JP2010117201A - 流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】計測範囲の増大を図った流量計を提供する。
【解決手段】整流格子５が、一対の超音波振動子よりも上流側及び下流側の多層流路部３内を２つの層に仕切る一対の超音波振動子の対向方向及びガス流れ方向Ｙ２の両方向に対して水平に配置された１枚の分流板５１と、分流板５１の両板面からガス流れ方向Ｙ２に沿って立設された分流板５１により仕切られた２つの層をそれぞれ格子状に仕切る複数の格子板５２と、から構成されている。多層流路部３が、１枚の分流板５１を中心とした面対称になるように整流格子５によって仕切られている。
【選択図】図３

Description

本発明は、流量計に係り、特に、流体が流れる流路と、前記流路内に配置された四角筒流路と、前記四角筒流路の流体の流れ方向に対して斜めに交差する方向に対向して配置されると共に前記四角筒流路の互いに対向する一対の側壁の両者を挟むように配置された前記四角筒流路を流れる流体の流速を検出する一対の超音波振動子と、を有する流量計に関するものである。

上述した流量計として、ガス（流体）流量を計測する一対の超音波振動子を使用した超音波式ガスメータが提案されている（例えば、特許文献１）。上述した超音波式ガスメータは、ガス流路の流れ方向に離間して配置された所定の超音波周波数で作動する一対の超音波振動子を有している。

そして、上記超音波式ガスメータは、一方の超音波振動子が送信する超音波信号を他方の超音波振動子に受信させる動作を行わせて超音波信号が一対の超音波振動子間で伝播される伝播時間を計測し、この計測した伝播時間に基づいてガス流速を間欠的に求め、このガス流速にガス流路の断面積と間欠時間とを乗じてガス量を求めている。

このような超音波式ガスメータにおいては、ガス流速がガス流路の断面方向において均一であることが、測定したガス流速にガス流路の断面積を乗じることで換算されるガス流量を、ガス流路を通過した実際のガス流量に一致させる上で重要である。そのためには、回折渦等による乱流の発生でガス流路の断面方向における流速の分布にばらつきが生じないように、一対の超音波振動子の上流側のガス流路部分をできるだけ長く直線状にすることが望ましい。

しかし、ガス流路中に長い直線状の部分を確保するとなると、ガス流路を内部に納めたガスメータの筐体自体を大型化しなければならなくなり、旧来から要請されているガスメータの小型化に逆行せざるを得なくなる。このため、現実には、一対の超音波振動子に近い上流側のガス流路部分にカーブや曲がり角が生じるのは致し方ないものとされている。

そこで、一対の超音波振動子の上流側にハニカムやメッシュを配置して、ハニカムやメッシュの整流効果により、その一対の超音波振動子の配置されているガス流路箇所におけるガスの流速分布を流路の断面方向において均一にする方策を採ることが考えられる（特許文献１〜４）。

しかしながら、上述した従来のようにハニカムやメッシュを設けてもガス流路の断面積方向の流速分布を十分に均一にすることができない。特に、高流量をガス流路に流すと渦や乱流が発生しやすくなり、低流量に比べて流速の分布にばらつきが生じる。このため、高流量側の流量計測範囲を十分に増大させることができない、という問題があった。
特開平９−１５０１２号公報 特開平９−２４３４２１号公報 特開平９−２３６４６２号公報 特開２００３−３０７４４５号公報

