JP2014215060A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波流量計において、超音波の減衰が少ない状態で計測精度を保証すること。
【解決手段】一対の超音波送受波器６，７と矩形断面を有する計測流路４との間に、超音波送受波器６，７の超音波送信面から計測流路４に至る窪み部１１，１２より小さな開口部９，１０を有する流れ抑制シート８を配置することにより、超音波の減衰が少ない状態で、計測誤差の要因となる、窪み部１１，１２における渦流ｐ、ｑの発生を抑制し、計測精度の確保を保証する。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波により流量を計測する流量計測装置に関し、とりわけ、その超音波送受波器と計測流路との間に窪みを有する形態の構造に関するものである。

従来、この種の流量計測装置として、超音波送受波器と計測流路の間に超音波透過膜を配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図７は、特許文献１に記載された流量計測装置の分解斜視図を示すものである。

図に示すように、流量計測装置１０１は、流路本体１０２とセンサブロック１０３とから構成されている。

流路本体１０２は、矩形断面の流路１０４に複数の仕切板１０５を挿入して、複数の扁平流路に分割されるよう構成されている。

センサブロック１０３には、第１超音波送受波器１０６と第２超音波送受波器１０７が、取り付けられている。これら超音波送受波器１０６、１０７と流路１０４の間には、超音波透過膜１０８が配置されている。この超音波透過膜はメッシュ部材等で一体的に構成されているものである。

図８は、図７に示す流量計測装置の流れ方向の垂直断面図である。

図に示すように、第１超音波送受波器１０６と第２超音波送受波器１０７と流路１０４との間には、第１の窪み１０９、および第２の窪み１１０が形成されている。

この構成において、第１超音波送受波器１０６から発せられた超音波は、第１の窪み１０９を経由して、超音波透過膜１０８を通過した後、流路１０４の底面１１１で反射し、その後、再び、超音波透過膜１０８を通過した後、第２の窪み１１０を経由して、第２超音波送受波器１０７に到達する。この間の伝搬時間を基に流路１０４を通過する流体の流量が計測される構成となっている。

特開２０１１−１１２３７７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、超音波が超音波透過膜１０８を通過する際に、超音波が減衰し、受信感度の低下をきたすものであった。

この場合には、受信波形を正確にとらえることができず、したがって伝搬時間の計測精度が低下し、正確な流量計測に支障をきたすものであった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、超音波透過膜に代えて、開口部を有する巻込み流れ抑制シートを用いるものである。これにより、超音波の減衰を少なくし、受信
感度の向上を図り、正確な流量計測の実現を目的とするものである。

本発明の流量計測装置は、一対の超音波送受波器の前方にある窪み部と計測流路との間に、開口部を有する巻込み流れ抑制シートを配置することにより、超音波の減衰を少なくすることができるため、受信感度の向上を図り、正確な流量計測を実現することができる。

本発明の実施の形態１における流量計測装置の構成図 本発明の実施の形態１における流量計測装置の分解斜視図 図１のＡＡ’矢視断面図 本発明の実施の形態１における流れ抑制シートの平面図 本発明の実施の形態２における流れ抑制シートの平面図 本発明の実施の形態３における流れ抑制シートの平面図 従来の流量計測装置の分解斜視図 図７における流路ブロックの流れ方向の垂直断面図

第１の発明は、矩形断面の計測流路と、前記計測流路の一方側に配置され、窪み部を介して前記計測流路に連接する一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器間の伝播時間を測定する伝播時間測定手段と、前記伝播時間測定手段で測定された伝播時間から求めた流速を基に流量を演算する流量演算手段とを備え、前記窪み部と前記計測流路との間に配置された開口部を有する巻込み流れ抑制シートとを有することにより、超音波の減衰が少ない状態で、窪み部の巻込み流れによる誤差の発生を抑制することができるため、正確な流量計測を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の巻込み流れ抑制シートの開口部に桟部を有するように構成したことにより、窪み部の巻込み流れをさらに抑制することができるため、より正確な流量計測を実現することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の巻込み流れ抑制シートの開口部に格子部を有するように構成したことにより、窪み部の巻込み流れを格子状に分断して抑制することができるため、さらに正確な流量計測を実現することができる。

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、本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）
実施の形態１について図１〜図４を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態１における流量計測装置の構成図、図２は図１の分解斜視図、図３は図１のＡＡ’矢視断面図を示すものである。

