JP3953617B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波流量計の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波流量計は、例えば図８（ａ）（ｂ）のように、管路１の上流と下流に直線的に対向した位置に超音波センサー２，３を設置している。
【０００３】
この従来技術では、両超音波センサー２，３を結ぶ直線的な伝搬路４に沿って超音波が伝搬する。
図８の従来技術では管路１が円形管路であるが、図９（ａ）（ｂ）のように断面が長方形の角形管路１に超音波センサー２，３を設置することも公知である。
【０００４】
なお、図９でＨは距離の小さい２面間、つまり狭面間の距離である。
図８（ａ）（ｂ）では、超音波流量計として、送受信センサー間を結ぶ伝搬路４の線平均流速しか計測できないため、流路（管路）内の偏流による計測誤差が問題となっていた。また、断面平均流速を測定していないために、被計測気体の種類に応じて粘性係数が異なることに起因する管内流速分布の相違があると、ガス種、ガス状態により流量計の特性が異なるという欠点があった。
【０００５】
図９（ａ）（ｂ）では、狭面間の距離Ｈが小さい小流量用の場合に断面平均流速が測定できるが、小流量用に用途が限定され、大流量用に適さないばかりでなく、上下壁面付近の流速分布も誤差要因となる欠点があった。
【０００６】
そこで、本願出願人はこのような従来技術の欠点を解消し、比較的大容量の超音波流量計の小形化、高精度化を実現するための提案を特願平９−２９５３３３号で行った。
【０００７】
この超音波流量計は、第１の円柱面と、第１の円柱面の軸と同軸でかつ直径の大きな第２の円柱面との間に形成された２重円管流路を母線方向に被計測流体が流れる流量計であって、少なくとも１組として作用する二つの超音波センサーが、流路の上流と下流にかつ一定の円周角だけ離れて設置されていて、両音波センサー間の流体中を超音波がほぼ螺旋状に伝搬する（以下これを第２の従来技術という）。
【０００８】
次にこの第２の従来技術の具体例を説明する。
図１０（ａ）（ｂ）において、第１の円柱面５の直径はｄ、第２の円柱面６の直径はＤで、両円柱面５と６の軸は同軸である。そして両円柱面５，６の間の断面がドーナツ状の２重円筒流路７に１組として作用する二つの超音波センサー８，９が設置されている。
【０００９】
両超音波センサー８，９は上流と下流に離れて、かつ互いに１８０度の円周角だけ離れた位置に設置されていて、両センサー８，９間を符号１０に示す螺旋状に超音波が伝搬する。
【００１０】
なお、図１０（ａ）で、点線の矢印Ｖは流体の流れ方向を示す。
両円柱面５，６間の距離（Ｄ−ｄ）／２＝ｈ即ち狭面間の距離が超音波センサー８，９に対応した固有の値以下の場合、狭面間を符号１０に示す螺旋に沿って伝搬する超音波は、ｈとある幅ΔＷの断面積ｈ×ΔＷの平均的な合成波となる。
【００１１】
従って、１組のセンサー８，９で断面ｈ×ΔＷの断面平均流速が得られる。音波は直線状ではなく、ある面積分の合成波となって伝搬する。その結果、図１０（ｂ）で示すハッチング部分の平均流速つまり１８０度の円周角に相当する部分の平均流速を得るようにした。
【００１２】
もし偏流が顕著である場合は、二つのセンサー８，９の円周方向の位置を互いに円周角で３６０°（即ち全周）だけずらして配置しても良いし、複数組の超音波センサーで、全周分をそれぞれ分担して計測するようにしてもよい。
【００１３】
例えば、互いに１８０度の円周角で上流と下流に配設した１組の超音波センサーと、他の１８０度の円周角で互いに上流と下流に配設した別の１組の超音波センサーとで、それぞれ半周分ずつの計測を分担し、両組で全周分の平均流速を計測するようにすることもできる。
【００１４】
超音波センサーの設置に関しては、１組となる二つのセンサー間の円周角を大きくすれば広い計測範囲（測定域）の断面平均流速が測定でき、偏流に関しては有利となる。計測域は図１０（ｂ）でハッチングした部分に相当する。
【００１５】
超音波が円柱面５と６の狭面間をある面積をもって螺旋状に伝搬すると、（直線的に反射するのではなく）中心波も拡散波も一体となって伝搬し、その測定域の断面平均流速が得られる。
【００１６】
先に提案した前記第２の従来技術は、流路断面積を大きくでき、断面平均流速を得られるため、大容量の流量計に好適である。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記第２の従来技術では、送受信用の超音波センサーの取付が困難で、流量計の製造がしにくいという問題点があった。
【００１８】
そこで、本発明は、大容量で精度の良い小形の超音波流量計が前記第２の従来技術のように得られ、しかも前記問題点を解消できる超音波流量計を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、断面が閉ループを形成する２重管流路を母線方向に被計測流体が流れる流量計であって、
