(57)【要約】【課題】精度の良い流量計測を行うための超音波式流量計測ユニットの構成を提供する。【解決手段】断面が矩形の計測流路２６を有し被計測流体が流れる計測流路ユニット１５と、この計測流路ユニット１５の一面に設けた開口部２５を覆う第１送受波器４２と第２送受波器４３を有するセンサユニット１６とで超音波式流量計測ユニット１０を構成することにより、超音波が伝搬する計測流路ユニット１５側において、流量を計測するための条件設定を容易に設定できるように構成している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つの面に開口部を有し、被計測流体が流れる断面が矩形の計測流路を有する計測流路ユニットと、
前記開口部を覆うセンサユニットと、
前記センサユニットの流路方向に所定の距離をおいて配置した一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器の一方から送信された超音波信号が、前記センサユニットと対向する前記計測流路ユニットの計測流路内の反射面に反射して他方に受信されるまでの伝播時間から前記被計測流体の流量を演算する流量演算部と、
からなる超音波式流量計測ユニット。
【請求項２】
前記計測流路ユニットの計測流路は、前記開口部に隣接する計測流路内面に平行な複数の仕切板で複数の流路に仕切られたことを特徴とする請求項１記載の超音波式流量計測ユニット。
【請求項３】
前記センサユニットは、前記一対の超音波送受波器を所定の角度で保持する為の保持部を有する請求項１又は２に記載の超音波式流量計測ユニット。
【請求項４】
被計測流体を気密に収容する装置本体と、
前記装置本体への被計測流体の入口部と、
前記装置本体からの被計測流体の出口部と、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波式流量計測ユニットと、
からなり、
前記超音波式流量計測ユニットの流入口は前記装置本体内に開放され、流出口は前記出口部に接続されたガス流量計。
【請求項５】
前記入口部と前記出口部は、前記装置本体の同一面に配置され、
前記超音波式流量計測ユニットは、前記装置本体の中央部に位置すると共に、前記出口部とはＬ字状の接続部で接続されたことを特徴とする請求項４記載のガス流量計。
【請求項６】
前記超音波式流量計測ユニットは、前記計測流路の断面の長辺側若しくは、複数の流路の断面の長辺側が被計測流体の流入方向と平行になるように配置した請求項５記載のガス流量計。
【請求項７】
前記入口部に接続される遮断弁を内蔵し、前記遮断弁から前記装置本体への被計測流体の流出方向は、前記入口部への被計測流体の流入方向に対して垂直方向とした請求項６記載のガス流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波で流量を計測する超音波式流量計測ユニットの構成方法、およびこれを用いたガス流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波流量計２００は、例えば、図８に示すように、超音波変換器２０１と超音波変換器２０２、および反射層２０３を有した、はめこみ型センサユニット２０４を、流通管２０５にはめ込んで計測をする構成としている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００８−５２４６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、被計測流体が流れる流通管の計測部分において、流れに対する工夫が施されたものではなかった。一方、超音波での精度の良い流量計測を行う場合には、流れを整流したり、場合によっては層流化するなど、超音波が伝搬する計測領域において、被計測流体に対して各種の工夫を加えることが必要とされるものであった。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、超音波式流量計測ユニットをセンサユニットと計測流路ユニットに分割して構成することにより、超音波が伝搬する計測流路ユニット側において、流量を計測するにあたっての条件設定を容易にし、これにより高精度な流量計測を可能とする超音波式流量計測ユニットの実現を目的とする。