(57)【要約】【課題】通常の超音波用の発振子、もしくは既存の超音波流量計の検出器を使用し、送受信器のメンテナンスが容易にでき、かつ高温流体を測定できる超音波流量計を実現することを目的としている。【解決手段】流路中のサンプルに向けて超音波を放射するトランスデューサを備えた超音波流量計において、前記サンプルを流通する第１の流通部と、この第１の流通部の外側を覆うとともに、前記第１の流通部と前記トランスデューサの間に設けられ、冷媒を流通する第２の流通部と、前記第１および第２の流通部を流れた総流量と、前記第２の流量部に流れた流量を測定し、これらの差分を取ることにより、前記第１の流通部の流量を求める流量演算部と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
2011163793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路中のサンプルに向けて超音波を放射するトランスデューサを備えた超音波流量計において、
前記サンプルを流通する第１の流通部と、
この第１の流通部の外側を覆うとともに、前記第１の流通部と前記トランスデューサの間に設けられ、冷媒を流通する第２の流通部と、
前記第１および第２の流通部を流れた総流量と、前記第２の流量部に流れた流量を測定し、これらの差分を取ることにより、前記第１の流通部の流量を求める流量演算部と、
を有することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記トランスデューサは、
少なくとも３つ設けられることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記第１および第２の流通部は、
それぞれ円筒である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。
【請求項４】
前記第１および第２の流通部と、前記トランスデューサは、
それぞれ取り外せることを特徴とする請求項１から３いずれか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、流路中のサンプルに向けて超音波を放射するトランスデューサを備えた超音波流量計に関し、詳しくは、高温の流体を測定可能とする超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３に、従来の超音波流量計の断面構成例の図を示す。
【０００３】
従来の超音波流量計１は、サンプル２を流通する流路３を形成する配管４と、この配管４の両側面に設けられたトランスデューサ(以下、送受信器５ａ、５ｂという)とから構成されている。また、送受信器５ａ、５ｂから放射される超音波が、サンプル２が流れる中を横切って上流から下流、下流から上流に交互に送信している。この到達した時間の差（T１−T２）から流速を求めている。ここで、上流の送受信器５ｂから下流の送受信器５ａに超音波を送信し、この超音波が下流の送受信器５ａに到達した時間をT１とし、下流の送受信器５ａから上流の送受信器５ｂに送信し、この超音波が上流の送受信器５ｂに到達した時間をT２としている。
【０００４】
このような従来の構成において、送受信器５ａ、５ｂに設けられている超音波用の発振子６ａ、６ｂの圧電性が、高温(キュリー点以上)になると消失してしまうため、液体ナトリウムなどの高温流体を測定するのが困難であるという問題があった。キュリー点とは、物質が磁性を失う境界となる温度のことである。
【０００５】
また、キュリー点を高くした超音波用の発振子を製造することはできるが、費用が高くなるという問題があった。
【０００６】
そこで、特許文献１では、高温流体の測定を可能とする高温流体用超音波流量計が記載されている。
【０００７】
この特許文献１では、送受信器の周囲に冷却媒体を流して上記問題点を解決しているが、流路部と送受信器が一体型となっているため、送受信器のメンテナンスが困難であるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２６７５１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、通常の超音波用の発振子、もしくは既存の超音波流量計の検出器を使用し、送受信器のメンテナンスが容易にでき、かつ高温流体を測定できる超音波流量計を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
流路中のサンプルに向けて超音波を放射するトランスデューサを備えた超音波流量計において、
前記サンプルを流通する第１の流通部と、
この第１の流通部の外側を覆うとともに、前記第１の流通部と前記トランスデューサの間に設けられ、冷媒を流通する第２の流通部と、
前記第１および第２の流通部を流れた総流量と、前記第２の流量部に流れた流量を測定し、これらの差分を取ることにより、前記第１の流通部の流量を求める流量演算部と、
を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記トランスデューサは、
少なくとも３つ設けられることを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、
前記第１および第２の流通部は、
