JPWO2005005932A1

JPWO2005005932A1 - 流れ計測装置

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Publication number: JPWO2005005932A1
Application number: JP2005511622A
Authority: JP
Inventors: 梅景　康裕; 康裕梅景; 乾　善紀; 善紀乾
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2024-07-15
Also published as: CN1816735A; WO2005005932A1; TWI336769B; CN100374827C; JP4578406B2; TW200508574A

Abstract

超音波を利用して空気、ガス、水などの流体の流速および流量を計測する流れ計測装置において、小型化と低消費電力化を実現する。流路１７内にマトリクス状に区画された計測流路１８を設け、前記計測流路１８がその側面に超音波を送受信する一対の音波送受信手段２０、２１を備える。更にこれら音波送受信手段２０、２１間の超音波の伝搬時間を計測する計時手段２２と、前記計時手段２２の値に基づいて前記流路１７を流れる流体の平均流速および総流量を推測する推測手段２３を備えることで、計測装置としての小型化を可能にし、加えて、消費電力の低減化を図った。

Description

本発明は、超音波を利用して空気、ガス、水などの流体の流速および流量を計測する流れ計測手段に関するものである。

超音波を利用して小流量（小流速）から大流量（大流速）の広範囲にわたり流体の流れを計測するものとして、従来は、図８に示すように、流体を流す流入路１と流出路２との間を複数の流路３に分岐するとともに、それぞれの流路３には開閉手段４を接続していた（特開平１１−２８７６７６号）。そして、各流路３にそれぞれ配置した計測手段５の計測結果にもとづいて流体の流量およびまたは流速を計測していた。
さらに、各開閉手段４と各計測手段５は制御手段６によって制御されていた。ここで、制御手段６には電源供給手段７より電力供給される。
前記構成において、流路３は流量およびまたは流速によって切り換えられるもので、例えば、小流量では、１つの流路３のみを使用し、大流量では全ての流路３を使用して計測することで、小流量から大流量までの流量または流速の計測精度を高めるようにしていた。
また、図９に示すように、流路８に接続した小型メータ９の下流側を３つの流路１０、１１、１２に分岐し、それら各流路１０、１１、１２に大型の超音波計測計１３、１４、１５をそれぞれ備え付けたものも見受けられる（特開２００１−１３３３０８号）。この場合、小型メータ９には遮断弁１６を並列に接続している。
前記構成において、小流量（流速）時には遮断弁１６を閉じ、小型メータ９によって流れを計測し、大流量（流速）時には遮断弁１６を開いて流体をバイパス的に流し、下流側の超音波計測計１３、１４、１５によって計測するようにしていた。
更に、流量測定部を挟んで配置された第一の超音波振動子と、第二の超音波振動子と、振動子の信号を基に流量を算出する流量演算部とを備え、さらに流量測定部を仕切板により層状に区切られた複数の流路を備えている超音波式流量計が、特開平９−４３０１５号公報に開示されている。流路を複数の層状に分割するのは、二次元性の向上により計測精度を向上するためである。

発明が解決しようとする技術的課題
しかしながら、先ず前記従来の構成では、多くの計測計を配置しなければならず、本体が大きくなるという課題があった。
また、切り換えて使用することで制御が複雑となり、更に、消費電力を多く使用してしまうという課題があった。
更に、流量測定部を挟んで配置された第一の超音波振動子と、第二の超音波振動子と、振動子の信号を基に流量を算出する流量演算部とを備え、流量測定部が仕切板により層状に区切られた複数の流路を備えている超音波式流量計は、流路の大きさ（断面）が第一と第二の超音波振動子の性能による制約を受けると言える。つまり、プラント配管のように、超音波振動子の寸法に比べて大きな口径の配管の流路では、第一と第二の超音波振動子の設置距離を長くすると、Ｓ／Ｎ比が低下してしまい、計測精度が低下してしまうため、第一と第二の超音波振動子の設置距離には限界がある。しかも、第一と第二の超音波振動子は流路の側壁に設けられる（図２）ため、流路は所定の大きさ（断面）以下でなければならないことになる。
本発明は、流れ計測装置において、計測計を流路内に内蔵することで小型化すること、及び、流路の一部の計測流路で計測して消費電力を低減することを目的とする。
その解決方法
前記課題を解決すべく本発明は、流路内に区画形成された計測流路と、この計測流路を流れる流体の流速を計測するために配設された少なくとも一対の超音波送受信手段と、その超音波送受信手段による計測結果に基づき計測流路を含む流路全体の流体の総流量およびまたは平均流速を推測する推測手段とを具備した構成とした。
従来技術より有効な効果
本発明に係る流れ計測装置では、流路内にマトリクス状に区画形成された計測流路での計測で全体の流れを推測するようにしている。従って、計測部の小型、コンパクト化が促進されるとともに、消費電力も大いに低減することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る流れ計測装置の流路縦断面図とブロック図である。
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る流れ計測装置の流路横断面図である。
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る流れ計測装置を更に改良したものの流路横断面図である。
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る流れ計測装置の流路縦断面図とブロック図である。
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る流れ計測装置の流路横断面図である。
（１）は偏向手段部分での横断面図であり、（２）は（１）の横断面の逆（裏）の方向から見た横断面図である。
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る流れ計測装置の流路縦断面図とブロック図である。
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る流れ計測装置の流路横断面図である。
図８は、従来技術による流量計の構成図である。
図９は、従来技術による流量計の構成図である。

