JP2019039805A - Ultrasonic flow meter and ultrasonic flow measurement method - Google Patents
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Description
本発明は、流量計測時に、配管の外周面に取り付けた超音波吸収体を伝搬する超音波のノイズ成分を低減するための超音波流量計測技術に関する。 The present invention relates to an ultrasonic flow measurement technique for reducing noise components of ultrasonic waves propagating through an ultrasonic absorber attached to an outer peripheral surface of a pipe during flow measurement.
一般に、クランプオン式の超音波流量計は、配管の外側に取り付けられた一方のトランスデューサから配管内に向けて超音波を送信するとともに、同じく配管の外側に取り付けられた他方のトランスデューサにより、配管内を流れる流体を通過した超音波を受信し、その受信結果に応じて流体の流速および流量を計測するものとなっている。
この際、超音波送信器で得られる受信結果には、配管内を流れる流体を伝搬した流体伝搬波からなる信号成分のほか、配管の外周面、内周面、あるいは壁部内を伝搬した配管伝搬波からなるノイズ成分が含まれる。このため、このノイズ成分により、流量の計測精度が低下することになる。
Generally, a clamp-on type ultrasonic flowmeter transmits ultrasonic waves from one transducer attached to the outside of the pipe into the pipe, and the other transducer attached to the outside of the pipe also causes the inside of the pipe to be transmitted. The ultrasonic wave which passed the fluid which flows through is received, and the flow velocity and flow rate of the fluid are measured according to the reception result.
At this time, the reception result obtained by the ultrasonic transmitter includes not only the signal component consisting of the fluid propagation wave that propagates the fluid flowing in the pipe, but also the pipe propagation that propagates in the outer peripheral surface, inner peripheral surface, or wall of the pipe. A noise component consisting of waves is included. For this reason, the measurement accuracy of the flow rate is lowered by the noise component.
従来、このようなノイズ成分を低減する技術として、配管の外周面にマット状の超音波吸収体を取り付けて、配管の外周面、内周面、あるいは壁部内を伝搬する配管伝搬波を吸収する技術が提案されている(例えば、特許文献1など参照)。
この超音波吸収体は、例えば、未架橋のブルチゴムなど、ゴムや高分子材料を主材料とする、弾性を有するマット状の弾性体からなる。
Conventionally, as a technique for reducing such noise components, a mat-like ultrasonic absorber is attached to the outer peripheral surface of the pipe to absorb the pipe propagation wave propagating through the outer peripheral surface, inner peripheral surface, or wall of the pipe. Techniques have been proposed (see, for example, Patent Document 1).
This ultrasonic absorber is made of an elastic mat-like elastic body mainly made of rubber or a polymer material, such as uncrosslinked burchi rubber.
超音波(音波)は、異なる媒質を伝搬する場合、媒質間の音響インピーダンスの差の大小によって、媒質界面における透過率および反射率が変化する。一般的には、配管とその外側の大気との音響インピーダンス差が大きいため、配管を伝搬する配管伝搬波が大気に伝搬する割合は小さい。一方、上記超音波吸収体は、大気と比較して音響インピーダンスが大きいため、配管との音響インピーダンス差は、配管とその外側の大気との音響インピーダンス差に比べて小さくなる。これにより、配管の外周面に超音波吸収体を取り付けることにより、配管伝搬波からなるノイズ成分を低減することができる。 When ultrasonic waves (sound waves) propagate through different media, the transmittance and reflectance at the medium interface change depending on the difference in acoustic impedance between the media. In general, since the difference in acoustic impedance between the pipe and the atmosphere outside the pipe is large, the ratio of the pipe propagation wave propagating through the pipe to the atmosphere is small. On the other hand, since the ultrasonic absorber has a larger acoustic impedance than the atmosphere, the acoustic impedance difference with the pipe is smaller than the acoustic impedance difference between the pipe and the outside atmosphere. Thereby, the noise component which consists of a pipe propagation wave can be reduced by attaching an ultrasonic absorber to the outer peripheral surface of piping.
しかしながら、このような従来技術では、配管の外周面に取り付けた超音波吸収体により、配管を伝搬する配管伝搬波からなるノイズ成分を低減できるものの、超音波吸収体自体を伝搬する吸収体伝搬波からなるノイズ成分が発生するという問題点があった。
特に、配管が25A以下の小口径配管である場合、超音波を送受信するトランスデューサ間の距離が短く、配管の外周面のうちこれらトランスデューサ間に取り付けられる超音波吸収体も短くなる。このため、吸収体伝搬波からなるノイズ成分も大きくなる傾向があり、流量の計測精度が低下しやすい。
However, in such a conventional technique, although the noise component consisting of the pipe propagation wave propagating through the pipe can be reduced by the ultrasonic absorber attached to the outer peripheral surface of the pipe, the absorber propagation wave propagating through the ultrasonic absorber itself There was a problem that a noise component consisting of
In particular, when the pipe is a small-diameter pipe of 25 A or less, the distance between transducers that transmit and receive ultrasonic waves is short, and the ultrasonic absorber attached between these transducers on the outer peripheral surface of the pipe is also short. For this reason, the noise component which consists of an absorber propagation wave also tends to become large, and the measurement accuracy of flow volume tends to fall.
