JP2009518633A - プラスチック製超音波測定区画および相応の測定方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、流体の流量測定に使用されるプラスチック製超音波測定区画（１）から成る。超音波測定区画は流体の流れ方向で離間した２つの超音波送受波器（２，３）を有し、音波が送受波器（２，３）間で少なくとも２つの反射体（４）を介してｚ状に案内されることを特徴としている。相応の測定方法と、測定区画（１）を射出成形によって一部品で製造する方法が記載される。

Description

本発明は、独立請求項によるプラスチック製超音波測定区間および超音波測定方法に関する。

流量を判定するための技術分野において最重要な方法として伝搬時間差法が開発された。この伝搬時間差法は、超音波信号の伝搬速度が超音波信号の伝搬する媒体の流速に依存している事実を利用している。同様に、超音波信号は流れ方向におけるよりも流れ方向とは逆方向ではゆっくりと移動する。技術的変換は、極力同一の伝達関数を有する２つの超音波変換器を使用することによって行われる。伝搬時間差を検出するために第１超音波パルスが媒体を通して流れ方向に送波され、第２超音波パルスが逆方向に送波される。両センサは交互に送波器および受波器として作動する。

上で指摘した原理で作動する数多くの実施形態が従来技術、特許および特許出願から公知である。

公知の多くのプラスチック製測定器は、測定用に必要な超音波変換器のいわゆる共直線状配置を利用している。すなわち、音波変換器は互いに直接向き合わせて配置されている。その結果、流れガイドは直線的とすることができず、共直線状配置を有する測定室内に例えばｕ形状に連結されていなければならず、このため取出し可能な射出成形用金型を製造することができない。流れガイドはむしろ２つ以上の部品から製造され、溶接して組み立てられねばならない。そのことが例えば国際公開第９４／２１９８，９号パンフレットで既に提案されており、測定区画はＵ形に形成されている。そこでは欠点として、測定区間は複数の部品から溶接して組み立てられねばならず、そのことから不可避的に測定区画内に溶接部が生じる。これは粒子トラップとして望ましくない。

独国特許出願公開第３９４１５４４号明細書により公知の超音波測定器では、超音波が２つの信号変換器間の「Ｗ」形放射経路を通過する。音波はまず管の下壁で反射し、次に上壁で反射し、最後に再び管の下壁で反射する。音波の一部は、管の下壁で１回の反射を有するだけの経路を通過する。これらの音波は下壁に減衰器を取付けることによって減衰される。

欧州特許第０５２１８５５号明細書が類似の流量計を述べている。しかし、音波が集束されるように反射面は湾曲している。下側管壁は集束する面の間に、集束をずらす反射面を有する。音波のうち測定管の「Ｖ」形経路を通過する部分が減衰される。しかしこの措置でも、音響信号は流量計によって強く減衰され、受波信号変換器が受け取る弱い信号は、管内の「Ｖ」形経路に追従する音波が重なっている。信号変換器は弱い信号を受信すると故障し易い。そのことは機械雑音にも電磁雑音にもあてはまる。

欧州特許出願公開第０５３８，９３０号明細書に示された測定管の壁は横断面で楕円形推移を有する。楕円の焦点に超音波送波器と超音波受波器が配置されている。測定管の中心で、障害物として形成される挿入物が縦方向に延設されており、挿入物の断面はやはり楕円として形成されているか、または先端を流れ方向に向けて楕円状に形成されている。超音波が測定管の壁で反射されることなく送波器から受波器に直接達することはこの挿入物で防止される。超音波送波器と超音波受波器とは測定管の軸線方向中心軸線上に配置されている。

測定区画を通して斜めにまたはＶ形に測定できるようにするためのこれら公知の構造体は、プラスチック特性と所要の測定精度とのゆえに利用することができない。

従来の前記構造体の他の欠点は、泡または粒子がトラップ（捕捉）される傾向にある。特に冒頭に指摘した公報では膨らみ部または隅が設けられており、そこに泡および粒子が絡まることがあり、こうして測定を歪める。同時に、流体工学上好ましくない角張った流入個所の多くは不純物によって塞がる傾向がある。

