JP5240121B2 - 流体の流れ計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いて気体や液体の流速および／または流量を計測するようにした流体の流れ計測装置に関するものである。

従来、この種、流体の流れ計測装置に用いられる超音波振動子１０１は、図８に示すように、導電性の有天筒状ケース１０２の頂壁内面に圧電体１０３を接着固定し、頂壁外面には音響整合層１０４を接着固定した構成を採っていた。

前記圧電体１０３の上面、下面には電極１０５，１０６が形成されており、この上方の電極１０５が有天筒状ケース１０２に電気的に接続されている。

前記有天筒状ケース１０５の下方開口部から外方向へフランジ１０７が一体に形成してあって、導電性の端子板１０８の外周上面がその下面に溶接され、これによりその内部は密閉空間１０９に設定されている。

通常、上記密閉空間１０９には窒素ガスなどの不活性ガスが充填され、１０〜５０ｋｐａ程度の内圧に維持されるようにしている。

圧電体１０３の下方の電極１０６には導電性の弾性材１１０が弾接されており、前記端子板１０８をハーメチックシールなどの電気絶縁部１１１を介して貫通した一方の端子１１２がこの弾性材１１０に電気接続されている。

一方、前記端子板１０８には他方の端子１１３が直接取着してある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２７００１３号公報

しかしながら、前記従来の超音波送振動子では、１〜５ｋｐａ程度の低圧力流体を計測する場合には、密閉容器１０９内の圧力をそれほど考慮しなくても計測に支障をきたすことないが、１ＭＰ程度の高圧流体を計測する場合に、超音波振動子内の圧力と計測流体のとの間に圧力差が生じると、超音波振動子における密閉容器が変形し、それに内包されている圧電体が破壊、或いは、圧電体と密閉容器との接合部分が、ひいては、超音波振動子が破壊し、計測そのものができなくなる課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、高圧流体および、圧力変動のある流体でも安定して計測することができる超音波しきの流れ計測装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、被測定流体が流れる計測部の上下流側に配設され、超音波信号を送受信する一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波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速および／または流量を算出する演算手段とを備え、前記超音波振動子の圧電体を内設した密閉容器の内圧Ｐ２は、前記計測部の圧力Ｐ１の略平均値に設定したものである。

これによって、計測部の圧力と、超音波振動子内の圧力との圧力差が小さくなり、超音波振動子における密閉容器の変形を小さく抑えることができ、内包されている圧電体の破壊、或いは圧電体と密閉容器との接合部分の破壊を抑制でき、その結果、高圧流体および、圧力変動のある流体でも安定した計測が行えるものである。

本発明の流体の流れ計測装置は、高圧流体、および圧力変動のある流体でも安定して計測することができるとともに、超音波振動子の損傷も抑制し得るものである。

本発明の実施の形態１における流れ計測装置のブロック図 同流れ計測装置の要部拡大断面図 高圧流体計測時の計測部圧力変動の時間変化図 同超音波振動子の製造工程図 本発明の実施の形態２における流れ計測装置のブロック図 本発明の実施の形態３における流れ計測装置のブロック図 本発明の実施の形態４における流れ計測装置のブロック図 従来の超音波振動子の断面図

第１の発明は、被測定流体が流れる計測部の上下流側に配設され、超音波信号を送受信する一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波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速および／または流量を算出する演算手段とを備え、前記超音波振動子の圧電体を内設した密閉容器の内圧Ｐ２は、前記計測部の圧力Ｐ１の略平均値に設定したもので、計測部の圧力と超音波振動子内の圧力との圧力差が小さくなり、超音波振動子における密閉容器の変形を抑制でき、内包されている圧電体の破壊、或いは圧電体と密閉容器との接合部分の破壊も防ぐことが可能で、その結果、高圧流体および、圧力変動のある流体でも安定した計測が行えるものである。

