KR20020071880A

KR20020071880A - 유량 계측 장치

Info

Publication number: KR20020071880A
Application number: KR1020027007227A
Authority: KR
Inventors: 신무라노리오; 이와나가시게루; 나가오카유키오
Original assignee: 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2002-09-13
Also published as: US20020178836A1; TW585995B; KR100495970B1; CN1217158C; US6694824B2; CN1395678A; WO2002031446A1

Abstract

유량 계측 장치는 유체가 유통하는 유로와, 상기 유로를 가로질러 전파되는 음파를 서로 송수신하는 한 쌍의 송수신기와, 상기 한 쌍의 송수신기에 의한 상기 음파의 송수신 결과에 기초하여 상기 유로를 유통하는 상기 유체의 유량을 산출하는 유량 산출 수단을 구비하고 있으며, 상기 유로는 대유량으로부터 소유량까지의 전유량 영역 사이에서 대략 같은 유속으로 상기 유체가 유통하는 등유속 영역을 가지고 있고, 상기 송수신기는 상기 음파가 상기 등유속 영역을 전파하도록 상기 음파를 송수신한다.

Description

유량 계측 장치{Flow measuring device}

도시 가스, LPG(액화 천연 가스)의 유량을 계측하기 위해서, 초음파를 이용한 유량 계측 장치가 널리 사용되고 있다. 특개평9-189589호 공보에는 초음파를 이용하여 유체의 유량을 계측하는 종래의 유량 계측 장치가 개시되어 있다. 도 40은 종래의 유량 계측 장치(900)의 종단면도이고, 도 41은 상기 유량 계측 장치(900)의 유로 구성을 도시하는 측면 단면도이다. 도 42는 도 40에 도시하는 화살표 A 방향에서 본 대유량시의 유로 구성을 도시하는 단면도이다. 상기 유량 계측 장치(900)는 계측 대상인 유체가 유통하는 유로(101)를 형성하는 유로벽(105)을 갖고 있다. 상기 유로벽(105)은 도 41에 도시하는 바와 같이, 한 쌍의 긴변(108A) 및 짧은 변(108B)을 갖는 직사각형의 유로 단면(108)을 형성하고 있다. 상기 유로벽(105)의 한 쌍의 짧은 변(108B)의 각각에는 유로(101)를 가로질러 전파되는 초음파를 송수신하는 대략 직방체형상의 한 쌍의 송수신기(131)가 유로(101)의 상류측과 하류측에 각각 배치되어 있다. 각 송수신기(131)에는 유로(101)를 가로질러 전파되는 초음파를 송수신하는 직사각형의 송수신면(132)이 형성되어 있고,상기 송수신면(132)에서의 유로벽(105)의 짧은 변(108B) 방향을 따르는 길이는 유로벽(105)의 짧은 변(108B)의 길이와 거의 동일하고, 각 송수신기(131)는 상기 짧은 변(108B)과 정합(整合)하도록 배치되어 있다.

유량 계측 장치(900)에는 한 쌍의 송수신기(131)에 의한 초음파의 송수신 결과에 기초하여, 유로(101)를 유통하는 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부(123)가 설치되어 있다. 상기 유량 산출부(123)는 한 쌍의 송수신기(131)에 접속된 계측 제어부(124)와, 상기 계측 제어부(124)에 접속된 연산부(125)를 갖고 있다.

이러한 구성을 갖는 유량 계측 장치(900)에 있어서는 계측 대상인 유체가 유로(101)를 유통하면, 상류측의 송수신기(131)로부터 송신된 초음파는 유체의 유통 방향에 대하여 경사지게 유로(101)를 횡단하도록 전파하여 하류측의 송수신기(131)에 도달한다. 반대로, 하류측의 송수신기(131)로부터 송신된 초음파는 유체의 유통 방향에 대하여 경사지게 유로(101)를 횡단하도록 전파하여 상류측의 송수신기(131)에 도달한다. 계측 제어부(124)는 상류측의 송수신기(131)로부터 송신된 초음파가 하류측의 송수신기(131)에 도달하기까지의 제 1 전파 시간과, 하류측의 송수신기(131)로부터 송신된 초음파가 상류측의 송수신기(131)에 도달하기까지의 제 2 전파 시간을 계측한다. 유로(101)에 유체가 유통할 때는 상기 제 1 전파 시간과 제 2 전파 시간이 서로 상이하다. 연산부(125)는 상기 계측 제어부(124)에 의해 계측된 제 1 전파 시간과 제 2 전파 시간에 기초하여 유로(101)를 유통하는 유체의 유량을 산출한다.

대유량으로 유체가 유로(101)를 유통할 때의 유로 단면(108)에 따른 대유량유속 분포 R은 도 42에 도시하는 바와 같이, 유로 단면(8)을 따라서 유속이 거의 한결같이 되어 있다. 소유량으로 유체가 유로(101)를 유통할 때의 유로 단면(108)을 따른 소유량 유속 분포 S는 도 40에 도시하는 바와 같이, 유로벽(105)에 근접할 수록 유속이 작아지고 중앙에서 유속이 최대가 되는 포물선 형상이 된다. 송수신기(131)의 송수신면(132)의 유로벽(105)의 짧은 변(108B) 방향을 따른 길이는 유로벽(105)의 짧은 변(108B)의 길이와 거의 동일이고, 각 송수신기(131)는 상기 짧은 변(108B)과 정합하도록 배치되어 있으므로, 짧은 변(108B) 방향을 따른 유로(101)의 전체에 걸쳐 초음파를 송수신한다. 이 때문에, 대유량 유속 분포 R 및 소유량 유속 분포 S의 전체를 계측할 수 있다.

그러나, 계측 대상인 유체의 유량의 범위가 넓어진 결과, 보다 큰 유량이 유로(101)를 유통하게 되면, 유로 단면(108)도 크게 해야 하므로, 이에 따라 송수신기(131)의 송수신면(132)도 크게 하지 않으면 안된다. 그러면, 보다 큰 송수신면(132)을 갖는 송수신기(131)를 제작해야 하기 때문에, 비용이 높아진다고 하는 문제가 있다.

유로 단면(108)의 짧은 변(108B)의 방향을 따른 송수신면(132)의 치수를 짧은 변(108B)보다 작게 하면, 소유량 유속 분포 S의 전체를 계측할 수 없기 때문에, 상기 소유량 유속 분포 S 전체에 기초한 참(眞) 유량(평균 유량)을 얻기 위해서는 제 1 전파 시간과 제 2 전파 시간에 기초하여 산출한 유체의 유량을, 상기 유량에 따른 보정 계수에 기초하여 보정할 필요가 생긴다. 대유량 유속 분포 R에 관해서도 마찬가지로, 대유량 유속 분포 R의 전체를 계측할 수 없기 때문에, 평균 유속을얻기 위해서는 산출한 유량을 보정 계수에 기초하여 보정하지 않으면 안된다. 상기 보정 계수는 소유량 영역과 대유량 영역에서 크게 상이하고, 소유량 영역으로부터 대유량 영역으로 천이하는 천이 영역에서 크게 변화한다. 이 때문에, 상기 소유량 영역으로부터 대유량 영역으로 천이하는 천이 영역에서의 유량의 측정치에 약간의 오차가 있으면, 상기 천이 영역에서 크게 변화하는 보정 계수에 의해서 상기 약간의 오차가 확대되는 결과, 천이 영역에서의 유량의 측정 정밀도가 악화된다는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것이고, 그 목적은 광범위한 유량을 고정밀도로 측정할 수 있는 유량 계측 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은 소유량 영역으로부터 대유량 영역으로 천이하는 천이 영역에서의 보정 계수의 변화를 작게 할 수 있는 유량 계측 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명은 유량 계측 장치에 관한 것으로, 특히 초음파를 이용하여 유체의 유량을 계측하는 유량 계측 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 기본 원리의 설명도.

도 2a는 실시예 1에 따른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 2b는 실시예 1에 따른 유량 계측 장치의 유로 구성을 도시하는 측면 단면도.

도 3은 도 2a에 도시하는 화살표 A 방향에서 본 소유량시의 유로 구성을 도시하는 단면도.

도 4는 도 2a에 도시하는 화살표 A 방향에서 본 대유량시의 유로 구성을 도시하는 단면도.

도 5는 실시예 1에 따른 유량 계측 장치에서의 유량과 보정 계수의 관계를 도시하는 그래프.

도 6은 실시예 1에 따른 유량 계측 장치에서의 다른 송수신기의 구성도.

도 7은 실시예 1에 따른 다른 유량 계측 장치의 구성도.

도 8은 실시예 1에 따른 다른 유량 계측 장치의 유로 구성을 도시하는 측면 단면도.

도 9는 실시예 1에 따른 또다른 유량 계측 장치의 구성도.

도 10은 실시예 2에 따른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 11은 실시예 2에 따른 유량 계측 장치의 횡단면도.

도 12는 실시예 2에 따른 유량 계측 장치에서의 대유량시의 유속 분포를 도시하는 종단면도.

도 13은 종래의 유량 계측 장치에서의 유량과 보정 계수와의 관계를 도시하는 그래프.

도 14는 실시예 2에 따른 유량 계측 장치에서의 유량과 보정 계수와의 관계를 도시하는 그래프.

도 15는 실시예 2에 따른 다른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 16은 실시예 2에 따른 또다른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 17은 실시예 2에 따른 또다른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 18은 실시예 2에 따른 또다른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 19는 실시예 2에 따른 또다른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 20은 실시예 2에 따른 또다른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 21은 도 20에 도시하는 또다른 유량 계측 장치의 송수신기의 상세한 구성을 도시하는 종단면도.

도 22는 실시예 3에 따른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 23은 실시예 3에 따른 유량 계측 장치의 횡단면도.

도 24는 실시예 3에 따른 유량 계측 장치에서의 대유량시의 유속 분포를 도시하는 종단면도.

도 25는 실시예 3에 따른 다른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 26은 실시예 3에 따른 또다른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 27은 실시예 3에 따른 또다른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 28은 실시예 3에 따른 또다른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 29는 실시예 3에 따른 또다른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 30은 실시예 3에 따른 또다른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 31은 실시예 4에 따른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 32는 실시예 4에 따른 유량 계측 장치의 횡단면도.

도 33은 실시예 4에 따른 유량 계측 장치에 있어서의 편류 억제체를 설명하는 평면도.

도 34는 실시예 4에 따른 유량 계측 장치에 있어서의 흐름 안정 수단의 변동억제부를 설명하는 단면도.

도 35는 실시예 4에 따른 유량 계측 장치에 있어서의 다른 개구 구멍 정류체를 설명하는 부분 단면도.

도 36은 실시예 4에 따른 다른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 37은 실시예 4에 따른 또다른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 38은 실시예 4에 따른 또다른 유량 계측 장치의 종단면도.

도 39는 도 38에 도시하는 또다른 유량 계측 장치의 송수신기의 상세한 구성을 도시하는 종단면도.

도 40은 종래의 유량 계측 장치의 종단면도.

도 41은 종래의 유량 계측 장치의 유로 구성을 도시하는 측면 단면도.

도 42는 도 40에 도시하는 화살표 A 방향에서 본 대유량시의 유로 구성을 도시하는 단면도.

본 발명에 따른 유량 계측 장치는 유체가 유통하는 유로와, 상기 유로를 가로질러 전파되는 음파를 서로 송수신하는 한 쌍의 송수신기와, 상기 한 쌍의 송수신기에 의한 상기 음파의 송수신 결과에 기초하여, 상기 유로를 유통하는 상기 유체의 유량을 산출하는 유량 산출 수단을 구비하고 있고, 상기 유로는 대유량으로부터 소유량까지의 전체 유량 영역 사이에서, 대략 동등한 유속으로 상기 유체가 유통하는 등유속(等流速) 영역을 갖고 있고, 상기 송수신기는 상기 음파가 상기 등유속 영역을 전파하도록 상기 음파를 송수신하며, 이로 인해 상기 목적이 달성된다.

상기 등유속 영역은 상기 유로의 높이 방향을 따른 중심으로부터 편심된 위치에 형성되어 있고, 상기 한 쌍의 송수신기는 상기 한 쌍의 송수신기의 상기 높이 방향을 따른 위치와 상기 등유속 영역의 상기 높이 방향을 따른 위치가 대략 일치하도록, 상기 유로의 상기 높이 방향을 따른 중심으로부터 편심된 위치에 배치되어 있어도 좋다.

상기 유로의 상기 단면은 상기 높이 방향을 따른 2개의 짧은 변과 폭방향을 따른 2개의 긴 변에 의해 형성되는 직사각형으로 되어 있고, 상기 한 쌍의 송수신기는 상기 2개의 짧은 변에 각각 배치되어 있어도 좋다.

상기 한 쌍의 송수신기는 상기 긴 변 방향으로 상기 유로를 가로질러 전파되는 상기 음파를 송수신하여도 좋다.

상기 유로의 상기 단면은 상기 높이 방향을 따른 2개의 짧은 변과 폭방향을 따른 2개의 긴 변에 의해 형성되는 직사각형으로 되어 있고, 각 송수신기에는 상기 음파를 송수신하는 직사각형의 송수신면이 형성되어 있고, 상기 유로의 높이 방향을 따른 중심으로부터의 상기 한 쌍의 송수신기의 편심량 L1은 이하에 나타내는 관계를 만족하고, (H-W)×0.3≤L1≤(H-W)×0.7, 바람직하게는 이하에 나타내는 관계를 만족하며, (H-W)×0.4≤L1≤(H-W)×0.6, 여기서, H: 상기 단면의 상기 높이 방향을 따른 상기 짧은 변의 길이, W: 각 송수신기에 형성된 직사각형의 송수신면의 상기 높이 방향을 따른 길이여도 좋다.

상기 유로의 상기 단면은 상기 높이 방향을 따른 2개의 짧은 변과 폭방향을 따른 2개의 긴 변에 의해 형성되는 직사각형으로 되어 있고, 상기 단면의 상기 긴변의 길이와 상기 짧은 변의 길이의 비율이 1.1 내지 5 이하이어도 좋다.

상기 유로의 상기 단면은 상기 높이 방향을 따른 2개의 짧은 변과 폭방향을 따른 2개의 긴 변에 의해 형성되는 직사각형으로 되어 있고, 각 송수신기에는 상기음파를 송수신하는 직사각형의 송수신면이 형성되어 있고, 각 송수신기에 형성된 상기 송수신면의 상기 높이 방향을 따른 길이 W와 상기 유로의 상기 높이 방향을 따른 상기 짧은 변의 길이 H는 0.3×H≤W≤0.7×H가 되는 관계를 만족하고 있어도 좋다.

상기 유로의 높이 방향은 중력이 작용하는 방향이고, 상기 한 쌍의 송수신기는 상기 중력이 작용하는 방향과 반대의 방향을 향하여 편심한 위치에 배치되어 있어도 좋다.

상기 한 쌍의 송수신기의 상기 유로의 높이 방향을 따른 위치와 상기 등유속 영역의 상기 높이 방향을 따른 위치가 대략 일치하도록, 상기 등유속 영역을 상기 유로의 높이 방향을 따라서 치우치게 하는 비대칭 흐름 촉진 수단을 또한 구비하고 있어도 좋다.

상기 유로는 상기 한 쌍의 송수신기에 대하여 상류측에 도입부를 갖고 있고, 상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 도입부에 대하여 계측 유로를 편심시켜도 좋다.

상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신기에 대하여 상류측에 설치되어 있어도 좋다.

상기 유로는 상기 한 쌍의 송수신기에 대하여 상류측 및 하류측에 각각 설치된 도입부 및 도출부를 갖고 있고, 상기 도입부 및 상기 도출부는 동축상으로 혹은 서로 평행하게 배치되어 있어도 좋다.

상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신기의 상류측에서 상기 유로의 높이 방향을 따라서 굴곡하는 상기 유로를 형성하는 굴곡부를 갖고 있어도 좋다.

상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신부에 대하여 상류측의 유로를 구성하는 벽면에 형성된 단차부를 갖고 있어도 좋다.

상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신부에 대하여 상류측의 유로의 높이 방향을 따른 한쪽의 벽면에 형성된 한쪽의 단부와, 다른쪽의 벽면에 형성되어 상기 한쪽의 단부와 다른 형상을 갖는 다른쪽 단부를 포함하는 이형상부(異形狀部)를 갖고 있어도 좋다.

상기 이형상부에 포함되는 상기 한쪽의 단부는 단차를 형성하고 있고, 상기 다른쪽의 단부는 곡률을 갖는 매끄러운 형상을 형성하고 있어도 좋다.

상기 이형상부에 포함되는 상기 한쪽의 단부와 상기 다른쪽의 단부는 상기 유체의 유통하는 방향을 따라서 서로 어긋난 위치에 형성되어 있어도 좋다.

상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신부에 대하여 상류측의 유로를 구성하는 벽면에 형성된 단차부와, 상기 상류측의 유로의 높이 방향을 따른 한쪽의 벽면에 형성된 한쪽의 단부와, 다른쪽의 벽면에 형성되어 상기 한쪽의 단부와 다른 형상을 갖는 다른쪽의 단부를 포함하는 이형상부를 갖고 있어도 좋다.

상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신부의 상류측에서 상기 유로의 높이 방향을 따라서 굴곡하는 상기 유로를 형성하는 굴곡부와, 상기 상류측의 유로를 구성하는 벽면에 형성된 단차부를 갖고 있어도 좋다.

