JP3922021B2 - 超音波流量計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波により気体や液体の流量や流速の計測を行う超音波流量計測装置に関するのもである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種超音波流量計測装置としては、例えば特開平９−１８５９１号公報や特開平１１−３５１９２６号公報が知られており、図５は特開平９−１８５９１号公報の例を示す。図５において、被計測流体を流す計測流路１の中心線を挟んで対向し、かつ中心線に対して所定角度を有する周面に一対の超音波送受信器２、３を設けると共に、計測流路１の流体流入口４に計測流路１と同一方向の向きに、平行に配列された複数の細管５から構成した整流体６を設けている。そして、流体の流れに対して順方向と逆方向に超音波を超音波送受信器２、３間で送受信して、両方向の伝搬時間差から流速を計測し、配管の断面積より流量を算出している。このとき、計測流路１に入る流れは整流体６を構成する細管５によりその流れ方向を計測流路１と同一方向に規制して、計測部での流線の傾きを低減したり、渦の発生を抑制して流れの乱れの境界面での超音波の反射や屈曲による超音波の受信レベルの変動を低減して測定精度の悪化を防止している。更に他の例としての特開平１１−３５１９２６号公報における例を図６に示す。同図６において、計測流路１、超音波送受信器２、３、流体入口４は前記図５に示した例と同じであるが、流体入口４に整流体６の変わりに、流れ方向規制手段７と流れの変動抑止手段８を配設したものである。この流れ方向規制手段７は図７に示す様に流路を細かく分割する数枚の縦仕切り板９と横仕切り板１０を設け、仕切り板９、１０に設けた傾斜で流れの方向を規制し、図５における整流体６の細管５と同様に計測流路の流れの方向を所望の向きにそろえている。変動抑止手段８は計測流路の横断面に対し多数の微細形状の連絡路を配置したもので網状のメッシュ、プラスチックや発泡金属等の発泡体、プレス加工板やエッチング加工板、不織布等を単独あるいは複数組み合わせた物であり、その微細な連絡路が計測流路１の流れの変動防止と整流化を行う。又特開平１１−３５１９２６号公報には変動抑止手段８と流れ方向規制手段７とはそれぞれ単独或いは隣接して併設が可能な例が示されている。
【０００３】
以上のように、細管５を有する整流体６、流れの方向を規制する流れ方向規制手段７、微細な孔を有する変動抑止手段８は、計測流路入口４に設置し、流路を流れて来る流体の不均一な流速分布の改善と、流速の瞬時的な変動の均一化を行うことで、計測流路１を流れる流体の整流化を行い流量の計測精度を向上させる目的で設けられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来の構成では、流量計測装置を小型化するために必要な短い間隔での流路の屈曲や細管化、開閉弁部の流路の屈曲、局部的な断面積の変化などがある場合には、屈曲部で偏流が発生し、その上流路の断面積の縮小が偏流の強度や乱流を増大させる。図５の細管式の整流体６では流れの方向を整える口径と長さの比が１対１０程度の比較的長い細管５が必要であるため、流量計測路が大型化し、圧力損失も大きくなり計測可能な上限流量が制限されるという課題があった。また流れ方向規制手段７の単独設置では偏流の向きを変更できるが偏流の強度を弱める効果が少ないという課題があった。変動抑止手段８においても一個の微細孔の流体通過抵抗を大きくして通過する流量を規制し、変動抑止手段８の全面に設けてある微細孔全体に均一に流体を通過させる様にして計測流路内の流速分布の改善を行っているので、激しい偏流がある場合、これを緩和、抑止出来なくなったり、所望の偏流防止効果を得る為には圧力損失が過大になるという課題を有していた。さらに、流れ方向規制手段７と変動抑止手段８とを計測流路１の入口４に接近して併設したものにおいても激しい偏流がある場合には整流効果が発揮できない課題を有していた。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するもので、計測流路の入口に至る前に強力な偏流防止を行い、更に計測流路入口で整流作用又は流れ方向の規制と整流作用を行って、計測流路を流れる流体の流量分布の改善を行うことで、流路の短縮化、小型化、高計測精度化を実現し、装置全体を小型化した流量計測装置を提供することを目的とする。
【０００６】
