JP2002071409A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波流量計の流路内で発生する流体の平均
流速をできるだけ高いものとし、計測精度を向上させ、
あるいは、消費電力を下げる。 【解決手段】 流量計測対象の流体が流入する流路上流
側端部８ａと、流出する流路下流側端部８ｂとを流路軸
に沿って備え、前記流路上流側端部８ａと前記下流側端
部８ｂとの間に、上流側から下流側に向かうに従って、
流路断面積が漸次減少する縮小断面部９を備えると共
に、その下流側に流路断面積が漸次増加する拡大断面部
１０を備えた超音波流量計を構成するに、流路軸に沿っ
た方向での縮小断面部９の断面積縮小率を、拡大断面部
１０の断面拡大率より大きくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波流量計に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超音波流量計は、測定対象の流体が所定
の方向に流れる流速測定部に対して、一対の超音波振動
子を配置し、流動状態にある流体内を、流体の流れに沿
った方向と、この流れに逆らう方向に超音波を伝播さ
せ、検出される伝播時間の差を利用して、流体の流速を
測定する。

【０００３】このような超音波流量計の流速測定部の構
造としては、図４（イ）に示すようなＩ−パス法に従っ
たもの、図４（ロ）に示すようなＺ−パス法に従ったも
の、更に、図４（ハ）に示すような特開２０００−１７
１４７８号公報に開示するようなものが知られている。
Ｉ−パス法に従ったものは、流速測定部の横断断面積
（流路軸に直交する断面の断面積）は流れ方向に沿って
一定とされ、この流路の両端部位でその流路軸上に、互
いに対向して超音波振動子３ａ，３ｂが配設される。Ｚ
−パス法にあっても、流速測定部の横断面構成はＩ−パ
ス法と同様である。一方、超音波振動子３ａ，３ｂは、
互いに対向して、その超音波の伝播方向が流路の軸と交
差するように配設される。発明者等らによって提案され
ている特開２０００−１７１４７８号公報にあっては、
流速測定部は、その中間部に流路断面積が最小となる中
間狭隘部Ｍを備えると共に、この狭隘部Ｍの流路軸方向
両側に、流路軸に沿った断面で、その流路境界が放物線
となる構成を有している。超音波振動子３ａ，３ｂの配
置に関しては、Ｉ−パス法と同様である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】さて、都市ガス用メー
ターなどの汎用のメーターの場合、典型的な流路設計上
の制限事項として、使用最大流量時の圧力損失の上限が
ある。この圧力損失は、流速測定部の流路形状に大きく
影響されると共に、測定部の下流側端部の状態に影響さ
れ、この損失に従って、流速測定部内を流れる流体の流
速が決まる。即ち、圧力損失に上限があるため、流速測
定部で得られる平均流速に限界が生じているというのが
実状である。さて、超音波流速計の精度を考える場合、
流速測定部で得られる平均流速Ｖａｖに対して、超音波
振動子間の、正方向（流体の流れ方向に沿った方向）の
到達時間をＴ１、逆方向（流体の流れ方向に逆向する方
向）の到達時間をＴ２とすると、ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２、
（ΔＴ／Ｔ）＝（Ｔ１−Ｔ２）／（Ｔ１＋Ｔ２）のいず
れもが、できるだけ大きな値をとるような形が望まし
い。なぜなら、ΔＴが大きければ同一の計測精度に対し
て、計測時間の分解能を下げ、消費電力を下げることが
できる。逆に同一の計測時間分解能を維持するのであれ
ば、流速計、そのものの精度を上げることができる。一
方、（ΔＴ／Ｔ）が大きくなれば、音速の変化等の外乱
の影響を低減することができる。即ち、流路内を流れる
平均流速Ｖａｖはできるだけ大きいことが好ましい。し
かしながら、このような観点から、流速測定部の構造を
検討したものはこれまでに見受けられない。即ち、この
ような技術的課題は認識されていなかった。更に、Ｚ−
パス法のように、流路内の流れ方向と超音波の伝播方向
とが交差していると、計測線に対する流体の速度成分が
Ｖｃｏｓ（θ）となるため、有効なΔＴ，（ΔＴ／Ｔ）
が小さくなり、この場合も実効流速が低下して、好まし
くない。また、図４に示すように、流速測定部下流端に
おいてその後伴流の形成に伴って渦が発生すると、この
部位での圧力損失を考慮する必要があり、この圧力損失
分を有効に計測に利用できないこととなる。このような
技術的課題も従来認識されていなかった。よって、従来
の超音波流速計では、流速測定部の流れ及びその後伴流
の状態を適切に、計測精度さらには消費電力との関係で
検討したものは見受けられず、改良の余地がある。

