JP4007853B2 - 超音波流量計 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はガスメータ等の気体流量計や、液体流量計に使用する超音波流量計に関する。
【0002】
【従来の技術】
本願発明の発明者等は、特願2000−12851号(特開2001−201379)で図1に示す構造の超音波流量計を提案した。
【0003】
この超音波流量計は、同図(b)に示すような高さH、幅Wの長方形の流路断面の流路1を備えた流管3の上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子4と5を同図(a)のように配設し、両振動子間で超音波の伝搬経路6に沿って超音波の送受信を行い、流体の流れ方向と同方向の順方向伝搬時間と、流体の流れ方向と逆方向の逆方向伝搬時間とから流速Vを演算し、更に流量を求めていた。
【0004】
超音波の伝搬経路6が流路1の中心軸X−Xに対して角度θだけ傾斜するように斜めに両振動子4,5を対向配置することで、断面平均流速により近い計測値が直接得られるとしている。Lは流管3の長さである。流路1は、同図(a)の縦断面においても、長さL、高さHの長方形を形成している。
【0005】
ところで、円形断面をもつ直管内の流れが層流のとき、管路の中心軸からrxだけ半径方向に離れた位置の流速Vxは、次の式で表される。ここでVmaxは管路の中心軸上の流速で最大値、Rは管路の
Vx=Vmax{1−(rx/R)2 }・・・(1)
半径である。これに対して、乱流の場合には管路の中心軸からrxだけ離れた位置の流速Vxは、
Vx=Vmax{1−(rx/R)}1/n ・・・(2)
となり、層流の場合の(1)式とは違った流速となる。しかも(2)式のnの値はレイノルズ数によって変化し、Nikuradseの測定結果により周知である。
【0006】
層流では(1)式からわかるように、管路の中心軸上で最大流速Vmaxとなるような放物線分布の流速変化となる(図2の曲線A)。乱流では微小な渦を含む流れであるが、平均的な流速の変化の様子を見ると、例えば図1の曲線BやCのように、層流のときよりもフラット(平坦)で管路の内壁の近傍で流速が大きく、中心部では小さくなるような流速分布となる。しかも乱流では流速分布がレイノルズ数によって変化する。それに対して、層流ではレイノルズ数が変わっても、流速分布形はほとんど変わらない。図2で、曲線BとCは乱流で、レイノルズ数が夫々4×104 と3×106 のときの流速分布形である(レイノルズ数とnとの関係も含めて、昭和54年、日刊工業新聞社発行、流量計測ハンドブック20〜21頁参照)。
【0007】
なお、前記図1(a)(b)の長方形断面の流路1における流速分布は、円形断面の流路における(1)式や(2)式の流速分布とは同じではないが、中心軸X−Xから高さH方向へ離れた位置の流速は、図2の流速分布形に似て、層流では曲線Aの放物線様となり、乱流では例えば曲線BやCのような、層流のときよりも管路の内壁の近傍で流速が大きく、中心部では小さくなるような、層流の場合に比較してフラット(平坦)な流速分布となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
流量計は流量が変わっても器差が常に一定であることが望ましいが、前記図1の従来技術の超音波流量計では、層流域と乱流域での流速分布の違いから両流域での器差に差が出るため、器差特性が良くないという問題点がなお残されていることに本願発明の発明者は気づいた。
【0009】
また、前記図1の従来技術では、管路の中心軸X−Xに対して、角度θだけ傾けて、両超音波振動子4,5を斜めに対向配置しているため、振動子と流管3との位置関係が複雑となり、スペース効率や組立性が悪くなるという問題点があった。
【0010】
そこで、本発明はこれらの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。
【0011】
【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、流路断面が長方形の流管の上流側と下流側に、対向して一対の超音波振動子を流管の中心軸上に相対して配設した超音波流量計であって、