それぞれ円筒であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項１から３いずれかに記載の発明において、
前記第１および第２の流通部と、前記トランスデューサは、
それぞれ取り外せることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、サンプルを流通する第１の流通部と、トランスデューサとの間に、冷媒を流通する第２の流通部を設けることにより、トランスデューサ内部に設けられている超音波用の発振子を冷却することができる。また、キュリー点の低い圧電素子を使用しても、高温サンプルの流量を測定することができる。さらに、第１および第２の流通部とトランスデューサがそれぞれ取り外せることにより、送受信器であるトランスデューサのメンテナンスを容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例を示した構成断面図である。
【図２】本発明の他の実施例を示した構成断面図である。
【図３】従来の超音波流量計の断面構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の超音波流量計の一実施例を示す構成断面図である。なお、図３と同じ要素には同一符号を付す。
【００１７】
図１の超音波流量計１０の第１の流通部１１はサンプル２を流通し、第２の流通部１２は第１の流通部１１の外側を覆うとともに、第１の流通部１１とトランスデューサ(以下、送受信器１３ａ、１３ｂ、１３ｃという)の間に設けられている。また、第２の流通部１２は冷媒１５を流通するためのものである。
【００１８】
また、第１および第２の流通部１１、１２を流れた総流量と、第２の流量部１２に流れた流量を測定し、これらの差分を取ることにより、第１の流通部１１の流量を求める流量演算部１６が設けられている。この流量演算部１６は、送受信器１３ａ、１３ｂ、１３ｃとそれぞれ接続されている。
【００１９】
送受信器１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、第２の流通部１２に３つ設けられている。また、この２つの送受信器１３ａ、１３ｂは、第２の流通部１２の両側側面に１つずつ設けられ、この片側側面に設けられた送受信器１３ａに隣接してもう１つの送受信器１３ｃが設けられている。また、送受信器１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、超音波の送信および受信を行い、送受信器１３ａ、１３ｂ、１３ｃの内部には発振子１４ａ、１４ｂ、１４ｃが設けられている。
【００２０】
第１の流通部１１の直径Ｒおよび第２の流通部１２の直径Ｄは、既知の長さである。また、図１では、第１の流通部１１および第２の流通部１２が、ともに円筒の形であり、二重管に形成されている。
【００２１】
また、第１および第２の流通部１１、１２と、送受信器１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、それぞれ任意に取り外すことができる。
【００２２】
なお、第１の流通部１１および第２の流通部１２は、第１の流通部１１の外側を第２の流通部１２で覆うような二重構造になっていればよく、円筒でなくてもよい。たとえば、第１および第２の流通部１１、１２の断面図が四角形の二重構造であってもよい。
【００２３】
次に、流量測定の動作説明を行う。
【００２４】
第１の流通部１１の内側に流通するサンプル２と、第２の流通部１２の内側に流通する冷媒１５を流通する方向は、同じでも異なっていてもよい。
【００２５】
まず、第１の流通部１１の内側に任意のサンプル２を流し、第２の流通部１２の内側に冷媒１５を流す。そして、送受信器１３ａと、送受信器１３ｂとの間で、超音波の送受信を交互に行う。ここで、送受信器１３ａから送受信器１３ｂに超音波を送信し、送受信器１３ｂに到達した時間を(Ｔ１３ａ−１３ｂ)とする。また、送受信器１３ｂから送受信器１３ａに超音波を送信し、送受信器１３ａに到達した時間を(Ｔ１３ｂ−１３ａ)とする。この送受信器１３ａから送受信器１３ｂ、送受信器１３ｂから送受信器１３ａに、それぞれ到達した時間の差((Ｔ１３ａ−１３ｂ)−(Ｔ１３ｂ−１３ａ))、および第１の流通部１１の直径Ｒおよび第２の流通部１２の直径Ｄから、サンプル２と冷媒１５を合わせた平均流速Ｖ2,15を得ることができる。
【００２６】
次に、送受信器１３ａと送受信器１３ｃとの間で、超音波の送受信を交互に行う。ここで、送受信器１３ａから送受信器１３ｃに超音波を送信し、送受信器１３ｃに到達した時間を(Ｔ１３ａ−１３ｃ)とする。逆に、送受信器１３ｃから送受信器１３ａに超音波を送信し、送受信器１３ａに到達した時間を(Ｔ１３ｃ−１３ａ)とする。この送受信器１３ａから送受信器１３ｃ、送受信器１３ｃから送受信器１３ａに、それぞれ到達した時間の差((Ｔ１３ａ−１３ｃ)−(Ｔ１３ｃ−１３ａ))、および第１の流通部１１の直径Ｒ、および第２の流通部１２の直径Ｄから、冷媒１５の流速Ｖ15を得ることができる。
【００２７】
また、サンプル２と冷媒１５の平均流速Ｖ2,15、および冷媒１５の流速Ｖ15、および第１の流通部１１の直径R、および第２の流通部１２の直径Dから、式(１)の関係によってサンプル２の流速Ｖ2を得ることができる。平均流速Ｖ2,15に対する流速Ｖ2と流速Ｖ15の寄与の大きさは、それぞれの音速で超音波が通る経路の長さに比例するので、式（１）が成り立つ。
