JP3413618B2 - 流体流量計コントローラ - Google Patents

流体流量計コントローラ

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JP3413618B2
JP3413618B2 JP10920294A JP10920294A JP3413618B2 JP 3413618 B2 JP3413618 B2 JP 3413618B2 JP 10920294 A JP10920294 A JP 10920294A JP 10920294 A JP10920294 A JP 10920294A JP 3413618 B2 JP3413618 B2 JP 3413618B2
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ジョルジョ・ベルガミーニ
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    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662Constructional details
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00Fluid handling
    • Y10T137/8158With indicator, register, recorder, alarm or inspection means

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は、超音波を使用し、かつ特殊な幾
何形状の測定管に関連した適切な手段を採用することに
よって、全ての状態において、前記測定管内では、放物
線状の流体速度分布を有する絶えず層状の流れを確保
し、それ故に超音波ビーム用のエミッタ−センサ対を、
信号がほとんど乱れず、かつ最大強度を有している測定
管軸線に沿って位置決めし整合させることができ、更
に、如何なる流体でもその流量の経済的かつ高精度の測
定を達成できるだけでなく、確かに安全性の理由から、
最近出現の国内用、特に産業用のガスメータに要求され
ているように、前記流量を容易かつ精密に制御でき、又
その流れを即座に遮断できる新規の流量計に関する。
【0002】現在の技術状態では、この種のガスメータ
としては、回転分配器又は往復動すべり弁等により、ベ
ロー型の、それ故幾何形状が可変の1つ又はそれ以上の
室の内のガス容積変位によって作動し、流量は前記室の
容積変位に比例する機械系が用いられている。
【0003】しかしながら、この種の公知メータは、機
械的に複雑で、それ故にコストが高く可動部品を含む構
造であり、可動部品の避け難い摩耗と汚損が測定精度を
害する等の欠点を有している。また、その精巧な機械的
性質のために、これらの部品は、コストが高く構造上複
雑化させることなく、“知的な”メータとして開発する
のに特に不適当なものとなっている。
【0004】技術状態からは、一般に超音波原理に基づ
きガスや流体の流量を測定する、即ち超音波ビームがエ
ミッタから測定管の軸線に対して様々に位置したセンサ
又はレシーバへと進むに要する時間の変動を測定する各
種型式の系統も公知である。
【0005】上記の超音波原理は、本質的にごみ等には
無感覚であり、相対的な測定系を“知的に”開発するの
に適しているけれども、測定管内の、特に管軸線に沿っ
た流体の運動型式によって強く影響されるので、流体の
運動が層流から乱流へと進む意味で同流体運動に断続が
ある毎に、流量測定は流体速度分布の放物線プロフィー
ルから平坦プロフィールへの変化の結果として生じる誤
差によって影響を受けると言う重大な欠点を有してい
る。また、でたらめに層流とも、乱流ともなり得る流れ
が存在することによって、発生するうずにより乱流が確
かに超音波測定に別の乱れを誘引することに加えて、常
に測定精度や不安定性について無視できない問題が生じ
ている。
【0006】上述の乱流による欠点を除くために、前記
公知の超音波測定系は、測定管軸線、即ち層状体勢から
乱流体勢に進む際に最大の速度変化が生じる領域である
(もっとも、正確には、発進した信号が実際上変形せず
最小のゆがみでセンサに達する最良の可能な正度と精度
状態下で測定を行なうことができる層流の場合にこの領
域においてであるが)管軸線の方向に超音波ビームを配
向させないような様々な手段を用いている。この配向
は、代りに、管半径の半分より僅かに大きく前記軸線か
ら片寄らせ、層流及び乱流両者にとって流速がおよそ等
しい領域で作動させてもよい(この関点から、National
Research Development Co.の米国特許第4,07
8,428号及びE.I.Du Pont de Nemours & C
