JP2004251700A - 流体計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】順方向及び逆方向の脈動が起きている場合にも精度の高い計測を行うことができる流体計測装置を提供する。
【解決手段】本発明の流体計測装置は、計測流路５と、前記計測流路５の断面形状を上流側と下流側で異ならせ順方向及び逆方向の流れの流速分布を対称にするために前記計測流路５の少なくとも下流側に設けられた流速制御手段と、前記計測流路５に設けられた少なくとも一対の流速検出手段７と、前記流速検出手段７により計測された情報に応じて流体の流量を演算する計測制御手段１１とを具備する。この構成により、順方向の脈動が発生している場合の流体の流速分布と逆方向の脈動が発生している場合の流体の流速分布を対称にすることができ、精度の高い計測を行うことが可能となる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体や液体の流速や流量などを計測する流体計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の流体計測装置は図１１に示すような構造であった。すなわち、流体の流れる配管１には対向するように超音波送受信器２ａおよび２ｂが設けられている。また、前記配管１の吸入口２には整流体４が設けられ、前記整流体４は平行に配列された複数の細管４ａにより構成されている。
【０００３】
この整流体４を設けることにより流体が吸入口２において様々な角度を持って吸い込まれたとしても細管４ａを通過する過程で整流され安定した流れになる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１８９５９１号公報（第２−２頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
通常、ガスなどの流体は上流側から下流側へと順方向に流れるが、ガスエンジンヒートポンプをはじめとする流体計測装置に接続される流体消費機器の影響を受け時々刻々変化する脈動と呼ばれる順方向及び逆方向の流れが生じることがある。
【０００６】
脈動の順方向及び逆方向の流れは全体的にみると±０になるため、常に流速を計測し続けると脈動による誤差を相殺することができるが、省電力化が求められる超音波流量計においては所定の時間毎に流速を計測するのが主であり、脈動による誤差が計測精度を低下させるという課題が出てきた。
【０００７】
この脈動が発生している状態においても精度の高い計測を行うためには順方向の脈動が発生している場合の流速分布と逆方向の脈動が発生している場合の流速分布を対称にする必要がある。
【０００８】
しかしながら、従来の流体計測装置では、上流側と下流側とで同じ流路断面形状を有し、順方向の流れに対しても逆方向の流れに対してもその同じ流路断面形状を用いて計測するため、変化する脈動の影響を強く受け、順方向の脈動が発生している場合の流速分布と逆方向の脈動が発生している場合の流速分布に非対称性が生まれ計測精度が低下する。
【０００９】
図１２は脈動発生時において、従来の流体計測装置の矩形断面の流路における流速分布を測定したものである。流路の高さＨは１０ｍｍ、幅Ｗは２０ｍｍ、流量が２５Ｌ／ｈ、脈動周波数１０Ｈｚ、圧力変動幅±１８０Ｐａの場合に１周期（１００ｍｓ）の間測定したものである。
【００１０】
この図により脈動の流れが時間とともに変化することが分かるが、順方向の流れと逆方向の流れについて比較するため、各々の流速０．０５ｍ／ｓ付近での流速分布を特に図１３に表わす。図において、流体が流れている状態において流体の流れと同じ方向に脈動が発生している場合を順方向時（流速増加時）、流体の流れと逆の方向に脈動が発生している場合を逆方向時（流速減少時）とする。
【００１１】
図において、順方向時の脈動が起きている場合の流速分布はほぼ平坦化されているのに対し、逆方向時の脈動が起きている場合の流速分布は凸状に近い形をしている。このように、脈動の流速分布の非対称性が流体の流速分布に影響をもたらし、計測の精度を低下させている。また、特に流量が少ない場合には脈動の影響が大きくなり計測精度を一層低下させる。
