(57)【要約】【課題】大流量の流量計において、低コストで高精度な計測が可能な流量計を提供すること。【解決手段】入口部３と出口部５との間に流路部６を設け、流路部６は断面が同一の形状を有する９つの複数の流路６ａ〜６ｉより形成されており、そのうちの中央に位置している流路６ｅのみに超音波を用いた流量計測手段１９を構成する超音波センサユニット１０を配置し、この超音波センサユニット１０により計測した流量をもとに、全体の流量を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口部と、出口部と、その間に配置された複数の同一形状の流路とよりなり、
前記複数の流路の少なくとも１つが流量計測手段を有し、少なくとも１つが流量計測手段を有しない構成とし、前記流量計測手段で計測された流量から全体の流量を算出する流量計。
【請求項２】
前記複数の流路は、計測範囲の最大計測流量で層流状態となるよう流路断面寸法を定めた請求項１に記載の流量計。
【請求項３】
前記複数の流路は、少なくとも３つ以上よりなり、そのうち、少なくとも２つが流量計測手段を有し、少なくとも１つが流量計測手段を有しない構成とした請求項１または２に記載の流量計。
【請求項４】
前記複数の流路は、それぞれの流路が複数の層を有した請求項１〜３のいずれか１項に記載の流量計。
【請求項５】
前記入口部、および出口部がチャンバ状に形成され、前記入口部、および出口部の少なくともいずれか一方において整流部を有した請求項１〜４のいずれか１項に記載の流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用した大流量計測用の流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の超音波流量計として、ブロック化した流量測定部を複数個並列に配置し、これらすべての個別流量を加算することにより全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１０は、特許文献１に記載された流量計を示すものである。
【０００４】
図１０に示すように、超音波式流体計測装置１００において、流量測定部１０１はブロック化された流量測定路１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃより、構成されている。
【０００５】
１０２は流量測定部１０１の上流に設けられた上流室、１０３は流量測定部１０１の下流に設けられた下流室である。１０４は流量測定部１０１の取付け板であるが、同時に上流室１０２の室壁にもなっている。また、１０５も流量測定部１０１の取付け板であるが、同時に下流室１０３の室壁にもなっている。１０６は上流室１０２に接続された入口部、１０７は下流室１０３に接続された出口部である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−５１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成では、全体流量を計測するに当たり、ブロック化された流量測定路１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの個別流量をすべて測定し、これらの和により、全体流量を演算する構成となっていた。つまり、すべての計測を行わないと、全体の流量が得られないため、すべての流量測定路１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃに流量演算部を装着する必要があり、大流量における流量計測で、多くの流量測定路を有する場合には、コスト的に高価なものになるという課題を有していた。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、低コストの流量計の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測装置は、入口部と、出口部と、その間に配置された複数の同一形状の流路とよりなり、前記複数流路の少なくとも１つが流量計測手段を有し、少なくとも１つが流量計測手段を有しない構成とし、前記流量計測手段で計測された流量から全体の流量を算出する構成とすることにより、  複数の流路のうち、そのうちの一部の流路の計測のみで全体の流量を計測することができるため、低コストの流量計測を実現することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の流量計は、入口部と、出口部と、その間に配置された複数の同一形状の流路とよりなり、前記複数流路の少なくとも１つが流量計測手段を有し、少なくとも１つが流量計測手段を有しない構成とし、前記流量計測手段で計測された流量から全体の流量を算出
することにより、少ない部品点数で、流量計を構成することができるため、低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における流量計の斜視図
【図２】本発明の実施の形態１における流路６ａの斜視図
【図３】本発明の実施の形態１における流路６ｅの斜視図
【図４】本発明の実施の形態１における図３のＡＡ’断面図
【図５】本発明の実施の形態１における図１のＢＢ’断面図
【図６】本発明の実施の形態２における流量計の斜視図
