JP2005189003A - 流量測定および気泡検出の可能な統合システム - Google Patents

Abstract

【課題】流量測定と気泡検出とで振動子を共用する。
【解決手段】振動子１４ｕ，１４ｄの径方向振動または横振動の共振を利用し、チューブ１２内に軸方向平面波を生じさせる。径方向振動または横振動の共振を利用することで、厚み方向振動または縦振動の共振を利用する場合に比べて、振動子１４ｕ，１４ｄを小型化することができる。また、流量測定に用いた振動子１４ｕ，１４ｄにチューブ１２を挟んで対向する位置に、気泡検出用の振動子１４ａｕ，１４ａｄを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動子を用いてチューブ内を流れる流体の速度（流量）測定および当該流体中の気泡検出の可能な、統合システムに関する。

従来より、超音波振動子等の振動子を用いてチューブ内の流量を測定する流量測定システムがある。この流量測定システムでは、上流側と下流側の二箇所に振動子が設置され、波動が上流側から下流側に伝搬するのに要した時間と下流側から上流側に伝搬するのに要した時間との時間差、および当該波動の伝搬距離から、チューブ内の流速が測定される。

特許文献１には、チューブの軸方向に対して傾斜した姿勢で当該チューブの外壁に当接した振動子を用いてチューブ内に斜めに波動を送波し、チューブ内壁で反射した波動をもう一つの傾斜配置した振動子で受波する構成が開示されている。しかしながら、この方式では、チューブが細い場合には伝搬距離が短くなるため、それによって短くなる伝搬時間を精度良く計測するのが難しいという問題があった。

特許文献２には、円環状の板状振動子の中央の孔にチューブを挿入する構成が開示されている。この方式によれば、細いチューブ内の流量を測定する場合にも、特許文献１の方式で生じていたような時間の計測精度の問題は生じない。

一方、超音波振動子等の振動子を用いてチューブ内の流体における気泡の有無を検出する気泡検出システムがある。かかる気泡検出システムでは、超音波が気泡内を通過するときに信号強度が低下することを利用して気泡の検出が行われる（例えば特許文献３）。

特開２００２−２２５０５号公報 特開２００３−８３７８７号公報 特開平９−９９０６２号公報

しかしながら、円環状の超音波振動子は、中央の孔の内壁とチューブの外壁とを密着させるのが難しく、隙間等により振動が減衰し、ひいては流量の測定精度が低下してしまうというおそれがあった。また、円環状の超音波振動子は穴の無い板状振動子に比べると、製造に手間がかかり、製造コストが高くなってしまうという問題もあった。

また、流量測定システムと気泡検出システムとの両方を用いる場合、それらをそれぞれ別個に準備して測定を行う必要があったが、これらを統合することができれば、設置スペース、計測の手間、コスト等の点で大きなメリットがある。

本発明にかかる流量測定および気泡検出の可能なシステムは、電極の形成された表面が流量測定の対象となるチューブの外壁に沿う姿勢で当該外壁に直接または間接的に当接される板状振動子の対であって、その各々が当該チューブの上流側および下流側に配置される流量測定用の板状振動子の対と、上記流量測定用の対をなす板状振動子のうちいずれか一方を送波素子としてその径方向または横方向の共振周波数で振動させる流量測定用の駆動回路と、上記流量測定用の送波素子の振動によってチューブ内の流体に生じた軸方向平面波が検出素子としての他方の振動子で検出されるまでの伝搬時間を取得する伝搬時間取得部と、少なくともいずれか一方の上記板状振動子とその板状振動子に上記チューブを挟んで対向配置される板状振動子とからなる気泡検出用の板状振動子の対と、上記気泡検出用の対をなす板状振動子のうちいずれか一方を送波素子として振動させる気泡検出用の駆動回路と、上記気泡検出用の送波素子の振動によってチューブ内の流体に生じた波動を他方の検出素子で検出した結果に基づいて気泡を検出する気泡検出部と、を含む。

