JP2020169890A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波流量計において、計測流路に開口し超音波送受波器を収納する開口穴の流体と計測流路内の流体の置換に時間がかかるという課題がある。【解決手段】超音波送受波器３、４にガイド部５を配置するとともに、ガイド部５は２計測流路の断面内に突出する突出部７を有する構成として、開口穴６への被計測流体の流入を促進して流体の置換を迅速に行い、被計測流体を各種変更した場合でも、安定した計測が可能な汎用性が高い超音波流量計を構築することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、計測流路を流動する流体に超音波を伝搬させて流体の流速を計測する超音波流量計に関するものである。

従来、この種の超音波流量計として、被計測流体が流れる計測流路に、ある角度を持って取付けられた一対の超音波送受波器を計測流路に開口する開口穴内に収納して設置し、この開口穴の開口窓に超音波が通過可能な多数の微細な開口を持つ超音波通過体である流入抑制体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に記載された超音波流量計の計測流路の断面を示したものであり、図８はこの超音波流量計の開口穴部の部分断面図である。

この超音波流量計では、計測流路１０１に開口する開口窓１０２を有する開口穴１０３内に、一対の超音波送受波器１０４、１０５を被計測流体の流動方向に対して所定の角度で互いに対向させて配置し、開口窓１０２に超音波が通過可能な多数の微細な開口を持つ超音波通過体である流入抑制体１０６を配置している。

計測流路１０１を流動する被計測流体は、流入抑制体１０６により超音波送受波器１０４、１０５を収納している開口穴１０３への流れ込みが抑制され、開口穴１０３内での渦を低減して超音波の送受波時の超音波の減衰を少なくして超音波の受信レベルを高め、さらに穴の寸法を小さくした開口窓１０２により超音波送受波器１０４、１０５から発信された超音波の内、側方に発信されて受信側に直接向かわない不要成分の減衰を促進して超音波の送信波形のＳ／Ｎを高める構成としたものである。

特許第３５１８５３８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、被計測流体を変更して計測を行う場合に、計測流路１０１内はすぐに新たな被計測流体に置換されるが、開口穴１０３に超音波が通過可能な多数の微細な開口を持つ流入抑制体１０６を設けているため、開口穴１０３内の被計測流体の置換には流入抑制体１０６により被計測流体の透過が抑制されるので時間がかかるという課題がある。

即ち、常に同じ成分の被計測流体の流速や流量を計測する場合には、置換時間を短縮する必要性は低いが、実験などで絶えず異なる成分の被計測流体の流速や流量を計測する場合には、計測流路１０１と開口穴１０３内の被計測流体の置換不足により計測対象とは異なる成分の流体混入による誤計測や置換までの待ち時間のために計測時間を要することが大きな課題となる。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、超音波送受波器を配置する開口穴内にある被計測流体の置換を素早く行うことが可能な超音波流量計の提供を目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、被計測流体が流れる計測流路を有する流路体と、前記流路体に配置された一対の超音波送受波器と、前記流路体に設けられた前記超音波送受波器を取り付けるための開口穴と、前記超音波送受波器と前記開口穴の間に挿入されたガイド部と、前記超音波送受波器間の超音波の伝搬時間を計測し、前記被計測流体の流速又は流量を演算する計測演算部と、を備え、前記開口穴は、前記計測流路の流れ方向に対して所定の角度を持って形成され、前記計測流路に臨む開口部を有し、前記ガイド部は、前記開口部から前記計測流路の断面内に突出する突出部を有することで、計測流路内の流れを乱して開口穴への被計測流体の流入を促進して流体の置換を迅速に行うことができる。

本発明の超音波流量計は、計測流路内に超音波送受波器のガイド部を突出させることで、計測流路内の流れを乱して開口穴への被計測流体の流入を促進することで被計測流体の置換を迅速に行うことができるため、被計測流体を各種変更した場合でも、安定した計測が可能な汎用性が高い超音波流量計を提供することができる。

