JP2012063187A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】多層構造の測定流路において高い測定性能を確保しつつ、低コスト化と小型化を図った超音波流量計を提供すること。
【解決手段】複数の層状流路１３ａ〜１３ｄよりなる計測流路１と、計測流路１の同一壁面側に設置され対向側の壁面での反射を利用した超音波の伝播路を構成するよう配置した一対の超音波センサ７、８により流量を検出する構成であり、計測流路１の両端の層高さが他の層に対して小さいくすることで、計測流量が変化しても、各層の流速比の差が小さくなるために流量係数がフラットに計測可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスなどの流量を計測する超音波流量計に関するものである。

従来のこの種の流量計測装置は、図７に示すように、上流側に流体供給路１１２を、下流側に流体流出路１１３をそれぞれ接続した計測流路１１４に一対の超音波センサなどからなる流速検知手段（図示せず）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計測流路１１４の内部は複数の仕切り板１１５で分割してあった。

そして、前記流速検知手段で計測流路１１４を流れる流体の流速を測定し、この測定した流速をもとに流量を演算するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−４３０１５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、仕切り板により分割された計測流路の端の層とそれ以外の層とで層間の流速比が流量で異なる場合がある。

一方、流量計の生産時においては計測流量範囲において真の流量値（真値）と計測流量値が所定の誤差範囲に入るように実際に流量を測定し、真値との差を器差補正して正しく流量が計測できるように補正する必要があるが、この際、流量係数（＝真値／計測値）が計測流量範囲でフラットであることが望ましい。すなわち、流量係数がフラットであれば任意の流量で１回補正するだけで器差補正を完了させることができる。さらに、流量係数が１でフラットであれば器差補正の必要がないことは言うまでもない。

そして、この流量係数をフラットにするためには、流量に関係なく各層の流速比が一定となるようにすることが必要となるが、従来は、この影響を小さくするため、計測流路入り口に整流部材を設けたり、流路を仕切る層数を増やし１層のピッチを狭くすることで、層状流路の通過圧損を高め層間の流速差を小さくすることなどで対応しているが、構造が複雑になり、コストが上がる、或いは、流路の通過圧損が増えてしまい計測流量範囲が限られるなどの問題が生じている。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、計測流路内での流れの安定化のため１層当たりの高さを小さくするための層状の流路を形成しつつ、流量による層間の流速差を小さくすることで、測定への影響を少なくし、かつ、流量係数がフラットである超音波流量計を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、被計測流体が流れる流路断面が矩形の計測流路と、前記計測流路の途中に配置され前記計測流路を３つ以上の層状流路に分割する複数の仕切り板と、前記層状流路上の上流と下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、前記超音波センサの一方から送信された超音波
信号が前記被計測流体を伝搬して他方の超音波センサが受信するまでの伝搬時間に基づいて前記被計測流体の流量を検出する流量計測手段と、を備え、前記層状流路の内、両端の層状流路の層の高さを他の層状流路の層の高さより小さくしたものである。

これによって、流量に対する各層状流路間の流量が均一化され、流量係数のフラット化を図ることが可能となる。

本発明の超音波流量計によると、広範囲の流量計測範囲において、各層状流路間の流量が均一化され、流量係数をフラットとなり、正確に流速を計測することができる。

本発明の実施の形態における超音波流量計の要部断面図 本発明の実施の形態における超音波流量計の流量計測ユニットの要部断面図 （ａ）図２におけるＡ−Ａ要部断面図、（ｂ）図２におけるＢ−Ｂ要部断面図 本発明の実施の形態における超音波流量計の動作説明図 層状流路の層高さの違いよる計測流量と流量係数の関係を示すグラフ 本発明の実施の形態における層状流路断面概念図 従来の超音波流量計の構成図

第１の発明は、被計測流体が流れる流路断面が矩形の計測流路と、前記計測流路の途中に配置され前記計測流路を３つ以上の層状流路に分割する複数の仕切り板と、前記層状流路上の上流と下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、前記超音波センサの一方から送信された超音波信号が前記被計測流体を伝搬して他方の超音波センサが受信するまでの伝搬時間に基づいて前記被計測流体の流量を検出する流量計測手段と、を備え、前記層状流路の内、両端の層状流路の層の高さを他の層状流路の層の高さより小さくしたことにより、計測流量が変化しても、各層状流路間の流速差を小さくすることができ、流量係数のフラット化が図れる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記層状流路の内、両端の層状流路の層の高さを他の層状流路の層の高さに対して、２〜５％小さくしたことにより、流量係数を実用範囲内でフラット化にすることが可能となる。

第３の発明は、特に、第１または２の発明において、層状流路の一つの層の高さを２ｍｍ以下としたことで、計測流路の流れの安定化を図るとともに計測流量範囲で各層の流速比の変化を小さくすることが可能となり、より、安定で流量係数のフラット化が図れる。