【図７】本発明の実施の形態３における流路６ｅの部分斜視図
【図８】図７におけるＣＣ’断面図
【図９】本発明の実施の形態４における流量計の断面図
【図１０】従来の超音波流量計における計測流路の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
第１の発明は、入口部と、出口部と、その間に配置された複数の同一形状の流路とよりなり、前記複数の流路の少なくとも１つが流量計測手段を有し、少なくとも１つが流量計測手段を有しない構成とし、前記流量計測手段で計測された流量から全体の流量を算出することにより、少ない部品点数で、流量計を構成することができるため、低コスト化を実現することができる。
【００１３】
第２の発明は、特に第一の発明の複数の流路を、計測範囲の最大計測流量で層流状態となるよう流路断面寸法を定めることにより、流れの乱れが少ないため、精度の良い流量計測が可能となる。
【００１４】
第３の発明は、特に第１または、第２の発明の複数の流路を、少なくとも３つ以上より構成し、そのうち、少なくとも２つが流量計測手段を有し、少なくとも１つが流量計測手段を有しない構成とすることにより、より平均的な流量を得ることができるため、精度の良い流量計測が可能となる。
【００１５】
第４の発明は、特に第１〜３の発明のいずれか１つの発明の複数の流路を、それぞれの流路が複数の層を有する構成とすることにより、層の高さを小さくすることが簡単にできるため、層流化の実現が容易となる。これにより、より計測精度の向上を図ることができる。
【００１６】
第５の発明は、特に第１〜４の発明のいずれか１つの発明の入口部、および出口部をチャンバ状に形成し、前記入口部、および出口部の少なくともいずれか一方において整流部を有する構成とすることにより、各流路への分布を均一化するとともに、計測部において平均流量を計測することが可能となり、計測精度の向上を図ることができる。
【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）
実施の形態１について、図１〜図５を用いて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態１における流量計の斜視図を示すものである。
【００２０】
図１において、流量計１は入口管２、入口部３、および出口管４、出口部５を有してお
り、入口部３と出口部５とは流路部６により接続されている。
【００２１】
流路部６は、同一形状の断面を有した複数の流路６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈ、６ｉの９本の流路により構成されている。また、中央部の６ｅは後述の流量計測手段を構成する超音波センサユニット１０を有しており、それ以外の流路は流量計測手段を有しない構成となっている。
【００２２】
図１においては、流路を見易くするため、流路６ａと６ｂは破断してあり、流路６ｆ、６ｈ、６ｉは、出口部５との接続の一部のみの表示とし、入口部３には、接続される位置のみの表示としている。
【００２３】
図２に流路６ａの斜視図を示す。図において、流路６ａの流路断面は、幅がｗ、高さがｈの矩形断面を有しており、流路の長手方向に一様である。この断面形状は、流路部６のすべての流路６ａ〜６ｉについて同一である。
【００２４】
図３に流路６ｅの斜視図を示す。図において、流路６ｅが、他の流路と異なる点は、超音波センサユニット１０を有している点のみである。
【００２５】
図４は、図３のＡＡ’断面を示す図である。
【００２６】
図４において、流路６ｅの上部には超音波センサユニット１０が形成されている。超音波センサユニット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】
流路６ｅは上面１５、および下面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搬経路であり、流路６ｅの断面を横切るように伝搬する。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。
【００２９】
以上のように、本実施の形態においては、第１の超音波送受波器１１、第２の超音波送受波器１２を有した超音波センサユニット１０、計測回路２０、および演算回路２１で流路６ｅの流量計測手段１９が形成されるている。
【００３０】
次に、超音波センサユニット１０による超音波による流量計測に関して図４を用いて説明する。
【００３１】
流路６ｅ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搬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との間で伝搬する超音波の伝搬経路の有効長さをＬとする。
【００３２】
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搬時間ｔ１は、下式にて示される。
【００３３】
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搬時間ｔ２は、下式にて示される。
【００３４】
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。
【００３５】
