JP2004347369A - Ultrasonic oscillator and ultrasonic flowmeter - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic flowmeter capable of performing highly precise measurement and detecting anomalies of ultrasonic oscillators which can cause detection errors. <P>SOLUTION: The ultrasonic flowmeter is provided with the first and second ultrasonic oscillators 1 and 2 having cases for housing a piezoelectric element and a piezoelectric element in a sealed state and arranged in such a way as to form a route for ultrasonic waves to propagate in a fluid channel by the transmission and reception of the ultrasonic waves; a measuring part 22 for measuring electric characteristics values of the piezoelectric elements; and an anomaly determination part 23 for determining anomalies of the first and second ultrasonic oscillators. The ultrasonic flowmeter measures the quantity of flow of the fluid through the channel on the basis of the propagation time of the ultrasonic waves. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【００１４】
これらの式から流速Ｖは以下の式で表される。
【００１５】
【数２】

【００１６】
流体の流速Ｖが求まれば、流路１４の断面積と流速Ｖとの積から流量Ｑが求まる。
【００１７】
【非特許文献１】
日本電気計測器工業会規格、ＪＥＭＩＳ ５０３２「超音波による流量測定法」（社）日本電気計測工業会、１９８７年
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
一般に計測機器においては、用いる検出素子の特性変化が計測結果に影響を与えるため、検出素子の特性が変化しないことが好ましい。上述の超音波流量計の場合、超音波振動子１および超音波振動子２が接する外気の湿度等が変化すると、超音波振動子１および超音波振動子２の特性が変動するため、図１７に示す超音波の受信信号１９の波形が変化し、ゼロクロスポイントがシフトする。このことは、流体の流速に変化がなくても超音波の伝播時間ｔ１およびｔ２が変動し、計測誤差が生じることを意味する。
【００１９】
このような計測誤差を防止するため、超音波振動子をケースに収納し、ケース内を不活性ガスなどで充填して封止することにより、外気から超音波振動子を遮断することが考えられている。この構造を採用することにより、超音波振動子が外気から隔絶されるため、超音波振動子の耐候性も向上する。また、超音波振動子の防爆性も向上するため、超音波流量計により計測する流体が可燃性を備えている場合でも、好適に用いることができる。つまり超音波流量計の信頼性が向上する。
【００２０】
しかしながら、超音波振動子を収納しているケースの溶接部分に亀裂が生じるなどにより、封止が破れた場合、外気がケース内に流入し、超音波振動子の特性を変化させてしまう。特に、超音波振動子が圧電セラミックを含む場合、多孔質体からなる圧電セラミックが水分を吸収するため、超音波振動子の電気的特性が大幅に変化する可能性がある。また、水分による超音波振動子の電極の腐食が生じ、超音波振動子の劣化や故障を生じる可能性もある。
【００２１】
したがって、従来の超音波流量計を用いてガスメータを作製した場合、超音波振動子を収納しているケースに亀裂が入り、封止が破れることにより、ガス流量の計測に多くの誤差が含まれてしまう。また、超音波振動子の劣化や故障が生じている場合には、超音波振動子を交換する必要がある。特に超音波流量計の計測精度を向上させるために、特性がほぼ等しい２つの超音波振動子を用いている場合には、一方の超音波振動子が劣化あるいは故障しても、両方の超音波振動子を交換する必要がある。
【００２２】
本発明は、このような従来の問題を解決し、精度の高い測定を維持することが可能であり、かつ、検出誤差が生じうるような異常を検知することのできる超音波流量計を提供することを目的とする。また、本発明は、特性の変化を知ることのできる超音波振動子にも関する。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波流量計は、圧電素子および前記圧電素子を密封状態で収納するケースをそれぞれ有し、超音波を送受信することによって流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、前記圧電素子の電気的特性値を計測する測定部と、前記電気的特性値に基づき、前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する異常判定部とを備え、超音波の伝播時間に基づき、流体が流路を流れる流量を計測する。
【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の超音波振動子の各圧電素子は、圧電体および前記圧電体に設けられた網状構造を有する電極を含む。
【００２５】
また、本発明の超音波流量計は、圧電体を含む圧電素子、湿度センサ、および、前記圧電素子と湿度センサとを密封状態で収納するケースをそれぞれ有し、超音波を送受信することによって流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、前記湿度センサの電気的特性値を計測する測定部と、前記電気的特性値に基づき、前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する異常判定部とを備え、超音波の伝播時間に基づき、流体が流路を流れる流量を計測する。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記湿度センサは絶対湿度を検出する。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記湿度センサは相対湿度を検出する。
【００２８】
また、本発明の超音波流量計は、対向する第１および第２の主面を有する圧電体、前記第１の主面に設けられた電気音響変換用の第１の電極、前記第１の主面に設けられており、前記圧電体の電気的特性を計測するための第２の電極、および、前記第２の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子、ならびに、前記圧電素子を密封状態で収納するケースをそれぞれ有し、超音波を送受信することによって流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、前記圧電素子の共通電極および第２の電極間の電気的特性値を計測する測定部と、前記電気的特性値に基づき、前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する異常判定部とを備え、超音波の伝播時間に基づき、流体が流路を流れる流量を計測する。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記第２の電極は前記第１の電極を囲むように前記第１の主面に設けられている。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の電極のうち、少なくとも第２の電極は網状構造を有している。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、前記第１および第２の超音波振動子を用いて超音波の音速を求め、前記音速から前記流体の温度を推定する温度推定部をさらに備え、前記異常判定部は、前記温度推定部から得られる温度を用いて、前記電気的特性値を補正し、補正した値を用いて前記前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の超音波振動子のそれぞれは、前記ケースに収納された温度センサをさらに含み、前記異常判定部は、前記温度センサにより求められる温度を用いて、前記電気的特性値を補正し、補正した値を用いて前記前記第１および第２の超音波振動子の異常を判定する。
【００３３】
ある好ましい実施形態において、前記圧電体は、少なくも１つの溝を有する。
【００３４】
ある好ましい実施形態において、前記電気的特性値は、抵抗値または容量値である。
【００３５】
本発明のガスメータは、ガスが流れる流路に設けられた上記いずれかの超音波流量計と、前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁と、前記異常判定部の検出結果に基づき、前記遮断弁を制御する制御装置とを備える。
【００３６】
また、本発明の超音波振動子は、圧電素子と、温度検出素子と、前記圧電素子および前記温度検出素子を密封状態で収納するケースとを備える。
【００３７】
ある好ましい実施形態において、前記圧電素子は、圧電体および前記圧電体に設けられた網状構造を有する電極を含む。
【００３８】
また、本発明の他の超音波振動子は、圧電素子と、湿度検出素子と、前記圧電素子および前記温度検出素子を密封状態で収納するケースとを備える。
【００３９】
また、本発明の他の超音波振動子は、対向する第１および第２の主面を有する圧電体および前記第１の主面に設けられた第１および第２の電極を有する圧電素子と、前記圧電素子を密封状態で収納するケースとを備える。
【００４０】
ある好ましい実施形態において、前記第２の電極は前記第１の電極を囲むように前記第１の主面に設けられている。
【００４１】
ある好ましい実施形態において、前記第１の電極および前記第２の電極のうち、すくなくとも前記第２の電極は網目構造を有している。
【００４２】
ある好ましい実施形態において、前記圧電体は少なくとも１つの溝を有している。
【００４３】
本発明の超音波流量計の制御方法は、圧電素子および前記圧電素子を密封状態で収納するケースをそれぞれ有し、流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するよう配置された第１および第２の超音波振動子を備え、前記第１および第２の超音波振動子間で超音波を送受信し、前記経路間を伝播する超音波の伝播時間を検知することにより流体の流量を計測する。この制御方法は、前記第１および第２の超音波振動子のケース内の湿度に関する情報を取得するステップと、前記情報に基づき、前記第１および第２の超音波振動子が異常であるかどうかを判断するステップとを包含する。
【００４４】
ある好ましい実施形態において、前記情報を取得するステップは、前記第１および第２の超音波振動子の圧電素子の電気的特性に関する情報を取得する。
【００４５】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の超音波振動子はケース内に湿度センサをそれぞれ有し、前記情報を取得するステップは、前記湿度センサを用いて前記ケース内の湿度を測定する。
【００４６】
ある好ましい実施形態において、前記湿度センサは絶対湿度を測定する。
【００４７】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計の制御方法は、前記第１および第２の超音波振動子を用いて前記流体の流量を計測するステップと、前記計測した流量に基づき、前記流体の温度を推定するステップと、前記推定した温度に基づき、前記湿度に関する情報を補正するステップとをさらに包含し、前記補正した湿度に関する情報を用いて、前記判断するステップを実行する。
【００４８】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計の制御方法は、前記判断するステップの判断結果に基づき、前記流体の移動を停止させるステップをさらに包含する。
【００４９】
また、本発明のコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上記いずれかの超音波流量計の制御方法に規定した各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録している。
【００５０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
まず、本発明による超音波流量計の第１の実施形態で用いる超音波振動子８１を説明する。図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ超音波振動子８１の斜視図および断面図である。超音波振動子８１は、圧電体８２と、ケース本体８３および端子板８４からなるケース８５とを含む。ケース本体８３は、円筒状の空間８５ｓを有する凸形状を備え、圧電体８２は空間８５ｓ内に収納される。空間８５ｓの上方にはケース本体８３のケース天部８３ａが位置している。圧電体８２は対向する第１の主面８２ｂおよび第２の主面８２ａを有し、第１の主面８２ｂには電極９１が形成されている。第２の主面はケース天部８３ａに固定されている。円筒状の空間８５ｓの下方には半径方向に伸びる支持部８３ｂが設けられ、支持部８３ｂと端子板８７とが接合することにより、空間８５ｓが塞がれている。ケース本体８３に溶接などの接合部分が生じないよう、ケース本体８３は好ましくは深絞りなどにより形成される。空間８５ｓには、窒素などの不活性ガスが充填される。
【００５１】
端子板８７の中央付近には貫通孔８７ｈが設けられており、貫通孔に端子８８ａおよび端子８８の先端に接続された導電性ゴム９０が挿入されている。導電性ゴム９０は電極９１と接触している。端子８８ａおよび導電性ゴム部が端子板８７と電気的に接触しないよう貫通孔８７ｈは絶縁物８９により塞がれている。ケース本体８３および端子板８７は金属などの導電性材料で形成されている。端子板８７に端子８８ｂが接続されている。ケース天部８３ａの外側には音響整合層８６を設けてもよい。
【００５２】
ケース本体８３のケース天部８３ａは圧電体８２の第２の主面に設けられた電極として機能し、ケース本体８３および端子板８７を介して端子８８ｂから圧電体８２の第２の主面８２ａに電圧を印加することができる。一方、第１の主面８２ｂには、電極９１および導電性ゴム１０を介して端子８ａから電圧を印加することができる。これにより、ケース天部８３ａ、圧電体８２および電極９１からなる圧電素子が構成される。
【００５３】
超音波振動子８１によれば、圧電素子が密閉された空間に収納されているため、超音波振動子８１が接する外気の影響を受けることがない。このため、外気の湿度が変化しても、超音波振動子８１の特性は一定に保たれる。また、外気に圧電体８２や電極９１などを腐食や変質させるガスが含まれていても、圧電素子の特性が変動することなく、長い期間にわたって、一定の特性を保ち続けることができる。
【００５４】
特に、ケース本体８３を深絞りで形成することにより、圧電素子を収納するケースの接合部分を減らすことができ、また、ケース本体８３に支持部３ｂをもうけることにより、ケース本体８３と端子板７との接合部分の面積を広くして、接合を確実にすることができる。このため、ケース８５の強度を増すことができる。
【００５５】
しかし図１（ｂ）において、矢印Ｘで示す箇所は、加工歪が生じる可能性があったり、異なる材質の部材が接合されているため、ケース８５の他の箇所に比べて相対的に強度が弱い。このため、想定外の衝撃を受け、ケース２が損傷するとすれば、矢印Ｘで示す箇所において、亀裂等が生じる。そして、空間８５ｓに外気が侵入し、圧電素子の特性が変化する恐れがある。
【００５６】
このような圧電素子の特性変化は、空間８５ｓに外気が侵入し、空間８５ｓの湿度が上昇することにより、圧電素子の圧電体が水分を吸収することにより生じる。圧電体が水分を吸収すると、電気的特性が変化する。このため、本実施形態の超音波流量計は、流量を計測するために用いる超音波振動子８１の圧電素子の電気的特性を監視し、電気的特性値の変化を検出することにより、超音波振動子８１のケース８５が損傷して、特性が変動したことを検出する。特に、圧電体が水分を吸収することにより生じる圧電素子の誘電率を監視することが好ましく、誘電率の変化は、圧電素子の抵抗値または容量値の変化として好適に検出できる。したがって、圧電素子の抵抗値または容量値の変化はケース８５内の湿度に関する情報を表していると言える。
【００５７】
図２は本実施形態の超音波流量計１０１の構成を示すブロック図である。超音波流量計１０１は、流体の流路１２中に超音波が双方向に伝搬する経路を形成するように配置される第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２と、送信部３と、受信部６とを備えている。
【００５８】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、それぞれが送信器および受信器として機能する。第１の超音波振動子１から送信された超音波は第２の超音波振動子２により受信され、第２の超音波振動子２から送信された超音波は第１の超音波振動子１により受信する。これら双方向の伝搬路は、流路１２を流れる流体の流れる方向に対して角度θをなしている。角度θの大きさは、１０〜４０度の範囲内から選択される。
【００５９】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２には図１で説明した超音波振動子８１を用いる。たとえば、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、厚み振動モード、横すべり振動モード、縦振動モード等の振動モードにより、おおよそ２０ｋＨｚ以上の周波数で駆動される。また、圧電体８２の振動を効率よく流路１２を流れる流体に伝播させるために、音響整合層８６を設けている。空間８５ｓには窒素ガスを充填する。
【００６０】
超音波流量計１０１は、送受信切り替え部１０、第１のモード切り替え部２０、第２のモード切り替え部２１測定部２２、異常本底部２３、ピークホールド部１３、レベル検知部５、ゼロクロス検知部７、遅延部４、繰り返し部８および流量算出部１１をさらに備える。以下において詳述するように、超音波流量計１０１は、流量計測モードおよび超音波振動子監視モードを備え、第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２１によってこれら２つのモードを切り替える。流量計測モードでは、流路１２を移動する流体の流量を計測することができるよう、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は送受信切り替え部１０に接続される。また、超音波振動子監視モードでは、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性を測定することができるよう、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は測定部２２に接続される。
