JP4459828B2

JP4459828B2 - 超音波流量計

Info

Publication number: JP4459828B2
Application number: JP2005019906A
Authority: JP
Inventors: 元小野田
Original assignee: 元小野田
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2025-01-27
Also published as: JP2006208159A

Description

この発明は、超音波流量計に関係している。

超音波流量計は従来から良く知られており、例えば丸善株式会社が平成１１年８月３０日に発行した「超音波便覧：超音波便覧編集委員会編」の第３４５頁から始まる「８．２工業計測、８．２．１超音波流速流量計」の項目に記載されている。

従来最も広く使用されている超音波流量計では、管部材の管壁の外周面において管部材中の流体の流れる方向に相互に離間した２つの位置に２つの超音波送受波器が夫々超音波プリズムを介して配置されており、２つの超音波送受波器の夫々は超音波プリズムを介して上記流体の流れる方向に対し斜めに交差して相互に対向している。そして、一方の超音波送受波器の圧電振動子に電気パルスを印加することにより発生した超音波が一方の超音波送受波器に対応する超音波プリズム及び管部材の管壁の部分を介して管部材中の流体に伝搬し、上記流体を伝搬した超音波が他方の超音波送受波器に対応する管部材の管壁の部分及び超音波プリズムを介して他方の超音波送受波器に到達し、他方の超音波送受波器の圧電振動子により再び電気パルスに変換される。また、他方の超音波送受波器の圧電振動子に電気パルスを印加することにより発生した超音波が、上述したのとは逆の経路をたどって一方の超音波送受波器に到達し、一方の超音波送受波器の圧電振動子により再び電気パルスに変換される。そして、管部材中の流体の流れの順方向に超音波を伝搬させた場合と上記流れの逆方向に超音波を伝搬させた場合の夫々の伝搬時間の差異から上記流れの流速を求め、さらに流量を求めている。

なお上記流体としては超音波流量計で流量を測定可能な流れる物体であれば何でも良く、例えば気体，液体，例えば蒸気のような気体と液体の混合体，そして大きさや形状が相互に比較的等しい多数の固形物を含む気体や液体や気体と液体の混合体を含む。

このように、管部材の管壁の外周面に超音波プリズムを伴い超音波送受波器を配置している従来の超音波流量計は、既存の管部材に対する超音波プリズムを伴う２つ超音波送受波器の適切な取り付け位置さえ一旦決まれば既存の管部材に対し容易に着脱することが出来るという利点を有している。しかしながら、上述した従来の超音波流量計では、管部材の管壁による超音波の減衰が大きく上記管部材中を流れる流体の流量を高精度で測定することが難しく、また、上記超音波プリズムと上記管壁の外周面との界面及び上記管壁の内周面と上記管部材中を流れる流体との界面の夫々において超音波が屈折するので、既存の管部材に対する超音波プリズムを伴う２つ超音波送受波器の適切な取り付け位置を決定する作業が煩雑である。

このような従来最も良く知られている、超音波送受波器外付け式超音波流量計における欠点を解消するための１つの試みが、特開平７−３１１０６３号公報により知ることが出来る。

この公報に記載されている超音波流量計によれば、管部材の管壁において管部材中の流体の流れる方向に相互に離間した２つの位置で相互に対向するよう２つの開口が形成されていて、これら２つの開口中に管部材中を流れる流体の流量を測定する為に使用される２つの超音波送受波器が配置されている。

しかしながら、この公報により知られている超音波流量計では、上記管壁の内周面と管部材の管壁に形成された２つの開口の夫々との境界及び／又は上記管壁の内周面と上記夫々の開口中の超音波送受波器の内端部との間に段差が生じていて、上記段差において上記管部材中を流れる流体の流れに乱れが生じやすい。そして超音波流量計は、上記流れが一様でないと上記管部材中を流れる流体の流量を高い精度で測定することが出来ない。
特開平７−３１１０６３号公報超音波便覧編集委員会編「超音波便覧」丸善株式会社、平成１１年８月３０日発行、第３４５頁「８．２工業計測、８．２．１超音波流速流量計」

この発明は上記事情の下でなされ、この発明の目的は、管部材に対する２つの超音波送受波器の位置決めや着脱が容易であるとともに、管部材中を流れる流体の流量を高い精度で測定することが出来る超音波流量計を提供することである。

