JP2005189003A - Integration system capable of flow rate measurement and bubble detection - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an integrated system capable of measuring a velocity (flow rate) of a fluid flowing in a tube using a vibrator and detecting bubbles in the fluid.
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。 Conventionally, there is a flow rate measurement system that measures the flow rate in a tube using a vibrator such as an ultrasonic vibrator. In this flow measurement system, vibrators are installed at two locations, upstream and downstream, and the time required for the wave to propagate from the upstream side to the downstream side and the time required for propagation from the downstream side to the upstream side. From the time difference between and the propagation distance of the wave, the flow velocity in the tube is measured.
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。 In Patent Document 1, a wave that is obliquely transmitted into the tube using a vibrator that is in contact with the outer wall of the tube in a posture inclined with respect to the axial direction of the tube, and the wave reflected by the inner wall of the tube is another. A configuration in which waves are received by two inclined transducers is disclosed. However, this method has a problem that when the tube is thin, the propagation distance becomes short, so that it is difficult to accurately measure the propagation time shortened thereby.
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。 Patent Document 2 discloses a configuration in which a tube is inserted into a central hole of an annular plate-like vibrator. According to this method, even when the flow rate in a thin tube is measured, the problem of time measurement accuracy that occurs in the method of Patent Document 1 does not occur.
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)。 On the other hand, there is a bubble detection system that detects the presence or absence of bubbles in a fluid in a tube using a vibrator such as an ultrasonic vibrator. In such a bubble detection system, detection of bubbles is performed by utilizing the fact that the signal intensity decreases when ultrasonic waves pass through the bubbles (for example, Patent Document 3).
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。 However, with an annular ultrasonic transducer, it is difficult to bring the inner wall of the center hole and the outer wall of the tube into close contact with each other, and the vibration may be attenuated by a gap or the like, resulting in a decrease in flow rate measurement accuracy. It was. In addition, the annular ultrasonic transducer has a problem that it takes time and effort to manufacture compared to a plate-shaped transducer without holes.
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。 In addition, when using both the flow measurement system and the bubble detection system, it was necessary to prepare them separately for measurement, but if they could be integrated, installation space, measurement effort, cost, etc. There is a big merit in terms of.
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。 The flow measurement and bubble detection system according to the present invention is a plate-like vibration in which an electrode-formed surface is in direct or indirect contact with the outer wall in a posture along the outer wall of the tube to be flow-measured. A pair of child elements, each of which is a pair of plate-like vibrators for flow rate measurement arranged on the upstream side and downstream side of the tube, and a plate-like vibrator forming the above-mentioned pair for flow rate measurement A drive circuit for flow rate measurement that vibrates at one of the wave transmitting elements at a radial or lateral resonance frequency, and an axial plane wave generated in the fluid in the tube by the vibration of the flow rate measuring element. A propagation time acquisition unit that acquires a propagation time until it is detected by the other vibrator, and at least one of the plate-like vibrators and a plate that is disposed opposite to the plate-like vibrator with the tube interposed therebetween Vibrator A bubble detection drive circuit configured to vibrate using one of a pair of bubble-detecting plate-shaped vibrators and a plate-shaped vibrator forming the bubble-detecting pair as a wave-transmitting element; and And a bubble detection unit that detects bubbles based on the result of detection of the wave generated in the fluid in the tube by the vibration of the wave transmission element by the other detection element.
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。 Further, in the system capable of measuring the flow rate and detecting the bubble according to the present invention, it is preferable that the bubble detection drive circuit vibrate the transmitting element at the resonance frequency in the thickness direction.
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。 In the system capable of measuring flow rate and detecting bubbles according to the present invention, it is preferable that the plate-like vibrator is attached to a clamp having a holding portion for holding the tube so as to be detachable.
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。 In the system capable of measuring flow rate and detecting bubbles according to the present invention, it is preferable that the plate-like vibrator has two arms that can be opened and closed and is attached to a clip that sandwiches the tube by the arms. is there.
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。 Moreover, the clamp for a system capable of measuring a flow rate and detecting a bubble according to the present invention has a clamping portion for detachably clamping the tube, and the plate-like vibrator is directly or indirectly attached to the outer wall of the tube. So that they are in contact with each other.
