JP2005172658A

JP2005172658A - 超音波流量計

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Publication number: JP2005172658A
Application number: JP2003414471A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Inui; 善紀乾; Norio Niimura; 紀夫新村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-12-12
Also published as: JP4415662B2

Abstract

【課題】大口径超音波流量計の消費電力を抑え計測精度を高める。
【解決手段】一対の超音波振動子４、５を有する計測流路８を、格子状分割部材１４で仕切られた本流路７内の小流路の一部に設け、計測流路８の流量と、計測流路と本流路の面積比から本流路７の全流量を演算する。超音波振動子４、５は中継端子を介して本流路の外に設けられた計時手段と前記流量検出手段とにリード線で接続している。この構成により気密性を確実なものとし本流路７内を流れる流体は、外部に漏れることがない。また超音波振動子４、５間の距離は大きくする必要がない。従って、低消費電力で高精度な超音波流量計６を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を利用してガス・水などの流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。

従来のこの種の超音波流量計は、図１０に示すように、流路１の上流と下流とに直角に曲がる曲がり部２、３とを設け、一対の超音波振動子４、５を曲がり部の壁面の外側に固着させ、流体の流れ方向と平行に超音波を伝搬させ、超音波流量計として動作させていた。なお、図中の矢印は流体の流れ方向を示す（例えば、特許文献１参照）。

このような構成で、上流側の超音波振動子４から流れの方向に沿って超音波を発信し、この超音波を下流側の超音波振動子５で受信し、超音波振動子４から５への超音波の伝搬時間、Ｔｄｎを計測する。また、逆に下流側の超音波振動子５から流れに逆らって超音波を発信し、この超音波を上流側の超音波振動子４で受信し、超音波振動子５から４への超音波の伝搬時間、Ｔｕｐを計測する。この２つの伝搬時間から流路１を流れる流体の平均的な流速を演算し、あらかじめ解っている流路１の断面積などから、流体の流量を計測していた。
特開昭６０−１１５８１０号公報

しかしながら、上記従来の超音波流量計では、直角に曲がる曲がり部２、３などで流体中に、渦が不規則に発生したり、流路内に不規則に淀み点などが発生し、流量計測の誤差要因となっていた。また大流量を流すと流体の流れによって超音波振動の伝搬経路が曲げられ受信感度が低下するという問題があった。あるいは、大流量を流すと計測流路の断面積が小さいため圧力損失が増大し所要の流量が流せない要因となっていた。

また、計測流路の断面積を大きくすると超音波振動子間の距離が大きくなり大きな出力で発信させなければならず消費電流が大きくなるという課題があった。

そこでこれらの課題に鑑み、流体の流れる管状の本流路と、本流路内を複数の小流路に分割し、小流路の一部に計測流路を備えた構成とし、流路内を流れる流体の一部を計測することにより本流路を流れる流体の全流量を演算して求める方法が考えられる。しかし、この方法では前記計測流路の側面に設けられて超音波を送受信する一対の超音波振動子と、前記計時手段と、前記流量検出手段とを本流路を貫通して気密を保ちながら、電気的に接続しなければならないという課題が生じる。

さらに、この種大流量用超音波流量計は中圧のガス供給配管に設置されることが多いがガス圧力は０．１ＭＰａであり気密性を要求される引出し端子を必要とする。その方法として被覆付リード線を本流路に貫通して設けた貫通孔に通してシール材を塗布する方法が考えられるが、超音波振動子を交換する必要が生じた場合、シール材を除去してリード線を外して交換後、再塗布しなければならない、或いは芯線と被覆の間をリークするため気密を保つことができないという課題が生じる。

本発明は上記課題を解決するもので、大流量まで高精度の流量計測ができる超音波流量計を提供するものである。

前記従来の課題を解決するために本発明の超音波流量計は、計時手段と前記流量検出手段とは本流路の外側に設け、前記本流路に設けた中継端子を介して、気密を確保しながら前記超音波振動子とを電気的に接続した。中継端子はガラスハーメチックまたはゴムによってフランジと所定の距離を保って中心に固着されたピンまたはスルーホールプリント基板の裏表に設けられたランドによって構成され、ピンの両端またはプリント基板に接続することにより気密性を確保しながら電気的に接続することができる。

