JP7126048B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、計測流路を仕切板で多層流路に分割して、流量を計測する流量計測装置に関するものである。

従来、この種の超音波流量計として、図６に示すように、計測流路１０１と、複数の仕切板１０２と、巻込み流れ抑制シート１０３とが別部品として構成されているものがある。計測流路１０１は、部品挿入口１０６を有し、複数の仕切板１０２をこの部品挿入口１０６から計測流路１０１内に所定の角度で挿入した後、部品挿入口１０６を巻込み流れ抑制シート１０３で覆っている。その後、超音波センサ取付ブロック１０４を、熱溶着などの方法で計測流路１０１に固定して部品挿入口１０６を塞ぎ、一対の超音波センサ１０５ａ、１０５ｂを超音波センサ取付ブロック１０４に取付けることで、被計測流体の漏れのないように構成されている。また、巻込み流れ抑制シート１０３には超音波が通過するための開口部１０３ａ、１０３ｂが設けてある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４－２１５０６０号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載された従来の超音波流量計では、部品点数が多くなり、コストが高くなるという課題を有していた。

また、仕切板１０２は金属板を金型で打ち抜いて成形するが、成形時にできるバリやそりが発生することから表面と裏面で状態が異なる為に、計測精度を高めるには表裏を揃える必要あり、仕切板に表裏を識別する為の工夫が必要であった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、計測流路と仕切板の一体成型により従来の構成よりもコストを削減するとともに、計測流路と仕切板の一体成型に伴い仕切板に生じる金型の抜き勾配により、仕切板で反射した音波の進行方向がずれたり、仕切板の端部で流体が剥離して被計測流体の流れにばらつきが生じる等により、受信波形が乱れることによる計測のばらつきを改善することができる超音波流量計を提供することを目的とする。

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、被計測流体が流れる流路断面が矩形の計測流路と、前記計測流路を複数の層状流路に分割する１つまたは複数の仕切板と、前記層状流路上の上流と下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、前記超音波センサの一方から送信された超音波信号が、前記被計測流体を伝搬して、他方の超音波センサが受信するまでの伝搬時間に基づいて、前記被計測流体の流量を検出する流量計測手段と、を備え、前記計測流路と、前記仕切板は一体成型されており、前記仕切板は、最大厚さとなる部分から、計測流路入口側および計測流路出口側に向かうにつれて薄くなる形状としたものである。

これによって、従来よりも部品点数を少なくして部品のコストを削減しながら、仕切板の端部で被計測流体が剥離し、被計測流体の流れが乱れることによって起こる計測のばら
つきを改善することができる。

本発明の超音波流量計は、従来よりも部品点数を少なくして部品のコストを削減しながら、仕切板の端部で被計測流体が剥離し、被計測流体の流れが乱れることによって起こる計測のばらつきを改善することができる。

本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成図 本発明の実施の形態１における超音波流量計の計測流路の斜視図 （ａ）図２のＡ－Ａ断面図、（ｂ）（ａ）の仕切板の端部（Ｂ部）の拡大図 本発明の実施の形態２における超音波流量計の仕切板に垂直方向の断面図 本発明の実施の形態３における超音波流量計の仕切板に垂直方向の断面図 従来の超音波流量計の構成図

第１の発明は、被計測流体が流れる流路断面が矩形の計測流路と、前記計測流路の途中に配置され前記計測流路を複数の層状流路に分割する１つまたは複数の仕切板と、前記層状流路上の上流と下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、前記超音波センサの一方から送信された超音波信号が前記被計測流体を伝搬して他方の超音波センサが受信するまでの伝搬時間に基づいて前記被計測流体の流量を検出する流量計測手段と、を備え、前記計測流路と、前記仕切板とは一体成型されており、前記仕切板は、最大厚さとなる部分から、計測流路入口側および計測流路出口側に向かうにつれて薄くなる形状としたことを特徴とするとすることにより、従来よりも部品点数を少なくして部品のコストを削減しながら、仕切板の端部で被計測流体が剥離し、被計測流体の流れが乱れることによって起こる計測のばらつきを改善することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記最大厚さとなる部分は、前記被計測流体の流れる方向と、前記超音波センサの音の放射方向に平行な面で構成され、前記超音波センサの送信する音波の伝搬する領域の少なくとも一部を含むことを特徴とするとすることにより、超音波によって計測される計測領域の音波の伝搬と、被計測流体の流れが均一化され、より安定した計測を行うことができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記仕切板は、少なくとも前記計測流路入口側の先端が曲面で構成されていることを特徴とするとすることにより、成型時に仕切板の先端に発生するショートショットを抑えながら仕切板の端部を細くし、被計測流体の流れの乱れが抑制される形状を作り、より安定した計測を行うことができる。

