JP2004170384A

JP2004170384A - 流体の流れ計測装置

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Publication number: JP2004170384A
Application number: JP2003288753A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Umekage; 康裕梅景; Yoshiaki Inui; 善紀乾
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: JP3487307B1

Abstract

【課題】流体の流れ、および、超音波伝搬に改良を加えることにより計測精度を高めることを目的とする。
【解決手段】仕切板３を介して流路を複数の分割路４に区分するとともに、前記分割路４を流れる流体の流速を計測するために少なくとも一対の超音波送受信器７、８を配置し、前記超音波送受信器７、８はスリット１９、２０を縦方向に形成した圧電振動子１５、１６を有し、このスリット１９、２０の形成方向と前記仕切板３の設置方向とを同一方向に設定したものである。したがって、圧電振動子１５、１６で発生する縦振動が各分割路を確実に伝搬することとなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波を利用してガス、水などの流体の流速およびまたは流量を計測するようにした流体の流れ計測装置に関するものである。

従来の流れ計測装置にあって、計測精度を高めるべく、流路を仕切板を介して複数の分割計測路に区分し、流れを安定させるものがあった（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、図１０は従来の計測装置を示し、流体の計測流路５１は断面長方形の矩形状をしており、その短辺側が仕切板５２を介して区分され、複数の分割路５３を構成している。

前記計測流路５１への流体供給路５４は次第に拡大する断面に、また計測流路５１からの流体送出路５５は次第に縮小する断面に設定してある。

したがって、流体供給路５４から流入する流体は拡大断面で速度を落とし、その後、分割路５３に均等に流動する。

分割路５３は流動する流体が２次元性流れとなるようなアスペクト比、すなわち、扁平形状になっている。

そして、分割路５３において、流路５１の対向する短辺側路壁で、かつ流れ方向に変位した位置（上流側と下流側）には超音波送受信器（図示せず）が配置してある。

前記分割路５３を流れる流体の速度は、超音波送受信器５４、５５間の超音波伝搬時間若しくは時間差に基づき算出され、必要に応じて、これに流路寸法などを乗じて流量を演算するようにしている。

計測流路５１から流体送出路５５への断面を次第に縮小したのは、流体の逆流を想定したからで、逆流発生時、流体送出路５５から流入する流体は拡大断面で速度を落とし、その後、分割路５３に均等に流動するものである。
特開平９−４３０１５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、計測流路５１での流体の流れ形態については計測精度を高める上で相当の効果が認められるが、一方、超音波の伝搬については未だ課題を有しており、流路の特長を十分活かしきれていなかった。したがって、計測精度についてはさらなる改善が求められていた。

本発明は、前記従来の課題を解決したもので、より一層高精度な流体の流れ計測を可能にしたものである。

前記目的を達成するために本発明は、流体が通過する流路と、前記流路を複数の分割路に区分する仕切板と、前記分割路を流れる流体の流速を計測するために配置された少なくとも一対の超音波送受信器とを具備し、前記超音波送受信器は、スリットを形成することにより縦振動を主モードに設定した圧電振動子を有するとともに、この圧電振動子の振動の向きとほぼ平行に前記仕切板を設置したもので、流体の測定に有効な縦振動が分割路を合理的に伝搬することとなる。

本発明の流体の流れ計測装置によれば、分割路を流体が層流状態で流れること、流体の測定に有効な振動が分割路を合理的に伝搬することにより、流体の流速およびまたは流量の測定精度を著しく向上できるものである。

本発明の実施の形態は、流体が通過する流路と、前記流路を複数の分割路に区分する仕切板と、前記分割路を流れる流体の流速を計測するために配置された少なくとも一対の超音波送受信器とを具備し、前記超音波送受信器は、スリットを形成することにより振動の向きに方向性をもたせた圧電振動子を有するとともに、この圧電振動子の振動の向きとほぼ平行に前記仕切板を設置したものである。

そして、圧電振動子の振動の向きとほぼ平行に前記仕切板を設置したものにあって、前記スリットの長手方向と仕切板とはほぼ平行の関係にし、場合によっては、スリットと仕切板とを対向させる。

