JPWO2015059990A1 - 流体計測装置 - Google Patents

Abstract

配管内の流体に超音波信号が透過しにくい場合であっても該流体の多様な種類や流体の流速などの流体特性を簡易かつ精度よく計測することができる流体計測装置を提供することを目的とする。このための構成は、配管外壁１０１に設置した１つの超音波探触子１４から配管１００内の流体に超音波を送受信し、前記流体内を伝搬した超音波の伝搬時間をもとに前記流体の特性を計測する流体計測装置であって、超音波探触子１４は、配管１００の接面と水平な面に超音波振動子１１を設置して超音波を前記流体に垂直に入射させる楔１２を有し、楔１２は、配管１００の軸方向と垂直な断面において、超音波振動子１１を設置した振動子面Ｓαと、該振動子面Ｓαに対し水平で配管外壁１０１に接して設置される配管接面Ｓβとを有し、配管接面Ｓβの前記軸方向と垂直な断面内長さＬ２が振動子面Ｓαの前記軸方向と垂直な断面内長さＬ１より短いようにしている。

Description

この発明は、配管内の流体に超音波信号が透過しにくい場合であっても該流体の多様な種類や流体の流速などの流体特性を簡易かつ精度よく計測することができる流体計測装置に関する。

地中には、都市ガスを供給するためのガス管や、上下水管等の配管が埋設されている。そして、配管が埋設された場所で工事を行う際、これらの配管が露出し、この露出した配管がどのような種類のものであるか不明な場合がある。このような場合、配管内部を流れる流体の種類、例えば都市ガスや水や空気などの流体の種類を判別することにより、露出した配管の種別を判定し、この配管種別ごとに適切な処置を取る必要がある。

従来の配管内の流体の種類を判別する流体種類判別方法として、配管に穿孔を設け、この穿孔により内部流体を抽出する方法がある。また、他の配管の流体種類判別方法として、中性子水分計を用いる方法がある。この方法は、配管を壊さずに流体種類を判別することができる。さらに、他の配管の流体種類判別方法として、特許文献１に記載されているように、超音波の透過強度により流体種類を判定するものがある。また、特許文献２には、配管を壊さずに外側から超音波を透過させて配管内の液体の流速分布を計測するものが記載されている。

特開平１１−９４６１３号公報 特許第４６８７２９３号公報

しかしながら、穿孔により内部流体を抽出して配管内の流体の種類を判別する流体種類判別方法では、配管の流体種類判別後に穿孔を塞ぐという配管の復旧作業が必要となり、時間と労力とがかかる。

また、中性子水分計を用いて配管内の流体の種類を判別する流体種類判別方法では、水の有無しか判らないので、判別できる流体が限られ、十分な流体種類判別を行うことができない。

さらに、特許文献１に記載された、超音波の透過強度を用いて配管内の流体の種類を判別する流体種類判別方法では、配管内に超音波探触子を設ける必要があり、このための複雑な配管工事が必要となる。

また、特許文献２に記載されたものを、都市ガスや空気といった気体に適用しようとすると、液体に比べて超音波の透過率が低く、十分な測定精度が得られない。さらに、配管が古く錆び、腐食や付着によって超音波が通りにくい場合にも、十分な測定精度を得ることができない。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、配管内の流体に超音波信号が透過しにくい場合であっても該流体の多様な種類や流体の流速などの流体特性を簡易かつ精度よく計測することができる流体計測装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる流体計測装置は、配管外壁に設置した１つの超音波探触子から配管内の流体に超音波を送受信し、前記流体内を伝搬した超音波の伝搬時間をもとに前記流体の特性を計測する流体計測装置であって、前記超音波探触子は、前記配管の接面と水平な面に超音波振動子を設置して超音波を前記流体に垂直に入射させる楔を有し、前記楔は、前記配管の軸方向と垂直な断面において、前記超音波振動子を設置した振動子面と、該振動子面に対し水平で配管外壁に接して設置される配管接面とを有し、該配管接面の前記軸方向と垂直な断面内長さが該振動子面の前記軸方向と垂直な断面内長さより短いことを特徴とする。

また、この発明にかかる流体計測装置は、上記の発明において、前記楔は、前記配管の軸方向と垂直な断面において、前記振動子面と前記配管接面とを結ぶ楔側面が前記振動子面及び前記配管接面に対する垂線に対して斜めとなる斜面部を有することを特徴とする。

また、この発明にかかる流体計測装置は、上記の発明において、前記超音波振動子は、前記配管の軸方向に隣接し同一の前記楔上に設置された一対の超音波振動子からなることを特徴とする。

また、この発明にかかる流体計測装置は、配管外壁に設置した複数の超音波探触子から配管内の流体に超音波を送受信し、超音波の送信から受信までの時間を測定する時間計測部により計測された前記流体内を伝搬した超音波の伝搬時間をもとに前記流体の特性を計測する流体計測装置であって、前記超音波探触子は、前記配管の軸方向に対して斜めな面に超音波振動子を設置して超音波を前記流体に斜めに入射させる楔を有し、前記楔は、前記配管の軸方向と垂直な断面において、前記超音波振動子を設置した振動子面を投影した振動子投影面と、配管外壁に接して設置される配管接面とを有し、該配管接面の前記軸方向と垂直な断面内長さが、該振動子投影面の前記軸方向と垂直な断面内の水平方向長さより短いことを特徴とする。

また、この発明にかかる流体計測装置は、上記の発明において、前記楔は、前記配管の軸方向と垂直な断面において、前記振動子投影面と前記配管接面とを結ぶ楔側面が前記配管接面に対する垂線に対して斜めとなる斜面部を有することを特徴とする。

