JP3689987B2 - Ultrasonic flow meter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流量の計測を行う超音波式流量計に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のこの種の計測装置として、図11に示すように、流れに直交する方向の断面が矩形の流体流路1の一部に超音波振動子2と3を対向するように配置し、超音波振動子2から発した超音波を超音波振動子3で検出するまでの時間を計測し、この時間から流体の速度を演算して流量を算出する流量計があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の流量計では、矩形の断面形状により流路での流体の流速分布をできるだけ二次元的に形成して測定精度の向上を図っていたが、アスペクト比(長辺長さH0/短辺長さW0)を大きくして偏平化し、且つ流路長さを大きくするには加工上の制約があり、さらにこのアスペクト比の大きな矩形流路による高測定精度化と被測定流体の流動を制御する制御弁を組込んだ流量計のコンパクト化を両立できないという課題を有していた。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、矩形断面を有する測定路の上流側および下流側に導入路と導出路を設けてU字体とし、このU字体の導入路の外側に開閉体を収納する流量制御室を設け、測定路の上流側および下流側に対向して超音波振動子を配置したものである。
【0005】
上記発明によれば、測定路の断面アスペクト比および流路長さをそれぞれ大きく設定した上でコンパクトに構成できるため、測定精度が高く小型コンパクトな流量計を低コストで実現できる。
【0006】
【発明の実施の形態】
本発明は、矩形断面を有する測定路と、前記測定路の上流側に設けた導入路と、前記測定路の下流側に設けた導出路と、前記導入路に流入する被測定流体を制御する開閉体と、前記導入路に連通され前記開閉体を設けた流量制御室と、前記流量制御室の上流側に設けた入口部と、前記導出路の下流側に設けた出口部と、前記測定路の上流側および下流側に対向して設けた超音波振動子と、前記超音波振動子からの信号を基に流量を算出する流量演算部とを備え、前記導入路、前記測定路、前記導出路をU字状に形成したU字体を有するものである。そして、測定部での被測定流体は、上流側および下流側に設けた導入路と導出路により流れが安定化されるとともに矩形断面の大きなアスペクト比により流れ状態の二次元性が高められ、さらに超音波振動子が測定部の上流側および下流側に設けられて超音波が測定路を伝播する距離を長く設定できるので流れによる超音波の伝達時間変化が大きくなり、流れ状態の改善および超音波の伝播時間の解析精度の両面で測定精度を向上できる。また、導入路、測定路、導出路をU字状に形成したU字体の外側から開閉体を収める流量制御室を設けるとともに超音波振動子を測定路の上流側および下流側に設けることで、上流側の超音波振動子と開閉体の配置の干渉をなくして測定路の流れ方向側(図1の左右方向)の長さとU字状の奥行き方向(図1の紙面方向)の長さをそれぞれ短縮して流量計の小型化を実現できる。また、流量制御室の開閉体を取付ける穴および導入路に連通する穴は外側から容易に加工可能のため低コスト化ができる。
【0007】
また、対向する超音波振動子は測定路の被測定流体の流れを横切るように流れ方向に対して所定の角度を設けて配置したものである。そして、超音波振動子から出される超音波は、測定路を貫流する被測定流体に対して流れに直交する断面すなわち矩形断面の長辺方向にわたって流速の測定を行うため、アスペクト比を大きくした矩形断面により二次元性を高められた流れ状態に対してさらに矩形断面の長辺方向に平均化して流速を計るため、より高精度の流量測定ができる。また、上流側の超音波振動子と開閉体の配置上の干渉がより一層避け易くなるため、流量計のより一層の小型化ができる。
【0008】
また、入口部、流量制御室、導入路、測定路、導出路、出口部を一体成形したものである。そして、上記各部の一体成形により部品点数の削減と加工および組立時間の低減により低コスト化が実現できる。また、一体成形により被測定流体の流路が高強度に構成され流量測定部の形状安定性が確保できるため、流量計の耐久性および信頼性を向上できる。
【0009】
また、入口部、出口部を機械的に固定する接続体と、この接続体とU字体との間で形成した空間部と、この空間部に流量演算部を収納したものである。そして、外部との接続口である入口部および出口部を接続体で固定しているので流量計の高強度化により信頼性が向上できる。また、接続体とU字体との間で形成した空間部に流量演算部を収納することで流量計をより小型化できる。また流量演算部は接続体とU字体により必然的に4面を金属材料で囲うことができ、残りの2面を囲うだけで流量演算部はその全面を外部からの電波などの外乱から遮蔽でき、低コストで信頼性を向上することができる。
【0010】
また、無線送受信手段と、この無線送受信手段とU字体を覆う電波透過性材料で構成した筐体を備えたものである。そして、U字体により流量計の強度が確保できるため、筐体は強度部材と考えなくて良く合成樹脂などの電波透過性材料にして無線送受信手段を筐体の外部に別設することなく内蔵でき、流量計の小型化と低コスト化ができる。
