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JP4178346B2 - Ultrasonic vortex flowmeter - Google Patents
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JP4178346B2 - Ultrasonic vortex flowmeter - Google Patents

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JP4178346B2 JP37598598A JP37598598A JP4178346B2 JP 4178346 B2 JP4178346 B2 JP 4178346B2 JP 37598598 A JP37598598 A JP 37598598A JP 37598598 A JP37598598 A JP 37598598A JP 4178346 B2 JP4178346 B2 JP 4178346B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波センサを利用してカルマン渦の発生を検出することによって管路内のガスの流量を計測する超音波渦流量計に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の超音波渦流量計の一例について図8ないし図10を参照して説明する。図8ないし図10に示すように、超音波渦流量計1は、被測定流体であるガスの流路2を形成するメータ本体3内に、流路2を横切る柱状のブラフボディ4(渦発生体)が設けられ、ブラフボディ4の内部には計測通路5(内部空間)が形成されている。ブラフボディ4には、その下流側に向けて、計測通路5に連通する一対の孔6,7が開口されている。ブラフボディ4には、計測通路5をはさんで両端部に、圧電素子(超音波素子)を備えた一対の超音波送受信器8,9が取付けられている。
【0003】
そして、メータ本体3内の流路2にガスが流れると、ブラフボディ4の下流にガスの流速に応じた周期でカルマン渦Kが交番的に発生し、このカルマン渦Kに同期して生じるガスの流れが孔6,7から計測通路5内に導入されて、計測通路5内にカルマン渦Kの発生周期と同じ周期で流速変化が生じる。超音波送信器8から発信され、計測通路5内のガス中を伝搬する超音波は、カルマン渦Kによる計測通路5内のガスの流れによって変調を受けて超音波受信器9で受信されるので、この変調分を位相比較器等によって抽出してカルマン渦Kの発生周期を検出することにより、流路2内のガスの流量を求めることができる。
【0004】
このとき、超音波送信器8から発信された超音波の一部は、ブラフボディ4およびメータ本体3を伝搬して超音波受信器9にノイズ成分として受信される(超音波が回り込む)ことになるが、超音波は、被測定流体であるガス中よりもブラフボディ4およびメータ本体3等の固体中の方が遥かに伝搬しやすいので、ブラフボディ4およびメータ本体3を伝搬する回り込みノイズが大きくなり、S/N比(シグナル/ノイズ比)が低下して安定したカルマン渦の検出が困難になる。
【0005】
そこで、従来は、図10に示すように、ブラフボディ4を弾性体であるOリング10を介してメータ本体3に取付け、超音波送受信器8,9(同一の構成であるため、超音波送信器8のみ図示する)を弾性体であるOリング11およびパッキン12を介してブラフボディ4に取付けることにより、メータ本体3およびブラフボディ4に伝搬する漏洩超音波を減衰させるようにしていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の超音波渦流量計では、次のような問題があった。メータ本体、ブラフボディおよび超音波送受信器は、互いにボルト等によって締結されるため、これらのボルト等を介して各部材間で漏洩超音波が伝搬するため、回り込みノイズを充分に遮断することができない。特に、被測定流体が高圧である場合、各部材の締結力を高めるため、多数のボルト等を設ける必要があり、回り込みノイズが伝搬しやすくなるという問題があった。
【0007】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、メータ本体およびブラフボディを伝搬する漏洩超音波を減衰することで回り込みノイズを低減することができる超音波渦流量計を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項1の発明は、被測定流体が流れる流路と、
該流路内に設けられて下流側にカルマン渦を発生させると共に内部空間を有し、当該内部空間に前記カルマン渦に同期した被測定流体の流れが導入されるための孔が周壁部に設けられた渦発生体と、
前記渦発生体の内部空間に導入される前記被測定流体の流れによる変動領域を挟んで配置された一対の超音波送受信器と、を備えた超音波渦流量計であって、
前記一対の超音波送受信器のうち、少なくとも一方は、略有底円筒状の形状をなし、その底部に超音波素子が装着されるホルダを有し、
該ホルダは円筒部分で2以上の部材が結合して形成されており、その少なくとも1つの結合部は、振動の節となる位置に配置されていることを特徴とする。
【0009】
このように構成したことにより、超音波素子からホルダに伝搬した超音波は、ホルダ円筒部の結合部によって形成される境界面によって反射、減衰される。また、節となっているホルダの結合部からホルダの底部が超音波の周波数での振動を起こしやすくなる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0013】
