JP4207662B2

JP4207662B2 - 超音波式流体センサ

Info

Publication number: JP4207662B2
Application number: JP2003142443A
Authority: JP
Inventors: 政信酒井; 立美井関
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2023-05-20
Also published as: JP2004347374A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波伝播時間を測定して被測定流体の流量、濃度を計測する超音波式流体センサに関し、特に、純水素燃料電池の燃料ガス流量、燃料ガス濃度を計測する場合における計測精度を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波式流体センサ（超音波式流量計、超音波式濃度計等）の代表的な例としては、図１２に模式的に示すように、測定管１内の被測定流体の流れ（流速Ｖ）に対して、その上下流位置に超音波送受信器２ａ、２ｂを対向させて配置し、一方の超音波送受信器から送信（発信）された超音波信号を他方の超音波送受信器で受信して、これらの間の超音波伝播時間を交互に検出し、超音波伝播時間、流速及び音速値との関係式から、被測定流体の流速Ｖ、音速値Ｃをそれぞれ求めることを基本としていた。
【０００３】
超音波伝播時間、流速Ｖ及び音速値Ｃの関係式は、次式で表される。
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） …式１
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） …式２
ここで、ｔ１は上流側超音波送受信器から下流側超音波送受信器に超音波が伝播する時間、ｔ２は下流側超音波送受信器から上流側超音波送受信器に超音波が伝播する時間、Ｌは超音波送受信器間の距離、θは流速Ｖに対する超音波伝播経路の角度、である。
【０００４】
上記式１、式２から、流速Ｖ、音速値Ｃは、次式のように表すことができる。
Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）・[（１／ｔ１）−（１／ｔ２）] …式３
Ｃ＝（Ｌ／２）・[（１／ｔ１）＋（１／ｔ２）] …式４
そして、この流速Ｖに測定管１の断面積Ａ（流路断面積；一定値）を乗算することで流量Ｑを求めることができる。また、音速値Ｃは、ガス成分濃度を反映した値であることから、ガス密度が異なる２成分ガス系であれば、個々のガス成分濃度を容易に求めることができる。
【０００５】
ところで、このような方法で被測定流体の流量や濃度を求める超音波式流体センサにあっては、超音波伝播時間ｔ１、ｔ２がどの程度正確に測定できるか否かによって、その計測精度がほぼ決定されてしまうという基本的な関係がある。
【０００６】
図１３は、超音波送受信器２ａ、２ｂの超音波伝播経路を略水平に配置したときの超音波式流体センサ（ここでは、流量計）の内部構成を示したものである（図１２のＸ−Ｘ断面で見た図に相当するものである）。
【０００７】
この図に示すように、測定管１として円形断面のものを用いて、この（円形）測定管１に対して超音波送受信器２ａ、２ｂを対向させて配置して流体センサ（流量計）を構成した場合、一方の超音波送受信器２ａから送信された超音波は所定の拡がりをもって伝播してゆくため、直進伝播経路６を伝播する直進成分だけではなく、測定管１の内壁に反射する伝播経路６ａ、６ｂ等を伝播する成分をも生じることになる。そして、これらの伝播経路の異なる超音波が他方の超音波送受信器２ｂに到達すると、伝播時間の異なる波形同士が重畳干渉してしまい、最短経路（すなわち、直進伝播経路６）を伝播する成分の受信の検出、すなわち、超音波伝播時間の測定を正確に行えないという問題があった。
【０００８】
このような問題に対して、図１４（上記図１３に対応する図である）に示すように、測定管１の断面を矩形にするものがある。
