(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れる断面が矩形の流路と、前記矩形の流路の長辺方向でかつ上流側と下流側とに一対の超音波送受波器を対向して設け、かつ前記矩形の流路の短辺方向および流れ方向に並行に仕切板を設け、前記仕切板の超波波が伝搬する部分に超音波透過窓を設けてなる流量計測装置。
【請求項２】
仕切板で仕切られた流路の数ｎは、矩形の流路の長辺と短辺の長さの比である矩形比以下の値とする請求項１記載の流量計測装置。
【請求項３】
仕切板に設けられた超音波透過窓の有効面積は、一対の超音波送受波器の有効面積以下である請求項１記載の流量計測装置。
【請求項４】
一対の超音波送受波器を円形で構成し、かつ仕切板に設けられた超音波透過窓は、楕円形である請求項１記載の流量計測装置。
【請求項５】
一対の超音波送受波器を矩形で構成し、前記仕切板に設けられた超音波透過窓は矩形である請求項１記載の流量計測装置。
【請求項６】
仕切板に設けられた超音波透過窓に、メッシュを設けてなる請求項１記載の流量計測装置。
【請求項７】
一対の超音波送受波器と流体の流れる流路との間に、超音波送受波器の有効面積以下の絞り窓を設けてなる請求項１記載の流量計測装置。
【請求項８】
絞り窓を、超音波送受波器の前面から超音波の２波長以上遠く離れた位置に設置してなる請求項７記載の流量計測装置。
【請求項９】
一対の超音波送受波器の前面に、送受信される超音波が直進成分からなるようハニカム状のガイドを設けてなる請求項１記載の流量計測装置。
【請求項１０】
超音波が伝搬する伝搬路と流路との交叉面にメッシュを設けてなる請求項１記載の流量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体の流量を超音波を用いて計測する流量計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の流量計測装置は、特開平８−３１３３１６号公報に記載されているのが一般的であった。図８（ａ），（ｂ）に従来の超音波流量計測装置１を示す。図（ａ）は、超音波流量計測装置１の水平断面を、（ｂ）は側面を示す。流路２は、幅Ｗ、高さＨで構成され、矩形比（Ｗ／Ｈ）を数倍以上とし、短辺方向の長さＨを代表長さとした層流の流れを実現していた。上流側および下流側に設けた一対の超音波送受信器３，４から超音波を送信，受信し、上流側から下流側、あるいは下流側から上流側への各々の超音波伝搬時間を計測し、その伝搬時間差から流体の流速を演算し、流体の流量を計測する構成であった。なお、矢印５および一点鎖線６は流体の流れる方向を、破線７は超音波の伝搬する方向を示し、流体の流れる方向との交叉角をθで示す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、矩形比（Ｗ／Ｈ）が数倍以上もの偏平な流路構成であるため、低流量域において、流体の長辺方向（Ｗ）成分に乱れが発生しやすくなるため、流体の流速を正確に計測できなくなり、流体の流量計測において誤差が発生していた。
【０００４】
また、矩形比（Ｗ／Ｈ）の大きな偏平流路であるため、一方の送受信器から送信された超音波は、短辺方向と直交する上面あるいは下面で反射された後、他方の送受信器に反射波として直接波とともに受信される。このため受信された超音波の波形は、直接波と反射波との合成波となり、流量により大きく依存することになり、超音波伝搬時間の計測精度が悪くなりやすく、流量計測において誤差の発生する要因となっていた。従って、高精度な流量計測ができなかった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の流量計測装置は、流体の流れる矩形流路と、前記矩形流路の長辺方向に超音波が伝搬するよう上流側と下流側とに一対の超音波送受波器を対向して設け、かつ前記矩形流路の短辺方向および流れ方向に並行に仕切板を設け、前記仕切板の超波波が伝搬する部分に超音波透過窓を設ける構成とした。