【００６１】
送受信切り替え部１０は、送信部３および受信部６を選択的に第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２１に接続する。たとえば、送信部３と第１のモード切り替え部２０が接続される場合には、受信部６と第２のモード切り替え部２１とが接続される。したがって、流量計測モードでは、第１の超音波振動子１は、送信部３または受信部６の一方と選択的に接続される。この時、第２の超音波振動子２は、第１の超音波振動子１が接続されなかった受信部６または送信部３の他方と接続される。
【００６２】
送受信切り替え部１０、第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２１は、トグルスイッチのような機械的なものであってもよいし、電子部品等により構成されるものであってもよい。
【００６３】
送信部３により駆動された第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２は流路１２の流体に超音波を送信する。第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１に到達した超音波は電気信号に変換され、受信信号が受信部６によって増幅される。第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２に到達した超音波による電気信号が十分大きい場合には必ずしも受信部６は受信信号を増幅しなくてもよい。
【００６４】
受信部６によって増幅された受信信号は、ゼロクロス検知部７とピークホールド部１３とへ送られる。ピークホールド部１３は、受信信号１８のピーク値を保持しその値をピークホールド信号として出力を生成する。レベル検知部５は、ピークホールド信号が所定のレベルに達したことを検知し、ゼロクロス指令信号を生成する。ゼロクロス検知部７は、ゼロクロス指令信号が生成された直後におけるゼロクロスポイントを検知し、ゼロクロス検知信号を遅延部４へ出力する。このゼロクロスポイントを受信信号の伝播時間とし、この時点で受信信号を検知したとする。ゼロクロス検知信号はピークホールド部１３にも入力される。ピークホールド部１３は、ゼロクロス検知信号に基づいてピークホールド信号をリセットする。
【００６５】
遅延部４は、ゼロクロス検知信号に基づいて、所定の時間遅らせたタイミングで出力信号を生成する。繰り返し部８は、遅延部４の出力信号をカウントし、所定回数以下であれば遅延部４の出力信号をトリガ信号として送信部３へ出力する。送信部３は、トリガ信号に基づいて、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２を駆動する。
【００６６】
計時部９は、所定の回数だけ、シングアラウンドを繰り返すのに要した時間を計測し、測定結果を流量算出部１１へ送る。流量算出部１１は、計時部９から出力されるシングアラウンドを繰り返すのに要した時間に関するデータ、遅延時間およびシングアラウンド回数から、流速および流量を求める。
【００６７】
超音波振動子監視モードでは、第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２１によって、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が選択的に測定部２１に接続される。測定部２１は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の圧電体の抵抗値または容量値を測定し、測定した値を異常判定部２３へ出力する。
【００６８】
また、このとき、温度推定部１４は、流量算出部１１から、直前に求められた流量Ｖ、伝播時間ｔ１またはｔ２および第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との距離Ｌを用いて式（１）から流体中を伝播する超音波の音速を求める。温度推定部１４は、音速の温度依存性に関するデータを保持しており、このデータに基づいて、直前に流量を計測したときの流体の温度を推定する。
【００６９】
異常判定部２３は、抵抗値または容量値を測定部２２から受け取り、温度推定部１４から受け取る温度を用いて、基準温度における抵抗値または容量値を求める。抵抗値または容量値が、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の初期値から所定のレベル以上異なっている場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であると判断し、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。この信号に基づいて、たとえば警報が発生される。あるいは、流路１２に遮断弁を設け、この信号に基づいて、遮断弁を動作させても良い。
【００７０】
図３は、測定部２２の具体的な構成の一例を示すブロック図である。測定部２２は、三角波発生部３１、抵抗電圧変換部３２、微分部３３および積分部３４を含む。三角波発生部３１は、たとえば、１ｋＨｚ程度の周波数の三角波（交流）信号を発生し、発生した信号を第１のモード切り替え部２０を介して第１の超音波振動子１に印加する。抵抗電圧変換部３２は、第１の超音波振動子１の抵抗値を電圧値として検出し、検出した信号を微分部３３で微分したあとに積分部３４で積分することにより、第１の超音波振動子１の圧電素子の抵抗値が得られる。交流電圧を印加して求める抵抗値は一般にインピーダンスと呼ばれる。このように、圧電素子の抵抗値は交流電圧を印加することによって求めてもよいし、直流電圧を印加して求めてもよい。
【００７１】
上述の各部は、電子部品等を用いたハードウエアにより構成することもソフトウエアにより構成することもできる。超音波流量計１０１は、これら各部を制御するマイコン３０を備えている。
【００７２】
次に、超音波流量計１０１を用いて流体の流量を計測する手順を説明する。以下に説明する手順はマイコン３０により、各構成要素を順次制御することによって行われ、その手順をコンピュータに実行させるためのプログラムが、ＲＯＭやＲＡＭ、ハードディスク、磁気記録媒体などの情報記録媒体に保存されている。
【００７３】
上述したように超音波流量計１０１は、流量計測モードおよび超音波振動子監視モードで動作する。まず流量計測モードにおける超音波流量計１０１の動作を説明する。流量計測モードに超音波流量計１０１を設定するため、マイコン３０は、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２が送受信切り替え部１０と接続されるように第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２１を制御する。
【００７４】
図２に示すように、送受信切り替え部１０を用いて、まず、送信部３を第１の超音波振動子１へ接続し、受信部４を第２の超音波振動子２に接続する。
【００７５】
図４に示すように、トリガ信号３９を送信部３に入力し、駆動信号を生成させ、第１の超音波振動子１から超音波を発生させる。流路１２を伝搬した超音波は、第２の超音波振動子２によって受信され、受信信号が受信部６へ送られ、受信信号１８として増幅される。
【００７６】
ピークホールド部１３およびレベル検知部５によって、受信信号１８が所定のレベルを超えた直後のゼロクロスポイントがゼロクロス検知部７で検知される。遅延部４は、ゼロクロス検知部７から出力されるゼロクロス検知信号に基づいて、所定の遅延時間４０を経た後に、送信部３へトリガ信号３９’を出力する。これにより、シングアラウンドの１ループを構成する。所定の回数（例えば５０〜１０００回）、シングアラウンドを繰り返した後、計時部９は、ループを繰り返すのに要した全時間４１を計測し、測定結果を流量算出部１１へ送る。流量算出部において、全時間４１をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間４０を引いた値が、式（１）に示すｔ１となる。
【００７７】
次に、送受信切り替え部１０を用いて、送信部３を第２の超音波振動子２へ接続し、受信部を第１の超音波振動子１へ接続する。そして上述の手順と同様の手順により、第２の超音波振動子２から超音波を発生させ、第１の超音波振動子１で超音波を受信する。所定の回数、シングアラウンドを繰り返した後、計時部９では、ループを繰り返すのに要した全時間４１を計測し、測定結果を流量算出部１１へ送る。流量算出部において、全時間４１をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間４０を引いた値が、式（１）に示すｔ２となる。
【００７８】
式（２）に、ｔ１およびｔ２の値と角度θを代入することによって、流体の流速Ｖが求まる。さらに流路１２の断面積をＳとすれば、流量ＱはＶ×Ｓによって求めることができる。この流量Ｑは、単位時間あたりに流量が移動する量であり、流量Ｑを積分することによって流体の量を求めることができる。
【００７９】
次に、超音波振動子監視モードにおける超音波流量計１０１の動作を説明する。超音波流量計１０１は、通常、流量計測モードで動作しており、所定の時間間隔で第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性に変動が生じていないかどうかを測定するため、超音波振動子監視モードで動作する。超音波振動子監視モードで動作させる時間間隔は、毎日一回、周に一回、月に一回など任意の間隔を設定することができる。
【００８０】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性を測定すべき時刻になれば、マイコン３０は、流量の計測を中断し、超音波振動子監視モードで超音波流量計１０１を動作させる。まず、マイコン３０は、第１の超音波振動子１が測定部２２に接続されるように第１のモード切り替え部２０を制御する。測定部２２は、第１の超音波振動子１の圧電体の抵抗値を測定し、測定した値を異常判定部２３へ出力する。また、異常判定部２３は、超音波振動子監視モードとなる直前の流量計測モードにおいて流量を計測したときの超音波の伝播時間に基づく流体の推定温度を温度推定部１４から受け取る。
【００８１】
異常判定部２３は、推定温度を用いて測定部２２から受け取った抵抗値を基準温度における抵抗値に換算する。抵抗値が、第１の超音波振動子１の初期値から所定のレベル以上異なっている場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。
【００８２】
図５は、第１の超音波振動子１に用いられている圧電素子のその周囲の相対湿度に対するインピーダンス変化を示すグラフである。図５に示すように、圧電体素子の周囲の相対湿度が高くなるにつれて圧電体が吸湿して、誘電率が変化し、インピーダンスが低下する。したがって、インピーダンスが大きく低下した場合には、第１の超音波振動子１のケースが破損し、ケースの外空気が流入することによって圧電素子の周囲の相対湿度が上昇したことがわかる。
【００８３】
たとえば、第１の超音波振動子１において、基準温度において相対湿度ＲＨ_０の不活性ガス中で封入された圧電素子がインピーダンスＲ_０の初期値を有している場合において、第１の超音波振動子１のインピーダンスが初期値Ｒ_０の１／１０あるいは１／１００にまで低下した場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１が異常であると判定する。このとき、ケース内の相対湿度はＲＨ_１に増大している。これは、ケースの損傷により、相対湿度が高い外気がケース内へ流入したからである。
【００８４】
次にマイコン３０は、第２の超音波振動子２が測定部２２に接続されるように第１のモード切り替え部２０および第２のモード切り替え部２２を制御し、上述と同様にして第２の超音波振動子２のインピーダンスを測定し、第２の超音波振動子２が異常であるかどうかを判定する。
【００８５】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の少なくとも一方が異常である場合に、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。このとき、いずれの超音波振動子が異常であるかを示す情報も同時に出力してもよい。
【００８６】
このように、超音波流量計１０１において、第１および第２の超音波振動子１、２の圧電素子は不活性ガスを封入したケースに収納されている。このため、外気の湿度が変化しても、第１および第２の超音波振動子１、２の特性は一定に保たれ、誤差の少ない流量計測が可能となる。また、外気に圧電体８２や電極９１などを腐食や変質させるガスが含まれていても、圧電素子の特性が変動することないので、そのような環境下であっても、超音波流量計１０１は、長い期間にわたって、精度の高い測定を行うことがきる。つまり、超音波流量計１０１は信頼性に優れる。
【００８７】
一方、地震などにより、想定外の衝撃あるいは環境変化が生じ、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２のケースが損傷した場合、外気がケース内に流入し、圧電素子の周囲の湿度が変化するため、圧電体の誘電率が変化する。このため、超音波振動子監視モードにおいて、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のインピーダンスを定期的に監視し、インピーダンス変化を検知することにより、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性が変化し、計測誤差が生じていることを知ることができる。
【００８８】
なお、超音波流量計１０１に感震機を設け、感震機が所定の大きさ以上の地震があったことを検知した場合には、ただちに超音波振動子監視モードを実行し、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２に異常が生じていないかを確認するようにしてもよい。
【００８９】
特に、本実施形態では第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の圧電素子自体の特性が、周囲の湿度変化に対して敏感に変化することを利用している。つまり、湿度の検出を行う素子を第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の圧電素子が兼ねている。このため、湿度検出素子等を新たに設け必要がない。また、図１（ｂ）に示すように、圧電体８２に溝２ｇが設けられている場合には、圧電体８２の表面積が増大し、圧電体８２の周囲の湿度変化に対して、より圧電体の誘電率が変化しやすくなる。このため、ケース８５の損傷をより敏感に検知しやすくなる。
【００９０】
つまり、超音波流量計１０１によれば、第１および第２の超音波振動子１、２の圧電素子が不活性ガスを封入したケースに収納されているため、外気等の影響を受けにくいが、ケースの損傷が生じるような想定外の環境変化に対しては、敏感にその変化を検知することが可能である。したがって、一定の環境変化に対し、計測誤差を含むことなく安定して流量の計測が可能であり、第１および第２の超音波振動子１、２の圧電素子の圧電特性が変化した場合には確実にその変化を検出して測定誤差が生じる可能性があることを知ることができる。
【００９１】
なお、本実施形態において第１および第２の超音波振動子１、２の圧電素子は圧電体の第２の主面の一部を完全に覆う電極２６を備えていたが、図６に示すように、圧電素子は、網目状の電極２６’を備えていてもよい。図６に示す圧電素子では電極２６’の網目から圧電体８２の表面が露出するため、圧電体８２が露出している表面積が大きくなり、周囲の湿度変化に対して、より敏感に誘電率が変化する。このため、図６に示す圧電素子を不活性ガスが封入されたケースに収納することによって、ケースの損傷が生じるような想定外の環境変化に対しては、より高い感度で第１および第２の超音波振動子１、２の圧電素子の圧電特性の変化を検出できる。この場合であっても、ケースが封止状態を保っている限り、圧電素子の周りを覆う不活性ガスに変化はないため、圧電素子は安定した特性を示す。
【００９２】
（第２の実施形態）
以下、本発明による超音波流量計の第２の実施形態を説明する。図７は、本実施形態で用いる超音波振動子５１の構造を模式的に示している。超音波振動子５１は、圧電体８２を含む圧電素子を封止するケース８５内に温度センサ５３を有している。圧電素子および温度センサ５３は配線５２に接続されており、配線５２はケース８５の外部に引き出されている。第１の実施形態と同様ケース８５の空間８５ｓには不活性ガスが充填されている。
【００９３】
図８は、本実施形態の超音波流量計１０２の構成を示すブロック図である。超音波流量計１０２は、第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６を備える。第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６には図７に示す超音波振動子５１が用いられる。
【００９４】
超音波流量計１０２は、第１の実施形態の超音波流量計１０１の温度推定部１４に換えて、温度計測部４１を備えており、第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６のケース８５内に設けられた温度センサ５３は温度計測部４１に接続される。温度計測部４１の出力は以上判定部２３に入力される。
【００９５】
超音波流量計１０２の他の構成要素は第１の実施形態の超音波流量計１０１と同じであり、流量計測モードでは、第１の実施形態で説明した手順と同じ手順により流体の流量を計測する。
【００９６】
一方、超音波振動子監視モードにおいて、超音波流量計１０２は、温度センサ５３および温度計測部４１を用いて、第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６のケース８５内温度を直接測定する。異常判定部２３は、測定した温度を用いて測定部２２から受け取った抵抗値を基準温度における抵抗値に換算する。抵抗値が、第１の超音波振動子５５または第２の超音波振動子５６の初期値から所定のレベル以上異なっている場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子５５または第２の超音波振動子５６が異常であることを示す信号を出力する。
【００９７】
このように、本実施形態によれば、ケース８５内の温度を直接測定する。ケース８５内の温度は、第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６の圧電素子の温度とほぼ一致するため、温度の変動による圧電素子の抵抗値の変化を補正し、より正確に第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６の特性の変化を知ることができる。
【００９８】
また、流量の計測と独立してケース８５内の温度を直接測定することができる。このため、超音波流量計１０２を用いてしばらく流量計測を行っていなかった場合に、まず、超音波振動子監視モードに超音波流量計１０２を設定し、第１の超音波振動子５５および第２の超音波振動子５６が正常であるかどうかを判定した後、流量を計測することも可能である。