第４の発明は、特に、第１から第３のいずれか１つの発明において、前記仕切板の最大厚さとなる部分は、前記超音波センサの計測流路内の伝搬経路の中点から見て、前記計測流路出口側に近くなっていることを特徴とすることにより、順流での場合の、超音波の計測する領域での流体の剥離を抑え、より安定した計測を行うことができる。

第５の発明は、特に、第１から第４のいずれか１つの発明において、前記計測流路は、前記複数の層状流路の形状が同一となるように、前記仕切板の形状に合わせた勾配を有することを特徴とするものであり、各層状流路の形状が同じになることで、層状流路間の流速比が均一になり、より安定した流量計測を行うことができる。

第６の発明は、特に、第１から第５のいずれか１つの発明において、さらに、前記超音波センサを取付けるセンサ取付部を備え、前記計測流路と、前記仕切板と、前記センサ取
付部とを一体成型したことを特徴とすることにより、超音波センサ取付ブロックにかかる材料費と組立工数を削減することができる。

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）
図１は、本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成図で、仕切板に平行な断面図、図２は、計測流路の斜視図を示している。図３（ａ）は、図２のＡ－Ａ断面図、図３（ｂ）は、仕切板の端部（図３（ａ）のＢ部）の拡大図を示している。

図１において、被計測流体を計測流路入口９から計測流路出口１０へ通す計測流路３は、被計測流体を通す配管であり、２つの仕切板８によって３つの層状流路３ａ，３ｂ，３ｃに分割されている。この計測流路３に対して、斜めに超音波が送受信するように超音波が伝搬する開口部６ａ，６ｂが計測流路上面４に設けられ、超音波が計測流路底面５で反射して、伝搬経路Ｐ１とＰ２を通るように、超音波センサ１ａ，１ｂが取付部２ａ，２ｂに固定されている。流量演算手段７は、超音波センサ１ａ，１ｂ間の超音波の伝搬時間に基づいて流量を演算する。

そして、図２に示すように、計測流路３、仕切板８、取付部２ａ，２ｂは樹脂で一体成型されている。これにより、従来の超音波流量計よりも部品の点数を減らし、コストを削減することができる。

次に、本願の特徴である仕切板８の構造について図３を用いて詳細に説明する。

本実施の形態１における仕切板８の形状は、計測流路３、仕切板８を一体成型した場合において、流量計測の精度を高めることを目的としている。

そこで、仕切板８は、最大厚さとなる部分８ａから、計測流路３の計測流路入口９および計測流路出口１０側に向かう部分は先端１１，１２に向けて徐々に薄くなる形状としている。

樹脂成型の寸法精度の問題から、仕切板８はある程度の厚みが必要となる。しかしながら、計測流路入口９側に位置する仕切板８の端部８ｄが厚いほど、被計測流体の剥離が発生し易くなり、超音波が伝搬する領域で被計測流体の運動が不安定となる。そこで、本実施の形態では、仕切板８の厚さを最大厚さとなる部分８ａから先端１１，１２に向けて細くした先鋭部８ｂ，８ｃを設けることで、被計測流体の剥離を抑え、流量計測を安定化させることができる。

また、仕切板８は、超音波の伝搬する領域Ｃでは、被計測流体の流れる方向と、超音波センサ１ａ，１ｂの音の放射方向に平行な面で構成している。

即ち、被計測流体の流れの乱れを最も抑えるためには、仕切板８の断面形状はすべて流線形によって構成されるのが最適であるが、超音波センサ１ａ，１ｂによって送受信される超音波が伝搬する領域では、超音波が仕切板８の表面で反射するため、反射面が曲面である場合、音波の反射方向が、仕切板８のどこで反射するかによって異なり、最終的に得られる受信波形が不安定となる。そのため、超音波が伝搬する領域Ｃにおいて、仕切板８をなるべく平面、平行な面で構成することで、傾きがある場合よりも受信波形にばらつきが少なくなり、より安定した計測を行うことができる。

また、図３（ｂ）に示すように、仕切板８の計測流路入口９側の先端１１を曲面として
もよい。更に、計測流路出口１０側の仕切板８の先端１２も曲面としても良い。

板状の剛体によって流体が分断される場合、前縁が丸く、後縁が細く尖った涙滴型の断面形状が、最も流体の剥離が少なく、抵抗が小さいとされている。しかしながら、実際に超音波流量計が用いられるガスメータなどでは逆流も発生するため、後縁が細く尖った形状の場合、逆流が発生し、被計測流体の流入の角度が、仕切板の角度から外れた時に、後縁で被計測流体の剥離が起こり、超音波センサ１ａ，１ｂによって計測される超音波の伝搬領域の流れが乱れ、順流時と逆流時で流量計測の計測値に差が発生しうる。

