JP2005257363A - 流れ計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流路内の流速分布を均一化し、高精度な流速や流量計測を行わせる。
【解決手段】流路の上流と下流に配置された音波を送信または受信する送受信器５ａ、５ｂ間の音波伝搬時間に応じて流体の流速または流量を算出する流体算出手段９と、送受信器５ａ、５ｂ間の音波が伝搬する間の流路を分割する流路分割手段１０、１１、１２と、前記流路分割手段１０、１１、１２の上流または下流に流路を２分割する流路区画手段１１ａ、１１ｂとを備え、前記流路区画手段１１ａ、１１ｂの位置に前記送受信器５ａ、５ｂの中心を配置し、流速分布を均一にして広い範囲で正確に流量を計測する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスなどの流体の流速や流量を計測する流れ計測装置に関するものである。

従来、この種の流れ計測装置は、図７に示すように、矩形状の流体管路１の一部に送受信器２ａ、２ｂを備え、送受信器２ａから２ｂまでの伝搬時間を計測し、その伝搬時間を基に流速や流量を算出している。その流体管路１の断面は図８に示すように仕切り板３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆによって複数の流路に仕切られて整流されていた（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−４３０１５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、管内を流れる流量によって流体管路１内の流速分布が異なり、その影響を受けて仕切り板３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆで仕切られた複数の流路の流速比率が均等でなくなり、その結果流量計測値に誤差を生じていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、複数の流路の流速比率を均一に保ち、高精度な流量計測を行わせる流速および流量計測装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流れ計測装置は、送受信器間の音波が伝搬する区間の前記流路を前記流路の高さ方向に分割する流路分割手段と、前記流路分割手段の上流または下流に前記流路を２分割する流路区画手段とを備え、前記流路の高さ方向において、前記流路区画手段の取り付け位置寸法と前記送受信器の送信面の高さ方向の中心位置寸法とを略同じに構成したものである。

これによって、分割流路の中央部とのそれぞれの流速比率が等しくなり、音波が流路内を伝搬しその時間差を算出することによって、流速及び流量を計測、あるいは流速を計測する。

本発明の流れ計測装置は、分割流路の中央部と周辺部それぞれの流速の比率が流量の大きさや流体の種類に関係なく等しくなり、広い流量範囲にわたって流量を高精度に検出できる。

第１の発明は、流路の上流と下流に配置された音波を送信または受信する送受信器の音波伝搬時間に応じて流体の流速または流量を算出する流体算出手段と、送受信器間の音波が伝搬する間の流路を分割する流路分割手段の上流または下流に流路を２分割する流路区画手段とを備え、流路区画手段の位置に送受信器の中心を配置したので、広範囲の流量の変化に対しても分割流路間の流量比率がほぼ等しくなり、高精度の流量計測が行える。

第２の発明は、流路の上流と下流に配置された音波を送信または受信する送受信器間の音波伝搬時間に応じて流体の流速または流量を算出する流体算出手段と、送受信器間の音波が伝搬する間の流路高さＨを分割する流路分割手段の上流または下流に流路高さＨの長さ以下の流路区画手段とを備えたので、小流量から大流量にわたって流れが安定し、高精度な流量計測を行うことができる。

第３の発明は、特に第１の発明の流路区画手段を、流路分割手段の一部を延長するようにしたもので、部品点数を低減させて寸法精度を向上させ、その結果高精度の流量計測ができる。

第４の発明は、特に第１の発明の流路区画手段を、中央部が周辺部より密に分割させたもので、流路中央部と周辺部の流速の均一性がより高くなり、高精度の流量計測を行える。

第５の発明は、特に第１の発明の流路分割手段を、流路を均等に分割するようにしたもので、それぞれの分割流路の流速の均一性がよりいっそう高まり、高精度の流量計測を行える。

第６の発明は、特に第１の発明の流路の、音波が通過する流路とほぼ同じ形状で分割手段のない助走流路部を有するもので、特に大流量域での流れの安定が増して、正確な流量計測が行える。

第７の発明は、特に第１の発明の、分割延長手段、流路区画手段あるいは助走流路部を送受信器からみて対象に構成したもので、逆流時にも正流時と同様な効果が得られ、正逆が交互に流れる脈動時にも正確な流量計測が行える。

第８の発明は、特に第１の発明の流路区画手段を、平面方向においても中央が周辺より凸状に形成させたもので、平面方向においても中央部と周辺部の流速を均一にしたので、さらに流量精度が高い。

第９の発明は、特に第１の発明の流路の、送受信器が送受信する流路の流体と接触する部分を同一の材質で構成したもので、温度変化に対しても高精度の計測が行える。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における流れ計測装置を図面に基づいて説明する。図１において、流路４の途中に、超音波を発信する送受信器５ａと受信する送受信器５ｂとが、流体の流れ方向に配置されている。６は送受信器５ａへの送信手段、７は送受信器５ｂで受信した信号の受信手段である。切換手段８は送受信器５ａ、５ｂの送受の方向を変えるもので、送信から受信までの時間差から、流体演算手段９で流速値と流量値を算出する。なお、本実施の形態では、流体演算手段９が、流速値と流量値とを算出する場合について説明するが、流量値を必要しない場合は流速値を算出するだけでもよく、流速値の変化を検出することにより、ガス、水道水等の流体の漏洩を検出することができる。

