JPH11132807A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大容量の超音波流量計を小形にする。偏流に
よる計測誤差をなくす。断面平均流速や断面平均流量を
高精度に計測する。整流を良くする。 【解決手段】 互いに同軸の円柱面５と６の間の２重円
管流路７内を矢印Ｖ方向に流体が流れる。超音波センサ
ー８と９の間を符号１０で示す螺旋に沿って超音波が伝
搬する。両センサー８と９の位置は互いに円周角で１８
０度の位置にあり、図１（ｂ）のハッチングで示す測定
域の断面平均流速や断面平均流量を得る。両円柱面５と
６の距離ｈの１０倍の長さの流路７は、流れをよく整流
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波流量計の改良
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波流量計は、例えば図２
（ａ）（ｂ）のように、管路１の上流と下流に直線的に
対向した位置（反射を含む）に超音波センサー２，３を
設置している。

【０００３】この従来技術では、両超音波センサー２，
３を結ぶ直線的な伝搬路４に沿って超音波が伝搬する。
図２の従来技術では管路１が円形管路であるが、図３
（ａ）（ｂ）のように断面が長方形の角形管路に超音波
センサーを設置することも公知である。

【０００４】なお、図２でＨは距離の小さい２面間、つ
まり狭面間の距離である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の技術では、
直線的に対向した位置（反射も含む）に超音波センサー
を設置しているので、超音波センサーの設置位置の自由
度が小さいという問題点があった。

【０００６】そして、図２（ａ）（ｂ）の従来技術で
は、超音波流量計として、送受信センサー間を結ぶ伝搬
路４の線平均流速しか計測できないため、流路（管路）
内の偏流による計測誤差が問題となっていた。また、断
面平均流速を測定していないために、被計測気体の種類
に応じて粘性係数が異なることに起因する管内流速分布
の相違があると、ガス種、ガス状態により流量計の特性
が異なるという問題点があった。

【０００７】図３（ａ）（ｂ）の従来技術では、狭面間
の距離Ｈが小さい小流量用の場合に断面平均流速が測定
できるが、小流量用に用途が限定され、大流量用に適さ
ないばかりでなく、上下壁面による悪影響は避けられ
ず、正確な断面平均流速を得ることができず、流量計の
精度を高められないという問題点があった。

【０００８】そこで、本発明はこのような従来技術の問
題点を解消し、比較的大容量の超音波流量計の小形化、
高精度化を実現することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、第１の円柱面と、第１の円柱面
の軸と同軸でかつ直径の大きな第２の円柱面との間に形
成された２重円管流路を母線方向に被計測流体が流れる
流量計であって、少なくとも１組として作用する二つの
超音波センサーが、流路の上流と下流にかつ一定の円周
角だけ離れて設置されていて、両音波センサー間の流体
中を超音波がほぼ螺旋状に伝播することを特徴とする超
音波流量計である。

【００１０】請求項２記載の発明は、請求項１の超音波
流量計において、複数組の超音波センサーを設置して、
全周の平均流速を得るようにしたことを特徴とするもの
である。

【００１１】そして、請求項３の発明は、請求項１又は
２の超音波流量計において、１組として作用する二つの
超音波センサー同士の円周角がほぼ１８０度であること
を特徴とするものである。

【００１２】また、請求項４の発明は、請求項１，２又
は３の超音波流量計において、第１の円柱面と第２の円
柱面の距離に対して、流路の長さを１０倍以上に定めた
ことを特徴とするものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に本発明の好ましい実施の形態
を図面の実施例に基づいて説明する。図１（ａ）（ｂ）
において、第１の円柱面５の直径はｄ、第２の円柱面６
の直径はＤで、両円柱面５と６の軸は同軸である。そし
て両円柱面５，６の間の断面がドーナツ状の２重円筒流
路７に１組として作用する二つの超音波センサー８，９
が設置されている。

【００１４】両超音波センサー８，９は上流と下流に離
れて、かつ互いに１８０度の円周角だけ離れた位置に設
置されていて、両センサー８，９間を符号１０に示す螺
旋状に超音波が伝搬する。

【００１５】なお、図１（ａ）で、点線の矢印Ｖは流体
の流れ方向を示す。両円柱面５，６間の距離（Ｄ−ｄ）
／２＝ｈ即ち狭面間の距離が超音波センサー８，９に対
応した固有の値以下の場合、狭面間を符号１０に示す螺
旋に沿って伝搬する超音波は、ｈとある幅ΔＷの断面積
ｈ×ΔＷの平均的な合成波となる。