상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신부의 상류측에서 상기 유로의 높이 방향을 따라서 굴곡하는 상기 유로를 형성하는 굴곡부와, 상기 상류측의 유로를 구성하는 벽면에 형성된 단차부와, 상기 상류측의 유로의 높이 방향을 따른 한쪽의 벽면에 형성된 한쪽의 단부와 다른쪽의 벽면에 형성되어 상기 한쪽의 단부와 다른 형상을 갖는 다른쪽의 단부를 포함하는 이형상부를 갖고 있어도 좋다.

상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신기에 대하여 상류측에 설치되어 상기 유로의 높이 방향을 따라서 흐름 저항을 다르게 한 정류체(整流體)를 갖고 있어도 좋다.

상기 한 쌍의 송수신기는 상기 유로의 높이 방향을 따른 중심으로부터 치우친 위치에 배치되어 있어도 좋다.

상기 한 쌍의 송수신기는 상기 비대칭 흐름 촉진 수단에 의해서 상기 유로의 높이 방향을 따라서 편심한 상기 등유속 영역의 상기 높이 방향을 따른 위치와, 상기 한 쌍의 송수신기의 상기 높이 방향을 따른 위치가 대략 일치하도록, 상기 유로의 높이 방향을 따른 중심으로부터 치우친 위치에 배치되어 있어도 좋다.

상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신기의 상류측에서 상기 유로의 높이 방향을 따라서 굴곡하는 상기 유로를 형성하는 굴곡부를 갖고 있고, 상기 한 쌍의 송수신기는 상기 굴곡부의 외주측을 향하여 편심한 위치에 배치되어 있어도 좋다.

각 송수신기에는 상기 음파를 송수신하는 송수신면이 형성되어 있고, 상기 송수신면은 상기 유로의 높이 방향을 따른 치수보다 작은 치수로 되어 있어도 좋다.

상기 유체는 상류측으로부터 하류측으로 향하는 순방향 및 하류측으로부터 상류측으로 향하는 반대 방향의 양방향을 향하여 상기 유로를 유통하고, 상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 순방향을 향하는 유체의 흐름에 대하여 상기 등유속 영역을 상기 유로의 높이 방향을 따라서 치우치게 하는 순방향 비대칭 흐름 촉진 수단과, 상기 역방향을 향하는 유체의 흐름에 대하여 상기 등유속 영역을 상기 유로의 높이 방향을 따라서 치우치게 하는 역방향 비대칭 흐름 촉진 수단을 갖고 있어도 좋다.

상기 순방향 비대칭 흐름 촉진 수단 및 상기 역방향 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 등유속 영역을 동일한 방향을 향하여 치우치게 하여도 좋다.

상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신기의 상류측에서 상기 유로의 높이 방향을 따라서 굴곡하는 상기 상류측의 유로를 형성하는 상류측 굴곡부와, 상기 한 쌍의 송수신기의 하류측에서 상기 유로의 높이 방향을 따라서 굴곡하는 상기 하류측의 유로를 형성하는 하류측 굴곡부를 갖고 있고, 상기 상류측 굴곡부와 상기 하류측 굴곡부는 동일 방향을 향하여 굴곡하고 있어도 좋다.

상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 상류측 및 상기 하류측의 유로를 구성하는 벽면에 형성된 단차부와, 상기 상류측 및 상기 하류측 유로의 높이 방향을 따른 한쪽의 벽면에 형성된 한쪽의 단부와 다른쪽의 벽면에 형성된 상기 한쪽의 단부와다른 형상을 갖는 다른쪽의 단부를 포함하는 이형상부를 갖고 있고, 상기 단차부는 상기 상류측과 상기 하류측에서 동일측의 벽면에 형성되어 있고, 상기 이형상부의 한쪽의 단부 및 다른쪽의 단부는 상기 상류측과 상기 하류측에서 각각 동일측의 벽면에 형성되어 있어도 좋다.

상기 유로는 상기 한 쌍의 송수신기를 상기 유로에 각각 향하게 하는 한 쌍의 개구 구멍(開口穴)이 형성된 벽면에 의해서 형성되어 있고, 상기 한 쌍의 개구 구멍과 상기 유로 사이에 각각 설치되고, 상기 한 쌍의 개구 구멍으로의 상기 유체의 유입과, 상기 유로를 유통하는 상기 유체의 흐름의 혼란을 각각 저감하는 한 쌍의 개구 구멍 정류체를 또한 갖고 있어도 좋다.

상기 한 쌍의 송수신기에 대하여 상류측에는 미세한 유통구를 갖는 편류(偏流) 억제체가 설치되어 있어도 좋다.

상기 한 쌍의 송수신기에 대하여 하류측에는 미세한 유통구를 갖는 편류 억제체가 설치되어 있어도 좋다.

각 한 쌍의 개구 구멍 정류체에는 미세한 초음파 통과구가 각각 형성되어 있고, 상기 한 쌍의 개구 구멍 정류체 중의 상류측에 설치된 개구 구멍 정류체와 하류측에 설치된 개구 구멍 정류체에서 상기 개구 구멍 정류체에 형성된 상기 초음파 통과구의 개구 치수 혹은 개구 형상이 달라도 좋다.

상기 상류측에 설치된 개구 구멍 정류체에 형성된 상기 초음파 통과구의 상기 개구 치수는 상기 하류측에 설치된 개구 구멍 정류체에 형성된 상기 초음파 통과구의 상기 개구 치수보다 크게 되어 있어도 좋다.

우선, 본 발명의 기본 원리를 설명한다. 본 발명에 따른 유량 계측 장치는 예컨대 도시 가스, LPG, 공기, 물 등의 유체의 유량을 초음파를 사용하여 계측한다. 도 1은 본 발명의 기본 원리의 설명도이다. 계측 대상인 유체는 유로벽(5)에 의해서 형성되는 유로(1)를 유통한다. 소유량으로 유체가 유로(1)를 유통할 때는 상기 유체는 유로(1)의 유로 단면(8)에 따른 소유량 유속 분포 S에 의해서 유로(1)를 유통한다. 상기 소유량 유속 분포 S는 도 1에 도시하는 바와 같이, 유로벽(5)에 근접할 수록 유속이 작게 되고, 유로 단면(8)의 중앙에서 유속이 최대가 되는 포물선 형상으로 되어 있다. 이에 반해, 대유량으로 유체가 유로(1)를 유통할 때는 상기 유체는 유로(1)의 유로 단면(8)에 따른 대유량 유속 분포 R에 의해서 유로(1)를 유통한다. 상기 대유량 유속 분포 R은 도 1에 도시하는 바와 같이, 유로 단면(8)을 따라서 유속이 거의 한결같이 되어 있다.

따라서, 상기 소유량 유속 분포 S와 대유량 유속 분포 R의 교점 P에서는 소유량으로 유체가 유로(1)를 유통하는 소유량 영역과 대유량으로 유체가 유로(1)를 유통하는 대유량 영역에서 유속이 같다. 상기 교점 P에서는 소유량 영역으로부터 대유량 영역으로 천이하는 천이 영역에서도, 그 유속이 소유량 영역 및 대유량 영역에서의 유속과 대략 같다. 이로 인해, 상기 점 P를 중심으로 하는 등유속 영역 P1에서는 대유량 유속 분포 R로부터, 소유량 유속 분포 S 사이 까지에서, 대략 같은 유속으로 유체가 유통한다.

본 발명에 따른 유량 계측 장치에 있어서는 상기 등유속 영역 P1을, 후술하는 한 쌍의 송수신기가 송수신하는 음파 X가 가로지르게 되어 있다. 이 때문에,소유량 영역으로부터 대유량 영역으로 천이하는 천이 영역에서의 보정 계수의 변화를 작게 할 수 있다. 한 쌍의 송수신기가 송수신하는 음파 X가 등유속 영역 P1을 가로지르도록 하기 위해서, 본 발명은 2종류의 수단을 제공한다. 제 1 수단은 한 쌍의 송수신기의 위치를, 등유속 영역 P1의 위치와 대략 일치하도록, 치우치게 하는 것이다. 한 쌍의 송수신기가 송수신하는 음파 X가 등유속 영역 P1을 가로지르도록 하기 위한 제 2 수단은 등유속 영역 P1을, 한 쌍의 송수신기의 유로(1)의 위치와 대략 일치하도록, 치우치게 하는 것이다. 상기 한 쌍의 송수신기를 치우치게 하는 제 1 수단은 후술하는 실시예 1에서 상세히 개시하고, 등유속 영역 P1을 치우치게 하는 제 2 수단은 후술하는 실시예 2 내지 실시예 4에서 상세히 개시한다.

(실시예 1)

도 2a는 실시예 1에 따른 유량 계측 장치(100)의 종단면도이고, 도 2b는 상기 유량 계측 장치(100)의 유로 구성을 도시하는 측면 단면도이다. 도 3은 도 2a에 도시하는 화살표 A 방향에서 본 소유량시의 유로 구성을 도시하는 단면도이고, 도 4는 도 2a에 도시하는 화살표 A 방향에서 본 대유량시의 유로 구성을 도시하는 단면도이다.

상기 유량 계측 장치(100)는 예컨대 도시 가스, LPG 등의 유체의 유량을 초음파를 사용하여 계측한다. 유량 계측 장치(100)는 계측 대상인 유체가 유통하는 유로(1)를 형성하는 유로벽(5)을 갖고 있다. 상기 유로벽(5)은 도 2b에 도시하는 바와 같이, 한 쌍의 긴변(20) 및 짧은 변(21)을 갖는 직사각형의 유로 단면(8)을 형성하고 있다. 상기 유로벽(5)의 한 쌍의 짧은 변(21)의 각각에는 유로(1)를 가로질러 전파되는 초음파를 송수신하는 대략 직방체형상의 한 쌍의 송수신기(31)가 유로(1)의 상류측과 하류측에 각각 배치되어 있다. 각 송수신기(31)에는 유로(1)를 가로질러 전파되는 초음파를 송수신하는 직사각형의 송수신면(32)이 형성되어 있다.

도 2b에 도시하는 바와 같이, 한 쌍의 송수신기(31)는 유로(1)의 높이 방향(6)에 따른 중심(18)으로부터 편심량 L1만큼 지면의 오른쪽 방향으로 편심한 위치에 배치되어 있다. 상기 편심량 L1은 한 쌍의 송수신기(31)의 높이 방향(6)에 따른 위치와 도 1을 참조하여 상술한 등유속 영역 P1의 높이 방향(6)에 따른 위치가 대략 일치하도록 정해져 있다.

유량 계측 장치(100)에는 한 쌍의 송수신기(31)에 의한 초음파의 송수신 결과에 기초하여, 유로(1)를 유통하는 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부(23)가 설치되어 있다. 상기 유량 산출부(23)는 한 쌍의 송수신기(31)에 접속된 계측 제어부(24)와, 상기 계측 제어부(24)에 접속된 연산부(25)를 갖고 있다.

이러한 구성을 갖는 유량 계측 장치(100)에 있어서는 유로(1)에 계측 대상인 유체가 유통하면, 상류측의 송수신기(131)로부터 송신된 초음파는 유로(1)를 유체의 유통 방향에 대하여 경사지게 횡단하도록 전파하여 하류측의 송수신기(31)에 도달한다. 반대로, 하류측의 송수신기(31)로부터 송신된 초음파는 유로(1)를 유체의 유통 방향에 대하여 경사지게 횡단하여 상류측의 송수신기(31)에 도달한다. 계측 제어부(24)는 상류측의 송수신기(31)로부터 송신된 초음파가 하류측의 송수신기(31)에 도달하기까지의 제 1 전파 시간과, 하류측의 송수신기(31)로부터송신된 초음파가 상류측의 송수신기(31)에 도달하기까지의 제 2 전파 시간을 계측한다. 유로(1)에 유체가 유통할 때는 상기 제 1 전파 시간과 제 2 전파 시간은 서로 다르게 된다. 연산부(25)는 상기 계측 제어부(24)에 의해서 계측된 제 1 전파 시간과 제 2 전파 시간에 기초하여 유로(1)를 유통하는 유체의 유량을 산출한다.

다음에 연산부(25)의 동작을 상세히 기술한다. 전파 시간은 정지 유체 중의 음속을 c, 유체의 흐름 속도를 v로 하면, 흐름의 순방향의 초음파 전파 속도는 (c+ v)가 된다.

한 쌍의 송수신기(31) 사이의 거리를 L, 초음파 전파축(33)과 유로(1)를 유체가 유통하는 방향이 이루는 각도를 θ로 하면, 상류로부터 하류에 초음파가 전파하는 제 1 전파 시간 t1은

t1 = L/(c+vC0Sθ) (식 1)

로 되고, 하류로부터 상류에 전파하는 전파 시간 t2는

t2 = L/(c-vC0Sθ) (식 2)

이 된다.

t1의 역수로부터 t2의 역수를 감산하는 식에서 음속 C을 소거하여

v=(L/2 cosθ)((1/tl)-(1/t2)) (식 3)

따라서, 거리 L과 각도 θ를 알면 제 1 전파 시간 t1과 제 2 전파 시간 t2를 계측 제어부(24)에 의해서 측정하면 유속 v를 구할 수 있다.

현재, 공기의 유량을 계측하는 것을 고려하여, 각도 θ=45도, 거리 L=70mm,음속 C=340m/s, 유속 V=8m/s를 상정하면, T1=2.0×10^-4초, T2=2.1×1O^-4초이고, 순식간에 계측을 할 수 있다.

그런데, 여기서 구한 유속 v는 계측 유로(2)를 경사지게 가로 지르는 초음파 전파로(33)를 따라서 계측한 것이고, 초음파 전파로(33)를 따라서 계측한 평균 유속은 단면 위치에 의해 흐름의 발달 상태가 다르며 높이 방향(6)에 따른 단면에서는 유로 전역을 계측하지 않기 때문에 계측 유로(2)에 직교하는 유로 단면(8)의 전역에서 구한 평균 유속 사이에 차가 생긴다. 더구나, 초음파 전파로(10)내의 초음파의 강도 분포는 초음파 송수신기(7, 8)의 중심축측인 중앙이 강하게 되는 특성을 가지기 때문에, 초음파 전파로(33)내의 높이 방향(6)에 따른 중심(18)을 주체로 계측하게 된다. 이 때문에, 보정 계수 K에 기초하여 유속 v를 보정한다.

상기 유속 v에서 유량 Q는 유로(1)의 단면적을 S, 보정 계수를 K로 하면, 연산부(25)에 의해서,

Q=KSv (식 4)

을 연산하여 유량을 구한다.

유로(1)를 유통하는 유체의 유속에는 일반적으로 유로 단면(8)을 따라서 유속 분포가 발생하고, 그 유속 분포는 레이놀드수, 상류의 흐름의 흐트러짐(亂)에 의해서 변화한다. 상기 유속 분포는 2차원적으로 발생한다. 도 2a에는 소유량 유속 분포 S가 도시되어 있고, 상기 소유량 유속 분포 S는 유로 단면(8)의 긴변(20)을 따라서 발생한다. 도 3에 도시하는 바와 같이 소유량 유속 분포(8)는 유로 단면(8)의 짧은 변(21)에 따른 방향에도 발생한다. 도 4에는 유량이 클 때의 대유량 유속 분포 R이 도시되어 있다. 상기 대유량 유속 분포 R도 소유량 유속 분포 S와 마찬가지로 레이놀드수, 상류의 흐름의 혼란에 의해서 변화하여, 2차원적으로 발생한다. 상기 대유량 유속 분포 R에 있어서는 최대 유속과 최소 유속과의 차가 소유량 유속 분포 S에서의 최대 유속과 최소 유속과의 차보다 작게 되어 있다. 이와 같이 유속 분포가 존재하는 경우에는 초음파의 전파 시간에 기초하여 산출한 유량은 상기 유속 분포를 적분한 평균 유속에 대응한 유량이 된다.

도 2b 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 한 쌍의 송수신기(31)에 형성된 송수신면(32)의 유로 단면(8)의 짧은 변(21) 방향을 따른 길이 W는 상기 짧은 변(21)의 길이 H보다 상당히 작기 때문에, 송수신기(31)가 송수신하는 초음파는 유로(1)의 일부분밖에 횡단하지 않는다. 상기 송수신기(31)를 유로(1)의 높이 방향(6)에 따른 중심(18)에 배치하면, 소유량 유속 분포 S에서의 유속이 빠른 최대 유속 발생 위치 T의 부근만을 계측하므로, 송수신기(31)에 의해서 계측된 외견의 유량치는 참 유량(평균 유량)보다 커진다. 이로 인해, 보정 계수 K를 1보다 작은 값으로하여 외견의 유량치를 보정하여 평균 유량을 산출한다. 유속 분포는 소유량과 대유량에서 다르므로, 소유량과 대유량에서 다른 보정 계수를 사용하지 않으면 안된다.

실시예 1에서는 한 쌍의 송수신기(31)가 송수신하는 초음파가, 등유속 영역 P1을 가로 지르도록, 송수신기(31)의 유로(1)의 높이 방향(6)에 따른 위치를 중심으로부터 편심량 L1만큼 어긋나 있다. 그 결과, 초음파는 소유량 유속 분포 S에 의해서 유로(1)를 유통하는 유체 중, 거의 평균 유속으로 유통하는 유체를 투과한다. 송수신기(31)를 편심량 L1만큼 편심시키면, 유량의 대소, 유체의 종류, 유체의 온도가 변화해도 소유량 유속 분포 R의 평균 유속을 검출할 수 있다.