本発明の課題は、前記欠点を除去し、流量測定を歪めるような泡または粒子トラップが存在しない超音波測定区画および流量測定方法を提供することである。

本発明の課題は、測定信号内の干渉が排除される超音波測定区画および流量測定方法を提供することである。

内側溶接部またはその他の泡または粒子トラップなしにプラスチックから射出成形によって１部材から超音波測定区画を一体に製造することのできる超音波測定器の製造方法を提供することも、本発明の課題である。

本発明によれば、これらの課題は独立請求項によって解決される。

これらの課題は特に、流体の流量測定に使用されるプラスチック製超音波測定区画と、流体の流れ方向で離間して超音波測定区画に配置された２つの超音波送受波器とを備え、音波が超音波送受波器間で少なくとも２つの反射体を介してｚ状に案内されることによって解決される。

これらの課題は特に、本発明に係る超音波測定区画を用いて流量を測定する方法において、音波が超音波送受波器間で少なくとも２つの反射体を介してｚ状に導かれることによっても解決される。

これらの課題は、本発明に係る超音波測定区画を製造するために、
（ａ）階段状輪郭を一緒に形成する２つの拡張された滑り子が並置されるステップ、
（ｂ）測定区画が射出成形によって滑り子の周りに製造されるステップ、
（ｃ）両滑り子が測定区画の異なる側で引き出されるステップ、
が実行されることによっても解決される。

有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

この測定区画の利点は、２つの滑り子（スライダ）の利用によって工作物の取出しが可能となるので、測定区画を１部材から射出成形によって製造できることにある。溶接部がなく、つまり潜在的粒子トラップが存在しない。さらに、空気泡または気体泡は液体内に沈着するのが困難であり、測定区画を迅速に通過し、それゆえ測定歪みは十分に防止される。

有利には、測定区画が階段形状に実施され、反射体としては、使用されたプラスチックの性質に応じて必要な反射のために外壁体（測定区画を取り囲む空気での反射）、内壁体（測定区画のプラスチックでの反射）、適切な材料、例えば金属から成り、外壁体に取付けられたまたは挿入部品としてプラスチック内に射出成形された反射体が役立つ。プラスチック壁体が透過されねばならない場合、透過されるべきプラスチック壁体は反射体の領域全体にわたって有利には同じ厚さである。

図１は超音波送受波器と反射体とを有する本発明に係る超音波測定区画の図を示す。
図２ａは音波の進む経路を有する本発明に係る超音波測定区画の断面図を示す。
図２ｂは本発明に係る超音波測定区画の階段状実施形態が明確となる図２ａの側面図である。
図３は２つの滑り子による製造中の本発明に係る超音波測定区画の断面図である。
図４は本発明に係る測定区画を製造するのに使用される両滑り子の図である。
図５ａ〜ｄは反射体を測定区画に取付ける４つの異なる態様を示す。
図６ａ〜ｄは図５ａ〜ｄに一致しているが、しかし各実施形態において付加的に反射体の設けられた個所に丸みを備えている様子を示す。

図１は、流体の流れ方向で離間した２つの超音波送受波器２，３を有する本発明に係る超音波測定区画１の図である。送受波器２，３から放出された音波は測定区画１を通して２つの反射体４を介して導かれ、その後に再び第２送受波器３，２によって受波される。伝搬時間差、従って流速を検出するために、第１超音波パルスは媒体を通して流れ方向に送波され、第２超音波パルスは逆方向に送波される。両センサ２，３は交互に送波器および受波器として作動する。超音波測定区画１はその両端に２つの接続部品５₁，５₂を有し、図示実施例において接続部品は円形に形成されている。接続部品５₁，５₂で測定区画は、流体を測定区画１内に導く図示しない外部機器に接続される。超音波測定区画１は射出成形法で１部材から製造されている。超音波測定区画は例えば高純度テフロン（登録商標）から製造することができる。超音波測定区画１を用いて例えば気体または液体の流量を測定することができる。測定区画１に接続された電子評価装置は従来技術で知られているものと異ならない。

