JP2016205841A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波流量計において、超音波の減衰が少ない状態で計測精度を保証すること。【解決手段】一対の超音波送受波器６，７と矩形断面を有する計測流路４との間に、超音波送受波器６，７の超音波送信面から計測流路４に至る窪み部１１，１２より小さな開口部９，１０を有する乱流抑制部材８を配置し、開口部９、１０は桟部を有するとともに、桟部の幅を略同一に構成することにより、超音波の減衰が少ない状態で、計測誤差の要因となる、窪み部１１，１２における渦流ｐ、ｑの発生を抑制し、計測精度を保証する。【選択図】図３

Description

本発明は、超音波により流量を計測する流量計測装置に関し、とりわけ、その超音波送受波器と計測流路との間に窪みを有する形態の構造に関するものである。

従来、この種の流量計測装置として、超音波送受波器と計測流路の間に超音波透過膜を配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された流量計測装置の分解斜視図を示すものである。

図に示すように、流量計測装置１０１は、流路本体１０２とセンサブロック１０３とから構成されている。

流路本体１０２は、矩形断面の流路１０４に複数の仕切板１０５を挿入して、複数の扁平流路に分割されるよう構成されている。

センサブロック１０３には、第１超音波送受波器１０６と第２超音波送受波器１０７が、取り付けられている。これら超音波送受波器１０６、１０７と流路１０４の間には、超音波透過膜１０８が配置されている。この超音波透過膜はメッシュ部材等で一体的に構成されているものである。

図７は、図６に示す流量計測装置の流れ方向の垂直断面図である。

図に示すように、第１超音波送受波器１０６と第２超音波送受波器１０７と流路１０４との間には、第１の窪み１０９、および第２の窪み１１０が形成されている。

この構成において、第１超音波送受波器１０６から発せられた超音波は、第１の窪み１０９を経由して、超音波透過膜１０８を通過した後、流路１０４の底面１１１で反射し、その後、再び、超音波透過膜１０８を通過した後、第２の窪み１１０を経由して、第２超音波送受波器１０７に到達する。この間の伝搬時間を基に流路１０４を通過する流体の流量が計測される構成となっている。

特開２０１１−１１２３７７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、超音波が超音波透過膜１０８を通過する際に、超音波が減衰し、受信感度の低下をきたすものであった。

この場合には、受信波形を正確にとらえることができず、したがって伝搬時間の計測精度が低下し、正確な流量計測に支障をきたすものであった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、超音波透過膜に代えて、開口部を有する乱流抑制部材を用いるものである。これにより、超音波の減衰を少なくし、受信感度の向
上を図り、正確な流量計測の実現を目的とするものである。

本発明の流量計測装置は、一対の超音波送受波器の前方にある窪み部と計測流路との間に、開口部を有する乱流抑制部材を配置することにより、超音波の減衰を少なくすることができるため、受信感度の向上を図り、正確な流量計測を実現することができる。

本発明の実施の形態１における流量計測装置の構成図 本発明の実施の形態１における流量計測装置の分解斜視図 図１のＡ-Ａ線断面図 本発明の実施の形態１における乱流抑制部材の平面図 同乱流抑制部材の詳細平面図 従来の流量計測装置の分解斜視図 図６における流路ブロックの流れ方向の垂直断面図

第１の発明は、矩形断面の計測流路と、前記計測流路の一方側に配置され、窪み部を介して前記計測流路に連接する一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器間の伝播時間を測定する伝播時間測定手段と、前記伝播時間測定手段で測定された伝播時間から求めた流速を基に流量を演算する流量演算手段と、前記窪み部と前記計測流路との間に配置された開口部を有する乱流抑制部材とを備え、前記乱流抑制部材の開口部は桟部を有するとともに、前記桟部の幅を略同一に構成したことにより、超音波の減衰が少ない状態で、窪み部の巻込み流れによる誤差の発生を抑制することができるため、正確な流量計測を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の前記開口部は六角形の開口を千鳥状に配置したことにより、窪み部の巻込み流れをさらに抑制することができるため、より正確な流量計測を実現することができる。

