(57)【要約】【課題】従来の超音波流量計では、流体に気泡が含まれていると超音波が他方の振動子に十分に届かずに、測定が不能になった。【解決手段】第１振動子と第２振動子とで、気泡などの異物を含まぬ流体の流速ｖ１を測る。第１振動子と第３振動子とで、気泡などの異物を含む流体の流速ｖ２を測る。ＳＴ０８で、何れの流速を選択するかを決める。【効果】気泡などの異物の混入の有無に関係なく流体の流量を計測することができる。仮に脱気処理などを施すことで気泡を除去したり、ろ過処理することで異物を除去すると設備費用及び運転費用が嵩むが、本発明によればそのような処理は不要であるために設備費用及び運転費用を低減することができる。【選択図】        図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測すべき流体を流し、この流体の流れを妨げる障害物を管内に有していない測定管と、この測定管の外面に取付けた第１振動子と、この第１振動子から流体の流れに沿って所定の距離を置いて前記測定管の外面に取付けた第２振動子と、上流側の振動子から発した超音波が下流側の振動子に達するまでの時間と下流側の振動子から発した超音波が上流側の振動子に達するまでの時間との時間差に基づいて流体の流量を演算する第１演算部と、前記測定管の外面に且つ前記第１振動子の近傍に取付けた第３振動子と、前記第１振動子の発した超音波の周波数と前記第３振動子で受けた超音波の周波数との周波数の差に基づいて流体に含まれる気泡などの異物の流速を求め、この流速から流体の流量を演算する第２演算部と、からなる超音波流量計。
【請求項２】
請求項１記載の超音波流量計は、前記第１振動子の発した超音波の周波数と前記第３振動子で受けた超音波の周波数との周波数の差が、ゼロ若しくはゼロに近似したときには前記第１演算部を選択し、それ以外のときには前記第２演算部を選択する選択部を備えることを特徴とする超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は小径配管に好適な超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流量計として各種の方式のものが実用に供されているが、そのなかで、超音波を利用した超音波流量計も知られている（例えば、特許文献１。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１２２９２３号公報（図３）
【０００４】
上記特許文献１の図３を簡略した次図を用いて超音波流量計の作動原理を説明する。
図１０は超音波流量計の原理図であり、測定管１０１に一定の距離Ｌ１をおいて第１振動子１０２と第２振動子１０３を取付け、一方の振動子１０２又は１０３から超音波を発振し、他方の振動子１０３又は１０２で受振させたときに第１振動子１０２から第２振動子１０３に超音波が到達するための時間ｔ１と、第２振動子１０３から第１振動子１０２に超音波が到達するための時間ｔ２との間に、差が生じる。流体における音速をｃ、流体の速度をｖ１とすれば次の計算式が成り立つ。
【０００５】
【数１】
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【０００６】
すなわち、▲１▼式の逆数から▲２▼式の逆数を差引くことで▲３▼式を導き出し、この▲３▼式をｖ１について整理したものが▲４▼式である。この▲４▼式によれば、流体の流速ｖ１は距離Ｌ１、時間ｔ１及び時間ｔ２が定まれば求まる。このようにして求めた流速ｖ１に測定管１０１の内断面積を乗ずれば、流量が求まる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１１（ａ）、（ｂ）は従来の超音波流量計の課題を説明する図である。
（ａ）では、測定管１０１に純水１０４を流したところ、第２振動子１０３から発振した超音波１０５が高いレベルで第１振動子１０２に到達した様子を示す。
【０００８】
