(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状流路と、該環状流路内に設けられた１つの超音波センサと、前記環状流路に接続された流入流路および流出流路とを備えてなり、
前記超音波センサは、互いに対向する２つの面を有し、該２つの面のいずれにおいても対向する面の方向とは逆方向に対する送信および受信が可能なように構成されているとともに、前記２つの面で送受信する超音波がいずれも前記環状流路の経路方向のベクトルを有するように配置されていることを特徴とする超音波式流量計。
【請求項２】
前記超音波センサが、前記環状流路を遮断することを特徴とする、請求項１に記載の超音波式流量計。
【請求項３】
前記超音波センサは、一方向に送受信可能な２つの超音波センサ素子を背中合わせに貼り合わせてなることを特徴とする、請求項１または２に記載の超音波式流量計。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波式流量計を備えたことを特徴とするガスメータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波式流量計およびそれを用いたガスメータ、特に超音波センサを用いてガスや液体などの流量を計測する超音波式流量計およびそれを用いたガスメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８に、従来の超音波式流量計を示す。図８において、超音波式流量計１は、流体管２と、流体管２の側壁に設けられた超音波センサ３および４から構成されている。ここで、２つの超音波センサ３および４は、互いに対向するとともに、その方向を流体管２の内部の流路に直交する方向に対して一定角度だけ傾けて配置されている。なお、超音波センサ３および４は、超音波の放射と受信の両方の機能を有するものとする。
【０００３】
このように構成された超音波式流量計１において、流体管２にガスＧが一定の速度で流れているとする。この場合、超音波センサ３はガスＧの上流側、超音波センサ４はガスＧの下流側に位置することになる。
【０００４】
ここで、超音波センサ３および４から同時にパルス状の超音波ＡおよびＢを発生させ、超音波センサ４および３でそれぞれ受信する。超音波センサ３から超音波センサ４への超音波Ａは、ガスＧの上流から下流へ向かう方向になるため、その到達時間Ｔａは、逆の方向になる超音波センサ４から超音波センサ３への超音波Ｂの到達時間Ｔｂより短くなる。そして、この到達時間の差はガスＧの流速に比例する。
【０００５】
したがって、超音波ＡおよびＢの到達時間の差を検出することによってガスＧの流速を計測することができる。さらに、流体管２の断面積が既知であれば、ガスＧの流速から流量を計測することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の超音波式流量計１においては、２つの超音波センサを必要とするため、超音波式流量計の低価格化を妨げる原因となっていた。また、２つの超音波センサの特性ばらつきが流量計の測定精度を劣化させる原因になるため、超音波センサのばらつきの管理が必要という問題もあった。さらに、超音波センサのばらつきを抑えるための選別なども、低価格化を妨げる原因となっていた。
【０００７】
そこで、本発明では、超音波センサのばらつきに起因する問題を無くすことができ、低価格化を実現できる超音波式流量計およびそれを用いたガスメータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の超音波式流量計は、環状流路と、該環状流路内に設けられた１つの超音波センサと、前記環状流路に接続された流入流路および流出流路とを備えてなり、前記超音波センサは、互いに対向する２つの面を有し、該２つの面のいずれにおいても対向する面の方向とは逆方向に対する送信および受信が可能なように構成されているとともに、前記２つの面で送受信する超音波がいずれも前記環状流路の経路方向のベクトルを有するように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の超音波式流量計は、前記超音波センサが、前記環状流路を遮断することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の超音波式流量計は、前記超音波センサが、一方向に送受信可能な２つの超音波センサ素子を背中合わせに貼り合わせてなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のガスメータは、上記の超音波式流量計を備えたことを特徴とする。
【００１２】
このように構成することにより、本発明の超音波式流量計およびそれを用いたガスメータは、低価格化を実現することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の超音波式流量計の一実施例を示す。図１は、超音波式流量計の断面図を示している。
