JP2011133289A - 超音波式流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不要な信号の影響を受けずに計測に必要な信号を受信することが可能な超音波式流量計測装を提供すること。
【解決手段】流路４と、流路４の上流と下流に配置された音波を送信または受信する一対の送受信器５，６と、送受信器５，６間の超音波信号の伝搬時間を計測する計測手段１と、音波伝搬時間に応じて流体の流量を算出する流量算出手段１２と、送受信器５，６の送受信面に対抗して設けられた反射体１４とを備え、送受信器５，６は、流路４の側方に配置され、送受信器５から発信された超音波が反射体１４により９０度方向を変えられて、被測定流体を伝搬した後、再度反射体１４により９０度方向が変えられて送受信器６に受信されるように配置すると共に、流路４から送受信器に至る経路に、不要な超音波信号を排除する反射面１５を配置した。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波パスルの送受信を行う超音波送受波器およびこの超音波送受波器を用いて気体や液体の流量や流速の計測を行う装置に関するものである。

従来、この種の超音波式流量計測装置は図６に示すように、送受信器１０１ａと１０１ｂは音波の送受信面を下向きにして取り付けてある。反射体１０２ａと１０２ｂは音波を反射させて方向を変えるもので、図では方向を９０度変えている。音波は送受信器１０１ａから送信されると下方向に進んで反射体１０２ａで反射し、流路１０３内を水平に伝搬し、反射体１０２ｂに反射して送受信器１０１ｂで受信される。送受信器１０１ｂから発信する場合には逆の経路を通過して送受信器１０１ａへ伝搬していた。

特開２００４−６９５２９号公報

しかしながら、前記従来の超音波式流量計測装置では、図６に示すように送受信器１０１ａから送信された音波は、流路３を伝搬し送受信器１０１ｂの前方に設けてある空間で放射状に広がるため、特にＡの部分で不要な音波が発生し、主の音波を送受信器１０１ｂで受信する前に、不要な音波が送受信器１０１ｂに到達してしまうことがある。図７は、このような不要な音波を含む音波を受信器１０１ｂで受信した信号を表したもので、主音波の前に、不要な音波が存在している。このため、不要な受信信号はノイズ源となり、計測に用いる受信信号に影響を与えるため、計測精度が悪化する可能性があった。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波式流量計測装置は、被測定流体が流れる流路と、前記流路の上流と下流に配置された音波を送信または受信する一対の送受信器と、前記送受信器間の超音波信号の伝搬時間を計測する計測手段と、前記伝搬時間に応じて流体の流量を算出する流量算出手段と、前記一対の送受信器のそれぞれの送受信面に対抗して設けられた反射体とを備え、前記一対の送受信器は、共に前記流路の側方に配置され、一方の送受信器から発信された超音波が前記反射体により９０度方向を変えられて、前記被測定流体を伝搬した後、再度反射体により９０度方向が変えられて他方の送受信器に受信されるように配置すると共に、前記流路から前記送受信器に至る経路に、不要な超音波信号を排除する減衰部を配置したことを特徴とすることにより、不要信号の影響を受けずに計測に必要な信号を受信することが可能となる。

本発明の超音波式流量計測装置によれば、超音波が流路から出で送受信器に向けて伝搬したときに、放射状に広がる音波が計測に不要な信号を送受信器が受信しないように、減衰部を設けているので不要な信号によるノイズの影響を受けずに音波伝搬時間の計測が可能となるため、精度の高い計測が可能となる。

本発明の実施の形態１の超音波式流量計測装置のブロック図 （ａ）同実施の形態に係る超音波式流量計測装置断面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）（ａ）のＢ−Ｂ断面図 図２のＣ−Ｃ断面図 第２実施形態に係る超音波式流量計測装置の断面図 第３実施形態に係る超音波式流量計測装置の断面図 従来の超音波式流量計測装置の断面図 従来の超音波式流量計測装置の受信波形を示す図

第１の発明は、被測定流体が流れる流路と、前記流路の上流と下流に配置された音波を送信または受信する一対の送受信器と、前記送受信器間の超音波信号の伝搬時間を計測する計測手段と、前記伝搬時間に応じて流体の流量を算出する流量算出手段と、前記一対の送受信器のそれぞれの送受信面に対抗して設けられた反射体とを備え、前記一対の送受信器は、共に前記流路の側方に配置され、一方の送受信器から発信された超音波が前記反射体により９０度方向を変えられて、前記被測定流体を伝搬した後、再度反射体により９０度方向が変えられて他方の送受信器に受信されるように配置すると共に、前記流路から前記送受信器に至る経路に、不要な超音波信号を排除する減衰部を配置したことを特徴とすることにより、不要信号の影響を受けずに計測に必要な信号を受信することが可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明において、減衰部は、流路から送受信器に至る経路の一部に不要な超音波信号を反射する反射面で構成したことを特徴とするもので、反射面で、不要信号を反射することにより、不要信号の影響を受けずに計測に必要な信号を受信することが可能となる。

