JP2022175149A

JP2022175149A - 超音波計測器

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Publication number: JP2022175149A
Application number: JP2021081351A
Authority: JP
Inventors: 慎中野; Shin Nakano; 昌道橋田; Masamichi Hashida
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2021-05-13
Filing date: 2021-05-13
Publication date: 2022-11-25

Abstract

【課題】本開示は、水蒸気を含む気体の流量、流速及び濃度を計測可能な超音波計測器を提供する。【解決手段】本開示における超音波計測器によると、被計測流体が流れる流路２と、流路２に斜めに対向配置した１対の超音波送受波器３，４と、超音波送受波器３，４間の伝搬時間を計測する計時部１３とを備え、流路２の外壁に接するように配置した発熱部６を備えることにより、被計測流体の水蒸気の結露による液滴量を減らすことができる。【選択図】図１

Description

本開示は、気体の流量、流速及び濃度を計測する超音波計測器に関する。

従来、この種の超音波計測器として、流路を仕切り板により分割して流量を計測する所謂超音波流量計が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、被計測流体の中に蒸気が含まれ、かつ蒸気と仕切り板に温度差がある場合の流量を計測する事例に関するものも知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９－４３０１５号公報特開２０２１－１８１２９号公報

前記従来の構成では、被計測流体を整流化させるために必要に応じて仕切り板を設けることで流速分布の均一化を図っているが、被計測流体の中に蒸気が含まれ、かつ蒸気と被計測流体が流れる流路あるいは仕切り板との間に温度差がある場合、流路内壁、あるいは、仕切り板に蒸気が結露して液滴として付着し、場合によっては超音波の伝搬経路上に残留し、超音波の伝搬路を塞ぐことがある。そのため、送信側からの超音波送受波器の超音波が流路内壁あるいは仕切り板の間に付着した液滴に衝突し拡散することによっておこる超音波の減衰、位相ずれが発生し信号を打ち消し合うことで受信側の超音波送受波器の受信信号が減衰してしまうという課題を有していた。

本開示における超音波流量計、流速計、濃度計などの超音波計測器は、被計測流体が流れる流路と、前記流路に斜めに対向配置した１対の超音波送受波器と、前記超音波送受波器間の伝搬時間を計測する計測手段とを備える超音波計測器であって、前記流路一部に接するように配置した発熱部を備える超音波計測器である。

本開示における超音波流量計、流速計、濃度計などの超音波計測器は、流路内壁、あるいは、仕切り板の間に残留する液滴量を減らし、送信側の超音波送受波器からから発信された超音波信号が、液滴によって反射や拡散することを抑えることができるため、受信側の超音波送受波器で超音波信号を効率よく安定して受信でき、精度が高い超音波流量計を構築することができる。

（ａ）実施の形態１における超音波計測器の断面図、（ｂ）実施の形態１における超音波計測器の線分Ｘ－Ｘ’断面図実施の形態１における超音波送受波器の断面図実施の形態１における超音波流速流量計の構成を示すブロック図実施の形態１における超音波濃度計の構成を示すブロック図（ａ）実施の形態２における超音波計測器の流路部の断面図、（ｂ）実施の形態２における超音波計測器の線分Ｘ－Ｘ’断面図（ａ）実施の形態３における超音波計測器の流路部の断面図、（ｂ）実施の形態３における超音波計測器の線分Ｘ－Ｘ’断面図（ａ）実施の形態４における超音波計測器の流路部の断面図、（ｂ）実施の形態４における超音波計測器の線分Ｘ－Ｘ’断面図（ａ）実施の形態５における超音波計測器の流路部の断面図、（ｂ）実施の形態５における超音波計測器の線分Ｘ－Ｘ’断面図（ａ）実施の形態６における超音波計測器の流路部の断面図、（ｂ）実施の形態６における超音波計測器の線分Ｘ－Ｘ’断面図

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、超音波を用いた流量計測という技術は、家庭用のメタンを主成分とする乾燥した可燃性ガス、あるいは乾燥した空気などの乾燥気体を被計測流体として、その流量を精度よく計測することが目的であった。そのため、当該業界では、高精度に流量計測するための課題として、被計測流体を整流化させ、超音波を被計測流体に効率よく伝搬されることが一般的であった。そうした状況下において、発明者らは、被計測流体を整流化させるために、流路内に仕切り板を設ける、あるいは流路断面を矩形とし、薄く平らな扁平形状するという着想を得た。