송수신기(31)에 형성된 송수신면(32)의 중앙과 단부에서는 단부보다 중앙쪽이 송수신 감도가 좋은 것이 통상적이기 때문에, 송수신면(32)의 중앙에 대응하는 유체의 유속의 영향을 송수신기(31)가 크게 받는 것도 고려할 필요가 있다. 유로(1)의 높이 방향(6)에 따른 중심(18)으로부터의 한 쌍의 송수신기(31)의 편심량 L1은 이하(식 5)에 나타내는 관계를 만족하는 것이 바람직하고, (식 6)의 관계를 만족하는 것이 더욱 바람직하다.

(H-W)×0.3≤L1≤(H-W)×0.7 (식 5)

(H-W)×0.4≤L1≤(H-W)×0.6 (식 6)

여기서,

H: 유로 단면(8)의 높이 방향(6)에 따른 짧은 변(20)의 길이

W: 각 송수신기(31)에 형성된 직사각형의 송수신면(32)의 높이 방향(6)에 따른 길이이다

송수신기(31)에 형성된 송수신면(32)의 형상은 직사각형인 쪽이 평균 유량을 검출하는 데 바람직하다. 이 경우 송수신면(32)의 크기는 지나치게 작으면 평균 유량을 검출하기 어렵고, 지나치게 크면 송수신기(31)가 대형으로 되어 비용이 높아지기 때문에, 송수신기(31)에 형성된 송수신면(32)의 높이 방향(6)에 따른 길이 W는 유로(1)의 높이 방향(6)에 따른 짧은 변(20)의 길이 H의 30% 내지 70%인 것이 바람직하다. 송수신기(31)가 유로(1)에 대하여 지나치게 작으면, 유량의 변동에대하여 보정 계수가 안정적이지 않게 된다. 또한 송수신기(31)가 짧은 변(20)의 길이 H에 근접하면, 넓어진 초음파가 유로(1)를 형성하는 유로벽(5)에 의해서 반사되기 때문에, 상기 반사파가 초음파의 직접파와 간섭하여 수신 감도에 악영향을 미친다.

유로 단면(8)의 형상은 직사각형인 쪽이 평균 유량을 검출하는 데 적합하다. 또한 짧은 변(20)에 대한 긴변(21)의 비율을 1.1 내지 5로 하면 흐름이 안정하여, 평균 유속도 안정적으로 산출할 수 있다. 또한, 유로 단면(8)의 형상은 원형단면이어도 좋다.

도 5는 유량 계측 장치(100)에 있어서의 유량과 보정 계수 K와의 관계를 도시하는 그래프이다. 횡축은 유로(1)를 유통하는 유체의 유량을 도시하고 있고, 종축은 보정 계수 K를 도시하고 있다. 상기 도 5는 편심율을 변화시켰을 때의 유량과 유량 계수 K와의 관계를 플롯하고 있다. 여기서,

편심율= L1/(H-W)

이다. 또한 도 5는 후술하는 굴곡부를 갖는 유로에서 굴곡부의 외주측을 향하여 편심한 위치에 배치되었을 때의 그래프이고, 흐름의 도입부의 형태에 따라서 유량 계수의 변화 정도는 변한다.

편심율 33%, 편심율 42% 및 편심율 47%인 때의 보정 계수 K는 유량치에 관계없이 거의 일정함을 알 수 있다. 이 때, 한 쌍의 송수신기(31)는 한 쌍의 송수신기(31)의 유로(1)의 높이 방향(6)에 따른 위치와 등유속 영역 P1의 높이 방향(6)에 따른 위치가 대략 일치하도록, 높이 방향(6)에 따라서 편심하고 있다. 편심이 없을 때의 보정 계수 K는 대유량 영역보다 소유량 영역쪽이 작고, 대유량 영역에서는 약 1인데 반해, 소유량 영역에서는 약 0.7이다. 이와 같이, 편심이 없을 때는 소유량 영역과 대유량 영역에서 보정 계수가 크게 달라진다. 편심율이 50%, 67%로 커지면, 보정 계수 K는 대유량 영역보다 소유량 영역 쪽에서 커지고, 소유량 영역과 대유량 영역에서 보정 계수가 크게 달라진다.

보정 계수 K가 유량에 대하여 거의 일정이면, 대단히 간단하게 보정 계수 K를 설정할 수 있기 때문에, 마이크로컴퓨터의 기억 용량을 저감할 수 있음과 동시에, 유량 계측 장치의 생산시에서의 보정 계수 K의 검정 작업을 용이하게 할 수 있다. 또한 유로(1)에서의 유속 분포는 레이놀드수에 의해서 변화하는 것이 알려져 있고, 유량이 변화하여도 보정 계수 K가 거의 일정하다는 것은 레이놀드수가 변화하여도 보정 계수 K가 거의 변화하지 않음을 의미한다. 따라서, 한 쌍의 송수신기(31)를, 유로(1)의 높이 방향(6)을 따라서 편심시키면, 유로(1)를 유통하는 유체의 온도가 변화하거나, 상기 유체의 종류가 변경이 됨으로써 레이놀드수 변화하여도, 보정 계수 K는 거의 변화하지 않는다.

이상과 같이 실시예 1에 의하면, 한 쌍의 송수신기(31)가, 한 쌍의 송수신기(31)의 유로(1)의 높이 방향(6)에 따른 위치와 등유속 영역 P1의 높이 방향(6)에 따른 위치가 대략 일치하도록, 유로(1)의 높이 방향(6)에 따른 중심으로부터 편심한 위치에 배치되어 있기 때문에, 송수신기(31)가 송수신하는 초음파는 소유량 유속 분포 S로부터 대유량 유속 분포 R 까지 사이에서 대략 같은 유속으로 유체가 유통하는 등유속 영역 P1을 가로지른다. 이로 인해, 소유량 영역과 대유량영역 사이의 보정 계수 K의 변화가 종래의 구성에서의 보정 계수 K의 변화보다 작게 된다. 그 결과, 광범위한 유량을 고정밀도로 계측할 수 있다.

또한, 유로(1)를 유통하는 유체의 온도가 변화하거나, 상기 유체의 종류가 변경되어도, 유량 계수 K의 변화가 작게 되므로, 보다 높은 정밀도로 유체의 유량을 계측할 수 있다.

또한, 송수신기(31)가 송수신하는 초음파는 유로 단면(8)의 긴 변(21)의 방향으로 유로(1)를 가로질러 전파하므로, 유량 계수 K의 변화가 더욱 작게 된다. 이 때문에, 더욱 높은 정밀도로 유체의 유량을 계측할 수 있다.

또한, 송수신기(31)의 편심량 L1은 유로 단면(8)의 높이 방향(6)에 따른 짧은 변(20)의 길이 H로부터 송수신면(32)의 높이 방향(6)에 따른 길이 W를 감산한 값의 30% 내지 70%, 바람직하게는 40% 내지 60%로 하고 있으므로, 비교적 간단한 구성에 의해서 소유량 영역과 대유량 영역 사이의 보정 계수 K의 변화를 작게 할 수 있어, 보다 높은 정밀도로 유체의 유량을 계측할 수 있다.

또한, 유로 단면(8)의 짧은 변(20)에 대한 긴 변(21)의 비율을 1.1 내지 5로 하고 있으므로, 소유량 영역과 대유량 영역 사이의 보정 계수 K의 안정도를 더욱 높게 할 수 있다.

또한, 송수신기(31)에 형성된 송수신면(32)의 높이 방향(6)에 따른 길이 W는 유로(1)의 높이 방향(6)에 따른 짧은 변(20)의 길이 H의 30% 내지 70%로 하고 있으므로, 유로 단면(8)에 의한 초음파의 반사가 작게 된다. 이로 인해, 송수신기(31)에서의 초음파의 송수신 감도의 저하를 방지할 수 있으므로, 보다 높은 정밀도로유체의 유량을 계측할 수 있다.

도 6은 실시예 1에 따른 유량 계측 장치에서의 다른 송수신기(31A)의 구성도이다. 상기 송수신기(31A)는 그 외형이 대략 원통형으로 되어 있고, 직사각형의 송수신면(32)을 갖고 있다. 송수신기는 유로(1)를 유통하는 유체가 유로(1)의 외부로 새지 않도록 기밀성을 갖고 있지 않으면 안된다. 도 2a 내지 도 4를 참조하여 상술한 직사각형의 송수신기(31)에서는 상기 기밀성을 유지하기는 곤란하다. 도 6에 도시하는 송수신기(31A)는 그 외형이 대략 원통형으로 되어 있으므로, O 링 등을 사용하여 상기 기밀성을 실현할 수 있다.

도 7은 실시예 1에 따른 다른 유량 계측 장치(100A)의 구성도이고, 도 8은 이밖의 유량 계측 장치(100A)의 유로 구성을 도시하는 측면 단면도이다. 도 2a 내지 도 4를 참조하여 상술한 유량 계측 장치(100)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다. 유량 계측 장치(100)와 다른 점은 유로(1)의 높이 방향(6)이 중력이 작용하는 방향 G와 평행으로 되어 있고, 한 쌍의 송수신기(31)가 중력이 작용하는 방향 G와 반대의 방향을 향하여 편심한 위치에 배치되어 있는 점이다.

도 8에 도시하는 바와 같이, 유로(1)의 높이 방향(6)은 중력이 작용하는 방향 G와 평행으로 되어 있고, 한 쌍의 송수신기(31)는 중력이 작용하는 방향 G와 반대의 방향을 향하여 거리 L2만큼 편심하고 있다. 이 경우, 중력이 작용하는 방향 G를 향하여 편심한 위치에 한 쌍의 송수신기(31)를 배치한 경우와 마찬가지로, 소유량 영역과 대유량 영역 사이에서 보정 계수 K의 변화를 작게 할 수 있어, 보다높은 정밀도로 유체의 유량을 계측할 수 있다.

더스트(dust)를 다량으로 포함한 유체가 유로(1)를 유통하면, 유로(1)의 하면측에 더스트가 퇴적한다. 이 경우, 한 쌍의 송수신기(31)가 송수신하는 초음파는 유로(1)의 표면측을 전파하므로, 유로(1)의 하면측에서의 더스트의 퇴적에 의해서 흐름의 혼란으로 인한 악영향을 받기 어렵다. 이 때문에, 유로(1)를 유통하는 유체의 유량의 계측에 있어서, 더스트의 퇴적에 의한 흐름의 흐트러짐에 의한 악영향을 받기 어렵다고 하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 한 쌍의 송수신기(31)를 배치하는 장소를 선택할 때에, 유로(1)를 유통하는 유체의 흐름이 만곡하고 있기 때문에 더스트가 퇴적할 우려가 있는 장소가 있는 경우에는 상기 더스트가 퇴적할 우려가 있는 장소를 피하여 한 쌍의 송수신기(31)를 배치한다.

이와 같이, 중력이 작용하는 방향 G와 반대의 방향을 향하여 한 쌍의 송수신기(31)를 거리 L2 만큼 편심시키고 있으므로, 더스트의 퇴적에 의한 악영향을 받지 않고, 보다 높은 정밀도로 유체의 유량을 계측할 수 있다.

도 9는 실시예 1에 따른 또다른 유량 계측 장치(100B)의 구성도이다. 도 2a 내지 도 4를 참조하여 상술한 유량 계측 장치(100)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다. 유량 계측 장치(100)와 다른 점은 송수신기(31)의 상류측과 하류측에 한 쌍의 정류격자(66)를 각각 배치하고 있는 점이다. 상기 한 쌍의 정류격자(66)는 유로(1)를 유통하는 유체를 정류하므로, 안정한 흐름을 얻을 수 있다. 상류측의 정류격자(66)만이라도 안정한 흐름을 얻을 수 있다고 하는 효과를 발휘하지만,유로(1)의 상류측으로부터 하류측으로 유체가 유통할 뿐만 아니라, 그 반대로 유로(1)의 하류측으로부터 상류측으로 유체가 유통하는 것도 있을 수 있는 점을 고려하면, 하류측에도 정류격자(66)를 설치하는 것이 바람직하다.

(실시예 2)

도 10은 실시예 2에 따른 유량 계측 장치(200)의 종단면도이고, 도 11은 그 횡단면도이다. 실시예 1에 있어서 상술한 유량 계측 장치(100)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다.

상기 유량 계측 장치(200)는 계측 대상인 유체가 유통하는 유로(1)를 형성하는 유로벽(5)을 갖고 있다. 상기 유로(1)에는 계측 대상인 유체의 유량을 계측하기 위한 계측 유로(2)와, 상기 계측 유로(2)의 상류측에 배치되어 계측 유로(2)에 유체를 도입하기 위한 도입부(3)와, 계측 유로(2)의 하류측에 배치되어 계측 유로(2)로부터 유체를 도출하기 위한 도출부(4)가 형성되어 있다. 계측 유로(2)는 직사각형의 유로 단면(8)을 갖고 있다. 계측 유로(2)와 도입부(3) 사이에는 계측 유로(2)와 도입부(3)를 연결하여 계측 유로(2)의 높이 방향(6)을 향하여 굴곡하는 굴곡부(42A)가 형성되어 있고, 계측 유로(2)와 도출부(4) 사이에는 계측 유로(2)와 도출부(4)를 연결하여 계측 유로(2)의 높이 방향(6)을 향하여 굴곡하는 굴곡부(42B)가 형성되어 있다.

상기 계측 유로(2)에서의 유로벽(5)에는 유로(1)를 가로질러 전파되는 초음파를 송수신하는 대략 직방체형상의 한 쌍의 송수신기(31)가 유로(1)의 상류측과하류측에서 서로 대향하도록 각각 배치되어 있다. 각 송수신기(31)에는 유로(1)를 가로질러 전파되는 초음파를 송수신하는 직사각형의 송수신면(32)이 형성되어 있다. 한 쌍의 송수신기(31)는 계측 유로(5)를 유통하는 유체의 유동방향에 대하여 경사지게 배치되어 있고, 계측 유로(5)를 폭방향(7)으로 가로지르도록 거리 L을 두고 설치되어 있다. 한 쌍의 송수신기(31)는 계측 유로(5)의 높이 방향(6)에 따른 중심 위치에 배치되어 있다. 계측 유로(2)에서의 유로벽(5)에는 한 쌍의 송수신기(31)를 계측 유로(5)에 각각 향하게 하기 위한 상류측 및 하류측의 개구 구멍(31)이 형성되어 있다. 한 쌍의 송수신기(31)가 송수신하는 초음파는 초음파 전파로(33)를 따라서 계측 유로(2)를 전파한다.

유량 계측 장치(200)는 계측 유로(2)를 유통하는 유체의 높이 방향(6)에 따른 유속 분포를 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따라서 편심하는 비대칭 흐름 촉진 수단(41)을 갖고 있다. 상기 비대칭 흐름 촉진 수단(41)은 소유량 영역에서는 소유량 유속 분포 S를 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 중심(18)에 대하여 비대칭화시켜, 최대 유속 발생 위치 T를 높이 방향(6)에 따른 중심(18)으로부터 지면 하방을 향하여 편심시킨다. 비대칭 흐름 촉진 수단(41)은 한 쌍의 송수신기(31)의 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 위치와 등유속 영역 P1의 높이 방향(6)에 따른 위치가 대략 일치하도록, 높이 방향(6)에 따른 중심(18)으로부터 지면 하방을 향하여 소유량 유속 분포 S의 최대 유속 발생 위치 T를 편심시킨다.

계측 유로(2)의 상류측에 설치된 굴곡부(42A)는 비대칭 흐름 촉진 수단(41)을 구성하고 있다. 비대칭 흐름 촉진 수단(41)은 또한 계측 유로(2)의 상류측에설치된 단차부(44) 및 이형상부(45)에 의해서 구성되어 있다. 단차부(44)는 상류측의 굴곡부(42A)에 형성된 외주면(43)측에 형성되어 있다. 이형상부(45)는 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 한쪽의 단부(46) 및 다른쪽의 단부(47)에 의해서 형성되어 있고, 한쪽의 단부(46) 및 다른쪽의 단부(47)는 서로 형상이 다르다. 한쪽의 단부(46)는 곡면이 형성되지 않은 계단 형상의 형상으로 되어 있고, 다른쪽의 단부(47)는 곡면이 형성되어 있어 높이 방향(6)을 따라서 매끄럽게 곡면이 변화하는 형상으로 되어 있다.

상기 비대칭 흐름 촉진 수단(41)과 초음파 전파로(33)의 사이에는 흐름 안정부재(61)가 설치되어 있다. 상기 흐름 안정부재(61)는 계측 유로(2)의 유로 단면(8)을 분할하여 유로(1)를 유통하는 유체의 흐름 방향을 조절하는 방향 규제부(62)와, 유로(1)를 유통하는 유체의 유속 변동을 저감하는 메쉬 등의 망형상체에 의해 형성된 변동 억제부(63)를 구비하고 있다. 상기 흐름 안정부재(61)는 비대칭 흐름 촉진 수단(41)에 의해서 비대칭화된 유속 분포를 유지함과 동시에, 유로(1)를 유통하는 유체의 흐름 방향 및 유속 변동을 일치시켜 초음파 전파로(33)로 유체의 흐름을 보내준다.