また、これを用いたガス流量計の実現を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明の超音波式流量計測ユニットは、一つの面に開口部を有する断面が矩形を有し、被計測流体が流れる計測流路を有する計測流路ユニットと、前記開口部を覆うセンサユニットと、前記センサユニットの流路方向に所定の距離をおいて配置した一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器の一方から送信された超音波信号が、前記センサユニットと対向する計測流路内の反射面に反射して他方に受信されるまでの伝播時間から前記被計測流体の流量を演算する流量演算部とを備えたものであり、このように、超音波式流量計測ユニットがセンサユニットと計測流路ユニットに分割して構成されるため、超音波が伝搬する計測流路ユニット側において、流量を計測するための条件設定を容易にし、これにより高精度な流量計測を可能としたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の超音波式流量計測ユニットは、これをセンサユニットと計測流路ユニットに分割して構成することにより、超音波が伝搬する計測流路ユニット側において、流量を計測するための条件設定を容易にし、これにより高精度な流量計測を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る実施の形態１の超音波式流量計測ユニットを示す斜視図
【図２】図１の超音波式流量計測ユニットを示す分解斜視図
【図３】図１のＡ−Ａ線断面図
【図４】図３のＢ−Ｂ線断面図
【図５】本発明に係る実施の形態２の計測流路ユニットを示す断面図
【図６】実施の形態２の流路本体を組み付ける例を説明する分解斜視図
【図７】本発明に係る実施の形態３の、超音波式流量計測ユニットを用いたガス流量計の断面図
【図８】従来の超音波式流体計測装置を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
第１の発明は、一つの面に開口部を有し、被計測流体が流れる断面が矩形の計測流路を有する計測流路ユニットと、前記開口部を覆うセンサユニットと、前記センサユニットの流路方向に所定の距離をおいて配置した一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器の一方から送信された超音波信号が、前記センサユニットと対向する前記計測流路ユニットの計測流路内の反射面に反射して他方に受信されるまでの伝播時間から前記被計測流体の流量を演算する流量演算部と、からなることを特徴とするもので、超音波式流量計測ユニットをセンサユニットと計測流路ユニットに分割して構成するため、超音波が伝搬する計測流路ユニット側において、流量を計測するための条件設定を容易にし、これにより高精度な流量計測を可能としたものである。
【００１０】
第２の発明は、特に第１の発明において、前記計測流路ユニットの計測流路を、前記開口部に隣接する計測流路内面に平行な複数の仕切板で複数の流路に仕切るようにしたことを特徴とするもので、計測流路を多層に分割することにより、流れの整流を図り、超音波による計測精度の向上を可能としたものである。
【００１１】
第３の発明は、特に第１もしくは第２の発明において、前記センサユニットにおいて、前記一対の超音波送受波器を所定の角度で保持する為の保持部を有するようにしたことを特徴とするもので、超音波送受波器の設定を精度よく行うことにより、超音波による計測精度の向上を可能としたものである。
【００１２】
第４の発明は、被計測流体を気密に収容する装置本体と、前記装置本体への被計測流体の入口部と、前記装置本体からの被計測流体の出口部と、第１〜第３のいずれかに記載された超音波式流量計測ユニットと、からなり、前記超音波式流量計測ユニットの流入口は前記装置本体内に開放され、流出口は前記出口部に接続されたことを特徴とするもので、超音波式流量計測ユニットがコンパクトに構成されていることにより、前記装置本体内での配置の自由度を高めることを可能としたものである。
【００１３】
第５の発明は、特に第４の発明において、前記入口部と前記出口部を、前記装置本体の同一面に配置し、前記超音波式流量計測ユニットは、前記装置本体の中央部に位置すると共に、前記出口部とはＬ字状の接続部で接続されたことを特徴とするもので、装置本体の内部空間を有効に利用することにより、超音波式流量計測ユニットへの均一な流れの流入を可能としたものである。