超音波送受信器からの振動に方向性をもたせたため、分割路を介して相手の超音波送受信器へ合理的に伝搬されることとなる。またスリットと仕切板とを対向させると、振動伝搬的に高感度部分が分割路に対応するため、さらなる精度向上が図れる。

スリットの長手方向と仕切板とが交差する関係にすれば、スリットにより区分された圧電振動子の一部位に不良があっても、他の正常部位が分割路を介して超音波を送受することになる。

さらに本発明では分割路の流体流れにも一層の改良を加えている。すなわち、仕切板の少なくとも流体流れ方向上流側端部の両側を、流れに対して前進するように突出させて分割路の両側への流れを抑制し、境界層付近の不均一な流れを可及的に抑えるようにしている。

流体に混入するダストの堆積を抑制することを主体とする場合は、仕切板の少なくとも流体流れ方向上流側端部の両側を、流れ方向に対して後退させればよい。

分割路の流体流れに乱れを生じさせないためには、仕切板の少なくとも流体流れ方向上流側端部を流れ方向に対して先細状、例えば、円弧状に設定することが考えられる。

本発明の流れ計測装置は、流速のみを計測対象にしたものではなく、計測した流速に流路断面積、および、所定の補正係数を乗じるようにすることで流量を演算することも容易に実施できるであろう。

以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。

（実施例１）
図１〜４おいて、流路１は、横断面形状が長方形の矩形状に設定してあり、途中に計測部２が設定されている。前記計測部２は、流路１の短辺側を複数の仕切板３で区分して複数の分割路４を形成したものとなっている。

各分割路４は流体が２次元性流れ、すなわち、層流状態で流れるようにそれぞれのアスペクト比が設定してある。

流路１の上流側には流入路５が、下流側には流出路６がそれぞれＵ字状に接続されており、これら流入路５、流出路６の内部通路は蛇行状に設定してある。

したがって、流入路５から流入する流体は蛇行流動および通路横断面積の変化などによって整流されて流路１の計測部２に至る。また流出路６も同構成とした理由は、逆流発生を想定したものである。

計測部２の短辺側で斜めに対向する部位、すなわち各分割路４の短辺側路壁の斜め対向部位には少なくとも一対の超音波送受信器７、８が配置してある。具体的には、路壁より窪み９、１０を凹設し、ここに超音波送受信器７、８を納めた構成としてある。

前記窪み９、１０の開口部には路壁と面一に多孔材１１、１２が設けてある。この多孔材１１、１２は超音波の通過を許容し、反面、流体通過は実質阻止する作用を発揮するもので、金網、パンチングメタルなどから構成されている。

したがって、分割路４を流れる流体が窪み９、１０に分流して渦など乱流を起こすことがなく、これによって、超音波伝搬が良好に行われるようにしている。

前記超音波送受信器７、８は、金属ケース１３、１４の内頂面に圧電振動子１５、１６を、外頂面に整合層１７、１８をそれぞれ配置した構成を採っている。

そして、前記圧電振動子１５、１６には縦方向（図４のＡ方向）、すなわち、仕切板３の設置方向とほぼ平行であって、しかも長手方向（図４のＢ方向）の向きが同仕切板３の向き（図４のＣ方向）ともほぼ一致する複数のスリット１９、２０がそれぞれ形成してある。

前記スリット１９、２０は、圧電振動子１５、１６の横振動を抑制し、縦振動を主モードに設定するもので、具体的には仕切板３の枚数と同数の３個が形成してあり、しかも、前記仕切板３と対向している。

前記構成において、超音波送受信器７、８の超音波伝搬路は分割路４を斜めに横切るごとく形成されており、先ず上流側の超音波送受信器７から下流側の超音波送受信器８に、その後下流側の超音波送受信器８から上流側の超音波送受信器７に超音波が送受され、計測手段２１がその時間差から一義的には流速を計測する。

