WO2004074783A1

WO2004074783A1 - 超音波式流体計測装置

Info

Publication number: WO2004074783A1
Application number: PCT/JP2004/002119
Authority: WO
Inventors: Yasuhiro Umekage; Yoshinori Inui; Yukio Nagaoka; Hajime Miyata; Shigeru Iwanaga
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2004-09-02
Also published as: US20070193367A1; US20060201259A1; US7237441B2; EP1612520A4; EP1612520B1; KR20050100004A; KR100694937B1; US7360449B2; EP1612520A1

Abstract

高精度の流体計測が可能な超音波式流体計測装置を提供する。流体通路の途中に仕切板（２）を介して複数の分割流路（３）を形成した測定部（１）を設け、少なくとも１対の超音波送受信装置を介して分割流路（３）を流れる流体中に超音波を発信し、流体を通過した後の超音波を受信する。そして、その超音波の伝搬時間に基づいて演算装置が流体の流速および流量の少なくとも一つを演算する。さらに、測定部（１）には分割流路（３）に至る流体を予め整流する助走流路（５）、（６）を設ける。

Description

明細書

超音波式流体計測装置技術分野

本発明は、超音波の伝播時間を利用してガス、水などの流体の流速や流量を計測する超音波式流体計測装置に関する。背景技術

超音波の伝播時間を利用して流量などを測定する従来の超音波式流体計測装置は、流体流路の途中に測定部を設け、この測定部を流動する流体の流速を超音波送受信装置間の超音波伝播時間に基づいて計測していた。また流量は、上記計測した流速に測定部の流路断面積および所定の補正係数を乗じることで求められる。流量などの高精度計測を可能にする最大のファクタ一は、上記測定部での流体流動状態である。いいかえれば、測定部での流体の流れの乱れは、超音波の伝搬にも混乱を生起させるので、高精度計測が困難となる。

そこで、従来は、特開平 9 一 4 3 0 1 5号公報に開示されているように、測定部を断面長方形の矩形状とするとともに、その短辺側を仕切板で分割して長辺と平行に扁平な複数の分割流路に分割したものが考えられている。扁平な分割流路は流体の流れを層流、すなわち 2次元的な安定流とする上で非常に有効である。

ところで、上記扁平な複数の分割流路からなる測定部は、流体を導入する流体通路に比べ、幅方向において著しく大きくなる。

したがって、下流側に幅が大きくなるテーパ状の接続部を介して流体通路に測定部を接続する構成を採用している。

そのため、このテ一パ状の接続部によって流体の流れに乱れが発生し、分割流路全体に流体が均等に流動しにくくなり、結果として計測精度が低下してしまう課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、高精度の流体の流れ計測ができる超音波式流体計測装置を提供する。発明の開示

仕切板を介して複数の分割流路を形成した測定部を途中に有する流体通路と、上記分割流路を流れる流体中に超音波を発信し、流体を通過した後の超音波を受信する少なくとも 1対の超音波送受信装置と、上記超音波送受信装置による超音波の伝搬時間に基づいて流体の流速および流量の少なくとも一つを演算する演算装置とを具備し、上記測定部には分割流路に至る流体を予め整流する助走流路を設けた超音波式流体計測装置を提供する。

また、流体通路と、この流体通路と別体構成であって、仕切板を介して複数の分割流路を形成した測定部と、上記分割流路を流れる流体中に超音波を発信し、流体を通過した後の超音波を受信する少なくとも 1対の超音波送受信装置と、上記超音波送受信装置による超音波の伝搬時間に基づいて流体の流速および流量の少なくとも一つを演算する演算装置とを具備し、上記測定部には分割流路に至る流体を予め整流する助走流路を設けた超音波式流体計測装置を提供する。図面の簡単な説明図 1 は、本発明の実施の形態 1 の超音波式流体計測装置の縦断面図である。

