JP2004045425A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波流量計の計測精度を高める。
【解決手段】矩形の断面を有する矩形流路１と、矩形流路１の上流側と下流側に矩形流路１の長辺を横断して音波を送信または受信する音波第１、第２送受波器３、４と、矩形流路１の短辺の中心より所定長さ偏心させて音波第１、第２送受波器３、４をそれぞれ配置し、送受波器間の音波伝搬時間差で流体の流量を計測し、流路内の流速分布の影響を受けず流量係数を一定に保ち、流量精度が高い。
【選択図】図１

Description

　本発明は、超音波を利用してガスなどの流量を計測する流量計測装置に関するものである。

　従来のこの種の流量計測装置は、例えば特許文献１に記載のものが知られており、図７に示すように、流路１を形成する流路部材２に超音波を送受信する矩形形状の第１送受波器３と第２送受波器４が配置されている。第１送受波器３から送信された超音波は図８に示すような矩形断面流路５を図７に示すように横断するように伝搬して第２送受波器４に到達する。逆に第２送受波器４から送信された場合には前述と同様に第１送受波器３に到達する。それぞれの超音波の伝搬時間は流路１内に流れがあると変化し、その伝搬時間は計測回路６によって測定され流量演算手段７で流量値に変換される。

　第１および第２送受波器３、４の送受信面が矩形の形状をしており、その一辺を矩形の流路の短辺とほぼ同一の長さにすれば、図９に示すように短辺の流路全体の超音波を受信するので、流速分布の影響を解消して、流量係数を安定させるものである。
特開平９−１８９５８９号公報

　しかしながら、流量範囲が大きくなると計測流路の断面積も大きくなり、流路全域で計測するためには第１、第２送受波器３、４の受信面も大きくすることが必要であり、その結果機種によっては大型の送受波器を製作しなければならず、価格が高くなるという欠点があった。

　本発明は上記課題を解決するもので、広範囲の流量を高精度で計測することを目的としている。

　本発明は上記課題を解決するために、矩形の断面を有する流路と、前記流路の上流側と下流側に設けられ、前記流路を横断して音波を送信または受信する送受波器とを具備し、前記送受波器は、流路を流れる流体の平均流速域を検出できるように位置設定し、前記送受波器間の音波伝搬時間差で流体の流量を計測するものである。

　本発明によれば、流量の変化や温度変化あるいはガス種の変化に対して高精度の流量計測を行うことができるものである。

　本発明の実施の形態は、矩形の断面を有する流路と、前記流路の上流側と下流側に設けられ、前記流路を横断して音波を送信または受信する送受波器とを具備し、前記送受波器は、流路を流れる流体の平均流速域を検出できるように位置設定し、前記送受波器間の音波伝搬時間差で流体の流量を計測するもので、流れの量や温度に関わらず流量係数がほぼ一定で流量精度が高い。

　また、流路の中心より所定長さ偏心させて前記送受波器を配置し、流れの量や温度に関わらず流量係数がほぼ一定で流量精度が高い。

　また、流路の長辺と短辺の比率は、１．１〜５の範囲内で決定するのが望ましい。

　本発明の実施の形態では上記構成によって、流速分布に影響されない受信信号により流速を求めて流量を計測するものである。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

　（実施の形態１）
　図１は本発明の実施の形態１における流量計測装置の構成図で、図２は図１の側面図、図３は図１のＡ矢視図で、従来例と同一の構成部品には同一の番号を付している。流路１を形成する流路部材２に超音波を送受信する矩形形状の第１送受波器３と第２送受波器４が流れの上流と下流に配置されている。第１送受波器３と第２送受波器４とは流路に対して斜めに配置されているので、第１送受波器３から送信された超音波は図２に示すような矩形断面流路５を図１に示すように斜めに横断して伝搬し、第２送受波器４に到達する。

　逆に第２送受波器４から送信された超音波は前述と同様に第１送受波器３に到達する。それぞれの超音波の伝搬時間は流路１内の流れの大きさによって変化する。この伝搬時間は計測回路６によって測定され流量演算手段７で流量値に変換される。

　次にその動作について述べる。伝搬時間は、静止流体中の音をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れの順方向の超音波の伝搬速度は（ｃ＋ｖ）となる。送受波器３と４の間の距離をＬ、超音波伝搬軸と管路の中心軸とがなす角度をφとすると、上流から下流に超音波が伝搬する時間ｔ１は、
　ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋ｖＣＯＳφ）　　（１）
となり、下流から上流に伝搬する時間は、
　ｔ２＝Ｌ／（ｃ−ｖＣＯＳφ）　　（２）
となり、Ｌとφが既知ならｔ１とｔ２を計測回路６で測定すれば流速ｖが求められる。

　この流速より流量Ｑは、流路の通過面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量演算回路７で、
　Ｑ＝ＫＳｖ　　（３）
を演算し流量を求める。

　流路１内の流速は一般に図１に示すように流速分布があり、その分布はレイノルズ数や上流の流れの乱れによって変化する。この流速分布は２次元的に発生し、図１に示すように矩形断面の長い方の一辺（長辺）と図３に示すように矩形断面の短い方の一辺（短辺）にも発生する。このように流速分布が存在する場合には、その伝搬時間はそれぞれの微小部分で受けた速度の変化を積分したものになる。