そこで、本発明は、計測範囲の増大を図った流量計を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、流体が流れる流路と、前記流路内に配置された四角筒流路と、前記四角筒流路の流体の流れ方向に対して斜めに交差する方向に対向して配置されると共に前記四角筒流路の互いに対向する一対の側壁の両者を挟むように配置された前記四角筒流路を流れる流体の流速を検出する一対の超音波振動子と、を有する流量計において、前記一対の超音波振動子よりも上流側又は／及び下流側の前記四角筒流路内を２つの層に仕切る前記一対の超音波振動子の対向方向及び前記流れ方向の両方向に対して水平に配置された１枚の第１仕切板と、前記第１仕切板の両板面から前記流れ方向に沿って立設された前記第１仕切板により仕切られた２つの層をそれぞれ格子状に仕切る複数の第２仕切板と、から構成された整流格子をさらに有し、前記四角筒流路が、前記１枚の第１仕切板を中心とした面対称になるように前記整流格子によって仕切られていることを特徴とする流量計に存する。

請求項２記載の発明は、前記第１仕切板又は／及び前記第２仕切板の前記流れ方向の両端の角部にＲが付けられていることを特徴とする請求項１に記載の流量計に存する。

請求項３記載の発明は、前記一対の超音波振動子間の前記四角筒流路を２つの層に仕切る前記第１仕切板と平行に配置された１枚の第３仕切板をさらに備え、前記四角筒流路が前記１枚の第３仕切板によって当該第３仕切板を中心とした互いに面対称形状の２つの層に仕切られており、前記一対の超音波振動子が、前記第３仕切板を中心とした線対称形状に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流量計に存する。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、四角筒流路が１枚の第１仕切板を中心とした面対称になるように整流格子によって仕切られているので、第１仕切板により仕切られた２つの層が同じ流速分布となるため四角筒流路の断面方向の流速分布をフラットにすることができる。しかも、整流格子の整流効果により四角筒流路の上流側、下流側で発生する流れの乱れが整流されて四角筒流路部に流れるため、計測範囲の増大を図ることができる。

請求項２記載の発明によれば、第１仕切板又は／及び第２仕切板の流れ方向の両端の角部にＲが付けられているので、第１仕切板又は／及び第２仕切板の流れ方向の両端の角部から渦の発生を防止でき、流れの乱れを防止できるため、より一層計測範囲の増大を図ることができる。

請求項３記載の発明によれば、四角筒流路が１枚の第３仕切板によってその第３仕切板を中心とした互いに面対称形状の２つの層に仕切られており、一対の超音波振動子が第３仕切板を中心とした線対称形状に設けられているので、第３仕切板により仕切られた２つの層が同じ流速分布となるため四角筒流路の断面方向の流速分布をフラットにすることができ、より一層、計測範囲の増大を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、流量計としてのガスメータ１は、流路としてのガス流路２と、四角筒流路としての多層流路部３と、流速センサ４（図４）と、整流格子５と、第３仕切板としての仕切板６と、を備えている。上記ガス流路２は、メータボディ（図示せず）に設けられたガス流入口７１とガス流出口７２との間を連通するように設けられている。ガス流路２は、入口流路部２１と、出口流路部２２と、計測流路部２３と、から構成されていて、Ｕ字状に折れ曲がっている。

上記入口流路部２１は、ガス流入口７１と連通すると共に鉛直方向Ｙ１に沿って設けられている。上記入口流路部２１には、ガス流路２を流れるガスを遮断する遮断弁８が設けられている。また、上記入口流路部２１の内壁には、後述する多層流路部３内でのガス流れ方向Ｙ２（流れ方向）の出口流路部２２側に向かって突出する整流板９１が設けられている。出口流路部２２は、ガス流出口７２と連通すると共に鉛直方向Ｙ１に沿って設けられている。また、出口流路部２２は、鉛直方向Ｙ１に互い違いに配置された整流板９２が設けられている。計測流路部２３は、入口流路部２１及び出口流路部２２の側壁間を連通するように水平に沿って設けられている。この計測流路部２３内には、多層流路部３が配置されている。

上記多層流路部３は、図２及び図３に示すように、四角筒状の流路部である。多層流路部３は、一対の測定窓３１、３２が設けられている。一対の測定窓３１、３２は、多層流路部３の互いに対向する一対の側壁３３、３４にそれぞれ設けられている。また、一対の測定窓３１、３２は、多層流路部３のガス流れ方向Ｙ２に対して斜めに交差する方向に対向する位置に設けられている。

