JPH09189589A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波流量計の計測精度を高める。 【解決手段】 矩形流路１のどちらか一辺の長さとほぼ
等しい長さを有する第１振動子３および第２振動子４
と、矩形流路の上流側と下流側に矩形流路を横断して超
音波を送信または受信する第１振動子３および第２振動
子４を取り付ける測定部材２と、振動子間の超音波信号
伝搬時間を計測する計測回路６と、計測回路の信号に基
づいて流量を算出する流量演算手段７とを備えている。
これによって、流路内の速度分布の影響を小さくできか
つ補正係数の変更も小さくでき、したがって広範囲に渡
って測定精度を高くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波を利用して
ガスなどの流量を計測する流量計測装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の流量計測装置は、たとえ
ば特開平４−１４０２１４号公報が知られており、図８
に示すように、流路１０１を形成する管路体１０２の一
部に超音波振動子１０３と１０４を流れの上流と下流
に、超音波が流れを横断するように流れ方向にある角度
を有して設けている。このように流路の断面を横断して
超音波が走査するようにし、超音波の伝搬時間の差から
演算装置１０５で流速を算出すると共にそのときの流体
のレイノルズ数から流路内の流速分布を類推し、補正係
数を求め流量を演算していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の流量計測装置では、レイノルズ数の変化に対応して
流量補正係数を変更させなければならないばかりか、流
体の種類や温度などの環境条件あるいは上流の流れの状
態によってレイノルズ数に対する流速分布の関係が変化
し、測定値に誤差を生じていた。また流速分布の影響を
小さくするために２対以上の振動子によって計測するこ
とも考えられるが、複雑なうえ高価になる欠点があり、
簡単な構成で流量を精度よく計測できる構成を得ること
が新たな課題となっていた。

【０００４】本発明は上記課題を解決するもので、広範
囲の流量を高精度で計測することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の流量計測装置に
おいては、矩形流路の上流側と下流側にこの流路を横断
し超音波を送信・受信しかつ矩形流路のどちらか一辺の
長さと等しい長さに形成された第１振動子と第２振動子
をそれぞれ設けている。

【０００６】この本発明によれば、流路内の速度分布の
影響を小さくでき、また補正係数の変更も小さくなるの
で、広範囲にわたって計測精度が向上する。

【０００７】

【発明の実施の形態】上記目的を達成するために本発明
の流量計測装置は、以下の構成とした。

【０００８】すなわち、矩形流路と、矩形流路のどちら
か一辺の長さとほぼ等しい長さを有する第１振動子およ
び第２振動子と、矩形流路の上流側と下流側に矩形流路
を横断して超音波を送信または受信する第１振動子およ
び第２振動子を取り付ける測定部材と、振動子間の超音
波信号伝搬時間を計測する計測回路と、計測回路の信号
に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えたもの
である。

【０００９】また、矩形流路の短い方の一辺とほぼ等し
い長さを有する第１振動子および第２振動子と、矩形流
路の長い方の一辺を横断して送受信するものである。

【００１０】また、矩形流路の縦横の比率を０．３以下
としたものである。また、振動子は、その送受信側の断
面を矩形にしたものである。

【００１１】また、第１振動子と第２振動子は流路に面
した断面の全域で送信あるいは受信可能なものである。

【００１２】また、第１振動子と第２振動子は流路に面
した断面の全域で送信感度あるいは受信感度がほぼ一様
であるものである。

【００１３】また、矩形流路と、前記矩形流路のどちら
か一辺の長さより大きい長さを有する第１振動子および
第２振動子と、振動子の一部を塞ぐ遮蔽体と、矩形流路
の上流側と下流側に前記矩形流路を横断して超音波を送
信または受信する第１振動子および第２振動子を取り付
ける測定部材と、振動子間の信号伝搬時間を計測する計
測回路と、計測回路の信号に基づいて流量を算出する流
量演算手段とを備えたものである。

