JPH0921665A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波流量計の計測精度を高める。 【構成】 流路８内の上流と下流とに流線型の外装部１
３、１４に覆われた一対の超音波振動子１１、１２を対
向させ軸対称に配置している。この構成により流路８を
流れる流体は、外装部１３、１４に沿って流れ不規則な
渦や淀み点を形成することがない。従って、高精度な超
音波流量計６を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波を利用してガス
・水などの流体の流量を計測する超音波流量計に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の超音波流量計は、図７に
示すように、流路１の上流と下流とに直角に曲がる曲が
り部２、３とを設け、一対の超音波振動子４、５を曲が
り部の壁面の外側に固着させ、流体の流れ方向と平行に
超音波を伝搬させ、超音波流量計として動作させてい
た。なお、図中の矢印は流体の流れ方向を示す（特開昭
６０−１１５８１０号公報参照）。

【０００３】このような構成で、上流側の振動子４から
流れの方向に沿って超音波を発信し、この超音波を下流
側の振動子５で受信し、振動子４から５への超音波の伝
搬時間、Ｔdnを計測する。また、逆に下流側の振動子５
から流れに逆らって超音波を発信し、この超音波を上流
側の振動子４で受信し、振動子５から４への超音波の伝
搬時間、Ｔupを計測する。この２つの伝搬時間から流路
１を流れる流体の平均的な流速を演算し、あらかじめ解
っている流路１の断面積などから、流体の流量を計測し
ていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の超音波流量計では、直角に曲がる曲がり部２、３な
どで流体中に、渦が不規則に発生したり、流路内に不規
則に淀み点などが発生し、流量計測の誤差要因となって
いた。また、流路内に送信された超音波が、管壁などで
反射を繰り返し、いつまでも残響波として残り、その残
響波が超音波振動子で受信され誤差の要因ともなってい
た。

【０００５】本発明は上記課題を解決するもので、残響
波を減少させ高精度の流量計測ができる超音波流量計を
提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の超音波流量計は、以下の構成とした。

【０００７】すなわち、流体の流れる管状の流路と、前
記流路内の上流と下流とに、外装部で覆われた一対の超
音波振動子を軸対称に対向して備えた構成とした。

【０００８】また、流体の流れる管状の流路と、前記流
路内の上流と下流とに、内面に放物面状の超音波反射体
を有し、外面が外装部で覆われ、一対の超音波振動子を
軸対称に対向して備えた構成とした。

【０００９】また、流体の流れる管状の流路と、前記流
路内の上流と下流とに、内面に放物面状の超音波反射体
を有し、外面が外装部で覆われ、かつ前面に流線型の超
音波透過膜を有する一対の超音波振動子を軸対称に対向
して備えた構成とした。

【００１０】また、流体の流れる管状の流路と、前記流
路内の上流と下流とに、内面に放物面状の超音波反射体
を有し、外面が流線型の導電性の外装部で覆われ、かつ
前面に導電性の超音波透過膜を有する一対の超音波振動
子を軸対称に対向して備えた構成とした。

【００１１】また、流体の流れる管状の流路と、前記流
路内の上流と下流とに、内面に放物面状の超音波反射体
を有し、外面が外装部で覆われ、かつ前面に超音波透過
膜を有し、前記透過膜内に、指向性ホーンを有する一対
の超音波振動子を軸対称に対向して備えた構成とした。

【００１２】また、流体の流れる、内壁面が粗面状の管
状の流路と、前記管状の流路内に超音波透過膜からなる
内筒を設け、かつ前記管状の流路内面前記流路内の上流
と下流とに、内面に放物面状の超音波反射体を有し、外
面が外装部で覆われ、かつ前面に超音波透過膜を有する
一対の超音波振動子を軸対称に対向して備えた構成とし
た。

【００１３】また、流体の流れる、内壁面が粗面状の管
状の流路と、前記管状の流路内に超音波透過膜からなる
内筒を設け、かつ前記管状の流路内面前記流路内の上流
と下流とに、内面に放物面状の超音波反射体を有し、外
面が外装部で覆われ、かつ前面に超音波透過膜を有する
一対の超音波振動子を軸対称に対向して設け、かつ前記
一対の超音波振動子の上流と下流とに、前記超音波透過
膜よりも目の細かい流体透過膜を備えた構成とした。

【００１４】

【作用】本発明は、流体の流れる管状の流路と、流路内
の上流と下流とに、外装部で覆われた一対の超音波振動
子を軸対称に対向して備えた構成としたので、流体中に
渦の発生や、淀み点などの発生が無くなる。