尚、従来例で述べた計測流路１の入口４に設けた整流体５、流れ方向規制手段７、流れ変動抑制手段８、は本発明においては、一括して以下整流手段と呼ぶ。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測装置は、開閉弁と開閉弁下流側流路に装着した偏流抑制手段とを有する導入路と、前記導入路とは別体で形成され前記導入路の後端からほぼ直角に屈曲して形成され、その入口部に整流手段を有する計測流路と、前記計測流路の対向壁面に設けた少なくとも一対の超音波送受信器と、前記超音波送受信器間の超音波の伝搬時間を計測する計測制御部と、前記計測制御部からの信号に基づいて流量を算出する演算部と、前記計測流路の前記開閉弁下流側流路に対向する壁面に設けられた窪みとを設けたものである。
【０００８】
これによって、流体が開閉弁を通過する時に開閉弁部で曲げられ、開閉弁下流側の流路の対向壁面に衝突することで生じた偏流が偏流抑制手段で流路全面に拡散緩和され、曲り部で攪拌され、更に計側流路入口に設けた整流手段で流速分布の改善と、短い間隔で発生する流量の脈動が削減される事になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波流量計測装置は、開閉弁及び前記開閉弁の下流側に配設した偏流抑制手段とを有する導入路と、前記導入路の軸方向からほぼ直角に屈曲して配設した計測流路と、前記計測流路の流路を挟んだ対向壁面に設けた少なくとも一対の超音波送受信器と、前記一対の送受信器間の超音波の伝搬時間を計測する計測制御部と、前記計測制御部からの信号に基づいて流量を算出する演算部とを備えてなる超音波流量計測装置とすることにより、流体が開閉弁を通り前記開閉弁の弁座開口部をへて下流側流路に流れ込み、下流側流路の対向壁面に衝突してから流路壁面に沿って流れる事で生じる偏流が偏流抑制手段で抑制、緩和され、曲り部で交じり合った後、方向を変え、計側流路入口に設けた整流手段で更に整流作用を受ける事となり、計測流路の流速分布が改善され、短い間隔で発生する流量の脈動も削減することが出来る。
【００１０】
また、偏流抑制手段を筒状の格子とすることにより、開閉弁の弁座開口部下流で発生した偏流の一部が筒状格子の孔を通過するとき圧力損失を生じて抵抗体となり、前記偏流が流れの方向を変えて筒状格子の上流側表面上を流れ、偏流が流れる筒状格子の孔が順次広がり流路全体に偏流を拡散させることができる。
【００１１】
また、偏流抑制手段を開閉弁の弁座開口部下流の段差に隣接して設置したことにより、開閉弁の弁座開口部を通過して、対向壁に衝突した流体は壁面に沿って下流側へ流れるが、直ちに偏流抑制手段に当たるので対向壁面に沿って流れて偏流が十分に発達する事が出来無くなり偏流抑止効果が増強することができる。
【００１２】
【実施例】
以下発明の実施例について、図面を参照しながら説明をする。
【００１３】
（実施例１）
図１、２は、本発明の実施例１における超音波流量計測装置の断面図及び上面一部断面図を示すものである。
【００１４】
図１に於いて、２１は被計測流体の導入路であり、流入口２２、電磁式またはステッピングモーター式などの開閉弁２３、開閉弁下流側流路２４、偏流抑制手段２５で構成されている。開閉弁下流側流路２４は開閉弁２３の弁座開口部２６より下流側であり、矩形の断面形状を有する。偏流抑制手段２５は筒状の格子、ハニカム構造の厚板材料等で構成され、その孔又は隙間の大きさは流路の寸法と流量の大きさで定まる偏流の強さと許容圧力損失で決定してある。開閉弁２３の開閉中心線２８と開閉弁下流側流路２４の中心軸２７とはほぼ９０度の角度を持っている。
【００１５】
また、開閉弁２３の駆動部２９の取り付け外形寸法を小さくするために弁座開口部２６が段差３０で開閉弁下流側流路２４に入りこみ、弁座開口部２６と、弁座開口部２６に対向する位置にある壁面３１との間が狭くなり、この部分の流路断面積を小さくしている。計測路３２は曲げ部３３、計測流路入口４、計測流路入口４に設けた整流手段３４、計測流路１、排出曲げ部３５よりなる。曲げ部３３は、導入路２１の開閉弁下流側流路２４と接続しており、断面が矩形で、開閉弁下流側流路２４に対向する壁面には窪み３６が設けてある。計測流路１は導入路２１の開閉弁下流側流路２４の中心軸２７とほぼ直角をなしている。整流手段３４は従来例で説明したように流れの乱れに応じて所望の方向に傾斜させた仕切り板で構成した流れ方向規制手段７と、微細通路を有するメッシュなどで構成した変動抑止手段８とで構成されている。計測流路１は矩形断面を持っており、図２に示す様に導入路２１の開閉弁下流側流路２４の方向と直角方向にある壁面には流路を挟んで一対の超音波送受信器２、３が流路の上流側と下流側で斜めに対向して装着されている。３７は流体の整流状態を現し、流路内の流速分布が矢印の長さに比例した状態で現される。３８は排出路であり、排出曲げ部３５に接続している。排出路３８の流出口３９から被測定流体は流れ出す。
