JP2007263796A - 流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】音波信号を確実に伝搬させ、検出部で検出された音波信号に基づいて液体の流量を高精度に測定する。
【解決手段】流量測定装置１０は、液体が供給される通路２６を有するハウジング１２と、前記ハウジング１２の両端部に設けられ、音波信号を発信・受信可能な音波送受信部１４が内蔵された一組の検出部１６ａ、１６ｂとを備え、前記検出部１６ａ、１６ｂには、ハウジング１２の通路２６に臨むようにカバー部材４０が装着され、前記カバー部材４０の端部に前記通路２６側に向かって膨出した湾曲面４６を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体に対して音波を伝搬させた際の伝搬速度差に基づいて該液体の流量を検出する流量測定装置に関する。

従来から、例えば、流体が流通する導管の上流側と下流側に一対の送受波器を配置し、一方の送受波器から送波された超音波を前記導管の内壁面で反射されて他方の送受波器に受波させ、この超音波の伝搬速度差に基づいて流体の流速又は流量を測定する流量測定装置が知られている。

図７に示されるように、このような流量測定装置１は、液体が供給される供給導管２と前記液体が排出される排出導管３とを有する測定導管４を備え、前記測定導管４の一端部には第１測定ヘッド５が設けられ、前記測定導管４の他端部には第２測定ヘッド６が設けられている。この第１及び第２測定ヘッド５、６は、音波発信器また音波受信器として機構するトランスジューサを有し、例えば、第１測定ヘッド５からパルス状の音波信号が発信され、第２測定ヘッド６において音波発信器として前記音波信号を受信する。続いて、第１測定ヘッド５が受信器に切り換えられ、第２測定ヘッド６から発信された音波信号を受信する（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−８３７１５号公報

ところで、特許文献１に係る従来技術においては、液体内に含有された気泡が、第１及び第２測定ヘッド５、６に対向した測定導管４の内壁面に付着した場合に、前記気泡７が音波信号の伝搬の妨げとなり、前記第１及び第２測定ヘッド５、６によって音波信号を受信することができない。そのため、前記音波信号に基づいた液体の流量を測定することができないという問題が生じる。

本発明は、前記の課題を考慮してなされたものであり、音波信号を確実に伝搬させることにより、検出部で検出された音波信号に基づいて液体の流量を高精度に測定することが可能な流量測定装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、液体が流通する通路を筐体に備え、音波信号を発信・受信可能な一組の検出部が前記通路を挟んで対向配置され、前記音波信号に基づいて前記液体の流量を測定する流量測定装置において、
前記検出部は、前記筐体内の前記通路に臨み、該通路側に向かって膨出した湾曲面を有するカバー部材と、
前記カバー部材内に該通路側に向かって配置され、前記音波信号を発信・受信する音波送受信部材と、
を備え、
前記音波送受信部材が、前記湾曲面を介して前記音波信号を発信・受信することを特徴とする。

本発明によれば、通路と対向配置された検出部に、該通路側に向かって膨出した湾曲面を有するカバー部材を備えることにより、通路内を流通する液体に含まれた気泡が前記検出部に対して付着した場合においても、前記気泡が液体によって湾曲面に沿って徐々に半径外方向へと押圧されて移動する。従って、付着した気泡を湾曲面を介して好適に排除することができるため、前記気泡の付着によって音波信号の伝搬が妨げられることがなく、前記カバー部材内に設けられた音波送受信部材によって音波信号の発信・受信を確実に行うことができる。そのため、音波信号に基づいて液体の流量を高精度に測定することができる。

また、検出部と筐体との間に、音波信号の伝搬を遮断する音波遮断部材を設け、前記音波遮断部材を介して前記検出部を前記筐体に保持させるとよい。これにより、筐体から検出部へと伝搬される本来の音波信号と異なる妨害音波信号を、前記音波遮断部材によって好適に遮断することができる。そのため、通路内に伝搬された一方の検出部からの音波信号のみを確実に他方の検出部で受信することができ、前記音波信号に基づいた液体の流量を高精度に測定することができる。

さらに、検出部の外径を、該検出部の装着される筐体の内径より小さく設定することにより、一方の検出部から音波信号を通路へと好適に発信して伝搬させることができ、且つ、伝搬された音波信号を前記通路を介して他方の検出部によって好適に受信することができる。そのため、この音波信号に基づいて液体の流量を確実且つ高精度に測定することができる。

