JP2012007976A - Ultrasonic velocity flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体(特に気体)中に超音波を送信、または、流体中を伝搬する超音波を受信するための超音波送受波器を用いる超音波流速流量計に関する。 The present invention relates to an ultrasonic flow rate meter using an ultrasonic transducer for transmitting ultrasonic waves in a fluid (particularly gas) or receiving ultrasonic waves propagating in a fluid.
従来この種の超音波流速流量計は、例えば、図12に示すように、被測定流体が流れる計測流路40と、この計測流路40に対向配置されて超音波を送受信する一対の超音波送受波器41、42と、この超音波送受波器41、42間の超音波伝搬時間を計測する計時装置43と、計時装置43からの信号に基づいて流量を算出する演算手段44とを備え、超音波送受波器41、42は、天部と、側壁部と、この側壁部の外側に設けた支持部と、前記天部の内壁面に固定された圧電体で構成されており、前記側壁部に当接し、側壁部の振動を低減し、前記支持部を保持する保持部を有する振動抑制体45で、計測流路40に取付けた構成となっている(例えば、特許文献1参照)。
Conventionally, as shown in FIG. 12, for example, this type of ultrasonic flow rate flow meter includes a
しかしながら、前記従来の構成では、超音波送受波器と流路との間の振動抑制体の固定状態によっては、流速流量計測値が不安定化する、あるいは、温度の変化によって流量測定値が不安定化することがあるという課題を有していた。 However, in the conventional configuration, depending on the fixed state of the vibration suppressing body between the ultrasonic transducer and the flow path, the flow velocity measurement value may become unstable, or the flow measurement value may not be stable due to a change in temperature. There was a problem of stabilization.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、振動抑制体および超音波送受波器の取り付け状態を目視することなく判定し、異常な取り付け状態を回避することによって流速流量計測値が安定化し、より精度の高い流速流量計測を可能とした超音波流速流量計を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and determines the attachment state of the vibration suppressor and the ultrasonic transducer without visually observing and stabilizes the flow velocity measurement value by avoiding the abnormal attachment state. An object of the present invention is to provide an ultrasonic flow velocity meter that enables flow velocity measurement with higher accuracy.
上記課題を解決するため本発明の超音波流速流量計は、両端に開口端が形成されており、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、前記流路の上流と下流に前記被測定流体に接するように配置された一対の超音波送受信器と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝播時間を計測する計時装置と、前記計時装置により得られた超音波伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を演算する演算手段とを備え、振動抑制体を有しており、前記一対の超音波送受波器が前記流路に前記振動抑制体を介して保持され、前記振動抑制体が正しく固定されているかを判定する固定状態判定手段を備えるものである。 In order to solve the above problems, an ultrasonic flowmeter of the present invention has open ends at both ends, a flow path for passing a fluid to be measured from one open end to the other open end, and an upstream of the flow path. And a pair of ultrasonic transmitters / receivers arranged in contact with the fluid to be measured downstream, a time measuring device for measuring an ultrasonic propagation time between the pair of ultrasonic transmitters / receivers, and the time measuring device. And a calculation means for calculating the flow rate of the fluid to be measured based on the ultrasonic propagation time, and having a vibration suppressing body, and the pair of ultrasonic transducers are interposed in the flow path via the vibration suppressing body. And holding state determining means for determining whether or not the vibration suppressing body is correctly fixed.
これによって、流量計測前に、振動抑制体および超音波送受波器が流路に正しく固定されているかを判定することができ、異常な取り付け状態を回避することによって流量計測値が安定化し、より精度の高い流量計測が可能となる。 As a result, it is possible to determine whether the vibration suppressor and the ultrasonic transducer are correctly fixed to the flow path before the flow measurement, and the flow measurement value is stabilized by avoiding an abnormal attachment state. Accurate flow measurement is possible.
本発明の超音波流速流量計は、振動抑制体の取り付け状態を目視することなく判定し、異常な取り付け状態を回避することによって流速流量計測値が安定化し、また、温度変化に関わらず安定した流速流量計測を行うことができるためより精度の高い流速流量計測を安定して行うことができる。 The ultrasonic flow velocity meter of the present invention determines the attachment state of the vibration suppressor without visual observation, and the flow velocity flow rate measurement value is stabilized by avoiding the abnormal attachment state, and is stable regardless of the temperature change. Since flow velocity flow measurement can be performed, more accurate flow velocity flow measurement can be stably performed.
第1の発明は、両端に開口端が形成されており、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、前記流路の上流と下流に前記被測定流体に接するように配置された一対の超音波送受信器と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝播時間を計測する計時装置と、前記計時装置により得られた超音波伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を演算する演算手段とを備え、振動抑制体を有しており、前記一対の超音波送受波器が前記流路に前記振動抑制体を介して保持され、前記振動抑制体が正しく固定されているかを判定する固定状態判定手段を備えることにより、振動抑制体および超音波送受波器が流路に正しく固定されているか否かを判定することができ、異常な取り付け状態を回避することによって流速流量計測値が安定化し、より精度の高い流速流量計測ができる。 In the first aspect of the present invention, open ends are formed at both ends, and a flow path for passing the measured fluid from one open end to the other open end, and the measured fluid upstream and downstream of the flow path are in contact with the measured fluid. A pair of ultrasonic transceivers, a timing device for measuring an ultrasonic propagation time between the pair of ultrasonic transducers, and the measurement target based on the ultrasonic propagation time obtained by the timing device And a vibration suppression body, the pair of ultrasonic transducers are held in the flow path via the vibration suppression body, and the vibration suppression body is correctly By providing a fixed state determination means for determining whether the vibration is fixed, it is possible to determine whether the vibration suppressing body and the ultrasonic transducer are correctly fixed to the flow path, and avoid an abnormal attachment state. Stable flow rate flow rate measurement value And, it is more accurate velocity flow measurement.
