JP5131815B2 - Ultrasonic flow meter - Google Patents
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Description
本発明は、流体が流れる計測管の上流側と下流側とに取り付けられた1対の超音波センサ間で、計測管の軸方向と斜めに交差する方向で超音波を送受波して流体の流量を計測する超音波流量計に関する。 The present invention transmits and receives ultrasonic waves in a direction obliquely intersecting the axial direction of the measurement pipe between a pair of ultrasonic sensors attached to the upstream side and the downstream side of the measurement pipe through which the fluid flows. The present invention relates to an ultrasonic flowmeter for measuring a flow rate.
図13に示す従来の超音波流量計1は、計測管2の外側面に超音波センサ3,3を収容するための有底孔4,4が陥没形成されており、その底部には計測管2の軸線に対して傾斜しかつ超音波センサ3,3が密着したセンサ当接面5,5が設けられている。また、有底孔4,4は超音波センサ3,3の後方に嵌合固定された栓部材6,6によって封止されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上述した従来の超音波流量計1では、有底孔4,4のうち栓部材6,6が嵌合した栓嵌合部4a,4aが、センサ当接面5,5と直交する方向を向いていた。換言すれば、栓嵌合部4a,4aが計測管2の軸方向に対して傾斜した方向に延びていた為、計測管2の全長が無駄に長くなるという問題があった。
However, in the conventional
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、計測管の全長を従来より短くすることが可能な超音波流量計の提供を目的とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at provision of the ultrasonic flowmeter which can make the full length of a measuring tube shorter than before.
上記目的を達成するためになされた請求項1の発明に係る超音波流量計は、流体が流れる計測管の上流側と下流側とに取り付けられた1対の超音波センサ間で、計測管の軸方向と斜めに交差する方向で超音波を送受波して流体の流量を計測する超音波流量計であって、計測管の外側面に陥没形成されて1対の超音波センサを収容した1対のセンサ収容凹部と、各センサ収容凹部の底部に設けられて計測管の軸方向に対して傾斜し、各超音波センサの送受波面が密着したセンサ当接面と、前記各センサ収容凹部のうち栓嵌合部に嵌合固定されてセンサ収容凹部を封止した栓部材とを備えたものにおいて、栓部材を、計測管の軸方向と直交した方向から栓嵌合部に嵌合可能とし、栓部材には、栓嵌合部の内側面に当接した状態で嵌合した栓本体と、栓本体の先端に形成されてセンサ当接面と略平行なセンサ押さえ面と、栓本体の後端から側方に張り出してセンサ収容凹部の開口縁にねじ止めされた鍔部とが備えられ、センサ押さえ面と超音波センサとの間には、圧縮されてその弾発力により超音波センサをセンサ当接面に押し付ける弾性部材が設けられ、弾性部材から栓部材に付与される弾発力のうち栓部材の嵌合方向と直交した力の成分を、栓嵌合部の内側面と栓部材との当接によって受けたところに特徴を有する。なお、本発明には超音波センサを1対以上備えているものが含まれる。 In order to achieve the above object, an ultrasonic flowmeter according to the first aspect of the present invention provides a measuring tube between a pair of ultrasonic sensors attached to an upstream side and a downstream side of a measuring tube through which a fluid flows. An ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of a fluid by transmitting and receiving ultrasonic waves in a direction that obliquely intersects the axial direction, and is a depression formed on the outer surface of a measurement tube and accommodates a pair of ultrasonic sensors a sensor housing recess pair, provided at the bottom of each sensor housing recess inclined with respect to the axial direction of the measuring tube, and the sensor contact surface transmitting and receiving surface of the ultrasonic sensor are in close contact, said each sensor housing recess Of these , the plug member that is fitted and fixed to the plug fitting part and sealed with the sensor housing recess can be fitted to the plug fitting part from the direction perpendicular to the axial direction of the measuring tube. The plug member is fitted with a plug body fitted in contact with the inner surface of the plug fitting portion. A sensor pressing surface formed at the tip of the plug body and substantially parallel to the sensor contact surface, and a collar portion protruding laterally from the rear end of the plug body and screwed to the opening edge of the sensor housing recess, An elastic member is provided between the sensor pressing surface and the ultrasonic sensor to compress and press the ultrasonic sensor against the sensor contact surface by the elastic force, and the elastic force applied from the elastic member to the plug member is provided. Of these, a component of force perpendicular to the fitting direction of the plug member is received by the contact between the inner surface of the plug fitting portion and the plug member . Note that the present invention includes one having at least one pair of ultrasonic sensors.
