JP6496905B2 - 超音波流量計 - Google Patents

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に関するものである。

従来、この種の超音波流量計として、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）。

図５は、特許文献１に記載された超音波流量計の計測流路の断面を示したものである。この超音波流量計では、一対の超音波送受波器（図示せず）を有する流管１０１の流量測定部は、仕切板１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃを介して複数の分割流路１０３ｃ〜１０３ｆに区分されている。

流体は、仕切り板１０２ａ、１０２ｃよりも上流側へ長くした仕切板１０ｂにより、分割流路１０３ａ，１０３ｂに分流され、さらにその下流で４つの分割流路１０３ｃ〜１０３ｆにさらに分流される。

本発明によれば、超音波送受波器により計測される計測領域において上流側から下流側になるにしたがい、前記分割流路の数を、段階的に２分割ずつ増加する方法で、分割に際しては、常に均等な流速分布に分割されるため、最終的には、各分割流路における流速分布を均一化し、精度の高い超音波流量計を実現する構成となっている。

特開２００４−２３３２４７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、仕切板の上流端にて発生する縮流の影響が小さい場合には、流速分布の均一化が可能であるが、縮流の影響が大きい場合には、例えば、図５において、１０３ｃの分割流路において生じる縮流の影響は仕切り板１０２ａのみであるが、１０３ｄの分割流路において生じる縮流の影響は仕切り板１０２ａと１０２ｂとによるため、それぞれの分割流路１０３ｃと１０３ｄの流速分布は異なるといったように均一化が達成されない。

すなわち、それぞれの流路高さに比べて、仕切板の厚みが相対的に大きく、縮流による流れへの影響が無視できない場合には、必ずしも流速分布を均一にすることができないという課題を有するものであった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、流路高さに比べて、仕切板の厚みが相対的に大きく、縮流による流れへの影響が無視できない場合でも各層の流速分布の均一化を図ることができる超音波流量計の提供を目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、矩形断面を有する流路を複数の仕切り板により均等に分割して形成された複数の分割流路と、前記複数の分割流路の内の少なくともひとつの分割流路内を超音波が横断して伝搬するように配置し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で送受信される超音波の伝搬時間を計測
する処理手段と、前記処理手段で計測された伝搬時間から前記流路に流れる流量を演算する演算手段とを備え、前記流路は、前記分割流路の最外側流路の上流側を外側へ拡大する方向に段差部を有し、前記段差部の高さは、前記最外側流路において生じる縮流が前記分割流路の内側流路において生じる縮流と実質的に同じ大きさとなるように設定したことにより、各分割流路の流速分布を均一にすることができ、流量計測の精度向上を図ることができる。

本発明の超音波流量計は、複数に分割された各分割流路において、入口の縮流状態が実質的に同一になるよう、入口部において、最外側流路の外側に段差を設けることにより、最外側流路と内側流路との間の流速分布を類似のものとすることができる。これにより、各分割流路の流速分布を均一にすることができ、流量計測の精度向上を図ることができる。

本発明の実施の形態１における超音波流量計の概略構成図 図１におけるＡＡ’断面図 図１におけるＢＢ’断面図 本発明の実施の形態２における流路の水平断面図 従来の超音波流量計における計測流路の構成及び流速分布を示す断面図

第１の発明は、矩形断面を有する流路を複数の仕切り板により均等に分割して形成された複数の分割流路と、前記複数の分割流路の内の少なくともひとつの分割流路内を超音波が横断して伝搬するように配置し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で送受信される超音波の伝搬時間を計測する処理手段と、前記処理手段で計測された伝搬時間から前記流路に流れる流量を演算する演算手段とを備え、前記流路は、前記分割流路の最外側流路の上流側を外側へ拡大する方向に段差部を有し、前記段差部の高さは、前記最外側流路において生じる縮流が前記分割流路の内側流路において生じる縮流と実質的に同じ大きさとなるように設定したことにより、各分割流路における流速分布が均一となり計測流路で平均流速を測定することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記流路は、前記分割流路の最外側流路の下流側を外側へ拡大する方向に前記段差部と同じ高さを有する第２の段差部を有することにより、脈動流れに対しても多層部における流速分布の均一化が達成され精度のよい計測が実現できる。

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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
実施の形態１について、図１〜図３を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における超音波流量計の概略構成図を示すものである。

図１において、超音波流量計１は矩形断面の筒状流路（流路）２を有しており筒状流路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の分割流路６、第２の分割流路７、第３の分割流路８、第４の分割流路９に分割されている。