この構成により、数倍以上もの矩形比を有する偏平な流路が、仕切板により、１以上で２以下の適当な矩形比を有するの流路に分割される。このため、矩形流路の長辺方向流れ成分の乱れが、前記仕切板の整流効果により抑えられ、流量計測装置測における誤差が小さくなり、計測精度が向上する。また、前記仕切板に超音波透過窓が設けられているため、上流側あるいは下流側に設けられた一対の超音波送受信器から送信された超音波は、前記超音波透過窓を透過しないと、他方の送受信器に到達することができない。このため、例えば、一方の送受信器から短辺方向と直交する上面，下面の方向に送信された超音波は、前記超音波透過窓を通過することができないで、前記流体仕切板で反射され、他方の超音波送受信器に到達することができなくなる。従って、他方の送受信器では、短辺方向と直交する上面，下面で反射した超音波を受信することがなく、直接波だけを受信することになり、超音波の受信波形が、直接波だけの波形となり、正確に超音波の伝搬時間を計測することができる。この結果、流量計測の精度が大幅に向上することになる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は、流体の流れる矩形流路と、前記矩形流路の長辺方向に超音波が伝搬するよう上流側と下流側とに一対の超音波送受波器を対向して設け、かつ、前記矩形流路の短辺方向および流れ方向に並行に流体仕切板を設け、前記流体仕切板の超波波が伝搬する部分に超音波透過窓を設ける構成とした。この構成により、数倍以上もの矩形比を有する偏平な流路が、仕切板により、１以上の適当な矩形比を有するの流路に分割される。このため、矩形流路長辺方向の乱れ成分が、前記流体仕切板の整流効果により抑えられる。従って、流量計測における誤差が小さくなり、計測精度が向上する。また、前記仕切板に超音波透過窓が設けられているため、上流側あるいは下流側に設けられた一対の超音波送受信器から送信された超音波は、前記超音波透過窓を透過しないと、他方の送受信器に到達することができなくなり、例えば、一方の送受信器から短辺方向と直交する上面，下面の方向に送信された超音波は、前記超音波透過窓を通過することができないで、前記仕切板で反射され、他方の超音波送受信器に到達することができなくなる。従って、他方の送受信器では、短辺方向と直交する上面，下面で反射した超音波を受信することがなく、直接波だけを受信することになり、超音波の受信波形が乱れなくなる。このため、正確に超音波の伝搬時間を計測することができ、流量計測の精度が大幅に向上することになる。
【０００７】
また、本発明は、前記仕切板で仕切られた矩形流路の数ｎは、前記矩形流路の矩形比（Ｗ／Ｈ）以下とする構成とした。この構成により、流路の代表長さは、仕切られる前の流路高さＨのままとなり、ほとんど圧損を増加させないで、整流効果をあげることができ、計測精度が向上する。
【０００８】
また、本発明は、前記仕切板に設けられた超音波透過窓の有効面積が、前記一対の超音波送受波器の有効面積以下である構成とした。この構成により、超音波の伝搬による拡散を防止、すなわち、拡散した超音波は前記仕切板で反射され、他方の送受波器に到達できなくなる。よって、送受波器から送信された超音波の直進成分のみが、他方の超音波送受波器で受信されることになり、上面，下面での反射波によるＳ／Ｎ比の劣化がなくなり、計測精度が向上する。
【０００９】
また、本発明は、前記一対の超音波送受波器を円形で構成し、かつ前記仕切板に設けられた超音波透過窓が、楕円形である構成とした。この楕円の軸比を交叉角に依存する大きさとし、超音波伝搬路から見て円形となるよう設定した。このため、超音波の透過率が大きく、超音波を有効に利用することができ、計測精度が向上する。
【００１０】
また、本発明は、前記一対の超音波送受波器を矩形で構成し、前記仕切板に設けられた超音波透過窓が、矩形である構成とした。この矩形比を交叉角に依存する大きさとし、超音波伝搬路から見て超音波送受信器と同形の矩形となるよう設定した。このため、超音波の透過率が大きく、超音波を有効に利用することができ、計測精度が向上する。
【００１１】
