JP2019002907A - 寄生信号を減衰可能な、計測流路内の流体の流量を超音波計測する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本体中実部内で超音波が伝搬することにより生じる計測ノイズを減衰又は遅延させることのできる超音波計測装置を提供する。【解決手段】両端部に流体供給通路８をそれぞれ有し、且つ、中実の本体２内に形成された導波路を構成する計測流路６内の流体流量を超音波計測する装置であり、各端部に流路の軸心に沿って伝搬する超音波を放射又は受信可能なトランスデューサ２０を備え、各トランスデューサは超音波を送信するケース４２を備えており、ケースは計測流路に対向する導波路４０と導波路の外側に流路の方向とは異なる複数の方向に超音波を向ける形状を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、流体流量を超音波計測する装置に関する。

配管内の流体の流量は、トランジットタイムの差を計測する方法を用いて、超音波流量計により計測できる。この手段は、現在、タイムインターバルを高精細に計測できる電子技術の進歩のおかげで一般に普及している。

従来のタイプの超音波流量計（特に米国特許出願公開第２０１４／０３４５３９０号明細書に記載）は流体通路用シリンダを備える。流体通路用シリンダは、各端部に、このシリンダに対して垂直な方向に流れる流体の流入口又は流出口を有する。

流体通路用シリンダの各端部には、このシリンダに対して垂直な閉鎖面を有する。閉鎖面の外部の一方側には超音波エミッタが、他方側にはエミッタが放射する超音波を受信するレシーバが設けられている。

このシリンダは、該シリンダに内嵌される管をさらに備える。管には軸方向に貫通する孔があり、この孔は、エミッタが送出する超音波及び流体を収容する流路を構成している。ポリマーなどの超音波吸収材料からなる管は、流路の側方に拡散する音波の伝搬を減衰する。これは、レシーバにおいて、流体のみが伝達する関連信号に加えて、ノイズとなる信号の寄生伝搬を回避するためである。この寄生伝搬の回避は、レシーバにより実現されている。

流体中の音信号の伝搬速度に対して、計測される流体速度が加算されることにより、エミッタによる放射と、レシーバによる受信との間のタイムインターバルに生じる小さい変化が測定される。流体の特性、この流体通路の形状、流体速度及び体積流量をさらに把握することが考えられる。

しかしながら、このタイプの流量計には問題が生じる場合がある。なぜなら、音波の伝搬を減衰する管が、依然として寄生波を通し、レシーバに測定ノイズを到達させるからである。

具体的に、このタイプの流量計を用いる補完的計測方法では、超音波が流体の流れる方向に並流として放射される場合と、逆方向に向流として放射される場合に、流体の流れの中でトランスデューサと呼ばれるエミッタとレシーバとの間をこの超音波が伝搬する時間を計測する。

このため、上流側トランスデューサに電圧を印加し、超音波を並流として放射させる。この超音波は下流側トランスデューサによって受信される。この後、下流側トランスデューサに電圧を印加し、超音波を向流として放射させる。この超音波は、上流側トランスデューサによって受信される。したがって、トランスデューサは、放射状態から受信状態に交互に切り替わる。

２つのトランスデューサ間の距離を把握しているので、超音波の２つのトランジットタイムの差により、流体の物理的特性（主に圧力及び温度）に応じて流体の流速が求められる。管の形状により、流体の体積流量を後から算出できる。

具体的には、このタイプの計測方法を用いると、計測流路の中実な本体が送信した寄生波から生じる計測ノイズが、流体中の超音波のトランジットタイムの計測精度を乱すことにより問題となる場合がある。

本発明は、特に、従来技術のこれらの欠点を回避することを目的とし、具体的には、超音波流量計の計測ノイズを抑制することを目的とする。

この目的のため、本発明は、両端部に流体供給通路をそれぞれ有し且つ中実の本体内に形成された導波路を構成する計測流路内の流体の流量を超音波計測する装置であって、各端部に、上記流路の軸心に沿って循環する超音波を放射又は受信可能なトランスデューサを備える装置において、各トランスデューサは、上記超音波を送信するケースを備え、上記ケースは、上記計測流路に対向する導波路と、上記導波路の外側に、上記流路の方向とは異なる複数の方向に上記超音波を向ける形状と、を有することを特徴とする装置を実現する。