また、上記本発明にかかる流量測定および気泡検出の可能なシステムでは、気泡検出用の駆動回路は、送波素子をその厚み方向の共振周波数で振動させるのが好適である。

また、上記本発明にかかる流量測定および気泡検出の可能なシステムでは、前記板状振動子は、前記チューブを嵌脱自在に挟持する挟持部を有するクランプに装着されるのが好適である。

また、上記本発明にかかる流量測定および気泡検出の可能なシステムでは、前記板状振動子は、開閉自在な二つのアームを有し当該アームによって前記チューブを挟み込むクリップに装着されるのが好適である。

また、上記本発明にかかる流量測定および気泡検出の可能なシステム用のクランプは、前記チューブを嵌脱自在に挟持する挟持部を有し、前記板状振動子を当該チューブの外壁に直接または間接的に当接させるように保持する。

また、上記本発明にかかる流量測定および気泡検出の可能なシステム用のクリップは、前記チューブを挟み込む二つのアームを備え、前記板状振動子を当該チューブの外壁に直接または間接的に当接させるように保持する。

本実施形態では、流量測定時は、チューブが音響管として機能するように、すなわち、振動子の振動によって生じる波動が流体中を主として管軸方向に平面波として伝搬するようにする。平面波は、比較的長い距離にわたって伝搬することができ、しかも管路の曲がりによる減衰が少ない。このような平面波を得るには、振動の周波数を、チューブ内の流体の半径方向の共振周波数のうち最低のものに比べて十分に低くする必要があり、チューブを円環状断面の剛管であると仮定した場合、振動の周波数ｆを、

とする必要があることが知られている（ここに、ｃ：流体中の音速、ｄ：チューブの内径）。ここで、内径ｄが小さいほど右辺の値が大きくなり、式（１）の不等式の関係が得られやすいことがわかる。すなわち、この方式は、比較的細いチューブ内の流量を計測するのに適していることがわかる。

ところが、低い周波数を、振動子の厚み方向振動あるいは縦振動での共振周波数として得る場合には、振動子を大きくせざるを得ない。そこで、本実施形態では、図４に示すように、板状の振動子１４の径方向振動あるいは横振動の共振周波数ｆが、厚み方向振動あるいは縦振動の共振周波数ｆ₀より低くなることを利用する。こうすれば、比較的小型の振動子を用いても低い共振周波数を得ることができる。表裏面に電極１４ａが形成される円板状の振動子の径方向基本振動の共振周波数ｆは、

となる。また、表裏面に電極が形成される矩形板状の振動子の横方向基本振動の共振周波数ｆは、

となる。ただし、η：係数（＝２．０８；ただし、ポアソン比σ^E＝０．３５のとき）、Ｄ：円板状振動子の直径、Y₁₁ ^E：弾性係数、ρ：密度である。なお、添え字₁₁は、面方向（拡がり方向）を意味し、添え字^Eは電界Ｅ＝一定の条件にあることを意味する。

すなわち、本実施形態にかかるシステムでは、径方向振動あるいは横振動の共振として、上記式（１）を満たす周波数の振動を得ることで、細いチューブの流量を、比較的小型の振動子を用いて、より精度良く計測することを可能とする。一例として、一辺の長さａ＝８［ｍｍ］の矩形状の振動子の径方向振動の共振周波数は、式（３）から、ｆ＝２２０×１０³［Ｈｚ］となる。ここで、式（１）を変形すると、

となり、この式（４）の右辺は、流体中の音速ｃを１５００［ｍ／ｓｅｃ］とすると、０．５８６×１５００［ｍ／ｓｅｃ］／（２２０×１０³［Ｈｚ］）×１０³≒４［ｍｍ］となる。すなわち、一辺の長さａが８［ｍｍ］の矩形状の振動子の径方向振動を利用する場合、式（４）より、内径ｄが４［ｍｍ］以下のチューブに対しては、管軸方向に伝搬する平面波が得られることがわかる。なお、内径ｄが６［ｍｍ］以下のチューブについては、他の内径ｄの場合についても同様に、矩形状の振動子については、その一辺の長さａを、チューブの内径ｄ［ｍｍ］の２倍程度とすれば良いことが判明した。