また、本発明は、前記仕切板に設けられた超音波透過窓に、メッシュを設けてなる構成とした。この構成により、流体が仕切板の超音波透過窓の端面で乱されることが無くなり、渦などの乱れの発生がなくなり、計測精度が向上する。
【００１２】
また、本発明は、前記一対の超音波送受波器と流体の流れる流路との間に、超音波送受波器の有効面積以下の超音波絞り窓を設けてなる構成とした。この構成により、超音波送受信器は、超音波の強度の大きい直進成分のみを送信したり、受信したりするようになり、計測精度が向上する。
【００１３】
また、本発明は、前記絞り窓を、超音波送受信器の前面から超音波の２波長以上遠く離れた位置に設置する構成とした。この構成により、例えば、一方の超音波送受波信から送信された超音波が、前記絞り窓で反射され、送受信器に戻り、さらにまた送受信器で反射され他方の送受信器へ送信される超音波は、直接送信される超音波に対し、前記絞り窓までの距離の２倍以上、すなわち４波長以上遅れることになり、他方の送受信器で受信される超音波信号を乱すことがなくなる。このため、さらに計測精度が向上する。
【００１４】
また、本発明は、前記一対の超音波送受信器の前面に、送受信される超音波が直進成分からなるようハニカム状の超音波収束部を設ける構成とした。この構成により、送受信器で送信，受信される超音波は、超音波伝搬路に沿った平行成分からなる直進成分のみとなり、拡散成分がおさえられ、超音波送受信のＳ／Ｎ比が向上し、計測精度が向上する。
【００１５】
また、本発明は、超音波伝搬路と流路との交叉面に設けた超音波透過窓にメッシュを設けてなる構成とした。この構成により、交叉面における渦などの乱れの発生を抑えることができ、計測精度が向上する。また、前記メッシュを導電性で構成し接地することにより、防爆構造とすることも可能となる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。
【００１７】
（実施例１）
図１（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例１の流量計測装置１０の概略図を示す。図１（ａ）は、流量計測装置１０の水平断面図を、図１（ｂ）は側面図を示す。１１は流体の流れる流路を、１２および１３は流路１１の上流側および下流側に設けられた超音波送受信器を示す。１４は流体の流れる方向を示す矢印。実線１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、流路１１内に設けた３枚の仕切板を示す。仕切板は、流路幅、Ｗ（約４５ｍｍ）に比べて充分薄い０．５ｍｍの板厚の金属板で構成した。なお、流路高さ、Ｈは、矩形比（Ｗ／Ｈ）が、数倍以上となるよう、１０ｍｍに設定した。なお、超音波送受信器１２および１３は、直径８ｍｍの円形もしくは、一辺８ｍｍの正方形で構成した。また、流体の流れ方向と超音波の伝搬方向との交叉角θは、４５度とした。図１（ｃ）は、超音波送受信器を８ｍｍの円形で構成したときの仕切板１５ｂの平面図を示す。中央部に短径、４ｍｍ、長径５．７ｍｍの楕円形の貫通孔１６を設け、超音波透過窓とした。なお、上記長径は、超音波伝搬方向から見たときに、半径４ｍｍの円形に見えるように楕円形に設定した。図１（ｄ）は、超音波送受信器を８ｍｍの方形で構成したときの仕切板１５ｂの平面図を示す。中央部に短辺、４ｍｍ、長辺５．７ｍｍの矩形状の貫通孔１７を設け、超音波透過窓とした。なお、上記短辺は４ｍｍ、長辺は、超音波伝搬方向から見たときに、一辺４ｍｍの方形に見えるように長方形に設定した。
【００１８】
