TWI336769B - Flow meter - Google Patents

Description

1336769 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 技術領域 本發明係有關於利用超音波來計測空氣、氣體、水等 5流體之流速及流量的流動計測裝置。 【先前技術:j 背景技術 過去，利用超音波在小流量（小流速)至大流量（大流速) 的大範圍中計測流體之流動者係如第8圖所示，在流體流經 10之流入路1與流出路2之間分歧出多數流路3，同時在各流路 3連接有開關機構4(日本專利公開公報特開平11 — 號）。並且，流體的流量及/或流速是根據分別配置於各流路 3之计測機構5的計測結果來計測。 再者，各開關機構4與各計測機構5是由控制機構6來控 15制。其中’電力是由電源供給機構7供給至控制機構6。 在前述構造中’流路3根據流量及/或流速來切換，例 如，小流量時僅使用1個流路3，而大流量時則使用全部的 流路3來計測’藉此，可提高小流量至大流量的流量或流速 的計測精度。 -0 又，如第9圖所示，也有與流路8相連接之小型測量計9 的下游分歧為3個流路丨〇、11 ' 12，且該等各流路1〇 ' u、 12分別具有大型的超音波計測計13、14、15者（日本專利公 開公報特開第2001 — 133308號）。此時，小型測量計9並聯 地連接隔斷閥16。 5 在月ί述構造中’當小流量（流速）時，則關閉隔斷閥16， 且由小型測量計9來計測流動，而當大流量（流速）時，則開 啟隔斷閥16，使流體分流地流動，並由下游之超音波計測 計13、14、15來計測。 再者，揭示於日本專利公開公報特開平第9 —43〇15號 之超音波式流量計包含隔著流量測定部配置之第一超音波 振動子與第二超音波振動子及根據振動子的信號算出流量 之流量運算部’並且，流量測定部具有藉由分隔板劃分為 層狀之多數流路。將流路分割為多數層狀是為了藉由提高 二次元性來提高計測精度。 【發明内容 發明之揭示 發明欲解決之技術性問題 ^然而，首先，在前述習知構造中’會有必須配置很多 計測計使本體變大的問題。 又，切換使用會使控制變得複雜，並且，會消耗很多 電量。 再者，包含隔著流量測定部配置之第一超音波振動子 與第二超音波振動子及根據振動子的信號算出流量之流量 運算部’且流量測定部具有藉由分隔板劃分為層狀之多數 流路之超音波式流量計，其流路大小(戴面)係受到第一盥第 =超音波振動子之性能的限制。即，如同卫廠配管，在口 控較超音波振動子的財大找管的流路巾，若增加第一 與第二超音波振動子的設置距離，則S/N比會下降，且計測 精度會降低’因此，在第-與第二超音波振動子的設置距 離上有所限制。而且，由於第—與第二超音波振動子設於 流路的側壁（第2圖），因此，流路必須在預定大小（截面）以 下。 本發明之目的在於在流動計測裝置中，藉由將計測計 内建於流路内來達成小型化，及，由流路的一部分之計測 流路來計測可減少耗電量。 解決方法 可解決前述問題之本發明係構成為包含劃分形成於流 路内之。十測流路、為了計測流經前述計測流路之流體的流 速而配設之至少一對超音波收發機構，及根據前述超音波 收發機構的計測結果’推測包含計測流路之流路全部之流 體的總流量及平均流速之推測機構。 較先前技術有效的效果 在與本發明相關之流動計測裝置中，利用在流路内劃 刀形成為矩陣狀之計測流路的計測來推測整體的流動。因 此，可促進計測部的小型、緊緻化，同時，耗電量亦可大 幅地減少。 圖式簡單說明 第1圖係與本發明第1實施形態相關之流動計測裝置的 流路縱截面圖與方塊圖。 第2圖係與本發明第1實施形態相關之流動計測裝置的 流路橫裁面圖。 第3圖係進一步改良與本發明第丨實施形態相關之流動 1336769 計測裝置的流路橫截面圖。 k 第4圖係與本發明第2實施形態相關之流動計測裝置的 '流路縱截面圖與方塊圖。 第5圖係與本發明第2實施形態相關之流動計測裝置的 5 流路橫截面圖。