JP6187661B2 - 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、クランプオン型の超音波流量計における設置コストの低減に関する。

クランプオン型の超音波流量計は、既存の管路であっても後から設置できること、超音波信号を送受するトランスデューサ部を管路の外側に取り付けるので圧力損失を生じることはなく、腐食性流体や高圧流体であっても容易に測定できることなどから、各種の分野で広く用いられている。

図１０は従来のクランプオン型の超音波流量計の一例を示す構成説明図であり、特許文献１に記載されているもので、（Ａ）は全体構成を示し、（Ｂ）は（Ａ）のトランスデューサ４の部分断面を示している。図１０（Ａ）において、管路１の上部には、管軸方向に沿って、フードに覆われた第１の超音波トランスデューサ２が取り付けられた第１のブラケット３とフードに覆われた第２の超音波トランスデューサ４が取り付けられた第２のブラケット５が、所定の位置関係を保つようにしてそれぞれ金属バンド５、６を介して固定されている。

図１０（Ｂ）において、フードに覆われたトランスデューサ４の内部には、所定の傾斜面が形成されたベース８が収納されていて、その傾斜面には超音波変換素子９が取り付けられている。

このような構成において、第１の超音波トランスデューサ２と第２の超音波トランスデューサ４は、管路１の上部に固定された第１の超音波トランスデューサ２の超音波変換素子から管軸に対して斜めに放射される超音波を第２の超音波トランスデューサ４の超音波変換素子が最適な位置で受信できるように、第２の超音波トランスデューサ４を管路１の上部でスライドさせながら最適な位置を探索して固定する。

図１１は従来のクランプオン型の超音波流量計の他の例を示す構成説明図であり、特許文献２に記載されているものである。図１１において、装置１０は、互いに離間して配置されかつパイプ１１の所定の部分１２の外周面１３と接触するように構成された複数の脚部分１４を含む。脚部分１４の間にダイヤルゲージ１５が設けられている。ダイヤルゲージ１５は、外周面１３に沿って測定基準点から周囲方向に測定される複数の位置の各々における曲率半径を指示するように構成されている。ダイヤルゲージ１５で測定された複数の位置に関する曲率半径データおよび別途測定された配管厚さデータはプロセッサ１６へ伝送され、たとえばパイプ１１の所定の部分１２における横断面の面積を判定するための計算に使用される。

特許第３０４３７５８号公報 特表２０１１−５０１１９１号公報

しかし、特許文献１に記載されている測定装置では、超音波トランスデューサ２、４を管路１に設置するのにあたって、超音波トランスデューサ２、４を管路１の上部でスライドさせながら最適な位置を探索する作業を行わなければならないという課題がある。

一方、特許文献２に記載されている測定システムでは、流量を求めるのにあたって、事前に配管の厚みや曲率を測定するための別の作業が必要になるという課題がある。

本発明は、これらの課題を解決するものであって、その目的は、比較的簡単に管路に設置できるクランプオン型の超音波流量計を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
測定対象流体が流れる管路の外壁に取り付けられて超音波信号を送受する複数の超音波素子を含み、
前記超音波素子の少なくとも１つは超音波送信素子であって、超音波送信面が前記管路の管軸方向と平行になるように管路の外壁に取り付けられていて、
前記超音波素子の他の少なくとも１つは超音波受信素子であって、超音波受信面が前記管路の管軸方向と平行になるように取り付けられており、
前記超音波送信素子とこの超音波送信素子を挟んで配置された二つの前記超音波受信素子とが管軸方向に沿って配列されていて、前記超音波送信素子は音響レンズを含み可撓性を有するフェーズドアレイ素子で構成され、
前記管路の管軸方向と直交する方向に進行する超音波信号に基づいて測定対象流体の管軸方向の進行距離および測定対象流体の流速を演算する自己校正部と、
前記自己校正部の演算結果に基づき測定対象流体の流量を演算する流量演算部を有し、 前記流量演算部は、次式により流量Ｖを求めることを特徴とする超音波流量計である。


Ｋ：流量補正係数
Ｓ：管路１８の断面積
Ｆ：流速
ｄｗ：管路１８の内径

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の超音波流量計において、
前記超音波受信素子は、超音波受信面が平坦に形成されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１に記載の超音波流量計において、
前記複数の超音波素子の相対的な位置関係を固定するための一体化部材を有することを特徴とする。

これらにより、比較的簡単に管路に設置できるクランプオン型の超音波流量計を実現できる。

本発明の一実施例を示す構成説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 本発明に基づく超音波流量計の測定動作説明図である。 流体中で広がりながら伝播する超音波信号の伝播状態説明図である。 流体中を複数回反射しながら伝播する超音波信号の伝播状態説明図である。 本発明に基づく全体構成を示すブロック図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 従来のクランプオン型の超音波流量計の一例を示す構成説明図である。 従来のクランプオン型の超音波流量計の他の例を示す構成説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であって、管路を管軸方向ＴＡに沿って断面した状態を示している。図１において、測定対象流体１７が流れる管路１８の外壁上部には、管軸方向ＴＡに沿って、超音波信号を送受する複数の超音波素子１９〜２１がそれぞれの超音波送受面が管軸方向ＴＡと平行になるようにして所定の位置関係で配列されている。

