JP2004205369A - 超音波式渦流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、流量計本体及び渦発生体を伝搬した漏洩超音波が受信されることを課題とする。
【解決手段】超音波式渦流量計１０の駆動回路４４は、一定周期の駆動信号を出力する発振回路４５と、発振回路４５から出力された駆動信号を反転させて逆位相の駆動信号を出力するインバータ４６とを有する。一対の送信側超音波センサ３０，３２には、夫々逆位相の駆動信号が駆動回路４４から入力されており、発振回路４６からの駆動信号により振動して通路１８，２０内の流体中に逆位相の超音波を送信する。渦発生体１６の内部を貫通する通路１８，２０内を伝搬した超音波は、受信側超音波センサ３４，３６に受信される。一対の送信側超音波センサ３０，３２から逆位相の超音波が送信されるため、流量計本体１４及び渦発生体１６を伝搬した漏洩超音波をキャンセルすることが可能になり、しかもインバータ４６を設けるだけなので、構成が複雑化するおそれもない。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波式渦流量計に係り、特に被測流体中に超音波を送信して渦発生体の下流に発生するカルマン渦を検出して被測流体の流量を測定する超音波式渦流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、従来の超音波式渦流量計では、被測流体が流れる流路内に流れ方向と直交する方向に延在形成された渦発生体を設け、渦発生体の下流には１組または２組の超音波センサを設けて渦発生体の下流に発生するカルマン渦を検出するように構成されている。１組の超音波センサは、互いに対向するように流路内に設けられており、一方が超音波を送信する送信側であり、他方が被測流体中を伝搬した超音波を受信する受信側となる。
【０００３】
この種の超音波式渦流量計では、流路中に流速に比例して交番的に発生するカルマン渦の中を伝搬して受信された超音波の受信信号と、送信側に供給される超音波の送信信号とを位相比較することで超音波がカルマン渦から受けるドップラー効果を正弦波的な位相変調量として検出している。
【０００４】
また、２組の超音波センサを用いた超音波式渦流量計では、カルマン渦の流れに対して相対的な相反する方向から流体を伝搬した２つの超音波信号同士を位相比較することにより、被測流体の音速変化の影響をキャンセルしてカルマン渦から受ける位相変化のみを抽出するように構成されている。
【０００５】
上記のように構成された従来の超音波式渦流量計では、理論的には超音波がカルマン渦から受けるドップラー効果を位相変化として抽出する構成であるため、被測流体の種類によらずカルマン渦を検出することができる。
【０００６】
ところが、上記のように被測流体が流れる管路に超音波センサを設ける超音波式渦流量計においては、送信側超音波センサから送信された超音波が流量計本体（管路）や渦発生体にも漏洩超音波として伝達されてしまい、受信側超音波センサには被測流体を伝搬した超音波と、管路を伝搬した信号とが合成された合成信号を受信することになる。
【０００７】
そのため、上記合成信号を受信して流量パルスを生成する過程で管路を伝搬した漏洩超音波がノイズとなって検出されることになり、計測精度の低下を引き起こしたり，低流量検出感度が悪化したりする。
【０００８】
このような問題を解消する手段としては、例えば、以下に挙げる特許文献１〜３に開示されたものがある。
▲１▼ 管路の流体中の超音波伝搬経路から外れた部分に、管路を介して超音波送信器から伝搬される超音波を受信する超音波センサを設け、超音波受信器と復調器との間に超音波センサの出力信号を超音波受信器で受信された合成信号から減算する減算器を設けたものである。
【０００９】
この減算器が出力信号を合成信号から減算して流体中の超音波伝搬経路を通過した超音波に対応する信号を復調器に出力するので、管路を伝搬して超音波受信器に受信される超音波の影響を受けることがなくなって計測精度を向上できる（例えば、特許文献１参照）。
