JP3570315B2 - 超音波式流量計およびそれを用いたガスメータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波式流量計およびそれを用いたガスメータ、特に超音波センサを用いてガスや液体などの流量を計測する超音波式流量計およびそれを用いたガスメータに関する。
【0002】
【従来の技術】
図8に、従来の超音波式流量計を示す。図8において、超音波式流量計1は、流体管2と、流体管2の側壁に設けられた超音波センサ3および4から構成されている。ここで、2つの超音波センサ3および4は、互いに対向するとともに、その方向を流体管2の内部の流路に直交する方向に対して一定角度だけ傾けて配置されている。なお、超音波センサ3および4は、超音波の放射と受信の両方の機能を有するものとする。
【0003】
このように構成された超音波式流量計1において、流体管2にガスGが一定の速度で流れているとする。この場合、超音波センサ3はガスGの上流側、超音波センサ4はガスGの下流側に位置することになる。
【0004】
ここで、超音波センサ3および4から同時にパルス状の超音波AおよびBを発生させ、超音波センサ4および3でそれぞれ受信する。超音波センサ3から超音波センサ4への超音波Aは、ガスGの上流から下流へ向かう方向になるため、その到達時間Taは、逆の方向になる超音波センサ4から超音波センサ3への超音波Bの到達時間Tbより短くなる。そして、この到達時間の差はガスGの流速に比例する。
【0005】
したがって、超音波AおよびBの到達時間の差を検出することによってガスGの流速を計測することができる。さらに、流体管2の断面積が既知であれば、ガスGの流速から流量を計測することができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の超音波式流量計1においては、2つの超音波センサを必要とするため、超音波式流量計の低価格化を妨げる原因となっていた。また、2つの超音波センサの特性ばらつきが流量計の測定精度を劣化させる原因になるため、超音波センサのばらつきの管理が必要という問題もあった。さらに、超音波センサのばらつきを抑えるための選別なども、低価格化を妨げる原因となっていた。
【0007】
そこで、本発明では、超音波センサのばらつきに起因する問題を無くすことができ、低価格化を実現できる超音波式流量計およびそれを用いたガスメータを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の超音波式流量計は、環状流路と、該環状流路内に設けられた1つの超音波センサと、前記環状流路に接続された流入流路および流出流路とを備えてなり、前記超音波センサは、互いに対向する2つの面を有し、該2つの面のいずれにおいても対向する面の方向とは逆方向に対する送信および受信が可能なように構成されているとともに、前記2つの面で送受信する超音波がいずれも前記環状流路の経路方向のベクトルを有するように配置されていることを特徴とする。
【0009】
また、本発明の超音波式流量計は、前記超音波センサが、前記環状流路を遮断することを特徴とする。
【0010】
また、本発明の超音波式流量計は、前記超音波センサが、一方向に送受信可能な2つの超音波センサ素子を背中合わせに貼り合わせてなることを特徴とする。
【0011】
また、本発明のガスメータは、上記の超音波式流量計を備えたことを特徴とする。
【0012】
このように構成することにより、本発明の超音波式流量計およびそれを用いたガスメータは、低価格化を実現することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明の超音波式流量計の一実施例を示す。図1は、超音波式流量計の断面図を示している。
【0014】
図1において、超音波式流量計10は、流体管11と遮蔽板12と超音波センサ14と接続管15および17から構成されている。ここで、流体管11の内部には遮蔽板12が設けられることによって流体が一周することのできる環状流路13が形成されている。流体管11には互いに離れた2カ所に2つの接続管15および17が接続されており、その結果として、環状流路の2カ所にそれぞれ接続して流入流路16および流出流路18が設けられていることになる。なお、流入流路16は接続管15に、流出流路18は接続管17に形成されている。また、超音波センサ14は対向する2面で送受信の可能な超音波センサで、超音波センサ14の送受信する超音波が、環状流路13の経路方向のベクトルを有するように環状流路13の一部に配置されている。このように超音波センサ14を配置することによって、超音波センサから放射された超音波を、環状流路13の経路方向に伝達させることができる。なお、図1に示した超音波式流量計10においては、超音波センサ14の送受信する超音波のベクトルは、環状流路13の経路方向にほぼに一致している。
