JPWO2012137489A1 - 超音波流量計測装置 - Google Patents

Abstract

超音波流量計測装置であって、被計測流体が流れる計測流路と、計測流路に形成された開口部、および、開口部に連通したセンサ取付け窪み（１０，１１）を有するセンサ取付け筐体（７）とを備えている。また、センサ取付け窪み（１０，１１）に配置され、被計測流体の流速を測定する一対の超音波センサと、一対の超音波センサ間の超音波の伝搬時間に基づいて流量を検出する流量計測部とを備えている。さらに、開口部に設けられ、センサ取付け窪み（１０，１１）への被計測流体の流入を抑制する抑制体（２０）を備え、抑制体（２０）は、センサ取付け筐体（７）と一体成形されている。

Description

本発明は、ガス等の流量を計測する超音波流量計測装置に関する。

従来の超音波流量計測装置について説明する。

図１４は、従来の超音波流量計測装置１００の断面構成を示す図である。

図１４に示すように、超音波流量計測装置１００は、被計測流体を一方から他方に流す流量測定管１２１を備えている。また、流量測定管１２１を挟んで対向し、かつ、中心線に対して所定角度傾けて、上流側に超音波センサ１２２ａが、下流側に超音波センサ１２２ｂが、それぞれ設けられている。

超音波センサ１２２ａ，１２２ｂは、流量測定管１２１に設けられた凹部１２５ａ，１２５ｂに配置されている。凹部１２５ａ，１２５ｂの内部空間には、バルク状の超音波透過部材１２３ａ，１２３ｂが設けられており、被計測流体の凹部１２５ａ，１２５ｂへの進入を防止して流量計測を行っていた（例えば、特許文献１を参照）。

また、図１５は、従来の超音波流量計測装置１５０の他の例の断面構成を示す図である。図１５に示すように、超音波流量計測装置１５０も、超音波センサ１２２ａ，１２２ｂの取付けられた凹部１２５ａ，１２５ｂを備えている。凹部１２５ａ，１２５ｂにおける、超音波が流路へ出る開口部には、被計測流体がセンサ側に流れ込むことを規制するための抑止部材１２４ａ，１２４ｂが配置されている（例えば、特許文献２を参照）。

しかしながら、上述した従来の構成においては、被計測流体の凹部１２５ａ，１２５ｂへの流れ込みを抑止するために、超音波透過部材１２３ａ，１２３ｂや抑止部材１２４ａ，１２４ｂを設けている。これにより、流量測定管１２１の計測部（超音波の伝搬路）および、凹部１２５ａ，１２５ｂでの被計測流体の流れの乱れが小さくなり、計測精度の悪化が低減される。しかしながら、別途部材を必要とするために、材料費や工数の増加によりコストが上がるという課題がある。

さらに、超音波センサ１２２ａ，１２２ｂにおける超音波の受信レベルが低下するため、超音波センサ１２２ａ，１２２ｂの駆動入力を低減し難いという課題がある。このため、都市ガスやＬＰＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｇａｓ）のような家庭用の燃料ガスを計量するガスメータのように、僅かの電池容量で、例えば１０年という長期間にわたって使用し続ける際には、低電力化が難しいという課題もある。

特開昭６３−２６５３７号公報 特開２００４−１０１５４２号公報

本発明は、上述した従来の課題に鑑みてなされたものであり、コストアップを抑えつつ、測定精度の安定化および低電力化を実現する超音波流量計測装置を提供するものである。

本発明の超音波流量計測装置は、被計測流体が流れる計測流路と、計測流路に形成された開口部、および、開口部に連通したセンサ取付け窪みを有するセンサ取付け筐体とを備えている。また、センサ取付け窪みに配置され、被計測流体の流速を測定する一対の超音波センサと、一対の超音波センサ間の超音波の伝搬時間に基づいて流量を検出する流量計測部とを備えている。さらに、開口部に設けられ、センサ取付け窪みへの被計測流体の流入を抑制する抑制体とを備え、抑制体は、センサ取付け筐体と一体成形されている。

この構成により、センサ取付け筐体を成型する時に、センサ取付け窪みへの流れ込みを規制する抑制体も同時に成型されるため、別部材を設けてコストアップになることや組立工数を増やす事が無く、センサ取付け窪みに発生する被計測流体の乱れを抑制し、測定精度の安定化および低電力化を実現することができる。

