JP5259313B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、管路内を流動する流体の体積流量を超音波センサーにより測定する超音波流量計に関するものである。

一般に、管路を流動するガス等の流体の体積流量を測定する際には、管路内を流動する流体に向かって超音波ビームを送受信する一対の超音波センサーが採用されている。そして、管路内で流体の流れに沿った超音波ビームの伝播時間と、流体の流れに逆らった超音波ビームの伝播時間との差分から流体の流速を求め、ひいては、流速と測定部位の断面積により流体の体積流量を求めている。
しかしながら、管路内の流体の圧力が非常に高い場合等には、管路を形成する壁部が変形することで、管路が膨張して器差が大きくなり不都合が生じていた。そのため、管路を形成する壁部を厚肉にしたり、補強リブを形成して壁部の剛性を高めていたが、この方法では、流量計本体が大きくなり取り扱いが非常に煩雑になる。しかも、この対策では、根本的な解決に至らない。

そこで、従来の超音波流量計として特許文献１には、流体が流れる管路の断面形状が矩形であって、該矩形の長辺と短辺のアスペクト比が４以上であり、方形状の音波出口開口部が形成されている測定部配管と、該測定部配管の管路の短辺幅の２倍以上の直径を有し、上記音波出口開口部を介して超音波ビームを管路内に発射する超音波センサーを備え、上記管路に関し、その短辺幅が超音波ビームの波長の５倍以上であり、上記音波出口開口部に関し、その横方向の長さが管路の短辺幅に等しく、その縦方向の長さが超音波ビームの波長の１０倍以上であると共に、管路の短辺幅の２倍以下であり、流体の流れに沿った超音波ビームの伝播時間と、流体の流れに逆らった超音波ビームの伝播時間とに基づいて、上記管路の矩形断面を通過する流体の体積流量を計測することを開示されている。
そして、特許文献１に開示された超音波流量計では、測定部配管内を流れる流体の速度分布を平均化し、安定した補正係数を得て、しかも、回折波の影響を少なくして良好な受信信号を得ることで、安定した体積流量の測定を可能している。
特許第３２１７０２１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された超音波流量計では、上述したような管路内の流体の圧力が非常に高い場合、管路が膨張することで流路面積が増大し、体積流量の計測精度が低下するという問題を解決することはできない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、管路内の流体の圧力による器差を小さくして、管路内を流動する体積流量の計測精度を向上させる超音波流量計を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段として、本発明のうち請求項１に記載した発明は、上流側開口端部と下流側開口端部とを有し、内部に流体が流れる管路と、該管路内を軸直交方向に沿って設けた二つの仕切板により３分割に区画することにより形成される、前記二つの仕切板間に位置して前記上流側開口端部からの流体が前記下流側開口端部へ向かって流れる流路として作用する測定室及び、該測定室の両側に位置して前記流体の流路として作用しない各圧力室と、前記測定室内と前記各圧力室内とを連通させ、該測定室内と前記各圧力室内とを略同じ圧力に設定する圧力導入路と、前記測定室に臨む前記管路の壁部に配置され、該測定室内を流動する流体に向かって超音波ビームを送受信する一対の超音波センサーと、前記測定室内を流れる流体の流れに沿った超音波ビームの伝播時間と、当該流体の流れに逆らった超音波ビームの伝播時間との差分から前記測定室を流れる流体の流速を算出して、当該流速と前記測定室の軸直交断面積とにより流体の体積流量を算出する演算部と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、管路内の流体の圧力による器差を小さくして、管路内を流動する体積流量の計測精度を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図１〜図８に基いて詳細に説明する。
本発明の実施の形態に係る超音波流量計１において特徴とするところは、図１、図２及び図７に示すように、ガス等の流体が流れる主管路２（管路）内を軸直交方向、詳しくは短辺１２ａが延びる方向に沿って３分割に区画して形成される、短辺１２ａが延びる方向（軸直交方向）略中央に位置する測定室３及び該測定室３の両側に位置する各圧力室４、４と、測定室３内と各圧力室４、４内とを連通させ、該測定室３内と各圧力室４、４内とを略同じ圧力に設定する、第１及び第２仕切板５、６に設けた連通孔７（圧力導入路）と、測定室３に臨む主管路２の一方の短手側壁部１２（壁部）に配置され、該測定室３内を流動する流体に向かって超音波ビームを送受信して、測定室３内を流動する流体の体積流量を計測する一対の超音波センサー８ａ、８ｂ及び８ａ’、８ｂ’とを備えたことである。

