JP5168722B2 - 超音波流量計及び超音波流量計用の吸音材 - Google Patents

Description

本発明は，測定領域の流速分布から被測定流体の流量を測定することが可能な超音波流量計にかかり，特に，自由水面を有する開渠における超音波流量計の技術に関する。

開渠における超音波流量計による流量測定の技術は，例えば特許文献１に開示されている。ここに開示された技術は，流体が流動する流路の水面側及び底面側から流速分布を取得し，これらの取得した流速分布に基づき流路の深さ方向の流速分布を校正処理により求め，求められた深さ方向の流速分布を水路幅方向に沿って積分することにより，精度良く流量を得るものである。

このような開渠における超音波流量計による流量測定の場合，流路底面から超音波を水面方向に向けて発信すると，水中に混在する気泡などの粒子（反射体）により反射された超音波エコー信号のほかに，水面で反射された反射波に起因する信号等が流路底面の受信部で受信され，測定誤差を生じうる。

図４を用いて説明する。超音波送受信手段３０が送信する超音波は，被測定流体中の反射体（気泡）２０などに対して反射した反射波９１ａのみを用いたい。また，発信超音波９０が到達した水面７０では，超音波送受信手段３０に戻る方向の反射波９１ｂも生じるが，反射波９１ｂは，超音波送受信手段３０にて受信されれば，水面の位置情報を提供する為，問題とはならず，むしろ流量測定において望ましい信号となる。しかし，図４に示す通り，水面７０で生じた反射波９１ｃは水底７１にあたって反射し，その水底７１における反射波９１ｄが再び水面７０において反射した反射波９１ｅが，超音波送受信手段３０により受信されることにより，測定誤差の原因となりうる。

図示は省略するが，被測定流体中の気泡などで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なめらかな曲線を描くはずであるが，実際の測定結果は歪んだ曲線が描かれてしまうことになる。

超音波流量計による流量測定における上記の問題は，配管の外側から超音波を入射することにより，配管内を流れる被測定流体の流速分布を測定する超音波流量計による流量測定でも同じである。配管からの反射波を原因とする測定誤差を低減して，流量計測の精度を上げる技術は，例えば特許文献２に開示されている。被測定流体の流体配管における超音波の到達位置における配管外壁に固定可能な吸音材を設け，その吸音材の音響インピーダンスが，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することにより問題解決を図ろうとするものである。
特開２００５−３２１３１４ 特開２００５−１９５３７１

しかし，上記の解決方法は，固体である配管の外壁に吸音材を備えるものであり，開渠における流量測定にそのまま適用できるものではない。例えば，自由水面を有する開渠に吸音材を浮かべて配置すると，水面の近傍では，吸音材の水面下の部分の存在が被測定流体の流れに対する抵抗となる為，被測定流体の流れが自然な状態から変化し，自然な流れの状態における流速分布の測定が妨げられるとの問題が生じる。また，空気の流れがある場合は，吸音材の水面上の部分の存在が空気の流れに対する抵抗となる為，水面下の流れへ影響を及ぼし，結果として，被測定流体の自然な流れの状態を変化させる。

本発明は，このような課題に鑑み，水面での超音波の反射を防止するとともに，被測定流体の自然な流れへの妨害を排除し，水面の近傍まで可能な限り自然な流れの状態での流量測定を可能とする，開渠における超音波流量計による流量測定の精度向上に資する吸音材及びそのような吸音材を用いた超音波流量計を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために，超音波流量計に用いられる本発明にかかる吸音材の代表的な構成は，自由水面を有する開渠内の被測定流体中へ流路底面から水面へ向かって超音波を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の反射された超音波エコーを受信する超音波受信手段と，受信された超音波エコーを処理し，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，被測定流体の流速分布に基づいて，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，開渠の水面に浮かんで超音波を吸収する本体部と，本体部を水面近傍に浮かせて配置させる浮遊助成部と，開渠内の水面における超音波到達位置にとどまる為に外部の固定物と接続される為の接続部を備え，本体部の底面は，被測定流体の流れに対する摩擦抵抗を減少させる曲率を有する曲面の形状に形成したことを特徴とする。

