JP2002372445A

JP2002372445A - 超音波流量計

Info

Publication number: JP2002372445A
Application number: JP2001178228A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tachikawa; 裕之立川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2002-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】規定の圧力損失を満足し、伝播時間差の測定
誤差を低減し、広い流量範囲で高精度に測定を行うこと
ができる超音波流量計を提供する。【解決手段】本発明の超音波流量計の流量検出部１０
１は、断面積の大きな管路１８ａと断面積の小さな管路
１８ｂとを備え、切換弁３０の切換えにより、流体の流
量が多いときには断面積の大きな管路１８ａに流体を流
して超音波振動子１１ａ，１２ａで流量を測定し、流量
の少いときには断面積の小さな管路１８ｂに流体を流し
て超音波振動子１１ｂ，１２ｂで流量を測定し、流量が
測定に適切になるようにして測定精度を向上させること
を可能にしている。この流量検出部を用いる超音波流量
計は、流量の多少に対応して切換弁を制御し、適切な流
量が流れる測定管路を選択して、流量を正確に測定す
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、管路を通過する流
体の流量を超音波を用いて測定する超音波流量計に関
し、特にその流量検出部の構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１１は、従来の超音波流量計の流量検
出部を示す断面図である。この流量検出部２００は、測
定対象の流体（気体や液体）が矢印ＦＤの方向に流れる
測定管路９９と、この測定管路９９の上流側と下流側と
に、対向するようにそれぞれ配置された超音波振動子９
１，９２とを有する。超音波振動子９１，９２は、ＰＺ
Ｔなどの圧電素子から構成され、圧電素子の電気／機械
エネルギ変換効果を利用して超音波を互いに送受信す
る。図１１の超音波振動子９１，９２の場合、両者の振
動面の中心を結ぶ線である音線ＳＤが流体の流れ方向Ｆ
Ｄに角度θ（打ち込み角）をもって斜行するように配置
されており、音線ＳＤで表される距離はＬである。測定
制御部（不図示）の制御の下で、超音波振動子９１が矢
印ＳＤ１の方向に超音波を発信するとき、超音波振動子
９２はこれを受信し、超音波振動子９２が矢印ＳＤ２の
方向に超音波を発信するとき、超音波振動子９１はこれ
を受信する。これらのことから、測定制御部は、それぞ
れの方向ＳＤ１，ＳＤ２に対する超音波の伝播時間を測
定し、測定した両方向の時間の差から測定管路９９を流
れる流体の流速を算出し、算出した流速と測定管路９９
の断面積とから流体の流量を算出する。

【０００３】上述の超音波流量計において、測定制御部
は、上流側の超音波振動子９１が超音波を発信して下流
側の超音波振動子９２が受信するまでの伝播時間τ
₁と、下流側の超音波振動子９２が超音波を発信して上
流側の超音波振動子９１が受信するまでの伝播時間τ₂
とを交互に測定する。時間τ₁は、流体が流れる測定管
路９９の中を音速ｃの超音波が伝播する距離Ｌを、流速
ｖの音線方向成分であるｖｃｏｓθだけ増加した超音波
の速度（ｃ＋ｖｃｏｓθ）で除算すれば、下記の式
（１）のように求められる。また、同様にτ₂について
は、超音波が伝播する距離Ｌを、流速ｖの音線方向成分
であるｖｃｏｓθだけ減少させた超音波の速度（ｃ−ｖ
ｃｏｓθ）で除算すれば、下記の式（２）のように求め
られる。

【０００４】すなわち、 τ₁＝Ｌ／（ｃ＋ｖｃｏｓθ）・・・（１） τ₂＝Ｌ／（ｃ−ｖｃｏｓθ）・・・（２）である。上述の式（１）および式（２）から下記のよう
に、伝播時間差を表す式（３）および流速を表す式
（４）が求められる。すなわち、 τ₂−τ₁＝Ｌ／（ｃ−ｖｃｏｓθ）−Ｌ／（ｃ＋ｖｃｏｓθ）＝２Ｌｖｃｏｓθ／（ｃ²−ｖ²ｃｏｓ２θ） ≒２Ｌｖｃｏｓθ／ｃ² ・・・・・・（３）ｖ＝（ｃ²／２Ｌｃｏｓθ）×（τ₂−τ₁）・・・（４）

