(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測流体としてのガスが流れるガス流路が形成された流量計本体と、該ガス流路内に流れ方向と直交するように設けられた渦発生体と、前記渦発生体に形成された超音波伝搬経路を介してカルマン渦を検出する超音波センサと、前記流量計本体または前記渦発生体に固定され前記超音波センサが挿入保持される保持部材と、前記渦発生体に形成された超音波伝搬経路へ挿入される円筒状の吸音部材と、を備えてなる超音波式渦流量計において、
前記吸音部材の両端に当接し、前記吸音部材を両端から挟持する挟持部材を備えてなることを特徴とする超音波式渦流量計。
【請求項２】
前記吸音部材は、前記超音波センサの超音波送信側及び超音波受信側に挟持されていることを特徴とする請求項１記載の超音波式渦流量計。
【請求項３】
前記挟持部材はリング状に形成されてなり、
前記超音波伝播経路には、
前記超音波伝播経路の両端に設けられた前記吸音部材を取付けるための凹部と、
前記凹部に形成され、前記リング状の挟持部材のそれぞれが嵌合する環状溝と、
が形成されてなり、
前記吸音部材は、前記超音波伝播経路の凹部に挿入された状態で前記挟持部材により挟持されることを特徴とする請求項１記載の超音波式渦流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波式渦流量計に係り、特に超音波センサを用いて被測流体の流量を測定する超音波式渦流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、従来の超音波式渦流量計では、被測流体が流れる流路内に流れ方向と直交する方向に延在形成された渦発生体を設け、渦発生体の下流には１組または２組の超音波センサを設けて渦発生体の下流に発生するカルマン渦を検出するように構成されている。１組の超音波センサは、互いに対向するように流路内に設けられており、一方が超音波を送信する送信側であり、他方が被測流体中を伝播した超音波を受信する受信側となる。
【０００３】
この種の超音波式渦流量計では、流路中に発生するカルマン渦の中を伝搬して受信された超音波の受信信号と、送信側に供給される超音波の送信信号とを位相比較することで超音波がカルマン渦から受けるドップラー効果を位相変調として検出している。
【０００４】
また、２組の超音波センサを用いた超音波式渦流量計では、カルマン渦の流れに対して相対的な相反する方向から流体を伝搬した２つの超音波信号同士を位相比較することにより、被測流体の音速変化の影響をキャンセルしてカルマン渦から受ける位相変化のみを抽出するように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成された従来の超音波式渦流量計では、理論的には超音波がカルマン渦から受けるドップラー効果を位相変化として抽出する構成であるため、被測流体の種類によらずカルマン渦を検出することができる。
【０００６】
しかしながら、実際には、超音波を伝搬させている経路の中では、センサ間で伝搬している超音波や流路内壁で反射している超音波で共鳴が発生していることがある。その場合、受信側超音波センサで受信している信号は、送信側超音波センサから放射されて流体中を伝搬して直接受信側超音波センサに到達する超音波と、送信側超音波センサから放射された後に経路内壁に複雑に反射しながら伝搬して受信側超音波センサに到達する超音波との合成波になる。
【０００７】
そのため、超音波の伝搬経路内で共鳴などが発生している場合には、被測流体の僅かな音速変化によっても、その共鳴状態が崩されるため、受信した合成波と超音波の源信との位相比較を行った場合に、その変調量は被測流体の音速変化やカルマン渦の流速成分から受けるはずの位相変調量よりも極端に大きかったり、あるいは小さかったりすることがある。
【０００８】
このような状態になると、正確な流量計測ができなくなることさえあった。その対策としては、超音波の伝搬経路内面に吸音部材を貼り付けることにより、複雑に反射しながら伝搬する超音波をなくし、受信された超音波合成波の中で送信側超音波センサから受信側超音波センサまで被測流体中を直接伝搬した超音波の比率を高くすることで超音波がカルマン渦から受ける位相変調のみを検出する構成である。