【０００５】本発明の目的は、超音波流量計の流速測定
部の構造を適切なものとし、計測精度を向上させ、ある
いは、消費電力を下げることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明による、流量計測対象の流体が流入する流路上
流側端部と、流出する流路下流側端部とを流路軸に沿っ
て備え、前記流路上流側端部と前記下流側端部との間
に、上流側から下流側に向かうに従って、流路断面積が
漸次減少する縮小断面部を備えると共に、その下流側に
流路断面積が漸次増加する拡大断面部を備えた超音波流
量計の特徴構成は、請求項１に記載されているように、
流路軸に沿った方向での前記縮小断面部の断面積縮小率
が、前記拡大断面部の断面積拡大率より大きく構成して
あることにある。この構成にあっては、超音波が伝達さ
れる流路は、その流路軸に沿って、上流側から下流側に
行くに従って、縮小断面部と拡大断面部とを備えて構成
される。さらに、両断面部の断面積の変化率は、前者の
方が後者より大きいものとされる。ここで、断面積縮小
率とは、縮小断面部においてその入口側断面積Ｓｉと出
口側断面積Ｓｏとの差を、出口側断面積Ｓｏ（最小断面
積）と入口部と出口部との流路軸方向の離間距離Ｌとで
割ったもの（（Ｓｉ−Ｓｏ）／（Ｓｏ×Ｌ））と定義で
き、断面積拡大率とは、拡大断面部においてその入口側
断面積Ｓｉと出口側断面積Ｓｏとの差を、入口側断面積
Ｓｏ（最小断面積）と入口部と出口部との流路軸方向の
離間距離Ｌとで割ったもの（（Ｓｏ−Ｓｉ）／（Ｓｉ×
Ｌ））と定義できる。本願にあっては、縮小断面部の出
口側断面積と拡大断面部の入口側断面積は等しい。即
ち、急縮小状態で流路が急速に縮小された後、ゆっくり
と流路断面が拡大する。流路における圧力損失を考える
と、流路の縮小に際しては、大幅な損失を発生すること
はないが、流路の拡大は、損失要因となりやすい。従っ
て、後者側の拡大率を比較的、ゆっくりとしたものとす
ることにより、損失を抑えることが可能となる。このよ
うにすることで、管径の等しい直管との対比において、
所謂、形状圧損をできるだけ小さくすることが可能とな
り、平均流速の上昇を図ること、あるいは従来形状損失
として利用されてこなかった圧力損失を流れの制御側で
利用することができ、結果的に、消費電力の低減、ある
いは精度向上に寄与できる。

【０００７】さて、請求項２に記載されているように、
前記縮小断面部及び前記拡大断面部に関して、流路軸に
沿った断面視で、流路を画定する流路境界が滑らかな曲
線状境界とされると共に、前記縮小断面部の曲線状境界
が下流側に行くに従って曲率が増す、前記拡大断面部の
曲線状境界が下流側に行くに従って曲率が減少する構成
とされていることが好ましい。この場合、流路断面の境
界線形状を、図２で示すような滑らかな曲線で構成する
こととなり、縮小断面部、拡大流路部の流れをスムーズ
な形状損失が少ないものとできる。具体的には、所謂、
流線形を採用するのが好ましい。この構成で、縮小断面
部の終端位置を、流路軸方向で、流路上流側端部と流路
下流側端部の中間位置より上流側としておくと、縮小断
面部の管軸方向における長さが短くできるため、結果的
に、拡大断面部の長さを充分確保することができると共
に、その拡大率を抑えることができ、先に説明した効果
を得やすい。ここで、縮小断面部と拡大断面部とが直接
接続されている場合は、両者間を滑らかに接続すること
が好ましいのは当然である。

