JP4396246B2 - 流量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波を利用した流量計測装置に関するものである。

従来この種の流量計測装置は、例えば家庭用のＬＰガスや都市ガスの流量測定用に屋外に設置されているもがあり、このような流量計測装置は電池で動作しているため低消費電流で動作する必要があった。

構成は図２に示すように、流体の流れる１つの測定経路２１の上、下流に設置した一対の超音波振動子２２，２３と、前記超音波振動子２２，２３間に超音波を伝搬させ、その伝搬時間ｔを測定して演算によって流速を求める演算手段２４からなり、この演算手段２４は伝搬時間を下記（１）式に代入することにより被測定流体の流速ｖを求めている。

ｖ＝（Ｌ／ｔ）−ｃ （１）
なお、Ｌは超音波振動子間の距離、ｃは音速、ｖは流体の流速を示す。

また、送信用と受信用超音波振動子とを切り替え、上流から下流へと下流から上流への伝搬時間を測定し、下記（２）式により速度ｖを求める方法もある。

ｖ＝Ｌ／２（１／ｔ１−１／ｔ２） （２）
なお、ｔ１は上流から下流への伝搬時間ｔ１、ｔ２は流から上流への伝搬時間を示す。

この測定方法によれば温度の変化による音速の変化の影響を受けずに流体の速度を測定することが出来るので、流速に断面積などの定数を乗じて流量の測定に広く利用されている。

また図３に示すように測定精度の安定化と計測範囲を大きくするため、流入口と流出口の間に設けた複数の流路２５と、これら複数の流路２５を個々に開閉する複数の開閉手段２６と、同じく流路２５のそれぞれに配置した計測手段２７と、上記開閉手段２６と計測手段２７を制御する制御手段２８とを有し、個々の流路で計測した流量の合計値を計測結果としているものもあった（例えば、特許文献１参照）。また流体の流れを安定化し測定安定度をよくするために図４に示すように流路２１に仕切板２９を設置しているものもあった。
国際公開第００／７０３１２号

前記従来の流量計測装置は、計測する最大値と必要精度に応じて設置する流量計測装置を選択できるように複数の装置が用意されており、最大測定値が小さい流速または流量計測装置は、低い流量まで測定精度が必要であるため、必要に応じ伝搬時間の測定分解能を高くする必要があった。

一つの解決方法として複数の流路を並列に接続し個々の流路の合計値を計測流量とし、一つ一つの流路で精度を、接続する流路の数で計測範囲を満足するようにしていた。しかし、伝搬時間の測定分解能を高くしたり、複数の流路を計測したのでは、装置の消費電流が大きくなってしまう。

そこで同じ流量であっても測定部の流速を早くし伝搬時間の変化が大きくなるよう流路の断面積を小さくする方法を取るものもあった。こうすることによって消費電流を増やすことなく低い値まで測定精度を落とすことなく計測することを可能としている。

しかし断面積を小さくすると圧損が大きくなるので、流量計測装置の最大流量で定められている圧損の許容値内で断面積を小さくしている。このため最大測定値が大きい流量測定装置は流路断面積は大きく、最大測定値が小さな流量測定装置は流路断面積は小さくする必要があり、流路は最大測定値に応じて設計する必要があった。

流路の設計に考慮する点は圧損のほかに安定した超音波の送受信をするために、超音波
が伝搬するときに起こる反射や干渉による受信信号の変化を小さくするという点があった。そして受信信号の変化は温度や流体の種類で超音波の波長が変化したときにも発生するため設計の自由度は低く、断面積をいろいろ変更しなおかつ超音波の送受信を安定させる流路を設計することは非常に困難であった。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、断面積を変化させても超音波の伝搬状態の変化が少ない流路を実現し、消費電力を上げることなく流量計測装置の測定範囲を容易に変更できる流量計測装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために本発明は、流路内の流体に超音波を伝搬させ、超音波の伝搬時間を計測する伝搬時間計測手段と、前記超音波の伝搬部に前記流路を分割するように設置したすくなくとも１枚の仕切板と、流路によって決まる定数を記憶する定数記憶手段と、前記伝搬時間計測手段の計測結果と定数記憶手段に記憶した情報から流量を演算により求める演算手段と、計測対象となる最大計測流量に応じて前記仕切板で分割された複数の流路のうちの一部流路を閉止する閉止手段と、前記閉止手段によって閉止した流路を確認する閉止確認手段と、この閉止確認手段の確認動作にもとづき前記定数記憶手段に記憶された情報を変更する情報変更手段とを具備したもので、計測範囲に応じて流路面積を小さくするために仕切板間か仕切板と流路壁面との間によってあらかじめ仕切られた伝搬部の一部を閉止するので、閉止した部位以外での超音波伝搬路の寸法は変化することが無いので反射や干渉の状態が変化せず超音波伝搬状態の変動は小さく抑えられる。