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、配管の外周面に取り付けた超音波吸収体を伝搬する超音波に起因するノイズ成分を低減できる超音波流量計測技術を提供することを目的としている。 This invention is for solving such a problem, and provides the ultrasonic flow measurement technique which can reduce the noise component resulting from the ultrasonic wave which propagates the ultrasonic absorber attached to the outer peripheral surface of piping. It is aimed.
このような目的を達成するために、本発明にかかる超音波流量計は、配管の外周面に設けたトランスデューサにより前記配管内を流れる流体を通過するよう送受信した超音波に基づいて、前記流体の流量を計測する超音波流量計であって、前記配管の外周面に設けられて、前記超音波のうち前記配管を伝搬する配管伝搬波を吸収する超音波吸収体と、前記配管の外周面のうち前記超音波吸収体と前記トランスデューサとの間に設けられて、前記超音波のうち前記超音波吸収体を伝搬してきた吸収体伝搬波の、前記トランスデューサに対する伝搬を抑制する伝搬抑制部とを備えている。 In order to achieve such an object, an ultrasonic flowmeter according to the present invention is based on ultrasonic waves transmitted and received so as to pass a fluid flowing in the pipe by a transducer provided on the outer peripheral surface of the pipe. An ultrasonic flowmeter for measuring a flow rate, provided on an outer peripheral surface of the pipe, an ultrasonic absorber for absorbing a pipe propagation wave propagating through the pipe among the ultrasonic waves, and an outer peripheral surface of the pipe A propagation suppression unit that is provided between the ultrasonic absorber and the transducer, and suppresses propagation of the absorber propagation wave that has propagated through the ultrasonic absorber among the ultrasonic waves to the transducer. ing.
また、本発明にかかる上記超音波流量計の一構成例は、前記超音波吸収体の外側面に設けられたマット状の弾性多孔体からなり、前記配管と前記超音波吸収体との界面における前記配管伝搬波の反射を緩衝する超音波緩衝体と、前記超音波緩衝体の外側面に設けられて、前記超音波緩衝体を前記配管の方向に押圧して締め付ける締付部と、操作に応じて前記締付部の締付力を変更して、前記押圧による前記超音波緩衝体の変形度合を変化させて前記超音波緩衝体の音響インピーダンスを変化させることにより、前記界面で反射される前記配管伝搬波の強度を左右する、前記配管、前記超音波吸収体、および前記超音波緩衝体の音響インピーダンスに関する音響整合状況を調整する音響整合調整部とをさらに備え、前記伝搬抑制部は、前記配管の外周面のうち前記超音波吸収体、前記超音波緩衝体、および前記締付部と前記トランスデューサとの間に設けられているものである。 Further, one configuration example of the ultrasonic flowmeter according to the present invention is formed of a mat-like elastic porous body provided on the outer surface of the ultrasonic absorber, and at the interface between the pipe and the ultrasonic absorber. An ultrasonic buffer that buffers reflection of the pipe propagation wave, a tightening portion that is provided on the outer surface of the ultrasonic buffer, and presses and tightens the ultrasonic buffer in the direction of the pipe. Accordingly, the tightening force of the tightening portion is changed, and the degree of deformation of the ultrasonic buffer due to the pressing is changed to change the acoustic impedance of the ultrasonic buffer, thereby being reflected at the interface. An acoustic matching adjustment unit that adjusts an acoustic matching state related to an acoustic impedance of the pipe, the ultrasonic absorber, and the ultrasonic buffer, which affects the intensity of the pipe propagation wave, and the propagation suppression unit, Piping The ultrasound absorber of the outer circumferential surface, the one in which is provided between the transducer and the ultrasonic cushion, and the fastening portion.
また、本発明にかかる上記超音波流量計の一構成例は、前記伝搬抑制部が、空気を含むための多数の空隙を有する多孔質材または空気層からなるものである。 Moreover, one structural example of the said ultrasonic flowmeter concerning this invention consists of a porous material or air layer in which the said propagation suppression part has many space | gap for containing air.
また、本発明にかかる超音波流量計測方法は、配管の外周面に設けたトランスデューサにより前記配管内を流れる流体を通過するよう送受信した超音波に基づいて、前記流体の流量を計測する超音波流量計で用いられる超音波流量計測方法であって、前記配管の外周面に設けられた超音波吸収体が、前記超音波のうち前記配管を伝搬する配管伝搬波を吸収する超音波吸収ステップと、前記配管の外周面のうち前記超音波吸収体と前記トランスデューサとの間に設けられた伝搬抑制部が、前記超音波のうち前記超音波吸収体を伝搬してきた吸収体伝搬波の、前記トランスデューサに対する伝搬を抑制する伝搬抑制ステップとを備えている。 The ultrasonic flow rate measuring method according to the present invention is an ultrasonic flow rate measurement method for measuring the flow rate of the fluid based on ultrasonic waves transmitted and received so as to pass the fluid flowing in the pipe by a transducer provided on the outer peripheral surface of the pipe. An ultrasonic flow measurement method used in a meter, wherein an ultrasonic absorber provided on an outer peripheral surface of the pipe absorbs a pipe propagation wave propagating through the pipe among the ultrasonic waves, and an ultrasonic absorption step, Propagation suppression unit provided between the ultrasonic absorber and the transducer in the outer peripheral surface of the pipe is configured to transmit the absorber propagating wave propagating through the ultrasonic absorber of the ultrasonic wave to the transducer. A propagation suppression step for suppressing propagation.
