JP6229144B2 - Flow measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、流路を多層にした構成で流量を計測する超音波流量計測装置に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic flow rate measuring device that measures a flow rate with a multi-layered flow path.
従来、この種の流量計測装置として、流路を仕切板により分割して流量を計測するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, as this type of flow rate measuring device, a device that measures a flow rate by dividing a flow path with a partition plate is known (for example, see Patent Document 1).
図7、図8は、特許文献1に記載された流量計測装置を示すものである。図7は、従来の流量計測装置における構成を示す断面図、図8は、図7における流路ブロックのB−B’断面図を示すものである。
7 and 8 show a flow rate measuring device described in
図7に示すように、超音波式流量計測装置100は、流路ブロック101とセンサブロック102より構成されている。
As shown in FIG. 7, the ultrasonic flow measuring device 100 includes a
流路ブロック101の被検出流体が流れる、断面が矩形状の流路103は、図8に示すように、第1側壁部104と、第1側壁部104に対向した第2側壁部105と、第1側壁部104および第2側壁部105に掛け渡された底板部106と、底板部106に対向した開口部107とで一体的に構成されている。
As shown in FIG. 8, the
また、流路103は、複数の仕切板108により分割され、複数の扁平流路109が形成されるように構成されている。
The
図7に示すように、センサブロック102には第1超音波送受波器110、および第2超音波送受波器111が配置されており、これらの超音波送受波器110,111により送受される超音波信号を用いて、流量計測がなされる構成となっている。
As shown in FIG. 7, a first
しかしながら、前記従来の構成では、流路103を金型で作成する場合には、流路外壁、すなわち第1側壁部104、第2側壁部105に金型の抜き勾配が必要となるものであった。このため、仕切板108を、その仕切板108間のピッチを均等に配置しようとして、各扁平流路109の幅を底板部106の近傍で均等にしても、上方部、すなわち開口部107の近傍では均等になるものではなかった。すなわち各流路の断面積が一定になるものではなかった。
However, in the conventional configuration, when the
それゆえ、流路103を流れる流量は、各扁平流路109に均等分配されることはないものである。したがって、各扁平流路109のいずれかで流速を測定しても、必ずしも平均流速を捉えることはできず、平均流速を得るためには、計測された流速値に乗じるための補正係数を導入して演算しなければならなかった。この補正係数は、一般的に一定ではないため、得られる流量値に誤差を生じる可能性を含んでいるものであった。
Therefore, the flow rate flowing through the
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、分割した各流路において、流量と圧力損失の関係が実質的に同一になるように各流路の断面積を設定することにより、計測される流路の流速を平均流速になるように設定し、計測流量範囲の全域にわたり、補正係数が実質的に1で一定となる超音波流量計の提供を目的とするものである。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and is measured by setting the cross-sectional area of each flow path so that the relationship between the flow rate and the pressure loss is substantially the same in each divided flow path. It is an object to provide an ultrasonic flowmeter in which the flow rate of the flow channel is set to an average flow rate, and the correction coefficient is substantially 1 and constant over the entire measurement flow rate range.
本発明の流量計測装置は、多層に分割された流路において、各層の流量と圧力損失の関係が同一になるよう、各層の断面形状を定めたため、各層を流れる流量の一定化が図れる。 In the flow rate measuring device of the present invention, the cross-sectional shape of each layer is determined so that the relationship between the flow rate of each layer and the pressure loss is the same in the flow path divided into multiple layers, so that the flow rate flowing through each layer can be made constant.
これにより、多層構成において、平均流速の測定が可能となるため、補正係数が一定の誤差の少ない状態で流量を算出することができる。 As a result, since the average flow velocity can be measured in the multi-layer configuration, the flow rate can be calculated with a small correction coefficient and a small error.
第1の発明は、台形断面を有する筒状流路を複数の仕切り板により前記台形断面の平行辺に対して垂直方向に分割して構成された多層流路と、前記台形断面の平行辺側で、且つ、前記多層流路の上流と下流に配置された一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器間の伝播時間を測定する伝播時間測定手段と、前記伝播時間測定手段で測定された
伝播時間から求めた流速を基に流量を演算する流量演算手段と、を備え、前記多層流路の各層の流量と圧力損失の関係が、計測する流量範囲の全域にわたり実質的に同一であるように、各層の断面形状を定めたことにより、計測流路で平均流速を捕らえることができ、計測流量範囲にわたり、補正係数が一定の状態を維持することが可能となり、精度のよい計測が実現できる。
A first aspect of the present invention is a multilayer flow path configured by dividing a cylindrical flow path having a trapezoidal cross section in a direction perpendicular to a parallel side of the trapezoidal cross section by a plurality of partition plates, and a parallel side of the trapezoidal cross section And a pair of ultrasonic transducers arranged upstream and downstream of the multilayer flow path, a propagation time measuring means for measuring a propagation time between the pair of ultrasonic transducers, and the propagation time measurement A flow rate calculation means for calculating a flow rate based on a flow velocity obtained from the propagation time measured by the means, and the relationship between the flow rate of each layer of the multilayer flow path and the pressure loss is substantially over the entire flow rate range to be measured. By defining the cross-sectional shape of each layer, it is possible to capture the average flow velocity in the measurement flow path, maintain a constant correction coefficient over the measurement flow range, and improve accuracy. Good measurement can be realized.