第３の発明は、特に第１の発明において、減衰部は、吸音材で構成したことを特徴とするもので、放射状に広がる音波において計測に不要な信号は吸音材を用いて、音波を吸収することにより、主の音波より先に送受信器へ到達する不要信号を低減させることが可能となるため、より高精度な計測が可能となる。

第４の発明は、特に第１の発明において、減衰部は、段差状の空間で構成したことを特徴とすることにより、容易な形状で高精度な計測が可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る超音波式流量計測装置について、図面を参照して説明する。なお図面中で同一符号を付しているものは同一なものであり、詳細な説明は省略する。

（実施の形態１）
図１における４は被測定流体が流れる流路、５，６は流路４の流れの上流と下流に配置された送受信器、計測手段１は、送受信器５，６の使用周波数を発信する発振回路７、発振回路７に接続され送受信器５，６を駆動する駆動回路８、送受信器５，６の送信と受信を切り替える切替回路９、超音波パルスを検知する受信検知回路１０、超音波パルスの伝搬時間を計測するタイマ１１及び、駆動回路８とタイマ１１に制御信号を出力する制御部１３で構成されており、流量演算手段１２は、タイマ１１の出力より流量を演算する。

上記のように構成される超音波流量計の動作を説明する。本実施の形態では被測定流体を都市ガス、超音波流量計として家庭用ガスメータを想定し、流路４を構成する材料をアルミニウム合金ダイカストとしている。

また、送受信器５，６の使用周波数には約５００ｋＨｚを選択する。発振回路７は例えばコンデンサと抵抗で構成され約５００ｋＨｚの方形波を発信し、駆動回路８では発振回
路７の信号から送受信器５，６を駆動するため方形波が数波のバースト信号からなる駆動信号を出力可能ととしている。

制御部１３では駆動回路８に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ１１の時間計測を開始させる。駆動回路８は送信開始信号を受けると送受信器５を駆動し、超音波パルスを送信する。送信された超音波パルスは流路４内を伝搬し送受信器６で受信される。受信された超音波パルスは送受信器５で電気信号に変換され、受信検知回路１０に出力される。受信検知回路１０では受信信号の受信タイミングを決定し、制御部１３に受信検知信号を出力する。制御部１３では受信検知信号を受けると、あらかじめ設定した遅延時間ｔｄ経過後に再び駆動回路８に送信開始信号を出力し、２回目の計測を行う。この動作をＮ回繰返した後、タイマ１１を停止させる。流量演算手段１２ではタイマ１１で測定した時間を測定回数のＮで割り、遅延時間ｔｄを引いて伝搬時間ｔ１を演算する。

引き続き切替回路９で駆動回路８と受信検知回路１０に接続する送受信器５，６を切り替え、再び制御部１３では駆動回路８に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ１１の時間計測を開始させる。伝搬時間ｔ１の測定と逆に、送受信器５で超音波パルスを送信し、送受信器５で受信する計測をＮ回繰返し、流量演算手段１２で伝搬時間ｔ２を演算する。

ここで、送受信器５，６の中心を結ぶ距離をＬ、空気の無風状態での音速をＣ、流路４内での流速をＶ、非測定流体の流れの方向と送受信器５，６の中心を結ぶ線との角度をθとすると、伝搬時間ｔ１、ｔ２は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）・・・（式１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）・・・（式２）
で示される。（式１）（式２）より音速Ｃを消去して、流速Ｖを求めると
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２）・・・（式３）
が得られる。Ｌ、θは既知であるのでｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。この流速Ｖと流量測定部１の面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量Ｑは
Ｑ＝ＫＳＶ・・・（式４）
で演算できる。

図２（ａ）は、本実施の形態の超音波式流量計測装置の平面図で、送受信器５と６の配置を表している。その流路４は図２（ｂ）に示す様に断面が矩形の形状で、送受信器５，６は共に流路４の短辺側の側面４ａに配置されており、送受信器５から発信された超音波が反射体１４により９０度方向を変えられて、流路内に浸入した後、被測定流体を伝搬した後、再度反射体１４により９０度方向が変えられて送受信器６に受信されるように配置されている。なお、超音波信号は、流路内で流路４を斜めに横断するように進み、流路４のもう一方の側面４ｂに反射してＶ字状に屈曲される構成としている。

