JP5838292B2 - 超音波流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波パスルの送受信を行う超音波振動子およびこの超音波振動子を用いて気体や液体の流量や流速の計測をする超音波流量測定装置に関するものである。

従来、この種の超音波流量測定装置では、流量測定部を複数のブロック化された流量測定路で構成し、流量測定路のブロック数を変更することにより、測定する流量の大小に対応している（例えば、特許文献１参照）。

図８は特許文献１に記載された従来の超音波流量測定装置を示すものである。図８に示すように、流量測定部１５は、ブロック化された複数の流量測定路１５ａ、１５ｂ、１５ｃより形成されている。また、流量測定部１５には、取り付け板１６、１７が取り付けられており、流量測定路１５ａ、１５ｂ、１５ｃに対応していて、開口部が開けられている。

流量測定部１５には上流室１８と下流室１９が接続されている。２０は、上流室１８には入口部２０が接続されており、下流室１９には排出部が接続されている。

このような構成をとることにより、流量測定部１５のブロック数の増減することにより、流量の大小の計測に対応する。つまり、より大きな流量を計測する流量計を構成する場合は、流量測定部１５のブロック数を増加し、より小さな流量を計測する流量計を構成する場合には、ブロック数を減少させる。ブロック数の増減があった場合には、その数に見合った開口部数を有する取り付け板１６、１７を用いることになる。

特許第３６９２５６０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、着脱可能な測定流路と一対の超音波振動子で構成しているが、流量範囲が異なる場合にはブロック化した流路を組み合わせて、ブロック板も必要となる。

また、流路をブロック化して組み合わせるため、ブロック数の違いにより、被測定流体に乱れが生じてしまい超音波で時間計測を行う範囲において、被測定計測流体の密度分布が崩れ均一に超音波が送受信できなくなることを、一対の超音波振動子を複数の流路測定路ごとに配置して対応しているが、各超音波振動子を切り換える必要があり、流路のブロック化数に対して、一対の超音波振動子を準備する必要がある。また、その接続、切り換えを測定ブロック数に対応して設定する必要があり、流量測定部の変更は非常に煩雑な作業になり、流量変更に対応する切り換え作業における作業効率という観点から未だ改良の余地があった。

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされてものであり、流量の大小に対応するために行う流量測定部の切り換えを低コストの部材を使用して容易に実施できる超音波流量測定装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量測定装置は、被測定流体が流れ込む流体供給部と、被測定流体が排出される流体排出部と、流体供給部と流体排出部間に連接され、被測定流体の流れ方向に対して流路断面が整流部材を介して分割された複数の多層流路を備えた計測流路部と、計測流路部に設置され、超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、計測流路部の多層流路ごとに挿入可能な流路調整部材とを含み、多層流路部に挿入する流路調整部材の数を変更することにより計測流路部の断面積を調整することを特徴とするものである。

これによって、低コストの部材により計測流路部の断面積を容易に制御することが可能となり、被測定流体の流量変更に対応して、超音波流量測定装置の流量計測性能を簡単な作業でかつ低コストで維持することができるものである。

本発明の超音波流量測定装置は、被測定流体の流量変更に対応して、超音波流量測定装置の流量計測性能を簡単な作業でかつ低コストで維持することができるものである。

本発明の実施形態１における超音波流量測定装置の断面図 本発明の実施形態１における流量計測部の断面図 本発明の実施形態１における計測流路部の断面図 本発明の実施形態１における流路調整部材を備えた流体供給部の側面図 本発明の実施形態１における流路調整部材を挿入した状態の計測流路部の断面図 （ａ）は本発明の本発明の第２実施形態における流路調整部材を２枚備えた流体供給部の上面図、（ｂ）は同流路調整部材を４枚備えた流体供給部の上面図 本発明の実施形態３における整流部材ユニットを挿入した状態の計測流路部の上面図 従来の超音波流量測定装置の断面図

第１の発明は、被測定流体が流れ込む流体供給部と、前記被測定流体が排出される流体排出部と、前記流体供給部と前記流体排出部間に連接され、前記被測定流体の流れ方向に対して流路断面が整流部材を介して分割された複数の多層流路を備えた計測流路部と、前記計測流路部に設置され、超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、前記計測流路部の前記多層流路ごとに挿入可能な流路調整部材とを含み、前記多層流路部に挿入する前記流路調整部材の数を変更することにより前記計測流路部の断面積を調整することを特徴とする超音波流量測定装置である。

これによって、低コストの部材により計測流路部の断面積を容易に制御することが可能となり、被測定流体の流量変更に対応して、超音波流量測定装置の流量計測性能を簡単な作業でかつ低コストで維持することができるものである。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記流体供給部は、上流側にガイド部を備えたものである。