【００１６】
また導入路２１の開閉弁下流側流路２４と計測路３２と排出路３８はコの字型をしている。４０は計測制御手段であり超音波送受信器２、３間で交互に超音波を送受信させて流体の流れに対して順方向と逆方向の超音波の伝搬時間の差を一定間隔を置いて計り、伝搬時間差信号として出力する働きを持つ。また４１は演算手段で前記計測制御手段４０からの伝搬時間差信号を受けて被計測流体の流速及び流量を算出するものである。更に４２はリチウム電池などで構成される電源手段である。計測制御手段４０、演算手段４１、電源手段４２の一部と開閉弁２３の駆動部２９はコの字型で構成される被計測流体の流路の内側の空間に装着されている。
【００１７】
以上のように構成された超音波流量計測装置について、以下その動作、作用を説明する。まず、計測を受ける流体は、導入路２１の流入口２２から図示しない外部配管を経由して流入する。さらに開放されている開閉弁２３から弁座開口部２６を通り、開閉弁下流側流路２４の対向壁３１に突き当たり、方向を変え対向壁面３１に沿って偏流を形成しながら偏流抑制手段２５へ向かう。この偏流は弁座開口部２６から壁面３１間の距離が短く、流路断面積が狭いほど流速が早くなるので壁面に強く衝突し、強い強度のものとなる。偏流抑制手段２５の孔は通過流量に比例した圧力損失を生じるため過大な通過流量に対しては大きな抵抗体となり、偏流は偏流抑制手段２５の上流側の面に沿って全面に拡散し、偏流抑制手段２５の全面にある孔を通過して下流側へ流れる。
【００１８】
このことにより開閉弁２３を通過後に発生した偏流が弱められて曲げ部３３へ流れ込む。曲げ部分３３では流れの方向が９０度変えられるので、流路の外壁に沿った流れが偏流を作るが、窪み３６で流路の中心方向へ曲げられ、中心部を通る流体と混じり合いながら計測流路入口４へ流れる。計測流路入口４に設けた整流手段３４は流れ方向規制手段７で流れの方向を流路と同じ方向に規制され、偏流抑止手段８の微細通路を経由して流量分布を均一化する。計測流路１を流れる流体は壁面の摩擦抵抗で壁面近くの流速は減速するので整流状態３７で流れる。さらに流体は排出曲げ部３５、排出路３８を経由して図示しない外部配管へ流出する。
【００１９】
次に、計測流路１の壁面に設けた一対の超音波送受信器の一方から送信した超音波は、被計測流体の流速の影響を受けて、流れと順方向に伝搬する時は早く、流れと逆方向に伝搬する時は遅く他方の送受信器で受信さる。この超音波の送受信は計測制御手段４０で制御されて一対の超音波送受信器２、３間で交互に行われ、電気信号に変換されて、計測制御手段４０で流体の流れの順方向と逆方向における超音波の伝搬時間に変換される。伝搬時間差は流体の流速に比例するのでこれを演算手段４１へ伝達する。演算手段４１は計測制御手段４０からの信号と、内部に記憶している計測流路の断面積と、機器固有の係数とを演算して被計測流体の流速または流量を演算する。
【００２０】
以上のように本実施例においては、偏流抑制手段２５を計測流路入口４から離れた導入路２１の開閉弁下流側流路２４に設けたことにより、開閉弁２３の弁座開口部流路で発生した偏流を抑制できる作用が生じる事となり計測流路１内の流体の流れを改善し、超音波計測装置の小型化と計測精度の向上をおこなうことができる。
【００２１】
また本実施例では開閉弁２３を開閉弁下流側流路２４の一部を凹ませて、取りつけることができるので、コの字型に形成した流路の内側の空間が拡大できて、計測制御手段４０、演算手段４１、電源手段４２などを収納できるので超音波流量計測装置の小型化に役立つ。
【００２２】
また、本実施例では、開閉弁下流側流路２４に設けた偏流抑制手段２５と、窪み３６を有する曲げ部３３と、計測流路入口４に設けた整流手段３４とを設けたことにより流れの乱れにより発生する流速の短い時間間隔での変動が吸収できることにより、計測流路１内の被計測流体の流れを改善し、流路の短縮化も可能となり超音波計測装置の小型化と計測精度の向上をおこなうことができる。
【００２３】
尚、本実施例においはて、整流手段３４は流れ方向規制手段７と偏流抑止手段８の両者で構成したが、いずれか一方を有するものでも良く、また開閉弁２３の開閉中心軸２８は開閉弁下流側流路２４の中心軸２７と９０度以外の角度で交わる様に構成したものでも良い。