さらにまた、検出部を、筐体の内部に着脱自在に設けることにより、前記検出部のみを簡便に交換することができると共に、前記検出部のみを交換して筐体等を含む流量測定装置をそのまま使用することが可能となるため、前記流量測定装置の全体を交換する場合と比較してコストの削減が可能となる。

またさらに、筐体を金属製材料から形成することにより、例えば、前記筐体をプラスチック等の樹脂性材料から形成した場合と比較して前記筐体の強度を増大させることができるため、前記筐体内の通路に流通する液体が高圧である場合でも、液体測定装置において前記液体の流量を好適に測定することができる。

また、音波遮断部材を、弾性材料から形成することにより、検出部に対する筐体からの妨害音波信号を確実に遮断することができ、検出部から発信された音波信号のみを確実に受信することができる。

さらに、カバー部材の外周面と通路の内周面との間に、前記通路に臨んだクリアランスを設けることにより、前記通路を有する筐体と前記カバー部材との接触が回避され、前記筐体から検出部への妨害音波信号の伝搬を阻止することができる。

さらにまた、カバー部材を樹脂製材料から形成することにより、前記カバー部材内に設けられた音波送受信部材によって音波信号を確実に発信・受信することができる。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、通路と対向配置された検出部には、該通路側に向かって膨出した湾曲面をカバー部材に設けることにより、通路内を流通する液体中に含有された気泡が前記検出部に対して付着した際、前記気泡を湾曲面に沿って半径外方向へと移動させて排除することができるため、前記気泡の付着によって音波信号の伝搬が妨げられることがなく、検出部による音波信号の発信・受信を確実に行うことができる。その結果、音波信号に基づいて液体の流量を高精度に測定することができる。

本発明に係る流量測定装置について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

図１において、参照符号１０は、本発明の第１の実施の形態に係る流量測定装置を示す。

この流量測定装置１０は、図１に示されるように、例えば、水、薬液等の液体が供給される通路２６を有するハウジング（筐体）１２と、前記ハウジング１２の両端部に設けられ、音波信号を発信・受信可能な音波送受信部１４が内蔵された一組の検出部１６ａ、１６ｂとを含む。

ハウジング１２は、例えば、ステンレス鋼等の金属製材料から形成され、直線状に形成される本体部１８と、該本体部１８の一端部に対して略直角に接続される供給部２０と、前記本体部１８の他端部に対して略直角に接続される排出部２２とを備える。なお、供給部２０と排出部２２とは略平行に設けられている。また、ハウジング１２は、金属製材料から形成される場合に限定されるものではなく、樹脂製材料から形成してもよい。

本体部１８の両端部には、検出部１６ａ、１６ｂが連結される連結フランジ２４が半径外方向に拡径して形成されると共に、前記本体部１８の内部には、液体が流通する通路２６が軸線方向に沿って形成されている。この通路２６の両端部は、外部に向かって開口し、該両端部近傍に向かって徐々に拡径した拡径部２８ａ、２８ｂが形成される。すなわち、連結フランジ２４の内部に拡径部２８ａ、２８ｂが設けられ、前記拡径部２８ａ、２８ｂに臨むように検出部１６ａ、１６ｂが配置される。

供給部２０の内部には、軸線方向に沿って貫通した供給通路３０が形成され、前記供給通路３０が、本体部１８の一端部側に形成された拡径部２８ａと連通している。一方、排出部２２の内部には、軸線方向に沿って貫通した排出通路３２が形成され、前記排出通路３２が、本体部１８の他端部側に形成された拡径部２８ｂと連通している。すなわち、供給通路３０と排出通路３２は、一組の拡径部２８ａ、２８ｂを含む通路２６を通じて互いに連通しているため、図示しない液体供給源から前記供給通路３０に供給された液体が、通路２６を介して排出通路３２から外部へと排出される。

また、前記供給部２０及び排出部２２の端部には、例えば、チューブ等の配管３４が嵌合される嵌合溝３６が形成されると共に、前記端部の外周面に円筒状の締結プラグ３８が螺合されている。すなわち、供給部２０及び排出部２２の端部において、嵌合溝３６に対して配管３４を嵌合させた後、締結プラグ３８を前記端部に対して螺合させることにより、前記締結プラグ３８と端部との間に配管３４が挟持され、前記配管３４が供給部２０及び排出部２２に対して強固に接続される。

