(57)【要約】【課題】飽和蒸気の流量を安定して計測できるようにする。【解決手段】流体が流れる配管３０の内周面３２に、皮膜性アミンなどの、疎水性を有する疎水膜４０を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる配管と、
前記配管の外周面に設けられて、前記流体を通過するよう超音波を送受信するトランスデューサと、
前記トランスデューサで送受信した超音波に基づいて、前記流体の流量を計測する計測処理回路とを備え、
前記配管の内周面には疎水性を有する疎水膜が形成されている
ことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波流量計において、
前記疎水膜は、皮膜性アミンからなることを特徴とする超音波流量計。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の超音波流量計において、
前記トランスデューサは、水平方向に超音波を送受信する向きで前記配管の外周面に取り付けられていることを特徴とする超音波流量計。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の超音波流量計において、
前記配管の外周面に設けられて、前記超音波のうち前記配管を伝搬する配管伝搬波を吸収する超音波吸収体とをさらに備えることを特徴とする超音波流量計。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の超音波流量計において、
前記疎水膜は、水の音響インピーダンスと比較して、前記配管の音響インピーダンスにより近い音響インピーダンスを有することを特徴とする超音波流量計。
【請求項６】
超音波流量計により流量が計測される流体が流れる配管であって、内周面に疎水性を有する疎水膜が形成されていることを特徴とする配管。
【請求項７】
請求項６に記載の配管において、
前記疎水膜は、皮膜性アミンからなることを特徴とする配管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサを用いて管内を流れる蒸気の流量を計測する流量計測技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、配管の外側に取り付けられた一方のトランスデューサから配管内に向けて超音波を送信するとともに、同じく配管の外側に取り付けられた他方のトランスデューサにより、配管内を流れる流体を通過した超音波を受信し、その受信結果に応じて流体の流速および流量を計測する超音波流量計が提案されている（例えば、特許文献１など参照）。超音波流量計は、流体の粒子の移動速度に応じて、粒子で反射された超音波信号に生じる周波数シフト（ドップラー効果）を利用して、流体の流速を検出するものとなっており、液体のほか蒸気などの気体の流量も計測可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１２５５４８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような超音波流量計では、流量計測のために、蒸気などの流体に圧力損失を発生させないというメリットがあるものの、それだけに流量計測条件が厳しくなる傾向がある。このような流量計測条件の１つとして、計測対象となる流体の種類がある。例えば、一般的な蒸気であれば、超音波流量計で流量を安定して計測できるものの、水が液相と気相で共存している、いわゆる飽和蒸気の流量を計測する際、計測結果が安定しないというケースがある。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、飽和蒸気の流量を安定して計測できる超音波流量計測技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的を達成するために、本発明にかかる超音波流量計は、流体が流れる配管と、前記配管の外周面に設けられて、前記流体を通過するよう超音波を送受信するトランスデューサと、前記トランスデューサで送受信した超音波に基づいて、前記流体の流量を計測する計測処理回路とを備え、前記配管の内周面には疎水性を有する疎水膜が形成されているものである。
【０００７】
また、本発明にかかる上記超音波流量計の一構成例は、前記疎水膜が、皮膜性アミンからなるものである。
【０００８】
また、本発明にかかる上記超音波流量計の一構成例は、前記トランスデューサは、水平方向に超音波を送受信する向きで前記配管の外周面に取り付けられているものである。
【０００９】