図１４（ａ）に示すものでは、超音波伝播空間（測定空間）が小さく構成されており、測定管１の内壁に反射する成分を除去することができるものの、超音波送受信器２ａ、２ｂを格納する格納室５ａ、５ｂが測定空間よりも大きく形成されることから、結露水等が格納室５ａ、５ｂ内に溜まることによって超音波送受信器２ａ、２ｂが冠水し、その結果、超音波が水にリークしてしまって測定空間に超音波を送信できなくなるという基本的な問題が発生するおそれがある。
【０００９】
また、格納室５ａ、５ｂが袋状に形成されているため、格納室５ａ、５ｂ内でガスの滞留が生じやすい傾向にあり、このガスの滞留が生じると、燃料電池システムにおける燃料ガスのように測定管１内を流れる流体のガス密度が運転状況によって変化する系にあっては、測定管１内を流れるガスの密度と格納室５ａ、５ｂに滞留するガスの密度とが異なることによって、測定誤差を引き起こす要因になるという別の問題も生じることになる。
【００１０】
一方、図１４（ｂ）に示すものでは、格納室５ａ、５ｂよりも測定空間の方が大きくなっており、結露水による冠水、格納室内のガスの滞留をある程度妨げることができるような形状になっていると言えるが、測定管１の図で見て上下方向の寸法が増加することによって、測定管１の内壁反射による伝播時間遅れが顕著になりやすく、円形断面の測定管と同様に、受信不良を引き起こし易くなるという問題がある。
【００１１】
つまり、測定管内壁での多重反射による受信信号の干渉問題と、結露水による冠水やガスの滞留の問題と、がトレードオフの関係にあることが解る。
また、超音波の不要反射成分を乱反射減衰あるいは吸収させる不要伝播減衰手段を測定管１の内壁に設けることによって、測定管内の不要な伝播波を低減して正規の直進伝播波を正確に検出できるようにした超音波式流量計が提案されている（特許文献１参照）。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００１−３１１６３６号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記特許文献１では、不要伝播減衰手段として、その表面の凹凸の高さが超音波の波長λの１／４よりも大きくした乱反射手段を設け、不要な伝播を乱反射させること、受信側の超音波送受信器に到達する不要な伝播波を弱めるようにしているが、その際、乱反射手段を測定管の内壁面から突出しないようすることで、被測定流体の流れを乱すことを防止している。
【００１４】
しかしながら、かかる従来の技術では、被測定流体を水素とした場合に以下のような問題がある。
すなわち、水素の音速値Ｃは、例えば５０℃、１ａｔｍでは約１３７０ｍ／ｓ（理科年表によると０℃、１ａｔｍで１２６９．５ｍ／ｓであり、温度係数が２．０ｍ／ｓ／ｄｅｇであるから、１２６９．５＋２．０×５０≒１３７０）であり、また、超音波の周波数は、高周波の場合は水素環境ではその減衰が大きいことから、一般的な４０ｋＨｚとすると、超音波の波長λは３４．２５ｍｍ（＝１３７０／４００００）となる。
【００１５】
すると、上記乱反射手段としては、その表面の凹凸の高さが８．６ｍｍ（＝３４．２５／４）以上必要になってしまうところ、このような凹凸の高さでは、たとえ内壁面から突出しないようにしたとしても、被測定流体の流れを乱すことになり、また、圧損を増加させることにも繋がることになるため、水素等を被測定対象とする場合には、好ましい対策手段とは言えなかった。
【００１６】
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたものであり、超音波式流体センサにおいて、比較的簡単な構成にて、測定管内の多重反射による受信超音波の波形干渉を防止し、超音波伝播時間の測定精度を向上させることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明に係る超音波式流体センサでは、被測定流体が流れる測定管が、被測定流体の流れ方向と平行に設けられる超音波導波壁によって上側、中央、下側の少なくとも３つに分割された流路を有し、これら３つの流路を前記一対の格納室と連通させ、中央の流路を略水平に配置して前記超音波が伝播する超音波伝播用流路として用い、上側及び下側の流路内には超音波の伝播を遮断する遮音壁を設けるようにした。
【００１８】
【発明の効果】