유량 계측 장치(200)에는 한 쌍의 송수신기(31)에 의한 초음파의 송수신 결과에 기초하여, 유로(1)를 유통하는 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부(23)가 설치되어 있다. 상기 유량 산출부(23)는 한 쌍의 송수신기(31)에 접속된 계측 제어부(24)와, 상기 계측 제어부(24)에 접속된 연산부(25)를 갖고 있다.

이러한 구성을 갖는 유량 계측 장치(200)에서는 도입부(3)에 계측 대상인 유체가 도입되면, 계측 유로(2)의 상류측에 설치된 비대칭 흐름 촉진 수단(41)에 의해서, 계측 유로(2)를 유통하는 유체의 높이 방향(6)에 따른 속도 분포가, 높이 방향(6)에 따른 중심(18)에 대하여 대칭이 아니라, 비대칭인 형상이 된다. 구체적으로는 계측 유로(2)를 유통하는 유체의 유량이 소유량 영역(층류)혹은 소유량 영역으로부터 대유량 영역(난류)으로 천이하는 천이 영역에 있을 때는 도 10에 도시하는 바와 같이, 유로벽(5)으로부터 멀어짐에 따라서 유속이 커지는 포물선형상의 소유량 유속 분포 S는 높이 방향(6)에 따른 중심(18)으로부터 도면 하방측으로 편심하고 있고, 소유량 유속 분포 S의 최대 유속 발생 위치(T)도 중심(18)으로부터 도면 하방측으로 편심하고 있다. 계측 유로(2)를 유통하는 유체의 유량이 대유량 영역에 있을 때는 도 12에 도시하는 바와 같이, 높이 방향(6)에 따른 유속의 변화가 소유량 유속 분포 S보다 작고 비교적 평탄한 고원(高原)형상의 대유량 유속 분포 R은 소유량 유속 분포 S와 마찬가지로, 높이 방향(6)에 따른 중심(18)으로부터 도면 하방측으로 편심하고 있고, 대유량 유속 분포 R의 최대 유속 발생 위치(U)도 중심(18)으로부터 도면 하방측으로 편심하고 있다.

굴곡부(42A)를 유체가 흐르면, 굴곡부(42A)를 흐르는 유체에 원심력이 작용하므로, 굴곡부(42A)의 외주면(43)측의 유로벽(5A)을 향하여 흐름이 편심되어, 높이 방향(6)에 따른 유속 분포를 비대칭화한다. 단차부(44)를 유체가 흐르면, 단차부(44)에 의해서 흐름에 축소가 발생하여, 높이 방향(6)에 따른 유속 분포가 편심된다. 한쪽의 단부(46)의 형상과 다른쪽의 단부(47)의 형상이 다른 이형상부(45)를 유체가 흐르면, 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 유속 분포가 보다 크게 편심된다.

이와 같이 비대칭 흐름 촉진 수단(41)에 의해서 비대칭화된 유속 분포는 흐름 안정부재(61)에 의해서 흐름 방향을 조절할 수 있음과 동시에, 유속 변동이 안정화되고, 비대칭 흐름 촉진 수단(41)에 의해서 비대칭화된 유속 분포는 초음파 전파로(33)에 도달할 때까지 유지된다.

유량 산출 수단(23)은 실시예 1과 마찬가지로, 제 1 전파 시간 t1, 제 2 전파 시간 t2 및 보정 계수 K에 기초하여, 유로(1)를 유통하는 유체의 유량을 산출한다.

도 13은 비대칭 흐름 촉진 수단(41)을 갖지 않은 종래의 유량 계측 장치에 있어서의 유량과 보정 계수와의 관계를 도시하는 그래프이다. 횡축은 계측 유로(2)를 유통하는 유체의 유량을 도시하고 있고, 종축은 보정 계수 K를 도시하고 있다. 대유량 영역(난류역)에서의 대유량 유속 분포 R은 높이 방향(6)에 따른 유속의 변화가 소유량 유속 분포 S보다 작고 비교적 평탄한 고원형상이므로, 측정된 외견의 유량은 비교적 평균 유량에 가깝고, 도 13에 도시하는 바와 같이, 보정 계수 K의 값은 1에 가깝다. 이에 반해, 소유량 영역(층유역)에서의 소유량 유속 분포 S는 유로벽(5)으로부터 멀어짐에 따라서 유속이 커지는 포물선형상이고, 높이 방향(6)에 따른 유속의 변화가 대유량 유속 분포 R보다 크다. 높이 방향(6)에 따른 중심의 최대 유속 위치 T를 송수신기(31)가 측정하면, 측정된 외견의 유량은 평균 유량보다 상당히 크게 되기 때문에, 도 13에 도시하는 바와 같이, 보정 계수 K의 값은 대유량 영역에서의 보정 계수 K의 값보다 상당히 작은 값이 된다. 이 때문에, 도 13에 도시하는 바와 같이, 소유량 영역에서 대유량 영역으로 천이하는 천이 영역에서 보정 계수 K가 크게 변화한다. 따라서, 천이 영역에서 계측된 유량에 오차 △Qm이 발생하면, 보정 계수 K가 △K1 으로 크게 변화하기 때문에 상기 오차가 확대된다.

상기 천이 영역에서 계측된 유량의 오차 △Qm은 유체의 온도 변화 혹은 유체의 조성비율의 변화에 의한 이동 점성 계수의 변화, 및 레이놀드수의 변화에 의한 흐름 상태의 변화에 의해서 발생할 수 있다. 특히, 도시 가스, LPG 등의 유량을 계측하는 경우에는 계절에 따라 유체의 온도 혹은 지역의 차이에 따라 가스의 조성비율이 변화할 수 있기 때문에, 상기 오차 △Qm이 확대할 우려가 있다.

도 14는 비대칭 흐름 촉진 수단(41)을 갖고 있는 실시예 2에 따른 유량 계측 장치(200)에서의 유량과 보정 계수의 관계를 도시하는 그래프이다. 횡축은 계측 유로(2)를 유통하는 유체의 유량을 도시하고 있고, 종축은 보정 계수 K를 도시하고 있다. 비대칭 흐름 촉진 수단(41)에 의해서 유속 분포를 편심시키면, 소유량 영역에서는 최대 유속 위치 T보다 유속이 느린 곳을 송수신기(31)가 측정하므로, 측정된 외견의 유량은 평균 유량에 보다 근접하게 된다. 이 때문에, 도 14에 도시하는 바와 같이, 보정 계수 K는 보다 커지고, 1 에 근접한다. 한편, 대유량 영역에서는 높이 방향(6)에 따른 유속의 변화가 비교적 평탄한 고원형상이므로, 비대칭 흐름 촉진 수단(41)에 의해서 유속 분포를 편심시켜도, 측정하는 유속은 비대칭 흐름 촉진 수단(41)에 의해서 유속 분포를 편심되지 않은 상태에서 측정하는 유속과 실질적으로 변하지 않는다. 이 때문에, 보정 계수 K의 값도 도 13에 도시하는 종래 예의 경우와 실질적으로 변하지 않는다. 이와 같이, 소유량 영역에서는 보정 계수 K는 보다 커지게 되고, 대유량 영역에서는 보정 계수 K는 실질적으로 변하지 않으므로, 소유량 영역과 대유량 영역 사이의 보정 계수 K의 차가 작아진다. 이 때문에, 소유량 영역으로부터 대유량 영역으로 천이하는 천이 영역 에서의 보정 계수 K의 변화가 작게 되어, 유량에 대한 보정 계수 K가 평탄화된다. 따라서, 천이 영역에서 계측된 유량에 오차 △Qm이 발생하여도, 보정 계수 K의 변화는 △K2(<△K1)로 충분히 작게 할 수 있으므로, 높은 정밀도로 유량을 계측할 수 있다.

특히, 계측 대칭이 되는 유체의 온도 변화 혹은 유체의 조성비율의 변화가 있는 경우에는 유량에 대한 보정 계수 K를 평탄화하는 것은 계측 오차의 확대를 방지하기 위해서 유효하고, 유체의 온도 변화 혹은 유체의 조성비율의 변화가 생각되는 도시 가스, LPG 등의 연료 가스의 유량을 보다 높은 정밀도로 계측할 수 있다.

이상과 같이 실시예 2에 의하면, 비대칭 흐름 촉진 수단(41)은 한 쌍의 송수신기(31)의 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 위치와 등유속 영역 P1의 높이 방향(6)에 따른 위치가 대략 일치하도록, 등유속 영역 P1을 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따라서 편심시킨다. 소유량 영역에서는 최대 유속 위치 T보다 유속이 느린 곳을 송수신기(31)가 측정하므로, 측정된 외견의 유량은 평균 유량에 보다 근접하게 된다. 이 때문에, 보정 계수 K는 보다 커져, 1에 근접한다. 대유량 영역에서는 보정 계수 K가 실질적으로 변하지 않기 때문에, 소유량 영역과 대유량 영역 사이의 보정 계수 K의 차가 작게 된다. 이 때문에, 소유량 영역으로부터 대유량 영역으로 천이하는 천이 영역에서 유량에 대한 보정 계수 K를 평탄화할 수 있다.따라서, 천이 영역에서 계측된 유량에 오차 △Qm이 발생하여도, 높은 정밀도로 유량을 계측할 수 있다.

또한, 굴곡부(42A) 및 굴곡부(42B)를 각각 개재하여 도입부(3) 및 도출부(4)를 계측 유로(2)와 각각 연결하고 있기 때문에, 유량 계측 장치의 폭을 좁게 하여 소형화할 수 있어, 유량 계측 장치의 설치성을 높일 수 있다.

또한, 단차부(44)의 크기를 조정하므로써, 도 12에 도시하는 대유량 영역에서의 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 대유량 유속 분포 R의 편심을 유지하는 것이 가능한 유량의 상한치를 변경할 수 있다. 단차부(44)를 크게 하면, 유량에 대한 보정 계수 K를 평탄화할 수 있어 유량의 상한치를 높일 수 있다. 이 때문에, 계측해야 할 유량 범위의 요구 수단에 따라서 단차부(44)의 크기를 설정한다. 이와 같이, 단차부(44)의 크기를 조정하므로써, 보다 넓은 유량 범위에 대하여 유량에 대한 보정 계수 K를 평탄화할 수 있으므로, 보다 넓은 계측 범위를 갖는 요구 수단에 대한 적응성이 높고, 생산성을 향상할 수 있는 유량 계측 장치를 얻을 수 있다.

또한, 이형상부(45)는 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 한쪽의 단부(46)및 다른쪽의 단부(47)에 의해서 형성되어 있고 한쪽의 단부(46) 및 다른쪽의 단부(47)는 서로 형상이 다르기 때문에, 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 유속 분포의 편심을 보다 크게 할 수 있다. 이 때문에, 유량에 대한 보정 계수 K의 평탄화를 촉진할 수 있어, 계측 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 굴곡부(42A)와 단차부(44)를 조합하면, 상기 굴곡부(42A)와단차부(44)의 상호 작용에 의해서, 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 유속 분포의 비대칭화가 촉진되어, 난류화가 진행하는 대유량 영역에서도 상기 비대칭화를 유지할 수 있기 때문에, 폭넓은 유량 범위에 대하여 보정 계수 K를 평탄화 할 수 있어, 보다 넓은 계측 범위를 갖는 요구 수단에 대한 적응성이 높고, 콤팩트한 유량 계측 장치를 얻을 수 있다.

또한, 굴곡부(42A)와 단차부(44)와 이형상부(45)를 조합하면, 상기 굴곡부(42A)와 단차부(44)와 이형상부(45)와의 상호 작용에 의해서, 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 유속 분포의 비대칭화가 촉진되고, 대유량 영역에서도 상기 비대칭화를 유지할 수 있어, 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 유속 분포의 편심을 확대할 수 있으므로, 폭넓은 유량 범위에 대하여 보정 계수 K를 평탄화할 수 있어, 보다 넓은 계측 범위를 갖는 요구 수단에 대한 적응성이 높고, 콤팩트한 유량 계측 장치를 얻을 수 있다.

또한, 이형상부(45)의 한쪽의 단부(46)는 곡면이 형성되지 않은 계단 형상의 형상으로 되어 있으므로, 축소 유량을 발생시켜, 유속 분포의 편심을 확대할 수 있다. 다른쪽의 단부(47)는 곡면이 형성되어 있어 높이 방향(6)에 따라서 매끄럽게 곡면이 변화하는 형상으로 되어 있기 때문에, 유체의 흐름의 안정성을 높일 수 있다. 이 때문에, 유량의 계측 정밀도를 안정화시킬 수 있다.

도 15는 실시예 2에 따른 다른 유량 계측 장치(200A)의 종단면도이다. 도 10 내지 도 12를 참조하여 상술한 유량 계측 장치(200)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다. 도 15를 참조하면, 상기 유량 계측 장치(200A)에서는 도입부(3A)와 계측 유로(2)를 동축상에 배치하여, 굴곡부를 개재하지 않고 직접 연결하고 있다. 계측 유로(2)의 입구측을 향한 단차부(44)와 한쪽의 단부(46) 및 다른쪽의 단부(47)의 형상을 다르게 형성한 이형상부(45)에 의해 비대칭 흐름 촉진 수단(41A)이 구성되어 있다. 이와 같이, 도입부(3A)와 계측 유로(2)를 직접 연결하고 있기 때문에, 콤팩트한 유로 구성을 갖는 유량 계측 장치를 얻을 수 있다. 또한, 도입부(3A)와 계측 유로(2)는 동축상이 아니고 평행하게 배치하여도 좋다.

도 16은 실시예 2에 따른 또다른 유량 계측 장치(200B)의 종단면도이다. 도 10 내지 도 12를 참조하여 상술한 유량 계측 장치(200)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다. 상기 유량 계측 장치(200B)에서는 비대칭 흐름 촉진 수단(41B)을 구성하는 이형상부(45A)는 계측 유로(2)의 입구측에서 한쪽의 단부(46)와 다른쪽의 단부(47)가 유체의 흐름 방향을 따라서 거리 △X만큼 어긋나서 형성되어 있다. 이와 같이, 계측 유로(2)의 입구측에서 높이 방향(6)에 따라서 형성된 한쪽의 단부(46)와 다른쪽의 단부(47)의 유체의 흐름 방향을 따른 위치가 서로 다르기 때문에, 높이 방향(6)에 따른 유속 분포의 편심을 한층더 크게 할 수 있다. 이로 인해, 소유량 영역에서의 보정 계수 K의 증대에 의해 보정 계수의 평탄성을 향상할 수 있다. 또한, 여기서는 한쪽의 단부(46)를 계단 형상으로 하고, 다른쪽의 단부(47)를 곡면형상으로 한 예를 예시하였지만, 한쪽의 단부(46) 및 다른쪽의 단부(47)의 쌍방을 계단 형상으로 하여도 좋고, 한쪽의 단부(46) 및 다른쪽의단부(47)의 쌍방을 곡면형상으로 하여도 좋다.

도 17은 실시예 2에 따른 또다른 유량 계측 장치(200C)의 종단면도이다. 도 10 내지 도 12를 참조하여 상술한 유량 계측 장치(200)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다. 상기 유량 계측 장치(200C)에서는 비대칭 흐름 촉진 수단(41C)을 구성하는 정류체(49)가 계측 유로(2)의 입구측에 설치되어 있다. 상기 정류체(49)는 계측 유로(2)의 유로 단면(8)을 분할하여 격자형상이 된, 흐름 방향을 따라서 길이가 다른 방향 규제부(50)와, 유속 변동을 저감하기 위해서 메쉬 등의 망형상체에 의해서 형성한 변동 억제부(51)를 갖고 있다. 이와 같이 방향 규제부(50)의 흐름 방향의 길이를 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따라서 변화시킴으로써, 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따라서 흐름 저항을 다르게 한 것이고, 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따라서 흐름 저항을 임의로 달리하므로써, 높이 방향(6)에 따른 유속 분포의 비대칭화를 최적화할 수 있어, 보정 계수 K의 평탄화를 향상할 수 있다. 또한, 비대칭 흐름 촉진 수단(41C)은 높이 방향(6)에 따라서 흐름 저항을 다르게 한 정류체(49)뿐만아니라, 정류체(49)와 상술의 굴곡부(42), 단차부(44) 및/또는 이형상부(45)를 조합하므로써, 더한층 높이 방향(6)에 따른 비대칭화를 촉진할 수 있어, 보정 계수 K의 평탄화를 촉진할 수 있다. 또한, 방향 규제부(50)의 길이가 아니라 격자의 크기를 변화시켜 흐름 저항을 다르게 해도 좋고, 변동 억제부(51)의 개구부의 미세함을 계측 유로(2)의 높이 방향(6)을 따라서 변경하므로써 흐름 저항을 다르게 하여도 좋다.

본 발명의 실시예에서의 모든 유량 계측 장치는 계측 유로(2)의 단면은 직사각형의 경우를 예로 들어 설명하지만, 상기 직사각형의 코너부에 약간의 R을 설치한 대략 직사각형이나, 사다리꼴, 원형 혹은 타원형 등의 단면형상도 좋음은 말할 필요도 없다. 또한, 굴곡부(42)는 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따라서 직각으로 굴곡한 예를 예시하고 있지만, 반드시 직각으로 굴곡할 필요는 없고, 굴곡에 의해 유체에 원심력이 작용하는 정도의 각도이면 좋고, 또한 굴곡부(42)는 계측 유로(2)의 폭방향으로도 경사를 가지고 있어도 좋음은 말할 필요도 없다.