請求項2の発明は、請求項1に記載の超音波流量計において、超音波センサの出力信号に基づいて流量を演算して表示する流量演算表示器と、計測管の外側面から突出して先端部に流量演算表示器を固定するための固定用囲壁と、固定用囲壁の内側に形成されて流量演表示器によって閉塞される配線処理凹部と、計測管のうち配線処理凹部とセンサ収容凹部との間の壁部を貫通し、超音波センサと流量演算表示器との間の接続線が通された内部電線通路を備えたところに特徴を有する。
Tip of the invention of
請求項3の発明は、請求項1又は2に記載の超音波流量計において、センサ当接面に凹部と凸部とを設け、凸部のみを超音波センサの送受波面に部分的に密着させたところに特徴を有する。
The invention according to
請求項4の発明は、請求項1乃至3の何れかに記載の超音波流量計において、1対の超音波センサの送受波面は、計測管を軸方向から見た状態で非平行になるように配置され、一方の超音波センサの送受波面で反射した超音波の伝播経路を他方の超音波センサからずらしたところに特徴を有する。 According to a fourth aspect of the present invention, in the ultrasonic flowmeter according to any one of the first to third aspects, the transmission / reception surfaces of the pair of ultrasonic sensors are not parallel when the measurement tube is viewed from the axial direction. And is characterized in that the propagation path of the ultrasonic wave reflected by the transmission / reception surface of one ultrasonic sensor is shifted from the other ultrasonic sensor.
請求項5の発明は、請求項1乃至4の何れかに記載の超音波流量計において、流体は、気体であり、一方の超音波センサは、他方の超音波センサ側から一定の指向角で放射状に伝播した超音波の受信可能領域のうちその超音波の受信強度が最も高くなる領域中心部に対して他方の超音波センサから離れる側に配置されたところに特徴を有する。 According to a fifth aspect of the present invention, in the ultrasonic flowmeter according to any one of the first to fourth aspects, the fluid is a gas, and one ultrasonic sensor has a fixed directivity angle from the other ultrasonic sensor side. It is characterized in that it is arranged on the side away from the other ultrasonic sensor with respect to the central portion of the region where the ultrasonic wave reception intensity is highest among the receivable ultrasonic wave propagation regions.
請求項6の発明は、請求項1乃至5の何れかに記載の超音波流量計において、計測管の外面から突出した1対のセンサ取付凸部を備え、それらセンサ取付凸部の芯部を陥没させてセンサ収容凹部を形成したところに特徴を有する。 A sixth aspect of the invention is the ultrasonic flowmeter according to any one of the first to fifth aspects, further comprising a pair of sensor mounting convex portions protruding from the outer surface of the measuring tube, and the core portions of the sensor mounting convex portions are provided. It is characterized in that it is depressed to form a sensor receiving recess.
[請求項1の発明]
請求項1の発明によれば、計測管の外側面に陥没形成されたセンサ収容凹部に超音波センサが挿入されてセンサ当接面に密着し、その超音波センサに重ねてセンサ収容凹部に挿入嵌合された栓部材によって、センサ収容凹部が封止される。センサ当接面は、予め計測管の軸線に対して傾斜して設けられており、1対の超音波センサをそれぞれセンサ当接面に密着させることで、それら1対の超音波センサが超音波を送受波可能な位置に位置決めされる。1対の超音波センサ間では、計測管の軸線と斜めに交差する方向で超音波が送受波され、その伝播時間に基づいて流体の流量が計測される。そして、請求項1の発明によれば、栓部材を計測管の軸方向と直交した方向から栓嵌合部に嵌合することができるので、栓嵌合部が計測管の軸方向に対して傾斜して延びた従来のものに比べて、計測管の全長を短くすることが可能となる。
[Invention of Claim 1]
According to the first aspect of the present invention, the ultrasonic sensor is inserted into the sensor receiving recess formed in the outer surface of the measuring tube so as to be in close contact with the sensor contact surface, and is inserted into the sensor receiving recess so as to overlap the ultrasonic sensor. The sensor housing recess is sealed by the fitted plug member. The sensor contact surfaces are provided in advance with an inclination with respect to the axis of the measuring tube, and the pair of ultrasonic sensors are brought into close contact with the sensor contact surface, so that the pair of ultrasonic sensors are ultrasonic waves. Is positioned at a position where wave can be transmitted and received. Between a pair of ultrasonic sensors, ultrasonic waves are transmitted and received in a direction obliquely intersecting the axis of the measurement tube, and the flow rate of the fluid is measured based on the propagation time. And according to invention of
また、請求項1の発明によれば、栓部材は、栓嵌合部に嵌合した栓本体の先端に設けられたセンサ押さえ面と超音波センサとの間で弾性部材を圧縮した状態で、栓本体の後端から側方に張り出した鍔部をセンサ収容凹部の開口縁にねじ止めすることで固定される。これにより、超音波センサは弾性部材の弾発力によりセンサ当接面に押し付けられる。
Further, according to the invention of
ここで、栓部材の栓本体は、センサ収容凹部の内側面に当接した状態で嵌合しているから、弾性部材から栓部材に付与される弾発力のうち栓部材の嵌合方向と直交した力の成分を、栓嵌合部の内側面と栓部材との当接によって受けることができる。よって、鍔部とセンサ収容凹部の開口縁とのねじ止め部分に必要な強度を抑えることができる。 Here, since the plug body of the plug member is fitted in contact with the inner surface of the sensor receiving recess, the fitting direction of the plug member among the elastic force applied from the elastic member to the plug member The orthogonal force component can be received by the contact between the inner surface of the plug fitting portion and the plug member. Therefore, it is possible to suppress the strength required for the screwed portion between the flange portion and the opening edge of the sensor housing recess.
