(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主流路と、前記主流路より細いバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられた第１振動子および第２振動子と、前記振動子間の信号伝搬時間を計測する計測回路と、前記計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記バイパス流路に設けられた開閉弁と、前記開閉弁の閉弁時に流量を計測するゼロ点検定手段とを備えた流量計測装置。
【請求項２】
流量演算手段の信号によりゼロ値を検出するゼロ判定手段と、前記ゼロ判定手段によってゼロ点検定手段を作動させる請求項１記載の流量計測装置。
【請求項３】
ゼロ点検定手段の値に応じて流量演算手段の値を補正する請求項１記載の流量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、超音波を利用してガスなどの流量を計測する流量計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の流量計測装置は、たとえば特開平４−３２８４２４号公報が知られており、図８に示すように、流体管路１の一部に超音波振動子２と３を流れの上流と下流に、超音波が流れを横断するように流れ方向にある角度を有して設けている。このように流路の断面を横断して超音波が走査するようにして、流路断面内の不均一な速度分布を有する流れを補正している。振動子１から流れ方向に超音波を発生しこの超音波を振動子２で検出すると再び振動子１から超音波を発生させ、この繰り返しを行ってその時間を計測し、逆に振動子２から流れに逆らって超音波を発生し同様の繰り返し時間を計測し、この時間の差から流体の速度を求め流量を演算していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の流量計測装置では流れを横断するように超音波が伝搬するため超音波が気流に流され、振動子に到達したときには振動子の中心からはずれる。この超音波のかたよりは受信感度に影響し、受信信号レベルが変化するため誤差が大きくなり、また速度分布が流量の値によって変化するため流量の精度を高めることができなかった。この課題を解決するために、超音波を流路の中で複数回反射させて、複数の走査によって速度分布の不均一性を補い、また反射面を曲面にして超音波が気流に流されることを防止することも考えられているが、振動子を流路に対し斜めにとりつけるため振動子間の中心軸の不一致によって誤差が発生するうえに、さらに反射することにより超音波の中心軸の位置精度が低下するため、流量精度を高めるには限界があり、流量を精度よく計測できる流路構成を得ることが新たな課題となっていた。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するもので、広範囲の流量を高精度で計測することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の流量計測装置は、以下の構成とした。
【０００６】
すなわち、主流路と、主流路より細いバイパス流路と、バイパス流路に設けられた第１振動子および第２振動子と、振動子間の信号伝搬時間を計測する計測回路と、計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、バイパス流路に設けられた開閉弁と、開閉弁の閉弁時に流量を計測するゼロ点検定手段とを備えたものである。
【０００７】
【作用】
本発明は上記構成によって、バイパス流路の流速を求めて主流路を含めた流量を計測するものである。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の第１の実施例を図面にもとづいて説明する。図１において、主流路４の途中にこの主流路４を迂回するバイパス流路５を設け、このバイパス流路５に超音波を送受信する第１振動子６と第２振動子７が流れの上流と下流に配置されている。８は超音波信号を処理して流速を求める計測回路で、トリガ回路９で送信回路１０から切換回路１１を介して第１振動子６から超音波を発信させ、第２振動子７で受信した信号を切換回路１１を介して増幅回路１２で増幅し、比較回路１３で基準信号と比較し、繰り返し回路１４で設定された回数だけ超音波の伝搬を繰り返したのち計時回路１５でその時間を測定するものである。計時回路１５による超音波伝搬時間に応じて主流路４やバイパス流路５の大きさや流れの状態を考慮して流量演算手段１６で流量値を求める。
【０００９】
次にその動作について述べる。トリガ回路９から送信回路１０よりバースト信号が送出され第１振動子６で発信された超音波信号は、流れの中を伝搬し第２振動子７で受信され増幅回路１２と比較回路１３で信号処理される。繰り返し回路１４で設定された回数の発信から受信までの時間を計時手段１５で測定する。
