JP2004132928A

JP2004132928A - 超音波式流量計

Info

Publication number: JP2004132928A
Application number: JP2002300102A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Umekage; 梅景　康裕; Yukio Nagaoka; 長岡　行夫; Hajime Miyata; 宮田　肇; Yoshiaki Inui; 乾　善紀
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-15
Also published as: JP4447205B2

Abstract

【課題】脈動流などが生じても精度の高い流量計測を実現することを目的とする。
【解決手段】断面長方形の矩形流路８の長辺対向方向を仕切板９を介して複数の分割流路１９に分割することによって多層流路１１を構成し、この多層流路１１を二次元的に流動する流体の流速を超音波送受信手段で検知するものにあって、前記多層流路１１の少なくとも上流側に一定断面の助走流路１２設けたものである。流体は助走流路１２内で流速分布が均等になり、多層流路１１の流量も均等化されるので、精度の高い計測を実現することができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用してガス、水などの流体の流量を計測する超音波式流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の超音波式流量計は、図５に示すように、仕切板１により区切られた多層状の流路２よりなる流量測定部３と、前記流量測定部３を挟んで配置された第一の超音波振動子と第二の超音波振動子と、前記超音波振動子の信号を基に流量を算出する流量演算部から構成されているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、４は上流側接続部、５は下流側接続部、６は上流側接続部に接続された入口部、７は下流側接続部に接続された出口部である。
【０００４】
上記構成において、多層状の流路２に流体を二次元的に流して、精度の高い流量計測を実現しようとしていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−４３０１５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術では、上流側接続部４が拡大流路形状となっているため、各流路２に均等に流れが入りにくく、超音波で流路全体を計測したときに、その流速分布の影響が現れ、計測精度を低下させるという課題があった。
【０００７】
本発明はこのような従来の課題を解決するもので高精度の流量計測を可能にすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、仕切板を介して複数の流路に分割構成した多層流路と、前記多層流路に配置された１対の超音波送受信手段と、前記超音波送受信手段による超音波の伝搬時間に基づいて流量を検出する流量検出手段と、前記多層流路の少なくとも上流側に設けられ、多層流路に至る流体を整流する助走流路とからなるものである。
【０００９】
上記によれば、助走流路内で流速分布が均等になり、層状の各流路へ流入する流量も均等化されるので、精度の高い計測を実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、仕切板を介して複数の分割流路に分割して形成した多層流路と、前記多層流路に配置された１対の超音波送受信手段と、前記超音波送受信手段による超音波の伝搬時間に基づいて流量を検出する流量検出手段と、前記多層流路の少なくとも上流側に設けられ、多層流路に至る流体を整流する助走流路とからなるものである。そして、この助走流路による整流は一定断面によって達成される。
【００１１】
このように整流作用を発揮する助走流路を設けているので、助走流路内で流速分布が均等になり、層状の各流路へ流入する流量も均等化されるので、一方向流れの場合だけでなく脈動流の場合においても、精度の高い計測を実現することができる。
【００１２】
上記助走流路は、断面長方形の矩形状であって、その長さをＬ、その短片の高さをＨとしたとき、Ｌ＞Ｈの関係に設定した。
【００１３】
このように助走流路を長くすることで、流れを短辺方向に均等化でき多層流路の各層に均等に流入させることができ、精度の高い計測ができる。
【００１４】
また仕切板の厚みを超音波送受信手段による超音波の波長よりも短い値に設定した。これによって、超音波の伝搬を妨げることを抑制して高感度で超音波の送受信ができるので高精度の流量計測が実現できる。
【００１５】
また仕切板は上流側または下流側のいずれか一方に傾斜して設置した。したがって、仕切板の上面に、ごみなどが蓄積しにくくすることができ、信頼性と耐久性を高めることができる。
【００１６】
さらに複数の仕切板の１枚を超音波送受信手段における超音波送受信領域の中央に位置させたものである。この構成によって、流路および超音波送受信手段を、例えば上下対称に分割することができるので、流れを均等に計測することが可能となり、精度の高い流量計測とすることができる。
【００１７】
仕切板の１枚を超音波送受信手段における超音波送受信領域の中央に位置させる手段としては、奇数枚の仕切板を等間隔に配置することで、中央に位置する１枚の仕切板がその作用を発揮する。
【００１８】
また多層流路はＵ字状に繋がれた流路の中央部に設けられるとともに、前記多層流路の上流側と下流側に設けた助走流路は、上流室と下流室に突出して位置させた。
