JP4579220B2

JP4579220B2 - 超音波式流体計測装置

Info

Publication number: JP4579220B2
Application number: JP2006303201A
Authority: JP
Inventors: 裕治中林; 真人佐藤; 明久足立
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2026-11-08
Also published as: CN101535779A; JP2008122106A; EP2080996A4; EP2080996A1; CN101535779B; US7980142B2; US20100064821A1; WO2008056745A1

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、計測流路に流体を流し、計測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送波部、受波部が設けられている。

送波部、受波部は計測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、計測流路に複数の隔壁を並行に配置することにより、計測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。

また、近年では、計測用流路に複数の超音波計測部（第１送受波器および第２送受波器）を配置して複数の計測値を得、これらの計測値を基に求めた平均値を最終計測値とする超音波流量計が提案されている（特許文献１）。
特許文献１は、各超音波計測部の計測路の角度が異なる。
特開２００２−２５７６０７号公報

ところで、前述した特許文献１の技術では、三つの超音波計測部のうち、どれかは高精度の計測値であるにも拘わらず、低精度な２つの計測値との平均値を最終的な計測値とするので、かえって計測精度が低くなる。

本発明は、前述した課題を解決するためになされたもので、その目的は、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、前記計測流路に設けられた第１超音波計測部および第２超音波計測部とを備え、前記第１超音波計測部および前記第２超音波計測部が、それぞれ前記計測流路に設けられた第１送受波器および第２送受波器を有するとともに、前記第１送受波器および前記第２送受波器を結ぶ第１超音波伝搬路および第２超音波伝搬路が前記計測流路を流れる前記流体の通過方向に対して異なる角度で交差する超音波式流体計測装置であって、前記流体の流量に対応して、前記第１超音波計測部および前記第２超音波計測部のうちのいずれかの計測値を採用することを特徴とする。

第１超音波計測部の第１超音波伝搬路や第２超音波計測部の第２超音波伝搬路を、計測流路を流れる流体の通過方向に対して異なる角度で交差させて、第１超音波計測部および第２超音波計測部のうちのいずれかの計測値を流量に対応させて採用するようにした。
これにより、流体の流量に応じて最適の計測値を選択的に採用することが可能になり高精度の計測値が得られる。

さらに、本発明は、前記第１超音波計測部および前記第２超音波計測部のうちの前記流量に適した一方の計測値を採用することを特徴とする。
このような本発明においては、第１超音波計測部の計測値あるいは第２超音波計測部の計測値のうち、実際の流量に適した方の計測値を採用するため、流体の流速を高精度に計測できることになる。

また、本発明は、前記各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により、前記計測流路内に複数の扁平流路が積層形成され、前記第１超音波計測部および前記第２超音波計測部が前記仕切板により区画されていることを特徴とする。

第１超音波計測部および第２超音波計測部を仕切板で区画することで一層高い計測精度が得られる。

さらに、本発明は、前記第１超音波伝搬路の伝搬路中央および前記第２超音波伝搬路の伝搬路中央が、前記仕切板の厚み方向に沿って見たときに重なるように前記第１超音波計測部および前記第２超音波計測部が配置されていることを特徴とする。

第１超音波伝搬路の伝搬路中央および第２超音波伝搬路の伝搬路中央を、仕切板の厚み方向に沿って見たときに重ならせることで、第１超音波計測部および第２超音波計測部を近接させて配置することが可能になる。
これにより、第１超音波計測部および第２超音波計測部を比較的小さな空間に配置することが可能になり、省スペースが図れる。

本発明の超音波式流体計測装置によれば、流体の流量に適した超音波伝搬路を選択することで、流体の流量に応じて最適の計測値が得られ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２、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および計測流路１４で略Ｕ字状に形成された流体路１１と、計測流路１４に設けられた第１の超音波計測部１６、第２の超音波計測部１７、第３の超音波計測部１８と、計測流路１４に収容された複数の仕切板としての第１仕切板２１，第２仕切板２２とを備え、流体２４の流量Ｑに対応して、第１の超音波計測部１６、第２の超音波計測部１７、第３の超音波計測部１８のうちのいずれかの計測値を採用するものである。