【００９９】
（第３の実施形態）
以下、本発明による超音波流量計の第３の実施形態を説明する。図９は、本実施形態で用いる超音波振動子５７の構造を模式的に示している。超音波振動子５７は、圧電体８２を含む圧電素子を封止するケース８５内に湿度センサ５８を有している。圧電素子および湿度センサ５８は配線５２に接続されており、配線５２にはケース８５の外部に引き出されている。第１の実施形態と同様、ケース８５の空間８５ｓには不活性ガスが充填されている。
【０１００】
第１および第２の実施形態では、圧電素子の抵抗値または容量値を測定することにより、圧電素子の特性の変化を直接計測していたが、本実施形態では、湿度センサ５８を用いてケース８５内の湿度を直接測定する。
【０１０１】
図１０は、本実施形態の超音波流量計１０３の構成を示すブロック図である。超音波流量計１０３は、第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２を備える。第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２には図９に示す超音波振動子５７が用いられる。
【０１０２】
超音波流量計１０３は、第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２の湿度センサ５８の配線に接続された素子切り替え部６３を備え、素子切り替え部６３は測定部２２’に接続される。また、第１の実施形態と同様、計測した流量から流体の温度を推定する温度推定部１４を備え、異常判定部２３は温度推定部から推定温度の信号を受け取る。第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２の湿度センサ５８が絶対湿度を検出するのであれば、温度推定部１４はなくてもよい。また、第２の実施形態で説明したように、温度推定部１４に換えて第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２に温度センサ５３を設け、ケース内の温度を直接測定してもよい。
【０１０３】
また、湿度センサ５８は抵抗型であってもよいし、静電容量型であってもよい。湿度センサ５８が抵抗型である場合には、図３に示す測定部と同じ構成の測定部２２’を用いることができる。一方、湿度センサ５８が静電容量型である場合には、図３に示す測定部２２において、抵抗電圧変換部３２に換えて容量電圧変換部を採用した測定部を測定部２２’に採用する。
【０１０４】
本実施形態では、第１の超音波振動子６１および第２の超音波振動子６２の圧電素子は流量計測にのみ用い、ケース内の湿度は湿度センサ５８で測定する。流量の計測中であってもケース内の湿度を湿度センサ５８で測定することが可能であるため、流量計測モードおよび超音波振動子監視モードの２つの動作を切り替える必要がなく、これら２つの動作を並行して行うことができる。
【０１０５】
具体的には、超音波流量計１０３は、流量を計測しているかどうかにかかわらず、所定の時間間隔で素子切り替え部６３により選択した超音波振動子の湿度センサ５８を用いて、ケース内の湿度を測定する。湿度センサ５８が絶対湿度を計測できる場合には計測した値を温度補正する必要はない。測定した値が湿度センサ５８の初期値から所定のレベル以上異なっている場合、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。湿度センサ５８が相対湿度を計測する場合には、異常判定部２３において、計測した値を温度推定部１４から受け取る推定温度を用いて基準温度における抵抗値または容量値に変換する。測定した値が湿度センサ５８の初期値から所定のレベル以上異なっている場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。
【０１０６】
図１０は、第１の超音波振動子１に用いられている圧電素子のその周囲の相対湿度に対する静電容量の変化を示すグラフである。図１０に示すように、圧電体素子の周囲の相対湿度が高くなるにつれて圧電体が吸湿して誘電率が変化し、静電容量が増加する。したがって、たとえば、第１の超音波振動子１において、基準温度において相対湿度ＲＨ_０の不活性ガス中で封入された圧電素子が容量Ｃ_０の初期値を有しており、第１の超音波振動子１の容量が初期値Ｃ_０に対して５％増加した場合、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１が異常であると判定する。このとき、ケース８５内の相対湿度は基準温度においてＲＨ_１に増加している。このような相対湿度の変化は、ケース８５に亀裂等の損傷が生じ、相対湿度の高い外気が流入したことを示している。
【０１０７】
本実施形態によれば、封止された超音波振動子のケース内に設けた湿度センサによりケース内の湿度を測定するため、流量の計測と独立してケース内の湿度を測定することができる。このため、流量計測を中断することなく超音波振動子の監視が可能となり、特に、流量を常に計測する必要がある用途に本実施形態の超音波流量計を好適に用いることができる。また、流量の計測動作と超音波振動子の監視動作を切り替える必要がないため、モード切り替え部が不要となり、超音波流量計の構成を簡単なものにすることができる。さらに、絶対湿度を検出する湿度センサを採用することにより、温度による補正を行う必要がなくなる。
【０１０８】
（第４の実施形態）
以下、本発明による超音波流量計の第４の実施形態を説明する。図１２は、本実施形態で用いる超音波振動子６６の構造を模式的に示している。また、図１３は超音波振動子６６の主要部である圧電素子６７の構造を示している。図１３に示すように、圧電素子６７は、対向する第１の主面２ｂおよび第２の主面２ａを有する圧電体８２と、第１の主面に設けられた第１の電極２６ａおよび第２の電極２６ｂと、第２の主面８２ａに設けられた共通電極２７とを含む。
【０１０９】
第１の電極２６ａは第１の主面２ｂの中央に設けられており、第２の電極２６ｂは第１の電極２６ａを囲むように第１の主面２ｂの周囲に設けられている。共通電極２７は第２の主面２ａのおおよそ全部を覆っている。図１３に示すように、好ましくは、第２の電極２６ｂは網目状構造を備えている。第１の電極２６ａも網目状構造を備えていてもよい。各電極には配線５２ａ、５２ｂおよび５２ｃが接続される。
【０１１０】
第１の電極２６ａは圧電体８２に電圧を印加し、また、圧電体８２の振動により生じた電圧を検出する電気音響変換に用いられる。一方、第２の電極２６ｂは圧電体８２の電気的特性を計測するために用いられる。より具体的には、第１の電極２６ａおよび共通電極２７とこれらに挟まれる圧電体８２により、超音波を送受信するための電気音響変換素子部６７ａが構成される。また、第２の電極２６ｂおよび共通電極２７とこれらに挟まれる圧電体８２により、湿度センサ部６７ｂが構成される。圧電素子６７は、ケース８５内に収納され、ケース内の空間８５ｓを不活性ガスで充填した状態で封止される。
【０１１１】
圧電体８２において、第２の電極２６ｂが形成されている領域は、圧電体８２が振動状態にあるときに変位が少なく、超音波が第１の主面８２ｂあるいは第２の主面８２ａに対して垂直に射出しにくい。このため、圧電体８２の周辺部分に電気音響変換用の電極を形成しても、正確な流量の計測には寄与しにくく、この部分の電極を圧電体８２の特性を検出するために用いても、流量の計測に大きな影響を与えることはない。
【０１１２】
図１４は、本実施形態の超音波流量計１０４の構造を示すブロック図である。超音波流量計１０４は、第１の超音波振動子６８および第２の超音波振動子６９を備え、第１の超音波振動子６８および第２の超音波振動子６９には図１２および図１３に示す超音波振動子６６が用いられる。第１の超音波振動子６８および第２の超音波振動子６９の第１の電極２６ａはそれぞれ切り替え部１０に接続される。また、第２の電極２６ｂはそれぞれ素子切り替え部６３に接続される。超音波流量計１０４の他の部分は第３の実施形態の超音波流量計１０３と同じように構成されている。
【０１１３】
超音波流量計１０４において、第１の超音波振動子６８および第２の超音波振動子６９の圧電素子６７は、超音波を送受信するための電気音響変換素子部６７ａと湿度センサ部６７ｂとを含む。これらは独立して動作させることが可能であり、図９に示す超音波振動子５７と同様、流量の計測を行いながら超音波振動子の特性を監視することができる。
【０１１４】
具体的には、第１の超音波振動子６８および第２の超音波振動子６９の圧電素子６７の電気音響変換素子部６７ａを用いて流量の計測を行う。この手順は第１の実施形態で説明した流量計測モードにおける手順と同じである。
【０１１５】
一方、電気音響変換素子部６７ａを用いて流量を計測しているかどうかにかかわらず所定の時間間隔で素子切り替え部６３により選択した超音波振動子の湿度センサ部６７ｂを用いて、ケース８５内の湿度を測定する。測定部２２’は、湿度センサ部６７ｂの抵抗値あるいは容量値を測定し、その値を異常判定部２３へ出力する。異常判定部２３は計測した値を温度推定部１４から受け取る推定温度を用いて基準温度における抵抗値または容量値に変換する。測定した値が湿度センサ５８の初期値から所定のレベル以上異なっている場合には、異常判定部２３は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が異常であることを示す信号を出力する。
【０１１６】
このように本実施形態によれば、圧電素子の一部を超音波の送受信をするための電気音響変換素子として用い、一部を湿度センサとして用いるため、超音波振動子の外形を小さくすることができる。しかも、これら２つの素子を同時に動作させること可能であるため、流量の計測を行いながら、圧電素子の特性の監視も同時に行うことができる。
【０１１７】
なお、本実施形態の超音波振動子６９において、圧電体８２には溝を設けていないが、図１（ｂ）に示すような溝を圧電体８２に設けてもよい。また、本実施形態では電気音響変換素子部６７ａおよび湿度センサ部６７ｂに配線を接続し、ケースの外部へ引き出していたが、図１（ｂ）に示す構造を採用してもよい。
【０１１８】
（第５の実施形態）
以下、本発明の超音波流量計を備えたガスメータを説明する。
【０１１９】
図１５は、配管７０内を流れるガスの流量を計測するためのガスメータ１０６のブロック図を示している。配管７０内を流れるガスは、天然ガスやプロパンガスなど一般家庭で用いられるもののほか、水素や酸素等、その他の気体であってもよい。
【０１２０】
ガスメータ１０６は、配管７０内を流れるガスの流量を計測するための超音波流量計７１と、緊急時に配管７０を流れるガスを遮断する遮断弁７２と、超音波流量計７１および遮断弁７２を制御するマイコン７３と、超音波流量計１０６を用いて計測した流量や流量の積算値およびその他の情報を表示する表示部７４とを備える。超音波流量計７１には、第１から第４の実施形態の超音波流量計を用いることができる。マイコン７３は超音波流量計７１のマイコン（図２等のマイコン３０）を用いてもよい。図に示すように、ガスメータ１０６は、ガス会社などへ計測した流量に関するデータを送信したり、ガス会社からガスメータ１０６を制御するための通信部７５を備えていてもよい。
【０１２１】
マイコン７３は超音波流量計７１によって計測される流量に関するデータを表示部７４に表示するとともに、計測する流量に異常がないかを監視する。例えば、突然、大流量のガスが流れ始めた場合には、ガス漏れが生じていると判断して、遮断弁７２を動作させ、ガスの供給を停止する。
【０１２２】
また、第１から第４の実施形態において説明したように、超音波流量計７１は所定の時間間隔で超音波振動子の特性に変化が生じていないか監視を行う。所定の時間間隔ではなく、地震などがあった場合にガス会社などから通信部７５を通じて制御信号を受け取り、制御信号に基づいて超音波振動子の特性の測定を行ってもよい。第１から第４の実施形態において説明した手順で超音波振動子の抵抗値または容量値を測定し、異常判定部２３が２つの超音波振動子のうちのいずれかが異常であることを示す信号を出力した場合、マイコン７３は異常判定部２３の信号に基づいて、遮断弁７２を動作させ、ガスの供給を停止する。
【０１２３】
ガスメータ１０６によれば、第１および第２の超音波振動子の圧電素子は不活性ガスを封入したケースに収納されている。このため、外気の湿度が変化しても、第１および第２の超音波振動子１、２の特性は一定に保たれ、誤差の少ない流量計測が可能となる。また、外気に圧電体８２や電極９１などを腐食や変質させるガスが含まれていても、圧電素子の特性が変動することないので、そのような環境下であっても、ガスメータ１０６は、長い期間にわたって、精度の高い測定を行うことがきる。つまり、ガスメータ１０６は信頼性に優れる。
【０１２４】
一方、地震などにより、想定外の衝撃あるいは環境変化が生じ、第１の超音波振動子または第２の超音波振動子のケースが損傷した場合、外気がケース内に流入し、圧電素子の周囲の湿度が変化するため、圧電体の誘電率が変化する。このため、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の抵抗値または容量値を定期的に監視し、これらを検知することにより、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性が変化し、計測誤差が生じていることを知ることができる。
【０１２５】
なお、上記第１から第５の実施形態において説明した超音波振動子は、超音波流量計以外の距離計、スピードメータなどの計測機器等にも好適に用いることができる。これらの計測機器に本発明の超音波振動子を用いることによって、外気の変化に対して計測誤差が生じにくく、想定外の衝撃あるいは環境変化により、超音波振動子の特性が変化した場合には、その異常を知ることができる計測機器が実現する。
【０１２６】
また、上記第１から第５の実施形態では圧電素子の誘電率の変化を検知するために計測する特性として、抵抗値および容量値を示した。しかし、抵抗値および容量値以外に、電流値や電圧値などを計測し、その変化に基づいて、超音波振動子のケースが破損して外気が流入したと判断してもよい。
【０１２７】
また、上記第１から第５の実施形態では第１の超音波振動子および第２の超音波振動子を用いて双方向に超音波を伝播させ、その伝播時間差により、流体の流速および流量を求めていた。しかし、式（１）から明らかなように、流体中の超音波の音速Ｃがわかっている場合には、第１の超音波振動子から第２の超音波振動子への伝播時間ｔ１または第２の超音波振動子から第１の超音波振動子への伝播時間ｔ２を計測することにより、流体の流速Ｖを求めることができる。つまり、第１から第５の実施形態において、第１の超音波振動子および第２の超音波振動子間の一方向の超音波の伝播時間を計測することにより、流体の流速および流量を求めもよい。
【０１２８】
【発明の効果】
本発明によれば、外気等の影響を受けにくいが、ケースの損傷が生じるような想定外の環境変化に対しては、敏感にその変化を検知することが可能な超音波振動子が得られる。この超音波振動子をもちいることにより、精度の高い測定を維持することが可能であり、かつ、検出誤差が生じうるような異常を検知することのできる超音波流量計が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は本発明による超音波流量計の第１の実施形態で用いる超音波振動子の構造を示す斜視図および断面図である。
【図２】本発明による超音波流量計の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図３】図２に示す測定部の具体的な構成を示すブロック図である。
【図４】シングアラウンド法による計測を説明する図である。
【図５】圧電素子のその周囲の相対湿度に対するインピーダンス変化を示すグラフである。
【図６】超音波流量計の圧電素子の電極構造の別な例を示す図である。
【図７】本発明による超音波流量計の第２の実施形態で用いる超音波振動子の構造を示す断面図である。
【図８】本発明による超音波流量計の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図９】本発明による超音波流量計の第３の実施形態で用いる超音波振動子の構造を示す断面図である。
【図１０】本発明による超音波流量計の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図１１】圧電素子のその周囲の相対湿度に対する静電容量変化を示すグラフである。
【図１２】本発明による超音波流量計の第４の実施形態で用いる超音波振動子の構造を示す断面図である。
【図１３】本発明による超音波流量計の第４の実施形態で用いる超音波振動子の主要部を示す斜視図である。
【図１４】本発明による超音波流量計の第４の実施形態を示すブロック図である。
【図１５】本発明のガスメータの構成を示すブロック図である。
【図１６】従来の超音波流量計を示すブロック図である。
【図１７】受信信号のゼロクロスポイントを説明するグラフである。
【符号の説明】
１ 第１の超音波振動子
２ 第２の超音波振動子
３ 送信部
４ 遅延部
５ レベル検知部
６ 受信部
７ ゼロクロス検知部
８ 繰り返し部
９ 計時部
１０ 送受信切り替え部
１１ 流量算出部
１３ ピークホールド部
１４ 温度推定部
２０ 第１のモード切り替え部
２１ 第２のモード切り替え部
２２ 測定部
２３ 異常判定部
８２ 圧電体
８５ ケース
８６ 整合層
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 超音波流量計[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic flowmeter and a gas meter for measuring a flow rate of a fluid using ultrasonic waves. The present invention also relates to an ultrasonic vibrator used for a measuring instrument or the like.
[0002]
[Prior art]
An ultrasonic flowmeter has features such as a simple structure, few mechanically movable parts, a wide measurable flow rate range, and no pressure loss due to the flowmeter. Also, recent advances in electronics technology have made it possible to improve the measurement accuracy of ultrasonic flowmeters. For this reason, studies using an ultrasonic flowmeter have been made in various fields that require measurement of the flow rate of a gas or liquid, such as a gas meter.
[0003]
