(57)【要約】【課題】流路断面内の流速の平均化を必要としない高精度の超音波流量計を提供する。【解決手段】本発明の超音波流量計では、直線状の流速測定管路(11)の両端に流体の流入部(12)と流出部(13)が取り付けられ、これら流入部と流出部に超音波トランスジューサ(14,15) が対向させて取り付けられる。そして、各超音波トランスジューサ(14,15) は、流速測定管路の断面形状よりも大きな断面形状を有するコンポジット振動子から構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線状の流速測定管路の両端に流体の流入部と流出部とを取り付け、これら流入部と流出部のそれぞれに超音波トランスジューサを対向させて取り付け、前記流速測定管路の内部の前記超音波トランスジューサ間を伝搬する超音波の伝搬所要時間から前記流速測定管路内を流れる流体の流速と流量を測定する超音波流量計において、
前記各超音波トランスジューサは、前記流速測定管路の断面形状よりも大きな断面形状を有するコンポジット振動子から成ることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
請求項１において、
前記コンポジット振動子は、樹脂中に複数個の圧電素子がほぼ等間隔で配列された構造を呈することを特徴とする超音波流量計。
【請求項３】
請求項２において、
前記樹脂はエポキシ樹脂であることを特徴とする超音波流量計。
【請求項４】
請求項２と３のそれぞれにおいて、
前記圧電素子は、同一形状のＰＺＴであることを特徴とする超音波流量計。
【請求項５】
請求項１乃至４のそれぞれにおいて
前記コンポジット振動子は円筒形状を呈することを特徴とする超音波流量計。
【請求項６】
請求項１乃至５のそれぞれにおいて、
前記圧電素子は直方体の形状を呈す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、測定対象の流体中に超音波を伝播させ、流路の上流方向と下流方向への伝播時間差から流体の流速や流量を測定する超音波流量計に関するものであり、特に、流路断面内の流速の変化に対する補正を不要にした超音波流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波を測定対象の流路内の流体に伝播させ、この超音波が流路の上流／下流双方向に伝播する際の伝播時間差を利用して流体の流速（流量) を測定する超音波流量計が汎用されてきた。
【０００３】
図５は、従来の典型的な超音波流量計の構成を示す断面図である（特許文献１）。直線状の流速測定管路２１の両端に流体の流入部２２と流出部２３とを取り付け、これら流入部２２と流出部２２のそれぞれの外側に超音波トランスジューサ２４と２５を対向させて取り付ける。超音波トランスジューサ２４と２５との間を伝搬する超音波の伝搬所要時間から流速測定管路２１内を流れる流体の流速が測定される。
【０００４】
ＰＺＴ（チタン酸ジルコン鉛）などの圧電素子で構成される円柱形状の超音波トランスジューサ２４，２５は、超音波帯域の周波数で厚み方向への伸縮を繰り返す。しかしながら、超音波トランスジューサ２４，２５の形状は、詳細に見ると、図６に示すように変化する。すなわち、非動作時の静止状態では、Ａに示すように、円柱形状を呈する。厚み方向への縮小状態では、径方向に伸びて、Ｂに強調して示すように、凹レンズのような形状となる。また、厚み方向への伸長状態では、径方向に縮んで、Ｃに強調して示すように、凸レンズのような形状となる。この結果、図６のＤに示すように、円柱の中心に近づくほど厚み方向（円柱の軸方向）への変移量が増加し、往復動の速度Ｖも増加する。この結果、放射される超音波のエネルギーは、中心部ほど増加する。
【０００５】
一般に、流速測定管路２１内を流れる流体の流速は、管路の断面内で一様ではなく、管路の中心部分が大きく、管壁に近づくにつれて低下するという分布をする。一般に、低速の層流では図７のＡに示すような放物形状の速度分布となり、高速の乱流では図７のＢに示すような速度分布となる。従来、超音波の伝搬経路を流速測定管路２１の流路断面の中心部分に集中させることによってこの中心部分の流速を測定し、これに層流、乱流に応じた流速分布の補正係数を乗算することにより、流路の断面内の平均流速を算定していた。
【０００６】
