JP4561071B2 - Flow measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、超音波を利用してガスなどの流量を計測する流量計測装置に関するものである。 The present invention relates to a flow rate measuring device that measures a flow rate of gas or the like using ultrasonic waves.
従来のこの種の流量計測装置は、例えば特許文献1に記載のものが知られており、図7に示すように、流路1を形成する流路部材2に超音波を送受信する矩形形状の第1送受波器3と第2送受波器4が配置されている。第1送受波器3から送信された超音波は図8に示すような矩形断面流路5を図7に示すように横断するように伝搬して第2送受波器4に到達する。逆に第2送受波器4から送信された場合には前述と同様に第1送受波器3に到達する。それぞれの超音波の伝搬時間は流路1内に流れがあると変化し、その伝搬時間は計測回路6によって測定され流量演算手段7で流量値に変換される。
A conventional flow measuring device of this type is known, for example, as described in
第1および第2送受波器3、4の送受信面が矩形の形状をしており、その一辺を矩形の流路の短辺とほぼ同一の長さにすれば、図9に示すように短辺の流路全体の超音波を受信するので、流速分布の影響を解消して、流量係数を安定させるものである。
しかしながら、流量範囲が大きくなると計測流路の断面積も大きくなり、流路全域で計測するためには第1、第2送受波器3、4の受信面も大きくすることが必要であり、その結果機種によっては大型の送受波器を製作しなければならず、価格が高くなるという欠点があった。
However, as the flow rate range increases, the cross-sectional area of the measurement channel also increases, and in order to perform measurement across the entire channel, it is necessary to increase the reception surfaces of the first and
本発明は上記課題を解決するもので、広範囲の流量を高精度で計測することを目的としている。 The present invention solves the above-described problems, and aims to measure a wide range of flow rates with high accuracy.
本発明は上記課題を解決するために、矩形の断面を有する流路と、前記流路の上流側と下流側に設けられ、前記流路を横断して音波を送信または受信する送受波器とを具備し、前記送受波器は、流路を流れる流体の平均流速域を検出できるように位置設定し、前記送受波器間の音波伝搬時間差で流体の流量を計測するものである。 In order to solve the above problems, the present invention provides a flow path having a rectangular cross section, and a transducer that is provided on the upstream side and the downstream side of the flow path and transmits or receives sound waves across the flow path. The transmitter / receiver is positioned so that an average flow velocity region of the fluid flowing through the flow path can be detected, and the flow rate of the fluid is measured by a difference in sound wave propagation time between the transmitter / receiver.
本発明によれば、流量の変化や温度変化あるいはガス種の変化に対して高精度の流量計測を行うことができるものである。 According to the present invention, a highly accurate flow rate measurement can be performed with respect to a flow rate change, a temperature change, or a gas type change.
本発明の実施の形態は、矩形の断面を有する流路と、前記流路の上流側と下流側に設けられ、前記流路を横断して音波を送信または受信する送受波器とを具備し、前記送受波器は、流路を流れる流体の平均流速域を検出できるように位置設定し、前記送受波器間の音波伝搬時間差で流体の流量を計測するもので、流れの量や温度に関わらず流量係数がほぼ一定で流量精度が高い。 An embodiment of the present invention includes a flow path having a rectangular cross section, and a transducer that is provided on the upstream side and the downstream side of the flow path and transmits or receives sound waves across the flow path. The transmitter / receiver is positioned so as to detect the average flow velocity range of the fluid flowing through the flow path, and measures the flow rate of the fluid by the sound wave propagation time difference between the transmitter / receiver. Regardless, the flow coefficient is almost constant and the flow accuracy is high.
また、流路の中心より所定長さ偏心させて前記送受波器を配置し、流れの量や温度に関わらず流量係数がほぼ一定で流量精度が高い。 In addition, the transducer is arranged with a predetermined length from the center of the flow path, and the flow coefficient is almost constant regardless of the flow amount and temperature, and the flow accuracy is high.
