JP2004061267A - 超音波流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波流量計測手段の流路における整流体の取付位置により流れの分布は変化し、流量測定値に影響を与える。機械的寸法精度が甘い場合は組み合わせ等による調整作業が必要となり量産性やコスト面での課題となる。
【解決手段】本発明の流量計測装置は、流路ユニットを組んだ状態でも整流体の位置を調節可能とする調節手段を設けたものである。これによって、整流体の位置が個体差により位置が所定の位置より少しずれていても、流路外部からの調整でそのずれを補正することができるので、計測流路や整流体の機械的精度の許容度が増すと共に調整も容易になる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波により気体や液体の流量や流速の計測を行う超音波流量計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種超音波流量計測装置としては、例えば特開平９−１８５９１号公報や特開平１１−３５１９２６号公報が知られており、図１３、１４は特開平９−１８５９１号公報の例を示す。図１３、１４において、被計測流体を流す計測流路１の中心線を挟んで対向し、かつ中心線に対して所定角度を有する周面に一対の超音波送受信器２、３を設けると共に、計測流路１の流体流入口４に計測流路１と同一方向の向きに、平行に配列された複数の細管５から構成した整流体６を設けている。そして、流体の流れに対して順方向と逆方向に超音波を超音波送受信器２、３間で送受信して、両方向の伝搬時間差から流速を計測し、配管の断面積より流量を算出している。このとき、計測流路１に入る流れは整流体６を構成する細管５によりその流れ方向を計測流路１と同一方向に規制して、計測部での流線の傾きを低減したり、渦の発生を抑制して流れの乱れの境界面での超音波の反射や屈曲による超音波の受信レベルの変動を低減して測定精度の悪化を防止している。
【０００３】
以上のように、細管５を有する整流体６は、計測流路入口４に設置し、流路を流れて来る流体の不均一な流速分布の改善と、流速の瞬時的な変動の均一化を行うことで、計測流路１を流れる流体の整流化を行い流量の計測精度を向上させる目的で設けられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来の構成においては、整流体により流体の流れを整流し、その流れの分布を超音波により計測するため、流れの分布が変われば計測される値が変わる。すなわち計測誤差が生じることになる。整流体により流れが規制されるためにその整流体の取付位置により流れの分布は変化し、流量測定値に影響を与える。しかしながら整流体を流路の所定位置に精度良く取り付けるためには、各部の機械的寸法を極限まで追求する必要があり、機械的寸法精度が甘い場合は組み合わせ等による調整作業が必要となり量産性やコスト面での課題となる。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するもので、流路のユニットとして組み上げられた状態で整流体の位置を任意に調整できるようにするものであり、すなわち、加工コストの低減を図るため機械的加工精度の公差を大きく取っても、流路ユニットの組み替え選別なしで整流体の位置を調整し計測流路を流れる流体の流量分布の改善を行うことで、流路の量産性を上げまたコスト低減を図りながら、ばらつきの無い高計測精度化を実現する流量計測装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測装置は、流路ユニットを組んだ状態でも整流体の位置を調節可能とする調節手段を設けたものである。
【０００７】
これによって、整流体の位置が個体差により位置が所定の位置より少しずつずれていても、流路外部からの調整でそのずれを補正することができるので、計測流路や整流体の機械的精度の許容度が増すと共に調整も容易になる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、入口部に整流手段を有する計測流路と、整流手段の取付位置を可変可能とする位置調整手段と計測流路の対向壁面に設けた少なくとも一対の超音波送受信器と、超音波送受信器間の超音波の伝搬時間を計測する計測制御手段と、計測制御手段からの信号に基づいて流量を算出する演算手段とを備えてなる超音波流量計測装置とすることにより、整流手段の計測流路に対する取付位置が、機械的精度のばらつき等で所定位置より変化しても調整し、ばらつきを無くすことができるため、機械的精度を追求しコストアップになることや、組立直しによる作業効率の悪さを減らすことができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