（ｂ）では、測定管１０１に気泡１０６・・・（・・・は複数個を示す。以下同様）が混じった水道水１０７を流した場合を示す。第２振動子１０３から発振した超音波１０８は、一部が気泡１０６・・・に衝突して乱反射するため減衰する。この結果、低レベルの超音波１０９が第１振動子１０２に到達することになる。
【０００９】
到達した超音波１０９が低レベルであれば、正確に流量を測ることができなくなる。そこで、従来は、計測対象の流体は気泡を含まぬものに限られていた。
しかし、工業プロセスではラインに複数の弁類や分岐が存在し、弁や分岐を通過する際に速度が急変するなどして、流体圧が局部的に低下することがある。圧力が下がると流体中に溶解していた成分が膨張して気泡になる。
【００１０】
上記理由やその他の要因で、測定対象の流体から完全に気泡を除去することは難しい。このことが、特許文献１に記載の超音波流量計の普及を妨げているとも言える。
そこで、本発明の目的は、気泡などの異物を含む可能性のある流体であっても流量を計測することのできる超音波流量計を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、計測すべき流体を流し、この流体の流れを妨げる障害物を管内に有していない測定管と、この測定管の外面に取付けた第１振動子と、この第１振動子から流体の流れに沿って所定の距離を置いて前記測定管の外面に取付けた第２振動子と、上流側の振動子から発した超音波が下流側の振動子に達するまでの時間と下流側の振動子から発した超音波が上流側の振動子に達するまでの時間との時間差に基づいて流体の流量を演算する第１演算部と、前記測定管の外面に且つ前記第１振動子の近傍に取付けた第３振動子と、前記第１振動子の発した超音波の周波数と前記第３振動子で受けた超音波の周波数との周波数の差に基づいて流体に含まれる気泡などの異物の流速を求め、この流速から流体の流量を演算する第２演算部とで超音波流量計を構成する。
【００１２】
第１振動子と第２振動子とにより、異物を含まぬ流体の流速を計測する。そして、第１振動子と第３振動子とにより、異物を含む流体の流速を計測する。
従って、気泡などの異物の混入の有無に関係なく流体の流量を計測することができる。
【００１３】
請求項２では、請求項１記載の超音波流量計は、第１振動子の発した超音波の周波数と第３振動子で受けた超音波の周波数との周波数の差が、ゼロ若しくはゼロに近似したときには前記第１演算部を選択し、それ以外のときには前記第２演算部を選択する選択部を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項１では２つの流速情報が発生する可能性がある。そこで、選択部で好適な一方を選択するようにした。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る第１〜第３振動子の配置を示す斜視図であり、計測すべき流体を流し、この流体の流れを妨げる障害物を管内に有していない測定管１０と、この測定管１０の外面に取付けた第１振動子１１と、この第１振動子１１から流体の流れに沿って所定の距離を置いて測定管１０の外面に取付けた第２振動子１２と、測定管１０の外面に且つ第１振動子１１の近傍に取付けた第３振動子１３と、を示す。
【００１６】
図２は図１の２−２線断面図であり、管内に障害物を有していない測定管１０の外面に、円弧状の第１振動子１１を樹脂、グリースなどの音響結合材１４を介して取付ける。第１振動子１１の中心角θは任意に設定することができる。この設定については後述する。
【００１７】
図３は本発明に係る超音波流量計の原理図であり、超音波流量計２０は、測定管１０と、第１振動子１１と、第２振動子１２と、第３振動子１３と、第１振動子１１に第１スイッチ２１及び第２振動子１２に第２スイッチ２２を介して結合した電源２３及び第１増幅器２４と、この第１増幅器２４で増幅した情報を演算処理する第１演算部２５と、第３振動子１３に結合した第２増幅器２６と、この第２増幅器２６で増幅した情報を演算処理する第２演算部２７と、第１・第２演算部２５、２７の何れを選択するかを決める選択部２８と、選択した方の演算結果を表示する表示部２９とからなる。
