WO2012137489A1 - 超音波流量計測装置 - Google Patents

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WO2012137489A1
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flow rate
sensor mounting
flow
measurement
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宮田　肇
慎 中野
藤井　裕史
尾崎　行則
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パナソニック株式会社
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    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
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    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/14—Casings, e.g. of special material

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic flow rate measuring device for measuring a flow rate of gas or the like.
  • FIG. 14 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a conventional ultrasonic flow rate measuring apparatus 100.
  • the ultrasonic flow measuring device 100 includes a flow measuring tube 121 that allows a fluid to be measured to flow from one to the other.
  • an ultrasonic sensor 122a is provided on the upstream side and an ultrasonic sensor 122b is provided on the downstream side, which are opposed to each other with the flow rate measuring pipe 121 interposed therebetween and inclined at a predetermined angle with respect to the center line.
  • Ultrasonic sensors 122a and 122b are disposed in recesses 125a and 125b provided in flow measurement tube 121.
  • Bulk ultrasonic transmission members 123a and 123b are provided in the internal spaces of the recesses 125a and 125b, and flow measurement is performed by preventing the fluid to be measured from entering the recesses 125a and 125b (for example, (See Patent Document 1).
  • FIG. 15 is a diagram showing a cross-sectional configuration of another example of the conventional ultrasonic flow measuring device 150.
  • the ultrasonic flow rate measuring device 150 also includes recesses 125a and 125b to which the ultrasonic sensors 122a and 122b are attached.
  • suppression members 124a and 124b for restricting the fluid to be measured from flowing to the sensor side are disposed at openings where the ultrasonic waves exit to the flow path (see, for example, Patent Document 2). ).
  • the ultrasonic transmission members 123a and 123b and the suppression members 124a and 124b are provided in order to suppress the flow of the fluid to be measured into the recesses 125a and 125b.
  • the disturbance of the flow of the fluid to be measured in the measurement part (ultrasonic wave propagation path) of the flow measurement tube 121 and the recesses 125a and 125b is reduced, and the deterioration of measurement accuracy is reduced.
  • a separate member is required, there is a problem that the cost increases due to an increase in material costs and man-hours.
  • the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and provides an ultrasonic flow measurement device that realizes stabilization of measurement accuracy and low power while suppressing an increase in cost.
  • An ultrasonic flow rate measuring apparatus includes a measurement flow path through which a fluid to be measured flows, an opening formed in the measurement flow path, and a sensor mounting housing having a sensor mounting recess communicating with the opening. Yes.
  • a pair of ultrasonic sensors arranged in the sensor mounting recess for measuring the flow velocity of the fluid to be measured; and a flow rate measuring unit for detecting a flow rate based on the propagation time of the ultrasonic waves between the pair of ultrasonic sensors.
  • the suppression body which is provided in an opening part and suppresses the flow of the fluid to be measured to the sensor mounting recess, and the suppression body is integrally formed with the sensor mounting housing.
  • the restraining body that restricts the flow into the sensor mounting recess is also molded at the same time, so there is no need to provide separate members and increase the number of assembly steps, Disturbance of the fluid to be measured that occurs in the sensor mounting recess can be suppressed, and measurement accuracy can be stabilized and power consumption can be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an ultrasonic flow rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the flow rate measurement unit in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a flow rate measurement operation using ultrasonic waves in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view showing the configuration of the flow rate measurement unit in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of a mold for molding the sensor mounting housing in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing the result of fluid analysis of the flow of the fluid to be measured when there is no suppressor in the opening of the ultrasonic wave propagation portion in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an ultrasonic flow rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the flow rate measurement unit
  • FIG. 7 is a perspective view showing the configuration of the slider type in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of the sensor mounting housing according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the sensor mounting housing and the slider type in the first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing the result of fluid analysis showing the effect of the suppressor in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a slider type configuration in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a configuration of a sensor mounting housing according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing a cross-sectional configuration of another example of the ultrasonic flow rate measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a conventional ultrasonic flow rate measuring apparatus.