【0011】
また、超音波振動子の少なくとも上流側には被測定流体中の水分を凝縮液化させる凝縮促進部を設けたものである。そして、被測定流体中の水分は凝縮促進部で凝縮液化されて低減されるため超音波振動子への水分の結露付着が防止され、超音波振動子への水分の付着による超音波の受送信機能の劣化を防止して測定機能の確保および測定精度の確保に対する信頼性を高めることができる。
【0012】
また、凝縮促進部は、接続体の外表面にフィンを設けて構成したものである。そして、流量計の外部に接する外表面積が広い接続体にさらに表面積を拡大するフィンを設けるため、このフィンに熱的に対向する流量計内の流路が外気温度により十分冷やされて被測定流体内の湿度が高い場合は水分の凝縮が確実にでき、信頼性をより一層向上できる。また、接続体の外表面積が広いためフィンを設置する位置は加工し易い場所に任意に設定でき加工性を向上できる。さらにフィンを接続体の補強部として併用できるため、流量計の耐久性を向上できる。
【0013】
また、少なくとも測定路には断熱材を設けたものである。そして、断熱材により測定路が外気温度により他の部分より速く冷却されるのを防止して超音波振動子への結露をなくし、流量測定の信頼性をより一層向上できる。
【0014】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【0015】
(実施例1)
図1は本発明の実施例1の超音波式流量計の縦断面図、図2は図1のA−A線断面図である。図1、図2において、4は被測定流体の流れ方向に対して直交する断面が長辺を流路幅W、短辺を流路高さHの矩形形状とした測定路であり、5は測定路4の上流側でかつ矩形断面の流路高さHの方向に設けた導入路であり、6は測定路4の下流側でかつ導入路5と同じ側に設けた導出路であり、導入路5および導出路6はそれぞれ測定路4の断面形状に近い寸法形状である。7は導入路5に開閉制御口8を介して連通され導出路6と反対側に位置するように配置した流量制御室である。9は流量制御室7に設けた開閉体であり、開閉制御口8を開閉する弁部9aと弁部9aを駆動する駆動部9bを有し、被測定流体が導入路5へ流入する量を制御するものである。10は流量制御室7の上流側に設け流量制御室7に連通する入口部であり、その外周部にはねじ等の連結手段10aが設けられている。11は導出路6の下流側に設けた出口部であり、その外周部にはねじ等の連結手段11aが設けられている。12は導入路5、測定路4、導出路6をU字状に形成したU字体であり、測定路4を上方に配置し下方に導入路5および導出路6を延ばした逆U字の形をしている。13は測定路4の上流側および下流側に対向して設けた超音波振動子であり、14は超音波振動子13からの信号を基に流量を算出する流量演算部である。流量演算部14は超音波振動子13に対する信号発生・処理部15a、演算部15bおよび開閉体9を動作させる開閉制御部16を備えている。
【0016】
次に動作を説明する。まず、流量計の利用開始にあたり開閉制御部16により開閉体9の駆動部9bを駆動して弁部9aを開閉制御口8から開放(図1の状態)する。被測定流体は入口部10より流入し流量制御室7に入り、開閉制御口8を経て導入路5へ流入する。測定路4の断面に近い形状・寸法に設定された導入路5に流入した流れはその流れ状態を安定させて測定路4に流入する。測定路4では流路幅Wに対して流路高さHを十分小さく設定したアスペクト比の大きな断面形状により、流路断面での流れ状態の二次元性が確保される。測定路4を出た流れは導出路6を経て出口部11より流出する。導出路6は測定路4の断面に近い形状・寸法に設定されているため、測定路4の下流端での流れは上記二次元性が確保される。すなわち測定路4の流れ方向の全域にわたって流れ状態の二次元性が確保される。
【0017】
次に、測定路4での流量の測定は信号発生・処理部15aの作用により対向配置された一対の超音波振動子13間で超音波の送受が行なわれる。このとき流量演算部14では、一対の超音波振動子13間で計測される信号を信号発生・処理部15aで処理し、さらに演算部15bにおいて被測定流体の流速に応じた超音波の伝播時間より流速が計算される。この流速と測定路4の断面積に基づいて流量が算出される。この流量計測値に基づき被測定流体の流量が過大など異常と見なすことができる場合などでは、開閉制御部16により開閉体9を駆動して弁部9bを開閉制御口8に当接させて被測定流体の流れを停止(図示せず)させる。
【0018】
このように、一対の超音波振動子13間の流れをよぎる距離を測定路4に対して最大限に長く設定できるため、超音波の伝播時間の変化を確実に検出でき、高精度の測定ができる。また、被測定流体は測定路4の全域で流れ状態の二次元性が高められ、さらに一対の超音波振動子13が測定路4の上流側および下流側に設けられて超音波が測定路4を伝播する距離を長く設定できるので、流れ状態の改善および超音波の伝播の両面で測定精度を向上できる。また、導入路5、測定路4、導出路6をU字状に形成したU字体12の外側から開閉体9を収める流量制御室7を設けるとともに一対の超音波振動子13を測定路4の上流側および下流側に設けることで、上流側の超音波振動子13と開閉体9の配置の干渉をなくして測定路4の流れ方向側の長さLとU字状の奥行き方向(図1の紙面方向)の長さをそれぞれ短縮して流量計の小型化を実現できる。また、流量制御室7の開閉体9を取付ける穴および導入路5に連通する開閉制御口8は外側から容易に加工可能のため低コスト化ができる。
