JP6532504B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波流量計に関する。

従来から、微小配管を流れる流体の流量を測定するために、円環型振動子を２つ配列した直管型超音波流量計が使われていた（例えば、特許文献１）。このような超音波流量計では、円環型振動子を脱着することができないため、既存の配管を切断して継手で接続することが一般的であった。また、この方式は、ガイド波を送受信する方式であるために、所望の周波数を得るための円環型振動子の形状には大きな制約があった。ガイド波は分散性と重畳性を持ち、伝搬する際には一般的に位相速度と群速度が一致しない。従って、受信する位置によって受信波形が異なる。また、微小配管の場合、伝搬し易い周波数と伝搬し難い周波数があり、配管の断面形状によって、超音波振動子の周波数最適化は重要な課題である。

特許文献２、３には、ガイド波型の超音波流量計において、クランプオン構造を目指すものが開示されている。特許文献２には、円板型振動子から出射された超音波ビームを、ビーム伝達体を介して管体の円周上に集束することが記載されている。また、特許文献３には、円板型振動子が管体に対して垂直に振動するように円板型振動子を管体の外側に設けることが記載されている。

特開２０１３−０２４６２０号公報 特開２０１４−２１５０４０号公報 再表２０１５／１８２６７３号公報

特許文献２に開示された超音波流量計では、所望の周波数を得るために、円板型振動子の形状を自由に設計できるが、円板型振動子から流体までの距離が長く、円板型振動子からの信号が流体に到達するまでの伝搬時間が長くなる。この伝搬時間はオフセットとして作用し、このオフセット時間の補正は容易でなく、受信波形の再現性に問題があった。

また、特許文献３に開示された超音波流量計では、円板型振動子と管体との接触面積が大きく、水平方向の超音波の伝搬経路に対して、広い面積を持つ円板型振動子の送信端から異なる位相で信号が送受信されるために、幅広い位相差の信号が多重化して測定精度が悪化するといった問題があった。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、微小配管を流れる流体の流量を精度よく測定することが可能な超音波流量計を提供することにある。

（１）本発明は、流体が流れる配管の上流側と下流側に配置され超音波信号を送受信する一対の超音波振動子を備えた超音波流量計であって、前記超音波振動子は、円板型振動子又は円環型振動子であり、前記超音波振動子の外周面が音響整合層を介して前記配管に接するように設けられていることを特徴とする超音波流量計に関する。

本発明によれば、円板型又は円環型の超音波振動子が、その外周面が音響整合層を介して配管に接するように構成されるため、超音波振動子と配管との接触面積を小さくして、異なる位相の信号が多重化される問題を極力回避することができ、測定精度を向上させることができる。また、伝搬時間のオフセットを小さくして、受信波形の再現性を向上することができ、測定精度を向上させることができる。

（２）また本発明に係る超音波流量計では、前記超音波振動子を格納する第１の筐体と、前記第１の筐体に固定され前記超音波振動子を支持する第１の支持部材と、第２の筐体と、前記第２の筐体に固定された第２の支持部材とを備え、前記超音波振動子と前記第２の支持部材とで前記配管をクランプするように構成してもよい。

本発明によれば、第１の支持部材と前記第２の支持部材により、超音波振動子の配管への押圧を制御することで、配管の熱膨張による温度ドリフトを低減して測定精度を向上させることができる。

（３）また本発明に係る超音波流量計では、前記第１の支持部材と前記第１の筐体との接続部分及び前記第２の支持部材と前記第２の筐体との接続部分に超音波吸収材を設けてもよい。

本発明によれば、第１の筐体及び第２の筐体を伝搬するノイズを低減して測定精度を向上させることができる。

本実施形態の超音波流量計の第１の構成例を模式的に示す図である。 超音波振動子を配管の断面方向から見た図である。 本実施形態の超音波流量計の第２の構成例を模式的に示す図である。 図３に示す超音波流量計で得られた受信信号の一例を示す図である。 本実施形態の超音波流量計の第３の構成例を模式的に示す図である。

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

図１は、本実施形態の超音波流量計の構成の一例（第１の構成例）を模式的に示す図である。なお本実施形態の超音波流量計は図１の構成要素（各部）の一部を省略した構成としてもよい。