【００１４】本発明は上記構成によって、流速分布に影
響されない受信信号により流速を求めて流量を計測する
ものである。

【００１５】以下、本発明の第１の実施例を図面にもと
づいて説明する。図１において、流路１を形成する流路
部材２に超音波を送受信する矩形形状の第１振動子３と
第２振動子４が流れの上流と下流に配置されている。第
１振動子３と第２振動子４とは流路に対して斜めに配置
されているので、第１振動子３から送信された超音波は
図２に示すような矩形断面流路５を横断するように伝搬
し、第２振動子４に到達し、逆に第２振動子４から送信
された場合には前述と同様に第１振動子３に到達する。
それぞれの超音波の伝搬時間は流路１内に流れが存在す
ることで変化する。この伝搬時間は計測回路６によって
測定され流量演算手段７で流量値に変換される。

【００１６】次にその動作について述べる。伝搬時間
は、静止流体中の音をｃ、流体の流れの速さをｖとする
と、流れの順方向の超音波の伝搬速度は（ｃ＋ｖ）とな
る。振動子３と４の間の距離をＬ、超音波伝搬軸と管路
の中心軸とがなす角度をφとすると、上流から下流に超
音波が伝搬する時間ｔ１は、 ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋ｖCOSφ） （１） となり、下流から上流に伝搬する時間は、 ｔ２＝Ｌ／（ｃ＋ｖCOSφ） （２） となり、Ｌとφが既知ならｔ１とｔ２を計測回路６で測
定すれば流速ｖが求められる。

【００１７】この流速より流量Ｑは、流路の通過面積を
Ｓ、補正計数をＫとすれば、流量演算回路７で、 Ｑ＝ＫＳｖ （３） を演算し流量を求める。

【００１８】流路１内の流速は一般に図１に示すように
流速分布があり、その分布はレイノルズ数や上流の流れ
の乱れによって変化する。この流速分布は２次元的に発
生し、図１に示すように矩形断面の長い方の一辺（長
辺）と図３に示すように矩形断面の短い方の一辺（短
辺）にも発生する。この長辺と短辺の比率（アスペクト
比）は好ましくは０．３以下になるように設定すれば流
速分布はさらに安定する。このように流速分布が存在す
る場合には、その伝搬時間は微小部分で受けた速度の変
化を積分したものになる。

【００１９】図４は第２の実施例であり、矩形振動子８
の送受信面８’が矩形の形状をしており、その一辺は矩
形の流路の短辺とほぼ同一の長さになって短辺の流路全
体の超音波を受信することができる。従って図３に示す
ような短辺の流速分布が存在しても、そのすべての超音
波を積分した形の信号を受信するので速度分布を平均し
た結果が得られる。一方図１に示す流路の長辺の流速分
布は、超音波が長辺を横断して操作しているので、第１
振動子３と第２振動子４との間で流速分布が変化しなけ
れば、すべての分布による伝搬速度の変化を等しく受け
たことになり、流速分布の影響を解消することができ
る。したがって前述の補正係数Ｋを変更する必要がな
い。矩形振動子８の送受信面８’は圧電素子のみで形成
されており、全面で送受信が可能で、その送受信感度は
図５に示すようにどの部分もほぼ同一の感度を有する。
図６は、圧電素子の周囲をケーシング７で補強して機械
的強度を増したものであるが、その送受信面９’は矩形
流路の短辺と等しい長さにしてある。

【００２０】図７は第３の実施例で、振動子１０は円形
の断面形状をしているが、その一部は遮蔽体１１で覆わ
れており送受信面１０’は矩形の流路に対応したところ
のみ超音波が送受信できるように構成している。

【００２１】

【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。

【００２２】（１）矩形流路と、矩形流路のどちらか一
辺の長さとほぼ等しい長さを有する第１振動子および第
２振動子と、矩形流路の上流側と下流側に矩形流路を横
断して超音波を送信または受信する第１振動子および第
２振動子を取り付ける測定部材と、振動子間の超音波信
号伝搬時間を計測する計測回路と、計測回路の信号に基
づいて流量を算出する流量演算手段とを備えたので、流
路内の速度分布の影響を小さくでき補正係数の変更も小
さく、測定精度も広範囲にわたって高くなる。また温度
の変化や上流側の流れの乱れに対して安定した計測結果
が得られる。

