(57)【要約】【課題】高精度の流量計測を可能とするとともに、圧力損失が小さく、流体中の異物が引っかかりにくい超音波流体測定装置を提供する。【解決手段】測定管１の上流側の管路に整流部材７Ａを設ける。この整流部材７Ａは、測定管１の管軸Ｏと直交する断面の形状を、測定管１の中央部と周縁部とを分割する内側環状面７ａと、測定管１の周縁部を取り囲む外側環状面７ｂと、内側環状面７ａと外側環状面７ｂとで囲まれた空間を複数の空間（分割空間）７ｃに分割する連結面７ｄとを有する形状とし、内側環状面７ａ、外側環状面７ｂおよび連結面７ｄは測定管１の管軸Ｏの方向に長さを有するものとする。また、超音波の伝播経路８の測定管１の管軸Ｏと直交する断面に投影した軌跡を三角形とする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の流体が流れる測定管と、この測定管の上流側の周面に配置された第１の超音波送受信器と、前記測定管の下流側の周面に配置された第２の超音波送受信器と、前記第１の超音波送受信器と前記第２の超音波送受信器との間の超音波の伝播時間の差に基づいて前記流体の流速を測定する測定部とを備えた超音波流体測定装置において、
前記測定管の前記第１の超音波送受信器よりも上流側の管路に整流部材が設けられ、
前記整流部材は、前記測定管の管軸と直交する断面の形状が、前記測定管の中央部と周縁部とを分割する内側環状面と、前記測定管の周縁部を取り囲む外側環状面と、前記内側環状面と前記外側環状面とで囲まれた空間を複数の空間に分割する連結面とを有する形状とされており、
前記内側環状面、前記外側環状面および前記連結面は、前記測定管の管軸方向に長さを有し、
前記第１の超音波送受信器と前記第２の超音波送受信器との間の超音波の伝播経路は、前記測定管の管軸に対して傾きを有し、かつ、前記測定管の内周面において少なくとも２点の反射点を有する
ことを特徴とする超音波流体測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載された超音波流体測定装置において、
前記第１の超音波送受信器と前記第２の超音波送受信器との間の超音波の伝播経路は、その伝播経路の前記測定管の管軸と直交する断面に投影した軌跡が三角形とされている
ことを特徴とする超音波流体測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波を用いて流体の流量などを測定する超音波流体測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種の超音波流体測定装置として、超音波を用いて流体の流量を測定する超音波流量計が用いられている。この超音波流量計では、図７にその模式図を示すように、測定対象の流体が流れる測定管１の上流側の外周面に第１の超音波送受信器２を配置し、下流側の外周面に第２の超音波送受信器３を配置し、超音波送受信器２と超音波送受信器３との間の超音波の伝播時間の差に基づいて流体の流速Ｖを測定し、この測定した流速Ｖと測定管１の断面積ＳとからＱ＝Ｖ×Ｓとして流体の流量を求める。
【０００３】
この流量Ｑを求める際の演算式を下記（１）〜（４）式として示す。
ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋Ｖ・ｃｏｓθ）  ・・・・（１）
ｔ２＝Ｌ／（ｃ−Ｖ・ｃｏｓθ）  ・・・・（２）
Ｖ＝ｃ2・（ｔ２−ｔ１）／（２・Ｌ・ｃｏｓθ）  ・・・・(３)
Ｑ＝Ｓ・Ｖ  ・・・・(４)
【０００４】
但し、上記(１)〜（４）式において、ｔ１は超音波送受信器２から送信された超音波が超音波送受信器３で受信されるのに要した時間、ｔ２は超音波送受信器３から送信された超音波が超音波送受信器２で受信されるのに要した時間、ｃは超音波の流体中における伝播速度、Ｌは超音波送受信器２と超音波送受信器３との相互間の距離（超音波伝播経路（パス）の距離）、θは測定管１の管軸Ｏに対する超音波伝播経路の傾きである。
【０００５】
〔課題１〕
この超音波流量計は、その原理から分かるように、超音波送受信器２，３間で測定流体中を伝播する超音波伝播経路上での流速を測定する。そのため、流体の流速分布に偏り（偏流）があると、正確な流量測定ができないという問題がある。図８に偏流のイメージ図を示す。図８（ａ）は流れに偏りがない場合の超音波伝播経路上での速度分布を示し、図８（ｂ）は流れに偏りがある場合の超音波伝播経路上での速度分布を示す。
【０００６】
〔課題２〕
また、この超音波流量計は、その原理から分かるように、管軸（中心軸）Ｏと角度θでクロスする超音波伝播経路上で管軸Ｏに平行な方向の速度成分を測定する。しかしながら、流速の方向が管軸Ｏに平行ではなく、図９に示すように、管半径方向の速度成分Ｖｒを持っているような場合、管軸Ｏに平行な流速成分Ｖａと真の流速Ｖは等しくないため、流速Ｖを正しく計測することができない。