もちろん、前記流速に分割路４の総断面積および補正係数を乗じることで流量の演算も可能であることは今さら云うまでもないことである。

超音波送受信器７、８の圧電振動子１５、１６は、スリット１９、２０を形成したことにより縦振動が主モードとなっており、これは仕切板３の設置方向とほぼ平行となっているため、分割路４における振動伝搬が高感度で行われることとなる。

しかも、本実施例では、スリット１９、２０の長手方向（図４Ｂ方向）と仕切板３の向き（図４Ｃ方向）もほぼ一致し、加えて同スリット１９、２０が仕切板３と対抗しているため、感度の強い部位が分割路４に対応し、より一層、振動伝搬の高感度化が促進できるものである。

その結果、分割路４での流体の層流流動形態と相まって流速およびまたは流量の測定が高精度にできるものである。

さらに、流体の流速を基に流量を演算する際、前記したように一般的には所定の補正係数（流量係数ともいう）を乗じるが、本実施例のごとく流れが安定し、しかも超音波伝搬が満遍なく行われるため、小流量から大流量まで同じ補正係数（例えば、１）、すなわち、平坦特性とすることができるものである。その結果、流体の種類、例えば、空気、都市ガス１３Ａ、ＬＰガスに関係なく、同じ値の補正係数とし得るものである。

また、分割路４の全域を超音波が伝搬するところから、脈動流および逆流が発生しても的確な計測ができ、例えば、ガスメータに応用すれば計測精度面で優れたものが得られることとなる。

各仕切板３の流体流れ方向上流側端部の両側は、流れに対して前進するように突出させてある。

これは、分割路４の両側路壁への流体の流れを抑制し、境界層付近の不均一な流れの影響を可及的に抑えたところにその目的があり、好ましくは、逆流発生を考慮して各仕切板３の流体流れ方向下流側端部の両側も逆流に対して前進するように突出させておくことが望ましい。

（実施例２）
図５は、各仕切板３の流体流れ方向上流側端部の両側を、前記実施例１とは逆に流れに対して後退するように切り込んだものである。

これは、流体中に含まれるごみがこの切り込んだ部分より出ていくようにして分割路４へ溜まるのを防止し、これにより、高精度の計測精度を長期間維持するところにその目的があり、好ましくは、逆流発生を考慮して各仕切板３の流体流れ方向下流側端部の両側も逆流に対して後退するように切り込んでおくことが望ましい。

それ以外の構成、作用などは実施例１と同じであるため、説明は省略した。

（実施例３）
図６は、各仕切板３の流体流れ方向上流側端部を流体流れ方向に対して先細状として、流体の圧損を可及的に小さくするとともに、流体の流れに乱れが生じないようにして計測精度のさらなる向上を図ったものである。

先細状形状の具体的なものとしては、図示のように円弧状にしてもよいし、或いは、ナイフエッジ状、すなわち両側よりテーパをつけてもよい。

もちろん、この場合も、好ましくは、逆流発生を考慮して各仕切板３の流体流れ方向下流側端部も先細状としておくことが望ましい。

（実施例４）
図７に示すものは、圧電振動子１５、１６に、縦方向、すなわち、仕切板３の設置方向とほぼ平行であって、しかも長手方向の向きが同仕切板３の向きと交差するように複数のスリット１９ａ、２０ａをそれぞれ形成したものである（図４のＢ方向をＣ方向と交差させたもの）。その他の構成は実施例１と同一なため説明は省略した。

上記構成にあっては、スリット１９ａ、２０ａによって区分された圧電振動子１５、１６の各部位がそれぞれの分割路４と対応するため、特定の一つの部位に不良が生じたとしても他の正常な部位が有効に働くことになり、その結果、超音波伝搬の信頼性、ひいては流体の流速およびまたは流量計測の信頼性を大いに高めることができる。

なお、本実施例４においても、各仕切板３の流体流れ方向（逆流も含む）上流側端部の両側を流れに対して前進するように突出させて、分割路４の両側路壁への流体の流れを抑制し、境界層付近の不均一な流れの影響を可及的に抑えるようにすることが考えら、また逆に各仕切板３の流体流れ方向（逆流も含む）上流側端部の両側を流れに対して後退するように切り込み、ごみ溜まりを防ぐようにしてもよい。

