JP6175206B1 - 超音波式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】管路部と別個に超音波送受信ユニットを組み立て、管路部に対する装着を容易とし、圧電素子回りがコンパクトな構造とする。【解決手段】 入口管路１２、出口管路１３は直管路１１に対して所謂クランク型に配置されている。直管路１１には、圧電素子に外側から当接する壁面１２ｃ、１３ｃが形成され、壁面１２ｃ、１３ｃの外側に、超音波送受信ユニット２０がそれぞれ着脱自在に装着されている。２つの超音波送受信ユニット２０は同形とされ、合成樹脂製のカバー部２１と、このカバー部２１内に設け超音波ビームの発信、受信を行う圧電素子と、この圧電素子に接続されるケーブル部２３とから構成されている。管路部１０と超音波送受信ユニット２０は別個に組み立てられ、超音波送受信ユニット２０を管路部１０の両側に配置し、ねじ３１、３２により連結する。【選択図】図４

Description

本発明は、各種の産業分野で使用され、配管中の液体流量を測定する超音波式流量計に関するものである。

超音波式流量計では、例えばクランク型の管路部の両端に、超音波ビームの発信、受信を行う圧電素子が装着され、これらの圧電素子により流体が流れる管路部の一端から他端に、他端から一端に超音波ビームが伝播する時間をそれぞれ計測し、伝播時間の差から管路部を流れる流体の流速を測定する。

上述のクランク型の管路部は、一般に合成樹脂製であり、直管部、入口管路、出口管路、直管部の両側の圧電素子の取付部を必要とする。この管路部は構造が複雑なので１回の射出成型による成型は不可能であり、幾つかの部品に分けて成型し、これらを組合わせて接合することにより製造している。

特許文献１には、このような超音波式流量計が開示されている。図５に示すように、測定すべき流体は、入口管路１、直管部２、出口管路３をクランク型に通過し、直管部２において超音波ビームの伝播速度を基に測定される。直管部２の両側には圧電素子４ａ、４ｂが取り付けられ、圧電素子４ａ、４ｂにより超音波ビームを発信、受信する。圧電素子４ａ、４ｂは入口管路１、出口管路３と一体に形成された筒部５ａ、５ｂ内に収納されて、直管部２の両側部の内壁６ａ、６ｂに貼り付けられ、圧電素子４ａ、４ｂにはリード線７ａ、７ｂが接続されている。そして、圧電素子４ａ、４ｂを保護するために、筒部５ａ、５ｂの外側から袋ナット状のカバー８ａ、８ｂが螺合されている。

また、被測定流体が腐食性流体の場合には、流体が通過する入口管路１、直管部２、出口管路３の材料には耐腐食性樹脂を必要とし、例えばフッ素樹脂ＰＴＦＥ、ＰＦＡを用いる必要がある。筒部５ａ、５ｂは入口管路１、出口管路３と一体成型されているので、耐腐食性樹脂を使用せざるを得ない。なお、同様に筒部５ａ、５ｂに取り付けるカバー８ａ、８ｂについても、ねじ込み構造であるために、膨張率等を考慮して、筒部５ａ、５ｂと同じ材料を使用することが好ましい。

特開２０１３−１０４８３８号公報

上述の従来例においては、構造的にカバー８ａ、８ｂは圧電素子４ａ、４ｂを収納する筒部５ａ、５ｂを取り囲むようにねじ込みによって取り付けているため、カバー８の容積が大きくなる。更に、リード線７ａ、７ｂは直管部２の延長線方向に引き出しており、超音波式流量計の設置個所が制限されてしまうという問題がある。

また、半導体製造設備に使用する超音波式流量計では腐食性流体を扱うため、管路部には耐腐食性樹脂を用いる必要があるが、耐腐食性樹脂は例えばポリエチレン、ポリピロピレン等の一般的な合成樹脂に比べて高価であり、液体が接触しない筒部５ａ、５ｂやカバー８にまで耐腐食性樹脂を用いると、製造コストが割高となる。

更に、従来の超音波式流量計では、筒部５ａ、５ｂ内に圧電素子４ａ、４ｂを組み込んでから、リード線７ａ、７ｂを半田付けするなどの組立作業が複雑となる問題もある。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、管路部と別個に超音波送受信ユニットを組み立てるので、管路部に対する装着が容易で、圧電素子回りがコンパクトな構造となり、安価な超音波式流量計を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波式流量計は、カバー部と、該カバー部内に配置し超音波ビームを送受信する圧電素子と、該圧電素子と接続され、前記カバー部から外方に引き出されたケーブル部とを備えた超音波送受信ユニットを、クランク型に流体を流す管路部の直管路の両側にそれぞれ着脱自在に取り付けられ、前記圧電素子の送受信面から前記管路部内に超音波ビームを送受信して超音波ビームの伝播速度を基に流体流量を測定することを特徴とする。

本発明に係る超音波式流量計によれば、管路部に別体の超音波送受信ユニットを容易に装着でき、コンパクトとなり、更には高価な耐腐食性樹脂の使用量が少なくなる。

実施例の超音波式流量計の分解斜視図である。 超音波式流量計の斜視図である。 超音波式流量計の断面図である。 管路部に超音波送受信ユニットを装着する状態の斜視図である。 従来例の超音波式流量計の断面図である。