また、この発明にかかる流体計測装置は、上記の発明において、前記超音波振動子で発生する超音波は、前記超音波振動子の中心と前記配管の軸とを含む平面に対してＳＶ波であることを特徴とする。

また、この発明にかかる流体計測装置は、上記の発明において、前記楔は、前記軸方向と垂直な断面において、前記斜面部と前記配管接面とが離隔していることを特徴とする。

また、この発明にかかる流体計測装置は、上記の発明において、前記楔は、複数の材質を組み合わせて構成され、前記振動子面を形成部分と前記配管接面を形成する部分とは異なる材質であることを特徴とする。

また、この発明にかかる流体計測装置は、上記の発明において、前記配管接面を形成する部分の材質は、前記振動子面を形成する部分の材質に比べ、高温あるいは低温に対する耐熱性能が高い材質であることを特徴とする。

また、この発明にかかる流体計測装置は、上記の発明において、前記楔の前記軸方向と垂直な断面は前記配管の軸を通る中心線に対し左右対称形状であり、前記配管接面に対する垂線に対する前記斜面部の角度θと、前記配管接面の前記軸方向と垂直な断面内長さを前記振動子面の前記軸方向と垂直な断面内長さあるいは前記振動子投影面の前記軸方向と垂直な断面内の水平方向長さで除した値ａとが、tan２θ／tanθ ＜（１＋ａ）／（１−ａ）を満足することを特徴とする。

また、この発明にかかる流体計測装置は、上記の発明において、前記値ａは、１／３＜ａ＜１を満足することを特徴とする。

また、この発明にかかる流体計測装置は、上記の発明において、前記角度θは、０°＜θ＜４５°を満足することを特徴とする。

また、この発明にかかる流体計測装置は、上記の発明において、前記楔と前記配管外壁とが接する箇所の周囲に、前記配管外壁に接して超音波吸収体を設けたことを特徴とする。

また、この発明にかかる流体計測装置は、上記の発明において、前記超音波吸収体は、基材にタングステンを混合したことを特徴とする。

また、この発明にかかる流体計測装置は、上記の発明において、前記超音波吸収体は、基材に磁性体を混合し、シート状に加工したことを特徴とする。

この発明によれば、配管外壁に設置した１つの超音波探触子から配管内の流体に超音波を送受信し、前記流体内を伝搬した超音波の伝搬時間をもとに前記流体の特性を計測する際に用いる前記超音波探触子は、前記配管の接面と水平な面に超音波振動子を設置して超音波を前記流体に垂直に入射させる楔を有し、前記楔は、前記配管の軸方向と垂直な断面において、前記超音波振動子を設置した振動子面と、該振動子面に対し水平で配管外壁に接して設置される配管接面とを有し、該配管接面の前記軸方向と垂直な断面内長さが該振動子面の前記軸方向と垂直な断面内長さより短いようにしているので、超音波振動子から出射された超音波は配管接面に垂直な状態で集中し、密度の高い超音波を配管側に入射することができる。この結果、配管内の流体に超音波信号が透過しにくい場合であっても該流体の多様な種類や流体の流速などの流体特性を簡易かつ精度よく計測することができる。

図１は、この発明の実施の形態１である流体計測装置の全体構成を示す模式図である。 図２は、超音波振動子から配管に向けて出射された超音波信号の反射波の状態を示す模式図である。 図３は、超音波振動子で送信された超音波信号に対する反射波を超音波振動子が受信するタイムチャートである。 図４は、流体種類判別部による流体種類判別処理手順を示すフローチャートである。 図５は、配管内径の取得処理手順を示す詳細フローチャートである。 図６は、配管の軸方向と垂直な面からみた超音波探触子の構成を示す図である。 図７は、配管の軸方向と水平な面からみた超音波探触子の構成を示す図である。 図８は、従来の超音波探触子の楔の構成を示す図である。 図９は、１つの楔の振動子面上に２つの超音波振動子を設けた超音波探触子の一例を示す図である。 図１０は、斜面部を有する部分と下部の中間部とを金属とし、上部の中間部を樹脂とした超音波探触子の一例を示す図である。 図１１は、下部の中間部を金属とし、上部の中間部と斜面部を有する部分とを樹脂とした超音波探触子の一例を示す図である。 図１２は、楔が配管の軸方向に垂直な面で左右対称の構造である場合における角度θの制限を説明する説明図である。 図１３は、角度θが４５°である場合において斜面部で反射された超音波の軌跡を示す説明図である。 図１４は、配管内を多重反射して伝わる干渉波の一例を示す模式図である。 図１５は、配管内を多重反射しフランジで反射する干渉波の一例を示す模式図である。 図１６は、配管内を多重反射して伝わる干渉波を超音波吸収体によって減衰させる状態を示す模式図である。 図１７は、配管の円周の半分以下の範囲を覆うように超音波吸収体を設けた一例を示す模式図である。 図１８は、この発明の実施の形態２である流体計測装置の全体構成を示す模式図である。 図１９は、この発明の実施の形態２における超音波探触子を配管の軸方向と垂直な面からみた構成を示す図である。 図２０は、この発明の実施の形態２における超音波探触子を配管の軸方向と水平な面からみた構成を示す図である。 図２１は、この発明の実施の形態２の変形例における超音波探触子を配管の軸方向と垂直な面からみた構成を示す図である。 図２２は、この発明の実施の形態２の変形例における超音波探触子を配管の軸方向と水平な面からみた構成を示す図である。 図２３は、Ｌ波を入射した場合における図２１の部分Ｃの拡大図である。 図２４は、ＳＶ波を入射した場合における図２１の部分Ｃの拡大図である。 図２５は、超音波振動子中心と配管の軸とを含む平面内で、かつ、超音波の進行方向と垂直に振動しているＳＶ波を示す図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