第2の発明は、特に第1の発明において、前記超音波送受波器は、有天筒状金属ケースと、前記有天筒状金属ケースに収容される圧電体と、前記有天筒状金属ケース外壁面に前記圧電体と対向するように配置した音響整合体と、前記有天筒状金属ケースの開口を閉鎖すると共に端子を外部に突出させた状態で支持する端子板と、を備え、前記有天筒状金属ケースの側壁部および前記側壁部の外側に設けた支持部を覆うように取り付けた振動抑制体を有しており、当該振動抑制体を介して前記流路に取り付ける構成としたことにより、より複雑な形状の振動抑制体および超音波送受波器が流路に正しく固定されているかを判定することができ、また、前記超音波送受波器の形状に依存する特徴的な振動があるため、その特徴的な振動を分析することによって異常な取り付け状態をより詳細に判定することが出来、異常な取り付け状態を回避することによって、流速流量計測値が安定化し、より精度の高い流速流量計測ができる。 In a second aspect of the invention, particularly in the first aspect of the invention, the ultrasonic transducer includes a celestial cylindrical metal case, a piezoelectric body accommodated in the celestial cylindrical metal case, and the tentative cylindrical metal. An acoustic matching body disposed on the outer wall surface of the case so as to face the piezoelectric body, and a terminal plate that supports the terminal in a state in which the opening of the cylindrical metal case is closed and the terminal protrudes to the outside, A vibration suppression body attached to cover the side wall portion of the heavenly cylindrical metal case and the support portion provided on the outside of the side wall portion, and a structure attached to the flow path via the vibration suppression body; Therefore, it is possible to determine whether the vibration suppression body and the ultrasonic transducer having a more complicated shape are correctly fixed to the flow path, and the characteristic depending on the shape of the ultrasonic transducer Because there is vibration, analyze the characteristic vibration And it is possible to determine the abnormal mounted state in more detail by, by avoiding abnormal mounted state, the flow velocity flow rate measurement value is stabilized, it is more accurate velocity flow measurement.
第3の発明は、特に第1または2の発明において、前記固定状態判定手段は、少なくとも前記超音波送受波器の受信出力によって前記振動抑制体が正しく固定されているかを判定することを特徴とすることにより、一定の温度、ゼロ流量において伝播時間を計測すると、流体の音速が既知であるため、対向する超音波送受波器が正しく対向して固定されているか否かを判定することができる。 A third invention is characterized in that, in particular, in the first or second invention, the fixed state determining means determines whether or not the vibration suppressing body is correctly fixed based on at least a reception output of the ultrasonic transducer. Thus, when the propagation time is measured at a constant temperature and zero flow rate, since the sound speed of the fluid is known, it can be determined whether or not the opposing ultrasonic transducers are correctly opposed and fixed. .
第4の発明は、特に第1または2の発明において、前前記固定状態判定手段は、少なくとも前記一対の超音波送受波器間の伝播時間によって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定することを特徴とすることにより、温度一定の条件で音速値は既知であるため、超音波送受波器間の距離が規定の距離を隔てて正しく配置されているかを判定することができる。 In a fourth aspect of the invention, particularly in the first or second aspect of the invention, the fixed state determination means determines whether or not the vibration suppression body is correctly fixed by at least a propagation time between the pair of ultrasonic transducers. Since the sound velocity value is known under the condition of constant temperature, it can be determined whether the distance between the ultrasonic transducers is correctly arranged with a predetermined distance.
第5の発明は、特に第1または2の発明において、前記固定状態判定手段は、少なくとも前記一対の超音波送受波器間の筐体伝播ノイズによって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定することを特徴とすることにより、超音波送受波器と流路とが直接接触していないか、あるいは、振動抑制体が超音波送受波器を正しく保持し、超音波送受波器で発生した振動を効率よく抑制しているかどうかがわかるため、固定状態を判定することができる。 In a fifth aspect of the invention, particularly in the first or second aspect of the invention, the fixed state determination means determines whether or not the vibration suppression body is correctly fixed by at least housing propagation noise between the pair of ultrasonic transducers. The ultrasonic transducer is not in direct contact with the flow path, or the vibration suppressor holds the ultrasonic transducer correctly, and the ultrasonic transducer Since it is understood whether the generated vibration is efficiently suppressed, the fixed state can be determined.
第6の発明は、特に第1または2の発明において、前記固定状態判定手段は、少なくとも前記超音波送受波器の振動減衰時間によって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定することを特徴とすることにより、振動抑制体が超音波送受波器に被覆されているかどうかを判定することができる。 In a sixth aspect of the invention, particularly in the first or second aspect of the invention, the fixed state determination means determines whether or not the vibration suppression body is correctly fixed based on at least the vibration attenuation time of the ultrasonic transducer. Thus, it can be determined whether or not the vibration suppressing body is covered with the ultrasonic transducer.
第7の発明は、特に第6の発明において、前記固定状態判定手段は、少なくとも前記有天筒状金属ケースの振動を増長する周波数で駆動したときの振動減衰時間によって行うことを特徴とすることにより、振動減衰時間は、有天筒状金属ケースの振動が主たる要因であるため、有天筒状金属ケースの振動を増長する周波数で駆動することによって、より詳細に振動減衰時間を評価できるため振動抑制体3が第1の超音波送受波器4に被覆されているかどうかを容易に判定することができる。
The seventh invention is characterized in that, in the sixth invention, in particular, the fixed state determination means is performed at least by a vibration attenuation time when driven at a frequency that increases the vibration of the dome-shaped cylindrical metal case. Therefore, the vibration attenuation time is mainly due to the vibration of the celestial cylindrical metal case, so that the vibration attenuation time can be evaluated in more detail by driving at a frequency that increases the vibration of the celestial cylindrical metal case. It can be easily determined whether or not the
第8の発明は、特に第1または2の発明において、前記固定状態判定手段は、少なくとも計測インターバルを変えて流量値を計算し、計測毎の前記流量値のばらつきが所定値以下に収束する計測インターバルと、予め規定した計測インターバルとを比較して前記振動抑制体が正しく固定されているか否かの判定を行うことを特徴とすることにより、振動抑制体、超音波送受波器と流路との固定状態が、流量計測精度にどの程度影響を及ぼすかどうかを判断した上で流量計測を行うことができるため、計測安定性が向上する。 In an eighth aspect of the invention, particularly in the first or second aspect of the invention, the fixed state determination means calculates a flow rate value by changing at least the measurement interval, and the variation in the flow rate value for each measurement converges to a predetermined value or less. By comparing the interval and a predetermined measurement interval to determine whether or not the vibration suppression body is correctly fixed, the vibration suppression body, the ultrasonic transducer, and the flow path Since it is possible to measure the flow rate after judging how much the fixed state affects the flow rate measurement accuracy, the measurement stability is improved.