▲２▼ 流量計本体に、内部を貫通する通路を有する一対の柱状部材からなる渦発生体を流路に形成する。一対の柱状部材を軸方向に延在するように形成し、柱状部材間には僅かな隙間を設ける。そして、一対の柱状部材の外周側端部には、超音波発信器および超音波受信器が設けられている。
【００１０】
超音波発信器から柱状部材に伝搬した漏洩超音波（ノイズ）は、隙間により遮断され柱状部材に伝わらないので、超音波受信器の受信信号のＳ／Ｎ比が向上する（例えば、特許文献２参照）。
尚、超音波センサのＳ／Ｎ比が悪化するとは、受信される超音波のうち流体中を伝搬してカルマン渦から位相変調を受けた超音波に対し、変調を受けずに本体中を伝搬した漏洩超音波の比率が高くなることをいう。
【００１１】
また、超音波センサのＳ／Ｎ比の悪化により引き起こされる現象としては、以下の（ａ）（ｂ）がある。
（ａ）カルマン渦により変調を受けた流量信号の振幅値が小さくなり回路上の検出限界値を下回るおそれがある。特に低流量時は、カルマン渦による変調が小さいのでパルスの欠落等が発生し、低流量検出感度の悪化を引き起こすおそれがある。
（ｂ）Ｓ／Ｎ比の状態によっては、流量信号が不安定になり精度低下や計測不能状態となる。
▲３▼ 流量計本体の流路を横切るように設けた渦発生体内に計測通路を形成して孔によって流路に連通させる。渦発生体の両端部には、計測通路をはさんで互いに対向する一対の超音波送受信器が設けられている。
【００１２】
超音波送受信器のセンサホルダの円筒部を結合部によって溶接した分割構造とする。そして、センサホルダの円筒部を伝搬する超音波は、結合部の境界面によって反射、減衰されるので、渦発生体および流量計本体を伝搬する漏洩超音波（ノイズ）が低減されて、Ｓ／Ｎ比が向上する（例えば、特許文献３参照）。
【００１３】
【特許文献１】
特開平７−１９０８１６号公報
【００１４】
【特許文献２】
特開平７−２４３８８２号公報
【００１５】
【特許文献３】
特開２０００−１８０２２７号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記▲１▼では、超音波振動センサの出力信号を超音波受信器で受信された合成信号から減算する減算器を設ける構成であるので、演算処理が複雑化するという問題がある。
【００１７】
また、上記▲２▼では、渦発生体が微小な隙間を介して突き合わされた一対の柱状部材からなるため、超音波発信器からの振動が渦発生体を伝搬することを防止できるものの管路を伝搬して超音波受信器に受信されることを防止できない。
【００１８】
また、上記▲３▼では、超音波送受信器を保持するセンサホルダの円筒部を結合部によって溶接したため、センサホルダの円筒部を伝搬する超音波が、結合部の境界面によって反射、減衰される構成であるが、管路への伝搬を無くすことができず、しかも構成が複雑化している。
そこで、本発明は、上記課題を解決した超音波式渦流量計を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は以下のような特徴を有する。
上記請求項１記載の発明は、送信駆動部が、一対の超音波送信器の一方に第１の送信信号を供給すると共に、一対の超音波送信器の他方に第１の送信信号とほぼ逆位相となる第２の送信信号を供給するものであり、管路を伝搬する漏洩超音波をキャンセルすることができるので、計測精度を高められる。
【００２０】
上記請求項２記載の発明によれば、送信駆動部が、所定周期の第１の送信信号を生成する第１の駆動部と、第１の送信信号を反転させてほぼ逆位相となる第２の送信信号を生成する第２の駆動部と、を有するものであり、比較的簡単な回路構成により請求項１の作用効果を実現しうる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明になる超音波式渦流量計の一実施例の回路構成を示すブロック図である。また、図２は超音波式渦流量計の横断面図である。