【００１５】また、流体の流れる管状の流路と、流路内
の上流と下流とに、内面に放物面状の超音波反射体を有
し、外面が外装部で覆われ、一対の超音波振動子を軸対
称に対向して備えた構成としたので、流体中に渦の発生
や、淀み点などの発生が無くなり、また、振動子近傍を
通過する超音波は、放物面状の反射面で反射するため、
反射した超音波は一点に収束し、容易に吸収、減衰させ
ることができ、残響波が少なくなる。

【００１６】また、流体の流れる管状の流路と、流路内
の上流と下流とに、内面に放物面状の超音波反射体を有
し、外面が外装部で覆われ、かつ前面に超音波透過膜を
有する一対の超音波振動子を軸対称に対向して備えた構
成としたので、流路を流れる流体は、振動子前面の超音
波透過膜に沿って流れるため、流体中に渦の発生や、淀
み点などの発生が無くなり、また超音波は、効率よく超
音波透過膜を透過する。

【００１７】また、超音波透過膜を透過し、振動子近傍
を通過する超音波は、外装部内面の放物面状の反射面で
反射し、一点に収束するため、容易に吸収、減衰させる
ことができる。

【００１８】また、流体の流れる管状の流路と、流路内
の上流と下流とに、内面に放物面状の超音波反射体を有
し、外面が導電性の外装部で覆われ、かつ、前面に導電
性の超音波透過膜を有する一対の超音波振動子を軸対称
に対向して備えた構成としたので、導電性の外装部と、
前記導電性の超音波透過膜とを接地することにより、電
磁波雑音に強い。

【００１９】また、流体の流れる管状の流路と、流路内
の上流と下流とに、内面に放物面状の超音波反射体を有
し、外面が外装部で覆われ、かつ前面に超音波透過膜を
有し、透過膜内に、指向性ホーンを有する一対の超音波
振動子を軸対称に対向して備えた構成としたので、流路
内を送信される超音波は、ホーンで指向性が向上し、流
路の管壁での反射が、大幅に減少する。また、ホーン
は、振動子前面の超音波透過膜内に構成されているた
め、流体の流れを乱すことがない。従って、より高精度
の流量計測ができる超音波流量計を提供することができ
る。

【００２０】また、流体の流れる、内壁面が粗面状の管
状の流路と、前記管状の流路内に超音波透過膜からなる
内筒を設け、かつ管状の流路内面前記流路内の上流と下
流とに、内面に放物面状の超音波反射体を有し、外面が
外装部で覆われ、かつ前面に超音波透過膜を有する一対
の超音波振動子を軸対称に対向して備えたので、振動子
から送信された超音波は管状流路の内面に設けられた超
音波透過膜からなる内筒を透過し、直接粗面状の管状流
路の管壁に到達し、反射するため、大きく散乱するかも
しくは吸収される。このため残響波は少なくなる。

【００２１】また、流体の流れる内壁面が粗面状の管状
の流路と、管状の流路内に超音波透過膜からなる内筒を
設け、かつ管状の流路内面前記流路内の上流と下流と
に、内面に放物面状の超音波反射体を有し、外面が外装
部で覆われ、かつ前面に超音波透過膜を有する一対の超
音波振動子を軸対称に対向して設け、かつ一対の超音波
振動子の上流と下流とに、超音波透過膜よりも目の細か
い流体透過膜を備えた構成としので、流路内に設けられ
た、より目の粗い超音波透過膜に、塵芥や水滴などが付
着することがなくなり、前記超音波透過膜の耐久性や耐
塵芥性が大幅に向上し信頼性が向上する。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例を図面にもとづ
いて説明する。

【００２３】図１は、本発明の実施例を基づく超音波流
量計６であり、流体の流れる流路７は、流量を計測する
径２０mm、長さ８０mmの直管部８と、上流、下流の絞り
部９、１０とから構成した。これらの流路は、内部の様
子が見えるようにアクリル樹脂で構成した。なお、図中
の矢印は流体の流れる方向を示す。流路の上流、下流に
対向させた一対の超音波振動子１１、１２は、径１０mm
とした。超音波振動子を覆う流線型の外装部１３、１４
の外径は１５mmとした。なお、外装部１３、１４の内側
は、超音波が減衰するようゴム、シリコン樹脂などを充
填した。また、絞り部９、１０は前記外装部による流れ
の乱れが発生しない程度に広くとった。１５、１６は超
音波振動子駆動用の信号線を示し、流体の流れが乱れな
いように同軸状となるようにに配線した。用いた超音波
振動子の駆動周波数は、１００〜５００kHzとした。