図２に超音波伝搬の特性を示す。横軸に流体の流量を、縦軸に超音波の受信強度を示す。実線は本発明による仕切板を設けた場合の結果、点線は仕切板のない場合の結果をそれぞれ示す。仕切板の無い従来の場合には、超音波の受信強度が流量とともに大幅に減少し、流量の多いところでは（１／２）以下の受信強度たなる。このため、超音波の伝搬時間計測において、そのＳ／Ｎ比が非常に低下し、流量計測精度が悪くなっていた。しかしながら、本発明のように、仕切板を設けた場合には、その減少幅が小さくなる。これは、本発明の仕切板を用いることにより、流れが整流され乱れの発生が抑えられるとともに、仕切板に超音波透過窓を設けたため、超音波送受信器から送信された超音波は、仕切板の超音波透過窓を通過した超音波だけが、他方の超音波送受信器で受信されることになり、超音波の受信波において、反射波の影響を受けることがなくなったためと考えられる。この結果、超音波の受信強度が安定し、超音波伝搬時間計測のＳ／Ｎ比が改善され、流量計測精度が向上すると考えられる。
【００１９】
なお、上記実施例１において、流体の圧損は矩形流路の短辺長さ、Ｈでほとんど決まるため、本発明の仕切板は、細分化された矩形流路の幅が、元の偏平流路の高さ、Ｈよりも大きくなるよう設定した。このため、細分化された流路においても、その流体定数としての代表長さＨは、元の偏平流路の代表長さＨのままとなり、圧損の増加はほとんど認められなかった。なお、超音波透過窓は、超音波送受信器の有効径以下であれば良いのであるが、さらに有効径よりも若干小さくする（直径で、５〜１０％減）方が、超音波伝搬路の中心部分を通過するより一層強い超音波のみを用いることになり、流量を大きく変化させても、その受信強度はほとんど変化することなく受信されより効果的である。
【００２０】
（実施例２）
図３（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例２に用いた仕切板の平面図。図３（ａ）は楕円形のメッシュ付き超音波透過窓２０の場合を、図３（ｂ）は矩形のメッシュ付き超音波透過窓２１の場合を示す。実施例１と異なるところは、仕切板１５ｂの超音波透過窓にメッシュを設けたところにある。メッシュは、ステンレスあるいはナイロンを用い、１００〜３００メッシュとした。この構成により、実施例１の図２に示した超音波特性の高流量域での超音波受信強度の低下がより減少した。これは、超音波透過窓にメッシュを設けることにより、超音波透過窓の端面が引き起こす渦などの流れの乱れが減少するためと考えられる。
【００２１】
なお、この種の流量計測装置に用いられる超音波は波長が、０．５〜２．０［ｍｍ］であることが多い。このため、超音波透過窓に用いるメッシュの線径は、用いる波長の（１／５）以下、すなわち１００［μｍ］以下となるように設定した。線径が太くなると、超音波がメッシュを構成する線で反射、あるいは散乱され、超音波の透過率が著しく減少し、超音波の受信強度が大幅に低下し、流量計測のＳ／Ｎ比が劣化する。
【００２２】
また、メッシュ番号が大きくなれば、線径は細くなり、超音波の散乱，反射が非常に小さくなるが、非常に高価となり実用上不適となる。
【００２３】
（実施例３）
図４（ａ）は、本発明の実施例３に用いた流量計測装置の超音波送受信器の要部断面を示す。実施例１と異なるところは、超音波送受信器１２と流体の流れる流路１１との間に、絞り窓２２，２３，２６を設けたところにある。図４（ｂ），（ｃ），（ｄ）は絞り板の平面図を示す。２２，２３は円柱状の超音波送受信器１２の前面に設けた円形の孔２４，２５を持つ絞り板を示し、超音波伝搬方向を示す破線７に対し、垂直になるよう設置した。２６は、超音波伝搬路２７と流路１１との交叉面に設けた絞り板を示す。交叉面に設けた絞り板２６は、流体の流れる方向と平行に設置したので、前記仕切板と同様に楕円形の貫通孔２８を設けた。
【００２４】
この構成により、超音波送受信器から送信され広がろうとする超音波は、前記絞り板で反射し、直進することができなくなる。したがって、送信される超音波のうち、より強い直進成分だけが流路１１内に放出される結果となる。このため、超音波の送受信においてＳ／Ｎ比が向上し、計測精度が向上する。また、逆に受信する場合にも、直進して来た超音波のみを通過させることになり、送信時と同様にＳ／Ｎが向上する。
【００２５】
（実施例４）