断面の閉ループに直線状部分を備え、該直線状部分を含む閉ループが前記母線方向に流路の全長に亘って延在して２重管流路を構成し、
前記直線状部分を２重管流路の全長に亘って前記母線方向に被計測流体が流れ、
１組として作用する二つの超音波センサーが、流路の上流と下流に離れて設置されていて、前記直線状部分における両超音波センサー間の流体中を流れに対して斜めに超音波が伝搬するように、前記直線状部分の両端部に対応する位置に超音波センサーが対向配置されていて、前記直線状部分の断面平均流速を前記二つの超音波センサーで計測して全体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計である。
請求項２の発明は、断面が閉ループを形成する２重管流路を母線方向に被計測流体が流れる流量計であって、
断面の閉ループに直線状部分を備え、該直線状部分を含む閉ループが前記母線方向に一定長延在して２重管流路を構成し、
前記直線状部分を２重管流路の全長に亘って前記母線方向に被計測流体が流れ、
１組として作用する二つの超音波センサーが、流路の上流と下流に離れて設置されていて、前記直線状部分における両超音波センサー間の流体中を流れに対して斜めに超音波が伝搬するように、前記直線状部分の両端部に対応する位置に超音波センサーが対向配置されていて、前記直線状部分の断面平均流速を前記二つの超音波センサーで計測して全体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計である。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項１，２記載の超音波流量計において、断面がＤ形の閉ループであって、該閉ループが直線状部分と弧状部分とのつながりで形成されていることを特徴とするものである。
請求項４の発明は、請求項１，２又は３記載の超音波流量計において、断面がＤ形の閉ループであって、閉ループの直線状部分はＤの文字の縦棒に相当する部分であることを特徴とするものである。
請求項５の発明は、請求項１又は２記載の超音波流量計において、断面が三角形または四角形の閉ループであって、閉ループの直線状部分は前記三角形または四角形の一辺に相当する部分であることを特徴とするものである。
請求項６の発明は、請求項１，２又は５記載の超音波流量計において、１組として作用する二つの超音波センサーを流路の上流と下流に離れて設置した断面が直線状部分を、前記閉ループに複数有することを特徴とするものである。
請求項７の発明は、断面が閉ループであって、
該閉ループが二つの直角に曲がる部分を有していて、
前記直角に曲がる部分の一つと他の直角に曲がる部分に設置された超音波センサーの設置部における流路壁面が、該壁面に設置した超音波センサーから発射される超音波の発射方向と垂直な平面部を形成することを特徴とする請求項１又は２記載の超音波流量計である。
【００２１】
請求項８の発明は、請求項３，４または７記載の超音波流量計において、複数組の超音波センサーを設置して、閉ループを分担して計測するようにしたことを特徴とするものである。
請求項９の発明は、請求項３，４または８記載の超音波流量計において、前記断面がＤ形の閉ループであって、断面Ｄ形の閉ループ流路のうち、Ｄの字の直線部分を前記直線状部分として１組の超音波センサーで計測し、Ｄの字の弧状部分を別の１組の超音波センサーで計測するもので、
前記別の１組の超音波センサーを、前記直線状部分を形成する平面部に、前記弧状部分を臨んで設置し、超音波が前記弧状部分をほぼ螺旋状に伝播して断面平均流速を計測する
ことを特徴とするものである。
そして、請求項１０の発明は、請求項１記載の超音波流量計において、閉ループが、２重円管流路部（１１ｂ）と該２重円管流路部（１１ｂ）の周の２点間を結ぶ直線状部分（１１ａ）との組み合わせで形成されており、該直線状部分（１１ａ）の両端部に超音波センサーを設置したことを特徴とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施の形態を図面の実施例に従って説明する。
〔実施例１〕
図１は本発明の実施例１の模式図で、断面がＤ形の閉ループを形成する２重管流路１１の図示閉ループの直線状部分１１ａの図示上端部と下端部に超音波センサー１２，１３を設けている。
【００２３】
なお図１では両超音波センサー１２，１３が同一紙面上にあるかのように描かれているが、実際には両超音波センサー１２，１３同士は紙面と直角な方向、つまり２重管流路１１の母線である流れ方向に離れて設置されている。
【００２４】
