JP2004125805A - 超音波振動子と超音波流量計 - Google Patents
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Abstract
【課題】超音波振動子の内部や流量測定部での火炎発生の可能性を防止し、超音波流量計の安全性を向上する。
【解決手段】超音波振動子5、6を構成する圧電体18は可燃性被測定流体から遮断するよう金属製ケース19で内包し、このケース19と金属からなる流量計測部1を同電位としている。これによって超音波流量計の安全性が向上できる。
【選択図】図1
【解決手段】超音波振動子5、6を構成する圧電体18は可燃性被測定流体から遮断するよう金属製ケース19で内包し、このケース19と金属からなる流量計測部1を同電位としている。これによって超音波流量計の安全性が向上できる。
【選択図】図1
Description
本発明は、超音波により可燃性流体の流量計測を行う超音波流量計に関するもので、特にLPガスや天然ガスの流量計測を行う超音波流量計に関するものである。
従来この種の超音波流量計に用いる超音波振動子には、例えば特表平6−500389号公報が知られており、図13に示すようにエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる第1の整合層53は圧電セラミック52、超音波吸収体54を内包するケースとして共用していた。また超音波流量計としては特公平7−60160号公報が知られており、図14に示すように測定管63を流れる被測定流体の流量を測定するため、超音波振動子55、56はチャンバ57、58に配置されており、このチャンバ57、58の前方に置かれた隔壁59、60に設けられた円形孔には好ましくない粒子の混入を防ぐためガーゼ61、62が備えられていた。
しかしながら上記の従来の構成では、例えば可燃性被測定流体をLPガスとすると、LPガスのような可燃性ガスは音響インピーダンスが小さく、配管の外に配置した超音波振動子から超音波を伝搬させることは困難である。そこで超音波振動子は、LPガスに接触しながら計測する必要が有り、LPガスにより劣化する恐れがある。
本発明は上記課題を解決するために、超音波振動子を構成する圧電体は可燃性被測定流体から遮断する金属製ケースで内包し、この金属製ケースと金属製の流量計測部とを同電位としたものである。
上記発明によれば、超音波振動子内部や超音波振動子と流量測定部の間での万一の放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができるので可燃性流体の流量計測を行う超音波流量計の安全性を向上できる。
以上の説明から明らかなように本発明の超音波振動子と超音波流量計によれば、超音波振動子の信頼性が向上でき、高精度で信頼性の高い超音波振動子及び超音波流量計を得ることができる。
本発明の第1の形態の超音波流量計は、流量測定部を流れる可燃性被測定流体に接触しながら超音波を送受信する一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波伝搬時間を計測する計測回路と、この計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段を備え、前記超音波振動子を構成する圧電体は前記可燃性被測定流体から遮断するケースで内包されおり、超音波振動子内部での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
本発明の第2の形態の超音波流量計は、第1の形態の超音波流量計において、ケースが導電性を有す材料からなり、ケースによるシールド効果によりノイズの影響を低減でき、高精度な超音波流量計を得ることができる。
本発明の第3の形態の超音波流量計は、第1の形態の超音波流量計において、ケースが金属からなる。
本発明の第4の形態の超音波流量計は、金属からなる流量測定部と導電性を有すケースとを同電位としたため、流量測定部とケースの間での放電防止ができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
本発明の第5の形態の超音波流量計は、可燃性被測定流体に接触する金属からなる流量測定部の振動子取付穴の内壁面と導電性を有すケースとの間に絶縁層を設けたため、流量測定部とケースの間での放電防止ができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
本発明の第6の形態の超音波流量計は、可燃性被測定流体に接触する導電性を有すケースの少なくとも側壁に絶縁層を設けたため、流量測定部とケースの間での放電防止ができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
本発明の第7の形態の超音波流量計は、可燃性被測定流体に接触する金属からなる流量測定部の振動子取付穴の少なくとも内壁面に絶縁層を設けたため、流量測定部とケースの間での放電防止ができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
本発明の第8の形態の超音波流量計は、金属からなる流量測定部において可燃性被測定流体に非接触な位置でかつ導電性を有するケースの近傍に電極部を設け、前記電極部と前記ケースにより放電可能としたため、可燃性被測定流体に接触する位置での流量測定部とケースの間での放電防止ができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