（実施の形態１）
［全体構成］
図１は、この発明の実施の形態１である流体計測装置の全体構成を示す模式図である。図１において、流体計測装置１は、流体１０３の特性の１つである、配管１００内を流れる流体１０３の種類を判別するものである。

図１に示すように、流体計測装置１は、測定部１０と装置本体２０とを有する。測定部１０は、超音波振動子１１と楔１２とを有する。超音波振動子１１と楔１２とは、楔１２下部が配管１００の配管外壁１０１に接する接面と、楔１２上部が超音波振動子１１を設置する設置面とが平行になっており、配管外壁１０１の接面に対して超音波を垂直に照射して透過させる構造となっている。なお、楔１２の下部には、楔１２の下部と配管外壁１０１との間における超音波の透過率が悪い空気などの存在をなくすため、超音波カプラとして機能する超音波接続媒体１３を設けている。この超音波接続媒体１３は、精製水、アルコール、シリコンなどによって実現される。超音波接続媒体１３は、液状、ゲル状、ゴム状などのいずれの形態であってもよい。なお、超音波振動子１１、楔１２、及び超音波接続媒体１３は、超音波探触子１４を形成する。また、超音波探触子１４の周囲の配管外壁１０１には、配管１００の肉厚部を多重反射して伝わる干渉波を吸収する超音波吸収体１５が配置される。測定部１０は、超音波探触子１４と超音波吸収体１５とからなる。

装置本体２０は、送信部２１、受信部２２、スイッチ２３、時間計測部２４、流体種類判別部２５、記憶部２６、及び入出力部２７を有し、各部は制御部２８に接続される。スイッチ２３は、超音波振動子１１に電気的に接続される。

送信部２１は、超音波振動子１１に超音波信号を生成させる超音波送信パルス電気信号を生成し、スイッチ２３を介して超音波振動子１１に出力する。超音波振動子１１は、超音波送信パルス電気信号によって超音波信号を生成する。生成された超音波信号は、楔１２を介して配管１００を透過し、流体１０３内に入射する。流体１０３内に入射した超音波信号は、超音波探触子１４の配置位置と反対側の配管内壁１０２で反射し、流体１０３内を一往復し、配管１００を再び透過し、楔１２を介して超音波振動子１１に入射する。超音波振動子１１に入射した超音波信号は、超音波振動子１１によって超音波受信パルス電気信号に変換され、受信部２２に出力される。なお、制御部２８は、超音波送信パルス電気信号の送信時のみ、スイッチ２３を送信部２１側に接続し、超音波送信パルス電気信号の送信後における超音波受信パルス電気信号の受信時にはスイッチ２３を受信部２２側に接続する。

時間計測部２４は、送信部２１が送信した超音波送信パルス電気信号の送信時刻（超音波振動子１１から超音波信号を送信した時刻）と受信部２２が受信した超音波受信パルス電気信号の受信時刻（超音波振動子１１が超音波信号の反射波を受信した時刻）とをもとに、配管１００に対して垂直に入射された超音波信号が流体１０３内を一往復する伝搬時間を計測する。

ここで、図２に示すように、超音波振動子１１から出射された超音波信号の反射波にはＳａ，Ｓｂ，Ｓｃの３つがある。反射波Ｓａは、超音波振動子１１から出射された超音波信号のうち、一部が楔１２と配管外壁１０１との界面で反射して超音波振動子１１に戻ってきたものである。反射波Ｓｂは、楔１２と配管外壁１０１との界面を透過した超音波信号のうち、一部が配管内壁１０２と流体１０３との界面で反射して超音波振動子１１に戻ってきたものである。反射波Ｓｃは、配管内壁１０２と流体１０３との界面を透過した超音波信号が、流体１０３内を横断し、反対側の配管内壁１０２で反射して、流体１０３内を一往復した後、配管１００及び楔１２を透過して超音波振動子１１に戻ってきたものである。

図３は、超音波振動子１１で送信された超音波信号Ｓに対する反射波Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃを超音波振動子１１が受信するタイムチャートである。図３に示すように、時間ｔａは、超音波振動子１１が超音波信号Ｓを送信してから反射波Ｓａを受信するまでの時間（第３時間）である。時間ｔｂは、超音波振動子１１が超音波信号Ｓを送信してから反射波Ｓｂを受信するまでの時間（第１時間）である。時間ｔｃは、超音波振動子１１が超音波信号Ｓを送信してから反射波Ｓｃを受信するまでの時間（第２時間）である。

時間計測部２４は、上述したように、配管１００に対して垂直に入射された超音波信号が流体１０３内を一往復する伝搬時間ｔｆを、次式（１）によって求める。すなわち、
ｔｆ＝ｔｃ−ｔｂ …（１）

［配管内径Ｄｉが既知の場合の流体種類判別］
流体種類判別部２５は、配管内径Ｄｉの２倍を、時間計測部２４が求めた伝搬時間ｔｆで除算して流体１０３の音速を求める。ここで、記憶部２６は、音速対流体種類関係情報ＤＴ１を保持している。音速対流体種類関係情報ＤＴ１は、流体の種類によって定まる固有の音速と、流体種類との関係を示している。例えば、流体種類が都市ガスの場合、都市ガスはメタンを主成分としており、その音速は約４３０ｍ／ｓである。また、流体種類が水の場合、その音速は約１５００ｍ／ｓである。また、流体種類が空気の場合、その音速は約３４０ｍ／ｓである。一方、配管内径Ｄｉは、入出力部２７から入力される既知の値である。地下に埋設される配管１００の配管内径Ｄｉと配管外径ＤｏとはＪＩＳ等によって規格化されており、計測対象の配管１００の配管外面の規格表記を読み取ることによって配管内径Ｄｉを知ることができる。すなわち、流体種類判別部２５は、配管内径Ｄｉの２倍を伝搬時間ｔｆで除算して流体１０３の音速を求め、この求めた音速に対する流体種類を、音速対流体種類関係情報ＤＴ１を参照して判別する。制御部２８は、流体種類判別部２５が判別した流体種類を入出力部２７から出力する。

