WO2014174956A1

WO2014174956A1 - 超音波流量計

Info

Publication number: WO2014174956A1
Application number: PCT/JP2014/057880
Authority: WO
Inventors: 貴史阿部; 小林　俊朗; 高橋　祐二; 正樹高本
Original assignee: 東京計装株式会社
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2014-10-30
Also published as: JP2014215040A; JP5373218B1

Abstract

　超音波振動子の面と直交する方向に超音波ビームを発信し、曲面反射体を有するビーム伝達体を介して管体の円周上に超音波ビームを集束し測定精度を向上させること。　管体（１１）から離隔し中心部に孔が開けられた円板状の超音波振動子（１２Ａ）から出射された平行束の超音波ビーム（Ｂ）は、ビーム伝達体（１２Ｂ）に形成された凹曲反射部（１２Ｃ）で反射し、管体（１１）の外周の周囲に円環状に集束される。ビーム伝達体（１２Ｂ）は管体（１１）の外周を取り囲むように配置されているので、超音波ビームは管体（１１）の円周上から管体（１１）内の流体（Ｆ）に伝搬し、流体（Ｆ）に大きな超音波振動エネルギを伝達させることが可能となる。超音波ビーム（Ｂ）は一円周上から管体（１１）内に入射し、超音波ビーム（Ｂ）は流体（Ｆ）中を伝播して他方の超音波送受信器（１２、１２'）に送信される。

Description

超音波流量計

　本発明は、管体中を流れる流体の流量を測定する超音波流量計に関するものである。
背景技術

　従来のクランプオン式超音波流量計においては、超音波送受信器を管体の外側に取り付けて超音波ビームを管体内に送受信して流量測定を行うため、超音波送受信器が接液することがなく、既存の管体に後から超音波流量計を構成できる利点がある。
　しかし、このクランプオン式超音波流量計では、一対の超音波送受信器を管体に対して斜めに取り付け、管体内を超音波ビームを伝播させる必要がある。

　このような方式では、管体に対して斜めに超音波ビームを送受信することで、管体内全体を通過する流量を推定して求めるために、流速分布の影響を受けて正確な測定がなかなか難しい。
　更に、管体の直径が小さくなると表面の曲率が小さくなり、管体に対して正確に斜めに超音波ビームを送受信することが困難であり、また、信号伝搬距離も短くなって、時間差方式の測定において分解能が低下するという問題点がある。

　そこで、この問題を回避するために、特許文献１には、図５に示すように管体１の周囲に配置し中央に孔が開けられた円板状の超音波振動子２を用いて、管体１の円周全体から超音波ビームを打ち込む方法が開示されている。
　この方法では、管体１内の流速分布の影響を受けることもなく、曲率の小さな管体１の表面からでも超音波ビームの送受信を容易に行うことができる利点がある。
　しかし、この方法では、リング状の超音波振動子の直径方向の振動モードの超音波ビームを利用することになるため、低周波数の超音波ビームしか利用できず、測定の分解能を上げることができない欠点がある。

　また、測定の時間分解能を向上させるためには、円板状の超音波振動子の厚み方向の振動モードの超音波パルスを管体の外周全体から管体内に打ち込む必要がある。
　そこで、特許文献２、３には、図６に示すような超音波振動子３のコーン状のビーム伝達体（シュー）４を用いて、管体１内に超音波ビームを打ち込む方法が開示されている。
　この方法は、超音波振動子３の厚み方向の振動モードを利用するため、高い周波数の超音波ビームを利用できる利点がある。

特開平１１－２６４７５０号公報米国特許第７３６０４４８号公報特許第４２３３４４５号公報

　しかし、このコーン状の超音波ビーム伝達体４は、対となる相手側の超音波送受信器に向けて同軸方向で信号の方向を絞ってゆく構造となる。
　従って、ビーム伝達体４と外部の界面であるコーンの外形面で反射して管体１に至る超音波ビームの伝搬経路は、１個所ではなく、複数個所に拡散されて出射してゆくことになる。

　従って、超音波ビームは分散されて伝達するため、単位面積辺りのエネルギ強度が弱くなるだけでなく、超音波ビームのビーム伝達体４から管体１内の流体への伝搬位置の正確な特定が困難になる。
　管体１に対する超音波ビームの打ち込み位置、取り込み位置が正確に特定できないと、超音波ビームの伝達経路長が正確に決められないという問題点がある。