第３の分割流路８の上部には超音波送受波器保持部１０が形成されている。ここでは、
第３の分割流路８は流量計測を行う計測流路である。以降、第３の分割流路８を計測流路と称する。

ここで、第１の分割流路６、および第４の分割流路９は、それぞれ、もっとも外側に位置しているため、最外側流路とも称する。また、第２の分割流路７、および第３の分割流路８は、それぞれ、内側に位置しているため、内側流路とも称する。

図２は図１のＡＡ’断面図である。

図２において、流路２は、上下対称に形成されているため、以降の説明は簡略化のため、上半分についてのみ説明する。

図２において、複数に分割された各分割流路６，７，８，９の高さ（ｈ）は均等な値になるよう、構成されている。第１の仕切り板３，第２の仕切り板４，第３の仕切り板５は、それぞれ、上流端３ａ、４ａ、５ａを有している。ここで、各仕切り板の厚み（ｔ）は、各分割流路６，７，８，９の高さ（ｈ）に比べて、比較的厚いものとする。例えば、ｔが、ｈの１０％以上といったような値である。

また、入口部１１は、最外側流路６の上流側を外側へ拡大する方向に段差部１２を形成した構成となっている。この段差部１２の高さＨは、この段差部１２と、第１の仕切り板３の上流端３ａにより最外側流路６において生じる縮流Ｃ１が、第１の仕切り板３の上流端３ａと、第２の仕切り板４の上流端４ａとにより、内側流路７において生じる縮流Ｃ２と実質的に同程度になるような大きさに設定されている。

図３は、図１のＢＢ’断面を示す図である。

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１５、および下流側に配置された第２の超音波送受波器１６の一対の超音波送受波器が、それぞれ、第１の保持部１７、第２の保持部１８にて保持されている。

計測流路８は上面１９、および下面２０を有している。上面１９は第１の超音波透過窓２１、および第２の超音波透過窓２２を有している。また、下面２０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。

Ｐ１およびＰ２で示した矢印は超音波の伝搬経路であり、第１の超音波送受波器１５から送信された超音波は第１の超音波透過窓２１を通って計測流路８を横切るように伝搬し、下面２０で反射した後、再度、計測流路８を横切るように伝搬して第２の超音波透過窓２２を通って第２の超音波送受波器１６に到達する。

第１の超音波送受波器１５、および第２の超音波送受波器１６からの信号は処理手段２３にて伝播時間測定等の処理をされ、さらに演算手段２４にて、流量算出等の演算が実行される。

そして、第１の超音波送受波器１５、第２の超音波送受波器１６、計測流路８、処理手段２３、および演算手段２４で計測流路８の計測部２５が形成される。

次に、超音波による流量計測に関して図３を用いて説明する。

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計測流路８の下面２０で反射するまでの超音波伝搬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１５と第２の超音波送受波器１６との間で伝搬する超音波の伝搬経路の有効長さをＬとする。

このとき、第１の超音波送受波器１５から出た超音波が、もう一方の第２の超音波送受波器１６に到達するまでの伝搬時間ｔ１は、下式にて示される。

ｔ１ ＝ Ｌ ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （１）
次に、第２の超音波送受波器１６から出た超音波が、もう一方の第１の超音波送受波器１５に到達するまでの伝搬時間ｔ２は、下式にて示される。

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。

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、処理手段２３にて計測された伝搬時間ｔ１、およびｔ２を用いて、流速Ｖが求められる。この演算は、演算手段２４にて実行される。

次に、下式に示すように、この流速Ｖに分割流路６，７，８，９の断面積の総和Ｓを乗じて、全体の流量Ｑを求めるが、通常、流速Ｖは、平均流速とはならないため、補正係数ｋを乗じることになる。

Ｑ ＝ ｋ ｘ（ Ｖ ｘ Ｓ ） （４）
一般的には、この補正係数ｋは、流量により異なる値をとり、誤差要因となりうるが、各分割流路６，７，８，９の流速分布が一定であれば、上記の流速Ｖは平均流速を表すことになるため、ｋは１に近い一定の値となり、誤差の少ない計測が実現されることとなる。

次に、本発明の超音波流量計の動作について説明する。

図２において、入口部１１より流入する流れは、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、各分割流路６，７，８，９へ分流して流れる。このとき、第１の仕切り板３，第２の仕切り板４，第３の仕切り板５は、それぞれ厚みｔを有しているため、流れは、各仕切り板の上流端３ａ、４ａ、５ａに衝突した後、分割流路６，７，８，９に入る。