図５（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例４を説明するための図であり、超音波送受信器１２と、超音波送受波器の最も手前に設置された絞り板２２との関係を図５（ａ）に、送信波形２９および受信波形３０を図５（ｂ）に示す。図５（ａ）の、ｄは超音波送受信器１２と最も手前に設置された絞り板２１との距離を示し、破線７は超音波の伝搬方向を示す。図５（ｂ）はオシロスコープで観測されたの波形を示す。送信波形２９は、超音波送受信器１２に印加される超音波送受信器の駆動波形を示し、Ｔｔは超音波送受信器１２から超音波を送信する送信開始時間を、受信波形３０のＴｒは他方の超音波送受信器１３で超音波を受信する時間を示す。これらの時間差（Ｔｒ−Ｔｔ）は超音波が、超音波送受信器１２から超音波送受信器１３へ到達する間の伝搬時間となる。
【００２６】
この時、超音波送受信器１２から送信された超音波の大半は直進し、他方の超音波送受信器１３に向かって伝搬するが、送信された超音波の一部は手前の絞り板２２に当たり、超音波送受信器１２に反射し戻って来る。この反射された超音波は、超音波送受信器１２の表面でさらに反射し、他方の超音波送受信器１３に向かって伝搬することになる。この場合、絞り板２２で反射した超音波は、絞り板まで距離ｄを往復する時間だけ遅れて送信されることになる。送信される超音波の周波数をＦｒ、超音波の波長をλ、超音波伝搬速度をＶｓ、絞り板２２までの往復距離を２＊ｄとすると、遅れ時間ｄＴは、ｄＴ＝（２＊ｄ）／Ｖｓとなる。
【００２７】
また、超音波の周波数Ｆｒ、伝搬速度Ｖｓ、波長λとの関係は、Ｆｒ＊λ＝Ｖｓであるから、例えば、絞り板２２を、超音波の波長の２倍以上離して設置してあると、すなわち距離ｄ＞２λとなる。この時、前記の遅れ時間ｄＴは、ｄＴ＝（２＊ｄ）／Ｖｓ＞（２＊２＊λ）／Ｖｓ＝４／Ｆｒとなる。従って、この反射波が受信されるのは、受信時間Ｔｒから、４周期遅れたＴｒ’時間以降に受信されることになる。通常の場合、受信時間Ｔｒの計測には、第１のピークが雑音に埋もれている場合が多いため、第２あるいは第３のピークは、もしくはそれらのピーク後のゼロクロス点から計測する場合が多い。
【００２８】
従って、本発明の場合のように、絞り板２を、超音波送受波器から、用いる超音波の２波長以上離して設置しておけば、最も近い絞り板２２からの反射波でさえも、受信時間の計測に影響を及ぼすことがなくなり、時間計測が正確になり、流量計測の精度が向上する。なお、もっと遠くに設置されている絞り板２３などからの反射波は、さらに遅れることになり、無視することができる。
【００２９】
（実施例５）
図６（ａ）は、本発明の実施例５に用いた流量計測装置の超音波送受信器の要部断面を示す。実施例１と異なるところは、超音波送受信器１２と、流体の流れる流路１１との間に、ハニカム状の超音波収束部３１を設けたところにある。図６（ｂ）は、ハニカム状の超音波収束部３１を超音波送受信器１２から見た平面図を示す。ハニカム状の超音波収束部３１の細分化された有効径３２は、用いる超音波の波長とほぼ同じになるように設定した。この構成により、超音波送受信器から送信される超音波は、直進する超音波だけがハニカム状の超音波収束部３１を通り抜けることができ、広がろうとする超音波は通り抜けることができないので、送信される超音波のうち、直進成分だけが流路１１内に放出される結果となる。また、逆に、受信する場合にも、直進して来る超音波だけを通すことになるため、超音波の送受信においてＳ／Ｎ比が向上し、計測精度が向上する。
【００３０】
（実施例６）
図７は、本発明の実施例６における流量計測装置１０の断面を示す。実施例１と異なるところは、流路１１と超音波伝搬路２４との交叉面にメッシュ３３，３４を設けたところにある。メッシュは実施例２で用いたのと同じものを用いた。この構成により、前記交叉面における流量が増加したときに見られる流体の乱れが抑えられ、流量計測におけるＳ／Ｎ比の劣化が抑えられ、精度が安定した。さらにまた、前記メッシュを導電性で構成し、接地しておくことにより、超音波送受信器を防爆構成にすることができ、この種の超音波送受信器を高電圧で駆動する流量計測装置１０を可燃性流体に使用することもできる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明の流量計測装置によれば次の効果が得られる。
