JP7593758B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本開示は超音波流量計に関する。

従来、外部管路と接続される流入管路及び流出管路のそれぞれが両端に連結される主管路に流れる流体の体積流量を超音波センサで計測する超音波流量計が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、主管路は、その軸方向（流れの方向）に沿う仕切板によって、軸直交方向で、超音波ビームが送受信される測定室、及び主管路内の各区画の圧力を均一化する圧力室に区画される。

特開２０１１－８９８２９号公報

しかしながら、流入管路及び流出管路と主管路との間は、溶接によって連結される場合がある。そのため、溶接後の熱ひずみ（溶接残留応力）によって、主管路の内部に配置される仕切り板に主管路から圧縮応力が作用し、仕切り板が変形してしまう可能性がある。よって、仕切り板の変形に伴い測定室の流路面積が変化し、計測精度が悪化する可能性がある。

そこで、上記課題に鑑み、超音波流量計の計測精度を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示の一実施形態では、
流体が流れる方向に沿うように設けられる仕切板によって、測定室及び圧力室を含む複数の区画に区分される管路部と、
前記管路部の両端に連結され、外部管路と接続される接続部と、
何れか一方が前記測定室の内部を流れる流体に向かって超音波を送信すると共に、何れか他方が前記何れか一方から送信された超音波を受信する一対の超音波センサと、
前記測定室に流入する流体の流れに正対し、その流れを整える整流板と、
前記管路部の内部の上流側に設けられ、前記整流板の少なくとも一部を前記管路部内に収容する収容部と、を備え、
前記整流板の内面には、前記仕切板の端部が挿入される第１の溝が設けられる、
超音波流量計が提供される。

上述の実施形態によれば、超音波流量計の計測精度を向上させることができる。

超音波流量計の一例を概略的に示す斜視図である。 計量部の構成の一例を示す斜視図である。 計量部の構成の一例を示す分解図である。 計量部の構成の一例を示す断面図である。 計量部の構成の一例を示す断面図である。 整流板の構成の一例を示す斜視図である。 整流板の取付状態の一例を示す斜視図である。 整流板の取付状態の一例を示す断面図である

以下、図面を参照して実施形態について説明する。

［超音波流量計の概要］
図１を参照して、超音波流量計１の概要を説明する。

図１は、超音波流量計１の一例を概略的に示す斜視図である。

図１に示すように、超音波流量計１は、計量部１０と、一対の超音波センサ２０，３０と、表示部４０とを含む。

計量部１０は、流体を通過させ、流体の流量に対応する検出情報を取得するための構成部分である。流量の計測対象の流体は、例えば、都市ガスや天然ガスや空気等である。計量部１０には、超音波センサ２０，３０が壁部１２Ｃ（図３Ｂ参照）を貫通する形で設置される。また、計量部１０の上面には、表示部４０が取り付けられる。

超音波センサ２０，３０は、計量部１０に通流する流体の流量に対応する検出情報を取得する。超音波センサ２０，３０は、それぞれ、超音波の送信及び受信が可能に構成される。超音波センサ２０，３０は、何れか一方が送信する超音波を何れか他方が受信することが可能な態様で配置される。超音波センサ２０，３０の配置に関する詳細は、後述する。

表示部４０は、超音波センサ２０，３０により取得される検出情報に基づき、計量部１０に通流する流体の体積流量を計測（演算）する演算部が内蔵され、その計測結果を表示する。超音波センサ２０，３０と表示部４０との間は、図示しない通信線で接続される。また、表示部４０には、例えば、外部と通信を行うための通信線を接続する外部通信端子が設けられる。

［計量部の構成］
次に、図２（図２Ａ、図２Ｂ）、図３（図３Ａ、図３Ｂ）を参照して、計量部１０の構成について説明する。

図２Ａ、図２Ｂは、それぞれ、計量部１０の構成の一例を示す斜視図及び分解図である。図３Ａ、図３Ｂは、それぞれ、計量部１０の構成の一例を示す正面断面図及び平面断面図である。

