JP4804872B2

JP4804872B2 - 超音波流量計

Info

Publication number: JP4804872B2
Application number: JP2005312574A
Authority: JP
Inventors: 豊田中; 真人伊藤
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2025-10-27
Also published as: JP2007121071A

Description

本発明は、矩形よう断面の流路を有する超音波流量計の改良に関する。

矩形断面の流路を流れる流体の流速を超音波の伝搬時間に基づいて計測し、流量を算出する超音波流量計が公知である（例えば、特許文献１参照）。

図１は、この従来技術における流路形状と、流路と超音波振動子の配置関係を説明する略図で、同図（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。

この従来技術では、図１（ａ）に示すように、流路１の流れに平行な断面の矩形２の軸線Ｘ−Ｘと矩形２の対角線との角Ａの間の角度θをなす直線６上に超音波振動子４、５を配設している。つまり、振動子４と５を結ぶ直線６に対して、流路１を角度θだけ相対的に傾けて配設している。Ｌは流路１の長さ、Ｈは流れに直角な矩形断面の高さ、Ｗは同矩形断面の幅である（図１（ｂ）参照）。

図２は、流量計の構造を示す縦断面図である。矩形流路部３は流路１の軸線Ｘ−Ｘが、振動子４と５を結ぶ直線６に対し、角度θをなすように傾斜して取付けられている。

被計測流体は流入部９から計量室１０に入り、矩形流路部３の流路１に左から入る。流路１を図示右方に軸線Ｘ−Ｘに沿って流れ、流路１の右方から出て、更に流出部１１から流量計の外へ流出する。１２は流入部側と流出部側を仕切る仕切り壁で、矩形流路部３がこの仕切り壁１２を貫通して固定されている。計量室１０の相対する壁面１３と１４には夫々超音波振動子４と５が対向配置されている。
特開２００１−２０１３７９号公報

流量計では、圧力損失を所定値以下に抑えるために、計測する最大流量に応じた流路断面積が要求される。この流路断面積Ｓは前記従来技術では、流路の矩形断面の高さＨと幅Ｗとの積で表わされ、Ｓ＝Ｈ・Ｗである。

幅Ｗを小さくする程、幅Ｗ内での流速の変化は小さくなり、流れは、流路１の長さ方向と高さ方向を含む２次元平面、即ち図１（ａ）と図２における紙面を含む２次元平面内での２次元流として取り扱うことができる。換言すれば、幅Ｗを小さくして矩形断面のアスペクト比Ｈ：Ｗを大きくする程２次元流の形成に有利となる。

ところが、流路断面積Ｓは計測する最大流量が同じなら変わらない。従って、アスペクト比を大きくする程高さＨが大きくなり、流路断面の最大寸法が大きくなるため、結果的に流量計の外形寸法が大きくなるという問題点がある。

そこで、本発明は、２次元流の形成に有利で、しかも流量計の外形寸法を小さくできる超音波流量計を提供することを目的とする。

本発明は、流路断面がほぼ矩形の流路を複数具備したことを最も主要な特徴とする。
そこで、前記目的を達成するために、請求項１の発明は、軸線方向における両端が開口し、かつ、流路断面がほぼ矩形の流路を複数有し、前記複数の流路を、その一部が重なり合うように周方向に角度をずらして配置し、夫々の流路はその重なりあう部分で連通し、
一対の超音波振動子間を結ぶ直線が、前記複数の流路の重なり合う部分の両端の開口部を通るとともに、この超音波振動子間を結ぶ直線が、前記夫々の流路の軸線に対して傾くように一対の超音波振動子を配設したことを特徴とする超音波流量計である。

請求項２の発明は、請求項１の超音波流量計において、前記超音波振動子を結ぶ直線の回りに、前記複数の流路を、均等に角度をずらして配設したことを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項２の超音波流量計において、前記超音波振動子を結ぶ直線に対して、前記流路の軸線が交差する傾きの角度が、いずれの流路とも同じ角度であることを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項１、２又は３の超音波流量計において、流路断面を形成する矩形ようの形状が、超音波振動子間を結ぶ直線から大きく離れている側の幅（Ｗ_１）を、他側の幅（Ｗ_２）より大きく定めることにより、流路断面を台形にしたことを特徴とするものである。

