JP4346458B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

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の改良に関する。

［第１の従来技術］
本願発明の発明者等は、特願２０００−１２８５１号で図１に示す構造の超音波流量計を提案した（特許文献１参照）。

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径路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。

超音波の伝搬径路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。

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。

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り、層流のときよりもフラット（平坦）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（非特許文献１参照）。

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。

［第２の従来技術］
また、図３に示すような超音波流量計が公知である（特許文献２参照）。この従来技術では、一対の超音波振動子４，５が相対して配設される対向する側面３Ａ，３Ｂと、これらの側面を結び対向する上面３Ｃ及び底面３Ｄとから構成される流路測定部（流管３）を有し、前記上面３Ｃ及び底面３Ｄの内壁面３ｃ，３ｄ間の距離が、測定流路１の中心軸Ｘ−Ｘに近づくに従って徐々に狭くなるように構成されている。前記一対の超音波振動子４，５間の超音波の伝搬時間に基づいて流路１を通過する流体の流速を検出することによって流量を求める。

こうすることで、図３に示すように、流路断面において流管３の長辺に平行でその中心軸Ｘ−Ｘを通るａ，ａ′ライン上の流速分布が比較的フラット（平坦）で一様な流速分布Ｄになり、計測誤差が少なくなるとしている。

［第３の従来技術］
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に示す第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、層流域の器差がプラス傾向になり、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。

また、前記図３に示す第２の従来技術の超音波流量計では、流路３の側面３Ａと３Ｂにそれぞれ超音波振動子４と５が相対して配設されているので、両振動子間を結ぶ超音波の伝搬径路６と中心軸Ｘ−Ｘとの間の角度Θが４５°よりも大きくほぼ６０°程度になっている。

そのため、流速分布Ｄのフラットな部分が超音波の波面と一致しなくて、波面と大きな角度（ほぼ６０°）で交差するため、流量計としての計測精度が低いという問題点があった。また、流路３の側面に設けた振動子が、流路側面に近い流速零の部分も計測するため、この面からも計測精度が低くなるという問題点があった。

そこで、本願発明の発明者等はこれら従来技術の問題点を解消できる超音波流量計を特願２００２−１６９５０６号で提案した。

この第３の従来技術の流量計測部の基本構成図の斜視図を図４に示す。長さＬの流管３の図示左端の入口３ａから流入した流体は、流路１を図示右方に向って流れ、出口３ｂから流出する。流れに直角な流路断面形状は、流管３の互いに平行な上側内壁面３Ｅと下側内壁面３Ｆとの間隔（距離）Ｗからなる短辺と、長手方向の長辺Ｈ′とからなるほぼ長方形に形成され、厳密には長手方向の両端部に直径Ｄの円形の一部で形成されるふくらみを有し、このふくらみ部分も含めた長手方向の長辺がＨ′である。長手方向の長辺Ｈ′は、このように平行な２平面（内壁面）３Ｅ，３Ｆの長手方向の寸法と、両ふくらみの長手方向の寸法（即ち、直径Ｄのほぼ２倍）の合計で決められるが、平行な内壁面３Ｅ，３Ｆの長手方向の寸法Ｈ_EFは、ふくらみの長手方向の寸法（ほぼ２Ｄ）よりも比較的大きく定めてあり、Ｈ_EF≒１．８×２Ｄである。

流れに直角な流路断面形状が、長辺Ｈ′の両端部に直径Ｄの円形のふくらみ（厳密には円形の一部分で形成されたふくらみ）を有するメガネ形で、このふくらみが流管３の全長Ｌに亘って延在するので、特に層流域において、ふくらみ部分を流れる流体の流体抵抗が、第１の従来技術の図１（ｂ）のように正確な長方形流路断面の場合に比較して低減し、ふくらみ部分を流れる流速が大きくなり、そのぶん中央付近の流速が小さくなるため、全体として、流路断面の長辺に平行で、中心軸Ｘ−Ｘを通るｂ，ｂ′ライン上の層流域での流速分布Ｅは図４に示すようにフラット（平坦）になる。短辺としての距離（間隔）Ｗとふくらみの直径Ｄとの比率は、Ｗ：Ｄ＝１：１．５である。

