(57)【要約】【課題】簡易な構成で、流体の温度測定を行うことができる温度測定装置を提供すること。【解決手段】導管９を通過する流体の温度を測定する温度測定装置であって、導管９の外周部に配設される１対の超音波送受信器１０ａ，１０ｂ及び温度センサ１１〜１３と、温度センサ１１〜１３から出力される信号に基づいて導管９の温度を測定するとともに、導管９内を伝播する超音波の伝播時間と音速、流体内を伝播する超音波の伝播時間と音速を演算する演算部６とを備え、前記１対の超音波送受信器１０ａ，１０ｂ間で双方向に超音波を伝播させるとともに、互いに受信させ、演算部６が、演算した超音波の音速値及び測定した導管９の温度に基づいて、流体の温度を特定する。【選択図】      図１
2004264250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導管を通過する流体の温度を測定する温度測定装置であって、前記導管の外周部に配設される１対の超音波送受信器及び温度センサと、
前記温度センサから出力される信号に基づいて前記導管の温度を測定するとともに、前記導管内を伝播する超音波の伝播時間と音速、前記流体内を伝播する超音波の伝播時間と音速を演算する演算部とを備え、
前記１対の超音波送受信器間で双方向に超音波を伝播させるとともに、互いに受信させ、前記演算部が、演算した前記超音波の音速値及び測定した前記導管の温度に基づいて、前記流体の温度を特定することを特徴とする温度測定装置。
【請求項２】
前記温度センサは、導管内に埋設されることを特徴とする請求項１に記載の温度測定装置。
【請求項３】
前記温度センサは、前記導管内に複数個埋設されることを特徴とする請求項１または２に記載の温度測定装置。
【請求項４】
前記温度センサは、前記流体の流れに沿って前記導管に配設されることを特徴とする請求項３に記載の温度測定装置。
【請求項５】
前記演算部は、前記複数個の温度センサから出力される信号に基づいて、前記流体の温度を算出することを特徴とする請求項３または４に記載の温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波流量計を利用して流体の温度を測定する温度測定装置に関し、発泡性飲料水の自動供給装置に適し、特に飲料水に注入するガスの量を制御するうえで、飲料水の温度計測に適した温度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発泡性飲料の供給装置、例えば、ビールディスペンサにおいては、温度変化のよる発泡量抑制のため、ビールを供給する導管に温度センサを挿入してビールの温度を測定しており、供給するビールの量を図示しない流量検出手段によって測定している。このようなビールディスペンサの温度測定装置として、例えば、図７に示す温度測定装置は、ビールの導管９に挿入された温度センサ１１と、変換器１とを有している。
【０００３】
変換器１は、温度センサ１５からの信号に基づいてビールの温度を計測する温度測定部１２と、温度測定部１２からの温度信号に基づいてビールに注入する炭酸ガスの量を制御する制御部１３とを有している。
【０００４】
温度センサ１５は、導管９内のビールの温度を検出し、温度に対応した電気信号を温度測定部１２へ出力するもので、種々のものが知られている（例えば、特許文献１〜３参照。）。温度測定部１２は、温度センサ１５から入力された電気信号を温度信号に変換し、制御部１３へ出力する。
【０００５】
制御部１３は、ビールの温度と炭酸ガスの含有率との関係が予め記憶され、温度信号を入力すると、入力した温度に対応した炭酸ガスの含有率を読み出すことができる。そこで、制御部１３は、ビールの温度に対応した炭酸ガスの含有率となるように炭酸ガスボンベの圧力調整バルブに対して圧力調整信号を出力するように設定されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−０２３３７３号公報
【特許文献２】
特開平１１−３２６０７０号公報
【特許文献３】