本発明の第9の形態の超音波流量計は、金属からなる流量測定部の可燃性被測定流体に非接触な位置において、高抵抗体を介して前記流量測定部と導電性を有すケースとを接触させたため、可燃性被測定流体に接触する位置での流量測定部とケースの間での放電防止ができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
本発明の第10の形態の超音波流量計は、流量測定部に設けた振動子取付穴の超音波振動子より可燃性被測定流体が流れる流路側に少なくとも1つ以上の網目状構造体を設けたため、振動子取付穴内部で放電により発生した熱が流路を流れる可燃性被測定流体に広がることを防止でき、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
本発明の第11の形態の超音波流量計は、第10の形態の超音波流量計において、可燃性被測定流体よりも熱伝導率の高い材料からなる網目状構造体を設ける。
本発明の第12の形態の超音波流量計は、第10の形態の超音波流量計において、金属からなる網目状構造体を設ける。
本発明の第13の形態の超音波流量計は、圧電体を内包するケースの外側に整合層を設けたため、超音波振動子の感度を向上でき、高精度な超音波流量計を得ることができる。
本発明の第14の形態の超音波流量計は、第13の形態の超音波流量計において、圧電体を内包するケースならびに前記ケースの外側に設けた整合層の側壁に剥離防止体を設けたため、整合層の剥離防止ができ、信頼性の高い超音波流量計を得ることができる。
本発明の第15の形態の超音波流量計は、第13の形態の超音波流量計において、整合層表面ならびに前記整合層とケースとの接続部の周囲に保護膜を設けたため、可燃性被測定流体による整合層の劣化が防止でき、信頼性の高い超音波流量計を得ることができる。
本発明の第16の形態の超音波流量計は、第13の形態の超音波流量計において、整合層の側壁全体を覆うよう配置した振動規制体を設けたため、整合層の不要な振動モードを低減し超音波振動子の感度が向上できるので、高精度な超音波流量計を得ることができる。
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお図面中で同一符号を付しているものは同一なものであり、詳細な説明は省略する。
(実施例1)
図1は本発明の実施例1の超音波流量計の構成図である。また図2は図1の流路1の断面(a−a’)を横から見た断面図である。図1において、1は流量測定部の断面で、2は流路、3、4は流路2の側壁部、5、6は側壁部3、4に設けた振動子取付穴7、8に取り付けられた超音波振動子で、9、10は超音波振動子5、6と振動子取付穴7、8の間のシール材、11は超音波振動子5、6に接続された計測回路、12は計測回路11に接続された流量演算手段、34、35は超音波振動子5、6と側壁部3、4に電気的に接続する導通手段である。図2において13は流路2の下部で、14はシール材16を介して側壁部3、4に接続された上板部で、15は流路2の矩形形状の断面である。
図1は本発明の実施例1の超音波流量計の構成図である。また図2は図1の流路1の断面(a−a’)を横から見た断面図である。図1において、1は流量測定部の断面で、2は流路、3、4は流路2の側壁部、5、6は側壁部3、4に設けた振動子取付穴7、8に取り付けられた超音波振動子で、9、10は超音波振動子5、6と振動子取付穴7、8の間のシール材、11は超音波振動子5、6に接続された計測回路、12は計測回路11に接続された流量演算手段、34、35は超音波振動子5、6と側壁部3、4に電気的に接続する導通手段である。図2において13は流路2の下部で、14はシール材16を介して側壁部3、4に接続された上板部で、15は流路2の矩形形状の断面である。
以上のように構成された超音波流量計の流量測定部の作製方法の一例について図1、図2を用いて説明する。流量測定部1を構成する材料には可燃性被測定流体に対して化学変化を生じず、導電性を有す材料を用いる。本実施例では可燃性被測定流体を例えばLPガス、超音波流量計として家庭用ガスメータを想定すると、流量測定部1を構成する材料は(財)日本エルピーガス機器検査協会や(財)日本ガス機器検査協会の検査規程に記載された材料のうち、例えばアルミニウム合金ダイカストとした。側壁部3、4の端面に例えばコルク材からなるシール材16を介して上板部10をネジどめして、断面形状が矩形の流路2を有す流量測定部1を構成する。また超音波振動子5、6は送受波面が相対するよう側壁部3、4に斜めに設けられた振動子取付穴7、8に例えばOリングからなるシール材9、10を介して固定する。最後にLPガスに接触しない位置で超音波振動子5、6と流量測定部1を電気的に接続するため例えばリード線からなる導通手段34、35を超音波振動子5、6と側壁部3、4にそれぞれ例えば導電性ペーストで接着する。
以上のように構成された流量測定部1を用いた超音波流量計についてその動作を説明する。超音波振動子5と超音波振動子6の中心を結ぶ距離をLとし、この直線と流れの方向である流路2の長手方向となす角をθとする。またLPガスの無風状態での音速をC、流路2内でのLPガスの流速をVとする。流量測定部1の上流側に配置された超音波振動子5から送信された超音波は流路2を斜めに横断し、下流側に配置された超音波振動子6で受信する。