計量部１０は、上流接続部１１と、測定管路部１２と、下流接続部１３と、センサ取付部１４，１５と、整流板１６と、仕切板１７とを含む。

上流接続部１１（接続部の一例）は、流量の計測対象の流体が流れる上流側の外部管路に接続される。上流接続部１１は、フランジ部１１Ａと、接続管路部１１Ｂと、接続壁部１１Ｃとを含む。

フランジ部１１Ａは、上流側の外部管路の端部に設けられるフランジ部とボルト締結される。フランジ部１１Ａの径方向の中央付近には、貫通孔が設けられ、貫通孔と接続管路部１１Ｂとが連結されることで、外部管路の流体は、接続管路部１１Ｂに流れ込むことができる。

接続管路部１１Ｂは、フランジ部１１Ａと測定管路部１２（後述の測定室１２１）との間を接続し、フランジ部１１Ａから流入する流体を測定管路部１２に導く。

接続壁部１１Ｃは、接続管路部１１Ｂのフランジ部１１Ａとは反対の端部に設けられ、測定管路部１２の上流側の端部（右端部）を塞ぐ。接続壁部１１Ｃには、上下方向の中央部に貫通孔が設けられ、貫通孔と接続管路部１１Ｂとが連結されることで、接続管路部１１Ｂの流体は、貫通孔を通じて測定管路部１２（測定室１２１）に流れ込む。

測定管路部１２（管路部の一例）は、流体が流れる方向（左右方向）に細長い、中空且つ両端が開放される略直方体形状を有する。「略」は、例えば、製造上誤差を許容する意図であり、以下も同様の意図で使用する。図３Ａ、図３Ｂに示すように、測定管路部１２は、流体が流れる方向に垂直な略矩形の断面に対応して上下及び前後の四方を覆う壁部１２Ａ～１２Ｄを含む。

壁部１２Ａ～１２Ｄは、流体が流れる方向に細長い略矩形形状の板状部材である。

測定管路部１２は、左右それぞれの端部において、上流接続部１１（接続壁部１１Ｃ）及び下流接続部１３（接続壁部１３Ｃ）と溶接によって連結され、溶接部１２Ｗが形成される。

下流接続部１３（接続部の一例）は、流量の計測対象の流体が流れる下流側の外部管路に接続される。下流接続部１３は、フランジ部１３Ａと、接続管路部１３Ｂと、接続壁部１３Ｃとを含む。

フランジ部１３Ａは、下流側の外部管路の端部に設けられるフランジ部とボルト締結される。フランジ部１３Ａの径方向の中央付近には貫通孔が設けられ、貫通孔と接続管路部１３Ｂとが連結されることで、接続管路部１３Ｂの流体は、下流側の外部管路に流出することができる。

接続管路部１３Ｂは、測定管路部１２（測定室１２１）とフランジ部１３Ａとの間を接続し、測定管路部１２から流出する流体を、フランジ部１３Ａを通じて外部管路に導く。

接続壁部１３Ｃは、接続管路部１３Ｂのフランジ部１３Ａとは反対の端部に設けられ、測定管路部１２の下流側の端部（左端部）を塞ぐ。接続壁部１３Ｃには、上下方向の中央部に貫通孔が設けられ、貫通孔と接続管路部１３Ｂとが連結されることで、測定管路部１２の流体は、貫通孔を通じて接続管路部１３Ｂに流出する。

センサ取付部１４，１５は、略円管形状を有し、前側の壁部１２Ｃから突出するように設けられる。センサ取付部１４，１５の基端側は、測定管路部１２の壁部を貫通する貫通孔と接続され、センサ取付部１４，１５の先端の開口部と測定管路部１２（測定室１２１）の内部との間が連通する。センサ取付部１４，１５の先端には、それぞれ、超音波センサ２０，３０が取り付けられる。

センサ取付部１４は、壁部１２Ｃの垂直軸に対して、上流方向（右方向）に所定の取付角度だけ傾斜するように設けられる。超音波センサ２０は、センサ取付部１４の先端の開口からその先端部が挿入される形で取り付けられる。これにより、超音波センサ２０の先端部は、壁部１２Ｃの垂直軸に対して、下流方向（左方向）に所定角度だけ傾斜する向きに配置される。そのため、超音波センサ２０は、測定管路部１２（測定室１２１）の流体を下流側の斜め方向に横切るように、超音波を送信することができる。超音波センサ２０から送信される超音波は、壁部１２Ｄの内壁面で下流側の斜め方向に反射され、超音波センサ３０の先端部で受信される。よって、超音波センサ２０から送信され、超音波センサ３０で受信される超音波は、測定管路部１２（測定室１２１）を流れる流体によって増速される。

