JP2006017596A - 流量計測方法および超音波式流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体を、計測流路部に流れ込み易くすること。
【解決手段】管体１１を流れる流体を分割する際、管体１１の中心軸に同軸に内管体１２を配置し、流れＲ１を、内管体１２の内の計測流路部１３を流れる流れＲ１ａと、内管体１２の外の外側流路部１４を流れる流れＲ１ｂとに同軸上に分岐させる。外側流路部１４の入り口部分に内管体１２が持つ流体抵抗に見合った抵抗体１５を設けて、外側流路部１４への流れを抑制することで、計測流路部１３に流体を流れ込み易くできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス・水などの流体の流量を計測する流量計測方法、および流量計測方法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。）。
この超音波式計測装置は、図３に示すように、断面が矩形状の管体３１における左右の両側壁部３１ａ間に、一対の超音波送受信部３２Ａ，３２Ｂからなる超音波式流量計３２を設け、この超音波式流量計３２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、この計測した流速から管体３１内を流れる流体の流量を算出する流量演算部３３を具備したものである。そして、超音波式流量計３２が配置された管体３１の計測流路部Ｋには、管体３１内を流れる流体の流速分布の２次元性を高めるために、流れＲ３と平行に且つ高さ方向において２枚の仕切り板３４が等間隔で配置されている。

これによると、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３次元的な流速分布Ｐ３１を持つ流れが、計測流路部Ｋにて３つの流速分布Ｐ３２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３４を配置することにより、計測流路部Ｋでの２次元性が高められ、上記超音波式流量計３２に、流速分布の全域が包含されやすくなることで、計測精度の向上が図られている。
特開平９−４３０１５号公報（第２−３頁）

前記従来の構成の超音波式計測装置を、さらに大きな管断面積を有する（いわゆる大流量型）流路に適用しようとした場合、製作可能な超音波振動子の大きさの制限により、以下の２つの計測方法が考えられる。

１．バイパス型の計測方法
図４に示すように、管体４１が計測流路部４２と管体部４３に分かれ、流れＲ４は、計測流路部４２側の流れＲ４ａと管体部４３側の流れＲ４ｂとに枝状に分岐され、計測流路部４２に設けられた超音波式流量計４４により流れＲ４ａの流速を測定する。

２．内蔵型の計測方法
図５に示すように、管体５１の内部に計測流路部５２が内蔵され、流れＲ５は、計測流路部５２内の流れＲ５ａと計測流路部５２外の流れＲ５ｂとに同軸上に分岐され、計測流路部５２に設けられた超音波式流量計５３により流れＲ５ａの流速を測定する。

しかしながら、上記した２つの計測方法においては、前記計測流路部４２、５２内を流れる流体の流速は前記の従来構成（図３）により正しく測れるが、計測流路部４２、５２に含まれる仕切り板によって摩擦抵抗が生じることや、仕切り板で囲まれた狭隘な流路に流体を流すために必要な圧力差が確保できないために流体が流れにくくなり、計測流路部４２、５２内の平均流速が計測流路部４２、５２以外の平均流速よりも小さくなってしまうという問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、計測流路部内の流速が計測流路部以外の流速により等しくなるような流量計測方法、および流量の計測精度の向上を図りう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に係る流量計測方法は、外側流路部の入り口部分に、計測流路部の持つ流体抵抗に見合う抵抗体を設けて、外側流路部への流れを抑制するもので、これにより、平均流速の均一化を図り得る。

さらに、請求項２に係る超音波式流量計測装置は、内管体の入り口部分から管体内壁面に亘って抵抗体を設けるとともに、内管体を流れる流体の流量を計測する超音波流速計を設けたもので、これによると、内管体の外側流路部への流れを抵抗体により抑制して平均流速の均一化を図り得、さらに、内管体を流れる流体の平均流速を計測することで、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に係る流量計測方法によれば、外側流路部の入り口部分に、計測流路部の持つ流体抵抗に見合う抵抗体を設けて、外側流路部への流れを抑制するもので、これにより、計測流路部と外側流路部との平均流速をより等しくすることができる。

また、請求項２に係る超音波式流量計測装置によると、内管体の入り口部分から管体内壁面に亘って、内管体の計測流路部が持つ流体抵抗に見合う抵抗力を持った抵抗体を設けたもので、これによると、内管体の外側流路部への流れを抵抗体により抑制することで、計測流路部と外側流路部との平均流速をより等しくすることができ、さらに、計測流路部を流れる流体の平均流速を超音波流速計により計測することで、流体の流量をより正確に計測できる。

以下に、本発明の実施の形態に係る流路における平均流速均一化構造について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１に係る平均流速均一化構造を示す。本実施の形態１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）１１としては、断面が丸型のものが使用される。

管体１１により形成される流路内に、細長い内管体１２を管体１１の中心軸に同軸上に配置することにより、内管体１２内に形成された計測流路部１３と、計測流路部１３以外の外側流路部１４とに分割され、流れＲ１は、計測流路部１３内の流れＲ１ａと外側流路部１４の流れＲ１ｂとに同軸上に分岐される。

外側流路部１４の入り口部分には、内管体１２の計測流路部１３が持つ流体抵抗（抵抗成分）に見合う抵抗力を持った抵抗体１５が設置される。抵抗体１５の内端部は計測流路部１３の開始位置１６（内管体１２の入り口部分）に固定され、また外端部は管体１１の内壁面上の開始位置１７に固定される。流れ方向に対して前記開始位置１７は、計測流路部１３の開始位置１６と流れ方向に沿って同じ位置か上流側に配置されなければならない。なお抵抗体１５としては、たとえば、金属製又は樹脂製の多孔板、金属製又は樹脂製の網体、高分子の多孔性材料からなる板又はブロックなどが採用される。

