JPH11230799A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】極めて小径の管路内を流れる流体の流量を高精
度で測定できる流量計を提供する。 【解決手段】 この超音波流量計は、トランスジューサ
（1a，1b) の寸法が管路(T) の径よりも大きな値、例え
ば10倍以上もの大きな値に設定されている。好適には、
トランスジューサと管路との間に振動伝達手段(2a,2b)
が形成されておりこの振動伝達手段(2a,2b) は、トラン
スジューサの径方向への振動を管路(T) の管軸方向の振
動に変換しながら管路内の流体に伝達する。管路の管壁
には管壁内を伝達する超音波を減衰させるための減衰機
構(7a 〜7d, 8)が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波の伝播時間
差から流体の流量や流速を計測する超音波流量計に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】測定対象の流体中に超音波を伝播させ、
その下流方向と上流方向への伝播時間の差から流量や流
速を計測する超音波流量計が広く使用されている。最も
簡単な構成の超音波流量計では、１対のトランスジュー
サ（電気／音響変換器あるいは超音波振動子）が流体内
の上流側と下流側とに対向させて設置される。しかなが
ら、通常は、トランスジューサを流路内に設置すること
に伴う流速の乱れや、トランスジューサと流体の接触に
伴う流体の汚染やトランスジューサの腐食などの問題を
回避するために、トランスジューサを流体の流れる管路
の外側に設置する場合が多い。このようにトランスジュ
ーサを管路の外部に設置する超音波流量計では、管路の
外側に管路に対して斜めにかつ互いに対向するように１
対のトランスジューサが設置され、流速に対して所定の
角度傾いた超音波の伝播路が形成される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体装置の製
造工程や医療などの分野で、極めて細い管内を流れる流
体の流量を測定したり、極めて小さな流量を測定したり
することが必要となってきている。しかしながら、上記
従来の超音波流量計では、トランスジューサを管路の内
部に設置する場合は勿論のこと、これを管路の外部に設
置する場合であっても、トランスジューサの径が管路の
径よりも小さいということが当然と考えられてきた。こ
れは、トランスジューサを管路の外部に取り付ける場合
であっても、トランスジューサの径が管路の径よりも大
きくなると、そのようなトランスジューサを管路に取付
けることが困難になるだけでなく、管路内を流れる流体
と管外のトランスジューサとの間で超音波を伝達するこ
とが困難になり、伝達効率が極端に低下するからであ
る。

【０００４】従って、小径の細管内を流れる流体の流量
を計測しようとする超音波流量計では、特別に小型のト
ランスジューサを特注品として入手することが必要にな
り、コスト高になるだけでなく、小型化に伴う超音波出
力の低下によって必要な測定精度が確保できなくなるな
どの問題があった。また、細管の径を、測定対象の短い
区間だけについてトランスジューサの径と同等の大きさ
になるように拡大するという対策も考えられるが、管径
の拡大に伴い流速が低下し、この結果、もともと小さな
流量に対する測定誤差がますます拡大するという問題が
ある。

【０００５】このため、従来は、小径の管内を流れる流
体の流量については、超音波流量計を使用せず、流体を
一定分量の液滴として滴下させてその個数を計数するこ
とにより流量を計数するなど他の原理に基づく測定を行
ってきた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波流量計
は、管路内を流れる流体中に管路外のトランスジューサ
が発生した超音波を放射し、流体の流速又は流量を計測
する。そして、このトランスジューサの寸法は管路の径
よりも大きな値に設定されている。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の好適な実施の形態によれ
ば、トランスジューサの寸法は流体が流れる管路の径の
寸法の１０倍以上の値に設定されている。

【０００８】本発明の他の好適な実施の形態によれば、
トランスジューサと管路との間には振動伝達手段が形成
されている。本発明の他の好適な実施の形態によれば、
トランスジューサは径方向への振動成分を含む振動を発
生し、上記振動伝達手段はこのトランスジューサの径方
向への振動成分を管路の管軸方向への振動成分に変換し
ながらこの管路内の流体に伝達するように構成されてい
る。

【０００９】本発明の更に他の好適な実施の形態によれ
ば、トランスジューサ間の管路の管壁にはこの管壁内を
伝播する超音波を減衰させるための減衰機構が形成され
ている。

