JP2011013100A - 超音波式流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波流量計において、超音波が伝搬する層の流速分布全体を計測することを目的とする。
【解決手段】奥行き方向に対して高さ方向が長い矩形であって、流体の流れ方向に複数の層状の流路よりなる流量測定部１０と、流量測定部１０を流れる流体の流速を測定するために流体の少なくとも一部を横切るようにして一方から超音波を送信し他方で受信するように配置した第１の超音波送受波器１１および第２の超音波送受波器１２と、超音波送受波器１１，１２間の超音波の伝搬時間より流速を求め流量を算出する流量演算部を備え、超音波が伝搬する層の流速分布全体の流速を計測し、流量を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波パスルの送受信を行う超音波送受波器を用いて気体や液体の流量や流速の計測を行う装置に関するものである。

従来、この種の超音波流量計は、図９、１０、１１、１２に示すように、計測部１は高さ方向には短い断面長方形をなす矩形としてあり、その上流室２に流体供給路３が、下流室４に流体流出路５がそれぞれ略直角に接続され、全体としてＵ字状に設定していた。計測部１には、図示していない一対の超音波送受波器などからなる流速検知手段を配置していた。

また流体が２次元性の層流となるように前記計測部１の内部は複数の仕切板６ａ、６ｂ、６ｃで分割されていた。

そして、前記流速検知手段で計測部１を流れる流体の流速を測定し、この測定した流速を基に流量を演算するようにしていた。

特開２００４−２６４０６４号公報

しかしながら、前記従来の流量計測装置では、図１０に示すように被計測流体が小流量で流れている場合の流速分布は、管路断面において中心付近の流速が早くなる（流速分布Ｇ参照）が、大流量になると図１１に示すように前記流体供給路３と前記流体流出路５の形状に起因して、被計測流体が計測部１を通過するときの管路断面における流速分布に偏りを起こしてしまい（流速分布Ｊ参照）、各層の流速が異なる（流速分布Ｋ参照）ことがあった。

そして、超音波送受波器６から送信された超音波は、各層の流速分布が異なるため各層ごとに受信側に到達するまでの時間が異なる可能性が生じていた。

図１２には、真の流量に対して計測流量の割合を示しているが、各層の流速が異なることで流量が多くなると真の流量と計測流量との差が大きくなる、即ち、比が大きくなる傾向があった。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、全体としてＵ字状に設定した超音波流量計において、流路断面が横方向に対して縦方向に長く構成した矩形の整流手段を設けることで、超音波が伝搬する流速分布全体を計測するようにしたものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波式流量計測装置は、流体供給部と、流体排出部と、前記流体供給部と前記流体排出部に接続された流量測定部と、前記流量測定部内に収められ、前記流体供給部から前記流体排出部に向かって流路断面が横方向に対して縦方向に長く構成した矩形の整流手段と、前記整流手段の縦方向を横切るようにし、一方から超音波を送信し他方で受信するように配置した第一の超音波振動子および第二の
超音波振動子と、前記超音波振動子を介して測定された流体の流速を基に流量を算出する流量演算部から構成したもので、整流手段の流路断面を横方向に対して縦方向に長く構成した矩形の整流手段により、超音波が伝搬する流速分布全体を計測することが可能となる。

本発明の超音波式流量計測装置によれば、流量測定部内に収められた整流手段の流路断面を、横方向に対して縦方向に長くし、縦方向の面に対して平行に仕切板を設けて層状の流路構成としたことで、超音波は流路断面全体を伝搬するので層の流速分布全体を計測することができる。

また、高さ方向に流速分布が異なっても超音波が層全体を横切ることで超音波送受波器の受信側に到達するまでの時間は流速分布の影響を受けずに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用いる超音波流量計の構成図 本発明の第１の実施の形態に係る超音波式流量計測装置を示す断面図 本発明の第１の実施の形態に係る超音波式流量計測装置の側面図 本発明の第２の実施の形態に係る超音波式流量計測装置の側面図 本発明の第２の実施の形態に係る超音波式流量計測装置における流量分布を模式的に表した断面図 本発明の第２の実施の形態に係る超音波式流量計測装置における流量分布を模式的に表した上から見た断面図 本発明の第２の実施の形態に係る超音波式流量計測装置の測定精度を示したグラフ 本発明の第３の実施の形態に係る超音波式流量計測装置の構成を示す断面図 従来の超音波式流量計測装置の断面図 従来の超音波式流量計測装置における小流量時の流量分布を模式的に表した断面図 従来の超音波式流量計測装置における大流量時の流量分布を模式的に表した断面図 従来の超音波式流量計測装置の測定精度を示したグラフ