Hereinafter, the structure and measurement principle of the conventional ultrasonic flowmeter will be described. FIG. 16 is a block diagram showing an example of a conventional ultrasonic flowmeter. The ultrasonic flow meter shown in FIG. 16 is disclosed in Non-Patent Document 1, for example. As shown in FIG. 16, the ultrasonic transducers 1 and 2 are arranged so as to sandwich the flow path 12 through which the fluid flows. The ultrasonic transducers 1 and 2 function as a transmitter and a receiver, respectively. Specifically, when the ultrasonic transducer 1 is used as a transmitter, the ultrasonic transducer 2 is used as a receiver, and when the ultrasonic transducer 2 is used as a transmitter, the ultrasonic transducer 1 is used as a receiver. Used as As shown in FIG. 16, the ultrasonic wave propagation path formed between the ultrasonic transducers 1 and 2 is inclined by an angle θ with respect to the direction in which the fluid flows.
[0004]
When an ultrasonic wave is propagated from the ultrasonic oscillator 1 to the ultrasonic oscillator 2, the speed of the ultrasonic wave increases because the ultrasonic wave travels in the forward direction with respect to the flow of the fluid. On the other hand, when the ultrasonic wave is propagated from the ultrasonic vibrator 2 to the ultrasonic vibrator 1, the velocity of the ultrasonic wave is reduced because the ultrasonic wave travels in a direction opposite to the fluid flow. Therefore, the velocity of the fluid is determined from the difference between the time when the ultrasonic wave propagates from the ultrasonic vibrator 1 to the ultrasonic vibrator 2 and the time when the ultrasonic wave propagates from the ultrasonic vibrator 2 to the ultrasonic vibrator 1. Can be. Further, the flow rate can be obtained from the product of the cross-sectional area of the flow path 12 and the flow velocity.
[0005]
As a specific method for obtaining the flow rate of the fluid according to the above-described principle, a measurement method using the sing-around method will be specifically described.
[0006]
As shown in FIG. 16, the ultrasonic flowmeter includes a transmitting unit 3 and a receiving unit 6, and the ultrasonic vibrator 1 is selectively connected to one of the transmitting unit 3 and the receiving unit 6 by the switching unit 10. At this time, the ultrasonic transducer 2 is connected to the other of the transmitting unit 3 or the receiving unit 6 to which the ultrasonic transducer 1 is not connected.
[0007]
When the transmission unit 3 and the ultrasonic transducer 1 are connected, the transmission unit 3 drives the ultrasonic transducer 1, and the generated ultrasonic waves reach the ultrasonic transducer 2 across the flow of the fluid. The ultrasonic wave received by the ultrasonic transducer 2 is converted into an electric signal, and the received signal is amplified by the receiving unit 6. The level of the received signal is detected by the level detector 5.
[0008]
FIG. 17 shows an example of zero-cross detection in a conventional ultrasonic flowmeter. The peak hold unit 13 generates a peak hold signal 15 from the received signal 19. The level detector 5 detects that the peak hold signal 15 has reached a predetermined level 16 and generates a detection signal 17. The zero-cross detection unit 7 detects a zero-cross point immediately after the detection signal 17 is generated, and generates a zero-cross detection signal 18. The zero cross point is a point where the amplitude of the received signal changes from positive to negative or from negative to positive. This zero cross point is defined as the time when the ultrasonic wave arrives in the ultrasonic transducer 2. Based on the zero-cross detection signal 18, a trigger signal is generated at a timing delayed by a predetermined time in the delay unit 4, the repetition unit 8 determines whether or not the repetition is performed. The time from generation of the zero-cross detection signal 18 to generation of the trigger signal is called a delay time.
[0009]
The transmitting unit 3 drives the ultrasonic transducer 1 based on the trigger signal to generate the next ultrasonic wave. Repetition of the ultrasonic transmission-reception-amplification / delay-transmission loop in this manner is called a sing-around, and the number of loops is called a sing-around number.
[0010]
The timer 9 measures the time required to repeat the loop a predetermined number of times, and sends the measurement result to the flow rate calculator 11. Next, the switching unit 10 is switched, and measurement is similarly performed using the ultrasonic transducer 2 as a transmitter and the ultrasonic transducer 1 as a receiver.
[0011]
The value obtained by subtracting the value obtained by multiplying the delay time and the number of sing-arounds from the time measured by the above-described method, and dividing the value by the number of sing-arounds is the ultrasonic wave propagation time.
[0012]
The propagation time when the ultrasonic transducer 1 is on the transmission side is t1, and the propagation time when the ultrasonic transducer 2 is on the transmission side is t2. As shown in FIG. 16, the distance between the ultrasonic oscillator 1 and the ultrasonic oscillator 2 is L, and the flow velocity of the fluid and the sound velocity of the ultrasonic wave are V and C, respectively. At this time, t1 and t2 are represented by the following equations.
[0013]
(Equation 1)

[0014]
From these equations, the flow velocity V is represented by the following equation.
[0015]
(Equation 2)

[0016]
If the flow velocity V of the fluid is determined, the flow rate Q is determined from the product of the cross-sectional area of the flow path 14 and the flow velocity V.
[0017]
[Non-patent document 1]
JIS 5032 "Ultrasonic flow rate measurement method", Japan Institute of Electrical Measurement Instruments Association, 1987
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
In general, in a measuring instrument, it is preferable that the characteristic of the detection element does not change because the characteristic change of the detection element used affects the measurement result. In the case of the above-described ultrasonic flow meter, if the humidity or the like of the outside air with which the ultrasonic vibrator 1 and the ultrasonic vibrator 2 come into contact changes, the characteristics of the ultrasonic vibrator 1 and the ultrasonic vibrator 2 change. The waveform of the reception signal 19 of the ultrasonic wave shown in (1) changes, and the zero cross point shifts. This means that even if there is no change in the flow velocity of the fluid, the propagation times t1 and t2 of the ultrasonic wave fluctuate, and a measurement error occurs.
[0019]
In order to prevent such a measurement error, it is conceivable that the ultrasonic oscillator is housed in a case, and the case is filled with an inert gas or the like and sealed, thereby shielding the ultrasonic oscillator from the outside air. ing. By employing this structure, the ultrasonic vibrator is isolated from the outside air, so that the weather resistance of the ultrasonic vibrator is also improved. Further, since the explosion-proof property of the ultrasonic vibrator is also improved, it can be suitably used even when the fluid measured by the ultrasonic flow meter has flammability. That is, the reliability of the ultrasonic flowmeter is improved.
[0020]
However, when the seal is broken due to a crack in a welded portion of the case accommodating the ultrasonic vibrator or the like, outside air flows into the case and changes the characteristics of the ultrasonic vibrator. In particular, when the ultrasonic vibrator includes a piezoelectric ceramic, the electric characteristics of the ultrasonic vibrator may significantly change because the piezoelectric ceramic made of a porous material absorbs moisture. In addition, corrosion of the electrodes of the ultrasonic vibrator due to moisture may occur, which may cause deterioration or failure of the ultrasonic vibrator.
[0021]
Therefore, when a gas meter is manufactured using a conventional ultrasonic flowmeter, the case containing the ultrasonic vibrator is cracked and the seal is broken, so that many errors are included in the measurement of the gas flow rate. Would. Further, when the ultrasonic transducer has deteriorated or failed, it is necessary to replace the ultrasonic transducer. In particular, in order to improve the measurement accuracy of the ultrasonic flowmeter, when two ultrasonic transducers having substantially the same characteristics are used, even if one of the ultrasonic transducers is deteriorated or fails, both ultrasonic transducers are deteriorated. The oscillator needs to be replaced.