第３の発明は、特に、第２の発明の前記計測流路には仕切り板が挿入され複数の層状流路を形成し、前記層状流路の流路幅は前記開口部の六角形の開口の相当直径より大きく構成したことにより、窪み部の巻込み流れを分割して抑制することができるため、さらに正確な流量計測を実現することができる。

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、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
実施の形態１について図１〜図５を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態１における流量計測装置の構成図、図２は図１の分解斜視図、図３は図１のＡ−Ａ線断面図を示すものである。

図１において、流量計測装置１は流路ブロック２と超音波送受波器ブロック３より構成されている。

図２において、流路ブロック２は、矩形断面の計測流路４に設けられた複数の溝部５ａに複数の仕切り板５ｂを挿入して、複数の層状流路に分割されるように構成されている。

超音波送受波器ブロック３には、第１の超音波送受波器６と、第２の超音波送受波器７
が、取り付けられている。

流路ブロック２と超音波送受波器ブロック３との間には、乱流抑制部材８が配置されている。乱流抑制部材８は、第１の開口部９と第２の開口部１０とを有したシート形状としている。

また、乱流抑制部材８は、複数の仕切り板５ｂの上部に配置され、超音波送受波器ブロック３にて押圧されて挟みこまれるように形成されている。

図３において、第１の超音波送受波器６と第２の超音波送受波器７と計測流路４との間には、第１の窪み部１１、および第２の窪み部１２が形成されている。

そして、第１の超音波送受波器６から発せられた超音波は、第１の窪み部１１を経由して、乱流抑制部材８の第１の開口部９を通過した後、経路ａで計測流路４の底面部１３に達した後、この底面部１３反射し、その後、経路ｂにより乱流抑制部材８の第２の開口部１０を通過した後、第２の窪み部１２を経由して、第２の超音波送受波器７に到達する構成となっている。

このような構成において、さらに超音波の伝播時間を測定する伝播時間測定手段（図示せず）と、伝播時間から求めた流速を基に流量を演算する流量演算手段（図示せず）とにより、流量計測が行われる。

次に、超音波による流量計測に関して図３を用いて説明する。

計測流路４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底面部１３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の超音波送受波器６と第２の超音波送受波器７との間で伝搬する超音波の伝搬経路の有効長さをＬとする。

このとき、第１の超音波送受波器６から出た超音波が、もう一方の第２の超音波送受波器７に到達するまでの伝搬時間ｔ１は、下式にて示される。

ｔ１ ＝ Ｌ ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （１）
次に、第２の超音波送受波器７から出た超音波が、もう一方の第１の超音波送受波器６に到達するまでの伝搬時間ｔ２は、下式にて示される。

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。

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、伝播時間測定手段（図示せず）にて計測された伝搬時間ｔ１、およびｔ２を用いて、流速Ｖが求められる。

次に、下式に示すようにこの流速Ｖに計測流路４の断面積Ｓを乗じて、全体の流量Ｑを算出する。
Ｑ ＝ Ｖ ｘ Ｓ （４）
しかし、一般的には、計測された流速Ｖは計測流路４の全体の平均流速Ｖａｖｅとは異なるため、実際の流量Ｑｔは下式に示すように、この流量Ｑに補正係数ｋを乗じて求める。
Ｑｔ ＝ ｋ ｘ Ｑ （５）
図４、図５は、第１の実施形態の乱流抑制部材の平面図を示したものである。

図４において、乱流抑制部材８に開口している第１の開口部９と、第２の開口部１０とは、それぞれ幅がｗ１、ｗ２、長さがＬ１、Ｌ２の大きさの開口を有している。通常、ｗ１とｗ２は等しく、図１に示すように、計測流路４の幅ｗに等しい。また、Ｌ１とＬ２も等しい。

