(57)【要約】【課題】本発明は、超音波を利用して空気、ガス、水などの流体の流速および／または流量を計測する流体の流れ計測装置に関するもので、計測精度向上を実現するものである。【解決手段】音波送受信手段２１、２２は、圧電振動子３５をケース３６、４０の内面に固着するとともに、ケース３６、４０内部の圧電振動子３５に近接した位置に電気信号変換手段としての電荷検出回路を内蔵して構成することで、圧電振動子３５と電気回路を近接してケース３６、４０内に内蔵することで外部からのノイズにも強くすることができ、信号線の距離も短くすることができるので、経時変化や、温度変化による特性変化に強く安定した精度の高い流速計測や流量計測を実現することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路に設けられて超音波を送受信する一対の音波送受信手段と、超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の値に基づいて流速および／または流量を検出する流れ検出手段とを有し、前記音波送受信手段は、ケースの内面に固着された圧電振動子と、前記圧電振動子に近接して前記ケース内に配置した電気信号変換手段とを備えた流体の流れ計測装置。
【請求項２】
電気信号変換手段は、圧電振動子から発生する電荷を検出する電荷検出回路を備えた請求項１に記載の流体の流れ計測装置。
【請求項３】
電気信号変換手段は、圧電振動子を駆動して送信するモードと超音波を受信するモードとに切り替えるスイッチ回路を備えた請求項２に記載の流体の流れ計測装置。
【請求項４】
電気信号変換手段は、圧電振動子から発生する信号レベルを比較する比較手段を備えた請求項１に記載の流体の流れ計測装置。
【請求項５】
ケースは、圧電振動子を固着する缶部と電気信号変換手段を保持する蓋部からなり、前記電気信号変換手段は、前記蓋部に絶縁体を介して貫通保持された電極端子に固定して設置した請求項１から４のいずれか１項に記載の流体の流れ計測装置。
【請求項６】
ケースは、内部に不活性ガスを充填して密封構造とし、ケース材料には金属などを用いて、電気、電波、磁気の少なくとも１つ以上を遮蔽した構成からなる請求項１から５のいずれか１項に記載の流体の流れ計測装置。
【請求項７】
電気信号変換手段と、計時手段および流量検出手段を分離した基板で構成し、複数本の電気信号線によって接続された請求項１から６のいずれか１項に記載の流体の流れ計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用して空気、ガス、水などの流体の流速、流量を計測する流体の流れ計測装置の計測精度の向上に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の流体の流れ計測装置の一種である超音波式流量計は、図６と図７に示すように圧電セラミック１をケース２の内面に貼り付けた構成の超音波送受波器３ａ、３ｂを、流路側面に備えて超音波の送受信を繰返し行い、超音波送受波器３ａ、３ｂ間の超音波の伝搬時間を時間計測回路４により測定し、この伝搬時間から流速演算回路５によって流速を計測するものである。ここで、図６に示す６は超音波の立ち上がりを速くするためのバッキング材、７、８は圧電セラミックの電極を接続した出力端子である。
【０００３】
また、図７に示す９は超音波送受波器３ａ、３ｂを切り替える切替手段、１０は超音波信号を圧電セラミック１に印加する駆動回路、１１はトリガー回路、１２は遅延回路、１３はスタート回路、１４は繰返設定回路、１５は繰返制御回路、１６は増幅回路、１７は比較回路である例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上記構成において、超音波を繰り返して送受信することによって比較的長くした伝搬時間を時間計測回路４で計測して流速演算回路５によって流速を算出するものである。そして、繰り返して送受信することで伝搬時間を長くして、時間計測精度を向上したものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１０１４３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来の構成では、圧電セラミック１の電気信号を増幅回路１６に伝えるためには、長い信号線１８ａ、１８ｂ、１９を経由しなければならなかった。そのため、超音波の周波数帯域の電気信号では、微弱であるため、長い信号線１８ａ、１８ｂ、１９を経由する間に様々なノイズの影響を受け、精度よく伝搬時間を計測することが困難であるという課題があった。また、信号線１８ａ、１８ｂ、１９の経時的あるいは温度的特性変化により、信号レベルが変化して時間計測を安定に計測することも困難であるという課題があった。
【０００７】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、外部からのノイズに強く、安定した精度の高い流速計測や流量計測を実現する流体の流れ計測装置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】
本発明は上記課題を解決するために、流路に設けられて超音波を送受信する一対の音波送受信手段と、超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の値に基づいて流速および／または流量を検出する流れ検出手段とを有し、前記音波送受信手段は、ケースの内面に固着された圧電振動子と、前記圧電振動子に近接して前記ケース内に配置した電気信号変換手段とを備えたものである。