【0015】
このように構成された超音波式流量計10において、流入流路16を通して環状流路13にガスGを流入させると、ガスGは環状流路13内に充満し、さらに、流出流路18から流出する。そして、ガスGが流入流路16から流れ込み続けている状態においては、流入流路16から流入し、環状流路13を経由して、流出流路18から流出するガスGの流れができる。特に、超音波センサ14が環状流路13の一部を遮るように配置されている場合、流入流路16から環状流路13の超音波センサ14で遮られていない経路を通って流出流路18から流出するガスGの流れが流れの主体となり、環状流路13の中の超音波センサ14の配置されている位置を流れるガス流は少なくなる。
【0016】
ここで、超音波センサ14の対向する2面からパルス状の超音波を放射すると、放射された超音波CおよびDは環状流路13をそれぞれ逆方向に進み、環状流路13を一周して、それぞれ超音波センサ14の超音波DおよびCを出力した面に到達する。そして、超音波センサ15をパルス状の超音波を放射した後で受信状態にしておくことによって、超音波CとDは超音波センサ14で受信される。
【0017】
このとき、環状流路13の一部には超音波Cの進行方向と同じ方向へ向かうガスGの流れが存在する。そのため、環状流路13の一部においては、超音波Cの速度の方が超音波Dの速度より速くなる。なお、環状流路13内のガスの流れが存在しない部分においては超音波CとDの速度は等しい。
【0018】
その結果、同時に超音波センサ14から放射された超音波CとDのうち、超音波Cの方が超音波Dより早く超音波センサ14に到達し、受信される。そして、この超音波Cと超音波Dの受信時間のズレが環状流路13を流れるガスGの流速に比例する。したがって、超音波CおよびDの到達時間の差を検出することによってガスGの流速、ひいてはガスGの流量を計測することができる。
【0019】
図2に、超音波センサ14から超音波として送信される信号と受信される信号の時間変化を示す。図2において、(a)は送信した信号を、(b)は受信した信号を示している。
【0020】
図2に示すように、まず単発のパルス状の信号Stが送信される。信号Stは超音波センサ14の両面からそれぞれ超音波CおよびDとなって放射され、環状流路13を経由し、再び超音波センサ14で受信される。このとき、先に超音波センサ14に到達した超音波Cは信号Scとして受信され、後で超音波センサ14に到達した超音波Dは信号Sdとして受信される。信号ScとSdの間には時間差Dtが存在する。上述のように、この時間差DtがガスGの流速に比例するため、これを検出することによってガスGの流速や流量を計測することができる。
【0021】
なお、超音波式流量計10において、接続管17の内部が流入流路となり、接続管15の内部が流出流路となって、ガスGが接続管17から接続管15の方に流れる場合には、超音波Dの方が超音波Cより先に超音波センサ14に到達して受信されるために、信号SdとScが入れ替わる。そして、この場合にも同様にガスGの流速や流量を計測することができる。
【0022】
上記の実施例においては、パルス状の超音波を放射する方式について説明したが、超音波センサから放射される超音波としては、いくつかの波をまとめて出力するバースト状の超音波であっても構わない。図3に、超音波センサ14からバースト状の超音波を放射した場合の、環状流路13をガスGの流れと同じ方向に伝搬する超音波Eの受信信号Se、および環状流路13をガスGの流れと逆の方向に伝搬する超音波Fの受信信号Sf、および両者を合成して、実際に超音波センサ14で受信して出力される出力信号Sgの波形を示す。ここで、図3(a)はガスGの流速がゼロの場合を、図3(b)はガスGが一定の流速で流れている場合を、図3(c)はガスGの流速がさらに速い場合を示している。なお、図3において、横軸は時間を、縦軸は信号の振幅を表している。
【0023】
まず、図3(a)に示すように、ガスGが流れていないときは受信信号SeとSfの位相は完全に一致する。そのために、両者を合成した出力信号Sgの振幅は大きくなる。
【0024】
次に、図3(b)に示すように、ガスGが一定の流速で流れている場合には、受信信号Seの方が早く受信が始まり、受信信号Sfの方は遅く受信が始まっているために、受信信号Seと受信信号Sfの間に位相のズレが生じる。そのため、両者を合成した出力信号Sgの振幅は、互いに相殺し合う部分があるために、ガスGが流れていないときに比べて小さくなる。
