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技術 超音波流量計

出願人 パナソニックIPマネジメント株式会社
発明者 宮田肇中野慎藤井裕史
出願日 2012年4月10日 (8年8ヶ月経過) 出願番号 2012-088965
公開日 2013年10月24日 (7年2ヶ月経過) 公開番号 2013-217780
状態 拒絶査定
技術分野 体積流量の測定(I) 体積流量の測定(II);質量流量の測定
主要キーワード バイパス構成 壁面間距離 筒状流路 複合波 小型用 計測デバイス 小流量用 計測速度
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2013年10月24日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (12)

課題

超音波流量計において超音波の壁面反射の影響を無くすとともに、小流量用計測デバイス大流量計測まで可能な計測流路を提供する。

解決手段

流路断面円形の計測流路1と同芯上に内装した円形筒状区画部材2により、区画部材2の内側の第1流路3aと外側の第2流路3bとを構成し、一対の超音波センサ5、6を用い、区画部材2の外郭に設けた平面部分を反射面とするV字パス超音波伝播路を形成することで第2流路3bの流速計測し、計測流路1全体の流量を求める構成とした超音波流量計。

概要

背景

従来この種の超音波式流量計測装置は、図10に示すように、計測流体が流れる主管流路101内に、その流体の一部を計測するための計測流路102を設置した構成であった。

この構成においては、計測流路102内に分流された流量を計測し、予め設定された全体流量との分流比に基づいて、主管流路内に流れる流量を計算により求めるものであり、小流量の計測レンジである測定系でもって、配管全体の流れを測定できるものである。

図11は、計測流路102の構成を示すもので、図に示すように計測流路102の断面は、矩形形状を有し、この流路の対向する面に対向して配置された少なくとも一対の超音波センサ103,104によって送受信を行い、上流側から送信した場合の時間と下流側から送信した場合の超音波伝播時間差流速を求めている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。

概要

超音波流量計において超音波の壁面反射の影響を無くすとともに、小流量用計測デバイス大流量計測まで可能な計測流路を提供する。流路断面円形の計測流路1と同芯上に内装した円形筒状区画部材2により、区画部材2の内側の第1流路3aと外側の第2流路3bとを構成し、一対の超音波センサ5、6を用い、区画部材2の外郭に設けた平面部分を反射面とするV字パス超音波伝播路を形成することで第2流路3bの流速を計測し、計測流路1全体の流量を求める構成とした超音波流量計。

目的

本発明は、上記従来の課題を解消するものであり、超音波センサの周波数壁面間距離制約を受けず壁面反射の影響を防ぎ、かつ主管流路と計測のための計測流路の分流比が条件により変化しないようにする計測手段を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

流路断面略円形流路と、前記流路の内部に前記流路と同芯に配置された略円形筒状区画部材と、前記流路の内壁と前記区画部材の外壁で構成される流路における流速を超音波伝播時間で計測する流速計測手段と、前記流速計測手段で計測した流速から流路全体の流量を演算する流量演算手段と、を備え、前記流速計測手段における超音波の伝播経路を、前記流路の内壁と前記区画部材の外壁間とした超音波流量計

請求項2

前記流路の上流側と下流側に配置された一対の超音波センサと、前記区画部材の外面に設けた平面と、を備え、一方の前記超音波センサから発信された超音波が前記平面に反射して他方の前記超音波センサに伝播するように構成したことを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。

請求項3

前記区画部材の外郭断面形状が多角形状を成す筒状の形状である請求項2に記載の超音波流量計。

請求項4

前記流路の流体流入側に整流部材を有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の超音波流量計。

請求項5

前記流路の流出側にも整流部材を有する請求項4に記載の超音波流量計。

請求項6

前記整流部材は多孔体よりなる請求項4または5に記載の超音波流量計。

技術分野

0001

本発明は、超音波を利用してガス、水などの流体の流量を計測する流量計測装置に関するもの、特に大流量の測定にも対応するものである。

背景技術

0002

従来この種の超音波式流量計測装置は、図10に示すように、計測流体が流れる主管流路101内に、その流体の一部を計測するための計測流路102を設置した構成であった。

0003

この構成においては、計測流路102内に分流された流量を計測し、予め設定された全体流量との分流比に基づいて、主管流路内に流れる流量を計算により求めるものであり、小流量の計測レンジである測定系でもって、配管全体の流れを測定できるものである。

0004

図11は、計測流路102の構成を示すもので、図に示すように計測流路102の断面は、矩形形状を有し、この流路の対向する面に対向して配置された少なくとも一対の超音波センサ103,104によって送受信を行い、上流側から送信した場合の時間と下流側から送信した場合の超音波の伝播時間差流速を求めている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。

