JP4582011B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波パルスの送受信を行う超音波送受波器および超音波送受波器を用いて気体や液体の流量や流速の計測を行う超音波流量計に関するものである。

従来この種の超音波送受波器の固定具として用いられるものは、図７に示すように位置決め体２５に接続端子２６ａ、２６ｂを設けた絶縁部２７を備え、超音波振動子２８の端子２９ａ、２９ｂが接続端子２６ａ、２６ｂに電気的に接続されている。位置決め体２５は流体通路壁３０にねじ等で固定されている。また、図８で示すように固定体３１は超音波振動子２８の端子２９ａ、２９ｂが接触せずに貫通する取出穴３２を設けており、流体通路壁３０にねじ等で固定されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−３２５９９２号公報

しかしながら、上記従来の構成では端子２９ａ、２９ｂや接続端子２６ａ、２６ｂが位置決め体２５や固定体３１を貫通しているため、貫通した部分で端子同士は完全に独立されていない。このため導電体などの外乱要因により電気的な短絡を起こすことがある。また、端子２９ａ、２９ｂや接続端子２６ａ、２６ｂは位置決め体２５や固定体３１よりも長いため、外部からの衝撃により変形するという問題がある。さらに、固定体３１には端子２９ａ、２９ｂを貫通させる取出穴３２を設けているため、超音波振動子２８の回転角度を固定させることができないという問題もある。

本発明では上記課題を解決するもので、超音波送受波器の固定具で超音波送受波器の電極ピンを外乱要因から保護する構成にすることで、安定した電気的接続を可能とし、不具合を押えた信頼性が高い取り付け構成の超音波送受波器とその超音波送受波器を用いた超音波流量計を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために、被測定流体が流れる流量測定部と、前記流量測定部に設けられ超音波を送受信する１対の超音波送受波器と、前記超音波送受波器を前記流量測定部に固定する固定具と、前記超音波送受波器間の伝搬時間を計測する計測回路と、前記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、前記超音波送受波器は、正極と負極の電極ピンと、前記電極ピンに電気的に接続されたリード線を有し、前記固定具は、前記正極と負極の電極ピン及び前記リード線が共に挿入される開口と、前記正極と負極の電極ピンを覆うと共に、前記リード線を引き出し可能とする為に前記開口を部分的に覆う天壁と、前記天壁から垂下され前記正極と負極の電極ピンを絶縁する保護壁とを有することを特徴とするものである。

上記発明によれば、超音波送受波器の正極と負極の電極ピンは固定具に設けた空間におさまるため、外乱要因である導電体や衝撃を受けにくくすることができ、電気的な短絡も防止することができる。また、電極ピンが空間内に収まるため、回転方向の規制をすることができる。

本発明の超音波送受波器の固定具およびそれを用いた超音波流量計は、超音波送受波器を流路に固定すると同時に電極ピンを保護することにより、電極ピンの電気的な短絡や変形を防止することが可能となるため、信頼性の高い超音波送受波器を得ることができ、被測定流体の流量測定を安定して測定することができる。

第１の発明は、被測定流体が流れる流量測定部と、前記流量測定部に設けられ超音波を送受信する１対の超音波送受波器と、前記超音波送受波器を前記流量測定部に固定する固定具と、前記超音波送受波器間の伝搬時間を計測する計測回路と、前記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、前記超音波送受波器は、正極と負極の電極ピンと、前記電極ピンに電気的に接続されたリード線を有し、前記固定具は、前記正極と負極の電極ピン及び前記リード線が共に挿入される開口と、前記正極と負極の電極ピンを覆うと共に、前記リード線を引き出し可能とする為に前記開口を部分的に覆う天壁と、前記天壁から垂下され前記正極と負極の電極ピンを絶縁する保護壁とを有することを特徴とすることにより、超音波送受は器の電極ピンに外乱要因である導電体や衝撃を受けにくくすることにより、信頼性の高い超音波送受波器を得ることができ、被測定流体の流量測定を安定して測定することができる。

（実施の形態１）
図１、図２は本発明の第１の実施の形態における超音波送受波器およびそれを用いた超音波流量計の構成図を示すものである。

図１において、超音波送受波器１は振動伝播抑制体４と方向抑制体５を装着し、流路６に固定具３を介して図示していないビスで固定されている。リード線１１は、リード線端子１０ａ、１０ｂに超音波送受波器１の電極ピン２ａ、２ｂと９０度方向を変えて接続されている。

