JP2022187897A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】平行多測線方式で流量を測定することのできるクランプオン型の超音波流量計を提供する。【解決手段】本発明の実施形態に従う超音波流量計は、配管内の流体の流量を平行多測線方式で測定する超音波流量計であって、超音波を互いに送受信可能な一対の送受信部を各々備える複数の超音波センサーと、前記複数の超音波センサーの測線が前記配管の径方向に並ぶように、前記送受信部を傾斜姿勢に支持して前記配管の外周に配置するセンサーケースと、前記配管の外周面と前記送受信部との間に介在して前記超音波を前記流体に入射させる、前記流体の音速に近い物質で形成したクサビと、前記センサーケースを前記配管の外周面に着脱自在に取り付けるクランプと、前記超音波センサーからの情報に基づいて前記流体の流量を出力する処理部と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、クランプオン型の超音波流量計に関する。

例えば円管の配管内を流れる流体の流量を測定する超音波流量計が知られている。超音波流量計による流量測定は、高精度化のために、超音波の伝搬経路（測線）を複数活用する多測線（マルチパス）法が用いられる。代表的なのは、平行多測線方式と直径多測線方式である。配管に穴等をあけて超音波センサーを設置する接液型の超音波流量計は、平行多測線方式で超音波センサーを配置することができる。但し、接液型の場合、既設の配管を切断又は取り替えるなどして超音波センサーを設置しなければならず、取り付けが容易でない。

一方、クランプオン型の超音波流量計は、既設の配管に簡便に取り付け可能ではあるが、測線が配管の中心を通る直径多測線方式となる。直径多測線方式は、配管内の流速分布に乱れのある流体に対しては、十分な測定精度が見込めない場合がある。そのため、クランプオン型の超音波流量計は、直径多測線方式である限り、超音波センサーの数を増やしても測定精度の向上に限界がある。

これまでも平行多測線方式のクランプオン型超音波流量計が検討されてきた。しかしながら実用化は難しい。超音波センサーを配管の中心から半径方向にずらした位置に配置する為、管内流体に超音波を入射させるのが難しいからである。

米国特許第５，２２８，３４７号公報 特開平５－２２３６０８号公報

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、平行多測線方式で流量を測定することのできるクランプオン型の超音波流量計を提供することにある。

上述した課題を解決するため、本発明の実施形態に従う超音波流量計は、配管内の流体の流量を平行多測線方式で測定する超音波流量計であって、超音波を互いに送受信可能な一対の送受信部を各々備える複数の超音波センサーと、前記複数の超音波センサーの測線が前記配管の径方向に並ぶように、前記送受信部を傾斜姿勢に支持して前記配管の外周に配置するセンサーケースと、前記配管の外周面と前記送受信部との間に介在して前記超音波を前記流体に入射させる、前記流体の音速に近い物質で形成したクサビと、前記センサーケースを前記配管の外周面に着脱自在に取り付けるクランプと、前記超音波センサーからの情報に基づいて前記流体の流量を出力する処理部と、を備えたことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、複数の超音波センサーの測線が配管の径方向に並ぶように、送受信部を傾斜姿勢に支持して前記配管の外周に配置するセンサーケースと、前記配管の外周面と前記送受信部との間に介在して超音波を流体に入射させる、前記流体の音速に近い物質で形成したクサビと、を備えたことにより、クランプオン型で平行多測線方式の超音波流量計を実現することが可能となる。その結果、平行多測線方式による測線の配置により、流速分布が乱れた流体に対しても高精度な流量測定が可能となる。

実施形態の超音波流量計を配管に取り付けた状態を示す管断面図である。 実施形態の超音波流量計を配管に取り付けた状態を示す管側面図である。 上記超音波流量計のセンサーケースの斜視図である。 上記超音波流量計のセンサーケースの平面図，正面図及び側面図である。 上記超音波流量計のセンサー入射角に関する説明図である。 上記超音波流量計のセンサー入射角に関する説明図である。 上記超音波流量計の制御系のブロック構成図である。 上記超音波流量計による流量測定の結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態に従う超音波流量計について、添付図面を参照しながら詳述する。なお、各図において、同一構成は同一の符号を付している。