本発明に係る流れ計測装置は、流路内にマトリクス状に区画形成された計測流路と、この計測流路を流れる流体の流速を計測するために配設された少なくとも一対の超音波送受信手段と、前記超音波送受信手段による計測結果にもとづき計測流路を含む流路全体の流体の総流量または平均流速を推測する推測手段とを具備した構成としたものである。
したがって、計測部分の小型化、コンパクト化が促進できるとともに、消費電力も低減できる。
前記流れ計測装置において、流路が複数の小流路にマトリクス状に分割され、それら小流路のうちの一つが、前記計測流路として利用される。前記計測流路は、流路の中心領域に配置されるのが好ましい。配管作業性などを考慮し、高い計測精度を維持するには、流路の横断面形状を円形状に、計測流路の横断面形状を矩形形状に、それぞれ形成するのが好ましい。
更に、前記小流路を略正方形状とすれば、各小流路に流体が均等に流れるようになる。従って、かような流れ計測装置において、代表流路として計測流路を計測すれば全体の流量を精度よく推測することができる。
そして、流路の計測流路より上流側に流体の整流を行う整流手段を配置することで、計測流路と流路全体との間の流速分布のばらつきを抑制できる。さらに、計測流路の流入口側に第２の整流手段を配置すれば、計測のさらなる高精度化が図れる。
また、前記整流手段の代わりに偏向手段を設け、その偏向手段が、旋回方向に流れを導く固定翼を含むようにすることで、特定の流速時に流れが流路壁面に付着して流速分布が不均一になる現象を防止する効果がある。そうすると、本発明に係る流れ計測装置では、広い範囲にわたる流量を安定して精度よく計測できることになる。
また、超音波送受信手段間の超音波伝搬時間を計測する計時手段およびこの計時手段からの出力に基づいて流体の総流量または平均流速を推測する推測手段を流路外に配置し、前記計時手段と超音波送受信手段とを連絡する配線を複数の小流路に分割する仕切板に沿って導出すれば、この配線が流れを妨げることは殆ど無い。更に、接続端子で配線をシールすることで流体の漏れを防止することができる。
さらに、消費電力が小さいため、電池を電源としても長期間にわたり安定した性能を発揮させることができる。
以下では、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
第１の実施の形態
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る流れ計測装置の流路縦断面図とブロック図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る流れ計測装置の流路横断面図である。
図１、図２において、流路１７内にマトリクス状に区画形成された計測流路１８の対向する側面１９には超音波を送受信する一対の超音波送受信手段２０、２１が配置されている。
流路１７の横断面は、円形状が好ましい。更に、流路１７の内部を仕切板３０により区画して横断面が略正方形状である小流路２９を複数形成し、それらのうち中央部に位置する一つの小流路２９を計測流路１８として設定するのが好ましい。
前記超音波送受信手段２０、２１間の超音波の伝搬時間に係る信号は、配線２７を介して計時手段２２に送られ、その計時手段２２により伝搬時間が計時される。計時手段２２により計時される伝搬時間に係る信号は推測手段２３に入力される。
推測手段２３は、前記伝搬時間に係る信号から算出される計測流路１８の流体流速を流路１７の平均流速と見なし、これを基に前記流路１７の総流量を推測する。
電池２４は、計時手段２２および推測手段２３などの電源である。
流路１７の前記計測流路１８より上流側には、流体の流れを整流する格子状の整流手段２５が配置してある。
流路１７は、フランジ２６により前後の管などに接続する。流路１７内の配線２７と流路１７外の配線２７は、接続端子２８にて繋がっている。接続端子２８は流路１７の管壁でシール（例えば、ハーメチックシール）された上で配線２７と接続しているので、流路１７からの漏れは防止される。
ここで、配線２７と接続端子２８ははんだ接続とし、電気接点のスパークによる火花が発生しないようにしてガスなどの流体計測にも使用できるような構成とするのが好ましい。
前記第１の実施の形態の構成において、超音波送受信手段２０、２１を介して計測流路１８内の流体の流速を計測する。即ち、超音波が伝搬する時間を計時手段２２で計測し、この時間値を基に計時手段２２は流路１７全体の平均流速と見倣す数値を計算する。例えば、計時手段２２は、上流側の超音波送受信手段２０からの伝搬時間と下流側からの伝搬時間の逆数差から算出する方法により、計測流路１８の流体流速の値を求める。そして、推測手段２３は、この流速値から、あらかじめ検定して求めておいた流量変換定数によって流路１７の全体を流れる流量を推測し総流量を求めることとしている。