【００１０】本発明の更に好適な実施の形態によれば、
この超音波流量計は、横方向への振動を発生する板状の
トランスジューサと、このトランスジューサが固定され
ると共に、このトランスジューサの寸法よりも小さな径
の流体の管路に周辺部分と中心部分とにおいて連結され
るＬ字形状の流路が内部に形成された平板状の振動伝達
手段とが管路の上流側と下流側とに設置されている。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の超音波流量計の
構成を示すブロック図であり、１ａ，１ｂはトランスジ
ューサ、２ａ，２ｂは振動伝達子、３は送受信器、４は
データプロセッサ、５は表示器、６は操作パネル、７、
８は振動減衰器、Ｔは流量を測定しようとする流体の管
路である。

【００１２】管路Ｔは、ガラス、金属、樹脂などを素材
とし、その典型的な直径は、１ｍｍから0.２ｍｍであ
る。この管路Ｔの内部には、流量測定対象の液体や気体
から成る流体が図中に示す矢印の方向に流れる。この管
路Ｔの上流側には振動伝達子２ａを介してトランスジュ
ーサ（電気／音響変換器もしくは振動子）１ａが取付け
られると共に、下流側には振動伝達子２ｂを介してトラ
ンスジューサ２ｂが取付けられている。

【００１３】図２は、振動伝達子２ａを介在させながら
トランスジューサ１ａを管路Ｔに取り付けた状態を示す
拡大断面図である。円板形状のトランスジューサ１ａ
が、同じく円板形状の振動伝達子２ａ上に、接着剤層
や、図示しないボルト締め機構などを介して固定されて
いる。振動伝達子２ａは、金属や樹脂を素材としてお
り、その典型的な寸法は、直径が１５ｍｍ、厚みが２ｍ
ｍである。この振動伝達子２ａの内部には中心付近で折
れ曲がりながら周辺部分から中心部分にかけて延長され
るＬ字形状の内部管路Ｓが形成されている。内部管路Ｓ
の周辺部分の端部と、中心部分の端部には、それぞれ管
路Ｔが、圧入や、溶接などによって連結されている。

【００１４】振動伝達子２ａの表面に固定される円板形
状のトランスジューサ１ａは、主としてその径方向に伸
縮するラジアルモードの振動成分を含む超音波振動を発
生する。このラジアルモードの振動成分は円板形状の振
動伝達子２ａに伝達され、この振動伝達子２ａは径方向
に伸縮する。ここで、Ｌ字形状の内部管路Ｓの折れ曲が
り部分とトランスジューサ１ａが固定される表面との間
の点線で囲まれた矩形状の断面部分Ｒに着目し、この断
面部分Ｒがラジアルモードの振動成分によってどのよう
な変形するを図３を参照しながら説明する。

【００１５】断面部分Ｒの形状は、ラジアルモードの振
動成分に伴う径方向への伸縮が発生しない状態では、
（Ａ）に示すように、矩形状を保っている。次に、
（Ｂ）に示すように、断面部分Ｒがラジアルモードの振
動成分に伴って径方向に延びると、長辺の中心部分が径
方向と直角の軸線方向に縮む。逆に、（Ｃ）に示すよう
に、断面部分Ｒがラジアルモードの振動成分に伴って径
方向に縮むと、長辺の中心部分が径方向と直角の軸線方
向に伸びる。径方向への伸縮に伴う軸線方向の伸縮は、
縦ひずみとも称され、両者の比率はポアソン率ε（＜
１）と称されている。

【００１６】上述のように、振動伝達子２ａは、トラン
スジューサ１ａから伝達されてラジアルモードの振動成
分を、ポアソン率だけ縮小された軸線方向への振動成分
に変換すると同時に、その中心近傍において直角に折れ
曲がることによってその軸線方向に延長される内部管路
Ｓ内の流体に軸線方向への振動成分を伝達する。具体的
には、図２の点線で囲んだ断面部分Ｒの下辺が上下に振
動することにより、下方に流れる内部管路Ｓ内の流体に
対して流れの方向への振動成分（縦振動）が伝達され
る。

【００１７】再び図１を参照すると、送受信器３は、デ
ータプロセッサ４からの指令に従ってトランスジューサ
１ａを駆動することにより、このトランスジューサに適
宜な周波数、例えば、200 〜300 ｋHzのバースト状の超
音波信号を発生させる。この超音波信号は、前述したよ
うに、振動伝達子２ａを介して管路Ｔ内の流体に伝達さ
れ、トランスジューサ１ａから一定の距離をおいて、か
つこのトランスジューサ１ａに対して振動伝達子２ｂを
介して対向して設置されているトランスジューサ１ｂに
受信される。