本発明によれば、配管を伝搬する配管伝搬波からなるノイズ成分を低減できるとともに、超音波吸収体自体を伝搬する吸収体伝搬波からなるノイズ成分も低減することができる。したがって、流体Xを伝搬する流体伝搬波に相当する信号成分に対するノイズ成分の割合を示すS/N比を向上させることができ、結果として、極めて良好な計測精度を得ることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to reduce a noise component composed of a pipe propagation wave propagating through a pipe, and to reduce a noise component composed of an absorber propagation wave propagating through the ultrasonic absorber itself. Therefore, the S / N ratio indicating the ratio of the noise component to the signal component corresponding to the fluid propagation wave propagating through the fluid X can be improved, and as a result, extremely good measurement accuracy can be obtained.
次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
[超音波流量計]
まず、図1〜図3を参照して、本発明の一実施の形態にかかる超音波流量計1について説明する。図1は、超音波流量計の外観図である。図2は、配管径方向に関する超音波流量計の断面図である。図3は、配管の長手方向に関する超音波流量計の断面図である。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Ultrasonic flow meter]
First, an
この超音波流量計1は、全体としてクランプオン超音波流量計からなり、配管30の外周面31に取り付けられた一方のトランスデューサ13A(13B)から配管30内に向けて超音波を送信するとともに、配管30の外周面31に取り付けられた他方のトランスデューサ13B(13A)により、配管30内を流れる蒸気などの流体Xを通過した超音波を受信し、その受信結果に応じて流体Xの流量を計測する機能を有している。
The
図1に示すように、本実施の形態にかかる超音波流量計1には、主な構成として、流量計本体10、トランスデューサ13A,13B、超音波吸収体14、超音波緩衝体21、締付部22、音響整合調整部23、および伝搬抑制部24A,24Bが設けられている。これら構成のうち、超音波緩衝体21、締付部22、音響整合調整部23、および伝搬抑制部24A,24Bが、超音波緩衝装置20を構成している。
As shown in FIG. 1, the
流量計本体10は、超音波流量計測のための各種回路部が収容される筐体からなり、主な回路部として、切替部11と計測処理部12が設けられている。
The flow meter
切替部11は、計測処理部12から出力された切替信号に応じて、計測処理部12とトランスデューサ13A,13Bとを切替接続する回路部である。これにより、トランスデューサ13Aから超音波を送信する場合には、計測処理部12からの電気送信信号がトランスデューサ13Aへ出力されるとともに、トランスデューサ13Bからの電気受信信号が計測処理部12へ出力され、トランスデューサ13Bから超音波を送信する場合には、計測処理部12からの電気送信信号がトランスデューサ13Bへ出力されるとともに、トランスデューサ13Aからの電気受信信号が計測処理部12へ出力される。
The
計測処理部12は、全体としてCPUおよび信号処理回路からなり、一定周波数で変調されたパルス信号からなる電気送信信号を生成する機能と、生成した電気送信信号を切替部11によりトランスデューサ13A,13Bに切替出力することにより、トランスデューサ13A,13B間で上り方向および下り方向に超音波をやり取する機能と、これにより得られた上り電気受信信号と下り電気受信信号とから得られた伝搬時間差に基づき、配管30内を流れる流体の速度さらには流量を計算する機能とを有している。
The
トランスデューサ13A,13Bは、全体として超音波送受信器からなり、流量計本体10から出力された電気送信信号を超音波に変換し、配管30の管壁32を介して配管30内の量体Xに向けて送信する機能と、管壁32を介して配管30内から届いた超音波を受信して電気受信信号に変換し、流量計本体10へ出力する機能とを有している。これらトランスデューサ13A,13Bは、配管30の外周面31のうち、例えば配管30内側の中央位置に設けられた基準となる測定点Pを挟んで流体Xの上流側位置と下流側位置とに、斜めに対向配置されている。
The
一般に、トランスデューサ13A,13B間で流体Xの流れ方向Fに対する上り方向Uおよび下り方向Dに超音波を送受信した際、このような斜め対向配置により、流体Xの流速に応じて流体を伝搬した流体伝搬波に伝搬時間差が生じる。したがって、この伝搬時間差と流体Xに対する超音波の角度とから流体Xの流量を計算することができる。本実施の形態では、前述した特許文献1と同様に、このような伝搬時間差方式により流量を計測する場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、ドップラー方式の場合にも本実施の形態を同様にして適用することができる。
In general, when ultrasonic waves are transmitted and received between the
超音波吸収体14は、例えば、未架橋のブルチゴムなど、ゴムや高分子材料を主材料とする、マット状の弾性体からなり、配管30の外周面31に設けられて、トランスデューサ13A,13Bから送信された超音波のうち、配管30の外周面31、内周面32、あるいは壁部33内など、配管30自体を伝搬する配管伝搬波を吸収する機能を有している。
The
超音波緩衝体21は、例えばシリコーンゴムスポンジなどのように、シリコーン樹脂などの有機材料を主材料とする、連続気泡型のマット状の弾性多孔体からなり、超音波吸収体14の外側面に設けられて、配管30と超音波吸収体14との界面における配管伝搬波の反射を緩衝する機能を有している。
流体Xが蒸気などのように高い温度である場合には、耐熱性のシリコーン樹脂を用いればよく、それ以外にも例えばポリイミド樹脂からなるスポンジを用いれば、より高い温度の流体Xにも対応できる。
The
When the fluid X is at a high temperature such as steam, a heat-resistant silicone resin may be used. In addition to this, for example, a sponge made of a polyimide resin can be used to cope with a fluid X having a higher temperature. .