特開２０００−２９２２６９公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発泡性飲料の供給装置、例えば、ビールディスペンサにおいては、上記のように、温度変化による発泡量抑制のため、測定したビールの温度から制御部１３を介して炭酸ガスの圧力制御を行うと共に、定量抽出のため、温度測定手段と流量検出手段という別個独立の測定手段を設けていた。このように、流体の温度と流量とを測定する装置においては、２種類の測定手段を用いていることから、大型化すると共に、価格が高価になるという問題を生じさせていた。
【０００８】
この発明は上記に鑑みてなされたものであって、大型化を抑えてコンパクトにし、コストダウンを図りつつ流体の温度を測定することが可能な温度測定装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる温度測定装置は、導管を通過する流体の温度を測定する温度測定装置であって、前記導管の外周部に配設される１対の超音波送受信器及び温度センサと、前記温度センサから出力される信号に基づいて前記導管の温度を測定するとともに、前記導管内を伝播する超音波の伝播時間と音速、前記流体内を伝播する超音波の伝播時間と音速を演算する演算部とを備え、前記１対の超音波送受信器間で双方向に超音波を伝播させるとともに、互いに受信させ、前記演算部が、演算した前記超音波の音速値及び測定した前記導管の温度に基づいて、前記流体の温度を特定することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２にかかる温度測定装置は、上記の発明において、前記温度センサは、導管内に埋設されることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３にかかる温度測定装置は、上記の発明において、前記温度センサは、前記導管内に複数個埋設されることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４にかかる温度測定装置は、上記の発明において、前記温度センサは、前記流体の流れに沿って前記導管に配設されることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５にかかる温度測定装置は、上記の発明において、前記演算部は、前記複数個の温度センサから出力される信号に基づいて、前記流体の温度を算出することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる温度測定装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１５】
本発明にかかる温度測定装置は、上記目的を達成するため、超音波流量計を利用することによって、簡易な構成で、流体の温度を安価に測定可能としたことを特徴としている。また、本発明は、流体の温度が、その流体の音速と相関関係を有していることを利用し、流体の音速から、流体の温度を導き出すことを基本原理としている。
【００１６】
まず、超音波流量計の測定原理から説明する。超音波を利用した超音波流量計とは、被測定流体を通過させる導管に配設した１対の超音波送受信器を用いて、超音波を互いに送受信させる。そして、移動流体中の超音波速度が音速と流速のベクトル和になることを利用し、流れ方向および逆方向に超音波を発射し、伝播時間差、信号の位相差などによって流量を求めるものである。
【００１７】
したがって、本発明にかかる温度測定装置は、超音波流量計としての機能も有しているため、基本的な構成も超音波流量計と共通している。
【００１８】
図１は、この発明の実施の形態１である温度測定装置の構成を示すブロック図である。図１において、この温度測定装置は、流体を通過させる導管９の外周部に配設され、超音波を互いに送受信する１対の超音波送受信器１０ａ，１０ｂと、超音波送受信器１０ａ，１０ｂから入力される超音波信号を処理し流体の温度を特定し、流体に含有させるガスの量を制御するための制御信号を出力する変換器１とを有している。
【００１９】