【０００９】
これによって、圧電振動子と電気回路を近接することができ、かつ電気回路をケース内に内蔵することで外部からのノイズにも強くすることができる。そして、信号線の距離も短くすることができるので経時変化や、温度変化による特性変化に強く安定した精度の高い流速計測や流量計測を実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、流路に設けられて超音波を送受信する一対の音波送受信手段と、超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の値に基づいて流速および／または流量を検出する流れ検出手段とを有し、前記音波送受信手段は、ケースの内面に固着された圧電振動子と、前記圧電振動子に近接して前記ケース内に配置した電気信号変換手段とを備えたことにより、圧電振動子と電気信号変換手段を近接することができ、かつ電気信号変換手段をケース内に内蔵することで外部からのノイズにも強くすることができる。そして、信号線の距離も短くすることができるので経時変化や、温度変化による特性変化に強く安定した精度の高い流速計測や流量計測を実現することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、電気信号変換手段が、圧電振動子から発生する電荷を検出する電荷検出回路を備えることにより、電荷検出回路をケースに内蔵して近接することで外部からのノイズに対して電気的に強くすることができ、精度の高い流速計測および流量計測を行うことができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、電気信号変換手段が、圧電振動子を駆動して送信するモードと超音波を受信するモードとに切り替えるスイッチ回路を備えることにより、電荷検出回路と切替制御手段とをケースに内蔵することで、電荷検出回路の入力を制限することができるのでノイズに対して電気的に強くすることができ、精度の高い流速計測および流量計測を行うことができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、電気信号変換手段が、圧電振動子から発生する信号レベルを比較する比較手段を備えることにより、比較手段をケースに内蔵して近接することで高周波回路のほとんどをケース内に内蔵できるので、外部からのノイズに対して電気的に強くすることができ、精度の高い流速計測および流量計測を行うことができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、ケースが、圧電振動子を固着する缶部と電気信号変換手段を保持する蓋部からなり、前記電気信号変換手段は、前記蓋部に絶縁体を介して貫通保持された電極端子に固定して設置した構成とした。そして、電極端子に固定することで止め金具等が簡略化でき、ケースの小さな空間にも電気信号変換手段等を内蔵することができ、小型化することができる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、ケースが、内部に不活性ガスを充填して密封構造とし、ケース材料には金属などを用いて、電気、電波、磁気の少なくとも１つ以上を遮蔽した構成とした。そして、圧電振動子の微電圧信号を遮蔽された空間で電気処理することができるのでノイズの影響を受けにくく精度の高い流速計測および流量計測を行うことができる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、電気信号変換手段と、計時手段および流量検出手段を分離した基板で構成し、複数本の電気信号線によって接続された構成とした。そして、複数本の電気信号線で接続することで、ケース内部に設置した電気信号変換手段を細かく制御することができ、短時間の高速タイミングで計測制御ができ、精度の高い流速計測および流量計測を行うことができる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１８】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における流体の流れ計測装置である流速計および流量計のブロック図である。図１において、２０は流体を流す流路、２１は超音波を送受信するために流路２０の上流側に設置された音波送受信手段、２２は超音波を送受信するために流路２０の下流側に設置された音波送受信手段、２３は超音波の送受信を繰り返して行う繰返手段、２４は前記繰返手段２３で繰返し行われる音波の伝搬時間を計測する計時手段、２５は前記計時手段２４で計測された伝搬時間を基に流速を検出する流速検出手段（流れ検出手段）、２６は前記計時手段２４で計測された伝搬時間を基に流量を検出する流量検出手段（流れ検出手段）である。
【００１９】
また、２７は前記音波送受信手段２１、２２に電気信号を送る駆動手段、２８は前記音波送受信手段２１、２２の信号を受信する受信手段、２９は前記駆動手段２７の信号と受信手段２８の信号を切り替える切替制御手段である。ここで、３０は電源手段としての電池、３１は計測制御手段を集積した電気回路基板、３２、３３はそれぞれの音波送受信手段２１、２２と電気回路基板３１を接続するための複数の電気信号を伝達する複数本の電気信号線、３４は流体の流れ方向を示す矢印である。