上記流速センサ４は、多層流路部３内に流れるガス流速を検出するセンサである。流速センサ４は、図４に示すように、例えば一対の超音波振動子４１、４２から構成されている。一対の超音波振動子４１、４２は、計測流路部２３に設けた一対の取付部２４、２５に取り付けられている。一対の取付部２４、２５は、ガス流れ方向Ｙ２を斜めに交差する方向に計測流路部２３の側壁から突出して設けられている。そして、取付部２４は多層流路部３に設けた測定窓３１に連通し、取付部２５は多層流路部３に設けた測定窓３２に連通している。

このような取付部２４、２５に超音波振動子４１、４２を取り付けると、一対の超音波振動子４１、４２は、多層流路部３のガス流れ方向Ｙ２を斜めに交差する方向に対向して配置されることとなる。また、一対の超音波振動子４１、４２は、多層流路部３の互いに対向する一対の側壁３３、３４の両者を挟んで配置される。さらに、一対の超音波振動子４１、４２は、測定窓３１、３２を通じて多層流路部３内での超音波信号の送受信が可能となる。また、上記超音波振動子４１、４２は、図５に示すように、後述する仕切板６を中心とした線対称形状になるように設けられている。上記流速センサ４は、一対の測定窓３１、３２を通じて多層流路部３内での上記一対の超音波振動子４１、４２間の超音波信号の送受信を行って超音波信号の伝搬時間を求めることにより、ガス流速、流量を計測する。

この流量計測では、ガス流れ方向Ｙ２と超音波伝搬経路との成す角度をθとし、一対の超音波振動子４１、４２間の距離をＬｓとすると、上流側への超音波信号の伝搬時間Ｔ_d→u及び下流側への超音波信号の伝搬時間Ｔ_u→dに基づいて、平均流速ｕ＝Ｌｓ／２ｃｏｓθ（１／Ｔ_u→d−１／Ｔ_d→u）を求めることができる。ガス流量Ｑは、下記の式（１）に示すように平均流速ｕと多層流路部３の断面積Ａの積となる。
Ｑ＝Ａ×ｕ …（１）

上記整流格子５は、図２及び図３に示すように、多層流路部３の出口及び入口に設けられている。整流格子５は、多層流路部３の一対の超音波振動子４１、４２よりも上流側及び下流側を仕切るように設けられている。整流格子５は、１枚の第１仕切板としての分流板５１と、３つの第２仕切板としての格子板５２と、から構成されている。上記分流板５１は、一対の超音波振動子４１、４２の出入口付近の多層流路部３内を鉛直方向Ｙ１に２つの層に仕切るように、一対の超音波振動子４１、４２の対向方向及びガス流れ方向Ｙ２の両方向に対して水平に配置された１枚の板である。そして、図６（ａ）に示すように、分流板５１のガス流れ方向Ｙ２の両端の角部には、Ｒが付けられている。本実施形態では、このＲは分流板５１の板厚の半分である。

３つの格子板５２は、分流板５１の両板面からガス流れ方向Ｙ２に沿って立設されている。３つの格子板５２は、分流板５１により仕切られた２つの層をそれぞれ格子状に仕切る。整流格子５は、図６に示すように、分流板５１を中心とした面対称形状に設けられている。そして、多層流路部３の出入口付近は、この整流格子５によって分流板５１を中心とした面対称になるように仕切られている。３つの格子板５２は、多層流路部３の一対の側壁３３、３４間に互いに等間隔に配置されている。また、図６（ｃ）に示すように、格子板５２のガス流れ方向Ｙ２の両端の角部には、Ｒが付けられている。本実施形態では、このＲは格子板５２の板厚の半分である。そして、この整流格子５により、多層流路部３内のガスの流れがガス流れ方向Ｙ２に整流される。上記整流格子５は、接着剤で多層流路部３に固定してもよいし、ネジで多層流路部３に固定してもよい。また、整流格子５としては、アルミの切削り、または大量生産する場合はプラスチック成型品であってもよい。

