WO2014073181A1 - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

被測定流体が通流する流路（３）と、金属板（９ａ）に固定した音響整合体（９ｃ）と圧電体（９ｂ）とを有する超音波送受波器（５、６）と、音響整合体（９ｃ）を除いて金属板（９ａ）を覆う絶縁性制振部材（１１）と、流路（３）に設けられた取付部（３ｂ）と、超音波送受波器（５、６）を取付部（３ｂ）に固定する固定部材（１３）と、を備える。固定部材（１３）は、押え部（１８）と、延出部（１２）とを有し、超音波送受波器（５、６）は、延出部（１２）に設けた穴部（１６）を、取付部（３ｂ）に設けたつめ部（１５）に係合して取付部（３ｂ）に固定される構成を有する。これにより、筐体伝搬を低減して、高精度の超音波流量計を実現できる。

Description

超音波流量計

　本発明は、流体中に超音波を送信、または、流体中を伝搬する超音波を受信するための超音波送受波器を用いる超音波流量計に関する。

　従来、この種の超音波流量計に用いる超音波送受波器として、図４に示すような構成の超音波送受波器が、開示されている（例えば、特許文献１参照）。

　以下に、従来の超音波送受波器の構成について、図４を用いて説明する。図４は、従来の超音波送受波器の流路に取り付けた状態を示す図である。

　図４に示すように、従来の超音波送受波器６８は、有天筒状のケース６３と、圧電体６４と、制振体６５と振動伝達抑止体６７とが一体的に形成された保持部６６とから構成される。ケース６３は、天部６０と、側壁部６１と、側壁部６１より外側に延びる支持部６２を有する。圧電体６４は、ケース６３の天部６０の内壁面に固定されている。制振体６５は、ケース６３の側壁部６１の外周に被着、密着して設けられ、圧電体６４の振動に起因する側壁部６１の振動を抑制する。保持部６６は、ケース６３の支持部６２を保持する。また、保持部６６の振動伝達抑止体６７は、一般的に防振性の高い柔軟な材料から構成され、ケース６３を、防振的に流路６９の取付部６９ａに取り付ける。そして、超音波送受波器６８は、流路６９にセンサ押え７０を介して保持部６６の振動伝達抑止体６７に押し当てて、ビス７１で固定されている。これにより、流路６９中の流体の流量を計測する。

　ここで、上記構成の超音波送受波器を、超音波流量計に用いる場合、保持部６６の振動伝達抑止体６７と超音波送受波器６８とが別部品で構成される。そのため、超音波送受波器６８に振動伝達抑止体６７を密着させて取り付ける必要がある。しかし、柔軟な振動伝達抑止体６７を、超音波送受波器６８に均等に取り付けるには、調整に一定の時間を要するため、量産性に課題があった。

　また、振動伝達抑止体６７の取り付け精度のばらつきによって、本来機能を果たすべき振動伝達抑止体６７が充分に機能しない場合がある。そのため、流量計測時の計測ノイズとなる残響ノイズ、および振動が流路６９に伝わる。その結果、筐体伝搬ノイズが増大し、流体の流量の計測精度が低下する場合があった。

　さらに、超音波送受波器６８をセンサ押え７０を介して流路６９へ取り付ける場合、ビス７１の締め付けトルクがばらつく場合がある。これにより、超音波送受波器６８の振動が流路６９に伝わる。その結果、筐体伝搬のノイズが増大し、流体の流量の計測精度が低下する可能性があった。

特開２００１－１５９５５１号公報

　上記課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、被測定流体が通流する流路と、金属板の一方の面に固定した音響整合体と他方の面に固定した圧電体とを有する超音波送受波器と、音響整合体を除いて金属板を覆うように形成した絶縁性制振部材と、流路に設けられた超音波送受波器の取付部と、超音波送受波器を取付部に固定する固定部材と、を備える。そして、固定部材は、超音波送受波器の押え部と、押え部の外周に所定の空間を介して片持ち梁状で設けた延出部とを有し、超音波送受波器は、延出部を介して、取付部に固定される。