【００１２】
本発明は上記課題に鑑み、順方向または逆方向の脈動が発生した場合にも、特に逆方向の脈動を平坦化することで流速分布を対称化し、また新たに脈動に応じた計測時間を設定することで脈動による誤差を相殺して精度の高い計測を行うことができる流体計測装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の流体計測装置は、流体の流れる計測流路と、前記計測流路の断面形状を上流側と下流側で異ならせ順方向及び逆方向の流れの流速分布を対称にするために前記計測流路の少なくとも下流側に設けられた流速制御手段と、前記計測流路に設けられた少なくとも一対の流速検出手段と、前記流速検出手段により計測された情報に応じて流体の流量を演算する計測制御手段とを具備する。
【００１４】
この構成により、上流側と下流側とで異なる流路断面形状を有し、順方向の流れに対する流路断面形状と逆方向の流れに対する流路断面形状を異ならせて計測するため、順方向の脈動が発生している場合の流体の流速分布と逆方向の脈動が発生している場合の流体の流速分布を対称にすることができ、精度の高い計測を行うことが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、流体の流れる計測流路と、前記計測流路の断面形状を上流側と下流側で異ならせ順方向及び逆方向の流れの流速分布を対称にするために前記計測流路の少なくとも下流側に設けられた流速制御手段と、前記計測流路に設けられた少なくとも一対の流速検出手段と、前記流速検出手段により計測された情報に応じて流体の流量を演算する計測制御手段とを具備する流体計測装置である。
【００１６】
また、流速制御手段として計測流路を複数の分割流路に分割する流路分割手段を設け、上流側に設けられた前記分割流路の数よりも下流側に設けられた前記分割流路の数を増やすように構成している。
【００１７】
なお、流路分割手段を上流側と下流側で別々に設けてもよく、さらには流路分割手段を下流側のみに設けてもよい。
【００１８】
また、流速制御手段の他の形態として計測流路の下流側の側面に突起部を設けてもよい。
【００１９】
以上のような構成により、上流側と下流側とで異なる流路断面形状を有し、順方向の流れに対する流路断面形状と逆方向の流れに対する流路断面形状を異ならせて計測するため、順方向の脈動が発生している場合の流体の流速分布と逆方向の脈動が発生している場合の流体の流速分布を対称にすることができ、精度の高い計測を行うことが可能となる。
【００２０】
また、本発明の流体計測装置は、流速検出手段を前記流速検出手段から送受信される信号の信号伝播路が流路分割手段により妨げられない位置に対向して設けたものである。さらには、前記流速検出手段を複数設けたものである。
【００２１】
以上のような構成により、流路分割手段により信号が減衰するのを防ぐとともに流速検出手段を用いてより広範囲の流速域での計測ができるため、計測精度の向上が可能となる。
【００２２】
また、本発明の流体計測装置は、計測流路の入口側または出口側の少なくとも一方に整流手段を設けたものであり、流れの方向を規制することができるため、順方向の脈動が発生している場合の流体の流速分布と逆方向の脈動が発生している場合の流体の流速分布をより均一化することができ、計測精度の向上が可能となる。
【００２３】
また、本発明の流体計測装置は、脈動の発生が検知されると脈動周期に応じた計測時間を設定し、その計測時間中は流速検出手段による計測時間の間隔を短くするように設定したものである。この構成により、脈動による誤差を相殺することができ精度の高い計測を行うことができる。
【００２４】
また、本発明の流体計測装置は、計測流路の断面が矩形状に構成されている。この構成により、分割した各断面における流速分布を均等化することができ精度の高い計測を行うことができる。
【００２５】
