JP2024088742A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな外形形状を有しつつ、高精度な計測を実現できる超音波流量計を提供する。【解決手段】超音波流量計１は、被計測流体が流れる流体流路２と、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波送受波器６，７と、超音波信号の伝搬時間に基づいて、被計測流体の流量を演算する流量演算部２１と、流体流路２が構成された流路ボディ１９と、を備える。また、流体流路２は、矩形断面の流路を同一の幅で分割した複数の分割流路で構成された主流路４と、幅が分割流路と同じで、高さが分割流路より低い四角形断面を有する付加流路で構成された副流路２２ａ，２２ｂと、から成る。超音波信号は、主流路２内を流れる被計測流体を伝搬する。副流路２２ａ，２２ｂは、主流路４に対して、対称となるように配置されている。副流路２２ａ，２２ｂは、主流路４の流路断面を含む最小円内に配置され、最小円は、流路ボディ１９の内部に位置する。【選択図】図２

Description

本開示は、計測流路を仕切板で多層状流路に分割して、被計測流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。

従来のこの種の超音波流量計として、たとえば特許文献１の超音波流量計が知られている。図１３Ａ～図１３Ｅは特許文献１に開示する従来の超音波流量計を示す図である。図１３Ａは、従来の超音波流量計の斜視図である。図１３Ｂは図１３ＡのＳ矢視図である。図１３Ｃは図１３ＡのＴ矢視図である。図１３Ｄは図１３Ａの１３Ｄ－１３Ｄ断面図である。図１３Ｅは図１３Ａの１３Ｅ－１３Ｅ断面図である。

図１３Ａ～図１３Ｅ、特に図１３Ｅに示すように、超音波流量計は、第１の超音波送受波器６および第２の超音波送受波器７からなる一対の超音波送受波器が矩形断面を有する計測流路４に配置されている。第１の超音波送受波器６および第２の超音波送受波器７の超音波送信面から計測流路４に至る経路には、窪み部１１、１２の開口より小さな開口部９、１０を有する巻込み流れ抑制シート８を配置している。この抑制シート８は、超音波の減衰を抑制すると共に、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、計測精度の確保を図ることができる。

特開２０１４－２１５０６０号公報

昨今、一般家庭用から、大小規模の商店やその他施設などの業務用にわたるガスメータに対し、ガス流量を計測するために超音波流量計が搭載される需要が高まっている。この需要の高まりを受け、計測すべきガス流量に応じた大きさの流路を有する超音波流量計が必要になっている。

たとえば、特許文献１に記載された従来の超音波流量計において、被計測流体が流れる流路は、各々の断面形状が矩形の略同一形状である。すなわち、計測流路４を含む総流路数が３であった場合、各流路断面形状の幅と高さは３つとも同一である。しかしながら、このような構成において、より大きなガス流量を計測するために、たとえば流路を２つ追加して総流路数を５とする場合、既存流路と同一の幅と同一の高さを有する流路を２つ追加させるため、超音波流量計の外形サイズの増加が顕著となり、超音波流量計を収めるガスメータボックスに組付けしづらくなるという課題があった。なお、図１３Ｂ～図１３Ｄに示す計測流路４の総流路数は４である。

本開示に係る超音波流量計は、被計測流体が流れる流体流路と、前記流体流路の上部の上流および下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波送受波器と、一対の前記超音波送受波器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、一対の前記超音波送受波器の他方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速または流量を演算する流量演算部と、前記流体流路が構成された流路ボディと、を備える。前記流体流路は、矩形断面の流路を同一の幅で分割した複数の分割流路で構成された主流路と、幅が前記分割流路と同じで、高さが前記分割流路より低い四角形断面を有する付加流路で構成された副流路と、から成る。前記超音波送受波器から送信される超音波信号は、前記主流路内を流れる前記被計測流体を伝搬する。前記副流路は、前記主流路に対して、対称となるように配置されている。前記副流路は、前記主流路の流路断面を含む最小円内に配置され、前記最小円は、前記流路ボディの内部に位置する。さらに、前記流量演算部は、前記伝搬時間に基づいて求めた前記被計測流体の流速又は流量から、前記流体流路を流れる前記被計測流体の流量を演算する構成としている。

この構成によれば、副流路の各矩形形状の付加流路は計測流路の各流路の矩形形状と幅が同一で高さが低いため、超音波流量計の外形サイズは比較的コンパクトとすることが可能となり、大流量の被計測流体の計測に対しても、高精度な計測を実現できる。

