(57)【要約】    【目的】  配管からの反射波を原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する技術を提供する。    【構成】  所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管(10)内の被測定流体(11)中へ入射させる超音波送信手段(20)と、  被測定流体(11)に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコー(反射波Ａ)を受信し、測定領域における被測定流体(11)の流速分布を測定する流体速度分布測定手段(20)と、  前記被測定流体(11)の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備える。また、被測定流体(11)の流体配管(10)における超音波パルスの到達位置における配管外壁に固定可能な吸音材(40)を備え、その吸音材(40)の音響インピーダンスは、流体配管(10)の音響インピーダンスと近似値となるような高密度な材質とする。【選択図】    図１
2005195371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計であって、
被測定流体の流体配管における超音波パルスの到達位置における配管外壁に固定可能な吸音材を備え、
その吸音材の音響インピーダンスは、流体配管の音響インピーダンスと近似値となるような高密度な材質とした超音波流量計。
【請求項２】
前記吸音材を保持するとともに配管外壁へ固定される吸音材ホルダと、その吸音材ホルダにおける位置を変更可能とするスライダとを備えることにより、配管外壁に対する当該吸音材の固定位置を変更可能に形成した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】
所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計であって、
前記超音波送信手段を所定角度にて固定するとともに被測定流体の流体配管の外壁へクランプオンさせるためのくさびを備え、
そのくさびにおける配管外壁側に接触する面の所定位置には吸音材を備え、その吸音材の音響インピーダンスは、流体配管の音響インピーダンスと近似値となるような高密度な材質としたことを特徴とする超音波流量計。
【請求項４】
くさびにおける吸音材の位置を変更可能とするスライダをくさびに備えることにより、配管外壁に対する当該吸音材の固定位置を変更可能に形成したことを特徴とする請求項３記載の超音波流量計。
【請求項５】
所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる吸音材であって、
被測定流体の流体配管における外壁に固定可能であって、
その音響インピーダンスが配管の音響インピーダンスと近似値となるように、合成樹脂に高密度金属粉を配合して成形した材質にて形成したことを特徴とする超音波流量計用の吸音材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、  本発明は、測定領域の流速分布から被測定流体の流量を時間依存で瞬時に測定することが可能な超音波流量計およびそれに関連する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触で流量を測定可能であるドップラ式超音波流量計については、さまざまな技術が提供されている。（例えば、特開２０００−９７７４２号）
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−９７７４２号
【０００４】
上記の技術を具体的に説明する。上記文献に開示されているドップラ式超音波流量計は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体（たとえば水）の配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定するものである。
【０００５】
この技術は、配管内を流れる被測定流体の流速分布を測定し、時間的に変動する過渡時の流量を応答性に優れている。また、流体の流れが充分に発達していない箇所や流れが三次元になっている場所、例えばエルボ配管やＵ字状の反転配管のように曲げられた配管の直後でも、被測定流体の流量を効率的に精度よく瞬時に測定できる。それ以前に提供されていた超音波流量計と比較した場合、実験値や経験値などから割り出された「流量補正係数」がなくても正確な測定が可能であるという特徴があり、大きく評価されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
さて、上述のドップラ式超音波流量計につき、更なる測定精度の向上を目指していたところ、以下のような問題点が浮上した。
