JP2007071894A - 超音波式流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、超音波を利用してガス、水などの流体の流量を計測する超音波式流量計に関するもので、流路壁面の窪み部から発生する超音波の放射を変更するものある。
【解決手段】流路の壁面に設けた窪み部の奥部に設け流路に超音波を伝搬させて送受信する超音波受発信手段と、前記窪み部の流路出口面に前記流路壁面に沿って配する音波透過手段と、前記超音波透過手段を取り付けるための保持手段とを備え、前記保持手段は、前記窪み部の開口断面より少なくとも小さな面積の開口部を設けて音波透過手段を保持する構成とする。そして、音波透過手段を超音波が通過する際に、超音波が拡散して放射方向が分散するので、幅広い流路の範囲を超音波が通過することができ、流速分布を持った流路においても、精度よく流量を計測するができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を利用してガス、水などの流体の流量を計測する超音波式流量計に関するものである。

従来この種の超音波式流量計測装置は、特許文献１のようなものが知られていた。以下、その構成について図１１を参照しながら説明する。

図１１に示すように、流路１の側面の上流と下流に一対の超音波受発振素子２，３を配置し、流体の流れる流路１に斜めに超音波を発振し、その送信波を対向する超音波受発振素子２，３で受信して、超音波の伝搬時間を計測していた。そして、その伝搬時間から流体の流れる流速を計測した後、流路の断面積などを考慮して流量を算出していた。ここで、４は窪み部、５，６はバルク状の超音波透過部材で、矢印は流体の流れ方向を示すものである。

上記構成において、窪み部４内に進入する流れをくさび型の超音波透過部材５、６を設けて防止し、高精度の流量計測を行っていた。
特開昭６３−２６５３７号公報

しかしながら上記従来技術では、超音波振動子２、３から送信された超音波は、バルク状の超音波透過部材５、６の内部を真っ直ぐ伝搬して、対向する超音波振動子で受信されていた。そのため、超音波が直進して通過する一部の流速を計測することになり、流路の幅や高さ方向に流速分布が異なる場合や層流から乱流までの幅広い流速範囲の流量計測は、各流速分布に応じた補正係数を予め求めておかなければならない課題があった。

本発明は上記課題を解決するために、流体を流す流路と、前記流路の壁面に設けた窪み部と、前記窪み部の奥部に設け流路に超音波を伝搬させて送受信する超音波受発信手段と、前記窪み部の流路出口面に配する音波透過手段と、前記超音波透過手段を取り付けるための保持手段とを備え、前記保持手段は、前記窪み部の開口断面より少なくとも小さな面積の開口部を設けた音波透過手段を保持する構成とした。

上記発明によれば、音波透過手段を超音波が通過する際に、超音波が拡散して放射方向が分散するので、幅広い流路の範囲を超音波が通過することができ、流速分布を持った流路においても、精度よく流量を計測することができる。

本発明の超音波式流量計測装置によれば、音波透過手段を超音波が通過する際に、超音波が拡散して放射方向が分散するので、幅広い流路の範囲を超音波が通過することができ、流速分布を持った流路においても、精度よく流量を計測することができる。

本発明は、流体を流す流路と、前記流路の壁面に設けた窪み部と、前記窪み部の奥部に設け流路を斜行して超音波を送受信する超音波受発信手段と、前記窪み部の流路出口面に前記流路壁面に沿って配する音波透過手段と、前記音波透過手段を取り付けるための保持
手段とを備え、前記保持手段には、少なくとも前記窪み部の開口断面より少なくとも小さな面積の開口部を設けて音波透過手段を保持する構成とした。そして、音波透過手段を超音波が通過する際に、超音波が拡散して放射方向が分散するので、幅広い流路の範囲を超音波が通過することができ、圧力脈動などが発生して流速分布が変化する場合においても、精度よく流量を計測することができる。

