JP3935069B2

JP3935069B2 - 流量計測装置

Info

Publication number: JP3935069B2
Application number: JP2002381303A
Authority: JP
Inventors: 親宏加藤; 龍雄藤本; 守鈴木; 健一郎湯浅
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP2004212180A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音波を用いて都市ガス等の流体の流量を計測するための流量計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばガスメータのような流量計測装置では、導管を流れる都市ガスなどの被計測流体に超音波を伝播させて、その超音波の伝播時間または伝播速度が被計測流体の流速によって変化することを利用して、被計測流体の流量を計測するという、いわゆる超音波伝播方式の流量計測装置が実用化されている。
【０００３】
超音波伝播方式の流量計測装置では、導管の断面における平均流速と相関関係がある線平均流速を計測し、それに基づき流量を演算している。よって、計測誤差を低減するためには、導管の断面における被計測流体の流速分布を均一化または安定化する必要がある。
【０００４】
そこで、従来の流量計測装置では、例えば図８に示したように、１対の超音波送／受信器１０１Ａ，１０１Ｂによって形成される伝播経路Ｐ１００よりも上流側の導管１０２内に金網のような整流格子１０３を設けるようにしている。この流量計測装置によれば、図９に模式的に示したように、被計測流体の流れに対する整流格子１０３の適度な抵抗によって、整流格子１０３よりも上流側の流れの流線に対して直交方向に運動量の伝達を積極的に発生させることで、整流格子１０３よりも下流側の流れの導管１０２の断面における流速分布が均一化または安定化される。
【０００５】
しかし、この流量計測装置でも、十分に計測誤差を低減することは難しい。というのは、キャリブレーションは、一般に被計測流体の流速分布が安定している状態で行われるが、この流量計測装置では、整流格子１０３よりも下流側に、所定の長さに亘って超音波の伝播経路Ｐ１００が位置しているので、整流格子１０３によって被計測流体の導管１０２の断面における流速分布を安定化または均一化しても、整流後、供給圧力の変動，周辺機器などから生じる圧力変動あるいは流路壁面に付着した付着物等の外乱によって、被計測流体の流速分布が乱れ、計測時とキャリブレーション時とで被計測流体の流速分布に差異が生じてしまうからである。
【０００６】
この問題を解決するものとしては、導管の壁面に対して平行に板状部材を設けて被計測流体の流路を複数に分割すると共に、そのうちの１つの流路に超音波が伝播するように１対の超音波送／受信器を配設した流量計測装置がある（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−４３０１５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この流量計測装置では、超音波の伝播経路が短く、また、導管の断面における広い範囲での計測が難しいという問題がある。更に、流路を２以上に分割しているので、複数の板状部材が必要となると共に、それらを個別に導管に固定しなければならず、手間がかかり、生産性および経済性が悪いという問題もある。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、計測精度をより向上させることができる流量計測装置を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の第２の目的は、生産性および経済性に優れた流量計測装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による流量計測装置は、複数の稜線部を有する断面多角形状の流体流路を形成すると共に、流れの方向に沿って所定長さの流量計測区間を有する導管と、第１，第２の送／受信器を含んで構成されると共に、流量計測区間の流体流路内において音波を伝播させる音波伝播手段と、導管内の流量計測区間内に配設され、前記流体流路を複数に分割する整流部材と、一対の送／受信器間での音波の伝播時間または伝播速度に基づいて流体の流量値を演算する流量演算手段と、を備え、第１の送／受信器は、複数の稜線部のうちの１つの稜線部での第１の位置、前記第２の送／受信器は、前記第１の位置からの直線距離が最長となる他の稜線部での第２の位置にそれぞれ対向して配設されている構成を有するものである。
