(57)【要約】【課題】二つのプローブが配置される箇所が狭い空間であっても、いずれのプローブについても配管への取り付けに手間がかからない超音波流量計を提供する。【解決手段】超音波流量計１は、配管３３の周面上に配置され、超音波を送受信する第１のプローブ３ａと、第１のプローブ３ａに対して配管３３の軸方向にずらして配管３３の周面上に配置され、超音波を送受信する第２のプローブ３ｂと、を備える。第２のプローブ３ｂは第１のプローブ３ａに対して、配管３３の周方向において、角度θを０度＜θ＜１８０度の範囲で異ならせて配置されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面円形の配管の周面上に配置され、超音波を送受信する第１の送受信手段と、
前記第１の送受信手段に対して前記配管の軸方向にずらして前記配管の周面上に配置され、超音波を送受信する第２の送受信手段と、
前記第１の送受信手段から送信された超音波を前記第２の送受信手段が受信するまでの時間と前記第２の送受信手段から送信された超音波を前記第１の送受信手段が受信するまでの時間との差、及び前記第１の送受信手段と前記第２の送受信手段との間の距離を用いて、前記配管を流れる流体の流量を演算する演算部と、を備え、
前記第２の送受信手段は前記第１の送受信手段に対して、前記配管の周方向において、角度θを０度＜θ＜１８０度の範囲で異ならせて配置されている超音波流量計。
【請求項２】
前記第２の送受信手段は前記第１の送受信手段に対して、前記配管の周方向において、角度θを０度＜θ≦９０度の範囲で異ならせて配置されている請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記第２の送受信手段は前記第１の送受信手段に対して、前記配管の周方向において、角度θを略１５度異ならせて配置されている請求項２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、時間差式の超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
配管を流れる流体の流量を計測する機器の一つとして、超音波流量計がある。超音波流量計にはいくつかの方式があり、時間差式の超音波流量計は超音波を送受信する二つの送受信手段(プローブ)を備える。二つのプローブは配管の周面上に取り付けられ、一方のプローブは上流側に配置され、他方のプローブは下流側に配置される。時間差式の超音波流量計の測定原理は、以下の通りである。
【０００３】
上流側のプローブと下流側のプローブから同時に超音波を送信する。上流側のプローブから送信された超音波は、流体が流れる配管内を伝搬し、下流側のプローブにより受信される。下流側のプローブから送信された超音波は、流体が流れる配管内を伝搬し、上流側のプローブにより受信される。
【０００４】
流体が配管を流れているので、上流側のプローブから送信された超音波を下流側のプローブが受信するまでの時間は、下流側のプローブから送信された超音波を上流側のプローブが受信するまでの時間より短くなる。この時間の差と、上流側のプローブと下流側のプローブとの間の距離を用いて、配管を流れる流体の流速を演算する。この流速と配管の断面積を用いて、配管を流れる流体の流量を演算する。
【０００５】
ところで、上流側のプローブ、下流側のプローブのそれぞれから送信された超音波の一部は、配管の表面を伝搬して、下流側のプローブ、上流側のプローブによって受信される。金属の配管や小口径の配管は、配管の表面を伝搬する超音波の影響を受けやすく、この影響により流量の測定精度が悪くなるのを防止するために、上流側のプローブと下流側のプローブの距離を、ある程度の大きさにする必要があった。よって、超音波流量計を取り付けることができる箇所が制限され、二つのプローブを配置する箇所の空間を確保したうえで、超音波流量計を配管に取り付ける必要があった。    
【０００６】
配管の軸を中心として対称に上流側のプローブと下流側のプローブを配置することにより、二つのプローブを配置する箇所が狭い空間であっても、二つのプローブの距離を確保できる超音波流量計が提案されている(例えば、特許文献１参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−５８８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、配管の軸を中心として対称に上流側のプローブと下流側のプローブを配置した構成では、配管の周面において一方のプローブの位置の裏側に他方のプローブが位置する。従って、作業者が二つのプローブを配管に取り付ける際に、配管から見て、一方のプローブは作業者側に位置し、他方のプローブは作業者と反対側に位置する。このため、他方のプローブは作業者から見えにくい位置にあり、特に、狭い空間ではプローブの取り付けの際に手を動かすことができる範囲が制約されるので、他方のプローブについては取り付けに手間取る可能性がある。
【０００９】