さらに、本実施の形態に係る超音波流量計１を図１〜図８に基いて詳細に説明する。
本実施の形態に係る超音波流量計１は、図１及び図４に示すように、流体が流れる主管路２と、該主管路２の上流側に接続される流入管路１０と、主管路２の下流側に接続される流出管路１１とを備えている。
主管路２は、図２に示すように、対向する一対の短手側壁部１２と、対向する一対の長手側壁部１３とから形成され、その内部開口は一対の短辺１２ａと一対の長辺１３ａとからなる長方形状に形成される。主管路２内には、長手側壁部１３と略平行な第１及び第２仕切板５、６が短辺１２ａの延びる方向に沿って間隔を置いて２枚配設され、主管路２内が短辺１２ａの延びる方向に沿って３室に区画されている。そして、主管路２内には、短辺１２ａの延びる方向略中央に測定室３が設けられ、該測定室３の両側に圧力室４、４が設けられる。なお、第１及び第２仕切板５、６の厚みは、主管路２を構成する長手側壁部１３の厚みに対して略１／８に設定されている。

また、図７に示すように、第１及び第２仕切板５、６（図７では第１仕切板５が図示されている）には、測定室３内と各圧力室４、４内とを連通する連通孔７（圧力導入路）が形成されており、測定室３内の圧力と各圧力室４、４内の圧力が略同じに設定される。この連通孔７は、本実施の形態では、第１及び第２仕切板５、６の、主管路２の上流側で一方の短手側壁部１２（図視下方の短手側壁部１２）に近接する位置に１個形成されている。
なお、連通孔７の第１及び第２仕切板５、６における形成部位については限定されず、個数についても限定されることはない。しかしながら、連通孔７の大きさについては、測定室３（後述する各分割測定室３ａ、３ｂ）内を流動する流体の流動方向が大きく変化するような大きさであってはならず、小さい方が好ましい。本実施の形態では、連通孔７は、測定室３の内容積（略２００ｍｍ（長手側長さ）×略３０ｍｍ（短手側長さ）×略４００ｍｍ（軸方向長さ））に対して略φ１０ｍｍに設定されている。

また、主管路２の上流側の開口端部には、図１及び図５から解るように、略矩形の上流側蓋部１５が連設されると共に、下流側の開口端部には、略矩形の下流側蓋部１６が連設される。これら上流側蓋部１５及び下流側蓋部１６には、主管路２内に設けた測定室３の上流側及び下流側の開口端部と一致する略矩形の開口部１７、１８がそれぞれ形成される。
なお、測定室３は、図２に示すように、主管路２を形成する一対の短手側壁部１２と、一対の仕切板５、６とで囲まれる空間となる。一方、各圧力室４、４は、図２及び図５に示すように、主管路２を形成する一対の短手側壁部１２及び一方の長手側壁部１３と、第１または第２仕切板５または６と、上流側蓋部１５及び下流側蓋部１６とで囲まれる空間となる。

流入管路１０は、図１及び図５〜図７に示すように、その開口が軸直交断面にて上流側端部が略円形に形成されると共に、下流側端部が、測定室３の上流側の開口端部（上流側蓋部１５の開口部１７）と略同じ略矩形に形成される。なお、この流入管路１０の上流側端部には略円形の取付フランジ部２０が連設されると共に、下流側端部には略矩形の取付フランジ部２１が連設される。
一方、流出管路１１は、図１及び図５〜図７に示すように、その開口が軸直交断面にて上流側端部が、測定室３の下流側の開口端部（下流側蓋部１６の開口部１８）と略同じ略矩形に形成されると共に、下流側端部が略円形に形成される。なお、この流出管路１１の上流側端部には略矩形の取付フランジ部２２が連設されると共に、下流側端部には略円形の取付フランジ部２３が連設される。