図３は、図２のＡ−Ａ断面の詳細、及び超音波の伝搬経路を表したもので、送受信器５は音波の受信面５ａを下向きに取付けてある。送受信器６は記載していないが送受信器５と同様である。また、反射体１４は音波を反射させて方向を変えるもので、図では方向を９０度変えている。送受信器６側に関して、記載していないが、図３と同様の構成になっている。音波は送受信器５から送信されると図の下方向に進んで反射体１４で反射し、流路４内を水平に伝搬し、流路４の内壁面４ｂで反射し他方の反射体（図示せず）で反射してから受信器６で受信される。送受信器６から発信する場合には逆の経路を通過して送受信器５へ伝搬する。

図３の矢印Ｃは、送受信器５が受信側に設定された場合における音波の中心が伝搬する様子を表しており、矢印Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は音波が流路から出て送受信器５に向かって放
射状に広がりながら伝搬していく様子を示す。そして、不要な音波を減衰させる減衰部としての反射面１５を送受信器５の流路側の手前に設けてある。反射面１５を設けることで、矢印Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のような計測に不要な音波を受信器５に到達させることを防げるため、ノイズの影響を受けずに音波伝搬時間の計測ができるようになり、精度の高い計測が可能となる。なお、他方の送受信器６側にも同様の反射面を設けてあり、同様の効果を有する。

なお、本実施の形態においては、送受信器から発信された音波は流路の内壁面に反射する構成として説明したが、従来例の説明で用いた図６に示すように、送受信器を対向して設けて、流路内で反射しないようにした構成においても適用できることは言うまでもない。

（実施の形態２）
図４は本発明の第２の実施の形態を示す断面図であり、不要な音波を減衰させる減衰部としての吸音材１６を送受信器５の流路側の手前に設けてある。吸音材１６の材質としては、被計測流体に耐えうる材料を選定し、気孔径が音波の波長λの１／４よりも大きい多孔体を用いた。吸音材１６により、流路４から出た音波が送受信器５に到達するまでに、ノイズの要因の音波を吸収させるので、送受信面５ａの前方の空間で共鳴する音波を低減させることが可能となり、より高精度な計測が可能となる。なお、他方の送受信器６側にも同様の吸音材を設けてあり、同様の効果を有する。

（実施の形態３）
図５は本発明の第３の実施の形態を示す断面図であり、不要な音波を減衰させる減衰部としてのくぼみ部１７を送受信器５の流路側の手前に設けてある。くぼみ部１７の高さｈとしては、音波の波長λの１／４よりも大きくしており、流路４から出た計測に不要な音波を反射させて、送受信器５まで伝搬させないようにした。従って、音波を壁面反射させて不要な音波を直接受信させないようにすることにより、容易な形状で高精度な計測が可能となる。なお、他方の送受信器６側にも同様のくぼみ部を設けてあり、同様の効果を有する。

本発明は、計測流路内を流れる流体の流速を計測する超音波式流量計測装置への適用に好適である。

１ 計測手段
４ 流路
６、６ 送受信器
１２ 流量演算手段
１４ 反射体
１５ 反射面（減衰部）
１６ 吸音材（減衰部）
１７ くぼみ部（減衰部）

Claims (4)

1. 被測定流体が流れる流路と、前記流路の上流と下流に配置された音波を送信または受信する一対の送受信器と、前記送受信器間の超音波信号の伝搬時間を計測する計測手段と、前記伝搬時間に応じて流体の流量を算出する流量算出手段と、前記一対の送受信器のそれぞれの送受信面に対抗して設けられた反射体とを備え、前記一対の送受信器は、共に前記流路の側方に配置され、一方の送受信器から発信された超音波が前記反射体により９０度方向を変えられて、前記被測定流体を伝搬した後、再度反射体により９０度方向が変えられて他方の送受信器に受信されるように配置すると共に、前記流路から前記送受信器に至る経路に、不要な超音波信号を排除する減衰部を配置したことを特徴とする超音波式流量計測装置。
2. 減衰部は、流路から送受信器に至る経路の一部に不要な超音波信号を反射する反射面で構成したことを特徴とする請求項１記載の超音波式流量計測装置。
3. 減衰部は、吸音材で構成したことを特徴とする請求項１記載の超音波式流量計測装置。
4. 減衰部は、段差状の空間で構成したことを特徴とする請求項１記載の超音波式流量計測装置。