(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる管路と、この管路の延長方向に離間して設置される複数の超音波トランスジューサとを備えた超音波流量計において、
前記管路が金属、硝子などの硬質の素材から成り、この管路の外周面に軟質の樹脂層を介在させながら巻回された金属箔から成る振動吸収層が形成されたことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記振動吸収層は、管路の長手方向に離散して複数形成されたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記振動吸収層の前記軟質の樹脂層は、接着剤の層から成ることを特徴とする請求項１と２のそれぞれに記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記管路と前記振動吸収層の金属箔の素材は、ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１乃至３のそれぞれに記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記振動吸収層の前記金属箔の合計の厚みは、前記管路の厚みと同程度であることを特徴とする請求項１乃至４のそれぞれに記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記管路の厚みは、0.2 ｍｍ以下お範囲に設定されたことを特徴とする請求項１乃至５のそれぞれに記載の超音波流量計。
【請求項７】
前記管路の内径は、１ｍｍから１０ｍｍまでの範囲に設定されたことを特徴とする請求項１乃至６のそれぞれに記載の超音波流量計。
【請求項８】
前記超音波の送受波器は、中心部に形成された開口に前記管路が嵌合せしめれる構造を有することを特徴とする請求項１乃至７のそれぞれに記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波流量計、特に、小径の管路を用いる場合に好適な超音波流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
種々の流体の流速や流量の計測に超音波流量計がひろく利用されてきた。超音波流量計の典型的なものは、流体の流路にそって１対の超音波トランスジューサを配置し、超音波を流路の下流に伝搬させた場合の伝搬所要時間と、逆に上流に伝搬させた場合の伝搬所要時間とを測定し、両者の差から流体の流速と流量とを計測するように構成されている。
【０００３】
最近、微小な流量の測定も要求されるようになってきた。この場合、測定対象の流速が超音波の伝搬速度に比べて圧倒的に小さくなり、測定精度が低下するという問題がある。この測定精度の低下を回避するため、流路の径を絞って流速を増加させることも行われている。この結果、内径が数ｍｍのごく細の管路の使用などが必要になってきている。このごく細の管路を使用するために、中心部分に開口が形成された円環形状のトランスジューサを使用し、その中心部分の開口に極く細の管路を嵌合されせた構造の超音波流量計が使用される。
【０００４】
本出願人が先に出願した特願２０００−１７０４１９号には、円環形状のトランスジューサに嵌合されるステンレス鋼等の硬質の素材から成るごく細の管路の表面に樹脂やゴムの振動吸収層を形成し、管壁を伝搬する超音波振動を減衰させ、測定制度を高める構成が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の円環形状の送受波器の中心部分にごく細の管路を嵌合させる構造の超音波流量では、硬質の管路の表面に樹脂やゴムなどの振動吸収層を形成しただけでは管壁を伝搬する超音波振動を十分に減衰させることが困難である。このため、測定精度が低下するという問題がある。管壁を伝搬する超音波振動を十分に減衰させて抑圧するには、管路そのものを樹脂などの軟質の素材で形成することが有効である。しかしながら、この場合、流体中を伝搬する超音波も減衰してしまい、必要な測定精度を確保できないという問題がある。従って、本発明の目的は、管路の管壁を伝搬する超音波振動のみを有効に減衰させることにより受信信号のＳＮ比と測定精度を向上させた超音波流量計を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明の超音波流量計は、流体が流れる管路とこの管路の延長方向に離間して設置される複数の超音波トランスジューサとを備えている。そして、管路は金属や硝子などの硬質の素材から成り、この管路の外周面に軟質の樹脂層を介在させながら巻回された金属箔から成る振動吸収層が形成されることにより、管路を伝搬する超音波振動を振動吸収層に吸収させて減衰させ、測定精度を向上させるように構成されている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、金属箔から成る振動吸収層は管路の長手方向に離散して複数形成されることにより、振動吸収層を媒介とする超音波の伝搬を阻止しながら振動吸収の効果を高めるように構成されている。
【０００８】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、振動吸収層を構成する軟質の樹脂層は接着剤の層から成ることにより、振動吸収層を形成するための製造工程の簡略化を図るように構成されている。