  • FIG. 15 is a diagram showing a cross-sectional configuration of another example of a conventional ultrasonic flow measuring device.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an ultrasonic flow rate measuring device 50 according to an embodiment of the present invention.
  • white arrows indicate the flow of fluid (measuring fluid).
  • the ultrasonic flow measuring device 50 includes a fluid supply path 3.
  • the fluid supply path 3 includes a drive part 4a including an electromagnetic device such as a stepping motor and a valve body 4b linked to the drive part 4a in the middle of the flow path, and has a shut-off valve 4 opened and closed by the valve body 4b. .
  • the shut-off valve 4 When the shut-off valve 4 is open, the fluid to be measured flows out from the fluid supply path 3 into the meter housing 2.
  • the ultrasonic flow rate measuring device 50 includes a measurement channel 1 through which a fluid to be measured flows.
  • the measurement channel 1 has a rectangular cross section.
  • the fluid to be measured filled in the meter housing 2 flows into the measurement flow channel 1 from the inlet side 1a of the measurement flow channel 1, and further passes through the fluid outflow passage 6 connected to the downstream side 1b of the meter housing 2. It flows out to the outside.
  • the shut-off valve 4 is set to close when there is an abnormality in the fluid flow or when an earthquake is detected by a seismic device (not shown). When the shutoff valve 4 is closed, the fluid to be measured does not flow out from the fluid supply path 3 into the meter housing 2.
  • the ultrasonic flow measurement device 50 includes a flow measurement unit 26.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the flow rate measurement unit 26 in the embodiment of the present invention.
  • a sensor mounting housing 7 is connected to the short side thereof.
  • a pair of ultrasonic sensors 8 and 9 constituting a flow velocity detection unit are arranged so as to reflect and transmit / receive ultrasonic waves at the opposing wall 52.
  • the ultrasonic sensors 8 and 9 are disposed in sensor mounting recesses 10 and 11 provided obliquely with respect to the measurement flow path 1.
  • the ultrasonic wave is propagated in the measurement flow path 1 between the ultrasonic sensors 8 and 9 through the openings 12 and 13 formed in the measurement flow path 1 of the sensor mounting housing 7.
  • a suppressing body 20 see FIG.
  • the suppressing body 20 is integrally formed with the sensor mounting housing 7.
  • the sensor mounting recesses 10 and 11 communicate with the openings 12 and 13.
  • ultrasonic sensors 8 and 9 may be installed on the same side surface of the measurement flow path 1 and may constitute an ultrasonic propagation path using reflection on the wall surface on the opposite side. Thereby, size reduction of the measurement flow path 1 is attained.
  • the driving of the ultrasonic sensors 8 and 9, the measurement of the ultrasonic propagation time, the detection of the flow rate, and the driving of the shut-off valve 4 at the time of abnormality are performed by the control unit 5 (see FIG. 1).
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a flow rate measurement operation using ultrasonic waves in the embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic sensors 8 and 9 are arranged on the same plane of the rectangular cross section of the measurement channel 1.
  • the transmission / reception propagation path of the ultrasonic wave is a V-shaped propagation path reflected by the facing wall 52, and the ultrasonic wave is transmitted between the pair of ultrasonic sensors 8 and 9 arranged on the upstream side and the downstream side. Transmission / reception is performed.
  • the propagation time T1 until the ultrasonic wave emitted from the upstream ultrasonic sensor 8 is received by the downstream ultrasonic sensor 9 is measured.
  • the propagation time T2 until the ultrasonic wave emitted from the downstream ultrasonic sensor 9 is received by the upstream ultrasonic sensor 8 is measured.
  • the flow rate is calculated by the calculation unit of the control unit 5 functioning as a flow rate measurement unit by the following calculation formula.
  • the flow rate measuring unit detects the flow rate of the fluid to be measured based on the propagation time of the ultrasonic wave between the pair of ultrasonic sensors 8 and 9.
