JP2023077716A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】専用の送信素子と複数個の受信素子とを設けて、受信範囲を拡大し測定精度の向上を図る。【解決手段】流体が流れる管体１の外面の長手方向の上流側から下流側に沿って、一対の超音波送受信器２、３が配列されている。超音波送受信器２、３はそれぞれ１個の送信素子４と、複数個の振動子から成る受信素子５とから構成され、これらはくさび台６を介して管体１に取り付けられている。送信素子４から送信され、管体1の内壁で反射され、受信素子５で受信する超音波パルスＰ１、Ｐ２は、予め平均的な流速において複数個の受信素子５の中心部に到達するように調整されているので、流速が大きく変化しても入射位置が受信素子５から外れることはない。【選択図】図１

Description

本発明は、流体が流れる管体に超音波送受信器を取り付けて、時間差方式で管体内の流体の流速を高精度で測定する超音波流量計に関するものである。

超音波流量計には、測定すべき流体が流れる管体の外側に、一対の超音波送受信器を後付で取り付ける所謂クランプオン式がよく用いられている。このクランプオン式では、特許文献１の図１に示すように、一対の超音波送受信器を管体の片側に長手方向に沿って配列し、超音波パルスを管体の内壁で反射させるＶ型方式、図５に示すように管体を挟んで一対の超音波送受信器を配置するＺ型方式などが採用されている。

そして、何れの型式においても、超音波送受信器は送信機能と受信機能とを兼ね備え、１個の振動子を交互に切換えて超音波パルスの発信と受信とを繰り返している。

特開２０１４－７７６５３号公報 国際公開番号２００５／６４２８９号公報 特開２０００－３４６６８５号公報

上述のように、超音波送受信器は送信機能と受信機能とを兼用しているために、受信器として使用する場合に、その受信可能範囲は小さく、流速が大きく変化すると、超音波パルスの到達位置が逸れて受信器で十分な強度の信号が得られず、測定精度が低下することがある。特に、気体を測定対象とする場合には、気体中における超音波信号の減衰量が大きく、測定の信頼性が十分に確保し難いという問題点がある。

なお特許文献２には、送信用振動子を１個とし、その周囲に複数個の受信用振動子を配置し、受信範囲を拡大する超音波トランスデューサが開示されている。しかし、この超音波トランスデューサはドップラー式超音波流量計用であり、時間差方式の超音波流量計への適用には受信用振動子の配置などが不適当である。

また、特許文献３に記載されているように、高感度の測定値を得るには、送信器の共振周波数と受信器の反共振周波数とが一致することが好ましい。しかし、従来の超音波送受信器は前述のように、送信と受信とで同一の振動子を用いているために、同じ振動周波数帯域を有し、送信時の共振周波数と受信時の反共振周波数とがずれていることになる。このため、共振周波数と反共振周波数との中間の周波数を中心周波数として使用するので、高感度な測定ができない問題点もある。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、専用の送信素子と複数個の受信素子とを管体に対して別個に設けて、受信範囲を拡大し、測定精度の向上を図る超音波流量計を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波流量計は、超音波パルスを発する送信素子と、該送信素子に流体が流れる管体の長手方向に隣接し超音波パルスを受け前記管体の長手方向に配列した複数個の受信素子と、から成る一対の超音波送受信器を、前記管体の上流及び下流にそれぞれ取り付けた超音波流量計であって、上流又は下流の前記一対の超音波送受信器の前記送信素子から送信され前記管体内の流体を経由した前記超音波パルスを、下流又は上流の前記一対の超音波送受信器の前記受信素子で受信し、これらの前記超音波パルスの伝播時間差に基づいて前記流体の流速を測定することを特徴とする。

本発明に係る超音波流量計によれば、一対の超音波送受信器を送信素子と受信素子とを管体に対して別個に分離して配置すると共に、管体の長手方向に沿って複数個の受信素子を配列することで、超音波パルスの受信範囲を広くすることが可能となり、流速の測定精度を向上させることができる。