本発明の超音波流量計は、小流路の一部に設けた計測流路の流速を計測して、本流路の全流量を演算して算出するので計測流路は大型化せず、超音波振動子の感度低下が無く消費電流も増大することがない。前記計時手段と前記流量検出手段とは本流路の外側に設け、前記超音波振動子と前記本流路に設けた中継端子を介して、電気的に接続したので気密性が確実で、ガス供給配管のように０．１ＭＰａ程度の内圧が加わっても漏れることがない。

第１の発明は、流体の流れる管状の本流路と、前記本流路内に設けた計測流路と、前記本流路を貫通して設けた貫通孔をパッキンを介して気密に閉塞するフランジに複数のピンをシール材を介して貫通固定して構成した中継端子と、前記計測流路の側面に流体の流れ方向に対し斜めに設けられて超音波を送受信する超音波送受信手段として一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の値に基づいて前記本流路と前記計測流路を流れる流量を検出する流量検出手段とを設け、前記計時手段と前記流量検出手段とは前記本流路の外側に配置し、前記中継端子を介して、前記超音波振動子とを電気的に接続したもので、、前記超音波振動子と前記本流路に設けた中継端子を介して、電気的に接続したので気密性が確保できる。

第２の発明は、特に、第１の発明のフランジをプリント基板で構成し、シール材を半田とし、中継端子のピンは、前記プリント基板に設けたスルーホールを介して裏表が電気的に接続したもので、気密性と電気的接続を両立することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明のシール材はガラスハーメチック若しくはゴム材としたもので、低コストで、気密性と電気的接続を両立することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明のピンの表面に微細なローレット加工を施したことによりリードピンの表面とガラスまたはゴムとの親和性、密着性がさらに向上しリードピンの軸方向および円周方向の外力に対し強度が高まり気密性が確実で漏れがなく信頼性の高い超音波流量計を提供することができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の中継端子を、本流路の外側に設け、少なくとも前記計時手段と前記流量検出手段と前記中継端子を覆う気密性を有するケースを設け、前記ケースは本流路とパッキンを介して、気密に設けたので、万一中継端子または中継端子取り付けシール面より漏れが発生しても前記ケースで外部への漏出を防止する冗長設計の構成にしているので、安全で安心な計測が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態に基づく超音波流量計の側面断面図、図２は正面断面図、図３は平面断面図、図４は中継端子、図５は中継端子の断面図を示す。図に示す超音波流量計６において、流体の流れる本流路７は、全長３００ｍｍ、流量を計測する中央部径１２５ｍｍ、長さ１３５ｍｍの膨らみ部１１と、上流、下流の絞り部１２、１３とから構成した。上流の絞り部９は本流路と一体的にアルミダイキャスト、または鋳鉄で構成され、下流の絞り部１０はＰＯＭ等の樹脂製としたが、上流の絞り部９も下流の絞り部と同様別体としても良い。本流路７の中は板厚０．５ｍｍの分割部材で格子状に分割しこれらの小流路の一部に計測流路８を設けた。計測流路８の断面は縦１５ｍｍ、横２２ｍｍの矩形断面として縦の対向する面に、流路に対し斜めに一対の超音波振動子４、５を設けた。格子状分割部材１４はステンレスで、計測流路８はアルミで構成した。

なお、図中の矢印は流体の流れる方向を示す。流路に対向させた一対の超音波振動子４、５は、径１０ｍｍとした。１５、１６は超音波振動子駆動用の信号線を示し、流体の流れによって信号線が振動しないように格子状分割部材１４で挟持されたパイプ１７内を通し配線した。本流路７の外側は、前記計時手段９と前記流量検出手段１０とを有するプリント基板２９のコネクタ１９に、中継端子２８ａのピン１８を挿入し、直接接続した。本流路の内側は、前記中継端子２８ａの他方のピン１８と、前記超音波振動子４、５の信号線１５、１６で電気的に接続した。用いた超音波振動子の駆動周波数は、１００〜６００ｋＨｚとした。また中継端子２８ａに設けたピン１８は４本とし、一対の超音波振動子の４本のリード線を１ヶ所に集約して接続しているので作業性に優れている。また中継端子２８ａは１個で済むためシール個所も１箇所となり、組立工数が少なく安価に提供できる。コスト面で有利であると同時に漏れに対する信頼性も高まる。

