JP4188386B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は超音波流量計の改良に関する。

超音波流量計の測定原理の基本方式は、ドップラ方式と伝播時間測定方式の２方式に分かれる。

又、伝播時間測定方式には時間差法、時間逆数差法及び位相差法の３つの方法がある。そして、伝播時間測定方式における超音波パスを通す方式として送受波器（振動子）を配管に対して斜めに対向して通すシングルパス方式と、配管内で１回反射させて通すシングルリフレクション方式（反射方式）が周知である。

図４はシングルパス方式、図５はシングルリフレクション方式で、Ｔｕは上流に配設した送受波器、Ｔｄは下流に配設した送受波器である。

時間差法は伝播時間測定方式の基本的な考え方で流体中の音波の伝播速度が上流から下流に向かう時、下流から上流に向かう時では異なるという原理に基づいており、超音波の送受信を交互に切り換え、その伝播時間の差から流速を測定する。

図６において、上流の送受波器Ｔｕから下流の送受波器Ｔｄに向かう音波の伝播時間ｔｄは、
ｔｄ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）・・・（１）
で、下流の送受波器Ｔｄから上流の送受波器Ｔｕに向かう音波の伝播時間ｔｕは、
ｔｕ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）・・・（２）
である。

Ｌは両送受波器間の距離、Ｃは静止流体中の音速、Ｖは流速、θは超音波伝播軸と管路１の中心軸の角度である。

伝播時間差Δｔはｔｕ−ｔｄであり、通常の条件では、
（Ｖｃｏｓθ）² ≪Ｃ² ・・・（３）
であるので、これらよりΔｔは、
Δｔ＝２ＶＬｃｏｓθ／｛Ｃ² ＋（Ｖｃｏｓθ）² ｝・・・（４）
従って、
Δｔ＝２ＶＬｃｏｓθ／Ｃ² ・・・（５）
となり、流速Ｖを、
Ｖ＝Ｃ² Δｔ／２Ｌｃｏｓθ・・・（６）
として求めている。

なお、図６でＤは円筒形管路１の内径、つまり流路径である。
（３）式の条件が成立するように、流速Ｖが音速Ｃよりもかなり小さい０〜３０ｍ／ｓの流速範囲で計測可能である。流速が３０ｍ／ｓを越えると（４）式の（Ｖｃｏｓθ）² の項を無視したことによる（６）式の計算誤差や気体の圧縮性の影響による誤差が大きくなるからである。

また、流量は（流速）×（流路断面積）であるので、流量に応じた流路断面積が必要となる。

従って、管内流速を安定化して正確な測定をするために、流量計測部の長さ（管路の軸方向の長さ）を仮に１０Ｄとすれば、それなりに当然全長も長くなり、超音波送受波器間の距離Ｌも大きくなる。

そのため、計測する最大流量が大きくなると、それに応じて流量計全体が大きくなり、それに対応して上下流側に必要な直管部の長さも大きくなって、流量計測に大きなスペースが必要になって設置に関しての制約が多いという問題があった。

また、前述のように超音波送受波器間の距離Ｌが大きくなることによって送受波器駆動電力が大きくなり、流量計の消費電力が増大するという問題点があった。

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。

本発明は、フランジ（７）の入口（２Ａ）とフランジ（８）の出口（２Ｂ）を有し、入口（２Ａ）から流入した流体は、流路断面が矩形の流路（４）に流入して流路（４）内を直線状に流れ、出口（２Ｂ）から流出することを最も主要な特徴とする。

そこで、前記目的を達成するために、請求項１の発明は、流速計測部の流路（４）を構成する壁面が、間隔（Ｈ）をおいて互いに対向する少なくとも２つの壁面（２）（３）を有し、少なくともこれら２つの壁面（２）（３）で挟まれた流速計測部の流路（４）を流体が直線状に流れると共に、前記両壁面（２）（３）が前記間隔（Ｈ）方向に対して直角な流れ方向（Ｚ）と、間隔（Ｈ）方向と流れ方向（Ｚ）に対して直角な第３の方向（Ｙ）に間隔（Ｈ）の大きさよりも大きく延在し、
２つの壁面（２）（３）が平行な平面で形成され、流れ方向（Ｚ）に直角な流路断面が矩形であって、該矩形の長辺が２つの壁面（２）（３）に形成されると共に、矩形の短辺の長さが間隔（Ｈ）と同じ寸法であるとともに、
フランジ（７）の入口（２Ａ）とフランジ（８）の出口（２Ｂ）を有し、入口（２Ａ）から流入した流体は矩形断面の流路（４）に流入し出口（２Ｂ）から流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、請求項１の超音波流量計において、ボス部を有し、該ボス部に超音波送受波器を設置したことを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項２の超音波流量計において、流路（４）を流れる流体の流速は、シングルパス方式で計測されることを特徴とするものである。

本発明の超音波流量計は上述のように構成されていて、安定した流線、流速分布となるコンパクトな構造のものとなり、かつ、矩形流路全体として均一の流速分布となる。また、流路（４）の壁面を形成する２つの平行な壁面（２）（３）の間隔（Ｈ）、即ち矩形流路の短辺（２´）（３´）により安定流速となる。こうして、短い距離で定常流が得られるため、全長を短くしてコンパクトにできる。また、流速計測部の流路断面形状から、上流下流の影響を受けにくい。

また、入口部や出口部の流路断面積を矩形流路部の流路断面積とほぼ同じにすることが可能で、圧力損失を小さくできる。また入口部、出口部をフランジとすることで、配管との接続が容易となる。