第３の発明は、被測定流体が流れる計測部の上下流側に配設され、超音波信号を送受信する一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波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速および／または流量を算出する演算手段と、前記計測部の圧力を検知する圧力検知手段とを備え、前記超音波振動子の圧電体を内設した密閉容器の内圧Ｐ２と前記圧力検知手段によって検知した計測部圧力Ｐ１を比較して、圧力異常判定を行なうことにより、超音波振動子に想定した圧力以上に高圧が付加された場合、異常を表示して、その保護が図れる。

第３の発明は、被測定流体が流れる計測部の上下流側に配設され、超音波信号を送受信する一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波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速および／または流量を算出する演算手段と、前記計測部の圧力を超音波振動子の特性変化によって推定する圧力推定手段とを備え、前記超音波振動子の圧電体を内設した密閉容器の内圧Ｐ２と前記圧力推定手段によって推定した計測部圧力Ｐ１を比較して、圧力異常判定を行なうことにより、超音波振動子に想定し
た圧力以上に高圧が付加された場合、その異常を表示し、超音波振動子の保護が図れる。

第４の発明は、特に、前記第１〜３いずれか一つの発明において、超音波振動子は、有底筒状で開放部が端子板で閉じられた導電性の密閉容器と、前記密閉容器に収容され、一方の電極側がその頂壁内面に接着された圧電体と、前記端子板を電気絶縁性を保って貫通し、前記圧電体の他方の電極側に接続された一方の端子、および同端子板に直接固定された他方の端子とからなる構成としたことにより、可燃性流体の計測でも安全に計測でき、密閉容器内に内包する圧電体の電極の化学変化を抑制することもでき、信頼性の高い計測が行える。

第５の発明は、特に、前記第１〜４いずれか一つの発明において、密閉容器のヤング率を１５０ＧＰａ以上に設定したことにより、有天筒状ケースの圧力による変形を軽減することができ、密閉容器内に内包されている圧電体の破壊、或いは圧電体と密閉容器との接合部分が破壊することを抑制することができる。

第６の発明は、特に、前記第１〜５いずれか一つの発明において、密閉容器の頂壁の厚みを側壁部の厚みよりも厚く設定したことにより、圧力によって頂壁に比べ側壁部が大きく変形して内包されている圧電体の破壊、或いは圧電体と密閉容器との接合部分が破壊することを抑制することができる。

第７の発明は、特に、前記第４の発明において、超音波振動子における密閉容器の内圧Ｐ２の設定は、密閉容器を端子板によって封鎖するときに行なうようにしたことにより、
より簡便に高圧流体の計測を可能とした超音波振動子とすることができる。

以下、本発明実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１，２において、本実施の形態の流れ計測装置１は、被計測流体が流れる計測部２の上下流側に一対の超音波振動子３，４を対設して、前記計測部２を流れる流体を斜めに横切るように超音波が伝搬される構成を採用している。

超音波振動子４は、絶縁性弾性体５を介して計測部２の開口部６に挿入され、押え７などで固定されており、一方の超音波振動子３も同様に固定されている。

超音波振動子３，４の構成は同じであるので、具体的な説明は超音波振動子４で行うこととする。

導電性の有天筒状の密閉容器８の頂壁内面に圧電体９が接着固定され、頂壁外面には音響整合層１０が接着固定してある。

前記圧電体９の上面、下面には電極が形成されており、この上方電極が密閉容器８に電気的に接続されている。

前記密閉容器８の下方開口部から外方向へフランジが一体に形成してあって、導電性の
端子板１１の外周上面がその下面に溶接され、これによりその内部は密閉空間１２に設定されている。

通常、上記密閉空間１２には窒素ガスなどの不活性ガスが充填される。

圧電体９の下方の電極には導電性の弾性材が弾接されており、前記端子板１１をハーメチックシールなどの電気絶縁部を介して貫通した一方の端子１３がこの弾性材に電気接続されている。一方、前記端子板１１には他方の端子１４が直接取着してある。

