(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体が流れる管路内に渦発生体を設け、該渦発生体によって生成されるカルマン渦の発生領域をはさんで一対の超音波送受信器を配置し、該超音波送信器から発信されて前記超音波受信器によって受信される超音波の前記カルマン渦による変調を検出することによって前記被測流体の流量を測定する超音波渦流量計において、
前記超音波受信器は、圧電素子と、前記管路の管壁を形成し、前記圧電素子に音響接合剤を介して接合され、前記超音波送信器から発信されて前記被測流体中を伝播する超音波を受けて前記圧電素子に伝達する振動板とを備え、前記振動板の前記圧電素子との接合部が突出されて、該突出された接合部のみが前記圧電素子に接合し、前記被測流体の流れ方向において前記接合部の幅が前記圧電素子の幅よりも小さいことを特徴とする超音波渦流量計。
【請求項２】
前記接合部は、前記超音波送信器から発信される超音波のビーム幅のほぼ中央に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の渦流量計。
【請求項３】
前記接合部の前記被測流体の流れ方向の幅が前記カルマン渦の渦ピッチの１／２よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波渦流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カルマン渦の発生周期に基づいて管路内の被測流体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５および図６を参照して説明する。図５に示すように、超音波渦流量計１は、被測流体（流れ方向を太矢印で示す）が流れる配管２に接続されたハウジング３内の管路４を横切るように渦発生体５が設けられている。ハウジング３の管壁には、被測流体の流れによって渦発生体５の後流に生じるカルマン渦Ｋの発生領域Ｅをはさんで、一対の超音波送受信器６，７が渦発生体５と直交するように取付けられている。
【０００３】
超音波送受信器６，７は、それぞれ、圧電素子6a，7aが、ハウジング３の外周部に設けられた取付穴８，９内に挿入され、ハウジング３に螺着、溶着または接着等によって固定される蓋部材10により、シリコンゴム等の弾性体11を介して押圧されて、振動板6b，7bを形成する管壁に接着剤またはグリース等の音響接合剤12を介して密着固定（接合）されている。
【０００４】
図６に示すように、超音波渦流量計１の流量測定回路の概略構成は、発振回路13が超音波送信器６（圧電素子6a）および位相比較回路14に接続され、また、超音波受信器７（圧電素子7a）が増幅回路15を介して位相比較回路14に接続され、そして、位相比較回路14が変換回路16に接続されている。なお、図中、17は電源回路である。
【０００５】
次に、超音波渦流量計１の作動について説明する。
【０００６】
発信回路13からの電気信号によって超音波送信器６の圧電素子6aが振動し、音響接合剤12および振動板6bを介して管路４内の被測流体中に超音波を発振する。この超音波は、管路４の被測流体中を伝搬し、被測流体の流れによって渦発生体５の後流に生じるカルマン渦Ｋによって変調を受けた後、振動板7bおよび音響接合剤12を介して圧電素子7aによって受信されて電気信号に変換される。
【０００７】
この電気信号は、増幅回路12によって増幅されて位相比較回路14に入力される。位相比較回路14では、超音波受信器７からのカルマン渦Ｋによる変調分を含む信号と、発振回路13からの原信号との位相を比較して、カルマン渦Ｋによる変調分を検出してカルマン渦Ｋの発生周期と等しい周波数を有する変調信号として出力する。変調信号の周波数は被測流体の流速に比例するため、変換回路16では、この変調信号を処理して被測流体の流量を表すパルス信号として出力する。そして、このパルス信号を各種演算および制御回路（図示せず）によって処理することにより、被測流体の計測流量を得ることができる。
【０００８】