このとき、内側流路７においては、第１の仕切り板３の上流端３ａと第２の仕切り板４の上流端４ａにおける衝突のため、Ｃ２のような縮流が生じる。他方、最外側流路６においては、入口部１１において段差部１２が、流路２の外側へ拡大する方向に設けられているため、その段差部１２への衝突と、第１の仕切り板３の上流端３ａへの衝突により、Ｃ１のような縮流が生じる。

ここで、段差部１２は、前述したように、このようにして生じる縮流Ｃ１と、前述の縮流Ｃ２とが実質的に同程度になるような高さ（Ｈ）を有するように形成されている。

流路が上下対称に形成されていることから、入口部１１より第３の分割流路８と第４の分割流路９への流入も同一の縮流が生じることになる。

以上により、各分割流路６，７，８，９内の流速分布Ｖ１、Ｖ２，Ｖ３、Ｖ４は同一形状となり、均一性が保証される。

この結果、複数の分割流路６，７，８，９のひとつの分割流路である計測流路８の流速計測を行うことで、流路全体の流量の推測が可能となる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図４を用いて説明する。

図４は、本発明の実施の形態２における超音波流量計の流路の水平断面を示すものであり、実施の形態１の図２に対応するものである。

この形態では、下流側において、多層に分割された流れが一つになる出口部１３においても、入口部１１におけるのと同様の第２の段差部１４が設けられているのが、実施の形態１と異なる点である。その他の部分は同じゆえ、同一番号で示している。

次に動作を説明する。

今、流れが脈動する場合を考える。このとき、流体は左方から流入したり（実線矢印）、右方から流入したり（点線矢印）する。

今、流体が右方から流入する場合を考えると、流体は、出口部１３から流入することになるが、第２の段差部１４が設けられているため、このような逆流に対しても、実施の形態１と同じような効果が生じ、各層における流速分布の均一化が図られる。

このように、入口部１１、および出口部１３の両方に段差部（段差部１２と第２の段差部１４）を設けることにより、脈動流れに対しても、精度の良い計測を行うことができるものである。

以上、本発明の実施の形態１，２においては、一対の超音波送受波器の配置として、その超音波伝播経路がＶ字型をなす構成にて説明したが、これに限るものではなく、伝播経路が流れを一回だけよぎる、いわゆるＺ字型、また、流れと平行なＩ字型等になるような、構成であってもよい。

また、計測流路として、仕切り板で分割された分割流路のうちのひとつの分割流路だけを用いる構成を例示したが、サイズの大きい超音波送受波器を用い、超音波の伝播面積が複数の分割流路にまたがっても、すべての分割流路にまたがっても、同様の効果を得ることができるものである。

なお、図では、段差の位置が仕切り板の端面と一致したものを示したが、金型等の事情により、多少、下流にずれたり、上流にずれても、縮流の形状が各層間でほぼ一致するという条件を満たせば、差し支えないものである。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、複数に分割した流路の各分割流路における流速分布の均一化を図ることにより、少なくともひとつの流路の計測のみで全体の流量を精度良く推測することができる。

これにより、小流量の計測のみならず、大流量の計測においても、全流路の計測を行うことなく、一部の流路の計測を行うという簡単な構成で精度の良い流量計測を実現することができる。

この方法の採用により、家庭用のガスメータのみならず、業務用の大型ガスメータや大流量用の計測器としての応用が可能となる。

１ 超音波流量計
２ 筒状流路（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
６ 第１の分割流路（最外側流路）
７ 第２の分割流路（内側流路）
８ 第３の分割流路（計測流路、内側流路）
９ 第４の分割流路（最外側流路）
１２ 段差部
１４ 第２の段差部
１５ 第１の超音波送受波器
１６ 第２の超音波送受波器
２３ 処理手段
２４ 演算手段
２５ 計測部

Claims (2)

1. 矩形断面を有する流路を複数の仕切り板により均等に分割して形成された複数の分割流路と、
   前記複数の分割流路の内の少なくともひとつの分割流路内を超音波が横断して伝搬するように配置し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で送受信される超音波の伝搬時間を計測する処理手段と、
   前記処理手段で計測された伝搬時間から前記流路に流れる流量を演算する演算手段とを備え、
   前記流路は、前記分割流路の最外側流路の上流側を外側へ拡大する方向に段差部を有し、前記段差部の高さは、前記最外側流路において生じる縮流が前記分割流路の内側流路において生じる縮流と実質的に同じとなるように設定した超音波流量計。
2. 前記流路は、前記分割流路の最外側流路の下流側を外側へ拡大する方向に前記段差部と同じ高さを有する第２の段差部を有する請求項１に記載の超音波流量計。

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