JPH06117894A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 廻り込み波のうちの特に表面波を少なくし、
充分なＳ／Ｎ比を確保し得るようにする。 【構成】 上流の超音波振動子１から下流の超音波振動
子２までの音波の伝搬時間と、その逆方向の音波の伝搬
時間との差から流体の流速または流量を計測する超音波
流量計において、配管４の外周にゲルからなり、廻り込
み波を漏洩させるための吸音材１０を配置することによ
り、表面波を散らし一定以上のＳ／Ｎ比が得られるよう
にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、流体の流れに対して
斜めに音波を伝搬させたときの、超音波の伝搬時間差か
ら流体の流速または流量を計測するようにした、いわゆ
る超音波流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は透過型超音波流量計の測定原理を
説明するための説明図である。まず、上流の超音波振動
子１を超音波により励起すると、出射された超音波は斜
角クサビ３に伝搬される。この斜角クサビ３は流体の流
れ５に対し、超音波を斜め（或る一定の打ち込み角）に
入射させるものである。さらに、超音波は配管４から配
管内の流れ５へと伝搬するが、斜角クサビ３と配管４、
配管４と配管内の流れ５との各境界面においては、図５
に示す如きスネルの法則に従って音波は屈折する。な
お、図５のｉ，ｏはそれぞれ媒質、θｉ，θｏはそれぞ
れ入射角，反射（出射）角、Ｃｏ，Ｃｉはそれぞれ媒質
ｉ，ｏでの音速を示している。

【０００３】配管内の流れ５へと伝搬した音波は対向面
に到達し、再び境界面で屈折したのち下流の超音波振動
子２に受信される。この上流から下流の超音波センサに
到達するまでの音波の伝搬時間をＴ１２とし、逆に下流
の超音波振動子２を励起し上流の超音波振動子１で音波
を受信する場合の伝搬時間をＴ２１とすると、それぞれ
の伝搬時間は次の（１），（２）式で表わされる。な
お、τは配管，斜角クサビでの伝搬時間、Ｄは配管の内
径、Ｃは流体の音速、Ｖは流体の流速をそれぞれ示す。 上式からも明らかなように、流速があると（Ｖが零でな
いとき）Ｔ１２，Ｔ２１に時間差が生じることが分か
る。

【０００４】かかる超音波流量計は内径が２５ｍｍ〜３
０００ｍｍの配管内の流速，流量が測定できることか
ら、一般に幅広く用いられている。しかし、伝搬する音
波は図６（イ）に示すように、水中を伝搬する本来の波
（直接波）Ｗの他に、配管壁を伝わる廻り込み波Ｗ１
１，Ｗ１２が発生する。なお、同図（ロ）は受信波を示
す波形図、（ハ）はその拡大図である。この廻り込み波
は配管の上面を結ぶ経路を伝搬する廻り込み波Ｗ１１
と、配管の底面を通過して配管を１周するように伝搬す
る廻り込み波Ｗ１２に分類されるが、流速の検出（伝搬
時間の計測）に大きな影響を及ぼすのが廻り込み波Ｗ１
２である。この廻り込み波Ｗ１２と直接波Ｗとが受信側
の超音波振動子によって受信される時間差は、配管の管
径に応じて異なって来る。例えば、口径が１００ｍｍ以
上ならば廻り込み波Ｗ１２と本来の直接波Ｗとの間には
充分な時間差があるので、特に問題とはならない。これ
に対し、内径が２５ｍｍ程度の小口径管ではこの時間差
が余りなく、廻り込み波Ｗ１２の尾引きが長くなって本
来の直接波Ｗに重畳すると、正確な伝搬時間が測定でき
なくなる。なお、この廻り込み波Ｗ１２は、配管口径が
同じであっても壁の厚みが厚い程大きくなる。

【０００５】図７に従来の超音波センサの構成例を示
す。つまり、円板または角板の超音波振動子６を底面が
平坦な斜角クサビ３に接着材７で直接接着して構成さ
れ、斜角クサビ３と配管４の境界面には、グリース（媒
質）などを塗布して良好な音響透過性を得るようにして
いる。ここで、超音波振動子６を矩形状の微小振動子６
Ａ，６Ｂ，６Ｃの集合からなるとすると、個々の微小振
動子の指向性Ｒは以下の式（３）で示され、これをグラ
フ化すると図８のようになる。同図からも明らかなよう
に、音波の出射強度，受信感度の高い方向は微小振動子
の領域の法線（メインビーム）方向である。 ただし、２ａ：微小振動子の長さ Ｋ：ω（角周波数）／Ｃ（音速） γ：指向角度

