JP5167892B2 - 超音波流量計及び超音波流量計用の吸音材 - Google Patents

Description

本発明は，測定領域の流速分布から被測定流体の流量を測定することが可能な超音波流量計にかかり，特に，自由水面を有する開渠における超音波流量計の技術に関する。

開渠における超音波流量計による流量測定の技術は，例えば特許文献１に開示されている。ここに開示された技術は，流体が流動する流路の水面側及び底面側から流速分布を取得し，これらの取得した流速分布に基づき流路の深さ方向の流速分布を校正処理により求め，求められた深さ方向の流速分布を水路幅方向に沿って積分することにより，精度良く流量を得るものである。

このような開渠における超音波流量計による流量測定の場合，流路底面から超音波を水面方向に向けて発信すると，水中に混在する気泡などの粒子（反射体）により反射された超音波エコー信号のほかに，水面で反射された反射波に起因する信号等が流路底面の受信部で受信され，測定誤差を生じうる。

図４を用いて説明する。超音波送受信手段３０が送信する超音波は，被測定流体中の反射体（気泡）２０などに対して反射した反射波９１ａのみを用いたい。また，発信超音波９０が到達した水面７０では，超音波送受信手段３０に戻る方向の反射波９１ｂも生じるが，反射波９１ｂは，超音波送受信手段３０にて受信されれば，水面の位置情報を提供する為，問題とはならず，むしろ流量測定において望ましい信号となる。しかし，図４に示す通り，水面７０で生じた反射波９１ｃは水底７１にあたって反射し，その水底７１における反射波９１ｄが再び水面７０において反射した反射波９１ｅが，超音波送受信手段３０により受信されることにより，測定誤差の原因となりうる。

図示は省略するが，被測定流体中の気泡などで反射した反射波のみで被測定流体の流速分布を測定できたとすれば，その測定結果は理論的にはなめらかな曲線を描くはずであるが，実際の測定結果は歪んだ曲線が描かれてしまうことになる。

超音波流量計による流量測定における上記の問題は，配管の外側から超音波を入射することにより，配管内を流れる被測定流体の流速分布を測定する超音波流量計による流量測定でも同じである。配管からの反射波を原因とする測定誤差を低減して，流量計測の精度を上げる技術は，例えば特許文献２に開示されている。被測定流体の流体配管における超音波の到達位置における配管外壁に固定可能な吸音材を設け，その吸音材の音響インピーダンスが，流体配管の音響インピーダンスと近似値となるような高密度な材質とすることにより問題解決を図ろうとするものである。
特開２００５−３２１３１４ 特開２００５−１９５３７１

しかし，上記の解決方法は，固体である配管の外壁に吸音材を備えるものであり，開渠における流量測定にそのまま適用できるものではない。例えば，自由水面を有する開渠に吸音材を配置しようとすると，吸音材は被測定流体の水面に直接浮かんで配置される必要がある。また，配管の外壁のような支持体がない為，吸音材を所定の位置に配置する為の工夫が必要になる。

本発明は，このような課題に鑑み，流量測定誤差の原因となるような水面での超音波の反射を防止し，開渠における超音波流量計による流量測定の精度向上に資する吸音材及びそのような吸音材を用いた超音波流量計を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために，本発明にかかる超音波流量計は吸音材を備えており，その吸音材の代表的な構成は，自由水面を有する開渠の被測定流体中へ流路底面から水面へ向かって超音波を入射させる超音波送信手段と，被測定流体に入射された超音波の反射された超音波エコーを受信する超音波受信手段と，受信された超音波エコーを処理し，被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と，被測定流体の流速分布に基づいて，被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる吸音材であって，開渠の水面に浮かんで超音波を吸収する本体部と，開渠の水面における超音波到達位置にとどまる為に外部の固定物と接続される為の接続部とを備えたことを特徴とする。

上記構成によれば，開渠において流路底面から発信され，水面に到達した超音波は，水面に浮かんで配置された吸音材に吸収されることにより，流量測定誤差の原因となるような水面での反射が防止される。従って，水面での反射波に起因する信号が底面の超音波送受信手段に到達することが抑制され，流量測定の精度向上が可能となる。

ここで，超音波が吸音材に吸収されるとは，吸音材に入射した超音波が吸音材中で吸収されることに加え，吸音材と被測定流体との界面において乱反射されることを含むものとする。