［配管内径Ｄｉが未知の場合の流体種類判別］
一方、古い配管や埋設された配管では、規格表記が薄くなって判読が不能であったり、規格表記の箇所が埋まっていて見ることができない場合も多い。また、規格表記そのものが無い配管もある。このような場合、流体種類判別部２５は、時間ｔａ（第３時間）、配管外径Ｄｏ、及び配管材質を用いて配管内径Ｄｉを推定する。この配管内径Ｄｉが推定できれば、流体種類判別部２５は、配管内径Ｄｉが既知の場合と同様にして流体種類判別処理を行うことができる。

配管外径Ｄｏは、配管１００を半分ほど掘り起こせば、実測することができる。また、配管１００の配管材質は外観によって判断することができる。この配管外径Ｄｏと配管材質とは入出力部２７から入力される。

流体種類判別部２５は、記憶部２６に予め保持された配管材質対音速関係情報ＤＴ２をもとに、入力された配管材質に対する配管１００の音速を求める。例えば、配管材質が鉄やステンレスなどの金属に対しては音速が約６０００ｍ／ｓ、配管材質がプラスチックであるポリ塩化ビニルに対しては音速が約２３００ｍ／ｓ、配管材質がプラスチックであるポリエチレンに対しては音速が約１９００ｍ／ｓである。そして、配管材質が金属であるかプラスチックであるかの目視判別は容易である。このため、配管材質対音速関係情報ＤＴ２には、配管材質が金属の場合には配管１００の音速Ｃｐを６０００ｍ／ｓ、配管材質がプラスチックの場合には配管１００の音速Ｃｐを２０００ｍ／ｓとして保持される。

流体種類判別部２５は、配管外径Ｄｏ、配管１００の音速Ｃｐ、時間ｔｂ、時間ｔａを用い、次式（２）によって配管内径Ｄｉを求める。すなわち、
Ｄｉ＝Ｄｏ−Ｃｐ（ｔｂ−ｔａ） …（２）
ここで、Ｃｐ（ｔｂ−ｔａ）の値は、配管１００の肉厚の２倍に相当する。

ところで、式（２）では、配管１００の音速Ｃｐを推定しているので配管内径Ｄｉの値には誤差がある。しかし、例えば、配管外径Ｄｏから配管１００の肉厚を推定しようとすれば、口径５０Ａ（５０ｍｍ）の場合で、金属管で肉厚が１．５〜９ｍｍ、プラスチック管で肉厚が２〜８ｍｍであり、偏差が大きく、誤差が大きくなる。一方、配管１００の音速Ｃｐの配管材質の違いによる偏差は、配管材質が金属であるかプラスチックであるかを目視にて判別可能であるので、上述したように配管１００の音速Ｃｐを推定する場合の方が肉厚を精度よく推定できる。その結果、この実施の形態１では、精度の高い配管内径Ｄｉを求めることができる。

［流体種類判別処理］
ここで、図４及び図５に示したフローチャートをもとに流体種類判別部２５による流体種類判別処理手順について説明する。まず、図４に示すように、流体種類判別部２５は、時間計測部２４から時間ｔａ、ｔｂ、ｔｃを取得する（ステップＳ１０１）。その後、式（１）によって伝搬時間ｔｆを算出する（ステップＳ１０２）。その後、入出力部２７によって入力された配管内径Ｄｉあるいは式（２）によって算出された配管内径Ｄｉを取得する配管内径Ｄｉの取得処理を行う（ステップＳ１０３）。

その後、流体種類判別部２５は、配管内径Ｄｉの２倍を伝搬時間ｔｆで除算して流体１０３の音速を算出する（ステップＳ１０４）。さらに、流体種類判別部２５は、音速対流体種類関係情報ＤＴ１を用いて、求めた音速に対応する流体種類を判別し（ステップＳ１０５）、この流体種類を入出力部２７から出力し（ステップＳ１０６）、本処理を終了する。

図５は、ステップＳ１０３に示した配管内径Ｄｉの取得処理手順の詳細フローチャートである。図５に示すように、流体種類判別部２５は、まず、配管内径Ｄｉが入出力部２７によって入力済みであるか否かを判断する（ステップＳ２０１）。配管内径Ｄｉが入力済みである場合（ステップＳ２０１，Ｙｅｓ）には、そのままステップＳ１０３にリターンする。

一方、配管内径Ｄｉが入力済みでない場合（ステップＳ２０１，Ｎｏ）には、入出力部２７から入力された配管外径Ｄｏ及び配管材質を取得する（ステップＳ２０２）。その後、流体種類判別部２５は、配管材質対音速関係情報ＤＴ２をもとに、取得された配管材質に対応する配管１００の音速Ｃｐを決定する（ステップＳ２０３）。その後、流体種類判別部２５は、式（２）を用いて、配管内径Ｄｉを算出し（ステップＳ２０４）、ステップＳ１０３にリターンする。

［超音波探触子の構成］
図６は、配管１００の軸方向と垂直な面からみた超音波探触子１４の構成を示す図である。また、図７は、配管１００の軸方向と水平な面からみた超音波探触子１４の構成を示す図である。図６及び図７に示すように、楔１２の側面（配管１００の軸方向と垂直な面で広がる方向）に配管接面Ｓβの垂線に対して角度を持った斜めの斜面部３０を有する。そして、超音波振動子１１が配置される楔１２の振動子面Ｓαの断面内長さＬ１より配管接面Ｓβの断面内長さＬ２の方が短くなっている。

