JP2022109346A

JP2022109346A - 超音波流量計

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Publication number: JP2022109346A
Application number: JP2021004589A
Authority: JP
Inventors: 敦勝亦; Atsushi Katsumata; 泰昭廣江; Yasuaki Hiroe
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2022-07-28

Abstract

【課題】ガイド波方式の超音波流量計において、クランプオン方式で取付け可能とし、従来に対して安価に構成可能とする。
【解決手段】配管２の上流側に設けられ、当該配管２の下流側へのガイド波の送信、及び、当該配管２の下流側からのガイド波の受信を行うピラー型の圧電素子１０１と、配管２の上流側に設けられ、圧電素子１０１に当該配管２を介して対向配置される金属部材１０２と、配管２の下流側に設けられ、当該配管２の上流側へのガイド波の送信、及び、当該配管２の上流側からのガイド波の受信を行うピラー型の圧電素子１０３と、配管２の下流側に設けられ、圧電素子１０３に当該配管２を介して対向配置される金属部材１０４と、圧電素子１０１によるガイド波の送受信結果及び圧電素子１０３によるガイド波の送受信結果に基づいて、配管２内を流れる流体の流量を演算する演算部１０５とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、超音波を用いて配管内を流れる流体の流量を計測する超音波流量計に関する。

従来、超音波を用いて配管内を流れる流体の流量を計測する超音波流量計が知られている。この超音波流量計では、配管の上流側に設けられた圧電素子と、配管の下流側に設けられた圧電素子との間で超音波の送受信を行い、その伝搬時間差から配管内を流れる流体の流量を計測する。

この超音波流量計としては、斜角入射方式の超音波流量計が知られている（例えば特許文献１参照）。斜角入射方式の超音波流量計では、配管の上流側に設けられた１つの小型の圧電素子と、配管の下流側に設けられた１つの小型の圧電素子との間で、配管に対して斜めに超音波の送受信を行い、その伝搬時間差から配管内を流れる流体の流量を計測する。なお、斜角入射方式の超音波流量計では、配管に対してクランプオン方式で圧電素子を取付け可能である。クランプオン方式は、配管を切断せずに、また、既存の配管に対し、圧電素子を取付け可能とする方式である。

しかしながら、この斜角入射方式の超音波流量計では、配管の径が小さいと超音波の伝搬時間が短くなり、伝搬時間差が小さくなってしまう。そのため、斜角入射方式の超音波流量計では、このような配管に対しては、小流量における高精度な流量計測が困難である。
なお、超音波を配管の内壁面に多く反射させることで伝搬時間を長くすることは可能である。しかしながら、この場合、超音波の信号強度が小さくなってしまい、超音波の検出が困難である。

そこで、ガイド波方式の超音波流量計が注目されている（例えば特許文献２参照）。ガイド波は、配管内を流れる流体を含む配管全体を伝わる超音波であり、流体の速度に応じて伝搬速度が変わる。そのため、このガイド波により、流量の計測が可能となる。

このガイド波方式の超音波流量計としては、配管の上流側に設けられた１つのリング型の圧電素子と、配管の下流側に設けられた１つのリング型の圧電素子とを有する構成が挙げられる。この超音波流量計では、配管の上流側に設けられたリング型の圧電素子と、配管の下流側に設けられたリング型の圧電素子との間で、配管に対して軸方向に垂直な方向に超音波を入射させることでガイド波を生成させて送受信を行い、配管の軸方向に伝わる超音波の伝搬時間差から配管内を流れる流体の流量を計測する。

また、ガイド波方式の超音波流量計としては、配管の上流側に設けられた周方向に配置された複数の小型の圧電素子と、配管の下流側に設けられた周方向に配置された複数の小型の圧電素子とを有する構成が挙げられる。この超音波流量計では、配管の上流側に設けられた複数の圧電素子と、配管の下流側に設けられた複数の圧電素子との間で、配管に対して軸方向に垂直な方向にそれぞれ同期した超音波を入射させることでガイド波を生成させて送受信を行い、配管の軸方向に伝わる超音波の伝搬時間差から配管内を流れる流体の流量を計測する。

このガイド波方式の超音波流量計では、斜角入射方式の超音波流量計とは異なり、配管の上流側に設けられた圧電素子と、配管の下流側に設けられた圧電素子との間の距離（圧電素子間の距離）を、任意に設定可能である。そのため、このガイド波方式の超音波流量計では、圧電素子間の距離を長くすることで伝搬時間差を長くすることが可能であり、配管の径が小さくても、小流量における高精度な流量計測が可能となる。

