JP7223956B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、計測流路を有し、超音波の伝搬時間を利用して流量を計測する超音波流量計に関するものである。

従来、この種の超音波流量計としては、例えば図７に示すようなものがある。図７は特許文献１に記載された従来の超音波流量計の構成図で、超音波流量計は、計測流路１０１と、仕切板１０２と、巻込み流れ抑制シート１０３とが別部品として作られている。計測流路１０１は、部品挿入口１０６を有し、仕切板１０２と、巻込み流れ抑制シート１０３を、計測流路１０１内に所定の角度で挿入して、超音波センサ取付ブロック１０４を、溶着などの方法で計測流路１０１に固定し、一対の超音波センサ１０５ａ、１０５ｂを超音波センサ取付ブロック１０４に取付け、部品挿入口１０６から被計測流体が漏れないように構成されている。

そして、超音波センサ１０５ａ、１０５ｂの片方から送信された超音波信号が、計測流路１０１の底面を反射してもう片方へ伝搬し、その伝搬時間を元に被計測流体の流量を算出する。

図８は従来の超音波流量計の計測流路の金型構成を示すもので、図８に示すように、計測流路１０１は、金型１０９ａは部品挿入口１０６、金型１０９ｂ、１０９ｃは計測流路１０１の計測流路入口１０７と計測流路出口１０８から抜かれて、成型されている。このように、金型１０９ａによって、超音波センサ１０５ａ、１０５ｂが計測する領域は成型されており、超音波信号の反射する計測流路１０１の底面１０１ａは抜き勾配がつかないようになっている。

そして、超音波センサ１０５ａ、１０５ｂの、計測流路１０１の底面１０１ａに対する入射角はどちらも等しくなっており、これによって、超音波センサの放射面の位置ごとの受信波形の位相が揃い、受信波形が安定し、精度よく流量計測を行うことができる。

特開２０１４－２１５０６０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、仕切板１０２、巻込み流れ抑制シート１０３、超音波センサ取り付けブロック１０４をそれぞれ別部品としているので部品点数が多くなり、材料費と組立工数によるコストが高くなるという課題を有していた。そこで、複数の部品をひとつに一体成型することで、部品点数を減らし、コストを少なくすることが考えられる。

その単純な例を図９に示す。図９は、図８に示す計測流路１０１の仕切板１０２、巻込み流れ抑制シート１０３、超音波センサ取り付けブロック１０４を一体に成型した計測流路２０１の斜視図である。

しかし、この計測流路２０１を樹脂成型する場合、計測流路入口２０７と計測流路出口２０８から金型を抜くには、超音波信号の計測部分に抜き勾配が必要となる。また、計測
流路入口２０７側と、計測流路出口２０８側の金型の当接部で、パーティングラインがつき、その位置は、金型が流路内部への入り込みの深さで決定されるが、抜き勾配とパーティングラインの付き方によっては、流量計測の誤差の原因となることがある。

次に、流量計測の誤差の原因となりうる金型の抜き勾配、パーティングラインの付き方について、図１０、図１１、図１２を用いて説明する。

図１０は計測流路の底面に勾配がある計測流路２０１の断面図、図１１は上面に勾配がある計測流路２０１の断面図、図１２は超音波信号の反射面にパーティングラインがある計測流路２０１の断面図を示している。

図１０に示す計測流路では、反射面２１２に勾配がない場合の反射角度をθ、抜き勾配をαとする場合、超音波センサ１０５ａからの超音波信号の放射方向と反射面２１２の角度θ１はθ＋α、超音波センサ１０５ｂからの超音波信号の放射方向と反射面２１２の角度θ２はθ―αとなる。

このように、超音波信号の反射面２１２と、超音波センサ１０５ａの放射方向のなす角度θ１とθ２が異なる場合、超音波センサ１０５ａの放射面２０９ａ上で距離ｄだけ離れた２つの点Ａ，Ｂから放射される超音波信号は、その伝搬経路Ｐ２０１とＰ２０２とで長さに差が生じることになる。