　これにより、延出部は、超音波送受波器の振動を直接流路に伝えないようにする減衰部として機能して、被測定流体の計測時において、振動の筐体伝搬を低減する。さらに、延出部により、超音波送受波器の取り付け位置の位置精度を確保できる。その結果、高精度で流量を計測できる流量計測装置を実現できる。

図１は、本発明の実施の形態における超音波流量計の流れ方向の断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態における超音波送受波器および流路への取り付け構成を示す斜視図である。 図２Ｂは、図２Ａの２Ｂ－２Ｂ線断面図である。 図３は、本発明の実施の形態における固定部材の断面図である。 図４は、従来の超音波送受波器の取り付け状態を示す図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本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）
　図１は、本発明の実施の形態における超音波流量計の流れ方向の断面図である。

　図１に示すように、本実施の形態の超音波流量計は、少なくとも２つの開口部４を有する流路３と、開口部４に設けられた超音波送受波器５、６などから構成されている。流路３は、被測定流体であるガスなどの流体を一方の開口端１から他方の開口端２へ通流させる配管である。流路３の開口部４は、流路３に対して、斜めで互いに対向するように設けられ、送受信する超音波が伝搬する。超音波送受波器５、６は、開口部４の外方の延長上に対向して設けられている。

　さらに、本実施の形態の超音波流量計は、超音波伝搬時間計測回路７と、演算部８を備えている。超音波伝搬時間計測回路７は、対向する一対の超音波送受波器５、６間を伝搬する超音波の伝搬時間を計測する。演算部８は、超音波伝搬時間計測回路７で計測された伝搬時間に基づいて、流体の流量を演算する。

　以上のように構成された超音波流量計において、被測定流体の流量および流速の計測方法について、以下に、図１を参照しながら具体的に説明する。

　なお、図１に示すＬ１は、上流側に配置された超音波送受波器５から超音波送受波器６に伝搬する超音波の伝搬経路を示している。一方、図１に示すＬ２は、下流側に配置された超音波送受波器６から超音波送受波器５に伝搬する超音波の伝搬経路を示している。

　ここで、流路３を流れる流体の流速をＶ、流体中を超音波が伝搬する速度をＣ、流体の流れる方向と超音波の伝搬方向のなす角度をθとする。

　このとき、超音波送受波器５を送信側、超音波送受波器６を受信側とした場合、超音波送受波器５から出た超音波パルスが超音波送受波器６に到達するまでの伝搬時間ｔ１は、以下の式（１）で示される。

　　ｔ１　＝　Ｌ　／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）　　　　　　　　　　　（１）
　また、超音波送受波器６を送信側、超音波送受波器５を受信側とした場合、超音波送受波器６から出た超音波パルスが超音波送受波器５に到達するまでの伝搬時間ｔ２は、以下の式（２）で示される。

　　ｔ２　＝　Ｌ　／（Ｃ－Ｖｃｏｓθ）　　　　　　　　　　　（２）
　そして、伝搬時間ｔ１の式（１）と、伝搬時間ｔ２の式（２）から、流体の音速Ｃを消去すると、以下の式（３）が得られる。

　　Ｖ　＝　Ｌ　／２ｃｏｓθ（１／ｔ１－１／ｔ２）　　　　　（３）
　このとき、式（３）から判るように、超音波送受波器５と超音波送受波器６との距離Ｌと、角度θが既知ならば、超音波伝搬時間計測回路７で計測される、伝搬時間ｔ１と伝搬時間ｔ２を用いて、流体の流速Ｖを求めることができる。

　そして、演算部８は、必要に応じて、上記で求めた流速Ｖに、流路３の断面積Ｓと補正係数Ｋを乗じれば、以下の式（４）から流量Ｑを求めることができる。

　　Ｑ　＝　Ｋ×Ｓ×Ｖ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
　以上により、本実施の形態の超音波流量計を用いて、流体の流量Ｑを計測できる。

　以下に、本実施の形態のポイントである超音波送受波器の流路への取り付け構成および、超音波送受波器の構造について、図２Ａおよび図２Ｂを用いて詳細に説明する。なお、以下では、超音波送受波器５を例に説明するが、超音波送受波器６も同様であることはいうまでもない。

