JPH07218303A - 流速計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 どの方向にもキャリブレーションなしで設置
できる超音波のエコーを利用した流速計を提供する。 【構成】 口径がテーパー状に変化している管状部１０
に挿入されている浮子１２に向けて超音波を発信し、そ
の超音波のエコーを受信して所定の信号処理回路で浮子
１２の位置を検出できるように管状部１０の一端に超音
波振動子１４が取り付けられている。管状部１０内には
流体３０の流れの方向と逆方向に浮子１２に力を及ぼす
バネ１６が設けられ、流体３０が管状部１０を流れると
き、流体の流れにより浮子に加わる流体の流れ方向の力
とバネ１６の力とがほぼ釣り合う位置で浮子が静止する
ように浮子１２の流体内での有効重量が０であるか、又
は適度に小さく設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波のエコーを利用し
た流速計に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波のエコーを利用した流速計として
特開平１−３１３７２０号公報に示されているものがあ
る。図２はこの流速計を説明する模式的部分断面図であ
る。流体５８は管状部５４を通過し、その口径５６はテ
ーパー状に変化している。管状部５４の内部には浮子６
０があり、流体５８の流速に応じて上下する。浮子６０
の上面６０ａは平坦になっており、管状部５４の上端に
は超音波振動子２４が設けられていて、この浮子６０の
上面６０ａにて超音波が反射するようになっている。流
速に応じてこの浮子６０が上下動するので、超音波振動
子２４が浮子６０に向けて超音波を発信してから超音波
のエコーを受信するまでの伝播時間を測定することによ
り、この伝播時間と流体５８の流速の関係を明らかにす
ることができる。従って、適当な信号処理回路を用いて
この伝播時間を測定することにより流体５８の流速を知
ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の流速計では、流
体５８の流れが浮子６０により絞られてその前後に発生
する差圧によって流体５８の流れの方向に浮子６０に力
が加わる。この力は、管状部５４の口径が広がる方向に
浮子６０が移動するにつれて小さくなる。従って、この
流速計の管状部５４を垂直に配置したとき、この力と浮
子の流体内における有効重量とが平衡する位置で浮子６
０は静止する。尚、浮子６０の流体５８内での有効重量
とは浮子の重量から浮子に働く浮力の大きさを差し引い
た浮子の重量である。この流速計を流れる流体５８の流
れが速くなり勢いが増すと、浮子６０に働く垂直方向の
重力は常に一定であるのに対し、浮子６０の前後の差圧
は大きくなるので、この差圧が浮子の有効重量と平衡す
る位置まで浮子６０は上昇し、この浮子６０の位置によ
り流速を知ることができる。

【０００４】ところが、流速計の管状部を鉛直方向に対
して傾斜させて取り付けると、浮子に働く重力の流体の
流れの方向に沿う成分が傾斜の度合いに応じて変化する
のでこれらの力が釣り合う浮子６０の位置が変化し、超
音波振動子２４が浮子６０に向けて発信した超音波のエ
コーを受信するまでの伝播時間も変化する。このため管
状部５４を傾斜させて流速計を取り付ける場合には、実
際の流速と超音波の伝播時間の関係を改めて求めなけれ
ばならない。すなわち、キャリブレーションが必要とな
る。また、流速計の管状部５４を水平方向に配置する場
合には流体の流れの方向に沿う重力の成分は０なので流
体の圧力により浮子は管状部５４の出口の方に押えつけ
られ、流速を測定することはできない。したがって、本
発明はどの方向に設置しても、キャリブレーションなし
で正確に流速を測定することのできる超音波のエコーを
利用した流速計を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、流速計の管状部を流れる流体の流れの方
向と逆方向に力を及ぼす付勢手段を流速計に設けるよう
にしている。このようにすることで流体の流れによる力
と付勢手段の力をほぼ等しくさせ、浮子に働く重力の影
響を小さくすることができる。すなわち、口径がテーパ
ー状に変化している管状部と、前記管状部に挿入されて
いる浮子と、前記浮子に向けて超音波を発信し、前記超
音波のエコーを受信できるように前記管状部の一端に配
置されている超音波振動子とを有する流速計において、
前記管状部を流れる流体の流れの方向と逆方向に前記浮
子に力を及ぼす付勢手段を有することを特徴とする流速
計が提供される。