【００１３】
この流量計測装置では、導管の流量計測区間内において、それぞれ導管の異なる稜線部の直線距離が最長となる位置に対向して配設された第１の送／受信器と第２の送／受信器との間の広い範囲において、音波の送受信がなされ、その音波の伝播時間または伝播速度に基づいてガス等の流体の流量値が演算される。
【００１４】
なお、本発明の流量計測装置においては、第１の送／受信器および第２の送／受信器からなる組が複数組配設されていてもよい。また、整流部材は、音波の伝播経路に平行な流路を形成するようにしてもよく、あるいは、音波の伝播経路と交差する流路を形成すると共に、音波が貫通する貫通孔を有するようにしてもよい。
【００１５】
また、本発明の流量計測装置においては、整流部材の表面に多数の窪み（ディンプル）を設けるようにしてもよく、更に、整流部材を、１枚の板状部材が複数の流路を形成するよう折るまたは曲げることにより形成してもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るガスメータの一部の概略構成を表すものである。なお、このガスメータは超音波伝播方式のものであり、超音波の伝播時間または伝播速度に基づいて流量値を演算する流量演算回路系（流量演算手段）、積算流量値を演算する積算流量値演算回路系、積算流量値を表示する積算流量値カウンタ、ガス漏洩のような異常発生を検知する異常発生検知装置および異常発生が検知された場合に弁を閉じてガスの供給を停止する遮断弁等を備えているが、それらは本発明の要点とは直接的に関係が薄いので、それらについての図示および詳細な説明は省略する。
【００１８】
このガスメータは、ガスの流路Ｗ１０となる導管１１を有し、この導管１１の上流側と下流側との間に流量計測区間Ｉが設けられている。流量計測区間Ｉにおいては、超音波送／受信器１２Ａ，１２Ｂの各先端部が導管１１の壁面に設けられた挿通孔（図示せず）を通して導管１１内に挿入されている。超音波送／受信器１２Ａ，１２Ｂは対向配置され、ガスの流れ内において超音波の送受信を行うものである。本実施の形態では導管１１は断面が多角形状、例えば矩形状をなしている。一方の超音波送／受信器１２Ａは、その第１の稜線部１１Ａ上の流量計測区間Ｉ内において最上流の位置（第１の位置ＳＡ）に配設され、他方の超音波送／受信器１２Ｂは第２の稜線部１１Ｂ上の流量計測区間Ｉ内において最下流の位置（第２の位置ＳＢ）に配設されている。
【００１９】
このように本実施の形態では、超音波送／受信器１２Ａ，１２Ｂを導管１１の壁面に対して超音波の伝播経路が平行になるように配置するのではなく、対向する２つの稜線部１１Ａ，１１Ｂに超音波の伝播経路Ｐ１０が導管１１の底面に対して傾斜するよう配設するものである。以下、その理由について説明する。
【００２０】
第１に、超音波の伝播経路Ｐ１０を従来に比べて長くし、計測時間に関する分解能を高めるためである。第２に、導管１１の断面において広い範囲に超音波を伝播させるためである。図２に導管１１の断面における超音波の伝播経路Ｐ１０を示す。図２からも分かるように、この流量計測装置では、伝播経路Ｐ１０が導管１１の壁面に対して平行に超音波を伝播させた場合の伝播経路Ｐ２００と比較して長く、また、伝播経路Ｐ１０が導管１１の断面において広い範囲に形成される。
【００２１】
第３に、超音波送／受信器１２Ａ，１２Ｂの導管１１内への突出部分を矩形断面の流路の隅の部分とすることにより、突出部分による生ずる流れの乱れの流路全体に対する相対的な影響を低減して、流速分布の均一性を確保するためである。このように超音波送／受信器１２Ａ，１２Ｂの導管１１内への突出部分の流路全体に及ぼす影響が低減されることから、超音波送／受信器１２Ａ，１２Ｂを従来に比べて流路内に長く挿入することが可能になり、これにより導管１１の外部における突出部分が低減され、メータ全体の小型化を図ることができる。すなわち、このガスメータでは、計測精度を十分に向上させることができると共に小型化も図ることができるようになっている。
【００２２】
導管１１（図１）の内部には、また、整流部材１３が配設されている。この整流部材１３は、流路Ｗ１０を伝播経路Ｐ１０と平行な流路Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１３，Ｗ１４，Ｗ１５に分割するためのものである。伝播経路Ｐ１０は流路Ｗ１３内に形成されている。これにより、外乱によって伝播経路Ｐ１０におけるガスの流速分布が変化することが抑制され、キャリブレーション時と計測時とのガスの流速分布との差異が小さくなるようになっている。