そして、超音波センサ１０５ａから放射された超音波信号の伝搬経路Ｐ２０１，Ｐ２０２の超音波センサ１０５ｂの放射面２０９ｂに対する入射角θ３は、π／２－２αとなり、２α分の角度に相当する伝搬経路の差が生じ、伝搬経路Ｐ２０１の方がｄｔａｎ２αだけ長くなる。

受信波形は、放射面の全体から放射された超音波信号の合成波として受信されるので、僅かな伝搬時間差により位相の異なる超音波信号が重なり合うことで受信波形の位相が安定しなくなるだけでなく、振幅も小さくなることからノイズの影響を受けやすくなり、これが流量計測の誤差の原因となる。

超音波信号の周波数は数百ｋＨｚと高く、波長が短いため、０．３～０．５°程度の抜き勾配でも、波長と同等オーダーの伝搬経路の長さの差が生まれ、位相の変化の大きさも無視できないものとなっている。

次に、図１１に示す計測流路のように、反射面２１２と開口部２０３ａ、２０３ｂのある面２１１が平行ではなく、反射面２１２に対して角度βの勾配を有する場合、伝搬経路Ｐ２０３とＰ２０４の全体の長さが同じであっても、被計測流体を通過する部分（実線で示す）の長さが異なっている。

従って、被計測流体が流速ｖで流れている場合、超音波センサ１０５ａの放射面２０９ａ上の距離ｄだけ離れた２つの点Ａ，Ｂから放射される超音波信号は、伝搬経路上のうち、被計測流体の流れの影響を受ける距離が変わることになり、Ｐ２０３よりもＰ２０４の方が流速ｖの影響を大きく受ける。

受信波形は、放射面の全体から放射された超音波信号の合成波として受信されるので、位相の違う超音波信号が重なり合い、受信波形の位相が安定しなくなるだけでなく、振幅も小さくなり、ノイズの影響を受けやすくなり、これが流量計測の誤差の原因となる。

また、図１２に示す計測流路のように、中央に突き合わせる金型で計測流路２０１を成
形する場合、超音波信号の反射面２１２上にパーティングライン２１３ができ、パーティングライン２１３にできるバリによって、超音波信号が乱反射し、受信波形の形状が安定しなくなる。これによって、流量計測の誤差の原因となる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、一体成型により従来の構成よりも材料費と組立工数を削減しながら、金型の抜き勾配とパーティングラインによって受信波形が不安定となり、流量計測の誤差が生じることを防ぎ、精度よく流量計測を行う超音波流量計を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、被計測流体が流れる流路断面が第１面と前記第１面に対向する第２面と前記第１面と第２面の間に掛け渡された第３面及び第４面からなる矩形の計測流路と、前記計測流路の上流と下流の前記第１面に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、前記超音波センサが超音波信号を送受信するために前記第１面に設けられた開口部と、前記超音波センサの一方から送信された超音波信号が、前記被計測流体を前記計測流路の前記第２面に少なくとも一回の反射を伴いながら伝搬して、他方の超音波センサが受信するまでの伝搬時間に基づいて、前記被計測流体の流量を検出する流量演算手段と、を備え、前記計測流路の内壁面には一体成型の為の金型の抜き勾配が設けられており、前記一対の超音波センサは、前記第２面の超音波信号の反射する反射面に対して、の超音波信号の入射角がどちらも等しくなるように前記計測流路に固定されたことを特徴としたものである。

これによって、従来の構成よりも材料費と組立工数を削減しながら、超音波センサの放射面の位置によって、放射される超音波信号が経る伝搬経路の長さが変化することを防ぎ、超音波センサの放射面の位置ごとの受信波形の位相が揃うことによって、受信波形が安定し、精度よく流量計測を行うことができる。

