JP2008014829A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の超音波流量計を大幅に改造することなく脈動を吸収することのできる超音波流量計を提供する。
【解決手段】流体が流れる流路の内壁に密着するように配置された所定の肉厚を有する計測管６と、計測管の内部を、超音波が、該計測管の中心軸を通って斜めに横切って伝播するように配置された一対の超音波送受波器５、５とを備え、一対の超音波送受波器間で超音波を送受信して流体の流れの順方向および逆方向における超音波の伝播時間を計測し、該計測された伝播時間の差に基づいて流体の流量を算出する超音波流量計において、計測管６の長さは、一対の超音波送受波器５、５で送受信される超音波の波長の略３００倍以下にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体や液体といった流体の流量を、超音波を用いて計測する超音波流量計に関し、さらに詳しくは、流路内の流速を間欠的に計測して積算流量を推測する推量式の流量計において流体の脈動（圧力変動、流速変動）の影響を低減する技術に関する。

従来、被計測流体を一方から他方に流す計測管と、その計測管の中心線を挟み、且つその中心線に対して所定の角度を有するように対向配置されて相互に超音波の授受を行う一対の超音波送受波器とを備え、計測管の内部を流れる被計測流体の流速を、一対の超音波送受波器の相互間で交互に発射されて受信される超音波の伝播時間差として検出し、この流体速度に計測管の断面積を乗じて流量を算出する超音波流量計が知られている。

この超音波流量計では、様々な要因によって計測管を流れる流体に乱れが生じて脈動となる。この脈動が計測管内で生じると、超音波送受波器の相互間で授受される超音波が流体中を伝播するときに、乱れの境界面で様々な反射や屈折を生じて、超音波の受信波のレベルが変動する。その結果、測定不能に陥ったり、測定精度が悪化する。

このような脈動流に起因する問題を解消するために、特許文献１は、流体の流れが脈動流のような非定常なものである場合においても、流速および流量を高い測定精度で測定することのできる超音波流体計測装置を開示している。

この超音波流体計測装置は、被計測流体が流れる計測流路と、計測流路の被計測流体の流動方向に対し直交する幅方向を超音波が横切って伝播するように計測流路の上流側および下流側にそれぞれ配設された少なくとも一対の超音波送受信器と、被計測流体の流速の変化を検知する流速変化率検知手段と、超音波送受信器の送受信信号の伝播時間差と流速変化率検知手段の検知結果との両方に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えている。

また、特許文献２は、脈動流の影響を抑えつつかつ、計測中の状態変化にも左右されにくい超音波流量計を開示している。この超音波流量計は、脈動周期を検出する検出手段を備え、単位計測工程の実行周期と実行回数の積を周波数検出手段で検出した脈動周期の整数倍となるように、実行周期または実行回数を可変としている。このため、常に脈動周期の整数倍の時間にわたってサンプリングを実行できるので、計測中に脈動周期の変化や温度変化が発生した場合も、その変動の影響を受けにくい流量計測を実現できる。

さらに、特許文献３は、配管内で圧力変動（脈動）が発生してもオリフィス効果によって下流側への脈動を大幅に減少させることができ、計測精度を向上できるとともに、小型で、コストダウンを図ることができる超音波ガスメータを開示している。

この超音波ガスメータは、計測流路の上流側に、ガス流量がない時は磁気力によって閉弁し、ガス流量がある流量以上の時は上流側と下流側の差圧によって開弁する脈動抑制可動弁を有する可変絞り機構を設けることにより配管内で圧力変動（脈動）が発生してもオリフィス効果によって下流側への脈動を減少させ、計測精度を向上させる。
特開２００４−２０４８０号公報 特開２００４−１２３３３号公報 特開２００４−３７１９４号公報

しかしながら、上述した特許文献１〜３に開示された技術では、脈動の減衰、吸収または低減等は可能になるが、何れも大幅な構造的な改良や機器の新たな設置等が必要になるので、コストがかかるという問題がある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、従来の超音波流量計を大幅に改造することなく、脈動を吸収することのできる超音波流量計を提供することにある。

本発明に係る超音波流量計は、上記課題を解決するために、流体が流れる流路の内壁に密着するように配置された所定の肉厚を有する計測管と、計測管の内部を、超音波が、該計測管の中心軸を通って斜めに横切って伝播するように配置された一対の超音波送受波器とを備え、一対の超音波送受波器間で超音波を送受信して流体の流れの順方向および逆方向における超音波の伝播時間を計測し、該計測された伝播時間の差に基づいて流体の流量を算出する超音波流量計において、計測管の長さは、一対の超音波送受波器で送受信される超音波の波長の略３００倍以下にしたことを特徴とする。

