(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を流れる流体の流れ中を、流れと斜め方向に超音波の送受を行う第１の送受波器対と、流路の軸線に沿って超音波の送受を行う第２の送受波器対とを具備し、
一定以上の流量域では第１の送受波器対で測定した伝搬時間に基づいて流量を計測し、一定未満の流量域では第２の送受波器対で測定した伝搬時間に基づいて流量を計測することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
流れに直角な流路断面がほぼ矩形で、第１の送受波器対を構成する送受波器間を結ぶ直線が、流路の軸線に対して、流れに直角な前記流路断面の矩形長辺方向に傾斜し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】
第２の送受波器対を構成する送受波器が、超音波ビームの広がりを抑制する手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波流量計。
【請求項４】
流れに直角な流路断面のほぼ矩形の中央付近の幅を広くしたことを特徴とする請求項２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】
本発明は超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流路内を流れる流体の流れ中を流れと斜め方向に超音波ビームの送受信を行う１対の送受波器を管壁に配設し、超音波の順方向伝搬時間と逆方向伝搬時間に基づいて流体の流速や流量を計測する超音波流量計では、順方向伝搬時間と逆方向伝搬時間の差とか、順方向伝搬時間の逆数と逆方向伝搬時間の逆数との差から流速や流量を演算して求めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の技術では、順方向や逆方向の伝搬時間の測定精度とか測定の分解能によって測定下限値が決まり、流量計としての測定精度やレンジャビリティの向上が困難であるという問題点があった。
【０００４】
そこで本発明は、かかる問題点を解消し、流量計としての測定精度の向上やレンジャビリティの拡大ができる超音波流量計を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【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、流路を流れる流体の流れ中を、流れと斜め方向に超音波の送受を行う第１の送受波器対と、流路の軸線に沿って超音波の送受を行う第２の送受波器対とを具備し、
一定以上の流量域では第１の送受波器対で測定した伝搬時間に基づいて流量を計測し、一定未満の流量域では第２の送受波器対で測定した伝搬時間に基づいて流量を計測することを特徴とする超音波流量計である。
【０００６】
請求項２記載の発明は、請求項１の超音波流量計において、流れに直角な流路断面がほぼ矩形で、第１の送受波器対を構成する送受波器間を結ぶ直線が、流路の軸線に対して、流れに直角な前記流路断面の矩形長辺方向に傾斜していることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２の超音波流量計において、第２の送受波器対を構成する送受波器が、超音波ビームの広がりを抑制する手段を備えていることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項４記載の発明は、請求項２の超音波流量計において、流れに直角な流路断面のほぼ矩形の中央付近の幅を広くしたことを特徴とするものである。
【０００９】
【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。
【００１０】
〔実施例１〕
図１に示すように流路断面が円形の流管１の管壁に設けた第１の超音波送受波器対２，３は、互いに両送受波器間を結ぶ直線４に沿って、流体の流れ方向に対して斜めに超音波の送受を行う。直線４上での線平均流速は、送受波器２から３までの超音波の順方向伝搬時間と、送受波器３から２までの超音波の逆方向伝搬時間とから、時間逆数差法または時間差法を用いて周知の方法で測定する。線平均流速を流管断面での平均流速に変換する計算式は周知の式を用いることができる。そして、こうして求めた流管断面での平均流速に流管断面積を乗算して流量を算出するのも周知の計算を用いる。
【００１１】
流管内の流速分布は、流量が小さい層流領域と、流量が大きい乱流領域とでは流速分布が異なるため、線平均流速を流管断面での平均流速に変換する周知の前記計算式は異なる。層流領域では、図２に示すように、流路の軸線Ｘ−Ｘ方向の座標をｘとすると半径方向の座標ｒの関数として流速Ｖが、
Ｖ（ｒ）＝（Ｒ2 ／４μ）（−ｄｐ／ｄｘ）｛１−（ｒ／Ｒ）2 ｝…（１）
で表される。
【００１２】
但し、Ｒ：流管１の半径
μ：流体の粘度
−ｄｐ／ｄｘ：管壁による摩擦損失
である。
【００１３】
この流速Ｖ（ｒ）の分布は、図２のように放物線状になり、軸線Ｘ−Ｘ上で最大値となり、計算上、断面平均流速の２倍となる。また、直線４上での線平均流速は、断面平均流速の１．５倍となる。そこで、図１の流量計で第１の送受波器対２，３で計測した流量が層流領域での比較的小さい値である一定未満の微流量となったら、流路の軸線Ｘ−Ｘ上に配置した第２の送受波器対５，６に切り換えて、両送受波器を結ぶ直線７上で超音波の送受を行い、直線７上での順方向伝搬時間と逆方向伝搬時間に基づいて最大流速Ｖmax を測定する。この測定値は、同じ流量時での直線４上での前記平均流速の（２／１．５）倍である１．３３倍となるため、伝搬時間差の測定精度が３０％以上向上し、その分流量測定精度が向上するので、測定下限流量を第１の送受波器対２，３で測定した場合に比較して下げられる。従って、流量計としてのレンジャビリティも拡大する。なお、８は流路である。
【００１４】