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にて計測された伝搬時間ｔ１、およびｔ２を用いて、流速Ｖが求められる。
【００３６】
次に、下式に示すようにこの流速Ｖに流路６ｅの断面積Ｓを乗じて、流路６ｅを通過する流量ｑｅを算出する。
【００３７】
ｑｅ  ＝  Ｖ  ｘ  Ｓ                                          （４）
なお、本実施の形態では超音波伝播路がＶパス方式のものを例示したが、対向する流路壁面に超音波送受波器を対向して配置したＺパスでも、流路の上流と下流に流れ方向に平行に超音波送受波器を対向して配置したＩパス方式でも、基本的な測定原理は同じであって、このような方式を本発明に適用することは可能である。
【００３８】
以上のように構成された流量計１について、以下、その動作、作用を説明する。
【００３９】
図５は、図１のＢＢ’断面を示す図である。
【００４０】
図１において、入口管２より流入した流れは、入口部３より流路部６の各流路６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈ、６ｉの９本に流入したのち、出口部５を経て出口管４より流出する。
【００４１】
この流れ全体の流量を計測するための流量計測は流路６ｅにて実施される。
【００４２】
流路６ｅで計測を行う原理は、先に述べたとおりであり、式（４）により得られた流路６ｅの流量ｑｅを用いて、全体の流量Ｑを計算する。
【００４３】
９本の流路は断面が同一形状に作られているため、すべての流路に等しい流量が流れているとすれば、全体の流量は、下式により求められる。
【００４４】
Ｑ  ＝  ９  Ｘ  ｑｅ                                          （５）
しかしながら、実際は図５に示すように、入口管２より流入する流れＰは入口部３の内部においてＲのような流れとなるため、流路６ｂ、６ｅ、６ｈにおける流速分布は、例えば、Ｕｂ、Ｕｅ、Ｕｈのようになる。すなわちＵｂは流速が小さく、Ｕｈは流速が大きく、Ｕｅは、その中間となる。このような場合は、中間的な流速が、平均的な流速に近くなるため、Ｕｅすなわち流路６ｅの流量を計測することで、平均流量に相当する値を得ることができる。
【００４５】
本実施の形態では、流路６ｅが平均的な流量を得ることができるとしたが、実際は、入口部３の形状や、流路の配置状況により、平均的な流量を得ることができる流路の選択は、その設計条件に応じて、定めなければならない。
【００４６】
本実施の形態において、流路６ａ〜６ｉを通過する流れが、層流状態を保っておれば、流れの乱れが少なく、計測精度も良好になる。そのためには計測範囲の最大計測流量でも層流となるように、流路の断面形状を定めると良い。
【００４７】
すなわち、図２に示した断面寸法であるｗ、ｈを最大流量におけるレイノルズ数が２，３００以下になるように定めるとよい。より具体的には、断面のアスペクト比（ｈ／ｗ）が小さい場合には、等価直径を代表長さとし、アスペクト比が大きい場合は、短辺（ｗ）を代表長さとして、レイノルズ数が前記の値の範囲に入るよう、断面の緒元を定めると良い。
【００４８】
（実施の形態２）
実施の形態２について、図６を用いて説明する。
【００４９】
図６は、本発明の実施の形態２における流量計の斜視図を示すものである。
【００５０】
本実施の形態においては、流路６ｄ、６ｅ、および６ｆが流量を測定するための超音波センサユニット１０ｄ、１０ｅ、１０ｆをそれぞれ有している。それ以外は実施の形態１と同一ゆえ、同じ番号で表示している。
【００５１】
図６においては、流路を見易くするため、流路６ａと６ｂは破断してあり、流路６ｈ、６ｉは、出口部５との接続の一部のみの表示とし、入口部３には、接続される位置のみの表示としている。
【００５２】
以上のように構成された流量計１について、以下、その動作、作用を説明する。
【００５３】
本実施の形態の場合は、流路６ｄ、６ｅ、６ｆの流量が計測される。これらの流路で計測されるそれぞれの流量をｑｄ、ｑｅ、ｑｆとすると、平均流量ｑａｖｅは、下式で求められる。
【００５４】
ｑａｖｅ  ＝  （  ｑｄ  ＋  ｑｅ  ＋  ｑｆ  ）／３            （６）
この値を９つの流路の平均流量として用いることにより、式（５）により、全体の流量が求められる。
【００５５】
実施の形態１では、平均流量としてひとつの流路６ｅの流量のみを用いたが、本実施の形態では、３つの流路６ｄ、６ｅ、６ｆの平均値を用いることにより、より平均に近い流量値を得ることができるものである。
【００５６】
もちろん、計測する流路の数は３つに限るものではなく、平均流量が得られるような複数流路を選択することが主眼である。
【００５７】
（実施の形態３）
実施の形態３について、図７〜図８を用いて説明する。
【００５８】
本実施の形態では、実施の形態１において、流路部６の各流路６ａ〜６ｅを変更したものである。
【００５９】
図７は、本発明の実施の形態３における流路６ｅの部分斜視図である。
【００６０】
図７において、流路６ｅが矩形断面を有しているのは、実施の形態１と同じである。本実施例における流路６ｅは、第１の仕切り板２３、第２の仕切り板２４、第３の仕り板２５により、第１の扁平流路２６、第２の扁平流路２７、第３の扁平流路２８、および第４の扁平流路２９の４層に分割されている。また、第３の扁平流路２８の上部には超音波センサユニット３０が形成されている。