図５および図６を用いて説明する。超音波送信手段が送信する超音波は、被測定流体中の気泡などに対して正常に反射した反射波のみ（図５および図６中に示す「反射波Ａ」）を用いたい。しかし図５に示すように、送信した超音波が流体配管１０に到達し、その流体配管１０からの反射波（図５中の「反射波Ｂ」）が別の気泡にぶつかって反射波Ａと同一経路をたどることによって超音波送受信手段２０が受信してしまい、測定誤差の原因となっていることが判明した。また、図６に示すように、流体配管１０内へ超音波を入射した場合に非測定流体１１へ入射されずに流体配管１０内を反射波が伝わった後に被測定流体１１へ入り、その後に気泡へぶつかって反射し、その反射波Ｂが超音波送受信手段２０が測定してしまうことによる測定誤差も生じていることが把握された。
図示は省略するが、被測定流体中の気泡などに反射した反射波のみで被測定流体の流速分布を測定できたとすれば、その測定結果は理論的には放物線を描くはずであるが、実際の測定結果は放物線の頂上付近に平らな直線上の部位が描かれてしまうのである。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、配管からの反射波を原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する技術を提供することである。
請求項１から請求項４記載の発明の目的は、配管からの反射波を原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する超音波流量計を提供することにある。
また、請求項５記載の発明の目的は、配管からの反射波を原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する超音波流量計用の吸音材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（請求項１）
請求項１記載の発明は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管(10)内の被測定流体(11)中へ入射させる超音波送信手段(20)と、  被測定流体(11)に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコー(反射波Ａ)を受信し、測定領域における被測定流体(11)の流速分布を測定する流体速度分布測定手段(20)と、  前記被測定流体(11)の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に係る。
そして、被測定流体(11)の流体配管(10)における超音波パルスの到達位置における配管外壁に固定可能な吸音材(40)を備え、その吸音材(40)の音響インピーダンスは、流体配管(10)の音響インピーダンスと近似値となるような高密度な材質としたことを特徴とする。
【０００９】
（用語説明）
上記の超音波流量計には、一般のドップラ式超音波流量計と、相関法を用いた超音波流量計とを含む。相関法を用いた超音波流量計とは、例えば、特開２００３−３４４１３１号に開示されているような超音波流量計である。
両者とも、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する。
【００１０】
「流量演算手段」は、流量をｍ（ｔ）とするとき、 
【数１】
2005195371.tif 000003
の演算を行う手段である。
【００１１】
また、上記の式（１）から、流体配管を流れる時間ｔの流量ｍ（ｔ）は、次式に書き換えることができる。
【数２】
2005195371.tif 000004
【００１２】
なお、配管内を流れる被測定流体の流れが、管軸方向の流れで半径方向や角度θの流れｖｒ，ｖθを無視できるとすると、ｖｘ＞＞ｖｒ＝ｖθとなり、流量計測は簡素化され、次式で表わされる。
【数３】
2005195371.tif 000005
ここで、αとは、超音波トランスジューサから発振される超音波の入射角度、すなわち管壁への垂線に対してなす角度である。
【００１３】
「被測定流体(11)の流体配管(10)における超音波パルスの到達位置」とは、超音波トランスジューサ(20)から発振される超音波の入射角度、配管の材質、配管の内径および外径または肉厚、被測定流体の種類などの可変条件が特定されることによって特定される。例えば、被測定流体(11)を挟んだ反対側の配管外壁の場合（図１）、超音波トランスジューサ(20)から発振される超音波の入射側における配管外壁の場合（図４）などがある。
【００１４】
吸音材の音響インピーダンスにつき、「流体配管の音響インピーダンスと近似値となるような高密度な材質」としたのは、そのようにしないと吸音材と配管との界面において超音波が反射してしまうからである。具体的な材質としては、合成樹脂（たとえばエポキシ樹脂）に高密度金属粉（たとえばタングステンの微粉末）を配合して成形したものが好適であった。高密度金属としては、他にクロム、モリブデンなども採用可能である。
【００１５】
（作用）
