(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流速測定部を流れる計測流体の上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子が配置され、前記各超音波振動子から相互に超音波を発生送信するとともに、送信された超音波を相互に受信し、それら超音波の伝搬時間の差に基づいて流速を測定するものとなされている超音波流速測定装置において、
前記流速測定部は、その内面が流入端部から流出端部にかけて長手方向に湾曲状に形成され、
前記各超音波振動子は、その軸線が前記湾曲状の流速測定部内を長手方向に直線状に通過するように対向状態に配置されていることを特徴とする超音波流速測定装置。
【請求項２】
前記超音波振動子は、流体の流線の外側に配置されている請求項１に記載の超音波流速測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波を利用してガスその他の流体の流速を測定する超音波流速測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、ガスその他の流体の流量を求めるに際し、まず流体の流速を連続的ないし定期的に測定し、これに基いて流量を演算することが行われている。そして、このような流体の流速測定方法の一つとして、超音波を利用した方法が知られている。
【０００３】
かかる超音波流速測定方法の原理を、図４にて説明すると次のとおりである。図４において、（１’）は内部をガス等の流体が流れる直管状の流速測定部である。この超音波流速測定部（１’）内には、流れ方向の上流側及び下流側に、互いに所定距離を隔てて対向する態様で超音波振動子（２’）（３’）が配置されている。この超音波振動子（２’）（３’）は、駆動パルス発生回路（４’）からの駆動パルスにより駆動されて振動し、超音波を発生送信する一方、送信されてきた超音波を受信するもので、その超音波振動子（３’）（２’）が振動したときの受信波が受信増幅回路（５’）から出力されるものとなされている。
【０００４】
しかして、上流側の超音波振動子（２’）から流れに対して順方向に送信された超音波が下流側の超音波振動子（３’）で受波されるまでの伝搬時間と、下流側の超音波振動子（３’）から流れに対して逆方向に送信された超音波が上流側の超音波振動子（２’）で受信されるまでの伝搬時間との差は、流速に関係することから、この超音波の伝搬時間差をクロック波を利用する等して求めることにより流体の流速を測定するものとなされている。
【０００５】
なお、図４において、（６’）は各超音波振動子（２’）（３’）と駆動パルス発生回路（４’）及び受信増幅回路（５’）の接続を切り替える切替回路であり、まず駆動パルス発生回路（４’）と上流側の超音波振動子（２’）、下流側の超音波振動子（３’）と受信増幅回路（５’）を接続して、上流側から下流側への伝搬時間を測定したのち、該切替回路（６’）の作動により駆動パルス発生回路（４’）と下流側の超音波振動子（３’）、上流側の超音波振動子（２’）と受信増幅回路（５’）とが接続されるように切替えて、下流側から上流側への伝搬時間を測定するものとなされている。
【０００６】
しかしながら、従来の流速測定部（１’）は、上述のように長手方向に直管状に形成されているために以下のような問題があった。即ち、超音波振動子（２’）（３’）から送信された直進超音波は、前記流速測定部（１’）の断面中心部を通過するだけなので、流量の変化により流体が層流と乱流に変化して流速のパターンが変化すると、流体の流量を精度良く測定することができないという問題があった。また、超音波振動子（２’）（３’）に対して流圧が直にかかり、電圧によるノイズが発生するという問題があった。さらに、流体が直角に流速測定部（１’）に流入あるいは流出することから、流体が流速測定部（１’）内をスムーズに流れにくくなることがあり、流体の圧力損失が生じる場合があるという問題があった。
【０００７】
この発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、第１に、流体の流量を精度良く測定することができ、第２に、流体の圧力損失を低減することができ、第３に、流圧によるノイズの発生を低減することができる超音波流速測定装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記目的を達成するために、流速測定部の形状と超音波振動子の配置態様について工夫したものである。
【０００９】
即ち、この発明は、流速測定部を流れる計測流体の上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子が配置され、前記各超音波振動子から相互に超音波を発生送信するとともに、送信された超音波を相互に受信し、それら超音波の伝搬時間の差に基づいて流速を測定するものとなされている超音波流速測定装置において、