第１の実施の形態に係る流れ計測装置では、流路１７内をマトリクス状に区画して、その一部にて計測流路１８を形成しているので、装置全体が非常に小さく構成され得る。
また、１つの計測流路１８で計測するので、計測に要する電力を少なく抑えることができる。更に、第１の実施の形態の流れ計測装置では、流路切換えなどの手段を含まないので、切換え作用を行う遮断弁なども不必要であり、この結果、電力使用を抑制することができる。これらのことから、電気容量の小さい電池２４を使用することができ、屋外など電源が供給されていないような場所にも本発明に係る流れ計測装置を設置することができる。
また、流路１７を複数の小流路２９にマトリクス状に分割して、その一つを計測流路１８として設定していることから、大きな面積の流路を一対の超音波送受信手段で計測するよりも、計測精度が向上し、精度の高い平均流速および総流量を推測することができる。
さらに加えて、計測流路１８以外の小流路２９のなるべく多くが、この計測流路１８とほぼ同等の断面積となるように区画されることが好ましい。けだし、計測流路１８での計測値が全体をより適切に代表する計測データとなり、従って一層計測精度が向上するからである。更に、小流路２９を略正方形状とすれば、各流路により均等に流体が流れるようになるため、代表流路として計測流路１８を計測すれば、全体の流量を精度よく推測することができるようになる。
なお、前記のように略正方形状で小流路２９に区画すると、流路１７周縁の一部で半端な微小流路が発生することがある。その場合、その部分を区画せずに、図３に示すように近接する小流路と結合して一つの小流路２９ａとしてもよい。
整流手段２５は、その下流側近傍の流速分布を横断面上の位置に拘わらず略均等化する手段である。整流手段２５は、例えば、格子状の流れ抵抗体であればよい。整流手段２５は計測流路１８の上流側に配置されており、各小流路２９はその均等な流速分布を備える流れを分割して受けることで、各小流路２９には均等な流速の流体が流れることになる。
また、前記各仕切板３０を計測流路１８と同じ長さとすることは、上流側の流れを各小流路２９においてほぼ均等な流速で流すことに寄与する。
従って、計測流路１８内にも、均等な流速の流体の分割された一部が流入する。流入する流れは、全体の流れを適切に代表する流れと言えるので、計測流路１８の計測値を流路１７の代表値とすることが適切であると言える。即ち、整流手段２５を設けることは、推測の精度を向上し得ることになる。
整流手段２５の下流側端から小流路２９までの距離は、整流手段２５の格子幅の数倍程度に設定するのが好ましい。
なお、前記整流手段２５は、例えば格子状の流れ抵抗体であると述べたが、目の細かい金網であってもよい。また、格子状の流れ抵抗体と金網とを組み合せたものであってもよい。
計測流路１８は、複数の仕切板３０を利用して形成されるため、流路１７の中央位置でも安定して保持されることができる。
一方、計測流路１８を流路１７のほぼ中央に配置することで、安定した流速（分布）の流れを計測することができ、従って高い計測精度で計測することができる。
しかも、計測流路１８を流路１７内の略中央部に内蔵することで、外部の環境の影響を少なくすることができる。例えば、外部の温度変化に対しても計測流路１８は影響をあまり受けず、安定した精度の高い計測を行うことができる。
内蔵している超音波送受信手段２０、２１の配線２７を仕切板３０に沿って配線することが好ましい。そうすると、超音波送受信手段２０、２１を配置する際に、流体の流れに極力妨げを与えないからである。
第１の実施の形態に係る流れ計測装置において、流路１７の横断面が円形状であるから、ガス管などの既設配管との接続が容易である。それと共に、計測流路１８そのものは矩形であるから、流速分布の影響を少なくして計測することができ、計測精度の向上が図れる。
ところで、超音波送受信手段２０、２１を配置した部分では、流れが乱れる可能性があるので、当該超音波送受信手段２０、２１の収納部を（例えば、適切な充填部材により）閉塞した状態にしてもよい（図６、図７参照）。但し、このとき、流路１７全体の断面積が実質的に減少するので、下流において圧力損失が生じることがある。その圧力損失に対処するために、このような場合には、図１に示される流路１７の内壁のようなフラットな流路壁面ではなく、特に整流手段２５の直ぐ上流にて次第に横断面積が拡大するような傾斜が備わる管壁の構成にすればよい。
第２の実施の形態