まず、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサ(20)から測定線に沿って流体配管(10)内の被測定流体(11)中へ入射させる。すると、被測定流体(11)に入射された超音波パルスのうち、測定領域から反射されたもの(反射波Ａ)が測定対象となり、超音波パルスの一部は被測定流体(11)の流体配管(10)に到達したり、被測定流体(11)に達することなく流体配管(10)内部で反射したりする。しかし、その到達位置における配管外壁には吸音材(40)が固定されており、その吸音材(40)の音響インピーダンスは、流体配管(10)の音響インピーダンスと近似値となるような高密度な材質なので、ほとんどが吸収される。したがって、流体配管(10)からの反射波が測定対象となって測定誤差の原因となることを抑制できる。
流体速度分布測定手段(超音波トランスジューサ(20)は、超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体(11)の流速分布を測定する。そして前記被測定流体(11)の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体(11)の流量を流量演算手段が演算する。
【００１６】
（請求項２）
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の超音波流量計を限定したものであり、
前記吸音材(40)を保持するとともに配管外壁へ固定される吸音材ホルダ(41)と、その吸音材ホルダ(41)における位置を変更可能とするスライダ(42)とを備えることにより、配管外壁に対する当該吸音材(40)の固定位置を変更可能に形成したことを特徴とする。
【００１７】
（作用）
測定領域にて反射されなかった超音波パルスの一部が、被測定流体の流体配管に到達して反射したことで測定誤差が生じたと考えられる事態が発生したとする。その場合、配管外壁に対する当該吸音材(40)の固定位置が適切でないと考えられるので、適切な位置へ吸音材(40)を移動させればよい。すなわち、スライダ(42)を用いて吸音材ホルダ(41)に対する吸音材(40)の位置を変更することによって、配管外壁に対する当該吸音材(40)の固定位置を調整する。配管外壁に対する当該吸音材(40)が適切な位置に移動できれば、前述の測定誤差の軽減に寄与できる。
【００１８】
（請求項３）
請求項３記載の発明は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に係る。
すなわち、前記超音波送信手段(20)を所定角度にて固定するとともに被測定流体(11)の流体配管(10)の外壁へクランプオンさせるためのくさび(30)を備え、  そのくさび(30)における配管外壁側に接触する面の所定位置には吸音材(40)を備え、その吸音材(40)の音響インピーダンスは、流体配管(10)の音響インピーダンスと近似値となるような高密度な材質としたことを特徴とする。
【００１９】
請求項１に係る発明との構成およびそれに伴う作用の相違点は、以下の通りである。すなわち、請求項１に係る超音波流量計は、超音波送信手段(20)と吸音材(40)とが流体配管(10)を挟んだ位置に配置されるが、請求項３に係る超音波流量計は、超音波送信手段(20)と吸音材(40)とが並列に位置される。換言すると、請求項１に係る超音波流量計が反射波の発生場所において吸音材(40)によって吸収するのに対して、請求項３に係る超音波流量計では吸音材(40)が流体速度分布測定手段(20)における流体配管(10)からの反射波(Ｂ)を測定することを防止するものである。
【００２０】
（請求項４）
請求項４記載の発明は、請求項３記載の超音波流量計を限定したものであり、
くさび(30)における吸音材(40)の位置を変更可能とするスライダをくさびに備えることにより、配管外壁に対する当該吸音材の固定位置を変更可能に形成したことを特徴とする超音波流量計に係る。
【００２１】
（作用）
超音波パルスの一部が被測定流体の流体配管に到達して反射し、それを流体速度分布測定手段が受信したことによって測定誤差が生じたと考えられる事態が発生したとする。その場合、配管外壁に対する当該吸音材の固定位置が適切でないと考えられるので、適切な位置へ吸音材を移動させればよい。すなわち、スライダを用いてくさびに対する吸音材の位置を変更することによって、配管外壁に対する当該吸音材の固定位置を調整する。配管外壁に対する当該吸音材が適切な位置に移動できた場合には、前述の測定誤差の軽減に寄与できる。
【００２２】
（請求項５）
請求項５記載の発明は、被測定流体の流体配管における外壁に固定可能であって、  その音響インピーダンスが配管の音響インピーダンスと近似値となるように、合成樹脂に高密度金属粉を配合して成形した材質にて形成したことを特徴とする超音波流量計用の吸音材に係る。
ここで、「高密度金属」としては、タングステン、クロム、モリブデンなどがある。
【００２３】
（作用）
