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図面 (10)

課題

流路外部の温度の影響を受け難く、流れ中心部の流体の温度を正確に計測できる超音波流量計を提供すること。

解決手段

基板9に突出させて固定した温度センサ11を設けた平板状のセンサプレート8を有し、センサプレート8は流路2の流れ方向に沿わせて温度センサ11を流路2断面内に突出させて配置し、センサプレート8を固定した基板9と流路2との間に被計測流体気密保持するシール体12を設けて構成し、流路2の雰囲気温度の影響を大幅に低減して流体温度を精度よく計測し、汎用性が高く計測精度の高い流量計が実現でき、さらにセンサ配線と気密構成を簡単な構成で実現できる。

概要

背景

従来、超音波で流量を計測し、流体の温度も計測する超音波流量計として、筒状のサーミスタ流路内に挿入して温度を計測するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。

図9は、特許文献1に記載された超音波流量計の断面を示したものである。

この流量計では、一対の超音波送受波器101、102を流路体103に配置し、それぞれの超音波送受波器101、102対して超音波を反射する偏向ミラー104、105を設けて計測流路106に超音波を伝搬させて流速・流量の計測を行っている。さらに、流路107の下流側に流れ中心部に位置するように筒状のサーミスタ108を流路体103の壁面から挿入し、サーミスタ108の取付け部109をOリング110などで気密シールし、流体の温度を計測するものである。

概要

流路外部の温度の影響を受け難く、流れ中心部の流体の温度を正確に計測できる超音波流量計を提供すること。基板9に突出させて固定した温度センサ11を設けた平板状のセンサプレート8を有し、センサプレート8は流路2の流れ方向に沿わせて温度センサ11を流路2断面内に突出させて配置し、センサプレート8を固定した基板9と流路2との間に被計測流体気密保持するシール体12を設けて構成し、流路2の雰囲気温度の影響を大幅に低減して流体温度を精度よく計測し、汎用性が高く計測精度の高い流量計が実現でき、さらにセンサ配線と気密構成を簡単な構成で実現できる。

目的

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、雰囲気温度の影響を大幅に低減して流体温度を精度よく計測し、流量計測の精度を高めた超音波流量計を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

被計測流体が流れる流路を有する流路体と、前記流路体に配置された一対の超音波送受波器と、前記流路体に固定される基板と、前記被計測流体の温度を検知する温度センサが配置された平板状のセンサプレートと、前記超音波送受波器間の超音波伝搬時間と前記温度センサの検知温度から被計測流体の流量を演算する演算部と、を備え、前記センサプレートは、前記基板から突出するように構成され、前記基板を前記流路体に固定した際に前記流路体に設けたセンサ穴から前記流路の流路断面内に突出するようにしたことを特徴とする超音波流量計

請求項2

前記センサプレートは、前記基板から略水直に突出させて固定され、前記基板と前記流路体との間に前記センサ穴からの被計測流体の漏洩を防止するシール体を備えたことを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。

請求項3

前記基板にコネクタ部を配置し、該コネクタ部を介して前記センサプレートを着脱自在に取付けたことを特徴とする請求項1または2記載の超音波流量計。

請求項4

前記センサプレートは、フレキシブル基板で形成した屈曲可能な可撓部を設けたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の超音波流量計。

請求項5

前記センサプレートは、その先端部が前記流路の壁面に接触することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の超音波流量計。

請求項6

前記センサプレートは、前記センサ穴の内壁面に設けた案内部に嵌合させたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の超音波流量計。

請求項7

前記センサプレートは、前記流路の上流側に配置して被計測流体の流れを整える整流体としたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の超音波流量計。

請求項8

前記センサプレートは、前記被計測流体の流体特性である圧力を検知する圧力センサを備えたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の超音波流量計。

請求項9

前記演算部は、前記基板に構成されたことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の超音波流量計。

技術分野

0001

本発明は、計測流路流動する流体に超音波伝搬させて流体の流速計測し、流体の温度計測を加えて計測精度を高める超音波流量計に関するものである。

背景技術

0002

従来、超音波で流量を計測し、流体の温度も計測する超音波流量計として、筒状のサーミスタ流路内に挿入して温度を計測するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。

0003

図9は、特許文献1に記載された超音波流量計の断面を示したものである。

0004

この流量計では、一対の超音波送受波器101、102を流路体103に配置し、それぞれの超音波送受波器101、102対して超音波を反射する偏向ミラー104、105を設けて計測流路106に超音波を伝搬させて流速・流量の計測を行っている。さらに、流路107の下流側に流れ中心部に位置するように筒状のサーミスタ108を流路体103の壁面から挿入し、サーミスタ108の取付け部109をOリング110などで気密シールし、流体の温度を計測するものである。

