(57)【要約】【課題】管体にＦＲＰを用いて管体を管軸方向に伝搬する超音波パルス信号を減衰させ、管体内の流体を伝搬する超音波パルス信号を精度良く検出する。【解決手段】測定すべき流体が流れる管体１の上流側及び下流側の外側に沿った位置に、対となる超音波送受信器２ａ、２ｂが固定されている。管体１にはＦＲＰ（繊維強化樹脂）が使用され、繊維の配列方向は管体１の管軸と直交する方向、つまり円周方向とされている。  このＦＲＰ製の管体１の採用により、一方の超音波送受信器２ａ、２ｂから他方の超音波送受信器２ｂ、２ａへの管体１を介しての点線で示す伝搬は、ＦＲＰの繊維の配列方向によって少なからず阻止され、実線で示す流体中を伝搬した超音波パルス信号は高いＳ／Ｎで受信することが可能になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管体内を流れる流体の上流側と下流側の管体の外側に対となる超音波送受信器を配置し、前記一方の超音波送受信器から流体中に超音波パルス信号を発射し、前記他方の超音波送受信器で受信することを交互に繰り返し、前記超音波パルス信号が前記流体の流れに順行して伝搬する時間と流れに逆行して伝搬する時間差から前記管体内の前記流体の速度を求め、前記管体内を流れる流量を測定する時間差方式の超音波流量計において、前記管体の全部又は一部を音響伝搬特性に異方性を有するＦＲＰにより構成すると共に、前記超音波パルス信号が前記管体中を管軸方向に伝搬し難いように前記ＦＲＰの繊維の配列方向を選定したことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記ＦＲＰの繊維の配列方向は前記管体の略円周方向とし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】
前記超音波パルス信号は５００ｋＨｚ〜３ＭＨｚの周波数を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記超音波パルス信号は１〜１．５ＭＨｚの周波数としたことを特徴とする請求項３に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記管体、前記超音波送受信器を金属体により覆い防爆安全構造にしたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管体にＦＲＰを用い、管体内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】
【０００２】
流体が流れる管体外部の上流側と下流側に対となる超音波送受信器を配置し、管体の外側から管壁を貫通して超音波パルス信号を流体の流れ内に発信し、超音波パルス信号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の差から流体の流速を求め、この流速に管体の断面積を乗じて管路内を流れる流量を測定する時間差方式の超音波流量計が多く実用化されている。
【０００３】
この方法は電子回路技術の進歩に伴って高精度化が進んでいるが、更に高精度化を実現するには、超音波パルス信号の伝搬時間差をより正確に求める必要があり、伝搬する超音波パルス信号を高いＳ／Ｎで検出することが重要となる。
【０００４】
しかし、超音波流量計の管体上に設置された一方の超音波送受信器から発信された超音波パルス信号の一部は、管体中を伝搬し他方の超音波送受信器で受信され、流体中を伝わってきた超音波パルス信号と重畳して受信される。しかし、これらの信号は周波数が同じであるために、フィルタで分離することが極めて困難である。
【０００５】
一方、流体が流れる管体内に超音波パルス信号を発射して、流体中に含まれる塵や気泡などの異物から反射される超音波パルス信号のドップラ周波数を検出して、管体内の流量を測定する例えば特許文献１に記載のドップラ式の超音波流量計が知られている。
【０００６】
このドップラ式の超音波流量計においては、超音波パルス信号が容易に伝搬する材質の管体を用いても、管体を伝搬する超音波パルス信号と測定に利用するドップラ検出信号の分離が容易である。また、管体の材質が超音波パルス信号を良好に伝搬するものであっても、ドップラ式の場合には流量測定にさほど大きな障害とはならない。
【０００７】
引用文献１には、このドップラ式の超音波流量計の管体に、ＦＲＰ（fiber reforced plastic：繊維強化樹脂）を使用することが記載されているが、上述のようにドップラ式の超音波流量計では管体の材質が問題となることは殆どなく、本発明のような目的のためにＦＲＰが使用されているわけではない。
【０００８】
一方で、ＦＲＰに混入されている繊維の配列方向によって超音波パルス信号の音速や伝搬に極めて強い異方性があることが特許文献２などに開示されており、超音波パルス信号の音速や伝搬の減衰はＦＲＰ中の繊維の配列方向、周波数によって大きな差異がある。例えば、繊維の配列方向に沿った音速は、繊維に直交する方向に対して、周波数にもよるが概ね５倍程度大きくなる。
【０００９】