【００１９】
そのため、上流室または下流室で流速が減速され、より均一的に助走流路へ流入することで一方向流れの場合だけでなく脈動流の場合においても精度の高い計測が実現できるとともに、上流室または下流室でごみなどのダストが落下するので多層流路の詰まりを防止することがきる。
【００２０】
多層流路の少なくとも一部路面を非粘着性材料で表面処理すれば、ごみなどの付着を防止することができ信頼性の高い流量計とすることができる。
【００２１】
また超音波送受信手段を設置した部位の多層流路側を多孔板で覆った。この構成を採用すれば、超音波の送受信が流体の流れに影響されにくく、送受信を確実に行うことで精度の高い計測を行うことができる。
【００２２】
この多孔板は５０〜５００メッシュの金網で構成した。これにより、超音波の送受信が流体の流れに影響されにくくなるとともに、高感度の状態で送受信することができ、送受信を確実に行うことで精度の高い計測を行うことができる。
【００２３】
また仕切板と多孔板を一体として流路に設置して多層流路を構成した。上記のように、一体化することで、組み立て易くなり、かつ個体間ばらつきも低減でき、精度の高い流量計とすることができる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００２５】
（実施例１）
図１、２において、断面長方形をなす矩形の流路８は、その長辺対向方向を複数の仕切板９を介して多数の分割通路１０に分割することで多層流路１１を構成している。本実施例では４層構造のものを示す。
【００２６】
そして、これら多層流路１１の上流側と下流側には一定断面の助走流路１２、１３が繋がっている。
【００２７】
１４、１５はそれぞれ曲り部１６、１７を有し、しかも上記流路８とともにＵ字形状をなす上流室と下流室で、先の助走流路１２、１３の各先端が突出状態で位置しているものである。
【００２８】
ここで、１８、１９は折返し板、２０、２１は各分割通路１０に臨むごとく配置した一対の超音波振動子からなる超音波送受信手段で、超音波が流体の流れ方向を斜めに横切るごとく、流路８の相対向する短辺側に対設してある。
【００２９】
上記超音波送受信手段２０、２１は流路８の路壁よりを一段凹んだ窪み部２２、２３に位置するとともに、流路８側は金網、パンチングメタルなどからなる多孔板２４、２５で覆われ、路壁に段差ができないようにしてある。
【００３０】
一対の超音波送受信手段２０、２１による超音波の伝搬時間に基づいて流量検出手段２６がその時々の流量を検出するものである。
【００３１】
そして、仕切板９の厚みｄは、超音波の波長（例えば、０．７ｍｍ）より短くなるようにしている（例えば、０．３ｍｍ）。また助走流路１２、１３は、長さＬが短辺高さＨよりも長くなるように設定してある。
【００３２】
上記の構成において、Ｕ字状の流路の一方から流れ込んでくる流体は、上流室１４で流速が減速され、均一化されて突出した助走流路１２の周辺から流入することでさらに均一した流れを実現している。
【００３３】
そして、流れ方向に長い助走流路１２でさらに流れがスムーズになり、多層流路１１の各分割通路１０に均等に分かれて流れ込むことができる。すなわち、助走流路１２は、高さ方向よりも長さ方向に大きいので、同助走流路１２の入口から角度を持って流入してきた流れも長さ方向に方向転換して修正されていくのである。
【００３４】
よって、多層流路１１の各分割通路１０に均等に流体が流入するすることとなる。これら各分割通路１０の均等な流れの中を超音波が伝搬することで、流れによって発生する伝搬時間を精度よく計測することができるのである。
【００３５】
また分割流路１０は非常に狭い隙間（例えば、１ｍｍから４ｍｍ、最適には２ｍｍ前後）になっており、超音波が通路高さ方向に対して全域を通過することになるので、流速分布の影響を受けずに計測することができる。
【００３６】
よって、伝搬時間から流量値に換算する補正係数（流量係数とも言う。）も、小流量から大流量まで同じ値をとることができる。加えて、流速分布の影響を受けないので、流体の種類（例えば、空気と都市ガス１３Ａ、ＬＰガスなど）にも関係なく、補正係数は同じ値をとることができるのである。
【００３７】
そして、分割流路１０が非常に狭い空間であるので、脈動流が発生した場合でも、狭い通路の不規則な流れ分布の中を超音波が通過伝搬することとなり、その結果、伝搬時間はその不規則な脈動流の影響を受けた時間となって、脈動流の流れを的確に計測することができるのである。
【００３８】
さらに、多層流路１１の下流側も上流側と対称な形状としているので、脈動流が発生して逆流した場合でも、同様に逆流を精度よく計測することができる。
よって、脈動流の場合でも、正流、逆流とも精度の高い流量計測を行うことができる。例えば、ガスメータのような場合に、脈動流が発生しても正逆正しく計測することができるので、ガス流量を精度よく計測することができる。
【００３９】
なお、逆流が起こり得ないものでは当然下流側の助走通路１３は省略することも考えられる。
【００４０】
仕切板９の厚みｄは、超音波の波長よりも短くしているので、超音波の伝搬の障害になりにくく、高い信号レベルで送受信することができる。その結果、信号のＳＮがよく、超音波の送受信を精度良く行い、結果に流量計測の精度を高くして計測することができる。
【００４１】
超音波送受信手段２０、２１が設置された多層流路１１の側面には、同超音波送受信手段２０、２１を取り付ける窪み部２２、２３が形成されているが、路壁面と平行で段差がないように多孔板２４、２５が覆設している。
【００４２】
