JP4495396B2 - 流量測定器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流量測定器であって、測定管と超音波変換器と超音波導波路とシールとが設けられており、前記超音波変換器が前記測定管の外部で前記超音波導波路に接続されており、超音波変換器により発生された超音波が前記超音波導波路に伝達可能、もしくは該超音波導波路により受信された超音波が前記超音波変換器に伝達可能であるようになっており、かつ前記超音波導波路が少なくとも部分的に前記測定管内に挿入されている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような流量測定器は、例えば超音波式流量測定器又は渦周波数式流量測定器として構成される。その場合、超音波変換器としては典型的には、圧電性結晶（Ｐｉｅｚｏｋｒｉｓｔａｌｌ）が使用され、該圧電性結晶により超音波が発生もしくは検出される得る。
【０００３】
このような流量測定器の場合、超音波導波路なしに超音波変換器だけを設けることを可能にする適用例も存在し、その場合、超音波変換器により超音波が発生もしくは検出される。このような場合、超音波変換器は直接に、超音波が入力結合もしくは検出されるべき箇所に配置されなければならない。しかしながら、このような直接配置の問題点は、既に述べたように典型的に流量測定器内の超音波変換器のために使用される圧電性結晶が、所定の温度つまり所謂「キュリー温度」以上では、もはや使用できない点にある。つまりキュリー温度以上では、結晶の圧電特性にとっての前提条件であるところの、結晶の強電性相もしくは強磁性相がもはや存在しない。
【０００４】
しかしながら、例えば超音波式流量測定器により流量を測定しようとする流動媒体が著しく高温であって、流動媒体の温度が圧電性結晶のキュリー温度を上回っている場合には、信頼性のある運転のためには、この高温の媒体から超音波変換器を或る程度熱絶縁する必要がある。この理由に基づいて、流量測定器には超音波導波路が使用され、超音波導波路により、高温の媒体からの超音波変換器の空間的な間隔が形成される。このような超音波導波路は、一方では超音波変換器を高温の媒体から可能な限り良好に熱絶縁することを保証し、他方では超音波の可能な限り無損失かつ無障害の伝達を保証しなければならない。要するにこのような超音波導波路を用いれば、その場合に超音波変換器により発生された超音波を流動媒体に入力結合すること、もしくは超音波変換器により高温の媒体から超音波を出力結合することが可能になる一方、超音波変換器は高温の媒体から空間的に隔てられて、少なくとも或る程度は高温の媒体から熱絶縁される。
【０００５】
超音波変換器と、超音波変換器に対応配置された超音波導波路とを備えた従来慣用の流量測定器では、例えば、国際公開第９６／４１１５７号パンフレットに記載されているような超音波導波路が使用されている。前記国際公開第９６／４１１５７号パンフレットでは、超音波導波路として、互いに平行な多数本の、極めて細いロッドが使用され、しかも個々の各ロッド直径は、誘導したい超音波信号の波長よりも著しく小さくなっている。この場合典型的には、ロッドは緊密に互いに接し合って１本の管内にプレス嵌めされ、この管は複数本のロッドに、側面からの保持を提供しており、したがって超音波導波路のための外装周壁を形成している。このような形式で、コンパクトな超音波導波路が実現される。
【０００６】
さらに、前記国際公開第９６／４１１５７号パンフレットに基づいて、超音波導波路に関しては、実質的に円形に湾曲された金属薄板が内外に互いに間隔をおいて配置されているような構造も公知になっている。これらの円形に湾曲された金属薄板も同様に１本の管内に位置しており、このために、管は超音波導波路のための外装周壁を成している。
【０００７】
更に、ヨーロッパ特許出願公開第１０９８２９５号明細書により、成層巻成されたシートから成るような超音波導波路も公知になっており、前記シートは、プレス嵌め（Ｐａｓｓｓｉｔｚ）により１本の金属の管内に差込まれている。この場合は、１５ｋＨｚ〜２０ＭＨｚの周波数領域における超音波の伝達のために、前記シートの層厚は０．１ｍｍよりも小さくされている。このシートのための材料として、典型的には金属が使用される。