また、本発明にかかる上記超音波流量計の一構成例は、前記配管の外周面に設けられて、前記超音波のうち前記配管を伝搬する配管伝搬波を吸収する超音波吸収体とをさらに備えるものである。
【００１０】
また、本発明にかかる上記超音波流量計の一構成例は、前記疎水膜が、水の音響インピーダンスと比較して、前記配管の音響インピーダンスにより近い音響インピーダンスを有するものである。
【００１１】
また、本発明にかかる配管は、超音波流量計により流量が計測される流体が流れる配管であって、内周面に疎水性を有する疎水膜が形成されているものである。
【００１２】
また、本発明にかかる上記配管の一構成例は、前記疎水膜が、皮膜性アミンからなるものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、配管の内周面に形成された疎水膜により、内周面における、配管を流れる飽和蒸気による水膜の形成が抑制される。これにより、水膜に起因する流量計測への影響を低減でき、結果として飽和蒸気の流量を安定して計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、超音波流量計の構成を示す説明図である。
【図２】図２は、音響整合の原理を示す説明図である。
【図３】図３は、音響整合特性を示すグラフである。
【図４】図４は、配管内周面の疎水膜を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
［超音波流量計］
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態にかかる超音波流量計１について説明する。図１は、超音波流量計の構成を示す説明図である。
【００１６】
この超音波流量計１は、配管３０の外周面３１に取り付けられた一方のトランスデューサ１３Ａ（１３Ｂ）から配管３０内に向けて超音波を送信するとともに、配管３０の外周面３１に取り付けられた他方のトランスデューサ１３Ｂ（１３Ａ）により、配管３０内を流れる蒸気などの流体Ｘを通過した超音波を受信し、その受信結果に応じて流体Ｘの流量を計測する機能を有している。
【００１７】
図１に示すように、本実施の形態にかかる超音波流量計１は、主な構成として、配管３０、流量計本体１０、トランスデューサ１３Ａ，１３Ｂ、および超音波吸収体１４を備えている。
本発明は、配管３０の内周面に、疎水性を有する疎水膜４０を形成したものである。疎水膜４０の詳細については後述する。
【００１８】
流量計本体１０は、超音波流量計測のための各種回路部が収容される筐体からなり、主な回路部として、切替回路１１と計測処理回路１２が設けられている。
【００１９】
切替回路１１は、計測処理回路１２から出力された切替信号に応じて、計測処理回路１２とトランスデューサ１３Ａ，１３Ｂとを切替接続する回路部である。これにより、トランスデューサ１３Ａから超音波を送信する場合には、計測処理回路１２からの電気送信信号がトランスデューサ１３Ａへ出力されるとともに、トランスデューサ１３Ｂからの電気受信信号が計測処理回路１２へ出力され、トランスデューサ１３Ｂから超音波を送信する場合には、計測処理回路１２からの電気送信信号がトランスデューサ１３Ｂへ出力されるとともに、トランスデューサ１３Ａからの電気受信信号が計測処理回路１２へ出力される。
【００２０】
計測処理回路１２は、全体としてＣＰＵおよび信号処理回路からなり、一定周波数で変調されたパルス信号からなる電気送信信号を生成する機能と、生成した電気送信信号を切替回路１１によりトランスデューサ１３Ａ，１３Ｂに切替出力することにより、トランスデューサ１３Ａ，１３Ｂ間で上り方向および下り方向に超音波をやり取する機能と、これにより得られた上り電気受信信号と下り電気受信信号とから得られた伝搬時間差に基づき、配管３０内を流れる流体の速度さらには流量を計算する機能とを有している。
【００２１】
トランスデューサ１３Ａ，１３Ｂは、全体として超音波送受信器からなり、流量計本体１０から出力された電気送信信号を超音波に変換し、配管３０の壁部３３を介して配管３０内の流体Ｘに向けて送信する機能と、壁部３３を介して配管３０内から届いた超音波を受信して電気受信信号に変換し、流量計本体１０へ出力する機能とを有している。
【００２２】
これらトランスデューサ１３Ａ，１３Ｂは、配管３０の外周面３１のうち、例えば配管３０内側の中央位置に設けられた基準となる測定点Ｐを挟んで流体Ｘの上流側位置と下流側位置とに、斜めに対向配置されている。
また、配管３０が水平配管の場合、配管３０内を流れる蒸気が凝縮した水がたまって、いわゆる水たまりが配管３０内に発生する。したがって、これらトランスデューサ１３Ａ，１３Ｂを、水平方向に超音波を送受信する向きで配管３０の外周面３１に取り付けることにより、配管３０内に発生する水たまりによる流量計測への影響を低減させることができる。