次に動作について説明する。まず送信手段６から送受信器５ａへ信号が送られ、音波は送受信器５ｂに到達し、受信手段７で受信して、流体演算手段９で音波の伝搬時間を計測する。次に、切換手段８で送受信器５ａと送受信器５ｂの発信受信を切り換えて、送受信器４ｂから送受信器４ａへ音波信号を発信し、この発信を前述のように、その時間を計時する。そしてその時間差から管路の大きさや流れの状態を考慮して流体算出手段１０で流速や流量値を求める。

図２は上述の流れ計測装置の断面図で流体管路４の内部を３つの流路分割手段１０、１１、１２で４つの分割された流路に分割する。それぞれの流路分割手段１０、１１、１２は均等な間隔に配置され、その通過面積を等しくしている。中央にある流路分割手段１１は他の流路分割手段１０、１２よりも長く構成され、流路分割手段１１の上流側の端部を流体の流れに対しほぼ平行に延長させて形成した流路区画手段１１ａと、流路分割手段１１の下流側の端部を流体の流れに対しほぼ平行に延長させて形成した流路区画手段１１ｂとを有する。なお、本実施の形態では、流路分割手段１１と流路区画手段１１ａ、１１ｂとを一体に形成した場合について説明したが、流路分割手段１１と流路区画手段１１ａ、１１ｂとは、別体に形成してもよい。

さらにその上流と下流には、流路分割手段１０、１１、１２を設けていない助走流路部１３ａ、１３ｂを有している。

流体は図の左側から流入し助走流路部１３ａで流れの乱れを除去し、流路区画手段１１ａで２つに区画され、しかる後に流路分割手段１０、１１、１２で４つに区画されて流れる。送受信器５ａ（５ｂは図示されない）は、音波の送信面の中心の高さが、流路区画手段１１ａの取り付け位置と同じ高さに設けられており、前述の区画された流れを送受信器５ａによる音波が走査して伝搬時間を計測して流速や流量を算出する。ここで、高さ方向は、送受信器５ａ、５ｂを取り付けた流路４の側壁と略平行な方向を意味する。

図３流路内の流速分布を表したもので、それぞれ平均流量で正規化してある。図３（Ａ）は流路分割手段がない場合の流速分布を表しており、図３（Ａ）ａは流速が小さい（層流域）ときの流速分布で、図３（Ａ）ｂは流速が大きい（乱流域）のときの流速分布である。このように層流域では流速分布が砲弾型になることは周知の事実であるが、送受信器５ａ、５ｂはこの流速の異なる部分を伝わるので、場所によって伝搬時間への影響が異なることになる。送受信器５ａは送信面から一様な音波を送信することはきわめて難しく、通常は音波も強度分布が存在している。したがって一様でない流速分布の流速を一様でない音波分布で計測することになり、誤差が大きく発生する。また大流量では図３（Ａ）ｂのようなパターンになるので、小流速のとときと大流速のときでは、何らかの補正を行う必要がある。さらに同じ流速であっても、流体の種類や性質が異なればレイノルズ数が異なるので補正が必要になる。

図３（Ｂ）は、流路分割手段１０、１１、１２を有してはいるが、流路区画手段１１ａ、１１ｂがない場合、すなわち流路分割手段１０、１１、１２の長さが等しい時の流速分布である。流速が小さい時はそれぞれ図３（Ｂ）ｃ、ｄ、ｅ、ｆの分布になり、流速が大きい時にはそれぞれ図３（Ｂ）ｇ、ｈ、ｉ、ｊのような流速分布になる。流速が大きい時には４つの流速分布はほぼ一様であるが、流速の小さい時には上流部の層流（線ｋ）の影響を受けて中央部の流速がわずかに大きくなる。

中央部に流路区画手段１１ａを有した場合には、流速分布は図３（Ｃ）ｌ、ｍ、ｎ、ｏように均一になる。すなわち上流部で層流の流速分布であっても、流路区画手段１１ａによって図３（Ｃ）ｐ、ｑのような流速分布に変形し、速度分布の影響を小さくすることができ、乱流に近い速度分布が得られる。小流速と大流速の分布の形状が似通っていれば、流速による補正が必要でなくなるので高精度に流速や流量が計測できる。

流路区画手段１１ａ、１１ｂは流路分割手段１０、１１、１２よりも流れ方向に長さＬの距離だけそれぞれ長くなっているが、この距離Ｌは流路高さをＨとすると、Ｈよりも小さい距離に設定してある。この距離Ｌが長いと大流量において流れが乱れて超音波に悪影響を与えるばかりでなく、圧力損失を増加させる。

