JP3646875B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波流量計、特に、小径の管路を用いる場合に好適な超音波流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
種々の流体の流速や流量の計測に超音波流量計がひろく利用されてきた。超音波流量計の典型的なものは、流体の流路にそって１対の超音波トランスジューサを配置し、超音波を流路の下流に伝搬させた場合の伝搬所要時間と、逆に上流に伝搬させた場合の伝搬所要時間とを測定し、両者の差から流体の流速と流量を計測するように構成されている。
【０００３】
最近、測定対象の流体が半導体の処理に使用するエッチング液など腐食性の液体などが多くなってきており、従来広く使用されてきた金属製の管路が使用できず、樹脂製の管路の使用が必要になってきている。また、最近、微小な流量の測定も要求されるようになってきた。この場合、測定対象の流速が超音波の伝搬速度に比べて圧倒的に小さくなり、測定精度が低下するという問題がある。この測定精度の低下を回避するため、流路の径を絞って流速を増加させることも行われている。この結果、内径が数ｍｍのごく細の管路の使用などが必要になってきている。このごく細の管路を使用するために、中心部分に開口が形成された円環形状のトランスジューサを使用し、その中心部分の開口にごく細の管路を嵌合させた構造の超音波流量計が使用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の円環形状の送受波器の中心部分にごく細の管路を嵌合させる構造の超音波流量では、管路の素材を剛性の低い樹脂とした場合、超音波の減衰が大きすぎて受信信号のレベルが小さくなりすぎ、このため、測定精度を確保できないという問題が存在することが明らかになった。従って、本発明の目的は、樹脂製のごく細管を用いた場合でも超音波の減衰を生じにくくすることにより、受信信号のＳＮ比と測定精度を向上させた超音波流量計を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明の超音波流量計は、流体が流れる管路と、この管路に沿って設置される複数の超音波トランスジューサとを備えている。そして、超音波トランスジューサの少なくとも一つは、管路の内径にほぼ等しい波長の超音波を流体中に発生させる周波数成分を含む信号によって励振されることにより、超音波の減衰を抑圧するように構成されている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、管路の素材は樹脂であり、腐食性の薬品などの流量計測が可能なように構成されている。
【０００７】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、超音波の送受波器は中心部に形成した開口に管路が嵌合せしめれる構造を有することにより、微小な流量を精度良く測定可能なように構成されている。
【０００８】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例の超音波流量計の構成を示すブロック図である。この超音波流量計は、ごく細の管路１と、この管路に沿って間隔をおいて設置される１対の超音波送受波器２ａ，２ｂと、送受信回路３ａ，３ｂと、送受制御回路４と、送信信号発生回路５と、受信回路６と、Ａ／Ｄ変換回路７と、受信信号処理回路８と、表示部９とを備えている。
【０００９】
ごく細の管路１は内径が2.3 ｍｍ、厚み0.5 ｍｍで、樹脂（ＰＶＤＦ：ポリフッ化ビニリデン）製の管路である。超音波送受波器２ａ，２ｂは、図２の斜視図に示すように、中心部分に開口が形成された円環形状を呈しており、それぞれの開口に管路１が嵌合される。超音波送受波器２ａ，２ｂは100 ｍｍ〜200 ｍｍの間隔をおいて配置される。
【００１０】
送信信号発生回路５は、図３に示すような幅Ｔの矩形パルス状の送信信号を発生する。１／Ｔ＝ｆとすれば、この周波数ｆは数百kHz の超音波帯域に設定される。送受信回路３ａ，３ｂは、送信信号発生回路５から供給される送信信号を増幅し、対応の超音波送受波器２ａ，２ｂに供給するという送信動作を行う。この送信動作は、送受信制御回路４からの制御信号に従って送受信回路３ａ，３ｂ間で交互に反復される。送受信回路３ａ，３ｂは、上記送信動作を行わない期間内は、対応の超音波送受波器２ａ，２ｂが受けた受信信号を増幅・濾波回路６に転送する受信動作を行う。
【００１１】
超音波送受波器２ａ，２ｂは、送信信号で励振されると、径方向に伸縮することにより管路１をその径方向に圧縮・膨張させる。この管路１の径方向への圧縮・膨張は流体に伝達され、これによる圧縮・膨張を受けた流体中に流路方向に圧縮・膨張する縦波が励振され、管路の延長方向に伝搬される。超音波送受波器２ａ，２ｂの一方から流体中に励振され、流体中を伝搬して他方の送受波器に受信された超音波振動は、送受信回路３ａ，３ｂの一方に受信される。この受信信号の波形を、図４に例示する。この受信信号は、増幅・濾波回路６を経てＡ／Ｄ変換回路７に供給される。Ａ／Ｄ変換回路７は、送信信号発生回路５から供給される送信トリガ信号に同期して、アナログ受信信号をディジタル受信信号に変換し、信号処理回路８に供給する。
【００１２】
信号処理回路８は、トリガ信号の発生時点からディジタル受信信号の立ち上がり時点までの時間を検出することにより、超音波が送受波器２ａ，２ｂ間の流体中を伝搬するのに要した伝搬所要時間を検出する。信号処理回路８は、超音波が送受波器２ａから２ｂへと下流方向に伝搬するのに要した伝搬所要時間と、送受波器２ｂから２ａへと上流方向に伝搬するのに要した伝搬所要時間とを検出し、これらの差に基づき、流体の流速を検出する。信号処理回路８は、検出した流速に流路の断面積と、流速の分布を補正するための係数を乗算することにより、流速から流量を算定し、表示部９に表示させる。
【００１３】
