(57)【要約】【課題】流量計測範囲の全域にわたり補正係数の変化を小さくして計測精度を高める。【解決手段】被計測流体が流れる計測流路５と、この計測流路５に設置した流速検出手段７と、同じく計測流路５に設置した乱れ促進手段８と、流速検出手段７の出力に基づいて流速などの流動状態を算出する計測制御手段１１を備え、乱れ促進手段８は通過した流体の流れが流速検出手段７において十分発達しない位置に配設して層流域から乱流域にわたり速度分布形状の違いを低減して補正係数の変化を小さくして計測精度を向上する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測対象の流体が流れる計測流路と、前記計測流路に設置した流速検出手段と、前記計測流路に設置した乱れ促進手段と、前記流速検出手段の出力に基づいて流体の流動状態を算出する計測制御手段とを備え、前記乱れ促進手段は、通過した流体の流れが前記流速検出手段において十分発達しない位置に配設した流体計測装置。
【請求項２】
流速検出手段は、計測流路の上流側に配置した上流側送受信器と下流側に配置した下流側送受信器とを信号伝搬路を介して対向配置して構成した請求項１記載の流体計測装置。
【請求項３】
被計測対象の流体が流れる計測流路と、前記計測流路の上流側に配置した上流側送受信器と前記計測流路の下流側に配置した下流側送受信器とを信号伝搬路を介して対向配置して構成した流速検出手段と、前記信号伝搬路内に配置した乱れ促進手段と、前記信号伝搬路内に配置した信号均等化手段と、前記流速検出手段の出力に基づいて流体の流動状態を算出する計測制御手段とを備えた流体計測装置。
【請求項４】
乱れ促進手段と信号均等化手段を兼用化した請求項３記載の流体計測装置。
【請求項５】
乱れ促進手段は計測流路の流れ方向に略直角方向に配置した請求項１または３記載の流体計測装置。
【請求項６】
乱れ促進手段は網状体で構成した請求項１、３、４、５いずれか１項記載の流体計測装置。
【請求項７】
網状体は＃１０〜＃３０のメッシュであって、計測流路の上、下流に配置し、それらメッシュの設置間隔は５〜１５ｍｍとした請求項６に記載の流体計測装置。
【請求項８】
計測流路の流路断面は略矩形とした請求項１〜７いずれか１項記載の流体計測装置。
【請求項９】
流速検出手段を形成する上流側送受信器と下流側送受信器は超音波を送信あるいは受信する超音波送受信器とした請求項２、３いずれか１項記載の流体計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体や液体の流速や流量の計測などの流動状態を計測する流体計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の計測装置として、図１０に示すように流体を一方から他方に流す配管１の中心線を挟んで対向し、かつ中心線に対して所定角度を有する周面に上流側の超音波送受信器２ａと下流側の超音波送受信器２ｂとを対向して設けるとともに、配管１の流体吸入口３に配管１と同一方向の向きに、平行に配列された複数の細管４ａから構成した整流体４を設けたものがある。
【０００３】
そして、配管１を流れる流体の流速を超音波送受信器２ａ、２ｂ間で超音波を送受信して伝搬時間差から計測し、配管１の断面積より流量を算出している。
【０００４】
このとき、配管１に入る流れは、整流体４を構成する細管４ａによりその流れ方向を配管１と同一方向に規制して、計測部での流線の傾きを低減したり渦の発生を抑制して流れの乱れの境界面での超音波の反射や屈折による超音波の受信レベルの変動を低減して測定精度の低下を防止している（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１８９５９１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の構成では、整流体と超音波伝搬路が離れて設置されるとともに、整流体との距離が超音波送受信器２ａ側と超音波送受信器２ｂ側とで大きく異なるため整流体を通過した流れの発達状態に差異を生じて、計測流路に直交する横断面での平均流速と計測流路に斜交する超音波送受信器２ａ、２ｂ間の計測断面での平均流速に違いを生じ、そのため、真の流量を算出するためには計測値に対して流量に応じた補正係数が必要になる。
