(57)【要約】【課題】本発明は、超音波を利用して空気、ガス、水などの流体の流量を計測する超音波式流量計に関するもので、構成の簡便化による低コスト化と精度の高い流量計測を実現するものである。【解決手段】本発明の流体の流れ計測装置は、計測流路８の内部に、流れ方向に沿って平行となるように仕切り板２４を形成するとともに、仕切り板２４は、計測流路８の対向する壁面間の流速分布が計測流路８の流れ方向の中心軸より見てより対称形である方の壁面に対して平行となるように構成している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測流体が流れる矩形断面の筒状である計測流路と、前記計測流路に流れる被計測流体に超音波を伝播させることで被計測流体の流速を計測する超音波流量計であって、前記計測流路の内部には、前記計測流路を流れる被計測流体の流れ方向に沿って平行となるように仕切り板を形成するとともに、前記仕切り板は、前記計測流路の対向する壁面間の流速分布が前記計測流路の被計測流体の流れ方向の中心軸より見てより対称形である方の壁面に対して平行となるように形成される流体の流れ計測装置。
【請求項２】
対向する壁面間の２つの流速分布形状の対称性が同程度である場合、流速分布がより均一である方の壁面に対して平行となるように仕切り板が形成された請求項１記載の流体の流れ計測装置。
【請求項３】
対向する壁面間を仕切り板により等間隔で仕切るよう構成された請求項１または２記載の流体の流れ計測装置。
【請求項４】
被計測流体の流入部を有し、前記流入部は計測流路に略Ｌ時型に接続された構成である請求項１〜３いずれか１項に記載の流体の流れ計測装置。
【請求項５】
流入部と接続される計測流路の入口近傍で計測流路に流入する被計測流体が計測流路内壁面からの流れの剥離が生じる部分を避ける計測流路入口から所定距離以上の助走距離を持たせた位置に仕切り板を配置する構成である請求項４に記載の流体の流れ計測装置。
【請求項６】
流入部の計測流路が接続される開口部において計測流路壁面が前記流入部の開口側に突出すような計測流路と一体となる邪魔板を有する請求項５記載の流体の流れ計測装置。
【請求項７】
邪魔板先端が曲率半径が少なくとも超音波伝播方向の計測流路高さの１／２以上である円弧形状を有する請求項６記載の流体の流れ計測装置。
【請求項８】
仕切り板にて仕切られる計測流路の対向する２辺のいずれか１辺の側に第一、第二の超音波振動子が設置され、いずれか一方の超音波振動子が発信した超音波が超音波振動子の設置された前記計測流路内の対向面で少なくとも一回以上反射した波形を他方の超音波振動子が受信する構成である請求項１〜７いずれか１項に記載の流体の流れ計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用してガス、水などの流体の流量を計測する超音波式流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の超音波式流量計は、図１１に示すようなものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１１において、断面長方形をなす矩形の流路３０は、その長辺対向方向を複数の仕切り板３１を介して多数の分割通路に分割することで多層流路３２を構成している。
【０００４】
そして、多層流路の上流側と下流側には一定断面の助走流路３３、３４が繋がっている。
【０００５】
上記流路３０とともにＵ字形状をなす上流室３５と下流室３６で、先の助走流路３３、３４の各先端が突出状態で位置しているものである。
【０００６】
ここで、３７、３８は折返し板であり流れの整流のため設けている。また、多層流路内の整流のために多孔体よりなる整流部材３９を設けている。超音波振動子（図示せず）は超音波送受信手段で、図面の紙面に対して一定の角度を持って流路を挟んで超音波が流体の流れ方向を斜めに横切るごとく、流路３０の相対向する短辺側に対設してある。
【０００７】
