JP2005257611A - 流体の流れ計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波を均等に流路内に伝搬させ、流速などの計測の高精度化を目的とする。
【解決手段】流体流路の上流と下流に配置された少なくとも一対の超音波送受信器２ａ，２ｂを有し、これら超音波送受信器２ａ，２ｂ間の超音波伝搬時間をもとに流体の流速およびまたは流量を計測するものであって、超音波送受信器２ａ，２ｂを圧電体１２と音響整合部材１３とで構成し、この音響整合部材１３の中央に中空状の超音波調整手段を配設した。したがって、超音波送信の均等化が図れ、その分、高い計測精度となる。
【選択図】図４

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１１に示すように、断面長方形の矩形の流体流路５１の相対向する短辺側の上流側と下流側にそれぞれ音波送受信器５２ａ、５２ｂを配置し、流体を斜めに横切るように音波送受信器５２ａ、５２ｂの一方より超音波を送信して他方で受信するようにしていた。

そして、送信から受信までの超音波の伝搬時間をもとに流体の流速を計測し、必要に応じて、これに流体流路５１の断面積、および、補正係数を乗じることで流量を演算するようにしていた（例えば特許文献１参照）。
特開平９−１８９５８９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、流体流路内の流速分布が異なるとともに、超音波の伝搬強度分布にもばらつきがあるところから、流速または流量と伝搬時間差の関係が一定でなく、計測精度が悪くなる課題があった。

このため流路内の速度分布を均一にするために整流部材を設けるなどの対策がなされてきたが、この対策では十分とはいえず、超音波の伝搬強度分布ばらつきに対して何らかの策を講じない以上、広範囲で高精度な流量計測を行うことはできなかった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、超音波を均一に流路内に伝搬させて高精度な流速およびまたは流量の計測を行うことを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、流体流路の上流と下流に配置された少なくとも一対の超音波送受信器と、前記超音波送受信器間の超音波伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段による計時結果をもとに流体の流速およびまたは流量を演算する演算手段とを備え、前記超音波送受信器の送信側には超音波分布を均等化する超音波調整手段を配置したものである。

本発明の流体の流れ計測装置は、超音波が均一に流路内を伝搬するので、高精度の流速または流量計測を行うことができる。

本発明は、流体流路の上流と下流に配置された少なくとも一対の超音波送受信器と、前記超音波送受信器間の超音波伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段による計時結果をもとに流体の流速およびまたは流量を演算する演算手段とを備え、前記超音波送受信器の送信側には超音波分布を均等化する超音波調整手段を配置したもので、前記超音波調整手段を介して超音波分布を均等化され、その結果として、流体の流れ計測が高精度に行える。

前記超音波送受信器は、圧電体と、この圧電体と流体との音響インピーダンスのマッチングをとる音響整合部材からなり、超音波分布を均等化するように前記音響整合部材の形状を設定した。具体的には、音響整合部材の中央部を中空状に形成するとか、音響整合部材の厚みを中央ほど大きくすることが考えられる。

また、超音波を反射させて伝搬させる、いわゆる反射型においては、超音波反射部位に超音波の反射分布を均等化する超音波反射部材を配置する。

さらに、一方の超音波送受信器から送信された超音波を拡散部材で拡散させて他方の超音波送受信器へ伝搬させる構成も考えられる。

もちろん、超音波が伝搬する流体流路に流体の流速分布を均一にする整流部材を併設することによって、計測精度を一層高めることができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１を図面に基づいて説明する。

図１において、断面矩形の流体流路１の途中に少なくとも一対の超音波送受信器２ａ，２ｂが流れ方向に配置されている。すなわち、本例では、超音波が流体流路１を流れる流体を斜めに横切るように伝搬されるものである。

３は超音波送受信器２ａ，２ｂへの発信手段、４は受信した信号の増幅手段で、この増幅された信号は基準信号と比較手段５で比較され、基準信号以上の信号が検出されたとき計時手段６で超音波の伝搬時間を計測する。

