JP2002228499A - 超音波流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 摩擦抵抗が小さい内壁構造を有する流路を備
えた超音波流量測定装置を提供する 【解決手段】 流量測定対象の流体が流れる流路４の上
流側と下流側とに設けられた少なくとも一対の超音波振
動子を備えてなる超音波流量測定装置であって、上記流
路４の内壁面に上記流体の流れ方向に沿って連続的に凹
凸構造３を形成することで上記流路４の見かけ上の断面
積を拡大してなる超音波流量測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流量測定が行われ
る流路の内壁面の構造に特徴のある超音波流量測定装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】配管などの流路内壁の上流側と下流側と
に一対の超音波振動子を配置し、流体の流れに沿った方
向と、流体の流れに逆らう方向とに超音波を伝搬させ、
検出される伝搬時間の差から流体の流速を測定し、その
結果、流量内部に流れる流量を導出するような超音波流
量測定装置がある。

【０００３】管１１に流れる流体の流量を超音波振動子
１０Ａ、超音波振動子１０Ｂ、および信号処理装置１３
を用いて測定するための従来の超音波流量測定装置につ
いて図４（ａ）を参照して説明する。

【０００４】流路１２における流速をＶとし、流体中の
音速がＣであり、超音波振動子１０Ａから超音波振動子
１０Ｂへの順方向伝搬時間がｔ₁であり、超音波振動子
１０Ｂから超音波振動子１０Ａへの逆方向伝搬時間がｔ
₂であり、超音波振動子１０Ａと超音波振動子１０Ｂと
の間の超音波の伝搬距離がＬである場合、以下の数１が
成立する。

【０００５】

【数１】ｔ₁＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ） ｔ₂＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ）

【０００６】ここで、Ｃ²＞＞Ｖ²であるとすると、数１
に示した２つの式を乗算することで、以下の数２が成立
する。

【０００７】

【数２】Ｃ²＝Ｌ²／（ｔ₁×ｔ₂）

【０００８】また、数１に示した２つの式を減算するこ
とで順方向伝搬と逆方向伝搬における伝搬時間の時間差
を算出することができ、それは以下の数３で表すことが
できる。

【０００９】

【数３】ｔ₂−ｔ₁＝２ＬＶ／Ｃ²

【００１０】従って、数２と数３とから、順方向伝搬時
間ｔ₁と逆方向伝搬時間ｔ₂とを測定することで、信号処
理装置１３によって流体の流速Ｖを算出することがで
き、管１１の断面積Ｓと、流量計数βとを考慮して流速
および流量Ｑを求めることができるような以下の数４が
導出される。

【００１１】

【数４】Ｖ＝Ｌ×（１／ｔ₁−１／ｔ₂）／２ Ｑ＝Ｖ×Ｓ×β

【００１２】尚、図４（ａ）に示す超音波流量測定装置
では、超音波振動子１０Ａと超音波振動子１０Ｂとを対
向して配置し、一方の超音波振動子から送信された超音
波が他方の超音波振動子によって直接受信されている
が、図４（ｂ）に示すように、一方の超音波振動子から
送信された超音波が壁面で反射されて、その反射波を他
方の超音波振動子で受信するような構成とすることも行
われている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
超音波流量測定が行われる流路は、超音波の伝搬と流路
内壁における反射とを効率的に行うために凹凸の無い平
坦な内壁面を有していたため、壁面近傍では流体と壁面
との間の摩擦抵抗によって流体の流速が低下すること、
または流量が大きくなった場合に乱流が発生することで
流路内部に不均一な流速分布を生じさせていた。不均一
な流速分布がある場合、超音波流量測定では流体の流速
の正確な測定できず、その結果、正確な流量測定ができ
ないという問題があった。

【００１４】更に、流体と壁面との間に大きな摩擦抵抗
が存在することによって、その流路における圧力損失が
大きくなり、その流路を用いて流体を輸送するために大
きなエネルギーが必要になるという問題もある。

【００１５】本発明は上記の問題点に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、摩擦抵抗が小さい内壁構造を有
する流路を備えた超音波流量測定装置を提供することに
ある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明に係る超音波流量測定装置の第一の特徴構成
は、流量測定対象の流体が流れる流路の上流側と下流側
とに設けられた少なくとも一対の超音波振動子を備えて
なる超音波流量測定装置であって、流量の増大に伴う前
記流路の内壁面と前記流体との間の摩擦抵抗の増大を抑
制可能な凹凸構造を前記流路の内壁面に形成してなる点
にある。

【００１７】上記課題を解決するための本発明に係る超
音波流量測定装置の第二の特徴構成は、特許請求の範囲
の欄の請求項２に記載の如く、上記第一の特徴構成に加
えて、前記凹凸構造が、前記流路を取り囲む環状の溝に
より形成される点にある。

