(57)【要約】【課題】  計測対象である流体の種類にかかわらず、ほぼ同一の特性が得られるようにする。【解決手段】  開示される流体計測装置は、計測部１内を流れる流体に一方の超音波送受信器から超音波を送信し、他方の超音波送受信器で流体を通過した超音波を受信するものである。この流体計測装置では、計測部１は、流体の流路が複数層で構成されているとともに、超音波送受信器が向かい合うそれぞれの計測範囲同士を結ぶことにより形成される計測領域が流体の流路全体とほぼ交差するように構成されている。【選択図】  図１
2007240504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測部内を流れる流体に一方の超音波送受信器から超音波を送信し、他方の超音波送受信器で前記流体を通過した超音波を受信する流体計測装置であって、
前記計測部は、前記流体の流路が複数層で構成されているとともに、前記超音波送受信器が向かい合うそれぞれの計測範囲同士を結ぶことにより形成される計測領域が前記流体の流路全体とほぼ交差するように構成されていることを特徴とする流体計測装置。
【請求項２】
前記計測部の内壁の高さは、前記超音波送受信器を構成する圧電体の直径にほぼ等しいことを特徴とする請求項１記載の流体計測装置。
【請求項３】
前記複数層の前記流体の流路は、前記計測部の内壁に所定間隔で架橋された複数の整流板により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体計測装置。
【請求項４】
前記計測領域の中心では、前記超音波が遮られることなく伝搬されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の流体計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスなどの流体の流速や流量を計測する流体計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の流体計測装置には、流体の正確な流量を計測するために、流体を導通させる導通路と、その導通路における上流側と下流側との所定の２点間に音波を伝播させる音波伝播手段と、音波の伝播時間又は伝播速度に基づいて流体の流量値を演算する流量演算手段とを有し、少なくとも音波の伝播経路を含む領域に、音波の伝播を遮ることなくかつ流体の流れを遮ることのないように配置された整流板を備えているものがある（例えば、特許文献１参照。）。以下、この技術を第１の従来例と呼ぶ。
【０００３】
また、従来の流体計測装置には、計測精度を高め、仕様変更などにも対応するために、上流側に流体供給路が、下流側に流体流出路がそれぞれ接続された計測部と、計測部に内包された計測流路体と、計測流路体を流れる流体の流速を測定する少なくとも１対の超音波送受波器と、この超音波送受波器の出力をもとに計測流路体を流れる流体の量を演算する演算手段とを具備し、計測流路体を計測部と別体の構成とするとともに、内部を複数の層流通路に分割したものもある（例えば、特許文献２参照。）。以下、この技術を第２の従来例と呼ぶ。
【０００４】
さらに、従来の流体計測装置には、超音波を均一に流路内に伝搬させて高精度な流速、流量の計測を行うために、流体流路の上流と下流に配置された少なくとも一対の超音波送受信器と、超音波送受信器間の超音波伝搬時間を計測する計時手段と、計時手段による計時結果に基づいて流体の流速、流量を演算する演算手段とを備え、超音波送受信器の送信側に超音波分布を均等化する超音波調整手段を配置したものもある（例えば、特許文献３参照。）。以下、この技術を第３の従来例と呼ぶ。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−８３７９１号公報（請求項１，［００２３］〜［００２６］、図１）
【特許文献２】特開２００４−２６４０６４号公報（請求項１，［００１９］〜［００３１］、図１）
【特許文献３】特開２００５−２５７６１１号公報（請求項１，［００１５］〜［００３１］、図１，図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
流体計測装置は、製造工程において組み立てた後に所定の特性（例えば、流量特性）を備えているか否かを検査する必要がある。この検査の際には、検査者等の人体の安全を確保するとともに、周囲環境に与える影響を少なくするために、実装時に計測対象とされる毒性や可燃性を有する流体ではなく、毒性や可燃性を有しない空気等の流体を使用できることが好ましい。
【０００７】
