JP2005195374A - 超音波流量計およびそれに用いるくさび - Google Patents

Abstract

【目的】 二種類の波が発生することを原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する技術、特に、数ｍｍから数十ｍｍといった小口径配管の場合において高精度な計測をするのに適した技術を提供する。
【構成】 超音波流量計において、縦波超音波を発生する超音波振動子と前記配管との間に音波伝搬性の媒体（固体である場合にはくさび）を介在させる。その媒体を介在させることによって、入射した超音波が流体配管壁を透過する際に、、スネルの法則から計算される縦波の臨界角以上になるように前記超音波振動子を傾斜させる。それによって、被測定流体へ透過するのが横波のみとなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測定領域の流速分布から被測定流体の流量を時間依存で瞬時に測定することが可能な超音波流量計およびそれに関連する技術に関する。

非接触で流量を測定可能であるドップラ式超音波流量計については、さまざまな技術が提供されている。（例えば、特開２０００−９７７４２号）

特開２０００−９７７４２号

上記の技術を具体的に説明する。上記文献に開示されているドップラ式超音波流量計は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体（たとえば水）の配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定するものである。

この技術は、配管内を流れる被測定流体の流速分布を測定し、時間的に変動する過渡時の流量を応答性に優れている。また、流体の流れが充分に発達していない箇所や流れが三次元になっている場所、例えばエルボ配管やＵ字状の反転配管のように曲げられた配管の直後でも、被測定流体の流量を効率的に精度よく瞬時に測定できる。それ以前に提供されていた超音波流量計と比較した場合、実験値や経験値などから割り出された「流量補正係数」がなくても正確な測定が可能であるという特徴があり、大きく評価されている。

さて、図６に示すように、くさび３０と流体配管１０との材質（音響インピーダンス）が異なると、超音波振動子２０から入射された超音波は、疎密波である縦波とは別に、両者の界面においてモード変換により、剪断応力による横波が発生することが知られている。そして、被測定流体１１内部には、平行な二本の縦波として入射することとなる。

その入射角は、スネルの法則により、接触媒体（くさび３０）内の音速と被測定流体の音速にて決定される。くさび３０にアクリル樹脂、流体配管１０にアルミニウムを採用するような一般的な場合には、横波は縦波よりも流体配管１０内部においては速度が遅く、被測定流体１１の中を通る経路も縦波とは異なる。また、被測定流体内に存在する反射体からのエコー信号（縦波の超音波）も、図７に示すように、被測定流体から配管内部へ戻る際に、両者の界面において再度モード変換にて、縦波と横波という二つの波に分かれる。

超音波流量計において縦波を基準として測定線を算出する場合には、横波から入射されて反射されてくる反射波（超音波エコー）は測定上、ノイズとなる場合がある。このように二つの波が発生することによって速度が重なって検出されることによる測定誤差は、配管径が大きい場合にはほとんど問題とならないが、数ｍｍから数十ｍｍの小口径配管の場合において、高精度の計測を行う場合には問題となる場合がある。

さて、超音波の入射角度を変化させてデータを取得してみると、以下のようなことが確認できた。すなわち、入射角度が大きくなるに従って縦波は透過音圧が減少し、スネルの法則から算出した「臨界角度」を超えるとほぼ透過しない。一方、入射角度の増加に伴って横波は透過音圧が増大し、臨界角度を越えた付近で最大値となる。また、縦波の臨界角以下の入射角に設定すると、流路内には縦波と横波の超音波が入射する。具体的には、縦波の臨界角以下の入射角、具体的にはくさびをアクリル樹脂、流体配管の材質を鉄とした場合であって、その角度を１０〜２０度程度とした場合には、縦波の透過率が低く、縦波の臨界角を越えて、横波のみを発生させた場合の横波の透過率の半分以下となってしまうことが分かっている（超音波便覧より）。透過率が低いと、反射波の受信に支障が出るおそれもある。