[請求項2の発明]
請求項2の発明によれば、超音波センサと流量演算表示器との間の接続線が、計測管のうち配線処理凹部とセンサ収容凹部との間の壁部を貫通した内部電線通路に通されているから、接続線の断線を防止することができる。
[Invention of claim 2 ]
According to the second aspect of the present invention, the connection line between the ultrasonic sensor and the flow rate calculation indicator passes through the internal wire passage that penetrates the wall portion between the wiring processing recess and the sensor receiving recess in the measurement tube. Therefore, disconnection of the connection line can be prevented.
[請求項3の発明]
請求項3の発明によれば、超音波センサの送受波面の全面をセンサ当接面に密着させた場合に比較して、測定誤差を低減することが可能となる。その理由は、以下の通りである。
[Invention of claim 3 ]
According to the invention of
一般に、超音波センサの送受波面と計測管のセンサ当接面との境界面では、音響インピーダンスの相違により、送信側の超音波センサから発射された超音波の一部が反射し、この反射波が1対の超音波センサ間を往復するように繰り返し反射する。この反射波はノイズ成分となって測定誤差の原因となり得る。 In general, at the boundary surface between the transmission / reception surface of the ultrasonic sensor and the sensor contact surface of the measuring tube, a part of the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic sensor on the transmission side is reflected due to the difference in acoustic impedance, and this reflected wave is reflected. Are repeatedly reflected so as to reciprocate between a pair of ultrasonic sensors. This reflected wave becomes a noise component and may cause a measurement error.
これに対し、請求項3の発明によれば、センサ当接面に凹部と凸部とを設け、凸部のみを超音波センサの送受波面に部分的に密着させたから、送信側の超音波センサから発射された超音波を受信側の超音波センサで直接受信したときの波高値と、その受信側の境界面で反射され、さらに送信側の境界面で反射されて再び受信側の超音波センサに戻ってきた反射波を受信したときの波高値との比を大きくすることができる。即ち、受信波のS/N比を大きくすることができ、計測誤差を低減することが可能となる。
On the other hand, according to the invention of
[請求項4の発明]
請求項4の発明によれば、1対の超音波センサの送受波面を、計測管を軸方向から見た状態で非平行になるように配置して、一方の超音波センサの送受波面で反射した超音波の伝播経路を他方の超音波センサからずらしたから、反射波に起因した測定誤差を防止することができる。なお、両送受波面がなす角度は2〜10度にすることが好ましい。
[Invention of claim 4 ]
According to the invention of
[請求項5の発明]
一般に、計測管の内側を流れる気体中に、計測管の壁部を介して超音波を発射した場合、計測管の壁部と気体との境界面における超音波の屈折角は、スネルの法則により非常に小さくなる。従って、1対の超音波センサを、互いに受信強度が最も強くなる位置に配置した場合には、計測管の軸方向において1対の超音波センサ同士が接近し過ぎてしまうため、気体の流量計測を精度よく行うことは困難であった。
[Invention of claim 5 ]
In general, when ultrasonic waves are emitted into the gas flowing inside the measurement tube through the wall of the measurement tube, the refraction angle of the ultrasonic wave at the interface between the wall of the measurement tube and the gas depends on Snell's law. Very small. Therefore, when a pair of ultrasonic sensors is arranged at a position where the reception intensity is the strongest, the pair of ultrasonic sensors are too close to each other in the axial direction of the measurement tube, so that the gas flow rate is measured. It was difficult to perform accurately.
これに対し、請求項5の発明によれば、一方の超音波センサは、他方の超音波センサ側から一定の指向角で放射状に伝播した超音波の受信可能領域のうちその超音波の受信強度が最も高くなる領域中心部に対して他方の超音波センサから離れる側に配置されている。これにより、受信強度は弱くなるものの、計測管の軸方向において1対の超音波センサ間の距離を長くすることができるから、気体の流量計測を精度よく行うことが可能となる。