本発明の実施の形態１における超音波流量計の流路体の断面図 本発明の実施の形態１におけるガイド部の詳細を示す断面図 本発明の実施の形態１におけるガイド部の流動方向外観図 本発明の実施の形態１におけるガイド部の他の構成を示す流動方向外観図 本発明の実施の形態１におけるガイド部の他の構成を示す要部断面図 本発明の実施の形態１における他の構成を示す流路体の断面図 従来の超音波流量計における流路の構成を示す断面図 従来の超音波流量計における開口穴部の構成を示す断面図

第１の発明は、被計測流体が流れる計測流路を有する流路体と、前記流路体に配置された一対の超音波送受波器と、前記流路体に設けられた前記超音波送受波器を取り付けるための開口穴と、前記超音波送受波器と前記開口穴の間に挿入されたガイド部と、前記超音波送受波器間の超音波の伝搬時間を計測し、前記被計測流体の流速又は流量を演算する計測演算部と、を備え、前記開口穴は、前記計測流路の流れ方向に対して所定の角度を持って形成され、前記計測流路に臨む開口部を有し、前記ガイド部は、前記開口部から前記計測流路の断面内に突出する突出部を有することにより、計測流路内の流れを乱して開口穴への被計測流体の流入を促進して流体の置換を迅速に行うことができ、被計測流体を繰り返し変更した場合でも、短時間で安定した計測が可能な汎用性の高い超音波流量計を構築することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記ガイド部の前記突出部は、突出長さを変化させて前記被計測流体の流れの乱れ高める乱れ促進部を形成したことにより、開口穴での流体の置換促進に加えて小流量域から大流量域にわたり乱流状態の流速分布を計測流路に生み出し、汎用性が高く計測精度を高めた超音波流量計を提供することができる。

第３の発明は、特に第１または２の発明において、前記ガイド部は、前記計測流路の横断面の面積に対して最大１／３まで突出していることにより、流体の乱れの促進と実用可能な圧力損失の両立を得ることができ、汎用性をより高めた超音波流量計を提供することができる。

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、更に、前記超音波送受波
器の外周に配置した制振シール体を備え、前記制振シール体を前記ガイド部で保持することで、追加部品無しで制振シール体を固定できる。

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）
実施の形態１について、図１〜図２を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態１における超音波流量計の流路部の断面図であり、図２は本発明の実施の形態１におけるガイド部の詳細を示す断面図である。

図１において、流路体１には被計測流体が流れる計測流路２の流動軸方向に所定の角度θを持って一対の超音波送受波器３、４が対向して配置されており、計測演算部１４は、超音波送受波器３、４間の超音波の伝搬時間を計測して、既知の演算方法に基づいて被計測流体の流速や流量を演算する。

この超音波送受波器３、４の外周側には円筒状のガイド部５を配置するとともに、計測流路２に開口部６ａを有する開口穴６に超音波送受波器３、４を収納し、ガイド部５の計測流路２側の先端は開口部６ａから計測流路２に突出させて上流側突出部７ａ、下流側突出部７ｂを形成している。なお、上流側突出部７ａと下流側の突出部の区別が必要無い場合は、突出部７と記す。

この計測流路２は入口接続部８、出口接続部９を介して外部の配管（図示せず）に接続されて被計測流体を流動させるものである。

超音波送受波器３、４と流路体１との取付け部とガイド部５について、計測流路２の上流側に配置した超音波送受波器３側で、図２を加えて説明する。超音波送受波器３はフランジ部３ａを挟み込むように保持する制振シール体１０を介して流路体１に組込み、固定体１１で押えて制振シール体１０を固定し、被計測流体が流路体１の外に漏出しないように気密にシールしている。

超音波送受波器３の側壁部３ｂは、制振シール体１０から延伸させて形成した振動を減衰させる制振体１２を密着させて覆い、超音波発信時の不要な筐体振動を減衰させている。

ガイド部５はこの制振体１２の外側に挿入配置し、超音波送受波器３のフランジ部３ａ側に制振シール体１０のシール部１０ａの内側に挿入した保持部５ａでシール部１０ａを内側から支えてシール性を高めるとともに、ガイド部５の保持部５ａで流路体１に係止してその脱落を防止し、さらに超音波送受波器３の位置決めを確実にしている。

