JP6306434B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、被計測流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。

従来より、被計測流体の流量を計測する超音波流量計に関する技術が種々提案されている。
例えば、下記特許文献１に記載された超音波流量計では、超音波流量計測ユニットが略直方体形状のメータ本体に内装されている。超音波流量計測ユニットは、断面長方形の計測流路内に、この断面の長辺に対して平行で、且つ、流れ方向に平行になるように複数の反射板が設けられている。

また、超音波流量計測ユニットは、計測流路の断面の両短辺のうち、一方の短辺側に、超音波の伝搬経路がＶ型経路になるように一対の超音波振動子が組み付けられ、その外側に、計測回路を収納する回路ケースが配置されている。そして、超音波流量計測ユニットは、計測流路の入口側に、メータ本体内のバッファー部に開口された入口整流部が設けられ、計測流路の出口側に、メータ本体のメータ出口に連通する導出管に気密に接続される出口側接続部が設けられている。

そして、被計測流体は、メータ本体のメータ入口からメータ本体内のバッファー部に流入した後、超音波流量計測ユニットに設けた入口整流部から計測流路に導入され、一対の超音波振動子と計測回路により流量計測が行われると共に、出口側接続部から導出管を経由してメータ出口から排出されるように構成されている。

特開２０１２−１０３０８７号公報

しかしながら、前記した特許文献１に記載された超音波流量計では、被計測流体の流れに脈動がある場合には、入口整流部と出口側接続部の形状が異なるため、被計測流体の流れに沿った順方向（以下、「正流方向」という。）における流速分布と、被計測流体の流れに逆らった逆方向（以下、「逆流方向」という。）における流速分布に差が生じる。そのため、脈動が発生した場合には、被計測流体の正流方向の計測流量と逆流方向の計測流量に誤差が生じて、被計測流体の流量を正確に計測することが困難であるという問題がある。特に、被計測流体の流量が０（リットル／時間）、及び、微少流量のときに、計測誤差が大きくなる。

そこで、本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、脈動発生時の被計測流体の流量を正確に計測することが可能となる超音波流量計を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため請求項１に係る超音波流量計は、被計測流体の流入口と前記被計測流体の流出口が形成されたメータケースと、前記メータケース内に配置されて該メータケース内を通過する前記被計測流体の流量を計測する流量計測ユニットと、を備え、前記流量計測ユニットは、前記被計測流体が流れる計測流路と、前記計測流路の上流側と下流側に取り付けられた一対の超音波振動子と、前記一対の超音波振動子間の超音波の伝搬時間に基づいて前記被計測流体の流量を計測する計測回路部と、前記計測流路の入口側に設けられて前記メータケース内に開口する入口部と、前記計測流路の出口側に設けられて前記流出口に接続される出口側接続部と、前記計測流路内の流れ方向に平行で、且つ、前記超音波の伝搬経路を含む面と平行になるように該計測流路内に複数取り付けられた反射板と、前記入口部に取り付けられた入口用流れ規制体と、前記出口側接続部に取り付けられた出口用流れ規制体と、を有し、前記入口用流れ規制体及び前記出口用流れ規制体は、前記計測流路内の流れ方向に沿って多孔体が形成されており、前記多孔体を形成する板部のうち、前記計測流路内の流れ方向に平行で、且つ、前記超音波の伝搬経路を含む面と平行になる板部は、前記反射板と面一に配置されていることを特徴とする。

また、請求項２に係る超音波流量計は、請求項１に記載の超音波流量計において、前記被計測流体の流れ方向における前記入口用流れ規制体の第１長さと前記出口用流れ規制体の第２長さとが異なることを特徴とする。

また、請求項３に係る超音波流量計は、請求項２に記載の超音波流量計において、前記第２長さは、前記第１長さよりも短いことを特徴とする。

更に、請求項４に係る超音波流量計は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の超音波流量計において、前記流量計測ユニットは、前記入口用流れ規制体及び前記出口用流れ規制体の流れ方向が、前記流出口の流れ方向に対して平行又は直交するように前記メータケース内に配置されていることを特徴とする。