【０００８】
一般に、超音波変換器は超音波導波路の一端部に、超音波変換器により超音波を超音波導波路へ入力結合あるいは該超音波導波路から受信できるように配置されるようになっている。その場合、超音波変換器は、典型的には直接に、つまり具体的な接点を有して、超音波導波路の一端部に装着されている。既に説明した、ヨーロッパ特許出願公開第１０９８２９５号明細書に記載されている成層巻成されたシートから成る超音波導波路では、一般に、超音波導波路の端部はそれぞれ溶接および面削りされている。その場合、超音波変換器は、超音波導波路の溶接および面削りされた面上に位置している。
【０００９】
冒頭に記載したように、本発明に関する流量測定器の場合には、超音波導波路は少なくとも部分的に測定管内に導入されている。このように構成すれば、超音波導波路を媒体に直接に接触させることが可能になり、この媒体に超音波が入力結合もしくは媒体から超音波が受信されるようになる。しかしながら、導入された超音波変換器を備えた測定管を外部に対して封止するという問題が存在する。このために、超音波導波路を外装周壁を介して直接に測定管内に例えば溶接によって嵌装するようなことが行われ得る一方で、他方では超音波導波路を、例えばやはり溶接によって１つのフランジ内に装嵌し、かつ次いで前記フランジを、該フランジに対応していて測定管に設けられたフランジに固定することが可能である。その場合、封止はフランジとフランジとの間で行われる。
【００１０】
超音波導波路が１つのフランジにより少なくとも部分的に測定管内へ導入されている場合、このことは又、測定管に配置された接続管片により行うことも可能である。この場合、導波路は、該導波路が測定管の外壁を超えて該測定管内へ達しないように、配置されていることもあり得る。この場合、それにも拘わらず本発明では、導波路が少なくとも部分的に測定管内に導入されていると考慮される。それというのは、該導波路が、接続管片によって形成された中空空間内に位置し、該中空空間が測定管の内部と直接的に接続しているからである。要するに本発明は、導波路が、測定管の内部に突入しているような形で、少なくとも部分的に測定管内へ導入されている構造に限定されるものではない。つまり、導波路は測定管に対して引込められているようにすることもできる。重要なことは、導波路が、測定管内に少なくとも部分的に導入されていることにより、測定管を通流する流動媒体に少なくとも間接的に接触してさえいればよい。
【００１１】
しかしながら問題となることは、典型的には１本の接続管片により実現される、測定管へのフランジの取り付けによって、既に述べた中空空間が生ぜしめられ、この中空空間が測定管内における媒体の流動を妨害する恐れがある点である。つまり、媒体が、この接続管片により形成された中空空間内へ浸入し、ひいてはフランジ間のシールにまで達することがある。さらにこのことは、該シールが、場合によっては著しく高温の媒体の温度に適合されなければならない必要を生ぜしめる。そのために、このシールのための材料選択が制限されることになるので、クロストーク（Ｋｒｅｕｚｋｏｐｐｌｕｎｇ）もしくは漏話（Ｎｅｂｅｎｓｐｒｅｃｈｅｎ）と呼ばれる現象を抑圧する点に関しても不利である。
【００１２】
すなわち、当該流量測定器における問題点は、超音波変換器により発生された超音波が送信時に、超音波導波路だけでなく、該超音波導波路を包囲する外装周壁にも入力結合されてしまうことである。同等のことは、超音波変換器が超音波を検出するために設けられている場合にも該当する。つまりその場合、超音波は、超音波導波路を介してだけでなく、外装周壁をも介して超音波変換器へ到達する。したがって、超音波導波路を介して送信もしくは検出された超音波だけではなく、その都度外装周壁を介して送信もしくは受信された超音波までもが検出されてしまうことになる。それゆえ、超音波導波路がその外装周壁を介して測定管の囲壁に組み込まれていて、該囲壁内を、流量を測定したい媒体が流動している場合、流動媒体を通過する超音波のみならず、測定管の囲壁を介して超音波変換器からもしくは超音波変換器へ運動するような超音波までもが検出されることになる。このクロストーク現象もしくは漏話現象が、場合によっては、本来の関心の測定信号の干渉、または完全な妨害に至る。