１に記載の整流手段の位置調整手段を整流手段が計測流路と対する位置に計測流路の設けられたネジ穴に挿入する調整ネジにより整流手段の位置調整を行うもので、流路外部から整流手段の位置調整を可能とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項２に記載の位置調整用ネジの計測流路外部から突出している部分に目盛を付けることにより整流手段の位置調整の量が目視で確認できるのでより調整が容易になる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１記載の整流手段の位置調整手段を電気機械変換素子により構成することにより、与える電気的信号で位置調整が可能となる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４記載の整流手段の位置調整手段である電気機械変換素子が圧電素子により構成されることで、電圧をいん加することで圧電素子が伸縮し、それに契合している整流手段の位置が変化し、流速分布の調整を行うことができる。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項４記載の整流手段の位置調整手段である電気機械変換素子が永久磁石とコイル状の電線からなりコイルの電流を流すことによりコイルが移動する。コイル部分に接合された整流手段がコイルと共に移動し位置の変化をなし、流速分布の調整を行うことができる。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、調整用ネジの駆動をステッピングモータで行うことにより電気的な信号で任意に整流手段の位置調整を行うことができる。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、整流手段の位置調整手段の稼動部と計測流路の隙間から被測定流体が漏れ出すのを防ぐために前記隙間に被測定流体の透過性の無い弾性部材を充填することによりシールの役目を果たし、漏れが生じた場合問題とある流体の測定も安心して高精度に計測できる。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、整流手段の位置調整手段の稼動部と計測流路の隙間から被測定流体が漏れ出すのを防ぐために位置調整手段または計測流路に磁石部を設け前記隙間に磁性流体を用いた磁気シールを構成する事で、漏れが生じた場合問題とある流体の測定も安心して高精度に計測できる。
【００１７】
請求項１０に記載の発明は、整流手段の位置決めをより精度良く確実に行うために、整流手段を所定位置に保持させるための付勢力をかけるためにバネ状の部材で整流手段を付勢することによりより位置調整の精度も上がり、高精度の流量測定を可能とする。
【００１８】
請求項１１に記載の発明は、整流手段の位置決めをより精度良く確実に行うために、整流手段を所定位置に保持させるための付勢力をかけるために弾性部材を計測流路と整流手段間隙部に挿入することで付勢力を持たせることで、より位置調整の精度も上がり、高精度の流量測定を可能とする。
【００１９】
請求項１２に記載の発明は、請求項２の位置調整ネジを複数使用することにより単に１次元的に整流手段の位置を可変するだけでなく、整流手段の傾き等の調整も可能となり、流量測定における整流手段の調整がより緻密に行うことができるようになる。
【００２０】
請求項１３に記載の発明は、たとえば整流手段を超音波センサの上流下流にそれぞれ設置した場合のように複数の整流手段を計測流路内に設置した場合でも、それぞれの整流手段に対して連動して位置を調整する手段を有することで、整流作用を高めながら調整作業も容易に行うことができる。
【００２１】
請求項１４に記載の発明は、計測流路に設置された複数の整流手段をそれぞれ独立して位置調整ができる調整手段を有することで流速分布のより微妙な調整が可能となるので、さらに高精度の流量測定を可能にする。
【００２２】
請求項１５に記載の発明は、請求項４に示すような位置調整手段を有し、基準流量を流してその測定値から自動的に整流手段の位置を可変しながら最適位置に位置調整手段が整流手段の位置を決めるように自動調整機能を付加することでより効率よく調整作業が可能となる。
【００２３】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明をする。
【００２４】
（実施例１）
図１、２は、本発明の第１の実施例における超音波流量計測装置の断面図及び上面一部断面図を示すものである。
【００２５】