도 18은 실시예 2에 따른 또다른 유량 계측 장치(200D)의 종단면도이다. 도 10 내지 도 12를 참조하여 상술한 유량 계측 장치(200)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다. 상기 유량 계측 장치(200D)에서는 동축상에 배치한 도입부(3B)와 도출부(4B)의 중심축인 접속축(14, 15)에 대하여 계측 유로(2)의 중심축인 계측 유로축(10)을 높이 방향(6)에 편심하여 배치하고, 계측 유로(2)의 입구측의 한쪽의 단부(46A)에 편심벽(48)을 형성하여 비대칭 흐름 촉진 수단(41D)으로 한 것이다. 편심벽(48)에는 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 대하여 매끄럽게 변화하는 곡률이 설치되어 있다. 또한, 도입부(3B)와 도출부(4B)의 중심축인 접속축(14, 15)은 동축상에 배치한 경우를 도시하였지만, 동축상이 아니라 평행하게 배치하여도 편심벽(48)을 동일하게 형성할 수 있음은 말할 필요도 없고, 또한 계측 유로(2)의 입구측의 한쪽의 단부(46A) 뿐만아니라 다른쪽의 단부에 크기가 다른 편심벽(도시하지 않음)을 설치하여서 좋음은 말할 필요도 없다.

다음에, 상기 초음파 유량 계측 장치(200D)의 동작에 관해서 설명한다. 도입부(3B)로부터 유입한 피계측 유체의 일부는 계측 유로(2)의 입구측에 형성된 편심벽(48)에 충돌하여 계측 유로(2)에 유입하고, 계측 유로(2)의 입구측의 높이 방향(6)에 따른 다른측에서는 도입부(3B)로부터 유입한 피계측 유체가 벽면에 충돌하는 일 없이 유입하여, 계측 유로(2)내의 높이 방향(6)에 따른 유속 분포는 중심축인 계측 유로축(10)에 대하여 비대칭이 된다.

이로 인해, 소유량 영역에서는 유속의 최대치를 편심하여 유속이 느린 곳을 계측하므로써 보정 계수 K를 크게 하고, 높이 방향(6)에 따른 유속 분포가 비교적으로 평탄하게 되는 대유량 영역에서는 유속의 최대치와 그다지 다르지 않은 곳을 계측하므로써 종래와 그다지 변하지 않은 보정 계수 K로서 소유량 영역과 대유량 영역의 보정 계수 K의 차를 적게 하고, 보정 계수 K의 유량에 대한 변화 특성을 평탄화할 수 있다. 비대칭 흐름 촉진 수단은 도입부에 대하여 계측 유로를 편심시켜 배치하고 있으므로, 유로형상을 간략화할 수 있어, 계측 유로(2)와 도입부(3B)를 근접 배치한 소형화 구성이 가능해져, 유로형상의 간략화와 소형화 구성에 의해 가공성을 높여 저비용화할 수 있다.

또한, 도입부와 도출부를 동축상 혹은 평행하게 배치하므로써, 유로형상의 간략화를 한층더 촉진하여, 도입부(3B)와 도출부(4B)를 근접 배치할 수 있고, 저 비용화와 소형화를 꾀할 수 있다.

도 19는 실시예 2에 따른 또다른 유량 계측 장치(200E)의 종단면도이다. 도입부(3B)의 중심축인 접속축(14)에 대하여 계측 유로(2)의 중심축인 계측유로축(10)을 편심하여 배치하고, 계측 유로(2)의 입구측의 한쪽의 단부(46B)에 편심벽(48B)을 형성하고 비대칭 흐름 촉진 수단(41E)으로 한 것이고, 편심벽(48B)은 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 대하여 계단 형상의 단차가 설치되어 있다. 도출부(4C)의 중심축은 계측 유로(2)의 중심축인 계측 유로축(10)과 동축으로 하고 있다. 여기서, 계단 형상의 단차로 되어 있는 편심벽(48B)에 의해 계측 유로(2)에 유입하는 흐름은 계측 유로(2)의 높이 방향(6)의 중심에 대하여 비대칭화가 촉진되어 보정 계수의 평탄성을 향상시킬 수 있어, 계측 유로(2)와 도출부(4C)의 중심축은 동축으로 하고 있으므로 유로형상의 간략화와 소형화를 향상할 수 있다.

도 20은 실시예 2에 따른 또다른 유량 계측 장치(200F)의 종단면도이다. 도 10 내지 도 12를 참조하여 상술한 유량 계측 장치(200)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다. 상기 유량 계측 장치(200F)에서, 초음파 송수신기(31)의 중심축인 송수신축(34)은 계측 유로(2)의 중심축인 계측 유로축(10)에 대하여 도면 하방측에 △Y만큼 편심시켜 배치하고 있다.

초음파 송수신기(31)는 그 송수신축(34)의 편심 방향을, 유속 분포 R로 도시하는 바와 같이 최대 유속의 발생 위치 U가 존재하는 도면 하방의 방향으로 한 것이다. 도면 하방의 방향에 최대 유속의 발생 위치 U가 존재하는 것은 계측 유로(2)의 입구측의 굴곡부(42A)에 의한 원심력 작용에 의해 흐름이 외주면(43)측으로 편심하기 때문이고, 또한 외주면(43)측에 설치한 단차부(44)와 외주면(43)측을 계단 형상으로 한 이형상부(45)에 의해서 그 흐름의 편심이 커짐과 동시에 대유량시라도 흐름의 편심이 유지되어 있다.

도 21은 도 20에 도시하는 또다른 유량 계측 장치(200F)의 송수신기(31)의 상세한 구성을 도시하는 종단면도이다. 도 12에 있어서, 82는 그 내부에 설치한 압전체(81)를 기밀하게 수납하는 케이스, 83은 케이스(82)의 외벽면에 고정된 음향정합층, 84는 케이스(82)와 접합한 밀봉체, 85는 밀봉체(84)에 설치한 단자, 86은 압전체(81)와 단자(85)를 접속하는 리드선, 88은 지지부(87)를 삽입하도록 유지하여 유로벽(5)에 기밀하게 또한 방진하여 설치하는 진동 전달 억제체, 89는 진동 전달 억제체(88)가 유로벽(5)으로부터 탈락하지 않도록 억제하는 고정체이다. 여기서, 초음파 송수신기(31)는 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따라서 편심하여 배치됨과 동시에, 초음파를 피계측 유체에 방출하는 음향 정합층(83)에 형성된 송수신면(32)은 계측 유로(2)의 높이 치수(11)보다 작게 하고 있다. 또한, 하류측의 초음파 송수신기(31)에 관해서도 마찬가지이므로 설명은 생략한다.

다음에 동작을 설명한다. 초음파 송수신기(31)는 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 중심으로부터 편심시킴으로써, 유속 분포 형상이 볼록형상이 되는 저유속의 층유역에 있어서는 초음파 전파로(33)의 높이 중심이 최대 유속치의 발생 위치로부터 멀어지기 때문에 보정 계수 K의 값은 커지고, 대유량시의 난류역의 값에 근접할 수록 초음파 송수신기(31)의 높이 방향(6)에 따른 편심 위치를 설정하여 보정 계수 K의 변화가 평탄한 영역을 저유속측인 저유량 영역에 확대할 수 있다. 또한, 초음파 송수신기(31)의 편심 방향은 높이 방향(6)에 따른 유속 분포에 있어서 최대치가 존재하는 방향으로 하므로써, 유속 분포 형상이 볼록형상이 되는 층유역이나 천이 영역에서는 최대 유속치의 위치와 벽면 사이의 유속 변화가 보다 급격하게 되어, 초음파 송수신기(31)의 높이 방향(6)에 따른 위치를 약간 조절하므로써 보정 계수 K의 값을 용이하게 변화시켜 저유량측으로 보정 계수 K의 변화가 평탄한 영역을 확대할 수 있다. 또한, 대유량측에서는 유속이 큰 곳을 계측하여 보정 계수 K의 값이 작게 되도록 하여 대유량측과 저유량측의 보정 계수 K의 차를 저감하여 평탄성을 향상할 수 있고, 저유량 영역으로부터 대유량 영역의 폭넓은 유량 영역에 대하여 보정 계수 K의 변화를 평탄화할 수 있다.

또한, 초음파 송수신기(31)는 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 중심으로부터 굴곡부(42)의 외주면(43)측으로 편심시켜 배치하므로써, 굴곡부(43)에서의 원심력의 작용에 의해 굴곡부(42)의 외주면(43)측으로의 흐름의 편심은 유량이 증대할 수록 촉진할 수 있고, 높이 방향(6)에 따라서 편심시킨 초음파 전파로(33)에 유속이 큰 영역의 비율을 높여 대유량 영역에서의 보정 계수를 작게 할 수 있고, 게다가 보다 한층 큰 유량치에서 보정 계수 K의 값을 저감할 수 있고, 보다 넓은 계측 범위에 걸쳐 보정 계수 K의 평탄성을 향상시킬 수 있다. 또한, 초음파 송수신기(31)는 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 치수(11)보다 작은 송수신면(32)을 설치한 것이고, 초음파 송수신기(31)를 다소 편심시키더라도 송수신면(32)이 유로벽(5)에 숨겨지지 않도록 계측 유로(2)에 대하여 설치할 수 있기 때문에, 초음파를 유효하게 초음파 전파로(33)로 방출할 수 있어, 초음파의 송수신 감도의 저하를 방지하므로써 S/N을 높인 초음파의 송수신에 의해 계측 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 초음파 송수신기(31)의 송수신 감도가 저하하지 않은 편심역이 확대되어 편심의 자유도를 크게 할 수 있기 때문에, 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 대표 부분의 영역에 초음파를 전파시켜 계측할 수 있어, 보정 계수 K의 평탄성을 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 초음파 송수신기는 계측 유로의 높이 방향을 따른 중심으로부터 편심시켜 배치한 것이다. 그리고, 초음파 송수신기의 높이 방향을 따른 편심 위치를, 층류 상태에서 흐르는 저유속역에서의 보정 계수의 값이 난류역의 값에 가까운 값이 되도록 알맞게 편심시켜 설정할 수 있고, 보정 계수의 확대가 평탄한 영역을 저속측으로 확대할 수 있다.

또한, 초음파 송수신기의 편심 방향은 높이 방향을 따른 유속 분포에서 최대치가 존재하는 방향으로 한 것이다. 그리고, 최대 유속치를 나타내는 높이 방향을 따른 위치와 계측 유로의 벽면의 사이에서 보다 급격한 유속 변화가 얻어지기 때문에, 초음파 송수신기의 높이 방향을 따른 위치의 변화에 의한 보정 계수의 조절을 용이하게 할 수 있고, 보정 계수의 변화가 평탄한 영역을 저유량측으로 한층 더 확대할 수 있다. 또한, 난류가 되는 대유량측에서는 유속이 큰 곳을 계측하기 위해서 보정 계수의 값을 저감할 수 있어, 대유량측과 저유량측의 보정 계수치의 차를 작게 하여 평탄성을 향상시킬 수 있음과 동시에, 폭넓은 유량 영역에 대하여 보정 계수의 변화를 평탄화할 수 있다.

또한, 초음파 송수신기는 계측 유로의 높이 방향을 따른 중심으로부터 굴곡부의 외주면에 편심시켜 배치한 것이다. 그리고, 굴곡부에서의 원심력의 작용에 의해 굴곡부의 외주측에의 흐름의 편심은 유량이 증대할 수록 촉진할 수 있기 때문에 대유량 영역에서의 보정 계수를 작게 할 수 있어, 소유량 영역에서의 보정 계수와의 차를 축소하여 넓은 계측 범위에 걸쳐 보정 계수의 평탄성을 향상시킬 수 있다.

또한, 초음파 송수신기는 계측 유로의 높이 방향을 따른 치수보다 작은 송수신면을 설치한 것이다. 그리고, 계측 유로의 높이 방향을 따라서 초음파 송수신기를 어느정도 편심시켜 배치하여도 초음파를 유효하게 초음파 전파로로 방출할 수 있어, 초음파의 송수신 감도의 저하를 방지하여 S/N 을 높인 계측에 의해 계측 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 편심의 자유도를 확대할 수 있어, 계측 유로의 높이 방향을 따른 대표부분의 영역에 초음파를 전파시켜 계측하므로써 보정 계수의 평탄성을 향상시킬 수 있다.

(실시예 3)

실시예 3에서는 계측 유로의 상류측 뿐만 아니라 하류측에서도 비대칭 흐름 촉진 수단이 설치되어 있는 유량 계측 장치를 설명한다. 도 22는 실시예 3에 따른 유량 계측 장치(300)의 종단면도이다. 도 23은 그 횡단면이다. 도 24는 유량 계측 장치(300)에 있어서의 대유량시의 유속 분포를 도시하는 종단면도이다. 도 10 내지 도 12를 참조하여 상술한 유량 계측 장치(200)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다.

상기 유량 계측 장치(300)에는 계측 유로(2)의 하류측에도 비대칭 흐름 촉진 수단(141)이 설치되어 있다. 상기 비대칭 흐름 촉진 수단(141)은 계측 유로(2)의상류측에 설치된 비대칭 흐름 촉진 수단(41)과 마찬가지로, 하류측의 굴곡부(142)와, 계측 유로(2)의 하류측의 높이 방향(6)에 따라서 설치된 단차부(144)와, 계측 유로(2)의 하류측의 높이 방향(6)에 따른 한쪽의 단부(146)와 다른쪽의 단부(147)의 형상을 다르게 형성한 이형상부(145)로 형성되어 있다. 또한, 단차부(44, 144)는 상류측 및 하류측의 굴곡부(42, 142)의 외주면(43, 143)측에 각각 설치된다. 또한, 이형상부(45, 145)는 계측 유로(2)의 상류측 및 하류측의 높이 방향(6)에 따른 한쪽의 단부(46, 146)를 선단에 코너 R을 설치하지 않은 계단 형상으로 하고, 다른쪽의 단부(47, 147)는 곡률을 가지고 높이 방향(6)에 따라서 매끄럽게 단면이 변화하는 매끄러운 모양 형상으로 하고 있다.

다음에, 상기 초음파 유량 계측 장치(300)의 동작에 관해서 설명한다. 유체가 도입부(3)에서 유입하여 도출부(4)로부터 유출하는 순방향 흐름시의 동작은 도 10 내지 도 12를 참조하여 상술한 유량 계측 장치(200)의 동작과 동일하므로, 설명을 생략한다. 유체가 도출부(4)에서 유입하여 도입부(3)로부터 유출하는 역방향 흐름시에 있어서는 비대칭 흐름 촉진 수단(141)에 의해 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 유속 분포가 높이 방향(6)에 따른 중앙에 대하여 대략 대칭이 아니라 비대칭형을 한 형상이 되어, 순방향 흐름시와 마찬가지로, 최대 유속의 발생 위치가 높이 방향(6)에 따른 중앙 부근보다 약간 일방향측으로 편심된 유속 분포로 초음파 전파로(33)를 유동한다.

초음파 유량 계측 장치(300)는 계측 유로(2)의 상류측 뿐만 아니라 하류측에서도 비대칭 흐름 촉진 수단(141)이 설치되어 있기 때문에, 유체가 계측 유로(2)의상류측으로부터 하류측으로 유통하는 순방향 흐름의 경우만이 아니라 유체가 계측 유로(2)의 하류측으로부터 상류측으로 유통하는 역방향 흐름의 경우에 있어서도, 도 10 내지 도 12를 참조하여 상술한 실시예 2에 따른 유량 계측 장치(200)와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

특히, 관 접속된 도시 가스, LPG 등을 연료로 하는 리시프로 엔진이 운전되는 등으로 피계측 유체의 압력 맥동이 발생하여, 압력 맥동에 의해 흐름 방향이 단시간에 순역(順逆)을 반복하는 경우에는 계측 유량의 오차가 쉽게 커지기 때문에 보정 계수에 의한 오차가 쉽게 확대된다. 따라서, 유체가 계측 유로(2)의 하류측으로부터 상류측으로 유통하는 역방향 흐름의 경우에 있어서도, 소유량 영역으로부터 대유량 영역으로 천이하는 천이 영역에서 유량에 대한 보정 계수 K를 평탄화할 수 있고, 천이 영역에서 계측된 유량에 오차 △Qm이 발생하여도, 높은 정밀도로 유량을 계측할 수 있는 유량 계측 장치(300)를, 압력 맥동에 의해 흐름 방향이 단시간에 순역을 반복하는 유체의 유량의 계측에 적용하면, 큰 효과를 얻을 수 있다.

도 25는 실시예 3에 따른 다른 유량 계측 장치(300A)의 종단면도이다. 도 15를 참조하여 상술한 유량 계측 장치(200A)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다.