[0022]
The present invention solves such a conventional problem and provides an ultrasonic flowmeter capable of maintaining highly accurate measurement and detecting an abnormality that may cause a detection error. The purpose is to: The present invention also relates to an ultrasonic vibrator capable of knowing a change in characteristics.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
The ultrasonic flowmeter of the present invention has a piezoelectric element and a case for accommodating the piezoelectric element in a sealed state. The ultrasonic flowmeter transmits and receives ultrasonic waves to form a path through which ultrasonic waves propagate in a fluid flow path. First and second ultrasonic vibrators arranged in the sensor, a measuring unit for measuring an electric characteristic value of the piezoelectric element, and the first and second ultrasonic vibrators based on the electric characteristic value And an abnormality determining unit that determines an abnormality of the fluid, and measures a flow rate of the fluid flowing through the flow path based on the propagation time of the ultrasonic wave.
[0024]
In a preferred embodiment, each of the piezoelectric elements of the first and second ultrasonic transducers includes a piezoelectric body and an electrode having a network structure provided on the piezoelectric body.
[0025]
Further, the ultrasonic flowmeter of the present invention has a piezoelectric element including a piezoelectric body, a humidity sensor, and a case for accommodating the piezoelectric element and the humidity sensor in a sealed state. First and second ultrasonic vibrators arranged to form a path through which an ultrasonic wave propagates in the flow path, a measuring unit for measuring an electric characteristic value of the humidity sensor, and the electric characteristic An abnormality determining unit that determines abnormality of the first and second ultrasonic transducers based on the value, and measures a flow rate of the fluid flowing through the flow path based on a propagation time of the ultrasonic wave.
[0026]
In a preferred embodiment, the humidity sensor detects absolute humidity.
[0027]
In a preferred embodiment, the humidity sensor detects relative humidity.
[0028]
Further, the ultrasonic flowmeter of the present invention includes a piezoelectric body having first and second main surfaces facing each other, a first electrode for electroacoustic conversion provided on the first main surface, A second electrode provided on the main surface, for measuring an electrical characteristic of the piezoelectric body, and a piezoelectric element having a common electrode provided on the second main surface; and First and second ultrasonic vibrators each having a case to be housed in a sealed state and arranged to form a path for transmitting ultrasonic waves in a fluid flow path by transmitting and receiving ultrasonic waves, A measurement unit that measures an electrical characteristic value between a common electrode and a second electrode of the piezoelectric element; and an abnormality determination that determines an abnormality of the first and second ultrasonic transducers based on the electrical characteristic value. The fluid flows through the flow path based on the propagation time of the ultrasonic wave. To measure the flow rate.
[0029]
In a preferred embodiment, the second electrode is provided on the first main surface so as to surround the first electrode.
[0030]
In a preferred embodiment, at least a second electrode of the first and second electrodes has a network structure.
[0031]
In a preferred embodiment, the ultrasonic flowmeter further includes a temperature estimating unit that determines the sound speed of the ultrasonic wave using the first and second ultrasonic vibrators and estimates the temperature of the fluid from the sound speed. The abnormality determining unit corrects the electrical characteristic value using a temperature obtained from the temperature estimating unit, and determines an abnormality of the first and second ultrasonic transducers using the corrected value. .
[0032]
In a preferred embodiment, each of the first and second ultrasonic transducers further includes a temperature sensor housed in the case, and the abnormality determination unit uses a temperature obtained by the temperature sensor, The electrical characteristic value is corrected, and abnormality of the first and second ultrasonic transducers is determined using the corrected value.
[0033]
In a preferred embodiment, the piezoelectric body has at least one groove.
[0034]
In a preferred embodiment, the electric characteristic value is a resistance value or a capacitance value.
[0035]
The gas meter according to the present invention may further include any one of the above ultrasonic flow meters provided in a flow path through which the gas flows, a shutoff valve that shuts off the gas flowing through the flow path, and the shutoff based on a detection result of the abnormality determination unit. A control device for controlling the valve.
[0036]
Further, an ultrasonic transducer according to the present invention includes a piezoelectric element, a temperature detecting element, and a case for housing the piezoelectric element and the temperature detecting element in a sealed state.
[0037]
In a preferred embodiment, the piezoelectric element includes a piezoelectric body and an electrode having a network structure provided on the piezoelectric body.
[0038]
Further, another ultrasonic transducer according to the present invention includes a piezoelectric element, a humidity detection element, and a case for housing the piezoelectric element and the temperature detection element in a sealed state.
[0039]
According to another aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic vibrator comprising: a piezoelectric body having first and second main surfaces facing each other; and a piezoelectric element having first and second electrodes provided on the first main surface. And a case for accommodating the piezoelectric element in a sealed state.
[0040]
In a preferred embodiment, the second electrode is provided on the first main surface so as to surround the first electrode.
[0041]
In a preferred embodiment, at least the second electrode among the first electrode and the second electrode has a mesh structure.
[0042]
In a preferred embodiment, the piezoelectric body has at least one groove.
[0043]
The method for controlling an ultrasonic flowmeter according to the present invention includes a piezoelectric element and a case for accommodating the piezoelectric element in a sealed state, wherein the piezoelectric element is arranged so as to form a path through which ultrasonic waves propagate in a fluid flow path. A first ultrasonic transducer and a second ultrasonic transducer, transmitting and receiving ultrasonic waves between the first and second ultrasonic transducers, and detecting a propagation time of the ultrasonic waves propagating between the paths; Is measured. This control method includes a step of acquiring information on humidity in the case of the first and second ultrasonic transducers, and whether the first and second ultrasonic transducers are abnormal based on the information. Judging whether or not.
[0044]
In a preferred embodiment, the step of obtaining the information obtains information on electrical characteristics of piezoelectric elements of the first and second ultrasonic transducers.
[0045]
In a preferred embodiment, the first and second ultrasonic transducers each have a humidity sensor in a case, and the step of obtaining the information includes measuring the humidity in the case using the humidity sensor. .
[0046]
In a preferred embodiment, the humidity sensor measures absolute humidity.
[0047]
In a preferred embodiment, the method for controlling an ultrasonic flowmeter includes the steps of measuring the flow rate of the fluid using the first and second ultrasonic transducers, and determining a temperature of the fluid based on the measured flow rate. And a step of correcting the information on the humidity based on the estimated temperature, and performing the determining using the information on the corrected humidity.
[0048]
In a preferred embodiment, the control method of the ultrasonic flowmeter further includes a step of stopping the movement of the fluid based on a result of the determination.
[0049]
Further, a computer-readable recording medium of the present invention stores a program for causing a computer to execute each step defined in any of the above-described methods for controlling an ultrasonic flowmeter.
[0050]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
First, an ultrasonic transducer 81 used in the first embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention will be described. 1A and 1B are a perspective view and a cross-sectional view of the ultrasonic transducer 81, respectively. The ultrasonic transducer 81 includes a piezoelectric body 82 and a case 85 including a case body 83 and a terminal plate 84. The case body 83 has a convex shape having a cylindrical space 85s, and the piezoelectric body 82 is housed in the space 85s. A case top 83a of the case main body 83 is located above the space 85s. The piezoelectric body 82 has a first main surface 82b and a second main surface 82a facing each other, and an electrode 91 is formed on the first main surface 82b. The second main surface is fixed to case top 83a. A support portion 83b extending in a radial direction is provided below the cylindrical space 85s, and the space 85s is closed by joining the support portion 83b and the terminal plate 87. The case main body 83 is preferably formed by deep drawing or the like so that a joint portion such as welding does not occur in the case main body 83. The space 85s is filled with an inert gas such as nitrogen.
[0051]
A through hole 87h is provided near the center of the terminal plate 87, and the terminal 88a and the conductive rubber 90 connected to the tip of the terminal 88 are inserted into the through hole. The conductive rubber 90 is in contact with the electrode 91. The through hole 87h is closed by an insulator 89 so that the terminal 88a and the conductive rubber portion do not make electrical contact with the terminal plate 87. The case body 83 and the terminal plate 87 are formed of a conductive material such as a metal. The terminal 88 b is connected to the terminal plate 87. An acoustic matching layer 86 may be provided outside the case top 83a.
[0052]
The case top portion 83a of the case body 83 functions as an electrode provided on the second main surface of the piezoelectric body 82, and the terminal 88b is connected to the second main surface 82a of the piezoelectric body 82 via the case body 83 and the terminal plate 87. Can be applied with a voltage. On the other hand, a voltage can be applied to the first main surface 82b from the terminal 8a via the electrode 91 and the conductive rubber 10. Thus, a piezoelectric element including the case top 83a, the piezoelectric body 82, and the electrode 91 is configured.
[0053]
According to the ultrasonic vibrator 81, since the piezoelectric element is housed in a closed space, it is not affected by the outside air with which the ultrasonic vibrator 81 contacts. Therefore, even if the humidity of the outside air changes, the characteristics of the ultrasonic transducer 81 are kept constant. Even if the outside air contains a gas that corrodes or alters the piezoelectric element 82 or the electrode 91, the characteristics of the piezoelectric element can be maintained for a long period of time without fluctuation in the characteristics of the piezoelectric element.
[0054]
In particular, by forming the case main body 83 by deep drawing, it is possible to reduce the joint portion of the case accommodating the piezoelectric element, and by providing the case main body 83 with the support portion 3b, the case main body 83 and the terminal plate 7 are formed. It is possible to increase the area of the joining portion with the, and to ensure the joining. Therefore, the strength of the case 85 can be increased.
[0055]
However, in FIG. 1B, a portion indicated by an arrow X has a possibility that processing distortion may occur or a member made of a different material is joined, so that the strength is relatively higher than other portions of the case 85. weak. For this reason, if the case 2 is damaged by an unexpected impact, a crack or the like is generated at a location indicated by an arrow X. Then, outside air may enter the space 85s, and the characteristics of the piezoelectric element may change.
[0056]
Such a change in the characteristics of the piezoelectric element occurs when the outside air enters the space 85s and the humidity in the space 85s increases, so that the piezoelectric body of the piezoelectric element absorbs moisture. When the piezoelectric body absorbs moisture, the electrical characteristics change. For this reason, the ultrasonic flow meter of the present embodiment monitors the electrical characteristics of the piezoelectric element of the ultrasonic vibrator 81 used for measuring the flow rate, detects the change in the electrical characteristic value, It is detected that the case 85 of the vibrator 81 has been damaged and the characteristics have changed. In particular, it is preferable to monitor the dielectric constant of the piezoelectric element caused by the absorption of moisture by the piezoelectric body, and a change in the dielectric constant can be suitably detected as a change in the resistance value or the capacitance value of the piezoelectric element. Therefore, it can be said that the change in the resistance value or the capacitance value of the piezoelectric element represents information on the humidity in the case 85.
[0057]
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the ultrasonic flowmeter 101 according to the present embodiment. The ultrasonic flow meter 101 includes a first ultrasonic vibrator 1 and a second ultrasonic vibrator 2, which are arranged so as to form a path through which ultrasonic waves propagate in both directions in the fluid flow path 12; The transmitting unit 3 and the receiving unit 6 are provided.
[0058]
The first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 function as a transmitter and a receiver, respectively. The ultrasonic wave transmitted from the first ultrasonic vibrator 1 is received by the second ultrasonic vibrator 2, and the ultrasonic wave transmitted from the second ultrasonic vibrator 2 is the first ultrasonic vibrator 1 To receive. These bidirectional propagation paths make an angle θ with respect to the direction in which the fluid flowing through the flow path 12 flows. The magnitude of the angle θ is selected from the range of 10 to 40 degrees.
[0059]
The ultrasonic transducer 81 described with reference to FIG. 1 is used as the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2. For example, the first ultrasonic vibrator 1 and the second ultrasonic vibrator 2 are driven at a frequency of about 20 kHz or more in a vibration mode such as a thickness vibration mode, a lateral vibration mode, and a vertical vibration mode. Further, an acoustic matching layer 86 is provided in order to efficiently propagate the vibration of the piezoelectric body 82 to the fluid flowing through the flow channel 12. The space 85s is filled with nitrogen gas.
[0060]
The ultrasonic flow meter 101 includes a transmission / reception switching unit 10, a first mode switching unit 20, a second mode switching unit 21, a measurement unit 22, an abnormal bottom unit 23, a peak hold unit 13, a level detection unit 5, a zero cross detection unit 7. , A delay unit 4, a repetition unit 8, and a flow rate calculation unit 11. As described in detail below, the ultrasonic flowmeter 101 includes a flow measurement mode and an ultrasonic transducer monitoring mode, and switches between these two modes by the first mode switching unit 20 and the second mode switching unit 21. . In the flow rate measurement mode, the first ultrasonic vibrator 1 and the second ultrasonic vibrator 2 are connected to the transmission / reception switching unit 10 so that the flow rate of the fluid moving through the flow path 12 can be measured. In the ultrasonic vibrator monitoring mode, the first ultrasonic vibrator 1 and the second ultrasonic vibrator 2 are measured so that the characteristics of the first ultrasonic vibrator 1 and the second ultrasonic vibrator 2 can be measured. The acoustic transducer 2 is connected to the measuring unit 22.
[0061]
The transmission / reception switching unit 10 selectively connects the transmission unit 3 and the reception unit 6 to the first mode switching unit 20 and the second mode switching unit 21. For example, when the transmitting unit 3 and the first mode switching unit 20 are connected, the receiving unit 6 and the second mode switching unit 21 are connected. Therefore, in the flow measurement mode, the first ultrasonic transducer 1 is selectively connected to one of the transmission unit 3 and the reception unit 6. At this time, the second ultrasonic transducer 2 is connected to the other of the receiving unit 6 or the transmitting unit 3 to which the first ultrasonic transducer 1 is not connected.
