JP2024090371A - クランプオン式超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な音響特性を維持しつつ、成型コストを抑えることができる音響カプラゴムを設けたクランプオン式超音波流量計を提供する。
【解決手段】超音波を用いて配管１００内を流れる流体の流量を計測するクランプオン式超音波流量計１であって、配管１００に対して超音波を送受信する超音波トランデューサの超音波送受信面に取り付けられる音響カプラゴム４０を平板構造とする。また、超音波送受信面が形成される装置本体１０側に超音波送受信面の周囲に立設した複数の爪３５が形成され、音響カプラゴム４０は、爪３５の位置に対応する位置に係合孔が形成され、係合孔に爪３５を係合させて超音波受信面に当接させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波を用いて配管内を流れる流体の流量を計測するクランプオン式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。

特開２０２１－１５０９０号公報

ところで、クランプオン式超音波流量計では、超音波トランスデューサが超音波を送受信する際、計測対象の流体が流れる配管に超音波を送受信する超音波トランスデューサが当接されるが、この配管表面と超音波トランスデューサの音響放射面との間の音響的な結合を確保するため弾性体ゴムなどの音響カプラ（以下、「音響カプラゴム」という）を介在させる。

ここで、従来のクランプオン式超音波流量計の音響カプラゴムは、超音波トランスデューサの楔を覆う３次元構造であった。このため、音響カプラゴムの成型には、型を使う必要があり成型コストがかかるとともに、音響カプラゴムの表面粗さや加硫条件を制御することが難しく、音響特性が悪いという課題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、良好な音響特性を維持しつつ、成型コストを抑えることができる音響カプラゴムを設けたクランプオン式超音波流量計を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるクランプオン式超音波流量計は、超音波を用いて配管内を流れる流体の流量を計測するクランプオン式超音波流量計であって、前記配管に対して超音波を送受信する超音波トランデューサの超音波送受信面に取り付けられる音響カプラゴムを平板構造としたことを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記超音波送受信面が形成される装置本体側に前記超音波送受信面の周囲に立設した複数の爪が形成され、前記音響カプラゴムは、前記爪の位置に対応する位置に係合孔が形成され、前記係合孔に前記爪を係合させて前記超音波送受信面に当接させることを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記配管は、前記超音波送受信面が形成される装置本体と前記超音波送受信面から送信された超音波を反射する側の外側配管取付部とによりクランプされ、前記外側配管取付部は、超音波信号の反射部位に開口部を形成したことを特徴とする。

本発明では、良好な音響特性を維持しつつ、成型コストを抑えることができる音響カプラゴムを設けたクランプオン式超音波流量計を提供できる。

図１は、本発明の実施形態であるクランプオン式超音波流量計の斜視図である。 図２は、図１に示したクランプオン式超音波流量計の分解斜視図である。 図３は、図１に示したクランプオン式超音波流量計の縦断面図である。 図４は、本体側配管取付部を斜め下からみた斜視図である。 図５は、本体側配管取付部の平面図である。 図６は、図５に示した本体側配管取付部のＡ－Ａ線断面図である。 図７は、音響カプラゴムが本体側配管取付部に取り付けられた状態を示す図である。 図８は、開口部の有無による超音波信号の反射を説明する図である。 図９は、超音波トランスデューサの正面図である。 図１０は、超音波トランスデューサの分解斜視図である。 図１１は、超音波トランスデューサの縦断面図である。 図１２は、図１１に示した超音波トランスデューサのＢ－Ｂ線断面図である。

以下に、本発明にかかるクランプオン式超音波流量計の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

＜全体構成＞
図１は、本発明の実施形態であるクランプオン式超音波流量計１の斜視図である。また、図２は、図１に示したクランプオン式超音波流量計１の分解斜視図である。さらに、図３は、図１に示したクランプオン式超音波流量計１の縦断面図である。図１～図３に示すように、クランプオン式超音波流量計１は、装置本体１０に取り付けられた本体側配管取付部３０と、外側配管取付部２０とにより、両側から流体が流れる配管１００をクランプし、流体の流量などを計測するものである。

