WO2016166933A1 - 流量計測装置 - Google Patents

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弘 中井
憲司 安田
佐藤　真人
森花　英明
藤井　裕史
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B1/00—Installations or systems with accumulators; Supply reservoir or sump assemblies
    • F15B1/02—Installations or systems with accumulators

Definitions

  • the present invention relates to a flow rate measuring device for measuring a flow rate by ultrasonic waves, and more particularly, to a flow rate measuring device having a structure having a hole between an ultrasonic transducer and a measurement flow channel.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the flow rate measuring device described in Patent Document 1.
  • the flow rate measuring device 101 includes a flow path main body 102 and a sensor block 103.
  • the channel body 102 has a measurement channel 104 having a rectangular cross section.
  • the measurement channel 104 is divided into a plurality of flat channels by a plurality of partition plates 105.
  • a first ultrasonic transducer 106 and a second ultrasonic transducer 107 are attached to the sensor block 103. Between the ultrasonic transducers 106 and 107 and the measurement channel 104, an ultrasonic transmission film 108 is disposed.
  • the ultrasonic transmission film 108 is integrally formed of a mesh member or the like.
  • FIG. 7 is a vertical sectional view of the flow rate measuring device 101 shown in FIG. 6 cut along a plane along the flow direction.
  • a first hole 109 is formed between the first ultrasonic transducer 106 and the measurement flow path 104, and the second ultrasonic transducer 107 and the measurement flow are formed.
  • a second hole 110 is formed between the passage 104.
  • the ultrasonic permeable membrane 108 is disposed so as to be interposed between the first hole 109 and the measurement flow path 104 and between the second hole 110 and the measurement flow path 104. The occurrence of turbulent flow due to the entrainment flow in the hole 109 and the second hole 110 is suppressed.
  • the ultrasonic wave emitted from the first ultrasonic transducer 106 passes through the ultrasonic transmission film 108 via the first hole 109 and then enters the measurement channel 104. Reflected by the bottom surface 111 of the measurement channel 104. After that, after passing through the ultrasonic transmission film 108 again, it reaches the second ultrasonic transducer 107 via the second hole 110. Based on the propagation time until the ultrasonic wave emitted from the first ultrasonic transducer 106 reaches the second ultrasonic transducer 107, the flow rate of the fluid per unit time passing through the measurement channel 104 is It is measured.
  • the ultrasonic wave is attenuated when passing through the ultrasonic transmission film 108, and the reception sensitivity in the second ultrasonic wave transmission / reception wave 107 is lowered.
  • the present invention solves the above-described conventional problems, and uses a turbulent flow suppression member having an opening instead of the ultrasonic transmission film. This aims to reduce ultrasonic attenuation, improve reception sensitivity, and realize accurate flow measurement.
  • the flow measuring device of the present invention uses a turbulent flow suppressing member having an opening instead of the ultrasonic permeable membrane. Thereby, attenuation of ultrasonic waves can be reduced, so that reception sensitivity can be improved and accurate flow measurement can be realized.
  • FIG. 1 is a perspective view of a flow rate measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the flow rate measuring device.
  • 3 is a cross-sectional view of the flow rate measuring device taken along line 3-3 in FIG.
  • FIG. 4 is a plan view of the turbulent flow suppressing member according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5 is a detailed plan view of the turbulent flow suppressing member.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of a conventional flow rate measuring device.
  • FIG. 7 is a vertical sectional view of the flow rate measuring device shown in FIG. 6 cut along a plane along the flow direction.
  • the first aspect includes a measurement channel, a pair of holes each communicating with the measurement channel, and a pair of ultrasonic transducers disposed on the opposite side of the measurement channel in each of the pair of holes. And a propagation time measuring unit for measuring the propagation time between the pair of ultrasonic transducers. Further, a flow rate calculation unit that calculates a flow rate based on the flow velocity obtained from the propagation time measured by the propagation time measurement unit, and a position corresponding to the pair of holes, arranged between the pair of holes and the measurement channel. And a turbulent flow suppressing member having a pair of openings. Further, each of the pair of openings of the turbulent flow suppressing member has a crosspiece, and the width of each crosspiece is substantially the same. Thereby, since generation
  • the openings of the first invention are formed with a plurality of openings partitioned by crosspieces, and each opening is hexagonal and arranged in a staggered manner.
  • a plurality of partition plates each maintained in a posture parallel to the flow direction are arranged side by side in a direction orthogonal to the flow direction,
  • the measurement channel is divided into a plurality of layered channels by a plurality of partition plates, and the channel width of each layered channel is larger than the circumscribed circle diameter of the hexagonal opening of the opening.
