(57)【要約】【課題】超音波流量計において、補正係数を実質的に一定とすること。【解決手段】台形断面を有する筒状流路２を複数の仕切り板３、４、５により分割して構成された層６〜層９で構成された多層流路１と、この多層流路１の上流と下流に配置された一対の超音波送受波器１１，１２と、超音波送受波器１１，１２間の伝播時間を測定する計測回路２０と、伝播時間から求めた流速を基に流量を演算回路２１と、を備え、多層流路１の各層の流量と圧力損失の関係が計測する流量範囲の全域にわたり実質的に一定であるように各層の断面形状を設定する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
台形断面を有する筒状流路を複数の仕切り板により前記台形断面の平行辺に対して垂直方向に分割して構成された多層流路と、
前記多層流路の上流と下流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播時間を測定する伝播時間測定手段と、
前記伝播時間測定手段で測定された伝播時間から求めた流速を基に流量を演算する流量演算手段と、を備え、
前記多層流路の各層の流量と圧力損失の関係が計測する流量範囲の全域にわたり実質的に同一であるように各層の断面形状を定めた流量計測装置。
【請求項２】
前記多層流路の各層の断面積が実質的に同一となるよう構成した請求項１に記載の流量計測装置。
【請求項３】
前記仕切り板が、前記多層流路の上下面に対して垂直となるよう構成した請求項２に記載の流量計測装置。
【請求項４】
前記多層流路の各層のうち、両面が前記仕切り板により区画された層に超音波が伝播する様に前記一対の超音波送受波器を配置した請求項３に記載の流量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路を多層にした構成で流量を計測する超音波流量計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の流量計測装置として、流路を仕切板により分割して流量を計測するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図７、図８は、特許文献１に記載された流量計測装置を示すものである。図７は、従来の流量計測装置における構成を示す断面図、図８は、図７における流路ブロックのＢ−Ｂ’断面図を示すものである。
【０００４】
図７に示すように、超音波式流量計測装置１００は、流路ブロック１０１とセンサブロック１０２より構成されている。
【０００５】
流路ブロック１０１の被検出流体が流れる、断面が矩形状の流路１０３は、図８に示すように、第１側壁部１０４と、第１側壁部１０４に対向した第２側壁部１０５と、第１側壁部１０４および第２側壁部１０５に掛け渡された底板部１０６と、底板部１０６に対向した開口部１０７とで一体的に構成されている。
【０００６】
また、流路１０３は、複数の仕切板１０８により分割され、複数の扁平流路１０９が形成されるように構成されている。
【０００７】
図７に示すように、センサブロック１０２には第１超音波送受波器１１０、および第２超音波送受波器１１１が配置されており、これらの超音波送受波器１１０，１１１により送受される超音波信号を用いて、流量計測がなされる構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−１０３１４９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、前記従来の構成では、流路１０３を金型で作成する場合には、流路外壁、すなわち第１側壁部１０４、第２側壁部１０５に金型の抜き勾配が必要となるものであった。このため、仕切板１０８を、その仕切板１０８間のピッチを均等に配置しようとして、各扁平流路１０９の幅を底板部１０６の近傍で均等にしても、上方部、すなわち開口部１０７の近傍では均等になるものではなかった。すなわち各流路の断面積が一定になるものではなかった。
【００１０】
それゆえ、流路１０３を流れる流量は、各扁平流路１０９に均等分配されることはないものである。したがって、各扁平流路１０９のいずれかで流速を測定しても、必ずしも平均流速を捉えることはできず、平均流速を得るためには、計測された流速値に乗じるための補正係数を導入して演算しなければならなかった。この補正係数は、一般的に一定ではないため、得られる流量値に誤差を生じる可能性を含んでいるものであった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、分割した各流路において、流量と圧力損失の関係が実質的に同一になるように各流路の断面積を設定することにより、計測される流路の流速を平均流速になるように設定し、計測流量範囲の全域にわたり、補正係数が実質的に１で一定となる超音波流量計の提供を目的とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の流量計測装置は、多層に分割された流路において、各層の流量と圧力損失の関係が同一になるよう、各層の断面形状を定めたため、各層を流れる流量の一定化が図れる。
【００１３】
これにより、多層構成において、平均流速の測定が可能となるため、補正係数が一定の誤差の少ない状態で流量を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１における流量計測装置の流路部概略構成図
【図２】図１のＡ−Ａ’断面図
【図３】図１において、下面における各層の幅を一定にした場合の左方側面図