締付部22は、超音波緩衝体21の外側面に設けられて、超音波緩衝体21を配管30の方向に押圧して締め付ける機能を有しており、押さえ板22Aと締付バンド22Bとから構成されている。
The tightening
押さえ板22Aは、例えばステンレスなどの金属板からなり、超音波緩衝体21の外側面に設けられて、締付バンド22Bの締付力を分散させる機能を有している。
締付バンド22Bは、例えばステンレスなどの金属板からなり、押さえ板22Aの外側面を周回するように設けられて、押さえ板22Aを締め付けることにより、押さえ板22Aを介して超音波緩衝体21さらには超音波吸収体14の全体を、配管30の外側面に対して均等に押圧する機能を有している。
The holding
The
音響整合調整部23は、作業者の締付操作により締付部22の締付バンド22Bによる締付力を変更して、押圧による超音波緩衝体21の変形度合を変化させることにより、配管30と超音波吸収体14との界面で反射される配管伝搬波の強度を左右する、配管30、超音波吸収体14、および超音波緩衝体21の音響インピーダンスに関する音響整合状況を左右する、超音波緩衝体21の音響インピーダンスを調整する機能を有している。
The acoustic
伝搬抑制部24Aは、配管30の外周面31のうち、超音波吸収体14とトランスデューサ13Aとの間、さらには超音波緩衝体21および締付部22(押さえ板22A)とトランスデューサ13Aとの間に設けられて、トランスデューサ13Bから送信された超音波のうち超音波吸収体14を伝搬してきた吸収体伝搬波の、トランスデューサ13Aに対する伝搬を抑制する機能を有している。
The
伝搬抑制部24Bは、配管30の外周面31のうち、超音波吸収体14とトランスデューサ13Aとの間、さらには超音波緩衝体21および締付部22(押さえ板22A)とトランスデューサ13Aとの間に設けられて、に設けられて、トランスデューサ13Aから送信された超音波のうち超音波吸収体14を伝搬してきた吸収体伝搬波の、トランスデューサ13Bに対する伝搬を抑制する機能を有している。
The
伝搬抑制部24A,24Bは、空気を含むための多数の空隙を有する連続気泡型の多孔質材からなる。流体Xが蒸気などのように高い温度である場合には、耐熱性のシリコーン樹脂を用いればよく、それ以外にも例えばポリイミド樹脂からなるスポンジを用いれば、より高い温度の流体Xにも対応できる。さらに、伝搬抑制部24A,24Bとして、連続気泡型の多孔質材である、グラスウール、ロックウール、ウレタンフォームなどの無機質繊維を用いてもよい。なお、これら伝搬抑制部24A,24Bは、このような多孔質材のほか空気層から構成してもよく、簡素な構成で伝搬抑制部24A,24Bを実現できる。
The
[超音波緩衝体の取付方法]
次に、図1〜図3を参照して、超音波流量計1に対する超音波緩衝体21の取付方法について説明する。
ここでは、前述した特許文献1のように、すでに超音波吸収体14が配管30に設けられている超音波流量計1に対して、超音波緩衝装置20を後から取り付ける場合を例として説明する。
[Attaching method of ultrasonic buffer]
Next, with reference to FIGS. 1-3, the attachment method of the
Here, as described in
まず、超音波吸収体14の外側面に、巻き付けさらには接着などの工程により超音波緩衝体21を取り付けた後、超音波緩衝体21の外側面に設けられた締付部22により、超音波緩衝体21を配管30の方向に押圧して締め付ける。この際、締付部22については、超音波緩衝体21の外側面に押さえ板22Aを巻き付けた後、締付バンド22Bを押さえ板22Aの外側面を周回させる。
First, after the
その後、音響整合調整部23を操作して、締付部22の締付バンド22Bの締付力を変更する。これにより、締付部22の押圧による超音波緩衝体21の変形度合が変化して超音波緩衝体21の音響インピーダンスが変化することになる。このため、配管30、超音波吸収体14、および超音波緩衝体21の音響インピーダンスに関する音響整合状況が調整されて、配管30と超音波吸収体14との界面で反射される配管伝搬波の強度が低減される。
Thereafter, the acoustic
なお、本実施の形態では、押さえ板22Aを用いる場合を例として説明したが、超音波緩衝体21が締付バンド22Bにより部分的に変形しないのであれば、押さえ板22Aを省いて、締付バンド22Bにより超音波緩衝体21を直接締め付けるようにしてもよい。
また、本実施の形態では、締付バンド22Bを用いる場合を例として説明したが、音響整合調整部23により押さえ板22Aを直接締め付けるようにしてもよい。
In this embodiment, the case where the
In this embodiment, the case where the tightening
[本実施の形態の動作]
次に、図4を参照して、本実施の形態にかかる超音波流量計1の動作として、配管30を伝搬する配管伝搬波の吸収作用について説明する。図4は、音響整合の原理を示す説明図である。
[Operation of this embodiment]
Next, as an operation of the
超音波が任意の媒質内を伝搬する場合、一定の音圧で媒質粒子が振動する速度が媒質よって異なる。一般に、このような媒質粒子の振動のし易さ(し難さ)を音響インピーダンスといい、音響インピーダンスZは、媒質の密度ρと媒質内を超音波が伝搬する音速cとの積、Z=ρ・cで表される。 When ultrasonic waves propagate through an arbitrary medium, the speed at which the medium particles vibrate with a constant sound pressure varies depending on the medium. In general, the ease (or difficulty) of such vibration of the medium particles is called acoustic impedance, and the acoustic impedance Z is the product of the density ρ of the medium and the speed of sound c at which the ultrasonic wave propagates in the medium, Z = It is represented by ρ · c.