本発明の第1実施形態について図1および図2を参照して説明する。図1および図2に示すように、超音波渦流量計13は、被測定流体であるガスの流路14を形成する略円筒状のメータ本体15に、流路14を横切るように直径方向に沿って柱状のブラフボディ16が貫通されている。ブラフボディ16には、その長手に沿って計測通路17(内部空間)が貫通され、また、その側壁には、メータ本体15の流路14と計測通路17とを連通させる一対の孔18,19が下流側に向かって開口されている。そして、ブラフボディ16の両端部には、計測通路17をはさんで互いに対向する一対の超音波送受信器20,21が取付けられている。
【0014】
ブラフボディ16の両端部にはフランジ部22,23が形成され、超音波送受信器20,21にはそれぞれフランジ部24,25が形成されており、フランジ部22,24間およびフランジ部23,25間にそれぞれパッキン26を介装して、ブラフボディ16および超音波送受信器20,21がボルト27によってメータ本体15に結合されている。
【0015】
超音波送受信器20,21は同様の構造であり(図2には超音波送信器20のみを図示する)、略有底円筒状のセンサホルダ28内の底部に圧電素子29(超音波素子)がシリコン接着剤またはエポキシ樹脂等の音響接合剤によって接着されている。また、圧電素子29には、PTFE線またはウレタン線等のリード線30が接続され、このリード線が接続される電極の端子31は、ハーメチックシールによって蓋部材32に接合されており、蓋部材32はセンサホルダ28の開口部に接着、溶着または螺着等によって取り付けられているため、センサホルダ28は気密封止された状態となっている。
【0016】
センサホルダ28は、底部を有するセンサ取付部33とフランジ部24,25を有するブラフボディ取付部34との2つの円筒部が結合した2分割構造となっている。センサ取付部33とブラフボディ取付部34とは、溶接(TIG溶接、レーザ溶接、抵抗溶接等)、ロウ付、接着等によって結合されている。この結合によって形成される結合部35は、超音波の伝搬特性(音響インピーダンス)がセンサホルダ28の他の部分と異なっているため、結合部35には音響の境界面が形成される。したがって、結合部35とセンサ取付部33およびブラフボディ取付部34との境界面において、圧電素子29から発信されてセンサホルダ28の円筒部を伝搬する超音波が反射、減衰される。また、センサホルダ28の各部の寸法は、図6に示されるように、送受信を行う超音波の波長をλとすると、底部の直径がλ/2、底部から結合部35までの距離がλ/2となるように設定されている。このような寸法に設定することにより、圧電素子29が振動したとき、結合部35を節としてセンサホルダ28が振動する。
【0017】
以上のように構成した本実施形態の作用について次に説明する。
【0018】
センサ駆動回路(図示せず)からの電気信号によって超音波送信器20の圧電素子29を振動させてセンサホルダ28の底部から超音波を発信させ、ブラフボディ16の計測通路17内を伝搬した超音波を超音波受信器21の圧電素子29で受信して電気信号に変換する。メータ本体15の流路14に被測定流体であるガスが流通すると、その流速に応じた周期でブラフボディ16の下流にカルマン渦が交番的に発生する。このカルマン渦に同期したガスの流れが孔18,19から計測通路17内に導入されて、計測通路17内にカルマン渦の発生周期と同じ周期で流速変化が生じる。この流速変化により、計測通路17内を伝搬する超音波は、カルマン渦の発生周期に応じた変調を受けるので、位相比較器等(図示せず)によって超音波の変調分を抽出することにより、この変調分に基づいてカルマン渦の発生周期を検出することができ、ガスの流量を求めることができる。
【0019】
このとき、センサホルダ28は、センサ取付部33とブラフボディ取付部34とが組織(音響インピーダンス)の異なる結合部35によって結合されているので、センサホルダ28の円筒部を伝搬する超音波に対して、センサ取付部33およびブラフボディ取付部34と結合部35との境界面が音響的障害となり、音波の減衰(反射および散乱)が発生し、ブラフボディ16およびメータ本体15へ伝搬される漏洩超音波が低減される。また、結合部35が、圧電素子29による振動の節となるように設定されているので、図6中破線で示すようにセンサホルダ28が振動を起こす。
【0020】
被測定流体がガスである場合には、固体、液体に比べて音速、密度が小さいために音響インピーダンスが小さく超音波の透過率が低いので、大きな音圧を必要とする。また、音速が小さいために、超音波送信20から送信した超音波が超音波受信器21で受信される間に生じる位相差が±2πを越えてしまって流量が検出できなくなることを防止するために、低い周波数を用いる必要がある。このため、圧電素子29には、低い周波数(1次モードの周波数)で径方向の振動を大きく起こすユニモルフ型の素子が用いられる。
【0021】
このユニモルフ型の圧電素子29をセンサホルダ28の底部に張り付け、径方向に振動させると(図7(a)参照)、その伸縮によりセンサホルダ28の底部が図7(b)(縮み時)および図7(c)(伸び時)に示すように、センサホルダ28の高さ方向に変形する。この変形により、直接ガスに超音波の振動を伝達させることができるため、低い周波数で大きな音圧の超音波を送受信することができる。
【0022】