【００１３】
これに伴う問題は特に、互いに異なる２つの媒体間を超音波が推移する際に、幾何学的効果を無視した伝送係数について次式、
Ｔ＝４（ｚ_１／ｚ_２）／（１＋ｚ_１／ｚ_２）^２
が成り立つことを想起すれば、明らかである。
【００１４】
但し式中： ｚ_１及びｚ_２は、超音波の推移が行われる第１媒体と第２媒体の特性的なインピーダンスを表わす。鋼から空気中に推移する場合、前記の伝送係数Ｔは約０．００４％である。これは、音響エネルギーの大部分、つまり９９．９９６％が失われることに相当する。この失われるエネルギーの決定的な部分は、不都合なクロストークにおいて再度見出される。したがって、クロストークは実質的に、前記流量測定器の信号：雑音の比率を決定する。
【００１５】
【特許文献１】
国際公開第９６／４１１５７号パンフレット
【特許文献２】
ヨーロッパ特許出願公開第１０９８２９５号明細書
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の課題は、冒頭で述べた形式の流量測定器を改良して、クロストーク及び漏話を大幅に減少させることができて、それと同時に、測定管を通流する流動媒体の妨害を可能な限り小さく維持することができるような流量測定器を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、シールが、超音波導波路と測定管との間に配置されているようにした。つまり本発明によれば、超音波導波路は直接に測定管に接続されていないし、またシールは、超音波導波路が固定されているフランジと、このフランジに対応していて測定管に設けられたフランジとの間に設けられてもいない。
【００１８】
【発明の効果】
超音波導波路と測定管との間にシールを配置した本発明の対策手段は、種々の理由に基づいて有利である。一方では、測定管の材料とは異なった材料から成るシールにより、音響エネルギーの伝達は、超音波導波路を測定管の管壁内に直接に挿入したような場合に対比して悪化される。言葉を換えれば、この推移のための伝送係数が著しく小さくなる。更にまた本発明の手段により、シールは、測定管に設けられた接続管片の使用時においても、測定管に付加的な中空空間を事実上形成しないように装備されることが可能である。したがって、測定管を通流する媒体の乱流は事実上発生せず、このことは、流量測定器の測定精度を向上させる。
【００１９】
本発明の有利な変化例により、シールが半径方向で超音波導波路に対して作用していると、特に良好な封止作用が得られる。このためにシールは、有利には超音波導波路にその円周に沿って接触している。
【００２０】
本発明の封止手段は、シールが超音波導波路と本来の測定管との間に配置されているように構成することが可能である。しかし、本発明の有利な変化例によれば、測定管は１つの接続管片を有しているようになっており、超音波導波路は前記接続管片を介して測定管内へ導入されていて、かつシールが前記超音波導波路と前記接続管片との間に配置されている。この場合、接続管片は測定管に固定的に結合されていてよい。しかしながら本発明の有利な変化例によれば、接続管片は測定管に着脱可能に固定されているようになっている。このことは組立を容易にする。
【００２１】
更に、本発明は、測定管と超音波変換器と超音波変換器ホルダとシールとを備えた流量測定器に関する。この際、超音波変換器は超音波変換器ホルダに固定されており、かつ超音波変換器ホルダは、少なくとも部分的に測定管内へ導入されていて、超音波変換器により発生された超音波が超音波変換器ホルダを介して測定管内を流れる媒体へ伝達可能、もしくは媒体から受信された超音波が超音波変換器ホルダを介して超音波変換器へ伝達可能であるようになっている。
【００２２】
超音波変換器ホルダを備えた当該流量測定器の場合において、冒頭で述べた、超音波導波路を備えた流量測定器の場合に類似した問題が存在している。
【００２３】
したがって、本発明の別の課題は、超音波変換器ホルダを備えた前記形式の流量測定器を改良して、クロストーク及び漏話を大幅に減少させることができて、それと同時に、測定管を通流する流動媒体の妨害を可能な限り小さく維持することができるような流量測定器を提供することである。