本開示によると、より大流量の被計測流体を計測する場合に、コンパクトな外形形状を有しつつ、高精度な計測を実現できる超音波流量計を提供することができるという効果を奏する。

図１Ａは、本開示の第１の実施の形態に係る超音波流量計の斜視図である。 図１Ｂは、図１ＡのＡ矢視図である。 図１Ｃは、図１ＡのＢ矢視図である。 図１Ｄは、図１Ａの１Ｄ－１Ｄ断面図である。 図１Ｅは、図１Ａの１Ｅ－１Ｅ断面図である。 図２は、図１Ｃの拡大図である。 図３Ａは本開示の第１の実施の形態に係る流路ボディと各仕切板の分解斜視図である。 図３Ｂは、図３Ａの３Ｂ－３Ｂ断面図である。 図３Ｃは、図３ＡのＣ矢視図である。 図４は、本開示の第１の実施の形態に係る超音波流量計の組み立て構造図である。 図５Ａは、従来の超音波流量計において、大流量を計測できるようにする場合の流路構成図である。 図５Ｂは、従来の超音波流量計と第１の実施の形態における超音波流量計の比較図である。 図６Ａは、従来の超音波流量計において、大流量を計測できるようにする場合の他の流路構成図である。 図６Ｂは、図６Ａの６Ｂ－６Ｂ断面図である。 図６Ｃは、図６ＡのＪ矢視図である。 図７は、図６Ａ～図６Ｃに示す超音波流量計における流量計測結果を示すグラフである。 図８は、本開示の第１の実施の形態に係る超音波流量計における流量計測結果を示すグラフである。 図９Ａは、本開示の第１の変形例に係る超音波流量計の流路構成図である。 図９Ｂは、図９Ａの９Ｂ－９Ｂ断面図である。 図９Ｃは、図９ＡのＮ矢視図である。 図１０は、本開示の第１の変形例に係る超音波流量計における流量計測結果を示すグラフである。 図１１は、本開示の第１の変形例に係る超音波流量計におけるｈ１＝０．６８ｈの流量計測結果と本開示の第２の変形例に係る超音波流量計における流量計測結果との比較を示すグラフである。 図１２Ａは、本開示の第２の変形例に係る超音波流量計の流路構成図である。 図１２Ｂは、図１２Ａの１２Ｂ－１２Ｂ断面図である。 図１２Ｃは、図１２ＡのＱ矢視図である。 図１３Ａは、従来の超音波流量計の斜視図である。 図１３Ｂは、図１３ＡのＳ矢視図である。 図１３Ｃは、図１３ＡのＴ矢視図である。 図１３Ｄは、図１３Ａの１３Ｄ－１３Ｄ断面図である。 図１３Ｅは、図１３Ａの１３Ｅ－１３Ｅ断面図である。

以下、本開示の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。

（第１の実施の形態）
（超音波流量計の構成）
図１Ａは、本開示の第１の実施の形態に係る超音波流量計の斜視図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ矢視図である。図１Ｃは、図１ＡのＢ矢視図である。図１Ｄは、図１Ａの１Ｄ－１Ｄ断面図である。図１Ｅは、図１Ａの１Ｅ－１Ｅ断面図である。図２は、図１Ｃの拡大図である。

図１Ａ～図１Ｅ、図２に示すように、超音波流量計１は、内部に被計測流体が流れる流体流路２が構成された流路ボディ１９を有する。流体流路２の上部の上流および下流には、超音波信号の送受信が可能な第１の超音波送受波器６および第２の超音波送受波器７からなる一対の超音波送受波器が配置してある。また、第１の超音波送受波器６および第２の超音波送受波器７からなる一対の超音波送受波器の一方から送信された超音波信号が、被計測流体を伝搬して、他方の超音波送受波器が受信するまでの伝搬時間に基づいて、被接触流体の流速または流量を計測する流量演算部２１を備える。