  • FIG. 1 is a perspective view of a flow rate measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the flow rate measuring device.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the flow rate measuring device taken along line 3-3 in FIG.
  • the flow rate measuring device 1 includes a flow path block 2 and an ultrasonic transducer block 3.
  • a measurement channel 4 having a rectangular cross section is formed inside the channel block 2.
  • the measurement channel 4 is divided into a plurality of layered channels by a plurality of partition plates 5b.
  • Each partition plate 5 b is fixed to the flow path block 2 by inserting each end edge portion into a plurality of grooves 5 a provided in the flow path block 2.
  • a first ultrasonic transmitter / receiver 6 and a second ultrasonic transmitter / receiver 7 are attached to the ultrasonic transmitter / receiver block 3. Both ultrasonic transducers 6 and 7 have both a function of transmitting ultrasonic waves and a function of receiving waves.
  • a turbulence suppressing member 8 is disposed between the flow path block 2 and the ultrasonic transducer block 3.
  • the turbulent flow suppressing member 8 has a sheet shape having a first opening 9 and a second opening 10.
  • the turbulent flow suppression member 8 is installed on the plurality of partition plates 5b and pressed by the ultrasonic transducer block 3 from above, and the plurality of partition plates 5b and the ultrasonic transducer block. It is sandwiched between three.
  • a first hole 11 is formed between the first ultrasonic transducer 6 and the measurement channel 4, and the second ultrasonic transducer 7, the measurement channel 4, A second hole 12 is formed between them.
  • the turbulent flow suppression member 8 is disposed so as to be interposed between the first hole portion 11 and the measurement flow path 4 and between the second hole portion 12 and the measurement flow path 4. The occurrence of turbulent flow due to the entrainment flow in the hole 11 and the second hole 12 is suppressed.
  • the turbulent flow suppressing member 8 is disposed such that the first opening 9 communicates with the first hole 11 and the second opening 10 communicates with the second hole 12. And the ultrasonic wave emitted from the 1st ultrasonic transducer 6 passes the 1st opening part 9 of the turbulent flow suppression member 8 via the 1st hole 11, Then, a measurement flow path 4 reaches the bottom surface portion 13 of the measurement flow path 4 through the path a. Thereafter, the light is reflected by the bottom surface portion 13, passes through the second opening 10 of the turbulent flow suppressing member 8 by the path b, and then passes through the second hole 12 to the second ultrasonic transducer 7. To reach.
  • the ultrasonic wave emitted from the second ultrasonic transducer 7 passes through the second opening 10 of the turbulent flow suppression member 8 via the second hole 12, and then the measurement channel. 4 reaches the bottom surface portion 13 of the measurement flow path 4 through the path b entering the inside. Thereafter, the light is reflected by the bottom surface portion 13, passes through the first opening 9 of the turbulent flow suppression member 8 by the path a, and then passes through the first hole portion 11 to the first ultrasonic transducer 6. To reach.
  • the flow rate measuring device 1 further includes a propagation time measurement unit (not shown) that measures the propagation time of the ultrasonic wave and a flow rate calculation unit (not shown) that calculates the flow rate based on the flow velocity obtained from the propagation time. Prepare. Then, the flow rate measurement is performed by the propagation time measurement unit and the flow rate calculation unit.
  • the flow velocity of the fluid flowing through the measurement channel 4 is V
  • the sound velocity in the fluid is C
  • an angle formed by the direction in which the fluid flows (the traveling direction of the flow to be measured F described later) and the ultrasonic wave propagation direction (the traveling direction of the path a) until the ultrasonic wave is reflected by the bottom surface portion 13 is denoted by ⁇ .
  • L be the effective length of the propagation path (path a + path b) of the ultrasonic wave propagating between the first ultrasonic transducer 6 and the second ultrasonic transducer 7.
  • the propagation time t1 until the ultrasonic wave emitted from the first ultrasonic transducer 6 reaches the other second ultrasonic transducer 7 is expressed by the following equation (1). It is.
  • V L / (2 cos ⁇ ((1 / t1) ⁇ (1 / t2))) (3)
  • the flow velocity V is obtained using the propagation time t1 and the propagation time t2 measured by the propagation time measurement unit (not shown). It is done.
  • the flow velocity V is multiplied by the cross-sectional area S of the measurement flow path 4 to obtain the overall flow rate Q of the measurement flow path 4 (per unit time flowing through the measurement flow path 4). Flow rate).
  • FIG. 4 is a plan view of the turbulent flow suppressing member according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5 is a detailed plan view of the turbulent flow suppressing member.
  • the first opening 9 and the second opening 10 of the turbulence suppressing member 8 are each rectangular.
