JP2013186031A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ガスなどの流量計に関するもので小型、低コストの超音波流量計を提供することを目的とする。
【解決手段】矩形断面を有する計測流路２と、計測流路２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５ａ、５ｂと、超音波センサ５ａ、５ｂの設置側の壁面に設けた超音波信号が出入りする為の２つの超音波伝播開口窓７ａ、７ｂと、超音波センサ５ａ、５ｂの送受信による超音波の伝播時間に基づいて流量を検出する流量演算回路６と、を有し、超音波伝播開口窓７ａ、７ｂは、計測流路２における流体の流れ方向に対して垂直な直線部を持たない輪郭形状とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスなどの流量を計測する超音波流量計測に関するものである。

従来のこの種の超音波流量計は、図５（ａ）に示すように、計測流路９と、計測流路９の上流側には流体を流入する開口部１０を有する。また、計測流路９に隣接するセンサ取付け部１１を備え、センサ取付け部１１には一対の超音波センサ１２ａ、１２ｂが取付けられ、その上部に超音波センサ１２ａ、１２ｂで計測される伝播時間から計測流路９に流れる流体の流量を算出する流量演算回路１３が設置されている。

図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ’矢視断面図で、計測流路９の超音波センサ取付け側の流路壁面を示しており、超音波センサ１２ａ、１２ｂの送受信用に矩形状の超音波伝播開口窓１４ａ、１４ｂを有している。

そして、一対の超音波センサの一方から発信された超音波信号は、対向する壁面で反射して他方の超音波センサで受信されるように構成され、所謂、Ｖ字型の超音波伝播路１５を形成している（例えば、特許文献１参照）。

このように超音波伝播路１５をＶ字型とし超音波の壁面反射を利用する場合は同じ流路幅構成でも反射を利用しない場合の倍の距離を超音波が伝播するため、計測における時間分解能が上がるメリットがあり、流量計形状の小型化を図ることができる。

一方、図６（ｂ）に示すように受信波形は、Ｖ字型の超音波伝播路１５による超音波の伝播で生じる正規の受信波１７と、これとは別に図６（ａ）で示す超音波伝播開口窓間の回折による伝播路１６により直接伝播する不要な受信波１８が生じる。

受信波１８は計測には必要無いものであり、正規の受信波１７と到達時間が近接している場合は、ノイズとなり計測に影響するため、直接伝播する不要な受信波１８に対しては、正規の受信波１７と時間的に分離できるよう時間差を生じるように構成するか、できるだけ小さくするかの必要がある。

従来においては、時間差を持たせるために超音波伝播開口窓の位置を調整し、正規の受信波に影響しないように超音波伝播開口窓の位置等を工夫している。

特開平１１−２０１７９１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、前記した不要な受信波を避けようとしても、計測流路の超音波伝播開口窓の位置や大きさ、或いは、超音波センサの特性や計測流路の仕様に制限が生じ、例えば、伝播経路を長くする必要がある場合には、超音波センサの感度アップや、計測回路の消費電力の増加などの課題があった。また、計測流路部の小型化や計測システムとしての最適化を行う上でも制限を受けるという課題を有していた。

また、上記の課題を解決しようとして、超音波入出口の超音波伝播開口窓の流れ方向の
長さを著しく大きくすると、流体の流れが、この超音波伝播開口窓より入り込んで、流速分布に影響を与え、測定が不安定になっていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、超音波伝播開口窓間の直接伝播波（不要な受信波）の影響を少なくし、構成の簡易化・小型化を図り、かつ低コストの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、超音波入出口の超音波伝播開口窓に関し、この超音波伝播開口窓が計測流路の流れ方向に対して垂直な直線部を持たない輪郭形状であることを特徴とする超音波流量計である。

これによって、超音波伝播開口窓間で直接伝播する伝播波が一定の方向に集約されることが無くなることで、一定距離・一定時間で伝播する事が無くなり、受信される不要伝播波が減少し、正確に流速を計測することができる。

本発明の超音波流量計は、超音波伝播開口窓間で直接伝播する不要伝播波を低減することにより、正確な流速計測を行うことができる。

（ａ）本発明の実施の形態１における超音波流量計の断面図、（ｂ）同超音波流量計の側面図 本発明の実施の形態１における超音波流量計の動作説明図 （ａ）図１におけるＡ−Ａ’矢視断面の超音波伝播開口窓の輪郭形状を示す図、（ｂ）同超音波伝播開口窓の他の輪郭形状を示す図 （ａ）本発明の実施の形態２における超音波流量計の超音波伝播開口窓間の波型形状部を示す図、（ｂ）図４（ａ）のＢ−Ｂ’矢視断面図 （ａ）従来の超音波流量計の構成図、（ｂ）図５（ａ）のＣ−Ｃ’矢視図 （ａ）従来の超音波流量計の超音波伝播路を示す図、（ｂ）従来の超音波流量計の超音波受信波を示す図