　図３に示すように第１送受波器３と第２送受波器４はともに短辺Ｈよりも相当小さいから流路の一部分しか計測しない。第１、第２送受波器３、４を流路の中心に配置すれば流れの速い部分を多く計測するので、見かけの流量値は大きくなるので、流量係数Ｋを小さい値にして補正して流量を算出する。しかしながらこの流速分布は流量の大小によって変化するから補正係数をさらに環境条件によって補正しなければならない。

　本発明では第１、第２送受波器３、４の位置を中心より偏心量Ｌ１ほどずらしており、その結果第１、第２送受波器３、４は流路内５の平均流速の影響を受けた超音波を受信する。偏心量Ｌ１は流量の大小、流体の種類、流体の温度が変化しても平均流速を検出できるような位置を選定する。

　図４は流量が大きいときの流速分布であり、分布の差が小さくなっている。また第１、第２送受波器３、４の中央と端部とでは、送受信感度が異なるのが通常であるから、第１、第２送受波器３、４の中央部分の流れの影響を大きく受けることも考慮する必要がある。以上の要因を考慮すると偏心量Ｌ１は、短辺の長さＨと第１、第２送受波器３、４の短辺と相対する長さＷとの差の３０〜６０％好ましくは４０％程度が適切である。

　図５は偏心量Ｌ１を変化させたときの流量係数Ｋの値を示したものである。Ｌ１＝０．２Ｈの流量係数は流量値に関わらずほぼ一定であることがわかる。このように流量係数が一定であるということは、補正係数の設定がきわめて簡単にできマイコンの記憶容量の低減と、生産時の検定作業を容易にする。

　また、流路内５の速度分布はレイノルズ数によって変化することが知られており、流量が変化しても流量係数が一定であるということは、レイノルズ数が変化しても流量係数が変化しないことを意味する。従って流体の温度変化や流体の種類が変更になっても、流量係数は変化しない。

　第１、第２送受波器３、４の形状は矩形断面である方が平均流速を検出するのに好ましい。

　この場合第１、第２送受波器３、４の大きさは、小さすぎると平均流速をとらえにくく、大きいと大型になって価格が高くなるので、第１、第２送受波器３、４の一片は短辺Ｈの３０〜７０％の間が適している。第１、第２送受波器３、４が流路に対して小さすぎると、流れの変動に対して流量係数が安定でなくなる。また第１、第２送受波器３、４が短辺Ｈの長さに近づくと、広がった音波が流路の壁面に反射し直接波と干渉して受信感度に悪影響を及ぼす。

　第１、第２送受波器３、４は流路に機密性を有していなければならないので、矩形形状で機密性を保つことが困難であり、その場合には図６のように第１、第２送受波器３、４の外形９を円形にしてＯリングなどで機密性を容易に構成し、内部の超音波振動子８を矩形にすればよい。

　流路断面の形状は円形断面より矩形である方が平均流速を算出するのに適している。また矩形断面で短辺に対する長辺の比率を１．１〜５にすると流れが安定し、平均流速も安定して算出することができる。

　また、第１、第２送受波器３、４の上流に整流部材をもうけることにより、より一層の流量の高精度化が可能である。

　このように上記実施の形態によれば、次の効果が得られる。

　（１）矩形の断面を有する流路と、前記流路の上流側と下流側に設けられ、前記流路を横断して音波を送信または受信する送受波器とを具備し、平均流速を検出できるように前記送受波器を、これら送受波器を配置した側の流路の中心より所定長さ偏心させて配置し、前記送受波器間の音波伝搬時間差で流体の流量を計測したので、流量の変化や温度変化あるいはガス種の変化に対して流量係数が変化せず、高精度の流量計測を行うことができる。

　（２）流路の断面を長方形状とし、音波送受波器の偏心量が流路の短辺の長さと相対する送受波器の長さの差の３０〜６０％の範囲に設定したので、比較的簡単な構成で流量係数を一定にすることができ、流量精度が高い。

　（３）流路の長辺と短辺の比率が１．１〜５の範囲にしたので、流量係数の安定度がさらに高くなる。

　（４）音波送受波器の振動子が矩形で、その一辺は流路短辺の３０〜７０％にし、流量係数の安定化を維持しつつ、流路壁面からの反射を小さくし、送受信感度の低下を防止したので、流量精度が高い。

　以上のように、本発明に係る流量計測装置は、ガスなどの流体の流速、流量の計測に適用できる。

本発明の第１の実施例の流量計測装置の構成図 同装置の流路構成の側面図 同装置の流路構成の断面図 同装置の流路構成の断面図 同装置の流量係数を示すグラフ 同装置の送受波器の実施例を示す構成図 従来の流量計測装置の構成図 同装置の流路構成の側面図 同装置の流路構成の断面図

符号の説明

　１　矩形流路
　３　第１送受波器（音波送受波器）
　４　第２送受波器（音波送受波器）

Claims (4)

1. 矩形の断面を有する流路と、前記流路の上流側と下流側に設けられ、前記流路を横断して音波を送信または受信する送受波器とを具備し、前記送受波器は、流路を流れる流体の平均流速域を検出できるように位置設定した流量計測装置。
2. 流路の中心より所定長さ偏心させて前記送受波器を配置した請求項１記載の流量計測装置。
3. 流路の断面は短辺と長辺を有する長方形状であって、対向する短辺側に送受波器を配置した請求項２記載の流量計測装置。
4. 流路の長辺と短辺の比率が１．１〜５の範囲である請求項３記載の流量計測装置。

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