【００１８】
第１・第２スイッチ２１、２２を図の様にＡ側に切換えることにより、第１振動子１１を発振器、第２振動子１２を受振器として、順流れの伝搬時間を計測し、また、第１・第２スイッチ２１、２２を図とは逆にＢ側に切換えることにより、第１振動子１１を受振器、第２振動子１２を発振器として、逆流れの伝搬時間を計測することができる。
【００１９】
第１振動子１１から第２振動子１１に超音波が到達するための時間ｔ１と、第２振動子１２から第１振動子１１に超音波が到達するための時間ｔ２との間に、差が生じる。流体における音速をｃ、流体の速度をｖ１とすれば次の計算式により流速ｖ１が求まる。詳細は従来の技術の項参照。
【００２０】
【数２】
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【００２１】
一方、第３振動子１３は受振専用器である。第３受振器１３の作用は後述する。
第１振動子１１と第２振動子１２との距離をＬ１、第１振動子１１と第３振動子１３との距離をＬ２としたときに、Ｌ１：Ｌ２は、１０：（０．５〜８）、好ましくは１０：（１〜３）に設定する。従って、第３振動子１３は第１振動子１１の近傍に配置したと言える。
【００２２】
距離Ｌ２が０．５未満では、第３振動子１３が第１振動子１１に接近しすぎて製造が難しくなるとともに、第１振動子１１の振動が測定管１０を通じて直接第３振動子１３に伝わる虞がある。そこで、距離Ｌ２は０．５以上、好ましくは１．０以上とする。
また、距離Ｌ２が８を超えると、次図で述べる異物３１による反射成分（ｆｒ）が弱まり、第３振動子１３での受振レベルが低下し、ノイズとの識別が難しくなる。そこで、距離Ｌ２は８以下、好ましくは３以下にする。
【００２３】
図４は本発明の第３振動子の作用説明図であり、白抜き矢印が流体の流れ方向を示す。
第１振動子１１から周波数ｆｓの超音波が発せられると、超音波は第２振動子１２及び第３振動子１３に向かう。第３振動子１３に向かう成分は、流体中に気泡などの異物３１があると、異物３１に衝突せずに直接的に第３振動子１３に到達する「ａ」と、異物３１に衝突し、反転してから第３振動子１３に至る「ｂ」とに区分することができる。
【００２４】
図５は第１振動子で発する超音波の波形及び第３振動子で受ける超音波の波形を示す図であり、横軸は全て時間軸である。
（ａ）において、第１振動子で周波数ｆｓの超音波を発振したとする。
【００２５】
（ｂ）において、ある程度遅れて周波数ｆｓと周波数ｆｒとの混合波を第３振動子で受振したことを示す。周波数ｆｒは反射波であるため、周波数ｆｓの成分よりΔｔ時間だけ遅れて到達する。
遅れて到達する周波数ｆｓが安定した時間領域に「窓３２」を開けて、この窓３２から混合波を信号的に取出す。この取出した混合波を周波数分離手段により、周波数ｆｒの成分を取出す。
【００２６】
周波数分離手段は各種の原理の手段が適用できる。例えば、混合波から既知の周波数（発振周波数）ｆｓ成分を除去し、残った成分をｆｒと見なす方法もある。
【００２７】
（ｃ）は、取出された周波数ｆｒの波形を示す。これで、図４における周波数ｆｒを求めることができる。なお、この周波数ｆｒは向かってくる異物に対する反射波であるから、ドプラー効果により周波数が高まり、ｆｓ＜ｆｒとなる。
発射波の周波数をｆｓ、反射波の周波数をｆｒ、音速をｃ、異物の流速をｖ２とすれば次の計算式が成立する。
【００２８】
【数３】
2004205475.tif 000005
【００２９】
▲５▼式をｖについて整理すると▲６▼式の通りに、ｖ２を求めることができる。このｖ２は異物の速度であるが、異物は流体と同一の速度で流れていると考えて差し支えないから、流体の速度と見なすことができる。
【００３０】
図６は本発明の超音波流量計の制御フロー図である。ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１：第１振動子から周波数がｆｓの超音波を発振する。