請求項１に係る超音波流量計では、計測流路の入口側に設けられた入口部に入口用流れ規制体を取り付けると共に、計測流路の出口側に設けられた出口接続部に出口用流れ規制体を取り付けている。これにより、被計測流体の流れに脈動がある場合においても、計測流路内の正流方向における流速分布と逆流方向における流速分布とを同一にすることが可能となり、脈動発生時の被計測流体の流量を正確に計測することが可能となる。また、計測流路内には、複数の反射板が、一対の超音波振動子間の超音波の伝搬経路を含む面と平行になるように取り付けられているため、計測流路の全長が短くても計測流路内の流れを安定させることができる。
また、入口用流れ規制体及び出口用流れ規制体は、開口率の高いハニカム構造や格子状等の多孔体が形成されているため、圧力損失を低減することができる。また、入口用流れ規制体及び出口用流れ規制体を構成する各ハニカムの長さをそれぞれ調節することにより、計測流路の流速分布を正流方向と逆流方向とで同一にすることができる。
また、ハニカム構造や格子状等の多孔体の板部のうち、前記計測流路内の流れ方向に平行で、且つ、前記超音波の伝搬経路を含む面と平行になる板部は、前記反射板と面一に配置されている。これにより、当該板部と反射板とを面一に揃えることができ、計測流路内の流れの乱れを抑止することができ、脈動発生時の計測精度を更に向上させることが可能となる。

また、請求項２に係る超音波流量計では、計測流路内の流れ方向における入口用流れ規制体の第１長さと出口用流れ規制体の第２長さとを異ならせることによって、計測流路内の正流方向における流速分布と逆流方向における流速分布とを同一にすることが可能となり、簡易な構成で脈動発生時の被計測流体の流量を正確に計測することが可能となる。また、入口用流れ規制体の第１長さと出口用流れ規制体の第２長さとが異なっているため、計測流路の入口側に設けられた入口部と、計測流路の出口側に設けられた出口側接続部との形状を異ならせることができる。これにより、流量計測ユニットの被計測流体の流れる流路を計測流路に対して非対称に形成することが可能となり、部品点数の削減化、及び、小型化を図ることが可能となり、超音波流量計の更なる小型化を図ることができる。

また、請求項３に係る超音波流量計では、被計測流体の流れ方向における出口用流れ規制体の第２長さを、被計測流体の流れ方向における入口用流れ規制体の第１長さよりも短くすることによって、簡易な構成で脈動発生時の計測精度を向上させることが可能となる。また、被計測流体の流れ方向における出口用流れ規制体の第２長さが、被計測流体の流れ方向における入口用流れ規制体の第１長さよりも短いため、出口側接続部の長さを短くすることが可能となり、流量計測ユニット及び超音波流量計の更なる小型化を図ることができる。

更に、請求項６に係る超音波流量計では、流量計測ユニットは、入口用流れ規制体及び出口用流れ規制体の流れ方向が、流出口の流れ方向に対して平行になるように配置されることによって、計測流路内の正流方向における流速分布と逆流方向における流速分布とを容易に同一にすることが可能となる。また、流量計測ユニットは、入口用流れ規制体及び出口用流れ規制体の流れ方向が、流出口の流れ方向に対して直交するように配置されることによって、メータケースの流出口の流れ方向における小型化を図ることができる。

本実施形態に係る超音波流量計の概略構成の一例を示す説明図である。 流量計測ユニットの側面図である。 流量計測ユニットの底面図である。 流量計測ユニットの入口側正面図である。 流量計測ユニットの出口側正面図である。 流量計測ユニットの分解側面図である。 図４のＸ１−Ｘ１矢視断面図である。 流量計測ユニットの入口用流れ規制体を取り外した際の入口側正面図である。 入口用流れ規制体の正面図である。 脈動試験結果の一例を示す図である。

以下、本発明に係る超音波流量計について具体化した一実施形態に基づき図面を参照しつつ詳細に説明する。

［超音波流量計１の概略構成］
先ず、本実施形態に係る超音波流量計１の概略構成について図１に基づき説明する。図１はメータケース３の不図示のカバーを取り外した状態を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る超音波流量計１は、例えば、被計測流体の一例である都市ガスの流量を計測する都市ガスメータであって、都市ガスの配管２の途中に接続された略直方体形状のメータケース３を備えている。メータケース３は、前面側が開放された略直方体形状に形成され、不図示のカバーが各ネジ孔３Ａを介して前面側にネジ止めされ、内部が気密に保持されるように構成されている。

メータケース３の上面からは、配管２に気密に接続される流入口５と流出口６が長手方向の両端部に突出して設けられており、メータケース３内に連通している。流入口５には配管２を介して都市ガスが供給される。流入口５のメータケース３内側の開口端部には、遮断弁７が配置されている。遮断弁７は、通常時にはメータケース３内のバッファー部８に開放されており、供給ガス流量等に異常が発生したときに強制遮断して都市ガスの供給を停止することが可能となっている。