On the other hand, according to the invention of
[請求項6の発明]
計測管を構成する壁部が薄い場合には、請求項6の発明のように、計測管の外面から1対のセンサ取付凸部を突出させ、その芯部を陥没させてセンサ収容凹部を形成すればよい。
[Invention of claim 6 ]
When the wall portion constituting the measuring tube is thin, as in the invention of
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態を図1〜図7に基づいて説明する。図1に示すように超音波流量計10は、樹脂(具体的には硬質塩化ビニル)の成形品で構成された計測管20を備え、その両端部を流体(液体又は気体)が流れる送給パイプ(図示せず)の途中に接続可能となっている。計測管20の上流側と下流側とには、流体通過領域R1を挟んで1対の超音波センサ11,11が配設されており、それら超音波センサ11,11間で、計測管20の軸J1方向を斜めに横切る方向で超音波の送受波が行われる。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the
ここで超音波センサ11,11と流体通過領域R1との間には計測管20を構成する壁部が介在しているため、超音波センサ11,11間で送受波される超音波は、図1の点線で示すように壁部と流体通過領域R1との境界面でスネルの法則に従って屈折する。
Here, since the wall portion constituting the measuring
そして、流体の流れに沿った順方向における超音波の伝播時間と、流れに逆らった逆方向における超音波の伝播時間との差或いは逆数差に基づいて、計測管20を通過する流体の流量が計測可能となっている。なお、伝播時間の差又は逆数差に基づき流量を演算する演算式は公知であるので説明を省略する。
Based on the difference or reciprocal difference between the propagation time of the ultrasonic wave in the forward direction along the flow of the fluid and the propagation time of the ultrasonic wave in the reverse direction against the flow, the flow rate of the fluid passing through the
図4には、計測管20を軸J1方向に直交する平面で切断した断面(具体的には、図5におけるX−X断面)が示されている。同図に示すように、計測管20は円筒構造をなしている。また、図1に示すように、計測管20の内側を貫通した流体通過領域R1のうち、上流側の流入口20Aは下流に向かってテーパー状に縮径し、下流側の流出口20Bは下流に向かってテーパー状に拡径し、それら流入口20Aと流出口20Bとの間の内径は一定となっている。
4 shows a cross section (specifically, an XX cross section in FIG. 5) obtained by cutting the
計測管20の両端部にはフランジ壁21,21が設けられている。フランジ壁21,21は、計測管20の全周に亘って側方に張り出している。計測管20を送給パイプ(図示せず)に接続する際には、フランジ壁21,21が送給パイプの接続面に密着状態に宛がわれる。
図4〜図6に示すように、フランジ壁21,21の間には複数のリブ壁24,25が設けられている。即ち、計測管20の軸J1方向に延びてフランジ壁21,21間を繋いだ複数のリブ壁24,24と、計測管20の中間部から側方に張り出して周方向に延びたリブ壁25とが設けられている。リブ壁24,24により、比較的薄肉なフランジ壁21,21が補強されている。
As shown in FIGS. 4 to 6, a plurality of
図6に示すように、フランジ壁21,21の間には、流量演算表示器18(図3参照)を固定するための固定用囲壁22が設けられている。固定用囲壁22は、計測管20の外側面から突出した菱形の枠形構造をなしており、その内側は計測管20の側方(図6の紙面手前側)に開放した配線処理凹部26となっている。配線処理凹部26には、計測管20の外面から起立した十字リブ23が備えられ、その十字リブ23が、固定用囲壁22の互いに平行な2辺間を繋いで固定用囲壁22を補強している。なお、固定用囲壁22のうち、計測管20の軸J1方向に平行な2辺はリブ壁24,24の一部を兼ねており、その2辺間を繋いだ十字リブ23の一辺はリブ壁25の延長線上に設けられている。
As shown in FIG. 6, a fixing
固定用囲壁22の開口端には流量演算表示器18(図3参照)が着脱可能に固定され、これにより、配線処理凹部26が閉塞されている。そして、流量演算表示器18にて、超音波センサ11,11からの出力信号に基づいて流量が演算されかつ表示可能となっている。なお、固定用囲壁22の開口端にはシール溝22Aが形成されており、図示しないシール部材により流量演算表示器18と固定用囲壁22との結合部分がシールされている。
A flow rate calculation indicator 18 (see FIG. 3) is detachably fixed to the opening end of the fixing
図6に示すように、計測管20の両端寄り位置で、周方向に180度離れた2位置(詳細には、固定用囲壁22から周方向で相反する方向に90度ずつ離れた2位置)には、センサ取付凸部30,30が突出形成されている。これらセンサ取付凸部30,30は、計測管20の軸J1方向に直交した方向(計測管20の径方向)に突出している。なお、センサ取付凸部30,30の軸J1方向における距離は、計測管20の材質及び流体の種類等からスネルの法則に基づいて決定されている。
