JP2003344129A

JP2003344129A - 超音波流量計

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Publication number: JP2003344129A
Application number: JP2002148878A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Tanaka; 豊田中
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 2002-05-23
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2003-12-03
Anticipated expiration: 2022-05-23
Also published as: JP4007853B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小流量の層流域から大流量の乱流域に亘っ
て、器差の変化を少なくし、器差を常にほぼ一定にす
る。超音波振動子の取り付けを簡単にし、流量計を小型
にする。圧損を減らす。【解決手段】図４の模式図のように、流路上流端部で
は、上部の幅Ｗ２が大きい変形小判形の流路断面にす
る。中央部では幅Ｗが均一な小判型流路断面に、下流端
部では、下部の幅Ｗ２が大きい変形小判形の流路断面に
する。小流量の層流量域では、流速分布の最大流速値
が、上流端部で上方に偏る。中央部では最大流速値が中
心軸Ｘ−Ｘ上にあり、下流端部で下方に偏る。中心軸Ｘ
−Ｘ上に配置した一対の振動子４と５で計測する伝搬時
間は断面平均流速と良い相関となり、層流域の器差がプ
ラス傾向になるのを防止し、器差特性を向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスメータ等の気体
流量計や、液体流量計に使用する超音波流量計に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】本願発明の発明者等は、特願２０００−
１２８５１号（特開２００１−２０１３７９）で図１に
示す構造の超音波流量計を提案した。

【０００３】この超音波流量計は、同図（ｂ）に示すよ
うな高さＨ、幅Ｗの長方形の流路断面の流路１を備えた
流管３の上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子４と５
を同図（ａ）のように配設し、両振動子間で超音波の伝
搬経路６に沿って超音波の送受信を行い、流体の流れ方
向と同方向の順方向伝搬時間と、流体の流れ方向と逆方
向の逆方向伝搬時間とから流速Ｖを演算し、更に流量を
求めていた。

【０００４】超音波の伝搬経路６が流路１の中心軸Ｘ−
Ｘに対して角度θだけ傾斜するように斜めに両振動子
４，５を対向配置することで、断面平均流速により近い
計測値が直接得られるとしている。Ｌは流管３の長さで
ある。流路１は、同図（ａ）の縦断面においても、長さ
Ｌ、高さＨの長方形を形成している。

【０００５】ところで、円形断面をもつ直管内の流れが
層流のとき、管路の中心軸からｒｘだけ半径方向に離れ
た位置の流速Ｖｘは、次の式で表される。ここでＶｍａ
ｘは管路の中心軸上の流速で最大値、Ｒは管路のＶｘ＝Ｖｍａｘ｛１−（ｒｘ／Ｒ）²｝・・・（１）半径である。これに対して、乱流の場合には管路の中心
軸からｒｘだけ離れた位置の流速Ｖｘは、Ｖｘ＝Ｖｍａｘ｛１−（ｒｘ／Ｒ）｝^1/n・・・（２）となり、層流の場合の（１）式とは違った流速となる。
しかも（２）式のｎの値はレイノルズ数によって変化
し、Ｎｉｋｕｒａｄｓｅの測定結果により周知である。

【０００６】層流では（１）式からわかるように、管路
の中心軸上で最大流速Ｖｍａｘとなるような放物線分布
の流速変化となる（図２の曲線Ａ）。乱流では微小な渦
を含む流れであるが、平均的な流速の変化の様子を見る
と、例えば図１の曲線ＢやＣのように、層流のときより
もフラット（平坦）で管路の内壁の近傍で流速が大き
く、中心部では小さくなるような流速分布となる。しか
も乱流では流速分布がレイノルズ数によって変化する。
それに対して、層流ではレイノルズ数が変わっても、流
速分布形はほとんど変わらない。図２で、曲線ＢとＣは
乱流で、レイノルズ数が夫々４×１０⁴と３×１０⁶の
ときの流速分布形である（レイノルズ数とｎとの関係も
含めて、昭和５４年、日刊工業新聞社発行、流量計測ハ
ンドブック２０〜２１頁参照）。

