更なる特徴及び利点をも考慮しつつ、模範的な実施形態に基づき、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。

超音波変換器を用いて流速を測定するための測定装置の縦断面図。 図１中の超音波変換器領域の詳細図。 超音波変換器の振動子の振動の仕方を描いた概略立体図。 超音波変換器のために管壁内に設けられたポケット部の内部を示す立体図。 超音波変換器のために管壁内に設けられたポケット部の外観図。 ポケット部の形状を変えた図２と同様の超音波変換器の詳細図。

図１は、配管１４内を矢印１６で示した方向に流れる流体１２の流速又は該流速から算出される流量を測定するための測定装置１０の簡略縦断面図である。流速の測定は、例えば冒頭で説明した差分伝播時間法を用いて、一対の超音波変換器１８ａ〜ｂの間で流れと同方向及び逆方向にそれぞれ超音波信号の発信と受信を行い、その所要時間を制御及び評価ユニット内で評価することにより行われる。図１には制御及び評価ユニットそのものは描かれておらず、超音波変換器１８ａ〜ｂへの接続２０ａ〜ｂによりその存在を暗に示すのみである。別の実施形態として超音波変換器１８ａ〜ｂの数を変更してもよい。

配管１４は超音波測定領域において測定装置１０の計測体を形成している。ここでは計測体が現存の配管１４に統合された部品であるかのように描かれている。それも原理的には可能であるが、実際には測定装置１０は専用の計測体とともに製造され、該計測体が組み立て後に現存の配管の適当な部分と置き換えられる。そのために計測体は、例えば両側においてフランジ結合で嵌合される。

超音波変換器１８ａ〜ｂは配管１４の配管壁２２内に統合されている。これはまず、冒頭で説明したクランプ・イン型取り付けに相当するが、本発明による変換器の基本構成が加えられている。これについては後で図２〜６を参照して詳述する。超音波変換器１８ａ〜ｂは外側から変換器ホルダ２４により支持されている。この模範的な実施形態では配管１４乃至変換器ホルダ２４が計測体の領域においてケーシング又は被覆管２６で外から完全に囲まれている。

音の伝播線２８が大まかに示す通り、超音波変換器１８ａ〜ｂの放射乃至照射方向は配管１４の中心軸に垂直である。その上でなお２つの超音波変換器１８ａ〜ｂを軸方向にずらして伝播時間差法での測定効果を得るには、例えば２０°を超える広い幅の放射特性が必要である。そうすると、高い超音波周波数の場合、特にｋＨｚ領域、更にはＭＨｚ領域になると、放射面の直径がミリメートルのオーダーになってしまう。

２つの超音波変換器１８ａ〜ｂの代わりに複数対の超音波変換器を設けて、それらの相互間に多数の測定路を張り渡した多重路設計の測定装置１０にすることもできる。相互に且つ管軸に対してずれた複数の測定路を備えるこのような多重路型計測器では、不均一な流れ又は乱流の場合に、より高精度の測定ができる。単一路型計測器は、単一路で把握できる均一な流れを暗に前提とするか、より複雑な流れの一次的な近似だけを測定する。

図２は、本発明に係る変換器の原理による改良及び簡素化をより詳細に説明するため、配管壁２２内の一つの超音波変換器１８ａの領域を拡大図で示したものである。配管壁２２内には空洞又はポケット部３０が形成されており、その外側は変換器ホルダ２４で閉じられている。内側では配管壁２２のポケット部３０の領域に薄壁の部分領域３２が残っている。この領域は超音波変換器１８ａの振動板を兼ねており、変換器の振動子３４（例えば圧電セラミック）の作用により振動して超音波信号を発信したり、逆に配管１４の内部からの超音波信号が部分領域３２に当たった際に振動子３４を振動させたりする。薄壁の部分領域３２は、想定される配管内圧に耐えうる十分な安定性を保持している。配管壁２２は、流れを妨げたり堆積物が沈積したりする可能性がある凹部や凸部のない、それ自体閉じた内側面を形成している。