前記密閉空間１２の圧力と計測部２の圧力との圧力差が大きい場合、密閉容器８が大きく変形するため、圧電体９との接合部分が破壊してしまう。

そのため、密閉空間１２と計測部２との圧力差を小さくする必要がある。

図３は、高圧流体計測時における計測部２の圧力変動の時間変化を示している。

すなわち、計測開始時においては、圧力が急激に変化する立ち上がり部Ａがあり、時間経過とともに圧力変化が小さくなる圧力安定部Ｂとなる。

前記圧力安定部Ｂの圧力がＰａであり、立ち上がり部Ａの圧力上昇分がＰｂで、超音波振動子の密閉空間１２における圧力としては、好ましくは、Ｐａの範囲内にすることが好ましい。より好ましくは、計測流体の圧力安定部Ｂにおけるおおよその圧力平均値の範囲内にすることにより、計測部２の圧力差を小さくでき、密閉容器８の変形をより小さく抑えることができる。

以上に記載した超音波振動子の製造方法に関して図４を参照して説明しておく。

図４の（ａ）は、所定の厚みに調整した音響整合体１０を示している。その製造方法は、例えば、空隙形成材として用いたガラスバルーンを一定容器内で加振充填し、その後熱硬化性樹脂として用いるエポキシ樹脂を含浸させ、エポキシ樹脂を熱などで硬化後，スライスした状態を示している。

スライス加工は、ダイシング加工、或いはラッピングなどで行い、所定の周波数で圧電体と共振するよう厚み調整を行なう。

同（ｂ）は、圧電体９に接合手段として用いる熱硬化性接着剤などからなる接合手段１５を塗布形成し、密閉容器８の頂上面にも同様に接合手段１６を塗布形成する。

ここで、前記密閉容器８は、ヤング率１５０ＧＰａ以上が好ましい。

表１に密閉容器８の材料厚み２００μｍにおける超音波振動子としたときの圧力試験結果を示している。表１に示すように、密閉容器８が鉄系の金属、およびニッケルにおいて、耐圧製における良好な結果が得られた。

より好ましくは、ヤング率２００ＧＰａ以上の金属材料を使用するのが望ましい。

接合手段として用いた熱硬化性接着剤は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、メラミン樹脂など熱硬化性樹脂であれば特に限定されない。場合によっては、熱可塑性樹脂であっても、ガラス点移転が高温使用温である７０℃以下であれば接着剤として使用できる。

図４（ｃ）において、圧電体９と密閉容器８、音響整合体１０を積層するように、位置決めを行なって貼り合わせる。このとき、圧電体９、密閉容器８、音響整合体１０に約１から１０ｋｇ／ｃｍ２の加圧を加えた状態で固定し、接合手段１５，１６として用いた熱硬化性接着剤を硬化させる。

接合手段１５，１６の硬化は、一般的な加熱槽で実施する。以上の工程によって接合手段１５，１６が硬化して接合され、一体となった半完成品１７の密閉容器８に、端子１３，１４を固定した端子板１１を溶接して完成させる。

図４（ｄ）は、以上の工程によって作製した超音波振動子４の完成状態を示している。ここで、この溶接時に、密閉空間１２に不活性ガスであるアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガスなどを封入し、圧電体９の電極の劣化、圧電体９と密閉容器８との接合部分の劣化を軽減することが望ましい。

密閉容器８の頂壁は側壁部よりも厚みを大としておけば、圧力によって側壁部が大きく変形することとなり、内包されている圧電体９の破壊、或いは、圧電体９と密閉容器８との接合部分が破壊することを抑制することができ、その結果、高圧流体、および圧力変動のある流体でも安定して流速および／または流量を計測することができる。

密閉容器８は、筒状の側壁部を形成した後、円形状の頂壁部で蓋をするように接合し、周囲をレーザー溶接などで一体化することで作製できる。

また、密閉容器８における頂壁の厚みをｔ、音響整合層１０に用いた波長をλとすると、λ／３０＜ｔ＜λ／１０の範囲内に設定することにより、密閉容器８内に内包されている圧電体９の破壊、或いは、圧電体９と密閉容器８との接合部分が破壊することを抑制することができ、その結果、高圧流体、および圧力変動のある流体でも安定して流速および／または流量を計測することができる。