図２は、第１の実施の形態における超音波送受波器の固定具の斜視図を示すものである。

リード線室８ａ、８ｂは、電極ピン２ａ、２ｂに接続されたリード線端子１０ａ、１０ｂを囲むように保護壁９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄで構成されている。流路６への固定はビス穴７ａ、７ｂに図示していないビスを通して固定される。

以上のように構成された超音波送受波器の固定具について、以下その動作、作用を説明する。まず、固定具３は樹脂などの絶縁作用のある材質を使用している。超音波送受波器１の電極ピン２ａ、２ｂにリード線端子１０ａ、１０ｂを接続し、リード線１１を固定具３のリード線室８ａ、８ｂから通し、流路６に固定具３を図示していないビスで固定する。固定具３にある保護壁９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄは、リード線端子１０ａ、１０ｂよりも高くしている。

以上のように、実施の形態においては固定具３の保護壁９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄをリード線端子１０ａ、１０ｂよりも高くすることにより、外乱要因である導電体などで短絡しにくくなり、衝撃などが直接リード線端子１０ａ、１０ｂに受けなくなりことで、リード線端子１０ａ、１０ｂの変形を防止することもできる。

また、本実施の形態ではリード線室８ａ、８ｂとも保護壁９ａ、９ｂ、９ｃ、９ａ、９ｂ、を設けてあるが、構成上によりリード線室８ａ，８ｂを仕切る保護壁９ｄのみを設けることにより、リード線端子１０ａ、１０ｂどうしの電気的な短絡を防止し、超音波送受波器１の回転方向を規制することもできる。

（実施の形態２）
図３は、第２の実施の形態における超音波送受波器の固定具の斜視図を示すものである。

リード線室８ａ、８ｂは、電極ピン２ａ、２ｂに接続されたリード線端子１０ａ、１０ｂを囲むように保護壁９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄで構成されており、保護壁９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄに天壁１２を備えている。

以上のように構成された超音波送受波器の固定具について、以下その動作、作用を説明する。まず、超音波送受波器１の電極ピン２ａ、２ｂにリード線端子１０ａ、１０ｂを接続し、リード線１１を固定具３のリード線室８ａ、８ｂから通し、流路６に固定具３を図示していないビスで固定する。リード線端子１０ａ、１１ｂは固定具３にある保護壁９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄおよび天壁１２で囲われた空間内に収まる。

以上のように、実施の形態においてはリード線端子１０ａ、１０ｂが固定具３の保護壁９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄと天壁１２内に収まることにより、導電体が直接リード線端子１
０ａ、１０ｂに触れなくなるので電気的な短絡を起こしにくくなり、衝撃などが直接リード線端子１０ａ、１０ｂに受けなくなりことで、リード線端子１０ａ、１０ｂの変形を防止することもできる。

（実施の形態３）
図４は、第３の実施の形態における超音波送受波器の固定具の断面図を示すものである。

リード線室８ａ、８ｂは、電極ピン２ａ、２ｂに接続されたリード線端子１０ａ、１０ｂを囲むように保護壁９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄと天壁１２を備えており、天壁１２とリード線端子１０ａ、１０ｂの間には隙間１３が設けられている。

以上のように、実施の形態においてはリード線端子１０ａ、１０ｂと固定具３の天壁１２の間に隙間１３を設けることにより、リード線端子１０ａ、１０ｂが直接天壁１２と触れることがなくなるので、水などの導電性がある液体が天壁１２に付着してリード線端子１０ａ、１０ｂ側に流れた場合、毛細管現象により天壁１２とリード線端子１０ａ、１０ｂの隙間に水等の導電性の液体が流れ込み、リード線端子１０ａ、１０ｂが腐食する可能性を防止することもできる。

なお、図５の斜視図で示すように、天壁１２を設けた構成として、天壁１２を保護壁９ａや９ｃで方持ち支持し天壁１２にリード線端子１０ａ、１０ｂを仕切る保護壁９ｄを備えた構成にしてもよい。

