JP3922044B2

JP3922044B2 - 超音波流量計測装置

Info

Publication number: JP3922044B2
Application number: JP2002045644A
Authority: JP
Inventors: 肇宮田; 行夫長岡; 紀夫新村; 善紀乾
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: JP2003247875A

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ものである。
【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９は特開平９−１８５９１号公報の例を示す。
【０００３】
図９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。
【０００４】
更に他の例としての特開平１１−３５１９２６号公報における例を図１０、図１１に示す。図１０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９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１１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９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。
【０００５】
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。
【０００６】
【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、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９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、流量が増加し、激しい偏流が生じた場合には整流効果が発揮できず、計測流路に偏流や過流が発生し、この偏流や渦流の発生、発生位置の変動、消滅等で流量計測の精度が狂う課題を有していた。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
【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、開閉弁及び開閉弁の下流側流路に装着した流体制御手段を有する導入路と、前記導入路の後端から屈曲して配設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手段と、前記計測制御手段からの信号に基づいて流量を算出する演算手段とを備え、前記流体制御手段は、前記導入路を覆い流路の方向に多孔性を有した板状部材であり、かつ前記開閉弁の下流側流路において発生する偏流内の流速が速い部分を上流側とし、流速が遅い部分を下流側となるように傾斜したものである。
【００１０】
これによって、流体の流れ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流体制御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。
【００１１】
【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流体制御手段とを有する導入路と、前記導入路の軸方向から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手段と、前記計測制御手段からの信号に基づいて流量を算出する演算手段とを備えてなる超音波流量計測装置とすることにより、流体が流路壁面に装着された開閉弁の弁座開口部で曲げられ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下流側へ流れる事で生じる偏流が流体制御手段で抑制、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。
【００１２】
また、流体制御手段を導入路を覆い、流路の方向に多孔性を有する板状部材とする事により流路全体に偏流を拡散させ消滅させることができる。
【００１３】
また、流体制御手段を開閉弁の下流側流路において発生する偏流内の流速が速い部分を上流側とし、流速が遅い部分を下流側とするように、傾斜した多孔性を有する板状部材としたことにより、偏流は傾斜した多孔性板状部材の表面を伝って広がりやすくなり、前記板状部材に設けた全面の孔を均等に流体が通過して流体制御手段における圧力損失の低減と、偏流抑止効果を増強することができる。
【００１４】
また、流体制御手段を下流側に行くほど通過圧損が低くなる開口面積を有する多孔性の板状部材とした事により、激しい勢いを有する偏流は上流側の大きな通過圧損を有する孔で大きく勢いを削がれ、また傾斜した多孔性板状部材の表面に沿って拡散して勢いが減衰した流体は下流側の小さな通過圧損の孔をわずかな勢いの減少で通過することが出来るので、板状部材の孔を通過した流れは均等化し、流体制御手段部での偏流抑止効果の増強と圧力損失の減少とを得ることが出来る。
【００１５】
また、流体制御手段を流路内の最も偏流が強く当たる部分には流体通過孔を有さない板状部材とする事により、偏流内の流速が速い部分が、板状部材の上流側の流体通過孔を通り、強い勢いを持ったまま下流側に漏れる事を防止し、板状部材下流側に設けた孔に流体を通すことで流体制御手段部での偏流抑止効果を増強できる。
【００１６】
また、流体制御手段を偏流内の流速が遅い部分に切り欠き部がある多孔性の板状部材とする事により、少ない流量では板状部材の孔と、切り欠き部を流れる事により流体制御手段で生じる圧力損失を削減できる。
【００１７】
また、流体制御手段を開閉弁の下流側流路において発生する偏流内の流速が速い部分を上流側とし、流速が遅い部分を下流側となるように傾斜し、かつ下流側部分に切り欠き部がある板状部材と、前記切り欠き部より下流側に設けたひさし状の邪魔板とで構成する事により、板状部材に設けた孔を通過して勢いを失った流体は板状部材切り欠き部を通り邪魔板に当たって方向を変えた流体を下流方向へ押し流すことで更に勢いを無くし、また前記邪魔板に当たって方向を変えた流体は邪魔板後方で生じる渦に引っ張られて流路全体に拡散することになり偏流が削減できる。
【００１８】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明をする。
【００１９】
（実施例１）
図１、２は、本発明の第１の実施例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。
【００２０】
