JP6472617B2 - 気体用外付式超音波流量計及び気体流量計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、配管に外付けされ、超音波を用いて当該配管内を流れる気体の流量を計測する気体用外付式超音波流量計及び気体流量計測方法に関する。

従来、配管内を流れる液体または気体の流量を、超音波を用いて計測する超音波流量計が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。特許文献１には、配管に外付けされ、超音波を用いて当該配管内を流れる液体の流量を計測する超音波流量計が開示されている。また、特許文献２には、配管内に取り付けられ、超音波を用いて当該配管内を流れる気体の流量を計測する超音波流量計が開示されている。

特開２０１１−２３２２９７号公報 特開平９−４３０１７号公報

ここで、配管を布設した後に当該配管内を流れる流体の流量を計測したい場合には、当該配管を切断または加工などにより当該配管内に超音波流量計を設置したりするようなことなく、超音波流量計を配管に外付けして当該流体の流量を計測したいとの要望がある。そして、当該流体が液体の場合には、超音波流量計を配管に外付けして、当該配管内を流れる液体の流量を計測することができる。

しかしながら、上記従来の超音波流量計では、配管に外付けされた状態で、当該配管内を流れる気体の流量を計測することが困難であるという問題がある。

つまり、配管（例えば金属）と液体（例えば水）とは音響インピーダンスの差はそれほど大きくないが、気体（例えば空気）は、当該配管や液体に比べて音響インピーダンスが非常に小さいため、超音波が伝わりにくい。具体的には、金属と水とでは音響インピーダンスは１桁程度の違いであるのに対し、金属と空気とでは音響インピーダンスは４桁もの違いがある。そして、音響インピーダンスの値が大きく異なる２つの物質間においては、物質間の界面で超音波が反射されてしまい、超音波が伝わりにくくなる。

このため、上記特許文献１のように、配管内を流れる液体の流量を計測する場合には、超音波流量計を当該配管に外付けしても、当該配管に邪魔されることなく当該液体の流量を計測することができる。しかし、超音波流量計を配管に外付けして当該配管内を流れる気体を計測しようとしても、超音波流量計から発生された超音波は、ほとんどが配管の内面で反射されて配管内を伝播し、気体中には伝播していかない。このため、上記特許文献２のように、配管内を流れる気体の流量を計測する場合には、超音波流量計から発生された超音波が当該配管に邪魔されずに気体中を伝播するように、超音波流量計を当該配管内に取り付ける必要がある。

このように、上記従来の超音波流量計では、配管に外付けされた状態で当該配管内を流れる気体を計測しようとしても、超音波が気体中には伝播していかないため、当該気体の流量を計測することが困難であるという問題がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、配管に外付けされた状態でも、当該配管内を流れる気体の流量を計測することができる気体用外付式超音波流量計及び気体流量計測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る気体用外付式超音波流量計は、配管に外付けされ、超音波を用いて当該配管内を流れる気体の流量を計測する気体用外付式超音波流量計であって、前記配管の外方に配置され、電圧が印加されることで前記配管の内方に向けて当該電圧の大きさに応じた超音波を発生させる送信部と、前記配管の外方に配置され、前記送信部が発生させた超音波を受信する受信部と、前記送信部に正弦波の電圧を印加する印加部とを備える。

これによれば、気体用外付式超音波流量計において、配管の外方に配置された送信部に正弦波の電圧を印加して配管の内方に向けて超音波を発生させ、配管の外方に配置された受信部で当該超音波を受信することで、配管内を流れる気体の流量を計測する。ここで、本願発明者らは、鋭意研究と実験の結果、正弦波の電圧を印加して発生させた超音波は、従来のパルス波の電圧を印加して発生させた超音波に比べ、配管内を流れる気体中を良く伝播することを見出した。このため、気体用外付式超音波流量計において、正弦波の電圧を印加して超音波を発生させることで、配管に外付けされた状態でも、当該配管内を流れる気体の流量を計測することができる。

また、前記送信部は、半波長の整数倍が前記配管の肉厚と等しくなるような前記超音波を発生させることにしてもよい。

ここで、本願発明者らは、鋭意研究と実験の結果、半波長の整数倍が配管の肉厚と等しくなるように波長を調整した超音波の方が、配管内を流れる気体中を良く伝播することを見出した。このため、気体用外付式超音波流量計において、半波長の整数倍が配管の肉厚と等しくなるような超音波を発生させることで、配管に外付けされた状態でも、当該配管内を流れる気体の流量を計測することができる。

また、前記送信部は、前記気体が流れる方向から見て、前記配管の内面と垂直の方向に向けて、前記超音波を発生させることにしてもよい。

ここで、本願発明者らは、鋭意研究と実験の結果、超音波が配管の内面と垂直に入力されることで、当該超音波が配管内を流れる気体中を良く伝播することを見出した。このため、気体用外付式超音波流量計において、気体が流れる方向から見て、配管の内面と垂直の方向に向けて超音波を発生させることで、配管に外付けされた状態でも、当該配管内を流れる気体の流量を計測することができる。

また、前記受信部は、前記送信部が発生させた超音波のうち前記配管を伝播した超音波と、前記気体を伝播した超音波とを異なる時刻に受信することにしてもよい。

これによれば、気体用外付式超音波流量計において、配管を伝播した超音波と気体を伝播した超音波とを異なる時刻に受信することで、配管を伝播した超音波ノイズを時間的に分離することができる。

また、前記受信部は、前記配管を伝播した超音波を直接受信した後に、前記配管を介して前記気体を伝播した超音波を受信し、その後、前記配管を伝播して前記配管の不連続部で反射した超音波を受信可能な位置に配置されることにしてもよい。