超音波流量計１は、超音波振動子１０（１０ａ、１０ｂ）と、音響整合層２０（２０ａ、２０ｂ）と、第１の筐体３０と、第１の支持部材３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）と、第２の筐体４０と、第２の支持部材４１（４１ａ、４１ｂ）と、送信回路５０と、受信回路６０と、第１切替部７０と、第２切替部８０と、演算処理部及び記憶部を有する処理部１００とを含む。

超音波振動子１０ａ、１０ｂは、流体（気体又は液体）が流れる配管９０（流路）の上流側と下流側に配置され、配管９０を流れる流体を介して超音波信号を送受信する。超音波振動子１０ａと配管９０の間には音響整合層２０ａが設けられ、超音波振動子１０ｂと配管９０の間には音響整合層２０ｂが設けられている。

超音波振動子１０ａ、１０ｂは、円板型振動子又は円環型振動子である。図２は、超音波振動子１０を配管９０の断面方向から見た図である。図１、図２に示すように、超音波振動子１０ａ、１０ｂは、その外周面（円板又は円環板の曲面部）が音響整合層２０ａ、２０ｂを介して配管９０に接するように設けられている。すなわち、超音波振動子１０ａ、１０ｂは、その平面部（円板又は円環板の平面部）が配管９０の長手方向に対して垂直になる姿勢で、音響整合層２０ａ、２０ｂを介して配管９０に接している。超音波振動子１０ａ、１０ｂの超音波信号は、音響整合層２０ａ、２０ｂを経由して配管９０に伝搬する。音響整合層２０の体積は小さく、超音波振動子１０と配管９０との接触面積は小さくなっている。なお、音響整合層２０は、超音波振動子１０に貼り付けられる場合、配管９０に貼り付けられる場合、クランプ機構で支持される場合がある。音響整合層２０が配管９０に貼り付けられる場合には、配管９０を使い捨てにする場合に、音響整合層２０の経年劣化による精度劣化を回避することができる。

第１の筐体３０は、超音波振動子１０ａ、１０ｂを格納する。第１の支持部材３１は、第１の筐体３０に固定され、超音波振動子１０を支持する。第１の支持部材３１ａの一端側は第１の筐体３０の内壁面に固定され、他端側は超音波振動子１０ａの平面部に固定される。第１の支持部材３１ｂの一端側は第１の筐体３０の内壁面に固定され、他端側は超音波振動子１０ｂの平面部に固定される。第１の支持部材３１ｃは、超音波振動子１０ａと超音波振動子１０ｂとの間に設けられ、一端側は超音波振動子１０ａの平面部に固定され、他端側は超音波振動子１０ｂの平面部に固定される。超音波振動子１０と第１の支持部材３１とを固定する方法は、接着、圧着等いかなる方法でもよい。超音波振動子１０として円板型振動子を用いる場合、第１の支持部材３１を円板型振動子の中央部（平面部の中央）に接着してもよい。超音波振動子１０として円環型振動子を用いる場合、第１の支持部材３１の径を円環型振動子の内径以下にして第１の支持部材３１を円環型振動子の内径に挿入してもよい。この場合、固定方法は接着でも圧着でもよい。接着して固定する場合の第１の支持部材３１の形状は円柱型が望ましいが、その断面積は任意でよい。

第２の筐体４０は、第２の支持部材４１ａ、４１ｂを格納する。第２の支持部材４１ａ、４１ｂの一端側は第２の筐体４０の内壁面に固定され、他端側は配管９０に接する。第２の支持部材４１ａは、配管９０を挟んで超音波振動子１０ａの反対側に設けられ、第２の支持部材４１ｂは、配管９０を挟んで超音波振動子１０ｂの反対側に設けられる。配管９０は、第１の筐体３０に格納された超音波振動子１０ａ、１０ｂと、第２の筐体４０に格納された第２の支持部材４１ａ、４１ｂとでクランプされる。第１の筐体３０と第２の筐体４０は開閉可能に構成され、超音波流量計１を配管９０に対して脱着できるように構成されている。なお、第２の支持部材４１を省略してもよい。この場合、配管９０は、超音波振動子１０ａ、１０ｂと第２の筐体４０とでクランプされる。

