| 【発明の名称】 |
超音波流量計 |
| 【発明者】 |
【氏名】高本 正樹
【氏名】石川 博朗
【氏名】清水 和義
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| 【要約】 |
【課題】超音波流量計において、測定部配管の管路内を流れる流体の速度分布の影響を平均化し、安定した補正係数を得ることにより、また回折波の影響を少なくして、良好な受波信号を得ることにより、安定した測定を可能にし、流体の体積流量を正確に計測することにある。
【解決手段】アスペクト比が４以上である矩形断面管路２を有し、方形状の音波出口開口部６、７が形成された測定部配管１と、管路２の短辺幅Ａの２倍以上の直径Ｄを有する超音波センサ４、５を備え、管路２の短辺幅Ａが超音波センサ波長の５倍以上であり、音波出口開口部６、７の横方向の長さＥが管路２の短辺幅Ａに等しく、その縦方向の長さＦが超音波センサ波長の１０倍以上であると共に、管路２の短辺幅Ａの２倍以下である。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 流体が流れる管路の断面形状が矩形であって、該矩形の長辺と短辺のアスペクト比が４以上であり、方形状の音波出口開口部が形成されている測定部配管と、該測定部配管の管路の短辺幅の２倍以上の直径を有し、上記音波出口開口部を介して超音波ビームを管路内に発射する超音波センサを備え、上記管路に関し、その短辺幅が超音波ビームの波長の５倍以上であり、上記音波出口開口部に関し、その横方向の長さが管路の短辺幅に等しく、その縦方向の長さが超音波ビームの波長の１０倍以上であると共に、管路の短辺幅の２倍以下であり、流体の流れに沿った超音波ビームの伝播時間と、流体の流れに逆らった超音波ビームの伝播時間とに基づいて、上記管路の矩形断面を通過する流体の体積流量を計測することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】 上記測定部配管の上流と下流には、曲がり配管がそれぞれ結合されている請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】 上記超音波ビームがＶ型反射伝播経路に沿って伝播するＶ反射方式により、上記体積流量を計測する請求項１記載の超音波流量計。
【請求項４】 上記超音波ビームを発射する超音波センサが、測定部配管の同じ外壁上に４５°の角度でそれぞれ設置されている請求項３記載の超音波流量計。
【請求項５】 上記超音波ビームが直接伝播経路に沿って伝播する直接方式により、上記体積流量を計測する請求項１記載の超音波流量計。
【請求項６】 上記超音波ビームを発射する超音波センサが、測定部配管の対向する外壁上に１５°の角度でそれぞれ設置されている請求項５記載の超音波流量計。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は超音波流量計、特に超音波センサを用いることにより気体又は液体の体積流量を計測する超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、ガス等の流体の流量を計測する場合には、例えば図７に示す超音波流量計が使用されていることは、よく知られている。この超音波流量計は、図示するように、測定部配管２０の対向する外壁２１に、一組の超音波センサ２２、２３が設置され、流体の流れＦｌｏｗの上流側の超音波センサ２２と、下流側の超音波センサ２３は、それぞれ所定の角度θを以て取り付けられている。
【０００３】この構成により、超音波流量計は、超音波センサ２２、２３間の平均流速Ｖを計測し、管路２４の断面積Ａと、補正係数Ｋを乗じることにより、体積流量Ｑが計測される。
【０００４】上記補正係数Ｋは、断面平均流速と、超音波伝播経路２５上の平均流速Ｖの比であり、管路２４内の速度分布に依存する。
【０００５】即ち、流れＦｌｏｗに沿って上流側センサ２２から下流側センサ２３へ発射される超音波ビームＳ１の伝播時間をｔ１、流体の流れＦｌｏｗに逆らって下流側センサ２３から上流側センサ２２へ発射される超音波ビームＳ２の伝播時間をｔ２、超音波センサ２２、２３間の距離をＬ、このセンサ２２、２３間の流体の平均流速をＶ、各センサ２２、２３の設置角度をθ、音速をＣとすれば、これらの関係は次式で表される。
【０００６】