本発明の超音波流量計によると、一体成型により従来発生していた部品のコストを削減しながら、精度よく流量計測を行うことができる。

本発明の実施の形態１、２における超音波流量計の構成図 本発明の実施の形態１、２における超音波流量計の計測流路の斜視図 本発明の実施の形態１における超音波流量計の要部断面図 本発明の実施の形態１における超音波流量計の計測流路の金型挿入時の断面 図 本発明の実施の形態２における超音波流量計の要部断面図 本発明の実施の形態２における超音波流量計の計測流路の金型挿入時の断面図 従来の超音波流量計の構成図 従来の超音波流量計の計測流路の成型時の金型構成図 従来の一体成型による計測流路の斜視図 図９の計測流路において、底面に勾配がある計測流路の断面図 図９の計測流路において、上面に勾配がある計測流路の断面図 図９の計測流路において、超音波信号の反射面にパーティングラインがある計測流路の断面図

第１の発明は、本発明の超音波流量計は、被計測流体が流れる流路断面が第１面と前記
第１面に対向する第２面と前記第１面と第２面の間に掛け渡された第３面及び第４面からなる矩形の計測流路と、前記計測流路の上流と下流の前記第１面に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、前記超音波センサが超音波信号を送受信するために前記第１面に設けられた開口部と、前記超音波センサの一方から送信された超音波信号が、前記被計測流体を前記計測流路の前記第２面に少なくとも一回の反射を伴いながら伝搬して、他方の超音波センサが受信するまでの伝搬時間に基づいて、前記被計測流体の流量を検出する流量演算手段と、を備え、前記計測流路の内壁面には一体成型の為の金型の抜き勾配が設けられており、前記一対の超音波センサは、前記第２面の超音波信号の反射する反射面に対して、超音波信号の入射角がどちらも等しくなるように前記計測流路に固定されたことを特徴とすることにより、超音波センサの放射面の位置によって、放射される超音波信号が経る伝搬経路長が変化することを防ぎ、超音波センサの放射面の位置ごとの受信波形の位相が揃うことによって、受信波形が安定し、精度よく流量計測を行うことができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記計測流路は、流路入口と流路出口のそれぞれから金型を抜いて成型されており、前記流路入口もしくは前記流路出口から抜く金型の抜き方向が、前記反射面に対して傾いていることを特徴とするもので、計測流路の底面の、２つの超音波センサに対して同じ入射角を保った部分をより広くすることができ、より受信波形が安定し、精度よく流量計測を行うことができる。

第３の発明は、特に、第１または２の発明において、前記第１面は、２つの前記開口部の角度が、前記反射面に対して、どちらも平行か、もしくはそれぞれが逆の方向に傾いていることを特徴とするもので、超音波センサの放射面の位置によって、放射される超音波信号が経る被計測流体中の伝搬経路長が変化することを防ぎ、超音波センサの放射面の位置ごとの受信波形の位相が揃うことによって、受信波形が安定し、精度よく流量計測を行うことができる。

第４の発明は、特に、第１～３のいずれか１つの発明において、前記計測流路は、内部に金型のパーティングラインがついており、前記パーティングラインは、前記反射面から外れた位置にあることを特徴とするもので、超音波信号がパーティングラインで乱反射することを防ぎ、受信波形が安定し、精度よく流量計測を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成図、図２は本発明の実施の形態１における超音波流量計の計測流路の斜視図、図３は本発明の実施の形態１における超音波流量計の計測流路の要部断面図、図４は本発明の実施の形態１における超音波流量計の計測流路の金型挿入時の断面図を示すものである。

以下に、図１、図２を用いて、本実施の形態における超音波流量計の構成について説明する。

被計測流体を通す計測流路１は、断面が矩形の配管であり、超音波センサ２ａ，２ｂを固定する取付部３ａ，３ｂが形成されており、仕切板８によって多層に分割されており、計測流路１、取付部３ａ，３ｂ、仕切板８は一体に成型されている。なお、超音波センサ２ａ，２ｂが配置される側の計測流路１の内面を流路上面４、流路上面４に対抗する面を流路底面５、流路上面４と流路底面５の間に掛け渡された２つの面を側面１５，１６とする。

超音波センサ２ａ，２ｂの一方から送信された超音波信号が、流路底面５で反射して、他方の超音波センサまで伝搬する。そして、受信波形として得られた電圧が、所定の電圧に達するタイミングによって伝搬時間を計測しており、その伝搬時間から、流量演算手段７によって被計測流体の流量を算出する。