【０００６】超音波振動子を含み配管の軸に垂直な断面
を示すのが図９であり、この図を参照して個々の微小振
動子からの法線方向の音波につき、その伝搬経路を考え
て見る。音波の伝搬するベクトルは、配管の長手方向の
ベクトルとこれに直交する成分とに分解することがで
き、ここでは廻り込み波の原因となる直交成分について
のみ取り扱い、この直交ベクトルを配管の軸方向に投影
して示したのが図９というわけである。なお、この成分
は実際は受信までに１回転のスパイラル状の伝搬をする
と考えれば良い。なお、図９の符号８は上記媒質（グリ
ース）を示す。すなわち、超音波振動子の中心の微小振
動子６Ａから出射された音波は、配管４に対して法線方
向に入射するので屈折することなく配管４から水中へと
透過して直接波となる。一方、端部の微小振動子６Ｂ，
６Ｃからの音波は配管の法線ベクトルに対して斜めに入
射し、図５に示すようなスネルの法則に従って屈折する
ことになる。ここで、配管中の音速はグリース８での音
速よりも速いので、図９に示す角度βとθとの関係はβ
＞θとなる。そして、この音波が配管の中を多重反射し
て廻り込み波Ｗ１２となるのである。ここでは、両極端
の場合について説明したが、微小振動子には指向性があ
るため、実際にはこの点も考慮しなければならない。

【０００７】図１０に配管の肉厚部を伝搬する波の種類
を示す。配管４の外周面，内周面に接するように入射し
た音波は、配管の表面を表面波Ｗ１２ｉ，Ｗ１２ｏ（配
管の厚みが薄い場合は板波）として伝搬し、それ以外の
波は外周面，内周面を多重反射する多重反射波（Ｗ１２
ｃ）として伝搬する。これらの廻り込み波と直接波を振
動子にて受信した波形を図１１（イ）に示す。同図
（ロ）は同（イ）における廻り込み波の部分を拡大（縦
軸のみ拡大）して示しており、直接波Ｗの直前に７ｍＶ
程度の廻り込み波Ｗ１２が存在することを示している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上に詳述したよう
に、送受信回路の高帯域化，超音波センサの高帯域化に
よる廻り込み波の尾引きの短縮化，超音波振動子の小型
化だけでは、肉厚の厚い配管においては精度１％に必要
なＳ／Ｎ比および感度が充分に得られないという問題が
発生する。したがって、この発明の課題は本質的に廻り
込み波を吸収し得るセンサ構造とし、充分なＳ／Ｎ比を
確保し得るようにすることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め、この発明では、配管内を流れる流体の流れに対して
或る一定の打ち込み角度をもって音波を伝搬させ、上流
の超音波振動子から下流の超音波振動子までの音波の伝
搬時間と下流の超音波振動子から上流の超音波振動子ま
での音波の伝搬時間との差から流体の流速または流量を
計測する超音波流量計において、前記配管の外周に廻り
込み波を漏洩させるための吸音材を設けたことを特徴と
している。この発明においては、前記吸音材として粘着
性を有するゲルを使用することができ、さらにはポリウ
レタン系のゲルを使用すると好都合である。

【００１０】

【作用】配管の外周表面に音響インピーダンスが低く吸
音効果を持つ材料を貼り付けることにより、配管の外周
表面を伝播する廻り込み波の一部を吸収し、最終的に受
信用の超音波振動子に受信される廻り込み波のレベルを
低減させ、流体中を伝播し受信用の超音波振動子に受信
される直接波とのＳ／Ｎを増大させ、肉厚の厚い（例え
ば１インチ）配管においても充分なＳ／Ｎを得られるよ
うにする。

【００１１】

【実施例】図１はこの発明の１実施例を示す構成図で、
同（イ）はその斜視図、同（ロ）は断面図である。これ
は、配管４の斜角クサビ３の取り付け部の周囲に、表面
波を漏洩させる吸音材１０を粘着させるとともに（吸音
材１０は自身で粘着性を持つ）、この吸音材１０の外表
面を金属性のサポータ１１で支持し、配管４に吸音材１
０を完全に密着，固定する。表面波漏洩材となる吸音材
１０としては水，グリースなどがあるが、装着性や移動
性を考慮すると不向きであり、これと同等の漏洩特性を
持つゲルが妥当である。ゲルとしては医療用超音波診断
装置の超音波プローブと被検体との超音波的結合を行な
う粘性状ゲルなどが考えられるが、さらに装着性，再利
用性に富む半固形状のゲルが望ましい。その代表的なも
のとして、例えばタキロン社製の「ソナゲル」，「ゲル
ロード」などを挙げることができる。