前記流路断面の一方の短辺が上流から下流に行くに従って増大し、他方の短辺が上流から下流に行くに従って減少するように変化させた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、流路断面が長方形の流管の上流側と下流側に、対向して一対の超音波振動子を流管の中心軸上に相対して配設した超音波流量計であって、
前記流路断面の一方の短辺が上流端部から下流端部に行くに従って増大し、他方の短辺が上流端部から下流端部に行くに従って減少するように変化させたことを特徴とする超音波流量計である。
請求項3の発明は、請求項1又は2の超音波流量計において、流路の下流端部における前記一方の短辺の幅(W2)を上流端部における前記他方の短辺の幅(W2)と同じに、流路の下流端部における前記他方の短辺の幅(W1)を上流端部における前記一方の短辺の幅(W1)と同じに定めたことを特徴とするものである。
請求項4の発明は、請求項3の超音波流量計において、流管の中央部の流路断面における短辺の幅(W)が上流端部の長辺(H)の中央における幅(W)と同じ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、2、3又は4の超音波流量計において、流管の上流端部と下流端部における各流路断面の2つの短辺の幅の比W2/W1を1.05〜2に定めたことを特徴とするものである。
【0012】
請求項6の発明は、請求項1乃至5のいずれか1項の超音波流量計において、短辺の寸法の変化を5〜100%としたことを特徴とするものである。
【0013】
請求項7の発明は、請求項1乃至5のいずれか1項の超音波流量計において、流路断面の長辺(H)を短辺(W)の5〜20倍に定めたことを特徴とするものである。
【0014】
請求項8の発明は、請求項1乃至5のいずれか1項の超音波流量計において、流路断面の四隅に丸みをつけ、その曲率半径をその部分の短辺のほぼ1/2〜1/4に定めたことを特徴とするものである。
【0015】
請求項9の発明は、請求項1乃至5のいずれか1項の超音波流量計において、短辺の寸法の変化を5〜100%とし、流路断面の長辺(H)を短辺(W)の5〜20倍に定め、更に流路断面の四隅に丸みをつけ、その曲率半径をその部分の短辺のほぼ1/2〜1/4に定めたことを特徴とするものである。
【0016】
請求項10の発明は、請求項1乃至9のいずれか1項の超音波流量計において、流体の流入部と流出部を備えた計量室に、流体の流れを計測する流路を設け、一対の超音波振動子を、その一方を流路の流入側に、他方を流路の流出側に配置したことを特徴とするものである。
【0017】
【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。
【0018】
図3は本発明の実施例の基本的構成を示す図で、超音波送受波器としての超音波振動子は図示されていない。流管3の入口3aから流入した流体は、流路1を同図(a)で図示右方に向って流れ、出口3bから流出する。流路1の断面形状は入口付近では同図(b)に示すように長辺が高さHのほぼ長方形で、厳密には、その上端部と下端部に丸み(アール)をつけて、全体が変形した小判形に形成されている。上端部の幅(短辺)はW2、下端部の幅(短辺)はW1で、W2:W1=1.05〜2に定めてある。また、長辺(高さ)Hは短辺(W1,W2)の5〜20倍に定めてある。また、下端部のRの曲率半径R1はW1/2に、上端部のアールの曲率半径RはW2/2に定めてある。なお、この発明では、一般的に流路断面の長方形の四隅の丸み(アール)の曲率半径をその部分の短辺のほぼ1/2〜1/4に定めると良い。
【0019】
図3(c)は流管3の中央部のC−C断面で、この部分での流路断面は、長さ(高さ)がH、幅(短辺)がWの小判形で、幅(短辺)Wは同図(b)における長さ(高さ)Hの中央における幅Wと同じである。また、流路断面の形状で、上端部と下端部は曲率半径RがW/2の円弧に形成されている。
【0020】
図3(d)は、同図(a)のD−D断面視図で、同図(b)とは上下が逆の関係になっている。すなわち変形した小判形の流路1は、高さがHで、上端部と下端部はそれぞれ曲率半径がW1/2とW2/2に形成され、W2は前述のようにW1の1.05〜2倍に定めてある。
【0021】
同図(e)は、流管3の一部を同図(a)の中心軸X−Xを通る面で切断した一部縦断平面図で、高さHに比べて幅Wが小さいことがよく表されている。
なお、超音波振動子は図示されていないが、中心軸X−X上において、流管3の入口3aのわずか上流と、出口3bのわずか下流とに配設される。
