JP2020067420A - 超音波式流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】管体の両側に送受信素子を配置する場合に、管体に対する超音波ビームの入出射端面を密着可能とする。【解決手段】管体Ｐの両側に同形の送受信ユニット１が、クランプ式に固定されている。送受信ユニット１は、取付部３と、取付部３に対し可動の送受信部４とから成る。取付部３の中央部分には貫通孔３ｃが形成され、送受信部４が収納されている。送受信部４には接面部４ａと素子固定部４ｂとが設けられ、素子固定部４ｂには装着孔４ｃと軸部４ｄとが設けられ、装着孔４ｃ内に柱状体の超音波伝達体４ｅが装着されている。超音波伝達体４ｅの下面４ｆは接面部４ａの一部として管体Ｐに接面し、上面４ｇに送受信素子４ｈが貼り付けられている。取付部３を締め付けると、軸部４ｄを介して取付部３に加わる力は、下方の接面部４ａに伝達されて管体Ｐに密着され、超音波ビームが管体Ｐとの間で良好に伝達される。【選択図】図２

Description

本発明は、管体を通過する流体中に超音波ビームを伝播させて、流体の流量を測定するクランプ式の超音波式流量測定装置に関するものである。

取付治具を用いて管体の周囲に超音波送受信素子を配置するクランプ式の超音波式流量測定装置が、例えば特許文献１に記載されている。

特開平１０−２２１１３７号公報

クランプ式の超音波式流量測定装置においては、管体の管径や肉厚に応じて、使用時に超音波送受信素子の相互の位置を調整しなければならない。そして、超音波ビームの管体との間の伝達を容易にするために、超音波送受信素子を強い押圧力で管体に密着させる必要がある。

しかし、この特許文献１の測定装置では、送受信素子同士を好適な相対位置に調整可能とすると共に、超音波送受信素子を管体に強い押圧力で押し付けるために、管体の周りに幾つものフレームが配置され、極めて大掛かりなものとなっている。

本発明の目的は、上述の問題点を解決し、簡素な構成で超音波送受信素子を強い固定力で管体に押し付けることができる超音波式流量測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波式流量測定装置は、超音波送受信素子をそれぞれ内蔵した一対の送受信ユニットを流体が流れる管体を挟むように配置し、前記送受信ユニットの前記管体に沿って異なる位置の前記送受信素子間で、前記管体中を斜め方向に伝播する超音波ビームを交互に送受信して前記流体の流量を測定する超音波式流量測定装置であって、前記送受信ユニットは、前記管体の表面に接触して取り付ける取付部と、該取付部内に挿入し該取付部に内設する送受信部とから成り、前記取付部は、前記管体の表面への接触部と、前記送受信部を受け入れる貫通孔と、前記管体に固定する固定手段とを備え、前記送受信部は、前記管体に接面する板体状の接面部と、前記取付部の一部に接する力伝達部と、前記送受信素子を取り付けると共に前記貫通孔に挿入して固定し、端面が前記接面部に含まれ前記管体に接面する素子固定部とを備え、前記固定手段により前記管体に前記取付部を固定すると、この固定力は前記力伝達部を介して前記送受信部に伝達され、前記接面部を前記管体に強く押圧することを特徴とする。

本発明に係る超音波式流量測定装置によれば、管体の両側に超音波送受信素子を配置するクランプ方式の場合においても、簡素な構成で、超音波送受信素子を強い押圧力で管体に確実な密着が可能となる。

管体に一対の送受信ユニットを固定した状態の斜視図である。 一方の送受信ユニットを側面で示した断面図である。 取付部の正面図である。 平面図である。 底面図である。 側面図である。 送受信部を上方から見た斜視図である。 送受信部を下方から見た斜視図である。 超音波伝達体の斜視図である。 管体に取り付ける前の送受信ユニットの断面図である。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は管体に一対の送受信ユニットを固定した状態の斜視図、図２は一方の送受信ユニットを側面で示した断面図である。

測定すべき流体を流す管体Ｐの中心軸を挟む両側に、合成樹脂材を主体とする一対の送受信ユニット１が、固定手段である２本のゴム製又は合成樹脂製又は金属製から成り弾性力を持つ締付バンド２により締め付けられて、クランプ式に固定されている。２つの送受信ユニット１は同形であり、管体Ｐの両側において左右対称に配置されている。この送受信ユニット１は、管体Ｐに固定する取付部３と、取付部３内に挿入して内蔵され、取付部３に対し可動の送受信部４とから成っている。

図３は取付部３の正面図、図４は平面図、図５は底面図、図６は側面図である。取付部３には、管体Ｐの表面の長手方向に沿って接触し、接触面が管体Ｐの表面にならって円弧状とされた長片状の接触部３ａが形成されている。接触部３ａの両端は稍々上方に持ち上げられ、接触部３ａ全体として僅かに反り上っている。接触部３ａの中央部分には台形部３ｂが設けられ、台形部３ｂ内には送受信部４とほぼ同等の大きさの貫通孔３ｃが形成され、貫通孔３ｃ内に送受信部４が挿入されるようになっている。