前述したように、超音波信号の反射面１２に対する超音波センサ２ａ，２ｂのなす角度が違う場合、超音波センサ２ａ，２ｂの放射面９ａ，９ｂ上の、仕切板８と平行な向きへ距離が離れた２つの点から放射される超音波信号は、伝搬経路の長さに差が生じることになる。受信波形は、放射面の全体から放射された超音波信号の合成波として受信されるので、位相の違う超音波信号が重なり合い、受信波形の位相が安定しなくなるだけでなく、振幅も小さくなり、ノイズの影響を受けやすくなる。これによって、流量計測の誤差の原因となる。

また、反射面１２と開口部６ａ、反射面１２と開口部６ｂの組み合わせのどちらかが平行ではなく、かつ、開口部６ａと開口部６ｂが平行であり、被計測流体の流量がある場合、超音波センサ２ａ，２ｂの放射面上の、仕切板８と平行な向きへ距離が離れた２つの点から放射される超音波信号は、伝搬経路上のうち、被計測流体の流れの影響を受ける距離が変わることになる。受信波形は、放射面の全体から放射された超音波信号の合成波として受信されるので、位相の違う超音波信号が重なり合い、受信波形の位相が安定しなくなるだけでなく、振幅も小さくなり、ノイズの影響を受けやすくなる。これによって、流量計測の誤差の原因となる。

また、超音波信号の反射面１２にパーティングライン１３がある場合、パーティングライン１３にできるバリによって、超音波信号が乱反射し、受信波形の形状が安定しなくなる。これによって、流量計測の誤差の原因となる。

本発明の実施の形態は、上記の従来例で説明した流量計測の誤差の原因となる形状を回避して一体成型が可能な計測流路を提供するものであり、以下、具体的な構成を説明する。

図３は、計測流路１の成型時に、流路入口１０及び流路出口１１の双方から金型を抜き、内部を成型した場合の流路断面を示しており、流路上面と流路下面に抜き勾配がつけられている。本特許では、特に仕切板８に垂直な面、即ち、流路上面４及び流路底面５の抜き勾配について扱う。なお、実際の金型の抜き勾配は０．３°程度であり、図では抜き勾配が視認できるように強調して図示している。

図４は、計測流路１とその内部を成型する金型のみを図示した断面図で、図に示すように流路入口１０から挿入される金型１４ａと流路出口１１から挿入される金型１４ｂは、成形時にパーティングライン１３で当接し、成形後、流路入口１０と流路出口１１からＤ１、Ｄ２方向に抜き出される。なお、パーティングライン１３は、超音波の反射面１２よりも下流側に設けている。

流路上面４には、流路入口１０側と、流路出口１１側に、中心線Ａに対して同一な角度αの抜き勾配がつけられており、超音波センサ２ａ，２ｂの超音波信号の伝搬経路長、伝搬経路における被計測流体中の伝搬経路の長さが、放射面の各位置で等しくなるようにしている。

流路底面５には、流路入口１０側に中心線Ａに対して角度β、流路出口１１側に中心線Ａに対して角度γの抜き勾配が付けられており、角度βと角度γは必ずしも同一である必
要はない。また、超音波センサ２ａ，２ｂの超音波信号の反射面１２には、抜き勾配をつけることを避けており、超音波センサ２ａ，２ｂの放射面となす角がどちらもθで同一となっている。

以上の構成により、計測流路１を一体成型する場合でも、超音波センサ２ａ，２ｂの超音波信号の伝搬経路長、伝搬経路における被計測流体中の伝搬経路の長さが、放射面９ａ、９ｂの各位置で等しくなり、更に、反射面１２上にも乱反射の原因となるパーティングラインがないので、受信波形が安定し、精度よく流量計測を行うことができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、本発明の実施の形態１で説明した図１と同様の構成を持ち、計測流路１の形状が本発明の実施の形態１と異なっている。

