JP5287513B2 - 超音波流量計 - Google Patents
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Description
したがって、素子を流路の側壁に対して斜めに配置する必要がなく、かつ、使用状況に応じて素子の数および配置間隔を高精度で調整する必要もない超音波流量計を実現することができる。
この発明の第1実施形態について説明する。
[全体の構成]
最初に、この実施形態に係る超音波流量計の全体の構成について図を参照しながら説明する。図1は、管に取付けられた超音波流量計の説明図であり、(a)は管の縦断面図、(b)は(a)のH−H矢視断面図である。図2は、図1に示す素子の縦断面図である。以下の説明では、送信する超音波を送信波と称する。図4は、超音波流量計1の電気的構成をブロックで示す説明図である。
次に、超音波流量計1の特徴について図を参照して説明する。図3は、超音波センサ4,5が放射軸を変えて送信波を送信する状態を示す説明図である。図中R1〜R4は、送信波の放射軸を示す。
次に、超音波流量計1の電気的構成について図4を参照して説明する。図5は、図4に示す送信制御部の電気的構成をブロックで示す説明図である。図6は、素子A,Bが送信する送信波の送信波形を示す説明図である。図8は、図4に示す受信制御部の電気的構成をブロックで示す説明図である。
図5に示すように、送信制御部30は、送信位相決定部31と、送信波形生成部32とを備える。送信位相決定部31は、第1および第2の超音波センサ4,5が送信する送信波の放射軸が、CPU21から指示された放射軸となるように、次段の送信波形生成部32において生成される送信波形の位相を決定する。送信波形生成部32は、素子A〜Dに接続された送信波形生成部32a〜32dを備える。送信波形生成部32a〜32dは、送信位相決定部31から指示された位相の送信波形を生成し、それを各素子A〜Dの圧電素子2aに出力する。
図8に示すように、受信制御部40は、素子A〜Dにそれぞれ接続されたアンプ41a〜41dと、閾値判定部44とを備える。受信制御部40がマイクロコンピュータを備える場合は、そのマイクロコンピュータが閾値判定部44の役割をしても良いし、演算部20がその役割をしても良い。
次に、演算部20のCPU21が実行する流量測定処理の流れについてそれを示す図9のフローチャートを参照して説明する。
以上のように、第1実施形態の超音波流量計1を実施すれば、第1および第2の超音波センサ4,5を構成する各素子A〜Dが、その送受信面2cを流体Fの流れる方向に沿わせて流路3cの側壁3a,3bに配置されているため、素子を流路の側壁に対して斜めに配置する必要がない。
第1および第2の超音波センサを複数組流路に配置し、センサの測線数を増やすこともできる。たとえば、図10に示すように、相対向する管3の流路3cに計4組の超音波センサを配置する。このように第1および第2の超音波センサを複数組流路に配置し、各組毎に演算した流量に基づいて流体の流量を計測すれば、計測の精度をより一層高めることができる。なお、各組毎の伝搬時間差の平均値を演算し、その平均値に基づいて流量を演算しても良い。
この発明の第2実施形態について図を参照しながら説明する。図11は、この実施形態に係る超音波流量計1の電気的構成をブロックで示す説明図である。図12は、超音波センサ4,5が送信する送信波の放射軸の説明図である。
また、流路の一方の側壁だけに超音波センサを配置すれば済むため、超音波センサの設置が容易である。さらに、流路の一方の側壁に障害物などが存在するなど、流路を挾んで超音波センサを設置することができないような状況でも超音波センサを設置して流量を計測することができる。
この発明の第3実施形態について図を参照しながら説明する。図13は、この実施形態に係る超音波流量計1の電気的構成をブロックで示す説明図である。図14は、超音波センサ7が送信する送信波の放射角度θが変化したときの説明図である。図15は、流速Vが0の場合およびVの場合における信号強度および角度αの関係を示すグラフである。図16(a)は、角度αおよび時刻の関係を示すグラフ、(b)〜(d)は、信号強度および時刻の関係を示すグラフである。
また、逆に、流体Fが流速Vで逆方向に流れているときに、送信波を放射軸R+の角度α+が減少するようにスキャンした場合、素子Cが受信する送信波の信号強度は、図16(d)に示すように、角度α+が0になるタイミングよりも所定時間(Δs)遅れて最大になる。