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）・・・・・・・・・・・■ ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）・・・・・・・・・・・■【０００７】■式と■式とから、音速Ｃを消去すれば、 Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ｛（１／ｔ１）−（１／ｔ２）｝・・・・■【０００８】しかし、■式で表される流体の平均流速Ｖは、超音波伝播経路２５に沿った線平均流速に過ぎず、体積流量Ｑを求めるには、この線平均流速Ｖを断面平均流速に補正する必要がある。
【０００９】そこで、この場合の補正係数をＫ、管路２４の断面積をＡとすれば、体積流量Ｑは、次式で表される。
【００１０】Ｑ＝Ａ×Ｖ×Ｋ・・・・・■但し、Ｋ＝ＵAVE ／Ｕ MEAN であり、ＵAVE は断面平均流速、Ｕ MEAN はセンサ２２、２３間の線平均流速である。
【００１１】この補正係数Ｋは、図７に示すような滑らかな管路２４における十分に発達した流れＦｌｏｗの場合は、理論的に求められる。
【００１２】即ち、層流速度分布では、断面平均流速は最大流速の１／２、中心線上の平均流速（線平均流速）は最大流速の２／３であるから、その比である補正係数Ｋ＝（１／２）÷（２／３）＝３／４＝０．７５である。
【００１３】また、乱流速度分布では、例えば対数関数で近似した対数則、ブラジウスの管摩擦係数を用いると、断面平均流速と線平均流速の比である補正係数Ｋは、次式のようにレイノズル数Ｒｅの関数として表される。
Ｋ＝１／（１＋０．２４８８Ｒｅ-0.125）・・・・・■【００１４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の技術には、次のような課題がある。
【００１５】（１）管路２４内の流体の流れＦｌｏｗの速度分布変化に影響され、測定が不安定となる。即ち、既述したように、従来の超音波流量計において計測される流速Ｖは、センサ２２、２３間の線平均流速であり（■式）、体積流量Ｑを求めるには、この線平均流速Ｖを断面平均流速に変換するための補正係数Ｋを乗じる必要がある（■式）。
【００１６】ところが、この補正係数Ｋは、測定部配管２０の上流に接続した配管の状態による速度分布変化や、層流から乱流への遷移による速度分布変化により、変化する。
【００１７】例えば、図８に示すように、管路２４が半径ｒの円管により構成された測定部配管２０の場合は、レイノズル数Ｒｅが一定値を越え層流から乱流へ遷移すると、補正係数Ｋが変化する（図９）。
【００１８】そのため、従来の超音波流量計では、測定が不安定になり、体積流量Ｑ（■式）を正確に求めることができない。
【００１９】また、例えば、図１０に示すように、管路２４の断面形状が正方形であって、管路２４の辺の幅Ａが、音波出口開口部２７、２８の横方向の長さＥより十分大きい場合にも、円管の場合と同様に（図８、図９）、レイノズル数Ｒｅが一定値を越え、層流から乱流へ遷移すると、補正係数Ｋが変化する（図１１）。
【００２０】そのため、測定が不安定になり、体積流量Ｑ（■式）を正確に求めることができない。
【００２１】この場合には、図１２に示す管路中央線上の速度分布から明らかなように、内部速度分布も遷移の影響を受けて、様子が変化している。
【００２２】更に、例えば、図１３に示すように、管路２４の断面形状が矩形であって、矩形の長辺■と短辺■のアスペクト比ｂ／ａが２であり、管路２４の短辺幅Ａが、音波出口開口部２７、２８の横方向の長さＥより十分大きい場合にも、円管の場合と同様に（図８、図９）、レイノズル数Ｒｅが一定値を越え、層流から乱流へ遷移すると、補正係数Ｋが変化する（図１４）。
【００２３】従って、この場合も測定が不安定になり、体積流量Ｑ（■式）を正確に求めることができない。
【００２４】また、この場合にも、図１５に示す管路の長辺中央線上の速度分布と、図１６に示す管路の短辺中央線上の速度分布から明らかなように、内部速度分布も遷移の影響を受けて、様子が変化している。
【００２５】上述したように、測定が不安定になるという課題を、超音波センサ２２、２３から発射された超音波ビームＳ１、Ｓ２が、Ｖ型反射伝播経路２６に沿って伝播するＶ反射方式（図８、図１０、図１３）について言及した。
