(57)【要約】【課題】超音波流量計において超音波の壁面反射の影響を無くすとともに、小流量用の計測デバイスで大流量計測まで可能な計測流路を提供する。【解決手段】流路断面が円形の計測流路１と同芯上に内装した円形筒状の区画部材２により、区画部材２の内側の第１流路３ａと外側の第２流路３ｂとを構成し、一対の超音波センサ５、６を用い、区画部材２の外郭に設けた平面部分を反射面とするＶ字パスの超音波伝播路を形成することで第２流路３ｂの流速を計測し、計測流路１全体の流量を求める構成とした超音波流量計。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路断面が略円形の流路と、
前記流路の内部に前記流路と同芯に配置された略円形筒状の区画部材と、
前記流路の内壁と前記区画部材の外壁で構成される流路における流速を超音波の伝播時間で計測する流速計測手段と、
前記流速計測手段で計測した流速から流路全体の流量を演算する流量演算手段と、を備え、
前記流速計測手段における超音波の伝播経路を、前記流路の内壁と前記区画部材の外壁間とした超音波流量計。
【請求項２】
前記流路の上流側と下流側に配置された一対の超音波センサと、前記区画部材の外面に設けた平面と、を備え、
一方の前記超音波センサから発信された超音波が前記平面に反射して他方の前記超音波センサに伝播するように構成した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】
前記区画部材の外郭断面形状が多角形状を成す筒状の形状である請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記流路の流体流入側に整流部材を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記流路の流出側にも整流部材を有する請求項４に記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記整流部材は多孔体よりなる請求項４または５に記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用してガス、水などの流体の流量を計測する流量計測装置に関するもの、特に大流量の測定にも対応するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の超音波式流量計測装置は、図１０に示すように、計測流体が流れる主管流路１０１内に、その流体の一部を計測するための計測流路１０２を設置した構成であった。
【０００３】
この構成においては、計測流路１０２内に分流された流量を計測し、予め設定された全体流量との分流比に基づいて、主管流路内に流れる流量を計算により求めるものであり、小流量の計測レンジである測定系でもって、配管全体の流れを測定できるものである。
【０００４】
図１１は、計測流路１０２の構成を示すもので、図に示すように計測流路１０２の断面は、矩形形状を有し、この流路の対向する面に対向して配置された少なくとも一対の超音波センサ１０３，１０４によって送受信を行い、上流側から送信した場合の時間と下流側から送信した場合の超音波の伝播時間差で流速を求めている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２５１６８６号公報
【特許文献２】特開２００５−１４０７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の構成では、超音波での計測部の計測速度の上限があるため、計測最大流量の仕様を満たすために、計測部の仕様を合わせこむ必要がある。超音波流量計においては、図１１に示すように送信側から発信された超音波が超音波伝搬方向と平行する壁面で反射することなく受信側に到達する直接波Ａと前記した壁面で反射しながら受信側に到達する反射波Ｂが存在し、この直接波Ａと反射波Ｂは位相が異なり、この複合波が受信波となって受信側の超音波センサで受信されることになる。
【０００７】
従って、超音波による伝播時間の測定は受信波を用いて計測するため受信波の形が変形する事が課題であり、超音波の伝搬経路の設計においては、反射波の影響をできるだけ小さくする事が求められる。
【０００８】