【0022】
流路1は上述のように流路断面がほぼ長方形、または小判形に形成され、しかも、流路断面の一方の短辺(例えば下端部の幅)が上流から下流に行くに従って徐々に増大している。この実施例では上流端部で幅がW1、下流端部では幅がW2となっている。また、流路断面の他方の短辺(例えば上端部の幅)が上流から下流に行くに従って徐々に減少している。この実施例では上流端部で幅がW2、下流端部では幅がW1となっている。
【0023】
このような流路断面形状における図示下端部の短辺(幅)がW1からW2に徐々に増大し、流路断面形状における図示上端部の短辺(幅)がW2からW1に徐々に減少する様子は、図4の模式図を見るとより一層明らかである。図4では、中心軸X−X上に配設した一対の超音波振動子4と5も図示してある。
【0024】
図5は図3と4で説明した流路1を有する流管3を備えた流量計の実施例の全体構成を示す図で、同図(a)は縦断面図、(b)は同図(a)のB−B断面視図である。この図5において、被計測流体は流入部6から計量室7に入り、流管3の流路1に左から入る。同図(a)で、流路1を図示右方に中心軸X−Xに沿って流れ、流路1の右方から出て流出部8から流出する。9は流入部側と流出部側を仕切る仕切り壁で、この仕切り壁9を貫通して流管3が水平に固定されている。
【0025】
計量室7の相対する壁面10,11には、一対の超音波振動子4と5が相対して対向配置されている。すなわち一方の振動子4は流路の流入側に、他方の振動子5は流路の流出側に配設されている。流路1に流れ込む流体は振動子4の全周から流入し、流路1から流れ出る流体は振動子5の全周を通過して流出する。同図(b)の回路基板12に実装された電子ユニット13は、振動子4,5を間欠的にパルス駆動したり、振動子4,5で受信する超音波の受信波を入力して超音波の伝搬時間を計測し、順方向と逆方向の伝搬時間に基づいて流速・流量を演算し、表示部14に流量を表示する。
【0026】
図6は、図3(a)〜(e)と図4の基本構成を有する流管3を備えた図5の流量計における層流域での流速分布で、縦軸は、図3(a)の流路断面の長辺(高さ)Hの方向の寸法、すなわち中心軸X−Xからの距離を示す。図3(c)に示すC−C断面では、流路断面が上下対称であるので、このC−C断面での流速分布は、図6の曲線Cのように、中心軸X−X上に最大値Vmaxがくる放物線様となる。流管3の入口付近の図3(b)に示すB−B断面では、流路断面の幅(短辺)が流路の下端部W1に比較して上端側の方がW2と大きいため、このB−B断面での流速分布は、図6の曲線bのように、最大値Vmaxが中心軸X−Xよりも上方にずれた形に変形する。従って、曲線bの流速分布では、中心軸X−X上の流速は図のように、最大値Vmaxより小さい値となる。図3(d)に示すD−D断面では、流路断面の幅(短辺)が流路の上端側W1に比較して下端側の方がW2と大きいため、このD−D断面での流速分布は、図6の曲線dのように、最大値Vmaxが中心軸X−Xよりも下方にずれた形に変形する。従って、この曲線dの流速分布でも、中心軸X−X上の流速は図のように、最大値Vmaxより小さい値となる。
【0027】
従って、中心軸X−X上を伝搬する超音波で計測する流速は、流路の長さLの中央部では、図6の曲線Cの最大値Vmaxであるが、中央部から離れて入口3aや出口3bに近づく程、最大値Vmaxより小さい値になり、層流域における流速をより断面平均流速に対応した値として計測することになる。こうして、従来技術における層流域での器差のプラス傾向を解消する。
【0028】
なお、上記実施例、特に図3や図4では、流路断面の上端部や下端部は流路の幅W1,W,W2の1/2の曲率半径の円弧で図示したが、流路断面を長方形、厳密には中央部のC−C断面から離れた部分ではW1とW2が違うので長方形というより幅の狭い台形とし、四隅にアール(丸み)を形成してもよい。
【0029】
図6は器差特性を示し、符号eで示す器差曲線は従来技術のもので、流量が小さい層流量域では、流量が大きい乱流域に比べて器差のプラス傾向が現れている。符号fで示す器差曲線は上述の本発明の実施例のもので、層流域での器差のプラス傾向が解消されて、全流量域にわたって器差がほぼ一定に改善されている。
【0030】
【発明の効果】
