(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体が流れる流路と、
該流路内に設けられて下流側にカルマン渦を発生させると共に内部空間を有し、当該内部空間に前記カルマン渦に同期した被測定流体の流れが導入されるための孔が周壁部に設けられた渦発生体と、
前記渦発生体の内部空間に導入される前記被測定流体の流れによる変動領域を挟んで配置された一対の超音波送受信器と、を備えた超音波渦流量計であって、
前記一対の超音波送受信器のうち、少なくとも一方は、略有底円筒状の形状をなし、その底部に超音波素子が装着されるホルダを有し、
該ホルダは、円筒部分で２以上の部材が結合して形成されており、その少なくとも１つの結合部は、振動の節となる位置に配置されていることを特徴とする超音波渦流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波センサを利用してカルマン渦の発生を検出することによって管路内のガスの流量を計測する超音波渦流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波渦流量計の一例について図８ないし図10を参照して説明する。図８ないし図10に示すように、超音波渦流量計１は、被測定流体であるガスの流路２を形成するメータ本体３内に、流路２を横切る柱状のブラフボディ４（渦発生体）が設けられ、ブラフボディ４の内部には計測通路５（内部空間）が形成されている。ブラフボディ４には、その下流側に向けて、計測通路５に連通する一対の孔６，７が開口されている。ブラフボディ４には、計測通路５をはさんで両端部に、圧電素子（超音波素子）を備えた一対の超音波送受信器８，９が取付けられている。
【０００３】
そして、メータ本体３内の流路２にガスが流れると、ブラフボディ４の下流にガスの流速に応じた周期でカルマン渦Ｋが交番的に発生し、このカルマン渦Ｋに同期して生じるガスの流れが孔６，７から計測通路５内に導入されて、計測通路５内にカルマン渦Ｋの発生周期と同じ周期で流速変化が生じる。超音波送信器８から発信され、計測通路５内のガス中を伝搬する超音波は、カルマン渦Ｋによる計測通路５内のガスの流れによって変調を受けて超音波受信器９で受信されるので、この変調分を位相比較器等によって抽出してカルマン渦Ｋの発生周期を検出することにより、流路２内のガスの流量を求めることができる。
【０００４】
このとき、超音波送信器８から発信された超音波の一部は、ブラフボディ４およびメータ本体３を伝搬して超音波受信器９にノイズ成分として受信される（超音波が回り込む）ことになるが、超音波は、被測定流体であるガス中よりもブラフボディ４およびメータ本体３等の固体中の方が遥かに伝搬しやすいので、ブラフボディ４およびメータ本体３を伝搬する回り込みノイズが大きくなり、Ｓ／Ｎ比（シグナル／ノイズ比）が低下して安定したカルマン渦の検出が困難になる。
【０００５】
そこで、従来は、図10に示すように、ブラフボディ４を弾性体であるＯリング10を介してメータ本体３に取付け、超音波送受信器８，９（同一の構成であるため、超音波送信器８のみ図示する）を弾性体であるＯリング11およびパッキン12を介してブラフボディ４に取付けることにより、メータ本体３およびブラフボディ４に伝搬する漏洩超音波を減衰させるようにしていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の超音波渦流量計では、次のような問題があった。メータ本体、ブラフボディおよび超音波送受信器は、互いにボルト等によって締結されるため、これらのボルト等を介して各部材間で漏洩超音波が伝搬するため、回り込みノイズを充分に遮断することができない。特に、被測定流体が高圧である場合、各部材の締結力を高めるため、多数のボルト等を設ける必要があり、回り込みノイズが伝搬しやすくなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、メータ本体およびブラフボディを伝搬する漏洩超音波を減衰することで回り込みノイズを低減することができる超音波渦流量計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】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、被測定流体が流れる流路と、
該流路内に設けられて下流側にカルマン渦を発生させると共に内部空間を有し、当該内部空間に前記カルマン渦に同期した被測定流体の流れが導入されるための孔が周壁部に設けられた渦発生体と、
前記渦発生体の内部空間に導入される前記被測定流体の流れによる変動領域を挟んで配置された一対の超音波送受信器と、を備えた超音波渦流量計であって、