本発明は、超音波を送受信する二つの送受信手段が配置される箇所が狭い空間であっても、いずれの送受信手段についても配管への取り付けに手間がかからない超音波流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成する本発明に係る超音波流量計は、断面円形の配管の周面上に配置され、超音波を送受信する第１の送受信手段と、前記第１の送受信手段に対して前記配管の軸方向にずらして前記配管の周面上に配置され、超音波を送受信する第２の送受信手段と、前記第１の送受信手段から送信された超音波を前記第２の送受信手段が受信するまでの時間と前記第２の送受信手段から送信された超音波を前記第１の送受信手段が受信するまでの時間との差、及び前記第１の送受信手段と前記第２の送受信手段との間の距離を用いて、前記配管を流れる流体の流量を演算する演算部と、を備え、前記第２の送受信手段は前記第１の送受信手段に対して、前記配管の周方向において、角度θを０度＜θ＜１８０度の範囲で異ならせて配置されている。
【００１１】
本発明に係る超音波流量計によれば、第２の送受信手段が第１の送受信手段に対して、配管の周方向において、角度θを０度＜θ＜１８０度の範囲で異ならせて配置されているので、配管の周面の半面側に、第１及び第２の送受信手段を配置させることができる。このため、作業者が第１及び第２の送受信手段を配管に取り付ける際に、いずれも作業者側に位置し、作業者にとって見やすく、手が届きやすいので、第１及び第２の送受信手段が配置される箇所が狭い空間であっても、いずれの送受信手段についても配管への取り付けに手間がかからないようにすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記第２の送受信手段は前記第１の送受信手段に対して、前記配管の周方向において、角度θを０度＜θ≦９０度の範囲で異ならせて配置されている。
【００１３】
この構成によれば、配管の軸方向において、第１の送受信手段と第２の送受信手段の距離が短い場合、上記角度θが０度の条件よりも、表面波(配管の表面を伝搬した超音波)を低減することができる。このため、第１及び第２の送受信手段が配置される箇所が狭い空間であり、配管が短くても、流量の測定精度を維持することが可能となるので、超音波流量計を取り付けることができる箇所の適用範囲を広げることができる。
【００１４】
また、この構成によれば、第２の送受信手段が第１の送受信手段に対して、配管の周方向において、角度θを０度＜θ≦９０度の範囲で異ならせて配置されているので、いずれの送受信手段も作業者にとって、さらに見やすく、手が届きやすくなる。従って、第１及び第２の送受信手段が配置される箇所が狭い空間であっても、いずれの送受信手段についても配管への取り付けに手間がさらにかからないようにすることができる。
【００１５】
上記構成において、前記第２の送受信手段は前記第１の送受信手段に対して、前記配管の周方向において、角度θを略１５度異ならせて配置されている。
【００１６】
この構成によれば、配管の軸方向において、第１の送受信手段と第２の送受信手段の距離が短い場合でも、受信波(配管内を伝搬した超音波)を比較的大きくすることができるので、Ｓ(受信波の大きさ)／Ｎ(表面波の大きさ)比を高くすることができる。よって、第１及び第２の送受信手段が配置される箇所が狭い空間であり、配管が短くても、高い精度で流量を測定することが可能となる。
【００１７】
角度θが略１５度とは１５度を含み、さらに、１５度の前後の角度であって、１５度の場合と同等の高いＳ／Ｎ比が得られる角度を含む。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、超音波を送受信する二つの送受信手段が配置される箇所が狭い空間であっても、いずれの送受信手段についても配管への取り付けに手間がかからないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波流量計の構成を示す図である。
【図２】第１のプローブ及び第２のプローブが配管の周面に配置された具体例を示す図である。
【図３】図２に示す配管の直線部分に配置されている第１のプローブ及び第２のプローブを拡大した図である。
【図４】図３に示す第１のプローブ及び第２のプローブを、配管の断面側から見た状態を示す図である。
【図５】プローブ角度及びプローブ距離を変えて、表面波信号のエコー高さ等を測定した実験の結果を示す表である。
【図６】プローブ角度が１５度、プローブ距離が４０ｍｍの場合の超音波の受信波形を示す図である。
【図７】プローブ角度が０度、プローブ距離が４０ｍｍの場合の超音波の受信波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る超音波流量計１の構成を示す図である。超音波流量計１は、第１のプローブ３ａ、第２のプローブ３ｂ及びコントローラ５を備える。超音波流量計１は例えば、住宅等において、断面円形の配管を流れる水の流量の測定に用いられる。
【００２１】
