(57)【要約】【課題】計測精度をより向上させることができる流路が計測流路および非計測流路に分割された超音波流量計を提供する。【解決手段】被計測流体が流れる断面が矩形の流路１と、流路１を計測流路１２および非計測流路１３ａ、１３ｂに分割する、１つもしくは複数の仕切板８と、流路１上の上流と下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサ２ａ、２ｂと、伝搬時間に基づいて被計測流体の流量を検出する流量演算手段７と、計測流路１２および非計測流路１３ａ、１３ｂと超音波センサ２ａ、２ｂのある空間をつなぐ開口部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆと、を備え、超音波センサ２ａ、２ｂは、開口部１４ｂ、１４ｅを通じて、主に計測流路１２のみに音を伝搬させるように設計されていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測流体が流れる断面が矩形の流路と、
前記流路を複数の層に分割して層状流路を形成する、１つもしくは複数の仕切板と、
前記流路上の上流と下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、
前記超音波センサの一方から送信された超音波信号が、前記被計測流体を伝搬して、他方の超音波センサが受信するまでの伝搬時間に基づいて前記被計測流体の流量を検出する流量計測手段と、
前記流路に前記超音波センサを取付ける取付部と、
前記取付部の直下に設けた超音波が通過する開口部と、を備え、
前記開口部は、前記層状流路の複数の層に臨む大きさであり、前記超音波センサは、主に前記層状流路の一部の層のみに超音波を伝搬させる構成とする超音波流量計。
【請求項２】
前記層状流路の数は奇数であり、前記超音波センサは、主に中央の前記層状流路に超音波を伝搬させるようにした請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
超音波センサは、金属製の支持体と前記金属製の支持体に接合された圧電素子とを有し、前記圧電素子の振動面の幅は超音波を伝搬させる層の幅と略同一である請求項１または２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記流路は、前記被計測流体の通過する入口部に、前記被計測流体を乱流化する乱流化機構を設けた請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路が多層に分割され、超音波センサによって流量を計測する超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波流量計として、流路を仕切板で複数の流路に分割して多層流路を形成し、多層流路の一部の層、或いは全ての層に超音波信号を伝搬させて流量を計測するものがある（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
図６（ａ）は、特許文献１に記載された、従来の流体計測装置を構成する流路の断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の部分拡大図である。
【０００４】
流路１０１は、仕切板１０４によって分割されている。流路１０１には超音波センサ１０５が流路の上流、下流に１つずつ取付けられ、超音波センサ１０５は圧電素子１０６を有している。超音波は送信側から受信側へ到達し、その伝搬時間によって被計測流体の流量を計算する。
【０００５】
超音波は一般的に直進性が高く、主に圧電素子の振動面から垂直に超音波が送受信されている。そして、特許文献１による方法では、分割された流路の各層の流速比率が一定にならない場合を考慮して、全ての層を計測するように圧電素子の振動面は全ての層にまたがる大きさに調整されている。
【０００６】
図７（ａ）は、特許文献２に記載された従来の超音波流量計測装置の流路部分の横断面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡＡ’縦断面図である。
【０００７】
計測部２０１に、計測流路体２０５が保持されており、計測流路体２０５の開口部２０９を通して、超音波が送受信されるよう、超音波センサ２０４ａ、２０４ｂが取り付けられている。計測流路体２０５は、仕切板２１０で４層に分割されており、送受波面は中央の隣接する２層に主に対向している。また、各層の断面積を全て同一にする必要はない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２４０５０４号公報
【特許文献２】特開２００４−２６４０６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に示されるように、全ての層を計測するようにすると、全ての層にまたがる大きさの圧電素子が必要となり、コストがかかってしまう。
【００１０】