上述したこの発明の目的を達成するために、この発明に従った超音波流量計は：流体が流れる管部材の管壁において管部材中の流体の流れる方向に相互に離間した２つの位置で相互に対向するよう形成された２つの開口と；これら２つの開口に配置され管部材中を流れる流体の流量を測定する為に使用される２つの超音波送受波器と；を備えている。
そして：上記管部材中を流れる流体は、水，摂氏２０度以上に加熱された水，摂氏２０度以上に加熱された水と水蒸気との混合体のいずれか１つを含んでおり；２つの超音波送受波器の夫々が対応する開口において管部材の管壁の内周面に対する境界よりも外方に位置していて；２つの開口の夫々において対応する超音波送受波器と管部材の管壁の内周面に対する境界との間の隙間が超音波伝搬物質により充填され；充填された超音波伝搬物質が管部材の管壁の内周面に対する２つの開口の夫々の境界で管部材中を流れる流体の流れに乱れを生じさせず；上記超音波伝搬物質は、上記管部材中を流れる流体と音響インピーダンスが等しいか又はほぼ等しく、かつ上記管部材中を流れる流体中を通過する超音波の伝搬速度に等しいか又はほぼ等しい超音波伝搬速度を呈せしめるシリコンゴムであり；上記２つの超音波送受波器の夫々から発振された超音波が上記管部材中の流体と上記超音波伝搬物質との間の界面を通過したときに屈折しないか又はほとんど屈折せず；上記２つの開口の夫々に充填されている上記超音波伝搬物質において上記管部材中を流れる流体に接する表面部分は、上記管部材の内周面において上記２つの開口の夫々を取り囲む部分と面一である、ことを特徴としている。

上述した如く構成されていることを特徴としているこの発明に従った超音波流量計では、流体が流れる管部材の管壁において管部材中の流体の流れる方向に相互に離間した２つの位置で相互に対向するよう予め形成された２つの開口中に２つの超音波送受波器が配置されるので、管部材に対する２つの超音波送受波器の位置決めや着脱が容易である。

しかも、２つの超音波送受波器の夫々が対応する開口において管部材の管壁の内周面に対する境界よりも外方に位置していて、２つの開口の夫々において対応する超音波送受波器と管部材の管壁の内周面に対する境界との間の隙間が超音波伝搬物質により充填され、充填された超音波伝搬物質が管部材の管壁の内周面に対する２つの開口の夫々の境界で管部材中を流れる流体の流れに乱れを生じさせないので、２つの超音波送受波器を使用して管部材中を流れる流体の流量を高い精度で測定することが出来る。

以下、この発明を実施するための最良の形態を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１には、この発明の一実施の形態に従った超音波流量計が装着された管部材１０の概略的な縦断面図が示されている。管部材１０には所定の流体１２が満たされた状態で矢印Ａにより示されている所定の方向に流されている。

管部材１０の管壁１０ａにおいて管部材１０中の流体１２が流れる所定の方向Ａに相互に離間しているとともに相互に対向している２つの位置には開口１４ａ及び１４ｂが形成されている。２つの開口１４ａ及び１４ｂの夫々には、超音波送受波器１６が配置され固定されている。２つの開口１４ａ及び１４ｂの夫々の超音波送受波器１６は制御装置１８に接続されており、制御装置１８は表示装置２０に接続されている。

２つの開口１４ａ及び１４ｂの夫々の中の超音波送受波器１６は、対応する開口１４ａ又は１４ｂにおいて管部材１０の管壁１０ａの内周面に対する境界よりも所定の距離だけ外方に位置している。そして、２つの開口１４ａ及び１４ｂの夫々において対応する超音波送受波器１６と管部材１０の管壁１０ａの内周面に対する境界との間に隙間、即ち凹所、が創出されている。

上記隙間には超音波伝搬物質２２が充填されている。そして、充填された超音波伝搬物質２２が管部材１０の管壁１０ａの内周面に対する２つの開口１４ａ及び１４ｂの夫々の境界で管部材１０中を流れる流体１２の流れに乱れを生じさせない。この為には、管部材１０の管壁１０ａの内周面に対する２つの開口１４ａ及び１４ｂの夫々の境界で２つの開口１４ａ及び１４ｂの夫々に充填されている超音波伝搬物質２２が管壁１０ａの内周面に対し段差を生じさせないことが少なくとも必要であり、２つの開口１４ａ及び１４ｂの夫々において管部材１０中を流れる流体１２の流れに対し露出している超音波伝搬物質２２の表面部分がその上を流れる流体１２の層に乱れを生じさせないよう滑らかに整形されている必要がある。好ましくは、２つの開口１４ａ及び１４ｂの夫々に充填されている超音波伝搬物質２２において管部材１０中を流れる流体１２に接する表面部分は、管部材１０の管壁１０ａの内周面において２つの開口１４ａ及び１４ｂの夫々を取り囲む部分と面一に整形されている。