【００２３】
図１及び図２に示されるように、超音波式渦流量計１０は、被測流体としての気体（ガス）が流れる流路１２を有し管路を形成する流量計本体１４と、流量計本体１４の流路１２内で被測流体の流れ方向（図２中矢印で示す）と直交する垂直方向に延在する渦発生体１６とを有する。この渦発生体１６は、上方からみると水平方向の断面が概略五角形になっている。
【００２４】
そして、上流側に対向する渦発生体１６の正面１６ａに被測流体が衝突しながら下流側へ流れる過程において、カルマン渦が渦発生体１６の下流側左右で交互に発生する。このカルマン渦が発生する周波数が被測流体の流速に比例しているため、被測流体中に発生するカルマン渦の数を検出することにより被測流体の流速を求めることができ、あらかじめ入力された口径から流量を算出する。
【００２５】
渦発生体１６は、長手方向に延在する一対の通路１８，２０が超音波伝搬経路として貫通している。この通路１８，２０は、夫々渦発生体１６の下流側に形成された斜辺１６ｂ，１６ｃに開口する第１乃至第４の圧力導入路２２，２４，２６，２８と連通されている。尚、各圧力導入路２２，２４，２６，２８は、夫々渦発生体１６の長手方向（高さ方向）にずらしてあり、夫々が互いに交差しないように設けられている。
【００２６】
第１の圧力導入路２２は、一端が斜辺１６ｂに開口し、他端が通路１８に連通されている。また、第２の圧力導入路２４は、一端が斜辺１６ｃに開口し、他端が通路２０に連通されている。また、第３の圧力導入路２６は、一端が斜辺１６ｂに開口し、他端が通路２０に連通されている。また、第４の圧力導入路２８は、一端が斜辺１６ｃに開口し、他端が通路１８に連通されている。
【００２７】
従って、渦発生体１６の下流を流れる被測流体中にカルマン渦が発生したとき、カルマン渦の発生に伴う圧力変化により渦発生体１６の左右両側で圧力差が生じ、この圧力差によって通路１８，２０内に被測流体の流れが生じる。すなわち、通路１８，２０内においては、カルマン渦の発生と同じ周期で交互に逆向きの流れが生じる。
【００２８】
渦発生体１６の上端には、一対の送信側超音波センサ（超音波送信器）３０，３２を保持する保持部材３８が設けられている。また、渦発生体１６の下端には、一対の受信側超音波センサ（超音波受信器）３４，３６を保持する保持部材４０が設けられている。各超音波センサ３０，３２，３４，３６は、保持部材３８，４０に設けられた取付孔３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂに挿入される。
【００２９】
尚、超音波センサ３０，３２，３４，３６は、図１において、左右対称となる位置に設けられている。すなわち、左側に配置された送信側超音波センサ３０と受信側超音波センサ３４との離間距離と、右側に配置された送信側超音波センサ３２と受信側超音波センサ３６との離間距離とが同一になるように配置されている。
【００３０】
各超音波センサ３０，３２，３４，３６が挿入される取付孔３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂは、通路１８，２０の上端開口及び下端開口に連通している。送信側超音波センサ３０，３２から送信された超音波は、通路１８，２０内の流体中を伝搬して受信側超音波センサ３４，３６で受信される。その際、通路１８，２０内を伝搬する超音波は、カルマン渦の発生に伴う渦発生体１６の左右両側の圧力差によって通路１８，２０内を流れる被測流体の流速により変調される。そのため、受信側超音波センサ３４，３６から出力された検出信号を復調してカルマン渦の発生周波数を検出し、この周波数に基づいて流路１２内を流れる被測流体の流量を計測することができる。
【００３１】