請求項５記載の発明は、超音波流量計と切り離した単独の部材として用いるものである。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１から請求項４に記載の発明によれば、、配管からの反射波を原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する超音波流量計を提供することができた。
また、請求項５に記載の発明によれば、配管からの反射波を原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する超音波流量計用の吸音材を提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施の形態及び図面に基づいて、更に詳しく説明する。ここで使用する図面は、図１乃至図４である。
（図１）
図１は、被測定流体１１が流れる流体配管１０の流量を計測するための超音波流量計において、被測定流体１１に入射された超音波パルスの測定領域から反射された超音波エコーを受信する受信機を兼ねた超音波送受信手段（トランスジューサ２０）を備える。そのトランスジューサ２０は、樹脂製のくさび３０にて配管１０の所定箇所に固定されている。くさび３０の材質は、例えばエポキシ樹脂である。
【００２６】
トランスジューサ２０は、被測定流体１１に対して測定線に沿って所要周波数（基本周波数）の超音波パルスを送信させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスの測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段とを兼ねている。そして、その流速分布に基づいて被測定流体の流量を時間依存で求める流量演算手段としてのマイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ等のコンピュータと、このコンピュータからの出力を時系列的に表示可能な表示装置とに接続されている。
【００２７】
また、トランスジューサ２０には、トランスジューサ２０を加振させる信号発生器としての加振用アンプを備えており、加振用アンプから所要の基本周波数のパルス電気信号が超音波トランスジューサへ入力されるようになっている。そして、パルス電気信号の印加により基本周波数の超音波パルスが測定線に沿って発振せしめられる。超音波パルスは、例えばパルス幅５mm程度で拡がりをほとんど持たない直進性のビームである。
【００２８】
トランスジューサ２０は、発振し超音波パルスが流体１１中の反射体１２に当って反射される超音波エコーを受信するようになっている。ここで反射体１２とは、被測定流体１１中に一様に含まれる気泡である。基本的に、被測定流体１１とは、音響インピーダンスが異なる異物でなければならない。
【００２９】
トランスジューサ２０にて受信された超音波エコーは、図示を省略した反射波レシーバーにて受信され、その反射波レシーバーにてエコー電気信号へ変換される。このエコー電気信号は、増幅器で増幅された後、ＡＤ変換器を通ってデジタル化される。そして、デジタル化されたデジタルエコー信号が流速分布計測回路を備えた流速計算装置に入力される。
【００３０】
流速計算装置には、発振用アンプからの基本周波数の電気信号がデジタル化されて入力され、両信号の周波数差からドップラシフトに基づく流速の変化もしくは両信号の相互相関値を用いて流速を計測し、測定線に沿う測定領域の流速分布を算出している。測定領域の流速分布を超音波の入射角度αで較正することによって、流体配管の横断面における流速分布を計測することができる。
【００３１】
さて、流体配管１０の寸法（外径、肉厚、内径のいずれか２つ以上）、流体配管１０の材質、流体１１の種類などが予め把握できている場合には、前述した超音波の入射角度αは特定できる。その場合には、くさび３０を省略して「接液形」とすることができる。
【００３２】
トランスジューサ２０による超音波の入射角度αが決定されると、流体配管１０を挟んでトランスジューサ２０と反対側の管壁のどこへ超音波が到達するかは算出できる。その到達位置付近には、吸音材４０を固定するのである。
この吸音材４０の音響インピーダンスは、流体配管１０の音響インピーダンスと近似値となるような高密度な材質としている。より具体的には、合成樹脂（エポキシ樹脂）に高密度金属粉（タングステン粉）を配合して成形した材質であり、直径１０〜２０ｍｍ、厚さ１０〜１５ｍｍ程度である。この吸音材４０の存在により、流体配管１０が反射波を発生することを抑制できる。したがって、流体配管１０からの反射波が測定対象となって測定誤差の原因となることを抑制できる。
なお、吸音材の材質は、エポキシ樹脂にタングステン粉を配合して成形したものに限られず、流体配管１０の音響インピーダンスと近似値となるような高密度な材質であればよく、例えばタングステンの代わりに鉛を用いることもできる。
【００３３】