【０００６】また、本発明の別の態様では、上記の付勢
手段を設けることに加えて、流体が管状部を流れると
き、流体の流れにより浮子に加わる流体の流れの方向の
力と付勢手段の力とがほぼ釣り合う位置で浮子が静止す
るように浮子の流体内での有効重量を０にするか又は小
さく設定している。このため、浮子に働く重力によらず
に付勢手段が浮子に及ぼす力と流体の流れにより流体の
流れ方向に浮子に働く力とがほぼ釣り合う位置で浮子を
静止させることができる。すなわち、前記流体が前記管
状部を流れるとき前記流体の流れにより前記浮子に加わ
る前記流体の流れの方向の力と前記付勢手段の力とがほ
ぼ釣り合う位置で前記浮子が静止するように前記浮子の
前記流体内での有効重量が０であるか、又は適度に小さ
く設定されている請求項１記載の流速計が提供される。

【０００７】

【実施例】以下図面と共に本発明の好ましい実施例につ
いて説明する。図１は本発明の流速計の実施例を説明す
る模式的部分断面図である。流速計の管状部１０の両端
付近には流体３０の入口１８及び出口２０が設けられて
いる。管状部１０の口径はテーパー状に変化しており、
入口１８から出口２０に向かう方向で口径が大きくなっ
ている。以下管状部１０の口径の大きい側の端部を上端
部とし、口径の小さい側を下端部とする。管状部１０の
内部にはテーパー部分の中心線に沿って軸２２が設けら
れており、軸２２の両端は管状部１０の両端に固定され
ている。浮子１２は形が砲弾形で、この軸２２によって
貫通され、軸２２に沿って移動することができる。流体
３０が流れて行く方向を向く浮子１２の面を上面１３と
すると、この上面１３は平坦になっており、後述する超
音波振動子１４から発信された超音波を超音波振動子１
４に向けて反射することが可能となっている。

【０００８】この浮子１２の上面にはバネ１６の一端が
取り付けられ、バネ１６の他端は管状部１０の上端部に
取り付けられている。このバネ１６は圧縮バネで、流体
の流れにより浮子１２が流体の流れの方向に変位したと
き流体の流れの方向と逆方向に浮子１２に力を及ぼす。
このバネ１６と軸２２により流体３０の流れの方向と逆
方向に浮子１２に力を及ぼす付勢手段が構成される。管
状部１０の上端部では軸２２の端部が取り付けられてい
る位置の近傍に穴が設けられ、この穴に接着剤で超音波
振動子１４が隙間なく接着されている。超音波振動子１
４は図示しない信号処理回路に接続され、信号処理回路
からの信号により超音波振動子１４は超音波を発信し、
超音波のエコーを受信したとき信号処理回路に信号を出
力する。

【０００９】次にこの流速計の動作について説明する。
まず、この流速計の管状部１０が鉛直方向に平行になる
ように流速計を配置して流体を流速ｖで流した場合につ
いて説明する。浮子１２には、流体３０の流れの方向に
浮力及び流体の流れによる力が働くと同時に、流体の流
れの方向と逆方向に重力及びバネ１６の弾性力が働く。
浮子１２の重量は、材質及び容積を調整することによっ
て浮子が占める体積分の流体３０の重量とほぼ等しくな
っている。このため浮子に働く重力と浮力が相殺されて
浮子１２の有効重量はほとんど０に等しくなっている。
従って、浮子１２に働く力は実質的に流体３０の流れに
よる力とバネ１６による弾性力と考えることができ、こ
の２つの力が釣り合って浮子１２は静止する。また、浮
子の有効重量をほぼ０にするために浮子の内部を中空に
してもよい。