第４の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明において、前記一対の超音波センサは、前記層状流路上の同一面側に配置され、一方の前記超音波センサから送信された超音波信号が前記超音波センサに対向する前記計測流路内壁に反射し、他方の前記超音波センサに受信される構成としたことを特徴とするもので、層間の流量差が小さく構成された計測流路を用いることで、反射を利用して超音波の伝播距離を長くして測定精度を向上することが可能となる。

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において流体供給路３は、途中にステッピングモータなどの電磁装置による駆動部４と連係した弁体９で開閉される遮断弁５を有する。遮断弁５が開放状態においては流体供給路３より被計測流体がメータ筐体２内部に流出される。計測流路１の流路は、断面長方形をなす矩形としてあり、メータ筐体２内部に充満した被計測流体が計測流路入口１ａ側から計測流路１に流入し、さらにはその下流側の計測流路出口１ｂに接続された流体流出路６を経てメータ筐体２外部へ流出する。

なお、遮断弁５は流体流動に異常があった時とか、地震発生時などに閉じるようにしてある。

図２は、本実施の形態における流量計測ユニットの断面を示すもので、図に示すごとく、流速検知手段を構成する一対の超音波センサ７、８がセンサ取り付け部材１２に互いに内向き斜め配置された状態で計測流路１の同一面に位置する様に組み付けされている。流量計測手段１０は、この一対の超音波センサ７、８とリード線１０ａ、１０ｂで接続されると共に、計測流路１に固定されており、流量計測ユニットとして一体化されている。そして流量計測手段１０は、一方の超音波センサから送信された超音波信号が計測流路１の対向壁１ｃで反射し他方の超音波センサで送受信するまでの伝搬時間を計測して、計測流路１を流れる被計測流体の流量を演算している。

この構成において、被計測流体が一度メータ筐体２内部に充填されてから計測流路１に流入するため、メータ筐体２がチャンバーとなり、被計測流体の流入部から屈曲された配管で直接計測流路へ接続する方式に比較して計測流路へ流入する流れに偏流が起こり難くなり計測の信頼性が向上する。

図３（ａ）は、図２のＡ−Ａ要部断面、（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ要部断面を示すもので、計測流路１の流路は前記したように矩形断面となっており、図３（ａ）に示すように、流路の短編側が３枚の仕切り板１１ａ、１１ｂ、１１ｃにより分割されて４つの層状流路１３ａ〜１３ｄを形成している。

つまり、流路を仕切り板１１ａ〜１１ｃで狭く仕切ることで被計測流体の流れが２次元性になるようにしてあり、流路の高さ方向の流れを層状流路で分散することで従来の単層の流路に比較し、流速分布を均一化し、超音波による計測の安定を図っている。

そして、一対の超音波センサ７，８は共に、この層状流路１３ａ〜１３ｄの流れ方向の範囲Ｃ内で超音波信号の送受信が行えるように配置しており、一方の超音波センサから送信された超音波信号は各層状流路１３ａ〜１３ｄそれぞれに分散して伝搬し、対向壁１ｃに反射して他方の超音波センサに受信される。

なお、本実施の形態では４層としているが、４層以外の構成も可能である。しかし、層数が多くなるとコスト増になるだけでなく流体の流路内の通過抵抗の増加による圧損の増加や超音波の仕切り板への反射による減衰が大きくなり計測流量範囲や計測流体の種類が限定しなくてはならないなどの課題が多くなる。

また、圧損の関係からある程度の流路の断面積が必要であるが３層の場合は、層間ピッチを大きくとる必要があり１層当たりの高さが大きくなるため層状流路としての計測流量範囲での流れの２次元化が難しいなど流路を多層化するメリットが少なく本発明の実施の形態の構成としては効果が期待できない。

次に、超音波による流量計測動作を図４を用い説明する。図１〜３に示すように本実施の形態においては、一対の超音波センサ７、８と計測流路をユニット化しており、計測流
路の矩形断面の同一面上に超音波センサ７、８を配置する構成とするため、超音波信号の送受信の伝播経路は超音波センサの対向壁で反射させたＶ字型の伝播路となり、上流に配置した超音波センサ７と下流に配置した超音波センサ８間で超音波信号の送受が行われる。

この構成において、上流側の超音波センサ７から発せられた超音波信号が下流側の超音波センサ８で受信されるまでの伝搬時間Ｔ１を計測する。また一方、下流側の超音波センサ８から発せられた超音波信号が上流側の超音波センサ７で受信されるまでの伝搬時間Ｔ２を計測する。