【００２３】
整流部材１３は、例えば導管１１と同じ材料よりなる１枚の板状部材により構成されている。具体的には、１枚の板状部材が導管１１に嵌入するように段折りにされている。このように１枚の板状部材により整流部材１３を構成するのは、複数の板状部材を導管１１に個別に固定する手間を省き生産性および経済性を向上させるためである。この整流部材１３の表面には窪み（ディンプル）１３Ａが設けられていることが好ましい。窪み１３Ａにおいて乱流を発生させてガス流路全体の流速分布を均一化することにより、更に計測精度を向上させることができるからである。
【００２４】
この流量計測装置では、ガスが整流部材１３の上流側端部に到ると、その整流部材１３の上流側端部の整流作用によって、導管１１の断面における速度分布がある程度均一化される。そののち、速度分布が均一化されたガスは流路Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１３，Ｗ１４，Ｗ１５内に流入する。
【００２５】
一方、超音波送／受信器１２Ａ，１２Ｂは、一度の計測期間当たりに所定の頻度で超音波を例えば流路Ｗ１３に間欠的に伝播させる。この超音波の伝播は上流側から下流側へと向かう伝播と、その逆に下流側から上流側へと向かう伝播とを交互に繰り返すように実行される。図示しない流量演算手段は、この上流側から下流側および下流側から上流側に向かう超音波の伝播時間に基づき、ガスの流速を計測したのち、その流速に基づきガスの流量を演算する。これによりガスの流量が得られる。
【００２６】
このように本実施の形態では、超音波送／受信器１２Ａ，１２Ｂを導管１１の対向する２つの稜線部１１Ａ，１１Ｂに対して超音波の伝播経路が導管１１の底面に対して傾斜するよう配設させるようにしたので、超音波の伝播経路Ｐ１０を長くし、計測時間に関する分解能を高めることができると共に、導管１１内の断面における広い範囲に超音波を伝播させることができる。また、超音波送／受信器１２Ａ，１２Ｂの導管１１内への突出部分を小さく抑えることができるので、ガスの流速分布の均一性を確保できる。したがって、計測精度を十分に向上させることができ、小型化をも図ることが可能になる。
【００２７】
特に、整流部材１３の表面に多数の窪み１３Ａを設けるようにすれば、個々の窪み１３Ａにおいて乱流を発生させてガスの流速分布を均一化させることができ、それによって、更に計測精度を向上させることができる。
【００２８】
また、整流部材１３を１枚の板状部材により構成するようにすれば、複数の板状部材を導管に個別に固定する手間がなく、優れた生産性および経済性を得ることができる。
【００２９】
以下、本発明の他の実施の形態（第２〜第４の実施の形態）について説明するが、これら実施の形態においては第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一部分についての詳細な説明は省略する。
【００３０】
［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態に係るガスメータの一部の概略構成を表すものである。このガスメータは、整流部材１３に代えて整流部材２３を備えたことを除き、第１の実施の形態と同様の構成を有している。
【００３１】
整流部材２３は、超音波の伝播経路Ｐ１０と交差する流路Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ２３，Ｗ２４，Ｗ２５を形成するものである。この整流部材２３は、超音波が貫通する貫通孔２３Ａを有しており、１枚の板状部材が、伝播経路Ｐ１０と交差するように段折りにされることにより構成されている。具体的には、例えば、網目（メッシュ）部材あるいは多数のスリットを有するシャドウマスクのような部材により構成されており、中でも網目部材により構成されていることが好ましい。網目部材の表面には窪みがあるので、窪みにより乱流が生じて流速分布が均一化するからである。この他にも、超音波が伝播する位置にのみ超音波の断面形状に応じた貫通孔を設けたものにより構成されていてもよい。
【００３２】
このガスメータの作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００３３】
［第３の実施の形態］
図４は、本発明の第３の実施の形態に係るガスメータの概略構成を表すものである。このガスメータは、第２の実施の形態の超音波送／受信器１２Ａ，１２Ｂに加え、更に１対の超音波送／受信器３２Ａ，３２Ｂを備えたことを除き、第２の実施の形態と同様の構成，作用および効果を有している。