先行技術

0005

特表2004−526127号公報

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、前記従来の構成では、サーミスタ108の筒状部を金属管などで構成して先端に温度検知部を配置すると、金属製の筒状部の伝熱作用で流路体103の外壁面の温度の影響を受け、外壁面の雰囲気温度流体温度の差が大きい場合では温度計測に誤差を生じるという課題を有するものであった。

0007

また、図9に示す従来の構成のように、筒状部を径の細くすることで、流速が早いなど流体からの熱伝達が高い場合は壁面からの影響を低減できるが、被計測流体気体や流速が遅いなど熱伝達が大きくない場合は、流路体103の壁面温度の影響を受けて温度計測誤差を生じる恐れがある。

0008

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、雰囲気温度の影響を大幅に低減して流体温度を精度よく計測し、流量計測の精度を高めた超音波流量計を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0009

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、被計測流体が流れる流路を有する流路体と、前記流路体に配置された一対の超音波送受波器と、前記流路体に固定される基板と、前記被計測流体の温度を検知する温度センサが配置された平板状のセンサプレートと、前記超音波送受波器間の超音波の伝搬時間と前記温度センサの検知温度から被計測流体の流量を演算する演算部と、を備え、前記センサプレートは、前記基板から突出するように構成され、前記基板を前記流路体に固定した際に前記流路体に設けたセンサ穴から前記流路の流路断面内に突出するようにしたことを特徴とすることで、流路の雰囲気温度の影響を大幅に低減して流体温度を精度よく計測でき、計測精度の高い流量計が実
現できる。

発明の効果

0010

本発明の超音波流量計は、基板に突出させて固定した温度センサを設けた平板状のセンサプレートを有し、前記センサプレートは前記流路の流れ方向に沿わせて前記温度センサを流動断面内に突出させて配置することで、流路の雰囲気温度の影響を大幅に低減して流体温度を精度よく計測し、汎用性が高く計測精度の高い流量計が実現できる。

図面の簡単な説明

0011

本発明の実施の形態1における流量計の横断面図
本発明の実施の形態1における流量計の縦断面図
本発明の実施の形態1におけるセンサプレートの流動方向外観図
本発明の実施の形態1における基板とセンサプレートの斜視図
本発明の実施の形態2におけるセンサプレートの構成を示す部分斜視図
本発明の実施の形態2におけるセンサプレートの他の構成を示す部分斜視図
本発明の実施の形態3における流量計の横断面図
(a)本発明の実施の形態4における流量計の縦断面図、(b)本発明の実施の形態4におけるセンサプレートの他の構成を示す図
従来の超音波流量計における流路の構成を示す断面図

実施例

0012

第1の発明は、被計測流体が流れる流路を有する流路体と、前記流路体に配置された一対の超音波送受波器と、前記流路体に固定される基板と、前記被計測流体の温度を検知する温度センサが配置された平板状のセンサプレートと、前記超音波送受波器間の超音波の伝搬時間と前記温度センサの検知温度から被計測流体の流量を演算する演算部と、を備え、前記センサプレートは、前記基板から突出するように構成され、前記基板を前記流路体に固定した際に前記流路体に設けたセンサ穴から前記流路の流路断面内に突出するようにしたことを特徴とすることで、流路の雰囲気温度の影響を大幅に低減して流体温度を精度よく計測でき、計測精度の高い流量計が実現できる。

0013

第2の発明は、特に第1の発明において、前記センサプレートは、前記基板から略水直に突出させて固定され、前記基板と前記流路体との間に前記センサ穴からの被計測流体の漏洩を防止するシール体を備えたことを特徴とするもので、センサ配線と気密構成を簡単な構成で実現できる。

0014

第3の発明は、特に第1または2の発明において、前記基板にコネクタ部を配置し、該コネクタ部を介して前記センサプレートを着脱自在に取付けたことを特徴とすることで、計測目的の違いや被計測流体の相違に適する部品選定が可能となり、超音波流量計の汎用性を高めることができ、センサ交換メンテナンス性の良い超音波流量計を実現できる。

0015

第4の発明は、特に第1〜3のいずれか1つの発明において、前記センサプレートは、フレキシブル基板で形成した屈曲可能な可撓部を設けたことを特徴とすることで、製造時や部品交換時の不意な接触によるセンサプレートの折損を防止でき、組立性を高めることができる。