【0025】
さらに、図3(c)に示すように、ガスGがさらに速く流れている場合には、受信信号Seと受信信号Sfの位相にさらに大きなズレが生じ、特にそのズレが信号周期の1/2になる場合がある。この場合には、両者を合成した信号はほとんどが互いに相殺されてしまい、出力信号Sgの振幅はわずかなものになる。
【0026】
このように、超音波センサ14による受信信号の時間差だけではなく、超音波センサ14から出力され受信される信号の振幅によってもガスGの流速を検出することができる。
【0027】
以上説明したように、本発明の超音波式流量計10においては、1つの超音波センサを使って流量の測定が可能となり、2つの超音波センサを用いる方式に比べて低価格化を実現することができる。また、1つの超音波センサを使用するだけであるために、超音波センサの特性ばらつきを考慮して調整を行う必要がなく、この点においても超音波式流量計の低価格化を実現することができる。
【0028】
図4に、本発明の超音波式流量計の別の実施例を示す。図4において、図1と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。
【0029】
図4において、超音波式流量計20は、略矩形状の流体管21を有し、流体管21の内部に遮蔽板12が設けられることによって環状流路22が形成されている。また、環状流路22の一部には、対向する2面で送受信の可能な超音波センサ23が、環状流路22を完全に遮断する形で配置されている。ここで、超音波センサ23は、その送受信する超音波が、環状流路22の経路方向に対して約45度の角度を持つように配置されている。
【0030】
このように構成された超音波式流量計20において、環状流路22の一部が超音波センサ22で完全に遮断されているために、流入流路16から流入したガスGは、その全てが環状流路22の超音波センサ23で遮られていない経路を通って流出流路18から流出する。
【0031】
ここで、超音波センサ23の対向する2面からパルス状の超音波を放射すると、放射された超音波HおよびIは環状流路22の中を、流体管21の内壁面と遮蔽板12で反射しながらそれぞれ逆方向に進み、環状流路22を一周して、それぞれ超音波センサ23の超音波IおよびHを出力した面に到達し、受信される。
【0032】
この場合も、超音波式流量計10の場合と同様に、超音波HとIの到達時間の差からガスGの流量を計測することができる。
【0033】
このように、超音波センサ23の送受信する超音波のベクトルが、環状流路22の経路方向に完全に一致していなくても、環状流路22の経路方向のベクトルを少しでも有するようになっていれば、超音波は環状流路22を一周することができ、超音波の到達時間の差から流量の計測が可能となるものである。
【0034】
また、超音波式流量計20においては、超音波センサ23が環状流路22の一部を完全に遮断しているために、ガスGの流れが一方向にしか生じず、ガスGの流量を高い精度で測定できるものである。
【0035】
なお、超音波式流量計10および20においては、流体管の中に遮蔽板を設けることによって環状流路を実現していたが、これに限るものではなく、例えば流体管をドーナツ状に形成してなるものでも構わないものである。
【0036】
また、超音波式流量計10および20においては、ガスの流量を計測する場合について説明したが、流体であればガスの流量に限るものではなく液体や粉体などの流量であっても同様に計測することができるものである。
【0037】
ところで、図1に示した超音波式流量計10や図4に示した超音波式流量計20においては、対向する2面で送受信の可能な超音波センサ14あるいは23を用いている。そこで、図5に、このような超音波センサの具体的な構成を示す。
【0038】
図5において、超音波センサ30は、圧電体31と、圧電体31の対向する2面にそれぞれ設けられた音響整合層32および33から構成されている。ここで、圧電体31は対向する2つの面の方向に分極されている。図5においては、分極方向を矢印Pで示している。
【0039】
このように構成された超音波センサ30においては、圧電体31に電気信号を印加すると、圧電体31から見て音響整合層32および33を設けた2つの方向、すなわち図5において互いに逆方向となるXおよびYの方向に超音波が放射される。受信の場合も同様で、音響整合層32および33の設けられた方向から来た超音波を受信することになる。このようにして対向する2面で送受信の可能な超音波センサ30が実現できる。
【0040】
なお、対向する2面で送受信の可能な超音波センサは、図5に示した超音波センサ30に限るものではない。図6に、同様の機能を持つ別の超音波センサの具体的な構成を示す。