　このように、特許文献２、３のようなコーン状の超音波ビーム伝達体４を用いて管体１内の流体に超音波ビームを伝えようとすると、超音波ビームが拡散し、超音波流量計の高精度化を妨げるという問題がある。
　超音波ビームが拡散すると、受信信号が弱くなって信号のＳＮ比も悪くなり、測定精度が悪くなる一因となる。

　本発明の目的は、上述の課題を解消し、超音波振動子の面と直交する方向に超音波ビームを発信し、凹面反射部を有するビーム伝達体を介して管体の一円周上に超音波ビームを集束し、高精度な測定が可能な超音波流量計を提供することにある。
課題を解決するための手段

　本発明は、流体が流れる管体の上流側と下流側のそれぞれの外周に少なくとも２つの超音波送受信器を配置し、一方の前記超音波送受信器から前記管体内の流体中に超音波ビームを発信し他方の前記超音波送受信器により受信し、前記超音波ビームが上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間差から前記管体内の流体の速度を求め、前記管体内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計において、前記超音波送受信器は、中央に孔を開けた円板状の超音波振動子を前記管体の周囲に厚み方向が前記管体の長さ方向と平行になるように配置し、前記超音波振動子と前記管体との間に、前記超音波ビームを略直交方向に屈曲すると共に集束機能を有する凹曲反射部を備えたビーム伝達体を前記管体を取り囲むように配置し、前記超音波振動子で発信した前記超音波ビームを前記ビーム伝達体を介して前記管体の一円周上に集束させて前記管体内に出射し、また到達した前記超音波ビームを前記管体の一円周上から入射し、前記ビーム伝達体を介して前記超音波振動子で受信することにより、上記目的を達成するものである。

　本発明に係る超音波流量計によれば、管体の一円周上に超音波振動子からの超音波ビームを集束させ、また、到達した超音波ビームを一円周上から超音波振動子に導くことによって、超音波ビームの拡散を防ぎ、伝搬経路長を明確にし、更に超音波ビーム信号のＳＮ比を改善できることにより、測定精度が向上する。

超音波流量計の実施例１の斜視図である。超音波ビームの伝播経路の説明図である。超音波送受信器の断面図である。実施例２の超音波ビームの伝播経路の説明図である。従来例の構成図である。他の従来例の構成図である。

　本発明を、図１～図４に図示の実施例に基づいて、詳細に説明する。

　図１は、実施例１の斜視図であり、図２は、ビーム伝達体内の超音波ビームの伝播経路の説明図である。

　直管状の管体１１の上流側と下流側に、所定の間隔をおいて超音波送受信器１２、１２’が配置されている。
　これらの超音波送受信器１２、１２’には、管体１１から離隔し中心部に孔が開けられた円板状の超音波振動子１２Ａが使用されている。
　超音波振動子１２Ａと管体１１との間に、円環状の超音波ビーム伝達体１２Ｂが配置され、超音波ビームのビーム伝達体１２Ｂの内周面は、管体１１の表面に密着されている。
　これらの超音波送受信器１２、１２’からは、それぞれリード線が引き出され、図示しない測定回路に接続されている。

　超音波振動子１２Ａで発生し出射された平行束の超音波ビームＢは、ビーム伝達体１２Ｂに形成された凹曲反射部１２Ｃで反射し、管体１１の外周の周囲に円環状に集束されるようになっている。
　また、超音波送受信器１２、１２’を受信器として使用する際には、管体１１から超音波振動子１２Ａに戻る超音波ビームＢは、反対の経路を通ることになる。

　一般に、超音波振動子１２Ａは、電圧を印加する方向に最も大きな振動エネルギを生じさせる。
　超音波振動子１２Ａは、面と直交する軸線方向に伸縮するので、ビーム伝達体１２Ｂの凹曲反射部１２Ｃを介して超音波ビームＢを管体１１の長手方向と略直交方向に屈曲して伝達させることができる。
　また、ビーム伝達体１２Ｂは、管体１１の外周を取り囲むように配置されているので、超音波ビームは、管体１１の一円周上から管体１１内の流体Ｆに伝搬し、流体Ｆに大きな超音波振動エネルギを伝達させることが可能となる。

