JP2004085211A

JP2004085211A - 超音波流量計

Info

Publication number: JP2004085211A
Application number: JP2002242330A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Tanaka; 田中　豊
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】流路内を流れる被計測流体の流速の均一化を図ると共に、流路内の広い範囲に超音波を伝播させることにより、計測精度の向上を図ることのできる超音波流量計を提供する。
【解決手段】被計測流体を、所定の断面形状を有する流路８に導き、当該流路８の上流側と下流側に対向配置した一対の超音波センサ７を用いて測定する超音波流量計１において、前記超音波センサ７を、前記流路８の入口及び出口から、外側に所定の距離だけ離して配置する。
【選択図】　　　　　　　　　　図１

Description

【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し、特に、計測精度を向上させることのできる超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスメータ等の気体流量計や液体流量計に、超音波流量計が適用されている。かかる超音波流量計は、一般的には、流入部、計測部、及び流出部からなる構造を有している。流入部は、ガス等の被計測流体が当該超音波流量計に流入してくる部分であり、上流側の配管と接続されている。当該流入部に流れ込んだ被計測流体は、計測部へ導かれる。
【０００３】
計測部は、実際の流量計測を行う部分であり、一般には、計測室、流管、及び超音波センサ等で構成される。前記流入部から流れ込んだ被計測流体は、計測室でその流入時の流れの影響を消された後に、流管の流路へ流れ込み、かかる流路を進行中に超音波センサにより計測を受ける。超音波センサは、通常、流路の入口側と出口側に一つずつ対向配置され、当該二つのセンサ間に超音波が伝播されて流量が求められる。
【０００４】
また、流出部は、計測後の被計測流体を元のラインに戻す部分であり、計測部から流れ込んだ被計測流体を、接続されている下流側の配管に流出させる。
【０００５】
このような超音波流量計において、計測精度を向上させるために、前記流路内の被計測流体の流れを極力均一にすること、また、流路内の被計測流体の平均流速を正確に測定できるような超音波の伝播のさせ方をすること等が知られており、これまでに、流路や計測室の形状、あるいは超音波センサの位置等種々の工夫がなされている。
【０００６】
その一例として、特開平１１−２２３５４０号に開示されている超音波流量計では、超音波センサの先端を前記流路内に突っ込んだ配置となっている。図７は、かかる超音波流量計の構成を示した図である。図７のａ部が被計測流体が流入する部分であり、流入した被計測流体は、図の矢印の方向に沿って、流管６０の流路８０内を流れ、流路８０内を進行中に超音波センサ７０による計測を受けて、その後、図のｂ部から流出する。
【０００７】
この例では、図７に示されるように、超音波センサ７０の先端が流路８０の内部に入っているため、流路８０の入口及び出口付近の被計測流体の流れは計測の対象とならない。また、この例における超音波センサ７０の配置では、流管６０の管壁から離れた、流れの中央部分を主に計測することとなる。従って、かかる超音波流量計では、被計測流体の流れが比較的安定した部分を計測の対象とできその点による計測精度向上という効果が得られる。また、超音波センサ７０の先端付近の流れの乱れを減少でき、流路８０内の流れの安定化という効果もある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例では、流路８０内において計測の対象となっていない範囲が広く、被計測流体の流れ（流速）が流路８０内で一定でない場合には、流路８０内の平均流速を捉えておらず、計測誤差が大きくなる。
【０００９】