ここで、センサホルダの結合部35から底部にかけての各寸法が図6の寸法に設定されていると、結合部35を節として、結合部35から底部にかけてセンサホルダ28が振動(変形)しやすくなり、小さな電圧で大きな音圧の振動を得ることができる。なお、底部の直径及び底部から結合部35までの距離は、必ずしもλ/2である必要はなく、この整数倍であればよい。また、その他の条件によっては、センサホルダ28の底部の直径及び底部から結合部35までの距離のそれぞれが必ずしもλ/2の整数倍である必要はなく、結合部に振動の節がくるように設定されていればよい。
【0023】
結合部35に形成される音響的な境界面による漏洩超音波の減衰によるノイズの低減と、結合部35を節とした振動の効率向上によるシグナルの増大とにより、S/N比が向上して安定したカルマン渦の検出を行うことができ流量計測精度を高めることができる。
【0024】
次に、本発明の第2実施形態について図3ないし図5を参照して説明する。なお、第2実施形態は、上記第1実施形態に対して、超音波送受信器のセンサホルダの構造が異なる以外は概して同様の構造であるから、以下、図1および図2に示す第1実施形態のものと同様の部分には同一の符号を付して異なる部分についてのみ詳細に説明する。
【0025】
図3および図4に示すように、第2実施形態の超音波渦流量計36では、超音波送受信器37,38(図3には超音波送信器37のみ図示する)のセンサホルダ39は、センサ取付部33とブラフボディ取付部34との間に円筒状のセンサアダプタ40が結合された3分割構造となっている。センサ取付部33およびブラフボディ取付部34とセンサアダプタ40とは、上記第1実施形態と同様に結合され、これらの間に超音波の伝搬特性(音響インピーダンス)の異なる結合部41,42が形成されている。
【0026】
そして、センサアダプタ40を結合した分、センサホルダ39の高さ方向の寸法を大きくし、その分だけセンサホルダ39の先端部をブラフボディ16の計測通路17内に突出させて、メータ本体15の流路14の直径Dに対して、超音波送受信器37,38間の距離L1および孔18,19間の距離L2を小さくしている。
【0027】
このように構成したことにより、センサホルダ39に音響的障害層となる2つの結合部41,42が形成されるので、ブラフボディ16およびメータ本体15への漏洩超音波を上記第1実施例のものよりさらに低減することができる。
【0028】
センサ取付部33およびブラフボディ取付部34を上記第1実施形態のものと共通とし、軸方向寸法の異なるセンサアダプタ40と組合せることにより、様々な軸方向寸法のセンサホルダ39を製造することができるので、部品の共通化によって製造コストを低減することができる。ここで、センサホルダ39の底部の圧電素子29の取付面の加工精度は、超音波の送受信特性に大きく影響するが、従来の一体型のセンサホルダでは、軸方向の寸法を大きくした場合、加工面が深くなるため、充分な加工精度を得ることが困難であったが、本発明では、センサホルダ39を分割構造としてセンサ取付部33を別体としたことにより、センサ取付部33の底部の圧電素子29の取付面の加工が容易になり、その加工精度を向上させることができる。
【0029】
センサホルダ39の高さ方向の寸法を大きくできることから、図4に示すようにメータ本体15の流路14の直径Dが大きい場合でも、流路の直径Dによらず超音波送受信器37,38間の距離L1を自由に選択することができる。
【0030】
一般に超音波を用いた流量計においては、超音波送受信器間の距離が大きくなると、超音波の変調量が大きくなり、超音波の減衰やフローノイズ、被測定流体の温度変動による超音波の伝搬速度変化等による影響が大きくなり、正確な流量計則が困難になる。つまり、超音波送受信器間の距離が大きくなると、被測定流体であるガス中での音波の減衰が非常に大いため、受信レベルが著しく低下するのに対して、ブラフボディおよびメータ本体を伝搬する回り込みノイズの減衰は比較的小さいので、S/N比が低下して安定したカルマン渦の検出が行えなくなり、流量計測精度が低下する。また、従来、位相比較器の位相差許容範囲の限界により、超音波送受信器間の距離が限定されることがあり、流路の直径を大きくする場合、圧電素子及びセンサホルダを変更して発信周波数を変える必要があった。
【0031】
これに対して、本発明では、センサアダプタ40の軸方向の寸法を大きくすることによってセンサホルダ39の軸方向寸法を大きくすることができるので、流路14の直径Dにかかわらず、超音波送受信器37,38間の距離を自由に選択することができ、上記問題点を解消して安定した高精度の流量計則が可能となる。
【0032】
なお、第1および第2実施形態では、センサホルダを2分割および3分割構造とした場合について説明しているが、本発明はこれに限らず、4分割以上の分割構造とすることも可能である。また、上記実施形態では、カルマン渦に同期したガスの流れが孔18,19から導入されて計測通路17(ブラフボディ16の内部空間)内に起きる流速変化によって超音波が変調される構成としているが、これに限らず、例えば、ブラフボディ16の内部空間にカルマン渦に同期したガスの流れが導入されて起きる内部空間内のガスの密度変化によって超音波が変調されるように構成してもよい。
【0033】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項1の発明の超音波渦流量計によれば、超音波送受信器の超音波素子を載置する略有底円筒状のホルダを円筒部分で2以上の部材が結合されて形成されるようにしたことより、圧電素子からホルダの円筒部に伝搬した超音波は、ホルダの円筒部に形成された結合部の境界面によって反射、減衰されるので、S/N比が向上して安定したカルマン渦の検出を行うことができ流量計測精度を高めることができる。
【0034】