本発明者は、この実施例の超音波流量計の開発段階において、超音波の伝搬損失が大きすぎるため、受信信号のレベルが小さすぎてＳＮ比が劣化し、その結果測定精度が著しく低するという事態に遭遇した。そこで、本発明者は、送信信号発生回路５から供給する送信信号の周波数を変化させて見たところ、特定の周波数において、受信信号のレベルが急増することを見いだした。この現象は、送受波器２ａ，２ｂ間の流体中を伝搬する超音波の伝搬減衰量が特定の周波数において、急減することを意味している。
【００１４】
図５は、受信信号のレベルの周波数依存性を示す実験データである。横軸は送信信号のパルス幅の逆数として定義される送信信号の周波数( kHz ) 、縦軸は受信信号の振幅（volt) である。この実験では、送受波器２ａ，２ｂの距離は100 ｍｍである。白丸は樹脂製の管路１の内部を水で満たした場合のデータ、黒丸は管路１の内部を空気で満たした場合のデータである。白丸のデータから、送信信号の周波数が500kHzの近傍で受信信号の振幅が急増することが見い出される。この周波数の超音波の水中の管内伝搬速度は毎秒1200メートルであるから、上記周波数500 kHz の送信信号によって水中に励振される超音波の波長は、2.4 ｍｍとなる。この超音波の波長は、管路１の内径2.3 ｍｍとほぼ一致する。
【００１５】
また、黒丸で示す管路１内に空気を満たして測定したデータについては、振幅の周波数依存性は見られない。さらに、白丸と黒丸のデータが受信振幅の絶対値や送信信号の周波数依存性に関して異なる特徴を示すということから、各データが流体の性質を反映しているということが判明する。すなわち、各データは、管路１の管壁中を伝搬した超音波の振幅ではなく、管路１の内部の水中や空気中を伝搬した超音波の振幅を示していることになる。
【００１６】
図６は、図５の場合と同様の、送信信号の周波数に対する受信信号のレベルの依存性を示す実験データである。横軸は送信信号のパルス幅の逆数で定義される送信信号の周波数( kHz ) 、縦軸は受信信号の振幅（volt) である。この実験では、送受波器２ａ，２ｂの距離は図５の場合の２倍の200 ｍｍに設定されている。白丸は樹脂製の管路１の内部を水で満たした場合のデータ、黒丸は管路１の内部を空気で満たした場合のデータである。白丸のデータから、図５の場合と同様に、送信信号の周波数が500kHzの近傍で受信信号の振幅が急増することが見い出される。すなわち、この場合でも、減衰量が急減する超音波の波長は、管路１の内径2.3 ｍｍとほぼ一致する。
【００１７】
内径が３ｍｍ、４ｍｍの管路について行った同様の実験結果からも、水中の超音波の伝搬損失が急減する超音波の波長が、内径にほぼ等しい３ｍｍ、４ｍｍであることが確認された。なお、超音波送受波器２ａ，２ｂのインピーダンスの周波数依存性の測定データから、各超音波送受波器の共振周波数は200 kHz 近傍であることも判明した。本発明者は、現在、上記実験データの理論的な根拠を模索中である。
【００１８】
以上、ＰＶＤＦなどの樹脂を素材する管路を使用する場合に例にとって本発明を説明した。しかしながら、比較的剛性の高いステンレスなどの金属についても、薄肉のため剛性が低下する場合などには、本発明を適用することにより、小さな伝搬損失を実現することができる。
【００１９】
また、管壁の変形に基づく大きな伝搬損失が生じやすいごく細の管路を使用する場合を例示した。しかしながら、そのようなごく細の管路を使用しない場合にも本発明を適用することにより、小さな伝搬損失という効果を実現することができる。
【００２０】
さらに、１対の送受波器を流路に沿って離間させて設置し、交互に超音波を送信させる構成を一実施例として示した。しかしながら、上記１対の送受波器の中間に送波器を設置し、この送波器で励振した超音波を上流側と下流側に同時に伝搬させ、上流側と下流側に設置された送受波器でこの超音波を受信することにより上流側への伝搬所要時間と下流側への伝搬所要時間とを検出する構成とすることもできる。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の超音波流量計は、管路の内径にほぼ等しい波長の超音波を流体中に発生させる周波数成分を含む信号によって超音波送受波器を励振する構成であるから、実験データに示されるように、伝搬損失が最小の状態での動作が可能になり、高い測定精度が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の超音波流量計の構成を示すブロック図である。
【図２】図１中の管路１と超音波送受波器２ａ，２ｂの構成と結合状態を示すを示す斜視図である。
【図３】送信信号の波形を示す概念図である。
【図４】受信信号の波形の一例を示す概念図である。
【図５】上記実施例の超音波流量計について得られた超音波信号の受信レベルの周波数依存性を示す実験データである。
【図６】上記実施例の超音波流量計について得られた超音波信号の受信レベルの周波数依存性を示す他の実験データである。
【符号の説明】
１ 管路
2a,2b 超音波送受波器
3a,3b 送受信回路
4 送受制御回路
5 送信信号発生回路
6 増幅・濾波回路
7 Ａ／Ｄ変換回路
8 信号処理回路
9 表示部

Claims (3)

1. 流体が流れる管路と、この管路に沿って設置される複数の超音波トランスジューサとを備えた超音波流量計において、
   前記超音波トランスジューサの少なくとも一つは、前記管路の内径にほぼ等しい波長の超音波を前記流体中に発生させる周波数成分を含む信号によって励振されることを特徴とする超音波流量計。
2. 前記管路の素材は樹脂であることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記超音波の送受波器は中心部に形成された開口に前記管路が嵌合せしめられる構造を有することを特徴とする請求項１と２のそれぞれに記載の超音波流量計。

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