一対の超音波振動子の送受信による超音波の伝搬時間に基づいてその時々の流量を検出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１３２９２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら前記従来の構成において、流路の屈曲や、局部的な断面積の変化などがある場合には、多層流路入口の屈曲部で偏流が発生し、上流側より計測部に計測流体が流入する際に、計測部入口近傍の屈曲の方向で偏流が発生し各層に均等な流量が流入しなくなり、少なくとも一対の超音波センサで流路全体に均一に超音波を伝播させ計測することが困難である場合、上記した偏流のために、流速により流速分布が変化し、計測精度の誤差となる。その誤差を小さくするため、偏流を抑制するための流れの整流を行う付加構成などで構造が複雑になり、組立精度を確保することや、材料代、組立工数の増加等でコスト増になるとと同時に測定流路に流れの抑制部材を付加するため流路の圧力損失の増加にもなり、流路の仕様を満たす設計が難しくなる課題も有する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記従来の課題を解決するために本発明の流体の流れ計測装置は、被計測流体が流れる矩形断面の筒状である計測流路と、計測流路に流れる被計測流体に超音波を伝播させることで被計測流体の流速を計測する超音波流量計であって、計測流路の内部には、計測流路を流れる被計測流体の流れ方向に沿って平行となるように仕切り板を形成するとともに、仕切り板は、計測流路の対向する壁面間の流速分布が計測流路の被計測流体の流れ方向の
中心軸より見てより対称形である方の壁面に対して平行となるように構成されている。
【００１１】
これによって、計測流路入口に流れの屈曲部が存在し、偏流が発生しても多層部の各層へは流路のセンターを中心にして対称に均等に分配されるため、計測上の誤差が発生しにくくなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の流体の流れ計測装置は、断面が矩形形状で仕切り板により多層構造を形成する流路の計測部入口での偏流が有っても流速の分布が均等な方向で仕切り板を仕切り各層への流入量が均一になるようにすることで、流路入口で起こる偏流を防止するさまざまな抑制の手段を構成する必要が無くなり、シンプルな構成で低コストで性能の良い、また計測流路部の圧損も小さい計測装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１における流れ計測装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態１における流れ計測装置の動作説明図
【図３】本発明の実施の形態１における流れ計測装置の他事例構成図
【図４】本発明の実施の形態１における多層流路における流速分布の説明図
【図５】本発明の実施の形態１における流れ計測装置の断面図
【図６】本発明の実施の形態１における他の事例の流れ計測装置の断面図
【図７】本発明の実施の形態１におけるさらに他の事例構成説明図
【図８】本発明の実施の形態２における流れ計測装置の断面図
【図９】本発明の実施の形態２における他の事例の流れ計測装置の断面図
【図１０】本発明の実施の形態２におけるさらに他の事例の流れ計測装置の断面図
【図１１】従来の超音波式流量計の流路断面図
【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矩形断面の筒状である計測流路と、計測流路に流れる被計測流体に超音波を伝播させることで被計測流体の流速を計測する超音波流量計であって、計測流路の内部には、計測流路を流れる被計測流体の流れ方向に沿って平行となるように仕切り板を形成するとともに、仕切り板は、計測流路の対向する壁面間の流速分布が計測流路の被計測流体の流れ方向の中心軸より見てより対称形である方の壁面に対して平行となるように形成される構成により、流路形状によっては計測流体が計測流路に対して偏流した状態で計測流路に流れ込むが、その偏流の影響を少なくする方向で仕切り板による流路の多層化を行うことにより、偏流抑制の手段を構成する必要が無くなり、シンプルな構成で低コストで性能の良い流量計測装置を提供できる。
