JP2012007977A - 超音波式流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サーミスタ等の温度測定専用のセンサーを使用することなく、温度を検出して温度補正が可能な超音波流量計を提供すること。
【解決手段】流量計測部１１に配置され、超音波を送信し他方で受信するように配置した第１の超音波振動子１２および第２の超音波振動子１３と、第１と第２の超音波振動子１２、１３間で授受される伝搬時間を計測するためのカウンター１７と、カウンター１７の計測値に基づいて流量を算出する流量演算部１９と、カウンター１７において伝搬時間を算出する上で時間カウンターとして用いる発振回路１６と、発振回路１６の温度による周波数変化を利用して、温度検知を行う温度検知手段２０とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波パスルの送受信を行う超音波振動子およびこの超音波振動子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、この種の超音波流量計は、図６に示すように、制御部６からのスタート信号によって、発振回路３は周波数コントロール手段４によって設定した動作周波数により一定時間発振を行い、第１の超音波プローブ２を駆動する。第１の超音波プローブ２から発せられた超音波は測定流路１に満たされた被測定流体中を伝搬し、時間ｔ 経過後に第二の超音波プローブ７によって検出される。検出された受信信号を、比較器９において基準電圧８と比較し基準電圧８と受信信号との電圧の関係が反転したときにストップ信号をタイマー５に送り、タイマー５をストップさせる。

そして、温度検出を行うためのサーミスタ１０を測定経路１の中に設置して被測定流体の温度を測定していた。

特許第３６５１１１０号公報

しかしながら、前記従来の流量計測装置では、測定経路中に温度検知手段を備えることで、被測定流体に乱れが生じてしまい超音波で時間計測を行う範囲において、被測定計測流体の密度分布が崩れ、均一に超音波が送受信できなくなることで超音波の伝搬時間が正しく測定できなくなる可能性があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、サーミスタを用いることなく温度検出をおこなうことが出来、温度補正等を行う事が可能となる。

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量計測部と、前記流量計測部に配置されており、一方から超音波を送信し、他方で受信するようにした一対の超音波振動子と、前記一対の超音波振動子の間で授受される伝搬時間を計測するための伝搬時間計測手段と、前記伝搬時間計測手段の計測値に基づいて流量を算出する流量演算部と、前記伝搬時間計測手段や流量演算部を構成する温度特性を有する部品の特性を測定して温度検知を行う温度検知手段と、を備えたもので、この構成により、温度を検知するためのサーミスタを不要とすることができる。

本発明の超音波式流量計測装置によれば、発振回路手段の温度による周波数変化を利用して温度検知を行うため、温度を検知するためのサーミスタが不要となり、コストを削減することが可能となる。また、被測定流体雰囲気中にサーミスタを配置する必要が無い為、被測定流体の流れを乱すことなく、流速を計測し温度検知も可能となる。

実施の形態１に係る超音波式流量計測装置の全体ブロック図 同流超音波式流量計測装置の発振回路手段と温度検知手段の周波数と温度の関係を示す特性図 実施の形態２に係る超音波式流量計測装置の構成図 同超音波式流量計測装置の断面図 同超音波式流量計測装置の流量計測部の断面図 従来の超音波式流量計測装置の全ブロック図

第１の発明は、被測定流体が流れる流量計測部と、前記流量計測部に配置されており、一方から超音波を送信し、他方で受信するようにした一対の超音波振動子と、前記一対の超音波振動子の間で授受される伝搬時間を計測するための伝搬時間計測手段と、前記伝搬時間計測手段の計測値に基づいて流量を算出する流量演算部と、前記伝搬時間計測手段や流量演算部を構成する温度特性を有する部品の特性を測定して温度検知を行う温度検知手段と、を備えたもので、超音波式流量計測装置を構成する部品の内、特性が温度に依存して変わる部品（例えば、抵抗、コンデンサ、発振子等）の特性を測定することで、温度を検出することができるため、温度を検知するための専用部品としてのサーミスタ等が不要となり、コストを削減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、前記温度特性を有する部品は、前記伝搬時間計測手段において伝搬時間を計測する上で基準クロックとして用いる発振回路手段の発振子であり、前記温度検知手段は、前記発振子の周波数を測定して温度検知を行うこと、を特徴とするもので、発振回路手段の温度による周波数変化を利用して温度検知を行うことにより、温度を検知するための専用部品としてのサーミスタ等が不要となり、コストを削減することが可能となる。

第３の発明は、特に第１または２の発明において、前記温度特性を有する部品は、前記被測定流体の雰囲気中に配置されたもので、温度を測定するための部品が被測定流体の温度の影響を受け易くなり、温度検知手段は正確な温度を測定する事が可能となる。