【００２４】
超音波変換器ホルダを備えた前記形式の流量測定器における前記課題を解決する本発明の構成手段では、シールが、超音波変換器ホルダと測定管との間に配置されているようにした。
【００２５】
本発明の有利な変化例によれば、この場合においても、シールが半径方向で超音波変換器ホルダに作用しているようになっている。その際、有利には、シールは超音波変換器ホルダにその円周に沿って接触している。
【００２６】
超音波導波路を備えた流量測定器についても、超音波変換器ホルダを備えた流量測定器についても、シールは本発明の有利な変化例によりリング状であることが該当する。別形状のシールも基本的に可能ではあるが、リング状のシールは特に良好な封止作用を保証する。この場合、シールが、複数のリング状シールから成る束（Ｐａｃｋｕｎｇ）、つまりリング状シール束を有しているのが特に有利である。特にこのようなリング状シール束としては、例えば別の技術分野においても、長手方向に運動する弁棒を封止するための弁棒パッキン（Ｖｅｎｔｉｌｓｃｈａｆｔｐａｃｋｕｎｇ）として使用されるようなものが考えられる。但しこの場合は、定置の状態におけるリング状シール束のシール機能だけが重要なのであって、弁棒パッキンの、長手方向に運動する弁棒に対しても封止することのできる能力は重要ではない。それというのは、当該の超音波導波路及び当該の超音波変換器ホルダは、流量測定器の稼働中においても、実質的に定置にあり、要するに運動を行わないからである。ただ温度変動の場合においてのみ、微々たるシフトが発生するにすぎない。
【００２７】
基本的にはリング状シールのために多数の材料を使用することが可能である。しかし本発明の有利な変化例では、リング状シールは、グラファイト（Ｇｒａｐｈｉｔ）、ポリテトラフルオロエチレン（Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｅｔｈｙｌｅｎ：ＰＴＦＥ）及び／又はペルフルオロエラストマ（Ｐｅｒｆｌｕｏｒｅｌａｓｔｏｍｅｒ）から成っている。これらの材料は、特に著しく高温の媒体及び／又は化学的にアグレッシブな媒体の場合に有効である。
【００２８】
単数又は複数のリング状シールを設ける場合には、封止のために基本的には別の対策の必要はない。しかし本発明の有利な変化例では、単数又は複数のリング状シールを有するシールは、封止方向に対して垂直方向に力負荷されているようになっている。この力負荷は、有利には、複数のばねリングから成るパックにより行われる。該ばねリングは、シールから離反した方の側で対応受けにより保持されていて、上からもしくは下から、同様に対応受けによって位置決めされたシールに対して押圧するように配置されている。このような形式で、シールの材料は、作用する力の方向に沿って緊縮され、かつシール材料は、力の方向に対して垂直方向に、要するに内向き及び外向きに逃げ偏位するので、超音波導波路もしくは超音波変換器ホルダに対する圧力により封止作用は改善される。本発明の有利な変化例において、封止作用は、シールが力負荷されている場合、リング状シールが横断面で見てＶ形であることによりさらに改善される。Ｖ形により、シールの材料の、内向き又は外向きへの逃げ偏位の前記効果が容易になるので、封止作用が更に改善される。また一方では、横断面で見て三角形のシールにより同様に良好な結果が得られた。
【００２９】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照しながら本発明の実施例を詳説する。
【００３０】
図１には測定管１の領域が示されており、この領域において、超音波変換器（Ｕｌｔｒａｓｃｈａｌｌｗａｎｄｌｅｒ）２もしくは超音波トランスデューサにより発生された超音波が超音波導波路３を介して測定管１へ入力結合されることができる。超音波導波路３は、成層巻成された薄い金属シートから成り、該金属シートの厚さは約０．１ｍｍである。この金属シートは外装周壁４により包囲されており、該外装周壁４は超音波導波路３を側面から外部に対して密封している。超音波導波路３の前記外装周壁４も同様に金属から成っている。成層巻成された薄い金属シート５の両端は面削りされて溶接されている。測定管１の外部で、超音波導波路３の金属シート５の外端部には超音波変換器２が配置されている。