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る流れ計測装置の流路縦断面図とブロック図である。図５は、本発明の第２の実施の形態に係る流れ計測装置の流路横断面図である。（１）は（後で説明する）偏向手段部分での横断面図であり、（２）は（１）の横断面の逆（裏）の方向から見た横断面図である。第２の実施の形態に係る流れ計測装置は、第１の実施の形態に係る流れ計測装置と略同様である。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略する。
第２の実施の形態では、図１に示される整流手段２５の代わりに、固定翼２５ａを含む偏向手段が設定されている。図５に示すように、偏向手段には、旋回方向に流れを導く固定翼２５ａが設けられている。なお、固定翼２５ａの表裏面は曲面で構成されているのが好ましい。
前述のように、流れ計測装置による圧力損失を低減するため、流れ計測装置の流入口付近で管断面積が徐々に拡大するように設計することがある。その場合、特定の流速時に流れが流路壁面に付着して流速分布が不均一になりやすいことが指摘されている。
そこで、図４のように、旋回方向に流れを導く固定翼２５ａを含む偏向手段（図５参照）を流路に設けると、特定の流速時に流れが流路壁面に付着して流速分布が不均一になることが、防止される。従って、第２の実施の形態に係る流れ計測装置を用いれば、広い流量範囲にわたって安定して精度よく計測・推測することができる。
第３の実施の形態
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る流れ計測装置の流路縦断面図とブロック図である。図７は、本発明の第３の実施の形態に係る流れ計測装置の流路横断面図である。第３の実施の形態に係る流れ計測装置は、第１の実施の形態に係る流れ計測装置と略同様である。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略する。
図６と図７に示される第３の実施の形態に係る流れ計測装置において、計測流路１８の上流側の流入口付近に、第２の整流手段３１が配置されている。ここで、超音波送受信手段２０、２１は、収納部３２に収納されており、この収納部３２には流体が流入しないようにされている（例えば、適切な充填部材により隙間が埋められている）。収納部３２の外側には勿論、小流路３３が存在する。
前記のように計測流路１８の流入部に第２の整流手段３１を配置すると、計測流路１８内の流速分布がより一層均一になされ、流路１７の平均流速が確実に測定され得ることになる。したがって、全体の総流量の推測も高精度の下で行われることとなる。
また、第２の整流手段３１の流れ抵抗と、計測流路１８周辺の小流路３３の流れ抵抗とのバランスをとることで、低流量時から大流量時にわたって推測に用いる流量変換定数をほぼ一定値とすることができる。
すなわち、小流量時には、流路の中央部の流速が速く周辺が遅くなるので、どうしても計測流路１８へ速い流速が流入しがちであるが、第２の整流手段３１が抵抗になって流れ込みを抑制し、結局、計測流路１８と周辺の小流路３３とに同等の流速の流体が流れることになる。
また、大流量時には、第２の整流手段３１の抵抗により流れが周囲に偏りがちであるとも言えるが、周囲の小流路３３の面積が収納部３２によって小さくされているので、その偏りが抑制され得ることになり、結局、計測流路１８に相当量の流体が流れ込んでくることになる。
よって、小流量から大流量までの幅広い流量範囲にわたって、小流路３３と計測流路１８の流速バランスをほぼ均等に保つことができるので、流量変換定数をほぼ一定値としても構わないことになる。
このように、流量変換定数を一定値としても構わないのであれば、流量変換定数を流量ごとに調整する必要がなくなり、従って演算が軽減され消費電力が低減される。また、流量変換定数を一定値としても構わないということは、流体の種類による影響が小さいということであり、即ち、空気やガスの違いによる流量変換定数を用意する必要がないという効果に繋がるということになる。
なお、第１の実施の形態で説明した整流手段２５を取付け、その整流格子２５の格子の大きさに分布を持たせることで流速分布をコントロールし、計測流路１８に流れ込む流速をほぼ一定にするようにコントロールすることもできる。即ち、例えば、整流手段２５の中心部分に間隔のやや狭い格子を配置し、周縁部分に間隔のやや広い格子を配置すれば、中心部分の流速分布を相対的に遅く周縁部分の流速を相対的に速く調整できる。第２の実施の形態で説明した偏向手段を取り付け、その固定翼２５ａの枚数や形状を調整することで、流速分布をコントロールするようにしてもよい。
産業上の利用の可能性
以上のように、本発明に係る流れ計測装置は、流路内に区画形成された計測流路での計測で全体の流れを推測するようにしたので、計測部の小型、コンパクト化が促進されるとともに、消費電力も大いに低減することができるもので、ガスのような気体流体から液体流体まで多用途計測に適用できる。

