JP4579214B2

JP4579214B2 - 超音波式流体計測装置

Info

Publication number: JP4579214B2
Application number: JP2006254432A
Authority: JP
Inventors: 茂岩永; 裕治中林
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2026-09-20
Also published as: CN101512302B; WO2008035744A1; EP2053366A1; US20100005902A1; CN101512302A; US7913575B2; CN201007720Y; EP2053366A4; JP2008076168A

Description

本発明は、超音波計測部の第１送受波器および第２送受波器が計測流路に設けられ、この超音波計測部で計測流路内を流れる流体の流速を計測する超音波式流体計測装置に関する。

超音波式流体計測装置は、計測用流路に流体を流し、計測用流路内に超音波を伝搬させて、超音波の伝搬時間を計測し、計測した情報に基づいて流体の流速を求めるものである。
この計測用流路は、断面長方形の角筒形状で対向する短辺側面にそれぞれ一対の送受波部が設けられている。

これら一対の送受波部は、計測用流路の流れ方向に対して所定の角度で交差する線に沿って超音波を送受するように配置されている。
そして、近年では、計測精度を向上させるために、計測用流路に複数の隔壁を並行に配置することにより、計測用流路を多層流路とした超音波式流体計測装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
ＷＯ２００４／０７４７８３

しかし、計測用流路を多層流路とした場合、例えば、多層流路のうち中央層の流路では流速が最大になり、中央層から離れるに従って流速は小さくなる。
このように、多層流路を流れる流体は、各流路ごとに流速が異なるため、計測用流路を流れる流体の平均流速の計測精度を高めることに課題があった。

本発明は、平均流速の計測精度を向上できる超音波式流体計測装置を提供することにある。

本発明の超音波式流体計測装置は、断面矩形の角筒状に形成された計測流路と、前記計測流路に第１送受波器および第２送受波器が設けられた超音波計測部と、前記第１送受波器および前記第２送受波器を結ぶ超音波伝搬路に対して略平行となるように前記計測流路に収容された複数の仕切板とを備え、前記各仕切板により前記前記計測流路内に複数の扁平流路が積層形成された超音波式流体計測装置であって、前記各扁平流路のうち、積層方向に沿った中心に対して偏芯した扁平流路の流速を前記超音波計測部が計測するように前記第１送受波器および前記第２送受波器が配置されていることを特徴とする。

ここで、積層方向に沿った中央寄りの扁平流路の流速は最高速となりやすい。そこで、複数の扁平流路のうち、積層方向に沿った中心に対して偏芯した扁平流路の流速を超音波計測部が計測するように第１送受波器および第２送受波器を配置した。
最高速となりやすい中央寄りの扁平流路を外した扁平流路の流速を計測することで、平均流速に近い値を計測できる。

また、本発明は、前記各扁平流路のうち、前記流体を平均流速で通過させる扁平流路に対応して前記第１送受波器および前記第２送受波器が配置されていることを特徴とする。

複数の扁平流路のうち、流体を平均流速で通過させる扁平流路に対応して第１送受波器および第２送受波器を配置するため、第１送受波器および第２送受波器で平均流速を計測できる。

さらに、本発明は、前記扁平流路のうち、互いに隣り合う複数の扁平流路に跨って前記第１送受波器および前記第２送受波器が配置されていることを特徴とする。

最高速となりやすい中央寄りの扁平流路を外した扁平流路のうち、互いに隣り合う複数の扁平流路に跨って第１送受波器および第２送受波器を配置した。
複数の扁平流路を通過する流体を計測することで、平均流速に近い値が計測できる。

また、本発明は、前記扁平流路のうち、前記流体を最高流速で通過させる扁平流路および前記流体を最低流速で通過させる扁平流路のうちの一方以外の扁平流路に対応して前記第１送受波器および前記第２送受波器が配置されていることを特徴とする。

最高速となりやすい中央寄りの扁平流路を外した扁平流路のうち、流体を最高流速で通過させる扁平流路および流体を最低流速で通過させる扁平流路のうちの一方以外の扁平流路に対応させて第１送受波器および第２送受波器を配置することで、送波器および受波器で平均流速に近い値が計測できる。

さらに、本発明は、断面矩形の角筒状に形成された計測流路と、前記計測流路に第１送受波器および第２送受波器が設けられた超音波計測部と、前記第１送受波器および前記第２送受波器を結ぶ超音波伝搬路に対して略平行となるように前記計測流路に収容された複数の仕切板とを備え、前記各仕切板により前記前記計測流路内に複数の扁平流路が積層形成された超音波式流体計測装置であって、前記各扁平流路のうち、前記流体を最高流速で通過させる扁平流路および前記流体を最低流速で通過させる扁平流路のうちの一方以外の扁平流路に対応して前期第１送受波器および前記第２送受波器が配置されていることを特徴とする。