このときの伝搬時間t1は、
Q=KSV
を演算し、流量を求めることができる。
以上のような動作原理で流量計測を行う超音波流量計に用いる超音波振動子について図3、図4を用いて説明する。図3は超音波振動子の断面図で、図4は超音波振動子に用いる圧電体の外観図である。
LPガスのような可燃性ガスは音響インピーダンスが小さく、配管の外に配置した超音波振動子から超音波を伝搬させることは困難である。そこで超音波振動子はLPガスに接触しながら計測する必要がある。さらに家庭用ガスメータでは、電池電圧程度で超音波振動子を駆動し、かつ計量器に求められる性能を有す必要がある。以上のことから超音波振動子には火炎発生防止と高感度化が求められる。
そこで上記の特性を満足する超音波振動子の作成方法の一例を簡単に説明する。まず超音波振動子17に用いる圧電体18はケース19に接着固定してケース19を圧電体18のグランドと共用を図るため、広がり振動を主モードとする圧電体では横方向に広がりにくくなり高感度化が困難であるので、厚み縦振動を主モードとする圧電体を選択する。
例えば計測精度から周波数を約400kHz、流路2の寸法から圧電体18の横28、縦29を8mmと設定する。周波数から圧電体18の厚み30は4mmとなるが、このような直方体の圧電体18は400kHz近傍では厚み縦振動と広がり振動が混在するため、超音波を効率良く送受信できない。そこで厚み縦振動が主モードとするため、W1、W2、W3に対する厚みの比が好ましくは0.8以下となるように圧電体18に溝31を2本設ける。溝の深さは、好ましくは厚みの90%以上程度とする。しかし溝の本数や深さ、W1、W2、W3のそれぞれの寸法は超音波振動子17の特性と圧電体18の構造的強度から判断する。
次に圧電体18を導電性を有す例えば有天円筒状の厚み0.2mmのステンレス製ケース19の内側に絶縁性のエポキシ系接着剤を用いて加圧しながら接着する。このとき接着層の厚みは圧電体18の電極Aの表面粗さにもよるが、10マイクロメータ以下、好ましくは5マイクロメータ以下の厚みとすると、圧電体18の電極A20の1個以上の凸部がケース19に直接接触するため電気的導通も可能となる。
それからケース19の外側の超音波放射には例えばエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる円板形状の整合層21をエポキシ系接着剤で接着する。ケース19のフランジ部22に例えば厚み0.5mmの円板形状のステンレス製端子板23は圧電体18とケース19の接着と同様に絶縁性のエポキシ系接着剤で加圧しながら接着し、密封と同時にケース19と端子板23の電気的導通を可能とする。圧電体18の電極B25と端子板23に絶縁層33を介して固定された端子B27はリード線25をハンダ付けする。またケース19と端子板23で作られた密封空間28には例えば窒素のような不活性ガスを充填する。
ここで何らかの理由により、例えば雷により生じた高電圧が端子A24、端子B27と計測回路11を接続する図示していないリード線を通じて圧電体18に印加されたり、あるいは圧電体18に電荷が蓄積された場合を考える。圧電体18の電極A20と電極B25の間に高電圧がかけられたり、非常にたくさんの電荷が蓄積されると電極A20と電極B25の間や電極B25とケース19の間で放電が起こることがある。放電が起こっても圧電体18はケース19により密封されていて、空間28にはLPガスが浸入できない構造となっているためLPガスに引火することは無い。さらに流量測定部1に配置された超音波振動子5、6と側壁部3、4はそれぞれ導通手段34、35で電気的に接続されているため同電位となっている。このためLPガスに接触している超音波振動子5、6と振動子取付穴7、8の間での放電が起こることも防止できる。
以上のように、本実施例によれば直方体の圧電体18に2本の溝を設けることにより厚み縦振動を利用することが可能となる。また圧電体18とケース19、ケース19と端子板23を厚み10マイクロメータ以下、好ましくは5マイクロメータ以下の絶縁性のエポキシ樹脂系接着層で接着固定することにより、接着強度と同時に導通も取ることができる。また圧電体18の溝により分割された電極A20をケース19に接着固定することにより、分割電極の接続が容易となるし、分割された圧電体18が横方向へたわむような振動をすることを防止できる。
なお実施例1では、流量測定部1と超音波振動子5、6を電気的に接続するとしたが、流量測定部1と超音波振動子5、6と計測回路11とを電気的に接続しても良いし、流量測定部1あるいは超音波振動子5、6のケース19が絶縁体であれば同電位にする必要はない。
(実施例2)
以下、本発明の実施例2について、図面を参照しながら説明する。
以下、本発明の実施例2について、図面を参照しながら説明する。
図5は本発明の実施例2における超音波流量計の流量測定部1の超音波振動子取付部分の断面図である。図5における2、3、4、7は流量測定部1の流路、側壁部、振動子取付穴で、以上は図2の構成と同様なものである。図2の構成と異なるのは、振動子取付穴7うち可燃性被測定流体に接触する全ての内壁面に絶縁層36を設けた点と、超音波振動子5のフランジ部37を挟み込む形状のシール材38を設けた点と、シール材38を介して超音波振動子5を振動子固定部品39で固定した点である。