第9の発明は、特に第8の発明において、流量値が安定して収束する計測インターバルを記憶し、前記記憶した計測インターバルを用いて流速流量計測を行うことを特徴とすることにより、計測の安定度を確保した状態で安定した流速流量計測を行うことができるため、計測安定性が向上する。 According to a ninth aspect of the present invention, in the eighth aspect of the invention, the measurement interval in which the flow rate value stably converges is stored, and the flow rate flow rate measurement is performed using the stored measurement interval. Since stable flow velocity flow rate measurement can be performed in a state where stability is ensured, measurement stability is improved.
第10の発明は、特に第8の発明において、複数の温度において測定毎の流量値のばらつきが所定値以下に安定して収束する計測インターバルから求められる温度と最適な計測インターバルとの相関式を記憶し、流量計測時において伝播時間から求められる温度を元に、前記相関式に基づいて最適な計測インターバルを用いて流速流量計測を行うことを特徴とすることにより、異なる温度においても最適化した計測インターバルを用いて測定するため、温度変化に関わらず安定した流速流量計測を行うことができる。 In a tenth aspect of the invention, particularly in the eighth aspect of the invention, a correlation equation between a temperature obtained from a measurement interval at which a variation in flow rate value at each measurement at a plurality of temperatures stably converges to a predetermined value or less and an optimum measurement interval is obtained. Optimized at different temperatures by memorizing and measuring flow velocity flow rate using the optimal measurement interval based on the correlation equation based on the temperature obtained from the propagation time during flow rate measurement Since measurement is performed using the measurement interval, stable flow rate and flow rate measurement can be performed regardless of temperature changes.
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、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the present embodiment.
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における超音波流速流量計の概略図を示している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a schematic diagram of an ultrasonic flow velocity meter according to the first embodiment of the present invention.
図1において超音波流速流量計は、被測定流体(一例として、ガス、空気)が流れる流路1を備え、流量計測部2と、流量計測部2の上流側および下流側に対向配置し、振動抑制体3を介して流路1に固定された第1、第2の超音波送受波器(一対の超音波送受波器)4,5と、第1、第2の超音波送受波器4,5間の超音波伝播時間を計測する計時装置6と、計時装置6により得られた超音波伝播時間に基づいて流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段7と、第1、第2の超音波送受波器4,5と振動抑制体3とが流路1に対して設計通りに対向するように配置され、かつ、振動抑制体3が流路1および超音波送受波器4、5に対して設計通りに正しく固定されているかどうかを判定する固定状態判定手段8を備えている。
In FIG. 1, the ultrasonic flow rate flow meter includes a
以下、超音波流速流量計の動作について説明する。 Hereinafter, the operation of the ultrasonic flow rate flow meter will be described.
超音波流速流量計において、流路1を流れる被測定流体の流速Vを求める際には、まず、第1の超音波送受波器4の共振周波数近傍の周波数となるように調整した駆動信号波形を圧電体に与えると振動し、第1の超音波送受波器4から被測定流体中に超音波を放射する。
When obtaining the flow velocity V of the fluid to be measured flowing through the
放射された超音波は、被測定流体を伝播し、第2の超音波送受波器5に受信され、第2の超音波送受波器5の圧電体によって電圧に変換される。
The emitted ultrasonic wave propagates through the fluid to be measured, is received by the second
次に、第2の超音波送受波器5の共振周波数近傍の周波数の駆動信号波形を圧電振動子に与えると振動して、第2の超音波送受波器5から流体中に超音波を放射する。放射された超音波は、第1の超音波送受波器4で受信され、第1の超音波送受波器4の圧電体によって電圧に変換される。このような繰り返し測定を行うことで流速流量計測値の安定性が向上する。
Next, when a drive signal waveform having a frequency near the resonance frequency of the second
ここで、流路1を流れる流体の流速をV、被測定流体中の超音波の音速をC、流体の流れ方向と超音波の伝播方向とのなす角度をθとする。
Here, the flow velocity of the fluid flowing through the
第1の超音波送受波器4を送波器、第2の超音波送受波器5を受波器として用いたときに、第1の超音波送受波器4から出た超音波が第2の超音波送受波器5に到達する伝搬時間t1は、
t1 = L /(C+vcosθ) (1)
で示される。
When the first
t 1 = L / (C + v cos θ) (1)
Indicated by
次に、第2の超音波送受波器5から出た超音波パルスが第1の超音波送受波器4に到達する伝搬時間t2は、
t2 = L /(C−vcosθ) (2)
で示される。
Next, the propagation time t 2 for the ultrasonic pulse emitted from the second
t 2 = L / (C−v cos θ) (2)
Indicated by
そして、(1)と(2)の式から流体の音速Cを消去すると、
V = L /2cosθ(1/t1−1/t2) (3)
の式が得られる。
And if the sound velocity C of the fluid is eliminated from the equations (1) and (2),
V = L / 2 cos θ (1 / t 1 −1 / t 2 ) (3)
The following equation is obtained.
Lとθが既知なら、計時装置6にてt1とt2を測定すれば流速Vが求められる。必要に応じて、この流速Vに流量計測部2の断面積Sと補正係数Kを乗じれば、流量Qを求めることができる。つまり、演算手段7は、Q=KSVを演算するものである。
If L and θ are known, the flow velocity V can be obtained by measuring t 1 and t 2 with the timing device 6. If necessary, the flow rate Q can be obtained by multiplying the flow velocity V by the cross-sectional area S and the correction coefficient K of the flow
次に、本実施の形態の超音波流速流量計に用いる超音波送受波器について詳細に説明する。 Next, the ultrasonic transducer used for the ultrasonic flow rate meter of this embodiment will be described in detail.
