JP2001343264A - 流量計測方法及び流量計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 計測流量によって矩形断面の流管の断面積や
アスペクト比を変える必要がない安価な流量計測方法及
び流量計測装置を提供することである。 【解決手段】 本発明の流量計測装置１は、長辺Ｌと短
辺Ｓの矩形断面の流管２内の流体Ｇに対して短辺Ｓの間
を斜めに所定の入射角θａで第１超音波ビーム５を斜め
に発射する第１及び第２超音波振動子６，７を対向する
短辺Ｓの管壁に設け、第１超音波ビーム５の一方向とそ
の逆方向の伝播時間から電子装置４１で流量を算出す
る。そして、この流量計測装置１は、所定の入射角θａ
より大きい大入射角θｂで第２超音波ビーム９を発射す
る第３及び第４超音波振動子１０，１１を対向する長辺
Ｌの管壁に設け、流量により第１及び第２超音波ビーム
５，９を使い分けるトランスデューサ切換手段４８が設
けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波により流管
内を流れる流体の流量を計測する流量計測方法及び流量
計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より流管内を流れる流体の流量を計
測する流量計測装置に関しては種々なものが知られてい
る。例えば、図５〜図７に示したように、従来の流量計
測装置５１は、長辺Ｌと短辺Ｓから成る矩形断面の流管
５２内を流れるガス等の流体Ｇの流れに対して短辺Ｓか
らなる小幅壁５３の間を斜めに所定の入射角θａで第１
超音波ビーム５４を斜め方向に発射するために対向する
短辺Ｓの管壁にそれぞれ第１及び第２超音波振動子５
５，５６が設けられている。

【０００３】また、第１超音波ビーム５４の流体Ｇ内を
一方向と逆方向に通過する伝播時間を計測し、これら２
方向の伝播時間から流体の速度を演算して流量を算出す
るために、発振手段、増幅・比較手段、計時手段等から
成る処理部と、演算部と、第１超音波ビーム５４の方向
を切り換える発受信方向切換手段を備えている（図２参
照）。

【０００４】更に、図６及び図７に示すように、上記流
管５２は流路凹部６３を有するチャンネル状の流量測定
本体６２と、この流量測定本体６２を覆っている流路凸
部６５を有する流量測定覆体６４とから流量測定部６１
として構成されている。また場合によっては、流管５２
の断面積や断面形を変更するためにスペーサ６６をはめ
込むことができる。また、図５に示すように、上記流量
測定本体６２の前後には上流室５７と下流室５８が設け
られている。上流室５７から供給された流体Ｇは流管５
２である流量測定部６１内を流れて下流室５８から出て
行くようになっている。

【０００５】上記構成の流量計測装置５１は、上流室５
７から流管５２へ流入した流体Ｇが流量測定部６１を通
過する間に、上記処理部と演算部及び発受信切換手段に
よって第１及び第２超音波振動子５５，５６から発受信
された第１超音波ビーム５４の伝播時間が計測且つ演算
されて流体Ｇの流量が算出される。

【０００６】

【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５１においては、計測精度を向上させ
るには流体Ｇの流れを早く定常流にして流れ状態の２次
元性を確保する必要がある。従って、図７に示したよう
に、計測流量に伴って流管５２の断面積を変更するため
に流路凸部６５の高さが異なった流量測定覆体６４に組
み替えたり、厚さｔのスペーサ６６を流路凹部６３内に
嵌め込んだり、長辺Ｌと短辺Ｓとの比であるアスペクト
比λを最適に保つために両側に厚壁を有する図示されな
い変形スペーサを嵌め込む必要がある。また、別の従来
例では小流量用と大流量用に断面積の異なる別の流管を
設け、流路切換弁で切り換えて使い分けているが、超音
波振動子のセットはそれぞれの流管に設けなければなら
ない。従って、構造が複雑で大型化することになり、コ
ストアップにつながるという問題があった。