また、特許文献２に示されるように、多層流路の一部の層だけに開口部を設けて計測しようとすると、開口部のある層のみが開口部で発生する流れや渦の影響を受け、各層の流速比に影響する。その流速比の影響の仕方は、流量だけでなく、ガス種や温度などの様々な要因によって違うため、ソフトウェアでの補正も困難であり、計測される流量に誤差やばらつきが起こるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、被計測流体が流れる断面が矩形の流路と、前記流路を複数の層に分割して層状流路を形成する、１つもしくは複数の仕切板と、前記流路上の上流と下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、前記超音波センサの一方から送信された超音波信号が、前記被計測流体を伝搬して、他方の超音波センサが受信するまでの伝搬時間に基づいて前記被計測流体の流量を検出する流量計測手段と、前記流路に前記超音波センサを取付ける取付部と、前記取付部の直下に設けた超音波が通過する開口部と、を備え、前記開口部は、前記層状流路の複数の層に臨む大きさであり、前記超音波センサは、主に前記層状流路の一部の層のみに超音波を伝搬させる構成とすることにより、従来の超音波流量計よりもコストを少なくしながら、計測流路と非計測流路の流速が開口部から受ける影響の差をなくし、流速比のばらつきを抑えることによって、精度の高い流量計測を行うことができるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の超音波流量計は、従来の超音波流量計よりもコストを少なくしながら、計測流路と非計測流路の流速比のばらつきを抑えることによって、精度の高い流量計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態における超音波流量計の構成図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における超音波流量計の流路の斜視図、（ｂ）同超音波流量計の流路の平面図、（ｃ）（ａ）のＡＡ’断面図
【図３】（ａ）本実施の形態における超音波センサの斜視図、（ｂ）（ａ）のＡＡ’断面図
【図４】開口部の面積が調整された超音波流量計の流路の斜視図
【図５】乱流化機構を取付けた超音波流量計の流路の斜視図
【図６】（ａ）特許文献１に記載された、従来の流体計測装置を構成する計測部の外観構成を示す断面図、（ｂ）（ａ）の部分拡大図
【図７】（ａ）特許文献２に記載された、従来の超音波流量計測装置の横断面図（ｂ）（ａ）のＡＡ’断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の発明は、被計測流体が流れる断面が矩形の流路と、前記流路を複数の層に分割して層状流路を形成する、１つもしくは複数の仕切板と、前記流路上の上流と下流に配置され、超音波信号の送受信が可能な一対の超音波センサと、前記超音波センサの一方から送信された超音波信号が、前記被計測流体を伝搬して、他方の超音波センサが受信するまでの伝搬時間に基づいて前記被計測流体の流量を検出する流量計測手段と、前記流路に前記超音波センサを取付ける取付部と、前記取付部の直下に設けた超音波が通過する開口部と、を備え、前記開口部は、前記層状流路の複数の層に臨む大きさであり、前記超音波センサは、主に前記層状流路の一部の層のみに超音波を伝搬させる構成とすることにより、従来の超音波流量計よりもコストを少なくしながら、計測流路と非計測流路の流速が開口部から受ける影響の差をなくし、流速比のばらつきを抑えることによって、精度の高い流量計測を行うことができる。
【００１５】
第２の発明は、特に、第１の発明において、前記層状流路の数は奇数であり、前記超音波センサは、主に中央の前記層状流路に超音波を伝搬させるようにしたものである。
【００１６】
第３の発明は、特に、第１または２の発明において、超音波センサは、金属製の支持体と前記金属製の支持体に接合された圧電素子とを有し、前記圧電素子の振動面の幅は超音波を伝搬させる層の幅と略同一としたものである。
【００１７】
第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明において、前記流路は、前記被計測流体の通過する入口部に、前記被計測流体を乱流化する乱流化機構を設けたもので、従来の超音波流量計よりもコストを少なくしながら、計測流路と非計測流路の流速比が均一になることによって、精度の高い流量計測を行うことができる。
【００１８】
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。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における超音波流量計の構成図、図２（ａ）は本発明の実施の形態における超音波流量計の流路の斜視図、図２（ｂ）は同超音波流量計の流路の平面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＡＡ’断面図を示している。
【００２０】
本実施の形態の超音波流量計は、流路１、一対の超音波センサ２ａ、２ｂ、流量演算手段７によって構成されている。
【００２１】
流路１には、超音波センサ２ａ、２ｂを取付ける取付部３ａ、３ｂ、流路１を３つの層状流路１２、１３ａ、１３ｂに分割する２つの仕切板８、流路入口１０、流路出口１１が形成されている。
【００２２】
超音波センサ２ａ、２ｂは互いに超音波を送受信し、送信側の超音波センサから送信された超音波は、流路底面５で反射して、伝搬経路Ｐ１、Ｐ２を通って、受信側の超音波センサに到達する。超音波センサ２ａ、２ｂの伝搬時間に基づいて、流量演算手段７は計測流量を演算する。
【００２３】
なお、後述するように、超音波センサ２ａ、２ｂから発信される超音波は、主に層状流路１２に伝搬するように構成されており、流量は層状流路１２で計測されることから。以降、便宜上、層状流路１２を計測流路、層状流路１３ａ、１３ｂを非計測流路と称す。
