JP3487307B1 - 流体の流れ計測装置 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 流体の流れ、および、超音波伝搬に改良を加
えることにより計測精度を高めることを目的とする。 【解決手段】 仕切板３を介して流路を複数の分割路４
に区分するとともに、前記分割路４を流れる流体の流速
を計測するために少なくとも一対の超音波送受信器７、
８を配置し、前記超音波送受信器７、８はスリット１
９、２０を縦方向に形成した圧電振動子１５、１６を有
し、このスリット１９、２０の形成方向と前記仕切板３
の設置方向とを同一方向に設定したものである。したが
って、圧電振動子１５、１６で発生する縦振動が各分割
路を確実に伝搬することとなる。

Description

【発明の詳細な説明】 【技術分野】

【０００１】 本発明は、超音波を利用してガス、水な
どの流体の流速およびまたは流量を計測するようにした
流体の流れ計測装置に関するものである。

【背景技術】

【０００２】 従来の流れ計測装置にあって、計測精度
を高めるべく、流路を仕切板を介して複数の分割計測路
に区分し、流れを安定させるものがあった（例えば、特
許文献１参照）。

【０００３】 すなわち、図１０は従来の計測装置を示
し、流体の計測流路５１は断面長方形の矩形状をしてお
り、その短辺側が仕切板５２を介して区分され、複数の
分割路５３を構成している。

【０００４】 前記計測流路５１への流体供給路５４は
次第に拡大する断面に、また計測流路５１からの流体送
出路５５は次第に縮小する断面に設定してある。

【０００５】 したがって、流体供給路５４から流入す
る流体は拡大断面で速度を落とし、その後、分割路５３
に均等に流動する。

【０００６】 分割路５３は流動する流体が２次元性流
れとなるようなアスペクト比、すなわち、扁平形状にな
っている。

【０００７】 そして、分割路５３において、流路５１
の対向する短辺側路壁で、かつ流れ方向に変位した位置
（上流側と下流側）には超音波送受信器（図示せず）が
配置してある。

【０００８】 前記分割路５３を流れる流体の速度は、
超音波送受信器５４、５５間の超音波伝搬時間若しくは
時間差に基づき算出され、必要に応じて、これに流路寸
法などを乗じて流量を演算するようにしている。

【０００９】 計測流路５１から流体送出路５５への断
面を次第に縮小したのは、流体の逆流を想定したから
で、逆流発生時、流体送出路５５から流入する流体は拡
大断面で速度を落とし、その後、分割路５３に均等に流
動するものである。

【特許文献１】特開平９−４３０１５号公報

【発明の開示】 【発明が解決しようとする課題】

【００１０】 しかしながら、前記従来の構成では、計
測流路５１での流体の流れ形態については計測精度を高
める上で相当の効果が認められるが、一方、超音波の伝
搬については未だ課題を有しており、流路の特長を十分
活かしきれていなかった。したがって、計測精度につい
てはさらなる改善が求められていた。

【００１１】 本発明は、前記従来の課題を解決したも
ので、より一層高精度な流体の流れ計測を可能にしたも
のである。

【課題を解決するための手段】

【００１２】 前記目的を達成するために本発明は、流
体が通過する流路と、前記流路を複数の分割路に区分す
る仕切板と、前記分割路を流れる流体の流速を計測する
ために配置された少なくとも一対の超音波送受信器とを
具備し、前記超音波送受信器は、スリットを形成するこ
とにより縦振動を主モードに設定した圧電振動子を有す
るとともに、この圧電振動子の振動の向きとほぼ平行に
前記仕切板を設置したもので、流体の測定に有効な縦振
動が分割路を合理的に伝搬することとなる。

【発明の効果】

【００１３】 本発明の流体の流れ計測装置によれば、
分割路を流体が層流状態で流れること、流体の測定に有
効な振動が分割路を合理的に伝搬することにより、流体
の流速およびまたは流量の測定精度を著しく向上できる
ものである。

【発明を実施するための最良の形態】

【００１４】 本発明の実施の形態は、流体が通過する
流路と、前記流路を複数の分割路に区分する仕切板と、
前記分割路を流れる流体の流速を計測するために配置さ
れた少なくとも一対の超音波送受信器とを具備し、前記
超音波送受信器は、スリットを形成することにより振動
の向きに方向性をもたせた圧電振動子を有するととも
に、この圧電振動子の振動の向きとほぼ平行に前記仕切
板を設置したものである。

【００１５】 そして、圧電振動子の振動の向きとほぼ
平行に前記仕切板を設置したものにあって、前記スリッ
トの長手方向と仕切板とはほぼ平行の関係にし、場合に
よっては、スリットと仕切板とを対向させる。

