JPH08313316A - 超音波式流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 断面が矩形状の流量測定部を用い、圧力損失
を増加させることなく精度の良い流量計測を行う。 【構成】 断面が矩形状の流量測定部４と、前記流量測
定部を挟んで配置された第一の超音波振動子９と、第二
の超音波振動子１０と、前記振動子の信号を基に流量を
算出する流量演算部１５とを備え、前記流量測定部の矩
形断面における短辺の長さを、前記長さを代表長さとし
て計算したレイノルズ数が層流域になる様に設定する。
これにより流量測定部４での流れは圧力損失を増加させ
ることなく層流状態となり、精度の良い流量計測が可能
となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波により流量の計
測を行う超音波式流量計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の計測装置は、図８に示す
ように、円形断面を有する測定部１の両端に超音波振動
子２と３を対向する様に設置し、この円形断面内での流
れが層流状態を維持するような寸法に半径を設定し、振
動子２から発した超音波を振動子３で検出するまでの時
間を計測し、この時間から流体の速度を演算し流量を算
出していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、円形断
面の流路を用いる場合、層流化を達成するためには半径
を小さくする必要があり、このため、断面積が小さくな
り圧力損失が大きくなるものであった。

【０００４】本発明は上記課題を解決するもので、測定
流路の断面を矩形状に形成し、その断面における短辺側
の長さを、この長さを用いて計算したレイノルズ数が層
流域になるように設定することにより、測定流路におけ
る流れの圧力損失を増加する事なく、しかも流れの層流
状態を維持しつつ乱流域への遷移状態を発生する事な
く、精度の良い流量計測を行うことを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、断面が矩形状の流量測定部と、前記流量測
定部を挟んで配置された第一及び第二の超音波振動子
と、前記超音波振動子の信号を基に流量を算出する流量
演算部とを備え、前記流量測定部の矩形断面における短
辺の長さを、前記長さを代表長さとして計算したレイノ
ルズ数が層流域になる様に設定したものである。

【０００６】また、流量測定部の流入口、および流出口
を滑らかな曲面で形成したものである。

【０００７】また、断面が矩形状の流量測定部と、前記
流量測定部の一方側に配置された第一及び第二の超音波
振動子と、前記流量測定部の他方側に配置され第一の超
音波振動子から発せられた超音波を第二の超音波振動子
に反射させる反射板と、前記振動子の信号を基に流量を
算出する流量演算部とを備え、前記流量測定部の矩形断
面における短辺の長さを、前記長さを代表長さとして計
算したレイノルズ数が層流域になる様に設定したもので
ある。

【０００８】また、断面が矩形状の流量測定部と、前記
流量測定部の上流および下流に配置された上流、下流室
と、前記それぞれの室に配置された第一及び第二の超音
波振動子と、前記振動子の信号を基に流量を算出する流
量演算部とを備え、前記流量測定部の矩形断面における
短辺の長さを、前記長さを代表長さとして計算したレイ
ノルズ数が層流域になる様に設定したものである。

【０００９】

【作用】本発明は上記した構成により、流量測定部にお
ける流量測定が圧力損失を増加させることなく層流状態
にて行われ、乱流への遷移状態という流速分布が不規則
に変動する状態を経ずに計測が行われ、精度の良い計測
を行うことができるものである。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例を図１〜図４を
参照しながら説明する。

【００１１】図１〜図３において、４は流量測定部であ
り、５は流量測定部４の上流に設けられた上流室、６は
流量測定部４の下流に設けられた下流室である。７は上
流室５に接続された入口部、８は下流室６に接続された
出口部である。

【００１２】９は第一の超音波振動子であり、１０は第
二の超音波振動子である。１１は第一の超音波振動子９
の配置により生じる窪みであり、１２は第二の超音波振
動子１０の配置により生じる窪みである。

【００１３】１３は流量計測部４の流入口、１４は流出
口である。図４において、１５は第一、および第二の超
音波振動子９および１０からの信号を受けて流量演算を
行う流量演算部である。その中で１６はスタート信号発
生部、１７は送信部、１８は受信部、１９は切換部であ
る。

【００１４】送信部１７はトリガ信号発生部２０、およ
び発振部２１から成立っている。受信部１８は受信信号
の増幅部２２、および基準値との比較部２３から成立っ
ている。