このようにして測定された伝搬時間Ｔ１およびＴ２を基に、以下の演算式により演算手段で流量が算出される。

いま、計測流路１の被計測流体の流れ方向の流速Ｖと超音波信号の伝搬路Ｄとのなす角度をθとし、超音波センサ７、８間の距離を２×Ｌ、被計測流体の音速をＣとすると、流速Ｖは以下の式にて算出される。

式（１） Ｔ１＝２×Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
式（２） Ｔ２＝２×Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
式（１）、（２）より、Ｔ１の逆数からＴ２の逆数を引き算で音速Ｃを消去して
式（３） Ｖ＝（２×Ｌ／２ｃｏｓθ）（（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２））
となる。

そして、θおよびＬは既知なのでＴ１およびＴ２の値より流速Ｖが算出できる。いま、空気の流量を計ることを考え、角度θ＝４５度、距離Ｌ＝３５ｍｍ、音速Ｃ＝３４０ｍ／ｓ、流速Ｖ＝８ｍ／ｓを想定すると、Ｔ１＝２．０×１０−４秒、Ｔ２＝２．１×１０−４秒となる。このようにして、超音波センサ間の超音波信号の伝搬時間を計測することで、被計測流体の流速Ｖの瞬時計測ができる。

なお、図５に、４層の層状流路を有する計測流路における、各層の高さを変化させた時の流量と流量係数Ｋを実測した実験データを基にしたグラフを示す。

図５において（ａ）で示されているのが４層とも層の高さが等しい流路の場合で、層の高さを等間隔として層状流路を構成すると流量係数Ｋは右肩下がりの傾いた形状になる。

このことはすなわち計測流量により、各層での流量分配比が変化していることを意味している。

なお、ｈ１〜ｈ４は図６に示すように各層状流路の層高さを意味する。

また、（ｂ）、（ｃ）は４層の内の両端に位置する層状流路の層高さを、他の層状流路の層高さに比べて小さく構成した場合を示すもので、層の高さに関係なく高流量側では流量係数が１に収束していく。各層の高さが等しい場合は、低流量側で流量係数が大きく、大流量側では層の高さに関係なく同じ値に収束していく。

従って、本実施の形態では図６に示すように、一方の流路壁が計測流路１の壁となっている層状流路１３ａ、１３ｄの層高さを内側の層状流路１３ｂ、１３ｄに対して小さくしている。具体的には、両端の層状流路の層高さであるｈ１、ｈ４を１．９５ｍｍ、それ以外の層高さｈ２、ｈ３を２．００ｍｍとしており、この構成により、図５の（ａ）に示す特性を得ている。

また、計測流路１の計測流路入口１ａにおいて、仕切り板１１ａ〜１１ｃの各先端は、計測流路１の先端から距離ｍだけ下流側に離間した位置としている。

そして、この構成により、測定流速範囲に渡り、流量係数をほぼ１とすることを実現している。

なお、本実施の形態では壁面１ｄ近接の層状流路１３ａ、１３ｄを層状流路１３ｂ、１３ｃの層高さ２．００ｍｍに対して０．０５ｍｍ小さくして、１．９５ｍｍとしているが、小さくする範囲は基準の層（両端の層状流路を除いた層）の高さの２〜５％が適正である。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、複数の層状流路で構成される計測流路において、計測流量が変化しても各層状流路の流速比を一定にすることができ、流量係数をフラットにすることができるので、生産時の器差補正が容易となり、さらに小型、低コスト化が可能なためガスメータをはじめとして種々の流量計として応用展開が可能である。

１ 計測流路
２ メータ筐体
５ 遮断弁
７、８ 超音波センサ
１０ 流量計測手段
１１ａ〜１１ｃ 仕切り板
１３ａ〜１３ｄ 層状流路

Claims (4)

1. 被計測流体が流れる流路断面が矩形の計測流路と、
   前記計測流路の途中に配置され前記計測流路を３つ以上の層状流路に分割する複数の仕切り板と、
   前記層状流路上の上流と下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、
   前記超音波センサの一方から送信された超音波信号が前記被計測流体を伝搬して他方の超音波センサが受信するまでの伝搬時間に基づいて前記被計測流体の流量を検出する流量計測手段と、を備え、
   前記層状流路の内、両端の層状流路の層の高さを他の層状流路の層の高さより小さくした超音波流量計。
2. 前記層状流路の内、両端の層状流路の層の高さを他の層状流路の層の高さに対して、２〜５％小さくした請求項１に記載の超音波流量計。
3. 層状流路の一つの層の高さを２ｍｍ以下とした請求項１又は２記載の超音波流量計。
4. 前記一対の超音波センサは、前記層状流路上の同一面側に配置され、一方の前記超音波センサから送信された超音波信号が前記超音波センサに対向する前記計測流路内壁に反射し、他方の前記超音波センサに受信される構成としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波流量計。

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