また、ホルダの少なくとも1つの結合部を振動の節となる位置に配置したことにより、結合部からの音波が伝搬しにくくなるとともに、ホルダの結合部分から底部にかけて振動を起こしやすくなり、計測通路を介した超音波の送受信を効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る超音波渦流量計の流路を横切る縦断面図である。
【図2】図1の要部の拡大図である。
【図3】本発明の第2実施形態に係る超音波渦流量計の要部を示す流路を横切る縦断面の拡大図である。
【図4】本発明の第2実施形態に係る超音波渦流量計の流路を横切る縦断面図である。
【図5】図4のものより小径の流路を有する超音波渦流量計の流路を横切る縦断面図である。
【図6】本発明の一実施形態に係る超音波渦流量計のホルダの各部の寸法及び振動の状態を示す図である。
【図7】本発明の一実施形態に係る超音波流量計のユニモルフ型の圧電素子を用いた超音波送受信器の振動の状態を示す図である。
【図8】従来の超音波渦流量計の流路を横切る縦断面図である。
【図9】図8の超音波渦流量計の流路に沿った横断面図である。
【図10】図8の超音波渦流量計の超音波送信器取付部の拡大図である。
【符号の説明】
13,36 超音波渦流量計
14 流路
16 ブラフボディ(渦発生体)
17 計測通路(内部空間)
20,37 超音波送信器
21,38 超音波受信器
29 圧電素子(超音波素子)
28,39 センサホルダ(ホルダ)
35,41,42 結合部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic vortex flowmeter that measures the flow rate of gas in a pipe line by detecting the generation of Karman vortices using an ultrasonic sensor.
[0002]
[Prior art]
An example of a conventional ultrasonic vortex flowmeter will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 8 to 10, an ultrasonic vortex flowmeter 1 includes a columnar bluff body 4 (vortex generation) that crosses a flow path 2 in a meter body 3 that forms a flow path 2 of a gas to be measured. Body) and a measurement passage 5 (internal space) is formed inside the bluff body 4. The bluff body 4 has a pair of holes 6 and 7 that communicate with the measurement passage 5 toward the downstream side. A pair of ultrasonic transmitters / receivers 8 and 9 having piezoelectric elements (ultrasonic elements) are attached to the bluff body 4 at both ends across the measurement passage 5.
[0003]
When gas flows through the flow path 2 in the meter body 3, Karman vortices K are alternately generated at a period corresponding to the gas flow velocity downstream of the bluff body 4, and the gas generated in synchronization with the Karman vortices K is generated. Is introduced into the measurement passage 5 from the holes 6 and 7, and the flow velocity changes in the measurement passage 5 at the same cycle as the generation cycle of the Karman vortex K. Since the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter 8 and propagating in the gas in the measurement passage 5 is modulated by the gas flow in the measurement passage 5 by the Karman vortex K and received by the ultrasonic receiver 9. By extracting this modulation component with a phase comparator or the like and detecting the generation period of the Karman vortex K, the flow rate of the gas in the flow path 2 can be obtained.