【００２４】
超音波センサ２ａ、２ｂを取付部３ａ、３ｂに隙間なく取付けることによって、流路入口１０、流路出口１１以外から被計測流体が流れないようにする。開口部１４ｂは計測流路１２の上流側、開口部１４ｅは計測流路１２の下流側、開口部１４ａ、１４ｃは非計測流路１３ａ、１３ｂの上流側、開口部１４ｄ、１４ｆは非計測流路１３ａ、１３ｂの下流側に形成されている。
【００２５】
取付部３ａ，３ｂは超音波センサ２ａ、２ｂを流路１に対して斜めに傾斜して取り付ける必要がある為、超音波センサ２ａと開口部１４ａ〜１４ｃの間には空間部９ａ、超音波センサ２ｂと開口部１４ｄ〜１４ｆの間には空間部９ｂが存在する。
【００２６】
図３（ａ）は本実施の形態の超音波センサ２ａ，２ｂの斜視図、図３（ｂ）はそのＡＡ’断面図を示しており、図３に示すように、超音波センサ２ａ、２ｂは、音響整合層２４が金属製の支持体２１の一方の面に接着剤で接着され、支持体２１の他方の面に圧電素子２５が導電性の接着剤で接着されている。リード線２６ａは圧電素子２５の接着されていない電極に電気的に接続され、リード線２６ｂは支持体２１に電気的に接続されており、支持体２１を介して圧電素子２５の他方の電極に電気的に接続されている。
【００２７】
また、音響整合層２４を除く部分は絶縁性制振部材２３で覆われているが、支持体２１は対向する２か所が絶縁性制振部材２３の外方に延出されて円弧状に形成された被取付部２２が形成されており、この被取付部２２が取付部３ａ、３ｂに固定される。そして、超音波センサ２ａ、２ｂは、リード線２６ａ、２６ｂを介して流量演算手段７と接続される
。
【００２８】
また、圧電素子２５の大きさは、仕切板８に垂直な方向の辺の長さＷが、計測流路１２の仕切板８に垂直な方向の幅、即ち、計測流路１２の幅と同等になっており、音響整合層２４を有する部分が計測流路１２の開口部１４ｂ、１４ｅに面している。よって、超音波センサ２ａ、２ｂから放射された超音波は、主に計測流路１２中のみを伝搬する。これによって、全ての層を計測する場合に比べ、圧電素子２５の大きさを小さくすることができ、超音波センサ２ａ、２ｂにかかるコストを削減することができる。
【００２９】
流路１は断面が矩形であり、計測流路１２、非計測流路１３ａ、１３ｂは断面形状が同一な寸法の矩形となっている。開口部１４ａ、１４ｂ、１４ｃと、開口部１４ｄ、１４ｅ、１４ｆは、それぞれ同一な寸法の矩形となっており、仕切板８に垂直な方向の辺が、同一線上に揃えて形成されている。
【００３０】
なお、中央の計測流路１２と非計測流路１３ａ，１３ｂとは流速が同じではないので、図４に示す流路３０のように、計測流路１２、非計測流路１３ａ、１３ｂの断面積および、開口部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆの大きさは、流速比の変化が狙いの値になるように調整してもよい。また、開口部１４ａ〜１４ｆの形状は、辺に凹凸形状を設けたり、淵や辺を弧の形状にしたりと、矩形以外の形状にしてもよい。
【００３１】
開口部の周辺では、流れや渦を発生し、計測流路１２、非計測流路１３ａ、１３ｂの圧力損失などに影響を与える。従って、計測流路１２のみに開口部が形成されている場合、流量、温度、ガス種などによって違った流れや渦が開口部の周辺で発生し、計測流路１２の被計測流体の流れやすさに影響が出て、補正できない流速比の変化の原因となる。
【００３２】
本実施の形態では、全ての層で開口部１４ａ〜１４ｆが形成されているため各層状流路の形状が同一となり、流れの条件を同じとすることができるので、流量、温度、ガス種などが変化しても、流速比がばらつきにくい。これによって、より精度の高い流量計測を行うことができる。
【００３３】
また、図５に示すように、流路入口１０に、被計測流体を乱流化する乱流化機構１５を設けてもよい。乱流化機構１５は、流路入口１０に取付けられ、流路入口１０に流入する被計測流体を乱流化させている。また、乱流化機構１５は、流路入口１０と一体成型されていてもよく、また、メッシュの構造を持っていてもよい。計測流路１２、非計測流路１３ａ、１３ｂに同じ流量が流れた時、開口部１４ａ〜１４ｆ周辺で発生する流れや渦は、流量、温度、ガス種などが変化しても、計測流路１２、非計測流路１３ａ、１３ｂで等しくなる。流路入口１０で被計測流体が乱流化していると、計測流路１２、非計測流路１３ａ、１３ｂに均等に被計測流体が流れ、これによって、さらに流速比のばらつきが抑えられ、より精度の高い流量計測を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、従来の超音波流量計よりもコストを少なくしながら、計測流路と非計測流路の流速が均一に保たれ、流速比のばらつきを抑えることによって、精度の高い流量計測を行うことができるので、家庭用流量計、産業用流量計等の用途に適用できる。
【符号の説明】
【００３５】
１、３０  流路
２ａ、２ｂ  超音波センサ
３ａ、３ｂ  取付部
７  流量演算手段
８  仕切板
９ａ、９ｂ  空間部
１２  層状流路（計測流路）
１３ａ、１３ｂ  層状流路（非計測流路）
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ  開口部
１５  乱流化機構
２１  支持体
２５  圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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