【0019】
(実施例2)
図3は本発明の実施例2の超音波式流量計の測定路4を示し、図1のB−B線で切断した場合に相当する断面図である。図3において、一対の超音波振動子13は測定路4の上流側および下流側に互いに対向するように設けたもので、測定路4の被測定流体の流れ方向全域にわたり測定可能とするとともに流路幅Wの方向に被測定流体の流れを横切るように流れ方向(矢印C)に対して所定の角度θを設けて配置されている。
【0020】
従って、一方の超音波振動子13から発信された超音波は、測定路4を貫流する被測定流体に対して流れに直交する断面すなわち矩形断面の長辺方向である流路幅Wにわたって流れを横切って他方の超音波振動子13で受信される。ここで測定路4での流れ状態はアスペクト比を大きくした矩形断面により二次元性を高められることと、さらに矩形断面の長辺方向である流路幅Wにわたり平均の流速を計ることのため、より一層の高精度の流量測定ができる。また、上流側の超音波振動子13と開閉体9は偏心して配置されるため、配置上の干渉がより一層避け易くなり、流量計の外形寸法に影響する高さ寸法Y(図1に示す)を小さくして流量計の小型化ができる。また、一対の超音波振動子13を測定路4の上流側および下流側の端面に配置することにより、一対の超音波振動子13は流路幅Wの方向への飛び出し量が低減でき、流量計の外形寸法に影響する奥行き寸法Dを小さくできる。従って、流量計のより一層の小型化ができる。
【0021】
(実施例3)
図4は本発明の実施例3の超音波式流量計の流路体の分解斜視図である。図4において、17は入口部10と、流量制御室7、導入路5、測定路4、導出路6からなるU字体12と、出口部11とを金属材料で一体成形した流路体である。18は流路体17の流量制御室7の一面に設けた第一開口部、19はU字体12の一面に設けた第二開口部であり、第一開口部18および第二開口部19は同一面側に設けられている。20は第一開口部18および第二開口部19を封止する封止体であり、封止体20はパッキン材(図示せず)あるいはシール剤(図示せず)を介して流路体17に取付けられる。
【0022】
このように、一体成形により被測定流体の流路である流路体17が高強度に構成されるため、測定部の歪みあるいは外力による変形などを防止して測定部の形状安定性が確保でき、流量計の耐久性および信頼性を向上できる。
【0023】
また、各部の一体成形により部品点数が削減でき、加工時間および組立時間などの低減により低コスト化が実現できる。
【0024】
(実施例4)
図5は本発明の実施例4の超音波式流量計の縦断面図、図6は同流量計の流路体の分解斜視図である。図5において、21は入口部10と出口部11を機械的に接続し固定する接続体であり、ここでは接続体21は入口部10と出口部11を金属材料で一体成形している。22は接続体21とU字体12により囲まれて形成される空間部であり、流量演算部14はこの空間部22に収納されている。
【0025】
図6において、23は一体成形した流路体17の第一開口部18および第二開口部19を封止するとともに空間部22の一面を封鎖する金属材料で形成した第一封止体であり、24は空間部22の他面を封鎖する金属材料で形成した第二封止体である。
【0026】
このように、外部との接続口である入口部10および出口部11を接続体21で固定しているので、流量計を外部の配管などに取付ける時など大きな外力を加えても、高強度化された接続体21により測定路4を有するU字体12の変形を防止でき取付時の施工性および計測精度の信頼性が向上できる。また、接続体21とU字体12との間で形成した空間部22に流量演算部14を収納することでスペースの有効活用を図り流量計をより小型化できる。また流量演算部14は接続体21とU字体12により必然的に4面を金属材料で囲うことができ、残りの2面を第一および第二封止体23、24で囲うだけで流量演算部14はその全周面を外部からの電波などの外乱から遮蔽できる。特に第一封止体23は流路体17の封止体と兼用でき、外乱からの遮蔽構成の低コスト化と外乱の影響をなくして計測精度の信頼性を向上することができる。
【0027】
(実施例5)
図7は本発明の実施例5の超音波式流量計の縦断面図である。図7において、25は計測値、異常発生あるいは流量計への動作命令などを離れた場所に設けた外部ユニット26と無線により送受信する無線送受信手段である。無線送受信手段25は無線送受信手段本体25aと無線送受信手段アンテナ25bを備え、外部ユニット26は外部ユニット本体26aと外部アンテナ26bを備えている。27は無線送受信手段25とU字体12を覆う筐体である。この筐体27は合成樹脂などの電波透過性材料で構成されるもので、無線送受信手段25とU字体12の他に開閉体9、一対の超音波振動子13、流量演算部14、などを覆っている。また、流量演算部14および無線送受信手段25の無線送受信手段本体25aは空間部22に収納されるとともに封止体(図示せず)により外乱電波などから遮蔽されている。