　図２Ａは、本実施の形態における流路へ取り付けた超音波送受波器の斜視図である。図２Ｂは、図２Ａの２Ｂ－２Ｂ線断面図である。

　図２Ａおよび図２Ｂに示すように、超音波送受波器５は、少なくとも音響整合体９ｃと、金属板９ａと、圧電体９ｂと、絶縁性制振部材１１と、２つのリード線１０などから構成されている。音響整合体９ｃは、金属板９ａの一方の面（流路３内を通流する流体と対向する面）に、例えば接着剤で接着、固定されている。一方、圧電体９ｂは、金属板９ａの他方の面に、例えば接着剤や導電ペーストを介して接着、固定されている。一方のリード線１０は、金属板９ａと接着されていない圧電体９ｂの電極と電気的に接続されている。他方のリード線１０は、金属板９ａに接着された圧電体９ｂの電極と金属板９ａを介して電気的に接続されている。なお、圧電体９ｂとリード線１０、および金属板９ａとリード線１０との接合は、例えば半田付けや導電ペーストなどで接合される。このとき、金属板９ａと圧電体９ｂの電極とは、接合部に接着剤を用いた場合、オーミックコンタクトにより電気的に接続されている。

　音響整合体９ｃは、例えばガラスの中空球体の隙間を熱硬化性樹脂で充填し、硬化して構成される。なお、音響整合体９ｃは、セラミック多孔体の音波放射面に音響膜を形成した構成としてもよい。このとき、音響整合体９ｃは、λ／４（λ：超音波の波長）の厚みで調整して設けられる。これにより、超音波を効率よく被測定流体に伝搬できる。

　金属板９ａは、例えば鉄、ステンレス、黄銅、銅、アルミニウム、ニッケルめっき鋼板などのいずれかで構成されるが、金属材料であれば他の材料でもよい。

　圧電体９ｂは、圧電性を示す材料であればどのような圧電材料でもよいが、特に、チタン酸バリウム、あるいはチタン酸ジルコン酸鉛などの材料が好ましい。

　また、絶縁性制振部材１１は、圧電体９ｂの外周を覆うように形成される。同時に、絶縁性制振部材１１は、金属板９ａと流路３との当接面、および圧電体９ｂの取り付け側の金属板９ａを覆うように形成される。これにより、絶縁性制振部材１１は、金属板９ａおよび圧電体９ｂと一体的に形成して、一定強度の接着力を与えている。

　以上のように、本実施の形態の超音波送受波器５が構成されている。

　そして、超音波送受波器５は、図２Ｂに示すように、流路３の開口部４により形成される取付部３ｂに設けた流路当接面３ａに、絶縁性制振部材１１を介して固定される。このとき、超音波送受波器５の流路３の取付部３ｂへの固定は、以下で詳述する固定部材１３により流路３の開口部４の流路当接面３ａへ圧縮することにより行われる。

　また、超音波送受波器５は、絶縁性制振部材１１が形成されていない、未形成部１４が設けられている。そして、未形成部１４には、金属板９ａが露出している。

　以下に、上記固定部材１３の構造および構成について、図３を用いて詳細に説明する。

　図３は、本実施の形態における固定部材１３の断面図である。

　図３に示すように、固定部材１３は、固定部材本体１３ａと、超音波送受波器５の未形成部１４の金属板９ａに押し当てる押え部１８と、固定部材本体１３ａの外周に所定の空間部１７を有する片持ち梁状（例えば、Ｌ字形状）の延出部１２から構成されている。なお、延出部１２は、押え部１８の下端１８ａより、さらに下方に延出して設けられている。空間部１７は、固定部材本体１３ａの上部近傍から、押え部１８の下端１８ａに形成されている。

　延出部１２の先端近傍には、係合部を構成する穴部１６が設けられ、流路３の取付部３ｂの先端近傍に設けられた、図２Ｂに示す、被係合部を構成するつめ部１５を引っ掛けて係合する。これにより、超音波送受波器５を流路３の取付部３ｂに固定している。