また、送信素子と受信素子とで使用する共振周波数と反共振周波数とを整合することにより、測定感度を良好にできる。

実施例１の要部断面図である。 超音波送受信器を取り付けたくさび台の斜視図である。 （ａ）は従来の超音波送受信器の周波数特性図、（ｂ）は実施例の送信素子と受信素子との周波数特性図である。 他の超音波送受信器を用いたＶ型方式の要部断面図である。 Ｚ型形式の要部断面図である。 他の型式の要部断面図である。 超音波送受信器を取り付けた他の例のくさび台の斜視図である。 コンポジット振動子の斜視図である。 コンポジット振動子を受信用に取り付けた状態のくさび台の側面図である。 分割したコンポジット振動子を取り付けた状態のくさび台の側面図である。 他のくさび台の側面図である。 実施例２の要部断面図である。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は実施例１のクランプオン式において、超音波パルスを管体１の内壁で反射させて伝播させるＶ型方式の要部の断面図である。気体から成る流体が流れる例えば外径５０ｍｍの管体１の外面の長手方向、つまり上流側から下流側に沿って、一対の超音波送受信器２、３が配列されている。

超音波送受信器２、３は同形とされ、図２にも示すように、それぞれ１個の送信素子４と、例えば２列５行の複列復行に配列した計１０個の円柱状の振動子から成る受信素子５とから構成されている。また、送信素子４、複数個の受信素子５は管体１の長手方向に沿って配列されている。これらの送信素子４、受信素子５はくさび台６を介して管体１の外面に接面されている。

送信素子４は例えば径１０ｍｍのコイン状の複数枚の円板状振動子が積層して形成され、図示しないリード線を介して接続された発信出力信号に従って超音波パルスを発信するようにされている。受信素子５には径２．５ｍｍ、高さ８ｍｍ程度の例えば円柱状の振動子が使用され、角柱状でもあってもよく、長手方向に共振する。受信素子５は径に対する高さを３倍以上にすると受信感度が良好で好ましい。

受信素子５で得られた超音波パルスによる受信出力は、個々に或いは並列して、図示しないリード線により所定の増幅演算回路等に接続されている。

送信素子４、受信素子５はくさび台６に接着等により固定され、管体１の外面にくさび台６を介して取り付けられ、くさび台６は管体１に対して超音波パルスを所定の傾斜角で入出射させる機能を有している。

くさび台６は超音波を伝達し易い材質、例えばチタン，ＰＳＵ、ＰＰＳなどにより成形されており、くさび台６上には送信素子４を取り付けるための送信台座６ａが形成され、送信台座６ａの管体１の流れ方向に隣接して、複数の受信素子５を取り付けるための階段状の受信台座６ｂが形成されている。更に、くさび台６の底面には管体１の外面に倣って好適に接着するために、横手方向に円弧状となる管体接着面６ｃが設けられている。なお、管体１とくさび台６の管体接着面６ｃとの間には、超音波パルスの伝達を容易とするために、音響整合材としての例えばグリス等が介在される。

くさび台６は管体１に対し流れ方向に沿って、送信台座６ａを相対的に外側に、受信台座６ｂを内側にして左右対称に管体接着面６ｃを介して管体１の外面に配置されている。送信台座６ａの送信素子取付面は、管体１に対して斜め方向に超音波パルスが送信するように形成され、受信台座６ｂの階段状の各受信素子取付面は、送信素子取付面と平行にされ、管体１からの超音波パルスを斜め同方向から受信するようにされている。

また従来のように、送受信器が持つ１個の振動子により送信と受信とを行う場合には、図３（ａ）に示すように、送信側の共振周波数ｆｒ１と、受信側の反共振周波数ｆａ２とはずれが生ずるので、前述したように、これらの中間の半共振周波数ｆｃを使用しなければならないことになる。

図３（ｂ）は本実施例１における送信素子４、受信素子５の周波数特性を示しており、送信素子４の共振周波数ｆｒ１と受信素子５の反共振周波数ｆａ２とが一致するようにされてしている。これは、送信素子４と受信素子５とが別個に配置されているので、例えば振動子の厚み方向の寸法を変える、つまり図２に示す個々の受信素子５の受信方向の厚みを大きくすることなどにより、振動子の周波数特性を調整できる。

なお測定に先立ち、超音波送受信器２、３の送信素子４から発信された超音波パルスＰが、流体の平均流速状態において、他方の超音波送受信器３、２の複数個の受信素子５の中心部に到達するように、双方の超音波送受信器２、３の位置を調整しておく。つまり、超音波送受信器２、３の設置位置は、想定される流体の平均流速及び管体１の直径に基づいて、決定されることになる。

