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発明の名称 超音波流量計
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平9−21666
公開日 平成9年(1997)1月21日
出願番号 特願平7−169471
出願日 平成7年(1995)7月5日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】滝本 智之 (外1名)
発明者 黄地 謙三 / 長岡 行夫 / 名和 基之
要約 目的
超音波流量計の計測精度を高める。

構成
流路1と超音波伝搬路9との交差部分に、流路1に凹凸が発生しないように超音波透過膜11を設ける。流体は、流路1および超音波透過膜11に沿って流れるため、渦が淀み点などは発生しない。また、超音波は、薄い膜状の超音波透過膜11を効率よく透過するため、高精度な超音波流量計を構成できる。
特許請求の範囲
【請求項1】流体の流れる流路と、前記流路に斜交する超音波伝搬路と、前記流路と、前記超音波伝搬路との交叉部に超音波透過膜を備えてなる超音波流量計。
【請求項2】流体の流れる流路と、前記流路に斜交し導電性材料で形成された超音波伝搬路と、前記流路と前記超音波伝搬路との交叉部分に、導電性材料からなる超音波透過膜を備え、前記超音波伝搬路と前記超音波透過膜とを接地してなる超音波流量計。
【請求項3】内面に超音波透過膜を備えた流体の流れる流路と、前記流路に斜交する超音波伝搬路とからなる超音波流量計。
【請求項4】内面に超音波透過膜を備え粗面状の内壁を有する流体の流れる流路と、前記流路に斜交する超音波伝搬路とからなる超音波流量計。
【請求項5】流体の流れる流路と、前記流路に斜交する超音波伝搬路と、前記流路と、前記超音波伝搬路との交叉部分に第1のメッシュ状の超音波透過膜を備え、前記流路内の超音波伝搬路の上流側および下流側に前記第1のメッシュよりもより細かい第2のメッシュ状の超音波透過膜を備えてなる超音波流量計。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波を利用してガス・水などの流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来のこの種の超音波流量計は、図5に示すように、流路1の上流と下流とに一対の超音波振動子2と3とからなる超音波伝搬路4を流れの方向(図中に矢印で示す)に斜交して設け、かつ、流路1と超音波伝搬路4との交叉部で、流路1内を流れる流体が乱れ、渦が発生したり、淀み点が発生したりしないように、超音波伝搬路4内に、くさび型の超音波透過部材5、6とを設けていた(特開昭63−26537号公報参照)。
【0003】このような構成で、上流側の振動子2から流れの方向に超音波を発信し、この超音波を下流側の振動子3で受信し、振動子2から3への超音波の伝搬時間、Tdnを計測する。また、逆に下流側の振動子3から流れに逆らって超音波を発信し、この超音波を上流側の振動子2で受信し、振動子3から2への超音波の伝搬時間、Tupを計測する。この2つの伝搬時間から流路1を流れる流体の平均的な流速を演算し、あらかじめ解っている流路1の断面積、超音波伝搬路と流路との交叉角などから、流体の流量を検知していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来の超音波流量計では、バルク状のくさび型超音波透過部材5、6を用いていたため、超音波振動子2、3から送信された超音波は、バルク状の超音波透過部材5、6の入射面で反射したり、あるいは、バルク状の超音波透過部材5、6の入射面と出射面とが非対称であるため、屈折したりし、また、バルク状の超音波透過部材5、6の内部を超音波が伝搬する時に伝搬損失が発生するため、超音波の受信感度が低かったり、弱かったりし、伝搬時間計測時に誤差となって、計測流量値に誤差が含まれ、誤動作することがあった。
【0005】また、中空状のくさび型超音波透過部材5、6を用いるため、入射時、出射時と、二重に通過するため、伝搬損失が大きくなるなどのため、誤差が大きくなり、誤動作することがあった。また、送信された超音波が、流路1内で、流路の壁などで反射を繰り返し、いつまでも残響として残り、その残響波が受信子で受信され、誤動作することもあった。
【0006】本発明は上記課題を解決するもので、流体の流れを乱さないで、また、超音波の受信感度が大きくとれ、また、残響の少ない、高精度の流量計測ができる超音波流量計を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために本発明の超音波流量計は、以下の構成とした。
【0008】すなわち、流体の流れる流路と、前記流路に斜交する超音波伝搬路と、前記流路と、前記超音波伝搬路との交叉部に、超音波透過膜を備えてなる構成とした。
