JP2020165760A

JP2020165760A - 超音波流量計

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Publication number: JP2020165760A
Application number: JP2019065595A
Authority: JP
Inventors: 中林　裕治; Yuji Nakabayashi; 裕治中林; 佐藤　真人; Masato Sato; 真人佐藤; 麻子三好; Asako Miyoshi; 正誉松田; Masayoshi Matsuda
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: WO2020203183A1; CN113383212A; EP3951328A4; JP7203302B2; US20220170770A1; EP3951328B1; EP3951328A1

Abstract

【課題】流路外部の温度の影響を受け難く、流れ中心部の流体の温度を正確に計測できる超音波流量計を提供すること。【解決手段】基板９に突出させて固定した温度センサ１１を設けた平板状のセンサプレート８を有し、センサプレート８は流路２の流れ方向に沿わせて温度センサ１１を流路２断面内に突出させて配置し、センサプレート８を固定した基板９と流路２との間に被計測流体を気密保持するシール体１２を設けて構成し、流路２の雰囲気温度の影響を大幅に低減して流体温度を精度よく計測し、汎用性が高く計測精度の高い流量計が実現でき、さらにセンサの配線と気密構成を簡単な構成で実現できる。【選択図】図２

Description

本発明は、計測流路を流動する流体に超音波を伝搬させて流体の流速を計測し、流体の温度計測を加えて計測精度を高める超音波流量計に関するものである。

従来、超音波で流量を計測し、流体の温度も計測する超音波流量計として、筒状のサーミスタを流路内に挿入して温度を計測するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図９は、特許文献１に記載された超音波流量計の断面を示したものである。

この流量計では、一対の超音波送受波器１０１、１０２を流路体１０３に配置し、それぞれの超音波送受波器１０１、１０２対して超音波を反射する偏向ミラー１０４、１０５を設けて計測流路１０６に超音波を伝搬させて流速・流量の計測を行っている。さらに、流路１０７の下流側に流れ中心部に位置するように筒状のサーミスタ１０８を流路体１０３の壁面から挿入し、サーミスタ１０８の取付け部１０９をＯリング１１０などで気密シールし、流体の温度を計測するものである。

特表２００４−５２６１２７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、サーミスタ１０８の筒状部を金属管などで構成して先端に温度検知部を配置すると、金属製の筒状部の伝熱作用で流路体１０３の外壁面の温度の影響を受け、外壁面の雰囲気温度と流体温度の差が大きい場合では温度計測に誤差を生じるという課題を有するものであった。

また、図９に示す従来の構成のように、筒状部を径の細くすることで、流速が早いなど流体からの熱伝達が高い場合は壁面からの影響を低減できるが、被計測流体が気体や流速が遅いなど熱伝達が大きくない場合は、流路体１０３の壁面温度の影響を受けて温度計測誤差を生じる恐れがある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、雰囲気温度の影響を大幅に低減して流体温度を精度よく計測し、流量計測の精度を高めた超音波流量計を提供することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、被計測流体が流れる流路を有する流路体と、前記流路体に配置された一対の超音波送受波器と、前記流路体に固定される基板と、前記被計測流体の温度を検知する温度センサが配置された平板状のセンサプレートと、前記超音波送受波器間の超音波の伝搬時間と前記温度センサの検知温度から被計測流体の流量を演算する演算部と、を備え、前記センサプレートは、前記基板から突出するように構成され、前記基板を前記流路体に固定した際に前記流路体に設けたセンサ穴から前記流路の流路断面内に突出するようにしたことを特徴とすることで、流路の雰囲気温度の影響を大幅に低減して流体温度を精度よく計測でき、計測精度の高い流量計が実
現できる。

本発明の超音波流量計は、基板に突出させて固定した温度センサを設けた平板状のセンサプレートを有し、前記センサプレートは前記流路の流れ方向に沿わせて前記温度センサを流動断面内に突出させて配置することで、流路の雰囲気温度の影響を大幅に低減して流体温度を精度よく計測し、汎用性が高く計測精度の高い流量計が実現できる。