【００２３】
一般に、トランスデューサ１３Ａ，１３Ｂ間で流体Ｘの流れ方向Ｆに対する上り方向Ｕおよび下り方向Ｄに超音波を送受信した際、このような斜め対向配置により、流体Ｘの流速に応じて流体を伝搬した流体伝搬波に伝搬時間差が生じる。したがって、この伝搬時間差と流体Ｘに対する超音波の角度とから流体Ｘの流量を計算することができる。本実施の形態では、前述した特許文献１と同様に、このような伝搬時間差方式により流量を計測する場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、ドップラー方式の場合にも本実施の形態を同様にして適用することができる。
【００２４】
超音波吸収体１４は、例えば、未架橋のブルチゴムなど、ゴムや高分子材料を主材料とする、マット状の弾性体からなり、配管３０の外周面３１に設けられて、トランスデューサ１３Ａ，１３Ｂから送信された超音波のうち、配管３０の外周面３１、内周面３２、あるいは壁部３３内など、配管３０自体を伝搬する配管伝搬波を吸収する機能を有している。
【００２５】
図４を参照して、超音波吸収体１４による配管伝搬波の吸収作用について、音響インピーダンスＺを用いて説明する。図４は、音響整合の原理を示す説明図である。
超音波が任意の媒質内を伝搬する場合、一定の音圧に対して媒質粒子が振動する速度が媒質よって異なる。一般に、このような媒質粒子の振動のし易さ（し難さ）を音響インピーダンスといい、音響インピーダンスＺは、媒質の密度ρと媒質内を超音波が伝搬する音速ｃとの積、Ｚ＝ρ・ｃで表される。
【００２６】
超音波が異なる媒質間を伝搬する場合、それぞれの媒質の音響インピーダンス差に応じて、媒質界面における超音波の透過率や反射率が変化し、音響インピーダンス差が大きいほど反射率が高くなる。
このような音響インピーダンス差が大きい媒質間を伝搬させる場合、２つの媒質間に音響整合層という第３の媒質を挿入することにより、音響インピーダンスを整合させる方法がある。
【００２７】
図４に示すように、音響インピーダンスＺ1の媒質Ｍ1と音響インピーダンスＺ2の媒質Ｍ2との間に、幅Ｌで音響インピーダンスＺ3の媒質Ｍ3を挿入した場合、媒質Ｍ1，Ｍ3，Ｍ2全体で音響インピーダンスが整合する音響整合条件は、次の式（１）および式（２）で表される。
Ｌ＝λ3／４  …（１）
Ｚ3＝√Ｚ1Ｚ2  …（２）
なお、λ3は媒質Ｍ3における超音波の波長であり、媒質Ｍ3内での音速をＣ3とし、超音波の周波数をｆとした場合、λ3＝Ｃ3／ｆで求められる。
【００２８】
このような音響整合条件が成立した場合、音響整合状況が整合状態となって、媒質Ｍ1に入射した超音波に対する反射波の強度Ｉ3がセロとなる。これにより、反射損失がゼロとなって、媒質Ｍ1に入射した超音波の強度Ｉ1と、媒質Ｍ２から出射される超音波の強度Ｉ2とが等しくなる。したがって、このような３つの媒質Ｍ1，Ｍ3，Ｍ2の音響インピーダンスＺ1，Ｚ3，Ｚ2がそれぞれ異なる場合でも、音響整合状況を向上させることにより、超音波の良好な伝搬特性が得られる。
【００２９】
このような３つの媒質Ｍ1，Ｍ3，Ｍ2の音響インピーダンスＺ1，Ｚ3，Ｚ2がそれぞれ異なる場合でも、音響整合状況を向上させることにより、超音波の良好な伝搬特性が得られる。例えば、これら媒質Ｍ1，Ｍ3を配管３０の壁部３３および超音波吸収体１４に見立てるとともに、媒質Ｍ2に相当する超音波緩衝体（図示せず）を超音波吸収体１４の外側面に設けることにより、配管３０を伝搬する配管伝搬波を効率よく吸収できる。超音波緩衝体として空気（Ａｉｒ）を用いてもよい。
【００３０】
図５は、音響整合特性を示すグラフであり、横軸が配管音響インピーダンスＺ１を示し、縦軸が超音波緩衝体音響インピーダンスＺ２を示している。図５において、音響整合特性Ｑは、超音波吸収体１４の音響インピーダンスＺ３を１．９ｅ＋０６［Ｐａ・ｓ／ｍ］に固定した場合に、音響整合要件が成立する配管音響インピーダンスＺ１と超音波緩衝体音響インピーダンスＺ２との関係を示している。
【００３１】
例えば、配管３０がアルミニウム配管（ＡＬ）からなる場合、その音響インピーダンスＺ１は約１７ｅ＋０６［Ｐａ・ｓ／ｍ］となる。したがって、この配管３０と良好な音響整合状況が得られる超音波緩衝体音響インピーダンスＺ２は、音響整合特性Ｑから、約０．２２ｅ＋０６［Ｐａ・ｓ／ｍ］であることが分かる。
