(57)【要約】【課題】流体中に空間が存在したときの計測誤差を低減する。【解決手段】流路用管体１１の直管部を挟んだ上流側と下流側の対向位置には、一対の超音波送受波器１２ａ、１２ｂが取り付けられている。また、流路用管体１１の光透過管である直管部の管軸を挟んで対向する外壁には、流体中に存在する空間を検知するための発光器１３ａ、受光器１３ｂから成る空間検知手段が取り付けられている。そして、超音波送受波器１２ａ、１２ｂ、発光器１３ａ、受光器１３ｂは演算制御手段１４に接続され、この演算制御手段１４の出力は表示手段１５に接続されている。  空間検知手段によって空間の存在が検知されている時間は、空間検知手段の光透過経路を空間が通過している時間であり、演算制御手段１４は空間に相当するこの時間分の大きさを流量値から差し引いて正確な流量値を演算し、表示手段１５で正確な流量値を表示する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路用管体の流体の流れ方向の上流側と下流側に対向して取り付けた一対の超音波送受波器において、これらの超音波送受波器により超音波ビームの発信、受信を交互に繰り返し、前記流路用管体内を流れる流体の流速により前記流体中を伝播する前記超音波ビームに生ずる伝播時間差を基に、前記流路用管体内の流量値を測定する超音波流量計であって、前記管体内を前記流体と共に通過する空間を検知する空間検知手段を前記管体に設置したことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記空間検知手段で得た前記空間の情報に基づいて、前記流量値を補正することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記空間検知手段は信号送信器と信号受信器とから成り、前記信号送信器と前記信号受信器は前記流路用管体を挟んで対向する位置となる前記流路用管体の外壁に設置し、前記信号送信器から送信した信号が前記管体中を透過し前記信号受信器で受信することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記空間検知手段は信号送信器と信号受信器とから成り、前記信号送信器と前記信号受信器は前記流路用管体の外壁の同じ側に設置し、前記信号送信器から送信した信号が前記管体中を通過し、前記管体の内壁で反射して戻ってくる位置で前記信号受信器により受信することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記流路用管体を光透過管とし、前記信号送信器は発光器、前記信号受信器は受光器とし、該受光器で受光した受光量を光電変換することによって前記空間の存在を検知することを特徴とする請求項３又は４に記載の超音波流量計。
【請求項６】
流体の光屈折率により、前記発光器から発光した光が流体内に前記空間が存在しないときに前記受光器で受光し、流体内に前記空間が存在するときに受光しなくなるように、前記発光器及び前記受光器を設置したことを特徴とする請求項５に記載の超音波流量計。
【請求項７】
流体の光屈折率により、前記発光器から発光した光が流体内に前記空間が存在するときに前記受光器で受光し、流体内に前記空間が存在しないときに受光しなくなるように、前記発光器及び前記受光器を設置したことを特徴とする請求項５に記載の超音波流量計。
【請求項８】
前記発光器から発光する光を変調したことを特徴とする請求項５〜７の何れか１つの請求項に記載の超音波流量計。
【請求項９】
前記信号送信器及び信号受信器は超音波送受波器であることを特徴とする請求項３又は４に記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体中の空間を検知する空間検知手段を備えた超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、流路用管体の内径が小さい時間差方式の超音波流量計においては、図９に示すようなコ字型の流路用管体１の直管部の両側の対向する位置に超音波送受波器２、３を設置している。これらの超音波送受波器２、３間で交互に超音波ビームＢを発信、受信して、上流側から下流側への超音波ビームＢの伝播と、下流側から上流側への超音波ビームＢの伝播により生ずる時間差から、管体１内を流れる流体の流速及び流量を求めている。
【０００３】