図１に於いて、１４は被計測流体の導入路であり、流入口１５、電磁式またはステッピングモーター式などの開閉弁１６、開閉弁下流側流路１７で構成されている。計測流路２１は曲げ部２２、計測流路入口４、計測流路入口４に設けた整流手段７、計測流路１、排出曲げ部２３よりなる。曲げ部２２は、導入路１４の開閉弁下流側流路１７と接続する。計測流路１は導入路１４の開閉弁下流側流路１７の中心軸とほぼ直角をなしている。整流手段７は流れの乱れに応じて所望の方向に流れを整流するための仕切り板８で構成されている。
【００２６】
次に本実施例である整流手段７の位置調整手段９の説明をする。整流手段７の底部と契合する計測流路２１の壁面には計測流路外部に貫通するネジ穴１０が設けられている。整流手段７が設置される計測流路の高さ方向の壁面高さＡは整流手段７の高さＢよりも大きめに設計されているので、整流手段７は上下方向に移動できるスペースを有する。ネジ穴１０に調整ネジ１１を嵌入することでネジ頭が整流手段７と契合し調整ネジ１１の回転位置で整流手段７の高さ位置が決まる。整流手段７の上部壁面と対向する計測流路壁面との間隙には弾性部材１３が挿入されておりこの弾性により整流手段７は下部のネジ頭に付勢されている。
【００２７】
またネジ穴１０部分より計測流体が漏出するのを防ぐために調整ネジ部材のネジ山形成部に連なる棒状部とそれに対向する貫通穴部分にオーリング１２によるシールがなされている。
【００２８】
計測流路１は矩形断面を持っており、図２に示す様に導入路１４の方向と直角方向にある壁面には流路を挟んで一対の超音波送受信器２、３が流路の上流側と下流側で斜めに対向して装着されている。２４は流体の整流状態を現し、流路内の流速分布が矢印の長さに比例した状態で現される。２５は排出路であり、排出曲げ部２３に接続している。排出路２５の流出口２６から被測定流体は流れ出す。また導入路１４の開閉弁下流側流路１７と計測流路２１と排出路２５はコの字型をしている。２７は計測制御手段であり超音波送受信器２、３間で交互に超音波を送受信させて流体の流れに対して順方向と逆方向の超音波の伝搬時間の差を一定間隔を置いて計り、伝搬時間差信号として出力する働きを持つ。また２８は演算手段で前記計測制御手段２７からの伝搬時間差信号を受けて被計測流体の流速及び流量を算出するものである。更に２９はリチウム電池などで構成される電源手段である。計測制御手段２７、演算手段２８、電源手段３９の一部と開閉弁１６の駆動部１９はコの字型で構成される被計測流体の流路の内側の空間に装着されている。
【００２９】
以上のように構成された超音波流量計測装置について、以下その動作、作用を説明する。まず、計測を受ける流体は、導入路１４の流入口１５から図示しない外部配管を経由して流入する。さらに開放されている開閉弁１６から弁座開口部１８を通り、開閉弁下流側流路１７の対向壁２０に突き当たり、方向を変え対向壁面２０に沿って下流側へ流れ、計測流路入口４へ流れる。計測流路入口４に設けた整流手段７は仕切り板８で流れの方向を流路と同じ方向に規制し流量分布を安定化する。計測流路１を流れる流体は壁面の摩擦抵抗で壁面近くの流速は減速するので整流状態２４で流れる。さらに流体は排出曲げ部２３、排出路２５を経由して図示しない外部配管へ流出する。次に、計測流路１の壁面に設けた一対の超音波送受信器２，３の一方から送信した超音波は、被計測流体の流速の影響を受けて、流れと順方向に伝搬する時は早く、流れと逆方向に伝搬する時は遅く他方の送受信器で受信される。この超音波の送受信は計測制御手段２７で制御されて一対の超音波送受信器２、３間で交互に行われ、電気信号に変換されて、計測制御手段２７で流体の流れの順方向と逆方向における超音波の伝搬時間に変換される。伝搬時間差は流体の流速に比例するのでこれを演算手段２８へ伝達する。演算手段２８は計測制御手段２７からの信号と、内部に記憶している計測流路１の断面積と、機器固有の係数とを演算して被計測流体の流速または流量を演算する。
【００３０】
以上のように計測部の流れを整流手段により流速分布を安定化させているが、整流手段の位置調整手段がない場合、実際には機械仕上がり精度等により、所期の設計位置通りに整流手段の位置を正確に組み込むことは困難である。本実施例で説明したように整流手段の位置調整手段を持つことにより、実際に流量値を測定しながら整流手段の位置を変えて適正位置に設置することが可能となり、機械加工精度に余裕ができ、計測流路のコスト削減ができるとともに、量産時の歩留まりを向上させることができる。
【００３１】
尚、本実施例では整流手段の付勢手段として弾性部材を間隙部に挿入しているがこれは図３に示すような板状のバネ３０あるいはコイル状のバネであっても可能である。尚、本実施例では流体の漏れ防止のためのシール構成としてオーリングを使用しているが、これに準じる弾性部材によるシール構造でもかまわない。
【００３２】
また、図４に示すように、調整ネジ１１部材の棒状部とそれと勘合する計測流路の貫通穴３１部部に永久磁石３２を有して小突起３３を設け、その部分に磁性流体３４を挿入することにより磁性流体３４が保持膜を形成し流体漏れのシールドを行う構成も可能である。