【０００７】
この補正係数は、速度分布が凸型となる層流から速度分布が比較的に平坦となる乱流に移行する流量域では大きく変化するため、計測断面での流速測定に僅かな誤差があっても補正係数により誤差が拡大されて測定精度が低下するという課題があつた。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するもので、流量計測範囲の全域にわたり補正係数の変化を小さくして計測精度を高めることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、被計測流体が流れる計測流路と、前記計測流路に設置した流速検出手段と、前記計測流路に設置した乱れ促進手段と、前記流速検出手段の出力に基づいて流体の流動状態を算出する計測制御手段とを備え、前記乱れ促進手段は通過した流体の流れが前記流速検出手段において十分発達しない位置に配設した構成としている。
【００１０】
上記発明によれば、流速検出手段は乱れ促進手段を通過し流れが未発達の状態を捉え、速度分布が凸型の層流となる小流量域では乱れ促進手段により速度分布が比較的に平坦となる乱流化した流れ状態で計測し、速度分布が平坦化した乱流となる大流量域では乱れ促進手段によって速度分布を一層平坦化した流れ状態として計測するので、小流量の層流域から大流量の乱流域にわたり速度分布は平坦化がなされて速度分布形状の流量による変化を少なくでき、層流域から乱流域にいたる流量計測範囲の全域にわたり補正係数の変化が小さく平坦化せしめて計測精度を向上できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
前記目的を達成するために本発明の流体計測装置は、被計測流体が流れる計測流路と、前記計測流路に設置した流速検出手段と、前記計測流路に設置した乱れ促進手段と、前記流速検出手段の出力に基づいて流体の流動状態を算出する計測制御手段とを備え、前記乱れ促進手段は通過した流体の流れが前記流速検出手段において十分発達しない位置に配設したものである。
【００１２】
そして、流速検出手段は乱れ促進手段によって速度分布を平坦化した状態の流体を計測するので、層流域から乱流域にいたる流量計測範囲の全域にわたり補正係数の変化が小さく計測精度を向上できる。
【００１３】
流速検出手段として、計測流路の上流側に配置した上流側送受信器と計測流路の下流側に配置した下流側送受信器とを信号伝搬路を介して対向配置して構成し、前記信号伝搬路に乱れ促進手段を設けたものである。
【００１４】
そして、計測流路の横断面方向にわたる計測領域の拡大に加えて信号伝搬路での速度分布の安定化が促進でき、流れ状態の平均計測と計測精度の向上がなされて信頼性を高めた計測ができる。
【００１５】
また、被計測流体が流れる計測流路と、前記計測流路の上流側に配置した上流側送受信器と前記計測流路の下流側に配置した下流側送受信器とを信号伝搬路を介して対向配置して形成した流速検出手段と、前記信号伝搬路内に配置した乱れ促進手段と、前記信号伝搬路内に配置した信号均等化手段と、前記流速検出手段の出力に基づいて流体の流動状態を算出する計測制御手段とを備えたものである。
【００１６】
そして、流速検出手段は乱れ促進手段によって速度分布を平坦化した流体を計測して層流域から乱流域にいたる流量計測範囲の全域にわたり補正係数の変化が小さく、これより計測精度を向上でき、また信号均等化手段により信号伝搬路内の信号の強度分布の均等化を促進したのに加えて計測流路の横断面方向にわたり拡大した領域で流れ状態の計測をするので、信号均等化と拡大領域での流れ状態の計測の相乗作用で計測断面での平均流速の計測精度がより一層向上できる。信号伝搬路内に配置した乱れ促進手段と信号均等化手段とは兼用化して部品点数を削減し、しかも、流れの圧力損失をも低減することができる。
【００１７】
前記乱れ促進手段は計測流路の流れ方向に略直角方向に配置するようにしておく。
【００１８】
これによって、流速検出手段の上流側および下流側の流れの助走長さが計測流路のどの位置でもほぼ均等にし、乱れ促進手段の直前での速度分布を均等化せしめて乱れ促進手段通過後の速度分布の安定化を促進でき、計測精度の信頼性を向上できる。
【００１９】
