JP2000193503A

JP2000193503A - 流量計

Info

Publication number: JP2000193503A
Application number: JP10373196A
Authority: JP
Inventors: Koichi Tashiro; 耕一田代
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Tokico Ltd
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2000-07-14

Abstract

(57)【要約】【課題】２組の超音波センサを有して構造の簡略化を
図ることができる流量計を提供する。【解決手段】管２に形成した一対の孔２１には、ステ
ンレス等の金属材料または樹脂材料製の有底円筒状のセ
ンサホルダ４が挿入し、一対のセンサホルダ４に、４つ
の超音波素子２４からなる第１、第２の超音波センサ７
Ａ，７Ｂを設けた。管２に設けた一対のセンサホルダ４
に、カルマン渦を介して超音波の送・受信を行う２組、
計４個の超音波素子２４を設けており、センサホルダ４
及びセンサホルダ４取付用の孔２１を４つ必要とした従
来技術に比して、センサホルダ４及びセンサホルダ４取
付用の孔２１が各２つで済むことになり、簡易な構造に
なると共に、部品数が減ること等に伴い組付性ひいては
生産性の向上を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量を計測
する流量計に係り、特に超音波センサを用いた流量計に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の流量計として超音波渦流量計を例
に説明する。超音波渦流量計は、一般に渦発生体の後方
に発生するカルマン渦中に超音波を伝搬させ、超音波が
カルマン渦から受ける位相変調を、位相比較器（復調
器）が検出して、流速（流量）に比例するカルマン渦の
発生周波数を求め、流量を計測するようにしている。そ
して、このような超音波渦流量計では、被測定流体が流
れる管と、該管内に設けられて下流側にカルマン渦を発
生させる渦発生体と、前記カルマン渦発生領域を間にし
て前記管に設けられた一対の容器と、該一対の容器に設
けられて前記カルマン渦を介して超音波の送・受信を行
う一対の超音波素子（以下、超音波センサという。）
と、を備えたものがある。

【０００３】ここで、上述したように超音波の位相変調
を位相比較器が検出しカルマン渦の発生周波数を求める
方法では、被測定流体の温度変化等の外的要因によって
流体中の超音波の音速変化により位相が大きく変化した
場合でも位相比較器の位相復調範囲を越えないようにす
る必要がある。

【０００４】このような対策を施した従来技術の他の例
として、図６に示すものがある。図６に示す超音波渦流
量計１は、被測定流体が流れる管２と、管２内に設けら
れて下流側にカルマン渦を発生させる渦発生体３と、カ
ルマン渦発生領域を間にして対向して前記管２に設けら
れる４個のセンサホルダ４と、４個のセンサホルダ４の
底面部（振動板部）５に載置されカルマン渦を介した超
音波の送信または受信を行う円板状の圧電素子６とを備
えている。図６上側の２個の圧電素子６が送信器、図６
下側の圧電素子６が受信器として用いられている。図６
左上、右下の圧電素子６及び図６右上、左下の圧電素子
６がそれぞれ対をなして超音波センサ（以下、それぞ
れ、第１、第２の超音波センサという。）７Ａ，７Ｂを
構成している。

