(57)【要約】  【課題】  環状の超音波振動子によるものと同じ方式の超音波流量計において、既設の管路への超音波振動子の取り付けが容易にできるものを提供する。  【解決手段】  被測定流体の流路の管体に接触するように距離を隔てて２個の超音波送受信器を設け、これらを超音波送信器、超音波受信器として相互に作動させ、下流方向超音波伝播時間と上流方向超音波伝播時間により流速を算出する超音波流量計において、前記それぞれの超音波送受信器は２個の半円状の超音波振動子によって構成され、前記それぞれ２個の半円状の超音波振動子を管体を囲んで固定する締結機構が設けられており、管体のそれぞれの長さ位置に固定された２個の半円状の超音波振動子は同位相の振動をし、また測定管の振動に対して同位相の出力をするように電気的に接続されている。  【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体の流路の管体に接触するように距離を隔てて２個の超音波送受信器を設け、前記２個の超音波送受信器を一方が超音波送信器、他方が超音波受信器として相互に作動させ、被測定流体の上流側の超音波送受信器を超音波送信器としたときの下流方向超音波伝播時間と、被測定流体の下流側の超音波送受信器を超音波送信器としたときの上流方向超音波伝播時間により流速を算出する超音波流量計において、前記それぞれの超音波送受信器は２個の半円状の超音波振動子によって構成され、前記それぞれ２個の半円状の超音波振動子を管体を囲んで固定する締結機構がそれぞれ設けられており、管体のそれぞれの長さ位置に固定された２個の半円状の超音波振動子は同位相の振動をし、また測定管の振動に対して同位相の出力をするように電気的に接続されていることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
被測定流体の流路の管体に接触するように距離を隔てて２個の超音波送受信器を設け、前記２個の超音波送受信器を一方が超音波送信器、他方が超音波受信器として相互に作動させ、被測定流体の上流側の超音波送受信器を超音波送信器としたときの下流方向超音波伝播時間と、被測定流体の下流側の超音波送受信器を超音波送信器としたときの上流方向超音波伝播時間により流速を算出する超音波流量計において、前記それぞれの超音波送受信器は２個の半円状の超音波振動子によって構成され、前記それぞれ２個の半円状の超音波振動子を管体を囲んだ状態で管体の長さ方向に距離を隔てて固定する締結機構が設けられており、管体のそれぞれの長さ位置に固定された２個の半円状の超音波振動子は同位相の振動をし、また測定管の振動に対して同位相の出力をするように電気的に接続されていることを特徴とする超音波流量計。
【請求項３】
管体のそれぞれの長さ位置に固定された２個の半円状の超音波振動子は、相互に接触していないことを特徴とする請求項１または２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、被測定流体を流す測定管に２個の超音波送受信機を流れに対して距離を隔てて設け、この２個の超音波送受信機を一方が超音波送信器、他方が超音波受信器として相互に作動させ、下流方向超音波伝播時間と上流方向超音波伝播時間を測定して流速を算出する、いわゆる伝播時間差方式の超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波流量計は配管の内部に機構を設ける必要が無いので測定に伴う圧力損失が全く無い、正逆流いずれも流速ゼロから測定可能であるなどの優れた特徴がある。超音波流量計には原理的には伝播時間差方式とドップラー方式とがあるが、精度が良好な伝播時間差方式が一般的である。そして伝播時間差方式の超音波流量計の一般的な形態としては、超音波が管体に斜めに入射するように超音波振動子をプラスチックのくさびをに取り付けたものを、管体の外面において斜めに向かい合わせの位置に設け、この２個の超音波振動子を超音波送受信機として相互に作動させるものである。これにより下流方向の超音波伝播時間と上流方向の超音波伝播時間を測定して流速を算出することができる。
【０００３】