【００２４】この構成で流体中に煙を導入し、目視で流
れのようすを評価したところ、広い流量範囲にわたり渦
の発生や淀み点の発生などは認められなかった。従っ
て、再現性よく、流量計測のできる超音波流量計を実現
できた。

【００２５】図２は、本発明の第２の実施例を基づく超
音波流量計１７を示す。図１で示した超音波流量計と同
じ構成であるが、超音波振動子の外装部１３、１４の内
側１７、１８を、送信されてきた超音波が反射するよう
放物面状に形成した。なお、その曲率は、反射した超音
波が振動子の背面部１９、２０に収束するように合わせ
た。

【００２６】外装部１３、１４の内部の振動子１１、１
２の背面部にゴム、シリコン樹脂、ガラスウールなどを
充填し、反射、収束した超音波がよく減衰するようにし
た。この構成により、一度振動子の背面部に達した超音
波は、強く吸収されるようになった。従って、残響波の
少ない超音波流量計が実現できた。

【００２７】図３は、本発明の第３の実施例を基づく超
音波流量計２１を示す。図２で示した超音波流量計と同
じ構成であるが、超音波振動子の前面に流線型の超音波
透過膜２２、２３を設け、外装部１３、１４が、流れに
対してより一層乱れが発生しないような構成とした。即
ち、超音波振動子１１、１２が、流線型の覆いで囲まれ
るようにした。なお、前記超音波透過膜２２、２３は厚
膜印刷に用いるスクリーンメッシュで構成した。用いた
スクリーンメッシュのメッシュ番号は＃８．６〜＃３５
０であった。用いた超音波振動子の駆動周波数は、１０
０〜５００kHzであった。

【００２８】このような構成の超音波流量計２１におい
て、超音波の伝搬特性を評価したところ、超音波透過膜
２２、２３を構成するスクリーンメメッシュの線径が、
用いる超音波の波長程度であると、大きく影響し伝搬損
失がやや大きかったが、線径が用いる超音波の波長の
（１／３）以下であると、超音波の透過率は、８０％以
上となった。なお、スクリーンメッシュの空間率（単位
面積あたりのは光の透過面積）は、メッシュ番号にかか
わらず、ほぼ一定値を示し、約４０％であった。超音波
の透過率が、８０％以上と大きくなったのは、用いたス
クリーンメッシュの厚さが、超音波の波長に比べ非常に
薄いため、超音波が浸みだすために、超音波の透過率
が、光のそれよりも大きくなったと考えられる。また、
流路への影響を、流路８内部に煙を導入し、目視で評価
したところ、スクリーンメッシュに用いる線径が流路８
の径の（１／２００）以下であれば、即ち線径が０．１
mm以下であれば、流体中に渦の発生や、淀み点の発生な
ど、流れへの影響はほとんど認められなかった。なお、
スクリーンメッシュの材料は、ナイロンと、ＳＵＳとを
用いたが、その差は認められなかった。この種の目的に
は、耐湿性、耐久性などの面から、ＳＵＳのほうが、適
していると考えられる。

【００２９】このように、流路径の約１／２００以下の
線径のスクリーンメッシュからなる超音波透過膜２２、
２３で、超音波振動子１１、１２の前面を、覆うことに
より流路８を流れる流体に、不規則な渦の発生や淀み点
の発生もなく、滑らかな流れを実現できた。また、超音
波の波長の１／３以下の線径のスクリーンメッシュを用
いることにより、反射も少なく、良好な超音波透過特性
が得られた。従って、広範囲の流量域において、高精度
な超音波流量計が実現できる。

【００３０】さらに、前記で説明した超音波流量計２１
において、超音波透過膜２２、２３を構成するスクリー
ンメメッシュをＳＵＳで構成し、かつ外装部１３、１４
を金属などの導電性材料で構成し、超音波透過膜と外装
部とを電気的に接続した。この構成により、超音波振動
子１１、１２は、電気的にシールドされることになり、
電磁波雑音に強い構成となった。これにより、電気的雑
音が大幅に低減し、超音波流量計の高安定化が実現でき
た。通常の場合、超音波振動子の送信側は、高電圧、高
周波のパルスで駆動される。従って、受信側の振動子に
電磁波としての電気的雑音が入りやすく、計測回路が複
雑になるなど微少な流量を高精度に計測することが困難
であった。しかし、本発明のように、送受信する超音波
振動子を電気的シールドする構成をとることにより、低
雑音が実現可能となり高精度な超音波流量計が実現でき
る。