【０００７】
例えば、超音波流量計を実際の配管に設置する際、施工に十分注意しても、図１０に示すように、超音波流量計の上流側において配管の中心軸Ｊと超音波流量計の中心軸Ｏにわずかな芯ずれを生じ、継ぎ目にわずかな段差を生じることがある。また、配管の内径と超音波流量計の入り口径とは厳密に同じでないため、芯ずれがなくとも継ぎ目に生じる段差により流れに管半径方向の速度成分Ｖｒを生じさせるような場合があり、上記のように流速Ｖを正しく計測することができなくなってしまうという問題があった。
【０００８】
芯ずれによる精度ずれは、超音波流量計の配管施工の悪さにより起こる問題であるが、実際に有害となるような段差が生じているかどうかは配管の内部なので、目視確認が難しく気づきにくい。また、超音波流量計と上記配管の継ぎ目の芯ずれに起因する精度ずれであるため、上流直管長を十分に取って流量計として精度を確保していると思っていても、実際は精度ずれを起こしておりそれに気づかないことがある。
【０００９】
このような偏流や乱れた流れを整えるものとして、すなわち偏流による「課題１」や乱れた流れによる「課題２」の解決を図るものとして、ハニカムやメッシュといった整流器が一般的に知られている。このハニカムやメッシュを備えた超音波流量計の例として例えば特許文献１がある。この特許文献１によれば、上流からの流れに偏流がある場合でも、細かいハニカムやメッシュで流れの乱流化を促進し、流れが十分回復しないところで計測を行うことにより、高精度の流量計測を可能としている。また、ハニカムを流れ方向に長く取れば、前述した流れの管半径方向の速度成分を打ち消すことができるというメリットもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１９８３７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に示された技術では、ハニカムやメッシュを設けることによって流体の流れを整流するようにしているが、上述したような効果を得るためにはハニカムやメッシュの分割は細かくなくてはならず、分割が細かいほど流体の圧力損失は大きくなるという問題があった。また、分割が細かいと流体中の異物が引っかかってしまい、異物がそこにとどまることにより流量計測に悪影響を与えるという問題があった。
【００１２】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、高精度の流量計測を可能とするとともに、圧力損失が小さく、流体中の異物が引っかかりにくい、超音波流体測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような目的を達成するために本発明は、測定対象の流体が流れる測定管と、この測定管の上流側の周面に配置された第１の超音波送受信器と、測定管の下流側の周面に配置された第２の超音波送受信器と、第１の超音波送受信器と第２の超音波送受信器との間の超音波の伝播時間の差に基づいて流体の流速を測定する測定部とを備えた超音波流体測定装置において、測定管の第１の超音波送受信器よりも上流側の管路に整流部材を設け、整流部材は、測定管の管軸と直交する断面の形状が、測定管の中央部と周縁部とを分割する内側環状面と、測定管の周縁部を取り囲む外側環状面と、内側環状面と外側環状面とで囲まれた空間を複数の空間に分割する連結面とを有する形状とされており、内側環状面、外側環状面および連結面は、測定管の管軸方向に長さを有し、第１の超音波送受信器と第２の超音波送受信器との間の超音波の伝播経路は、測定管の管軸に対して傾きを有し、かつ、測定管の内周面において少なくとも２点の反射点を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明では、偏流による「課題１」に対しては、第１の超音波送受信器と第２の超音波送受信器との間の超音波の伝播経路を、測定管の管軸に対して傾きを有し、かつ、測定管の内周面において少なくとも２点の反射点を有する伝播経路とすることによって、解決を図る。例えば、第１の超音波送受信器と第２の超音波送受信器との間の超音波の伝播経路の測定管の管軸と直交する断面に投影した軌跡を三角形とする。この伝播経路の形態は、超音波が流路断面積全体を比較的まんべんなく通るため、流れに偏りがあっても偏りが平均化されて計測されるため、偏流においても正確な流量計測ができる伝播経路の形態として一般的に知られている。
【００１５】