超音波振動子１０の左右両面の平面部にはそれぞれ電極が取り付けられ、左右両面からプラス配線とマイナス配線を取り出すように構成している。超音波振動子１０の片面からプラス配線とマイナス配線を取り出す折り返し電極を用いないことで、信頼性を高めることができる。

送信回路５０は、処理部１００からの制御信号に基づき送信信号（超音波振動子１０を振動させるための駆動信号）を生成し、生成した送信信号を、一対の超音波振動子１０ａ、１０ｂのうち送信側の振動子に送信（印加）する。

受信回路６０は、一対の超音波振動子１０ａ、１０ｂのうち受信側の振動子からの受信信号（受波信号）をデジタルデータに変換して処理部１００に出力する。受信回路６０は、増幅器、ゲインコントローラ、フィルタ（ローパスフィルタ等）、ＡＤ変換器等を含んで構成される。

第１切替部７０は、処理部１００からの制御信号に基づき、送信回路５０と、超音波振動子１０ａ、１０ｂとの接続を切り替える。第１切替部７０は、第１スイッチ７１と第２スイッチ７２を含んで構成される。第１切替部７０において、送信回路５０と第１スイッチ７１が接続されると、送信回路５０からの送信信号は超音波振動子１０ａに送信される。これにより、上流側の超音波振動子１０ａが送信側に設定される。一方、第１切替部７０において、送信回路５０と第２スイッチ７２が接続されると、送信回路５０からの送信信号は超音波振動子１０ｂに送信される。これにより、下流側の超音波振動子１０ｂが送信側に設定される。

第２切替部８０は、処理部１００からの制御信号に基づき、受信回路６０と、超音波振動子１０ａ、１０ｂとの接続を切り替える。第２切替部８０は、第１スイッチ８１と第２スイッチ８２を含んで構成される。第２切替部８０において、受信回路６０と第１スイッチ８１が接続されると、超音波振動子１０ａからの受信信号が受信回路６０に入力される。これにより、上流側の超音波振動子１０ａが受信側に設定される。一方、第２切替部８０において、受信回路６０と第２スイッチ８２が接続されると、超音波振動子１０ｂからの受信信号が受信回路６０に入力される。これにより、下流側の超音波振動子１０ｂが受信側に設定される。

図１に示す例では、第１切替部７０において送信回路５０と第１スイッチ７１が接続され、第２切替部８０において受信回路６０と第２スイッチ８２が接続されているため、上流側の超音波振動子１０ａが送信側に、下流側の超音波振動子１０ｂが受信側に設定されている。なお、下流側の超音波振動子１０ｂを送信側に、上流側の超音波振動子１０ａを受信側に設定するには、第１切替部７０において送信回路５０と第２スイッチ７２を接続し、第２切替部８０において受信回路６０と第１スイッチ８１を接続すればよい。

処理部１００は、制御部１１０と、算出部１２０とを含む。制御部１１０は、送信回路５０を制御するための制御信号を生成して送信回路５０に出力し、送信側の超音波振動子１０に送信信号を印加する制御を行う。また、制御部１１０は、第１切替部７０、第２切替部８０を制御するための制御信号を生成して第１切替部７０、第２切替部８０に出力する。

算出部１２０は、超音波振動子１０ａ、１０ｂからの受信信号に基づいて、上流側の超音波振動子１０ａから送信された超音波信号が下流側の超音波振動子１０ｂに到達するまでの伝搬時間ｔ_１［ｓ］と、下流側の超音波振動子１０ｂから送信された超音波信号が上流側の超音波振動子１０ａに到達するまでの伝搬時間ｔ_２［ｓ］を測定し、次式（１）により、配管９０を流れる流体の平均流速Ｖ［ｍ／ｓ］を算出する。

ここで、Ｌは、超音波振動子１０ａ、１０ｂ間の距離（超音波信号が流体中を伝搬する距離）［ｍ］であり、Ｋは、係数である。ガイド波の場合、計測できるｔ_１、ｔ_２は群速度に係わるものなので、距離Ｌを縦波が伝搬する場合に比べて、一般的に大きくなる。また、受信波形の形状が距離Ｌによって異なるために、正確な伝搬時間を求められない。Ｋは、これらの現象を補正するための係数である。なお、平均流速Ｖに配管９０の断面積を乗じることで流体の体積流量［ｍ^３／ｓ］を求めることができる。