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、流体制御手段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。流体制御手段２５は流路の方向に多孔性を有する板状部材、邪魔板等で構成され、その孔の大きさと分布密度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の開閉中心線と開閉弁下流側流路２４の中心軸とはほぼ９０度の角度を持っている。また、開閉弁２３の駆動部２７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２８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２９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３０は曲げ部３１、計測流路入口４、計測流路入口４に設けた整流手段３２、計測流路１、排出曲げ部３３よりなる。曲げ部３１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３４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の中心軸とほぼ直角をなしている。
【００２１】
整流手段３２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。３５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。３６は排出路であり、排出曲げ部３３に接続している。排出路３６の流出口３７から被測定流体は流れ出す。また導入路２１の開閉弁下流側流路２４と計測路３０と排出路３６はコの字型をしている。３８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３９は演算手段で前記計測制御手段３８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４０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３８、演算手段３９、電源手段４０の一部と開閉弁２３の駆動部２７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。
【００２２】
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２９に突き当たり、方向を変え対向壁面２９に沿って偏流を形成しながら流体制御手段２５へ向かう。この偏流は弁座開口部２６から壁面２９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。流体制御手段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、偏流は流体制御手段２５の上流側の面に沿って全面に拡散し、流体制御手段２５の全面にある孔を通過して下流側へ流れる。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３１へ流れ込む。曲げ部分３１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３４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。
【００２３】
計測流路入口４に設けた整流手段３２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し、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３５で流れる。さらに流体は排出曲げ部３３、排出路３６を経由して図示しない外部配管へ流出する。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れる。この超音波の送受信は計測制御手段３８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３８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３９へ伝達する。演算手段３９は計測制御手段３８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。
【００２４】
以上のように本実施例においては、流体制御手段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。
【００２５】
また本実施例では開閉弁２３を開閉弁下流側流路２４の一部を狭くして、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３８、演算手段３９、電源手段４０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。
【００２６】
また、本実施例では、開閉弁下流側流路２４に設けた流体制御手段２５と、窪み３４を有する曲げ部３１と、計測流路入口４に設けた整流手段３２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の抑制ができることにより、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。
【００２７】
尚、本実施例においはて、整流手段３２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の開閉中心軸は開閉弁下流側流路２４の中心軸と９０度以外の角度で交わる様に構成したものでも良い。
【００２８】
（実施例２）
図３は、本発明の第２の実施例の超音波流量計測装置の流体制御手段の断面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３において、５１は図１の流体制御手段２５としての一例である多孔性を有する板状部材からなる流体制御手段であり、板状部材５１の全面に孔５２を設けてある。孔５２の大きさと、設置密度は流路を流れる流量と、偏流の大きさにより実験的に決められる。
【００２９】
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２９に衝突した被計測流体は壁面に沿って下流側へ流れ、板状部材５１に当たる。流体制御手段５１に設けた孔５２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ぐので板状部材５１の上流面に沿って偏流が拡散し、板状部材５１の全面に設けた孔を流体圧力に応じて流れることとなり、板状部材５１の下流側では弱い偏流となる。
【００３０】
（実施例３）
図４は本発明の第３の実施例の超音波流量計測装置の流体制御手段２５である多孔性の板状部材５１の装着状況を示す断面図である。図４において、実施例２と異なる点は、多孔性を有する板状部材５１を偏流の強い部分を上流側６１に、偏流の弱い部分を下流側６２となるように斜めに装着した点である。