検出部１６ａ、１６ｂは、ハウジング１２の拡径部２８ａ、２８ｂにそれぞれ設けられ、該ハウジング１２の通路２６に臨むように装着されるカバー部材４０と、前記カバー部材４０の内部に配設される音波送受信部１４と、前記本体部１８の連結フランジ２４に連結され、開口した拡径部２８ａ、２８ｂを閉塞する接続キャップ４４ａ、４４ｂとを含む。

カバー部材４０は、樹脂製材料から断面略Ｕ字状に形成され、開口した一端部が接続キャップ４４ａ、４４ｂ側となるように配置されると共に、有底状に形成された他端部が通路２６と対向するように配置されている。このカバー部材４０の他端部には、通路２６側に向かって球面状に膨出した湾曲面４６を備えている。湾曲面４６は、図２に示されるように、通路２６に臨むように所定半径で形成され、通路２６の軸線上となる中央部が最も膨出している。

音波送受信部１４は、例えば、プレート状に形成された圧電素子（ピエゾ素子）からなり、平面状に形成されたカバー部材４０の底壁面４０ａ（図２参照）に装着されている。この音波送受信部１４には一組の導線５０が接続され、前記導線５０は接続キャップ４４ａ、４４ｂの内部に導かれた後に該接続キャップ４４ａ、４４ｂに螺合された封止ボルト５２を介して外部に導出されている。

接続キャップ４４ａ、４４ｂは、有底筒状に形成され、ハウジング１２の連結フランジ２４に対して複数のボルト（図示せず）を介して連結される。この接続キャップ４４ａ、４４ｂの側部には、嵌合部５４が突出して形成され、前記嵌合部５４がハウジング１２の拡径部２８ａ、２８ｂに挿入されて嵌合されると共に、前記嵌合部５４の内部には音波送受信部１４に接続された導線５０が挿通される。すなわち、音波送受信部１４は、ハウジング１２の連結フランジに対して連結される接続キャップ４４ａ、４４ｂによって拡径部２８ａ、２８ｂの内部に密封されると共に、前記接続キャップ４４ａ、４４ｂを離脱させることにより、該ハウジング１２から取り外すことができる。

なお、嵌合部５４の外周面に装着されたシール部材５６が、拡径部２８ａ、２８ｂの内周面に当接することにより、前記ハウジング１２と接続キャップ４４ａ、４４ｂとの間の気密が保持される。

また、接続キャップ４４ａ、４４ｂの端部には、導線５０が保持される封止ボルト５２が螺合され、前記接続キャップ４４ａ、４４ｂの内部が封止される。そして、封止ボルト５２を介して外部に導出された導線５０は、図示しない制御部にそれぞれ接続され、前記導線５０を介して音波送受信部１４で受信された受信信号が前記制御部に対して出力される。

本発明の第１の実施の形態に係る流量測定装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。なお、図示しない液体供給源から配管３４を通じて供給通路３０へと液体が供給され、前記液体が前記供給通路３０から通路２６を通じて排出通路３２へと流通している。

この流量測定装置１０において、例えば、ハウジング１２の一端部に連結された検出部１６ａの音波送受信部１４から音波信号を発信し、前記音波信号が通路２６の内壁面で反射されながら液体中を伝搬され、前記ハウジング１２の他端部に連結された検出部１６ｂの音波送受信部１４で受信される。この場合、音波信号が液体の流通方向（図１中、矢印Ｘ１方向）に沿って伝搬される。

また、反対に、ハウジング１２の他端部に連結された検出部１６ｂの音波送受信部１４から音波信号を発信し、前記音波信号を前記ハウジング１２の一端部に連結された検出部１６ａの音波送受信部１４で受信する。この場合、音波信号が液体の流通方向に対して反対方向（図１中、矢印Ｘ２方向）に伝搬される。

そして、音波送受信部１４で受信された音波信号に基づいた受信信号が、導線５０を介して図示しない制御部へと出力され、検出信号から液体の流通方向（矢印Ｘ１方向）に沿って音波信号を伝搬させた場合の伝搬時間Ｔ１と、液体の流通方向と反対方向（矢印Ｘ２方向）に前記音波信号を伝搬させた場合の伝搬時間Ｔ２に基づいて伝搬時間差ΔＴを制御部（図示せず）において算出する。この伝搬時間差ΔＴから液体の流速Ｖが算出される。