図 2は、本発明の実施の形態 1 の超音波式流体計測装置の横断面図である。

図 3は、本発明の実施の形態 2 の超音波式流体計測装置の縦断面図である。

図 4は、本発明の実施の形態 3 の超音波式流体計測装置の正縦断面図である。

図 5は、本発明の実施の形態 4の超音波式流体計測装置の正縦断面図である。

図 6は、本発明の実施の形態 5 の超音波式流体計測装置の横断面図である。

図 7は、本発明の実施の形態 6 の超音波式流体計測装置の横断面図である。

図 8は、本発明の実施の形態 7 の超音波式流体計測装置の縦断面図である。

図 9は、本発明の実施の形態 7 の超音波式流体計測装置の作用説明のための横断面図である。

図 1 0は、本発明の実施の形態 8の超音波式流体計測装置の縦断面図である。

図 1 1 は、本発明の実施の形態 9の超音波式流体計測装置の縦断面図である。

図 1 2は、本発明の実施の形態 1 0の超音波式流体計測装置の縦断面図である。

図 1 3は、本発明の実施の形態 1 1 の超音波式流体計測装置の縦断面図である。

図 1 4は、本発明の実施の形態 1 1 の超音波式流体計測装置の横断面図である。

図 1 5は、本発明の実施の形態 1 2の超音波式流体計測装置の縦断面図である。

図 1 6は、本発明の実施の形態 1 3の超音波式流体計測装置における測定部の縦断面図である。

図 1 7は、本発明の実施の形態 1 4の超音波式流体計測装置の縦断面図である。

図 1 8は、本発明の実施の形態 1 5の超音波式流体計測装置の縦断面図である。

図 1 9は、本発明の実施の形態 1 6の超音波式流体計測装置の縦断面図である。

図 2 0は、本発明の実施の形態 1 6の超音波式流体計測装置の作用説明のための横断面図'である。

図 2 1 は、本発明の実施の形態 1 7の超音波式流体計測装置の作用説明のための横断面図である。

図 2 2は、本発明の実施の形態 1 8の超音波式流体計測装置の作用説明のための横断面図である。

図 2 3 は、本発明の実施の形態 1 9の超音波式流体計測装置の作用説明のための横断面図である。発明を実施するための最良の形態以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 · なお図面は模式図であり、各寸法位置を正しく示したものではない。なお、本発明の超音波の周波数は 2 0 K H zから 1 M H z の範囲に属し、 5 0 0 K H zが好ましい。

(実施の形態 1 )

図 1 、 2 に示すように、断面長方形をなす矩形の測定部 1 の中間部位には、短辺側を複数の仕切板 2 を介して仕切る。

このようにして、長辺側と平行の多数の分割流路 3が形成され、それら分割流路 3の集合体で多層流路 4を構成している。本実施の形態では 4層構造のものを示す。

各分割流路 3は流体の流れが 2次元性、すなわち、層流となるように所定のアスペクト比に設定され、扁平状となっている。そして、測定部 1 において、多層流路 4の上流側と下流側には所定長さをもち、かつ流体流動方向に断面積変化のない助走流路 5 , 6が形成してある。

測定部 1 を含む流体通路 7は、それぞれ曲り部 8 , 9 を有し、しかも上記測定部 1 とともに U字形状をなす上流室 1 0 と下流室 1 1 を具備する。

上記測定部 1 における助走流路 5， 6 の各先端が上流室 1 0 と下流室 1 1 の曲り部 8 , 9 に突出状態で位置している。流体通路 7の上流室 1 0よりもさらに上流部および下流室 1 1 よりもさらに下流部には折返し板 1 2 , 1 3がそれぞれ配置されている。測定部 1 の短辺側壁に形成した凹部 1 4 , 1 5 には、各分割通路 3 に臨むごとく配置した一対の超音波振動子からなる超音波送受信装置 1 6 , 1 7が設けられている。超音波送受信装置 1 6 と 1 7 との間の超音波伝搬路は、各分割通路 3の流体の流れ方向を斜めに横切るごとく設定されている。上記超音波送受信装置 1 6 , 1 7 を設置した凹部 1 4 , 1 5 の分割流路 3の側は金網、または、パンチングメタルなどの多孔板からなる超音波透過材 1 8 , 1 9で覆われ、流路壁に段差ができないようにしてある。

一対の超音波送受信装置 1 6 , 1 7による超音波の伝搬時間に基づいて演算装置 2 0が流体の流速、若しくは演算した流速に各分割通路 3の断面積と所定の補正係数を乗じて流量を算出するようにしている。

そして、仕切板 2の厚み dは、超音波の波長（例えば、 0 . 7 m m ) より短くなるようにしている（例えば、 0 . 3 m m )。

また助走流路 5 、 6は、流体流動方向長さ Lが短辺高さ Hよりも長くなるように設定してある。

上記の構成において、 U字状の流体通路 7 の一方から流れ込んでくる流体は、上流室 1 0で流速が減速され、均一化されて突出した助走流路 5の周辺から流入する。このようにして、さらに均一した流れを実現している。

そして、流れ方向に長い助走流路 5でさらに流れがスムーズになり、多層流路 4の各分割通路 3 に均等に分かれて流れ込むことができる。すなわち、助走流路 5は、高さ方向よりも長さ方向に大きいので、同助走流路 5 の入口から角度を持って流入してきた流れも長さ方向に方向転換して修正されていく。

よって、多層流路 4の各分割通路 3 に均等に流体が流入することとなる 6 これら各分割通路 3 の均等な流れの中を超音波が伝搬することで、流れによって発生する伝搬時間を精度よく計測することができる。また、分割流路 3 は非常に狭い隙間（例えば、 1 m mから 4 m m、最適には 2 m m前後）になっており、超音波が通路高さ方向に対して全域を通過することになるので、流速分布の影響を受けずに計測することができる。

その結果、伝搬時間から流量値に換算する補正係数（流量係数とも言う）も、小流量から大流量まで同じ値をとることができる。加えて、流速分布の影響を受けないので、流体の種類（例えば、空気と都市ガス 1 3 A、 L Pガスなど）にも関係なく、補正係数は同じ値をとることができる。

そして、分割流路 3が非常に狭い空間であるので、脈動流が発生した場合でも、狭い通路の不規則な流れ分布の中を超音波が通過伝搬する。その結果、伝搬時間はその不規則な脈動流の影響を受けた時間となって、脈動流の流れを的確に計測することができる。

さらに、多層流路 4の下流側も上流側と対称な形状としているので、脈動流が発生して逆流した場合でも、同様に逆流を精度よく計測することができる。よって、脈動流の場合でも、正流、逆流とも精度の高い流量計測を行うことができる。

例えば、ガスメータのような場合に、脈動流が発生しても正逆正しく計測することができるので、ガス流量を精度よく計測することができる。

なお、逆流が起こり得ない場合では、下流側の助走通路 1 3 は省略してもよい。

仕切板 2の厚み dは、超音波の波長よりも短くしているので、超音波の伝搬の障害になりにくく、高い信号レベルで送受信することができる。その結果、信号の S N比がよく、超音波の送受信を精度良く行い、結果に流量計測の精度を高くして計測することができる。