【００１５】
第２の発明は、特に第１の発明の仕切り板の配置において、対向する壁面間の２つの流速分布形状の対称性が同程度である場合、流速分布がより均一である方の壁面に対して平行となるように仕切り板が形成された構成とすることにより、より流速の分布が均等な方向で仕切り板を仕切り各層への被計測流体の流入量が均一になるようにすることで個体差による計測性能ばらつきが少なくなり、より信頼性の高い流体の流れ計測装置を提供できる。
【００１６】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の仕切り板において対向する壁面間を仕切り板により等間隔で仕切るよう構成することにより、仕切り板間の間隔が等間隔で一定であることで、流体の流れ分布が均等であればそれぞれの層間を均等の流量が流れるように仕切られるため、超音波の計測伝播範囲が流路断面全域に対して不十分な場合などでも一部の層の流量を計測することで全体の流量計測と同等の測定精度が得られ、ばらつきが少なく測定精度の信頼性の高い流体の流れ計測装置を提供することができる。
【００１７】
第４の発明は、特に第１〜３いずれか１つの発明において被計測流体の流入部を有し、流入部は計測流路に略Ｌ時型に接続された構成を有することで、流入部と計測流路が垂直方向に位置するために流入部と流出部の配管方向が同じ方向（Ｕ字型）に構成できるため被計測流体の外部配管と計測流路の配管接続が容易となる。なお流入部と計測流路が傾斜角を持って交わるため計測流路の入口では屈曲による偏流が発生するが、仕切り板の配置を各層に流れる流量がより均等になるように仕切る構成のため、偏流の影響を少なくすることができるのは前述の通りである。
【００１８】
第５の発明は、特に第４の発明の計測流路において流入部と屈曲して接続される計測流路の入口近傍では計測流路に流入する被計測流体の流速によっては被計測流体が屈曲側の計測流路壁面から剥離した状態、あるいは非常に乱れを生じた状態である場合がある、その部分を避ける計測流路入口から所定距離以上の助走距離を持たせた位置に超音波振動子を配置する構成を有することにより、超音波の伝播経路の中に非定常な流れがあると、安定した計測に支障をきたすが、前記した位置に超音波振動子を配置することにより、安定状態で超音波の伝播経路を形成することができ、信頼性の高い計測流路の提供が可能となる。
【００１９】
第６の発明は、特に第５の発明の計測流路において流入部の計測流路が接続される開口部において計測流路壁面が前記流入部の開口側に突出するような計測流路と一体となる邪魔板を有する構成により、邪魔板の長さ分が助走距離に加算されるため、実質的にはより流入部に近い位置に超音波振動子の配置が可能となり、計測流路の小型化を図ることが可能となる。
【００２０】
第７の発明は、特に第６の発明の邪魔板において邪魔板先端が曲率が少なくとも超音波伝播方向の計測流路高さの１／２以上である円弧形状を有する構成により、計測流路に入る流れが円弧形状に沿う形で流入するため、流れの壁面からの剥離や乱れが起きにくくなることにより、計測流路内の流れが安定し、助走距離を短くすることができるため超音波振動子の配置の自由度が高くなる。またさらに流れの乱れを減らすことにより流路の圧力損失を減らすことも可能となる。
【００２１】
第８の発明は、特に第１〜７いずれか１つの発明の計測流路において、仕切り板にて仕切られる計測流路の対向する２辺のいずれか１辺の側に第一、第二の超音波振動子が設置され、いずれか一方の超音波振動子が発信した超音波が超音波振動子の設置された前記計測流路内の対向面で少なくとも一回以上反射した波形を他方の超音波振動子が受信する構成を有することで、計測流路内を超音波が伝播する距離を長くとることができるため、計測分解能を上げることが可能になり、計測精度の向上を図ることが可能となる。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態におけるガスメータ等に用いられている流体の流れ計測装置の断面図を示すものである。
【００２３】