[0062]
The transmission / reception switching unit 10, the first mode switching unit 20, and the second mode switching unit 21 may be mechanical such as a toggle switch, or may be configured by electronic components or the like. Good.
[0063]
The first ultrasonic oscillator 1 or the second ultrasonic oscillator 2 driven by the transmission unit 3 transmits an ultrasonic wave to the fluid in the flow channel 12. The ultrasonic wave that has reached the second ultrasonic transducer 2 or the first ultrasonic transducer 1 is converted into an electric signal, and the received signal is amplified by the receiving unit 6. When the electric signal by the ultrasonic wave that has reached the first ultrasonic vibrator 1 or the second ultrasonic vibrator 2 is sufficiently large, the receiving unit 6 does not necessarily need to amplify the received signal.
[0064]
The received signal amplified by the receiving unit 6 is sent to the zero-cross detecting unit 7 and the peak hold unit 13. The peak hold unit 13 holds a peak value of the received signal 18 and generates an output using the value as a peak hold signal. The level detector 5 detects that the peak hold signal has reached a predetermined level, and generates a zero-cross command signal. The zero-cross detection unit 7 detects a zero-cross point immediately after the zero-cross command signal is generated, and outputs a zero-cross detection signal to the delay unit 4. The zero cross point is defined as the propagation time of the received signal, and it is assumed that the received signal is detected at this time. The zero cross detection signal is also input to the peak hold unit 13. The peak hold unit 13 resets the peak hold signal based on the zero cross detection signal.
[0065]
The delay unit 4 generates an output signal at a timing delayed by a predetermined time based on the zero cross detection signal. The repetition unit 8 counts the output signal of the delay unit 4 and outputs the output signal of the delay unit 4 to the transmission unit 3 as a trigger signal if the count is equal to or less than a predetermined number. The transmitting unit 3 drives the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 based on the trigger signal.
[0066]
The timer 9 measures the time required to repeat the sing-around a predetermined number of times, and sends the measurement result to the flow rate calculator 11. The flow rate calculation unit 11 obtains the flow rate and the flow rate from the data relating to the time required to repeat the sing-around output from the timer unit 9, the delay time, and the number of sing-arounds.
[0067]
In the ultrasonic transducer monitoring mode, the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 is selectively transmitted to the measuring section 21 by the first mode switching section 20 and the second mode switching section 21. Connected. The measuring unit 21 measures the resistance value or the capacitance value of the piezoelectric body of the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 and outputs the measured value to the abnormality determining unit 23.
[0068]
At this time, the temperature estimating unit 14 determines whether the flow rate V, the propagation time t1 or t2, and the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 have Using the distance L, the sound speed of the ultrasonic wave propagating in the fluid is obtained from Expression (1). The temperature estimating unit 14 holds data on the temperature dependence of the sound speed, and estimates the temperature of the fluid when the flow rate was measured immediately before based on this data.
[0069]
The abnormality determining unit 23 receives the resistance value or the capacitance value from the measuring unit 22 and obtains the resistance value or the capacitance value at the reference temperature using the temperature received from the temperature estimating unit 14. If the resistance value or the capacitance value is different from the initial value of the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 by a predetermined level or more, the abnormality determination unit 23 sets the first ultrasonic It determines that the transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 is abnormal, and outputs a signal indicating that the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 is abnormal. For example, an alarm is generated based on this signal. Alternatively, a shutoff valve may be provided in the flow path 12 and the shutoff valve may be operated based on this signal.
[0070]
FIG. 3 is a block diagram illustrating an example of a specific configuration of the measurement unit 22. The measurement unit 22 includes a triangular wave generation unit 31, a resistance voltage conversion unit 32, a differentiation unit 33, and an integration unit 34. The triangular wave generator 31 generates, for example, a triangular wave (AC) signal having a frequency of about 1 kHz, and applies the generated signal to the first ultrasonic vibrator 1 via the first mode switching unit 20. The resistance-voltage converter 32 detects the resistance value of the first ultrasonic transducer 1 as a voltage value, differentiates the detected signal by a differentiator 33, and then integrates the signal by an integrating unit 34, thereby obtaining the first ultrasonic signal. The resistance value of the piezoelectric element of the acoustic transducer 1 is obtained. The resistance value obtained by applying an AC voltage is generally called impedance. As described above, the resistance value of the piezoelectric element may be obtained by applying an AC voltage, or may be obtained by applying a DC voltage.
[0071]
Each of the above-described units may be configured by hardware using electronic components or the like, or may be configured by software. The ultrasonic flow meter 101 includes a microcomputer 30 that controls these units.
[0072]
Next, a procedure for measuring the flow rate of the fluid using the ultrasonic flowmeter 101 will be described. The procedure described below is performed by sequentially controlling each component by the microcomputer 30, and a program for causing the computer to execute the procedure is stored in an information recording medium such as a ROM, a RAM, a hard disk, or a magnetic recording medium. Have been.
[0073]
As described above, the ultrasonic flowmeter 101 operates in the flow measurement mode and the ultrasonic transducer monitoring mode. First, the operation of the ultrasonic flowmeter 101 in the flow measurement mode will be described. In order to set the ultrasonic flowmeter 101 in the flow measurement mode, the microcomputer 30 sets the first mode so that the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are connected to the transmission / reception switching unit 10. The switching unit 20 and the second mode switching unit 21 are controlled.
[0074]
As shown in FIG. 2, first, using the transmission / reception switching unit 10, the transmission unit 3 is connected to the first ultrasonic vibrator 1, and the reception unit 4 is connected to the second ultrasonic vibrator 2.
[0075]
As shown in FIG. 4, a trigger signal 39 is input to the transmission unit 3 to generate a drive signal, and an ultrasonic wave is generated from the first ultrasonic transducer 1. The ultrasonic wave that has propagated through the flow path 12 is received by the second ultrasonic transducer 2, a received signal is sent to the receiving unit 6, and is amplified as a received signal 18.
[0076]
The zero-cross point immediately after the reception signal 18 exceeds the predetermined level is detected by the zero-cross detection unit 7 by the peak hold unit 13 and the level detection unit 5. The delay unit 4 outputs a trigger signal 39 ′ to the transmission unit 3 after a predetermined delay time 40 has elapsed based on the zero-cross detection signal output from the zero-cross detection unit 7. As a result, one sing-around loop is formed. After repeating the sing-around a predetermined number of times (for example, 50 to 1000 times), the timer 9 measures the total time 41 required to repeat the loop, and sends the measurement result to the flow rate calculator 11. In the flow rate calculation unit, the total time 41 is divided by the number of sing-arounds, and a value obtained by subtracting the delay time 40 from the result is t1 shown in Expression (1).
[0077]
Next, using the transmission / reception switching unit 10, the transmission unit 3 is connected to the second ultrasonic transducer 2, and the reception unit is connected to the first ultrasonic transducer 1. Then, the ultrasonic waves are generated from the second ultrasonic vibrator 2 and the ultrasonic waves are received by the first ultrasonic vibrator 1 by the same procedure as the above-described procedure. After repeating the sing-around a predetermined number of times, the timer 9 measures the total time 41 required to repeat the loop, and sends the measurement result to the flow calculator 11. In the flow rate calculation unit, the total time 41 is divided by the number of sing-arounds, and a value obtained by subtracting the delay time 40 from the result is t2 shown in the equation (1).
[0078]
By substituting the values of t1 and t2 and the angle θ into equation (2), the flow velocity V of the fluid is obtained. Further, assuming that the sectional area of the flow channel 12 is S, the flow rate Q can be obtained by V × S. The flow rate Q is an amount by which the flow rate moves per unit time, and the amount of the fluid can be obtained by integrating the flow rate Q.
[0079]
Next, the operation of the ultrasonic flowmeter 101 in the ultrasonic transducer monitoring mode will be described. The ultrasonic flow meter 101 normally operates in the flow measurement mode, and determines whether or not the characteristics of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 fluctuate at predetermined time intervals. To operate in the ultrasonic transducer monitoring mode. The time interval for operating in the ultrasonic transducer monitoring mode can be set to any interval, such as once a day, once a week, once a month.
[0080]
When it is time to measure the characteristics of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2, the microcomputer 30 suspends the measurement of the flow rate and sets the ultrasonic flow meter in the ultrasonic transducer monitoring mode. 101 is operated. First, the microcomputer 30 controls the first mode switching unit 20 so that the first ultrasonic transducer 1 is connected to the measurement unit 22. The measurement unit 22 measures the resistance value of the piezoelectric body of the first ultrasonic transducer 1 and outputs the measured value to the abnormality determination unit 23. Further, the abnormality determination unit 23 receives from the temperature estimation unit 14 the estimated temperature of the fluid based on the propagation time of the ultrasonic wave when measuring the flow rate in the flow measurement mode immediately before the ultrasonic transducer monitoring mode.
[0081]
The abnormality determination unit 23 converts the resistance value received from the measurement unit 22 into a resistance value at the reference temperature using the estimated temperature. If the resistance value is different from the initial value of the first ultrasonic transducer 1 by a predetermined level or more, the abnormality determination unit 23 determines whether the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 Outputs a signal indicating that is abnormal.
[0082]
FIG. 5 is a graph showing a change in impedance of a piezoelectric element used in the first ultrasonic transducer 1 with respect to a relative humidity around the piezoelectric element. As shown in FIG. 5, as the relative humidity around the piezoelectric element increases, the piezoelectric element absorbs moisture, the dielectric constant changes, and the impedance decreases. Therefore, when the impedance is greatly reduced, the case of the first ultrasonic vibrator 1 is damaged, and it can be understood that the relative humidity around the piezoelectric element has increased due to the inflow of air outside the case.
[0083]
For example, in the first ultrasonic transducer 1, the relative humidity RH at the reference temperature ₀ The piezoelectric element sealed in the inert gas of ₀ , The impedance of the first ultrasonic transducer 1 becomes the initial value R. ₀ When the first ultrasonic transducer 1 is reduced to 1/10 or 1/100, the abnormality determiner 23 determines that the first ultrasonic transducer 1 is abnormal. At this time, the relative humidity in the case is RH ₁ Has increased. This is because outside air having a high relative humidity flowed into the case due to damage to the case.
[0084]
Next, the microcomputer 30 controls the first mode switching unit 20 and the second mode switching unit 22 so that the second ultrasonic transducer 2 is connected to the measuring unit 22, and performs the second mode switching in the same manner as described above. Of the second ultrasonic transducer 2 is measured, and it is determined whether the second ultrasonic transducer 2 is abnormal.
[0085]
When at least one of the first ultrasonic vibrator 1 and the second ultrasonic vibrator 2 is abnormal, the abnormality determining unit 23 determines whether the first ultrasonic vibrator 1 or the second ultrasonic vibrator 2 Outputs a signal indicating that is abnormal. At this time, information indicating which ultrasonic transducer is abnormal may be output at the same time.
[0086]
As described above, in the ultrasonic flowmeter 101, the piezoelectric elements of the first and second ultrasonic vibrators 1 and 2 are housed in a case in which an inert gas is sealed. Therefore, even if the humidity of the outside air changes, the characteristics of the first and second ultrasonic vibrators 1 and 2 are kept constant, and the flow rate measurement with a small error can be performed. Further, even if the outside air contains a gas that corrodes or alters the piezoelectric body 82 or the electrode 91, the characteristics of the piezoelectric element do not fluctuate. Can perform highly accurate measurements over a long period of time. That is, the ultrasonic flowmeter 101 has excellent reliability.
[0087]
On the other hand, if an unexpected shock or an environmental change occurs due to an earthquake or the like and the case of the first ultrasonic vibrator 1 or the second ultrasonic vibrator 2 is damaged, outside air flows into the case and the piezoelectric element Changes in the surrounding humidity, the dielectric constant of the piezoelectric body changes. For this reason, in the ultrasonic transducer monitoring mode, the impedance of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 is periodically monitored to detect a change in the impedance. It is possible to know that the characteristics of the vibrator 1 and the second ultrasonic vibrator 2 have changed and a measurement error has occurred.
[0088]
In addition, a seismic sensor is provided in the ultrasonic flowmeter 101, and when the seismic sensor detects that an earthquake of a predetermined magnitude or more has occurred, the ultrasonic vibrator monitoring mode is immediately executed, and the first You may make it confirm whether the ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are abnormal.
[0089]
In particular, the present embodiment utilizes the fact that the characteristics of the piezoelectric elements of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 change sensitively to changes in ambient humidity. That is, the piezoelectric elements of the first ultrasonic vibrator 1 and the second ultrasonic vibrator 2 also serve as elements for detecting humidity. Therefore, it is not necessary to newly provide a humidity detecting element or the like. Further, as shown in FIG. 1B, when the groove 2 g is provided in the piezoelectric body 82, the surface area of the piezoelectric body 82 increases, and the piezoelectric body 82 is more susceptible to a change in humidity around the piezoelectric body 82. The dielectric constant of the body is likely to change. For this reason, it becomes easy to detect the damage of the case 85 more sensitively.
