JP4485648B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波流量計の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波流量計は、例えば図７（ａ）（ｂ）のように、管路１の上流と下流に直線的に対向した位置に超音波センサー２，３を設置している。
【０００３】
この従来技術では、両超音波センサー２，３を結ぶ直線的な伝搬路４に沿って超音波が伝搬する。
【０００４】
図７の従来技術では管路１の断面が円形の円形管路であるが、図８（ａ）（ｂ）のように断面が長方形の角形管路１に超音波センサー２，３を設置することも公知である。
【０００５】
なお、図８でＨは距離の小さい２面間、つまり狭面間の距離である。
【０００６】
図７（ａ）（ｂ）では、超音波流量計として、送受信センサー間を結ぶ伝搬路４の線平均流速しか計測できないため、流路（管路）内の偏流による計測誤差が問題となっていた。また、断面平均流速を測定していないために、被計測気体の種類に応じて粘性係数が異なることに起因する管内流速分布の相違があると、ガス種、ガス状態により流量計の特性が異なるという欠点があった。
【０００７】
図８（ａ）（ｂ）では、狭面間の距離Ｈが小さい小流量用の場合に断面平均流速が測定できるが、小流量用に用途が限定され、大流量用に適さないばかりでなく、上下壁面付近の流速分布も誤差要因となる欠点があった。
【０００８】
そこで、本願出願人はこのような従来技術の欠点を解消し、比較的大容量の超音波流量計の小形化、高精度化を実現するための提案を特願平９−２９５３３３号（特開平１０−２１２５１１）で行った。
【０００９】
この超音波流量計は、第１の円柱面と、第１の円柱面の軸と同軸でかつ直径の大きな第２の円柱面との間に形成された２重円管流路を母線方向に被計測流体が流れる流量計であって、少なくとも１組として作用する二つの超音波センサーが、流路の上流と下流にかつ円周角１８０°だけ離れて設置されていて、両超音波センサー間の流体中を超音波がほぼ螺旋状に伝搬する（以下これを第２の従来技術という）。
【００１０】
次にこの第２の従来技術の具体例を説明する。
【００１１】
図９（ａ）（ｂ）において、第１の円柱面５の直径はｄ、第２の円柱面６の直径はＤで、両円柱面５と６の軸は同軸である。そして両円柱面５，６の間の断面がドーナツ状の２重円筒流路７に１組として作用する二つの超音波センサー８，９が設置されている。
【００１２】
両超音波センサー８，９は上流と下流に離れて、かつ互いに１８０度の円周角だけ離れた位置に設置されていて、両センサー８，９間を符号１０に示す螺旋状に超音波が伝搬するとしている。
【００１３】
なお、図９（ａ）で、点線の矢印Ｖは流体の流れ方向を示す。
【００１４】
両円柱面５，６間の距離は（Ｄ−ｄ）／２＝ｈである。従って、１組の超音波センサー８，９で、図９（ｂ）で示すハッチング部分、つまり１８０°の円周各に相当する部分の平均流速を得られるとしている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の技術のうち、図７（ａ）（ｂ）の円形管路の超音波流量計では、送受信センサー２，３間を結ぶ伝搬路４の線平均流速しか計測できないため、流路（管路）内の偏流による計測誤差が問題となっていた。また、被計測気体の種類に応じて粘性係数が異なることに起因する管内流速分布の相違があると、ガス種、ガス状態による流量計の特性が異なるという問題点もあった。
【００１６】
図８（ａ）（ｂ）の角形管路の超音波流量計では、狭面間の距離Ｈが小さい小流量用の場合に断面平均流速が測定できるが、小流量用に用途が限定され、大流量用に適さないばかりでなく、上下壁面付近の流速分布も誤差要因となる問題点があった。
【００１７】
また、前記第２の従来技術では、超音波センサーの設置位置により、流体の流れが阻害されて正確な流量計測ができない場合があるという問題点がある。更に又、超音波が第１の円柱面を構成する流路壁面と第２の円柱面を構成する流路壁面に反射を繰り返してほぼ螺旋状態に伝搬するため、両超音波センサー間の伝搬距離がいくつかの値となって、流速・流量の計測値の誤差要因となる問題点もあった。そのうえ、超音波センサーの取り付けが困難で、流量計の製造がしにくいという問題点もあった。
【００１８】
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。
【００１９】
【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、第１の円柱面と、第１の円柱面の軸と同軸でかつ直径の大きな第２の円柱面との間に形成された２重円管流路を円周方向に仕切る複数の隔壁を、リード状に前記両円柱面の母線方向に対して傾斜して設け、