  • the length (dimension in the flow direction) L1 of the first opening 9 and the length L2 of the second opening 10 are equal.
  • the width of the first opening 9 (dimension in the direction orthogonal to the flow direction) W1, the width W2 of the second opening 10, and the channel width W of the measurement channel 4 is equal to
  • the size, shape and position of the first hole portion 11 with respect to the first opening 9 and the size, shape and position of the second hole portion 12 with respect to the second opening portion 10 are indicated by a one-dot chain line in FIG. As shown.
  • the 1st opening part 9 and the 2nd opening part 10 are set as the magnitude
  • FIG. 5 is a detailed plan view of the turbulent flow suppressing member according to the first embodiment of the present invention.
  • each opening 9a, 10a is a regular hexagon having the same size
  • the crosspieces 15, 16 positioned between the adjacent openings 9a, 10a are configured to have substantially the same width.
  • each opening 9a, 10a is formed by the six crosspieces 15 surrounding the opening 9a, 10a, and the width of each crosspiece 15 is the same dimension.
  • the widths 9c, 9d, and 9e of the crosspiece 15 have the same dimensions.
  • the first opening 9 and the second opening 10 are configured to be divided finely and uniformly in the flow direction.
  • a plurality of partition plates 5b are arranged in a direction perpendicular to the flow direction.
  • the measurement channel 4 is divided into a plurality of layered channels by the plurality of partition plates 5b.
  • the channel width of each layered channel is the circumscribed circle diameter of the regular hexagonal openings 9a and 10a of the openings 9 and 10 (see dimension D between opposing vertices, see FIG. 5). Greater than.
  • each opening 9a, 10a is about 0.3 to 0.5 mm
  • the width of the crosspiece 15 is about 0.1 mm
  • the area opening ratio of each opening 9a, 10a to the opening 9, 10 Is about 50% to 80%.
  • the channel width W of the measurement channel 4 is about 10 mm
  • the channel width of the layered channel is set to about 1.5 to 2.0 mm. Has been.
  • the measured flow F of the fluid flowing through the measurement flow path 4 is in the vicinity of the first opening 9 in the first hole 11 and the second opening 10 in the second hole 12.
  • a turbulent flow for example, vortex p, q
  • the viscosity of the fluid is formed by the viscosity of the fluid.
  • the second ultrasonic wave 6 Since the ultrasonic wave emitted from the first ultrasonic transducer 6 passes through the first opening 9 and the second opening 10 that are free from obstacles, the second ultrasonic wave 6 is not attenuated significantly. To the ultrasonic transducer 7. However, since the ultrasonic waves pass through the first hole portion 11 and the second hole portion 12, the flow velocity components ( ⁇ vp, ⁇ vq) due to the vortex flows p, q are included in the flow velocity V measured by the ultrasonic waves. It will be included. Therefore, if the flow velocity components ( ⁇ vp, ⁇ vq) due to the vortex flows p, q are larger than the flow velocity V of the measurement channel 4 to be originally measured, an error occurs in the flow rate measurement.
  • the turbulent flow suppressing member 8 has a first opening portion 9 and a second opening portion 10 that have a first hole portion 11 and a second hole portion 12, respectively. It is set to restrict. Thereby, compared with the case where the turbulent flow suppression member 8 is not provided, the vortex flows p and q are limited.
  • the flow velocity error due to the holes 11 and 12 is obtained by dividing the flow velocity component ( ⁇ vp + ⁇ vq) generated by the vortex flows p and q by the flow velocity V of the fluid flowing through the measurement flow path 4. Therefore, if the flow velocity component ( ⁇ vp + ⁇ vq) is adjusted to be equal to or less than a predetermined ratio with respect to the flow velocity V by setting the lengths L1 and L2 of the openings 9, 10, as shown in the following equation (6).
  • the flow velocity error due to the holes 11 and 12 can be suppressed to less than a predetermined accuracy (m).
  • the necessary accuracy can be obtained by using the turbulent flow suppressing member 8 that can pass ultrasonic waves and has the openings 9 and 10 that suppress the generation of the vortices p and q.
  • the attenuation of the ultrasonic wave can be suppressed while securing the above.
  • the turbulent flow suppressing member 8 has a large number of regular hexagonal openings 9 a and 10 a in the respective openings 9 and 10. Since the widths of the crosspieces 15 existing between the adjacent openings 9a and 10a are substantially the same, the formation of the vortices p and q in the holes 11 and 12 is weakened or divided. In addition, since the openings 9a and 10a are regular hexagons, the widths of the crosspieces 15 can be set to be substantially the same, and attenuation of ultrasonic waves can be suppressed to a minimum.