クランプオン式超音波流量計１は、向かい合う超音波トランスデューサ５，６を有し、超音波トランスデューサ５，６は、配管１００内の流体に対して超音波信号を送信するとともに配管１００内の流体からの超音波信号を受信する。超音波トランスデューサ５，６は、それぞれ楔５１，６１の斜面に圧電素子５２，６２が取り付けられ、楔５１，６１の下面から音響カプラゴム４０を介して配管１００に向けて斜めに超音波信号を送信するとともに受信する。

クランプオン式超音波流量計１による流量計測は、配管１００をクランプした状態で、例えば、超音波トランスデューサ５から超音波信号Ｌ１を送信し、超音波トランスデューサ６が配管１００で反射して一往復した超音波信号Ｌ１を受信し、この超音波信号Ｌ１の伝搬時間を計測する。その後、超音波トランスデューサ６から超音波信号Ｌ２を送信し、超音波トランスデューサ５が配管１００で反射して一往復した超音波信号Ｌ２を受信し、この超音波信号Ｌ２の伝搬時間を計測する。そして、超音波信号Ｌ１，Ｌ２の伝搬時間差をもとに流体の流速を算出して単位時間あたりの流量を求める。また、流量を累積流量として求めることもできる。この際、装置本体１０に取り付けられた温度計測部７により、配管１００を介した流体の温度を計測して、流速の温度補正を行う。なお、超音波信号Ｌ１，Ｌ２は、配管１００の軸を通過するように設定されている。

装置本体１０は、操作部２、表示部３、ケーブル接続部４を備えるとともに、装置本体１０内に、図示しない制御部を備える。操作部２は、各種情報を入力する入力インターフェースであり、予め設定された情報を選択することによって情報を入力する。表示部３は、各種情報を出力する出力インターフェースであり、例えば、流量［リットル／ｍｉｎ］表示、累積流量［リットル］表示、ステータス［正常／異常］表示などを行う。ケーブル接続部４は、外部の電源供給線及び外部装置との信号線を含むケーブルを接続する接続部である。制御部は、操作部２の指示のもとに、超音波トランスデューサ５，６の送受信制御を行い、伝搬時間差及び温度計測部７が計測した温度をもとに流速を演算し、表示部３に結果及び状態を表示するとともに、ケーブル接続部４を介して外部出力する。

＜音響カプラゴム＞
図４は、本体側配管取付部３０を斜め下からみた斜視図である。また、図５は、本体側配管取付部３０の平面図である。さらに、図６は、図５に示した本体側配管取付部３０のＡ－Ａ線断面図である。また、図７は、音響カプラゴム４０が本体側配管取付部３０に取り付けられた状態を示す図である。音響カプラゴム４０は、超音波トランスデューサ５，６の超音波送受信面と配管１００との音響的な結合を確保するための音響カプラとしての弾性体ゴムである。従来の音響カプラゴムは、超音波トランスデューサの楔を覆う３次元構造であったが、本実施形態では、平板構造としている。

図４～図７に示すように、本体側配管取付部３０は、装置本体１０側に取り付けるためのねじ３３を位置決めする６つのねじ位置決め孔３４が形成されているとともに、ねじ２３を用いて外側配管取付部２０により配管１００をクランプするための４つのねじ孔３１ａが４つのフランジ３１に形成されている。また、±Ｙ方向の端部には、配管位置決め凹部３２が形成されている。

ここで、本体側配管取付部３０には、中央側に、超音波トランスデューサ５，６の超音波送受信面が－Ｚ方向に突出する開口３６が形成されているとともに、この開口３６の周囲に－Ｚ方向に向けて立設した４つの爪３５が形成されている。なお、開口３６における超音波送受信面の－Ｚ方向への突出は、開口３６の厚さ分である。爪３５の先端折り曲げ部は、±Ｘ方向に向いている。

音響カプラゴム４０は、爪３５に対応する位置に４つの係合孔４１が形成されている。爪３５の先端折り曲げ位置は、音響カプラゴム４０の厚さに対応した位置である。爪３５に係合孔４１を係合することにより、音響カプラゴム４０が本体側配管取付部３０に取り付けられる。この場合、音響カプラゴム４０と超音波トランスデューサ５，６の超音波送受信面とが当接することになる。なお、音響カプラゴム４０は、配管１００のクランプにより、超音波トランスデューサ５，６の超音波送受信面に密着する。