前記一対の超音波送受信器のうち、少なくとも一方は、略有底円筒状の形状をなし、その底部に超音波素子が装着されるホルダを有し、
該ホルダは、円筒部分で２以上の部材が結合して形成されており、その少なくとも１つの結合部は、振動の節となる位置に配置されていることを特徴とする。
【０００９】
このように構成したことにより、超音波素子からホルダに伝搬した超音波は、ホルダ円筒部の結合部によって形成される境界面によって反射、減衰される。また、節となっているホルダの結合部からホルダの底部が超音波の周波数での振動を起こしやすくなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
本発明の第１実施形態について図１および図２を参照して説明する。図１および図２に示すように、超音波渦流量計13は、被測定流体であるガスの流路14を形成する略円筒状のメータ本体15に、流路14を横切るように直径方向に沿って柱状のブラフボディ16が貫通されている。ブラフボディ16には、その長手に沿って計測通路17（内部空間）が貫通され、また、その側壁には、メータ本体15の流路14と計測通路17とを連通させる一対の孔18，19が下流側に向かって開口されている。そして、ブラフボディ16の両端部には、計測通路17をはさんで互いに対向する一対の超音波送受信器20，21が取付けられている。
【００１４】
ブラフボディ16の両端部にはフランジ部22，23が形成され、超音波送受信器20，21にはそれぞれフランジ部24，25が形成されており、フランジ部22，24間およびフランジ部23，25間にそれぞれパッキン26を介装して、ブラフボディ16および超音波送受信器20，21がボルト27によってメータ本体15に結合されている。
【００１５】
超音波送受信器20，21は同様の構造であり（図２には超音波送信器20のみを図示する）、略有底円筒状のセンサホルダ28内の底部に圧電素子29（超音波素子）がシリコン接着剤またはエポキシ樹脂等の音響接合剤によって接着されている。また、圧電素子29には、ＰＴＦＥ線またはウレタン線等のリード線30が接続され、このリード線が接続される電極の端子31は、ハーメチックシールによって蓋部材32に接合されており、蓋部材32はセンサホルダ28の開口部に接着、溶着または螺着等によって取り付けられているため、センサホルダ28は気密封止された状態となっている。
【００１６】
センサホルダ28は、底部を有するセンサ取付部33とフランジ部24，25を有するブラフボディ取付部34との２つの円筒部が結合した２分割構造となっている。センサ取付部33とブラフボディ取付部34とは、溶接（ＴＩＧ溶接、レーザ溶接、抵抗溶接等）、ロウ付、接着等によって結合されている。この結合によって形成される結合部35は、超音波の伝搬特性（音響インピーダンス）がセンサホルダ28の他の部分と異なっているため、結合部35には音響の境界面が形成される。したがって、結合部35とセンサ取付部33およびブラフボディ取付部34との境界面において、圧電素子29から発信されてセンサホルダ28の円筒部を伝搬する超音波が反射、減衰される。また、センサホルダ28の各部の寸法は、図６に示されるように、送受信を行う超音波の波長をλとすると、底部の直径がλ／２、底部から結合部35までの距離がλ／２となるように設定されている。このような寸法に設定することにより、圧電素子29が振動したとき、結合部35を節としてセンサホルダ28が振動する。
【００１７】
以上のように構成した本実施形態の作用について次に説明する。
【００１８】
センサ駆動回路（図示せず）からの電気信号によって超音波送信器20の圧電素子29を振動させてセンサホルダ28の底部から超音波を発信させ、ブラフボディ16の計測通路17内を伝搬した超音波を超音波受信器21の圧電素子29で受信して電気信号に変換する。メータ本体15の流路14に被測定流体であるガスが流通すると、その流速に応じた周期でブラフボディ16の下流にカルマン渦が交番的に発生する。このカルマン渦に同期したガスの流れが孔18，19から計測通路17内に導入されて、計測通路17内にカルマン渦の発生周期と同じ周期で流速変化が生じる。この流速変化により、計測通路17内を伝搬する超音波は、カルマン渦の発生周期に応じた変調を受けるので、位相比較器等（図示せず）によって超音波の変調分を抽出することにより、この変調分に基づいてカルマン渦の発生周期を検出することができ、ガスの流量を求めることができる。
【００１９】