この場合、検出部１６ａ、１６ｂを構成するカバー部材４０には、該カバー部材と一体的に通路２６と対向して該通路２６側に膨出した湾曲面４６が形成されているため、液体内に含有された気泡が前記カバー部材４０に対して付着した際に、流通している液体によって前記気泡が押圧されることにより、前記湾曲面４６に沿って徐々に半径外方向へと移動させることができる。すなわち、音波送受信部１４を覆うカバー部材４０の表面に対して気泡が付着した状態を回避することができ、前記カバー部材４０から前記気泡を除去して排出通路３２から外部へと排出することができる。

そのため、付着した気泡の除去によって音波信号の伝搬が妨げられることがなく、流量測定装置１０における音波信号の発信・受信を好適に行うことができる。その結果、この音波信号に基づいて液体の流量を高精度に算出することができる。

また、音波送受信部１４を有する検出部１６ａ、１６ｂを、ハウジング１２の両端部に開口した拡径部２８ａ、２８ｂに対して装着し、接続キャップ４４ａ、４４ｂによって前記拡径部２８ａ、２８ｂを閉塞する構成としている。すなわち、図３に示されるように、検出部１６ａ、１６ｂをハウジング１２に対して着脱自在に設けることにより、前記検出部１６ａ、１６ｂを交換する場合に、前記接続キャップ４４ａ、４４ｂを取り外すという簡単な作業で交換を行うことができる。

さらに、検出部１６ａ、１６ｂに不具合が生じた場合でも、流量測定装置１０に対して前記検出部１６ａ、１６ｂのみを交換すれば再度使用することが可能となるため、前記流量測定装置１０の全体を交換する場合と比較してコストの削減を図ることが可能となる。

さらにまた、カバー部材４０を樹脂製材料から形成することにより、前記カバー部材４０内に設けられた音波送受信部１４によって音波信号を確実に発信・受信することができる。

次に、第２の実施の形態に係る流量測定装置１００を図４〜図６に示す。なお、上述した第１の実施の形態に係る流量測定装置１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

この第２の実施の形態に係る流量測定装置１００では、図４に示されるように、検出部１０２ａ、１０２ｂを構成するカバー部材１０４とハウジング１２の拡径部２８ａ、２８ｂとの間に減衰部材（音波遮断部材）１０６が設けられると共に、前記カバー部材１０４の外周面と前記拡径部２８ａ、２８ｂの内周面との間に所定間隔のクリアランス１０８が設けられている点で、第１の実施の形態に係る流量測定装置１０と相違している。

この減衰部材１０６は、例えば、ゴム等の弾性材料から円筒状に形成され、カバー部材１０４の外周面と拡径部２８ａ、２８ｂの内周面との間に設けられえう。そして、減衰部材１０６は、その外周面及び内周面を介して前記カバー部材１０４及び本体部１８にそれぞれ面接触するように設けられるため、カバー部材１０４が、ハウジング１２に対して直接接触することがなく、減衰部材１０６を介して前記ハウジング１２に保持されている。

また、図５に示されるように、カバー部材１０４の外周径Ｄ１は、通路２６を構成する拡径部２８ａ、２８ｂの内周径Ｄ２より小さく形成され（Ｄ１＜Ｄ２）、前記カバー部材１０４の外周面と拡径部２８ａ、２８ｂの内周面との間に所定間隔のクリアランス１０８が設けられる。換言すれば、カバー部材１０４の他端部が、拡径部２８ａ、２８ｂに対して接することがないよう所定間隔離間して設けられている。なお、音波送受信部１４の外周径Ｄ３も同様に、拡径部２８ａ、２８ｂの内周径Ｄ２より小さく設定されている（Ｄ３＜Ｄ２）。

このように、カバー部材４０と拡径部２８ａ、２８ｂとの間に、該拡径部２８ａ、２８ｂに臨むクリアランス４８を設けることにより、前記拡径部２８ａ、２８ｂを含む通路２６を有するハウジング１２とカバー部材４０とが接触することが回避され、前記ハウジング１２から検出部１６ａ、１６ｂに対する妨害音波信号の伝搬を阻止することができる。

また、カバー部材４０は、弾性材料からなる減衰部材１０６を介してハウジング１２に保持されているため、受信すべき本来の音波信号と異なる妨害音波信号が、前記減衰部材１０６によって好適に遮断され、前記ハウジング１２からカバー部材４０へと伝搬されることが防止される。そのため、一方の音波送受信部１４から発信された音波信号が、前記カバー部材４０を介して前記ハウジング１２へと伝搬されてしまうことを防止でき、液体が流通する通路２６内に伝搬された音波信号のみを確実に他方の音波送受信部１４で受信することができる。そのため、前記音波信号に基づいた液体の流量を高精度に測定することが可能となる。