実施形態に従う超音波流量計１は、平行多測線方式のクランプオン型超音波流量計である。図１は、配管２の外周面に取り付けた超音波流量計１を、管断面方向から見た状態を示す。図２は、超音波流量計１を、管側面方向から見た状態を示す。配管２は、測定対象の流体が流れる例えば円管の流路である。流体は、例えばポンプなどの送液装置によって圧送する。送液装置を用いずに例えば重力を利用して送液してもよく、送液方法は特に限定されない。勿論、配管２内の流体の流れにも制限はない。管内に流速分布の乱れがあってもよく、十分に発達した流れであってもよい。

超音波流量計１は、例えば２組の超音波センサー３Ａ，３Ｂを備える。２組の超音波センサー３Ａ，３Ｂは、特に図１に示すように、超音波の伝搬経路（測線）Ｕが配管２の径方向に平行に並ぶように配置する。すなわち、平行２測線である。「平行」とは代表的な配置例であり必ずしも平行関係でなくともよい。配管中心を通らない測線Ｕが実現されていれば良い。好ましい一例として、２本の測線Ｕが配管２の中心を挟んで対称配置となるようにする。配管２の中心からの距離ｒは、好ましくは０．５Ｒ～０．６Ｒの範囲内とする（Ｒ；配管の内半径）。一方、管側面から見ると、特に図２に示すように、その測線Ｕが配管２の長さ方向と交差するように配置する。一例として、管内の測線Ｕの傾きが１５°～２５°となるように配置する。

超音波センサー３Ａ，３Ｂは、各々が超音波を送信および受信可能な一対の送受信部３１Ａ，３２Ａ，３１Ｂ，３２Ｂを備える。すなわち、上流側の送受信部３１Ａ，３１Ｂは、対をなす下流側の送受信部３２Ａ，３２Ｂに向けて超音波を送信可能であり、且つ、下流側の送受信部３２Ａ，３２Ｂからの超音波を受信可能である。下流側の送受信部３２Ａ，３２Ｂから見ても同様である。送受信部３１Ａ，３２Ａ，３１Ｂ，３２Ｂには、例えば超音波振動子を用いる。例えば伝搬時間差測定方式の場合、対になる送受信部３１Ａ－３２Ａ，３１Ｂ－３２Ｂ同士が例えば交互に超音波を送信・受信し、上流側から下流側への伝搬時間と下流側から上流側への伝搬時間の時間差に基づいて、配管２内の流体の平均線流速ｖを例えば演算により算出する。さらに算出した平均線流速ｖを基に流量を算出する。算出方法の一例については後述する。

なお、本実施形態では、管側面から見たときに送受信部３１Ａ－３２Ａ，３１Ｂ－３２Ｂ同士が斜め方向に対向するＺ法（透過法）の配置としているが、Ｖ法（反射法）やＸ法（透過法）による配置であってもよい。さらに、管断面から見たときに、測線Ｕが垂直方向（０°から１８０°方向）に延びるように超音波センサー３Ａ，３Ｂを配置しているが、この配置に限らない。例えば測線Ｕが水平方向（９０°から２７０°方向）に延びるように超音波センサー３Ａ，３Ｂを配置するなど、測線Ｕの方向は変更可能である。また、超音波センサー３Ａ，３Ｂの数を増やして平行３測線以上としてもよい。さらには、例えば２組の超音波センサー３Ａ，３Ｂの間に、別の超音波センサーを追加するなどして、複数の測線Ｕの中に配管２の中心を通るものを含めてもよい。