【００３１】図４は、本発明の第４の実施例を基づく超
音波流量計２４を示す。図３で示した超音波流量計と同
じ構成であるが、流線型外装部１３、１４と一体となっ
ている超音波透過膜２２、２３の内部に、超音波の指向
性を向上させる円筒状、もしくは円錐状のホーン２５、
２６を、超音波振動子の前面に設けた。この構成によ
り、超音波振動子１１、１２から送信された超音波は、
ホーン２５、２６により伝搬方向が規制され直進するた
め、流路８の管壁まで広がらないで伝搬する。

【００３２】従って、超音波を受信する振動子には、流
路８の管壁からの反射、時間遅れの超音波が到達しない
ため、高精度に超音波の伝搬時間を計測できる。また、
超音波振動子１１、１２の近傍を通過した超音波は、超
音波振動子１１、１２の外装部１３、１４の内側の放物
面で反射し、超音波振動子１１、１２の背面に収束し、
ゴム、シリコン樹脂、ガラスウールなどの吸収材で吸収
される。従って、残響波の少ない高精度な超音波流量計
が実現できる。

【００３３】図５は、本発明の第５の実施例を基づく超
音波流量計２７を示す。図３で示した超音波流量計と同
じ構成であるが、流路８の内部に円筒状の超音波透過膜
２８を設け、流路８の内壁面を用いる超音波の波長程度
の面粗さとなるよう粗した。

【００３４】即ち、この種の超音波流量計に用いられる
超音波の駆動周波数は１００〜５００kHzで、その波長
は約０．７〜３．４mm程度である。従って面粗さの振幅
は０．５〜２mm程度となるように粗した。

【００３５】なお、前記円筒状の超音波透過膜２８は、
前記実施例で説明したナイロン、ＳＵＳなどのスクリー
ンメッシュで構成した。この構成により、超音波振動子
から送信された超音波は、円筒状の超音波透過膜２８を
通過し、流路８の内壁面に到達し、内壁面で散乱もしく
は減衰される。従って、超音波を受信する振動子には、
流路８の管壁から反射し、時間的に遅れた超音波が到達
しないため、高精度に超音波の伝搬時間を計測できる。
また、流路８内を流れる流体は、流路８内に設けられた
筒状の超音波透過膜２８に沿って流れる。従って、流路
８の内壁面の面粗さは、流体の流れに影響することがな
く、不規則な渦の発生や、淀み点の発生は認められなか
った。従って、反射波の少ない高精度な超音波流量計が
実現できる。

【００３６】図６は、本発明の第６の実施例を基づく超
音波流量計２９を示す。図５で示した超音波流量計と同
じ構成であるが、流路８の超音波振動子１１、１２の上
流と下流とに、前記超音波振動子１１、１２の前面に用
いた超音波透過膜２２、２３および流路８の内面に用い
た前記円筒状の超音波透過膜２８よりも、目の細かい流
体透過膜２９、３０を設けた。例えば、前記超音波透過
膜２２、２３および前記円筒状の超音波透過膜２８に、
メッシュ番号＃２００のスクリーンメッシュを用いた場
合、流体透過膜２９、３０には、メッシュ番号＃２５０
以上のスクリーンメッシュを用いることになる。この構
成により、超音波振動子の上流、下流に設けられたより
目の細かいスクリーンメッシュが、防塵、防滴の機能を
果たすため、より目の粗い前記超音波透過膜２２、２３
および前記円筒状の超音波透過膜２８に塵芥、水滴など
が付着することがない。従って、信頼性の高い超音波流
量計が実現できる。なお、この種の目的には、耐湿性、
耐久性などの面から、ナイロンのものよりＳＵＳのスク
リーンメッシュのほうが適している。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明の
超音波流量計によれば次の効果が得られる。

【００３８】（１）流体中に不規則な渦の発生や淀み点
などの発生が無くなり、安定して流量計測のできる高精
度の超音波流量計を提供することができる。

【００３９】（２）流体中に不規則な渦の発生や淀み点
などの発生が無くなり、また、振動子近傍を通過する超
音波は、放物面状の反射面で反射するため、反射した超
音波は一点に収束し容易に吸収減衰させることができ残
響波が少なくなり、高精度の流量計測ができる超音波流
量計を提供することができる。

