(57)【要約】【課題】流量計測装置の計測精度を高め、仕様変更などにも対応できるようにしたことを目的とするものである。【解決手段】上流側に流体供給路３が、下流側に流体流出路５がそれぞれ接続された計測部１に、内部を複数の層流通路２２ａ〜２２ｄに分割した計測流路体１５を内包するとともに、この計測流路体１５の層流通路を流れる流体の流速を測定するために超音波送受波器１３、１４と、この超音波送受波器１３、１４の出力をもとに流体の量を演算する演算手段１９を設け、前記計測流路体１５は計測部１とは別体の構成としたものである。したがって、計測流路体１５を単独で取り扱うことが可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流側に流体供給路が、下流側に流体流出路がそれぞれ接続された計測部と、前記計測部に内包さた計測流路体と、前記計測流路体を流れる流体の流速を測定する少なくとも１対の超音波送受波器と、この超音波送受波器の出力をもとに計測流路体を流れる流体の量を演算する演算手段とを具備し、前記計測流路体は計測部とは別体の構成とするとともに、内部を複数の層流通路に分割した超音波流量計測装置。
【請求項２】
超音波送受波器を計測部側に配置した請求項１記載の超音波流量計測装置。
【請求項３】
計測流路体の層流通路を複数の仕切板で区画形成した請求項１記載の超音波流量計測装置。
【請求項４】
計測流路体は断面長方形の矩形であって、短辺側が複数の仕切板で区画された請求項３記載の超音波流量計測装置。
【請求項５】
流体の流れの境界層領域に層流通路が設定されるように仕切板の間隔を選定した請求項３記載の流量計測装置。
【請求項６】
複数の層流通路の少なくとも一部の層流通路を流れる流体の流速を少なくとも１対の超音波送受波器で計測するようにした請求項１記載の超音波流量計測装置。
【請求項７】
偶数の層流通路を有し、中央に位置する隣接する２つの層流通路を流れる流体の流速を少なくとも１対の超音波送受波器で計測するようにした請求項６記載の超音波流量計測装置。
【請求項８】
超音波が流体を斜めに横切るように少なくとも１対の超音波送受波器を対峙させるとともに、計測流路体内の層流通路は超音波送受波器の超音波送受領域に対応した長さに設定した請求項１記載の超音波流量計測装置。
【請求項９】
計測流路体の開口端部を先細状に形成した請求項１記載の超音波流量計測装置。
【請求項１０】
仕切板の先端部を先細状に形成した請求項３記載の超音波流量計測装置。
【請求項１１】
計測流路体の開口に整流手段を設けた請求項１記載の超音波流量計測装置。
【請求項１２】
整流手段が網状部材からなる請求項１１記載の超音波流量計測装置。
【請求項１３】
整流手段が多孔体からなる請求項１１記載の超音波流量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスなどの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。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の流量計測装置は、図７に示すように、上流側に流体供給路５１を、下流側に流体流出路５２をそれぞれ接続した計測流路５３に一対の超音波送受波器などからなる流速検知手段を配置していた。
【０００３】
また流体が２次元性の層流となるように前記計測流路５３の内部は複数の仕切板５４で分割してあった。
【０００４】
そして、前記流速検知手段で計測流路５３を流れる流体の流速を測定し、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（特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−４３０１５号公報
【０００６】
【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、流路と計測部とが一体となっていたため、精度を高めるための対策、例えば高精度加工が困難で、また計測仕様が変わった場合などの流路仕様変更も容易ではなかった。
【０００７】