流体流路２において、流矩形断面の主流路である計測流路４は、仕切板２０ａ、２０ｂ、２０ｃにより分割され、同一の幅ｗで同一の高さｈの、複数の分割流路５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを構成している。また、流体流路２には、計測流路４を構成する分割流路５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと同一の幅ｗであって、分割流路５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの高さｈより低い矩形断面を有する付加流路２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄで構成された副流路２２ａ、２２ｂが設けられている。主流路である計測流路４と副流路２２ａは副仕切板２３ａで分割され、主流路である計測流路４と副流路２２ｂは副仕切板２３ｂで分割されている。さらに、副流路２２ａは副仕切板２３ｃで分割され、分割流路５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと同一の幅ｗであって、分割流路５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの高さｈより低い矩形断面の付加流路２４ａ、２４ｂが設けられ、副流路２２ｂは副仕切板２３ｄで分割され、分割流路５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと同一の幅ｗであって、分割流路５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの高さｈより低い矩形断面の付加流路２４ｃ、２４ｄが設けられている。

流路ボディ１９は、被計測流体が流入するためのラッパ状の入口部１９ａと被計測流体が流出する出口部１９ｂを備えており、たとえば樹脂の射出成型による構造が考えられる。また、仕切板２０ａ、２０ｂ、２０ｃおよび副仕切板２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、たとえばステンレス製の金属板で構成され、図１Ｄに示すように、これらは同一の板厚ｔとしており、ｔ＝０．３ｍｍ程度である。仕切板２０ａ、２０ｂ、２０ｃおよび副仕切板２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは流路ボディ１９に取り付けられる。

図３Ａは本開示の第１の実施の形態に係る流路ボディと各仕切板の分解斜視図である。図３Ｂは、図３Ａの３Ｂ－３Ｂ断面図である。図３Ｃは、図３ＡのＣ矢視図である。

図３Ｂに示すように、被計測流体が流れる空間の反射面２５側には、流入側固定溝２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅ、２９ｆ、２９ｇ、および流出側固定溝３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ、３０ｇが設けられている。反射面２５は、第１の超音波送受波器６および第２の超音波送受波器７からなる一対の超音波送受波器の一方から送信された超音波信号が、被計測流体を伝搬して他方の超音波送受波器へと到達するまでに反射する平面である。

さらに、図３Ｃに示すように、流路ボディ１９の巻込み流れ抑制シート設置面２６側には、流入側スリット２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ、２７ｅ、２７ｆ、２７ｇ、および流出側スリット２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ、２８ｆ、２８ｇが設けられている。

ここで、流入側固定溝２９ａ～２９ｇ、流出側固定溝３０ａ～３０ｇ、流入側スリット２７ａ～２７ｇ、および流出側スリット２８ａ～２８ｇは全て同一の幅としており、仕切板２０ａ～２０ｃ、および副仕切板２３ａ～２３ｄの板厚ｔよりもわずかに大きく、たとえば０．３２ｍｍ程度である。また、仕切板２０ａ～２０ｃ、および副仕切板２３ａ～２３ｄの形状は、図３Ａにおける副仕切板２３ｄの形状に示すように、突起部２３ｅが２か所設けられている。

以上のような構造において、仕切板２０ａ～２０ｃおよび副仕切板２３ａ～２３ｄを、流路ボディ１９に取り付ける場合、図３Ａに示すように、巻込み流れ抑制シート設置面２６側から挿入する。仕切板２０ａ～２０ｃおよび副仕切板２３ａ～２３ｄの突起部２３ｅが各流入側固定溝２９ａ～２９ｇ、および各流出側固定溝３０ａ～３０ｇにはめ込まれ、突起部２３ｅと逆側は流入側スリット２７ａ～２７ｇ、および流出側スリット２８ａ～２８ｇに挟まり、隙間ばめによって固定される。

なお、ここでは流路ボディ１９と、仕切板２０ａ～２０ｃおよび副仕切板２３ａ～２３ｄとを別部品で構成し、隙間ばめで固定して一体とする構造としたが、仕切板２０ａ～２０ｃおよび副仕切板２３ａ～２３ｄと、流路ボディ１９をたとえば樹脂一体成型とする構成としても良い。

図４は、本開示の第１の実施の形態に係る超音波流量計１の組み立て構造図である。図４に示すように、第１の超音波送受波器６および第２の超音波送受波器７は、樹脂製の超音波送受波器固定ボディ３１の所定位置にセットし、樹脂製の超音波送受波器固定具３３で固定される。超音波送受波器固定ボディ３１側には突起３１ａが設けられており、超音波送受波器固定具３３側に設けられた嵌合穴３３ａがはめ合わされることで、第１の超音波送受波器６および第２の超音波送受波器７は、超音波送受波器固定ボディ３１と超音波送受波器固定具３３に挟まれて固定される。また、第１の超音波送受波器６および第２の超音波送受波器７の信号線６ａ，７ａは、流量演算部２１に接続される。