したがって、この多孔板２４、２５によって、流れが窪み部２２、２３に侵入して乱流を起こすことがなくなり、幅広い流量範囲で精度の高い流量計測が行えるとともに、脈動流が発生しても渦の発生を抑制し、精度良く流量計測ができる。
【００４３】
そして、多孔板２４、２５として金網を採用した場合は、メッシュサイズとして５０から５００の範囲（最適値としては、１２０から２００メッシュ）に設定すれば、波長０．７ｍｍ付近の超音波周波数では、効率良く音波を透過させることができ、超音波の送受信を高い感度で行うことができ、流量計測の精度を高めることができる。
【００４４】
多層流路１１の仕切板９は奇数枚数（例えば、３枚）等間隔に配置されており、中央に位置する１枚が超音波送受信手段２０、２１における超音波送受信領域の中央に位置するようにしている。
【００４５】
超音波送受信手段２０、２１の感度分布は、一般的に中央部が最も強いので、最も強い部分に仕切板９の１枚がくるようにして感度を分割することで、各分割通路１０に均等に超音波を伝播させることができるのである。
【００４６】
均等に分配された超音波によって送受信することで、各分割通路１０をそれぞれ正確に計測でき、総合的にも精度の高い流量計測を実現することができるのである。
【００４７】
なお、偶数枚数の仕切板９を配置したものでも、相互の間隔を調整することでそのうちの１枚を超音波送受信手段２０、２１における超音波送受信領域の中央に位置させることができる。もちろん、この場合、分割通路１０には流体が二次限的に流動する要件を満足しなければならない。
【００４８】
ところで、多層流路１１の一部である仕切板９に非粘着性材料、例えば、テフロン（Ｒ）やフッ素を表面処理すれば、狭い隙間にごみなどの付着を防止することができ、耐久性や信頼性を向上することができるのである。
【００４９】
そして、上記実施例のごとく一部ではなく分割通路１０全体に表面処理を施すことも考えられる。
【００５０】
なお、本実施例は、超音波流量計として説明しているが、ガスメータに利用した場合も同様の効果が得られることは明白である。そして、多層流路を斜めに横切るごとく超音波送受信手段を配置しているが、一回反射させたＶパス方式や、多層流路を挟んで流れ方向に対向させたＩパス方式にしても同様の効果が得られることは明白である。
【００５１】
（実施例２）
図３において、先の実施例１と異なる点は、仕切板９を下流側に傾斜させて設置したことである。
【００５２】
このように仕切板９を傾斜させることで、その上にごみなどが落ちても、傾斜と流れによって、下流側にごみが流され落ちて助走流路１３を過ぎ、下流室１５に落ちていくことになるので、仕切板９の多層流路内にはごみが蓄積しにくい効果がある。
【００５３】
なお、下流側に傾斜させた構成で説明したが、上流側に傾斜させた場合でも、脈動流などが発生した場合には同様の効果、すなわち上流室１４にごみが落ちる効果が期待できる。
【００５４】
そして、Ｕ字流路の一方から流れてきたごみは、上流室１４に突出した助走流路１２の突出状先端部によって上流室１４に落下し、多層流路１１には流れ込みにくい構成にもなっていることを併せ、さらにごみなどの不純物の詰まり込みが少ない流路とすることができる。
【００５５】
（実施例３）
図４において、実施例１と異なる点は、仕切板９とこれらを支持する支持板２７と多孔板２４、２５を一体にして、流路に配置することで多層流路１１を構成したことである。
【００５６】
ここで、２８は仕切板固定枠、２９はこれら支持板２７と仕切板固定枠２８で仕切板９および多孔板２４、２５をユニット化した仕切板ユニットである。
【００５７】
このように、仕切板９と支持板２７と多孔板２４、２５を一体化にして流路に設置することで、仕切板９の平行度を精度良く取り付けることができ、計測精度を高くすることができるとともに、超音波の伝搬時間の差から流量値に換算する補正係数（流量係数とも言う。）も、個体間のばらつきを少なくすることができる。
【００５８】
また仕切板９の支持板２７は、超音波の伝搬路３０を遮ることがないように上流側と下流側に分けて設置することで、それら仕切板９の間隔の精度を高め、超音波の伝搬をスムーズに行うようにしている。
【００５９】
そして、上下に設けることで、流路の対称性を高め、脈動流が発生した場合でも、精度の高い流量計測を実現することができる。
【００６０】
さらに、仕切板ユニット２９は、多層流路１１の側面に埋め込むことで、流路内の出っ張りをなくし、スムーズな流れを実現することで、流量計測の精度を向上している。
【００６１】
以上説明した各実施例によれば、流体を流す直管部を備えた流路壁面の窪み部に超音波の伝搬方向に仕切られた複数の分割通路を備えることによって、空気中を伝搬するので感度低下も少なく、通路を分割することによって超音波の直進性が維持され、良好な送受信を行うことができるとともに、流路側面に設けた窪み部内部の開口流路が小さく分割され、渦が発生しにくくなることと、窪み部内部への流体の流入も低減させることができ、脈動が発生しても流量を正しく計測することができるものである。
【００６２】
【発明の効果】
このように本発明によれば、超音波伝搬系での流体の流量分布が均等化されるところから、高精度の流量計測ができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の超音波式流量計の縦断面図
【図２】同装置の横断面図
【図３】本発明の実施例２の超音波式流量計の縦断面図
【図４】（ａ）本発明の実施例３の多層流路の横断面図
（ｂ）同正断面図
【図５】従来の超音波式流量計の流路断面図
【符号の説明】
８　流路
９　仕切板
１０　分割流路
１１　多層流路
１２、１３　助走流路
１４　上流室
１５　下流室
２０、２１　超音波送受信手段
２４、２５　多孔板
２６　流量検出手段