【００２０】
また、図２に示す３５は圧電振動子、３６は前記圧電振動子３５を固着した金属で構成されるケースの缶部、３７ａは電気信号変換手段としての電荷検出回路、３７ｂはそれらを実装する基板、３８ａ、３８ｂは前記圧電振動子３５と電荷検出回路基板３６を接続するリード線、３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄ、３９ｅは電極端子、４０は電極端子３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄ、３９ｅを固定する金属で構成されたケースの蓋部、４１は圧電振動子３５の振動を気体である空気やガスに効率よく伝えるための整合層、４２はケース３６、４０内部に充満させた不活性ガス、４３は絶縁体である。
【００２１】
そして、図３に示す電極端子３９ａは駆動信号用の端子、電極端子３９ｂは切替制御手段２９の信号用スイッチ端子、電極端子３９ｃは信号出力端子、電極端子３９ｄは内蔵するスイッチ回路４４と電荷検出回路基板３６に電源を供給する電源端子（電圧端子）、電極端子３９ｅは電源端子のひとつで電源端子（アース端子）である。ここで、電源端子３９ｅは、ケースの缶部３６に接続されている。
【００２２】
以上のような構成において、上流側音波送受信手段２１からの伝搬時間Ｔ１と、下流側音波送受信手段２２からの伝搬時間Ｔ２を計測することにより、下式（１）から流速Ｖを検出することができるのである。
【００２３】
Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）・（１／Ｔ１−１／Ｔ２）              （１）
ここで、Ｌはセンサ間距離、θは流路方向と音波送受信手段２１、２２の配置方向とが交差する角度である。そして、この流速Ｖに流路の断面積などを考慮することにより、流量Ｑを算出することができ、流速計ならびに流量計を構成することができるのである。なお、上記式（１）は、１回の送受信時間として示しているが、複数回繰り返して行った場合は、その１回当りに換算して計算すればよい。
【００２４】
次に、作用と効果について説明する。音波送受信手段２１、２２は、図２に示すように圧電振動子３５と電荷検出回路基板３７ｂとを内蔵し、アースに落とされた金属のケースの缶部３６で覆われている。そのため、音波送受信手段２１、２２では、圧電振動子３５の微弱な電気信号にノイズが混入することが防止できるのである。そして、電荷検出回路３７ａで信号を増幅してから、ケース外の電気回路基板３１に被覆シールドされた５本の電気信号線３２、３３で接続することによって、信号が伝えられ、電気回路部で正確に処理されるためノイズに強い流速計測および流量計測が行える。
【００２５】
さらに、金属のケース３６、４０でシールドしているので、電気ノイズや電源ノイズはもとより磁気ノイズや雷ノイズなどにも強く、ガスメータのように屋外に設置する場合に有効である。特に、繰り返して送受信を行う超音波式の場合は、送受信の間にノイズが混入しても発見しにくく、計測誤差の要因となっていたのであるが、圧電振動子３５と電荷検出回路３７ａをケースに内蔵することでノイズの混入を低減し、精度の高い流速および流量の計測を行うことができるのである。
【００２６】
そして、電気回路基板３１で動作する計時手段２４は、微小流量を計測するために時間の計測精度が必要である。そのために非常に高い周波数のカウンタ用クロック（例えば、２０ＭＨｚ）を用いている。このような高周波数のクロックは、他の回路への影響度が大きく圧電振動子３５の信号にも混入する可能性がある。しかし、本発明のようにシールドされたケース３６、４０内で圧電振動子３５の信号を電荷検出回路３７ａで増幅してから電気回路基板３１に接続するので、高周波数のクロックの影響を大幅に低減することができる。
【００２７】
さらに、ケース３６、４０の中にスイッチ回路４４を内蔵しているため、圧電振動子３５を駆動して送信する場合と、超音波を受信する場合を切り替えて使用することができる。このスイッチ回路４４を内蔵しないと、切り替えることができず、駆動信号と受信信号が混在することになり、大きなノイズの影響を受けることになるが、内部で切り替えて使用できるので駆動信号のノイズの影響を防止することができる。
【００２８】
また、圧電振動子３５と電荷検出回路３７ａを、不活性ガスで充満されたケース３６、４０内のリード線３８ａ、３８ｂで接続することで、リード線３８ａ、３８ｂの劣化も少なく、かつリード線３８ａ、３８ｂの電気特性が長期間安定した状態とすることができるので、安定して流速および流量を計測することができる。そして、外部の電気回路基板３１とは電気信号線３２、３３で接続しているが、この間は電荷検出回路３７ａで増幅された電気信号であり、電気信号線３２、３３の特性変化の影響を受けにくい。よって、経時変化、温度変化などに強く、トータルとして安定した音波の送受信を行うことができ、精度の高い流速計測および流量計測を行うことができる。
【００２９】
そして、電荷検出回路基板３７ｂを電極端子３９ｄに固定することで止め金具等が簡略化でき、ケース３６、４０の小さな空間にも電気信号変換手段等を内蔵することができ、小型化することができる。
【００３０】