超音波を利用して小流量（小流速）から大流量（大流速）の広範囲にわたり流体の流れを計測するものとして、従来は、図８に示すように、流体を流す流入路１と流出路２との間を複数の流路３に分岐するとともに、それぞれの流路３には開閉手段４を接続していた（特開平１１−２８７６７６号）。そして、各流路３にそれぞれ配置した計測手段５の計測結果にもとづいて流体の流量およびまたは流速を計測していた。

さらに、各開閉手段４と各計測手段５は制御手段６によって制御されていた。ここで、制御手段６には電源供給手段７より電力供給される。

前記構成において、流路３は流量およびまたは流速によって切り換えられるもので、例えば、小流量では、１つの流路３のみを使用し、大流量では全ての流路３を使用して計測することで、小流量から大流量までの流量または流速の計測精度を高めるようにしていた。

また、図９に示すように、流路８に接続した小型メータ９の下流側を３つの流路１０、１１、１２に分岐し、それら各流路１０、１１、１２に大型の超音波計測計１３、１４、１５をそれぞれ備え付けたものも見受けられる（特開２００１−１３３３０８号）。この場合、小型メータ９には遮断弁１６を並列に接続している。

前記構成において、小流量（流速）時には遮断弁１６を閉じ、小型メータ９によって流れを計測し、大流量（流速）時には遮断弁１６を開いて流体をバイパス的に流し、下流側の超音波計測計１３、１４、１５によって計測するようにしていた。

更に、流量測定部を挟んで配置された第一の超音波振動子と、第二の超音波振動子と、振動子の信号を基に流量を算出する流量演算部とを備え、さらに流量測定部を仕切板により層状に区切られた複数の流路を備えている超音波式流量計が、特開平９−４３０１５号公報に開示されている。流路を複数の層状に分割するのは、二次元性の向上により計測精度を向上するためである。

発明が解決しようとする技術的課題

しかしながら、先ず前記従来の構成では、多くの計測計を配置しなければならず、本体が大きくなるという課題があった。

また、切り換えて使用することで制御が複雑となり、更に、消費電力を多く使用してしまうという課題があった。

更に、流量測定部を挟んで配置された第一の超音波振動子と、第二の超音波振動子と、振動子の信号を基に流量を算出する流量演算部とを備え、流量測定部が仕切板により層状に区切られた複数の流路を備えている超音波式流量計は、流路の大きさ（断面）が第一と第二の超音波振動子の性能による制約を受けると言える。つまり、プラント配管のように、超音波振動子の寸法に比べて大きな口径の配管の流路では、第一と第二の超音波振動子の設置距離を長くすると、Ｓ／Ｎ比が低下してしまい、計測精度が低下してしまうため、第一と第二の超音波振動子の設置距離には限界がある。しかも、第一と第二の超音波振動子は流路の側壁に設けられる（図２）ため、流路は所定の大きさ（断面）以下でなければならないことになる。

本発明は、流れ計測装置において、計測計を流路内に内蔵することで小型化すること、及び、流路の一部の計測流路で計測して消費電力を低減することを目的とする。

その解決方法

前記課題を解決すべく本発明は、流路内に区画形成された計測流路と、この計測流路を流れる流体の流速を計測するために配設された少なくとも一対の超音波送受信手段と、その超音波送受信手段による計測結果に基づき計測流路を含む流路全体の流体の総流量およびまたは平均流速を推測する推測手段とを具備した構成とした。

従来技術より有効な効果

本発明に係る流れ計測装置では、流路内にマトリクス状に区画形成された計測流路での計測で全体の流れを推測するようにしている。従って、計測部の小型、コンパクト化が促進されるとともに、消費電力も大いに低減することができる。

本発明に係る流れ計測装置は、流路内にマトリクス状に区画形成された計測流路と、この計測流路を流れる流体の流速を計測するために配設された少なくとも一対の超音波送受信手段と、前記超音波送受信手段による計測結果にもとづき計測流路を含む流路全体の流体の総流量または平均流速を推測する推測手段とを具備した構成としたものである。

したがって、計測部分の小型化、コンパクト化が促進できるとともに、消費電力も低減できる。

前記流れ計測装置において、流路が複数の小流路にマトリクス状に分割され、それら小流路のうちの一つが、前記計測流路として利用される。前記計測流路は、流路の中心領域に配置されるのが好ましい。配管作業性などを考慮し、高い計測精度を維持するには、流路の横断面形状を円形状に、計測流路の横断面形状を矩形形状に、それぞれ形成するのが好ましい。

更に、前記小流路を略正方形状とすれば、各小流路に流体が均等に流れるようになる。従って、かような流れ計測装置において、代表流路として計測流路を計測すれば全体の流量を精度よく推測することができる。

そして、流路の計測流路より上流側に流体の整流を行う整流手段を配置することで、計測流路と流路全体との間の流速分布のばらつきを抑制できる。さらに、計測流路の流入口側に第２の整流手段を配置すれば、計測のさらなる高精度化が図れる。

また、前記整流手段の代わりに偏向手段を設け、その偏向手段が、旋回方向に流れを導く固定翼を含むようにすることで、特定の流速時に流れが流路壁面に付着して流速分布が不均一になる現象を防止する効果がある。そうすると、本発明に係る流れ計測装置では、広い範囲にわたる流量を安定して精度よく計測できることになる。