【０００５】上述の超音波流量計の流量検出部に用いら
れている従来の超音波振動子を観察すると、図１２
（ａ）で表されるような外観と、図１２（ｂ）で表され
るような断面構造を有している。すなわち、超音波振動
子９１，９２は、ＰＺＴなどからなる圧電素子９ａと、
音響インピーダンスマッチングをとって、超音波の透過
率を大きくし、超音波の送受信効率を向上させるための
整合層９ｂと、超音波振動子の振動を減衰させ残響によ
る雑音の影響を低減するための背面層９ｃと、これらを
一体的に保持する筐体９ｄとから構成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の超音波流量計に
おいては、超音波が超音波振動子９１，９２の間を伝播
する時間τ₁，τ₂の測定値に基づいて流速を算出してい
るので、超音波流量計の測定制御部の時間計測分解能や
周囲ノイズなどの影響による時間計測の誤差は測定精度
を悪化させる要因となる。例えば、伝播時間τ₁，τ₂の
測定にそれぞれΔτ₁，Δτ₂の誤差が存在する場合、流
速値ｖは、上述の式（４）に基づいて、下記の式（５）
のように表現される。すなわち、ｖ＝（ｃ²／２Ｌｃｏｓθ） ×｛（τ₂＋Δτ₂）−（τ₁＋Δτ₁）｝＝（ｃ²／２Ｌｃｏｓθ）×（τ₂−τ₁）＋（ｃ²／２Ｌｃｏｓθ）×（Δτ₂−Δτ₁）｝・・・（５）

【０００７】式（５）を参照すると、第１項が流速の真
値を表し、第２項が誤差を表していることが理解でき
る。したがって、もしも、第２項の誤差成分（Δτ₂−
Δτ₁）が流速ｖによって変化しないものとすると、流
速ｖが小さくなる（低流速、低流量の場合）に従って
（τ₂−τ₁）が小さくなり、誤差成分の影響が大きくな
り、計測精度が悪化する。この場合、流量をＱとし、測
定管路断面積をＳとすると、流速ｖは、ｖ＝Ｑ／Ｓと表
されるので、これに基づいて式（５）を変形すると下記
の式（６）のようになる。すなわち、（τ₂−τ₁）＋（Δτ₂−Δτ₁）＝２ｖＬｃｏｓθ／ｃ² ＝（Ｑ／Ｓ）×（２Ｌｃｏｓθ／ｃ²）・・・（６）

【０００８】なお、流速ｖが大きい時ほど測定の再現性
が良好であることから、時間測定の誤差成分（Δτ₂−
Δτ₁）は、流量に関係なくほぼ一定であると推測でき
る。したがって、伝播時間差（τ₂−τ₁）が大きくなれ
ばなるだけ、誤差成分の割合が小さくなり、測定精度の
向上を図ることができる。伝播時間差（τ₂−τ₁）を大
きくするためには、式（６）を参照すれば分かるよう
に、以下のの方法が考えられる。すなわち、測定管路断面積Ｓを小さくする。音線の長さの流れ方向成分（Ｌｃｏｓθ）を大きくす
る。しかし、測定管路断面積Ｓを小さくすることは、流速を
増加させるものの圧力損失を規定の範囲内に留めるとい
う条件を満足しないという問題がある。また、Ｌｃｏｓ
θを増大させることは、超音波流量計の長さを不都合に
長くしてしまうという問題がある。特に、これらの問題
は、ＬＰガス用や都市ガス用のメータとして応用する場
合に、大きな支障となる。

【０００９】本発明は、上記の問題を解決するためにな
されたものであって、超音波流量計の流れ方向の長さを
長くせずに、規定の圧力損失を満足し、かつ、低流量で
の伝播時間差の測定誤差の影響を低減し、広い流量範囲
で高精度な測定を可能にする超音波流量計を提供するこ
とを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため、本発明は、管路を流れる流体の流量を超音波を用
いて測定する超音波流量計において、断面積が異なる少
なくとも２本の管路と、それぞれの管路へ流体の流れを
切換える切換手段と、前記管路の少なくとも１本を測定
管路とし、該測定管路の上下流側それぞれに配置された
一対の超音波振動子とを有することを特徴とするもので
ある。

【００１１】このような構成によれば、切換手段により
測定管路以外の管路を閉塞あるいは開放して、測定管路
に流量測定に適した流量の流体が流れるようにした好適
な条件の下に流量測定を可能にさせる。