【０００５】第１、第２の超音波センサ７Ａ，７Ｂの送
信器には発振器８が接続されており、送信器を駆動して
超音波を送信させるようにしている。第１、第２の超音
波センサ７Ａ，７Ｂの受信器には増幅器９を介して位相
比較器１０が接続されており、第１、第２の超音波セン
サ７Ａ，７Ｂの受信器からの受信超音波信号を位相比較
してカルマン渦に同期した渦信号を出力する。位相比較
器１０には、フィルタ回路１１を介して演算回路１２が
接続されており、渦信号を流量に相当する周波数のパル
ス信号にし、このパルス信号を出力端子１３を介して図
示しない外部回路（表示部、プリント部等）に入力す
る。この超音波渦流量計１では、第１、第２の超音波セ
ンサ７Ａ，７Ｂを、その各超音波伝搬路がカルマン渦発
生領域で交差するように配置し（いわゆるクロスセンシ
ング）第１、第２の超音波センサ７Ａ，７Ｂの受信器か
らの受信超音波信号を互いに位相比較することにより、
位相比較器１０に入力される受信超音波信号の位相差が
位相比較器１０の位相復調範囲を越えない（温度変化等
の外的要因により発生する音速変化の影響をキャンセル
する）ようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図６に示す
従来技術の超音波渦流量計１では、第１、第２の超音波
センサ７Ａ，７Ｂを有していること等により、上述した
一つの超音波センサを備えたタイプの従来技術に比し
て、構造が複雑化しており、その簡略化を図ることが望
まれていた。本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、２組の超音波センサを有して構造の簡略化を図るこ
とができる流量計を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
被測定流体が流れる流路を有する管と、前記流路を間に
して相対向するように前記管に配設される一対の容器
と、該一対の容器のうちの一方に収納される２つの超音
波送信器と、他方の容器に収納される前記各超音波送信
器と対をなす２つの超音波受信器と、を備えたことを特
徴とする。請求項２記載の発明は、被測定流体が流れる
流路を有する管と、前記流路を間にして相対向するよう
に前記管に配設される一対の容器と、該一対の容器のう
ちの一方に収納される第１の超音波送信器及び第２の超
音波受信器と、他方の容器に収納され前記第１の超音波
送信器と対をなす第１の超音波受信器及び前記第２の超
音波受信器と対をなす第２の超音波送信器と、を備えた
ことを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態の超
音波渦流量計１を図１ないし図５に基づいて説明する。
図１ないし図３において、超音波渦流量計１は、被測定
流体が流れる管２と、この管２に形成された流路に直交
するように設けられ下流側にカルマン渦を発生させる渦
発生体３とを有している。渦発生体３は管２に一体成形
により形成されている。なお、渦発生体３は管２と別体
で構成してもよい。管２は、筒状の管本体１４と、管本
体１４の両端部に形成されたフランジ１５とからなり、
フランジ１５には、図示しない取付用ボルト等の取付部
材が挿入される孔１６が形成されている。

【０００９】図２及び図５に示すように、管２に形成さ
れた流路１７の両開口部は円形で、中央部側になるに従
い口径が絞り込まれている（以下、当該部分を絞り込み
流路１８という）。流路１７におけるこの両絞り込み流
路１８に連接する部分（両絞り込み流路１８の間の部
分）は、その断面が変形楕円形状〔渦発生体３の形成部
分（渦発生体３の立上り部分、図１上側、下側）が直線
状で、図１左右側が円弧状〕となっており、流路１７の
両開口部に比して流路面積が小さくなっている（以下、
当該部分を変形楕円状流路１９といい、この変形楕円状
流路１９の断面が直線状の部分を平坦部２０とい
う。）。この平坦部２０の幅寸法（図１左右方向の寸
法、図２紙面表裏方向の寸法）は所定値に設定されてい
る。前記渦発生体３はこの変形楕円状流路１９の平坦部
２０に立上り形成されている。

【００１０】前記カルマン渦発生領域に臨む管２の平坦
部２０を形成した部分には、図３に示すように変形楕円
状流路１９に連通する一対の円形の孔２１が形成されて
いる。一対の孔２１は平坦部２０の幅寸法ｎに比して内
径（ｍ）が大きい値に設定されており、両値の差分値に
相当する長さの部分が前記平坦部２０を形成した部分に
残されており、当該部分（以下、ホルダ載置部という）
２２に後述するセンサホルダ４（容器）が載置されるよ
うになっている。