超音波流量計においては、被測定流体内に存在する反射体からのエコー信号を利用して流体の流速を算出するが、横波だけを透過させ測定に適用した場合でも、配管内でのリンギング（内部繰り返し反射）を考慮する必要がある。
縦波臨界角を超えて、横波のみが発生し始める比較的浅い入射角においては、横波の透過強度も大きく、リンギングによる複数の測定線も発生しにくい。また、リンギングによる複数の測定線が発生した場合でも、配管口径が配管肉厚に対して十分大きい薄肉配管の場合、被測定流体内伝播時間に対して、複数の測定線が短い時間差をもって配管内に各々入射するため、この時間差が測定誤差の許容範囲内に収まれば、良好な計測ができる。
一方、入射角度を次第に増やしていくと、超音波振動子方向の速度成分が大きくなるため、計測上有利であり、また、超音波減衰率の高い配管材質の場合、リンギングにより発生した超音波が、配管内を伝播している間に十分減衰する可能性もある。しかしながら、入射角を次第に大きくしていくと、横波透過率が小さくなる。
以上を勘案し最適な入射角を選択する必要がある。

本発明が解決しようとする課題は、二種類の波が発生することを原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する技術、特に、数ｍｍから数十ｍｍといった小口径配管の場合において高精度な計測をするのに適した技術を提供することである。
請求項１から請求項６記載の発明の目的は、二種類の波が発生することを原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する超音波流量計を提供することにある。
請求項７および請求項８記載の発明の目的は、二種類の波が発生することを原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する超音波流量計に用いるくさびを提供することにある。

請求項１から請求項６記載の発明は、いわゆるクランプオン型の超音波流量計であり、請求項７から請求項８記載の発明は、いわゆるクランプオン型の超音波流量計に用いるくさびである。

（請求項１）
請求項１記載の発明は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段と、 前記流体配管(10)と前記超音波送信手段に備えられた縦波超音波を発生する超音波振動子(20)との間に介在させるくさび(30)とを備えて被測定流体(11)の流量を測定する超音波流量計に係る。
そして、前記くさび(30)は、超音波振動子(20)と流体配管(10)の外表面との間に位置する超音波伝達部(32)と、その超音波伝達部(32)へ超音波振動子(20)を固定する固定部(31)とを備え、 超音波伝達部(32)は、音波伝播性にある材質にて形成し、 固定部(31)は、超音波振動子(20)が配管(10)の外表面に対して超音波を入射する方向と配管(10)に垂直な方向とがなす入射角が、スネルの法則から計算される縦波の臨界角以上になるように超音波振動子(20)を固定するように形成したことを特徴とする。

（用語説明）
上記の超音波流量計には、一般のドップラ式超音波流量計と、相関法を用いた超音波流量計とを含む。相関法を用いた超音波流量計とは、例えば、特開２００３−３４４１３１号に開示されているような超音波流量計である。
両者とも、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する。

「流量演算手段」は、流量をｍ（ｔ）とするとき、

の演算を行う手段である。

また、上記の式（１）から、流体配管を流れる時間ｔの流量ｍ（ｔ）は、次式に書き換えることができる。

なお、配管内を流れる被測定流体の流れが、管軸方向の流れで半径方向や角度θの流れｖｒ，ｖθを無視できるとすると、ｖｘ＞＞ｖｒ＝ｖθとなり、流量計測は簡素化され、次式で表わされる。

ここで、αとは、超音波トランスジューサから発振される超音波の入射角度、すなわち流体配管の管壁への垂線に対してなす角度である。

入射角度が大きくなるに従って縦波は透過音圧が減少し、スネルの法則から算出した「臨界角度」を超えるとほぼ透過しない。したがって、「臨界角度」を超える入射角度にて超音波を入射させることによって配管内部で縦波と横波とが存在することを防ぎ、被測定流体に対しては、配管内部にて横波となった超音波のみを入射させることとなる。

「くさび」とは、請求項２以下で限定するように、超音波伝達部(32)と固定部(31)とを同材質にて形成する場合と、異なる材質にて形成する場合とがある。

（作用）
まず超音波送信手段がくさびの超音波伝達部を介して、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる。流体配管内ではくさびの超音波伝達部と流体配管(10)との材質（音響インピーダンス）が異なると、入射された超音波は、疎密波である縦波とは別に、両者の界面において剪断応力による横波が発生するのが一般的であるが、超音波振動子が配管の外表面に対して超音波を入射する方向と配管に垂直な方向とがなす入射角が、スネルの法則から計算される縦波の臨界角以上になるように超音波振動子を固定すると、縦波が消えて横波だけが流体配管(10)を透過する。
また、被測定流体内に存在する反射体からのエコー信号（縦波の超音波）も、被測定流体から配管内部へ戻る際に、縦波が消えて横波だけが、配管内部を経由し、受信モードに切り替わった超音波振動子(20)に受信される（図２参照）。