【００１２】そして、本発明の実施の形態では、断面積
の大きな管路１８ａと断面積の小さな管路１８ｂとを備
え、切換弁３０の切換えにより、流体の流量が多いとき
には断面積の大きな管路１８ａに流体を流して超音波振
動子１１ａ，１２ａで流量を測定し、流量の少いときに
は断面積の小さな管路１８ｂに流体を流して超音波振動
子１１ｂ，１２ｂで流量を測定し、流量が測定に適切に
なるようにして測定精度を向上させることを可能にして
いる。他の実施の形態では、断面積の大きな管路４８ａ
および断面積の小さな管路４８ｂと、両面から超音波を
発信および受信する超音波振動子５１，５２とを備え、
切換弁３０の切換えにより、流体の流量が多いときには
管路４８ａに流体を流して超音波振動子５１，５２で流
量を測定し、流量の少いときには管路４８ｂに流体を流
して超音波振動子５１，５２で流量を測定し、流量が測
定に適切になるようにして測定精度を向上させることを
可能にしている。さらに、もう一つの実施の形態では、
２つの管路すなわち、バイパス管路６８ａと測定管路６
８ｂとを備え、流量が多いときには、バイパス管路６８
ａを開放して、流体の一部をバイパスさせ、測定管路６
８ｂに適切な流量が流れるように遮断弁８０を制御可能
にしている。

【００１３】また、本発明において、前記管路は２本と
したことを特徴とし、このような構成は、本発明のもっ
とも単純な構造を提供するものである。

【００１４】また、本発明においては、前記流量を検出
するための一対の超音波振動子を前記２本の管路のそれ
ぞれに配置したことを特徴としており、このような構成
によれば、流量に対応して切換手段によってどちらかの
測定管路を用いればよく、制御が容易となる。

【００１５】また、本発明は、管路を流れる流体の流量
を超音波を用いて測定する超音波流量計において、流体
が内部を流れる外殻部と、流体が流れる外殻部の内部を
断面積の異なる少なくとも２つの管路に分割する内殻部
と、流体の流れをいずれかの管路へ切換え、該いずれか
の管路を測定管路とする切換手段と、内殻部の上流と下
流とにそれぞれ配置され、前記少なくとも２本の管路に
向けて反対方向にそれぞれが超音波を発信する少なくと
も２つの超音波振動子であって、一方の超音波振動子が
それぞれの管路に発信した超音波は、それぞれの管路を
異なる伝播距離を経由して伝播し、伝播した超音波を他
方の超音波振動子が受信する超音波振動子とを有するこ
とを特徴とするものである。

【００１６】また、本発明の超音波流量計において、測
定管路以外の管路はバイパス管路として必要に応じて閉
塞し、あるいは開放することで、前記測定管路を通過す
る流体の流量を、流量を測定するのにより適したものと
するように前記切換手段を制御することを特徴とし、こ
のような構成によれば、超音波による流量測定の精度を
より高めることができる。

【００１７】また、本発明の超音波流量計において、前
記超音波振動子が配置された測定管路が複数あるときに
は、流量を測定するのに最適な測定管路に流体を流すよ
うに前記切換手段を制御することを特徴とし、このよう
な構成によっても、超音波による流量測定の精度を高め
ることができる。

【００１８】また、本発明は、管路を流れる流体の流量
を超音波を用いて測定する超音波流量計において、少な
くとも２本の管路と、前記管路の１本を測定管路とし、
該測定管路の上下流側それぞれに配置された一対の超音
波振動子と、前記測定管路と異なる他の管路における流
体の流れを適宜制限する遮断手段とを有することを特徴
とするものである。

【００１９】このような構成によれば、測定管路以外の
管路を遮断手段により閉塞あるいは開放することによ
り、測定管路に適切な流量の流体を流すことができ、超
音波による流量測定の精度を高めることができる。

【００２０】また、本発明の超音波流量計において、前
記遮断手段は、周辺部が弾性膜で構成され、中心部が形
状記憶合金の線材で編まれた形状記憶合金網で構成さ
れ、形状記憶合金網への無通電時には、形状記憶合金網
は開放状態であって、形状記憶合金網への通電時には、
形状記憶合金網は閉塞状態になることを特徴とするもの
であり、形状記憶合金編を用いることにより、簡易で軽
量化された遮断手段を実現することができる。

【００２１】また、本発明の超音波流量計において、前
記遮断手段を制御し、測定管路を流れる流体の流量が流
量を測定するのに適するように、前記測定管路以外の他
の管路に流れる流体を適宜制限することを特徴とし、こ
のような構成によっても、超音波による流量測定の精度
を高めることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面に基づいて説明する。実施の形態１.図１は、本発明の実施の形態１を模式的
に示す断面図、図２は図１の切換弁の切換えによる流量
検出部の特性の変化を示すグラフ、図３は図１の切換弁
の一例を示す断面図、図４は図３の駆動部の一例を示す
断面図である。

【００２３】図１に示す超音波流量計の流量検出部１０
１は、流れ方向が矢印ＦＤで示されるガスの流量を検出
するためのものであって、一方の側面がガス導入路１０
ｇに接続され、それに対向する他方の側面がガス排出路
１０ｈに接続された外殻部１０と、外殻部１０の中に配
置され、外殻部１０の内部を断面積の異なる測定管路１
８ａ，１８ｂとなるように仕切っている内殻部２０とを
有している。ガス導入路１０ｇに近い内殻部２０の一端
には、ガス導入路１０ｇからのガスを測定管路１８ａ，
１８ｂのいずれか一方に切換え導入する切換弁３０が配
置されている。

