(57)【要約】【課題】残響音等の影響が少なく、受信波形を確実に捉えることができる高温用超音波センサを提供することを目的とする。【解決手段】圧電素子と振動板とによる超音波振動部２１の発振側に棒状の石英製音響伝送路２３を設けた高温用超音波センサ２０である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子と振動板とによる超音波振動部の送受信側に棒状の石英製音響伝送路を設けたことを特徴とする高温用超音波センサ。
【請求項２】
前記石英製音響伝送路を挿入する石英保護管の開口端部にフランジ部が設けられ、測定部配管に設けられた挿入管に前記石英保護管を挿入して該フランジ部で該挿入管の端部に固定し、前記超音波振動部の前記石英製音響伝送路を該石英保護管内に挿入するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の高温用超音波センサ。
【請求項３】
測定部配管内を流れる流体と石英保護管で分離し、圧電素子と振動板とによる超音波振動部の送受信側に設けた石英製音響伝送路を該石英保護管内に配置したことを特徴とする高温用超音波センサ。
【請求項４】
前記石英保護管内の石英製音響伝送路の先端部が該石英保護管内底部に接触し、該石英製音響伝送路の周囲を空気層としたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の高温用超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温用超音波センサに関し、特に高温流体の流速を測定する際に流体による熱源の影響を受けることなく、超音波の伝播時間を測定して流速を測定することができる高温用超音波センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波流量計は、図６に示すように、測定部配管１に超音波センサ２，３が所定の距離Ｌを隔てて互いに向かい合わせて装着され、超音波センサ２，３の信号は演算部１０に入力され、伝播時間が測定されて超音波センサ２，３間の流体の平均流速Ｖが演算処理される。平均流速Ｖは、Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ｛（１／ｔ１  ）−（１／ｔ２  ）｝より求められる。但し、ｔ１  は超音波センサ２から超音波センサ３へ発射される超音波の伝播時間であり、ｔ２  は超音波センサ３から超音波センサ２へ発射される超音波の伝播時間である。また、流体の流量は、この平均流速Ｖに配管１の断面積と一定補正係数とを掛け合わせることによって算出することができる。
【０００３】
しかし、超音波センサの振動子は、圧電体がセラミックにより形成されており、セラミックは温度がキューリ温度以上になると、圧電体としての特性を失い電圧を印加しても超音波を発振しなくなる性質がある。そこで、上記従来例では、測定部配管１に冷却槽４を設けて冷却槽４内に冷却水５を循環させ、超音波センサ２，３を冷却してキューリ温度以下に保ち、超音波センサ２，３が超音波を発振するようにして伝播時間を測定している。また、上流側配管には圧力センサ６と温度センサ８とが、下流側配管には圧力センサ７と温度センサ９とがそれぞれ設けられ、これらの測定値が演算部１０に入力されて流体の流量が測定されている。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
また、超音波センサの冷却には、上記の冷却槽を用いる以外に、図７に示すように、測定部配管１に放熱フィン１１を設けた取付管１２を設け、取付管１２の端部に超音波センサ１３を装着し、取付管１２内を冷却空間１４として、超音波センサ１３をキューリ温度以上に温度が上昇するのを防止したり、或いは取付管１２に冷却パイプを螺旋状に捲回して冷却したものが用いられている。（例えば、特許文献２参照）
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１６２００４号（明細書全文，図面全図）
【特許文献２】特開平１１−２３０８０１号（明細書全文，図面全図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の超音波センサは、キューリ温度以下に保持するために、測定部配管に冷却槽等による冷却手段を施した取付管に設けれたり、また、冷却効果が十分に発揮できるように取付管の全長を長くして冷却パイプや放熱フィンによる冷却手段が施されている。このような冷却手段は、冷却手段による熱が流体自体に取り込まれ、流体の温度に影響を与え、結果とし流速分布自体に変化が生させることになり、好ましいものではなかった。
