JP2020008499A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波センサを正しい取り付け角度で取り付けることにより、測定精度の低下を防止することができる超音波流量計を提供する。【解決手段】流路１１を流れる流体中における超音波の伝搬時間に基づいて、流路１１を流れる流体の流量を測定する超音波センサ３０ａ，３０ｂと、超音波センサ３０ａ，３０ｂを収納するセンサ収納部２０ａ，２０ｂとを備え、超音波センサ３０ａ，３０ｂは、超音波を送信及び受信する圧電体３２を支持する支持板３１と、支持板３１の外周部に設けられ、超音波センサ３０ａ，３０ｂとセンサ収納部２０ａ，２０ｂの内面との間を密閉するパッキン３４と、支持板３１から突出する突出部３１ａとを有し、センサ収納部２０ａ，２０ｂは、突出部３１ａが嵌め込まれることにより、超音波センサ３０ａ，３０ｂのセンサ中心軸周りの回転角度位置を位置決めする切り欠き部２３を有する。【選択図】図６

Description

この発明は、超音波センサを用いて流体の流量を測定する超音波流量計に関する。

超音波流量計は、超音波センサによる超音波の送信から受信までに要した時間に基づいて、流体の流量を測定するものとして知られている。そして、このような、従来の超音波流量計としては、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２００１−４４１６号公報

ここで、超音波流量計は、超音波センサの取り付け角度が正しくないと、超音波の伝播方向と、流体の流れ方向とが一致せず、流量の測定精度が低下するおそれがある。特に、流体が流れる流路に仕切板及び整流板等の板部材を設置した場合には、送信された超音波がそれらの板部材に衝突し、超音波を十分に受信できないおそれがある。これにより、超音波センサの取り付け角度は、超音波の送受信、即ち、流量の測定精度に影響を与えるものとなっている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、超音波センサを正しい取り付け角度で取りつけることにより、測定精度の低下を防止することができる超音波流量計を提供することを目的とする。

この発明に係る超音波流量計は、流路を流れる流体中において超音波を互いに送受信することにより、当該超音波の伝搬時間に基づいて、流路を流れる流体の流量を測定する一対の超音波センサと、流路に設けられ、一対の超音波センサをそれぞれ収納するセンサ収納部とを備え、超音波センサは、超音波を送信及び受信する圧電体を支持する支持板と、前記支持板の外周部に設けられ、超音波センサとセンサ収納部の内面との間を密閉するパッキンと、支持板から突出する支持板側突出部とを有し、センサ収納部は、支持板側突出部が嵌め込まれることにより、超音波センサの中心軸周りの回転角度位置を位置決めする嵌合部を有することを特徴とするものである。

この発明によれば、超音波センサを正しい取り付け角度で取りつけることにより、測定精度の低下を防止することができる。

この発明の実施の形態１に係る超音波流量計の外観斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る超音波流量計の平面図である。 この発明の実施の形態１に係る超音波流量計の正面図である。 この発明の実施の形態１に係る超音波流量計の側面図である。 図２のＶ−Ｖ矢視断面図である。 図６Ａは蓋部材を取り外した状態のセンサ収納部の拡大図である。図６Ｂは図６ＡのVI−VI矢視断面図である。 図７Ａは他の超音波センサの外観斜視図である。図７Ｂは他の超音波センサの平面図である。図７Ｃは図７ＢのVII−VII矢視断面図である。 図８Ａは他の超音波センサの外観斜視図である。図８Ｂは他の超音波センサの平面図である。図８Ｃは図８ＢのVIII−VIII矢視断面図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る超音波流量計の外観斜視図であり、図２はその平面図、図３はその正面図、図４はその側面図である。図５は、図２のＶ−Ｖ矢視断面図である。図６Ａ，図６Ｂは、超音波センサの位置決め状態を示した図である。図７Ａから図７Ｃ及び図８Ａから図８Ｃは、超音波センサの構成を示した図である。なお、図１、図３、図５に記載した実線の矢印は、流体の流れ方向を示している。また、図５に示した２点鎖線の矢印は、超音波の伝搬経路を示している。

図１から図５に示すように、実施の形態１に係る超音波流量計１は、測定管１０、センサ収納部２０ａ，２０ｂ、及び、超音波センサ３０ａ，３０ｂを備えている。

図１から図５に示すように、測定管１０は、流路１１、流路入口１２、流路出口１３、及び、ポケット部１４ａ，１４ｂを有している。

流路１１は、測定管１０の軸方向に延びており、流体をその軸方向に沿って流すものである。また、流路１１の上流側開口端は、流路入口１２を構成しており、流路１１の下流側開口端は、流路出口１３を構成している。即ち、測定管１０は、流路入口１２から流路１１内に供給された流体を、その流路１１を通過させた後、流路出口１３から排出する。このとき、超音波流量計１は、流体が流路１１を通過するときに、その流量を測定する。