第１の発明は、流体を供給する流体供給部と、流体を排出する流体排出部と、前記流体供給部と前記流体排出部に接続された流量測定部と、前記流量測定部内に収められ、前記流体供給部から前記流体排出部に向かって流路断面が横方向に対して縦方向に長く構成した矩形の整流手段と、前記整流手段の縦方向を横切るようにし、一方から超音波を送信し他方で受信するように配置した第１の超音波振動子および第２の超音波振動子と、前記第１と第２の超音波振動子間の超音波の伝搬時間を測定することで得られる前記流体の流速を基に流量を算出する流量演算部とからなるもので、整流手段の流路断面を横方向に対して縦方向に長く構成した矩形の整流手段により、超音波が伝搬する流速分布全体を計測することが可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明において、整流手段は、流体の流れ方向に向かって複数の層状の流路構成としたことを特徴とするものである。

第３の発明は、特に第２の発明において、整流手段は、縦方向の面に対して平行に仕切板を設けることで層状の流路構成としたことを特徴とするものである。

第４の発明は、特に第３の発明において、仕切板は複数設けたことを特徴とするものである。

以下、本発明の実施形態に係る超音波式流量計測装置について、図面を参照して説明する。なお図面中で同一符号を付しているものは同一なものであり、詳細な説明は省略する。

（実施の形態１）
図１は本発明の後述する各実施例で示す超音波送受波器を用いた超音波式流量計測装置の概略構成図である。図１において、１０は被測定流体が流れる流量測定部、１１、１２は流量測定部１０の流れの方向に対し斜めに対向して配置された第１の超音波送受波器と第２の超音波送受波器、１３は第１の超音波送受波器１１と第２の超音波送受波器１２の使用周波数を発信する発振回路、１４は発振回路４に接続され第１の超音波送受波器１１、第２の超音波送受波器１２を駆動する駆動回路、１５は送受信する第１、第２の超音波送受波器１１、１２を切り替える切替回路、１６は超音波パルスを検知する受信検知回路、１７は超音波パルスの伝搬時間を計測するタイマ、１８はタイマ１７の出力より流量を演算する流量演算部、１９は駆動回路１４とタイマ１７に制御信号を出力する制御部である。

上記のように構成される超音波流量計の動作を説明する。本実施例では被測定流体を都市ガス、超音波流量計として家庭用ガスメータを想定し、流量測定部１０を構成する材料をアルミニウム合金ダイカストとする。

また第１の超音波送受波器１１、第２の超音波送受波器１２の使用周波数には約５００ｋＨｚを選択する。発振回路４は例えばコンデンサと抵抗で構成され約５００ｋＨｚの方形波を発信し、駆動回路１４では発振回路１３の信号から第１の超音波送受波器１１、第２の超音波送受波器１２を駆動するため方形波が数波のバースト信号からなる駆動信号を出力可能とする。

制御部１９では駆動回路１４に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ１７の時間計測を開始させる。駆動回路１４は送信開始信号を受けると第１の超音波送受波器１１を駆動し、超音波パルスを送信する。送信された超音波パルスは流量測定部１０内を伝搬し第２の超音波送受波器１２で受信される。受信された超音波パルスは第１の超音波送受波器１２で電気信号に変換され、受信検知回路１６に出力される。受信検知回路１６では受信信号の受信タイミングを決定し、制御部１９に受信検知信号を出力する。制御部１９では受信検知信号を受けると、あらかじめ設定した遅延時間ｔｄ経過後に再び駆動回路１４に送信開始信号を出力し、２回目の計測を行う。この動作をＮ回繰返した後、タイマ１７を停止させる。流量演算部１８ではタイマ１７で測定した時間を測定回数のＮで割り、遅延時間ｔｄを引いて伝搬時間ｔ１を演算する。

引き続き切替回路１５で駆動回路１４と受信検知回路１６に接続する第１、第２の超音波送受波器１１、１２を切り替え、再び制御部１９では駆動回路１４に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ１７の時間計測を開始させる。伝搬時間ｔ１の測定と逆に、第１の超音波送受波器１２で超音波パルスを送信し、第１の超音波送受波器１１で受信する計測をＮ回繰返し、流量演算部１８で伝搬時間ｔ２を演算する。

ここで、第１の超音波送受波器１１と第２の超音波送受波器１２の中心を結ぶ距離をＬ、空気の無風状態での音速をＣ、流量測定部１０内での流速をＶ、非測定流体の流れの方向と第１の超音波送受波器１１と第２の超音波送受波器１２の中心を結ぶ線との角度をθとすると、伝搬時間ｔ１、ｔ２は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） （２）
で示される。（１）（２）式より音速Ｃを消去して、流速Ｖを求めると
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２） （３）
が得られる。Ｌ、θは既知であるのでｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。この流速Ｖと流量測定部１０の流路断面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量Ｑは、
Ｑ＝ＫＳＶ （４）
で演算できる。

図２、３に示す実施の形態１の超音波式流量計測装置２０は、供給流路２１および排出流路２２に連通された流量測定部１０と、流量測定部１０に収容された整流手段２４と、流量測定部１０に第１の超音波送受波器１１および第２の超音波送受波器１２が設けられている。