乱れ促進手段としては網状体が考えられる。網状体の構成とすれば、断面の開口率が高く、厚みも薄く、加えて、強度の高い構成が容易となり、計測流路の横断面の形状によらず断面内に均等に乱れ促進手段を配設でき、また配設のばらつきを小さく安定化できる。また、乱れ促進手段は流れ方向長さを短くできるので流れの圧力損失を低減でき、断面内に均等に配設することで流れの変動を緩和した流れとすることで計測精度を向上できる。
【００２０】
網状体は＃１０〜＃３０のメッシュであり、設置間隔は５〜１５ｍｍとしたものである。そして、平坦な速度分布により計測精度が向上でき、コンパクトな計測流路が可能となり小型化でき、流れの圧力損失を小さくできる。
【００２１】
計測流路の流路断面は略矩形とする。これによれば、流路断面高さは断面位置によらずほぼ一定なので速度分布の均等化が促進でき平均流速の計測精度を向上できる。また、流速検出手段に信号伝搬路を有する場合では、信号伝搬路内での信号の強度分布の均等化が促進でき平均流速の計測精度を向上できる。
【００２２】
そして、流速検出手段を形成する上流側送受信器と下流側送受信器は、超音波を送信あるいは受信する超音波送受信器としたものである。
【００２３】
このように、超音波を伝搬させることにより計測流路の流動方向にわたり計測領域を拡大するだけでなく、流れ方向と直交する方向にも計測領域を広めて面状の領域で平均流速を計測することにより、計測精度および信頼性を高めた計測ができる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００２５】
（実施例１）
図１において、５は流路壁６に囲まれた計測流路であり、７はこの計測流路５に設けた流速検出手段である。
【００２６】
この流速検出手段７は計測流路５内の特定の箇所の流速を検出するもので、熱フローセンサなどからなる。
【００２７】
８は計測流路５に設置した乱れ促進手段であり、計測流路５の流れ方向に略直角方向に配置している。
【００２８】
前記乱れ促進手段８は流速検出手段７の上流側の乱れ促進手段８ａと流速検出手段７の下流側の乱れ促進手段８ｂとを設けることで順方向の流れおよび逆方向の流れのいずれにも対応できる。
【００２９】
また流速検出手段７と乱れ促進手段８の流れ方向の設置距離は、流速検出手段７部において乱れ促進手段８を通過した流れが十分発達しない状態となるように短い距離に設定するもので、計測範囲の最少値を小さく設定するほど短い距離となる。
【００３０】
なお、この乱れ促進手段８は計測流路５の断面内に櫛刃などのように柱状に突出させた突起体（図示せず）、メッシュやガーゼなどの網状体、パンチング板やエッチング板などの微細多孔板、繊維状のものを絡めた不織布などが使用できる。
【００３１】
９は計測流路５の上流側に設け被計測流体の計測流路５への入口となる導入部、１０は計測流路５の下流側に設け被計測流体の計測流路５からの出口となる導出部である。
【００３２】
ここで、計測流路５は流れ（図中矢印は順方向流れ示す）に直交する断面は矩形あるいは略矩形で構成し、矩形断面の短手方向を高さＨとし、長手方向を幅Ｗ（図示せず）としている。
【００３３】
１１は計測制御手段であり、流速検出手段７に接続され流速検出手段７を所定の時間間隔で計測動作をさせる計測制御部１２と、この計測制御部１２からの信号を基に流速を計算し流量を算出する流量演算部１３と、計測した流量値を基に補正係数を加味して計測流路５での実際の流量を算出する流量補正部１４を備えている。
【００３４】
１５は流量演算部１３に入る計測制御部１２からの流速信号を基に計測流路５を流れる流体に脈動などの変動が有るか否かを判定する流動状態判定部であり、流動状態判定部１５で変動が有ると判定した場合は計測制御部１２に信号を送り、流速検出手段７による計測間隔を変動の無い定常流れ時に対して同等以下にする。
【００３５】
１６は計測時間設定部であり、流動状態判定部１５で変動が有ると判定した場合に変動周期に応じた計測時間にわたり計測動作させるように信号を送る。
【００３６】
次に、作用・動作について説明する。導入部９から計測流路５に流入した被計測流体は、上流側に設けられた乱れ促進手段８ａにより計測流路５の高さＨ方向の速度分布が平坦な形状となって流速検出手段７部を流れる。
【００３７】