このように組み立てられた超音波送受波器ユニット３２は、流路ボディ１９の上部に、間に巻込み流れ抑制シート８を介して取り付けられる。超音波送受波器固定ボディ３１の流路ボディ１９への取り付けは、材質が共に樹脂ならば、たとえば熱溶着によって行うことができる。

計測流路４の分割流路５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは、図２に示すように、それぞれ幅ｗで高さｈの矩形断面形状であり、同一の板厚ｔの仕切板２０ａ、２０ｂ、２０ｃを間に介している。また、副流路２２ａの付加流路２４ａは、幅ｗで高さｈ２の矩形断面形状であり、付加流路２４ｂは、幅ｗで高さｈ１の矩形断面形状である。付加流路２４ａと付加流路２４ｂは板厚ｔの副仕切板２３ｃを間に介している。また、副流路２２ｂの付加流路２４ｄは、幅ｗで高さｈ２の矩形断面形状であり、付加流路２４ｃは、幅ｗで高さｈ１の矩形断面形状である。

ここで高さについては、ｈ２＜ｈ１＜ｈ、とすることで流体流路２の流路断面が点線で示す円Ｆ内に入るようにしている。付加流路２４ｄと付加流路２４ｃは板厚ｔの副仕切板２３ｄを間に介している。計測流路４と副流路２２ａは板厚ｔの副仕切板２３ａを間に介しており、計測流路４と副流路２２ｂは板厚ｔの副仕切板２３ｂを間に介している。副流路２２ａおよび副流路２２ｂは、計測流路４の幅方向中心線Ｘおよび高さ方向中心線Ｙに対して、対称となるように配置している。

（超音波流量計の作用、効果）
まず、本開示の第１の実施の形態に係る超音波流量計の第１の作用、効果について述べる。

図５Ａは、特許文献１に係る従来の超音波流量計において、より大きなガス流量を計測するために流路を追加した流路ボディ３５を用いた超音波流量計１００の流路構成図を示している。流路数が４である計測流路４０に対して、流路数が２である副流路５２ａと流路数が２である副流路５２ｂとを追加し、合計の流路数を８とした流体流路の例を示している。ここで、追加した副流路５２ａの流路５４ａ、５４ｂ、副流路５２ｂの流路５４ｃ、５４ｄの矩形断面形状は、計測流路４の流路４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄと同一の幅ｗおよび同一の高さｈで構成されている。即ち、第１の実施の形態において、ｈ＝ｈ１＝ｈ２とした場合に相当する。

図５Ｂは、図５Ａに示す、出口部３５ｂの外径をΦＤ２とした超音波流量計１００のＥ矢視図である出口部３５ｂと、図１Ａに示す第１の実施の形態に係る、出口部１９ｂの外径をΦＤ１とした超音波流量計１のＢ矢視図である図１Ｃおよび図２に示す出口部１９ｂの比較図である。第１の実施の形態に係る超音波流量計１では、流体流路２が点線で示す円Ｆ内に収まるのに対し、超音波流量計１００では円Ｆよりも大きな円Ｇ内に収まっている。なお、この円Ｆ，円Ｇは、流体流路を内部に形成するために必要な流路ボディ３５の最小径に相当する。即ち、図５Ｂから分かる様に、ΦＤ１＜ΦＤ２であって、本開示の第１の実施の形態に係る超音波流量計１によると、計測流路４を内包する最小の円Ｆ内に、副流路２２ａと副流路２２ｂを配置することで、コンパクトな構成を実現できることが分かる。

次に、本実施の形態に係る超音波流量計１の第２の作用、効果について述べる。

図１ＡのＢ矢視図である図２に示すように、本実施の形態に係る超音波流量計１では、追加された副流路２２ａおよび副流路２２ｂは、仕切板２０ａ、２０ｂ、２０ｃおよび副仕切板２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの同一の板厚ｔも含めて、計測流路４の幅方向中心線Ｘおよび高さ方向中心線Ｙに対して上下左右対称となるように配置されている。