上記構成によれば，開渠において流路底面から発信され，水面に到達した超音波は，水面に浮かんで配置された吸音材に吸収されることにより，水面での反射が防止される。従って，水面での反射波に起因する信号が底面の超音波送受信手段に到達することが抑制され，流量測定の精度向上が可能となる。

また，本体部の底面は，被測定流体の流れに対する摩擦抵抗を減少させる曲率を有する曲面の形状に形成されているため，本体部と，その底面に衝突する被測定流体の流れとの間に生じる摩擦抵抗は最小限に抑えられることから，被測定流体の自然な流れが乱されるのが防止される。

超音波流量計の流量演算手段等，測定手段に関わる技術は，例えば前記特許文献２などに記載があり，一般事項であるので，ここでの説明は省略する。

本発明にかかる吸音材の他の代表的な構成は，自由水面を有する開渠内の被測定流体中へ流路底面から水面へ向かって超音波を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の反射された超音波エコーを受信する超音波受信手段と，受信された超音波エコーを処理し，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，被測定流体の流速分布に基づいて，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，開渠の水面に浮かんで超音波を吸収する本体部と，本体部を水面近傍に浮かせて配置させる浮遊助成部と，開渠内の水面における超音波到達位置にとどまる為に外部の固定物と接続される為の接続部を備え，本体部は空気の流れに対する摩擦抵抗を減少させる，空気の通り道を有する形状に形成したことを特徴とする。

かかる構成によれば，超音波の水面での反射が防止されるとともに，本体部は空気の流れに対する摩擦抵抗を減少させる，空気の通り道を有する形状に形成されているため，空気の流れがある場合に，吸音材の水面上の部分の存在が空気の流れに対する抵抗となることがないことから，水面下の流れへ影響を及ぼし，被測定流体の自然な流れの状態を変化させるような事態の発生を防止する。

本発明にかかる吸音材を備える超音波流量計の発明として構成してもよい。かかる超音波流量計の代表的な構成は，自由水面を有する開渠内の被測定流体中へ流路底面から水面へ向かって超音波を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の反射された超音波エコーを受信する超音波受信手段と，受診された超音波エコーを処理し，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，被測定流体の流速分布に基づいて，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，上記の吸音材を備える超音波流量計とすることができる。

かかる構成によれば，開渠における水面での超音波の反射を抑制し，かつ，被測定流体の自然な流れへの妨害を排除し，水面近傍まで精度の高い流量測定が可能となる。

本発明によれば，開渠における超音波流量計による流量測定において，水面での超音波の反射を防止し，被測定流体の自然な流れへの妨害を排除することにより，水面近傍まで自然な流れの状態での流量測定が可能となり，測定の精度を向上することができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法，材料，その他具体的な数値などは，発明の理解を容易とするための例示にすぎず，特に断る場合を除き，本発明を限定するものではない。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能，構成を有する要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略し，また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は，本実施形態にかかる吸音材の外観図である。図１（ａ）は，吸音材を側方から見た図であり，図１（ｂ）は平面図であり，図（ｃ）は正面図である。吸音材１０は，本体部１１，接続ワイヤ１３を接続する為の接続部１２，および浮遊助成部１４から構成される。かかる吸音材１０は，開渠における水面に浮かべられ，本体部１１下面に到達する超音波を吸収する。

本体部１１は水面に浮かんで配置されるように，被測定流体よりも小さい密度を有する。密度によっては，吸音材１０が十分な浮力を得ることができない場合に，吸音材１０が水面に浮かぶことが可能なように，浮遊助成部１４は，吸音材１０に浮力を与える役割を果たす。浮遊助成部１４の働きにより，吸音材１０がより水面近傍に配置されて浮かぶ場合は，より水面に近い領域までの流速分布が得られ，より精度の高い流量測定が可能となる。

かかる役割を果たす為に，浮遊助成部１４は，例えば，発泡スチロールで構成される。図１では，浮遊助成部１４は，略三角柱の形状を有し，本体部１１と嵌合によって固定されているが，浮遊助成部１４と本体部１１の固定方法は，例えば，浮遊助成部１４と本体部１１にそれぞれ雄ネジと雌ネジを設けて螺合する方法でも良い。浮遊助成部１４の形状や大きさは，上記の役割を果たすものであれば，特に限定されるものではない。