【００１１】前記一対の孔２１には、ステンレス等の金
属材料または樹脂材料製の有底円筒状のセンサホルダ４
が挿入され、その底部（振動板部５）をカルマン渦発生
領域に臨ませてホルダ載置部２２に載置されている。セ
ンサホルダ４は図示しないねじ等の固定手段により管２
に固定されている。センサホルダ４の振動板部５の中央
部分の下面部は、図２に示すように前記平坦部２０と面
一状態になっている。センサホルダ４の周壁部２３と管
２との間には図示しないシール部材が介装されており、
流体の漏れを防止するようにしている。

【００１２】センサホルダ４の周壁部２３には後述する
超音波素子２４に接続したＰＴＦＥ線やウレタン線等の
リード線２５を挿通するパイプ２６が取り付けられてい
る。センサホルダ４の開口部には蓋２７が挿入され溶接
またはねじ込み等によりセンサホルダ４内を密閉させた
状態で固定されている。センサホルダ４の振動板部５の
中央部には図３に示すようにスリット２８（凹溝）が形
成されている。センサホルダ４の振動板部５にはスリッ
ト２８を間にして、図４に示すようにアクリル等の樹脂
材料からなる断面が略三角形状（頂角が角度φ₁ ）の一
対のくさび２９が頂角を周壁部２３側にしてシリコン接
着剤やエポキシ樹脂等の音響接合剤３０を用いて固定さ
れている。

【００１３】一対のくさび２９の上面部には、前記超音
波素子２４が音響接合剤３０を用いて固定されている。
超音波素子２４は、所定の大きさの円板状（所定の厚さ
で所定の直径）をなし、かつ圧電素子または磁歪素子等
から構成されており超音波の送・受信機能を有してい
る。

【００１４】図１上側の２個の超音波素子２４にはリー
ド線２５を介して発振器８が接続されていて送信器とし
て用いられる。図１上側の２個の超音波素子２４（以
下、適宜、送信器２４ａ，２４ｂという）から放射され
た超音波がカルマン渦を介して図１下側の２個の超音波
素子２４に受信されるようになっており、本実施の形態
では図１下側の２個の超音波素子２４が受信器として用
いられている。以下、図１下側の２個の超音波素子２４
を、適宜、受信器２４ｃ，２４ｄという。また、本実施
の形態では、図１左上、右下の超音波素子２４及び図１
右上、左下の超音波素子２４がそれぞれ対をなして超音
波センサ（以下、それぞれ、第１、第２の超音波センサ
７Ａ，７Ｂという。）を構成している。第１、第２の超
音波センサ７Ａ，７Ｂにより２つの超音波伝搬路（ＰＡ
ＳＳライン）Ｄが形成されることになる。そして、この
２つの超音波伝搬路Ｄはカルマン渦発生領域で直交する
ようになっている。

【００１５】第１、第２の超音波センサ７Ａ，７Ｂの受
信器２４ｃ，２４ｄには増幅器９を介して位相比較器１
０が接続されており、第１、第２の超音波センサ７Ａ，
７Ｂの受信器２４ｃ，２４ｄからの受信超音波信号を位
相比較してカルマン渦に同期した渦信号を出力する。位
相比較器１０には、フィルタ回路１１を介して演算回路
１２が接続されており、渦信号を流量に相当する周波数
のパルス信号にし、このパルス信号を出力端子１３を介
して図示しない外部回路（表示部、プリント部等）に入
力する。

【００１６】前記第１、第２の超音波センサ７Ａ，７Ｂ
の送信器２４ａ，２４ｂは、発振器８からの駆動信号に
より厚みたて方向に振動して（厚みたて振動して）、超
音波を発生する。この超音波は図４及び次式（１）で示
されるスネルの法則に従って、くさび２９、振動板部５
に伝達され、振動板部５から流体中に発射される。

【００１７】Ｃ₁ ／sin φ₁ ＝Ｃ₂ ／sin φ₂ ＝Ｃ₁ ／sin θ … … （１）但し、Ｃ₁ ：くさび２９中の音速、Ｃ₂ ：センサホルダ
４中の音速、Ｃ：流路１７を流れる流体中の音速、φ
₂ ：センサホルダ４における屈折角度、θ：管２におけ
る屈折角度