　以上のように構成された超音波送受波器の動作および作用・効果について、図１から図２Ｂを参照しながら説明する。

　本実施の形態の超音波送受波器は、まず、圧電体９ｂと電気的に接続されているリード線１０を介して、超音波伝搬時間計測回路７から電気信号を圧電体９ｂに印加する。このとき、電気信号として、圧電体９ｂの共振周波数に近い周波数の、例えば矩形信号が印加される。これにより、圧電体９ｂを駆動して、電気信号を機械的振動に変換する。

　そして、圧電体９ｂと音響整合体９ｃとが共振して、より大きな超音波パルスが、開口部４を通って、流路３内を通流する被測定流体に伝搬する。

　このとき、絶縁性制振部材１１は、以下に示す２つの機能を実現する。１つ目の機能は、超音波パルスを被測定流体へ伝搬するときに発生する振動を流路３に伝えないようにする機能である。２つ目の機能は、圧電体９ｂの振動および圧電体９ｂの振動を受けて振動した金属板９ａの振動を減衰させて、計測時のノイズとなる残響時間を短くする機能である。そのため、絶縁性制振部材１１は、圧電体９ｂの外周および金属板９ａの外周を覆うように形成される。

　さらに、固定部材１３の延出部１２は、以下に示す構成により、減衰部としての機能を有する。つまり、延出部１２は、超音波送受波器５の金属板９ａを押えている固定部材１３の押え部１８からの振動を、減衰させて、流路３に筐体伝搬しにくくしている。具体的には、固定部材１３の押え部１８から伝搬する振動は、固定部材１３の一部を構成する延出部１２により、空間部１７を迂回して穴部１６まで伝わり、流路３の取付部３ｂに設けられた、つめ部１５に到達する。これにより、固定部材１３の押え部１８から流路３に伝搬する振動を、減衰させている。

　また、延出部１２により、固定部材１３が弾性変形しやすくなるため、延出部１２に形成した穴部１６に、流路３の取付部３ｂに設けた、つめ部１５を挿入しやすくなる。これにより、超音波送受波器を流路３の取付部３ｂに容易に取り付けることができる。その結果、作業性を向上させて、高い生産性を実現できる。

　なお、本実施の形態では、延出部１２の固有振動数に関しては、具体的に記載しなかったが、超音波送受波器５の振動周波数から外れる構成とすることが好ましい。例えば、Ｌ字形状で片持ち梁状の延出部１２の長さや厚みなどの形状、あるいは構成する材料の弾性率を調整して、超音波送受波器５の振動周波数から外れる構成としてもよい。これにより、超音波送受波器５の振動周波数に延出部１２が共振することを防止して、振動の伝搬を効果的に抑制できる。

　また、本実施の形態では、延出部１２を構成する材料については、具体的に記載していないが、減衰作用がある、例えばゴム系のＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）やシリコーン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）などの弾性体および弾性作用のある材料で構成してもよい。これにより、固定部材１３の押え部１８から伝搬する超音波送受波器５の圧電体９ｂの振動を、効果的に減衰できる。その結果、流体の流量の計測精度の低下を抑制して、高精度で流量を計測できる流量計測装置を実現できる。

　また、本実施の形態では、固定部材１３の延出部１２に穴部１６を設け、流路３の取付部３ｂにつめ部１５を設けた構成で説明したが、これに限られない。例えば、固定部材１３の延出部１２に被係合部を構成するつめ部を、流路３の取付部３ｂに係合部を構成する穴部を設けた構成としてもよい。これにより、設計の自由度が向上する。

　以上で説明したように、本発明の超音波流量計によれば、被測定流体が通流する流路と、金属板の一方の面に固定した音響整合体と他方の面に固定した圧電体とを有する超音波送受波器と、音響整合体を除いて金属板を覆うように形成した絶縁性制振部材と、流路に設けられた超音波送受波器の取付部と、超音波送受波器を取付部に固定する固定部材と、を備える。そして、固定部材は、超音波送受波器の押え部と、外周に所定の空間部を有する片持ち梁状で設けた延出部とを有し、超音波送受波器は、延出部を介して、取付部に固定される構成を有してもよい。

　これにより、延出部は、超音波送受波器の振動を直接流路に伝えないようにする減衰部として機能して、被測定流体の計測時において、振動の筐体伝搬を低減する。さらに、延出部により、超音波送受波器の取り付け位置の精度を確保できる。その結果、高精度で流量を計測できる流量計測装置を実現できる。