【０００８】更に、請求項３に記載されているように、
前記縮小断面部と前記拡大断面部との間に、流路断面積
の等しい直管部を備えることが好ましい。これまで説明
してきた構造を採用することにより、基本的には形状損
失の小さい流路を得ることができる。この形状構成にお
いて、図５に実線で示すもの（直管部を備えたもの）と
図５に破線で示すもの（直管部を備えないもの）とを比
較すると、前者のもののほうが、後者のものより、平均
流速を増加させることができ、本願の趣旨に沿った流路
構造を得ることができる。なぜなら、両構造にあって、
同一圧力損失との仮定の下にあっては、摩擦損失は流速
の一次以上で増加するため、形状損失が無視できるとい
う条件では、実線のような直管部を備えた形状の方が、
摩擦損失を低減でき、破線のような形状の場合より明ら
かに平均流速が増加するからである。

【０００９】さて、請求項４に記載されているように、
前記流路上流側端部と前記流路下流側端部との流路断面
積に関して、前記流路下流側端部の流路断面積が前記流
路上流側端部の流路断面積より大きいことが好ましい。
従来技術の流路構成にあっては、流路上流側端部と流路
下流側端部との流路径は、通常、同一程度とされてきた
が、流路下流側端部の流路断面積を大きくする場合は、
拡大断面部における膨張をさらに滑らかなものとすると
共に、それを適切なものとでき、この部位より下流側で
の渦の形成を抑制して、圧力損失の要因となりやすい後
伴流部位での圧力損失を抑制することができる。

【００１０】さて、これまでの説明にあたっては、流路
軸方向に沿った縮小断面部と拡大断面部との組み合わせ
において、超音波が伝播される流路を構成する場合に関
して説明したが、後伴流における渦の発生を抑制して、
この渦の発生に伴う圧力損失を抑えようとすることも重
要である。従って、請求項５に記載されているように、
流量計測対象の流体が流入する流路上流側端部と、流出
する流路下流側端部とを、流路軸に沿って備え、前記流
路上流側端部と前記下流側端部との間に、上流側から下
流側に向かうに従って、流路断面積が漸次減少する縮小
断面部を備えると共に、その下流側に流路断面積が漸次
増加する拡大断面部を備えた超音波流量計において、前
記流路下流側端部で、流路側に張り出した境界の境界線
曲率半径をＲ２、この部位での流路径をＤ１とすると
き、３×Ｄ１≧Ｒ２≧２０×Ｄ１の関係とすることが好
ましい。このように、下流側端部に流れの剥離等を発生
し難い、充分な曲率を有する流路下流側端部を設けるこ
とで、渦等の発生を抑制して圧力損失を低減でき、本願
の目的を達成できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】超音波流量計１には、図１に示す
ように、流速測定部２を成す超音波流速測定管が備えら
れており、流れ方向の上流側及び下流側に（流れの方向
は大きな矢印で図示した）、所定距離を隔てて超音波振
動子３が配置されている。この超音波振動子３は、図示
すように直線である流路軸Ｚ上で、その超音波発信のセ
ンターを合わせて互いに対向して備えられている。この
超音波振動子３は、パルス発生回路４からの駆動パルス
により駆動されて振動子が超音波を発生する一方、送信
されてきた超音波を受信するもので、その超音波振動子
３が振動したときの受信波が増幅回路５から電気信号と
して演算回路６に出力されるものとされている。