上記のような超音波振動子からくさびを介して管体に対して斜め方向に超音波を打ち込む方法においては、管体の径はこのような超音波振動子ないしはくさびを取り付けられるだけの大きさが必要であり、また管が細くなると測定間隔も非常に短くなり、十分な測定精度が得られなかった。また上流下流の超音波振動子の間隔を十分に取る目的で、管路を直角に折り曲げて直角部の外面から管体の軸方向に超音波を打ち込む方法も広く行なわれているが、管体が細くなると管体の断面積が超音波振動子の振動面積に比べ非常に小さくなり、管内の流体に十分な超音波エネルギーを打ち込むことができなくなる。
【０００４】
そこで細い管における流量の測定を可能にするため特開平８−８６６７５号にあるような環状の超音波振動子を使用する方法が考え出された。これは２個の環状圧電体などの超音波振動子を、真直ぐな管に接触するように距離を隔てて設けるものである。環状の超音波振動子は測定管の外面にはめることができるので、細い管においても超音波による流量測定が適用できるようになった。しかもこの方法では超音波が管の断面全体を伝播するため乱流と層流のような流速分布の影響を受けにくいので、数ミリ以下の小口径の測定管に微小流量を流す時にも平均流量が得られるという長所がある。さらに上下流に配置する一対の超音波振動子の距離を十分の長さにできることから、上流方向と下流方向への伝播時間の差を大きくすれば測定感度を高められるという長所もある。
【特許文献１】特開平８−８６６７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで上記のような環状の超音波振動子を使用する超音波流量計の場合、超音波振動子を貫通して測定管を設ける必要があるが、振動子から測定管に振動が伝わるように密着した状態で取り付けるのは難しい。したがって測定管にあらかじめ２個の超音波振動子を取り付けた装置が提供され、これの両端を継手で管路に接続して使用することが一般に行なわれる。このため既設の管路をそのまま使用して流量を測定することは困難であった。しかし例えば医療分野における薬剤注入のための管においては、別の管を接続すると滅菌状態を維持するのが困難になるという問題がある。本発明はこのようなことから、上記のような環状の超音波振動子によるものと同じ方式の超音波流量計において、既設の管路への超音波振動子の取り付けが容易にできるものを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は前記課題を解決するものであって、被測定流体の流路の管体に接触するように距離を隔てて２個の超音波送受信器を設け、前記２個の超音波送受信器を一方が超音波送信器、他方が超音波受信器として相互に作動させ、被測定流体の上流側の超音波送受信器を超音波送信器としたときの下流方向超音波伝播時間と、被測定流体の下流側の超音波送受信器を超音波送信器としたときの上流方向超音波伝播時間により流速を算出する超音波流量計において、前記それぞれの超音波送受信器は２個の半円状の超音波振動子によって構成され、前記それぞれ２個の半円状の超音波振動子を管体を囲んで固定する締結機構がそれぞれ設けられており、管体のそれぞれの長さ位置に固定された２個の半円状の超音波振動子は同位相の振動をし、また測定管の振動に対して同位相の出力をするように電気的に接続されていることを特徴とする超音波流量計である。
【０００７】
また本発明は、被測定流体の流路の管体に接触するように距離を隔てて２個の超音波送受信器を設け、前記２個の超音波送受信器を一方が超音波送信器、他方が超音波受信器として相互に作動させ、被測定流体の上流側の超音波送受信器を超音波送信器としたときの下流方向超音波伝播時間と、被測定流体の下流側の超音波送受信器を超音波送信器としたときの上流方向超音波伝播時間により流速を算出する超音波流量計において、前記それぞれの超音波送受信器は２個の半円状の超音波振動子によって構成され、前記それぞれ２個の半円状の超音波振動子を管体を囲んだ状態で管体の長さ方向に距離を隔てて固定する締結機構が設けられており、管体のそれぞれの長さ位置に固定された２個の半円状の超音波振動子は同位相の振動をし、また測定管の振動に対して同位相の出力をするように電気的に接続されていることを特徴とする超音波流量計である。
【０００８】