なお、第1、第2の超音波送受波器4,5は同じ構成なので、以下、第1超音波送受波器4の構成について説明して、第2超音波送受波器5の説明を省略する。
Since the first and second
図2、3は、第1の超音波送受波器4の固定状態断面図を示すもので、第1の超音波送受波器4は、振動抑制体3を介して流路1に固定されている。振動抑制体3は、図に示す以外にも、さまざまな形状が想定されるが、本実施の形態においては、図2、3を代表例として説明するが、特に例示した構造に限定して実現されるものではない。振動抑制体3の構成材料は、たとえば、二トリルゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴムなど、ゴム弾性を示す材料であれば特に限定されない。
FIGS. 2 and 3 are sectional views showing the fixed state of the first
第1の超音波送受波器4は、対向する電極を備える圧電体10と、天部11、側壁部12、支持部13によって構成される有天筒状金属ケース14と、音響整合体15と、第1端子16、第2端子17を備える端子板18とで構成されている。
The first
圧電体10、有天筒状金属ケース14および音響整合体15とは、例えば、接着剤で接合する。粘着剤でも可能であるが、特性安定性の観点から接着剤で固定した場合のほうがより好ましい。圧電体10は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムなど圧電特性を有する材料であれば特に限定されない。
For example, the
有天筒状金属ケース14は、例えば、銅、鉄、ステンレス鋼等が例示できる。端子板18は、第1端子16、第2端子17を備え、第1端子と第2端子とは絶縁体19によって絶縁され、そのほかは金属材料で構成する。絶縁体19としては、例えば、樹脂などの有機材料、あるいは、ガラスハーメチックシールを用いた無機材料など特に限定されない。
Examples of the celestial
端子板18と、有天筒状金属ケース14とは、支持部13で溶接、あるいは銀ロウなどの工法によって電気的に導通され、密閉される。第2端子17と圧電体10の一方の電極がリード線などで電気的に導通され、第1端子16と圧電体10の他方の電極が、前記有天筒状金属ケースを介して電気的に導通した構成となっている。
The
音響整合体15の役割は、圧電体10の振動を流体に効率よく伝播させることにある。このため、被計測流体がより軽量であるため、音響整合体15はより軽量で音速の遅い材料が好ましい。そのため例えば、中空ガラスフィラーの充填物をエポキシ樹脂で硬化した複合材料、あるいは、セラミック多孔体の最外層表面に、セラミック多孔体の空隙を保持した状態で樹脂フィルムによってパッケージ形成した複合材料などが例示できる。
The role of the
以下、第1の超音波送受波器4の動作について説明する。第1の超音波送受波器4は、端子板18に備えられた第1端子16、第2端子17を介して圧電体10の電極に例えば、400から600kHz程度の圧電体が振動する駆動信号波形を与えると圧電体10が振動し、あらかじめ厚み調整した音響整合体15が圧電体10と共振し、その結果、被測定流体に超音波が伝播する。以上の動作は、第2の超音波送受波器5についても同様である。
Hereinafter, the operation of the first
この超音波流速流量計の計測精度を設計通りに実現させるためには、第1、第2の超音波送受波器4、5が流路1に正しく固定される必要がある。図2、3はいずれも、第1、第2の超音波送受波器4、5が設計通りに流路1に固定されている状態を示している。これに対し、第1、第2の超音波送受波器4、5が、流路1に正しく固定されていないと、第1の超音波送受波器4で発生した超音波振動が被測定流体を隔てた第2の超音波送受波器5に効率よく伝播しないだけでなく、振動抑制体3が超音波送受波器に正しく密着していないがために、振動抑制体3によって抑制されるべき振動が抑制されず、超音波送受波器自体の振動が長い間継続して振動してしまうため振動減衰時間が長くなる、あるいは、流路1にも通常以上に計測ノイズとなる超音波振動が伝播することになる。これを筐体伝播ノイズという。
In order to realize the measurement accuracy of this ultrasonic flow velocity meter as designed, the first and second
以下、本発明の実施の形態における固定状態判定手段8について説明する。 Hereinafter, the fixed state determination means 8 in the embodiment of the present invention will be described.
本実施の形態において固定状態判定手段8は、流路に対して第1、第2の超音波送受波器4、5および振動抑制体3が正常に取り付けられているかどうかを、取り付け状態を目視することなく判定する手段のことであり、取り付け状態に影響及ぼすパラメータを判定手段として用い固定状態を判定する。
In the present embodiment, the fixed state determination means 8 visually checks whether the first and second
本実施の形態において、判定手段は、以下に示す五つのパラメータによって実施する。 In the present embodiment, the determination means is implemented by the following five parameters.
(A)超音波の送受信出力(V1)
(B)超音波伝播時間(T1)
(C)筐体伝播ノイズ(V2)
(D)振動減衰時間(T2)
(E)計測インターバル(T3)と流速流量値バラツキ
以下、各パラメータによる判定手段の判定方法について詳細に説明する。
(A) Ultrasonic wave transmission / reception output (V 1 )
(B) Ultrasonic propagation time (T 1 )
(C) Housing propagation noise (V 2 )
(D) Vibration damping time (T 2 )
(E) Measurement interval (T 3 ) and variation in flow rate and flow rate value Hereinafter, the determination method of the determination means by each parameter will be described in detail.
(A)超音波の送受信出力(V1)
図4は超音波送受波器に送信する駆動信号波形と受信信号波形を示している。
(A) Ultrasonic wave transmission / reception output (V 1 )
FIG. 4 shows a drive signal waveform and a received signal waveform transmitted to the ultrasonic transducer.