【００１２】この構成にあって、上流側の超音波振動子
３ａから流れに対して順方向に送信された超音波が、下
流側の超音波振動子３ｂで受波されるまでの伝播時間Ｔ
１と、下流側の超音波振動子３ｂから流れに対して逆方
向に送信された超音波が上流側の超音波振動子３ａで受
波されるまでの伝播時間Ｔ２との差ΔＴは、流速に関係
することから、演算回路６において前記伝搬時間差ΔＴ
に基づいて流速を測定し、さらに流速に基づいて、流量
を求めることができる。なお、図１、２、３において、
各超音波振動子３とパルス発生回路４、および増幅回路
５の接続を切替える切替回路７が設けられており、先
ず、計測にあたっては、パルス発生回路４と上流側の超
音波振動子３ａを、他方、下流側の超音波振動子３ｂと
増幅回路５を接続して、上流側から下流側への伝搬時間
を測定した後、該切替回路７の作動によりパルス発生回
路４と下流側の超音波振動子３ｂを、他方、上流側の超
音波振動子３ａと増幅回路５とが接続されるように切替
えて、下流側から上流側への伝搬時間を計測するものと
成されている。そして、演算回路６において、計測結果
から、公知の手法に従って、流速が求められる。

【００１３】以上は、従来型の超音波流量計の構造と大
きく異なるものではない。本願は、流速測定部２の流路
構成に特徴がある。この流速測定部２は、流路軸方向に
沿った位置で、その内径が異なる円筒形状を有してい
る。図１に示すように、流速測定部２は、流量計測対象
の流体が流入する流路上流側端部８ａと、流出する流路
下流側端部８ｂとを流路軸Ｚに沿って備え、流路上流側
端部８ａと下流側端部８ｂとの間に、上流側から下流側
に向かうに従って、流路断面積が漸次減少する縮小断面
部９を備えると共に、その下流側に流路断面積が漸次増
加する拡大断面部１０を備えて構成されている。ここ
で、流路軸に沿った方向での前記縮小断面部９の断面積
縮小率は、前記拡大断面部１０の断面積拡大率より大き
く構成されている。さらに、これらの部位に関して、縮
小断面部９に関しては、流路軸Ｚに沿って下流側に行く
に従ってその曲率が増加する流線形曲線で、拡大断面部
１０に関しては、流路軸Ｚに沿って下流側に行くに従っ
て、その曲率が減少する流線形曲線から、流路軸に沿っ
た断面の境界線が形成されている。これは、形状損失の
殆どを占める後伴流の発生による損失が下流側（膨張
側）で発生するため、上流部（圧縮側）で断面積の変化
率を大きくし、下流部で変化率を小さくすることによ
り、形状損失の減少を図ったものである。また、縮小断
面部９と拡大断面部１０との間に、流路断面積の等しい
直管部１１が備えられている。

【００１４】さらに、前記流路上流側端部８ａと前記流
路下流側端部８ｂとの流路断面積に関しては、前記流路
下流側端部８ｂの流路断面積が前記流路上流側端部８ａ
の流路断面積より大きい構成が採用されている。

【００１５】従って、この超音波流量計の流速測定部
は、所謂、末広ノズルとしての形態が採用されている。
更に、この流速測定部の下流流側端部に関して、この端
部部位に円弧加工が施されている。

【００１６】このような構造を採用することにより、境
界層の剥離や後伴流の発生を最小限に抑えられ、形状損
失は摩擦損失に比べ、無視できるレベルまで、低下させ
ることができる。

【００１７】さて、上記の実施の形態は、本願における
最も好ましい場合の例を示したが、本願の趣旨に合致し
たものとしては、図２に示すような形態を採用してもよ
い。この場合、流速測定部２は、縮小断面部９の下流側
に拡大断面部１０を直接接続されて構成されており、図
上、ａ＜ｂであり、最も、好ましい形態として、ａ／ｂ
を０．５としている。この値は、０．１≦ａ／ｂ≦１の
範囲とすることが、好ましい。一方 図示するような形
状にあって、（流速測定部２の流路境界に沿った流路上
流側端部から流路下流側端部までの長さ）／（ＢＥの長
さ）の値が一定値を超えれば、形状損失は充分小さくで
き、この例の場合は４を採用している。また、この一定
値は端部の条件により異なるが、概略４〜１０程度が好
ましい範囲である。