【００３１】
封止のために、一方で超音波導波路３の外装周壁４と、他方で測定管１内に設けられた切欠き部６の内壁との間に、シール７が設けられている。該シール７は、複数のリング状シールの束であり、これらのリング状シールは半径方向で、一方では超音波導波路３の外装周壁４に、かつ他方では切欠き部６の内壁に作用する。シール７は、測定管１に設けられた切欠き部６の内側の端部において、測定管１の、境界を成す領域３０と面一に終わっている。このような形式で、測定管１内の切欠き部６は、測定管１を通流している媒体（図示せず）に曝されることはない。つまり、切欠き部６により媒体の流動が乱されることはない。超音波導波路３の短い領域が流動媒体内に入り込んでいることにより、ごく僅かな乱れが生ぜしめられるにすぎない。
【００３２】
シール７以外に、超音波導波路３の外装周壁４に固定されたフランジ８と測定管１の外面９との間に、１つの減結合リング（Ｅｎｔｋｏｐｐｌｕｎｇｓｒｉｎｇ）１０が設けられている。この減結合リング１０が測定管１を周辺外域に対して封止する働きをする必要はない。それというのは、測定管１の封止は、すでにシール７により行われるからである。更に、フランジ８とシール７との間の空間は、有利には通気されていて、つまり封止されてはいない。このために、１つの通気開口２１がフランジ８に設けられている。
【００３３】
更に、この構造において重要な点は、減結合リング１０が流動媒体と接触することはないので、減結合リング１０が化学的にアグレッシブな物質に対する耐性を有する必要もないし、特に耐熱性である必要もないことである。要するに、減結合リング１０のための材料選択は極めて自由であるので、この減結合リング１０のために特に、外装周壁４及びフランジ８もしくは測定管１を介して到来する音響エネルギーに関して極めて低い伝達性しか有していないような材料を選択することが可能になる。それ故、この経路を介してのクロストークもしくは漏話が著しく強く抑圧されることになる。
【００３４】
しかし、クロストークもしくは漏話は、封止が、リング状シールの束から成るシール７により実施されることによっても抑圧される。つまり、超音波導波路３の外装周壁４からこのようなシール７を介して測定管１に至る音響エネルギーの伝達はごく微々たるものにすぎないことが判った。シール７もしくは減結合リング１０を通過する音響エネルギーの微々たる伝達は、図１においてそれぞれ、シール７および減結合リング１０で終わっている矢印により示されており、これらの矢印は、超音波変換器２から到来する超音波の経路を表わしている。
【００３５】
ちなみに、超音波導波路３の外装周壁４内には、図１から判るように、超音波変換器２寄り端部に、超音波導波路３の全周域にわたって延びる１つの溝１１が設けられている。該溝１１は、外装周壁４の全肉厚にわたって延在しており、かつ、矢印で示唆したように、超音波変換器２の領域において外装周壁４に音響エネルギーが直接に入力結合するのを不可能にする。つまり、外装周壁４を経て、次いでシール７もしくは減結合リング１０を通過して測定管に達する各音響エネルギーは、超音波導波路３の全長を通走しなければならない。従って、クロストークを生ぜしめる超音波の走行距離は、本来の測定信号の走行距離よりも著しく長いので、クロストークに起因した妨害信号は、時間的に本来の測定信号よりも著しく遅れることが見込まれ得る。このようにして、クロストークに起因した妨害信号に対する測定信号の判別が著しく容易になっている。
【００３６】
図２には、超音波変換器２と、超音波導波路３と、ここでは個別に示した複数のリング状シール１２の束から成るシール７とを有する装置が示されている。リング状シール１２は本実施例では殊に有利には、グラファイト、ＰＴＦＥ又はペルフルオロエラストマから成っている。図２に示した本発明の第２の有利な実施例による装置では、超音波導波路３を備えた超音波変換器２は、接続管片１３を介して測定管１に固定されている。前記接続管片１３自体はフランジ継手１４を介して測定管１に着脱可能に結合されている。
【００３７】
