(57)【要約】【課題】ガスなどの流量計に関するものでいかなる使用状況においても精度良く計測できる超音波メータを提供すること。【解決手段】チャンバー部４より計測流路３に流体を取入れる開口部５と、計測流路３の排出側端部１２に接続され流体を外部に導く排出路１１と、計測流路３の上流と下流に配置され、超音波の送受信を行う対となる超音波センサ７ａ，７ｂと、超音波センサ７ａ，７ｂの送受信による超音波の伝播時間に基づいて計測流路３内の流量を検出する演算回路８と、を有し、排出路１１は、計測流路３の排出側端部１２との接続部における流体の通過断面形状と開口部５から計測流路３に至る流体の通過断面形状が計測流路３の流れ方向に垂直な面に対して対称形となる構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メータ筐体と、
前記メータ筐体に計測される流体を外部より導く供給路と、
前記メータ筐体内に設置される計測部分の流路断面形状が矩形をなす計測流路と、
前記計測流路の上流側のメータ筐体内空間であるチャンバー部と、
前記チャンバー部より前記計測流路に流体を取入れる開口部と、
前記計測流路の排出側端部に接続され流体を外部に導く排出路と、
前記計測流路の上流と下流に配置され、超音波の送受信を行う対となる超音波センサと、前記超音波センサの送受信による超音波の伝播時間に基づいて前記計測流路内の流量を検出する演算回路と、を有し、
前記排出路は、前記計測流路の排出側端部との接続部における流体の通過断面形状と前記開口部から前記計測流路に至る流体の通過断面形状が前記計測流路の流れ方向に垂直な面に対して対称形となる構成とした超音波メータ。
【請求項２】
前記排出路は、前記計測流路の排出側端部との接続部と前記流体を外部に導く排出部が屈曲部を介して構成され、
前記開口部の流体の通過断面形状と前記排出路の接続部から屈曲部に至る流体の通過断面形状が、前記計測流路の流れ方向に垂直な面に対して対称形状となる構成である請求項１に記載の超音波メータ。
【請求項３】
前記排出路の形状がＬ字型を成す請求項２に記載の超音波メータ。
【請求項４】
前記開口部は開放端にかけて広がったラッパ状の形状を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波メータ。
【請求項５】
前記開口部の流体の通過断面形状と前記排出路の接続部から屈曲部に至る流体の通過断面形状は、前記対となる超音波センサ間の中央の垂直な面に対して対称形となる構成である請求項１から４のいずれかに１項に記載の超音波メータ。
【請求項６】
前記開口部の上流側及び前記計測流路を挟んだ対象位置に流体の流れに対して略垂直に設置された邪魔板を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波メータ。
【請求項７】
前記排出路の流体通過部容積と前記チャンバー部の容積を略同一とした請求項１から６のいずれかに１項に記載の超音波メータ。
【請求項８】
前記計測流路の上流側にあるメータ筐体内空間に間仕切り板を設け流体が前記間仕切り板を迂回して前記計測流路に流入する構成となる請求項１から７のいずれかに１項に記載の超音波メータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスなどの流量を超音波を利用して計測する超音波メータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図９に示すような従来の超音波メータの計測流路３１は、流体が流れ込む開口部３２を持つ断面が矩形流路で、計測流路３１の流体の流れ方向に所定の距離をおいて配置した一対の超音波送センサ３３ａ，３３ｂと、一対の超音波送センサの一方から送信された超音波信号が、超音波センサと対向する計測流路３１内の反射面に反射して他方に受信されるまでの伝播時間から流体の流量を演算する流量演算部３４とからなり、この測定した流速をもとに流量を演算するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１１２３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、超音波流量計測では原理的に、流れが正方向だけでなく逆方向も同様に計測可能であり、前記従来のような計測流路がメータの筐体３５内に開口部３２を開放した構成では、流体の流れが正方向の場合の計測精度を確保することが容易となるものの、逆流があった場合は、計測流路３１に対する流速分布が対称とはならない可能性があり、逆流に対しての計測精度を確保することが難しくなる。
【０００５】