ＳＴ０２：同超音波を、第２振動子で受振し、受振までの所要時間ｔ１を計測する。
【００３１】
ＳＴ０３：上記超音波を、第３振動子でも受振し、反射波の周波数ｆｒを計測する。
ＳＴ０４：第２振動子から周波数がｆｓの超音波を発振する。
ＳＴ０５：同超音波を、第１振動子で受振し、受振までの所要時間ｔ２を計測する。
【００３２】
ＳＴ０６：第１振動子−第２振動子間距離Ｌ１は既値であり、ＳＴ０２で時間ｔ１が求まり、ＳＴ０５で時間ｔ２が求まるので、これらを計算式に投入して、流速ｖ１を計算する。
ＳＴ０７：音速ｃ及び発振周波数ｆｓは既値であり、ＳＴ０３で周波数ｆｒが求まるので、これらを計算式に投入して流速ｖ２を計算する。
【００３３】
流速情報はｖ１、ｖ２の２つが存在するため、何れを選択するかが重要となる。
流体中に気泡などの異物が存在しないときには、第３振動子は反射波を受けることなく、直接波のみを受振することになる。本発明では周波数分析（分離）の結果、反射波が検出できないときには、周波数の差（ｆｒ−ｆｓ）はゼロと見なす。
【００３４】
ＳＴ０８：（ｆｒ−ｆｓ）がゼロであるか否かを調べる。
ＳＴ０９：（ｆｒ−ｆｓ）＝０であれば、異物なしの流体を計測していることになり、流速にｖ１を充てる。
ＳＴ１０：（ｆｒ−ｆｓ）が０でなければ、異物ありの流体を計測していることになり、流速にｖ２を充てる。
【００３５】
ＳＴ１１：選択した流速ｖ１又はｖ２に管内断面積を乗じることにより流量が求まる。求めた流量をディスプレイなどに表示する。
従って、図３の表示部２９に異物の有無に関係なく、そのときの流量を表示させることができる。表示は印字でもよく、形式は任意である。また、表示の他にアナログ信号やデジタル信号の形式で別の計測機器へ情報を提供させることは差し支えない。
【００３６】
なお、ＳＴ０８での判別式は、（ｆｒ−ｆｓ）＜（ｆｓ／１０００）の如く書き直すことができる。そうすれば、ノイズなどの影響でｆｒがｆｓから僅かに異なった場合でも、実質的（ｆｒ−ｆｓ）＝０と判別させることができるからである。
【００３７】
図７は本発明に係る超音波流量計の変更レイアウトを示す図である。横向き矢印は流れ方向を示す。
（ａ）では、第３振動子１３は第１振動子１１の近傍で且つ、第１振動子１１の下流側に配置した。
（ｂ）では、第３振動子１３は第２振動子１２の近傍で且つ、第２振動子１２の上流側に配置した。
【００３８】
（ｃ）では、第３振動子１３は第２振動子１２の近傍で且つ、第２振動子１２の下流側に配置した。
（ｄ）では、２個の第１振動子１１、１１Ａを配置し、一方の第１振動子１１から所定距離離れた位置に第２振動子１２を配置し、他方の第１振動子１１Ａの近傍に且つ第１振動子１１Ａの上流側に第３振動子１３を配置した。
このように、第３振動子１３は第１振動子１１、１１Ａ又は第２振動子１２の近傍に配置すればよく、レイアウトは自由である。
【００３９】
図８は本発明に係る振動子の変形例を示す図である。
（ａ）の振動子１１〜１３は、リング状センサである。
（ｂ）の振動子１１〜１３は、中心角θが１８０°である半割円筒状のセンサである。
【００４０】
（ｃ）の振動子１１〜１３は、中心角θが９０°である四分円筒状のセンサである。
（ｄ）の振動子１１〜１３は、中心角θが３０°である部分円筒状のセンサである。
【００４１】
（ａ）のリング状の振動子１１〜１３は、測定管１０の中心に向かって均等に超音波を発することができ、測定管１０の全周から満遍なく受振することができる。しかし、振動子１１〜１３は、測定管１０の一端から図面表裏方向に嵌合するため、造りにくく製造コストが嵩む。
【００４２】
この点、（ｂ）〜（ｄ）の振動子１１〜１３は、測定管１０の任意の位置に矢印▲１▼の要領で着脱できる。しかし、振動子１１〜１３の送受振能力は、測定管１０に接触している円弧の長さに比例する。そのため、（ａ）に対して、（ｂ）〜（ｄ）は送受振能力の点で問題が起こる可能性があり、従来は試みられていなかった。
【００４３】
本発明者らが試作し実測したところ、送受振能力は、（ｂ）〜（ｄ）であっても（ａ）に対してそれ程の遜色がないことが分かった。その理由を説明する。