【００１８】上記課題を解決するための本発明に係る超
音波流量測定装置の第三の特徴構成は、特許請求の範囲
の欄の請求項３に記載の如く、上記第二の特徴構成に加
えて、前記溝が、前記流体の流れ方向に対して垂直に形
成されている点にある。

【００１９】上記課題を解決するための本発明に係る超
音波流量測定装置の第四の特徴構成は、特許請求の範囲
の欄の請求項４に記載の如く、上記第一の特徴構成に加
えて、前記凹凸構造が、所定の間隔で設けられた複数の
凹部により形成される点にある。

【００２０】以下に作用並びに効果を説明する。本発明
に係る超音波流量測定装置の第一の特徴構成によれば、
流量が大きくなった場合であっても凹凸構造により形成
される窪みの内部に微小な乱流を形成し、この乱流によ
る渦によって流路を流れる流体に摩擦抵抗の無い領域を
提供することができるため、内壁面と流体との間の摩擦
抵抗が増大することを防止することができる。逆説的に
言うと、本発明の凹凸構造を内壁面に備えた流路におい
て内壁面からの流体の剥離を発生させるためには、壁面
に凹凸構造を設けていない場合に比べて摩擦抵抗が小さ
い分だけ大きな流速を流すことが必要であり、言い換え
ると、流路の内壁面に流体の流れ方向に沿って連続的に
凹凸構造を形成することで流体にとっての流路の見かけ
上の断面積を拡大することができる。

【００２１】ここで、見かけ上の断面積について説明す
る。同じ流量を同じ断面積の管に流す場合、凹凸構造が
形成された管に流した場合は、流体と内壁面との間の摩
擦抵抗が小さいために均一な流速分布が得られる。一方
で、凹凸構造が形成されていない管に流した場合は、流
体と内壁面との間の摩擦抵抗が大きいために不均一な流
速分布が得られるが、流速を下げるために管の断面積を
拡大し、流体と内壁面との間の摩擦抵抗を低下させれ
ば、管の内壁面に凹凸構造を形成した場合と同様の均一
な流速分布を得ることができる。つまり、上述のような
均一な流速分布を得るために断面積が拡大された凹凸構
造を形成していない管の断面積が、凹凸構造を形成した
管の見かけ上の断面積である。

【００２２】その結果、同じ流量を同じ断面積の管に流
した場合であっても、内壁面に凹凸構造を形成すること
で圧力損失をより低減させることができる。また、大流
量を流した場合であっても流体の流速分布を均一にする
ことができることで、流体を輸送するために必要なエネ
ルギを低減することができ、超音波流量測定における測
定誤差を低下させることができる。また、流路の見かけ
上の断面積を拡大することができることから、同じ最大
流量で、同じ測定誤差範囲内であればより細い流路を使
用して超音波流量測定を行うことができ、その結果、流
量がより小さい場合であっても流路が細いことで流速を
上げることができるために超音波流量測定に要求される
最小流速を確保することができる。つまり、測定可能な
流量の範囲を広く設定することが可能になる。

【００２３】同第二の特徴構成によれば、前記流路を取
り囲むように、流路内壁面に溝を形成することで、流路
の内周面に沿って摩擦抵抗を均等に低下させることがで
きる。従って、流路の見かけ上の断面積を等方的に拡大
することができ、流体の流速分布を均一に保つことがで
きる。

【００２４】同第三の特徴構成によれば、流体の流れ方
向に対して垂直に、且つ流路の内周面に沿って摩擦抵抗
を低下させることができる。従って、流体の流れ方向に
対して垂直に流路の見かけ上の断面積を等方的に拡大し
たことになり、その結果、流体の流速分布を均一に保つ
ことができる。

【００２５】同第四の特徴構成によれば、複数の凹部を
内壁面の所望の位置に設けることで、内壁面上の摩擦抵
抗を低下させる位置を調整することができる。例えば、
複数の凹部のそれぞれを等間隔で設けることで、内壁面
上の摩擦抵抗を全ての方向に対して均等に低下させるこ
とができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】図１に示す超音波流量測定装置
は、縦断面図で示す管２の上流側に設置された超音波振
動子１Ａと下流側に設置された超音波振動子１Ｂとによ
って超音波の送受信を行い、信号処理装置５を用いて図
４を参照して上述したのと同様に流速および流量を測定
可能であるように構成されている。ここで、管２の内壁
面には流体の流れ方向に沿って連続的に凹凸構造３が形
成されており、流量の増大に伴う流路４の内壁面と流体
との間の摩擦抵抗の増大を抑制可能である。図１（ｂ）
に示した管２の側面図から明らかであるように、凹凸構
造３は、流路４を取り囲む環状の溝として流体の流れ方
向に対して垂直に形成されている。また、図１（ｃ）に
示す管２の横断面図から明らかであるように、管２の流
路４の断面形状は円形である。これらの凹凸構造３が形
成された管２は、表面に凹凸構造３が形成された複数の
部材を射出形成によって作製し、それらの部材を接合す
ることで得られる。或いは、射出形成された複数の部材
の表面を機械加工することによって溝や凹部などを形成
し、それらの部材を接合してもよい。