【０００７】本発明に係わる課題は、上記問題点に鑑み
てなされたものであり、計測流量によって矩形断面の流
管の断面積やアスペクト比を変える必要がない安価な流
量計測方法及び流量計測装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる上記課題
は、長辺と短辺から成る矩形断面の流管内を流れる流体
の流れに対して前記短辺の間を斜めに所定の入射角で第
１超音波ビームを発射し、該第１超音波ビームが前記流
体内を一方向と逆方向に通過する伝播時間を計測し、こ
れら２方向の前記伝播時間から流体の速度を演算して流
量を算出する流量計測方法において、前記矩形断面の流
管の前記長辺の間を斜めに前記所定の入射角より大きい
大入射角で第２超音波ビームを発射し、小流量を計測す
るときは前記第１超音波ビームを使用し、大流量を計測
するときは前記第２超音波ビームを使用するようにした
ことを特徴とする流量計測方法によって解決することが
できる。

【０００９】また、本発明に係わる上記課題は、長辺と
短辺から成る矩形断面の流管内を流れる流体の流れに対
して前記短辺の間を斜めに所定の入射角で第１超音波ビ
ームを斜め方向に発射するために、対向する前記短辺の
管壁にそれぞれ第１及び第２超音波振動子を設け、前記
第１超音波ビームの前記流体内を一方向と逆方向に通過
する伝播時間を計測し、これら２方向の前記伝播時間か
ら流体の速度を演算して流量を算出するための発振手
段、増幅・比較手段、計時手段等から成る処理部と演算
部とからなる電子装置と前記第１超音波ビームの方向を
切り換える発受信切換手段とを備えた流量計測装置にお
いて、前記矩形断面の流管の前記長辺の間を斜めに前記
所定の入射角より大きい大入射角で第２超音波ビームを
発射するために、対向する前記長辺の管壁にそれぞれ第
３及び第４超音波振動子を設け、小流量を計測するとき
は前記第１及び第２超音波発振子を使用し、大流量を計
測するときは前記第３及び第４超音波発振子を使用する
ように切り換えるトランスデューサ切換手段とを備えた
ことを特徴とする流量計測装置によって解決することが
できる。更に、前記流量計測装置において、好ましくは
前記発受信切換手段と前記トランスデューサ切換手段と
を統合した切換部が設けられている。

【００１０】上記構成の流量計測装置によれば、前記矩
形断面の流管の前記長辺の間を斜めに前記所定の入射角
より大きい大入射角で第２超音波ビームを発射するため
に、対向する前記長辺の管壁にそれぞれ第３及び第４超
音波振動子を設け、小流量を計測するときは前記第１及
び第２超音波発振子を使用し、大流量を計測するときは
前記第３及び第４超音波発振子を使用するように切り換
えるトランスデューサ切換手段が備えられているので、
計測流量に合わせて流管の断面積やアスペクト比を変更
する必要がない。従って、計測上の作業効率が向上され
ると共に、流量計測装置のコスト低減及び小型化を図る
ことができる。また、前記発受信切換手段と前記トラン
スデューサ切換手段とを統合した切換部が設けられてい
れば、現場配線作業が簡単になり、それに伴って故障が
減少する。従って、設置上の作業効率が向上されると共
に、信頼性の高い流量計測装置を得ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の流量計測装置の一
実施形態を図１〜図４に基づいて詳細に説明する。図１
は本発明の流量計測装置の一実施形態における流量測定
部の斜視図、図２は図１における流量測定部を制御する
電子装置のブロック図、図３は図１における流量測定部
を流れる流体の短辺間の速度分布を示す作動説明図、図
４は図１における流量測定部を流れる流体の長辺間の速
度分布を示す作動説明図である。図１に示すように、流
量計測装置１は長辺Ｌと短辺Ｓから成る矩形断面の流管
２としての流量測定部３内を流れる流体Ｇの流れに対し
て短辺Ｓからなる小幅壁４の間を斜めに所定の入射角θ
ａで第１超音波ビーム５を斜め方向に発射するために、
対向する小幅壁４にそれぞれ第１及び第２超音波振動子
６，７が設けられている。

【００１２】また、図２に示すように、第１超音波ビー
ム５が流体Ｇ内を一方向と逆方向に通過する伝播時間を
計測し、これら２方向の伝播時間から流体Ｇの速度を演
算して流量を算出するための発振手段４５、増幅・比較
手段４６、計時手段４７等から成る処理部４２及び演算
部４３からなる電子装置４１と、上記第１超音波ビーム
５の方向を切り換える発受信切換手段４４とを備えてい
る。

