TWI653433B - 超音波式流量計 - Google Patents

Abstract

一種超音波式流量計，係將超音波收發單元與管路部分開地組裝而使對管路部的安裝變得容易且壓電元件部周圍為緊湊的構造。入口管路12、出口管路13相對於直管路11配置成所謂曲柄型。在直管路11形成著供壓電元件部22a從外側抵接的壁面12c、13c，在壁面12c、13c的外側分別裝卸自如地安裝著超音波收發單元20。兩個超音波收發單元20設為相同形狀，且由如下而構成：合成樹脂製的外罩部21，設置於前述外罩部21內且進行超音波束的發送、接收的壓電元件部22a，及連接於前述壓電元件部22a的纜線部23。管路部10與超音波收發單元20分開地組裝，將超音波收發單元20配置於管路部10的兩側，利用螺桿31、32而連結。

Description

超音波式流量計

本發明係關於一種用於各種產業領域中且對配管中的流體流量進行測定的超音波式流量計。

超音波式流量計中，例如在曲柄(crank)型的管路部的兩端固定著進行超音波束的發送、接收的壓電元件部。分別測量利用這些壓電元件部從供流體流動的管路部的一端向另一端、從另一端向一端傳播超音波束的時間，根據傳播時間之差測定流經管路部的流體的流速。

前述曲柄型的管路部一般來說為合成樹脂製，需要直管部、入口管路、出口管路、直管部的兩側的壓電元件部的安裝部。前述管路部因構造複雜，所以難以利用一次射出成形而成形，通過分成幾個零件成形並將這些零件組合後接合而製造。

專利文獻1中公開了這種超音波式流量計。如圖9所示，應測定的流體呈曲柄型通過入口管路1、直管部2、出口管路3，基於直管部2中超音波束的傳播速度而測定。在直管部2的兩側安裝著壓電元件部4a、4b，利用壓電元件部4a、4b在直管部2內交替地發送、接收超音波束。

壓電元件部4a、4b收納在與入口管路1、出口管路3一體形成的筒部5a、5b內，且貼附於直管部2的兩側部的內壁6a、6b，壓電元件部4a、4b連接著導線7a、7b。而且，為了保護壓電元件部4a、4b，蓋螺帽(cap nut)狀的外罩8a、8b從筒部5a、5b的外側螺合。

並且，在被測定流體為腐蝕性流體的情況下，供流體通過的入口管路1、直管部2、出口管路3的材料需要高價的耐腐蝕性樹脂，例如必須使用作為氟樹脂的PTFE(polytetrafluoroethylene；聚四氟乙烯)、PFA(Polyfluoroalkoxy；四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物)。筒部5a、5b因與入口管路1、出口管路3一體成形，所以不得不使用耐腐蝕性樹脂。

另外，同樣地關於安裝於筒部5a、5b的外罩8a、8b，由於是旋入構造，因而較佳為考慮膨脹率等而使用與筒部5a、5b相同的材料。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

專利文獻1：日本特開2013-104838號公報。

前述先前技術的例子中，構造方面，外罩8a、8b利用旋入以包圍收納壓電元件部4a、4b的筒部5a、5b的方式安裝，因此使外罩8a、8b的容積增大。此外，導線7a、7b在直管部2的延長線方向上抽出，存在超音波式流量計的 設置部位受到限制的問題。

而且，對半導體製造設備中使用的超音波式流量計而言，因要對腐蝕性流體進行處理，所以如所述那樣，管路部必須使用耐腐蝕性樹脂。然而，耐腐蝕性樹脂的價格要高於例如聚乙烯、聚丙烯等普通的合成樹脂材料，如果將耐腐蝕性樹脂甚至用到並不會與液體接觸的筒部5a、5b或外罩8a、8b，則製造成本會增高。

此外，現有的超音波式流量計中，存在當在筒部5a、5b內裝入壓電元件4a、4b後，焊接導線7a、7b等的組裝作業變得繁雜的問題。而且，在使用中壓電元件等發生故障的情況下，無法在現場簡便地僅更換壓電元件等

本發明之目的係在於提供一種超音波式流量計，係將具有由廉價材料構成的外罩部的超音波收發單元與供流體流動的管路部分開地組裝，因而成為對管路部的安裝容易且壓電元件周圍緊湊的構造。