この超音波探触子１４では、超音波が超音波振動子１１のほぼ全面で発生し、配管１００に対して垂直方向に伝搬する。その伝搬途中にある斜面部３０に入射した超音波は反射して集波され、最終的に振動子面Ｓαよりも狭い配管接面Ｓβに集中して配管１００に入射する。

ここで、図８に示した従来の超音波探触子の楔１１２には、斜面部３０が形成されていないため、図８に示すように、超音波振動子１１によって発生した超音波の多くが、曲面である配管外壁１０１と、平面である楔１１２の配管接面Ｓβとの間の空間で反射され、配管１００に入射せず、効率の悪い超音波入射となる。

これに対し、この実施の形態１では、曲面である配管外壁１０１に接する小面積の配管接面Ｓβに超音波を集中して配管１００側に透過することができるので、効率の良い超音波入射を行うことができる。この結果、気体や蒸気といった超音波の透過率が低い流体、あるいは配管１００が古く、錆び、腐食、付着により超音波が通りにくい場合であっても、強度の高い超音波を配管１００側に入射させることができるので、流体１０３に対する精度の高い超音波計測を行うことができる。

なお、この実施の形態１では、配管１００に超音波探触子１４を設置する際の応力が、狭い配管接面Ｓβに集中するので、配管外壁１０１と楔１２とが一層密着し、この密着によって超音波の透過効率をさらに向上させることができる。

また、斜面部３０は、平面となっているが、配管接面Ｓβが振動子面Ｓαよりも小さくなるような側面形状であればよく、平面に限らない。

［１つの楔への送信用超音波振動子及び受信用超音波振動子の搭載］
さらに、図６及び図７では、１つの楔１２の振動子面Ｓα上に送受信兼用の１つの超音波振動子１１を設けていたが、図９に示すように、１つの楔１２の振動子面Ｓα上に２つの超音波振動子１１ａ，１１ｂを設けるようにしてもよい。１つの超音波振動子１１ａは送信用超音波振動子として用い、他の超音波振動子１１ｂは受信用超音波振動子として用いる。この場合、超音波振動子１１ａ，１１ｂは、配管１００の軸方向に隣接して並んだ構成となっている。一般に、超音波振動子に電気信号を送って超音波を発生させると、圧電素子内、回路内、あるいは圧電素子と回路との間で残響ノイズが発生し、減衰するまで時間がかかる場合がある。配管径が小さい場合等に残響ノイズが減衰する前に超音波の受信波が超音波振動子に入射することがあり、伝搬時間測定が妨害されることがある。これに対し、図９に示したように、送信用超音波振動子と受信用超音波振動子とに分けると、残響ノイズが送信用超音波振動子と送信回路との間で発生し、受信用超音波振動子と受信回路とには影響しない。

［楔の材質］
ところで、超音波振動子１１は、一般的には圧電素子が用いられている。この圧電素子にはキュリー点が存在し、高温下での使用が制限される。これに対し、この実施の形態１では、斜面部３０と配管接面Ｓβとの間に中間部３１を設け、斜面部３０と配管接面Ｓβとを離隔して直結しないようにしている。この結果、中間部３１は、斜面部３０と振動子面Ｓαとの間の中間部３２に対して細い形状をなしているため、放熱効果を大きくすることができる。従って、中間部３１を適切な長さとすることにより、配管１００の熱が周囲に放熱され、超音波振動子１１に伝達しにくくなる。この結果、この実施の形態１の装置は、高温流体の測定を容易に行うことができる。また、低温流体の測定の場合も、同様に容易に行うことができる。

さらに、図１０及び図１１に示すように、楔１２を複数の材質で組み合わせた構成とすることが好ましい。例えば、配管１００に近い部分は高温になるので耐熱性の高い金属部材とし、超音波振動子１１に近い部分は放熱により温度が下がるので接着性等の組立易さから樹脂部材にすることが可能となり、高温適用と組立易さとを両立することができる。具体的に、図１０では、斜面部３０を有する部分と中間部３１とを金属部材３２ｂとし、中間部３２を樹脂部材３２ａとしている。また、図１１では、中間部３１を金属部材３３ｂとし、中間部３２と斜面部３０を有する部分とを樹脂部材３３ａとしている。

［斜面部の角度］
ところで、斜面部３０と配管接面Ｓβの垂線とがなす角度θについては、制限が存在する。図１２に示すように、この角度θの制限を、楔１２が配管１００の軸方向に垂直な面で左右対称の構造である場合を一例として説明する。ここで、振動子面Ｓαの断面内長さをＤとし、配管接面Ｓβの断面内長さをａ×Ｄとする。ただし、ａは、０＜ａ＜１の値である。

まず、図１３に示すように、角度θが４５°である場合、斜面部３０で反射された超音波は、配管１００に対して水平な角度となり、さらに反対側の斜面部３０で再度反射され、超音波振動子１１に戻ってしまう。この場合、超音波を配管１００側に集中させて入射することができない。

このため、斜面部３０で反射された超音波が、反対側の斜面部３０で反射されず、配管１００側に集中して入射することが必要である。斜面部３０の配管に対して垂直な成分の長さをＬとし、斜面部３０で反射した超音波が反対側の斜面部３０と配管接面Ｓβとの中間部３１に到達するまでの距離に対する、配管１００に対して垂直な成分の長さをＭとする。斜面部３０で反射された超音波が、反対側の斜面部３０で反射しない条件は、次式（３）となる。
Ｍ＞Ｌ …（３）