超音波送受信装置 1 6 , 1 7が設置された多層流路 4の側面には、同超音波送受信装置 1 6 , 1 7 を取り付ける凹部 1 4 , 1 5 が形成されているが、流路壁面と平行で段差がないように超音波透過材 1 8， 1 9が覆設してある。したがって、この超音波透過材 1 8， 1 9 によって、流れが凹部 1 4， 1 5 に侵入して乱流を起こすことがない。このようにして、幅広い流量範囲で精度の高い流量計測が行えるとともに、脈動流が発生しても渦の発生を抑制し、精度良く流量計測ができる。

そして、超音波透過材 1 8 , 1 9 として金網を採用した場合は、メッシュサイズとして 5 0から 5 0 0の範囲（最適値としては、 1 2 0から 2 0 0 メッシュ）に設定する。このようにして、波長 0. 7 mm付近の超音波周波数では、効率良く音波を透過させることができ、超音波の送受信を高い感度で行うことができるので、流量計測の精度を高めることができる。

分割流路 3 を区画する仕切板 2は奇数枚数（例えば、 3枚）等間隔に配置されており、中央に位置する 1枚が超音波送受信装置 1 6， 1 7 における超音波送受信領域の中央に位置するようにしている。

超音波送受信装置 1 6， 1 7 の感度分布は、一般的に中央部が最も強いので、最も強い部分に仕切板 2 の 1枚がくるようにして感度を分割することで、各分割通路 3 に均等に超音波を伝播させることができる。均等に分配された超音波によって送受信することで、各分割通路 3 をそれぞれ正確に計測でき、総合的にも精度の高い流量計測を実現することができる。

なお、偶数枚数の仕切板 2を配置したものでも、相互の間隔を調整することでそのうちの 1枚を超音波送受信装置 1 6， 1 7 における超音波送受信領域の中央に位置させることができる。もちろん、この場合、分割通路 3 には流体が二次元に流動する要件を満足しなければならない。

なお、分割流路 3 を区画する仕切板 2 を非粘着性材料で表面処理することが望ましい。非粘着性材料として、フッ素オイルゃシリコーンオイルなどが用いられる。その他、フッ素樹脂を仕切板 2 として用いてもよい。さらに、仕切板 2 にフッ素樹脂を積層してもよい。このようにして、狭い隙間にごみなどの付着を防止することができ、耐久性や信頼性を向上することができる。さらに上記表面処理を仕切板 2だけでなく、分割通路 3全体に施してもよい。もちろんフッ素樹脂を同様に用いてもよい。

(実施の形態 2 )

図 3 に示すものは、仕切板 2 を下流側が下位となるように傾斜させたものである。

このように仕切板 2 を傾斜させることで、その上にごみなどが落ちても、傾斜と流れによって、下流側にごみが流され落ちて助走流路 6 を過ぎ、下流室 1 1 に落ちていくことになるので、多層流路 4内にはごみが蓄積しにくい効果がある。

なお、下流側に傾斜させた構成で説明したが、上流側に傾斜させた場合でも、脈動流などが発生した場合には同様の効果、すなわち上流室 1 0にごみが落ちる効果が期待できる。

そして、助走流路 5 の突出状先端部によって上記上流室 1 0 に落下したごみが分割流路 3 には逆流しにくい構成にもなつていることもあって、不純物の詰まり込みが少ない流路とすることができる。

(実施の形態 3 )

図 4は、各分割流路 3での超音波伝搬をさらに良好とした実施の形態 3 を示す。すなわち、超音波送受信装置 1 6 , 1 7はケース 4 0の内頂面に圧電振動子 2 1 を、外頂面に音響整合層 2 2 をそれぞれ接着などの手段で固定して構成したものである。

そして、上記圧電振動子 2 1 は、仕切板 2 の配置方向と同方向であって、しかも上記仕切板 2 と平行の複数のスリット 2 3で分割されている。なお、超音波送受信装置 1 6， 1 7は同一構成のため、この例では一方の超音波送受信装置 1 7 についてのみ説明した。

スリツト 2 3は分割流路 3 を区画する仕切板 2 と対応するようにこの仕切板 2 と同数枚数設けてある。

このため、各分割流路 3 に効率よく超音波を送信することができるのはもちろん、感度の高いところは分割流路 3 と対向し、感度の低いところは仕切板 2 と対向する構成とすることができる。

スリット 2 3の隙間は、仕切板 2の厚みとほぼ同じ長さにすることで、よりスムーズに超音波を仕切板 2の間の分割流路 3 に伝搬させることができる。

よって、超音波が薄い各層に満遍なく通過することでき、各層の流速を精度良く計測することができる。その結果、伝搬時間から流量値に換算する補正係数（流量係数とも言う）も、小流量から大流量まで同じ値（例えば、 1 ) をとることができ平坦特性とすることができる。

また、超音波が各分割流路 3の全域を伝搬することで、流速を精度良く計測することができ、脈動流が発生して逆流した場合でも、同様に逆流を精度よく計測することができる。そして、正流、逆流とも精度の高い流量計測を行うことができるのである。

(実施の形態 4 )