図１に於いて、１は被計測流体の導入路であり、流入口２、電磁式またはステッピングモーター式などの開閉弁３、開閉弁下流側流路４で構成されている。流路ユニット５は曲げ部６、流入部７、計測流路８、排出曲げ部９よりなる。曲げ部６は、導入路１の開閉弁下流側流路４と接続している。計測流路８は導入路１の開閉弁下流側流路４の中心軸とほぼ直角をなしている。なお、流路ユニット５と導入路１及び後述する排出路はそれぞれ別体のユニットで構成されて、接続されている。
【００２４】
導入路１の方向と直角方向の壁面には一対の超音波振動子１０、１１が流路の上流側と
下流側でその送信波が計測流路の対向面で反射して受信できるように斜めに設置されてセンサユニット１２として一体化され計測流路に合体するように装着されている。
【００２５】
流路ユニット５とセンサユニット１２の接合部で超音波の伝播部分には伝播のための開口部１３、１４が設けられており、センサユニット１２側の開口部分には金網１５、１６が貼られて、計測流路の流体がセンサユニット側に流れ込まないようにしている。
【００２６】
なおこの金網は流路ユニット側の開口部分に貼られていても可能である。
【００２７】
１７は排出路であり、排出曲げ部９に接続している。排出路１７の流出口１８から被測定流体は流れ出す。また導入路１の開閉弁下流側流路４と計測流路８と排出路１７はコの字型をしている。１９は計測制御手段であり超音波振動子１０、１１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の伝搬時間の差を一定間隔をおいて計り、伝搬時間差信号として出力する働きを持つ。また２０は演算手段で計測制御手段１９からの伝搬時間差信号を受けて被計測流体の流速及び流量を算出するものである。更に２１はリチウム電池などで構成される電源手段である。計測制御手段１９、演算手段２０、電源手段２１の一部と開閉弁３の駆動部２２はコの字型で構成される流路の内側の空間に装着されている。
【００２８】
仕切り板２４は、矩形断面を有する計測流路８において、超音波振動子１０、１１が超音波を送受信する超音波が伝播する部分を覆う流路の断面を超音波の伝播方向に平行に仕切り、計測流路の一部または全体を２層以上の多層構成にするものである。
【００２９】
なおこの流路の構成の場合は上下方向に対して前後（奥行き）方向では流れの偏りがほとんど発生しないため、本発明では矩形断面を有する計測流路の偏流の少ないほう壁面の間を仕切り板で区切り多層構造とすることで、各層に均等に流体が流れ込む。以上のように構成された流れ計測装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００３０】
まず、計測を受ける流体は、導入路１の流入口２から図示しない外部配管を経由して流入する。さらに開放されている開閉弁３から弁座開口部２３を通り、下流側へ流れ、流入部７へ流れる。さらに流体は排出曲げ部９、排出路１７を経由して図示しない外部配管へ流出する。
【００３１】
前述したように本発明の流れ計測装置は各超音波振動子の取り付け部や計測流路部分がユニット化されてそれを組み合わせる構造となっているため、組み立て性が良いばかりでなく、流量計の仕様を見直す場合、ユニット単位の見直しですむため構造変更等の作業も楽になる。
【００３２】
次に超音波による流量計測動作を図２を用い説明する。
【００３３】
図２に示すように本発明においては一対の超音波振動子をユニット化するため計測流路の矩形断面の同一面上に超音波振動子を配置する構成とするため、超音波の送受信の伝播経路は他短面で反射させたＶ字型の伝播路で、上下の超音波振動子間で超音波の送受が行われる。上流側の超音波振動子１０から発せられた超音波が下流側の超音波振動子１１で受信されるまでの伝搬時間Ｔ１を計測する。また一方、下流側の超音波振動子１１から発せられた超音波が上流側の超音波振動子１２で受信されるまでの伝搬時間Ｔ２を計測する。
【００３４】
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演算手段で流量が算出される。
【００３５】
いま、計測流路８の流動方向の被計測流体の流速Ｖと超音波伝搬路とのなす角度をθとし、超音波振動子１０、１１間の距離を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。