本発明を図１〜図４に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は分解斜視図、図２は組み立てた状態の超音波式流量計の斜視図、図３は断面図である。

本実施例の超音波式流量計は、主として流体が流れる管路部１０と、この管路部１０の両側に取り付ける一対の超音波送受信ユニット２０とから構成されている。

管路部１０は、直管路１１と、この直管路１１の一方の端部にＬ字状に熱溶着等により結合し、直管路１１に直角方向から流体を流入する入口管路１２と、直管路１１の他方の端部にＬ字状に結合し、直管路１１から直角方向に向けて流体を排出する出口管路１３とから構成され、入口管路１２、出口管路１３は直管路１１に対して所謂クランク型に配置されている。

管路部１０は例えばフッ素樹脂ＰＴＦＥ、ＰＦＡ等の耐腐食性樹脂から成り、射出成型等により個々に製作された直管路１１、入口管路１２、出口管路１３が熱溶着等により組み合わされている。なお、管路部１０に透明体を採用することで、流体の流れを目視で確認することが可能となる。

入口管路１２、出口管路１３は例えば内径４ｍｍとされ、直管路１１も内径４ｍｍとされている。なお、直管路１１の両端の内径は、入口管路１２、出口管路１３の本体部１２ａ、１３ａに向うにつれてテーパ状に拡径され、流路抵抗が生じないようにされている。

入口管路１２と出口管路１３は同形の部材が使用されており、内容積が大きい本体部１２ａ、１３ａと、これらの本体部１２ａ、１３ａに対し上流側及び下流側に連結した管体部１２ｂ、１３ｂとから構成されている。また、管体部１２ｂ、１３ｂの先端にそれぞれ流体管路を連結して使用する。

本体部１２ａ、１３ａの直管路１１と反対側に対向して、圧電素子に外側から当接する壁面１２ｃ、１３ｃが形成されており、これらの壁面１２ｃ、１３ｃの外側に、圧電素子を内在する超音波送受信ユニット２０がそれぞれ着脱自在に装着されている。本体部１２ａ、１３ａの外周部には、直管路１１の軸方向に沿ってそれぞれ一対のねじ挿通孔１２ｄ、１３ｄと、超音波送受信ユニット２０のガイド片が当接するそれぞれ一対のガイド受部１２ｅ、１３ｅが設けられている。

２つの超音波送受信ユニット２０は同形とされ、合成樹脂製のカバー部２１と、このカバー部２１内に固定する圧電素子部２２と、この圧電素子部２２に接続され、カバー部２１の一部から外方の流量演算測定部に引き出されるケーブル部２３とから構成されている。

カバー部２１は一般に使用される安価で硬質の合成樹脂材により成型されている。カバー部２１には、圧電素子部２２を嵌合する収納孔部２１ａと、入口管路１２、出口管路１３のねじ挿通孔１２ｄ、１２ｄを挿通された２本のねじ３１、３２の先端がそれぞれねじ込まれる一対のねじ孔２１ｂが設けられている。

また、カバー部２１の入口管路１２及び出口管路１３への装着時に、ガイド受部１２ｅ、１３ｅに対するガイド機能を有する一対のガイド片２１ｃがカバー部２１の外側部に、本体部１２ａ、１３ａに向けて設けられている。カバー部２１の外端部には収納孔部２１ａ内に通ずる小孔２１ｄが穿孔されている。

カバー部２１内には圧電素子部２２が収容されている。この圧電素子部２２は、超音波ビームの発信、受信を行う圧電素子２２ａと、この圧電素子２２ａを嵌合して保持し、収納孔部２１ａに対して回転不能な保持部２２ｂと、圧電素子２２ａに接続し保持部２２ｂに設けた孔部から引き出したリード線２２ｃと、保持部２２ｂの中央に設けたねじ孔に螺合し、圧電素子２２ａを押さえ付けて調整する合成樹脂材の調整ねじ２２ｄとから構成されている。

圧電素子２２ａは薄型円板状をしており、その表面に同形の音響整合板２２ｅが貼り付けられており、音響整合板２２ｅが外側に露出するように圧電素子２２ａは保持部２２ｂにより保持されている。なお、本体部１２ａ、１３ａとカバー部２１との間にはＯリング２２ｆが介在され、これらの間からの水の浸入を防止する防水機能を有している。

カバー部２１の後方側には、収納孔部２１ａに対し直角方向に延在する筒状のケーブル引出部２１ｅが設けられており、リード線２２ｃは収納孔部２１ａ内でケーブル部２３に半田接続され、ケーブル部２３はこのケーブル引出部２１ｅを介して外部に引き出されて流量演算測定部に接続可能とされている。その際に、ケーブル部２３には防水ブッシュ２３ａが挿通されており、ケーブル引出部２１ｅから水が浸入しないようにされている。なお、実施例ではケーブル引出部２１ｅを上方に向けているが、下方に向けて引き出してもよい。