助走流路部１３ａ、１３ｂや流路区画手段１１ａ、１１ｂはそれぞれ送受信器５ａ、５ｂのからみて対象的に配置してあり、流れが前述の逆方向（図２の右から左）に流れても流速分布が均一性を保つように構成してある。

助走流路部１３ａは大きな流速のとき流れが乱れて流入したときに、その乱れを緩和するためのものであり、最大の流速に応じて適切な長さを必要とする。

（実施の形態２）
図４は流路区画手段の中央部の間隔を細かくして、よりいっそうの流速分布の均一性を高めたものであり、流路区画手段１４、１５、１６は中央部が間隔が小さく、周辺部が大きくなるように構成してあり、中央が流速の大きい層流の流速分布を均一化させるものであり、よりいっそうの均一化ができる。

（実施の形態３）
図５は流路区画手段を平面で示したもので、流路分割手段を延長させて流路区画手段を構成させたものであるが、図に示すように流路区画手段１７の端部１７ａは中央部が凸になるように構成してある。このようにして平面的にも中央部と周辺部の流速を均一にさせることができる。

図６は、流路４の内壁上面に流路上面手段１８と流路４の内壁底面に流路底面手段１９ととをそれぞれ配置したもので、流路上面、底面手段１８、１９は、他の流路分割手段２０、２１の材料と同じ摩擦係数のものを使用し、摩擦によって生じる流速分布の形を同一にする。また同一の材質のものであれば熱的な変化による膨張や収縮にも対して誤差が少ない。

本発明の流れ計測装置は、広範囲の流速や流量を正確に計測できるので、ガスや水道などの計量メータや、産業用プラントや実験設備における流量計などの計測器にも適用できる。

本発明の実施例１における流れ計測装置のブロック図 本発明の実施例１における流れ計測装置の流路断面図 （Ａ）流路分割手段のないときの流路内の流速分布を示す特性図（Ｂ）流路分割手段があるときの流路内の流速分布を示す特性図（Ｃ）本発明の実施の形態１における流路内の流速分布を示す特性図 本発明の実施の形態２における流れ計測装置の流路断面図 本発明の実施の形態３における流れ計測装置の流路区画手段の平面図 本発明の実施の形態４における流れ計測装置の流路断面図 従来の流れ計測装置としての流量計測装置の流路構成図 従来の流量計測装置の流路断面図

符号の説明

４ 流路
５ａ、５ｂ 送受信器
９ 流体算出手段
１０、１１、１２ 流路分割手段
１１ａ、１１ｂ 流路区画手段
１３ａ、１３ｂ 助走流路部

Claims (9)

1. 流路の上流と下流に配置された音波を送信または受信する送受信器と、前記送受信器間の音波伝搬時間に応じて流体の流速及びまたは流量を算出する流体算出手段と、前記送受信器間の音波が伝搬する区間の前記流路を前記流路の高さ方向に分割する流路分割手段と、前記流路分割手段の上流または下流に前記流路を２分割する流路区画手段とを備え、前記流路の高さ方向において、前記流路区画手段の取り付け位置寸法と前記送受信器の送信面の高さ方向の中心位置寸法とが略同じである流れ計測装置。
2. 流路の上流と下流に配置された音波を送信または受信する送受信器と、前記送受信器間の音波伝搬時間に応じて流体の流速及びまたは流量を算出する流体算出手段と、前記流路のうち前記送受信器間の音波が伝搬する部分を前記流路の高さ方向に分割する流路分割手段と、前記流路分割手段の上流及びまたは下流に設けた流路区画手段とを有し、前記流路区画手段は、前記流体の流れと略平行な方向の寸法が前記流路高さ寸法以下である流れ計測装置。
3. 流路区画手段は、流路分割手段の一部を延長させた請求項１または２記載の流れ計測装置。
4. 流路区画手段は、中央部が周辺部より密に分割された請求項１または２記載の流れ計測装置。
5. 流路分割手段は流路を均等に分割する請求項１から４のいずれか１項記載の流れ計測装置。
6. 音波が通過する流路とほぼ同じ形状で流路分割手段を設けていない助走流路部を有する請求項１から５のいずれか１項記載の流れ計測装置。
7. 流路区画手段あるいは助走流路部は、送受信器からみて対象に構成された請求項１から６のいずれか１項記載の流れ計測装置。
8. 流路区画手段は、平面方向においても中央が周辺より凸状に形成された請求項１から４のいずれか１項記載の流れ計測装置。
9. 流路の上流と下流に配置された音波を送信または受信する送受信器と、前記送受信器間の音波伝搬時間に応じて流体の流速及びまたは流量を算出する流体算出手段と、前記送受信器間の音波が伝搬する間の流路を分割する流路分割手段と、前記流路分割手段に並設して前記流路の内壁面に設けられた流路上面手段と流路底面手段とを有し、前記流路上面手段流路と前記流路底面手段は、前記流路分割手段と摩擦係数が同一の材料で構成した流れ計測装置。

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