【０００７】なお、前記図１（ａ）（ｂ）の長方形断面
の流路１における流速分布は、円形断面の流路における
（１）式や（２）式の流速分布とは同じではないが、中
心軸Ｘ−Ｘから高さＨ方向へ離れた位置の流速は、図２
の流速分布形に似て、層流では曲線Ａの放物線様とな
り、乱流では例えば曲線ＢやＣのような、層流のときよ
りも管路の内壁の近傍で流速が大きく、中心部では小さ
くなるような、層流の場合に比較してフラット（平坦）
な流速分布となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】流量計は流量が変わっ
ても器差が常に一定であることが望ましいが、前記図１
の従来技術の超音波流量計では、層流域と乱流域での流
速分布の違いから両流域での器差に差が出るため、器差
特性が良くないという問題点がなお残されていることに
本願発明の発明者は気づいた。

【０００９】また、前記図１の従来技術では、管路の中
心軸Ｘ−Ｘに対して、角度θだけ傾けて、両超音波振動
子４，５を斜めに対向配置しているため、振動子と流管
３との位置関係が複雑となり、スペース効率や組立性が
悪くなるという問題点があった。

【００１０】そこで、本発明はこれらの問題点を解消で
きる超音波流量計を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、流路断面がほぼ長方形の流管の
上流側と下流側に、対向して一対の超音波振動子を流管
のほぼ中心軸上に相対して配設した超音波流量計であっ
て、前記流路断面の一方の短辺が上流から下流に行くに
従って徐々に増大し、他方の短辺が上流から下流に行く
に従って徐々に減少するように変化させたことを特徴と
する超音波流量計である。

【００１２】請求項２の発明は、請求項１の超音波流量
計において、短辺の寸法の変化を１００％以下としたこ
とを特徴とするものである。

【００１３】請求項３の発明は、請求項１の超音波流量
計において、流路断面の長辺（Ｈ）を短辺（Ｗ）の５〜
２０倍に定めたことを特徴とするものである。

【００１４】請求項４の発明は、請求項１の超音波流量
計において、流路断面の四隅に丸みをつけ、その曲率半
径をその部分の短辺のほぼ１／２〜１／４に定めたこと
を特徴とするものである。

【００１５】請求項５の発明は、請求項１の超音波流量
計において、短辺の寸法の変化を１００％以下とし、流
路断面の長辺（Ｈ）を短辺（Ｗ）の５〜２０倍に定め、
更に流路断面の四隅に丸みをつけ、その曲率半径をその
部分の短辺のほぼ１／２〜１／４に定めたことを特徴と
するものである。

【００１６】請求項６の発明は、請求項１乃至５のいず
れかの超音波流量計において、流体の流入部と流出部を
備えた計量室に、流体の流れを計測する流路を設け、一
対の超音波振動子を、その一方を流路の流入側に、他方
を流路の流出側に配置したことを特徴とするものであ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に本発明の好ましい実施の形態
を図面の実施例に従って説明する。

【００１８】図３は本発明の実施例の基本的構成を示す
図で、超音波送受波器としての超音波振動子は図示され
ていない。流管３の入口３ａから流入した流体は、流路
１を同図（ａ）で図示右方に向って流れ、出口３ｂから
流出する。流路１の断面形状は入口付近では同図（ｂ）
に示すように長辺が高さＨのほぼ長方形で、厳密には、
その上端部と下端部に丸み（アール）をつけて、全体が
変形した小判形に形成されている。上端部の幅（短辺）
はＷ２、下端部の幅（短辺）はＷ１で、Ｗ２：Ｗ１＝
１．０５〜２に定めてある。また、長辺（高さ）Ｈは短
辺（Ｗ１，Ｗ２）の５〜２０倍に定めてある。また、下
端部のＲの曲率半径Ｒ１はＷ１／２に、上端部のアール
の曲率半径ＲはＷ２／２に定めてある。なお、この発明
では、一般的に流路断面の長方形の四隅の丸み（アー
ル）の曲率半径をその部分の短辺のほぼ１／２〜１／４
に定めると良い。

【００１９】図１（ｃ）は流管３の中央部のＣ−Ｃ断面
で、この部分での流路断面は、長さ（高さ）がＨ、幅
（短辺）がＷの小判形で、幅（短辺）Ｗは同図（ｂ）に
おける長さ（高さ）Ｈの中央における幅Ｗと同じであ
る。また、流路断面の形状で、上端部と下端部は曲率半
径ＲがＷ／２の円弧に形成されている。

【００２０】図１（ｄ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ断面視
図で、同図（ｂ）とは上下が逆の関係になっている。す
なわち変形した小判形の流路１は、高さがＨで、上端部
と下端部はそれぞれ曲率半径がＷ１／２とＷ２／２に形
成され、Ｗ２は前述のようにＷ１の１．０５〜２倍に定
めてある。