各センサーケース３３Ａ，３４Ａ，３３Ｂ，３４Ｂは、測線Ｕが形成されるよう一対の送受信部３１Ａ－３１Ｂ，３２Ａ－３２Ｂ同士を対向させる。そのために、各センサーケース３３Ａ，３４Ａ，３３Ｂ，３４Ｂは、送受信部３１Ａ，３２Ａ，３１Ｂ，３２Ｂを傾斜姿勢にして夫々支持する。複数のセンサーケース３３Ａ，３４Ａ，３３Ｂ，３４Ｂは、共通形状のものを用いることができる。センサーケース３３Ａ，３４Ａ，３３Ｂ，３４Ｂの構成について、図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、送受信部３１Ａを取り付けたセンサーケース３３Ａの斜視図である。図４は、センサーケース３３Ａの平面図、正面図及び側面図である。他のセンサーケース３４Ａ，３３Ｂ，３４Ｂも、センサーケース３３Ａと同じ構成であるので、詳しい説明と図示は省略する。

詳しくは図３～図４に示すように、センサーケース３３Ａは、外観が例えば矩形のセンサーケース本体４を有する。センサーケース本体４は、その上面に送受信部３１Ａを傾斜姿勢に支持する傾斜面４１を形成し、底面側の例えば四隅に脚部４２を形成している。この脚部４２が配管２の外周面に当接することでセンサーケース本体４が配管２の外周面に着座する。センサーケース本体４は、例えばステンレスなどの金属で形成する。

送受信部３１Ａは、例えばネジなどの固定手段４３によってセンサーケース本体４の傾斜面４１に取り付ける。センサーケース本体４は、その上面から底面まで貫通する開口部を形成し、そこにクサビ４４を配置している。クサビ４４は、センサーシュー材とも称される。クサビ４４は、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ)やポリエーテルイミド（ＰＥＩ）といったエンジニアプラスチックよりも流体の音速に近い物質で形成する。クサビ４４は、一例として、流体の音速に対して０．６～１．４倍の音速の範囲内にある物質で形成する。具体的な物質の一例は、シリコーンゴム（音速約１０００ｍ／ｓ）や、例えば医用の水性／油性ゲル等（音速約１３８９ｍ／ｓ）などである。このような音速の物質でクサビ４４を形成することは、別の言い方をすると、後述する超音波の入射角θｉを４５°より小さくする物質でクサビ４４を形成することでもある。勿論、対象流体に応じてクサビ４４の材質を変更してもよい。クサビ４４は、流動性を有する原料をセンサーケース本体４の開口部内に充填して形成してもよく、予め成形したものを嵌め込んでもよい。

クランプオン型の超音波流量計１で平行多測線方式を具現化するには、超音波をいかにして配管２の管内流体に入射させるかが重要である。そのため、本実施形態では、配管２の中心から径方向にずれた位置に送受信部３１Ａ，３２Ａ，３１Ｂ，３２Ｂをセンサーケース３３Ａ，３４Ａ，３３Ｂ，３４Ｂによって傾斜配置し、さらに流体の音速に近い物質で形成したクサビ４４を介在させたことによって、超音波を配管２内に平行多測線で入射させることを可能にした。

より詳しい説明として、クランプオン型で平行多測線を実現するためのセンサー入射角とクサビ４４の材質の選定について説明する。以下は、流体が水である場合を一例にして説明する。まず、図５に示すように、管断面上で中心からｒだけ離れ、流れ方向に傾斜角αを有する測線Ｕを考えると、ｓｉｎβ＝（ｒ／Ｒ）であり、角度α，β（０°＜α，β＜９０°）によって配管２内の測線Ｕを定めることができる。この測線Ｕの入射点にあたる位置に送受信部３１Ａ，３２Ａを配置するにあたり、図３及び図４に示したような傾斜面４１を有し、傾斜面４１から配管２に接触する底面へ超音波を入射するクサビ４４およびセンサーケース３３Ａ，３４Ａ，３３Ｂ，３４Ｂを新たに採用した。図６に示すように設置面の法線に対する入射角をθｉ、流体中での屈折角をθｔとし、送受信部３１Ａ，３２Ａ，３１Ｂ，３２Ｂを上方から見たときの管長手方向に対する入射線の傾きをφとすると（図４の平面図参照）、それぞれの角度関係及びスネルの法則から以下が成り立つ。