【０００９】
本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、管路と振動吸収層の金属箔の素材はステンレス鋼であり、金属箔の合計の厚みを管路の厚みと同程度の値に設定するように構成されている。
【００１０】
本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、管路の厚みは、0.2 ｍｍ以下に設定されることにより振動吸収層によっては吸収しにくい縦波が管壁を介して伝搬するのを抑圧するように構成されている。
【００１１】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例の超音波流量計の構成を示すブロック図である。この超音波流量計は、ごく細の管路１と、この管路に沿って間隔をおいて設置される１対の超音波送受波器２ａ，２ｂと、送受信回路３ａ，３ｂと、送受制御回路４と、送信信号発生回路５と、受信回路６と、Ａ／Ｄ変換回路７と、受信信号処理回路８と、表示部９と、送受波器２ａ，２ｂ間において管路１の管壁上に形成される複数の振動吸収層１０とを備えている。
【００１２】
ごく細の管路１は内径が１ｍｍ乃至１０ｍｍの範囲、厚みが0.1 ｍｍから0.2 ｍｍの範囲でステンレス鋼を素材とする。超音波送受波器２ａ，２ｂは、図２の斜視図に示すように、中心部分に開口が形成された円環形状を呈しており、それぞれの開口に管路１が嵌合される。超音波送受波器２ａ，２ｂは100 ｍｍ〜200 ｍｍの間隔をおいて配置される。
【００１３】
振動吸収層１０は、図３の部分拡大断面図に示すように、肉厚1.5 ｍｍの管路１の管壁上に、厚み40μｍのステンレス鋼の箔１１を、厚み80μｍの接着剤層１２を介在させながら４から５回ていど巻回した構成を有している。このような構成の振動吸収層１０は、株式会社スリオンテック社から製品番号８８１４として市販されている幅５０乃至１００ｍｍの範囲のステンレス薄膜テープを管路１の管壁上に巻回することにより容易に実現される。
【００１４】
送信信号発生回路５は、図４に示すような幅Ｔの矩形パルス状の送信信号を発生する。１／Ｔ＝ｆとすれば、この周波数ｆは数百kHz の超音波帯域に設定される。送受信回路３ａ，３ｂは、送信信号発生回路５から供給される送信信号を増幅し、対応の超音波送受波器２ａ，２ｂに供給するという送信動作を行う。この送信動作は、送受信制御回路４からの制御信号に従って送受信回路３ａ，３ｂ間で交互に反復される。送受信回路３ａ，３ｂは、上記送信動作を行わない期間内は、対応の超音波送受波器２ａ，２ｂが受けた受信信号を増幅・濾波回路６に転送する受信動作を行う。
【００１５】
超音波送受波器２ａ，２ｂは、送信信号で励振されると、径方向に伸縮することにより管路１をその径方向に圧縮・膨張させる。この管路１の径方向への圧縮・膨張は流体に伝達され、これによる圧縮・膨張を受けた流体中に流路方向に圧縮・膨張する縦波が励振され、管路の延長方向に伝搬される。超音波送受波器２ａ，２ｂの一方から流体中に励振され、流体中を伝搬して他方の送受波器に受信された超音波振動は、送受信回路３ａ，３ｂの一方に受信される。この受信信号の波形を、図５に例示する。この受信信号は、増幅・濾波回路６を経てＡ／Ｄ変換回路７に供給される。Ａ／Ｄ変換回路７は、送信信号発生回路５から供給される送信トリガ信号に同期して、アナログ受信信号をディジタル受信信号に変換し、信号処理回路８に供給する。
【００１６】
信号処理回路８は、トリガ信号の発生時点からディジタル受信信号の立ち上がり時点までの時間を検出することにより、超音波が送受波器２ａ，２ｂ間の流体中を伝搬するのに要した伝搬所要時間を検出する。信号処理回路８は、超音波が送受波器２ａから２ｂへと下流方向に伝搬するのに要した伝搬所要時間と、送受波器２ｂから２ａへと上流方向に伝搬するのに要した伝搬所要時間とを検出し、これらの差に基づき、流体の流速を検出する。信号処理回路８は、検出した流速に流路の断面積と、流速の分布を補正するための係数を乗算することにより、流速から流量を算定し、表示部９に表示させる。
【００１７】
本発明者は、この実施例の超音波流量計の開発段階において、振動吸収層を設けることなく上述した計測を実行しようとした。しかしながら、管路１の管壁を介して伝搬する超音波振動の成分が大きすぎて、測定精度が不能であるという事態に遭遇した。図６は、そのような管路１の管壁を介して伝搬する超音波振動の成分による受信波形の一例を示している。横軸は時間（μsec ）、縦軸は受信した信号の振幅（volt）である。この受信信号の波形は、管路１の内部を測定対象の液体ではなく空気で満たした状態で測定されたものである。管壁を介して伝搬する超音波の振動成分が大きく、しかも長時間かけて徐々に減衰してゆくことが判る。
【００１８】
次に、図１に示すように、送受波器２ａ，２ｂ間に振動吸収層１０が複数形成された実施例の構成について同様の実験を行った。すなわち、図１の超音波流量計の管路１を測定対象の液体で満たす代わりに空気で満たし、一方の送受波器で送信信号を発生させ、管壁を介して伝搬してきた超音波振動を他方の送受波器で受信するという実験を行った。受信信号の波形を図７に示す。この実験結果を図６の実験結果と比較すると、振動吸収層１０の付加に伴い、管壁を介して伝搬する超音波振動の成分がこの振動吸収層１０によって十分に吸収され、減衰されていることが判明する。