超音波が異なる媒質間を伝搬する場合、それぞれの媒質の音響インピーダンス差に応じて、媒質界面における超音波の透過率や反射率が変化し、音響インピーダンス差が大きいほど反射率が高くなる。
このような音響インピーダンス差が大きい媒質間を伝搬させる場合、2つの媒質間に音響整合層という第3の媒質を挿入することにより、音響インピーダンスを整合させる方法がある。
When ultrasonic waves propagate between different media, the transmittance and reflectance of the ultrasonic waves at the medium interface change according to the acoustic impedance difference of each medium, and the reflectance increases as the acoustic impedance difference increases.
When propagating between media having such a large acoustic impedance difference, there is a method of matching the acoustic impedance by inserting a third medium called an acoustic matching layer between the two media.
図4に示すように、音響インピーダンスZ1の媒質M1と音響インピーダンスZ2の媒質M2との間に、幅Lで音響インピーダンスZ3の媒質M3を挿入した場合、媒質M1,M3,M2全体で音響インピーダンスが整合する音響整合条件は、次の式(1)および式(2)で表される。
L=λ3/4 …(1)
Z3=√Z1Z2 …(2)
なお、λ3は媒質M3の固有波長であり、媒質M3内での音速をC3とし媒質M3の密度をρ3とした場合、λ3=C3/ρ3で求められる。
As shown in FIG. 4, if between the medium M 1 and the medium M 2 of the acoustic impedance Z 2 of the acoustic impedance Z 1, was inserted medium M 3 in the acoustic impedance Z 3 in the width L, the medium M 1, M 3 and the acoustic matching condition in which the acoustic impedance is matched in the whole M 2 is expressed by the following equations (1) and (2).
L = λ 3/4 ... ( 1)
Z 3 = √Z 1 Z 2 (2)
Note that lambda 3 is the characteristic wavelength of the medium M 3, if the density of the medium M 3 and the speed of sound in the medium M 3 and C 3 has a [rho 3, obtained by λ 3 = C 3 / ρ 3 .
このような音響整合条件が成立した場合、音響整合状況が整合状態となって、各媒質界面R13,R23における反射率がゼロとなり、媒質M1に入射した超音波に対する反射波の強度I3がセロとなる。これにより、反射損失がゼロとなって、媒質M1に入射した超音波の強度I1と、媒質M2から出射される超音波の強度I2とが等しくなる。 When such an acoustic matching condition is satisfied, the acoustic matching state becomes a matching state, the reflectivity at each of the medium interfaces R 13 and R 23 becomes zero, and the intensity I of the reflected wave with respect to the ultrasonic wave incident on the medium M 1 3 becomes cello. Thereby, the reflection loss becomes zero, and the intensity I 1 of the ultrasonic wave incident on the medium M 1 is equal to the intensity I 2 of the ultrasonic wave emitted from the medium M2.
本発明は、このような3つの媒質M1,M3,M2の音響インピーダンスZ1,Z3,Z2がそれぞれ異なる場合でも、音響整合状況を向上させることにより、超音波の良好な伝搬特性が得られることに着目し、これら媒質M1,M3を配管30の壁部33および超音波吸収体14に見立てるとともに、媒質M2に相当する超音波緩衝体21を超音波吸収体14の外側面に設けて、配管30を伝搬する配管伝搬波を効率よく吸収するようにしたものである。
In the present invention, even when the acoustic impedances Z 1 , Z 3 , and Z 2 of the three media M 1 , M 3 , and M 2 are different from each other, it is possible to improve the propagation of ultrasonic waves by improving the acoustic matching situation. Focusing on the fact that the characteristics are obtained, these media M 1 and M 3 are regarded as the
また、シリコーンゴムスポンジなどの弾性多孔体は、押圧変形させることにより気泡の体積が縮小して密度が変化して、音響インピーダンスも変化することに着目し、弾性多孔体からなる超音波緩衝体21の外側面に締付部22を設け、音響整合調整部23により超音波緩衝体21に対する締付力すなわち押圧力を調整することにより、管材料により異なる配管30の音響インピーダンスに応じて、配管30、超音波吸収体14、および超音波緩衝体21の音響整合状況を左右する、超音波緩衝体21の音響インピーダンスを調整するようにしたものである。
In addition, an elastic porous body such as a silicone rubber sponge is focused on the fact that the volume of bubbles is reduced and the density is changed and the acoustic impedance is also changed by the pressure deformation. The tightening