上記超音波計測装置の効果は、単純かつ費用効率が高い方法で、上記流路に対向する上記導波路の後側にある円錐形状により、寄生超音波が、上記計測流路の軸心を基準にして反対側のトランスデューサに向く角度で、中実な本体内で放射される。これにより、これらの超音波は、最短経路でレシーバに向かって流れる。したがって、上記計測流路周辺の本体の中実部内で超音波が伝搬することにより生じる計測ノイズがレシーバトランスデューサに到達するのを減衰又は遅延させる。

本発明に係る超音波計測装置は、以下の特徴のうち１つ以上をさらに含んでもよい。これらの特徴が組み合わせられてもよい。

好適には、異なる方向に上記超音波を送出する上記形状には、上記流路の軸心を中心とする回転体形状が含まれ、上記回転体形状は中実の本体に支持される。

好適には、各トランスデューサケースは、上記計測流路の後側に形成されるキャビティに嵌入される外形を有する。

この場合、好適には、各導波路は、流体供給通路のすぐ後側に配置される正面横断面を有する。

具体的には、各トランスデューサケースは、後方から順に、まっすぐな円筒状部と、径が小さくなる回転体形状と、上記測定経路の端部が充填されているまっすぐな円筒状部を構成する上記導波路と、を有してもよい。

好適には、上記回転体形状は、６０°と１２０°との間の開き角を有する円錐を構成する。この角度により、本体内に軸心に沿って寄生波が直接レシーバトランスデューサに向かって放射されることが回避されるとともに、これらの寄生波が後方に戻ってくる。

好適には、上記トランスデューサケースの後側軸方向締付システムを備える。この軸方向の締め付けにより、上記ケースの上記円錐形状を上記本体の対応する形状に押し付けることができる。この目的は、これらの形状の表面により上記超音波を送信することである。

この場合、上記軸方向締付システムは、上記装置の上記本体のねじに係合されるナットを備え、上記ねじは上記計測流路の軸心に沿って配置されてもよい。

好適には、上記装置の上記本体は、上記２つの流体供給通路の間に、上記本体を２つの別個の軸方向部分に分割する少なくとも１つの横断クラックを有する。上記少なくとも１つのクラックは、上記本体の中実部内で寄生超音波の送信を制限する遮断部を構成する。

この場合、好適には、上記少なくとも１つのクラックは、空気層、又は音響インピーダンスが上記本体の音響インピーダンスとは異なる材料の層を含み、この層は、上記本体の上記２つの軸方向部分の間に介在する。

好適には、上記装置の上記本体は、上記流体供給通路を構成する２つの貫通孔を有し、上記２つの貫通孔は、上記計測流路の端部で開口するとともに、上記流路との角度が１２０°と１５０°との間である。

本発明の他の特徴及び効果は、以下の説明を読むことにより明らかになる。以下の説明は、以下の添付図面を用いて例示されているに過ぎない。

図１は、本発明に係る超音波計測装置の軸方向断面図である。 図２は、トランスデューサを示すこの計測装置の詳細図である。

図１及び図２は、本体２を有する超音波計測装置を示す。本体２は直線状の計測流路６を有する。計測流路６は、長手方向の軸に沿って配置され、複数の供給孔８に接続され、一方側では流入貫通孔及び上流側トランスデューサ２０を有し、他方側では流出貫通孔及び下流側トランスデューサを有する。

従来より、各トランスデューサ２０の軸方向の正面は、流路６に対向する面となっている。この面は超音波の放射又は受信を行う。

流路６の軸心を通る同一平面に配置される複数の供給孔８は、この流路に対して１３５°傾斜している。この角度を大きくする（好適には１２０°と１５０°との間にする）ことにより、供給孔８と流路６の軸心との角度が非常に鋭角であることで生じる圧力低下を制限して流体の流通を促進する。

各供給孔８は、本体２に対してねじ１４でねじ留めされる金属継手１２を収容する。この金属継手１２は、この供給孔の軸心に沿って配置される流入管２６又は流出管２８を保持する。