図２ａは、前記要素の超音波送受波器２，３および反射体４を有する本発明に係る超音波測定区画１の断面図である。測定区画１内の超音波の経路は符号６を付されている。本発明によれば、測定区画１は階段状に構成された通路として実施されている。図２ｂは、本発明に係る超音波測定区画の階段状実施形態を認めることのできる図２ａの側面図である。通路の傾斜面には、超音波送受波器２，３から放出された音波を反射して転送する少なくとも２つの反射体４がある。本発明に係る測定区画１は単一の射出成形部品から成り、直線状の流体通路を有する。それゆえ、測定区画１内には、流量測定を歪め得るような泡または粒子トラップは存在しない。こうして測定信号内の干渉は排除することができる。図２ａに明確に認めることができるように、音波はこうして送受波器２，３間で２つの反射体４を介して階段状通路つまり測定区画１内をｚ状に導かれる。同時に測定区画１の壁体内に、測定データの評価時に温度を一緒に含めることを可能とする温度測定センサ７を設けることができる。

本発明に係る測定区画１の製造方法が図３および図４に略示してある。第１ステップでは２つの拡張する滑り子（スライダ）８，９が並置される。両滑り子８，９は測定区画１の階段状輪郭を一緒に形成する。測定区画１は射出成形によって滑り子８，９の周りに製造される。次に、両滑り子８，９はそれぞれ測定区画１の異なる側で引き出すことができる。図３は、２つの滑り子８，９による製造中の本発明に係る超音波測定区画１の断面図である。測定区画１の外側に取付けられねばならない全ての要素、つまり超音波送受波器２，３、温度測定センサ７、および場合によって外部から取付けることのできる反射体４は、次のステップにおいて取付けることができる。

本発明では、使用されるプラスチックの性質に応じて必要な反射のために外壁体（図５ａ：測定区画１を取り囲む空気での反射）、内壁体（図５ｂ：測定区画１のプラスチックでの反射）、適切な材料、例えば金属から成り外壁体に取付けられ（図５ｃ）または挿入部品としてプラスチック内に射出成形された反射体（図５ｄ）が役立つ。適切な材料は、当然に、その都度使用されるプラスチックの音響特性に個別に合わされねばならない。こうして本発明は、媒体に接触する金属製反射体を使用しない。プラスチック壁体が透過されねばならない場合、透過されるべきプラスチック壁体は反射体の領域全体にわたって有利には同じ厚さである。

製造公差を補償し、温度に起因した測定区画１の長さ変化を補償するために、反射体は丸みを有することができるが、しかしこれは受波信号を弱めることになる。丸みの大きさはその都度使用される材料に依存している。図６ａ〜ｄの実施形態は図５ａ〜ｄの実施形態に一致しているが、しかし対応する各実施形態は付加的に丸みを備えている。

超音波送受波器と反射体とを有する本発明に係る超音波測定区画を示す図 図２ａは音波の進む経路を有する本発明に係る超音波測定区画を示す断面図、図２ｂは本発明に係る超音波測定区画の階段状実施形態が明確となる図２ａの側面図 ２つの滑り子による製造中の本発明に係る超音波測定区画を示す断面図 本発明に係る測定区画を製造するのに使用される両滑り子を示す図 反射体を測定区画に取付ける４つの異なる態様を示す図 図５に一致しているが、しかし各実施形態において付加的に反射体の設けられた個所に丸みを備えている様子を示す図

符号の説明

１ 超音波測定区画
２ 超音波送受波器
３ 超音波送受波器
４ 反射体
５₁，５₂ 左側および右側接続部品
６ 超音波経路、測定区画路
７ 温度測定センサ
８ 右側滑り子
９ 左側滑り子

Claims (26)