超音波伝搬物質２２は超音波送受波器１６が発信する超音波の伝搬効率が高いことが当然好ましく、さらに管部材１０中を流れる流体１２により変質しない材質である必要がある。このような条件を充たせば、超音波伝搬物質２２は金属であることが出来るし、合成樹脂であることができるし、ガラスであることが出来るし、ゴムであることが出来るし、上記ゴムに比べ耐久性や耐食性や耐薬品性に優れたシリコンゴムであることが出来るし、その他の種々の物質であることが出来る。

なお、超音波が２つの媒体の境界面に対し斜めに入射すると反射或いは屈折する。ここで上記境界面に対する超音波の入射角をθ１、屈折角をθ２、入射側の媒体における超音波の伝搬速度をＣ１、そして出射側の媒体における超音波の伝搬速度をＣ２とすると、次のような関係式が成り立つことが分かっている。

ｓｉｎ θ１／Ｃ１＝ｓｉｎ θ２／Ｃ２
従って、上記条件を充たす超音波伝搬物質２２として、管部材１０中を流れる流体１２中を通過する超音波の伝搬速度に等しいか或いはほぼ等しい超音波伝搬速度を呈せしめる音響インピーダンスを有する媒体を採用することが出来れば、図１中に示されている如く、２つの超音波送受波器１６の夫々から発振された超音波が管部材１０の流体１２と超音波伝搬物質２２との間の界面を通過したときに屈折しないか或いはほとんど屈折しないので、管部材１０の管壁１０ａにおいて２つの超音波送受波器１６が配置される２つの開口１４ａ及び１４ｂを、管部材１０中の流体１２が流れる所定の方向Ａに相互に離間しているとともに相互に対向している２つの位置を同軸線上に配置することが出来る。

しかしながら、上記条件を充たす超音波伝搬物質２２として、上述した如く管部材１０中を流れる流体１２を通過する超音波の伝搬速度に等しいか或いはほぼ等しい超音波伝搬速度を呈せしめる音響インピーダンスを有する媒体を採用することが出来なくとも、例えば入射角θ１に比べ屈折角θ２が小さくなる場合には、管部材１０の管壁１０ａにおいて２つの開口１４ａ及び１４ｂが管部材１０中の流体１２が流れる所定の方向Ａに相互に離間しているとともに同軸に相互に対向している図１中に示されている一実施の形態の場合に比べ、図２中に示されている第１の変形例の如く、一方の開口１４ａに対し管部材１０中の流体１２が流れる所定の方向Ａに沿い他方の開口１４ｂを接近して形成し、その結果として、一方の開口１４ａ中の一方の超音波送受波器１６から発信された後に一方の開口１４ａ中の超音波伝搬物質２２と管部材１０中を流れる流体１２との界面で入射角θ１に比べ小さな屈折角θ２で流体１２中に出射された超音波が他方の開口１４ｂ中の超音波伝搬物質２２を介し他方の超音波送受波器１６に対し同軸で到達することが出来るよう、及びこの逆に他方の開口１４ｂ中の他方の超音波送受波器１６から発信された後に他方の開口１４ｂ中の超音波伝搬物質２２と管部材１０中を流れる流体１２との界面で入射角θ１に比べ小さな屈折角θ２で流体１２中に出射された超音波が一方の開口１４ａ中の超音波伝搬物質２２を介し一方の超音波送受波器１６に対し同軸で到達することが出来るようにすることが出来る。

又、例えば入射角θ１に比べ屈折角θ２が大きくなる場合には、管部材１０の管壁１０ａにおいて２つの開口１４ａ及び１４ｂが管部材１０中の流体１２が流れる所定の方向Ａに相互に離間しているとともに同軸に相互に対向している図１中に示されている一実施の形態の場合に比べ、図３中に示されている第２の変形例の如く、一方の開口１４ａに対し管部材１０中の流体１２が流れる所定の方向Ａに沿い他方の開口１４ｂを遠くに形成し、その結果として、一方の開口１４ａ中の一方の超音波送受波器１６から発信された後に一方の開口１４ａ中の超音波伝搬物質２２と管部材１０中を流れる流体１２との界面で入射角θ１に比べ大きな屈折角θ２で流体１２中に出射された超音波が他方の開口１４ｂ中の超音波伝搬物質２２を介し他方の超音波送受波器１６に対し同軸で到達することが出来るよう、及びこの逆に他方の開口１４ｂ中の他方の超音波送受波器１６から発信された後に他方の開口１４ｂ中の超音波伝搬物質２２と管部材１０中を流れる流体１２との界面で入射角θ１に比べ大きな屈折角θ２で流体１２中に出射された超音波が一方の開口１４ａ中の超音波伝搬物質２２を介し一方の超音波送受波器１６に対し同軸で到達することが出来るようにすることが出来る。