상기 유량 계측 장치(300A)에는 계측 유로(2)의 하류측에 비대칭 흐름 촉진 수단(141A)이 설치되어 있다. 도입부(3A)와 계측 유로(2) 및 도출부(3B)와 계측 유로(2)를 평행 혹은 동축상에 배치하고, 계측 유로(2)의 입구측 및 출구측의 높이 방향의 양단에 단차부(44, 144)를 설치함과 동시에, 한쪽의 단부(46, 146)와 다른쪽의 단부(47, 147)의 형상을 다르게 형성한 이형상부(45, 145)로 비대칭 흐름 촉진 수단(41A, 141A)을 형성하고 있는 것으로, 피계측 유체의 입구인 도입부(3A)와 계측 유로(2) 및 피계측 유체의 출구인 도출부(3B)와 계측 유로(2)를 짧게 접속하여 콤팩트한 유로 구성을 할 수 있다.

또한, 이형상부(45, 145)는 계측 유로(2)의 입구측 및 출구측의 높이 방향의 한쪽의 단부(46, 146)를 계단 형상의 단차부(44, 144)로 하고, 다른쪽 단부(47, 147)는 곡률을 갖는 매끄러운 모양 형상으로 한 것이고, 순역 중 어느 한쪽 방향의 흐름일지라도 단부형상의 차이에 의해 대칭인 유속 분포와는 관계없고, 더구나 계단 형상의 단차에 의해 유량 축소를 발생시켜 계측 유로(2)의 높이 방향에서의 최대 유속 위치의 편심을 크게 할 수 있음과 동시에, 곡률을 가지고 매끄럽게 변화하는 형상에 의해 순방향 및 역방향 중 어느 한쪽 방향의 흐름에 대해서도 흐름의 안정성을 높일 수 있어 계측 정밀도를 안정화할 수 있다.

도 26은 실시예 3에 따른 또다른 유량 계측 장치(300B)의 종단면도이다. 도 16을 참조하여 상술한 유량 계측 장치(200B)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다. 이형상부(45A, 145A)는 계측 유로(2)의 입구측 및 출구측의 높이 방향의 한쪽의 단부(46, 146)와 다른쪽의 단부(47, 147)의 흐름 방향의 위치를 △X, △Xa 어긋나게 하여 각각 형성한 것이고, 순역중 어느 한쪽 방향의 흐름일지라도 계측 유로(2)의 높이 방향의 유입단부의 위치가 다르기 때문에 높이 방향의 최대 유속 위치의 편심을 한층더 크게 할 수 있어, 층유역이 되는 저유량시의 보정 계수의 증대와 난류역이 되는 대유량시의 보정 계수의 저감에 의해 보정 계수의 평탄성을 향상할 수 있다. 또한, 여기서는 한쪽의 단부(46, 146)를 계단 형상으로 하고 다른쪽의 단부(47, 147)에는 곡률을 설치한 경우를 도시하였지만, 어느쪽의 단부(46, 146, 47, 147)도 모두 계단 형상으로 하여도 좋고, 또한 어느쪽의 단부(46, 146, 47, 147)도 모두 곡률을 설치하여도 좋음은 말할 필요도 없다.

도 27은 실시예 3에 따른 또다른 유량 계측 장치(300C)의 종단면도이다. 도 17을 참조하여 상술한 유량 계측 장치(200C)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다. 49는 계측 유로(2)의 입구측 및 출구측에 설치한 정류체이고, 계측 유로(2)의 입구측 및 출구측에 설치한 각각의 정류체(49)는 계측 유로(2)의 단면을 분할하는 격자형상이 된 흐름 방향으로 길이가 다른 방향 규제부(50)와 유속 변동을 저감하기 위해서 메쉬 등의 망형상체로 형성한 변동 억제부(51)를 구비하므로써 비대칭 흐름 촉진 수단(41C, 141C)을 형성하고 있다. 이와 같이 방향 규제부(50)의 흐름 방향의 길이를 계측 유로(2)의 높이 방향에 대하여 변화시킴으로써 계측 유로(2)의 높이 방향에서 흐름 저항을 달리한 것이고, 계측 유로(2)의 높이 방향의 위치에 의한 흐름 저항을 임의로 달리하므로써 순방향 및 역방향 중 어느 한쪽 방향의 흐름에 대하여도 높이 방향의 유속 분포의 비대칭화를 최적화할 수 있고, 보정 계수의 평탄화를 향상할 수 있다. 또한, 비대칭 흐름 촉진 수단(41C, 141C)은 높이 방향에서 흐름 저항을 다르게 한 정류체(49)만으로 형성하여도 좋고, 정류체(49)와 상술의 굴곡부(42, 142)나 단차부(44, 144) 혹은 이형상부(45, 145)와 조합하므로써 더한층 높이 방향의 비대칭화를 촉진할 수 있어 보정 계수의 평탄화를 촉진할 수 있음은 말할 필요도 없다. 또한, 방향 규제부(50)의 길이가 아니라 격자의 크기를 변화시켜 흐름 저항을 다르게 하여도 좋고, 변동 억제부(51)의 개구부의 미세함을 계측 유로(2)의 높이 방향에서 변경하므로써 흐름 저항을 다르게 하여도 좋음은 말할 필요도 없다.

또한, 유속 최대치의 발생 위치는 순방향 및 역방향 중 어느 한쪽 방향의 흐름에 있어서도 계측 유로의 높이 중심에 대하여 동일측(도 22, 도 24, 도 25 내지 도 27에 도시한 종단면도에 있어서 도면 하방)으로에 편심시키는 비대칭 흐름 촉진 수단으로 한 것이다. 흐름 방향이 순역을 반복하는 맥동 흐름시에 있어서, 흐름 방향이 변화할 때에 계측 유로의 종단면내에서의 유속 밸런스를 쉽게 갖게 되어, 소용돌이 상태 흐름이 방지되거나 예로 들어 발생하여도 소용돌이의 발생 강도를 저감할 수 있고, 소용돌이에 의한 초음파의 감쇠 혹은 반사 등을 저감할 수 있어 감도를 높인 초음파의 송수신이 이루어짐과 동시에, 흐름 방향이 바뀔 때의 유속 밸런스가 좋기 때문에 초음파 전파로에서의 흐름의 안정화가 이루어져 계측 정밀도를 향상할 수 있다.

또한, 굴곡부(42A, 142)의 굴곡 방향은 도입부(3)와 도출부(4)에서 동일방향으로 한 것이고, 계측 유로(2)에 대하여 입구, 출구가 되는 도입부(3), 도출부(4)를 굴곡시켜 배치하므로써, 폭을 작게 하여 소형화할 수 있다. 또한, 동일방향으로 굴곡시킴으로써, 유속 최대치의 발생 위치가 계측 유로의 높이 중심에 대하여 동일측으로 편심시킬 수 있어 흐름이 맥동하여 흐름 방향이 순역으로 변화할 때에계측 정밀도의 향상을 할 수 있음과 동시에, 외부 배관과의 접속부를 접근시켜 집약할 수 있어 설치성을 한층더 향상할 수 있다.

또한, 단차부(44, 144)는 입구측, 출구측 모두 계측 유로(2)의 높이 방향의 도면 하방측에 배치하고, 이형상부(45, 145)는 입구측, 출구측 모두 계측 유로(2)의 높이 방향의 도면 하방을 계단 형상으로 하여 도면 상측에 곡률을 가지는 매끄러운 모양 형상으로 하고, 혹은 이형상부(45A, 145A)는 입구측, 출구측 모두 계측 유로(2)의 높이 방향의 도면 하방의 단부 위치를 계측 유로(2)의 초음파 전파로(33)측에 어긋나게 하므로써, 단차부(44, 144) 혹은 이형상부(45A, 145A)는 계측 유로(2)의 입구측과 출구측에서 동일측에 배치한 것이다. 그리고, 계측 유로(2)에 굴곡부(42A, 142)를 개재하여 도입부(3)및 도출부(4)를 동일방향으로 배치하는 경우, 혹은 도입부(3A)와 도출부(4A)를 동축상 혹은 계측 유로(2)에 평행하게 배치하는 경우 중 어느 하나에 있어서도, 소형 컴팩트화하여 설치성을 높인 구성으로 할 수 있음과 동시에, 순방향 및 역방향 중 어느 한쪽 방향의 흐름에 있어서도 유속 최대치의 발생 위치를 계측 유로(2)의 높이 중심에 대하여 동일측으로 편심시켜계측 정밀도를 향상할 수 있다.

이상에서, 계측 유로(2)의 유로 단면은 직사각형의 경우로 설명하였지만, 직사각형의 코너부에 약간의 R을 설치한 대략 직사각형이나, 사다리꼴, 원형 혹은 타원형 등의 단면형상이어도 좋음은 말할 필요도 없다. 또한, 굴곡부는 계측 유로의 높이 방향에서 또한 직각으로 굴곡한 예를 예시하였지만, 반드시 직각으로 굴곡할 필요는 없고 굴곡에 의해 유체에 원심력이 작용하는 정도의 각도이면 좋고, 또한굴곡부는 계측 유로의 폭방향으로도 경사를 가지고 있더라도 좋음은 말할 필요도 없다.

도 28은 실시예 3에 따른 또 다른 유량 계측 장치(300D)의 종단면도이다. 도 18을 참조하여 상술한 유량 계측 장치(200D)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다.

동축상에 배치한 도입부(3B)와 도출부(4A)의 중심축인 접속축(14)에 대하여 계측 유로(2)의 중심축인 계측 유로축(10)을 높이 방향(6)에 편심하여 배치하고, 계측 유로(2)의 입구측의 한쪽의 단부(46A)에 편심벽(48)을 형성하여 비대칭 흐름 촉진 수단(41D)을 형성함과 동시에, 계측 유로(2)의 출구측의 한쪽의 단부(146A)에 편심벽(148)을 형성하여 비대칭 흐름 촉진 수단(141D)을 형성한 것이다. 편심벽(48, 148)에는 각각 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 대하여 매끄럽게 변화하는 곡률이 설치되어 있다. 또한, 도입부(3B)와 도출부(4A)의 중심축인 접속축(14)은 동축상에 배치한 경우를 도시하였지만, 동축상이 아니라 계측 유로(2)의 계측 유로축(10)과 평행하게 배치하여도 편심벽(48, 148)을 동일하게 형성할 수 있음은 말할 필요도 없다.

다음에, 상기 초음파 유량 계측 장치(300D)의 동작에 관해서 설명한다. 도입부(3B)로부터 유입한 피계측 유체의 일부는 계측 유로(2)의 입구측에 형성된 편심벽(48)에 충돌하여 계측 유로(2)에 유입하고, 계측 유로(2)의 입구측의 높이 방향의 다른쪽측에서는 도입부(3B)에서 유입한 피계측 유체가 벽면에 충돌하지 않고유입하고, 계측 유로(2)내의 높이 방향(6)에 따른 유속 분포는 중심축인 계측 유로축(10)에 대하여 비대칭이 된다. 또한, 도출부(4A)에서 유입한 피계측 유체의 일부는 계측 유로(2)의 출구측에 형성된 편심벽(148)에 충돌하여 계측 유로(2)에 유입하고, 계측 유로(2)의 출구측의 높이 방향(6)에 따른 다른쪽측에서는 도출부(4A)에서 유입한 피계측 유체가 벽면에 충돌하지 않고 유입하고, 계측 유로(2)내의 높이 방향(6)에 따른 유속 분포는 중심축인 계측 유로축(10)에 대하여 비대칭이 된다.

이로 인해, 순방향 및 역방향 중 어느 한쪽 방향의 흐름에 있어서도, 층유역에서는 유속의 최대치를 편심시켜 유속이 느린 곳을 많게 하여 계측하므로써 보정 계수를 크게 하고, 높이 방향의 속도 분포가 비교적으로 평탄하게 되는 난류역에서는 유속의 최대치와 너무 다르지 않은 유속역을 계측하므로써 종래와 그다지 다르지 않은 보정 계수로 하여 층유역과 난류역과의 보정 계수의 차를 적게 하여, 유량 보정 계수의 유량 변화 특성을 평탄화할 수 있고, 비대칭 흐름 촉진 수단(41D, 141D)은 도입부(3B) 및 도출부(4A)에 대하여 계측 유로(2)를 편심시켜 배치하여 유로형상을 간략화할 수 있어, 계측 유로(2)와 도입부(3B) 및 도출부(4A)를 근접 배치한 소형화 구성이 가능해져, 유로형상의 간략화와 소형화 구성에 의해 가공성을 높이고 저비용화할 수 있다.

또한, 도입부(3B)와 도출부(4A)는 동축상 혹은 계측 유로와 평행하게 배치하므로써, 유로형상의 간략화를 한층더 촉진하여, 도입부(3B)와 도출부(4A)를 근접 배치할 수 있어, 저비용화와 소형화를 향상할 수 있다.

도 29는 실시예 3에 따른 또다른 유량 계측 장치(300E)의 종단면도이다. 도 19를 참조하여 상술한 유량 계측 장치(200E)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다.

도입부(3B) 및 도출부(4A)는 동축상에 배치한 접속축(14)을 갖고, 상기 접속축(14)에 대하여 계측 유로(2)의 중심축인 계측 유로축(10)을 편심하여 배치하고, 계측 유로(2)의 입구측 및 출구측의 높이 방향(6)을 따라서 도면 상하 양단에 단차를 형성한 단차부(44) 및 단차부(144)를 형성하고 비대칭 흐름 촉진 수단(41E, 141E)으로 한 것이고, 단차부(44, 144)는 계측 유로(2)의 높이 방향(6)을 따라서 계단 형상의 형상이 설치되어 있다. 여기서, 계단 형상의 형상으로 되어 있는 단차부(44, 144)에 의해 계측 유로(2)에 유입하는 흐름은 순방향 및 역방향 중 어느 한쪽 방향의 흐름에 있어서도, 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 중심에 대하여 비대칭화가 촉진되어 보정 계수의 평탄성을 향상할 수 있고, 도입부(3B)와 도출부(4A)의 중심축은 동축으로 하고 있기 때문에 유로 형상의 간략화와 소형화를 향상할 수 있다.

또한, 도입부(3B)와 도출부(4A)는 계측 유로(2)와 평행하게 배치하는 경우는 완전한 평행이 아니고 대략 평행이어도 좋고, 또한 도 29에 있어서 계측 유로(2)의 입구측 및 출구측의 단차부(44, 144)는 도면 상하의 양단에 설치하는 경우를 도시하였지만, 도면 상하 중 어느 한쪽에 설치하여도 좋음은 말할 필요도 없다.

도 30은 실시예 3에 따른 또다른 유량 계측 장치(300F)의 종단면도이다. 도 20을 참조하여 상술한 유량 계측 장치(200F)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다.

초음파 송수신기(31)의 중심축인 송수신축(34)은 계측 유로(2)의 중심축인 계측 유로축(10)에 대하여 도면 하방측에 △Y만큼 편심시켜 배치하고 있다. 여기서, 초음파 송수신기(31)는 그 송수신축(34)의 편심 방향을, 유속 분포 R에서 도시하는 바와 같이 최대 유속의 발생 위치 U가 존재하는 도면 하방의 방향으로 한 것이다. 도면 하방의 방향으로 최대 유속의 발생 위치 U가 존재하는 것은 순방향의 흐름에서는 계측 유로(2)의 입구측의 굴곡부(42A)에 의한 원심력 작용에 의해 흐름이 외주면(43)측으로 편심하고, 역방향의 흐름에서는 계측 유로(2)의 출구측의 굴곡부(142A)에 의한 원심력 작용에 의해 흐름이 외주면(143)측에 경사지기 때문이고, 또한 외주면(43, 143)측에 설치한 단차부(44, 144)와 외주면(43, 143)측을 계단 형상으로 한 이형상부(45, 145)에 의해서 그 흐름의 편심이 커짐과 동시에 대유량시라도 흐름의 편심이 유지되어 있다.

(실시예 4)

도 31은 실시예 4에 따른 유량 계측 장치(400)의 종단면도이고, 도 32는 그 횡단면도이다. 도 10 내지 도 12를 참조하여 상술한 유량 계측 장치(200)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다.

상기 유량 계측 장치(400)는 개구 구멍(16, 17)에 각각 설치된 개구 구멍 정류체(52)를 구비하고 있다. 상기 개구 구멍 정류체(52)는 초음파를 통과할 수 있는 미세한 초음파 통과구(53)를 갖는 메쉬 등의 망형상체, 미세다공판, 부직포 등으로 형성되어 있다. 상기 개구 구멍 정류체(52)는 개구 구멍(16, 17)내에의 피계측 유체의 유입을 저감함과 동시에, 계측 유로(2)에 돌출하지 않도록 유로벽(5)을 따라서 유로벽(5)의 벽면과 동일한 면에 배치하므로써 개구 구멍(16, 17)의 홈에 의한 계측 유로(2)내의 흐름의 흐트러짐을 저감하고 있다.

유량 계측 장치(400)는 상류측의 굴곡부(42A)의 입구측의 도입부(3)에 설치된 편류 억제체(57)를 갖고 있다. 상기 편류 억제체(57)는 미세한 유통구(58)를 다수 가짐과 동시에 도입부(3)에 유입하는 유체의 유속 분포에 편심이 있는 경우에 유속 분포를 균등화하여 계측 유로(2)에 피계측 유체를 공급한다.