前記流速測定部は、その内面が流入端部から流出端部にかけて長手方向に湾曲状に形成され、
前記各超音波振動子は、その軸線が前記湾曲状の流速測定部内を長手方向に直線状に流速測定部内を通過するように対向状態に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
また、前記流速測定部は、その内面が流入端部から流出端部にかけて長手方向に湾曲状に形成されているのが好ましい。
【００１１】
これによれば、流体が流入端部から流速測定部内に流入し、そのまま流速測定部内をその内面に沿って通過したあと、流出端部から流出するという流体の一連の流れがスムーズに行われるので、流体の圧力損失を低減することができる。
【００１２】
また、前記超音波振動子は、流体の流線の外側に配置されているのが好ましい。なお、流体の流線とは、流体の本流とその回りとの境界線のことをいい、通常、流速測定部内面の長手方向の延長線とほぼ一致する。
【００１３】
これによれば、超音波振動子に対して流圧が直にかかることがなくなるので、電圧によるノイズの発生を低減することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
図１において、（１）は流体が流れる流速測定部、（２）（３）は該流速測定部（１）を流れる流体の上流側と下流側に配置された超音波振動子、（４）は超音波振動子（２）（３）に印加する駆動パルスを発生する駆動パルス発生回路、（５）は超音波振動子（２）（３）に受信された超音波に基づいて受信波を出力する受信増幅回路、（６）は超音波振動子（２）（３）と駆動パルス発生回路（４）および受信増幅回路（５）との接続を切り替える切替回路である。なお、駆動パルス発生回路（４）、受信増幅回路（５）、および切替回路（６）は、図４に示した駆動パルス発生回路（４’）、受信増幅回路（５’）、および切替回路（６’）と同一であるので、その説明を省略する。
【００１６】
前記流速測定部（１）は、図１に示すように、その内面が流入側端部（１ａ）から流出側端部（１ｂ）にかけて長手方向に円弧状に形成されるとともに、図３に示すようにその内面の断面が矩形状に形成されている。
【００１７】
また、前記超音波振動子（２）（３）は、図１に示すように、前記流速測定部（１）を流れる流体の流線（点線α）の外側において、その軸線（一点鎖線β）が前記流速測定部（１）内を断面下部、断面中心部、および断面上部の断面全体に亘って通過するように対向状態に配置されている。
【００１８】
このような構造によれば、超音波振動子（２）（３）から送信された超音波は、流速測定部（１）の断面下部、断面中心部、断面上部、断面中心部、および断面下部の順に断面全体に亘って流速測定部（１）内を通過して、対向する超音波振動子（３）（２）に受信される。このため、流速測定部（１）の断面全体に亘って平均的流速が測定されることになるから、流量の変化により層流と乱流に変化して流速のパターンが変化した場合であっても、流体の流速を精度良く測定することができる。
【００１９】
また、この実施形態では、流速測定部（１）は、上述のように流入端部（１ａ）から流出端部（１ｂ）にかけて長手方向に円弧状に形成されている。このため、図１の白抜き矢印に示すように、流体が流入端部（１ａ）から流速測定部（１）内に流入し、そのまま流速測定部（１）内をその内面に沿って通過したあと、流出端部（１ｂ）から流出するという一連の流体の流れがスムーズに行われるので、流体の圧力損失を低減することができる。
【００２０】
さらに、この実施形態では、超音波振動子（２）（３）は、上述のように流体の流線（点線α）の外側に配置されているので、超音波振動子（２）（３）に対して流圧が直にかかることがなくなり、電圧によるノイズの発生を低減することができる。なお、流体の流線（点線α）とは、流体の本流とその回りとの境界線のことをいい、この実施形態では流速測定部（１）の延長線とほぼ一致するものとなされている。
【００２１】
次に、図１に示す超音波流速測定装置を用いた超音波流速測定方法について説明する。
【００２２】
まず、装置内に流体を流すと、流体は、図１の白抜き矢印に示すように、流速測定部（１）の流入端部（１ａ）から流速測定部（１）内に流入し、そのまま流速測定部（１）内をその内面に沿って通過したあと、流出端部（１ｂ）から流出する。
【００２３】
このとき、流速測定部（１）が流入端部（１ａ）から流出端部（１ｂ）にかけて長手方向に円弧状に形成されているので、上記一連の流体の流れがスムーズに行われ、流体の圧力損失を低減することができる。
【００２４】
また、超音波振動子（２）（３）は流体の流線（点線α）の外側に配置されているので、超音波振動子（２）（３）に対して流圧が直にかかることがなく、電圧によるノイズの発生を低減することができる。
【００２５】
そして、切替回路（６）の作動により、駆動パルス発生回路（４）と上流側の超音波振動子（２）、下流側の超音波振動子（３）と受信増幅回路（５）とが接続されるようにした上で、駆動パルス発生回路（４）で駆動パルスを発生させて超音波振動子（２）に印加すると、超音波振動子（２）から超音波が送信される。