まず、送信部２は、制御部８からの超音波信号の送信指示を受けると、切替器７を介して超音波送受信器１０ａに超音波発信信号を送信する。ここで、切替器７は、制御部８の制御のもとに、送信部２から超音波送受信器１０ａ，１０ｂに対する信号と、超音波送受信器１０ａ，１０ｂから受信部３に対する信号の切替を行う。
【００２０】
送信部２から超音波発信信号が超音波送受信器１０ａに送信されると、超音波送受信器１０ａから超音波が発信され、超音波送受信器１０ｂに受信される。そして、超音波送受信器１０ｂから受信した超音波に基づく超音波受信信号は、切替器７を介して受信部３に送信される。
【００２１】
受信部３は、予め設定された所定の基準値に基づいて、受信した超音波信号を２値化して、受信信号として認識し、受信したと認識した時刻を時間計測部４に送信する。時間計測部４は、超音波信号を送信した時刻が制御部８から通知されており、送信信号と受信信号との時間差を計測することによって、超音波送受信器１０ａから超音波送受信器１０ｂへの伝播時間を特定する。同様にして、切替器７の伝送路を切替えることによって、時間計測部４は、超音波送受信器１０ｂから超音波送受信器１０ａへの伝播時間を特定し、これら２種類の伝播時間を、演算部６に送信する。
【００２２】
演算部６は、導管９の温度と音速との関係特性と、流体の温度と音速との関係特性とを記憶している記憶部５ａと、温度センサ１１〜１３からの検知信号を温度信号に変換する温度測定部５ｂとを有している。また、温度センサ１１〜１３は、流体の流れに沿って導管９に配設され、導管９の温度を検知して、検知信号を、変換器１を介して温度測定部５ｂに出力する。温度測定部５ｂは、入力される前記検知信号に基づいて導管９の温度を求め、その温度に対応した温度信号を演算部６に出力する。
【００２３】
演算部６は、温度測定部５ｂから入力された導管９の温度と、時間計測部４から入力された流体内を伝播した２種類の超音波の伝播時間の差とから、流体内の音速を算出する。そして、記憶部５ａに記憶されている流体温度と音速の関係特性によって、流体温度を特定する。
【００２４】
ここで、２種類の超音波の伝播時間をもとにして導管９を流れる流体の温度を特定する方法を詳細に説明する。図２は、送信部２での送信信号（ａ）、受信部３での受信信号（ｂ）、時間計測部４での時間計測部発信パルス（ｃ）の変化を示すタイムチャートである。また、図３は、超音波の伝播経路を詳しく説明するための導管９の断面図である。
【００２５】
まず、制御部８から、超音波の発信指示が出力されると、送信部２においては、図２（ａ）に示すような超音波送信信号ａ１を出力する。送信部２の超音波送信信号ａ１によって、導管９に配設された超音波送受信器１０ａから超音波が発信される。発信された超音波は、図３に示すように導管９経路ＲＡを経由し、一旦、所定の屈折角をもって流体に進入し、流体経路ＲＢを経由し、導管９で反射して、流体経路ＲＢ´を経由して、再び所定の屈折角をもって導管９に進入し、導管９経路ＲＡ´を経由して、超音波送受信器１０ｂに到達する。このような経路（ＲＡ→ＲＢ→ＲＢ´→ＲＡ´）を経由した超音波信号は、流体を経由する経路としては最短であるため、受信部３では、図２（ｂ）に示すような受信信号ｂ２を受信する。
【００２６】
ところで、発信された超音波の一部は、導管９経路のみを伝播して、超音波送受信器１０ｂに到達するものもある。導管９のみを経由した音波は、導管９と流体の両方を経由する経路より短いため、超音波送受信器１０ｂに速く到達することができる。しかも、導管９の材料として知られるポリサルホン材中を伝播する超音波の音速は３ＭＨｚ，１０℃のときに、２，３００ｍ／ｓであり、一方、流体の主成分である水を伝播する超音波の音速は、３ＭＨｚ，１０℃のときに、１，４００ｍ／ｓである。したがって、導管９のみを経路とした超音波が最も速く伝播する。
【００２７】
しかし、超音波は、媒質の密度、粘性、比熱、熱伝導率等の様々な要因によって、減衰するため、超音波の減衰率は経路長のみに依存しない。そのため、図２（ｂ）に示すように、導管９のみを経由した音波ｂ１は速いが、振幅は小さく受信され、逆に、導管９と流体の両方を経由した音波ｂ２は遅いが、振幅は大きく受信される。
【００２８】