トランスジューサ２０の受信機が受信した反射波は、図示を省略した増幅器で増幅された後、ＡＤ変換器を通ってデジタル化される。そして、デジタル化されたデジタルエコー信号を用いて音速計算装置が音速を算出する。算出された音速は、超音波流量計に対して出力され、流量、流速分布などをリアルタイムで算出するのに用いられる。
【００３４】
なお、測定領域にて反射されなかった超音波パルスの一部が、被測定流体の流体配管に到達して反射したことで測定誤差が生じたと考えられる事態が発生したとする。その場合、配管外壁に対する当該吸音材４０の固定位置が適切でないと考えられるので、適切な位置へ吸音材４０を移動させることとする。
【００３５】
（図２）
図２に示す実施形態は、トランスジューサ２０を所定角度にて固定するとともに被測定流体１１の流体配管１０の外壁へクランプオンさせるためのくさび３０を備える。そして、非測定流体１１に対してそのくさび３０と同じ側の配管外壁側に接触する面の所定位置には吸音材４０を備えている。図１に示した実施形態が反射波の発生場所において吸音材４０によって吸収するのに対して、図２に示した実施形態の吸音材４０は、トランスジューサ２０における流体配管１０からの反射波Ｂを測定することを防止する。
【００３６】
（図３）
図３に示す実施形態は、図１に示した実施形態に改良を加えたものである。すなわち、前記吸音材４０を保持するとともに配管外壁へ固定される吸音材ホルダ４１と、その吸音材ホルダ４１における位置を変更可能とするスライダ４２とを備えることにより、配管外壁に対する当該吸音材４０の固定位置を変更可能に形成している。
【００３７】
測定領域にて反射されなかった超音波パルスの一部が、被測定流体の流体配管に到達して反射したことで測定誤差が生じたと考えられる事態が発生したとする。その場合、配管外壁に対する当該吸音材４０の固定位置が適切でないと考えられるので、スライダ４２を用いて吸音材ホルダ４１に対する吸音材４０の位置を変更する。それによって、配管外壁に対する当該吸音材４０の固定位置を調整する。配管外壁に対する当該吸音材４０が適切な位置に移動でき、前述の測定誤差の軽減に寄与できる。
この実施形態のように吸音材４０の固定位置を変更可能に形成していれば、反射波の位置が変更されるような事態、例えば被測定流体が変更されるような事態においても対応可能である。
【００３８】
なお、詳しい図示は省略するが、吸音材４０の固定位置を変更可能である構造を、前述の第二の実施形態においても採用することは可能である。
【００３９】
（図４）
図４に示す実施形態は、被測定流体１１に達することなく流体配管１０内部で反射する超音波を吸収する位置に、くさび３０へ組み込むようにして吸音材４０を備えたものである。これについても、図３に示す実施形態のように吸音材４０の固定位置を変更可能である構造を採用することも可能である。
【００４０】
なお、図１から図３に示すように被測定流体１１を挟んだ反対側の配管に到達する反射波と、図４に示すように被測定流体１１に達することなく流体配管１０内部で反射する超音波の両方を吸収するためには、第一乃至第三の実施形態のような吸音材４０と、第四の実施形態に示すような吸音材４０とを組み合わせて配置することが望まれる。
【００４１】
先行技術も実施形態も、超音波送信手段と超音波エコーの受信手段とを一体に形成した超音波流量計として説明した。しかし、超音波送信手段と超音波エコーの受信手段とを別体として備えた超音波流量計においても、被測定流体の流体配管における超音波パルスの到達位置における配管外壁に、固定可能な上述のような吸音材を備えることによって、流体配管からの反射波による測定誤差の発生を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本願発明は、ドップラ式超音波流量計に限られず、一般の超音波流量計に属する流量計においても採用することができる。
また、超音波流量計の製造業のほか、超音波流量計取り付け業、メンテナンス業においても用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第一の実施形態を示す概念図である。
【図２】第二の実施形態を示す概念図である。
【図３】第三の実施形態を示す概念図である。
【図４】第四の実施形態を示す概念図である。
【図５】従来の技術の問題点を示すための概念図である。
【図６】従来の技術の問題点を示すための概念図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０    流体配管            １１  被測定流体
１２    流体中の気泡
２０    超音波送受信手段（トランスジューサ）
３０    くさび
４０    吸音材              ４１  吸音材ホルダ
４２    スライダ
【図１】
2005195371.tif 000006
【図２】
2005195371.tif 000007
【図３】
2005195371.tif 000008
【図４】
2005195371.tif 000009
【図５】
2005195371.tif 000010
【図６】
2005195371.tif 000011