上記のように構成された超音波流量計の流量測定部1の作成方法、動作原理は実施例1と同様になるため省略する。
超音波流量計の流量計測部1への超音波振動子5の取り付け方法の一例について簡単に説明する。流量測定部1の振動子取付穴7のうち少なくともLPガスのような可燃性被測定流体に接触する内壁面に例えば絶縁体である厚み0.1mmの厚みのポリミドからなる絶縁層36を設ける。超音波振動子5のフランジ部37の外周に例えばLPガスに耐性を有すNBRゴムからなる円筒状のシール材38をはめ込む。シール材38をはめ込んだ超音波振動子5を振動子取付穴7に挿入する。フランジ部37の後方に例えばリング形状のテフロン(R)からなる絶縁体でできた振動子固定部品39を配置し、図示していない例えばネジで超音波振動子5を固定する。
例えばLPガスのような可燃性気体に接触しながら流量を計測する家庭用ガスメータでは、安全面からは低い電圧で駆動することが望ましいが、測定精度からすると高い電圧で駆動し受信信号レベルを高めることが望ましい。そこで電池電圧をプラス方向とマイナス方向に変えながら駆動する双方向駆動(バイポーラ駆動)を考える。双方向駆動するためには超音波振動子5に接続された図示されていない回路とアースとなっている流量計測部1は電気的に独立している必要がある。
しかし上記のような構成では例えば急激な熱変動により超音波振動子5内部に電荷が蓄積され、超音波振動子5と流量測定部1との間に電位差が生じると、この電位差が高ければ超音波振動子5のケース側壁40、フランジ部37と流量測定部1の側壁部3の間で最も距離の短いところで放電を起こす可能性がある。放電が振動子取付穴7内部で起こり、さらに酸素が十分存在すると、LPガスに引火する可能性がある。
本実施例の構成ではフランジ部37を絶縁性のあるシール材38で覆い、振動子取付穴7の内壁面に絶縁層36を設けることにより、超音波振動子5と振動子取付穴7のLPガスに接触した部位での放電が防止できる。
なお実施例2では、絶縁層36を振動子取付穴7のうち少なくとも超音波振動子5を固定した後LPガスのような可燃性被測定流体に接触する内壁面に設けるとしたが、放電防止が可能なら上記範囲より狭くても、広くても構わない。また絶縁層36を振動子取付穴7の内壁面に設けるとしたが、超音波振動子5のケース側壁40やケース側壁40と振動子取付穴7の隙間に設けても構わないし、複数の絶縁層を設けても構わない。
(実施例3)
以下、本発明の実施例3について、図面を参照しながら説明する。
以下、本発明の実施例3について、図面を参照しながら説明する。
図6は本発明の実施例3における超音波流量計の流量測定部1の超音波振動子取付部分の断面図である。図6において、3、7は流量測定部1の側壁部、振動子取付穴、37、41は超音波振動子5のフランジ部、リード線、38はシール材、39は振動子取付部品で、以上は図5の構成と同様なものである。図5の構成と異なるのは、側壁部3にフランジ部37近傍までのびる例えばステンレス製の針状の突起部を設けた点と振動子取付穴7の内壁面に絶縁層を設けなかった点である。
ここで電極部42の先端とフランジ部37の距離が超音波振動子5と流量測定部1の間で最も近く、かつ放電可能な距離となるよう電極部42を側壁部3に設ける。このような位置関係では、電極部42の先端とフランジ部37の間で放電が発生じるが、LPガスが存在しない位置での放電のため、LPガスへの引火が防止できる。
なお実施例3では、ステンレス製の針状の電極部42を側壁部3に設けるとしたが、上記条件に限定されるわけでなく、材料、形状を適宜変えて構成することができ、例えば金メッキしたステンレスでも構わないし、可燃性被測定流体に接触しない位置で放電が可能ならどのような構成でも構わない。また振動子取付部品39は実施例2と同様に絶縁体としたが、導体とし電極部42のかわりに利用してもよい。
(実施例4)
以下、本発明の実施例4について、図面を参照しながら説明する。
以下、本発明の実施例4について、図面を参照しながら説明する。
図7は本発明の実施例4における超音波流量計の流量測定部1の超音波振動子取付部分の断面図である。図7において、3、7は流量測定部1の側壁部、振動子取付穴、37、41は超音波振動子5のフランジ部、リード線、38はシール材、39は振動子取付部品で、以上は図5の構成と同様なものである。図5の構成と異なるのは、側壁部3とフランジ部37を電気的に接続する高抵抗体43を設けた点と振動子取付穴7の内壁面に絶縁層を設けなかった点である。
そこで超音波振動子5と流量測定部1を高抵抗体43で接続することを考える。高抵抗体43は例えば抵抗が1MΩ程度となるようシリコンゴムに少量のカーボンを混合した材料を選択する。超音波振動子5を駆動する電池電圧程度では数マイクロアンペアしか電流が流れないので、双方向駆動にはほとんど影響を与えない。超音波振動子5と流量測定部1との間に生じた電位差が高い場合、超音波振動子5と流量測定部1との間の放電発生条件よりも高抵抗体43を通じて流量測定部1に電流を流れ易くしておけば、放電は発生しない。さらに高抵抗体43の両端に高電圧かかるため、超音波振動子5に接続された図示されていない回路にかかる電圧が下げられ、高電圧による回路の故障も避けられる。
