JP2005049181A - 流路における流量均一化構造および流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流量の計測精度の向上を図り得る超音波式流量計測装置を提供する。
【解決手段】断面が矩形状の管体１内に流れＲと平行に且つ流路断面積を均等に分割するように２枚の仕切り板５を配置して３つの分割流路Ｓを形成するとともに、これら仕切り板５の上流側における管体１の内壁面１ａに乱流促進部材６を設け、さらに上記分割流路Ｓに対応する管体１の両側板２部に、当該分割流路Ｓを横切る方向でもって超音波の送受信部２４（２４Ａ，２４Ｂ）を配置するとともに、この超音波送受信部２４における超音波の伝播時間に基づき管体１を流れる流体の流量を演算する流量演算部２５を具備したものである。
【選択図】 図５

Description

本発明は、流路内において、ガス・水などの流体を均一に流すための均一化構造およびこの均一化構造を用いた超音波式流量計測装置に関するものである。

従来、矩形状の流路の流量を計測する装置として、超音波を用いたものがある（例えば、特許文献１参照）。
この超音波式流量計測装置は、図７および図８に示すように、断面が矩形状の管体５１の左右の両側壁部５１ａに、流体の流速を計測するための超音波送受信部５２（５２Ａ，５２Ｂ）を配置するとともに、これら超音波送受信部５２Ａ，５２Ｂにて検出された超音波の伝播時間に基づき流体の流速を計測し、この流速から管体５１内を流れる流体の流量を算出する流量演算部５３を具備したものである。

そして、超音波送受信部５２が配置された管体５１の計測流路部Ｋには、管体５１内を流れる流体の流速分布の二次元性を高めるために、流れＲと平行に且つ高さ方向において２枚の仕切り板５４が等間隔でもって配置されている。図７および図８に示すように、計測流路部Ｋより上流側において、高さ方向および奥行き方向に放物線状（放物線に近いという意味で用いており、以下、同じ。）の分布を有する三次元的な流速分布Ｐ６１を持つ流れが、計測流路部Ｋにて３つに分割され、すなわち縦横比の小さな流路から縦横比の大きな流路に分割されることで奥行き方向の分布が平坦化される。このように、仕切り板５４を配置することにより、計測流路部Ｋでの流れの二次元性が高められ、上記超音波送受信部５２に、流速分布の全域が包含され易くなることで、計測精度の向上が図られている。
特開平９−４３０１５号公報；２頁〔０００３〕〜３頁〔００１９〕

しかしながら、上述した従来の構成によると、各仕切り板５４の上流端である前端縁の位置が流れに対して同じ位置にされているため、その上流側での流速分布Ｐ６１でもってそのまま計測流路部Ｋに流れ込み、したがって各分割流路における流速分布（速度の大きさ、例えば平均流速）Ｐ６２が異なるため、すなわち各分割流路を流れる流体の流量が均一にならないため、計測流速の絶対値が、真の平均流速と大きくずれるという問題があった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するもので、仕切り板により分割された各分割流路を流れる流体の流量が、より均一となるような流路における流量均一化構造、およびこの流量均一化構造を用いて、流量の計測精度の向上を図り得る超音波式流量計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る流路における流量均一化構造は、断面が矩形状の流路内に流れと平行に、且つ当該流路断面積を均等に分割するように仕切り板を配置するとともに、
上記仕切り板の上流側における流路壁面に乱流促進部を設けたものである。

この流量均一化構造によると、流路を分割する仕切り板の上流側の流路の壁面に乱流促進部材を配置して乱流を促進するようにしたので、壁面近傍で急な速度勾配となり、また壁面近傍以外の部分では、全体として緩やかな速度勾配を有する中央がやや平坦な流速分布となり、したがって仕切り板により分割される各流路における流量の均一化を図り得る。

また、請求項２に係る流路における流量均一化構造は、断面が矩形状の流路内に流れと平行に、且つ当該流路断面積を均等に分割するように第１仕切り板を配置するとともに、
上記第１仕切り板により分割された分割流路内に流れと平行に、且つ当該分割管路断面積を均等に分割するように第２仕切り板を配置し、
上記第１仕切り板の上流側における流路壁面および上記第２仕切り板の上流側における分割流路壁面に乱流促進部を設けたものである。

この流量均一化構造によると、流路断面を仕切り板により、大分割流路から小分割流路へと２段でもって分割するとともに、これら各分割流路への上流側の流路の壁面に、それぞれ乱流促進部材を配置したので、請求項１と同様に、特に、小分割流路における壁面近傍以外の部分では、全体として緩やかな速度勾配を有する中央がより平坦な流速分布となり、したがって当該小分割流路における流量の均一化を一層図り得る。