【００１４】
第６の発明は、特に第５の発明において、前記超音波式流量計測ユニットを、前記計測流路の断面の長辺側若しくは、複数の流路の断面の長辺側が被計測流体の流入方向と平行になるように配置したことを特徴とするもので、装置本体の内部空間からの流れを無理なく超音波式流量計測ユニットに導くことを可能としたものである。
【００１５】
第７の発明は、特に第６の発明において、前記入口部に接続される遮断弁を内蔵し、前記遮断弁から前記装置本体への被計測流体の流出方向は、前記入口部への被計測流体の流入方向に対して垂直方向としたことを特徴とするもので、流入の方向性を緩和し、均一な
流れが、直接、超音波式流量計測ユニットに流れ込むことを可能としたものである。
【００１６】
以下、本発明の複数の実施の形態に係る超音波式流量計測ユニット１０ついて図１〜図４の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１である超音波式流量計測ユニットを示す斜視図で、超音波式流量計測ユニット１０は、計測流路ユニット１５と、計測流路ユニット１５に隣接するセンサユニット１６とを備えている。
【００１８】
図２において、計測流路ユニット１５は、流体の流れ方向に沿って矩形状の断面が連続する流路本体１７を有する。
【００１９】
流路本体１７は、センサユニット１６に隣り合う第１側壁部２１と、第１側壁部２１と平行な第２側壁部２２と、第１側壁部２１および第２側壁部２２の頂部に掛け渡された天板部２３と、第１側壁部２１および第２側壁部２２の底部に掛け渡された底板部２４とを有する。
【００２０】
第１側壁部２１は、この流路本体１７を構成する一つの面であり、この部分に開口部２５を有した構成となっている。
【００２１】
第１側壁部２１、第２側壁部２２、天板部２３および底板部２４は、一体に形成（具体的には、樹脂成形）され、第１側壁部２１、第２側壁部２２、天板部２３および底板部２４で角筒状に計測流路２６を形成する樹脂製の部材である。
【００２２】
図３は図１のＡ−Ａ線断面を示したもので、図３において、第１側壁部２１には、第１超音波出入部３２および第２超音波出入部３３とが形成されている。また、第１側壁部２１には、第１超音波出入部３２および第２超音波出入部３３を覆う超音波透過膜３４が配置されている。
【００２３】
超音波透過膜３４は、超音波は透過させるが、流体の出入りは実質的に遮断する機能を有するものである。超音波透過膜３４としては、一例として超音波を透過させるメッシュ部材を例示するが、これに限定するものではなく、パンチングメタル部材等の他の部材を用いることも可能である。
【００２４】
また、計測流路２６を構成する第２側壁部２２の内面は、超音波の反射面３５としての役割をも担う構成となっている。
【００２５】
図４は図３のＢ−Ｂ線断面を示したもので、図４に示すように、流路本体１７は、複数の仕切板２８により、流路本体１７の内部（すなわち、計測流路２６）が複数の扁平流路２７に区画されている。複数の仕切板２８は、樹脂成型された流路本体１７に挿入し、固定されている。流路本体１７を樹脂成形する際に、第１側壁部２１および第２側壁部２２と一体に成形（インサート成形）されてもよいものである。
【００２６】
図２、図３に示すように、センサユニット１６は、流路本体１７の第１側壁部２１の開口部２５を覆うように設けられている。
【００２７】
また、図３に示すように、センサユニット１６は、センサ保持部４１により保持された第１超音波送受波器４２（以降、第１送受波器４２と呼ぶ）と、第２超音波送受波器４３
（以降、第２送受波器４３と呼ぶ）とを備えている。
【００２８】
第１送受波器４２および第２送受波器４３は、計測流路２６の流れ方向に所定の距離をおいて配置されており、センサ保持部４１は、第１送受波器４２および第２送受波器４３が、所定の角度（α）で保持されるように形成されている。
【００２９】
センサユニット１６を樹脂成型で作成することにより、第１送受波器４２および第２送受波器４３の設置される所定の距離、および、所定の角度を精度良く構成することができるものである。
【００３０】
第１送受波器４２は、第１センサパッキン４５および第１センサ固定部材４６でセンサ保持部４１に取り付けられている。
【００３１】
同様に、第２送受波器４３は、第２センサパッキン４７および第２センサ固定部材４８でセンサ保持部４１に取り付けられている。