耐圧を向上させるために密閉容器８の厚みを大きくすると、音響マッチングのバランスが崩れて、計測流体への超音波の伝搬効率が低下してしまう。

そのため、耐圧が確保できるλ／３０から、超音波伝搬効率の低下が許容範囲内であるλ／１０とすることで、耐圧と高感度とを両立できる。

圧電体９の両電極に電気信号を与えると、同圧電体９が振動し、この振動に共振するように調整された音響整合層１０が共振し，この振動が計測流体に伝えられる。

これが、超音波を送信するときの動作であるが、受信の場合は、この逆の作用で、計測流体より伝搬してきた超音波が圧電体１０で電気信号に変換され、その信号の到達した時間を計測に用いている。

以下その計測方法について説明する。

図１に示す通り、超音波振動子３，４間の超音波伝達経路をＬ、計測部２を流れる流体の流速をＶ、計測する流体の超音波の音速をＣ、流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向の角度をθとし、超音波振動子３を送波器、超音波振動子４を受波器として用いたときに、超音波振動子３からでた超音波パルスが超音波振動子４に到達する伝搬時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （１）
で示される。

次に、超音波振動子４からでた超音波パルスが超音波振動子３に到達する伝搬時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） （２）
で示される。

そして、（１）と（２）の式から流体の音速Ｃを消去すると、
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２） （３）
の式が得られる。

Ｌとθが既知なら、計測回路１８にてｔ１とｔ２を測定すれば演算手段１９を介して流速Ｖが求めることができる。必要に応じて、演算手段１９は前記流速Ｖに計測部２の断面積Ｓと補正係数Ｋを乗じれば、流量Ｑを求めることができる。

以上のように、本実施の形態においては、被測定流体が流れる測定部２に設けられ超音波信号を送受信する一対の超音波振動子３，４と、前記超音波振動子３，４間の超音波伝搬時間を計測する計測回路１８と、前記計測回路１８からの信号に基づいて流体の流速および／または流量を算出する演算手段１９とを備え、前記超音波振動子３，４は密閉容器８内に内包された圧電体９で構成され、前記密閉容器８の内圧Ｐ２は、前記測定部２の圧力Ｐ１の変動範囲内に設定したことにより、高圧流体、および圧力変動のある流体の計測においても、計測圧力と超音波振動子内圧との圧力差が小さくなり、超音波振動子３，４における密閉容器８の変形を小さく抑えることができ、密閉容器８内に内包されている圧電体９の破壊、或いは圧電体９と密閉容器８との接合部分が破壊することを抑制することができ、その結果、高圧流体、および圧力変動のある流体でも安定して計測することができるものである。

また、本実施の形態では、前記超音波振動子３，４における密閉容器８内の圧力Ｐ２は、前記測定部２の圧力Ｐ１の圧力安定部のおおよそ平均値としたことにより、高圧流体、および圧力変動のある流体の計測においても、計測圧力と、超音波振動子内圧との圧力差が小さくなり、超音波振動子３，４における密閉容器８の変形をより小さく抑えることが
でき、密閉容器８内に内包されている圧電体９の破壊、或いは圧電体９と密閉容器８との接合部分が破壊することを抑制することができ、その結果、高圧流体、および圧力変動のある流体でも安定して計測することができる。

また、本実施の形態の密閉容器８のヤング率は１５０ＧＰａ以上としたことにより、圧力による変形を軽減することができ、密閉容器８内に内包されている圧電体９の破壊、或いは圧電体９と密閉容器８との接合部分が破壊することを抑制することができ、その結果、高圧流体、および圧力変動のある流体でも安定して計測することができる。