（1)為偏向機構部分的橫截面圖，（2)為從（1) 之橫截面的反(裡側）方向觀看的橫截面圖。 第6圖係與本發明第3實施形態相關之流動計測裝置的 流路縱載面圖與方塊圖。 # 第7圖係與本發明第3實施形態相關之流動計測裝置的 10 流路橫截面圖。 第8圖係習知技術之流量計的構造圖。 第9圖係習知技術之流量計的構造圖。 C實施方式3 實施發明之最佳形態 15 與本發明相關之流動計測裝置包含在流路内劃分形成 為矩陣狀之計測流路、為了計測流經該計測流路之流體的 Φ 流速而配設之至少一對超音波收發機構，及根據前述超音 波接收發送機構的計測結果來推測包含計測流路之流路全 體之流體的總流量或平均流速之推測機構。 20 因此，可促進計測部分的小型化、緊緻化，同時亦可 減少耗電量。 在前述流動計測裝置中，流路以矩陣狀分割為多數小 流路，且該等小流路中的其中一個利用為前述計測流路。 前述計測流路宜配置於流路的中心領域。在考量配管作業 8 1336769 性等，且在維持高計測精度上，流路之橫截面形狀與計測 流路之橫截面形狀宜分別形成為圓形與矩形。 再者，若將前述小流路設為大致正方形，則流體可均 勻地流向各小流路。因此，在上述流動計測裝置中，若計 5 測作為代表流路之計測流路，則可高精度地推測整體的流 量。 並且，在流路之較計測流路更上游側配置用以進行流 體之整流的整流機構，藉此，可抑制計測流路與流路整體 之間的流速分布不均。再者，若在計測流路的流入口側配 10 置第2整流機構，則可實現更高精度化的計測。 又，若設置偏向機構來取代前述整流機構，且該偏向 機構包含可朝旋轉方向引導流動之固定翼，則具有可防止 流動在特定流速時附著於流路壁面且流速分布不均的現象 發生之效果。如此一來，在與本發明相關之計測裝置中， 15 可固定大範圍的流量且高精度地計測。 又，若將用以計測超音波收發機構間之超音波傳送時 間的計時機構及根據來自該計時機構的輸出來推測流體的 總流量或平均流速之推測機構配置於流路外，且沿著分割 多數小流路之分隔板引導用以連絡前述計時機構與超音波 20 收發機構之配線，則幾乎不會有該配線妨礙流動的情況發 生。再者，利用連接端子密封配線，可防止流體漏洩。 再者，由於耗電量少，因此，即使以電池作為電源， 且經過很長的時間，亦可發揮穩定的性能。 以下，一面參照圖式，一面說明本發明實施形態。 9 第1實施形態 第1圖係與本發明第1實施形態相關之流動計測裝置的 流路縱戴面圖與方塊圖。第2圖係與本發明第1實施形態相 關之流動計測裝置的流路橫截面圖。 第1圖、第2圖中，在於流路17内劃分形成為矩陣狀之 計測流路丨8之相向的側面19配置一對用以收發超音波之超 音波收發機構20、21。 流路17的橫截面宜為圓形。再者，藉由分隔板30來劃 分流路17内部而形成多數橫截面為大致正方形的小流路 29 ’且將該等小流路29中位於中央部的一個小流路29設定 為計測流路18。 與前述超音波收發機構20、21間之超音波的傳送時間 相關的信號透過配線27傳送至計時機構22，且藉由該計時 機構22來計算傳送時間。與由計時機構22來計時之傳送時 間相關的信號則輸入推測機構23。 推測機構2 3將從與前述傳送時間相關的信號算出之計 測流路18的流體流速視為流路17的平均流速，且根據該流 速來推測前述流路17的總流量。 電池24為計時機構22及推測機構23等的電源。 在流路17之較前述計測流路18更上游側配置有用以整 流流體之流動的格子狀整流機構25。 流路17藉由凸緣26與前後的管子等相連接。流路π内 的配線27與流路17外的配線27藉由連接端子28相連接。連 接端子28在利用流路17之管壁密封（例如，真空密封）後與配 線27相連接’以防止來自流路17的漏洩。 於此’配線27與連接端子28宜利用焊料連接，如此一 來，不會產生電接點的點火所造成的火花，且亦可使用在 氣體等之流體計測。 在則述第1實施形態之構造中，透過超音波收發機構 20、21來計測計測流路18内之流體的流速，即，由計時機 構22計測超音波所傳送的時間，且計時機構22根據該時間 值來計算準作流路17整體的平均流速之數值。