また、計測流路は大流量を流す主管流路１０１と計測を行う計測流路１０２に分けて計測流路１０２の計測を超音波で計測を行い、主管流路１０１と計測流路１０２の分流比より全体流量を求めるものであるが、この分流比を計測流量により一定にすることは難しく、流量に応じた補正が必要になる、また計測する流体の種類や温度によっても、その分流比が変わるため、補正のためのシステムが煩雑になるだけでなく、計測できる流体や環境に制約が生じる。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解消するものであり、超音波センサの周波数や壁面間距離の制約を受けず壁面反射の影響を防ぎ、かつ主管流路と計測のための計測流路の分流比が条件により変化しないようにする計測手段を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記従来の課題を解決するために本発明の超音波流量計は、流路断面が略円形の流路と、前記流路の内部に前記流路と同芯に配置された略円形筒状の区画部材と、前記流路の内壁と前記区画部材の外壁で構成される流路における流速を超音波の伝播時間で計測する流速計測手段と、前記流速計測手段で計測した流速から流路全体の流量を演算する流量演算手段と、を備え、前記流速計測手段における超音波の伝播経路を、前記流路の内壁と前記区画部材の外壁間としたものである。
【００１１】
そして、超音波の伝搬経路には実質的に側壁面が無くなるため直接波のみの送受信することが可能となり、従来の様な壁面反射の干渉の影響を受けることが無くなり、超音波センサの駆動周波数を考慮することなく、流路の形成ができる。
【００１２】
また、流路の一部分を測定することで計測流路を流れる全体の流量を求めるバイパス構成の計測流路であるが、形状が軸対称であるため、区画部材の内と外の２つの流路の分流比の設定が容易なため超音波式計測で計測した流速から、容易に全体の流量を演算し求めることができ、小流量用の超音波計測デバイスで大流量計測が容易に可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の超音波流量計によると、壁面反射の干渉の影響を受けることが無くなり、超音波センサの駆動周波数を考慮することなく、流路の形成ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波流量計の断面図
【図２】本発明の実施の形態１における超音波流量計の側面断面図
【図３】本発明の実施の形態１にシステム構成図
【図４】本発明の実施の形態１における超音波流量計測の動作説明図
【図５】本発明の実施の形態１における超音波流量計の側面図
【図６】本発明の実施の形態２における超音波流量計の断面図
【図７】本発明の実施の形態２における超音波流量計の側面断面図
【図８】本発明の実施の形態２における他の形態の超音波流量計の側面断面図
【図９】本発明の実施の形態３における超音波流量計の断面図
【図１０】従来の超音波流量計用いたバイパス流量計の構成図
【図１１】従来の超音波流量計部の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の発明は、流路断面が略円形の流路と、前記流路の内部に前記流路と同芯に配置された略円形筒状の区画部材と、前記流路の内壁と前記区画部材の外壁で構成される流路における流速を超音波の伝播時間で計測する流速計測手段と、前記流速計測手段で計測した流速から流路全体の流量を演算する流量演算手段と、を備え、前記流速計測手段における超音波の伝播経路を、前記流路の内壁と前記区画部材の外壁間としたことで、計測部の超音波伝搬方向の壁面が無くなるため直接波のみ送受信され、壁面反射波と直接伝搬波が干渉し受信波形に影響することが無く、センサの駆動周波数を考慮する必要無く、流路の形成ができる。また、流路の一部分を測定することで筒状流路を流れる流体量を計測できるため小型用の超音波デバイスで大流量計測も可能になる。
【００１６】
第２の発明は、特に、第１の発明において、前記流路の上流側と下流側に配置された一対の超音波センサと、前記区画部材の外面に設けた平面と、前記区画部材の外面に設けた平面と、を備え、一方の超音波センサから発信された超音波が前記平面に反射して他方の超音波センサに伝播するように構成したものであり、流路外壁に超音波センサを配置でき
、従来のように中央に計測部を設ける必要が無く、装置を簡素化できる。
【００１７】
第３の発明は、特に、第２の発明において、前記区画部材の外郭断面形状が多角形状を成す筒状の形状であることで、流路断面形状が軸対称となり、より流れの均一化が図れるとともに、複数の伝搬パスを構成することも可能であり、計測範囲が異なる超音波センサ並びに伝播路の長さを変える等の違う構成の測定システムを組み合わせるとこにより、より広範囲の測定と精度向上を図ることができる。
【００１８】
第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明において、前記流路の流体流入部分に整流部材を有することで計測流路内には流体が均一に流れるため、小流量から大流量まで、第１流路と第２流路に流れる流量の分流比が一定となる、また流体の種類や温度などの環境が変化しても同じく分流比が一定となるため、分流比の補正が容易で安定した測定精度を容易に得やすくなる。
【００１９】
第５の発明は、特に第４の発明において、計測流路の流出側にも整流部材を有することで、逆流時も正確に流量を計測することが可能となる。