As shown in FIG. 6, two positions 180 degrees apart in the circumferential direction at positions near both ends of the measuring tube 20 (specifically, two positions 90 degrees apart from the fixing
図5には、計測管20をセンサ取付凸部30の軸方向(図6における上方)から見た状態が示されている。同図に示すように、センサ取付凸部30の外面は円柱面をなし、その円柱面から複数の螺合柱40が膨出している。螺合柱40はセンサ取付凸部30の外周面に均等配置されており、センサ取付凸部30と平行(図5における紙面直交方向)に延びている。螺合柱40の芯部には螺合孔41が形成され先端面に開放している。螺合柱40の先端面とセンサ取付凸部30の先端面とは面一であり、リブ壁24,24より低くなっている。
FIG. 5 shows a state in which the
各センサ取付凸部30,30の芯部には超音波センサ11を収容するためのセンサ収容凹部31が陥没形成されている。図2に示すように、センサ収容凹部31は流体通過領域R1側が閉塞されかつ計測管20の側方に向かって開放している。なお、センサ収容凹部31,31の内部形状は、計測管20の軸J1方向と直交する方向で、成形型を型開きすることが可能な(アンダーカットを有しない)形状となっている。
A
図1に示すように、センサ収容凹部31の底側には超音波センサ11が計測管20の軸J1方向に対して傾斜姿勢にして収容され、開口側には超音波センサ11に重ねてキャップ50(本発明の「栓部材」に相当する)が挿入嵌合されている。また、超音波センサ11とキャップ50との間にはウェーブワッシャ59(本発明の「弾性部材」に相当する)が圧縮状態で挟まれている。そして、ウェーブワッシャ59の弾発力により、超音波センサ11の送受波面16はセンサ収容凹部31の底部に形成されたセンサ当接面35に押し付けられている。なお、超音波センサ11とセンサ当接面35は図示しないグリース又は接着剤を介して密着している。
As shown in FIG. 1, the
図2に示すようにセンサ収容凹部31は、センサ取付凸部30の軸方向に直交した境界段差面34により、開口側のキャップ嵌合部32(本発明の「栓嵌合部」に相当する)と、底側のセンサ収容部33とに分けることができる。これに対し、センサ収容凹部31に挿入嵌合されたキャップ50は、キャップ嵌合部32に嵌合した栓本体51と、栓本体51の後端から側方に張り出してセンサ収容凹部31の開口縁にねじ止めされた鍔部60とから構成されている(図7参照)。
As shown in FIG. 2, the
鍔部60は円板状をなしかつ、センサ取付凸部30とリブ壁24,24との高低差とほぼ同じ厚みを有している。即ち、キャップ50をセンサ収容凹部31に挿入嵌合すると、鍔部60はリブ壁24,24と面一となる。また、鍔部60の周方向で互いに90度ずつ離れた位置には4つのねじ挿通孔61が貫通形成されている(図7(A)には3つのみが示されている)。これらねじ挿通孔61を貫通した4本の雄ねじ部材62(例えば、タッピンねじ)を、螺合柱40の螺合孔41に螺合することで、キャップ50が超音波センサ11を押さえかつセンサ収容凹部31を封止した状態に固定される(図1参照)。
The
センサ収容凹部31のうちセンサ収容部33の底部には、計測管20の軸J1方向に対して所定角度(具体的には約45度)傾斜したセンサ当接面35が設けられており、センサ収容部33は、全体としてセンサ当接面35に向かって(センサ当接面35と直交する方向に)陥没している。センサ当接面35は超音波センサ11の外径とほぼ同径の円形(図5参照)をなしており、各センサ当接面35,35同士は、互いに平行な平面となっている(図1参照)。換言すれば、各センサ当接面35,35に密着した超音波センサ11,11の送受波面16,16同士が互いに平行になっている。なお、センサ当接面35の傾斜角度は、1対の超音波センサ11,11が適切な距離を保つよう計測管20の材質及び流体の種類等から、スネルの法則に基づいて決定されている。
A
センサ収容部33のうちセンサ当接面35の縁部からは、境界段差面34に向かって傾斜円弧面36が延びている。傾斜円弧面36はセンサ当接面35に対して直角であり、計測管20の軸J1方向に対して傾いて延びている。傾斜円弧面36のうち、センサ当接面35と境界段差面34との中間部には、センサ当接面35と平行な中間段差面37Aが形成されている。その中間段差面37Aよりセンサ当接面35側は、センサ当接面35と同径の小径円弧面36Bとなっている。この小径円弧面36Bとセンサ当接面35とで形成された凹部に超音波センサ11が受容されて位置決めされている(図1参照)。
An
ここで、センサ当接面35の径方向で小径円弧面36Bとは反対側部分は、センサ当接面35の縁部から計測管20の軸J1方向に直交した直立面37Bとなっている。これにより、図5に示すようにセンサ当接面35の全面が計測管20の軸J1方向に直交した方向でセンサ収容凹部31の開口に臨んで、センサ収容凹部31の真上からセンサ当接面31に向けて超音波センサ11を挿入することが可能となっている。
Here, the portion of the
一方、傾斜円弧面36のうち、中間段差面37Aより境界段差面34側は、小径円弧面36Bより大径な大径円弧面36Cとなっている。大径円弧面36Cには取廻し凹所38が陥没形成されている。取廻し凹所38の奥部には、内部電線通路39(図4参照)の一方の開口が形成されている。内部電線通路39は、計測管20を構成する壁部を貫通して、配線処理凹部26(固定用囲壁22)の内側まで延びている。そして、超音波センサ11から延びたリード線17(本発明の「接続線」に相当する)は、取廻し凹所38から内部電線通路39に通され、配線処理凹部26の内側にて流量演算処理器18に接続されている(図3参照)。
On the other hand, in the
上述したセンサ収容部33のうち、超音波センサ11の後面側の領域には、キャップ50の栓本体51に形成された先端膨出部55が受容されている。先端膨出部55には超音波センサ11の後面に対向したセンサ押さえ面56が形成されている。
The
センサ押さえ面56は、センサ当接面35と平行な面となっている。即ち、計測管20の軸J1方向に対して所定角度(具体的には約45度)傾斜した平面となっている。また、センサ押さえ面56は超音波センサ11の後面とほぼ同径の円形をなしている。このセンサ押さえ面56と超音波センサ11との間でウェーブワッシャ59が圧縮されている(図1及び図2参照)。