また、超音波送受信手段間の超音波伝搬時間を計測する計時手段およびこの計時手段からの出力に基づいて流体の総流量または平均流速を推測する推測手段を流路外に配置し、前記計時手段と超音波送受信手段とを連絡する配線を複数の小流路に分割する仕切板に沿って導出すれば、この配線が流れを妨げることは殆ど無い。更に、接続端子で配線をシールすることで流体の漏れを防止することができる。

さらに、消費電力が小さいため、電池を電源としても長期間にわたり安定した性能を発揮させることができる。

以下では、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。

第１の実施の形態

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る流れ計測装置の流路縦断面図とブロック図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る流れ計測装置の流路横断面図である。

図１、図２において、流路１７内にマトリクス状に区画形成された計測流路１８の対向する側面１９には超音波を送受信する一対の超音波送受信手段２０、２１が配置されている。

流路１７の横断面は、円形状が好ましい。更に、流路１７の内部を仕切板３０により区画して横断面が略正方形状である小流路２９を複数形成し、それらのうち中央部に位置する一つの小流路２９を計測流路１８として設定するのが好ましい。

前記超音波送受信手段２０、２１間の超音波の伝搬時間に係る信号は、配線２７を介して計時手段２２に送られ、その計時手段２２により伝搬時間が計時される。計時手段２２により計時される伝搬時間に係る信号は推測手段２３に入力される。

推測手段２３は、前記伝搬時間に係る信号から算出される計測流路１８の流体流速を流路１７の平均流速と見なし、これを基に前記流路１７の総流量を推測する。

電池２４は、計時手段２２および推測手段２３などの電源である。

流路１７の前記計測流路１８より上流側には、流体の流れを整流する格子状の整流手段２５が配置してある。

流路１７は、フランジ２６により前後の管などに接続する。流路１７内の配線２７と流路１７外の配線２７は、接続端子２８にて繋がっている。接続端子２８は流路１７の管壁でシール（例えば、ハーメチックシール）された上で配線２７と接続しているので、流路１７からの漏れは防止される。

ここで、配線２７と接続端子２８ははんだ接続とし、電気接点のスパークによる火花が発生しないようにしてガスなどの流体計測にも使用できるような構成とするのが好ましい。

前記第１の実施の形態の構成において、超音波送受信手段２０、２１を介して計測流路１８内の流体の流速を計測する。即ち、超音波が伝搬する時間を計時手段２２で計測し、この時間値を基に計時手段２２は流路１７全体の平均流速と見倣す数値を計算する。例えば、計時手段２２は、上流側の超音波送受信手段２０からの伝搬時間と下流側からの伝搬時間の逆数差から算出する方法により、計測流路１８の流体流速の値を求める。そして、推測手段２３は、この流速値から、あらかじめ検定して求めておいた流量変換定数によって流路１７の全体を流れる流量を推測し総流量を求めることとしている。

第１の実施の形態に係る流れ計測装置では、流路１７内をマトリクス状に区画して、その一部にて計測流路１８を形成しているので、装置全体が非常に小さく構成され得る。

また、１つの計測流路１８で計測するので、計測に要する電力を少なく抑えることができる。更に、第１の実施の形態の流れ計測装置では、流路切換えなどの手段を含まないので、切換え作用を行う遮断弁なども不必要であり、この結果、電力使用を抑制することができる。これらのことから、電気容量の小さい電池２４を使用することができ、屋外など電源が供給されていないような場所にも本発明に係る流れ計測装置を設置することができる。

また、流路１７を複数の小流路２９にマトリクス状に分割して、その一つを計測流路１８として設定していることから、大きな面積の流路を一対の超音波送受信手段で計測するよりも、計測精度が向上し、精度の高い平均流速および総流量を推測することができる。

さらに加えて、計測流路１８以外の小流路２９のなるべく多くが、この計測流路１８とほぼ同等の断面積となるように区画されることが好ましい。けだし、計測流路１８での計測値が全体をより適切に代表する計測データとなり、従って一層計測精度が向上するからである。更に、小流路２９を略正方形状とすれば、各流路により均等に流体が流れるようになるため、代表流路として計測流路１８を計測すれば、全体の流量を精度よく推測することができるようになる。

なお、前記のように略正方形状で小流路２９に区画すると、流路１７周縁の一部で半端な微小流路が発生することがある。その場合、その部分を区画せずに、図３に示すように近接する小流路と結合して一つの小流路２９ａとしてもよい。

整流手段２５は、その下流側近傍の流速分布を横断面上の位置に拘わらず略均等化する手段である。整流手段２５は、例えば、格子状の流れ抵抗体であればよい。整流手段２５は計測流路１８の上流側に配置されており、各小流路２９はその均等な流速分布を備える流れを分割して受けることで、各小流路２９には均等な流速の流体が流れることになる。