特許第５８１２７３４号特許第６１０６３３８号

ここで、斜角入射方式の超音波流量計では、配管の上流側及び下流側に１つずつ小型の圧電素子が設けられた構成であり、安価に構成可能である。
一方、ガイド波方式の超音波流量計では、配管の上流側及び下流側に対し、リング型の圧電素子又は複数の圧電素子をそれぞれ設ける必要があり、安価に構成することは困難である。また、リング型の圧電素子では、配管に対してクランプオン方式で取付けることは困難である。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ガイド波方式の超音波流量計において、クランプオン方式で取付け可能であり、従来に対して安価に構成可能な超音波流量計を提供することを目的としている。

この発明に係る超音波流量計は、配管の上流側に設けられ、当該配管の下流側へのガイド波の送信、及び、当該配管の下流側からのガイド波の受信を行うピラー型の第１の圧電素子と、配管の上流側に設けられ、第１の圧電素子に当該配管を介して対向配置される第１の金属部材と、配管の下流側に設けられ、当該配管の上流側へのガイド波の送信、及び、当該配管の上流側からのガイド波の受信を行うピラー型の第２の圧電素子と、配管の下流側に設けられ、第２の圧電素子に当該配管を介して対向配置される第２の金属部材と、第１の圧電素子によるガイド波の送受信結果及び第２の圧電素子によるガイド波の送受信結果に基づいて、配管内を流れる流体の流量を演算する演算部とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、ガイド波方式の超音波流量計において、クランプオン方式で取付け可能であり、従来に対して安価に構成可能となる。

実施の形態１に係る超音波流量計の構成例を示す断面図である。４つの圧電素子を用いた場合での受信波形の一例を示す図である。図３Ａは２つの圧電素子及び２つの金属部材（ステンレス部材）を用いた場合（実施の形態１に係る超音波流量計を用いた場合）での受信波形の一例を示す図であり、図３Ｂは２つの圧電素子及び２つの樹脂部材を用いた場合での受信波形の一例を示す図であり、図３Ｃは２つの圧電素子のみを用いた場合での受信波形の一例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る超音波流量計１の構成例を示す断面図である。
超音波流量計１は、超音波を用いて配管２内を流れる流体の流量を計測する。この超音波流量計１は、超音波としてガイド波を用いたガイド波方式の超音波流量計である。ガイド波は、配管２内を流れる流体を含む配管２全体を伝わる超音波であり、流体の速度に応じて伝搬速度が変わる超音波である。

この超音波流量計１は、図１に示すように、圧電素子（第１の圧電素子）１０１、金属部材（第１の金属部材）１０２、圧電素子（第２の圧電素子）１０３、金属部材（第２の金属部材）１０４及び演算部１０５を備えている。なお、図１では、演算部１０５の図示を省略している。

圧電素子１０１は、配管２の上流側に設けられたピラー型（柱状）の圧電素子である。圧電素子１０１は、配管２に対してクランプオン方式で取付け可能である。
この圧電素子１０１は、配管２に対して軸方向に垂直な方向に超音波を入射させることで配管２の下流側へのガイド波の送信（発生）を行う。また、圧電素子１０１は、配管２の下流側からのガイド波の受信（検出）を行う。

金属部材１０２は、配管２の上流側に、圧電素子１０１に配管２を介して対向して設けられている。金属部材１０２としては、音響インピーダンスが圧電素子１０１の音響インピーダンスと同様である部材であればよい。金属部材１０２としては、例えば、ステンレス部材又は電気的に接続されていない圧電素子が挙げられる。図１に示す超音波流量計１では、金属部材１０２として、圧電素子１０１と同一形状である四角柱状の金属部材が用いられた場合を示しているが、金属部材１０２の形状はこれに限らない。なお、金属部材１０２の配管２への取付け面は、平面でよい。

圧電素子１０３は、配管２の下流側に設けられたピラー型（柱状）の圧電素子である。圧電素子１０３は、配管２に対してクランプオン方式で取付け可能である。
この圧電素子１０３は、配管２に対して軸方向に垂直な方向に超音波を入射させることで配管２の上流側へのガイド波の送信（発生）を行う。また、圧電素子１０３は、配管２の上流側からのガイド波の受信（検出）を行う。

金属部材１０４は、配管２の下流側に、圧電素子１０３に配管２を介して対向して設けられている。金属部材１０４としては、音響インピーダンスが圧電素子１０３の音響インピーダンスと同様である部材であればよい。金属部材１０４としては、例えば、ステンレス部材又は電気的に接続されていない圧電素子が挙げられる。図１に示す超音波流量計１では、金属部材１０４として、圧電素子１０３と同一形状である四角柱状の金属部材が用いられた場合を示しているが、金属部材１０４の形状はこれに限らない。なお、金属部材１０４の配管２への取付け面は、平面でよい。

演算部１０５は、圧電素子１０１によるガイド波の送受信結果及び圧電素子１０３によるガイド波の送受信結果に基づいて、配管２内を流れる流体の流量を演算する。すなわち、演算部１０５は、圧電素子１０１により発生されたガイド波が圧電素子１０３により検出されるまでの時間と、圧電素子１０３により発生されたガイド波が圧電素子１０１により検出されるまでの時間との差を算出し、その時間差から配管２内を流れる流体の流量を演算する。