乱流抑制部材８を計測流路４側の経路ａ及び経路ｂの方向から見たときの、第１の窪み部１１の開口形状と第２の窪み１２の開口形状を一点鎖線で示している。第１の開口部９と、第２の開口部１０は、それぞれ、第１の窪み部１１と第２の窪み１２を制限するような大きさに設定されている。

図５は、乱流抑制部材の開口部の詳細平面図を示したものである。

図５において、乱流抑制部材８の第１の開口部９と、第２の開口部１０は、それぞれ、多数の六角形の開口９ａと１０ａを千鳥状に配置し、六角形であることを利用して隣の開口との桟部１５の幅が均一になるように構成している。つまり、開口９ａを構成する桟部１５は６本からなりその幅は同一寸法としている。例えば、桟部の幅９ｃ、９ｄ、９ｅは同一寸法としている。これらにより第１の開口部９と、第２の開口部１０は流れ方向に細かく均一に分割された構成となっている。

また、計測流路４には仕切り板５ｂが挿入され複数の層状流路を形成し、層状流路の流路幅は開口部９、１０の六角形の開口９ａ、１０ａの相当直径より大きく構成してある。

具体的には、六角形の開口９ａ、１０ａの相当直径は０．３〜０．５ｍｍ、桟部１５の幅は０．１ｍｍ程度、開口９ａ、１０ａの開口部９、１０に対する面積開口率は５０％〜８０％程度であり、計測流路４の流路幅１０ｍｍ程度に対し仕切り板５ｂは３〜５枚程度設けて層状流路の流路幅は１．５〜２．０ｍｍに設定してある。

以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用を説明する。

図３において、計測流路４を流れる被計測流Ｆは、第１の開口部９、および第２の開口部１０近傍において、流体の粘性により第１の窪み部１１、および第２の窪み部１２において渦流ｐ、ｑを形成する。

第１の超音波送受波器６から発せられた超音波は、障害物のない第１の開口部９、および第２の開口部１０を通過するため、顕著な減衰を生じることなく、第２の超音波送受波器７に到達する。しかしながら、超音波はこの第１の窪み部１１、および第２の窪み部１２を通過するため、超音波により計測される流速には、この渦流による流速成分が含まれてしまう。したがって、この渦流による流速成分（Δｖｐ、Δｖｑ）が、本来測定すべき計測流路４の流速（Ｖ）に比して大きいと、これが誤差として生じることになる。

図４は、乱流抑制部材の平面図を示すものである。

図４に示されるように、乱流抑制部材８は、その第１の開口部９と、第２の開口部１０の大きさが、それぞれ、第１の窪み部１１と第２の窪み部１２を制限するように設定されているため、乱流抑制部材８がない場合と比較すると、渦流ｐ、ｑは制限されることになる。

そして、第１の開口部９と、第２の開口部１０における長さＬ１、Ｌ２の設定により、
下式に示すように、渦流ｐ、ｑにより生じる流速が計測流路４における被計測流体の流速に対して、所定割合以下になるようにすれば、この窪み部による誤差を所定精度（ｍ）以下に抑えることが可能となる。

（Δｖｐ＋Δｖｑ）／Ｖ ＜ ｍ （６）
以上のように、本実施の形態によると、超音波が通過でき、且つ、渦流の発生を抑制する開口部を有する乱流抑制部材を用いることで、必要な精度を確保しつつ、超音波の減衰を少なくすることができる。

次に、図５に示されるように、乱流抑制部材８は、第一の開口部９と、第二の開口部１０はそれぞれ、多数の六角形の開口９ａ、１０ａを有し、隣の開口との桟部１５の幅が均一であるため、計測流路４における被計測流れによる第一の窪み部１１、及び第二の窪み部１２における渦流れｐ，ｑの形成が弱められたり、分断されることになる。また、開口部が六角形であるため、桟部の幅が均一に設定でき、超音波の減衰を最低限に抑制することができる。