図１は、本実施形態にかかる流量測定および気泡検出の双方が可能な統合システム１０の要部構成の一例を示す図である。統合システム１０は、流量測定用の装置構成として、チューブ１２の上流、下流にそれぞれ設けられる一対の流量測定用の板状の振動子１４（１４ｕ，１４ｄ）と、各振動子１４に設けられる駆動回路／検出回路１６と、駆動回路／検出回路１６を制御する制御部１８と、振動子１４間の波動の伝搬時間を取得する伝搬時間取得部２０と、伝搬時間からチューブ１２内の流体の流量を算出する流量算出部２２と、を備える。

振動子１４は、その表裏面に電極１４ａが形成され、分極された圧電素子（ピエゾ素子）として構成される。

二つの駆動回路／検出回路１６は、制御部１８によって制御され、そのうち一方が駆動回路、他方が検出回路として機能するように切り替えられる。駆動回路に接続される振動子１４は送波素子となり、検出回路に接続される振動子１４は受波素子となる。駆動回路は、振動子１４を、径方向または横方向の共振周波数で振動させる。

伝搬時間取得部２０は、二つの駆動回路／検出回路１６あるいは制御部１８から取得した情報に基づいて、送波素子として機能する振動子１４から出力された波動が受波素子として機能する振動子１４で受信されるまでの時間Ｔ（Ｔｕ，Ｔｄ）を計測する。

流量算出部２２は、例えば、上流側の振動子１４ｕから下流側の振動子１４ｄに波動が伝搬した時間Ｔｄと、下流側の振動子１４ｄから上流側の振動子１４ｕに波動が伝搬した時間Ｔｕとの差ΔＴ（＝｜Ｔｕ−Ｔｄ｜）に基づいて、次の式

から、流量Ｑを取得する（ここに、Ｌ：二つの振動子１４間の距離、Ａ（＝π・ｄ²／４）：チューブの流路面積）。

また、図１の統合システム１０は、気泡検出用の装置構成として、振動子１４ｕ，１４ｄに対してチューブ１２を挟んで対向するように設けられた板状の振動子１４ａｕ，１４ａｄ、振動子１４ｕ，１４ｄを振動させる駆動回路４４、振動子１４ａｕ，１４ａｄの振動を検出する振動検出回路４６、および気泡を検出する気泡検出部４８を備える。駆動回路４４および振動検出回路４６（の動作開始／停止）は、例えば、制御部１８によって制御される。なお、図１に示すように、気泡検出についても、上流側および下流側の二箇所で実行可能となるようにするのが好適である。

駆動回路４４は、振動子１４ｕ，１４ｄを、その厚み方向振動または縦振動の共振周波数ｆ₀で駆動する。表裏面に電極１４ａが形成される円板状および矩形板状の振動子の厚み方向基本振動の共振周波数ｆ₀は、

となる。ただし、ｔ：振動子の厚さ、Y₃₃ ^E：弾性係数である。なお、添え字₃₃は、縦方向（厚み方向）を意味する。波動の周波数が高いほど小さい気泡を検出できるようになる。本実施形態では、気泡検出において、厚み方向振動あるいは縦振動の共振周波数を利用することで、比較的高い周波数の強い波動を生じさせ、微小な気泡をより精度良く検出することができるようにしている。

気泡検出部４８は、振動検出回路４６で検出された振動の信号レベル（受信レベル）の低下により気泡を検出する。一例として、信号レベルが所定の閾値以下のときには気泡有り、当該閾値より大きいときには気泡無しとする。ただし、これはあくまで一例であって、気泡検出を公知の他の手法により行ってもよい。

以上説明したように、本実施形態にかかる統合システム１０によれば、振動子１４ｕ，１４ｄを流量測定と気泡検出とで共用することができるようになる。なお、比較的大きな気泡を検出すれば足りるという場合には、径方向振動あるいは横振動の共振周波数での振動を用いて気泡検出を行うようにしてもよい。その場合には、さらに流量測定と気泡検出とで駆動回路を共用することができるというメリットがある。

