(57)【要約】【課題】超音波を利用して空気、ガス、水などの流体の流量を計測する超音波式流量計において、高精度な計測とともに、コンパクトな設計を可能としたものである。【解決手段】矩形の流路２の短辺側を仕切り板１１によりより分割して多層の計測流路１２を構成し、この計測流路１２の同一壁面に少なくとも一対の超音波振動子１３、１４を設けて、超音波を他方の面で反射させてこの反射波を受信することで、同じ流路幅でも超音波伝搬距離が長くなるとともに、同一方向側に超音波振動子１３、１４が取り付けられるため、スペース効率と良好な測定精度を実現できる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対向して短辺および長辺を有する矩形の流路と、この矩形の流路の短辺側を複数の仕切り板で分割して形成した計測流路と、この計測流路の同一短辺側に設けられ、超音波を対向面で反射させて前記計測流路内を伝搬させる少なくとも一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計測制御手段と、前記計測制御手段からの信号に基づいて流量を算出する演算手段とを備えてなる超音波流量計測装置。
【請求項２】
計測流路内での超音波振動子間の超音波伝搬経路がＶ型形状をなす請求項１記載の超音波流量計測装置。
【請求項３】
計測流路内での超音波振動子間の超音波伝搬経路がＷ型形状をなす請求項１記載の超音波流量計測装置。
【請求項４】
計測流路の側壁面の材質が超音波振動子取り付け側と超音波反射側とで異なる請求項２記載の超音波流量計測装置。
【請求項５】
超音波の反射する壁面に超音波反射部材を設けた請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波流量計測装置。
【請求項６】
計測流路の内部は仕切り板を介して均等高さになるように仕切られた請求項１〜５のいずれか１項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、超音波により気体や液体の流量や流速の計測を行う超音波流量計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の超音波式流量計は、図６および図７に示すように、仕切り板５１により区切られた層状の流路５２を有する流量測定部５３と、前記流量測定部５３を挟んで配置された第一の超音波振動子５４および第二の超音波振動子５５と、前記超音波振動子５の信号を基に流量を算出する流量演算部から構成されているものが知られている。
【０００３】
ここで、５６は上流側接続部、５７は下流側接続部、５８は上流側接続部５６に接続された入口部、５９は下流側接続部５７に接続された出口部である。
【０００４】
上記構成において、層状の流路５２において二次元性流れを発生させて、精度の高い流量計測を実現しようとしていたものである（例えば、特許文献１参照）。
【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技術では、超音波振動子が計測流路を挟んで対向壁面に設けられているため設置スペースを大きくとる必要があった。設置スペースに制限が有る場合は、超音波振動子の取り付け角や流路の幅において充分な大きさがとれず超音波の伝搬距離も最適にできない場合もあり、測定性能を妥協して設計せざるをえない状況も想定される。
【０００７】
本発明はこのような従来の課題を解決するもので、設計の自由度を高めるとともに、装置のコンパクト化を促進することを目的とする。
【０００８】
【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に、相対向して短辺および長辺を有する矩形の流路と、この矩形の流路の短辺側を複数の仕切り板で分割して形成した計測流路と、この計測流路の同一短辺側に設けられ、超音波を対向面で反射させて前記計測流路内を伝搬させる少なくとも一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計測制御手段と、前記計測制御手段からの信号に基づいて流量を算出する演算手段とを備えたもので、これにより、流路および超音波振動子の設計自由度が増え、同じ流路幅でも超音波伝搬距離が長くなるとともに、同一方向に超音波振動子を取り付けられるので、コンパクトな設計が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、相対向して短辺および長辺を有する矩形の流路と、この矩形の流路の短辺側を複数の仕切り板で分割して形成した計測流路と、この計測流路の同一短辺側に設けられ、超音波を対向面で反射させて前記計測流路内を伝搬させる少なくとも一対の超音波振動子と、前記超音波振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計測制御手段と、前記計測制御手段からの信号に基づいて流量を算出する演算手段とを備えたものであり、流路および超音波振動子の設計自由度を高め、同じ流路幅でも超音波伝搬距離を長くするとともに、同一方向に超音波振動子の取り付けができるようにしたことでコンパクトな設計が可能となる。