切換手段７は超音波送受信器２ａ，２ｂの送受の方向を変えるもので、演算手段８は計時手段６からの値に基づいて流速または流量値を算出する。

次に動作について説明する。まず発信手段５から一方の超音波送受信器２ａへ信号が送られる。この結果、同超音波送受信器２ａから送信された超音波は流体流路１を流れる流体を斜めに横切るように伝搬して他方の超音波送受信器２ｂに到達する。

この受信信号は増幅手段４で増幅された後、比較手段５で基準信号と比較され、基準信号以上の信号が検出されたとき、計時手段６で送信から受信までの超音波の伝搬時間を計測する。

次に切換手段７で送信、受信を切り換えて、超音波送受信器２ｂから超音波送受信器２ａへ超音波を送信し、このときの伝播時間を、計時手段６で計時する。そしてこれら時間差をもとに演算手段８が流体の流速を演算し、また必要に応じて、この結果に流体流路１の断面積、および補正係数を乗じて流量を演算するようにしている。

図２，３は計測装置の具体的構成を示し、先の超音波送受信器２ａ，２ｂは、断面長方形の矩形をなす流体流路１の短辺側路壁に凹設した凹部９ａ，９ｂに配置され、また、これら凹部９ａ，９ｂの流路側開放部には、同凹部９ａ，９ｂへの流体の乱入を阻止するとともに、超音波の伝搬には障害とならないメッシュ，パンチングメタルなどからなるスクリーン１０ａ，１０ｂが覆設してある。

前記超音波送受信器２ａ，２ｂによる超音波の伝搬は、そのままでは均一には行われないものである。すなわち、中央部分からの超音波の強度が強く、周辺部では弱くなる。

そこで、本実施の形態１では図４の構成とした。すなわち、図４は超音波送受信器２ａ，２ｂを示し（同一構成のため、一方の超音波送受信器２ａのみについて説明を加える）、有底状の筒形ケース１１の頂壁内面に円形状の圧電体１２が、頂壁外面に同じく円形状の音響整合部材１３がそれぞれ取付けられている。

前記音響整合部材１３は、超音波を流体中に送信する際の音響インピーダンスのマッチングを取り、超音波を効率よく流体中に送信するためのものである。

しかるに、本実施の形態１において、超音波の分布を均等化する超音波調整手段として、前記音響整合部材１３の中央部を中空に設定したものである。

このように、音響整合部材１３の中央部を中空に設定しておけば、この中央部分からの音波の送信は少なくなる。そして、中空部の大きさを変えることにより、中央部からの音波の強度を弱めて、全体が均一な音波の強度分布にすることができる。

その結果、均等な強度分布の超音波が流体流路１内を伝搬していくと、流路内を流れる流速により伝搬時間が変化する影響度合いも均等になる。

図５は圧電体１２が矩形の形状とし、一方、音響整合部材１３をこの圧電体１２より大きくして円形にすることで、均一な音波強度分布を得るようにしたものである。

（実施の形態２）
図６は超音波調整手段として音響整合部材１３の厚みを変えることにより、具体的には中央ほど厚みを大きくして超音波の強度分布を均一化するものである。

超音波が音響整合部材１３から流体中に送信されるとき、その方向は前記音響整合部材１３に垂直にでる割合がもっとも大きい。したがって、音響整合部材１３から超音波が出るときには広がって拡散するようになり、中央部分の音波が弱まり、周辺部分の音波が強まり、その結果音波の均一化がはかられる。

厚みの変化は図７に示すように、音響整合部材１３を丸く滑らかに構成し中央を厚くしたてもよい。

（実施の形態３）
図８は一種の反射型超音波流れ計測装置を示し、一方の超音波送受信器２ａから送振された超音波を超音波反射部材１４ａ，１４ｂで反射させて、他方の超音波送受信器２ｂに伝搬させるようにしたものである。