または、音波透過手段は、少なくとも１枚以上の金網を重ね合わせた構成とした。そして、音波透過板として１枚以上の金網を設けることで、流れを妨害せずに超音波を流路全体に透過して伝搬させることができるので、精度よく流量を計測することができるとともに、窪み部への流体の流入を抑制することができるので計測精度を向上することができる。

または、音波透過手段は、複数の金網を空間を空けて配置した構成とした。そして、複数枚の金網を隙間を設けて配置することで、段階的に超音波を透過させることができ、より幅広く流路内に伝搬させることができるので、流速分布のある流路においても精度よく流量を計測することができる。

または、音波透過手段としての複数枚の金網は、目開きの異なる金網を重ね合わせて構成とした。そして、目開きの異なる金網を重ね合わせることで、重なり具合に関係無く超音波を透過させることができるので精度のよい流量計測を再現性よく実現することができる。

また、音波透過手段としての複数枚の金網は、目開きの異なる金網を重ね合わせて構成し、目開きが細かい方を流路側に配置して構成とした。そして、目開きの異なる金網を重ね合わせ、目開きの細かい方を流路側に設けることで流れに影響を与えずに透過させることができ精度の高い流量計測を行うことができる。

または、音波透過手段としての複数枚の金網は、少なくとも１枚を波板状にした構成とした。そして、金網の少なくとも一方を波板状にすることで、超音波の透過をより幅広くさせることができ、流速分布がある流路においても精度よく流量を計測することができる。

または、音波透過手段としての金網のメッシュ数は、少なくとも＃２０から＃５００を使用した構成とした。そして、＃２０から＃５００を用いることで、超音波の波長に近い線径の金網とすることができるので、超音波を効果的に透過させることができる。

または、保持手段の開口部は、長方形状の四角形とした。そして、流路の流れ方向に長い長方形状とすることで、流路の流れ方向に幅広く透過させることが出きるので、精度よく計測することができる。

また、保持手段の開口部は、楕円形状とした。そして、流路の流れ方向に長い楕円形状とすることで、流路の流れ方向に幅広く透過させることが出きるので、精度よく計測することができる。

また、略直角に屈曲した入口流路と、略直角に屈曲した出口流路と、前記入口流路と前記出口流路を両端に備えた計測流路と、前記計測流路に備えた一対の超音波受発信手段と、前記一対の超音波受発信手段で送受信を行う中心が、前記入口流路と前記出口流路で挟まれた計測流路の中心になるように前記超音波受発信手段を備えた。そして、略直角に屈曲した入口流路と出口流路の中心部分を超音波で計測することで、圧力脈動が発生して往復の流れが発生した場合でも対称性を維持できるので精度よく計測することができる。

また、一対の超音波受発信手段は、計測流路の流れ方向に対して所定の角度を設けて備えた。そして、流れ方向に対して角度を持って送受信することで計測流路の幅方向と長さ方向の広い範囲を超音波が伝搬するので高範囲の流速を平均化して精度の高い流速計測を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の超音波式流量計測装置の流路断面図である。図１において、７は流体を流す直管部８を備えた流路、９は前記直管部８の壁面１０に設けた窪み部、１１、１２は前記窪み部９の奥部１３から前記流路７を角度θで斜交して超音波を伝搬させる超音波受発信手段としての一対の超音波受発信素子、１４は音波透過手段としての金網、１５は金網を取りつけるための保持手段、１６は超音波の伝播時間を測定する伝播時間測定手段、１７はその伝播時間を基に流速を求めて流量を計測する流量計測手段である。

また、図２に示すように、音波透過手段としての金網１４は、開口部１８を備えた保持手段１５に２枚重ねて設置した。そして、流路側に目開きの細かい金網１９を配置し、センサ側には目開きの大きい金網２０を配置する構成とした。例えば、流路側には、メッシュ数１００から５００程度の金網を用い、センサ側にはメッシュ数７０から２５０の金網を用いると良い。本実施の形態では、流路側に５００メッシュ、センサ側に２００メッシュを用いた構成で説明する。そして、２枚の金網の目開き（メッシュ数）は異なるものを用いて重ね合わせるようにした。特に、線間のピッチが整数倍にならないような目開きを用いる構成とする方が良い。超音波の波長に比べ、金網の線径が小さい方が好ましい。