また、前記各仕切板３０を計測流路１８と同じ長さとすることは、上流側の流れを各小流路２９においてほぼ均等な流速で流すことに寄与する。

従って、計測流路１８内にも、均等な流速の流体の分割された一部が流入する。流入する流れは、全体の流れを適切に代表する流れと言えるので、計測流路１８の計測値を流路１７の代表値とすることが適切であると言える。即ち、整流手段２５を設けることは、推測の精度を向上し得ることになる。

整流手段２５の下流側端から小流路２９までの距離は、整流手段２５の格子幅の数倍程度に設定するのが好ましい。

なお、前記整流手段２５は、例えば格子状の流れ抵抗体であると述べたが、目の細かい金網であってもよい。また、格子状の流れ抵抗体と金網とを組み合せたものであってもよい。

計測流路１８は、複数の仕切板３０を利用して形成されるため、流路１７の中央位置でも安定して保持されることができる。

一方、計測流路１８を流路１７のほぼ中央に配置することで、安定した流速（分布）の流れを計測することができ、従って高い計測精度で計測することができる。

しかも、計測流路１８を流路１７内の略中央部に内蔵することで、外部の環境の影響を少なくすることができる。例えば、外部の温度変化に対しても計測流路１８は影響をあまり受けず、安定した精度の高い計測を行うことができる。

内蔵している超音波送受信手段２０、２１の配線２７を仕切板３０に沿って配線することが好ましい。そうすると、超音波送受信手段２０、２１を配置する際に、流体の流れに極力妨げを与えないからである。

第１の実施の形態に係る流れ計測装置において、流路１７の横断面が円形状であるから、ガス管などの既設配管との接続が容易である。それと共に、計測流路１８そのものは矩形であるから、流速分布の影響を少なくして計測することができ、計測精度の向上が図れる。

ところで、超音波送受信手段２０、２１を配置した部分では、流れが乱れる可能性があるので、当該超音波送受信手段２０、２１の収納部を（例えば、適切な充填部材により）閉塞した状態にしてもよい（図６、図７参照）。但し、このとき、流路１７全体の断面積が実質的に減少するので、下流において圧力損失が生じることがある。その圧力損失に対処するために、このような場合には、図１に示される流路１７の内壁のようなフラットな流路壁面ではなく、特に整流手段２５の直ぐ上流にて次第に横断面積が拡大するような傾斜が備わる管壁の構成にすればよい。

第２の実施の形態

図４は、本発明の第２の実施の形態に係る流れ計測装置の流路縦断面図とブロック図である。図５は、本発明の第２の実施の形態に係る流れ計測装置の流路横断面図である。（１）は（後で説明する）偏向手段部分での横断面図であり、（２）は（１）の横断面の逆（裏）の方向から見た横断面図である。第２の実施の形態に係る流れ計測装置は、第１の実施の形態に係る流れ計測装置と略同様である。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態では、図１に示される整流手段２５の代わりに、固定翼２５ａを含む偏向手段が設定されている。図５に示すように、偏向手段には、旋回方向に流れを導く固定翼２５ａが設けられている。なお、固定翼２５ａの表裏面は曲面で構成されているのが好ましい。

前述のように、流れ計測装置による圧力損失を低減するため、流れ計測装置の流入口付近で管断面積が徐々に拡大するように設計することがある。その場合、特定の流速時に流れが流路壁面に付着して流速分布が不均一になりやすいことが指摘されている。

そこで、図４のように、旋回方向に流れを導く固定翼２５ａを含む偏向手段（図５参照）を流路に設けると、特定の流速時に流れが流路壁面に付着して流速分布が不均一になることが、防止される。従って、第２の実施の形態に係る流れ計測装置を用いれば、広い流量範囲にわたって安定して精度よく計測・推測することができる。

第３の実施の形態

図６は、本発明の第３の実施の形態に係る流れ計測装置の流路縦断面図とブロック図である。図７は、本発明の第３の実施の形態に係る流れ計測装置の流路横断面図である。第３の実施の形態に係る流れ計測装置は、第１の実施の形態に係る流れ計測装置と略同様である。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略する。

図６と図７に示される第３の実施の形態に係る流れ計測装置において、計測流路１８の上流側の流入口付近に、第２の整流手段３１が配置されている。ここで、超音波送受信手段２０、２１は、収納部３２に収納されており、この収納部３２には流体が流入しないようにされている（例えば、適切な充填部材により隙間が埋められている）。収納部３２の外側には勿論、小流路３３が存在する。

前記のように計測流路１８の流入部に第２の整流手段３１を配置すると、計測流路１８内の流速分布がより一層均一になされ、流路１７の平均流速が確実に測定され得ることになる。したがって、全体の総流量の推測も高精度の下で行われることとなる。