また、流体内に混入した気泡を検出する手段を備えた超音波流量計としては、例えば特許文献１〜３が知られている。しかし、これらの特許文献で対象としているのは、流体中に混在する微小な気泡であり、このような気泡は計測誤差をもたらすことがあっても、流量計測を不能とするものではない。また、そのための専用の気泡検出器を備えることなく、流量計測のための超音波ビームの受信信号中から気泡情報を得ている。
【０００４】
しかし、従来の超音波流量計においては、例えば管体１の内径が数ｍｍのような小径の場合に、管壁に付着した気泡が時々剥れて管体１を塞ぐ程度の大きさの空間Ａとなって、流体と共に管体１中を通過することがある。このような空間Ａが超音波ビームＢの伝播経路に存在すると、超音波送受波器２、３間における超音波ビームＢの伝播ができなくなり流量計測が不能となる。
【０００５】
具体的には、時間ｔ１に空間Ａが管体１の直管部の入口Ｓ１の位置に達すると、超音波ビームＢは伝播されなくなるため流量計測が不能となる。空間Ａが直管部の出口Ｓ２に移動する時間ｔ２までの間は、超音波ビームＢの伝播は空間Ａにより遮断されるため計測不能であり、空間Ａが位置Ｓ２を通過すると、再び超音波ビームＢが伝播が可能となり計測を再開できる。従って、空間Ａにより測定が不能になった時間においては正常に伝播されたときのデータを利用して流量を補間している。
【０００６】
つまり、従来の超音波流量計においては、超音波ビームの伝播不能により測定値が得られない場合の計測値については、やむなく直前と直後の瞬時流量値を平均化する技術が採用されている。
【０００７】
図１０はこの場合の瞬時流量値を示したグラフ図である。Ｓ１〜Ｓ２間を空間Ａが通過する時間ｔ１〜ｔ２は超音波ビームＢが伝播されなかった時間であり、この時間ｔ１〜ｔ２では前段の流量値により補間をする。
【０００８】
例えば、流量１００ｍｌ／分で流れる流体中に５ｍｌの空間Ａが存在している場合に、正常に超音波ビームが伝播されたときのデータを用いて計測不能時の補間を行うと、１分間に流れた流量は１００ｍｌ／分と計算される。しかし、実際には１分間に流れた流量は、１００ｍｌから空間Ａの５ｍｌを除いた９５ｍｌであり、５ｍｌ分の誤差が生じている。
【０００９】
流量を正確に求めるためには、空間Ａの大きさを推測しなければならないが、この時間ｔ１〜ｔ２をもって空間Ａの大きさを求めることは困難である。何故なら、この空間Ａの形状や大きさは一定でなく、例えば図１１に示すような複数の空間Ａが混在する場合や、図１２に示すように長さが大きい空間Ａ’が流れる場合がある。これらの場合に、時間ｔ１〜ｔ２で超音波ビームＢが伝播されなかったからといって、一率に空間の大きさを推定してその量を差し引いて流量とすることはできない。
【００１０】
このように、従来の超音波流量計においては、空間が流体中に存在すると、空間の大きさ等を検知して、正確な瞬時流量及び積算流量が計測することができない。
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−２８１０３２号公報
【特許文献２】特開２００５−１８１２６８号公報
【特許文献３】特開２００６−３３７３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、空間の大きさを検知して、流体中に空間が存在したときの計測誤差を低減することが可能な超音波流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するための本発明に係る超音波流量計の技術的特徴は、流路用管体の流体の流れ方向の上流側と下流側に対向して取り付けた一対の超音波送受波器において、これらの超音波送受波器により超音波ビームの発信、受信を交互に繰り返し、前記流路用管体内を流れる流体の流速により前記流体中を伝播する前記超音波ビームに生ずる伝播時間差を基に、前記流路用管体内の流量値を測定する超音波流量計であって、前記管体内を前記流体と共に通過する空間を検知する空間検知手段を前記管体に設置したことにある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る超音波流量計によれば、流体中に空間が存在したときにもその空間の大きさを検知して流量を正確に計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を図１〜図７に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は実施例１における超音波流量計の構成図を示しており、流路用管体１１はコ字型形状から成り、中間の直管部を挟んだ上流側と下流側の外壁の対向位置には、一対の超音波送受波器１２ａ、１２ｂが取り付けられている。流路用管体１１の光透過管である直管部の管軸を挟んで対向する位置には、流体中に存在する空間を検知するための発光器１３ａ、受光器１３ｂから成る空間検知手段が取り付けられている。そして、超音波送受波器１２ａ、１２ｂ、発光器１３ａ、受光器１３ｂは演算制御手段１４に接続され、この演算制御手段１４の出力は表示手段１５に接続されている。