【００１０】
計測流路内での超音波振動子間の超音波伝搬経路としては、Ｖ型形状、或いはＷ型形状が考えられる。
【００１１】
計測流路の側壁面の材質として、超音波振動子取り付け側と超音波反射側とで異なるようにしておけば、例えば、超音波振動子取り付け面では超音波が反射しにくい材質とすることで、超音波振動子間で反射しないで直接送受信さられる超音波の振動を減らすことができ、ノイズの少ない安定した受信信号を得られ測定精度が向上する。
【００１２】
また、超音波の反射する壁面に超音波反射部材を設けておけば、減衰が少なく、より散乱の少ない反射が可能で、受信波形が安定し、より精密な測定を可能とできる。
【００１３】
計測流路内部の分割された各層が均等高さになるように仕切り板により仕切ることが好ましい。こうすれば、各層に流れる流体量が均等になるため、センサの取り付け誤差などにより超音波の伝搬路がばらついたとしても計測誤差が生じ難くなり測定精度の確保が容易となる。
【００１４】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明をする。
【００１５】
図１、２において、ガスなどの被計測流体は、導入路１から流路２に流れ、導出路３からガス消費機器へ至るようにしてある。
【００１６】
前記導入路１、流路２、導出路３は全体的なコンパクト化を図るために直角状に接続されて略Ｕ字状をなしており、また少なくとも流路２は、それぞれ対向する短辺および長辺を有する矩形状に設定してある。
【００１７】
先の導入路１は、入口４から流路２に至る途中に弁体５で開閉される弁座６を有するものである。
【００１８】
前記弁体５は電磁装置、或いは、ステッピングモータなどからなる駆動体７に連係しており、例えばある震度以上の地震が発生した場合などに、弁座６を閉じるように駆動体７が弁体５を動作するものである。
【００１９】
もちろん、駆動体７は導入路１、流路２、導出路３がなす略Ｕ字状空間内に位置し、装置のコンパクト化を阻害しないようにしている。
【００２０】
導入路１と導出路３とは流路２に対してその端部から所定長さ余裕をおいた流入室８および流出室９に接続されており、したがって、導入流体は一旦迂回するようにして流路２に至り、また流路２からの流体も一旦迂回して導出路３に流動し、その出口１０から流出するようになっている。
【００２１】
迂回流を生じさせる理由は、通常の流れ、または逆流発生時に流体を可及的に整流して流路２に至らせるところにある。
【００２２】
流路２の主要長さ部分には、その短辺側を複数の仕切り板１１で分割した計測流路１２が形成してある。本実施例では４層に、かつ均等に分割され、流体が二次元性流れとなって流動するようにしてある。
【００２３】
そして、計測流路１２の一方の短辺壁部には少なくとも一対の超音波振動子１３、１４が流体の流れ方向に所定間隔をおいて配置されてある。
【００２４】
前記超音波振動子１３、１４は、一方より送信された超音波が対向壁に反射して他方に受信されるようにしてあり、つまり、超音波伝搬経路がＶ型形状をなすように設定してある。
【００２５】
さらに述べると、計測制御手段１５が超音波振動子１３、１４間で交互に超音波を送受信させて、流体の流れに対して順方向と逆方向の超音波伝搬時間の差を一定間隔おいて計り、伝搬時間差信号として出力するようにしている。
【００２６】
計測制御手段１５からの伝搬時間差信号は演算手段１６に入力されて伝搬時間差信号から流量を演算するようにしている。
【００２７】
先の超音波伝搬経路は、前記分割された計測流路１２の主に中央の２つに設定されている。
【００２８】
また計測制御手段１５、演算手段１６などにはリチウム電池などで構成される電源手段１７が接続されている。
【００２９】
もちろん、これら計測制御手段１５、演算手段１６、電源手段１７も導入路１、流路２、導出路３がなす略Ｕ字状空間内に位置されているもので、装置のコンパクト化を推進するようにしている。
【００３０】
前記超音波振動子１３、１４は計測流路１２の短辺側路壁に形成した設置室１８、１９に収められており、それぞれの設置室１８、１９の通路側開放部には、流体流れを円滑にするための多孔材２０、２１が設けられているものである。多孔材２０、２１はスクリーン、パンチングメタルなどから構成される。
【００３１】
以上のように構成された超音波流量計測装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００３２】
先ず、計測対象の流体は、外部配管を経由して導入路１の流入口４から流入する。さらに弁体５が開位置にあるため、弁座６を通り流路２の上流室８に流動する。上流室８の流体は一旦迂回する形態をとりつつ計測流路１２に流れるものである。