【００１８】このトランスジューサ１ｂにおける超音波
信号の受信は、送受信部３を介してデータプロセッサ４
に通知される。データプロセッサ４は、送受信器３を介
してトランスジューサ１ａに超音波の発生を指令した時
点と、トランスジューサ１ｂから超音波信号の受信の通
知を受けた時点との間の時間を、トランスジューサ１ａ
と１ｂとの間の流体中をこの流体の流れと同一の方向
（下流方向）に超音波が伝播するのに要した伝播所要時
間として保存する。

【００１９】同様に、データプロセッサ４は、送受信器
３を介してトランスジューサ１ｂに超音波を発生させ、
トランスジューサ１ａにおける超音波信号の受信の通知
を送受信器３を介して受信する。データプロセッサ４
は、送受信器３を介してトランスジューサ１ｂに超音波
の発生を指令した時点と、トランスジューサ１ａから超
音波信号の受信の通知を受けた時点との間の時間を、ト
ランスジューサ１ｂと１ａとの間の流体中をこの流体の
流れと逆方向（上流方向）に超音波が伝播するのに要し
た伝播所要時間として保存する。

【００２０】データプロセッサ４は、超音波の下流方向
と上流方向への伝達所要時間の逆数の差と、静止流体中
の超音波の伝播速度から流体の流速を算定し、この算定
した流速に管路の断面積と流速分布に関する補正係数と
を乗算することにより流体の流量を算定する。この算定
された流速や流量は、表示パネル５上に表示される。上
記データプロセッサ４による一連の処理は、操作パネル
６から入力される指令に従って行われる。

【００２１】この超音波流量計では、円板状のトランス
ジューサ１ａ，１ｂや、振動伝達子２ａ，２ｂの寸法に
比べて管路Ｔの内径がかなり小さいため、トランスジュ
ーサが発生した超音波振動のかなりの部分が内部の流体
にではなく、管路そのものに伝達される。しかも、管路
Ｔの径が従来のものよりも極端に小さいため、この管路
Ｔの内部に形成される流路の断面積に対して管壁の断面
積の比率が高くなる。この結果、管路Ｔ内の流体中を伝
播する超音波のエネルギーに比べてかなり大きなエネル
ギーの超音波が管路Ｔの管壁内を伝播することになる。

【００２２】管路Ｔの素材は、ガラス、金属、樹脂など
の固体であるため液体や気体から成る流体に比べて密度
が極めて高く、従って、超音波の伝播速度も流体中のそ
れよりも格段に大きい。この結果、送信側のトランスジ
ューサで発生された超音波のうち管壁中を伝播した成分
が流体中を伝播した成分に先立っていち早く受信側のト
ランスジューサに到達し、ここで反射されて送信側トラ
ンスジューサに伝播し更に反射を受けて再度受信側のト
ランスジューサに到着する。このように、管壁内を伝播
する超音波が送信側と受信側のトランスジューサの間を
何回も往復し、流体内を伝播する超音波の送受信に妨害
を及ぼす。

【００２３】上記、妨害を及ぼす不要な超音波を減衰さ
せるため、シリコンゴムの振動減衰器７ａ〜７ｄが管路
上への塗布によって形成される。また、振動減衰器８
は、多孔性のゴム（スポンジ）を管路の外周面に巻きつ
けたのち押し潰すことにより形成される。

【００２４】図４は、上記実施例の実験データを示す図
である。図１において一方のトランスジューサ１ａから
超音波を送信し、他方のトランスジューサ１ｂで受信し
た波形をオッシロスコープからプリンタに出力したもの
である。なお、管路Ｔの直径は0.53mm、トランスジュー
サ１ａと１ｂの間隔は265mm である。上段の（Ａ）は管
路Ｔ内の水が静止状態にある場合の受信波形、中段の
（Ｂ）は超音波の伝播方向に水を流した場合の受信波
形、下段の（Ｃ）は超音波の伝播方向と逆方向に水を流
した場合の受信波形である。静止状態を中心にして、超
音波の伝播方向に水を流した場合には受信波形が早く出
現し、逆方向に水を流した場合には受信波形が遅れて出
現する。この伝播時間の差から伝播速度の差を算定する
ことにより水流の速度を測定することができる。