【００１７】
流量測定に際しては、超音波送受波器１２ａ、１２ｂにおいて、交互に超音波ビームＢを繰り返して発信かつ受信し、超音波ビームＢが上流側から下流側に到達するまでの時間と、下流側から上流側に到達する時間の流速による伝播時間差を演算制御手段１４で測定する。この伝播時間差により、演算制御手段１４において公知の方法により流量値を算出し、表示手段１５に表示する。
【００１８】
空間検知手段の信号送信器である発光器１３ａには、例えばＧａＡｌＡｓやＧａＡｓ等から成る赤外線ＬＥＤ等が用いられる。信号受信器である受光器１３ｂにはフォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトＩＣ等が使用され、受光器１３ｂでは光を検知すると光量に比例した電流が得られる。発光器１３ａから発光された光が光透過管から成る流路用管体１１内に入り、流体中を横切り、受光器１３ｂに到達する際に、流体中を透過し流体により減衰した場合の光量と、空間中を透過した場合の光量が異なるため、空間の存在を検知することができる。
【００１９】
即ち、空間検知手段によって空間の存在が検知されている時間は、空間検知手段の光透過経路を空間が通過している時間であり、演算制御手段１４は空間に相当するこの時間分の大きさを流量値から差し引いて正確な流量値を演算し、表示手段１５で正確な流量値或いは更に警報を表示する。
【００２０】
図２はこの流体中に空間Ａが存在する場合の説明図、図３は空間Ａが移動したときの瞬時流量値、空間の検知の有無、積算流量値を示している。空間ＡがＳ１で示される位置に達したとき、超音波ビームＢは伝播されなくなるため計測不能となる。
【００２１】
空間Ａが位置Ｓ１における時間ｔ１から空間検知手段に達する時間ｔａまでは直前の流量値によって流量が補間される。時間ｔａに達すると、空間検知手段により空間Ａが検知されるため、そのときの流量値を０とする。
【００２２】
空間Ａが空間検知手段の検知範囲を通過し終った時間ｔｂから超音波送受波器１２ｂの直前に至る時間ｔ２までの時間には、空間検知手段によって空間Ａは検知されていないが、超音波ビームＢは伝播されない。この間の時間ｔｂ〜ｔ２も時間ｔ１〜ｔａと同様に、空間Ａが位置Ｓ１に至る前の流量値、或いは位置Ｓ２を通過した後の流量値を用いて補間する。
【００２３】
このようにすることにより、空間Ａが検知されているときの流量分を０とすることにより、流量の積算が正確となる。
【００２４】
しかし、この補間方法は空間Ａの大きさが管体１１の内径とほぼ同じ大きさの空間Ａが存在する場合において有効であるが、空間Ａの大きさが例えば気泡のように小さい場合には、空間Ａが存在しても超音波ビームＢが伝播されることがある。
【００２５】
この場合は、予め実験で空間検知手段によって検知される空間の大きさと、そのときの空間検知手段の発信強度、受信強度の関係を求めておき、記憶装置に記憶させて演算回路１４により演算すればよい。
【００２６】
つまり、超音波ビームＢが正常に伝播されているにも拘わらず、空間検知手段によって空間Ａが検知されたときは、記憶装置によって空間検知手段の受信強度から空間の大きさを求め、その大きさを差し引くことにより正確な流量値を算出することができる。
【実施例２】
【００２７】
図４は実施例２の空間検知手段を示し、発光器１３ａ、受光器１３ｂは管体１１の同じ側に配置され、発光器１３ａからの光は管体１１の内壁で反射して受光器１３ｂに戻るようにされている。この場合の管体１１内の反射面は反射ミラー等とするか、或いは光束が全反射をするような角度で反射面に対し入射するようにすればよい。
【００２８】
実施例１、２の光電変換による空間検知手段は、流体の光透過度が低いスラリ液等で有効である。しかし、流体が光透過度の高い水のような場合には、空間Ａが混在するときとしないときの光量差が小さいため、図１或いは図４のように光束を透過させてその減衰量を求める方式では検知が困難なため、光の屈折利用が考えられる。
【実施例３】
【００２９】