透過した超音波が測定領域において反射体（例えば気泡）に反射し、その超音波エコーを受信し、流体速度分布測定手段は、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する。前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を流量演算手段が演算する。
配管内部で縦波と横波とが混在し、二種類の超音波が被測定流体へ入射された場合に起きていた測定誤差は存在しない。このような測定であるので、縦波と横波とが入射された場合に誤差が出やすかった数ｍｍから数十ｍｍといった小口径配管の場合において、高精度な測定を行うのに適している。

（請求項２）
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の超音波流量計を限定したものであり、
前記くさびの超音波伝達部が、アクリル、鉄等の音波伝搬性の固体であることを特徴とする。

（作用）
くさびの超音波伝達部をアクリル、鉄等の音波伝搬性の固体とすると、入射角度の設定に基づく超音波トランスジューサの固定構造などを加工したり実際に固定したりしやすい。

（請求項３）
請求項３記載の発明は、請求項１に記載の超音波流量計を限定したものであり、
前記くさびの超音波伝達部が、水、油、空気等の音波伝搬性に優れた流体であることを特徴とする。
くさびの超音波伝達部が流体である場合、くさびの固定部は当該流体を保持する部位を含めた存在となる。

（作用）
くさびの超音波伝達部を水、油、空気等の音波伝搬性に優れた流体とすると、入射角度の調整を行いやすい。

（請求項４）
請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波流量計を限定したものであり、
前記流体配管が炭素鋼、アルミニウム、ステンレス等の金属からなることを特徴とする。

（請求項５）
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波流量計を限定したものであり、
前記流体配管がアクリル等の樹脂であることを特徴とする。

（請求項６）
請求項６記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の超音波流量計を限定したものであり、
超音波の入射角度を調整可能な入射角度調整手段と、 その入射角度調整手段によって設定された入射角度をデータとして受信するデータ受信手段とを備え、 前記の流体速度分布測定手段は、そのデータ受信手段によって受信されたデータに基づいて測定領域における被測定流体の流速分布を測定することとしたことを特徴とする。

（作用）
入射角度調整手段が超音波の入射角度を調整し、データ受信手段が入射角度調整手段によって設定された入射角度をデータとして受信する。前記の流体速度分布測定手段は、そのデータ受信手段によって受信されたデータに基づいて測定領域における被測定流体の流速分布を測定する。測定結果が高精度ではないと判断する場合や、ハイドロフォンを用いて透過音圧を測定することによって縦波発生を検出した場合には、入射角度調整手段によって超音波の入射角度を再調整し、再調整後の超音波の入射角度にて測定をやり直すことができる。

（請求項７）
請求項７記載の発明は、 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計において、縦波超音波を発生する超音波振動子と前記配管との間に介在させるくさびに係る。
そのくさびは、超音波振動子と流体配管の外表面との間に位置する超音波伝達部と、その超音波伝達部へ超音波振動子を固定する固定部とを備え、 超音波伝達部は、音波伝播性にある材質にて形成し、 固定部は、超音波振動子が配管の外表面に対して超音波を入射する方向と配管に垂直な方向とがなす入射角が、スネルの法則から計算される縦波の臨界角以上になるように超音波振動子を固定するように形成したものである。

（作用）
くさびを単独で供給したり、くさびを用いてのセッティング、メンテナンスなどが行える。本請求項に係るくさびによって、流体配管内を透過する際に、縦波は透過せず、縦波よりも速度が遅い横波となった後に被測定流体内に入射される。その超音波が反射体によって反射波となる。縦波と横波とが入射された場合に誤差が出やすかった数ｍｍから数十ｍｍといった小口径配管の場合において、高精度な計測をするのに適している。

（請求項８）
請求項８記載の発明は、請求項７に記載の超音波流量計用のくさびを限定したものであり、
音響インピーダンスが、流体配管の音響インピーダンスとは異なる材質としたものである。