【００１６】従って、１組のセンサー８，９で断面ｈ×
ΔＷの断面平均流速が得られる。音波は直線状ではな
く、ある面積分の合成波となって伝搬する。その結果、
図１（ｂ）で示すハッチング部分の平均流速つまり１８
０度の円周角に相当する部分の平均流速を得るようにし
た。

【００１７】もし偏流が顕著である場合は、二つのセン
サー８，９の円周方向の位置を互いに円周角で３６０°
（即ち全周）だけずらして配置しても良いし、複数組の
超音波センサーで、全周分をそれぞれ分担して計測する
ようにしてもよい。

【００１８】例えば、互いに１８０度の円周角で上流と
下流に配設した１組の超音波センサーと、他の１８０度
の円周角で互いに上流と下流に配設した別の１組の超音
波センサーとで、それぞれ半周分ずつの計測を分担し、
両組で全周分の平均流速を計測するようにすることもで
きる。

【００１９】超音波センサーの設置に関しては、１組と
なる二つのセンサー間の円周角を大きくすれば広い計測
範囲（測定域）の断面平均流速が測定でき、偏流に関し
ては有利となる。計測域は図１（ｂ）でハッチングした
部分に相当する。

【００２０】センサー間の距離に制約があれば、円周角
を大きくする程流速方向成分の信号が小さくなり、微少
流量精度が劣化する。また大径になれば測定域（円周
角）は減少する。従って、現実的には、二つのセンサー
間の円周角つまり測定域は半周（１８０度）程度を限度
とし、複数組の超音波センサーを設けるのが良い。

【００２１】超音波が円柱面５と６の狭面間をある面積
をもって螺旋状に伝搬すると、（直線的に反射するので
はなく）中心波も拡散波も一体となって伝搬し、その測
定域の断面平均流速が得られる。

【００２２】２重円管流路は、流路断面積を大きくで
き、大容量の流量計に好適である。また、狭面間での距
離ｈに対し１０倍以上の流路長さとすることで、整流が
良くなり、円形管路の場合の直径の１０倍以上で整流を
良くするのと同様の効果が得られる。

【００２３】本発明では第２の円柱面の直径Ｄよりも小
さい距離ｈの１０倍の流路長で整流が良くなるので、そ
の分流量計の小形化に役立つ。なお、実施例では流路断
面積はπ（Ｄ² −ｄ² ）／４で、この流路断面積に最大
流速Ｖmax を掛けると最大流量となり、流量計の容量が
決まる。

【００２４】

【発明の効果】本発明の超音波流量計は上述のように構
成されているので、流路断面積×最大流速で最大流量が
決まり、他に制約はないため、大容量流量計測が可能で
ある。

【００２５】また、直接断面平均流量（＝実流量）が得
られるため、広い部分の平均断面流速が得られ、偏流に
関する誤差が小さい。そして、ガス種、ガス状態（温
度、圧力）によらず、正確な体積流量が得られる。

【００２６】更にまた、図２の従来技術のように、誤差
要因となる側壁（上下壁）がなく、全周が同一の形状で
あるため、計測精度が向上する。そして、請求項４の構
成では、比較的短い流路で整流効果が得られ、この面か
らも流量計の小形化に役立つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の略図で、（ａ）は斜視図、
（ｂ）は流路の横断面図である。

【図２】従来技術の略図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）
は横断面図である。

【図３】別の従来技術の略図で、（ａ）は縦断面図、
（ｂ）は横断面図である。

【符号の説明】

５，６ 円柱面 ７ ２重円管流路 ８，９ 超音波センサー ｈ 距離

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の円柱面と、第１の円柱面の軸と同
   軸でかつ直径の大きな第２の円柱面との間に形成された
   ２重円管流路を母線方向に被計測流体が流れる流量計で
   あって、 少なくとも１組として作用する二つの超音波センサー
   が、流路の上流と下流にかつ一定の円周角だけ離れて設
   置されていて、両音波センサー間の流体中を超音波がほ
   ぼ螺旋状に伝播することを特徴とする超音波流量計。
2. 【請求項２】 複数組の超音波センサーを設置して、全
   周の平均流速を得るようにしたことを特徴とする請求項
   １記載の超音波流量計。
3. 【請求項３】 １組として作用する二つの超音波センサ
   ー同士の円周角がほぼ１８０度であることを特徴とする
   請求項１又は２記載の超音波流量計。
4. 【請求項４】 第１の円柱面と第２の円柱面の距離に対
   して、流路の長さを１０倍以上に定めたことを特徴とす
   る請求項１，２又は３記載の超音波流量計。