そして、図５〜図７に示すように、主管路２の上流側蓋部１５に、流入管路１０の下流側端部に設けた取付フランジ部２１がＯリング（図示略）を介して接続されると、流入管路１０の略矩形の下流側の開口端部２５が、主管路２の上流側蓋部１５に設けた略矩形の開口部１７に一致し、流入管路１０と主管路２内の測定室３とが連通される。一方、主管路２の下流側蓋部１６に、流出管路１１の上流側端部に設けた取付フランジ部２２がＯリング（図示略）を介して接続されると、流出管路１１の略矩形の上流側の開口端部２６が、主管路２の下流側蓋部１６に設けた略矩形の開口部１８に一致し、流出管路１１と主管路２内の測定室３とが連通される。

また、図２及び図５に示すように、主管路２に設けた測定室３内には、第１及び第２仕切板５、６と略平行な分岐板３０が、測定室３及び各圧力室４、４の並設方向の略中央に配設されており、測定室３内が各分割測定室３ａ、３ｂに２分割される。これにより、測定室３内に流入する流体は、分岐板３０を介して各分割測定室３ａ、３ｂに分岐されて流動される。

また、図１、図３、図４及び図８に示すように、各分割測定室３ａ、３ｂに臨む主管路２の一方の短手側壁部１２にはその軸方向に沿って、各分割測定室３ａ、３ｂ内を流動する流体に超音波ビームを送受信する一対の超音波センサー８ａ、８ｂ及び８ａ’、８ｂ’がそれぞれ配置されている。そして、一対の超音波センサー８ａ、８ｂ及び８ａ’、８ｂ’と、該一対の超音波センサー８ａ、８ｂ及び８ａ’、８ｂ’に接続される演算部５０とにより、各分割測定室３ａ、３ｂ内を流れる流体の体積流量を算出している。なお、本実施の形態では、超音波ビームがＶ字反射伝播経路に沿って伝播するＶ字反射方式が採用されている。

図６〜図８に示すように、各分割測定室３ａ、３ｂに臨む主管路２の一方の短手側壁部１２には、軸方向に沿って各超音波センサー８ａ、８ｂ及び８ａ’、８ｂ’用のビーム出入口３５、３６及び３７、３８が形成される。各ビーム出入口３５、３６及び３７、３８は、略矩形に形成される。一方の分割測定室３ａに臨む主管路２の一方の短手側壁部１２にその軸方向に沿って設けた各ビーム出入口３７、３８と、他方の分割測定室３ｂに臨む主管路２の一方の短手側壁部１２にその軸方向に沿って設けた各ビーム出入口３５、３６とは、短辺１２ａの延びる方向、すなわち各分割測定室３ａ、３ｂの並設方向に沿って一列に整列しておらず、互いに軸方向に相違して配置される。各分割測定室３ａ、３ｂに臨む主管路２の一方の短手側壁部１２には、図１及び図２に示すように、各ビーム出入口３５、３６及び３７、３８の周辺から超音波センサー８ａ、８ｂ及び８ａ’、８ｂ’を収納して支持する円筒状収納部４１、４２及び４３、４４が突設されている。超音波センサー８ａ、８ａ’に対応する円筒状収納部４１、４３と、超音波センサー８ｂ、８ｂ’に対応する円筒状収納部４２、４４とは、短手側壁部１２から互いに離間する方向に傾斜して突設されている。