また、中継端子２８ａはほぼ水平に設置される本流路７の上部に設けた貫通孔２７を密閉して覆うようにしており、供給配管中の塵埃、ガム分、水滴等が本流路内面、計測流路に付着しやがて下部に堆積した場合でも、端子部が上部にあるので塵埃、ガム分、水滴等が端子部に付着しにくく、分解することなく長期間に亘って信頼性の高い計測ができる超音波流量計が実現できる。この構成で０．１ＭＰａの内圧が加わっても漏れがなく、０．１ｍ^３/ｈ程度の小流量から３００ｍ^３/ｈの大流量まで広い流量範囲にわたり、再現性よく、安全に流量計測のできる超音波流量計を実現できた。

なお、中継端子２８ａは、ステンレスなどの金属ベースからなるフランジに設けられた貫通孔に複数のピン１８を貫通させ、所定の距離を保って特殊ガラスで封着させ気密性、耐圧性を持たせたガラスハーメチック２１でシールしている。ガラス封着しているため気密性が優れており１ｘ１０^−１０Ｐａ・ｍ^３/ｓｅｃ以下の気密性で耐熱性、耐震性にも優れ、過酷な環境下での使用が可能である。また本流路の貫通孔外周にはフランジの外周よりやや内側にはＯリング溝が加工されておりパッキンとしてＯリング２６を介して本流路と気密に固定される。アイレット、リード相互間の絶縁性はガラスの表面抵抗で決まるが一般には硼珪酸ガラス、ソーダバリウム系ガラス等の低融点ガラスを用いている。

また、シール材としてガラスを用いることによりピン間寸法、ピンの出代等、ピンの寸法精度が確保できる。フランジ２８ａの裏表に突出したピン１８の外側の一端は前記計時手段と前記流量検出手段とを有するプリント基板２９に設けた孔に裏側から挿入してプリント基板２９の表側に設けたコネクタ１９と電気的に接続する。ピン１８とコネクタ１９間はリード線で接続してもよい。また、ピン１８の他端と超音波振動子４、５とはリード線で接続する。この構成により気密性を確保しながら電気的に接続ができる。

従って、計測流路８は大型化せず、超音波振動子４、５の感度低下が無く消費電流も増大することがない。また、ガラスは物性的に安定しており長期に亘り安定して高精度に流量計測をすることができる。複数のピンの配置形状を、各ピン間の距離、および各ピンとベースとの距離が同一になるように形成した。なお、そのベース厚さは１．５〜３ｍｍ程度とし、各ピンの外径はφ１程度とした。ガラスハーメチック２１によるシールの気密封着により長期に亘り高信頼性で、漏れ発生の不良の少ない超音波流量計が実現できた。

また、中継端子２８ａを、本流路７の外側に設け、少なくとも前記計時手段９と前記流量検出手段１０と前記中継端子２８ａを覆う気密性を有するケース２５を設け、ケース２５は本流路７とパッキン２４を介して、気密に設けたので、万一、中継端子２８ａまたは中継端子２８ａ取り付けシール面より漏れが発生しても記ケース２５で外部への漏出を防止する構成の冗長設計としているので、より安全性を向上させた超音波流量計を提供することができる。

なお、本実施の形態において、ピン１８を延出して直接プリント基板２９と電気的接続を行っているが、図６に示す中継端子２８ｂのように、ピン１８に接続されたリード線３０、３１を用いてプリント基板２９と接続すれば、ピン１８とプリント基板２９の位置関係を固定する必要がなく、自由に配置する事が出来る。