これによれば、気体用外付式超音波流量計において、配管を伝播した超音波を直接受信した後に、気体を伝播した超音波を受信し、その後、配管を伝播して配管の不連続部で反射した超音波を受信可能な位置に受信部を配置することで、配管を伝播または反射した超音波ノイズを時間的に分離することができる。

また、さらに、前記受信部が受信した超音波の波形信号から、前記配管を流れる超音波ノイズを分離することにより、前記気体の流量を計測する制御部を備えることにしてもよい。

これによれば、気体用外付式超音波流量計において、制御部を備えることにより、配管に外付けされた状態でも、配管を流れる超音波ノイズを分離して、当該配管内を流れる気体の流量を計測することができる。

また、本発明の一態様に係る気体流量計測方法は、配管に外付けされ、超音波を用いて当該配管内を流れる気体の流量を計測する気体用外付式超音波流量計による気体流量計測方法であって、前記配管の外方に配置された送信部に、正弦波の電圧を印加して当該電圧の大きさに応じた超音波を発生させる超音波発生ステップと、前記配管の外方に配置された受信部で、前記送信部が発生させた超音波を受信する超音波受信ステップとを含む。

これによれば、配管の外方に配置された送信部に、正弦波の電圧を印加して超音波を発生させ、配管の外方に配置された受信部で当該超音波を受信することで、配管内を流れる気体の流量を計測する。ここで、本願発明者らは、鋭意研究と実験の結果、正弦波の電圧を印加して発生させた超音波は、従来のパルス波の電圧を印加して発生させた超音波に比べ、配管内を流れる気体中を良く伝播することを見出した。このため、気体用外付式超音波流量計が配管に外付けされた状態でも、正弦波の電圧を印加して超音波を発生させることで、当該配管内を流れる気体の流量を計測することができる。

また、前記超音波受信ステップでは、前記受信部で、前記送信部が発生させた超音波のうち、前記配管を伝播した超音波を直接受信した後に、前記配管を介して前記気体を伝播した超音波を受信し、その後、前記配管を伝播して前記配管の不連続部で反射した超音波を受信することにしてもよい。

これによれば、配管を伝播した超音波を直接受信した後に、気体を伝播した超音波を受信し、その後、配管を伝播して配管の不連続部で反射した超音波を受信することで、配管を伝播または反射した超音波ノイズを時間的に分離することができる。

また、さらに、前記超音波受信ステップで前記受信部が受信した超音波の波形信号から、前記配管を流れる超音波ノイズを分離することにより、前記気体の流量を計測する気体流量計測ステップを含むことにしてもよい。

これによれば、気体用外付式超音波流量計が配管に外付けされた状態でも、配管を流れる超音波ノイズを分離して、当該配管内を流れる気体の流量を計測することができる。

本発明における気体用外付式超音波流量計によれば、配管に外付けされた状態でも、当該配管内を流れる気体の流量を計測することができる。

本発明の実施の形態に係る気体用外付式超音波流量計の機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る第一探触子及び第二探触子が配管に設置された状態を側方から見た場合の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る第一探触子及び第二探触子が配管に設置された状態を正面から見た場合の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る第一探触子及び第二探触子の外観を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る第一探触子の内部構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る第一探触子が第二探触子に向けて超音波を発振する状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る気体用外付式超音波流量計が気体の流量を計測する動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る印加部が印加する正弦波の電圧を示す図である。 本発明の実施の形態に係る印加部による電圧印加によって発振される超音波の波長について説明する図である。 本発明の実施の形態に係る印加部による電圧印加によって発振される超音波の波長について説明する図である。 本発明の実施の形態に係る第一探触子の送信部が発生させた超音波を第二探触子の受信部が受信することを示す図である。 本発明の実施の形態に係る第二探触子の受信部が、配管を伝播した超音波と気体を伝播した超音波とを異なる時刻に受信することを示す図である。 本発明の実施の形態の変形例１に係る第一探触子及び第二探触子が配管に設置された状態を正面から見た場合の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態の変形例２に係る第一探触子及び第二探触子が配管に設置された状態を側方から見た場合の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態の変形例３に係る第一探触子及び第二探触子が配管に設置された状態を側方から見た場合の構成を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係る気体用外付式超音波流量計について説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態）
まず、気体用外付式超音波流量計１の構成について、説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る気体用外付式超音波流量計１の機能構成を示すブロック図である。また、図２は、本発明の実施の形態に係る第一探触子１０及び第二探触子２０が配管４０に設置された状態を側方（同図のＹ軸方向マイナス側）から見た場合の構成を示す模式図である。また、図３は、本発明の実施の形態に係る第一探触子１０及び第二探触子２０が配管４０に設置された状態を正面（同図のＸ軸方向マイナス側）から見た場合の構成を示す模式図である。

気体用外付式超音波流量計１は、配管に外付けされ、超音波を用いて当該配管内を流れる気体の流量を計測する超音波流量計である。つまり、気体用外付式超音波流量計１は、配管に孔を設けたり配管を切断または加工などにより配管の内方に配置されたりすることなく、当該配管内を流れる気体の流量を計測する配管外付式（配管非貫通式）の超音波流量計である。すなわち、気体用外付式超音波流量計１は、気体の流量を計測可能ないわゆるクランプオン式の超音波流量計である。

なお、計測対象の気体は、空気、蒸気、天然ガス、高圧窒素などの各種気体を含む概念であり、液体及び固体以外のものであればどのような成分を含む気体であってもかまわない。

まず、図１に示すように、気体用外付式超音波流量計１は、第一探触子１０と、第二探触子２０と、制御装置３０とを備えている。

第一探触子１０は、送信部１１と受信部１２とを有している。また、第二探触子２０は、送信部２１と受信部２２とを有している。つまり、第一探触子１０と第二探触子２０とは、同様の構成を有している。