また上記それぞれの超音波流量計において、管体のそれぞれの長さ位置に固定された２個の半円状の超音波振動子は、相互に接触していないことも特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の超音波流量計によれば、既設の管路に超音波振動子を取り付けることにより、専用の測定管に環状の超音波振動子があらかじめ取り付けられた超音波流量計と同等の動作をさせることができる。したがって環状の超音波振動子の使用が特に適している小径の管路において、途中に超音波流量計専用の測定管を接続せずに既設の管路のままで流量測定が行なえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は本発明の超音波流量計の概念図であって、主要な部分は被測定流体の流路の管体１に接触するように距離を隔てて設けられた２個の超音波送受信器２、３と、これによる測定データを入力して最終的には流速ないしは流量を算出する制御部からなる。超音波送受信器２、３は本発明においては従来と異なる特別な形態のものを使用するので後に詳細に説明する。制御部においては２つの超音波送受信器２、３が、２回路連動式の切替スイッチ７を経て電気パルス励起部９と信号増幅器１０とに交互に接続されるようになっている。図中８は切替スイッチ制御部、１１は測定・演算部である。測定・演算部１１は切替スイッチ制御部８や電気パルス励起部９に操作指令を送るとともに、信号増幅器１０からの信号を入力して下流方向超音波伝播時間、上流方向超音波伝播時間および超音波伝播波形の周期もしくは周波数などの測定データから流量を出力する。
【００１１】
上記のように２個の超音波送受信器を一方が超音波送信器、他方が超音波受信器として相互に作動させ、被測定流体の上流側の超音波送受信器を超音波送信器としたときの下流方向超音波伝播時間と、被測定流体の下流側の超音波送受信器を超音波送信器としたときの上流方向超音波伝播時間により流速を算出する。すなわち流体中の音速をｃ、流体の流速をＶ、２つの超音波送受信器間の距離をＬ、下流方向の超音波伝播時間をＴ1 、上流方向の超音波伝播時間をＴ2 とすると、Ｔ1 ＝Ｌ／（ｃ＋Ｖ）、およびＴ2 ＝Ｌ／（ｃ−Ｖ）となる。上流方向と下流方向の伝播時間の差をΔＴ、上流方向と下流方向の平均伝播時間をＴ0 として、ｃ≫Ｖを考慮に入れてこれらの式を整理すると、Ｖ＝ΔＴ・Ｌ／（２Ｔ02）となり、流体中の音速ｃを格別知ることなしに流速Ｖが求まることになる。ただし実際上はこのような数式が成立するのは測定管の影響が無い場合に限られる。管内の超音波伝播速度が測定管の振動の影響を受けるため、精確な流量の測定には音速のデータなどに基づいて補正する方法が提案されているが、本発明に関係ないのでその詳細については述べない。
【００１２】
本発明の超音波流量計は超音波送受信器の形態に特徴を有するが、図２は本発明の超音波送受信器の正面図、図３はこれの管体に平行な断面図である。２つの超音波送受信器２、３が流体の流路である管体１に沿って間隔を置いて設けられている。管体自体は流量測定に当然必須のものであるが既設の配管でも良く、本発明の超音波流量計自体としては必ず用意するものではない。２つの超音波送受信器２、３は同じ構成のものであるが、そのそれぞれは２個の半円状の超音波振動子２１、２２および３１、３２から成っている。この２個の半円状の超音波振動子は流量測定時には合わせて環状になるように管体を囲んで取り付けられる。半円状の超音波振動子の内径は管体の外径と一致しており、管体に密着して取り付けられる。
【００１３】
上記の超音波振動子の材質としては、たとえばＰＺＴ（ジルコン・チタン酸鉛）などの圧電体に電極を設けた圧電振動子が使用できる。特に半円の形状における円の軸に直角な両面に電極を設けたものが適しており、電界の方向と直角な方向の歪を発生させる圧電横効果によって円の軸に平行な面、すなわち管体に接触する面を振動させることができる。なお振動子の内面と管体との間に隙間がある場合にこれを埋めて管体に密着させるため、超音波振動子の取り付けの際に適当な厚さのプラスチックなどの半円状のフェルールを間に挟んでもよい。
【００１４】
上記のようにそれぞれ２個の半円状の超音波振動子２１、２２および３１、３２を合わせて環状になるように管体に固定する手段として、それぞれ締結機構４、５が設けられている。締結機構の構成は両方とも同じであるので図２に示されている側の締結機構４について説明すると、それぞれの半円状の超音波振動子２１、２２の外周を取り囲む半円形状の振動子保持具４１、４２と、これら振動子保持具の両端に設けたフランジ部を相互に止める２本のねじ４３、４４からなっている。なおそれぞれの超音波振動子たとえば２１と、それぞれの振動子保持具たとえば４１とは接着などの手段で所定に位置にあらかじめ固定することが、管体への着脱を迅速に行なうために好ましい。
【００１５】