図８は、前記従来例における流路８０内の計測範囲を説明するための図である。図に示すように、流路８０内に突っ込まれた超音波センサ７０から発せられる超音波（図のヌ）は、ある程度一定の幅で進んだ後に、幅を広げ進行していく。従って、例えば、図のルで示す範囲には、超音波は伝播せず、計測の対象とならない。さらに、流路８０の幅が図に示す場合よりも広い場合には、この計測外の範囲がさらに広くなることになる。このように、前記従来例では、計測の対象となっていない範囲が広く、上述したような問題を生じることになる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、流路内を流れる被計測流体の流速の均一化を図ると共に、流路内の広い範囲に超音波を伝播させることにより、計測精度の向上を図ることのできる超音波流量計を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面は、被計測流体を、所定の断面形状を有する流路に導き、当該流路の上流側と下流側に対向配置した一対の超音波センサを用いて測定する超音波流量計において、前記超音波センサを、前記流路の入口及び出口から、外側に所定の距離だけ離して配置することである。従って、本発明によれば、超音波センサから発せられた超音波は、流路に入った直後に平面波となり、流路内を流れる被計測流体の平均流速をより正確に計測することができる。よって、流量の計測精度を向上させることができる。
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明の別の側面は、所定の断面形状を有する流路と、当該流路の上流側と下流側に対向配置された１対の超音波センサとを有し、前記流路に導かれた被計測流体の流量を前記超音波センサから発せられる超音波を用いて計測する超音波流量計において、前記各超音波センサが、前記流路の流れ方向の端面から、それぞれ前記流れ方向に離して配置されることである。
【００１３】
更に、上記の発明において、その好ましい態様は、前記超音波センサと、前記流路の端面との間の距離（Ｌ）が、前記超音波センサの超音波発射面の直径（Ｄ）と、前記超音波の周波数（ｆ）に基づいて定められていることである。
【００１４】
また、上記の発明において、好ましい態様は、前記流路の断面形状が、ほぼ矩形をしており、当該断面形状の長辺（Ｗ）が短辺（Ｈ）の５〜２０倍に定められていることである。これにより、流路内の被計測流体の流れが均一になるという効果がある。
【００１５】
更に、上記の発明において、好ましい態様は、前記超音波発射面の直径（Ｄ）が、前記流路の断面形状の短辺（Ｈ）よりも大きいことを特徴とする。これにより、超音波が流路の短辺方向を全て覆うように伝播し、平均流速を捉えやすくなる。
【００１６】
更にまた、上記の発明において、好ましい態様は、前記超音波センサの配置位置が、前記流路の流れ方向に対して、前記流路の断面形状の長辺（Ｗ）方向に傾斜した位置であることを特徴とする。これにより、流路の幅が広い場合にも平均流速を捉えやすくなるという効果がある。
【００１７】
また、上記の発明において、好ましい態様は、前記超音波の周波数（ｆ）が、１００〜３００ｋＨｚであることを特徴とする。
【００１８】
上記の目的を達成するために、本発明の別の側面は、所定の断面形状を有する流路と、当該流路の上流側と下流側に対向配置された１対の超音波センサとを有し、前記流路に導かれた被計測流体の流量を前記超音波センサから発せられる超音波を用いて計測する超音波流量計において、前記超音波が、前記流路の流れ方向の端面から幅を広げて伝播するように、前記超音波センサと前記流路が配置されることである。
【００１９】
本発明の更なる目的及び、特徴は、以下に説明する発明の実施の形態から明らかになる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、図において、同一又は類似のものには同一の参照番号又は参照記号を付して説明する。
【００２１】
図１は、本発明を適用した超音波流量計の実施の形態例に係る全体構成を示す図であり、図１の（ａ）は、縦断正面図であり、（ｂ）は、Ａ−Ａ断面視図である。図２は、図１の（ａ）の各断面視図であり、図２の（ａ）は、図１の（ａ）のＢ−Ｂ断面視図であり、（ｂ）は、図１の（ａ）のＣ−Ｃ断面視図である。図１の（ａ）に示す超音波流量計１が、本実施の形態例に係る超音波流量計であり、図に示すとおり、流入部２、計測部３、及び流出部４等で構成されている。
【００２２】
流入部２は、被計測流体が本超音波流量計１に流入してくる部分であり、その上端で上流側の配管等（図示せず）と接続されている。
【００２３】