次に、図 5は超音波送受信装置 1 6 , 1 7 の圧電振動子 2 1 に形成したスリット 2 3 の向きが仕切板 2 と直交するようにした例である。圧電振動子 2 1 のその他の構成は図 4 と同じであり、また、超音波送受信装置 1 6 , 1 7は同一構成のため、この例では一方の超音波送受信装置 1 7 についてのみ説明する。

上記のように、仕切板 2 に対して垂直方向に圧電振動子 2 1 のスリット 2 3 を入れることによって、分割流路 3の一つに不良が発生しても、他の分割流路 3 に超音波を伝播させることができるので信頼性の高い計測とすることができる。

また、扁平な分割流路 3 に超音波を伝播させることができるので、流量係数を 1 に近づけることができ、小流量から大流量まで平坦特性とすることができる。

(実施の形態 5 )

図 6は、仕切板 2の上流側端部の両側を流れ方向上流側へ突出させた例を示している。この構成では、分割流路 3の両側流路付近への流入を抑制し、中央部の流速を増加して、境界層付近の不均一な流れの影響を少なくして計測精度を高めることができる。

また、仕切板 3の下流側端部の両側に関しては、流れ方向下流側へ突出させ、脈動時においても分割流路 3の両側流路付近への流入を抑制し、中央部の流速を増加して、境界層付近の不均一な流れの影響を少なくして計測精度を高めるようにしている。

(実施の形態 6 )

図 7は、上記図 6の例とは逆に、仕切板 2の上流側端部の両側を流れ方向下流側へ後退させた例を示している。この構成によつて、分割流路 3の中央付近のごみだまりを少なくして耐久性を高めることができる。そして、同様に、仕切板 3の下流側端部の両側も、流れ方向上流側へ後退させて、脈動時においても分割流路 3の中央付近のごみだまりを少なくして耐久性を高めるようにしている。

(実施の形態 7 )

図 8 に示すものは、 3枚の仕切板 2 a〜 2 c を具備したものにおいて、中央の仕切板 2 bを他の仕切板 2 a， 2 c よりも前方へ長くする。これにより測定部 1 内の流路を、まず 2つの分割流路 3 a， 3 bに区分する。次に、短い仕切板 2 a , 2 c は前記 2 つの分割流路 3 a、 3 bをさらに 4つの分割流路 3 c , 3 d , 3 e , 3 f に区分するものである。

以上のような構成において、助走流路 5で流れが均一化され流体は、まず分割流路 3 a， 3 bに分流し、次いで分割流路 3 c， 3 d , 3 e , 3 ί に再度分流して、層流状態で各々流れ、その後助走流路 6 を経て下流室 1 1へ出て行く。

今、仕切板 2 a， 2 b , 2 cが同じ長さと仮定し、直ちに 4つの分割流路 3 c， 3 d , 3 e , 3 f に流体を分流した場合を考える。この場合、測定部 1 を流れる流体の流速分布は、中心部分の分割流路 3 d， 3 eの流速が速くなり、外周壁部分の分割流路 3 c， 3 f の流速が遅くなる傾向となり助走流路 5における流速分布の影響を強く受けてしまう。

ここで、図 8，図 9のように、中心部分に設けられた仕切板 2 bの長さを長くし、外周壁部分に設けられた仕切板 2 a , 2 c の長さを短くすると以下のようになる。つまり、超音波送受信装置による計測領域において上流側から下流側にまず 2つの分割流路 3 a , 3 bに分流し、次いで 4つの分割流路、 3 c , 3 d， 3 e， 3 f に分流するというように流路を実質的に増やすことにより流体の流速分布は均等化されることとなる。

以上のように本実施の形態によれば流れが分流されたるため、分割された 4つの分割流路 3 c， 3 d， 3 e , 3 f においては流速が各々均一化され、助走流路 5 における流体の流速分布の影響を抑えることができ、精度の高い超音波流量計を実現することができる。

また、仕切板 2 a， 2 b , 2 c を用いて流速分布を均一化することができるため、流体の種類に関係なく幅広い流領域において正確な計測ができる。

本実施の形態においては、測定部 1 のうち超音波送受信装置により計測される領域について述べたが、他に下流側についても仕切板 2 a， 2 b , 2 c の長さを変えて分割流路の数を変えてもよレ。この場合、脈動流のように逆流の流れが発生しても下流側で脈動流の流速が均一化するため正確に計測することができるため好ましい。

なお、本実施の形態においては、 3枚の仕切板 2 a， 2 b , 2 c により最終的には 4つの分割流路 3 c， 3 d , 3 e , 3 f に分割したが、仕切板の数を変更しその分割流路数を増減しても同様の効果が得られる。

また、分割流路数を増減する場合には、流れを分配して均一な流速を得るために流路の中心部分に設けられた仕切板に対して対称になるように仕切板の枚数を増やすことが好ましい。

さらに、望ましくは、流路の上流側から下流側になるにつれて分割流路の数を段階的に増やし、各段毎に分割流路の断面積を等しくすることにより流れを等しく配分するようにする。

(実施の形態 8 )

本実施の形態では、図 1 0に示すように、測定部 1 内の流路を 5枚の仕切板 2 d , 2 e , 2 f , 2 g , 2 hで、 6つの分割流路 3 g、 3 h , 3 i ， 3 j , 3 k , 3 mに分割する。.