本発明に係る超音波流量計によれば、計測管の長さを、一対の超音波送受波器で送受信される超音波の波長の略３００倍以下にしたので、計測管の長さを従来のそれに比べて短くすることができ、大幅な改造をすることなく脈動を吸収することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る超音波流量計を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る超音波流量計の概略的な構造を示す図である。この超音波流量計には、流体入口１から導入された流体を流体出口８から排出する管から成る屈曲した流路１０が設けられている。この流路１０の流体入口１の近傍には遮断弁２が設けられており、流路１０を流れる流体を遮断できるようになっている。

流路１０の略中央には、その内壁に密着するように計測管６が配置されており、この計測管６の上流側（流体入口１側）には流体導入路３が形成され、下流側（流体出口８側）には流体排出路７が形成されている。

計測管６は、所定の肉厚を有する長さＬの管から構成されており、計測管の長さ（計測流路長）Ｌは、後述する一対の超音波送受波器５の間で送受信される超音波の波長λの３００倍以下となるように設定されている。

また、計測管６の入口側の開口部および出口側の開口部の構造は、計測管６の長手方向の中心軸Ｃに直交する面に対して対称になっている。このような構造は、計測管６として直管を用いることにより実現できる。

また、計測管６の外側には、超音波が計測管６の内部を、中心軸Ｃを通って斜めに横切って伝播するように、一対の超音波送受波器５が対向して配置されている。この一対の超音波送受波器５は、超音波をガイドするように流路１０の外側に突設されたガイド管９によって支持されている。

上記のように構成される超音波流量計においては、流体入口１から流路１０内に導入された流体は、遮断弁２および流体導入路３を経由して計測管６に至り、この計測管６を通過した流体は、流体排出路７を経由して流出口１２から排出される。このように流体が流れている状態において、一対の超音波送受波器５は、計測回路１１からの指示に応じて超音波を流体中で送受信し、受信した超音波を電気信号に変換し、受信信号として計測回路１１に送る。

計測回路１１は、一対の超音波送受波器５から送られてくる受信信号に基づき、超音波の順方向（流体の流れ方向）の伝播時間と逆方向（流体の流れと逆の方向）の伝播時間とを算出し、これらの伝播時間の差に基づいて流体の流速を算出する。そして、算出した流速に計測管６の断面積を乗じて体積流量を求める。求められた体積流量が、計測された流体の流量として外部に出力される。

なお、計測回路１１は、一対の超音波送受波器５から送られてくる受信信号の周波数の差、つまり超音波を順方向に送受信したときの周波数と逆方向に送受信した時の周波数との差に基づいて流体の流速を算出するように構成することもできる。

図２は、本発明者等が、流路１０を流れる流体に人為的に脈流を発生させ、計測管６の長さ（計測流路長）Ｌに対する流速変動の大きさ（ａｕ）を調べた結果を示す。図２に示すように、計測流路長Ｌが超音波の波長λに対して、約３００λ、例えば３００±３０λ以下の時に、流速変動が小さくなることがわかる。

これは、計測流路長Ｌが短いため、流れの広がりを抑えることができると同時に、計測流路長Ｌによる流速変動の増幅効果が抑制されるためである。従って、上述したように、計測流路長Ｌを、一対の超音波送受波器５で送受信される超音波の波長λの約３００倍、例えば３００±３０倍以下にすることにより、計測管６の長さを従来のそれに比べて短くすることができるので、大幅な改造をすることなく脈動を吸収することができる。

また、計測管６の入口側と出口側の開口部とを、計測管６の中心軸Ｃに直交する面に対して対称になるような構造にしたので、流体の流れの乱れを抑えることができるという効果が得られる。

本発明の実施例２に係る超音波流量計は、一対の超音波送受波器５の間で送受される超音波の伝播方向と計測管６の中心軸Ｃとがなす角度θが３度以上になるように、一対の超音波送受波器５を配置したものである。

計測管６の内部に形成される測定流路を流れる流体の速度は、一般に、図３（ｃ）に示すように、中央部では速く、周囲になるに従って遅くなるという分布を有する。従って、図３（ａ）に示すように、超音波の伝播方向と計測管６の内部に形成される測定流路の中心軸Ｃとがなす角度θが小さい（角度θ１）場合は、例えば図３（ｂ）に示すように、超音波は測定流路の中央部だけしか通過しない。その結果、測定流路を流れる流体の正確な速度を計測できない。