前記隔壁で区画された複数の流路のうち少なくとも１つの流路の入口付近と出口付近に超音波送受波器を互いに見通せるように対向配置したことを特徴とする超音波流量計である。
【００２１】
本発明では２重円管流路が複数の隔壁で仕切られて、断面形状が等しい複数の流路に分割され、流体はこれら複数の流路に分流する。各流路の流量は等しくなる。
【００２３】
また、この発明では、各流路が隔壁のリードと同じリードを有する捩れた流路になるため、螺旋状の流れとなり、上下流の影響を減少できる。
【００２５】
そして、請求項２の発明は、請求項１の超音波流量計において、超音波送受波器が互いに前記両円柱面の母線方向に対向配置されていることを特徴とするものである。
【００２６】
【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。
【００２７】
〔参考例〕
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）と図２は参考例の図である。
【００２８】
これらの図で、１１はフランジ１２，１３を備えた流管で、この流管１１に、支持部材１４，１５を介して中央部材１６がその両端を固定されている。
【００２９】
この中央部材１６は、両端に小径部１７，１８を備え、この小径部１７，１８がそれぞれ前記支持部材１４，１５にねじ１９，２０により固定されている。
【００３０】
中央部材１６は、図１（ａ）（ｂ）の中央部に直径がｄの大径部を備え、この大径部には、軸線方向に長さＬの羽根状の隔壁２１，２２，２３，２４が円周方向に等間隔に形成されている。流管１１は前記中央部材１６の大径部と対向する位置に直径Ｄの内径部２５を備えており、中央部材１６の直径ｄの前記大径部と流管１１の直径Ｄの内径部２５とが同軸の円柱面を形成している。即ち、直径ｄの第１の円柱面と、直径Ｄの第２の円柱面とで、前記図９の場合と同様に両円柱面間の距離が（Ｄ−ｄ）／２＝ｈの２重円管流路が形成され、この２重円管流路を複数の羽根状の隔壁２１，２２，２３，２４で円周方向に間仕切りされて、断面形状が同じである４つの流路２６，２７，２８，２９が形成されている（図１（ｃ）参照）。
【００３１】
図２は、これらの流路を中央部材１６の直径ｄの大径部の周方向に展開した図で、同図（ａ）は流量計の軸線方向からみた平面図、同図（ｂ）は半径方向から見た側面図である。このように展開すると、流路２７〜２９の断面は同図（ａ）のように狭面間距離ｈと幅Ｗの長方形断面となり、同図（ｂ）の展開図では、各流路は幅Ｗと長さＬの長方形となる。
【００３２】
図１（ａ）（ｃ）と図２（ａ）（ｂ）で符号３０，３１で示すのは超音波送受波器で、周知の超音波振動子で構成され、超音波送受波器としても超音波受波器としても使用できるもので、流路２９の入口２９ａと出口２９ｂに近接して流管１１に装着されている。一方の送受波器から他方の送受波器までの超音波の伝搬時間を計測し、超音波の伝搬方向を切り替えて、両方向の伝搬時間に基づいて流路２９の流体の流速・流量を演算する。４つの流路の形状が同じであるので、流路２９で計測した流量の４倍が全流量になる。
【００３３】
この参考例では４つの隔壁２１〜２４が流量計の軸線方向、即ち前記第１と第２の両円柱面の母線方向に配設され、超音波送受波器３０，３１も母線方向に対向配置されて、超音波は図２（ｂ）で符号３２で示す伝搬路に沿って伝搬する。
【００３４】
超音波振動子３０Ａ，３０Ｂを同図（ｂ）に示すように配設して、伝搬路３２Ａを流路２９の長さ方向の長辺Ｌに対して斜めにし、Ｗ×Ｌの長方形の対角線と伝搬路３２との間にくるようにすると、この伝搬路による流速の計測値は、伝搬路３２の場合よりも断面平均流速が得られ、しかも隔壁付近の流速分布が誤差要因となることが避けられる。
【００３５】
〔実施例１〕
この実施例の図を図３（ａ）（ｂ）と図４（ａ）（ｂ）に示す。
【００３６】
この実施例１は、参考例のように、２重円管流路を４つの羽根状の隔壁で４つの流路に区画するが、隔壁がリード状に母線方向に対して傾斜して設けられているため、隔壁２１Ａ，２２Ａ，２３Ａ，２４Ａで間仕切りされて形成された４つの流路２６Ａ，２７Ａ，２８Ａ，２９Ａは中央部材１６の大径部と流管１１の内径部２５の間に螺旋状に捩れて形成される。そのため、流路の展開図は、図４（ｂ）のように傾斜した平行四辺形となる。従って、前記両円柱面の母線方向に対向配置された超音波送受波器３０，３１の伝搬路３２は、流速Ｖに対して傾斜する。換言すれば、伝搬路３２は、流路２９Ａの中心よりも対角線よりに傾いて配設されるので、前記図２（ｂ）で説明した伝搬路３２Ａの場合のように、断面平均流速が得られ、しかも隔壁付近の流速分布が誤差要因となることが避けられる。
【００３７】
上記参考例と実施例１では超音波送受波器を代表した１つの流路に設置したが、各流路毎に設置してもよい。
【００３８】