ここで、乱れ促進手段８は計測流路５の流れ方向に対して略直角方向に配置しているので、流速検出手段７の上流側および下流側の流れの助走長さを計測流路のどの位置でもほぼ均等化でき、速度分布の安定化が促進されている。
【００３８】
計測流路５での速度分布形状は流速によって変化するが、計測流路５の流れが層流域あるいは層流から乱流に変わりつつある遷移域では、図１のように計測流路５に流入時は速度分布Ａで示すように壁面から遠ざかるにつれて順次速度が大きくなる放物線状の凸型であり最大流速の発生位置は高さ方向Ｈの中央付近にある。
【００３９】
この速度分布Ａで示す凸型の流れは乱れ促進手段８ａを通過することにより、速度分布Ｂで示す壁面から遠ざかっても流速があまり変わらず平坦な分布を示す乱流状態の速度分布となって流速検出手段７部を通過する。
【００４０】
乱れ促進手段８ａと流速検出手段７の流れ方向の距離は速度分布Ｂの形状となつた流れが十分発達して速度分布Ａの形状に戻るまでの長さよりも十分短く設定することにより、速度分布Ｂの形状のままで流速検出手段７部を通過させることができる。
【００４１】
流体の流れは流速が遅くなるほど短い助走距離で十分発達するため、乱れ促進手段８と流速検出手段７間の設置距離は流速あるいは流量の計測範囲の最少値が小さくなるほど短くする必要があり、乱れ促進手段８として＃１０〜＃３０（数字は１インチあたりの線数）程度のメッシュとした場合で流速が０．１ｍ／ｓ程度で５〜１５ｍｍ程度の設置距離が有効であることを実験で確かめた。
【００４２】
メッシュ粗さとしてはさらに細かい＃７０〜＃５００でも有効であるが、流れの圧力損失が大きくなるため、許容できる圧力損失が大きい場合に利用できるという制約が発生する。
【００４３】
なお、計測可能な流速の下限値をさらに小さくする場合はこの設置距離をさらに短くすることが有効である。
【００４４】
これに対して計測流路５を流れる流量が多くなり乱流域になると、図２の速度分布Ｃで示すように高さ方向の速度変化は少なくなり比較的平坦な高原状となる。
【００４５】
この速度分布Ｃで示す比較的平坦な高原状の流れは乱れ促進手段８ａを通過することにより、壁面から遠ざかっても流速があまり変わらずより一層平坦な分布を示す乱流状態の速度分布Ｄとなって流速検出手段７部を通過する。
【００４６】
次に、検出した流速から流量を求める時の補正係数の流量変化特性について説明する。
【００４７】
図３は流れ促進手段８が無い場合を示したもので、乱流域では比較的平坦な高原状の速度分布のため平均値に近い計測値が得られて補正係数は１に近い値となる。
【００４８】
これに対して、層流域あるいは遷移域では放物線状の凸型であり、速度分布の速い所を計測すると補正係数は乱流域に比べてかなり小さい値となる。
【００４９】
従って、図３に示すように層流域から乱流域に移行する遷移域において補正係数が大きく変化し、計測流量に誤差ΔＱｍの発生により補正係数がΔＫ１と大きく変わることにより誤差が拡大される。
【００５０】
この誤差は、流体の温度変化あるいは流体の組成割合の変化などにより物性値（例えば動粘性係数など）が変わってレイノルズ数が変わり、同じ流速でも流れ状態が異なることにより発生したりする。特に、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）等の流量を計測する場合では、季節あるいは地域の違いによるガス組成の変化が考えられる場合は考慮する必要がある。
【００５１】
これに対して、図４に示すように計測流路５に流れ促進手段８を設置した場合は、高さ方向の速度分布が凸型となる層流域あるいは遷移域では乱れ促進手段８を通過して平坦な速度分布とした領域を計測することにより補正係数を大きくし、高さ方向の速度分布が比較的に平坦となる乱流域では乱れ促進手段８を通過して一層平坦化した速度分布の領域を計測することで１に近い従来とあまり変わらない補正係数とする。
【００５２】
このため、層流域と乱流域との補正係数の差を少なくでき、補正係数の平坦化がなされる。
【００５３】
その結果、計測流量に誤差ΔＱｍを生じても補正係数の変化はΔＫ２（Ｋ２＜Ｋ１）と十分小さくでき、計測精度を高めた計測ができる。
【００５４】
温度変化あるいは流体の組成変化が有る場合は補正係数の平坦化は有効であり、特に組成変化および温度変化が考えられる都市ガス、ＬＰＧなどの燃料ガスの流量を計測する場合はより一層精度を高めた計測が実現できる。