その配置を図２（ａ）に示す。１４は超音波の伝搬路である。超音波センサー１２，１３の発受信ノズル１２ａ，１３ａは、流路１１内に突出しているが、同図（ｂ）に示すように、両発受信ノズル１２ａ，１３ａは流路１１の隅に配設されていて、この部分の流速は他に比べ遅い部分であるので、流速分布の均等性に大きな影響を与えることはなく、計測誤差に悪影響を及ぼさない。
【００２５】
また、このように距離ｈを有する狭面を閉ループ状（環状）に結んだ２重管流路とすることで、整流効果が高く、狭面間の距離ｈ×１０の長さで実用的な整流作用が得られ、大断面積の大容量流量計を小形に構成できる。
【００２６】
そして、１組の超音波センサーで、閉ループの直線状部分１１ａの断面平均流速が得られるため、Ｄ形閉ループのうちの他の部分も同様の平均流速と見なして全体の流量を算出できる。
【００２７】
ところで、流路断面は図１，図２（ｂ）に示すＤ形閉ループ形状に限ることなく、種々の変形が考えられる。
図３で、同図（ａ）は図１，図２（ｂ）で説明したのと同じＤ形閉ループ流路１１である。
【００２８】
〔実施例２〕
図３（ｂ）は長方形の角形閉ループ流路１１Ａを、図３（ｃ）は正方形に近い角形閉ループ流路１１Ｂの場合を示す。
【００２９】
〔実施例３〕
図３（ｄ）は、閉ループ流路１１Ｃが２重円管流路部１１ｂと直線状部分１１ａとの組み合わせで形成されており、直線状部分１１ａの上下各端部に超音波センサー１２，１３が設置されている。
【００３０】
図３（ｅ）は、流路断面が、図３（ｄ）に比較して右半分がＤ形流路１１Ｄをなし、ｘで示す範囲では図示左右方向の直線部で流路断面が形成されている。
〔実施例４〕
図４の実施例では、断面Ｄ形の閉ループ流路のうち直線状部分１１ａを１組の超音波センサー１２，１３で計測し、他の弧状部分１１ｄを超音波センサー１２Ａ，１３Ａで計測する。超音波センサー１２Ａ，１３Ａによる超音波の伝搬路はほぼらせん状になる。
【００３１】
こうして２組の超音波センサーで、２重管流路の全断面平均流速を計測する。
〔実施例５〕
図５の実施例では、断面の角形閉ループ流路のうち、図示左右方向の直線部分１１ａ′を１組の超音波センサー１２′，１３′で計測する。こうして、２組の超音波センサー１２，１３と１２′，１３′とで、角形閉ループ流路のうちの半分を実測する。実測した平均流量から全体の流量を算出する。
【００３２】
〔実施例６〕
図６の実施例では、断面が三角形の閉ループ流路のうち、直線状部分１１ａの平均流速を１組の超音波センサー１２，１３で計測して全体の流量を算出する。
【００３３】
〔実施例７〕
図７の実施例では、流路断面の閉ループが、前記各種実施例と異なる。この場合、２組の超音波センサー１２Ａ，１３Ａと１２Ａ′，１３Ａ′とで、閉ループの半分ずつを分担して計測する。各組の超音波センサー同士は、紙面に直角な流れ方向に離れて配置され、超音波は流路内をほぼらせん状に周方向に１８０度伝搬して流速を計測する。
【００３４】
このようにらせん状に伝搬する場合、超音波センサー１２Ａ，１３Ａ，１２Ａ′，１３Ａ′の設置部における流路壁面は符号１４で示すように平面部を形成し、一平面上で角度をもった２次元的な発受信口とする。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の超音波流量計は、２重管による狭面効果により整流部の長さが短くでき、大容量流量計を小形に構成できる。
【００３６】
また、広い断面の平均流速が得られるため偏流による誤差が小さく、ガス種状態に影響されないので実流量が直接得られる。しかも、流路断面が環状（閉ループ状）につながっているので、図９の角形断面流路の場合の上下端面壁の悪影響がなく、計測精度が向上する。
【００３７】
また、発受信ノズルを含めたユニット化が可能で、センサーの取り付けが容易である。
そして、容量が異なるシリーズ製品間で、直接計測流路及びセンサー取付部が一元化でき、センサー部の共用ができる。例えば、図３（ｃ）で、角形閉ループ流路の図示左右方向の直線部分の長さが変わった場合とか、図３（ｅ）で、符号ｘで示す長さが変わった場合である。
【００３８】
更にまた、狭面間の効果により干渉波が少なくなり、超音波の受信が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の流路断面と超音波センサーの配置を説明する模式図である。
【図２】（ａ）は本発明の実施例１の縦断面図で同図（ｂ）のＡ−Ａ断面、（ｂ）は同図（ａ）の横断面図である。
【図３】本発明の各種流路形状を示し、同図（ａ）はＤ形閉ループ流路を示す断面模式図、同図（ｂ）は角形閉ループ流路を示す断面模式図、同図（ｃ）は角形変形閉ループ流路を示す断面模式図、同図（ｄ）は円形閉ループ流路と直線状部分を組み合わせた流路断面模式図、同図（ｅ）は同図（ｄ）をいくらか変形した図面である。
【図４】本発明の実施例４の流路断面と超音波センサーの配置を説明する模式図である。
【図５】本発明の実施例５の流路断面と超音波センサーの配置を説明する模式図である。
【図６】本発明の実施例６の流路断面と超音波センサーの配置を説明する模式図である。