流体路１１は、左鉛直流路１２に遮断弁２６を備え、計測流路１４に第１仕切板２１，第２仕切板２２が上下の壁部１４Ａ，１４Ｂに沿って一定間隔で設けられている。
計測流路１４は、上下の壁部１４Ａ，１４Ｂおよび左右の側壁１４Ｃ，１４Ｄ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仕切板２１，第２仕切板２２を一定間隔で上下の壁部１４Ａ，１４Ｂに対して平行に収容することで、計測流路１４内に、複数の扁平流路として第１の扁平流路３１、第２の扁平流路３２、第３の扁平流路３３が積層形成されている。
第１の扁平流路３１、第２の扁平流路３２、第３の扁平流路３３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、遮断弁２６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（例えば、天然ガス、液化石油ガス）２４が矢印のように流れる。

第１超音波計測部１６は、図３（Ａ）に示すように、第１扁平流路３１に設けられている。具体的には、第１超音波計測部１６は、右側壁１４Ｄに設けられた第１送受波器１６Ａと、左側壁１４Ｃに設けられた第２送受波器１６Ｂとを有し、第１送受波器１６Ａが第２送受波器１６Ｂの上流側に配置されている。

第１超音波計測部１６、すなわち、第１送受波器１６Ａおよび第２送受波器１６Ｂは、演算部３５に接続されている。
第１送受波器１６Ａおよび第２送受波器１６Ｂを結ぶ第１超音波伝搬路３６は、第１仕切板２１に対して平行に、かつ計測流路１４を流れる流体２４の通過方向（矢印で示す方向）に対して傾斜角度θ１で交差するように設定されたＺパスである。

計測流路１４に流体２４を流した状態において、第１送受波器１６Ａから第２送受波器１６Ｂに超音波を伝搬させるとともに、第２送受波器１６Ｂから第１送受波器１６Ａに超音波を伝搬させて、超音波の伝搬時間を演算部３５で計測し、計測した情報に基づいて流体の流速を求める。

第２超音波計測部１７は、図３（Ｂ）に示すように、第２扁平流路３２に設けられている。具体的には、第２超音波計測部１７は、右側壁１４Ｄに設けられた第１送受波器１７Ａと、左側壁１４Ｃに設けられた第２送受波器１７Ｂとを有し、第１送受波器１７Ａが第２送受波器１７Ｂの上流側に配置されている。

第２超音波計測部１７、すなわち、第１送受波器１７Ａおよび第２送受波器１７Ｂは、演算部３５に接続されている。
第１送受波器１７Ａおよび第２送受波器１７Ｂを結ぶ第２超音波伝搬路３７は、第１、第２仕切板２１，２２に対して平行に、かつ計測流路１４を流れる流体２４の通過方向（矢印で示す方向）に対して傾斜角度θ２で交差するように設定されたＺパスである。

計測流路１４に流体２４を流した状態において、第１送受波器１７Ａから第２送受波器１７Ｂに超音波を伝搬させるとともに、第２送受波器１７Ｂから第１送受波器１７Ａに超音波を伝搬させて、超音波の伝搬時間を演算部３５で計測し、計測した情報に基づいて流体の流速を求める。

第３超音波計測部１８は、図３（Ｃ）に示すように、第３扁平流路３３に設けられている。具体的には、第３超音波計測部１８は、右側壁１４Ｄに設けられた第１送受波器１８Ａと、左側壁１４Ｃに設けられた第２送受波器１８Ｂとを有し、第１送受波器１８Ａが第２送受波器１８Ｂの上流側に配置されている。

第３超音波計測部１８、すなわち第１送受波器１８Ａおよび第２送受波器１８Ｂは、演
算部３５に接続されている。
第１送受波器１８Ａおよび第２送受波器１８Ｂを結ぶ第３超音波伝搬路３８は、第２仕切板２２に対して平行に、かつ計測流路１４を流れる流体２４の通過方向（矢印で示す方向）に対して傾斜角度θ３で交差するように設定されたＺパスである。

計測流路１４に流体２４を流した状態において、第１送受波器１８Ａから第２送受波器１８Ｂに超音波を伝搬させるとともに、第２送受波器１８Ｂから第１送受波器１８Ａに超音波を伝搬させて、超音波の伝搬時間を演算部３５で計測し、計測した情報に基づいて流体の流速を求める。