【００１８】第１の超音波センサ７Ａの送信器２４ａか
らの超音波は、カルマン渦で変調されて、その後、スネ
ルの法則に従って、第１の超音波センサ７Ａの受信器２
４ｃに受信される。また、第２の超音波センサ７Ｂの送
信器２４ｂからの超音波は、カルマン渦で変調されて、
その後、スネルの法則に従って、第２の超音波センサ７
Ｂの受信器２４ｄに受信される。

【００１９】上述したように構成した超音波渦流量計１
では、第１、第２の超音波センサ７Ａ，７Ｂの送信器２
４ａ，２４ｂからの超音波がカルマン渦により変調され
て第１、第２の超音波センサ７Ａ，７Ｂの受信器２４
ｃ，２４ｄに受信される。そして、位相比較器１０は、
第１、第２の超音波センサ７Ａ，７Ｂの受信器２４ｃ，
２４ｄが受信した両受信超音波信号に対して位相比較を
行いカルマン渦に同期した渦信号を出力する。この際、
第１、第２の超音波センサ７Ａ，７Ｂの各超音波伝搬路
Ｄ，Ｄがカルマン渦発生領域で交差するように配置され
て（クロスセンシング）おり、第１、第２の超音波セン
サ７Ａ，７Ｂの受信器２４ｃ，２４ｄに受信される超音
波は反対方向に変調される。このため、上記両受信超音
波信号の位相比較信号から求められた渦信号では、温度
変化に伴う音速変調量の影響は相殺されてなくなってし
まう（すなわち、音速変化の影響がキャンセルされる）
一方、カルマン渦による変調量を２倍にして取り出せ、
その分、低流量時の計測感度を向上させることができ
る。

【００２０】また、上述したように構成した超音波渦流
量計１では、管２に設けた２個（一対）のセンサホルダ
４に、第１、第２の超音波センサ７Ａ，７Ｂ（４個の超
音波素子２４）を設けており、センサホルダ４及びセン
サホルダ４取付用の孔を４つ必要とした図６の従来技術
に比して、センサホルダ４及びセンサホルダ４取付用の
孔２１が２つで済むことになり、簡易な構造になると共
に、部品数が減ること等に伴い組付性ひいては生産性の
向上を図ることができる。

【００２１】上述したようにセンサホルダ４の振動板部
５の中央部分の下面部は、前記平坦部２０と面一状態に
なっており、センサホルダ４の振動板部５が流路１７内
に出っ張ってはいない。このため、センサホルダ４を流
路１７に臨ませて設けているものの、センサホルダ４が
流体の流れに乱れを生じさせるようなことがなく、流体
は滑らかに安定して流れることになる。また、渦発生体
３を変形楕円状流路１９の平坦部２０から立ち上げて形
成し渦発生体３を形成した部分が平坦になっているの
で、当該部分で２次元的な安定したカルマン渦を発生す
ることができる。仮に、当該部分が平坦でなく湾曲した
形状であれば、馬蹄状の３次元的な巻き込み状の渦が発
生することがあるが、本実施の形態では上述したように
渦発生体３を立上り形成した部分を平坦としたことによ
り、前記馬蹄状の３次元的な巻き込み状の渦を発生させ
ることがない。

【００２２】渦発生体３を設けた変形楕円状流路１９
は、流路１７の開口部に比して絞り込まれていて流路面
積が小さくなっており、当該変形楕円状流路１９（計測
部分）において流体の流速が速くなるので、低流速域で
の計測感度を向上させることができる。

【００２３】さらに、センサホルダ４を２つとし、２つ
のセンサホルダ４に第１、第２の超音波センサ７Ａ，７
Ｂ（２個の超音波素子２４）を収納しているので、図６
の従来技術に比してセンサホルダ４全体の配置スペース
が少なくて済む。このため、口径が小さい管２であって
も第１、第２の超音波センサ７Ａ，７Ｂを収納する２つ
のセンサホルダ４を設置することが可能になり、口径が
小さい管２を用いて小流量の計測を適切かつ容易に行う
ことができる。