【００２６】しかし、この測定が不安定になるという課題は、Ｖ反射方式に限らず、超音波センサ２２、２３から発射された超音波ビームＳ１、Ｓ２が、真っ直ぐな直接伝播経路２５（図７）に沿って伝播する直接方式等の場合にも、同様に生じる。
【００２７】（２）Ｖ反射方式の場合、音波出口開口部の大きさによっては、上流側の超音波センサから発射された超音波ビームの回折波が、下流側の超音波センサに直接に到達する。
【００２８】例えば、図８に示すように、音波出口開口部２７の大きさが、管路２４の断面の大きさに比べてあまりに小であると、上流側の超音波センサ２２から発射された超音波ビームＳ１が回折して、回折波Ｓ３が発生する。
【００２９】そして、この回折波Ｓ３は、Ｖ型反射伝播経路２６に沿うことなく、反射せずに下流側の超音波センサ２３に直接到達する。
【００３０】その結果、従来の超音波流量計においては、Ｖ型反射伝播経路２６に沿った本来の超音波ビームＳ１による受波信号Ｒ１（図８）の他に、この回折波Ｓ３による受波信号Ｒ３が検知され、これがノイズになって、測定が不安定になる。
【００３１】この課題を解決しようとして、音波出口開口部２７の縦方向の長さＦ（図８）を著しく大にすると、流体の流れＦｌｏｗが、この音波出口開口部２７に入り込んで、流速分布に影響を与え、測定が不安定になる。
【００３２】本発明の目的は、超音波流量計において、測定部配管の管路内を流れる流体の速度分布の影響を平均化し、安定した補正係数を得ることにより、また回折波の影響を少なくして、良好な受波信号を得ることにより、安定した測定を可能にし、流体の体積流量を正確に計測することにある。
【００３３】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、本発明は、図１に示すように、Ａ．流体が流れる管路２の断面形状が矩形であって、該矩形の長辺■と短辺■のアスペクト比ｂ／ａが４以上であり、方形状の音波出口開口部６、７が形成されている測定部配管１と、Ｂ． 該測定部配管１の管路２の短辺幅Ａの２倍以上の直径Ｄを有し、上記音波出口開口部６、７を介して超音波ビームＳ１、Ｓ２を管路２内に発射する超音波センサ４、５を備え、Ｃ．上記管路２に関し、その短辺幅Ａが超音波ビームＳ１、Ｓ２の波長の５倍以上であり、Ｄ．上記音波出口開口部６、７に関し、その横方向の長さＥが管路２の短辺幅Ａに等しく、その縦方向の長さＦが超音波ビームＳ１、Ｓ２の波長の１０倍以上であると共に、管路２の短辺幅Ａの２倍以下であり、Ｅ．流体の流れＦｌｏｗに沿った超音波ビームＳ１の伝播時間ｔ１と、流体の流れＦｌｏｗに逆らった超音波ビームＳ２の伝播時間ｔ２とに基づいて、上記管路２の矩形断面を通過する流体の体積流量Ｑを計測することを特徴とする超音波流量計という技術的手段を講じている。
【００３４】上記構成によれば、本発明に係る超音波流量計は、管路２内を流れる流体の速度分布の影響を、超音波ビームＳ１、Ｓ２の全体が受けることにより、その影響が平均化され、安定した補正係数を得ることができる。
【００３５】また、Ｖ反射方式の場合には、回折波の影響を少なくして、ノイズが重畳しない良好な受波信号を得ることができる。
【００３６】従って、安定した測定を可能にし、流体の体積流量を正確に計測することができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】以下、本発明を、実施形態により添付図面を参照して、説明する。図１は本発明の実施形態を示す図、図２は本発明の他の実施形態を示す図である。図１において、参照符号１は測定部配管、２は管路、３は外壁、４、５は超音波センサ、６、７は音波出口開口部、８、９はケーブル、１０は演算部である。
【００３８】（１）構成図１に示す測定部配管１の管路２内には、ガス等の流体が流れており、該測定部配管１には、図示するように、方形状の音波出口開口部６、７が、例えば同じ側にそれぞれ形成されている。
【００３９】上記測定部配管１の同じ外壁３上には、この音波出口開口部６、７を覆うようにして、超音波センサ４、５が例えばθ＝４５°に傾斜して設けられ、該超音波センサ４、５の直径Ｄは、管路２の短辺幅Ａの２倍以上である。
【００４０】そして、超音波センサ４、５からは、超音波ビームＳ１、Ｓ２が、音波出口開口部６、７を介して管路２内に発射され、Ｖ型反射伝播経路１１に沿って伝播する（図１（Ｂ））。