【図４】図３に示した流路における流量−圧力損失特性のグラフ
【図５】図１において、各層の断面積を一定にした場合の左方側面図
【図６】図５に示した流路における流量−圧力損失特性のグラフ
【図７】従来の流量計測装置における構成を示す断面図
【図８】図７における流路ブロックのＢ−Ｂ’断面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の発明は、台形断面を有する筒状流路を複数の仕切り板により前記台形断面の平行辺に対して垂直方向に分割して構成された多層流路と、前記多層流路の上流と下流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播時間を測定する伝播時間測定手段と、前記伝播時間測定手段で測定された伝播時間から求めた流速を基に流量を演算する流量演算手段と、を備え、前記多層流路の各層の流量と圧力損失の関係が、計測する流量範囲の全域にわたり実質的に同一であるように、各層の断面形状を定めたことにより、計測流路で平均流速を捕らえることができ、計測流量範囲にわたり、補正係数が一定の状態を維持することが可能となり、精度のよい計測が実現できる。
【００１６】
第２の発明は、特に、第１の発明の多層流路の各層の断面積を実質的に同一となるよう構成したことにより、設計を容易に行うことができる。
【００１７】
第３の発明は、特に、第２の発明の仕切り板を、前記多層流路の上面、下面に対して垂直となるよう構成したことにより、組立てを容易に行うことができる。
【００１８】
第４の発明は、特に、第３の発明の多層流路の各層のうち、両面が仕切り板により区画された層に超音波が伝播する様な位置に前記一対の超音波送受波器を配置したことにより、一対の超音波の伝播を対称的に行うことができ、計測特性の安定化を図ることができる。
【００１９】
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。
【００２０】
（実施の形態１）
実施の形態１について、図１〜図６を用いて説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態１における流量計測装置の概略構成図、図２は、図１のＡＡ’垂直断面を示す図である。
【００２２】
図１において、流路部は台形断面の筒状流路２を有しており、筒状流路２は凹部形状の下側流路２ａと上側カバー２ｂにより構成されている。筒状流路２が台形断面をしているのは、この筒状流路２を金型で作成するときの抜き勾配によるものである。
【００２３】
凹部形状の下側流路２ａは、側壁２ｃ、２ｄ、および底面２ｅより一体的に形成されている。
【００２４】
筒状流路２は、第１の仕切り板３、第２の仕切り板４、第３の仕切り板５により、第１の層６、第２の層７、第３の層８、第４の層９に分割され、全体としての構造は多層流路１となっている。また、第３の層８の上部には超音波送受波器保持部１０が上側カバー２ｂに取り付けられている。
【００２５】
第３の層８は流量計測を行う計測流路である。以降、第３の層８を計測流路と称する。計測流路８以外の層は非計測流路である。
【００２６】
超音波送受波器保持部１０には、上流側に配置された第１の超音波送受波器１１、および下流側に配置された第２の超音波送受波器１２の一対の超音波送受波器が、それぞれ、第１の保持部１３、第２の保持部１４にて保持されている。
【００２７】
計測流路８は、上側カバー２ｂで形成される上面１５、および下側流路２ａで形成される下面１６を有している。上面１５は第１の超音波透過窓１７、および第２の超音波透過窓１８を有している。下面１６は超音波の反射面として作用するように構成されている。
【００２８】
Ｐ１、およびＰ２で示した矢印は超音波の伝播経路であり、計測流路８を横切るように伝播する。
【００２９】
第１の超音波送受波器１１、および第２の超音波送受波器１２からの信号は計測回路２０（伝播時間測定手段）にて処理され、さらに演算回路２１（流量演算手段）で演算される。
【００３０】
第１の超音波送受波器１１、第２の超音波送受波器１２、多層流路１、計測回路２０、および演算回路２１で流量計測装置１９が形成される。
【００３１】
次に、超音波による流量計測に関して図２を用いて説明する。
【００３２】
計測流路８を流れる流体の流速をＶ、流体中の音速をＣ、流体の流れる方向と超音波が下面１６で反射するまでの超音波伝播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１１と第２の超音波送受波器１２との間で伝播する超音波の伝播経路の有効長さをＬとする。
【００３３】
このとき、第１の超音波送受波器１１から出た超音波が、もう一方の第２の超音波送受波器１２に到達するまでの伝播時間ｔ１は、下式にて示される。
【００３４】
ｔ１  ＝  Ｌ  ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）                          （１）
次に、第２の超音波送受波器１２から出た超音波が、もう一方の第１の超音波送受波器１１に到達するまでの伝播時間ｔ２は、下式にて示される。
【００３５】
ｔ２  ＝  Ｌ  ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）                          （２）
式（１）と式（２）から流体の音速Ｃを消去すると、下式が得られる。
【００３６】
Ｖ  ＝  Ｌ  ／（２ｃｏｓθ（（１／ｔ１）−（１／ｔ２）））  （３）