本発明はこのような従来の問題点を解消するもので、計測部を合理的に構成することで計測の高精度化を実現し、また仕様変更などに対しても確実に応えることができるようにしたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、上流側に流体供給路が、下流側に流体流出路がそれぞれ接続された計測部と、前記計測部に内包さた計測流路体と、前記計測流路体を流れる流体の流速を測定する少なくとも１対の超音波送受波器と、この超音波送受波器の出力をもとに計測流路体を流れる流体の量を演算する演算手段とを具備し、前記計測流路体は計測部とは別体の構成とするとともに、内部を複数の層流通路に分割したものであり、このように計測流路体が計測部とは別体に構成されているため、計測流路体を単独で加工し、その高精度化を促進できるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、上流側に流体供給路が、下流側に流体流出路がそれぞれ接続された計測部と、前記計測部に内包さた計測流路体と、前記計測流路体を流れる流体の流速を測定する少なくとも１対の超音波送受波器と、この超音波送受波器の出力をもとに計測流路体を流れる流体の量を演算する演算手段とを具備し、前記計測流路体は計測部とは別体の構成とするとともに、内部を複数の層流通路に分割したものである。
【００１０】
このように計測流路体が計測部とは別体に構成されているため、計測流路体を単独で加工し、その高精度化を促進できるものであり、また仕様の変更も簡単にできることとなる。
【００１１】
そして、流速検知手段を計測部側に配置すれば、計測流路体の取扱いが一層しやすくなる。
【００１２】
層流通路は複数の仕切板で区画形成される。また計測流路体は断面長方形の矩形であって、短辺側が前記複数の仕切板で区画されるようにしてある。
【００１３】
層流通路は流体の流れの境界層領域に設定されるように仕切板の間隔が選定してあり、外部要因の影響を受けないようにしてある。
【００１４】
超音波送受波器による流速測定は、複数の層流通路の全体ではなく、少なくともその一部の層流通路で行えばよい。例えば、偶数の層流通路を有し、中央に位置する隣接する２つの層流通路を流れる流体の流速を計測する。
【００１５】
また、超音波が流体を斜めに横切るように少なくとも１対の超音波送受波器を対峙させるとともに、計測流路体内の層流通路は超音波送受波器の超音波送受領域に対応した長さに設定すれば、仕切板などの流動抵抗を可及的に小さくできるものである。
【００１６】
さらに、計測流路体の開口端部、仕切板の先端部を先細状に形成することによって、より一層、流体の流動を円滑にでき、計測の高精度化を促進し得るものである。
【００１７】
流体の流動の改善は、計測流路体の開口に整流手段、例えば、網状部材とか多孔体を設けることによって実現し得るものである。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１、２において、計測部１は、断面長方形をなす矩形としてあり、その上流室２に流体供給路３が、下流室４に流体流出路５がそれぞれ略直角に接続され、全体としてＵ字状に設定してある。
【００２０】
前記流体供給路３は、途中に電磁装置、或いは、ステッピングモータなどの駆動部６と連係した弁体７で開閉される弁座８を有する。そして、この弁座８より下流側であって先の計測部１の上流室２に連なる導入路９は矩形としてある。
【００２１】
１０は流体供給路３の流入口、１１は矩形に構成された流体流出路５の導出路、１２は流出口を示す。
【００２２】
図２にも示すごとく、計測部１には、流速検知手段を構成する少なくとも一対の超音波送受波器１３、１４が斜めに対向するように配置してある。
【００２３】
計測部１に内包され、しかも同計測部１と別体構成の断面長方形をなす矩形の計測流路体１５は、前記超音波送受波器１３、１４と対向した短辺側の壁に開口１６ａ、１６ｂを有するものである。
【００２４】
前記開口１６ａ、１６ｂには流体が超音波送受波器１３、１４の方向に乱入しないように金網、パンチングメタルなどからなる超音波透過性の多孔材１７ａ、１７ｂが覆設してある（なお図では上流側の超音波送受波器１３と相対するものを代表して示した）。
【００２５】
また、計測流路体１５の各端部は流体供給路３の導入路９、および、流体流出路５の導出路１１と対向する位置まで延びているもので、したがって、導入路９を介して導入された流体は迂回するごとく流れて計測流路体１５に至り、また計測流路体１５からの流体は迂回するごとく流れて流体流出路５の導出路１１に至ることとなる。
【００２６】
上記流体供給側の迂回流動形態は、流体の偏流などを抑制するのに効果的である。また流体流出側の迂回流動形態は、脈動の生起に起因する流体逆流時の偏流などを抑制するのに効果的である。
【００２７】