本体部１１の少なくとも下面は，多孔質体，発泡樹脂，繊維の板状部材からなることにより，超音波を吸収可能とする。例えば，発泡ポリウレタンそのものや，下面にフェルトを接着剤により接着させた発泡ポリウレタンを本体部１１とすることができる。

本体部１１の下面は，また，被測定流体の流れに対する摩擦抵抗を減少させる曲率を有する曲面の形状に形成されている。かかる形状に形成されることにより，本体部１１と，本体部１１の底面に衝突する被測定流体の流れとの間に生じる摩擦抵抗は最小限に抑えられる。よって，被測定流体の自然な流れが乱されるのが防止されることにより，水面近傍まで自然な流れの状態での流量測定が可能となり，測定精度が向上できる。

接続部１２は，例えば，足場４１（図３参照）に接続された接続ワイヤ１３と本体部１１を接続し，超音波が到達する所定の位置に吸音材１０をとどめる役割を果たす。本実施形態においては，接続部１２として手環（環状の金具）を備えるよう図示しているが，接続部１２の形状はこれに限定されるものではなく，本体部１１の外周に溝を設けたり，本体部１１に接続ワイヤ１３を接続する為の孔を設けたりすることでもよい。

足場４１と吸音材１０の接続手段は，接続ワイヤ１３に限定されるものではなく，吸音材１０を所定の位置にとどめるものであれば，ロープでも良いし，ひもでも良い。なお，吸音材１０の形状や大きさは特に限定されるものではなく，水面に到達する超音波を吸収することができるものであれば良い。

図２は，本発明の他の実施形態にかかる吸音材の外観図である。図２（ａ）は，図２（ｂ）のＢ−Ｂ断面図であり，図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図であり，図２（ｃ）は図２（ｂ）のＣ−Ｃ断面図である。本実施形態にかかる吸音材１０は，図１に示す吸音材１０と同様に，本体部１１ａ，接続ワイヤ１３を接続する為の接続部１２，および浮遊助成部１４から構成されるが，その本体部１１ａは，図２に示すように，上板１１１，下板１１２，側方構造材１１３，および中央構造材１１４から形成される。

本体部１１ａは，かかる構造により，空気の流れがある場合に，空気の流れに対する摩擦抵抗を減少させるような空気の通り道を形成する。すなわち，本体部１１ａの一端から入った空気は，上板１１１，下板１１２，側方構造材１１３および中央構造材１１４で形成された空気の通り道を通過し，本体部１１ａの他の一端から出ていく。ここで，空気の通り道は，本体部１１ａの水面上の部分の存在が空気の流れに対する抵抗となることがないように形成されているため，水面下の流れへの影響を少なくし，被測定流体の自然な流れの状態が変化するような事態の発生が防止されることにより，水面近傍付近までの測定精度の向上が可能となる。

かかる効果を得るために，側方構造材１１３および中央構造材１１４の一部形状は，図２に示すとおり，略流線型の形状に形成されていることが望ましい。略流線型に形成することが困難な場合は，空気の通り道の断面積を大きくすることや，構造材の板厚を小さくすることにより，空気抵抗を減少させることが可能である。

図３は，吸音材を有する超音波流量計を説明する図である。図３に示すように，吸音材１０は，流路の水面７０の近傍に配置して浮かべられ，単管パイプ等で組み立てられたガイド４０ａに固定された足場４１に，接続ワイヤ１３により接続される。つまり，ガイド４０ａは，所定の位置に吸音材１０をとどめる為の外部の固定物として機能する。なお，吸音材１０は上方に固定された足場４１から吊り下げて水面７０に浮かべられても良い。

被測定流体８０中に，測定に十分な反射体２０（気泡など）が存在しない場合は，気泡発生装置５０により反射体２０（気泡）が供給される。気泡発生装置５０はガイド４０ａにより固定される。超音波の送受信を行う超音波送受信手段３０（トランスデューサ）は流路の下流側の水底７１に配置され，ガイド４０ｂにより固定される。超音波送受信手段３０は，演算処理装置（図示せず）に接続され，超音波送受信手段３０が送受信した信号を基に流速分布が計測され，流量測定が行われる。図３中の白抜き矢印は被測定流体８０の流れる方向を示す。

超音波送受信手段３０から発信された発信超音波９０は，測定線上に多数存在する反射体２０にあたって反射され，その反射波９１ａが超音波送受信手段３０に受信される。発信超音波９０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り，水面７０に到達する。