o.の米国特許第4,102,186号を参照された
い)。
【0007】しかしながら、これらのオフセット測定に
よれば、超音波ビームの細条は様々な速度で進み異なる
時刻にセンサに達するので、伝達した信号をゆがめた
り、また正確な流量値に近い平均を得るための多数回の
測定を行なうと共に前記信号の複雑でコストのかかる取
扱い方を必要としている。
【0008】従って、公知の超音波流体流量測定系は、
全て、複数個のエミッタ及びセンサが必要であること、
実質的に流体運動の法則に依存した測定を達成するため
にデータを複雑に処理する際労苦と高いエネルギ消費を
必要とすること、更に数回の測定の平均として得られる
概算測定は不都合であること等、コスト高による限界を
有している。
【0009】従って、本発明の目的は、測定管内の流体
にとって放物線プロフィールを備えた絶えず層状の運動
を確保することによって、前記管の軸方向に沿って配置
した2対のみの超音波エミッタ−センサを用いて、その
完全遮断の範囲まで精確な流量制御を行ないながら、精
密で信頼性があり繰返し可能な流量測定を行なうことを
可能とした流量計を提供することによって、上述の欠点
を除去することである。
【0010】この目的は、測定管が直線形であり、かつ
流体を前記測定管内で連続した加速下に維持するなら
ば、前記流体は前記管内で層状運動の状態を常に保持
し、決して乱流運動に進むことがないことを実験的に見
い出したことによって、実質的に達成される。そのため
には、測定管を直線状とすると共に、運動が確実に層状
である入口部分から始めて断面を均一に減少させること
で十分である。これは、前記入口部分を十分に大きくし
て最大の予想流量でも層状運動を確保し、それに乱流防
止グリッドを設けることによって実質的に達成される
が、同乱流防止グリッドの目的はその入口での圧力降下
を前記測定管内にも生み出して、乱流によって生じる管
外への速度脈動を低減させ、それ故当該グリッドの各点
において均一な流体速度を得ることである。
【0011】しかしながら、前記2対の超音波エミッタ
−センサは今では直線状測定管と同軸に設置しなければ
ならないので、これらの存在が管内に乱流を起し、それ
がために測定を変えることがないようにするために、前
記管の軸線まわりに対称な環状の径方向延長体の管入口
を用いている。環状構造体の乱流防止グリッドを備えた
この入口は、円弧の形に湾曲され、同湾曲部分でも層状
運動を確保するために流体を加速下に維持するように断
面が減少している環状入口ダクトに接続しており、入口
ダクトは、前記入口エミッタ−センサ対に対面して、正
面端部が管軸線に正接している円弧を回転して得られる
実質的に円錐状の延長体のフェアリングを備えている。
【0012】この様式で、必然的に乱流を生じる非対称
の速度成分を流体運動に導入することなく、流れ方向を
径方向から軸方向に変化させることによって、流体運動
は層状のみであるようにする前記測定管軸線まわりに対
称の構造体が得られる。
【0013】また、入口エミッタの超音波ビームが測定
管内に進入できるようにするために、前記ダクトの前記
フェアリングは、超音波ビームにとって最小屈折率を有
する透明材質で形成してある。
【0014】最後に、出口エミッタ−センサ対が軸方向
に存在しているために、また測定管内の流体の層状運動
を乱すことがある出口流体流れ用の制御及び/又は遮断
部材が恐らく存在しているために、測定管の出口で乱流
が生じるのを防ぐため、前記直線状測定管の前記出口は
超音波ビームにとって最小屈折率の透明な軸流そらせ体
で形成し、このそらせ体は、出口エミッタ−センサ対の
正面に同軸に位置し、層流の維持が確保できるように流
体を常に加圧下に維持するために断面が減少しかつ環状
の径方向出口ポートを有している環状出口ダクト内に前
記流体を運ぶようになっている。
【0015】前記出口ポートは、前記そらせ体の円筒状
部分まわりに前記測定管軸線に沿って可動な部材によっ
て完全閉鎖まで収縮させることができ、またその位置が
何処にあれ、前記出口ダクトの断面を常に減少するよう
に維持して層状の流体運動を維持するような形状となっ
ている。
【0016】しかしながら、この種の流量計コントロー
ラは、流体運動が完全に層状であるとしても、その入口
では、乱流運動の平坦な速度プロフィール特性を示すこ
と、それに徐々にではあるが、管に沿ってレイノルズ数
に依存したある距離以降では層状運動の安定した放物線
パターン特性を呈することが実験から見い出されてい
る。
【0017】従って、行なうべき測定の正確さに対して
明白な乱れの源を意味するこの矛盾を排除するために、
流量計コントローラの前記乱流防止グリッドは、前記入
口において安定した放物線速度分布を瞬時に与えるよう
な様態に形成してある、即ち実験的に規定した適切な関
係に従って流体の通過抵抗が一端から他端に増大するよ
うな構造となっている。