[0004]
At this time, a part of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter 8 propagates through the bluff body 4 and the meter body 3 and is received as a noise component by the ultrasonic receiver 9 (the ultrasonic wave wraps around). However, since ultrasonic waves are much easier to propagate in solids such as the bluff body 4 and the meter body 3 than in the gas that is the fluid to be measured, wraparound noise that propagates through the bluff body 4 and the meter body 3 is generated. The S / N ratio (signal / noise ratio) decreases and stable Karman vortex detection becomes difficult.
[0005]
Therefore, conventionally, as shown in FIG. 10, the bluff body 4 is attached to the meter main body 3 via an O-ring 10 which is an elastic body, and the ultrasonic transmitters and receivers 8 and 9 (because they have the same configuration, Only the vessel 8 is shown) is attached to the bluff body 4 via an O-ring 11 and a packing 12 which are elastic bodies, thereby attenuating leaking ultrasonic waves propagating to the meter body 3 and the bluff body 4.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional ultrasonic vortex flowmeter has the following problems. Since the meter body, the bluff body, and the ultrasonic transmitter / receiver are fastened to each other by bolts or the like, leakage ultrasonic waves propagate between the members via these bolts or the like, so that the wraparound noise cannot be sufficiently blocked. . In particular, when the fluid to be measured is at a high pressure, it is necessary to provide a large number of bolts or the like in order to increase the fastening force of each member.
[0007]
This invention is made in view of said point, and provides the ultrasonic vortex flowmeter which can reduce a wraparound noise by attenuating the leaking ultrasonic wave which propagates a meter main body and a bluff body. Objective.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention of claim 1 includes a flow path through which a fluid to be measured flows,
A hole is provided in the flow path to generate a Karman vortex on the downstream side and to have an internal space, and a hole for introducing a flow of a fluid to be measured synchronized with the Karman vortex is provided in the internal wall. The generated vortex generator,
An ultrasonic vortex flowmeter comprising a pair of ultrasonic transmitters / receivers arranged across a fluctuation region due to the flow of the fluid to be measured introduced into the internal space of the vortex generator,
At least one of the pair of ultrasonic transmitters / receivers has a substantially bottomed cylindrical shape, and has a holder to which an ultrasonic element is attached at the bottom,
The holder is formed by coupling two or more members in a cylindrical portion, and at least one coupling portion is arranged at a position that becomes a vibration node .
[0009]
With this configuration, the ultrasonic wave propagated from the ultrasonic element to the holder is reflected and attenuated by the boundary surface formed by the coupling portion of the holder cylindrical portion. In addition, the bottom portion of the holder is likely to vibrate at an ultrasonic frequency from the joint portion of the holder that is a node.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0013]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. As shown in FIGS. 1 and 2, the ultrasonic vortex flowmeter 13 is arranged in a diametrical direction so as to cross a flow path 14 in a substantially cylindrical meter body 15 that forms a flow path 14 of a gas to be measured. A columnar bluff body 16 is penetrated along. A measurement passage 17 (internal space) is passed through the bluff body 16 along the length thereof, and a pair of holes 18 and 19 for communicating the flow passage 14 of the meter body 15 and the measurement passage 17 on its side wall. Is opened toward the downstream side. A pair of ultrasonic transmitters / receivers 20 and 21 that are opposed to each other across the measurement passage 17 are attached to both ends of the bluff body 16.
[0014]
Flange portions 22 and 23 are formed at both ends of the bluff body 16, and flange portions 24 and 25 are formed in the ultrasonic transceivers 20 and 21, respectively, and between the flange portions 22 and 24 and between the flange portions 23 and 25. The bluff body 16 and the ultrasonic transmitters / receivers 20 and 21 are coupled to the meter body 15 by bolts 27 with packings 26 interposed therebetween.
[0015]
The ultrasonic transmitters / receivers 20 and 21 have the same structure (only the ultrasonic transmitter 20 is shown in FIG. 2), and a piezoelectric element 29 (ultrasonic element) is provided at the bottom of a substantially bottomed cylindrical sensor holder 28. Are bonded by an acoustic bonding agent such as a silicon adhesive or an epoxy resin. In addition, a lead wire 30 such as a PTFE wire or a urethane wire is connected to the piezoelectric element 29, and an electrode terminal 31 to which the lead wire is connected is joined to a lid member 32 by a hermetic seal. Is attached to the opening of the sensor holder 28 by adhesion, welding, screwing or the like, so that the sensor holder 28 is hermetically sealed.