  • the regular hexagonal staggered pattern has less attenuation of ultrasonic waves. This is because in the circular staggered pattern, the width of the crosspiece is not constant and there is a wide portion, so that the ultrasonic waves are easily blocked.
  • the shapes of the openings 9a and 10a are not necessarily regular hexagons, and may be polygons other than regular hexagons as long as the widths of the crosspieces 15 can be made substantially the same.
  • a square or pentagon may be combined with a hexagon as a means for making the width of the crosspieces 15 substantially the same.
  • a plurality of partition plates 5b each maintained in a posture parallel to the flow direction, are arranged in a direction perpendicular to the flow direction.
  • the measurement channel 4 is divided into a plurality of layered channels by the plurality of partition plates 5b. Since the flow path width of each layered flow path is larger than the circumscribed circle diameter of the regular hexagonal openings 9a and 10a of the openings 9 and 10, a plurality of openings 9a and 10a exist in each layered flow path. As a result, variation in attenuation of ultrasonic waves and variation in generation of vortex flows p and q can be reduced.
  • the measurement flow path 4 having a rectangular cross section, and the turbulent flow having the openings 9 and 10 disposed between the holes 11 and 12 and the measurement flow path 4.
  • a restraining member 8 Further, the propagation time between the pair of ultrasonic transducers 6 and 7 connected to the measurement flow path 4 via any one of the holes 11 and 12 and the turbulence suppressing member 8 and the pair of ultrasonic transducers is measured. And a flow rate calculation unit for calculating the flow rate Qt based on the flow velocity V obtained from the propagation time measured by the propagation time measurement unit.
  • the openings 9 and 10 of the turbulent flow suppressing member 8 have a crosspiece 15 and the width of the crosspiece 15 is substantially the same.
  • the openings 9 and 10 have hexagonal openings 9a and 10a arranged in a staggered manner, so that the width of the crosspieces 15 can be set to be substantially the same. Generation of turbulent flow due to entrained flow can be further suppressed. Thereby, more accurate flow measurement can be realized.