具体的な音響カプラゴム４０の取付は、例えば、＋Ｘ方向の２つの爪３５に、音響カプラゴム４０の＋Ｘ方向の２つの係合孔４１を係合し、その後、音響カプラゴム４０の－Ｘ方向を引き延ばしつつ、－Ｘ方向の２つの爪３５に、音響カプラゴム４０の－Ｘ方向の２つの係合孔４１を係合させる。これにより、音響カプラゴム４０と超音波トランスデューサ５，６の超音波送受信面とが当接する。

本実施形態の音響カプラゴム４０は、平板構造であるため、表面粗さや加硫条件の制御が容易であり、型を用いていないため、材料の不均一が発生しにくく、良好な音響特性を確保することができる。また、型を用いていないため、コストを抑えることができる。さらに、音響カプラゴム４０は、平板構造であり、取扱が容易であるとともに、爪３５に係合孔４１を係合するのみで取付が済むため、着脱などの取付作業が容易である。

＜外側配管取付部の開口部＞
ここで、配管１００が樹脂の場合、超音波信号は外側配管取付部２０によっても反射する。このため、図８（ａ）に示すように、配管１００で反射した超音波信号Ｌ１と外側配管取付部２０で反射した超音波信号Ｌ１´とが重畳した超音波信号が超音波トランスデューサ６に到達する。これにより、流速測定の精度が低下することになる。

これに対し、本実施形態では、外側配管取付部２０における超音波信号の反射部位に開口部２２を形成している（図２参照）。開口部２２は、配管形状に応じたＵ字型であり、配管１００に接触してクランプする配管当接部２１に設けられる。この結果、図８（ｂ）に示すように、外側配管取付部２０で反射した超音波信号Ｌ１´が消え、配管１００で反射した超音波信号Ｌ１のみを超音波トランスデューサ６が受信するので、流速測定の精度を高くすることができる。なお、開口部２２の形状は任意であり、超音波信号の反射位置が開口していればよい。

＜超音波トランスデューサ＞
従来、超音波トランスデューサの楔に圧電素子を取り付ける場合、接着剤を用いていた。この接着構造は、低温と高温とにより熱応力が発生し、接着が剥がれてしまうことがあった。このため、音響グリスを用いて圧電素子を楔の斜面に取り付けることが考えられるが、取付が音響グリスであるため、組立後の振動や衝撃により圧電素子が位置ずれしてしまい、超音波の送受信特性が悪化してしまう。

図９は、超音波トランスデューサ６の正面図である。図１０は、超音波トランスデューサ６の分解斜視図である。図１１は、超音波トランスデューサ６の縦断面図である。また、図１２は、図１１に示した超音波トランスデューサ６のＢ－Ｂ線断面図である。

図９～図１２に示すように、超音波トランスデューサ６は、楔６１に圧電素子６２が取り付けられる斜面に、圧電素子６２を位置決めする位置決め凹部６６を形成している。位置決め凹部６６は、圧電素子６２の形状に対応して窪みが設けられ、圧電素子６２を楔６１の斜面の設定位置に位置決めすることができる。圧電素子６２の取付面には、音響グリスが塗布され、位置決め凹部６６に配置される。圧電素子６２の取付面に塗布した音響グリスが溢れた場合には拭き取る。

ここで、位置決め凹部６６の側面は、外周に向けて広がる傾斜を持たせている。具体的に、図１１及び図１２に示すように、位置決め凹部６６の側面は、位置決め凹部６６の底面Ｓに垂直な平面に対して外周方向に向けて傾斜させている。このため、圧電素子６２の側面と楔６１とが接触せず、圧電素子６２の振動特性が悪化することがない。しかし、圧電素子６２は音響グリスを介して楔６１に取り付けられているため、位置ずれが生じる可能性がある。このため、圧電素子６２の背面にスポンジなどのクッション機能を有する背面層としての背面層部材６３を配置し、この背面層部材６３を介して、ホルダ６４により圧電素子６２を押える。ホルダ６４は、ねじ６５により、楔６１に取り付けられ、これにより、圧電素子６２が位置決め凹部６６に固定される。

なお、圧電素子６２のリード線Ｌ１０の位置に対応して、背面層部材６３には切り欠き６３ａが形成され、ホルダ６４には切り欠き６４ａが形成されている。なお、超音波トランスデューサ６について説明したが超音波トランスデューサ５も同様である。