また、図２及び図３に示すように、第一探触子１０と第二探触子２０とは、配管４０の外方に配置される。つまり、送信部１１及び受信部１２と、送信部２１及び受信部２２とは、配管４０の外方に配置される。なお、配管４０は、Ｘ軸方向に延びる配管であるが、これらの図では、配管４０の一部を図示し、その他の部分は省略して図示している。

送信部１１は、電圧が印加されることで、配管４０の内方に向けて当該電圧の大きさに応じた超音波を発生させる。また、受信部２２は、送信部１１が発生させた超音波を受信する。

また同様に、送信部２１は、電圧が印加されることで、配管４０の内方に向けて当該電圧の大きさに応じた超音波を発生させる。また、受信部１２は、送信部２１が発生させた超音波を受信する。

さらに具体的には、図２及び図３に示すように、第一探触子１０と第二探触子２０とは、配管４０の外方に、配管４０を挟んで対向する位置に配置されるとともに、気体が流れる方向（図２における気体の流れ方向Ｇ）において異なる位置に配置される。

つまり、送信部１１及び受信部１２と、送信部２１及び受信部２２とは、配管４０を挟んで対向する位置に配置されるとともに、気体が流れる方向において異なる位置に配置される。そして、送信部１１及び送信部２１は、気体が流れる方向に対して斜め方向に向けて、超音波（図２及び図３における超音波Ｕ１及びＵ２）を発生させる。そして、受信部２２及び受信部１２は、送信部１１及び送信部２１が発生させた超音波Ｕ１及びＵ２をそれぞれ受信する。

ここで、第一探触子１０の送信部１１（または第二探触子２０の送信部２１）が超音波を発生し、第二探触子２０の受信部２２（または第一探触子１０の受信部１２）が超音波を受信するための具体的な構成について、説明する。

図４は、本発明の実施の形態に係る第一探触子１０及び第二探触子２０の外観を模式的に示す斜視図である。また、図５は、本発明の実施の形態に係る第一探触子１０の内部構成を示す模式図である。また、図６は、本発明の実施の形態に係る第一探触子１０が第二探触子２０に向けて超音波Ｕ１を発振する状態を示す図である。

まず、図４に示すように、第一探触子１０及び第二探触子２０は、配管４０に対向する面１３ａ及び２３ａが配管４０の外面に沿った曲面形状を有する略矩形状の探触子である。つまり、第一探触子１０及び第二探触子２０は、同様の形状を有している。

また、第一探触子１０及び第二探触子２０は、配管４０に対向する面１３ａ及び２３ａの面積が大きくなるように、配管４０の周方向の幅が広い形状を有している。つまり、第一探触子１０及び第二探触子２０は、配管４０の周方向の幅Ｌ１が、配管４０の法線方向の幅Ｌ２よりも大きくなるように形成されている。これにより、第一探触子１０及び第二探触子２０から出力される超音波の強度を向上させることができる。

ここで、図５を用いて、第一探触子１０が有する構成要素について、詳細に説明する。なお、同図では、第一探触子１０の構成を示しているが、第二探触子２０も第一探触子１０と同様の構成を有しているため、第二探触子２０の構成の図示及び説明は省略する。

同図に示すように、第一探触子１０は、上述の曲面形状の面１３ａが形成された整合層１３と、配線１４と、コネクタ１５と、リード線１６と、電極１７と、圧電素子１８と、吸音材１９とを有している。また、配線１４は、制御装置３０に接続されている。

この構成により、制御装置３０によって、配線１４、コネクタ１５及びリード線１６を介して、電極１７に電圧が印加され、当該印加された電圧の大きさに依存して、圧電素子１８が伸縮され、超音波が発生する。そして、発生した超音波は、整合層１３を通って、外方へ発振される。なお、圧電素子１８の整合層１３と反対側は、吸音材１９によって吸音される。

以上のように、第一探触子１０において、電圧が印加されることで超音波を発生させる機能が、送信部１１に相当する。つまり、整合層１３、配線１４、コネクタ１５、リード線１６、電極１７、圧電素子１８及び吸音材１９が有する超音波を発生させる機能が、送信部１１を構成している。

また、外方からの超音波が、整合層１３を通って圧電素子１８に伝えられた場合、圧電素子１８が伸縮することで、電極１７に電圧が発生する。そして、発生した電圧は、リード線１６、コネクタ１５及び配線１４を介して、制御装置３０に入力される。

以上のように、第一探触子１０において、外方からの超音波を受信して電圧に変換し出力する機能が、受信部１２に相当する。つまり、整合層１３、配線１４、コネクタ１５、リード線１６、電極１７、圧電素子１８及び吸音材１９が有する超音波を受信する機能が、受信部１２を構成している。

このように、整合層１３、配線１４、コネクタ１５、リード線１６、電極１７、圧電素子１８及び吸音材１９によって、送信部１１及び受信部１２の双方の機能を実現することができている。言い換えれば、第一探触子１０は、送信部１１及び受信部１２の双方の機能を有した送受信部を備えているとも言える。なお、第一探触子１０は、送信部１１の機能を有する構成と、受信部１２の機能を有する構成とを、別個に備えていてもかまわない。

また、整合層１３は、配管４０の外面４２に沿った曲面形状の面１３ａを有し、図６に示すように、配管４０内の気体が流れる方向（Ｘ軸方向）から見て、配管４０の内面４１と垂直の方向に向けて、超音波Ｕ１を発生させるように形成されている。つまり、送信部１１は、当該気体が流れる方向から見て、配管４０の内面４１と垂直の方向に向けて、超音波を発生させる。