また、流路の長辺と短辺の比率は、1.1〜5の範囲内で決定するのが望ましい。 The ratio of the long side to the short side of the channel is preferably determined within a range of 1.1 to 5.
本発明の実施の形態では上記構成によって、流速分布に影響されない受信信号により流速を求めて流量を計測するものである。 In the embodiment of the present invention, with the above configuration, the flow rate is measured by obtaining the flow velocity from the received signal that is not affected by the flow velocity distribution.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1における流量計測装置の構成図で、図2は図1の側面図、図3は図1のA矢視図で、従来例と同一の構成部品には同一の番号を付している。流路1を形成する流路部材2に超音波を送受信する矩形形状の第1送受波器3と第2送受波器4が流れの上流と下流に配置されている。第1送受波器3と第2送受波器4とは流路に対して斜めに配置されているので、第1送受波器3から送信された超音波は図2に示すような矩形断面流路5を図1に示すように斜めに横断して伝搬し、第2送受波器4に到達する。
(Embodiment 1)
1 is a configuration diagram of a flow rate measuring apparatus according to
逆に第2送受波器4から送信された超音波は前述と同様に第1送受波器3に到達する。それぞれの超音波の伝搬時間は流路1内の流れの大きさによって変化する。この伝搬時間は計測回路6によって測定され流量演算手段7で流量値に変換される。
Conversely, the ultrasonic wave transmitted from the
次にその動作について述べる。伝搬時間は、静止流体中の音をc、流体の流れの速さをvとすると、流れの順方向の超音波の伝搬速度は(c+v)となる。送受波器3と4の間の距離をL、超音波伝搬軸と管路の中心軸とがなす角度をφとすると、上流から下流に超音波が伝搬する時間t1は、
t1=L/(c+vCOSφ) (1)
となり、下流から上流に伝搬する時間は、
t2=L/(c−vCOSφ) (2)
となり、Lとφが既知ならt1とt2を計測回路6で測定すれば流速vが求められる。
Next, the operation will be described. Propagation time is (c + v), where c is the sound in the static fluid and v is the velocity of the fluid flow. When the distance between the
t1 = L / (c + vCOSφ) (1)
The time to propagate from downstream to upstream is
t2 = L / (c−vCOSφ) (2)
If L and φ are known, the flow velocity v can be obtained by measuring t1 and t2 with the measuring circuit 6.
この流速より流量Qは、流路の通過面積をS、補正係数をKとすれば、流量演算回路7で、
Q=KSv (3)
を演算し流量を求める。
From this flow rate, the flow rate Q is determined by the flow rate calculation circuit 7 if the passage area of the flow path is S and the correction coefficient is K.
Q = KSv (3)
To calculate the flow rate.
流路1内の流速は一般に図1に示すように流速分布があり、その分布はレイノルズ数や上流の流れの乱れによって変化する。この流速分布は2次元的に発生し、図1に示すように矩形断面の長い方の一辺(長辺)と図3に示すように矩形断面の短い方の一辺(短辺)にも発生する。このように流速分布が存在する場合には、その伝搬時間はそれぞれの微小部分で受けた速度の変化を積分したものになる。
The flow velocity in the
図3に示すように第1送受波器3と第2送受波器4はともに短辺Hよりも相当小さいから流路の一部分しか計測しない。第1、第2送受波器3、4を流路の中心に配置すれば流れの速い部分を多く計測するので、見かけの流量値は大きくなるので、流量係数Kを小さい値にして補正して流量を算出する。しかしながらこの流速分布は流量の大小によって変化するから補正係数をさらに環境条件によって補正しなければならない。
As shown in FIG. 3, since both the
本発明では第1、第2送受波器3、4の位置を中心より偏心量L1ほどずらしており、その結果第1、第2送受波器3、4は流路内5の平均流速の影響を受けた超音波を受信する。偏心量L1は流量の大小、流体の種類、流体の温度が変化しても平均流速を検出できるような位置を選定する。
In the present invention, the positions of the first and
図4は流量が大きいときの流速分布であり、分布の差が小さくなっている。また第1、第2送受波器3、4の中央と端部とでは、送受信感度が異なるのが通常であるから、第1、第2送受波器3、4の中央部分の流れの影響を大きく受けることも考慮する必要がある。以上の要因を考慮すると偏心量L1は、短辺の長さHと第1、第2送受波器3、4の短辺と相対する長さWとの差の30〜60%好ましくは40%程度が適切である。