【0009】また、流体の流れる流路と、前記流路に斜交する導電性材料で形成された超音波伝搬路と、前記流路と、前記超音波伝搬路との交叉部分に、導電性材料からなる超音波透過膜を備え、前記超音波伝搬路と、前記超音波透過膜とを接地してなる構成とした。
【0010】また、内面に超音波透過膜を備えた流体の流れる流路と、前記流路に斜交する超音波伝搬路とからなる構成とした。
【0011】また、内面に超音波透過膜を備え、粗面状の内壁を有する流体の流れる流路と、前記流路に斜交する超音波伝搬路とからなる構成とした。
【0012】また、流体の流れる流路と、前記流路に斜交する超音波伝搬路と、前記流路と、前記超音波伝搬路との交叉部分に、第1のメッシュ状の超音波透過膜を備え、かつ、前記流路内の超音波伝搬路の上流側および下流側に、第2のメッシュ状の超音波透過膜を備えてなる構成とした。
【0013】
【作用】本発明は、流体が流れる流路と、超音波が伝搬する超音波伝搬路との交叉部に、用いる超音波の波長の十分の一以下の薄いメッシュ膜状の超音波透過膜を用いているため、超音波の透過率が大きく、また、メッシュ膜状であるため、超音波が屈折することもないため、超音波の受信感度が大きくとれる。また、交叉部にメッシュ膜状の超音波透過膜を用いているため、交叉部の凹凸による流体の流れの乱れもない。従って、高精度の流量計測ができる超音波流量計を提供することができる。
【0014】また、前記メッシュ状の超音波透過膜を導電性材料で構成し、接地することにより、電気的なシールド効果が得られ、送信側振動子が、発する電気的な雑音が受信側振動子で受信されない。
【0015】
【実施例】以下、本発明の第1の実施例を図面に基づいて説明する。
【0016】図1は、本発明の実施例を基づく超音波流量計7であり、流体の流れる流路8と、超音波振動子2、3とが形成する超音波伝搬路9とは斜めに交叉している。交叉角は約45度とした。なお、図中の矢印は、流体の流れる方向を示す。交叉部10に、厚膜印刷に用いるスクリーンメッシュ11を、流路8に突起部が出ないように形成した。流路8と超音波伝搬路9とは、ともに内径を、20mmのアクリル樹脂とした。従って、交叉部10に取り付けたスクリーンメッシュ11は、円筒面状とした。また、用いた超音波振動子2、3の周波数は、25〜500kHzであり、用いたスクリーンメッシュ11は、#8.6〜#350であった。このような構成の超音波流量計において、超音波の伝搬特性を評価したところ、メッシュ11を構成する線径が、用いる超音波の波長程度であると、大きく影響し、伝搬損失がやや大きかったが、線径が超音波の波長の(1/3)以下であると、超音波の透過率は、80%以上となった。
【0017】なお、スクリーンメッシュの空間率(単位面積あたりのは光の透過面積)は、メッシュ番号にかかわらず、ほぼ一定値を示し、約40%であった。超音波の透過率が、80%以上と大きくなったのは、スクリーンメッシュの厚さが、超音波の波長に比べ非常に薄いため、超音波が浸みだすために、超音波の透過率が、光のそれよりも大きくなったと考えられる。また、流路への影響を、流路内部に煙を導入し、目視で評価したところ、メッシュに用いる線径が流路径の(1/200)以下であれば、即ち、線径が、0.1mm以下であれば、流体中に渦の発生や、淀み点の発生など、流れへの影響は、ほとんど認められなかった。なお、スクリーンメッシュの材料は、ナイロンと、SUSとを用いたが、その差は認められなかった。この種の目的には、耐湿性、耐久性などの面から、SUSのほうが、適しているものと考えられる。
【0018】このように、流路径の約1/200以下の線径の円筒状のメッシュ11を、流路8と超音波伝搬路9との交叉部10に形成することにより、流路8を流れる流体には、交叉部10による渦や、淀み点がなく、滑らかな流れを与える。また、超音波の波長の1/3以下の線径のメッシュを用いることにより、反射も少なく、良好な超音波透過特性を与える。従って、高精度な超音波流量計が得られる。
【0019】なお、前記の説明において、流路8を円管状としたが、矩形状であっても、本発明とその効果は得られるものである。なお、矩形流路の方が、超音波透過膜としてのメッシュ膜の設置は、より容易に達成できる。
【0020】次に、電気的雑音のより少ない超音波流量計を説明する。図1において、超音波伝搬路9を形成する外装部12を金属などの導電性材料で構成するとともに、交叉部10に設けたメッシュ11をSUSなどの導電性材料で構成し、ともに接地することにより超音波振動子が電気的シールドボックス内に収納されることになり、電気的雑音が大幅に低減した。即ち、超音波振動子の送信側は、通常の場合高電圧、高周波のパルスで駆動される。従って、受信側に電磁波としての電気的雑音が入りやすく、計測回路が複雑になるなど、微少な流量を高精度に計測できる流量計は実現が困難であった。しかし、本発明のように、超音波振動子を電気的シールドボックス内に収納する構成をとることにより、低雑音が実現可能となり高精度な超音波流量計が実現できる。
