JP4453341B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用してガス・水などの流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。

従来のこの種の超音波流量計は、図８に示すように、流路１の上流と下流とに直角に曲がる曲がり部２、３とを設け、一対の超音波振動子４、５を曲がり部の壁面の外側に固着させ、流体の流れ方向と平行に超音波を伝搬させ、超音波流量計として動作させていた。なお、図中の矢印は流体の流れ方向を示す（例えば、特許文献１参照）。

このような構成で、上流側の超音波振動子４から流れの方向に沿って超音波を発信し、この超音波を下流側の超音波振動子５で受信し、超音波振動子４から５への超音波の伝搬時間、Ｔｄｎを計測する。また、逆に下流側の超音波振動子５から流れに逆らって超音波
を発信し、この超音波を上流側の超音波振動子４で受信し、超音波振動子５から４への超音波の伝搬時間、Ｔｕｐを計測する。そして、この２つの伝搬時間Ｔｄｎ、Ｔｕｐから流路１を流れる流体の平均的な流速を演算し、あらかじめ解っている流路１の断面積などから、流体の流量を計測していた。
特開昭６０−１１５８１０号公報

しかしながら、前記従来の超音波流量計では、直角に曲がる曲がり部２、３などで流体中に、渦が不規則に発生したり、流路内に不規則に淀み点などが発生し、流量計測の誤差要因となっていた。さらに、大流量を流すと流体の流れによって超音波振動の伝搬経路が曲げられ受信感度が低下するという問題があった。

また、大流量を流すと計測流路の断面積が小さいため圧力損失が増大し所要の流量が流せない要因となっていた。あるいは、計測流路の断面積を大きくすると超音波振動子間の距離が大きくなり大きな出力で発信させなければならず消費電流が大きくなるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、大流量まで高精度の流量計測ができる超音波流量計を提供するものである。

前記従来の課題を解決するために本発明の超音波流量計は、流体の流れる管状の本流路と、本流路内を複数の小流路に分割する分割部材を有し、小流路の一部に計測流路を備えた構成としたもので、流路内を流れる流体の一部を計測することにより本流路を流れる流体の全流量を演算して求めることができる。即ち、本流路を流れる流体は分割部材によって構成された複数の流路に流れるが各流路の流速と計測流路の流速は、各流路の断面の周長及び流れ方向の長さがほぼ同じになるように構成しているため同じになる。従って、本流路と計測流路の面積比を乗ずることにより本流路を流れる流体の全流量を計測できる。

また、本流路及び計測流路は、ガスまたは水の供給配管と平行に配置接続されるため、流体の流れを乱すことがない。従って、より高精度の流量計測ができる超音波流量計を提供することができる。

本発明の超音波流量計は、小流路の一部に設けた計測流路の流速を計測して、本流路の全流量を演算して算出するので計測流路は大型化せず、超音波振動子の感度低下が無く消費電流も増大することがない。また、流体中に不規則な渦の発生や淀み点などの発生が無くなり、安定して流量計測のできる高精度の超音波流量計を提供することができる。

第１の発明は、流体の流れる管状の本流路と、前記本流路内に流体の流れ方向に平行に設けた計測流路と、前記計測流路の側面に流体の流れ方向に対し斜めに設けられて超音波を送受信する超音波送受信手段として一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波の伝搬時間を計測し前記本流路と計測流路を流れる流量を検出する流量検出手段と、前記計測流路を前記本流路の略中央に支持するとともに、前記本流路を複数の小流路に分割する分割部材を設け、前記本流路の外部に前記流量検出手段を備え、前記分割部材によって構成された複数の小流路の内、前記超音波振動子と前記流量検出手段とを接続する配線が通過する小流路を閉塞した閉止部を設けたもので、計測流路は大型化せず、超音波振動子の感度低下が無く消費電流も増大することがなく、流体中に不規則な渦の発生や淀み点
などの発生が無くなり、安定して高精度に流量計測をすることができ、配線の接続部に外力がかかることがなく信頼性の高い超音波流量計を提供することができる。