式（３）を満たす最も厳しい条件は、超音波が斜面部３０の一番外側、つまり最も振動子面Ｓαに近い部分で反射した場合であり、そのときの長さＬ，Ｍは、次式（４）及び次式（５）で表せる。すなわち、
Ｌ・tanθ＝（Ｄ−ａ・Ｄ）／２ …（４）
Ｍ・tan２θ＝（Ｄ＋ａ・Ｄ）／２ …（５）
式（４）及び式（５）を式（３）に代入して整理すると、Ｄが消えて、次式（６）が求められる。すなわち、
tan２θ／tanθ＜（１＋ａ）／（１−ａ） …（６）
この式（６）を満足する楔形状を設計すれば、超音波を配管接面Ｓβに集中させることができる。

なお、式（６）は、角度θを０に近づけていくと、tanθはθに近似することから、aが減少し、一層、超音波を集中させることができるが、ａは１／３より小さくはならない。従って、楔１２を設計する際、ａは１／３より大きくしなければならない。結果的にａの値が、１／３＜ａ＜１の範囲となるように設計する必要がある。また、角度θが４５°で、２θが９０°となり、tan２θが無限大となるので、角度θは４５°以上では設計できない。従って角度θは、０°＜θ＜４５°の範囲に設計する必要がある。

（超音波吸収体）
ところで、楔１２と配管外壁１０１との接面から入射される超音波信号は、配管１００内を導波路として一部が多重反射して伝わる。例えば、図１４に示すように、配管１００内を多重反射して伝わる干渉波は、配管１００内を何周かして超音波振動子１１にまで戻ってくる場合がある。また、図１５は、配管１００の縦断面図であり、図１５に示すように、配管１００内を伝わる干渉波が、配管１００の軸方向端部などに設けられたフランジ１３０で反射して超音波振動子１１に戻ってくる場合もある。なお、図１５に示した実線は往きの超音波信号を表し、破線はフランジ１３０で反射して超音波振動子１１に戻ってくる超音波信号を表している。これらの干渉波は、図３に示した反射波Ｓｃと時間的に重なり、あるいは反射波Ｓｃの受信時刻の近傍にある場合には、時間ｔｃに対する測定誤差を生じさせる。

そこで、図１及び図１６に示すように、超音波探触子１４の周囲の配管外壁１０１表面に超音波吸収体１５を設けている。超音波吸収体１５は、基材がゴムや粘土などの超音波を減衰させる物質でできている。図１６に示すように、干渉波は、配管１００内を多重反射する度に、その一部が超音波吸収体１５に透過し、超音波吸収体１５内で減衰して消滅する。従って、干渉波は、超音波吸収体１５と配管外壁１０１とが接する配管部分を通過する間に、その大部分が消失してしまう。このため、反射波Ｓｃの受信時点に対して干渉波が重なったり、近傍に存在することによって発生する反射波Ｓｃの測定誤差を抑制することができる。なお、超音波吸収体１５は配管１００の円周方向のみならず、配管１００の軸方向にも配置され、超音波探触子１４の四方を囲むように設けることが好ましい。これによって、図１５に示したフランジ１３０によって反射してくる干渉波を吸収することができる。

なお、超音波吸収体１５は、図１７に示すように、配管１００の円周の半分以下の範囲を覆うようにすることが望ましい。この場合、配管１００を半分ほど掘り起こせば、配管外径Ｄｏの測定、超音波吸収体１５の設置、測定部１０の設置の全てを容易に行うことが可能となる。

また、超音波吸収体１５は、配管１００が金属の場合、ゴムや粘土といった基材にタングステン粒子を混合し、比重を増して干渉波の吸収効果を上昇させることが好ましい。これは、配管１００と超音波吸収体１５との比重が近いと、干渉波が超音波吸収体１５に透過する割合が増え、超音波吸収の効果が増大させることができるからである。なお、一般に、超音波吸収体１５の基材となるゴムや粘土の比重は１〜２程度であり、金属配管の比重が約８であることに対して大きな差があり、タングステンは比重が約１９のタングステンを混ぜることにより、超音波吸収体１５の比重を金属配管に近づけることができる。

さらに、配管１００が鉄や鋼のような磁性体の場合、超音波吸収体１５に磁性体を混合し、シート状に加工して磁化し、マグネットシートとすることが好ましい。超音波吸収体１５をシート状とすることによって超音波吸収体１５の配管１００への設置を容易に行うことができる。また、磁性体として鉄を用いた場合、比重が８で小さいため、比重の大きいタングステンを一緒に混ぜることが好ましい。

上述した実施の形態１では、１つの超音波探触子１４から配管１００の配管外壁１０１に対して垂直に超音波信号を入射するようにしているとともに、斜面部３０を設けて超音波振動子１１から出射される超音波信号を集中させて密度の高い超音波信号を配管１００側に入射するようにしているので、配管１００を壊さず、かつ、簡単に設置できる構造で、多様な種類の配管内の流体種類の判別などの流体の特性を計測することができる。特に、曲面の外壁面を持つ配管１００であっても超音波信号を効率的に透過させることができるので、気体や蒸気といった超音波の透過率が低い流体、あるいは配管が古く錆び、腐食、付着により超音波が通りにくい場合でも精度高く超音波計測を行うことができる。