図６はＦＲＰの繊維の配列方向の違いによる周波数を横軸とする減衰特性のグラフ図である。実線で示す繊維の配列方向に対し直交する方向への超音波パルス信号の大きさは、点線で示す配列方向への信号に比較して十分大きな減衰が生ずる。その原因は、ＦＲＰ中の超音波の音速には繊維の各配列方向に対するヤング率と材料の密度、減衰には繊維の各配列方向に対する散乱と材料の粘性による吸収が関与しているからである。
【００１０】
ＦＲＰは航空機や自動車などの材料として多用されており、超音波による探傷技術などの非破壊検査が適用されている。このような検査では経験的に超音波の周波数に比例して伝搬が減衰することが知られており、通常は減衰が始まる１００ｋＨｚ以上の周波数の超音波が利用されることはまれである。即ち、検査のために超音波を如何に良好にＦＲＰ内を伝搬させることができるかが大きな関心事であり、超音波検査には伝搬の減衰が繊維の配列方向に殆ど影響されない１００ｋＨｚ以下の周波数が利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−１５６４０１号公報
【特許文献２】特開平７−２８４１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の金属管や通常の合成樹脂管の管体を用いた時間差方式の超音波流量計において、管体中を直接伝搬する超音波パルス信号が外乱となって、測定のための流体中を伝搬する信号のＳ／Ｎを悪くしているので、管体中を伝搬する超音波パルス信号を抑制することが必要となっている。
【００１３】
また、管体内外から管体に伝搬してくる振動に測定周波数が含まれている場合も、同様の理由で測定精度を悪化させる一因となっており、超音波流量計の精度向上のためにはこれらの解決が課題となっている。このため、回路技術上の改善がなされているが、なお十分な解決策とはなっていない。
【００１４】
本発明の目的は、上述の課題を解消し、管体にＦＲＰを用いて管体を管軸方向に伝搬する超音波パルス信号を減衰させ、管体内の流体を伝搬する超音波パルス信号を精度良く検出できる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】
【００１５】
上記目的を達成するための本発明に係る超音波流量計は、管体内を流れる流体の上流側と下流側の管体の外側に対となる超音波送受信器を配置し、前記一方の超音波送受信器から流体中に超音波パルス信号を発射し、前記他方の超音波送受信器で受信することを交互に繰り返し、前記超音波パルス信号が前記流体の流れに順行して伝搬する時間と流れに逆行して伝搬する時間差から前記管体内の前記流体の速度を求め、前記管体内を流れる流量を測定する時間差方式の超音波流量計において、前記管体の全部又は一部を音響伝搬特性に異方性を有するＦＲＰにより構成すると共に、前記超音波パルス信号が前記管体中を管軸方向に伝搬し難いように前記ＦＲＰの繊維の配列方向を選定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る超音波流量計は、管体にＦＲＰを使用して、その音響伝搬特性の異方性により管体中を管軸方向に伝搬する超音波パルス信号を抑制するので、本来の流体中を伝搬する超音波パルス信号を精度良く求めることができる。
【００１７】
即ち、ＦＲＰの音響伝搬特性の異方性を利用し、管体を構成する繊維の配列方向を管軸と略直交する方向となるようにして、管体中を伝搬する超音波パルス信号を大きく抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１の超音波流量計の構成図である。
【図２】ＦＲＰから成る管体の繊維配列方向の説明図である。
【図３】ＦＲＰの繊維配列方向に沿った場合と配列方向に直交する方向の場合の超音波パルス信号の伝搬特性のグラフ図である。
【図４】ＦＲＰ製の管体とステンレス製の管体との管体内の水を伝搬して受信された超音波パルス信号の伝搬特性のグラフ図である。
【図５】実施例２の超音波流量計の構成図である。
【図６】ＦＲＰの繊維配列方向の違いによる周波数ごとの減衰特性のグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に図１〜図５に図示の実施例を基に本発明の詳細を説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１は実施例１の超音波流量計の構成図である。この超音波流量計は管体１の径が比較的小さい場合に使用される所謂Ｖ型と呼ばれる超音波伝搬方式を採用している。測定すべき流体が流れる管体１の上流側及び下流側の外側に沿った位置に、一対の超音波送受信器２ａ、２ｂが固定されている。
【００２１】
特に、管体１にはＦＲＰ（繊維強化樹脂）が使用され、図２に示すようにその繊維Ｆの配列方向は管体１の管軸Ｃと直交する方向、つまり円周方向とされている。
【００２２】
実施例１の時間差方式の超音波流量計では、管体１中を流体が流れている状態で超音波送受信器２ａ、２ｂから交互に超音波パルス信号が送信され、管体１内の流体を横切り管体１の反対側の管壁でＶ字状に反射され、他方の超音波送受信器２ｂ、２ａで受信される。そして、流体の流れに順行した場合と逆行した場合との超音波パルス信号の伝搬時間差Δｔを計測する。この時間差Δｔは流体の流速Ｖに相当するので、管体１の断面積Ｓを乗ずることにより、流量ＱはＱ＝Ｓ・Δｔとして得られる。
