(57)【要約】【課題】超音波が計測流路の上面あるいは下面に反射し、直接波に影響を与えて超音波伝搬時間の計測精度が悪くなるのを防止する。【解決手段】超音波送受信器から送信された超音波が拡がり始めるラストマックスより近い距離で超音波の伝搬時間を測定できる計測流路構造にすることによって、計測流路で反射する超音波の影響を受けないようにした。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体を流すための計測流路と、前記計測流路の上流側と下流側とに少なくとも一対の超音波送受信器を設け、かつ前記二つの超音波送受信器間を超音波が伝搬する距離をそれぞれの超音波送受信器のラストマックス以下となるように取付けた超音波式流量計測装置。
【請求項２】
上流側と下流側とに設けた超音波送受信器は、水平方向に対向して設けた請求項１記載の超音波式流量計測装置。
【請求項３】
計測流路の壁面を複数回反射して超音波が伝搬するような構造を有する請求項１または２記載の超音波式流量計測装置。
【請求項４】
超音波送受信器の超音波送信部の縦方向の寸法と前記計測流路の高さ寸法をあわせた請求項１または２記載の超音波式流量計測装置。
【請求項５】
超音波送受信器間に被測定流体の流れ方向と平行に複数の仕切り板を設け、前記仕切り板に超音波送受信器の超音波送信部を投影した形状の超音波透過窓を開け、超音波透過窓にメッシュを貼り付けることによって擬似境界面を設けた超音波流量計測装置。
【請求項６】
仕切り板の超音波透過窓形状を矩形とし、超音波透過窓の垂直方向寸法を計測流路の高さに合わせ、超音波透過窓の水平方向寸法を超音波送受信器の超音波送信部の幅以下にした請求項５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】
本発明は流体の流量を超音波を用いて計測する流量計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の流量計測装置は、特開平８−３１３３１６号公報に記載されているのが一般的であった。図７（ａ），（ｂ）に従来の超音波流量計測装置１を示す。図（ａ）は、超音波流量計測装置１の水平断面を、（ｂ）は垂直断面を示す。計測流路２は、幅Ｗ、高さＨで構成され、矩形比（Ｗ／Ｈ）を数倍以上とし、短辺方向の長さＨを代表長さとした層流の流れを実現していた。上流側および下流側に設けた一対の超音波送受信器３，４から超音波を送信，受信し、上流側から下流側、あるいは下流側から上流側への各々の超音波伝搬時間を計測し、その伝搬時間差から流体の流速を演算し、流体の流量を計測する構成であった。
【０００３】
なお、矢印５および一点鎖線６は流体の流れる方向を、破線７は超音波の伝搬する方向を示し、流体の流れる方向との交叉角をθで示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の超音波流量計測装置では一方の超音波送受信器から送信された超音波が受信側の超音波送受信器に到達するまでに、途中で拡がった超音波が計測流路の上面あるいは下面に反射し、直接波に影響を与えて超音波伝搬時間の計測精度が悪くなるという課題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では超音波送受信器から送信された超音波が拡がり始めるラストマックスより近い距離で超音波の伝搬時間を測定することによって、計測流路で反射する超音波の影響を受けないようにした。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の第２の手段による流量計測装置は、被測定流体を流すための計測流路と、前記計測流路の上流側と下流側とに一対の超音波送受信器を水平方向に対向して設け、かつ前記二つの超音波送受信器間を超音波が伝搬する距離をそれぞれの超音波送受信器のラストマックス以下となるように取付けることによって、反射波の影響を受けずに超音波の伝搬時間を精度良く計測できるようにしたものである。
【０００７】
本発明の第３の手段による流量計測装置は、請求項１の超音波送受信器間の距離を保った状態で、前記計測流路の壁面を複数回反射して超音波が伝搬するような構造を有することによって、反射の影響を受けずに超音波の伝搬時間を精度良く計測できるようにしたものである。
【０００８】
本発明の第４の手段による流量計測装置は、前記超音波送受信器の超音波送信部の縦方向の寸法と前記計測流路の高さ寸法を合わせることによって、超音波の反射及び流速分布の影響を受けずに被測定流体の流速を正確に測定できるようにしたものである。
【０００９】
本発明の第５の手段による流量計測装置は、前記超音波送受信器間に被測定流体の流れ方向と平行に複数の仕切り板を設け、前記仕切り板に設けた超音波送受信器の超音波送信部を投影した形状の超音波透過窓にメッシュを貼り付け、擬似境界面を設けることによって、超音波送受信器のラストマックスより長い距離でも超音波が拡がらなくし、反射の影響を受けずに超音波の伝搬時間を精度良く計測できるようにしたものである。
【００１０】
本発明の第６の手段による流量計測装置は、前記仕切り板の超音波透過窓形状を矩形とし、超音波透過窓の垂直方向寸法を計測流路の高さに合わし、超音波透過窓の水平方向寸法を超音波送受信器の超音波送信部の幅以下にすることによって、超音波が垂直方向に均等な強さで受信器に伝わりやすくなり、計測流路内の被測定流体の流速を正確に測定できるようにしたものある。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１２】
（実施例１）
本発明の第１実施例による流量計測装置について、図１及び図２に基づいて説明する。図１では一般的な超音波送受信器３からの超音波の伝搬状況を示している。超音波送受信器３から送信された超音波はラストマックス９まで平面波でまっすぐ進み、ラストマックス９以上になると球面波になり、一定の角度で拡がっていく。ここで、超音波送受信器からラストマックス９までの距離Ｘは次式で表される。