なお、演算部１０５は、システムＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等により実現される。

次に、図１に示す実施の形態１に係る超音波流量計１による効果について、図２，３を参照しながら説明する。
ここで、リング型の圧電素子では、クランプオン方式で配管に取付けることができない。そのため、ガイド波方式の超音波流量計において、クランプオン型を実現する場合、ピラー型の圧電素子を用いた構成が最も単純な構成となる。しかしながら、この場合、配管に対して合計４個の圧電素子が必要であり、配管の上流側に設けられた２個の圧電素子と、配管の下流側に設けられた２個の圧電素子とで、それぞれ同位相で駆動するための電気信号を与える必要がある。これに対し、仮に、配管の上流側及び下流側にそれぞれ設けられた２個の圧電素子のうちの一方を不要とできた場合、コストの低減のみならず、圧電素子に与える電気信号が一方には不要となるため配線が削減でき、クランプオンを実現するための構造の自由度も高くなる。

そこで、実施の形態１に係る超音波流量計１では、配管２の上流側については１個のピラー型の圧電素子１０１と当該圧電素子１０１に対向配置された金属部材１０２を設け、配管２の下流側については１個のピラー型の圧電素子１０３と当該圧電素子１０３に対向配置された金属部材１０４を設けた。

図２では、配管の上流側及び下流側にそれぞれ２個のピラー型の圧電素子を設けた場合での受信波形の解析結果を示している。これに対し、図３Ａでは、配管の上流側及び下流側にそれぞれ１個のピラー型の圧電素子及び１個の金属部材（ステンレス部材）を設けた場合（実施の形態１に係る超音波流量計１を用いた場合）での受信波形の解析結果を示している。また、図３Ｂでは、配管の上流側及び下流側にそれぞれ１個のピラー型の圧電素子及び１個の樹脂部材を設けた場合での受信波形の解析結果を示している。また、図３Ｃでは、配管の上流側及び下流側にそれぞれ１個のピラー型の圧電素子のみを設けた場合での受信波形の解析結果を示している。
図２，３の解析結果から、図２に示す受信波形と図３Ａに示す受信波形が同等の波形となっている。すなわち、配管の上流側及び下流側にそれぞれ１個のピラー型の圧電素子及び１個の金属部材を設けた構成（実施の形態１に係る超音波流量計１）は、配管の上流側及び下流側にそれぞれ２個のピラー型の圧電素子を設けた構成と遜色のない受信波形が得られている。

以上のように、この実施の形態１によれば、超音波流量計１は、配管２の上流側に設けられ、当該配管２の下流側へのガイド波の送信、及び、当該配管２の下流側からのガイド波の受信を行うピラー型の圧電素子１０１と、配管２の上流側に設けられ、圧電素子１０１に当該配管２を介して対向配置される金属部材１０２と、配管２の下流側に設けられ、当該配管２の上流側へのガイド波の送信、及び、当該配管２の上流側からのガイド波の受信を行うピラー型の圧電素子１０３と、配管２の下流側に設けられ、圧電素子１０３に当該配管２を介して対向配置される金属部材１０４と、圧電素子１０１によるガイド波の送受信結果及び圧電素子１０３によるガイド波の送受信結果に基づいて、配管２内を流れる流体の流量を演算する演算部１０５とを備えた。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１は、ガイド波方式の超音波流量計１において、クランプオン方式で取付け可能であり、従来に対して安価に構成可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１超音波流量計
２配管
１０１圧電素子（第１の圧電素子）
１０２金属部材（第１の金属部材）
１０３圧電素子（第２の圧電素子）
１０４金属部材（第２の金属部材）
１０５演算部

Claims

配管の上流側に設けられ、当該配管の下流側へのガイド波の送信、及び、当該配管の下流側からのガイド波の受信を行うピラー型の第１の圧電素子と、
前記配管の上流側に設けられ、前記第１の圧電素子に当該配管を介して対向配置される第１の金属部材と、
前記配管の下流側に設けられ、当該配管の上流側へのガイド波の送信、及び、当該配管の上流側からのガイド波の受信を行うピラー型の第２の圧電素子と、
前記配管の下流側に設けられ、前記第２の圧電素子に当該配管を介して対向配置される第２の金属部材と、
前記第１の圧電素子によるガイド波の送受信結果及び前記第２の圧電素子によるガイド波の送受信結果に基づいて、前記配管内を流れる流体の流量を演算する演算部と
を備えた超音波流量計。
前記第１の金属部材及び前記第２の金属部材は、音響インピーダンスが前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子の音響インピーダンスと同等である
ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
前記第１の金属部材及び前記第２の金属部材は、ステンレス部材である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波流量計。
前記第１の金属部材及び前記第２の金属部材は、電気的に接続されていない圧電素子である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波流量計。