また、本発明の流体計測装置は、流速検出手段として超音波を送受信する超音波送受信器を用いたものであり、上流側と下流側とで異なる流路断面形状を有し、順方向の流れに対する流路断面形状と逆方向の流れに対する流路断面形状を異ならせて計測するため、順方向の脈動が発生している場合の流体の流速分布と逆方向の脈動が発生している場合の流体の流速分布を対称にすることができ、超音波を用いた精度の高い計測を行うことが可能となる。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
本発明の実施例について図１〜８を用いて説明する。なお、本実施例においては、流速検出手段に超音波送受信器を用いた流体計測装置を例に挙げて説明する。
【００２７】
なお、図１は超音波流量計の幅Ｗに垂直な面で切断した時の、図２は超音波流量計の高さＨに垂直な面で切断した時の断面をそれぞれ示す。
【００２８】
５は流路壁６により囲まれた計測流路であり、その途中には熱フローセンサや超音波振動子などの流速検出手段７が配置されている。
【００２９】
また、流路分割手段８として前記計測流路５の上流側には２つの流路分割手段８ａ、下流側には２つの流路分割手段８ｂが設けられている。
【００３０】
なお、流路分割手段８は、上流側の流路分割手段８ａと下流側の流路分割手段８ｂとで数を異ならせている。また、計測流路５の断面は矩形状に構成されており、この構成により、分割した各断面における流速分布を均等化することができ精度の高い計測を行うことができる。
【００３１】
９は計測流路５の上流側に位置する導入部であり、１０は前記計測流路５の下流側に位置する導出部である。なお、流体は導入部９から導出部１０の方向に流れ、それを順方向の流れといい、逆に導出部１０から導入部９への流れを逆方向の流れという。
【００３２】
また、１１は前記流速検出手段７に接続された計測制御手段である。前記計測制御手段１１は、計測制御部１２、流量演算部１３、流量補正部１４、脈動判定部１５、計測時間設定部１６を具備する。
【００３３】
以上のように構成された流体計測装置においてその動作を説明する。導入部９から計測流路５に流入した流体は上流側に設けられた流路分割手段８ａにより３つの流れに分割される。その後、流速検出手段７の設けられた付近で１つに合流し、再度下流側に設けられた流路分割手段８ｂにより４つの流れに分割され導出部１０から流出する。
【００３４】
次に、上記のように流体の流れる計測流路５において計測制御手段１１の動作を説明する。計測制御部１２は所定の時間毎に計測動作を開始させる信号を流速検出手段７に送る。その後、流速検出手段７が計測した情報を前記計測制御部１２で受け取り流量演算部１２に送る。前記流量演算部１２において流体の流速が求められ、流量補正部１４において補正係数を加味して流量が算出される。
【００３５】
また、脈動判定部１５では流速検出手段７で計測された流速情報に基づいて脈動の有無を判定し、脈動が検知された場合には、流速検出手段７の計測動作開始時間の間隔を脈動のない状態の時間間隔より短く設定する。
【００３６】
それとともに、計測時間設定部１６において脈動の周期を求め、その周期の整数倍またはほぼ整数倍というように脈動周期に応じた計測時間を設定し、その計測時間中には脈動判定部１５で設定された計測動作開始時間の間隔で計測が行われる。この構成により、脈動の周期に応じた計測が可能となるため、脈動による誤差が相殺され、精度の高い計測を行うことができる。
【００３７】
このような流体計測装置について流量の算出方法について説明する。
【００３８】
流速検出手段７として計測流路５の流路壁６の上流側及び下流側に設けられた開口穴１７に超音波送受信器７ａ及び７ｂが幅Ｗ方向に計測流路５の中心軸に対して角度θ、距離Ｌをもって配置されている。超音波送受信器７ａ及び７ｂはいずれも超音波の送信及び受信の動作を行うように構成されており、どちらの超音波送受信器から超音波を送信するかは任意である。
【００３９】
なお、１９は超音波の信号伝搬路を表わしている。また、開口穴１７と計測流路５の間には流入抑制体２０が設けられ、流体の流れが流入し渦などが発生するのを防いでいる。
【００４０】