本發明之一態樣的超音波式流量計係由供流體流動的曲柄型的管路部、及裝卸自如地安裝於前述管路部的直管路的兩側的一對的超音波收發單元所構成，前述超音波收發單元具備外罩部、配置於前述外罩部內且收發超音波束的壓電元件部、及與前述壓電元件部連接而從前述外罩部向外側抽出的纜線部，從前述壓電元件部的收發面向前述直管路內收發超音波束，基於超音波束的傳播速度測定流經前述直管路的流體流量。

前述壓電元件部的收發面露出設置在前述超音波收發單元的開放端部。

另外，前述超音波收發單元的開放端部由內接前述壓電元件部的收發面的前面板所覆蓋。

依據本發明，能在直管路的兩側容易地安裝獨立個體的超音波收發單元，變得緊湊，進而高價的耐腐蝕性樹脂的使用量少即可維持曝光處理之精度及效率。

1、12‧‧‧入口管路

2‧‧‧直管部

3、13‧‧‧出口管路

4a、4b、22a‧‧‧壓電元件部

5a、5b‧‧‧筒部

6a、6b‧‧‧內壁

7a、7b‧‧‧導線

8a、8b‧‧‧外罩

10‧‧‧管路部

11‧‧‧直管路

12a、13a‧‧‧主體部

12b、13b‧‧‧管體部

12c、13c‧‧‧壁面

12d、13d‧‧‧螺桿插通孔

12e、13e‧‧‧引導接收部

20、20'‧‧‧超音波收發單元

21‧‧‧外罩部

21a‧‧‧收納部

21b‧‧‧螺孔

21c‧‧‧引導片

21d‧‧‧小孔

21e‧‧‧纜線抽出部

22‧‧‧收發部

22b‧‧‧保持部

22c‧‧‧導線

22d‧‧‧調整螺桿

22e‧‧‧音響整合板

23‧‧‧纜線部

23a‧‧‧防水襯套

24、27‧‧‧O型環

25‧‧‧矽樹脂

26‧‧‧前面板

31、32‧‧‧螺桿

33‧‧‧支撐具

圖1係實施形態1的於超音波式流量計的分解立體圖。

圖2係於超音波式流量計的立體圖。

圖3係組裝狀態的於超音波式流量計的剖視圖。

圖4係在管路部將於超音波收發單元安裝的過程的立體圖。

圖5係實施形態2的於超音波式流量計的分解立體圖。

圖6係組裝狀態的超音波式流量計的剖視圖。

圖7係超音波收發單元的放大剖視圖。

圖8係在管路部將於超音波收發單元安裝的過程的立體圖。

圖9係現有例的於超音波式流量計的剖視圖。

基於圖1至圖8中顯示的實施形態對本發明進行詳細說明。

(實施形態1)

圖1是實施形態1的超音波式流量計的分解立體圖，圖2是已組裝的狀態下的立體圖，圖3是剖視圖，圖4是在管路部安裝於超音波收發單元的過程的立體圖。

本實施形態1的超音波式流量計主要由如下構成：供流體流過的管路部10，及安裝於前述管路部10的兩側的一對超音波收發單元20。

管路部10由如下構成：直管路11、入口管路12，利用熱熔接等呈L字狀結合於前述直管路11的一端部，使流體從直角方向流入直管路11以及出口管路13，呈L字狀結合於直管路11的另一端部，從直管路11朝向直角方向排出流體。而且，入口管路12、出口管路13相對於直管路11配置成所謂曲柄型。

管路部10例如由PTFE、PFA等耐腐蝕性樹脂構成，利用熱熔接等接合通過射出成形等個別成形的直管路11、入口管路12、出口管路13。另外，通過在管路部10中採用透明體，而能夠通過目視來確認流體的流動。

入口管路12、出口管路13例如設內徑為4mm，直管路11也設內徑為4mm。另外，直管路11的兩端的內徑隨著朝向入口管路12、出口管路13的主體部12a、13a而呈錐狀擴大，從而不會產生流路阻力。

入口管路12與出口管路13使用相同形狀的構件，由具有剖面L字狀的流路的主體部12a、13a及相對於這些主體部12a、13a連結於上游側及下游側的管體部12b、13b所構成。