【００３１】
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２９に衝突した被計測流体は壁面に沿って下流側へ流れ、板状部材５１の上流側６１に当たる。そして流れは板状部材５１の斜面に沿って下流側に広がりながら板状部材５１に設けた孔５２を通って下流側へ流れることとなり、板状部材５１の下流側では極めて微弱な偏流となる。実施例２と比べて、偏流が流体制御手段２５を構成する板状部材５１の上流側の全面に広がり易いので、板状部材５１での圧力損失は減少し、下流側における偏流も一層削減出来る。
【００３２】
（実施例４）
図５は本発明の第４の実施例の超音波流量計測装置の流体制御手段２５を構成する多孔性の板状部材５１の孔の設置状況を示す断面図である。図５において、実施例３と異なる点は、板状部材５１の孔５２の大きさが上流側６１では小さく、下流側６２では大きい点である。
【００３３】
以上の様に構成された超音波流量計測装置において、板状部材５１の上流側６１は最も偏流が強いので、大きな圧力を有しており、小さな孔の大きな通過圧損で通過流体の流速が弱められ、偏流が板状部材５１の傾斜面に沿って設けられた孔５２に分流しながら流れて順次偏流の勢いが弱くなり、最も下流側６２では勢いの弱った偏流が大な孔を通過するので、板状部材５１での圧力損失は小さくなり、流体制御手段２５の下流側では偏流が極めて小さいものとなる。
【００３４】
（実施例５）
図６は本発明の第５の実施例の超音波流量計測装置の流体制御手段２５として用いる多孔性の板状部材５１の孔の設置状況を示す断面図である。図６において、実施例４と異なる点は、板状部材５１の上流側６１には無孔部６３を設けた点である。
【００３５】
以上の様に構成された超音波流量計測装置において、開閉弁下流側流路２４で発生した強い偏流は、板状部材５１の孔の無孔部６３で板状部材５１の斜面に沿った方向に変わる。この事により、強い偏流の方向に向いた孔がある時に生ずる偏流の漏れ現象が無くなる。又、孔５２は偏流の流れの方向と角度をなして開口しているので、孔５２がある部分では板状部材５１の上流側表面に沿って流れる偏流の流路方向分力の不均等性が減少し、孔５２を通る流体の不均一性が改善できる事等で、板状部材５１下流部の偏流が低減できる。
【００３６】
（実施例６）
図７は本発明の第６の実施例の超音波流量計測装置の流体制御手段２５の形状を示す断面図である。図７において、実施例３、４と異なる点は、流体制御手段２５を構成する多孔性の板状部材５１の下流側６２に切り欠き部７１を設けた点である。
【００３７】
以上の様に構成された超音波流量計測装置において、流路の大きさに比較して流路を流れる流量が少ない時は板状部材５１の上流側６１の偏流は弱く、板状部材５１の斜面に沿って適宜、孔５２に分流しながら流れ、板状部材５１の下流部先端の切り欠き部７１を残余の偏流が流れる事によりほとんど通過圧損を生ずることなく偏流抑制作用を行う事が出来る。
【００３８】
（実施例７）
図８は本発明の第７の実施例の超音波流量計測装置の流体制御手段２５形状を示す断面図である。図８において、流体制御手段２５は偏流が生ずる壁面２９に対向する壁面に設けたひさし状の邪魔板８１と、偏流のある上流側６１から偏流の無い下流側６２へ向けて傾斜し、かつ下流側６２の先端に切り欠き部７１を設けた多孔性の板状部材５１とよりなる。
【００３９】
以上のように構成された超音波流量計測装置において、流体制御手段２５の上流で発生した偏流は、板状部材５１の上流側６１に当たり、流れの向きを変えて板状部材５１の傾斜に沿って流れ、その一部は順次、板状部材５１に設けた孔５２を通り、下流側に流れる。孔５２に分流できなかった流れは、切り欠き部７１を通り、邪魔板８１に当たり流路の中央に向けて流れるが、前記の孔５２を通った流れに押されて偏流を作ることなく下流へ流れる。又邪魔板８１の下流側では渦が発生し、この渦に引っ張られて、流れが流路全体に広がることで、流体制御手段２５の下流における偏流の強さを実用上問題の無い程度に減少させることが出来る。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、流体制御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の抑制、解消を行うことができ、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、流体流路の短縮化、開閉弁の設置部外形の小型化に有効であり、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】本発明の実施例１における超音波流量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流体制御手段部の断面図
【図４】本発明の実施例３における超音波流量計測装置の流体制御手段部の断面図
【図５】本発明の実施例４における超音波流量計測装置の流体制御手段部の断面図
【図６】本発明の実施例５における超音波流量計測装置の流体制御手段部の断面図
【図７】本発明の実施例６における超音波流量計測装置の流体制御手段部の断面図
【図８】本発明の実施例７における超音波流量計測装置の流体制御手段部の断面図
【図９】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１０】従来の超音波流量計測装置の流路の断面図
【図１１】従来の超音波流量計測手段の流れ方向規制手段の外観図
【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流体制御手段
３２整流手段
３８計測制御手段
３９演算手段
５１板状部材
５２孔
６１板状部材の上流側
６２板状部材の下流側
６３無孔部
７１切り欠き部
８１邪魔板

Claims

開閉弁及び前記開閉弁の下流側流路に装着した流体制御手段を有する導入路と、前記導入路の後端から屈曲して配設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手段と、前記計測制御手段からの信号に基づいて流量を算出する演算手段とを備え、前記流体制御手段は、前記導入路を覆い流路の方向に多孔性を有した板状部材であり、かつ前記開閉弁の下流側流路において発生する偏流内の流速が速い部分を上流側とし、流速が遅い部分を下流側となるように傾斜した超音波流量計測装置。
流体制御手段は下流側に行くほど通過圧損が低くなる開口面積を有する多孔性の板状部材である請求項１記載の超音波流量計測装置。
流体制御手段は開閉弁の下流側流路において発生する偏流内の流速が速い部分には流体通過孔を有さない板状部材である請求項１または２記載の超音波流量計測装置。
流体制御手段は開閉弁の下流側流路において発生する偏流内の流速が遅い部分に切り欠き部を有する板状部材である請求項１または２記載の超音波流量計測装置。
流体制御手段の切り欠き部より下流側にひさし状の邪魔板を設けた請求項４記載の超音波流量計測装置。