【００１４】
図１において、超音波式流量計１０は、流体管１１と遮蔽板１２と超音波センサ１４と接続管１５および１７から構成されている。ここで、流体管１１の内部には遮蔽板１２が設けられることによって流体が一周することのできる環状流路１３が形成されている。流体管１１には互いに離れた２カ所に２つの接続管１５および１７が接続されており、その結果として、環状流路の２カ所にそれぞれ接続して流入流路１６および流出流路１８が設けられていることになる。なお、流入流路１６は接続管１５に、流出流路１８は接続管１７に形成されている。また、超音波センサ１４は対向する２面で送受信の可能な超音波センサで、超音波センサ１４の送受信する超音波が、環状流路１３の経路方向のベクトルを有するように環状流路１３の一部に配置されている。このように超音波センサ１４を配置することによって、超音波センサから放射された超音波を、環状流路１３の経路方向に伝達させることができる。なお、図１に示した超音波式流量計１０においては、超音波センサ１４の送受信する超音波のベクトルは、環状流路１３の経路方向にほぼに一致している。
【００１５】
このように構成された超音波式流量計１０において、流入流路１６を通して環状流路１３にガスＧを流入させると、ガスＧは環状流路１３内に充満し、さらに、流出流路１８から流出する。そして、ガスＧが流入流路１６から流れ込み続けている状態においては、流入流路１６から流入し、環状流路１３を経由して、流出流路１８から流出するガスＧの流れができる。特に、超音波センサ１４が環状流路１３の一部を遮るように配置されている場合、流入流路１６から環状流路１３の超音波センサ１４で遮られていない経路を通って流出流路１８から流出するガスＧの流れが流れの主体となり、環状流路１３の中の超音波センサ１４の配置されている位置を流れるガス流は少なくなる。
【００１６】
ここで、超音波センサ１４の対向する２面からパルス状の超音波を放射すると、放射された超音波ＣおよびＤは環状流路１３をそれぞれ逆方向に進み、環状流路１３を一周して、それぞれ超音波センサ１４の超音波ＤおよびＣを出力した面に到達する。そして、超音波センサ１５をパルス状の超音波を放射した後で受信状態にしておくことによって、超音波ＣとＤは超音波センサ１４で受信される。
【００１７】
このとき、環状流路１３の一部には超音波Ｃの進行方向と同じ方向へ向かうガスＧの流れが存在する。そのため、環状流路１３の一部においては、超音波Ｃの速度の方が超音波Ｄの速度より速くなる。なお、環状流路１３内のガスの流れが存在しない部分においては超音波ＣとＤの速度は等しい。
【００１８】
その結果、同時に超音波センサ１４から放射された超音波ＣとＤのうち、超音波Ｃの方が超音波Ｄより早く超音波センサ１４に到達し、受信される。そして、この超音波Ｃと超音波Ｄの受信時間のズレが環状流路１３を流れるガスＧの流速に比例する。したがって、超音波ＣおよびＤの到達時間の差を検出することによってガスＧの流速、ひいてはガスＧの流量を計測することができる。
【００１９】
図２に、超音波センサ１４から超音波として送信される信号と受信される信号の時間変化を示す。図２において、（ａ）は送信した信号を、（ｂ）は受信した信号を示している。
【００２０】
図２に示すように、まず単発のパルス状の信号Ｓｔが送信される。信号Ｓｔは超音波センサ１４の両面からそれぞれ超音波ＣおよびＤとなって放射され、環状流路１３を経由し、再び超音波センサ１４で受信される。このとき、先に超音波センサ１４に到達した超音波Ｃは信号Ｓｃとして受信され、後で超音波センサ１４に到達した超音波Ｄは信号Ｓｄとして受信される。信号ＳｃとＳｄの間には時間差Ｄｔが存在する。上述のように、この時間差ＤｔがガスＧの流速に比例するため、これを検出することによってガスＧの流速や流量を計測することができる。
【００２１】
なお、超音波式流量計１０において、接続管１７の内部が流入流路となり、接続管１５の内部が流出流路となって、ガスＧが接続管１７から接続管１５の方に流れる場合には、超音波Ｄの方が超音波Ｃより先に超音波センサ１４に到達して受信されるために、信号ＳｄとＳｃが入れ替わる。そして、この場合にも同様にガスＧの流速や流量を計測することができる。
【００２２】
上記の実施例においては、パルス状の超音波を放射する方式について説明したが、超音波センサから放射される超音波としては、いくつかの波をまとめて出力するバースト状の超音波であっても構わない。図３に、超音波センサ１４からバースト状の超音波を放射した場合の、環状流路１３をガスＧの流れと同じ方向に伝搬する超音波Ｅの受信信号Ｓｅ、および環状流路１３をガスＧの流れと逆の方向に伝搬する超音波Ｆの受信信号Ｓｆ、および両者を合成して、実際に超音波センサ１４で受信して出力される出力信号Ｓｇの波形を示す。ここで、図３（ａ）はガスＧの流速がゼロの場合を、図３（ｂ）はガスＧが一定の流速で流れている場合を、図３（ｃ）はガスＧの流速がさらに速い場合を示している。なお、図３において、横軸は時間を、縦軸は信号の振幅を表している。