【００２０】
第６の発明は、特に第４または５の発明の整流部材を多孔体からなる材料を用いることで、十分な整流効果を発揮することが可能となり、安定した測定精度を容易に確保することが可能となる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。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。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１を示す超音波流量計の断面図である。また、図２は図１に示すＡ−Ａ’矢視断面図である。
【００２３】
被計測流体が流れる計測流路１には計測流路の内部に支持部材（図示せず）を介して計測流路１と同芯上に円形筒状の区画部材２が内設されており、この区画部材２の内部空間により第１流路３ａが形成されている。また、計測流路１の内壁と区画部材２の外壁で形成された空間により第２流路３ｂが構成されている。
【００２４】
即ち、計測流路１は、区画部材２により、第１流路３ａと第２流路３ｂに区画された構成となっている。
【００２５】
また、計測流路１の被計測流体（白抜きの矢印で示す）の流入側には整流部材４が設けられており、第１流路３ａ及び第２流路３ｂには面積当たりの流れ込む流量が一定になるように構成されている。
【００２６】
更に、計測流路１には一対の超音波センサ５、６が第１流路の平面２ａで反射しＶ字の伝播路を形成するように設置され、上流側に配置された超音波センサ５と下流側に配置された超音波センサ６間で超音波の送受信が行われる。
【００２７】
図３は、本実施の形態の超音波流量計のブロック図を示すもので、図に示すように計測流路１に配置された超音波センサ５，６により超音波伝搬時間が計測され、この超音波伝搬時間から第２流路３ｂの流速が演算回路７により演算される。
【００２８】
そして、この流速とから第１流路３ａと第２流路３ｂの流路断面積から計測流路１を流れる被計測流体の流量が演算され、その結果は計測装置１０の制御手段８を介して表示部
９に表示される。
【００２９】
なお、本実施の形態では結果を表示部９により表示するようにしているが、測定結果は数値データとしてデータロガーなどに出力することでもよく、また無線システムまた有線によるデータ転送機能を搭載して他の場所で出力することも可能である。
【００３０】
以下、超音波計測の動作について図４を用いて説明する。
【００３１】
まず、超音波センサ５，６間で交互に超音波を送受信させて流体の流れに対して順方向と逆方向の超音波の伝搬時間の差を一定間隔を置いて計り、伝搬時間差信号として出力する。この伝搬時間差信号を受けて演算回路７により被計測流体の流速、および計測流路の流量を算出するものである。
【００３２】
上流側の超音波センサ５から発せられた超音波が下流側の超音波センサ６で受信されるまでの伝搬時間Ｔ１を計測する。また一方、下流側の超音波センサ６から発せられた超音波が上流側の超音波センサ５で受信されるまでの伝搬時間Ｔ２を計測する。
【００３３】
このようにして測定された伝搬時間Ｔ１およびＴ２を基に、以下の演算式により演算回路で流量が算出される。
【００３４】
いま、計測流路の流動方向の被計測流体の流速Ｖと超音波伝搬路とのなす角度をθとし、超音波センサ間の距離を２×Ｌ、被測定流体の音速をＣとすると、流速Ｖは以下の式にて算出される。
【００３５】
式（１）  Ｔ１＝２×Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
式（２）  Ｔ２＝２×Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
Ｔ１の逆数からＴ２の逆数を引き算する式より音速Ｃを消去して
式（３）  Ｖ＝（２×Ｌ／２ｃｏｓθ）（（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２））
θおよびＬは既知なのでＴ１およびＴ２の値より流速Ｖが算出できる。
【００３６】
以上のように構成された超音波流量計について、以下その図１、５を用いその作用を説明する。なお、図５は図１におけるＢ矢視図である。
【００３７】
超音波計測方式の特徴として、計測部での圧損は発生しないため、計測流路１に流れ込む被計測流体は整流部材４により、単位面積当たり一定の流量として分流され、第１流路３ａ、第２流路３ｂに流れ込む。
【００３８】
ここで示す整流部材４はハニカム構造の多孔体を用いているが、整流作用のある部材であれば他の部材でももちろん構わない。
【００３９】
第２流路３ｂに流れた被計測流体の一部は、前述した超音波測定原理により流速が計測され、予め求められている補正係数を乗算することで、計測流路１の流量を求めることができる。
【００４０】