センサ取付部１５は、壁部１２Ｃの垂直軸に対して、下流方向（左方向）に所定の取付角度だけ傾斜するように設けられる。センサ取付部１４，１５の取付角度は、略同じである。超音波センサ３０は、センサ取付部１５の先端の開口からその先端部が挿入される形で取り付けられる。これにより、超音波センサ３０の先端部は、壁部１２Ｃの垂直軸に対して、上流方向（右方向）に所定角度だけ傾斜する向きに配置される。そのため、超音波センサ３０は、測定管路部１２（測定室１２１）の流体を上流側の斜め方向に横切るように、超音波を送信することができる。超音波センサ３０から送信される超音波は、壁部１２Ｄで上流側の斜め方向に反射され、超音波センサ２０の先端部で受信される。よって、超音波センサ３０から送信され、超音波センサ２０で受信される超音波は、測定管路部１２（測定室１２１）を流れる流体によって減速される。

このように、超音波センサ２０，３０は、測定室１２１の流体の流速に応じて増速される経路で伝搬される超音波と減速される経路で伝搬される超音波とを受信することができる。これにより、例えば、表示部４０に内蔵される演算部は、これら二つの経路における超音波の送信から受信までの所要時間の差を用いて、超音波の流速を演算し、流速に測定室１２１の流路面積を乗じることで、体積流量を測定（演算）することができる。

尚、超音波センサ２０，３０は、例えば、何れか一方が壁部１２Ｃに挿入される形で設けられ、何れか他方が壁部１２Ｄに挿入される形で設けられてもよい。この場合、超音波センサ２０，３０は、それぞれ、他方から送信される超音波を反射させることなく受信する。また、超音波センサ２０，３０は、上記の場合と同様、何れか一方が上流方向（右方向）所定角度だけ傾斜するように設けられ、何れか他方が下流方向（左方向）に所定角度だけ傾斜するように設けられてよい。これにより、上記と同様に、表示部４０に内蔵される演算部は、超音波の送信から受信までの所要時間の差を用いて、超音波の流速を演算し、流速に測定室１２１の流路面積を乗じることで、体積流量を測定（演算）することができる。

整流板１６は、測定管路部１２の上流側の端部において、流れに略正対する状態で設けられ、測定管路部１２（測定室１２１）に流入する流体の流れを一定に整え、層流に近づける。具体的には、整流板１６の上下方向の中央には、多孔部１６Ａが設けられ、多孔部１６Ａに設けられる多数の貫通孔を流体が通過することにより、流れが層流化される。図３Ａ、図３Ｂに示すように、整流板１６は、測定管路部１２の上流側の端部において、その内部（収容部１８）に収容される。整流板１６の詳細は、後述する。

仕切板１７は、流体の流れる方向（左右方向）に沿って設けられ、測定管路部１２の内部を流れに垂直な方向（本例では、上下方向）で複数に区画する。仕切板１７は、仕切板１７Ａ，１７Ｂを含む。

仕切板１７Ａは、測定管路部１２の内部において、上下方向の上部に配置される上部圧力室１２２（圧力室の一例）と、上下方向の中央に配置される測定室１２１との間を区画する。

仕切板１７Ｂは、測定管路部１２の内部において、上下方向の下部に配置される下部圧力室１２３（圧力室の一例）と、上下方向の中央に配置される測定室１２１との間を区画する。

図３Ａ、図３Ｂに示すように、接続壁部１１Ｃ，１３Ｃの貫通孔は、上下方向の中央部に設けられ、測定対象の流体は、測定室１２１だけに流入し、測定室１２１から流出する。また、測定室１２１は、センサ取付部１４，１５の先端部の開口と連通されている。これにより、超音波センサ２０，３０は、測定室１２１を流れる流体に向かって超音波を送信すると共に、測定室１２１の壁部１２Ｄで反射される超音波を受信することができる。