例如，計時 機構22藉由從超音波收發機構2〇之來自上游的傳送時間至 來自下游的傳送時間之逆數差來運算的方法，求出計測流 路18之流體流速的值。並且，推測機構23從該流速值，藉 由預先所檢定求出之流量變換常數來推測流經流路17整體 的流量’並求出總流量。 在與第1實施形態相關之流動計測裝置中，由於將流路 17内劃分成矩陣狀，且由其中一部分形成計測流路，故裝 置整體可以非常小。 又’由於以1個計測流路18來計測，故可減少計測所需 的電力。再者，在第1實施形態之流動計測裝置中，由於不 包含流路切換等之機構，因此，也不需要用以進行切換作 用之隔斷閥等，結果，可抑制電力使用。由此可知，可使 用電容小的電池24，且在戶外等無法供給電源的場所也可 設置與本發明相關之流動計測裝置。 又’將流路17以矩陣狀分割為多數小流路29，且將其 中一個設定為計測流路18，藉此，相較於以一對超音波收 發機構來計測大面積的流路，可進一步提高計測精度並 可推測高精度之平均流速及總流量。 再者’計測流路18以外的小流路29宜盡可能多一點劃 分成截面積與該計測流路丨8大致相等的小流路。總之，計 5測流路18中之計測值成為更適當地代表整體之計測資料， 因此’進一步提高計測精度。再者，由於將小流路29設為 大致正方形時，流體可更均勻地流向各流路，因此，若計 測作為代表流路之計測流路18，則可高精度地推測整體的 流量。 10 另，若如上所述以大致正方形劃分為小流路29，則在 流路17邊緣的一部分會產生不完整的微小流路。此時，不 劃分該部分，且如第3圖所示，與相近的小流路相結合，而 成為一個小流路29a。 整流機構2 5為使其下游側附近的流速分布無關橫截面 15 上的位置而大致均勻的機構。整流機構25可為例如格子狀 之流動阻力體。整流機構25配置於計測流路18的上游側， 且各小流路29可分割接收具有上述均等流速分布之流動， 藉此，各小流路29會流入流速均等的流體。 又’將前述各分隔板30設為與計測流路丨8等長有助於 20 使上游之流動在各小流路29中以大致均等的流速流動。 因此，從流速均等的流體分割的一部分也會流入計測 流路18内。由於所流入的流動可說是適當地代表整體流動 之流動’因此’可以說將計測流路18之計測值視為流路17 的代表值是適當的。即’設置整流機構25可提高推測精度。 12 1336769 整流機構25之下游端至小流路29的距離宜設定成整流 機構25之格子寬度的數倍。 另，雖已說明前述整流機構25為例如格子狀之流動阻 力體，但亦可為網眼較密的金網。又’亦可組合格子狀的 5 流動阻力體與金網。 由於計測流路18利用多數分隔板30來形成，因此，可 穩定地保持於流路17的中央位置。 另一方面，藉由將計測流路18大致配置於流路17的中 央，玎計測固定流速（分布）之流動，因此，可以高計測精度 10來計測。 而且，藉由將計測流路18内建於流路17内之大致中央 部，可減少外部環境的影響。例如，即使對外部的溫度變 化，計測流路18也絲毫不受影響，並可進行穩定而高精度 的計測。 15 又，宜沿著分隔板30來安裝内建之超音波收發機構 20、21的配線27。如此一來，在配置超音波收發機構20 ' 21時，可盡量不妨礙流體的流動。 在與第1實施形態相關之流動計測裝置中，由於流路17 之橫截面為圓形’因此，容易與氣體管等已設配管相連接。 2〇 同時，由於計測流路18本身為矩形，因此，可在減少流速 分布的影響下進行計測，並可提高計測精度。 但，由於在配置有超音波收發機構2〇 ' 21的部分中， 流動有可能混亂，因此，可使該超音波收發機構20、21的 收納部成為（例如’藉由適當的填充材料）閉塞狀態（參照第6 13 圖、第7圖）。但，此時，由於實質上流體17整體的裁面積 變小，因此’在下游會產生壓力損失，為了解決該壓力損 失，此時，並非如第1圖所示之流路17的内壁設為平面的流 路壁面，而設為特別在整流機構25的正上游設有橫截面積 依序變大的傾斜之管壁。 