【0018】更に詳述すれば、好ましい実施例による
と、前記グリッドは、該グリッドの外側端部から内側端
部へと減少するように距離を置いて相互に軸方向に対面
している一連の同一で小厚のリングで構成されている。
この様態では、前記リング間の距離が最大であり、それ
故通過抵抗が最小である(これは、正確には測定管の中
央領域で生じる)処で、流体速度は最大となり、そして
前記距離が減少するにつれて、流体速度は前記測定管の
壁に相当する前記グリッドの内側端部で最小となるよう
に減少している。
【0019】従って、本発明は、試験下の流体用の入口
及び出口を有する直線状の測定管と、前記入口及び出口
に対応した少なくとも1対の超音波ビームエミッタであ
って、対応する少なくとも1対のセンサ又はレシーバと
共働して前記ビームが前記エミッタから前記センサに進
むに要する時間を流れ方向及びその反対方向の両方向に
おいて測定する超音波ビームエミッタとを包含する流体
流量計コントローラにおいて、前記対の超音波エミッタ
−センサは断面が前記入口から均一に減少している前記
直線状測定管と同軸に設置されており、前記入口は前記
測定管軸線まわりに対称な環状の径方向延長体であり、
試験下の前記流体の通過に対して外側端部から内側端部
へと増大する抵抗を与える環状構造体のグリッドを備
え、かつ断面が均一に減少する円弧の形に湾曲した環状
入口ダクトによって前記測定管に連結されており、前記
入口ダクトは前記入口エミッタ−センサ対に対面して実
質的に円錐状の延長体の入口そらせフェアリングを備
え、そして前記出口エミッタ−センサ対に対面してこれ
と同軸に、軸流そらせ体が前記流体を断面が減少する環
状出口ダクト内に運ぶために設けてあり、前記出口ダク
トの出口ポートは環状の径方向延長体であり、操作手段
により前記測定管軸線に沿って可動の弁部材によって完
全閉鎖まで収縮させることができることを特徴としてい
る。
【0020】本発明の好ましい実施例によれば、環状構
造体の前記グリッドは、当該グリッドの外側端部から内
側端部へと減少するように距離を置いて相互に軸方向に
対面している一連の同一で小厚のリングから成ってい
る。
【0021】本発明の他の好ましい実施例によれば、前
記入口そらせフェアリングは、前記超音波ビームにとっ
て最小屈折率を有する透明材質の本体であって、一端が
前記測定管軸線に正接した円弧を回転して得られる実質
的に円錐状の延長体の本体から成っている。
【0022】前記軸流そらせ体は、本発明によれば、実
質的に円錐状の延長体の本体であって、前記超音波ビー
ムにとって最小屈折率の透明材質から形成され、かつ前
記弁部材を案内し支持脚によって前記測定管に固定した
中空の円筒状部分によって支持された本体から成ってい
る。
【0023】本発明の他の好ましい実施例によれば、前
記弁部材を前記測定管軸線に沿って移動させる前記手段
は、前記管軸線に平行に配置され前記弁部材に一体の大
歯車に係合しているピニオンを減速歯車列を介して作動
する電気モータから成り、前記弁部材は前記そらせ体の
前記中空円筒状部分上で軸方向に摺動自在で、前記測定
管に一体に固定した容器によって支持したボール再循環
ねじに固定されており、前記ピニオンは前記出口ポート
の完全閉鎖まで前記弁部材の全回転及び並進走行中に前
記係合を確保するような長さを有している。
【0024】この様態では、前記モータにより前記ピニ
オンを一方向に、又は他方向に回転させる毎に、前記弁
部材の回転を生じ、これを前記ボール再循環ねじによっ
て軸方向の並進運動に変換している。
【0025】最後に、前記超音波ビームに向かう前記入
口そらせフェアリングの不完全な透明性から起り得る問
題を未然に防ぐために、本発明の変更例によれば、前記
フェアリングをなしで済ませ、そして前記フェアリング
を除いたことで生じる乱流うずの形成を防ぐために、前
記フェアリングの元来の外形を越えて外方に突出た小型
のそらせ体リングによって、前記フェアリングを除いた
ことで生じた空間を占める静止うずの発生を安定化させ
るように局所の流体加速を生み出す手段を採用してい
る。
【0026】同様の理由から、前記出口エミッタ−セン
サ対の正面に位置した実質的に円錐状の延長体の前記透
明軸流そらせ体は、共通の軸側部を有し、かつ120°
離れて径方向に配置した3個のフィンであって、前記測
定管に固定されて前記弁部材用の前記中空円筒状案内部
分を支持するフィンから成る安定化装置に取替えてい
る。
【0027】この関点では、前記そらせ体を除くことに
よって、実質的に前記出口エミッタ−センサ対の正面
に、流体よどみ圧を受ける空所が生じており、この流体
よどみ圧は前記流体を当該空所の一側部から他側部に進
ませることによって、前記測定管に沿って伝播しながら
流れの層状性を乱し、それ故測定を乱すことがある振動
運動を引き起すこともあるが、前記安定化装置のフィン