その上に、ガイド部５は、保持部５ａが開口穴６の段差部６ｂで位置が規制されており、先端側を計測流路２に突出量ｈで突出させて上流側突出部７ａを形成している。図３は、図１の矢印Ａ方向に見た矩形断面の計測流路２内の突出部７の外観を示したもので、上流側の超音波送受波器３側の上流側突出部７ａと、下流側の超音波送受波器４側の下流側突出部７ｂが計測流路２内に突出量ｈで突出している。そして、この突出部７により被計測流体の開口穴６への流入を促進して流体の置換を迅速に行うことができる。

なお、ここでは先端が円筒状のガイド部５を突出させた状態を示している。また、上流側の超音波送受波器３側の上流側突出部７ａでの矩形の計測流路２の横断面積Ｓに対して
、図１の矢印Ａ方向に見た上流側突出部７ａが占有する突出面積Ｓｔとして、突出比率Ｓｔ／Ｓは最大１／３としている。また、下流側突出部７ｂでも同様に突出比率を設定している。

さらに、図４はガイド部５の他の構成を示した流動方向外観図であり、突出部７の先端に流れの乱れを高める乱れ促進部１３を形成したもので、乱れ促進部１３を計測流路２への突出長さを変化させた凹凸形状とすることで、被計測流体の流れの乱れを更に高めることができ、被計測流体の開口穴６への流入を促進して流体の置換を迅速に行うことができる。

次に、本発明の超音波流量計の動作について説明する。

計測演算部１４は、計測流路２を流れる被計測流体に対して一方の超音波送受波器３あるいは４から超音波を発信し、他方の超音波送受波器４あるいは３でその超音波を受信して伝搬に要した時間を計測し、上流側から下流側への伝搬時間と下流側から上流側への伝搬時間との時間差から流速を計測し既知の横断面積Ｓから流量の計測を行う、いわゆる時間差法による超音波流量計測を行う。

この計測時において、計測流路２内の被計測流体と超音波送受波器３、４を収容する開口穴６内の流体が全く同じ組成状態ならば問題ないが、もし流体組成が異なっていると流体内の超音波伝搬速度が異なるため、計測の誤差要因となる。

本実施の形態の超音波流量計では、実験等で各種の流体（空気、メタン、窒素、水素等）を切換えて流量計測する場合でも、計測流路２に突出させて形成した突出部７によって、計測流路２内の流れが乱され突出部７の後流側に巻き込み流れが発生し、この突出部７による流れを乱す作用により開口穴６内に渦を発生させて、開口穴６内の流体の置換を迅速に行うことで開口穴６内を含めた全ての超音波伝搬路が均一な被計測流体の組成となる。

このため、流体組成が均一でないことによる計測誤差を排除でき、さらに流体を切換えて直ぐに流体組成状態が均一となるので正しい計測が可能となり、計測時間が短縮でき、被計測流体を繰り返し変更した場合でも、安定した計測が可能な汎用性が高い超音波流量計を構築することができる。

また、ガイド部５を超音波送受波器３、４の外周側に配置すると、一方の超音波送受波器で発振した超音波の側方への伝搬を規制して対向配置した他方の超音波送受波器への超音波の伝搬を促進して受信感度を高めることができる。

さらに、ガイド部５を設けることで計測流路の断面内に突出している側では少なくとも開口穴を形成する壁面の形状に超音波伝搬が影響されず、さらに、図５に示す本実施の形態におけるガイド部の他の構成を示す要部断面図のように、開口穴６の壁面全域にガイド部５を配置すると、開口穴６を形成する壁面の形状に超音波伝搬が全く影響されないので、流路体における開口穴６の設計の自由度が高められて、各種形状の流路体の製造が容易となり生産性を向上できる。

また、突出部７に突出長さが異なる乱れ促進部１３を配置すると、被計測流体の乱れが一層促進され、開口穴での流体の置換促進作用が向上するだけでなく、加えて小流量域から大流量域にわたり超音波が伝搬する計測流路２内に乱流状態の流速分布を生み出し、流速分布形状を幅広い流量域にわたり乱流型の形状に安定化でき、流速分布形状が層流から乱流に変化する領域を排除して流速分布形状の差による計測誤差を低減して計測精度を高
めることができる。