【００２３】
まず、図３（ａ）に示すように、ガスＧが流れていないときは受信信号ＳｅとＳｆの位相は完全に一致する。そのために、両者を合成した出力信号Ｓｇの振幅は大きくなる。
【００２４】
次に、図３（ｂ）に示すように、ガスＧが一定の流速で流れている場合には、受信信号Ｓｅの方が早く受信が始まり、受信信号Ｓｆの方は遅く受信が始まっているために、受信信号Ｓｅと受信信号Ｓｆの間に位相のズレが生じる。そのため、両者を合成した出力信号Ｓｇの振幅は、互いに相殺し合う部分があるために、ガスＧが流れていないときに比べて小さくなる。
【００２５】
さらに、図３（ｃ）に示すように、ガスＧがさらに速く流れている場合には、受信信号Ｓｅと受信信号Ｓｆの位相にさらに大きなズレが生じ、特にそのズレが信号周期の１／２になる場合がある。この場合には、両者を合成した信号はほとんどが互いに相殺されてしまい、出力信号Ｓｇの振幅はわずかなものになる。
【００２６】
このように、超音波センサ１４による受信信号の時間差だけではなく、超音波センサ１４から出力され受信される信号の振幅によってもガスＧの流速を検出することができる。
【００２７】
以上説明したように、本発明の超音波式流量計１０においては、１つの超音波センサを使って流量の測定が可能となり、２つの超音波センサを用いる方式に比べて低価格化を実現することができる。また、１つの超音波センサを使用するだけであるために、超音波センサの特性ばらつきを考慮して調整を行う必要がなく、この点においても超音波式流量計の低価格化を実現することができる。
【００２８】
図４に、本発明の超音波式流量計の別の実施例を示す。図４において、図１と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。
【００２９】
図４において、超音波式流量計２０は、略矩形状の流体管２１を有し、流体管２１の内部に遮蔽板１２が設けられることによって環状流路２２が形成されている。また、環状流路２２の一部には、対向する２面で送受信の可能な超音波センサ２３が、環状流路２２を完全に遮断する形で配置されている。ここで、超音波センサ２３は、その送受信する超音波が、環状流路２２の経路方向に対して約４５度の角度を持つように配置されている。
【００３０】
このように構成された超音波式流量計２０において、環状流路２２の一部が超音波センサ２２で完全に遮断されているために、流入流路１６から流入したガスＧは、その全てが環状流路２２の超音波センサ２３で遮られていない経路を通って流出流路１８から流出する。
【００３１】
ここで、超音波センサ２３の対向する２面からパルス状の超音波を放射すると、放射された超音波ＨおよびＩは環状流路２２の中を、流体管２１の内壁面と遮蔽板１２で反射しながらそれぞれ逆方向に進み、環状流路２２を一周して、それぞれ超音波センサ２３の超音波ＩおよびＨを出力した面に到達し、受信される。
【００３２】
この場合も、超音波式流量計１０の場合と同様に、超音波ＨとＩの到達時間の差からガスＧの流量を計測することができる。
【００３３】
このように、超音波センサ２３の送受信する超音波のベクトルが、環状流路２２の経路方向に完全に一致していなくても、環状流路２２の経路方向のベクトルを少しでも有するようになっていれば、超音波は環状流路２２を一周することができ、超音波の到達時間の差から流量の計測が可能となるものである。
【００３４】
また、超音波式流量計２０においては、超音波センサ２３が環状流路２２の一部を完全に遮断しているために、ガスＧの流れが一方向にしか生じず、ガスＧの流量を高い精度で測定できるものである。
【００３５】
なお、超音波式流量計１０および２０においては、流体管の中に遮蔽板を設けることによって環状流路を実現していたが、これに限るものではなく、例えば流体管をドーナツ状に形成してなるものでも構わないものである。
【００３６】
また、超音波式流量計１０および２０においては、ガスの流量を計測する場合について説明したが、流体であればガスの流量に限るものではなく液体や粉体などの流量であっても同様に計測することができるものである。
【００３７】
ところで、図１に示した超音波式流量計１０や図４に示した超音波式流量計２０においては、対向する２面で送受信の可能な超音波センサ１４あるいは２３を用いている。そこで、図５に、このような超音波センサの具体的な構成を示す。
【００３８】
図５において、超音波センサ３０は、圧電体３１と、圧電体３１の対向する２面にそれぞれ設けられた音響整合層３２および３３から構成されている。ここで、圧電体３１は対向する２つの面の方向に分極されている。図５においては、分極方向を矢印Ｐで示している。