さらに、請求項３に係る超音波式流量計測装置は、請求項１または２に記載の流量均一化構造を有する流路の途中に、当該流路を横切る方向でもって超音波の送受信部を配置するとともに、
この超音波送受信部における超音波の伝播時間に基づき流路を流れる流体の流量を演算する流量演算部を具備したものである。

さらに、この流量計測装置によると、請求項１または請求項２に記載の流量均一化構造に係る部分に、超音波送受信部を配置して分割流路を流れる流量を計測するようにしたので、流体の流量を、より正確に計測し得る。

以上のように本発明の請求項１に係る流量均一化構造によると、流路を分割する仕切り板の上流側の流路の壁面に乱流促進部材を配置して乱流を促進するようにしたので、壁面近傍以外の部分では、全体として緩やかな速度勾配を有する中央がやや平坦な流速分布となり、したがって仕切り板により分割される各流路における流量の均一化を図ることができる。

また、請求項２に係る流量均一化構造によると、流路断面を仕切り板により、大分割流路から小分割流路へと２段でもって分割するとともに、これら各分割流路への上流側の流路の壁面に、それぞれ乱流促進部材を配置したので、請求項１と同様に、特に、小分割流路における壁面近傍以外の部分では、全体として緩やかな速度勾配を有する中央がより平坦な流速分布となり、したがって当該小分割流路における流量の均一化を一層図ることができる。

さらに、請求項３に係る流量計測装置によると、請求項１または請求項２に記載の流量均一化構造に係る部分に、超音波送受信部を配置して分割流路を流れる流量を計測するようにしたので、流体の流量を、より正確に計測することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る流路における流量均一化構造を、図面を参照しながら説明する。
［実施の形態１］
図１および図２は、本実施の形態１に係る流路の均一化構造および流れの流速分布を示す断面図である。

本実施の形態に係る流体（例えば、ガス、水など）を流す管体（流路および管路でもある）１としては、断面が矩形状のものが使用される。
すなわち、この管体１は、左右の側板２と、これら両側板２，２の上下に配置された上板３および下板（底板）４とから構成されており、例えば高さよりも幅が広くされている。

そして、この管体１内には、所定長さの仕切り板５が高さ方向において２枚（１枚、または３枚以上でもよい）等間隔でもって且つ流れＲに沿う方向で配置されている。言い換えれば、管体１内の流路断面積が高さ方向で３等分されて、３つの分割流路Ｓ（多層流路部ともいう）が形成されたことになる。

さらに、これら仕切り板５より少し離れた上流側位置の管体１の内壁面１ａの上下に乱流促進部材（乱流促進部）６が設けられている。
この乱流促進部材６としては例えば表面が粗くされた紙やすりが用いられ、所定幅でもって、内壁面１ａの上下（上板３および下板４の内表面である）に沿って貼り付けられている。

この構成において、上流側にて速度勾配が大きい放物線状の流速分布Ｐ１１を持つ流れは、乱流促進部材６により乱流が促進されるため、壁面近傍以外の部分では、全体として緩やかな速度勾配を有するとともに中央がやや平坦な台形状に近い流速分布Ｐ１２に変化し、そしてこの台形状に近い流速分布の流れが仕切り板５により分割されるため、各分割流路Ｓを流れる流量の均一化が図られる。なお、図中、Ｐ１３は各分割流路Ｓでの流速分布を示す。

すなわち、管体１内に複数枚の仕切り板５を配置して、管体１内を流れる流量を均等に分割する際に、その上流側に配置された乱流促進部材６により、流れを乱流に促進させて、壁面近傍を除いた中央部分の流速分布が平坦状になる流れとしたので、仕切り板６にて仕切られる各分割流路Ｓをそれぞれ通過する流量の均一化を図ることができる。なお、壁面の粗さスケールが粘性底層厚みより大きい場合に、流速分布Ｐ１２には普遍性があることが知られているので、仕切り板５で流れを分割する際に、流量配分の制御が容易となる。

さらに、乱流促進部材６にて流速分布が平坦状にされた流れを仕切り板５により分割するため、仕切り板５が管体１内で、組立て誤差などの理由により、上下に微妙にずれて配置された場合でも、各分割流路Ｓを流れる流量の差が大きくならず、したがって仕切り板５の位置の設計上の公差を緩く（甘く）することができる。