図１において、流量計測装置１は流路ブロック２と超音波送受波器ブロック３より構成されている。

図２において、流路ブロック２は、矩形断面の計測流路４に設けられた複数の溝部５ａに複数の仕切り板５ｂを挿入して、複数の層状流路に分割されるように構成されている。

超音波送受波器ブロック３には、第１の超音波送受波器６と、第２の超音波送受波器７
が、取り付けられている。

流路ブロック２と超音波送受波器ブロック３との間には、巻込み流れ抑制シート８（以降、流れ抑制シートと称する）が配置されている。流れ抑制シート８は、第１の開口部９と第２の開口部１０とを有している。

また、流れ抑制シート８は、複数の仕切り板５ｂの上部に配置され、超音波送受波器ブロック３にて押圧されて挟みこまれるように形成されている。

図３において、第１の超音波送受波器６と第２の超音波送受波器７と計測流路４との間には、第１の窪み部１１、および第２の窪み部１２が形成されている。

そして、第１の超音波送受波器６から発せられた超音波は、第１の窪み部１１を経由して、流れ抑制シート８の第１の開口部９を通過した後、経路ａで計測流路４の底面部１３に達した後、この底面部１３反射し、その後、経路ｂにより流れ抑制シート８の第２の開口部１０を通過した後、第２の窪み部１２を経由して、第２の超音波送受波器７に到達する構成となっている。

このような構成において、さらに超音波の伝播時間を測定する伝播時間測定手段（図示せず）と、伝播時間から求めた流速を基に流量を演算する流量演算手段（図示せず）とにより、流量計測が行われる。

次に、超音波による流量計測に関して図３を用いて説明する。

計測流路４を流れる流体の流速をＶ、流体中の音速をＣ、流体の流れる方向と超音波が底面部１３で反射するまでの超音波伝搬方向とのなす角度をθとする。また、第１の超音波送受波器６と第２の超音波送受波器７との間で伝搬する超音波の伝搬経路の有効長さをＬとする。

このとき、第１の超音波送受波器６から出た超音波が、もう一方の第２の超音波送受波器７に到達するまでの伝搬時間ｔ１は、下式にて示される。

ｔ１ ＝ Ｌ ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （１）
次に、第２の超音波送受波器７から出た超音波が、もう一方の第１の超音波送受波器６に到達するまでの伝搬時間ｔ２は、下式にて示される。

ｔ２ ＝ Ｌ ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） （２）
式（１）と式（２）から流体の音速Ｃを消去すると、下式が得られる。

Ｖ ＝ Ｌ ／（２ｃｏｓθ（（１／ｔ１）−（１／ｔ２））） （３）
式（３）にて分るように、Ｌとθが既知なら、伝播時間測定手段（図示せず）にて計測された伝搬時間ｔ１、およびｔ２を用いて、流速Ｖが求められる。

次に、下式に示すようにこの流速Ｖに計測流路４の断面積Ｓを乗じて、全体の流量Ｑを算出する。

Ｑ ＝ Ｖ ｘ Ｓ （４）
しかし、一般的には、計測された流速Ｖは計測流路４の全体の平均流速Ｖａｖｅとは異なるため、実際の流量Ｑｔは下式に示すように、この流量Ｑに補正係数ｋを乗じて求める。

Ｑｔ ＝ ｋ ｘ Ｑ （５）
図４は、第１実施形態の流れ抑制シートの平面図を示したものである。

流れ抑制シート８に開口している第１の開口部９と、第２の開口部１０とは、それぞれ幅がｗ１、ｗ２、長さがＬ１、Ｌ２の大きさの開口を有している。通常、ｗ１とｗ２は等しく、図１に示すように、計測流路４の幅ｗに等しい。また、Ｌ１とＬ２も等しい。

流れ抑制シート８を計測流路４側の経路ａ及び経路ｂの方向から見たときの、第１の窪み部１１の開口形状と第２の窪み１２の開口形状を一点鎖線で示している。第１の開口部９と、第２の開口部１０は、それぞれ、第１の窪み部１１と第２の窪み１２を制限するような大きさに設定されている。

以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用を説明する。

図３において、計測流路４を流れる被計測流Ｆは、第１の開口部９、および第２の開口部１０近傍において、流体の粘性により第１の窪み部１１、および第２の窪み部１２において渦流ｐ、ｑを形成する。

第１の超音波送受波器６から発せられた超音波は、障害物のない第１の開口部９、および第２の開口部１０を通過するため、顕著な減衰を生じることなく、第２の超音波送受波器７に到達する。しかしながら、超音波はこの第１の窪み部１１、および第２の窪み部１２を通過するため、超音波により計測される流速には、この渦流による流速成分が含まれてしまう。したがって、この渦流による流速成分（Δｖｐ、Δｖｑ）が、本来測定すべき計測流路４の流速（Ｖ）に比して大きいと、これが誤差として生じることになる。