上記仕切板６は、一対の超音波振動子４１、４２間の多層流路部３を２つの層に仕切るように、分流板５１と平行に配置された１枚の板である。仕切板６は、多層流路部３の中心軸Ｐ上に水平に配置されている。このことにより、一対の超音波振動子４１、４２間の多層流路部３が、仕切板６を中心とした互いに面対称形状の２つの層に仕切られた構造となっている。そして、この仕切板６により、多層流路部３、即ち計測流路部２３内のガスの流れがガス流れ方向Ｙ２に整流される。

次に、上述した構成のガスメータ１の整流格子５の効果を図７及び図８を参照して以下説明する。なお、図７及び図８中、矢印Ｄはガスの流れを示している。図７から明らかなように、本発明では、多層流路部３の出入口付近が分流板５１を中心とした互いに面対称になるように整流格子５によって仕切られているので、分流板５１によって仕切られた各層の流速分布が、分流板５１を中心とした互いに面対称の流速分布となる。即ち、多層流路部３を２層に仕切ると全て（２つ）の層が、同じ流速分布となるため、多層流路部３内の流速分布を全体としてフラットにすることができ、計測範囲の増大を図ることができる。

一方、従来のガスメータのようにハニカムやメッシュなどで多層流路部３を３層以上に仕切ると全ての層を同じ流速分布にすることができない。この理由を３層に仕切られた図８に示すガスメータの流速分布を用いて説明する。図８に示すガスメータでは、多層流路部３内が２つの分流板５１によって上段、中段、下段の３つの層に仕切られているので、上段と下段の流速分布が互いに同じ流速分布となるが、中段の流速分布が上段及び下段よりも突出する。即ち、中段の流速が上段及び下段よりも速くなり、分流板５１により仕切られた全ての層を同じ流速分布にすることができない。このため、多層流路部３内の流速分布が、全体として、前述した２層に仕切られた本発明の多層流路部３内の流速分布よりも起伏を有するものとなり、計測範囲の増大を図ることができない。

また、上述した２層の整流格子５を有するガスメータ１は、構造が単純であるので、作成が容易である。また、２層の整流格子５は、層の数が少ないため、製造時に寸法の測定の工数を減らすことができ、分流板５１の数が少ない（１枚である）ので、コストを低減することができる。

また、上述した構成のガスメータ１によれば、多層流路部３の出入口付近に整流格子５を設けることにより、整流格子５による整流効果を得ることができる。即ち、多層流路部３の入口より上流側や出口より下流側で発生するガスの流れの乱れが整流格子５により多層流路部３内に流れるガスの流れに及ぼす影響を低下できる。また、多層流路部３の入口より上流側、出口より下流側の流路形状、角、急激な曲がり、形状変化に起因するガスの流れの乱れが整流格子５により低下されて多層流路部３内に流れるため、計測精度が低下するのを防止できる。また、流速が高いとき、多層流路部３へ流入するガスの流れが剥離して乱流が発生しても、整流格子５の整流効果で乱れが増幅されるのを防止できる。

また、上述した構成のガスメータ１によれば、分流板５１及び格子板５２のガス流れ方向Ｙ２の両端の角部にＲが付けられている。これにより、分流板５１及び格子板５２のガス流れ方向Ｙ２の両端の角部から渦の発生を防止でき、流れの乱れを防止できるため、より一層計測範囲の増大を図ることができる。

また、上述した構成のガスメータ１によれば、多層流路部３が１枚の仕切板６によってその仕切板６を中心とした互いに面対称形状の２つの層に仕切られており、一対の超音波振動子４１、４２が、仕切板６を中心とした線対称形状に設けられている。これにより、図７及び図８についての説明と同様の理由で、仕切板６により仕切られた２つの層が互いに同じ流速分布となるため多層流路部３の流速分布をフラットにすることができ、より一層、計測範囲の増大を図ることができる。