【0028】
このように、筐体27は合成樹脂などの電波透過性材料にして無線送受信手段25を筐体27内に内蔵でき、筐体の外部に無線送受信手段を設ける場合に生じる外形寸法の拡大や部品数の増加が防止され、流量計の小型化と低コスト化ができる。また、U字体12により流量計の強度が確保されるため、筐体は強度部材と考えなくて良く、材質の選択自由度、薄肉化、樹脂化などが実現でき、流量計の生産性の向上と軽量化による取扱い性の向上ができる。
【0029】
(実施例6)
図8は本発明の実施例6の超音波式流量計の縦断面図である。図8において、28は被測定流体の中に含まれる水分を凝縮液化させる凝縮促進部であり、一対の超音波振動子13の上流側と下流側に設けられている。29は凝縮促進部28に熱的に連結された放熱部である。凝縮促進部28としてペルチェ素子などの電子冷却手段の吸熱側を配置し、放熱部29としてペルチェ素子などの電子冷却手段の放熱側を配置することで被測定流体中の水分を温度の低下した凝縮促進部28で凝縮せしめるものである。このように測定路4あるいは超音波振動子13よりも低温となる凝縮促進部28を設けることで測定路4あるいは超音波振動子13への水分の付着を防止して、水分が付着することによる超音波の送受信機能の劣化の発生をなくし、計測不能となる事態の防止および計測精度の劣化の発生を防止する。なお、凝縮促進部28は一対の超音波振動子13の上流側に設けることで十分であるが、被測定流体の流動が停止しているときに出口部11側から自然対流などで逆流する可能性があることを考えると、一対の超音波振動子13の下流側にも設ける方がより効果があるのは言うまでもない。また、測定路4を導入路5、導出路6より上方に配置した逆U字状にU字体12を構成した方が効果が高いのは言うまでもない。
【0030】
このように、被測定流体中の水分は凝縮促進部28で凝縮液化されて低減されるため一対の超音波振動子13への水分の結露付着が防止され、超音波振動子13への水分の付着による超音波の受送信機能の劣化を防止して測定機能の確保および測定精度の確保に対する信頼性を向上できる。
【0031】
(実施例7)
図9は本発明の実施例7の超音波式流量計の縦断面図である。図9において、30は接続体21の外表面に設けたフィンで、フィン30の近くにある被測定流体の流路の内壁が熱的に対向して凝縮促進部28として作用する。31は特に強く凝縮促進部28として作用させるため流路の内壁に設けた凝縮フィンであり、接続体21を介して外表面に設けたフィン30と熱的に連結されている。ここで、凝縮促進部28はフィン30により外気により冷やされて外気温度程度まで冷やされ、凝縮促進部28を通る被測定流体中の水分の凝縮液化を促し、被測定流体の湿度が高くその露点温度が凝縮促進部28の温度より高い場合は凝縮促進部28で結露を生じさせる。
【0032】
このように、外気温度と自然対流により冷却するため凝縮作用にエネルギーを使わず省電力化できる。また、流量計の外部に接する外表面積が広い接続体にさらに表面積を拡大するフィンを設けるため、このフィンに熱的に対向する流量計内の流路が外気温度により十分冷やされて凝縮作用を確実にして計測部への水分の付着を防止して計測の信頼性をより一層向上できる。また、接続体の外表面積が広いためフィンを設置する位置は加工し易い場所に任意に設定でき加工性を向上できる。また、さらにフィンを接続体の補強部として併用できるため、流量計の耐久性を向上できる。なお、流路の内壁に凝縮フィン31がない場合でも、外表面に設けたフィン30の近くにある流路の内壁は外気温度により冷却されるので凝縮促進部28として作用するのは言うまでもなく、流路の内壁の加工が容易となるため、より生産性に優れた流量計が実現できる。
【0033】
(実施例8)
図10は本発明の実施例8の超音波式流量計の縦断面図である。図10において、32は測定路4の外周側に設けた断熱材であり、超音波振動子13も覆うように設けている。この断熱材32により測定路4の近傍を保温して凝縮促進部28よりも測定路4の近傍の温度が低くなるのを防ぎ、測定路4および超音波振動子13への結露を防止する。
【0034】
このように、断熱材32により測定路4が外気温度により他の部分より速く冷却されるのを防止して測定路4での内面の結露を防止して超音波振動子13への水分の付着をなくすもので、超音波振動子13への水分の付着による超音波の受送信特性の劣化を防止して流量測定の信頼性をより一層向上できる。
【0035】
以上の説明から明らかなように本発明の各実施例における超音波式流量計によれば、次の効果が得られる。
【0036】
矩形断面の測定路とこの測定路の上流側および下流側に接続した導入路と導出路とをU字状に形成したU字体と、U字体の導入路外側に設けた開閉体を有する流量制御室と、測定路の上流側および下流側に対向して設けた超音波振動子を備えることにより、測定路での流れ状態の二次元性が高められ、かつ超音波振動子間の超音波が測定路を伝播する距離を長く設定できるので、流れ状態の改善および超音波の伝播時間の解析精度の両面で測定精度を向上できる。また、上流側の超音波振動子と開閉体の配置の干渉をなくして測定路の流れ方向側の長さとU字体の奥行き方向の長さをそれぞれ短縮してアスペクト比の大きな矩形断面の測定路であっても流量計の小型化を実現できる。さらに、流量制御室の開閉体を取付ける穴および導入路に連通する穴は外側から容易に加工可能のため低コスト化ができる。