【００２４】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２の超音波流量計測装置の偏流抑制手段の斜視図を示すものである。超音波流量計測装置の他の部分は図１と同じであるため省略する。図２において、５１は図１の偏流抑制手段２５としての一例である筒状の格子を有する偏流抑制手段であり、縦格子５２、横格子５３で構成してある。縦格子５２、横格子５３とにより孔５４が偏流抑制手段５１の全面にわたり構成される。縦横の格子５２、５３の厚さを可変することにより偏流抑制手段５１の単位表面積当たりの孔５４の開口面積比は可変できるので、偏流の強さが強い部分は開口面積を小さく、偏流の強さが弱いところでは開口面積を大きく、偏流の分布に反比例した開口面積で孔５４が設けてある。偏流抑制手段５１の１例としては孔の寸法が５mm角で、孔の流路長が１０mm程度の筒状格子を使用して十分な偏流防止効果が得られた。
【００２５】
以上の様に構成された超音波流量計測装置において、開閉弁２３の弁座開口部２６を通過して、対向壁３１に衝突した被計測流体は壁面に沿って下流側へ流れ、偏流抑制手段５１に当たる。偏流抑制手段２５に設けた孔５４を流体が通過すると通過抵抗が発生し、過度の流量が流れる事を妨げるので偏流抑制手段２５の上流面に沿って流体が流れながら拡散し、偏流抑制手段２５の全面に設けた孔を流体が均等に流れることとなり、、偏流抑制手段２５の下流側では極めて微弱な偏流となる。又偏流抑制手段の筒は流体の流れを流路の向きに揃えるので、流れに横向きベクトルが無くなり、乱流、渦等流れの乱れの発生を防ぐ働きをする。次に偏流抑制手段５１は図２に示すような筒状の格子が四角形を有するもの以外に、三角形、六角形、丸形などの形で、流れの方向に長さのある筒の集合体であれば筒状の格子に含まれる。
【００２６】
（実施例３）
図４は本発明の実施例３の超音波流量計測装置の偏流抑制手段２５の設置位置を示す断面図である。図３において、実施例１と異なる点は、偏流抑制手段２５は開閉弁２３の弁座開口部２６下流の流路の段差に隣接して設けてある点である。このため、開閉弁２３の弁座開口部２６を通過して、対向壁３１に衝突した流体は壁面に沿って下流側へ流れるが、直ちに偏流抑制手段２５に当たるので対向壁３１の面に沿って偏流が十分に発達する事が出来無くなり、偏流抑制手段２５の上流面に偏流が広がりやすくなる。又偏流抑制手段２５の下流側の流路の長さが長くなるので偏流抑制手段２５の格子５２、５３に妨げられて下流側で生じる乱れが無くなる事で、偏流抑制効果が増強される。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１から３記載の発明によれば、偏流抑制手段の上流側の開閉弁の弁座開口部近辺で発生する強力な偏流を抑制したり、又それを解消したりすることができ、計測流路入口に設けた整流手段の働きを補強して計測流路に流れる流体を整流化することができるので、結果として流体流路の短縮化、開閉弁の設置外形の小型化に有効であり、さらに超音波流量計測装置の小型化と精度向上を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における超音波流量計測装置の断面図
【図２】同計測装置の一部破断上面図
【図３】本発明の実施例２における超音波流量計測装置の偏流抑制手段の斜視図
【図４】本発明の実施例３における超音波流量計測装置の断面図
【図５】従来の超音波流量計測装置の整流部と計測流路の上面図
【図６】同計測装置の断面図
【図７】同計測装置の流れ方向規制手段の斜視図
【符号の説明】
１ 計測流路
２、３ 一対の超音波送受信器
４ 計測流路入口部
２１ 導入路
２３ 開閉弁
２４ 開閉弁下流側流路
２５ 偏流抑制手段
２６ 弁座開口部
３０ 段差
３４ 整流手段
４０ 計測制御手段
４１ 演算手段
５１ 筒状の格子を有する偏流抑制手段
５２ 縦格子
５３ 横格子

Claims (3)

1. 開閉弁と開閉弁下流側流路に装着した偏流抑制手段とを有する導入路と、前記導入路とは別体で形成され前記導入路の後端からほぼ直角に屈曲して形成され、その入口部に整流手段を有する計測流路と、前記計測流路の対向壁面に設けた少なくとも一対の超音波送受信器と、前記超音波送受信器間の超音波の伝搬時間を計測する計測制御部と、前記計測制御部からの信号に基づいて流量を算出する演算部と、前記計測流路の前記開閉弁下流側流路に対向する壁面に設けられた窪みとを備えた超音波流量計測装置。
2. 偏流抑制手段は複数の筒で形成された請求項１記載の超音波流量計測装置。
3. 偏流抑制手段は開閉弁の弁座形成のために生起する段差に隣接して設けられた請求項１又は２記載の超音波流量計測装置。

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