本発明に係る超音波式流体センサによれば、測定管に有する（測定管内部に形成される）複数ある流路のうち、中央の流路を超音波伝播用流路として用いるので、測定管内の多重反射による受信超音波に波形干渉を低減して超音波伝播時間の測定精度の向上、ひいては、被測定流体の流量、濃度の計測精度の向上を図ることができる。また、上側及び下側の流路を、例えば、結露水排出用流路や格納室内のガス換気促進用流路として個別に設定することが可能となるため、超音波伝播特性、結露水排出特性及びガス換気特性がそれぞれの流路で独立して調整することができる。さらに、上側及び下側の流路には、それぞれ遮音壁が設けられるので、上側流路、下側流路を介して超音波の迂回伝播を阻止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１〜４は、本発明の第１実施形態に係る超音波式流体センサ（以下、単に流体センサという）を示している。図１は、かかる流体センサを模式的に示したものである。この流体センサは、いわゆるＺ字型レイアウトのものであり、被測定流体（ガス）が流れる測定管１と、音響的に対向するよう設けられた一対の超音波送受信器２ａ、２ｂと、超音波伝播時間測定回路３と、演算回路４と、を含んで構成されている。
【００２０】
超音波送受信器２ａ、２ｂは、測定管１の内壁に対して凹んで形成される一対の格納室５ａ、５ｂ内にそれぞれ格納されており、一方の超音波送受信器から超音波を送信し、測定管１内で伝播させて他方の超音波送受信器で受信する。
【００２１】
超音波伝播時間測定回路３は、被測定流体の流れに対して順方向（超音波送受信器２ａ→２ｂ）と逆方向（２ｂ→２ａ）の超音波伝播時間ｔ１、ｔ２を測定し、この超音波伝播時間ｔ１、ｔ２を演算回路４へと出力する。
【００２２】
演算回路４は、入力された超音波伝播時間ｔ１、ｔ２を用いて、下式により被測定流体の流速Ｖ、流量Ｑ、密度（濃度）ρ（の少なくとも１つ）を演算する。
Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）・[（１／ｔ１）−（１／ｔ２）]
Ｑ＝Ｖ・Ａ・Ｋ
ρ＝γ・Ｒ・Ｔ／（２２．４＊Ｃ²）
但し、Ｌ；超音波伝播距離、Ａ；測定管断面積、Ｋ；測定管内の流速分布補正係数、γ；比熱比、Ｒ；ガス定数、Ｔ；ガス温度である。
【００２３】
図２は、流体センサ本体の斜視図、図３は、超音波送受信器２ａ、２ｂ間の超音波伝播経路を略水平に配置したときの流体センサの内部構成を示した図（図１のＡ−Ａ断面で見た図に相当する）、図４は、同じく超音波伝播経路を略水平に配置したときの流体センサの部分断面図（超音波送受信器２ａ側から見た部分断面図）である。
【００２４】
これらの図に示すように、本実施形態に係る流体センサの特徴として、測定管１の内部には、被測定流体の流れ方向と平行で（流れ方向に沿って）、かつ測定管１を挟んで両側に設けられた超音波送受信器２ａ、２ｂ間の超音波伝播経路６に対しても平行な２枚の導波壁（又は導波板）７ａ、７ｂが設けられており、この導波壁７ａ、７ｂによって、測定管１はその流路断面が３つに分割されている（従って、測定管１は３つの流路を有することになる）。
【００２５】
そして、この実施形態では、上記３分割された流路断面（３つの流路）のうち中央に位置する部分（上記導波壁７ａ、７ｂに挟まれた空間であり、以下、中央の流路という場合もある）を、超音波が伝播する超音波伝播用空間（流路）として用いる。このため、測定管１には、超音波送受信器２ａ、２ｂから送信された超音波が上記超音波伝播用空間（中央の流路）に導入するための連通孔（以下、超音波伝播用連通孔という）８ａ、８ｂが開口されており、また、上記導波壁７ａ、７ｂは、超音波を送受信（伝播）しやすいように、所定の間隔（望ましくは、後述するように、被測定流体中における超音波の波長λ以下）を有して取り付けられている。
【００２６】
一方、３分割された流路断面の他の部分（中央の流路以外の流路）は、超音波送受信器２ａ、２ｂ間の超音波伝播経路を略水平に配置することによって、超音波伝播用空間として用いる中央の流路の上側、下側にそれぞれ位置することになる（以下、それぞれ上側流路、下側流路という場合もある）。そして、この上側流路と下側流路とは、それぞれガス換気用連通孔９ａ、９ｂ又は結露水排出用連通孔１０ａ、１０ｂによって格納室５ａ、５ｂと連通しているが、その内部には、遮音壁（又は遮音板）１１ａ、１１ｂが設けられており、これらの空間、すなわち、上側流路、下側流路を経由して超音波が迂回伝播しないようになっている。
【００２７】