【００５５】
さらに、流体計測装置の組立時に流速検出手段７の取付け位置に多少の誤差やばらつきが発生しても、速度分布が平坦化されているため測定値の誤差が低減でき、信頼性や生産性を向上できる。
【００５６】
また、計測流路５の流れ方向に略直角方向に配置した乱れ促進手段８により、流速検出手段７の上流側および下流側の流れの助走長さは計測流路５のどの位置でもほぼ均等にし、乱れ促進手段８の直前での速度分布を均等化せしめて乱れ促進手段８通過後の速度分布の安定化を促進でき、計測精度の信頼性を向上できる。
【００５７】
また、乱れ促進手段８はメッシュ状の網目構造体とすることで、断面の開口率が高く厚みが薄く強度の高い構成が容易となり、計測流路５の横断面の形状に寄らず断面内に均等に乱れ促進手段８を配設でき、また配設のばらつきを小さく安定化できるので生産性および信頼性を向上できる。
【００５８】
さらに、乱れ促進手段８は流れ方向長さを短くできるので流れの圧力損失を低減でき、断面内に均等に配設することで流れの変動を緩和した流れとすることで計測精度を向上できる。
【００５９】
また、計測流路５の流路断面は幅Ｗ、高さＨで示した略矩形とすることで、流路断面高さは断面位置によらずほぼ一定なので速度分布の均等化が促進でき平均流速の計測精度を向上できる。
【００６０】
このように、乱れ促進手段８は通過した流体が流速検出手段７において十分発達しない位置に配設しているので、流速検出手段７は乱れ促進手段８によって速度分布を平坦化した状態とした流体を計測でき、層流域から乱流域にいたる流量計測範囲の全域にわたり補正係数の変化が小さく平坦化せしめて計測精度を向上できる。
【００６１】
また、乱れ促進手段８は計測流路５の流れ方向に略直角方向に配置したもので、流速検出手段７の上流側および下流側の流れの助走長さは計測流路５のどの位置でもほぼ均等にし、乱れ促進手段８の直前での速度分布を均等化せしめて乱れ促進手段８通過後の速度分布の安定化を促進でき、計測精度の信頼性を向上できる。
【００６２】
また、乱れ促進手段８はメッシュ状の網目構造体としたもので、断面の開口率が高く厚みが薄く強度の高い構成が容易となり、計測流路５の横断面の形状に寄らず断面内に均等に乱れ促進手段８を配設でき、また配設のばらつきを小さく安定化できるので生産性および信頼性を向上できる。
【００６３】
さらに、乱れ促進手段８は流れ方向長さを短くできるので流れの圧力損失を低減でき、断面内に均等に配設することで流れの変動を緩和した流れとすることで計測精度を向上できる。
【００６４】
また、計測流路５の流路断面は幅Ｗ、高さＨで示した略矩形とすることで、流路断面高さは断面位置によらずほぼ一定なので速度分布の均等化が促進でき平均流速の計測精度を向上できる。
【００６５】
なお、以上では流速検出手段７を１箇所設置する例を示したが、流速検出手段７を複数設置することで計測精度を向上できるのは言うまでもない。また、乱れ促進手段８は流速検出手段７の上流側あるいは下流側にそれぞれ１箇所に設ける例を示したが、上流側あるいは下流側に複数箇所に設けることで速度分布の平坦化が促進されるのは言うまでもない。
【００６６】
（実施例２）
図５および図６において、図１〜図４の実施例と同一部材、同一機能は同一符号を付し詳細な説明は省略し、異なるところを中心に説明する。
【００６７】
図５において、流速検出手段として、互いに対向するように流路壁６に取付けた上流側送受信器７ａおよび下流側送受信器７ｂを設けている。
【００６８】
この上流側送受信器７ａと下流側送受信器７ｂは計測流路５の幅Ｗ方向を横切るように距離Ｌを隔てるとともに計測流路５の流体の流動方向に対して角度θ傾けて設置されている。
【００６９】
また、図６のように上流側送受信器７ａと下流側送受信器７ｂの中心軸は計測流路５の高さＨ方向の壁面から一定の距離Ｌｈ離して設置している。
【００７０】
なお、この上流側送受信器７ａと下流側送受信器７ｂの中心軸は送受信特性の中心であり、外形上の中心と一致する場合も一致しない場合もある。
【００７１】
１７、１８は上流側送受信器７ａと下流側送受信器７ｂを計測流路５に臨ませる上流側および下流側の開口穴である。
【００７２】
