超音波流速流量計
【課題】振動抑制体および超音波送受信器の取り付け状態を目視することなく判定できる超音波流速流量計を提供することを目的とする。
【解決手段】流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路１と、流路１の上流と下流に流体に接するように配置した第１、第２の超音波送受信器４，５と、第１、第２の超音波送受信器４，５間の超音波伝播時間を計測する計時装置６と、計時装置６により得られた超音波伝播時間に基づいて被測定流体の流量を演算する演算手段７とを備え、第１、第２の超音波送受信器４，５が流路１に振動抑制体３を介して正しく固定されているかを判定する固定状態判定手段８を備えたものである。
【解決手段】流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路１と、流路１の上流と下流に流体に接するように配置した第１、第２の超音波送受信器４，５と、第１、第２の超音波送受信器４，５間の超音波伝播時間を計測する計時装置６と、計時装置６により得られた超音波伝播時間に基づいて被測定流体の流量を演算する演算手段７とを備え、第１、第２の超音波送受信器４，５が流路１に振動抑制体３を介して正しく固定されているかを判定する固定状態判定手段８を備えたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体（特に気体）中に超音波を送信、または、流体中を伝搬する超音波を受信するための超音波送受波器を用いる超音波流速流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の超音波流速流量計は、例えば、図１２に示すように、被測定流体が流れる計測流路４０と、この計測流路４０に対向配置されて超音波を送受信する一対の超音波送受波器４１、４２と、この超音波送受波器４１、４２間の超音波伝搬時間を計測する計時装置４３と、計時装置４３からの信号に基づいて流量を算出する演算手段４４とを備え、超音波送受波器４１、４２は、天部と、側壁部と、この側壁部の外側に設けた支持部と、前記天部の内壁面に固定された圧電体で構成されており、前記側壁部に当接し、側壁部の振動を低減し、前記支持部を保持する保持部を有する振動抑制体４５で、計測流路４０に取付けた構成となっている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１５９５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、超音波送受波器と流路との間の振動抑制体の固定状態によっては、流速流量計測値が不安定化する、あるいは、温度の変化によって流量測定値が不安定化することがあるという課題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、振動抑制体および超音波送受波器の取り付け状態を目視することなく判定し、異常な取り付け状態を回避することによって流速流量計測値が安定化し、より精度の高い流速流量計測を可能とした超音波流速流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため本発明の超音波流速流量計は、両端に開口端が形成されており、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、前記流路の上流と下流に前記被測定流体に接するように配置された一対の超音波送受信器と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝播時間を計測する計時装置と、前記計時装置により得られた超音波伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を演算する演算手段とを備え、振動抑制体を有しており、前記一対の超音波送受波器が前記流路に前記振動抑制体を介して保持され、前記振動抑制体が正しく固定されているかを判定する固定状態判定手段を備えるものである。
【０００７】
これによって、流量計測前に、振動抑制体および超音波送受波器が流路に正しく固定されているかを判定することができ、異常な取り付け状態を回避することによって流量計測値が安定化し、より精度の高い流量計測が可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の超音波流速流量計は、振動抑制体の取り付け状態を目視することなく判定し、異常な取り付け状態を回避することによって流速流量計測値が安定化し、また、温度変化に関わらず安定した流速流量計測を行うことができるためより精度の高い流速流量計測を安定して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波流速流量計の概略図
【図２】同実施の形態における超音波送受波器の固定状態を示す断面図
【図３】同実施の形態における超音波送受波器の固定状態を示す断面図
【図４】同実施の形態における超音波送受波器に送信する駆動信号波形と受信信号波形を示す図
【図５】（ａ）同実施の形態における超音波流速流量計の側面断面図、（ｂ）同実施の形態における超音波流速流量計の断面図
【図６】同実施の形態における超音波送受波器に送信する駆動信号波形と受信信号波形を示す図
【図７】同実施の形態における超音波送受波器に送信する駆動信号波形の計測インターバルと受信信号波形を示す図
【図８】同実施の形態における超音波送受波器の固定状態不良の断面図
【図９】同実施の形態における超音波送受波器の固定状態不良の断面図
【図１０】本発明の実施の形態２における超音波送受波器のインピーダンス特性を示す図
【図１１】同実施の形態における超音波流速流量計の概略図
【図１２】従来の超音波流速流量計概略図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
第１の発明は、両端に開口端が形成されており、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、前記流路の上流と下流に前記被測定流体に接するように配置された一対の超音波送受信器と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝播時間を計測する計時装置と、前記計時装置により得られた超音波伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を演算する演算手段とを備え、振動抑制体を有しており、前記一対の超音波送受波器が前記流路に前記振動抑制体を介して保持され、前記振動抑制体が正しく固定されているかを判定する固定状態判定手段を備えることにより、振動抑制体および超音波送受波器が流路に正しく固定されているか否かを判定することができ、異常な取り付け状態を回避することによって流速流量計測値が安定化し、より精度の高い流速流量計測ができる。
【００１１】
第２の発明は、特に第１の発明において、前記超音波送受波器は、有天筒状金属ケースと、前記有天筒状金属ケースに収容される圧電体と、前記有天筒状金属ケース外壁面に前記圧電体と対向するように配置した音響整合体と、前記有天筒状金属ケースの開口を閉鎖すると共に端子を外部に突出させた状態で支持する端子板と、を備え、前記有天筒状金属ケースの側壁部および前記側壁部の外側に設けた支持部を覆うように取り付けた振動抑制体を有しており、当該振動抑制体を介して前記流路に取り付ける構成としたことにより、より複雑な形状の振動抑制体および超音波送受波器が流路に正しく固定されているかを判定することができ、また、前記超音波送受波器の形状に依存する特徴的な振動があるため、その特徴的な振動を分析することによって異常な取り付け状態をより詳細に判定することが出来、異常な取り付け状態を回避することによって、流速流量計測値が安定化し、より精度の高い流速流量計測ができる。
【００１２】
第３の発明は、特に第１または２の発明において、前記固定状態判定手段は、少なくとも前記超音波送受波器の受信出力によって前記振動抑制体が正しく固定されているかを判定することを特徴とすることにより、一定の温度、ゼロ流量において伝播時間を計測すると、流体の音速が既知であるため、対向する超音波送受波器が正しく対向して固定されているか否かを判定することができる。
【００１３】
第４の発明は、特に第１または２の発明において、前前記固定状態判定手段は、少なくとも前記一対の超音波送受波器間の伝播時間によって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定することを特徴とすることにより、温度一定の条件で音速値は既知であるため、超音波送受波器間の距離が規定の距離を隔てて正しく配置されているかを判定することができる。
【００１４】
第５の発明は、特に第１または２の発明において、前記固定状態判定手段は、少なくとも前記一対の超音波送受波器間の筐体伝播ノイズによって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定することを特徴とすることにより、超音波送受波器と流路とが直接接触していないか、あるいは、振動抑制体が超音波送受波器を正しく保持し、超音波送受波器で発生した振動を効率よく抑制しているかどうかがわかるため、固定状態を判定することができる。
【００１５】
第６の発明は、特に第１または２の発明において、前記固定状態判定手段は、少なくとも前記超音波送受波器の振動減衰時間によって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定することを特徴とすることにより、振動抑制体が超音波送受波器に被覆されているかどうかを判定することができる。