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、この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、図２は、本発明の第１の実施の形態に基づく超音波流量計の正面断面図および側面断面図であり、流体の流れる本流路１０は、全長３００ｍｍ、流量を計測する中央部径１１５ｍｍ、長さ１３５ｍｍの膨らみ部８と、上流、下流の絞り部７、９とから構成した。本流路１０の中には板圧０．５ｍｍの分割部材１３を設け、本流路１０を格子状に分割して小流路１１を形成し、この小流路１１の一部に計測流路１２を設けた。計測流路１２の断面は縦１５ｍｍ、横２２ｍｍの矩形断面として縦の対向する面に、流路に対し斜めに一対の超音波振動子４、５を設けた。分割部材１３はステンレスで、計測流路１２はアルミで構成した。計測流路１２に対向させたて設けた一対の超音波振動子４、５は、径１０ｍｍとした。１５は超音波振動子駆動用の配線であり、超音波振動子４、５と本流路１０の外部に設けた流量検出手段２１とを電気的に接続しており、流体の流れによって配線が振動しないように固定した。なお、本実施の形態で用いた超音波振動子の駆動周波数は、１００〜５００ｋＨｚである。

この構成で０．１ｍ^３／ｈ程度の小流量から３００ｍ^３／ｈの大流量まで広い流量範囲にわたり、再現性よく、流量計測のできる超音波流量計を実現できた。

なお、流体の流れる管状の本流路１０内の小流路１１の断面積と計測流路１２の断面積がほぼ同じ大きさに設定している。従って各小流路１１の流量と計測流路１２の流量はほぼ同じとなり全流路と計測流路１２の面積比を乗ずることにより全流量が計測できる。また、計測流路の断面は矩形状で短辺の面に超音波振動子を設け長辺が水平方向になるよう配置することにより計測流路内での自然対流を少なくし、本流路に流体が流れていないときに超音波振動子が誤って検出しないようにしており、信頼性の高い超音波流量計が実現できる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態を示す超音波流量計の側面断面図である。図１で示した超音波流量計と同様の構成であるが、分割部材１４の形状を放射状に形成している。なお、分割部材１４の厚さは１〜２ｍｍ程度とし本流路から一体的に半径方向の中心方向へ延出している。

なお、流体の流れる管状の本流路と分割部材１４はアルミの押出し成形により一体的に形成されている。半径方向の中心部に向かって形成された複数のフィンの先端によって計測流路が保持され所定の位置に配置している。押出し成形はダイスだけで任意の形状に成形できるため大量に安価に加工することができる。従って、信頼性の高い超音波流量計が安価に実現できる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態を示す超音波流量計の側面断面図である。図１で示した超音波流量計と同様の構成であるが、計測流路１２を本流路１０の中心より上方に偏芯して、本流路１０の平均流速を有する位置に設けたものである。通常、本流路１０に接続される供給配管の長さが長いと、本流路入口の流速分布は中心部が外周部に対し速くなる。すなわち中心部から外周部の間に本流路１０の平均流速を示す位置が存在することになる。従って本実施の形態ではこの位置に計測流路１２を偏芯させることにより本流路１
０の平均流速を計測できる構成としたものである。

なお、計測流路１２の断面積は本流路の断面積の約１／１５〜１／３０以下とした。計測流路１２が本流路１０の平均流速を計測でき、計測流路１２と本流路１０の面積比が決まれば、本流路断面積の約１／１５〜１／３０以下の計測流路の流量を計測することにより本流路１０を流れる流体の全流量が計測できる。これにより、流れに不規則な渦の発生や淀み点の発生もなく、滑らかな流れを実現でき安定した計測ができ、広範囲の流量域において、高精度な超音波流量計が実現できた。

さらに、超音波振動子を有する計測流路を本流路の中に設け、分割部材１４を金属などの導電性材料で構成した。この構成により、超音波振動子４、５は、電気的にシールドされることになり、電磁波雑音に強い構成となった。これにより、電気的雑音が大幅に低減し、超音波流量計の高安定化が実現できた。

通常、超音波振動子の送信側は、高電圧、高周波のパルスで駆動されるため、受信側の超音波振動子に電磁波としての電気的雑音が入りやすく、計測回路が複雑になるなど微少な流量を高精度に計測することが困難であった。しかし、本実施例のように、送受信する超音波振動子を電気的シールドする構成をとることにより、低雑音が実現可能となり高精度な超音波流量計が実現できる。

（実施の形態４）
図５は、本発明の第４の実施の形態を示す超音波流量計の正面断面図である。図１で示した超音波流量計と同様の構成であるが、計測流路１２の入口に、計測流路１２に入る流体の内外の比率を調整する傾斜部材１２ａを設けた。この構成により、低流量域でも計測流路１２に流体が流入しやすくすることができる。

