CN103270396A - 超声波流量计 - Google Patents

Abstract

超声波流量计具有以下结构，即通过由层状的流路构成的测量流路(1)以及一对超声波传感器(7)、(8)来检测流量，其中，该一对超声波传感器(7)、(8)被设置于测量流路(1)的同一壁面侧，被配置成构成利用了在相对侧的流路内壁面(1c)的反射的超声波的传播路径，在构成多层部的隔板的上游侧之前设置作为流体控制单元的抑制棒(9)。

Description

超声波流量计

技术领域

本发明涉及一种对气体等的流量进行测量的超声波流量计。

背景技术

如图8所示，以往的这种超声波流量计配置有流速检测单元，该流速检测单元由在测量流路15的上游与下游相对配置的一对超声波发送接收器(未图示)构成，该测量流路15的上游侧连接流体供给路13，下游侧连接流体流出路14。

另外，使用多个平板状的隔板16对测量流路15的内部进行分割以使流体形成层流。

而且，流速检测单元根据超声波发送接收器之间的超声波的传播时间来对流过测量流路15的流体的流速进行测量，根据测量出的该流速来运算流量(例如，参照专利文献1)。

然而，在这种以往的结构中，由于在测量流路15的入口处测量流体流入到测量流路15时的缩流的影响、流路通过隔板16而形成层状之前由与测量流路15的内壁面之间的摩擦导致的测量流体的流速分布的影响等，在外层与内层中测量流量产生差而流速分布不同。另外，超声波传感器难以针对流路整个高度均匀地传播超声波，并且超声波传感器的发送接收强度不均匀，对于各层的超声波的传播，在各层区域中与超声波传感器相应的超声波放出强度产生分布。另外，当根据层不同而流速不同时，超声波在每层中的传播时间改变，因此这导致流过测量流路的测量流量整体的误差，对与流路整体流速的测量有关的可靠性带来不良影响。

并且，在生产流量计时需要进行以下校正：实际测量流量并对与真正的值之间的差进行器差校正以使在测量流量范围内真正的流量值与测量流量值落入规定的误差范围从而能够正确地测量流量，此时，期望在测量流量范围内流量系数(=真正的值/测量值)平坦。即，即使是流量发生变化，如果流量系数平坦则也能够以任意的流量进行一点校正来完成器差校正。当然，如果流量系数为1且平坦则不需要进行器差校正。

但是，当上述那样根据测量流量不同而各层的流速比不同时对其流量系数的平坦性带来不良影响。

特别是，在利用超声波的壁面反射的V字型的传播路径的情况下，超声波在流路内传播的距离为不利用反射的情况下的两倍，因此具有测量中的时间分辨率上升的优点，但是受层间流量差的影响更大。

为了减小该影响，以往以在测量流路入口设置整流部件而使流动变得均匀的方式进行应对，但是由于设置整流部件而产生结构变得复杂、成本上升等问题。

本发明是解决上述以往的问题而完成的，目的在于提供一种流量系数平坦的超声波流量计。

专利文献1：日本特开平9-43015号公报

发明内容

为了解决以往的问题，本发明的超声波流量计具有：多层流路，其包括由平板状的隔板分割而得到的多个层状流路，被测量流体流过该多层流路；一对超声波传感器，其配置在多层流路的上游和下游；以及流量检测单元，其根据超声波传感器间的超声波的传播时间来检测被测量流体的流量，其中，在述隔板的上游侧附近设置有棒状的流体控制单元。

由此，能够实现作为流量计来说是重要的性能指标的流量系数的平坦化。

附图说明

图1是本发明的实施方式1中的超声波流量计的结构图。

图2是表示本发明的实施方式1中的超声波流量计的测量流路的主视结构图。

图3A是图2的3A-3A截面图。

图3B是图2的3B-3B截面图。

图4是本发明的实施方式1中的超声波流量计的动作说明图。

图5是表示本发明的实施方式1中的超声波流量计的控制棒的有无引起的流量与流量系数的关系的曲线图。

图6是表示本发明的实施方式1中的超声波流量计的抑制棒的安装位置的概念图。

图7A是没有本发明的实施方式1中的超声波流量计的流体控制单元的情况下的流的概念图。

图7B是有本发明的实施方式1中的超声波流量计的流体控制单元的情况下的流的概念图。

图8是以往的超声波流量计的结构图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施方式1中的超声波流量计。此外，本发明并不限定于该实施方式。

(实施方式1)

如图1所示，在流体供给路3的中途设置有切断阀5，该切断阀5通过与步进电动机等利用电磁装置的驱动部4协同动作的阀体来打开和关闭。空心箭头表示被测量流体的流向，在阀处于打开状态下被测量流体从流体供给路3流出到测量器壳体2内部。测量流路1为截面呈长方形的矩形。充满测量器壳体2内部的被测量流体从作为测量流路1的入口侧的上游侧1a流入测量流路1，并且经由与其下游侧1b相连接的流体流出路6向测量器壳体2的外部流出。