【0037】
また、対向する超音波振動子は測定路の被測定流体の流れを横切るように流れ方向に対して所定の角度を設けて配置されているので、二次元性を高められた流れ状態に対してさらに矩形断面の長辺方向である流路幅Wにわたり平均の流速を計ることのため、より一層の高精度の流量測定ができる。また、上流側の超音波振動子と開閉体は偏心して配置されることおよび超音波振動子を測定路の上流側および下流側の端面に配置することにより、流量計の外形寸法に影響する高さ寸法Yおよび奥行き寸法Dを小さくして流量計のより一層の小型化ができる。
【0038】
また、入口部、流量制御室、導入路、測定路、導出路、出口部を一体成形しているので、一体成形により被測定流体の流路である流路体が高強度に構成され測定部の歪みあるいは外力による変形などを防止して測定部の形状安定性が確保でき、流量計の耐久性および信頼性を向上できる。また、各部の一体成形により部品点数が削減でき、加工時間および組立時間などの低減により低コスト化が実現できる。
【0039】
また、入口部、出口部を機械的に固定する接続体とU字体との間で形成した空間部に流量演算部を収納しているので、外部との接続口である入口部および出口部を接続体で固定しているので流量計の高強度化により取付の施工性および計測の信頼性を向上できる。また、接続体とU字体との間で形成した空間部に流量演算部を収納することで流量計をより小型化できる。また流量演算部は接続体とU字体により必然的に4面を金属材料で囲われるため、残りの2面を囲うだけで流量演算部はその全面を外部からの電波などの外乱から遮蔽でき、低コストで信頼性を向上できる。
【0040】
また、無線送受信手段とU字体を覆う電波透過性材料で構成した筐体を備えているので、無線送受信手段を筐体内に内蔵でき、筐体の外部に無線送受信手段を設ける場合に生じる外形寸法の拡大や部品数の増加が防止されて流量計の小型化および低コスト化が向上できる。また、U字体により流量計の強度が確保されるため筐体は強度部材と考えなくて良く、材質の選択自由度、薄肉化、樹脂化などが実現でき、流量計の生産性の向上と軽量化による取扱い性の向上ができる。
【0041】
また、超音波振動子の少なくとも上流側には被測定流体中の水分を凝縮液化させる凝縮促進部を設けているので、被測定流体中の水分は凝縮促進部で凝縮液化されて低減されるため超音波振動子への水分の結露付着が防止され、超音波の受送信機能の劣化を防止して測定機能の確保および測定精度の確保に対する信頼性を向上できる。
【0042】
また、接続体の外表面にフィンを設けて凝縮促進部を構成しているので、外気温度と自然対流により冷却するため凝縮作用にエネルギーを使わず省電力化できる。また、外表面積が広い接続体の表面積をさらに拡大することで、流量計内の流路が外気温度により十分冷やされて凝縮作用が確実となり信頼性をより一層向上できる。また、接続体の外表面積が広いためフィンを設置する位置は加工し易い場所に任意に設定でき加工を向上できる。また、さらにフィンを接続体の補強部として併用できるため、流量計の耐久性を向上できる。
【0043】
また、少なくとも測定路には断熱材を設けているので、測定路4が他の部分より速く冷やされるのを防いで測定路あるいは超音波振動子への水分の付着を防止し、超音波振動子への水分の付着による超音波の受送信特性の劣化を防止して流量測定の信頼性をより一層向上できる。
【0044】
【発明の効果】
本発明の超音波式流量計は、測定路の断面アスペクト比および流路長さをそれぞれ大きく設定した上でコンパクトに構成できるため、測定精度が高く小型コンパクトな流量計を低コストで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1の超音波式流量計の縦断面図
【図2】 図1のA−A線断面図
【図3】 本発明の実施例2の超音波式流量計の測定路を示し、図1のB−B線で切断した場合相当する断面図
【図4】 本発明の実施例3の超音波式流量計の流路体の分解斜視図
【図5】 本発明の実施例4の超音波式流量計の縦断面図
【図6】 同流量計の流路体の分解斜視図
【図7】 本発明の実施例5の超音波式流量計の縦断面図
【図8】 本発明の実施例6の超音波式流量計の縦断面図
【図9】 本発明の実施例7の超音波式流量計の縦断面図
【図10】 本発明の実施例8の超音波式流量計の縦断面図
【図11】 従来の超音波式流量計を説明する一部切欠断面斜視図
【符号の説明】
4 測定路
5 導入路
6 導出路
7 流量制御室
9 開閉体
10 入口部
11 出口部
12 U字体
13 超音波振動子
14 流量演算部
21 接続体
22 空間部
25 無線送受信手段
27 筐体
28 凝縮促進部
30 フィン
32 断熱材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic flow meter for measuring a flow rate.