図５に示すように、ポケット部１４ａ，１４ｂは、流路１１の上流側及び下流側にそれぞれ設けられている。また、ポケット部１４ａ，１４ｂは、流路１１から当該流路１１の外側に向けて延びており、流路１１の内部とセンサ収納部２０ａ，２０ｂの内部とを連通させている。

図１から図５に示すように、一対のセンサ収納部２０ａ，２０ｂは、円筒状をなしており、円形状をなす一対の超音波センサ３０ａ，３０ｂをそれぞれ収納している。また、センサ収納部２０ａ，２０ｂは、ポケット部１４ａ，１４ｂとそれぞれ連通している。これにより、センサ収納部２０ａに収納された超音波センサ３０ａは、ポケット部１４ａを介して、流路１１に臨んでいる。同様に、センサ収納部２０ｂに収納された超音波センサ３０ｂは、ポケット部１４ｂを介して、流路１１に臨んでいる。

図５に示すように、超音波センサ３０ａ，３０ｂは、お互いの間で超音波の送受信を可能としている。そして、超音波流量計１は、超音波センサ３０ａ，３０ｂから送信された超音波を、流路１１を流れる流体中に伝搬させて、当該超音波センサ３０ａ，３０ｂ間における超音波の伝搬時間差に基づいて、流路１１を流れる流体の流量を測定する。

これにより、超音波センサ３０ａ，３０ｂは、流路１１の上流側及び下流側にそれぞれ配置されており、送信した超音波が流体流れ方向と斜めに交差するように、測定管１０の軸心に対して傾斜して設けられている。即ち、上流側に配置される超音波センサ３０ａは、センサ前面が下流側を向くように傾斜している。一方、下流側に配置される超音波センサ３０ｂは、センサ前面が上流側を向くように傾斜している。

従って、超音波センサ３０ａから送信された超音波は、流路１１を流れる流体中を、上流側から下流側に向けて斜めに伝搬して、当該流路１１の底面に反射した後、超音波センサ３０ｂによって受信される。一方、超音波センサ３０ｂから送信された超音波は、流路１１を流れる流体中を、下流側から上流側に向けて斜めに伝搬して、当該流路１１の底面に反射した後、超音波センサ３０ａによって受信される。

そして、超音波センサ３０ａ，３０ｂは、超音波を交互に送受信することにより、２つの超音波の伝搬時間を求めた後、それらの伝搬時間差に基づいて、流路１１を流れる流体の流量を測定する。

次に、センサ収納部２０ａ，２０ｂ及び超音波センサ３０ａ，３０ｂの構成と、それらの構成に基づいた超音波センサ３０ａ，３０ｂの取付構造とについて、図１から図７Ｃを用いて説明する。なお、センサ収納部２０ａ，２０ｂは、同じ構成及び機能を有しているため、対応する各構成部材には、共通の符号を付している。同様に、超音波センサ３０ａ，３０ｂは、同じ構成及び機能を有しているため、対応する各構成部材には、共通の符号を付している。

図１から図５、及び、図７Ａから図７Ｃに示すように、超音波センサ３０ａ，３０ｂは、支持板３１、圧電体３２、音響整合体３３、及び、パッキン３４を有している。

支持板３１は、平板状の円板であって、導電性を有する材料で形成されている。この円形状をなす支持板３１は、圧電体３２及び音響整合体３３を支持すると共に、支持板側突出部となる突出部３１ａを有している。突出部３１ａは、支持板３１の外周部から径方向外側に向けて突出しており、この突出部３１ａの詳細については、後述する。

圧電体３２は、電圧が印加されることによって、支持板３１の厚さ方向、即ち、超音波センサ３０ａ，３０ｂの中心軸（以下、センサ中心軸と称す）方向に伸縮することにより、超音波を発生する素子である。また、圧電体３２は、外部から超音波（振動）が加わると、電圧を発生する。即ち、圧電体３２は、超音波を送信及び受信可能となっている。このような、圧電体３２は、例えば、直方体状をなしており、流路１１と対向しない支持板３１の外面に支持されている。

音響整合体３３は、圧電体３２における超音波の送受信を効率的に行うために、圧電体３２の音響インピーダンスと流体の音響インピーダンスとを整合して、それらの間における超音波の反射を抑える素子である。このような、音響整合体３３は、例えば、円柱状をなしており、流路１１に対向する支持板３１の内面に支持されている。