【０００７】
また、超音波センサの構造が複雑になり、冷却水を循環させる設備を含めた装置としてのコストが掛かり過ぎる欠点があるとともに、構造が複雑になると、超音波の共振状態が複雑になる欠点があった。冷却手段を施した取付管内を超音波が伝播する際に、図８に示すように、内壁面で反射等による影響により残響音を生じる欠点があった。同図について説明すると、（イ）は自己振動現象による振幅であり、（ロ）は超音波を受信した際の受信波形の振幅であり、（ハ）は残響音による振幅である。残響音による振幅は、受信波形の振幅と重なる位置に発生し、比較的振幅も大きく受信波形との判断が難しく、受信波形を認識して伝播時間を測定する際に支障を来すことになり、残響音を解消する必要があった。
【０００８】
本発明は、上述のような課題に鑑みなされたものであって、残響音等の影響が少なく、受信波形を確実に捉えることができる高温用超音波センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を達成するためになされたものであり、請求項１の発明は、圧電素子と振動板とによる超音波振動部の送受信側に棒状の石英製音響伝送路を設けたことを特徴とする高温用超音波センサである。
【００１０】
また、請求項２の発明は、前記石英製音響伝送路を挿入する石英保護管の開口端部にフランジ部が設けられ、測定部配管に設けられた挿入管に前記石英保護管を挿入して該フランジ部で該挿入管の端部に固定し、前記超音波振動部の前記石英製音響伝送路を該石英保護管内に挿入するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の高温用超音波センサである。
【００１１】
また、請求項３の発明は、測定部配管内を流れる流体と石英保護管で分離し、圧電素子と振動板とによる超音波振動部の送受信側に設けた石英製音響伝送路を該石英保護管内に配置したことを特徴とする高温用超音波センサである。
【００１２】
また、請求項４の発明は、前記石英保護管内の石英製音響伝送路の先端部が該石英保護管内底部に接触し、該石英製音響伝送路の周囲を空気層としたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の高温用超音波センサである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明では、圧電素子と振動板とによる超音波振動部の送受信側に棒状の石英製音響伝送路を設けたことを特徴とする高温用超音波センサであるので、高温流体の流速を測定する際に、超音波が棒状の石英製音響伝送路を伝播して超音波振動部に到達するようにし、高温流体からの熱の伝導を石英製音響伝送路により減衰して圧電素子を高温流体から保護し、圧電素子をキューリ温度以下に保持することができる利点がある。
【００１４】
また、請求項２の発明では、前記石英製音響伝送路を挿入する石英保護管の開口端部にフランジ部が設けられ、測定部配管に設けられた挿入管に前記石英保護管を挿入して該フランジ部で該挿入管の端部に固定し、前記超音波振動部の前記石英製音響伝送路を該石英保護管内に挿入するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の高温用超音波センサであるので、石英製音響伝送路は測定部配管内の高温の流体とは石英保護管により分離されており、流体の温度による影響を回避すべく圧電素子を冷却する必要がなく、流体の温度が圧電素子に影響を与えないようにし、圧電素子をキューリ温度以下に保持することができる利点がある。
【００１５】
また、請求項３の発明では、測定部配管内を流れる流体と石英保護管で分離し、圧電素子と振動板とによる超音波振動部の送受信側に設けた石英製音響伝送路を該石英保護管内に配置したことを特徴とする高温用超音波センサであるので、石英保護管は流体と接触するが、圧電素子及び石英製音響伝送路は流体とは接触することがなく、石英製音響伝送路の先端部が石英保護管底部と接触するのみであり、しかも熱伝導を考慮して石英製音響伝送路長を十分な長さにすることによって、流体により熱源の影響を圧電素子に与えないようにし、圧電素子をキューリ温度以下に保持することができる利点がある。