なお、この実施形態では、遮音壁１１ａ、１１ｂを測定管１のほぼ全長にわたって設けていることから、見かけ上、流路断面が５分割されたようになっているが、遮音壁１１ａ、１１ｂは、超音波送受信器２ａ、２ｂに挟まれた部分及びその近傍にのみ設けるようにしてもよい。
【００２８】
また、図において、測定管１側に設けられている孔１２は、上記超音波伝播用空間（中央の流路）と連通する温度測定用の孔であり、格納室５ａ側に設けられている孔１３は、同じく超音波伝播用空間（中央の流路）と連通する圧力測定用の孔である。このように、超音波伝播用空間と連通する温度測定用の孔１２及び圧力測定用の孔１３を設けたのは、超音波伝播用空間（中央の流路）の温度や圧力に基づく温度補正や圧力補正を行えるようにするためである。
【００２９】
ここにおいて、例えば、被測定流体が水素と水蒸気との混合ガスであるとし、この場合の混合ガスの音速Ｃを１０００〜１２００ｍ／ｓ、超音波送受信器２ａ、２ｂ間を伝播する超音波の振動周波数ｆを一般的な振動周波数である４０ｋＨｚとすると、被測定流体中における超音波の波長λは２５〜３０ｍｍ（＝１０００〜１２００／４０）となる。そこで、上記超音波伝播用空間（中央の流路）を形成する導波壁７ａ、７ｂの間隔を、超音波の波長λ以下（例えば１５ｍｍ）とする。
【００３０】
このように、導波壁７ａ、７ｂの間隔を被測定流体中における超音波の波長λ以下とすれば、超音波伝播用空間（中央の流路）を伝播する超音波は（ほぼ）平面波となるので、導波壁７ａ、７ｂを多重反射することがない。また、この超音波伝播用空間の上側、下側に形成される空間（上側流路、下側流路）には、それぞれ遮音壁１１ａ、１１ｂが設けられているので、これらの空間（上側流路、下側流路）を介した超音波の伝播（すなわち、超音波の迂回伝播）が阻止される。
【００３１】
この結果、波形干渉のない超音波伝播を実現することができ、Ｓ／Ｎ比の非常に優れた信号を受信することが可能となり、超音波伝播時間の測定精度、ひいては、被測定流体の流速Ｖ、流量Ｑ、密度ρの計測精度を向上できる。
【００３２】
また、例えば、高温の加湿水素（ガス）が格納室５ａ、５ｂに流れ込んでしまい、超音波送受信器２ａ、２ｂの送受信部（発音部）等にて冷却されて結露凝縮すると、格納室５ａ、５ｂ内の上部は相対的に高濃度水素状態になり、格納室５ａ、５ｂの底部には、結露凝縮水（以下、単に結露水という）が溜まるようになる。そして、この高濃度水素や結露水が排出されないまま残ってしまうと、測定管１内の水素濃度と格納室５ａ、５ｂ内の水素濃度とが異なることから超音波伝播時間の測定誤差が生じたり、測定管１と格納室５ａ、５ｂとの境界部で該濃度差（ガス密度の違い）により屈折現象が起きたり、更には、超音波送受信器２ａ、２ｂが結露水によって冠水したりすることになる。なお、超音波が屈折すると伝播ジオメトリが狂うことになり、一方の超音波送受信器から送信された超音波が他方の超音波送受信器に入射されない（すなわち、受信されない）という不具合をも生じる。
【００３３】
これに対して、本実施形態に係る流体センサでは、格納室５ａ、５ｂ内の高濃度水素は、ガス換気用連通孔９ａ、９ｂを介して上側流路に排出され、また、結露水は、結露水排出用連通孔１０ａ、１０ｂを介して下側流路に排出されるようになっており、上記のような不具合を防止することができる。
【００３４】
本実施形態によると、超音波送受信器２ａ、２ｂ間の超音波伝播経路を略水平に配置する一方、測定管１内に導波壁７ａ、７ｂを設けて流路断面を上側、中央、下側に３分割し、その中央に形成される空間（中央の流路）を超音波伝播用空間として使用することにより、この超音波伝播用空間の上側に形成される空間（上側空間）はガス換気促進空間として、下側に形成される（下側空間）は結露水排出用空間として使用でき、超音波伝播用空間、格納室内ガス換気促進用空間、結露水排出用空間を個別に設定できることになる。このため、超音波伝播特性、ガス換気特性、結露水排出特性をそれぞれの空間で独立して調整することが可能となる。
【００３５】
また、上側流路及び下側流路内には、それぞれ超音波の伝播を遮断する遮断壁１１ａ、１１ｂが設けられているので、これらの空間を介して超音波が伝播することを防止できる。
【００３６】
また、超音波伝播用空間（中央の流路）を形成する導波壁７ａ、７ｂの間隔を被測定流体中における超音波の波長λ以下とするので、超音波伝播用空間内における超音波の伝播形態を平面波にして多重反射の発生を防止し、波形干渉が生じない超音波伝播を実現できる。