超音波流量計の流量演算手段等，測定手段に関わる技術は，例えば前記特許文献２などに記載があり，一般事項であるので，ここでの説明は省略する。

上記の吸音材は，その本体部を水面近傍に浮かせて配置させる浮遊助成部を備えていてもよい。かかる浮遊助成部を備えることにより，吸音材は，被測定流体中に沈み込む部分が減少し，より水面近傍に配置されることが可能となる。吸音材が沈み込んでいると，その領域の流速分布の測定が妨げられる為，より正確な流量測定の為には，吸音材はできるだけ水面に近傍して配置されることが望ましい。

上記の本体部は，少なくとも水面と接する面が多孔質体からなることを特徴としていても良い。本体部が水面と接する面は本体部の下面であることが多いから，以下の説明において，本体部が水面と接する面は本体部の下面という。多孔質体とは，内部に大小さまざまな孔を有する固体の総称であり，例えば，アルミニウム系などの金属多孔質体がある。かかる構造によれば，被測定流体中を進行した超音波は被測定流体と多孔質体との界面でさまざまな方向に反射（すなわち，乱反射）する。従って，流量測定誤差の原因となりうる水面での反射が抑制される。

多孔質体に被測定流体が浸透する場合は，被測定流体と多孔質体との界面が明確に形成されない為，超音波は反射せずに多孔質体内に入射する。入射した超音波のエネルギーは，周囲の媒体との摩擦により熱に変換されたり，多孔質体の振動エネルギーに変換されて失われ，超音波は減衰する。よって，超音波送受信手段に戻って受信されることがない為，流量測定の誤差を低減することができる。

上記の本体部は，少なくとも水面と接する面が発泡樹脂からなることを特徴としていても良い。発泡樹脂とは，樹脂を発泡させたものであり，例えば，発泡ポリウレタンがある。かかる構造によれば，上記の多孔質体同様，発泡樹脂の乱反射効果によって，水面で反射した超音波が超音波送受信手段に戻って受信されることを抑制できる。

また，発泡樹脂に水が浸透する場合は，上記の多孔質体と同様，被測定流体と発泡樹脂との界面が明確に形成されない為，超音波は反射せずに発泡樹脂内に入射し，そのエネルギーを失うことにより減衰することから，流量測定誤差の原因を抑制できる。

上記の本体部は，少なくとも水面と接する面が繊維の板状部材からなることを特徴としていても良い。繊維としては，例えば，動物の毛を集めて圧縮して作るシート状のフェルトやエステルウールがある。かかる構造によれば，上記の多孔質体及び発泡樹脂と同様に，超音波は被測定流体と繊維の板状部材との界面で乱反射し，流量測定誤差の原因となりうる水面での反射が抑制される。また，繊維の板状部材に水が浸透する場合は，上記の多孔質体及び発泡樹脂と同様に，繊維の板状部材に入射した超音波は減衰し，流量測定誤差の原因が抑制される。

上記の本体部は，少なくとも水面と接する面の音響インピーダンスが開渠の被測定流体の音響インピーダンスと近似値となる材質としたことを特徴とする多孔質体，発泡樹脂，または繊維の板状部材のいずれかであっても良い。

本体部の下面の音響インピーダンスを被測定流体の音響インピーダンスと近似値とすると，被測定流体中を進行した超音波は反射せずに本体部に入射する。本体部に入射した超音波のエネルギーは，本体部内で，周囲の媒体との摩擦により熱に変換されたり，本体部の振動エネルギーに変換されて失われ，超音波は減衰する。よって，超音波送受信手段に戻って受信されることがない為，流量測定の誤差を低減することができる。

本発明にかかる吸音材を備える超音波流量計の発明として構成してもよい。かかる超音波流量計の代表的な構成は，自由水面を有する開渠の被測定流体中へ流路底面から水面へ向かって超音波を入射させる超音波送信手段と，被測定流体に入射された超音波の反射された超音波エコーを受信する超音波受信手段と，前記受診された超音波エコーを処理し，被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と，前記被測定流体の流速分布に基づいて，被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計であって，上記の吸音材を備える超音波流量計とすることができる。

かかる構成によれば，流量測定誤差の原因となるような，開渠における水面での超音波の反射を抑制して，精度の高い流量測定が可能となる。

本発明によれば，開渠における超音波流量計による流量測定において，流量測定誤差の原因となるような，水面での超音波の反射を防止することにより，測定の精度を向上することが可能となる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法，材料，その他具体的な数値などは，発明の理解を容易とするための例示にすぎず，特に断る場合を除き，本発明を限定するものではない。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能，構成を有する要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略し，また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は，本実施形態にかかる吸音材の外観図である。図１（ａ）は，吸音材を上方から見た図であり，図１（ｂ）は吸音材を側方から見た図である。吸音材１０は，本体部１１，接続ワイヤ１３を接続する為の接続部１２から構成される。かかる吸音材１０は，開渠における水面に浮かべられ，本体部１１下面に到達する超音波を吸収する。