具体的には、整合層１３は、当該気体が流れる方向から見て、配管４０の内面４１及び外面４２と垂直の方向に向けて、超音波Ｕ１を発生させる。つまり、送信部１１は、当該気体が流れる方向から見て、配管４０の内面４１及び外面４２と垂直の方向に向けて、超音波を発生させる。

これにより、第一探触子１０から発振された超音波が配管４０の中心部分で交わるようにして第二探触子２０に向けて伝播されるため、第二探触子２０に到達する超音波ビームが広がるのを抑制することができている。つまり、当該超音波ビームは、第一探触子１０から発振されたときと同じ幅の広がりで、第二探触子２０に到達する。このように、超音波ビームの拡散を防止し、フォーカス化を実現することができている。

また、第一探触子１０から発振されて気体を伝播した超音波は、当該気体が流れる方向（Ｘ軸方向）から見て、配管４０の内面４１及び外面４２と垂直に配管４０を通過して、第二探触子２０に到達する。そして、第二探触子２０の受信部２２が当該超音波を受信する。

なお、第一探触子１０及び第二探触子２０が有する各構成要素の材質等の詳細は、従来の探触子が有する各構成要素と同様であるため、詳細な説明は省略する。

図１に戻り、制御装置３０は、印加部３１と、制御部３２と、記憶部３３とを有している。

印加部３１は、第一探触子１０の送信部１１及び第二探触子２０の送信部２１に、正弦波の電圧を印加する。具体的には、印加部３１は、第一探触子１０の送信部１１または第二探触子２０の送信部２１から発振される超音波の半波長の整数倍が配管４０の肉厚と等しくなるように、当該正弦波の電圧を印加する。この印加部３１が印加する正弦波の電圧についての詳細な説明は、後述する。

制御部３２は、第一探触子１０の受信部１２及び第二探触子２０の受信部２２が受信した超音波の波形信号から、配管４０を流れる超音波ノイズを分離することにより、配管４０内を流れる気体の流量を計測する。具体的には、制御部３２は、送信部１１から受信部２２に伝播された超音波Ｕ１の伝播時間と、送信部２１から受信部１２に伝播された超音波Ｕ２の伝播時間との差分から、当該気体の流量を計測する。なお、制御部３２が超音波ノイズを分離することについての詳細な説明は、後述する。

記憶部３３は、気体用外付式超音波流量計１が配管４０内を流れる気体の流量を計測するために必要なデータを記憶しているメモリである。例えば、記憶部３３には、印加部３１が印加する電圧の値や正弦波の周波数などが予め記憶されていたり、第一探触子１０の受信部１２及び第二探触子２０の受信部２２が受信した超音波の波形信号などが記憶されていったりする。

次に、気体用外付式超音波流量計１が配管４０内を流れる気体の流量を計測する方法（気体流量計測方法）について、説明する。

図７は、本発明の実施の形態に係る気体用外付式超音波流量計１が気体の流量を計測する動作を示すフローチャートである。

同図に示すように、まず、超音波発生ステップとして、印加部３１が、第一探触子１０の送信部１１に、正弦波の電圧を印加して当該電圧の大きさに依存する超音波を発生させる（Ｓ１０２）。また同様に、印加部３１は、第二探触子２０の送信部２１に、正弦波の電圧を印加して当該電圧の大きさに依存する超音波を発生させる。この印加部３１が印加する正弦波の電圧について、以下に詳細に説明する。

図８は、本発明の実施の形態に係る印加部３１が印加する正弦波の電圧を示す図である。具体的には、同図は、制御装置３０の印加部３１が印加する正弦波の電圧の一例として、縦軸を印加電圧の値、横軸を経過時間としたグラフを示している。

同図に示すように、印加部３１は、例えば周波数８００ｋＨｚ程度の正弦波の電圧を、第一探触子１０の送信部１１または第二探触子２０の送信部２１に印加する。つまり、例えば第一探触子１０であれば、印加部３１は、当該正弦波の電圧を、電極１７を介して圧電素子１８に印加することで、超音波を発生させる。

また、印加部３１は、第一探触子１０の送信部１１または第二探触子２０の送信部２１から発振される超音波の半波長の整数倍が配管４０の肉厚と等しくなるように、当該正弦波の電圧を印加する。図９及び図１０を用いて、具体的に説明する。

図９及び図１０は、本発明の実施の形態に係る印加部３１による電圧印加によって発振される超音波の波長について説明する図である。具体的には、図９は、第一探触子１０が第二探触子２０に向けて超音波Ｕ１を発振する図である。また、図１０は、第一探触子１０と第二探触子２０との間に配管４０を模擬した２枚の鋼板を配置し、第一探触子１０が発振する超音波の波長を固定して鋼板の肉厚を変化させた場合の第二探触子２０が受信する信号を示したグラフである。

さらに具体的には、図１０の（ａ）は、超音波の半波長が鋼板の肉厚よりも大きい場合のグラフであり、図１０の（ｂ）は、超音波の半波長が鋼板の肉厚と同等の場合のグラフであり、図１０の（ｃ）は、超音波の半波長が鋼板の肉厚よりも小さい場合のグラフである。

まず、図９に示すように、第一探触子１０が超音波を発振した場合、第二探触子２０に向けて超音波Ｕ１が発振されるが、一部の超音波Ｕ３は、配管４０の内面４１及び外面４２で反射されて、配管４０を伝播していく。しかしながら、第一探触子１０から発振された超音波は、超音波Ｕ３のように配管４０の内面４１及び外面４２で反射していくのではなく、超音波Ｕ１のように第二探触子２０に向けて発振されるのが望ましい。