第2の発明は、特に、第1の発明の多層流路の各層の断面積を実質的に同一となるよう構成したことにより、設計を容易に行うことができる。 In particular, the second invention can be easily designed by configuring so that the cross-sectional areas of the respective layers of the multilayer flow path of the first invention are substantially the same.
第3の発明は、特に、第2の発明の仕切り板を、前記多層流路の上面、下面に対して垂直となるよう構成したことにより、組立てを容易に行うことができる。 In the third aspect of the invention, in particular, the partition plate of the second aspect of the invention can be easily assembled by being configured to be perpendicular to the upper and lower surfaces of the multilayer flow path.
第4の発明は、特に、第3の発明の多層流路の各層のうち、両面が仕切り板により区画された層に超音波が伝播する様な位置に前記一対の超音波送受波器を配置したことにより、一対の超音波の伝播を対称的に行うことができ、計測特性の安定化を図ることができる。 In the fourth aspect of the invention, in particular, the pair of ultrasonic transducers is arranged at a position where the ultrasonic wave propagates to a layer of both sides of the multilayer flow path of the third aspect divided by the partition plate. As a result, the propagation of a pair of ultrasonic waves can be performed symmetrically, and the measurement characteristics can be stabilized.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the present embodiment.
(実施の形態1)
実施の形態1について、図1〜図6を用いて説明する。
(Embodiment 1)
The first embodiment will be described with reference to FIGS.
図1は、本発明の実施の形態1における流量計測装置の概略構成図、図2は、図1のAA’垂直断面を示す図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a flow rate measuring apparatus according to
図1において、流路部は台形断面の筒状流路2を有しており、筒状流路2は凹部形状の下側流路2aと上側カバー2bにより構成されている。筒状流路2が台形断面をしているのは、この筒状流路2を金型で作成するときの抜き勾配によるものである。
In FIG. 1, the flow path portion has a
凹部形状の下側流路2aは、側壁2c、2d、および底面2eより一体的に形成されている。
The recess-shaped
筒状流路2は、第1の仕切り板3、第2の仕切り板4、第3の仕切り板5により、第1の層6、第2の層7、第3の層8、第4の層9に分割され、全体としての構造は多層流路1となっている。また、第3の層8の上部には超音波送受波器保持部10が上側カバー2bに取り付けられている。
The
第3の層8は流量計測を行う計測流路である。以降、第3の層8を計測流路と称する。計測流路8以外の層は非計測流路である。
The
超音波送受波器保持部10には、上流側に配置された第1の超音波送受波器11、および下流側に配置された第2の超音波送受波器12の一対の超音波送受波器が、それぞれ、第1の保持部13、第2の保持部14にて保持されている。
The ultrasonic
計測流路8は、上側カバー2bで形成される上面15、および下側流路2aで形成される下面16を有している。上面15は第1の超音波透過窓17、および第2の超音波透過窓18を有している。下面16は超音波の反射面として作用するように構成されている。
The
P1、およびP2で示した矢印は超音波の伝播経路であり、計測流路8を横切るように伝播する。
The arrows indicated by P1 and P2 are propagation paths of ultrasonic waves, and propagate so as to cross the
第1の超音波送受波器11、および第2の超音波送受波器12からの信号は計測回路20(伝播時間測定手段)にて処理され、さらに演算回路21(流量演算手段)で演算される。
Signals from the first
第1の超音波送受波器11、第2の超音波送受波器12、多層流路1、計測回路20、および演算回路21で流量計測装置19が形成される。
The first
次に、超音波による流量計測に関して図2を用いて説明する。 Next, flow measurement using ultrasonic waves will be described with reference to FIG.