【００３６】
式（１）  Ｔ１＝２×Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
式（２）  Ｔ２＝２×Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
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）  Ｖ＝（２×Ｌ／２ｃｏｓθ）（（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２））
θおよびＬは既知なのでＴ１およびＴ２の値より流速Ｖが算出できる。いま、空気の流量を計ることを考え、角度θ＝４５度、距離Ｌ＝３５ｍｍ、音速Ｃ＝３４０ｍ／ｓ、流速Ｖ＝８ｍ／ｓを想定すると、Ｔ１＝２．０×１０−４秒、Ｔ２＝２．１×１０−４秒であり、瞬時計測ができる。
【００３７】
なお、前記したＶ字型の伝播路でなく、図３に示すような反射を３回利用したＷ字型の伝播路であっても同様な測定が可能であるとともに伝播時間が長く取れるためより測定精度を上げることも可能である。
【００３８】
なお、本発明において、仕切り板により計測流路を仕切り多層化しているが、その効果について説明する。
【００３９】
図４に図示するように多層化することで計測流路に流れる流量が同じでも多層部のレイノルズ数は小さくなり、計測範囲が大流量側でも層流状態を維持するため、流れの乱れの影響を小さくすることができるため安定した計測が可能となる。
【００４０】
図４のｈを調整（小さく）することでレイノルズ数が小さくなり層流流れが実現できる。
【００４１】
なお、レイノルズ数は以下の式で示される。
【００４２】
式（４）  Ｒ（レイノルズ数）＝Ｌ×Ｖ／ν
Ｌは代表長さで流路断面の高さｈと幅で決まる値
Ｖは流速
νは流体の動粘性係数
次に流路の流れに関して説明する。
【００４３】
図５に示すように導入部より導かれる計測流体は計測流路に入るに当たり、大きく流路が屈曲しているため流速部分が上下方向で大きく偏りが発生し、流路入口での上下方向での速度分布が均一でなくなり、流路の上下方向で偏りが発生する。仕切り板により矩形流路を多層化した場合、偏流の方向によっては各層に不均一な流量が流れ込むことになる。
【００４４】
すなわち、図５に示す流入口２、開閉弁下流側流路４、曲げ部６、計測流路８、排出曲げ部９、排出路１７、流出口１８より構成されるＵ字型流路における計測流路８の一部または全体を仕切り板により紙面に垂直方向に流路を区切り、多層化した場合、計測流路での偏流がある場合各層で流量が異なってしまうため、超音波伝播が全層にわたる計測ができない場合、誤差が生じてしまう。また計測する被計測流体の流量の大きさにより計測流路入口の流速分布も変わるため、流量によって真値に対する計測される誤差の割合そのものが変わるため、任意の流量一点だけ計測して測定仕様範囲全域の計測値を補正するようなことは困難となる。
【００４５】
本発明では図５に示すように、矩形断面有する計測流路を、導入路に対して垂直方向に立てられた仕切り板２４で多層の構成をなしている。
【００４６】
なおこの流路の構成の場合は上下方向に対して前後（奥行き）方向では流れの偏りがほとんど発生しないため、本発明では矩形断面を有する計測流路の偏流の少ないほう壁面の間を仕切り板で区切り多層構造とすることで、各層に均等に流体が流れ込むとともに、多層化で前後方向の１層当たりの隙間が小さくなり流れは２次元化され流速による流速分布の変化も更に抑制される。更には本発明では各層の間隔を一定としているため全層を超音波が伝播して計測ができなくても一部の層を計測するだけで全体を測るのとほぼ同等になるため正確な計測ができ、上下方向の流れの分布偏りの影響を受け難い測定が可能となる。
【００４７】
なお、図５では流入部に対して計測流路が垂直に交わる流路としてはＬ字型をなしているが、図６に示すようにＬ字型でなくとも流入部に対して計測流路が所定の角度を有して傾斜して構成されている場合、計測流路の入口では偏流が起こりうるため、仕切り板による仕切り方向は流速分布のより対称性を有する壁間で仕切ることで、偏流による計測への影響が小さくなる。