パッキン３４は、超音波センサ３０ａ，３０ｂをセンサ収納部２０ａ，２０ａに収納したときに、センサ収納部２０ａ，２０ａの内面と超音波センサ３０ａ，３０ｂとの間を密閉するものである。このパッキン３４は、円環状をなしており、支持板３１の外周部に取り付けられている。このとき、支持板３１の突出部３１ａは、パッキン３４を径方向に貫通しており、当該パッキン３４の外周部から径方向外側に向けて突出している。

これに対して、図１から図６Ｂに示すように、センサ収納部２０ａ，２０ｂは、開口端２１、蓋部材２２、及び、嵌合部となる切り欠き部２３を有している。なお、図１から図５においては、上流側に配置されたセンサ収納部２０ａは、蓋部材２２が取り付けられた状態としているが、下流側に配置されたセンサ収納部２０ｂは、蓋部材２２が取り外された状態としている。

開口端２１は、超音波センサ３０ａ，３０ｂをセンサ収納部２０ａ，２０ｂに収納するときに使用する収納作業口となるものである。

蓋部材２２は、超音波センサ３０ａ，３０ｂがセンサ収納部２０ａ，２０ｂに収納されたときに、センサ収納部２０ａ，２０ｂの開口端２１を塞ぐと共に、超音波センサ３０ａ，３０ｂをセンサ収納部２０ａ，２０ｂの内面に押え付けるものである。具体的には、図５に示すように、蓋部材２２は、超音波センサ３０ａ，３０ｂのパッキン３４の上端を押圧して、この押圧したパッキン３４の下端をセンサ収納部２０ａ，２０ｂの内面に密着させる。

切り欠き部２３は、開口端２１に形成されており、超音波センサ３０ａ，３０ｂの突出部３１ａが貫通して嵌め込まれるものである。切り欠き部２３の切り欠き方向は、超音波センサ３０ａ，３０ｂがセンサ収納部２０ａ，２０ｂに収納されたときのセンサ中心軸方向と一致している。即ち、超音波センサ３０ａ，３０ｂは、そのセンサ中心軸方向が取付方向となっている。また、切り欠き部２３は、突出部３１ａが嵌め込まれた場合には、その突出部３１ａのセンサ中心軸周りの回転角度位置を位置決めする。

従って、超音波センサ３０ａ，３０ｂは、突出部３１ａを切り欠き部２３に嵌め込んだ状態で、センサ収納部２０ａ，２０ｂの開口端２１から、センサ中心軸方向に沿ってその内部に挿入されるだけで、センサ収納部２０ａ，２０ｂの内面に着座して、当該センサ収納部２０ａ，２０ｂに取り付けられる。このとき、超音波センサ３０ａ，３０ｂは、センサ中心軸周りの回転角度位置が正しい位置で位置決めされることになる。言い換えれば、超音波センサ３０ａ，３０ｂは、センサ中心軸を回転中心とした取り付け角度が正しい角度で常に取り付けられる。

そして、蓋部材２２は、位置決めされた超音波センサ３０ａ，３０ｂを、更にセンサ収納部２０ａ，２０ｂの内面に押し付けることにより、センサ収納部２０ａ，２０ｂと超音波センサ３０ａ，３０ｂとの間における密閉性の向上を図るだけでなく、超音波センサ３０ａ，３０ｂのセンサ中心軸方向位置を位置決めする。

但し、上述したセンサ収納部２０ａ，２０ｂは、嵌合部を切り欠き部２３としているが、当該嵌合部は、突出部３１ａのセンサ中心軸周りの回転角度位置を位置決めすることができるものであれば、それに限定されることはない。嵌合部は、例えば、センサ収納部２０ａ，２０ｂの内面から凹んだ嵌合凹部、及び、センサ収納部２０ａ，２０ｂを貫通する嵌合孔等であっても構わない。

更に、超音波センサ３０ａ，３０ｂは、当該超音波センサ３０ａ，３０ｂを構成する支持板３１、圧電体３２、音響整合体３３、及び、パッキン３４のうち、少なくとも支持板３１を、嵌合部に嵌め込めば、そのセンサ中心軸周りの回転角度位置を位置決め可能となっているが、支持板３１と共にパッキン３４を嵌合部に嵌め込んでも構わない。

具体的には、図８Ａから図８Ｃに示すように、支持板３１は、上記突出部３１ａを有しており、この突出部３１ａは、当該支持板３１の外周部から径方向外側に向けて突出している。これに対応して、パッキン３４は、パッキン側突出部となる突出部３４ａを有しており、この突出部３４ａは、当該パッキン３４の外周部から径方向外側に向けて突出している。