【００１６】 超音波送受信器からの振動に方向性をも
たせたため、分割路を介して相手の超音波送受信器へ合
理的に伝搬されることとなる。またスリットと仕切板と
を対向させると、振動伝搬的に高感度部分が分割路に対
応するため、さらなる精度向上が図れる。

【００１７】 スリットの長手方向と仕切板とが交差す
る関係にすれば、スリットにより区分された圧電振動子
の一部位に不良があっても、他の正常部位が分割路を介
して超音波を送受することになる。

【００１８】 さらに本発明では分割路の流体流れにも
一層の改良を加えている。すなわち、仕切板の少なくと
も流体流れ方向上流側端部の両側を、流れに対して前進
するように突出させて分割路の両側への流れを抑制し、
境界層付近の不均一な流れを可及的に抑えるようにして
いる。

【００１９】 流体に混入するダストの堆積を抑制する
ことを主体とする場合は、仕切板の少なくとも流体流れ
方向上流側端部の両側を、流れ方向に対して後退させれ
ばよい。

【００２０】 分割路の流体流れに乱れを生じさせない
ためには、仕切板の少なくとも流体流れ方向上流側端部
を流れ方向に対して先細状、例えば、円弧状に設定する
ことが考えられる。

【００２１】 本発明の流れ計測装置は、流速のみを計
測対象にしたものではなく、計測した流速に流路断面
積、および、所定の補正係数を乗じるようにすることで
流量を演算することも容易に実施できるであろう。

【実施例】

【００２２】 以下本発明の実施例について、図面を参
照しながら説明する。

【００２３】 （実施例１） 図１〜４おいて、流路１は、横断面形状が長方形の矩形
状に設定してあり、途中に計測部２が設定されている。
前記計測部２は、流路１の短辺側を複数の仕切板３で区
分して複数の分割路４を形成したものとなっている。

【００２４】 各分割路４は流体が２次元性流れ、すな
わち、層流状態で流れるようにそれぞれのアスペクト比
が設定してある。

【００２５】 流路１の上流側には流入路５が、下流側
には流出路６がそれぞれＵ字状に接続されており、これ
ら流入路５、流出路６の内部通路は蛇行状に設定してあ
る。

【００２６】 したがって、流入路５から流入する流体
は蛇行流動および通路横断面積の変化などによって整流
されて流路１の計測部２に至る。また流出路６も同構成
とした理由は、逆流発生を想定したものである。

【００２７】 計測部２の短辺側で斜めに対向する部
位、すなわち各分割路４の短辺側路壁の斜め対向部位に
は少なくとも一対の超音波送受信器７、８が配置してあ
る。具体的には、路壁より窪み９、１０を凹設し、ここ
に超音波送受信器７、８を納めた構成としてある。

【００２８】 前記窪み９、１０の開口部には路壁と面
一に多孔材１１、１２が設けてある。この多孔材１１、
１２は超音波の通過を許容し、反面、流体通過は実質阻
止する作用を発揮するもので、金網、パンチングメタル
などから構成されている。

【００２９】 したがって、分割路４を流れる流体が窪
み９、１０に分流して渦など乱流を起こすことがなく、
これによって、超音波伝搬が良好に行われるようにして
いる。

【００３０】 前記超音波送受信器７、８は、金属ケー
ス１３、１４の内頂面に圧電振動子１５、１６を、外頂
面に整合層１７、１８をそれぞれ配置した構成を採って
いる。

【００３１】 そして、前記圧電振動子１５、１６には
縦方向（図４のＡ方向）、すなわち、仕切板３の設置方
向とほぼ平行であって、しかも長手方向（図４のＢ方
向）の向きが同仕切板３の向き（図４のＣ方向）ともほ
ぼ一致する複数のスリット１９、２０がそれぞれ形成し
てある。

【００３２】 前記スリット１９、２０は、圧電振動子
１５、１６の横振動を抑制し、縦振動を主モードに設定
するもので、具体的には仕切板３の枚数と同数の３個が
形成してあり、しかも、前記仕切板３と対向している。

【００３３】 前記構成において、超音波送受信器７、
８の超音波伝搬路は分割路４を斜めに横切るごとく形成
されており、先ず上流側の超音波送受信器７から下流側
の超音波送受信器８に、その後下流側の超音波送受信器
８から上流側の超音波送受信器７に超音波が送受され、
計測手段２１がその時間差から一義的には流速を計測す
る。

【００３４】 もちろん、前記流速に分割路４の総断面
積および補正係数を乗じることで流量の演算も可能であ
ることは今さら云うまでもないことである。

【００３５】 超音波送受信器７、８の圧電振動子１
５、１６は、スリット１９、２０を形成したことにより
縦振動が主モードとなっており、これは仕切板３の設置
方向とほぼ平行となっているため、分割路４における振
動伝搬が高感度で行われることとなる。

