JP2004069527A - 超音波流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波伝搬部分全体に計測流路内の流れが流れるような流路断面形状とすることにより、計測精度を上げるとともに流量計測誤差を無くし、計測値を補正するなどの必要性を無くす。
【解決手段】計測流路の断面形状が前記超音波振動子の超音波放射角と略々一致するように超音波振動子が設置された壁面に対して傾斜角を持つ傾斜面を有した超音波伝搬壁を有するものである。
【選択図】　図２

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４は特開平９−１８５９１号公報の例を示す。図４、図５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】
【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では、計測流路部分の断面形状が矩形形状をしているため、図６に示すように超音波送受信器２，３の設置壁の高さと超音波の振動子幅とが一致しない場合、超音波の伝搬路において超音波が通過しない領域が生じる。すなわち流体通過部分を超音波が全てを伝搬する事ができないので、測定値に誤差が生じる。計測流路内の断面全域を超音波が伝搬していれば、基準流量と計測流量は１対１の関係にあるが、計測流路内を通過する流体で非計測部分があると、計測誤差を生じるので、この誤差分を補正してやる必要が生じることになる。また超音波振動子の幅を壁面高さあるいはそれ以上した場合は、超音波の伝搬は計測流路の断面の全体を網羅するが、超音波振動子から放射された超音波が送信側の超音波振動子の近傍壁での反射が顕著になり、受信側で受ける超音波の信号が反射波を多く含んだ複雑な合成波形になり、正確な伝搬時間を見出すのが難しくなり測定精度が落ちる要因になる。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するもので、計測流路内の流体通過部全体を超音波が伝搬するような計測流路断面形状とすることにより、計測精度を上げるとともに流量計測誤差を無くし、計測値を補正するなどの必要性を無くすことを実現することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題の流量計測装置を解決するために、本発明の流量計測装置は、対向壁面に設けた超音波振動子を備える計測流路と超音波振動子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を持ち、計測流路の断面形状が超音波振動子の超音波放射角と略々一致するように超音波振動子が設置された壁面に対して傾斜角を持つ傾斜面を有した超音波伝搬壁を有するものである。
【０００６】
これによって、計測流路の流体流れの全体を超音波が伝搬することが可能となり計測精度を上げ、流量計測誤差を無くし、計測値を補正するなどの必要性を無くすことを実現できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、計測流路の断面形状が超音波振動子が設置された壁面に対して傾斜角を持つ傾斜面を有した超音波伝搬壁を有することにより、計測流路の流体流れの全体を超音波が伝搬することが可能となり計測精度を上げるとともに流量計測誤差を無くし、計測値を補正するなどの修正処理を無くすことができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、傾斜面の傾斜角が超音波振動子の超音波放射角と略々一致する超音波伝搬壁を有することにより計測流路の流体流れの全体を超音波が伝搬することが可能となり計測精度を上げるとともに流量計測誤差を無くせる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、超音波振動子の径をｄとしてその超音波の波長をλとする時その傾斜面の傾斜角θは式θ≒ｓｉｎ^−１（１．２２λ／ｄ）と決めることにより、計測流路の流体流れの全体を超音波が伝搬することが可能となり計測精度を上げるとともに流量計測誤差を無くせる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、傾斜面の角度が３．５度から５．５度の範囲であり、周波数５００ｋＨｚの超音波振動子を用い、振動子の径が約１０ｍｍの場合、この範囲で傾斜角が最適となり、計測流路の流体流れの全体を超音波が伝搬することが可能となり計測精度を上げるとともに流量計測誤差を無くせる。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、傾斜面は超音波吸収部材からなり傾斜面での不要な超音波の反射がより減らせるのでより安定した受信波形での測定が可能となり計測精度を上げるとともに流量計測誤差を無くせる。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、傾斜面の壁面に超音波吸収剤を塗布し、傾斜面での不要な超音波の反射がより減らせるのでより安定した受信波形での測定が可能となり計測精度を上げるとともに流量計測誤差を無くせる。
【００１３】
【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。
【００１４】
（実施例）
図１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流体流れ方向の断面図を示すものである。
【００１５】
図１に於いて、１０は被計測流体の導入路であり、流入口１１、電磁式またはステッピングモーター式などの開閉弁１２、駆動部１５、開閉弁下流側流路１３で構成されている。開閉弁下流側流路１３は開閉弁１２の弁座開口部１４より下流側であり、矩形の断面形状を有する。
【００１６】
開閉弁１２の開閉中心線と開閉弁下流側流路１３の中心軸とはほぼ９０度の角度を持っている。
【００１７】
計測路１９は曲げ部１７、計測流路入口４、計測流路入口４に設けた整流手段９、計測流路１、排出曲げ部２０よりなる。曲げ部１７は、導入路１０の開閉弁下流側流路１３と接続しており、断面が矩形で、開閉弁下流側流路２３に対向する壁面には窪み１８が設けてある。計測流路１は導入路１０の開閉弁下流側流路１３の中心軸とほぼ直角をなしている。
【００１８】
整流手段９は流れの乱れに応じて所望の方向に傾斜させた仕切り板で構成した流れ方向規制手段７と、微細通路を有するメッシュなどで構成した変動抑止手段８とで構成されている。
【００１９】
