特開 2017-15674 超音波流量計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-15674(P2017-15674A)

(43)【公開日】2017年1月19日

(54)【発明の名称】超音波流量計

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/66 20060101AFI20161222BHJP

【ＦＩ】

   G01F1/66 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】書面

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2015-145297(P2015-145297)

(22)【出願日】2015年7月3日

(71)【出願人】

【識別番号】515201084

【氏名又は名称】松下 重忠

(72)【発明者】

【氏名】松下 重忠

【テーマコード（参考）】

2F035

【Ｆターム（参考）】

2F035DA05

2F035DA08

2F035DA14

(57)【要約】

【課題】２個の半円状振動子を測定管体の両側から挟み込む超音波送受信器において、半円状振動子と測定管体表面との密着性の劣化及び２個の半円状振動子のカミ合せズレは、上・下流へ伝播する超音波振動モードに差異を発生し、本流量計のゼロ点特性を損なう。
【解決手段】測定管体とそれを両側から挟みこむ半円状振動子、両側のクッション材及び両側の半円形円筒ケースを、測定管体の管軸を中心軸とする同心円群上に配置し外側から帯状ホース締付け金具で締め付ける構成とし、両側の半円形円筒ケースの突き合わせ面の一方に、外側から全長に亘って粘着テープを貼り付けて固定し、また上記付突き合せ面の片方は、測定管体の装填、取外しの為、自由に開放できる構造とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定流体の流路をなす測定管体に密着するように距離を隔てて２個の超音波送受信器を設け、前記２個の超音波送受信器を一方が超音波送信器、他方が超音波受信器として交互に作動させ、被測定流体の上流方向超音波伝播時間と、下流方向超音波伝播時間から流速を算出する伝搬時間差方式の超音波流量計において、上記それぞれの超音波送受信器は、円環状超音波振動子をその直径に沿って２等分に切断して作成した２個の半円状振動子によって構成され、流速測定時には、測定管体の両側から切断面が接触するまで押し付けられて、元の１個の円環状振動子を形成するように配置し、上記半円状振動子を測定管体の上流側と下流側に距離を隔てて２個配置し、上記半円状振動子の外周面にクッション材を配置し、上記クッション材を半円形円筒ケースの内面に取付け、上記半円形円筒ケースはもう片側の半円形円筒ケースと対向させて、それぞれ内蔵する上流、下流側の半円状振動子を、測定配管の両側から押し付けて１個の円環状超音波振動子を形成せしめるように、当該半円形円筒ケースの外側から、帯状ホース締付け金具を用いて締付ける構造をなして、測定管体とそれを両側から取り囲む半円状振動子、その半円状振動子を外側から取り囲む両側のクッション材及びさらにクッション材の外側から取り囲む両側の半円形円筒ケースが、測定管体の管軸を中心軸とする同心円群上に配置される構造をなし、その２個の半円形円筒ケースを外側から帯状ホース締付け金具を用いて締め付けることにより、その締付け力が、上記同心円の中心に向かって径方向に働き、クッション材を圧縮し、それが振動子の内径面と測定管体の表面の密着性を持続保持せしめることを特徴とし、
またさらに上下２個の半円状振動子を対向して押し付けた時に、ズレ、傾きが無いカミ合せが実現した状態において、両側の半円状円筒ケースの突き合わせ面の一方に、円筒ケースの外側から全長に亘って粘着テープを貼り付けて、また上記突き合わせ面のもう一方は、測定管体の装填、取外しの為自由に開放できる構造としたことを特徴とする超音波流量計検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被測定流体を流す測定管体に２個の超音波送受信器を流れ方向に沿って距離を隔てて設け、この２個の超音波送受信器を一方が超音波送信器、他方が超音波受信器として相互に作動させ、下流方向超音波伝播時間と上流方向超音波伝播時間を測定して流速を算出する、伝搬時間差方式の超音波流量計に関するものである。

【背景技術】

【0002】

伝播時間差方式の超音波流量計の一般的な形態は、超音波が管体に斜めに入射できるように超音波振動子をプラスチックのクサビに取り付けたものを、管体の外壁において斜めに向かい合わせの位置に設け、この２個の超音波振動子を超音波送受信器として相互に作動させるものである。しかしながら、上記のような超音波振動子からクサビを介して管体に対して斜め方向に超音波を打ち込む方法においては、管体の外径はこのようなクサビを取りつけるだけの大きさが必要である。また管体が細くなると、測定間隔が非常に短くなり、十分な測定精度が得られなかった。

【0003】

そこで細い管における流量の測定を可能にするため、特開平８−８６６７５にあるような円環状の超音波振動子を、真直ぐな管体に距離を隔てて設ける方式が実用化されている。しかしながら、この方式は、円環状の超音波振動子を測定管に貫入させる必要があるため、既設の配管には適用できない。そこで、既設の配管にも適用できるように、特開２００６−３４９４３９にあるように、円環状の超音波振動子を２個の半円状振動子に２等分し、既設配管を挟んで嵌合させる方式が考案されている。

