JP4352391B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波流量計に関し、詳しくは超音波流量計の送受信素子を改善した超音波流量計に関する。

従来技術における超音波流量計は、図９及び図１０に示すように、測定流体Ｐを流す円筒形状の配管１１１の上流側に第１の超音波送受信器１１２を配置し、下流側に第１の超音波送受信器１１２と同じ形状をした第２の超音波送受信器１１３を配置した構成になっている。

第１及び第２の超音波送受信器１１２、１１３は、直方体形状に形成され、一端をテーパ状に形成した傾斜面１１４を有するシュー１１５と、傾斜面１１４に配置した圧電素子である超音波送受信素子１１６とからなる。

このような構成において、配管１１１外周の上流側と下流側に第１及び第２の超音波送受信器１１２、１１３の超音波送受信素子１１６がそれぞれ反対方向になるように、所定間隔を持って配置する。このとき、シュー１１５の底面は平面であり、円筒形状の配管１１１の外周は曲線形状であるためにその接点は一点の線接触構造となる。そして、超音波送受信素子１１６からの超音波は、この線接点のところをめがけて発射し、管軸の中心軸を通るパス（以下、管軸パスと呼ぶ）Ｑを形成することになる。

特開平１１−２９５１２０（第３頁 第２図） 特開平５−２６４３１０（第４頁 第１図）

しかし、従来技術で説明した超音波流量計を構成するシューの取付け部分は平面形状になっており、これに対して配管は円筒形状の曲線形状になっているため、一点の線接触構造で固定する位置決めが難しいという問題がある。
超音波は配管の管軸パスを通るが、この管軸パスでは、配管が細くなったり、動粘度が大きくなったようなレイノルズ（Ｒｅ）数が小さくなる場合に大きな誤差が生じる。このレイノルズ（Ｒｅ）数は流速と動粘度と配管の内径寸法により決まるが、流体の動粘度が変わると大きな誤差が生じてしまうという問題がある。
更に、旋回流や偏流がある場合、管軸パスの信号のみでは、１ヵ所の流速のみを測定することになるため、そのぶん誤差が大きくなる場合があるという問題がある。
従って、シューを配管に取り付ける際に位置決めが簡単に行えると共に、配管内を流れる測定流体に旋回流や偏流が存在していても正確に測定できる構成に解決しなければならない課題を有する。

上記課題を解決するために、本願発明の超音波流量計は、次に示す構成にすることである。

（１）超音波流量計は、圧電素子を搭載したシューを配管の外周に配置し、その圧電素子からの超音波の送受信により前記配管内を流れる測定流体の流量を計測する超音波流量計であって、前記シューは、前記配管の外周に接する底面をＶ字型の谷面に形成し、前記配管の外周面に２点で線接触する構造とし、前記圧電素子からの超音波の送受信は、前記配管の外周面に接する前記シューのＶ字型の谷面を介して超音波を送受信させ、前記圧電素子からの超音波のパスは、管軸からずれた経路を通ることを特徴とする超音波流量計。
（２）圧電素子を搭載したシューを配管の外周に配置し、その圧電素子からの超音波の送受信により前記配管内を流れる測定流体の流量を計測する超音波流量計であって、前記シューは、前記配管の外周に接する底面をＶ字型の谷面に形成し、前記配管の外周面に２点で線接触する構造とし、前記圧電素子からの超音波の送受信は、前記配管の外周面に接する前記シューのＶ字型の谷面を介して超音波を送受信させ、前記圧電素子からの超音波のパスは、配管の長手方向に対して０ ^° でない入射角で入射し、且つ配管断面方向に０ ^° でない入射角で配管内に入射するパスであることを特徴とする超音波流量計。
（３）前記配管の長手方向に対して０^°でない入射角は、前記配管の長手方向に対し１０^°〜６５^°の間であり、前記配管断面方向に０^°でない入射角は、前記配管断面方向に１０^°〜６５^°の間にあることを特徴とする（２）に記載の超音波流量計。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、円筒形状の配管に、取付け位置の底面がＶ字谷型形状のシューを取り付けるため、取付け時のズレが小さく、素人でも簡単に固定でき、扱いやすい超音波流量計が実現できる。
又、最終的に管軸からずれたパスを形成するため、粘度や流速（レイノルズ（Ｒｅ）数）が変化しても、一定の補正のみで誤差が小さく押さえられるので、誤差の少ない超音波流量計が実現できる。
更に、管軸から外れたパスを形成することで、旋回流や偏流の信号も簡単な構成で検出できるため、低コストで流れの乱れに強い超音波流量計が実現できる。