【００２４】断面積の大きな測定管路１８ａの上流側に
は超音波振動子１１ａが外殻部１０に配置され、下流側
には超音波振動子１２ａが超音波振動子１１ａに対向す
るように内殻部２０に配置されている。断面積の小さな
測定管路１８ｂの上流側には超音波振動子１１ｂが内殻
部２０に配置され、下流側には超音波振動子１２ｂが超
音波振動子１１ｂに対向するように外殻部１０に配置さ
れている。

【００２５】図１の超音波流量計の測定制御部（不図
示）は、流量検出部１０１の切換弁３０を図２のグラフ
に従うように切換え制御する。すなわち、ガス導入路１
０ｇからの導入されるガスの流量Ｑが少ない場合には、
導入されるガスが第２の測定管路１８ｂを通ってガス排
出路１０ｈに排出されるように設定する（図１に同
じ）。ガスの流量が次第に増加してくると、測定管路１
８ｂの圧力損失ΔＰ（図２）が増加する。圧力損失ΔＰ
がΔＰ２に到達すると、測定制御部は、ガスが測定管路
１８ｂを流れずに、測定管路１８ａを流れるように、切
換弁３０を切換える。この場合においても、断面積を
Ｓ、流量をＱ、流速をｖ、伝播距離をＬ、打ち込み角を
θ、伝播時間差を（τ₁−τ₂）とすると、先に述べた式
（３）と同様に、下記の式（７）が成立する。すなわ
ち、（τ₂−τ₁）＝２ｖＬｃｏｓθ／ｃ² ・・・・・・（７）

【００２６】添え字ａ，ｂを測定管路１８ａ，１８ｂ側
に切換わった場合を表すものとして、式（７）を用いて
表現すると、下記の式（８）および式（９）が成立す
る。すなわち、（τ_2a−τ_1a）＝２ｖ_aＬ_a×ｃｏｓθ_a／ｃ² ・・・（８）（τ_2b−τ_1b）＝２ｖ_bＬ_b×ｃｏｓθ_b／ｃ² ・・・（９）この場合、伝播距離Ｌと打ち込み角θの余弦値の積が大
きいほど、伝播時間差の測定誤差の影響が少なく良好な
測定精度が得られるが、この値は配置された超音波振動
子の管路長方向の距離に対応し、流量検出部に許された
長さの制約を受ける。しかし、図１の構成において、超
音波振動子の管路長方向の距離をできるだけ大きく取れ
ば、測定管路１８ａと測定管路１８ｂとにおける超音波
振動子の間の距離は、ほぼ同等になる。したがって、Ｌ_aｃｏｓθ_a＝Ｌ_bｃｏｓθ_b（＝Ｌ’とする）・・・（１０）が成立する。

【００２７】式（１０）と、ｖ＝Ｑ／Ｓとを用いて式
（８）および式（９）を変形すると、（τ_2a−τ_1a）＝２（Ｑ／Ｓ_a）＊（Ｌ’／ｃ²）・・・（１１）（τ_2b−τ_1b）＝２（Ｑ／Ｓ_b）＊（Ｌ’／ｃ²）・・・（１２）が得られる。これらの式から明らかなように、流量Ｑが
所定限度Ｑ₀（図２）未満である場合には測定管路断面
積が小さい方（Ｓ_b）が伝播時間差が大きくなり、伝播
時間差の測定の誤差が低減され、良好な精度を得ること
ができる。そこで、切換弁３０によってガス導入路１０
ｇからのガスを測定管路１８ｂを経て流す。しかし、更
に流量Ｑが増加し、所定限度Ｑ₀に達した場合には、測
定管路断面積が小さい方（Ｓ_b）は圧力損失が規定限度
を超えて大きくなり、省エネルギの観点から望ましくな
いとともに、圧力損失が計量法で規定されているガスメ
ータなどに適用する場合には問題となる。そこで、流量
Ｑが所定限度Ｑ₀を超えた場合には、圧力損失がそれ以
上に大きくなるのを緩和するために、切換弁３０を切換
えてガス導入路１０ｇからのガスを測定管路１８ａを経
て流す。このように、ガス導入路１０ｇからのガスの流
量Ｑが所定限度Ｑ₀より多いか少ないかに対応して、切
換弁３０を切換え、ガスを流す測定管路を測定管路１８
ａまたは測定管路１８ｂに設定する。