【００１８】〔別実施の形態〕上記の実施の形態にあっ
ては、縮小断面部と拡大断面部とを共に、流路軸方向に
沿った断面視、曲面からなるものとしたが、本願の目的
は、従来検討されてこなかった形状損失の解消にあるた
め、直管として流速測定部を構成する場合の対比とにお
いて、図３に示すように、管軸方向に沿った境界線が直
線となるものであってもよい。この場合も、流れを適切
に制御できる。図３に示すものは、図１に対応して、直
管部１１も備えている。また、ここまで述べてきた例に
おいて、その縮小断面部９の流路断面形状を限定するも
のではないが、圧力損失の観点から見れば、円が最も望
ましく、次善の形状として、楕円などが好ましい。ま
た、この流速測定部の下流側端部に関して、その流路断
面径をＤ１とし、流れが実質的な開空間に噴出する構成
を採用する場合は、先に説明した渦の発生を抑制するた
め、この端部部位に半径Ｒ２（３×Ｄ１≧Ｒ２≧２０×
Ｄ１）程度の円弧を形成することが好ましい。このよう
に、比較的大きな円弧部を設けることで、渦の発生を抑
え、この要因による圧力損失を、流速増加側に回すこと
が可能となる。この範囲を逸脱すると渦を発生しやすく
なる場合もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願の超音波流量計の主要部の構成を示す図

【図２】別実施の形態に係る本願の超音波流量計の主要
部の構成を示す図

【図３】別実施の形態に係る本願の超音波流速計の主要
部の構成を示す図

【図４】従来の測定法における流速測定部及び超音波振
動子の配置構成を示す図

【図５】直管部を備える場合の流速測定部の断面形状の
説明図

【符号の説明】

１ 超音波流量計 ２ 流速測定部 ３ 超音波振動子 ３ａ 上流側の超音波振動子 ３ｂ 下流側の超音波振動子 ４ パルス発生回路 ５ 増幅回路 ６ 演算回路 ７ 切替回路 ８ａ 流路上流側端部 ８ｂ 流路下流側端部 ９ 縮小断面部 １０ 拡大断面部 １１ 直管部 Ｚ 流路軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田川 滋 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 Ｆターム(参考） 2F035 DA19 DA22

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流量計測対象の流体が流入する流路上流
   側端部と、流出する流路下流側端部とを流路軸に沿って
   備え、 前記流路上流側端部と前記下流側端部との間に、上流側
   から下流側に向かうに従って、流路断面積が漸次減少す
   る縮小断面部を備えると共に、その下流側に流路断面積
   が漸次増加する拡大断面部を備えた超音波流量計であっ
   て、 流路軸に沿った方向での前記縮小断面部の断面積縮小率
   が、前記拡大断面部の断面積拡大率より大きい超音波流
   量計。
2. 【請求項２】 前記縮小断面部及び前記拡大断面部に関
   して、流路軸に沿った断面視で、流路を画定する流路境
   界が滑らかな曲線状境界とされると共に、前記縮小断面
   部の曲線状境界が下流側に行くに従って曲率が増す曲線
   で、前記拡大断面部の曲線状境界が下流側に行くに従っ
   て曲率が減少する曲線で構成されている請求項１記載の
   超音波流量計。
3. 【請求項３】 前記縮小断面部と前記拡大断面部との間
   に、流路断面積の等しい直管部を備えた請求項１または
   ２記載の超音波流量計。
4. 【請求項４】 前記流路上流側端部と前記流路下流側端
   部との流路断面積に関して、前記流路下流側端部の流路
   断面積が前記流路上流側端部の流路断面積より大きい請
   求項１から３のいずれか１項記載の超音波流量計。
5. 【請求項５】 流量計測対象の流体が流入する流路上流
   側端部と、流出する流路下流側端部とを、流路軸に沿っ
   て備え、 前記流路上流側端部と前記下流側端部との間に、上流側
   から下流側に向かうに従って、流路断面積が漸次減少す
   る縮小断面部を備えると共に、その下流側に流路断面積
   が漸次増加する拡大断面部を備えた超音波流量計であっ
   て、 前記流路下流側端部で、流路側に張り出した境界の境界
   線曲率半径をＲ２、この部位での流路径をＤ１とすると
   き、3 ×Ｄ１≧Ｒ２≧２０×Ｄ１の関係に設定されてい
   る超音波流量計。