流量測定部１０は、矩形でありＹ方向に長く、Ｚ方向（図３参照）に短い状態で超音波式流量計測装置２０に設置されている。整流手段２４は、供給流路２１および排出流路２２内に延長部２９ａ、２９ｂを設けている。
また、供給流路２１および排出流路２２には延長部２９ａ、２９ｂとの距離を保つために、供給流路２１および排出流路２２の底面方向に対して下側空間３０ａ、３０ｂを設け、供給流路２１のＺ方向には３１ａ、３１ｂ、排出流路２２のＺ方向には３２ｃ、３２ｄ（図３参照）そしてＸ方向に３３ａ、３３ｂを備えている。

（実施の形態２）
図４は、第２の実施の形態の超音波式流量計測装置２を示すもので、整流手段２４には、縦方向の面に対して複数枚の仕切板２８ａ〜２８ｅがほぼ平行に配列されている。仕切板２８は延長部２９ａ、２９ｂ（図２参照）を含んだ整流手段２４のＸ方向の長さより、短くしてある。

次に、この超音波式流量計測装置２０における流量測定部１０の作用について説明する。図５に模式的に表したように、流量測定部１０がＹ方向に長く配置された場合、大流量時の被計測流体は流量測定部１０の上面側の流速が遅く、下面側へ下がるにしたがって流速が早くなり、流量測定部１０のＹ方向の中心より下面側で最大流速を迎え、下面部に近づくと再び流速が遅くなる傾向にある（流量分布Ｃ、Ｄ参照）。これは、供給流路２１および排出流路２２の形状などに起因して、被測定流体の管路断面における流速分布に偏りが生じてしまうためである。

図６は図５をＡの方向から見た場合の流量測定部１０の内部の概要構成を表したものである。図６で表したように、複数枚の仕切板２８ａ〜２８ｅがほぼ平行に配列されている場合、被測定流体が仕切板２８ａ〜２８ｅの上流側端部に至ると、仕切板２８ａ〜２８ｅの整流作用によって被測定流体の管路断面における速度分布がある程度均一化される（流路分布が、ＥからＦに変化する）。具体的には隙間３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅがほぼ均一で、両端の隙間３４ａ、３４ｆにおいては中央部の隙間３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅよりも流速が遅くなる。これは、延長部２９ａの中心部の流速が早く壁面は遅くなるため、被測定流体が仕切板２８ａ〜２８ｅの上流側端部に至っても流速分布の影響を受けるためである。ここで、第１の超音波送受波器１１から送信される超音波は、隙間３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅの範囲を伝搬して第２の超音波送受波器１２に到達するように構成することで、安定した流速を測定することが可能となる。また、図５において超音波伝搬路２７は、偏りが生じている流速分布全体を伝搬するため平均化された流速の計測が可能となる。

図７において、真の流量に対する計測流量の割合でも、第１の超音波送受波器１１から送信される超音波は、流速分布全体の範囲を伝搬して第２の超音波送受波器１２に到達するため、整流手段２４の高さ方向に偏りが生じていても、真の流量と計測流量との差が少なくので、流速分布の影響を受けずに計測することが可能となる。

（実施の形態３）
図８は、第３の実施の形態の超音波式流量計測装置を示す断面図で、第１の超音波送受波器１１と第２の超音波送受波器１２を流量測定部１０の同列に設置し、超音波の伝搬は壁面反射を用いて送受信するように構成したものであり、超音波伝搬路２７’はＶ字状になっている。

なお、第２の超音波送受波器１２を流量測定部１０の下面側に設けることで、流量測定部１０に水等の液体が入った場合に第２の超音波送受波器１２の前空間に液体がたまることで、超音波の伝搬が不能となり計測手段での流速の計測が不可能となり液体が入ったことを検知してもよい。

本発明は、計測流路内を流れる流体の流速を計測する超音波式流量計測装置への適用に好適である。

１０ 流量測定部
１１ 第１の超音波送受波器（第１の超音波振動子）
１２ 第２の超音波送受波器（第２の超音波振動子）
１８ 流量演算部
２０、２０’ 超音波式流量計測装置
２１ 供給流路（流体供給部）
２２ 排出流路（流体排出部）
２４ 整流手段
３４ａ〜３４ｆ 仕切板

Claims (4)

1. 流体を供給する流体供給部と、流体を排出する流体排出部と、前記流体供給部と前記流体排出部に接続された流量測定部と、前記流量測定部内に収められ、前記流体供給部から前記流体排出部に向かって流路断面が横方向に対して縦方向に長く構成した矩形の整流手段と、前記整流手段の縦方向を横切るようにし、一方から超音波を送信し他方で受信するように配置した第１の超音波振動子および第２の超音波振動子と、前記第１と第２の超音波振動子間の超音波の伝搬時間を測定することで得られる前記流体の流速を基に流量を算出する流量演算部とからなる超音波式流量計測装置。
2. 整流手段は、流体の流れ方向に向かって複数の層状の流路構成としたことを特徴とする請求項１記載の超音波式流量計測装置。
3. 整流手段は、縦方向の面に対して平行に仕切板を設けることで層状の流路構成と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。
4. 仕切板は複数設けたことを特徴とする請求項３記載の超音波式流量計測装置。