図5は、音響整合特性を示すグラフであり、横軸が配管音響インピーダンスZ1を示し、縦軸が超音波緩衝体音響インピーダンスZ2を示している。図5において、音響整合特性Qは、超音波吸収体14の音響インピーダンスZ3を1.9e+06[Pa・s/m]に固定した場合に、音響整合自要件が成立する配管音響インピーダンスZ1と超音波緩衝体音響インピーダンスZ2との関係を示している。
FIG. 5 is a graph showing the acoustic matching characteristics, in which the horizontal axis represents the pipe acoustic impedance Z 1 and the vertical axis represents the ultrasonic buffer acoustic impedance Z 2 . In FIG. 5, the acoustic matching characteristic Q is the pipe acoustic impedance Z 1 that satisfies the acoustic matching self-requirement when the acoustic impedance Z 3 of the
例えば、配管30がアルミニウム配管(AL)からなる場合、その音響インピーダンスZ1は約17e+06[Pa・s/m]となる。したがって、この配管30と良好な音響整合状況が得られる超音波緩衝体音響インピーダンスZ2は、音響整合特性Qから、約0.22e+06[Pa・s/m]であることが分かる。
一方、配管30がステンレス配管(SUS)からなる場合、その配管音響インピーダンスZ1は約45〜46e+06[Pa・s/m]となり、SGP配管(SGP)からなる場合、その配管音響インピーダンスZ1は約46e+06[Pa・s/m]となる。したがって、これら配管30と良好な音響整合状況が得られる超音波緩衝体音響インピーダンスZ2は、音響整合特性Qから、約0.08e+06[Pa・s/m]であることが分かる。
For example, when the
On the other hand, when the
これに対して、気泡のないシリコーンゴム(SG)自体の超音波緩衝体音響インピーダンスZ2は約0.2e+06[Pa・s/m]であるから、アルミニウム配管の場合には、気泡のないシリコーンゴムを超音波緩衝体21とすることにより、良好な音響整合状況が得られることになる。
一方、空気(Air)の超音波緩衝体音響インピーダンスは約0.0004e+06[Pa・s/m]であるから、シリコーンゴムスポンジを超音波緩衝体21とすることにより、良好な音響整合状況が得られることになる。
On the other hand, the ultrasonic buffer acoustic impedance Z 2 of the silicone rubber (SG) itself without bubbles is about 0.2e + 06 [Pa · s / m]. By using rubber as the
On the other hand, since the ultrasonic buffer acoustic impedance of air is about 0.0004e + 06 [Pa · s / m], a good acoustic matching condition can be obtained by using a silicone rubber sponge as the
したがって、超音波緩衝体21としてシリコーンゴムスポンジを用いて、これを押圧変形させることにより、アルミニウム配管からステンレス配管やSGP配管までの各種配管と良好な音響整合状況が得られる超音波緩衝体音響インピーダンスZ2を得ることができる。
これにより、締付操作により締付部22の締付力を変更するという極めて簡単な作業で、配管30、超音波吸収体14、および超音波緩衝体21の音響整合状況を向上させることができ、配管30を伝搬する配管伝搬波、すなわちノイズ成分を効率よく吸収することが可能となる。
Therefore, by using a silicone rubber sponge as the
Thereby, the acoustic matching status of the
また、本発明は、配管30の外周面31のうち、超音波吸収体14とトランスデューサ13A,13Bとの間に伝搬抑制部24A,24Bを設け、超音波吸収体14を伝搬してきた吸収体伝搬波の、トランスデューサ13A,13Bに対する伝搬を抑制している。
この際、超音波吸収体14から伝搬抑制部24A,24Bへの伝搬、および、伝搬抑制部24A,24Bからトランスデューサ13A,13Bへの伝搬については、超音波が通過するこれら媒質の音響インピーダンスにより決定される。
Further, in the present invention,
At this time, the propagation from the
一般的には、2つの媒質M1,M2の音響インピーダンスをZ1,Z2とした場合、両M1,M2の境界における反射率rは、次の式(3)で求められる。
r={(Z2−Z1)/(Z2+Z1)}2 …(3)
したがって、Z1とZ2との差が大きいほど反射率rは大きくなる傾向がある。
In general, when the acoustic impedances of the two media M 1 and M 2 are Z 1 and Z 2 , the reflectance r at the boundary between both M 1 and M 2 is obtained by the following equation (3).
r = {(Z 2 −Z 1 ) / (Z 2 + Z 1 )} 2 (3)
Therefore, the reflectance r tends to increase as the difference between Z 1 and Z 2 increases.
例えば、前述したように、ステンレス配管(SUS)やSGP配管(SGP)の音響インピーダンスZ1は約46e+06[Pa・s/m]であり、空気の音響インピーダンスZ2が約0.0004e+06[Pa・s/m]であることから、前述した式(3)によれば、両者間の反射率rは約99.9%となり、超音波の伝搬がほぼ抑止されることになる。 For example, as described above, the acoustic impedance Z 1 of the stainless steel pipe (SUS) or the SGP pipe (SGP) is about 46e + 06 [Pa · s / m], and the acoustic impedance Z 2 of the air is about 0.0004e + 06 [Pa · s / m], according to the above-described formula (3), the reflectance r between the two is about 99.9%, and the propagation of ultrasonic waves is substantially suppressed.