  • a plurality of partition plates 5b each maintained in a posture parallel to the flow direction are arranged side by side in the direction orthogonal to the flow direction.
  • the measurement channel 4 is divided into a plurality of layered channels by the plurality of partition plates 5b.
  • the channel width of each layered channel is larger than the circumscribed circle diameter of the regular hexagonal openings 9a, 10a of the openings 9, 10.
  • the flow rate measuring device can guarantee measurement accuracy in a state where the attenuation of ultrasonic waves is small, it can be widely applied to gas meters and devices that perform measurement with low power consumption. is there.

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Abstract

計測流路（４）と、計測流路（４）とは反対側に一対の超音波送受波器（６，７）が配置された一対の孔部（１１，１２）との間に、開口部（９，１０）を有する乱流抑制部材（８）が配置されている。乱流抑制部材（８）の一対の開口部（９、１０）はそれぞれ桟部を有するとともに、各桟部の幅が略同一である。これにより、超音波の減衰が少ない状態で、計測誤差の要因となる、一対の孔部（１１，１２）における巻込み流れによる乱流の発生を抑制し、計測精度を保証する。

Description

流量計測装置
　本発明は、超音波により流量を計測する流量計測装置に関し、とりわけ、超音波送受波器と計測流路との間に孔部を有する構造の流量計測装置に関する。
　従来、この種の流量計測装置として、超音波送受波器と計測流路の間に超音波透過膜を配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
　図６は、特許文献１に記載された流量計測装置の分解斜視図である。
　図６に示すように、流量計測装置１０１は、流路本体１０２とセンサブロック１０３とを備える。
　流路本体１０２には、矩形断面の計測流路１０４が形成されている。計測流路１０４は、複数の仕切板１０５によって複数の扁平流路に分割されている。
　センサブロック１０３には、第１の超音波送受波器１０６と第２の超音波送受波器１０７が、取り付けられている。これら超音波送受波器１０６、１０７と計測流路１０４の間には、超音波透過膜１０８が配置されている。この超音波透過膜１０８はメッシュ部材等で一体的に構成されている。
　図７は、図６に示す流量計測装置１０１を流れ方向に沿った面で切断したときの垂直断面図である。
　図７に示すように、第１の超音波送受波器１０６と計測流路１０４との間には第１の孔部１０９が形成されており、第２の超音波送受波器１０７と計測流路１０４との間には第２の孔部１１０が形成されている。超音波透過膜１０８は、第１の孔部１０９と計測流路１０４との間、および、第２の孔部１１０と計測流路１０４との間に介在するよう配置されており、第１の孔部１０９および第２の孔部１１０内において巻込み流れによる乱流が発生するのを抑制している。
　この構成において、第１の超音波送受波器１０６から発せられた超音波は、第１の孔部１０９を経由して、超音波透過膜１０８を通過した後、計測流路１０４内に進入し、計測流路１０４の底面１１１で反射する。その後、再び、超音波透過膜１０８を通過した後、第２の孔部１１０を経由して、第２の超音波送受波器１０７に到達する。第１の超音波送受波器１０６から発せられた超音波が第２の超音波送受波１０７に到達するまでの伝搬時間を基に、計測流路１０４を通過する単位時間当たりの流体の流量が計測される。
特開２０１１－１１２３７７号公報
　しかしながら、上記従来の構成では、超音波が超音波透過膜１０８を通過する際に減衰し、第２の超音波送受波１０７における受信感度が低下する。
　受信感度が低すぎると受信波形を正確にとらえることができず、そうすると伝搬時間の計測精度が低下し、正確な流量計測に支障をきたす。
　本発明は、上記従来の課題を解決するもので、超音波透過膜に代えて、開口部を有する乱流抑制部材を用いるものである。これにより、超音波の減衰を少なくし、受信感度の向上を図り、正確な流量計測の実現を目的とするものである。
　本発明の流量計測装置は、超音波透過膜に代えて、開口部を有する乱流抑制部材を用いる。これにより、超音波の減衰を少なくすることができるため、受信感度の向上を図り、正確な流量計測を実現することができる。
図１は、本発明の実施の形態１における流量計測装置の斜視図である。 図２は、同流量計測装置の分解斜視図である。 図３は、同流量計測装置の図１の３-３線断面図である。 図４は、本発明の実施の形態１における乱流抑制部材の平面図である。 図５は、同乱流抑制部材の詳細平面図である。 図６は、従来の流量計測装置の分解斜視図である。 図７は、図６に示す流量計測装置を流れ方向に沿った面で切断したときの垂直断面図である。