本発明にかかる温度測定装置の場合は、上記に該当する場合であって、受信部３においては、受信信号ｂ１は、導管９のみを伝播した超音波であり、ｂ２は導管９と流体の両方を伝播した超音波である。したがって、所定の基準値を設定すれば、導管９のみを伝播した超音波ｂ１と、導管９と流体の両方を伝播した超音波ｂ２の受信信号を区別することができる。
【００２９】
上記のように受信部３において、所定の基準値を設定すると、受信部３で受信された受信信号ｂ１，ｂ２の内ｂ１は基準値に満たないため、出力零となる。時間計測部４では、送信信号ａ１と受信信号ｂ２に対応したパルスｃ１，ｃ２が発信される。
【００３０】
つぎに、流体の下流にある超音波送受信器１０ｂから、超音波が発信され、流体の上流にある超音波送受信器１０ａに受信される場合を説明する。
【００３１】
この場合、送信部２では、図２（ａ）に示すように送信信号ａ２が送信され、受信部３では、図２（ｂ）に示すように、受信信号ｂ３，ｂ４が受信される。この場合も上述と同様の理由によって、導管９のみを伝播した超音波は受信信号ｂ３として受信され、導管９と流体の両方を伝播した超音波は受信信号ｂ４として受信される。
【００３２】
ここで、所定の基準値を設定すれば、振幅の大きい受信信号ｂ４のみが時間計測部４に出力することができる。時間計測部４では、送信部２で送信した送信信号ａ２と、受信部３で受信した受信信号ｂ４に対応して、図２（ｃ）に示すようにパルスｃ３，ｃ４を発信し、演算部５に出力する。
【００３３】
ここで、流体の上流から下流への超音波の伝播時間をＴ１ａとし、下流から上流への伝播時間をＴ１ｂとすると、Ｔ１ａ＝ｃ２−ｃ１，Ｔ１ｂ＝ｃ４−ｃ３で表せる。そして、流体の流れの影響を受けて、Ｔ１ａ≠Ｔ１ｂとなる。
【００３４】
しかし、仮に導管９と静止流体の両方を経由した総伝播時間をＴ２とすると、導管９の流体の流れが一定であれば、下流方向への伝播時間Ｔ１ａと上流方向への伝播時間Ｔ１ｂの相加平均を用いて、総伝播時間Ｔ２を以下の式（１）のように表すことができる。
Ｔ２＝（Ｔ１ａ＋Ｔ１ｂ）／２                            ・・・・（１）
【００３５】
ここで、導管９と静止流体の両方を経由する総伝播時間Ｔ２が求まるが、総伝播時間Ｔ２と、流体の温度との関係特性を示す図４から分かるように、総伝播時間Ｔ２は、温度の２次関数になっており、総伝播時間Ｔ２からは、一意的に流体の温度は特定できない。これは、媒質の違いによって、音速も異なることに起因する。換言すれば、音速は媒質に依存するからである。
【００３６】
そこで、導管９内と流体を経由する場合の総伝播時間Ｔ２については、導管９の伝播時間と、流体の伝播時間に分ける必要がある。そこで、総伝播時間Ｔ２を、導管９経路（ＲＡ←→ＲＡ´）を伝播する時間ＴＡと、流体経路（ＲＢ←→ＲＢ´）を伝播する時間ＴＢとに分けると、総伝播時間Ｔ２は以下の式（２）で表される。
Ｔ２＝ＴＡ＋ＴＢ                                      ・・・・（２）
さらに、夫々導管９の音速をＶＡとし、流体の音速をＶＢとすると、夫々の伝播時間ＴＡ，ＴＢは以下の式（３），（４）で表される。
ＴＡ＝（ＲＡ＋ＲＡ´）／ＶＡ                            ・・・・（３）
ＴＢ＝（ＲＢ＋ＲＢ´）／ＶＢ                            ・・・・（４）
【００３７】
ところで、温度測定部５ｂでは、導管９に埋設された温度センサ１１〜１３から出力された検知信号を温度信号に変換して、演算部６に出力する。図３に示すように、３つの温度センサ１１〜１３が流体の流れに沿うように導管９に設置されていれば、温度センサ１１〜１３から出力され、温度測定部５ｂで温度信号に変換された夫々の温度信号ｔ１１，ｔ１２，ｔ１３について、演算部６では、導管９の温度ｔを相加平均値｛（ｔ１１＋ｔ１２＋ｔ１３）／３｝と定義して演算することができる。
【００３８】
一方、演算部６内の記憶部５ａには、導管９の温度ｔと音速との関係特性（図５）が記憶されており、導管９の温度ｔが特定されると、導管９の音速ＶＡが特定される。導管９の音速ＶＡが特定されると、導管９経路（ＲＡ＋ＲＡ´）は幾何学的に導き出されるので、式（３）から導管９を伝播する超音波の伝播時間ＴＡが算出される。