以下、本発明の超音波流量計の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

本発明の超音波流量計は、図１、図２及び図３に示すように、測定流体Ｐを流す円筒形状の配管１１の上流側に第１の超音波送受信器１２を配置し、下流側に第１の超音波送受信器１２と同じ形状をした第２の超音波送受信器１３を配置した構成になっている。

第１及び第２の超音波送受信器１２、１３は、直方体形状に形成され、上部一端をテーパ状に形成した傾斜面１４を有するシュー１５と、傾斜面１４に配置した圧電素子である超音波送受信素子１６とからなる。
このシュー１５の底面は逆Ｖ字型状に形成され、第１及び第２谷面１７、１８が所定の角度を持って形成されている。

このような構成からなる第１及び第２の超音波送受信器１２、１３は、配管１１の外周の上流側に第１の超音波送受信器１２を下流側に第２の超音波送受信器１３を一定間隔を持って第１及び第２谷面１７、１８が配管１１の外周に接するようにして配置する。

この第１及び第２の谷面１７、１８と接する配管１１の外周面の接触部を介して超音波を伝播させる。そのため、超音波が配管１１の長手方向に対して、０°（垂直入射）ではない入射角Ａで配管１１内に入射し、且つ配管１１断面方向にも０°ではない入射角Ｂで配管１１内に入射するパスを形成する。
そして、実施例において、この入射角度Ａが配管１１の長手方向に対して、１０°〜６５°の間であり、且つ配管１１断面方向の入射角Ｂも１０°〜６５°の間にある。

尚、実施例においては、Ｖ字型の谷面の第１及び第２谷面１７、１８を有する第１及び第２の超音波送受信器１２、１３の２つで形成したが、これに限定されることなく、更に複数の数の超音波送受信器を配置する構成にして、それぞれに応じて信号処理系を用意した構成でもよく、要は1個のシュー１５の底面が谷型の谷面にして２点線接触構造であればよい。

さて、このようにして構成された第１及び第２の超音波送受信器１２、１３において、超音波は一般にスネルの法則に従うが、超音波の波長と接触部（第１及び第２谷面１７、１８と配管１１の外周の２接点）の大きさによってある程度の広がりを持って伝搬する。
つまり、丸い配管１１に対してシュー１５の第１及び第２の谷面１７、１８がコンタクトするため狭い面での接触となる。
例えば、４ＭＨｚの超音波を谷面の接触幅１ｍｍに入射させ、その指向性を計算すると、図４に示すように、半値幅で±７°程度の広がりがあることが解かる。
従って、適度な角度で配管１１に入射させた超音波は管軸からずれた経路を通る。
つまり、シュー１５が配管１１に接している点と配管１１とのなす角度が必ずしもスネルの法則にぴったりとは一致していなくとも、ビームに広がりがあるため実際には若干の感度低下はあっても超音波は通る。この方法はレイノルズ（Ｒｅ）数が下がる小口径の配管１１で有効なものであるが、小口径の配管１１の場合、超音波の減衰は大きな問題にならない。
更に、配管１１からずれた経路を通った超音波は、管軸パスに比べレイノルズ数の違いによる測定誤差が小さく、よって流速や動粘度が変化しても誤差は小さくてすむ。

図６は、管軸パスと適度な入射角を持って入射したパスでの流速の補正係数（流速から流量へ換算する場合の係数）の変化量を示したもので、これをみると、適度な入射角を持って入射したパス（管軸からオフセットしたパス）を通る超音波では補正係数の変化は小さくなる。つまり、レイノルズ（Ｒｅ）数の変化に対する誤差は小さくなる。
更に、管軸から外れたパスにあるため、旋回成分や偏流成分がある場合には複数のパスで流量を測定できるため、大きな誤差は出にくくなる。

このようにして、底面がＶ字型のシュー１５を配管１１に載せるようにして配置し、その外周と接する２つの線接点部位から超音波を配管１１に向けて発射し、或いは受信するようにしたことで、最終的に超音波の経路は管軸から外れたパスになるため、粘度や流速（レイノルズ（Ｒｅ）数）が変化しても一定の補正のみで誤差が小さく押さえられるので、誤差の少ない超音波流量計が実現できるのである。
又、旋回流や偏流の信号も、管軸からずらしたパスにしたことで、簡単な構成で検出できるため、低コストで流れの乱れに強い超音波流量計が実現できる。
更に、シュー１５をＶ字型形状の谷面で配管１１の外周に固定するため、取付け時のずれが小さく、簡単に正確に固定配置でき、扱いやすい超音波流量計が実現できる。