【００３３】
計測流路１２は仕切り板１１により分割されているところから、流体は二次元性の流れとなり、その後下流室９に流れ込んで、ここでも一旦迂回する形態をとりつつ導出路３に至り、その出口１０を経由して図示しない外部機器などへ送給される。
【００３４】
次に、計測流路１２に設けた一対の超音波振動子１４、１５の一方から送信された超音波は対向壁面で反射し、他方で受信される。そして、超音波が計測通路１２内を流れる過程で被計測流体の流速の影響を受けて、流れと順方向に伝搬する時は早く、流れと逆方向に伝搬する時は遅く受信される。
【００３５】
この超音波の送受信による時間差を計測制御手段１５で計測してその結果を演算手段１６に出力する。
【００３６】
演算手段１６は上記計測制御手段１５からの信号と、内部に記憶している計測流路の断面積と、機器固有の係数とを演算してそのときの流量を演算する。
【００３７】
この計測を行う際、超音波振動子１３、１４から送受信される超音波は、流体が通過する部分全体を伝搬しないと正確な流量計測ができない。
【００３８】
本実施例の超音波流量計測装置では、計測流路１２を多層化することにより、一層当たりの流路高さを低くし、超音波が流体通過部分全体を伝搬しやすくしている。
【００３９】
さらには、超音波伝搬経路に反射部を設けることで、超音波振動子１３、１４を同一側壁面に設けることができ、また超音波振動子が流路部を挟んで対向して取り付けるのに比較して超音波伝搬経路長さが長く取れるため、超音波振動子１３、１４の取り付け角度や流路幅の大きさの自由度が増し、スペース性に優れた流量計測装置とすることが可能である。
【００４０】
なお、図３に示すように超音波振動子１３、１４の取り付け側の流路壁面を超音波吸収部材２２（例えば表面に微細な多孔を有する樹脂）で構成することにより、送信側の超音波振動子より発信された超音波の成分が直接壁面及び壁面近傍を伝って反射することがなく、正規の超音波以外のものが受信されることを抑制できるものである。
【００４１】
したがって、計測流路１２内の伝搬路を通った反射波を主に受けるためノイズの少ない信号を受信でき、測定精度を向上させることができる。
【００４２】
また、図４に示すように超音波伝搬路における超音波の反射面に音波の反射率の高い材質、例えば鏡面仕上げされた金属板からなる超音波反射部材２３を設けることで、超音波の反射時における減衰や散乱が減り、超音波の伝搬を効率良く行うことが可能となり、受信波におけるノイズ成分が減りより一層精度の良い測定ができる。
【００４３】
さらに、前記実施例では、超音波伝搬経路における反射を１回としたＶ型伝搬経路に関して説明したが、伝搬経路に関しては図５に示すように対向壁面で２回反射するＷ型伝搬経路でも同様の効果があり使用可能である。
【００４４】
この実施例でも、超音波の反射面に超音波反射部材２３を設けてもよいことは今更いうまでもないことであろう。
【００４５】
また前記実施例においては、流路の仕切り板による分割を４層としているが、均等に分割するのであれば、何層でも可能である。ただし一層当たりの高さ（図１におけるＡ寸法）は、境界層の影響を考慮して３ｍｍ以下が効果的である。
【００４６】
以上のように前記実施例においては、矩形流路の短辺方向を仕切り板により複数に分割した多層の計測流路の同一壁面側に設けた超音波振動子から送信する超音波を対向壁面で反射し、その超音波を受信することで、超音波伝搬距離を長くとれ、また同一方向に超音波振動子を取り付けられるので、計測性能の向上が図れるとともに、コンパクトな流体計測装置設計が可能となる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の超音波流量計測装置によれば、超音波伝搬距離が長くとれ、超音波振動子の取り付け角度や流路幅設計の自由度が増し、また同一側壁面に超音波振動子を取り付けられるので、スペース性に優れた設計が可能となる。また同一方向から超音波振動子を取り付けるため組み立て作業性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における超音波流量計測装置の縦断面図
【図２】本発明の実施例における超音波流量計測装置の横断面図
【図３】同装置の他の実施例を示す横断面図
【図４】同装置のさらに他の実施例を示す横断面図
【図５】同装置のさらに他の実施例を示す横断面図
【図６】従来の超音波式流量計の流路縦断面図
【図７】従来の超音波式流量計の流路横断面図
【符号の説明】
２  流路
１１  仕切り板
１２  計測流路
１３、１４  超音波振動子
１５  計測制御手段
１６  演算手段
２３  超音波反射部材
【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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