【０００９】
この場合、吸音部材の取付部である超音波の伝搬経路は、狭い通路であることが多く、吸音部材がカルマン渦により発生する流れを妨げてはいけないため、吸音部材の固定方法としては接着剤で貼り付ける方法が多く用いられている。
【００１０】
しかし、吸音部材を固定する場所は、圧力脈動や被測流体の移動が発生する場所であることが多いため、長期的に使用すると、接着剤が剥がれることがある。その場合、流路内壁から剥がれた吸音部材が超音波の伝搬を妨げてカルマン渦の検出精度を低下させると同時に流量計測ができない状態になることもあった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記課題を解決した超音波式渦流量計を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は以下のような特徴を有する。
【００１３】
上記請求項１記載の発明は、渦発生体に形成された超音波伝搬経路へ挿入される円筒状の吸音部材の両端に当接し、吸音部材を両端から挟持する挟持部材を備えてなることを特徴としており、吸音部材を超音波伝搬経路の内壁に安定的に固定することができる。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、吸音部材が超音波送信側及び超音波受信側に挟持されていることを特徴としており、超音波センサから送信された超音波及び超音波センサに受信される超音波の共鳴を防止することができる。
【００１５】
また、請求項３記載の発明は、挟持部材はリング状に形成されてなり、超音波伝播経路には、超音波伝播経路の両端に設けられた吸音部材を取付けるための凹部と、凹部に形成され、リング状の挟持部材のそれぞれが嵌合する環状溝と、が形成されてなり、吸音部材が、超音波伝播経路の凹部に挿入された状態で挟持部材により挟持されることを特徴としており、吸音部材を確実に固定することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明になる超音波式渦流量計の一実施例の横断面図である。また、図２は本発明になる超音波式渦流量計の一実施例の縦断面図である。
【００１８】
図１及び図２に示されるように、超音波式渦流量計１０は、被測流体としての気体（ガス）が流れる流路１２を有する流量計本体１４と、流量計本体１４の流路１２内で被測流体の流れ方向（図１中矢印で示す）と直交する垂直方向に延在する渦発生体１６とを有する。この渦発生体１６は、上方からみると水平方向の断面が概略三角形になっている。
【００１９】
そして、上流側に対向する渦発生体１６の正面１６ａに被測流体が衝突しながら下流側へ流れる過程において、カルマン渦が渦発生体１６の下流側左右で交互に発生する。このカルマン渦が発生する周期が被測流体の流速に比例しているため、被測流体中に発生するカルマン渦を検出することにより被測流体の流量を求めることができる。
【００２０】
渦発生体１６は、長手方向に延在する一対の通路１８，２０が超音波伝搬経路として貫通している。この通路１８，２０は、夫々渦発生体１６の下流側に形成された斜辺１６ｂ，１６ｃに開口する第１乃至第４の圧力導入路２２，２４，２６，２８と連通されている。尚、各圧力導入路２２，２４，２６，２８は、夫々渦発生体１６の長手方向（高さ方向）にずらしてあり、夫々が互いに交差しないように設けられている。
【００２１】
第１の圧力導入路２２は、一端が斜辺１６ｂに開口し、他端が通路１８に連通されている。また、第２の圧力導入路２４は、一端が斜辺１６ｃに開口し、他端が通路２０に連通されている。また、第３の圧力導入路２６は、一端が斜辺１６ｂに開口し、他端が通路２０に連通されている。また、第４の圧力導入路２８は、一端が斜辺１６ｃに開口し、他端が通路１８に連通されている。
【００２２】