伝搬路は、軸線方向（母線方向）の場合に限らず、図２（ｂ）の符号３２Ａで示すように長方形流路Ｗ×Ｌに対して斜め設置でもよく、また、図４（ｂ）のように斜めの長方形（平行四辺形）流路に対して傾けて配置し流量計の軸線（母線）に対しては平行な伝搬路３２であっても良い。この図４（ｂ）では（即ち実施例１では）長方形流路Ｗ×Ｌに送受波器を斜め設置したものと相対的に同じことになる。
【００３９】
図５は実施例１の流量計で空気（ＡＩＲ）と、１３Ａガスとを計測したときの器差特性の例で、気体の種類の違いによって計測誤差が生じないことを確認できた。
【００４０】
図６は実施例１の流量計で、１３Ａガスを用いて、温度を０℃、２３℃、５０℃と変えて計測したときの器差特性の例で、温度変化による器差変動は小さく、特性差はないと考えられる。即ち、器差は温度影響をほとんど受けなかった。
【００４１】
【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、一方の送受波器から発信した音波を平面的に伝搬させる技術として狭い距離（ｈ）の平面間を伝搬させて一方向を制限するのと同じことになる。そして他方をある高さ、即ち幅Ｗとして、ｈの数倍とした矩形断面流路とすることで、音波が断面全体に広がり、安定した平面波的な伝搬状態となる。
【００４２】
その平面波は、断面内の流速分布に干渉を受け、結果として断面平均流速に相関するため、断面平均流速が直接的に得られるという顕著な効果が得られる。
【００４３】
断面平均流速が得られるということは、流体の種類、温度、圧力状態が変わり、流速分布が変わっても悪影響がないということで、特にその変化が大きい気体計測には大きな優位点である。
【００４４】
そして、本発明では、図８の矩形断面流路を中央部材（１６）の外周に複数巻き付けて配設したのと同様になるので、大流量の流量計を小形かつコンパクトにまとめることができる。
【００４５】
また、流路長Ｌに対し送受波器間の距離が長くとれ、かつ送受波器の斜め設置による流れへの悪影響を減少できるため、計測精度の向上ができる。更に又、隔壁にリードをつけることにより、螺旋状の流れにより上下流の影響を減少でき、その面からも計測精度が向上する。
【００４６】
そして、計測流速の増加や、流速の安定化による精度向上が期待できる。また、送受波器の取り付けが容易になった。
【００４７】
こうして大流量計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例の図で、（ａ）は縦断側面図、（ｂ）は中央部材の側面図、（ｃ）は中央部材の正面図で同図（ｂ）を左から見た図である。
【図２】 図１の参考例の流路の展開図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図３】 本発明の実施例１の中央部材の図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図で同図（ａ）を左から見た図である。
【図４】 図３の実施例１の流路の展開図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】 本発明の実施例１の流体の種類の違いによる器差特性差を示す線図である。
【図６】 本発明の実施例１で、１３Ａガスの温度変化と器差との関係を示す特性線図である。
【図７】 従来技術の略図で、（ａ）は縦断面、（ｂ）は横断面図である。
【図８】 他の従来技術の略図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。
【図９】 更に他の従来技術の略図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は横断面図である。
【符号の説明】
１１ 流管
１６ 中央部材
φｄ 中央部材の直径（この外周が第１の円柱面）
φＤ 流管１１の内径（この内周が第２の円柱面）
２１，２２，２３，２４，２１Ａ，２２Ａ，２３Ａ，２４Ａ 隔壁
２６，２７，２８，２９，２６Ａ，２７Ａ，２８Ａ，２９Ａ 流路
２９ａ 入口
２９ｂ 出口
３０，３１，３０Ａ，３１Ａ 超音波送受波器
３２，３２Ａ 超音波の伝搬路

Claims (2)

1. 第１の円柱面と、第１の円柱面の軸と同軸でかつ直径の大きな第２の円柱面との間に形成された２重円管流路を円周方向に仕切る複数の隔壁を、リード状に前記両円柱面の母線方向に対して傾斜して設け、
   前記隔壁で区画された複数の流路のうち少なくとも１つの流路の入口付近と出口付近に超音波送受波器を互いに見通せるように対向配置したことを特徴とする超音波流量計。
2. 超音波送受波器が互いに前記両円柱面の母線方向に対向配置されていることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。

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