なお実施例4では、また高抵抗体43を抵抗が1MΩ程度となるようシリコンゴムに少量のカーボンを混合した材料としたが、上記条件に限定されるわけでなく、抵抗値、材料、形状を適宜変えて構成することができ、例えば超音波流量計に要求される必要絶縁耐圧に応じ1MΩ〜100MΩの抵抗値となるよう絶縁材料に導電材料を混合したゴム系材料や塗布可能な材料でも構わない。また側壁部3とフランジ部37を電気的に接続するために高抵抗体43を設けたが、シール材38や振動子取付部品39を高抵抗体43として用いても構わない。
(実施例5)
以下、本発明の実施例5について、図面を参照しながら説明する。
以下、本発明の実施例5について、図面を参照しながら説明する。
図8は本発明の実施例5における超音波流量計の流量測定部1の超音波振動子取付部分の断面図である。図8において、3、7は流量測定部1の側壁部、振動子取付穴、37、41は超音波振動子5のフランジ部、リード線、38はシール材、39は振動子取付部品で、以上は図5の構成と同様なものである。図5の構成と異なるのは、振動子取付穴7の流路2に接した面の全体を覆う例えばメッシュサイズ500番のステンレス製メッシュからなる網目状構造体44を設けた点と振動子取付穴7の内壁面に絶縁層を設けなかった点である。
さまざまな放電防止対策を行っても、何らかの理由で放電防止対策が働かず放電してしまう最悪のケースも考えられる。そこで何らかの理由により振動子取付穴7の内部で放電が発生した場合を考える。振動子取付穴7の内部で放電により発生した熱は、流路2を流れるLPガスに広がろうとする。このとき振動子取付穴7に設けた網目構造体44に熱が到達すると、メッシュサイズが500番と小さいうえ、ステンレスの方がLPガスより熱伝導度が高いため、熱は流路2に広がらず、網目構造体44を伝わり側壁部3に伝導してしまう。この結果、熱が流路2に広がることを防止でき、LPガスへの引火の危険を防止できる。また網目構造体にはメッシュ穴が多数存在するため、超音波の伝搬が可能であるため、流量の計測への影響は少ない。
なお実施例5では、網目状構造体44を振動子取付穴7の流路2に接した面の全体を覆うよう設けるとしたが、振動子取付穴7の超音波振動子5と流路2の間でも構わないし、1枚以上ならば何枚でも構わない。また網目状構造体44をメッシュサイズ500番のステンレス製メッシュとしたが、上記条件に限定されるわけでなく、熱の広がり防止が可能で超音波の伝搬も可能な構成ならなんでも構わず、例えばメッシュサイズが100〜500番程度の金属やセラミックのメッシュで良く、小さい穴の開いた金属板や樹脂板でも構わない。また本実施例では放電対策を行っていないが、実施例1〜4に示した放電対策と組み合わせて実施しても良い。
(実施例6)
以下、本発明の実施例6について、図面を参照しながら説明する。
以下、本発明の実施例6について、図面を参照しながら説明する。
図9は本発明の実施例6における超音波流量計に用いる超音波振動子の外観図、図10は超音波振動子の断面図である。図9、図10において、18は圧電体、22はケース19のフランジ部、21は整合層、23は端子板で、以上は図3の構成と同様なものである。図3の構成と異なるのは、ケース19の側壁部46と整合層21の側壁を覆うように剥離防止体45を設けた点、整合層21とケース19の天上部47の間に接着層を設けた点である。
上記のように構成された超音波振動子の作成方法は実施例1と同様になるため省略する。
例えば可燃性被測定流体をLPガスとすると、LPガスのような可燃性ガスは音響インピーダンスが小さく、配管の外に配置した超音波振動子から超音波を伝搬させることは困難である。そこで超音波振動子はLPガスに接触しながら計測する必要が有る。さらに家庭用ガスメータを想定すると、電池電圧程度で超音波振動子を駆動し、かつ計量器に求められる性能を有す必要がある。以上のことから超音波振動子には放電によるガスへの引火の可能性をなくすることと高感度化が求められる。
上記の要求を満足するため、電圧が印加される圧電体18は例えば厚み0.2mmの有天円筒状のステンレス製ケース19と端子板23で密封し、放電によるガスへの引火の可能性をなくする構成とする。またLPガスのような気体に対して効率良く超音波の送受信するため、ケース19の天井部10の外側に例えばエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる円板形状の整合層21をエポキシ樹脂系接着剤にて接着する。
しかしエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる整合層21は微多孔質な材料であるため、LPガスが整合層21を透過して接着層47が劣化したり、接着層47の横からLPガスが接着層47を劣化され、整合層21が剥離する危険性がある。そこで整合層21は天上部48に密着していれば特性に影響を与えないので、接着層47がLPガスにより劣化されても整合層21が剥離しない手段を考える。まず、例えば整合層21の側壁とケース19の側壁部46全体に例えば厚み1mm程度のエポキシ樹脂からなる剥離防止体45を塗布する。さらに接着層47に例えば弾力性と粘着性のあるエラストマ系エポキシ樹脂を用いる。このような構成を用いると、接着層47の横からLPガスが接着層47を劣化するのを防止できるし、整合層21が剥離する方向に力がかかっても剥離防止体45により剥離することが妨げられる。さらに接着層48をエラストマ系エポキシ樹脂とすると、その弾力によりケース19と整合層21の熱膨張係数の違いによって発生する剥離する方向の力をある程度吸収できるので、剥離に対して強くなる。