このようにして、小・大流量の流量域では流れ方向に対して斜めに設けた第１の送受波器対２，３で計測し、一定未満の微小流量域では、流路の軸線上に設けた第２の送受波器対５，６で計測する。そのため、微小流量域での計測精度と計測可能な下限流量を第１の送受波器対だけで計測する場合に比較して改善できる。
【００１５】
〔実施例２〕
図３（ａ）（ｂ）と図４に原理図を、図５（ａ）（ｂ）に具体例を示す。この実施例２では、図３，４のように流路８Ａの軸線Ｘ−Ｘを含む流路の垂直な断面が符号９で示す高さＨ、長さＬの矩形で、流路８Ａの断面が図１（ｂ）に示すように高さＨ、幅Ｗの矩形に形成され、流路８Ａの軸線Ｘ−Ｘに対して角度θだけ斜めに第１の超音波送受波器対を構成する送受波器２と３が両送受波器を結ぶ直線４を挟んで対向配置されている。直線４は矩形９を含む平面内にある。また軸線Ｘ−Ｘ上に第２の超音波送受波器対を構成する送受波器５と６が対向配置されている。７は送受波器５と６を結ぶ直線である。
【００１６】
図５（ａ）（ｂ）は実施例２の具体的構造を示す。この具体例では、直線４を水平に設け、流路８Ａの軸線と直線７を傾けている。被計測流体は流入部１０から計量室１１に入り、矩形流路部１２の流路８Ａに矢印Ａのように左から入る。流路８Ａを図示右方へ直線７に沿って流れ、流路８Ａの右方から出て、矢印Ｂのように流出する。１３は流入部側と流出部側を仕切る仕切り壁で、矩形流路部１２がこの仕切り壁１３を貫通して固定されている。計量室１１の相対する左右の各壁面１４，１５には送受波器２，５と３，６が対向配置されている。
【００１７】
矩形流路部１２は流路８Ａの前記軸線Ｘ−Ｘ上の直線４が送受波器５，６を結ぶ直線７に対し、角度θをなすように傾斜して取り付けられている。この実施例でも、第１の送受波器対２，３は互いに超音波の送受を行うことで、流れに斜め直線４上の線平均流速を順方向伝搬時間と逆方向伝搬時間に基づいて求める。また、第２の送受波器対５，６は互いに超音波の送受を行うことで、微流量域での直線７上の層流時の最大流速を求める。第１の送受波器による測定から第２の送受波器の測定への切り換えは、第１の送受波器によって測定した流量が層流領域での一定未満の微流量になったときに自動的に切り換えるように構成しておく。なお切換時期は、流量の大小による代りに、順方向と逆方向の超音波の伝搬時間の差に基づいて行っても良い。各送受波器２，３，５，６の発受信口１６，１７，１８，１９はそれぞれ全周に流速が発生するように壁面１４，１５から突き出ている。
【００１８】
この実施例２の矩形流路は、層流と乱流の流速分布状態の差が小さい流路であり、その矩形流路に超音波送受波器を流路断面の長辺（Ｈ）方向に斜めに設置することでその差がより小さくなって測定精度の向上等に効果がある。
【００１９】
層流の微流量域で、流路の軸線上の最大流速を効果的に計測するには、第２の送受波器対による超音波の伝搬領域を狭くして、超音波ビームの広がりを抑えるのが好ましく、そのためには、超音波送受波器の指向性を高めたり、発射面を小さくしたり、送受波器の前方に設けた発受信口を小さくする。
【００２０】
〔実施例３〕
図６（ａ）は前記実施例２における図３（ｂ）と同じ図で、実施例２の流路８Ａの断面を示し、高さがＨで幅がＷの矩形断面である。図６（ｂ）（ｃ）及び（ｄ）は同図（ａ）と比較した他の実施例での断面形状で、すべて高さＨは実施例と同じであるが、高さＨの中央付近の幅を広くし、更に同図（ｂ）（ｃ）の例では高さＨの上部と下部における幅を同図（ａ）と比較して小さくしている。こうすることで、微小流量の層流領域における流路の軸線上の最大流速をより大きくできるため、微流量域での測定精度の向上と測定下限流量の拡大が図れる（請求項４）。
【００２１】
【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、微小流量での測定精度が向上し、更に微小流量側の測定下限流量計量が小さくなり、レンジャビリティが拡大する。
【００２２】
また、第２の送受波器対に用いる送受波器は微小流量の計測に特化しているので、第１の送受波器対の間を流れる小〜大流量の流れに悪影響を与えないようにし、微小流量域では流れが超音波の伝搬を乱すこともなく、安定した受信波を得られ、伝搬領域を絞った弱い超音波ビームでも確実に受信可能となる。
【００２３】
そして、請求項２の発明では、矩形流路断面を使うことで、第１の送受波器対による送信波は流路全体に広がり、流路の断面平均流速に相関した伝搬状態となるため、層流と乱流状態等の流速分布変化に関係なく、求めたい断面平均流速が直接得られ易く、この面からも流量計の精度向上に寄与する。また、流路の高さ方向の制約が緩和され、より大流量の計測が可能になった。
【００２４】
請求項３の発明では、微小流量域での流量軸線上の最大流速を確実に計測取得できるため、その面からの計測精度の向上が図れる。
【００２５】
そして、請求項４の発明でも、層流微小流量域における流路軸線上の最大流速を大きくでき、その面からも計測精度の向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の縦断面図。
【図２】図１の実施例における層流領域での流速分布を説明する図。
【図３】本発明の第２実施例の流路形状と超音波送受波器の配置関係を説明する略図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図。
【図４】図３の実施例の超音波の伝搬状態を説明する略図。
【図５】本発明の第２実施例の具体例で、同図（ａ）は縦断平面図、（ｂ）は縦断正面図。
【図６】流路の矩形状断面の各種を示す略図で、（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）はそれぞれ異なる断面形状を示す。
【符号の説明】
１    流管
２，３，５，６    超音波送受波器
【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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