ここで、図１０の（ａ）に示すように、超音波の半波長が鋼板の肉厚よりも大きい場合には、第一探触子１０が発振した超音波は第二探触子２０には伝播していかず、図１０の（ｃ）に示すように、超音波の半波長が鋼板の肉厚よりも小さい場合には、第一探触子１０が発振した超音波は鋼板内で反射して第二探触子２０に伝播する結果となった。これに対し、図１０の（ｂ）に示すように、超音波の半波長が鋼板の肉厚と同等の場合には、第二探触子２０において、比較的きれいな波形信号を受信することができた。

つまり、図１０の（ｂ）のグラフでは、点線で囲まれた範囲内にきれいに波形信号が現れたのに対し、図１０の（ａ）のグラフでは、超音波が伝播しなかったために波形信号は現れず、図１０の（ｃ）のグラフでは、超音波が反射して複数の波形信号が表れる結果となった。

このため、第一探触子１０から発振された超音波が、超音波Ｕ１のように第二探触子２０に向けて発振されるには、当該超音波の半波長の整数倍が配管４０の肉厚（図９に示す配管４０の肉厚Ｄ）と等しくなるのが好ましい。

このように、印加部３１は、第一探触子１０の送信部１１または第二探触子２０の送信部２１から発振される超音波の半波長の整数倍が配管４０の肉厚と等しくなるように、正弦波の電圧を印加する。そして、送信部１１及び送信部２１は、半波長の整数倍が配管４０の肉厚と等しくなるような超音波を発生させる。

図７に戻り、次に、超音波受信ステップとして、第二探触子２０の受信部２２で、第一探触子１０の送信部１１が発生させた超音波を受信する（Ｓ１０４）。また同様に、第一探触子１０の受信部１２で、第二探触子２０の送信部２１が発生させた超音波を受信する。

具体的には、超音波受信ステップでは、第二探触子２０の受信部２２で、第一探触子１０の送信部１１が発生させた超音波のうち配管４０を伝播した超音波と、気体を伝播した超音波とを異なる時刻に受信する。また同様に、第一探触子１０の受信部１２で、第二探触子２０の送信部２１が発生させた超音波のうち配管４０を伝播した超音波と、気体を伝播した超音波とを異なる時刻に受信する。

さらに具体的には、超音波受信ステップでは、受信部２２で、送信部１１が発生させた超音波のうち、配管４０を伝播した超音波を直接受信した後に、配管４０を介して気体を伝播した超音波を受信し、その後、配管４０を伝播して配管４０の不連続部で反射した超音波を受信する。図１１及び図１２を用いて、具体的に説明する。

なお、以下では、第一探触子１０の送信部１１が発生させた超音波を第二探触子２０の受信部２２が受信する場合について説明するが、第二探触子２０の送信部２１が発生させた超音波を第一探触子１０の受信部１２が受信する場合についても同様であるため、この場合の説明は省略する。

図１１は、本発明の実施の形態に係る第一探触子１０の送信部１１が発生させた超音波を第二探触子２０の受信部２２が受信することを示す図である。また、図１２は、本発明の実施の形態に係る第二探触子２０の受信部２２が、配管４０を伝播した超音波と気体を伝播した超音波とを異なる時刻に受信することを示す図である。

まず、図１１に示すように、受信部２２は、送信部１１が発生させた超音波のうち、気体を伝播した超音波Ｕ１と、配管４０を伝播した超音波Ｕ３、Ｕ４とを異なるルートで受信する。ここで、超音波Ｕ３は、配管４０を最短ルートで直接伝播してきた超音波であり、超音波Ｕ４は、配管４０の不連続部（本実施の形態では、配管４０の端部のフランジ４３）に向けて気体の流れ方向Ｇに配管４０を伝播して、当該不連続部（フランジ４３）で反射してきた超音波である。

なお、配管４０の不連続部とは、配管４０の連続性が失われて超音波が反射される箇所である。本実施の形態では、不連続部は、配管４０の端部のフランジ４３としているが、フランジ４３には限定されず、溶接箇所、配管の分岐部分、または測定器の据付部分など、超音波が反射される箇所であればどのような箇所であってもかまわない。

また、超音波は、配管４０内を様々な方向に広がって伝播していくため、同図に示した超音波Ｕ４の経路は、ほんの一例であり、超音波Ｕ４は、あらゆる経路を辿って様々な不連続部で反射し、受信部２２に到達する。

ここで、気体を伝播する超音波Ｕ１に比べて、配管４０を伝播する超音波Ｕ３の方が伝播速度が速い。特に、第一探触子１０と第二探触子２０とが気体の流れ方向Ｇにおいて異なる位置に配置されているため、超音波の伝播距離が長くなり、超音波Ｕ１と超音波Ｕ３との伝播時間に差が生じる。

このため、図１２に示すように、受信部２２は、配管４０を伝播した超音波Ｕ３の方を、気体を伝播した超音波Ｕ１よりも早い時刻に受信する。その後、受信部２２は、配管４０を伝播して配管４０の不連続部である端部のフランジ４３で反射した超音波Ｕ４を受信する。

このように、受信部２２は、送信部１１が発生させた超音波のうち配管４０を伝播した超音波Ｕ３、Ｕ４と、気体を伝播した超音波Ｕ１とを異なる時刻に受信する。つまり、受信部２２は、配管４０を伝播した超音波Ｕ３を直接受信した後に、配管４０を介して気体を伝播した超音波Ｕ１を受信し、その後、配管４０を伝播して配管４０の不連続部で反射した超音波Ｕ４を受信する。

言い換えれば、受信部２２は、配管４０を伝播した超音波Ｕ３を直接受信した後に、配管４０を介して気体を伝播した超音波Ｕ１を受信し、その後、配管４０を伝播して配管４０の不連続部で反射した超音波Ｕ４を受信可能な位置に配置されている。