  • V is the flow velocity of the fluid to be measured in the flow direction of the measurement channel 1. Further, as shown in FIG. 3, the angle between the flow direction of the measurement flow path 1 and the ultrasonic propagation path is ⁇ , and the distance of the ultrasonic propagation path between the ultrasonic sensors 8 and 9 is 2 ⁇ L, When the sound velocity of the measurement fluid is C, the flow velocity V is calculated by the following equation.
  • T1 2 ⁇ L / (C + V cos ⁇ ) Equation (1)
  • T2 2 ⁇ L / (C ⁇ Vcos ⁇ ) Equation (2)
  • the sound velocity C is eliminated from the equation for subtracting the reciprocal of T2 from the reciprocal of T1, thereby obtaining equation (3).
  • the flow velocity V (2 ⁇ L / 2 cos ⁇ ) ((1 / T1) ⁇ (1 / T2)) Equation (3)
  • the angle ⁇ and the distance L are known, the flow velocity V can be calculated from the values of the propagation times T1 and T2.
  • the angle ⁇ 45 degrees
  • the distance L 35 mm
  • the sound velocity C 340 m / s
  • the flow velocity V 8 m / s
  • T1 2.0 ⁇ 10 ⁇ 4 seconds
  • T2 2.1 ⁇ 10 ⁇ 4 seconds
  • the ultrasonic propagation path between the ultrasonic sensors 8 and 9 is not necessarily limited to the V-shaped propagation path as described above.
  • the flow velocity can be measured as long as the propagation path traverses the measurement flow path 1 at least once and the propagation time of the ultrasonic wave changes due to the change in the flow velocity. .
  • FIG. 4 is an exploded perspective view showing the configuration of the flow rate measurement unit 26 in the embodiment of the present invention.
  • the flow rate measurement unit 26 is constituted by two molded parts, the sensor mounting housing 7 and the measurement flow path 1.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of a mold for molding the sensor mounting housing 7 in the embodiment of the present invention.
  • the mold for molding the sensor mounting housing 7 includes an upper mold 14 and a lower mold 15.
  • the upper mold 14 is formed with slider molds 16 and 17 for forming recesses for attaching the ultrasonic sensors 8 and 9.
  • the sensor mounting recesses 10 and 11 and the openings 12 and 13 are formed by slider molds 16 and 17.
  • FIG. 6 is a diagram showing the result of fluid analysis of the flow of the fluid to be measured when there is no suppressor in the opening 12 of the ultrasonic wave propagation portion in the embodiment of the present invention.
  • a large vortex flow is generated in the sensor mounting recess 10 which is a space between the ultrasonic sensor 8 and the measurement flow path 1.
  • the ultrasonic wave propagates through this portion, the ultrasonic wave is disturbed by the vortex flow, so that an error occurs in the measured propagation time, and accurate measurement of the flow rate passing through the measurement flow path 1 becomes difficult.
  • a restraining member such as a wire mesh is separately provided in the opening connected from the sensor mounting recess 10 to the measurement flow path 1. It was. However, in this method, since it is necessary to attach a restraining member made of a separate member, there has been a strong demand to avoid as much as possible from the viewpoint of cost reduction and assembly man-hour reduction.
  • the sensor mounting housing 7 in the embodiment of the present invention is manufactured using a processing method by molding. At this time, the sensor mounting recesses 10 and 11 for mounting the sensor are also integrally processed by inserting auxiliary molds called slider molds 16 and 17 into the mold for molding the sensor mounting body. It is.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the configuration of the slider molds 16 and 17 in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of the sensor mounting housing 7 according to the first embodiment of the present invention.
  • the slider molds 16, 17 have flat portions 18 at the tip portions thereof for contacting the lower mold 15 in order to form the openings 12, 13.
  • the flat portion 18 is configured by a plane that is flush with the wall surface of the measurement channel 1 that is in contact with the openings 12 and 13.
  • a plurality of grooves 19 are formed in the flat portion 18 in a straight line perpendicular to the flow of the fluid to be measured in the measurement flow path 1.
  • the depth direction of the groove 19 is configured to be perpendicular to the ultrasonic emission surfaces of the pair of ultrasonic sensors 8 and 9.