【００４１】また、超音波センサ４、５は、ケーブル８、９を介して演算部１０に接続されている。
【００４２】この構成により、演算部１０において、流体の流れＦｌｏｗに沿った超音波ビームＳ１の伝播時間ｔ１と、流体の流れＦｌｏｗに逆らった超音波ビームＳ２の伝播時間ｔ２とが算出されると共に（■式、■式）、流体の線平均流速Ｖが算出され（■式）、後述するように、安定した補正係数Ｋ（図３）と、管路２の断面積Ａを乗ずることにより、流体の体積流量Ｑ（■式）が安定状態で計測される。
【００４３】一方、上記測定部配管１の管路２の断面形状は矩形である。そして、その矩形の長辺■と短辺■のアスペクト比ｂ／ａが４以上、例えば５であり、これにより、流体のコーナー渦の影響が押さえられ、二次元の流れＦｌｏｗの領域を大きくし、安定した測定を可能にしている。
【００４４】また、管路２の短辺幅Ａは、音波出口開口部６、７の横方向の長さＥに等しく、しかも超音波ビームＳ１、Ｓ２の波長の５倍以上である。
【００４５】この構成により、図１（Ｂ）に示すように、超音波センサ４、５から音波出口開口部６、７を介して、発射される超音波ビームＳ１、Ｓ２は、平面波に近くなって、管路２を流れる流体の速度分布全体の影響（図４、図５）を平均化することにより、多くの情報を取り込むことができる。これにより、断面平均流速ＵAVE と線平均流速Ｕ MEAN との比である補正係数Ｋは（図３）、１に近くなり、従来に比べて極めて安定する。
【００４６】即ち、従来は、図８と図１０と図１３に示すように、管路２４の断面形状や、その管路２４と音波出口開口部２７、２８の相対的な大きさ等が原因で、音波出口開口部２７、２８を介して管路２４内に発射される超音波ビームＳ１、Ｓ２が、流体の速度分布の全ての影響を受けることができない。
【００４７】従って、流体の速度分布の影響を平均化することが困難であり、流体の流れＦｌｏｗに関する情報が漏れることがあり、安定した補正係数Ｋを得ることはできなかった（図９、図１１、図１４）。
【００４８】しかし、本発明によれば、上述したように、超音波ビームＳ１、Ｓ２が、流体の速度分布全体の影響を受けることができる。
【００４９】このため、流体の速度分布の影響が平均化され、流体の流れＦｌｏｗに関する多くの情報を取り込むことができるので、安定した補正係数Ｋを得ることができる（図３）。
【００５０】また、本発明による補正係数Ｋを示す図３において、◆は、測定部配管１（図１）に曲がり配管を結合しない場合の測定値であり、□は、図２に示すように、測定部配管１の上流と下流に、曲がり配管１Ａと１Ｂをそれぞれ結合した場合の測定値である。
【００５１】例えば、結合例としては、図２に示すように、管路２のアスペクト比が５の測定部配管１において、その上流と下流に、上方に９０°の角度で曲がり配管１Ａと１Ｂを結合した場合（図２（Ａ））、水平に９０°の角度で曲がり配管１Ａと１Ｂを結合した場合（図２（Ｂ））、下方に９０°の角度で曲がり配管１Ａと１Ｂを結合した場合（図２（Ｃ））の３つの場合がある。
【００５２】この３つの場合について、上記本発明の構成によれば（図１）、曲がり配管１Ａと１Ｂを結合しない場合（図３の◆）に比べて殆ど差異は見られず、安定した補正係数Ｋを得ることができる（図３の□）。
【００５３】このような場合、従来は、安定した補正係数Ｋを得るためには、上流の曲がり配管１Ａの影響を無くす必要があり、そのために測定部配管１の上流の真っ直ぐな部分の長さ（上流真管長）を大にする必要があった。
【００５４】しかし、本発明によれば、その必要がなくなり、上流真管長を小にできるという効果がある。
【００５５】更に、音波出口開口部６、７の縦方向の長さＦは、超音波ビームＳ１、Ｓ２の波長の１０倍以上であり、これにより、Ｖ反射方式の場合に問題となった回折波Ｓ３（図８）の発生を少なくし、良好な受波信号Ｒ１（図８）のみを得ることがでる。
【００５６】また、この音波出口開口部６、７の縦方向の長さＦは、管路２の短辺幅Ａの２倍以下であり、これにより、音波出口開口部６、７に流れ込む流体の量を少なくして、測定の安定化を図っている。
【００５７】（２）作用以下、上記構成を有する本発明の作用を説明する。
【００５８】先ず、図１に示すように、測定部配管１の管路２内に流体が流れると、該管路２の長辺■方向中央線上の速度分布と（図４）、該管路２の短辺■方向中央線上の速度分布（図５）から明らかなように、流体の速度分布は、層流から乱流への遷移の影響を受けて変化している。