【００２３】（２）矩形流路の短い方の一辺とほぼ等し
い長さを有する第１振動子および第２振動子と、矩形流
路の長い方の一辺を横断して送受信するので、流速分布
に影響されない測定結果が得られ、補正係数の変更も必
要がなくなる。

【００２４】（３）矩形流路の縦横の比率が０．３以下
にしたので、流速分布が小さくなってさらに測定精度が
向上する。

【００２５】（４）振動子は、その送受信側の断面が矩
形であるので、流路の形状と一致させることができより
精度が高くなる。

【００２６】（５）第１振動子と第２振動子は流路に面
した断面の全域で送信あるいは受信可能にしたので、流
路全体の超音波信号を得ることができ精度が高くなる。

【００２７】（６）第１振動子と第２振動子は流路に面
した断面の全域で送信感度あるいは受信感度がほぼ一様
にしたので、平均的な受信信号が得られ精度が向上す
る。

【００２８】（７）矩形流路と、前記矩形流路のどちら
か一辺の長さより大きい長さを有する第１振動子および
第２振動子と、振動子の一部を塞ぐ遮蔽体と、矩形流路
の上流側と下流側に矩形流路を横断して超音波を送信ま
たは受信する第１振動子および第２振動子を取り付ける
測定部材と、振動子間の信号伝搬時間を計測する計測回
路と、計測回路の信号に基づいて流量を算出する流量演
算手段とを備えたので、振動子の形状に制約されず様々
な振動子に対応可能になり、低価格に構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の流量計測装置の構成図

【図２】同装置の流路構成の側面図

【図３】同装置の流路構成の断面図

【図４】本発明の第２の実施例の流量計測装置の振動子
の斜視図

【図５】同装置の受信感度を示す特性図

【図６】同装置の振動子の実施例を示す斜視図

【図７】本発明の第３の実施例の流量計測装置の振動子
の斜視図

【図８】従来の流量計測装置の構成図

【符号の説明】

１ 矩形流路 ２ 流路部材 ３ 第１振動子 ４ 第２振動子 ６ 計測回路 ７ 流量演算手段 ８ 矩形振動子 １１ 遮蔽体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 名和 基之 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】矩形流路と、前記矩形流路のどちらか一辺
   の長さとほぼ等しい長さを有する第１振動子および第２
   振動子と、前記矩形流路の上流側と下流側に前記矩形流
   路を横断して超音波を送信または受信する前記第１振動
   子および第２振動子を取り付ける流路部材と、前記振動
   子間の信号伝搬時間を計測する計測回路と、前記計測回
   路の信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備
   えた流量計測装置。
2. 【請求項２】矩形流路の短い方の一辺とほぼ等しい長さ
   を有する第１振動子および第２振動子と、矩形流路の長
   い方の一辺を横断して送受信する請求項１記載の流量計
   側装置。
3. 【請求項３】矩形流路の縦横の比率が０．３以下である
   請求項１記載の流量計側装置。
4. 【請求項４】振動子は、その送受信側の断面が矩形であ
   る請求項１記載の流量計測装置。
5. 【請求項５】第１振動子と第２振動子は流路に面した断
   面の全域で送信あるいは受信可能な請求項１記載の流量
   計測装置。
6. 【請求項６】第１振動子と第２振動子は流路に面した断
   面の全域で送信感度あるいは受信感度がほぼ一様である
   請求項１記載の流量計測装置。
7. 【請求項７】矩形流路と、前記矩形流路のどちらか一辺
   の長さより大きい長さを有する第１振動子および第２振
   動子と、前記振動子の一部を塞ぐ遮蔽体と、前記矩形流
   路の上流側と下流側に前記矩形流路を横断して超音波を
   送信または受信する第１振動子および第２振動子を取り
   付ける流路部材と、前記振動子間の信号伝搬時間を計測
   する計測回路と、前記計測回路の信号に基づいて流量を
   算出する流量演算手段とを備えた流量計測装置。