ここで、第１超音波計測部１６と第２超音波計測部１７とは第１仕切板２１により区画されている。また、第２超音波計測部１７と第３超音波計測部１８とは第２仕切板２２により区画されている。
このように、第１超音波計測部１６、第２超音波計測部１７、第３超音波計測部１８を第１仕切板２１，第２仕切板２２で区画することで一層高い計測精度が得られる。

第１超音波伝搬路３６の傾斜角度θ１、第２超音波伝搬路３７の傾斜角度θ２、第３超音波伝搬路３８の傾斜角度θ３は、θ１＜θ２＜θ３の関係が成立する。
傾斜角度θ１、θ２、θ３は０〜９０°の傾斜角である。傾斜角度θ１は０°側に近い小さな傾斜角、傾斜角度θ２は中程度の傾斜角、傾斜角度θ３は９０°側に近い大きな傾斜角に設定されている。
すなわち、第１の超音波伝搬路３６、第２の超音波伝搬路３７、第３の超音波伝搬路３８は、計測流路１４を流れる流体２４の通過方向に対してそれぞれ異なる角度θ１，θ２，θ３で交差するように設定されている。

さらに、第１の超音波伝搬路３６、第２の超音波伝搬路３７、第３の超音波伝搬路３８は、第１の超音波伝搬路３６、第２の超音波伝搬路３７、第３の超音波伝搬路３８の各伝搬路中央３６Ａ、１７Ａ、３８Ａが、第１仕切板２１，第２仕切板２２の厚み方向に沿って見たときに重なるように配置されている。
よって、第１超音波計測部１６、第２超音波計測部１７、第３超音波計測部１８を近接させて配置することが可能になる。
これにより、第１超音波計測部１６、第２超音波計測部１７、第３超音波計測部１８を比較的小さな空間に配置することが可能になり、省スペースが図れる。

つぎに、超音波式流体計測装置１０に第１超音波計測部１６、第２超音波計測部１７、第３超音波計測部１８を備えた理由を図４に基づいて説明する。
第１超音波計測部１６は、第１超音波伝搬路３６が０°側に近い小さな傾斜角度θ１に設定されている。
この第１超音波計測部１６は、計測流路１４を流れる流体２４が小流量Ｑ１の場合において、流体２４の流速を好適に計測することが可能である。

具体的には、第１超音波計測部１６は、小流量Ｑ１のうち、流量Ｑ１Ａにおいて流体２４の流速を高精度に計測することが可能であり、流量Ｑ１Ｂにおいて流体２４の流速をある程度精度良く計測することが可能である。
流量Ｑ１Ａと流量Ｑ１Ｂとはしきい値Ｓ１で仕切られる。

第２超音波計測部１７は、第２超音波伝搬路３７が中程度の傾斜角度θ２に設定されている。
この第２超音波計測部１７は、計測流路１４を流れる流体２４が中流量Ｑ２の場合において、流体２４の流速を好適に計測することが可能である。

具体的には、第２超音波計測部１７は、中流量Ｑ２のうち、流量Ｑ２Ａにおいて流体２４の流速をある程度精度良く計測することが可能であり、流量Ｑ２Ｂにおいて流体２４の流速を高精度に計測することが可能であり、流量Ｑ２Ｃにおいて流体２４の流速をある程度精度良く計測することが可能である。
流量Ｑ２Ａと流量Ｑ２Ｂとはしきい値Ｓ１で仕切られ、流量Ｑ２Ｂと流量Ｑ２Ｃとはしきい値Ｓ２で仕切られる。

第３超音波計測部１８は、第３超音波伝搬路３８が９０°側に近い大きな傾斜角度θ３に設定されている。
この第３超音波計測部１８は、計測流路１４を流れる流体２４が大流量Ｑ３の場合において、流体２４の流速を好適に計測することが可能である。

具体的には、第３超音波計測部１８は、大流量Ｑ３のうち、流量Ｑ３Ａにおいて流体２４の流速をある程度精度良く計測することが可能であり、流量Ｑ３Ｂにおいて流体２４の流速を高精度に計測することが可能である。
流量Ｑ３Ａと流量Ｑ３Ｂとはしきい値Ｓ２で仕切られる。