図１は、本発明の実施の形態における超音波流量計測装置の構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態における流量計測ユニットの断面図である。 図３は、本発明の実施の形態における、超音波による流量計測動作を説明するための図である。 図４は、本発明の実施の形態における流量計測ユニットの構成を示す分解斜視図である。 図５は、本発明の実施の形態における、センサ取付け筐体を成型加工する金型の構成を示す斜視図である。 図６は、本発明の実施の形態における、超音波伝搬部の開口部に抑制体が無い場合の被計測流体の流れの流体解析の結果を示す図である。 図７は、本発明の第１の実施の形態におけるスライダ型の構成を示す斜視図である。 図８は、本発明の第１の実施の形態におけるセンサ取付け筐体の構成を示す斜視図である。 図９は、本発明の第１の実施の形態における、センサ取付け筐体とスライダ型との関係を示す図である。 図１０は、本発明の第１の実施の形態における、抑制体の効果を示す流体解析の結果を示す図である。 図１１は、本発明の第２の実施の形態におけるスライダ型の構成を示す斜視図である。 図１２は、本発明の第２の実施の形態におけるセンサ取付け筐体の構成を示す斜視図である。 図１３は、本発明の第２の実施の形態における、別の例の超音波流量計測装置の断面構成を示す図である。 図１４は、従来の超音波流量計測装置の断面構成を示す図である。 図１５は、従来の超音波流量計測装置の他の例の断面構成を示す図である。

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、これら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。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における超音波流量計測装置５０の構成を示す断面図である。図１において、白抜きの矢印は、流体（被計測流体）の流れを示している。

図１に示したように、超音波流量計測装置５０は、流体供給路３を備えている。流体供給路３は、流路の途中に、ステッピングモータ等の電磁装置を含む駆動部４ａと、駆動部４ａと連係した弁体４ｂとを含み、弁体４ｂによって開閉される遮断弁４を有する。遮断弁４が開放状態においては、流体供給路３より被計測流体がメータ筐体２内部に流出される。超音波流量計測装置５０は、被計測流体が流れる計測流路１を備えている。計測流路１は、断面が長方形等の矩形で構成されている。メータ筐体２内部に充満した被計測流体は、計測流路１の入口側１ａから計測流路１に流入し、さらにはその下流側１ｂに接続された流体流出路６を経てメータ筐体２外部へと流出する。

なお、遮断弁４は、流体流動に異常があった時や、感震器（図示せず）等により地震が検知されたとき等に閉じるように設定されている。遮断弁４が閉じた状態においては、被計測流体が流体供給路３からメータ筐体２内部に流出しない。

超音波流量計測装置５０は、流量計測ユニット２６を備えている。図２は、本発明の実施の形態における流量計測ユニット２６の断面図である。

計測流路１が断面長方形の場合、例えばその短辺側に、センサ取付け筐体７が接続されている。センサ取付け筐体７には、流速検知部を構成する一対の超音波センサ８，９が、超音波を対向壁５２で反射して送受信するように配置されている。超音波センサ８，９は、計測流路１に対して斜めに設けたセンサ取付け窪み１０，１１に配置されている。超音波センサ８，９間で、センサ取付け筐体７の計測流路１に形成された開口部１２，１３を通して、計測流路１内での超音波の伝搬が行われる。開口部１２，１３には、センサ取付け窪み１０，１１への被計測流体の流入を抑制する抑制体２０（図８参照）が設けられている。抑制体２０の構成や作用については、後述するが、抑制体２０は、センサ取付け筐体７と一体成型されている。センサ取付け窪み１０，１１は、開口部１２，１３に連通している。

なお、一対の超音波センサ８，９の配置は上述の例に限定されない。超音波センサ８，９は、計測流路１の同一側面に設置され、対向側の壁面での反射を利用した超音波の伝搬路が構成されればよい。これにより、計測流路１の小型化が可能となる。

超音波センサ８，９の駆動、超音波の伝搬時間の測定、および、流量の検出、さらに、異常時の遮断弁４の駆動は、制御部５（図１参照）によって行われる。

次に、超音波流量計測装置５０を用いた、超音波による流量計測動作を説明する。図３は、本発明の実施の形態における、超音波による流量計測動作を説明するための図である。

本実施の形態においては、一対の超音波センサ８，９をユニット化するために、計測流路１の矩形断面の同一面上に、超音波センサ８，９を配置している。

このため、超音波の送受信の伝搬経路は、対向壁５２で反射させたＶ字型の伝搬路となり、上流側と下流側に配置された一対の超音波センサ８，９間で、超音波の送受信が行われる。