さらに、管部材１０中を流れる流体１２に対し上述した条件を充たす超音波伝搬物質２２があれば、管部材１０中を流れる流体１２としては水，摂氏２０度以上に加熱された水，摂氏２０度以上に加熱された水と水蒸気との混合体，そして水蒸気のいずれか１つであったり、その他の種々の液体、例えば腐食性の高い化学薬品や人体の安全性に直接影響する食用或いは飲料用の種々の液体、であることが出来る。またさらに、部材１０中を流れる流体１２に対し上述した条件を充たす超音波伝搬物質２２があれば、管部材１０中を流れる流体１２としては上述した一実施の形態や第１の変形例や第２の変形例に従っている超音波流量計で流量を測定可能な流れる物体であれば何でも良く、例えば気体，液体，例えば蒸気のような気体と液体の混合体，そして大きさや形状が相互に比較的等しい多数の固形物を含む気体や液体や気体と液体の混合体を含む。

なお図１乃至図３中に示されているこの発明の一実施の形態、その第１及び第２の変形例においては、２つの開口１４ａ及び１４ｂ中に配置されている２つの超音波送受波器１６の動作は、これら２つの超音波送受波器１６に接続されている制御装置１８により制御され、制御装置１８は、管部材１０中を流れる流体１２の所定の流れの方向Ａにおける上流側の一方の開口１４ａ中の一方の超音波送受波器１６から発信された超音波が下流側の他方の開口１４ｂ中の他方の超音波送受波器１６に受信されるまでに要する伝搬時間と、上記下流側の他方の開口１４ｂ中の上記他方の超音波送受波器１６から発信された超音波が上記上流側の一方の開口１４ａ中の上記一方の超音波送受波器１６に受信されるまでに要する伝搬時間と、の差異から、管部材１０中を流れる流体１２の流速を求め、さらには流量を求め、これら流速及び流量の中の少なくとも流量を表示装置２０により表示させることが出来るし、これら流速及び流量の両方を表示装置２０により表示させるようにすることも出来るし、これら流速及び流量以外に２つの超音波送受波器１６の制御に関係する種々の値を表示させることも出来る。

この発明の一実施の形態に従った超音波流量計の概略的な縦断面図である。図１の超音波流量計の第１の変形例の概略的な縦断面図である。図１の超音波流量計の第２の変形例の概略的な縦断面図である。

符号の説明

１０…管部材、１０ａ…管壁、１２…流体、１４ａ，１４ｂ…開口、１６…超音波送受波器、２２…超音波伝搬物質、Ａ…流体１２の流れる方向。

Claims

流体が流れる管部材の管壁において管部材中の流体の流れる方向に相互に離間した２つの位置で相互に対向するよう形成された２つの開口と；
これら２つの開口に配置され管部材中を流れる流体の流量を測定する為に使用される２つの超音波送受波器と；
を備えており、
上記管部材中を流れる流体は、水，摂氏２０度以上に加熱された水，摂氏２０度以上に加熱された水と水蒸気との混合体のいずれか１つを含んでおり、
２つの超音波送受波器の夫々が対応する開口において管部材の管壁の内周面に対する境界よりも外方に位置していて、２つの開口の夫々において対応する超音波送受波器と管部材の管壁の内周面に対する境界との間の隙間が超音波伝搬物質により充填され、充填された超音波伝搬物質が管部材の管壁の内周面に対する２つの開口の夫々の境界で管部材中を流れる流体の流れに乱れを生じさせず、
上記超音波伝搬物質は、上記管部材中を流れる流体と音響インピーダンスが等しいか又はほぼ等しく、かつ上記管部材中を流れる流体中を通過する超音波の伝搬速度に等しいか又はほぼ等しい超音波伝搬速度を呈せしめるシリコンゴムであり、
上記２つの超音波送受波器の夫々から発振された超音波が上記管部材中の流体と上記超音波伝搬物質との間の界面を通過したときに屈折しないか又はほとんど屈折せず、
上記２つの開口の夫々に充填されている上記超音波伝搬物質において上記管部材中を流れる流体に接する表面部分は、上記管部材の内周面において上記２つの開口の夫々を取り囲む部分と面一である、
ことを特徴とする超音波流量計。