此外，切断阀5在流体流动发生异常时、发生地震时等关闭。

图2表示图1示出的流量测量部件17的截面。在测量流路1的一面配置有构成流速检测单元的一对超声波传感器7、8。另外，超声波传感器7、8以一方的超声波传感器振荡产生的超声波在相对侧的流路内壁面反射而由另一方的超声波传感器接收的方式倾斜地配置在测量流路1的一面上。并且，配置流量检测单元18，该流量检测单元18通过信号线与超声波传感器7、8连接，构成为用于进行流量测量的测量部件。流量检测单元18对一对超声波传感器7、8间的超声波的传播时间进行测量，求出被测量流体的流速、流量。

在图1示出的本发明的实施方式1的超声波流量计中，被测量流体一次填充到测量器壳体2内部之后流入到测量流路1，因此测量器壳体2成为腔室。因此，与从流入部流入的被测量流体经过弯曲的配管直接与测量流路连接的方式相比，向测量流路流入的流不容易产生偏流，流速测量和流量测量的可靠性提高。

本实施方式中的超声波流量计的测量流路1如上所述那样具有矩形截面，如图3A所示，以平板状的隔板10a、10b、10c将短边侧划分为大致均等的高度而形成层状流路11a、11b、11c、11d。这样，以多个层状流路11a、11b、11c、11d构成多层流路12(图3B的C之间)。

也就是说，通过隔板10a、10b、10c将测量流路1分割得窄而使被测量流体的流形成层流，通过层状流路11a、11b、11c、11d来分散流路的高度方向的流。通过设为该结构，与以往的单层的流路相比，使流速分布均匀，实现超声波测量的稳定。

并且，在隔板10b的上游侧，距隔板10b规定距离配置作为流体控制单元的抑制棒9。该抑制棒9被配置成相对于被测量流体的流向正交并且与隔板10b平行。

在本实施例中，隔板的片数为三片，构成四层的层状流路，对于四层以外的结构，只要是三层以上就得到相同的作用效果。

接着，使用图4说明利用超声波的流量测量动作。如图1、图2、图3A、图3B所示，在本实施方式的超声波流量计中将一对超声波传感器7、8部件化，因此将超声波传感器7、8配置于测量流路1的矩形截面的同一面上。因此，超声波传感器7、8之间的超声波的发送接收成为在相对侧的流路内壁面1c(图2)反射的V字型(V路径的传播路径)，通过该传播路径进行超声波传感器7、8之间的超声波的发送接收。

在该结构中，对从上游侧的超声波传感器7发出的超声波被下游侧的超声波传感器8接收为止的传播时间T1进行测量。另一方面，对从下游侧的超声波传感器8发出的超声波被上游侧的超声波传感器7接收为止的传播时间T2进行测量。

基于这样测量得到的传播时间T1和T2，基于以下运算式由运算单元来计算流量。

如图4所示，当将测量流路的流向的被测量流体的流速V与超声波传播路径所形成的角度设为θ、将超声波传感器之间的距离设为2×L、将被测量流体的声速设为C时，使用以下式计算流速V。

式(1)T1=2×L/(C+Vcosθ)

式(2)T2=2×L/(C-Vcosθ)

通过T1的倒数减去T2的倒数的式来消除声速C

式(3)V=(2×L/2cosθ)((1/T1)-(1/T2))

在此，θ和L是已知的，因此能够根据T1和T2的值来计算流速V。当前，考虑测量空气流量的情况，当假设角度θ=45度、距离L=35mm、声速C=340m/s、流速V=8m/s时，T1=2.0×10-4秒钟、T2=2.1×10-4秒钟，能够进行瞬间测量。

而且，当将流路的截面面积设为S、将流路系数设为K时，能够使用以下式来求出流过测量流路1的被测量流体的流量Q。

式(4)Q=K×V×S

此外，即使是上述那样的V路径的传播路径以外的超声波的传播路径，只要至少横穿流路一次以上而能够形成根据流速不同超声波的传播时间发生变化的路径，就能够测量流速，对于本发明的结构也有效。

图5示出由本实施方式中的超声波流量计实际测量流量系数的试验数据，图5的横轴表示流过测量流路1的被测量流体的流量Q，纵轴表示流量系数K。

在图5中示出没有作为流体控制单元的抑制棒9的情况以及以图6示出的以位置关系4mm间隔和8mm间隔来安装作为流体控制单元的抑制棒9时的测量值。

如图5所示，在没有抑制棒9的情况下，流量系数为流量越多则越小的向右下倾斜的曲线。

作为其原因，流速越快则测量流路的入口处的缩流的影响越大，流过接近壁的外层的流量与流过内侧的流量之比与小流量时相比变小。即，在大流量时流体多在内侧的层中流动而流速加快并且如上所述那样越靠中心则超声波传感器的超声波的强度分布越强，因此测量出比流路整体的平均流速更快的流速。其结果，如上所述如果流量增加则流量系数变小，流量系数变得不平坦。