【００１３】
Ｘ＝Ｄ２／４λ
ここで、Ｄは超音波送受信器の送信部の直径で、λは超音波の波長を表す。また、図中の矢印８は超音波の進行方向を表す。
【００１４】
図２は本発明の第１の手段による流量計測装置を示す図で、従来例との差異は超音波送受信器間の超音波が伝搬する距離Ｌを前記超音波送受信器からラストマックス９までの距離Ｘ以下にしたことを特長とすることである。こうすることによって、超音波が拡がらない範囲を伝搬時間計測に利用できるため、計測流路２内で発生する超音波の反射波の影響を受けることなく、直接波だけの伝搬時間計測が可能になり、伝搬時間の計測制度が向上する。
【００１５】
（実施例２）
図３は本発明の第２の実施例による流量計測装置の水平断面を示す構成図である。
【００１６】
基本的な構成は本発明の第１の実施例の説明と同じで、本実施例との差異は計測流路２の構成を超音波の伝搬に計測流路の壁面反射を利用した構造にしたことである。ここで破線７は従来例と同様に超音波の伝搬方向を示しており、超音波の伝搬距離は第１の実施例と同じ距離にしてあることを特長とする。このようにすることによって、計測流路２の水平方向寸法Ｗを短くしても第１の実施例と同様に伝搬時間の計測精度を向上させることができる。
【００１７】
（実施例３）
図４は本発明の第３の実施例による流量計測装置の計測流路２の垂直方向断面図を示す。この計測流路２の特長は、超音波送受信器３，４の超音波伝搬距離Ｌを前記ラストマックス９までの距離Ｘ以下にし、さらに高さＨを超音波送受信器の直径Ｄに合わせたことである。こうすることによって、計測流路２内の断面すべてを拡がりの少ない平面波の超音波で測定できるため、超音波の反射及び流速分布の影響を受けずに被測定流体の流速を正確に測定できる。
【００１８】
（実施例４）
図５（ａ）は本発明の第４の実施例による流量計測装置の水平断面を示す構成図である。基本的な構成は本発明の第１の実施例と同じで、本実施例との差異は仕切り板１０を設けたことである。仕切り板１０は図５（ｂ）で示すように、超音波が通る部分に超音波透過窓１１を設けて、超音波透過窓１１にメッシュを貼り付けた構成になっている。超音波透過窓１１の形状は超音波送受信器３，４の超音波送信部の形状を超音波の伝搬方向から投影した形状としている。この仕切り板１０は超音波伝搬方向上に擬似的に境界面をつくることを目的としている。このように擬似的な境界面をつくることによって、超音波の伝搬モードが超音波送受信器から仕切り板までと、仕切り板以降で変わるため、仕切り板から新しいモードで超音波が伝搬することになり、仕切り板１０から平面波で伝搬する距離が新たに形成されることになる。これは超音波送受信器３，４から見た平面波の伝搬距離があたかもＸ＋αに伸びたように考えることができる。
【００１９】
よって、複数の仕切り板１０を設けることによって、超音波送受信器３，４間の距離Ｌを超音波送受信器の周波数や送信部の直径を変えることなく長くすることができる。
【００２０】
（実施例５）
図６は本発明の第５の実施例による流量計測装置の仕切り板１０を示す図である。
【００２１】
第５の実施例による流量計測装置の基本的な構成は第４の実施例と同じで、本実施例との差異は仕切り板１０の超音波透過窓１２の形状を図のように矩形にしたことである。矩形の寸法としては垂直方向は計測流路２の高さＨに合わせ、水平方向は超音波送受信器の直径Ｄより充分短くする。このように矩形にすることによって、計測流路２内の垂直方向を同じ幅で超音波が伝搬するため、計測流路２内の流速の状態を均等に超音波が受けるため、より流速を正確に測定できる。
【００２２】
以上のように第１の実施例による流量計測装置によれば、計測流路内で発生する超音波の反射波の影響を受けずに超音波の伝搬時間を正確に計測できるため、流量計測精度が向上する。
【００２３】
第２の実施例による流量計測装置によれば、第１の実施例による効果に加えて、計測流路の幅を狭くしても伝搬距離を長くできるため、より高精度の小型流量計測装置が可能になる。
【００２４】
第３の実施例による流量計測装置によれば、第１の実施例による効果に加えて、計測流路内の断面方向をすべて計測できるため、流速分布の影響を受けずに流量測定が可能になる。
【００２５】
第４の実施例による流量計測装置によれば、第１の実施例による効果に加えて、超音波送受信器の周波数や送信部の直径を変えることなく、計測流路を大きくできるため、計測可能流量範囲を広くすることが可能である。
【００２６】
第５の実施例による流量計測装置によれば、第４の実施例のよる効果に加えて、計測流路の垂直方向を均等に測定できるため、より流速分布の影響を受けずに流量が正確に測定できる。
【００２７】
【発明の効果】
以上により、本発明は、流量計測をより広範囲でかつ正確に測定することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波送受信器からの超音波伝搬状態を示す図
【図２】本発明の第１の実施例における流量計測装置を示す詳細図
【図３】本発明の第２実施例の計測流路水平方向断面図
【図４】本発明の第３の実施例の計測流路垂直方向断面図
【図５】本発明の第４実施例における流量計測装置を示す構成図
【図６】本発明の第５の実施例の仕切り板構成図
【図７】従来の流量計測装置を示す構成図
【符号の説明】
１　流量計測装置
２　計測流路
３　超音波送受信器
４　超音波送受信器
５　被測定流体流れ方向
６　被測定流体流れ方向
７　超音波伝搬方向
８　超音波の伝搬方向
９　ラストマックス
１０　仕切り板
１１　超音波透過窓
１２　超音波透過窓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004069520.tif 000006
【図５】
2004069520.tif 000007
【図６】
2004069520.tif 000008
【図７】
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