【００１６】
第７の発明は、特に第６の発明において、前記固定状態判定手段は、少なくとも前記有天筒状金属ケースの振動を増長する周波数で駆動したときの振動減衰時間によって行うことを特徴とすることにより、振動減衰時間は、有天筒状金属ケースの振動が主たる要因であるため、有天筒状金属ケースの振動を増長する周波数で駆動することによって、より詳細に振動減衰時間を評価できるため振動抑制体３が第１の超音波送受波器４に被覆されているかどうかを容易に判定することができる。
【００１７】
第８の発明は、特に第１または２の発明において、前記固定状態判定手段は、少なくとも計測インターバルを変えて流量値を計算し、計測毎の前記流量値のばらつきが所定値以下に収束する計測インターバルと、予め規定した計測インターバルとを比較して前記振動抑制体が正しく固定されているか否かの判定を行うことを特徴とすることにより、振動抑制体、超音波送受波器と流路との固定状態が、流量計測精度にどの程度影響を及ぼすかどうかを判断した上で流量計測を行うことができるため、計測安定性が向上する。
【００１８】
第９の発明は、特に第８の発明において、流量値が安定して収束する計測インターバルを記憶し、前記記憶した計測インターバルを用いて流速流量計測を行うことを特徴とすることにより、計測の安定度を確保した状態で安定した流速流量計測を行うことができるため、計測安定性が向上する。
【００１９】
第１０の発明は、特に第８の発明において、複数の温度において測定毎の流量値のばらつきが所定値以下に安定して収束する計測インターバルから求められる温度と最適な計測インターバルとの相関式を記憶し、流量計測時において伝播時間から求められる温度を元に、前記相関式に基づいて最適な計測インターバルを用いて流速流量計測を行うことを特徴とすることにより、異なる温度においても最適化した計測インターバルを用いて測定するため、温度変化に関わらず安定した流速流量計測を行うことができる。
【００２０】
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、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における超音波流速流量計の概略図を示している。
【００２２】
図１において超音波流速流量計は、被測定流体（一例として、ガス、空気）が流れる流路１を備え、流量計測部２と、流量計測部２の上流側および下流側に対向配置し、振動抑制体３を介して流路１に固定された第１、第２の超音波送受波器（一対の超音波送受波器）４，５と、第１、第２の超音波送受波器４，５間の超音波伝播時間を計測する計時装置６と、計時装置６により得られた超音波伝播時間に基づいて流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段７と、第１、第２の超音波送受波器４，５と振動抑制体３とが流路１に対して設計通りに対向するように配置され、かつ、振動抑制体３が流路１および超音波送受波器４、５に対して設計通りに正しく固定されているかどうかを判定する固定状態判定手段８を備えている。
【００２３】
以下、超音波流速流量計の動作について説明する。
【００２４】
超音波流速流量計において、流路１を流れる被測定流体の流速Ｖを求める際には、まず、第１の超音波送受波器４の共振周波数近傍の周波数となるように調整した駆動信号波形を圧電体に与えると振動し、第１の超音波送受波器４から被測定流体中に超音波を放射する。
【００２５】
放射された超音波は、被測定流体を伝播し、第２の超音波送受波器５に受信され、第２の超音波送受波器５の圧電体によって電圧に変換される。
【００２６】
次に、第２の超音波送受波器５の共振周波数近傍の周波数の駆動信号波形を圧電振動子に与えると振動して、第２の超音波送受波器５から流体中に超音波を放射する。放射された超音波は、第１の超音波送受波器４で受信され、第１の超音波送受波器４の圧電体によって電圧に変換される。このような繰り返し測定を行うことで流速流量計測値の安定性が向上する。
【００２７】
ここで、流路１を流れる流体の流速をＶ、被測定流体中の超音波の音速をＣ、流体の流れ方向と超音波の伝播方向とのなす角度をθとする。
【００２８】
第１の超音波送受波器４を送波器、第２の超音波送受波器５を受波器として用いたときに、第１の超音波送受波器４から出た超音波が第２の超音波送受波器５に到達する伝搬時間ｔ1は、
ｔ1 ＝ Ｌ ／（Ｃ＋ｖｃｏｓθ） （１）
で示される。
【００２９】
次に、第２の超音波送受波器５から出た超音波パルスが第１の超音波送受波器４に到達する伝搬時間ｔ2は、
ｔ2 ＝ Ｌ ／（Ｃ−ｖｃｏｓθ） （２）
で示される。
【００３０】
そして、（１）と（２）の式から流体の音速Ｃを消去すると、
Ｖ ＝ Ｌ ／２ｃｏｓθ（１／ｔ1−１／ｔ2） （３）
の式が得られる。
【００３１】
Ｌとθが既知なら、計時装置６にてｔ1とｔ2を測定すれば流速Ｖが求められる。必要に応じて、この流速Ｖに流量計測部２の断面積Ｓと補正係数Ｋを乗じれば、流量Ｑを求めることができる。つまり、演算手段７は、Ｑ＝ＫＳＶを演算するものである。
【００３２】
次に、本実施の形態の超音波流速流量計に用いる超音波送受波器について詳細に説明する。
【００３３】
なお、第１、第２の超音波送受波器４，５は同じ構成なので、以下、第１超音波送受波器４の構成について説明して、第２超音波送受波器５の説明を省略する。
【００３４】
図２、３は、第１の超音波送受波器４の固定状態断面図を示すもので、第１の超音波送受波器４は、振動抑制体３を介して流路１に固定されている。振動抑制体３は、図に示す以外にも、さまざまな形状が想定されるが、本実施の形態においては、図２、３を代表例として説明するが、特に例示した構造に限定して実現されるものではない。振動抑制体３の構成材料は、たとえば、二トリルゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴムなど、ゴム弾性を示す材料であれば特に限定されない。
【００３５】
第１の超音波送受波器４は、対向する電極を備える圧電体１０と、天部１１、側壁部１２、支持部１３によって構成される有天筒状金属ケース１４と、音響整合体１５と、第１端子１６、第２端子１７を備える端子板１８とで構成されている。
【００３６】
圧電体１０、有天筒状金属ケース１４および音響整合体１５とは、例えば、接着剤で接合する。粘着剤でも可能であるが、特性安定性の観点から接着剤で固定した場合のほうがより好ましい。圧電体１０は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムなど圧電特性を有する材料であれば特に限定されない。
【００３７】
有天筒状金属ケース１４は、例えば、銅、鉄、ステンレス鋼等が例示できる。端子板１８は、第１端子１６、第２端子１７を備え、第１端子と第２端子とは絶縁体１９によって絶縁され、そのほかは金属材料で構成する。絶縁体１９としては、例えば、樹脂などの有機材料、あるいは、ガラスハーメチックシールを用いた無機材料など特に限定されない。
【００３８】
端子板１８と、有天筒状金属ケース１４とは、支持部１３で溶接、あるいは銀ロウなどの工法によって電気的に導通され、密閉される。第２端子１７と圧電体１０の一方の電極がリード線などで電気的に導通され、第１端子１６と圧電体１０の他方の電極が、前記有天筒状金属ケースを介して電気的に導通した構成となっている。
【００３９】
音響整合体１５の役割は、圧電体１０の振動を流体に効率よく伝播させることにある。このため、被計測流体がより軽量であるため、音響整合体１５はより軽量で音速の遅い材料が好ましい。そのため例えば、中空ガラスフィラーの充填物をエポキシ樹脂で硬化した複合材料、あるいは、セラミック多孔体の最外層表面に、セラミック多孔体の空隙を保持した状態で樹脂フィルムによってパッケージ形成した複合材料などが例示できる。
【００４０】
以下、第１の超音波送受波器４の動作について説明する。第１の超音波送受波器４は、端子板１８に備えられた第１端子１６、第２端子１７を介して圧電体１０の電極に例えば、４００から６００ｋＨｚ程度の圧電体が振動する駆動信号波形を与えると圧電体１０が振動し、あらかじめ厚み調整した音響整合体１５が圧電体１０と共振し、その結果、被測定流体に超音波が伝播する。以上の動作は、第２の超音波送受波器５についても同様である。
【００４１】
この超音波流速流量計の計測精度を設計通りに実現させるためには、第１、第２の超音波送受波器４、５が流路１に正しく固定される必要がある。図２、３はいずれも、第１、第２の超音波送受波器４、５が設計通りに流路１に固定されている状態を示している。これに対し、第１、第２の超音波送受波器４、５が、流路１に正しく固定されていないと、第１の超音波送受波器４で発生した超音波振動が被測定流体を隔てた第２の超音波送受波器５に効率よく伝播しないだけでなく、振動抑制体３が超音波送受波器に正しく密着していないがために、振動抑制体３によって抑制されるべき振動が抑制されず、超音波送受波器自体の振動が長い間継続して振動してしまうため振動減衰時間が長くなる、あるいは、流路１にも通常以上に計測ノイズとなる超音波振動が伝播することになる。これを筐体伝播ノイズという。
【００４２】
以下、本発明の実施の形態における固定状態判定手段８について説明する。
【００４３】