[0016]
The sensor holder 28 has a two-part structure in which two cylindrical portions of a sensor attachment portion 33 having a bottom portion and a bluff body attachment portion 34 having flange portions 24 and 25 are coupled. The sensor attachment portion 33 and the bluff body attachment portion 34 are coupled by welding (TIG welding, laser welding, resistance welding, etc.), brazing, adhesion, or the like. Since the coupling portion 35 formed by this coupling is different in ultrasonic propagation characteristics (acoustic impedance) from other portions of the sensor holder 28, an acoustic boundary surface is formed in the coupling portion 35. Therefore, the ultrasonic wave transmitted from the piezoelectric element 29 and propagating through the cylindrical portion of the sensor holder 28 is reflected and attenuated at the boundary surface between the coupling portion 35 and the sensor attachment portion 33 and the bluff body attachment portion 34. As shown in FIG. 6, the dimension of each part of the sensor holder 28 is such that the wavelength of the ultrasonic wave to be transmitted and received is λ, the diameter of the bottom is λ / 2, and the distance from the bottom to the coupling portion 35 is λ / 2 is set. By setting such dimensions, when the piezoelectric element 29 vibrates, the sensor holder 28 vibrates with the coupling portion 35 as a node.
[0017]
Next, the operation of the present embodiment configured as described above will be described.
[0018]
An ultrasonic signal transmitted from the bottom of the sensor holder 28 by vibrating the piezoelectric element 29 of the ultrasonic transmitter 20 by an electrical signal from a sensor drive circuit (not shown) and propagated in the measurement passage 17 of the bluff body 16 A sound wave is received by the piezoelectric element 29 of the ultrasonic receiver 21 and converted into an electric signal. When the gas that is the fluid to be measured flows through the flow path 14 of the meter body 15, Karman vortices are alternately generated downstream of the bluff body 16 at a period corresponding to the flow velocity. The gas flow synchronized with the Karman vortex is introduced into the measurement passage 17 from the holes 18 and 19, and the flow velocity changes in the measurement passage 17 at the same cycle as the Karman vortex generation cycle. Due to this change in flow velocity, the ultrasonic wave propagating in the measurement passage 17 is modulated in accordance with the generation period of the Karman vortex, so by extracting the ultrasonic modulation component by a phase comparator or the like (not shown), The generation period of the Karman vortex can be detected based on this modulation, and the gas flow rate can be obtained.
[0019]
At this time, the sensor holder 28 is connected to the ultrasonic wave propagating through the cylindrical portion of the sensor holder 28 because the sensor mounting portion 33 and the bluff body mounting portion 34 are coupled by the coupling portion 35 having different tissues (acoustic impedance). In addition, the sensor mounting portion 33 and the interface between the bluff body mounting portion 34 and the coupling portion 35 become an acoustic obstacle, and sound waves are attenuated (reflected and scattered) and leaked to the bluff body 16 and the meter body 15 Ultrasound is reduced. Further, since the coupling portion 35 is set to be a node of vibration by the piezoelectric element 29, the sensor holder 28 vibrates as indicated by a broken line in FIG.
[0020]
When the fluid to be measured is a gas, since the sound velocity and density are smaller than those of solid and liquid, the acoustic impedance is small and the transmittance of ultrasonic waves is low. Therefore, a large sound pressure is required. In addition, in order to prevent the flow rate from being detected because the phase difference generated while the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic wave transmission 20 is received by the ultrasonic wave receiver 21 exceeds ± 2π due to the low sound velocity. It is necessary to use a low frequency. For this reason, the piezoelectric element 29 is a unimorph element that causes large radial vibrations at a low frequency (primary mode frequency).
[0021]
When the unimorph type piezoelectric element 29 is attached to the bottom of the sensor holder 28 and vibrated in the radial direction (see FIG. 7A), the expansion and contraction of the unimorph type piezoelectric element 29 causes the bottom of the sensor holder 28 to be as shown in FIG. As shown in FIG. 7C (when extended), the sensor holder 28 is deformed in the height direction. Due to this deformation, it is possible to transmit the vibration of the ultrasonic wave directly to the gas, so that it is possible to transmit / receive an ultrasonic wave having a large sound pressure at a low frequency.