【００１６】
また、請求項４の発明では、前記石英保護管内の石英製音響伝送路の先端部が該石英保護管内底部に接触し、該石英製音響伝送路の周囲を空気層としたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の高温用超音波センサであるので、空気層により石英製音響伝送路が熱的に遮断され、石英製音響伝送路の側部からの熱の影響を無くし、流体からの熱伝導による影響を圧電素子に与えることがないようにして、圧電素子をキューリ温度以下に保持できる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る高温用超音波センサの実施形態について、図面を参照し説明する。なお、図１は本発明の一実施形態を示す断面図であり、図２は本発明の高温用超音波センサの装着例を示す断面図である。図３は熱源から圧電素子（振動子）までの温度分布を示す説明図である。図４は石英棒の熱膨張を示す説明図である。図５は本実施形態の高温用超音波センサが超音波を受信した際の波形図である。
【００１８】
図１において、本実施形態の高温用超音波センサ２０は、圧電素子と振動板とによる超音波振動部２１と、超音波振動部２１の送受信側に石英保護管２２に収納される石英製音響伝送路２３とで構成されている。石英保護管２２は、石英ガラスによる有底管状のものであり、石英保護管２２の開口端部にはフランジ部２４が設けられている。超音波振動部２１の送受信側には棒状の石英製音響伝送路２３が送受信軸方向に設けられ、石英製音響伝送路２３の先端部が石英保護管２２の底部に接触し、石英製音響伝送路２３の他端部が超音波振動部２１は接触している。石英製音響伝送路２３の側部は石英保護管２２に接触しないようにし、石英保護管２２からの熱伝導を可能な限り防止するように超音波振動部２１が保持されている。
【００１９】
高温用超音波センサ２０は、図２に示すように、測定部配管１に２箇所設けられ、両高温用超音波センサ２０は超音波送信用と受信用とを兼ねており、それぞれの高温用超音波センサ２０は、測定部配管１に所定距離を隔てて設けられた挿入管１６ａにそれぞれ挿入されて固定され、流体の流下方向軸に対して所定角度θで互いに対向して所定距離Ｌを保っている。高温用超音波センサ２０は、挿入管１６ａに挿入され、挿入管１６ａの端部のフランジ部１６ｂと、石英保護管２２の開口端部のフランジ部２４とが組み合わされて装着されている。測定部配管１は、その両端部のフランジ部１５ａに上流側配管と下流側配管とがそれぞれ接続されている。
【００２０】
高温用超音波センサ２０は、石英製音響伝送路２３を用いて超音波振動部２１の圧電素子（或いは振動子）をキューリ温度以下に保持するためのものであり、図３に示すように、超音波振動部２１の送受信側に石英製音響伝送路２３を設けて、流体による熱源（５００℃）から熱勾配を持たせ、超音波振動部２１の圧電素子では１００℃以下となるように、石英製音響伝送路２３の長さを設定し、圧電素子が熱源の影響を受けないようにしている。図３の熱勾配特性は、石英製音響伝送路２３の直径が１５ｍｍφであり、その全長を２００ｍｍとし、その先端部を５００℃に加熱した場合の例である。
【００２１】
本実施形態では、超音波振動部２１の前面に石英ガラスによる棒状の石英製音響伝送路２３を使用することにより、熱勾配を持たせて振動子の温度上昇を防ぐようにしたものであり、さらに、石英ガラスは超音波振動に対し異方性を持ち、超音波振動の縦波を横波に変換することなく、単一の波であり減衰することなく超音波振動を超音波振動部２１に伝えることができる。これは、石英ガラスが金属のポアソン比（例えば、アルミ・ステンレスの０．３）と比較して非常に小さな値（０．１９）であるからである。因みに、ポアソン比は、等方性の物質に、一つの方向の伸びの応力を加えると、その方向に伸びのひずみεを生ずるとともに、それに垂直な方向には逆方向（縮み）のひずみε′を生ずる。このときの｜ε′／ε｜＝νがポアソン比である。即ち、石英ガラスは、一つの方向の伸びに対して垂直方向の歪みが少ないことを意味する。また、石英ガラスは融解点が１４００℃と高く、熱膨張係数（線膨張係数）においてもステンレス１４．７に対して０．５５と非常に小さいため、熱歪・ヒートショックによる破壊も懸念することなく使用できる。図４は、石英棒の膨張解析結果を示す図である。
【００２２】