計測部３は、図１及び図２に示すように、計測室５、流管６、及び超音波センサ７を有している。計測室５は、被計測流体を前記流入部２から流管６へ導く空間であり、被計測流体の超音波流量計１への流入時の流れの影響を打ち消すためのバッファとしての役割を有する。また、計測室５は、仕切り壁１０によって流入側と流出側に区分されている。
【００２４】
流管６は、ほぼ矩形の断面形状を有する流路８を被計測流体に提供する部分であり、当該流路８内において被計測流体の計測が行われる。１対（２つ）の超音波センサ７は、図１に示すように、流路８の上流側と下流側にそれぞれ対向するように配設される。両超音波センサ７は、それぞれその先端に超音波発射面を有し、互いに超音波発射面が発する超音波の送受波を行う。かかる超音波の送受信によって計測される、流体の流れ方向と同方向の順方向伝播時間と、流体の流れ方向と逆方向の逆方向伝播時間とから被計測流体の流速が演算され、更にそれに基づいて流量が求められる。
【００２５】
次に、流出部４は、計測部３から流れ込む計測後の被計測流体を、その上端に接続される下流側の配管等（図示せず）に流出する部分である。
【００２６】
超音波流量計１が計測する流体は、図１の（ａ）の矢印が示すように、流入部２から計測室５を通って流管６の流路８に流れ込み、この間で計測を受けた後、計測室５を通って流出部４から元の配管等に戻る。
【００２７】
以上説明したような構造を有する本超音波流量計１は、流路８及び超音波センサ７の寸法、双方の位置関係等に特徴を有し、これらにより、流路内の流速の均一化を図ると共に、流路内の広い範囲に超音波を伝播させて、計測精度の向上を図ろうとするものである。以下、特徴部分の構成と作用について順次説明する。
【００２８】
まず、本超音波流量計１は、前記流路８の断面形状に特徴を有している。具体的には、流路８は、図２の（ｂ）に示すように、扁平なほぼ矩形の断面形状をしている。即ち、流路８の長辺の寸法Ｗが、流路８の短辺の寸法Ｈに対してかなり大きい値となっている。具体的には、ＷがＨの５〜２０倍の長さになっている。
【００２９】
かかる断面形状を有していることにより、本流路８内を通過する被計測流体の流れを均一化するという効果が得られる。図３は、流路８内の被計測流体の流速を概略的に示した図である。図の（ａ）は、流路８の短辺に垂直な平面で切った場合の状態を示しており、図の（ｂ）は、流路８の長辺に垂直な平面で切った場合の状態を示している。
【００３０】
図３の（ａ）において、ロは、本流路８における長辺方向の流速分布を示しており、イは、本流路８の断面形状と異なる断面形状、例えば円形や扁平でない矩形等、を有する流路の場合の流速分布を示している。図から明らかなように、本流路８における流速分布の方が平らな形状をしており、流路８の長辺方向で被計測流体の流速があまり変化しないことがわかる。従って、計測精度向上のために必要な流路８内の均一な流れの生成に、本流路８の形状は効果があると言える。
【００３１】
一方、図３の（ｂ）に示する流速分布（ハ）は、本流路８における短辺方向の流速分布を示しており、図からわかるように、この方向では、被計測流体の流速は、流管６の管壁の影響を強く受けて、大きく変化している。
【００３２】
次に、本超音波流量計１は、前記超音波センサ７の超音波発射面の直径Ｄが、上記流路８の短辺の寸法Ｈよりも大きいことを特徴としている。図４は、超音波センサ７から発せられた超音波の伝播の様子を概略的に示した図である。図は、流路８を水平方向から見た場合、即ち、流路８の長辺の方向から見た場合を表しており、図のニが超音波センサ７から発せられた超音波を示している。
【００３３】
上述のように、本超音波流量計１においては、超音波発射面の直径Ｄが流路８の短辺の寸法Ｈよりも大きいため、発せられた超音波（ニ）の幅（図４の上下方向の長さ）も短辺の寸法Ｈよりも大きくなる。従って、図４に示すように、超音波（ニ）は、流路８の短辺方向を全て覆うように流路８内に入り、そのまま伝播していく。これにより、流路８の短辺方向について見れば、流路８内の被計測流体の流れの全体を計測対象としていることになり、被計測流体の流れが流路８の短辺方向に均一でなくても、その平均流速が捉えられ、計測精度の向上を図ることができる。従って、上述した、図３の（ｂ）に示すような短辺方向の流速分布による計測精度の向上のための弊害も、かかる特徴によりカバーされる。
【００３４】
次に、本超音波流量計１においては、超音波センサ７が、流路８の入口及び出口から、外側に所定の距離だけ離れた位置に配置されており、この点が、本超音波流量計１の主要な特徴となっている。具体的には、超音波センサ７は、図１の（ａ）及び（ｂ）に示す距離Ｌ（超音波センサと流路間の距離）だけ流路８から離して配置される。そして、この距離Ｌは、以下の（１）式で定められるＬ´の１／４〜１／１倍の値とすることが好ましい。