第４の発明は、特に第１〜３のいずれか１つの発明において、前記被測定流体の圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記流量演算部で算出された被計測流体の流量値と前記温度検知手段で求めた温度および前記圧力検出手段で検出した被計測流体の圧力値から前記被計測流体の熱量を算出する熱量算出手段と、を備えたもので、熱量計測が可能となる。

第５の発明は、特に第２の発明において、流体供給部と流体排出部とを備えたケース本体と、前記ケース本体内に配置された流量計測部と、前記流量計測部の供給側に備えられた整流部材と、前記流量計測部の排出側と前記流体排出部を接続する排出接続部材と、を備え、前記流量計測部の流路断面を長方形に構成し、前記一対の超音波振動子を共に流路断面の短辺側に配置して、一方の超音波振動子から発信された超音波は、流路の対向する短辺側の流路内壁に反射して他方の超音波振動子に受信される構成とし、前記超音波振動子の電圧を印加する端子部および前記伝搬時間計測手段と前記発振回路手段と前記温度検知手段とを含む計測回路基板を絶縁層で覆ったもので、計測回路基板と流量計測部を一体に構成し、被測定流体雰囲気中に収めることで、被測定流体の温度検知が容易に行え、絶縁性の確保が可能となる。

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は、本発明の実施の形態１の超音波式流量計測装置の全体ブロック図である。図１において、流量計測部１１の流路中に超音波を発信する第１の超音波振動子１２と受信する第２の超音波振動子１３を流れ方向に配置している。制御部１４は駆動回路１５に計測開始の信号を出力すると同時に発振回路１６を駆動させカウンター１７の時間計測をスタートさせる。駆動回路１５は信号入力があると第１の超音波振動子１２を駆動し超音波を発信する。発信された超音波は流体を伝搬し第２の超音波振動子１３で受信される。受信検知回路１８は受信した超音波信号を入力し信号処理して伝搬時間計測手段としてのカウンター１７へ出力する。

カウンター１７は受信検知回路１８からの入力信号を受け時間計測をストップさせ、発振回路１６を停止させる。流量演算部１９ではカウンター１７の時間計測結果を受け取り演算によって流量を求める。

発振回路１６は、発振子１６ａで構成されており、温度検知手段２０は、温度に依存して発信周波数が変化する発振子１６ａの周波数を測定することで温度を検出することができる。即ち、温度により周波数変化の受けにくい発振子（例えば、水晶発振子）で発振子１６ａの発振周波数を測定ことにより被測定流体の雰囲気温度を演算する。

また、熱量算出手段２１では、流量演算部１９で求めた流量値（体積流量）と温度検知手段２０で求められた被測定流体の温度および圧力検出手段２３で計測された被測定流体の圧力値より、標準流量を求め、更に、既知である被測定流体の密度及び比熱から被測定流体の熱量を演算している。そして、これらを計測回路基板２２上に構成している。

図２は、発振回路１６の発振子１６ａの温度と周波数の関係（Ｘｂ）と温度により周波数変化の受けにくい水晶発振子の温度と周波数の関係（Ｘａ）を示す。

この水晶発振子と発振子１６ａの温度特性（Ｘａ、Ｘｂ）を比較することにより温度を求めることも可能である。

なお、本実施の形態では、温度特性を有する部品として、発振回路１６の発振子を利用し周波数の変化を測定するように構成したが、温度に依存して特性が所定の変化を示すもの、例えば、抵抗素子の抵抗値、コンデンサの容量値などを利用できることは、言うまでもない。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２の超音波式流量計測装置の構成図である。

ケース本体２４には、被測定流体を供給する流体供給部２５と、被測定流体を排出する流体排出部２６とを備えており、ケース本体２４内部には、一対の超音波振動子（第１の超音波振動子１２および第２の超音波振動子１３）と計測回路基板２２を備えた流量計測部１１が収まる。流量計測部１１の供給側には、脱着可能な整流部材２７、排出側には流体排出部２６と接続する脱着可能な排出接続部材２８がそれぞれ設けられている。流量計測部１１とケース本体２４の間には下部空間２９を設けている。

図４は本実施の形態における超音波式流量計測装置の断面図である。

図に示すように、流量計測部１１は流体の流れ方向に対して流路断面の幅方向の長さＡに対して縦方向の長さＢの方が長い構成をしている。さらに、流量計測部１１には被測定流体の計測部の流れを整流に保つためにアスペクト比が高くなるように、縦方向の面に対して複数枚の仕切板３２ａ、３２ｂ、３２ｃがほぼ平行に配列されて、流量計測部の流路
３０を４分割している。