計測流路8を流れる流体の流速をV、流体中の音速をC、流体の流れる方向と超音波が下面16で反射するまでの超音波伝播方向とのなす角度をθとする。また、第1の超音波送受波器11と第2の超音波送受波器12との間で伝播する超音波の伝播経路の有効長さをLとする。
Let V be the flow velocity of the fluid flowing through the
このとき、第1の超音波送受波器11から出た超音波が、もう一方の第2の超音波送受波器12に到達するまでの伝播時間t1は、下式にて示される。
At this time, the propagation time t1 until the ultrasonic wave emitted from the first
t1 = L /(C+Vcosθ) (1)
次に、第2の超音波送受波器12から出た超音波が、もう一方の第1の超音波送受波器11に到達するまでの伝播時間t2は、下式にて示される。
t1 = L / (C + Vcos θ) (1)
Next, the propagation time t2 until the ultrasonic wave emitted from the second
t2 = L /(C−Vcosθ) (2)
式(1)と式(2)から流体の音速Cを消去すると、下式が得られる。
t2 = L / (C−Vcos θ) (2)
When the sound velocity C of the fluid is eliminated from the equations (1) and (2), the following equation is obtained.
V = L /(2cosθ((1/t1)−(1/t2))) (3)
式(3)にて分るように、Lとθが既知なら、計測回路20にて計測された伝播時間t1、およびt2を用いて、流速Vが求められる。
V = L / (2cos θ ((1 / t1) − (1 / t2))) (3)
As can be seen from Equation (3), if L and θ are known, the flow velocity V can be obtained using the propagation times t1 and t2 measured by the
次に、下式に示すようにこの流速Vに筒状流路2の断面積Sを乗じて、全体の流量Qを算出する。
Next, as shown in the following equation, the overall flow rate Q is calculated by multiplying the flow velocity V by the cross-sectional area S of the
Q = V x S (4)
しかし、一般的には、計測流路8の流速Vは筒状流路2全体の平均流速Vaveとは異なるため、実際の流量Qtは下式に示すように、この流量Qに補正係数kを乗じて求める。
Q = V x S (4)
However, in general, since the flow velocity V of the
Qt = k x Q (5)
この補正係数を、測定する全流量域において一定にするためには、分割されたすべての流路断面積を同じにして計測流路8における流量、すなわち流速が、全体の平均流速と一致する必要がある。
Qt = k x Q (5)
In order to make this correction coefficient constant in the entire flow rate range to be measured, the flow rate in the
そのための方法として、各層の流路幅を一定にすることが考えられる。ところが、そのような流路を金型を使用して作成しようとすると、金型では抜き勾配が必要となるため、各層の高さ方向にわたり、流路幅を一定にすることは難しい。 As a method for that purpose, it is conceivable to make the flow path width of each layer constant. However, when such a flow path is created using a mold, a draft is required in the mold, and it is difficult to make the flow path width constant over the height direction of each layer.
この状況を示したのが、図1の左方側面図を示した図3である。 This situation is shown in FIG. 3 showing the left side view of FIG.
図3において、多層流路1の側壁2c、2dにおいて、抜き勾配による傾斜が生じる。
In FIG. 3, the
一方、多層流路1の仕切り板3,4,5は、上面15、下面16に対して垂直となるよう設定されている。
On the other hand, the
したがって、図3に示すように、各層の流路幅を、下面16において、下式(6)のように設定しても、筒状流路2の側壁2c、2dが傾斜を持つため、上方部分では、均等の流路幅にはならない。
Therefore, as shown in FIG. 3, even if the flow path width of each layer is set on the
w1=w2=w3=w4 (6)
この場合、各層6,7,8,9のそれぞれの断面積をS1、S2、S3、S4として、これらの関係を示すと、下記のようになる。
w1 = w2 = w3 = w4 (6)
In this case, the cross-sectional areas of the
S1 = S4 > S2 = S3
それゆえ、この場合の各層における、流量と圧力損失の関係を示すると、図4のようになる。
S1 = S4> S2 = S3
Therefore, FIG. 4 shows the relationship between the flow rate and the pressure loss in each layer in this case.
ここに示されるように、同じ圧力損失(差圧Pi)に対して、層6,9と層7,8に流れる流量はqi1と、qi2のように、異なることになる。この例で言えば、層6,9の方が層7,8より多く流れることになる。
As shown here, for the same pressure loss (differential pressure Pi), the flow rates flowing through the
各層の平均流速は、各層の流量をその断面積で除したものゆえ、層6,9の平均流速は大きい流量(qi1)を大きい断面積(S1、S4)で除して求め、層7,8の平均流速は、小さい流量(qi2)小さい断面積(S2、S3)で除するため、これら層間の平均
流速の比の値は流量の比の値より小さくなるが、圧力損失と流量の関係が比例関係でないため、平均流速が一致することはない。
Since the average flow velocity of each layer is obtained by dividing the flow rate of each layer by its cross-sectional area, the average flow velocity of
図1にて説明したように、超音波送受波器保持部10にて保持されている超音波送受波器11,12は、計測流路8の流速のみを捕らえるように設定されているが、この値が平均流速を与えることにはならないため、全体の流量を算出する場合には、補正係数は、一定とならない。
As described with reference to FIG. 1, the
このような状況を改善したものが図5に示す流路であり、本願発明にかかる構成を示すものである。 What improved such a situation is the flow path shown in FIG. 5, which shows the configuration according to the present invention.