従って、用途を正方向のみの計測とする場合には問題にならないが、流速が遅い場合に逆流が生じて脈動現象が発生した場合には、正逆の流れを同等精度で計測できなくなり、計測される瞬時流量に誤差が生じるため、一定時間の積算流量も真値からの誤差が大きくなる可能性があり、計測精度に影響をもたらす要因となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波メータは、正方向に流体が流れている場合の計測流路に流体を流入する開口部への流れの状態と逆流が生じた場合に排出側から流入する流れの状態が対称となるように、計測流路の開口側と排出側の出入り口形状が構成された超音波メータとすることにより、脈動が発生しているような状況でも安定した計測を行うことが可能となるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の超音波メータによると、計測流路に流れる流体は、正逆どちらでも正確に計測が可能となり、脈動が発生しているような状況でも安定した計測を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波メータの構成断面図
【図２】本発明の実施の形態１における超音波流量計測の動作説明図
【図３】（ａ）正流時の流速分布を示す図、（ｂ）逆流時の流速分布を示す図
【図４】本発明の実施の形態１における超音波メータの構成断面図
【図５】本発明の実施の形態１における超音波メータの構成断面図
【図６】本発明の実施の形態２における超音波メータの構成断面図
【図７】本発明の実施の形態２における超音波メータの構成断面図
【図８】本発明の実施の形態３における超音波メータの構成断面図
【図９】従来の超音波メータの構成図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
第１の発明は、メータ筐体と、前記メータ筐体に計測される流体を外部より導く供給路と、前記メータ筐体内に設置される計測部分の流路断面形状が矩形をなす計測流路と、前記計測流路の上流側のメータ筐体内空間であるチャンバー部と、前記チャンバー部より前記計測流路に流体を取入れる開口部と、前記計測流路の排出側端部に接続され流体を外部に導く排出路と、前記計測流路の上流と下流に配置され、超音波の送受信を行う対となる超音波センサと、前記超音波センサの送受信による超音波の伝播時間に基づいて前記計測流路内の流量を検出する演算回路と、を有し、前記排出路は、前記計測流路の排出側端部との接続部における流体の通過断面形状と前記開口部から前記計測流路に至る流体の通過断面形状が前記計測流路の流れ方向に垂直な面に対して対称形となる構成としたもので、これによって、正方向に流体が流れている場合の計測流路に流体を流入する開口部への流れの状態と逆流が生じた場合に排出側から流入する流れの状態が対称となるため、計測流路に流れる流体は、正逆どちらでも正確に計測が可能となり、低流量で脈動が発生しているような状況でも安定した計測を行うことが可能となる。
【００１０】
第２の発明は、特に、第１の発明において、前記排出路は、前記計測流路の排出側端部との接続部と前記流体を外部に導く排出部が屈曲部を介して構成され、前記開口部の流体の通過断面形状と前記排出路の接続部から屈曲部に至る流体の通過断面形状が、前記計測流路の流れ方向に垂直な面に対して対称形状となる構成としたものである。
【００１１】
第３の発明は、特に、第２の発明の排出路の形状がＬ字型を成すことで、メータ内で計測流路が水平に設置できるため、メータ設計の自由度増し、メータの小型化を図ることが容易となる。
【００１２】
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、開口部は開放端にかけて広がったラッパ状の形状を有するもので、これにより流体が計測流路内に流れ込む際の縮流が抑制され流れの乱れを抑えることができるため、超音波伝播経路での流れを安定させ、測定精度のばらつきの少ない安定した計測ができ、正確に流速を計測することが可能となる。
【００１３】
第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれかの１つの発明において、前記開口部の流体の通過断面形状と前記排出路の接続部から屈曲部に至る流体の通過断面形状は、前記対となる超音波センサ間の中央の垂直な面に対して対称形となる構成としたもので、正逆流における流入部からの超音波伝播部分までの距離が等しくなるため、より計測流路内の流速分布が正逆流で対称性を有すため、より精度良く計測する事が可能となる。
【００１４】
第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明において、前記開口部の上流側及び前記計測流路を挟んだ対象位置に流体の流れに対して略垂直に設置された邪魔板を有するもので、流れが邪魔板で分割され迂回して流れるために上流側の編流を抑制する効果が有り、超音波伝播経路での流れを安定させ、測定精度のばらつきの少ない安定した計測ができ、より正確に流速を計測することが可能となる。
【００１５】
第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれかの１つの発明において、前記排出路の流体通過部容積と前記チャンバー部の容積を略同一としたものであり、その空間部分をバッファにして流体を流すことにより整流効果が生じ、超音波伝播経路での流れを安定させ、測