このように２個の半円状の超音波振動子によって構成された超音波送受信器を管路に間隔を置いて設け、これらを相互に超音波送信器、超音波受信器として作動させて超音波伝播時間を測定することにより流量を測定する。流量測定の原理自体は従来からの環状の超音波振動子を使用したものと同様であるが、このような半円状の超音波振動子を組み合わせて環状に配置すれば必然的に環状の超音波振動子と同様な動作をするわけではない。すなわち環状になるように取り付けられた２個の半円状の超音波振動子は相互に接触させてもこれにより機械的に一体として振動するわけではないので、むしろ図２に示したように間隙１２をもって配置する方が良い。なぜなら２個の半円状の超音波振動子を管体に密着した状態でなおかつ相互に接触させるのは精度的に困難であるので、超音波に伝播に重要な管体に密着させることを優先にすべきだからである。
【００１６】
上記のように環状になるように取り付けられた２個の半円状の超音波振動子は機械的に一体として振動しないので、それぞれの振動の位相を一致させる必要がある。このため管体のそれぞれの位置に固定された２個の半円状の超音波振動子は同位相の振動をし、また測定管の振動に対して同位相の出力をするように電気的に接続する。具体的には図１に示したように、環状になるように取り付けられたそれぞれ２個の半円状の超音波振動子２１、２２および３１、３２において、円の軸に直角な対向する２つの面に設けた電極の同じ側の電極同士を並列に接続すれば良い。また同位相の出力が加え合わされる向きに直列に接続することもできる。
【００１７】
なお環状になるように取り付けられた２個の半円状の超音波振動子において、管体の長さ方向のずれがあると２個の超音波振動子の出力波形の位相がずれることになる。しかし管路内の流体における超音波の波長（＝音速／周波数）が１ｍｍ以上になる条件であれば、超音波振動子の取り付け位置の精度が一般の機械装置における精度の水準でも問題はない。したがって大幅な位相のずれのために並列に接続された２個の超音波振動子の出力が打ち消し合うといったことは生じない。
【００１８】
また図４は本発明の超音波流量計の上記とは別の態様のものの管体に平行な断面図である。なお正面図は図２と同様なので省略する。図４のものは２個ずつの半円状の超音波振動子２１、２２および３１、３２を管体１を囲んだ状態で管体の長さ方向に距離を隔てて設ける点は先のものと同じである。一方、締結機構が異なっており、全部の超音波振動子を１つの締結機構によって管体に取り付けるようになっている。このため締結機構は、半円形の断面の樋状の２個の振動子保持具６１、６２と、これのフランジ部を相互に止める図示しない複数のねじからなっている。一方の振動子保持具６１の長さ方向両端部近傍には超音波振動子２１と３１があらかじめ取り付けられており、同様にもう一方の振動子保持具６２には超音波振動子２２と３２があらかじめ取り付けられている。したがって超音波振動子の管体長さ方向の間隔を常に一定にできるので、流量計を管体に取り付けたときの装置の調整が容易になる。
【００１９】
本発明は上記のものに限定されず、その技術思想の範囲内で適宜改変が可能である。たとえば締結機構は前記のような構造に限定するものではなく、たとえばねじで止める代わりにクランプでフランジを挟んで止めてもよい。また図４に示した半円形の断面の樋状の振動子保持具６１、６２に代えて、図３にあるような短い長さの振動子保持具４１、４２、５１、５２を管体に平行な複数の棒で相互に連結した構造にしても同様な機能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の超音波流量計の概念図
【図２】本発明の超音波送受信器の正面図
【図３】図２の超音波送受信器の管体に平行な断面図
【図４】本発明の超音波送受信器の管体に平行な断面図
【符号の説明】
【００２１】
１    管体
２、３    超音波送受信器
４、５    締結機構
７    切替スイッチ
８    切替スイッチ制御部
９    電気パルス励起部
１０    信号増幅器
１１    測定・演算部
１２    間隙
２１、２２、３１、３２    超音波振動子
４１、４２    振動子保持具
４３、４４    ねじ
６１、６２    振動子保持具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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