請求項５の発明は、請求項３又は４の超音波流量計において、前記流路の数が３個で、各流路の断面積を同じに定めたことを特徴とするものである。

本発明は、上述のように構成されているので、各流路のアスペクト比である矩形の高さ／幅を大きくして、かつ、矩形の高さを小さくできる。そのため、２次元流の形成に有利で、しかも外形寸法の小さい超音波流量計が実現できる。

請求項４の発明では、一方の側の幅（Ｗ_１）を他方の側の幅（Ｗ_２）と同じに定めた場合に比較して、Ｗ_１＞Ｗ_２に定めたことで、幅が大きい方の側における流速が大きくなり、流量計側の精度がより向上する。

次に本発明を実施するための最良の形態を図の実施例に基づいて説明する。

図３は、本発明の流量計の１実施例の断面図であって、４、５、６、９、１０、１１、１３、１４は図２と同様である。この実施例では流れに直角な流路断面が高さＨ、幅Ｗの矩形状で、流路の長さはＬである。この流路を符号１ａで示す。３ａは流路１ａを備えた流路部である。そして、この実施例では、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、超音波の伝搬する直線６に対して、流路１ａの軸線Ｘａ−Ｘａは角度θだけ傾斜して配設される。また、流路１ａの他に、流路１ａと同じ形状の高さＨ×幅Ｗの矩形断面の流路１ｂと１ｃが、同図（ｃ）（ｄ）に示すように直線６の周りに円周を３等分して、１２０°間隔で配設されている。流路１ｂと１ｃは、前記流路１ａと同様に超音波が伝搬する直線６に対して角度θだけ傾斜している。

流路１ａ、１ｂ、１ｃをそれぞれ備えた流路部３ａ、３ｂ、３ｃは、流路の長手方向であるＬ方向に突条のかたちに延在し、一体になって計測管３０を構成する。換言すれば、計測管３０に流路部３ａ、３ｂ、３ｃが形成され、各流路部３ａ、３ｂ、３ｃにそれぞれ矩形断面の流路１ａ、１ｂ、１ｃが設けられている。そして、これら３つの流路１ａ、１ｂ、１ｃの各軸線Ｘａ−Ｘａ等に対して、図３に示す超音波振動子４、５間を結ぶ１つの直線（即ち超音波の伝搬経路）６が角度θで交差している。なお、図５で１５は３つの流路１ａ、１ｂ、１ｃが互いに重なり合う部分に直径Ａの仮想線（２点鎖線）で示す仮想的な中心穴である。

超音波は直線６に沿って、流路１ａや１ｂ、１ｃを斜めに横切るため、流路の断面平均流速に応じた伝搬時間を測定し、その伝搬時間に基づいて、流速を演算する。

１つの流路１ａ、１ｂ、１ｃの各流路断面積は、ほぼＨ×Ｗであるが、流量計としての流路断面積Ｓ_Ｔは前記中心穴の断面積をＳ_０とすると、
Ｓ_Ｔ＝（Ｈ・Ｗ−Ｓ_０）×３＋Ｓ_０
となる。従って、流量計の計測容量は
最大流速×Ｓ_Ｔ
で表わされる。各流路１ａ、１ｂ、１ｃの高さＨと幅Ｗは、例えば、高さＨ＝２０ｍｍ、幅Ｗ＝５ｍｍとすることで、アスペクト比は２０：５とすることができる。