一対の超音波振動子４と５は、中心軸Ｘ−Ｘを含み、かつ両内壁面３Ｅ，３Ｆと平行な平面内の、中心軸Ｘ−Ｘと角度θだけ斜めに傾斜した伝搬径路としての直線６上に対向して配置されている。一方の振動子４は流管３の上流側（流入側）に、他方の振動子５は流管３の下流側（流出側）に離れて配設され、伝搬径路６は流管の長さＬの中央では、前記ｂｂ′ラインと中心軸Ｘ−Ｘの交点を通る。従って、傾きθは約１０°と小さい。そのため、超音波の波面が前記フラット（平坦）な流速分布Ｅとほぼ一致し、この面からも流量計としての計測精度が向上するとしている。

このように、図３に示す第３の従来技術では、層流域での流速分布Ｅがフラット（平坦）になるため、図１に示す第１の従来技術における層流域での器差のプラス傾向が解消され、層流域から乱流域にわたる広い流量範囲で器差が常にほぼ一定になるとしている。図５の器差特性線図は、第３の従来技術で示されているもので、符号ｅは図１の従来技術の場合を、符号ｆは図４の場合の器差曲線を示すとしている。
特開２００１−２０１３７９号公報 特開２００１−３１７９７４号公報 川田裕郎編著、「流量計測ハンドブック」初版、日刊工業新聞社、昭和５４年７月１０日、Ｐ．２０−２１

図４のように、流れに直角な流路断面形状が、長辺Ｈ´の両端部に直径Ｄの円形のふくらみを有するメガネ形で、このふくらみが流管３の全長Ｌに亘って延在するようにすることで、流量計の器差曲線が図５の符号ｆで示す曲線のように改善されたが、もっと器差特性を改良し、かつ、より微小流量まで計測可能にして計測範囲を広げる（レンジャビリティーを拡大する）ことが要望されている。
そこで本発明は、これらの要望を実現でき、しかも前記第３の従来技術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、流体の流れ方向に直角な流路断面の形状がほぼ長方形をなす流管の上流側と下流側に、流管の中心軸に対して前記長方形の長手方向に傾斜した位置に対向配置した一対の超音波振動子を有する超音波流量計であって、中心軸に平行でかつ前記長方形の短辺方向に長い流路断面部分の流れ方向の全長を、中心軸から前記長手方向に離れる程短くしたことを最も主要な特徴とする。

そして、上記目的を達成するために、請求項１の発明は、流体の流れ方向に直角な流路断面の形状がほぼ長方形をなす流管の上流側と下流側に、対向配置した一対の超音波振動子を有する超音波流量計であって、
中心軸に平行で、かつ前記長方形の短辺方向に長い流路断面部分の流れ方向の全長を、中心軸から前記長方形の長手方向に離れる程短く定め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、請求項１の超音波流量計において、流路を形成する流管の端面を面削ぎした形状と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、流管の上流端又は下流端の少なくとも一方の端面を面削ぎした形状とし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、流管の上流端及び下流端の両端面を面削ぎした形状としたことを特徴とするものである。

請求項５の発明は、請求項２乃至４のいずれか１つの超音波流量計において、面削ぎした形状が、直線からな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、超音波振動子を流路を形成する流管の上流側と下流側に配設したので、中心軸Ｘ−Ｘに対する伝搬径路（６）の傾き（θ）が比較的小さくなり、流速分布Ｅの平坦部に超音波の平面波の波面をほぼ一致させられるため、この面からも測定精度が向上する。更にまた、感度が向上し微小流量域まで計測範囲が広がる。その上、流管の形状が簡単なので生産が容易である。

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。

図６は本発明の実施例１の基本構成で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図、（ｄ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図である。なお、（ｅ）と（ｆ）はわずかに変形したものの同図（ａ）に相当する側面図である。図７と図８は、図６の基本構成に示したのと同様の流管を用いた超音波流量計の実施例の全体構成を示す図で、図７（ａ）は縦断正面図、同図（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、図８は図７（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。

図６（ａ）〜（ｄ）において、流管３に形成された流路１は、流路１の中心軸Ｘ−Ｘに直角な、流路の断面（横断面）において、短辺がＷで長辺がＨ´の長方形である。短辺Ｗは、流路１の上側内壁面３Ｅと下側内壁面３Ｆの両平面の間隔（距離）で、両平面は平行に対向している。長辺Ｈ´は長方形の流路断面の長手方向になる。この実施例では長辺Ｈ´は短辺Ｗの約５倍に定めてあるが、この比Ｈ´／Ｗはもっと大きく１０倍程度に定めても良い。