また、第２の整流手段３１の流れ抵抗と、計測流路１８周辺の小流路３３の流れ抵抗とのバランスをとることで、低流量時から大流量時にわたって推測に用いる流量変換定数をほぼ一定値とすることができる。

すなわち、小流量時には、流路の中央部の流速が速く周辺が遅くなるので、どうしても計測流路１８へ速い流速が流入しがちであるが、第２の整流手段３１が抵抗になって流れ込みを抑制し、結局、計測流路１８と周辺の小流路３３とに同等の流速の流体が流れることになる。

また、大流量時には、第２の整流手段３１の抵抗により流れが周囲に偏りがちであるとも言えるが、周囲の小流路３３の面積が収納部３２によって小さくされているので、その偏りが抑制され得ることになり、結局、計測流路１８に相当量の流体が流れ込んでくることになる。

よって、小流量から大流量までの幅広い流量範囲にわたって、小流路３３と計測流路１８の流速バランスをほぼ均等に保つことができるので、流量変換定数をほぼ一定値としても構わないことになる。

このように、流量変換定数を一定値としても構わないのであれば、流量変換定数を流量ごとに調整する必要がなくなり、従って演算が軽減され消費電力が低減される。また、流量変換定数を一定値としても構わないということは、流体の種類による影響が小さいということであり、即ち、空気やガスの違いによる流量変換定数を用意する必要がないという効果に繋がるということになる。

なお、第１の実施の形態で説明した整流手段２５を取付け、その整流格子２５の格子の大きさに分布を持たせることで流速分布をコントロールし、計測流路１８に流れ込む流速をほぼ一定にするようにコントロールすることもできる。即ち、例えば、整流手段２５の中心部分に間隔のやや狭い格子を配置し、周縁部分に間隔のやや広い格子を配置すれば、中心部分の流速分布を相対的に遅く周縁部分の流速を相対的に速く調整できる。第２の実施の形態で説明した偏向手段を取り付け、その固定翼２５ａの枚数や形状を調整することで、流速分布をコントロールするようにしてもよい。

産業上の利用の可能性

以上のように、本発明に係る流れ計測装置は、流路内に区画形成された計測流路での計測で全体の流れを推測するようにしたので、計測部の小型、コンパクト化が促進されるとともに、消費電力も大いに低減することができるもので、ガスのような気体流体から液体流体まで多用途計測に適用できる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る流れ計測装置の流路縦断面図とブロック図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る流れ計測装置の流路横断面図である。図３は、本発明の第１の実施の形態に係る流れ計測装置を更に改良したものの流路横断面図である。図４は、本発明の第２の実施の形態に係る流れ計測装置の流路縦断面図とブロック図である。図５は、本発明の第２の実施の形態に係る流れ計測装置の流路横断面図である。（１）は偏向手段部分での横断面図であり、（２）は（１）の横断面の逆（裏）の方向から見た横断面図である。図６は、本発明の第３の実施の形態に係る流れ計測装置の流路縦断面図とブロック図である。図７は、本発明の第３の実施の形態に係る流れ計測装置の流路横断面図である。図８は、従来技術による流量計の構成図である。図９は、従来技術による流量計の構成図である。

Claims

流路内に区画形成された計測流路と、前記計測流路を流れる流体の流速を計測するために配設された少なくとも一対の超音波送受信手段と、前記超音波送受信手段による計測結果に基づき計測流路を含む流路全体の流体の平均流速および総流量を推測する推測手段とを具備した流れ計測装置。
前記流路を複数の小流路に分割し、これら小流路の一つを前記計測流路に設定した請求項１に記載の流れ計測装置。
前記小流路がマトリクス状に分割された請求項２に記載の流れ計測装置。
前記流路の中心領域に前記計測流路を位置させた請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の流れ計測装置。
前記超音波送受信手段間の超音波伝搬時間を計測する計時手段およびこの計時手段からの出力に基づいて流体の平均流速および総流量を推測する前記推測手段を流路外に配置し、前記計時手段と前記超音波送受信手段とを連絡する配線を複数の前記小流路に分割する仕切板に沿って導いた請求項２〜４のうちのいずれか１項に記載の流れ計測装置。
前記流路の前記計測流路より上流側に流体の整流を行う整流手段を配置した請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の流れ計測装置。
前記計測流路の流入口側に流体の整流を行う第２の整流手段を配置した請求項６に記載の流れ計測装置。
前記流路の横断面形状を円形状に、前記計測流路の横断面形状を矩形形状に、それぞれ形成した請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の流れ計測装置。
電池を電源とする請求項１〜８のうちいずれか１項に記載の流れ計測装置。
前記小流路の横断面形状を略正方形状とした請求項２または請求項３に記載の流れ計測装置。
前記整流手段の代わりに偏向手段を設け、前記偏向手段は、旋回方向に流れを導く固定翼を含む請求項６に記載の流れ計測装置。