図７に戻り、次に、気体流量計測ステップとして、制御部３２が、超音波受信ステップ（Ｓ１０４）で受信部１２及び受信部２２が受信した超音波の波形信号から、配管４０を流れる超音波ノイズを分離することにより（Ｓ１０６）、気体の流量を計測する（Ｓ１０８）。

具体的には、制御部３２は、受信部２２が受信した超音波については、図１２に示された超音波の波形信号から、配管４０を伝播した超音波Ｕ３、Ｕ４の波形信号を分離することにより、気体を伝播した超音波Ｕ１を抽出する。また同様に、制御部３２は、受信部１２が受信した超音波についても、気体を伝播した超音波Ｕ２を抽出する。

そして、制御部３２は、送信部１１から受信部２２に伝播された超音波Ｕ１の伝播時間と、送信部２１から受信部１２に伝播された超音波Ｕ２の伝播時間との差分から、当該気体の流量を計測する。

以上のように、本発明の実施の形態に係る気体用外付式超音波流量計１によれば、配管４０の外方に配置された送信部に正弦波の電圧を印加して配管４０の内方に向けて超音波を発生させ、配管４０の外方に配置された受信部で当該超音波を受信することで、配管４０内を流れる気体の流量を計測する。ここで、本願発明者らは、鋭意研究と実験の結果、正弦波の電圧を印加して発生させた超音波は、従来のパルス波の電圧を印加して発生させた超音波に比べ、配管４０内を流れる気体中を良く伝播することを見出した。

これは、従来のパルス波よりも正弦波の方が、共振を生じさせるためのエネルギーが大きく、配管４０を振動させやすいため、正弦波の電圧を印加して発生させた超音波の方が、配管４０内を流れる気体中を良く伝播するからであろうと考えられる。つまり、複数周期からなる所定の周波数の正弦波（バースト波）の電圧を、当該所定の周波数で共振する圧電素子に印加することで、大きな共振を生じさせることができる。

このため、気体用外付式超音波流量計１において、正弦波の電圧を印加して超音波を発生させることで、配管４０に外付けされた状態でも、当該配管４０内を流れる気体の流量を計測することができる。

また、本願発明者らは、鋭意研究と実験の結果、半波長の整数倍が配管４０の肉厚と等しくなるように波長を調整した超音波の方が、配管４０内を流れる気体中を良く伝播することを見出した。これは、超音波の半波長の整数倍が配管４０の肉厚と等しくなるようにすることで、配管４０の外方から入力された超音波が配管４０の内面で反射されるのを抑制し配管４０内の気体に到達することができるからであろうと考えられる。このため、気体用外付式超音波流量計１において、半波長の整数倍が配管４０の肉厚と等しくなるような超音波を発生させることで、配管４０に外付けされた状態でも、配管４０内を流れる気体の流量を計測することができる。

また、本願発明者らは、鋭意研究と実験の結果、超音波が配管４０の内面と垂直に入力されることで、当該超音波が配管４０内を流れる気体中を良く伝播することを見出した。これは、超音波が配管４０の内面と垂直に入力されることで、配管４０の外方から入力された超音波が配管４０の内面で反射されるのを抑制し配管４０内の気体に到達することができるからであろうと考えられる。このため、気体用外付式超音波流量計１において、気体が流れる方向から見て、配管４０の内面と垂直の方向に向けて超音波を発生させることで、配管４０に外付けされた状態でも、配管４０内を流れる気体の流量を計測することができる。

また、気体用外付式超音波流量計１において、気体が流れる方向に対して斜め方向に向けて超音波を発生させて、超音波が配管４０または気体中を伝播する距離を長くすることで、配管４０を伝播した超音波と気体を伝播した超音波とを分離しやすくすることができる。

また、気体用外付式超音波流量計１において、配管４０を伝播した超音波と気体を伝播した超音波とを異なる時刻に受信することで、配管４０を伝播した超音波ノイズを時間的に分離することができる。

また、気体用外付式超音波流量計１において、配管４０を伝播した超音波を直接受信した後に、気体を伝播した超音波を受信し、その後、配管４０を伝播して配管４０の不連続部で反射した超音波を受信可能な位置に受信部を配置することで、配管４０を伝播または反射した超音波ノイズを時間的に分離することができる。

また、気体用外付式超音波流量計１において、制御部３２を備えることにより、配管４０に外付けされた状態でも、配管４０を流れる超音波ノイズを分離して、配管４０内を流れる気体の流量を計測することができる。

また、本発明の実施の形態に係る気体流量計測方法によれば、配管４０の外方に配置された送信部に、正弦波の電圧を印加して超音波を発生させ、配管４０の外方に配置された受信部で当該超音波を受信することで、配管４０内を流れる気体の流量を計測する。このため、気体用外付式超音波流量計１が配管４０に外付けされた状態でも、正弦波の電圧を印加して超音波を発生させることで、配管４０内を流れる気体の流量を計測することができる。

また、当該気体流量計測方法によれば、配管４０を伝播した超音波と気体を伝播した超音波とを異なる時刻に受信することで、配管４０を伝播した超音波ノイズを時間的に分離することができる。具体的には、配管４０を伝播した超音波Ｕ３を直接受信した後に、気体を伝播した超音波Ｕ１を受信し、その後、配管４０を伝播して配管４０の不連続部で反射した超音波Ｕ４を受信することで、配管４０を伝播または反射した超音波ノイズを時間的に分離することができる。

また、当該気体流量計測方法によれば、気体用外付式超音波流量計１が配管４０に外付けされた状態でも、配管４０を流れる超音波ノイズを分離して、当該配管４０内を流れる気体の流量を計測することができる。