なお、上記実施の形態１においては、乱流促進部材６を内壁面の上面および下面に設置したが、両側面に且つ高さ方向でもって設けてもよい（例えば、図１の番号７にて示す）。

［実施の形態２］
図３および図４は、本実施の形態２に係る流路の均一化構造および流れの流速分布を示すものである。

本実施の形態２に係る流体（例えば、ガス、水など）を流す管体（流路および管路でもある）についても、実施の形態１と同様に、断面が矩形状のものを使用するとともに、流路の分割を大から小へと２段で行うようにしたものである。

すなわち、この管体１１は、左右の側板１２と、これら両側板１２，１２の上下に配置された上板１３および下板（底板）１４とから構成されており、例えば高さよりも幅が広くされている。

そして、この管体１１は、所定長さの第１仕切り板１５が高さ方向の中央位置に配置されて上下に２つの大分割流路Ｓ１が形成されるとともに、これら各大分割流路Ｓ１が、第１仕切り板１５より所定距離だけ下流側位置で且つ各大分割流路部Ｓ１の高さ方向の中央位置に配置された第２仕切り板１６により、それぞれ上下に２つの小分割流路部Ｓ２に分割されている。なお、第２仕切り板１６は、第１仕切り板１５よりも流れＲの下流側に配置されるが、その下流端である後端縁は同一の位置にされている。

さらに、上記第１仕切り板１５の上流端である前端縁よりも上流側位置の内壁面１１ａの上下には、第１乱流促進部材（乱流促進部）１７が設けられるとともに、第２仕切り板１６の上流端である前端縁よりも上流側位置の内壁面１１ａおよび壁面１５ａには、第２乱流促進部材（乱流促進部）１８が設けられている。

これら乱流促進部材１７，１８としては、例えば表面が粗くされた紙やすりが用いられるとともに、所定幅でもって、内壁面１１ａおよび第１仕切り板１５の上下の壁面１５ａ（以下、内壁面と壁面とを一緒に述べる場合、壁面等と称する）に貼り付けられる。

この構成において、上流側にて速度勾配が大きい放物線状の流速分布Ｐ２１を持つ流れは、第１乱流促進部材１７にて乱流が促進されて、壁面近傍以外の部分では、全体として緩やかな速度勾配を有するとともに中央がやや平坦な台形状に近い流速分布Ｐ２２に変化し、そしてこの台形状に近い流速分布の流れが、第１仕切り板１５により上下に等しく分割されるとともに、第２乱流促進部材１８により、さらに各小分割流路Ｓ２での乱流が促進され、やはり、壁面近傍以外の部分では、全体としてより緩やかな速度勾配を有するとともに中央がより平坦な台形状の流速分布Ｐ２３に変化した後、それぞれ第２仕切り板１６により上下にさらに等しく分割される。なお、図中、Ｐ２４は各小分割流路Ｓ２での流速分布を示す。

すなわち、管体１１内の流れを、第１仕切り板１５により、大きく２つに分割した後、それぞれをさらに２つに分割するとともに、大小の分割流路Ｓ１，Ｓ２の上流側にはそれぞれ乱流促進部材１７，１８を設けたので、実施の形態１にて説明したものに比べて、管体１内における流量の均一化を、より一層図ることができる。

なお、本実施の形態２においても、実施の形態１にて説明したように、乱流促進部材１７，１８を壁面等の上面および下面に設置したが、両側面に且つ高さ方向でもって設けてもよい。

また、上記実施の形態１および２においては、乱流促進部材として壁面に紙やすりを貼り付けたものを用いたが、同様の粗さスケールに相当する粗さで壁面等１ａ，１１ａ，１５ａをサンドブラスト等の手段で粗くしてもよい。この場合、この粗い壁面部が乱流促進部となる。

また、同様の粗さスケールに相当する粗さ機能を発揮し得る金網を内壁面に貼り付けたり、同様の粗さスケールに相当する直径を有するワイヤを、その軸心方向が流れ方向Ｒ１と直交するように、壁面等１ａ，１１ａ，１５ａ上に配置してもよい。

また、同様の粗さスケールに相当する高さを有する微細な円柱を、その軸心方向が流れ方向Ｒ１と直交するように、壁面等１ａ，１１ａ，１５ａ上に垂直に立設してもよい。
また、同様の粗さスケールに相当する高さを有する微細な凹凸部を、流れ方向Ｒに伸びるストライプ状の部材でもって、壁面等１ａ，１１ａ，１５ａに形成してもよい。