【００１５】２４は繰返し部、２５は計時部、２６は演
算部である。次に作動を述べる。

【００１６】流体は入口部７より流入し、上流室５を経
た後、流量測定部４に入り、その後下流室６を経て、出
口部８より流出する。

【００１７】流量測定部４はその断面が矩形状に形成さ
れており、その短辺の長さ（ｈ）を、前記長さを代表長
さとして計算したレイノルズ数が層流域になる様に設定
してある。

【００１８】すなわち、計測される最大の流速をｖ（ｍ
ａｘ）としたとき、動粘性係数をνとするとレイノルズ
数（Ｒｅ）は次式により定まる。

【００１９】 Ｒｅ＝ｖ（ｍａｘ）ｈ／ν （１） 一方、流れが層流域になるためには、次式が満足される
ことが必要である。

【００２０】 Ｒｅ≦２３００ （２） したがって、（１）、（２）を満たす短辺長さ（ｈ）は
次式の範囲で定められる。

【００２１】ｈ≦２３００・ν／ｖ（ｍａｘ） この様な状態でスタート信号発生部１６から信号が入る
と、トリガ信号発生部２０が働き、発振部２１により信
号が切換部１９に送られる。この切換部１９は、当初は
第一の超音波振動子９に送信部１７が、第二の超音波振
動子１０に受信部１８が接続される様設定されている。
従って、上記トリガ信号により第一の超音波振動子９よ
り超音波信号が流量測定部４内に発せられる。この信号
は第２の超音波振動子１０により受けられ、増幅部２２
により増幅され、比較部２３にて基準信号と比較され、
基準値を越える信号が得られると、再度トリガ２０を駆
動する。この過程は繰返し部２４で設定された回数だけ
行われる。

【００２２】所定の繰返し回数が終わると計時部２５に
信号が送られ、トリガ信号発生からこのとき送られた信
号までの経過時間（Ｔ１）を計時する。また、一方、所
定の回数の繰返しが終了すると、繰返し部２４より切換
え部１９へ信号が送られ、送信部１７を第２の超音波振
動子１０に、受信部１８を第１の超音波振動子９に接続
する。

【００２３】また、これと同時に再度、トリガ信号発生
部２０への駆動信号も送られ、上記と同様の動作が流れ
と逆方向に対して行われ、経過時間（Ｔ２）が計測され
る。

【００２４】この様にして測定された経過時間Ｔ１、お
よびＴ２をもとに以下の演算式により演算部２６にて流
量が算出される。

【００２５】いま、流れと超音波伝搬経路とのなす角を
θとし、また流量測定部の長さをＬとすると、流速ｖは
以下の式にて算出される。

【００２６】 ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／Ｔ１−１／Ｔ２） 流量（Ｑ）はこの流速に流量測定部４の断面積（ｓ）を
乗じて算出される。

【００２７】Ｑ＝ｋ・ｖ・ｓ ここでｋは測定流速から平均流速を求めるための流量補
正係数である。

【００２８】この様に流量測定部４の短辺長さを設定す
ることにより、流量計測を層流状態で行うことができ、
流速分布形状が不安定な遷移状態での計測を避けること
が出来るため、測定域全域にわたり流量補正係数として
層流域の値を一定して用いることができ、圧力損失を増
加させることなく精度の良い流量測定が実現するもので
ある。

【００２９】次に第２の実施例について説明する。図５
において、流量計測部４の流入口２７、および流出口２
８が円弧状になっているところ以外は第一の実施例と同
じである。

【００３０】次に作動を述べる。流体の計測は流量測定
部４にて行われるが、その際、流量計測部４の流入口２
７が円弧状に形成されているため、上流室５から流量測
定部４への流入に際して乱れを生じることなく流量測定
部４への導入が行なわれる。これにより測定が層流状態
で行なわれることをより保証するものである。

【００３１】次に第３の実施例について説明する。図６
において、流量計測部４の同一側に第一の超音波振動子
２９、および第２の超音波振動子３０があり、反対側に
反射板３１が設置されているところ以外は第一の実施例
と同じである。