【００５９】また、この管路２の管摩擦係数λも（図６）、層流から乱流への遷移の影響を受けて変化している。
【００６０】しかし、上述した本発明の構成によれば、図３に示すように、流量特性を表す補正係数Ｋは、上記流体の速度分布の影響を受けずに安定しており、しかも補正係数Ｋは１に近く、演算部１０において（図１）算出される線平均流速Ｖが（■式）、管路２内を流れる流体の断面平均流速を表している。
【００６１】即ち、既述したように、測定部配管１の管路２の断面形状を矩形にすると共に、該矩形の長辺■と短辺■のアスペクト比ｂ／ａを４以上にすることにより、流体のコーナー渦の影響が押さえられ、二次元の流れＦｌｏｗの領域を大きくし、安定した測定を可能にしている。
【００６２】また、管路２の短辺幅Ａを、音波出口開口部６、７の横方向の長さＥに等しく、しかも超音波ビームＳ１、Ｓ２の波長の５倍以上にすることにより、発射される超音波ビームＳ１、Ｓ２は、平面波に近くなって、指向性が鋭くなる（図１（Ｂ））。
【００６３】更に、超音波センサ４、５の直径Ｄを、管路２の短辺幅Ａの２倍以上にすることにより、発射される超音波ビームＳ１、Ｓ２が管路２の断面一杯に広がり（図１（Ｂ））、振動速度が一様な有効部分を使用することができる。
【００６４】従って、管路２を流れる流体の速度分布全体の影響が平均化され、演算部１０（図１）においては多くの情報を取り込むことができるので、算出される線平均流速Ｖが（■式）、管路２の断面平均流速を表し、得られる補正係数Ｋが１に近付く（図３）。
【００６５】一方、音波出口開口部６、７の縦方向の長さＦを、超音波ビームＳ１、Ｓ２の波長の１０倍以上にすることにより、Ｖ反射方式の場合に問題となった回折波Ｓ３（図８）の発生が抑制され、良好な受波信号Ｒ１（図８）のみを得ることがでる。
【００６６】しかも、この音波出口開口部６、７の縦方向の長さＦを、上記管路２の短辺幅Ａの２倍以下にすることにより、音波出口開口部６、７に流れ込む流体の量を最小限にして、測定の安定化が図られている。
【００６７】尚、本実施形態においては、本発明をＶ反射方式に適用することにより（図１）、安定した補正係数が得られる例について詳述したが、本発明はそれに限定されず、超音波センサを、測定部配管の対向する外壁上に例えば１５°の角度で設置して、超音波ビームが直接伝播経路に沿って伝播するいわゆる直接方式等にも適用した場合にも安定した補正係数が得られ（図２、図３）、同様の効果を奏することは勿論である。
【００６８】
【発明の効果】上記のとおり、本発明によれば、超音波流量計を、アスペクト比が４以上である矩形断面管路を有し、方形状の音波出口開口部が形成された測定部配管と、管路の短辺幅の２倍以上の直径を有する超音波センサを使用し、管路の短辺幅を超音波センサ波長の５倍以上にし、上記音波出口開口部の横方向の長さを管路の短辺幅に等しく、その縦方向の長さを超音波センサ波長の１０倍以上にすると共に、管路の短辺幅の２倍以下にするように構成したことにより、測定部配管の管路内を流れる流体の速度分布の影響を平均化し、安定した補正係数を得ることにより、また回折波の影響を少なくして、良好な受波信号を得ることにより、安定した測定を可能にし、流体の体積流量を正確に計測するという技術的効果を奏することとなった。
【００６９】更に、測定部配管に曲がり配管を結合した場合でも、上流真管長を短くできるという効果もある。
【００７０】
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１１４４
【氏名又は名称】工業技術院長
【識別番号】０００１２４９５９
【氏名又は名称】株式会社カイジョー
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）１月１６日 |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２０１７９１ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）７月３０日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２０２５７ |
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