例えば、第1の超音波送受波器4を送波器、第2の超音波送受波器5を受波器とした場合、駆動信号波形20は、第1の超音波送受波器4に送られ、超音波が被計測流体に伝播し、第2の超音波送受波器5に到達した超音波振動は、圧電体10によって変換され、駆動信号波形20が送信されてから伝播時間T1を経過して、受信信号波形21のような超音波信号が到達する。この到達した信号の大きさV1を超音波受信出力と定義する。超音波受信出力V1は、第1、第2の超音波送受波器4、5が流路1に対して、斜めに固定されている場合、あるいは第1、第2の超音波送受波器4、5の特性が劣化している場合に低下することから、振動抑制体3の固定状態を判定することができる。
For example, when the first
(B)超音波伝播時間(T1)
図4において、超音波伝播時間は、図中に示したように駆動信号波形20の送信後、受信信号波形21が到達するまでの超音波伝播時間T1を表しており、第1、第2の超音波送受波器4、5が流路1に対して、例えば斜めに固定されている場合は、正しく固定された状態と比べると超音波伝播距離は長くなるため超音波伝播時間T1は、長くなることから、振動抑制体3の固定状態を判定することができる。
(B) Ultrasonic propagation time (T 1 )
In FIG. 4, the ultrasonic wave propagation time represents the ultrasonic wave propagation time T 1 until the
(C)筐体伝播ノイズ(V2)
図5(a)は、被計測流体が流れる方向に対し平行方向から見た図、図5(b)は、被計測流体が流れる方向に対し垂直方向から見た断面図を示している。
(C) Housing propagation noise (V 2 )
FIG. 5A is a diagram viewed from a direction parallel to the direction in which the fluid to be measured flows, and FIG. 5B is a cross-sectional view viewed from the direction perpendicular to the direction in which the fluid to be measured flows.
超音波の送受信にあたり、第1の超音波送受波器4を送波器として、第2の超音波送受波器5を受波器として用いた場合、第1の超音波送受波器4から発生した超音波振動によって、被計測流体に超音波が伝播するのと同時に、超音波送受波器自身の振動が振動抑制体3を介して図中の実線矢印で示したように、流路1の内部および表面を伝播する。これを筐体伝播といい、流量計測時のノイズとなるため、筐体伝播ノイズという。この筐体伝播ノイズは、第1、第2の超音波送受波器4、5が直接、流路1に接触した場合、あるいは、振動抑制体3が通常よりも強く押し付けられたような状態で固定されると増大することから、振動抑制体3の固定状態を判定することができる。
When transmitting / receiving ultrasonic waves, when the first
以下、筐体伝播ノイズについて図解して説明する。 Hereinafter, the case propagation noise will be illustrated and described.
図6は、超音波送受波器に送信する駆動信号波形と受信信号波形を示している。 FIG. 6 shows a drive signal waveform and a received signal waveform transmitted to the ultrasonic transducer.
図6において、駆動信号波形20によって第1の超音波送受波器4より超音波が送信され、伝播時間T1を経て受信信号波形21(受信出力V1)が伝播する。筐体伝播波形22は、受信信号波形21の前に受信する信号レベルの小さい波形(筐体伝播ノイズV2)のことである。一般的に、被計測流体(主に気体)の音速は、筐体として用いられる樹脂、あるいは金属の音速に比べて速いため、筐体伝播波形22は、被計測流体を通って受信する受信信号波形21にくらべ早く到達する。この筐体伝播波形22は、減衰する前に受信信号波形21に重なるため、筐体伝播波形22の信号レベルに応じて流量特性値が変化することから、振動抑制体3の固定状態を判定することができる。
In FIG. 6, the ultrasonic wave is transmitted from the first
(D)振動減衰時間(T2)
図6において、振動減衰時間T2は、受信信号波形21(受信出力V1)が超音波送受波器に受信されてから、一定の電圧レベルまで受信出力が減衰するまでの時間と定義し、 例えばV3/V1=Kの比が0.1以下にまで減衰する時間として算出する。
(D) Vibration damping time (T 2 )
In FIG. 6, the vibration decay time T 2 is defined as the time from when the received signal waveform 21 (received output V 1 ) is received by the ultrasonic transducer until the received output is attenuated to a certain voltage level. For example, it is calculated as the time for the ratio of V 3 / V 1 = K to decay to 0.1 or less.
(E)計測インターバル(T3)と流速流量バラツキ
図7は、送信側に設定された超音波送受波器に送信する駆動信号波形とその送信間隔(計測インターバル(T3))と受信側に設定された超音波送受波器での受信信号波形を示している。
(E) Measurement interval (T 3 ) and flow rate flow variation FIG. 7 shows a drive signal waveform to be transmitted to the ultrasonic transducer set on the transmission side, its transmission interval (measurement interval (T 3 )), and the reception side. The reception signal waveform in the set ultrasonic transducer is shown.
図7において、計測インターバルT3は、駆動信号波形20を送信後、次の駆動信号波形23を送るまでの時間を示している。計測インターバルT3が短くなると、先に受信した受信信号波形24の振動が減衰せずに、次に受信する受信信号波形25に重なってしまうために、流速流量計測値が変化し、計測誤差を生じてしまうことがある。このため、例えば、常温、流体の流れていない状態で、計測インターバルT3を長い時間から短くしていき、計測毎の流量値のバラツキが大きくなる、あるいは、絶対値が変化する計測インターバルT3を記憶して、予め規定してある正常な固定状態の計測インターバルT3より短い場合には、受信信号が適正に減衰していると考えられるため、振動抑制体3が第1の超音波送受波器4に対して、正しく固定されていると判断し、予め規定してある計測インターバルより長い場合には、逆に、正しく固定されていないと判定できる。
In FIG. 7, the measurement interval T 3 indicates the time from when the
そして、これらのパラメータ(A)〜(E)に基づく判定手段を複合して用いることによって、第1、第2の超音波送受波器4、5および振動抑制体3が流路1に適性に取り付けられているかどうかを判定することが出来る。
Then, by combining the determination means based on these parameters (A) to (E), the first and second
以下、図面を用いて第1、第2の超音波送受波器4、5および振動抑制体3の流路1に対する実例を挙げ、取り付け状態をどのように判別するかどうかを説明する。
Hereinafter, examples of the first and second
図8、9は、本発明実施の形態における第1の超音波送受波器4の固定状態不良の断面図を示している。
8 and 9 show cross-sectional views of a defective fixed state of the first
図8は、第1の超音波送受波器4を固定する2つのビス26、27の内の片方のビス26のビス締めが不完全な状態を示している。この場合、第1の超音波送受波器4は、流路1に対して若干傾いた状態で取り付けられており、振動抑制体3が強く圧縮されている部分と、弱く圧縮されている部分が存在する。この場合先に示した判定手段によると、流路1に対して若干傾いているために、超音波受信出力(V1)は、超音波送受波器同士が設計通りに対向していないために、低下し異常値を示す。また、超音波伝播時間(T1)は、超音波伝播距離が長くなるため異常値を示す。さらに、振動抑制体3が強く圧縮されている部分と、弱く圧縮されている部分が存在するため、振動抑制体3を介して筐体伝播ノイズ(V2)が通常よりも強く伝わる結果となり異常値を示す。このようにして、取り付け状態を判定することが出来る。
FIG. 8 shows a state where the screw tightening of one of the two
図9においても同様に説明する。 The same will be described with reference to FIG.
