(57)【要約】【課題】小流量の層流域から大流量の乱流域に亘って、器差の変化を少なくし、器差を常にほぼ一定にする。超音波の受信波のＳ／Ｎを改善して測定精度を上げる。不感流量域を小さくする。層流時の流速分布を平坦にする。流速分布に超音波の波面を一致させて測定精度を上げる。【解決手段】流路１の流路断面形状を、距離Ｗで対向する平行な内壁面３Ｅ，３Ｆと、直径Ｄの円形状のふくらみからなる眼鏡形にする。２つのふくらみ部では流速が大きくなり、流速分布形は符号Ｅのようにフラットになる。超音波振動子４，５間を伝搬する超音波は、流路の中心軸Ｘ−Ｘに対しほぼ１０°の角度θで傾斜した伝搬径路６に沿って伝搬する。伝搬時間に基づいて流速・流量を求める。【選択図】　　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れ方向に直角な流路断面の形状がほぼ長方形を有する流管の上流側と下流側に、流管の中心軸に対して前記長方形の長手方向に傾斜した位置に対向配置した一対の超音波振動子を有する超音波流量計であって、
前記長方形の短辺が、流路を形成する流管の平行な内壁面同士の間の距離で定められ、
更に、前記流路断面形状が、中心軸から前記長手方向の一方と他方へ離れた位置にぞれぞれふくらみを有し、このふくらみが流体の流れ方向に延在することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
ふくらみが、前記流路断面形状の長手方向の両端部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
ふくらみが、前記流路断面形状の長手方向の中央と端部との間に形成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記流路断面形状が、前記長手方向のほぼ中央部にも別のふくらみを有することを特徴とする請求項１，２又は３記載の超音波流量計。
【請求項５】
流路断面形状の長辺（Ｈ′）を短辺（Ｗ）の５〜２０倍に定めたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項６】
流路断面形状の中心軸又は中央から、長手方向へ離れた位置に形成したふくらみを、円形の一部で形成すると共に、その円形の直径（Ｄ）を前記短辺（Ｗ）の１．０５〜１．５倍に定めたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項７】
前記流路断面形状の、長方形の長辺（Ｈ′）の一部を構成する前記平行な内壁面の前記長手方向の寸法を、長方形の長辺（Ｈ′）の一部を構成するふくらみの前記長手方向の寸法より比較的大きく定めたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項８】
流体の流入部と流出部を備えた計量室に、流体の流れを計測する流路を設け、一方の超音波振動子を、その一方を流路の流入側に、他方を流路の流出側に配置したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスメータ等の気体流量計や、液体流量計に使用する超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本願発明の発明者等は、特願２０００−１２８５１号（特開２００１−２０１３７９）で図１に示す構造の超音波流量計を提案した（以下、これを第１の従来技術という）。
【０００３】
この超音波流量計は、同図（ｂ）に示すような高さＨ、幅Ｗの長方形の流路断面の流路１を備えた流管３の上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子４と５を同図（ａ）のように配設し、両振動子間で超音波の伝搬径路６に沿って超音波の送受信を行い、流体の流れ方向と同方向の順方向伝搬時間と、流体の流れ方向と逆方向の逆方向伝搬時間とから流速Ｖを演算し、更に流量を求めていた。
【０００４】
超音波の伝搬径路６が流路１の中心軸Ｘ−Ｘに対して角度θだけ傾斜するように斜めに両振動子４，５を対向配置することで、断面平均流速により近い計測値が直接得られるとしている。Ｌは流管３の長さである。流路１は、同図（ａ）の縦断面においても、長さＬ、高さＨの長方形を形成している。
【０００５】
ところで、円形断面をもつ直管内の流れが層流のとき、管路の中心軸からｒｘだけ半径方向に離れた位置の流速Ｖｘは、次の式で表される。ここでＶｍａｘは管路の中心軸上の流速で最大値、Ｒは管路の
Ｖｘ＝Ｖｍａｘ｛１−（ｒｘ／Ｒ）２｝・・・（１）
半径である。これに対して、乱流の場合には管路の中心軸からｒｘだけ離れた位置の流速Ｖｘは、
Ｖｘ＝Ｖｍａｘ｛１−（ｒｘ／Ｒ）｝１／ｎ・・・（２）
となり、層流の場合の（１）式とは違った流速となる。しかも（２）式のｎの値はレイノルズ数によって変化し、Ｎｉｋｕｒａｄｓｅの測定結果により周知である。