【００３２】
ついで、超音波式流量計測ユニット１０で流体の流量を計測する例を図３に基づいて説明する。
【００３３】
図３に図示したＭは超音波の伝搬経路である。矢印Ｐ１、Ｐ２は、第１送受波器４２から第２送受波器４３に伝搬する超音波の伝搬方向を示している。また、矢印Ｑ１、Ｑ２は、第２送受波器４３から第１送受波器４２に伝搬する超音波の伝搬方向を示している。
【００３４】
計測流路２６を流れる流体の流速をＶ、流体中の音速をＣ、流体の流れる方向と超音波が反射面３５で反射するまでの超音波伝搬方向とのなす角度をθとする。また、第１送受波器４２と第２送受波器４３間で超音波が伝搬するときの伝搬経路の有効長さをＬとする。
【００３５】
このとき、第１送受波器４２から出た超音波が、第２送受波器４３に到達するまでの伝搬時間ｔ１は、下式にて示される。
【００３６】
ｔ１  ＝  Ｌ  ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）                      （１）
次に第２送受波器４３から出た超音波が、第１送受波器４２に到達するまでの伝搬時間ｔ２は、下式にて示される。
【００３７】
ｔ２  ＝  Ｌ  ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）                      （２）
式（１）と式（２）から流体の音速Ｃを消去すると、下式が得られる。
【００３８】
Ｖ  ＝  Ｌ  ／（２ｃｏｓθ（（１／ｔ１）−（１／ｔ２）））    （３）
式（３）にて分るように、Ｌとθが既知なら、伝搬時間ｔ１、およびｔ２を用いて、流速Ｖが求められる。
【００３９】
流量演算部（図示せず）は、上記に示した伝搬時間ｔ１、およびｔ２の計測とともに上記の演算をも実施し、まず、流速Ｖを求める。この流速Ｖに計測流路２６の断面積Ｓと補正係数ｋを乗じることにより、流量Ｑが求められる。
【００４０】
このように、本発明の超音波式流量計測ユニット１０では、超音波式流量計測ユニット１０がセンサユニット１６と計測流路ユニット１５とに分割して構成されるため、超音波が伝搬する計測流路ユニット１５側において、流量を計測するための条件設定を容易に行うことができる。
【００４１】
本実施形態においては、計測流路２６を複数に分割し、流れの整流を図り、安定した状態で超音波の伝播時間を計測することができるため、高精度な流量計測を行うことができるものである。
【００４２】
また、このようにセンサユニット１６と計測流路ユニット１５とを組合わせるだけで超音波式流量計測ユニット１０が構成されるため、コンパクトな構成を実現することができる。
【００４３】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２を図５、図６に基づいて説明する。
【００４４】
なお、実施の形態２において実施の形態１の計測流路ユニット１５と同一・類似部材については同じ符号を付して説明を省略する。  図５は第１実施例の図３に相当する断面図である。センサユニットの部分は同一ゆえ、省略している。図５に示すように、本発明の実施の形態２の計測流路ユニット７０は、流路本体１７に代えて流路本体７１を有する。
【００４５】
ここで示す実施の形態２の計測流路ユニット７０では、流路本体７１は、図６に示すように、第１側壁部２１、第２側壁部２２、天板部２３および底板部２４をそれぞれ個別の部材で構成している。
【００４６】
そして、第１側壁部２１、第２側壁部２２、天板部２３および底板部２４を組み付ける際に、第１側壁部２１の裏面２１ａ側（すなわち、計測流路２６側）から収納凹部７２（図５参照）に超音波透過膜３４を組み付けるようにしている。
【００４７】
加えて、第１側壁部２１、第２側壁部２２、天板部２３および底板部２４を組み付ける際に、複数の仕切板２８を組み付けるようにしたものである。
【００４８】
このように、第１側壁部２１、第２側壁部２２、天板部２３および底板部２４をそれぞれ個別の部材で構成することで、実施の形態２の計測流路ユニット７０を組み付けることができる。
【００４９】
ここで、流路本体７１は、第１側壁部２１、第２側壁部２２、天板部２３および底板部２４がそれぞれ樹脂製の部材で形成されている。
【００５０】
実施の形態２の計測流路ユニット７０によれば、超音波透過膜３４を計測流路２６の内面に段差を有することなく設置することができる。