本体部１１は水面に浮かんで配置されるように，被測定流体よりも小さい密度を有する。また，本体部１１の少なくとも下面は，多孔質体，発泡樹脂，繊維の板状部材からなることにより，超音波を吸収可能とする。多孔質体としては，例えば，アルミニウム系などの金属多孔質体がある。発泡樹脂としては，例えば，発泡ポリウレタンがある。繊維の板状部材としては，例えば，フェルト類やエステルウールがある。また，例えば，発泡ポリウレタンそのものや，下面にフェルトを接着剤により接着させた発泡ポリウレタンを本体部１１とすることができる。パイルをナイロン製，ポリプロピレン製，ポリエチレン製，ビニル製などとした人工芝を，下面に用いてもよい。

本体部１１の少なくとも下面の音響インピーダンスを被測定流体８０の音響インピーダンスと近似値となるようにしても良い。

接続部１２は，例えば，足場４１（図３参照）に接続された接続ワイヤ１３と本体部１１を接続し，超音波が到達する所定の位置に吸音材１０をとどめる役割を果たす。本実施形態においては，接続部１２として手環（環状の金具）を備えるよう図示しているが，接続部１２の形状はこれに限定されるものではなく，本体部１１の外周に溝を設けたり，本体部１１に接続ワイヤ１３を接続する為の孔を設けたりすることでもよい。

足場４１と吸音材１０の接続手段は，接続ワイヤ１３に限定されるものではなく，吸音材１０を所定の位置にとどめるものであれば，ロープでも良いし，ひもでも良い。なお，吸音材１０の形状や大きさは特に限定されるものではなく，水面に到達する超音波を吸収することができるものであれば良い。

図２は，浮遊助成部を備える吸音材の外観図である。図２（ａ）は，浮遊助成部を備える吸音材を上方から見た図であり，図２（ｂ）はかかる吸音材を側方から見た図である。本実施形態の吸音材１０は，図１に示す構成に加えて，さらに浮遊助成部１４を備える。浮遊助成部１４は，図１の構成では吸音材１０が十分な浮力を得ることができない場合に，吸音材１０が水面に浮かぶことが可能なように吸音材１０に浮力を与える役割を果たす。浮遊助成部１４の働きにより，吸音材１０がより水面近傍に配置されて浮かぶ場合は，より水面に近い領域までの流速分布が得られ，より精度の高い流量測定が可能となる。

かかる役割を果たす為に，浮遊助成部１４は，例えば，発泡スチロールで構成される。図２では，浮遊助成部１４は，略三角柱の形状を有し，本体部１１と嵌合によって固定されているが，浮遊助成部１４と本体部１１の固定方法は，例えば，浮遊助成部１４と本体部１１にそれぞれ雄ネジと雌ネジを設けて螺合する方法でも良い。浮遊助成部１４の形状や大きさも，上記の役割を果たすものであれば，特に限定されるものではない。

図３は，吸音材を有する超音波流量計を説明する図である。図３に示すように，吸音材１０は，流路の水面７０の近傍に配置して浮かべられ，単管パイプ等で組み立てられたガイド４０ａに固定された足場４１に，接続ワイヤ１３により接続される。つまり，ガイド４０ａは，所定の位置に吸音材１０をとどめる為の外部の固定物として機能する。なお，吸音材１０は上方に固定された足場４１から吊り下げて水面７０に浮かべられても良い。

被測定流体８０中に，測定に十分な反射体２０（気泡など）が存在しない場合は，気泡発生装置５０により反射体２０（気泡）が供給される。気泡発生装置５０はガイド４０ａにより固定される。超音波の送受信を行う超音波送受信手段３０（トランスデューサ）は流路の下流側の水底７１に配置され，ガイド４０ｂにより固定される。超音波送受信手段３０は，演算処理装置（図示せず）に接続され，超音波送受信手段３０が送受信した信号を基に流速分布が計測され，流量測定が行われる。図３中の白抜き矢印は被測定流体８０の流れる方向を示す。