流体計測装置の計測対象とされる毒性や可燃性を有する流体には、一般家庭で使用される燃料ガスがある。この燃料ガスには、主として、メタン（ＣＨ４）を主成分とした都市ガス（１３Ａなど）や、プロパン（Ｃ３Ｈ８）を主成分とした液化石油ガス(ＬＰＧ：Liquefied Petroleum Gas)などがある。窒素Ｎ２を主成分とした空気の比重を１とした場合のガス比重は、都市ガス（１３Ａ）が約０．６６であるのに対し、ＬＰＧは約１．５５である。また、空気、都市ガス（１３Ａ）及びＬＰＧのそれぞれの粘性も異なっている。
【０００８】
このように、燃料ガスと空気とは、その性質が大きく異なっている。従って、流体計測装置は、検査時に得られる特性と実装時に示される特性とが大幅に異なることはないこと、つまり、計測対象である流体の種類にかかわらず、ほぼ同一の特性を示すことが要求される。
【０００９】
ところが、上記した第１〜第３の従来例では、計測対象である流体の種類に応じて流体計測装置の特性が異なるか否かについては言及していない。従って、流体の種類に応じて流体計測装置の特性が大きく異なる場合には、製造工程の検査において空気を使用して流体計測装置の特性（例えば、流量特性）を測定して良品であると判定して出荷しても、実装時において燃料ガスの流速や流量を高精度に計測できない事態が生じるおそれがある。
【００１０】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、上述のような課題を解決することができる流体計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明に係る流体計測装置は、計測部内を流れる流体に一方の超音波送受信器から超音波を送信し、他方の超音波送受信器で前記流体を通過した超音波を受信する流体計測装置に係り、前記計測部は、前記流体の流路が複数層で構成されているとともに、前記超音波送受信器が向かい合うそれぞれの計測範囲同士を結ぶことにより形成される計測領域が前記流体の流路全体とほぼ交差するように構成されていることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の流体計測装置に係り、前記計測部の内壁の高さは、前記超音波送受信器を構成する圧電体の直径にほぼ等しいことを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の流体計測装置に係り、前記複数層の前記流体の流路は、前記計測部の内壁に所定間隔で架橋された複数の整流板により形成されていることを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の流体計測装置に係り、前記計測領域の中心では、前記超音波が遮られることなく伝搬されるように構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、計測対象である流体の種類にかかわらず、ほぼ同一の、かつ、良好な直線性を有する特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態に係る流体計測装置を構成する計測部１の外観構成を示す断面図、図２は、図１の部分拡大図である。この実施の形態に係る流体計測装置は、超音波を利用して内部に配置された計測部１内に流れるガスの流量を計測するガスメータである。
【００１５】
計測部１は、肉厚管部１１と、肉薄管部１２及び１３と、２枚の整流板１４とから概略構成されている。肉厚管部１１は、断面略長方形状の管状を呈しており、同じく断面略長方形状の管状を呈した肉薄管部１２及び１３と各内部が互いに連通するように構成されている。肉薄管部１２及び１３は、外部から計測部１へガスが流入する際及び計測部１から外部へガスが流出する際に、円滑にガスを流し、渦などが発生しないようにするために、各開口縁がテーパ形状又は曲線断面形状に形成されている。
【００１６】
２枚の整流板１４は、計測部１内に流れるガスの流れを均一に整える、即ち、流速分布に差が生じないようにするためのものであり、略長方平板形状を呈している。２枚の整流板１４は、所定間隔隔てて肉厚管部１１の各側壁に架橋されており、これにより、ガスの流路が３層で構成されている。肉厚管部１１、肉薄管部１２及び１３並びに２枚の整流板１４は、合成樹脂等を用いて一体に成型されて構成されている。
【００１７】
肉厚管部１１の両側壁には、図示しないが、互いに所定の角度で対向する一対の貫通孔が穿設されている。この一対の貫通孔には、図示しないが、一対の超音波送受信器が肉厚管部１１の側壁外側からそれぞれ嵌め込まれる。図２に拡大して示すように、肉厚管部１１の内壁の高さｈは、図３に示す超音波送受信器２１を構成する円柱状を呈する圧電体２２の直径ｄにほぼ等しい。これにより、超音波送受信器２１の主要計測範囲がガスの流路断面をほぼ覆っている。その理由については後述する。