たとえば、同じ開口率における丸穴千鳥形状と六角千鳥形状では、六角千鳥形状の方が超音波の減衰が少ない。それは、丸穴千鳥形状では桟の太さが一定でなく幅が広い部分があるため、超音波が遮られ易いためである。

また、六角形の開口を千鳥状に配置することで、乱流抑制部材８の設置位置や仕切り板５ｂの配置がばらついたとしても、仕切り板５ｂと乱流抑制部材８の六角形の桟部１５との重なる面積の変動が小さくなるため、その結果、超音波の減衰のばらつきが抑えられ、超音波の減衰及び乱流の発生ばらつきを低減させることが出来る。

なお、桟部の幅を均一にする手段として、四角形や五角形を六角形と組合せてもよい。

また、計測流路４には仕切り板５ｂが挿入され複数の層状流路を形成し、層状流路の流路幅は開口部９、１０の六角形の開口９ａ、１０ａの相当直径より大きくしてあるので、１つの層状流路内に複数の六角形の開口９ａ、１０ａが存在することにより、超音波の減衰のばらつきが抑えられ、超音波の減衰及び乱流の発生ばらつきを低減させることが出来る。

以上のように、本実施の形態においては、矩形断面の計測流路４と、計測流路４の一方側に配置され、窪み部１１、１２を介して計測流路４に連接する一対の超音波送受波器６、７と、一対の超音波送受波器間の伝播時間を測定する伝播時間測定手段と、伝播時間測定手段で測定された伝播時間から求めた流速を基に流量を演算する流量演算手段と、窪み部１１、１２と計測流路４との間に配置された開口部９、１０を有する乱流抑制部材８とを備え、乱流抑制部材８の開口部は桟部１５を有するとともに、桟部１５の幅を略同一に構成したことにより、超音波の減衰が少ない状態で、窪み部の巻込み流れによる誤差の発生を抑制することができるため、正確な流量計測を実現することができる。

また、本実施の形態では、開口部９、１０は六角形の開口９ａ、１０ａを千鳥状に配置したことにより、桟部１５の幅を均一に設定でき、窪み部１１、１２の巻込み流れをさらに抑制することができるため、より正確な流量計測を実現することができる。

また、本実施の形態では、計測流路４には仕切り板５ｂが挿入され複数の層状流路を形成し、層状流路の流路幅は開口部９、１０の六角形の開口９ａ、１０ａの相当直径より大きく構成したことにより、窪み部の巻込み流れを細かく均一に分割して抑制することができるため、さらに正確な流量計測を実現することができる。

以上のように、本発明にかかる流量計測装置は、超音波の減衰が少ない状態で計測精度を保証することができるため、低消費電力で計測を行うガスメータや機器等への幅広い応用が可能である。

１ 流量計測装置
４ 計測流路
５ｂ 仕切り板
６ 第１の超音波送受波器
７ 第２の超音波送受波器
８ 乱流抑制部材
９ 第１の開口部
９ａ、１０ａ 開口
１０ 第２の開口部
１１ 第１の窪み部
１２ 第２の窪み部
１５ 桟部

Claims (3)

1. 矩形断面の計測流路と、
   前記計測流路の一方側に配置され、窪み部を介して前記計測流路に連接する一対の超音波送受波器と、
   前記一対の超音波送受波器間の伝播時間を測定する伝播時間測定手段と、
   前記伝播時間測定手段で測定された伝播時間から求めた流速を基に流量を演算する流量演算手段と、
   前記窪み部と前記計測流路との間に配置された開口部を有する乱流抑制部材とを備え、
   前記乱流抑制部材の開口部は桟部を有するとともに、前記桟部の幅を略同一に構成した流量計測装置。
2. 前記開口部は六角形の開口を千鳥状に配置した請求項１に記載の流量計測装置。
3. 前記計測流路には仕切り板が挿入され複数の層状流路を形成し、前記層状流路の流路幅は前記開口部の六角形の開口の相当直径より大きく構成した請求項２に記載の流量計測装置。