流出口６のメータケース３内側の開口端部には、メータケース３内を通過する都市ガスの流量を一対の超音波振動子９Ａ、９Ｂ（図６参照）で計測する流量計測ユニット１１が、出口側接続部１２を介して気密に接続されている。流量計測ユニット１１は、流出口６の中心軸６Ａに対して直線状に配置されている。この構成において、都市ガスは、流入口５及び遮断弁７を介してメータケース３内のバッファー部８に流入した後、流量計測ユニット１１の入口部１３から計測流路１５（図２、図７等参照）に導入され、中心軸６Ａに沿って出口側接続部１２から流出口６へ排出される。

また、マイクロコンピュータ等を備えた制御部１６が、流量計測ユニット１１の計測回路１７（図７参照）と遮断弁７等に電気的に接続されている。制御部１６は、計測回路１７から出力される都市ガスの流量計測値に基づき、供給ガス流量等の異常を検出し、予め定められているガス遮断対象の異常である場合には、遮断弁７を駆動して都市ガスの供給を停止する。また、制御部１６は、計測回路１７から出力される都市ガスの流量計測値を不図示のパーソナルコンピュータ等に出力可能に構成されている。

［流量計測ユニット１１の概略構成］
次に、流量計測ユニット１１の概略構成について図２乃至図９に基づいて説明する。図２乃至図７に示すように、流量計測ユニット１１は、流路断面が長方形の計測流路１５と、計測流路１５の一方の短辺側に一体に形成された回路ケース１８と、略円筒状に形成された出口部２１に嵌入されて気密に取り付けられる出口側接続部１２と、入口部１３に嵌入されて取り付けられる入口用流れ規制体２２と、出口側接続部１２の内側に嵌入されて取り付けられる出口用流れ規制体２３等から構成されている。

図７に示すように、回路ケース１８内には、計測流路１５の短辺に対向する位置において（図７中、計測流路１５の上面側である。）、流れ方向両端部に各超音波振動子９Ａ、９Ｂが配置され、超音波が対向面で反射されるＶ字型の超音波の伝搬経路２５が形成される。また、各超音波振動子９Ａ、９Ｂの上側には、各超音波振動子９Ａ、９Ｂが電気的に接続される計測回路１７が形成された回路基板１７Ａが配置され、都市ガス等の被計測流体の流量計測値を算出して出力可能に構成されている。

図２乃至図４に示すように、入口部１３は、内周面が外側方向へ滑らかに拡がる曲面に形成され、入口用流れ規制体２２をスムーズに嵌入できるように構成されている。また、図４に示すように、計測流路１５の流路断面は、短辺の寸法Ｌ１、例えば、Ｌ１＝９ｍｍ、長辺の寸法Ｌ２、例えば、Ｌ２＝２２ｍｍの長方形に形成されている。そして、図４、図７及び図８に示すように、複数枚、例えば、３枚の反射板２６が、計測流路１５の流路断面の長辺に対して平行（図８では、縦方向）で、且つ、流れ方向に平行になるように短辺方向に略等間隔で設けられている。

従って、各反射板２６は、各超音波振動子９Ａ、９Ｂ間の超音波の伝搬経路２５を含む面と平行になるように計測流路１５内に設けられている。これにより、各反射板２６によって計測流路１５の全長が短くても、計測流路１５内の流れ方向を安定化させることが可能となる。

また、図４乃至図９に示すように、計測流路１５の入口部１３に嵌入される入口用流れ規制体２２と、出口側接続部１２の内側に嵌入される出口用流れ規制体２３は、都市ガス等の計測流体の流れ方向に開口する開口率の高い正六角形のハニカム構造に形成されている。入口用流れ規制体２２の長さＬ３（第１長さ）は、出口用流れ規制体２３の長さＬ４（第２長さ）と異なる長さに形成されている。好ましくは、出口用流れ規制体２３の長さＬ４は、入口用流れ規制体２２の長さＬ３よりも短い長さに形成されている。例えば、入口用流れ規制体２２の長さＬ３は、Ｌ３＝約１３ｍｍで、出口用流れ規制体２３の長さＬ４は、Ｌ４＝約１２ｍｍに形成されている。

入口用流れ規制体２２と出口用流れ規制体２３は、計測流路１５の長方形に形成された流路断面の全面を覆うようにそれぞれ設けられている。入口用流れ規制体２２の流れ方向奥側端部は、各反射板２６の入口部１３側の側縁部に当接されている。そして、入口用流れ規制体２２と出口用流れ規制体２３のそれぞれの反射板２６に平行なハニカム構造の各板部２２Ａ、２３Ａは、都市ガス等の計測流体の流れ方向において、各反射板２６に重なるように配置されている。これにより、入口用流れ規制体２２と出口用流れ規制体２３による圧力損失を低減できると共に、流れ方向を整えて流速変動を低減できる。尚、入口用流れ規制体２２と出口用流れ規制体２３は、正六角形のハニカム構造に限らず、矩形の格子状等、開口率が大きい多孔体にしてもよい。