また、超音波流量計１は、流体流路２の上部の上流および下流には第１の超音波送受波器６および第２の超音波送受波器７からなる一対の超音波送受波器が配置されている。一対の超音波送受波器の一方から送信された超音波信号が、被計測流体を伝搬して、他方の超音波送受波器が受信するまでの伝搬時間に基づいて、被計測流体の流速または流量を演算する構成である。そのため、超音波信号は計測流路のみに伝搬する構成であるため、追加された副流路２２ａおよび副流路２２ｂにおいては、これらを通過する被計測流体の流速または流量は、直接計測されていない。

そのため、計測流路４、副流路２２ａ、および副流路２２ｂを通過する被計測流体の流量は、通過する被計測流体を直接計測する計測流路４における計測結果から、副流路２２ａおよび副流路２２ｂを含めた全体の被計測流体の流量を算出している。

例えば、流体流路２の流路断面積（計測流路４、副流路２２ａおよび副流路２２ｂの流路断面積の合計）に計測流路４で求めた被計測流体の流速を乗算することで算出することができる。また、計測流路４の流量と副流路２２ａおよび副流路２２ｂの流量の比率を予め求めておいて、計測流路４の流量から副流路２２ａおよび副流路２２ｂの流量を算出して合計して求めても良い。但し、何れの場合も、流量が変わっても計測流路４、副流路２２ａおよび副流路２２ｂの流速が同じであることが好ましい。

したがって、計測流路４、副流路２２ａおよび副流路２２ｂを通過する被計測流体の流速分布は、可能な限り均一とすることが必要であり、本実施の形態では計測流路４に対して副流路２２ａおよび副流路２２ｂを上下左右対称としていることで、通過する被計測流体はより均一な流れを実現することができ、高精度な計測を実現できる。

なお、追加された副流路２２ａおよび副流路２２ｂが、計測流路４に対して上下左右対称に配置され、しかも、図５Ｂの下方に「ＦＩＧ．２の場合」と記載している第１の実施の形態の出口部１９ｂの円Ｆ内に収まるようにしても、計測結果が好ましくない場合がある。

図６Ａ～図６Ｃは、その一例である超音波流量計２００を示す。図６Ａは、従来の超音波流量計において、大流量を計測できるようにする場合の他の流路構成図である。図６Ｂは、図６Ａの６Ｂ－６Ｂ断面図である。図６Ｃは、図６ＡのＪ矢視図である。

図６Ａに示す様に超音波流量計２００は、計測流路６０の左右に副流路３７ａおよび副流路３７ｂが、幅方向中心線Ｘおよび高さ方向中心線Ｙに対して上下左右対称に配置されている。しかし、副流路３７ａおよび副流路３７ｂの流路断面形状は、計測流路６０の分割流路６５ａ、６５ｂ、６５ｃ、６５ｄの矩形とは異なり、略半円であり、副流路３７ａ及び副流路３７ｂの流路断面積は、計測流路６０の分割流路６５ａ～６５ｄそれぞれの２．６倍程度大きい。

図７は、図６Ａ～図６Ｃに示す超音波流量計２００における流量計測結果を、実流量と流量係数により示すグラフである。ここで、流量係数（ｋとする）は、計測流量から実流量を演算するための係数で、実流量をＱｔ、計測流量をＱｍとする場合、ｋ＝Ｑｔ／Ｑｍとして定義されるものである。なお、計測流量Ｑｍは、計測流路６０、副流路３７ａおよび副流路３７ｂのそれぞれの流路断面積の合計に計測流路６０で求めた流速を掛けて全体の流量として算出している。

この流量係数ｋは、横軸の実流量Ｑｔに対して、１となるのが理想的であり、この時、通過する被計測流体の実流量Ｑｔと、計測流路６０で計測された流量から副流路３７ａおよび副流路３７ｂを含めた全体の被計測流体の流量算出値が一致していることを示す。したがって、横軸の実流量Ｑｔに対し、縦軸の流量係数ｋは値１の近傍で推移する形が理想的であって、計測精度が高いことを示す。

一方、図７に示す結果は、少流量時には流量係数ｋが１よりも大きな値を示し、大流量時には徐々に流量係数ｋが１に近づく推移を示している。これは、少流量時には、計測流路６０で実際に計測された流量から副流路３７ａおよび副流路３７ｂを含めた全体の被計測流体の流量算出値が、実流量Ｑｔよりも小さいため、流量係数ｋが１より大きく乗じないと実流量Ｑｔと一致しないことを示しており、計測精度が低いことを示している。