【００３５】
Ｌ´＝１．６×Ｘ_０＝１．６×Ｄ^２／４λ　（ｍｍ）　　　　　　　（１）
ただし、λ＝ｃ／ｆ
Ｘ_０：近距離音場限界距離（ｍｍ）
Ｄ：超音波発射面の直径（ｍｍ）
ｃ：音速（ｍ／Ｓ）
ｆ：超音波の周波数（ｋＨｚ）
このように、超音波センサ７を流路８から距離Ｌだけ離して配置することにより、超音波センサ７から発せられた超音波を、流路８内で早期に広げることが可能となり、これに伴い、流路８の長辺方向においても早期に被計測流体の流れの全体を計測の対象とすることができ、計測精度の向上を図ることができる。図５は、超音波センサ７から発せられた超音波の伝播の様子を概略的に示した図である。なお、図５は、流路８を垂直方向から見た場合、即ち、流路８の短辺の方向から見た場合を表している。また、図１の（ｂ）からわかるとおり、本超音波流量計１においては、１対の超音波センサ７を、流路８内の流れ方向に対して傾斜した位置に対向配置しているが、本図においては、便宜的に流路８内の流れ方向に対して平行に対向配置しているものとしている。以下、図５に基づいて、上述の効果を説明する。
【００３６】
図５において、ホは、超音波センサ７から発せられた直後の超音波を示している。超音波センサ７から発せられた超音波は、上記（１）式の近距離音場限界距離Ｘ_０の１．６倍程度の距離まではあまり広がらずに、その後広がり始めることが知られている。従って、超音波ホは、図５に示すように、距離１．６×Ｘ_０、即ちＬの間ほぼ平行に幅を広げずに前進し、その後広がって伝播する。前述の通り、本超音波流量計１では、超音波センサ７が流路８からＬだけ離して配置されているので、超音波ホは、流路８の入口に達した付近からその幅を広げることとなる。
【００３７】
流路８内に入った超音波は、前述の通りその幅を広げ、間もなく流路８の長辺一杯に広がる。その後は、流管６の管壁に押えられて同じ幅で伝播を続ける。この長辺一杯に広がった超音波（図のヘ）のことを平面波と呼び、この平面波で計測を行うことは、被計測流体の流れの全体を計測対象としていること、及び平面波が波形も一定していて安定していることにより、計測精度向上のために好都合であると言える。
【００３８】
本超音波流量計１では、図５に示すとおり、超音波が流路８内に入った直後に前記平面波となるため、上述の通り、精度の高い計測が可能となる。被計測流体の流れが、流路８の長辺の方向にばらついていても、平面波によってその全体を計測対象とすることで正確な平均流速を求めることができる。さらに流路８内における平面波による計測範囲を広げるために、距離Ｌを長くすることも考えられるが、図５に示すト部は、被計測流体の流れが安定せず計測対象としない方がよいことが知られており、その点から、距離Ｌを長くすることは好ましくない。一方、距離Ｌを短くすることも、平面波による計測範囲を小さくすることになり、上述の理由から好ましくない。従って、前記定義した距離Ｌにするのが最も好ましい。
【００３９】
なお、超音波の周波数については、１００〜３００ｋＨｚにすることが好ましい。周波数が高いと分解性能が高くなり精度の良い計測が可能となる一方、周波数があまり高すぎると外乱に弱くなり好ましくないことが一般に知られている。本超音波流量計１においては、周波数を上記範囲にした場合に、経験的に良い結果が得られている。
【００４０】
次に、本超音波流量計１は、１組の超音波センサ７を流路８内の流れの方向に対して流路８の長辺方向に傾斜した位置に対向配置していることを特徴としている。具体的には、図１の（ｂ）に示すような配置としている。
【００４１】
このような傾斜した対向配置にすることにより、まず、計測室５から流路８に流れ込む被計測流体の流れの障害にならないという効果がある。超音波センサ７が流路８の長辺方向の中央に位置している場合には、上記流れの障害となり、圧力損失も大きくなってしまう。
【００４２】
また、かかる配置は、大容量の流量計など幅の広い流路８の場合に、被計測流体の平均流速を計測しやすいという点において効果がある。図６は、かかる効果を説明するための図である。図は、大容量の計測用など流路８の幅（長辺の寸法Ｗ）が大きい場合における流路８内の超音波の伝播状態を示しており、図（ａ）は、本実施の形態例のように斜めに対向配置した場合を、図（ｂ）は、幅の中央部分に被計測流体の流れに平行に対向配置した場合を表している。