本実施形態の超音波流量計１では、円板型又は円環型の超音波振動子１０が、その外周
面（曲面部）が音響整合層２０を介して配管９０に接する（音響整合層２０を介して曲面同士が接する）ように構成されるため、音響整合層２０の体積を小さくして、超音波振動子１０と配管９０との接触面積を小さくすることができる。これにより、異なる位相の信号が多重化される問題を極力回避することができ、測定精度を向上させることができる。また、超音波振動子１０から流体までの距離を短くすることができ、伝搬時間のオフセットを小さくして、受信波形の再現性を良くして測定精度を向上させることができる。また、本実施形態の超音波流量計１では、超音波振動子１０の形状に制約はなく、対象となる配管９０を最も伝搬し易い最適な周波数を得るために、超音波振動子１０の形状（内径、外径、厚さ）を自由に設計することができる。また、本実施形態の超音波流量計１によれば、第１の支持部材３１と第２の支持部材４１により、超音波振動子１０の配管９０への押圧を制御することで、配管９０の熱膨張による温度ドリフトを低減して測定精度を向上させることができる。

図３は、本実施形態の超音波流量計の第２の構成例を模式的に示す図である。なお、図３では、送信回路５０、受信回路６０、第１切替部７０、第２切替部８０及び処理部１００の図示を省略している。図３に示す超音波流量計１ａでは、超音波振動子１０ａ、１０ｂ間に設けられる第１の支持部材３１ｃを省略している。この構成により、一方の超音波振動子１０から第１の支持部材３１を伝搬して他方の超音波振動子１０に伝搬するノイズを低減することができ、測定精度を向上させることができる。図４は、図３に示す超音波流量計１ａで得られた受信信号の一例を示す図である。

図５は、本実施形態の超音波流量計の第３の構成例を模式的に示す図である。図５に示す超音波流量計１ｂでは、第１の支持部材３１（３１ａ、３１ｂ）の第１の筐体３０に固定される側の端面に超音波吸収材２００ａを貼り付け、第２の支持部材４１（４１ａ、４１ｂ）の第２の筐体４０に固定される側の端面に超音波吸収材２００ｂを貼り付けている。このように、第１の支持部材３１と第１の筐体３０との接続部分及び第２の支持部材４１と第２の筐体４０との接続部分に超音波吸収材２００ａ、２００ｂを設けることで、第１の支持部材３１や第２の支持部材４１を伝搬して第１の筐体３０や第２の筐体４０で反射するノイズや、第１の筐体３０や第２の筐体４０を経由して伝搬するノイズを低減することができ、測定精度を向上させることができる。

以上、本実施形態あるいは変形例について説明したが、本発明はこれら本実施形態あるいは変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１，１ａ，１ｂ…超音波流量計、１０，１０ａ，１０ｂ…超音波振動子、２０，２０ａ，２０ｂ…音響整合層、３０…第１の筐体、３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ…第１の支持部材、４０…第２の筐体、４１，４１ａ，４１ｂ…第２の支持部材、５０…送信回路、６０…受信回路、７０…第１切替部、７１…第１スイッチ、７２…第２スイッチ、８０…第２切替部、８１…第１スイッチ、８２…第２スイッチ、９０…配管、１００…処理部、１１０…制御部、１２０…算出部、２００ａ、２００ｂ…超音波吸収材

Claims (3)

1. 流体が流れる配管の上流側と下流側に配置され超音波信号を送受信する一対の超音波振動子を備えた超音波流量計であって、
   前記超音波振動子は、円板型振動子又は円環型振動子であり、前記超音波振動子の外周面が音響整合層を介して前記配管に接するように設けられていることを特徴とする超音波流量計。
2. 請求項１において、
   前記超音波振動子を格納する第１の筐体と、前記第１の筐体に固定され前記超音波振動子を支持する第１の支持部材と、第２の筐体と、前記第２の筐体に固定された第２の支持部材とを備え、
   前記超音波振動子と前記第２の支持部材とで前記配管をクランプするように構成されたことを特徴とする超音波流量計。
3. 請求項２において、
   前記第１の支持部材と前記第１の筐体との接続部分及び前記第２の支持部材と前記第２の筐体との接続部分に超音波吸収材を設けたことを特徴とする超音波流量計。