【００２８】上述の例において、図２に示される流量Ｑ
の所定限度Ｑ₀は、流量Ｑの広い範囲で全体として圧力
損失を低減し、伝播時間差の測定の誤差が少なくなるよ
うな流速が満たされるように選択されるべきである。ま
た、測定管路１８ａ，１８ｂとしては断面形状が矩形で
ある矩形管（あるいは、断面形状が円形である円管）で
構成することを想定している。例えば、２つの測定管路
１８ａ，１８ｂとして矩形管を用いる場合、測定管路幅
を同等にし、測定管路高さを異なるように設定すれば、
伝播距離を短くできるので、超音波の伝播減衰によるＳ
／Ｎの劣化を防ぐことができ、伝播時間差の測定誤差を
少なくすることができるという利点がある。また、この
例において、流速測定に用いられていない測定管路側に
おいて、伝播時間を測定すれば、音速の補正ができ、ガ
ス種の変化、ガス温度の変化などをリアルタイムで感知
し、精度の良い測定ができる。また、この例では、測定
管路は２つとしたが、断面積の異なる３つ以上の測定管
路を配置し、それぞれに超音波振動子を配置し、その中
からその時点のガスの流量に対応した流速および流量測
定に最も適合した測定管路を選択して、その測定管路に
ガスを流し、測定するようにしてもよい。

【００２９】図３は、図１で示された流量検出部の切換
弁として好適なものを示す断面図である。この切換弁３
０においては、接続用導入路３０ｇは、ガス導入路１０
ｇに接続され、ガスを導入する。駆動部３１（例えば、
モータおよびギヤ）は、アクチュエータ３２を上下に往
復動させる。アクチュエータ３２の先端（下端）には、
上下両面にパッキン３３ａ，３３ｂが配置されている。
したがって、駆動部３１がアクチュエータ３２を上昇さ
せると、パッキン３３ａは、接続用導入路３０ｇと接続
用管路３８ａとを連通させている穴を塞ぎ、導入ガスが
矢印ＦＤのように接続用管路３８ｂから測定管路１８ｂ
に流れるようにする（図３に同じ）。また、駆動部３１
がアクチュエータ３２を下降させると、パッキン３３ｂ
は、接続用導入路３０ｇと接続用管路３８ｂとを連通さ
せている穴を塞ぎ、導入ガスが接続用管路３８ａから測
定管路１８ａに流れるようにする。

【００３０】図４は、図３の駆動部をモータを使用せず
に、ソレノイドを主要部品として構成した例である。こ
の駆動部３１は、筐体３４の中に垂直方向にスプリング
３５を配置し、アクチュエータ３２を上方に引き上げる
ようにしている。アクチュエータ３２の先端（下端）に
は、上下両面にパッキン３３ａ，３３ｂが配置されてい
る。ソレノイド３６は、超音波流量計の測定制御部（不
図示）の指示によってアクチュエータ３２を駆動して下
降させ、あるいは、アクチュエータの駆動を停止して解
放する。したがって、ソレノイド３６に通電されない状
態では、アクチュエータ３２は、スプリング３５によっ
て引き上げられ、パッキン３３ａは、接続用導入路３０
ｇと接続用管路３８ａとを連通させている穴を塞ぎ、導
入ガスが接続用管路３８ｂから測定管路１８ｂに流れる
ようにする。また、ソレノイド３６に通電された状態で
は、アクチュエータ３２は、ソレノイド３６の力によ
り、スプリング３５の付勢に対抗して引き下げられ、パ
ッキン３３ｂは、接続用導入路３０ｇと接続用管路３８
ｂとを連通させている穴を塞ぎ、導入ガスが接続用管路
３８ａから測定管路１８ａに流れるようにする。

【００３１】実施の形態２.次に、本発明の実施の形態
２について説明する。図５は、実施の形態２を示す断面
図、図６は、図５の動作を説明するためのタイムチャー
ト、図７は、図５の超音波振動子を示す断面図である。
図５の超音波流量計の流量検出部１０２において、切換
弁３０は、先述の実施の形態におけると同様に動作する
が、超音波振動子の数が４個から２個に低減されてい
る。ただし、ここで使用されている超音波振動子は、図
７に示されるように両面から超音波を送受信できるよう
になっている。図５の流量検出部１０２は、外殻部４０
と、外殻部４０の中を断面積の異なる測定管路４８ａ，
４８ｂに区分する内殻部５０とを有する。内殻部５０に
は、図５において振動面を上下に有する２つの超音波振
動子５１，５２が配置されている。したがって、超音波
振動子５１，５２からは外殻部４０の内面に向けて、流
れ方向ＦＤに垂直に超音波が発信される。