超音波式流体計測装置１０は、計測流路１４を流れる流体２４がしきい値Ｓ１未満の場合に、第１超音波計測部で流体２４の流速を計測するように切り換え可能に構成されている。
また、超音波式流体計測装置１０は、計測流路１４を流れる流体２４がしきい値Ｓ１以上でしきい値Ｓ２未満の場合に、第２超音波計測部で流体２４の流速を計測するように切り換え可能に構成されている。
さらに、超音波式流体計測装置１０は、計測流路１４を流れる流体２４がしきい値Ｓ２以上の場合に、第３超音波計測部で流体２４の流速を計測するように切り換えるように構成されている。

よって、超音波式流体計測装置１０は、第１超音波計測部１６、第２超音波計測部１７、第３超音波計測部１８のうちから、流体２４の流量Ｑに適した超音波計測部を選択し（切換え）、選択した超音波計測部で流体２４の流速を計測することができる。
これにより、計測流路１４の流量Ｑを、小流量Ｑ１、中流量Ｑ２および大流量Ｑ３の全域において高精度に流速を計測することができる。

なお、しきい値Ｓ１において、第１超音波計測部１６と第２超音波計測部１７とを単純に切り換え、しきい値Ｓ２において、第２超音波計測部１７と第３超音波計測部１８とを単純に切り換えると、流量Ｑがしきい値Ｓ１，Ｓ２近傍の場合に、各超音波計測部１６〜１８が頻繁に切り換わる（チャタリングが発生する）ことが考えられる。
そこで、各しきい値Ｓ１，Ｓ１にヒステリシスを設けることで、しきい値Ｓ１，Ｓ２近傍において第１超音波計測部１６、第２超音波計測部１７、第３超音波計測部１８が頻繁に切り換わることを防止することが可能である。

つぎに、第１実施形態の超音波式流体計測装置１０の作用を図４に基づいて説明する。
計測流路１４を流れる流体２４の流量Ｑを流量検出部（図示せず）で検出し、検出した情報を演算部３５に伝える。
演算部３５は、伝えられた流量Ｑが、しきい値Ｓ１未満（すなわち、Ｑ＜Ｓ１）、しきい値Ｓ１以上でしきい値Ｓ２未満（Ｓ１≦Ｑ＜Ｓ２）、またはしきい値Ｓ２以上（Ｓ２≦Ｑ）のいずれに該当するかを判断する。

求めた流量ＱがＱ＜Ｓ１の場合、第１超音波計測部１６で流速を計測するように回路を切り換える。第１超音波計測部１６は、Ｑ＜Ｓ１の小流量Ｑ１Ａにおいて流速を高精度に計測することが可能である。
よって、第１超音波計測部１６で流量Ｑを精度良く計測し、高精度の計測値を得ることができる。

流量ＱがＳ１≦Ｑ＜Ｓ２に変更した場合、第２超音波計測部１７で流速を計測するように回路を切り換える。第２超音波計測部１７は、Ｓ１≦Ｑ＜Ｓ２の中流量Ｑ２Ｂにおいて流速を高精度に計測することが可能である。
よって、第２超音波計測部１７で流量Ｑを精度良く計測し、高精度の計測値を得ることができる。

流量ＱがＳ２≦Ｑに変更した場合、第３超音波計測部１８で流速を計測するように回路を切り換える。第３超音波計測部１８は、Ｓ２≦Ｑの大流量流量Ｑ３Ｂにおいて流速を高精度に計測することが可能である。
よって、第３超音波計測部１８で流量Ｑを精度良く計測し、高精度の計測値を得ることができる。
なお、本実施形態では、第１超音波計測部１６、第２超音波計測部１７、第３超音波計測部１８は第１仕切板２１，第２仕切板２２に対してそれぞれ平行に設定したが、これに限定されるものではなく、第１の超音波伝搬路３６、第２の超音波伝搬路３７、第３の超音波伝搬路３８を第１仕切板２１，第２仕切板２２に対して沿うように設定してもよい。

つぎに、第２実施形態、第３実施形態の超音波式流体計測装置を図５、図６に基づいて説明する。なお、第２実施形態、第３実施形態において第１実施形態の超音波式流体計測装置１０と同一構成部材については同じ符号を付して説明を省略する。

（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、第１実施形態の計測流路１４から第１仕切板２１，第２仕切板２２を除去して計測流路１４を単層としたもので、その他の構成は第１実施形態と同様である。