【００１０】
静止流体中の音をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れの順方向の超音波の伝搬速度は（ｃ＋ｖ）となる。第１振動子６と第２振動子７の間の距離をＬ、超音波伝搬軸と管路の中心軸とがなす角度をφとすると、超音波が到達する時間ｔは、
ｔ＝Ｌ／（ｃ＋ｖCOSφ）          （１）
となり、（１）式より
ｖ＝（Ｌ／ｔ−ｃ）／COSφ        （２）
となり、Ｌとφが既知ならｔを測定すればバイパス流路の流速ｖが求められる。
【００１１】
この流速より流量Ｑは、通過面積をＳ、主流路４とバイパス流路５との流量比率をＲ、補正計数をＫとすれば、
Ｑ＝ＫＳＲｖ                    （３）
となる。
【００１２】
バイパス流路５の流路断面積は小さくできるので、流速の変化によるバイパス流路５内の流速分布の不均一性の変化は小さいが、図１に示すように振動子６と７の超音波を発信または受信する面の形状をバイパス流路５の断面形状をほぼ同じ大きさにすれば、超音波がバイパス流路５内の全面に広がって伝搬するため、超音波と流れの中心軸が一致しても流れのすべてを走査でき、振動子で送信された超音波のほとんど全部が対向する振動子に伝搬する。
【００１３】
図２は本発明の第２の実施例であり、バイパス流路５の入口５ａと出口５ｂの角度を、流れによって異物がバイパス流路５に混入しないように流れの方向に対してθ゜傾けたもので、θを１００〜１６０゜の範囲、望ましくは１２０゜に設定する。
【００１４】
図３は本発明の第３の実施例であり、バイパス流路５の入口にバイパス抵抗体１７を設けたもので、このバイパス抵抗体１７によってバイパス流路５の流量を制限し流れの乱れを小さくするとともに、異物の混入を制限したものである。このような絞りによっても極めて小さな異物の混入は避けることができないが、バイパス流路５の出口側を大きくすることにより異物を流出させ内部に残留させないようにすることができる。なお異物の混入に関して、バイパス流路５を主流路の上部に形成することや、バイパス流路５の入口を高くし出口側が下がるような勾配をつけることが考えられる。
【００１５】
図４は本発明の第４の実施例であり、図４（Ａ）の流路構成の平面図である図４（Ｂ）に示すように複数のバイパス抵抗体１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄを有し、そのいずれかを選択し、図４（Ａ）に示す主流路４に対するバイパス流路５の比率を替えることができるようにし、バイパス抵抗体１７の大きさと連動して、バイパス比率設定手段１８によって流量演算手段１６の流量係数を変更するものである。
【００１６】
図５は本発明の第５の実施例であり、バイパス流路５の分岐から合流までの主流路４の間に主流路抵抗体１９を設けたものであり、この主流路抵抗体１９とバイパス抵抗体１７とのそれぞれの抵抗体の比率によってバイパス比率が決まるものであり、その他の流路の影響が小さくなる。
図６は本発明の第６の実施例であり、遮断弁２０を第１振動子６および第２振動子７の上流に配置したものである。遮断弁２０はコイル２１により発生する電磁力よってプランジャ２２をスプリング２３の力に抗して移動させ、プランジャ２２と一体の弁体２４を開くもので、異常使用時やガス漏れのとき閉弁するものである。この遮断弁２０を通過した流れは通常弁体の隙間を通り、かつ曲がり部を通過するため乱れた流れとなっている。この乱れた流れによって主流路４内の流速分布は予測のつかないものになっているが、バイパス流路５の流れは主流路４に比べ流速分布の変動は小さい。
【００１７】
図７は本発明の第７の実施例であり、バイパス流路５の流路の一部に開閉弁２５が設けられており、バイパス流路５の流れを停止することができる。この開閉弁２５はゼロ点検定手段２６の信号によって開閉し、計測装置のゼロ点のズレを検定する。すなわちゼロ点検定手段２６からの信号はで開閉弁２５を閉じるとバイパス流路５には気流が流れなくなる。ゼロ点検定手段２６はそれと同時に計測回路８のトリガ回路を作動させ、流量計測を行いゼロ点の誤差（オフセット）を求める。このゼロ点検定手段２６の動作中に主流路４内の流体が流れていても問題はないが、より精度を高めたい場合にはなるべく主流路４に流体が流れていない方がよい。このため、流量演算手段１６で流量を求めた結果、ゼロ値付近の値が検出されたことをゼロ判定手段２７で検出し、ゼロ判定手段２７の信号によりゼロ点検定手段２６をスタートさせる。ゼロ点検定手段２６は、１日の中でゼロが発生する確率が高い深夜に行ったり、ゼロ値の測定が複数回連続して検出したときのみゼロ判定をするようにすれば、さらに安定した検定が行われる。ゼロ点検定手段２６によってある値以上のオフセットが検出されたときはオフセットの値は何回か平均され、ゼロ点のズレを補正するように流量演算手段１６で演算が行われる。
【００１８】