定精度のばらつきの少ない安定した計測でき、正確に流速を計測することが可能となる。
【００１６】
第８の発明は、特に、第１〜第７のいずれか１つの発明において、前記計測流路の上流側にあるメータ筐体内空間に間仕切り板を設け流体が前記間仕切り板を迂回して前記計測流路に流入する構成としたもので、メータに流入してくる流れが乱れていても計測流路上流側の流れに間仕切り板による助走部分を設ける事で整流効果が生じ、超音波伝播経路での流れを安定させ、より測定精度のばらつきの少ない安定した計測でき、正確に流速を計測することが可能となる。
【００１７】
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。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、超音波メータの断面図を示す。図１において、超音波メータ１は、メータ筐体２と、計測流路３と、計測流路３の上流側に設けられたメータ筐体２内の空間部分であるチャンバー部４と、チャンバー部４には流体を流入する開口部５を有する。
【００１９】
また、計測流路３に隣接するセンサ取付け部６を備え、センサ取付け部６には一対の超音波センサ７ａ、７ｂが計測流路３の上流側と下流側に位置するように取付けられ、その上部に超音波センサの信号から流量を算出する回路基板（演算回路８）が設置されている。
【００２０】
なお、演算回路８に関しては計測流路３に隣接されない構成でも構わない。
【００２１】
供給路９は、途中にステッピングモータなどの電磁装置による駆動部と連係した弁体で開閉される遮断弁１０を有する。弁が開放状態においては供給路より流体がメータ内部に流出される。計測流路３は、流路の断面が長方形をなす矩形であり、メータ筐体内部に充満した流体が計測流路３に流入し、さらにはその下流側に接続されたＬ字型の排出路１１を経てメータ外部へ流出する。
【００２２】
排出路１１は、計測流路３の排出側端部１２に接続され計測流路３の断面形状と同じ断面形状である接続部１３と流体を外部に導く排出部１４が屈曲部１５を介して一体で構成される。
【００２３】
なお、排出路１１の形状がＬ字型に限定するものでは無い。
【００２４】
次に、超音波による流量計測動作を図２を用い説明する。本実施の形態においては、一対の超音波センサ７ａ、７ｂをセンサ取付け部６によりユニット化した構成としているため、計測流路３の矩形断面の同一面上に超音波センサ７ａ、７ｂが配置されており、超音波の送受信の伝播経路は対向面で反射させたＶ字型の伝播路で、上下の超音波センサ間で超音波の送受が行われる。
【００２５】
そして、上流側の超音波センサ７ａから発せられた超音波が下流側の超音波センサ７ｂで受信されるまでの伝搬時間Ｔ１を計測する。また一方、下流側の超音波センサ７ｂから発せられた超音波が上流側の超音波センサ７ａで受信されるまでの伝搬時間Ｔ２を計測する。
【００２６】
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回路８で流量が算出される。
【００２７】
いま、計測流路３の流動方向（白抜きの矢印）の流体の流速Ｖと超音波伝搬路とのなす角度をθとし、超音波センサ間の距離を２×Ｌ、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、式（３）より、流速を求めることができる。そして、得られた流速と通過断面積の掛算で流量を求めることができる。
【００３０】
前記した構成において、流体が一度、メータ筐体２のチャンバー部４に充填されてから計測流路３に流入し、上記した計測原理に基づいて流速から流量が計算される。
【００３１】
なお、本発明の実施の形態では、超音波の伝播経路を壁面に１回反射するＶ字型パスで記述しているが、伝播経路においては、壁面反射を用いず超音波送受信器を対向させた経路でも、良いし、壁面反射が２回以上の伝播路であっても構わない。
【００３２】
また、本実施の形態では超音波センサは一対の組合せで計測伝播路を形成しているが、超音波の送受信器の組合せが２つ以上のマルチパス構成でも構わない。
【００３３】
上記した計測原理より、逆方向に流体が流れた場合でも、負の流速値として計測が可能である。しかしながら、実際の計測においては計測流路内の流速分布が計測値に影響を及ぼし、図３に示すように正方向（図３（ａ））と逆方向（図３（ｂ））で流速分布（図中、太実線）が異なる場合は、正流側から来る流れに対しては、計測値が真値に対して器差公差の範囲に入るように流れは制御しているが、逆流からの流れが計測メータの形状により正流の流速分布と対称で無い場合は真値に対する器差公差から外れる可能性がある。
【００３４】