仕切板１７の下流側の端部（左端部）と、接続壁部１３Ｃの内壁面との間には、隙間（連通部１９）が設けられる。連通部１９は、測定室１２１と他の区画（上部圧力室１２２、下部圧力室１２３）との間を連通させる。これにより、測定室１２１と、上部圧力室１２２及び下部圧力室１２３との間の圧力を均一化させることができる。連通部１９は、仕切板１７Ａと接続壁部１３Ｃとの間の隙間として設けられ、測定室１２１と上部圧力室１２２との間を連通させる連通部１９Ａと、仕切板１７Ｂと接続壁部１３Ｃとの間の隙間として設けられ、測定室１２１と下部圧力室１２３との間を連通させる連通部１９Ｂとを含む。

［整流板の構成］
次に、図４、図５（図５Ａ、図５Ｂ）を参照して、整流板１６の構成について説明する。

図４は、整流板１６の構成の一例を示す斜視図である。図５Ａ、図５Ｂは、それぞれ、整流板１６の取付状態の一例を示す斜視図及び側面断面図である。

尚、図５Ａでは、計量部１０に組み込まれている整流板１６を露出させるため、上流接続部１１の図示が省略されている。

図４に示すように、整流板１６の上下方向の中央部には、上述の如く、多孔部１６Ａが設けられる。また、整流板１６の下流側（内側）の壁面において、多孔部１６Ａの上下には、前後方向に溝部１６Ｂ，１６Ｃが設けられる。

溝部１６Ｂ（第１の溝の一例）には、仕切板１７Ａの上流側の端部（右端部）が挿入され、溝部１６Ｃ（第１の溝の一例）には、仕切板１７Ｂの上流側の端部（右端部）が挿入される。

また、図５Ａ、図５Ｂに示すように、前後の壁部１２Ｃ及び壁部１２Ｄには、それぞれ、流体の流れの方向（左右方向）に延びるように、溝部１２Ｃａ，１２Ｃｂ、及び溝部１２Ｄａ，１２Ｄｂが設けられる。

溝部１２Ｃａ，１２Ｄａ（第２の溝の一例）には、それぞれ、仕切板１７Ａの前端部及び後端部が挿入される。

溝部１２Ｃｂ，１２Ｄｂ（第２の溝の一例）には、それぞれ、仕切板１７Ｂの前端部及び後端部が挿入される。

このように、溝部１２Ｃａ，１２Ｄａ，１６Ｂによって、仕切板１７Ａの位置決めがなされ、溝部１２Ｃｂ，１２Ｄｂ，１６Ｃによって、仕切板１７Ｂの位置決めがなされる。

整流板１６は、上述の如く、流れに略正対する姿勢状態で、測定管路部１２の内部の収容部１８に収容される。また、整流板１６は、その前後方向の寸法（幅）が測定管路部１２の内部の前後方向の寸法と略同じになるように構成される。これにより、図５Ｂに示すように、整流板１６の前端面及び後端面は、それぞれ、壁部１２Ｃ，１２Ｄの内面との隙ＣＬ１，ＣＬ２（第１の隙の一例）がゼロとなり、壁部１２Ｃ，１２Ｄの内面に当接する。

上述の如く、測定管路部１２と上流接続部１１及び下流接続部１３との間は、溶接によって連結される。そのため、溶接部１２Ｗが冷却されると、溶接部１２Ｗの熱ひずみ（溶接残留応力）によって、測定管路部１２に圧縮応力が作用する可能性がある（図５Ｂの白抜き矢印参照）。すると、この圧縮応力によって、仕切板１７Ａ，１７Ｂが変形することで、流路面積に変化が生じ、超音波流量計１の体積流量の計測精度に影響が生じてしまう可能性がある。

これに対して、本実施形態では、壁部１２Ｃ，１２Ｄに整流板１６の前端面及び後端面が当接し、壁部１２Ｃ，１２Ｄの変位を抑制することができる。そのため、超音波流量計１は、溶接部１２Ｗの熱ひずみ（溶接残留応力）による仕切板１７Ａ，１７Ｂの変形を抑制することができる。よって、超音波流量計１は、その体積流量の計測精度を向上させることができる。

