JP2022109347A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】ガイド波方式の超音波流量計において、従来に対してノイズを軽減可能とする。【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圧電素子１０１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圧電素子１０２と、配管２の外壁面における圧電素子１０１と圧電素子１０２との間に巻き付けられるダンピング材１０３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１０２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１０４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

しかしながら、ガイド波方式の超音波流量計で用いられるガイド波には、配管のみを伝搬する超音波が存在する。この配管のみを伝搬する超音波は、流体を伝搬していないため、流体の流速が反映されていない。よって、この配管のみを伝搬する超音波は、流量計測におけるノイズとなる。

図６は、ガイド波方式の超音波流量計におけるガイド波の伝搬を解析した結果を示している。この図６では、テフロン（登録商標）樹脂製の配管２の上流側及び下流側に対し、１つのリング型の圧電素子１０１ｂ，１０２ｂがそれぞれ設けられている。また、配管２内は水で満たされている。また、図６Ａは配管２の外表面を示しており、図Ｂは配管２の断面を示している。
図６では、右側の圧電素子１０２ｂによりガイド波が送信（発生）され、このガイド波が配管２を右側から左側へ伝わり、左側の圧電素子１０１ｂに到達する前の状態を示している。なお、図６において、色の変化はガイド波の波を示している。図６の状態に対して更に時間が経過すると、ガイド波は左側の圧電素子１０１ｂにまで伝わり、当該圧電素子１０１ｂによりガイド波が受信（検出）されることになる。

図６において、符号６０１で示される部分は、ガイド波のうちの、左側の圧電素子１０１ｂにより最初に受信されることになる部分である。この符号６０１で示される部分は、配管２と配管２内の水とで同様の波が伝搬している部分であり、内部流体である水の流速の影響を受けている。
一方、図６において、符号６０２で示される部分は、配管２と配管２内の水とで異なる波が伝搬している。よって、この部分の超音波が左側の圧電素子１０１ｂに伝わると、当該圧電素子１０１ｂは配管２に接しているため、当該圧電素子１０１ｂでは配管２部分の超音波のみが検出されることになる。この配管２部分の超音波は、配管２内の水を伝搬していないため、水の流速の影響を受けていない。したがって、この配管２部分の超音波は流速計測におけるノイズと考えることができる。

図７は、図６に示す左側の圧電素子１０１ｂによる受信波形を解析した結果を示している。
図７において、受信波形のうちの符号７０１で示される部分は、図６における符号６０１で示される部分の超音波の受信波形に相当する。また、図７において、受信波形のうちの符号７０２で示される部分は、図６における符号６０２で示される部分の超音波（ノイズ）の受信波形に相当する。
ここで、受信波形は、符号７０１で示される部分の受信波形（信号）が大きな振幅を有し、符号７０２で示される部分の受信波形（ノイズ）が小さい振幅を有する波形が、最も流量計測にふさわしい受信波形となる。なお、流量計測では、上流側から下流側への符号７０１で示される部分に相当する受信波形と、下流側から上流側への符号７０１で示される部分に相当する受信波形との時間差から流量が求められる。

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、従来に対してノイズを軽減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第１の圧電素子と、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第２の圧電素子と、配管の外壁面における第１の圧電素子と第２の圧電素子との間に巻き付けられるダンピング材と、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、従来に対してノイズを軽減可能となる。

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。 実施の形態１に係る超音波流量計による受信波形の一例を示す図である。 実施の形態２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５Ａ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２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５Ｂ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５Ｃ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。 図６Ａ、図６Ｂは、従来の超音波流量計における課題を説明する図である。 従来の超音波流量計における課題を説明する図である。

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、圧電素子（第２の圧電素子）１０２、ダンピング材１０３及び演算部１０４を備えている。なお、図１では、演算部１０４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圧電素子である。圧電素子１０１としては、例えば、リング型の圧電素子、又は配管２に対して周方向に設けられた複数の圧電素子が挙げられる。図１では、圧電素子１０１として、リング型の圧電素子が用いられた場合を示している。
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。なお、圧電素子１０１として配管２に対して周方向に設けられた複数の圧電素子を用いる場合、各圧電素子により入射される超音波を同期させる必要がある。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。

圧電素子１０２は、配管２の下流側に設けられた圧電素子である。圧電素子１０２としては、例えば、リング型の圧電素子、又は配管２に対して周方向に設けられた複数の圧電素子が挙げられる。図１では、圧電素子１０２として、リング型の圧電素子が用いられた場合を示している。
この圧電素子１０２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。なお、圧電素子１０２として配管２に対して周方向に設けられた複数の圧電素子を用いる場合、各圧電素子により入射される超音波を同期させる必要がある。また、圧電素子１０２は、配管２の上流側からのガイド波の受信（検出）を行う。

ダンピング材１０３は、配管２の外壁面における、圧電素子１０１と圧電素子１０２との間に、巻き付けられている。ダンピング材１０３は、圧電素子１０１及び圧電素子１０２に直接触れることのないよう間隔を置いて配置されている。ダンピング材１０３は、一般的なダンピング材として使用可能である超音波を吸収可能なものから構成されていればよい。ダンピング材１０３としては、例えばシリコンゴムが用いられる。