【0004】

本発明は、２個の半円状振動子を既設配管の両側からを挟んで嵌合させる時、超音波振動子の内径面と測定管体表面の密着性の維持と上下半円状振動子のカミ合せの位置精度の持続保持を可能ならしめる構造・構成の工夫に関するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平８−８６６７５

【特許文献2】特開２００６−３４９４３９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記の円環状の超音波振動子を使用する方式の超音波流量計において、既設の配管を測定管体とする場合には、特開２００６−３４９４３９にあるように、円環状の超音波振動子を２個の半円状振動子に２等分し、既設配管の両側からこの２個の半円状振動子を嵌合せしめ、あたかも１個の円環状振動子の如く機能させる方式が行われている。

【0007】

ところで、２個の半円状に切断された振動子を測定管体の両側から挟み込み、元の１個の円環状振動子として機能させる時、振動子と測定管体間の超音波の伝播が円滑に行われる為に、振動子内径面と測定管体の表面の密着性が持続保持されねばならない。また、それぞれの半円状振動子の位置決めが悪いと、図４に示すように、相互のカミ合せのズレ、傾きが生じ、結果として超音波送受信機能に障害を発生する。これは上流方向への超音波伝播と、下流方向への超音波伝播に差異が発生し、特に流速がゼロの時の上下流伝播時間に差異が発生し、ゼロ点特性が不安定になる。

【0008】

このため、一度円環状振動子を２等分に切断し、測定時に再び元の円環状に嵌合させる方式においては、測定管体を挟み込む２個の半円状振動子と測定管体表面の押付け圧力の持続保持することと、２個の半円状振動子のカミ合せの位置精度を確保し、かつ長期間維持する必要がある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、上記課題を解決するものであって、被測定流体の流路の管体に密着するように距離を隔てて２個の超音波振動子を設け、前記超音波振動子の一方が超音波送信器、他方が超音波受信器として、交互に作動させ、被測定流体の上流側の超音波振動子を超音波送信器とした時の下流方向超音波伝播時間と、被測定流体の下流側の超音波振動子を超音波送信器とした時の上流方向超音波伝播時間により流速を算出する、伝搬時間差方式の超音波流量計であって、上記それぞれの超音波送受信器は、円環状振動子をその直径にそって２等分に切断して作成した２個の半円状振動子によって構成され、上記２個の半円状振動子は、流速測定に際しては、測定管体の両側から切断面が接触するまで押し付けられて、元の１個の円環状振動子を形成するように配置されるものとなす。

【0010】

超音波検出器の基本構成は、図２に示すように、上記半円状振動子２１，３１の外周に、粘着性両面テープ４１，５１を介してクッション材６１を配置し、そのクッション材を包み込む形に半円状円筒ケース７１で覆う構造とする。 超音波検出器の内部配置は、図３に示すように、測定配管１の上流側と下流側に距離を隔てて半円状振動子２１，３１を配置し、それぞれの半円状振動子の外周には粘着性両面テープ４１，５１を取り付け、クッション材６１に貼りつける。このクッション材６１は半円形円筒ケース７１のほぼ全長に亘って取りつける構造とする。また図３の下側に示されたもう片側の半円形円筒ケース７２とその内部構造は、上記と全く同一位置に配置される。また上記クッション材６１，６２は、上記２個の半円状振動子が測定管体１を挟み込んだ時、それぞれの半円状振動子の内径面が測定管体の表面との密着性を確保するように、適切な圧力を印加するような弾力性のある材質と厚さ寸法が選ばれる。またそれぞれ片側ずつの半円状振動子２１，３１及び２２，３２を内蔵した半円形円筒ケース７１，７２を、付き合わせて嵌合させた時、この半円状振動子が元の１個の円環状振動子を形成するように、半円状振動子の接触面に図４に見るようなズレ、傾きの発生を目視で確認し修正可能となるように、半円形円筒ケースの管軸方向外側を開放した構造となし、半円状振動子のカミ合せが最適と確認された状態において、半円形円筒ケースを閉じた時の形成される両側の突き合わせ面の片側に、図５に見るように、管軸長手方向に外筐のほぼ全長に亘って粘着テープ８を貼り付け、上記半円状振動子のカミ合せ位置精度の保持・固定をなさしめる構造・構成とする。

【0011】

実際の測定配管の装填・取外しは、半円形円筒ケースの粘着テープ８の反対側面を開いて行い、装填終了後は、図６に示すように、半円形円筒ケース７１，７２の外側を、帯状ホース締付け金具９１，９２を用いて半円形円筒ケース７１，７２の嵌合が緩まないように締付ける。