さらに、ハウジング１２を金属製材料から形成することにより、プラスチックから測定導管２を形成していた従来の流量測定装置１と比較して強度を増大させることができる。そのため、ハウジング１２内に形成された通路２６、供給通路３０及び排出通路３２を流通する液体が高圧である場合でも、第２の実施の形態に係る流量測定装置１００を適用して前記液体の流量を好適に測定することができる。

さらにまた、カバー部材４０の外周径Ｄ１、音波送受信部１４の外周径Ｄ３を、拡径部２８ａ、２８ｂの内周径Ｄ２に対して小さく設定することにより（Ｄ１、Ｄ３＜Ｄ２）、音波信号を前記音波送受信部１４から前記拡径部２８ａ、２８ｂ内へと好適に発信することができると共に、伝搬された音波信号を前記拡径部２８ａ、２８ｂを介して音波送受信部１４で好適に受信することができる。そのため、この音波信号に基づいて液体の流量を確実且つ高精度に測定することができる。換言すれば、図７に示される従来技術に係る流量測定装置１では、測定導管２に形成される通路の内周径に対して第１及び第２測定ヘッド５、６の外周径が大きく設定されているため、前記通路内の液体を通じて伝搬された音波信号を、前記第１及び第２測定ヘッド５、６によって確実に受信することができない。

本発明の第１の実施の形態に係る流量測定装置の全体縦断面図である。 図１の流量測定装置における測定部近傍を示す拡大断面図である。 図１の流量測定装置のハウジングから測定部を離脱させた状態を示す拡大断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る流量測定装置の全体縦断面図である。 図４の流量測定装置における測定部近傍を示す拡大断面図である。 図４の流量測定装置のハウジングから測定部を離脱させた状態を示す拡大断面図である。 従来技術に係る流量測定装置の縦断面図である。

符号の説明

１０、１００…流量測定装置 １２…ハウジング
１４…音波送受信部 １６ａ、１６ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…検出部
１８…本体部 ２０…供給部
２２…排出部 ２４…連結フランジ
２６…通路 ２８ａ、２８ｂ…拡径部
３０…供給通路 ３２…排出通路
３４…配管 ３８…締結プラグ
４０、１０４…カバー部材 ４４ａ、４４ｂ…接続キャップ
４６…湾曲面 ５２…封止ボルト
１０６…減衰部材

Claims (8)

1. 液体が流通する通路を筐体に備え、音波信号を発信・受信可能な一組の検出部が前記通路を挟んで対向配置され、前記音波信号に基づいて前記液体の流量を測定する流量測定装置において、
   前記検出部は、前記筐体内の前記通路に臨み、該通路側に向かって膨出した湾曲面を有するカバー部材と、
   前記カバー部材内に該通路側に向かって配置され、前記音波信号を発信・受信する音波送受信部材と、
   を備え、
   前記音波送受信部材が、前記湾曲面を介して前記音波信号を発信・受信することを特徴とする流量測定装置。
2. 請求項１記載の流量測定装置において、
   前記検出部と筐体との間には、前記音波信号の伝搬を遮断する音波遮断部材が設けられ、前記音波遮断部材を介して前記検出部が前記筐体に保持されることを特徴とする流量測定装置。
3. 請求項１又は２記載の流量測定装置において、
   前記検出部の外径が、該検出部の装着される前記筐体の内径より小さく設定されることを特徴とする流量測定装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の流量測定装置において、
   前記検出部は、前記筐体の内部に着脱自在に設けられることを特徴とする流量測定装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の流量測定装置において、
   前記筐体は、金属製材料からなることを特徴とする流量測定装置。
6. 請求項２記載の流量測定装置において、
   前記音波遮断部材は、弾性材料から形成されることを特徴とする流量測定装置。
7. 請求項１記載の流量測定装置において、
   前記カバー部材の外周面と前記通路の内周面との間には、前記通路に臨んだクリアランスが設けられることを特徴とする流量測定装置。
8. 請求項１又は７記載の流量測定装置において、
   前記カバー部材は、樹脂製材料から形成されることを特徴とする流量測定装置。
   
   

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