このように構成された超音波流量計についてその動作を説明する。計測制御部１２により信号を受けた超音波送受信器７ａは超音波を送信し、計測流路５の幅方向Ｗを斜めに横切って超音波送受信器７ｂに受信される。この時の伝搬時間ｔ１は以下の式で表わされる。なお、Ｃは無風状態における流体の音速を表わし、Ｖは計測流路５を流れる流体の流速を表わす。
【００４１】
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
次に、超音波送受信器７ｂから超音波を送信し、計測流路５の幅方向Ｗを斜めに横切って超音波送受信器７ａに受信される。この時の伝搬時間ｔ２は以下の式で表わされる。
【００４２】
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
流体の音速Ｃは温度などの測定環境により変化するため、以上の式より流体の音速Ｃを消去し流速Ｖを求めると以下の式になる。
【００４３】
Ｖ＝Ｌ／｛２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２）｝
この式により、Ｌとθが既知のものとなれば流速Ｖが求められる。しかし、計測流路５における流速分布による誤差が生じるため、流量補正部１４において補正係数Ｋを加味して流量Ｑを求める必要がある。従って、流量Ｑは以下の式で表わされる。なお、Ｓは計測流路５の断面積を表わす。
【００４４】
Ｑ＝ＫＶＳ
以上のような動作により流体の流量を求めることができる。なお、図３に示すように外寸Ｄの大きさとなる超音波送受信面２１から送信した超音波は幅Ｗ方向のみならず高さＨ方向にも幅をもって伝搬し、またある位置を超えると外寸Ｄより広範囲に計測することができる。従って、広い領域の流速を計測することができるため精度の高い計測が可能となる。
【００４５】
図４は超音波流量計について、圧力脈動を加えた場合の計測流路５における流速分布を示している。なお、流路の高さＨは１０ｍｍ、幅Ｗは２０ｍｍ、流量が２５Ｌ／ｈ、脈動周波数１０Ｈｚ、圧力変動幅±１８０Ｐａの場合に１周期（１００ｍｓ）の間測定したものである。
【００４６】
この計測結果によると、上流側と下流側との流路分割手段８の数を異ならせ、計測流路５における流路の分割状態を変えることにより、順方向及び逆方向の脈動が生じている場合にも均一な流速分布を得ることができることが分かる。
【００４７】
以上のように、上流側の流路分割手段８ａよりも下流側の流路分割手段８ｂの数を多くすることで、逆方向の脈動が起きている場合には、より抵抗が大きくなるとともに流れをより多くの流路に分割することができるため、流速分布をより平坦化することができる。
【００４８】
また、上流にも流路分割手段８を設けることで、順方向の脈動が起きている場合にも平坦化を促進することができるため順方向の脈動が起きた場合の流速分布と逆方向の脈動が起きた場合の流速分布を対称化でき計測精度が向上する。
【００４９】
本実施例においては、上流側の流路分割手段８ａを２つ、下流側の流路分割手段８ｂを２つ設けて計測流路５の分割状態を変えたが、図５のように下流側のみに流路分割手段８を設けても同様の効果が得られる。すなわち、少なくとも下流側のみに流路分割手段８を設ければ、上流側と下流側の流路の分割状態を異ならせることができ、特に下流側の流速分布を平坦化することができるため好ましい。
【００５０】
また、本実施例においては流路分割手段８を上流側と下流側で別々に構成したが、図６に示すように一体に形成してもよい。図において、流路分割手段８ａは計測流路５の中心に設けられた流路分割手段であり、８ｂは計測流路５の外周側に設けられた流路分割手段である。
【００５１】
８ａと８ｂは下流側の方が流路の分割数が多くなるように長さを変えて形成されている。なお、下流側の方が上流側よりも分割数が多くなるように形成すれば流速分割手段８の長さ及び設ける位置に関しては任意に変更できる。この構成により、上流側と下流側の計測流路５の分割状態が異なるため逆方向の脈動が発生した場合にもその流速分布を平坦化することができる。
【００５２】