【００３２】次に作動を述べる。流体の計測は流量測定
部４にて行われるが、その際、流量計測部４における超
音波伝搬経路は、第一の超音波振動子２９からでて、反
射板３１により反射され、その後第二の超音波振動子３
０に到達する。これにより流速ｖは流量計測部４の断面
を２度通過するため、より平均化された流速を得ること
ができるものである。

【００３３】次に第４の実施例について説明する。図７
において、第一の超音波振動子３２、および第２の超音
波振動子３３をそれぞれ、上流室５、および下流室６に
配置してあるところ以外は第一の実施例と同じである。

【００３４】次に作動を述べる。流速の計測は上流室５
に配置した第一の超音波振動子３２と下流室６に配置し
た第２の超音波振動子３３との間で行われる。このとき
それぞれの振動子は流量測定部４から離れて設置されて
いるため、流量測定部４に超音波振動子を配置する場合
に形成される窪みが存在せず、流量測定部４において流
れを乱流状態に遷移させてしまうようなことが起こらな
い。したがって、より精度の高い計測を行うことができ
るものである。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば次の効果が
得られる。

【００３６】（１）圧力損失を増加させることなく流量
計測を層流状態で行うことができ、流速分布の形状が不
安定な遷移状態を経過する事なく精度の良い流量測定が
実現する。

【００３７】（２）流量計測部の流入口が円弧状に形成
されているため、流量測定部における層流の測定状態を
より保証することができる。

【００３８】（３）流量計測部における超音波伝搬経路
をｖ字状とすることにより超音波伝搬経路が流量計測部
の断面を２度通過することになり、より平均化された流
速を得ることができる。

【００３９】（４）流速計測を上流室に配置した第一の
超音波振動子と下流室に配置した第２の超音波振動子間
で行うことにより、それぞれの振動子は流量測定部から
離れて設置されるため、流量測定部に超音波振動子を配
置する場合に形成される窪みが存在せず、流量測定部に
おいて流れを乱流状態に遷移させてしまうようなことが
起こらない。したがって、より精度の高い計測を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の超音波式流量計の垂直
断面図

【図２】同流量計における水平断面図

【図３】同流量計における斜視図

【図４】同流量計における制御ブロック図

【図５】本発明の第２の実施例の超音波式流量計の水平
断面図

【図６】本発明の第３の実施例の超音波式流量計の水平
断面図

【図７】本発明の第４の実施例の超音波式流量計の水平
断面図

【図８】従来の超音波式流量計の垂直断面図

【符号の説明】

４ 流量測定部 ５ 上流室 ６ 下流室 ９、２９、３２ 第一の超音波振動子 １０、３０、３３ 第二の超音波振動子 １５ 流量演算部 ２７ 流入口 ２８ 流出口 ３１ 反射板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】断面が矩形状の流量測定部と、前記流量測
   定部を挟んで配置された第一及び第二の超音波振動子
   と、前記超音波振動子の信号を基に流量を算出する流量
   演算部とを備え、前記流量測定部の矩形断面における短
   辺の長さを、前記長さを代表長さとして計算したレイノ
   ルズ数が層流域になる様に設定した超音波式流量計。
2. 【請求項２】流量測定部の流入口、および流出口を滑ら
   かな曲面で形成した請求項１記載の超音波式流量計。
3. 【請求項３】断面が矩形状の流量測定部と、前記流量測
   定部の一方側に配置された第一及びの第二超音波振動子
   と、前記流量測定部の他方側に配置され第一の超音波振
   動子から発せられた超音波を第二の超音波振動子に反射
   させる反射板と、前記振動子の信号を基に流量を算出す
   る流量演算部とを備え、前記流量測定部の矩形断面にお
   ける短辺の長さを、前記長さを代表長さとして計算した
   レイノルズ数が層流域になる様に設定した超音波式流量
   計。
4. 【請求項４】断面が矩形状の流量測定部と、前記流量測
   定部の上流および下流に配置された上流、下流室と、前
   記それぞれの室に配置された第一及び第二の超音波振動
   子と、前記振動子の信号を基に流量を算出する流量演算
   部とを備え、前記流量測定部の矩形断面における短辺の
   長さを、前記長さを代表長さとして計算したレイノルズ
   数が層流域になる様に設定した超音波式流量計。