The
センサ押さえ面56には、その中心部から径方向外側に向かって逃がし溝57が陥没形成されている(図7参照)。逃がし溝57は、超音波センサ11の後面との間に隙間を形成すると共に、超音波センサ11の後面と取廻し凹所38との間を連絡して、超音波センサ11から延びたリード線17を取廻し凹所38に導出可能としている。
An
図2に示すように、センサ収容凹部31のうちキャップ嵌合部32は、その中心軸J2が計測管20の軸J1方向と直交した方向に向けられている。詳細には、キャップ嵌合部23は、直径に対して深さ寸法が小さい扁平円筒状の嵌合内面32Aを有しており、その嵌合内面32Aが計測管20の軸J1方向に直交した方向に起立している。
As shown in FIG. 2, the cap
キャップ嵌合部32の嵌合内面32Aには、キャップ50の栓本体51に備えた基端嵌合部52が嵌合している。基端嵌合部52は、キャップ嵌合部32の内部空間に対応して扁平円柱状をなしている。基端嵌合部52の外周面は全周に亘ってキャップ嵌合部32の嵌合内面32Aに当接した状態で嵌合している。また、基端嵌合部52の外周面にはOリング溝53が形成され、Oリング54がキャップ嵌合部32の嵌合内面32Aとの間で押し潰されて密着している。これにより、センサ収容凹部31の開口が気密状態に封止されている。
A proximal
なお、基端嵌合部52の先端面52Aのうちセンサ押さえ面56との交差部分52Bは、センサ押さえ面56の傾斜方向に向かって円弧状に陥没しており(図7(C)参照)、ここに超音波センサ11のうちキャップ嵌合部32に突出した部分が受容されている(図1参照)。
In addition, the
本実施形態の超音波流量計10の構成は以上であり、次に超音波流量計10の製造方法について説明する。まず、超音波センサ11の特性値(インピーダンス、静電容量など)に基づいて、最適な超音波センサ11,11をペアリングする。
The configuration of the
次いで、ペアリングした超音波センサ11,11を、各センサ取付凸部30,30のセンサ収容凹部31,31に対して、計測管20の軸J1方向と直交する方向から挿入する。その際、超音波センサ11のリード線17を予めウェーブワッシャ59の内側に通しておくと共に、そのリード線17を取廻し凹所38から内部電線通路39内に挿通させ、配線処理凹部26の内側に導出しておく。その状態で、超音波センサ11をセンサ収容凹部31の底部に備えた小径円弧面36Bとセンサ当接面35とによって位置決めする。
Next, the paired
次いで、超音波センサ11の後面にウェーブワッシャ59を載せた状態で、キャップ50を計測管20の軸J1方向と直交する方向からセンサ収容凹部31に挿入する。すると、キャップ50のセンサ押さえ面56がウェーブワッシャ59を挟んで超音波センサ11の後面に対面する。
Next, with the
次に、キャップ50をセンサ収容凹部31に押し込んでねじ止めする。即ち、鍔部60の各ねじ挿通孔61に雄ねじ部材62を貫通させて、螺合柱40の螺合孔41に螺合する。するとウェーブワッシャ59がキャップ50(詳細には、センサ押さえ面56)と超音波センサ11の後面との間で圧縮され、その弾発力により超音波センサ11の送受波面16がセンサ当接面35に対して押し付けられて密着した状態で固定される。
Next, the
以上のようにして1対の超音波センサ11,11及びキャップ50,50を取り付けたら、各センサ収容凹部31,31内から配線処理凹部26内に導出させたリード線17,17を流量演算表示器18に備えた図示しない電気回路に接続して、その流量演算表示器18を固定用囲壁22に固定する。これにより配線処理凹部26が閉塞され、超音波流量計10が完成する。
When the pair of
このように、本実施形態によれば、センサ収容凹部31のうち、キャップ50との嵌合部分であるキャップ嵌合部32の中心軸J2を、計測管20の軸J1方向と直交した方向に向けたから、栓嵌合部が計測管の軸方向に対して傾斜した従来のものに比較して計測管20の全長を短くすることが可能となる。
Thus, according to the present embodiment, the center axis J2 of the cap
また、キャップ50のうち栓本体51(詳細には基端嵌合部52)は、キャップ嵌合部32の嵌合内面32Aに当接した状態で嵌合しているから、ウェーブワッシャ59からキャップ50に付与される弾発力のうち栓本体51の軸方向と直交した力の成分を、キャップ嵌合部32の嵌合内面32Aとキャップ50との当接によって受けることができる。よって、鍔部60とセンサ収容凹部31の開口縁とのねじ止め部分である鍔部60や雄ねじ部材62に必要な強度を抑えることができる。
Further, the cap main body 51 (specifically, the proximal end fitting portion 52) of the
さらに、超音波センサ11,11と流量演算表示器18とを接続したリード線17は、計測管20のうち、センサ収容凹部31と配線処理凹部26との間の壁部を貫通してセンサ収容凹部31の内側と配線処理凹部26の内側とを連通した内部電線通路39に通されているから、リード線17の断線を防止することができる。
Further, the
[他の実施形態]
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
[Other Embodiments]
The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the embodiments described below are also included in the technical scope of the present invention, and various other than the following can be made without departing from the scope of the invention. It can be changed and implemented.