このように、流路の中心部分の流速を測定する方法では、図６を参照して説明したように、中心部分の振動速度が大きく、放射される超音波のエネルギーが中心部分ほど大きくなるような超音波トランスジューサを使用することが望まれていた。
【０００７】
【特許文献】
特開２０００−１７１４７８号公報（図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記、流路の中心部分の流速を測定し、これに流速分布の補正係数を乗算して平均流速を算定する方法では、流速の分布が理論的なものとは必ずしも一致しない場合がある。また、層流か乱流かはレイノルズ数で判定されるが、境界付近ではこの判定に誤差が生ずる場合もあり、測定精度の低下の原因となる。
【０００９】また、図６に示したように、超音波トランスジューサの超音波の端面が凹凸形状になるため、この端面の法線方向に放射される超音波が管路の軸線に対して平行とはならずに傾斜してしまう。この結果、図８に示すように、超音波トランスジューサから放射された超音波の一部が管路の内壁近傍を伝播したり、内壁による反射を受けたりする。この結果、超音波が流路の中心付近を伝搬するという仮定のもとに行われる流速分布に対する補正の精度が低下する。
【００１０】
さらに、反射を受けた超音波の成分は伝播時間が長くなるため、反射を受けず直接受信される成分よりも遅れて受信される。この結果、受信波形が鈍ってしまい、受信時点の遅れを引き起こし、検出精度の低下を招くという問題がある。
【００１１】
従って、本発明の目的は、流路断面内の流速分布の補正を必要としない高精度の超音波流量計を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の超音波流量計は、直線状の流速測定管路の両端に流体の流入部と流出部とを取り付け、これら流入部と流出部のそれぞれに超音波トランスジューサを対向させて取り付け、前記流速測定管路の内部の前記超音波トランスジューサ間を伝搬する超音波の伝搬所要時間から前記流速測定管路内を流れる流体の流速と流量を測定するように構成されている。そして、この超音波流量計は、各超音波トランスジューサが、流速測定管路の断面形状よりも大きな断面形状を有するコンポジット振動子から構成されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一つの好適な実施の形態によれば、コンポジット振動子は樹脂中に複数個の圧電素子がほぼ等間隔で配列された構造を呈している。
【００１４】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、樹脂が円筒形状のエポキシ樹脂から構成され、圧電素子が直方体の同一形状のＰＺＴから構成されている。
【００１５】
【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、管路部分については断面図で、電気回路部分については機能ブロック図で示す図であり、１１は直線状の流速測定管路、１２は流体の流入部、１３は流体の流出部、１４、１５は超音波トランスジューサである。さらに、１６は制御・演算回路、１７は送信回路、１８は受信増幅回路、１９は切り換え回路である。
【００１６】
直線状の流速測定管路１１は金属の円筒体からなり、その両端に大径の中空円盤形状の流入部１２と流出部１３とが中心軸を一致させた同軸状態で取り付けられる。流入部１２と流出部１３のそれぞれの側面には測定しようとする流体を流入させる流入管路１と、測定済みの流体を流出させる流出管路２が取り付けられる。流量測定対象の流体は、例えば水素などの気体である。
【００１７】
超音波トランスジューサ１４、１５は、流速測定管路１１の内径よりも大きな直径の円柱形状を呈する。一方の超音波トランスジューサ１４は、中空円盤形状の流入部１２の円形の端面に中心を一致させた状態で取付けけられる。他方の超音波トランスジューサ１５は、中空円盤形状の流出部１３の円形の端面に中心を一致させた状態で取り付けられる。
【００１８】