なお実施例6では、剥離防止体47を厚み1mmのエポキシ樹脂とし整合層21の側壁と側壁部46全体に設けたが、上記条件に限定されるわけでなく、厚み、材料、設ける範囲は適宜変えて構成することができ、例えば金属や樹脂製のパイプを接着固定してもよい。また接着層47をエラストマ系エポキシ樹脂としたが、上記条件に限定されるわけでなく、適宜変えて構成することができ、例えばエポキシ樹脂系接着剤でも構わない。また剥離防止体47を絶縁体とし、実施例2の超音波振動子5に設けた絶縁層36として用いてもよい。
(実施例7)
以下、本発明の実施例7について、図面を参照しながら説明する。
以下、本発明の実施例7について、図面を参照しながら説明する。
図11は本発明の実施例7における超音波振動子の断面図である。図11において、46はケース19の側壁部、21は整合層で、以上は図10の構成と同様なものである。図10の構成と異なるのは、ケース19の側壁部46と整合層21の全ての表面を覆うように保護膜49を設けた点である。
上記のように構成された超音波振動子の作成方法は実施例6と同様になるため省略する。
例えば可燃性被測定流体をLPガスとすると、整合層21は例えばエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる微多孔性の材料が選択される。家庭用ガスメータを想定すると、10年間LPガスにさらすことから、材料の劣化が心配される。整合層21は超音波振動子17の特性を決める重要な部品で、整合層21の劣化は超音波流量計の性能にも影響を与える。そこで、整合層21の材料劣化を防止するため、整合層21と側壁部46の全表面に、例えば厚み0.1mmのエポキシ樹脂からなる保護膜49を塗布する。ただし整合層21の超音波放射面50に設けられた保護膜49は、超音波振動子17の送受信特性からみれば無いほうがいいので、材料、厚み等は被測定流体の材料、使用する超音波の周波数から適した材料と厚みを選択しなければならない。このような構成を用いると、整合層21の材料劣化の防止になるうえ、接着層47の横からLPガスが接着層47を劣化するのを防止できるし、整合層21が剥離する方向に力がかかっても剥離防止体45により剥離することは防止できる。
なお実施例7では、また保護膜49を厚み0.1mmのエポキシ樹脂とし整合層21と側壁部46の全面に設けたが、上記条件に限定されるわけでなく、厚み、材料、設ける範囲は適宜変えて構成することがで、例えば金属メッキや蒸着、パリレンコーティング、ポリミドコーティングでも構わない。また保護膜49の厚みを均一としたが、整合層21の超音波放射面50に設ける厚みよりも側壁部49の厚みを厚くしても良いし、実施例6の構成と組み合わせて実施しても良いことはいうまでもない。また保護膜49を絶縁体とし、実施例2の超音波振動子5に設けた絶縁層36として用いてもよい。
(実施例8)
以下、本発明の実施例8について、図面を参照しながら説明する。
以下、本発明の実施例8について、図面を参照しながら説明する。
図12は本発明の実施例8における超音波振動子の断面図である。図12において、46はケース19の側壁部、21は整合層で、以上は図10の構成と同様なものである。図10の構成と異なるのは、整合層21の直径より小さい穴の空いたキャップ状の振動規制体51を設けた点である。
上記のように構成された超音波振動子の作成方法は実施例6と同様になるため省略する。
整合層21には例えばエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる微多孔性の材料が選択し、整合層21はケース19の外側に設けた構成の超音波振動子17を駆動すると、整合層21は厚み方向に振動する以外に横方向にも広がり振動する。しかし整合層21の底面はケース19に接着固定されているため、超音波放射面51側だけ横方向に広がる振動モードが生じる。このため、圧電体18で発生させた振動を効率良くLPガスに伝搬できなくなり、送受信感度が劣化する。
そこで、整合層21の側壁とケース19の側壁部46を覆うように、例えば厚み0.5mmのステンレス製で整合層21の直径より小さい穴の空いたキャップ状の振動規制体51を被せ、隙間にエポキシ系接着剤を注入して固定する。このような構成を用いると、整合層21の超音波放射面50が横方向に振動しにくくなるため、整合層21の不要な振動モード発生を防止できる。さらに接着層47の横からLPガスが接着層47を劣化するのを防止でき、整合層21が剥離する方向に力がかかっても振動規制体51により剥離することも防止できる。
なお実施例8では、また振動規制体51を整合層21の直径より小さい穴の空いた厚み0.5mmのステンレス製としたが、上記条件に限定されるわけでなく、厚み、材料、形状は適宜変えて構成することができ、例えば整合層21の側壁のみに接続された金属製や樹脂製のパイプを接続しても良いし、爪のような突起部を有す形状でも構わない。また振動規制体51を絶縁体とし、実施例2の超音波振動子5に設けた絶縁層36として用いてもよい。