以上のように本発明の各実施例によれば次の効果が得られる。
【００１９】
（１）主流路より細いバイパス流路と、バイパス流路に設けられた第１振動子および第２振動子と、振動子間の信号伝搬時間を計測する計測回路と、計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えたので、流速分布の変化に対しても計測精度が高い。また超音波と流線の方向とを一致させることができ超音波が気流に流されて感度が変化することがないので大流量でも精度が高い。
【００２０】
（２）バイパス流路の断面形状と第１振動子および第２振動子の送受信面の形状をほぼ同一にしたので、バイパス流路断面の全部を超音波が走査することができ、バイパス流路内の流速分布の変動に対する精度が高い。また送信された超音波のほとんど全部が受信されるのため、超音波振動子の感度が高くなり検出精度が向上する。
【００２１】
（３）主流路と１００゜から１６０゜の角度でバイパス流路の出入口を構成したので、バイパス流路の振動子にゴミなどの異物が混入しにくい。
【００２２】
（４）バイパス流路の入口に流量を規制するバイパス抵抗体を備えたので、バイパス流路の流体抵抗のばらつきの影響を受けずバイパス抵抗体の流体抵抗によって主流路との流量比率が決定され量産性に優れる。また異物の混入が少なく、混入しても流出し易く信頼性が高い。
【００２３】
（５）主流路と、主流路より細いバイパス流路と、バイパス流路に設けられた第１振動子および第２振動子と、主流路もしくはバイパス流路に設けられた調節可能なバイパス抵抗体と、振動子間の信号伝搬時間を計測する計測回路と、計測回路の信号に基づいて流量を算出するとともにバイパス抵抗体によって流量演算手段の流量係数を変化させるバイパス比率設定手段とを備えたので、測定範囲の異なる機種が容易に製造できるので安価に製造できる。
【００２４】
（６）バイパス流路が分岐して再び合流するまでの主流路に流量を規制する主抵抗体を備えたので、主抵抗体の寸法によって主流路の流量比率が決定され、流路の製造ばらつきに対し誤差が小さい。
【００２５】
（７）主流路と、主流路より細いバイパス流路と、バイパス流路に設けられた第１振動子および第２振動子と、振動子間の信号伝搬時間を計測する計測回路と、計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、第１振動子および第２振動子より上流の主流路に設けられた遮断弁とを備えたので、遮断弁で生じる流れの乱れによって生じる流速分布の変動の影響をバイパス流路で測ることによって小さくすることができ、広範囲な流量を高精度に計測することができる。
【００２６】
（８）主流路と、主流路より細いバイパス流路と、バイパス流路に設けられた第１振動子および第２振動子と、振動子間の信号伝搬時間を計測する計測回路と、計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、バイパス流路に設けられた開閉弁と、開閉弁の閉弁時に流量を計測するゼロ点検定手段とを備えたので、主流路の流れを止めることなくゼロ点をチェックすることができ、またバイパス流路の小さな開閉弁で構成することができる。
【００２７】
（９）流量演算手段の値がゼロ値付近であることを検出するゼロ判定手段によりゼロ点検定手段を作動させるので、主流路が流れていないときのより高精度なゼロ検定が行われるばかりでなく、流量の積算値を求める場合には積算誤差がなくなる。
【００２８】
（１０）ゼロ点検定手段の値に応じて流量演算手段の値を補正するので、長期にわたってゼロ点の安定が維持されメンテナンスが容易になる。
【００２９】
【発明の効果】
主流路の流れを止めることなくゼロ点をチェックすることができ、またバイパス流路の小さな開閉弁で構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の流量計測装置の構成図
【図２】本発明の第２の実施例の流量計測装置の流路構成図
【図３】本発明の第３の実施例の流量計測装置の流路構成図
【図４】（Ａ）本発明の第４の実施例の流量計測装置の構成図
（Ｂ）図４（Ａ）の流路構成図の平面図
【図５】本発明の第５の実施例の流量計測装置の流路構成図
【図６】本発明の第６の実施例の流量計測装置の流路構成図
【図７】本発明の第７の実施例の流量計測装置の構成図
【図８】従来の流量計測装置の制御ブロック図
【符号の説明】
４  主流路
５  バイパス流路
６  第１振動子
７  第２振動子
８  計測回路
１６  流量演算手段
１７  バイパス抵抗体
１８  バイパス比率設定手段
１９  主抵抗体
２０  遮断弁
２５  開閉弁
２６  ゼロ点検定手段
２７  ゼロ判定手段
【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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