しかしながら、被計測流体の中に蒸気が含まれ、かつ蒸気と仕切り板に温度差がある場合、蒸気が結露してその表面張力により、仕切り板の間に液滴として付着し、場合によっては超音波の伝搬経路上に残留し、超音波の伝搬路を塞ぐことがある。そのため、送信側からの超音波送受波器の超音波が流路内壁あるいは仕切り板の間に付着した液滴に衝突し拡散することによっておこる超音波の減衰、位相ずれが発生し信号を打ち消し合うことで受信側の超音波送受波器の受信信号が減衰してしまうという課題を有していた。その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。

そこで本開示は、流路内壁、あるいは、仕切り板の間に残留する液滴量を減らし、送信側の超音波送受波器からから発信された超音波信号が、液滴によって反射や拡散することを抑えることができるため、受信側の超音波送受波器で超音波信号を効率よく安定して受信でき、精度が高い超音波流量計を構築することができる。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１～５を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．超音波計測器の構成］
図１において、超音波計測器１は、被計測流体が流れる流路２に対し、斜めに対向して配置した超音波送受波器３、４とで構成され、超音波送受波器３，４は、流路２に対して、シール部５を介して流路２に固定され、流路２の外壁には発熱部６が接するように配置した流路部１４と、超音波送受波器３，４間の伝搬時間を計測する計時部１３とで構成されている。

［１－２．超音波送受波器の構成］
図２において、超音波送受波器３は、音響整合体７と、圧電体８と、圧電体８の電極９、１０に接続されたリード線１１、１２とを備える。

圧電体８の電極９と音響整合体７とは接合体（図示せず）で接合されている。接合体としては、例えばエポキシ接着剤、フェノール接着剤、シアノアクリレート接着剤等の一般的な接着剤を用いることができる。

発熱部である発熱体６は、面状に形成するため、例えば金属線をなるべく均等に発熱するように配置し、上下より例えば、ポリエチレンテレフタレート製フィルム、ポリイミド性フィルムなどの絶縁フィルム等で積層するようにはさみこみ、金属線とフィルムとは、エポキシ接着剤、フェノール接着剤、シアノアクリレート接着剤等の一般的な接着剤、あるいは、アクリル製粘着剤等で一体的に接合した構成とすることができる。金属線は、例えば、金属箔をフォトリソグラフィーによってパターンニングしたものを用いることも可能である。

発熱体６の発熱原理は抵抗加熱となり、金属線、あるいは金属箔である抵抗体に電流を流し、熱を発生させる方式である。抵抗体で消費された電力はすべて熱に変換され効率がとてもよく、単に電流を流すことで発熱する。金属線、あるいは金属箔は、例えばニクロム線、ステンレス箔、アルミ箔などを用いることができる。発熱体６は、ほかにも電流を流すことで、温度が上昇し、抵抗値が高まるＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタの特性を持つ面状発熱体を用いることも可能である。このＰＴＣヒーターは、温度が低いときは、伝導性粒子（カーボン）の連鎖が連なっていて、電流が流れやすく（低抵抗）、温度が高くなると、半導体粒子が膨張し、伝導性粒子の連鎖を断ち切り、電流を流しにくく（高抵抗）になる。この特性を利用して、一定の温度に達したら、それ以上に温度が上がらないように設定されるヒーターで、省エネ性、安全性にすぐれている。

［１－３．流速、流量計の計測動作］
次に、本実施の形態の超音波計測器を超音波流量計として用いる事例を、図３を用いて説明する。図３において、超音波流量計２０は、流体の流れる流路１５の上流側に超音波送受波器１６、下流側に超音波送受波器１７が斜めに対向して配置された構成となっている。図中記載のＬ１は、上流側に配置された超音波送受波器１６から伝搬する超音波の伝搬経路を示しており、Ｌ２は下流側に配置された超音波送受波器１７の超音波の伝搬経路を示している。また、超音波送受波器１６、１７間の伝搬時間は、計時部１８で計測され、演算部１９により、流速や流量が求められる。なお、図３において、発熱部は省略している。

流路１５の中を流れる流体の流速をＶ、流体中の超音波の速度をＣ（図示せず）、流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向とのなす角度をθ、伝搬距離をＬとする。まず、超音波送受波器１６を超音波送波器、超音波送受波器１７を超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器１６から出た超音波パルスが超音波送受波器１７に到達する伝搬時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）（３）
で示される。