理由としては、副流路３７ａまたは副流路３７ｂの流路断面積が、計測流路６０の分割流路６５ａ～６５ｄよりも大きいため、少流量時には流路抵抗の大きな計測流路６０側には流れず、流路抵抗の小さな副流路３７ａまたは副流路３７ｂの側に流れやすくなり、均一な流れとならず被計測流体の流速分布が大きくなっているためである。また、大流量時には、副流路３７ａまたは副流路３７ｂの流路断面積だけでは被計測流体が十分流れないため、計測流路６０側にも流れ込み、徐々に均一な流れに変化している。

このように追加された副流路３７ａおよび副流路３７ｂが、計測流路６０に対して上下左右対称に配置されても、計測精度が好ましくない場合があり、少流量域から大流量域に対して、被計測流体の流速分布を可能な限り均一とすることが重要である。

これに対して、図１Ａ～図１Ｅおよび図２に示す本開示の第１の実施の形態に係る超音波流量計１における流量計測結果は、図８に示す通りである。図８によると、少流量域から大流量域に至る流量域で流量係数ｋが１．１０の近傍で推移しており、図７のように流量係数の変化がほとんどなく、流量係数の特性がフラットであって計測精度が高いことを示す。これは、副流路２２ａの付加流路２４ａ、２４ｂおよび副流路２２ｂの付加流路２４ｃ、２４ｄの流路幅を、主流路である計測流路４の分割流路５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの流路幅と同一の幅ｗとしたことで、流路抵抗の差を小さくできたためである。

以上の様に、本実施の形態によると、大流量の被計測流体を計測する場合に、コンパクトな外形形状を有しつつ、高精度な計測を実現できる超音波流量計を提供することができる。

（第１の変形例）
図１Ａ～図１Ｅおよび図２に示す本開示の第１の実施の形態に係る超音波流量計１においては、図５Ｂの下方に示す図１ＡのＢ矢視図のように、円Ｆ内に収まるように、副流路２２ａの付加流路２４ｂおよび副流路２２ｂの付加流路２４ｃの流路高さをｈ１と選定し、副流路２２ａの付加流路２４ａおよび副流路２２ｂの付加流路２４ｄの流路高さをｈ２に選定したが、流路幅を幅ｗとしておけば、流路高さを変更しても高精度な計測が可能である。

図９Ａ～図９Ｃは、第１の変形例に係る超音波流量計３００の構成図である。図９Ｂは、図９Ａの９Ｂ－９Ｂ断面図である。図９Ｃは、図９ＡのＮ矢視図である。

計測流路８０は、仕切板９０ａおよび仕切板９０ｂを介して、幅ｗで高さｈの矩形断面形状を有する分割流路８５ａ、８５ｂ、８５ｃで構成されている。また、副流路９２ａおよび副流路９２ｂは、副仕切板９３ａおよび副仕切板９３ｂをそれぞれ介して、計測流路８０に追加されており、幅ｗで高さｈ１の矩形断面形状に構成されている。

ここで、副流路９２ａおよび副流路９２ｂの流路高さｈ１を変化させた場合の流量計測結果を図１０に示す。図１０は、流路高さｈ１を、０．６８ｈ、０．６６ｈ、０．５８ｈ、０．５０ｈとした場合の、実流量に対する流量係数を示すグラフである。このグラフから分かるように、計測流路８０の分割流路８５ａ、８５ｂ、８５ｃ、と副流路９２ａと副流路９２ｂの流路幅を幅ｗとしておけば、流路高さを変更した４種類であっても、その結果に大きな差はなく、安定して高精度な計測が可能である。したがって、超音波流量計の外形サイズに制約がある場合は、流路幅を幅ｗに揃えたうえで、流路高さを任意に変更することができるので、柔軟な設計が可能となる。

（第２の変形例）
図１０に示すグラフでは、第１の変形例に係る超音波流量計３００において、実流量Ｑｔの範囲が３６０Ｌ／ｈ～２５，０００Ｌ／ｈである場合の流量係数ｋを示している。実流量Ｑｔの範囲がより少流量側の５０Ｌ／ｈ～２５，０００Ｌ／ｈであって、流路高さｈ１が０．６８ｈの場合の流量係数ｋは図１１に示すグラフの実線となる。