図5において、各層の幅は、図3に示すような一定ではなく、下記のように各層の断面積が同一となるように形成されている。 In FIG. 5, the width of each layer is not constant as shown in FIG. 3, and is formed so that the cross-sectional area of each layer is the same as described below.
S1 = S2 = S3 = S4 (7)
そして、各層の底面の流路幅の関係は、下式のようになる。すなわち、第2層と第3層は、図3と同じであるが、第1層と第4層とが異なっており、各層の断面積が同じになるようにその断面形状が設定されている。
S1 = S2 = S3 = S4 (7)
And the relationship of the flow-path width | variety of the bottom face of each layer becomes like the following Formula. That is, the second layer and the third layer are the same as those in FIG. 3, but the first layer and the fourth layer are different, and the cross-sectional shapes are set so that the cross-sectional areas of the respective layers are the same. .
w1 = w4 < w2 =w3 (8)
このときの各層の流量と圧力損失の関係は図6のようになる。すなわち、各層の断面積が同じであるから、各層の抵抗曲線は、ほぼ同一になる。
w1 = w4 <w2 = w3 (8)
The relationship between the flow rate of each layer and the pressure loss at this time is as shown in FIG. That is, since the cross-sectional areas of the respective layers are the same, the resistance curves of the respective layers are substantially the same.
したがって、所定の圧力損失(差圧Pi)のときの流量qiは、どの層でも同一となる。したがって、計測流路8では、平均流量すなわち平均流速を測ることができるため、補正係数は一定となるものである。この状態は測定する流量範囲全域におよぶものである。
Therefore, the flow rate qi at the predetermined pressure loss (differential pressure Pi) is the same in any layer. Therefore, in the
なお、本実施例で、一対の超音波送受波器を計測流路8に配置したが、層7等他の層にまたがって配置されていても同様の効果を発揮するものである。
In the present embodiment, a pair of ultrasonic transducers are arranged in the
また、筒状流路2の側壁2c、2dの傾斜は金型の抜き勾配によるものとしたが、意図的にそれ以上の勾配を有していても良いものである。
Moreover, although the inclination of the
以上のように、本発明にかかる流量計測装置は、多層流路の各層の圧力損失が計測する流量範囲の全域にわたり、実質的に同一であるように各層の断面形状を定めることにより補正係数を一定にすることができる。そのため、精度の良い計測が可能となる。これにより、計測精度が要求されるガスメータを初めとする幅広い用途に適用できる。 As described above, the flow rate measuring device according to the present invention determines the correction coefficient by determining the cross-sectional shape of each layer so that the pressure loss of each layer of the multilayer flow path is substantially the same over the entire flow rate range. Can be constant. Therefore, accurate measurement is possible. Thereby, it can be applied to a wide range of applications including gas meters that require measurement accuracy.
1 多層流路
2 筒状流路
3 第1の仕切り板
4 第2の仕切り板
5 第3の仕切り板
11 第1の超音波送受波器
12 第2の超音波送受波器
15 上面
16 下面
19 流量計測装置
20 計測回路(伝播時間測定手段)
21 演算回路(流量演算手段)
DESCRIPTION OF
21 Arithmetic circuit (flow rate calculation means)
Claims (4)
前記台形断面の平行辺側で、且つ、前記多層流路の上流と下流に配置された一対の超音波送受波器と、
前記一対の超音波送受波器間の伝播時間を測定する伝播時間測定手段と、
前記伝播時間測定手段で測定された伝播時間から求めた流速を基に流量を演算する流量演算手段と、を備え、
前記多層流路の各層の流量と圧力損失の関係が計測する流量範囲の全域にわたり実質的に同一であるように各層の断面形状を定めた流量計測装置。 A multilayer flow path configured by dividing a cylindrical flow path having a trapezoidal cross section in a direction perpendicular to parallel sides of the trapezoidal cross section by a plurality of partition plates;
A pair of ultrasonic transducers disposed on the parallel sides of the trapezoidal cross section and upstream and downstream of the multilayer flow path;
A propagation time measuring means for measuring a propagation time between the pair of ultrasonic transducers;
A flow rate calculating means for calculating a flow rate based on the flow velocity obtained from the propagation time measured by the propagation time measuring means,
A flow rate measuring device in which the cross-sectional shape of each layer is determined so that the relationship between the flow rate and pressure loss of each layer of the multilayer flow path is substantially the same over the entire flow rate range to be measured.
The flow rate measuring device according to claim 3, wherein the pair of ultrasonic transducers are arranged so that ultrasonic waves propagate to a layer whose both surfaces are partitioned by the partition plate among the layers of the multilayer flow path.
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