【0021】図2は、本発明の第2の実施例による超音波流量計13を示す。円筒状のメッシュ14を、流路8と超音波伝搬路9との交叉部10を含む流路8内、全面にわたって挿入した。図1の11に示したように、流路8内に突起が出ないように注意する必要もなく、ただ単に円筒状のメッシュ14を挿入するだけでよく、位置合わせの必要もなく、簡単に超音波透過膜を構成することができた。なお、この場合も、円筒状のメッシュ14を導電性材料で構成し、図中Eで示すように接地することで電気的シールド効果が得られる。また、流路が矩形であれば、平面状の超音波透過膜としてのメッシュ状膜を、挿入するだけ良い。従って、簡単に構成できる。
【0022】図3は、本発明の第3の実施例による超音波流量計15を示す。なお、同図(b)は、同図(a)のM(丸印)の部分拡大図を示す。この実施例の構成は、図2と同様であるが、流路8の内壁面16を、用いる超音波の波長程度の面粗さとなるよう、サンドブラストで粗した。この構成にすると、超音波振動子2または3から送信された超音波は、円筒状のメッシュ14を透過し、流路8の内壁面16で反射するが、内壁面が波長程度の粗面であるため、効率よく散乱され、内壁面で反射する超音波は大幅に減衰する。したがって流路内に滞在する残響波は、非常に小さいものになり、超音波振動子3または2で受信される残響波は、受信感度は非常に小さい。従って、残響波の少ない、高精度な超音波流量計が構成できる。
【0023】なお、内壁面の面粗さの、流路8を流れる流体への影響は、前面に円筒状のメッシュ膜14があるため全く無い。なお、内壁面16を粗すかわりに、フェルトなどの吸音材で覆っても同様の効果が得られる。
【0024】図4は、本発明の第4の実施例による超音波流量計を示す。この実施例の構成は、図1と同様であるが、流路8内の、流路8と超音波伝搬路9との交叉部10の上流側および下流側に、超音波透過膜11として設けたメッシュ膜よりも、より細かい第2のメッシュ膜17を設置した。すなわち、交叉部10に例えば超音波透過膜11として、#250メッシュを用いたとすると、第2のメッシュ17として#350メッシュを用いる。この構成により、第2のメッシュが、防塵、防滴の機能を果たし、超音波透過膜11の耐久性が大幅に向上する。即ち、第2のメッシュ17を透過した、塵芥などは、より粗いメッシュで構成される第1のメッシュ11に捕らえられることなく流出するためである。
【0025】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明の流量計測装置によれば次の効果が得られる。
【0026】(1)流体の流れる流路と、前記流路に斜交する超音波伝搬路と、前記流路と、前記超音波伝搬路との交叉部に、厚さの薄い超音波透過膜を備えた構成なので、流路を流れる流体には、交叉部の凹凸による流れの乱れがなくなる。また、超音波の透過特性もよいので、高精度な超音波流量計が得られる。
【0027】(2)流体の流れる流路と、前記流路に斜交する導電性材料で形成された超音波伝搬路と、前記流路と、前記超音波伝搬路との交叉部分に、導電性材料からなる超音波透過膜を備え、前記超音波伝搬路と、前記超音波透過膜とを接地してなる構成なので、電気的なシールド効果が得られ、電磁波雑音に強くなり、高精度な超音波流量計が得られる。
【0028】(3)内面に超音波透過膜を備えた流体の流れる流路と、前記流路に斜交する超音波伝搬路とからなる構成なので、簡単に設置することができる。また、流体は内面に設けられた超音波透過膜に沿って流れるため、流路と超音波伝搬路との交叉部の凹凸よる乱れもなく流れる。また、超音波は内面に設けられた超音波透過膜を効率よく透過するため、高精度な超音波流量計が得られる。
【0029】(4)内面に超音波透過膜を備え、粗面状の内壁を有する流体の流れる流路と、前記流路に斜交する超音波伝搬路とからなる構成なので、振動子から送信された超音波は、流路内面の超音波透過膜を透過し、流路内壁面で反射するが、その際内壁面が、粗面状であるため、効率よく散乱される。また、流路を流れる流体は、流路内面に設けられた超音波透過膜に沿って流れるため、流路と超音波伝搬路との交叉部の凹凸よる乱れもなく流れる。従って、高精度な超音波流量計が得られる。
【0030】(5)流体の流れる流路と、前記流路に斜交する超音波伝搬路と、前記流路と、前記超音波伝搬路との交叉部分に、第1のメッシュ状の超音波透過膜を備え、かつ、前記流路内の超音波伝搬路の上流側および下流側に、第1のメッシュよりも、より細かい第2のメッシュ状の超音波透過膜を備えた構成なので、流体中に浮遊する塵芥、水滴などがあっても、流路内に設けられた、細かいメッシュからなる第2のメッシュで除去される。また、第2のメッシュを通過した、流体中に浮遊する塵芥、水滴などは、より目の粗い第1のメッシュで、捕獲されることがない。
【0031】従って、超音波透過膜として作用する第1のメッシュの耐塵芥性、防滴性などの耐久性に優れたものとなり、高精度な超音波流量計が得られる。




 

 


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