　第１の態様は、計測流路と、それぞれが計測流路と連通する一対の孔部と、一対の孔部それぞれにおける計測流路とは反対側に配置された一対の超音波送受波器と、一対の超音波送受波器間の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部とを備える。さらに伝搬時間測定部で測定された伝搬時間から求めた流速を基に流量を演算する流量演算部と、一対の孔部と計測流路との間に配置され、一対の孔部に対応する位置に一対の開口部を有する乱流抑制部材と、を備える。また、乱流抑制部材の一対の開口部はそれぞれ桟部を有するとともに、各桟部の幅が略同一である。これにより、超音波の減衰が少ない状態で、孔部における巻込み流れによる乱流の発生を抑制することができるため、正確な流量計測を実現することができる。
　第２の態様は、特に、第１の発明の開口部には桟部で区画された複数の開口が形成されており、各開口は六角形であって千鳥状に配置されている。これにより、孔部における巻込み流れによる乱流の発生をさらに抑制することができるため、より正確な流量計測を実現することができる。
　第３の態様は、特に、第２の発明の計測流路には、それぞれが流れ方向と平行な姿勢に保たれた複数の仕切板が、流れ方向と直交する方向に並べて配置されており、複数の仕切板によって計測流路は複数の層状流路に分割されており、各層状流路の流路幅は開口部の六角形の開口の外接円直径より大きい。これにより、孔部における巻込み流れを分割して乱流の発生をさらに抑制することができるため、さらに正確な流量計測を実現することができる。
　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、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
　（実施の形態１）
　実施の形態１について図１～図５を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における流量計測装置の斜視図である。図２は、同流量計測装置の分解斜視図である。図３は、同流量計測装置の図１の３－３線断面図である。
　図１において、流量計測装置１は、流路ブロック２と超音波送受波器ブロック３とを備える。
　図２において、流路ブロック２の内部には、矩形断面の計測流路４が形成されている。計測流路４は、複数の仕切板５ｂによって複数の層状流路に分割されている。各仕切板５ｂは、それぞれの端縁部を流路ブロック２に設けられた複数の溝部５ａに挿入することで流路ブロック２に固定されている。
　超音波送受波器ブロック３には、第１の超音波送受波器６と、第２の超音波送受波器７が、取り付けられている。どちらの超音波送受波器６、７も超音波を送波する機能と受波する機能の両方を有している。
　流路ブロック２と超音波送受波器ブロック３との間には、乱流抑制部材８が配置されている。乱流抑制部材８は、第１の開口部９と第２の開口部１０とを有したシート形状としている。
　また、乱流抑制部材８は、複数の仕切板５ｂの上に設置され、且つ上から超音波送受波器ブロック３にて押圧された状態で、複数の仕切板５ｂと超音波送受波器ブロック３との間に挟みこまれている。
　図３において、第１の超音波送受波器６と計測流路４との間には第１の孔部１１が形成されており、第２の超音波送受波器７と計測流路４との間には第２の孔部１２が形成されている。乱流抑制部材８は、第１の孔部１１と計測流路４との間、および、第２の孔部１２と計測流路４との間に介在するよう配置されており、第１の孔部１１および第２の孔部１２内において巻込み流れによる乱流が発生するのを抑制している。
　また、乱流抑制部材８は、第１の開口部９が第１の孔部１１と連通し、第２の開口部１０が第２の孔部１２と連通するように配置されている。そして、第１の超音波送受波器６から発せられた超音波は、第１の孔部１１を経由して、乱流抑制部材８の第１の開口部９を通過した後、計測流路４内に進入する経路ａで、計測流路４の底面部１３に達する。その後、底面部１３で反射し、経路ｂにより乱流抑制部材８の第２の開口部１０を通過した後、第２の孔部１２を経由して、第２の超音波送受波器７に到達する。また、第２の超音波送受波器７から発せられた超音波は、第２の孔部１２を経由して、乱流抑制部材８の第２の開口部１０を通過した後、計測流路４内に進入する経路ｂで、計測流路４の底面部１３に達する。その後、底面部１３で反射し、経路ａにより乱流抑制部材８の第１の開口部９を通過した後、第１の孔部１１を経由して、第１の超音波送受波器６に到達する。
　流量計測装置１は、さらに、超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部（図示せず）と、伝搬時間から求めた流速を基に流量を演算する流量演算部（図示せず）とを備える。そして、それら伝搬時間測定部および流量演算部により流量計測が行われる。
　次に、超音波による流量計測に関して図３を用いて説明する。
　計測流路４を流れる流体の流速をＶ、流体中の音速（流体中での超音波速度）をＣとする。また、流体の流れる方向（後述する被計測流Ｆの進行方向）と、超音波が底面部１３で反射するまでの超音波伝搬方向（経路ａの進行方向）とのなす角度をθとする。また、第１の超音波送受波器６と第２の超音波送受波器７との間で伝搬する超音波の伝搬経路（経路ａ＋経路ｂ）の有効長さをＬとする。