図9は、第1の超音波送受波器4の有天筒状金属ケース14の側壁部12に、振動抑制体3が変形して正しく接触していない状態を示している。この場合、流路1に対して、第1の超音波送受波器4が適正な位置に固定されているため、判定手段超音波受信出力(V1)、超音波伝播時間(T1)は適正な値として判定できる。一方、筐体伝播ノイズ(V2)は、図9に示したように、振動抑制体3が、有天筒状金属ケース14の側壁部12で接触していない部分が存在し、この場合、振動抑制体3の機能が十分発揮できないために、通常よりも大きい筐体伝播ノイズが観察されることになる。また、振動減衰時間(T2)は、振動を減衰する役目を果たす振動抑制体3が正しく固定されていないため、振動減衰時間が長くなり異常値を示す。更に、計測インターバル(T3)と流量値バラツキに関しても同様に、通常と異なる値となり異常値を示す。
FIG. 9 shows a state in which the
ここで特に固定状態判定手段8が、振動減衰時間(T2)を用いて取り付け状態を判定する場合の良好な方法について説明する。 Here, in particular, a description will be given of a good method when the fixed state determination means 8 determines the mounting state using the vibration damping time (T 2 ).
図9に示した第1の超音波送受波器4の側壁部12は、圧電体10の共振周波数よりも低い周波数で振動する。
The
図10は、本発明の実施の形態における第1の超音波送受波器4のインピーダンス特性を示している。
FIG. 10 shows impedance characteristics of the first
図10において、第1の超音波送受波器4の圧電体10共振周波数30に対して、有天筒状金属ケース14の側壁部12が圧電体10の横振動によって励起され、この振動は、圧電体10の周波数より低周波数の振動であるために減衰しにくく、振動減衰時間を長くする主たる要因となる。そのため、側壁部12に振動抑制体3が設計通り接触しない場合には、振動減衰時間が異常値を示す。
In FIG. 10, the
また、例えば、第1の超音波送受波器4、および振動抑制体3が流路1に正しく固定されていても、判定手段における超音波の送受信出力のみが異常の場合には、超音波送受波器自体の劣化と判定することが出来る。これまでの実例をまとめると、表1のように示すことが出来る。表1は、超音波送受波器および振動抑制体の取り付け状態と判定手段との相関を示している。表1における○印は、図8,9に示すそれぞれの取り付け状態における異常と判定されるパラメータと、判定結果を示している。
Further, for example, even when the first
このほかにも、取り付け状態異常は考えられるが、これまで説明した判別手段によって第1、第2の超音波送受波器4,5および、振動抑制体3が流路1に正しく取り付けられているかどうかを判別することができる。
In addition to this, although the attachment state abnormality is conceivable, whether the first and second
以上のように、本実施の形態では、第1、第2の超音波送受波器4,5が流路1に振動抑制体3を介して保持される構成において、振動抑制体3が正しく固定されているかを判定する固定状態判定手段8を備えることにより、振動抑制体および超音波送受波器が流路に正しく固定されているかを判定することができ、異常な取り付け状態を回避することによって流速流量計測値が安定化し、より精度の高い流速流量計測ができる。
As described above, in the present embodiment, the
また、具体的な固定状態判定手段としては、超音波の送受信出力(V1)、超音波伝播時間(T1)、筐体伝播ノイズ(V2)、振動減衰時間(T2)、計測インターバル(T3)と流速流量値バラツキの各パラメータの組み合わせることで、振動抑制体および超音波送受波器が流路に正しく固定されているかを判定することができ、異常な取り付け状態を回避することによって流速流量計測値が安定化し、より精度の高い流速流量計測ができる。 Specific fixed state determination means include ultrasonic transmission / reception output (V 1 ), ultrasonic propagation time (T 1 ), housing propagation noise (V 2 ), vibration attenuation time (T 2 ), and measurement interval. By combining each parameter of (T 3 ) and flow velocity flow value variation, it is possible to determine whether the vibration suppressor and the ultrasonic transducer are correctly fixed to the flow path, and avoid abnormal mounting conditions This stabilizes the flow rate measurement value and enables more accurate flow rate measurement.
さらに、固定状態判定手段が、振動減衰時間(T2)を判定する場合、有天筒状金属ケース14の振動を増長する周波数31(圧電体の共振より低い周波数)で駆動して振動減衰時間によって行うと、振動減衰時間は、有天筒状金属ケースの振動が主たる要因であるため、有天筒状金属ケースの振動を増長する周波数で駆動することによって、より詳細に振動減衰時間を評価できるため振動抑制体3が第1の超音波送受波器4に被覆されているかどうかを容易に判定することができる。
Furthermore, when the fixed state determination means determines the vibration attenuation time (T 2 ), the vibration attenuation time is driven by driving at a frequency 31 (a frequency lower than the resonance of the piezoelectric body) that increases the vibration of the dome-shaped
(実施の形態2)
以下、本発明の実施形態における超音波流速流量計について図面を参照して説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, an ultrasonic flow rate flow meter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図11は、本発明の第2の実施の形態における超音波流速流量計の概略図を示している。 FIG. 11 shows a schematic diagram of an ultrasonic flow velocity meter according to the second embodiment of the present invention.