Claims

仕切板を介して複数の分割流路に分割して構成した多層流路と、前記多層流路に配置した１対の超音波送受信手段と、前記超音波送受信手段による超音波の伝搬時間に基づいて流量を検出する流量検出手段と、前記多層流路の少なくとも上流側に設けられ、多層流路に至る流体を整流する助走流路とを備えた超音波式流量計。
多層流路に至る流体の流動分布が均一となるように助走流路を一定断面とした請求項１記載の超音波式流量計。
助走流路は、断面長方形の矩形状であって、その長さをＬ、その短片の高さをＨとしたとき、Ｌ＞Ｈの関係に設定した請求項１または２記載の超音波式流量計。
仕切板の厚みを超音波送受信手段による超音波の波長よりも短い値に設定した請求項１記載の超音波式流量計。
仕切板は、上流側または下流側のいずれか一方に傾斜して設置された請求項１記載の超音波式流量計。
複数枚の仕切板で多層流路が区画され、それら仕切板の１枚を超音波送受信手段における超音波送信領域の中央に位置させた請求項１、４のいずれか１項記載の超音波式流量計。
仕切板が等間隔で奇数枚配置され、中央部に位置する１枚の仕切板が超音波送受信手段における超音波送信領域の中央に位置させた請求項６記載の超音波式流量計。
多層流路はＵ字状に繋がれた流路の中央部に設けられるとともに、前記多層流路の上流側と下流側に設けた助走流路は、上流室と下流室に突出して位置させた請求項１記載の超音波式流量計。
多層流路の少なくとも一部路面を非粘着性材料で表面処理した請求項１記載の超音波式流量計。
超音波送受信手段を設置した部位の多層流路側を多孔板で覆った請求項１記載の超音波式流量計。
多孔板は５０〜５００メッシュの金網で構成した請求項１０記載の超音波式流量計。
仕切板と多孔板を一体として流路に設置して多層流路を構成した請求項１０または１１項記載の超音波式流量計。