這些主體部12a、13a及管體部12b、13b利用熱熔接等接合，在管體部12b、13b的前端分別連結流體管路而使用。

在配置於直管路11的兩側的主體部12a、13a設置有壁面12c、13c，前述壁面12c、13c處於剖面L字狀的流路的角部附近，呈與直管路11的軸方向正交的平面狀且相互對向。

在這些對向的壁面12c、13c的外側分別裝卸自如地安裝著內部有壓電元件部的超音波收發單元20。

在主體部12a、13a的外周部，沿著直管路11的軸向分別設置著一對螺桿插通孔12d、13d及供超音波收發單元20的引導片抵接的各一對引導接收部12e、13e。

兩個超音波收發單元20設為相同形狀，且由如下構成：合成樹脂製的外罩部21，由FRP(Fiber Reinforced Plastics；纖維增強塑料)等構成；收發部22，固定於前述外罩部21內；以及纜線部23，連接於前述收發部22且從外罩部21的一部分向外側的流量運算測定部抽出。

外罩部21為利用一般使用的廉價且硬質的合成樹脂材料成形的大致筒狀，向管路部10的安裝側即前部為開放端部，後部封閉。

在外罩部21設置有：收納部21a，收容收發部22以及一對螺孔21b，分別供插通入口管路12、出口管路13的螺桿插通孔12d、13d的2根螺桿31、32的前端旋入。

而且，在將外罩部21向入口管路12及出口管路13安 裝時，將具有針對引導接收部12e、13e的引導功能的一對引導片21c朝向主體部12a、13a設置於外罩部21的外側部。進而，在外罩部21的外端部穿設有不通過收納部21a內的小孔21d。

收納部21a內的收發部22由壓電元件部22a、保持部22b、導線22c、調整螺桿22d構成。壓電元件部22a進行超音波束的發送、接收，保持部22b供壓電元件部22a嵌合，且保持為相對於收納部21a無法旋轉且無法前後移動，導線22c連接於壓電元件部22a且從設置於保持部22b的孔部抽出，調整螺桿22d例如由合成樹脂材料構成，螺合於設置在保持部22b的中央的螺孔，推壓並調整壓電元件部22a。

壓電元件部22a呈薄型圓板狀，視需要在其表面貼附相同形狀的音響整合板22e。以前述音響整合板22e露出於外側的方式利用保持部22b來保持壓電元件部22a。

另外，在所連結的主體部12a、13a與外罩部21之間***O型環24，從而具有防止水從它們之間向收納部21a內浸入的防水功能。

在外罩部21的後方側，設置著相對於壓電元件部22a的面方向平行且向上方向延伸的筒狀的纜線抽出部21e，導線22c在收納部21a內焊接於纜線部23。纜線部23經由前述纜線抽出部21e從收納部21a內抽出，其另一端能夠連接於未圖示的流量運算測定部。

防水襯套23a插通至纜線部23，使得水不會從纜線抽 出部21e浸入收納部21a內。另外，實施形態1中，將纜線抽出部21e朝向上方設置，但也可朝向下方或者側方形成。

而且，支撐具33能夠安裝於直管路11，利用支撐具33中設置的安裝孔來支撐超音波式流量計。

組裝時，將管路部10與超音波收發單元20分開地組裝。超音波收發單元20中，將導線22c連接於收納部21a內的纜線部23後，將螺合著調整螺桿22d的保持部22b從收納部21a的開放端部側***，利用未圖示的固定機構將保持部22b在收納部21a內固定而無法旋轉且無法前後移動。

接下來，將前表面貼附著音響整合板22e而一體化的收發部22從前部的開放側***到收納部21a內，以卡在外罩部21的前方而收發面朝向前方的方式加以固定。

在將如前述那樣組裝的超音波收發單元20連結於管路部10的兩側時，如圖4所示，在音響整合板22e與壁面12c、13c之間，***由超音波容易傳遞的柔軟物質所構成的傳遞介質即例如片狀的矽膠或者配置潤滑脂。經由這些傳遞介質而管路部10與超音波收發單元20之間的超音波的傳播成為可能。

進而，使引導片21c沿入口管路12、出口管路13的引導接收部12e、13e滑動，而成為將外罩部21向主體部12a、13a的外側壓入的狀態。

然後，將螺桿31、32分別插通到螺桿插通孔12d、13d 中，進而將螺桿31、32旋入固定於螺孔21b，由此，超音波收發單元20的安裝面抵接於管路部10的壁面12c、13c。然後，超音波收發單元20連結於管路部10的直管路11的兩側而一體化。