図２は本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、超音波素子１９〜２１として可撓性を有するものを用いている。超音波素子１９〜２１が可撓性を有していることにより、管路１８の所望部分へ巻き付けることができる。そして、素子面が平坦面状に形成されていることから、超音波を広い素子面で送受信することができる。

これにより、受信信号の減衰を抑えることができるため、流量測定をより正確に行えるという効果が得られる。また、超音波素子として広帯域の周波数特性を有するＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン樹脂）素子で構成されたものを用いれば、自己校正における超音波共鳴法においても繰り返し周波数が高い周波数帯にまでも現れるので、より正確に管路１８の厚さを測定でき、流速をより正確に求めることができる。

図３も本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、超音波素子１９〜２１の相対的な位置関係を一体化部材２２により固定したものである。これにより、前述の特許文献１に記載されているような超音波送信素子および受信素子として用いる超音波トランスデューサ２、４の管路１上における取付位置の調整は不要となり、取付作業の効率が向上する。

図４は、本発明に基づく超音波流量計の測定動作説明図である。図４（Ａ）において、管路１８内における流体１７の管軸方向の進行距離をｄｘ、流速をＦ、流体の音速をＣｗとし、流体から管路１８への入射角をθｗとすると、上流と下流における超音波の伝播時間Ｔ１,Ｔ２の差ΔＴは以下のようになる。

よって、以下に説明する自己校正により、流体１７の管軸方向の進行距離ｄｘと流体の音速Ｃｗを求めれば、流速を求めることができる。この自己校正を流量計設置時に自動で行うことにより、特許文献２に示すような管のサイズや配管厚を事前に測定するための繁雑な作業が不要となる。また、超音波流量計の設置後、この自己校正をインラインで行うことにより、長期的な測定安定性が向上する。

自己校正にあたっては、図４（Ａ）に示した管路１８の音速Ｃｓ、流体の音速Ｃｗ、管路１８の外径ｄｌ、内径ｄｗ、厚さｄｓを超音波の伝播時間および周波数スペクトルから求める。管路１８の音速Ｃｓは、図４（Ａ）に示すように、超音波伝播パス１の管壁を伝わる超音波信号に基づき、送受信素子間の距離Ｌｓと伝播時間Ｔ１,Ｔ２より求める。

図４（Ｂ）において、超音波伝播パス２は管路１８の外周をまわる超音波信号の経路であり、超音波伝播パス３は管路１８の内壁に反射して往復する超音波信号の経路である。超音波伝播パス２の伝播時間と音速Ｃｓより管路１８の外周の長さを求め、それにより管路１８の外径ｄｌを求める。また、管路１８の厚さｄｓは、超音波共鳴法により求める。

すなわち、図４（Ｂ）に示す超音波伝播パス３の超音波の周波数スペクトルに現れる繰り返し周波数ｆと音速Ｃｓに基づき、管路１８の厚さｄｓを、ｄｓ＝Ｃｓ/２ｆとして求める。内径ｄｗは、先に求めた外径ｄｌと厚さｄｓに基づき、ｄｗ＝ｄｌ−２ｄｓより求める。

流体の音速Ｃｗは、超音波伝播パス３の伝播時間Ｔｄが、

となるので、先に求めた内径ｄｗ、厚さｄｓ、管路１８の音速Ｃｓより流体の音速Ｃｗを求めることができる。

以上により、管路１８の音速Ｃｓ、流体の音速Ｃｗ、管路１８の外径ｄｌ、内径ｄｗ、厚さｄｓが求められる。

次に、図４（Ａ）の管軸進行距離ｄｘを求める。
ここで、送受信間素子距離Ｌｓは、

と表せる。またスネルの法則より、

となる。以上の式（３）および式（４）から、入射角θｗが求められる。よって、管軸進行距離ｄｘは、

で求めることができる。

このように管軸進行距離ｄｘと流体の音速Ｃｗが自己校正により求められるので、最終的に式（１）により流速を求めることができる。

また、流量Ｖについては、流量補正係数をＫ、管路１８の断面積をＳとすると、

となり、流量Ｖが求められる。

図５は、流体中で広がりながら伝播する超音波信号の伝播状態説明図である。送信素子１９から入射した超音波は、流体中を球面状に広がって管路１８の内壁で反射を繰り返しながら管路１８の上下流に広がり、受信素子２０、２１に届く。ここで波面の形状は、反射の回数が増えると、（１）から（６）に示すように球面波から平面波に近づいていく。