本発明の実施の形態１における流量計の横断面図本発明の実施の形態１における流量計の縦断面図本発明の実施の形態１におけるセンサプレートの流動方向外観図本発明の実施の形態１における基板とセンサプレートの斜視図本発明の実施の形態２におけるセンサプレートの構成を示す部分斜視図本発明の実施の形態２におけるセンサプレートの他の構成を示す部分斜視図本発明の実施の形態３における流量計の横断面図（ａ）本発明の実施の形態４における流量計の縦断面図、（ｂ）本発明の実施の形態４におけるセンサプレートの他の構成を示す図従来の超音波流量計における流路の構成を示す断面図

第１の発明は、被計測流体が流れる流路を有する流路体と、前記流路体に配置された一対の超音波送受波器と、前記流路体に固定される基板と、前記被計測流体の温度を検知する温度センサが配置された平板状のセンサプレートと、前記超音波送受波器間の超音波の伝搬時間と前記温度センサの検知温度から被計測流体の流量を演算する演算部と、を備え、前記センサプレートは、前記基板から突出するように構成され、前記基板を前記流路体に固定した際に前記流路体に設けたセンサ穴から前記流路の流路断面内に突出するようにしたことを特徴とすることで、流路の雰囲気温度の影響を大幅に低減して流体温度を精度よく計測でき、計測精度の高い流量計が実現できる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記センサプレートは、前記基板から略水直に突出させて固定され、前記基板と前記流路体との間に前記センサ穴からの被計測流体の漏洩を防止するシール体を備えたことを特徴とするもので、センサの配線と気密構成を簡単な構成で実現できる。

第３の発明は、特に第１または２の発明において、前記基板にコネクタ部を配置し、該コネクタ部を介して前記センサプレートを着脱自在に取付けたことを特徴とすることで、計測目的の違いや被計測流体の相違に適する部品選定が可能となり、超音波流量計の汎用性を高めることができ、センサ交換のメンテナンス性の良い超音波流量計を実現できる。

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、前記センサプレートは、フレキシブル基板で形成した屈曲可能な可撓部を設けたことを特徴とすることで、製造時や部品交換時の不意な接触によるセンサプレートの折損を防止でき、組立性を高めることができる。

第５の発明は、特に第１〜４のいずれか１つの発明において、前記センサプレートは、その先端部が前記流路の壁面に接触することを特徴とすることで、被計測流体の流動によるセンサプレートの振動を抑制して破損を防止し、コネクタ部を設けた場合ではコネクタ部からセンサプレートが脱落することを防止できる。

第６の発明は、特に第１〜５のいずれか１つの発明において、前記センサプレートは、前記センサ穴の内壁面に設けた案内部に嵌合させたことを特徴とすることで、被計測流体の流動によるセンサプレートの振動を押えて破損を防止し、薄いフレキシブル基板の利用を可能にして構成を簡素化でき、信頼性を向上できる。

第７の発明は、特に第１〜６のいずれか１つの発明において、前記センサプレートは、前記流路の上流側に配置して被計測流体の流れを整える整流体としたことを特徴とすることで、流れの乱れを低減して安定した流量計測ができ、薄いセンサプレートにより流動抵抗の増大を防止できる。

第８の発明は、特に第１〜７のいずれか１つの発明において、前記センサプレートは、前記被計測流体の流体特性である圧力を検知する圧力センサを備えたことを特徴とすることで、コンパクトなセンサ部を実現して、部品の簡素化や低コストができ、汎用性を高めた一層計測精度を高めた流量計を実現できる。

第９の発明は、特に第１〜８のいずれか１つの発明において、前記演算部は、前記基板に構成されたことを特徴とすることで、低コストでコンパクトな組立性の良い超音波流量計を実現できる。

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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
実施の形態１について、図１〜図４を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態１における流量計の横断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面における縦断面図である。なお、図２において、センサプレートについては中央断面ではなく、搭載した部品を図示する為に平面図としている。さらに、図３は図２で示すＢ矢視から見た本発明の実施の形態１におけるセンサプレートの流動方向外観図であり、図４は本発明の実施の形態１におけるセンサプレートとセンサプレートが固定される基板の斜視図である。

図１〜４において、流路体１には被計測流体（空気、メタン、窒素、水素等の気体や水、灯油等の液体）が流れる流路２の流動軸方向に所定の角度θを持って一対の超音波送受波器３、４を対向させて配置している。この超音波送受波器３、４は流路２に開口する開口穴５に収納し、防振シール体６と固定体７により被計測流体が漏出しないように気密に設置している。