유량 계측 장치(400)는 굴곡부(42A)의 상류측에 접속되어 도입부(3)에 개구하는 접속구(72)를 갖는 밸브 블록(71)을 갖고 있다. 상기 밸브 블록(71)에는 밸브 시트(78)에 대향하는 밸브체(77)를 갖는 개폐 밸브(76)가 설치되어 있다. 밸브 시트(78)의 상류측에는 피계측 유체가 유입하는 유체 입구(75)가 형성되어 있다. 밸브체(77)는 스프링(79)에 의해서 밸브 시트(78)의 방향으로 가압되어 있다. 유량 계측 장치(400)에는 밸브체(77)를 개방 혹은 폐쇄시키도록 구동하는 솔레노이드나 모터 등의 구동부(80)가 설치되어 있다.

도 33은 실시예 4에 따른 유량 계측 장치(400)에 있어서의 편류 억제체(57)를 설명하는 평면도이다. 편류 억제체(57)는 도입부(3)의 전역에 배치한 것이고, 73은 개폐 밸브(76)를 도 31과 같이 도면의 좌우방향에 배치하여 접속구(72)를 지면 좌측에 설치한 경우에서의 접속구(72)의 제 1 개구 위치(2점 쇄선으로 도시한다)이고, 74는 개폐 밸브(76)를 도 31의 지면 표리 방향에 배치하여 접속구(72)를지면 이면측에 설치한 경우에서의 접속구(72)의 제 2 개구 위치(2점 쇄선으로 도시한다)를 도시하고 있다. 이들 제 1 개구 위치(73)와 제 2 개구 위치(74)가 어느쪽이든 도입부(3)에 배치할 수 있도록, 도입부(3)의 단면적 Sa는 폭(11), 높이(12)의 직사각형으로 도시하는 계측 유로(2)의 단면적 Sb(도 34 참조)보다 큰(Sa>Sb)단면으로 하여, 편류 억제체(57)의 설치 면적을 크게 하고 있다. 이로 인해, 편류 억제체(57)에 의한 피측정 유체의 압력 손실을 작게 할 수 있음과 동시에, 밸브 블록(71)의 여러가지의 배치 구성에 대하여 제 1 및 제 2 개구 위치(73, 74)가 도입부(3)에 대하여 편심이 있더라도 편류 억제체(57)의 미세한 유통구(58)에 의해 흐름 분포를 균등화하여 계측 유로(2)에 유입시킬 수 있어, 비대칭 흐름 촉진 수단(41)에 의해 높이 방향(6)에 따른 유속 분포를 안정하게 비대칭화할 수 있다. 따라서, 초음파 송수신기(31) 사이의 흐름의 흐트러짐을 저감할 수 있어 계측 정밀도의 향상과 계측 가능한 유량의 상한치의 향상을 할 수 있음과 동시에, 밸브 블록(71) 등의 계측 유로(2)의 상류측의 유로형상이나 배관형상이 다르더라도 계측 정밀도를 확보할 수 있기 때문에 설치의 자유도를 향상할 수 있다.

도 34는 실시예 4에 따른 유량 계측 장치(400)에서의 흐름 안정부재(61)의 변동 억제부(63)를 설명하는 단면도이다. 편류 억제체(57)에 설치한 미세한 개구(41)를 가지는 유통구(58)의 개구 치수 Ta는 흐름 안정부재(61)의 변동 억제부(63)의 미세한 개구의 유통구(64)의 개구 치수 Tb보다 작게(Ta<Tb) 하고 있다. 이로 인해, 흐름의 맥동이나 유속 분포의 경사에 대한 균등화의 작용은 편류 억제체(57)쪽이 흐름 안정부재(61)보다 강하게 되어, 편류 억제체(57)를 설치하므로써 계측 유로(2)에 대하여 한층더 안정한 흐름을 공급할 수 있다.

따라서, 상류측의 유체가 유입하는 접속구(72)를 도입부(3)에 대하여 편심하여 배치하지 않을 수 없는 경우라도 계측 유로(2)에는 한층더 균등하게 유체를 유입시킴으로써 정밀도를 높인 계측을 할 수 있음과 동시에, 유입하는 유체에 맥동이 있더라도 계측 유로(2)에는 맥동을 저감한 흐름을 공급할 수 있고, 맥동류에 대하여도 계측 정밀도를 향상할 수 있다. 또한, 편류 억제체(57)의 유통구(58)를 흐름 안정부재(61)의 변동 억제부(63)의 유통구(64)보다 작은 개구 치수로 하므로써, 먼지, 더스트 등의 이물질의 계측 유로(2)에의 침입을 저감시켜 계측 동작을 확실하게 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 편류 억제체(57)의 단면적 Sa를 계측 유로(2)의 단면적 Sb보다 크게 하므로써, 피측정 유체의 압력 손실을 저감할 수 있음과 동시에 이물질이 편류 억제체(57)에 부착하여도 계측 특성의 저하를 방지할 수 있다.

이와 같이, 흐름의 상류측의 유로형상이나 배관형상에 관계없이 안정한 흐름을 계측 유로에 공급하므로써, 비대칭화한 높이 방향의 속도 분포를 안정화할 수 있음과 동시에 초음파 송수신 기간의 흐름의 흐트러짐을 저감할 수 있어 계측 정밀도의 향상과 계측 가능한 유량의 상한치의 향상을 할수 있다. 또한, 흐름의 상류측의 유로형상이나 배관형상에 관계없이 안정한 계측이 실현되어, 계측장치의 설치의 자유도를 향상할 수 있다.

다음에, 상기 초음파 유량 계측 장치(400)의 동작에 관해서 설명한다. 밸브 블록(71)의 유체 입구(75)로부터 밸브 시트(78)를 경유하여 도입부(3)로부터 유입한 피계측 유체는 계측 유로(2)의 입구측에 설치된 비대칭 흐름 촉진 수단(41)에의해 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 유속 분포가 높이 방향(6)에 따른 중앙에 대하여 대략 대칭이 아니라 비대칭형을 이룬 형상으로 되어 계측 유로(2)의 초음파 전파로(33)를 흐른다.

개구 구멍 정류체(52)를 설치하므로써 개구 구멍(16, 17)에서의 소용돌이의 발생 강도가 저감됨과 동시에 개구 구멍(16, 17)의 홈에 의한 계측 유로의 흐름의 흐트러짐을 방지할 수 있기 때문에, 유량 계측 범위의 상한치를 높일 수 있다고 하는 효과가 있다.

도 35는 실시예 4에 따른 유량 계측 장치에서의 다른 개구 구멍 정류체(52A)를 설명하는 부분 단면도이다. 여기서는 폭(12) 높이(11)의 직사각형 단면의 계측 유로(2)에 대하여, 개구 구멍(16, 17)은 계측 유로(2)의 흐름 방향(도면 중 화살표로 도시한다)에 대하여 거의 직교하는 방향을 1변(54)으로 하고, 흐름 방향에 거의 평행한 방향을 다른 변(55)으로 하는 직사각형의 개구 사각형을 가짐과 동시에, 계측 유로(2)의 설치 자세는 피측정 유체의 유동 방향을 거의 수평으로 하고, 개구 구멍(16, 17)이 설치되는 벽면을 거의 수직 방향이 되도록 설치되어 있다. 상기 계측 유로(2)의 설치 자세에 대하여, 하류측의 개구 구멍(17)에 설치한 개구 구멍 정류체(52)는 수평에 대하여 기울기 α를 갖는 경사 메쉬부(56)로 형성하여 수평으로 배치되는 메쉬의 부분이 없도록 하고 있다. 더구나, 하류측 개구 구멍(17)에 설치한 개구 구멍 정류체(52)의 개구 치수는 상류측의 개구 구멍(16)에 설치한 개구 구멍 정류체(52)의 개구 치수보다 작게 하여 계측 유로(2)에 대하여 예각을 이루어 개구하는 하류측의 개구 구멍(17)에의 피계측 유체의 유입 억제 효과를 높이고 있음과 동시에, 계측 유로(2)에 대하여 둔각을 이루어 개구하는 상류측의 개구 구멍(16)에 설치한 개구 구멍 정류체(52)의 개구 치수는 하류측의 개구 구멍(17)에 설치한 개구 구멍 정류체(52)보다 크게 하므로써 초음파의 투과율을 높이고, 감도를 높인 초음파의 송수신을 가능하게 하여 계측 정밀도를 한층더 향상할 수 있음과 동시에, 초음파의 전파 손실을 저감하여 초음파 송수신기에의 구동 입력의 저감이 가능하고, 전지의 용량이 한정된 전원이라도 장기간에 걸친 사용이 가능하게 되어 내구성을 향상할 수 있다.

또한, 피측정 유체가 더스트 등 미세한 분말상의 이물질을 포함한 채로 유동을 계속한 경우, 특히 하류측의 개구 구멍(17)은 흐름 방향에 대하여 예각으로 개구하기 때문에 개구 구멍에의 유입이 쉽게 생겨 개구 구멍 정류체(52)에 더스트 등 미세한 분말상의 이물질이 쉽게 부착된다. 그러나, 하류측의 개구 구멍(17)에 설치한 개구 구멍 정류체(52)는 수평에 대하여 경사진 경사 메쉬부(56)로 형성되어 있기 때문에, 부착한 미세한 분말상의 이물질은 경사를 따라서 미끄러져 떨어지는 것이 촉진된다. 따라서, 부착한 미세한 분말상의 이물질이 퇴적에 의한 개구 구멍 정류체(52)의 눈막힘이 방지될 수 있고, 초음파의 통과가 확보되어 안정한 유속, 유량의 계측을 지속할 수 있다.

이와 같이, 개구 구멍 정류체(52)는 미세한 초음파 통과구(53)를 가짐과 동시에 초음파 통과구(53)의 개구 치수 혹은 개구 형상을 상류측과 하류측의 개구 구멍 정류체(52)에서 다르게 한 것이고, 개구 구멍(16, 17)으로의 피계측 유체의 유입 억제 효과를 높임으로써 감도를 높인 초음파의 송수신을 가능하게 하여 계측 정밀도를 한층더 향상할 수 있음과 동시에, 더스트 등에 대한 내구 신뢰성을 향상할 수 있다.

또한, 상류측의 개구 구멍에 설치한 개구 구멍 정류체의 개구 치수는 하류측의 개구 구멍에 설치한 개구 구멍 정류체의 개구 치수보다 크게 한 것이다. 그리고, 초음파의 전파 손실을 저감할 수 있고 초음파 송수신기의 구동 입력을 삭감하여 저입력화되어, 전지 등의 용량이 한정된 전원이라도 장기간에 걸친 사용이 가능하게 되어 내구성을 향상할 수 있다.

도 36은 실시예 4에 따른 다른 유량 계측 장치(400A)의 종단면도이다. 도 22 내지 도 24를 참조하여 상술한 유량 계측 장치(300) 및 도 31 및 도 32를 참조하여 상술한 유량 계측 장치(400)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다.

상기 유량 계측 장치(400A)에는 도입부(3)에 더하여 도출부(4)에도 편류 억제체가 설치되어 있다. 도입부(3) 및 도출부(4)에 미세한 유통구(58, 158)를 갖는 편류 억제체(57, 157)를 설치하고 있기 때문에, 순방향 및 역방향 중 어느 한쪽 방향의 흐름에 대하여도 흐름의 상류측 혹은 하류측의 유로형상이나 배관형상에 관계없이 안정한 흐름을 계측 유로(2)에 공급하므로써, 비대칭 흐름 촉진 수단(41, 141)에 의해 높이 방향(6)에 따른 유속 분포를 비대칭화하고 또한 안정화할 수 있음과 동시에, 초음파 송수신 기간의 흐름의 흐트러짐을 저감할 수 있고, 흐름에 맥동이 있는 경우라도 계측 정밀도의 향상과 계측 가능한 유량의 상한치를 향상시킬 수 있다. 또한, 흐름의 상류측의 유로형상이나 배관형상에 관계없이 안정한 계측이 실현되어, 계측장치의 설치의 자유도를 향상시킬 수 있다.

도 37은 실시예 4에 따른 또다른 유량 계측 장치(400B)의 종단면도이다. 도 26을 참조하여 상술한 유량 계측 장치(300B) 및 도 36을 참조하여 상술한 유량 계측 장치(400A)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다.

이형상부(45A, 145A)는 계측 유로(2)의 입구측 및 출구측의 높이 방향(6)에 따른 한쪽의 단부(46, 146)와 다른쪽의 단부(47, 147)의 흐름 방향을 따른 위치를 △X, △Xa만큼 각각 어긋나게 형성한 것이고, 순역 중 어느 한쪽 방향의 흐름일지라도 계측 유로(2)의 높이 방향(6)에 따른 유입 단부의 위치가 다르기 때문에 높이 방향(6)에 따른 최대 유속 위치의 편심을 한층더 크게 할 수 있어, 층유역이 되는 저유량시의 보정 계수의 증대와 난류역이 되는 대유량시의 보정 계수의 저감에 의해 보정 계수의 평탄성을 향상할 수 있다. 또한, 여기서는 한쪽의 단부(46, 146)를 계단 형상으로 하고 다른쪽의 단부(47, 147)에는 곡률을 설치한 경우를 도시하였지만, 어느쪽의 단부(46, 146, 47, 147)도 모두 계단 형상으로 하여도 좋고, 또한 어느쪽의 단부(46, 146, 47, 147)도 모두 곡률을 설치하여도 좋음은 말할 필요도 없다.

또한, 흐름 안정부재(61)를 계측 유로(2)의 상류측뿐만아니라 계측 유로(2)의 하류측에도 설치하므로써, 역방향 흐름시의 높이 방향의 속도 분포의 비대칭성을 보다 안정화할 수 있고, 역류시에서의 보정 계수의 평탄성을 향상할 수 있음은 말할 필요도 없다.

도 38은 실시예 4에 따른 또다른 유량 계측 장치(400C)의 종단면도이다. 도 31 내지 도 37을 참조하여 상술한 실시예 4에 따른 유량 계측 장치의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다.

초음파 송수신기(31)의 중심축인 송수신축(34)은 계측 유로(2)의 중심축인 계측 유로축(10)에 대하여 도면 하방측에 △Y 만큼 편심시켜 배치하고 있다. 여기서, 초음파 송수신기(31)는 그 송수신축(34)의 편심 방향을, 유속 분포 R에서 도시하는 바와 같이 최대 유속의 발생 위치 U가 존재하는 도면 하방의 방향으로 한 것이다. 도면 하방의 방향에 최대 유속의 발생 위치 U가 존재하는 것은 순방향의 흐름에서는 계측 유로(2)의 입구측의 굴곡부(42A)에 의한 원심력 작용에 의해 흐름이 외주면(43)측으로 편심하고, 역방향의 흐름에서는 계측 유로(2)의 출구측의 굴곡부(142A)에 의한 원심력 작용에 의해 흐름이 외주면(143)측으로 편심하기 때문이고, 또한 외주면(43, 143)측에 설치한 단차부(44, 144)와 외주면(43, 143)측을 계단 형상으로 한 이형상부(45, 145)에 의해서 그 흐름의 편심이 커짐과 동시에 대유량시라도 흐름의 편심이 유지되어 있다.

도 39는 도 38에 도시하는 또다른 유량 계측 장치(400C)의 송수신기(31)의 상세한 구성을 도시하는 종단면도이다. 도 20 및 도 21을 참조하여 상술한 유량 계측 장치(200F)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 병기하고 있다. 이들 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다.

도 39에는 초음파 송수신기(31)와 계측 유로(2)의 설치부의 높이 관계가 도시되어 있다. 도 39에 있어서, 82는 그 내부에 설치한 압전체(81)를 기밀하게 수납하는 케이스, 83은 케이스(82)의 외벽면에 고정된 음향 정합층, 84는 케이스(82)와 접합한 밀봉체, 85는 밀봉체(84)에 설치한 단자, 86은 압전체(81)와 단자(85)를 접속하는 리드선, 88은 지지부(87)를 삽입하도록 유지하여 유로벽(5)에 기밀하게 또한 방진하여 장착하는 진동 전달 억제체, 89는 진동 전달 억제체(88)가 유로벽(5)으로부터 탈락하지 않도록 억제하는 고정체이다. 여기서, 초음파 송수신기(31)는 계측 유로(2)의 높이 방향에 대하여 편심하여 배치됨과 동시에, 초음파를 피계측 유체 중에 방출하는 음향 정합층(83)의 송수신면(32)은 계측 유로(2)의 높이 치수(11)보다 작게 하고 있다. 또한, 하류측의 초음파 송수신기(31)에 관해서도 마찬가지이므로 설명은 생략한다.

다음에 피계측 유체가 순방향으로 흐르는 경우의 동작을 설명한다. 초음파 송수신기(31)는 계측 유로(2)의 높이 방향의 중심으로부터 편심시킴으로써 유속 분포형상이 볼록형상이 되는 저유속의 층유역에 있어서는 초음파 전파로(33)의 높이 중심을 최대 유속치의 발생 위치로부터 멀어지기 때문에 보정 계수의 값은 커지고, 대유량시의 난류역의 값에 근접하도록 초음파 송수신기(31)의 높이 방향의 편심 위치를 설정하여 보정 계수의 변화가 평탄한 영역을 저유속측인 저유량 영역으로 확대할 수 있다. 또한, 초음파 송수신기(31)의 편심 방향은 높이 방향(6)에 따른 유속 분포에 있어서 최대치가 존재하는 방향으로 하므로써, 유속 분포형상이 볼록형상이 되는 층유역이나 천이 영역에서는 최대 유속치의 위치와 벽면 사이의 유속 변화를 보다 급격하게 되어, 초음파 송수신기(31)의 높이 방향(6)에 따른 위치를 약간 조절하므로써 보정 계수의 값을 용이하게 변화시켜 저유량측으로 보정 계수의 변화가 평탄한 영역을 확대할 수 있다.