先行技術

0005

特開2004−251686号公報
特開2005−140729号公報

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、前記従来の構成では、超音波での計測部計測速度の上限があるため、計測最大流量の仕様を満たすために、計測部の仕様を合わせこむ必要がある。超音波流量計においては、図11に示すように送信側から発信された超音波が超音波伝搬方向と平行する壁面で反射することなく受信側に到達する直接波Aと前記した壁面で反射しながら受信側に到達する反射波Bが存在し、この直接波Aと反射波Bは位相が異なり、この複合波受信波となって受信側の超音波センサで受信されることになる。

0007

従って、超音波による伝播時間の測定は受信波を用いて計測するため受信波の形が変形する事が課題であり、超音波の伝搬経路の設計においては、反射波の影響をできるだけ小さくする事が求められる。

0008

また、計測流路は大流量を流す主管流路101と計測を行う計測流路102に分けて計測流路102の計測を超音波で計測を行い、主管流路101と計測流路102の分流比より全体流量を求めるものであるが、この分流比を計測流量により一定にすることは難しく、流量に応じた補正が必要になる、また計測する流体の種類や温度によっても、その分流比が変わるため、補正のためのシステムが煩雑になるだけでなく、計測できる流体や環境に制約が生じる。

0009

本発明は、上記従来の課題を解消するものであり、超音波センサの周波数壁面間距離の制約を受けず壁面反射の影響を防ぎ、かつ主管流路と計測のための計測流路の分流比が条件により変化しないようにする計測手段を提供するものである。

課題を解決するための手段

0010

上記従来の課題を解決するために本発明の超音波流量計は、流路断面略円形の流路と、前記流路の内部に前記流路と同芯に配置された略円形筒状区画部材と、前記流路の内壁と前記区画部材の外壁で構成される流路における流速を超音波の伝播時間で計測する流速計測手段と、前記流速計測手段で計測した流速から流路全体の流量を演算する流量演算手段と、を備え、前記流速計測手段における超音波の伝播経路を、前記流路の内壁と前記区画部材の外壁間としたものである。

0011

そして、超音波の伝搬経路には実質的に側壁面が無くなるため直接波のみの送受信することが可能となり、従来の様な壁面反射の干渉の影響を受けることが無くなり、超音波センサの駆動周波数を考慮することなく、流路の形成ができる。

0012

また、流路の一部分を測定することで計測流路を流れる全体の流量を求めるバイパス構成の計測流路であるが、形状が軸対称であるため、区画部材の内と外の2つの流路の分流比の設定が容易なため超音波式計測で計測した流速から、容易に全体の流量を演算し求めることができ、小流量用超音波計測デバイス大流量計測が容易に可能になる。

発明の効果

0013

本発明の超音波流量計によると、壁面反射の干渉の影響を受けることが無くなり、超音波センサの駆動周波数を考慮することなく、流路の形成ができる。

図面の簡単な説明

0014

本発明の実施の形態1における超音波流量計の断面図
本発明の実施の形態1における超音波流量計の側面断面図
本発明の実施の形態1にシステム構成
本発明の実施の形態1における超音波流量計測の動作説明図
本発明の実施の形態1における超音波流量計の側面図
本発明の実施の形態2における超音波流量計の断面図
本発明の実施の形態2における超音波流量計の側面断面図
本発明の実施の形態2における他の形態の超音波流量計の側面断面図
本発明の実施の形態3における超音波流量計の断面図
従来の超音波流量計用いたバイパス流量計の構成図
従来の超音波流量計部の構成図

実施例

0015

第1の発明は、流路断面が略円形の流路と、前記流路の内部に前記流路と同芯に配置された略円形筒状の区画部材と、前記流路の内壁と前記区画部材の外壁で構成される流路における流速を超音波の伝播時間で計測する流速計測手段と、前記流速計測手段で計測した流速から流路全体の流量を演算する流量演算手段と、を備え、前記流速計測手段における超音波の伝播経路を、前記流路の内壁と前記区画部材の外壁間としたことで、計測部の超音波伝搬方向の壁面が無くなるため直接波のみ送受信され、壁面反射波と直接伝搬波が干渉し受信波形に影響することが無く、センサの駆動周波数を考慮する必要無く、流路の形成ができる。また、流路の一部分を測定することで筒状流路を流れる流体量を計測できるため小型用超音波デバイスで大流量計測も可能になる。