本実施の形態において固定状態判定手段８は、流路に対して第１、第２の超音波送受波器４、５および振動抑制体３が正常に取り付けられているかどうかを、取り付け状態を目視することなく判定する手段のことであり、取り付け状態に影響及ぼすパラメータを判定手段として用い固定状態を判定する。
【００４４】
本実施の形態において、判定手段は、以下に示す五つのパラメータによって実施する。
【００４５】
（Ａ）超音波の送受信出力（Ｖ1）
（Ｂ）超音波伝播時間（Ｔ1）
（Ｃ）筐体伝播ノイズ（Ｖ2）
（Ｄ）振動減衰時間（Ｔ2）
（Ｅ）計測インターバル（Ｔ3）と流速流量値バラツキ
以下、各パラメータによる判定手段の判定方法について詳細に説明する。
【００４６】
（Ａ）超音波の送受信出力（Ｖ1）
図４は超音波送受波器に送信する駆動信号波形と受信信号波形を示している。
【００４７】
例えば、第１の超音波送受波器４を送波器、第２の超音波送受波器５を受波器とした場合、駆動信号波形２０は、第１の超音波送受波器４に送られ、超音波が被計測流体に伝播し、第２の超音波送受波器５に到達した超音波振動は、圧電体１０によって変換され、駆動信号波形２０が送信されてから伝播時間Ｔ1を経過して、受信信号波形２１のような超音波信号が到達する。この到達した信号の大きさＶ1を超音波受信出力と定義する。超音波受信出力Ｖ1は、第１、第２の超音波送受波器４、５が流路１に対して、斜めに固定されている場合、あるいは第１、第２の超音波送受波器４、５の特性が劣化している場合に低下することから、振動抑制体３の固定状態を判定することができる。
【００４８】
（Ｂ）超音波伝播時間（Ｔ1）
図４において、超音波伝播時間は、図中に示したように駆動信号波形２０の送信後、受信信号波形２１が到達するまでの超音波伝播時間Ｔ1を表しており、第１、第２の超音波送受波器４、５が流路１に対して、例えば斜めに固定されている場合は、正しく固定された状態と比べると超音波伝播距離は長くなるため超音波伝播時間Ｔ1は、長くなることから、振動抑制体３の固定状態を判定することができる。
【００４９】
（Ｃ）筐体伝播ノイズ（Ｖ2）
図５（ａ）は、被計測流体が流れる方向に対し平行方向から見た図、図５（ｂ）は、被計測流体が流れる方向に対し垂直方向から見た断面図を示している。
【００５０】
超音波の送受信にあたり、第１の超音波送受波器４を送波器として、第２の超音波送受波器５を受波器として用いた場合、第１の超音波送受波器４から発生した超音波振動によって、被計測流体に超音波が伝播するのと同時に、超音波送受波器自身の振動が振動抑制体３を介して図中の実線矢印で示したように、流路１の内部および表面を伝播する。これを筐体伝播といい、流量計測時のノイズとなるため、筐体伝播ノイズという。この筐体伝播ノイズは、第１、第２の超音波送受波器４、５が直接、流路１に接触した場合、あるいは、振動抑制体３が通常よりも強く押し付けられたような状態で固定されると増大することから、振動抑制体３の固定状態を判定することができる。
【００５１】
以下、筐体伝播ノイズについて図解して説明する。
【００５２】
図６は、超音波送受波器に送信する駆動信号波形と受信信号波形を示している。
【００５３】
図６において、駆動信号波形２０によって第１の超音波送受波器４より超音波が送信され、伝播時間Ｔ1を経て受信信号波形２１（受信出力Ｖ1）が伝播する。筐体伝播波形２２は、受信信号波形２１の前に受信する信号レベルの小さい波形（筐体伝播ノイズＶ2）のことである。一般的に、被計測流体（主に気体）の音速は、筐体として用いられる樹脂、あるいは金属の音速に比べて速いため、筐体伝播波形２２は、被計測流体を通って受信する受信信号波形２１にくらべ早く到達する。この筐体伝播波形２２は、減衰する前に受信信号波形２１に重なるため、筐体伝播波形２２の信号レベルに応じて流量特性値が変化することから、振動抑制体３の固定状態を判定することができる。
【００５４】
（Ｄ）振動減衰時間（Ｔ2）
図６において、振動減衰時間Ｔ2は、受信信号波形２１（受信出力Ｖ1）が超音波送受波器に受信されてから、一定の電圧レベルまで受信出力が減衰するまでの時間と定義し、 例えばＶ3／Ｖ1＝Ｋの比が０．１以下にまで減衰する時間として算出する。
【００５５】
（Ｅ）計測インターバル（Ｔ3）と流速流量バラツキ
図７は、送信側に設定された超音波送受波器に送信する駆動信号波形とその送信間隔（計測インターバル（Ｔ3））と受信側に設定された超音波送受波器での受信信号波形を示している。
【００５６】
図７において、計測インターバルＴ3は、駆動信号波形２０を送信後、次の駆動信号波形２３を送るまでの時間を示している。計測インターバルＴ3が短くなると、先に受信した受信信号波形２４の振動が減衰せずに、次に受信する受信信号波形２５に重なってしまうために、流速流量計測値が変化し、計測誤差を生じてしまうことがある。このため、例えば、常温、流体の流れていない状態で、計測インターバルＴ3を長い時間から短くしていき、計測毎の流量値のバラツキが大きくなる、あるいは、絶対値が変化する計測インターバルＴ3を記憶して、予め規定してある正常な固定状態の計測インターバルＴ3より短い場合には、受信信号が適正に減衰していると考えられるため、振動抑制体３が第１の超音波送受波器４に対して、正しく固定されていると判断し、予め規定してある計測インターバルより長い場合には、逆に、正しく固定されていないと判定できる。
【００５７】
そして、これらのパラメータ（Ａ）〜（Ｅ）に基づく判定手段を複合して用いることによって、第１、第２の超音波送受波器４、５および振動抑制体３が流路１に適性に取り付けられているかどうかを判定することが出来る。
【００５８】
以下、図面を用いて第１、第２の超音波送受波器４、５および振動抑制体３の流路１に対する実例を挙げ、取り付け状態をどのように判別するかどうかを説明する。
【００５９】
図８、９は、本発明実施の形態における第１の超音波送受波器４の固定状態不良の断面図を示している。
【００６０】
図８は、第１の超音波送受波器４を固定する２つのビス２６、２７の内の片方のビス２６のビス締めが不完全な状態を示している。この場合、第１の超音波送受波器４は、流路１に対して若干傾いた状態で取り付けられており、振動抑制体３が強く圧縮されている部分と、弱く圧縮されている部分が存在する。この場合先に示した判定手段によると、流路１に対して若干傾いているために、超音波受信出力（Ｖ1）は、超音波送受波器同士が設計通りに対向していないために、低下し異常値を示す。また、超音波伝播時間（Ｔ1）は、超音波伝播距離が長くなるため異常値を示す。さらに、振動抑制体３が強く圧縮されている部分と、弱く圧縮されている部分が存在するため、振動抑制体３を介して筐体伝播ノイズ（Ｖ2）が通常よりも強く伝わる結果となり異常値を示す。このようにして、取り付け状態を判定することが出来る。
【００６１】
図９においても同様に説明する。
【００６２】
図９は、第１の超音波送受波器４の有天筒状金属ケース１４の側壁部１２に、振動抑制体３が変形して正しく接触していない状態を示している。この場合、流路１に対して、第１の超音波送受波器４が適正な位置に固定されているため、判定手段超音波受信出力（Ｖ1）、超音波伝播時間（Ｔ1）は適正な値として判定できる。一方、筐体伝播ノイズ（Ｖ2）は、図９に示したように、振動抑制体３が、有天筒状金属ケース１４の側壁部１２で接触していない部分が存在し、この場合、振動抑制体３の機能が十分発揮できないために、通常よりも大きい筐体伝播ノイズが観察されることになる。また、振動減衰時間（Ｔ2）は、振動を減衰する役目を果たす振動抑制体３が正しく固定されていないため、振動減衰時間が長くなり異常値を示す。更に、計測インターバル（Ｔ3）と流量値バラツキに関しても同様に、通常と異なる値となり異常値を示す。
【００６３】
ここで特に固定状態判定手段８が、振動減衰時間（Ｔ2）を用いて取り付け状態を判定する場合の良好な方法について説明する。
【００６４】
図９に示した第１の超音波送受波器４の側壁部１２は、圧電体１０の共振周波数よりも低い周波数で振動する。
【００６５】
図１０は、本発明の実施の形態における第１の超音波送受波器４のインピーダンス特性を示している。
【００６６】
図１０において、第１の超音波送受波器４の圧電体１０共振周波数３０に対して、有天筒状金属ケース１４の側壁部１２が圧電体１０の横振動によって励起され、この振動は、圧電体１０の周波数より低周波数の振動であるために減衰しにくく、振動減衰時間を長くする主たる要因となる。そのため、側壁部１２に振動抑制体３が設計通り接触しない場合には、振動減衰時間が異常値を示す。
【００６７】
また、例えば、第１の超音波送受波器４、および振動抑制体３が流路１に正しく固定されていても、判定手段における超音波の送受信出力のみが異常の場合には、超音波送受波器自体の劣化と判定することが出来る。これまでの実例をまとめると、表１のように示すことが出来る。表１は、超音波送受波器および振動抑制体の取り付け状態と判定手段との相関を示している。表１における○印は、図８，９に示すそれぞれの取り付け状態における異常と判定されるパラメータと、判定結果を示している。
【００６８】
【表１】
【００６９】
このほかにも、取り付け状態異常は考えられるが、これまで説明した判別手段によって第１、第２の超音波送受波器４，５および、振動抑制体３が流路１に正しく取り付けられているかどうかを判別することができる。
【００７０】
以上のように、本実施の形態では、第１、第２の超音波送受波器４，５が流路１に振動抑制体３を介して保持される構成において、振動抑制体３が正しく固定されているかを判定する固定状態判定手段８を備えることにより、振動抑制体および超音波送受波器が流路に正しく固定されているかを判定することができ、異常な取り付け状態を回避することによって流速流量計測値が安定化し、より精度の高い流速流量計測ができる。