【0041】
図6において、超音波センサ40は、圧電体41の1つの面に音響整合層42を設けた超音波センサ素子と、圧電体43の1つの面に音響整合層44を設けた超音波センサ素子を、弾性体45を介して背中合わせに、すなわち音響整合層の設けられていない面同士を貼り合わせて構成している。
【0042】
このように構成された超音波センサ40においては、2つの超音波センサ素子からはそれぞれ音響整合層42または44の設けられたXおよびYの方向に超音波が放射され、同じくそれぞれ音響整合層42または44の設けられたXおよびYの方向から来た超音波が受信される。このようにして対向する2面で送受信の可能な超音波センサ40が実現できる。
【0043】
なお、図6に示した超音波センサ40においては、圧電体に音響整合層を設けているが、比較的低周波の超音波に対応する超音波センサでは音響整合層は必ずしも必要なものではなく、音響整合層の代わりに例えば振動板を設けても構わないものである。
【0044】
図7に、本発明のガスメータの一実施例を示す。図7において、ガスメータ50は、配管51の途中に設けられた本発明の超音波式流量計10と、超音波式流量計10に接続された駆動検出部52と、駆動検出部52に接続された流量演算部53と、流量演算部53に接続された表示部54を備えている。
【0045】
このように構成されたガスメータ50において、超音波式流量計10は配管51を流れるガスの流量に対応した信号を出力する。駆動検出部52は超音波式流量計10から出力された信号を検出し、流量演算部53に出力する。流量演算部53は時間の経過にしたがって流量を積算し、表示部54を使って表示する。
【0046】
ガスメータ50においては、本発明の超音波式流量計10を用いているために、流量測定の精度が高くなり、しかも低価格化が実現できる。
【0047】
【発明の効果】
本発明の超音波式流量計によれば、環状流路の一部に対向する2面で送受信可能な超音波センサと流入流路および流出流路とを備えるとともに、超音波センサの送受信する超音波が、環状流路の経路方向のベクトルを有するように設定することによって、超音波センサを1つ使うだけで超音波式流量計を実現することができ、超音波式流量計の低価格化を実現することができる。
【0048】
また、超音波センサが環状流路の一部を遮断して設けられることによって、流量測定の精度を向上させることができる。
【0049】
また、本発明のガスメータによれば、本発明の超音波式流量計を用いることによって、高い流量測定精度と低価格化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超音波式流量計の一実施例を示す断面図である。
【図2】本発明の超音波式流量計において、送信および受信される信号の時間変化を示す波形図である。
【図3】本発明の超音波式流量計において、送信および受信される別の信号の時間変化を示す波形図である。
【図4】本発明の超音波式流量計の別の実施例を示す断面図である。
【図5】本発明の超音波式流量計に用いる超音波センサの例を示す側面図である。
【図6】本発明の超音波式流量計に用いる超音波センサの別の例を示す側面図である。
【図7】本発明のガスメータの一実施例を示すブロック図である。
【図8】従来の超音波式流量計を示す断面図である。
【符号の説明】
10、20…超音波式流量計
11、21…流体管
12…遮蔽板
13、22…環状流路
14、23、30、40…超音波センサ
15、17…接続管
16…流入流路
18…流出流路
50…ガスメータ
G…ガス
C、D…超音波
Claims (4)
- 環状流路と、該環状流路内に設けられた1つの超音波センサと、前記環状流路に接続された流入流路および流出流路とを備えてなり、
前記超音波センサは、互いに対向する2つの面を有し、該2つの面のいずれにおいても対向する面の方向とは逆方向に対する送信および受信が可能なように構成されているとともに、前記2つの面で送受信する超音波がいずれも前記環状流路の経路方向のベクトルを有するように配置されていることを特徴とする超音波式流量計。 - 前記超音波センサが、前記環状流路を遮断することを特徴とする、請求項1に記載の超音波式流量計。
- 前記超音波センサは、一方向に送受信可能な2つの超音波センサ素子を背中合わせに貼り合わせてなることを特徴とする、請求項1または2に記載の超音波式流量計。
- 請求項1ないし3のいずれかに記載の超音波式流量計を備えたことを特徴とするガスメータ。
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