は正確に前記振動を防ぐように働いている。
【0028】以下、本発明の範囲を逸脱することなく技
術的、科学技術的あるいは構造的な変更を行なうことが
できる非限定的な例としての好適な実施例を示す添付図
面を参照して、本発明を更に詳述する。例えば、環状構
造体の前記グリッドは、適当に離して隔置した一連のリ
ングから成る代りに、直径が当該グリッドの外側端部か
ら内側端部へと減少している一連の通し管で構成しても
よく、また超音波ビームの代りに、レーザビームを使用
することもできる。
【0029】図面中、符号1は流体流量計コントローラ
の直線状の測定管を示すが、同測定管は断面が環状フラ
ンジ2及び3をそれぞれ設けたその入口1′からその出
口1″へと減少している。
【0030】フランジ2及びこれに対してボルト5及び
スペーサ6によって固定された閉鎖片4は、流量計コン
トローラの環状の径方向入口7を一緒に画定しており、
この入口は測定管1の軸線8まわりに対称的に延在して
いる(詳しくは図2参照)。前記入口7は、相互に距離
を置いて軸方向に対面している一連の同一で小厚のリン
グ10から成る環状構造体のグリッド9を備えており、
同リングは前記グリッド9の外側端部11から内側端部
12へと増大する流れ通過抵抗を決めるように端部11
から端部12へと減少している(詳しくは図5参照)。
入口7は、円弧14の形に、かつ断面が均一に減少する
形に(図2参照)湾曲した環状の入口ダクト13を介
し、そして2個のエミッタ−センサ対、即ち入口対17
及び出口対18間に延びる図面中2本の点線の間にある
超音波ビーム16にとって最小屈折率の透明体から成る
入口そらせフェアリング15を介して測定管1に接合し
ており、同エミッタ−センサ対は測定管1に同軸に設置
され、ケーブル17′及び18′を介して電力供給され
る。前記フェアリング15は、端部20が前記測定管1
の軸線8に正接している円弧19を前記軸線8のまわり
に回転させることで得られる実質的に円錐状の延長体で
ある。
【0031】前記出口エミッタ−センサ対18は、測定
管1の出口1″で、支持脚22によって同測定管に固定
した中空の円筒状部分21によって支持されている。前
記部分21の正面には、前記環状フランジ3と前記円筒
状部分21上で回転自在かつ並進自在の弁部材25とに
よって画定され断面が減少する環状の出口ダクト24内
に流れを運ぶための軸流そらせ体23が設けてある。前
記軸流そらせ体23は前記超音波ビーム16にとって最
小屈折率を有する透明材質で製作した実質的に円錐状の
本体から成り、前記弁部材25は、ボルト28及びスペ
ーサ29により前記フランジ3に連結したプレート27
によって支持されているボール再循環ねじ26に固定さ
れ、これらプレート、ボルト及びスペーサはメッシュ3
0で保護した固定容器を形成している。また、この弁部
材25は、軸33によって測定管1の軸線8に平行に支
持され減速歯車35及び36を介して電気モータ34に
よって回転されるピニオン32に係合している大歯車3
1を備えており、前記ピニオン32は、前記環状出口ダ
クト24のポートを完全に閉鎖するに要する前記弁部材
25の前記回転及び並進走行ができるように前記大歯車
31との係合を維持するに充分な長さを有している。
【0032】図5の変形例においては、前記入口そらせ
フェアリング15(図中点線で示す)は、前記フェアリ
ング15の元の形状を越えた処38で外方に突き出てい
る小型のそらせ体リング37に取替えてある。
【0033】最後に、図3及び図4においては、前記の
出口軸流そらせ体23は、共通の軸側部43を有する3
個のフィン40,41及び42であって、120°離れ
て配置され、かつ測定管1に固定されて、前記中空円筒
状部分21を支持するフィンから成る安定化装置39に
取替えてある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による流体流量計コントローラの斜視図
である。
【図2】図1の流量計コントローラの尺度を変えた縦断
面図である。
【図3】本発明の変形例による尺度を大きくして図2の
線A−Aから見た断面図である。
【図4】図3の線B−Bから見た縦断面図である。
【図5】本発明の変更例による図2の詳細について相当
に拡大した縦断面図である。
【符号の説明】
1 測定管 2,3 フランジ 4 閉鎖片 5 ボルト 6 スペーサ 7 入口 8 軸線 9 グリッド 10 リング 11 グリッド外側端部 12 グリッド内側端部 13 入口ダクト 14 円弧 15 入口そらせフェアリング 16 超音波ビーム 17 入口エミッタ−センサ対 18 出口エミッタ−センサ対 19 円弧 20 円弧端部 21 中空円筒状部分 22 支持脚 23 軸流そらせ体 24 出口ダクト 25 弁部材 26 ボール再循環ねじ 27 プレート 28 ボルト 29 スペーサ 30 メッシュ 31 大歯車 32 ピニオン 33 軸 34 電気モータ 35,36 減速歯車 37 そらせ体リング 39 安定化装置 40,41,42 フィン 43 軸側部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01F 1/66