また、本発明者は、下記に示す比較品Ａ〜Ｄと、本発明品Ａ〜Ｄをそれぞれ作成して、各流量での流量係数及び器差について測定して、本発明の効果を確認した。結果を図９〜図１４に示す。なお、比較品Ａは、単層（仕切板６なし）で整流格子５のない多層流路部３を有するガスメータ１である。比較品Ｂは、２層（仕切板６＝１枚）で整流格子５のない多層流路部３を有するガスメータ１である。比較品Ｃは、２層（仕切板６＝１枚）で整流格子５の代わりに出入口付近にメッシュを設けたガスメータ１である。比較品Ｄは、３層（仕切板６＝２枚）で整流格子５のない多層流路部３を有するガスメータ１である。本発明品Ａは、単層（仕切板６なし）で出入口に整流格子５を設けた多層流路部３を有するガスメータ１である。本発明品Ｂは、２層（仕切板６＝１枚）で出入口に整流格子５を設けた多層流路部３を有するガスメータ１である。本発明品Ｃは、２層（仕切板６＝１枚）で出入口に整流格子５とメッシュとの両者を設けた多層流路部３を有するガスメータ１である。本発明品Ｄは、３層（仕切板６＝２枚）で出入口に整流格子５を設けた多層流路部３を有するガスメータ１である。

比較品Ａ及び本発明品Ａ、比較品Ｂ及び本発明品Ｂ、比較品Ｄ及び本発明品Ｄ、をそれぞれ比較して明らかなように、整流格子５を設けた本発明品Ａ、Ｂ、Ｄは、整流格子５を設けない比較品Ａ、Ｂ、Ｄに比べて流量係数及び器差のばらつきがフラット（即ちプロット点の最大値と最小値との差が小さい）であり、空気とＬＰガスとの差も小さく、計測範囲が増大していることが分かった。また、比較品Ｃ及び本発明品Ｂを比較して明らかなように、整流格子５を設けた本発明品Ｂは、整流格子５の代わりにメッシュを設けた比較品Ｃに比べて流量係数及び器差のばらつきがフラットであり、空気とＬＰガスとの差も小さくなり、計測範囲が増大していることが分かった。

また、本発明品Ａ、Ｂ及びＤを比較して明らかなように、１枚の仕切板６で２層に仕切られた本発明品Ｂは、単層、３層に仕切られた本発明品Ａ及びＤに比べて流量係数及び器差のばらつきがフラットであり、空気とＬＰガスとの差も小さく、計測範囲が増大していることが分かった。本発明品Ｂ及び本発明品Ｃを比較して明らかなように、整流格子５に加えてメッシュを設けた本発明品Ｃは、整流格子５のみの本発明品Ｂに比べて流量係数及び器差のばらつきがフラットであり、空気とＬＰガスとの差も小さく、計測範囲が増大していることが分かった。

なお、上述した実施形態によれば、仕切板６により一対の超音波振動子４１、４２間を２層に仕切られた多層流路部３に整流格子５を設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、本発明品Ａ、本発明品Ｂで説明したように、仕切板６がない多層流路部３や２枚以上の仕切板６により３層以上に仕切られた多層流路部３に整流格子５を設けてもよい。

また、上述した実施形態によれば、分流板５１及び格子板５２の両方にＲが付けられていたが、本発明はこれに限ったものではない。上記実施形態が最適であるが、例えば、分流板５１及び格子板５２の何れか一方にＲを付けてもよい。