【００３９】
このように構成された超音波センサ３０においては、圧電体３１に電気信号を印加すると、圧電体３１から見て音響整合層３２および３３を設けた２つの方向、すなわち図５において互いに逆方向となるＸおよびＹの方向に超音波が放射される。受信の場合も同様で、音響整合層３２および３３の設けられた方向から来た超音波を受信することになる。このようにして対向する２面で送受信の可能な超音波センサ３０が実現できる。
【００４０】
なお、対向する２面で送受信の可能な超音波センサは、図５に示した超音波センサ３０に限るものではない。図６に、同様の機能を持つ別の超音波センサの具体的な構成を示す。
【００４１】
図６において、超音波センサ４０は、圧電体４１の１つの面に音響整合層４２を設けた超音波センサ素子と、圧電体４３の１つの面に音響整合層４４を設けた超音波センサ素子を、弾性体４５を介して背中合わせに、すなわち音響整合層の設けられていない面同士を貼り合わせて構成している。
【００４２】
このように構成された超音波センサ４０においては、２つの超音波センサ素子からはそれぞれ音響整合層４２または４４の設けられたＸおよびＹの方向に超音波が放射され、同じくそれぞれ音響整合層４２または４４の設けられたＸおよびＹの方向から来た超音波が受信される。このようにして対向する２面で送受信の可能な超音波センサ４０が実現できる。
【００４３】
なお、図６に示した超音波センサ４０においては、圧電体に音響整合層を設けているが、比較的低周波の超音波に対応する超音波センサでは音響整合層は必ずしも必要なものではなく、音響整合層の代わりに例えば振動板を設けても構わないものである。
【００４４】
図７に、本発明のガスメータの一実施例を示す。図７において、ガスメータ５０は、配管５１の途中に設けられた本発明の超音波式流量計１０と、超音波式流量計１０に接続された駆動検出部５２と、駆動検出部５２に接続された流量演算部５３と、流量演算部５３に接続された表示部５４を備えている。
【００４５】
このように構成されたガスメータ５０において、超音波式流量計１０は配管５１を流れるガスの流量に対応した信号を出力する。駆動検出部５２は超音波式流量計１０から出力された信号を検出し、流量演算部５３に出力する。流量演算部５３は時間の経過にしたがって流量を積算し、表示部５４を使って表示する。
【００４６】
ガスメータ５０においては、本発明の超音波式流量計１０を用いているために、流量測定の精度が高くなり、しかも低価格化が実現できる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の超音波式流量計によれば、環状流路の一部に対向する２面で送受信可能な超音波センサと流入流路および流出流路とを備えるとともに、超音波センサの送受信する超音波が、環状流路の経路方向のベクトルを有するように設定することによって、超音波センサを１つ使うだけで超音波式流量計を実現することができ、超音波式流量計の低価格化を実現することができる。
【００４８】
また、超音波センサが環状流路の一部を遮断して設けられることによって、流量測定の精度を向上させることができる。
【００４９】
また、本発明のガスメータによれば、本発明の超音波式流量計を用いることによって、高い流量測定精度と低価格化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波式流量計の一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の超音波式流量計において、送信および受信される信号の時間変化を示す波形図である。
【図３】本発明の超音波式流量計において、送信および受信される別の信号の時間変化を示す波形図である。
【図４】本発明の超音波式流量計の別の実施例を示す断面図である。
【図５】本発明の超音波式流量計に用いる超音波センサの例を示す側面図である。
【図６】本発明の超音波式流量計に用いる超音波センサの別の例を示す側面図である。
【図７】本発明のガスメータの一実施例を示すブロック図である。
【図８】従来の超音波式流量計を示す断面図である。
【符号の説明】
１０、２０…超音波式流量計
１１、２１…流体管
１２…遮蔽板
１３、２２…環状流路
１４、２３、３０、４０…超音波センサ
１５、１７…接続管
１６…流入流路
１８…流出流路
５０…ガスメータ
Ｇ…ガス
Ｃ、Ｄ…超音波
【図１】
0003570315.tif 000002
【図２】
0003570315.tif 000003
【図３】
0003570315.tif 000004
【図４】
0003570315.tif 000005
【図５】
0003570315.tif 000006
【図６】
0003570315.tif 000007
【図７】
0003570315.tif 000008
【図８】
0003570315.tif 000009