0016

第5の発明は、特に第1〜4のいずれか1つの発明において、前記センサプレートは、その先端部が前記流路の壁面に接触することを特徴とすることで、被計測流体の流動によるセンサプレートの振動を抑制して破損を防止し、コネクタ部を設けた場合ではコネクタ部からセンサプレートが脱落することを防止できる。

0017

第6の発明は、特に第1〜5のいずれか1つの発明において、前記センサプレートは、前記センサ穴の内壁面に設けた案内部に嵌合させたことを特徴とすることで、被計測流体の流動によるセンサプレートの振動を押えて破損を防止し、薄いフレキシブル基板の利用を可能にして構成を簡素化でき、信頼性を向上できる。

0018

第7の発明は、特に第1〜6のいずれか1つの発明において、前記センサプレートは、前記流路の上流側に配置して被計測流体の流れを整える整流体としたことを特徴とすることで、流れの乱れを低減して安定した流量計測ができ、薄いセンサプレートにより流動抵抗の増大を防止できる。

0019

第8の発明は、特に第1〜7のいずれか1つの発明において、前記センサプレートは、前記被計測流体の流体特性である圧力を検知する圧力センサを備えたことを特徴とすることで、コンパクトなセンサ部を実現して、部品の簡素化や低コストができ、汎用性を高めた一層計測精度を高めた流量計を実現できる。

0020

第9の発明は、特に第1〜8のいずれか1つの発明において、前記演算部は、前記基板に構成されたことを特徴とすることで、低コストでコンパクトな組立性の良い超音波流量計を実現できる。

0021

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

0022

(実施の形態1)
実施の形態1について、図1図4を用いて説明する。

0023

図1は本発明の実施の形態1における流量計の横断面図であり、図2図1のA−A断面における縦断面図である。なお、図2において、センサプレートについては中央断面ではなく、搭載した部品を図示する為に平面図としている。さらに、図3図2で示すB矢視から見た本発明の実施の形態1におけるセンサプレートの流動方向外観図であり、図4は本発明の実施の形態1におけるセンサプレートとセンサプレートが固定される基板の斜視図である。

0024

図1〜4において、流路体1には被計測流体(空気、メタン窒素水素等の気体や水、灯油等の液体)が流れる流路2の流動軸方向に所定の角度θを持って一対の超音波送受波器3、4を対向させて配置している。この超音波送受波器3、4は流路2に開口する開口穴5に収納し、防振シール体6と固定体7により被計測流体が漏出しないように気密に設置している。

0025

また、この流路2の超音波送受波器4が配置された開口穴5の下流側には、センサ穴10が設けてあり、被計測流体の温度を計測する為の温度センサ11が搭載された平板状のセンサプレート8を基板9から突出させて基板9に固定し、流路体1のセンサ穴10にセンサプレート8を挿入して流路2の矩形断面内の略中央部に温度センサ11が位置するように配置したもので、センサプレート8を固定した基板9と流路2との間にはOリングなどのシール体12を介在させて気密に保持して被計測流体が外部に漏出するのを防止している。

0026

この流路2は入口接続部13、出口接続部14を介して外部の配管(図示せず)と接続して被計測流体を流動させるものである。

0027

ここで、センサプレート8は、図4に示すように幅W、高さHに対して、厚みTが極め
て小さい薄片状の短冊のような形であり、図3および図4に示すように流路2内の流れ方向Fに沿う方向にセンサプレート8の幅W方向を配置して流れの流動抵抗を受けにくくしている。また、この温度センサ11を設けたセンサプレート8の表面に被覆処理を行うことで、被計測流体に対する耐食性を付与している。

0028

また、センサプレート8は、堅さの硬いいわゆるリジット基板ではなく、フィルム状のフレキシブル基板で形成して屈曲可能な可撓部18を有する構成とすることで、厚みTを一層薄くして流体の流動抵抗を低減でき、そのうえ生産時やメンテナンス時に誤って接触しても屈曲して逃げることでセンサプレート8の折損を防止できる。

0029

また、センサプレート8には、流体圧力により流量計測値補正するため圧力センサ15を配置したもので、図2に示すように、圧力センサ15は流路2内の主流に直接さらさずに、センサ穴10内に位置するように設けて、流体流動抵抗を受けにくくしている。

0030

また、図1および図2に示すように、センサプレート8を確実にしっかり保持するために、センサ穴10内の流路2の壁面に溝状の案内部19を設けて(図2で一部破断して示す)嵌合させて支持し、さらにセンサプレート8の先端部8aは流路2の壁面に凹ませて形成した先端ガイド溝20に挿入し接触させて保持し、流体流動によるセンサプレート8の振動を防ぎ、コネクタ部16に取付けたセンサプレート8が基板9から脱落するのを防止している。