第2實施形態 第4圖係與本發明第2實施形態相關之流動計測裝置的 流路縱截面圖與方塊圖。第5圖係與本發明第2實施形態相 關之流動計測裝置的流路橫戴面圖。（1)為（後面會說明）偏 向機構部分的橫截面圖，（2)為從（1)之橫戴面的反(裡側）方 向觀看的橫截面圖。與第2實施形態相關之流動計測裝置和 與本發明第1貫施形態相關之流動計測裝置大致相同。因 此，在同一部位賦予相同符號並省略其說明。 在第2實施形態中，設定包含固定翼25a之偏向機構來 取代第1圖所示之整流機構25。如第5圖所示，在偏向機構 設置可朝旋轉方向導流動之固定翼25a。另，宜由曲面構 成固定翼25a的表面及裡面。 如上所述，為了減少流動計測裝置的壓力損失故設 计成官戴面積在流動計測裝置的流入口附近逐漸擴大。此 時，會有流動在蚊流料畴於祕壁面且流速分布容 易不均勻的情況發生。 因此’如第4圖所不’ ^在流路設置包含可朝旋轉方向 引V机動之固疋翼2 5 a之偏向機構(參照第5圖)，則可防止流 動在特定錢_著於流路壁面且錢分布不均的情況發 1336769 生。因此，若利用與第2實施形態相關之流動計測裝置，則 可在大流量範圍中穩定而高精度地計測與推測。 第3實施形態 第6圖係與本發明第3實施形態相關之流動計測裝置的 5 流路縱戴面圖與方塊圖。第7圖係與本發明第3實施形態相 關之流動計測裝置的流路橫截面圖。與第3實施形態相關之 流動計測裝置和與第1實施形態相關之流動計測裝置大致 相同。因此，在同一部位賦予相同符號並省略其說明。 在第6圖與第7圖所示之與本發明第3實施形態相關之 10 流動計測裝置中，在計測流路18上游側之流入口附近配置 第2整流機構31。於此，超音波收發機構20、21收納於收納 部32，且流體不會流入該收納部32(例如，藉由適當的填充 材料填滿間隙）。當然，在收納部32外側有小流路33。 若如上所述將第2整流機構31配置於計測流路18的流 15 入部，則計測流路18内之流速分布會更均勻，且可確實地 測定流路17的平均流速。因此，整體之總流量的推測也可 在高精度下進行。 又，藉由取得第2整流機構31之流動阻力與計測流路18 周邊的小流路33之流動阻力的平衡，可在低流量時至大流 20 量時，將推測所需之流量變換常數設為大致固定值。 即，在小流量時，由於流路中央部的流速快而周邊慢， 因此，快流速很容易會流入計測流路18，但，第2整流機構 31可成為阻力來抑制流入，結果，計測流路18與周邊的小 流路33會流入同等流速之流體。 15 1336769 又，大流量時，因為第2整流機構31的阻力，流動容易 : 偏向周圍，但，由於周圍的小流路33的面積因為收納部32 - 而變小，因此，可抑制該偏向，結果，計測流路18會流入 等量的流體。 5 因此，在小流量至大流量的廣大流量範圍中，可大致 均等地保持小流路33與計測流路18的流速平衡，因此，也 可將流量變換常數設為大致固定值。 如此一來，若可將流量變換常數設為固定值，則不必 φ 每個流量皆調整流量變換常數，因此，可減少運算，並可 10 減少耗電量。又，可將流量變換常數設為固定值具有減少 流體的種類所造成的影響之效果，即，不必準備依照空氣 或氣體的不同所改變之流量變換常數。 •另，藉由安裝第1實施形態所說明之整流機構25，且使 該整流機構25的格子大小具有疏密程度之分，可控制流速 15 分布，並控制成使流入計測流路18的流速大致固定。即， 例如，將間隔略窄的格子配置於整流機構25的中心部分， # 且將間隔略寬的格子配置於邊緣部分，則可將中心部分的 流速分布相對地調整成較慢，且將邊緣部分的流速分布相 對地調整成較快。亦可藉由安裝第2實施形態所說明之偏向 20 機構，且調整其固定翼25a的數量或形狀，來控制流速分布。 產業上之可利用性 如上所述，由於與本發明相關之流動計測裝置可利用 劃分形成於流路内之計測流路的計測來推測整體的流動， 因此，可促進計測部的小型化、緊緻化，同時，耗電量也 16 1336769 可大幅地減少，因此，可適用於空氣等氣體流體乃至於液 體流體等多用途計測。 【圖式簡單說明】 第1圖係與本發明第1實施形態相關之流動計測裝置的 5 流路縱裁面圖與方塊圖。 第2圖係與本發明第1實施形態相關之流動計測裝置的 流路橫截面圖。