【００３２】超音波振動子５１から上下両方向に発信さ
れた超音波は、図５の点線で示すように、外殻部４０の
内面（傾斜面４１，４２）および内殻部５０の中央付近
の外面で反射され（この場合、３回反射されている）、
超音波振動子５２に受信される。また、超音波振動子５
２から上下両方向に発信された超音波は、同様に、図５
の点線で示すように、外殻部４０の内面および内殻部５
０の中央付近の外面で反射され、超音波振動子５１に受
信される。外殻部４０の傾斜面４１，４２の傾斜は、超
音波振動子から発信された超音波がガスの流量がゼロの
時に最も受信感度が高くなるように角度調整されてい
る。さらに、測定管路４８ａ，４８ｂを伝播する超音波
が同じような時間で受信側に到達した場合、それぞれの
測定管路を伝播した超音波が重畳してしまうので、正確
な伝播時間測定が困難になる。そこで、そのような影響
を回避するために、それぞれの伝播時間を相違させる必
要がある。超音波振動子の減衰特性にもよるが、伝播距
離の偏差は、５０ｍｍ以上あるように設定するのが好ま
しい。図５の例では、測定管路４８ａの方が測定管路４
８ｂよりも高さを高くし、この伝播距離の条件を満たす
ようにしている。上述の場合、測定に使用される測定管
路は、切換弁の設定により選択される。

【００３３】次に、図５の流量検出部１０２の制御動作
について図６を参照して説明する。時刻ｔ₁に超音波振
動子５１の上下両面より、測定管路４８ａ，４８ｂの内
面に向けて発信された超音波は、ｔ_1a，ｔ_1bの時間間隔
で超音波振動子５２に到達する。時間ｔ２に超音波振動
子５１の上下両面より、測定管路４８ａ，４８ｂの内面
に向けて発信された超音波は、ｔ_2a，ｔ_2bの時間間隔で
超音波振動子５２に到達する。したがって、測定管路４
８ａでの伝播時間差は（ｔ_2a−ｔ_1a）となり、測定管路
４８ｂでの伝播時間差は（ｔ_2b−ｔ_1b）となる。これら
の伝播時間差から測定管路４８ａ，４８ｂにおける流量
値が測定される。なお、図５の流量検出部１０２で用い
られる超音波振動子５１，５２は、図７に示されるよう
な構造をしている。すなわち、超音波素子５１，５２
は、圧電素子５ａと、圧電素子５ａを内蔵し、音響イン
ピーダンスマッチングをとり、超音波の透過率を大きく
して送受信効率をあげるための整合層５ｂと、これらを
一体的に保持する筐体５ｃとを有する。

【００３４】実施の形態３.次に、本発明の実施の形態
３について説明する。図８は本発明の実施の形態３を示
す断面図、図９は図８の遮断弁の一例を示す断面図、図
１０は図８の遮断弁の他の例を説明するための図であ
る。図８の超音波流量計の流量検出部１０３は、一方の
側面がガス導入路１０ｇに接続され、それに対向する他
方の側面がガス排出路１０ｈに接続された外殻部６０
と、外殻部６０の中に配置され、内部がバイパス管路６
８ａと測定管路６８ｂとになるように仕切っている内殻
部７０とを有している。ガス導入路１０ｇに近い内殻部
７０の一端には、遮断弁８０が配置されている。測定管
路６８ｂの上流側には超音波振動子６１ｂが内殻部７０
に配置され、下流側には超音波振動子６２ｂが超音波振
動子６１ｂに対向するように外殻部６０に配置されてい
る。

【００３５】図８の流量検出部を使用する場合、ガスの
流量が通常であると、遮断弁８０を閉じて、ガスが測定
管路６８ｂのみを流れるようにして流速を上げ伝播時間
差を大きくして測定精度を向上させる。ガスの流量が大
量のときは、遮断弁８０を開放して、ガスがバイパス管
路６８ａと測定管路６８ｂとの両方を流れるようにし、
圧力損失を低減させる。このようにガス流量が大量であ
るとき、バイパス管路６８ａと測定管路６８ｂとの両方
をガスが流れるようにすると、管路の摩擦などが無視で
き、流体抵抗は断面積に反比例し、ガスの流量は断面積
に比例する。したがって、遮断弁８０が開放の場合、測
定管路６８ｂの流量が測定できれば、全流量が算出でき
る。しかし、実際には、管路の形状、大きさなどによる
流体抵抗の相違、遮断弁８０の影響といったことが原因
で、ガス流れの変化が生じ、測定管路６８ｂにおいて測
定された流量によって全体の流量を求めるには実験によ
る補正係数が必要になる。この流量検出部１０３は、流
量検出部１０１と比較すると、超音波振動子が一対であ
る点が有利であり、流量検出部１０２と比較すると、反
射を用いない点で送受信感度の低下（Ｓ／Ｎの劣化）が
少ないという利点がある。なお、上述の図８の例では、
バイパス管路６８ａは、一本であるが、流量の増大に段
階的に対応できるようにバイパス管路を複数本備え、遮
断弁の代わりに切換弁を配置し、その切換弁により適宜
な断面を有するバイパス管を選択できるようにしてもよ
い。