図１に示されるように、一対の送信側超音波センサ３０，３２は、駆動回路４４から出力された駆動信号により一定周期の超音波を送信する。駆動回路４４は、一定周期の駆動信号（第1の送信信号）を出力する発振回路（第1の駆動部）４５と、発振回路４５から出力された駆動信号を反転させて逆位相（位相差１８０度）の駆動信号（第２の送信信号）を出力するインバータ（第２の駆動部）４６とを有する。
【００３２】
一方の送信側超音波センサ３０には、インバータ４６から出力された駆動信号が供給され、同時に他方の送信側超音波センサ３２には、発振回路４５から出力された駆動信号が供給される。
【００３３】
このように、一対の送信側超音波センサ３０，３２には、夫々逆位相の駆動信号が駆動回路４４から入力されており、発振回路４６からの駆動信号により振動して通路１８，２０内の流体中に逆位相の超音波を送信する。
【００３４】
そして、渦発生体１６の内部を貫通する通路１８，２０内を伝搬した超音波は、受信側超音波センサ３４，３６に受信される。
【００３５】
このように、一対の送信側超音波センサ３０，３２から逆位相の超音波が送信されるため、後述するように流量計本体１４を伝搬した漏洩超音波をキャンセルすることが可能になり、しかもインバータ４６を設けるだけなので、構成が複雑化するおそれもない。
【００３６】
そのため、受信側超音波センサ３４，３６で受信される超音波信号は、送信側超音波センサ３０，３２から受信側超音波センサ３４，３６に通路１８，２０内を伝搬してきた超音波のみが受信されるようになっている。また、受信側超音波センサ３４，３６は、流量を演算する演算部４７に接続されている。
【００３７】
演算部４７は、受信増幅回路４８，５０、波形整形回路５２，５４、位相比較回路５６、流量演算部６０を有する。そして、流量演算部６０では、受信側超音波センサ３４，３６から出力された受信信号の位相差から得られたカルマン渦の周波数に基づいて流路１２を流れる被測流体の流量を演算する。
【００３８】
ここで、送信側超音波センサ３０，３２から送信された超音波の伝搬経路について説明する。
【００３９】
図３は送信側超音波センサ３０，３２の取付構造を拡大して示す縦断面図である。
【００４０】
図３に示されるように、送信側超音波センサ３０，３２は、圧電素子６１と、圧電素子６１を保持するセンサホルダ６２とからなる。圧電素子６１は、センサホルダ６２の円筒部６２ａの内部６２ｂに収納されている。
【００４１】
センサホルダ６２は、円筒部６２ａの底面が振動板６２ｃになっており、振動板６２ｃが通路１８，２０に対向するように取り付けられる。従って、送信側超音波センサ３０，３２の圧電素子６１に一定周期の駆動信号が供給されると、振動板６２ｃを加振して通路１８，２０に向けて超音波を送信する。
【００４２】
また、センサホルダ６２は、保持部材３８，４０の取付孔３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂに挿入されるため、円筒部６２ａの外周に取付孔３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂとの間をシールするシール部材（Ｏリング）６４が装着されている。また、円筒部６２ａの上端から半径方向に突出する鍔部６２ｄには、保持部材３８，４０の端面との間をシールするシール部材（Ｏリング）６６が装着されている。
【００４３】
従って、センサホルダ６２は、シール部材６４，６６を介してフローティングされており、保持部材３８，４０と直接的に接触しないように取り付けられている。しかしながら、シール部材６４，６６が低温により硬化すると、圧電素子６１の加振力がセンサホルダ６２及びシール部材６４，６６を介して保持部材３８，４０に伝搬し、音波漏洩が生じる。
【００４４】
このような音波漏洩が生じた場合、送信側超音波センサ３０，３２から送信された超音波は、３方向に分散して伝搬する。すなわち、超音波の第１の伝搬経路３０ａ，３２ａは、振動板６２ｃを介して通路１８，２０に向けて超音波を伝搬させ、カルマン渦により位相変調を受けた超音波の伝搬経路である。超音波の第２の伝搬経路３０ｂ，３２ｂは、保持部材３８を介して流量計本体１４に沿って反時計回りを伝搬する漏洩超音波伝搬経路である。そして、超音波の第３の伝搬経路３０ｃ，３２ｃは、保持部材３８を介して流量計本体１４に沿って時計回りを伝搬する漏洩超音波伝搬経路である。