また、上流にも流路分割手段８を設けることで、順方向の脈動が起きている場合にも平坦化を促進することができるため順方向及び逆方向の脈動が発生していても流体の流速分布を対称化することができ精度の高い計測が可能となる。
【００５３】
なお、流速検出手段７及び流入抑制体２０は必ずしも計測流路５の中心に配置する必要はなく、計測流路５の外周面からの距離Ｌｈは任意に決定できる。この構成により、計測流路５の流速分布に応じて流速検出手段７の位置を変更できるためより精度の高い計測が可能となり好ましい。
【００５４】
また、本実施例においては流速検出手段７を１つ設けるようにしたが、図７に示すように複数設けても構わない。この構成により、流速検出手段７を１つ設けた場合より広範囲に超音波が伝搬するため様々な流域における流速分布を計測することができ精度の高い計測を行うことができる。なお、複数の流速検出手段７を設ける際には、流路分割手段８に対し略直角の位置に配置すると好ましい。
【００５５】
なお、図８は流路分割手段８について他の実施例を示したものである。図において、８ｃは流路分割手段８の流速検出手段７側の端部を示し、８ｄは流路分割手段８の他の端部を示す。
【００５６】
流路分割手段８はその端部８ｃが流速検出手段７の信号伝搬路１９に沿うように配置され、また他の端部８ｄが計測流路５の幅Ｗと同じ幅になるように配置されている。このように、信号伝搬路１９を分割することなく流路分割手段８を配置したことにより、流速検出手段７から送信された信号が妨げられることなく計測流路５の幅Ｗを横切ることになり計測精度がより一層向上する。
【００５７】
また、このように流路分割手段８の端部８ｄを計測流路５の幅Ｗと同じ幅になるように配置したことにより、流体が計測流路５を流れる際に発生する渦を抑えることができるため計測精度がより一層向上する。
【００５８】
なお、図８の構成に限らず、流路分割手段８は流速検出手段７の信号を減衰させることがない位置であれば他の構成にしても同様の効果が得られる。
【００５９】
また、本実施例においては計測流路５の断面を矩形状としたが、円形状など他の形状でも構わない。
【００６０】
本実施例においては流速検出手段に超音波送受信器を用いた流体計測装置について説明したが、レーザ光やマイクロ波などを用いた流体計測装置に関しても同様の効果が得られる。
【００６１】
（実施例２）
本発明の他の実施例に関して図９を用いて説明する。図において実施例１と同一部材については同一の符号とし、説明を省く。また、本実施例においても流速検出手段に超音波送受信器を用いた流体計測装置を例に挙げ説明する。なお、超音波流量計の動作については実施例１と同様であるため説明を省く。
【００６２】
図において、流速制御手段７として計測流路５の下流側の側面に突起部１７を設けている。この構成により、下流側において流体に対する抵抗が上流側より大きくなるため、逆方向の脈動が発生した場合に流速分布を平坦化することができる。従って、順方向及び逆方向の脈動が生じている計測流路５においても対称化された流速分布を得ることができ、精度の高い計測が可能となる。
【００６３】
本実施例においては、突起部１７を計測流路５の下流側の側面に沿って導出部１０まで設けたが、突起部１７の大きさや長さ、数は任意であり、計測流路５における流体の流速分布に合わせて突起部１７を設けることができ好ましい。
【００６４】
また、突起部１７は下流側のみに設けるようにしたが、上流側より下流側の方が抵抗が大きくなるようにするなら上流側にも突起部１７を設けても同様の効果が得られる。
【００６５】
本実施例においては流速検出手段に超音波送受信器を用いた流体計測装置について説明したが、レーザ光やマイクロ波などを用いた流体計測装置に関しても同様の効果が得られる。
【００６６】
（実施例３）
本発明の他の実施例に関して図１０を用いて説明する。図において実施例１と同一部材については同一の符号とし、説明を省く。また、本実施例においても流速検出手段に超音波送受信器を用いた流体計測装置を例に挙げ説明する。なお、超音波流量計の動作については実施例１と同様であるため説明を省く。
【００６７】