超音波反射部材１４ａ，１４ｂの表面（反射面）は突起を設けて音波を拡散させるようにしてあり、流体流路１内を伝搬する超音波の強度分布を均一にさせるように構成している。超音波送受信器２ａと２ｂは互いに送受信を繰り返すので、音波反射部材１４ａと１４ｂの形状はそれぞれ同一にするほうが望ましい。

（実施の形態４）
図９は超音波調整手段として、超音波を拡散させるホーンのような拡散部材１５ａ，１５ｂを超音波送受信器２ａ，２ｂの前面に配置したものである。この場合は、超音波を拡散させて強度分布の均等化が図れる。

また受信側では拡散された超音波が拡散部材１５ａ，１５ｂで逆に収束されるようになり、確実に受信側の超音波送受信器２ａまたは２ｂに到達することとなる。

（実施の形態５）
図１０は流体流路１内を薄い平板で構成される複数の整流部材１６，１７，１８で仕切ったものである。この場合、４つの流路にそれぞれほぼ同じ流速で流体が流れるため流速分布が極めて均一で安定している。

そして、この仕切られた流路にさらに強度分布の均一な音波を伝搬させると、きわめて精度の高い流速などの計測が行われる。

なお、整流部材は格子やハニカム形状のものでも同様の効果がある。また図１０は超音波調整手段として図８の超音波反射部材を使用した例を示したが、図４〜７のような超音波整合部材や、図９に示す拡散部材を使用したものでも同様なことがいえる。

本発明の計測装置は、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。

本発明の実施の形態１における流れ計測装置のブロック図 同流れ計測装置の横断面図 同流れ計測装置の縦断面図 （ａ）超音波送受信器の断面図、（ｂ）同正面図 （ａ）他の超音波送受信器の断面図、（ｂ）同正面図 本発明の実施の形態２における超音波送受信器の断面図 他の超音波送受信器の断面図 本発明の実施の形態３における流れ計測装置の断面図 本発明の実施の形態４における流れ計測装置の断面図 本発明の実施の形態５における流れ計測装置の断面図 従来の流れ計測装置の断面図

符号の説明

１ 流体流路
２ａ、２ｂ 超音波送受信器
６ 計時手段
８ 演算手段
１２ 圧電体
１３ 音響整合部材
１４ａ、１４ｂ 超音波反射部材
１５ａ、１５ｂ 拡散部材
１６、１７、１８ 整流部材

Claims (7)

1. 流体流路の上流と下流に配置された少なくとも一対の超音波送受信器と、前記超音波送受信器間の超音波伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段による計時結果をもとに流体の流速およびまたは流量を演算する演算手段とを備え、前記超音波送受信器の送信側には超音波分布を均等化する超音波調整手段を配置した流体の流れ計測装置。
2. 超音波送受信器は、圧電体と、この圧電体と流体との音響インピーダンスのマッチングをとる音響整合部材からなり、超音波分布を均等化するように前記音響整合部材の形状を設定した請求項１記載の流体の流れ計測装置。
3. 音響整合部材の中央部を中空状に形成した請求項２記載の流体の流れ計測装置。
4. 音響整合部材の厚みを中央ほど大きくした請求項２記載の流体の流れ計測装置。
5. 一方の超音波送受信器から送信された超音波を反射させて他方の超音波送受信器で受信するように構成し、前記流体流路における超音波反射部位には、超音波の反射分布を均等化する超音波反射部材を配置した請求項１記載の流体の流れ計測装置。
6. 一方の超音波送受信器から送信された超音波を拡散部材で拡散させて他方の超音波送受信器へ伝搬させた請求項１記載の流体の流れ計測装置。
7. 超音波が伝搬する流体流路に流体の流速分布を均一にする整流部材を配置した請求項１〜６いずれか１項記載の流体の流れ計測装置。

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