第２実施形態の超音波式流体計測装置５０によれば、計測流路１４から第１仕切板２１，第２仕切板２２を除去することで構成の簡素化を図ることができる。
加えて、第２実施形態の超音波式流体計測装置５０によれば、第１実施形態の超音波式流体計測装置１０と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
図６に示す第２実施形態の超音波式流体計測装置６０は、第１の超音波伝搬路３６、第２の超音波伝搬路３７、第３の超音波伝搬路３８の各伝搬路中央３６Ａ〜３８Ａが、第１仕切板２１，第２仕切板２２の厚み方向に沿って見たときに重ならないように第１の超音波計測部１６，第２の超音波計測部１７、第３の超音波計測部１８を配置したもので、その他の構成は第１実施形態と同様である。

第３実施形態の超音波式流体計測装置６０によれば、第１超音波計測部１６、第２超音波計測部１７、第３超音波計測部１８の超音波伝搬路３６、３７、３８を重ならせる必要がないので、第１超音波計測部１６、第２超音波計測部１７、第３超音波計測部１８を配置する空間を大きく確保できる場合には、第１超音波計測部１６、第２超音波計測部１７、第３超音波計測部１８のレイアウトを決定する際の自由度を高めることができる。
加えて、第２実施形態の超音波式流体計測装置５０によれば、第１実施形態の超音波式流体計測装置１０と同様の効果を得ることができる。

なお、前記実施形態では、第１送受波器１７および第２送受波器１８間の超音波伝搬路１９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１９を、いわゆるＶパス、Ｗパスに対応することも可能である。

また、前記実施形態で例示した計測流路１４等の形状や構成は、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天然ガス、液化石油ガス、空気、水等流体の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。第１実施形態に係る超音波式流体計測装置を示す斜視図である。（Ａ）は図１のＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）は図１のＣ−Ｃ線断面図である。第１実施形態に係る第１〜第３の超音波計測部の特性を説明する図である。本発明に係る超音波式流体計測装置（第２実施形態）を示す断面図である。本発明に係る超音波式流体計測装置（第３実施形態）を示す断面図である。

符号の説明

１０，５０，６０超音波式流体計測装置
１４計測流路
１６第１超音波計測部
１６Ａ，１７Ａ，１８Ａ第１送受波器
１６Ｂ，１７Ｂ，１８Ｂ第２送受波器
１７第２超音波計測部
１８第３超音波計測部
３６第１超音波伝搬路
３６Ａ第１超音波伝搬路の伝搬路中央
３７第２超音波伝搬路
３７Ａ第２超音波伝搬路の伝搬路中央
３８第３超音波伝搬路
３８Ａ第３超音波伝搬路の伝搬路中央
２１第１仕切板（仕切板）
２２第２仕切板（仕切板）
３１第１扁平流路（扁平流路）
３２第２扁平流路（扁平流路）
３３第３扁平流路（扁平流路）
Ｑ流量

Claims

断面矩形の角筒状に形成された計測流路と、
前記計測流路に設けられた第１超音波計測部および第２超音波計測部とを備え、
前記第１超音波計測部および前記第２超音波計測部が、それぞれ前記計測流路に設けられた第１送受波器および第２送受波器を有するとともに、
前記第１送受波器および前記第２送受波器を結ぶ第１超音波伝搬路および第２超音波伝搬路が前記計測流路を流れる前記流体の通過方向に対して異なる角度で交差する超音波式流体計測装置であって、
前記各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により、前記計測流路内に複数の扁平流路が積層形成され、
前記第１超音波計測部および前記第２超音波計測部が前記仕切板により区画され、
前記流体の流量に対応して、前記第１超音波計測部および前記第２超音波計測部のうちのいずれかの計測値を採用することを特徴とする超音波式流体計測装置。
前記第１超音波計測部および前記第２超音波計測部のうちの前記流量に適した一方の計測値を採用することを特徴とする請求項１に記載の超音波式流体計測装置。
前記第１超音波伝搬路の伝搬路中央および前記第２超音波伝搬路の伝搬路中央が、前記仕切板の厚み方向に沿って見たときに重なるように前記第１超音波計測部および前記第２超音波計測部が配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波式流体計測装置。