[0002]
[Prior art]
As a conventional measuring apparatus of this type, as shown in FIG. 11, the
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional flowmeter, the flow velocity distribution of the fluid in the flow path is formed as two-dimensionally as possible with a rectangular cross-sectional shape to improve the measurement accuracy. However, the aspect ratio (long side length H0 / short) The side length W0) is increased and flattened, and the flow path length is increased, so there are processing restrictions. Further, the rectangular flow path with a large aspect ratio increases the measurement accuracy and the flow of the fluid to be measured. There was a problem that the flow meter incorporating the control valve to be controlled cannot be made compact.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides an introduction path and a lead-out path on the upstream side and downstream side of a measurement path having a rectangular cross section to form a U-shaped body, and the opening / closing body is accommodated outside the U-shaped path. A flow rate control chamber is provided, and ultrasonic transducers are arranged facing the upstream side and the downstream side of the measurement path.
[0005]
According to the above invention, since the cross-sectional aspect ratio and the flow path length of the measurement path are set to be large and can be configured compactly, a small and compact flow meter with high measurement accuracy can be realized at low cost.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention controls a measurement path having a rectangular cross section, an introduction path provided on the upstream side of the measurement path, a lead-out path provided on the downstream side of the measurement path, and a fluid to be measured flowing into the introduction path. An opening / closing body, a flow rate control chamber in communication with the introduction path and provided with the opening / closing body, an inlet portion provided on the upstream side of the flow rate control chamber, an outlet portion provided on the downstream side of the outlet path, and the measurement An ultrasonic transducer provided opposite to the upstream side and downstream side of the path, and a flow rate calculation unit that calculates a flow rate based on a signal from the ultrasonic transducer, the introduction path, the measurement path, the It has a U-shaped body in which the lead-out path is formed in a U-shape. The fluid to be measured in the measuring section is stabilized in flow by the introduction path and the outflow path provided on the upstream side and the downstream side, and the two-dimensionality of the flow state is enhanced by the large aspect ratio of the rectangular cross section. Ultrasonic transducers are installed on the upstream and downstream sides of the measurement unit, so that the distance that ultrasonic waves propagate through the measurement path can be set long, so that the change in the transmission time of ultrasonic waves due to the flow increases, improving the flow state and ultrasonic waves The measurement accuracy can be improved in terms of both the analysis accuracy of the propagation time. In addition, by providing a flow rate control chamber that houses the opening and closing body from the outside of the U-shaped body, the introduction path, the measurement path, and the lead-out path formed in a U shape, and providing ultrasonic transducers on the upstream side and the downstream side of the measurement path, The length of the measurement path in the flow direction side (left-right direction in FIG. 1) and the length in the U-shaped depth direction (paper surface direction in FIG. 1) are eliminated without interference between the arrangement of the ultrasonic transducer and the opening / closing body on the upstream side. Each can be shortened to reduce the size of the flow meter. Further, the hole for attaching the opening / closing body of the flow control chamber and the hole communicating with the introduction path can be easily processed from the outside, so that the cost can be reduced.
[0007]
The opposing ultrasonic transducers are arranged at a predetermined angle with respect to the flow direction so as to cross the flow of the fluid to be measured in the measurement path. The ultrasonic wave emitted from the ultrasonic transducer measures the flow velocity over the long side direction of the cross section orthogonal to the flow, that is, the rectangular cross section, with respect to the fluid to be measured flowing through the measurement path. Since the flow rate is further averaged in the long side direction of the rectangular cross section with respect to the flow state whose two-dimensionality is improved by the cross section, the flow rate can be measured with higher accuracy. In addition, since it becomes easier to avoid interference in the arrangement of the upstream ultrasonic vibrator and the opening / closing body, the flow meter can be further miniaturized.
[0008]
Further, the inlet part, the flow rate control chamber, the introduction path, the measurement path, the lead-out path, and the outlet part are integrally formed. Further, the cost reduction can be realized by reducing the number of parts and processing and assembling time by integrally forming each part. Further, since the flow path of the fluid to be measured is configured with high strength by integral molding and the shape stability of the flow measurement unit can be ensured, the durability and reliability of the flow meter can be improved.
[0009]
Moreover, the connection body which fixes an inlet part and an outlet part mechanically, the space part formed between this connection body and a U-shaped body, and the flow volume calculating part are accommodated in this space part. And since the inlet part and outlet part which are the connection ports with the exterior are being fixed with the connection body, reliability can be improved by the strength improvement of a flowmeter. Further, the flow meter can be further downsized by housing the flow rate calculation unit in the space formed between the connection body and the U-shaped body. In addition, the flow rate calculation unit can inevitably enclose four sides with metal material by the connection body and U-shaped body, and the flow rate calculation unit can shield the entire surface from disturbances such as external radio waves just by surrounding the remaining two sides. Reliability can be improved at low cost.
[0010]
Further, the apparatus includes a wireless transmission / reception means and a casing made of a radio wave transmitting material that covers the wireless transmission / reception means and the U-shaped body. And since the strength of the flow meter can be secured by the U-shaped body, the housing does not have to be considered as a strength member, and can be built without using a radio transmitting / receiving means outside the housing by using a radio wave transmitting material such as synthetic resin. The flow meter can be reduced in size and cost.