次に、超音波送受波器１７から出た超音波パルスが超音波送受波器１６に到達する伝搬時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ－Ｖｃｏｓθ）（４）
で示される。
そして、式（３）と式（４）から流体の音速Ｃを消去すると、
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１－１／ｔ２）（５）
の式が得られる。

伝搬距離Ｌと角度θが既知なら、計時部１８にて伝搬時間ｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖを求めることができる。加えて、演算部１９によって、この流速Ｖに流路１５の流路断面積Ｓと補正係数Ｋを乗じれば、流量Ｑを求めることができる。演算部１９は、上記Ｑ＝ＫＳＶを演算するものである。

［１－３．濃度計の計測動作］
次に、本実施の形態の超音波計測器を気体濃度計として用いる事例を、図４を用いて説明する。

図４には、本発明の実施形態における気体濃度計３７の断面模式図を示している。本発明の気体濃度計３７は、気体濃度を測定するための濃度測定空間３１を有する流路としての筐体３０を備えている。筐体３０における濃度測定空間３１の形状は、例えば、直方体形状、円筒形状等とする。また、濃度測定空間３１は、必ずしも流路の一部である必要はなく、筐体３０の壁によって全方向が囲まれていなくてもよく、少なくとも超音波を送受信できる空間であればよい。例えば、筐体３０の一部を欠損させ、その欠損部において濃度測定空間３１が外部に開放されていてもよい。

気体濃度計３７は、筐体３０内に、一対の超音波送受波器３２、３３を対向するように配置し、さらに、温度センサ３４を収容し、計時部３５および演算部３６に接続されている。超音波送受波器３２を超音波送波器として用いる場合、計時部３５の動作に基づいて超音波を送信する。超音波送受波器３３は、超音波受波器として機能し、超音波送受波器３２から送信された超音波は、筐体３０内部に満たされた被計測流体中を伝搬し、超音波受波器として用いた超音波送受波器３３は、超音波を受信する。計時部３５は、超音波が送信されてから受信されるまでの伝搬時間と、予め定められた超音波の伝搬距離Ｌに基づいて、伝搬時間ｔ１とｔ２を測定することで超音波の伝搬速度Ｖを求める。

Ｖ＝Ｌ／２（１／ｔ１－１／ｔ２）（６）
一方、この被計測流体である混合ガス中を伝搬する超音波の伝搬速度Ｖは、式（７）で表されるように、混合ガスの平均分子量Ｍ、比熱比γ、気体定数Ｒ及び絶対温度Ｔ（Ｋ）によっても決まる。音速及び温度を測定すれば平均分子量が求まる。

Ｖ＝ γ・Ｒ・Ｔ／Ｍ（７）
従って、混合ガス中のガス成分が既知のときは、ガス温度Ｔ及び伝搬速度Ｖを測定して式（７）に基づき平均分子量Ｍを求め、平均分子量Ｍから求めるガス濃度を演算できる。濃度演算式はガスａ，ガスｂからなる２種混合理想気体の場合式（８）のごとくなる。

ガスａの濃度（％）＝Ｍ－ｍｂ／ｍａ－ｍｂ ×１００（８）
ｍａ及びｍｂはそれぞれガスａ及びガスｂの分子量を表す。

［１－４．効果等］
以上のように、本実施の形態において、被計測流体が流れる流路２と、流路２に斜めに対向配置した１対の超音波送受波器３，４と、超音波送受波器３，４間の伝搬時間を計測する計時部１８、演算部１９などの計測手段とを備える超音波計測器であって、流路２の外壁に接するように配置した発熱部６を備える超音波計測器１としたものである。

これにより、流路２に接するように配置した発熱部６より、流路壁面に熱が伝熱し、流路内壁、付着する液滴量を減らし、送信側の超音波送受波器からから発信された超音波信号が、液滴によって反射や拡散することを抑えることができるため、受信側の超音波送受波器で超音波信号を効率よく安定して受信でき、精度が高い超音波計測器を構築することができ、超音波流速計、超音波流量計、気体濃度計に応用することができる。

（実施の形態２）
図５を用いて、実施の形態２を説明する。

［２－１．超音波計測器の構成］
図５は、実施の形態２における超音波計測器の流路部の断面図である。図５において、流路部４０は、被計測流体が流れる流路２に対し、斜めに対向して配置した超音波送受波器３、４とで構成され、超音波送受波器３，４は流路に対して、シール部５を介して流路に固定され、流路の内壁には発熱部６が接するように配置した構成となっている。