ケース本体２４にはケースフタ３３が設けられており、ケース本体２４とケースフタ３３は被測定流体がガス室３１から漏れないように図示していないパッキンでシールしている。ケースフタ３３には、流量計測部１１で計測した被測定流体の流量を表示させる表示手段３４と、表示手段３４と計測回路基板２２とを電気的に結ぶためのリード線２２ａが孔３３ａを貫通して接続されており、この貫通部３３ａはガラスハーメチックシール３５でシールされている。また、表示手段３４を保護するために、本体フタ３６がケースフタ３３とケース本体２４に図示していないビスで取り付けられている。

図５は流量計測部の拡大図で、この図に示したように、第１の超音波振動子１２および第２の超音波振動子１３の電圧を印加する端子部１２ａ、１３ａと計測回路基板２２を、絶縁性を持つ絶縁材３７でコーティングして、流路部材１１ａと一体に構成している。絶縁材３７の材料として、絶縁性のほかに耐ガス性、耐溶剤性に優れた材料のものを使用している。また、絶縁材３７は多層構造にしてもよい。

絶縁材３７が多層構造の場合、被測定流体に近い方の層を硬度の高い材質にした方が回路基盤へのストレスを低減する上で好ましい。

次に、この超音波式流量計測装置３８における作用について説明する。

流体供給部２５から供給された被測定流体は、整流部材２７に入るまでに上流側のガス室３１の容積を広く構成しているので、被測定流体の流れが干渉することで安定した流れを確保できる。また、圧力変動を持つ被測定流体が流入して来ても圧力が緩和されるため安定した流量計測が行える。

また、下部空間２９を設けることで、被測定流体に砂、水等の計測対象外のものが流入した場合、砂、水等が下部空間２９に溜まることで、誤計測を防止することが可能となる。

以上のように、本発明にかかる超音波式流量計測装置は、従来の超音波式流量計測装置の温度計測に比べて安価に実現できるため、流量測定基準器及びガスメーターや熱量計または水道メーター等の用途にも適用できる。

１１ 流量計測部
１２ 第１の超音波振動子（超音波振動子）
１２ａ、１３ａ 端子部
１３ 第２の超音波振動子（超音波振動子）
１６ 発振回路（発振回路手段）
１６ａ 発振子
１７ カウンター（伝搬時間計測手段）
１９ 流量演算部
２０ 温度検知手段
２２ 計測回路基板
２３ 圧力検出手段
２５ 流体供給部
２６ 流体排出部
２７ 整流部材
２８ 排出接続部材
３７ 絶縁材（絶縁層）
３８ 超音波式流量計測装置

Claims (5)

1. 被測定流体が流れる流量計測部と、
   前記流量計測部に配置されており、一方から超音波を送信し、他方で受信するようにした一対の超音波振動子と、
   前記一対の超音波振動子の間で授受される前記超音波の伝搬時間を計測するための伝搬時間計測手段と、
   前記伝搬時間計測手段の計測値に基づいて流量を算出する流量演算部と、
   前記伝搬時間計測手段や流量演算部を構成する温度特性を有する部品の特性を測定して温度検知を行う温度検知手段と、
   を備えた超音波式流量計測装置。
2. 前記温度特性を有する部品は、
   前記伝搬時間計測手段において伝搬時間を計測する上で基準クロックとして用いる発振回路手段の発振子であり、
   前記温度検知手段は、前記発振子の周波数を測定して温度検知を行うこと、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波式流量計測装置。
3. 前記温度特性を有する部品は、前記被測定流体の雰囲気中に配置された請求項１または２に記載の超音波式流量計測装置。
4. 前記被測定流体の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
   前記流量演算部で算出された被計測流体の流量値と前記温度検知手段で求めた温度および前記圧力検出手段で検出した被計測流体の圧力値から前記被計測流体の熱量を算出する熱量算出手段と、
   を備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波式流量計測装置。
5. 流体供給部と流体排出部とを備えたケース本体と、
   前記ケース本体内に配置された流量計測部と、
   前記流量計測部の供給側に備えられた整流部材と、
   前記流量計測部の排出側と前記流体排出部を接続する排出接続部材と、
   を備え、
   前記流量計測部の流路断面を長方形に構成し、
   前記一対の超音波振動子を共に流路断面の短辺側に配置して、一方の超音波振動子から発信された超音波は、流路の対向する短辺側の流路内壁に反射して他方の超音波振動子に受信される構成とし、
   前記超音波振動子の電圧を印加する端子部および前記伝搬時間計測手段と前記発振回路手段と前記温度検知手段とを含む計測回路基板を絶縁層で覆った請求項２記載の超音波式流量計測装置。

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