例えば、図５に示す実施例３においては、空間が存在していないときには発光器１３ａから光が流体の光屈折率により受光器１３ｂに到達しないようにして、空間が存在した際には光は直進して受光器１３ｂに到達するような構成とされている。逆に、空間が存在するときに光量が得られ、存在しないときに光が到達できないような構成とすることができる。
【００３０】
これによって、空間が存在するときとしないときの受光量に大きな差が生ずるため、空間検知が確実に行われる。
【実施例４】
【００３１】
図６は実施例４の構成を示し、発光器１３ａ、受光器１３ｂとを管体１１の同じ側に配置し、流体の光屈折率による空間が存在するときに発光器１３ａからの光は管体１１内で反射して受光器１３ｂに戻るような構成とされており、空間の検知については図５の場合と同様である。
【実施例５】
【００３２】
図７は実施例５の管体１１の断面方向から見た発光器１３ａと受光器１３ｂの配置を示し、管体１１の外周上の設置位置によって、先の実施例と同様の効果を生ずる構成とされている。
【００３３】
つまり、発光器１３ａと受光器１３ｂは、管体１１の周囲の管軸方向の同一位置に配置され、流体の光屈折率を利用して空間を検知するようにされている。この場合においても、図６のように反射方式とすることもできる。
【００３４】
図８は各実施例における動作フローチャート図である。超音波送受波器１２ａ、１２ｂ間で超音波ビームＢが伝播しているかを検知する（ステップＳ１）。
【００３５】
超音波ビームＢが伝播している場合には、空間検知手段により空間の存在を検知する（ステップＳ２）。空間が検知されなければ、超音波ビームＢによる流量計測を続ける（ステップＳ３）。ステップＳ２で空間が検知されると、超音波ビームＢが伝播し得る程度の大きさの気泡が存在することになり、前述した補間方法による空間検知手段により気泡の大きさを推定し、実験値から気泡の混在量を算出し流量を補正する（ステップＳ４）。
【００３６】
ステップＳ１で超音波ビームＢの伝播が検知されない場合には、空間検知手段で空間の存在を検知する（ステップＳ５）。空間が検知されない場合には、超音波ビームの経路中に位置は不明ではあるが空間が存在することになり、計測が正常に行われた最後の流量値を流量値として用いる（ステップＳ６）。ステップＳ５で空間が検知されると、その空間分の大きさだけ流体は流れないので、その間の流量値を０とする（ステップＳ７）。
【００３７】
なお、上述の実施例のように空間検知手段に光を利用した場合に、ノイズ対策として信号光を変調して外乱光と区別することも好適である。
【００３８】
また、空間検知手段としては光の送受信以外に、信号送受信器としてチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電素子を用いて、管体１１を横切るように超音波ビームを送信することによっても、或いは管体１１の内壁で反射させることによっても、空間の検知は可能である。この場合には、管体１１は光透過管とする必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
なお、本発明は実施例のようなコ字型の管体以外の流路用管体においても、適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施例の構成図である。
【図２】流体中に空間が存在する場合の説明図である。
【図３】空間が移動したときの瞬時流量値、空間検知、積算流量値の説明図である。
【図４】実施例２の空間検知手段の構成図である。
【図５】実施例３の空間検知手段の構成図である。
【図６】実施例４の空間検知手段の構成図である。
【図７】実施例５の空間検知手段の変形例の構成図である。
【図８】動作フローチャート図である。
【図９】従来の超音波流量計の構成図である。
【図１０】従来の瞬時流量値のグラフ図である。
【図１１】管体中に複数の空間が混在した場合の説明図である。
【図１２】管体中に長さの大きい空間が存在した場合の説明図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１  流路用管体
１２ａ、１２ｂ  超音波送受波器
１３ａ  発光器
１３ｂ  受光器
１４  演算制御手段
１５  表示手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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