　このとき、第１の超音波送受波器６から出た超音波が、もう一方の第２の超音波送受波器７に到達するまでの伝搬時間ｔ１は、下記の式（１）にて示される。
　ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）　・・・式（１）
　次に、第２の超音波送受波器７から出た超音波が、もう一方の第１の超音波送受波器６に到達するまでの伝搬時間ｔ２は、下記の式（２）にて示される。
　ｔ２＝Ｌ／（Ｃ－Ｖｃｏｓθ）　・・・式（２）
　式（１）と式（２）から流体中の音速Ｃを消去すると、下記の式（３）が得られる。
　Ｖ＝Ｌ／（２ｃｏｓθ（（１／ｔ１）－（１／ｔ２）））　・・・式（３）
　式（３）にて分るように、長さＬと角度θが既知なら、伝搬時間測定部（図示せず）にて計測された伝搬時間ｔ１および伝搬時間ｔ２を用いて、流速Ｖが求められる。
　次に、下記の式（４）に示すように、この流速Ｖに計測流路４の断面積Ｓを乗じて、計測流路４の全体の流量Ｑ（計測流路４を流れる単位時間あたりの流量）を算出する。
　Ｑ＝Ｖ×Ｓ　・・・式（４）
　しかし、一般的には、計測された流速Ｖは、計測流路４の全体の平均流速Ｖａｖｅとは異なるため、実際の流量Ｑｔは下記の式（５）に示すように、この流量Ｑに補正係数ｋを乗じて求める。
　Ｑｔ＝ｋ×Ｑ　・・・式（５）
　図４は、本発明の実施の形態１における乱流抑制部材の平面図である。図５は、同乱流抑制部材の詳細平面図である。
　図４において、乱流抑制部材８の第１の開口部９および第２の開口部１０はそれぞれ矩形である。第１の開口部９の長さ（流れ方向の寸法）Ｌ１と、第２の開口部１０の長さＬ２とは等しい。また、通常、第１の開口部９の幅（流れ方向と直交する方向の寸法）Ｗ１と、第２の開口部１０の幅Ｗ２と、計測流路４の流路幅Ｗ（図１参照）とは等しい。
　第１の開口部９に対する第１の孔部１１の大きさ、形状および位置、並びに、第２の開口部１０に対する第２の孔部１２の大きさ、形状および位置は、図４において一点鎖線で示すとおりである。第１の開口部９と、第２の開口部１０は、それぞれ、第１の孔部１１と第２の孔部１２を制限するような大きさに設定されている。
　図５は、本発明の実施の形態１における乱流抑制部材の詳細平面図である。
　図５において、乱流抑制部材８の各開口部９、１０には、千鳥状に配置された多数の正六角形の開口９ａ、１０ａが形成されている。各開口９ａ、１０ａが同じ大きさの正六角形であることを利用して、隣の開口９ａ、１０ａとの間に位置する桟部１５、１６の幅が略同一になるように構成されている。つまり、各開口９ａ、１０ａは、それぞれの開口９ａ、１０ａの周囲を囲む６本の桟部１５により形成されており、各桟部１５の幅は同一寸法である。例えば、第１の開口部９の場合、桟部１５の幅９ｃ、９ｄ、９ｅは同一寸法である。これらにより、第１の開口部９と、第２の開口部１０は流れ方向に細かく均一に分割された構成となっている。
　また、計測流路４には、それぞれが流れ方向と平行な姿勢に保たれた複数の仕切板５ｂが、流れ方向と直交する方向に並べて配置されている。これら複数の仕切板５ｂによって、計測流路４は複数の層状流路に分割されている。各層状流路の流路幅（流れ方向と直交する方向の幅）は、開口部９、１０の正六角形の開口９ａ、１０ａの外接円直径（対向する頂点間の寸法Ｄ、図５参照）より大きい。
　具体的には、各開口９ａ、１０ａの外接円直径は０．３～０．５ｍｍ程度、桟部１５の幅は０．１ｍｍ程度、各開口９ａ、１０ａの開口部９、１０に対する面積開口率は５０％～８０％程度である。また、計測流路４の流路幅Ｗは１０ｍｍ程度であり、それに対し仕切板５ｂを３～５枚程度設けることで、層状流路の流路幅は１．５～２．０ｍｍ程度に設定されている。
　以上のように構成された流量計測装置１について、以下その動作、作用を説明する。
　図３において、計測流路４を流れる流体の被計測流Ｆは、第１の孔部１１内における第１の開口部９近傍、および、第２の孔部１２内における第２の開口部１０近傍において、流体の粘性により巻込み流れによる乱流（例えば渦流ｐ、ｑ）を形成する。
　第１の超音波送受波器６から発せられた超音波は、障害物のない第１の開口部９、および第２の開口部１０を通過するため、顕著な減衰を生じることなく、第２の超音波送受波器７に到達する。しかしながら、超音波はこの第１の孔部１１、および第２の孔部１２を通過するため、超音波により計測される流速Ｖには、この渦流ｐ、ｑによる流速成分（Δｖｐ、Δｖｑ）が含まれてしまう。したがって、この渦流ｐ、ｑによる流速成分（Δｖｐ、Δｖｑ）が、本来測定すべき計測流路４の流速Ｖに比して大きいと、流量計測に誤差が生じることになる。
　図４に示すように、乱流抑制部材８は、その第１の開口部９と、第２の開口部１０の大きさが、それぞれ、第１の孔部１１と第２の孔部１２を制限するように設定されている。これにより、乱流抑制部材８がない場合と比較すると、渦流ｐ、ｑは制限されることになる。
　孔部１１、１２による流速誤差は、渦流ｐ、ｑにより生じる流速成分（Δｖｐ＋Δｖｑ）を、計測流路４を流れる流体の流速Ｖで除して求まる。したがって、各開口部９、１０の長さＬ１、Ｌ２の設定により、流速成分（Δｖｐ＋Δｖｑ）が流速Ｖに対して所定割合以下になるように調整すれば、下記の式（６）に示すように、孔部１１、１２による流速誤差を所定精度（ｍ）未満に抑えることが可能となる。
　（Δｖｐ＋Δｖｑ）／Ｖ　＜　ｍ　　　（６）
　以上のように、本実施の形態１によると、超音波が通過でき、且つ、渦流ｐ、ｑの発生を抑制する開口部９、１０を有する乱流抑制部材８を用いることで、必要な精度を確保しつつ、超音波の減衰を抑制することができる。