そして、中央部の 3枚の仕切板 2 e， 2 f , 2 gを外側の他の仕切板 2 d， 2 hよりも長くすることで、中央の 2つの分割流路 3 i , 3 j の長さを外側の他の分割流路 3 g , 3 h , 3 k , 3 m よりも長く設定してある。

この構成により、中心部分の分割流路 3 i， 3 j は他の分割流路 3 g， 3 h , 3 k , 3 mより長くなるため、流体が分割流路 3 i， 3 j を流れる際の抵抗が他の分割流路 3 g， 3 h , 3 k , 3 mを流れる際の抵抗より大きくなる。その結果、流速が大きい部分の分割流路 3 i , 3 j と流速が小さい部分の分割流路 3 g， 3 , 3 k , 3 mの流速は均一化する。なお、分割流路の数は流速分布に対応するものであれば何ら制約を受けるものではなく、また同分割流路の長さ変化は階段的に行なうのが一般的であろう。

(実施の形態 9 )

本実施の形態は、図 1 1 に示すように、測定部 1 の流路を同一長さの 5枚の仕切板 2 i， 2 j , 2 k . 2 m， 2 nを介して 6つの分割流路 3 n， 3 o， 3 p， 3 Q， 3 r , 3 s に分割し、加えて、それらの分割流路断面積を流路の中心部分から外側に階段的に大きくしたものである。

分割流路 3 r！〜 3 s の前記断面積変化は、仕切板 2 i 〜 2 nの隣接間隔を調整することで実現している。

以上のように本実施の形態によれば、分割流路 3 n〜 3 s の断面積を流路の中心部分から外側に大きくしている。その結果、助走流路 5 において中心部分側の流速が速くても、それと対応して分割流路 3 n〜 3 s の断面積（つまり流体抵抗に相当）が設定されているので、各分割流路 3 r！〜 3 s における流速は均一になる。そして、各分割流路 3 n〜 3 s における流速を均一化できることにより精度の高い流量計測を実現することができる。

なお、各分割流路 3 I！〜 3 s の断面積は、図 1 2 に示すように仕切板 2 o、 2 p , 2 Qの厚みを変えることでも実現できる。

(実施の形態 1 0 )

本実施の形態では、図 1 2 に示すように、 4つの分割流路 3 t， 3 u , 3 V , 3 wを備え、仕切板 2 o、 2 p， 2 qの厚みを変える

なお、本実施の形態においては、測定部 1 の中心部分から外側方向へ階段的に断面積を大きくしているが、要は助走流路における流速分布に応じたものであれば断面積の変え方に付いては何ら制約されないであろう。

また、流速分布に応じて分割流路の断面積と長さを同時に変えてもよい。すなわち、流体の流速が大きい部分の分割流路の長さを他の分割流路の長さより長くし、かつその断面積を他の分割流路の断面積より小さくしてもよい。

断面積変化及び分割流路の長さ変化は、少なくとも一方が階段的に現れるようにするのが一般的である。さらに、流路内での流体の流速が大きい部分の流路から流速が小さい部分の流路になるにつれてその長さを段階的に短くしかつその断面積を段階的に大きくしてもよい。

(実施の形態 1 1 )

本実施の形態では、図 1 3 , 図 1 4に示すように、多層流路 4 を具備した測定部 1 を流体通路 7 と別体構成としている。

すなわち、多層流路 4を構成する 4つの分割流路 3 a〜 3 dは 3枚の仕切板 2 a〜 2 cで区画されており、また、測定部 1 は断面長方形をなす矩形形状をなし、短辺側の壁に開口 2 4、 2 5 を有するものである。，，

一方、超音波送受信装置 1 6， 1 7は上記測定部 1が挿入される流体通路 7側に配置される。そのために、流体通路 7の対向する短辺側に上記、超音波送受信装置 1 6 , 1 7 を設置するための凹部 1 4 , 1 5が形成してある。測定部 1が流体通路 7 にセットされたとき、凹部 1 4， 1 5 と. 開口 2 4、 2 5 とが位置的に合致し、これら開口 2 4、 2 5 を介して各分割流路 3には超音波伝搬路が設定される。

前記開口 2 4 , 2 5には流体が凹部 1 4 , 1 5 に乱入しないように金網、または、パンチングメタルなどの多孔板からなる超音波透過材 1 8 , 1 9が覆設してある（なお図では上流側の超音波送受信装置 1 6 と相対するものを代表して示した）。

超音波送受信装置 1 6 ， 1 7間の超音波伝搬時間は計測制御装置 2 6で計測され、その結果をもとに演算装置 2 0が流速を、また必要に応じてこの流速を基に流量を演算するものである。これら計測制御装置 2 6，演算装置 2 0などはリチウム電池などの電池電源（電源装置） 2 7で駆動されるようにしてある。

また、流体通路 7 の流入側には地震発生時などに閉じる弁体 2 8が接続されている。そして、弁体 2 8の駆動部 2 9，計測制御装置 2 6，演算装置 2 0などは U字状をなす流路構成材で囲まれた部位に配置してあり、全体的にコンパクトにまとめられている。超音波送受信装置 1 6 , 1 7間の超音波伝搬路は、中央の仕切板 2 bと対向し、中央の隣接する 2つの分割流路 3 b , 3 c に主に対向している。

上記の構成において、流体の流量計測動作を述べる。

先ず、上流側の超音波送受信装置 1 6から流れと順方向で、しかも斜めに横切るごとく超音波を発生する。

この超音波は流体の流れの中を音速で伝搬し、下流側の超音波送受信装置 1 7で検出されて電気信号に変換される。そして、計測制御装置 2 6の増幅器でその電気信号を増幅し、比較器で基準信号と比較し超音波信号が受信されたことを検出する。