次に、本実施形態の高温用超音波センサ２０による流速Ｖの測定について説明する。高温用超音波センサ２０ａが超音波を発振し、高温用超音波センサ２０ｂがその超音波を受信し、超音波の発振時刻ｔａ、超音波を受信時刻ｔｂとし、（ｔａ−ｔｂ）を伝播時間Ｔ１  とする。また、高温用超音波センサ２０ｂが超音波を発振し、高温用超音波センサ２０ａがその超音波を受信し、超音波の発振時刻ｔｃ、超音波を受信時刻ｔｄとし、（ｔｃ−ｔｄ）を伝播時間Ｔ２  とする。その平均流速Ｖは、先に説明したように、Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ｛（１／Ｔ１  ）−（１／Ｔ２  ）｝より求められる。但し、Ｔ１  は超音波センサ２０ａから超音波センサ２０ｂへ発射される超音波の伝播時間であり、Ｔ２  は超音波センサ２０ｂから超音波センサ２０ａへ発射される超音波の伝播時間である。
【００２３】
この流速の測定に当たり、先ず第１のステップとして、高温用超音波センサ２０ｂに電圧を印加して受信可能状態に設定した後、高温用超音波センサ２０ａに電圧を印加して超音波を発振し、高温用超音波センサ２０ｂがこの超音波を受信する。高温用超音波センサ２０ｂが超音波を受信する振幅が増大した後、振幅が小さくなり、この小さな振幅によって、受信完了信号を発振する。受信完了信号を受けて、第１ステップから第２のステップに進む。第２のステップでは、高温用超音波センサ２０ａに電圧を印加して受信可能状態に設定した後、高温用超音波センサ２０ｂに電圧を印加して超音波を発振し、高温用超音波センサ２０ａが受信する。第１のステップにおいて、高温用超音波センサ２０ｂを受信可能な状態に設定する際に、電圧を印加し、高温用超音波センサ２０ａからの超音波を受信すると、図５に示し応答特性が得られる。
【００２４】
図５を参照して、受信側の高温用超音波センサによる応答波形について説明する。同図（イ）は高温用超音波センサ２０ｂに電圧を印加することによって発生する自己振動による波形であり、（ロ）が高温用超音波センサ２０ａからの超音波の受信波形であり、（ハ）が超音波が石英製音響伝送路２３内を伝送する際の重反射による波形である。図５の拡大図から明らかなように、高温用超音波センサ２０ａからの超音波の受信波形の後の波形（ニ）の振幅は所定の閾値電圧以下のレベルである。例えば、波形（ニ）の振幅が閾値電圧以下になりインバータ回路を作動させて切替スイッチを作動させて、第１のステップから第２のステップに切り替わる。従来例のように残響音の振幅レベルが高い場合は、第１のステップから第２のステップにスイッチが切り替わらず、流速を測定することができないが、本実施形態はこのような問題点を解消することができた。
【００２５】
無論、流速Ｖが演算処理により求められるので、測定部配管１を流れる流体の流速Ｖから平均流速＊Ｖを求め、その流量Ｑは下記の演算処理により求めることができる。流量Ｑを求める演算式は、Ｑ＝３６００×＊Ｖ×Ｓである。但し、平均流速＊Ｖは、＊Ｖ＝Ｖ×（１／ｋ）で求められる。流量補正係数ｋは、ｋ＝１＋０．００１√（６．２５＋４３１＋Ｒｅ−０．２３７  ）で求められる。Ｒｅはレイノルズ数である。Ｓは測定部配管１の断面積である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の活用例としては、配管内に流れる高温の流体の流速を正確に測定することができるし、流速から流量を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る高温用超音波センサの一実施形態を示す側面図である。
【図２】本実施形態を測定部配管に実装した断面図である。
【図３】本実施形態における石英製音響伝送路の先端部の熱源から圧電素子（振動子）までの温度分布を示す説明図である。
【図４】石英棒の熱膨張を示す説明図である。
【図５】本実施形態の高温用超音波センサが超音波を受信した際の波形図である。
【図６】従来の超音波センサによる超音波流量計を示す断面図である。
【図７】従来の超音波センサの断面図である。
【図８】従来の高温用超音波センサが超音波を受信した際の波形図である。
【符号の説明】
【００２８】
２０（２０ａ，２０ｂ）  高温用超音波センサ
２１  超音波振動部
２２  石英保護管
２３  英製音響伝送路
２４  フランジ部
【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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