１９は対向する上流側送受信器７ａと下流側送受信器７ｂ間で送信された信号が直接相手側に伝搬する信号伝搬路（二点鎖線で領域を示す）である。
【００７３】
２０は開口穴１７、１８への流体の流れ込みを低減する流入抑制体である。この流入抑制体２０は流路壁６と面一に設けるとともに上流側送受信器７ａと下流側送受信器７ｂから発せられた信号は通過できる特性を有し、計測流路５内の信号伝搬路１９の長さＬｄは上流側および下流側の流入抑制体２０で区切られて寸法が明確になっている。
【００７４】
乱れ促進手段８は信号伝搬路１９内にも配置され、計測流路５の流れ方向に間隔を設けて設置している。実施例１で説明したが、流体の流れは流速が遅くなるほど短い助走距離で十分発達するので、乱れ促進手段８と次の乱れ促進手段８との間隔は流速あるいは流量の計測範囲の最少値が小さくなるほど短くする必要があり、乱れ促進手段８として＃１０〜＃３０（数字は１インチあたりの線数）程度のメッシュとした場合で流速が０．１ｍ／ｓ程度で、乱れ促進手段８から次の乱れ促進手段８までの設置間隔は５〜１５ｍｍ程度の距離が有効であることを実験で確かめた。
【００７５】
メッシュ粗さとしてはさらに細かい＃７０〜＃５００でも有効であるが、流れの圧力損失が大きくなるため、許容できる圧力損失が大きい場合に利用できるという制約が発生する。なお、計測可能な流速の下限値をさらに小さくする場合はこの設置距離をさらに短くすることが有効である。
【００７６】
次に、この流体計測装置の動作について説明する。導入部９から計測流路５に流入した被計測流体は、乱れ促進手段８により計測流路５の速度分布が平坦な形状となり、流れ方向に順次設置された乱れ促進手段８を通過することで平坦な速度分布を維持した状態で信号伝搬路１９を通過する。
【００７７】
乱れ促進手段８の流れ方向の設置間隔は、より短い助走距離で流れが発達する流速の遅い層流域で流れが十分発達しないように短い距離で設定するので、流速が大きくなる乱流域では乱れ促進手段８の設置間隔は十分短くなり平坦な安定した速度分布が維持される。
【００７８】
従って、計測流路５の流れが層流域から乱流域にわたって、乱れ促進手段８を順次通過させることで信号伝搬路１９内での速度分布をほぼ一定に保つので、計測流路の横断面方向にわたる計測領域の拡大に加えて信号伝搬路１９での速度分布の安定化が促進でき、流れ状態の平均計測と計測精度の向上がなされて信頼性を高めた計測ができる。
【００７９】
また、乱れ促進手段８として＃１０〜＃３０（数字は１インチあたりの線数）程度のメッシュとし、乱れ促進手段８間の設置間隔は５〜１５ｍｍ程度とすることで、平坦な速度分布により計測精度が向上でき、コンパクトな計測流路５が可能となり小型化でき、流れの圧力損失を小さくできる。
次に、流速検出手段７を形成する上流側送受信器７ａと下流側送受信器７ｂは超音波を送信あるいは受信する超音波送受信器７ａ、７ｂとした場合の計測動作を説明する。
【００８０】
計測流路５では、計測制御部１２の作用により超音波送受信器７ａ、７ｂ間で計測流路５の流路断面の幅Ｗを横切るようにして超音波の送受が行われる。
【００８１】
すなわち、上流側の超音波送受信器７ａから発せられた超音波が下流側の超音波送受信器７ｂで受信されるまでの伝搬時間Ｔ１を計測する。また一方、下流側の超音波送受信器７ｂから発せられた超音波が上流側の超音波送受信器７ａで受信されるまでの伝搬時間Ｔ２を計測する。
【００８２】
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部１３で流量が算出される。今、計測流路５の流動方向の被計測流体の流速Ｖと信号伝搬路１９とのなす角度をθとし、超音波送受信器７ａ、７ｂ間の距離をＬ、被測定流体の音速をＣとすると、流速Ｖは以下の式にて算出される。
【００８３】
Ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖcosθ）
Ｔ２＝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
Ｖ＝（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。
【００８４】
この流速Ｖと計測流路５の流れ方向に直交する横断面積Ｓより、流量Ｑは
Ｑ＝ＫＶＳ