計測流路１には導入路１０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。
【００２０】
２１は排出路であり、排出曲げ部２０に接続している。排出路２１の流出口２２から被測定流体は流れ出す。また導入路１０の開閉弁下流側流路１３と計測路１９と排出路２１はコの字型をしている。
【００２１】
２３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２４は演算手段で前記計測制御手段２３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２５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２３、演算手段２４、電源手段２５の一部と開閉弁１２の駆動部１５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。
【００２２】
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１０の流入口１１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１２から弁座開口部１４を通り、開閉弁下流側流路１３の対向壁１６に突き当たり、方向を変え対向壁面１６に沿って流れ、下流側の計測流路へ流れ込む。計測流路１の壁面に設けた一対の超音波送受信器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。
【００２３】
一般に超音波振動子から放出された超音波は式（１）でしめされる角度で拡散して伝搬する。
【００２４】
式（１）　θ＝ｓｉｎ^−１（１．２２λ／ｄ）
本発明では超音波の周波数５００ｋＨｚ，超音波振動子の直径が１０ｍｍであるので角度θは約４．５度である。
【００２５】
図２に本発明の計測流路部分の流体の流れに対して垂直方向の断面図を示す。本発明の計測流路は略４．５度の傾斜を有した超音波の伝搬路壁となっている。
【００２６】
流路断面が単なる矩形の場合は、従来例の課題で前記したように計測流路内の流体通過部分に超音波が伝搬しない不計測部ができると共に、超音波振動子からでた超音波の拡散した部分が超音波振動子に近い超音波伝搬壁部分反射し、受信側の超音波振動子に到達する超音波の波形は多重の反射波が合成されたものとなり、計測が不安定となる。
【００２７】
本発明においては、計測流路の断面は前記したように超音波の放射拡散に沿うような傾斜面２６を有することにより、計測流路内の流体通過部分の大半を超音波が伝搬することができ、計測流路内の流体を全て測定することが可能となる。
【００２８】
この超音波の送受信は計測制御手段２３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２３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２４へ伝達する。演算手段２４は計測制御手段２３からの信号と、内部に記憶している計測流路の断面積と、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。
【００２９】
以上のように本実施例においては、計測流路の流体流れの全体を超音波が伝搬することが可能となるとともに、超音波自体の反射の影響も減るので計測精度を上げるとともに流量計測誤差を無くし、計測値を補正するなどの修正処理を無くすことが可能となる。
【００３０】
なお、本発明では超音波振動子として、周波数５００ｋＨｚ、振動子の径が１０ｍｍの物を使用しているが、この仕様は測定する流体や流量により、違う物と変更することは可能であり、その時の超音波伝搬壁の傾斜角は式（１）で計算可能である。
【００３１】
また図３に示すように超音波伝搬壁の傾斜面を内部に気泡を多く内包しているような発泡性の樹脂などの超音波吸収部材２７で形成することにより、さらに超音波伝搬壁での超音波の反射がへるので、傾斜面との効果と相乗してより流体流速の超音波計測精度を上げることが可能となる。
【００３２】
また超音波伝搬壁に発泡性の樹脂などを塗布するまたは、金網などを張り付けても超音波反射防止に効果があり、傾斜面との効果と相乗してより流体流速の超音波計測精度を上げることが可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、計測流路の断面形状が超音波振動子が設置された壁面に対して傾斜角を持つ傾斜面を有した超音波伝搬壁を有することにより、計測流路の流体流れの全体を超音波が伝搬することが可能となり計測精度を上げるとともに流量計測誤差を無くし、計測値を補正するなどの修正処理を無くすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における超音波流量計測装置の断面図
【図２】本発明の実施例における超音波流量計測装置の流路断面図
【図３】本発明の実施例における超音波流量計測装置の流路断面図
【図４】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５】従来の超音波流量計測装置の断面図
【図６】従来の超音波流量計測装置の流路断面図
【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
１０　導入路
１２　開閉弁
１３　開閉弁下流側流路
２３　計測制御手段
２４　演算手段

Claims (6)

1. 対向壁面に設けた少なくとも一対の超音波振動子を備える計測流路と前記超音波振動子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を有し、前記計測流路の流体通過部断面形状において超音波伝搬方向に垂直方向の超音波伝搬壁が前記相対向する超音波振動子間の中心線に対して所定の傾斜角を持つ傾斜面を有した超音波流量計測装置。
2. 傾斜面の傾斜角が超音波振動子の超音波の拡散角度に近似する超音波伝搬壁である請求項１記載の超音波流量計測装置。
3. 超音波振動子の径をｄとし、前期超音波振動子から発せられる超音波の波長をλとする時その傾斜面の傾斜角は式θ＝ｓｉｎ^−１（１．２２λ／ｄ）で計算される角度θの±１度の範囲内にある請求項１記載の超音波流量計測装置
4. 傾斜面の角度が３．５度から４．５度の範囲である請求項１記載の超音波流量計測装置。
5. 傾斜面は超音波吸収部材からなる請求項１記載の超音波流量計測装置
6. 傾斜面の壁面に超音波吸収剤を塗布した請求項１記載の超音波流量計測装置

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