JP2013186032A - 流量計測ユニット - 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、低コストの超音波式の流量計測ユニットを提供するものである。
【解決手段】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６ａ，６ｂと、超音波センサ６ａ，６ｂ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７と、計測流路２の上流側に設けられたチャンバー部３とを備えることで、流体を整流でき、流れの安定した計測を行うことが可能となる。
【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測に関するものである。

図８に示すような従来の超音波式の流量計測ユニット１２は、流体が流れ込む開口部１３を有し、流体が流れる流路断面が矩形に形成された計測流路１４と、計測流路における流体の流れ方向に所定の距離をおいて配置した一対の超音波送センサ１５ａ，１５ｂと、一対の超音波送センサ１５ａ，１５ｂの一方から送信された超音波信号が、超音波センサと対向する計測流路１４内の壁面に反射して他方に受信されるまでの伝播時間から流体の流速を計測し、この流速をもとに流量を演算する流量演算部１６とから構成されていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１１２３７７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、流体の流れが直接計測流路に流れ込むため、流量計測ユニットに流れ込む流体の乱れが大きい場合、超音波の伝播路まで流れに乱れが生じやすくなるため、超音波による伝播時間の計測に影響し、計測精度に悪影響をもたらす要因となっていた。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測ユニットは、計測流路に流体を流入するため、計測流路の上流側に設けられたチャンバー部とチャンバー部の側面に開口部を有する構成としたものである。

これによって、流量計測ユニットに流れる流体は、一旦チャンバー部を通り整流され計測流路に入るため、流れの安定した計測を行うことが可能となる。

本発明の流量計測ユニットは、計測流路に流入する流れに乱れが存在していても流体の計測流路への流入の際にチャンバー部を介することで、流れの整流効果が生じ、超音波伝播経路での流れを安定させ、測定精度のばらつきの少ない安定した計測を可能にし、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１における流量計測ユニットの外観斜視図 本発明の実施の形態１における流量計測ユニットの断面図 本発明の実施の形態１における流量計測ユニットを用いたガスメータの構成図 本発明の実施の形態１における超音波流量計測の動作説明図 従来例の流体解析結果の流れの図 本発明の実施の形態１における流体解析結果の流れの図 本発明の実施の形態２における流量計測ユニットの断面図 従来の流量計測ユニットを用いた超音波流量計の構成図

第１の発明は、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前記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、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演算手段と、前記計測流路の上流側に設けられ、前記計測流路に流体を流入するための開口部を有するチャンバー部と、を備えた構成であり、これによって、計測する流体流れに乱れが存在していてもチャンバー部を介して計測流路に流入させることで流れの整流効果が生じ、超音波伝播経路での流れを安定させ、測定精度のばらつきの少ない安定した計測を可能にすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記チャンバー部は、前記開口部より流入する流体の流れ方向と前記計測流路の流れ方向とが直列とならないようにした構成であり、これにより、流体が迂回して計測流路に流れ込むため、流れの整流効果が生じ、超音波伝播経路での流れを安定させ、測定精度のばらつきの少ない安定した計測ができ、正確に流速を計測することが可能となる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記チャンバー部は、前記開口部より流入する流体の流れ方向が、前記計測流路の流体の流れ方向と平行かつ逆向きとなるように構成したもので、流れの整流効果が生じ、超音波伝播経路での流れを安定させ、測定精度のばらつきの少ない安定した計測ができ、正確に流速を計測することが可能となる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明において、前記チャンバー部の外形は、前記計測流路の外形より大きく、前記チャンバー部の開口部は、前記計測流路に隣接する面に設けられた構成としたものであり、流れの整流効果が生じ、超音波伝播経路での流れを安定させ、測定精度のばらつきの少ない安定した計測ができ、正確に流速を計測することが可能となる。

第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれかの発明において、前記チャンバー部は前記計測流路から脱着可能な構成であることにより、整流が必要無いメータ構成では、ユニットの簡素化が計れる他、配管を直接計測流路に接続して使うことも可能になる。

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は、本発明の第１の実施の形態である流量計測ユニットの斜視図を示す。また、図２には、図１に示した流量計測ユニットの断面図を示す。

図１及び図２において、流量計測ユニット１は、計測流路２と、計測流路の上流側に設けられたチャンバー部３、チャンバー部３に設けた計測対象である流体を流入する開口部４を有する。また、計測流路２に隣接するセンサ取付け部５を備え、センサ取付け部５には一対の超音波センサ６ａ、６ｂが取付けられ、その上部に超音波センサの信号から流量を算出する流量演算回路７（流量演算手段）が設置されている。

なお、流量演算回路７に関しては流量計測ユニット１に一体に設けない構成でも構わない。

次に、図３を用いて、流量計測ユニット１を用いたガスメータの構成について説明する
。

流体供給路８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と連係した弁体で開閉される遮断弁９を有する。そして、遮断弁９の弁（図示せず）が開放状態においては流体供給路８よりガス（流体）がメータ筐体１０内部に流出される。計測流路２は、流体が流れる流路の断面が長方形をなす矩形に構成されており、メータ筐体１０内部に充満した流体が計測流路２内に流入し、さらにはその下流側に接続された流体流出路１１を経てメータ筐体１０外部へ流出する。