また、高温に弱い超音波振動子１１と配管１００とを離すことができるので、高温流体や低温流体の測定を容易に行うことができる。

さらに、超音波吸収体１５によって、配管１００内を多重反射して回り込んでくる干渉波を低減できるので、干渉波の影響を抑制でき、正確な伝搬時間の計測が可能となる。

（実施の形態２）
［全体構成］
図１８は、この発明の実施の形態２である流体計測装置の全体構成を示す模式図である。図１８において、この流体計測装置２は、配管１００内を流れる流体１０３の流速を計測するものである。なお、実施の形態１と同様に計測された伝搬時間をもとに流体１０３の種類を判別することも可能である。

この流体計測装置２では、配管１００の配管外壁１０１に複数の超音波探触子１４ａ，１４ｂが設置される。ここで、楔１２ａ，１２ｂの配管外壁１０１に接する配管接面と、超音波振動子１１ａ，１１ｂを設置する振動子面とは斜めになっており、配管外壁１０１に対して斜めに超音波を透過させる構造となっている。

超音波振動子１１ａ，１１ｂは、それぞれ装置本体４０のスイッチ４３ａ，４３ｂに接続される。また、スイッチ４３ａ，４３ｂは、それぞれ送信部４１及び受信部４２の双方に接続される。図１８では、超音波探触子１４ａが流体１０３の流れに対して上流側に配置され、超音波探触子１４ｂが流体１０３の流れに対して下流側に配置されている。スイッチ４３ａ，４３ｂは、制御部４８によって、一方の超音波振動子が送信部４１に接続されているとき、他方の超音波振動子が受信部４２に接続されるように制御される。

送信部４１は、一方の超音波振動子１１ａに超音波送信パルス電気信号を送信して超音波を発生させる。発生した超音波は、楔１２ａ及び配管外壁１０１を透過し、配管１００内の流体１０３に斜めに入射する。配管１００内の流体１０３に入射した超音波は、反対側の配管内壁１０２で反射され流体１０３内を斜めに一往復して、配管外壁１０１及び楔１２ｂを透過し、他方の超音波振動子１１ｂに入射する。他方の超音波振動子１１ｂは、入射した超音波を超音波受信パルス電気信号に変換する。他方の超音波振動子１１ｂは、スイッチ４３ｂにより受信部４２に接続されているため、変換された超音波パルス受信電気信号は受信部４２で受信される。

時間計測部４４は、実施の形態１と同様に、超音波の送信から受信までの伝搬時間ｔｆを測定する。ここで、実施の形態１と同様に流体種類判別部２５及び入出力部４７を有することによって、流体１０３の音速を求め、この音速をもとに流体種類を判別することができる。なお、この実施の形態２では、流体１０３の流速を計測する。

この場合、スイッチ４３ａ，４３ｂを切り換えることにより、時間計測部４４は、流体１０３の流れに対し上流側の超音波振動子１１ａから下流側の超音波振動子１１ｂへの伝搬時間ｔｕと、反対に下流側の超音波振動子１１ｂから上流側の超音波振動子１１ａへの伝搬時間ｔｄを測定する。超音波の伝搬時間は、流体１０３の携帯効果によって、伝搬時間ｔｕは短く、伝搬時間ｔｄは長くなる。この伝搬時間ｔｕ，ｔｄの差は、流体の流速に応じて変化する。流速計測部４５は、この差を測定することにより、流体１０３の流速を計測する。なお、流速計測部４５は、流体１０３の音速を求める際に、伝搬時間ｔｕ，ｔｄの平均値を用いると、精度を高めることができる。

［超音波探触子の構成］
図１９は、この発明の実施の形態２における超音波探触子１４ａを配管１００の軸方向と垂直な面からみた構成を示す図である。また、図２０は、この発明の実施の形態２における超音波探触子１４ａを配管１００の軸方向と水平な面からみた構成を示す図である。図２０に示すように、振動子面Ｓα１が配管接面Ｓβ２に対して斜めであるため、図１９では、振動子面Ｓα１の投影面である振動子投影面Ｓα２が表されている。この振動子投影面Ｓα２の断面内長さＬ２１より、配管接面Ｓβ２の断面内長さＬ２２が短くなっているため、実施の形態１と同様に超音波を集中させることができる。なお、斜面部３０ａと配管接面Ｓβ２との間には実施の形態１と同様に中間部３１ａが設けられる。

［超音波探触子の変形例］
図１９及び図２０では、斜面部３０ａにおける配管１００の軸方向端面が配管１００に対して垂直になっているのに対し、図２１及び図２２に示した変形例である超音波探触子５４ａでは、斜面部５０ａにおける配管１００の軸方向端面が配管１００に対して斜めになっている。

ここで、図２３及び図２４は、図２１の部分Ｃの拡大図であり、斜面部５０ａにおける超音波の反射状態を示している。なお、Ｌ波とは縦波のことで、超音波の進行方向と超音波の振動方向が一致している波である。また、ＳＶ波は横波の一つであり、図２５に示すように、超音波振動子中心Ｃ１と配管１００の軸とを含む平面内で、かつ、超音波の進行方向Ａ１と垂直に振動している波である。超音波振動子１１ａで発生する超音波がＬ波の場合、図２３に示すように、斜面部５０ａでＬ波が反射すると、Ｌ波とＳＶ波とが一般に発生する。従って、超音波のエネルギーが本来のＬ波と不要なＳＶ波に分散してしまい、本来のＬ波が減衰してしまう。このため、この実施の形態では、超音波振動子１１ａで発生する超音波をＳＶ波としている。これにより、図２４に示すように、斜面部５０ａでＳＶ波は分散しないので、超音波の減衰を小さくすることができる。

なお、この実施の形態２では、実施の形態１と同様に、楔の材質を異なるようにしてもよい。また、斜面部の角度θについては振動子面Ｓαを振動子投影面Ｓα２に置き換えて適用することができる。さらに、超音波吸収体１５の配置も適用することができる。