本実施形態では、圧電素子を接着剤により接着していないため、接着が剥がれてしまうことがなく、音響グリスにより音響特性を維持しつつ、位置決め凹部により圧電素子の位置決めを行うことができる。また、ホルダにより、圧電素子を固定しているため、その後の位置ずれも生じない。さらに、位置決め凹部の側面を外周に向けて広がる傾斜をもたせているので、圧電素子の振動特性も悪化しない。なお、本実施形態では音響グリスを使用したが、接着剤を使用してもよい。

また、上記の実施形態では、超音波トランスデューサ５，６を一つの装置本体１０側に設けていたが、適用できる範囲で、超音波トランスデューサ５，６を分離し、配管を介して対向配置させて流量測定を行うようにしてもよい。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

１ クランプオン式超音波流量計
２ 操作部
３ 表示部
４ ケーブル接続部
５，６ 超音波トランスデューサ
７ 温度計測部
１０ 装置本体
２０ 外側配管取付部
２１ 配管当接部
２２ 開口部
２３，３３，６５ ねじ
３０ 本体側配管取付部
３１ フランジ
３１ａ ねじ孔
３２ 配管位置決め凹部
３４ ねじ位置決め孔
３５ 爪
３６ 開口
４０ 音響カプラゴム
４１ 係合孔
５１，６１ 楔
５２，６２ 圧電素子
６６ 位置決め凹部
６３ 背面層部材
６３ａ，６４ａ 切り欠き
６４ ホルダ
１００ 配管
Ｌ１，Ｌ１´，Ｌ２ 超音波信号
Ｌ１０ リード線
Ｓ 底面

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるクランプオン式超音波流量計は、超音波を用いて配管内を流れる流体の流量を計測するクランプオン式超音波流量計であって、前記配管に対して超音波を送受信する超音波トランデューサの超音波送受信面に、平板構造の音響カプラゴムを取り付けたことを特徴とする。

図１は、本発明の実施形態であるクランプオン式超音波流量計の斜視図である。 図２は、図１に示したクランプオン式超音波流量計の分解斜視図である。 図３は、図１に示したクランプオン式超音波流量計の縦断面図である。 図４は、本体側配管取付部を斜め下からみた斜視図である。 図５は、本体側配管取付部の平面図である。 図６は、図５に示した本体側配管取付部のＡ－Ａ線断面図である。 図７は、音響カプラゴムが本体側配管取付部に取り付けられた状態を示す図である。 図８は、開口部の有無による超音波信号の反射を説明する図である。 図９は、超音波トランスデューサの正面図である。 図１０は、超音波トランスデューサの分解斜視図である。 図１１は、超音波トランスデューサの楔の縦断面図である。 図１２は、図１１に示した超音波トランスデューサの楔のＢ－Ｂ線断面図である。

図９は、超音波トランスデューサ６の正面図である。図１０は、超音波トランスデューサ６の分解斜視図である。図１１は、超音波トランスデューサ６の楔６１の縦断面図である。また、図１２は、図１１に示した超音波トランスデューサ６の楔６１のＢ－Ｂ線断面図である。なお、以下、超音波トランスデューサ６あるいは楔６１について説明するが、超音波トランスデューサ５あるいは楔５１も同様な構成である。

Claims (3)

1. 超音波を用いて配管内を流れる流体の流量を計測するクランプオン式超音波流量計であって、
   前記配管に対して超音波を送受信する超音波トランデューサの超音波送受信面に取り付けられる音響カプラゴムを平板構造としたことを特徴とするクランプオン式超音波流量計。
2. 前記超音波送受信面が形成される装置本体側に前記超音波送受信面の周囲に立設した複数の爪が形成され、
   前記音響カプラゴムは、前記爪の位置に対応する位置に係合孔が形成され、前記係合孔に前記爪を係合させて前記超音波送受信面に当接させることを特徴とする請求項１に記載のクランプオン式超音波流量計。
3. 前記配管は、前記超音波送受信面が形成される装置本体と前記超音波送受信面から送信された超音波を反射する側の外側配管取付部とによりクランプされ、
   前記外側配管取付部は、超音波信号の反射部位に開口部を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のクランプオン式超音波流量計。

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