[0090]
That is, according to the ultrasonic flowmeter 101, the piezoelectric elements of the first and second ultrasonic transducers 1 and 2 are housed in the case in which the inert gas is sealed, so that they are not easily affected by the outside air or the like. In addition, it is possible to detect a change in the environment unexpectedly such that the case is damaged. Therefore, the flow rate can be stably measured without including a measurement error with respect to a certain environmental change, and when the piezoelectric characteristics of the piezoelectric elements of the first and second ultrasonic transducers 1 and 2 change. Can reliably detect the change and know that a measurement error may occur.
[0091]
In the present embodiment, the piezoelectric elements of the first and second ultrasonic vibrators 1 and 2 include the electrode 26 that completely covers a part of the second main surface of the piezoelectric body. As described above, the piezoelectric element may include the mesh electrode 26 ′. In the piezoelectric element shown in FIG. 6, since the surface of the piezoelectric body 82 is exposed from the mesh of the electrodes 26 ', the surface area where the piezoelectric body 82 is exposed increases, and the dielectric constant becomes more sensitive to changes in ambient humidity. Change. For this reason, by storing the piezoelectric element shown in FIG. 6 in a case in which an inert gas is sealed, the first and second sensors are more sensitive to unexpected environmental changes that may cause damage to the case. Of the piezoelectric elements of the ultrasonic transducers 1 and 2 can be detected. Even in this case, as long as the case is kept sealed, the inert gas covering the periphery of the piezoelectric element does not change, so that the piezoelectric element exhibits stable characteristics.
[0092]
(Second embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention will be described. FIG. 7 schematically shows the structure of the ultrasonic transducer 51 used in the present embodiment. The ultrasonic transducer 51 has a temperature sensor 53 in a case 85 that seals a piezoelectric element including a piezoelectric body 82. The piezoelectric element and the temperature sensor 53 are connected to the wiring 52, and the wiring 52 is drawn out of the case 85. As in the first embodiment, the space 85s of the case 85 is filled with an inert gas.
[0093]
FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration of the ultrasonic flowmeter 102 according to the present embodiment. The ultrasonic flowmeter 102 includes a first ultrasonic transducer 55 and a second ultrasonic transducer 56. As the first ultrasonic transducer 55 and the second ultrasonic transducer 56, the ultrasonic transducer 51 shown in FIG. 7 is used.
[0094]
The ultrasonic flow meter 102 includes a temperature measuring unit 41 instead of the temperature estimating unit 14 of the ultrasonic flow meter 101 of the first embodiment, and includes a first ultrasonic vibrator 55 and a second ultrasonic wave The temperature sensor 53 provided in the case 85 of the vibrator 56 is connected to the temperature measuring unit 41. The output of the temperature measurement unit 41 is input to the determination unit 23 as described above.
[0095]
The other components of the ultrasonic flow meter 102 are the same as those of the ultrasonic flow meter 101 of the first embodiment. In the flow measurement mode, the flow rate of the fluid is measured by the same procedure as that described in the first embodiment. I do.
[0096]
On the other hand, in the ultrasonic transducer monitoring mode, the ultrasonic flowmeter 102 uses the temperature sensor 53 and the temperature measuring unit 41 to store the case 85 of the first ultrasonic transducer 55 and the second ultrasonic transducer 56 in the case 85. Measure the temperature directly. The abnormality determination unit 23 converts the resistance value received from the measurement unit 22 into a resistance value at the reference temperature using the measured temperature. If the resistance value is different from the initial value of the first ultrasonic transducer 55 or the second ultrasonic transducer 56 by a predetermined level or more, the abnormality determination unit 23 sets the first ultrasonic transducer 55 Alternatively, a signal indicating that the second ultrasonic transducer 56 is abnormal is output.
[0097]
As described above, according to the present embodiment, the temperature in the case 85 is directly measured. Since the temperature in the case 85 substantially coincides with the temperature of the piezoelectric elements of the first ultrasonic transducer 55 and the second ultrasonic transducer 56, the change in the resistance value of the piezoelectric element due to the temperature change is corrected. The change in the characteristics of the first ultrasonic transducer 55 and the second ultrasonic transducer 56 can be known more accurately.
[0098]
Further, the temperature in the case 85 can be directly measured independently of the flow rate measurement. For this reason, when the flow rate has not been measured for a while using the ultrasonic flow meter 102, the ultrasonic flow meter 102 is first set to the ultrasonic transducer monitoring mode, and the first ultrasonic transducer 55 and the second After determining whether the second ultrasonic transducer 56 is normal, the flow rate can be measured.
[0099]
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention will be described. FIG. 9 schematically shows the structure of the ultrasonic transducer 57 used in the present embodiment. The ultrasonic transducer 57 has a humidity sensor 58 in a case 85 that seals a piezoelectric element including a piezoelectric body 82. The piezoelectric element and the humidity sensor 58 are connected to the wiring 52, and the wiring 52 is drawn out of the case 85. As in the first embodiment, the space 85s of the case 85 is filled with an inert gas.
[0100]
In the first and second embodiments, the change in the characteristics of the piezoelectric element is directly measured by measuring the resistance value or the capacitance value of the piezoelectric element. The humidity in 85 is measured directly.
[0101]
FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration of the ultrasonic flowmeter 103 according to the present embodiment. The ultrasonic flowmeter 103 includes a first ultrasonic vibrator 61 and a second ultrasonic vibrator 62. As the first ultrasonic transducer 61 and the second ultrasonic transducer 62, an ultrasonic transducer 57 shown in FIG. 9 is used.
[0102]
The ultrasonic flow meter 103 includes an element switching unit 63 connected to the wiring of the humidity sensor 58 of the first ultrasonic oscillator 61 and the second ultrasonic oscillator 62, and the element switching unit 63 is configured to include the measuring unit 22 ′. Connected to. Further, similarly to the first embodiment, a temperature estimating unit 14 for estimating the temperature of the fluid from the measured flow rate is provided, and the abnormality determination unit 23 receives a signal of the estimated temperature from the temperature estimating unit. If the humidity sensors 58 of the first ultrasonic transducer 61 and the second ultrasonic transducer 62 detect the absolute humidity, the temperature estimating unit 14 may not be provided. Further, as described in the second embodiment, the temperature sensor 53 is provided in the first ultrasonic transducer 61 and the second ultrasonic transducer 62 in place of the temperature estimating unit 14, and the temperature in the case is directly measured. It may be measured.
[0103]
Further, the humidity sensor 58 may be a resistance type or a capacitance type. When the humidity sensor 58 is of a resistance type, a measuring unit 22 ′ having the same configuration as the measuring unit shown in FIG. 3 can be used. On the other hand, when the humidity sensor 58 is of a capacitance type, the measuring unit 22 shown in FIG. .
[0104]
In the present embodiment, the piezoelectric elements of the first ultrasonic oscillator 61 and the second ultrasonic oscillator 62 are used only for flow rate measurement, and the humidity in the case is measured by the humidity sensor 58. Since the humidity inside the case can be measured by the humidity sensor 58 even during the measurement of the flow rate, there is no need to switch between the two operations of the flow measurement mode and the ultrasonic transducer monitoring mode. Can be performed in parallel.
[0105]
Specifically, the ultrasonic flowmeter 103 uses the humidity sensor 58 of the ultrasonic transducer selected by the element switching unit 63 at predetermined time intervals, regardless of whether or not the flow rate is measured. Measure humidity. If the humidity sensor 58 can measure the absolute humidity, it is not necessary to correct the measured value for the temperature. When the measured value differs from the initial value of the humidity sensor 58 by a predetermined level or more, the abnormality determination unit 23 indicates that the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 is abnormal. Output a signal. When the humidity sensor 58 measures the relative humidity, the abnormality determination unit 23 converts the measured value into a resistance value or a capacitance value at the reference temperature using the estimated temperature received from the temperature estimating unit 14. If the measured value differs from the initial value of the humidity sensor 58 by a predetermined level or more, the abnormality determination unit 23 determines that the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 is abnormal. Is output.
[0106]
FIG. 10 is a graph showing a change in capacitance with respect to the relative humidity around the piezoelectric element used in the first ultrasonic transducer 1. As shown in FIG. 10, as the relative humidity around the piezoelectric element increases, the piezoelectric body absorbs moisture, the dielectric constant changes, and the capacitance increases. Therefore, for example, in the first ultrasonic transducer 1, the relative humidity RH at the reference temperature is obtained. ₀ The piezoelectric element sealed in the inert gas of ₀ And the capacity of the first ultrasonic transducer 1 is equal to the initial value C. ₀ If the difference is increased by 5%, the abnormality determination unit 23 determines that the first ultrasonic transducer 1 is abnormal. At this time, the relative humidity in the case 85 is RH at the reference temperature. ₁ Has increased. Such a change in the relative humidity indicates that damage such as a crack has occurred in the case 85 and the outside air having a high relative humidity has flowed.
[0107]
According to the present embodiment, since the humidity in the case is measured by the humidity sensor provided in the case of the sealed ultrasonic transducer, the humidity in the case can be measured independently of the flow rate measurement. . For this reason, the ultrasonic transducer can be monitored without interrupting the flow rate measurement, and the ultrasonic flow meter according to the present embodiment can be suitably used particularly in applications where the flow rate needs to be constantly measured. Further, since there is no need to switch between the measurement operation of the flow rate and the monitoring operation of the ultrasonic transducer, a mode switching unit is not required, and the configuration of the ultrasonic flow meter can be simplified. Further, by employing a humidity sensor for detecting the absolute humidity, it is not necessary to perform correction based on temperature.
[0108]
(Fourth embodiment)
Hereinafter, a fourth embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention will be described. FIG. 12 schematically shows the structure of the ultrasonic transducer 66 used in the present embodiment. FIG. 13 shows a structure of a piezoelectric element 67 which is a main part of the ultrasonic transducer 66. As shown in FIG. 13, the piezoelectric element 67 includes a piezoelectric body 82 having a first main surface 2b and a second main surface 2a facing each other, a first electrode 26a provided on the first main surface, and a first electrode 26a. The second electrode 26b includes a common electrode 27 provided on the second main surface 82a.
[0109]
The first electrode 26a is provided at the center of the first main surface 2b, and the second electrode 26b is provided around the first main surface 2b so as to surround the first electrode 26a. The common electrode 27 covers approximately the entire second main surface 2a. As shown in FIG. 13, preferably, the second electrode 26b has a mesh structure. The first electrode 26a may also have a mesh structure. Wirings 52a, 52b and 52c are connected to the respective electrodes.
[0110]
The first electrode 26a applies a voltage to the piezoelectric body 82 and is used for electroacoustic conversion for detecting a voltage generated by the vibration of the piezoelectric body 82. On the other hand, the second electrode 26b is used for measuring the electrical characteristics of the piezoelectric body 82. More specifically, the first electrode 26a, the common electrode 27, and the piezoelectric member 82 sandwiched therebetween constitute an electroacoustic transducer element 67a for transmitting and receiving ultrasonic waves. The second electrode 26b, the common electrode 27, and the piezoelectric member 82 sandwiched therebetween constitute a humidity sensor 67b. The piezoelectric element 67 is housed in the case 85, and is sealed in a state where the space 85s in the case is filled with the inert gas.
[0111]
In the piezoelectric body 82, the region where the second electrode 26b is formed has a small displacement when the piezoelectric body 82 is in a vibration state, and the ultrasonic wave is applied to the first main surface 82b or the second main surface 82a. Hard to shoot vertically. For this reason, even if an electrode for electroacoustic conversion is formed in the peripheral portion of the piezoelectric body 82, it is difficult to contribute to accurate measurement of the flow rate. Does not significantly affect the flow rate measurement.
[0112]
FIG. 14 is a block diagram illustrating the structure of the ultrasonic flowmeter 104 according to the present embodiment. The ultrasonic flowmeter 104 includes a first ultrasonic vibrator 68 and a second ultrasonic vibrator 69, and the first ultrasonic vibrator 68 and the second ultrasonic vibrator 69 include the ultrasonic vibrator shown in FIGS. An ultrasonic transducer 66 shown in FIG. The first electrodes 26a of the first ultrasonic transducer 68 and the second ultrasonic transducer 69 are connected to the switching unit 10, respectively. Further, the second electrodes 26b are connected to the element switching units 63, respectively. The other parts of the ultrasonic flow meter 104 are configured in the same manner as the ultrasonic flow meter 103 of the third embodiment.
[0113]
In the ultrasonic flowmeter 104, the piezoelectric elements 67 of the first ultrasonic transducer 68 and the second ultrasonic transducer 69 are connected to an electroacoustic transducer element 67a for transmitting and receiving ultrasonic waves and a humidity sensor section 67b. Including. These can be operated independently, and similarly to the ultrasonic transducer 57 shown in FIG. 9, the characteristics of the ultrasonic transducer can be monitored while measuring the flow rate.
[0114]
Specifically, the flow rate is measured using the electro-acoustic transducer 67a of the piezoelectric element 67 of the first ultrasonic transducer 68 and the second ultrasonic transducer 69. This procedure is the same as the procedure in the flow measurement mode described in the first embodiment.
[0115]
On the other hand, regardless of whether the flow rate is measured using the electroacoustic transducer element 67a or not, the humidity sensor 67b of the ultrasonic transducer selected by the element switching unit 63 at predetermined time intervals is used. Measure humidity. The measurement unit 22 ′ measures the resistance value or the capacitance value of the humidity sensor unit 67b, and outputs the value to the abnormality determination unit 23. The abnormality determining unit 23 converts the measured value into a resistance value or a capacitance value at the reference temperature using the estimated temperature received from the temperature estimating unit 14. If the measured value differs from the initial value of the humidity sensor 58 by a predetermined level or more, the abnormality determination unit 23 determines that the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 is abnormal. Is output.