【００３６】 しかも、本実施例では、スリット１９、
２０の長手方向（図４Ｂ方向）と仕切板３の向き（図４
Ｃ方向）もほぼ一致し、加えて同スリット１９、２０が
仕切板３と対抗しているため、感度の強い部位が分割路
４に対応し、より一層、振動伝搬の高感度化が促進でき
るものである。

【００３７】 その結果、分割路４での流体の層流流動
形態と相まって流速およびまたは流量の測定が高精度に
できるものである。

【００３８】 さらに、流体の流速を基に流量を演算す
る際、前記したように一般的には所定の補正係数（流量
係数ともいう）を乗じるが、本実施例のごとく流れが安
定し、しかも超音波伝搬が満遍なく行われるため、小流
量から大流量まで同じ補正係数（例えば、１）、すなわ
ち、平坦特性とすることができるものである。その結
果、流体の種類、例えば、空気、都市ガス１３Ａ、ＬＰ
ガスに関係なく、同じ値の補正係数とし得るものであ
る。

【００３９】 また、分割路４の全域を超音波が伝搬す
るところから、脈動流および逆流が発生しても的確な計
測ができ、例えば、ガスメータに応用すれば計測精度面
で優れたものが得られることとなる。

【００４０】 各仕切板３の流体流れ方向上流側端部の
両側は、流れに対して前進するように突出させてある。

【００４１】 これは、分割路４の両側路壁への流体の
流れを抑制し、境界層付近の不均一な流れの影響を可及
的に抑えたところにその目的があり、好ましくは、逆流
発生を考慮して各仕切板３の流体流れ方向下流側端部の
両側も逆流に対して前進するように突出させておくこと
が望ましい。

【００４２】 （実施例２） 図５は、各仕切板３の流体流れ方向上流側端部の両側
を、前記実施例１とは逆に流れに対して後退するように
切り込んだものである。

【００４３】 これは、流体中に含まれるごみがこの切
り込んだ部分より出ていくようにして分割路４へ溜まる
のを防止し、これにより、高精度の計測精度を長期間維
持するところにその目的があり、好ましくは、逆流発生
を考慮して各仕切板３の流体流れ方向下流側端部の両側
も逆流に対して後退するように切り込んでおくことが望
ましい。

【００４４】 それ以外の構成、作用などは実施例１と
同じであるため、説明は省略した。

【００４５】 （実施例３） 図６は、各仕切板３の流体流れ方向上流側端部を流体流
れ方向に対して先細状として、流体の圧損を可及的に小
さくするとともに、流体の流れに乱れが生じないように
して計測精度のさらなる向上を図ったものである。

【００４６】 先細状形状の具体的なものとしては、図
示のように円弧状にしてもよいし、或いは、ナイフエッ
ジ状、すなわち両側よりテーパをつけてもよい。

【００４７】 もちろん、この場合も、好ましくは、逆
流発生を考慮して各仕切板３の流体流れ方向下流側端部
も先細状としておくことが望ましい。

【００４８】 （実施例４） 図７に示すものは、圧電振動子１５、１６に、縦方向、
すなわち、仕切板３の設置方向とほぼ平行であって、し
かも長手方向の向きが同仕切板３の向きと交差するよう
に複数のスリット１９ａ、２０ａをそれぞれ形成したも
のである（図４のＢ方向をＣ方向と交差させたもの）。
その他の構成は実施例１と同一なため説明は省略した。

【００４９】 上記構成にあっては、スリット１９ａ、
２０ａによって区分された圧電振動子１５、１６の各部
位がそれぞれの分割路４と対応するため、特定の一つの
部位に不良が生じたとしても他の正常な部位が有効に働
くことになり、その結果、超音波伝搬の信頼性、ひいて
は流体の流速およびまたは流量計測の信頼性を大いに高
めることができる。

【００５０】 なお、本実施例４においても、各仕切板
３の流体流れ方向（逆流も含む）上流側端部の両側を流
れに対して前進するように突出させて、分割路４の両側
路壁への流体の流れを抑制し、境界層付近の不均一な流
れの影響を可及的に抑えるようにすることが考えら、ま
た逆に各仕切板３の流体流れ方向（逆流も含む）上流側
端部の両側を流れに対して後退するように切り込み、ご
み溜まりを防ぐようにしてもよい。

【００５１】 また、各仕切板３の流体流れ方向上流側
（逆流も含む）端部を流体流れ方向に対して円弧状、ナ
イフエッジ状の先細状として、流体の圧損を小さくし、
流体の流れに乱れが生じないようにして計測精度を向上
するようにしてもよい。