【００７１】
また、具体的な固定状態判定手段としては、超音波の送受信出力（Ｖ1）、超音波伝播時間（Ｔ1）、筐体伝播ノイズ（Ｖ2）、振動減衰時間（Ｔ2）、計測インターバル（Ｔ3）と流速流量値バラツキの各パラメータの組み合わせることで、振動抑制体および超音波送受波器が流路に正しく固定されているかを判定することができ、異常な取り付け状態を回避することによって流速流量計測値が安定化し、より精度の高い流速流量計測ができる。
【００７２】
さらに、固定状態判定手段が、振動減衰時間（Ｔ2）を判定する場合、有天筒状金属ケース１４の振動を増長する周波数３１（圧電体の共振より低い周波数）で駆動して振動減衰時間によって行うと、振動減衰時間は、有天筒状金属ケースの振動が主たる要因であるため、有天筒状金属ケースの振動を増長する周波数で駆動することによって、より詳細に振動減衰時間を評価できるため振動抑制体３が第１の超音波送受波器４に被覆されているかどうかを容易に判定することができる。
【００７３】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施形態における超音波流速流量計について図面を参照して説明する。
【００７４】
図１１は、本発明の第２の実施の形態における超音波流速流量計の概略図を示している。
【００７５】
図１１において、超音波流速流量計は、被測定流体（一例として、ガス、空気）が流れる流路１を備え、流量計測部２と、流量計測部２の上流側および下流側に対向配置し、振動抑制体３を介して流路１に固定された第１、第２の超音波送受波器（一対の超音波送受波器）４，５と、第１、第２の超音波送受波器４，５間の超音波伝播時間を計測する計時装置６と、計時装置６により得られた超音波伝播時間に基づいて流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段７と、第１、第２の超音波送受波器４，５と振動抑制体３とが流路１に対して設計通りに対向するように配置され、かつ、振動抑制体３が流路１および第１、第２の超音波送受波器４、５に対して設計通りに正しく固定されているかどうかを判定する固定状態判定手段８を備えている。
【００７６】
固定状態判定手段８は、第１、第２の超音波送受波器４，５を駆動する間隔である計測インターバルを変えて流量値を計算し、計測毎の流量値のばらつきが所定の値以下に収束する時の計測インターバルと、予め規定した計測インターバルとを比較して振動抑制体３が正しく固定されているかの判定を行う。
【００７７】
また、計測毎の流量値のばらつきが所定の値以下に収束する時の最適な駆動インターバルを記憶する記憶手段３２を備えている。
【００７８】
そのため、複数の温度において流量値が安定して収束する計測インターバルから求められる温度と最適な計測インターバルとの相関式を記憶し、流量計測時において伝播時間から推定した温度を元に、この相関式に基づいて最適な計測インターバルを用いて流速流量計測も行うことができる。
【００７９】
超音波流速流量計の動作、超音波送受波器については、実施の形態１と同様のため省略する。
【００８０】
以下、計測インターバルを変えて最適な計測インターバルを用いて流量計測する方法について説明する。
【００８１】
流速流量計測の安定性は、取り付け状態とともに、温度によって第１の実施の形態にあげた固定状態判定手段８のすべてのパラメータが影響を受ける。
【００８２】
表２は、被計測流体における特性値の温度依存性を示している。
【００８３】
【表２】
【００８４】
低温（−３３．１５℃）は、超音波透過率が、高温（６６．８５℃）にくらべ高いため、超音波の送受信出力（Ｖ1）が高くなり、また、振動抑制体３も、硬くなるために、常温（２６．８５℃）に比べ振動抑制体３の振動を効率よく低減させる効果が半減し、筐体伝播ノイズ（Ｖ2）は大きくなり、振動減衰時間（Ｔ2）は長くなる。また、音速も高温に比べ遅くなるため、超音波伝播時間（Ｔ1）も長くなる。高温では、この逆の傾向になる。
【００８５】
このように、計測インターバル（Ｔ3）を一定の値で計測を行った場合には、温度によって、音速、あるいは超音波伝播効率が異なるため、流速流量値の安定性が異なる結果となる。そのため、複数の温度によって流量値が安定して収束する計測インターバルを記憶して温度と最適な計測インターバルとの相関式を求め記憶し、流量計測時において伝播時間から推定した温度を元に、この相関式に基づいて最適な計測インターバルを用いて流速流量計測を行うことが重要になり、使用温度範囲内で最適化した計測インターバルを用いて測定するため、温度に関わらず安定した流速流量計測を行うことができるようになる。
【００８６】
以上のように、本実施の形態では、固定状態判定手段８として計測インターバルを変えて流量値を計算し、この流量値が安定して収束する計測インターバルを記憶手段３２で記憶し、記憶した計測インターバルを用いて流速流量計測を行うことにより、計測の安定度を確保した状態で安定した流速流量計測を行うことができる。
【００８７】
また、複数の温度によって流量値が安定して収束する計測インターバルから求められる温度と最適な計測インターバルとの相関式を記憶しておき、流量計測時において伝播時間から演算で求められる温度を元にして、相関式に基づいてその温度における最適な計測インターバルを用いて流速流量計測を行うことにより、異なる温度においても最適化した計測インターバルを用いて測定するため、温度変化に関わらず安定した流速流量計測を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
以上のように、本発明にかかる超音波流速流量計は、安定した流量計測が可能となるため、家庭用流量計、産業用流量計等の用途に適用できる。
【符号の説明】
【００８９】
１ 流路
２ 流量計測部
３ 振動抑制体
４ 第１の超音波送受波器（超音波送受信器）
５ 第２の超音波送受波器（超音波送受信器）
６ 計時装置
７ 演算手段
８ 固定状態判定手段
１０ 圧電体
１１ 天部
１２ 側壁部
１３ 支持部
１４ 有天筒状金属ケース
１５ 音響整合体
１６ 第１端子
１７ 第２端子
１８ 端子板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体（特に気体）中に超音波を送信、または、流体中を伝搬する超音波を受信するための超音波送受波器を用いる超音波流速流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の超音波流速流量計は、例えば、図１２に示すように、被測定流体が流れる計測流路４０と、この計測流路４０に対向配置されて超音波を送受信する一対の超音波送受波器４１、４２と、この超音波送受波器４１、４２間の超音波伝搬時間を計測する計時装置４３と、計時装置４３からの信号に基づいて流量を算出する演算手段４４とを備え、超音波送受波器４１、４２は、天部と、側壁部と、この側壁部の外側に設けた支持部と、前記天部の内壁面に固定された圧電体で構成されており、前記側壁部に当接し、側壁部の振動を低減し、前記支持部を保持する保持部を有する振動抑制体４５で、計測流路４０に取付けた構成となっている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１５９５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、超音波送受波器と流路との間の振動抑制体の固定状態によっては、流速流量計測値が不安定化する、あるいは、温度の変化によって流量測定値が不安定化することがあるという課題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、振動抑制体および超音波送受波器の取り付け状態を目視することなく判定し、異常な取り付け状態を回避することによって流速流量計測値が安定化し、より精度の高い流速流量計測を可能とした超音波流速流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため本発明の超音波流速流量計は、両端に開口端が形成されており、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、前記流路の上流と下流に前記被測定流体に接するように配置された一対の超音波送受信器と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝播時間を計測する計時装置と、前記計時装置により得られた超音波伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を演算する演算手段とを備え、振動抑制体を有しており、前記一対の超音波送受波器が前記流路に前記振動抑制体を介して保持され、前記振動抑制体が正しく固定されているかを判定する固定状態判定手段を備えるものである。
【０００７】
これによって、流量計測前に、振動抑制体および超音波送受波器が流路に正しく固定されているかを判定することができ、異常な取り付け状態を回避することによって流量計測値が安定化し、より精度の高い流量計測が可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の超音波流速流量計は、振動抑制体の取り付け状態を目視することなく判定し、異常な取り付け状態を回避することによって流速流量計測値が安定化し、また、温度変化に関わらず安定した流速流量計測を行うことができるためより精度の高い流速流量計測を安定して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波流速流量計の概略図