为了提高上述大流量侧的流量系数，需要使流速计的流速测量值变小，即需要抑制由上述缩流影响导致的流的变化，为此，在本发明中通过在隔板之前配置作为流体控制单元的抑制棒9这种简单的结构来达到该目的。

此外，当从隔板至控制棒9的距离超过图5示出的8mm时难以维持流量系数的平坦。另外，为了得到控制棒9的效果，需要将从隔板10b至控制棒9的距离设为2mm以上。

参照图7A、图7B说明本发明的作用、效果。

在测量流量少的情况下，测量流路1内的流在用隔板10a、10b、10c进行分割而得到的多层流路中形成层流流，因此与抑制棒9的有无无关地，大致均等地分开到多层流路的各层中流动。当流速加快而在测量流路入口处产生的缩流变得剧烈时，如图7A所示，在没有抑制棒9的情况下流集中在内部。

在有抑制棒9的情况下，如图7B所示，流体无法沿着抑制棒9流动而产生剥离等，妨碍向后侧的流动。而且，由缩流引起的流向中心方向的集中被分散，在多层的各层中均等地流动。结果是，从小流量至大流量，与流量无关地均能够实现向多层的各层的均等流动，从而能够实现流量系数的平坦化。

此外，在本实施方式中的超声波流量计的情况下，作为流体控制单元的抑制棒9的最佳位置为距隔板10b为2mm以上，作为其截面形状，为了使流体在其壁面顺利地流动，因此设为圆形形状，另外，将其直径设为层状流路的高度(在图3b中例如为层状流路11a、11b间的距离)的1/2以下，由此能够适当地发挥上述的抑制缩流的效果。

此外，考虑根据流路的结构不同而上述规格发生变化，从而本发明的规格并不限定于上述内容。

本发明具有：多层流路，其包括由平板状的隔板分割而得到的多个层状流路，被测量流体流过该多层流路；一对超声波传感器，其配置在多层流路的上游和下游；以及流量检测单元，其根据超声波传感器间的超声波的传播时间来检测被测量流体的流量，其中，在隔板的上游侧附近设置有棒状的流体控制单元。通过该结构，抑制多层流路的外层与内层的流速差的产生，能够减小测量时的测量误差，能够实现流量系数的平坦化。

另外，本发明具有以下结构：流体控制单元被设置在多层流路的层方向的流路高度(在图3B中为上下方向)的大致中心位置，与被测量流体的流正交且与隔板平行。

另外，在本发明中，在距隔板2mm以上～8mm以下的上游侧配置流体控制单元。通过该结构，进一步提高抑制在多层流路中的外层与内层之间产生的流速差的效果，减小测量中的测量误差，由此能够进一步实现流量系数的平坦化。

并且，在本发明中，将流体控制单元的截面设为圆形，将其截面直径设为层状流路的高度的1/2以下。通过该结构，通过设为圆形形状而不会不必要地扰乱测量流路内的流，能够以最佳状态抑制多层流路的外层与内层的流速差的产生，能够减小测量误差，能够实现流量系数的平坦化。

另外，本发明具有以下结构：将一对超声波传感器设置于层状流路的同一侧面，从一方的超声波传感器振荡出的超声波在相对侧的流路内壁面反射而被另一方的超声波传感器接收。通过该结构，即使将流路设为小型，超声波的传播路径也变长，测量上的时间分辨率上升，能够提高测量精度。

产业上的可利用性

即使测量流量发生变化本发明所涉及的超声波流量计也能够减小外层与内层的流速比的差，能够正确地测量流速，能够进一步实现小型、低成本化，因此能够以燃气表为代表以各种流量计而展开应用。

附图标记说明

1：测量流路；1a：上游侧；1b：下游侧；1c：相对侧的流路内壁面；2：测量器壳体；7、8：超声波传感器；9：抑制棒(流体控制单元)；10a、10b、10c：隔板；11a、11b、11c、11d：层状流路；12：多层流路；17：流量测量部件；18：流量检测单元。

Claims (5)

1.一种超声波流量计，具有：

多层流路，其包括由平板状的隔板进行分割而得到的多个层状流路，被测量流体流过该多层流路；

一对超声波传感器，其配置在上述多层流路的上游和下游；以及

流量检测单元，其根据上述超声波传感器间的超声波的传播时间来检测上述被测量流体的流量，

其中，在上述隔板的上游侧附近设置有棒状的流体控制单元。

2.根据权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，

上述流体控制单元构成为设置在上述多层流路的层方向的流路高度的大致中心位置，与被测量流体的流正交并且与上述隔板平行。

3.根据权利要求1或者2所述的超声波流量计，其特征在于，

上述流体控制单元配置在距上述隔板2mm以上～8mm以下的上游侧。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的超声波流量计，其特征在于，

上述流体控制单元的截面呈圆形，截面直径为上述层状流路的高度的1/2以下。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的超声波流量计，其特征在于，

上述一对超声波传感器构成为设置在上述层状流路的同一侧面上，从一方的上述超声波传感器发送的超声波在相对侧的流路内壁面反射而由另一方的上述超声波传感器接收。

Images