【００１０】この流速ｖの状態から流速をＶ（＞ｖ）に
大きくすると、流体３０の流れによる浮子１２に働く力
は大きくなり、バネ１６の弾性力に抗して浮子１２を上
昇させる。しかし、管状部１０の口径が大きくなる方向
に浮子１２が上昇するにつれて浮子１２とテーパー部分
の壁面との隙間は広がるのでこの力は弱まり、その一方
でバネ１６は自然長に戻ろうとしてその弾性力を強め
る。従って、浮子１２が管状部１０の上端部側にある程
度上昇した後、この２つの力は再び釣り合って浮子１２
は静止する。

【００１１】逆に流速ｖの状態から流速をＵ（＜ｖ）に
小さくすると、流体３０の流れによる浮子１２に働く力
は小さくなり、バネ１６の弾性力に押されて浮子１２は
下降する。しかし、管状部１０の口径が小さくなる方向
に浮子１２が下降するにつれて浮子１２とテーパー部分
の壁面との隙間が狭くなるのでこの力は強まり、その一
方でバネ１６の弾性力は弱まる。従って、浮子１２が管
状部１０の下端部側にある程度下降した後、この２つの
力は再び釣り合って浮子１２は静止する。このように、
流速に応じて浮子の位置が決まる。

【００１２】一方、信号処理回路からの信号に従って超
音波振動子１４より超音波が発信され、この超音波は静
止した浮子１２の上面で反射される。超音波振動子１４
はこの反射による超音波のエコーを受信し、信号処理回
路に信号を出力する。信号処理回路では、超音波が発信
されてから超音波のエコーが超音波振動子１４に受信さ
れるまでの超音波の伝播時間が測定される。この超音波
の伝播時間は浮子の位置に応じて決まる。従って、流速
と超音波の伝播時間の関係を予め求めておけば、超音波
の伝播時間より流速を知ることができる。

【００１３】次にこの流速計の管状部１０を鉛直方向に
対して傾斜させて取り付けた場合について説明する。浮
子１２に鉛直方向で下側から上側に向って働く浮力と上
側から下側に向って働く重力は流速計の管状部１０が鉛
直方向に平行になるように配置した場合と同様にほぼ等
しく相殺される。このため、浮子１２に働く力は管状部
１０に沿って働く流体の流れによる力とバネ１６による
弾性力の２つと考えることができる。従って、浮子１２
に働く力は流速計の管状部１０を鉛直方向に配置した場
合と同様になるので、流速計の管状部１０を傾けても流
速と、超音波が発信されてから超音波が超音波振動子１
４に受信されるまでの超音波の伝播時間の関係は変化し
ない。

【００１４】又、流速計の管状部１０を水平に配置した
場合、管状部１０に沿って働く力は流体の流れによる力
とバネ１６による弾性力の２つのみである。よってこの
ときも流速と超音波の伝播時間の関係は変化しない。こ
のように流速計の管状部１０を鉛直方向に対してどのよ
うに傾けてもあるいは水平に配置しても流速と超音波１
２の伝播時間の関係は変らず一定である。

【００１５】上記の実施例では、管状部１０を流れる流
体の流れの方向と逆方向に浮子１２に力を及ぼす付勢手
段にバネ１６のような弾性部材を用いたが、この代りに
磁石を使用することも可能である。この場合、管状部１
０及び浮子１２に磁石を取り付けて、流体の流れ方向を
逆方向に浮子１２に力が働くようにする。たとえば、図
１でバネ１６を取り去り管状部１０の両端部に磁石を設
け、管状部１０を挟んでＳ極が向かい合うようにする。
一方、浮子１２には浮子１２の上面１３と同じ形状の面
を持つ磁石をＮ極が管状部１０の下端部側に向くように
して取り付ける。このように管状部及び浮子に磁石を設
けると流体の流れの方向と逆向きに浮子１２に力が働く
ようになる。