【００２３】
このようなＦＲＰ製の管体１の採用により、一方の超音波送受信器２ａ、２ｂから他方の超音波送受信器２ｂ、２ａへの管体１を介した点線で示す伝搬は、ＦＲＰの繊維の配列によって少なからず阻止され、実線で示す流体中を伝搬した超音波パルス信号は高いＳ／Ｎで受信することが可能になる。
【００２４】
図３はＦＲＰから成る管体１とステンレス製の管体１を用いた場合の超音波周波数と受信信号のＳ／Ｎの関係を実測したグラフ図を示す。実線はＦＲＰの繊維の配列方向と直交する方向に超音波パルス信号の管体１を伝搬した場合であり、点線はステンレス製の管体１を伝搬した場合である。
【００２５】
このことから、ＦＲＰ製の管体１の場合はステンレス製の管体１の場合よりも、管体１中を管軸方向に伝搬する超音波パルス信号は少なく、受信信号のＳ／Ｎが大きいことが分かる。また、このグラフ図から明らかなように、ＦＲＰ製の管体１を用いた超音波流量計には５００ｋＨｚ〜３ＭＨｚの周波数を用いることが好ましく、特に１〜１．５ＭＨｚでＳ／Ｎの良好な信号が得られる。
【００２６】
図４（ａ）はＦＲＰの繊維配列方向を管軸Ｃと直交する方向とした管体１に超音波送受信器２ａ、２ｂを取り付け、これらの超音波送受信器２ａ、２ｂで得られた超音波パルス信号の伝搬特性のグラフ図である。また、（ｂ）はステンレス製の管体１の場合の同じグラフ図である。
【００２７】
（ａ）に示すＦＲＰによる管体１においては、超音波パルス信号を受信していない場合には、殆ど外部からの外乱ノイズを検知することなく、管体１内の流体を伝搬した超音波パルス信号が得られ、超音波パルス信号も整然と並んだ波形が得られるので、信号処理が容易となる。
【００２８】
一方、（ｂ）に示すステンレス製の管体１においては、管体１を伝搬した超音波信号が本来必要な管体１の流体を伝搬する超音波パルス信号よりも先に到達しており、得られた超音波パルス信号は、管体１内の流体を経た信号と、外部からの雑音と、管体１中を伝搬した信号とが合成されたものとなっており、本来の信号の抽出がなかなか困難となる。
【００２９】
ＦＲＰ製の管体１はステンレス製の管体１に比較して、流体中を伝搬した超音波パルス信号を最大で４０ｄＢ（１００倍）程度良好なＳ／Ｎで受信することができる。このことからも、繊維の配列方向を管軸と直交する方向としたＦＲＰ製の管体１は、管体１中を伝搬する超音波パルス信号の伝搬を抑制することが分かる。
【００３０】
このように、ＦＲＰの繊維の配列方向を適切に選定して管体１の材料として使用し、かつ望ましくは利用する超音波の周波数を５００ｋＨｚ以上とすることによって、計算によれば雑音となる超音波パルス信号が管体１を伝搬する強度を１０ｃｍ当たりで１／３０以下に低減することになる。
【実施例２】
【００３１】
図５は実施例２の超音波流量計の構成図であり、径が比較的大きい管体１の場合に使用する構成であり、超音波送受信器２ａ、２ｂは管体１の外側の反対側に管軸方向に沿って配置され、所謂Ｉ型の超音波パルス信号の経路を示している。
【００３２】
この実施例２においても、管体１はＦＲＰで製作され、繊維の配列方向は管体１の管軸方向と直交しているので、実施例１と同様に管体１中を円周方向に進む超音波パルス信号はあっても、その管軸方向に進行する超音波パルス信号は少ない。
【００３３】
また実施例１、２において、管体１を炭素繊維を用いたＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）とすると、管体１は導電性を有することになり、静電対策が容易となり、管体１、超音波送受信器２ａ、２ｂを金属体により覆えば、防爆安全構造の実現も可能で、石油類を流体とする測定も容易となる。
【００３４】
なお、ＦＲＰを管路の一部に使用するために、流量を測定し得る回路部をも含めた流量計ユニットを管路の途中に挿入したり、この流量計ユニットにおける管体１のみをＦＲＰとしてもよい。
【００３５】
なお、流体の性質によってはＦＲＰを侵食させる場合もあるので、ＦＲＰから成る管体１の内側をコーティングしたり、肉薄の金属管を配することも可能である
更に、超音波送受信器２ａ、２ｂ間の管体１の一部のみにＦＲＰから成る短円筒形の筒を挿入したり、管体１の途中又は管体１の外側にＦＲＰを配置しこのＦＲＰに超音波送受信器２ａ、２ｂを設けて、超音波パルス信号の伝搬を阻止する性能を有することになるので、その効果は無視できない。
【００３６】
上述の実施例においては、ＦＲＰの繊維の配列方向を管体１の円周方向に配列することを説明したが、必ずしも正確に円周方向ではなくとも、管体１を管軸方向に伝搬する超音波パルス信号を効果的に阻止できればよい。また、繊維の配列方向がランダム、或いは複数枚のＦＲＰを重ねた場合であっても、配列方向が平均して円周方向を向いていれば効果がある。
【符号の説明】
【００３７】
１  管体
２ａ、２ｂ  超音波送受信器
【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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