貫通孔３ｃの下部には、接触部３ａに面して略矩形状の下開口部３ｄが形成され、下開口部３ｄの周囲には低段の凹部３ｅが設けられている。また、貫通孔３ｃの上部には上開口部３ｆが設けられ、上開口部３ｆを囲むように内方向に張り出す周縁部３ｇが形成されている。更に、接触部３ａの長手方向の両端部には締付バンド２を配置するための溝部３ｈが設けられている。

図７は送受信部４を上方から見た斜視図、図８は下方から見た斜視図である。送受信部４の下部の略矩形板状の接面部４ａは、取付部３の下開口部３ｄを覆う大きさとされ、下開口部３ｄの周囲の凹部３ｅに入り込む大きさと厚みを有している。そして、接面部４ａは管体Ｐにならって断面が円弧状とされている。

送受信部４の接面部４ａの中央部から上方に向けた斜め方向に、取付部３の貫通孔３ｃに挿入される素子固定部４ｂが形成され、素子固定部４ｂの内部には装着孔４ｃが設けられ、この装着孔４ｃは接面部４ａに開口されている。また、素子固定部４ｂの中間部の外側には、短手方向に向けて力伝達体としての軸部４ｄが設けられ、この軸部４ｄの両端部は上開口部３ｆの周囲の周縁部３ｇの下面に接するようにされている。そして、素子固定部４ｂの装着孔４ｃ内には、接面部４ａから上方に向けて、図９に示す合成樹脂材から成る柱状体の超音波伝達体４ｅが装着されている。

この超音波伝達体４ｅは素子固定部４ｂの装着孔４ｃの形状と合致し、装着孔４ｃ内に嵌め込まれ、接着剤により固定されている。嵌め込んだ状態の超音波伝達体４ｅの端面である下面４ｆは、管体Ｐの表面にならって円弧状とされ、接面部４ａと面一とされて接面部４ａの一部とされている。また、超音波伝達体４ｅの上面４ｇには、ピエゾ素子のような圧電素子で、超音波ビームを送受信する超音波送受信素子４ｈが貼り付けられている。

超音波伝達体４ｅの上面４ｇは、例えば素子固定部４ｂの中心線と直交されていて、送受信素子４ｈを貼り付けた上面４ｇと、超音波ビームＢを管体Ｐに対し斜め方向に入射させる下面４ｆとは平行ではなく、所定の角度を有する非平行とされている。

そして、超音波伝達体４ｅの下面４ｆの中心は、素子固定部４ｂの軸部４ｄの真下に位置しており、軸部４ｄに対する周縁部３ｇからの下方への応力は、下面４ｆの中心に向けて作用するようにされている。

送受信素子４ｈにはリード線４ｉが接続されており、リード線４ｉは素子固定部４ｂ内を経て、上部の孔部４ｊから外部に引き出され、図示しない演算制御部に接続されている。更に、超音波伝達体４ｅの下面４ｆを含む接面部４ａには、管体Ｐとの接面状態を良好とするために、必要に応じて、柔軟性を有し、超音波ビームＢに関し音響インピーダンスが合成樹脂材と合致する軟弾性部材として、例えばシリコンシート４ｋが貼り付けられている。

取付部３に送受信部４を組み込むには、超音波伝達体４ｅの上面４ｇにリード線４ｉを接続した送受信素子４ｈを貼り付けておく。この超音波伝達体４ｅを素子固定部４ｂの装着孔４ｃ内に装着して固定した送受信部４を、接触部３ａの下開口部３ｄから貫通孔３ｃ内に挿入する。この状態で、送受信部４の上部は図１に示すように、台形部３ｂの上開口部３ｆから上方に突出される。

送受信部４の取付部３の貫通孔３ｃへの挿入に伴って、送受信部４の軸部４ｄが取付部３の周縁部３ｇの下面に接触するので、それ以上に送受信部４を貫通孔３ｃ内に挿入することはできない。この状態において、超音波伝達体４ｅの下面４ｆを含む送受信部４の接面部４ａは、図１０に示すように、取付部３の接触部３ａよりも、稍々管体Ｐ側に突出するような位置関係とされている。

使用に際しては、管体Ｐの両側に一対の送受信ユニット１を対称的に当接し、管体Ｐとシリコンシート４ｋと間に超音波ビームの伝達を良好とするためにグリスを塗布し、締付バンド２を用いて送受信ユニット１の両側を管体Ｐに対し強く固定する。本実施例の送受信ユニット１は、使用する管体Ｐの外径に適合するように製作されているので、管体Ｐに固定した一対の送受信ユニット１の送受信部４同士は管体Ｐを介して斜め方向の対向位置に配置される。

取付部３の接触部３ａの両端は上方に稍々持ち上がっているので、接触部３ａを管体Ｐに当接すると、接触部３ａの両端は管体Ｐの表面から僅かに浮き上がる。ここで、締付バンド２により接触部３ａの両端を締め付けて、取付部３を管体Ｐに固定する。これにより、接触部３ａの両端は管体Ｐに密着し、取付部３の中央付近は管体Ｐに向けて強く押圧され、取付部３の周縁部３ｇから送受信部４の軸部４ｄに対し管体Ｐ側への強い押圧力が作用する。超音波伝達体４ｅの下面４ｆを含む送受信部４の接面部４ａは、取付部３の接触部３ａよりも管体Ｐ側に稍々突出しているので、取付部３と管体Ｐ間で強く押圧される。