上記のようにカルマン渦の発生周波数を超音波を用いて検出するようにした超音波渦流量計においては、超音波送信器６から発振された超音波は、所定の送信ビーム幅Ｔの指向性（超音波送信領域）をもって管路４内の被測流体中を伝搬し、超音波受信器７の圧電素子7bの超音波受信面（超音波受信領域）で受信される所定のビーム幅R0の範囲で受信される。このとき、超音波送信器６によって発振され、かつ、超音波受信器７によって受信される超音波のビーム幅R0（超音波送信領域と超音波受信領域との重なり部分の幅）の範囲内に複数のカルマン渦Ｋが同時に存在すると、変調信号が単一のカルマン渦Ｋによる変調分を表さなくなるため、変調信号の精度すなわち流量計測制度が低下してしまう。
【０００９】
超音波のビーム幅R0が、カルマン渦ＫのピッチＰ（同一方向にできるｎ番目のカルマン渦の頭とｎ＋１番目のカルマン渦の頭との間隔であり、渦発生体５の幅ｄによって決定され、一般に、Ｐ／２＝（１／0.56）ｄ、または、Ｐ／２＝1.6d〜1.8d程度である）の１／２よりも大きい場合（R0＞Ｐ／２）、ビーム幅R0の範囲内に複数のカルマン渦Ｋが存在することになり、カルマン渦列は正逆方向の渦が交番に並ぶため、隣り合うカルマン渦どうしが圧電素子7a全体で受信する超音波（ビーム幅R0の範囲の超音波）の変調を打ち消し合うように作用する。このため、カルマン渦Ｋによる変調が明確に交番に表れなくなり、時系列的なカルマン渦を検出できないことから、流量計測の精度が低下する。これに対して、ビーム幅R0をカルマン渦のピッチＰの１／２よりも小さくして、単一のカルマン渦Ｋによって一方向の変調を受けた超音波を受信することにより、連続した交番変化を明確に表す変調信号を検出することができ、流量の計測精度を高めることができる。
【００１０】
次に、超音波のビーム幅と、位相比較回路14の出力波形との関係について、図７を参照して説明する。図７(A),(B),(C) は、管路直径Ｄ＝6.0mm 、渦発生体幅ｄ＝1.4mm 、渦発生体の前端から超音波送受信器の圧電素子の中心までの距離Ｌ＝2.8mm 、被測流体流量 2.0 l／min とし、超音波送受信器の圧電素子の幅Ｗをそれぞれ(A) ではＷ＝3.0mm 、(B) ではＷ＝2.0mm 、また、(C) ではＷ＝1.0 mmとした場合の位相比較回路14からの実際の出力波形を示している。
【００１１】
図７から、超音波のビーム幅すなわち超音波送受信器の圧電素子の幅Ｗを小さくする程、(A),(B),(C) の順で位相比較回路14の出力波形が安定し、超音波送受信器の圧電素子の幅Ｗをカルマン渦のピッチＰの１／２、すなわちＰ／２＝（１／0.56）ｄ＝2.1mm よりも小さいＷ＝1.0 mmとした(C) が高く最も安定した出力波形となっていることがわかる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の超音波渦流量計１を用いて微少流量の計測を実現するためには、被測流体の流速（レイノルズ数）をカルマン渦の発生領域まで高めて安定したカルマン渦の生成を行う必要があり、このため、ハウジング３の管路４の直径Ｄを充分小さく設定する必要がある。そこで、管路４の直径Ｄを小さくすると、渦発生体５の幅ｄも小さくなり、この幅ｄによって決まるカルマン渦のピッチＰが小さくなるので、安定した流量の計測を行うためには、超音波のビーム幅を充分小さくする必要がある。
【００１３】
しかしながら、超音波送受信器６，７の圧電素子6a，7aを小さくしようとする場合、圧電素子6a，7aの性能安定性の確保が困難になり、製造および組付作業性が低下し、また、製造コストが高くなるという問題を生じる。さらに、計測流量に応じて各寸法の圧電素子6a，7aを準備する必要があり、超音波渦流量計の製造コストの上昇の原因となる。
【００１４】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、超音波送受信器の寸法を小さくすることなく、超音波のビーム幅を小さく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。
【００１５】