  • the suppressing body 20 is formed by a groove 19 provided at the tip of the slider molds 16 and 17.
  • the suppressing body 20 can be formed. Further, the flow of the fluid to be measured can be suppressed as much as possible, and the influence on the attenuation of the ultrasonic wave propagation can be reduced.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the sensor mounting housing 7 and the slider molds 16 and 17 in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 shows the relationship between the cross-sectional configuration of the sensor mounting housing 7 shown in FIG. 8 and the side views of the slider dies 16 and 17.
  • the suppressing body 20 is configured at a position corresponding to the groove 19 provided in the slider molds 16, 17 of the sensor mounting housing 7 by molding with the slider molds 16, 17. Is possible.
  • FIG. 10 is a diagram showing the result of fluid analysis showing the effect of the suppressing body 20 in the first embodiment of the present invention.
  • the groove shape in the sensor mounting recesses 10 and 11 is simply formed in the slider molds 16 and 17.
  • the occurrence of inflow of the fluid to be measured can be suppressed, and the measurement accuracy can be improved.
  • a separate member is not required as in the prior art, it is possible to reduce material costs and man-hours.
  • FIG. 11 is a perspective view showing the configuration of the slider mold 32 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the configuration of the sensor mounting housing 7 according to the second embodiment of the present invention.
  • the configuration of the ultrasonic flow rate measuring device 50 and the mold in the present embodiment is the same as that of the first embodiment except for the configuration of the slider mold 32, and thus the description thereof is omitted.
  • a lattice-like groove 33 is formed at the tip of the slider mold 32.
  • the groove 33 is formed in a direction perpendicular to the flow in the measurement flow path 1, and the depth direction of the groove 33 is configured to be perpendicular to the ultrasonic emission surfaces of the pair of ultrasonic sensors 8 and 9. ing.
  • the sensor mounting housing 7 is molded by the same method as in the first embodiment.
  • the lattice-like suppressing body 34 can be formed integrally with the sensor mounting housing 7, and the effect of suppressing the disturbance of the fluid to be measured in the further sensor mounting recesses 10 and 11 can be achieved. Obtainable.
  • FIG. 13 is a diagram showing a cross-sectional configuration of another example of the ultrasonic flow rate measuring device 54 according to the second embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic flow rate measuring device 54 includes a flow rate measurement tube 21 (measurement flow channel) for flowing a fluid to be measured from one to the other. Further, an ultrasonic sensor 22a is provided on the upstream side and an ultrasonic sensor 22b is provided on the downstream side, which are opposed to each other with the flow rate measuring tube 21 interposed therebetween and are inclined at a predetermined angle with respect to the center line.
  • Ultrasonic sensors 22a and 22b are disposed in recesses (sensor mounting recesses) 25a and 25b provided in the flow rate measuring tube 21. It is also possible to configure the above-described suppressors 20 and 34 integrally with the flow rate measurement tube 21 in the opening portions of the recesses 25a and 25b that are in contact with the flow rate measurement tube 21. As a result, the fluid to be measured can be prevented from entering the recesses 25a and 25b, and the flow rate can be measured with high accuracy.
  • the suppressing body that suppresses the flow of the fluid to be measured into the sensor mounting recess is formed at the same time as the casing. For this reason, stable measurement performance, cost reduction, and downsizing can be realized.
  • the opening ratio of the opening can be increased as compared with a conventional suppression member using a wire mesh or the like. For this reason, it is difficult to obstruct the passage of ultrasonic waves, and the sensitivity is less likely to deteriorate when transmitting and receiving ultrasonic waves. Therefore, it is possible to reduce the drive input of the ultrasonic sensor and to reduce the power consumption.
  • the present invention it is possible to achieve an extraordinary effect of realizing stable measurement accuracy and low power while suppressing an increase in cost. Therefore, it is useful as an ultrasonic flow rate measuring device that measures flow rates of various fluids including a gas meter.

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

超音波流量計測装置
　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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