【００１３】更に、上記矩形断面の流管２の長辺Ｌから
なる大幅壁８の間を斜めに上記所定の入射角θａより大
きい大入射角θｂで第２超音波ビーム９を発射するため
に、対向する大幅壁８にそれぞれ第３及び第４超音波振
動子１０，１１が設けられている。そして、小流量を計
測するときは、第１及び第２超音波発振子６，７を使用
して、大流量を計測するときは、第３及び第４超音波発
振子１０，１１を使用するように切り換えるトランスデ
ューサ切換手段４８が設けられている。このトランスデ
ューサ切換手段４８は上記発受信切換手段４４と統合さ
れて切換部４９が構成されている。

【００１４】上記構成の流量計測装置１は、上流から流
管２へ流入した流体Ｇは流量測定部３を通過する間に、
電子装置４１と発受信切換手段４４によって第１及び第
２超音波振動子６，７から発受信された第１超音波ビー
ム５の伝播時間が計測され、演算されて流体Ｇの流量が
算出される。ところが、この流量が所定値（例えば、６
ｍ³／ｈ)を越えた場合には、トランスデューサ切換手段
４８と発受信切換手段４４によって第３及び第４超音波
振動子１０，１１から発受信された第２超音波ビーム９
の伝播時間が計測され、演算されて流体Ｇの流量が算出
される。

【００１５】次に、流量が所定値を越えると第１及び第
２超音波振動子６，７から超音波振動子１０，１１に切
り換える必要性について説明する。図３に示すように、
流管２の小幅壁４間を流れる一定流量の流体Ｇが流管２
に進入した直後は、速度分布（ａ）は一様であるが、境
界層の影響で速度分布（ｂ）のように壁面の近くから流
速が次第に遅くなる。そして、最終的には速度分布
（ｃ）のように真ん中が速く両壁に近づくのに伴って遅
くなる放物線の分布となる。その後は、流管２の長さに
関係なく速度分布（ｃ）のような定常状態を保つように
なる。従って、高い精度の流量計測を行うには、この速
度分布が定常状態になったところで行う必要があるが、
図３に示したのは、小幅壁４の間隔が長辺Ｌで大きい場
合であるから速度分布が定常状態になるには長い距離が
必要になる。

【００１６】しかしながら、流量が少なければ短い距離
でも速度分布が定常状態になる。また、小幅壁４の間隔
が大きいので第１超音波ビーム５の長さＬａを大きく取
れるから少流量の計測精度を向上させることができる。
よって、第１超音波ビーム５は少流量の計測に適してい
る。図４に示すように、大幅壁８の間隔が短辺Ｓで小さ
いから速度分布は短い距離で定常状態になる。しかも、
流量が多くても短距離で速度分布が定常状態になる。ま
た、大幅壁８の間隔が小さいので第２超音波ビーム９の
長さＬｂが小さくても大流量なら計測精度が低下するこ
とはない。よって、第２超音波ビーム９は大流量の計測
に適している。

【００１７】上述したように本実施形態の流量計測装置
１は、矩形断面の流管２の長辺Ｌの間を斜めに所定の入
射角θａより大きい大入射角θｂで第２超音波ビーム９
を発射するために、対向する長辺Ｌの管壁にそれぞれ第
３及び第４超音波振動子１０，１１を設け、少流量を計
測するときは第１及び第２超音波発振子６，７を使用
し、大流量を計測するときは第３及び第４超音波発振子
１０，１１を使用するように切り換えるトランスデュー
サ切換手段４８が設けられている。従って、計測流量に
合わせて流管２の断面積やアスペクト比λを変更する必
要はなく、計測上の作業効率が向上されると共に、流量
計測装置のコスト低減を図ることができる。

【００１８】また、発受信切換手段４４とトランスデュ
ーサ切換手段４８とを統合した切換部４９が設けられて
いると、現場での配線作業が簡単になり、それに伴って
誤配線等がなくなる。従って、設置上の作業効率が向上
されると共に、流量計測装置の信頼性を向上させること
ができる。