この比較信号の変化は繰返し部へ送られて、遅延部を介して再度トリガ部で送信する。

この繰り返し回数は回数設定部で設定された回数で終了する。計時部は、最初のトリガ信号が送信されたときにタイマをリセットされ、繰り返しが終了したときまでの時間を計測する。

上流から下流への超音波の送信を終了すると、切換部により送受信の方向が切り換えられる。

下流側の超音波送受信装置 1 7から上流側の超音波送受信装置 1 6 に向けて、すなわち下流から上流に向けて送信が行われ、前述と同様に繰り返して送信が行われその時間が計時される。上流から下流への時間と下流から上流への時間差から、演算装置 2 0 で伝搬時間逆数差などの演算式によって流速が、また必要に応じて流量が算出される。

弁体 2 8は流体流動に異常があった時とか、地震発生時などに閉じるようにしてある。

ところで、先に述べたように、測定部 1 は流体通路 7 と別体構成であるから、測定部 1 の加工などが単独でできる。そして、高精度の測定部が簡単に得られるので、仕様の変更などにも的確に対処できることとなる。

次に、測定部 1への流体流動形態を述べる。流体は弁体 2 8 を通過した後、上流室 1 0へ至り、次いで、測定部 1 の助走通路 5 で整流され、分割流路 3 a〜 3 dに流れ込む。

したがって、流体が分割流路 3 a〜 3 dに安定、かつ均等に流動するから、超音波送受信装置 1 6， 1 7 による流速測定は分割流路 3 a〜 3 dの全てにわたって行う必要がなく、中央の隣接する分割流路 3 b， 3 c を主体に行えば初期の目的が達成される。

また少なくとも計測対象となる中央の隣接する分割流路 3 b , 3 cの各高さは境界層領域の範囲内に設定し、計測精度が外的要因によって影響を受けないようにしてある。

一般的には対象流体がガスなどの気体の場合、一仕切板の境界層は 1 5 m mであり、そのため、境界層領域の範囲内にしょうとすれば、分割流路 3 b , 3 c の各高さは各々 3 0 m m以内とすればよい。

(実施の形態 1 2 )

本実施の形態では、分割流路 3 a〜 3 d内の流体流動を良好にする。そのために、図 1 5 に示すように、仕切板 2 a〜 2 c の長さ、すなわち、分割流路 3 a〜 3 dの長さを超音波送受信装置 1 6 , 1 7の超音波送受領域長さ Wに略一致させたものである。こうすることによって、仕切板 2 a〜 2 c の長さ、すなわち、分割流路 3 a〜 3 dの長さは必要最低限にすることができ、その分流体の流動圧損を少なくできる。

(実施の形態 1 3 )

本実施の形態では、図 1 6 に示すように、測定部 1の両端開口縁を円弧状、あるいは、テーパ形状とするなど先細状とする。このようにして、測定部 1へ流体が流動する際に、円滑に流体を流し、渦などの発生がないようにする。

もちろん、仕切板 3 a〜 3 c の端部も同じような先細状に形成すれば、より一層の効果が期待できる。

次に、測定部 1 の開口に整流部を設け、その内部への流体流動に工夫を加えた例を示す。

(実施の形態 1 4 )

本実施の形態は、図 1 7に示すように、測定部 1 の開口に金網などの網状部材 3 0 , 3 1 を設けたものである。

この構成によれば、上流側の流れが乱れた状態にあっても、網状部材 3 0で整流されて、安定した流れ形態で測定部 1 の助走流路 5 に至り、さらにまたこの助走流路 5で一段の整流が成される。

(実施の形態 1 5 )

本実施の形態では、図 1 8 に示すように、整流部としてハニカム状の多孔体 3 2， 3 3 を採用する。実施の形態 1 4 と同等の作用効果が得られることはいうまでもない。

なお、実施の形態 1 4 と 1 5では、逆流時にも測定部 1への流体流動が安定する対策を施した。もし逆流が起こらない場合には、測定部 1 の上流側にのみ流体流動安定化対策を施してもよい。

(実施の形態 1 6 )

本実施の形態では、図 1 9 と 2 0 に示すように、測定部 1 の一方の短辺壁部に少なくとも一対の超音波送受信装置 1 6 , 1 7 を流体の流れ方向に所定間隔をおいて配置する。

超音波送受信装置 1 6， 1 7 は、一方より送信された超音波が対向壁に反射して他方に受信されるようにしてあり、つまり、超音波伝搬経路が V型形状をなすように設定してある。

さらに述べると、計測制御装置 2 6が超音波送受信装置 1 6， 1 7間で交互に超音波を送受信させて、流体の流れに対して順方向と逆方向の超音波伝搬時間の差を一定間隔おいて計り、伝搬時間差信号として出力するようにしている。計測制御装置 2 6からの伝搬時間差信号は演算装置 2 0 に入力されて伝搬時間差信号から流速を、また、必要に応じて流量を演算するようにしている。

この例では、超音波送受信装置 1 6 , 1 7 を同一側壁面に設けることができ、また超音波送受信装置 1 6， 1 7が流路部を挟んで対向して取り付けるのに比較して超音波伝搬経路長さが長く取れる。