【００５１】
（実施の形態３）
次に、実施の形態３を図７に基づいて説明する。
【００５２】
図７は超音波式流量計測ユニットを用いたガス流量計の断面図である。
【００５３】
図７に示す本発明の実施の形態３であるガス流量計１４０は、被計測流体を気密に収容する箱状の装置本体１４１内に超音波式流量計測ユニット１４２を配置し、ビス等により固定されている。この場合、超音波式流量計測ユニット１４２は装置本体１４１のほぼ中央部に配置されている。
【００５４】
超音波式流量計測ユニット１４２は、基本的に実施の形態１において示した超音波式流量計測ユニットと同様である。
【００５５】
装置本体１４１は、内外を連通する入口パイプ１４３（入口部）および出口パイプ１４４（出口部）を有している。入口パイプ１４３、および出口パイプ１４４は同一平面状に配置されている。
【００５６】
入口パイプ１４３は、装置本体１４１の内部において遮断弁１４５を介して開放されている。出口パイプ１４４は、装置本体１４１の内部において超音波式流量計測ユニット１４２にＬ字状の接続部１４６にて連結されている。
【００５７】
ガス流量計１４０において、入口パイプ１４３を介して装置本体１４１内に流入した流体６０は、超音波式流量計測ユニット１４２の入口から入った後、出口パイプ１４４を介して装置本体１４１の外部に排出される構成となっている。
【００５８】
このような実施の形態３によれば、内部に配置される超音波式流量計測ユニット１４２がコンパクトに構成されているため、配置の自由度が大きいものである。また、超音波式流量計測ユニット１４２の入口が装置本体１４１の広い空間に開放されているため、超音波式流量計測ユニット１４２への流れを均一に、導くことができる。
【００５９】
また、計測流路２６の断面の長辺側、若しくは、複数の流路の断面の長辺側が被計測流体の流入方向と平行になるように配置したことにより、装置本体１４１の内部空間からの流れを無理なく超音波式流量計測ユニット１４２に導くことができる。
【００６０】
また、遮断弁１４５からの流れの流出を流入方向に対して垂直に構成したため、流入の方向性を緩和し、均一な流れが、直接、超音波式流量計測ユニット１４２に流れ込むことを可能としたものである。
【００６１】
なお、本発明に係る超音波式流量計測ユニット１０、および計測流路ユニット１５，７０は、前述した第１実施形、実施の形態２に限定されるものではなく適宜変更、改良等が可能である。
【００６２】
例えば、第１実施形、実施の形態２では、流路本体１７，７１を樹脂製の部材で形成した例について説明したが、これに限らないで、金属製の部材で形成することも可能である。
【００６３】
また、すべての実施例で、計測流路ユニット１５，７０とセンサユニット１６との間に、超音波透過膜３４を配置したが、性能上必要とされない場合は、無くても良いものである。
【００６４】
また、前記第１実施形〜実施の形態３で使用した超音波式流量計測ユニット１０、計測流路ユニット１５，７０、センサユニット１６、流路本体１７，７１、第１側壁部２１、第２側壁部２２、天板部２３、底板部２４、計測流路２６、扁平流路２７、仕切板２８、超音波出入部３１、第１超音波出入部３２、第２超音波出入部３３、反射面３５、超音波透過膜３４、第１送受波器４２および第２送受波器４３等の形状や構成は例示したものに限定するものではなく適宜変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本超音波式流量計測ユニットは、種々のガスメータに適用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１０  超音波式流量計測ユニット
１５，７０  計測流路ユニット
１６  センサユニット
１７，７１  流路本体
２５  開口部
２６  計測流路
２８  仕切板
３５  反射面
４１  センサ保持部
４２  第１送受波器（超音波送受波器）
４３  第２送受波器（超音波送受波器）
１４０  ガス流量計
１４１  装置本体
１４２  超音波式流量計測ユニット
１４３  入口パイプ（入口部）
１４４  出口パイプ（出口部）
１４５  遮断弁
１４６  接続部
【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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