【００２４】すなわち、４つのセンサホルダ４を備えて
いるタイプの従来技術の超音波渦流量計１（図６）にお
いて、管２の口径を小さくした場合、例えば図７に示す
ようにセンサホルダ４同士の寸法干渉（符号Ｋで示す部
分）が生じ、４つのセンサホルダ４ひいては２組の超音
波センサ７Ａ，７Ｂを取り付けられないことが起こり得
る。この場合、センサホルダ４の直径を小さくし寸法干
渉を発生させないようにすることが考えられるが、この
方策では、センサホルダ４に収納される超音波素子２４
（圧電素子６）の直径を小さくしなければならず、これ
に伴い良好な振動特性（単一な厚みたて振動）を得るこ
とができなくなる。これは超音波素子２４の直径を小さ
くすることにより、単一な厚みたて振動を得る（例えば
共振点付近にこの共振点と誤認されるスプリアス共振点
を発生させないようにする）ために、超音波素子２４の
厚さは直径に比して十分小さい〔一般にアスペスト比
（直径／厚さ）を３倍以上とする〕ことが必要とされる
からである。

【００２５】また、このように超音波素子２４の直径を
小さくした場合には、超音波素子２４への電極取り付け
やリード線２５処理（接続等）等の製作上の問題や材料
定数が変動し安定した振動特性を持たせることができな
くなるという問題が新たに惹起することになり、上記方
策（センサホルダ４の直径を小さく）は適切な改善策に
なり得ないものであった。図７中、３１は押えばね、３
２は押え部材である。

【００２６】さらに、２個（一対）のセンサホルダ４
に、第１、第２の超音波センサ７Ａ，７Ｂ（４個の超音
波素子２４）を設けており、４個のセンサホルダ４を設
けた従来技術に比して管２にセンサホルダ４を余裕を持
って配置することが可能になり、センサホルダ４ひいて
は超音波素子２４として形状の小さいものを選択する必
要がなく、汎用品（従来品）を流用でき、これにより良
好な振動特性の維持を図ることができると共に、汎用品
の流用に伴い装置の低廉化を図ることができる。

【００２７】なお、本実施の形態では、くさび２９を設
けた場合を例にしたが、これに代えて、センサホルダ４
の振動板部５を前記くさび２９に沿うように底上げする
ようにしてもよい。上記実施の形態では、第１、第２の
超音波センサ７Ａ，７Ｂの受信器２４ｃ，２４ｄの両受
信超音波信号を位相比較する場合を例にしたが、これに
代えて、第１の超音波センサ７Ａの送・受信器２４ａ，
２４ｃの信号に対する位相比較、または第２の超音波セ
ンサ７Ｂの送・受信器２４ｂ，２４ｄの信号に対する位
相比較を行う超音波渦流量計１に本発明を適用してもよ
い。上記実施の形態では、センサホルダ４が円筒状であ
る場合を例にしたが、これに代えて多角形筒状としても
よい。

【００２８】上記実施の形態ではセンサホルダ４の振動
板部５にスリット２８を設けており、第１、第２の超音
波センサ７Ａ，７Ｂの各超音波が干渉することが抑制さ
れることになる。

【００２９】なお、本実施の形態では、センサホルダ
４，４を渦発生体３の上下方向に設けるようホルダ載置
部を設けることで、渦発生体３と管２との接続部が鋭角
となるのを避け馬蹄渦の影響を受け難くしているが、こ
れに限らずセンサホルダ４，４を渦発生体３の左右方向
に設けるようにしても４個のセンサホルダ４を設けた従
来技術に比して管２にセンサホルダ４を余裕を持って配
置することが可能になり、センサホルダ４ひいては超音
波素子２４として形状の小さいものを選択する必要がな
く、汎用品（従来品）を流用でき、これにより良好な振
動特性の維持を図ることができると共に、汎用品の流用
に伴い装置の低廉化を図ることができる。