【００４５】
図４は送信側超音波センサ３０，３２から送信された超音波の伝搬経路を説明するための縦断面図である。
【００４６】
図４に示されるように、第１の伝搬経路３０ａ，３２ａの超音波は、圧電素子６１が駆動されて振動板６２ｃが振動することにより、通路１８，２０内の流体中を伝搬して受信側超音波センサ３４，３６で受信される。
【００４７】
一方、保持部材３８を介して流量計本体１４に沿って反時計回りを伝搬する第２の伝搬経路３０ｂ，３２ｂ、及び保持部材３８を介して流量計本体１４に沿って時計回りを伝搬する第３の伝搬経路３０ｃ，３２ｃの超音波のうち保持部材３８を介して渦発生体１６に伝搬する超音波の第２の伝搬経路３２ｂと第３の伝搬経路３０ｃとが互いに逆位相の信号であるので、第２の伝搬経路３２ｂと第３の伝搬経路３０ｃとの距離が同一となる保持部材３８の中間位置でキャンセルされる。
【００４８】
また、保持部材３８を介して流量計本体（管路）１４の周方向に伝搬する超音波の第２の伝搬経路３２ｂと第３の伝搬経路３０ｃとは、略同一距離となるように設けられている。そのため、保持部材３８を介して流量計本体（管路）１４の周方向に伝搬する超音波の第２の伝搬経路３２ｂと第３の伝搬経路３０ｃとが受信側の保持部材４０において、１８０度の位相差で伝搬されるため、第２の伝搬経路３２ｂと第３の伝搬経路３０ｃとを伝搬した漏洩超音波がキャンセルされる。
【００４９】
ここで、漏洩超音波の伝搬強度を比較すると、流量計本体（管路）１４の周方向に伝搬する漏洩超音波よりも渦発生体１６に伝搬する漏洩超音波の方が強い。すなわち、流量計本体（管路）１４の周方向に伝搬する漏洩超音波は、伝搬経路が複雑、且つ広大であるので、伝搬途中の接合部などで拡散が起こりやすく、減衰する割合が高い。
【００５０】
これに対し、保持部材３８を介して渦発生体１６に伝搬する漏洩超音波は、伝搬距離が短く、渦発生体１６内部で反射しながら伝搬するので、減衰する割合が低く、受信信号のＳ／Ｎ比に与える影響が大きい。尚、Ｓ／Ｎ比の影響としては、低流量時、カルマン渦による変調が小さいのでパルスの欠落等が発生し、低流量検出感度の悪化を引き起こしたり、あるいは、流量信号が不安定になり精度低下や計測不能となる。
【００５１】
そのため、保持部材３８を介して渦発生体１６に伝搬する漏洩超音波の第２の伝搬経路３２ｂと第３の伝搬経路３０ｃとをキャンセルすることが重要である。
【００５２】
図５は保持部材３８及び流量計本体１４に伝搬する第２の伝搬経路と第３の伝搬経路の両信号がキャンセルされることを示す波形図である。
【００５３】
図５に示されるように、送信側超音波センサ３２に発振回路４５からの送信信号が供給されると共に、送信側超音波センサ３０に発振回路４５からの送信信号をインバータ４６で反転させた逆位相の送信信号が供給されるため、第２の伝搬経路３０ｂ，３２ｂの超音波Ｉと第３の伝搬経路３０ｃ，３２ｃの超音波IIとは、逆位相の波形となり、逆位相の両信号を合成した合成信号IIIの最大振幅が殆どゼロに近い数値になることが分かる。
【００５４】
従って、第１の伝搬経路３０ａ，３２ａの超音波を除く第２の伝搬経路３０ｂ，３２ｂの超音波Ｉと第３の伝搬経路３０ｃ，３２ｃの超音波IIとがキャンセルされることにより、受信側超音波センサ３４，３６では、通路１８，２０内の流体中を伝搬する第１の伝搬経路３０ａ，３２ａの超音波のみが受信される。
【００５５】
このように、保持部材３８及び流量計本体１４に伝搬する２方向の漏洩超音波がキャンセルされることにより、受信信号に重畳されるノイズを減少させて流量計測精度が向上する。
【００５６】