測定において、超音波送受信器２又は３の送信素子４から超音波パルスＰが交互に出射され、それぞれの超音波パルスＰは、くさび台６を介して管体１内に入射し、管体１内の流体を斜め方向に横断して対向する管体１の内面で反射する。反射した超音波パルスＰは、再び管体１、くさび台６を経て、他方の超音波送受信器３又は２のくさび台６上の管体１の長手方向に沿って配置した複数個の受信素子５の少なくとも１個の振動子に入射する。

つまり、上流側の送信素子４から下流側の受信素子５に向う超音波パルスＰ１は流体の流れに従って進行し、下流側の送信素子４から上流側の受信素子５に向う超音波パルスＰ２は流体の流れに逆行することになる。得られた超音波パルスＰ１、Ｐ２の到達時間が、上流の送信素子４から流体の流れ方向に向く超音波パルスＰ１と、下流の送信素子４から流れに逆行する超音波パルスＰ２との到達時間が異なることを利用して、流速を演算により測定する。得られた流速に管体１の断面積を乗ずることで、流量の測定ができるが、この時間差方式の測定原理は公知なので、詳細な説明は省略する。

受信素子５で受信する送信素子４からの超音波パルスＰ１、Ｐ２は、予め平均的に複数個の受信素子５の中央位置に到達するように調整されているので、流速の加減による変化に対して、超音波パルスＰ１、Ｐ２の入射位置が受信素子５から外れることはなく、超音波パルスＰ１、Ｐ２を受信することができるので、測定精度が確保される。

流体の流速が平均流速よりも早い場合には、受信素子５の中央位置よりも下流側において超音波パルスを受信し、平均流速よりも遅い場合には、受信素子５の中央位置よりも上流側において超音波パルスＰを受信することになる。また、送信素子４、受信素子５で使用する共振周波数が調整されていれば、測定感度が良好となる。

図４は同様のＶ型方式の配置ではあるが、超音波送受信器２、３の向きを先の実施例とは上下流で逆にした場合を示し、管体1の流れ方向に沿って、互いのくさび台６の送信台座６ａを内側に、受信台座６ｂを外側に配置している。この場合においても、先の例と同様に精度良く流速を測定できる。

図５はＺ型の送信方式に適用した配置を示し、超音波送受信器２、３は先の実施例１と同じものが使用され、管体１を挟んで、流れ方向に対しずれて配置されている。管体１の流れ方向に沿って、上流側の超音波送受信器２の送信素子４は、下流側の超音波送受信器３の受信素子５と斜め方向に対向し、下流側の超音波送受信器３の送信素子４は、上流側の超音波送受信器２の受信素子５と斜め方向に対向している。

超音波パルスＰ１、Ｐ２は、上下の超音波送受信器２、３間を斜め方向に相互に往来し、超音波パルスＰ１、Ｐ２の上流から下流、下流から上流への到達時間の時間差を求めて、流速を測定する。

図６は同様のＺ型方式において、くさび台６の送信台座６ａと受信台座６ｂの向きを図５の場合と上下流で逆にしている。この場合においても、同様に流速を精度良く測定できる。

図７は送信台座６ａと平面状の受信台座６ｂ’を形成したくさび台６’に、送信素子４、受信素子５をそれぞれ取り付けた場合の側面図を示し、受信台座６ｂ’は送信台座６ａと平行な傾斜平面とされ、この傾斜平面には受信素子５が固定されている。

また受信素子５として、図８に示すコンポジット振動子７を使用することも可能である。このコンポジット振動子７は、標準的な圧電材料を格子状に振動子８としてカットして底面を研磨し、更に例えばエポキシ樹脂による保持材９によりマトリックス状に保持し、底面による多数個の受信面を持つようにされている。そして、各振動子８の断面は正方形や長方形とされ、長手方向に振動する。このコンポジット振動子７の大きさは、例えば長さ１７ｍｍ、幅１０ｍｍ、高さ３ｍｍである。

図９は図7に示すくさび台６’の受信台座６ｂ’の傾斜平面には受信素子５としてのコンポジット振動子７が固定されている。コンポジット振動子７の各振動子８の出力は直列又は並列的に接続され、所定の回路に入力されている。