このとき、パッキン３４は、支持板３１の外周部に取り付けられているものの、突出部３４ａは、突出部３１ａには取り付けられてはおらず、当該突出部３１ａとセンサ中心軸方向において密着して重なり合っている。即ち、突出部３１ａは、突出部３４ａ内に収納されている。このように、突出部３１ａは、その径方向両側を突出部３４ａによって覆われることにより、切り欠き部２３に嵌め込まれた際に、当該切り欠き部２３の端面に接触することが無く、代わりに、突出部３１ａを覆う突出部３４ａが、切り欠き部２３の端面に接触することになる。この結果、超音波センサ３０ａ，３０ｂは、突出部３１ａの嵌め込み時において、圧電体３２及び音響整合体３３の位置ずれを防止することができる。

以上より、実施の形態１に係る超音波流量計１は、流路１１を流れる流体の流量を測定する超音波センサ３０ａ，３０ｂと、この超音波センサ３０ａ，３０ｂを収納するセンサ収納部２０ａ，２０ｂとを備え、超音波センサ３０ａ，３０ｂの支持板３１に、当該支持板３１から突出する突出部３１ａを形成する一方、センサ収納部２０ａ，２０ｂの開口端２１に、突出部３１ａのセンサ中心軸周りの回転角度位置を位置決めする切り欠き部２３を形成している。これにより、超音波流量計１は、超音波センサ３０ａ，３０ｂを正しい取り付け角度で取り付けることができるので、測定精度の低下を防止することができる。

そして、超音波流量計１は、支持板３１の突出部３１ａをパッキン３４の突出部３４ａ内に収納した状態で、当該突出部３１ａ，３４ａを切り欠き部２３に嵌め込むことにより、圧電体３２及び音響整合体３３の位置ずれを防止することができる。

また、超音波流量計１は、突出部３１ａが嵌め込まれる嵌合部を、切り欠き部２３とすることにより、超音波センサ３０ａ，３０ｂの取り付け作業を、突出部３１ａを切り欠き部２３に嵌め込んだ状態から、開始することができるので、その取り付け作業性を向上させることができる。

更に、超音波流量計１は、センサ収納部２０ａ，２０ｂの開口端２１を塞ぐと共に、超音波センサ３０ａ，３０ｂをセンサ収納部２０ａ，２０ｂの内面に押し付ける蓋部材２２を備えている。これにより、超音波流量計１は、超音波センサ３０ａ，３０ｂのパッキン３４がセンサ収納部２０ａ，２０ｂの内面に強く密着するため、パッキン３４による密閉性の向上を図ることができる。また、超音波流量計１は、超音波センサ３０ａ，３０ｂのセンサ中心軸方向位置を位置決めすることができるので、測定精度の低下を更に防止することができる。

なお、本願発明は、その発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは、実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 超音波流量計
１０ 測定管
１１ 流路
１２ 流路入口
１３ 流路出口
１４ａ，１４ｂ ポケット部
２０ａ，２０ｂ センサ収納部
２１ 開口端
２２ 蓋部材
２３ 切り欠き部
３０ａ，３０ｂ 超音波センサ
３１ 支持板
３１ａ 突出部
３２ 圧電体
３３ 音響整合体
３４ パッキン
３４ａ 突出部

Claims (6)

1. 流路を流れる流体中において超音波を互いに送受信することにより、当該超音波の伝搬時間に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を測定する一対の超音波センサと、
   前記流路に設けられ、前記一対の超音波センサをそれぞれ収納するセンサ収納部とを備え、
   前記超音波センサは、
   超音波を送信及び受信する圧電体を支持する支持板と、
   前記支持板の外周部に設けられ、前記超音波センサと前記センサ収納部の内面との間を密閉するパッキンと、
   前記支持板から突出する支持板側突出部とを有し、
   前記センサ収納部は、
   前記支持板側突出部が嵌め込まれることにより、前記超音波センサの中心軸周りの回転角度位置を位置決めする嵌合部を有する
   ことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記支持板側突出部は、
   前記支持板から前記パッキンを貫通し、当該パッキンから突出する
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記超音波センサは、
   前記パッキンから突出して、前記嵌合部に嵌め込まれるパッキン側突出部を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
4. 前記支持板側突出部は、前記パッキン側突出部内に収納される
   ことを特徴とする請求項３記載の超音波流量計。
5. 前記嵌合部は、
   前記センサ収納部の開口端に形成される切り欠き部である
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の超音波流量計。
6. 前記センサ収納部の開口端を塞ぐと共に、前記超音波センサを前記センサ収納部の内面に押え付ける蓋部材を備える
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の超音波流量計。

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