図１１から分かる様に、流路高さｈ１が０．６８ｈの場合、実流量Ｑｔは２，５００Ｌ／ｈ付近をピークとして少流量域側でも大流量域側でも流量係数ｋは低下する特性となっている。特に少流量域側で顕著に低下する傾向を示しているため、少流量時には計測流路８０と副流路９２ａ、９２ｂにおける流れが不均一で、より計測流路８０側に多く被計測流体が流れていることを示している。そこで、流量係数ｋの変動幅をさらに抑制して計測精度を向上させることを考えた場合、少流量時により均一な流れとさせるべく、副流路９２ａ、９２ｂの流路断面積を増加させることを検討した。

図１２Ａ～図１２Ｃは、第２の変形例に係る超音波流量計４００の構成を示している。

図１２Ａ～図１２Ｃにおいて、図９Ａ～図９Ｃに示した超音波流量計３００の形状と異なるところは、超音波流量計４００の副流路９４ａ、９４ｂの形状は矩形ではなく、台形とした点である。即ち、副流路９４ａ、９４ｂの流路幅（台形の平行な辺の間隔）は、計測流路８１の分割流路８６ａ、８６ｂ、８６ｃの流路幅と同一の幅ｗとし、流路高さは、長い辺を分割流路８６ａ、８６ｂ、８６ｃの流路高さと同一の高さｈとし、短い辺を高さｈよりも短い高さｈ１として、台形の脚に当たる辺が、分割流路８６ａ、８６ｂ、８６ｃを含む円に沿って斜めに構成されている。従って、本変形例における副流路９４ａ、９４ｂの流路断面積は、図９Ａ～図９Ｃに示した矩形の副流路に比べ大きくすることができる。そして、図９Ａ～図９Ｃに示した超音波流量計３００における総流路断面積と比較して、超音波流量計４００は副流路９４ａ、９４ｂの上下端部１か所あたり図１２Ｃの拡大図の斜線で示す略三角形状の面積が合計４か所分だけ増加している。

また、図３Ａ～図３Ｃに示した構造と異なるところは、図３Ａ～図３Ｃに示す流路ボディ１９と仕切板２０ａ、２０ｂと副仕切板２３ａ、２３ｂとを、図１２Ａ～図１２Ｃに示す超音波流量計４００では同材質（たとえば樹脂）にて一体成型した点である。また、超音波流量計４００において、図４に示した超音波送受波器固定ボディ３１をも含めて同材質で一体成型する構成としても良い。

図１２ＡのＱ矢視図である図１２Ｃに示した拡大図において、斜線で示す追加した略三角形状のコーナー部は適度な略Ｒ形状としており、たとえば樹脂で流路ボディ１９と仕切板９１ａ、９１ｂと副仕切板９５ａ、９５ｂとを一体型成型する場合、金型の離型抵抗を低減できるという効果が期待できる。

以上のように構成された超音波流量計４００において、特にｈ１＝０．６８とした場合の流量計測結果を、図１１の破線で示す。図１１のグラフから分かるように、図９Ａ～図９Ｃに示した超音波流量計３００の結果である実線よりも、特に実流量Ｑｔが５０Ｌ／ｈ～１，０００Ｌ／ｈの少流量側において流量係数ｋの変動幅が抑制（略４％から略１％）され、計測精度が向上している。これは副流路９４ａ、９４ｂの流路断面積が増加したことによって、少流量時に計測流路８１と副流路９４ａ、９４ｂにおいて、より均一な流れが実現できたためと考えられる。

また、図１２Ａ～図１２Ｃに示した超音波流量計４００において、超音波送受波器固定ボディ３１ａをも含めて同材質の樹脂成形で一体化する構成とすることを考えた場合、図１２Ａ～図１２Ｃのような構成であれば、流路ボディ１９ａと超音波送受波器固定ボディ３１ａとの合せ部分は樹脂が肉厚となるが、副流路９４ａ、９４ｂの上部側に略三角形状の流路断面増加部が設けられることで、樹脂肉厚はより均一となるため、より寸法精度の高い樹脂成形の実現が期待できる。

したがって、超音波流量計の外形サイズに制約がある場合は、副流路の断面形状として、流路幅を幅ｗに揃えたうえで、流路高さを任意に変更した矩形断面とすることを基本に考える。ただし、さらに均一な流れを実現して精度の高い計測を実現させるためには、副流路９４ａ、９４ｂの断面形状として、流路幅を計測流路８１の分割流路８６ａ～８６ｃの幅ｗに揃え、流路高さ方向は計測流路８１の分割流路８６ａ～８６ｃの高さの所定値の範囲で平行とした台形断面として、主流路である計測流路８１に対して、対称となるように配置すれば、均一な流れを実現させるための柔軟な設計が可能となる。