これによって、流体の計測流路部への導入をスムーズにおこない乱流の発生を抑制することにより、高い計測精度を維持することができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明において、前記流路調整部材は、前記計測流
路部に設置された超音波振動子から送受信される超音波が伝搬する領域まで挿入される構成とし、前記計測流路部に挿入された前記流路調整部材の数に対応して、前記超音波振動子の送信出力を制御する制御部を備えたものである。

これによって、計測流路部の断面積に対応して、超音波振動子の送信出力を制御する手段を有しているので、一対の超音波振動子の超音波の送受信パルスで高精度な流量測定が可能である。

以下、本発明の実施形態に係る超音波流量測定装置について、図面を参照して説明する。なお、この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）
図１は、本発明の実施形態１における超音波流量測定装置の構成を示す断面図であり、図２は、超音波流量測定装置の流量計測部の構成を示す断面図であり、図３は流路計測部の計測流路の断面図である。

図１に示すように、超音波流量測定装置１は、ケース本体２に、被測定流体を導入する流体導入口３と、被測定流体を排出する流体排出口４とを備えており、ケース本体２内には、一対の超音波振動子５、６と、その一対の超音波振動子の超音波伝達時間を測定し、被測定流体の流速を演算する制御部（図示せず）を備えた流量計測部７が収容されている。

図２に示すように、流量計測部７は、矢印Ａに示すようにガスなどの流体が流れ込む入口である流体供給部８と、流体供給部８の下流側に連接された計測流路部９と、計測流路部９の下流側に連接された流体排出部１０を備えており、この計測流路部９には一対の超音波振動子５、６と、超音波振動子５、６の送受信や流量の演算を行う制御部（図示せず）が設置されている。流体供給部８は中央部に流体が通過できる開口を備えた枠状であり、計測流路部９に着脱可能な構成となっている。

流量計測部７の機能は、超音波振動子５から発振された超音波は計測流路部９の下部壁面を反射して、超音波振動子６に受信される。また、この逆の超音波伝播からも受発信される。このように、超音波の伝播時間より流体の流速が計算される。

この流速をＶ、流量計測部７の流路の断面籍をＳとすると、流量Ｑを次式にて算出する。

Ｑ＝Ｋ・Ｖ・Ｓ
Ｋは、測定流速Ｖを平均流速に換算する補正係数である。

計測流路部９には、図３に示すように流路の断面を略垂直方向に仕切る整流部材１１が設けられ、複数の多層流路１２が形成されている。この多層流路１２により計測流路部９を流れる流体は、計測流路部９中を整流状態で通過することになる。計測流路部９を通過した流体は、流体排出部１０を通過して超音波流量測定装置１の流体排出口４より装置外に送出される。

計測流路部９の多層流路１２の数は、流れる流体量によりあらかじめ設置される整流部材１１によって決められている。そのため、例えばガスメータとしての流量計測に使用する場合、使用するガス機器の号数が変化し、少量のガス流量しか流れなくなった場合、あらかじめ決めた多層流路１２の数では、個々の多層流路１２ごとに流れる流量が均一でなくなり、一対の超音波振動子５、６のみでは多層流路１２ごとの超音波伝播時間に差が生
じて、高精度な流量計測ができなくなる可能性があるため、号数切り換えに対応した多層流路１２を有する流量計測部７に切り換える必要がある。

本実施の形態における超音波流量測定装置１においては、例えば、号数が小さくなった場合に多層流路１２の一部を埋めるための流路調整部材１３を一体に備えた流体供給部８を予め準備して、流路調整部材１３を多層流路１２に挿入して多層流路１２の断面積が調節可能な構成となっている。

図２に示すように、流路調整部材１３は計測流路部９に挿入した状態で、計測流路部９の略全長をカバーする長さを有しており、超音波振動子５、６から受発信される超音波が伝搬する領域全てをカバーするように設定されている。

図４は流路調整部材１３を一体に備えた流体供給部８の側面図であり、図５は流路調整部材を挿入した状態の計測流路部９の断面図である。

図４に示すように、流路調整部材１３を備えた流体供給部８は、計測流路部９にフック８ａなどで固定できる着脱機構を備えており、容易に取り替え作用ができるようになっている。

また、図５に示すように、計測流路部９に流路調整部材１３を挿入した状態では、複数の多層流路１２の一部が閉塞され、計測流路部９の流路断面積が小さくなっている。

このように、流量を計測する計測流路部９の多層流路１２を流体供給部８と一体に形成された流路調整部材１３により、流体が通過する多層流路１２の数を切り替えることにより、計測流路部９の流路断面積を制御することが可能となり、例えばガス器具の号数の切り替えによる被測定流体の基本的な流量の変更に対応することができ、その際にも流量計測部７全体または計測流路部９全体を交換する必要がない。