【００４０】（３）流路を流れる流体は、振動子前面の
流線型をした超音波透過膜に沿って流れるため、流体中
に不規則な渦の発生や淀み点などの発生が無くなる。ま
た、超音波は、スクリーンメッシュからなる超音波透過
膜を効率よく、透過する。また、超音波透過膜を透過
し、振動子近傍を通過する超音波は、外装部内面の放物
面状の反射面で反射し、一点に収束し、容易に吸収、減
衰させることができるため残響波を少なくできる。従っ
て、より高精度の流量計測ができる超音波流量計を提供
することができる。

【００４１】（４）導電性の外装部と、導電性の超音波
透過膜とを接地することにより、電磁波雑音に強い、高
精度の流量計測ができる超音波流量計を提供することが
できる。

【００４２】（５）流路内を送信される超音波は、ホー
ンで指向性が向上し、流路の管壁などでの反射が大幅に
減少する。また、ホーンは、振動子前面の超音波透過膜
内に構成されているため、流体の流れを乱すことがな
い。従って、より高精度の流量計測ができる超音波流量
計を提供することができる。

【００４３】（６）振動子から送信された超音波は管状
流路の内面に設けられた超音波透過膜からなる内筒を透
過し、直接粗面状の管状流路の管壁に到達し、反射する
ため大きく散乱もしくは吸収される。このため時間遅れ
の残響波のすくない、高精度の流量計測ができる超音波
流量計を提供することができる。

【００４４】（７）流路内に設けられたより目の粗い超
音波透過膜に、塵芥、水滴などが付着することがなくな
り、超音波透過膜の耐久性、耐塵芥性が大幅に向上し信
頼性が高い。耐久性に優れた高精度の流量計測ができる
超音波流量計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の超音波流量計の断面図

【図２】本発明の第２の実施例の超音波流量計の断面図

【図３】本発明の第３の実施例の超音波流量計の断面図

【図４】本発明の第４の実施例の超音波流量計の断面図

【図５】本発明の第５の実施例の超音波流量計の断面図

【図６】本発明の第６の実施例の超音波流量計の断面図

【図７】従来の超音波流量計の断面図

【符号の説明】

６ 超音波流量計 ８ 流路 １１、１２ 超音波振動子 １３、１４ 外装部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体の流れる管状の流路と、前記流路内の
   上流と下流とに、外装部で覆われた一対の超音波振動子
   を軸対称に対向して備えた超音波流量計。
2. 【請求項２】流体の流れる管状の流路と、前記流路内の
   上流と下流とに、内面に放物面状の超音波反射体を有
   し、外面が外装部で覆われ、一対の超音波振動子を軸対
   称に対向して備えた超音波流量計。
3. 【請求項３】流体の流れる管状の流路と、前記流路内の
   上流と下流とに、内面に放物面状の超音波反射体を有
   し、外面が外装部で覆われ、かつ、前面に超音波透過膜
   を有する一対の超音波振動子を軸対称に対向して備えた
   超音波流量計。
4. 【請求項４】流体の流れる管状の流路と、前記流路内の
   上流と下流とに、内面に放物面状の超音波反射体を有
   し、外面が導電性の外装部で覆われ、かつ、前面に導電
   性の超音波透過膜を有する一対の超音波振動子を軸対称
   に対向して備えた超音波流量計。
5. 【請求項５】流体の流れる管状の流路と、前記流路内の
   上流と下流とに、内面に放物面状の超音波反射体を有
   し、外面が外装部で覆われ、かつ、前面に超音波透過膜
   を有し、前記透過膜内に、指向性ホーンを有する一対の
   超音波振動子を軸対称に対向して備えた超音波流量計。
6. 【請求項６】流体の流れる、内壁面が粗面状の管状の流
   路と、前記管状の流路内に超音波透過膜からなる内筒を
   設け、かつ、前記管状の流路内面前記流路内の上流と下
   流とに、内面に放物面状の超音波反射体を有し、外面が
   外装部で覆われ、かつ、前面に超音波透過膜を有する一
   対の超音波振動子を軸対称に対向して備えた超音波流量
   計。
7. 【請求項７】流体の流れる、内壁面が粗面状の管状の流
   路と、前記管状の流路内に超音波透過膜からなる内筒を
   設け、かつ、前記管状の流路内面前記流路内の上流と下
   流とに、内面に放物面状の超音波反射体を有し、外面が
   外装部で覆われ、かつ、前面に超音波透過膜を有する一
   対の超音波振動子を軸対称に対向して設け、かつ、前記
   一対の超音波振動子の上流と、下流とに、前記超音波透
   過膜よりも目の細かい流体透過膜を備えた超音波流量
   計。