流体を最高流速で通過させる扁平流路および流体を最低流速で通過させる扁平流路のうちの一方以外の扁平流路に対応させて第１送受波器および第２送受波器を配置することで、第１送受波器および第２送受波器で平均流速に近い値が計測できる。

また、本発明は、前記第１送受波器および前記第２送受波器を結ぶ前記超音波伝搬路が、前記計測流路の流れに対して角度を有していることを特徴とする。

さらに本発明は、前記第１送受波器および前記第２送受波器が前記計測流路における同じ側の側壁に配置され、対向する前記計測流路の側壁面に超音波を反射させて超音波の伝搬時間を測定することを特徴とする。

そして、本発明は、前記第１送受波器および前記第２送受波器を結ぶ前記超音波伝搬路が、前記計測流路の流れに対して略平行であることを特徴とする。

本発明の超音波式流体計測装置によれば、第１送受波器および第２送受波器で平均流速に近い値が計測できるので計測精度を向上できるという効果を有する。

以下、本発明の実施形態に係る超音波式流体計測装置について、図面を参照して説明する。
図１〜図３に示すように、第１実施形態に係る超音波式流体計測装置１０は、左右の鉛直流路１２，１３および水平流路（計測通路）１４で略Ｕ字状に形成された流体路１１と、計測流路１４における左右の側壁（一対の対向内側面）１５，１６にそれぞれ第１送受波器（送波器）２１および第１送受波器（受波器）２２が設けられた超音波計測部２０と、第１送受波器２１および第２送受波器２２を結ぶ超音波伝搬路２４に対して、側面視で略平行となるように計測流路１４に収容された複数の仕切板としての第１〜第５の仕切板２５〜２９とを備える。
超音波伝搬路２４は、流れに対して角度を有し対向して配置されている。なお、上述の第１，第２送受波器２１，２２のような流れに対して角度を有し対向して配置している配置パターンは、Ｚパス（Ｚ−ｐａｔｈ）またはＺ法と呼ばれており、本実施の形態では、このＺパス配置に基づいて説明する。

流体路１１は、左鉛直流路１２に遮断弁３１を備え、計測流路１４に第１〜第５の仕切板２５〜２９が上下の壁部１７，１８に沿って一定間隔で設けられている。
計測流路１４は、図２に示すように、左右の側壁１５，１６および上下の壁部１７，１８で断面矩形の角筒状に形成されている。この計測流路１４内に第１〜第５の仕切板２５〜２９を一定間隔で設けることで、図４に示すように、計測流路１４内に、複数の扁平流路として第１〜第６の扁平流路３２〜３７が積層形成されている。
第１〜第６の扁平流路３２〜３７は、それぞれの断面形状が略矩形状に形成されている。

流体路１１は、図１に示すように、遮断弁３１を想像線で示す閉位置から実線で示す開位置まで開くことにより、左鉛直流路１２から計測流路１４を経て右鉛直流路１３に流体（一例として、ガス）３８が矢印のように流れる。
この際に、図４に示すように、第１〜第６の扁平流路３２〜３７のうち、計測流路１４の流体路中心（中心）３９寄りの第３〜第４の扁平流路３４〜３５内の流体３８が最大流速になる。

また、第１〜第６の扁平流路３２〜３７のうち、計測流路１４の上下の壁部１７，１８寄りの第１、第６の扁平流路３２，３７内の流体３８が最小流速になる可能性が高い。
そして、第１〜第６の扁平流路３２〜３７のうち、第２、第５の扁平流路３３，３６内の流体３８が平均流速になる可能性が高い。

超音波計測部２０は、第１〜第６の扁平流路３２〜３７のうち、積層方向（すなわち、上下方向）に沿った中心３９に対して高さ（距離）Ｈだけ下方に偏芯させて第１送受波器２１および第２送受波器２２が配置され、第１送受波器２１および第２送受波器２２に演算部４１が接続されている。

第１送受波器２１および第２送受波器２２を中心３９に対して高さＨだけ下方に偏芯させることで、一例として、第５扁平流路３６に対応させて配置できる。
第１送受波器２１および第２送受波器２２を第５扁平流路３６に対応させて配置することで、超音波計測部２０で、流体３８を平均流速で通過させる第５扁平流路３６の流速を計測することが可能になる。

第１送受波器２１は、左側壁１５のうち、超音波透過材２１Ａ（図３参照）を介して第５扁平流路３６に臨む部位１５Ａで、かつ第２送受波器２２の上流側に配置されている。
第２送受波器２２は、右側壁１６のうち、超音波透過材２２Ａ（図３参照）を介して第５扁平流路３６に臨む部位１６Ａで、かつ第１送受波器２１の下流側に配置されている。