また本実施の形態の密閉容器８の頂壁の厚みは側壁部の厚みよりも大きくしていることにより、圧力によって側壁部が大きく変形することとなり、密閉容器８内に内包されている圧電体９の破壊、或いは圧電体９と密閉容器８との接合部分が破壊することを抑制することができ、その結果、高圧流体、および圧力変動のある流体でも安定して計測することができる。

また本実施の形態の密閉容器８の頂壁の厚みは、音響整合層１０に用いた波長をλとした場合に、λ／３０＜ｔ＜λ／１０の範囲内としたことにより、密閉容器８内に内包されている圧電体９の破壊、或いは圧電体９と密閉容器８との接合部分が破壊することを抑制することができ、その結果、高圧流体および、圧力変動のある流体でも安定して計測することができる。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２を示し、流体の流れ計測装置１は、計測する流体が流れる計測部２に所定の間隔をおいて超音波振動子３，４が斜めに対向するように配置された構成となっている。

流速および／または流量の計測時、計測部２の圧力の異常を検知するため、圧力検知手段２０が取り付けられており、超音波振動子３，４に予め設定した密閉容器内の圧力に対し、計測部２の圧力が、想定する耐圧を超えて大きな圧力となった場合に異常を検知し、検知した信号を異常判定手段２１で、予め設定した圧力限界値と比較し、圧力限界を超えた場合、警告部２２へ信号を送り、表示手段２３で圧力異常を表示し、過負荷、つまり、設計を超えた圧力が超音波振動子３，４に加えられていることを知らせる。

これによって、超音波振動子３，４の交換を促し、より耐圧の高い、つまり超音波振動子における密閉空間の圧力を高く設定したものとの交換を促す。

以上のように、本実施の形態においては、超音波振動子３，４の密閉容器内圧力と圧力検知手段２０によって検知した圧力を比較して、圧力異常判定を行なうことを特徴とするもので、超音波振動子３，４に想定した圧力以上に高圧が付加された場合、異常を表示し、超音波振動子３，４を保護するようにしており、その圧力による破壊を防止することができる。

（実施の形態３）
図６は、実施の形態３を示し、計測部分の構成は図１と同じで、便宜上同一符号を付し、具体的説明は実施の形態１のものを援用する。

相違点は、計測部２の圧力の異常を検知するため、超音波振動子３，４の特性変化に着目したところにある。

特性変化には、例えば、超音波振動子３，４は、もともと超音波領域で振動する振動体
であるので、計測部２の圧力が高くなると、圧力による歪によって振動の周波数が変化することを利用して圧力異常を検知する。

或いは、超音波振動子３，４に内包された圧電体の圧電効果を利用して計測部２の圧力が高くなると、圧電効果によって発生する電圧を検出するものでもよい。

これらに数値を単独、或いは複合して計測部２の圧力変化、圧力異常をより正確に測定することができる。

このように、計測部２の圧力が想定する耐圧を超えて大きな圧力となった場合に異常を検知し、検知した信号を異常判定手段２１で予め設定した圧力限界値と比較し、圧力限界を超えた場合、警告部２２へ信号を送り、表示手段２３で圧力異常を表示し、過負荷、つまり、設計を超えた圧力が超音波振動子３，４に加えられていることを知らせる。

これによって、超音波振動子３，４の交換を促し、より耐圧の高い、つまり超音波振動子３，４における密閉空間の圧力を高く設定したものとの交換を促す。

以上のように、本実施の形態においては、超音波振動子３，４の特性変化によって検知した計測部圧力を推定し、圧力異常判定を行なうことを特徴とするもので、圧力の異常判定を超音波振動子３，４自体で行なうため、コスト面で大いに有用である。

（実施の形態４）
図７は、実施の形態４を示すものである。すなわち、本実施の形態は先の実施の形態２，３の思想を併合したもので、図５，６と同作用を行う構成部分には便宜上同一符号を付し、具体的説明は実施の形態２，３のものを援用する。