(1)1対の超音波センサ11,11は、上記実施形態のように、流体通過領域R1を挟んで配置しなくてもよく、例えば、図8に示すように、計測管20の上流側と下流側とに計測管20の軸J1方向と平行に並べて配置して、超音波を計測管20の内側面で1回または複数回反射させて送受波するように構成してもよい。
(1) The pair of
(2)また、複数対の超音波センサ11,11を備えて、複数の測線(超音波の伝播経路)で超音波を送受波してもよい。例えば、同一平面内に2つの測線が交差するように配置したり、直角に交わる2平面内にそれぞれ測線を配置したり、複数の測線を互いに平行な平面内に配置してもよい。
(2) A plurality of pairs of
(3)超音波センサ11を、例えば、図9に示すように金属ケース12の内部に超音波振動子13を収容した状態でその超音波振動子13の周囲に充填剤14を充填した構造として、金属ケース12の底面を送受波面16とした場合には、以下の現象が起こり得る。即ち、送受波面16を構成する金属ケース12と、センサ当接面35を構成する樹脂との音響インピーダンスの相違により、送信側の超音波センサ11から発射された超音波の一部が、送受波面16とセンサ当接面35との境界面で反射し、この反射波が1対の超音波センサ11,11間を往復するように繰り返し反射する。そして、送受波面16の全面にセンサ当接面35を面当接させた場合には、1対の超音波センサ11,11間を往復する反射波が比較的減衰し難い。
(3) The
これに対し、センサ当接面35に凹部と凸部35Aを設け、凸部35Aのみを送受波面16に部分的に密着させるようにすれば、超音波を反射する境界面が小さくなるので、超音波は境界面で反射する度に徐々に減衰する。具体的には、例えば、送信側の超音波センサ11から発射された超音波を受信側の超音波センサ11で直接受信したときの波高値と、その受信側の境界面で反射され、さらに送信側の境界面で反射されて再び受信側の超音波センサ11に戻ってきた反射波を受信したときの波高値との比を大きくすることができる。即ち、受信波のS/N比を高めることができ、計測誤差を低減することが可能となる。
On the other hand, if the
ここで、上記効果を奏することが可能な凸部35Aの形状としては、送受波面16の中央部のみに密着する円形(図10(A)参照)や円環状(図10(D)参照)、さらに、送受波面16の径方向に延びた線状(図10(C)参照)或いは十字状(図10(C)参照)が挙げられる。
Here, as the shape of the
(4)上記実施形態では、超音波センサ11,11の送受波面16,16を互いに平行な平面としていたが、図11に示すように、計測管20の軸J1方向に対して同一角度θ1で傾斜する一方、計測管20の軸J1方向から見た状態で互いに非平行になるようにし、一方の超音波センサ11の送受波面16で反射した超音波の伝播経路を他方の超音波センサ11からずらしてもよい。具体的には、両送受波面16,16がなす角度θ2を2〜10度にすればよい。本実施例によれば、反射波に起因する測定誤差を防止することができる。
(4) In the above embodiment, the transmission / reception surfaces 16 and 16 of the
(5)また、図示しないが、1対の超音波センサ11,11の送受波面16,16は、計測管20を軸J1方向と直交した方向から見た状態で非平行になるように配置して、一方の超音波センサ11の送受波面16で反射した超音波の伝播経路を他方の超音波センサ11からずらした構成としても、反射波に起因する測定誤差を防止することができる。
(5) Although not shown, the transmission / reception surfaces 16 and 16 of the pair of
(5)一般に、計測する流体が気体である場合には、計測管20の壁部と流体通過領域R1との境界面における超音波の屈折角(計測管20の軸J1に直交する直線に対する角度)が、スネルの法則により非常に小さくなる。例えば、硬質塩化ビニル製(音速2270m/s)の計測管20から空気(音速340m/s)へ入射角45度で入射した場合の屈折角は、約6度となる。従って、1対の超音波センサ11,11を、互いに受信強度が最も強くなる位置に配置した場合には、計測管20の軸J1方向において超音波センサ11,11同士が接近し過ぎてしまうため、気体の流量計測を精度よく行うことは困難であった。
(5) Generally, when the fluid to be measured is a gas, the refraction angle of the ultrasonic wave at the boundary surface between the wall portion of the
よって気体の流量計測を行う場合には、以下のように超音波センサ11,11を配置すればよい。即ち、図12に示すように、受波側の超音波センサ11は、送波側の超音波センサ11側から一定の指向角で放射状に伝播した超音波の受信可能領域Z1のうち、その超音波の受信強度が最も高くなる領域中心部Z2に対して送波側の超音波センサ11から離れる側に配置すればよい。このようにすれば、受信強度は弱くなるものの、計測管20の軸J1方向において1対の超音波センサ11,11間の距離を長くすることができるから、気体の流量計測を精度よく行うことが可能となる。
Therefore, when measuring the gas flow rate, the
(6)上記実施形態では、計測管20を構成する壁部が比較的薄いので、計測管20の外面から突出したセンサ取付凸部30,30の芯部にセンサ収容凹部31,31を陥没形成していたが、計測管20を構成する壁部が十分に厚い場合には、センサ取付凸部30,30を設けなくともよい。
(6) In the above embodiment, since the wall portion constituting the measuring
(7)ウェーブワッシャ59の代わりに皿バネやゴムリングを用いてもよい。
(7) Instead of the
(8)キャップ50の全体を弾性部材で構成し、センサ収容凹部31の内側に弾性変形した状態で嵌合することにより、センサ収容凹部31の嵌合内面32Aに密着するようにしてもよい。
(8) The
10 超音波流量計
11,11 超音波センサ
12 金属ケース
13 超音波振動子
16 送受波面
17 リード線(接続線)
18 表示器
20 計測管
22 固定用囲壁
26 配線処理凹部
30,30 センサ取付凸部
31,31 センサ収容凹部
32 キャップ嵌合部
32A 嵌合内面
35,35 センサ当接面
39 配線挿通路
50,50 キャップ(栓部材)
51 キャップ栓部(栓本体)
56 センサ押さえ面
59 ウェーブワッシャ(弾性部材)
60 キャップ鍔部(鍔部)
62 雄ねじ部材
J1 計測管の軸
DESCRIPTION OF
18
51 Cap plug (plug body)
56
60 Cap collar (buttock)
62 Male thread member J1 Measuring tube axis
Claims (6)
前記計測管の外側面に陥没形成されて前記1対の超音波センサを収容した1対のセンサ収容凹部と、前記各センサ収容凹部の底部に設けられて前記計測管の軸方向に対して傾斜し、前記各超音波センサの送受波面が密着したセンサ当接面と、前記各センサ収容凹部のうち栓嵌合部に嵌合固定されて前記センサ収容凹部を封止した栓部材とを備えたものにおいて、
前記栓部材を、前記計測管の軸方向と直交した方向から前記栓嵌合部に嵌合可能とし、
前記栓部材には、前記栓嵌合部の内側面に当接した状態で嵌合した栓本体と、前記栓本体の先端に形成されて前記センサ当接面と略平行なセンサ押さえ面と、前記栓本体の後端から側方に張り出して前記センサ収容凹部の開口縁にねじ止めされた鍔部とが備えられ、