【００３７】
これにより、超音波伝播時間を安定して、かつ高精度に測定することができ、ひいては、被測定流体の流量、密度（濃度）等の計測精度を向上できる。
図５は、本発明の第２実施形態に係る流体センサを示しており、上記第１実施形態における図３に対応する図である。この実施形態に係る流体センサは、上記第１実施形態に対して、超音波送受信器２ａ、２ｂの送受信部を水平面に対して所定角度αだけ下向きに傾斜させて配置するようにした点が相違する。なお、この場合には、超音波は導波板７ｂに反射して伝播することになるが、多重反射が生じないように構成するのは言うまでもない（超音波伝播経路６ｃ）。
【００３８】
この実施形態によると、超音波送受信器２ａ、２ｂを、その送受信部が水平面に対して下方向に所定の角度αを有するように傾斜させて配置したので、超音波送受信器２ａ、２ｂの（最）下端位置を上記第１実施形態に比べて高い位置とすることができる。これにより、格納室５ａ、５ｂに結露水等が溜まった場合であっても、超音波送受信器２ａ、２ｂが冠水する危険性を少なくできる。また、この場合、格納室５ａ、５ｂ（の開口側）も下向きとなるので、格納室５ａ、５ｂ内に溜まった結露水を（重力の作用により）結露水排出用連通孔１０ａ、１０ｂを介して下側流路へと効果的に排出することができる。
【００３９】
図６は、本発明の第３実施形態に係る流体センサを示しており、上記第１実施形態における図３に対応する図である。この実施形態に係る流体センサは、超音波を反射する反射面１４ａ、１４ｂを超音波送受信器２ａ、２ｂのそれぞれの下方に設けるようにし、超音波送受信器２ａ、２ｂから送信された超音波がこの反射面１２ａ、１２ｂで反射して、その経路を変更した後に上記超音波伝播用空間（中央の流路）を伝播するようにしたものである（超音波伝播経路６ｄ）。
【００４０】
この実施形態によると、超音波送受信器２ａ、２ｂの（最）下端位置を上記第２実施形態よりも更に高い位置にすることができるので、超音波送受信器２ａ、２ｂの結露水による冠水をより確実に防止できる。また、格納室５ａ、５ｂ内の結露水を更に効果的に排出できる。
【００４１】
図７は、本発明の第４実施形態に係る流体センサを示しており、上記第１実施形態における図３に対応する図である。この実施形態に係る流体センサは、被測定流体の音速が低く、超音波の波長λが上記導波壁７ａ、７ｂの間隔よりも小さくなってしまうような場合に、別の導波壁７ｃを、上記導波壁７ａ、７ｂの間に更に設ける（追加する）ことによって、超音波伝播用空間（中央の流路）を上下方向に分割し（この実施形態では２分割し）、音速の低い被測定流体を対象とする場合であっても、実質的な導波壁の間隔を超音波の波長λよりも小さくしたものである（超音波伝播経路６ｅ、６ｆ）。
【００４２】
この実施形態によると、導波壁７ａ、７ｂの間に更に導波壁７ｃを追加して設けることにより、音速の低い被測定流体に対しても、超音波伝播用空間の寸法（導波壁の間隔）を、被測定流体中における超音波の波長λよりも小さくすることが可能となり、更に、この追加して設ける導波壁７ｃを着脱可能とすれば、被測定流体に音速に応じて導波壁の間隔を変更できることになるので、１つの超音波式流体センサによって、音速の低い被測定流体と音速の高い流体との双方に対応することが可能となる。
【００４３】
このように、測定管１の断面分割（特に、導波壁の間隔）は、種々のバリーエションが考えられるところであるから、この分割断面を形成する部材（導波壁７ａ、７ｂを含んで構成されるものをいい、以下、分割断面形成部材という）を測定管１とは別部品（別体）として構成し、かつ、導波壁の間隔が異なる複数のものを用意しておき、被測定流体に応じて分割断面形成部材（導波壁の間隔）を適宜選択するようにすれば、より広範囲の被測定流体に対応することが可能となると共に、バリーエション対応が容易に行えることになる。
【００４４】
図８は、上記のように測定管１と分割断面形成部材１５とを別体で構成した場合の１例を示すものであり。図８（ａ）は測定管１の断面図、図８（ｂ）は分割断面形成部材１５の断面図である。測定管１には、超音波伝播用空間（中央の流路）に連通する超音波伝播用連通孔８ａ、８ｂ、上側流路と連通するガス換気用連通孔９ａ、９ｂ及び下側流路と連通する結露水排出用連通孔１０ａ、１０ｂとなる部分が形成されている。