図１０はくさび台６に、図８に示すコンポジット振動子７を複数行に分割して、受信台座６ｂの階段状の各受信素子取付面に固定した側面図である。

図１１は他のくさび台６”の側面図を示し、受信台座６ｂ”は管体１の外面と平行な平行平面とされている。この受信台座６ｂ”にコンポジット振動子７等を含む受信素子５を取り付けることができる。また、受信台座６ｂ”には図１、図２に示す受信素子５を配列してもよい。受信台座６ｂ”は管体１の外面に平行な平面とされているので、受信素子５の入射方向は斜め方向から入射する超音波パルスの入射角と異なることになるが、大きな障害とはならない。

上述の実施例１においては、超音波送受信器２、３を管体１の外面に配置するクランプオン式の場合を説明したが、本発明はインライン式の場合にも適用できる。図１２はインライン式における実施例２のＶ型方式の要部断面図である。管体1の片側には長手方向に沿った２個所に、管体１から例えば円筒状の収納部１１、１２が突出されている。収納部１１、１２は上方が左右対称に傾けて設けられ、内部に超音波送受信器１３、１４が内蔵されている。

超音波送受信器１３、１４は例えば円筒状の金属ケース１５内に、先の実施例１で説明した送信素子４、受信素子５が固定されて密封されており、送信素子４、受信素子５は金属ケース１５の流体に接する仕切板１６の内面に接着して配列されている。金属ケース１５は収納部１１、１２内に挿着され、収納部１１、１２の内面と金属ケース１５の間は防水構造とされている。

超音波送受信器１３、１４の位置は、平均的な流速において、双方の送信素子４からの斜め方向に出射された超音波パルスＰ１、Ｐ２が管体１の内壁で反射され、それぞれ相手側の超音波送受信器１４、１３の受信素子５の中央位置に入射するように調整されている。また、Ｚ型方式においても、このインライン式を適用できる。

測定に際しては、先の実施例で説明したように、一対の超音波送受信器１３、１４の間で超音波パルスＰ１。Ｐ２が、管体１を厚み方向に横切ることなく送受信されて、その伝播時間差から流量が測定される。従って、管体１による超音波の減衰が少なく、測定精度も向上する。

１ 管体
２、３、１３、１４ 超音波送受信器
４ 送信素子
５ 受信素子
６、６’、６” くさび台
６ａ 送信台座
６ｂ、６ｂ’、６ｂ” 受信台座
７ 振動子
８ 保持材
１１、１２ 収納部
１５ 金属ケース
１６ 仕切板

Claims (9)

1. 超音波パルスを発する送信素子と、該送信素子に流体が流れる管体の長手方向に隣接し超音波パルスを受け前記管体の長手方向に配列した複数個の受信素子と、から成る一対の超音波送受信器を、前記管体の上流及び下流にそれぞれ取り付けた超音波流量計であって、
   上流又は下流の前記一対の超音波送受信器の前記送信素子から送信され前記管体内の流体を経由した前記超音波パルスを、下流又は上流の前記一対の超音波送受信器の前記受信素子で受信し、これらの前記超音波パルスの伝播時間差に基づいて前記流体の流速を測定することを特徴とする超音波流量計。
2. 前記一対の超音波送受信器は前記管体の外面に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. 前記一対の超音波送受信器は前記管体にくさび台を介して取り付け、該くさび台は、前記送信素子の出射面が前記管体に対し斜め方向に向く送信素子取付面と、前記複数個の受信素子の入射面が前記管体に対し斜め同方向、又は平行とする受信素子取付面とを有することを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計。
4. 前記超音波送受信器は前記管体内に配置し、前記超音波送受信器は仕切板を介して前記流体に接することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
5. 前記一対の超音波送受信器の位置は、想定される流体の平均速度及び前記管体の径に基づいて、決定されることを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の超音波流量計。
6. 前記平均速度の流体が前記管体を流れる場合に、前記送信素子からの超音波パルスが前記複数個の受信素子の中央位置に入射するように、前記一対の超音波送受信器の位置を設定することを特徴とする請求項５に記載の超音波流量計。
7. 前記複数個の受信素子は、振動子を複行複列に配置したことを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の超音波流量計。
8. 前記受信素子は複数個の振動子から成るコンポジット振動子であることを特徴とする請求項１～７の何れか１項に記載の超音波流量計。
9. 前記送信素子の共振周波数と前記受信素子の反共振周波数とを一致させたことを特徴とする請求項１～８の何れか１項に記載の超音波流量計。

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