このような構成において、上流側の超音波センサ８から発せられた超音波が、下流側の超音波センサ９で受信されるまでの伝搬時間Ｔ１を計測する。一方、下流側の超音波センサ９から発せられた超音波が上流側の超音波センサ８で受信されるまでの伝搬時間Ｔ２を計測する。

このようにして測定された伝搬時間Ｔ１およびＴ２を基に、以下の演算式により、流量計測部として機能する制御部５の演算部で流量が算出される。流量計測部は、一対の超音波センサ８，９間の超音波の伝搬時間に基づいて、被計測流体の流量を検出する。

計測流路１の流動方向の被計測流体の流速をＶとする。また、図３に示したように、計測流路１の流動方向と超音波伝搬路とのなす角度をθとし、超音波センサ８，９間の超音波伝搬路の距離を２×Ｌ、被測定流体の音速をＣとすると、流速Ｖは以下の式にて算出される。

Ｔ１＝２×Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） 式（１）
Ｔ２＝２×Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） 式（２）
式（１）および式（２）において、Ｔ１の逆数からＴ２の逆数を引き算する式より音速Ｃを消去して、式（３）を得る。

Ｖ＝（２×Ｌ／２ｃｏｓθ）（（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２）） 式（３）
ここで、角度θおよび距離Ｌは既知なので、伝搬時間Ｔ１およびＴ２の値より流速Ｖを算出することができる。空気の流量を計ることを考慮して、角度θ＝４５度、距離Ｌ＝３５ｍｍ、音速Ｃ＝３４０ｍ／ｓ、流速Ｖ＝８ｍ／ｓと想定すると、Ｔ１＝２．０×１０^−４秒、Ｔ２＝２．１×１０^−４秒であり、瞬時計測が可能となる。

なお、超音波センサ８，９間の超音波伝搬路は、必ずしも上記したようなＶ字型の伝搬路に限定されない。例えば、それ以外の構成の伝搬路であっても、計測流路１を少なくとも一回以上横切り、流速の変化により超音波の伝搬時間が変化する伝搬路であれば、流速の計測は可能である。

次に、本発明の実施の形態におけるセンサ取付け筐体７の成型方法について説明する。

図４は、本発明の実施の形態における流量計測ユニット２６の構成を示す分解斜視図である。

図４に示すように、流量計測ユニット２６は、センサ取付け筐体７および計測流路１の、二つの成型部品によって構成されている。

図５は、本発明の実施の形態における、センサ取付け筐体７を成型加工する金型の構成を示す斜視図である。

図５に示したように、センサ取付け筐体７を成型加工する金型は、上型１４と下型１５とで構成されている。上型１４には、超音波センサ８，９を取付ける窪みを形成するためのスライダ型１６、１７が形成されている。センサ取付け窪み１０，１１および開口部１２，１３は、スライダ型１６，１７によって成型される。

ここで、本発明の実施の形態における、抑制体２０を有する超音波流量計測装置５０の作用および効果について説明する。

図６は、本発明の実施の形態における、超音波伝搬部の開口部１２に抑制体が無い場合の被計測流体の流れの流体解析の結果を示す図である。

図６に示したように、超音波センサ８と計測流路１との間の空間であるセンサ取付け窪み１０に大きな渦流れが発生している。この部分を超音波が伝搬するとき、超音波がこの渦流れに乱されるので、計測される伝搬時間に誤差が生じ、計測流路１を通過する流量の正確な測定が困難になる。

従来は、センサ取付け窪み１０の部分に被計測流体の流れが生じないようにするために、センサ取付け窪み１０の部分から計測流路１へと繋がる開口部分に、金網等の抑止部材を別途設けていた。しかしながら、この方法では、別部材からなる抑制部材を取付ける事が必要になるので、コスト削減および組立工数削減の観点から、できるだけ避けたいとの要望が強かった。

本発明の実施の形態におけるセンサ取付け筐体７は、成型による加工方法を用いて作製する。このとき、センサ取付けのためのセンサ取付け窪み１０，１１の部分も、センサ取付け本体を成型するための金型内にスライダ型１６，１７という補助型を挿入することで、一体的に加工するものである。

図７は、本発明の第１の実施の形態におけるスライダ型１６，１７の構成を示す斜視図である。また、図８は、本発明の第１の実施の形態におけるセンサ取付け筐体７の構成を示す斜視図である。