【０００６】
層流では（１）式からわかるように、管路の中心軸上で最大流速Ｖｍａｘとなるような放物線分布の流速変化となる（図２の曲線Ａ）。乱流では微小な渦を含む流れであるが、平均的な流速の変化の様子を見ると、例えば図１の曲線ＢやＣのように、層流のときよりもフラット（平坦）で管路の内壁の近傍で流速が大きく、中心部では小さくなるような流速分布となる。しかも乱流では流速分布がレイノルズ数によって変化する。それに対して、層流ではレイノルズ数が変わっても、流速分布形はほとんど変わらない。図２で、曲線ＢとＣは乱流で、レイノルズ数が夫々４×１０４と３×１０６のときの流速分布形である（レイノルズ数とｎとの関係も含めて、昭和５４年、日刊工業新聞社発行、流量計測ハンドブック２０〜２１頁参照）。
【０００７】
なお、前記図１（ａ）（ｂ）の長方形断面の流路１における流速分布は、円形断面の流路における（１）式や（２）式の流速分布とは同じではないが、中心軸Ｘ−Ｘから高さＨ方向へ離れた位置の流速は、図２の流速分布形に似て、層流では曲線Ａの放物線様となり、乱流では例えば曲線ＢやＣのような、層流のときよりも管路の内壁の近傍で流速が大きく、中心部では小さくなるような、層流の場合に比較してフラット（平坦）な流速分布となる。
【０００８】
また、図３に示すような超音波流量計が特開２００１−３１７９７４公報で公知である（以下、これを第２の従来技術という）。この従来技術では、一対の超音波振動子４，５が相対して配設される対向する側面３Ａ，３Ｂと、これらの側面を結び対向する上面３Ｃ及び底面３Ｄとから構成される流路測定部（流管３）を有し、前記上面３Ｃ及び底面３Ｄの内壁面３ｃ，３ｄ間の距離が、測定流路１の中心軸Ｘ−Ｘに近づくに従って徐々に狭くなるように構成されている。前記一対の超音波振動子４，５間の超音波の伝搬時間に基づいて流路１を通過する流体の流速を検出することによって流量を求める。
【０００９】
こうすることで、図３に示すように、流路断面において流管３の長辺に平行でその中心軸Ｘ−Ｘを通るａ，ａ′ライン上の流速分布が比較的フラット（平坦）で一様な流速分布Ｄになり、計測誤差が少なくなるとしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
流量計は流量が変わっても器差が常に一定であることが望ましいが、前記図１に示す第１の従来技術の超音波流量計では、層流域と乱流域での流速分布の違いから両流域での器差に差が出るため、層流域の器差がプラス傾向になり、器差特性が良くないという問題点がなお残されていることに本願発明の発明者は気づいた。
【００１１】
また、前記図３に示す第２の従来技術の超音波流量計では、流路３の側面３Ａと３Ｂにそれぞれ超音波振動子４と５が相対して配設されているので、両振動子間を結ぶ超音波の伝搬径路６と中心軸Ｘ−Ｘとの間の角度Θが４５°よりも大きくほぼ６０°程度になっている。
【００１２】
そのため、流速分布Ｄのフラットな部分が超音波の波面と一致しなくて、波面と大きな角度（ほぼ６０°）で交差するため、流量計としての計測精度が低いという問題点があった。また、流路３の側面に設けた振動子が、流路側面に近い流速零の部分も計測するため、この面からも計測精度が低くなるという問題点があった。
【００１３】
そこで、本発明はこれら従来技術の問題点を解消できる超音波流量計を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、流体の流れ方向に直角な流路断面の形状がほぼ長方形を有する流管の上流側と下流側に、流管の中心軸に対して前記長方形の長手方向に傾斜した位置に対向配置した一対の超音波振動子を有する超音波流量計であって、
前記長方形の短辺が、流路を形成する流管の平行な内壁面同士の間の距離で定められ、
更に、前記流路断面形状が、中心軸から前記長手方向の一方と他方へ離れた位置にぞれぞれふくらみを有し、このふくらみが流体の流れ方向に延在することを特徴とする超音波流量計である。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の超音波流量計において、ふくらみが、前記流路断面形状の長手方向の両端部に形成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１の超音波流量計において、ふくらみが、前記流路断面形状の長手方向の中央と端部との間に形成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１，２又は３の超音波流量計において、前記流路断面形状が、前記長手方向のほぼ中央部にも別のふくらみを有することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかの超音波流量計において、流路断面形状の長辺（Ｈ′）を短辺（Ｗ）の５〜２０倍に定めたことを特徴とするものである。