その結果、超音波送受信装置 1 6， 1 7の取り付け角度ゃ流路幅の大きさの自由度が増し、設置性に優れた流量計測装置とすることが可能である。

(実施の形態 1 7 )

本実施の形態では、図 2 1 に示すように、超音波送受信装置 1 6 , 1 7の取り付け側の流路壁面を超音波吸収部材 3 4 (例えば表面に微細な多孔を有する樹脂）で構成する。このようにして、送信側の超音波送受信装置より発信された超音波の成分が直接壁面及び壁面近傍を伝って反射することがなく、正規の超音波以外のものが受信されることを抑制できる。

したがって、分割流路内の伝搬路を通った反射波を主に受けるためノイズの少ない信号を受信でき、測定精度を向上させることができる。

(実施の形態 1 8 )

本実施の形態では、図 2 2 に示すように、超音波伝搬路における超音波の反射面に音波の反射率の高い材質、例えば鏡面仕上げされた金属板からなる超音波反射部材 3 5を設ける。このようにして、超音波の反射時における減衰や散乱が減り、超音波の伝搬を効率良く行うことが可能となり、受信波におけるノィズ成分が減りより一層精度の良い測定ができる。

(実施の形態 1 9 )

実施の形態 1 8では、超音波伝搬経路における反射を 1回とした V型伝搬経路に関して説明した。本実施の形態では、図 2 3 に示すように、伝搬経路に関しては対向壁面で 2回反射する W型伝搬経路としている。実施の形態 1 8 と同様の効果があり使用可能である。この場合にも、超音波の反射面に超音波反射部材 3 5 を設けてもよいことはいうまでもない。

なお、実施の形態 1 6〜 1 9では、測定部 1 の構成、すなわち、分割流路およびその上下流側に助走流路が設けてある点は前の例と同じであるので省略している。

さらに、各実施の形態に述べた多くの例は、単独でも、或いは、交互に組み合わせて実施できることは云うまでもない。

本発明の測定部には分割流路に至る流体を予め整流する助走流路を設ける。

こうして計測対象の流体は助走流路で整流され、その後、分割流路に均等に流動することとなり、その結果、超音波伝搬にばらつきを生じない。

測定部を流体通路とは別体構成とすれば、仕切板により複数の分割流路に分割されている複雑な流路を容易に製作できる、加えて、寸法精度も高めることができる。

助走流路は流体の流れ方向に一定断面とし、望ましくは、測定部を断面長方形の矩形状とし、その短片の高さを H、助走流路の流れ方向の長さを Lとしたとき、 L > Hの関係に設定する。仕切板の厚みは、分割流路への超音波伝搬を良好なものとするために、超音波送受信手段による超音波の波長よりも短い値に設定する。また仕切板の設置に関して、その上流側または下流側のいずれか一方に傾斜してやれば、ごみの堆積などを抑制できる。複数枚の仕切板の 1枚を超音波送受信手段における超音波送信領域の中央に位置させれば、この中央仕切板を基点として複数の分割流路を対称に配置して流体計測の均等化が図れる。具体的には、仕切板を奇数枚とし、中央部に位置する 1枚の仕切板を超音波送信領域の中央に位置させればよい。

助走流路を流体通路の上流室に突出して位置させれば、流体が迂回するような流れ形態をとつて助走流路に流れ込むようになる, そのため、流体通路の入口側が屈曲していたとしても、上記迂回的流れで流れの偏向成分などが是正され、その後助走流路に至る。

分割流路の少なくとも一部路面を非粘着性材料で表面処理しておけば、ごみなどの付着を可及的に防止できる。

超音波送受信手段を設置した部位の分割流路側を多孔板で覆うようにすれば、分割流路での流れの乱れがなくなり、超音波計測精度をより一層高め得る。多孔板の代わりに 5 0〜 5 0 0 メッシュの金網を用いてよい。

各分割流路への流体流動が均等化されることになれば、超音波による計測対象として全ての分割流路を設定する必要はなく、そのうちの一部分割流路に超音波を発信し、流体を伝搬した後の超音波を受信するようにしてもよい。

また、超音波送受信手段は複数のスリットを入れた圧電振動子を具備し、上記スリットが前記仕切板と平行方向に向くように設定する。ことによって、超音波の伝搬が効率よく行われる。

さらに、上記圧電振動子のスリットが仕切板と直交方向に向くように設定すれば、複数の分割流路にばらつきなく超音波を伝搬できる。

分割流路の両側流路付近への流入を抑制し、中央部の流速を増加して、境界層付近の不均一な流れの影響を少なくして計測精度を高めるために、上流側から下流側になるにしたがい分割流路の数を、例えば段階的に増やしたり、各分割流路の長さ、或いは、断面積を変化させたり、仕切板の厚さを変えたりすることが考えられる。さらに、分割流路の長さと断面積を変化させてもよい。超音波送受信手段の配置部位は、分割流路を斜めに横切るごとく超音波が伝搬するように超音波送受信手段を相対向部に配置するものとか、超音波を対向面で反射させて分割流路を斜めに横切ごとく超音波が伝搬するように超音波送受信手段を同一側に配置することが考えられる。超音波を反射させるものでは、反射壁面に超音波反射部材を設けると、超音波伝搬効率が高まる。