同時，外罩部21與壁面12c、13c之間利用O型環24而成為防水狀態，矽膠或潤滑脂以穩定的狀態得以保持。

接下來，對壓電元件部22a的輸出進行調整。將兩個纜線部23的端部連接於流量運算測定部，一邊使一壓電元件部22a的超音波束輸出由對向的另一壓電元件部22a接收，一邊從外罩部21的小孔21d***螺絲刀，使調整螺桿22d相對於保持部22b旋轉。

調整螺桿22d的前端對壓電元件部22a的背面進行按壓，使收發面相對於壁面12c、13c的密接度發生變化，由此，各個超音波收發單元20的壓電元件部22a的收發性能被調整為預定的值。

另外，此時，也能夠視需要，使基準流量的液體實際在管路部10中流動，從壓電元件部22a向直管路11內交替地收發超音波束，而校正壓電元件部22a相對於實際流量的收發性能。

當前述調整結束時，將硬化性的矽樹脂25等從外罩部21的小孔21d填充到收納部21a內而使其硬化。由此，調整螺桿22d的緊固量固定，並且防止水浸入收納部21a內，收納部21a內的電氣絕緣性得以確保。另外，即便不填充矽樹脂25，也能夠通過利用其它構件的密封材料來密封小 孔21d，從而將收納部21a內設為防水構造。

如前述那樣組裝的超音波式流量計中，使被測定流體在管路部10中流動，利用連接於壓電元件部22a的流量測定運算部，分別測量出在壁面12c、13c間利用一對壓電元件部22a交替地收發的超音波束在直管路11內的傳播速度，從而能夠測定出流體的流速，即流體流量。

本實施形態1中，通過將超音波收發單元20相對於直管路11安裝於兩側，而比起如現有例這樣一體地組裝壓電元件部的超音波式流量計更為小型，纜線部23也能夠朝向側方抽出，組裝也容易。而且，能夠使用直徑比現有例大的壓電元件部22a，能夠增大壓電元件部22a的輸出，因而精度進一步提高。

而且，超音波收發單元20的外罩部21因能夠使用價格比管路部10低廉的合成樹脂材料，所以能夠更廉價地製造超音波式流量計。

此外，在超音波收發單元20發生了故障的情況下，也能夠將螺桿31、32卸下從而將超音波收發單元20從管路部10卸下，更換新的超音波收發單元20。

(實施形態2)

圖5是實施形態2的超音波式流量計的分解立體圖，圖6是剖視圖，圖7是超音波收發單元的放大剖視圖，圖8是在管路部安裝超音波收發單元的過程的立體圖。而且，外觀立體圖與實施形態1大致相同。另外，與實施形態1相同的符號表示相同的構件。

實施形態1中，在超音波收發單元20的外罩部21的開放端部側直接配置有壓電元件部22a，與此相對，在實施形態2的兩個超音波收發單元20'的外罩部21的開放端部側配置著合成樹脂製的前面板26，而使外罩部21內封閉。

前述前面板26是由FRP等構成的能夠傳播超音波的合成樹脂板，呈一端封閉的短圓筒形狀，壓入到前部開放的外罩部21內。而且，包含壓電元件部22a的收發部22內接在前面板26的內側。

收納部21a內的構造與實施形態1大致相同，收發部22的主零件固定於保持部22b。而且，前面板26嵌合於保持部22b，得到固定而不會拔出，在前面板26的筒狀部的外周配置著O型環27，液體不會從外罩部21的內壁與前面板26的外周之間浸入收納部21a內。

在進行超音波收發單元20'的組裝時，將導線22c從外罩部21的開口部拉入到收納部21a內，並將導線22c連接於從纜線抽出部21e拉入的纜線部23。接下來，將安裝著調整螺桿22d的保持部22b***到收納部21a內，將保持部22b在收納部21a內固定而無法前後移動且無法轉動。

然後，將一體化著音響整合板22e而成的壓電元件部22a壓入到收納部21a內。使壓電元件部22a的內側抵接於已安裝的調整螺桿22d的前端，從而決定前述壓入位置。

此外，將前面板26壓入到收納部21a內，利用保持部22b將前面板26固定而使其無法前後移動。前述狀態下， 音響整合板22e與壓電元件部22a以重疊於前面板26的圓板部的背面的方式定位。