また、この流路２の超音波送受波器４が配置された開口穴５の下流側には、センサ穴１０が設けてあり、被計測流体の温度を計測する為の温度センサ１１が搭載された平板状のセンサプレート８を基板９から突出させて基板９に固定し、流路体１のセンサ穴１０にセンサプレート８を挿入して流路２の矩形断面内の略中央部に温度センサ１１が位置するように配置したもので、センサプレート８を固定した基板９と流路２との間にはＯリングなどのシール体１２を介在させて気密に保持して被計測流体が外部に漏出するのを防止している。

この流路２は入口接続部１３、出口接続部１４を介して外部の配管（図示せず）と接続して被計測流体を流動させるものである。

ここで、センサプレート８は、図４に示すように幅Ｗ、高さＨに対して、厚みＴが極め
て小さい薄片状の短冊のような形であり、図３および図４に示すように流路２内の流れ方向Ｆに沿う方向にセンサプレート８の幅Ｗ方向を配置して流れの流動抵抗を受けにくくしている。また、この温度センサ１１を設けたセンサプレート８の表面に被覆処理を行うことで、被計測流体に対する耐食性を付与している。

また、センサプレート８は、堅さの硬いいわゆるリジット基板ではなく、フィルム状のフレキシブル基板で形成して屈曲可能な可撓部１８を有する構成とすることで、厚みＴを一層薄くして流体の流動抵抗を低減でき、そのうえ生産時やメンテナンス時に誤って接触しても屈曲して逃げることでセンサプレート８の折損を防止できる。

また、センサプレート８には、流体圧力により流量計測値を補正するため圧力センサ１５を配置したもので、図２に示すように、圧力センサ１５は流路２内の主流に直接さらさずに、センサ穴１０内に位置するように設けて、流体流動抵抗を受けにくくしている。

また、図１および図２に示すように、センサプレート８を確実にしっかり保持するために、センサ穴１０内の流路２の壁面に溝状の案内部１９を設けて（図２で一部破断して示す）嵌合させて支持し、さらにセンサプレート８の先端部８ａは流路２の壁面に凹ませて形成した先端ガイド溝２０に挿入し接触させて保持し、流体流動によるセンサプレート８の振動を防ぎ、コネクタ部１６に取付けたセンサプレート８が基板９から脱落するのを防止している。

なお、本実施の形態では、センサプレート８に圧力センサ１５を配置することで温度以外の流体特性値として圧力を検知する場合を示したが、濃度、湿度等や、ＣＯなどのガス検知センサ等をセンサプレート８に搭載することで、各センサに対応した特性を計測することができ、流体特性の測定機能を高めることが可能である。

また、センサプレート８をフレキシブル基板で形成することで、プラスチックのフィルム内に配線部を設けることができ、耐食性を付与するための表面の被覆処理を不要にして低コスト化と簡素化ができる。

さらに、図４に示すように、基板９はセンサプレート８を配置したセンサ部９ａと超音波の送受信および流量計測制御回路を含む制御部９ｂとを一体化し、センサプレート８と制御部９ｂとのリード線による接続を不要とした構成としている。また、基板９は、金属製のケース３０で覆うことでシールドしている。

次に、本発明の超音波流量計の動作について説明する。

流路２を流れる被計測流体に対して一方の超音波送受波器３あるいは４から超音波を発信し、他方の超音波送受波器４あるいは３でその超音波を受信して伝搬に要した時間を計測し、上流側から下流側への伝搬時間と下流側から上流側への伝搬時間との時間差から流速を計測し既知の横断面積Ｓから流量の計測を行う、いわゆる時間差法による超音波流量計測を行う。

制御部９ｂには、超音波送受波器３、４で超音波の送受信を行う送信受信回路、伝搬時間から流量を算出する演算回路、演算結果を出力する出力回路などを含むマイコン部を配置し、超音波送受波器３および４とリード線２２で接続している。また、センサプレート８を設けたセンサ部９ａとマイコン部を有する制御部９ｂとを一体化し、基板９内のプリント配線でセンサ部９ａと制御部９ｂを接続し、制御部９ｂとセンサ部９ａのリード線による配線を無くし、構成の簡素化と低コスト化、組立性の向上を実現している。また、シール体１２を介在させて流路体１に取付けることで、基板９の組込みとセンサプレート８
の気密シールが同時にできるので、組立性を高めることができる。