仕切板の間隔は、分割流路が境界層領域となるように選定する。また、分割流路を超音波送受波手段の超音波送受領域に対応した長さに設定する。

測定部における助走流路の路壁端部を先細状断面形状に設定することによって、流体の流動抵抗が低減される。

さらに、測定部における助走流路の端部開口に整流手段、例えば、網状部材とか多孔体を設けることによって、より一層、流体の流れを安定なものにできる。産業上の利用可能性

本発明の超音波式流体計測装置は、ガスなどの気体流体、水や油などの液体流体において、それらの流速測定、或いは流量計測などに用いることができる。また、流体の種別をも認識できる。

Claims

請求の範囲

1 . 仕切板を介して複数の分割流路を形成した測定部を途中に有する流体通路と、前記分割流路を流れる流体中に超音波を発信し、流体を通過した後の超音波を受信する少なくとも 1対の超音波送受信装置と、前記超音波送受信装置による超音波の伝搬時間に基づいて流体の流速および流量の少なくとも一つを演算する演算装置とを具備し、前記測定部には前記分割流路に至る流体を予め整流する助走流路を設けた超音波式流体計測装置。

2 . 流体通路と、前記流体通路と別体構成であって、仕切板を介して複数の分割流路を形成した測定部と、前記分割流路を流れる流体中に超音波を発信し、流体を通過した後の超音波を受信する少なくとも 1対の超音波送受信装置と、前記超音波送受信装置による超音波の伝搬時間に基づいて流体の流速および流量の少なくとも一つを演算する演算装置とを具備し、前記測定部には前記分割流路に至る流体を予め整流する助走流路を設けた超音波式流体計測装置。

3 . 前記助走流路を流体の流れ方向に一定断面とした請求項 1 または 2記載の超音波式流量計。

4 . 前記測定部は、断面長方形の矩形状であって、その短片の高さを H、助走流路の流れ方向の長さを Lとしたとき、 L > H の関係に設定した請求項 1 または 2記載の超音波式流量計。

5 . 前記仕切板の厚みを、前記超音波送受信装置による超音波の波長よりも短い値に設定した請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

6 . 前記仕切板は、上流側または下流側のいずれか一方に傾斜して設置された請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置

7 . 複数枚の前記仕切板の 1枚を前記超音波送受信装置における超音波送信領域の中央に位置させた請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

8 . 前記仕切板が奇数枚配置され、中央部に位置する 1枚の仕切板が前記超音波送受信装置における超音波送信領域の中央に位置させた請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

9 . 前記流体通路の上流室に突出して前記助走流路を位置させた請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

1 0 . 前記分割流路の少なくとも一部路面を非粘着性材料で表面処理した請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

1 1 . 前記超音波送受信装置を設置した部位の前記分割流路側を多孔板で覆った請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装

1 2 . 前記超音波送受信装置を設置した部位の前記分割流路側を 5 0〜 5 0 0 メッシュの金網で覆った請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

1 3 . 複数の前記分割流路のうちの一部流路に超音波を発信し、流体を伝搬した後の超音波を受信する少なくとも 1対の前記超音波送受信装置を具備した請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

1 4 . 前記超音波送受信装置は複数のスリットを入れた圧電振動子を具備し、前記スリットが前記仕切板と平行方向に向くように設定した請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

1 5 . 前記超音波送受信装置は複数のスリットを入れた圧電振動子を具備し、前記スリットが前記仕切板と直交方向に向くように設定した請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

1 6 . 前記仕切板の端部両側を流体の流れ方向上流側へ突出させた請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

1 7 . 前記仕切板の端部両側を流体の流れ方向下流側へ後退させた請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

1 8 . 前記仕切板の端部を先細状断面とした請求項 1 または 2項記載の超音波式流体計測装置。

1 9 . 前記分割流路の数を計測流路の上流側から下流側になるにしたがい増やした請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測

2 0 . 前記分割流路の数を計測流路の上流側から下流側になるにしたがい段階的に増やし、かつ各段毎に前記分割流路の断面積を等しくした請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

2 1 . 前記分割流路の長さを計測流路の流体の流速分布に応じて設定した請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

2 2 . 前記分割流路の断面積を計測流路の流体の流速分布に応じて変化させた請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置

2 3 . 前記仕切板の厚さを変えることにより、計測流路の流体の流速分布に応じて前記分割流路の断面積を変化させた請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

2 4 . 計測流路の流体の流速分布に応じて、前記分割流路の長さと断面積を変化させた請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

2 5 . 前記分割流路を斜めに横切るごとく超音波が伝搬するように前記超音波送受信装置を相対向部に配置した請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

2 6 . 超音波を対向面で反射させて前記分割流路を斜めに横切ごとく超音波が伝搬するように前記超音波送受信装置を同一側に配置した請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

2 7 . 超音波を対向面で反射させて前記分割流路を斜めに横切ごとく超音波が伝搬するように前記超音波送受信装置を同一側に配置するとともに、超音波の反射する壁面に超音波反射部材を設けた請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

2 8 . 前記分割流路が境界層領域となるように前記仕切板の間隔を選定した請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

2 9 . 前記分割流路を前記超音波送受信装置の超音波送受領域に対応した長さに設定した請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

3 0 . 前記測定部における前記助走流路の路壁端部を先細状断面形状に設定した請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

3 1 . 前記測定部における前記助走流路の端部開口に整流部を設けた請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

3 2 . 前記測定部における助走流路の端部開口に網状部材からなる整流部を設けた請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。

3 3 . 前記測定部における前記助走流路の端部開口に多孔体からなる整流部を設けた請求項 1 または 2記載の超音波式流体計測装置。