このとき、センサホルダ28は、センサ取付部33とブラフボディ取付部34とが組織（音響インピーダンス）の異なる結合部35によって結合されているので、センサホルダ28の円筒部を伝搬する超音波に対して、センサ取付部33およびブラフボディ取付部34と結合部35との境界面が音響的障害となり、音波の減衰（反射および散乱）が発生し、ブラフボディ16およびメータ本体15へ伝搬される漏洩超音波が低減される。また、結合部35が、圧電素子29による振動の節となるように設定されているので、図６中破線で示すようにセンサホルダ28が振動を起こす。
【００２０】
被測定流体がガスである場合には、固体、液体に比べて音速、密度が小さいために音響インピーダンスが小さく超音波の透過率が低いので、大きな音圧を必要とする。また、音速が小さいために、超音波送信20から送信した超音波が超音波受信器21で受信される間に生じる位相差が±２πを越えてしまって流量が検出できなくなることを防止するために、低い周波数を用いる必要がある。このため、圧電素子29には、低い周波数（１次モードの周波数）で径方向の振動を大きく起こすユニモルフ型の素子が用いられる。
【００２１】
このユニモルフ型の圧電素子29をセンサホルダ28の底部に張り付け、径方向に振動させると（図７（ａ）参照）、その伸縮によりセンサホルダ28の底部が図７（ｂ）（縮み時）および図７（ｃ）（伸び時）に示すように、センサホルダ28の高さ方向に変形する。この変形により、直接ガスに超音波の振動を伝達させることができるため、低い周波数で大きな音圧の超音波を送受信することができる。
【００２２】
ここで、センサホルダの結合部35から底部にかけての各寸法が図６の寸法に設定されていると、結合部35を節として、結合部35から底部にかけてセンサホルダ28が振動（変形）しやすくなり、小さな電圧で大きな音圧の振動を得ることができる。なお、底部の直径及び底部から結合部35までの距離は、必ずしもλ／２である必要はなく、この整数倍であればよい。また、その他の条件によっては、センサホルダ28の底部の直径及び底部から結合部35までの距離のそれぞれが必ずしもλ／２の整数倍である必要はなく、結合部に振動の節がくるように設定されていればよい。
【００２３】
結合部35に形成される音響的な境界面による漏洩超音波の減衰によるノイズの低減と、結合部35を節とした振動の効率向上によるシグナルの増大とにより、Ｓ／Ｎ比が向上して安定したカルマン渦の検出を行うことができ流量計測精度を高めることができる。
【００２４】
次に、本発明の第２実施形態について図３ないし図５を参照して説明する。なお、第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、超音波送受信器のセンサホルダの構造が異なる以外は概して同様の構造であるから、以下、図１および図２に示す第１実施形態のものと同様の部分には同一の符号を付して異なる部分についてのみ詳細に説明する。
【００２５】
図３および図４に示すように、第２実施形態の超音波渦流量計36では、超音波送受信器37，38（図３には超音波送信器37のみ図示する）のセンサホルダ39は、センサ取付部33とブラフボディ取付部34との間に円筒状のセンサアダプタ40が結合された３分割構造となっている。センサ取付部33およびブラフボディ取付部34とセンサアダプタ40とは、上記第１実施形態と同様に結合され、これらの間に超音波の伝搬特性（音響インピーダンス）の異なる結合部41，42が形成されている。
【００２６】
そして、センサアダプタ40を結合した分、センサホルダ39の高さ方向の寸法を大きくし、その分だけセンサホルダ39の先端部をブラフボディ16の計測通路17内に突出させて、メータ本体15の流路14の直径Ｄに対して、超音波送受信器37，38間の距離L1および孔18，19間の距離L2を小さくしている。
【００２７】
このように構成したことにより、センサホルダ39に音響的障害層となる２つの結合部41，42が形成されるので、ブラフボディ16およびメータ本体15への漏洩超音波を上記第１実施例のものよりさらに低減することができる。
【００２８】
センサ取付部33およびブラフボディ取付部34を上記第１実施形態のものと共通とし、軸方向寸法の異なるセンサアダプタ40と組合せることにより、様々な軸方向寸法のセンサホルダ39を製造することができるので、部品の共通化によって製造コストを低減することができる。ここで、センサホルダ39の底部の圧電素子29の取付面の加工精度は、超音波の送受信特性に大きく影響するが、従来の一体型のセンサホルダでは、軸方向の寸法を大きくした場合、加工面が深くなるため、充分な加工精度を得ることが困難であったが、本発明では、センサホルダ39を分割構造としてセンサ取付部33を別体としたことにより、センサ取付部33の底部の圧電素子29の取付面の加工が容易になり、その加工精度を向上させることができる。