しかも、本実施の形態の超音波流量測定装置は、低コストの部材により計測流路部の断面積を容易に制御することが可能となり、被測定流体の流量変更に対応して、超音波流量測定装置の流量計測性能を簡単な作業でかつ低コストで維持することができるものである。

なお、本実施の形態においては、流体供給部８が備える流路調整部材１３は２枚としたが、これに限るものではなく、計測流路部９に流れる流量により流路調整部材１３の挿入数は任意に変更することが可能である。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２における流路調整部材１３を一体に備えた流体供給部８を示すものであり、図６（ａ）は、２枚の流路調整部材１３を一体に備えた流体供給部８の上面図を示し、図６（ｂ）は、４枚の流路調整部材１３を備えた流体供給部８の上面図を示すものである。

本実施の形態が実施の形態１と異なる点は、流体供給部８の上流側にガイド部が一体的に形成されていることである。

図６（ａ）に示すように、流体供給部８は、下流側に２枚の流路調整部材１３を備え、上流側には少なくとも一部を曲面で形成されたガイド部８ｂを一体に備えている。ガイド部８ｂは、流体が流路調整部材１３の前端に直接当たらず、流路調整部材１３が挿入されていない多層流路１２にスムーズに流入するような形状に形成されている。

ガイド部８ｂを備えることにより、流体の計測流路部９への導入をスムーズにおこない乱流の発生を抑制することにより、高い計測精度を維持することができる。

また、図６（ｂ）に示すように、流路調整部材１３を４枚備える場合は、ガイド部８ｂの形状を枚数に応じた形状にすることにより流体の導入をよりスムーズにすることが可能である。

なお、本実施の形態においては、流体供給部８が備える流路調整部材１３は多層流路１２に偶数箇所挿入する構成であるが、これに限るものではなく、計測流路部９に流れる流量により流路調整部材１３の挿入数は任意に変更することが可能である。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施形態２における超音波流量測定装置の計測流路部を上部から見た断面図である。

超音波振動子５、６から発振された超音波は図に示す超音波発振・受振領域１４の伝播経路を経て受信側の超音波振動子６、５に受信される。整流部材１１によって仕切られている計測流路部９内の複数の多層流路１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅは、流体供給部８に一体に形成されている流路調整部材１３により、多層流路１２ａ、１２ｅが埋められることになる。そのとき、流路調整部材１３は、超音波振動子５、６から発せられる一部の超音波伝播経路を塞ぐこととなり、超音波伝達強度が弱くなる。

そのため、流路調整部材１３が多層流路１２の一部を塞ぐことになったとき、超音波振動子５、６から発振される出力を大きくすることにより、超音波振動子５、６の超音波伝達強度を上げて、流量計測精度を維持させる必要がある。

計測流路部９内の多層流路１２の一部を塞いだ場合、流路調整部材１３の挿入の情報を制御部に入力して、超音波振動子５、６の出力を上げることにより、流路調整部材１３が挿入されていないときと同様な超音波流量計測性能を維持することができ、汎用性の高い超音波流量測定装置を提供することができる。

超音波振動子５、６の出力値を設定する方法について、流路調整部材１３を多層流路１２に挿入し時点で、多層流路１２の断面積に対応した超音波振動子の出力値情報を制御部にインプットするか、あるいは、流路調整部材１３を挿入後、一定時間流体の流速計測を実施後、流量演算により出力値を決定するなど、手段は問わない。

以上のように、本発明にかかる超音波流量測定装置は、計測流路内を流れる流体の流量を計測する計測装置の汎用性を向上させるので、流量測定基準器及びガスメータの適用に好適である。

１ 超音波流量測定装置
５、６ 超音波振動子
８ 流体供給部
８ｂ ガイド部
９ 計測流路部
１０ 流体排出部
１１ 整流部材
１２ 多層流路
１３ 流路調整部材

Claims (1)

1. 被測定流体が流れ込む流体供給部と、
   前記被測定流体が排出される流体排出部と、
   前記流体供給部と前記流体排出部間に連接され、前記被測定流体の流れ方向に対して流路断面が整流部材を介して分割された複数の多層流路を備えた計測流路部と、
   前記計測流路部に設置され、超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、
   前記計測流路部の前記多層流路ごとに挿入可能な流路調整部材と、を含み、
   前記多層流路部に挿入する前記流路調整部材の数を変更することにより前記計測流路部の断面積を調整し、
   前記流路調整部材は、前記計測流路部に設置された超音波振動子から送受信される超音波が伝搬する領域まで挿入される構成とし、
   前記計測流路部に挿入された前記流路調整部材の数に対応して、前記超音波振動子の送信出力を制御する制御部を備えた、
   ことを特徴とする超音波流量測定装置。