【図２】同実施の形態における超音波送受波器の固定状態を示す断面図
【図３】同実施の形態における超音波送受波器の固定状態を示す断面図
【図４】同実施の形態における超音波送受波器に送信する駆動信号波形と受信信号波形を示す図
【図５】（ａ）同実施の形態における超音波流速流量計の側面断面図、（ｂ）同実施の形態における超音波流速流量計の断面図
【図６】同実施の形態における超音波送受波器に送信する駆動信号波形と受信信号波形を示す図
【図７】同実施の形態における超音波送受波器に送信する駆動信号波形の計測インターバルと受信信号波形を示す図
【図８】同実施の形態における超音波送受波器の固定状態不良の断面図
【図９】同実施の形態における超音波送受波器の固定状態不良の断面図
【図１０】本発明の実施の形態２における超音波送受波器のインピーダンス特性を示す図
【図１１】同実施の形態における超音波流速流量計の概略図
【図１２】従来の超音波流速流量計概略図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
第１の発明は、両端に開口端が形成されており、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、前記流路の上流と下流に前記被測定流体に接するように配置された一対の超音波送受信器と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝播時間を計測する計時装置と、前記計時装置により得られた超音波伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を演算する演算手段とを備え、振動抑制体を有しており、前記一対の超音波送受波器が前記流路に前記振動抑制体を介して保持され、前記振動抑制体が正しく固定されているかを判定する固定状態判定手段を備えることにより、振動抑制体および超音波送受波器が流路に正しく固定されているか否かを判定することができ、異常な取り付け状態を回避することによって流速流量計測値が安定化し、より精度の高い流速流量計測ができる。
【００１１】
第２の発明は、特に第１の発明において、前記超音波送受波器は、有天筒状金属ケースと、前記有天筒状金属ケースに収容される圧電体と、前記有天筒状金属ケース外壁面に前記圧電体と対向するように配置した音響整合体と、前記有天筒状金属ケースの開口を閉鎖すると共に端子を外部に突出させた状態で支持する端子板と、を備え、前記有天筒状金属ケースの側壁部および前記側壁部の外側に設けた支持部を覆うように取り付けた振動抑制体を有しており、当該振動抑制体を介して前記流路に取り付ける構成としたことにより、より複雑な形状の振動抑制体および超音波送受波器が流路に正しく固定されているかを判定することができ、また、前記超音波送受波器の形状に依存する特徴的な振動があるため、その特徴的な振動を分析することによって異常な取り付け状態をより詳細に判定することが出来、異常な取り付け状態を回避することによって、流速流量計測値が安定化し、より精度の高い流速流量計測ができる。
【００１２】
第３の発明は、特に第１または２の発明において、前記固定状態判定手段は、少なくとも前記超音波送受波器の受信出力によって前記振動抑制体が正しく固定されているかを判定することを特徴とすることにより、一定の温度、ゼロ流量において伝播時間を計測すると、流体の音速が既知であるため、対向する超音波送受波器が正しく対向して固定されているか否かを判定することができる。
【００１３】
第４の発明は、特に第１または２の発明において、前前記固定状態判定手段は、少なくとも前記一対の超音波送受波器間の伝播時間によって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定することを特徴とすることにより、温度一定の条件で音速値は既知であるため、超音波送受波器間の距離が規定の距離を隔てて正しく配置されているかを判定することができる。
【００１４】
第５の発明は、特に第１または２の発明において、前記固定状態判定手段は、少なくとも前記一対の超音波送受波器間の筐体伝播ノイズによって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定することを特徴とすることにより、超音波送受波器と流路とが直接接触していないか、あるいは、振動抑制体が超音波送受波器を正しく保持し、超音波送受波器で発生した振動を効率よく抑制しているかどうかがわかるため、固定状態を判定することができる。
【００１５】
第６の発明は、特に第１または２の発明において、前記固定状態判定手段は、少なくとも前記超音波送受波器の振動減衰時間によって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定することを特徴とすることにより、振動抑制体が超音波送受波器に被覆されているかどうかを判定することができる。
【００１６】
第７の発明は、特に第６の発明において、前記固定状態判定手段は、少なくとも前記有天筒状金属ケースの振動を増長する周波数で駆動したときの振動減衰時間によって行うことを特徴とすることにより、振動減衰時間は、有天筒状金属ケースの振動が主たる要因であるため、有天筒状金属ケースの振動を増長する周波数で駆動することによって、より詳細に振動減衰時間を評価できるため振動抑制体３が第１の超音波送受波器４に被覆されているかどうかを容易に判定することができる。
【００１７】
第８の発明は、特に第１または２の発明において、前記固定状態判定手段は、少なくとも計測インターバルを変えて流量値を計算し、計測毎の前記流量値のばらつきが所定値以下に収束する計測インターバルと、予め規定した計測インターバルとを比較して前記振動抑制体が正しく固定されているか否かの判定を行うことを特徴とすることにより、振動抑制体、超音波送受波器と流路との固定状態が、流量計測精度にどの程度影響を及ぼすかどうかを判断した上で流量計測を行うことができるため、計測安定性が向上する。
【００１８】
第９の発明は、特に第８の発明において、流量値が安定して収束する計測インターバルを記憶し、前記記憶した計測インターバルを用いて流速流量計測を行うことを特徴とすることにより、計測の安定度を確保した状態で安定した流速流量計測を行うことができるため、計測安定性が向上する。
【００１９】
第１０の発明は、特に第８の発明において、複数の温度において測定毎の流量値のばらつきが所定値以下に安定して収束する計測インターバルから求められる温度と最適な計測インターバルとの相関式を記憶し、流量計測時において伝播時間から求められる温度を元に、前記相関式に基づいて最適な計測インターバルを用いて流速流量計測を行うことを特徴とすることにより、異なる温度においても最適化した計測インターバルを用いて測定するため、温度変化に関わらず安定した流速流量計測を行うことができる。
【００２０】
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、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における超音波流速流量計の概略図を示している。
【００２２】
図１において超音波流速流量計は、被測定流体（一例として、ガス、空気）が流れる流路１を備え、流量計測部２と、流量計測部２の上流側および下流側に対向配置し、振動抑制体３を介して流路１に固定された第１、第２の超音波送受波器（一対の超音波送受波器）４，５と、第１、第２の超音波送受波器４，５間の超音波伝播時間を計測する計時装置６と、計時装置６により得られた超音波伝播時間に基づいて流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段７と、第１、第２の超音波送受波器４，５と振動抑制体３とが流路１に対して設計通りに対向するように配置され、かつ、振動抑制体３が流路１および超音波送受波器４、５に対して設計通りに正しく固定されているかどうかを判定する固定状態判定手段８を備えている。
【００２３】
以下、超音波流速流量計の動作について説明する。
【００２４】
超音波流速流量計において、流路１を流れる被測定流体の流速Ｖを求める際には、まず、第１の超音波送受波器４の共振周波数近傍の周波数となるように調整した駆動信号波形を圧電体に与えると振動し、第１の超音波送受波器４から被測定流体中に超音波を放射する。
【００２５】
放射された超音波は、被測定流体を伝播し、第２の超音波送受波器５に受信され、第２の超音波送受波器５の圧電体によって電圧に変換される。
【００２６】
次に、第２の超音波送受波器５の共振周波数近傍の周波数の駆動信号波形を圧電振動子に与えると振動して、第２の超音波送受波器５から流体中に超音波を放射する。放射された超音波は、第１の超音波送受波器４で受信され、第１の超音波送受波器４の圧電体によって電圧に変換される。このような繰り返し測定を行うことで流速流量計測値の安定性が向上する。
【００２７】
ここで、流路１を流れる流体の流速をＶ、被測定流体中の超音波の音速をＣ、流体の流れ方向と超音波の伝播方向とのなす角度をθとする。
【００２８】
第１の超音波送受波器４を送波器、第２の超音波送受波器５を受波器として用いたときに、第１の超音波送受波器４から出た超音波が第２の超音波送受波器５に到達する伝搬時間ｔ1は、
ｔ1 ＝ Ｌ ／（Ｃ＋ｖｃｏｓθ） （１）
で示される。
【００２９】