【図７】本発明の実施例７の流路断面と超音波センサーの配置を説明する模式図である。
【図８】従来技術の略図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。
【図９】別の従来技術の略図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。
【図１０】本願出願人が先に提案した更に別の従来技術の略図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は流路の横断面図である。
【符号の説明】
１１ ２重管流路
１１ａ，１１ａ′ 直線状部分
１２，１３，１２′，１３′，１２Ａ，１３Ａ，１２Ａ′，１３Ａ′
超音波センサー
１４ 平面部

Claims (10)

1. 断面が閉ループを形成する２重管流路を母線方向に被計測流体が流れる流量計であって、
   断面の閉ループに直線状部分を備え、該直線状部分を含む閉ループが前記母線方向に流路の全長に亘って延在して２重管流路を構成し、
   前記直線状部分を２重管流路の全長に亘って前記母線方向に被計測流体が流れ、
   １組として作用する二つの超音波センサーが、流路の上流と下流に離れて設置されていて、前記直線状部分における両超音波センサー間の流体中を流れに対して斜めに超音波が伝搬するように、前記直線状部分の両端部に対応する位置に超音波センサーが対向配置されていて、前記直線状部分の断面平均流速を前記二つの超音波センサーで計測して全体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。
2. 断面が閉ループを形成する２重管流路を母線方向に被計測流体が流れる流量計であって、
   断面の閉ループに直線状部分を備え、該直線状部分を含む閉ループが前記母線方向に一定長延在して２重管流路を構成し、
   前記直線状部分を２重管流路の全長に亘って前記母線方向に被計測流体が流れ、
   １組として作用する二つの超音波センサーが、流路の上流と下流に離れて設置されていて、前記直線状部分における両超音波センサー間の流体中を流れに対して斜めに超音波が伝搬するように、前記直線状部分の両端部に対応する位置に超音波センサーが対向配置されていて、前記直線状部分の断面平均流速を前記二つの超音波センサーで計測して全体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。
3. 断面がＤ形の閉ループであって、該閉ループが直線状部分と弧状部分とのつながりで形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波流量計。
4. 断面がＤ形の閉ループであって、閉ループの直線状部分はＤの文字の縦棒に相当する部分であることを特徴とする請求項１，２又は３記載の超音波流量計。
5. 断面が三角形または四角形の閉ループであって、閉ループの直線状部分は前記三角形または四角形の一辺に相当する部分であることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波流量計。
6. １組として作用する二つの超音波センサーを流路の上流と下流に離れて設置した断面が直線状部分を、前記閉ループに複数有することを特徴とする請求項１，２又は５記載の超音波流量計。
7. 断面が閉ループであって、
   該閉ループが二つの直角に曲がる部分を有していて、
   前記直角に曲がる部分の一つと他の直角に曲がる部分に設置された超音波センサーの設置部における流路壁面が、該壁面に設置した超音波センサーから発射される超音波の発射方向と垂直な平面部を形成することを特徴とする請求項１又は２記載の超音波流量計。
8. 複数組の超音波センサーを設置して、閉ループを分担して計測するようにしたことを特徴とする請求項３，４または７記載の超音波流量計。
9. 前記断面がＤ形の閉ループであって、断面Ｄ形の閉ループ流路のうち、Ｄの字の直線部分を前記直線状部分として１組の超音波センサーで計測し、Ｄの字の弧状部分を別の１組の超音波センサーで計測するもので、
   前記別の１組の超音波センサーを、前記直線状部分を形成する平面部に、前記弧状部分を臨んで設置し、超音波が前記弧状部分をほぼ螺旋状に伝播して断面平均流速を計測することを特徴とする請求項３，４または８記載の超音波流量計。
10. 閉ループが、２重円管流路部（１１ｂ）と該２重円管流路部（１１ｂ）の周の２点間を結ぶ直線状部分（１１ａ）との組み合わせで形成されており、該直線状部分（１１ａ）の両端部に超音波センサーを設置したことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波流量計。

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