【００３４】
超音波送／受信器３２Ａ，３２Ｂは、伝播経路Ｐ１０とは異なる他の伝播経路Ｐ３０を形成するものであり、導管１１の第１の稜線部１１Ａおよび第２の稜線部１１Ｂにそれぞれ配設されている。
【００３５】
このように本実施の形態では、超音波送／受信器１２Ａ，１２Ｂに加えて超音波送／受信器３２Ａ，３２Ｂを配設するようにしたので、流路Ｗ１０の様々な部分のガスの線平均流速を計測することができる。よって、第２の実施の形態に比べて計測精度を更に向上させることができる。
【００３６】
［第４の実施の形態］
図５は、本発明の第４の実施の形態に係るガスメータの概略構成を表すものである。このガスメータは、超音波送／受信器１２Ｂに代えて、超音波送／受信器４２Ｂを備えたことを除き、第１の実施の形態と同様の構成，作用および効果を有している。
【００３７】
超音波送／受信器４２Ｂは、導管１１の第１の稜線部１１Ａ上の第１の位置ＳＡよりも下流側の第２の位置ＳＣに、超音波を発信する部位が第２の稜線部１１Ｂに向かうように配設されている。これにより、超音波送／受信器１２Ａ，４２Ｂから発信された超音波は導管１１の側壁で反射し、その反射した超音波が超音波送／受信器１２Ａ，４２Ｂで受信されるようになっている。よって、超音波の伝播経路Ｐ４０はＶ字状になり距離が長くなる。なお、この場合、導管１１は、超音波による衝撃に対して耐久性のある材料により構成することが好ましい。
【００３８】
このように本実施の形態では、超音波送／受信器４２Ｂを第２の位置ＳＣに、超音波を発信する部位が第２の稜線部１１Ｂに向かうように配設するようにしたので、伝播経路Ｐ３０の距離が長くなる。よって、計測時間に関する分解能を高めることができると共に、流路Ｗ１０の様々な部分のガスの線平均流速を計測することができる。その結果、計測精度を十分に向させることができる。
【００３９】
なお、超音波送／受信器１２Ａ，４２Ｂの配設方向を変化させることによって、超音波の伝播経路を、Ｗ字状、更にはジグザグ状としてもよい。この場合、上述の理由により、更に計測精度を向上させることができる。
【００４０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、１対または２対の超音波送／受信器を配設するようにしたが、３対以上の超音波送／受信器を配設するようにしてもよい。これにより、更に計測精度を向上させることができる。
【００４１】
また、上記実施の形態では、断面が矩形状をなす導管１１を用いる場合について説明したが、他の形状を有する導管、例えば、断面が三角形状，五角形状あるいは六角形状等の多角形状をなす導管を用いるようにしてもよい。なお、稜線の数が無限に多くなると円形断面となるが、円形断面の導管の場合には、超音波の伝播経路が最長となるように２つの超音波送／受信器の位置（第１，第２の位置）を決定すればよい。
【００４２】
更に、上記実施の形態では、整流部材１３，２３を、段折りした１枚の板状部材により構成するようにしたが、他の板状部材により構成するようにしてもよい。例えば、断面が円形状をなす導管を用いる場合には、段折りではなく、図６に示したような巻回された板状部材３３により構成することができる。また、板状部材により構成する必要はなく、その一例としては、例えば、図７に示したようなハニカム構造体４３が挙げられる。
【００４３】
加えて、上記実施の形態では、流路Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１３，Ｗ１４，Ｗ１５，Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ２３，Ｗ２４，Ｗ２５を１枚の板状部材よりなる整流部材１３，２３により形成するようにしたが、１枚の板状部材よりなる整流部材により形成する必要はなく、従来のように複数の板状部材により形成するようにしてもよい。
【００４４】
更に、また、本発明は、ガスメータ以外にも、例えば液体燃料や化学工業用材料ガスなどの流速や流量を計測する流量計測装置などにも適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１ないし７のいずれか１項に記載の流量計測装置によれば、第１の送／受信器を複数の稜線部のうちの１つの稜線部での第１の位置、第２の送／受信器を第１の位置からの直線距離が最長となる他の稜線部での第２の位置にそれぞれ対向して配設するようにしたので、超音波の伝播経路を長くすることができると共に、導管の断面における広い範囲に超音波を伝播させることができ、計測精度を十分に向上させることができる。また、送／受信器の導管内の流路への突出部分の相対的な影響を低減できるので、突出部分に起因してガスの流速分布の均一性が損なわれることがなくなると共に、導管の外部への突出部分を少なくできることから小型化を図ることも可能である。