【００２７】管２の上流側（超音波振動子１Ａが設置さ
れた側）から流れてきたガスなどの流体は凹凸構造３が
形成された領域を通過して、下流側（超音波振動子１Ｂ
が設置された側）へ流れる。超音波振動子１Ａから送信
されて超音波振動子１Ｂに受信されるまでの順方向伝搬
時間ｔ₁と、超音波振動子１Ｂから送信されて超音波振
動子１Ａに受信されるまでの逆方向伝搬時間ｔ₂とを測
定し、超音波振動子１Ａと超音波振動子１Ｂとの間の超
音波の伝搬距離を考慮することで上述した数４によって
流体の流量が測定される。

【００２８】一般に、流速一定で流量を大きくすること
によって流体と内壁面との間の摩擦抵抗が大きくなる
が、管２の内壁面には凹凸構造３が形成されていること
で、管２の内壁面が平坦である場合に比べて摩擦抵抗の
増大を抑制することができる。更に、凹凸構造３は流路
４を取り囲む環状の溝として流体の流れ方向に対して垂
直に形成されているので、円形である管２の内周面に沿
って一様に摩擦抵抗を低下させることができており、こ
れは管２の断面積を見かけ上拡大していることと同等の
効果を有し、その結果、内壁面近傍で流体と壁面との間
の摩擦抵抗によって流体の流速が低下し、発生した乱流
により流体が内壁面から剥離するような現象が発生する
ことが防止され、流路４内部の流速分布の均一さを保つ
ことができる。尚、ここで言うところの断面積は凹凸構
造３の部分の面積は含まず、凹凸構造３を形成しなかっ
た場合の断面積である。

【００２９】図２（ａ）〜図２（ｃ）には、図１に示し
た凹凸構造３の改変例を示す。図２（ａ）は管２の縦断
面図であり、図２（ｃ）は管２の側面図であり、図２
（ｃ）は管２の横断面図である。図２（ａ）〜図２
（ｃ）に示した凹凸構造３は所定の間隔を置いて形成さ
れた複数の凹部（いわゆるディンプル）からなってお
り、上流側から下流側へ流れる間に流体が複数の凹部の
上方を通過するように凹部が配置されている。従って、
流体と内壁面との間の摩擦抵抗を低下させる効果は図１
に示した凹凸構造３と同様である。

【００３０】図１および図２には管２の断面が円形の場
合について説明したが、図３（ａ）および図３（ｂ）に
示すような四角形の断面を有する管を使用してもよい。
例えば、管２が四角形の断面を有するように構成する場
合、射出形成することによって、或いは更に機械加工す
ることによって予め４枚の平板に溝または凹部を形成
し、それらの平板を組み合わせることで四角形の断面を
有する管を簡単に作製することができる。尚、図３では
四角形の管２を示したが、五角形や六角形などの任意の
多角形で管２を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係る超音波流量測定装置を示
す図であり、（ｂ）は管の側面図であり、（ｃ）は管の
横断面図である。

【図２】（ａ）は別の管の縦断面図であり、（ｂ）は管
の側面図であり、（ｃ）は管の横断面図である。

【図３】（ａ）および（ｂ）は管の横断面形状の一例を
示す図である。

【図４】（ａ）は従来の超音波流量測定装置を示す図で
あり、（ｂ）はその改変例である。

【符号の説明】

１Ａ 超音波振動子 １Ｂ 超音波振動子 ２ 管 ３ 凹凸構造 ４ 流路 ５ 信号処理装置 １０Ａ 超音波振動子 １０Ｂ 超音波振動子 １１ 管 １２ 流路 １３ 信号処理装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流量測定対象の流体が流れる流路の上流
   側と下流側とに設けられた少なくとも一対の超音波振動
   子を備えてなる超音波流量測定装置であって、 流量の増大に伴う前記流路の内壁面と前記流体との間の
   摩擦抵抗の増大を抑制可能な凹凸構造を前記流路の内壁
   面に形成してなる超音波流量測定装置。
2. 【請求項２】 前記凹凸構造が、前記流路を取り囲む環
   状の溝により形成されることを特徴とする請求項１に記
   載の超音波流量測定装置。
3. 【請求項３】 前記溝が、前記流体の流れ方向に対して
   垂直に形成されていることを特徴とする請求項２に記載
   の超音波流量測定装置。
4. 【請求項４】 前記凹凸構造が、所定の間隔で設けられ
   た複数の凹部により形成されることを特徴とする請求項
   １に記載の超音波流量測定装置。