そして、大流量用の流量計でも間隔（Ｈ）が短巾ということで送受波器間の距離を小さくできるため、送波器としての駆動電力を低減できる。また、間隔（短巾）（Ｈ）を、流量計の口径の違いによらず一定とすれば、最大流量によらず同じ超音波送受波器を共用化できる利点がある。

請求項２の発明では、超音波送受波器を流路外壁に限らず、ボス部に設置できるため送受波器の設置場所の自由度が多い。

次に本発明を実施するための最良の形態を図の実施例に基づいて説明する。
〔実施例１〕
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）において、流速計測部の流路４の断面は矩形で、該矩形の２つの短辺は互いに平行な壁面２´，３´で形成され、２つの長辺は互いに平行な壁面２，３で形成されている。壁面２と３の間隔はＨで短巾に決められている。

フランジ７の入口２Ａから流入した流体は流速計測部の矩形断面の流路４へ矢印のように流入し、フランジ８の出口２Ｂから流出する。流路４を流れる流体の流速は、ボス部に対向設置した超音波送受波器ＴｕとＴｄによってシングルパス方式で計測される。
〔対照例〕
次に図２（ａ）（ｂ）に従って、超音波流量計の全長について説明する。なお、図２（ａ）（ｂ）の対照例は、本発明の請求範囲に含まれない。

図２では、間隔Ｈをおいて互いに同軸的に配設された２つの円筒形の壁面（円筒面）２と３に挟まれた円筒形の流速計測部の流路４内を、被計測流体が同図（ｂ）に太い矢印で示すように左方から右方に流れる。この流れ方向は同図（ｂ）で符号Ｚで示す図示左右方向で、両円筒面２，３の母線方向に相当し、同図（ａ）では紙面に直角な方向となる。

従って、両円筒面（壁面）２，３は円筒面同士の半径方向の間隔Ｈの方向に対して直角な流れ方向Ｚと、間隔即ち半径方向Ｈと流れ方向即ち母線方向Ｚに対して第３の方向即ち円周方向Ｙに間隔Ｈの大きさよりも大きな寸法で延在する曲面で形成されている。Ｌ₁ は直管部の長さである。

ところで、図３（ａ）（ｂ）に示すように円管の管路１を用いる従来技術では、直管部の長さＬ₀ が直径φＤ₀ の１０倍（仮）以上の時に定常流となると考えられ、φＤ₀ が大きければ流量計の全長はかなりの長さになる。例えば、φＤ₀＝φ６０とすると、Ｌ₀ ＝６００となる。

図２（ａ）（ｂ）の対照例の場合には、流路断面積を図３の従来技術と同じにするために、
Ｄ₀ ² ＝Ｄ₁ ² −ｄ₁ ²
とする。そして、壁面（円筒面）２と壁面（円筒面）３との間隔Ｈによって流速分布が形成されるので、Ｌ₁ ＝１０Ｈで定常流となる。仮にＨ＝１５とするとＬ₁ は１５０ｍｍで定常流となり、図３の場合に比べて数分の１の長さでも定常流になる。また、導入出流路を適当に構築すれば上流下流の影響を受けにくい計測部となる。このことは上記実施例１に示す本発明の場合も同じである。

また、間隔Ｈと長さＬ₁ の値をある程度の範囲に限定すれば、流量計の最大流量の大小にかかわらず全長が単一となり、かつ超音波送受波器関係の電子回路が共有化できる。

本発明の第１実施例で、（ａ）は平断面図、（ｂ）は縦断側面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線横断面図である。 対照例の流路形状を示す図で、（ａ）は正断面図、（ｂ）は側断面図である。 従来技術の流路形状を示す図で、（ａ）は正断面図、（ｂ）は側断面図である。 従来技術のシングルパス方式を示す図である。 従来技術のシングルリフレクション方式を示す図である。 従来技術のシングルパス方式の原理を説明する図である。

符号の説明

１ 管路
２ 壁面
３ 壁面
２′ 壁面
３′ 壁面
４ 流路
Ｈ 間隔
Ｙ，Ｚ 方向

Claims (3)

1. 流速計測部の流路（４）を構成する壁面が、間隔（Ｈ）をおいて互いに対向する少なくとも２つの壁面（２）（３）を有し、少なくともこれら２つの壁面（２）（３）で挟まれた流速計測部の流路（４）を流体が直線状に流れると共に、前記両壁面（２）（３）が前記間隔（Ｈ）方向に対して直角な流れ方向（Ｚ）と、間隔（Ｈ）方向と流れ方向（Ｚ）に対して直角な第３の方向（Ｙ）に間隔（Ｈ）の大きさよりも大きく延在し、
   ２つの壁面（２）（３）が平行な平面で形成され、流れ方向（Ｚ）に直角な流路断面が矩形であって、該矩形の長辺が２つの壁面（２）（３）に形成されると共に、矩形の短辺の長さが間隔（Ｈ）と同じ寸法であるとともに、
   フランジ（７）の入口（２Ａ）とフランジ（８）の出口（２Ｂ）を有し、入口（２Ａ）から流入した流体は矩形断面の流路（４）に流入し出口（２Ｂ）から流出することを特徴とする超音波流量計。
2. ボス部を有し、該ボス部に超音波送受波器を設置したことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 流路（４）を流れる流体の流速は、シングルパス方式で計測されることを特徴とする請求項２記載の超音波流量計。

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