【００５２】 （実施例５）図８、９は仕切板３の支持
に工夫を加えたもので、流路１の下流側に位置し、かつ
上下方向に配置した一対の支持板２２は、流体の流れ方
向と平行の関係にあって、仕切板３の下流側端部が係合
する複数の係止溝２３を有するものである。

【００５３】 また、流路１の上流側両端部にも複数段
（本実施例では３段）にわたり係止溝２４が形成してあ
る。

【００５４】 各仕切板３は、それぞれの下流側端部を
支持板２２の係止溝２３に、上流側両端部より外側へ突
出形成したフランジ２５を流路１における上流側両端部
の係止溝２４に係止させることで流路１に取着されてい
る。

【００５５】 上記の構成で、支持板２２は流体の流れ
と平行関係にあるため、流れそのものに実質悪影響を与
えることはなく、また超音波送受信器７、８の超音波伝
搬路２６を避けてこれら支持板２２が設けてあるので、
超音波伝搬にも影響を及ぼさないものとなる。

【００５６】 以上から本実施例では低圧損の流路構成
が提供できるものである。

【００５７】 なお、上記実施例では流体の流れを超音
波が斜めに横切るように一対の超音波送受信器７、８を
配置した例を述べたが、この他、超音波を反射させて伝
搬する、いわゆる、Ｖパス方式、Ｗパス方式でもよく、
また流体の流れ方向の上下流側に対向させた、いわゆる
Ｉパス方式でも同様な作用効果が得られる。

【００５８】 また、仕切板の間隔は等間隔に限定され
るものではなく、流体流入形態に応じて流速分布を均等
にするために不等ピッチとしたり、上下対称ピッチとす
ることも考えられるものである

【産業上の利用可能性】

【００５９】 以上のように、本発明の流体の流れ計測
装置によれば、流速およびまたは流量の計測が高精度に
でき、ガスなどの気体流体から液体流体まで幅広く計測
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【００６０】

【図１】本発明の実施例１における流体の流れ計測装置
の横断面図

【図２】同装置の縦断面図

【図３】図１のＸ−Ｘ断面図

【図４】実施例１における圧電振動子と仕切板との関係
を示す説明図

【図５】本発明の実施例２における流れ計測装置の横断
面図

【図６】本発明の実施例３における仕切板の断面図

【図７】本発明の実施例４における流れ計測装置の横断
面図

【図８】（ａ）本発明の実施例５における仕切板の平面
図（ｂ）仕切板の断面図

【図９】（ａ）本発明の実施例５における計測路の横断
面図（ｂ）計測路の正断面図

【図１０】従来の流体の流れ計測装置の概略断面図

【符号の説明】

【００６１】 １ 流路 ３ 仕切板 ４ 分割路 ７、８ 超音波送受信器 １５、１６ 圧電振動子 １９、２０、１９a、２０a スリット

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−43015（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−43492（ＪＰ，Ａ) 特開2000−298045（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−64058（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/66

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体が通過する流路と、前記流路を複数の
   分割路に区分する仕切板と、前記分割路を流れる流体の
   流速を計測するために配置された少なくとも一対の超音
   波送受信器とを具備し、前記超音波送受信器は、スリッ
   トを形成することにより縦振動を主モードに設定した圧
   電振動子を有するとともに、この圧電振動子の縦振動の
   向きとほぼ平行に前記仕切板を設置した流体の流れ計測
   装置。
2. 【請求項２】スリットの長手方向と仕切板とがほぼ平行
   の関係にある請求項１記載の流体の流れ計測装置。
3. 【請求項３】スリットと仕切板とを対向させた請求項２
   記載の流体の流れ計測装置。
4. 【請求項４】スリットの長手方向と仕切板とが交差する
   関係にある請求項１記載の流体の流れ計測装置。
5. 【請求項５】仕切板の少なくとも流体流れ方向上流側端
   部の両側を流れに対して前進するように突出させた請求
   項１〜４のいずれか１項記載の流体の流れ計測装置。
6. 【請求項６】仕切板の少なくとも流体流れ方向上流側端
   部の両側を、流れに対して後退させた請求項１〜４のい
   ずれか１項記載の流体の流れ計測装置。
7. 【請求項７】仕切板の少なくとも流体流れ方向上流側端
   部を流体流れ方向に対して先細状に設定した請求項１〜
   ６のいずれか１項記載の流体の流れ計測装置。
8. 【請求項８】計測した流体の流速に基づき流量を演算に
   より求めるようにした請求項１記載の流体の流れ計測装
   置。