そして、本発明の実施の形態に係る超音波流量計１では、流入管路１０から主管路２内の測定室３に流入した流体は、分岐板３０により分岐して各分割測定室３ａ、３ｂを流れ、さらに、第１及び第２仕切板５、６に設けた連通孔７を通過して各圧力室４、４にも流入する。そのため、各分割測定室３ａ、３ｂと各圧力室４、４とは略同じ圧力に到達される。
次に、各分割測定室３ａ、３ｂのそれぞれに備えられた各超音波センサー８ａ、８ｂ及び８ａ’、８ｂ’の内、一方の超音波センサー８ｂ、８ｂ’から超音波ビームが、各分割測定室３ａ、３ｂに臨む一方の短手側壁部１２に設けた一方のビーム出入口３６、３８を介して各分割測定室３ａ、３ｂ内を流動する流体に照射されると共に、該各分割測定室３ａ、３ｂに臨む他方の短手側壁部１２に反射してＶ字状伝播経路で伝播し、他方のビーム出入口３５、３７を介して他方の超音波センサー８ａ、８ａ’により受信される。
次に、演算部５０において、各分割測定室３ａ、３ｂ内を流れる流体の流れに沿った超音波ビームの伝播時間と、流体の流れに逆らった超音波ビームの伝播時間との差分から各分割測定室３ａ、３ｂそれぞれにおける流体の流速が算出され、ひいては、各分割測定室３ａ、３ｂのそれぞれにおいて、流速と各分割測定室３ａ、３ｂの軸直交断面積とにより流体の体積流量が算出される。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る超音波流量計１では、流体が流れる主管路２内を短辺１２ａの延びる方向（軸直交方向）に沿って３分割に区画して形成される、短辺１２ａの延びる方向略中央に位置する測定室３及び該測定室３の両側に位置する各圧力室４、４と、第１及び第２仕切板５、６に設けた、測定室３内と各圧力室４、４内とを略同じ圧力に設定する連通孔７（圧力導入路）とを備えている。

これにより、一対の超音波センサー８ａ、８ｂ及び８ａ’、８ｂ’により各分割測定室３ａ、３ｂ内を流動する流体の体積流量を算出する際、第１及び第２仕切板５、６が各分割測定室３ａ、３ｂ内の圧力により変形することがないので、測定室２内の流体の圧力による器差を小さくでき、計測精度を向上させることができる。
しかも、超音波センサー８ａ、８ｂ及び８ａ’、８ｂ’を、主管路２の一方の短手側壁部１２に配置することができるので、超音波流量計１全体の大きさをコンパクトにでき、取り扱いが非常に良くなる。しかも、超音波センサー８ａ、８ｂ及び８ａ’、８ｂ’と演算部５０とを接続するケーブルの引き回しも容易となる。
また、本実施の形態に係る超音波流量計１では、測定室３を分割して、測定室３内に流動した流体が分岐されて流動される分割測定室３ａ、３ｂを備えているので、測定室３よりも軸直交断面積の小さい各分割測定室３ａ、３ｂのそれぞれにおいて流体の体積流量を算出することができ、さらに計測精度が向上する。

さらに、本実施の形態に係る超音波流量計１では、主管路２は、その開口が一対の短辺１２ａと一対の長辺１３ａとからなる長方形状に形成されているので、円管の場合に比して、線平均流速を断面平均流速に変換する際の補正係数等の観点から計測精度が向上される。
さらにまた、本実施の形態に係る超音波流量計１では、各分割測定室３ａ、３ｂに臨む主管路２の一方の短手側壁部１２に設けた、一対の超音波センサー８ａ、８ｂ及び８ａ’、８ｂ’用の各ビーム出入口３５、３６及び３７、３８は、各分割測定室３ａ、３ｂの並設方向に沿って一列に整列されず、互いに軸方向に相違して配置されているので、主管路２の各分割測定室３ａ、３ｂの並設方向の長さを最小限に設定でき、超音波流量計１全体の大きさをコンパクト化することができると共に、各分割測定室３ａ、３ｂの軸直交断面積を、より小さくでき計測精度を向上させることができる。

なお、本実施の形態に係る超音波流量計１では、主管路２の開口が一対の短辺１２ａと一対の長辺１３ａとからなる長方形状に形成されているが、その開口を一対の直線部と一対の円弧部とからなる長円形状に形成してもよい。この形態の場合には、一対の円弧部に沿って各圧力室４、４及び測定室３を設ければよい。
また、本実施の形態に係る超音波流量計１では、主管路２内に、一対の短辺１２ａの延びる方向に沿って各圧力室４、４及び測定室３を並設しているが、一対の長辺１３ａの延びる方向に沿って各圧力室４、４及び測定室３を並設してもよい。この形態の場合には、測定室３に臨む一方の長手側壁部１３の軸方向に沿って一対の超音波センサー８ａ、８ｂまたは８ａ’、８ｂ’を配置すればよい。