従って、小流量域から大流量域まで一定の割合で計測流路１２に流れるため一定の面積比を乗ずることにより、高精度に本流路１０の全流量を計測できる。

（実施の形態５）
図６は、本発明の第５の実施の形態を示す超音波流量計の側面断面図である。図１で示した超音波流量計と同様の構成であるが、分割部材１３によって構成された複数の小流路１１の内、超音波振動子と本流路１０の外部に配置された流量検出手段２１とを接続する配線１５が通過する小流路を閉塞して閉止部１６を構成している。閉止部１６に配線１５を通すことにより流体によって配線１５が振動し接続部等が断線するのを防止した。

なお、分割部材１３によって構成される小流路１１の一部を４〜５ｍｍ幅としてこの一端を閉塞し閉止部１６を構成し、隙間に配線１５を挿入するようにした。

以上のような構成により、振動による断線を防止し、信頼性の高い超音波流量計が実現できる。

また、計測流路の流れ方向の長さと、分割部材によって構成された複数の小流路の長さをほぼ同一長さとした。例えば計測流路１２の長さが１３０ｍｍとした場合小流路の長さは１１０ｍｍ〜１５０ｍｍとする。これにより、計測流路と小流路の圧力損失はバランスが保たれ流速はほぼ同じになり、信頼性の高い超音波流量計が実現できる。

また、流体の流れる管状の本流路の内径は、入口、出口より分割部材及び計測流路を内蔵する中央部が大きい膨らみ部を有してる。接続配管の内径と同じであれば分割部材及び計測流路の断面積分有効開口面積が減少し圧力損失が増大する。あるいは、計測流路内の
流速が増加し計測可能範囲を越えてしまう。計測流路を内蔵する中央部内径を大きくすることにより所要断面積を確保し、圧力損失の増加を抑え計測可能な流速以下になるよう設定している。

（実施の形態６）
図７は、本発明の第６の実施の形態を示す超音波流量計の正面断面図である。図１で示した超音波流量計と同様の構成であるが、流体の流れる管状の本流路の前記中央部膨らみ部１７の下部にドレン１８を設けている。供給ガス中には、塵埃の他、タール分、水分が含まれており配管内の突起、障害物に付着し長期間の使用によりこれら付着物が計測性能に影響を及ぼす。しかるに前記膨らみ部１７の下部に設けたドレン１８により超音波流量計を分解することなく定期的にこれらの付着物を排出することができ長期間に亘って信頼性の高い計測ができる超音波流量計が実現できる。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、小流路の一部に設けた計測流路の流速を計測して、大口径の本流路の全流量を演算して算出するので計測流路は大型化せず、超音波振動子の感度低下が無く消費電流も増大することがない。また流体中に不規則な渦の発生や淀み点などの発生が無くなり、安定して流量計測のできる高精度の超音波流量計を提供することができ、超音波を利用してガス・水などの流体の流量を計測する超音波流量計等として有用である。

本発明の第１の実施の形態の超音波流量計の正面断面図 本発明の第１の実施の形態の超音波流量計の側面断面図 本発明の第２の実施の形態の超音波流量計の側面断面図 本発明の第３の実施の形態の超音波流量計の側面断面図 本発明の第４の実施の形態の超音波流量計の正面断面図 本発明の第５の実施の形態の超音波流量計の側面断面図 本発明の第６の実施の形態の超音波流量計の正面断面図 従来の超音波流量計の断面図

４、５ 超音波振動子
１０ 本流路
１１ 小流路
１２ 計測流路
１２ａ 傾斜部
１３、１４ 分割部材
１５ 配線
１６ 閉止部
１７ 膨らみ部
１８ ドレン
２１ 流量検出手段

Claims (1)

1. 流体の流れる管状の本流路と、前記本流路内に流体の流れ方向に平行に設けた計測流路と、前記計測流路の側面に流体の流れ方向に対し斜めに設けられて超音波を送受信する超音波送受信手段として一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波の伝搬時間を計測し前記本流路と計測流路を流れる流量を検出する流量検出手段と、前記計測流路を前記本流路の略中央に支持するとともに、前記本流路を複数の小流路に分割する分割部材を設け、前記本流路の外部に前記流量検出手段を備え、前記分割部材によって構成された複数の小流路の内、前記超音波振動子と前記流量検出手段とを接続する配線が通過する小流路を閉塞した閉止部を有する超音波流量計。