（変形例１）
次に、上記実施の形態の変形例１について、説明する。図１３は、本発明の実施の形態の変形例１に係る第一探触子１０、１０ａ及び第二探触子２０、２０ａが配管４０に設置された状態を正面（同図のＸ軸方向マイナス側）から見た場合の構成を示す模式図である。

同図に示すように、本変形例における気体用外付式超音波流量計は、上記実施の形態における気体用外付式超音波流量計１が備える第一探触子１０及び第二探触子２０に加え、第一探触子１０ａ及び第二探触子２０ａを備えている。

第一探触子１０ａ及び第二探触子２０ａは、配管４０の外方に、配管４０を挟んで対向する位置に配置されるとともに、気体の流れ方向Ｇにおいて異なる位置に配置される。そして、第一探触子１０ａ及び第二探触子２０ａは、配管４０内を気体が流れる方向（Ｘ軸方向）から見て、第一探触子１０及び第二探触子２０の間に、配管４０を挟むように対向して配置されている。

つまり、第一探触子１０ａ及び第二探触子２０ａは、第一探触子１０及び第二探触子２０を、配管４０の周りに９０度回転した位置に配置されている。このため、第一探触子１０、第一探触子１０ａ、第二探触子２０及び第二探触子２０ａは、当該気体が流れる方向から見て、等間隔に並ぶように配置されている。

なお、第一探触子１０ａ及び第二探触子２０ａは、上記実施の形態における第一探触子１０及び第二探触子２０と同様の構成を有するため、詳細な説明は省略する。

以上のように、本発明の実施の形態の変形例１に係る気体用外付式超音波流量計によれば、第一探触子１０及び第二探触子２０に加えて第一探触子１０ａ及び第二探触子２０ａも備えているため、配管４０内を流れる気体の流量を精度良く計測することができる。

（変形例２）
次に、上記実施の形態の変形例２について、説明する。図１４は、本発明の実施の形態の変形例２に係る第一探触子１０ｂ及び第二探触子２０ｂが配管４０に設置された状態を側方（同図のＹ軸方向マイナス側）から見た場合の構成を示す模式図である。

同図に示すように、本変形例における気体用外付式超音波流量計は、上記実施の形態における気体用外付式超音波流量計１が備える第一探触子１０及び第二探触子２０に代えて、第一探触子１０ｂ及び第二探触子２０ｂを備えている。

第一探触子１０ｂ及び第二探触子２０ｂは、配管４０の外方に、配管４０の同じ側（同図ではＺ軸方向プラス側）に配置されるとともに、気体の流れ方向Ｇにおいて異なる位置に配置される。つまり、第一探触子１０ｂ及び第二探触子２０ｂは、配管４０内の気体の流れ方向Ｇ（Ｘ軸方向）から見て、同じ位置になるように配置されている。なお、第一探触子１０ｂ及び第二探触子２０ｂは、上記実施の形態における第一探触子１０及び第二探触子２０と同様の構成を有するため、詳細な説明は省略する。

このような構成により、第一探触子１０ｂから発振された超音波Ｕ１ａは、配管４０の内面（Ｚ軸方向マイナス側の内面）で反射され、超音波Ｕ１ｂとなって、第二探触子２０ｂに受信される。また同様に、第二探触子２０ｂから発振された超音波Ｕ２ａは、配管４０の内面（Ｚ軸方向マイナス側の内面）で反射され、超音波Ｕ２ｂとなって、第一探触子１０ｂに受信される。つまり、送信部から発振された超音波は、Ｖ字形状に反射して受信部で受信される。

なお、第一探触子１０ｂから発振された超音波は、配管４０の内面で３回反射されて第二探触子２０ｂに受信され、同様に、第二探触子２０ｂから発振された超音波は、配管４０の内面で３回反射されて第一探触子１０ｂに受信されることにしてもよい。つまり、送信部から発振された超音波は、Ｗ字形状に反射して受信部で受信されることにしてもよい。

以上のように、本発明の実施の形態の変形例２に係る気体用外付式超音波流量計によれば、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。

（変形例３）
次に、上記実施の形態の変形例３について、説明する。図１５は、本発明の実施の形態の変形例３に係る第一探触子１０ｃ、１０ｄ及び第二探触子２０ｃが配管４０に設置された状態を側方（同図のＹ軸方向マイナス側）から見た場合の構成を示す模式図である。

同図に示すように、本変形例における気体用外付式超音波流量計は、上記実施の形態における気体用外付式超音波流量計１が備える第一探触子１０及び第二探触子２０に代えて、第一探触子１０ｃ、１０ｄ及び第二探触子２０ｃを備えている。

第一探触子１０ｃ及び１０ｄと第二探触子２０ｃとは、配管４０の外方に、配管４０を挟んで対向する位置に配置されるとともに、気体の流れ方向Ｇにおいて異なる位置に配置される。また、第一探触子１０ｃ及び１０ｄは、配管４０の同じ側（同図ではＺ軸方向プラス側）に配置されるとともに、気体の流れ方向Ｇにおいて異なる位置に配置される。

また、第一探触子１０ｃ及び１０ｄは、上記実施の形態における第一探触子１０が有する送信部１１の機能は有しているが、受信部１２の機能は有していない。また、第二探触子２０ｃは、上記実施の形態における第二探触子２０が有する受信部２２の機能は有しているが、送信部２１の機能は有していない。