【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管路内に渦発生体を設け、該渦発生体によって生成されるカルマン渦の発生領域をはさんで一対の超音波送受信器を配置し、該超音波送信器から発信されて前記超音波受信器によって受信される超音波の前記カルマン渦による変調を検出することによって前記被測流体の流量を測定する超音波渦流量計において、
前記超音波受信器は、圧電素子と、前記管路の管壁を形成し、前記圧電素子に音響接合剤を介して接合され、前記超音波送信器から発信されて前記被測流体中を伝播する超音波を受けて前記圧電素子に伝達する振動板とを備え、前記振動板の前記圧電素子との接合部が突出されて、該突出された接合部のみが前記圧電素子に接合し、前記被測流体の流れ方向において前記接合部の幅が前記圧電素子の幅よりも小さいことを特徴とする。
【００１６】
このように構成したことにより、突出された接合部の幅を小さくしたので、圧電素子の大きさを変えることなく、超音波送信器から発信された超音波に対する超音波受信器の受信領域の被測流体の流れ方向における幅を小さくすることができる。
【００１７】
請求項２の発明は、上記請求項１の構成において、前記接合部は、前記超音波送信器から発信される超音波のビーム幅のほぼ中央に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
このように構成したことにより、超音波受信器は、超音波送信器から発信される超音波のビーム幅のほぼ中央の領域を受信する。
【００１９】
請求項３の発明は、上記請求項１又は２の構成において、前記接合部の前記被測流体の流れ方向の幅が前記カルマン渦の渦ピッチの１／２よりも小さいことを特徴とする。
【００２７】
【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。なお、以下の説明において、図４および図５に示す従来例と同様の部分には、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。
【００２８】
本発明の第１実施形態について図１を参照して説明する。図１に示すように、第１実施形態に係る超音波渦流量計18では、超音波受信器７の圧電素子7aの取付穴９の底部（振動板7b）の中央部に、圧電素子7aの超音波受信面よりも小さい接合部19が突出されており、この接合部19が圧電素子7aの超音波受信面に音響接合剤12を介して接合されている。そして、接合部19によって、管路４内の流体中を伝搬して受信側の振動板7bに到達した超音波を圧電素子7aの超音波受信面に伝達する音響伝達経路を形成している。
【００２９】
接合部19は、渦発生体５の幅ｄによって決定されるカルマン渦のピッチＰに基づいて、その幅W1（被測流体の流れ方向に沿った寸法）が渦ピッチＰの１／２よりも小さくなるようにしてあり（W1＜Ｐ／２）、渦発生体５の幅ｄと渦ピッチＰとの関係（一般に、Ｐ／２＝（１／0.56）ｄ、または、Ｐ／２＝1.6d〜1.8d程度）に基づいて、例えば、渦発生体５の幅ｄに対してW1＜1.6d〜1.8dとし、望ましくはW1≦（１／0.56）ｄとするとよい。そして、接合部19は、渦発生体５の後流に生成されるカルマン渦Ｋの１つによって変調された超音波が受信されるような位置に配置されている。
【００３０】
圧電素子7aの背部には、この圧電素子7aが嵌合されるはめ合い寸法の凹部を有するリテーナ20が嵌合されている。リテーナ20の外周部は、取付穴９内に嵌合されるはめ合い寸法となっており、リテーナ20によって圧電素子7aの管路４に対する平行度が確保されるようになっている。そして、ハウジング３に螺着、溶着または接着等によって固定される蓋部材10でシリコンゴム等の弾性体11を介してリテーナを押圧することにより、圧電素子7aが音響接合剤12を介して接合部19に密着されて固定されている。
【００３１】
以上のように構成した第１実施形態の作用について次に説明する。
【００３２】
図４に示すものと同様に、超音波送信器６の圧電素子6aから発振された超音波は、所定の送信ビーム幅Ｔの指向性（広がり）をもって被測流体中を伝搬し、カルマン渦Ｋによって変調されて受信側の振動板7bに到達する。そして、接合部19によって形成される音響伝達路および音響接合剤12を介して圧電素子7aで受信される。このとき、接合部19によって、圧電素子7aの超音波受信面と振動板7bとの間に空間Ｓが形成されるので、超音波信号の伝達経路を接合部19の幅W1に限定することができ、これにより、圧電素子7aのビーム幅R1をカルマン渦のピッチＰの１／２より小さい接合部19の幅W1に限定することができる。