第１のプローブ３ａ(第１の送受信手段の一例)及び第２のプローブ３ｂ(第２の送受信手段の一例)は同じ構成を有しており、超音波の送信と超音波の受信を兼用するセンサとなる圧電素子７ａ，７ｂが内蔵されている。第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂは、配管の周面に取り付けた際に、配管の周面に接触する曲面部９ａ，９ｂを有する。第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂは、圧電素子７ａ，７ｂに電気的に接続されている配線コード１１ａ，１１ｂを有する。
【００２２】
コントローラ５は、端子１３ａ，１３ｂ、送受信制御部１５、演算部１７及び操作部１９を備える。端子１３ａには第１のプローブ３ａの配線コード１１ａが接続され、端子１３ｂには第２のプローブ３ｂの配線コード１１ｂが接続される。送受信制御部１５は端子１３ａを介して第１のプローブ３ａの配線コード１１ａ及び端子１３ｂを介して第２のプローブ３ｂの配線コード１１ｂと電気的に接続される。
【００２３】
送受信制御部１５は、圧電素子７ａ，７ｂを振動させて超音波を発生させる電気信号を生成する等の送信制御の機能、及び圧電素子７ａ，７ｂが超音波により振動して発生した電気信号を増幅し、増幅された電気信号をアナログからデジタルに変換する等の受信制御の機能を有する。
【００２４】
演算部１７は、第１のプローブ３ａから送信された超音波を第２のプローブ３ｂが受信するまでの時間、第２のプローブ３ｂから送信された超音波を第１のプローブ３ａが受信するまでの時間、及び第１のプローブ３ａと第２のプローブ３ｂとの間の距離(直線距離)を用いて、配管を流れる水の流速を演算し、この流速と配管の断面積を用いて配管を流れる水の流量を演算する。
【００２５】
操作部１９は、操作キー部２１と表示部２３を備える。操作キー部２１は、超音波流量計１を動作させる際の各種の設定等が入力される。表示部２３には、演算部１７により演算された水の流量等が表示される。
【００２６】
図２は、第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂが配管の周面に配置された具体例を示す図である。住宅等の内部の狭い空間３１に、Ｌ字型に曲げられた配管３３が通されている。配管３３は水平方向に延びて外部から壁３５を通り空間３１に導かれ、空間３１内でＬ字型に曲がり、鉛直方向に延びて、地面３７に導かれる。配管３３の垂直方向に延びる部分には、配管３３を流れる水の量を調整するバルブ３９が設けられている。
【００２７】
配管３３の水平方向に延びる部分において、配管３３の周面には第１のプローブ３ａと第２のプローブ３ｂとが配管３３の軸方向にずらして配置されている。第２のプローブ３ｂは第１のプローブ３ａに対して、配管３３の周方向において、角度を９０度異ならせて配置されている。
【００２８】
第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂが配置される配管３３の場所には、配管３３の継ぎ手や配管３３の曲がり部が存在することが多い。第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂは、配管３３の水平方向に延びる部分のように、配管３３の直線部分に配置される。第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂが配置される配管３３の場所が狭い空間３１であれば、配管３３の直線部分の長さＬが１０ｃｍ程度しか確保できないことが多い。また、上水道給水工事施工基準では、メータボックス内において、配管の直線部分の長さは少なくとも１０ｃｍと決められている。
【００２９】
後で実験結果を用いて説明するように、本実施形態に係る超音波流量計１によれば、第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂが配置される配管３３の直線部分の長さＬが１０ｃｍ程度である場合でも、流量の測定精度を維持することができる。
【００３０】
図３は図２に示す配管３３の直線部分に配置されている第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂを拡大した図である。図４は図３に示す第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂを、配管３３の断面側から見た状態を示す図である。
【００３１】
第１のプローブ３ａは、本体部４１ａ、ベース部４３ａ及び配線コード１１ａを備える。本体部４１ａには圧電素子７ａ等が内蔵されており、圧電素子７ａに電気的に接続されている配線コード１１ａが固定されている。
【００３２】
ベース部４３ａはホースバンド取付面４５ａを備え、その分だけ、配管３３の軸方向において本体部４１ａより寸法が大きくされている。ホースバンド取付面４５ａは第２のプローブ３ｂの側と反対側にある。ベース部４３ａの一方の面は、配管３３の周面と接触する曲面部９ａであり、他方の面には本体部４１ａが固定されている。第２のプローブ３ｂは第１のプローブ３ａと同じ構成なので、説明を省略する。