尚、整流板１６は、その厚み方向（左右方向）で全体が測定管路部１２の内部に収容される必要はなく、その厚み方向の一部が測定管路部１２の内部に収容されてもよい。

また、仕切板１７Ａ，１７Ｂは、上述の如く、その上流側の端部が整流板１６の溝部１６Ｂ，１６Ｃに挿入されてよい。これにより、溝部１６Ｂ，１６Ｃは、溶接部１２Ｗの熱ひずみ（溶接残留応力）による仕切板１７Ａ，１７Ｂの変形を抑制することができる。そのため、超音波流量計１は、その体積流量の計測精度を更に向上させることができる。

また、壁部１２Ｃ，１２Ｄと整流板１６とは、壁部１２Ｃ，１２Ｄがある程度変位した時点で当接する態様であってもよい。例えば、整流板１６の側面と測定管路部１２、即ち、壁部１２Ｃ，１２Ｄのそれぞれの内壁面との（前後）隙ＣＬ１，ＣＬ２の合計は、仕切板１７Ａの側面と溝部１２Ｃａ，１２Ｄａのそれぞれの底面との間の（前後）隙ＣＬ３，ＣＬ４（第２の隙の一例）の合計より小さくなるように構成されてよい。また、同様に、整流板１６の側面と測定管路部１２、即ち、壁部１２Ｃ，１２Ｄのそれぞれの内壁面との（前後）隙ＣＬ１，ＣＬ２の合計は、仕切板１７Ｂの側面と溝部１２Ｃｂ，１２Ｄｂのそれぞれの底面との間の（前後）隙ＣＬ５，ＣＬ６（第２の隙の一例）の合計より小さくなるように構成されてよい。これにより、溶接部１２Ｗの熱ひずみによる壁部１２Ｃ，１２Ｄの変位に伴って、仕切板１７Ａ，１７Ｂの側面が溝部１２Ｃａ，１２Ｃｂ，１２Ｄａ，１２Ｄｂの底面に当接する前に、整流板１６の前端面及び後端面が先に壁部１２Ｃ，１２Ｄの内壁面に当接する。そのため、超音波流量計１は、仕切板１７Ａ，１７Ｂの変形を抑制（防止）し、体積流量の測定精度を向上させることができる。

尚、溶接部１２Ｗの熱ひずみによる仕切板１７Ａ，１７Ｂの変形をある程度許容してもよい。この場合、整流板１６の側面と測定管路部１２（壁部１２Ｃ，１２Ｄ）の内壁面との（前後）隙ＣＬ１，ＣＬ２の合計は、仕切板１７Ａの側面と溝部１２Ｃｂ，１２Ｄｂのそれぞれの底面との間の（前後）隙ＣＬ３，ＣＬ４の合計より大きくなる。また、同様に、整流板１６の側面と測定管路部１２（壁部１２Ｃ，１２Ｄ）の内壁面との（前後）隙の合計は、仕切板１７Ｂの側面と溝部１２Ｃｂ，１２Ｄｂのそれぞれの底面との間の（前後）隙ＣＬ５，ＣＬ６の合計より大きくなる。そして、整流板１６の側面は、壁部１２Ｃ，１２Ｄが溶接部１２Ｗの熱ひずみにより仕切板１７Ａ，１７Ｂの許容変形量に対応する範囲内で変位した後に、変位後の壁部１２Ｃ，１２Ｄの内壁面に当接する。これにより、整流板１６は、体積流量の測定精度に大きく影響しない範囲で仕切板１７Ａ，１７Ｂの変形を抑制することができる。

［作用］
次に、本実施形態に係る超音波流量計１の作用について説明する。

本実施形態では、測定管路部１２は、流体が流れる方向に沿うように設けられる仕切板１７Ａ，１７Ｂによって、測定室１２１、並びに上部圧力室１２２及び下部圧力室１２３を含む複数の区画に区分される。また、上流接続部１１及び下流接続部１３は、測定管路部１２の両端に連結され、外部管路と接続される。また、一対の超音波センサ２０，３０は、何れか一方が測定室１２１の内部を流れる流体に向かって超音波を送信すると共に、何れか他方が何れか一方から送信された超音波を受信する。また、整流板１６は、測定室１２１に流入する流体の流れに正対し、その流れを整える。そして、収容部１８は、測定管路部１２の内部の上流側に設けられ、整流板１６の厚み方向の少なくとも一部を測定管路部１２内に収容する。