請求項１から請求項６記載の発明によれば、二種類の波が発生することを原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する超音波流量計を提供することができた。
請求項７および請求項８記載の発明によれば、二種類の波が発生することを原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する超音波流量計に用いるくさびを提供することができた。

以下、本発明を実施の形態及び図面に基づいて、更に詳しく説明する。ここで使用する図面は、図１乃至図５である。
（図１）
図１は、被測定流体１１が流れる流体配管１０の流量を計測するための超音波流量計において、超音波振動子２０によって被測定流体１１へ超音波パルスを入射する様子を示している。
その超音波振動子２０は、媒体たるくさび３０にて配管１０の所定箇所に固定されている。すなわち、この超音波流量計は接液型ではなく、クランプオン型である。くさび３０の材質は、音波伝播性にある材質であり、例えばエポキシ樹脂である。

超音波振動子２０は、被測定流体１１に対して測定線に沿って所要周波数（基本周波数）の超音波パルスを送信させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスの測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段とを兼ねている。そして、その流速分布に基づいて被測定流体の流量を時間依存で求める流量演算手段としてのマイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ等のコンピュータと、このコンピュータからの出力を時系列的に表示可能な表示装置とに接続されている。

また、超音波振動子２０は、超音波振動子に対するパルス電気信号の印加により基本周波数の超音波パルスが測定線に沿って発振せしめられる。発生する超音波パルスは、例えばビーム径が数mm程度で拡がりをほとんど持たない直進性のビームである。
超音波振動子２０は、発振し超音波パルスが流体１１中の反射体１２に当って反射される超音波エコーを受信するようになっている。ここで反射体１２とは、被測定流体１１中に一様に含まれる気泡である。基本的に、被測定流体１１とは、音響インピーダンスが異なる異物でなければならない。

さて、流体配管１０の寸法（外径、肉厚、内径のいずれか２つ以上）、流体配管１０の材質、流体１１の種類などが予め把握できている場合には、前述した超音波の入射角度αは特定できる。その入射角度αは、スネルの法則から計算される縦波の臨界角以上になるように特定する。そのように縦波の臨界角以上となるように入射角度αを特定すると、縦波が消えて横波だけが流体配管１０を透過する。

透過した超音波が測定領域において反射体（例えば気泡）に反射し、その超音波エコーを受信し、流体速度分布測定手段が測定領域における被測定流体の流速分布を測定する。前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を流量演算手段が演算する。
流体配管内を透過する際に、縦波よりも速度が遅い横波となった後に被測定流体内に入射されて反射波となる。そのため、数ｍｍから数十ｍｍといった小口径配管の場合において、高精度な計測をするのに適している。

図２に示すように、被測定流体内に存在する反射体１２からのエコー信号（縦波の超音波）も、被測定流体１１から配管１０内部へ戻る際に、縦波が消えて横波だけが、配管１０内部を経由し、受信モードに切り替わった超音波振動子２０に受信される。受信された超音波エコーは、反射波レシーバーにて受信され、その反射波レシーバーにてエコー電気信号へ変換される。このエコー電気信号は、増幅器で増幅された後、ＡＤ変換器を通ってデジタル化される。そして、デジタル化されたデジタルエコー信号が流速分布計測回路を備えた流速計算装置に入力される。

流速計算装置には、発振用アンプからの基本周波数の電気信号がデジタル化されて入力され、両信号の周波数差からドップラシフトに基づく流速の変化もしくは両信号の相互相関値を用いて流速を計測し、測定線に沿う測定領域の流速分布を算出している。測定領域の流速分布などによって、縦波と横波とが併存していると考えられる場合には超音波の入射角度αを再設定して再測定することによって、流速分布を計測し、流量を算出する。

被測定流体１１を水とし、被測定流体１１に係る流体配管１０の材質をアルミニウムとする。超音波の縦波のみが水の中を進む速度は1480m/sである。また、超音波の縦波がアルミニウム内を進む速度は6420m/sであり、横波は3040m/sである。
スネルの法則から臨界角を算出すると、縦波の臨界角は13.3度、横波の臨界角は29.1度となる。したがって本実施例では、縦波の臨界角以上であって横波の臨界角未満となる入射角度を28.0度とした。すなわち、縦波の臨界角＜入射角度＜横波の臨界角となる。