その場合、例えば流体配管の末端が閉止されていて、その配管内に接続されている器具の影響で脈動が発生するような場合、周期的に正逆の流れが発生し、正逆を正しく計測していれば、脈動周期の整数倍の時間計測した計測値の積算値は０とならなければならないが、上記したように逆流の計測値が真値から外れている場合、積算値が０で無い値となる可能性が生じる。
【００３５】
上記したようなことを防ぐために、本発明では図１に示す計測流路の開口部と排出路の屈曲部の形状を対称とすることにより正逆での計測流路内の流速分布も対称形状になるように構成している。
【００３６】
なお、図１に示すように開口部５は、開放端に向かってラッパ状に広がる構成としており、このラッパ形状の曲面の曲率を６ｍｍ以上にすることで、流体が計測流路３の内部に流入する際に縮流が抑制されるため、計測流路３内の流速分布を安定させる効果が高く、計測流路３の出入り口の対称性と合わせて逆流時も流速分布の対称性の維持が容易となり、正逆どちらも安定な計測を可能とすることができる。
【００３７】
なお、本実施の形態では、開口部５のラッパ形状の曲率を６ｍｍ以上としているが、６ｍｍ未満であっても縮流を抑える効果は有しするため、曲率の大きさを限定するものでは
無い。
【００３８】
また、図４に示すように、上流側の超音波センサ７ａと計測流路３の開口部５との距離Ｌ１と下流のの超音波センサ７ｂと排出路１１の接続部１３と屈曲部１５が交差する位置との距離Ｌ２が等しくするようにする、即ち、超音波センサ７ａ、７ｂの中央の垂直面Ａに対して対称形に構成することで、正流、逆流時にそれぞれの流入側から超音波の計測伝播路までの距離が等しくなるため、計測位置での流速分布の対称性が確保し易く、逆流時の計測精度を上げる事ができる。
【００３９】
また、図５に示すように開口部５前に邪魔板１６、１７を設置することにより、流れは邪魔板１６，１７を迂回する事になり、計測流路３に上流から編流した流れが直接流れ込むのを防止することができ、計測流路３内の流速分布を安定させることが可能となる。
【００４０】
なお、邪魔板１６，１７の取付けは計測流路３ならびに排出路１１に固定する構成でも、メータ筐体２に固定する構成でも構わない。また、邪魔板１６、１７の大きさ及び計測流路３の開口部５からの距離Ｌ３及び排出路１１における距離Ｌ４は限定するもので無いが、計測流路３の流体が流れる流れ方向に垂直な矩形断面と同等以上の大きさを有することが望ましい。また距離Ｌ３、Ｌ４に関しては、同一とし、メータの許容できる圧力損失内で近づける事が望ましい。
【００４１】
（実施の形態２）
図６は本発明の第２の実施の形態における超音波メータ１の断面図を示すもので、計測流路３の排出側に接続される排出路１９の空間部分２０の容積を、計測流路３の上流側の空間１８の容積と同程度にすることで、正逆流でいずれも流れが流入する前に空間内のバッファ領域で流れを貯めて安定させた後、計測流路３に流入させるチャンバー効果を有し流れの対称性の確保がより効果的に行える。
【００４２】
また、図７に示すように正流側のメータ内を仕切り板２１ａ、２１ｂを用い仕切る構成とする事で計測流路３の上流側の空間容積を所定値にする事が容易になり、排出路の空間部分の容積と合わせ易く、正逆の流れの対称性を確保する事が容易となる。
【００４３】
（実施の形態３）
図８は本発明の第３の実施の形態における超音波メータの断面を示す。
図に示すように、計測流路３の上流側にあるチャンバー部４に間仕切り板２２を設けている。従って、流体が間仕切り板２２を迂回して計測流路３に流入することになり、間仕切り板２２と計測流路３の開口部５との間の空間容積が、排出路１１の流体通過部容積と同等になるだけでなく、供給路９より乱れた流体が流入しても間仕切り板２２により流れの迂回路を設けることで、整流効果が生じ、超音波伝播経路での流れを安定させ、測定精度のばらつきの少ない安定した計測ができ、正確に流速を計測することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように、本発明にかかる超音波メータは、低流量時に脈動が発生した場合などにより、逆流が起きても計測流路内の流速分布の対称性を維持するため計測部分の出入り口の形状を対称とすることで、逆流も精度良く計測可能とし、いかなる使用状態でも正確に流速を計測することが可能となり、小型、低コスト化が可能なためガスメータをはじめとして種々の流量計として応用展開が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１  超音波メータ
２  メータ筐体
３  計測流路
４  チャンバー部
５  開口部
７ａ，７ｂ  超音波センサ
８  演算回路
９  供給路
１１，１９  排出路
１２  排出側端部
１５  屈曲部
１６，１７  邪魔板
２２  間仕切り板
【図２】
2014077750.tif 000003
【図１】
2014077750.tif 000004
【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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