【発明の効果】

【0012】

本発明の超音波流量計によれば、２個の半円形円筒ケースの外側から帯状ホース締付け金具によって締付けることにより、管体軸の同心円上にある２個の半円状振動子を、測定管体表面に径方向の圧力を加えて、接触面の密着性を持続保持し、また２個の半円形円筒ケースの片方の突き合わせ面の全長の亘り、外側から粘着テープを貼り付けて、２個の半円状振動子のカミ合せの正確な位置精度を持続保持することができるので、上流側と下流側の超音波振動の特性が同一に保て、これにより上流方向への超音波伝播と、下流方向への超音波伝播が均一にでき、課題点であった流速がゼロの時の上下流伝播時間が同一になり、ゼロ点特性を流体の温度や室温の変化に対して安定化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】 本発明の超音波流量計の概念図

【図2】 本発明の流量計検出器の正面図

【図3】 本発明の流量計検出器の断面図

【図4】 半円状振動子のカミ合せ図

【図5】 粘着テープの貼付け図

【図6】 半円形円筒ケースの締結図

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は本発明の超音波流量計の概念図であって、主要な部分は被測定流体の流路をなす測定管体１に密着するように距離を隔てて設けられた２個の超音波送受信器２，３とこれによる測定データを入力して最終的には流量を算出する制御部からなる。超音波送受信器２，３は、本発明においては２分割した円環状超音波振動子を用いるので、後に詳細に説明する。制御部においては２個の超音波送受信器２，３が、２回路連続式の切替えスイッチ１１を経て電気パルス励起部１３と信号増幅部１４とに交互に接続されるようになっている。 図中１２は切替えスイッチ制御部、１５は測定・演算部である。測定・演算部１５は、切替えスイッチ制御部１２や電気パルス励起部１３に操作指令を送るとともに、信号増幅部１４からの信号を入力して下流方向伝播時間、上流方向伝播時間から流量を演算し出力する。

【0015】

上記のように２個の超音波送受信器を一方が超音波送信器、他方が超音波受信器として交互に作動させ、測定管路の上流側の超音波送受信器を超音波送信器とした時の下流方向超音波伝播時間と、測定管路の下流側の超音波送受信器を超音波送信器とした時の上流方向超音波伝播時間により流速を算出する。すなわち流体中の音速をｃ、流体の流速をＶ、２つの超音波送受信器間の距離をＬ、下流方向の超音波伝播時間をＴ１、上流方向の超音波伝播時間をＴ２とすると、Ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋Ｖ），および Ｔ２＝Ｌ／（ｃ−Ｖ）となる。上流方向と下流方向の超音波伝播時間の差をΔＴ、上流方向と下流方向の平均伝播時間をＴ０とすると、ｃ≫Ｖを考慮し、これ等の式を整理すると、 Ｖ＝ΔＴ・Ｌ／（２Ｔ０・Ｔ０）となり、流体中の音速ｃを直接知ることなしに、流速Ｖを求めることができる。ただし実際上は、この式が成立するのは、測定管の影響が無い場合に限られるので、管体の影響の補正係数を加える必要がある。

【実施例】

【0016】

本発明の超音波流量計は検出部の構造に特徴を有するが、図２は検出部の正面図、図３はこれの測定管体に平行な断面図である。超音波検出器の実施例としての基本構成は、図２に示すように、上記半円状振動子２１，３１の外周に、粘着性両面テープ４１，５１を介してクッション材６１を取付け、そのクッション材を包み込む形の半円形円筒ケース７１を設ける。超音波検出器の内部配置は、図３に示すように、測定配管１の上流側と下流側に距離を隔てて半円状振動子２１，３１を配置し、それぞれの半円状振動子の外周には粘着性両面テープ４１，５１を取り付け、クッション材６１に貼りつける。このクッション材６１は半円形円筒ケース７１のほぼ全長に亘って設けるものとする。図３の下側に示されたもう片側の半円形円筒ケース（７２）とその内部構造は、上記の半円形円筒ケースと全く同一な構成・構造を持つ。この２個の半円状振動子は、流量測定に際しては、上下の半円形円筒ケース７１，７２を帯状ホース締付け金具９１，９２によって測定管１の両側から半円状振動子の切断面が密着するまで押し付けられて、合せて１個の元の円環状超音波振動子の形状を復元する。それぞれ片側ずつの半円状振動子２１，３１及び２２，３２を内蔵した半円形円筒ケー７１，７２を、付き合わせて嵌合させた時、この半円状振動子が元の１個の円環状振動子を形成するように、半円状振動子の接触面に図４に見るようなズレ、傾きの発生を目視で確認できるように、半円形円筒ケースの管軸方向外側を開放した構造となし、もし目視してこの２個の半円状振動子のカミ合せ部分に不具合が有れば、半円状振動子の位置の修正を繰返し施すものとする。さらに、半円状振動子のカミ合せが最適であると確認された状態において、半円形円筒ケース７１，７２を閉じた時の形成される突き合わせ面の片側に、図４に見るように、管軸長手方向に外筐のほぼ全長に亘って粘着テープ８を貼り付け、上記半円状振動子のカミ合せ部分の最終調整位置精度の持続保持をなさしめるものとする。実際の測定配管の装填・取外しに際しては、上下の半円形円筒ケース７１，７２の粘着テープ８を取り付けた側とは反対側を開いて行い、装填終了後は、図６に示すように、上下の半円形円筒ケース７１，７２の外側を、帯状ホース締付け金具９１，９２を用いて上下の半円形円筒ケース７１，７２の嵌合が緩まないように固く締付ける。