具体的には、図３に示すように、第１送受波器２１および第２送受波器２２間の超音波伝搬路２４は、平面視で第５扁平流路３６の流れ方向（矢印で示す方向）を斜めに横切るように、第５扁平流路３６の流れ方向に対して角度θに設定されたＺパスである。
また、第１送受波器２１および第２送受波器２２間の超音波伝搬路２４は、伝搬距離がＬに設定されている。

演算部４１は、音速Ｃ、伝搬距離Ｌ、超音波伝搬路の角度θ、第１送受波器２１から第２送受波器２２に超音波が到達するまでの第１時間Ｔ１、第２送受波器２２から第１送受波器２１に超音波が到達するまでの第２時間Ｔ２のデータに基づいて流体の流速Ｕを（１）式〜（３）式に基づいて演算するものである。
Ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｕｃｏｓθ） …（１）
Ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｕｃｏｓθ） …（２）
Ｕ＝Ｌ／（２ｃｏｓθ（（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２）） …（３）

つぎに、図１、図３および図４に基づいて、第１実施形態の超音波式流体計測装置１０の作用について説明する。
図１に示す流体路１１の遮断弁３１を開放することで、左鉛直流路１２内に流体（ガス）３８を流入させる。左鉛直流路１２内に流入した流体３８は、計測流路１４内に流入する。計測流路１４内に流入した流体３８は、図４に示す第１〜第６の扁平流路３２〜３７内に流入する。
図４に示すように、第１〜第６の扁平流路３２〜３７のうち、第２、第５の扁平流路３３，３６内の流体３８が平均流速になる可能性が高い。

図４に示す第１送受波器２１から第２送受波器２２に向けて超音波を発信する。超音波は、第５の扁平流路内の流体３８を経て、第１送受波器２１から第２送受波器２２に伝搬される。超音波が第１送受波器２１から第２送受波器２２に伝搬される第１超音波伝搬時間Ｔ１を演算部４１で求める。

同様に、第２送受波器２２から第１送受波器２１に向けて超音波を発信する。超音波は、第５の扁平流路内の流体３８を経て、第２送受波器２２から第１送受波器２１に伝搬される。超音波が第２送受波器２２から第１送受波器２１に伝搬される第２超音波伝搬時間Ｔ２を演算部４１で求める。
第１、第２の超音波伝搬時間Ｔ１、Ｔ２に基づいて、ガスの流速Ｕを求める。

ここで、第５扁平流路３６内の流体は、第１〜第６の扁平流路３２〜３７内の流体３８のうち、平均流速になる可能性が高い。
これにより、第５扁平流路３６内を流れる流体３８の流速を測定することで、流体３８の平均流速を測定することが可能になり、流体３８の流速を精度良く計測できる。
なお、本実施形態においては、左右の鉛直流路１２，１３および水平流路（計測流路）１４により、略Ｕ字状に形成された流体路１１としたが、流体路が略Ｕ字状であればよく本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態を９０度回転させた構成、すなわち上下の垂直流路および鉛直流路（計測流路）により流体路を構成してもよい。

つぎに、第２〜第４実施形態の超音波式流体計測装置を図５〜図７に基づいて説明する。なお、図５〜図７においては、超音波式流体計測装置の理解を容易にするために超音波透過材２１Ａ，２２Ａを省略する。

（第２実施形態）
図５に示す第２実施形態の超音波式流体計測装置５０は、積層方向（すなわち、上下方向）に沿った中心３９に対して高さ（距離）Ｈだけ下方に偏芯され、かつ、第１〜第６の扁平流路３２〜３７のうち、一例として、互いに隣り合う第３〜第６の扁平流路３４〜３７に跨って第１送受波器５１および第２送受波器５２が配置されたもので、その他の構成は第１実施形態と同様である。

第１送受波器５１は、第１実施形態の第１送受波器２１に対して形状が大きくなる点で異なるだけで、第１送受波器２１と同じ機能を有するものである。
第２送受波器５２は、第１実施形態の第２送受波器２２に対して形状が大きくなる点で異なるだけで、第２送受波器２２と同じ機能を有するものである。

第２実施形態の超音波式流体計測装置５０によれば、互いに隣り合う第３〜第６の扁平流路３４〜３７に跨って第１送受波器５１および第２送受波器５２を配置することで、第３〜第６の扁平流路３４〜３７を通過する流体３８を計測することが可能になり、平均流速に近い値が計測できる。

（第３実施形態）
図６に示す第３実施形態の超音波式流体計測装置６０は、積層方向（すなわち、上下方向）に沿った中心３９に対して高さ（距離）Ｈだけ下方に偏芯し、かつ、第１〜第６の扁平流路３２〜３７のうち、流体３８を最高流速で通過させる第３、第４の扁平流路３４，３５および流体３８を最低流速で通過させる第１、第６の扁平流路３２，３７のうちの一方以外の扁平流路として、例えば、第５〜第６の扁平流路３６〜３７に対応させて第１送受波器６１および第２送受波器６２が配置されたもので、その他の構成は第１実施形態と同様である。