また、基板９には接続端子２３を設け、この接続端子２３を介してセンサ部９ａや制御部９ｂへ電源供給や計測指示、計測結果の出力などを外部と行うものである。

流量計測において、伝搬時間から流速を算出するには超音波の音速を知ることが非常に重要である。被計測流体の温度が既知の値でほぼ一定であれば所定の一定値として入力して設定し計測しても良いが、音速は温度による変化が大きいので、汎用の流量計として使用する場合は、流体温度を検知してその流体温度での音速値を使用して計測精度を高めることが有効である。本実施の形態では、温度センサ１１を、コンパクトで簡素な構成としたセンサプレート８に設けているので、簡素でコンパクトな構成で一層計測精度を向上させた汎用性、利便性の高い超音波流量計を実現できる。

さらに、センサプレート８に圧力センサ１５を加えることでコンパクトなセンサ部を実現して部品の簡素化や低コストができ、圧力条件が異なる各種の流体に対して被計測流体の圧力に応じた流動状態や音速を使用することで計測精度を一層高めることができ、計測精度を一層高めた汎用性、利便性が向上した流量計を提供できる。

なお、温度変化による音速変化の大きさに比べて、圧力変化による音速変化はあまり大きくないため、圧力検知の必要性は温度検知の必要性よりも小さくなるが、圧力センサ１５を組込むことで圧力が異なる用途に対して高い計測精度を実現でき、汎用性を一層高めることができる。なお、本実施の形態では、圧力センサ１５は流動抵抗を受けにくいセンサ穴１０内に収納して配置しているので、流動抵抗をあまり考慮しない圧力センサ１５の選択が可能となり、圧力センサ１５の大きさの許容範囲の制限を緩めて、部品選定の自由度を高めることができる。

また、センサプレート８はフレキシブル基板で形成した屈曲可能な可撓部１８を設けているので、製造時や交換時などで組付け前に誤って接触しても、可撓部１８で屈曲して逃げることで不意な接触による折損を防止でき、扱いやすくなって組立性を高めることができる。

また、センサプレート８はその先端部８ａが前記流路２の壁面に設けた先端ガイド溝２０に挿入して接触することで、被計測流体の流動によるセンサプレート８の振動が抑制されて破損を防止し、さらにコネクタ部１６を設けて組込んだ場合ではセンサプレート８がコネクタ部１６から抜けて脱落することを防止できる。

また、センサプレート８は、流路２の壁面に設けた案内部１９に嵌合させたことで、センサプレート８を案内部１９で押えて被計測流体の流動によるセンサプレート８の振動を防止することで破損を防止し、薄いフレキシブル基板の利用を可能にして構成を簡素化でき、信頼性を向上できる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２におけるセンサプレート２４の斜視図であり、他の構成は実施の形態１と同様であるので説明は省略する。

図５に示すように、基板９に固定したコネクタ部１６を配置し、このコネクタ部１６に電気接点１７を有するセンサプレート２４を挿入し、電気接点１７を介して温度検知信号や圧力検知信号の信号伝達を行うようにして着脱自在に取付けている。

図６は、図５に示すセンサプレート２４の他の構成を示す斜視図で、図に示すように、
センサプレート２５は、フィルム状のフレキシブル基板で形成するとともに、センサを配置した部分の厚みＴ１を大きくし他の部分Ｔ２は薄いまま（Ｔ１＞Ｔ２）として屈曲可能な可撓部１８ａ、１８ｂ、１８ｃを有する構成としたもので、センサプレート２５の強度向上と折損防止を両立させている。

そして、本実施の形態のセンサプレート２４、２５によると、基板９にコネクタ部１６を設けてセンサプレート２４，２５を着脱自在に取付け、電気接点１７を介して基板９側との信号伝達を行う構成とすることで、センサプレート２４、２５が着脱自在となるので、計測目的の違いや被計測流体の相違に適する部品の選定や組替えが可能となる。

このため、流量計の生産者側では品種拡大に対する部品共用化など生産性を向上でき、また、流量計の利用者側では少ない投資でセンサプレート交換による用途拡大とメンテナンス性を向上でき、汎用性を高めた生産性およびメンテナンス性の良い超音波流量計を実現できる。