本発明の第２の有利な実施例において更に重要な点は、リング状シール１２が上から力負荷されていることである。つまり、リング状シール１２の上位には、複数のばねリング１５の束が設けられており、これらのばねリング１５は、ストッパ１６が設けられている管１７を介して、最上位のリング状シール１２を押圧している。このような形式で行われるリング状シール１２の緊縮は、リング状シール１２の材料の、内方もしくは外方への伸張を生ぜしめる。その結果、超音波導波路３に対する封止作用もしくは接続管片１３の内部域に対する封止作用が高められる。フランジ継手１４における封止はシールリング１８により行われる。
【００３８】
最後に図３には、本発明の第３の有利な実施例による装置が示されている。本装置では、超音波導波路ではなく、超音波変換器ホルダ１９が設けられており、この超音波変換器ホルダ１９により、超音波変換器２は空間的に見て、測定管１を通流する媒体に著しく近接させられることが可能である。このような装置は、測定管１を通流する媒体が過度に高温でない場合、つまり超音波変換器２のために圧電性結晶を使用している際に該圧電性結晶のキュリー温度を上回ることのない場合に限り、使用できるのは勿論のことである。
【００３９】
本実施例において封止は、測定管１内の切欠き部６の内壁と超音波変換器ホルダ１９の外壁との間に配置されたシール７により行われる。このシール７も同様に複数のリング状シールから成る束であるが、これらのリング状シールは、本図面では個別的には図示されていない。本実施例においても同様に、シール７は、測定管１内の切欠き部６が、測定管１を通流する媒体にとって障害となり得る中空空間を形成することのないように配置されている。
【００４０】
最後に、いま説明した本発明の第３の有利な実施例の場合においても、通気開口２１及び減結合リング１０が設けられており、その際、前記減結合リング１０は、一方では超音波変換器ホルダ１９に装備されたフランジ２２と他方では測定管１の外面９との間に装着されている。前述した本発明の有利な実施例の機能態様に相応するように、本実施例においても、シール７もしくは減結合リング１０を通過する音響エネルギーの効果的な減衰作用が生じ、これによりクロストーク作用は最小化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の有利な実施例による流量測定器の測定管内に超音波導波路を有する超音波変換器の構成断面図である。
【図２】本発明の第２の有利な実施例による測定管の接続管片内に超音波導波路を有する超音波変換器の構成断面図である。
【図３】本発明の第３の有利な実施例による流量測定器の測定管内に超音波変換器ホルダを有する超音波変換器の構成断面図である。
【符号の説明】
１ 測定管、 ２ 超音波変換器、 ３ 超音波導波路、 ４ 外装周壁、 ５ 金属シート、 ６ 切欠き部、 ７ シール、 ８ フランジ、 ９ 外面、 １０ 減結合リング、 １１ 溝、 １２ リング状シール、 １３ 接続管片、 １４ フランジ継手、 １５ ばねリング、 １６ ストッパ、 １７管、 １８ シールリング、 １９ 超音波変換器ホルダ、 ２１ 通気開口、 ２２ フランジ、 ３０ 測定管の境界領域

Claims (1)

1. 流量測定器であって、測定管（１）と、超音波変換器（２）と、超音波導波路（３）と、測定管（１）の内部を周囲から封止するためのシール（７）とが設けられており、前記超音波変換器（２）が前記測定管（１）の外部で前記超音波導波路（３）に接続されており、超音波変換器（２）により発生された超音波が前記超音波導波路（３）に伝達可能、もしくは該超音波導波路（３）により受信された超音波が前記超音波変換器（２）に伝達可能であるようになっており、かつ前記超音波導波路（３）が少なくとも部分的に前記測定管（１）内に挿入されており、前記シール（７）が、超音波導波路（３）と測定管（１）との間に配置されている形式のものにおいて、
   シール（７）が、半径方向で前記超音波導波路（３）に対して作用する封止方向を有しており、該封止方向に対して垂直方向に押圧されており、この押圧が、複数のばねリング（１５）から成る束により行われることを特徴とする流量測定器。

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