図において、流速制御手段７として流路分割手段８を設けるとともに、導入部９及び導出部１０における流体の流れを規制するため整流手段２２を設けている。整流手段２２としては方向規制部２２ａと変動規制部２２ｂを設けている。方向規制部２２ａは格子状に形成されており流体の流れの方向を規制し、変動規制部２２ｂはメッシュ状に形成されており流体の流速分布を平均化している。
【００６８】
この構成により流体の流速分布をより一層対称化することができる。なお、本実施例においては整流手段２２を導入部９及び導出部１０に１つずつ配置したが、上流側または下流側に１つだけ設けてもよく、さらには複数設けてもよい。
【００６９】
本実施例においては流速検出手段に超音波送受信器を用いた流体計測装置について説明したが、レーザ光やマイクロ波などを用いた流体計測装置に関しても同様の効果が得られる。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように本発明の流体計測装置によれば、順方向の脈動が発生している場合の流体の流速分布と逆方向の脈動が発生している場合の流速分布を対称にすることができ、超音波を用いた精度の高い計測を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の流体計測装置の横断面図
【図２】本発明の実施例１の流体計測装置の縦断面図
【図３】本発明の実施例１の流体計測装置の超音波送受信器の超音波伝搬状態図
【図４】本発明の実施例１の流体計測装置の流速分布図
【図５】本発明の実施例１の流体計測装置の横断面図
【図６】本発明の実施例１の流体計測装置の横断面図
【図７】本発明の実施例１の流体計測装置の横断面図
【図８】本発明の実施例１の流体計測装置の横断面図
【図９】本発明の実施例２の流体計測装置の横断面図
【図１０】本発明の実施例３の流体計測装置の縦断面図
【図１１】従来の流体計測装置の構成図
【図１２】従来の流体計測装置の脈動の流速分布図
【図１３】従来の流体計測装置の脈動の流速分布図
【符号の説明】
５ 計測流路
６ 流路壁
７ 流量検出手段
８ 流路分割手段
９ 導入部
１０ 導出部
１１ 計測制御手段
１２ 計測制御部
１３ 流量演算部
１４ 流量補正部
１５ 脈動判定部
１６ 計測時間設定部

Claims (11)

1. 流体の流れる計測流路と、前記計測流路の断面形状を上流側と下流側で異ならせ順方向及び逆方向の流れの流速分布を対称にするために前記計測流路の少なくとも下流側に設けられた流速制御手段と、前記計測流路に設けられた少なくとも一対の流速検出手段と、前記流速検出手段により計測された情報に応じて流体の流量を演算する計測制御手段とを具備する流体計測装置。
2. 流速制御手段として計測流路を複数の分割流路に分割する流路分割手段を設け、上流側に設けられた前記分割流路の数よりも下流側に設けられた前記分割流路の数を増やした請求項１記載の流体計測装置。
3. 流路分割手段を上流側と下流側で別々に設けた請求項２記載の流体計測装置。
4. 流路分割手段を下流側のみに設けた請求項２記載の流体計測装置。
5. 流速制御手段として計測流路の下流側の側面に突起部を設けた請求項１記載の流体計測装置。
6. 流速検出手段を前記流速検出手段から送受信される信号の信号伝播路が流路分割手段により妨げられない位置に対向して設けた請求項１記載の流体計測装置。
7. 流速検出手段を複数設けた請求項１記載の流体計測装置。
8. 計測流路の入口側または出口側の少なくとも一方に整流手段を設けた請求項１記載の流体計測装置。
9. 脈動の発生が検知されると、脈動周期に応じた計測時間を設定し、その計測時間中は流速検出手段による計測時間の間隔を短くするように設定した請求項１記載の流体計測装置。
10. 計測流路の断面を矩形状とした請求項１記載の流体計測装置。
11. 流速検出手段として超音波を送受信する超音波送受信器を用いた請求項１から１０のいずれか１項記載の流体計測装置。

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