　また、本発明の超音波流量計によれば、延出部の固有振動数が、超音波送受波器の振動周波数と異なるようにしてもよい。

　これにより、超音波送受波器の振動の流路側への伝搬を低減できる。

　また、本発明の超音波流量計によれば、固定部材は、超音波送受波器の振動周波数と共振しない超音波送受波器の当接面から延出部までの長さを有してもよい。

　これにより、超音波送受波器の振動を減衰させ、流路側へ筐体伝搬を抑制できる。

　また、本発明の超音波流量計によれば、延出部は、超音波送受波器の振動周波数に共振しない材料で構成してもよい。

　これにより、超音波送受波器の振動が、直接、流路側へ伝搬することを効果的に抑制できる。

　また、本発明の超音波流量計によれば、延出部の固有振動数が超音波送受波器の振動周波数から外れるように延出部の形状を構成してもよい。

　これにより、固定部材の延出部が、超音波送受波器の振動で共振しにくくできる。その結果、振動の流路への筐体伝搬を低減できる。

　また、本発明の超音波流量計によれば、一対の超音波送受波器を流路の上流と下流に対向して備え、一対の超音波送受波器の一方から送信された超音波信号が、一対の超音波送受波器の他方で受信されるまでの伝搬時間を計測する超音波伝搬時間計測回路と、伝搬時間に基づいて被測定流体の流量を算出する演算部とを、さらに備えてもよい。

　これにより、高精度な流量の計測が可能な超音波流量計を実現できる。

　本発明は、高い量産性と、高精度な流量計測が要望される、家庭用流量計、産業用流量計などの超音波流量計の用途に適用できる。

　１　　一方の開口端
　２　　他方の開口端
　３，６９　　流路
　３ａ　　流路当接面
　３ｂ，６９ａ　　取付部
　４　　開口部
　５，６，６８　　超音波送受波器
　７　　超音波伝搬時間計測回路
　８　　演算部
　９ａ　　金属板
　９ｂ，６４　　圧電体
　９ｃ　　音響整合体
　１０　　リード線
　１１　　絶縁性制振部材
　１２　　延出部
　１３　　固定部材
　１３ａ　　固定部材本体
　１４　　未形成部
　１５　　つめ部（被係合部）
　１６　　穴部（係合部）
　１７　　空間部
　１８　　押え部
　１８ａ　　下端
　６０　　天部
　６１　　側壁部
　６２　　支持部
　６３　　ケース
　６５　　制振体
　６６　　保持部
　６７　　振動伝達抑止体
　７１　　ビス

Claims (6)

1. 被測定流体が通流する流路と、
   金属板の一方の面に固定した音響整合体と他方の面に固定した圧電体とを有する超音波送受波器と、
   前記音響整合体を除いて前記金属板を覆うように形成した絶縁性制振部材と、
   前記流路に設けられた前記超音波送受波器の取付部と、
   前記超音波送受波器を前記取付部に固定する固定部材と、を備え、
   前記固定部材は、前記超音波送受波器の押え部と、外周に所定の空間部を有する片持ち梁状で設けた延出部とを有し、
   前記超音波送受波器は、前記延出部を介して、前記取付部に固定される超音波流量計。
2. 前記延出部の固有振動数が、前記超音波送受波器の振動周波数と異なる請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記固定部材は、前記超音波送受波器の振動周波数と共振しない前記超音波送受波器の当接面から前記延出部までの長さを有する請求項１に記載の超音波流量計。
4. 前記延出部は、前記超音波送受波器の振動周波数に共振しない材料で構成された請求項１に記載の超音波流量計。
5. 前記延出部の固有振動数が前記超音波送受波器の振動周波数から外れるように、前記延出部の形状を構成した請求項１に記載の超音波流量計。
6. 一対の前記超音波送受波器を前記流路の上流と下流に対向して備え、
   前記一対の超音波送受波器の一方から送信された超音波信号が、前記一対の超音波送受波器の他方で受信されるまでの伝搬時間を計測する超音波伝搬時間計測回路と、前記伝搬時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する演算部とを、さらに備える請求項１に記載の超音波流量計。

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