（ａ）に示す振動子１１〜１３は、測定管１０に円滑に嵌合できるように、内径は測定管１０の外径より大きくする必要がある。大きくしないと、途中で測定管１０の外周面に引っかかるからである。そのために、音響結合材１４は厚くなる。音響結合材１４が厚い程超音波が減衰される。
【００４４】
（ｂ）に示す振動子１１〜１３は矢印▲１▼の如く取付けるために、その内周面は測定管１０の外周面に密着させることができ、音響結合材１４はごく薄くすることができる。この結果、（ｂ）は（ａ）と同等の送受振能力が得られる。
【００４５】
（ｃ）は（ｂ）より送受振能力が低下し、（ｄ）は更に送受振能力が低下する。
そこで、取付けが容易で且つ高い送受振能力が得られる（ｂ）が好適であると言える。しかし、使用条件によっては、（ｃ）や（ｄ）でも使用可能である。
従って、振動子１１〜１３の形状は任意に決めることができる。
【００４６】
図９は本発明の振動子の更なる変更例を示す図である。
（ａ）は取付け状態を示す斜視図であり、測定管１０に音響結合材１４で棒状の振動子１１〜１３を取付けたことを示す。
（ｂ）は小径の測定管１０に棒状の振動子１１〜１３を取付け、（ｃ）は大径の測定管１０Ｂに振動子１１〜１３を取付けたことを示す断面図である。
【００４７】
振動子１１〜１３が棒形状であれば、測定管１０、１０Ｂの径に無関係に採用することができる。図８（ａ）〜（ｄ）であれば、測定管１０の曲率に振動子１１〜１３の曲率を合致させる必要があった。この点、図９の棒状の振動子１１〜１３であれば、測定管１０、１０Ｂの曲率に制限されることはない。
【００４８】
尚、本発明の超音波流量計は、流速を求め、この流速に管内断面積を乗じることで流量を求めることを原理とするから、流速計を兼ねさせることができる。すなわち、超音波流速計、超音波流速・流量計の全てを総称して超音波流量計と呼称した。
【００４９】
また、請求項１の測定管は、直管のほか、曲管であってもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１では第１振動子と第２振動子とにより、異物を含まぬ流体の流速を計測する。そして、第１振動子と第３振動子とにより、異物を含む流体の流速を計測する。
【００５１】
請求項１によれば、気泡などの異物の混入の有無に関係なく流体の流量を計測することができる。
仮に脱気処理などを施すことで気泡を除去したり、ろ過処理することで異物を除去すると設備費用及び運転費用が嵩むが、本発明によればそのような処理は不要であるために設備費用及び運転費用を低減することができる。
【００５２】
請求項１では２つの流速情報が発生する可能性がある。そこで、請求項２では選択部を付設し、この選択部で好適な一方を選択するようにした。
これにより、流速や流量の認識が容易となり、流量計の使い勝手が良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１〜第３振動子の配置を示す斜視図
【図２】図１の２−２線断面図
【図３】本発明に係る超音波流量計の原理図
【図４】本発明の第３振動子の作用説明図
【図５】第１振動子で発する超音波の波形及び第３振動子で受ける超音波の波形を示す図
【図６】本発明の超音波流量計の制御フロー図
【図７】本発明に係る超音波流量計の変更レイアウトを示す図
【図８】本発明に係る振動子の変形例を示す図
【図９】本発明の振動子の更なる変更例を示す図
【図１０】超音波流量計の原理図
【図１１】従来の超音波流量計の課題を説明する図
【符号の説明】
１０…測定管、１１…第１振動子、１２…第２振動子、１３…第３振動子、１４…音響結合材、２０…超音波流量計、２５…第１演算部、２７…第２演算部、２８…選択部、２９…表示部、３１…異物。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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