JP2006226693A - 流体の流れ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波を用いて流体の流速および／または流量の計測を高精度に行う計測装置を提供することを目的とする。
【解決手段】流路１の上流側と下流側に間隔をおいて一対の超音波振動子５，６を配置して、これら超音波振動子５，６間の超音波伝播時間にもとづき流体の流速および／または流量を演算部で算出するようにし、これら超音波振動子５，６間の超音波伝播域は、流路１における流体の流れが発達した流速分布域に設定した。したがって、安定した、かつ高精度な流れ測定を実現できるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、流路の上流側と下流側に間隔をおいて配置した一対の超音波振動子を具備し、これら超音波振動子間の超音波伝播時間にもとづいて流体の流速などを測定するようにした流体の流れ測定装置に関するものである。

従来、この種、超音波方式の流れ測定装置は、流体の流れを層流状態として計測するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。

この例では、矩形断面の流路において、代表長さを短辺としたときのレイノルズ数が層流域になるような流路構成としていた。
特開平８−３１３３１６号公報

しかしながら、このような従来のものでは、単に見かけ上の層流状態が形成されるだけのものであり、超音波計測部における流速分布の安定性まで保証するものではなかった。

本発明は、このような従来の課題を解決したもので、高精度の流れ測定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、本発明の流れ測定装置は、流路と、前記流路の上流側と下流側に間隔をおいて配置した一対の超音波振動子と、前記超音波振動子の信号を受けて流速を算出する演算部とを具備し、前記超音波振動子間の超音波伝播域は、流路における流体の流れが発達した流速分布域に設定したものである。

本発明では、流量を計測するにあたり、流速分布が外部の影響を受けることなく安定した状態で設定されるため、精度の高い計測が保証されるという効果を有する。

第１の発明は、流路と、前記流路の上流側と下流側に間隔をおいて配置した一対の超音波振動子と、前記超音波振動子の信号を受けて流速を算出する演算部とを具備し、前記超音波振動子間の超音波伝播域は、流路における流体の流れが発達した流速分布域に設定したことにより、安定した流速分布の状態で流れ計測を行なうことができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、流速分布を層流とすることにより、外部の影響を受けることなく安定した流速分布の状態で流れ計測を行なうことができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明において、流路断面を矩形状に構成することにより、圧力損失を増加させることなく安定した流速分布の状態で流れ計測を行なうことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１〜３において、矩形断面の流路１は、入口部２、計測部３、出口部４に区画される。流路１の計測部３には流体の流れを斜めに横切るように一対の超音波振動子５，６が上、下方向に間隔をおいて配設してある。

超音波振動子５，６間の超音波伝播時間にもとづき演算部７が流路１を流れる流体の流速を計測し、また必要に応じて、その流路断面積などを乗じて流量も演算できるようにしている。

以上のように構成された流れ測定装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、図１において、流体が流路１に流入すると、その流体は入口部２、計測部３を経て出口部４より流出する。

計測部３では図２のように、超音波振動子５，６間で信号の送受が行われ、それら超音波振動子５，６間の超音波伝播時間を計測することにより流速計測、若しくは流量計測が行われる。これら一連の動作は演算部７で行われる。

図３に示すように、入口部３より流入した流体は計測部４に流動するが、この入口部３において境界層が発達するような構成となっている。

すなわち、入口部２の入口端（A）で均一な流速分布は中間部（B）で境界層Ｘの発達が進展し、計測部３の入口端（C）では境界層Ｘが完全に発達した流速分布となるように構成されている。

本実施の形態では、計測部３の入口端（C）以降に超音波振動子５，６を配置したものである。

このように、境界層Ｘが完全に発達すると、流速分布は入口部２で有していた外部流れの影響を受けることがない。また、完全に発達した位置より下流ではこの流速分布がほぼ維持されるため、流れ計測を行うにあたり、安定した流速分布の状態で計測を行うことができる。

したがって、計測部３の入口端（C）以降に超音波振動子５，６を配置し、加えて、流れに対して斜め方向に計測するように設定すれば、その効果が一層有効に作用するものである。

なお、本実施の形態では、断面が矩形の場合を示したが、円形の場合であっても、また、それ以外の形状であっても、境界層が完全に発達した状態で計測が行われれば同様の効果が発揮されるものである。

また、断面が矩形の場合で、取分けアスペクト比が大きい二次元流れにあっては、境界層の発達は短辺方向の幅のみで規定されるため、同様の効果を生み出すのに、長辺方向の寸法はあまり影響しない。すなわち、圧力損失の関係で、断面積を大きくしたい場合には、矩形断面でアスペクト比を大きく設定し、長辺寸法を長くすることで対応が可能となる。

さらに、流れに脈動が生じる場合には、計測部３の下流部４が順方向流れの上流部２に該当する。すなわち、順方向、逆方向流れに関して対称な流路構成とすることにより、境界層が発達した状態で脈動流れの精度のよい計測が可能となる。

さらにまた、本実施の形態では計測部３として１層の場合を示したが、この部分が多数層に分割されている場合でも、分割した各層において、境界層が発達した部分で計測を行うようにすれば、同様の効果が発揮されるものである。

加えて、超音波の伝播形態としては、上記のＩパス方式に限らず、反射タイプのＶパス方式、Ｗパス方式に転用することも考えられるであろう。

本発明にかかる流体の流れ測定装置は、精度の高い計測を行うことができるため、各種計測器、また、計測精度が要求されるガスメータ、水道メータ等への用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における流れ計測装置の斜視図 同流れ計測装置の計測部を示す概略構成図 同流れ計測装置の計測部における流速分布を示す説明図

符号の説明

１ 流路
３ 計測部
５，６ 超音波振動子
７ 演算部

Claims (3)

1. 流路と、前記流路の上流側と下流側に間隔をおいて配置した一対の超音波振動子と、前記超音波振動子の信号を受けて流速および／または流量を算出する演算部とを具備し、前記超音波振動子間の超音波伝播域は、流路における流体の流れが発達した流速分布域に設定した流体の流れ測定装置。
2. 流速分布が層流である請求項１記載の流体の流れ測定装置。
3. 流路断面が矩形状に構成された請求項１又は２記載の流体の流れ測定装置。

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