超音波トランスジューサ１４は、図２の斜視図に示すように、円筒形状の樹脂１４ｂの内部に柱状の同一形状・同一寸法・同一素材の複数の振動子１４ａがほぼ等間隔で埋め込まれ、それぞれを囲む樹脂層によって強固に保持された構造のコンポジット（複合）振動子から構成されている。この実施例では、樹脂はエポキシ樹脂を素材とし、柱状の振動子１４ａはＰＺＴ（チタン酸ジルコン鉛）を素材としている。振動子１４ａの厚みも樹脂層の厚みもすべてｄであり、コンポジット振動子の両端面はいずれも平坦面を呈している。コンポジット振動子の各端面の上に平坦な電極板（図示省略）が取り付けられている。超音波トランスジューサ１５も、上述した超音波トランスジューサ１４とまったく同一の構造・形状を有している。
【００１９】
超音波トランスジューサ１４，１５を電気信号を供給して励振すると、厚み方向への振動を開始する。超音波トランスジューサ１４，１５の厚みｄで定まる共振周波数帯の電気信号を供給することにより、効率の良い励振が行われる。
【００２０】
図３は、超音波トランスジューサ１４の伸縮に伴う端面の変化の様子を推定して示す推定部分断面図である。振動子１４ａが伸びた状態では、同図（Ａ）に示すように、樹脂で拘束された振動子１４ａの周辺部分は伸び量が小さく、これら周辺部分から離れた中心部分の伸び量が最大となる。一方樹脂１４ｂは、振動子１４ａの側面と接する周辺部分が振動子１４ａに引きずられて厚み方向への伸び量が最大となり、この周辺部分から離れた中心部分は伸び量が最小にとどまる。なお、振動子１４ａが分割されておらず、連続的である場合には、点線で例示するような大きな凸面となる。
【００２１】
振動子１４ａが縮んだ状態では、同図（Ｂ）に示すように、樹脂で拘束された振動子１４ａの周辺部分は縮み量が小さく、周辺部分から離れた中心部分の縮み量が最大となる。一方樹脂１４ｂは、振動子１４ａの側面と接する周辺部分が振動子１４ａに引きずられて縮み量が最大となり、この周辺部分から遠い中心部分は縮み量が最小に留まる。なお、振動子が分割されておらず、連続的である場合には、点線で例示するような大きな凹面となる。
【００２２】
図３の（Ａ），（Ｂ）に例示されるように、コンポジット振動子１４の伸縮に伴いその端面には空間的に短い周期で変化する細かい凹凸が形成され、径方向に空間的に平均化するとほぼ平坦になる。この結果、端面から放射される超音波エネルギーは、巨視的には、径方向にほぼ均一になる。また、端面の法線方向に放射される超音波も、空間的な平均化の結果、超音波トランスジューサ１４の軸線にほぼ平行になる。これに対して、従来の大径の端面の超音波トランスジューサでは、図３中の点線で示すような大きな凸面や凹面が形成され、端面から放射される超音波のエネルギーは中心ほど増加する。また、端面の法線方向に放射される超音波の方向は軸線に対して傾いたものとなる。
【００２３】
図１の制御・演算回路１６の指令に従って、送信回路１７から切り換え回路１９を経て超音波トランスジューサ１４，１５の一方が励振される。超音波トランスジューサ１４，１５が発生した超音波は、流入部１２や流出部１３を経て流速測定管路１１内に放射され、その内部を伝搬して超音波トランスジューサ１４，１５の他方に受信され、切り換え回路１９を経て受信増幅回路１８に供給される。受信増幅回路１８は、超音波信号を受信すると、その旨を制御・演算回路１６に通知する。制御・演算回路１６は、送信回路１７に送信指令を発してから受信増幅回路１８から受信の通知を受けるまでの経過時間を流速測定管路１１内の超音波の伝播所要時間として算定する。
【００２４】
制御・演算回路１６は、超音波が流体の流れの下流方向に伝播した時の伝搬所要時間と超音波が流体の流れの上流方向に伝搬した時の伝搬所要時間に基づき、流速を計測する。
【００２５】
図３を参照して説明したように、超音波トランスジューサ１４，１５から放射される超音波のエネルギーは流速測定管路１１の断面にわたってほぼ均一に分布すると共に、超音波は管軸にほぼ平行に伝搬する。この結果、流速測定管路１１内の流れの状態が、図７に例示したような層流であっても乱流であっても、超音波トランスジューサに受信される超音波が有する情報は、中心部分の大きな流速も周辺部分の小さな流速も同じ重みで反映されたものとなる。
【００２６】
伝搬所要時間を決する受信信号の出現時点は、受信信号がゼロ点をよぎる時点を検出するゼロクロス法などによって検出される。超音波を流体の下流に伝搬させる場合、流速の大きな管路の中心付近を伝搬してきた受信信号の成分は、ゼロクロス点に対してこれを早く出現させるように影響を及ぼす。一方、流速の小さな管壁付近を伝搬したきた受信信号の成分は、ゼロクロス点に対してこれを遅く出現させるように影響を及ぼす。この影響は受信信号の波形の鈍化などによって実現される。