この構成において、メータケース３内のバッファー部８へ正流方向に流入した都市ガスは、図７に示すように、流量計測ユニット１１の入口部１３に配置された入口用流れ規制体２２を通過して整流された後、各反射板２６間に導入されて一層安定化され、出口用流れ規制体２３を通過して整流された後、出口側接続部１２から流出口６へ排出される。一方、脈動が発生して都市ガスが流出口６から出口側接続部１２へ逆流方向に流入した場合には、出口側接続部１２に流入した都市ガスは、出口側接続部１２に配置された出口用流れ規制体２３を通過して整流された後、各反射板２６間に導入されて一層安定化され、入口用流れ規制体２２を通過して整流された後、入口部１３からバッファー部８を経て流入口５へ排出される。

［脈動試験結果］
次に、上記のように構成された超音波流量計１によって、配管２の末端を閉止して都市ガスの流量を０（リットル／時間）に設定した状態で脈動を発生させて流量を測定した脈動試験結果の一例を図１０に基づいて説明する。脈動試験は、流量計測ユニット１１の入口用流れ規制体２２と出口用流れ規制体２３の装着条件を変更して測定した。

図１０に示すように、「ハニカム未挿入」、つまり、入口用流れ規制体２２と出口用流れ規制体２３を流量計測ユニット１１に装着していない状態で、脈動を発生させて計測した最大流量を「基準最大流量」として、１００％とする。そして、入口用流れ規制体２２と出口用流れ規制体２３の他の装着条件において、脈動を発生させて計測した最大流量の「基準最大流量」に対する割合（％）、つまり、変化率（％）を算出した。

例えば、図１０に示すように、「上流のみ１３ｍｍ」、つまり、長さＬ３＝１３ｍｍの入口用流れ規制体２２だけを流量計測ユニット１１に装着して、出口用流れ規制体２３を流量計測ユニット１１に装着しなかった場合には、脈動を発生させて計測した最大流量の「基準最大流量」に対する割合（％）、つまり、変化率（％）は、約５９％であった。また、「下流のみ１３ｍｍ」、つまり、長さＬ４＝１３ｍｍの出口用流れ規制体２３だけを流量計測ユニット１１に装着して、入口用流れ規制体２２を流量計測ユニット１１に装着しなかった場合には、脈動を発生させて計測した最大流量の「基準最大流量」に対する変化率（％）は、約８３％であった。

また、「上流１３ｍｍ下流１３ｍｍ」、つまり、長さＬ３＝１３ｍｍの入口用流れ規制体２２と、長さＬ４＝１３ｍｍの出口用流れ規制体２３を流量計測ユニット１１に装着した場合には、脈動を発生させて計測した最大流量の「基準最大流量」に対する変化率（％）は、約３５％であった。また、「上流１３ｍｍ下流１２ｍｍ」、つまり、長さＬ３＝１３ｍｍの入口用流れ規制体２２と、長さＬ４＝１２ｍｍの出口用流れ規制体２３を流量計測ユニット１１に装着した場合には、脈動を発生させて計測した最大流量の「基準最大流量」に対する変化率（％）は、約１６％であった。

更に、「上流１４ｍｍ下流１３ｍｍ」、つまり、長さＬ３＝１４ｍｍの入口用流れ規制体２２と、長さＬ４＝１３ｍｍの出口用流れ規制体２３を流量計測ユニット１１に装着した場合には、脈動を発生させて計測した最大流量の「基準最大流量」に対する変化率（％）は、約２３％であった。従って、入口用流れ規制体２２と出口用流れ規制体２３の装着条件が、「上流１３ｍｍ下流１２ｍｍ」と「上流１４ｍｍ下流１３ｍｍ」の場合には、脈動を発生させて計測した最大流量の「基準最大流量」に対する変化率（％）は、２５％未満であり、他の装着条件と比較して脈動発生時の最大流量を「ハニカム未挿入」の場合に対して大幅に減少させることができた。

以上詳細に説明した通り、本実施形態に係る超音波流量計１では、入口用流れ規制体２２と出口用流れ規制体２３を流量計測ユニット１１に装着し、且つ、出口用流れ規制体２３の長さＬ４（第２長さ）を、入口用流れ規制体２２の長さＬ３（第１長さ）よりも短い長さに形成することによって、脈動発生時の流量計測ユニット１１の計測流路１５内の正流方向と逆流方向における流速分布を簡易な構成で対称な形状、つまり、同一にすることが可能となり、簡易な構成で脈動発生時の流量の計測精度を向上させることが可能となる。また、計測流路１５内には、複数の反射板２６が取り付けられているため、計測流路１５の全長が短くても、計測流路１５内の流れを安定させることができる。