なお、実施例1〜8では、超音波振動子17に用いる圧電体を圧電セラミック、使用する振動モードを厚み縦振動、周波数を400kHz、形状を縦8mm、横8mm、厚み4mmの直方体、溝を2本設けるとしたが、上記条件に限定されるわけでなく、材料、振動モード、周波数、形状、寸法、溝の本数を適宜変えて構成することができ、例えば薄い円板の厚み振動、円柱の厚み縦振動、円板の広がり振動でも構わない。また流量測定部1の材料をアルミニウム合金ダイカストとしたが、上記条件に限定されるわけでなく、材料を適宜変えて構成することができ、(財)日本エルピーガス機器検査協会や(財)日本ガス機器検査協会の検査規程で認定されている材料なら構わない。また流路2を矩形、超音波振動子5、6を流路2に対し斜めに配置したが、上記条件に限定されるわけでなく、流路形状、超音波振動子の配置を適宜変えて構成することができ、流路形状は円筒形でも構わないし、超音波振動子を流れに対して平行に配置しても構わない。またシール材9、10をOリング、シール材38をフランジ部37を挟み込む円筒状のNBRゴムとしたが、上記条件に限定されるわけでなく、可燃性被測定流体をシールできるのであれば材料、形状を適宜変えて構成することができる。
また可燃性被測定流体をLPガスとしたが、LPガス以外の天然ガス、液化天然ガス、石油、灯油等の気体、液体でも構わない。また超音波流量計として家庭用ガスメータを想定したが、それ以外の超音波流量計あるいは超音波流速計でも構わず、給湯器のガスの流量制御用流速計でも構わない。またケース19を有天円筒状のステンレス、端子板23をステンレスとしたが、上記条件に限定されるわけでなく、形状、材料は適宜変えて構成することができ、例えばマイコンメータ検査規程で認定されている材料なら構わない。また整合層21はエポキシ樹脂と微小ガラス球からなる円板形状の材料を1層のみ用いたが、被測定流体に適した形状の材料を1層以上、あるいは被測定流体によっては設ける必要がない場合もある。また空間28には窒素のような不活性ガスを充填するとしたが、他の気体、液体、固体を充填しても構わず、例えばシリコンオイル、エポキシ樹脂、微小ガラス球や微小樹脂球とエポキシ樹脂の混合体でも構わない。超音波振動子の駆動電圧を電池電圧程度としたが、それ以上の電圧あるいはそれ以下の電圧で駆動しても構わない。また振動子取付部品39をリング形状のテフロン(R)としたが、上記条件に限定されるわけでなく、材料、形状を適宜変えて構成することができ、ステンレスなどの金属でも構わない。
また実施例2〜5では超音波振動子5についてのみ説明したが、超音波流量計に配置した他の超音波振動子についても必要に応じて同様の構成を取る必要があり、また複数の実施例の構成を組み合わせて実施しても良い。
以上の説明から明らかなように本実施の形態の超音波流量計によれば次の効果が得られる。
流量測定部を流れる可燃性被測定流体に接触しながら超音波を送受信する一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波伝搬時間を計測する計測回路と、この計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段を備え、前記超音波振動子を構成する圧電体は前記可燃性被測定流体から遮断するケースで内包されているので、超音波振動子内部での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができ、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
また第2の超音波流量計は、ケースが導電性を有す材料からなり、超音波振動子内部での火炎発生防止と、ケースによるシールド効果によりノイズの影響を低減できるので、安全性の高い、高精度な超音波流量計を得ることができる。
また第3の超音波流量計は、ケースが金属からなり、超音波振動子内部での火炎発生防止と、ケースによるシールド効果によりノイズの影響を低減できるので、安全性の高い、高精度な超音波流量計を得ることができる。
また第4の超音波流量計は、金属からなる流量測定部と導電性を有すケースとを同電位としたため、超音波振動子内部や流量測定部とケースの間での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
また第5の超音波流量計は、可燃性被測定流体に接触する金属からなる流量測定部の振動子取付穴の内壁面と導電性を有すケースとの間に絶縁層を設けたため、超音波振動子内部や、流量測定部とケースの間での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
また第6の超音波流量計は、可燃性被測定流体に接触する導電性を有すケースの少なくとも側壁に絶縁層を設けたため、超音波振動子内部や、流量測定部とケースの間での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
また第7の超音波流量計は、可燃性被測定流体に接触する金属からなる流量測定部の振動子取付穴の少なくとも内壁面に絶縁層を設けたため、超音波振動子内部や、流量測定部とケースの間での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
また第8の超音波流量計は、金属からなる流量測定部において可燃性被測定流体に非接触な位置でかつ導電性を有すケースの極近傍に突起部を設け、前記突起部と前記ケースにより放電可能としたため、超音波振動子内部や、可燃性被測定流体に接触する位置での流量測定部とケースの間での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることができるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