また、上述した実施形態によれば、整流格子５は、一対の超音波振動子４１、４２の上流側及び下流側の両方に設けられていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、一対の超音波振動子４１、４２の上流側のみに設けても良い。また、一対の超音波振動子４１、４２の下流側のみに設けてもよい。一対の超音波振動子４１、４２の下流側に設けたときは、ガスが逆流したときに整流格子５によって整流することができる。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明のガスメータの一実施の形態を示す断面図である。 図１に示す多層流路部の斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図２のＡ−Ａ線断面図、Ｂ−Ｂ線断面図、正面図である。 図１に示された多層流路部の概略を示す平面図である。 図４に示された超音波振動子を図４中の矢印Ｂ方向から見た平面図である。 （ａ）は図１に示す整流格子の側面図であり、（ｂ）は図１に示す整流格子の正面図であり、（ｃ）は図１に示す整流格子の平面図である。 本発明のガスメータの多層流路部を流れるガスの流速分布を説明する説明図である。 ３層に仕切られた多層流路を流れるガスの流速分布を説明する説明図である。 （ａ）及び（ｂ）は、比較品Ａ（単層、整流格子なし）及び本発明品Ａ（単層、整流格子あり）の流量と流量係数との関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は、比較品Ｂ（２層、整流格子なし）、比較品Ｃ（２層、整流格子なし、メッシュあり）、本発明品Ｂ（２層、整流格子あり、メッシュなし）、本発明品Ｃ（２層、整流格子あり、メッシュあり）の流量と流量係数との関係を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は、比較品Ｄ（３層、整流格子なし）及び本発明品Ｄ（３層、整流格子あり）の流量と流量係数との関係を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は、比較品Ａ（単層、整流格子なし）及び本発明品Ａ（単層、整流格子あり）の流量と器差との関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は、比較品Ｂ（２層、整流格子なし）、比較品Ｃ（２層、整流格子なし、メッシュあり）、本発明品Ｂ（２層、整流格子あり、メッシュなし）、本発明品Ｃ（２層、整流格子あり、メッシュあり）の流量と器差との関係を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は、比較品Ｄ（３層、整流格子なし）及び本発明品Ｄ（３層、整流格子あり）の流量と器差との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ ガスメータ（流量計）
２ ガス流路（流路）
３ 多層流路部（四角筒流路）
５ 整流格子
６ 仕切板（第３仕切板）
３３、３４ 側壁
４１、４２ 超音波振動子
５１ 分流板（第１仕切板）
５２ 格子板（第２仕切板）

Claims (3)

1. 流体が流れる流路と、前記流路内に配置された四角筒流路と、前記四角筒流路の流体の流れ方向に対して斜めに交差する方向に対向して配置されると共に前記四角筒流路の互いに対向する一対の側壁の両者を挟むように配置された前記四角筒流路を流れる流体の流速を検出する一対の超音波振動子と、を有する流量計において、
   前記一対の超音波振動子よりも上流側又は／及び下流側の前記四角筒流路内を２つの層に仕切る前記一対の超音波振動子の対向方向及び前記流れ方向の両方向に対して水平に配置された１枚の第１仕切板と、前記第１仕切板の両板面から前記流れ方向に沿って立設された前記第１仕切板により仕切られた２つの層をそれぞれ格子状に仕切る複数の第２仕切板と、から構成された整流格子をさらに有し、
   前記四角筒流路が、前記１枚の第１仕切板を中心とした面対称になるように前記整流格子によって仕切られている
   ことを特徴とする流量計。
2. 前記第１仕切板又は／及び前記第２仕切板の前記流れ方向の両端の角部にＲが付けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
3. 前記一対の超音波振動子間の前記四角筒流路を２つの層に仕切る前記第１仕切板と平行に配置された１枚の第３仕切板をさらに備え、
   前記四角筒流路が前記１枚の第３仕切板によって当該第３仕切板を中心とした互いに面対称形状の２つの層に仕切られており、
   前記一対の超音波振動子が、前記第３仕切板を中心とした線対称形状に設けられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の流量計。

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