【００１８】
図３に示す超音波送受信器２１において、有底筒形状を呈する金属ケース２３の頂壁内面に上記圧電体２２が、金属ケース２３の頂壁外面に円柱状を呈する音響整合部材２４がそれぞれ取り付けられている。上記音響整合部材２４は、超音波をガス中に送信する際の音響インピーダンスのマッチングを取り、超音波を効率良くガス中に送信するためのものである。金属ケース２３の開口部には、端子板２５が固着され、これにより、上記圧電体２２を外部と遮断状態に封止している。金属ケース２３の内部には、窒素（Ｎ２）等の不活性ガス２６が充填されている。
【００１９】
ガスの流路を３層（奇数層）で構成するとともに、超音波送受信器２１の主要計測範囲がガスの流路断面をほぼ覆うように構成したのは、流体計測装置が計測対象であるガスの種類にかかわらず、ほぼ同一の、かつ、良好な直線性を有する特性を得るためである。
（１）超音波送受信器２１の主要計測範囲がガスの流路断面をほぼ覆うように構成する理由
従来は、例えば、上記特許文献１の図１からも分かるように、ガスの流路断面の一部についてだけ超音波が送信されていたに過ぎない。しかし、このように構成すると、流量が同一であってもガスの種類に応じて流速分布が異なる場合がある。この場合には、超音波送受信器の計測対象となっていない領域におけるガスの流れが流量の測定誤差に影響を及ぼすおそれがある。この結果、個々の流体計測装置間で測定結果にばらつきがでてしまう。これに対し、超音波送受信器２１の主要計測範囲がガスの流路断面をほぼ覆うように構成すれば、流路断面のすべてが超音波送受信器の計測対象となるため、流量が同一であればガスの種類が異なっても流速分布が大幅に異なることはなく、個々の流体計測装置間における測定結果のばらつきを抑えることができる。超音波送受信器２１の主要計測範囲は、超音波送受信器２１を構成する圧電体２２の端面及びその近傍であると考えられる。
この点、主要計測範囲が広い超音波送受信器を用いることも考えられるが、ガスメータの機種毎に異なる超音波送受信器を開発・設計すると、コストがかかり、ひいてはガスメータが高価になってしまう。
【００２０】
（２）ガスの流路を３層（奇数層）で構成する理由
（ａ）ガスの流路を３層で構成する理由
超音波を用いてガスなどの流体の流速や流量を計測する場合、理論上、２次元的に流れる流体に対して超音波を発信して行われている。単層の流路によりガスメータとして要求される性能を満足するような流体の２次元的な流れを実現しようとすると、一対の超音波送受信器間の距離が長くなってしまい、実用的ではない。また、２層の流路では、ガスメータとしての性能、例えば、圧力損失、整流性の点において問題となり、少なくとも流体がＬＰＧである場合には使用することができない。
【００２１】
４層以上の流路では、層間の間隔を所定距離に維持しつつ層数を増加させると、超音波送受信器２１の主要計測範囲外となる領域が増加して、上記（１）で説明した問題が発生する。一方、層間の間隔を狭めて層数を増加させるとしても、ガスメータとして要求される性能、製造のしやすさ、コスト等の点で限界がある。この点、主要計測範囲が広い超音波送受信器を用いることも考えられるが、流路の層数が異なる毎に主要計測範囲が異なる超音波送受信器を開発・設計すると、コストがかかり、ひいてはガスメータが高価になってしまう。
【００２２】
もっともガスの流路は、３層に限定されるものではない。肉厚管部１１の内壁の高さｈと、整流板１４の枚数及びそれぞれの間隔と、超音波送受信器２１の主要計測範囲との関係は、ガスメータとして要求される性能を満足するような流体の２次元的な流れを実現可能な流路を構成するものであれば良いのである。
【００２３】
（ｂ）ガスの流路を奇数層で構成する理由
ガスメータの内部には、一般に、例えば、正面から見た形状が略Ｕ字状を呈した流路が形成されており、その略Ｕ字状を呈した流路の底辺部に相当する内部に計測部が収容されている。ここで、図４（ａ）及び図５（ａ）に略Ｕ字状を呈した流路３１及び４１の一部の概念図を示す。図４（ａ）及び図５（ａ）では、説明を簡単にするために、流路３１と計測部３２、流路４１と計測部４２がそれぞれ一体に形成されているように表している。上記したように、上記流路３１及び４１は、略Ｕ字状を呈しているため、起立部３１ａ及び４１ａと底辺部３１ｂ及び４１ｂとのそれぞれの接続部分には、屈曲部３１ｃ及び４１ｃがそれぞれ形成されている。
【００２４】
また、図４（ａ）では、計測部３２内部には、４枚の整流板３３が所定間隔隔てて側壁に架橋されており、これにより、ガスの流路が５層で構成される例を示している。そして、主要計測範囲がガスの流路断面をほぼ覆うように超音波送受信器３４が配置されている。一方、図５（ａ）では、計測部４２内部には、３枚の整流板４３が所定間隔隔てて側壁に架橋されており、これにより、ガスの流路が４層で構成される例を示している。そして、主要計測範囲がガスの流路断面をほぼ覆うように超音波送受信器４４が配置されている。