【0017】

上記の超音波振動子の材質としては、例えばＰＺＴ（ジルコン・チタン酸鉛）などの圧電体に電極を設けた圧電素子が使用できる。また上記２個の半円状振動子は、１個の円環状超音波振動子をその直径に沿って２等分に切断して作成されたものであって、その電気的極性方向を一致させて用いるものとする。

【0018】

また、半円状振動子の外周に貼りつける上記粘着性両面テープ４１，５１は、２個の半円状振動子のカミ合せを修正するため、複数回取付け取外しを行う必要があるため、粘着性が劣化しないように、再剥離性を特長としたポリイミド系の両面テープを用いる。

【0019】

また、２個の半円状振動子のカミ合せ調整が終了した時点で、上下の半円形円筒ケース７１，７２の片方の突き合わせ面の外側に沿って、両方のケースを跨いで貼りつけられる粘着テープ８は、半円状振動子のカミ合せ位置の保持・固定を長期間確保するため、耐久性のある粘着力と強度を持ったポリイミド系の粘着テープを用いる。

【0020】

また上記のクッション材６１，６２は、上記２個の半円状振動子が測定管体１を挟み込んだ時、それぞれの半円状振動子の内径面が測定管体の表面との密着性を確保するように、適切な圧力を継続して保持できるような弾力性のある材質と厚みが選定される。なお上記クッション材６１，６２は、測定管体に適切な圧力を印加する機能の外に上流下流の超音波振動子２，３からの超音波振動が測定管体１を経由しないで、直接もう一方の超音波振動子に伝播する、クロストーク（漏話）を阻止する機能も持っている。実例として、クロロプレンゴムの１ｍｍ〜３ｍｍシートの硬度を選んで用いる。

【0021】

またここに用いる半円形円筒ケースは、プラスチック製の円形管から片側を削り取り、正確に半円形断面を成すよう仕上げたものを用いる。上下の半円形円筒ケース７１，７２を帯状ホース締付け金具９１，９２を用いて締め付けた時、測定管体１及び、上下半円状振動子からなる円環状振動子と共通の軸を持つ同心円群を成すものである。実例として、上記プラスチック製の円形管は、硬質塩ビ管を用いることができる。

【0022】

またここでは、帯状ホース締付け金具９１，９２には、金属製の帯ネジとネジスクリュウを組合せた、幅広のものを用いる。

【0023】

またここには、特に記述しなかった、超音波振動子２，３との電気的接続に必要な信号線及びその導入・導出構造が含まれる。また、測定管体１の入口・出口の案内機構を設けることもできる。

【0024】

このように２個の半円状振動子２１，２２及び３１，３２によって構成された一組の超音波送受信器を管路に設置させ、これらを交互に超音波送信器、超音波受信器として作動させれば、測定原理的には従来からの円環状超音波振動子を利用したものと同様に、流量を測定する事ができる。

【0025】

本発明は上記のものに限定されず、その技術思想の範囲内で適宜改変が可能である。例えば、上記超音波振動子とクッション材との接着に使う粘着性両面テープは、半円状振動子のカミ合せ調整の後、加熱して硬化できる粘着材を用いることもできる。

【産業上の利用可能性】

【0026】

本発明の超音波流量検出器を用いると、既設の２ｍｍから１０ｍｍ径の細い配管やチューブを外側から挟み込んで流量測定ができ、内部の流体に一切接触しないので、特に汚染を嫌う食品飲料、医療用の液体移送ラインに広く適用できる。

【符号の説明】

【0027】

１ 測定管体
２，３ 超音波送受信器
２１，２２，３１，３２ 半円状振動子
４１，４２，５１，５２ 粘着性両面テープ
６１，６２ クッション材
７１，７２ 半円形円筒ケース
８ 粘着テープ
９１，９２ 帯状ホース締付け金具
１１ 切替えスイッチ
１２ 切替えスイッチ制御部
１３ 電気パルス励起部
１４ 信号増幅部
１５ 測定・演算部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】