[0116]
As described above, according to the present embodiment, a part of the piezoelectric element is used as an electroacoustic transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves, and a part of the piezoelectric element is used as a humidity sensor. Can be. In addition, since these two elements can be operated at the same time, the characteristics of the piezoelectric elements can be monitored while measuring the flow rate.
[0117]
In the ultrasonic vibrator 69 of the present embodiment, no groove is provided in the piezoelectric body 82, but a groove as shown in FIG. 1B may be provided in the piezoelectric body 82. In the present embodiment, the wiring is connected to the electroacoustic transducer element 67a and the humidity sensor 67b, and the wiring is drawn out of the case. However, the structure shown in FIG. 1B may be adopted.
[0118]
(Fifth embodiment)
Hereinafter, a gas meter provided with the ultrasonic flowmeter of the present invention will be described.
[0119]
FIG. 15 is a block diagram of the gas meter 106 for measuring the flow rate of the gas flowing in the pipe 70. The gas flowing in the pipe 70 may be other gases such as hydrogen and oxygen, other than those used in ordinary households such as natural gas and propane gas.
[0120]
The gas meter 106 controls the ultrasonic flow meter 71 for measuring the flow rate of the gas flowing in the pipe 70, the shutoff valve 72 for shutting off the gas flowing in the pipe 70 in an emergency, and controls the ultrasonic flowmeter 71 and the shutoff valve 72. And a display unit 74 for displaying the flow rate measured using the ultrasonic flowmeter 106, the integrated value of the flow rate, and other information. As the ultrasonic flow meter 71, the ultrasonic flow meters of the first to fourth embodiments can be used. The microcomputer 73 (the microcomputer 30 in FIG. 2 and the like) of the ultrasonic flowmeter 71 may be used as the microcomputer 73. As shown in the figure, the gas meter 106 may include a communication unit 75 for transmitting data relating to the measured flow rate to a gas company or the like, or controlling the gas meter 106 from the gas company.
[0121]
The microcomputer 73 displays data on the flow rate measured by the ultrasonic flow meter 71 on the display unit 74, and monitors whether there is any abnormality in the measured flow rate. For example, when a large amount of gas suddenly starts flowing, it is determined that gas leakage has occurred, and the shutoff valve 72 is operated to stop gas supply.
[0122]
Further, as described in the first to fourth embodiments, the ultrasonic flowmeter 71 monitors at a predetermined time interval whether or not the characteristics of the ultrasonic transducer have changed. Instead of the predetermined time interval, when an earthquake or the like occurs, a control signal may be received from the gas company or the like through the communication unit 75, and the characteristics of the ultrasonic transducer may be measured based on the control signal. The resistance value or the capacitance value of the ultrasonic vibrator is measured according to the procedure described in the first to fourth embodiments, and the abnormality determination unit 23 indicates that one of the two ultrasonic vibrators is abnormal. When the signal is output, the microcomputer 73 operates the shutoff valve 72 based on the signal of the abnormality determination unit 23 to stop the gas supply.
[0123]
According to the gas meter 106, the piezoelectric elements of the first and second ultrasonic transducers are housed in a case in which an inert gas is sealed. Therefore, even if the humidity of the outside air changes, the characteristics of the first and second ultrasonic vibrators 1 and 2 are kept constant, and the flow rate measurement with a small error can be performed. In addition, even if the outside air contains a gas that corrodes or alters the piezoelectric body 82 or the electrode 91, the characteristics of the piezoelectric element do not fluctuate. High-precision measurement can be performed over a period. That is, the gas meter 106 is excellent in reliability.
[0124]
On the other hand, when an unexpected shock or environmental change occurs due to an earthquake or the like and the case of the first ultrasonic vibrator or the second ultrasonic vibrator is damaged, outside air flows into the case and the surroundings of the piezoelectric element , The dielectric constant of the piezoelectric body changes. For this reason, the resistance value or the capacitance value of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 is periodically monitored and detected, whereby the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are detected. It can be known that the characteristics of the ultrasonic transducer 2 have changed and a measurement error has occurred.
[0125]
The ultrasonic transducer described in the first to fifth embodiments can be suitably used for measuring instruments such as a distance meter and a speed meter other than the ultrasonic flow meter. By using the ultrasonic transducer of the present invention for these measuring instruments, it is difficult for measurement errors to occur due to changes in the outside air, and when the characteristics of the ultrasonic transducer change due to unexpected shocks or environmental changes. Thus, a measuring instrument that can know the abnormality is realized.
[0126]
Further, in the first to fifth embodiments, the resistance value and the capacitance value are shown as the characteristics to be measured for detecting the change in the dielectric constant of the piezoelectric element. However, in addition to the resistance value and the capacitance value, a current value, a voltage value, and the like may be measured, and based on the change, it may be determined that the case of the ultrasonic vibrator is damaged and outside air flows in.
[0127]
Further, in the first to fifth embodiments, the ultrasonic wave is bidirectionally propagated using the first ultrasonic vibrator and the second ultrasonic vibrator, and the flow velocity and the flow rate of the fluid are determined by the propagation time difference. I was asking. However, as is apparent from the equation (1), when the sound speed C of the ultrasonic wave in the fluid is known, the propagation time t1 from the first ultrasonic vibrator to the second ultrasonic vibrator or the first By measuring the propagation time t2 from the second ultrasonic transducer to the first ultrasonic transducer, the flow velocity V of the fluid can be obtained. That is, in the first to fifth embodiments, the flow velocity and the flow rate of the fluid are obtained by measuring the propagation time of the ultrasonic wave in one direction between the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer. Is also good.
[0128]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, although it is hard to be influenced by outside air etc., the ultrasonic vibrator which can detect the change sensitively with respect to an unexpected environmental change which may damage a case is obtained. . By using this ultrasonic transducer, it is possible to obtain an ultrasonic flowmeter capable of maintaining high-accuracy measurement and detecting an abnormality that may cause a detection error.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a perspective view and a sectional view showing a structure of an ultrasonic transducer used in a first embodiment of an ultrasonic flowmeter according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a first embodiment of an ultrasonic flowmeter according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a specific configuration of a measurement unit illustrated in FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram illustrating measurement by a sing-around method.
FIG. 5 is a graph showing a change in impedance of a piezoelectric element with respect to a relative humidity around the piezoelectric element.
FIG. 6 is a diagram showing another example of the electrode structure of the piezoelectric element of the ultrasonic flowmeter.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a structure of an ultrasonic transducer used in a second embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention.
FIG. 8 is a block diagram showing a second embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention.
FIG. 9 is a sectional view showing the structure of an ultrasonic transducer used in a third embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention.
FIG. 10 is a block diagram showing a third embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention.
FIG. 11 is a graph showing a change in capacitance with respect to a relative humidity around the piezoelectric element.
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a structure of an ultrasonic transducer used in a fourth embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention.
FIG. 13 is a perspective view showing a main part of an ultrasonic transducer used in a fourth embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention.
FIG. 14 is a block diagram showing a fourth embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention.
FIG. 15 is a block diagram showing a configuration of a gas meter of the present invention.
FIG. 16 is a block diagram showing a conventional ultrasonic flowmeter.
FIG. 17 is a graph illustrating a zero cross point of a received signal.
[Explanation of symbols]
1 First ultrasonic transducer
2 Second ultrasonic transducer
3 Transmission section
4 Delay unit
5 Level detector
6 Receiver
7 Zero cross detector
8 Repeat part
9 Timing section
10 Transmission / reception switching unit
11 Flow rate calculation unit
13 Peak hold section
14 Temperature estimation unit
20 First mode switching unit
21 Second mode switching unit
22 Measuring unit
23 Abnormality judgment unit
82 Piezoelectric
85 cases
86 Matching layer
101, 102, 103, 104, 105 Ultrasonic flow meter

Claims (21)

An ultrasonic flowmeter that measures a flow rate of a fluid flowing through a flow path based on an ultrasonic propagation time,
A first element and a second element each having a piezoelectric element and a case for housing the piezoelectric element in a sealed state, and arranged so as to form a path through which ultrasonic waves propagate in a fluid flow path by transmitting and receiving ultrasonic waves. Ultrasonic transducer of
A measuring unit for measuring an electrical characteristic value of the piezoelectric element,
An abnormality determination unit that determines an abnormality of the first and second ultrasonic transducers based on the electric characteristic value;
Ultrasonic flow meter equipped with. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein each of the piezoelectric elements of the first and second ultrasonic transducers includes a piezoelectric body and an electrode having a network structure provided on the piezoelectric body. An ultrasonic flowmeter that measures a flow rate of a fluid flowing through a flow path based on an ultrasonic propagation time,
A path in which a piezoelectric element including a piezoelectric element, a humidity sensor, and a case accommodating the piezoelectric element and the humidity sensor in a sealed state, respectively, and a path in which ultrasonic waves propagate in a fluid flow path by transmitting and receiving ultrasonic waves First and second ultrasonic transducers arranged to form
A measuring unit for measuring an electrical characteristic value of the humidity sensor,
An abnormality determination unit that determines an abnormality of the first and second ultrasonic transducers based on the electric characteristic value;
Ultrasonic flow meter equipped with. An ultrasonic flowmeter that measures a flow rate of a fluid flowing through a flow path based on an ultrasonic propagation time,
A piezoelectric body having opposing first and second main surfaces, a first electrode for electroacoustic conversion provided on the first main surface, and a piezoelectric body provided on the first main surface; A second electrode for measuring the electrical characteristics of, and a piezoelectric element having a common electrode provided on the second main surface, and a case for accommodating the piezoelectric element in a sealed state, First and second ultrasonic vibrators arranged to form a path for transmitting ultrasonic waves in a fluid flow path by transmitting and receiving ultrasonic waves;
A measuring unit that measures an electric characteristic value between the common electrode and the second electrode of the piezoelectric element,
An abnormality determination unit that determines an abnormality of the first and second ultrasonic transducers based on the electric characteristic value;
Ultrasonic flow meter equipped with. The apparatus further includes a temperature estimating unit that obtains a sound speed of an ultrasonic wave using the first and second ultrasonic vibrators and estimates a temperature of the fluid from the sound speed. 5. The electric characteristic value is corrected using a temperature that is set, and abnormality of the first and second ultrasonic transducers is determined using the corrected value. 6. Ultrasonic flowmeter. Each of the first and second ultrasonic transducers further includes a temperature sensor housed in the case, and the abnormality determination unit uses the temperature obtained by the temperature sensor to calculate the electrical characteristic value. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the first and second ultrasonic vibrators determine an abnormality using the corrected values and the corrected values. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the electric characteristic value is a resistance value or a capacitance value. The ultrasonic flowmeter according to any one of claims 1 to 7, wherein the ultrasonic flowmeter is provided in a flow path through which gas flows.
A shutoff valve for shutting off gas flowing through the flow path,
A control device that controls the shut-off valve based on a detection result of the abnormality determination unit;
Gas meter equipped with. An ultrasonic vibrator comprising: a piezoelectric element; a temperature detecting element; and a case accommodating the piezoelectric element and the temperature detecting element in a sealed state. The ultrasonic transducer according to claim 9, wherein the piezoelectric element includes a piezoelectric body and an electrode having a network structure provided on the piezoelectric body. An ultrasonic vibrator comprising a piezoelectric element, a humidity detecting element, and a case for housing the piezoelectric element and the temperature detecting element in a sealed state. A piezoelectric element having first and second main surfaces facing each other, and a piezoelectric element having first and second electrodes provided on the first main surface;
A case for housing the piezoelectric element in a sealed state,
An ultrasonic transducer comprising: The ultrasonic transducer according to claim 12, wherein the second electrode is provided on the first main surface so as to surround the first electrode. 14. The ultrasonic transducer according to claim 12, wherein at least the second electrode among the first electrode and the second electrode has a mesh structure. The ultrasonic transducer according to claim 9, wherein the piezoelectric body has at least one groove. First and second ultrasonic transducers each having a piezoelectric element and a case for accommodating the piezoelectric element in a sealed state, and arranged to form a path through which ultrasonic waves propagate in a fluid flow path, A method for controlling an ultrasonic flowmeter for transmitting and receiving ultrasonic waves between the first and second ultrasonic transducers and measuring a flow rate of a fluid by detecting a propagation time of the ultrasonic waves propagating between the paths. hand,
Obtaining information on humidity in the case of the first and second ultrasonic transducers;
Determining whether the first and second ultrasonic transducers are abnormal based on the information;
A method for controlling an ultrasonic flowmeter including: The control method for an ultrasonic flowmeter according to claim 16, wherein the step of obtaining the information obtains information on electrical characteristics of piezoelectric elements of the first and second ultrasonic transducers. The said 1st and 2nd ultrasonic transducer has a humidity sensor in a case, respectively, and the step of acquiring the said information measures the humidity in the said case using the said humidity sensor. Control method of ultrasonic flow meter. Measuring the flow rate of the fluid using the first and second ultrasonic transducers;
Estimating the temperature of the fluid based on the measured flow rate;
Correcting the information on the humidity based on the estimated temperature;
17. The method of controlling an ultrasonic flowmeter according to claim 16, further comprising: performing the determining step using the information on the corrected humidity. 17. The control method for an ultrasonic flow meter according to claim 16, further comprising a step of stopping the movement of the fluid based on a result of the determination. 21. A computer-readable recording medium on which a program for causing a computer to execute each step defined in the control method for an ultrasonic flowmeter according to claim 16 is recorded.

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