通常、配管30の外周面31に対して斜めにトランスデューサ13A,13Bを固定する際に用いられるウエッジ樹脂は、ポリイミドベースのものが多く、その音響インピーダンスは3e+06[Pa・s/m]である。したがって、前述のように、超音波吸収体14として音響インピーダンスが1.9e+06[Pa・s/m]である弾性体を用いた場合、トランスデューサ13A,13Bと超音波吸収体14との音響インピーダンスが近くなる。この場合、前述した式(3)によれば、両者間の反射率rは約0.08%となり、って超音波が伝搬しやすくなる。
Normally, the wedge resin used when the
したがって、伝搬抑制部24A,24Bは、これらの音響インピーダンスと一定程度異なる材料が望ましい。仮に、伝搬抑制部24A,24Bとして空気層を用いた場合、前述した式(3)によれば、超音波吸収体14の弾性体と空気との反射率rは約99.9%となり、超音波の伝搬がほぼ抑止されることになる。
一般に、多孔質材は、空隙率(単位体積あたりの隙間体積の割合)が高くなるほど空気層に近くなり、音響インピーダンスも低下する。したがって、伝搬抑制部24A,24Bとして、超音波吸収体14より空隙率の高く空気の音響インピーダンスに近い多孔質材、、例えばグラスウール、ロックウール、ウレタンフォームなどの多孔質材を用いればよいことが分かる。
Therefore, the
In general, the porous material becomes closer to the air layer as the porosity (ratio of gap volume per unit volume) increases, and the acoustic impedance also decreases. Therefore, a porous material having a higher porosity than the
図6は、ノイズ成分の吸収を示す信号波形図であり、図6(a)は伝搬抑制部24A,24Bなしの場合の受信超音波波形(電気受信波形)を示し、図6(b)は伝搬抑制部24A,24Bありの場合における受信超音波波形(電気受信波形)を示している。この際、流体Xは0.9MPaGの圧力で配管30内を流量12m/sで流れる蒸気とし、配管30は25AのSGP配管を用い、超音波の周波数は1MHzとした。
FIG. 6 is a signal waveform diagram showing the absorption of noise components. FIG. 6A shows a received ultrasonic waveform (electric reception waveform) without the
図6のうち、信号成分が流体Xを伝搬した流体伝搬波に相当し、ノイズ成分が配管30自体を伝搬した配管伝搬波に相当している。
これら図6(a)と図6(b)とを比較すると、超音波緩衝体21を設けて音響インピーダンスを調整したことにより、吸収体伝搬波すなわちノイズ成分の振幅が大幅に減衰しており、伝搬抑制部24A,24Bで効果的に抑制されていることが分かる。
In FIG. 6, the signal component corresponds to a fluid propagation wave propagated through the fluid X, and the noise component corresponds to a pipe propagation wave propagated through the
Comparing these FIG. 6 (a) and FIG. 6 (b), the amplitude of the absorber propagation wave, that is, the noise component is greatly attenuated by providing the
[本実施の形態の効果]
このように、本実施の形態は、配管30の外周面31に、超音波のうち配管30を伝搬する配管伝搬波を吸収する超音波吸収体14を設け、配管30の外周面31のうち超音波吸収体14とトランスデューサ13A,13Bとの間に設けた伝搬抑制部24A,24Bにおいて、超音波のうち超音波吸収体14を伝搬してきた吸収体伝搬波の、トランスデューサ13A,13Bに対する伝搬を抑制するようにしたものである。
[Effects of the present embodiment]
As described above, in the present embodiment, the
これにより、配管30を伝搬する配管伝搬波からなるノイズ成分を低減できるとともに、超音波吸収体14自体を伝搬する吸収体伝搬波に起因するノイズ成分も低減することができる。したがって、流体Xを伝搬する流体伝搬波に相当する信号成分に対するノイズ成分の割合を示すS/N比を向上させることができ、結果として、極めて良好な計測精度を得ることが可能となる。
Thereby, while being able to reduce the noise component which consists of a pipe propagation wave which propagates the piping 30, the noise component resulting from the absorber propagation wave which propagates the
また、本実施の形態において、超音波吸収体14の外側面31に設けられたマット状の弾性多孔体からなり、配管30および超音波吸収体14の音響インピーダンスの差に起因する、配管30と超音波吸収体14との界面における配管伝搬波の反射を緩衝する超音波緩衝体21を設け、音響整合調整部23が、超音波緩衝体21の外側面に設けられた締付部22の締付力を締付操作に応じて変更して、押圧による超音波緩衝体21の変形度合を変化させることにより、配管30、超音波吸収体14、および超音波緩衝体21の音響整合状況を左右する、超音波緩衝体21の音響インピーダンスを調整するものとし、伝搬抑制部24A,24Bを、配管30の外周面のうち超音波吸収体14、超音波緩衝体21、および締付部22とトランスデューサ13A,13Bとの間に設けてもよい。
Moreover, in this Embodiment, it consists of the mat-like elastic porous body provided in the
これにより、締付操作により締付部22の締付力を変更するという極めて簡単な作業で、配管30、超音波吸収体14、および超音波緩衝体21の音響整合状況を向上させることができ、超音波吸収体14を取り換えることなく同一超音波吸収体14で、配管30を伝搬する配管伝搬波、すなわちノイズ成分を効率よく吸収することができるとともに、超音波吸収体14、超音波緩衝体21、および締付部22を伝搬する超音波の、トランスデューサ13A,13Bへの伝搬を抑制でき、極めて良好な計測精度を得ることが可能となる。
Thereby, the acoustic matching status of the
[実施の形態の拡張]
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。
[Extended embodiment]
The present invention has been described above with reference to the embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention.