【００３３】
また、図５に示すように本実施例における、調整ネジ部材の計測流路外に突出する部分に目盛り３５を付けることで整流手段の位置調整量が目視把握でき、調整の目安となり調整時の効率が上がる。
【００３４】
（実施例２）
図６は、本発明の第２の実施例の超音波流量計測装置の整流手段の位置調整手段の断面図を示すものである。超音波流量計測装置の他の部分は図１と同じであるため省略する。図６において、は図１における整流手段及び　は計測流路である。整流手段下面と相対する計測流路壁面との間には圧電体３６が設けられている。この圧電体３６は圧電体制御手段（図示せず）により外部からのコントロールにより駆動され計測流路高さ方向に歪みを生じ、すなわち整流手段の高さ方向の位置を圧電体のコントロール量により任意に変化させることができる。
【００３５】
（実施例３）
図７は、本発明の第３の実施例の超音波流量計測装置の整流手段の位置調整手段の断面図を示すものである。超音波流量計測装置の他の部分は図１と同じであるため省略する。図７において、は図１における整流手段７及び２１は計測流路である。整流手段７下面と相対する計測流路壁面との間には永久磁石３７とコイル３８よりなる電磁ソレノイド３９が設けられている。この電磁ソレノイド９は制御手段（図示せず）により外部からのコントロールにより駆動され計測流路高さ方向に変位し、すなわち整流手段の高さ方向の位置を電磁ソレノイドのコントロール量により任意に変化させることができる。
【００３６】
（実施例４）
図８は、本発明の第４の実施例の超音波流量計測装置の整流手段の位置調整手段の断面図を示すものである。超音波流量計測装置の他の部分は図１と同じであるため省略する。図８において、図１に示したのと同様に整流手段７の底部と契合する計測流路２１の壁面には計測流路に貫通するネジ穴が設けられている。ネジ穴に調整ネジ４０を嵌入することでネジ頭が整流手段７と契合しネジの回転位置で整流手段７の高さ位置が決まる。この調整ネジ４０の他端部はギアを介してステッピングモーター４１と連結しておりステッピングモーターのコントローラー（図示せず）からの指令でステッピングモーター４１を駆動しその回転に応じて整流手段７の高さ方向の位置を、任意に変化させることができる。
【００３７】
（実施例５）
図９は、本発明の第５の実施例の超音波流量計測装置の整流手段の位置調整手段の断面図を示すものである。超音波流量計測装置の他の部分は図１と同じであるため省略する。図９において、７は整流手段及、２１は計測流路である。図１に示したのと同様に整流手段７の底部と契合する計測流路２１の壁面には計測流路外部に貫通するネジ穴が設けられている。本発明においてはこのネジ穴４２が流体の流れ方向に２カ所（４２ａ、４２ｂ）設けられており、２つのネジ頭の計測流路内への突出量を任意に設定できるので、整流手段を計測流路に対して任意の高さ及び傾きに調整することが可能であり、単に高さ方向の位置調整よりさらに流体の流速分布の調整範囲が広がることで、量産時の歩留まりの更なる向上を図ることが可能となる。
【００３８】
（実施例６）
図１０は、本発明の第６の実施例の超音波流量計測装置の整流手段の位置調整手段の断面図を示すものである。超音波流量計測装置の他の部分は図１と同じであるため省略する。本発明においては図１０に示すように、整流手段を計測流路の計測部の上流側及び下流側の２カ所（７ａ、７ｂ）に設けており、計測流路ないでの流速分布の更なる安定化や、流体の逆流が合った場合でも安定して計測可能としている。計測流路の壁面には計測流路外部に貫通するネジ穴４３が設けられている。このネジ穴にネジを挿入することで図に示す変位板４４を駆動し前記した２個の整流手段（７ａ、７ｂ）を同時に同方向に任意量可変することができる。さらに流体の流速分布の安定した調整が可能となる。
【００３９】
尚、本実施例では、上流及び下流の整流手段を連携して位置移動を行っているが、図１１に示すようにそれぞれの整流手段（７ａ、７ｂ）に独立して位置調整手段（４５ａ、４５ｂ）を有すことによりより、詳細な調整が可能となる。
【００４０】
（実施例７）
図１２は、本発明の第７の実施例の超音波流量計測装置の構成を示すものである。超音波流量計測装置の基本構成及び動作において、実施例１で説明した部分と同様の箇所は説明を省略する。
【００４１】
図１２において整流手段７は実施例２で説明した圧電体３６から構成される位置調整手段を有している。本発明の実施例においては圧電体を駆動するための圧電体制御手段４６及び圧電体制御手段４６を制御する位置調整制御手段４７を有する。
【００４２】