（実施の形態２）
図７は、本発明の第２の実施の形態に基づく超音波流量計の中継端子２８ｃを示す。中継端子をプリント基板２９のスルーホールおよびの裏表のランドに圧入したピンで構成した。中継端子２８ｃは計時手段９と、流量検出手段１０とを有するプリント基板２９の一部に一体的に設け、中継端子２８ｃと計時手段９と、流量検出手段１０とを接続するリード線を不要とする構成としている。リード線が長いと受信側の超音波振動子に電磁波としての電気的雑音が入りやすく、雑音防止、Ｓ／Ｎ比向上のための対策が必要になり計測回路が複雑になるなど微少な流量を高精度に計測することが困難であったが、本発明のように、リード線の長さを短くする構成をとることにより、送受信する超音波振動子が受ける電気的雑音が小さくなり、低雑音が実現可能となり高精度な超音波流量計が実現できる。

（実施の形態３）
図８は、本発明の第３の実施の形態に基づく超音波流量計の中継端子２８ｄを示す。中継端子を複数のピン１８とフランジ２０とＣＲ、ＮＢＲ等のゴムとを焼き付け接着により封着することにより、気密性と電気的接続を両立することができる。この構成により、安価な金型で製作が可能となり、生産数量の少ない場合も安いコストで生産し易くなる。

また、ピン１８の取り付け部の孔にバーリング加工２０ａを施すことにより、シール材であるゴムの充填厚みを厚くすることができ、機密性をより向上させることが出来る。

さらに、シール材の広がる面をガス圧の掛かる本流路７側に配置することで、ガスの圧力を利用して更に機密性を向上する事が出来る。

（実施の形態４）
図９は、本発明の第４の実施の形態に基づく超音波流量計の中継端子２８ｅを示す。特に、第１または第２または第３の発明の中継端子の複数のピン１８の表面に微細なローレット２３加工を施したことによりピン１８の表面とガラスまたはゴムとの親和性、密着性がさらに向上しリードピンの軸方向および円周方向の外力に対し強度が高まる。従って気密性が確実で漏れがなく信頼性の高い超音波流量計を提供することができる。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、大口径の本流路内の分割された小流路の一部に設けた計測流路の流速を計測して、本流路の全流量を演算して算出するので計測流路は大型化せず、超音波振動子の感度低下が無く消費電流も増大することがない。また流体中に不規則な渦の発生や淀み点などの発生が無くなり、安定して流量計測のできる高精度の超音波流量計を提供することができ、超音波を利用してガス・水などの流体の流量を計測する超音波流量計等として有用である。

本発明の実施の形態１の超音波流量計の側面断面図本発明の実施の形態１の超音波流量計の正面断面図本発明の実施の形態１の超音波流量計の平面断面図本発明の実施の形態１の中継端子の平面図本発明の実施の形態１の中継端子の断面図本発明の実施の形態１の他の応用例を示す断面図本発明の実施の形態２の超音波流量計の断面図本発明の実施の形態３の中継端子の断面図本発明の実施の形態４の中継端子の断面図従来の超音波流量計の断面図

符号の説明

４、５超音波振動子
７本流路
８計測流路
９計時手段
１０流量検出手段
１８ピン
２０フランジ
２１ガラスハーメチック（シール材）
２２ゴム（シール材）
２３ローレット
２５ケース
２６Ｏリング（パッキン）
２７貫通孔
２８中継端子
２９プリント基板

Claims

流体の流れる管状の本流路と、前記本流路内に設けた計測流路と、前記本流路を貫通して設けた貫通孔をパッキンを介して気密に閉塞するフランジに複数のピンをシール材を介して貫通固定して構成した中継端子と、前記計測流路の側面に流体の流れ方向に対し斜めに設けられて超音波を送受信する超音波送受信手段として一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の値に基づいて前記本流路と前記計測流路を流れる流量を検出する流量検出手段とを設け、前記計時手段と前記流量検出手段とは前記本流路の外側に配置し、前記中継端子を介して、前記超音波振動子とを電気的に接続した超音波流量計。
フランジをプリント基板で構成し、シール材を半田とし、中継端子のピンは、前記プリント基板に設けたスルーホールを介して裏表が電気的に接続された請求項１に記載の超音波流量計。
シール材はガラスハーメチック若しくはゴム材とした請求項１に記載の超音波流量計。
複数のピンの表面に微細なローレット加工を施した請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波流量計。
中継端子は、本流路の外側に設け、計時手段と前記流量検出手段と前記中継端子を覆う気密性を有するケースを設け、前記ケースは本流路と気密に設けた請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波流量計。