従って、所望の測線Ｕの角度α，βとクサビ４４の音速ｃｉ、流体音速ｃｔを決定すればθｉ，φを定めることができる。クサビ４４底面に対する斜面の角度が設置時の入射角θｉとなるからθｉ，φによって送受信部３１Ａ，３２Ａ，３１Ｂ，３２Ｂの設計角度が定まる。すなわち、センサーケース３３Ａ，３４Ａ，３３Ｂ，３４Ｂの形状が定まる。入射角θｉを小さくすることができれば、超音波センサー３Ａ，３Ｂを小型化できる。

例えば測線Ｕをα＝２０°，β＝３０°（ｒ＝０．５Ｒ）とし、常温程度の水（音速約１５００ｍ／ｓ）を対象とすると、一般的には、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ、音速約２４００ｍ／ｓ）やアクリル（音速約２７００ｍ／ｓ）がクサビ４４の材質に選ばれる。しかしながら、クランプオン型の平行多測線方式でＰＥＩを用いた場合、上記関係式によれば入射角θｉが約７０°となってしまう。このように入射角θｉが大きい場合、超音波の伝搬経路（測線）Ｕを確保するために超音波センサー３Ａ，３Ｂが大型となり設計が困難となる。そして超音波センサー３Ａ，３Ｂの配管２への取付再現性が悪くなる。その対策として、クサビ４４の音速を小さくすることで、入射角θｉを４５°以下に小さくする。検討の結果、例えばシリコーンゴム（音速約１０００ｍ／ｓ）を用いた場合、入射角を約２３°程度と小さくでき、また超音波の減衰も然程大きくはないことを確認した。

なお、実際にクサビ４４から管内流体へ超音波が伝搬するには、間に配管２の管壁が存在する。例えばステンレス管であれば横波音速が約３１００ｍ／ｓであるため、スネルの法則によると上述の入射角θｉではクサビ４４から管壁への入射が全反射となってしまう。しかしながら、本実施形態では管壁内にエバネセント波が発生していると考えられ、管厚が波長程度であれば管内部の流体まで超音波を伝搬させることが可能である。実際、超音波シミュレーションや後述する試作センサーによる試験で、超音波が配管２の管壁を透過し流体中まで伝搬可能であることを確認している。

説明を図１～図２に戻すと、クランプ５は、超音波センサー３Ａ，３Ｂを配管２の外周面に着脱自在に取り付ける。クランプ５は、概ね半円状に形成した一対の板状の環状部材５１Ａ，５１Ｂを備え、配管２の全周を囲うように取り付ける。一対の環状部材５１Ａ，５１Ｂは、共通形状のものを用いることができる。環状部材５１Ａ，５１Ｂの材質は、例えばステンレスなどの金属である。一対の環状部材５１Ａ，５１Ｂは、配管２に取り付けてフランジ部同士を例えばネジなどの固定手段５２で固定する。このとき、特に図２に示すように、例えば配管２の下流方向に環状部材５１Ｂをずらすことで、上流側の送受信部３１Ａ，３１Ｂと下流側の送受信部３２Ａ，３２Ｂを位置決めしている。環状部材５１Ａ，５１Ｂには、センサーケース３３Ａ，３４Ａ，３３Ｂ，３４Ｂのサイズに対応する開口部を形成し、この配管２の外周面が露出した部分にセンサーケース３３Ａ，３４Ａ，３３Ｂ，３４Ｂを配置する。そして、押え部材５３によってセンサーケース３３Ａ，３４Ａ，３３Ｂ，３４Ｂを固定する。このような固定方法とすることで、配管２に対するセンサーケース３３Ａ，３４Ａ，３３Ｂ，３４Ｂの設置圧が、設置するたびにバラつくのを抑え、一定にすることができる。