【００４５】
一方、分割断面形成部材１５は、導波壁７ａ、７ｂ及び遮音壁１１ａ、１１ｂを一体化させたものであり、上記超音波伝播用連通孔８ａ、８ｂに対応する１６ａ、１６ｂが形成されている。そして、この分割断面形成部材１５を測定管１内の挿入することによって、超音波伝播用空間、格納室内ガス換気促進用空間及び結露水排出用空間を個別に有する流体センサを構成する。
【００４６】
この実施形態によると、導波壁７ａ、７ｂと遮音壁１１ａ、１１ｂとを一体化させた分割断面形成部材１５を測定管１とは別体とし、この分割断面形成部材１５を測定管１に対して着脱可能に構成したので、導波壁７ａ、７ｂの間隔が異なる複数の分割断面形成部材を用意することで、その中から被測定流体に合わせて適切なものを選択することが可能となり、被測定流体に応じて最適な超音波伝播空間を形成できるという実用的な効果が得られる。なお、導波壁７ａ、７ｂと遮音壁１１ａ、１１ｂとを一体化させずに、それぞれを測定管１に対して着脱可能に構成するようにしてもよい。
【００４７】
ところで、測定管１と分割断面形成部材１５とを別体で構成した場合、流体センサを構成するためには、測定管１側に設けた超音波伝播用連通孔８ａ、８ｂと、これに対応するように分割断面形成部材１５側に設けた孔１６ａ、１６ｂと、をきちんと合わせる必要がある。そのための位置決め手段を設けるようにした例が図９、図１０に示すものである。
【００４８】
図９に示したものは、測定管１側に嵌合溝１７ａ、１７ｂを設けておき、この嵌合溝１７ａ、１７ｂに分割断面形成部材１５の遮音壁１１ａ、１１ｂに相当する部分（の先端）を嵌合させる構成としたものであり、これにより、分割断面形成部材１５を装着する際、測定管１と分割断面形成部材１５（すなわち、超音波導波壁７ａ、７ｂ）との相対回転位置の位置決めを行うようにしたものである。なお、この場合においては、嵌合溝１７ａ、１７ｂ及び遮音壁１１ａ、１１ｂ（の先端）が位置決め手段に相当する。
【００４９】
図１０に示したものは、分割断面形成部材１５を矩形断面で構成すると共に、測定管１側に嵌合溝１８ａ〜ｄを設け、この嵌合溝１８ａ〜ｄに、分割断面形成部材１４の角部１９ａ〜ｄを嵌合させるように装着することにより、測定管１と分割断面形成部材１５（すなわち、超音波導波壁７ａ、７ｂ）との相対回転位置の位置決めを行うようにしたものであり、嵌合溝１８ａ〜ｄ及び角部１９ａ〜ｄが位置決め手段に相当する。
【００５０】
このようにすれば、測定管１と分割断面形成部材１５とを別体とし、選択可能として種々の被測定流体に対応できるよう構成した場合に、これらの組立時（分割断面形成部材１５の測定管１への装着時）に、両部品の回転方向の位置合わせが容易であるという実用的な効果が得られる。
【００５１】
図１１は、以上説明した各流体センサを燃料電池システムに組み込んだときの状態を示している。車載燃料電池もしくは定置燃料電池のいずれの場合であっても、流体センサを燃料電池システムに取り入れる場合には、超音波送受信器２ａ、２ｂの超音波伝播経路を略水平とすると共に、測定管１の被測定流体出口側の方が入口側よりも低くなる（下になる）ように、測定管１を水平面に対して所定角度βだけ傾斜させて配置する。
【００５２】
このようにすれば、燃料電池システムにおいて被測定流体（水素）の流量、濃度を精度よく計測（演算）することができると共に、下側流路に排出された水（結露水等）を被測定流体の流れ（流速）と重力の作用とを利用して、効果的に測定管１の出口側へと導き、流体センサ外へと排出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超音波式流体センサの模式図である。
【図２】第１実施形態に係る超音波式流体センサ本体の斜視図である。
【図３】第１実施形態に係る超音波式流体センサの内部構造を示す図である。
【図４】同じく第１実施形態に係る超音波式流体センサの内部構造を説明するための図である。
【図５】他の実施形態（第２実施形態）に係る超音波式流体センサの内部構造を示す図である。
【図６】同じく他の実施形態（第３実施形態）に係る超音波式流体センサの内部構造を示す図である。
【図７】同じく他の実施形態（第４実施形態）に係る超音波式流体センサの内部構造を示す図である。
【図８】測定管と超音波導波壁とを別部品とした場合の（ａ）測定管、（ｂ）分割断面形成部材（超音波導波壁）を示す図である。