【００２５】以上、超音波の伝達効率を高めるうえで、
主としてトランスジューサに径方向への振動成分を発生
させる構成を例示した。しかしながら、管路の内径が比
較的大きい場合や、超音波の伝達効率が多少犠牲にでき
る場合などには、トランスジューサに軸線方向への振動
を発生させ、これをそのまま軸線方向の振動成分（縦振
動成分）として流体に伝達する構成とすることもでき
る。

【００２６】また、流体の上流側と下流側とに１対の振
動子を対向させて設置し、各方向への超音波の伝播時間
の差から流量を測定する構成するを例示した。しかしな
がら１個のトランスジューサから流体中に超音波を放射
し、流体内部からの反射波の周波数のドップラーシフト
量から流速と流量を測定すドップラー式の流量計に本発
明を適用することもできる。

【００２７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の超
音波流量計は、トランスジューサの寸法が管路の径より
も大きな値に設定されているため、細い管路内を流れる
流体の流量を、超音波を利用して容易かつ高精度で測定
することができる。

【００２８】本発明の他の好適な実施の形態によれば、
トランスジューサは径方向への振動成分を含んでおり、
このトランスジューサと管路との間にはこのトランスジ
ューサの径方向への振動成分を管路の管軸方向への振動
成分に変換しながらこの管路内の流体に伝達する振動伝
達手段が形成されているため、トランスジューサと管路
内の流体との間で効率の良い振動の伝達が実現される。

【００２９】本発明の超音波流量計は、大きな径の管路
内を小さな流速で流れる流体を、小さな径の管路内に流
すことによりその流速を高め、この流速の測定精度を高
めるという用途にも適用できる。

【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示す
ブロック図である。

【図２】図１のトランスジューサ、振動伝達子及び管路
の部分を拡大して示す拡大断面図である。

【図３】振動伝達手段の内部においてラジアルモードの
振動成分が軸方向の振動成分に変換される様子を説明す
るための概念図である。

【図４】上記実施例の実験データを示す図である。

【符号の説明】

1a,1b トランスジューサ 2a,2b 振動伝達子 3 送受信器 4 データプロセッサ 5 表示器 6 操作パネル 7,8 振動減衰器 Ｔ 流量測定対象の流体の管路

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管路内を流れる流体中に管路外のトランス
   ジューサが発生した超音波を放射し、この流体の流速又
   は流量を計測する超音波流量計において、 前記トランスジューサの寸法が前記管路の径よりも大き
   な値に設定されたことを特徴とする超音波流量計。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記トランスジューサの寸法は、前記管路の径の１０倍
   以上の値に設定されたことを特徴とする超音波流量計。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、 前記トランスジューサと管路との間に、振動伝達手段が
   形成されたことを特徴とする超音波流量計。
4. 【請求項４】 請求項３において、 前記トランスジューサは、径方向への振動成分を含む振
   動を発生し、 前記振動伝達手段は、前記トランスジューサの径方向へ
   の振動成分を前記管路の管軸方向への振動成分に変換し
   ながら前記管路内の流体に伝達することを特徴とする超
   音波流量計。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のそれぞれにおいて、 前記トランスジューサは前記管路の上流側と下流側とに
   互いに対向するように配置され、上流側への伝播速度と
   下流側への伝播速度の差から前記流体の流速と流量が測
   定されることを特徴とする超音波流量計。
6. 【請求項６】 請求項５において、 前記トランスジューサ間の管路の管壁にはこの管壁内を
   伝播する超音波を減衰させるための減衰機構が形成され
   たことを特徴とする超音波流量計。
7. 【請求項７】超音波振動を発生する板状のトランスジュ
   ーサと、 このトランスジューサが固定されると共に、このトラン
   スジューサの寸法よりも小さな径の流体の管路に周辺部
   分と中心部分とにおいて連結されるＬ字形状の流路が内
   部に形成された平板状の振動伝達手段とを備えたことを
   特徴とする超音波流量計。
8. 【請求項８】 請求項７において、 前記トランスジューサは、横方向の振動成分を含む超音
   波振動を発生することを特徴とする超音波流量計。