続いて図７に示すように、送受信部３１Ａ，３２Ａ，３１Ｂ，３２Ｂは、コントロールユニット６と接続する。コントロールユニット６は、制御部６１と処理部６２を備える。制御部６１は、例えばＩＣ（Integrated Circuit）やメモリなどを備える。送受信部３１Ａ，３２Ａ，３１Ｂ，３２Ｂからの信号に基づいて流量を求める処理部６２は、例えば制御部６１がメモリに格納したプログラムを実行することによって構築する。さらに、コントロールユニット６は、送信回路６３、受信回路６４、送受信経路を切り替えるスイッチ部６５を備える。送信回路６３は、制御部６１からの制御信号に基づき、例えば超音波振動子を振動させる駆動信号を出力する。スイッチ部６５は、制御部６１からの制御信号に基づき、送受信部３１Ａ－３２Ａ，３１Ｂ－３２Ｂのうち送信側の送受信部３１Ａ（３２Ａ），３１Ｂ（３２Ｂ）に駆動信号が入力されるよう、伝送経路を切り替える。受信回路６４は、一対の送受信部３１Ａ－３２Ａ，３１Ｂ－３２Ｂのうち受信側の送受信部３２Ａ（３１Ａ），３２Ｂ（３１Ｂ）からの受波信号をデジタルデータに変換して処理部６２に出力する。

上述の構成において、超音波流量計３Ａ，３Ｂは、たとえば作業員によって配管２に取り付ける。クランプオン型なので接液型に比べれば取り付けは簡便である。取り付け場所は、配管２が例えば横方向に延びている直管部分に設置する。縦方向や斜め方向の直管部分であってもよい。エルボなど乱流が発生し易い継手がある場合は、その前後で、ある程度の直管長さを確保できる位置に設置する。

配管２の材質は、ステンレスや鋼材などの金属、或いは塩化ビニルやポリプロピレンなどの樹脂であるが、配管の材質に特に制限はない。配管２の呼び径は、例えば１００Ａ～３０００Ａである。但し、配管２の呼び径に応じたクランプ５を準備しておくのが好ましい。配管２を流れる流体の種類も特に制限はない。測定対象となる流体は、液体であってもよく気体であってもよい。

超音波センサー３Ａ，３Ｂを配管２に取り付けた状態において、コントロールユニット６の制御部６１は、各超音波センサー３Ａ，３Ｂの上流側と下流側の送受信部３１Ａ－３２Ａ，３１Ｂ－３２Ｂ同士で例えば交互に超音波を送受信するように制御する。処理部６２は、上流側と下流側の超音波の伝搬時間の差に基づいて流量を求める。測定結果としての流量は、例えば２組の超音波センサー３Ａ，３Ｂが測定した流量の平均値を出力する。或いは２組の超音波センサー３Ａ，３Ｂが測定した個々の流量を表示してもよく、どちらか一方であってもよい。

流量の算出は、好ましい一例として、下記の数式を用いて線平均流速ｖを算出し、配管２の断面積に基づき流量とすることができる。勿論、算出方法が限定されることはなく、他の算出方法を採用してよい。

図８は、図１及び図２に示した超音波流量計１の試作センサーを用いて測定試験を行ったときの結果の一例である。具体的には、配管２の中心からの測線Ｕの距離ｒが±０．５Ｒにした２組の超音波センサー３Ａ，３Ｂ及びセンサーケース３３Ａ，３４Ａ，３３Ｂ，３４Ｂを試作し、平行２測線のクランプオン型の超音波流量計１とした。そして流量校正設備を用いて実流試験による精度検証を行った。配管２には３００Ａ１０Ｓ規格のＳＵＳ配管を用いた。過酷な条件とするため、ヘッダ管分岐から直管長５．５Ｄの流速分布が乱れた位置で性能を評価した。比較のため、直径２測線方式のクランプオン型の超音波流量計でも同様の試験を行った。