本発明の流量計測装置は、流路の断面積を変更したときの超音波の伝搬状態の変化を小さく抑えるので、測定範囲の変更が簡単に出来る。

本発明は、流路内の流体に超音波を伝搬させ、超音波の伝搬時間を計測する伝搬時間計測手段と、前記超音波の伝搬部に前記流路を分割するように設置したすくなくとも１枚の仕切板と、流路によって決まる定数を記憶する定数記憶手段と、前記伝搬時間計測手段の計測結果と定数記憶手段に記憶した情報から流量を演算により求める演算手段と、計測対象となる最大計測流量に応じて前記仕切板で分割された複数の流路のうちの一部流路を閉止する閉止手段と、前記閉止手段によって閉止した流路を確認する閉止確認手段と、この閉止確認手段の確認動作にもとづき前記定数記憶手段に記憶された情報を変更する情報変更手段とを具備したもので、計測範囲に応じて流路面積を小さくすることがでる。仕切板間か仕切板と流路壁面との間によってあらかじめ仕切られた伝搬部の一部を閉止するので、閉止した部位以外での超音波伝搬路の寸法は変化することが無く反射や干渉の状態が変化しないので超音波伝搬状態の変動は小さく抑えられ、容易に流路の断面積を変更し測定範囲を変更することができる。

閉止手段は流路の中心に対し対称に配置するのが望ましく、また、流路内で閉止手段により流体の流れを閉止した部分を超音波が伝搬しないように伝搬防止手段を配置すれば、流体の流れが無く超音波の伝搬状態が異なる閉止部での超音波の伝搬を防止することによって、閉止手段を入れる前と同様に流量がある部分を伝搬した超音波のみを計測に使用でき、閉止手段を入れる前と後で超音波の伝搬状態の変動が小さくなり、流路の断面積を容易に変更し測定範囲を変更することが出来る。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１において、流路１の中を流れる流体に超音波を伝搬させるようにその上、下流に斜めに対向させて超音波振動子２、３が設置してある。

伝搬時間計測部４は超音波振動子２、３の間の超音波の伝搬時間を測定するもので、仕切板５は超音波の伝搬部分に超音波の伝搬を遮らないよう流路１の中に配置している。

定数記憶手段６は流路１によって決まる定数を記憶するもの、演算手段７は定数記憶手段６が記憶している情報と伝搬時間計測部４の測定結果から演算によって流量を求めるものである。

閉止手段８は仕切板５と流路１の壁面との間の流体の流れを閉止するように設置されており、伝搬防止手段９は閉止手段８を設置したことにより流体の流れを閉止した部分を超音波が伝搬することを防止している。

閉止確認手段１０は確認スイッチ１１の信号と演算手段７の出力を受けその値によって決まる新たな情報を定数変更手段１２によって定数記憶手段６に記憶させる。表示手段１３は演算手段７の演算結果と閉止確認手段１０の確認結果を表示する。記憶手段１４は閉止確認手段１０を動作させるためのプログラムを記憶したメモリである。

以上のように構成された流量計測装置にについて、その動作、作用を説明する。

まず、伝搬時間計測部４によって計測された伝搬時間と定数記憶手段６の記憶情報をもとに演算手段７が流体の流量を演算し、その結果を表示手段１３に表示することによって流量を知らせている。

次に、最大計測流量が小さく低流量時の精度が必要な場合は、仕切板５と流路１の壁面との間の流体の流れを閉止する閉止手段８を流路１の中心に対して対称に配置する。また、伝搬防止手段９を介して閉止した流路での超音波の伝搬を防止する。

そして、流路１に所定流量を流している状態で確認スイッチ１１をＯＮし、閉止確認手段１０を動作させる。この閉止確認手段１０は記憶手段１４に記憶されているプログラムを読み込み次の動作を実行する。

所定流量の値と演算手段７の出力している流量値と定数記憶手段６の情報から新たな定数を求め情報変更手段１２によって定数記憶手段６に記憶させると同時に、表示手段１４の表示に閉止手段８の設置に応じた値を表示する。

図１では流路１を２枚の仕切り板５によって３等分に分割し、両端の部分を閉止手段８によって閉止しているので、流路１の断面積は１／３になる。このため超音波伝搬部の流体の流速は早くなり、同じ流量であっても伝搬時間の流量変化による変化率は大きくなり超音波の伝搬時間を測定する精度が閉止手段８を設置する前と同じであっても、流量の測定精度を高くすることが出来る。

なおかつ、仕切板５と流路壁面との間によってあらかじめ仕切られた伝搬部の一部を閉止するので、閉止した部位以外での超音波伝搬路の寸法は変化することが無く反射や干渉の状態が変化しないので、超音波伝搬状態の変動は小さく抑えられ、超音波伝搬時間計測のために流路や伝搬時間計測部４の再調整などの動作が不要になるので、容易に流路の断面積を変更し測定範囲を変更することができる。