次に、第２の超音波送受波器５から出た超音波パルスが第１の超音波送受波器４に到達する伝搬時間ｔ2は、
ｔ2 ＝ Ｌ ／（Ｃ−ｖｃｏｓθ） （２）
で示される。
【００３０】
そして、（１）と（２）の式から流体の音速Ｃを消去すると、
Ｖ ＝ Ｌ ／２ｃｏｓθ（１／ｔ1−１／ｔ2） （３）
の式が得られる。
【００３１】
Ｌとθが既知なら、計時装置６にてｔ1とｔ2を測定すれば流速Ｖが求められる。必要に応じて、この流速Ｖに流量計測部２の断面積Ｓと補正係数Ｋを乗じれば、流量Ｑを求めることができる。つまり、演算手段７は、Ｑ＝ＫＳＶを演算するものである。
【００３２】
次に、本実施の形態の超音波流速流量計に用いる超音波送受波器について詳細に説明する。
【００３３】
なお、第１、第２の超音波送受波器４，５は同じ構成なので、以下、第１超音波送受波器４の構成について説明して、第２超音波送受波器５の説明を省略する。
【００３４】
図２、３は、第１の超音波送受波器４の固定状態断面図を示すもので、第１の超音波送受波器４は、振動抑制体３を介して流路１に固定されている。振動抑制体３は、図に示す以外にも、さまざまな形状が想定されるが、本実施の形態においては、図２、３を代表例として説明するが、特に例示した構造に限定して実現されるものではない。振動抑制体３の構成材料は、たとえば、二トリルゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴムなど、ゴム弾性を示す材料であれば特に限定されない。
【００３５】
第１の超音波送受波器４は、対向する電極を備える圧電体１０と、天部１１、側壁部１２、支持部１３によって構成される有天筒状金属ケース１４と、音響整合体１５と、第１端子１６、第２端子１７を備える端子板１８とで構成されている。
【００３６】
圧電体１０、有天筒状金属ケース１４および音響整合体１５とは、例えば、接着剤で接合する。粘着剤でも可能であるが、特性安定性の観点から接着剤で固定した場合のほうがより好ましい。圧電体１０は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムなど圧電特性を有する材料であれば特に限定されない。
【００３７】
有天筒状金属ケース１４は、例えば、銅、鉄、ステンレス鋼等が例示できる。端子板１８は、第１端子１６、第２端子１７を備え、第１端子と第２端子とは絶縁体１９によって絶縁され、そのほかは金属材料で構成する。絶縁体１９としては、例えば、樹脂などの有機材料、あるいは、ガラスハーメチックシールを用いた無機材料など特に限定されない。
【００３８】
端子板１８と、有天筒状金属ケース１４とは、支持部１３で溶接、あるいは銀ロウなどの工法によって電気的に導通され、密閉される。第２端子１７と圧電体１０の一方の電極がリード線などで電気的に導通され、第１端子１６と圧電体１０の他方の電極が、前記有天筒状金属ケースを介して電気的に導通した構成となっている。
【００３９】
音響整合体１５の役割は、圧電体１０の振動を流体に効率よく伝播させることにある。このため、被計測流体がより軽量であるため、音響整合体１５はより軽量で音速の遅い材料が好ましい。そのため例えば、中空ガラスフィラーの充填物をエポキシ樹脂で硬化した複合材料、あるいは、セラミック多孔体の最外層表面に、セラミック多孔体の空隙を保持した状態で樹脂フィルムによってパッケージ形成した複合材料などが例示できる。
【００４０】
以下、第１の超音波送受波器４の動作について説明する。第１の超音波送受波器４は、端子板１８に備えられた第１端子１６、第２端子１７を介して圧電体１０の電極に例えば、４００から６００ｋＨｚ程度の圧電体が振動する駆動信号波形を与えると圧電体１０が振動し、あらかじめ厚み調整した音響整合体１５が圧電体１０と共振し、その結果、被測定流体に超音波が伝播する。以上の動作は、第２の超音波送受波器５についても同様である。
【００４１】
この超音波流速流量計の計測精度を設計通りに実現させるためには、第１、第２の超音波送受波器４、５が流路１に正しく固定される必要がある。図２、３はいずれも、第１、第２の超音波送受波器４、５が設計通りに流路１に固定されている状態を示している。これに対し、第１、第２の超音波送受波器４、５が、流路１に正しく固定されていないと、第１の超音波送受波器４で発生した超音波振動が被測定流体を隔てた第２の超音波送受波器５に効率よく伝播しないだけでなく、振動抑制体３が超音波送受波器に正しく密着していないがために、振動抑制体３によって抑制されるべき振動が抑制されず、超音波送受波器自体の振動が長い間継続して振動してしまうため振動減衰時間が長くなる、あるいは、流路１にも通常以上に計測ノイズとなる超音波振動が伝播することになる。これを筐体伝播ノイズという。
【００４２】
以下、本発明の実施の形態における固定状態判定手段８について説明する。
【００４３】
本実施の形態において固定状態判定手段８は、流路に対して第１、第２の超音波送受波器４、５および振動抑制体３が正常に取り付けられているかどうかを、取り付け状態を目視することなく判定する手段のことであり、取り付け状態に影響及ぼすパラメータを判定手段として用い固定状態を判定する。
【００４４】
本実施の形態において、判定手段は、以下に示す五つのパラメータによって実施する。
【００４５】
（Ａ）超音波の送受信出力（Ｖ1）
（Ｂ）超音波伝播時間（Ｔ1）
（Ｃ）筐体伝播ノイズ（Ｖ2）
（Ｄ）振動減衰時間（Ｔ2）
（Ｅ）計測インターバル（Ｔ3）と流速流量値バラツキ
以下、各パラメータによる判定手段の判定方法について詳細に説明する。
【００４６】
（Ａ）超音波の送受信出力（Ｖ1）
図４は超音波送受波器に送信する駆動信号波形と受信信号波形を示している。
【００４７】
例えば、第１の超音波送受波器４を送波器、第２の超音波送受波器５を受波器とした場合、駆動信号波形２０は、第１の超音波送受波器４に送られ、超音波が被計測流体に伝播し、第２の超音波送受波器５に到達した超音波振動は、圧電体１０によって変換され、駆動信号波形２０が送信されてから伝播時間Ｔ1を経過して、受信信号波形２１のような超音波信号が到達する。この到達した信号の大きさＶ1を超音波受信出力と定義する。超音波受信出力Ｖ1は、第１、第２の超音波送受波器４、５が流路１に対して、斜めに固定されている場合、あるいは第１、第２の超音波送受波器４、５の特性が劣化している場合に低下することから、振動抑制体３の固定状態を判定することができる。
【００４８】
（Ｂ）超音波伝播時間（Ｔ1）
図４において、超音波伝播時間は、図中に示したように駆動信号波形２０の送信後、受信信号波形２１が到達するまでの超音波伝播時間Ｔ1を表しており、第１、第２の超音波送受波器４、５が流路１に対して、例えば斜めに固定されている場合は、正しく固定された状態と比べると超音波伝播距離は長くなるため超音波伝播時間Ｔ1は、長くなることから、振動抑制体３の固定状態を判定することができる。
【００４９】
（Ｃ）筐体伝播ノイズ（Ｖ2）
図５（ａ）は、被計測流体が流れる方向に対し平行方向から見た図、図５（ｂ）は、被計測流体が流れる方向に対し垂直方向から見た断面図を示している。
【００５０】
超音波の送受信にあたり、第１の超音波送受波器４を送波器として、第２の超音波送受波器５を受波器として用いた場合、第１の超音波送受波器４から発生した超音波振動によって、被計測流体に超音波が伝播するのと同時に、超音波送受波器自身の振動が振動抑制体３を介して図中の実線矢印で示したように、流路１の内部および表面を伝播する。これを筐体伝播といい、流量計測時のノイズとなるため、筐体伝播ノイズという。この筐体伝播ノイズは、第１、第２の超音波送受波器４、５が直接、流路１に接触した場合、あるいは、振動抑制体３が通常よりも強く押し付けられたような状態で固定されると増大することから、振動抑制体３の固定状態を判定することができる。
【００５１】
以下、筐体伝播ノイズについて図解して説明する。
【００５２】
図６は、超音波送受波器に送信する駆動信号波形と受信信号波形を示している。
【００５３】
図６において、駆動信号波形２０によって第１の超音波送受波器４より超音波が送信され、伝播時間Ｔ1を経て受信信号波形２１（受信出力Ｖ1）が伝播する。筐体伝播波形２２は、受信信号波形２１の前に受信する信号レベルの小さい波形（筐体伝播ノイズＶ2）のことである。一般的に、被計測流体（主に気体）の音速は、筐体として用いられる樹脂、あるいは金属の音速に比べて速いため、筐体伝播波形２２は、被計測流体を通って受信する受信信号波形２１にくらべ早く到達する。この筐体伝播波形２２は、減衰する前に受信信号波形２１に重なるため、筐体伝播波形２２の信号レベルに応じて流量特性値が変化することから、振動抑制体３の固定状態を判定することができる。
【００５４】
（Ｄ）振動減衰時間（Ｔ2）
図６において、振動減衰時間Ｔ2は、受信信号波形２１（受信出力Ｖ1）が超音波送受波器に受信されてから、一定の電圧レベルまで受信出力が減衰するまでの時間と定義し、 例えばＶ3／Ｖ1＝Ｋの比が０．１以下にまで減衰する時間として算出する。
【００５５】
（Ｅ）計測インターバル（Ｔ3）と流速流量バラツキ
図７は、送信側に設定された超音波送受波器に送信する駆動信号波形とその送信間隔（計測インターバル（Ｔ3））と受信側に設定された超音波送受波器での受信信号波形を示している。
【００５６】