なお、超音波センサー３Ａ，３Ｂを設置する際、配管２に対して図８に示すように測線Ｕを角度ψだけ回転させる自由度が残っており、流速分布が乱れた状態ではこの設置角度によっても計測される値が変化する。そこで、試作センサーについては設置角度ψを０°から２７０°まで一定角度ごとに変化させ、それぞれの角度について測定試験を行った。図８の表は流量校正設備のマスターメータ流量値に対する平行２測線及び直径２測線方式の試作センサーの測定流量値の誤差をまとめたものである。

基準管内流速はおよそ４ｍ／ｓ，２ｍ／ｓ，１ｍ／ｓと変化させ、それぞれの流速及び設置角度について計測誤差を確認した。なお、設置角度ψを変化させたのは平行２測線のみであり、直径２測線についてはψ＝４５°，１３５°に相当する２直径の測線として固定した。また、平行２測線、直径２測線いずれも２つの測線Ｕの測定値を平均した上での誤差を記載している。

図８の結果から明らかなように、いずれの設置角度ψでも平行２測線方式は直径２測線方式よりも誤差が小さくなっており、流速分布が乱れた位置においてより高い精度を達成できている。すなわち、クランプオン型の超音波流量計１で平行多測線方式を実現し、測定精度の高精度化が可能であることを確認できた。

上述の実施形態によれば、複数の超音波センサーの測線が配管の径方向に並ぶように、送受信部を傾斜姿勢に支持して前記配管の外周に配置するセンサーケースと、前記配管の外周面と前記送受信部との間に介在して超音波を流体に入射させる、前記流体の音速に近い物質で形成したクサビと、を備えたことにより、クランプオン型で平行多測線方式の超音波流量計を実現することが可能となる。その結果、平行多測線方式による測線の配置により、流速分布が乱れた流体に対しても高精度な流量測定が可能となる。

なお、配管２は、通常は規格に従った円管であるが、流体の流れ方向と交差する方向の外周面が曲面になっている配管２であれば円管でなくともよい。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 超音波流量計
２ 配管
３Ａ，３Ｂ 超音波センサー
３１Ａ，３１Ｂ 送受信部（上流側）
３２Ａ，３２Ｂ 送受信部（下流側）
３３Ａ、３３Ｂ，３４Ａ，３４Ｂ センサーケース
４１ 傾斜面
４４ クサビ

Claims (5)

1. 配管内の流体の流量を平行多測線方式で測定する超音波流量計であって、
   超音波を互いに送受信可能な一対の送受信部を各々備える複数の超音波センサーと、
   前記複数の超音波センサーの測線が前記配管の径方向に平行に並ぶように、前記送受信部を傾斜姿勢に支持して前記配管の外周面に配置するセンサーケースと、
   前記配管の外周面と前記送受信部との間に介在して前記超音波を前記流体に入射させる、前記流体の音速に近い物質で形成したクサビと、
   前記センサーケースを前記配管の外周面に着脱自在に取り付けるクランプと、
   前記超音波センサーからの情報に基づいて前記流体の流量を出力する処理部と、を備えたことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記センサーケースは、前記送受信部を支持する傾斜面を上面に形成し、前記配管の外周面に当接する脚部を底面に形成し、前記上面から前記底面まで貫通する開口部内に前記クサビを配置したことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記クランプは、前記配管の外周面を囲う板状の環状部材と、前記環状部材に形成した前記配管の外周面が露出する開口部と、前記開口部に配置した前記センサーケースを固定する固定部材と、を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波流量計。
4. 前記複数の超音波センサーは、前記配管の中心から径方向にずらした位置に測線を形成することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の超音波流量計。
5. 前記クサビを形成する物質は、前記超音波センサーの超音波の入射角θｉが４５°より小さくなる音速の物質であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の超音波流量計。

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