先ず、流速Vが0のときに、超音波センサ7が送信波を角度α=0(放射角度θ=90°)で送信したときの送信を開始したタイミングから、素子Cにおける送信波の信号強度が最大になるまでの伝搬時間T0を、T0=L/Cを計算して求める。
したがって、この場合は、前記の式(7)の右辺は、(L/C)+Δsとなる。
次に、この発明の第4実施形態について説明する。図17は、この実施形態の超音波流量計に備えられた素子の縦断面図である。この実施形態の超音波流量計は、流体の圧力を検出する圧力センサを備えることを特徴とする。なお、この実施形態の超音波流量計は、圧力センサを備えることと、音響整合層2bの材質が異なること以外は、第1実施形態の超音波流量計1と同じ構成であるため、同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。
図18に示すように、音響整合層2bに放熱部材60を設け、流体Fから音響整合層2bに伝達した熱の放熱効率を高めるようにすることもできる。この構成を用いれば、圧電素子2aが受ける熱の影響をより一層少なくすることができるため、圧電素子2aの特性がより一層変化し難い。
図19(a)に示すように、音響整合層2bの下面2cは、必ずしも流路3cの内壁の形状に合致した形状に形成しなくても良い。また、同図(b)に示すように、圧電素子2aと比較して音響整合層2bが大きくても良いし、同図(c)に示すように、音響整合層2bの方が小さくても良い。
3a,3b・・側壁、3c・・流路、4,5・・超音波センサ、A〜D・・素子、
F・・流体、R1〜R4・・放射軸。
Claims (9)
- 超音波を送受信する超音波センサを流路を挾んで配置し、各超音波センサ間で超音波の送受信を行って前記流路を流れる流体の流量を測定する超音波流量計において、
超音波を送受信する複数の素子が送受信面を流体の流れる方向に沿わせて流路の側壁に配置されてなる第1の超音波センサと、
超音波を送受信する複数の素子が送受信面を流体の流れる方向に沿わせて前記第1の超音波センサと対向する側壁に配置されてなる第2の超音波センサと、
前記第1および第2の超音波センサが放射軸を複数回変えて超音波を送信するように前記第1および第2の超音波センサを制御する制御回路と、
前記制御回路によって変えられた各放射軸のときの前記第1および第2の超音波センサの送受信内容に基づいて前記流体の流量を演算する演算回路と、
を備え、
前記各素子は、圧電素子および音響整合層を備え、
前記音響整合層に発生する圧力を検出する圧力センサを備えることを特徴とする超音波流量計。 - 前記制御回路は、
前記流路の上流から下流に向かう第1の放射軸と、下流から上流に向かう第2の放射軸とを含むように前記放射軸を変えることを特徴とする請求項1に記載の超音波流量計。 - 前記演算回路は、
前記制御回路によって変えられた各放射軸のときの前記第1および第2の超音波センサ間の超音波の伝搬時間の差に基づいて前記流体の流量を演算することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超音波流量計。 - 前記演算回路は、
各放射軸のときにそれぞれ演算した流量の平均値を演算することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載の超音波流量計。 - 前記演算回路は、
各放射軸のときに演算した伝搬時間の差の平均値に基づいて流量を演算することを特徴とする請求項3に記載の超音波流量計。 - 前記制御回路は、
超音波を送信する超音波センサを構成する各素子の入力信号間の位相を異ならせることにより、前記放射軸を変えることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1つに記載の超音波流量計。 - 相互に隣接する素子の配置間隔が、前記超音波の2分の1波長であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1つに記載の超音波流量計。
- 前記音響整合層は、薄肉部を介して前記流体と接していることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1つに記載の超音波流量計。
- 前記音響整合層には、放熱部材が設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1つに記載の超音波流量計。
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