図７において、計測インターバルＴ3は、駆動信号波形２０を送信後、次の駆動信号波形２３を送るまでの時間を示している。計測インターバルＴ3が短くなると、先に受信した受信信号波形２４の振動が減衰せずに、次に受信する受信信号波形２５に重なってしまうために、流速流量計測値が変化し、計測誤差を生じてしまうことがある。このため、例えば、常温、流体の流れていない状態で、計測インターバルＴ3を長い時間から短くしていき、計測毎の流量値のバラツキが大きくなる、あるいは、絶対値が変化する計測インターバルＴ3を記憶して、予め規定してある正常な固定状態の計測インターバルＴ3より短い場合には、受信信号が適正に減衰していると考えられるため、振動抑制体３が第１の超音波送受波器４に対して、正しく固定されていると判断し、予め規定してある計測インターバルより長い場合には、逆に、正しく固定されていないと判定できる。
【００５７】
そして、これらのパラメータ（Ａ）〜（Ｅ）に基づく判定手段を複合して用いることによって、第１、第２の超音波送受波器４、５および振動抑制体３が流路１に適性に取り付けられているかどうかを判定することが出来る。
【００５８】
以下、図面を用いて第１、第２の超音波送受波器４、５および振動抑制体３の流路１に対する実例を挙げ、取り付け状態をどのように判別するかどうかを説明する。
【００５９】
図８、９は、本発明実施の形態における第１の超音波送受波器４の固定状態不良の断面図を示している。
【００６０】
図８は、第１の超音波送受波器４を固定する２つのビス２６、２７の内の片方のビス２６のビス締めが不完全な状態を示している。この場合、第１の超音波送受波器４は、流路１に対して若干傾いた状態で取り付けられており、振動抑制体３が強く圧縮されている部分と、弱く圧縮されている部分が存在する。この場合先に示した判定手段によると、流路１に対して若干傾いているために、超音波受信出力（Ｖ1）は、超音波送受波器同士が設計通りに対向していないために、低下し異常値を示す。また、超音波伝播時間（Ｔ1）は、超音波伝播距離が長くなるため異常値を示す。さらに、振動抑制体３が強く圧縮されている部分と、弱く圧縮されている部分が存在するため、振動抑制体３を介して筐体伝播ノイズ（Ｖ2）が通常よりも強く伝わる結果となり異常値を示す。このようにして、取り付け状態を判定することが出来る。
【００６１】
図９においても同様に説明する。
【００６２】
図９は、第１の超音波送受波器４の有天筒状金属ケース１４の側壁部１２に、振動抑制体３が変形して正しく接触していない状態を示している。この場合、流路１に対して、第１の超音波送受波器４が適正な位置に固定されているため、判定手段超音波受信出力（Ｖ1）、超音波伝播時間（Ｔ1）は適正な値として判定できる。一方、筐体伝播ノイズ（Ｖ2）は、図９に示したように、振動抑制体３が、有天筒状金属ケース１４の側壁部１２で接触していない部分が存在し、この場合、振動抑制体３の機能が十分発揮できないために、通常よりも大きい筐体伝播ノイズが観察されることになる。また、振動減衰時間（Ｔ2）は、振動を減衰する役目を果たす振動抑制体３が正しく固定されていないため、振動減衰時間が長くなり異常値を示す。更に、計測インターバル（Ｔ3）と流量値バラツキに関しても同様に、通常と異なる値となり異常値を示す。
【００６３】
ここで特に固定状態判定手段８が、振動減衰時間（Ｔ2）を用いて取り付け状態を判定する場合の良好な方法について説明する。
【００６４】
図９に示した第１の超音波送受波器４の側壁部１２は、圧電体１０の共振周波数よりも低い周波数で振動する。
【００６５】
図１０は、本発明の実施の形態における第１の超音波送受波器４のインピーダンス特性を示している。
【００６６】
図１０において、第１の超音波送受波器４の圧電体１０共振周波数３０に対して、有天筒状金属ケース１４の側壁部１２が圧電体１０の横振動によって励起され、この振動は、圧電体１０の周波数より低周波数の振動であるために減衰しにくく、振動減衰時間を長くする主たる要因となる。そのため、側壁部１２に振動抑制体３が設計通り接触しない場合には、振動減衰時間が異常値を示す。
【００６７】
また、例えば、第１の超音波送受波器４、および振動抑制体３が流路１に正しく固定されていても、判定手段における超音波の送受信出力のみが異常の場合には、超音波送受波器自体の劣化と判定することが出来る。これまでの実例をまとめると、表１のように示すことが出来る。表１は、超音波送受波器および振動抑制体の取り付け状態と判定手段との相関を示している。表１における○印は、図８，９に示すそれぞれの取り付け状態における異常と判定されるパラメータと、判定結果を示している。
【００６８】
【表１】
【００６９】
このほかにも、取り付け状態異常は考えられるが、これまで説明した判別手段によって第１、第２の超音波送受波器４，５および、振動抑制体３が流路１に正しく取り付けられているかどうかを判別することができる。
【００７０】
以上のように、本実施の形態では、第１、第２の超音波送受波器４，５が流路１に振動抑制体３を介して保持される構成において、振動抑制体３が正しく固定されているかを判定する固定状態判定手段８を備えることにより、振動抑制体および超音波送受波器が流路に正しく固定されているかを判定することができ、異常な取り付け状態を回避することによって流速流量計測値が安定化し、より精度の高い流速流量計測ができる。
【００７１】
また、具体的な固定状態判定手段としては、超音波の送受信出力（Ｖ1）、超音波伝播時間（Ｔ1）、筐体伝播ノイズ（Ｖ2）、振動減衰時間（Ｔ2）、計測インターバル（Ｔ3）と流速流量値バラツキの各パラメータの組み合わせることで、振動抑制体および超音波送受波器が流路に正しく固定されているかを判定することができ、異常な取り付け状態を回避することによって流速流量計測値が安定化し、より精度の高い流速流量計測ができる。
【００７２】
さらに、固定状態判定手段が、振動減衰時間（Ｔ2）を判定する場合、有天筒状金属ケース１４の振動を増長する周波数３１（圧電体の共振より低い周波数）で駆動して振動減衰時間によって行うと、振動減衰時間は、有天筒状金属ケースの振動が主たる要因であるため、有天筒状金属ケースの振動を増長する周波数で駆動することによって、より詳細に振動減衰時間を評価できるため振動抑制体３が第１の超音波送受波器４に被覆されているかどうかを容易に判定することができる。
【００７３】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施形態における超音波流速流量計について図面を参照して説明する。
【００７４】
図１１は、本発明の第２の実施の形態における超音波流速流量計の概略図を示している。
【００７５】
図１１において、超音波流速流量計は、被測定流体（一例として、ガス、空気）が流れる流路１を備え、流量計測部２と、流量計測部２の上流側および下流側に対向配置し、振動抑制体３を介して流路１に固定された第１、第２の超音波送受波器（一対の超音波送受波器）４，５と、第１、第２の超音波送受波器４，５間の超音波伝播時間を計測する計時装置６と、計時装置６により得られた超音波伝播時間に基づいて流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段７と、第１、第２の超音波送受波器４，５と振動抑制体３とが流路１に対して設計通りに対向するように配置され、かつ、振動抑制体３が流路１および第１、第２の超音波送受波器４、５に対して設計通りに正しく固定されているかどうかを判定する固定状態判定手段８を備えている。
【００７６】
固定状態判定手段８は、第１、第２の超音波送受波器４，５を駆動する間隔である計測インターバルを変えて流量値を計算し、計測毎の流量値のばらつきが所定の値以下に収束する時の計測インターバルと、予め規定した計測インターバルとを比較して振動抑制体３が正しく固定されているかの判定を行う。
【００７７】
また、計測毎の流量値のばらつきが所定の値以下に収束する時の最適な駆動インターバルを記憶する記憶手段３２を備えている。
【００７８】
そのため、複数の温度において流量値が安定して収束する計測インターバルから求められる温度と最適な計測インターバルとの相関式を記憶し、流量計測時において伝播時間から推定した温度を元に、この相関式に基づいて最適な計測インターバルを用いて流速流量計測も行うことができる。
【００７９】
超音波流速流量計の動作、超音波送受波器については、実施の形態１と同様のため省略する。
【００８０】
以下、計測インターバルを変えて最適な計測インターバルを用いて流量計測する方法について説明する。
【００８１】
流速流量計測の安定性は、取り付け状態とともに、温度によって第１の実施の形態にあげた固定状態判定手段８のすべてのパラメータが影響を受ける。
【００８２】
表２は、被計測流体における特性値の温度依存性を示している。
【００８３】
【表２】
【００８４】
低温（−３３．１５℃）は、超音波透過率が、高温（６６．８５℃）にくらべ高いため、超音波の送受信出力（Ｖ1）が高くなり、また、振動抑制体３も、硬くなるために、常温（２６．８５℃）に比べ振動抑制体３の振動を効率よく低減させる効果が半減し、筐体伝播ノイズ（Ｖ2）は大きくなり、振動減衰時間（Ｔ2）は長くなる。また、音速も高温に比べ遅くなるため、超音波伝播時間（Ｔ1）も長くなる。高温では、この逆の傾向になる。
【００８５】
このように、計測インターバル（Ｔ3）を一定の値で計測を行った場合には、温度によって、音速、あるいは超音波伝播効率が異なるため、流速流量値の安定性が異なる結果となる。そのため、複数の温度によって流量値が安定して収束する計測インターバルを記憶して温度と最適な計測インターバルとの相関式を求め記憶し、流量計測時において伝播時間から推定した温度を元に、この相関式に基づいて最適な計測インターバルを用いて流速流量計測を行うことが重要になり、使用温度範囲内で最適化した計測インターバルを用いて測定するため、温度に関わらず安定した流速流量計測を行うことができるようになる。