次に、超音波式流量計の一般的方法について説明する。

超音波式流量計は、超音波の伝搬時間の逆数差から次式によって流速Ｖを求め、流路の断面積を掛けることによって流量に換算するものである。

すなわち、上流の超音波送受信素子１１から下流の超音波送受信素子１２に伝搬する時間ｔ１は、超音波送受信素子１１と１２の間の距離をＬとすると、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
逆の下流側から上流側の場合の伝搬時間は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
である。ここで、θは超音波送受信素子の流路に対する傾き角、Ｃは音速である。これらの伝搬時間の逆数差から、流速Ｖは、次式のように求まる。

Ｖ＝Ｌ／（２ｃｏｓθ）＊（（１／ｔ１）−（１／ｔ２））
ここで、流路内の流速分布は、流速に応じて異なった分布を示すことは周知の通りである。そこで、流路高さ方向に図３に示すような分布がある場合、超音波で計測できる領域を計測領域とすると、平均流量を求めるために各流量毎に補正係数を用いて補正しなければならなかった。式で示すと下式のようになる。ここで、Ｋ（Ｖ）は補正係数である。

Ｑ＝Ｋ（Ｖ）＊Ｖ
本発明の構成によれば、窪み部の開口部に設けた金網により超音波が拡散されるので、計測できる範囲が図４、図５のように広くなる。すなわち、計測領域が広がるので計測流速と平均流速の差が小さくなる。よって、補正係数も流量によって差が小さくなるので流量が変化して流速分布が変わっても精度よく流量を計測することができるのである。

また、窪み部の内部への流体の流入も低減させることができ、流速が変わったり、脈動が発生しても、流量を正しく計測することができる。

ここで、図６のような、２枚の金網の間に空間を設けても、同様の効果が得られるとともに、空間２１を設けることで、金網の線間のピッチが干渉し合うことによって生じる計測ばらつきを低減して安定して流量を計測することができる。また、図７のようにセンサ側の金網２２を波板状にすることで、より超音波を拡散することができ、幅広い範囲の流速を計測することで精度を向上することができる。

さらに、金網を取りつける保持手段１５の開口部１８は、図８に示す流れ方向に長い長方形形状や、図９に示す流れ方向に長い楕円形状とすることで、流れ方向に幅広く超音波を放射することができ、流速の分布を広く計測することができる。また、開口部１８を窪み部の開口断面より少なくとも小さい開口部であっても、金網によって幅広く超音波を放射することができる。

そして、流れ方向に対して角度を持って送受信することで計測流路の幅方向と長さ方向の広い範囲を超音波が伝搬するので高範囲の流速を平均化して精度の高い流速計測を行うことができる。窪み部への流体の流入を抑制することができるので計測精度を向上することができる。

なお、隙間なく２枚を重ねあわすことで説明したが、３枚でも、４枚でも超音波が透過すれば同様の効果が得られるものである。また、金網で説明したが、例えば不織布のようなものも含め、同等の超音波透過手段であればよく、流体的には抵抗が大きく窪みの中に流れが入り込まず、かつ超音波を効率よく透過し、散乱させて放射できる素材を用いることで同様の効果を得ることが出来る。そして、金網を用いる場合は，線の方向に角度を付けて重ね合わせることで、ピッチの重なりを防ぐことが出来、均等な開口を持った構成とすることが出来る。

このように、音波透過手段を超音波が通過する際に、超音波が拡散して放射方向が分散するので、幅広い流路の範囲を超音波が通過することができ、圧力脈動などが発生して流速分布が変化する場合においても、精度よく流量を計測することができる。また、目開きの異なる金網を重ね合わせることで、重なり具合に関係無く超音波を透過させることができるので精度のよい流量計測を再現性よく実現することができる。そして、目開きの細かい方を流路側に設けることで流れに影響を与えずに透過させることができ精度の高い流量計測を行うことができる。