さらに、本実施の形態に係る超音波流量計１では、圧力導入路が、第１及び第２仕切板５、６に連通孔７を設けて構成されているが、第１及び第２仕切板５、６と、対応する壁部との接合部位に僅かな隙間を有する場合には、その隙間が圧力導入路として機能するために上述した連通孔７を設ける必要はない。さらに、圧入導入路として、測定室３と各圧力室４、４とを接続する連通パイプを採用してもよい。

さらにまた、本実施の形態に係る超音波流量計１では、一対の超音波センサー８ａ、８ｂ及び８ａ’、８ｂ’を、各分割測定室３ａ、３ｂに臨む主管路２の一方の短手側壁部１２の軸方向に沿って配置し、超音波ビームのＶ字反射により流体の体積流量を算出しているが、一対の超音波センサー８ａ、８ｂ及び８ａ’、８ｂ’を、各分割測定室３ａ、３ｂに臨む主管路２の対向する短手側壁部１２にそれぞれ配置して、超音波ビームが直接伝播経路に沿って伝播する直接方式を採用して流体の体積流量を算出してもよい。
さらにまた、本実施の形態に係る超音波流量計１では、測定室３は、分割測定室３ａ、３ｂの２室に分割されているが、３室以上に分割してもよい。

図１は、本発明の実施の形態に係る超音波流量計の斜視図である。 図２は、図１の超音波流量計の主管路の軸直交断面を示す斜視図である。 図３は、図１の超音波流量計の平面図である。 図４は、図１の超音波流量計の側面図である。 図５は、図４のＡ矢視図である。 図６は、図４のＢ矢視図である。 図７は、図５のＣ矢視図である。 図８は、図６の超音波センサー用のビーム出入口の拡大図である。

符号の説明

１ 超音波流量計，２ 主管路（管路），３ 測定室，３ａ、３ｂ 分割測定室，４ 圧力室，５ 第１仕切板，６ 第２仕切板，７ 連通孔（圧力導入路），１０ 流入管路，１１ 流出管路，１２ 短手側壁部（壁部），８ａ、８ｂ、８ａ’、８ｂ’ 超音波センサー，３０ 分岐板，３５、３６、３７、３８ ビーム出入口

Claims (5)

1. 上流側開口端部と下流側開口端部とを有し、内部に流体が流れる管路と、
   該管路内を軸直交方向に沿って設けた二つの仕切板により３分割に区画することにより形成される、前記二つの仕切板間に位置して前記上流側開口端部からの流体が前記下流側開口端部へ向かって流れる流路として作用する測定室及び、該測定室の両側に位置して前記流体の流路として作用しない各圧力室と、
   前記測定室内と前記各圧力室内とを連通させ、該測定室内と前記各圧力室内とを略同じ圧力に設定する圧力導入路と、
   前記測定室に臨む前記管路の壁部に配置され、該測定室内を流動する流体に向かって超音波ビームを送受信する一対の超音波センサーと、
   前記測定室内を流れる流体の流れに沿った超音波ビームの伝播時間と、当該流体の流れに逆らった超音波ビームの伝播時間との差分から前記測定室を流れる流体の流速を算出して、当該流速と前記測定室の軸直交断面積とにより流体の体積流量を算出する演算部と、
   を備えたことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記測定室内を、前記測定室及び各圧力室の並設方向と同方向に分岐板により分割して、前記測定室内に流入した流体が前記分岐板を介して分岐されて流動される複数の分割測定室を設け、
   各分割測定室に臨む前記管路の壁部に前記一対の超音波センサーがそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記各分割測定室に臨む前記管路の壁部に設けられた、各超音波センサー用のビーム出入口は、各分割測定室の並設方向に沿って一列に整列せず互いに軸方向に相違されて配置されることを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計。
4. 前記各超音波センサー用のビーム出入口は、その全てが前記各分割測定室に臨む前記管路の一方の壁部に配置されることを特徴とする請求項３に記載の超音波流量計。
5. 前記圧力導入路は、前記各仕切板に連通孔を設けて構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波流量計。

Images