【００８６】
以上のように、本実施の形態では、固定状態判定手段８として計測インターバルを変えて流量値を計算し、この流量値が安定して収束する計測インターバルを記憶手段３２で記憶し、記憶した計測インターバルを用いて流速流量計測を行うことにより、計測の安定度を確保した状態で安定した流速流量計測を行うことができる。
【００８７】
また、複数の温度によって流量値が安定して収束する計測インターバルから求められる温度と最適な計測インターバルとの相関式を記憶しておき、流量計測時において伝播時間から演算で求められる温度を元にして、相関式に基づいてその温度における最適な計測インターバルを用いて流速流量計測を行うことにより、異なる温度においても最適化した計測インターバルを用いて測定するため、温度変化に関わらず安定した流速流量計測を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
以上のように、本発明にかかる超音波流速流量計は、安定した流量計測が可能となるため、家庭用流量計、産業用流量計等の用途に適用できる。
【符号の説明】
【００８９】
１ 流路
２ 流量計測部
３ 振動抑制体
４ 第１の超音波送受波器（超音波送受信器）
５ 第２の超音波送受波器（超音波送受信器）
６ 計時装置
７ 演算手段
８ 固定状態判定手段
１０ 圧電体
１１ 天部
１２ 側壁部
１３ 支持部
１４ 有天筒状金属ケース
１５ 音響整合体
１６ 第１端子
１７ 第２端子
１８ 端子板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端に開口端が形成されており、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、
前記流路の上流と下流に前記被測定流体に接するように配置された一対の超音波送受信器と、
前記一対の超音波送受波器間の超音波伝播時間を計測する計時装置と、
前記計時装置により得られた超音波伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を演算する演算手段と、
を備え、
振動抑制体を有しており、前記一対の超音波送受波器が前記流路に前記振動抑制体を介して保持され、前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定する固定状態判定手段を備えている、
超音波流速流量計。
【請求項２】
前記超音波送受波器は、
有天筒状金属ケースと、
前記有天筒状金属ケースに収容される圧電体と、
前記有天筒状金属ケース外壁面に前記圧電体と対向するように配置した音響整合体と、
前記有天筒状金属ケースの開口を閉鎖すると共に端子を外部に突出させた状態で支持する端子板と、
を備え、
前記有天筒状金属ケースの側壁部および前記側壁部の外側に設けた支持部を覆うように取り付けた振動抑制体を有しており、当該振動抑制体を介して前記流路に取り付ける構成とした、
請求項１に記載の超音波流速流量計。
【請求項３】
前記固定状態判定手段は、少なくとも前記超音波送受波器の受信出力によって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定すること、
を特徴とする請求項１または２に記載の超音波流速流量計。
【請求項４】
前記固定状態判定手段は、少なくとも前記一対の超音波送受波器間の伝播時間によって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定すること、
を特徴とする請求項１または２に記載の超音波流速流量計。
【請求項５】
前記固定状態判定手段は、少なくとも前記一対の超音波送受波器間の筐体伝播ノイズによって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定すること、
を特徴とする請求項１または２に記載の超音波流速流量計。
【請求項６】
前記固定状態判定手段は、少なくとも前記超音波送受波器の振動減衰時間によって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定すること、
を特徴とする請求項１または２に記載の超音波流速流量計。
【請求項７】
前記固定状態判定手段は、少なくとも前記有天筒状金属ケースの振動を増長する周波数で駆動したときの振動減衰時間によって行うこと、
を特徴とする請求項６に記載の超音波流速流量計。
【請求項８】
前記固定状態判定手段は、少なくとも計測インターバルを変えて流量値を計算し、計測毎の前記流量値のばらつきが所定値以下に収束する計測インターバルと、予め規定した計測インターバルとを比較して前記振動抑制体が正しく固定されているか否かの判定を行うこと、
を特徴とする請求項１または２に記載の超音波流速流量計。
【請求項９】
流量値が安定して収束する計測インターバルを記憶し、前記記憶した計測インターバルを用いて流速流量計測を行うこと、
を特徴とする請求項８に記載の超音波流速流量計。
【請求項１０】
複数の温度において測定毎の流量値のばらつきが所定値以下に安定して収束する計測インターバルから求められる温度と最適な計測インターバルとの相関式を記憶し、流量計測時において伝播時間から求められる温度を元に、前記相関式に基づいて最適な計測インターバルを用いて流速流量計測を行うこと、
を特徴とする請求項８に記載の超音波流速流量計。
【請求項１】
両端に開口端が形成されており、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、
前記流路の上流と下流に前記被測定流体に接するように配置された一対の超音波送受信器と、
前記一対の超音波送受波器間の超音波伝播時間を計測する計時装置と、
前記計時装置により得られた超音波伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を演算する演算手段と、
を備え、
振動抑制体を有しており、前記一対の超音波送受波器が前記流路に前記振動抑制体を介して保持され、前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定する固定状態判定手段を備えている、
超音波流速流量計。
【請求項２】
前記超音波送受波器は、
有天筒状金属ケースと、
前記有天筒状金属ケースに収容される圧電体と、
前記有天筒状金属ケース外壁面に前記圧電体と対向するように配置した音響整合体と、
前記有天筒状金属ケースの開口を閉鎖すると共に端子を外部に突出させた状態で支持する端子板と、
を備え、
前記有天筒状金属ケースの側壁部および前記側壁部の外側に設けた支持部を覆うように取り付けた振動抑制体を有しており、当該振動抑制体を介して前記流路に取り付ける構成とした、
請求項１に記載の超音波流速流量計。
【請求項３】
前記固定状態判定手段は、少なくとも前記超音波送受波器の受信出力によって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定すること、
を特徴とする請求項１または２に記載の超音波流速流量計。
【請求項４】
前記固定状態判定手段は、少なくとも前記一対の超音波送受波器間の伝播時間によって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定すること、
を特徴とする請求項１または２に記載の超音波流速流量計。
【請求項５】
前記固定状態判定手段は、少なくとも前記一対の超音波送受波器間の筐体伝播ノイズによって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定すること、
を特徴とする請求項１または２に記載の超音波流速流量計。
【請求項６】
前記固定状態判定手段は、少なくとも前記超音波送受波器の振動減衰時間によって前記振動抑制体が正しく固定されているか否かを判定すること、
を特徴とする請求項１または２に記載の超音波流速流量計。
【請求項７】
前記固定状態判定手段は、少なくとも前記有天筒状金属ケースの振動を増長する周波数で駆動したときの振動減衰時間によって行うこと、
を特徴とする請求項６に記載の超音波流速流量計。
【請求項８】
前記固定状態判定手段は、少なくとも計測インターバルを変えて流量値を計算し、計測毎の前記流量値のばらつきが所定値以下に収束する計測インターバルと、予め規定した計測インターバルとを比較して前記振動抑制体が正しく固定されているか否かの判定を行うこと、
を特徴とする請求項１または２に記載の超音波流速流量計。
【請求項９】
流量値が安定して収束する計測インターバルを記憶し、前記記憶した計測インターバルを用いて流速流量計測を行うこと、
を特徴とする請求項８に記載の超音波流速流量計。
【請求項１０】
複数の温度において測定毎の流量値のばらつきが所定値以下に安定して収束する計測インターバルから求められる温度と最適な計測インターバルとの相関式を記憶し、流量計測時において伝播時間から求められる温度を元に、前記相関式に基づいて最適な計測インターバルを用いて流速流量計測を行うこと、
を特徴とする請求項８に記載の超音波流速流量計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−７９７６（Ｐ２０１２−７９７６Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４３４７５（Ｐ２０１０−１４３４７５）
【出願日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]