従って、渦発生体１６の下流を流れる被測流体中にカルマン渦が発生したとき、カルマン渦の発生に伴う圧力変化により渦発生体１６の左右両側で圧力差が生じ、この圧力差によって通路１８，２０内に被測流体の流れが生じる。すなわち、通路１８，２０内においては、カルマン渦の発生と同じ周期で交互に逆向きの流れが生じる。
【００２３】
そして、渦発生体１６の上端には、送信用超音波センサ３０，３２を保持する保持部材３８が設けられている。また、渦発生体１６の下端には、受信用超音波センサ３４，３６を保持する保持部材４０が設けられている。各超音波センサ３０，３２，３４，３６は、保持部材３８，４０に設けられた取付孔３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂに挿入され、さらに環状に形成されたパッキン（またはＯリング）４２によりシールされる。
【００２４】
尚、パッキン４２の材質としては、テフロン系のバッキンや、石綿にテフロンを含有させた樹脂製リングも含まれる。
【００２５】
各超音波センサ３０，３２，３４，３６が挿入される取付孔３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂは、通路１８，２０の上端開口及び下端開口に連通している。送信用超音波センサ３０，３２から送信された超音波は、通路１８，２０内の流体中を伝搬して受信用超音波センサ３４，３６で受信される。その際、通路１８，２０内を伝搬する超音波は、カルマン渦の発生に伴う渦発生体１６の左右両側の圧力差によって通路１８，２０内を流れる被測流体の流速により変調される。そのため、受信用超音波センサ３４，３６から出力された検出信号を復調してカルマン渦の発生周波数を検出し、この周波数に基づいて流路１２内を流れる被測流体の流量を計測することができる。
【００２６】
通路１８，２０の両端には、円筒状に形成された吸音部材４３と、吸音部材４３の両端を挟持するリング状の挟持部材４４とが取り付けられている。また、通路１８，２０の両端内壁には、吸音部材４３及び挟持部材４４が収容される凹部４５が全周に設けられている。吸音部材４３は、音波を吸収できるように多孔質材により形成されており、例えば、スポンジのような弾性を有する材質により形成されている。
【００２７】
従って、吸音部材４３は、凹部４５内に収容されて通路１８，２０内に突出しないように挿入され、且つ上下両端が挟持部材４４により挟持されているので、脱落が防止されるとともに、高温流体の温度制限を無くすことができる。また、吸音部材４３を確実に固定することができるとともに、超音波伝搬経路としての通路１８を狭くせず、超音波の受信効率を安定させることができる。
【００２８】
図３は各超音波センサ３０，３２，３４，３６に接続された回路構成を示すブロック図である。
【００２９】
図３に示されるように、送信用超音波センサ３０，３２は、発振回路４６に接続されており、発振回路４６からの信号により振動して通路１８，２０内の流体中に超音波を送信する。そして、通路１８，２０内を伝搬した超音波は、受信用超音波センサ３４，３６に受信される。また、受信用超音波センサ３４，３６は、流量を演算する演算部４７に接続されている。
【００３０】
演算部４７は、アンプ回路４８，５０、波形整形回路５２，５４、位相比較回路５６、アンプ回路５８、フィルタ回路６０、流量演算回路６２、表示回路６４、出力回路６６を有する。そして、流量演算回路６２では、後述するように受信用超音波センサ３４，３６から出力された検出信号の位相差から得られたカルマン渦の周波数に基づいて流路１２を流れる被測流体の流量を演算する。
【００３１】
ここで、本発明の要部を構成する吸音部材４３の取付構造について説明する。尚、上記超音波センサ３０，３２，３４，３６は、夫々同一構造であり、取付構造も同一であるので、以下超音波センサ３０及び吸音部材４３の取付構造について説明する。
【００３２】
図４は超音波センサ３０及び吸音部材４３の取付構造を拡大して示す縦断面図である。尚、図４では左右対称であるので、中心線の左側のみ表示している。
【００３３】
図４に示されるように、超音波センサ３０は、円筒状に形成されたホルダ６７は、内部空間６７ａに圧電素子６８が挿入されており、内部空間６７ａの底面が振動板６７ｂになっている。また、ホルダ６７は、底部外周より半径方向に突出する鍔部６７ｃが設けられている。この鍔部６７ｃは、パッキン４２を圧縮してシールされる。