［２－２．効果等］
以上のように、本実施の形態において、被計測流体が流れる流路２と、流路２に斜めに対向配置した１対の超音波送受波器３，４と、超音波送受波器３，４間の伝搬時間を計測する計時部、演算部などの計測手段とを備え、流路２の流路の内壁には発熱部６が接するように配置したものである。

これにより、流路内壁に接するように配置した発熱部６より、流路内壁が加熱されることにより、流路内壁に付着する液滴量を減らし、送信側の超音波送受波器からから発信された超音波信号が、液滴によって反射や拡散することを抑えることができるため、受信側の超音波送受波器で超音波信号を効率よく安定して受信でき、精度が高い超音波計測器を構築することができる。

（実施の形態３）
図６を用いて、実施の形態３を説明する。

［３－１．超音波計測器の構成］
図６は、実施の形態３における超音波計測器の流路部の断面図である。図６において、流路部４１は、被計測流体が流れる矩形形状の流路２と、流路２をほぼ均等に分割するように配置した仕切り板４２と、斜めに対向して配置した超音波送受波器３、４とで構成され、超音波送受波器３，４は流路に対して、シール部５を介して流路に固定され、流路２の外壁には発熱部６が接するように配置した構成となっている。

［３－２．効果等］
以上のように、本実施の形態において、被計測流体が流れる流路２と、流路２に斜めに対向配置した１対の超音波送受波器３，４と、超音波送受波器から発信された超音波の伝搬方向と平行に仕切り板４２を配置し、超音波送受波器３，４間の伝搬時間を計測する計時部、演算部などの計測手段とを備え、流路２の流路の外壁には発熱部６が接するように配置したものである。

これにより、流路外壁に接するように配置した発熱部６より、流路内壁および仕切り板４２が加熱されることにより、流路内壁および仕切り板４２に付着する液滴量を減らし、送信側の超音波送受波器からから発信された超音波信号が、液滴によって反射や拡散することを抑えることができるため、受信側の超音波送受波器で超音波信号を効率よく安定して受信でき、精度が高い超音波計測器を構築することができる。

（実施の形態４）
図７を用いて、実施の形態４を説明する。

［４－１．超音波計測器の構成］
図７は、実施の形態４における超音波計測器の流路部の断面図である。図７において、流路部４３は、被計測流体が流れる矩形形状の流路２と、流路２をほぼ均等に分割するように配置した仕切り板４２と、斜めに対向して配置した超音波送受波器３、４とで構成され、超音波送受波器３，４は流路に対して、シール部５を介して流路に固定され、流路の内壁には発熱部６が接するように配置した構成となっている。

［４－２．効果等］
以上のように、本実施の形態において、被計測流体が流れる流路２と、流路に斜めに対向配置した１対の超音波送受波器３，４と、超音波送受波器から発信された超音波の伝搬方向と平行に仕切り板４２を配置し、前記超音波送受波器間の伝搬時間を計測する計時部、演算部などの計測手段とを備え、流路２の内壁には発熱部６が接するように配置したものである。

これにより、流路内壁に接するように配置した発熱部６より、流路内壁および仕切り板４２が加熱されることにより、流路内壁および仕切り板４２に付着する液滴量を減らし、送信側の超音波送受波器からから発信された超音波信号が、液滴によって反射や拡散することを抑えることができるため、受信側の超音波送受波器で超音波信号を効率よく安定して受信でき、精度が高い超音波計測器を構築することができる。加えて、本実施の形態に類似の方法であるが、流路自体を発熱部とする場合も同様の効果が得られる。

（実施の形態５）
図８を用いて、実施の形態５を説明する。

［５－１．超音波計測器の構成］
図８は、実施の形態５における超音波計測器の流路部の断面図である。図８において、流路部４４は、被計測流体が流れる矩形形状の流路２と、流路２をほぼ均等に分割するように配置した仕切り板４２と、斜めに対向して配置した超音波送受波器３、４とで構成され、超音波送受波器３，４は流路に対して、シール部５を介して流路に固定され、仕切り板４２の表面に発熱部６を形成した構成となっている。