また、各仕切板３の流体流れ方向上流側（逆流も含む）端部を流体流れ方向に対して円弧状、ナイフエッジ状の先細状として、流体の圧損を小さくし、流体の流れに乱れが生じないようにして計測精度を向上するようにしてもよい。

（実施例５）
図８、９は仕切板３の支持に工夫を加えたもので、流路１の下流側に位置し、かつ上下方向に配置した一対の支持板２２は、流体の流れ方向と平行の関係にあって、仕切板３の下流側端部が係合する複数の係止溝２３を有するものである。

また、流路１の上流側両端部にも複数段（本実施例では３段）にわたり係止溝２４が形成してある。

各仕切板３は、それぞれの下流側端部を支持板２２の係止溝２３に、上流側両端部より外側へ突出形成したフランジ２５を流路１における上流側両端部の係止溝２４に係止させることで流路１に取着されている。

上記の構成で、支持板２２は流体の流れと平行関係にあるため、流れそのものに実質悪影響を与えることはなく、また超音波送受信器７、８の超音波伝搬路２６を避けてこれら支持板２２が設けてあるので、超音波伝搬にも影響を及ぼさないものとなる。

以上から本実施例では低圧損の流路構成が提供できるものである。

なお、上記実施例では流体の流れを超音波が斜めに横切るように一対の超音波送受信器７、８を配置した例を述べたが、この他、超音波を反射させて伝搬する、いわゆる、Ｖパス方式、Ｗパス方式でもよく、また流体の流れ方向の上下流側に対向させた、いわゆるＩパス方式でも同様な作用効果が得られる。

また、仕切板の間隔は等間隔に限定されるものではなく、流体流入形態に応じて流速分布を均等にするために不等ピッチとしたり、上下対称ピッチとすることも考えられるものである

以上のように、本発明の流体の流れ計測装置によれば、流速およびまたは流量の計測が高精度にでき、ガスなどの気体流体から液体流体まで幅広く計測することが可能となる。

本発明の実施例１における流体の流れ計測装置の横断面図同装置の縦断面図図１のＸ−Ｘ断面図実施例１における圧電振動子と仕切板との関係を示す説明図本発明の実施例２における流れ計測装置の横断面図本発明の実施例３における仕切板の断面図本発明の実施例４における流れ計測装置の横断面図（ａ）本発明の実施例５における仕切板の平面図（ｂ）仕切板の断面図（ａ）本発明の実施例５における計測路の横断面図（ｂ）計測路の正断面図従来の流体の流れ計測装置の概略断面図

符号の説明

１流路
３仕切板
４分割路
７、８超音波送受信器
１５、１６圧電振動子
１９、２０、１９a、２０a スリット

Claims

流体が通過する流路と、前記流路を複数の分割路に区分する仕切板と、前記分割路を流れる流体の流速を計測するために配置された少なくとも一対の超音波送受信器とを具備し、前記超音波送受信器は、スリットを形成することにより縦振動を主モードに設定した圧電振動子を有するとともに、この圧電振動子の縦振動の向きとほぼ平行に前記仕切板を設置した流体の流れ計測装置。
スリットの長手方向と仕切板とがほぼ平行の関係にある請求項１記載の流体の流れ計測装置。
スリットと仕切板とを対向させた請求項２記載の流体の流れ計測装置。
スリットの長手方向と仕切板とが交差する関係にある請求項１記載の流体の流れ計測装置。
仕切板の少なくとも流体流れ方向上流側端部の両側を流れに対して前進するように突出させた請求項１〜４のいずれか１項記載の流体の流れ計測装置。
仕切板の少なくとも流体流れ方向上流側端部の両側を、流れに対して後退させた請求項１〜４のいずれか１項記載の流体の流れ計測装置。
仕切板の少なくとも流体流れ方向上流側端部を流体流れ方向に対して先細状に設定した請求項１〜６のいずれか１項記載の流体の流れ計測装置。
計測した流体の流速に基づき流量を演算により求めるようにした請求項１記載の流体の流れ計測装置。