振動子３４は、振動板として作動する部分領域３２の上に直接載置されてはいない。部分領域３２と振動子３４の間にはそのいずれよりも断面積がはるかに小さい結合片３６がある。振動子３４はこの結合片３６の上に直接載置された圧電ブロックとして構成することができる。振動子３４と結合片３６を直接結合することも、追加の結合材を用いることも考えられる。また、その結合は、上からのクランプ力等による圧力ばめや、接着又は半田付けによって簡単に行うことができる。

一方、結合片３６は配管壁２２と一体の部品にすることで余分な接触箇所をなくすことが好ましい。そのためにはポケット部３０と結合片３６を効率の良い製造方法で一緒に形成することが好ましく、その際、いわば結合片３６がそこに残される形にする。ただし、音の伝送及び機械的な強靱さの面で不利であることが予測されるものの、独自の要素としての結合片３６を部分領域３２におけるポケット部３０の底面に固定することを排除するものではない。外側の方では振動子はしなやかに変換器ホルダ２４の表面に保持されており、バネ３８がそれを表している。バネ３８の模範的且つ現実的な実装の一つはエラストマー層である。バネ３８の力で振動子３４と結合片３６の間の結合を生み出す又は安定させることもできる。

結合片３６は、直径の小さい変換板又は放射面と、より大きな振動子３４との同時使用を可能にする。振動子３４と放射面の寸法が結合片３６により互いに独立して設定可能となる。振動子３４を大きくすることは、機能的に言えば、周波数設計の上でも、必要な感度を達成する上でも有利である。既に何度か述べたように、まさに周波数を高くした場合、幅の広い放射特性を得るには小さな放射面が必要となる。結合片３６により、最初は矛盾していたこれらの要求を同時に満たすことができる。

図３は振動子３４の振動の仕方を説明するために振動子だけを概略立体図で再度示したものである。振動子３４は具体的に平行六面体又は立方体状に描かれ、振動による変形も具体的に描かれているが、いずれも単なる模範例と理解すべきである。振動子３４は微小な面積で結合片３６上に固定され、その形状が高さ及び横方向に広がっているため、動作中に独特な振動を行う。その振動は強く揺すられる枕を想起させるものであるため、直感的に「枕振動」と呼ばれる。これは体積共鳴と解釈することもできる。振動子３４が縦の作用方向、つまり図３の高さ方向に収縮している間、横方向では全ての側で厚みが増す。ブロックの形状であるため、これは側面の稜線において顕著に現れる。縦方向の収縮も一様ではなく、中心部では非常に顕著に生じる一方、角部はあまり動かない。この振動が結合片３６を通じて振動板又は部分領域３２に伝送される。あるいは逆に、超音波が当たったときに振動板が結合片３６を介して振動子３４を振動させる。

振動子３４は数百ｋＨｚから数ＭＨｚまでの振動数領域において作動することが好ましいが、原理的には数ｋＨｚから少なくとも１０ＭＨｚまでの範囲でも機能する。具体的な有効振動数は形状と材料で決まるため、振動子３４の設計時にそれを考慮する。振動子３４はそのいずれかの共鳴振動数で、また結合片３６はその共鳴振動数又はそれより低い振動数で駆動することが好ましい。任意選択で部分領域３２の共鳴を利用してもよい。

図４は結合片３６を有するポケット部３０を立体的な部分図で再度示したものである。ポケット部３０は上部領域が円柱状で、そこから内側へ円錐台状にすぼまっている。ゆえに、内部の輪郭は部分領域３２の方に向かって小さくなっている。該領域の表面はポケット部３０の上部領域における横断面よりも小さく、しかも結合片３６があるため振動子３４よりも小さくできる。この実施形態では結合片３６は円柱状である。図５はポケット部３０と結合片３６が備えられた配管壁２２の写真を示している。