図３は、入射角度とエラー発生率との関係をプロットしたものである。超音波の入射角度を28.0度とすると、高精度の測定が可能であることが判明した。

反射体がある程度の密度を確保できない場合には、反射体を人為的に増やす。その方法として、ナイロン粒子を入れる場合と、キャビテーション気泡を入れる場合とがある。
図４は、流体配管１０の材質をアルミニウムとし、超音波の入射角度を28.0度とし、超音波の反射体としてキャビテーション気泡を発生させた場合における時間平均流速分布を示した図である。また、図５は、超音波の反射体としてナイロン粒子を採用した場合における時間平均流速分布を示した図である。

両者を比較すると、超音波振動子に近い側（図中では中央左側）での測定において、キャビテーション気泡のほうがナイロン粒子よりも算出される流速のばらつきが小さいことが分かる。これはキャビテーション気泡のほうが、エコー強度が大きいことに起因している。
すなわち、キャビテーション気泡のほうが、超音波による反射波の測定に優れていることが、本実施例によって把握できた。

本願発明は、ドップラ式超音波流量計に限られず、一般の超音波流量計に属する流量計においても採用することができる。
また、超音波流量計の製造業のほか、超音波流量計取り付け業、メンテナンス業においても用いられる。

実施形態を示す概念図である。 実施形態を示す概念図である。 入射角度とエラー発生率との関係を示す実施例のグラフである。 超音波の反射体としてキャビテーション気泡を発生させた場合における平均流速分布を示した図である。 超音波の反射体としてナイロン粒子を採用した場合における平均流速分布を示した図である。 従来技術とその問題点を示すための概念図である。 従来技術とその問題点を示すための概念図である。

符号の説明

１０ 流体配管 １１ 被測定流体
２０ 超音波振動子
３０ くさび ３１ 固定部
３２ 超音波伝達部

Claims (8)

1. 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段と、 前記流体配管と前記超音波送信手段に備えられた縦波超音波を発生する超音波振動子との間に介在させるくさびとを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計であって、
   前記くさびは、超音波振動子と流体配管の外表面との間に位置する超音波伝達部と、その超音波伝達部へ超音波振動子を固定する固定部とを備え、
   超音波伝達部は、音波伝播性にある材質にて形成し、
   固定部は、超音波振動子が配管の外表面に対して超音波を入射する方向と配管に垂直な方向とがなす入射角が、スネルの法則から計算される縦波の臨界角以上になるように超音波振動子を固定するように形成したことを特徴とした超音波流量計。
2. 前記くさびの超音波伝達部は、アクリル、鉄等の音波伝搬性の固体であることを特徴とする、請求項１に記載する超音波流量計。
3. 前記くさびの超音波伝達部は、水、油、空気等の音波伝搬性の流体であることを特徴とする、請求項１に記載する超音波流量計。
4. 前記流体配管が炭素鋼、アルミニウム、ステンレス等の金属からなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載する超音波流量計。
5. 前記流体配管がアクリル等の樹脂であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載する超音波流量計。
6. 超音波の入射角度を調整可能な入射角度調整手段と、
   その入射角度調整手段によって設定された入射角度をデータとして受信するデータ受信手段とを備え、
   前記の流体速度分布測定手段は、そのデータ受信手段によって受信されたデータに基づいて測定領域における被測定流体の流速分布を測定することとした請求項１から請求項５のいずれかに記載する超音波流量計。
7. 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計において、縦波超音波を発生する超音波振動子と前記配管との間に介在させるくさびであって、
   超音波振動子と流体配管の外表面との間に位置する超音波伝達部と、その超音波伝達部へ超音波振動子を固定する固定部とを備え、
   超音波伝達部は、音波伝播性にある材質にて形成し、
   固定部は、超音波振動子が配管の外表面に対して超音波を入射する方向と配管に垂直な方向とがなす入射角が、スネルの法則から計算される縦波の臨界角以上になるように超音波振動子を固定するように形成した超音波流量計用のくさび。
8. 音響インピーダンスが、流体配管の音響インピーダンスとは異なる材質とした請求項７記載のくさび。

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