【００２１】同図（ｅ）は、流管３の一部を同図（ａ）
の中心軸Ｘ−Ｘを通る面で切断した一部縦断平面図で、
高さＨに比べて幅Ｗが小さいことがよく表されている。
なお、超音波振動子は図示されていないが、中心軸Ｘ−
Ｘ上において、流管３の入口３ａのわずか上流と、出口
３ｂのわずか下流とに配設される。

【００２２】流路１は上述のように流路断面がほぼ長方
形、または小判形に形成され、しかも、流路断面の一方
の短辺（例えば下端部の幅）が上流から下流に行くに従
って徐々に増大している。この実施例では上流端部で幅
がＷ１、下流端部では幅がＷ２となっている。また、流
路断面の他方の短辺（例えば上端部の幅）が上流から下
流に行くに従って徐々に減少している。この実施例では
上流端部で幅がＷ２、下流端部では幅がＷ１となってい
る。

【００２３】このような流路断面形状における図示下端
部の短辺（幅）がＷ１からＷ２に徐々に増大し、流路断
面形状における図示上端部の短辺（幅）がＷ２からＷ１
に徐々に減少する様子は、図４の模式図を見るとより一
層明らかである。図４では、中心軸Ｘ−Ｘ上に配設した
一対の超音波振動子４と５も図示してある。

【００２４】図５は図３と４で説明した流路１を有する
流管３を備えた流量計の実施例の全体構成を示す図で、
同図（ａ）は縦断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断
面視図である。この図５において、被計測流体は流入部
６から計量室７に入り、流管３の流路１に左から入る。
同図（ａ）で、流路１を図示右方に中心軸Ｘ−Ｘに沿っ
て流れ、流路１の右方から出て流出部８から流出する。
９は流入部側と流出部側を仕切る仕切り壁で、この仕切
り壁９を貫通して流管３が水平に固定されている。

【００２５】計量室７の相対する壁面１０，１１には、
一対の超音波振動子４と５が相対して対向配置されてい
る。すなわち一方の振動子４は流路の流入側に、他方の
振動子５は流路の流出側に配設されている。流路１に流
れ込む流体は振動子４の全周から流入し、流路１から流
れ出る流体は振動子５の全周を通過して流出する。同図
（ｂ）の回路基板１２に実装された電子ユニット１３
は、振動子４，５を間欠的にパルス駆動したり、振動子
４，５で受信する超音波の受信波を入力して超音波の伝
搬時間を計測し、順方向と逆方向の伝搬時間に基づいて
流速・流量を演算し、表示部１４に流量を表示する。

【００２６】図６は、図３（ａ）（ｂ）と図４の基本構
成を有する流管３を備えた図５の流量計における層流域
での流速分布で、縦軸は、図３（ａ）の流路断面の長辺
（高さ）Ｈの方向の寸法、すなわち中心軸Ｘ−Ｘからの
距離を示す。図３（ｃ）に示すＣ−Ｃ断面では、流路断
面が上下対称であるので、このＣ−Ｃ断面での流速分布
は、図６の曲線Ｃのように、中心軸Ｘ−Ｘ上に最大値Ｖ
ｍａｘがくる放物線様となる。流管３の入口付近の図３
（ｂ）に示すＢ−Ｂ断面では、流路断面の幅（短辺）が
流路の下端部Ｗ１に比較して上端側の方がＷ２と大きい
ため、このＢ−Ｂ断面での流速分布は、図６の曲線ｂの
ように、最大値Ｖｍａｘが中心軸Ｘ−Ｘよりも上方にず
れた形に変形する。従って、曲線ｂの流速分布では、中
心軸Ｘ−Ｘ上の流速Ｖｍａｘより小さい値となる。図３
（ｄ）に示すＤ−Ｄ断面では、流路断面の幅（短辺）が
流路の上端側Ｗ１に比較して下端側の方がＷ２と大きい
ため、このＤ−Ｄ断面での流速分布は、図６の曲線ｄの
ように、最大値Ｖｍａｘが中心軸Ｘ−Ｘよりも下方にず
れた形に変形する。従って、この曲線ｄの流速分布で
も、中心軸Ｘ−Ｘ上の流速は図のように、最大値Ｖｍａ
ｘより小さい値となる。