第１の発明は、矩形断面を有する計測流路と、前記計測流路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と、前記超音波センサの設置側の壁面に設けた超音波信号が出入りする為の２つの超音波伝播開口窓と、前記超音波センサの送受信による超音波の伝播時間に基づいて流量を検出する流量演算手段と、を有し、前記２つの超音波伝播開口窓は、互いに近い側の輪郭形状を前記計測流路における流体の流れ方向に対して垂直な直線部を持たない形状としたことを特徴とすることで、超音波伝播開口窓からの回折伝播波が一定の距離で他の超音波伝播開口窓に伝播する事が無くなるため、不要伝播波が減少し、正確に流速を計測することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記超音波伝播開口窓は、前記計測流路の流れ方向に平行な対向する２つの直線と前記両直線を円弧で繋げた輪郭形状であることを特徴とすることで、超音波の回折波が一定方向で無くなるため不要伝播波が減少し、正確に流速を計測することができる。

第３の発明は、特に第２の発明において、前記超音波伝播開口窓を形成する前記２つの直線の間隔は、前記超音波センサ設置側の流路幅と同一としたことで、回折波の抑止とと
もに超音波の伝播路が流体計測部において短辺方向の全域を計測するため計測値の補正が無くても正確な、計測が可能である。

第４の発明は、特に第１〜第３いずれかの発明において、前記超音波伝播開口窓間の計測流路の壁面は、流体が流れる方向に対して垂直な断面形状を波型に形成したことで、超音波伝播開口窓で発生した回折波に、壁面の高さの違いにより時間差が発生し、より回折波の受信レベルを下げることが可能となる。

第５の発明は、特に第４の発明において、前記超音波伝播開口窓間の計測流路の断面積と、前記超音波伝播開口窓間以外の計測流路の断面積とが一致するようにしたことで、計測流路の断面積が超音波の伝播路で変化しないため、波型の壁面を有しても、計測性能への影響を最小限に抑えることができる。

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は、本発明の第１の実施の形態である超音波流量計の断面図を示す。

図１（ａ）は側面断面図、（ｂ）は流体の流入側からみた側面図であり、図において、超音波流量計１は、計測流路２と、計測流路２の上流側に流体を流入する流入路１ａで構成された開口部３を有する。また、計測流路２に隣接するセンサ取付け部４を備え、センサ取付け部４には一対の超音波センサ５ａ、５ｂが取付けられ、その上部に超音波センサにより得られた伝播時間から流量を算出する流量演算手段としての流量演算回路６が設置されている。

また、図（ｂ）に示すように、計測流路２の流体が流れる流路断面は矩形に構成されている。

なお、流量演算回路６に関しては計測流路及びセンサ取付け部に隣接されない構成でも構わない。

次に、超音波による流量計測動作を説明する。図２に示すように本発明においては一対の超音波センサ５ａ、５ｂを計測流路２の矩形断面の同一面上（図１では、矩形断面の短辺側）に配置する構成とするため、超音波の送受信の伝播経路は対向壁面で反射させたＶ字型の伝播路となり、この上流、下流の超音波センサ間で超音波の送受が行われる。

この構成において、上流側の超音波センサ５ａから発せられた超音波が下流側の超音波センサ５ｂで受信されるまでの伝播時間Ｔ１を計測する。また一方、下流側の超音波センサ５ｂから発せられた超音波が上流側の超音波センサ５ａで受信されるまでの伝播時間Ｔ２を計測する。

このようにして測定された伝播時間Ｔ１およびＴ２を基に、以下の演算式により流量演算回路６で流速が算出される。

いま、計測流路の流動方向の被計測流体の流速Ｖと超音波伝播路とのなす角度をθとし、超音波センサ間の距離を２×Ｌ、被測定流体の音速を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）
Ｔ１の逆数からＴ２の逆数を引き算する式より音速Ｃを消去して
式（３） Ｖ＝（２×Ｌ／２ｃｏｓθ）（（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２））
θおよびＬは既知なので伝播時間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秒であり、瞬時計測ができる。

図３は本発明の特徴である超音波の入出口である超音波伝播開口窓の形状を示す図で、図１の計測流路の超音波センサ取付け側の壁面のＡ−Ａ’矢視図であり、７ａ、７ｂは図１の超音波センサ５ａ、５ｂの超音波送受信のための超音波伝播開口窓である。

従来例で前述したように、Ｖ字の伝播路の流路では、一方の超音波センサから発信された超音波はセンサ取付け部と対向する壁面で反射し、もう一方の超音波センサで受信される伝播経路を構成するが、２つの超音波伝播開口窓間において、一部の超音波が回折して超音波センサからの信号がもう一方の超音波センサに直接伝播する経路を有する。この直接伝播の受信波が正規の伝播路（即ち、Ｖ字の伝播路）を経て来た受信波と時間的に近接する場合、計測ロジックの誤動作や、受信波のノイズとなり計測性能に悪影響をもたらす可能性がる。