【００２５】
ところで、３枚の整流板３３で内部の流路が分割された計測部３１及び４枚の整流板４３で内部の流路が分割された計測部４１では、ガスの正確な流量を計測するためには、各層に流れ込む各ガスの流速の比率は、１：１であることが理想的である。しかし、計測部３２及び４２のそれぞれのガス導入部前に上記した屈曲部３１ｃ及び４１ｃがそれぞれ形成されているため、これらの屈曲部３１ｃ及び４１ｃにおけるガスの流量に対する流量係数の特性（以下、「流量特性」と称する。）が曲線となる。このため、図４（ａ）及び図５（ａ）にそれぞれ矢印で示すように、各層におけるガスの流速が異なることになる。即ち、各層に流れ込む各ガスの流速の比率は、１：１とはなりにくい。
【００２６】
ここで、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、計測部４２のガスの流路を４層（偶数層）で構成した場合、超音波送受信器４４の主要計測範囲である超音波送受信器４４の中心（図５（ａ）に示す「×」印及び図５（ｂ）に示す破線）の上下の層における各ガスの流速は、屈曲部４１ｃにおけるガスの曲線的な流量特性の影響を受けて、変化しやすい状況にある。このため、上記構成の計測部４２を有する流体計測装置の流量特性は、曲線的な特性を有する傾向にある。また、計測対象であるガスの種類が異なる場合には、各ガス自体が有する性質の相違に起因する超音波送受信器４４の中心の上下の層における各ガスの流速変化も加わるため、上記構成の計測部４２を有する流体計測装置の流量特性は、益々曲線的な特性を有するとともに、計測対象であるガスの種類ごとに異なることになる。
【００２７】
図６にガスの流路を６層で構成した計測部４２を有する流体計測装置の流量特性の一例を示す。また、図７にガスの流路を４層で構成した計測部４２を有する流体計測装置の流量特性の一例を示す。図６及び図７において、特性曲線ａは、流体がガスＡである場合の特性曲線、特性曲線ｂは、流体がガスＢである場合の特性曲線である。図６及び図７から分かるように、流体の種類によって特性が異なっており、また曲線的である。
【００２８】
さらに、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、計測部４２のガスの流路を４層（偶数層）で構成した場合、超音波送受信器４４の中心は、整流板４３と対向することになるので、この整流板４３により超音波送受信器４４からの超音波の主成分である直進成分の伝搬が妨げられる。この結果、超音波送受信器４４の出力が小さくなるため、超音波送受信器４４の出力を増幅するための増幅器等が必要となり、その増幅器等において消費電力が増加したり、微弱な出力に基づく計測に起因して誤差が増大したりすることになりかねない。
【００２９】
これに対し、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、計測部４２のガスの流路を５層（奇数層）で構成した場合、超音波送受信器３４の主要計測範囲である超音波送受信器３４の中心（図４（ａ）に示す「×」印及び図４（ｂ）に示す破線）におけるガスの流量は、屈曲部３１ｃにおけるガスの流量特性が曲線的であっても、その影響を受けにくく、変化しにくい。このため、上記構成の計測部３２を有する流体計測装置の流量特性は、良好な直線性を有する特性となる傾向にある。また、計測対象であるガスの種類が異なる場合でも、各ガス自体が有する性質の相違に起因すて超音波送受信器４４の中心を通過するガスの流速が変化しにいため、上記構成の計測部３２を有する流体計測装置の流量特性は、良好な直線性を有する特性となるともに、計測対象であるガスの種類による影響を受けにくい。
【００３０】
図８にガスの流路を５層で構成した計測部３２を有する流体計測装置の流量特性の一例を示す。また、図９にガスの流路を３層で構成した計測部３２を有する流体計測装置の流量特性の一例を示す。図８及び図９において、特性曲線ａは、流体がガスＡである場合の特性曲線、特性曲線ｂは、流体がガスＢである場合の特性曲線である。図８及び図９から分かるように、いずれの特性もほぼ一致しており、また直線性も良好である。
【００３１】
さらに、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、計測部３２のガスの流路を５層（奇数層）で構成した場合、超音波送受信器３４の中心は、整流板３３と対向しない、即ち、遮られないので、この整流板３３により超音波送受信器３４からの超音波の主成分である直進成分の伝搬が妨げられることはない。この結果、超音波送受信器３４の出力が大きいので、超音波送受信器４４の出力を増幅するための増幅器等が不要となり、消費電力の増加や計測誤差が増大することはない。