図11において、超音波流速流量計は、被測定流体(一例として、ガス、空気)が流れる流路1を備え、流量計測部2と、流量計測部2の上流側および下流側に対向配置し、振動抑制体3を介して流路1に固定された第1、第2の超音波送受波器(一対の超音波送受波器)4,5と、第1、第2の超音波送受波器4,5間の超音波伝播時間を計測する計時装置6と、計時装置6により得られた超音波伝播時間に基づいて流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段7と、第1、第2の超音波送受波器4,5と振動抑制体3とが流路1に対して設計通りに対向するように配置され、かつ、振動抑制体3が流路1および第1、第2の超音波送受波器4、5に対して設計通りに正しく固定されているかどうかを判定する固定状態判定手段8を備えている。
In FIG. 11, the ultrasonic flow rate flow meter includes a
固定状態判定手段8は、第1、第2の超音波送受波器4,5を駆動する間隔である計測インターバルを変えて流量値を計算し、計測毎の流量値のばらつきが所定の値以下に収束する時の計測インターバルと、予め規定した計測インターバルとを比較して振動抑制体3が正しく固定されているかの判定を行う。
The fixed state determination means 8 calculates the flow value by changing the measurement interval, which is the interval at which the first and second
また、計測毎の流量値のばらつきが所定の値以下に収束する時の最適な駆動インターバルを記憶する記憶手段32を備えている。 In addition, storage means 32 is provided for storing an optimal drive interval when the variation in flow rate value for each measurement converges to a predetermined value or less.
そのため、複数の温度において流量値が安定して収束する計測インターバルから求められる温度と最適な計測インターバルとの相関式を記憶し、流量計測時において伝播時間から推定した温度を元に、この相関式に基づいて最適な計測インターバルを用いて流速流量計測も行うことができる。 Therefore, the correlation equation between the temperature obtained from the measurement interval where the flow rate values converge stably at multiple temperatures and the optimum measurement interval are stored, and this correlation equation is based on the temperature estimated from the propagation time during flow rate measurement. Based on the above, it is also possible to perform flow rate flow rate measurement using an optimal measurement interval.
超音波流速流量計の動作、超音波送受波器については、実施の形態1と同様のため省略する。 Since the operation of the ultrasonic flow velocity meter and the ultrasonic transducer are the same as those in the first embodiment, a description thereof will be omitted.
以下、計測インターバルを変えて最適な計測インターバルを用いて流量計測する方法について説明する。 Hereinafter, a method for measuring the flow rate using the optimum measurement interval by changing the measurement interval will be described.
流速流量計測の安定性は、取り付け状態とともに、温度によって第1の実施の形態にあげた固定状態判定手段8のすべてのパラメータが影響を受ける。 The stability of the flow rate flow rate measurement is affected by the temperature of all the parameters of the fixed state determination means 8 described in the first embodiment depending on the temperature as well as the mounting state.
表2は、被計測流体における特性値の温度依存性を示している。 Table 2 shows the temperature dependence of the characteristic values in the fluid to be measured.
低温(−33.15℃)は、超音波透過率が、高温(66.85℃)にくらべ高いため、超音波の送受信出力(V1)が高くなり、また、振動抑制体3も、硬くなるために、常温(26.85℃)に比べ振動抑制体3の振動を効率よく低減させる効果が半減し、筐体伝播ノイズ(V2)は大きくなり、振動減衰時間(T2)は長くなる。また、音速も高温に比べ遅くなるため、超音波伝播時間(T1)も長くなる。高温では、この逆の傾向になる。
At low temperature (−33.15 ° C.), the ultrasonic transmittance is higher than that at high temperature (66.85 ° C.), so the transmission / reception output (V 1 ) of ultrasonic waves is high, and the
このように、計測インターバル(T3)を一定の値で計測を行った場合には、温度によって、音速、あるいは超音波伝播効率が異なるため、流速流量値の安定性が異なる結果となる。そのため、複数の温度によって流量値が安定して収束する計測インターバルを記憶して温度と最適な計測インターバルとの相関式を求め記憶し、流量計測時において伝播時間から推定した温度を元に、この相関式に基づいて最適な計測インターバルを用いて流速流量計測を行うことが重要になり、使用温度範囲内で最適化した計測インターバルを用いて測定するため、温度に関わらず安定した流速流量計測を行うことができるようになる。 As described above, when the measurement interval (T 3 ) is measured at a constant value, the sound velocity or the ultrasonic wave propagation efficiency varies depending on the temperature, resulting in different stability of the flow velocity and flow value. Therefore, the measurement interval where the flow rate value stably converges at multiple temperatures is stored, the correlation equation between the temperature and the optimal measurement interval is obtained and stored, and this is based on the temperature estimated from the propagation time during flow rate measurement. It is important to measure the flow velocity using the optimal measurement interval based on the correlation equation.Since the measurement interval is optimized within the operating temperature range, stable flow velocity flow measurement is possible regardless of the temperature. Will be able to do.
以上のように、本実施の形態では、固定状態判定手段8として計測インターバルを変えて流量値を計算し、この流量値が安定して収束する計測インターバルを記憶手段32で記憶し、記憶した計測インターバルを用いて流速流量計測を行うことにより、計測の安定度を確保した状態で安定した流速流量計測を行うことができる。
As described above, in the present embodiment, the flow rate value is calculated by changing the measurement interval as the fixed
また、複数の温度によって流量値が安定して収束する計測インターバルから求められる温度と最適な計測インターバルとの相関式を記憶しておき、流量計測時において伝播時間から演算で求められる温度を元にして、相関式に基づいてその温度における最適な計測インターバルを用いて流速流量計測を行うことにより、異なる温度においても最適化した計測インターバルを用いて測定するため、温度変化に関わらず安定した流速流量計測を行うことができる。 In addition, a correlation equation between the temperature obtained from the measurement interval where the flow rate values stably converge due to multiple temperatures and the optimum measurement interval is stored, and the temperature obtained by calculation from the propagation time during flow rate measurement is used as the basis. By measuring the flow velocity using the optimum measurement interval at that temperature based on the correlation equation, the measurement is performed using the optimized measurement interval even at different temperatures. Measurement can be performed.