【００１２】すなわち、これらはアルキンレンオキサイ
ドセグメントを有するポリウレタン系の粘着ゲルであ
り、配管との粘着性は非常に良いことが確かめられてい
る。つまり、図１０で説明した表面波には、その振動モ
ードによって下記の表１のように、その名称が変わる。
その表面波の１例であるレイリー波の伝搬モードを図２
に示す。図２（イ）からも明らかなように、レイリー波
は粒子が楕円状に運動しながら伝搬し、そのエネルギー
は図２（イ），（ロ）のように表面からの深さが深くな
るほど小さくなり、表面から１波長以内にその９０％以
上が含まれることが知られており、水などの音響インピ
ーダンスの低いものと接触すると、音波がその物質中に
漏洩することが知られている。この発明は、表面波のこ
のような性質を利用し、図１０で示す受信用超音波振動
子に受信される廻り込み波Ｗ１２の中の、特にＷ１２ｏ
成分を漏洩させるようにしたものと言うことができる。

【００１３】

【００１４】図３はこの発明における廻り込み波を説明
するための説明図で、スケールなどは図１１の場合と同
じである。すなわち、図３（ロ）のように直接波Ｗの直
前の廻り込み波Ｗ１２のレベルはほぼ２．５ｍＶで、ゲ
ルを配管の外表面に接触させないときの波形、つまり図
１１の場合と比べて約１／３に低減され、Ｓ／Ｎ比で約
１０ｄＢ向上する。なお、図３（ロ）では直接受信波Ｗ
の約１６μＳ手前で廻り込み波の振幅が大きくなってい
るが、これは、漏洩材であるゲルがその本来の性質とし
て音波を伝搬する性質（医療用超音波診断装置では、超
音波接触子と患部との間に音波伝搬材として装着され
る）を持つため、超音波振動子近傍のゲルが廻り込み波
の伝搬を手助けする形となり、図６のＷ１１で示すよう
な配管を周回しない伝搬経路を通過して受信される音波
と推定される。ただし、かかる成分は直接波には重畳し
ないことから、流量測定精度には直接関与しないもので
ある。なお、吸音材の超音波振動子近傍の部分を配管外
壁より遠ざけると、この波は消滅することも確かめられ
ている。

【００１５】

【発明の効果】この発明によれば、配管の外壁表面を伝
搬する表面波を吸収し、受信センサで受信される廻り込
み波のレベルを低減するようにしたので、流体を通過し
て受信される直接波とのＳ／Ｎ比である４０ｄＢをほぼ
確保することができ、精度１％を達成することが可能と
なる

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す構成図である。

【図２】レイリー波の伝搬モードを説明するための説明
図である。

【図３】この発明における直接波および廻り込み波の各
波形を示す波形図である。

【図４】一般的な超音波流量計を示す断面図である。

【図５】スネルの法則を説明するための説明図である。

【図６】一般的な廻り込み波を説明するための説明図で
ある。

【図７】超音波センサの具体例を示す断面図である。

【図８】矩形微小振動子の指向性を説明するための説明
図である。

【図９】微小振動子から配管へのメイン音波ビームの伝
搬経路を説明するための説明図である。

【図１０】廻り込み波の種類を説明するための説明図で
ある。

【図１１】従来の超音波流量計における直接波および廻
り込み波の各波形を示す波形図である。

【符号の説明】

１…超音波センサ（上流）、２…超音波センサ（下
流）、３…斜角クサビ、４…配管、５…流体（流れ）、
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ……超音波振動子、７…接着材、
８…グリース（媒体）、１０…吸音材、１１…サポー
タ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配管内を流れる流体の流れに対して或る
   一定の打ち込み角度をもって音波を伝搬させ、上流の超
   音波振動子から下流の超音波振動子までの音波の伝搬時
   間と下流の超音波振動子から上流の超音波振動子までの
   音波の伝搬時間との差から流体の流速または流量を計測
   する超音波流量計において、 前記配管の外周に廻り込み波を漏洩させるための吸音材
   を設けたことを特徴とする超音波流量計。
2. 【請求項２】 前記吸音材として粘着性を有するゲルを
   使用することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量
   計。
3. 【請求項３】 前記吸音材としてポリウレタン系のゲル
   を使用することを特徴とする請求項１に記載の超音波流
   量計。