図２は、振動子１４をチューブ１２の外壁に当接させるためのクランプ２４の一構成例を示す図（径断面図）である。このクランプ２４は、内板２６、本体２８、振動子１４を含む。

内板２６の断面は、コの字型となっている。そして、内板２６の互いに対向する壁面間の距離δは、チューブ１２の外径より僅かに小さく形成されており、これにより、チューブ１２が当該コの字の内側に嵌脱自在に挟持される。すなわち、この例では、内板２６が狭持部として機能している。

振動子１４の表面（または裏面）と内板２６の裏面（チューブ１２に当接する面の裏面）とは、例えば接着され、これにより、振動子１４は内板２６に固定されている。このとき、振動子１４は、その表面（または裏面）がチューブ１２の外壁に沿う姿勢となる。また、かかる構成では、振動子１４は、チューブ１２の外壁に内板２６を介して間接的に当接され、振動子１４とチューブ１２内の流体との間には、内板２６およびチューブ１２が介在することになる。したがって、内板２６の厚みや材質は、内板２６およびチューブ１２が整合層として機能するように決定するのが好適である。図２のクランプ２４には、チューブ１２を挟んで対向する二つの振動子１４が設けられている。気泡検出を行う場合には、このうちいずれか一方が送波素子となり他方が検出素子となる。他方、流量測定を行う場合には、一方あるいは双方が、送波素子あるいは検出素子となる。

本体２８は、外板部３０と、その先端に内板２６を例えば接着によって固定する支持板部３２とから構成されている。かかる構成により、クランプ２４を中空構造とし、軽量化を図っている。

以上、クランプ２４は、極めて簡単にチューブ１２に取り付けることができ、また取り外すことができる。すなわち、この例によれば、チューブ１２の外壁に振動子１４をより容易にかつより確実に当接させ、また離間させることができる。

図３は、振動子１４をチューブ１２の外壁に当接させるためのクリップ３４の一構成例を示す図（側面図）である。このクリップ３４は、二つのアーム３６，３８、シャフト４０、弾性部材としてのスプリング４２、および振動子１４を備える。

二つのアーム３６，３８のうち少なくともいずれか一方はシャフト４０に回動自在に支持されており、これらアーム３６，３８によってチューブ１２が挟み込まれる構造となっている。この例では、スプリング４２の付勢力によってアーム３６，３８が近接する側にチューブ１２が狭持される。ただし、この場合は、付勢力が過大となってチューブ１２を押しつぶさないように注意すべきである。すなわち、図３の例のように、ストッパ３６ａ，３８ａを設けるなどして、アーム３６，３８が、チューブ１２の外径より僅かに小さい距離δ以下に接近しないようにするのが好適である。

また、各アーム３６，３８は、上記クランプ２４と同様の中空構造（図示せず）をなす内板３６ｂ，３８ｂおよび本体３６ｃ，３８ｃを備える。

そして、振動子１４の表面（または裏面）は、いずれか一方のアーム３６，３８の内板３６ｂ，３８ｂの裏面に例えば接着され、これにより、振動子１４が内板２６に固定される。この例でも、振動子１４は、その表面（または裏面）がチューブ１２の外壁に沿う姿勢で、当該外壁に間接的に当接される。また、この例でも、内板３６ｂ，３８ｂの厚みや材質は、内板３６ｂ，３８ｂおよびチューブ１２が整合層として機能するように決定するのが好適である。図３のクリップ３４にも、上記クランプ２４と同様に、チューブ１２を挟んで対向する二つの振動子１４が設けられている。そして、気泡検出を行う場合には、このうちいずれか一方が送波素子となり他方が検出素子となる。他方、流量測定を行う場合には、一方あるいは双方が、送波素子あるいは検出素子となる。

以上、クリップ３４は、極めて簡単にチューブ１２に取り付けることができ、また取り外すことができる。すなわち、この例によれば、チューブ１２の外壁に振動子１４をより容易にかつより確実に当接させ、かつ離間させることができる。