流管３の両端面、即ち上流端面と下流端面は、特に図６（ｃ）に示すように、前記長方形断面の流路の長辺側の側壁（即ち同図（ｂ）における図示左右側の側壁）に近づく程、流路部分の流れ方向の長さを短くするように面削ぎした形状にしている。したがって、同図（ｂ）に示すように、中心軸Ｘ−Ｘのところで、長さＬの流管３は、両側壁（同図（ｂ）では図示上・下端位置に示されている側壁）のところで、その流路部分の寸法Ｌｍｉｎが長さＬの約１２％短くなっている。このように面削ぎした形状とすることで、流管３は同図（ｂ）に示すように、上流側と下流側の両端面が中心軸Ｘ−Ｘのところで一番長い尖った形を示す。もっとも、尖った形とはいっても、その角度βは１４０°位である。

図６（ｃ）（ｄ）に示すように面削ぎした形状の部分（中央部に平面部があってもよい）は４つの直線で形成されている。直線上の一点をＰとし、図６（ｄ）で、中心軸Ｘ−ＸからＰまでの距離をｘ、点Ｐを通る前記面削ぎした形状の直線部分の勾配をａとすると、点ＰＰ間の距離Ｌｘは、
Ｌｘ＝Ｌ−２ａ・ｘ
となり、Ｌｍｉｎ＝Ｌ−２ａ・（Ｈ´／２）＝Ｌ−ａ・Ｈ´
となる。

ａは面削ぎした形状の直線部分の勾配（傾斜）で、面削ぎした形状が直線だけでなく、曲線も含めた場合には、Ｌｘは、距離ｘの関数として一般的にｆ（ｘ）とし、
Ｌｘ＝Ｌ−２ｆ（ｘ）
とあらわすことができる。但し、ｆ（ｘ）は距離ｘの関数で面削ぎした形状の曲線をあらわす。

これらのことは、図６（ｂ）に示すように、距離ｘの位置で、微小な寸法Δｘをとり、このΔｘと幅Ｗとで形成される、ハッチングした微小面積部分、即ち中心軸Ｘ−Ｘに直角な断面における短辺Ｗ方向に長い流路断面部分の流れ方向の全長Ｌｘが、中心軸Ｘ−Ｘのところで最大値Ｌとなり、前記両側壁（同図（ｂ）における図示左・右端の壁）のところで最小値Ｌ：Ｌｍｉｎ＝１：０．８〜０．９８をとるということと表現することもできる。

ところで、超音波振動子４と５は、同図（ｃ）に示すように、中心軸Ｘ−Ｘを含み、かつ上・下の両内壁面３Ｅ，３Ｆと平行な平面内の、中心軸Ｘ−Ｘに対して角度θだけ、流路断面の前記長方形の長手方向に傾斜した超音波伝搬経路としての直線６上に対向して配置されている。一方の振動子４は流管３の入口３ａの上流側（流入側）に、他方の振動子５は流管３の出口３ｂの下流側（流出側）に離れて、伝搬経路６は流管３の長さＬの中央では、流路断面の長辺に平行で中心軸Ｘ−Ｘを通るｃ，ｃ´ライン（同図（ｄ）参照）と中心軸Ｘ−Ｘの交点を通る。したがって、傾きθは約１０°と小さい。そのため、超音波の波面が、前記ｃ，ｃ´ライン上の層流域での流速分布Ｆとほぼ一致し、この面からも流量計としての計測精度が向上する。また、流速分布Ｆは同図（ｄ）に示すようにフラット（平坦）になる。

流速分布Ｆは、面削ぎの形状をあらわす関数ｆ（ｘ）によって変る。したがって、面削ぎの曲線の形を変えることで、流速分布Ｆを適切な分布にすることが可能であるが、本発明では、前記第２、第３の従来技術に比較して、流管３の形状が単純であるので、関数ｆ（ｘ）に直接関係する面削ぎの形である曲線形状を変更して実験的に最良の関数ｆ（ｘ）を容易に定めることができる。換言すれば、流量計としての性能である器差曲線を最良にするための、より良い面削ぎの形状を少ない手間で決めることができる利点がある。

図６（ｂ）では、流路１の横断面は、短辺がＷで長辺がＨ´の四角い長方形であるが、同図（ｅ）に示すように長方形の四隅に丸みをつけても良く、更に同図（ｆ）に示すように丸みの半径をＷ／２まで大きくして、流路１の断面を長い小判状に変形しても良い。

図７（ａ）（ｂ）と図８は図６（ａ）〜（ｄ）と類似の形状の流管を用いた超音波流量計の実施例の全体構成で、図６と同一機能を果たす要素については同一符号を付してその説明を省略する。