図７に示すように、スライダ型１６，１７の先端部分には、開口部１２、１３を形成するために下型１５と当接するための平坦部１８を有している。平坦部１８は、開口部１２，１３に接する計測流路１の壁面と同一平面となる平面で構成される。これにより、計測流路１の壁面と開口部１２，１３の抑制体２０との一体化がなされ、計測流路１内の流れをスムーズにでき、安定した流量計測を行うことが可能である。

また、平坦部１８には、複数の溝１９を、計測流路１内の被計測流体の流れに対して垂直な直線状に形成している。また、溝１９の深さ方向は、一対の超音波センサ８，９の超音波放出面に対して垂直な方向になるように構成されている。抑制体２０は、スライダ型１６，１７の先端部分に設けられた溝１９によって形成される。

これにより、図８に示すように、センサ取付け筐体７の成型時に、溝１９に筐体の構成材料が流れ込むことにより、一体的にセンサ取付け窪み１０の部分に被計測流体の流れ込みを抑止するための抑制体２０を形成することができる。また、被計測流体の流れ込みが極力抑えられるとともに、超音波伝搬の減衰に与える影響を小さくできる。

図９は、本発明の第１の実施の形態における、センサ取付け筐体７とスライダ型１６，１７との関係を示す図である。図９には、図８に示したセンサ取付け筐体７の断面構成と、スライダ型１６，１７の側面図との関係を示している。図９に示したように、スライダ型１６，１７によって成型することによって、センサ取付け筐体７の、スライダ型１６，１７に設けられた溝１９に対応した位置に、抑制体２０を構成することが可能となる。

図１０は、本発明の第１の実施の形態における、抑制体２０の効果を示す流体解析の結果を示す図である。

図１０に示したように、図６で示した開口部１２に抑制体２０を設けない状態と比較して、超音波センサ８のセンサ取付け窪み１０における、渦の発生等の流れの乱れが少なくなっている。なお、この抑制体２０の作用は、超音波センサ９のセンサ取付け窪み１１においても同様である。

以上述べたように、本実施の形態においては、センサ取付け筐体７の金型を作製する際、スライダ型１６，１７に溝形状を形成するだけで、センサ取付け窪み１０，１１の部分への被計測流体の流入の発生を抑止でき、測定精度を向上することができる。また、従来のように別部材を必要としないので、材料コストの低減および工数の低減を図ることができる。

（第２の実施の形態）
図１１は、本発明の第２の実施の形態におけるスライダ型３２の構成を示す斜視図である。図１２は、本発明の第２の実施の形態におけるセンサ取付け筐体７の構成を示す斜視図である。

本実施の形態における、超音波流量計測装置５０や金型の構成は、スライダ型３２の構成以外、第１の実施の形態と同じであるので、その説明を省略する。

本実施の形態では、図１１に示すようにスライダ型３２の先端部分に、格子状の溝３３を形成している。溝３３は、計測流路１内の流れに対して垂直方向に形成され、溝３３の深さ方向は、一対の超音波センサ８，９の超音波放出面に対して垂直になるよう構成されている。成型後の格子状の抑制体３４の開口方向を超音波センサ８，９の発信面に対して垂直とすることにより、開口部１２，１３で発生する渦等の流れの乱れが、より小さく分散され、被計測流体の流れ込みを、より性能良く規制することが可能である。

このスライダ型３２を用いて、第１の実施の形態と同様の方法でセンサ取付け筐体７を成型する。これにより、図１２に示すような、格子状の抑制体３４をセンサ取付け筐体７と一体に形成することができ、さらなるセンサ取付け窪み１０，１１部分の被計測流体の乱れを抑制する効果を得ることができる。

従来のように、別途、金網等の流れ込み抑制部材を必要とする場合には、計測流路１およびセンサ取付け筐体７の二部品構成が必須である。しかしながら、各実施の形態で述べたような成型加工を用いる場合には、別体の抑制部材を設ける必要がないので、センサ取付け筐体７および計測流路１の一体加工も可能となる。つまり、センサ取付け筐体７および計測流路１を一体構成とすることができる。よって、さらなる組立工数の低減が図れ、コストダウンが可能であるとともに、一体で加工できるため、組立による精度ばらつきが無くなり、より高精度の計測が可能となる。