【００４８】
なお、図７は矩形断面を有する計測流路における壁間の断面の流速分布の一例を示す。
【００４９】
図７において分布Ａと分布Ｂの断面は同一計測流路の２対の壁間の流れ方向に対してそれぞれの中心部の断面であり双方の断面は垂直に交わる関係である。図７に示すような分布Ａと分布Ｂで中心軸に対しての偏りに差が無い場合、すなわち流速分布は中心軸に対して同程度に対称である場合は流速分布の形がよりフラット（均等）な壁間（図７においては分布Ｂ）の方を仕切るように構成することで、より多層間に流れる流量の分布を均一とすることが可能である。
【００５０】
（実施の形態２）
図８は本発明の第２の実施の形態の流量計測装置の構成を示す図である。
【００５１】
前述したように、流入部と計測流路がＬ字で交わるような場合計測流路入口では偏流が発生する。偏流による乱れが大きい場合、被計測流体の流れが計測流入部で流路の壁面からの剥離や渦の発生など非常に乱れた状態となる。この乱れた流れの中を超音波が伝播した場合、超音波の伝播は流れの影響を受けるため超音波の伝播波形も不安定なものとなる。すなわち超音波振動子による計測のための超音波の伝播経路は流れの乱れの小さい領域に持ってくることが精度良い計測には効果的である。前述したように超音波振動子の設置場所としては、前述の流れの乱れの近傍を避けるために計測流路入口より流れが安定する助走距離（図８中Ｓ）を設けその区間以後に配置することが望ましい。
【００５２】
なお本発明では仕切り板そのものを前述した助走区間以後に配置することで上記課題を解決している。
【００５３】
また本発明では前述の助走距離を仕切り板による多層の仕切り間隔の５倍以上設けている。
【００５４】
なお図９に示すように流入部の開口側に計測流路側と一体となった邪魔板２５を突き出すことにより邪魔板の長さの分が計測流路助走距離の延長となるため、装置の小型化等のために流入部に近く超音波振動子を配置する際に有効となる。
【００５５】
また図１０に示すように邪魔板の先端部分の形状を計測流路の内側方向より外部に開い
たラッパ状の円弧形状とすることで、流入部と計測流路がＬ字型等の接続構成になっていても被計測流体が計測流路に流入する際、流れが邪魔板の円弧形状の壁面に沿って緩やかに導かれるため、計測流路壁面での剥離等の乱れが起きにくくなるため、超音波振動子の配置の自由度が大きくなり装置の小型化等の設計が容易となる。また流路内の乱れが少なくなるために計測部における圧力損失の軽減も図れる。
【００５６】
なお、邪魔板の円弧状曲面半径は計測流路高さの１／２以上が好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上のように、本発明にかかる流体の流れ計測装置は、被計測流体が流れる矩形断面の筒状である計測流路と、計測流路に流れる被計測流体に超音波を伝播させることで被計測流体の流速を計測する超音波流量計であって、計測流路の内部には、計測流路を流れる被計測流体の流れ方向に沿って平行となるように仕切り板を形成するとともに、仕切り板は、計測流路の対向する壁面間の流速分布が計測流路の被計測流体の流れ方向の中心軸より見てより対称形である方の壁面に対して平行となるように構成されることで、断面が矩形形状で仕切り板により多層構造を形成する流路の計測流路入口での偏流が有っても流速の分布が均等な方向で仕切り板を仕切り各層への流入量が均一になるようにすることで、流路入口で起こる偏流を防止する複雑な抑制の手段を構成する必要が無くなり、シンプルな構成で低コストで性能の良い流体の流れ計測装置を提供できる。
【符号の説明】
【００５８】
１  導入路
２  流入口
３  開閉弁
５  流路ユニット
８  計測流路
１０、１１  超音波振動子
１２  センサユニット
１９  制御手段
２０  演算手段
２４  仕切り板
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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