すなわち、計測部２の圧力異常をより高精度の検知するため、圧力検知手段２０、および超音波振動子３，４の特性変化も用いて圧力異常をより正確に行なうものである。

以上のように本発明実施の形態においては、被測定流体が流れる計測部２と、前記計測部２設けられた一対の超音波振動子３，４と、前記計測部２の圧力検知手段２０と、計測部２の圧力の異常判定手段２１と、前記超音波振動子３，４間の超音波伝搬時間を計測する計測回路１８と、前記計測回路１８からの信号に基づいて流速および／または流量を算出する演算手段１９と、表示手段２３と備えるものにあって、前記超音波振動子３，４の密閉容器８内の圧力Ｐ２と前記圧力検知手段２０によって検知した計測部２の圧力Ｐ１を比較する手段と、前記超音波振動子３，４の密閉容器８の内圧力Ｐ２と前記超音波振動子３，４の特性変化によって検知した計測部圧力Ｐ１を推定する手段とを組み合わせ、圧力異常判定を行なうことを特徴とすることにより、超音波振動子３，４により正確に想定した圧力以上に高圧が付加された場合、異常を表示し、超音波振動子３，４を保護するようにしており、それらの圧力による破壊を防止することができる。

以上のように、本発明にかかる流体の流れ計測装置は、高圧の計測流体の流速および／または流量を計測するのに適しており、長期にわたって高圧流体の計測が可能であり、また、自動車などのバックソナー用、あるいは、タンク内のレベル計、家庭用ガスメ−タ、水道用メ−タなどの用途の適用できる。

２ 計測部
３，４ 超音波振動子
８ 密閉容器
９ 圧電体
１０ 音響整合層
１１ 端子板
１３，１４ 端子
１８ 計測回路
１９ 演算手段
２０ 圧力検知手段
２１ 異常判定手段
２２ 警告部
２３ 表示手段

Claims (7)

1. 被測定流体が流れる計測部の上下流側に配設され、超音波信号を送受信する一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波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速および／または流量を算出する演算手段とを備え、前記超音波振動子の圧電体を内設した密閉容器の内圧Ｐ２は、前記計測部の圧力Ｐ１の略平均値に設定した流体の流れ計測装置。
2. 被測定流体が流れる計測部の上下流側に配設され、超音波信号を送受信する一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波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速および／または流量を算出する演算手段と、前記計測部の圧力を検知する圧力検知手段とを備え、前記超音波振動子の圧電体を内設した密閉容器の内圧Ｐ２と前記圧力検知手段によって検知した計測部圧力Ｐ１を比較して、圧力異常判定を行なうことを特徴とする流体の流れ計測装置。
3. 被測定流体が流れる計測部の上下流側に配設され、超音波信号を送受信する一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波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速および／または流量を算出する演算手段と、前記計測部の圧力を超音波振動子の特性変化によって推定する圧力推定手段とを備え、前記超音波振動子の圧電体を内設した密閉容器の内圧Ｐ２と前記圧力推定手段によって推定した計測部圧力Ｐ１を比較して、圧力異常判定を行なうことを特徴とする流体の流れ計測装置。
4. 超音波振動子は、有底筒状で開放部が端子板で閉じられた導電性の密閉容器と、前記密閉容器に収容され、一方の電極側がその頂壁内面に接着された圧電体と、前記端子板を電気絶縁性を保って貫通し、前記圧電体の他方の電極側に接続された一方の端子、および同端子板に直接固定された他方の端子とからなり、前記密閉容器の頂壁外面には音響整合体を具備した請求項１〜３いずれか１項記載の流体の流れ計測装置。
5. 密閉容器のヤング率を１５０ＧＰａ以上に設置した請求項１〜４いずれか１項記載の流体の流れ計測装置。
6. 密閉容器の頂壁の厚みを側壁部の厚みよりも厚く設定した請求項１〜５いずれか１項記載の流体の流れ計測装置。
7. 超音波振動子における密閉容器の内圧Ｐ２の設定は、密閉容器を端子板によって封鎖するときに行なうようにした請求項４記載の流体の流れ計測装置。