超音波送受波器１３、１４間の超音波伝搬時間は計測制御手段１８で計測され（詳細は後述する）、その結果をもとに演算手段１９が流量を演算するものである。これら計測制御手段１８、演算手段１９などはリチウム電池などの電池電源２０で駆動されるようにしてある。
【００２８】
また、前記弁体７の駆動部６、計測制御手段１８、演算手段１９などはＵ字状をなす流路構成材で囲まれた部位に配置してあって、全体的にコンパクトにまとめられている。
【００２９】
ところで、計測流路体１５の短辺側は仕切板２１ａ、２１ｂ、２１ｃを介して複数の層流通路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに分割されている。つまり、層流通路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄでの流体流動は２次元性になるようにしてある。
【００３０】
本実施例にあって、仕切板２１ａ、２１ｂ、２１ｃの枚数は奇数（３枚）であり、したがって、層流通路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは偶数通路（４通路）となっている。
【００３１】
超音波送受波器１３、１４の送受波面の高さ方向中心は、中央の仕切板２１ｂと対向しており、また同送受波面は中央の隣接する２つの層流通路２２ｂ、２２ｃに主に対向している。
【００３２】
上記の構成において、流体の流量計測動作を一応述べれば、先ず、上流側の超音波送受波器１３から流れと順方向で、しかも斜めに横切るごとく超音波を発生する。
【００３３】
この超音波は流体の流れの中を音速で伝搬し、下流側の超音波送受波器１４で検出されて電気信号に変換され、計測制御手段１８の増幅器でその信号を増幅し、比較器で基準信号と比較し超音波信号が受信されたことを検出する。
【００３４】
この比較信号の変化は繰返し手段へ送られて、遅延手段を介して再度トリガ手段で送信する。
【００３５】
この繰り返し回数は回数設定手段で設定された回数で終了する。計時手段は、最初のトリガ信号が送信されたときにタイマをリセットされ、繰り返しが終了したときまでの時間を計測する。
【００３６】
上流から下流への超音波の送信を終了すると、切換手段により送受信の方向が切り換えられる。
【００３７】
下流側の超音波送受波器１４から上流側のの超音波送受波器１３に向けて、すなわち下流から上流に向けて送信が行われ、前述と同様に繰り返して送信が行われその時間が計時される。上流から下流への時間と下流から上流への時間差から、演算手段１９で伝搬時間逆数差などの演算式によって流量が算出される。
【００３８】
弁体７は流体流動に異常があった時とか、地震発生時などに閉じるようにしてある。
【００３９】
ところで、先に述べたように、計測流路体１５は計測部１と別体構成であるところから、同計測流路体１５の加工などが単独でできることとなり、高精度の測定部が簡単に得られるものであり、また仕様の変更などにも的確に対処できることとなる。
【００４０】
計測流路体１５への流体流動形態を述べておく。先ず流入口１０から流体供給路３へ流入してきた流体は、弁座８から導入路９に、さらに計測部１の上流室２に流れ込む。
【００４１】
この上流室２には計測流路体１５の一端が突入状態で位置しているため、上流室２に流れ込んだ流体は迂回するような流れとなって前記計測流路体１５に流動することとなる。
【００４２】
したがって、上流において偏流などがあっても前記迂回によってそれが是正され、結果的に計測流路体１５を流れる流体は安定したものとなり、正確な流速測定を可能とするものである。
【００４３】
先述したように、計測流路体１５は複数の層流通路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに分割され、流体流動が２次元性になるようにしてある。
【００４４】
したがって、各層流通路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄには流体が安定、かつ均等に流動するものであるから、超音波送受波器１３、１４による流速測定は計測流路体１５の全高Ｈにわたって行う必要がなく、中央の隣接する層流通路２２ｂ、２２ｃの高さＢを主体に行えば初期の目的が達成されるものである。
【００４５】
また少なくとも計測対象となる中央の層流通路２２ｂ、２２ｃの各高さＡは境界層領域の範囲内に設定し、計測精度が外的要因によって影響を受けないようにしてある。
【００４６】
一般的には対象流体がガスなどの気体の場合、一仕切板の境界層は１５ｍｍであり、そのため、境界層領域の範囲内にしようとすれば、層流通路２２ｂ、２２ｃの高さは各々３０ｍｍ以内とすればよい。