なお、直管路１１には支持具３３が取り付け可能とされ、超音波式流量計の荷重を支持するようになっている。

組立に際しては、管路部１０と超音波送受信ユニット２０は別個に組み立てられる。超音波送受信ユニット２０においては、収納孔部２１ａ内に引き込んだケーブル部２３をリード線２２ｃと接続してから、圧電素子部２２をカバー部２１の開放側から収納孔部２１ａ内に挿入する。次いで、カバー部２１の前方に引っ掛かる構造とされている圧電素子部２２を圧電素子２２ａ、音響整合板２２ｅの送受信面が壁面１２ｃ、１３ｃと平行になるように配置する。

このように組み立てた超音波送受信ユニット２０を、管路部１０の両側に図４に示すように配置し、音響整合板２２ｅと壁面１２ｃ、１３ｃとの間に超音波が伝達し易いようにグリスを塗布し、カバー部２１の収納孔部２１ａの周辺に防水用のＯリング２２ｆを介在する。更に、ガイド片２１ｃを入口管路１２、出口管路１３のガイド受部１２ｅ、１３ｅに摺動させてカバー部２１を本体部１２ａ、１３ａに押し込んだ状態にする。そして、ねじ挿通孔１２ｄ、１３ｄにねじ３１、３２をそれぞれ挿通し、更にねじ孔２１ｂにねじ３１、３２をねじ込み固定することで、管路部１０の両側に超音波送受信ユニット２０が連結して一体化される。

次いで、圧電素子２２ａの出力を調整する。２つのケーブル部２３の端部を流量演算測定部に接続し、圧電素子２２ａの出力を求めながら、カバー部２１の小孔２１ｄからドライバを挿し込み、調整ねじ２２ｄを保持部２２ｂに対し回転する。調整ねじ２２ｄが圧電素子２２ａを押圧して壁面１２ｃ、１３ｃに対する送受信面の密着度を変化させることにより、圧電素子２２ａからの出力が所定の大きさ等に調整される。

なお、このとき必要に応じて、実際に管路部１０に基準流量の液体を流して、圧電素子２２ａから直管路１１内に超音波ビームを送受信して、流量に対する圧電素子２２ａの出力を校正することができる。

この調整が終了すると、カバー部２１の小孔２１ｄからシリコン樹脂２１ｆ等を収納孔部２１ａ内に充填して硬化させる。これにより、調整ねじ２２ｄの締付量が固定されると共に、収納孔部２１ａ内への水の浸入を防止し、収納孔部２１ａ内の電気絶縁性が確保できる。

このようにして組立てた超音波式流量計は、管路部１０に被測定流体を流し、圧電素子２２ａに接続した流量測定演算部により、壁面１２ｃ、１３ｃ間を一対の圧電素子２２ａにより送受信された超音波ビームの伝播速度をそれぞれ計測し、直管路１１内の流体の流速、つまり流体流量を測定することができる。

本実施例においては、超音波送受信ユニット２０を管路部１０に対し装着することで、従来例のように圧電素子を一体に組み込んだ超音波式流量計に比べて、小型となり、ケーブルも側方に向けて引き出すことができ、組立ても容易である。また、従来例よりも直径の大きな圧電素子を使用することもでき、圧電素子のパワーを大きくして精度がより向上する。

また、超音波送受信ユニット２０のカバー部２１は管路部１０よりも安価な合成樹脂材を使用することができるので、超音波式流量計をより安価に製造することが可能となる。

超音波送受信ユニット２０が故障した場合には、ねじ３１、３２を外して、超音波送受信ユニット２０を管路部１０から取り外し、新たな超音波送受信ユニット２０と交換することもできる。

１０ 管路部
１１ 直管路
１２ 入口管路
１２ａ、１３ａ 本体部
１２ｂ、１３ｂ 管体部
１２ｃ、１３ｃ 壁面
１３ 出口管路
２０ 超音波送受信ユニット
２１ カバー部
２１ａ 収納孔部
２１ｄ 小孔
２１ｆ シリコン樹脂
２２ 圧電素子部
２２ａ 圧電素子
２２ｂ 保持部
２２ｃ リード線
２２ｄ 調整ねじ
２３ ケーブル部
３１、３２ ねじ

Claims (4)

1. カバー部と、該カバー部内に配置し超音波ビームを送受信する圧電素子と、該圧電素子と接続され、前記カバー部から外方に引き出されたケーブル部とを備えた超音波送受信ユニットを、クランク型に流体を流す管路部の直管路の両側にそれぞれ着脱自在に取り付けられ、前記圧電素子の送受信面から前記管路部内に超音波ビームを送受信して超音波ビームの伝播速度を基に流体流量を測定することを特徴とする超音波式流量計。
2. 前記超音波送受信ユニットは、前記直管路の両側の対向する壁面の外側に前記圧電素子の送受信面を密着して、前記管路部に取り付けることを特徴とする請求項１に記載の超音波式流量計。
3. 前記超音波送受信ユニットのカバー部には、前記管路部への装着時に前記管路部に対するガイド機能を有するガイド片が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波式流量計。
4. 前記超音波送受信ユニットは前記管路部に対しねじにより連結されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の超音波式流量計。

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