前記センサ押さえ面と前記超音波センサとの間には、圧縮されてその弾発力により前記超音波センサを前記センサ当接面に押し付ける弾性部材が設けられ、
前記弾性部材から前記栓部材に付与される弾発力のうち前記栓部材の嵌合方向と直交した力の成分を、前記栓嵌合部の内側面と前記栓部材との当接によって受けたことを特徴とする超音波流量計。 Between a pair of ultrasonic sensors attached to the upstream side and the downstream side of the measurement pipe through which the fluid flows, ultrasonic waves are transmitted and received in a direction obliquely intersecting the axial direction of the measurement pipe to thereby control the flow rate of the fluid. An ultrasonic flow meter for measuring,
A pair of sensor receiving recesses that are recessed in the outer surface of the measuring tube to store the pair of ultrasonic sensors, and provided at the bottom of each sensor receiving recess and inclined with respect to the axial direction of the measuring tube And a sensor abutting surface to which the transmitting and receiving surfaces of the ultrasonic sensors are in close contact, and a plug member that is fitted and fixed to the plug fitting portion of the sensor receiving recesses to seal the sensor receiving recess. In things,
The plug member can be fitted into the plug fitting portion from a direction orthogonal to the axial direction of the measuring tube,
In the plug member, a plug main body fitted in a state of being in contact with the inner side surface of the plug fitting portion, a sensor pressing surface formed at the tip of the plug main body and substantially parallel to the sensor contact surface, A flange that protrudes laterally from the rear end of the plug body and is screwed to the opening edge of the sensor receiving recess;
Between the sensor pressing surface and the ultrasonic sensor, there is provided an elastic member that is compressed and presses the ultrasonic sensor against the sensor contact surface by its elastic force,
A component of the force perpendicular to the fitting direction of the plug member among the elastic force applied from the elastic member to the plug member is received by the contact between the inner surface of the plug fitting portion and the plug member. An ultrasonic flowmeter characterized by that.
前記計測管の外側面から突出して先端部に前記流量演算表示器を固定するための固定用囲壁と、A fixing wall for protruding from the outer surface of the measuring tube and fixing the flow rate calculation indicator at the tip,
前記固定用囲壁の内側に形成されて前記流量演表示器によって閉塞される配線処理凹部と、A wiring processing recess formed inside the fixed wall and closed by the flow rate display;
前記計測管のうち前記配線処理凹部と前記センサ収容凹部との間の壁部を貫通し、前記超音波センサと前記流量演算表示器との間の接続線が通された内部電線通路を備えたことを特徴とする請求項1に記載の超音波流量計。An internal electric wire passage that passes through a wall portion between the wiring processing recess and the sensor housing recess in the measurement tube and through which a connection line between the ultrasonic sensor and the flow rate calculation indicator is passed. The ultrasonic flowmeter according to claim 1.
一方の前記超音波センサは、他方の前記超音波センサ側から一定の指向角で放射状に伝播した超音波の受信可能領域のうちその超音波の受信強度が最も高くなる領域中心部に対して前記他方の超音波センサから離れる側に配置されたことを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の超音波流量計。One of the ultrasonic sensors is located in the center of the region where the ultrasonic wave reception intensity is highest among the ultrasonic wave receivable regions propagated radially from the other ultrasonic sensor side at a certain directivity angle. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the ultrasonic flowmeter is disposed on a side away from the other ultrasonic sensor.
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