【００３４】
圧電素子６８は、振動板６７ｂに固着された状態で上記発振回路４６から供給される信号により励振されて振動板６７ｂを振動させる。振動板６７ｂは、通路１８内に充填された被測流体に接しており、超音波を被測流体中に伝搬させる。ホルダ６６が挿入される取付孔３８ａには、パッキン４２が当接するシール用段差部７０が形成されている。
【００３５】
また、通路１８の端部に設けられた凹部４５の入口及び奥部には、リング状に形成された挟持部材４４が嵌合するための環状溝４５ａ，４５ｂが設けられている。挟持部材４４は、リング状の一部が切断されており、凹部４５の奥部に形成された環状溝４５ｂに内周側から挿入することができる。また、挟持部材４４は、断面形状がＬ字状に形成されており、内周部分から軸方向に突出する環状係止部４４ａを有する。
【００３６】
従って、一対の挟持部材４４は、環状溝４５ａ，４５ｂに嵌合しているので、円筒状に形成された吸音部材４３の両端を軸方向から挟持するとともに、環状係止部４４ａが吸音部材４３の両端を内周側に挟持している。そのため、吸音部材４３は、一対の挟持部材４４により軸方向及び半径方向に挟持され、通路１８の端部に設けられた凹部４５に確実に保持され、脱落が防止される。
【００３７】
そのため、一対の挟持部材４４により吸音部材４３を挟持する構成とすることにより、従来のように吸音部材４３を接着剤で固定する方法よりも確実に吸音部材４３を通路１８に固定することができるとともに、高温流体の流量計測を可能にできる。また、吸音部材４３を接着剤で固定する場合のように流体の揺らぎにより吸音部材４３が剥がれる心配がないばかりか、吸音部材４３に接着剤を塗布する際の失敗による吸音効果のばらつきも解消することができる。
【００３８】
ここで、上記のように超音波センサ３０の直前に吸音部材４３が固定された超音波伝搬経路における超音波の伝搬について説明する。
【００３９】
送信用超音波センサ３０から送信された超音波は、ホルダ６７の振動板６７ｂから伝搬経路としての通路１８内に放射されるため、受信用超音波センサ３４に到達するまでには、通路１８の内壁に反射しながら伝搬する。また、超音波を連続波で放射する場合には、通路１８の内壁で複雑に反射しながら到達する超音波の合成として受信されるため、伝搬経路内の音速変化や流速変化の影響をばらばらに受けたものの合成となる。
【００４０】
さらに、伝搬経路内の反射波と進行波とで定在波などが発生している場合には、さらに複雑な情報を持った合成波として受信される。その対策として、本発明では、超音波の伝搬経路内に吸音部材４３を一対の挟持部材４４により挟持しており、超音波が通路１８の内壁で反射せずに直接被測流体中に伝搬した信号のみが受信用超音波センサ３４で受信されるように構成されている。そのため、通路（超音波伝搬経路）１８での反射波が吸音部材４３により吸収されて送信用超音波センサ３０から送信された超音波、及び受信用超音波センサ３２に受信される超音波の共鳴を防止することができる。
【００４１】
次に、上記のように構成された超音波式渦流量計１０の計測動作を説明する。流量計本体1４の流路１２内に被測流体が流れると、渦発生体１６の下流には被測流体の流速に比例した規則的に交番的なカルマン渦が発生する。
【００４２】
このように被測流体中にカルマン渦が発生すると、渦発生体１６の下流側の斜辺１６ｂ，１６ｃには、カルマン渦に同期した圧力変化が発生する。そして、渦発生体１６の左右流側の圧力差に応じて通路１８，２０には、渦発生体１６の長手方向にカルマン渦に同期した交番的な流れが発生する。
【００４３】
ここで、発振回路４６で生成された超音波信号は、送信側超音波センサ３０，３２に伝達され、圧電素子６８を励振させる。その振動は、ホルダ６７の振動板６７ｃを介して通路１８内の被測流体中に超音波として伝搬される。