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかの超音波流量計において、流路断面形状の中心軸又は中央から、長手方向へ離れた位置に形成したふくらみを、円形の一部で形成すると共に、その円形の直径（Ｄ）を前記短辺（Ｗ）の１．０５〜１．５倍に定めたことを特徴とするものである。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかの超音波流量計において、前記流路断面形状の、長方形の長辺（Ｈ′）の一部を構成する前記平行な内壁面の前記長手方向の寸法を、長方形の長辺（Ｈ′）の一部を構成するふくらみの前記長手方向の寸法より比較的大きく定めたことを特徴とするものである。
【００２１】
請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれかの超音波流量計において、流体の流入部と流出部を備えた計量室に、流体の流れを計測する流路を設け、一方の超音波振動子を、その一方を流路の流入側に、他方を流路の流出側に配置したことを特徴とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施の形態を図面の実施例に従って説明する。
【００２３】
〔実施例１〕
図４は本発明の実施例１の流量計測部の基本構成図の斜視図で、長さＬの流管３の図示左端の入口３ａから流入した流体は、流路１を図示右方に向って流れ、出口３ｂから流出する。流れに直角な流路断面形状は、流管３の互いに平行な上側内壁面３Ｅと下側内壁面３Ｆとの間隔（距離）Ｗからなる短辺と、長手方向の長辺Ｈ′とからなるほぼ長方形に形成され、厳密には長手方向の両端部に直径Ｄの円形の一部で形成されるふくらみを有し、このふくらみ部分も含めた長手方向の長辺がＨ′である。長手方向の長辺Ｈ′は、このように平行な２平面（内壁面）３Ｅ，３Ｆの長手方向の寸法と、両ふくらみの長手方向の寸法（即ち、直径Ｄのほぼ２倍）の合計で決められるが、平行な内壁面３Ｅ，３Ｆの長手方向の寸法ＨＥＦは、ふくらみの長手方向の寸法（ほぼ２Ｄ）よりも比較的大きく定めてある。図の実施例では、ＨＥＦ≒１．８×２Ｄである。
【００２４】
この実施例１では流れに直角な流路断面形状が、長辺Ｈ′の両端部に直径Ｄの円形のふくらみ（厳密には円形の一部分で形成されたふくらみ）を有するメガネ形で、このふくらみが流管３の全長Ｌに亘って延在するので、特に層流域において、ふくらみ部分を流れる流体の流体抵抗が、従来技術の図１（ｂ）のように正確な長方形流路断面の場合に比較して低減し、ふくらみ部を流れる流速が大きくなり、そのぶん中央付近の流速が小さくなるため、全体として、流路断面の長辺に平行で、中心軸Ｘ−Ｘを通るｂ，ｂ′ライン上の層流域での流速分布Ｅは図４に示すようにフラット（平坦）になる。短辺としての距離（間隔）Ｗとふくらみの直径Ｄとの比率は、図４の実施例ではＷ：Ｄ＝１：１．５に定めてある。
【００２５】
一対の超音波振動子４と５は、中心軸Ｘ−Ｘを含み、かつ両内壁面３Ｅ，３Ｆと平行な平面内の、中心軸Ｘ−Ｘと角度θだけ斜めに傾斜した伝搬径路としての直線６上に対向して配置されている。一方の振動子４は流管３の上流側（流入側）に、他方の振動子５は流管３の下流側（流出側）に離れて配設され、伝搬径路６は流管の長さＬの中央では、前記ｂｂ′ラインと中心軸Ｘ−Ｘの交点を通る。従って、傾きθは約１０°と小さい。そのため、超音波の波面が前記フラット（平坦）な流速分布Ｅとほぼ一致し、この面からも流量計としての計測精度が向上する。
【００２６】
図５は、図４の基本構成を有する流管３を備えた超音波流量計全体を示し、図５（ａ）は縦断正面図、（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面視図、図６は図５（ａ）のＣ−Ｃ断面視図である。
【００２７】
この図５（ａ）（ｂ）と図６において、被計測流体は流入部７から計量室８に入り流管３の入口３ａから流路１に入る。図５（ａ）（ｂ）で、流路１を図示右方へ中心軸Ｘ−Ｘに沿って流れ、出口３ｂから出て、流出部９から流量計の外へ流出する。１０は流入部側と流出部側を仕切る仕切り壁で、この仕切り壁１０によって流管３が水平に固定されている。
【００２８】
この実施例１では、層流域での流速分布Ｅが、フラット（平坦）になるため、図１の従来技術における層流域での器差のプラス傾向が解消され、層流域から乱流域にわたる広い流量範囲で器差が常にほぼ一定になる。図７の器差特性線図で、符号ｅは図１の従来技術の場合を、符号ｆは図４〜図６の実施例の場合の器差曲線を示す。超音波振動子４と５は、流管３の流路１の上流側の計量室壁面と下流側の計量室壁面にそれぞれ配設されている。また、図６の回路基板１１に実装された電子ユニット１２は前記振動子４又は５を間欠的にパルス駆動したり、振動子５又は４で受信する超音波の受信波を入力して超音波の順方向や逆方向伝搬時間を計測し、両方向の伝搬時間に基づいて流速・流量を演算し、表示部１３に流量を表示する。