【００６１】
本実施の形態では第３の扁平流路２８が流量計測を行う計測流路であり、流量計測の計測原理は、実施の形態１で示したのと同様である。
【００６２】
流路６ｅ以外の流路は、流量計測手段を有しないだけで、それぞれの流路が６ｅと同じように仕切り板により複数の層に分割されている。
【００６３】
図８は図７におけるＣＣ’断面を示したものである。
【００６４】
本実施の形態では、仕切り板２３、２４、２５により分割された扁平流路２６、２７、２８、２９の幅は均等（ｗｍ）に構成されている。また、この幅は、計測範囲の最大計測流量でも層流となるように、定められている。
【００６５】
以上のように構成された流量計１について、以下、その動作、作用を説明する。
【００６６】
このような構成において、扁平流路２８の流量（ｑｅｓ）が計測されると、その値に基づいて、流路６ｅ全体の流量（ｑｅ）が算出される。Ｑｅｓとｑｅの関係は、予め実験により検定されているものである。このｑｅを用いて、（５）式により、全体の流量が演算されるものである。
【００６７】
本実施の形態では、計測部分の流路幅（ｗｍ）が計測範囲の最大計測流量でも層流となるように定めているため、流れの乱れが少ない状態で、流量を精度よく計測することができる。
【００６８】
このような層流状態を実現するためには、流路幅を小さくする必要があるが、この例のように流路を多層にすることで、容易に実現することができる。また、多層化することで、流れが抵抗を受けることになるが、この抵抗により、各流路への流れの均一化が同時に計れるものである。
【００６９】
なお、本実施の形態では複数に分割された層の一つを計測するように示したが、複数層にわたり超音波を発して、複数層の流量を計測するようにしても良い。
【００７０】
また、実施の形態１に対応して、流路６ｅにのみ流量計測手段を設けたが、実施の形態２のように複数の流路に設けても差し支えないものである。
【００７１】
（実施の形態４）
実施の形態４について、図９を用いて説明する。
【００７２】
図９は、本発明の実施の形態４における流量計の断面図である。
【００７３】
本実施の形態は、実施の形態１と基本的に同じ構成で、入口部３、および出口部５がチャンバ状に形成されている。入口部３における入口管２の接続部Ａ３１に整流部材Ａ３２が設けられている。
【００７４】
また、入口部３における流路部６との接続部Ｂ３３にも、整流部材Ｂ３４が設けられている。整流部材Ｂ３４は、流路部６の９本のすべての流路６ａ〜６ｉにわたるよう配置されている。
【００７５】
以上のように構成された流量計１について、以下、その動作、作用を説明する。
【００７６】
図９において、入口管２より流入した流れは、接続部Ａ３１における整流部材Ａ３２により入口部３に流入する。このとき、整流部材Ａ３２により、流れは拡散された流れＲとなり、極端な偏りを生じることなく、チャンバ状の入口部３の内部に広がる。
【００７７】
その後、流れは流路部６の各流路６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈ、６ｉの９本に流入したのち、出口部５を経て出口管４より流出するが、入口部３と流路部６の接続部Ｂ３３にも整流部材Ｂ３４が配置されているため、例えば、流路６ｂ、６ｅ、６ｈにおける流速分布がＵｂ、Ｕｅ、Ｕｈのようになり、各流路への均一な流量配分が行われるものである。
【００７８】
このように、入口部３の接続部Ａ３１や接続部Ｂ３３に整流部材Ａ３２や整流部材Ｂ３４を配置することにより、各流路への均一な流量分配が達成されるとともに、流量計測手段を備えた流路６ｅが平均的な流量を捕らえることに寄与し、ひいては精度向上をはかることができるものである。
【００７９】
なお、本実施の形態では、整流部材を入口部の２箇所に設けた例を示したが、いずれか一方だけで効果を発揮することもできるものである。
【００８０】
また、整流部材を入口部に設けたが、出口部に設けて、その背圧により、均一化効果を発揮させることもできるものである。
【００８１】
さらに、整流部材は、本実施の形態のように別部材構成としなくても、接続部の形状により、整流効果を持たせることもできるものである。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
以上のように、本発明にかかる流量計は、断面が同一形状の複数の流路を使用し、そのうちの一部の流路の流量を計測することにより、全体の流量を計測することができるため、業務用の大型ガスメータ等、大流量の計測を必要とする幅広い用途に適用できる。
【符号の説明】
【００８３】
１  流量計
３  入口部
５  出口部
６  流路部
６ａ〜６ｉ  流路
１９  流量計測手段
【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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【図９】
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【図１０】
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