第3圖係進一步改良與本發明第1實施形態相關之流動 計測裝置的流路橫截面圖。 第4圖係與本發明第2實施形態相關之流動計測敦置的 流路縱截面圖與方塊圖。 第5圖係與本發明第2實施形態相關之流動計剛裝置的 流路橫載面圖。（1)為偏向機構部分的橫截面圖’（2)為從（〇 之橫截面的反(裡側）方向觀看的橫截面圖。 第6圖係與本發明第3實施形態相關之流動計剛裝置的 流路縱裁面圖與方塊圖。 流動計蜊裝置的 第7圖係與本發明第3實施形態相關之 流路橫載面圖。 第8圖係習知技術之流量計的構造圖。 20 第9圖係習知技術之流量計的構造圖。 【圓式之主要元件代表符號表】 1…流入路 4··.開關機構 2…流出路 5··.計測機構 3··.流路 6…控制機構 17 1336769 7...電源供給機構 24…電池 8...流路 25...整流機構 9...測量計 25a...固定翼 10、11、12...流路 26.. · νϋ緣 13、14、15...超音波計測計 27...配線 16...隔斷閥 28...連接端子 17...流路 29...小流路 18...計測流路 29a...小流路 19...側面 30...分隔板 20、21...超音波收發機構 31...第2整流機構 22...計時機構 32...收納部 23...推測機構 3 3...小流路 18

Claims (1)

1336769 _ 第93121139號申請案申請專利範圍替換本99.07.27 拾、申請專利範圍： 1. 一種流動計測裝置，包含： 計測流路，係劃分形成於流路内； 至少一對超音波收發機構，係為了計測流經前述計 5 測流路之流體的流速而配設者；及 推測機構，係根據前述超音波收發機構的計測結 果，推測包含計測流路之流路全部之流體的平均流速及 總流量， 前述流路分割為多數小流路，且將該等小流路的其 10 中一個設定為前述計測流路。 2. 如申請專利範圍第1項之流動計測裝置，其中前述小流 路係分割為矩陣狀。 3. 如申請專利範圍第1或2項之流動計測裝置，其中前述 計測流路位於前述流路之中心領域。 15 4.如申請專利範圍第1項之流動計測裝置，其中用以計測 前述超音波收發機構間之超音波傳送時間的計時機構 及根據來自該計時機構的輸出來推測流體的平均流速 與總流量之前述推測機構係配置於流路外，且沿著分割 多數前述小流路之分隔板引導用以連絡前述計時機構 20 與前述超音波收發機構之配線。 5. 如申請專利範圍第1項之流動計測裝置，其中在前述流 路之較前述計測流路更上游側配置有用以進行流體之 整流的整流機構。 6. 如申請專利範圍第5項之流動計測裝置，其中在前述計 19 測流路之流入口側配置有用以進行流體之整流的第2 整流機構。 7. 如申請專利範圍第1項之流動計測裝置，其中前述流路 之橫戴面形狀與前述計測流路之橫截面形狀分別形成 為圓形與矩形。 8. 如申請專利範圍第1項之流動計測裝置，係以電池作為 電源。 9·如申請專利範圍第1或2項之流動計測裝置，其中前述 小流路之橫截面形狀呈大致正方形。 10.如申請專利範圍第5項之流動計測裝置，係設置偏向機 構來取代前述整流機構，且前述偏向機構包含可朝旋轉 方向弓丨導流動之固定翼。 15

20 1336769 柒、指定代表圖： (一）本案指定代表圖為：第（1 )圖。 (二)本代表圖之元件代表符號簡單說明： 17.. .流路 18…計測流路 19.. .側面 20、21...超音波收發機構 22.. .計時機構 23.. .推測機構 24.. .電池 25.. .整流機構 26.. .凸緣 27…配線 28.. .連接端子 捌、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

4