なお、伝播経路の形態を三角形とした場合、測定管の内周面において２点の反射点を有するものとなる。この伝播経路の形態は三角形に限られるものではなく、四角形、五角形などとしてもよく、色々な形状が考えられる。四角形とした場合、測定管の内周面における反射点は３点となり、五角形とした場合、測定管の内周面における反射点は４点となる。
【００１６】
また、本発明では、乱れた流れによる「課題２」に対しては、測定管の第１の超音波送受信器よりも上流側の管路に整流部材を設け、整流部材の測定管の管軸と直交する断面の形状を、測定管の中央部と周縁部とを分割する内側環状面と、測定管の周縁部を取り囲む外側環状面と、内側環状面と外側環状面とで囲まれた空間を複数の空間に分割する連結面とを有する形状とし、内側環状面、外側環状面および連結面は測定管の管軸方向に長さを有するものとすることによって、解決を図る。
【００１７】
本発明における整流部材は、連結面を含まない断面で見た場合、例えば図４に示されるように、流路を３つ（Ａ、Ｂ、Ｃ）に分割している。この場合、配管との継ぎ目に生じている段差により乱された流れは開口部Ａに入り、流れ方向に長さを持つ内側環状面の外径と外側環状面の内径により、測定管中心軸方向の流れ方向に規制されると同時に、段差の影響を受けていない開口部Ｂ，Ｃの測定管中心軸方向の流れを乱すことがない。また、整流部材の分割はハニカムやメッシュのように細かくしなくても、大きな整流効果が得られるので、流体の圧力損失も小さくて済む。また、異物もひっかかりにくい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、測定管の上流側の管路に整流部材を設け、この整流部材の測定管の管軸と直交する断面の形状を、測定管の中央部と周縁部とを分割する内側環状面と、測定管の周縁部を取り囲む外側環状面と、内側環状面と外側環状面とで囲まれた空間を複数の空間に分割する連結面とを有する形状とし、内側環状面、外側環状面および連結面は測定管の管軸方向に長さを有するものとし、第１の超音波送受信器と第２の超音波送受信器との間の超音波の伝播経路は、測定管の管軸に対して傾きを有し、かつ、測定管の内周面において少なくとも２点の反射点を有するようにしたので、偏流においても正確な流量計測が可能となり、かつ配管中心のずれや径違いによる段差により生じる流体の管半径方向の速度成分を打ち消すことが可能となる。これにより、高精度の流量計測が可能となり、圧力損失が小さく抑えられ、流体中の異物も引っかかりにくいものとなる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る超音波流体測定装置の一実施の形態を示す超音波流量計の斜視図である。
【図２】この超音波流量計の測定管の管路に嵌め込まれた整流部材を示す斜視図である。
【図３】この超音波流量計を整流部材が嵌め込まれた側の方向からみた図である。
【図４】超音波流量計の上流側において配管の中心軸と超音波流量計の中心軸に芯ずれがある場合の整流部材における流体の流れを示す図である。
【図５】整流部材の変形例を示す図である。
【図６】整流部材の変形例を示す図である。
【図７】従来の超音波流量計の模式図である。
【図８】偏流のイメージ図である。
【図９】測定管内の流体の流速の管半径方向成分を説明する図である。
【図１０】超音波流量計の上流側において配管の中心軸と超音波流量計の中心軸に芯ずれがある場合の流体の流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る超音波流体測定装置の一実施の形態を示す超音波流量計の斜視図である。同図において、図７と同一符号は図７を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。
【００２１】
この超音波流量計１００では、測定管１の入口側の管路１−１（第１の超音波送受信器２よりも上流側の管路）に、整流部材７（７Ａ）を着脱可能に嵌め込んでいる。なお、出口側の管路１−２を入口側として使用する場合には、出口側の管路１−２に整流部材７Ａに嵌め込むようにする。
【００２２】
整流部材７Ａは、図２に示すように、内側の環状部材７−１と外側の環状部材７−２とを多数のリブ７−３で連結した構造とされている。また、この整流部材７Ａは、測定管１の管軸Ｏと直交する断面の形状が、測定管１の中央部と周縁部とを分割する内側環状面７ａと、測定管１の周縁部を取り囲む外側環状面７ｂと、内側環状面７ａと外側環状面７ｂとで囲まれた空間を複数の空間７ｃに分割する連結面７ｄとを有する形状とされ、内側環状面７ａ、外側環状面７ｂおよび連結面７ｄは、測定管１の管軸Ｏの方向に長さを有する形状とされている。
【００２３】