0016

第2の発明は、特に、第1の発明において、前記流路の上流側と下流側に配置された一対の超音波センサと、前記区画部材の外面に設けた平面と、前記区画部材の外面に設けた平面と、を備え、一方の超音波センサから発信された超音波が前記平面に反射して他方の超音波センサに伝播するように構成したものであり、流路外壁に超音波センサを配置でき
、従来のように中央に計測部を設ける必要が無く、装置を簡素化できる。

0017

第3の発明は、特に、第2の発明において、前記区画部材の外郭断面形状が多角形状を成す筒状の形状であることで、流路断面形状が軸対称となり、より流れの均一化が図れるとともに、複数の伝搬パスを構成することも可能であり、計測範囲が異なる超音波センサ並びに伝播路の長さを変える等の違う構成の測定システムを組み合わせるとこにより、より広範囲の測定と精度向上を図ることができる。

0018

第4の発明は、特に、第1〜3のいずれか1つの発明において、前記流路の流体流入部分に整流部材を有することで計測流路内には流体が均一に流れるため、小流量から大流量まで、第1流路と第2流路に流れる流量の分流比が一定となる、また流体の種類や温度などの環境が変化しても同じく分流比が一定となるため、分流比の補正が容易で安定した測定精度を容易に得やすくなる。

0019

第5の発明は、特に第4の発明において、計測流路の流出側にも整流部材を有することで、逆流時も正確に流量を計測することが可能となる。

0020

第6の発明は、特に第4または5の発明の整流部材を多孔体からなる材料を用いることで、十分な整流効果を発揮することが可能となり、安定した測定精度を容易に確保することが可能となる。

0021

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。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。

0022

(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1を示す超音波流量計の断面図である。また、図2図1に示すA−A’矢視断面図である。

0023

被計測流体が流れる計測流路1には計測流路の内部に支持部材(図示せず)を介して計測流路1と同芯上に円形筒状の区画部材2が内設されており、この区画部材2の内部空間により第1流路3aが形成されている。また、計測流路1の内壁と区画部材2の外壁で形成された空間により第2流路3bが構成されている。

0024

即ち、計測流路1は、区画部材2により、第1流路3aと第2流路3bに区画された構成となっている。

0025

また、計測流路1の被計測流体(白抜きの矢印で示す)の流入側には整流部材4が設けられており、第1流路3a及び第2流路3bには面積当たりの流れ込む流量が一定になるように構成されている。

0026

更に、計測流路1には一対の超音波センサ5、6が第1流路の平面2aで反射しV字の伝播路を形成するように設置され、上流側に配置された超音波センサ5と下流側に配置された超音波センサ6間で超音波の送受信が行われる。

0027

図3は、本実施の形態の超音波流量計のブロック図を示すもので、図に示すように計測流路1に配置された超音波センサ5,6により超音波伝搬時間が計測され、この超音波伝搬時間から第2流路3bの流速が演算回路7により演算される。

0028

そして、この流速とから第1流路3aと第2流路3bの流路断面積から計測流路1を流れる被計測流体の流量が演算され、その結果は計測装置10の制御手段8を介して表示部
9に表示される。

0029

なお、本実施の形態では結果を表示部9により表示するようにしているが、測定結果数値データとしてデータロガーなどに出力することでもよく、また無線システムまた有線によるデータ転送機能を搭載して他の場所で出力することも可能である。

0030

以下、超音波計測の動作について図4を用いて説明する。

0031

まず、超音波センサ5,6間で交互に超音波を送受信させて流体の流れに対して順方向と逆方向の超音波の伝搬時間の差を一定間隔を置いて計り、伝搬時間差信号として出力する。この伝搬時間差信号を受けて演算回路7により被計測流体の流速、および計測流路の流量を算出するものである。

0032

上流側の超音波センサ5から発せられた超音波が下流側の超音波センサ6で受信されるまでの伝搬時間T1を計測する。また一方、下流側の超音波センサ6から発せられた超音波が上流側の超音波センサ5で受信されるまでの伝搬時間T2を計測する。

0033

このようにして測定された伝搬時間T1およびT2を基に、以下の演算式により演算回路で流量が算出される。

0034

いま、計測流路の流動方向の被計測流体の流速Vと超音波伝搬路とのなす角度をθとし、超音波センサ間の距離を2×L、被測定流体音速をCとすると、流速Vは以下の式にて算出される。

0035

式(1) T1=2×L/(C+Vcosθ)
式(2) T2=2×L/(C−Vcosθ)
T1の逆数からT2の逆数を引き算する式より音速Cを消去して
式(3) V=(2×L/2cosθ)((1/T1)−(1/T2))
θおよびLは既知なのでT1およびT2の値より流速Vが算出できる。