【００３２】
ここで、図１０に上記計測部１を有する流体計測装置の流量に対する流量係数の特性の一例を示す。図１０において、特性曲線ａは、流体がガスＡである場合の特性曲線、特性曲線ｂは、流体がガスＢである場合の特性曲線である。図１０から分かるように、いずれの特性もほぼ一致しており、また直線性も良好である。
【００３３】
このように、本発明の実施の形態によれば、ガスの流路を３層で構成するとともに、超音波送受信器２１の主要計測範囲がガスの流路断面をほぼ覆う、即ち、１対の超音波送受信器２１が向かい合うそれぞれの計測範囲同士を結ぶことにより形成される計測領域がガスの流路全体とほぼ交差するように構成している。
このため、計測対象であるガスの種類にかかわらず、ほぼ同一の、かつ、良好な直線性を有する特性（特に、流量特性）を得ることができる。従って、検査時に空気の流量を計測して得られた特性と実装時にＬＰＧの流量を計測して得られる特性とが大幅に異なることはないので、実装時において燃料ガスの流速や流量を高精度に計測することができる。
【００３４】
また、計測対象であるガスの種類にかかわらず、ほぼ同一の、かつ、良好な直線性を有する特性（特に、流量特性）を得ることができるため、ガスの種類毎及び流量区分毎に計測結果を補正する必要がない。このため、ガスメータの内部で補正のための演算が不要となり、ガスメータ各部を制御するマイクロコンピュータ等の制御部の負担が軽減されるとともに、補正データを予め内部のメモリに記憶しておく必要がないので、その分、記憶容量に余裕が生じる。また、補正する場合であっても、補正データは従来より少なくて済む。さらに、ガスメータ間の個体差が小さくなる。
【００３５】
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない領域の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
例えば、上述の実施の形態では、計測対象が空気、都市ガス（１３Ａ）及びＬＰＧである例を示したが、これに限定されず、計測対象はブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の他の気体でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態に係る流体計測装置を構成する計測部の外観構成を示す断面図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】超音波送受信器の外観構成を示す断面図である。
【図４】５層の流路を有する計測部の構成を説明するための図であり、（ａ）は上記計測部を含めた流路の一部を示す概念図、（ｂ）は一対の超音波送受信器間における超音波の伝搬状態を説明するための図である。
【図５】４層の流路を有する計測部の構成を説明するための図であり、（ａ）は上記計測部を含めた流路の一部を示す概念図、（ｂ）は一対の超音波送受信器間における超音波の伝搬状態を説明するための図である。
【図６】６層の流路を有する計測部を備えた流体計測装置の流量特性の一例を示す図である。
【図７】４層の流路を有する計測部を備えた流体計測装置の流量特性の一例を示す図である。
【図８】５層の流路を有する計測部を備えた流体計測装置の流量特性の一例を示す図である。
【図９】３層の流路を有する計測部を備えた流体計測装置の流量特性の一例を示す図である。
【図１０】図１に示す計測部を有する流体計測装置の流量特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１，３２，４２  計測部
１１  肉厚管部
１２，１３  肉薄管部
１４，３３，４３  整流板
２１，３４，４４  超音波送受信器
２２  圧電体
２３  金属ケース
２４  音響整合部材
２５  端子板
２６  不活性ガス
３１，４１  流路
３１ａ，４１ａ  起立部
３１ｂ，４１ｂ  底辺部
３１ｃ，４１ｃ  屈曲部
【図１】
2007240504.tif 000003
【図２】
2007240504.tif 000004
【図３】
2007240504.tif 000005
【図４】
2007240504.tif 000006
【図５】
2007240504.tif 000007
【図６】
2007240504.tif 000008
【図７】
2007240504.tif 000009
【図８】
2007240504.tif 000010
【図９】
2007240504.tif 000011
【図１０】
2007240504.tif 000012