【００３２】
（１）偏平な流路内に、仕切板を設けたので、整流効果が得られ、乱れの発生が抑えられる。
【００３３】
（２）仕切板に超音波透過窓を設けたので、受信波から反射波を取り除くことができ、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００３４】
（３）上記の結果、超音波の受信強度が流量の増加とともに著しく低下することがなくなり、流量計測精度が向上する。
【００３５】
（４）仕切板の数を、（Ｗ／Ｈ）以下としたので、流路の圧損を大きく増加させることなく、整流効果が得られる。
【００３６】
（５）仕切板の超音波透過窓を超音波送受信器の有効径以下としたので、超音波を効率よく透過させることができる。
【００３７】
（６）超音波送受信器を円形で、かつ仕切板の超音波透過窓を楕円形で構成したので、超音波の直進成分のみを効率よく利用することができ、流量計測精度が向上する。
【００３８】
（７）超音波送受信器を方形で、かつ仕切板の超音波透過窓を矩形で構成したので、超音波の直進成分のみを効率よく利用することができ、流量計測精度が向上する。
【００３９】
（８）仕切板の超音波透過窓にメッシュを設けたので、仕切板の超音波透過窓の端面による乱れの発生を抑えることができ、超音波送受信器の前面に絞り板を設けたので、送受信される超音波を直進成分のみとすることができ、流量計測の精度が向上する。
【００４０】
（９）超音波送受信器の前面に絞り板を設けたので、送受信される超音波を直進成分のみとすることができ、流量計測の精度が向上する。
【００４１】
（１０）また、絞り板を超音波送受信器の前面から用いる超音波の波長の２倍以上離して設置したので、絞り板で反射した超音波による時間計測精度の劣化を防ぐことができる。
【００４２】
（１１）超音波送受信器の前面にハニカム状の超音波収束部を設けたので、送受信される超音波を直進成分のみとすることができ、流量計測の精度が向上する。
【００４３】
（１２）流体の流路と、超音波の伝搬路との交叉面にメッシュを設けたので、交叉面での流体の乱れを抑えることができ、超音波送受信器の前面に絞り板を設けたので、送受信される超音波を直進成分のみとすることができ、流量計測の精度が向上する。また、メッシュを導電性で構成し、接地することにより、防爆構成にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施例１における流量計測装置の断面図
（ｂ）同装置の側面図
（ｃ）同装置の楕円孔を有する仕切板を示す図
（ｄ）同装置の矩形孔を有する仕切板を示す図
【図２】同装置における流量と受信強度の関係を示す特性図
【図３】（ａ）本発明の実施例２における流量計測装置の仕切板を示す図
（ｂ）同装置における仕切板を示す図
【図４】（ａ）本発明の実施例３における流量計測装置の要部断面図
（ｂ）同装置の楕円孔を有する絞り板を示す図
（ｃ）同装置の円孔を有する絞り板を示す図
（ｄ）同装置の円孔を有するもう一つの絞り板を示す図
【図５】（ａ）本発明の実施例４における流量計測装置の要部断面図
（ｂ）同装置の送信波と受信波との関係を示す図
【図６】（ａ）本発明の実施例５における流量計測装置の要部断面図
（ｂ）同装置のハニカム状超音波収束部の平面図
【図７】本発明の実施例６における流量計測装置の断面図
【図８】（ａ）従来の流量計測装置の断面図
（ｂ）同装置の側面図
【符号の説明】
１０  流量計測装置
１１  流路
１２，１３  超音波送受信器
１５  仕切板
１６，１７  超音波透過窓
２０，２１  メッシュ
２２，２３，２６  絞り板
２７  超音波伝搬路
２９  送信波形
３０  受信波形
３１  ハニカム状超音波収束部
３３，３４  メッシュ
【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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