演算部１０４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１０２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１０４は、圧電素子１０１により発生されたガイド波が圧電素子１０２により検出されるまでの時間と、圧電素子１０２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１０４は、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）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（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）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説明する。
ここで、斜角入射方式の超音波流量計では、気体の流量計測においてはダンピング材が使用されることが多いが、液体の流量計測においては十分な信号が得られるため、ダンピング材が使用されないことが多い。また、従来のガイド波方式の超音波流量計では、流体を含む配管全体を超音波が伝搬するため、ダンピング材を設けると超音波が減衰してしまうため計測に不向きであると考えられ、ダンピング材は使用されていない。
しかしながら、図６，７に示す解析により、配管２の表面を伝わる超音波はノイズであることが判明した。そこで、図１に示す実施の形態１に係る超音波流量計１では、配管２の外壁面における圧電素子１０１，１０２間に、ダンピング材１０３が巻き付けられている。これにより、図１に示す実施の形態１に係る超音波流量計１では、配管２のみを伝わる超音波（ノイズ）を効果的に低減可能となる。なお、このダンピング材１０３は、流体を伝わる超音波（信号）にはほとんど影響しない。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１では、ノイズを抑えることで計測に必要な信号を際立させることができ、伝搬時間差を正確に求めることができ、より高精度な流量計が実現できる。

図２に、図１に示す実施の形態１に係る超音波流量計１による効果を解析した結果を示す。図２では、ダンピング材１０３のモデルとして、シリコンゴム相当の特性のものを用いた場合を示している。
図２において、受信波形のうちの符号２０１で示される部分は、図６における符号６０１で示される部分の超音波の受信波形に相当する。また、図２において、受信波形のうちの符号２０２で示される部分は、図６における符号６０２で示される部分の超音波（ノイズ）の受信波形に相当する。
ここで、図２に示す受信波形は、符号２０１で示される部分の受信波形（信号）が大きな振幅を有し、符号２０２で示される部分の受信波形（ノイズ）が小さい振幅を有する波形となっており、流量計測にふさわしい受信波形となっている。

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圧電素子１０１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圧電素子１０２と、配管２の外壁面における圧電素子１０１と圧電素子１０２との間に巻き付けられるダンピング材１０３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１０２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１０４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、従来に対してノイズを軽減可能となる。

実施の形態２．
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。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。
そこで、実施の形態２では、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な超音波流量計１について示す。

図３は実施の形態２に係る超音波流量計１の構成例を示す図である。この図３に示す実施の形態２に係る超音波流量計１では、図１に示す実施の形態１に係る超音波流量計１に対し、圧電素子１０１及び圧電素子１０２の構成を変更し、また、金属部材（第１の金属部材）１０５及び金属部材（第２の金属部材）１０６を追加している。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

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。

圧電素子１０２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１０２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。

金属部材１０５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１０５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１０５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３に示す超音波流量計１では、金属部材１０５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１０５の形状はこれに限らない。なお、金属部材１０５の配管２への取付け面は、平面でよい。

金属部材１０６は、配管２の下流側に、圧電素子１０２に配管２を介して対向して設けられている。金属部材１０６としては、音響インピーダンスが圧電素子１０２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１０６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３に示す超音波流量計１では、金属部材１０６として、圧電素子１０２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１０６の形状はこれに限らない。なお、金属部材１０６の配管２への取付け面は、平面でよい。

次に、図３に示す実施の形態２に係る超音波流量計１による効果について、図４，５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２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１０５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１０２と当該圧電素子１０２に対向配置された金属部材１０６を設けた。

図４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５Ａ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２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５Ｂ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５Ｃ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４，５の解析結果から、図４に示す受信波形と図５Ａ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２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２によれば、圧電素子１０１は、ピラー型であり、圧電素子１０２は、ピラー型であり、超音波流量計１は、配管２の上流側に設けられ、圧電素子１０１と対向配置される金属部材１０５と、配管２の下流側に設けられ、圧電素子１０２と対向配置される金属部材１０６とを備えた。これにより、実施の形態２に係る超音波流量計１は、実施の形態１に係る超音波流量計１における効果に加え、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、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において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 圧電素子（第２の圧電素子）
１０３ ダンピング材
１０４ 演算部
１０５ 金属部材（第１の金属部材）
１０６ 金属部材（第２の金属部材）

Claims (4)

1. 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第１の圧電素子と、
   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第２の圧電素子と、
   前記配管の外壁面における前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子との間に巻き付けられるダンピング材と、
   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。
2. 前記ダンピング材は、超音波を吸収可能な材料で構成された
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記ダンピング材は、シリコンゴムで構成された
   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。
4. 前記第１の圧電素子は、ピラー型であり、
   前記第２の圧電素子は、ピラー型であり、
   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、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の金属部材とを備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか１項記載の超音波流量計。

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