【００１６】浮子１２に取り付ける磁石の形状はこの例
のものに限らず、浮子に取付可能であればよい。浮子自
体を磁石で構成してもよい。また、上記の例で各磁石の
極性を逆にした構成にしてもよい。上記の例では管状部
１０の両端に磁石が設けられているが、どちらか一方に
配置するものであってもよい。管状部１０の流体の入口
１８付近の端部に磁石を設ける場合は、浮子に例えば鉄
の様な磁性体を取り付けるか、あるいは浮子がそのよう
な磁性体でつくられているかのどちらかであってもよ
い。このようにしても流体の流れの方向と逆向きに浮子
１２に力を働かせることができる。

【００１７】上記の実施例では、バネ１６が管状部１０
の上端部側に設けられているが、これに代えて一端が浮
子１２の上面１３と反対側の部分に取り付けられ、他端
が管状部１０の下端部に取り付けられている引っ張りバ
ネを設けるようにしてもよい。但し、引っ張りバネをこ
のように設けると、入口１８から入ってくる流体にゴミ
が含まれることもあり、そのゴミが引っ張りバネに引っ
掛かってうまく動作しないことがある。このため、バネ
１６を出口１８付近に設けた方が好ましい。又、浮子１
２は、浮子１２の流体内での有効重量が小さいものなら
どの様な形をしていてもよく、薄い板状のものでもよ
い。

【００１８】上記の実施例では、流体の流れの方向と逆
方向に浮子１２に力を及ぼす付勢手段として軸２２とバ
ネ１６が用いられている。バネ１６は浮子１２に力を作
用させ、軸２２はこの力の方向を決める。軸２２を取り
去って流体３０を管状部１０に流す場合に浮子１２が流
体３０に押されてバネ１６が圧縮される過程で、バネ１
６のたわみがほとんどなく、またバネ１６の一端に取り
付けられている浮子１２が管状部１０の内壁に押しつけ
られることがなく、浮子１２に適正に力が加わるようバ
ネ１６がしっかりしたものであるならば、軸２２を取り
去ってバネ１６のみを付勢手段として用いてもよい。ま
た、管状部１０の口径の変化が緩やかでバネ１６が管状
部１０の内壁に接近して挿入できるならば、軸２２なし
にバネ１６が圧縮されても管状部１０の内壁によって支
持されるので過度にたわむことがない。したがって、こ
の場合も軸２２を取り去ることができ、管状部１０の内
壁及びバネ１６が付勢手段として機能する。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のように流
速計に流体の流れの方向と逆方向に浮子に力を及ぼす付
勢手段を設け、浮子の流体内での有効重量を小さくする
ことで、キャリブレーションなしに超音波振動子を利用
した流速計をいかなる方向にも配置することができ、配
管を従来より自由に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の流速計の実施例を説明する模式的部分
断面図である。

【図２】従来の超音波のエコーを利用した流速計の模式
的部分断面図である。

【符号の説明】

１０，５４ 管状部 １２，６０ 浮子 １３，６０ａ 上面 １４，２４ 超音波振動子 １６ バネ １８ 入口 ２０ 出口 ３０，５８ 流体 ５６ 口径

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 口径がテーパー状に変化している管状部
   と、前記管状部に挿入されている浮子と、前記浮子に向
   けて超音波を発信し、前記超音波のエコーを受信できる
   ように前記管状部の一端に配置されている超音波振動子
   とを有する流速計において、 前記管状部を流れる流体の流れの方向と逆方向に前記浮
   子に力を及ぼす付勢手段を有することを特徴とする流速
   計。
2. 【請求項２】 前記流体が前記管状部を流れるとき前記
   流体の流れにより前記浮子に加わる前記流体の流れの方
   向の力と前記付勢手段の力とがほぼ釣り合う位置で前記
   浮子が静止するように前記浮子の前記流体内での有効重
   量が０であるか、又は適度に小さく設定されている請求
   項１記載の流速計。