【００３３】
第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂは、それぞれ、配管３３の軸方向の位置及び配管３３の周方向の角度を調整した後、ホースバンド４７ａ，４７ｂのネジ(不図示)を締めて、配管３３の周面に固定される。
【００３４】
本実施形態に係る超音波流量計１の主な効果を説明する。本実施形態では、第２のプローブ３ｂが第１のプローブ３ａに対して、配管３３の周方向において、角度θを０度＜θ＜１８０度の範囲で異ならせて配置されているので、配管３３の周面の半面側に、第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂを配置させることができる。このため、作業者が第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂを配管３３に取り付ける際に、いずれも作業者側に位置し、作業者にとって見やすく、手が届きやすいので、第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂが配置される箇所が狭い空間であっても、いずれについても配管３３への取り付けに手間がかからないようにすることができる。
【００３５】
また、第２のプローブ３ｂを第１のプローブ３ａに対して、配管３３の周方向において、角度θを０度＜θ≦９０度の範囲で異ならせて配置した場合、いずれのプローブも作業者にとって、さらに見やすく、手が届きやすくなる。従って、第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂが配置される箇所が狭い空間であっても、いずれのプローブについても配管への取り付けに手間がさらにかからないようにすることができる。
【００３６】
さらに、第２のプローブ３ｂを第１のプローブ３ａに対して、配管３３の周方向において、角度θを０度＜θ≦９０度の範囲で異ならせて配置した場合、第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂが配置される箇所が狭い空間であり、配管３３が短くても、流量の測定精度を維持することが可能となる。これについて実験結果を基にして説明する。まず、実験の条件を簡単に説明する。
【００３７】
図３に示すように、第１のプローブ３ａの芯の部分(圧電素子７ａが位置する部分)と第２のプローブ３ｂの芯の部分(圧電素子７ｂが位置する部分)において、配管３３の軸方向の距離Ｄの条件を、３０ｍｍ，４０ｍｍ，５０ｍｍにした。以下、その距離Ｄをプローブ距離Ｄと記載する。
【００３８】
図４に示すように、第１のプローブ３ａの芯の部分と第２のプローブ３ｂの芯の部分において、配管３３の周方向の角度θの条件を、０度、１５度、３０度、４５度、９０度にした。以下、その角度θをプローブ角度θと記載する。
【００３９】
ＳＵＳ２５Ａの鋼管を配管３３とし、配管３３に水を充填して、他の条件を全て同じにして、第１のプローブ３ａから超音波を送信させて、第２のプローブ３ｂによって受信される超音波を測定した。他の条件とは、例えば第２のプローブ３ｂが超音波を受信して生成された電気信号に対するフィルターとして、通過帯域が０．５ＭＨｚ〜６ＭＨｚのバンドパスフィルターを用いた。
【００４０】
図５は上記実験の結果を示す表である。図６はプローブ角度θが１５度、プローブ距離Ｄが４０ｍｍの条件での超音波の受信波形を示す図であり、図７はプローブ角度θが０度、プローブ距離Ｄが４０ｍｍの条件での超音波の受信波形を示す図である。図６を用いて、図５に示す表の各項目について説明する。
【００４１】
表面波信号とは、配管３３の表面を伝搬した超音波(以下、表面波)を第２のプローブ３ｂが受信して生成した電気信号を意味する。受信波信号とは、配管３３内を伝搬した超音波(以下、受信波)を第２のプローブ３ｂが受信して生成した電気信号を意味する。
【００４２】
表面波信号のエコー高さとは、表面波信号の最大値と最小値の差を意味する。図６では２０ｍＶ−(−２０ｍＶ)＝４０ｍｖが、表面波信号のエコー高さである。受信波信号のエコー高さとは、受信波信号の最大値と最小値の差を意味する。図６では１２０ｍＶ−(−１２０ｍＶ)＝２４０ｍｖが、受信波信号のエコー高さである。
【００４３】
表面波信号の伝搬距離とは、表面波の音速(３６００ｍ／ｓ)に表面波の受信に要する時間(μｓ)を乗算した値を意味する。図６では表面波の受信に要する時間は約１４μｓであり、従って、表面波信号の伝搬距離が５０．２５ｍｍであった。受信波信号の伝搬距離とは、受信波の音速(１５００ｍ／ｓ)に受信波の受信に要する時間(μｓ)を乗算した値を意味する。図６では受信波の受信に要する時間は約５０μｓであり、従って、受信波信号の伝搬距離が７５．６であった。
【００４４】
Ｓ／Ｎ比とは、受信波信号のエコー高さを表面波信号のエコー高さで除算した値を意味する。