【図９】測定管と分割断面形成部材（超音波導波壁）との組立図である。
【図１０】測定管と分割断面形成部材（超音波導波壁）との他の組立図である。
【図１１】本発明に係る超音波式流体センサを燃料電池システムに組み込んだ場合の状態（位置関係）を説明するための図である。
【図１２】従来の超音波式流体センサの模式図である。
【図１３】従来の超音波式流体センサの内部構造を示す図である。
【図１４】同じく従来の超音波式流体センサの内部構造を示す図である。
【符号の説明】
１…測定管、２ａ,２ｂ…超音波送受信器、３…超音波伝播時間測定回路、４…演算回路、５ａ，５ｂ…格納室、６（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ、６ｅ）…超音波伝播経路、７ａ，７ｂ，７ｃ…超音波導波壁（板）、８ａ，８ｂ…超音波伝播用連通孔、９ａ，９ｂ…ガス換気用連通孔、１０ａ，１０ｂ…結露水排出用連通孔、１１ａ，１１ｂ…遮音壁（板）、１２…温度測定用孔、１３…圧力測定用孔、１４ａ、１４ｂ…超音波反射面、１５…分割断面形成部材、１７ａ，１７ｂ…位置決め用嵌合溝、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ…位置決め用嵌合溝

Claims

被測定流体が流れる測定管と、この測定管に対して凹んだ一対の格納室に音響的に対向して設けられる一対の超音波送受信器と、を備え、これら一対の超音波送受信器間の超音波伝播時間を測定し、この超音波伝播時間に基づき前記被測定流体の流量又は濃度の少なくとも一方を演算する超音波式流体センサにおいて、
前記測定管は、前記被測定流体の流れ方向と平行に設けられる超音波導波壁によって上側、中央、下側の少なくとも３つに分割された流路を有し、これら３つの流路を前記一対の格納室と連通させ、中央の流路を略水平に配置して前記超音波が伝播する超音波伝播用流路として用い、上側及び下側の流路内には超音波の伝播を遮断する遮音壁を設ける、
ことを特徴とする超音波式流体センサ。
前記超音波送受信器を、その送受信部が水平面に対して下方向に所定の角度を有するよう傾斜させて配置したことを特徴とする請求項１記載の超音波式流体センサ。
超音波を反射する反射面を前記超音波送受信器の下方に設け、
前記超音波送受信器から送信した超音波が、前記反射面で反射してその経路を変更してから、前記中央の流路内を伝播するように構成したことを特徴とする請求項２記載の超音波式流体センサ。
前記超音波導波壁の間に、前記中央の流路を上下方向に分割する別の超音波導波壁を更に設けることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波式流体センサ。
前記超音波導波壁は、その間隔が前記被測定流体中における前記超音波の波長以下となるように設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の超音波式流体センサ。
前記超音波導波壁の一部又は全てを、前記測定管に対して着脱可能に構成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の超音波式流体センサ。
前記遮音壁は、前記着脱可能に構成した超音波導波壁と一体に形成されていることを特徴とする請求項６記載の超音波式流体センサ。
前記測定管及び前記着脱可能に構成した超音波導波壁に、これら両者の相対関係位置を決定する位置決め手段を設けたことを特徴とする請求項６又は請求項７記載の超音波式流体センサ。
前記測定管は、前記被測定流体が流入する入口側に対して、前記被測定流体が流出する出口側の方が低くなるように設けられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の超音波式流体センサ。
前記測定管は、前記超音波伝播用流路内の温度又は圧力の少なくとも一方を測定するための測定孔を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の超音波式流体センサ。
燃料電池システムに取り付けられ、この燃料電池システムの燃料ガスの流量又は濃度を計測することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の超音波式流体センサ。