［５－２．効果等］
以上のように、本実施の形態において、被計測流体が流れる流路２と、流路２に斜めに対向配置した１対の超音波送受波器３，４と、超音波送受波器から発信された超音波の伝搬方向と平行に仕切り板４２を配置し、超音波送受波器３，４間の伝搬時間を計測する計時部、演算部などの計測手段とを備え、仕切り板４２の表面に発熱部６が形成したしたものである。

これにより、流路内壁に接するように配置した発熱部６より、流路内壁および仕切り板４２着する液滴量を減らし、送信側の超音波送受波器からから発信された超音波信号が、液滴によって反射や拡散することを抑えることができるため、受信側の超音波送受波器で超音波信号を効率よく安定して受信でき、精度が高い超音波計測器を構築することができる。

（実施の形態６）
図９を用いて、実施の形態６を説明する。

［６－１．超音波計測器の構成］
図９は、実施の形態６における超音波計測器の流路部の断面図である。図９において、流路部４５は、被計測流体が流れる矩形形状の流路２と、流路２をほぼ均等に分割するように配置した発熱機能を有する仕切り板４６と、斜めに対向して配置した超音波送受波器３、４とで構成され、超音波送受波器３，４は流路に対して、シール部５を介して流路２に固定された構成となっている。

［６－２．効果等］
以上のように、本実施の形態において、被計測流体が流れる流路２と、流路２に斜めに対向配置した１対の超音波送受波器３，４と、超音波送受波器から発信された超音波の伝搬方向と平行に仕切り板４２を配置し、超音波送受波器３，４間の伝搬時間を計測する計時部、演算部などの計測手段とを備え、発熱機能を有する仕切り板４６を発熱部としたものである。

これにより、発熱機能を有する仕切り板４６が加熱されることにより、仕切り板に付着する液滴量を減らし、送信側の超音波送受波器からから発信された超音波信号が、液滴によって反射や拡散することを抑えることができるため、受信側の超音波送受波器で超音波信号を効率よく安定して受信でき、精度が高い超音波計測器を構築することができる。

なお、上記実施の形態１～６では、発熱部の配置について、種々説明したが、要は流路を流れる被計測流体を加熱できれば良く、流路の一部に接するように発熱部を配置すればよいことは言うまでもない。

本開示は、気体の流量、流速及び濃度を計測する超音波流量計、流速計、濃度計などの超音波計測器に適用可能である。具体的には、家庭用流量計、医療用麻酔ガス濃度計、燃料電池用水素濃度計、燃料電池用水素濃度計、半導体計測装置等の反応気体濃度計、流量計などに本開示は適用可能である。

１超音波計測器
２流路
３、４超音波送受波器
５シール部
６発熱体（発熱部）
１３、１８、３５計時部
１５流路
１６、１７超音波送受波器
１９演算部
２０超音波流量計
３０筐体
３１濃度測定空間
３２、３３超音波送受波器
３４温度センサ
３６演算部
４２仕切り板
４６仕切り板（発熱部）

Claims

被計測流体が流れる流路と、
前記流路に対向配置した１対の超音波送受波器と、
前記超音波送受波器間の伝搬時間を計測する計時部と、
前記流路の一部に接するように配置した発熱部と、
を備える超音波計測器。
前記発熱部は、前記流路外壁に接するように配置した請求項１記載の超音波計測器。
前記発熱部は、前記流路内壁に接するように配置した請求項１記載の超音波計測器。
前記流路は、仕切り板によって分割された断面矩形筒状とした請求項２記載の超音波計測器。
前記流路は、仕切り板によって分割された断面矩形筒状とした請求項３記載の超音波計測器。
前記流路は、仕切り板によって分割された断面矩形の筒状とし、前記仕切り板表面に発熱部を配置した請求項１に記載の超音波計測器。
被計測流体が流れる断面矩形の筒状の流路と、
前記流路に斜めに対向配置した１対の超音波送受波器と、
前記超音波送受波器間の伝搬時間を計測する計時部と、
前記流路を分割する仕切り板と、を備え、
前記仕切り板を発熱部とした超音波計測器。
前記流路内部に配置した温度センサと、
前記計時部計時部で計測された伝搬時間と、
前記温度センサで計測された温度により、前記被計測流体の混合ガスのガス濃度を演算する演算部と、
を備えた請求項１～７のいずれか１項に記載の超音波計測器。
前記計時部で計測された伝搬時間に基づいて、前記被計測流体の流速または流量を演算する演算部を備えた請求項１～７のいずれか１項に記載の超音波計測器。