本実施の形態では、図３（ａ）に示すように２つの超音波伝播開口窓７ａ、７ｂで回折を起こす流路短編側の外形状が曲線で構成されているため、従来例（図５，６）で示したように一定方向に回折せず、回折による伝播波は、曲線に対し法線状に拡散することでその伝播経路が分散されるため、他方の超音波センサが受ける不要な受信波のレベルは大きく低減される。

これによって、従来の超音波伝播開口窓形状ではＶ字の伝播路や超音波伝播開口窓の位置や大きさにより直接伝播の受信波が正規の伝播路を経て来た受信波と時間的に近接しないように、流量計測部の仕様に落とし込む必要があったが、回折による直接伝播波のレベルを小さくすることができ、流量計の設計自由度が上がるため、例えば、計測流路を小型化する、計測性能を上げるなど目的に応じた流路設計の最適仕様に落とし込むことが可能となる。

なお、計測に悪影響を及ぼす回析波は超音波伝播開口窓の互いに近い側で発生する為、図３（ｂ）に示すように、超音波伝播開口窓７ａ’、７ｂ’の輪郭形状において、円弧に形成するのは、互いに近い側に位置する方のみでよく、他方は従来のように直線としても同様の効果を得ることができる。

（実施の形態２）
図４は本発明の第２の実施の形態を示す図で、図４（ａ）は図１のＡ−Ａ’方向の流路壁の矢視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ’方向の計測流路（Ｆ）の断面図を示す。図４に示すように２つの超音波伝播開口窓の間の壁面８の流体流れに対して垂直な断面を波型形状８ａにすることで、超音波伝播開口窓で回折の起こる位置が波型の高さで変わるため伝播距離が変わり分散が更に助長されるため、直接伝播波の影響がより小さくなる。

なお、本実施の形態では図４（ｂ）示すよう波型を三角形状で構成しているが、凸凹状のものであれば特に減されるものではなく、また凸凹の間隔が均等なものでなくても構成は可能である。

また、本実施の形態では、波型の高さｈ１を、超音波伝播開口窓７ａの上流側の流路（
Ｅ）の流路断面積と波型を有する計測流路（Ｆ）の流路断面積が同じとなるようにしている。なお、超音波伝播開口窓７ｂの下流側の計測流路（Ｇ）の流路断面積とも同じであることは言うまでもない。

例えば、本実施の形態においては、波型が三角波でありその山と谷の位置の平均ｈ２を超音波伝播開口窓７ａの上流側（Ｅ）の流路高さｈ３と同じとすることで、流量断面積が同じになるように構成している。

なお、超音波センサ取付け側の壁面が全面波型を有する構成でも構わない。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、計測流路と計測流路の同一壁面側に設置され対向側の計測流路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と、超音波センサの送受信による超音波の伝播時間に基づいて流量を検出する流量演算回路を有し、超音波入出の超音波伝播開口窓に関し、計測流路断面の短辺方向の超音波伝播開口窓の形状が計測流路の流れ方向に対して垂直な直線部を有さない形状であることを特徴とし、超音波伝播開口窓からの回折波が一定の距離でもう一方の超音波伝播開口窓に伝播する事が無くなるため、不要伝播波が減少し、正確に流速を計測することができ、計測の精度を向上しつつ、設計の自由度が増し、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 超音波流量計
２ 計測流路
５ａ、５ｂ 超音波センサ
６ 流量演算回路（流量演算手段）
７ａ、７ｂ、７ａ’、７ｂ’ 超音波伝播開口窓

Claims (5)

1. 矩形断面を有する計測流路と、
   前記計測流路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と、
   前記超音波センサの設置側の壁面に設けた超音波信号が出入りする為の２つの超音波伝播開口窓と、
   前記超音波センサの送受信による超音波の伝播時間に基づいて流量を検出する流量演算手段と、を有し、
   前記２つの超音波伝播開口窓は、互いに近い側の輪郭形状を前記計測流路における流体の流れ方向に対して垂直な直線部を持たない形状としたことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記超音波伝播開口窓は、前記計測流路の流れ方向に平行な対向する２つの直線と前記両直線を円弧で繋げた輪郭形状であることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記超音波伝播開口窓を形成する前記２つの直線の間隔は、前記超音波センサ設置側の流路幅と同一とした請求項２に記載の超音波流量計。
4. 前記超音波伝播開口窓間の計測流路の壁面は、流体が流れる方向に対して垂直な断面形状を波型に形成した請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波流量計。
5. 前記超音波伝播開口窓間の計測流路の断面積と、前記超音波伝播開口窓間以外の計測流路の断面積とが一致するようにした請求項４に記載の超音波流量計。