【００３９】
そして、導管９の伝播時間ＴＡが算出されると、式（２）より、流体の超音波の伝播時間ＴＢが算出される。さらに、流体の伝播時間ＴＢが算出されると、流体経路（ＲＢ＋ＲＢ´）は幾何学的に導き出されるので、式（４）から流体の音速ＶＢが算出される。
【００４０】
そこで、流体の音速と、流体の温度との関係特性（図６）を記憶部５ａに入力しておけば、演算部６で算出された流体の音速ＶＢの値が分かれば、関係特性（図６）から流体の温度が特定される。流体の温度が特定されると、演算部６は特定された流体温度を制御部８に出力する。制御部８は、特定された流体温度における炭酸ガスの含有率を記憶しており、その含有率の値が所定の値と一致するように、ガスボンベの圧力調整バルブに対して、圧力の加減制御信号を出力し、所定量の炭酸ガスを含有する飲料を供給する。
【００４１】
なお、実施の形態の説明では、導管９に設置する温度センサ１１〜１３の数を３個としたが、３個以外の数であってもよい。温度センサ１１〜１３数は導管９の長さや形状や、また、流体の流量等によって、適切な数を選択することが適当であるからである。
【００４２】
また、実施の形態の説明では、導管９に設置する温度センサ１１〜１３を流体の流れ方向に沿って配置したが、温度センサ１１〜１３を流体の流れに対して垂直方向に配置してもよい。導管９の温度を特定する際に、導管９の厚み方向の温度分布を考慮することができるからである。
【００４３】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば、既存の超音波流量計を利用して、流体の温度が測定できるため、流体温度測定の目的のために追加の部品等を設けること無しに、つまりコストアップをせずに、かつコンパクトに流体の温度が測定できるという効果を奏する。
【００４４】
また、この発明によれば、流体温度測定のために、導管９に、部品を付加する必要が無いので、温度測定のためのセンサ類などの突起物によってガスが気化して、気泡による超音波の伝播時間の誤差を招来して、超音波流量計および、本発明にかかる温度測定装置への悪影響を無くすことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態である超音波流体温度測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態で説明した超音波流体温度測定装置の送信部、受信部、および時間計測部における信号の変化を示すタイムチャートである。
【図３】図１に示した温度測定装置の導管における超音波の伝播経路を説明する導管断面図である。
【図４】この発明の実施の形態で説明した、導管と流体を経由した超音波の総伝播時間と、流体の温度との関係を示すグラフ図である。
【図５】この発明にかかる超音波流体温度測定装置の記憶部に記憶されている、導管の音速と温度との関係特性を示すグラフ図である。
【図６】この発明にかかる超音波流体温度測定装置の記憶部に記憶されている、流体の音速と温度との関係特性を示すグラフ図である。
【図７】従来の流体温度測定装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１      変換器
２      送信部
３      受信部
４      時間計測部
５ａ    記憶部
５ｂ    温度測定部
６      演算部
７      切替器
８      制御部
９      導管
１０ａ  超音波送受信器
１０ｂ  超音波送受信器
１１    温度センサ
１２    温度センサ
１３    温度センサ
１４    温度測定部
１５    温度センサ
１６    制御部
【図１】
2004264250.tif 000003
【図２】
2004264250.tif 000004
【図３】
2004264250.tif 000005
【図４】
2004264250.tif 000006
【図５】
2004264250.tif 000007
【図６】
2004264250.tif 000008
【図７】
2004264250.tif 000009