【００３６】図９は、図８の流量検出部１０３に用いら
れる遮断弁８０の構成例を示す断面図である。この遮断
弁８０において、接続用導入路８０ｇは、ガス導入路１
０ｇ（図８）に接続され、ガスを導入する。駆動部８１
（例えば、モータおよびギヤ）は、アクチュエータ８２
を上下に往復動させる。アクチュエータ８２の先端（下
端）には、下面にパッキン８３ａが配置されている。し
たがって、駆動部８１がアクチュエータ８２を下降させ
ると、パッキン８３ａは、接続用導入路８０ｇと接続用
管路８８ａとを連通させている穴を塞ぎ、導入ガスが矢
印ＦＤのように接続用管路８８ｂから測定管路６８ｂ
（図８）に流れるようにする。また、駆動部８１がアク
チュエータ８２を上昇させると、パッキン８３ａは、接
続用導入路８０ｇと接続用管路８８ａとを連通させてい
る穴を開き、接続用導入路８０ｇからの導入ガスが接続
用管路８８ａからバイパス管路６８ａへ、さらに、接続
用管路８８ｂから測定管路６８ｂに流れるようにする。

【００３７】図１０（ａ）、図１０（ｂ）、および、図
１０（ｃ）は、図８の流量検出部１０３に用いられる遮
断弁８０の他の構成例を示す断面図である。ここでは、
形状記憶合金の形状記憶効果を利用している。まず、線
状の形状記憶合金８４に図１０（ａ）のように波状に縮
んだ状態を記憶させる。この形状記憶合金８４を網目状
に編み込んで形状記憶合金網８５を形成する。形状記憶
合金網８５の周囲には、周囲方向に弾性力が作用するよ
うに弾性膜８６を取り付けてなる遮断弁８０を流れ方向
に垂直に配置する。遮断弁８０の開放時には、弾性膜８
６の張力により形状記憶合金８４が伸びた状態であり、
形状記憶合金網８５の開口率は大であって、ガスは形状
記憶合金網８５を自由に通過する。しかし、遮断弁８０
の閉塞時には、リード線８７を介して形状記憶合金網８
５に通電が行われ、形状記憶合金８４は、縮んだ状態に
なる。形状記憶合金８４が縮んだ状態になると、その周
囲の弾性膜８６は、中央部分に引き寄せられ、図１０
（ｃ）において点線で示された領域は、ガスの通過が困
難になる。このように形状記憶合金を用いることにより
簡易で軽量化された遮断弁８０を実現することができ
る。

【００３８】本発明の実施の形態における超音波流量計
は、以上において説明したように、管路を通過する流体
の流量を超音波を用いて測定する超音波流量計の流量検
出部において、断面積が異なる少なくと２つの管路と、
それぞれの管路へ流体の流れを切換える切換手段と、前
記管路の少なくとも一つを測定管路として測定管路を通
過する流体の流量を検出するために、測定管路に配置さ
れた一対の超音波振動子とを有することにより、管路の
長さが短くて、測定管路に流れる流体の流量を測定に適
合する流量に設定することができるので、圧力損失を所
望の範囲内に保ち、伝播時間差を大きく取って誤差成分
を低く押さえることができ、広い範囲で高精度な流量測
定を可能にさせる。また、バイパス管路を設けて測定管
路に流れる流体の流量を測定に適合する流量に設定して
同様な効果を得ることができる。さらに、これらの流量
検出部を使用した超音波流量計は、測定制御部がこれら
の流量検出部の特性を生かすように制御することによっ
て、広い範囲で高精度な流量測定を自動的に行うことが
できる。

【００３９】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は、超音波流量計の流れ方向の長さを長くせずに、規定
の圧力損失を満足し、かつ、低流量での伝播時間差の測
定誤差の影響を低減し、広い流量範囲で高精度な測定を
可能にする超音波流量計を提供することができるという
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波流量計に用いられている流量検
出部の第１の実施の形態を模式的に示す断面図である。

【図２】図１の切換弁の切換えによる流量検出部の特性
の変化を示すグラフである。

【図３】図１の切換弁の一例を示す断面図である。

【図４】図３の駆動部の一例を示す断面図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図６】図５の動作を説明するためのタイムチャートで
ある。

【図７】図５の超音波振動子を示す断面図である。

【図８】本発明の第３の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図９】図８の遮断弁の一例を示す断面図である。