以上のように、本発明にかかる超音波流速流量計は、安定した流量計測が可能となるため、家庭用流量計、産業用流量計等の用途に適用できる。 As described above, since the ultrasonic flow rate meter according to the present invention enables stable flow rate measurement, it can be applied to uses such as a home flow meter and an industrial flow meter.
1 流路
2 流量計測部
3 振動抑制体
4 第1の超音波送受波器(超音波送受信器)
5 第2の超音波送受波器(超音波送受信器)
6 計時装置
7 演算手段
8 固定状態判定手段
10 圧電体
11 天部
12 側壁部
13 支持部
14 有天筒状金属ケース
15 音響整合体
16 第1端子
17 第2端子
18 端子板
DESCRIPTION OF
5 Second ultrasonic transducer (ultrasonic transceiver)
6
Claims (10)
前記流路の上流と下流に前記被測定流体に接するように配置された一対の超音波送受信器と、
前記一対の超音波送受波器間の超音波伝播時間を計測する計時装置と、
前記計時装置により得られた超音波伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を演算する演算手段と、
を備え、
振動抑制体を有しており、前記一対の超音波送受波器が前記流路に前記振動抑制体を介して保持され、前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定する固定状態判定手段を備えている、
超音波流速流量計。 Open ends are formed at both ends, and a flow path for passing the fluid to be measured from one open end to the other open end;
A pair of ultrasonic transceivers arranged so as to contact the fluid to be measured upstream and downstream of the flow path;
A timing device for measuring the ultrasonic propagation time between the pair of ultrasonic transducers;
Calculation means for calculating the flow rate of the fluid to be measured based on the ultrasonic propagation time obtained by the timing device;
With
A fixed state determination that includes a vibration suppression body, the pair of ultrasonic transducers are held in the flow path via the vibration suppression body, and the vibration suppression body is correctly fixed. Equipped with means,
Ultrasonic flow meter.
有天筒状金属ケースと、
前記有天筒状金属ケースに収容される圧電体と、
前記有天筒状金属ケース外壁面に前記圧電体と対向するように配置した音響整合体と、
前記有天筒状金属ケースの開口を閉鎖すると共に端子を外部に突出させた状態で支持する端子板と、
を備え、
前記有天筒状金属ケースの側壁部および前記側壁部の外側に設けた支持部を覆うように取り付けた振動抑制体を有しており、当該振動抑制体を介して前記流路に取り付ける構成とした、
請求項1に記載の超音波流速流量計。 The ultrasonic transducer is
A celestial tubular metal case,
A piezoelectric body housed in the celestial cylindrical metal case;
An acoustic matching body disposed on the outer wall surface of the tented cylindrical metal case so as to face the piezoelectric body;
A terminal plate that supports the terminal in a state of closing the opening of the celestial cylindrical metal case and protruding the terminal to the outside;
With
A vibration suppression body attached to cover the side wall portion of the heavenly cylindrical metal case and the support portion provided on the outside of the side wall portion, and a structure attached to the flow path via the vibration suppression body; did,
The ultrasonic flow velocity meter according to claim 1.
を特徴とする請求項1または2に記載の超音波流速流量計。 The fixed state determination means determines whether or not the vibration suppression body is correctly fixed by at least the reception output of the ultrasonic transducer;
The ultrasonic flow velocity flowmeter according to claim 1 or 2.
を特徴とする請求項1または2に記載の超音波流速流量計。 The fixed state determination means determines whether or not the vibration suppression body is correctly fixed based on at least a propagation time between the pair of ultrasonic transducers;
The ultrasonic flow velocity flowmeter according to claim 1 or 2.
を特徴とする請求項1または2に記載の超音波流速流量計。 The fixed state determining means determines whether or not the vibration suppression body is correctly fixed by at least housing propagation noise between the pair of ultrasonic transducers;
The ultrasonic flow velocity flowmeter according to claim 1 or 2.
を特徴とする請求項1または2に記載の超音波流速流量計。 The fixed state determining means determines whether or not the vibration suppression body is correctly fixed based on at least a vibration attenuation time of the ultrasonic transducer;
The ultrasonic flow velocity flowmeter according to claim 1 or 2.
を特徴とする請求項6に記載の超音波流速流量計。 The fixed state determination means is performed at least by a vibration attenuation time when driven at a frequency that increases the vibration of the celestial cylindrical metal case,
The ultrasonic flow rate meter according to claim 6.
を特徴とする請求項1または2に記載の超音波流速流量計。 The fixed state determination means calculates the flow rate value by changing at least the measurement interval, compares the measurement interval in which the variation in the flow rate value for each measurement converges to a predetermined value or less, and the predetermined measurement interval to compare the vibration. Determining whether the inhibitor is correctly fixed;
The ultrasonic flow velocity flowmeter according to claim 1 or 2.
を特徴とする請求項8に記載の超音波流速流量計。 Storing a measurement interval at which the flow rate value stably converges, and performing flow velocity flow rate measurement using the stored measurement interval;
The ultrasonic flow rate flowmeter according to claim 8.
を特徴とする請求項8に記載の超音波流速流量計。 Stores the correlation equation between the temperature obtained from the measurement interval where the variation in the flow rate value for each measurement stably converges below the specified value at multiple temperatures and the optimum measurement interval, and the temperature obtained from the propagation time during flow rate measurement Based on the above, performing flow rate flow rate measurement using an optimal measurement interval based on the correlation equation,
The ultrasonic flow rate flowmeter according to claim 8.
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