（実施の形態４）
図６は、第４の実施の形態における超音波送受波器の固定具およびそれを用いた超音波流量計の概略構成を示すブロック図である。

本実施例では被測定流体を都市ガス、超音波流量計として家庭用ガスメ−タを想定し、流量測定部１５を構成する材料をアルミニウム合金ダイカストとする。

また超音波送受波器１６、１７の使用周波数には約５００ｋＨｚを選択する。発振回路１８は例えばコンデンサと抵抗で構成され約５００ｋＨｚの方形波を発信し、駆動回路１９では発振回路１８の信号から超音波送受波器１６を駆動するため方形波が３波のバースト信号からなる駆動信号を出力可能とする。また測定手段には測定流量の分解能を向上するため、シングアラウンド法を用いる。

制御部２４では駆動回路１９に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ２２の時間計測を開始させる。駆動回路１９は送信開始信号を受けると超音波送受波器１６を駆動し、超音波パルスを送信する。送信された超音波パルスは流量測定部１５内を伝搬し超音波送受波器１７で受信される。受信された超音波パルスは超音波送受波器１７で電気信号に変換され、受信検知回路２１に出力される。受信検知回路２１では受信信号の受信タイミングを決定し、制御部２４に受信検知信号を出力する。制御部２４では受信検知信号を受けると、あらかじめ設定した遅延時間ｔｄ経過後に再び駆動回路１９に送信開始信号を出力し、２回目の計測を行う。この動作をＮ回繰返した後、タイマ２２を停止させる。演算部２３ではタイマ２２で測定した時間を測定回数のＮで割り、遅延時間ｔｄを引いて伝搬時間ｔ１を演算する。

引き続き切替回路２０で駆動回路１９と受信検知回路２１に接続する超音波送受波器を切り替え、再び制御部２４では駆動回路１９に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ２２の時間計測を開始させる。伝搬時間ｔ１の測定と逆に、超音波送受波器１７で超音波
パルスを送信し、超音波送受波器１６で受信する計測をＮ回繰返し、演算部２３で伝搬時間ｔ２を演算する。

ここで、超音波送受波器１６と超音波送受波器１７の中心を結ぶ距離をＬ、空気の無風状態での音速をＣ、流量測定部１５内での流速をＶ、非測定流体の流れの方向と超音波送受波器１６と超音波送受波器１７の中心を結ぶ線との角度をθとすると、伝搬時間ｔ１、ｔ２は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） （２）
で示される。（１）（２）式より音速Ｃを消去して、流速Ｖを求めると
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２） （３）
が得られる。Ｌ、θは既知であるのでｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。この流速Ｖと流量測定部１５の面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量Ｑは
Ｑ＝ＫＳＶ （４）
で演算できる。

以上のように、本発明にかかる超音波送受波器の固定具およびそれを用いた超音波流量計は、外乱要因である導電体や衝撃を直接電極ピンに受けなくなりことで、電気的な短絡を防止することが可能となるので、被測定流体の流量測定を安定性の高い計測が可能となる。更に、超音波により気体や液体の流量や流速の計測を行う超音波流量計等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における超音波送受波器の固定具およびそれを用いた超音波流量計の構成図 本発明の実施の形態１における超音波送受波器の固定具の斜視図 本発明の実施の形態２における超音波送受波器の固定具の斜視図 本発明の実施の形態３における超音波送受波器の固定具の断面図 本発明の実施の形態２、３における超音波送受波器の固定具の斜視図 本発明の超音波送受波器を用いた超音波流量計の一部断面図を含むブロック図 従来の超音波送受波器の固定具およびそれを用いた超音波流量計の構成図 従来の超音波送受波器の固定具およびそれを用いた超音波流量計の構成図

１ 超音波送受波器
３ 固定具
８ａ、８ｂ リード線室
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 保護壁
１２ 天壁
１３ 隙間

Claims (1)

1. 被測定流体が流れる流量測定部と、前記流量測定部に設けられ超音波を送受信する１対の超音波送受波器と、前記超音波送受波器を前記流量測定部に固定する固定具と、前記超音波送受波器間の伝搬時間を計測する計測回路と、前記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、前記超音波送受波器は、正極と負極の電極ピンと、前記電極ピンに電気的に接続されたリード線を有し、前記固定具は、前記正極と負極の電極ピン及び前記リード線が共に挿入される開口と、前記正極と負極の電極ピンを覆うと共に、前記リード線を引き出し可能とする為に前記開口を部分的に覆う天壁と、前記天壁から垂下され前記正極と負極の電極ピンを絶縁する保護壁とを有することを特徴とする超音波流量計。