【００３３】
その結果、単一のカルマン渦Ｋによって変調された超音波を超音波受信器７の圧電素子7aで受信することができ、図７(C) に示すような位相比較回路14の出力波形と同様の安定した出力波形が得られて、流量の計測精度を高めることができる。
【００３４】
そして、微小流量の計測のため、管路４の小径化にともなって渦発生体５の幅ｄが小さくなり、カルマン渦のピッチＰが小さくなった場合でも、渦発生体５の幅ｄによって決定される渦ピッチＰに応じて接合部19の幅を充分小さく設定することにより、超音波受信器７の寸法すなわち圧電素子7aの寸法を小さくすることなく、所望の超音波のビーム幅R1を得ることができ、単一のカルマン渦による変調を連続的に受けた超音波を受信して流量の計測精度を高めることができる。このとき、超音波受信器７の圧電素子7aは、リテーナ20によって管路４に対する平行度が確保された状態で確実に支持されるので、接合部19の幅W1を小さくしても取付状態が不安定になることがない。
【００３５】
これにより、超音波受信器７の圧電素子7aの性能安定性を容易に確保し、小型化による製造および組付作業性の低下を防止し、また、製造コストが高くなるのを防止することができる。さらに、計測流量に応じて各寸法の圧電素子を製造する必要がなくなり、超音波受信器の共通化が可能となって製造コストを低減することができる。
【００３６】
なお、接合部19の形状および寸法は、所望の超音波のビーム幅R1に応じて様々に設定することができる。また、上記実施形態では、接合部19は、ハウジング３の管壁と一体に形成しているが、これらを別部材として取付けるようにしてもよい。
【００３７】
次に、本発明の第２実施形態について図２および図３を参照して説明する。
【００３８】
図２に示すように、第２実施形態に係る超音波渦流量計21では、超音波受信器７の圧電素子7aの取付穴22は、被測流体の流れ方向に対して、超音波送信器６の圧電素子6aの取付穴８の下流側に距離Ａだけオフセットして配置されており、超音波送信器６から発振された所定の送信ビーム幅Ｔの指向性（広がり）を有する超音波送信領域と、超音波受信器７の圧電素子7aの超音波受信面で受信可能な超音波の伝搬領域である受信領域とがラップするカルマン渦の発生領域Ｅにおけるビーム幅R2が渦ピッチＰの１／２よりも小さくなるようになっている。そして、渦発生体５の後流に生成されるカルマン渦Ｋの１つがビーム幅R2内に入り（図２中の領域F1参照）、この単一のカルマン渦Ｋによって変調された超音波が超音波受信器７の圧電素子7aによって受信されるようになっている。
【００３９】
ここで、受信ビーム幅R2は、渦発生体５の幅ｄによって決定される渦ピッチＰ（一般にＰ／２＝1.6d〜1.8d）を考慮して、R2＜1.6d〜1.8dとし、望ましくはR2＜（１／0.56）d とするとよい。
【００４０】
以上のように構成した第２実施形態の作用について次に説明する。
【００４１】
図４に示すものと同様に、超音波送信器６の圧電素子6aから発信された超音波は、所定の送信ビーム幅Ｔの指向性（広がり）をもって被測流体中を伝搬し、カルマン渦Ｋによって変調されて受信側の振動板7bに到達し、振動板7bおよび音響接合剤12を介して圧電素子7aによって受信される。このとき、超音波送信器６と超音波受信器７とが距離Ａだけオフセットされてビーム幅R2が渦ピッチＰの１／２よりも小さくなっているので、単一のカルマン渦Ｋによる変調を連続的に受けた超音波を超音波受信器７で受信することができ、流量の計測精度を高めることができる。
【００４２】
さらに、超音波送受信器６，７間をオフセットすることにより、被測流体中の超音波の伝搬距離が管路４の直径Ｄよりも長くなるので、カルマン渦Ｋによる位相変調量が大きくなり、計測感度を高めることができる。
【００４３】