ここで、Ｋは横断面積Ｓにおける速度分布を考慮した補正係数であり、流量補正部１４において流路形状に適した値で真の断面平均流量を求めることができる。
【００８５】
この超音波方式により流速を計測する場合、図７のように外寸Ｄの大きさとなる送受信面２１から送信した超音波は幅Ｗ方向だけでなく高さＨ方向にも幅を持って伝搬し、超音波が伝搬する広い領域の計測流路部の平均流速を計測するので、計測精度および信頼性を向上できる。
【００８６】
また、計測可能な最小流速値を小さくするには被計測流体の流れ方向と信号伝搬路１９とのなす角度θを小さくして流れ方向速度ベクトルを大きくすることが有効であり、この場合信号伝搬路１９の計測流路５内の長さＬｄが長くなる。
【００８７】
このように検出可能な最小流速値を小さくするために、長くなった信号伝搬路１９に対して乱れ促進手段８を順次増設することにより、信号伝搬路１９内での速度分布をほぼ一定に保って信頼性の高い計測をすることが可能となり、信号伝搬路１９の角度θを小さくして検出感度を高めて微小流速の計測精度を向上できる。
【００８８】
また、計測流路５の流路断面は幅Ｗ、高さＨで示した略矩形とすることで、流路断面高さは断面位置によらずほぼ一定なので速度分布の均等化が促進でき平均流速の計測精度を向上できるだけでなく、信号伝搬路１９に超音波を伝搬させる場合では、信号伝搬路１９内高さ方向の信号の強度分布を均等化促進して平均流速の計測精度を向上できる。
【００８９】
また、乱れ促進手段８として円形断面の線材を編んでメッシュ状の構造体とすることで、信号伝搬路１９の角度θによらず伝搬する信号である超音波を安定して通過し伝搬させることができ、計測の信頼性を向上できる。
【００９０】
なお、信号伝搬路を設ける構成における送受信器として超音波を送受信する例を示したが、レーザ光やマイクロ波などを送信する方式も可能である。
【００９１】
このように、流速検出手段７は計測流路５の上流側に配置した上流側送受信器７ａと計測流路５の下流側に配置した下流側送受信器７ｂとを信号伝搬路１９を介して対向配置して形成し、信号伝搬路１９に乱れ促進手段８を設けたことにより、計測流路５の横断面方向にわたる計測領域の拡大に加えて信号伝搬路１９での速度分布の安定化が促進でき、流れ状態の平均計測と計測精度の向上がなされて信頼性を高めた計測ができる。
【００９２】
また、流速検出手段７を形成する上流側送受信器７ａと下流側送受信器７ｂは超音波を送信あるいは受信する超音波送受信器としたものである。
【００９３】
そして、超音波を伝搬させることにより計測流路５の流動方向にわたり計測領域を拡大するだけでなく、流れ方向と直交する方向にも計測領域を広めて面状の領域で平均流速を計測することにより、計測精度および信頼性を高めた計測ができる。
【００９４】
また、計測流路の流路断面は略矩形としているので、信号伝搬路１９内での信号の強度分布の均等化が促進でき平均流速の計測精度を向上できる。
【００９５】
（実施例３）
図８において、図１〜図７の実施例と同一部材、同一機能は同一符号を付し詳細な説明は省略し、異なるところを中心に説明する。図８において、２２は信号伝搬路１９に設けた信号均等化手段であり、上流側送受信器７ａあるいは下流側送受信器７ｂから発信された伝搬信号（例えば超音波）が信号伝搬路１９を伝搬する時に、信号伝搬路１９内での信号の強度分布の均等性が改善されて伝搬するようにしている。
【００９６】
伝搬信号として超音波を用い、信号均等化手段２２としてメッシュを用いた場合では、メッシュの開口寸法は超音波の伝播方向から見て超音波の波長以下とし、メッシュの素線径は超音波の波長の１／２以下とすることにより超音波の伝搬損失を低減し超音波の強度分布均等化の促進が期待できる。例えば＃２０〜＃３００程度の細かさのメッシュが利用できる。
【００９７】
次に、この流体計測装置の動作について説明する。計測流路５を流れる流体は乱れ促進手段８を通過することで速度分布を平坦化されて信号伝搬路１９を流れ、この速度分布が平坦化された流れに対して流速検出手段７を形成する上流側送受信器７ａあるいは下流側送受信器７ｂから発信された伝搬信号（例えば超音波）を他方の下流側送受信器７ｂあるいは上流側送受信器７ａで受信する。ここで、信号伝搬路１９を伝搬する伝搬信号（例えば超音波）は信号均等化手段２２を通過することにより信号の強度分布の均等化が促進される。