如前述方式組裝的超音波收發單元20'中，將纜線部23連接於流量測定運算部而進行壓電元件部22a的收發調整。前述調整是在將與應測定的流體同等的流體填充到直管路的示意性的管路部單元中安裝超聲波超音波收發單元20'，利用一壓電元件部22a及配置在直管路的對向側的壓電元件部22a，一邊交替地收發超聲波超音波束一邊進行調整。

與實施形態1同樣地，從外罩部21的小孔21d***螺絲刀而使調整螺桿22d旋轉，通過調整前面板26對壓電元件部22a的按壓力來進行收發調整。由此，使經由纜線部23的壓電元件部22a的收發性能成為預定的值。

這樣，在結束了壓電元件部22a的收發性能的調整的超音波收發單元20'中，與實施形態1同樣地視需要向收納部21a內填充矽樹脂25等，而確保零件的固定及電絕緣性。

經組裝的超音波收發單元20'在已得到調整的狀態下保管或搬運，由於利用O型環27、防水襯套23a而進一步防止從小孔21d向收納部21a內浸入的水，所以並無水會進入到內部的擔心，經調整的性能得以維持。

使用時，將超音波收發單元20'如圖8所示那樣相對於管路部10配置，為了使超音波容易傳遞而在前面板26與壁面12c、13c之間***片狀的矽膠或潤滑脂的介質，且與實施形態1同樣地利用螺桿31、32進行固定。由此，在直 管路11的兩側安裝超音波收發單元20'並一體化，前面板26與壁面12c、13c之間利用防水用的O型環24封閉，而防止潤滑脂等的漏出。

前述實施形態2的超音波收發單元20'是預先如前述方式進行組裝並已調整了壓電元件部22a，能夠視需要與故障的超音波收發單元進行更換而應急地使用。然而，如果時間充裕，則當然能夠與實施形態1同樣地，相對於實際的管路部10安裝而進行調整。

而且，在心臟手術等中利用超音波流量計測定血流量的情況下，為了防止感染症等，多數情況下是對每個患者更換流量計而一次性使用。然而，因前述情況下會將不與血液接觸的壓電元件部等作為一次性使用而造成經濟上的損失。因此，僅將供血液流通的管路部10作為一次性使用的部分，而使超音波收發單元20'相對於新的管路部10重複安裝，由此，不需要使超音波流量計全部為一次性使用。

Claims (8)

1. 一種超音波式流量計，係由供流體流動的曲柄型的管路部、及裝卸自如地安裝於前述管路部的直管路的兩側的一對超音波收發單元所構成；前述超音波收發單元具備：安裝於前述管路部的外罩部、配置於前述外罩部內且收發超音波束的壓電元件部、及與前述壓電元件部連接且從前述外罩部向外側抽出的纜線部；前述外罩部係在對前述管路部的安裝側具有開放端部，前述壓電元件部的收發面被安裝於前述開放端部；從前述壓電元件部的收發面向前述直管路內收發超音波束，基於超音波束的傳播速度來測定流經前述直管路的流體流量。
2. 如請求項1所記載之超音波式流量計，其中前述壓電元件部的收發面露出設置在前述超音波收發單元的前述外罩部的前述開放端部。
3. 如請求項1所記載之超音波式流量計，其中前述超音波收發單元利用前面板將前述外罩部的前述開放端部封閉，前述前面板內接前述壓電元件部的收發面且由供超音波傳播的材質所構成。
4. 如請求項2或3所記載之超音波式流量計，其中前述超音波收發單元的安裝面抵接於前述直管路的兩側的對向的壁面。
5. 如請求項4所記載之超音波式流量計，其中在前述超音波收發單元的前述安裝面與前述管路部的前述壁面之間***供超音波傳播的柔軟物質。
6. 如請求項1所記載之超音波式流量計，其中前述纜線部與設置於超音波收發單元的前述壓電元件部的面方向平行地從前述外罩部向外側抽出。
7. 如請求項1所記載之超音波式流量計，其中在前述超音波收發單元的外罩部設置有引導片，前述引導片具有在向前述管路部安裝時針對前述管路部的引導功能。
8. 如請求項1所記載之超音波式流量計，其中前述超音波收發單元的外罩部在向前述管路部安裝時利用螺桿而與前述管路部連結。