または、複数の供給孔８は、計測装置に接続された流入管２６又は流出管２８の所望の配向に応じて、異なる平面に配置されてもよい。

流路６の各端部には圧電トランスデューサ２０が収容される。圧電トランスデューサ２０はシリンダを構成している。このシリンダは、流路の軸心に沿って配置されるとともに、後部締付ナット２２が保持するケース４２の円筒状キャビティに後方から挿入される。トランスデューサ２０は、その軸心に沿って後方から外に出る電源ワイヤ２４を備えている。

流路６の各端部は、本体２の外部に向かって開口するキャビティによって延長されている。キャビティには、外側から順に、大径ボアと、軸心を中心として細くなるとともに９０°の開き角を有する円錐状面と、最終的に、一定の径Ｄを有する流路の貫通孔と、が含まれている。

各トランスデューサケース４２は、後側から順に、流路６の端部のキャビティの大径ボアに嵌入される円筒状部３０と、このキャビティの円錐状面に装着される円錐状狭窄部３２とを有する。円錐状狭窄部３２は、後部締付ナット２２を締め付けることにより、この円錐状面上で支持される。

流路６の端部のキャビティのボアには、確実に静的な封止ができるように、ケース４２の円筒状部３０で締められる封止ガスケットを収容する内部溝３６が含まれる。

トランスデューサケース４２は、さらに、流路６の貫通孔に嵌入される円筒状スタッドを有する。この円筒状スタッドには、供給孔８の直前に配置される正面横断面３４が終端となる導波路４０が形成されている。トランスデューサケース４２は、超音波伝導特性、並びに、圧力及び温度特性が公知の材料からなる。

導波路４０は、計測流路６の端部が充填されている部分である。この部分は、円錐状狭窄部３２の前方にあり、この流路と供給孔８との分岐まで延びている。したがって、計測流路６内には流体の窪み領域がない。この領域があれば、計測の信頼性が低下することになる。

トランスデューサ２０は、電圧を振動に、又は、振動を電圧に変換する素子である圧電セラミックスを有する。この圧電セラミックスは、計測流路の径Ｄよりも大きい径を有する。したがって、トランスデューサ２０によって放射されて導波路４０を通過した後に導波路の正面横断面３４から放出される計測用超音波は、計測流路６の軸心と平行であり、この超音波は、この流路に沿って反対側のトランスデューサに向かって伝搬する。

また、各トランスデューサケース４２の前部の円錐状狭窄部３２は、９０°の開き角を有する。こうして、導波路４０の手前の両側で、トランスデューサが放射した寄生超音波を後方に反射できる。一般に、円錐状狭窄部３２の開き角は６０°と１２０°との間であり得る。

このようにして、反対側のトランスデューサに到達し得る超音波が装置の本体２の中実部内で前方へ伝搬するのが抑制される。この目的は、計測流路６の流体中に移動する超音波に追加され得る寄生波を反対側のトランスデューサに送り出すことを回避することである。

計測装置の本体２は、流路６の各端部に、この流路の軸心を中心とする円形ボスを備えている。この円形ボスは、この本体２を後方に延伸させるものであり、雄ねじ３８を有する。

雄ねじ３８に係合される締付ナット２２は、トランスデューサケース４２の後側の面を軸方向に締めることにより、ケースの前側円錐状狭窄部３２を流路６の端部のキャビティにおける対応する円錐状面に押し付ける。締付ナット２２は中央貫通孔を有する。この中央貫通孔により、トランスデューサ２０の電源ワイヤ２４を後方から外に出すことができる。

計測流路６は、導波路４０の２つの正面横断面３４間の距離として定義される長さＬと、一定の径Ｄとを有する。Ｌ／Ｄ比は、好適には、３と３００との間である。

計測装置の本体２は、２つの供給孔８間に、この本体を２つの別個の軸方向部分に分割する横断クラック４を有する一方、流体が確実に通れるように、計測流路６のレベルでは封止を維持している。横断クラック４は、具体的には、空気層、又は音響インピーダンスが本体２とは異なる材料からなる層を含んで、超音波を減衰してもよい。