吸音材１０がない場合，水面７０に到達した発信超音波９０は水面７０で反射し，その反射波９１ｃ（水面近傍１００参照）が測定誤差の原因となるのは前述した通りである。

一方，本願発明にかかる吸音材１０が水面７０にある場合は以下の通りである。例えば，本体部１１がスポンジ状の発泡ポリウレタンであり，被測定流体８０が水の場合である。発信超音波９０は，発泡ポリウレタンと水の界面における反射や透過により発泡ポリウレタン内に入る（図３中の超音波９２）。

発泡ポリウレタンは多数の大小さまざまな孔を有する為，発泡ポリウレタン内に入射した超音波９２は，発泡ポリウレタンと水の界面でさまざまな方向に反射する。その乱反射の過程で，超音波９２のエネルギーは，水との摩擦により熱に変換されたり，発泡ポリウレタンの振動エネルギーに変換されて失われて，超音波９２は発泡ポリウレタンに吸音される。

よって，水面７０に到達した発信超音波９０は吸音材１０にほとんど吸収されてしまい，流量測定の誤差要因となる反射波９１ｃの発生が抑制される。また，吸音材１０内に入射した超音波９２が吸音材１０と空気との界面で再び反射して，超音波送受信手段３０に受信され，流量測定の誤差要因となることを抑制できる。

また，本体部１１の下面は，水の流れに対する摩擦抵抗を減少させる曲率を有する曲面の形状に形成されているため，本体部と，矢印方向に流れる水の摩擦抵抗は最小限に抑えられる。従って，水面近傍１００では，水面近くまで，水の自然な流れが乱されないため，水本来の流れの状態を崩すことなく流量を測定することが可能となる。

本発明は，開渠における超音波流量計による流量測定において，水面での超音波を吸収し，その反射を防止するとともに，水面近傍まで自然な流れを実現させる吸音材として，また，かかる吸音材を有する超音波流量計として利用することができる。

本実施形態にかかる吸音材の外観図である。 他の実施形態にかかる吸音材の外観図である。 吸音材を有する超音波流量計を説明する図である。 従来の技術の問題点を説明する図である。

符号の説明

１０…吸音材，１１，１１ａ…本体部，１２…接続部，１３…接続ワイヤ，１４，１４ａ…浮遊助成部，２０…反射体（流体中の気泡），３０…超音波送受信手段（トランスデューサ），４０ａ，４０ｂ…ガイド，４１…足場，５０…気泡発生装置，７０…水面，７１…水底，８０…被測定流体，９０…発信超音波，９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅ…反射波，９２…超音波，１００…水面近傍，１１１…上板，１１２…下板，１１３…側方構造材，１１４…中央構造材

Claims (3)

1. 自由水面を有する開渠内の被測定流体中へ流路底面から水面へ向かって超音波を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の反射された超音波エコーを受信する超音波受信手段と，前記受信された超音波エコーを処理し，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，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，
   開渠の水面に浮かんで超音波を吸収する本体部と，
   前記本体部を水面近傍に浮かせて配置させる浮遊助成部と，
   前記開渠内の水面における超音波到達位置にとどまる為に外部の固定物と接続される為の接続部を備え，
   前記本体部の底面は，被測定流体の流れに対する摩擦抵抗を減少させる曲率を有する曲面の形状に形成したことを特徴とする吸音材。
2. 自由水面を有する開渠内の被測定流体中へ流路底面から水面へ向かって超音波を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の反射された超音波エコーを受信する超音波受信手段と，前記受信された超音波エコーを処理し，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，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，
   開渠の水面に浮かんで超音波を吸収する本体部と，
   前記本体部を水面近傍に浮かせて配置させる浮遊助成部と，
   前記開渠内の水面における超音波到達位置にとどまる為に外部の固定物と接続される為の接続部を備え，
   前記本体部は空気の流れに対する摩擦抵抗を減少させる，空気の通り道を有する形状に形成したことを特徴とする吸音材。
3. 自由水面を有する開渠内の被測定流体中へ流路底面から水面へ向かって超音波を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の反射された超音波エコーを受信する超音波受信手段と，前記受診された超音波エコーを処理し，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，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，請求項１または２項に記載の吸音材を備える超音波流量計。

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