超音波送受信手段３０から発信された発信超音波９０は，測定線上に多数存在する反射体２０にあたって反射され，その反射波９１ａが超音波送受信手段３０に受信される。発信超音波９０は，例えばパルス幅５ｍｍ程度で拡がりをほとんど持たない直進性のビームであり，水面７０に到達する。

吸音材１０がない場合，水面７０に到達した発信超音波９０は水面７０で反射し，その反射波９１ｃ（水面近傍１００参照）が測定誤差の原因となるのは前述した通りである。

一方，本願発明にかかる吸音材１０が水面７０にある場合は以下の通りである。例えば，本体部１１が多孔質体材料の例としてのスポンジ状の発泡ポリウレタンであり，被測定流体８０が水の場合である。スポンジ状の発泡ポリウレタンには，水が浸透する為，発泡ポリウレタンと水の明確な界面は形成されないので，発信超音波９０は，発泡ポリウレタンと水の界面では反射せず，発泡ポリウレタン内に入る（図３中の超音波９２）。

多孔質体としての発泡ポリウレタンは多数の大小さまざまな孔を有する為，発泡ポリウレタン内に入射した超音波９２のエネルギーは，水との摩擦により熱に変換されたり，発泡ポリウレタンの振動エネルギーに変換されて失われて，超音波９２は発泡ポリウレタンに吸収される。

よって，水面７０に到達した発信超音波９０は吸音材１０（発泡ポリウレタン）にほとんど吸収されてしまい，流量測定の誤差原因となる水面での反射波９１ｃの発生が抑制される。また，吸音材１０内に入射した超音波９２が吸音材１０と空気との界面で再び反射して，超音波送受信手段３０に受信され，流量測定の誤差原因となることを抑制できる。

下面にフェルトを接着させた発泡ポリウレタンを本体部１１としても同様の効果が得られる。フェルトに入射した超音波９２のエネルギーは，超音波９２がフェルトの繊維の隙間を進むときに，繊維や水との摩擦によって熱に変換されるとともに繊維の振動エネルギーに変換されることにより失われるからである。

本発明は，開渠における超音波流量計による流量測定において，流量測定誤差の原因となるような，水面での超音波を吸収し，その反射を防止する吸音材として，また，かかる吸音材を有する超音波流量計として利用することができる。

本実施形態にかかる吸音材の外観図である。 浮遊助成部を備える吸音材の外観図である。 吸音材を有する超音波流量計を説明する図である。 従来の技術の問題点を説明する図である。

符号の説明

１０…吸音材，１１…本体部，１２…接続部，１３…接続ワイヤ，１４…浮遊助成部，２０…反射体（流体中の気泡），３０…超音波送受信手段（トランスデューサ），４０ａ，４０ｂ…ガイド，４１…足場，５０…気泡発生装置，７０…水面，７１…水底，８０…被測定流体，９０…発信超音波，９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅ…反射波，９２…超音波，１００…水面近傍

Claims (7)

1. 自由水面を有する開渠の被測定流体中へ流路底面から水面へ向かって超音波を入射させる超音波送信手段と，被測定流体に入射された超音波の反射された超音波エコーを受信する超音波受信手段と，前記受信された超音波エコーを処理し，被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と，前記被測定流体の流速分布に基づいて，被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる吸音材であって，
   開渠の水面に浮かんで超音波を吸収する本体部と，
   前記開渠の水面における超音波到達位置にとどまる為に外部の固定物と接続される為の接続部とを備えたことを特徴とする吸音材。
2. 当該吸音材は前記本体部を水面近傍に浮かせて配置させる浮遊助成部を備えたことを特徴とする請求項１記載の吸音材。
3. 前記本体部の少なくとも水面と接する面が，多孔質体からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の吸音材。
4. 前記本体部の少なくとも水面と接する面が，発泡樹脂からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の吸音材。
5. 前記本体部の少なくとも水面と接する面が，繊維の板状部材からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の吸音材。
6. 前記本体部の少なくとも水面と接する面は，その音響インピーダンスが前記開渠の被測定流体の音響インピーダンスと近似値となる材質としたことを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載の吸音材。
7. 自由水面を有する開渠の被測定流体中へ流路底面から水面へ向かって超音波を入射させる超音波送信手段と，被測定流体に入射された超音波の反射された超音波エコーを受信する超音波受信手段と，前記受診された超音波エコーを処理し，被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と，前記被測定流体の流速分布に基づいて，被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計であって，請求項１から６のいずれか１項に記載の吸音材を備える超音波流量計。

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