[0011]
In addition, a condensation accelerating portion that condenses and liquefies moisture in the fluid to be measured is provided at least on the upstream side of the ultrasonic transducer. Then, moisture in the fluid to be measured is condensed and reduced by the condensation accelerating unit, so that condensation of moisture on the ultrasonic transducer is prevented, and transmission / reception of ultrasonic waves due to adhesion of moisture to the ultrasonic transducer is received. It is possible to improve the reliability of ensuring the measurement function and the measurement accuracy by preventing the deterioration of the function.
[0012]
In addition, the condensation promoting part is configured by providing fins on the outer surface of the connection body. In addition, since a fin that further expands the surface area is provided on the connection body having a large outer surface area in contact with the outside of the flow meter, the flow path in the flow meter that is thermally opposed to the fin is sufficiently cooled by the outside air temperature, and the fluid to be measured When the inside humidity is high, condensation of moisture can be ensured and reliability can be further improved. Moreover, since the outer surface area of the connection body is large, the position where the fin is installed can be arbitrarily set at a place where it is easy to process, and the workability can be improved. Furthermore, since a fin can be used together as a reinforcement part of a connection body, durability of a flow meter can be improved.
[0013]
Further, at least the measurement path is provided with a heat insulating material. Then, the heat insulating material prevents the measurement path from being cooled more quickly than the other parts by the outside air temperature, thereby eliminating condensation on the ultrasonic vibrator and further improving the reliability of the flow rate measurement.
[0014]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0015]
Example 1
1 is a longitudinal sectional view of an ultrasonic flowmeter according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG. 1 and 2,
[0016]
Next, the operation will be described. First, at the start of use of the flowmeter, the opening /
[0017]
Next, the flow rate in the
[0018]
In this way, since the distance that crosses the flow between the pair of
[0019]
(Example 2)
FIG. 3 shows a
[0020]
Therefore, the ultrasonic wave transmitted from one
[0021]
(Example 3)
FIG. 4 is an exploded perspective view of the flow path body of the ultrasonic flowmeter according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 4,
[0022]
As described above, since the
[0023]
In addition, the number of parts can be reduced by integral molding of each part, and the cost can be reduced by reducing processing time and assembly time.
[0024]
Example 4
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of an ultrasonic flowmeter according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 6 is an exploded perspective view of a flow path body of the flowmeter. In FIG. 5,
[0025]
In FIG. 6,
[0026]
As described above, the
[0027]
(Example 5)
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of an ultrasonic flowmeter according to the fifth embodiment of the present invention. In FIG. 7,
[0028]
As described above, the
[0029]
(Example 6)
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of an ultrasonic flowmeter according to the sixth embodiment of the present invention. In FIG. 8,
[0030]
In this way, moisture in the fluid to be measured is condensed and reduced by the
[0031]
(Example 7)
FIG. 9 is a longitudinal sectional view of an ultrasonic flowmeter according to a seventh embodiment of the present invention. In FIG. 9, 30 is a fin provided on the outer surface of the
[0032]
In this way, since cooling is performed by the outside air temperature and natural convection, power can be saved without using energy for the condensing action. In addition, since fins that further expand the surface area are provided on the connection body having a large external surface area that contacts the outside of the flow meter, the flow path in the flow meter that is thermally opposed to the fins is sufficiently cooled by the outside air temperature to perform the condensation action. The reliability of measurement can be further improved by reliably preventing moisture from adhering to the measurement unit. Moreover, since the outer surface area of the connection body is large, the position where the fin is installed can be arbitrarily set at a place where it is easy to process, and the workability can be improved. Further, since the fins can be used together as the reinforcing part of the connection body, the durability of the flow meter can be improved. In addition, even when there is no
[0033]
(Example 8)
FIG. 10 is a longitudinal sectional view of an ultrasonic flowmeter according to the eighth embodiment of the present invention. In FIG. 10, 32 is a heat insulating material provided on the outer peripheral side of the
[0034]
In this way, the
[0035]
Less thanAs is apparent from the above description, the present inventionIn each exampleAccording to the ultrasonic flow meter, the following effects can be obtained.
[0036]
Flow rate control having a U-shaped body in which a measurement path having a rectangular cross section, an introduction path connected to the upstream side and the downstream side of the measurement path, and a lead-out path are formed in a U shape, and an opening / closing body provided outside the introduction path of the U shape By providing the chamber and ultrasonic transducers provided facing the upstream and downstream sides of the measurement path, the two-dimensionality of the flow state in the measurement path is improved, and the ultrasonic waves between the ultrasonic transducers are Since the distance propagating through the measurement path can be set long, the measurement accuracy can be improved in terms of both the improvement of the flow state and the analysis accuracy of the ultrasonic wave propagation time. In addition, the measurement path of the rectangular cross section having a large aspect ratio is obtained by eliminating the interference between the arrangement of the ultrasonic transducer on the upstream side and the opening / closing body and shortening the length in the flow direction side of the measurement path and the length in the depth direction of the U-shaped body. Even so, the flow meter can be downsized. Furthermore, since the hole for attaching the opening / closing body of the flow control chamber and the hole communicating with the introduction path can be easily processed from the outside, the cost can be reduced.