【００３０】なお、本実施の形態では、超音波渦流量計
にセンサホルダ４を設けた例を説明したが、これに限ら
ず、超音波流量計や超音波センサを用いた相関式流量計
にセンサホルダ４を設けてもよい。

【００３１】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、２組の超音波セ
ンサのうち一方の送信器と他方の送信器が収納される第
１の容器と、２組の超音波センサのうち一方の受信器と
他方の受信器とが収納される第２の容器とが相対向して
設けられているので、容器及びこの容器取付用の孔を４
つ必要とした従来技術に比して、２組の超音波センサを
有した状態で、容器及びこの容器取付用の孔が各２つで
済むことになり、簡易な構造になると共に、部品数が減
ることに伴い組付性ひいては生産性の向上を図ることが
できる。また、一方の送信器と他方の送信器とを第１の
容器に収納し、一方の受信器と他方の受信器とを第２の
容器に収納することで、一方の超音波センサと他方の超
音波センサの超音波伝播方向が略同方向となるので互い
の超音波が打ち消し合うことで音圧が低下することを防
止できる。

【００３２】請求項２記載の発明は、２組の超音波セン
サのうち一方の送信器と他方の受信器とが収納される第
１の容器と、２組の超音波センサのうち一方の受信器と
他方の送信器とが収納される第２の容器とが相対向して
設けられているので、容器及びこの容器取付用の孔を４
つ必要とした従来技術に比して、２組の超音波センサを
有した状態で、容器及びこの容器取付用の孔が各２つで
済むことになり、簡易な構造になると共に、部品数が減
ることに伴い組付性ひいては生産性の向上を図ることが
できる。また、一方の送信器と他方の受信器とを第１の
容器に収納し、一方の受信器と他方の送信器とを第２の
容器に収納することで、一方の超音波センサと他方の超
音波センサの超音波伝播方向が相対向方向となるので２
種類の超音波を分離して受信することができる。各超音
波の周波数が異なるなど超音波の分離が容易な超音波セ
ンサを用いるとき等には請求項１のように構成し、音圧
の高い超音波センサを用いるとき等には請求項２のよう
に構成することが考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の流量計（超音波渦流量
計）を模式的に示す図である。

【図２】図１の管２及び超音波センサを示す断面図であ
る。

【図３】図１の流量計の超音波伝搬路を模式的に示す断
面図である。

【図４】図１の流量計の超音波の伝搬状態を模式的に示
す断面図である。

【図５】図１の流量計の管を示す側面図である。

【図６】流量計の従来の一例を模式的に示すブロック図
である。

【図７】図６の管の口径を小さくした場合の問題点を模
式的に示す断面図である。

【符号の説明】

１超音波渦流量計２管３渦発生体４センサホルダ（容器）７Ａ，７Ｂ第１、第２の超音波センサ２４超音波素子２４ａ，２４ｃ第１の超音波センサ７Ａの送・受信器２４ｂ，２４ｄ第２の超音波センサ７Ｂの送・受信器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定流体が流れる流路を有する管と、前記流路を間にして相対向するように前記管に配設され
る一対の容器と、該一対の容器のうちの一方に収納される２つの超音波送
信器と、他方の容器に収納される前記各超音波送信器と
対をなす２つの超音波受信器と、を備えたことを特徴と
する流量計。
【請求項２】被測定流体が流れる流路を有する管と、前記流路を間にして相対向するように前記管に配設され
る一対の容器と、該一対の容器のうちの一方に収納される第１の超音波送
信器及び第２の超音波受信器と、他方の容器に収納され
前記第１の超音波送信器と対をなす第１の超音波受信器
及び前記第２の超音波受信器と対をなす第２の超音波送
信器と、を備えたことを特徴とする流量計。