1…超音波流量計、10…流量計本体、11…切替部、12…計測処理部、13A,13B…トランスデューサ、14…超音波吸収体、20…超音波緩衝装置、21…超音波緩衝体、22…締付部、22A…押さえ板、22B…締付バンド、23…音響整合調整部、24A,24B…伝搬抑制部、30…配管、31…外周面、32…内周面、33…壁部。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記配管の外周面に設けられて、前記超音波のうち前記配管を伝搬する配管伝搬波を吸収する超音波吸収体と、
前記配管の外周面のうち前記超音波吸収体と前記トランスデューサとの間に設けられて、前記超音波のうち前記超音波吸収体を伝搬してきた吸収体伝搬波の、前記トランスデューサに対する伝搬を抑制する伝搬抑制部と
を備えることを特徴とする超音波流量計。 An ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of the fluid based on ultrasonic waves transmitted and received so as to pass the fluid flowing in the pipe by a transducer provided on the outer peripheral surface of the pipe,
An ultrasonic absorber that is provided on an outer peripheral surface of the pipe and absorbs a pipe propagation wave propagating through the pipe among the ultrasonic waves;
Of the outer peripheral surface of the pipe, provided between the ultrasonic absorber and the transducer, suppresses propagation of the absorber propagating wave propagating through the ultrasonic absorber of the ultrasonic wave to the transducer. An ultrasonic flowmeter comprising: a propagation suppression unit.
前記超音波吸収体の外側面に設けられたマット状の弾性多孔体からなり、前記配管と前記超音波吸収体との界面における前記配管伝搬波の反射を緩衝する超音波緩衝体と、
前記超音波緩衝体の外側面に設けられて、前記超音波緩衝体を前記配管の方向に押圧して締め付ける締付部と、
操作に応じて前記締付部の締付力を変更して、前記押圧による前記超音波緩衝体の変形度合を変化させて前記超音波緩衝体の音響インピーダンスを変化させることにより、前記界面で反射される前記配管伝搬波の強度を左右する、前記配管、前記超音波吸収体、および前記超音波緩衝体の音響インピーダンスに関する音響整合状況を調整する音響整合調整部とをさらに備え、
前記伝搬抑制部は、前記配管の外周面のうち前記超音波吸収体、前記超音波緩衝体、および前記締付部と前記トランスデューサとの間に設けられている
ことを特徴とする超音波流量計。 The ultrasonic flowmeter according to claim 1,
An ultrasonic buffer that is made of a mat-like elastic porous body provided on the outer surface of the ultrasonic absorber, and buffers reflection of the pipe propagation wave at the interface between the pipe and the ultrasonic absorber;
A tightening portion that is provided on an outer surface of the ultrasonic buffer, and presses and tightens the ultrasonic buffer in the direction of the pipe;
Reflecting at the interface by changing the tightening force of the tightening portion according to the operation and changing the degree of deformation of the ultrasonic buffer due to the pressing to change the acoustic impedance of the ultrasonic buffer. Further comprising an acoustic matching adjustment unit that adjusts an acoustic matching state related to an acoustic impedance of the pipe, the ultrasonic absorber, and the ultrasonic buffer, which influences the intensity of the pipe propagating wave.
The ultrasonic wave flowmeter characterized in that the propagation suppressing part is provided between the ultrasonic absorber, the ultrasonic buffer, and the tightening part and the transducer in the outer peripheral surface of the pipe. .
前記伝搬抑制部は、空気を含むための多数の空隙を有する多孔質材または空気層からなることを特徴とする超音波流量計。 The ultrasonic flowmeter according to claim 1 or 2,
The ultrasonic flowmeter, wherein the propagation suppressing unit is made of a porous material or an air layer having a large number of voids for containing air.
前記配管の外周面に設けられた超音波吸収体が、前記超音波のうち前記配管を伝搬する配管伝搬波を吸収する超音波吸収ステップと、
前記配管の外周面のうち前記超音波吸収体と前記トランスデューサとの間に設けられた伝搬抑制部が、前記超音波のうち前記超音波吸収体を伝搬してきた吸収体伝搬波の、前記トランスデューサに対する伝搬を抑制する伝搬抑制ステップと
を備えることを特徴とする超音波流量計測方法。 An ultrasonic flow measurement method used in an ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of the fluid based on ultrasonic waves transmitted and received so as to pass through the fluid flowing in the pipe by a transducer provided on the outer peripheral surface of the pipe,
The ultrasonic absorber provided on the outer peripheral surface of the pipe absorbs a pipe propagation wave propagating through the pipe among the ultrasonic waves, and an ultrasonic absorption step,
Propagation suppression unit provided between the ultrasonic absorber and the transducer in the outer peripheral surface of the pipe is configured to transmit the absorber propagating wave propagating through the ultrasonic absorber of the ultrasonic wave to the transducer. An ultrasonic flow rate measurement method comprising: a propagation suppression step for suppressing propagation.
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