これに対し、図３（ａ）に示すように、超音波の伝播方向と計測管６の内部に形成される測定流路の中心軸Ｃとがなす角度θが大きい（角度θ２）場合は、図３（ｃ）に示すような分布の全範囲にわたって超音波が通過する。その結果、測定流路の全範囲における流速が反映され、測定流路を流れる流体の正確な速度を計測できる。

なお、一般的には、角度θは、使用される超音波の波長λに基づいて決定される計測管６の長さＬ（超音波の波長λの３００±３０倍以下）と、計測管６の最大内径Ｄとを用いて、下記式（１）に従って決定される。

θ＝ｔａｎ^−１（Ｄ／Ｌ）…（１）
超音波の波長λとし、計測管６の長さＬを波長λの３００倍とし、計測管６の最大内径Ｄとすると、角度θは約３゜となる。従って、一対の超音波送受波器５の間における超音波の伝播方向と計測管６の中心軸Ｃとがなす角度を３度以上に設定することにより、測定流路を流れる流体の正確な速度を計測できる。

本発明の実施例３に係る超音波流量計は、計測管６の構造の改良により、流体の脈動を抑えるようにしたものである。実施例３に係る超音波流量計は、図４に示すように、計測管６の入口側の開口部および出口側の開口部に、計測管６の内壁から流路１０の内壁に向けてテーパを有する庇４が形成されることにより構成されている。

実施例３に係る超音波流量計によれば、計測管６の入口および出口における流体の流れが絞られてオリフィス効果が発揮される。その結果、計測管６の内部において発生される脈動が吸収される。

なお、実施例３に係る超音波流量計においては、図５に示すように、計測管６の入口側および出口側にメッシュ状の部材１２をさらに配置して構成することができる。この構成によれば、メッシュ状の部材１２により流れが乱され、流速分布が平均化されるため、脈動の影響を低減できる。

また、実施例３に係る超音波流量計においては、図６に示すように、計測管６と庇４との接続部は、例えば曲率半径が２ｍｍ以下の曲面になるように面取りして構成することができる。この構成によれば、計測管６の出口部での流れの広がりを小さくすることができ、脈流を抑制することができる。

本発明の超音波流量計は、例えば、ガスの流量を計測する超音波ガスメータ等に適用可能である。

本発明の実施例１に係る超音波流量計の概略的な構造を示す図である。 流路を流れる流体に人為的に脈流を発生させた場合の、計測管の長さに対する流速変動の大きさを示す図である。 本発明の実施例２に係る超音波流量計における測定流路と超音波の伝播方向との関係を説明するための図である。 本発明の実施例３に係る超音波流量計において使用される計測管の構造を示す図である。 本発明の実施例３に係る超音波流量計の変形例の構造を示す図である。 本発明の実施例３に係る超音波流量計の他の変形例の構造を示す図である。

符号の説明

１ 流体入口
２ 遮断弁
３ 流体導入路
４ 庇
５ 超音波送受波器
６ 計測管
７ 流体排出路
８ 流体出口
９ ガイド管
１０ 流路
１１ 計測回路
１２ メッシュ状の部材

Claims (6)

1. 流体が流れる流路の内壁に密着するように配置された所定の肉厚を有する計測管と、
   前記計測管の内部を、超音波が、該計測管の中心軸を通って斜めに横切って伝播するように配置された一対の超音波送受波器とを備え、
   前記一対の超音波送受波器間で超音波を送受信して流体の流れの順方向および逆方向における超音波の伝播時間を計測し、該計測された伝播時間の差に基づいて流体の流量を算出する超音波流量計において、
   前記計測管の長さは、前記一対の超音波送受波器で送受信される超音波の波長の略３００倍以下であることを特徴とする超音波流量計。
2. 前記一対の超音波送受波器の間における超音波の伝播方向と前記計測管の中心軸とがなす角度は、前記計測管の長さをＬ、最大内径をＤとした場合に、下式（１）
   θ＝ｔａｎ^−１（Ｄ／Ｌ）…（１）
   に従って求められる角度θ以上であることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記計測管の入口側の開口部と出口側の開口部とは、該計測管の中心軸に直交する面に対して対称な構造を有することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
4. 前記計測管の入口側の開口部および出口側の開口部には、該計測管の内壁から前記流路の内壁に向けたテーパを有する庇が形成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
5. 前記計測管と前記庇との接続部は、所定値以下の曲率半径を有する曲面になるように面取りされていることを特徴とする請求項４記載の超音波流量計。
6. 前記計測管の入口側および出口側にメッシュ状の部材を備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。

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