　凹曲反射部１２Ｃは、球面、楕円面、放物面等の超音波振動子１２Ａからの超音波ビームＢの平行束を、管体１１の外周面に集束できる機能を有していればよく、ビーム伝達体１２Ｂの外表面を目的の曲面に形成し、超音波ビームＢは、凹曲反射部１２Ｃの内面で全反射するようにされている。
　なお、これらの凹曲反射部１２Ｃは、平面である多数の反射部を組合わせて、全体として多面体による凹曲面を構成することもできる。

　このようにして、超音波送受信器１２、１２’の超音波振動子１２Ａから発信された超音波ビームＢは、ビーム伝達体１２Ｂを経て一円周上から管体１１内に出射し、超音波ビームＢは、流体Ｆ中を伝播して他方の超音波送受信器１２’、１２に送信される。
　一方、管体１１中の超音波ビームＢを受信する際にも、管体１１の一円周上からビーム伝達体１２Ｂに入射した超音波ビームＢは、ビーム伝達体１２Ｂ内で平行束とされ、超音波振動子１２Ａにより受信されることになる。

　実際の超音波送受信器１２、１２’では、図３に示すようにビーム伝達体１２Ｂは必要なビーム経路以外にも肉盛りがなされていて、ビーム伝達体１２Ｂを介して管体１１に取り付け易いようにされている。

　既設の管体１１に超音波送受信器１２、１２’を取り付けるには、予め超音波送受信器１２、１２’を例えば２つ割りにしておいて、管体１１を挟み付けるように取り付ければよい。

　この超音波流量計では、管体１１中を流体Ｆが流れている状態で、超音波送受信器１２、１２’から交互に超音波パルス信号が送信され、管体１１内の流体Ｆを通過して他方の超音波送受信器１２’、１２で受信される。
　そして、流体Ｆの流れに順行した場合と逆行した場合との超音波ビームの伝搬時間を計測する。
　この伝播時間は、測定管路長Ｌ間を流れる流体Ｆの速度Ｖに関係するので、演算で得られた速度Ｖに管体１の断面積Ｓを乗ずることにより、時間差方式で流量を求めることができる。

　上述の実施例では、１組の超音波送受信器１２、１２’を用いて、交互に超音波ビームＢを発振し、流体Ｆ中に順行する場合と逆行する場合の時間差を測定している。

　しかし、図４に示す実施例２のように、管体１１に沿って３個の超音波送受信器１２、１２’、１２”を等間隔に配置し、中央の超音波送受信器１２は、発信専用とし、上流側及び下流側の超音波送受信器１２、１２’は、受信専用とすることもできる。
　或いは、中央の超音波送受信器１２は、受信専用とし、超音波送受信器１２’、１２”は、発信専用とすることもできる。

　また、計４個の２組の超音波送受信器を用いて、１組ずつ順行専用、逆行専用に伝播時間の測定を行うようにしてもよい。

　１１　・・・管体
　１２、１２’、１２”　・・・超音波送受信器
　１２Ａ　・・・超音波振動子
　１２Ｂ　・・・ビーム伝達体
　１２Ｃ　・・・凹曲反射部
　Ｂ　・・・超音波ビーム
　Ｆ　・・・流体

Claims

　流体が流れる管体の上流側と下流側のそれぞれの外周に少なくとも２つの超音波送受信器を配置し、一方の前記超音波送受信器から前記管体内の流体中に超音波ビームを発信し他方の前記超音波送受信器により受信し、前記超音波ビームが上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間差から前記管体内の流体の速度を求め、前記管体内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計において、
　前記超音波送受信器は、中央に孔を開けた円板状の超音波振動子を前記管体の周囲に厚み方向が前記管体の長さ方向と平行になるように配置し、前記超音波振動子と前記管体との間に、前記超音波ビームを略直交方向に屈曲すると共に集束機能を有する凹曲反射部を備えたビーム伝達体を前記管体を取り囲むように配置し、
　前記超音波振動子で発信した前記超音波ビームを前記ビーム伝達体を介して前記管体の一円周上に集束させて前記管体内に出射し、また到達した前記超音波ビームを前記管体の一円周上から入射し、前記ビーム伝達体を介して前記超音波振動子で受信することを特徴とする超音波流量計。
　前記凹曲反射部が、円面、楕円面、放物面の何れかを有し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。
　前記凹曲反射部が、多面体により構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波流量計。