これにより、溶接部１２Ｗの熱ひずみ（溶接残留応力）によって、測定管路部１２に圧縮応力が作用する場合であっても、壁部１２Ｃ，１２Ｄの変形に対して、測定管路部１２内に収容される整流板１６が壁部１２Ｃ，１２Ｄの内壁面に当接することができる。そのため、壁部１２Ｃ，１２Ｄの変形に伴う仕切板１７Ａ，１７Ｂの変形を抑制し、仕切板１７Ａ，１７Ｂの変形による測定室１２１の流路面積の変化を抑制することができる。よって、超音波流量計１は、体積流量の測定精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、整流板１６に流れの整流機能と仕切板１７Ａ，１７Ｂの変形抑制機能の双方を担わせることができる。そのため、整流板１６の他に仕切板１７Ａ，１７Ｂの変形抑制機能を実現する他の部材が設けられる場合に比して、コスト上昇を抑制することができる。

また、例えば、整流板１６を上流接続部１１（接続壁部１１Ｃ）と測定管路部１２との間に挟み込む構成の場合、上流接続部１１と整流板１６を溶接で連結させ、更に、整流板１６と測定管路部１２とを溶接で連結させる必要が生じる。そのため、溶接部が相対的に多くなり、超音波流量計１の製造コストが上昇する可能性がある。

これに対して、本実施形態では、整流板１６は、測定管路部１２の内部に収容される形で配置される。そのため、溶接部を相対的に少なくすることができる。よって、超音波流量計１の製造コストを抑制することができる。

以上、実施形態について詳述したが、本開示はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 超音波流量計
１０ 計量部
１１ 上流接続部（接続部）
１１Ａ フランジ部
１１Ｂ 接続管路部
１１Ｃ 接続壁部
１２ 測定管路部（管路部）
１２Ａ～１２Ｄ 壁部
１２Ｃａ，１２Ｃｂ，１２Ｄａ，１２Ｄｂ 溝部（第２の溝）
１２Ｗ 溶接部
１３ 下流接続部（接続部）
１３Ａ フランジ部
１３Ｂ 接続管路部
１３Ｃ 接続壁部
１４，１５ センサ取付部
１６ 整流板
１６Ａ 多孔部
１６Ｂ，１６Ｃ 溝部（第１の溝）
１７，１７Ａ，１７Ｂ 仕切板
１８ 収容部
１９，１９Ａ，１９Ｂ 連通部
２０ 超音波センサ
３０ 超音波センサ
４０ 表示部
１２１ 測定室
１２２ 上部圧力室（圧力室）
１２３ 下部圧力室（圧力室）
ＣＬ１，ＣＬ２ 隙（第１の隙）
ＣＬ３，ＣＬ４ 隙（第２の隙）
ＣＬ５，ＣＬ６ 隙（第２の隙）

Claims (2)

1. 流体が流れる方向に沿うように設けられる仕切板によって、測定室及び圧力室を含む複数の区画に区分される管路部と、
   前記管路部の両端に連結され、外部管路と接続される接続部と、
   何れか一方が前記測定室の内部を流れる流体に向かって超音波を送信すると共に、何れか他方が前記何れか一方から送信された超音波を受信する一対の超音波センサと、
   前記測定室に流入する流体の流れに正対し、その流れを整える整流板と、
   前記管路部の内部の上流側に設けられ、前記整流板の少なくとも一部を前記管路部内に収容する収容部と、を備え、
   前記整流板の内面には、前記仕切板の端部が挿入される第１の溝が設けられる、
   超音波流量計。
2. 前記管路部の内壁面には、前記仕切板の側部が挿入される第２の溝が設けられ、
   前記収容部における前記整流板の側面と前記管路部の内壁面との間に第１の隙が形成されると共に、前記仕切板の側面と前記第２の溝の底面との間に第２の隙が形成され、
   前記第１の隙は、前記第２の隙より小さい、
   請求項１に記載の超音波流量計。

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