【００４７】
（実施例２）
図３は計測流路体１５内の流体流動を良好にした例である。
【００４８】
仕切板２１ａ、２１ｂ、２１ｃの長さ、すなわち、層流通路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの長さを超音波送受波器１３、１４の超音波送受領域長さＷに略一致させたものである。
【００４９】
こうすることによって、仕切板２１ａ、２１ｂ、２１ｃの長さ、すなわち、層流通路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの長さは必要最低限にすることができ、その分流体の流動圧損を少なくできることとなる。
【００５０】
（実施例３）
図４は計測流路体１５の両端開口縁を円弧状、あるいは、テーパ形状とするなど乱流防止部２３、２４を形成したもので、計測流路体１５へ流体が流動する際に、円滑に流体を流し、渦などの発生がないようにしたものである。
【００５１】
もちろん、乱流防止部を仕切板２１ａ、２１ｂ、２１ｃの端部に形成すれば、より一層の効果が期待できる。
【００５２】
（実施例４）
図５、６は流体の計測流路体１５の開口に整流手段を設け、その内部への流体流動に工夫を加えた例を示す。
【００５３】
先ず、図５に示すものは、計測流路体１５の開口に金網などの網状部材２５、２６を設けたものである。
【００５４】
この構成によれば、上流側の流れが乱れた状態にあっても、網状部材２５で整流されて、安定した流れ形態で計測流路体１５の層流通路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに流動することになり、計測の高精度化に寄与することとなる。
【００５５】
整流手段として、図６のようにハニカム状の多孔体２７、２８を採用しても同等の作用効果が得られることはいうまでもないであろう。
【００５６】
なお、上記各実施例では逆流時にも計測流路体１５への流体流動が安定する対策を施したが、もし逆流がないものにあっては計測流路体１５の上流側にのみ流体流動安定化対策を施すことも考えられる。
【００５７】
また、前記各実施例では超音波送受波器を計測部に配置したものを示したが、計測流路体側に配置して、一種の計測流路体ユニット体を構成してもよい。
【００５８】
さらに、前記実施例から明らかなように、少なくとも一対の超音波送受波器による流速の計測は計測流路体全体ではなく、一部層流通路を対象に行なえばよいので、各層流通路の断面積を全て同一にする必要はない。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように本発明は、上流側に流体供給路が、下流側に流体流出路がそれぞれ接続された計測部と、前記計測部に内包さた計測流路体と、前記計測流路体を流れる流体の流速を測定する少なくとも１対の超音波送受波器と、この超音波送受波器の出力をもとに計測流路体を流れる流体の量を演算する演算手段とを具備し、前記計測流路体は計測部とは別体の構成とするとともに、内部を複数の層流通路に分割したものであるから、計測流路体を単独で加工し、複数の層流通路を備えた複雑な構成の計測流路部が簡単に、しかも高精度に製作できるものであり、また仕様の変更も簡単にできることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の超音波流量計測装置の縦断面図
【図２】同超音波流量計測装置の横断面図
【図３】本発明の他の実施例を示す超音波流量計測装置の縦断面図
【図４】本発明の他の実施例を示す計測流路体の縦断面図
【図５】本発明の他の実施例を示す超音波流量計測装置の縦断面図
【図６】本発明のさらに他の実施例を示す超音波流量計測装置の縦断面図
【図７】従来の超音波流量計測装置の概略断面図
【符号の説明】
１  計測部
３  流体供給路
５  流体流出路
１３、１４  超音波送受波器
１５  計測流路体
１９  演算手段
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ  仕切板
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ  層流通路
２５  網状部材
２６  多孔体
【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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