この実施の形態１の構成において、管体１１内の流速分布Ｐ１１は、抵抗体１５による流れの抑制によって、両流路部１３，１４への分岐入口直前で平坦に近い流速分布Ｐ１２となり、流速ベクトルの大きさが揃った状態で分岐される。また前記計測流路部１３が管体１１の中心軸に同軸上に配置されることで、流速分布Ｐ１２の最大流速付近が計測流路部１３に流れこむことになり、抵抗体１５の抵抗を少なくすることができる。
（実施の形態２）
この実施の形態２に係る超音波式流量計測装置は、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。

図２に示すように、この超音波式流量計測装置は、実施の形態１にて説明した流量均一化構造、すなわち管体２１により形成される流路内に、細長い内管体２２を管体２１の中心軸に同軸上に配置することにより、内管体２２内に形成された計測流路部２３と、計測流路部２３以外の外側流路部（管路）２４とに分割され、外側流路部２４の入り口部分には、内管体２２の計測流路部２３が持つ流体抵抗（抵抗成分）に見合う抵抗力を持った抵抗体２５が設置された流量均一化構造に、超音波流速計（超音波振動子などが用いられる）２６と流量演算部２７とが加えられて構成されている。

ここで内管体２２は、断面が矩形状で計測流路部２３が矩形状に形成され、そして左右の両側壁部２２ａ間に、一対の超音波送受信部２６Ａ，２６Ｂからなる前記超音波式流量計２６を設けて、これら超音波送信部２６Ａ，２６Ｂ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あと、この流速に基づき流体の流量を流量演算部２７で算出するように構成されている。

さらに、超音波式流量計２６が配置された内管体２２の計測流路部２３には、内管体２２内を流れる流体の流速分布の２次元性を高めるために、流れ方向Ｒ２ａと平行に且つ高さ方向（短辺方向）において２枚の仕切り板２８が等間隔で配置され、以て計測流路部２３は３つ（複数）の流路部、すなわち３つの超音波計測領域Ｓに分割されている。

なお、超音波式流量計２６は、超音波が計測流路部２３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２７においては、予め、被計測流体の種々の流れに応じて、超音波計測領域Ｓ内での流速と計測流路部２３内の平均流速との関係および、管体２１の平均流速と計測流路部２３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２１内の平均流速が求められる。

なお、超音波式流量計２６の取り付け方向は、流れ方向Ｒ２ａ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。

この実施の形態２の構成において、管体２１内の流速分布は、抵抗体２５による流れの抑制によって、両流路部２３，２４への分岐入口直前で平坦に近い流速分布となり、流速ベクトルの大きさが揃った状態で分岐される。また前記計測流路部２３が管体２１の中心軸に同軸上に配置されることで、流速分布の最大流速付近が計測流路部２３に流れこむことになり、抵抗体２５の抵抗を少なくすることができる。

そして計測流路部２３内を流れる流体の流速は、超音波送受信部２６Ａ、２６Ｂ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かけることにより、管体２１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、計測流路部２３を流れる流体の速度を計測して流量を求める際に、計測流路部２３以外の管路、すなわち、外側流路部２４の入り口部分に、計測流路部２３が持つ流体抵抗に見合う抵抗力を持った抵抗体２５を配置して、分岐部に流入する流体の速度分布を平坦にするようにしたので、流速ベクトルの大きさがそろい、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。

上記した実施の形態１、２では、管体１１，２１として断面が丸型のものが使用されているが、これは断面が矩形型の管体を使用した形式などであってもよい。

本発明の流量計測方法および超音波式流量計測装置に対象となる流体は、ガス、水などの他、空気（燃焼用空気）などの気体、薬液や油などの液体も対象となる。

本発明の実施の形態１における流路の模式的斜視図 本発明の実施の形態２における流路の模式的斜視図 従来流路の模式的断面図 従来流路の模式的斜視図 従来流路の模式的斜視図

符号の説明

１１ 管体
１２ 内管体
１３ 計測流路部
１４ 外側流路部
１５ 抵抗体
Ｒ１ 流れ
Ｒ１ａ 流れ
Ｒ１ｂ 流れ
Ｐ１１ 流速分布
Ｐ１２ 流速分布
２１ 管体
２２ 内管体
２３ 計測流路部（矩形流路部）
２４ 外側流路部
２５ 抵抗体
２６ 超音波流速計
２６Ａ 超音波送受信部
２６Ｂ 超音波送受信部
２７ 流量演算部
２８ 仕切り板
Ｓ 超音波計測領域（流路部）
Ｒ２ａ 流れ方向

Claims (3)

1. 管体により形成される流路内に、細長い内管体を同軸上に内蔵させることにより、前記流路内を流れる流体の流量を内管体の内外で分割する流量計測方法において、
   内管体により、その内側に計測流路部が形成されるとともに、外側に外側流路部が形成され、外側流路部の入り口部分に抵抗体を設けて、外側流路部への流れを抑制することを特徴とする流量計測方法。
2. 管体により形成される流路内に、細長い内管体を同軸上に内蔵させることにより、前記流路内を流れる流体の流量を内管体の内外に分割する超音波式流量計測装置であって、
   内管体の入り口部分から管体内壁面に亘って、内管体の計測流路部が持つ流体抵抗に見合う抵抗力を持った抵抗体を設けるとともに、計測流路部を流れる流体の流量を計測する超音波流速計を設けたことを特徴とする超音波式流量計測装置。
3. 内管体は、断面が矩形で内部に矩形流路部を形成するとともに、矩形流路部内を仕切り板により複数の流路部に分割したことを特徴とする請求項２記載の超音波式流量計測装置。
   
   

Images