図３に、管路直径Ｄ＝6.0mm 、渦発生体幅ｄ＝1.4mm 、渦発生体の前端から超音波送信器の中心までの距離L1＝1.57mm、超音波受信器の中心までの距離L2＝5.03mm、超音波送受信器の幅Ｗ＝2.0mm 、被測流体流量 2.0 l／min とした場合の位相比較回路の実際の出力波形を示す。このとき、R2＝1.0mm で、（１／0.56）d ＝2.50mmより小さくなっている。図３から、安定した出力波形が得られることがわかる。
【００４４】
そして、微小流量の計測のため、管路４の小径化にともなって渦発生体の幅ｄが小さくなり、カルマン渦のピッチＰが小さくなった場合でも、渦発生体ｄによって決定される渦ピッチＰに応じて超音波送受信器６，７間のオフセット距離Ａを調整することにより、超音波受信器７の寸法を小さくすることなく、所望の超音波のビーム幅R2を得ることができ、安定した信号を受信して流量の計測精度を高めることができる。
【００４５】
これにより、超音波受信器７の圧電素子7aの性能安定性を容易に確保し、小型化による製造および組付作業性の低下を防止し、また、製造コストが高くなるのを防止することができる。さらに、計測流量に応じて各寸法の圧電素子を製造する必要がなくなり、超音波受信器の共通化が可能となって製造コストを低減することができる。
【００４６】
なお、上記第２実施形態の変形例として、図４に示すように、超音波送受信器６，７の被測流体の流れ方向の位置はオフセットせず、その取付角度をオフセットして配置して互いに正対しないようにすることにより、超音波のビーム幅をカルマン渦Ｋの渦ピッチＰの１／２よりも小さくして、領域F2内において単一のカルマン渦によって変調を受けた超音波を受信することができる。ただし、この場合には、管路４内に、よどみを生じる凹部23が形成されることになる。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１に係る超音波渦流量計によれば、突出された振動板の接合部の幅を小さくしたので、圧電素子の大きさを変えることなく、超音波送信器から発信される超音波に対する超音波受信器の受信領域の被測流体の流れ方向における幅を小さくすることができる。これにより、管路を小径化しても、圧電素子を小さくすることなく超音波のビーム幅を小さくできるため、圧電素子の性能安定性を容易に確保し、小型化による製造および組付作業性の低下を防止し、また、製造コストが高くなるのを防止することができる。さらに、計測流量に応じて各寸法の圧電素子を製造する必要がなくなり、超音波受信器の共通化が可能となって製造コストを低減することができる。
【００４８】
請求項２に係る超音波渦流量計によれば、更に、超音波受信器は、超音波送信器から発信される超音波のビーム幅のほぼ中央の領域を受信する。
【００４９】
請求項３に係る超音波渦流量計によれば、更に、単一のカルマン渦による超音波の変調を検出することができ、流量の計測精度を高めることができる。
【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横縦断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る超音波渦流量計の横縦断面図である。
【図３】図２の装置の位相比較回路の出力波形を示すグラフ図である。
【図４】本発明の第２実施形態の変形例に係る超音波渦流量計の横縦断面図である。
【図５】従来の超音波渦流量計の横断面図である。
【図６】超音波渦流量計の流量測定回路の概略構成を示すブロック図である。
【図７】超音波渦流量計の超音波信号の受信ビーム幅と位相比較回路の出力波形との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
４  管路
５  渦発生体
６  超音波送信器
７  超音波受信器
6a,7a 圧電素子
6b,7b 振動板
18,21 超音波渦流量計
19  接合部
Ａ  オフセット
ｄ  渦発生体の幅
Ｅ  カルマン渦の発生領域
Ｋ  カルマン渦
Ｐ  カルマン渦のピッチ
R1,R2 ビーム幅
【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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