図６は図２と同様に超音波変換器１８ａの領域における測定装置１０の縦断面を再度示したものであるが、ポケット部３０の形状が異なっている。前述したポケット部３０は部分領域３０まで円錐台状にすぼまっているが、図６に描かれたポケット部は、振動子３４の領域では円柱径が大きく、結合片３６の領域では円柱径が小さいという、段差のついた形態になっている。なお、これらはポケット部の形状の単なる例に過ぎない。ポケット部３０は、断面の縮小がない円柱状のもの、複数の段差があるもの、円柱部と円錐台部の他の組み合わせ、又は更に別の形状で構成することもできる。これは結合片３６にも全く同様に当てはまるが、その断面が振動子３４に比べて明らかに小さいという条件はそのままである。振動子３４の形状としては、例えば立方体、平行六面体又は円柱が考えられる。

Claims (15)

1. 外側から配管壁（２２）に取り付けられた少なくとも１つの超音波変換器（１８ａ〜ｂ）と、前記配管壁（２２）の部分領域（３２）に結合された振動子（３４）とを備え、前記部分領域（３２）が前記超音波変換器（１８ａ〜ｂ）の振動可能な振動板として作用する、配管（１４）内を流れる流体の流速を測定するための測定装置（１０）において、
   前記振動板（３２）と前記振動子（３４）の間に該振動子（３４）の断面よりも小さい断面を有する結合片（３６）が配置されていることを特徴とする測定装置（１０）。
2. 前記振動子（３４）が縦方向及び横方向に振動可能であることを特徴とする請求項１に記載の測定装置（１０）。
3. 前記結合片（３６）が前記配管壁（２２）と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置（１０）。
4. 外側から前記配管（１４）内に付設されたポケット部（３０）を備え、該ポケット部（３０）の底面が前記振動板（３２）を成し、該振動板（３２）上に前記結合片（３６）が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の測定装置（１０）。
5. 前記振動子（３４）が少なくとも部分的に前記ポケット部（３０）内に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の測定装置（１０）。
6. 前記ポケット部（３０）が変換器ホルダ（２４）により外部に対して閉じられていることを特徴とする請求項４又は５に記載の測定装置（１０）。
7. 前記振動子（３４）が前記変換器ホルダ（２４）と弾性的に結合されていることを特徴とする請求項６に記載の測定装置（１０）。
8. 前記ポケット部（３０）が円柱状又は円錐台状の部分を備えていることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の測定装置（１０）。
9. 前記振動子（３４）が平行六面体状又は円柱状に形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の測定装置（１０）。
10. 前記結合片（３６）が円柱状又は円錐台状の部分を有していることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の測定装置（１０）。
11. 前記流体（１２）が液体であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の測定装置（１０）。
12. 流れを挟み且つ流れ方向にずれた状態で対向する少なくとも２つの超音波変換器（１８ａ〜ｂ）と、該２つの超音波変換器（１８ａ〜ｂ）の間で超音波信号を交換し、流れと同方向及び逆方向にそれぞれ発信されて再度受信された超音波の伝播時間の差に基づいて流速を測定するように構成された評価ユニットとを備えていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の測定装置（１０）。
13. 配管（１４）内を流れる流体（１２）の流速を測定する方法であって、外側から配管壁（２２）に取り付けられた超音波変換器（１８ａ〜ｂ）の振動子（３４）を前記配管壁（２２）の部分領域（３２）と結合することにより該部分領域（３２）を振動可能な振動板として利用する方法において、
    超音波が振動板（３２）と振動子（３４）の間で結合片（３６）を通じて伝送され、該結合片（３６）の断面が前記振動子（３４）の断面よりも小さいことを特徴とする方法。
14. 前記振動子（３４）が振動時に縦方向及び横方向に動かされることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記超音波が、前記配管壁（２２）と一体的に成型された結合片（３６）を通じて、振動子（３４）と配管壁（２２）の間で直接伝送されることを特徴と得る請求項１３又は１４に記載の方法。

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