１，２ 流体計測装置
１０ 測定部
１１ 超音波振動子
１１ａ，１１ｂ 超音波振動子
１２，１２ａ，１２ｂ，１１２ 楔
１３ 超音波接続媒体
１４，１４ａ，１４ｂ，５４ａ 超音波探触子
１５ 超音波吸収体
２０ 装置本体
２１，４１ 送信部
２２，４２ 受信部
２３，４３ａ，４３ｂ スイッチ
２４，４４ 時間計測部
２５ 流体種類判別部
２６ 記憶部
２７，４７ 入出力部
２８，４８ 制御部
３０，３０ａ，５０ａ 斜面部
３１，３１ａ，３２ 中間部
４５ 流速計測部
１００ 配管
１０１ 配管外壁
１０２ 配管内壁
１０３ 流体
１３０ フランジ
Ａ１ 進行方向
Ｃ 部分
Ｃ１ 超音波振動子中心
Ｃｐ 音速
Ｄｉ 配管内径
Ｄｏ 配管外径
ＤＴ１ 音速対流体種類関係情報
ＤＴ２ 配管材質対音速関係情報
Ｓ 超音波信号
Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ 反射波
Ｓα，Ｓα１ 振動子面
Ｓα２ 振動子投影面
Ｓβ，Ｓβ２ 配管接面
ｔａ，ｔｂ，ｔｃ 時間
ｔｄ，ｔｆ，ｔｕ 伝搬時間
θ 角度

Claims (15)

1. 配管外壁に設置した１つの超音波探触子から配管内の流体に超音波を送受信し、前記流体内を伝搬した超音波の伝搬時間をもとに前記流体の特性を計測する流体計測装置であって、
   前記超音波探触子は、前記配管の接面と水平な面に超音波振動子を設置して超音波を前記流体に垂直に入射させる楔を有し、
   前記楔は、前記配管の軸方向と垂直な断面において、前記超音波振動子を設置した振動子面と、該振動子面に対し水平で配管外壁に接して設置される配管接面とを有し、該配管接面の前記軸方向と垂直な断面内長さが該振動子面の前記軸方向と垂直な断面内長さより短いことを特徴とする流体計測装置。
2. 前記楔は、前記配管の軸方向と垂直な断面において、前記振動子面と前記配管接面とを結ぶ楔側面が前記振動子面及び前記配管接面に対する垂線に対して斜めとなる斜面部を有することを特徴とする請求項１に記載の流体計測装置。
3. 前記超音波振動子は、前記配管の軸方向に隣接し同一の前記楔上に設置された一対の超音波振動子からなることを特徴とする請求項１または２に記載の流体計測装置。
4. 配管外壁に設置した複数の超音波探触子から配管内の流体に超音波を送受信し、超音波の送信から受信までの時間を測定する時間計測部により計測された前記流体内を伝搬した超音波の伝搬時間をもとに前記流体の特性を計測する流体計測装置であって、
   前記超音波探触子は、前記配管の軸方向に対して斜めな面に超音波振動子を設置して超音波を前記流体に斜めに入射させる楔を有し、
   前記楔は、前記配管の軸方向と垂直な断面において、前記超音波振動子を設置した振動子面を投影した振動子投影面と、配管外壁に接して設置される配管接面とを有し、該配管接面の前記軸方向と垂直な断面内長さが、該振動子投影面の前記軸方向と垂直な断面内の水平方向長さより短いことを特徴とする流体計測装置。
5. 前記楔は、前記配管の軸方向と垂直な断面において、前記振動子投影面と前記配管接面とを結ぶ楔側面が前記配管接面に対する垂線に対して斜めとなる斜面部を有することを特徴とする請求項４に記載の流体計測装置。
6. 前記超音波振動子で発生する超音波は、前記超音波振動子の中心と前記配管の軸とを含む平面に対してＳＶ波であることを特徴とする請求項４または５に記載の流体計測装置。
7. 前記楔は、前記軸方向と垂直な断面において、前記斜面部と前記配管接面とが離隔していることを特徴とする請求項２または５に記載の流体計測装置。
8. 前記楔は、複数の材質を組み合わせて構成され、前記振動子面を形成部分と前記配管接面を形成する部分とは異なる材質であることを特徴とする請求項１または４に記載の流体計測装置。
9. 前記配管接面を形成する部分の材質は、前記振動子面を形成する部分の材質に比べ、高温あるいは低温に対する耐熱性能が高い材質であることを特徴とする請求項８に記載の流体計測装置。
10. 前記楔の前記軸方向と垂直な断面は前記配管の軸を通る中心線に対し左右対称形状であり、前記配管接面に対する垂線に対する前記斜面部の角度θと、前記配管接面の前記軸方向と垂直な断面内長さを前記振動子面の前記軸方向と垂直な断面内長さあるいは前記振動子投影面の前記軸方向と垂直な断面内の水平方向長さで除した値ａとが、tan２θ／tanθ ＜（１＋ａ）／（１−ａ）を満足することを特徴とする請求項１または４に記載の流体計測装置。
11. 前記値ａは、１／３＜ａ＜１を満足することを特徴とする請求項１０に記載の流体計測装置。
12. 前記角度θは、０°＜θ＜４５°を満足することを特徴とする請求項１０に記載の流体計測装置。
13. 前記楔と前記配管外壁とが接する箇所の周囲に、前記配管外壁に接して超音波吸収体を設けたことを特徴とする請求項１または４に記載の流体計測装置。
14. 前記超音波吸収体は、基材にタングステンを混合したことを特徴とする請求項１３に記載の流体計測装置。
15. 前記超音波吸収体は、基材に磁性体を混合し、シート状に加工したことを特徴とする請求項１３に記載の流体計測装置。

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