【００１９】なお、本発明の流量計測方法及び流量計測
装置は上述した実施形態に限定されるものでなく、適宜
な変更を行うことにより他の形態でも実施することがで
きる。例えば、本実施形態では長辺Ｌと短辺Ｓから成る
矩形断面の流管２が用いられていたが、長径Ｌと短径Ｓ
から成る楕円断面の流管であっても差し支えない。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の流量計測方
法及び流量計測装置によれば、矩形断面の流管の長辺の
間を斜めに所定の入射角より大きい大入射角で第２超音
波ビームを発射するため、対向する長辺の管壁にそれぞ
れ第３及び第４超音波振動子を設け、少流量を計測する
ときは第１及び第２超音波発振子を使用し、大流量を計
測するときは第３及び第４超音波発振子を使用するよう
に切り換えるトランスデューサ切換手段が備えられてい
る。従って、計測流量に合わせて流管の断面積やアスペ
クト比を変更する必要がないので、計測上の作業効率が
向上されると共に、流量計測装置のコスト低減及び小型
化を図ることができる。

【００２１】また、発受信切換手段とトランスデューサ
切換手段とを統合した切換部が設けられていると、現場
での配線作業が簡単となり設置上の作業効率が向上され
ると共に、配線作業の簡略化に伴って誤配線等がなくな
る。従って、信頼性の高い流量計測装置を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の流量計測装置の一実施形態における流
量測定部の斜視図である。

【図２】図１における流量測定部を制御する電子装置の
ブロック図である。

【図３】図１における流量測定部を流れる流体の短辺間
の速度分布を示す作動説明図である。

【図４】図１における流量測定部を流れる流体の長辺間
の速度分布を示す作動説明図である。

【図５】従来の流量計測装置の一例における流量測定部
周りの平面断面図である。

【図６】図５における流量測定部の部分斜視図である。

【図７】図５における流量測定部でスペーサが組み込ま
れた横断面図である。

【符号の説明】

１ 流量計測装置 ２ 流管 ３ 流量測定部 ５ 第１超音波ビーム ６ 第１超音波振動子 ７ 第２超音波振動子 ９ 第２超音波ビーム １０ 第３超音波振動子 １１ 第４超音波振動子 ４１ 電子装置 ４２ 処理部 ４３ 演算部 ４４ 発受信切換手段 ４５ 発振手段 ４６ 増幅・比較手段 ４７ 計時手段 ４８ トランスデューサ切換手段 ４９ 切換部 Ｇ 流体 Ｌ 長辺 Ｓ 短辺 θａ 所定の入射角 θｂ 大入射角

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長辺と短辺から成る矩形断面の流管内を
   流れる流体の流れに対して前記短辺の間を斜めに所定の
   入射角で第１超音波ビームを発射し、該第１超音波ビー
   ムが前記流体内を一方向と逆方向に通過する伝播時間を
   計測し、これら２方向の前記伝播時間から流体の速度を
   演算して流量を算出する流量計測方法において、 前記矩形断面の流管の前記長辺の間を斜めに前記所定の
   入射角より大きい大入射角で第２超音波ビームを発射
   し、小流量を計測するときは前記第１超音波ビームを使
   用し、大流量を計測するときは前記第２超音波ビームを
   使用するようにしたことを特徴とする流量計測方法。
2. 【請求項２】 長辺と短辺から成る矩形断面の流管内を
   流れる流体の流れに対して前記短辺の間を斜めに所定の
   入射角で第１超音波ビームを斜め方向に発射するため
   に、対向する前記短辺の管壁にそれぞれ第１及び第２超
   音波振動子を設け、前記第１超音波ビームの前記流体内
   を一方向と逆方向に通過する伝播時間を計測し、これら
   ２方向の前記伝播時間から流体の速度を演算して流量を
   算出するための発振手段、増幅・比較手段、計時手段等
   から成る処理部と演算部とからなる電子装置と前記第１
   超音波ビームの方向を切り換える発受信切換手段とを備
   えた流量計測装置において、 前記矩形断面の流管の前記長辺の間を斜めに前記所定の
   入射角より大きい大入射角で第２超音波ビームを発射す
   るために、対向する前記長辺の管壁にそれぞれ第３及び
   第４超音波振動子を設け、小流量を計測するときは前記
   第１及び第２超音波発振子を使用し、大流量を計測する
   ときは前記第３及び第４超音波発振子を使用するように
   切り換えるトランスデューサ切換手段とを備えたことを
   特徴とする流量計測装置。
3. 【請求項３】 前記発受信切換手段と前記トランスデュ
   ーサ切換手段とを統合した切換部を設けたことを特徴と
   する請求項２記載の流量計測装置。