さらに、図１〜図４において、乱流促進部材６，１７，１８を流れ方向Ｒに沿って有限の長さとして図示したが、壁面等１ａ，１１ａ，１５ａの全面に設けることもできる。
次に、本発明の実施の形態に係る流路における流量計測装置を、図面を参照しながら説明する。

なお、以下に説明する流量計測装置は、上述した流路における流量均一化構造を用いたもので、この流量均一化構造における流路内の流量を超音波を用いて計測するものである。したがって、流量均一化構造については、実施の形態１または２において説明したものと同一であるため、同一符号を用いて、その詳細な説明を省略する。

［実施の形態３］
この実施の形態３に係る流量計測装置は、実施の形態１に係る管路の流量均一化構造を用いたもので、その計測対象の流体としては、例えば、ガス、水などである。

すなわち、図５に示すように、この流量計測装置２１は、実施の形態１にて説明した流量均一化構造、すなわち上流側に乱流促進部材６が設けられた分割流路Ｓが具備された断面矩形状の管体部２２と、この管体部２２の外壁部を形成する左右の側板２にそれぞれ筒状の取付部材２３を介して取り付けられた一対の超音波送受信部（超音波振動子などが用いられる）２４（２４Ａ，２４Ｂ）と、この超音波送受信部２４間での超音波の伝播時間（伝達時間、到達時間ともいう）を検出するとともに当該伝播時間に基づき流速を求めた後、この流速に基づき流体の流量を算出する流量演算部２５とから構成されている。なお、超音波送受信部２４は、超音波が分割流路Ｓの中間部を横切るような位置に取り付けられる。

また、この流量演算部２５においては、予め、被計測流体の種々の流れに応じて、分割流路（超音波計測領域ともいう）Ｓ内での流速と管体（流路）１内の平均流速との関係が補正係数として記憶されており、計測された流速から補正係数を用いて管体１内での平均流速が求められる。

なお、超音波送受信部２４Ａ，２４Ｂの取り付け方向は、流れ方向Ｒに対して、水平面内で所定角度θ（但し、０°＜θ＜９０°の範囲であるが、０°に近い方が望ましい）でもって傾斜するように取り付けられる。

この構成において、分割流路Ｓ内を流れる流体の流速は、超音波送受信部２４Ａ，２４Ｂ間で交互に発信されて受信される超音波の伝播時間として検出され、この伝播時間の差に基づき流体の平均流速が求められ、この流速に流路の断面積を掛けることにより、管体１内を流れる流体の流量を求める、すなわち計測することができる。

上述したように、分割流路Ｓを流れる流体の速度を計測して流量を求める際に、乱流促進部材６にて当該分割流路Ｓに流入する流体の流速分布の平坦化を図るようにしたので、単に、仕切り板により管体内を分割しただけの構成に比べて、各分割流路Ｓを流れる流量の均一化が図られ、したがって流体の流量を、より正確に計測することができる。

［実施の形態４］
この実施の形態４に係る流量計測装置は、実施の形態２に係る流路の流量均一化構造を用いたもので、その計測対象の流体としては、例えばガス、水などである。

すなわち、図６に示すように、この流量計測装置３１は、実施の形態２にて説明した流量均一化構造、すなわち上流側にそれぞれ乱流促進部材１７，１８が設けられた各分割流路Ｓ１，Ｓ２が具備された断面矩形状の管体部３２と、この管体部３２の外壁部を形成する左右の側板２にそれぞれ筒状の取付部材３３を介して取り付けられた一対の超音波送受信部（超音波振動子などが用いられる）３４（３４Ａ，３４Ｂ）と、この超音波送受信部３４Ａ，３４Ｂ間での超音波の伝播時間（伝達時間、到達時間ともいう）を検出するとともに当該伝播時間の差に基づき流速を求めた後、この流速に基づき流体の流量を算出する流量演算部３５とから構成されている。なお、この超音波送受信部３４は、超音波が小分割流路Ｓ２の中間部を横切るような位置に取り付けられる。

また、この流量演算部３５においては、予め、被計測流体の種々の流れに応じて、小分割流路（超音波計測領域ともいう）Ｓ２内での流速と管体（流路）１１内の平均流速との関係が補正係数として記憶されており、計測された流速から補正係数を用いて管体１１内での平均流速が求められる。

なお、超音波送受信部３４Ａ，３４Ｂの取り付け方向は、流れ方向Ｒに対して、水平面内で所定角度θ（但し、０°＜θ＜９０°の範囲であるが、０°に近い方が望ましい）でもって傾斜するように取り付けられる。