図４は、流れ抑制シートの平面図を示すものである。

図４に示されるように、流れ抑制シート８は、その第１の開口部９と、第２の開口部１０の大きさが、それぞれ、第１の窪み部１１と第２の窪み部１２を制限するように設定されているため、流れ抑制シート８がない場合と比較すると、渦流ｐ、ｑは制限されることになる。

そして、第１の開口部９と、第２の開口部１０における長さＬ１、Ｌ２の設定により、下式に示すように、渦流ｐ、ｑにより生じる流速が計測流路４における被計測流体の流速に対して、所定割合以下になるようにすれば、この窪み部による誤差を所定精度（ｍ）以下に抑えることが可能となる。

（Δｖｐ＋Δｖｑ）／Ｖ ＜ ｍ （６）
以上のように、本実施の形態によると、超音波が通過でき、且つ、渦流の発生を抑制する開口部を有する流れ抑制シートを用いることで、必要な精度を確保しつつ、超音波の減衰を少なくすることができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２の流れ抑制シートの平面図を示したものである。

図５において、流れ抑制シート８ａの第１の開口部９ａと、第２の開口部１０ａは、それぞれ、第１の縦桟部１４と第２の縦桟部１５を有し、これらにより第１の開口部９ａと、第２の開口部１０ａは流れ方向に分割された構成となっている。

これらの構造以外は、実施の形態１と同じゆえ、省略する。

以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用を説明する。

図５に示されるように、流れ抑制シート８ａは、その第１の開口部９ａと、第２の開口部１０ａにおいて、それぞれ、第１の縦桟部１４と第２の縦桟部１５を有しているため、計測流路４における被計測流れによる第１の窪み部１１、および第２の窪み部１２における渦流ｐ、ｑの形成が弱められたり、分断されることになる。

これにより、実施の形態１に比較すると、誤差の大きさがさらに少なくなり、精度の良い計測が行われることになる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３の流れ抑制シートの平面図を示したものである。

図６において、流れ抑制シート８ｂの第１の開口部９ｂと、第２の開口部１０ｂは、実施の形態２に加え、さらに、それぞれ、第１の横桟部１６と第２の横桟部１７を有し、これらにより、第１の開口部９ｂと、第２の開口部１０ｂは流れ方向に加えて、流れに垂直な方向にも分割された構成となっている。

この場合、第１の縦桟部１４と第１の横桟部１６とで、第１の格子部１８が形成され、第２の縦桟部１５と第２の横桟部１７とで、第２の格子部１９が形成されることになる。

これらの構造以外は、実施の形態１と同じゆえ、省略する。

以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用を説明する。

図６に示されるように、流れ抑制シート８ｂは、その第１の開口部９ｂと、第２の開口部１０ｂにおいて、それぞれ、第１の縦桟部１４と第２の縦桟部１５、および、第１の横桟部１６と第２の横桟部１７を有しているため、計測流路４における被計測流れによる第１の窪み部１１、および第２の窪み部１２における渦流ｐ、ｑの形成が弱められたり、流れと垂直方向に分断されることになる。

これにより、実施の形態２に比較すると、誤差の大きさが、さらに少なくなり、精度の良い計測が行われることになる。

以上のように、本発明にかかる流量計測装置は、超音波の減衰が少ない状態で計測精度を保証することができるため、低消費電力で計測を行うガスメータや機器等への幅広い応用が可能である。

１ 流量計測装置
４ 計測流路
６ 第１の超音波送受波器
７ 第２の超音波送受波器
８、８ａ、８ｂ 巻込み流れ抑制シート（流れ抑制シート）
９、９ａ、９ｂ 第１の開口部
１０、１０ａ、１０ｂ 第２の開口部
１１ 第１の窪み部
１２ 第２の窪み部
１４ 第１の縦桟部（桟部）
１５ 第２の縦桟部（桟部）
１８、１９ 格子部

Claims (3)

1. 矩形断面の計測流路と、
   前記計測流路の一方側に配置され、窪み部を介して前記計測流路に連接する一対の超音波送受波器と、
   前記一対の超音波送受波器間の伝播時間を測定する伝播時間測定手段と、
   前記伝播時間測定手段で測定された伝播時間から求めた流速を基に流量を演算する流量演算手段とを備え、
   前記窪み部と前記計測流路との間に配置された開口部を有する巻込み流れ抑制シートとを有する流量計測装置。
2. 前記巻込み流れ抑制シートの開口部に桟部を有するように構成した請求項１に記載の流量計測装置。
3. 前記巻込み流れ抑制シートの開口部に格子部を有するように構成した請求項１に記載の流量計測装置。

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