【００１９】
図８は、受信信号の振幅の振動吸収層１０の厚みに対する依存性を示す実験データである。振動吸収層１０の厚みは、これを形成するステンレス薄膜テープの巻回の回数で表現し、この巻回の回数を横軸の数字で示している。縦軸は超音波振動の受信信号の振幅であり、振動吸収層１０を設けない場合の値を基準（０dB）に設定している。ステンレス薄膜テープの巻回の回数と共に、すなわち振動吸収層の厚みの増加につれて超音波振動の受信振幅は急激に減少するが、４回程度を越えるとそれ以上回数が増加してもほぼ一定値にとどまる。ステンレス薄膜テープの４回の巻回回数では振動吸収層１０の厚みは (40＋80) ×4 ＝480 μｍ、ステンレス鋼の薄膜の合計の厚みは 40 ×4 ＝160 μｍ  となり、管路１の管壁の厚み0.15ｍｍと同程度の値になる。
【００２０】
ステンレス鋼や硝子等の硬質の素材から成る管路１の管壁の厚みを 0.2ｍｍよりも大きな値に設定すると、管壁内を縦波のモードで伝搬する超音波が発生し、振動吸収層１０を形成してもこの縦波のモードを吸収することが困難であることが判明した。この縦波モードに対して、管壁を横波のモードで伝搬する超音波は、振動吸収層１０と容易に結合する。すなわち、振動吸収層１０内に横波のモードが容易に励振され、この振動吸収層の内部で減衰される。これに対して、管壁の厚みが 0.2ｍｍよりも大きな場合に管壁内部を伝搬する縦波のモードは、振動吸収層１０とはほとんど結合しない。すなわち、振動吸収層１０の内部には縦波が励振されず、従って、その内部での吸収が生じない。管路１の管壁の厚みが  0.2 ｍｍ以下で縦波のモードが発生しにくくなる原因は現在のところ明確ではないが、管壁の厚みをその範囲に設定することは、振動吸収層１０による減衰が困難な縦波の励振を抑圧するうえで極めて有効であることが判明した。
【００２１】
以上、ステンレス鋼を素材する管路を使用する場合に例にとって本発明を説明した。しかしながら、ステンレス鋼と同程度の固さのガラスなどを素材とする管路についても、本発明を適用することにより、管壁を伝わって伝搬する超音波成分を吸収し減衰させることが可能である。
【００２２】
また、ごく細の管路を使用する場合を例示した。しかしながら、そのようなごく細の管路を使用しない場合にも本発明を適用することにより、管壁を伝って伝搬する超音波を吸収・減衰させるという効果を実現することができる。
【００２３】
また、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニル樹脂、アクリル樹脂等の軟質の樹脂から成る接着剤層を介在させながらステンレス鋼の金属箔を巻回する構造の振動吸収層を形成する構成を例示した。しかしながら、そのような接着剤層のかわりに、接着性を有しないか接着性の弱い他の適宜な軟質の樹脂層を介在させながら金属箔を巻回し、端部だけを別途接着剤を使用して固定する構成を採用することもできる。
【００２４】
さらに、１対の送受波器を流路に沿って離間させて設置し、交互に超音波を送信させる構成を一実施例として示した。しかしながら、上記１対の送受波器の中間に送波器を設置し、この送波器で励振した超音波を上流側と下流側に同時に伝搬させ、上流側と下流側に設置された送受波器でこの超音波を受信することにより上流側への伝搬所要時間と下流側への伝搬所要時間とを検出する構成とすることもできる。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の超音波流量計は、金属や硝子などの硬質の素材で構成されトランスジューサで励振された超音波振動が伝搬しやすい管路の外周面に、軟質の樹脂層を介在させながら巻回された金属箔から成る振動吸収層が形成する構成であるから、管壁を介して伝搬する超音波振動が効率良く吸収されて減衰し、測定精度が向上するという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の超音波流量計の構成を示すブロック図である。
【図２】図１中の管路１と超音波送受波器２ａ，２ｂの構成と結合状態を示すを示す斜視図である。
【図３】図１の振動吸収層１０の構成を詳細に示す部分拡大断面図である。
【図４】送受波器に対する駆動信号の波形を示す概念図である。
【図５】送受波器の受信信号の波形の一例を示す概念図である。
【図６】振動吸収層１０を設けない場合、管路１の管壁を伝わって伝搬する超音波振動の受信信号の波形を示す実験データである。
【図７】振動吸収層１０を設けた場合、管路１の管壁を伝わって伝搬する超音波振動の受信信号の波形を示す実験データである。
【図８】振動吸収層の厚み（金属薄膜の巻回回数）と超音波振動の振幅の関係を示す概念でである。
【符号の説明】
１      管路
2a,2b   超音波送受波器
3a,3b   送受信回路
4       送受制御回路
5       送信信号発生回路
6       増幅・濾波回路
7       Ａ／Ｄ変換回路
8       信号処理回路
9       表示部
10      振動吸収層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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