また、取付部３、送受信部４の素材が持つ弾性により、取付部３、送受信部４が部分的に変形して押込力を吸収し、接面部４ａは取付部３内に弾性的に押し込まれながら管体Ｐの表面に強く密着する。特に、軸部４ｄの下方に位置する超音波伝達体４ｅの下面４ｆには、強い押圧力が作用することになる。

下面４ｆの管体Ｐの表面に対するこのような強い押圧による密着によって、送受信素子４ｈ同士間の管体Ｐを介する超音波ビームの送受信が良好になされ、測定精度が向上する。

また、シリコンシート４ｋを使用すれば、管体Ｐの表面と、仮に送受信部４の接面部４ａとの間に部分的に隙間があっても、締付バンド２による締め付けによって、シリコンシート４ｋの肉厚が部分的に変化して、或る程度、これらの間隙を埋めることができるので、超音波ビームの伝達は更に良好となる。

演算制御部からのリード線４ｉを経由した指令により、一方の送受信ユニット１の送受信素子４ｈから発信された超音波ビームＢは、超音波伝達体４ｅの上面４ｇから超音波伝達体４ｅ内を直進して下面４ｆに至り、シリコンシート４ｋを経て、図２の点線で示すように、管体Ｐの壁面から流体内に入射する。超音波ビームＢは更に管体Ｐ内の流体中を斜め方向に伝播し、管体Ｐの反対側の壁面から出射し、他方の送受信ユニット１のシリコンシート４ｋ、超音波伝達体４ｅを経て送受信素子４ｈに到達する。

管体Ｐ中の流体の流量を測定するには、２個の送受信部４の送受信素子４ｈから交互に超音波ビームを送受信する。流体の流れに沿って伝播する超音波ビームと、流れに逆行する超音波ビームとの到達時間差を制御演算部で測定し、流体の流速を求める。更に、制御演算部では管体Ｐの断面積を乗じて流量を演算する。この流速、流量の算出方法は超音波流量計の時間差方式として公知なので、説明は省略する。

なお、明細書の説明において、上下方向、左右方向とは実施例の図面に対しての説明であり、実際の部材はこれらの用語によって制限されるものではではない。

１ 送受信ユニット
２ 締付バンド
３ 取付部
３ａ 接触部
３ｂ 台形部
３ｃ 貫通孔
３ｄ 下開口部
３ｆ 上開口部
４ 送受信部
４ａ 接面部
４ｂ 素子固定部
４ｃ 装着孔
４ｄ 軸部
４ｅ 超音波伝達体
４ｆ 下面
４ｇ 上面
４ｈ 超音波送受信素子
４ｉ リード線
４ｋ シリコンシート
Ｂ 超音波ビーム
Ｐ 管体

Claims (5)

1. 超音波送受信素子をそれぞれ内蔵した一対の送受信ユニットを流体が流れる管体を挟むように配置し、前記送受信ユニットの前記管体に沿って異なる位置の前記送受信素子間で、前記管体中を斜め方向に伝播する超音波ビームを交互に送受信して前記流体の流量を測定する超音波式流量測定装置であって、
   前記送受信ユニットは、前記管体の表面に接触して取り付ける取付部と、該取付部内に挿入し該取付部に内設する送受信部とから成り、
   前記取付部は、前記管体の表面への接触部と、前記送受信部を受け入れる貫通孔と、前記管体に固定する固定手段とを備え、
   前記送受信部は、前記管体に接面する板体状の接面部と、前記取付部の一部に接する力伝達部と、前記送受信素子を取り付けると共に前記貫通孔に挿入して固定し、端面が前記接面部に含まれ前記管体に接面する素子固定部とを備え、
   前記固定手段により前記管体に前記取付部を固定すると、この固定力は前記力伝達部を介して前記送受信部に伝達され、前記接面部を前記管体に強く押圧することを特徴とする超音波式流量測定装置。
2. 前記送受信部の接面部は、前記取付部の前記管体への接触部よりも稍々前記管体側に突出され、前記固定手段による前記取付部の固定に伴って、前記接面部が前記管体に強く接面することを特徴とする請求項１に記載の超音波式流量測定装置。
3. 前記固定手段により前記取付部から前記送受信部の力伝達部に加わる前記固定力は、前記力伝達部の下方に位置する前記送受信部の接面部に伝達されることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波式流量測定装置。
4. 前記送受信部の前記素子固定部は装着孔を有し、端面を前記接面部と面一とし、反対面に前記送受信素子を取り付けた柱状体の超音波伝達体を前記装着孔内に装着して固定し、前記送受信素子にリード線を接続し外部に引き出したことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の超音波式流量測定装置。
5. 前記取付部の前記管体への接触部は、両端が稍々持ち上げられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の超音波式流量測定装置。

Images