なお、計測流路１の構成によっては、上記した構成の詳細な仕様が変更されることが考えられる。よって、本発明は、上述した実施の形態によって限定されるものではない。

図１３は、本発明の第２の実施の形態における、別の例の超音波流量計測装置５４の断面構成を示す図である。

図１３に示すように、超音波流量計測装置５４は、被計測流体を一方から他方に流す流量測定管２１（計測流路）を備えている。また、流量測定管２１を挟んで対向し、かつ、中心線に対して所定角度傾けて、上流側に超音波センサ２２ａが、下流側に超音波センサ２２ｂが、それぞれ設けられている。

超音波センサ２２ａ，２２ｂは、流量測定管２１に設けられた凹部（センサ取付け窪み）２５ａ，２５ｂに配置されている。この凹部２５ａ，２５ｂの流量測定管２１に接する開口部に、上述した抑制体２０，３４を流量測定管２１と一体に構成することも可能である。これにより、被計測流体の凹部２５ａ，２５ｂへの進入を防止して、高精度の流量計測を行うことが可能である。

以上述べたように、本実施の形態の超音波流量計測装置によれば、センサ取付け窪みに対する被計測流体の流れ込みを抑制する抑制体を、成型加工の時に筐体と同時に形成する。このため、安定した計測性能、低コスト化、および小型化を実現することができる。また、金網等を用いる従来の抑制部材と比較して、開口部の開口率を大きく構成することができる。このため、超音波が通過する際の邪魔になりにくく、超音波を送受信する際の感度低下も起こりにくい。よって、超音波センサの駆動入力を小さくすることが可能であり、低電力化が可能である。

以上述べたように、本発明によれば、コストアップを抑えつつ、測定精度の安定化および低電力化を実現するという格別な効果を奏することができる。よって、ガスメータをはじめとして種々な流体の流量を計測する超音波流量計測装置等として有用である。

１ 計測流路
１ａ 入口側
１ｂ 下流側
２ メータ筐体
３ 流体供給路
４ 遮断弁
４ａ 駆動部
４ｂ 弁体
５ 制御部
６ 流体流出路
７ センサ取付け筐体
８，９，２２ａ，２２ｂ 超音波センサ
１０，１１ センサ取付け窪み
１２，１３ 開口部
１４ 上型
１５ 下型
１６，１７，３２ スライダ型
１９，３３ 溝
２０，３４ 抑制体
２１ 流量測定管
２５ａ，２５ｂ 凹部
２６ 流量計測ユニット
５０，５４ 超音波流量計測装置
５２ 対向壁

Claims (7)

1. 被計測流体が流れる計測流路と、
   前記計測流路に形成された開口部、および、前記開口部に連通したセンサ取付け窪みを有するセンサ取付け筐体と、
   前記センサ取付け窪みに配置され、前記被計測流体の流速を測定する一対の超音波センサと、
   前記一対の超音波センサ間の超音波の伝搬時間に基づいて流量を検出する流量計測部と、
   前記開口部に設けられ、前記センサ取付け窪みへの前記被計測流体の流入を抑制する抑制体とを備え、
   前記抑制体は、前記センサ取付け筐体と一体成形された
   超音波流量計測装置。
2. 前記センサ取付け窪みおよび前記開口部はスライダ型で成型され、前記抑制体は、前記スライダ型の先端部分に設けられた溝によって形成される
   請求項１に記載の超音波流量計測装置。
3. 前記スライダ型の先端部分には、前記開口部に接する前記計測流路の壁面と同一平面となる平面を有する
   請求項１に記載の超音波流量計測装置。
4. 前記センサ取付け筐体および前記計測流路が一体構成である
   請求項１に記載の超音波流量計測装置。
5. 前記一対の超音波センサが、前記計測流路の同一側面に設置され、
   対向側の壁面での反射を利用した超音波の伝搬路が構成される
   請求項１に記載の超音波流量計測装置。
6. 前記スライダ型の先端部分に設けられた前記溝は、前記計測流路の流れに対して垂直方向に直線状に形成され、
   前記溝の深さ方向が、前記一対の超音波センサの超音波放出面に対して垂直になるよう構成される請求項２に記載の超音波流量計測装置。
7. 前記スライダ型の先端の溝は、格子状であり、
   前記溝は、前記計測流路内の流れに対して垂直方向に形成され、
   前記溝の深さ方向は、前記一対の超音波センサの超音波放出面に対して垂直になるよう構成される請求項２に記載の超音波流量計測装置。

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