【００２９】
センサホルダ39の高さ方向の寸法を大きくできることから、図４に示すようにメータ本体15の流路14の直径Ｄが大きい場合でも、流路の直径Ｄによらず超音波送受信器37，38間の距離L1を自由に選択することができる。
【００３０】
一般に超音波を用いた流量計においては、超音波送受信器間の距離が大きくなると、超音波の変調量が大きくなり、超音波の減衰やフローノイズ、被測定流体の温度変動による超音波の伝搬速度変化等による影響が大きくなり、正確な流量計則が困難になる。つまり、超音波送受信器間の距離が大きくなると、被測定流体であるガス中での音波の減衰が非常に大いため、受信レベルが著しく低下するのに対して、ブラフボディおよびメータ本体を伝搬する回り込みノイズの減衰は比較的小さいので、Ｓ／Ｎ比が低下して安定したカルマン渦の検出が行えなくなり、流量計測精度が低下する。また、従来、位相比較器の位相差許容範囲の限界により、超音波送受信器間の距離が限定されることがあり、流路の直径を大きくする場合、圧電素子及びセンサホルダを変更して発信周波数を変える必要があった。
【００３１】
これに対して、本発明では、センサアダプタ40の軸方向の寸法を大きくすることによってセンサホルダ39の軸方向寸法を大きくすることができるので、流路14の直径Ｄにかかわらず、超音波送受信器37，38間の距離を自由に選択することができ、上記問題点を解消して安定した高精度の流量計則が可能となる。
【００３２】
なお、第１および第２実施形態では、センサホルダを２分割および３分割構造とした場合について説明しているが、本発明はこれに限らず、４分割以上の分割構造とすることも可能である。また、上記実施形態では、カルマン渦に同期したガスの流れが孔18，19から導入されて計測通路17（ブラフボディ16の内部空間）内に起きる流速変化によって超音波が変調される構成としているが、これに限らず、例えば、ブラフボディ16の内部空間にカルマン渦に同期したガスの流れが導入されて起きる内部空間内のガスの密度変化によって超音波が変調されるように構成してもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１の発明の超音波渦流量計によれば、超音波送受信器の超音波素子を載置する略有底円筒状のホルダを円筒部分で２以上の部材が結合されて形成されるようにしたことより、圧電素子からホルダの円筒部に伝搬した超音波は、ホルダの円筒部に形成された結合部の境界面によって反射、減衰されるので、Ｓ／Ｎ比が向上して安定したカルマン渦の検出を行うことができ流量計測精度を高めることができる。
【００３４】
また、ホルダの少なくとも１つの結合部を振動の節となる位置に配置したことにより、結合部からの音波が伝搬しにくくなるとともに、ホルダの結合部分から底部にかけて振動を起こしやすくなり、計測通路を介した超音波の送受信を効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超音波渦流量計の流路を横切る縦断面図である。
【図２】図１の要部の拡大図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る超音波渦流量計の要部を示す流路を横切る縦断面の拡大図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る超音波渦流量計の流路を横切る縦断面図である。
【図５】図４のものより小径の流路を有する超音波渦流量計の流路を横切る縦断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る超音波渦流量計のホルダの各部の寸法及び振動の状態を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る超音波流量計のユニモルフ型の圧電素子を用いた超音波送受信器の振動の状態を示す図である。
【図８】従来の超音波渦流量計の流路を横切る縦断面図である。
【図９】図８の超音波渦流量計の流路に沿った横断面図である。
【図１０】図８の超音波渦流量計の超音波送信器取付部の拡大図である。
【符号の説明】
13,36 超音波渦流量計
14  流路
16  ブラフボディ（渦発生体）
17  計測通路（内部空間）
20,37 超音波送信器
21,38 超音波受信器
29  圧電素子（超音波素子）
28,39 センサホルダ（ホルダ）
35,41,42  結合部
【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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