本発明の超音波流量計は上述のように構成されているので、層流域から乱流域に亘る全流量域で器差が常にほぼ一定に保たれ、器差特性が向上する。また、超音波振動子を流管の中心軸上に配設しているため、振動子の取付性が向上し、かつ計測部の小型化に寄与するばかりでなく、振動子の全周から流体が流れ込むため、流体に与える圧損も低減できる。なお、流量断面形状が流れの方向への位置の移動につれて変化するが、長方形断面の幅の変化が除々に変化するように構成したため、流速変化による圧損が問題になる程大きくなる不具合はない。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術の基本構成を示す図で、(a)は縦断面図、(b)は横断面図。
【図2】円形断面をもつ直管内の流速分布を説明する図。
【図3】本発明の実施例の流管の基本構成図で、(a)は一部縦断正面図、(b)は同図(a)のB−B断面視図、(c)は同図(a)のC−C断面図、(d)は同図(a)のD−D断面視図、(e)は一部縦断平面図。
【図4】図3の流管の流路形状を模式的に示す斜視図で、超音波振動子の配置も併せて示す図。
【図5】図3の流管を備えた流量計の実施例の図で、(a)は縦断面図、(b)は同図(a)のB−B断面視図。
【図6】本発明の実施例における層流域での流速分布を説明する図。
【図7】超音波流量計の器差特性線図で、従来技術と本発明の実施例の器差曲線を比較して示す。
【符号の説明】
1 流路
3 流管
4,5 超音波振動子
H 流路断面の長方形の長辺としての長さ(高さ)
W1,W,W2 流路断面の長方形の短辺としての幅
L 流管の長さ
R1,R,R2 曲率半径
6 流入口
7 計量室
8 流出口
9 仕切り壁
Claims (10)
- 流路断面が長方形の流管の上流側と下流側に、対向して一対の超音波振動子を流管の中心軸上に相対して配設した超音波流量計であって、
前記流路断面の一方の短辺が上流から下流に行くに従って増大し、他方の短辺が上流から下流に行くに従って減少するように変化させたことを特徴とする超音波流量計。 - 流路断面が長方形の流管の上流側と下流側に、対向して一対の超音波振動子を流管の中心軸上に相対して配設した超音波流量計であって、
前記流路断面の一方の短辺が上流端部から下流端部に行くに従って増大し、他方の短辺が上流端部から下流端部に行くに従って減少するように変化させたことを特徴とする超音波流量計。 - 流路の下流端部における前記一方の短辺の幅(W2)を上流端部における前記他方の短辺の幅(W2)と同じに、流路の下流端部における前記他方の短辺の幅(W1)を上流端部における前記一方の短辺の幅(W1)と同じに定め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。
- 流管の中央部の流路断面における短辺の幅(W)が上流端部の長辺(H)の中央における幅(W)と同じであることを特徴とする請求項3記載の超音波流量計。
- 流管の上流端部と下流端部における各流路断面の2つの短辺の幅の比W2/W1を1.05〜2に定めたことを特徴とする請求項1、2、3又は4記載の超音波流量計。
- 短辺の寸法の変化を5〜100%としたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の超音波流量計。
- 流路断面の長辺(H)を短辺(W)の5〜20倍に定めたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の超音波流量計。
- 流路断面の四隅に丸みをつけ、その曲率半径をその部分の短辺のほぼ1/2〜1/4に定めたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の超音波流量計。
- 短辺の寸法の変化を5〜100%とし、流路断面の長辺(H)を短辺(W)の5〜20倍に定め、更に流路断面の四隅に丸みをつけ、その曲率半径をその部分の短辺のほぼ1/2〜1/4に定めたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の超音波流量計。
- 流体の流入部と流出部を備えた計量室に、流体の流れを計測する流路を設け、一対の超音波振動子を、その一方を流路の流入側に、他方を流路の流出側に配置したことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の超音波流量計。
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