このため、各種流体に対応可能な汎用性が高く計測精度を高めた超音波流量計を提供することができる。

なお、圧力損失の極端な上昇を回避し、かつ、流体乱れの促進による開口穴６の流体置換の迅速化の両立を得る為に、突出部７の突出面積は計測流路２の横断面の面積に対して最大１／３までとすることが望ましい。

また、制振シール体１０をガイド部５の保持部５ａで内側から支えることで、制振シール体１０の材料として、より柔らかい制振材料を使用したシール構成が可能となり、極低温時でも制振・防振に優れたゴムなどの弾性材料を気密シール機能と制振機能の両立ができる。さらに、制振シール体１０から延伸して形成した制振体１２の制振・防振特性を高めて超音波送受波器の筐体振動の減衰と流路体１への振動伝達減衰や流路体１からの筐体振動伝搬の低減ができ、残響の短い超音波パルスの送受信が可能となる。

以上の様に、ガイド部５と制振シール体１０を用いることにより、流路体１の管路壁への振動の伝搬を低減させる信頼性の高い超音波振動子の支持構成を実現による超音波流量計の計測特性を向上と前述のガイド部５の突出部による作用により汎用性の高い超音波流量計の提供の両立が可能となる。

以上、本発明の実施例において、一対の超音波送受波器の配置として、伝搬経路が流れを一回だけよぎる、いわゆるＺ字型をなす構成にて説明したが、これに限るものではなく、一対の超音波送受波器を計測流路の同一側に配置してその超音波伝搬経路がＶ字型をなす構成や、また流れと平行なＩ字型等になるような構成であってもよい。

図６は、超音波伝搬経路がＩ字型の場合の一例を示すもので、図に示すように、超音波の伝搬路が流れに平行なＩ字型になるように超音波送受波器を配置した場合でも、ガイド部を計測流路に突出させた突出部７を設けることで同様の効果が得られるので、流れに平行なＩ字型等になる構成であってもよい。

また、ここでは計測流路は矩形断面の例を示したが、それ以外の円形断面でも同様なのは云うまでもない。

以上のように、本発明の超音波流量計は、超音波送受波器を収容する開口穴と計測流路との流体の置換を迅速にでき、実験室などで各種の流体を切換えて流量計測する場合でも、流体組成が異なることによる計測誤差を排除でき、直ぐに計測可能とした計測時間の短縮可能な流量計を提供でき、被計測流体の変更に対する安定した計測が可能な汎用性が高い超音波流量計を構築することができる。

１ 流路体
２ 計測流路
３、４ 超音波送受波器
５ ガイド部
５ａ 保持部
６ 開口穴
６ａ 開口部
７ 突出部
７ａ 上流側突出部
７ｂ 下流側突出部
１０ 制振シール体
１２ 制振体
１３ 乱れ促進部
１４ 計測演算部

Claims (4)

1. 被計測流体が流れる計測流路を有する流路体と、
   前記流路体に配置された一対の超音波送受波器と、
   前記流路体に設けられた前記超音波送受波器を取り付けるための開口穴と、
   前記超音波送受波器と前記開口穴の間に挿入されたガイド部と、
   前記超音波送受波器間の超音波の伝搬時間を計測し、前記被計測流体の流速又は流量を演算する計測演算部と、を備え、
   前記開口穴は、前記計測流路の流れ方向に対して所定の角度を持って形成され、前記計測流路に臨む開口部を有し、
   前記ガイド部は、前記開口部から前記計測流路の断面内に突出する突出部を有することを特徴とする超音波流量計。
2. 前記ガイド部の前記突出部は、突出長さを変化させて前記被計測流体の流れの乱れ高める乱れ促進部を形成したことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記ガイド部は、前記計測流路の横断面の面積に対して最大１／３まで突出していることを特徴とする請求項１または２記載の超音波流量計。
4. 更に、前記超音波送受波器の外周に配置した制振シール体を備え、
   前記制振シール体を前記ガイド部で保持する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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