図４で、計測管３０の中央部には計測管３０を図３の仕切り壁１２に取り付けるためのフランジ３０Ａが形成されている。

流路１ａ、１ｂ、１ｃは上述のように高さＨ、幅Ｗの矩形断面に形成する代りに、流れに直角な断面を台形にしてもよい。図４（ｃ）（ｄ）と図５に示すように、流路１ａの矩形ようの断面の幅を、Ｗ_１とＷ_２とし、Ｗ_１＞Ｗ_２にして、台形断面としてもよい。このように、超音波の伝搬経路６からの距離が大きい側の幅Ｗ_１を、伝搬経路６からの距離が小さい側の幅Ｗ_２より大きくすることで、矩形よう断面の端辺側Ｗ_１の壁面に沿って流れる流体の流速が粘性で低下することによる流速の低下を減らし、流量計測の誤差を低減できる。この台形断面の流路１ａは、図４（ｃ）では、流路１ａの図示上端部の幅がＷ_１で、下端部の幅がＷ_２である。そして、図４（ｄ）では流路１ａの図示下端部の幅がＷ_１で、上端部の幅がＷ_２である。このように、流路１ａの幅は、同図（ｂ）の左右方向つまり長手方向Ｌの位置によって次第に変化するように定めてある。同図（ｂ）で、流路１ａの図示上縁の紙面に直角な方向の幅Ｗは、図示左端ではＷ_１、右端ではＷ_２である。そして、同図（ｂ）で、流路１ａの図示下縁の紙面に直角な方向の幅Ｗは、図示左端ではＷ_２、図示右端ではＷ_１である。そして、これらの幅は同図（ｂ）で、図の左方から右方にいく程、連続的に、１次関数的に変化するように定めてある。従って、長さＬの中央部では、流路断面の幅は（Ｗ_１＋Ｗ_２）／２となり、断面形状は高さがＨ、幅が（Ｗ_１＋Ｗ_２）／２の矩形断面となる。つまり、流路断面の形状は、流れ方向に移動するにつれて変化する。

なお、流路断面の形状は、上述のように、矩形、台形に限定することはなく、ほぼ矩形ようであれば、他の形であってもよい。

また、流路の数は前記実施例の３つに限定することはない。
超音波振動子４、５間で、超音波パルスを流れ方向の順方向とその逆方向とに交互に送受信を繰り返し、順方向と逆方向の伝搬時間に基づいて流速を求め、流量を演算する。

上述の実施例では、流路の数を３つにしたので、従来技術のように１つの流路にした場合に比較して、同じアスペクト比の流路断面形状とすれば、計測できる容量が同じであれば、高さＨを従来技術の１／３と小型化できる。また、従来と同じ高さＨを許容すれば、その分アスペクト比を約３倍にでき、２次元流の形成に有利となる。

本発明の超音波流量計は、気体や液体の流量測定に適用可能である。

従来技術の流路形状と、流路と超音波振動子の配置関係を説明する略図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。従来技術の超音波流量計の縦断面図である。本発明の実施例の縦断面図である。本発明における計測管の図面で、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は左側面図、（ｄ）は右側面図である。図４（ｄ）に対応する拡大図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ流路
３ａ、３ｂ、３ｃ流路部
４、５超音波振動子
６超音波振動子間を結ぶ直線（超音波の伝搬経路）
Ｗ、Ｗ_１、Ｗ_２幅
Ｈ高さ
Ｘａ−Ｘａ軸線
θ 角度
３０計測管

Claims

軸線方向における両端が開口し、かつ、流路断面がほぼ矩形の流路を複数有し、前記複数の流路を、その一部が重なり合うように周方向に角度をずらして配置し、夫々の流路はその重なりあう部分で連通し、
一対の超音波振動子間を結ぶ直線が、前記複数の流路の重なり合う部分の両端の開口部を通るとともに、この超音波振動子間を結ぶ直線が、前記夫々の流路の軸線に対して傾くように一対の超音波振動子を配設したことを特徴とする超音波流量計。
前記超音波振動子を結ぶ直線の回りに、前記複数の流路を、均等に角度をずらして配設したことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
前記超音波振動子を結ぶ直線に対して、前記流路の軸線が交差する傾きの角度が、いずれの流路とも同じ角度であることを特徴とする請求項２記載の超音波流量計。
流路断面を形成する矩形ようの形状が、超音波振動子間を結ぶ直線から大きく離れている側の幅（Ｗ_１）を、他側の幅（Ｗ_２）より大きく定めることにより、流路断面を台形にしたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の超音波流量計。
前記流路の数が３個で、各流路の断面積を同じに定めたことを特徴とする請求項３又は４記載の超音波流量計。