その動作について説明する。基準流量を発生する測定装置（図示せず）にセットされた計測流路２１に基準流量を流し、超音波送受信器と計測制御手段２７により計測された値を演算手段２８に送り、基準流量との差分がある場合は、計測制御手段２７により位置調整制御手段４７を介して圧電体背宇魚手段４６を駆動し、整流手段７の位置を変えることにより、流速分布を変化させ、計測される測定値が基準流量に対して所定の公差内に入るように自動的に調整を行う。このようなシステムを持つことにより流量値の測定精度を自動的に所定値に調整可能となり、量産時の生産効率を上げることができる。
【００４３】
尚、本実施例では、位置調整手段として圧電体を用いているが前述したたの電気機械変換素子でも可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、請求項１から１５記載の発明によれば、流路ユニットを組んだ状態でも整流体の位置を調節可能とする調節手段を設けたもので整流手段の計測流路に対する取付位置が、機械的精度のばらつき等で所定位置より変化しても調整し、ばらつきを無くすことができるため、機械的精度を追求しコストアップになることや、組立直しによる作業効率の悪さを減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における超音波流量計測装置の断面図
【図２】本発明の実施例１における超音波流量計測装置の一部破断上面図
【図３】本発明の実施例１における超音波流量計測装置の整流手段部の断面図（１）
【図４】本発明の実施例１における超音波流量計測装置の整流手段部の断面図（２）
【図５】本発明の実施例１における超音波流量計測装置の整流手段部の断面図（３）
【図６】本発明の実施例２における超音波流量計測装置の整流手段部の断面図
【図７】本発明の実施例３における超音波流量計測装置の整流手段部の断面図
【図８】本発明の実施例４における超音波流量計測装置の整流手段部の断面図
【図９】本発明の実施例５における超音波流量計測装置の整流手段部の断面図
【図１０】本発明の実施例６における超音波流量計測装置の計測流路部の断面図（１）
【図１１】本発明の実施例６における超音波流量計測装置の計測流路部の断面図（２）
【図１２】本発明の実施例６における超音波流量計測装置の断面図
【図１３】従来の超音波流量計測装置の整流部と計測流路の上面図
【図１４】従来の超音波流量計測装置の流路の断面図
【符号の説明】
１　計測流路
２、３　一対の超音波送受信器
４　計測流路入口部
７　整流手段
９　位置調整手段
１４　導入路
１５　開閉弁
１７　開閉弁下流側流路
２７　計測制御手段
２８　演算手段

Claims (15)

1. 入口部に整流手段を有する計測流路と、前記整流手段の取付位置を可変可能とする位置調整手段と前記計測流路の対向壁面に設けた少なくとも一対の超音波送受信器と、前記超音波送受信器間の超音波の伝搬時間を計測する計測制御手段と、前記計測制御手段からの信号に基づいて流量を算出する演算手段とを備えてなる超音波流量計測装置。
2. 整流手段の位置調整手段が整流手段に契合する調整ネジの駆動により構成される請求項１記載の超音波計測装置
3. 調整ネジに目盛を付した請求項２記載の超音波計測装置
4. 整流手段の位置調整手段が電気機械変換素子よりなる請求項１記載の超音波流量計測装置
5. 電気機械変換素子が圧電体よりなる請求項４記載の超音波流量計測装置
6. 位置調整手段の電気機械変換素子が磁石とコイルよりなる電磁駆動により構成される請求項４記載の超音波計測装置
7. モータにより駆動された調整ネジにより整流手段の位置調整が行われる請求項４記載の超音波流量計測装置
8. 計測流路と整流手段の位置調整手段稼動部の隙間に弾性体を挿入することにより流体漏れを防止する請求項１記載の超音波流量計測装置
9. 計測流路本体と整流手段の位置調整手段稼働部間での流体の漏れを防止するため磁性流体を用いた磁気シールにより構成される請求項１記載の超音波流量計測装置
10. 整流手段の位置決め付勢力をバネ状部材により行う請求項１記載の超音波流量計測装置
11. 整流手段の位置決め付勢力を弾性部材で行う請求項１記載の超音波流量計測装置
12. 位置調整手段の調整ネジを複数設けることにより、整流手段の傾き調節を可能とする請求項２記載の超音波流量計測装置
13. 複数の整流手段を有し、前記複数の整流手段に対し同時に位置調節可能な位置調整手段を有する請求項１記載の超音波流量計測装置
14. 複数の整流手段を有し、前記複数の整流手段に対し、それぞれ独立して位置調節可能な位置調節手段を有する請求項１記載の超音波流量計測装置
15. 計測流路に基準流量を流し計測される流量が所定の公差内に入るように、整流手段の位置を自動的に調整する位置調整手段を制御する位置調整制御手段を有する請求項４記載の超音波流量計測装置

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