【００２７】
この結果、実際に検出されるゼロクロス点は、管路の中心部分の大きな流速と、管壁の近傍の小さな流速の両者を反映させたものとなる。すなわち、流路断面内の空間的な流速の平均化が受信信号波形の時間軸上の平均化によって実現される。このような技術思想は、本出願人が先に出願した特開２０００─１４６６４３号公報などに開示されている。本発明の測定方法では、流路断面内の流速の平均値が検出され、この値に断面積を乗じたものが体積流量として表示される。これは、中心部分の大きな流速を測定し、この測定値に流速分布から決定される係数を乗じて平均流速を算定するという従来の方法とは明確に異なる。
【００２８】
図４は、図１に示した本発明の一実施例の実験データを従来装置の実験データと比較しながら示したものである。この実験データは、図１の超音波流量計で測定した流量と、高い精度の標準の重量流量計で測定した流量の比を較正係数として算定し、これとレイノルズ数との関係をグラフに示したものである。本発明の流量計では検出した流速を断面内の平均流速とし、図５の従来装置では検出した流速に断面内流速分布の補正係数を乗じたものが平均流速とされる。実線の曲線は図１のコンポジット振動子を使用した実験データ、点線の曲線は図５のＰＺＴ振動子を使用した場合である。
【００２９】
本発明のコンポジット振動子を使用する例では、従来のＰＺＴ振動子を使用する場合に比べて、レイノルズ数に依存して変動する幅が半減している。精度の要求値が±１％程度の場合には、較正を行わずに、測定値をそのまま使用することも可能になる。
【００３０】
以上、コンポジット振動子を構成する圧電素子の断面形状を矩形にする構成を例示した。しかしながら、断面形状としては、必要に応じて、四角以外の適宜な多角形や円形とすることもできる。
【００３１】
また、圧電素子の断面の形状や寸法を全て同一とする構成を示した。しかしながら、断面の形状や寸法を圧電素子の配置に応じて異ならせることもできる。
【００３２】
また、樹脂としてエポキシ樹脂を使用する構成を例示したが、他の適宜な樹脂を使用することもできる。また、圧電素子としてＰＺＴ以外の適宜な圧電素子を使用してもよい。
【００３３】
さらに、流入部と流出部の端面の外側に超音波トランスジューサを取り付ける構成を例示した。しかしながら、流入部と流出部の端面に超音波トランスジューサをはめ込むようにして取り付ける構成とすることもできる。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳細な説明したように、本発明の超音波流量計は、超音波トランスジューサを流速測定管路の断面形状よりも大きな断面形状を有するコンポジット振動子で構成されるので、流路の断面内にわたって一様のエネルギーの超音波が、流路の軸線方向にほぼ平行に伝搬する。この結果、流路断面内の流速分布に対する補正が不要で、高精度の流量計を実現することができる。
【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管路部分については断面図で、電気回路部分については機能ブロック図で示す図である。
【図２】図１のコンポジット振動子１４の構成の一例を示す斜視図である。
【図３】コンポジット振動子１４，１５の表面が振動によって変化する様子を推測して示す部分断面図である。
【図４】図１の実施例の超音波流量計による測定結果を従来の超音波流量計の測定結果と比較して示す実験データである。
【図５】従来の典型的な超音波流量計の構成を示す断面図である。
【図６】超音波振動子の変形の様子と速度分布の様子を示す概念図である。
【図７】測定管路内の流速の分布の様子を説明するための概念図である。
【図８】超音波が管路の内壁近傍を伝搬したり、そこで反射されたりする様子を説明するための概念図である。
【符号の説明】
11    流速測定管路
12    流入部
13    流出部
14,15 コンポジット振動子
14a   圧電素子
14b   エポキシ樹脂
16    制御・演算回路
17    送信回路
18    受信増幅回路
19    切り替え回路
【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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