図５は、本発明の実施の形態２における超音波流量計の計測流路の断面図を示すもので、流路上面のみに抜き勾配がつけられている。

図６は、計測流路１とその内部を成型する金型のみを図示した断面図で、流路入口１０から挿入される金型１４ａと流路出口１１から挿入される金型１４ｂは、成形時にパーティングライン１３でと当接し、成形後、流路入口１０と流路出口１１からＤ１、Ｄ２方向に抜き出される。なお、パーティングライン１３は、超音波の反射面１２よりも上流側に設けることで、超音波信号の反射する領域（反射面１２）を避けている。

流路底面５は、金型１４ａ，１４ｂにより、中心線Ａに対して平行なひとつの平面を形成しており、超音波センサ２ａ，２ｂの放射面との角度が等しい。流路上面４には、流路入口１０側、流路出口１１側に中心線Ａに対して角度βの抜き勾配がついている。そして、金型１４ａ，１４ｂは、流路底面５に対して角度β／２だけ流路上面４側に傾いた方向Ｄ１，Ｄ２で抜かれる。

これによって、流路底面５上に、平面の反射面１２をより広く取ることができる。被計測流体が順流で流れている場合は、超音波信号の反射する位置が流路出口１１側にずれるが、パーティングライン１３が流路入口１０側にあるため、パーティングライン１３での超音波信号の乱反射の影響も受けにくくなる。これによって、より受信波形が安定し、精度よく流量計測を行うことができる。

なお、実際の抜き勾配は０．３°程度であり、図では抜き勾配が視認できるように強調して図示している。

以上の構成により、実施の形態１と同様に、計測流路１を一体成型する場合でも、超音波センサ２ａ，２ｂの超音波信号の伝搬経路長、伝搬経路における被計測流体中の伝搬経路の長さが、放射面の各位置で等しくなり、更に、反射面１２上にも乱反射の原因となるパーティングラインがないので、受信波形が安定し、精度よく流量計測を行うことができる。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、計測流路を一体成型することが可能となるので、従来発生していた部品のコストを削減しながら、超音波信号の位相が揃っていない状態で重なり合い、受信波形が不安定になることを防ぎ、精度よく流量計測を行うことができるので、ガスメータ等の用途にも適用できる。

１ 計測流路
２ａ，２ｂ 超音波センサ
３ａ，３ｂ 取付部
４ 流路上面（第１面）
５ 流路底面（第２面）
６ａ，６ｂ 開口部
７ 流量演算手段
９ａ，９ｂ 放射面
１０ 流路入口
１１ 流路出口
１２ 反射面
１３ パーティングライン
１４ａ、１４ｂ 金型
１５ 側面（第３面）
１６ 側面（第４面）

Claims (4)

1. 被計測流体が流れる流路断面が第１面と前記第１面に対向する第２面と前記第１面と第２面の間に掛け渡された第３面及び第４面からなる矩形の計測流路と、
   前記計測流路の上流と下流の前記第１面において前記計測流路に一体成型された取付部に固定的に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、
   前記超音波センサが超音波信号を送受信するために前記第１面に設けられた開口部と、
   前記超音波センサの一方から送信された超音波信号が、前記被計測流体を前記計測流路の前記第２面に少なくとも一回の反射を伴いながら伝搬して、他方の超音波センサが受信するまでの伝搬時間に基づいて、前記被計測流体の流量を検出する流量演算手段と、を備え、
   前記計測流路は、流路入口と流路出口のそれぞれから挿入されて互いの先端部が成型時に前記計測流路内で当接する金型を成型後に前記流路入口と前記流路出口から抜いて成型され、前記計測流路の内壁面には一体成型の為の金型の抜き勾配が設けられており、
   前記一対の超音波センサは、前記第２面の超音波信号の反射する反射面に対して、超音波信号の入射角がどちらも等しくなるように前記計測流路に固定された超音波流量計。
2. 前記計測流路は、前記流路入口もしくは前記流路出口から抜く金型の抜き方向が、前記反射面に対して傾いていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記第１面は、２つの前記開口部の角度が、前記反射面に対して、それぞれが逆の方向に傾いている、請求項１または２に記載の超音波流量計。
4. 前記計測流路は、内部に金型のパーティングラインがついており、前記パーティングラインは、前記反射面から外れた位置にあることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の超音波流量計。
   

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