一方、配管３０がステンレス配管（ＳＵＳ）からなる場合、その配管音響インピーダンスＺ１は約４５〜４６ｅ＋０６［Ｐａ・ｓ／ｍ］となり、ＳＧＰ配管（ＳＧＰ）からなる場合、その配管音響インピーダンスＺ１は約４６ｅ＋０６［Ｐａ・ｓ／ｍ］となる。したがって、これら配管３０と良好な音響整合状況が得られる超音波緩衝体音響インピーダンスＺ２は、音響整合特性Ｑから、約０．０８ｅ＋０６［Ｐａ・ｓ／ｍ］であることが分かる。
【００３２】
これに対して、気泡のないシリコーンゴム（ＳＧ）自体の超音波緩衝体音響インピーダンスＺ２は約０．２ｅ＋０６［Ｐａ・ｓ／ｍ］であるから、アルミニウム配管の場合には、気泡のないシリコーンゴムを超音波緩衝体とすることにより、良好な音響整合状況が得られることになる。
一方、空気（Ａｉｒ）の超音波緩衝体音響インピーダンスＺ２は約０．０３ｅ＋０６［Ｐａ・ｓ／ｍ］であるから、シリコーンゴムスポンジを超音波緩衝体とすることにより、良好な音響整合状況が得られることになる。
【００３３】
［配管内周面の疎水膜］
次に、図４を参照して、配管３０の内周面３２に形成される疎水膜４０について説明する。図４は、配管内周面の疎水膜を示す説明図である。
実験の結果、一般的な蒸気であれば、超音波流量計で流量を安定して計測できるものの、飽和蒸気の流量を計測する際、計測結果が安定しないというケースが見られた。
【００３４】
ここで、飽和蒸気とは、水が液相と気相で共存している状態の蒸気である。このとき、気体と液体とは平衡状態にあり、蒸発する速度と凝縮する速度が同じ状態にある。このため、配管３０の内周面３２では、このような水の蒸発と凝縮とが頻繁に繰り替えされ、内周面３２に水膜が形成されることになる。一方、飽和していない一般的な蒸気では、このような水膜はあまり形成されない。
本発明は、このような内周面３２における水膜の形成状況と流量計測安定性との関係に着目し、図４に示すように、配管３０の内周面３２に疎水性を有する疎水膜（疎水層）４０を形成して、飽和蒸気による水膜形成を抑制するようにしたものである。
【００３５】
疎水膜４０の具体例として、皮膜性アミンによる疎水膜がある。皮膜性アミンは、炭素数１２〜２４の飽和又は不飽和の直鎖脂肪族アミン化合物であり、例えば、オクタデシルアミン、ドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ヘプタデシルアミン、ノナデシルアミン、エイコシルアミン、ドコシルアミンなどがある。
【００３６】
鉄などの金属表面に皮膜性アミンが触れると、皮膜性アミンのうち一方のアミノ基４１が吸着し、他方の針状のアルキル基４２が単分子層または多分子層の非常に緻密な皮膜、すなわち疎水膜４０を形成する。このような疎水膜４０によって水分と鉄系金属との接触が防止されて、疎水性（撥水性）が得られる。一般には、疎水性とは水になじみにくい性質をいい、撥水性とは水を弾く性質をいう。これら疎水性および撥水性は、いずれも水との親和性すなわち親水性が弱い点について共通していることから、撥水性は疎水性の一部であると考えられる。このため、本発明において、疎水膜４０は、撥水性を有する撥水膜（撥水層）を含むものとする。
【００３７】
このような疎水膜４０を配管３０の内周面３２に形成すると、内周面３２における、配管３０を流れる飽和蒸気による水膜の形成が抑制される。これにより、水膜に起因する流量計測への影響を低減でき、結果として飽和蒸気の流量を安定して計測することが可能となる。
【００３８】
また、疎水膜４０を配管３０の内周面３２に形成した場合、疎水基などの水以外のものが付着することで、蒸気の時に内周面３２で発生する水と空気との多相の様に、配管材料と疎水基のそれぞれの層が形成されて、疎水基の層すなわち疎水層４０と配管３０との間で、超音波の反射が発生する場合も考えられる。このため、疎水層４０として、配管３０の音響インピーダンスに対する水の音響インピーダンスと比較して、配管３０の音響インピーダンスにより近い音響インピーダンスを有する疎水基を用いてもよい。これにより、疎水層４０と配管３０との間で発生する超音波の反射を抑制することができる。
【００３９】
［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１…超音波流量計、１０…流量計本体、１１…切替回路、１２…計測処理回路、１３Ａ，１３Ｂ…トランスデューサ、１４…超音波吸収体、２０…超音波緩衝装置、２１…超音波緩衝体、２２…締付部、２２Ａ…押さえ板、２２Ｂ…締付バンド、２３…音響整合調整部、３０…配管、３１…外周面、３２…内周面、３３…壁部、４０…疎水膜、４１…アミノ基、４２…アルキル基。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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