このような構成により、第一探触子１０ｃから発振された超音波Ｕ１ｃ、及び第一探触子１０ｄから発振された超音波Ｕ２ｃは、第二探触子２０ｃに受信される。これにより、制御部３２は、第一探触子１０ｃから第二探触子２０ｃに伝播された超音波Ｕ１ｃの伝播時間と、第一探触子１０ｄから第二探触子２０ｃに伝播された超音波Ｕ２ｃの伝播時間との差分から、当該気体の流量を計測することができる。

以上のように、本発明の実施の形態の変形例３に係る気体用外付式超音波流量計によれば、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。

以上、本発明の実施の形態及びその変形例に係る気体用外付式超音波流量計について説明したが、本発明は、上記実施の形態及びその変形例に限定されるものではない。つまり、今回開示された実施の形態及びその変形例は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

例えば、上記実施の形態及びその変形例では、送信部は、半波長の整数倍が配管４０の肉厚と等しくなるような超音波を発生させることとした。しかし、送信部が発生させる超音波の波長は、上記には限定されず、多少のずれは許容される。つまり、半波長の整数倍が配管４０の肉厚と等しくなるような超音波を送信部が発生させる制御が行われていればよいのであって、実際に送信部が発生させた超音波の半波長の整数倍と、配管４０の肉厚とが全く等しくなる必要はなく、±１５％程度の範囲内でのずれは許容される。

また、上記実施の形態及びその変形例では、送信部は、気体が流れる方向から見て、配管４０の内面と垂直の方向に向けて、超音波を発生させることとした。しかし、送信部が超音波を発生させる方向は、上記には限定されず、多少のずれは許容される。

また、上記実施の形態及びその変形例では、受信部は、配管４０を伝播して配管４０の不連続部で反射した超音波を受信することとした。しかし、配管４０が非常に長いなどの理由により、受信部は、配管４０の不連続部で反射した超音波を受信しなくてもかまわない。

また、上記実施の形態及びその変形例では、気体用外付式超音波流量計は、印加部３１と制御部３２と記憶部３３とを有する制御装置３０を備えていることとした。しかし、制御装置３０は、少なくとも印加部３１を有していればよい。つまり、制御装置３０は、制御部３２または／及び記憶部３３を有しておらず、制御部３２または／及び記憶部３３は、外部機器に備えられていることにしてもよい。

また、上記実施の形態及び上記変形例を任意に組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。例えば、上記変形例１を上記変形例２または３に適用したり、上記変形例２及び３を組み合わせたりする構成も、本発明の範囲内に含まれる。

本発明は、配管に外付けされ、超音波を用いて当該配管内を流れる気体の流量を計測する気体用外付式超音波流量計等に適用できる。

１ 気体用外付式超音波流量計
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 第一探触子
１１、２１ 送信部
１２、２２ 受信部
１３ 整合層
１３ａ、２３ａ 面
１４ 配線
１５ コネクタ
１６ リード線
１７ 電極
１８ 圧電素子
１９ 吸音材
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 第二探触子
３０ 制御装置
３１ 印加部
３２ 制御部
３３ 記憶部
４０ 配管
４１ 内面
４２ 外面
４３ フランジ

Claims (4)

1. 配管に外付けされ、超音波を用いて当該配管内を流れる気体の流量を計測する気体用外付式超音波流量計であって、
   前記配管の外方に配置され、電圧が印加されることで前記配管の内方に向けて当該電圧の大きさに応じた超音波を発生させる送信部と、
   前記配管の外方に配置され、前記送信部が発生させた超音波を受信する受信部と、
   前記送信部に正弦波の電圧を印加する印加部と、
   前記受信部が受信した超音波の波形信号から、前記配管を流れる超音波ノイズを分離することにより、前記気体の流量を計測する制御部と、を備え、
   前記受信部は、前記送信部が発生させた超音波のうち、前記配管を伝播した超音波を直接受信した後に、前記配管を介して前記気体を伝播した超音波を受信し、その後、前記配管を伝播して前記配管の不連続部で反射した超音波を受信し、
   前記制御部は、前記受信部が受信した超音波の波形信号から、前記配管を伝播した超音波と前記配管の不連続部で反射した超音波との波形信号を分離して、前記気体を伝播した超音波の波形信号を抽出することにより、前記気体の流量を計測する
   気体用外付式超音波流量計。
2. 前記送信部は、半波長の整数倍が前記配管の肉厚と等しくなるような前記超音波を発生させる
   請求項１に記載の気体用外付式超音波流量計。
3. 前記送信部は、前記気体が流れる方向から見て、前記配管の内面と垂直の方向に向けて、前記超音波を発生させる
   請求項１または２に記載の気体用外付式超音波流量計。
4. 配管に外付けされ、超音波を用いて当該配管内を流れる気体の流量を計測する気体用外付式超音波流量計による気体流量計測方法であって、
   前記配管の外方に配置された送信部に、正弦波の電圧を印加して当該電圧の大きさに応じた超音波を発生させる超音波発生ステップと、
   前記配管の外方に配置された受信部で、前記送信部が発生させた超音波を受信する超音波受信ステップと、
   前記超音波受信ステップで前記受信部が受信した超音波の波形信号から、前記配管を流れる超音波ノイズを分離することにより、前記気体の流量を計測する気体流量計測ステップと、を含み、
   前記超音波受信ステップでは、前記受信部で、前記送信部が発生させた超音波のうち、前記配管を伝播した超音波を直接受信した後に、前記配管を介して前記気体を伝播した超音波を受信し、その後、前記配管を伝播して前記配管の不連続部で反射した超音波を受信し、
   前記気体流量計測ステップでは、前記受信部が受信した超音波の波形信号から、前記配管を伝播した超音波と前記配管の不連続部で反射した超音波との波形信号を分離して、前記気体を伝播した超音波の波形信号を抽出することにより、前記気体の流量を計測する
   気体流量計測方法。

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