また、流路の中心に対し対称に閉止手段８を設置しているので、この閉止手段８を設置する前と後との流路に対する流体の流れの分布変動を小さく抑制することが出来る。このため超音波の伝搬状態の変動が小さくなり流路の断面積を容易に変更し測定範囲を変更することが出来る。

また、閉止手段８により流体の流れを閉止した部分を超音波が伝搬することを防止する伝搬防止手段９を備え、流体の流れが無く超音波の伝搬状態が異なる閉止手段８によって閉止した部分での超音波の伝搬を防止することによって、閉止手段８を入れる前と同様に流量がある部分を伝搬した超音波のみを計測に使用できるので、閉止手段８を入れる前と後とで超音波の伝搬状態の変動が小さくなり、流路１の断面積を容易に変更し測定範囲を変更することが出来る。

また、伝搬防止手段９の材質を超音波を吸収するものにすることによって、超音波が反射し超音波振動子２、超音波振動子３に伝搬し伝搬時間測定に悪影響を与えることを防止することが出来る。図１では、超音波の伝搬方向に対し斜めに設置することで、超音波の反射波が超音波振動子２、超音波振動子３へ伝搬することを防ぎ伝搬時間測定への悪影響を防止している。

また、閉止確認手段１０は、一定流量を流したときの伝搬時間計測部４の出力から流路１の閉止割合を確認する。一定流量を流した時の流路断面積と超音波の伝搬時間変化量とは反比例するので、超音波伝搬時間の変化量から流路の閉止割合を確認している。流路１の断面積を変更するために閉止確認手段１０のほか流路１を変更する必要がないので容易に測定範囲を変更することができる。

また、閉止確認手段１０に、定数記憶手段６に記憶された情報を変更する情報変更手段１２を備えたものであり、定数記憶手段６の情報を情報変更手段１２が変更するので、外部からの定数設定変更が不要になり、容易に測定範囲を変更することができる。

また、閉止確認手段１０が、定数記憶手段６に記憶した情報に応じて計測範囲を表示する計測範囲表示手段を表示手段１３に備えるものであり、流路概観では判別できない流路１の閉止状態を表示手段１３が表示し、保守メンテナンスが簡単になるので、容易に測定範囲を変更することが出来る。

閉止確認手段１０のすべてもしくは一部としてコンピュータを機能させるためのプログラムが入った記憶手段１４を備えているので、汎用コンピュータやサーバーを用いて本発明の閉止確認手段の一部あるいはすべてを容易に実現できる。また記録媒体に記録したり通信回線を用いてプログラムを配信したりすることでプログラムの配布やインストール作業が簡単に出来、容易に測定範囲を変更することが出来る。

以上のように、本発明にかかる流速または流量計測装置は、超音波の伝搬状態の変動を小さく保ちつつ伝搬路断面積を変更することが出来るので、超音波の伝搬によって計測する流速計、流量計、距離計等の用途にも適用できる。

（ａ）本発明の実施の形態１における全体のブロック図（ｂ）流路の正面図 （ａ）従来の流速または流量計測装置の全体のブロック図（ｂ）流路の正面図 第２の従来の流速または流量計測装置の全体のブロック図 （ａ）第３の流速または流量計測装置における流路の側面図（ｂ）流路の正面図

１ 流路
２、３、４ 伝搬時間計測手段
５ 仕切板
６ 定数記憶手段
７ 演算手段
８ 閉止手段
９ 伝搬防止手段
１０ 閉止確認手段
１３ 表示手段
１２ 情報変更手段
１４ 記憶手段

Claims (3)

1. 流路内の流体に超音波を伝搬させ、超音波の伝搬時間を計測する伝搬時間計測手段と、前記超音波の伝搬部に前記流路を分割するように設置したすくなくとも１枚の仕切板と、流路によって決まる定数を記憶する定数記憶手段と、前記伝搬時間計測手段の計測結果と定数記憶手段に記憶した情報から流量を演算により求める演算手段と、計測対象となる最大計測流量に応じて前記仕切板で分割された複数の流路のうちの一部流路を閉止する閉止手段と、前記閉止手段によって閉止した流路を確認する閉止確認手段と、この閉止確認手段の確認動作にもとづき前記定数記憶手段に記憶された情報を変更する情報変更手段とを具備した流量計測装置。
2. 閉止手段を流路の中心に対し対称に配置することを特徴とする請求項１に記載の流量計測装置。
3. 流路内で閉止手段により流体の流れを閉止した部分を超音波が伝搬することを防止する伝搬防止手段を備えた請求項１に記載の流量計測装置。

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