1. 流体の流量測定に使用されるプラスチック製超音波測定区画（１）と、流体の流れ方向で離間して前記超音波測定区画（１）に配置された２つの超音波送受波器（２，３）とを有する超音波測定器において、音波が前記超音波送受波器（２，３）間で少なくとも２つの反射体（４）を介してｚ状に案内されるることを特徴とする超音波測定器。
2. 前記超音波測定区画（１）が階段状に構成された通路として実施されていることを特徴とする請求項１記載の超音波測定器。
3. 前記超音波測定区画（１）が階段状に構成された通路として実施され、少なくとも２つの前記反射体（４）が前記通路の傾斜面にあることを特徴とする請求項１または２記載の超音波測定器。
4. 前記超音波測定区画（１）が高純度テフロン（登録商標）から製造されていることを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の超音波測定器。
5. 前記超音波測定区画（１）が１部材から製造されていることを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の超音波測定器。
6. 前記超音波測定区画（１）が射出成形によって製造されていることを特徴とする請求項１ないし５の１つに記載の超音波測定器。
7. 前記反射体（４）が金属、空気またはプラスチックから成ることを特徴とする請求項１ないし６の１つに記載の超音波測定器。
8. 前記反射体（４）が前記超音波測定区画（１）の内面または外面にあり、または前記超音波測定区画（１）の壁体内に射出成形されていることを特徴とする請求項１ないし７の１つに記載の超音波測定器。
9. 前記反射体（４）のある前記超音波測定区画（１）の壁体が丸みを有することを特徴とする請求項１ないし８の１つに記載の超音波測定器。
10. 前記超音波測定区画（１）に温度測定センサ（７）が取付けられていることを特徴とする請求項１ないし９の１つに記載の超音波測定器。
11. 請求項１ないし１０の１つに記載の超音波測定器の超音波測定区間を用いて流体の流量を測定する方法において、音波が送受波器（２，３）間で少なくとも２つの反射体（４）を介してｚ状に導かれることを特徴とする流量測定方法。
12. 前記音波が階段状に構成された前記超音波測定区画（１）を通して案内されることを特徴とする請求項１１記載の流量測定方法。
13. 前記音波が金属、空気またはプラスチック製の前記反射体（４）を介して案内されることを特徴とする請求項１１または１２記載の流量測定方法。
14. 気体または液体の流量が測定されることを特徴とする請求項１１ないし１３の１つに記載の流量測定方法。
15. 流量測定に追加して前記流体の温度が測定されることを特徴とする請求項１１ないし１４の１つに記載の流量測定方法。
16. 前記音波が前記超音波測定区画（１）の内側または外側に配置される前記反射体、または前記超音波測定区画の壁体内に射出成形された前記反射体（４）で導かれることを特徴とする請求項１１ないし１５の１つに記載の流量測定方法。
17. 請求項１ないし１０の１つに記載の超音波測定器の超音波測定区画（１）を製造するために、
    （ａ）階段状輪郭を一緒に形成する２つの拡張された滑り子（８，９）が並置されるステップ、
    （ｂ）超音波測定区画（１）が射出成形によって滑り子（８，９）の周りに製造されるステップ、
    （ｃ）前記両滑り子（８，９）が前記超音波測定区画（１）の異なる側で引き出されるステップ
    を有することを特徴とする超音波測定器の製造方法。
18. 次に、前記超音波測定区画（１）の外側に超音波送受波器（２，３）が取付けられることを特徴とする請求項１７記載の超音波測定器の製造方法。
19. 反射体（４）が前記超音波測定区画（１）の外側または内側に取付けられ、または前記超音波測定区画（１）の壁体内に射出成形されることを特徴とする請求項１７または１８記載の超音波測定器の製造方法。
20. 前記超音波測定区画（１）が高純度テフロン（登録商標）から製造されることを特徴とする請求項１８または１９記載の超音波測定器の製造方法。
21. 前記超音波測定区画（１）に温度センサ（６）が取付けられることを特徴とする請求項１８ないし２０の１つに記載の超音波測定の製造方法。
22. 請求項１８ないし２１の１つに従って製造された超音波測定器において、超音波測定区画（１）が一部品で製造されていることを特徴とする超音波測定器。
23. 前記超音波測定区画（１）が音波（６）のｚ状経路を有することを特徴とする請求項２２記載の超音波測定器。
24. 前記超音波測定区画（１）がテフロン（登録商標）から製造されていることを特徴とする請求項２２または２３記載の超音波測定器。
25. 前記超音波測定区画（１）が少なくとも２つの反射体（４）を含み、この反射体が前記超音波測定区画（１）の内面または外面にあり、または前記超音波測定区画（１）の壁体内に射出成形されていることを特徴とする請求項２２ないし２４の１つに記載の超音波測定器。
26. 前記超音波測定区画（１）に温度測定センサ（７）が取付けられていることを特徴とする請求項２２ないし２５の１つに記載の超音波測定器。

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