【００２９】
〔実施例２〕
図８（ａ）（ｂ）に示す実施例２は、短辺の寸法がＷ、長辺の寸法がＨ′の長方形断面の流路１を流管３に形成し、流路断面の長辺方向（長手方向）の両端部を曲率半径がＷ／２の円弧で丸みをつけ、更に同図（ｂ）に示すように、中心軸Ｘ−Ｘと長手方向両端との間に直径Ｄの円形の一部からなるふくらみを流路断面に形成したものである。この実施例でも実施例１の場合と同様に流速分布をフラット（平坦）にできるが、ふくらみの位置は中心軸Ｘ−Ｘから一定以上離した方が良い。
【００３０】
なお、この実施例２では流路断面形状の長手方向の長辺Ｈ′の両端部を短辺Ｗの１／２の半径のアール（丸み）としたが、長方形の長手方向の四隅にＷ／２より小さく、Ｗ／４以上の曲率半径でアールをつけた形状にしても良い。
【００３１】
〔実施例３〕
図９（ａ）（ｂ）に示す実施例３は、流管１の断面形状に、同図（ｂ）に示すように、流路断面の長手方向の中央部、即ち中心軸Ｘ−Ｘの位置に直径Ｄ′の円形の一部で形成された別のふくらみを設け、この別のふくらみを設けることで、特に流量計としての不感流量域をより小さくできる利点がある。
【００３２】
〔その他の実施例〕
上記実施例１，２，３はいずれも、流路断面形状において、中心軸Ｘ−Ｘから等間隔の位置に直径Ｄのふくらみを２つ形成したが、２つのふくらみは中心軸から必ずしも等距離の位置に設ける必要はなく、それぞれの距離が異なっていても良く、請求項１や３はそのようなものも含む。
【００３３】
また、流路断面形状の長辺寸法は前記実施例に限らなくて短辺Ｗの５〜２０倍の範囲で定めると良い。更にまた、ふくらみを形成する円形の直径Ｄは短辺Ｗの１．０５〜１．５倍の範囲で定めると良いが、ふくらみは円形の一部で形成しなくても、円形以外のふくらみであっても良い（請求項１〜５）。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の超音波流量計は上述のように構成されているので、層流域から乱流域に亘る全流量域で器差が常にほぼ一定に保たれ、器差特性が向上する。また、超音波振動子を流路を形成する流管の上流側と下流側に配設したので、中心軸Ｘ−Ｘに対する伝搬径路（６）の傾き（θ）が比較的小さくなり、流速分布Ｅの平坦部に超音波の平面波の波面をほぼ一致させられるため、この面からも測定精度が向上する。更にまた、流路断面形状にふくらみを形成することで、不感流量域を小さくする利点が得られる。
【００３５】
また、請求項４の発明では、中央部に形成した別のふくらみが、不感流量域をより小さくするのに役立つ。
【００３６】
そして、請求項７の発明では、流量断面を形成する平行平面（内壁面）が大きく残されるので、流路内壁面での超音波の反射波の干渉を少なくでき、超音波振動子の一方を受波器として使うときの受信波のＳ／Ｎを改善でき、この面からも測定精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の基本構成を示す図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図。
【図２】円形断面の直管内の流速分布を説明する図。
【図３】別の従来技術の基本構成を示す斜視図。
【図４】本発明の実施例１の基本構成を示す斜視図。
【図５】本発明の実施例１の全体構成を示す図で、（ａ）は縦断正面図、（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面視図。
【図６】図５（ａ）のＣ−Ｃ断面視図。
【図７】超音波流量計の器差特性線図で、従来技術と本発明の実施例の器差曲線を比較して示す。
【図８】本発明の実施例２の基本構成図で、（ａ）は流管の一部縦断平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＤ−Ｄ断面視図。
【図９】本発明の実施例３の基本構成図で、（ａ）は流管の一部縦断平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＥ−Ｅ断面視図。
【符号の説明】
１　　流路
３　　流管
３ａ　入口
３ｂ　出口
３Ｅ，３Ｆ　　内壁面
４，５　　超音波振動子
６　　伝搬径路
７　　流入口
８　　計量室
９　　流出部
Ｘ−Ｘ　　中心軸
Ｗ　　短辺の寸法
Ｈ′　長辺の寸法
Ｄ　　ふくらみを形成する円の直径
Ｄ′　別のふくらみを形成する円の直径
【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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