また、仕切板８の先端を鋭角にすると、成型時に先端まで樹脂が入らないショートショットが生じて先端形状が不均一になり、これも被計測流体の流れの乱れの原因となりうる。このため、計測流路入口９側と、計測流路出口１０側の両方の仕切板８の先端１１，１２を曲面とすることで、より安定した流量計測を行うことができる。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における超音波流量計の仕切板に垂直な断面から見た場合の断面図を示している。仕切板８に平行な断面から見た場合の構成図は、図１（ａ）と同様となる。

超音波流量計においては、順流の場合に、主に超音波センサ１ａ，１ｂで計測される領域で、流体の剥離が少なくなることが重要であり、本発明の実施の形態２では、最大厚さとなる部分８ａは前縁（計測流路入口９側）よりも後縁（計測流路出口１０側）に近くなっている。

また、超音波センサ１ａ，１ｂの計測領域（超音波が伝搬する領域）で、仕切板８の表面が曲面を有していると、音波の反射方向が、仕切板のどこで反射するかによって異なり、受信波形が不安定となるため、超音波センサ１ａ，１ｂの計測領域になるべく曲面をつけず、平面で構成してもよい。
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における超音波流量計の仕切板に垂直な断面から見た場合の断面図を示している。仕切板８に平行な断面から見た場合の構成図は、図１（ａ）と同様となる。

本実施の形態おいて、計測流路３の内壁の内、仕切板８に平行な内壁３ｄ、３ｅには、対向する仕切板８の勾配と対称になる勾配を設けている。すなわち、計測流路３が２つの仕切板８で分割されることで形成された３つの層状流路３ａ、３ｂ、３ｃの形状を同じにするために、仕切板８に設けた抜き勾配θ１と同じ勾配を流路の内壁３ｄ、３ｅにも設けている。

各層状流路の被計測流体の流れる領域の形状が異なると、流速分布や圧力損失が層毎に変化し、層毎の流速比が均一な比率から遠くなる。この場合、温度やガス種が変わると流速比も変わるため、ソフトウェアでの補正も困難になり、計測流量の誤差の原因となる。これに対し、本実施の形態によると、層状流路３ａ、３ｂ、３ｃの形状を同じとしたので、層毎の流速比が均一になり、より安定した流量計測を行うことができる。

以上のように、本発明によると、計測流路と仕切板の一体成型により従来の構成よりもコストを削減するとともに、計測流路と仕切板の一体成型に伴い仕切板に生じる金型の抜き勾配により、仕切板で反射した音波の進行方向がずれたり、仕切板の端部で流体が剥離して被計測流体の流れにばらつきが生じる等により、受信波形が乱れることによる計測のばらつきを改善することができる。

なお、上記実施の形態の説明に用いた図においては、説明を分かりやすくするため仕切板の傾斜を大きく描いているが、実際の金型の抜き勾配は、０．３°程度である。また、仕切板を２枚として説明したが、１枚、或いは３枚以上であっても良いことは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、従来発生していた部品のコストを削減しながら、仕切板の端部で被計測流体が剥離し、被計測流体の流れが乱れることによって起こる厚みによる計測のばらつきを改善することが可能となるので、ガスメータ等の用途にも適用できる。

１ａ、１ｂ 超音波センサ
２ａ、２ｂ 取付部
３ 計測流路
３ａ、３ｂ、３ｃ 層状流路
６ａ、６ｂ 開口部
７ 流量演算手段
８ 仕切板
８ａ 最大厚さとなる部分
９ 計測流路入口
１０ 計測流路出口
１１、１２ 先端

Claims (2)

1. 被計測流体が流れる流路断面が矩形の計測流路と、
   前記計測流路を複数の層状流路に分割する１つまたは複数の仕切板と、
   前記層状流路上の上流と下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、
   前記超音波センサの一方から送信された超音波信号が、前記被計測流体を伝搬して、他方の超音波センサが受信するまでの伝搬時間に基づいて、前記被計測流体の流量を検出する流量計測手段と、を備え、
   前記計測流路と、前記仕切板とは一体成型されており、前記仕切板は、最大厚さとなる部分から、金型の抜き勾配により生じる傾斜角度で計測流路入口側および計測流路出口側に向かうにつれて薄くなる形状とし、
   前記計測流路は、前記複数の層状流路の形状が同一となるように、前記仕切板の形状に合わせた勾配を有することを特徴とする超音波流量計。
2. さらに、前記超音波センサを取付けるセンサ取付部を備え、
   前記計測流路と前記仕切板と前記センサ取付部とを一体成型したことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。

Images