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。 The clip for a system capable of measuring flow rate and detecting bubbles according to the present invention includes two arms for sandwiching the tube, and directly or indirectly abuts the plate-like vibrator on the outer wall of the tube. To hold.
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、
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、
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。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a main configuration of an integrated system 10 capable of both flow rate measurement and bubble detection according to the present embodiment. The integrated system 10 includes a pair of flow rate measurement plate-like vibrators 14 (14u, 14d) provided upstream and downstream of the
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。
The
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。
The two drive circuits /
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。
The propagation
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
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。
Further, the integrated system 10 of FIG. 1 has plate-shaped vibrators 14au and 14ad and
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、
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。
The
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。
As described above, according to the integrated system 10 according to the present embodiment, the
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。
FIG. 2 is a diagram (diameter cross-sectional view) showing a configuration example of the clamp 24 for bringing the
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。
The cross section of the
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。
The front surface (or back surface) of the
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。
The
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。
As described above, the clamp 24 can be attached to and removed from the
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。
FIG. 3 is a view (side view) showing a configuration example of the clip 34 for bringing the
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。
At least one of the two
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。
Each of the
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。
The front surface (or back surface) of the
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。
As described above, the clip 34 can be attached to and removed from the
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。 As described above, according to the system according to the present embodiment, the flow rate of the fluid flowing in a relatively thin tube of about φ6 [mm] or less can be measured with higher accuracy using a smaller vibrator. become able to. Since the vibrator and the drive circuit can be shared for the flow rate measurement and the bubble detection, it is advantageous in terms of installation space, measurement effort, cost, and the like, compared to the case where they are provided separately and not shared.
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。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. For example, in the above-described embodiment, the case where one oscillator is attached to each clip or clamp is illustrated, but the present invention is not limited to this, and a plurality of oscillators may be provided in each clip or clamp. In the above embodiment, the case where the vibrator is brought into contact with the outer wall of the tube via the inner plate is illustrated, but the present invention is not limited to this, and the surface of the vibrator is brought into direct contact with the outer wall of the tube. You may comprise as follows. However, a configuration in which some member such as an inner plate is interposed is advantageous from the viewpoint of protecting the vibrator. In a situation where foreign matter may be mixed in the tube, foreign matter can also be detected with the same or modified configuration. Further, the drive circuit for measuring flow rate and the drive circuit for detecting bubbles may be integrated into one drive circuit.
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。 10 Integrated system capable of flow rate measurement and bubble detection, 12 tube, 14 (14u, 14d) vibrator, 14a electrode, 16 drive circuit / detection circuit, 18 control unit, 20 propagation time acquisition unit, 22 flow rate calculation unit, 24 Clamp, 26 Inner plate, 28 Main body, 30 Outer plate portion, 32 Support plate portion, 34 Clip, 36, 38 Arm, 36a, 38a Stopper, 36b, 38b Inner plate, 36c, 38c Main body, 40 Shaft, 42 Spring, 44 Drive circuit, 46 vibration detection circuit, 48 bubble detection unit.
Claims (6)
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。 A pair of plate-like vibrators in which the surface on which the electrode is formed is in contact with the outer wall in a posture along the outer wall of the tube whose flow rate is to be measured, each of which is upstream of the tube And a pair of plate-like vibrators for flow rate measurement arranged on the downstream side,
A drive circuit for flow measurement that vibrates at a radial or lateral resonance frequency using either one of the plate-like vibrators forming a pair for flow measurement as a transmitting element;
A propagation time acquisition unit for acquiring a propagation time until an axial plane wave generated in the fluid in the tube by the vibration of the flow measuring element for flow rate detection is detected by the other vibrator as a detection element;
A pair of plate-like vibrators for detecting bubbles, comprising at least one of the plate-like vibrators and a plate-like vibrator disposed opposite to the plate-like vibrator with the tube interposed therebetween;
A bubble detection drive circuit that vibrates any one of the pair of plate-like vibrators for detecting the bubble as a wave transmitting element;
A bubble detection unit that detects bubbles based on the result of detection of the wave generated in the fluid in the tube by vibration of the wave detection element for detecting bubbles with the other detection element;
Including flow measurement and bubble detection system.
5. A clip for mounting a vibrator used in the system according to claim 4, comprising two arms for sandwiching the tube, wherein the plate-like vibrator is brought into direct or indirect contact with the outer wall of the tube. A clip characterized by holding on.
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