[0022]
Here, if each dimension from the coupling part 35 to the bottom part of the sensor holder is set to the dimension of FIG. 6, the sensor holder 28 is likely to vibrate (deform) from the coupling part 35 to the bottom part with the coupling part 35 as a node. Thus, vibration with a large sound pressure can be obtained with a small voltage. The diameter of the bottom part and the distance from the bottom part to the coupling part 35 are not necessarily λ / 2, and may be an integer multiple of this. Further, depending on other conditions, the diameter of the bottom of the sensor holder 28 and the distance from the bottom to the coupling portion 35 do not necessarily have to be integral multiples of λ / 2, so that a vibration node comes to the coupling portion. It only has to be set.
[0023]
The S / N ratio is improved due to the reduction of noise due to attenuation of leaked ultrasonic waves by the acoustic boundary surface formed in the coupling portion 35 and the increase of the signal due to the improvement of vibration efficiency with the coupling portion 35 as a node. Stable Karman vortices can be detected and flow measurement accuracy can be improved.
[0024]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The second embodiment is generally similar to the first embodiment except that the structure of the sensor holder of the ultrasonic transmitter / receiver is different. Therefore, the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 will be described below. The same parts as those in the embodiment are given the same reference numerals, and only different parts will be described in detail.
[0025]
As shown in FIGS. 3 and 4, in the ultrasonic vortex flow meter 36 of the second embodiment, the sensor holder 39 of the ultrasonic transmitters / receivers 37 and 38 (only the ultrasonic transmitter 37 is shown in FIG. 3) A three-part structure in which a cylindrical sensor adapter 40 is coupled between the sensor mounting portion 33 and the bluff body mounting portion 34 is employed. The sensor mounting portion 33 and the bluff body mounting portion 34 and the sensor adapter 40 are coupled in the same manner as in the first embodiment, and coupling portions 41 and 42 having different ultrasonic propagation characteristics (acoustic impedance) are formed therebetween. Has been.
[0026]
Then, the height in the height direction of the sensor holder 39 is increased as much as the sensor adapter 40 is coupled, and the tip of the sensor holder 39 is protruded into the measurement passage 17 of the bluff body 16 by that amount, The distance L 1 between the ultrasonic transceivers 37 and 38 and the distance L 2 between the holes 18 and 19 are made smaller than the diameter D of the flow path 14.
[0027]
With this configuration, the two coupling portions 41 and 42 serving as an acoustic obstacle layer are formed in the sensor holder 39. Therefore, leakage ultrasonic waves to the bluff body 16 and the meter main body 15 are detected in the first embodiment. It can be further reduced than that.
[0028]
A sensor holder 39 having various axial dimensions can be manufactured by combining the sensor mounting part 33 and the bluff body mounting part 34 with those of the first embodiment and combining with the sensor adapter 40 having different axial dimensions. Therefore, the manufacturing cost can be reduced by sharing the parts. Here, the processing accuracy of the mounting surface of the piezoelectric element 29 at the bottom of the sensor holder 39 greatly affects the transmission / reception characteristics of ultrasonic waves. However, in the conventional integrated sensor holder, if the axial dimension is increased, the processing accuracy Since the surface becomes deeper, it has been difficult to obtain sufficient processing accuracy, but in the present invention, the sensor holder 39 is divided and the sensor mounting portion 33 is separated, so that the bottom of the sensor mounting portion 33 is The mounting surface of the piezoelectric element 29 can be easily processed, and the processing accuracy can be improved.
[0029]
Since the height dimension of the sensor holder 39 can be increased, even if the diameter D of the flow channel 14 of the meter body 15 is large as shown in FIG. the distance L 1 between can be chosen freely.
[0030]
In general, in flowmeters using ultrasonic waves, the greater the distance between the ultrasonic transmitters and receivers, the greater the amount of ultrasonic modulation, and the propagation of ultrasonic waves due to ultrasonic attenuation, flow noise, and temperature fluctuations of the fluid being measured. The influence of speed change and the like becomes large, and an accurate flow meter rule becomes difficult. In other words, when the distance between the ultrasonic transmitter / receiver increases, the attenuation of the sound wave in the gas to be measured is very large, so that the reception level is significantly reduced, whereas it propagates through the bluff body and the meter body. Since the attenuation of the sneak noise is relatively small, the S / N ratio is lowered and stable Karman vortex detection cannot be performed, and the flow rate measurement accuracy is lowered. Conventionally, the distance between ultrasonic transmitters / receivers may be limited due to the limit of the phase difference allowable range of the phase comparator. When the diameter of the flow path is increased, the piezoelectric element and the sensor holder are changed for transmission. It was necessary to change the frequency.
[0031]
In contrast, in the present invention, since the axial dimension of the sensor holder 39 can be increased by increasing the axial dimension of the sensor adapter 40, ultrasonic transmission / reception is performed regardless of the diameter D of the flow path 14. The distance between the devices 37 and 38 can be freely selected, and the above problem can be solved and a stable and highly accurate flow meter rule can be realized.