式（３）にて分るように、Ｌとθが既知なら、計測回路２０にて計測された伝播時間ｔ１、およびｔ２を用いて、流速Ｖが求められる。
【００３７】
次に、下式に示すようにこの流速Ｖに筒状流路２の断面積Ｓを乗じて、全体の流量Ｑを算出する。
【００３８】
Ｑ  ＝  Ｖ  ｘ  Ｓ          （４）
しかし、一般的には、計測流路８の流速Ｖは筒状流路２全体の平均流速Ｖａｖｅとは異なるため、実際の流量Ｑｔは下式に示すように、この流量Ｑに補正係数ｋを乗じて求める。
【００３９】
Ｑｔ  ＝  ｋ  ｘ  Ｑ        （５）
この補正係数を、測定する全流量域において一定にするためには、分割されたすべての流路断面積を同じにして計測流路８における流量、すなわち流速が、全体の平均流速と一致する必要がある。
【００４０】
そのための方法として、各層の流路幅を一定にすることが考えられる。ところが、そのような流路を金型を使用して作成しようとすると、金型では抜き勾配が必要となるため、各層の高さ方向にわたり、流路幅を一定にすることは難しい。
【００４１】
この状況を示したのが、図１の左方側面図を示した図３である。
【００４２】
図３において、多層流路１の側壁２ｃ、２ｄにおいて、抜き勾配による傾斜が生じる。
【００４３】
一方、多層流路１の仕切り板３，４，５は、上面１５、下面１６に対して垂直となるよう設定されている。
【００４４】
したがって、図３に示すように、各層の流路幅を、下面１６において、下式（６）のように設定しても、筒状流路２の側壁２ｃ、２ｄが傾斜を持つため、上方部分では、均等の流路幅にはならない。
【００４５】
ｗ１＝ｗ２＝ｗ３＝ｗ４        （６）
この場合、各層６，７，８，９のそれぞれの断面積をＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４として、これらの関係を示すと、下記のようになる。
【００４６】
Ｓ１  ＝  Ｓ４  ＞  Ｓ２  ＝  Ｓ３
それゆえ、この場合の各層における、流量と圧力損失の関係を示すると、図４のようになる。
【００４７】
ここに示されるように、同じ圧力損失（差圧Ｐｉ）に対して、層６，９と層７，８に流れる流量はｑｉ１と、ｑｉ２のように、異なることになる。この例で言えば、層６，９の方が層７，８より多く流れることになる。
【００４８】
各層の平均流速は、各層の流量をその断面積で除したものゆえ、層６，９の平均流速は大きい流量（ｑｉ１）を大きい断面積（Ｓ１、Ｓ４）で除して求め、層７，８の平均流速は、小さい流量（ｑｉ２）小さい断面積（Ｓ２、Ｓ３）で除するため、これら層間の平均
流速の比の値は流量の比の値より小さくなるが、圧力損失と流量の関係が比例関係でないため、平均流速が一致することはない。
【００４９】
図１にて説明したように、超音波送受波器保持部１０にて保持されている超音波送受波器１１，１２は、計測流路８の流速のみを捕らえるように設定されているが、この値が平均流速を与えることにはならないため、全体の流量を算出する場合には、補正係数は、一定とならない。
【００５０】
このような状況を改善したものが図５に示す流路であり、本願発明にかかる構成を示すものである。
【００５１】
図５において、各層の幅は、図３に示すような一定ではなく、下記のように各層の断面積が同一となるように形成されている。
【００５２】
Ｓ１  ＝  Ｓ２  ＝  Ｓ３  ＝  Ｓ４        （７）
そして、各層の底面の流路幅の関係は、下式のようになる。すなわち、第２層と第３層は、図３と同じであるが、第１層と第４層とが異なっており、各層の断面積が同じになるようにその断面形状が設定されている。
【００５３】
ｗ１  ＝  ｗ４  ＜  ｗ２  ＝ｗ３        （８）
このときの各層の流量と圧力損失の関係は図６のようになる。すなわち、各層の断面積が同じであるから、各層の抵抗曲線は、ほぼ同一になる。
【００５４】
したがって、所定の圧力損失（差圧Ｐｉ）のときの流量ｑｉは、どの層でも同一となる。したがって、計測流路８では、平均流量すなわち平均流速を測ることができるため、補正係数は一定となるものである。この状態は測定する流量範囲全域におよぶものである。
【００５５】
なお、本実施例で、一対の超音波送受波器を計測流路８に配置したが、層７等他の層にまたがって配置されていても同様の効果を発揮するものである。
【００５６】
また、筒状流路２の側壁２ｃ、２ｄの傾斜は金型の抜き勾配によるものとしたが、意図的にそれ以上の勾配を有していても良いものである。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上のように、本発明にかかる流量計測装置は、多層流路の各層の圧力損失が計測する流量範囲の全域にわたり、実質的に同一であるように各層の断面形状を定めることにより補正係数を一定にすることができる。そのため、精度の良い計測が可能となる。これにより、計測精度が要求されるガスメータを初めとする幅広い用途に適用できる。
【符号の説明】
【００５８】
１  多層流路
２  筒状流路
３  第１の仕切り板
４  第２の仕切り板
５  第３の仕切り板
１１  第１の超音波送受波器
１２  第２の超音波送受波器
１５  上面
１６  下面
１９  流量計測装置
２０  計測回路（伝播時間測定手段）
２１  演算回路（流量演算手段）
【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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