（実施の形態２）
実施の形態２について、図１０を用いて説明する。図１０は本発明の実施の形態２の流量計測装置を示す断面図である。図１０に示すように、略直角に屈曲した入口流路２３と、略直角に屈曲した出口流路２４と、前記入口流路２３と前記出口流路２４を両端に備えた計測流路２５と、前記計測流路２５に備えた一対の超音波受発信手段としての超音波受発信素子１１、１２を備え、前記一対の超音波受発信素子の送受信を行う中心２６が、前記入口流路２３と前記出口流路２４で挟まれた計測流路２５の中心２７になるように前記超音波受発信手段を備えた。ここで、２８はれ方向のセンサ間距離を示す、２９は入口流路と出口流路の端面間距離を示す。

本発明によれば、略直角に屈曲した入口流路と出口流路の中心に当たる計測流路の中心部分を超音波で計測することで、圧力脈動などの往復の流れが発生した場合でも流れの対称性を維持できるので精度よく計測することができる。そして、正逆流の対称性があるの
で、正流の流速分布と逆流の流速分布が対称的になり、平均するとゼロ流量となるので、誤差としては寄与しないことになり、精度よく流量計測が行えるのである。逆にいえば、補正係数も正逆どちらかひとつの特性でよく、逆流も精度よく計測することが出来るのである。

本発明の実施の形態１の超音波式流量計測装置の流路断面図 同装置の窪み部の断面図 計測原理を示す説明図 同装置の超音波の送受信を示す説明図 同装置の計測原理を示す説明図 同装置の窪み部の他の実施の形態を示す断面図 同装置の窪み部の他の実施の形態を示す断面図 同装置の保持手段を示す正面図 同装置の他の保持手段を示す正面図 第２の実施形態を示す正面図 従来の超音波式流量計測装置の流路断面図

符号の説明

７ 流路
９ 窪み部
１１、１２ 超音波受発振素子
１４ 金網
１５ 保持手段
１６ 伝播時間測定手段
１７ 流量計測手段
１８ 開口部
２１ 空間
２３ 入口流路
２４ 出口流路
２５ 計測流路
２６ 超音波受発信素子の中心
２７ 計測流路の中心

Claims (10)

1. 流体を流す流路と、前記流路の壁面に設けた窪み部と、前記窪み部の奥部に設け流路に超音波を伝搬させて送受信する超音波受発信手段と、前記窪み部の流路出口面に配する音波透過手段と、前記音波透過手段を取り付けるための保持手段とを備え、前記保持手段は、前記窪み部の開口断面より少なくとも小さな面積の開口部を設けた音波透過手段を保持する超音波式流量計測装置。
2. 音波透過手段は、少なくとも１枚以上の金網を重ね合わせた構成とした請求項１記載の超音波式流量計測装置。
3. 音波透過手段は、複数の金網を空間を設けて配置した構成とした請求項１記載の超音波式流量計測装置。
4. 音波透過手段としての複数枚の金網は、目開きの異なる金網を重ね合わせて構成した請求項１から３のいずれか１項記載の超音波式流量計測装置。
5. 音波透過手段としての複数枚の金網は、目開きの異なる金網を重ね合わせて構成し、目開きが細かい方を流路側に配置して構成とした請求項１から４記載の超音波式流量計測装置。
6. 音波透過手段としての複数枚の金網は、少なくとも１枚を波板状にした請求項１から５記載の超音波式流量計測装置。
7. 音波透過手段としての金網のメッシュ数は、少なくとも＃２０から＃５００を使用した請求項１から６記載の超音波式流量計測装置。
8. 保持手段の開口部は、長方形状の四角形とした請求項１記載の超音波式流量計測装置。
9. 保持手段の開口部は、楕円形状とした請求項１記載の超音波式流量計測装置。
10. 一対の超音波受発信手段は、計測流路の流れ方向に対して所定の角度を設けて備えた請求項１から９のいずれか１項記載の超音波式流量計測装置。

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