図７は、シュー１５ａの谷型形状の変形例を示したものであり、谷型形状の第１及び第２の谷面１７ａ、１８ａが平面形状でなくとも、曲面形状をしていてもよく、小口径の配管１１ａと大口径の配管１１ｂとでうまく射出角度を調整できる構造の面、実施例においては曲面形状にして、且つ配管１１ａ、１１ｂの外周に接する面が２点の線接触構造であればよい。ここで、配管の外周面に接する構造が、外周の径に合わせて形成して、面接触構造にすると、配管の外形に著しく依存することになる。従って、本発明の特徴は、配管の外周面に接するのは２点の線接触構造であることがである。

図８はシュー１５ｂの底面を谷型形状の谷面にすると共に、送受信器を一体にした変形例を示したものである。シュー１５ｂは第１及び第２の超音波送受信器を配管１１に配置する距離関係を考慮した長さに形成されており、その両端の傾斜面１４ｂに超音波送受信素子１６を備えた構成になっている。
このようにすると、一組のシューの間での位置ずれの影響をなくすことができるというメリットがある。

圧電素子を搭載し配管に配置するためのシューにおいて、配管に設置する底面を谷型形状に形成することで、配管に対して２点の線接触で配置することにより、シューの取付けを簡単にすると共に、超音波のパスを管軸パスからずらすことで、旋回流や偏流の信号も簡単な構成で検出できる超音波流量計を提供する。

本発明に係る超音波流量計のシューの配管への取付け状態を斜視図で示した説明図である。 本願発明の圧電素子を搭載したシューと配管との様子を側面からみた説明図である。 同、管軸パスで断面した説明図である。 同、信号角度と信号強度の関係を示すグラフである。 同、スネルの法則に従わない超音波のパスを示した説明図である。 同、管軸パスに対して、入射角を変えたときのレイノルズ数の変化をグラフで表したものである。 同、シューの谷面の変形例を示す説明図である。 同、シューを一体にした変形例を示した説明図である。 従来技術における圧電素子を搭載したシューの配置状態を示した説明図である。 従来技術における配管断面図を示した説明図である。

符号の説明

１１ 配管
１１ａ 小口径の配管
１１ｂ 大口径の配管
１２ 第１の超音波送受信器
１３ 第２の超音波送受信器
１４ 傾斜面
１４ａ 傾斜面１５ シュー
１５ａ シュー
１６ 超音波送受信素子（圧電素子）
１７ 第１の谷面
１７ａ 第１の谷面
１８ 第２の谷面
１８ａ 第２の谷面。

Claims (3)

1. 圧電素子を搭載したシューを配管の外周に配置し、その圧電素子からの超音波の送受信により前記配管内を流れる測定流体の流量を計測する超音波流量計であって、
   前記シューは、前記配管の外周に接する底面をＶ字型の谷面に形成し、前記配管の外周面に２点で線接触する構造とし、
   前記圧電素子からの超音波の送受信は、前記配管の外周面に接する前記シューのＶ字型の谷面を介して超音波を送受信させ、
   前記圧電素子からの超音波のパスは、管軸からずれた経路を通ることを特徴とする超音波流量計。
2. 圧電素子を搭載したシューを配管の外周に配置し、その圧電素子からの超音波の送受信により前記配管内を流れる測定流体の流量を計測する超音波流量計であって、
   前記シューは、前記配管の外周に接する底面をＶ字型の谷面に形成し、前記配管の外周面に２点で線接触する構造とし、
   前記圧電素子からの超音波の送受信は、前記配管の外周面に接する前記シューのＶ字型の谷面を介して超音波を送受信させ、
   前記圧電素子からの超音波のパスは、配管の長手方向に対して０ ^° でない入射角で入射し、且つ配管断面方向に０ ^° でない入射角で配管内に入射するパスであることを特徴とする超音波流量計。
3. 前記配管の長手方向に対して０^°でない入射角は、前記配管の長手方向に対し１０^°〜６５^°の間であり、前記配管断面方向に０^°でない入射角は、前記配管断面方向に１０^°〜６５^°の間にあることを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計。

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