以上のように、圧電振動子３５と電気信号変換手段である電荷検出回路３７ａをケース３６、４０内に内蔵することで外部からのノイズに強くすることができる。そして、信号線の距離も短くすることができるので経時変化や、温度変化による特性変化に強く安定した精度の高い流速計測や流量計測を実現することができる。
【００３１】
また、複数本の電気線で接続することで、ケース３６、４０内部に設置したスイッチ回路４４を細かく制御することができ、短時間の高速タイミングで計測制御ができ、精度の高い流速計測および流量計測を行うことができる。特に、流速計や流量計においては、ノイズが及ぼす影響を大幅に低減できるので、初期の調整点からのずれが少なく、温度が変化した時や経時変化によるゼロ流量の安定性が格段に向上する。
【００３２】
なお、図４に示すように、リード線を１本のリード線３８ｂで構成することも可能である。すなわち、圧電振動子３５の片側をケースの缶部３６に導電接着してケースの缶部３６をリード線がわりに利用する。そして、電源端子のアース端子３９ｅ側はケースの缶部３６と共通とすることで、リード線３８ａを省略することができるのである。そして、同時にケース３６、４０がアース接続され、シールド効果もある。また、リード線が１本になることで、小さいケース３６、４０内での組み立てが安易に行えるようになり、さらに小型化を推進できる。
【００３３】
（実施例２）
実施例２について、図５を用いて説明する。図５は本発明の実施例２における流体の流れ計測装置である流速計および流量計を示すブロック図である。実施例１と異なる点は、音波送受信手段２１ａ、２２ａの圧電振動子３５の信号を電流増幅回路４５で増幅することと、前記電流増幅回路４５の信号を所定のレベルと比較する比較回路４６をケース３６、４０内に内蔵して備えたことにある。そして、前記比較回路４６の出力信号、すなわち、オンとオフの信号を出力する構成としたものである。
【００３４】
本発明の構成によれば、圧電振動子３５の信号増幅を電流増幅回路４５とすることで、圧電振動子３５の電圧特性変化に左右されず、信号を安定して検出させることができる。そして、ケース３６、４０の中に比較回路４６まで内蔵することで超音波の周波数帯域の受信信号処理がケース３６、４０内で完結でき、外乱の影響を抑制することができる。その結果、安定して信号の比較が行え、超音波の受信を比較回路４６で精度よく検出することができる。比較回路４６の後段では、オンまたはオフのデジタル信号であり、比較的低周波数のデジタル信号処理でおこなえるのでノイズ等の外乱の影響は受けにくい。よって、電流増幅回路４５と比較回路４６をケース３６、４０内に内蔵して圧電振動子３５と近接することで、超音波の送受信時間を精度よく計測でき、流速および流量を精度よく安定して計測することができるのである。
【００３５】
なお、電流増幅回路４５で説明したが、実施例１の電荷検出回路３７ａでも信号を増幅することで同様の効果が得られる。また、比較回路４６の比較信号レベルは内蔵すると微調整が困難になるので、微調整を可能にする信号線または調整穴をケースの缶部３６に設けることも容易に考えられる。さらに、デジタル信号処理を行う電気回路の一部もケース３６、４０内に内蔵して、圧電振動子３５のアナログ信号と分離シールドすることで超小型化が実現でき、信頼性の高い計測が可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明の流体の流れ計測装置によれば、次の効果が得られる。
【００３７】
流路に設けられて超音波を送受信する一対の音波送受信手段と、超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の値に基づいて流速および／または流量を検出する流れ検出手段とを有し、前記音波送受信手段は、ケースの内面に固着された圧電振動子と、前記圧電振動子に近接して前記ケース内に配置した電気信号変換手段とを備えることにより、外部からのノイズにも強く、安定した精度の高い流速計測や流量計測を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における流体の流れ計測装置のブロック図
【図２】同実施例の音波送受信手段の断面図
【図３】同実施例の音波送受信手段のブロック図
【図４】同実施例においてリード線を１本で構成した場合の音波送受信手段の断面図
【図５】本発明の実施例２における流体の流れ計測装置のブロック図
【図６】従来の流体の流れ計測装置としての流量計の超音波送受波器の断面図
【図７】従来の流量計のブロック図
【符号の説明】
２０  流路
２１、２２  音波送受信手段
２３  繰返手段
２４  計時手段
２５  流速検出手段（流れ検出手段）
２６  流量検出手段（流れ検出手段）
２７  駆動手段
２８  受信手段
２９  切替制御手段
３０  電源手段
３１  電気回路基板
３２、３３  電気線
３５  圧電振動子
３６  ケースの缶部
３７ａ  電気信号変換手段としての電荷検出回路
３７ｂ  基板
３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄ、３９ｅ  電極端子
４０  ケースの蓋部
４３  絶縁体
４４  スイッチ回路
４６  比較手段
【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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