또한, 대유량측에서는 유속이 큰 곳을 계측하여 보정 계수의 값을 작게 되도록 하여 대유량측과 저유량측의 보정 계수치의 차를 저감하여 평탄성을 향상할 수 있고, 저유량 영역으로부터 대유량 영역의 폭넓은 유량 영역에 대하여 보정 계수의 변화를 평탄화할 수 있다. 또한, 초음파 송수신기(31)는 계측 유로(2)의 높이 방향의 중심으로부터 굴곡부(42A, 142A)의 외주면(43, 143)측으로 편심시켜 배치하므로써, 굴곡부(42A, 142A)에서의 원심력의 작용에 의해 순방향 흐름에서는 굴곡부(42A)의 외주면(43)측에의 흐름의 편심은 유량이 증대할 수록 촉진할 수 있고, 역방향 흐름에서는 굴곡부(142A)의 외주면(143)측에의 흐름의 편심은 유량이 증대할 수록 촉진할 수 있어, 어느쪽의 방향으로 흐르더라도 높이 방향으로 편심시킨 초음파 전파로(33)에 유속이 큰 영역의 비율을 높이어 대유량 영역에서의 보정 계수를 작게 할 수 있고, 더구나 한층 더 큰 유량치에서 보정 계수치를 저감할 수 있고, 보다 넓은 계측 범위에 걸쳐 보정 계수의 평탄성을 한층더 향상할 수 있다. 또한, 초음파 송수신기(31)를 높이 방향(6)을 따라서 편심시킴으로써 보정 계수의 평탄성이 한층더 향상하고 있으므로, 흐름 방향이 단시간 내에 순역으로 방향이 변화하는 맥동시라도 보정 계수에 의한 오차의 확대가 방지되어 계측 정밀도를 한층더 향상할 수 있다.

또한, 초음파 송수신기(31)는 계측 유로(2)의 높이 치수(11)보다 작은 송수신면(32)을 설치한 것이고, 초음파 송수신기(31)를 다소 편심시켜도 송수신면(32)이 유로벽(5)에 숨기지 않도록 계측 유로(2)에 대하여 설치할 수 있기 때문에, 초음파를 유효하게 초음파 전파로(33)로 방출할 수 있고, 초음파의 송수신 감도의 저하를 방지하므로써 S/N을 높인 초음파의 송수신에 의해 계측 정밀도를 향상할 수 있다. 또한, 초음파 송수신기(31)의 송수신 감도가 저하하지 않는 편심역을 확대할 수 있어 편심의 자유도를 크게 할 수 있기 때문에, 계측 유로의 높이 방향의 대표 부분의 영역에 초음파를 전파시켜 계측할 수 있고, 보정 계수의 평탄성을 향상할 수 있다.

이와 같이, 초음파 송수신기는 계측 유로의 높이 방향의 중심으로부터 편심시켜 배치한 것이다. 그리고, 초음파 송수신기의 높이 방향의 편심 위치를, 층류상태로 흐르는 저유속역에서의 보정 계수의 값이 난류역의 값에 근접한 값이 되도록 알맞게 편심시켜 설정할 수 있고, 보정 계수의 변화가 평탄한 영역을 저유속측에 확대할 수 있음과 동시에 흐름 방향이 변화하는 맥동 흐름시에 있어서의 계측 제어도를 한층더 향상할 수 있다.

또한, 초음파 송수신기의 편심 방향은 높이 방향을 따른 유속 분포에 있어서 최대치가 존재하는 방향으로 하므로써, 최대 유속치를 나타내는 높이 방향을 따른 위치와 계측 유로의 벽면 사이에서 보다 급격한 유속 변화가 얻어지기 때문에, 초음파 송수신기의 높이 방향을 따른 위치의 변화에 의한 보정 계수의 조절을 용이하게 할 수 있어, 보정 계수의 변화가 평탄한 영역을 저유량측에 의해 한층더 확대할 수 있음과 동시에, 난류가 되는 대유량측에서는 유속이 큰 지점을 계측하므로써 보정 계수의 값을 저하시켜 대유량측과 저유량측의 보정 계수치의 차를 작게 하여 평탄성의 향상이 이루어지고, 폭넓은 유량 영역에 대하여 보정 계수의 변화를 평탄화하여 맥동 흐름에 대한 계측 정밀도를 향상할 수 있다.

또한, 초음파 송수신기는 계측 유로의 높이 방향을 따른 중심으로부터 굴곡부의 외주면측으로 편심시켜 배치하므로써, 굴곡부에서의 원심력의 작용에 의해 굴곡부의 외주측에의 흐름의 편심은 유량이 증대할 수록 촉진할 수 있기 때문에 대유량 영역에서의 보정 계수를 작게 할 수 있고, 소유량 영역에서의 보정 계수와의 차를 축소하여 넓은 계측 범위에 걸쳐 보정 계수의 평탄성을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 광범위한 유량을 고정밀도로 측정할 수 있는 유량 계측 장치를 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 소유량 영역으로부터 대유량 영역으로 천이하는 천이 영역에서의 보정 계수의 변화를 작게 할 수 있는 유량 계측 장치를 제공할 수 있다.

Claims

유체가 유통하는 유로와,

상기 유로를 가로질러 전파되는 음파를 서로 송수신하는 한 쌍의 송수신기와,

상기 한 쌍의 송수신기에 의한 상기 음파의 송수신 결과에 기초하여, 상기 유로를 유통하는 상기 유체의 유량을 산출하는 유량 산출 수단을 구비하고 있으며,

상기 유로는 대유량으로부터 소유량까지의 전체 유량 영역 사이에서 대략 같은 유속으로 상기 유체가 유통하는 등유속 영역을 갖고 있고,

상기 송수신기는 상기 음파가 상기 등유속 영역을 전파하도록 상기 음파를 송수신하는 유량 계측 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 등유속 영역은 상기 유로의 높이 방향을 따른 중심으로부터 편심된 위치에 형성되어 있고,

상기 한 쌍의 송수신기는, 한 쌍의 송수신기의 높이 방향을 따른 위치와 상기 등유속 영역의 상기 높이 방향을 따른 위치가 대략 일치하도록, 상기 유로의 상기 높이 방향을 따른 중심으로부터 편심된 위치에 배치되어 있는 유량 계측 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 유로의 상기 단면은 상기 높이 방향을 따른 2개의 짧은 변과 폭방향을 따른 2개의 긴 변에 의해 형성되는 직사각형으로 되어 있고,

상기 한 쌍의 송수신기는 상기 2개의 짧은 변에 각각 배치되어 있는 유량 계측 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 한 쌍의 송수신기는 상기 긴변 방향으로 상기 유로를 가로질러 전파되는 상기 음파를 송수신하는 유량 계측 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 유로의 단면은 상기 높이 방향을 따른 2개의 짧은 변과 폭방향을 따른 2개의 긴 변에 의해 형성되는 직사각형으로 되어 있고,

각 송수신기에는 상기 음파를 송수신하는 직사각형의 송수신면이 형성되어 있으며,

상기 유로의 높이 방향을 따른 중심으로부터의 상기 한 쌍의 송수신기의 편심량 L1은 이하에 나타내는 관계를 만족하고,

(H-W)×0.3≤L1≤(H-W)×0.7,

바람직하게는 이하에 나타내는 관계를 만족하고,

(H-W)×0.4≤L1≤(H-W)×0.6,

여기서,

H: 상기 단면의 상기 높이 방향을 따른 상기 짧은 변의 길이,

W: 각 송수신기에 형성된 직사각형의 송수신면의 상기 높이 방향을 따른 길이인 유량 계측 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 유로의 상기 단면은 상기 높이 방향을 따른 2개의 짧은 변과 폭방향을 따른 2개의 긴 변에 의해 형성되는 직사각형으로 되어 있고,

상기 단면의 긴변의 길이와 상기 짧은 변의 길이와의 비율이 1.1 내지 5인 유량 계측 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 유로의 상기 단면은 상기 높이 방향을 따른 2개의 짧은 변과 폭방향을 따른 2개의 긴 변에 의해 형성되는 직사각형으로 되어 있고,

각 송수신기에는 상기 음파를 송수신하는 직사각형의 송수신면이 형성되어 있고,

각 송수신기에 형성된 상기 송수신면의 상기 높이 방향을 따른 길이 W와 상기 유로의 상기 높이 방향을 따른 상기 짧은 변의 길이 H는

0.3×H≤W≤0.7×H,

가 되는 관계를 만족하고 있는 유량 계측 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 유로의 높이 방향은 중력이 작용하는 방향이고,

상기 한 쌍의 송수신기는 상기 중력이 작용하는 방향과 반대의 방향을 향하여 편심한 위치에 배치되어 있는 유량 계측 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 한 쌍의 송수신기의 상기 유로의 높이 방향을 따른 위치와 상기 등유속 영역의 상기 높이 방향을 따른 위치가 대략 일치하도록, 상기등유속 영역을 상기 유로의 높이 방향을 따라서 편심시키는 비대칭 흐름 촉진 수단을 또한 구비하고 있는 유량 계측 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 유로는 상기 한 쌍의 송수신기에 대하여 상류측에 도입부를 갖고 있고, 상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 도입부에 대하여 계측 유로를 편심시키는 유량 계측 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신기에 대하여 상류측에 설치되어 있는 유량 계측 장치.
제 11 항에 있어서, 상기 유로는 상기 한 쌍의 송수신기에 대하여 상류측 및 하류측에 각각 설치된 도입부 및 도출부를 갖고 있고,

상기 도입부 및 상기 도출부는 동축상 혹은 서로 평행하게 배치되어 있는 유량 계측 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신기의 상류측에서 상기 유로의 높이 방향을 따라서 굴곡하는 상기 유로를 형성하는 굴곡부를 갖고 있는 유량 계측 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신부에대하여 상류측의 유로를 구성하는 벽면에 형성된 단차부를 갖고 있는 유량 계측 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신부에 대하여 상류측의 유로의 높이 방향을 따른 한쪽의 벽면에 형성된 한쪽의 단부와, 다른쪽의 벽면에 형성되는 상기 한쪽의 단부와 다른 형상을 갖는 다른쪽의 단부를 포함하는 이형상부를 갖고 있는 유량 계측 장치.
제 15 항에 있어서, 상기 이형상부에 포함되는 상기 한쪽의 단부는 단차를 형성하고 있고, 상기 다른쪽의 단부는 곡률을 갖는 매끄러운 형상을 형성하고 있는 유량 계측 장치.
제 15 항에 있어서, 상기 이형상부에 포함되는 상기 한쪽의 단부와 상기 다른쪽의 단부는 상기 유체의 유통하는 방향을 따라서 서로 어긋난 위치에 형성되어 있는 유량 계측 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신부에 대하여 상류측의 유로를 구성하는 벽면에 형성된 단차부와, 상기 상류측의 유로의 높이 방향을 따른 한쪽의 벽면에 형성된 한쪽의 단부와, 다른쪽의 벽면에 형성되어 상기 한쪽의 단부와 다른 형상을 갖는 다른쪽의 단부를 포함하는 이형상부를 갖고있는 유량 계측 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신부의 상류측에서 상기 유로의 높이 방향을 따라서 굴곡하는 상기 유로를 형성하는 굴곡부와, 상기 상류측의 유로를 구성하는 벽면에 형성된 단차부를 갖고 있는 유량 계측 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신부의 상류측에서 상기 유로의 높이 방향을 따라서 굴곡하는 상기 유로를 형성하는 굴곡부와, 상기 상류측의 유로를 구성하는 벽면에 형성된 단차부와, 상기 상류측의 유로의 높이 방향을 따른 한쪽의 벽면에 형성된 한쪽의 단부와 다른쪽의 벽면에 형성되어 상기 한쪽의 단부와 다른 형상을 갖는 다른쪽의 단부를 포함하는 이형상부를 갖고 있는 유량 계측 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신기에 대하여 상류측에 설치되어 상기 유로의 높이 방향을 따라서 흐름 저항을 다르게 한 정류체를 갖고 있는 유량 계측 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 한 쌍의 송수신기는 상기 유로의 높이 방향을 따른 중심으로부터 편심된 위치에 배치되어 있는 유량 계측 장치.
제 22 항에 있어서, 상기 한 쌍의 송수신기는 상기 비대칭 흐름 촉진 수단에 의해서 상기 유로의 높이 방향을 따라서 편심한 상기 등유속 영역의 상기 높이 방향을 따른 위치와, 상기 한 쌍의 송수신기의 상기 높이 방향을 따른 위치가 대략 일치하도록, 상기 유로의 높이 방향을 따른 중심으로부터 편심된 위치에 배치되어 있는 유량 계측 장치.
제 22 항에 있어서, 상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신기의 상류측에서 상기 유로의 높이 방향을 따라서 굴곡하는 상기 유로를 형성하는 굴곡부를 갖고 있고,

상기 한 쌍의 송수신기는 상기굴곡부의 외주측을 향하여 편심한 위치에 배치되어 있는 유량 계측 장치.
제 22 항에 있어서, 각 송수신기에는 상기 음파를 송수신하는 송수신면이 형성되어 있고,

상기 송수신면은 상기 유로의 높이 방향을 따른 치수보다 작은 치수로 되어 있는 유량 계측 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 유체는 상류측으로부터 하류측으로 향하는 순방향 및 하류측으로부터 상류측으로 향하는 역방향의 양방향을 향하여 상기 유로를 유통하고,

상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 순방향을 향하는 유체의 흐름에 대하여 상기 등유속 영역을 상기 유로의 높이 방향을 따라서 편심시키는 순방향 비대칭 흐름 촉진 수단과,

상기 역방향을 향하는 유체의 흐름에 대하여 상기 등유속 영역을 상기 유로의 높이 방향을 따라서 편심시키는 역방향 비대칭 흐름 촉진 수단을 갖고 있는 유량 계측 장치.
제 26 항에 있어서, 상기 순방향 비대칭 흐름 촉진 수단 및 상기 역방향 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 등유속 영역을 동일한 방향을 향하여 편심시키는 유량 계측 장치.
제 27 항에 있어서, 상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 한 쌍의 송수신기의 상류측에서 상기 유로의 높이 방향을 따라서 굴곡하는 상기 상류측의 유로를 형성하는 상류측 굴곡부와, 상기 한 쌍의 송수신기의 하류측에서 상기 유로의 높이 방향을 따라서 굴곡하는 상기 하류측의 유로를 형성하는 하류측 굴곡부를 갖고 있고,

상기 상류측 굴곡부와 상기 하류측 굴곡부는 동일한 방향을 향하여 굴곡하고 있는 유량 계측 장치.
제 27 항에 있어서, 상기 비대칭 흐름 촉진 수단은 상기 상류측 및 상기 하류측의 유로를 구성하는 벽면에 형성된 단차부와, 상기 상류측 및 상기 하류측의 유로의 높이 방향을 따른 한쪽의 벽면에 형성된 한쪽의 단부와 다른쪽의 벽면에 형성되어 상기 한쪽의 단부와 다른 형상을 갖는 다른쪽의 단부를 포함하는 이형상부를 갖고 있고,

상기 단차부는 상기 상류측과 상기 하류측에서 동일측의 벽면에 형성되어 있으며,

상기 이형상부의 한쪽의 단부 및 다른쪽의 단부는 상기 상류측과 상기 하류측에서 각각 동일측의 벽면에 형성되어 있는 유량 계측 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 유로는 상기 한 쌍의 송수신기를 상기 유로에 각각 향하게 하는 한 쌍의 개구 구멍이 형성된 벽면에 의해서 형성되어 있고,

상기 한 쌍의 개구 구멍과 상기 유로 사이에 각각 설치되고, 상기 한 쌍의 개구 구멍으로의 상기 유체의 유입과, 상기 유로를 유통하는 상기 유체의 흐름의 흐트러짐을 각각 저감하는 한 쌍의 개구 구멍 정류체를 또한 갖고 있는 유량 계측 장치.
제 30 항에 있어서, 상기 한 쌍의 송수신기에 대하여 상류측에는 미세한 유통구를 갖는 편류 억제체가 설치되어 있는 유량 계측 장치.
제 31 항에 있어서, 상기 한 쌍의 송수신기에 대하여 하류측에는 미세한 유통구를 갖는 편류 억제체가 설치되어 있는 유량 계측 장치.
제 30 항에 있어서, 각 한 쌍의 개구 구멍 정류체에는 미세한 초음파 통과구가 각각 형성되어 있고,

상기 한 쌍의 개구 구멍 정류체 중의 상류측에 설치된 개구 구멍 정류체와 하류측에 설치된 개구 구멍 정류체에서 상기 개구 구멍 정류체에 형성된 상기 초음파 통과구의 개구 치수 혹은 개구 형상이 다른 유량 계측 장치.
제 30 항에 있어서, 상기 상류측에 설치된 개구 구멍 정류체에 형성된 상기 초음파 통과구의 상기 개구 치수는 상기 하류측에 설치된 개구 구멍 정류체에 형성된 상기 초음파 통과구의 상기 개구 치수보다 크게 되어 있는 유량 계측 장치.