0036

以上のように構成された超音波流量計について、以下その図1、5を用いその作用を説明する。なお、図5図1におけるB矢視図である。

0037

超音波計測方式の特徴として、計測部での圧損は発生しないため、計測流路1に流れ込む被計測流体は整流部材4により、単位面積当たり一定の流量として分流され、第1流路3a、第2流路3bに流れ込む。

0038

ここで示す整流部材4はハニカム構造の多孔体を用いているが、整流作用のある部材であれば他の部材でももちろん構わない。

0039

第2流路3bに流れた被計測流体の一部は、前述した超音波測定原理により流速が計測され、予め求められている補正係数乗算することで、計測流路1の流量を求めることができる。

0040

なお、第2流路3bで形成される超音波伝播路においては伝播路と平行する壁面が無いためV字パスを通る直接波のみが受信されるため、他の壁面で反射した伝播波と直接波が干渉して受信波が乱れ正確な超音波の伝播時間が計測できなくなることが無くなるため、センサの特性の影響を受けにくい計測システムの構築が可能となる。

0041

(実施の形態2)
図6図7を用い実施の形態2について説明する。図6は実施の形態2の計測流路断面図で、図7図6のC−C’矢視断面図である。なお、図1と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。

0042

図7に示すように計測流路12は、区画部材13によって、第1流路14aと第2流路14bに区分されており、区画部材13は、外郭形状が12角形となっており、この各辺をそれぞれ超音波伝播のV字パスの反射面として使用することが可能である。また、計測流路12の内壁も同様の12角形としている。

0043

また、超音波センサは、図1の超音波センサ5,6と、更にこの超音波センサ5,6とは異なる特性を有する超音波センサ15,16を備え、それぞれの反射面を平面13a、13bとすることで2つの伝播経路を構成しており、流量や非計測流体の種類に合わせて適宜選択することで、最適な計測結果を得ることができるようになっている。

0044

さらに、図8に示すように、超音波センサ5,6間の距離Cと超音波センサ17、18間の距離Dを異なるように構成するにより、計測流量範囲に応じて2つの伝播距離を適宜選択できるようにすることも可能となる。この場合、超音波センサ17,18の特性は超音波センサ5,6と同じとしても良いし、異なるようにしても良く、流量や非計測流体の種類に合わせて適宜選択することができる。

0045

超音波式の流量計測としてセンサの特性(例えば、センサの駆動周波数やセンサの感度)により、計測できる流速の範囲が異なってくる。例えば、流速が小さい場合は、センサ駆動周波数が高い方が、計測の分解能が上がるため有利であるが、流速が大きい場合は低い周波数の方が流れの乱れに対して安定して計測が可能である。

0046

そして、図7に示す事例では、2組の超音波センサの周波数特性を異なるように設定している。

0047

一方、図8に示すように伝播路が長い方が小さな流速でも安定して計測できるようにが、センサ間の超音波の減衰が大きくなるため流速が大きくなると計測が不安定になる傾向がある。

0048

従って、センサの特性や超音波の伝播経路の組合せで、安定して計測が可能な流速の範囲が決まってくる。本実施の形態では、一つの計測流路で複数の異なる計測部を形成し、流量に応じて切り替えて使用することで、計測流路の構成の変更無しで計測範囲を広げる事や計測精度を上げる事が可能となり、計測装置としての適用範囲を広げる事ができる。

0049

なお、本実施の形態では、区画部材13の外郭形状を12角形としているが、超音波の反射が利用できる範囲において形状の角数に制限があるものでは無い。

0050

(実施の形態3)
図9は、実施の形態3の計測流路断面を示すもので、図1と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。

0051

図9に示すように、計測流路1の流出側にも整流部材19を設ける事により、超音波の計測方式では逆流の測定も可能であるため、正逆両方の流れを正確に測ることが可能となる。

0052

以上のように、本発明の超音波流量計は、計測流路に設けられた第2流路に第1流路の
外壁を使いV字パスの伝播路を形成することで、壁面反射の影響を受けず、受信波形が安定し、精度良く計測できるとともに、計測流路の一部を計測して全体流量を求めるバイパス方式の計測構成でもって、計測部の第2流路と主流路の第1流路の分流比の制御が容易であり、小流量の計測デバイスでもって簡単な構成で大流量計への応用展開も容易に図れる。

0053

1、12計測流路(流路)
2、13区画部材
2a、13a、13b 平面
3a、14a 第1流路
3b、14b 第2流路
4、19整流部材
5、6、15、16、17、18超音波センサ(流速計測手段)
7演算回路(流量演算手段)

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