また第9の超音波流量計は、金属からなる流量測定部の可燃性被測定流体に非接触な位置でかつ高抵抗体を介して前記流量測定部と導電性を有すケースとを接触させたため、超音波振動子内部や、可燃性被測定流体に接触する位置での流量測定部とケースの間での放電によるガスへの引火をなくすることができるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
また第10の超音波流量計は、流量測定部に設けた振動子取付穴の超音波振動子より可燃性被測定流体が流れる流路側に少なくとも1つ以上の網目状構造体を設けたため、振動子取付穴内部で放電により発生した熱が流路を流れる可燃性被測定流体に広がることを防止できるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
また第11の超音波流量計は、可燃性被測定流体よりも熱伝導率の高い材料からなる網目状構造体を設けたため、振動子取付穴内部で放電により発生した熱が流路を流れる可燃性被測定流体に広がることを防止できるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
また第12の超音波流量計は、金属からなる網目状構造体を設けたため、振動子取付穴内部で放電により発生した熱が流路を流れる可燃性被測定流体に広がることを防止できるので、安全性の高い超音波流量計を得ることができる。
また第13の超音波流量計は、圧電体を内包するケースの外側に整合層を設けたため、超音波振動子内部や、振動子取付穴内部で放電により発生した熱が流路を流れる可燃性被測定流体に広がることを防止でき、超音波振動子の感度も向上させることができるので、安全性の高い、高精度な超音波流量計を得ることができる。
また第14の超音波流量計は、圧電体を内包するケースならびに前記ケースの外側に設けた整合層の側壁に剥離防止体を設けたため、超音波振動子内部での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることと、超音波振動子の信頼性が向上できるので、安全性の高い、高精度で信頼性の高い超音波流量計を得ることができる。
また第15の超音波流量計は、整合層表面ならびに前記整合層とケースとの接続部の周囲に保護膜を設けたため、超音波振動子内部での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることと、超音波振動子の信頼性が向上できるので、安全性の高い、高精度で信頼性の高い超音波流量計を得ることができる。
また第16の超音波流量計は、整合層の側壁全体を覆うよう配置した振動規制体を設けたため、超音波振動子内部での放電によるガスへの引火の可能性をなくすることと、整合層の不要な振動モードが低減でき超音波振動子の感度を向上させることができるので、安全性の高い、高精度な超音波流量計を得ることができる。
以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、超音波振動子の信頼性が向上できるので、高精度で信頼性の高い超音波流量計を得ることが可能となり、等の用途にも適用できる。
1 流量測定部
5、6 超音波振動子
11 計測回路
12 流量演算手段
18 圧電体
19 ケース
21 整合層
36 絶縁層
42 突起部
43 高抵抗体
44 網目状構造体
45 剥離防止体
49 保護膜
51 振動規制体
5、6 超音波振動子
11 計測回路
12 流量演算手段
18 圧電体
19 ケース
21 整合層
36 絶縁層
42 突起部
43 高抵抗体
44 網目状構造体
45 剥離防止体
49 保護膜
51 振動規制体
Claims (3)
- 圧電体と、前記圧電体を内包するケースと、前記ケース内に不活性ガスを充填した超音波振動子。
- 不活性ガスが窒素である請求項1記載の超音波振動子。
- 請求項1または2記載の超音波振動子と、可燃性被測定流体が流れ超音波信号を送受信する一対の前記超音波振動子が設けられた流量測定部と、前記超音波振動子間の超音波伝搬時間を計測する計測回路と、この計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003392241A JP2004125805A (ja) | 2003-11-21 | 2003-11-21 | 超音波振動子と超音波流量計 |
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JP (1) | JP2004125805A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN118149939A (zh) * | 2024-05-11 | 2024-06-07 | 上海真兰仪表科技股份有限公司 | 一种基于nb物联网超声波燃气表的动态计量方法及*** |
-
2003
- 2003-11-21 JP JP2003392241A patent/JP2004125805A/ja active Pending
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