[0032]
In the first and second embodiments, the case where the sensor holder has a two-divided and three-divided structure has been described. However, the present invention is not limited to this, and a divided structure of four or more divided parts can also be used. is there. In the above-described embodiment, the ultrasonic wave is modulated by a flow velocity change that occurs in the measurement passage 17 (inner space of the bluff body 16) when a gas flow synchronized with the Karman vortex is introduced from the holes 18 and 19. However, the present invention is not limited to this. For example, the ultrasonic wave may be modulated by a change in gas density in the internal space caused by introducing a gas flow synchronized with the Karman vortex into the internal space of the bluff body 16. Good.
[0033]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the ultrasonic vortex flowmeter of the first aspect of the present invention, the cylindrical portion having two or more members having a substantially bottomed cylindrical holder for placing the ultrasonic element of the ultrasonic transceiver is provided. Since the ultrasonic waves propagated from the piezoelectric element to the cylindrical portion of the holder are reflected and attenuated by the boundary surface of the combined portion formed in the cylindrical portion of the holder, the S / N is formed. The ratio can be improved and stable Karman vortices can be detected, and flow measurement accuracy can be improved.
[0034]
In addition, by arranging at least one coupling portion of the holder at a position to be a vibration node, it is difficult for sound waves from the coupling portion to propagate, and it is easy to cause vibration from the coupling portion of the holder to the bottom portion, It is possible to efficiently transmit and receive ultrasonic waves.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view across a flow path of an ultrasonic vortex flowmeter according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a main part of FIG.
FIG. 3 is an enlarged view of a longitudinal section across a flow path showing the main part of an ultrasonic vortex flowmeter according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view across a flow path of an ultrasonic vortex flowmeter according to a second embodiment of the present invention.
5 is a longitudinal sectional view across the flow path of an ultrasonic vortex flowmeter having a flow path having a smaller diameter than that of FIG. 4. FIG.
FIG. 6 is a diagram showing dimensions and vibration states of each part of the holder of the ultrasonic vortex flowmeter according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a state of vibration of an ultrasonic transceiver using a unimorph type piezoelectric element of an ultrasonic flowmeter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view crossing a flow path of a conventional ultrasonic vortex flowmeter.
9 is a transverse cross-sectional view along the flow path of the ultrasonic vortex flowmeter of FIG. 8. FIG.
10 is an enlarged view of an ultrasonic transmitter mounting portion of the ultrasonic vortex flowmeter of FIG. 8. FIG.
[Explanation of symbols]
13,36 Ultrasonic vortex flowmeter
14 Flow path
16 Bluff body
17 Measurement passage (internal space)
20,37 ultrasonic transmitter
21,38 Ultrasonic receiver
29 Piezoelectric element (ultrasonic element)
28,39 Sensor holder (holder)
35, 41, 42 joint

Claims (1)

被測定流体が流れる流路と、
該流路内に設けられて下流側にカルマン渦を発生させると共に内部空間を有し、当該内部空間に前記カルマン渦に同期した被測定流体の流れが導入されるための孔が周壁部に設けられた渦発生体と、
前記渦発生体の内部空間に導入される前記被測定流体の流れによる変動領域を挟んで配置された一対の超音波送受信器と、を備えた超音波渦流量計であって、
前記一対の超音波送受信器のうち、少なくとも一方は、略有底円筒状の形状をなし、その底部に超音波素子が装着されるホルダを有し、
該ホルダは円筒部分で2以上の部材が結合して形成されており、その少なくとも1つの結合部は、振動の節となる位置に配置されていることを特徴とする超音波渦流量計。
A flow path through which the fluid to be measured flows;
A hole is provided in the flow path to generate a Karman vortex on the downstream side and to have an internal space, and a hole for introducing a flow of a fluid to be measured synchronized with the Karman vortex is provided in the internal wall. The generated vortex generator,
An ultrasonic vortex flowmeter comprising a pair of ultrasonic transmitters / receivers arranged across a fluctuation region due to the flow of the fluid to be measured introduced into the internal space of the vortex generator,
At least one of the pair of ultrasonic transmitters / receivers has a substantially bottomed cylindrical shape, and has a holder to which an ultrasonic element is attached at the bottom,
The ultrasonic vortex flowmeter is characterized in that the holder is formed by coupling two or more members in a cylindrical portion, and at least one coupling portion is arranged at a position that becomes a node of vibration .
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