また、入口用流れ規制体２２の長さＬ３と出口用流れ規制体２３の長さＬ４とが異なっているため、計測流路１５の入口側に設けられた入口部１３と、計測流路１５の出口側に設けられた出口側接続部１２との形状を異ならせることができる。これにより、流量計測ユニット１１の都市ガス等の被計測流体の流れる流路を計測流路１５に対して非対称に形成することが可能となり、部品点数の削減化、及び、小型化を図ることが可能となり、超音波流量計１の更なる小型化を図ることができる。

出口用流れ規制体２３の長さＬ４が、入口用流れ規制体２２の長さＬ３よりも短いため、出口側接続部１２の流れ方向の長さを短くすることが可能となり、流量計測ユニット１１及び超音波流量計１の更なる小型化を図ることができる。また、流量計測ユニット１１は、流出口６の中心軸６Ａに対して直線状に配置されている。これにより、入口用流れ規制体２２及び出口用流れ規制体２３の流れ方向が、流出口６の流れ方向に対して平行になるように配置されるため、計測流路１５内の正流方向における流速分布と逆流方向における流速分布とを容易に同一にすることが可能となる。

尚、本発明は前記実施形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは勿論である。例えば、以下のようにしてもよい。

（Ａ）例えば、各超音波振動子９Ａ、９Ｂを計測流路１５の相対向する短辺側の対向壁面に配置し、超音波の伝搬経路を一直線状に形成するようにしてもよい。また、各超音波振動子９Ａ、９Ｂ間の伝搬経路が、相対向する短辺側の対向壁面で２回以上反射する伝搬経路を形成するようにしてもよい。

（Ｂ）また、例えば、メータケース３の流出口６からメータケース３内に流出口６の中心軸６Ａと同軸に延出された導出管を設け、この導出管の先端側外周面に流量計測ユニット１１の出口側接続部１２の端面を気密に接続するようにしてもよい。これにより、流量計測ユニット１１は、入口用流れ規制体２２及び出口用流れ規制体２３の流れ方向が、流出口６の流れ方向に対して直交するように配置されるため、メータケース３の流出口６の流れ方向における小型化を図ることができる。

１ 超音波流量計
３ メータケース
５ 流入口
６ 流出口
９Ａ、９Ｂ 超音波振動子
１１ 流量計測ユニット
１２ 出口側接続部
１３ 入口部
１５ 計測流路
１７ 計測回路
２２ 入口用流れ規制体
２２Ａ、２３Ａ 板部
２３ 出口用流れ規制体
２５ 伝搬経路
２６ 反射板

Claims (4)

1. 被計測流体の流入口と前記被計測流体の流出口が形成されたメータケースと、
   前記メータケース内に配置されて該メータケース内を通過する前記被計測流体の流量を計測する流量計測ユニットと、
   を備え、
   前記流量計測ユニットは、
   前記被計測流体が流れる計測流路と、
   前記計測流路の上流側と下流側に取り付けられた一対の超音波振動子と、
   前記一対の超音波振動子間の超音波の伝搬時間に基づいて前記被計測流体の流量を計測する計測回路部と、
   前記計測流路の入口側に設けられて前記メータケース内に開口する入口部と、
   前記計測流路の出口側に設けられて前記流出口に接続される出口側接続部と、
   前記計測流路内の流れ方向に平行で、且つ、前記超音波の伝搬経路を含む面と平行になるように該計測流路内に複数取り付けられた反射板と、
   前記入口部に取り付けられた入口用流れ規制体と、
   前記出口側接続部に取り付けられた出口用流れ規制体と、を有し、
   前記入口用流れ規制体及び前記出口用流れ規制体は、前記計測流路内の流れ方向に沿って多孔体が形成されており、
   前記多孔体を形成する板部のうち、前記計測流路内の流れ方向に平行で、且つ、前記超音波の伝搬経路を含む面と平行になる板部は、前記反射板と面一に配置されている
   ことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記被計測流体の流れ方向における前記入口用流れ規制体の第１長さと前記出口用流れ規制体の第２長さとが異なることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記第２長さは、前記第１長さよりも短いことを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計。
4. 前記流量計測ユニットは、前記入口用流れ規制体及び前記出口用流れ規制体の流れ方向が、前記流出口の流れ方向に対して平行又は直交するように前記メータケース内に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の超音波流量計。

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