【００２８】
2011163793.tif 000003
【００２９】
式（１）より、サンプル２の流速Ｖ2は、式（２）のようになる。
【００３０】
2011163793.tif 000004
【００３１】
したがって、得られたサンプル２の流速Ｖ2より、第１の流通部１１の内側断面積πＲ2を考慮して、サンプル２の流量を得ることができる。
【００３２】
すなわち、流量演算部１６において、第１および第２の流通部１１、１２を流れた総流量と、第２の流量部１１に流れた流量を測定し、これらの差分を取ることにより、第１の流通部１１の流量を求めることができる。
【００３３】
また、第２の流通部１２の内側を流れる冷媒１５には、熱容量が大きく、サンプル２に対して非活性な材料を使用するとよい。たとえば、サンプル２として液体ナトリウムを使用し、測定する場合は、冷媒１５の材料にはアルゴンガスやヘリウムガスを使用するとよい。
【００３４】
サンプル２を流通する第１の流通部１１と、送受信器１３ａ、１３ｂ、１３ｃとの間に、冷媒１５を流通する第２の流通部１２を設けることにより、それぞれの送受信器１３ａ、１３ｂ、１３ｃの内部に設けられている超音波用の発振子１４ａ、１４ｂ、１４ｃを冷却することができる。また、それぞれの送受信器１３ａ、１３ｂ、１３ｃの内部に設けられている超音波用の発振子１４ａ、１４ｂ、１４ｃを冷却することができることより、キュリー点の低い圧電素子を使用して、高温のサンプル２の流量を測定することができる。
【００３５】
図２は、本発明の超音波流量計の他の実施例を示す構成断面図である。
【００３６】
図１と異なる点は、図１の超音波流量計１０では送受信器１３ａ、１３ｂ、１３ｃを３つ使用していたが、図２の超音波流量計１８では送受信器１７ａ〜１７ｄを４つ使用している。
【００３７】
送受信器１７ａ〜１７ｄを４つ使用することにより、冷媒１５中の平均流速を図１の構成よりも、より正確に求めることができる。すなわち、図１では、冷媒１５中の平均流速を求める際に、送受信器１３ａと送受信器１３ｃとの間で超音波の送受信が交互に行われていることから、この送受信器１３ａから送受信器１３ｃ、送受信器１３ｃから送受信器１３ａに、それぞれ到達した時間の差を((Ｔ１３ａ−１３ｃ)−(Ｔ１３ｃ−１３ａ))とし、第１の流通部１１の直径Ｒ、第２の流通部１２の直径Ｄから求めていた。それに対して、図２では、冷媒１５中の平均流速を求める際に、送受信器１７ａと送受信器１７ｃとの間以外に、送受信器１７ｂと送受信器１７ｄとの間でも超音波の送受信が交互に行われている。
【００３８】
このことから、送受信器１７ａから送受信器１７ｃ、送受信器１７ｃから送受信器１７ａに、それぞれ到達した時間の差((Ｔ１７ａ−１７ｃ)−(Ｔ１７ｃ−１７ａ))以外に、送受信器１７ｂから送受信器１７ｄ、送受信器１７ｄから送受信器１７ｂに、それぞれ到達した時間の差((Ｔ１７ｂ−１７ｄ)−(Ｔ１７ｄ−１７ｂ))を算出するため、図１よりも図３の方がより正確な冷媒１５中の平均流速を得ることができる。ここで、送受信器１７ｂから送受信器１７ｄに超音波を送信し、送受信器１７ｄに到達した時間を(Ｔ１７ｂ−１７ｄ)としている。逆に、送受信器１７ｄから送受信器１７ｂに超音波を送信し、送受信器１７ｂに到達した時間を(Ｔ１７ｄ−１７ｂ)としている。
【００３９】
したがって、送受信器１７は、少なくとも３つ使用すればよい。
【００４０】
また、第１の流通部１１の外側を第２の流通部１２が覆うように形成され、第１の流通部１１に任意のサンプル２を流通し、第２の流通部１２に冷媒１５を流通することにより、サンプル２の温度が十分に低下、すなわち送受信器が第２の流通部１２に設置される表面が１３０度程度であれば、図１および図２で使用したのと同様の送受信器を配置すれば、流量測定を行うことができる。
【００４１】
なお、図１および図２では、送受信器１３ａ〜１３ｃおよび送受信器１７ａ〜１７ｄを透過計の流量計として使用していたが、パルスドラップ型のような流速分布測定型の超音波流量計を設置して、サンプル２と冷媒１５の流速分布を測定してもよい。
【００４２】
以上説明したように、本発明によれば、サンプルを流通する第１の流通部と、トランスデューサとの間に、冷媒を流通する第２の流通部を設けることにより、トランスデューサ内部に設けられている超音波発振子を高温から保護、すなわち冷却することができる。
【００４３】
また、流量演算部において、第１および第２の流通部を流れた総流量と、第２の流量部に流れた流量を測定し、これらの差分を取ることにより、第１の流通部の流量を求めることができる。
【００４４】
また、キュリー点の低い圧電素子を使用しても、高温サンプルの流量を測定することができる。
【００４５】
さらに、第１および第２の流通部とトランスデューサがそれぞれ取り外せることにより、送受信器であるトランスデューサのメンテナンスを容易に行うことができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０、１８  超音波流量計
２  サンプル
１１  第１の流通部
１２  第２の流通部
１３ａ〜１３ｃ、１７、１７ａ〜１７ｄ  送受信器
１５  冷媒
１６  流量演算部
【図１】
2011163793.tif 000005
【図２】
2011163793.tif 000006
【図３】
2011163793.tif 000007