0031

なお、本実施の形態では、センサプレート8に圧力センサ15を配置することで温度以外の流体特性値として圧力を検知する場合を示したが、濃度、湿度等や、COなどのガス検知センサ等をセンサプレート8に搭載することで、各センサに対応した特性を計測することができ、流体特性の測定機能を高めることが可能である。

0032

また、センサプレート8をフレキシブル基板で形成することで、プラスチックのフィルム内に配線部を設けることができ、耐食性を付与するための表面の被覆処理を不要にして低コスト化と簡素化ができる。

0033

さらに、図4に示すように、基板9はセンサプレート8を配置したセンサ部9aと超音波の送受信および流量計測制御回路を含む制御部9bとを一体化し、センサプレート8と制御部9bとのリード線による接続を不要とした構成としている。また、基板9は、金属製のケース30で覆うことでシールドしている。

0034

次に、本発明の超音波流量計の動作について説明する。

0035

流路2を流れる被計測流体に対して一方の超音波送受波器3あるいは4から超音波を発信し、他方の超音波送受波器4あるいは3でその超音波を受信して伝搬に要した時間を計測し、上流側から下流側への伝搬時間と下流側から上流側への伝搬時間との時間差から流速を計測し既知横断面積Sから流量の計測を行う、いわゆる時間差法による超音波流量計測を行う。

0036

制御部9bには、超音波送受波器3、4で超音波の送受信を行う送信受信回路、伝搬時間から流量を算出する演算回路、演算結果を出力する出力回路などを含むマイコン部を配置し、超音波送受波器3および4とリード線22で接続している。また、センサプレート8を設けたセンサ部9aとマイコン部を有する制御部9bとを一体化し、基板9内のプリント配線でセンサ部9aと制御部9bを接続し、制御部9bとセンサ部9aのリード線による配線を無くし、構成の簡素化と低コスト化、組立性の向上を実現している。また、シール体12を介在させて流路体1に取付けることで、基板9の組込みとセンサプレート8
の気密シールが同時にできるので、組立性を高めることができる。

0037

また、基板9には接続端子23を設け、この接続端子23を介してセンサ部9aや制御部9bへ電源供給や計測指示、計測結果の出力などを外部と行うものである。

0038

流量計測において、伝搬時間から流速を算出するには超音波の音速を知ることが非常に重要である。被計測流体の温度が既知の値でほぼ一定であれば所定の一定値として入力して設定し計測しても良いが、音速は温度による変化が大きいので、汎用の流量計として使用する場合は、流体温度を検知してその流体温度での音速値を使用して計測精度を高めることが有効である。本実施の形態では、温度センサ11を、コンパクトで簡素な構成としたセンサプレート8に設けているので、簡素でコンパクトな構成で一層計測精度を向上させた汎用性、利便性の高い超音波流量計を実現できる。

0039

さらに、センサプレート8に圧力センサ15を加えることでコンパクトなセンサ部を実現して部品の簡素化や低コストができ、圧力条件が異なる各種の流体に対して被計測流体の圧力に応じた流動状態や音速を使用することで計測精度を一層高めることができ、計測精度を一層高めた汎用性、利便性が向上した流量計を提供できる。

0040

なお、温度変化による音速変化の大きさに比べて、圧力変化による音速変化はあまり大きくないため、圧力検知の必要性は温度検知の必要性よりも小さくなるが、圧力センサ15を組込むことで圧力が異なる用途に対して高い計測精度を実現でき、汎用性を一層高めることができる。なお、本実施の形態では、圧力センサ15は流動抵抗を受けにくいセンサ穴10内に収納して配置しているので、流動抵抗をあまり考慮しない圧力センサ15の選択が可能となり、圧力センサ15の大きさの許容範囲の制限を緩めて、部品選定の自由度を高めることができる。

0041

また、センサプレート8はフレキシブル基板で形成した屈曲可能な可撓部18を設けているので、製造時や交換時などで組付け前に誤って接触しても、可撓部18で屈曲して逃げることで不意な接触による折損を防止でき、扱いやすくなって組立性を高めることができる。

0042

また、センサプレート8はその先端部8aが前記流路2の壁面に設けた先端ガイド溝20に挿入して接触することで、被計測流体の流動によるセンサプレート8の振動が抑制されて破損を防止し、さらにコネクタ部16を設けて組込んだ場合ではセンサプレート8がコネクタ部16から抜けて脱落することを防止できる。