この図７（ａ）（ｂ）と図８において、被計測流体は流入部７から計量室８に入り流管３の入口３ａから流路１に入る。図７（ａ）（ｂ）で、流路１を図示右方へ中心軸Ｘ−Ｘに沿って流れ、出口３ｂから出て、流出部９から流量計の外へ流出する。１０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１０によって流管３が水平に固定されている。

この実施例１では、層流域での流速分布Ｆが、フラット（平坦）になるため、前記従来技術における層流域での器差のプラス傾向がより解消され、層流域から乱流域にわたる広い流量範囲で器差が常にほぼ一定になる。更に、流量計の感度が向上して、より微小流量域まで計測範囲が広がる。超音波振動子４と５は、流管３の流路１の上流側の計量室壁面と下流側の計量室壁面にそれぞれ配設されている。また、図６の回路基板１１に実装された電子ユニット１２は前記振動子４又は５を間欠的にパルス駆動したり、振動子５又は４で受信する超音波の受信波を入力して超音波の順方向や逆方向伝搬時間を計測し、両方向の伝搬時間に基づいて流速・流量を演算し、表示部１３に流量を表示する。

図６（ａ）〜（ｄ）に示す実施例１では、器差曲線が、図５に示す曲線ｆに比較して同曲線ｆの８０Ｌ／ｈ未満において、符号ｇを付した波線で示すように器差が小さくなり、しかもより微小流量まで計測範囲が拡張できた。

図９は本発明の実施例２の基本構成で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。なお、この実施例で、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）と同じ作用をする部分は同じ符号を付けてその説明を省略する。この実施例２は、前記図６の実施例１と比較して、流管３の面削ぎの形状を流管３の下流側の出口端面だけにした点が異なる。上流側端面は面削ぎした形状とはしていない。この実施例では、中心軸Ｘ−Ｘ部分の流路断面部分の全長と、流管の側壁に近い部分の流路断面部分の全長との差を、実施例１とほぼ同じにするため、図９（ｃ）に示す角度βを、図６（ｃ）の実施例１の場合の角度βより小さく定めている。

図１０は本発明の実施例３の基本構成で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。なお、この実施例で、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）と同じ作用をする部分は同じ符号を付けてその説明は省略する。この実施例３は、前記図６の実施例１と比較して流管３の両端面の面削ぎの形状が直線でなく曲線である点が異なる。なお、この実施例３では、流路１の長方形の形状は図１０（ｂ）のように前記図６（ｆ）と同様の形状にしている。

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。 円形断面の直管内の流速分布を説明する図。 別の従来技術の基本構成を示す斜視図。 更に別の従来技術の基本構成を示す斜視図。 超音波流量計の器差特性線図で、従来技術の２つの器差曲線を比較して示す。 本発明の実施例１の基本構成図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）平面図、（ｄ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｅ）と（ｆ）は（ｂ）に相当する側面図で、流路断面形状がわずかに違うものの図。 本発明の実施例１の全体構成を示す図で、（ａ）は縦断正面図、（ｂ）は同図のＢ−Ｂ断面図。 図７（ａ）のＣ−Ｃ断面図。 本発明の実施例２の基本構成図で、（ａ）は正面図、（ｂ）側面図、（ｃ）は平面図。 本発明の実施例３の基本構成図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図。

符号の説明

１ 流路
３ 流管
３ａ 入口
３ｂ 出口
３Ｅ 上側内壁面
３Ｆ 下側内壁面
４，５ 超音波振動子
６ 伝搬経路
７ 流入口
８ 計量室
９ 流出口
Ｘ−Ｘ 中心軸
Ｗ 短辺の寸法
Ｈ´ 長辺の寸法

Claims (5)

1. 流体の流れ方向に直角な流路断面の形状がほぼ長方形をなす流管の上流側と下流側に、対向配置した一対の超音波振動子を有する超音波流量計であって、
   中心軸に平行で、かつ前記長方形の短辺方向に長い流路断面部分の流れ方向の全長を、中心軸から前記長方形の長手方向に離れる程短く定めたことを特徴とする超音波流量計。
2. 流路を形成する流管の端面を面削ぎした形状としたことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 流管の上流端又は下流端の少なくとも一方の端面を面削ぎした形状としたことを特徴とする請求項２記載の超音波流量計。
4. 流管の上流端及び下流端の両端面を面削ぎした形状としたことを特徴とする請求項３記載の超音波流量計。
5. 面削ぎした形状が、直線からなることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１つに記載の超音波流量計。

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