以上説明したように、本実施形態にかかるシステムによれば、φ６［ｍｍ］以下程度の比較的細いチューブ内を流れる流体の流量を、より小型の振動子を用いてより精度良く測定することができるようになる。そして、振動子や駆動回路を流量測定と気泡検出とで共用することができるので、共用せず別個独立に設ける場合に比べて、設置スペース、計測の手間、コスト等の点で有利である。

なお、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、各クリップまたはクランプに振動子をそれぞれ一個ずつ装着する場合について例示したが、これには限定されず、各クリップまたはクランプに振動子を複数設けてもよい。また、上記実施形態では、振動子が内板を介してチューブの外壁に当接される場合について例示したが、これには限定されず、振動子の表面が直接チューブの外壁に当接されるように構成してもよい。ただし、内板等、何らかの部材を介在させる構成とする方が、振動子の保護という観点からは有利である。また、チューブ内に異物が混入する可能性のある状況では、同様のあるいは変形された構成により、異物の検出も行うことができる。また、流量測定用の駆動回路と気泡検出用の駆動回路とを一つの駆動回路に統合してもよい。

本発明の実施形態にかかる流量測定および気泡検出の可能な統合システムの要部構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態にかかる統合システムに含まれる振動子をチューブに装着するためのクランプの一例を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかる統合システムに含まれる振動子をチューブに装着するためのクリップの一例を示す側面図である。 振動子（ただし（ａ）：円形振動子、（ｂ）：矩形振動子）の径方向振動（横方向振動）および厚み方向振動（縦方向振動）を示す説明図である。

符号の説明

１０ 流量測定および気泡検出の可能な統合システム、１２ チューブ、１４（１４ｕ，１４ｄ） 振動子、１４ａ 電極、１６ 駆動回路／検出回路、１８ 制御部、２０ 伝搬時間取得部、２２ 流量算出部、２４ クランプ、２６ 内板、２８ 本体、３０ 外板部、３２ 支持板部、３４ クリップ、３６，３８ アーム、３６ａ，３８ａ ストッパ、３６ｂ，３８ｂ 内板、３６ｃ，３８ｃ 本体、４０ シャフト、４２ スプリング、４４ 駆動回路、４６ 振動検出回路、４８ 気泡検出部。

Claims (6)

1. 電極の形成された表面が流量測定の対象となるチューブの外壁に沿う姿勢で当該外壁に直接または間接的に当接される板状振動子の対であって、その各々が当該チューブの上流側および下流側に配置される流量測定用の板状振動子の対と、
   前記流量測定用の対をなす板状振動子のうちいずれか一方を送波素子としてその径方向または横方向の共振周波数で振動させる流量測定用の駆動回路と、
   前記流量測定用の送波素子の振動によってチューブ内の流体に生じた軸方向平面波が検出素子としての他方の振動子で検出されるまでの伝搬時間を取得する伝搬時間取得部と、
   少なくともいずれか一方の前記板状振動子とその板状振動子に前記チューブを挟んで対向配置される板状振動子とからなる気泡検出用の板状振動子の対と、
   前記気泡検出用の対をなす板状振動子のうちいずれか一方を送波素子として振動させる気泡検出用の駆動回路と、
   前記気泡検出用の送波素子の振動によってチューブ内の流体に生じた波動を他方の検出素子で検出した結果に基づいて気泡を検出する気泡検出部と、
   を含む流量測定および気泡検出の可能なシステム。
2. 気泡検出用の駆動回路は、送波素子をその厚み方向の共振周波数で振動させることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記板状振動子は、前記チューブを嵌脱自在に挟持する挟持部を有するクランプに装着されることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記板状振動子は、開閉自在な二つのアームを有し当該アームによって前記チューブを挟み込むクリップに装着されることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
5. 請求項３に記載のシステムで用いられる振動子装着用のクランプであって、前記チューブを嵌脱自在に挟持する挟持部を有し、前記板状振動子を当該チューブの外壁に直接または間接的に当接させるように保持することを特徴とするクランプ。
6. 請求項４に記載のシステムで用いられる振動子装着用のクリップであって、前記チューブを挟み込む二つのアームを備え、前記板状振動子を当該チューブの外壁に直接または間接的に当接させるように保持することを特徴とするクリップ。
   

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