また、本実施例の超音波式渦流量計１０では、低温によりセンサホルダ６２のシール部材６４，６６が硬化して漏洩超音波が大きくなったとしても、前述の通り当該漏洩超音波はキャンセルされる。このため、低温領域での流量計測精度を確保することができるので、比較的気温の低い寒冷地、あるいは冷蔵施設などの低温環境下でも被測流体の流量を正確に計測することができる。
【００５７】
なお、上記実施例では、一対の送信側超音波センサ３０，３２それぞれより出力されるそれぞれの超音波を逆位相（位相差１８０度）とすることにより漏洩超音波をキャンセルするようにしているが、本発明は完全に逆位相にする場合に限るものではなく、例えば一対の送信側超音波センサ３０，３２のうち一の送信側超音波センサより発信される超音波に対して他の送信側超音波センサより発信される超音波の位相を１８０度から所定の範囲でずらすようにしても漏洩超音波をキャンセルできるのであれば、そのようにしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、送信駆動部が、一対の超音波送信器の一方に第１の送信信号を供給すると共に、一対の超音波送信器の他方に第１の送信信号とほぼ逆位相となる第２の送信信号を供給するため、管路及び渦発生体を伝搬する漏洩超音波をキャンセルすることができ、計測精度を高められる。
【００５９】
上記請求項２記載の発明によれば、送信駆動部が、所定周期の第１の送信信号を生成する第１の駆動部と、第１の送信信号を反転させてほぼ逆位相となる第２の送信信号を生成する第２の駆動部と、を有するため、比較的簡単な回路構成により請求項１の作用効果を実現しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる超音波式渦流量計の一実施例の回路構成を示すブロック図である。
【図２】本発明になる超音波式渦流量計の一実施例の横断面図である。
【図３】送信側超音波センサ３０，３２の取付構造を拡大して示す縦断面図である。
【図４】送信側超音波センサ３０，３２から送信された超音波の伝搬経路を説明するための縦断面図である。
【図５】保持部材３８及び流量計本体１４に伝搬する第２の伝搬経路と第３の伝搬経路の両信号がキャンセルされることを示す波形図である。
【符号の説明】
１０ 超音波式渦流量計
１２ 流路
１４ 流量計本体
１６ 渦発生体
１８，２０ 通路
２２，２４，２６，２８ 圧力導入路
３０，３２ 送信側超音波センサ
３４，３６ 受信側超音波センサ
３８，４０ 保持部材
４４ 駆動回路
４５ 発振回路
４６ インバータ
４７ 演算部
４８，５０ 受信増幅回路
５２，５４ 波形整形回路
５６ 位相比較回路
６０ 流量演算部
６１ 圧電素子
６２ センサホルダ
６４，６６ シール部材

Claims (2)

1. 被測流体としてのガスが流れるガス流路が形成された流量計本体と、
   前記ガス流路内に流れ方向と直交するように設けられた渦発生体と、
   所定周期の送信信号を生成する送信駆動部と、
   該送信駆動部からの送信信号により超音波を送信する一対の超音波送信器と、
   該一対の超音波送信器から送信された超音波を受信する一対の超音波受信器と、
   該一対の超音波受信器で受信された受信信号と前記一対の超音波送信器に供給された送信信号との位相差から前記渦発生体の下流に発生するカルマン渦の周期を検出し流量信号を出力する演算部と、
   を備えてなる超音波式渦流量計において、
   前記送信駆動部は、前記一対の超音波送信器の一方に第１の送信信号を供給すると共に、前記一対の超音波送信器の他方に前記第１の送信信号とほぼ逆位相となる第２の送信信号を供給することを特徴とする超音波式渦流量計。
2. 前記送信駆動部は、所定周期の第１の送信信号を生成する第１の駆動部と、前記第１の送信信号を反転させてほぼ逆位相となる第２の送信信号を生成する第２の駆動部と、を有することを特徴とする請求項1記載の超音波式渦流量計。

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