【００４３】
この例では、図に示すように、（ａ）及び（ｂ）の双方の場合において、流路８の幅が広いために、超音波センサ７から発せられた超音波は、進行中にその幅を広げても流路８の幅には達せず、前述した平面波による計測をすることができない。このような状態において、図の（ａ）に示す場合には、超音波（図のチ）が斜めに伝播し、流路８内の被計測流体の流れを幅（Ｗ）方向に満遍なく計測することとなり、被計測流体の流れが幅（Ｗ）方向に変化している場合でも、平均流速を正確に捉えやすい。
【００４４】
一方、図の（ｂ）に示す場合には、超音波（図のリ）は、図に示すようにほぼ流路８の幅の中央部分を伝播し、流管６の管壁に近い部分については計測の対象とならない。従って、被計測流体の流れが幅（Ｗ）方向に変化している場合には、平均流速を正確に把握しずらい。このように、本実施の形態例による斜めの配置は、前述の通り、平面波で計測できない場合には、平均流速を正確に計測するという点において効果を有する。
【００４５】
以上説明したように、本実施の形態例に係る超音波流量計１を用いることにより、流路８内の均一な流れの形成、及び平面波による計測等が促進され、精度の高い計測が可能となる。
【００４６】
本発明の保護範囲は、上記の実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００４７】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、超音波センサから発せられた超音波は、流路に入った直後に平面波となり、流路内を流れる被計測流体の平均流速をより正確に計測することができる。よって、流量の計測精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した超音波流量計の実施の形態例に係る全体構成を示す図である。
【図２】図１の（ａ）の各断面視図である。
【図３】流路８内の被計測流体の流速を概略的に示した図である。
【図４】超音波センサ７から発せられた超音波の伝播の様子を概略的に示した図である。
【図５】超音波センサ７から発せられた超音波の伝播の様子を概略的に示した図である。
【図６】超音波センサ７の配置による効果を説明するための図である。
【図７】従来の超音波流量計の構成を示した図である。
【図８】従来例における流路８０内の計測範囲を説明するための図である。
【符号の説明】
１　超音波流量計
２　流入部
３　計測部
４　流出部
５　計測室
６　流管
７　超音波センサ
８　流路
１０　仕切り壁
６０　流管
７０　超音波センサ
８０　流路
Ｄ　超音波発射面の直径
Ｈ　流路の短辺の寸法
Ｌ　超音波センサと流路間の距離
Ｗ　流路の長辺の寸法

Claims

所定の断面形状を有する流路と、当該流路の上流側と下流側に対向配置された１対の超音波センサとを有し、前記流路に導かれた被計測流体の流量を前記超音波センサから発せられる超音波を用いて計測する超音波流量計であって、
前記各超音波センサが、前記流路の流れ方向の端面から、それぞれ前記流れ方向に離して配置される
ことを特徴とする超音波流量計。
請求項１において、
前記超音波センサと、前記流路の端面との間の距離（Ｌ）が、前記超音波センサの超音波発射面の直径（Ｄ）と、前記超音波の周波数（ｆ）に基づいて定められる
ことを特徴とする超音波流量計。
請求項１あるいは請求項２において、
前記流路の断面形状が、ほぼ矩形をしており、
当該断面形状の長辺（Ｗ）を短辺（Ｈ）の５〜２０倍に定めた
ことを特徴とする超音波流量計。
請求項１乃至請求項３において、
前記超音波発射面の直径（Ｄ）が、前記流路の断面形状の短辺（Ｈ）よりも大きい
ことを特徴とする超音波流量計。
請求項１乃至請求項４において、
前記超音波センサの配置位置が、前記流路の流れ方向に対して、前記流路の断面形状の長辺（Ｗ）方向に傾斜した位置である
ことを特徴とする超音波流量計。
請求項１乃至請求項５において、
前記超音波の周波数（ｆ）が、１００〜３００ｋＨｚである
ことを特徴とする超音波流量計。
所定の断面形状を有する流路と、当該流路の上流側と下流側に対向配置された１対の超音波センサとを有し、前記流路に導かれた被計測流体の流量を前記超音波センサから発せられる超音波を用いて計測する超音波流量計であって、
前記超音波が、前記流路の流れ方向の端面から幅を広げて伝播するように、前記超音波センサと前記流路が配置される
ことを特徴とする超音波流量計。