【００４６】
特に、請求項６記載の流量計測装置によれば、整流部材の表面に窪み（ディンプル）を設けるようにしたので、整流部材の表面で小さな乱流を発生させ流速分布を均一化することができる。よって、計測精度を十分に向上させることができる。
【００４７】
更に、請求項７記載の流量計測装置によれば、１枚の板状部材を折るまたは曲げることにより構成された整流部材を用いるようにしたので、例えば、複数の板状部材を用いる場合のように、板状部材を個別に固定する手間がなく、優れた生産性および経済性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るガスメータの構成を表す斜視図である。
【図２】図１に示した伝播経路を導管の断面において示した図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るガスメータの構成を表す斜視図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係るガスメータの構成を表す斜視図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係るガスメータの構成を表す斜視図である。
【図６】本発明の変形例に係る整流部材の構成を表す斜視図である。
【図７】本発明の変形例に係る他の整流部材の構成を表す斜視図である。
【図８】従来のガスメータの構成を表す斜視図である。
【図９】図８に示した整流格子の作用を模式的に表す図である。
【符号の説明】
１１，１０２…導管、１１Ａ…第１の稜線部、１１Ｂ…第２の稜線部、１２Ａ，１２Ｂ，３２Ａ，３２Ｂ，４２Ｂ，１０１Ａ，１０１Ｂ…超音波送／受信器、１３，２３…整流部材、１３Ａ…窪み（ディンプル）、２３Ａ…貫通孔、３３…板状部材、３４…ハニカム構造体、１０３…整流格子、Ｐ１０，Ｐ３０，Ｐ４０，Ｐ１００…伝播経路、ＳＡ…第１の位置、ＳＢ，ＳＣ…第２の位置、Ｗ１０，Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１３，Ｗ１４，Ｗ１５，Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ２３，Ｗ２４，Ｗ２５…流路

Claims

複数の稜線部を有する断面多角形状の流体流路を形成すると共に、流れの方向に沿って所定長さの流量計測区間を有する導管と、
第１，第２の送／受信器を含んで構成されると共に、前記流量計測区間の流体流路内において音波を伝播させる音波伝播手段と、
前記導管内の流量計測区間内に配設され、前記流体流路を複数に分割する整流部材と、
前記一対の送／受信器間での音波の伝播時間または伝播速度に基づいて流体の流量値を演算する流量演算手段と、を備え、
前記第１の送／受信器は、複数の稜線部のうちの１つの稜線部での第１の位置、前記第２の送／受信器は、前記第１の位置からの直線距離が最長となる他の稜線部での第２の位置にそれぞれ対向して配設されている
ことを特徴とする流量計測装置。
前記第１の送／受信器は流量計測区間における最上流側、前記第２の送／受信器は流量計測区間における最下流側の位置にそれぞれ配設されている
ことを特徴とする請求項１に記載の流量計測装置。
前記第１の送／受信器および第２の送／受信器からなる組が複数組配設されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流量計測装置。
前記整流部材は、前記音波の伝播経路に平行な流路を形成する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の流量計測装置。
前記整流部材は、前記音波の伝播経路と交差する流路を形成すると共に、前記音波が貫通する貫通孔を有する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の流量計測装置。
前記整流部材は、その表面に多数の窪み（ディンプル）を有する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の流量計測装置。
前記整流部材は、１枚の板状部材が複数の流路を形成するよう折られるまたは曲げられることにより構成されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の流量計測装置。