なお、第２流路３ｂで形成される超音波伝播路においては伝播路と平行する壁面が無いためＶ字パスを通る直接波のみが受信されるため、他の壁面で反射した伝播波と直接波が干渉して受信波が乱れ正確な超音波の伝播時間が計測できなくなることが無くなるため、センサの特性の影響を受けにくい計測システムの構築が可能となる。
【００４１】
（実施の形態２）
図６、図７を用い実施の形態２について説明する。図６は実施の形態２の計測流路断面図で、図７は図６のＣ−Ｃ’矢視断面図である。なお、図１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００４２】
図７に示すように計測流路１２は、区画部材１３によって、第１流路１４ａと第２流路１４ｂに区分されており、区画部材１３は、外郭形状が１２角形となっており、この各辺をそれぞれ超音波伝播のＶ字パスの反射面として使用することが可能である。また、計測流路１２の内壁も同様の１２角形としている。
【００４３】
また、超音波センサは、図１の超音波センサ５，６と、更にこの超音波センサ５，６とは異なる特性を有する超音波センサ１５，１６を備え、それぞれの反射面を平面１３ａ、１３ｂとすることで２つの伝播経路を構成しており、流量や非計測流体の種類に合わせて適宜選択することで、最適な計測結果を得ることができるようになっている。
【００４４】
さらに、図８に示すように、超音波センサ５，６間の距離Ｃと超音波センサ１７、１８間の距離Ｄを異なるように構成するにより、計測流量範囲に応じて２つの伝播距離を適宜選択できるようにすることも可能となる。この場合、超音波センサ１７，１８の特性は超音波センサ５，６と同じとしても良いし、異なるようにしても良く、流量や非計測流体の種類に合わせて適宜選択することができる。
【００４５】
超音波式の流量計測としてセンサの特性（例えば、センサの駆動周波数やセンサの感度）により、計測できる流速の範囲が異なってくる。例えば、流速が小さい場合は、センサ駆動周波数が高い方が、計測の分解能が上がるため有利であるが、流速が大きい場合は低い周波数の方が流れの乱れに対して安定して計測が可能である。
【００４６】
そして、図７に示す事例では、２組の超音波センサの周波数特性を異なるように設定している。
【００４７】
一方、図８に示すように伝播路が長い方が小さな流速でも安定して計測できるようにが、センサ間の超音波の減衰が大きくなるため流速が大きくなると計測が不安定になる傾向がある。
【００４８】
従って、センサの特性や超音波の伝播経路の組合せで、安定して計測が可能な流速の範囲が決まってくる。本実施の形態では、一つの計測流路で複数の異なる計測部を形成し、流量に応じて切り替えて使用することで、計測流路の構成の変更無しで計測範囲を広げる事や計測精度を上げる事が可能となり、計測装置としての適用範囲を広げる事ができる。
【００４９】
なお、本実施の形態では、区画部材１３の外郭形状を１２角形としているが、超音波の反射が利用できる範囲において形状の角数に制限があるものでは無い。
【００５０】
（実施の形態３）
図９は、実施の形態３の計測流路断面を示すもので、図１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００５１】
図９に示すように、計測流路１の流出側にも整流部材１９を設ける事により、超音波の計測方式では逆流の測定も可能であるため、正逆両方の流れを正確に測ることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、本発明の超音波流量計は、計測流路に設けられた第２流路に第１流路の
外壁を使いＶ字パスの伝播路を形成することで、壁面反射の影響を受けず、受信波形が安定し、精度良く計測できるとともに、計測流路の一部を計測して全体流量を求めるバイパス方式の計測構成でもって、計測部の第２流路と主流路の第１流路の分流比の制御が容易であり、小流量の計測デバイスでもって簡単な構成で大流量計への応用展開も容易に図れる。
【符号の説明】
【００５３】
１、１２  計測流路（流路）
２、１３  区画部材
２ａ、１３ａ、１３ｂ  平面
３ａ、１４ａ  第１流路
３ｂ、１４ｂ  第２流路
４、１９  整流部材
５、６、１５、１６、１７、１８  超音波センサ（流速計測手段）
７  演算回路（流量演算手段）
【図１】
2013217780.tif 000003
【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】
2013217780.tif 000009
【図８】
2013217780.tif 000010
【図９】
2013217780.tif 000011
【図１０】
2013217780.tif 000012
【図１１】
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