（その他の実施の形態）
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造、機能の詳細を実質的に変更できる。

以上説明したように、第１の開示は、被計測流体が流れる流体流路と、流体流路の上部の上流および下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波送受波器と、を備える。また、一対の超音波送受波器の一方から送信された超音波信号が、被計測流体を伝搬して、一対の超音波送受波器の他方の超音波送受波器が受信するまでの伝搬時間に基づいて、被計測流体の流速または流量を演算する流量演算部を備える。また、流体流路は、矩形断面の流路を同一の幅で分割した複数の分割流路で構成された主流路と、幅が分割流路と同一で、高さが分割流路より低い四角形断面を有する付加流路で構成された副流路を備える。さらに、流量演算部は、伝搬時間に基づいて求めた被計測流体の流速又は流量から、流体流路を流れる被計測流体の流量を演算する超音波流量計である。

この構成により、超音波流量計の外形サイズは比較的コンパクトであって、大流量の被計測流体の計測に対しても、高精度な計測を実現できる。

第２の開示は、特に第１の開示において、超音波送受波器から送信される超音波信号が、主流路内を流れる被計測流体を伝搬することを特徴とする。

この構成により、副流路で計測するよりも超音波信号の伝搬距離を長くすることができ計測精度が向上する。

第３の開示は、特に第１の開示において、副流路は、主流路に対して、対称となるように配置されている。

この構成により、被計測流体の流れ方向に対して、副流路および計測流路は対称形状であるため、より均一な流れを実現することができ、高精度な計測を実現できる。

第４の開示は、特に第２の開示において、副流路は、主流路に対して、対称となるように配置されている。

この構成により、被計測流体の流れ方向に対して、副流路および計測流路は対称形状であるため、より均一な流れを実現することができ、高精度な計測を実現できる。

第５の開示は、特に第１～４の開示のいずれかの１つにおいて、副流路が、主流路の流路断面を含む最小円内に配置されている。

第６の開示は、特に第１～４の開示のいずれかの１つにおいて、付加流路が、台形断面である。

第７の開示は、特に第５の開示において、付加流路が、台形断面である。

本開示は、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波送受波器を備えた計測流路に対して、より大流量の被計測流体を計測する場合に追加する副流路の各流路の流路幅を、計測流路の各流路の流路幅と同一とする。この構成を有することにより、比較的コンパクトな外形形状を有しつつ、高精度な計測を実現できる超音波流量計を提供できる。

１、１００、２００、３００、４００ 超音波流量計
４、８０、８１ 計測流路（主流路）
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、８５ａ、８５ｂ、８５ｃ、８６ａ、８６ｂ、８６ｃ 分割流路
６ 第１の超音波送受波器（超音波送受波器）
７ 第２の超音波送受波器（超音波送受波器）
２１ 流量演算部
２２ａ、２２ｂ、９２ａ、９２ｂ、９４ａ、９４ｂ 副流路
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ 付加流路

Claims (3)

1. 被計測流体が流れる流体流路と、
   前記流体流路の上部の上流および下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波送受波器と、
   一対の前記超音波送受波器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、一対の前記超音波送受波器の他方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速または流量を演算する流量演算部と、
   前記流体流路が構成された流路ボディと、を備え、
   前記流体流路は、矩形断面の流路を同一の幅で分割した複数の分割流路で構成された主流路と、幅が前記分割流路と同じで、高さが前記分割流路より低い四角形断面を有する付加流路で構成された副流路と、から成り、
   前記超音波送受波器から送信される超音波信号は、前記主流路内を流れる前記被計測流体を伝搬し、
   前記副流路は、前記主流路に対して、対称となるように配置され、
   前記副流路は、前記主流路の流路断面を含む最小円内に配置され、前記最小円は、前記流路ボディの内部に位置し、
   前記流量演算部は、前記伝搬時間に基づいて求めた前記被計測流体の流速又は流量から、前記流体流路を流れる前記被計測流体の流量を演算する超音波流量計。
2. 前記付加流路は、台形断面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. 前記主流路に対して対称となるように配置された前記副流路は、前記主流路を挟み込むように配置されている請求項１又は２に記載の超音波流量計。