【００２６】
この超音波振動子（２）から送信された超音波は、流速測定部（１）の断面下部、断面中心部、断面上部、断面中心部、および断面下部の順に断面全体に亘って流速測定部（１）内を通過して、対向する超音波振動子（３）に受信される。
【００２７】
受信増幅回路（５）では、超音波振動子（３）に受信された超音波に対応する受信波が出力されるので、該受信波に基づいて超音波振動子（２）から超音波が送信された時から超音波振動子（３）にその超音波が受信されるまでの超音波の順方向の伝搬時間を求める。
【００２８】
次に、切替回路（６）の作動により、駆動パルス発生回路（４）と下流側の超音波振動子（３）、上流側の超音波振動子（２）と受信増幅回路（５）とが接続されるようにした上で、駆動パルス発生回路（４）で駆動パルスを発生させて超音波振動子（３）に印加すると、超音波振動子（３）から超音波が送信される。
【００２９】
この超音波振動子（３）から送信された超音波は、上述の超音波振動子（２）から送信された超音波と同様に、流速測定部（１）の断面下部、断面中心部、断面上部、断面中心部、および断面下部の順に断面全体に亘って流速測定部（１）内を通過して、対向する超音波振動子（２）に受信される。
【００３０】
受信増幅回路（５）では、超音波振動子（２）に受信された超音波に対応する受信波が出力されるので、該受信波に基づいて超音波振動子（３）から超音波が送信された時から超音波振動子（２）にその超音波が受信されるまでの超音波の逆方向の伝搬時間を求める。
【００３１】
そして、超音波の順方向の伝搬時間と逆方向の伝搬時間との差に基づいて流体の流速を求め、さらに必要に応じて流体の流量を求める。
【００３２】
このように、超音波振動子（２）（３）から送信された超音波は、流速測定部（１）の断面下部、断面中心部、断面上部、断面中心部、および断面下部の順に断面全体に亘って流速測定部（１）内を通過して、対向する超音波振動子（３）（２）に受信される。このため、流速測定部（１）の断面全体に亘って平均的流速が測定されることになるから、流量の変化により層流と乱流に変化して流速のパターンが変化した場合であっても、流体の流速を精度良く測定することができる。
【００３３】
なお、この実施形態では、前記流速測定部（１）は、長手方向に円弧状に形成されるものとしたが、その他の湾曲状に形成されるものとしてもよい。
【００３４】
また、前記流速測定部（１）は、その内面が流入端部（１ａ）から流出端部（１ｂ）にかけて長手方向に円弧状に形成されるものとしたが、その内面の長手方向の一部が円弧状に形成されるものとしてもよい。
【００３５】
また、前記流速測定部（１）は、その内面の断面が矩形状に形成されるものとしたが、円形状や楕円状などその他の形状に形成されるものとしてもよい。
【００３６】
また、前記超音波振動子（２）（３）は、その軸線（一点鎖線β）が前記流速測定部（１）内を断面下部、断面中心部、および断面上部の断面全体に亘って通過するように対向状態に配置されるものとしたが、この配置態様に限定されるものでなく、その軸線（一点鎖線β）が前記流速測定部（１）内を通過するように対向状態に配置されるものであればよい。
【００３７】
前記超音波振動子（２）（３）は、流体の流線（点線α）の外側に配置されるものとしたが、流体の流線（点線α）の内側に配置されるものとしてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、超音波振動子から送信された超音波は、流速測定部の断面中心部以外の部分も通過して、対向する超音波振動子に受信される。このため、流速測定部の断面中心部以外の部分も含めた平均的流速が測定されることになるから、流量の変化により層流と乱流に変化して流速のパターンが変化した場合であっても、流体の流速を精度良く測定することができる。
【００３９】
しかも、流体が流入端部から流速測定部内に流入し、そのまま流速測定部内をその内面に沿って通過したあと、流出端部から流出するという流体の一連の流れがスムーズに行われるので、流体の圧力損失を低減することができる。
【００４０】
請求項２に係る発明によれば、超音波振動子に対して流圧が直にかかることがなくなるので、電圧によるノイズの発生を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る超音波流速測定装置の側方断面図である。
【図２】図１の超音波流速測定装置の上方断面図である。
【図３】図１のＩ−Ｉ線矢視断面図である。
【図４】従来の超音波流速測定装置の側方断面図である。
【符号の説明】
１・・・流速測定部
１ａ・・・流入側端部
１ｂ・・・流出側端部
２、３・・・超音波振動子
【図１】
0003577058.tif 000002
【図２】
0003577058.tif 000003
【図３】
0003577058.tif 000004
【図４】
0003577058.tif 000005