また、この超音波流量計１００では、図１中に超音波送受信器２と超音波送受信器３との間の超音波の伝播経路（超音波伝播経路）を符号８で示すように、この超音波伝播経路８の測定管１の管軸Ｏと直交する断面に投影した軌跡が三角形となるように（図３参照）、超音波送受信器２と超音波送受信器３を測定管１の外周面に配置している。この場合、超音波送受信器２と超音波送受信器３との間の超音波伝播経路８は、測定管１の内周面において２点の反射点を有するものとなる。
【００２４】
この反射点を２点とする超音波伝播経路８は、トライアングルパスとしてすでに既知の技術であり、超音波が流路断面積全体を比較的まんべんなく通るため、流れに偏りがあっても偏りが平均化されて計測される。これにより、本実施の形態では、図８（ｂ）に示したような偏流においても、正確な流量計測が行われるものとなる。
【００２５】
この超音波流量計１００では、測定管１を流れる流体が整流部材７Ａを通過する際、内側環状面７ａの内径φ１の空間７ｅと、連結面７ｄによって分割された内側環状面７ａと外側環状面７ｂとの間の複数の空間（分割空間）７ｃを通過する。この内側環状面７ａの内径φ１の空間７ｅと分割空間７ｃは管軸Ｏの方向に長さを有し、この内側環状面７ａの内径φ１の空間７ｅの管軸Ｏの方向へ延びる通路（内側通路）７ｆと分割空間７ｃの管軸Ｏの方向へ延びる通路（外側通路）７ｇとを流体が通過する。
【００２６】
この場合、図４に示すように、配管との継ぎ目に生じている段差により乱された流れは開口部Ａ（外側通路７ｇ）に入り、流れ方向に長さを持つ内側環状面７ａの外径と外側環状面７ｂの内径により、測定管１の中心軸方向の流れ方向に規制されると同時に、段差の影響を受けていない開口部Ｂ（内側通路７ｆ），Ｃ（外側通路７ｇ）の測定管１の中心軸方向の流れを乱すことがない。また、整流部材７Ａの分割はハニカムやメッシュのように細かくしなくても、大きな整流効果が得られるので、流体の圧力損失も小さくて済む。また、異物もひっかかりにくい。
【００２７】
なお、整流部材７の変形例として、図５（ａ）に示すような分割空間７ｃの数を少なくして例えば３つとした整流部材７Ｂ、図５（ｂ）に示すような分割空間７ｃの数を多くして例えば１２個とした整流部材７Ｃ、図５（ｃ）に示すような分割空間７ｃの大きさを変えた整流部材７Ｄ、図６（ａ）に示すような外側の環状部材７−２の長さを内側の環状部材７−１よりも長くした整流部材７Ｅ、図６（ｂ）に示すような内側の環状部材７−１の長さを外側の環状部材７−２よりも長くした整流部材７Ｆなども考えられる。
【００２８】
なお、この実施の形態では、超音波伝播経路８の測定管１の管軸と直交する断面に投影した軌跡を三角形としたが、三角形に限られるものではなく、例えば四角形、五角形などとしてもよい。四角形とした場合、測定管１の内周面における反射点は３点となり、五角形とした場合、測定管１の内周面における反射点は４点となる。
【００２９】
また、整流部材７（７Ａ〜７Ｆ）は、必ずしも測定管１に着脱可能に設けるようにしなくてもよく、固定するようにしてもよい。また、測定管１に一体的に作り込むようにしてもよい。整流部材７（７Ａ〜７Ｆ）を着脱可能とすることにより、メンテナンスが容易となり、ごみなどの異物が詰まった場合、簡単に除去することが可能となる。
【００３０】
また、上述した実施の形態では、測定した流体の流速から流量を求める超音波流量計を例にとって説明したが、流体の流速そのものを求める超音波流速計、流量から熱量を求める超音波熱量計などでも同様の構成を採用できることは言うまでもない。
【００３１】
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、各実施の形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１…測定管、Ｏ…管軸（中心軸）、２…第１の超音波送受信器、３…第２の超音波送受信器、７（７Ａ〜７Ｆ）…整流部材、７−１…内側の環状部材、７−２…外側の環状部材、７−３…リブ、７ａ…内側環状面、７ｂ…外側環状面、７ｃ…分割空間、７ｄ…連結面、７ｅ…内径φ１の空間、７ｆ…内側通路、７ｇ…外側通路、８…超音波伝播経路、１００…超音波流量計。
【図２】
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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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【図１０】
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【図１】
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【図３】
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