第１送受波器６１は、第１実施形態の第１送受波器２１に対して形状が大きくなる点で異なるだけで、第１送受波器２１と同じ機能を有するものである。
第２送受波器６２は、第１実施形態の第２送受波器２２に対して形状が大きくなる点で異なるだけで、第２送受波器２２と同じ機能を有するものである。

第３実施形態の超音波式流体計測装置６０によれば、中央寄りの扁平流路（第３、第４の扁平流路３４，３５）を外した扁平流路のうち、最高流速の扁平流路３４，３５および最低流速の扁平流路３２，３７の一方を外した第５〜第６の扁平流路３６〜３７に第１送受波器６１および第２送受波器６２を配置することで、第１送受波器６１および第２送受波器６２で平均流速に近い値が計測できる。

（第４実施形態）
図７に示す第４実施形態の超音波式流体計測装置６０は、第１〜第６の扁平流路３２〜３７のうち、流体３８を最高流速で通過させる第３、第４の扁平流路３４，３５および流体３８を最低流速で通過させる第１、第６の扁平流路３２，３７のうちの一方以外の扁平流路として、例えば、第３〜第５の扁平流路３４〜３６に対応させて第１送受波器６１および第２送受波器６２が配置されたもので、その他の構成は第１実施形態と同様である。

第１送受波器７１は、第１実施形態の第１送受波器２１に対して形状が大きくなる点で異なるだけで、第１送受波器２１と同じ機能を有するものである。
第２送受波器７２は、第１実施形態の第２送受波器２２に対して形状が大きくなる点で異なるだけで、第２送受波器２２と同じ機能を有するものである。

第４実施形態の超音波式流体計測装置７０によれば、最高流速の扁平流路３４，３５および最低流速の扁平流路３２，３７の一方を外した第３〜第５の扁平流路３４〜３６に第１送受波器７１および第２送受波器７２を配置することで、第１送受波器７１および第２送受波器７２で平均流速に近い値が計測できる。

なお、前記実施形態では、第１送受波器２１および第２送受波器２２間の超音波伝搬路２４をＺパスに対応させた例について説明したが、これに限らないで、超音波伝搬路２４を、計測流路１４における同じ側の側壁１５または側壁１６に一対の送受波器２１，２２を配置し、対向する計測流路１４の側壁面に超音波を１回（ＶパスまたはＶ法）、あるいは２回（ＷパスまたはＷ法）反射させて超音波の伝搬時間を測定してもよい。また、一対の送受波器２１，２２を流れに対して角度を持たせないで、すなわちほぼ流れに平行に超音波を送受信させる送受波器配置パターン（ＩパスまたはＩ法）を採用してもよい。

また、前記実施形態で例示した流体路１１および計測流路１４などの形状や構成は、これに限定するものではなく、適宜変更が可能である。

本発明は、計測流路内を流れる流体の平均流速を計測する超音波式流体計測装置への適用に好適である。

本発明に係る超音波式流体計測装置（第１実施形態）を示す断面図である。図２は第１実施形態に係る超音波式流体計測装置の超音波計測部を示す斜視図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。第１実施形態に係る超音波計測部を示す拡大図である。第２実施形態に係る超音波式流体計測装置の超音波計測部を示す拡大図である。第３実施形態に係る超音波式流体計測装置の超音波計測部を示す拡大図である。第４実施形態に係る超音波式流体計測装置の超音波計測部を示す拡大図である。

符号の説明

１０，５０，６０，７０超音波式流体計測装置
１４計測流路
１５，１６左右の側壁（一対の対向内側面）
２０超音波計測部
２１，５１，６１，７１第１送受波器
２２，５２，６２，７２第２送受波器
２４超音波伝搬路
２５〜２９第１〜第５の仕切板（複数の仕切板）
３２〜３７第１〜第６の扁平流路（複数の扁平流路）
３８流体
３９積層方向に沿った中心

Claims

断面矩形の角筒状に形成された計測流路と、
前記計測流路に第１送受波器および第２送受波器が設けられた超音波計測部と、
前記第１送受波器および前記第２送受波器を結ぶ超音波伝搬路に対して略平行となるように前記計測流路に収容された第１〜第５の仕切板とを備え、
前記第１〜第５の仕切板により前記計測流路内に第１〜第６の扁平流路が積層形成された超音波式流体計測装置であって、
前記第１〜第６の扁平流路のうち、積層方向に沿った中心に対して偏芯した第５の扁平流路の流速を前記超音波計測部が計測するように前記第１送受波器および前記第２送受波器が配置されていることを特徴とする超音波式流体計測装置。