　次に、図５に示されるように、乱流抑制部材８は、各開口部９、１０において、それぞれ多数の正六角形の開口９ａ、１０ａを有している。隣り合う開口９ａ、１０ａ間に存在する各桟部１５の幅が略同一であるため、各孔部１１、１２における渦流ｐ，ｑの形成が弱められたり、分断されたりすることになる。また、開口９ａ、１０ａが正六角形であるため、各桟部１５の幅を略同一に設定でき、超音波の減衰を最低限に抑制することができる。
　たとえば、同じ面積開口率における円形千鳥状と正六角形千鳥状では、正六角形千鳥状の方が超音波の減衰が少ない。それは、円形千鳥状では、桟部の幅が一定でなく、幅が広い部分があるため、超音波が遮られ易いためである。
　また、正六角形の開口を千鳥状に配置することで、乱流抑制部材８の設置位置や仕切板５ｂの配置がばらついたとしても、仕切板５ｂと、乱流抑制部材８の桟部１５とが重なる面積の変動が小さくなる。その結果、超音波の減衰のばらつき、および渦流ｐ、ｑの発生ばらつきを低減させることが出来る。
　なお、開口９ａ、１０ａの形状は必ずしも正六角形である必要はなく、各桟部１５の幅を略同一に出来るのであれば、正六角形以外の多角形であればよい。例えば、桟部１５の幅を略同一にする手段として、四角形や五角形を六角形と組合せてもよい。
　また、計測流路４には、それぞれが流れ方向と平行な姿勢に保たれた複数の仕切板５ｂが、流れ方向と直交する方向に並べて配置されている。これら複数の仕切板５ｂによって計測流路４は複数の層状流路に分割されている。各層状流路の流路幅は開口部９、１０の正六角形の開口９ａ、１０ａの外接円直径より大きいため、各層状流路内に複数の開口９ａ、１０ａが存在することになる。その結果、超音波の減衰のばらつき、および渦流ｐ、ｑの発生のばらつきを低減させることが出来る。
　以上のように、本実施の形態１においては、矩形断面の計測流路４と、各孔部１１、１２と計測流路４との間に配置された、開口部９，１０を有する乱流抑制部材８とを備える。さらにいずれかの孔部１１、１２および乱流抑制部材８を介して計測流路４に連接する一対の超音波送受波器６、７と、一対の超音波送受波器間の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部と、伝搬時間測定部で測定された伝搬時間から求めた流速Ｖを基に流量Ｑｔを演算する流量演算部とを備える。また、乱流抑制部材８の開口部９，１０は桟部１５を有するとともに、桟部１５の幅が略同一である。これにより、超音波の減衰が少ない状態で孔部１１、１２における巻込み流れによる流速誤差の発生を抑制することができ、その結果、正確な流量計測を実現することができる。
　また、本実施の形態１では、開口部９、１０は六角形の開口９ａ、１０ａを千鳥状に配置したことにより、桟部１５の幅を略同一に設定でき、孔部１１、１２における巻込み流れによる乱流の発生をさらに抑制することができる。これにより、より正確な流量計測を実現することができる。
　また、本実施の形態１では、計測流路４には、それぞれが流れ方向と平行な姿勢に保たれた複数の仕切板５ｂが、流れ方向と直交する方向に並べて配置されている。これら複数の仕切板５ｂによって計測流路４は複数の層状流路に分割されている。各層状流路の流路幅は開口部９、１０の正六角形の開口９ａ、１０ａの外接円直径より大きい。これにより、孔部１１、１２における巻込み流れを細かく均一に分割して乱流の発生を抑制することができる。そのため、さらに正確な流量計測を実現することができる。
　以上のように、本発明にかかる流量計測装置は、超音波の減衰が少ない状態で計測精度を保証することができるため、低消費電力で計測を行うガスメータや機器等への幅広い応用が可能である。
　１　流量計測装置
　４　計測流路
　５ｂ　仕切板
　６　第１の超音波送受波器
　７　第２の超音波送受波器
　８　乱流抑制部材
　９　第１の開口部
　９ａ　開口
　１０　第２の開口部
　１０ａ　開口
　１１　第１の孔部
　１２　第２の孔部
　１５　桟部

Claims (3)

  1. 計測流路と、
    それぞれが前記計測流路と連通する一対の孔部と、
    前記一対の孔部それぞれにおける前記計測流路とは反対側に配置された一対の超音波送受波器と、
    前記一対の超音波送受波器間の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部と、
    前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間から求めた流速を基に流量を演算する流量演算部と、
    前記一対の孔部と前記計測流路との間に配置され、前記一対の孔部に対応する位置に一対の開口部を有する乱流抑制部材と、を備え、
    前記乱流抑制部材の前記一対の開口部はそれぞれ桟部を有するとともに、前記各桟部の幅が略同一である流量計測装置。
  2. 前記開口部には、前記桟部で区画された複数の開口が形成されており、前記各開口は六角形であって千鳥状に配置されている請求項１に記載の流量計測装置。
  3. 前記計測流路には、それぞれが流れ方向と平行な姿勢に保たれた複数の仕切板が、流れ方向と直交する方向に並べて配置されており、前記複数の仕切板によって前記計測流路は複数の層状流路に分割されており、前記各層状流路の流路幅は前記開口部の六角形の開口の外接円直径より大きい請求項２に記載の流量計測装置。
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