【００４５】
表面波信号のエコー高さは、プローブ角度θが１５度、３０度、４５度、９０度のいずれの条件も、０度の条件よりも小さくなった。表面波信号のエコー高さが小さいことは、表面波の影響を少なくすることができることを意味するので、流量の測定精度の維持向上には好ましい。
【００４６】
受信波信号のエコー高さは、プローブ距離Ｄが同じであれば、プローブ角度θが１５度、３０度、４５度、９０度のいずれの条件も、一部の例外はあるが、０度の条件よりも小さくなった。流量の測定精度を維持向上するには、受信波信号のエコー高さが大きいほうが好ましい。上記例外として、プローブ角度θが０度の場合と同等又はそれ以上の受信波信号のエコー高さが得られる条件があった。すなわち、プローブ角度θが１５度でプローブ距離が３０ｍｍの条件では、プローブ角度θが０度でプローブ距離が３０ｍｍの条件よりも、受信波信号のエコー高さが大きかった。また、プローブ角度θが１５度でプローブ距離が４０ｍｍの条件では、プローブ角度θが０度でプローブ距離が４０ｍｍの条件と受信波信号のエコー高さが等しくなった。
【００４７】
受信波信号の伝搬距離と表面波信号の伝搬距離の差は、プローブ角度θが０度、１５度、３０度、４５度、９０度のいずれの条件も、一部の例外(プローブ角度θが４５度、プローブ距離が３０ｍｍの条件と、 プローブ角度θが４５度、プローブ距離が４０ｍｍの条件)はあるが、プローブ距離Ｄを小さくすると、大きくなった。受信波信号の伝搬距離と表面波信号の伝搬距離の差が大きいと、表面波信号と受信波信号の区別が容易となり、流量の測定精度の維持向上には好ましい。
【００４８】
プローブ距離Ｄが同じであれば、プローブ角度θが１５度、３０度、４５度、９０度のいずれの条件でも、０度の条件よりもＳ／Ｎ比が高くなった。プローブ角度θが１５度の場合、特に高いＳ／Ｎ比が得られた。そして、プローブ角度θが１５度、プローブ距離Ｄが４０ｍｍの条件では、今回の実験で一番高いＳ／Ｎ比が得られ、プローブ角度θが０度、プローブ距離Ｄが４０ｍｍの条件に対して、約６倍であった。
【００４９】
以上より、第２のプローブ３ｂを第１のプローブ３ａに対して、配管３３の周方向において、角度θを０度＜θ≦９０度の範囲で異ならせて配置すれば、配管３３の軸方向において、第１のプローブ３ａと第２のプローブ３ｂの距離が短い場合(例えば、１０ｃｍ以内)、角度θが０度の条件よりも、表面波信号のエコー高さを小さく(表面波を低減)することができ、また、Ｓ／Ｎ比を高くすることができる。よって、第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂが配置される箇所が狭い空間であり、配管３３が短くても、流量の測定精度を維持することが可能となる。従って、超音波流量計１を取り付けることができる箇所の適用範囲を広げることができる。
【００５０】
特に、第２のプローブ３ｂを第１のプローブ３ａに対して、配管３３の周方向において、角度θを１５度異ならせて配置すれば、配管３３の軸方向において、第１のプローブ３ａと第２のプローブ３ｂの距離が短い場合(例えば、１０ｃｍ以内)でも、受信波信号のエコー高さを比較的大きく(受信波を比較的大きく)することができる。その結果、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。よって、第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂが配置される箇所が狭い空間であり、配管３３が短くても、高い精度で流量を測定することが可能となる。
【００５１】
なお、流体として、水を例に説明したが、他の液体や気体にも本実施形態を適用することは可能である。
【００５２】
第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂをホースバンド４７ａ，４７ｂで個別に配管３３に締結する例を上記で示した。しかしながら、第１のプローブ３ａと第２のプローブ３ｂとの間の軸方向間隔を一定に保ちつつ、周方向の位相を調整可能な治具を用いて、第１のプローブ３ａ及び第２のプローブ３ｂを配管３３に取り付けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１  超音波流量計
３ａ  第１のプローブ(第１の送受信手段の一例)
３ｂ  第２のプローブ(第２の送受信手段の一例)
３３  配管
Ｄ  プローブ間距離
θ  プローブ角度
【図１】
2012242120.tif 000003
【図２】
2012242120.tif 000004
【図３】
2012242120.tif 000005
【図４】
2012242120.tif 000006
【図５】
2012242120.tif 000007
【図６】
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【図７】
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