【図１０】遮断弁の構成例を示す図であり、（ａ）は形
状記憶合金の線材示す図、（ｂ）は（ａ）の線材を使用
した形状記憶合金網と弾性膜とで構成した開放状態の遮
断弁を示す図、（ｃ）は（ｂ）で示された遮断弁が閉塞
状態になった所を示す図である。

【図１１】従来の超音波流量計に用いられている流量検
出部の例を示す断面図である。

【図１２】超音波振動子の構成を示す図であり、（ａ）
は図１１の流量検出部に用いられている超音波振動子の
外観図、（ｂ）は（ａ）の超音波振動子の構造を示す断
面図である。

【符号の説明】

１０，４０，６０外殻部、１１ａ，１２ａ，１１ｂ，
１２ｂ，５１，５２，６１ｂ，６２ｂ超音波振動子、
１０ｇガス導入路、１０ｈガス排出路、１８ａ，１
８ｂ，４８ａ，４８ｂ測定管路、２０，５０，７０
内殻部、３０切換弁、３０ｇ接続用導入路、３１，８
１駆動部、３２，８２アクチュエータ、３３ａ，３
３ｂ，８３ａパッキン、３４筐体、３５スプリン
グ、３６ソレノイド、３８ａ，３８ｂ，８８ａ，８８
ｂ接続用管路、４１，４２傾斜面、８０遮断弁、８
１駆動部、８４形状記憶合金、８５形状記憶合金
網、８６弾性膜、８７リード線、１０１，１０２，
１０３流量検出部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】管路を流れる流体の流量を超音波を用い
て測定する超音波流量計において、断面積が異なる少なくとも２本の管路と、それぞれの管路へ流体の流れを切換える切換手段と、前記管路の少なくとも１本を測定管路とし、該測定管路
の上下流側それぞれに配置された一対の超音波振動子と
を有することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】請求項１に記載の超音波流量計におい
て、前記管路は２本であることを特徴とする超音波流量計。
【請求項３】請求項２に記載の超音波流量計におい
て、前記流量を検出するための一対の超音波振動子を前記２
本の管路のそれぞれに配置したことを特徴とする超音波
流量計。
【請求項４】管路を流れる流体の流量を超音波を用い
て測定する超音波流量計において、流体が内部を流れる外殻部と、流体が流れる外殻部の内部を断面積の異なる少なくとも
２つの管路に分割する内殻部と、流体の流れをいずれかの管路へ切換え、該いずれかの管
路を測定管路とする切換手段と、内殻部の上流と下流とにそれぞれ配置され、前記少なく
とも２本の管路に向けて反対方向にそれぞれが超音波を
発信する少なくとも２つの超音波振動子であって、一方
の超音波振動子がそれぞれの管路に発信した超音波は、
それぞれの管路を異なる伝播距離を経由して伝播し、伝
播した超音波を他方の超音波振動子が受信する超音波振
動子とを有することを特徴とする超音波流量計。
【請求項５】請求項１乃至請求項４のいずれかに記載
の超音波流量計において、測定管路以外の管路はバイパス管路として必要に応じて
閉塞し、あるいは開放することで、前記測定管路を通過
する流体の流量を、流量を測定するのにより適したもの
とするように前記切換手段を制御することを特徴とする
超音波流量計。
【請求項６】請求項１乃至請求項５のいずれかに記載
の超音波流量計において、前記超音波振動子が配置された測定管路が複数あるとき
には、流量を測定するのに最適な測定管路に流体を流す
ように前記切換手段を制御することを特徴とする超音波
流量計。
【請求項７】管路を流れる流体の流量を超音波を用い
て測定する超音波流量計において、少なくとも２本の管路と、前記管路の１本を測定管路とし、測定管路を流れる流体
の流量を検出するために、測定管路に配置された一対の
超音波振動子と、前記測定管路と異なる他の管路における流体の流れを適
宜制限する遮断手段とを有することを特徴とする超音波
流量計。
【請求項８】請求項７に記載の超音波流量計におい
て、前記遮断手段は、周辺部が弾性膜で構成され、中心部が
形状記憶合金の線材で編まれた形状記憶合金網で構成さ
れ、形状記憶合金網への無通電時には、形状記憶合金網
は開放状態であって、形状記憶合金網への通電時には、
形状記憶合金網は閉塞状態になることを特徴とする超音
波流量計。
【請求項９】請求項７又は請求項８に記載の超音波流
量計において、前記遮断手段を制御し、測定管路を流れる流体の流量が
流量を測定するのに適するように、前記測定管路以外の
他の管路に流れる流体を適宜制限することを特徴とする
超音波流量計。