また、コネクタ部１６に電気接点１７が存在することで、被計測流体として水などの導電性の液体には使用できないという制約は出るが、生産性や汎用性の向上とメンテナンス性の向上はそれ以上に効果がある。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における超音波流量計の横断面図を示したもので、センサプレート８を流路２の超音波送受波器３が配置された開口穴５の上流側に配置したもので、他の構成は実施の形態１と同様であり、説明を省略する。

本実施の形態において、センサプレート８は、流路２の上流側に配置して被計測流体の流れ状態を整える整流体２１としたことで、流れの乱れを低減したより安定した流量計測を可能にして、さらに薄いセンサプレート８により流動抵抗の増大を防止できる。

（実施の形態４）
図８（ａ）は、実施の形態４における流量計の縦断面図で、図１に示す実施の形態１との違いは、基板９の一部を延出してセンサプレートを形成した点である。また、図８（ｂ）は、センサプレートの他の構成を示す図である。

図８（ａ）に示すように、基板２８の一部を平面上で突出するように基板２８と一体にセンサプレート２６を構成することにより、基板２８上の制御部を構成する回路部品を配置する際に、同時にセンサプレート２６の温度センサ１１や圧力センサ１５を配置できるので工数削減を実現できる。また、図８（ｂ）に示すようにセンサプレート２７をコネクタ部１６を用いて基板２９の平面と並行に突出するように構成する場合は、基板２９の実施の形態２と同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の実施例において、一対の超音波送受波器の配置として、超音波の伝搬経路が流れを一回だけよぎる、いわゆるＺ字型をなす構成にて説明したが、これに限るものではなく、一対の超音波送受波器を計測流路の同一側に配置してその超音波伝搬経路がＶ字型をなす構成や、また流れと平行なＩ字型等になるような構成であってもよい。

また、ここでは計測流路は矩形断面の例を示したが、それ以外の円形断面でも同様なのは云うまでもない。

以上のように、本発明の超音波流量計は、流体温度を精度よく計測でき、計測精度の高
い流量計が実現でき、さらにセンサの配線と気密構成を簡単に構成でき、組立性やメンテナンス性の良い汎用性の高い流量計を実現できる。

この方法の採用により、計測すべき流体が変わっても、また計測目的が異なる場合でもセンサプレートを交換するだけで対応できるようになり、応用範囲が広く汎用性の高い流量計のシステム化を構築できる。

１流路体
２流路
３、４超音波送受波器
８、２４、２５、２６、２７センサプレート
８ａ先端部
９、２８、２９基板
９ａセンサ部
９ｂ制御部（演算部）
１０センサ穴
１１温度センサ
１２シール体
１５圧力センサ
１６コネクタ部
１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ可撓部
１９案内部
２１整流体

Claims

被計測流体が流れる流路を有する流路体と、
前記流路体に配置された一対の超音波送受波器と、
前記流路体に固定される基板と、
前記被計測流体の温度を検知する温度センサが配置された平板状のセンサプレートと、
前記超音波送受波器間の超音波の伝搬時間と前記温度センサの検知温度から被計測流体の流量を演算する演算部と、を備え、
前記センサプレートは、前記基板から突出するように構成され、前記基板を前記流路体に固定した際に前記流路体に設けたセンサ穴から前記流路の流路断面内に突出するようにしたことを特徴とする超音波流量計。
前記センサプレートは、前記基板から略水直に突出させて固定され、
前記基板と前記流路体との間に前記センサ穴からの被計測流体の漏洩を防止するシール体を備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
前記基板にコネクタ部を配置し、該コネクタ部を介して前記センサプレートを着脱自在に取付けたことを特徴とする請求項１または２記載の超音波流量計。
前記センサプレートは、フレキシブル基板で形成した屈曲可能な可撓部を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波流量計。
前記センサプレートは、その先端部が前記流路の壁面に接触することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波流量計。
前記センサプレートは、前記センサ穴の内壁面に設けた案内部に嵌合させたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波流量計。
前記センサプレートは、前記流路の上流側に配置して被計測流体の流れを整える整流体としたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波流量計。
前記センサプレートは、前記被計測流体の流体特性である圧力を検知する圧力センサを備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波流量計。
前記演算部は、前記基板に構成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の超音波流量計。