[0037]
Further, since the opposing ultrasonic transducers are arranged at a predetermined angle with respect to the flow direction so as to cross the flow of the fluid to be measured in the measurement path, the flow state with improved two-dimensionality Furthermore, since the average flow velocity is measured over the flow path width W which is the long side direction of the rectangular cross section, the flow rate can be measured with higher accuracy. In addition, the upstream ultrasonic transducer and the opening / closing body are arranged eccentrically, and the ultrasonic transducer is arranged on the upstream and downstream end faces of the measurement path, thereby increasing the external dimensions of the flowmeter. The size Y and the depth dimension D can be reduced to further reduce the size of the flow meter.
[0038]
In addition, since the inlet part, flow control chamber, introduction path, measurement path, lead-out path, and outlet part are integrally formed, the flow path body that is the flow path of the fluid to be measured is configured with high strength by the integral molding, and the measurement part Therefore, it is possible to ensure the shape stability of the measuring part by preventing distortion or deformation due to external force, and to improve the durability and reliability of the flowmeter. In addition, the number of parts can be reduced by integral molding of each part, and the cost can be reduced by reducing processing time and assembly time.
[0039]
In addition, since the flow rate calculation unit is housed in the space formed between the connection body and the U-shaped body that mechanically fixes the entrance and exit, the entrance and exit that are connection ports with the outside are provided. Since it is fixed with a connection body, the installation workability and measurement reliability can be improved by increasing the strength of the flowmeter. Further, the flow meter can be further downsized by housing the flow rate calculation unit in the space formed between the connection body and the U-shaped body. In addition, since the flow rate calculation unit is inevitably surrounded by a metal material with the connection body and the U-shaped body, the flow rate calculation unit can shield the entire surface from disturbances such as external radio waves only by surrounding the remaining two surfaces. Reliability can be improved at low cost.
[0040]
In addition, since the wireless transmission / reception means and the casing made of a radio wave transmitting material covering the U-shaped body are provided, the wireless transmission / reception means can be built in the casing, and the external dimensions generated when the wireless transmission / reception means is provided outside the casing. The increase in the number of parts and the increase in the number of parts can be prevented, and the size and cost of the flow meter can be improved. In addition, since the strength of the flow meter is secured by the U-shaped body, the housing does not have to be considered as a strength member, and it is possible to realize freedom of material selection, thinning, resinization, etc., improving flow meter productivity and light weight The handleability can be improved by making it easier.
[0041]
In addition, since the condensation accelerating portion that condenses and liquefies the moisture in the fluid to be measured is provided at least upstream of the ultrasonic vibrator, the moisture in the fluid to be measured is reduced by being condensed and liquefied by the condensation accelerating portion. It is possible to prevent moisture from adhering to the ultrasonic vibrator and to prevent deterioration of the ultrasonic wave transmission / reception function, thereby improving the reliability of ensuring the measurement function and ensuring the measurement accuracy.
[0042]
In addition, since the condensation promoting portion is formed by providing fins on the outer surface of the connection body, cooling is performed by the outside air temperature and natural convection, so that energy can be saved without using energy for the condensation action. Further, by further expanding the surface area of the connection body having a large outer surface area, the flow path in the flowmeter is sufficiently cooled by the outside air temperature, and the condensing action is ensured, thereby further improving the reliability. Further, since the outer surface area of the connection body is large, the position where the fin is installed can be arbitrarily set at a place where it is easy to process, and the processing can be improved. Further, since the fins can be used together as the reinforcing part of the connection body, the durability of the flow meter can be improved.
[0043]
In addition, since at least the measurement path is provided with a heat insulating material, the
[0044]
【The invention's effect】
Since the ultrasonic flowmeter of the present invention can be configured compactly after setting the cross-sectional aspect ratio and the flow path length of the measurement path to be large, a small and compact flowmeter with high measurement accuracy can be realized at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an ultrasonic flowmeter according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
3 shows a measurement path of an ultrasonic flowmeter according to a second embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view corresponding to a case cut along the line BB in FIG.
FIG. 4 is an exploded perspective view of a flow path body of an ultrasonic flowmeter according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of an ultrasonic flowmeter according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an exploded perspective view of the flow channel body of the flow meter.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of an ultrasonic flowmeter according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of an ultrasonic flowmeter according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a longitudinal sectional view of an ultrasonic flowmeter according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a longitudinal sectional view of an ultrasonic flowmeter according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a partially cutaway sectional perspective view illustrating a conventional ultrasonic flowmeter.
[Explanation of symbols]
4 measurement paths
5 introduction routes
6 Derivation path
7 Flow control room
9 Opening and closing body
10 Entrance
11 Exit
12 U font
13 Ultrasonic vibrator
14 Flow rate calculator
21 connection body
22 Space
25 Wireless transmission / reception means
27 Case
28 Condensation promotion part
30 fins
32 Insulation
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