なお、遮断弁９は流量演算回路７で演算された流体の流量に異常があった時や、感震器（図示せず）による地震発生の検知時などに閉じるようにしてある。

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に示すように本発明においては一対の超音波センサをユニット化するため計測流路の矩形断面の同一面上に超音波センサを配置する構成としており、超音波の送受信の伝播経路は対向面で反射させたＶ字型の超音波の伝播路となり、上流と下流に配置された超音波センサ間で超音波の送受が行われる。

そして、まず上流側の超音波センサ６ａから発せられた超音波が下流側の超音波センサ６ｂで受信されるまでの伝搬時間Ｔ１を計測する。また一方、その逆に下流側の超音波センサ６ｂから発せられた超音波が上流側の超音波センサ６ａ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流量演算回路７で流量が算出される。

いま、計測流路の流動方向の被計測流体の流速Ｖと超音波伝搬路とのなす角度を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。後、得られた流速と流路断面積の掛算で流量を求めることができる。

前記した従来の構成においては、流体が一度メータ筐体１０内部に充填されてから計測流路２内に流入するため、流体の流入部から配管で直接計測流路へ接続する方式に比較して、メータ筐体１０内の構成によっては、計測流路へ流入する流れに偏流が生じ、計測流路内の流れも影響を受け測定の誤差要因になる可能性がある。

本発明では、図１〜３に示すように計測流路２の流体流入側にチャンバー部３からなる整流構成が設けられている。

チャンバー部３側面に計測流路２の流れ方向とは垂直方向に開口部４が設けられているため、計測流路２に流入する流体は、流量計測ユニット１の直前の流れに乱れや偏流が生
じていても、直接的に計測流路２内に流入することは無く、チャンバー部３内における通過抵抗により、乱れや偏流が抑制されて、均一化した流れとなって計測流路２に流入し、超音波の伝播路での流れが安定化されるため、計測の受信波形が安定し、計測精度が向上するだけで無く、計測ロジックの簡素化にも貢献できる。

また、チャンバー部３の外形は、計測流路２の外形より大きく、チャンバー部３の開口部４は、計測流路２に隣接する面に設けた構成としており、計測流路２の外形より大きくすることで、計測流路２までの流路長を確保することで整流効果を得ることができる。

図５、図６に、それぞれ図８で示す従来の構成メータと、図３に示す本発明の構成のメータ筐体内の流れを流体解析した結果を示す。

図５では、メータ筐体内の乱れた流れがそのまま、計測流路１４に流入しているが、本発明では図６に示すように、メータ筐体内の流れはチャンバー部３を迂回して、計測流路２に均一に流入している。

なお、チャンバー部３における開口部４の形状において本発明では、計測流路の矩形断面の短辺部以下の寸法を有しているが、整流効果を有していればその長さは矩形断面の短辺と異なった任意の長さであっても構わない。

また、本発明を示す図１〜３においてはチャンバー部３の形状は矩形形状を成しているが、これは円弧状であっても構わない。

（実施の形態２）
図７は本発明の第２の実施の形態における流量計測ユニット１’の断面を示すもので、チャンバー部３’の開口部４’を計測流路２’内の流れと逆流方向から流入するように設けることで、流れが大きく迂回することで、整流作用が増しチャンバー部内での整流効果をより向上することができる。

また、上記の実施の形態において、チャンバー部３，３’が計測流路２、２’と一体構成でなく、取り外しができる構成でも構わない。

以上のように、本発明にかかる流量計測ユニットは、メータ筐体内の流れ方に関係なく、流量計測ユニットそのものに整流効果を持つことで、流量計測ユニットのみで、計測性能が担保できるため、メータ筐体設計の自由度が増すとともに、いかなる使用状態でも正確に流速を計測することが可能となり、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、１’ 流量計測ユニット
２、２’ 計測流路
３、３’ チャンバー部
４、４’ 開口部
６ａ，６ｂ 超音波センサ
７ 流量演算回路（流量演算手段）

Claims (5)

1. 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前記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、
   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、
   前記計測流路の上流側に設けられ、前記計測流路に流体を流入するための開口部を有するチャンバー部と、を備えた流量計測ユニット。
2. 前記チャンバー部は、前記開口部より流入する流体の流れ方向と前記計測流路の流れ方向とが直列とならないように構成した請求項１に記載の流量計測ユニット。
3. 前記チャンバー部は、前記開口部より流入する流体の流れ方向が、前記計測流路の流体の流れ方向と平行かつ逆向きとなるように構成した２に記載の流量計測ユニット。
4. 前記チャンバー部の外形は、前記計測流路の外形より大きく、前記チャンバー部の開口部は、前記計測流路に隣接する面に設けられた構成である請求項１〜３のいずれか１項に記載の流量計測ユニット。
5. 前記チャンバー部は前記計測流路から脱着可能な構成である請求項１〜４いずれか１項に記載の流量計測ユニット。