【００２７】従って、中心軸Ｘ−Ｘ上を伝搬する超音波
で計測する流速は、流路の長さＬの中央部では、図６の
曲線Ｃの最大値Ｖｍａｘであるが、中央部から離れて入
口３ａや出口３ｂに近づく程、最大値Ｖｍａｘより小さ
い値になり、層流域における流速をより断面平均流速に
対応した値として計測することになる。こうして、従来
技術における層流域での器差のプラス傾向を解消する。

【００２８】なお、上記実施例、特に図３や図４では、
流路断面の上端部や下端部は流路の幅Ｗ１，Ｗ，Ｗ２の
１／２の曲率半径の円弧で図示したが、流路断面を長方
形、厳密には中央部のＣ−Ｃ断面から離れた部分ではＷ
１とＷ２が違うので長方形というより幅の狭い台形と
し、四隅にアール（丸み）を形成してもよい。

【００２９】図６は器差特性を示し、符号ｅで示す器差
曲線は従来技術のもので、流量が小さい層流量域では、
流量が大きい乱流域に比べて器差のプラス傾向が現れて
いる。符号ｆで示す器差曲線は上述の本発明の実施例の
もので、層流域での器差のプラス傾向が解消されて、全
流量域にわたって器差がほぼ一定に改善されている。

【００３０】

【発明の効果】本発明の超音波流量計は上述のように構
成されているので、層流域から乱流域に亘る全流量域で
器差が常にほぼ一定に保たれ、器差特性が向上する。ま
た、超音波振動子を流管の中心軸上に配設しているた
め、振動子の取付性が向上し、かつ計測部の小型化に寄
与するばかりでなく、振動子の全周から流体が流れ込む
ため、流体に与える圧損も低減できる。なお、流量断面
形状が流れの方向への位置の移動につれて変化するが、
長方形断面の幅の変化が除々に変化するように構成した
ため、流速変化による圧損が問題になる程大きくなる不
具合はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術の基本構成を示す図で、（ａ）は縦断
面図、（ｂ）は横断面図。

【図２】円形断面をもつ直管内の流速分布を説明する
図。

【図３】本発明の実施例の流管の基本構成図で、（ａ）
は一部縦断正面図、（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面視
図、（ｃ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は同図
（ａ）のＤ−Ｄ断面視図、（ｅ）は一部縦断平面図。

【図４】図３の流管の流路形状を模式的に示す斜視図
で、超音波振動子の配置も併せて示す図。

【図５】図３の流管を備えた流量計の実施例の図で、
（ａ）は縦断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面視
図。

【図６】本発明の実施例における層流域での流速分布を
説明する図。

【図７】超音波流量計の器差特性線図で、従来技術と本
発明の実施例の器差曲線を比較して示す。

【符号の説明】

１流路３流管４，５超音波振動子Ｈ流路断面の長方形の長辺としての長さ（高さ）Ｗ１，Ｗ，Ｗ２流路断面の長方形の短辺としての幅Ｌ流管の長さＲ１，Ｒ，Ｒ２曲率半径６流入口７計量室８流出口９仕切り壁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流路断面がほぼ長方形の流管の上流側と
下流側に、対向して一対の超音波振動子を流管のほぼ中
心軸上に相対して配設した超音波流量計であって、前記流路断面の一方の短辺が上流から下流に行くに従っ
て徐々に増大し、他方の短辺が上流から下流に行くに従
って徐々に減少するように変化させたことを特徴とする
超音波流量計。
【請求項２】短辺の寸法の変化を１００％以下とした
ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】流路断面の長辺（Ｈ）を短辺（Ｗ）の５
〜２０倍に定めたことを特徴とする請求項１記載の超音
波流量計。
【請求項４】流路断面の四隅に丸みをつけ、その曲率
半径をその部分の短辺のほぼ１／２〜１／４に定めたこ
とを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項５】短辺の寸法の変化を１００％以下とし、
流路断面の長辺（Ｈ）を短辺（Ｗ）の５〜２０倍に定
め、更に流路断面の四隅に丸みをつけ、その曲率半径を
その部分の短辺のほぼ１／２〜１／４に定めたことを特
徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項６】流体の流入部と流出部を備えた計量室
に、流体の流れを計測する流路を設け、一対の超音波振
動子を、その一方を流路の流入側に、他方を流路の流出
側に配置したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれ
かに記載の超音波流量計。