0043

また、センサプレート8は、流路2の壁面に設けた案内部19に嵌合させたことで、センサプレート8を案内部19で押えて被計測流体の流動によるセンサプレート8の振動を防止することで破損を防止し、薄いフレキシブル基板の利用を可能にして構成を簡素化でき、信頼性を向上できる。

0044

(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2におけるセンサプレート24の斜視図であり、他の構成は実施の形態1と同様であるので説明は省略する。

0045

図5に示すように、基板9に固定したコネクタ部16を配置し、このコネクタ部16に電気接点17を有するセンサプレート24を挿入し、電気接点17を介して温度検知信号圧力検知信号信号伝達を行うようにして着脱自在に取付けている。

0046

図6は、図5に示すセンサプレート24の他の構成を示す斜視図で、図に示すように、
センサプレート25は、フィルム状のフレキシブル基板で形成するとともに、センサを配置した部分の厚みT1を大きくし他の部分T2は薄いまま(T1>T2)として屈曲可能な可撓部18a、18b、18cを有する構成としたもので、センサプレート25の強度向上と折損防止を両立させている。

0047

そして、本実施の形態のセンサプレート24、25によると、基板9にコネクタ部16を設けてセンサプレート24,25を着脱自在に取付け、電気接点17を介して基板9側との信号伝達を行う構成とすることで、センサプレート24、25が着脱自在となるので、計測目的の違いや被計測流体の相違に適する部品の選定や組替えが可能となる。

0048

このため、流量計の生産者側では品種拡大に対する部品共用化など生産性を向上でき、また、流量計の利用者側では少ない投資でセンサプレート交換による用途拡大とメンテナンス性を向上でき、汎用性を高めた生産性およびメンテナンス性の良い超音波流量計を実現できる。

0049

また、コネクタ部16に電気接点17が存在することで、被計測流体として水などの導電性の液体には使用できないという制約は出るが、生産性や汎用性の向上とメンテナンス性の向上はそれ以上に効果がある。

0050

(実施の形態3)
図7は、本発明の実施の形態3における超音波流量計の横断面図を示したもので、センサプレート8を流路2の超音波送受波器3が配置された開口穴5の上流側に配置したもので、他の構成は実施の形態1と同様であり、説明を省略する。

0051

本実施の形態において、センサプレート8は、流路2の上流側に配置して被計測流体の流れ状態を整える整流体21としたことで、流れの乱れを低減したより安定した流量計測を可能にして、さらに薄いセンサプレート8により流動抵抗の増大を防止できる。

0052

(実施の形態4)
図8(a)は、実施の形態4における流量計の縦断面図で、図1に示す実施の形態1との違いは、基板9の一部を延出してセンサプレートを形成した点である。また、図8(b)は、センサプレートの他の構成を示す図である。

0053

図8(a)に示すように、基板28の一部を平面上で突出するように基板28と一体にセンサプレート26を構成することにより、基板28上の制御部を構成する回路部品を配置する際に、同時にセンサプレート26の温度センサ11や圧力センサ15を配置できるので工数削減を実現できる。また、図8(b)に示すようにセンサプレート27をコネクタ部16を用いて基板29の平面と並行に突出するように構成する場合は、基板29の実施の形態2と同様の効果を得ることができる。

0054

以上、本発明の実施例において、一対の超音波送受波器の配置として、超音波の伝搬経路が流れを一回だけよぎる、いわゆるZ字型をなす構成にて説明したが、これに限るものではなく、一対の超音波送受波器を計測流路の同一側に配置してその超音波伝搬経路がV字型をなす構成や、また流れと平行なI字型等になるような構成であってもよい。

0055

また、ここでは計測流路は矩形断面の例を示したが、それ以外の円形断面でも同様なのは云うまでもない。

0056

以上のように、本発明の超音波流量計は、流体温度を精度よく計測でき、計測精度の高
い流量計が実現でき、さらにセンサの配線と気密構成を簡単に構成でき、組立性やメンテナンス性の良い汎用性の高い流量計を実現できる。

0057

この方法の採用により、計測すべき流体が変わっても、また計測目的が異なる場合でもセンサプレートを交換するだけで対応できるようになり、応用範囲が広く汎用性の高い流量計のシステム化構築できる。

0058

1流路体
2流路
3、4超音波送受波器
8、24、25、26、27センサプレート
8a 先端部
9、28、29基板
9aセンサ部
9b 制御部(演算部)
10センサ穴
11温度センサ
12シール体
15圧力センサ
16コネクタ部
18、18a、18b、18c 可撓部
19 案内部
21 整流体

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