この構成において、小分割流路Ｓ２内を流れる流体の流速は、超音波送受信部３４Ａ，３４Ｂ間で交互に発信されて受信される超音波の伝播時間として検出され、この伝播時間に基づき流体の平均流速が求められ、この流速に流路の断面積を掛けることにより、管体１１内を流れる流体の流量を求める、すなわち計測することができる。

上述したように、大分割流路Ｓ１から小分割流路Ｓ２内に流入する流体の速度を計測して流量を求める際に、各乱流促進部材１７，１８により、大分割流路Ｓ１および小分割流路Ｓ２に流入する流体の流速分布の平坦化を一層図るようにしたので、単に、仕切り板により１段でもって分割しただけの構成に比べて、流体の流量を、より一層、正確に計測することができる。すなわち、各小分割流路Ｓ２を流れる流量は一定となり、流量の大小に拘わらず、補正係数を一定に設定でき、したがって流量の演算が容易となる。

ところで、上記実施の形態４においては、大分割流路Ｓ１および小分割流路Ｓ２がそれぞれ２つずつとなるように分割したが、勿論、それぞれ２つに限定されるものではなく、例えば一方を３つまたは４つ以上に分割したり、また両方を３つまたは４つ以上に分割してもよい。

また、上記実施の形態３および４において説明した流量均一化構造についても、実施の形態１および２の箇所で、追加説明した内容を適用することができる。
再度、説明しておくと、乱流促進部材として壁面に紙やすりを貼り付けたものを用いたが、同様の粗さスケールに相当する粗さで壁面等１ａ，１１ａ，１５ａをサンドブラスト等の手段で粗くしてもよい。この場合、この粗い壁面部が乱流促進部となる。

また、同様の粗さスケールに相当する粗さ機能を発揮し得る金網を内壁面に貼り付けたり、同様の粗さスケールに相当する直径を有するワイヤを、その軸心方向が流れ方向Ｒ１と直交するように、壁面等１ａ，１１ａ，１５ａ上に配置してもよい。

また、同様の粗さスケールに相当する高さを有する微細な円柱を、その軸心方向が流れ方向Ｒ１と直交するように、壁面等１ａ，１１ａ，１５ａ上に垂直に立設してもよい。
また、同様の粗さスケールに相当する高さを有する微細な凹凸部を、流れ方向Ｒに伸びるストライプ状の部材でもって、壁面等１ａ，１１ａ，１５ａに形成してもよい。

なお、図５および図６において、乱流促進部材７，１７，１８を流れ方向Ｒに沿って有限の長さとして図示したが、壁面等１ａ，１１ａ，１５ａの全面に設けることもできる。

本発明の実施の形態１に係る流量均一化構造を示す管体の断面図である。 同実施の形態１に係る管体の要部切欠斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る流量均一化構造を示す管体の断面図である。 同実施の形態２に係る管体の要部切欠斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る超音波式流量計測装置の構造を示す要部切欠斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る超音波式流量計測装置の構造を示す要部切欠斜視図である。 従来例に係る超音波式流量計測装置の構造を示す要部切欠斜視図である。 従来例に係る管体の断面図である。

符号の説明

１ 管体
５ 仕切り板
６ 乱流促進部材
１１ 管体
１５ 第１仕切り板
１６ 第２仕切り板
１７ 第１乱流促進部材
１８ 第２乱流促進部材
２１ 超音波式流量計測装置
２２ 管体部
２４ 超音波送受信部
２５ 流量演算部
３１ 超音波式流量計測装置
３２ 管体部
３４ 超音波送受信部
３５ 流量演算部

Claims (3)

1. 断面が矩形状の流路内に流れと平行に、且つ当該流路断面積を均等に分割するように仕切り板を配置するとともに、
   上記仕切り板の上流側における流路壁面に乱流促進部を設けたことを特徴とする流路における流量均一化構造。
2. 断面が矩形状の流路内に流れと平行に、且つ当該流路断面積を均等に分割するように第１仕切り板を配置するとともに、
   上記第１仕切り板により分割された分割流路内に流れと平行に、且つ当該分割管路断面積を均等に分割するように第２仕切り板を配置し、
   上記第１仕切り板の上流側における流路壁面および上記第２仕切り板の上流側における分割流路壁面に乱流促進部を設けたことを特徴とする流路における流量均一化構造。
3. 請求項１または２に記載の流量均一化構造を有する流路の途中に、当該流路を横切る方向でもって超音波の送受信部を配置するとともに、
   この超音波送受信部における超音波の伝播時間に基づき流路を流れる流体の流量を演算する流量演算部を具備したことを特徴とする超音波式流量計測装置。

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