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試験下の流体用の入口及び出口を有する直
    線状の測定管と、前記入口及び出口に対応した少なくと
    も1対の超音波ビームエミッタであって、対応する少な
    くとも1対のセンサ又はレシーバと共働して前記ビーム
    が前記エミッタから前記センサに進むに要する時間を流
    れ方向及びその反対方向の両方向において測定する超音
    波ビームエミッタとを包含する流体流量計コントローラ
    において、前記対の超音波エミッタ−センサは断面が前
    記入口から均一に減少している前記直線状測定管と同軸
    に設置されており、前記入口は前記測定管軸線まわりに
    対称な環状の径方向延長体であり、試験下の前記流体の
    通過に対して外側端部から内側端部へと増大する抵抗を
    与える環状構造体のグリッドを備え、かつ断面が均一に
    減少する円弧の形に湾曲した環状入口ダクトによって前
    記測定管に連結されており、前記入口ダクトは前記入口
    エミッタ−センサ対に対面して実質的に円錐状の延長体
    の入口そらせフェアリングを備え、そして前記出口エミ
    ッタ−センサ対に対面してこれと同軸に、軸流そらせ体
    が前記流体を断面が減少する環状出口ダクト内に運ぶた
    めに設けてあり、前記出口ダクトの出口ポートは環状の
    径方向延長体であり、操作手段により前記測定管軸線に
    沿って可動の弁部材によって完全閉鎖まで収縮させるこ
    とができることを特徴とする流体流量計コントローラ。
  2. 【請求項2】請求項1記載の流体流量計コントローラに
    おいて、環状構造体の前記グリッドは、当該グリッドの
    外側端部から内側端部へと減少するように距離を置いて
    相互に軸方向に対面している一連の同一で小厚のリング
    から成ることを特徴とする流体流量計コントローラ。
  3. 【請求項3】請求項1記載の流体流量計コントローラに
    おいて、前記入口そらせフェアリングは、前記超音波ビ
    ームにとって最小屈折率を有する透明材質の本体であっ
    て、一端が前記測定管軸線に正接した円弧を回転して得
    られる実質的に円錐状の延長体の本体から成ることを特
    徴とする流体流量計コントローラ。
  4. 【請求項4】請求項1記載の流体流量計コントローラに
    おいて、前記軸流そらせ体は、実質的に円錐状の延長体
    の本体であって、前記超音波ビームにとって最小屈折率
    の透明材質から形成され、かつ前記弁部材を案内し支持
    脚によって前記測定管に固定した中空の円筒状部分によ
    って支持された本体から成ることを特徴とする流体流量
    計コントローラ。
  5. 【請求項5】請求項1記載の流体流量計コントローラに
    おいて、前記弁部材を前記測定管軸線に沿って移動させ
    る前記手段は、前記管軸線に平行に配置され前記弁部材
    に一体の大歯車に係合しているピニオンを減速歯車列を
    介して作動する電気モータから成り、前記弁部材は前記
    そらせ体の前記中空円筒状部分上で軸方向に摺動自在
    で、前記測定管に一体に固定した容器によって支持した
    ボール再循環ねじに固定されており、前記ピニオンは前
    記出口ポートの完全閉鎖まで前記弁部材の全回転及び並
    進走行中に前記係合を確保するような長さを有している
    ことを特徴とする流体流量計コントローラ。
  6. 【請求項6】請求項1記載の流体流量計コントローラに
    おいて、実質的に円錐状の延長体の前記入口そらせフェ
    アリングを、前記フェアリングの元来の外形を越えて外
    方に突出た小型のそらせ体リングに取替えたことを特徴
    とする流体流量計コントローラ。
  7. 【請求項7】請求項1記載の流体流量計コントローラに
    おいて、前記出口エミッタ−センサ対の正面に位置した
    実質的に円錐状の延長体の前記透明軸流そらせ体を、共
    通の軸側部を有し、かつ120°離れて径方向に配置し
    た3個のフィンであって、前記測定管に固定されて前記
    弁部材用の前記中空円筒状案内部分を支持するフィンか
    ら成る安定化装置に取替えたことを特徴とする流体流量
    計コントローラ。
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