このように、横断クラック４は仕切りを構成している。この仕切りは、この仕切りを越えて本体２に沿って中実経路で伝搬する寄生超音波を大幅に減衰させる。この伝搬は、計測ノイズの発生により、エミッタトランスデューサが起点となり、レシーバトランスデューサが終点となるものである。

本発明に係る計測装置は、特に、熱機関の燃料噴射のための燃料流量を計測するのに適している。燃料噴射の圧力範囲は、０バールと３０００バールとの間であり、温度範囲は、−３０℃と１４０℃との間である。

噴射時間が非常に短いこのタイプの用途の場合、正確な計測値を得るために、高いサンプリング周波数が必要とされる。

特に、上流側トランスデューサに電圧を印加し、超音波を並流として放射できる。この超音波は下流側トランスデューサによって受信される。この後、下流側トランスデューサに電圧を印加し、超音波を向流として放射させる。この超音波は、上流側トランスデューサによって受信される。このように受信した超音波には、本発明の様々な仕組みのおかげで最小限の寄生信号しか含まれない。

計測装置の物理的特性、流体の物理的特性、並びに、圧力状態及び温度状態を把握しているので、超音波の２つのトランジットタイム間の差により、寄生信号が最小限に抑えられた状態で流体の体積流量を正確に算出できる。

Claims (11)

1. 両端部に流体供給通路（８）をそれぞれ有し且つ中実の本体（２）内に形成された導波路を構成する計測流路（６）内の流体の流量を超音波計測する計測装置であって、各端部に、上記流路（６）の軸心に沿って循環する超音波を放射又は受信可能なトランスデューサ（２０）を備える装置において、各トランスデューサ（２０）は、上記超音波を送信するケース（４２）を備え、上記ケースは、上記計測流路（６）に対向する導波路（４０）と、上記導波路（４０）の外側に、上記流路（６）の方向とは異なる複数の方向に上記超音波を向ける形状と、を有することを特徴とする計測装置。
2. 請求項１に記載の計測装置において、
   異なる方向に上記超音波を送出する上記形状には、上記流路の軸心を中心とする回転体形状（３２）が含まれ、上記回転体形状は中実の本体（２）に支持されることを特徴とする計測装置。
3. 請求項１又は２に記載の計測装置において、
   各トランスデューサケース（４２）は、上記計測流路（６）の後側に形成されるキャビティに嵌入される外形を有することを特徴とする計測装置。
4. 請求項３に記載の計測装置において、
   各導波路（４０）は、流体供給通路（８）のすぐ後側に配置される正面横断面（３４）を有することを特徴とする計測装置。
5. 請求項２〜４のいずれか１つに記載の計測装置において、
   各トランスデューサケース（４２）は、後方から順に、まっすぐな円筒状部と、径が小さくなる回転体形状（３２）と、上記計測経路（６）の端部が充填されているまっすぐな円筒状部を構成する上記導波路（４０）と、を有することを特徴とする計測装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の計測装置において、
   上記回転体形状（３２）は、６０°と１２０°との間の開き角を有する円錐を構成することを特徴とする計測装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の計測装置において、
   上記トランスデューサケース（４２）の後側軸方向締付システム（２２）を備えることを特徴とする計測装置。
8. 請求項７に記載の計測装置において、
   上記軸方向締付システム（２２）は、上記装置（２）の上記本体のねじ（３８）に係合されるナットを備え、上記ねじ（３８）は、上記計測流路（６）の軸心に沿って配置されることを特徴とする計測装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の計測装置において、
   上記装置の上記本体（２）は、上記２つの流体供給通路（８）の間に、上記本体を２つの別個の軸方向部分に分割する少なくとも１つの横断クラック（４）を有することを特徴とする計測装置。
10. 請求項９に記載の計測装置において、
    上記少なくとも１つのクラック（４）は、空気層、又は音響インピーダンスが上記本体の音響インピーダンスとは異なる材料の層を含み、上記層は、上記本体（２）の上記２つの軸方向部分の間に介在することを特徴とする計測装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載の計測装置において、
    上記装置の上記本体（２）は、上記流体供給通路（８）を構成する２つの貫通孔を有し、上記２つの貫通孔は、上記計測流路（６）の端部で開口するとともに、上記流路との角度が１２０°と１５０°との間であることを特徴とする計測装置。