図６（Ａ）は、流体中を複数回反射しながら伝播する超音波信号の伝播状態説明図である。これより、反射の回数が増えると、超音波の進行方向は、管軸に対して垂直に近づいていくことが分かる。図６（Ａ）において流体中を進行する超音波の管軸進行距離ｄｘに着目すると、反射回数の増加に応じて送受信素子間距離Ｌｓに近づいていく。すなわち、反射回数が増えると、式（１）で示される通り、流速の感度は一般的な斜め放射の超音波流量計で得られる感度に近づき、素子面を管軸に対して斜めに設置する一般的な場合と同等の精度での測定が可能となる。

図６（Ｂ）は反射回数の違いによる受信波形例図である。反射回数が１回よりも２回、２回よりも３回と増えるのにしたがって、電圧振幅は縮小している。

図７は、本発明に基づく全体構成を示すブロック図である。対管軸垂直超音波検出部２３は送受切替可能な超音波素子１９で検出される管路１８の管軸に対して垂直な超音波信号を取り込み、配管部材内音速測定部２４、周波数スペクトラム測定部２５および流体内音速測定部２６に出力する。

配管部材内音速測定部２４、周波数スペクトラム測定部２５および流体内音速測定部２６は、それぞれの処理結果をインライン自動制御部２８により制御される自己校正部２７に出力する。自己校正部２７は、これら配管部材内音速測定部２４、周波数スペクトラム測定部２５および流体内音速測定部２６の出力信号に基づいて前述のような自己校正演算を行い、演算結果を流量測定演算部３１に出力する。

対管軸非垂直超音波検出部２９は超音波素子２０および２１で検出される管路１８の管軸に対して非垂直な超音波信号を取り込み、複数回反射伝播時間測定部３０に出力する。複数回反射伝播時間測定部３０はその演算結果を流量測定部３１に出力する。流量測定部３１は、自己校正部２７の演算結果および複数回反射伝播時間測定部３０の演算結果に基づき、管路１８を流れる流体の流量を演算出力する。

このように超音波送信素子と超音波受信素子が一体化された構造であることから、従来のクランプオン型で必要であった管路１に対する位置調整が不要となり、取り付けやすさが向上する。

そして、自己校正により、流量計設置時における事前の配管サイズなどの測定が不要となり、取り付け時の作業工数を削減できる。

さらに、インライン自動制御部２８により定期的に自己校正を行うように制御することにより、長期的な測定の安定性を維持向上させることができる。

図８も、本発明の他の実施例を示す構成説明図である。図８において、超音波を発信出力する超音波素子１９は、音響レンズ３２を介して管路１８に取り付けられている。この音響レンズ３２は、管軸に対して進行方向が垂直でない超音波を生じさせる手段として機能する。

音響レンズ３２を用いなくても管軸に対して進行方向が垂直でない超音波は流体中の拡散により生じるが、音響レンズ３２を用いることにより発信出力される超音波を拡張させることができ、管軸に対して進行方向が垂直でない超音波の信号強度を高めることができる。

図９も本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、（Ａ）は全体図、（Ｂ）は要部の拡大図である。図９の実施例では、管軸に対して進行方向が垂直でない超音波を生じさせる手段として、フェーズドアレイ素子３３を用いている。フェーズドアレイ素子３３を用いることにより、発信出力される波面の角度を適切に調整でき、管軸に対して進行方向が垂直でない超音波の強度を高めることができる。

以上説明したように、本発明によれば、比較的簡単に管路に設置できるクランプオン型の超音波流量計を実現することができる。

１７ 測定対象流体
１８ 管路
１９〜２１ 超音波素子
２２ 一体化部材

Claims (3)

1. 測定対象流体が流れる管路の外壁に取り付けられて超音波信号を送受する複数の超音波素子を含み、
   前記超音波素子の少なくとも１つは超音波送信素子であって、超音波送信面が前記管路の管軸方向と平行になるように管路の外壁に取り付けられていて、
   前記超音波素子の他の少なくとも１つは超音波受信素子であって、超音波受信面が前記管路の管軸方向と平行になるように取り付けられており、
   前記超音波送信素子とこの超音波送信素子を挟んで配置された二つの前記超音波受信素子とが管軸方向に沿って配列されて前記超音波送信素子は音響レンズを含み可撓性を有するフェーズドアレイ素子で構成され、
   前記管路の管軸方向と直交する方向に進行する超音波信号に基づいて測定対象流体の管軸方向の進行距離および測定対象流体の流速を演算する自己校正部と、
   前記自己校正部の演算結果に基づき測定対象流体の流量を演算する流量演算部を有し、 前記流量演算部は、次式により流量Ｖを求めることを特徴とする超音波流量計。
   
   
   Ｋ：流量補正係数
   Ｓ：管路１８の断面積
   Ｆ：流速
   ｄｗ：管路１８の内径
2. 前記超音波受信素子は、超音波受信面が平坦に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記複数の超音波素子の相対的な位置関係を固定するための一体化部材を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。