被測流体中を伝搬した超音波は、カルマン渦に同期した通路１８内の流れの情報（伝搬速度が加速または減速）を持って受信側超音波センサ３４，３６で受信され超音波信号としてアンプ回路４８，５０で増幅された後に波形整形回路５２，５４で矩形波に変換された後、位相比較回路５６でそれぞれを位相比較する。位相比較回路５６に入力されるそれぞれの信号は、互いに反対方向の位相変調を受けた信号同士であり、カルマン渦により発生した空間内の流れに同期して位相差が発生する。位相差信号は、アンプ回路５８で増幅され、フィルタ回路６０でノイズを除去した後に流量演算回路６２に入力される。
【００４４】
この位相差信号は、カルマン渦に同期しているので、流量演算回路６２ではカルマン渦の周波数から流速を演算し、体積流量を算出して表示回路６４で表示したり、流量信号を出力回路６６に出力する。
【００４５】
ここで、被測流体の温度変化や圧力変化により流体の音速が変化したとすると、通路１８，２０を伝搬した超音波は、同じ環境を伝搬することから位相差としては検出されない。そのため、被測流体の温度や圧力の変化による影響を受けずにカルマン渦により発生した通路１８，２０内の流れの変化のみを安定して検出できる構造になっている。
【００４６】
そのため、受信側超音波センサ３４，３６で受信される超音波は、通路１８，２０内の被測流体中を伝搬した超音波がほとんどである。従って、通路１８，２０内を伝搬する２つの信号は、同じ音速変化の影響を受けた信号であることから、お互いを位相比較すれば被測流体中の音速変化の影響をキャンセルすることが出来る。
【００４７】
尚、上記実施の形態では、通路１８の一端に吸音部材４３を固定する構成について説明したが、これに限らず、通路１８の内壁全面に吸音部材４３を固定する構成にも適用できるのは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、渦発生体に形成された超音波伝搬経路へ挿入される円筒状の吸音部材の両端に当接し、吸音部材を両端から挟持する挟持部材を備えてなるため、吸音部材を超音波伝搬経路の内壁に確実且つ安定的に固定することができる。また、従来のように吸音部材を超音波伝搬経路に接着剤で貼り付ける固定方法のように流体の揺らぎで剥がれことがなく、流量計測を安定に行うことができる。
【００４９】
また、請求項２記載の発明によれば、吸音部材が超音波送信側及び超音波受信側に挟持されているため、超音波伝搬経路での反射波が吸音部材により吸収されて超音波センサから送信された超音波及び超音波センサに受信される超音波の共鳴を防止することができる。
【００５０】
また、請求項３記載の発明によれば、挟持部材はリング状に形成されてなり、超音波伝播経路には、超音波伝播経路の両端に設けられた吸音部材を取付けるための凹部と、凹部に形成され、リング状の挟持部材のそれぞれが嵌合する環状溝と、が形成されてなり、吸音部材が、超音波伝播経路の凹部に挿入された状態で挟持部材により挟持されるため、吸音部材を確実に固定することができるとともに、超音波伝搬経路を狭くせず、超音波の受信効率を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる超音波式渦流量計の一実施例の横断面図である。
【図２】本発明になる超音波式渦流量計の一実施例の縦断面図である。
【図３】各超音波センサ３０，３２，３４，３６に接続された回路構成を示すブロック図である。
【図４】超音波センサ３０及び吸音部材４３の取付構造を拡大して示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０  超音波式渦流量計
１２  流路
１４  流量計本体
１６  渦発生体
１８，２０  通路
２２，２４，２６，２８  圧力導入路
３０，３２  送信用超音波センサ
３４，３６  受信用超音波センサ
３８，４０  保持部材
４３  吸音部材
４４  挟持部材
４５  凹部
４６  発振回路
４７  演算部
４８，５０  アンプ回路
５２，５４  波形整形回路
５６  位相比較回路
６２  流量演算回路
【図１】
0004441076.tif 000002
【図２】
0004441076.tif 000003
【図３】
0004441076.tif 000004
【図４】
0004441076.tif 000005