【００９８】
このため、流速検出手段７は速度分布を平坦化した流体を計測して層流域から乱流域にいたる流量計測範囲の全域にわたり補正係数の変化が小さく平坦化せしめて計測精度を向上でき、信号均等化手段２２により信号伝搬路１９内の信号の強度分布の均等化を促進したのに加えて計測流路５の横断面方向にわたり拡大した領域で流れ状態の計測をすることで信号均等化と計測領域拡大の相乗作用で計測断面での平均流速の計測精度がより一層向上できる。
【００９９】
また、計測流路５の流路断面は略矩形とすることにより、信号伝搬路１９で断面の高さ方向の寸法がほぼ一定となり、信号均等化手段２２による信号伝搬路１９内での信号の強度分布の均等化が一層促進でき平均流速の計測精度を向上できる。
【０１００】
図９は他の実施例を示したもので、信号均等化手段２２は計測流路５の横断面全域にわたり配置したもので、信号均等化手段２２は信号伝搬路１９内に配置した乱れ促進手段８として流れの乱れ促進と伝搬信号の均等化促進の両機能を兼用化して一体化している。
【０１０１】
このため、同一の部材が乱れ促進手段８と信号均等化手段２２の両方の作用を発揮するので部品点数が削減でき、流れの圧力損失が低減できるとともにコスト低減の促進と生産性の向上ができる。
【０１０２】
このように、被計測流体が流れる計測流路と、前記計測流路の上流側に配置した上流側送受信器と前記計測流路の下流側に配置した下流側送受信器とを信号伝搬路を介して対向配置して形成した流速検出手段と、前記信号伝搬路内に配置した乱れ促進手段と、前記信号伝搬路内に配置した信号均等化手段と、前記流速検出手段の出力に基づいて流速などの流動状態を算出する計測制御手段を備えているので、流速検出手段は乱れ促進手段によって速度分布を平坦化した流体を計測して層流域から乱流域にいたる流量計測範囲の全域にわたり補正係数の変化が小さく平坦化せしめて計測精度を向上でき、また信号均等化手段により信号伝搬路内の信号の強度分布の均等化を促進したのに加えて計測流路の横断面方向にわたり拡大した領域で流れ状態の計測をするので、信号均等化と拡大領域での流れ状態の計測の相乗作用で計測断面での平均流速の計測精度がより一層向上できる。
【０１０３】
また、信号伝搬路内に配置した乱れ促進手段と信号均等化手段を兼用化しているので、同一の部材が乱れ促進手段と信号均等化手段の両方の作用を発揮して部品点数が削減でき、流れの圧力損失が低減できるとともにコスト低減の促進と生産性の向上ができる。
【０１０４】
なお、乱れ促進体８あるいは信号均等化手段２２は直線状の形状とした場合を示したが、曲線状やジグザグ状の形状として流れの圧力損失の低減、速度分布の改善、伝搬信号の分布改善などが可能なのは言うまでもなく、また乱れ促進手段８を流速検出手段７の上流側から下流側にわたって配設することにより、順方向流れだけでなく逆方向流れに対しても精度を高めた計測ができる。
【０１０５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明の流体計測装置によれば、流量計測範囲の全域にわたり補正係数の変化を小さくして計測精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の流体計測装置の断面図
【図２】図１における乱流域の流体計測装置の断面図
【図３】実施例１における乱れ促進手段がない場合の流量係数特性図
【図４】実施例１における流量係数特性図
【図５】本発明の実施例２の流体計測装置の断面図
【図６】図５における流体計測装置の縦断面図
【図７】本発明の実施例２おける超音波送受信器の超音波伝搬状態図
【図８】本発明の実施例３の流体計測装置の断面図
【図９】本発明の他の実施例を示す流体計測装置の断面図
【図１０】従来の流体計測装置の構成図
【符号の説明】
５  計測流路
７  流速検出手段
７ａ  上流側送受信器、超音波送受信器
７ｂ  下流側送受信器、超音波送受信器
８  乱れ促進手段
１１  計測制御手段
１９  信号伝搬路
２２  信号均等化手段
【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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