FIG. 4 shows the flow velocity distribution when the flow rate is large, and the difference in distribution is small. Further, since the transmission and reception sensitivities are usually different between the center and the end of the first and
図5は偏心量L1を変化させたときの流量係数Kの値を示したものである。L1=0.2Hの流量係数は流量値に関わらずほぼ一定であることがわかる。このように流量係数が一定であるということは、補正係数の設定がきわめて簡単にできマイコンの記憶容量の低減と、生産時の検定作業を容易にする。 FIG. 5 shows the value of the flow coefficient K when the eccentric amount L1 is changed. It can be seen that the flow coefficient of L1 = 0.2H is almost constant regardless of the flow value. The fact that the flow coefficient is constant in this way makes it very easy to set the correction coefficient, thereby reducing the memory capacity of the microcomputer and facilitating verification work during production.
また、流路内5の速度分布はレイノルズ数によって変化することが知られており、流量が変化しても流量係数が一定であるということは、レイノルズ数が変化しても流量係数が変化しないことを意味する。従って流体の温度変化や流体の種類が変更になっても、流量係数は変化しない。
Further, it is known that the velocity distribution in the
第1、第2送受波器3、4の形状は矩形断面である方が平均流速を検出するのに好ましい。
The first and
この場合第1、第2送受波器3、4の大きさは、小さすぎると平均流速をとらえにくく、大きいと大型になって価格が高くなるので、第1、第2送受波器3、4の一片は短辺Hの30〜70%の間が適している。第1、第2送受波器3、4が流路に対して小さすぎると、流れの変動に対して流量係数が安定でなくなる。また第1、第2送受波器3、4が短辺Hの長さに近づくと、広がった音波が流路の壁面に反射し直接波と干渉して受信感度に悪影響を及ぼす。
In this case, if the size of the first and
第1、第2送受波器3、4は流路に機密性を有していなければならないので、矩形形状で機密性を保つことが困難であり、その場合には図6のように第1、第2送受波器3、4の外形9を円形にしてOリングなどで機密性を容易に構成し、内部の超音波振動子8を矩形にすればよい。
Since the first and
流路断面の形状は円形断面より矩形である方が平均流速を算出するのに適している。また矩形断面で短辺に対する長辺の比率を1.1〜5にすると流れが安定し、平均流速も安定して算出することができる。 The shape of the cross section of the flow path is more suitable for calculating the average flow velocity than the circular cross section. In addition, when the ratio of the long side to the short side is 1.1 to 5 in the rectangular cross section, the flow is stable and the average flow velocity can be calculated stably.
また、第1、第2送受波器3、4の上流に整流部材をもうけることにより、より一層の流量の高精度化が可能である。
Further, by providing a rectifying member upstream of the first and
このように上記実施の形態によれば、次の効果が得られる。 Thus, according to the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1)矩形の断面を有する流路と、前記流路の上流側と下流側に設けられ、前記流路を横断して音波を送信または受信する送受波器とを具備し、平均流速を検出できるように前記送受波器を、これら送受波器を配置した側の流路の中心より所定長さ偏心させて配置し、前記送受波器間の音波伝搬時間差で流体の流量を計測したので、流量の変化や温度変化あるいはガス種の変化に対して流量係数が変化せず、高精度の流量計測を行うことができる。 (1) A flow path having a rectangular cross section and a transducer that is provided upstream and downstream of the flow path and transmits or receives sound waves across the flow path, and detects an average flow velocity Since the transducer is arranged to be decentered by a predetermined length from the center of the flow path on the side where these transducers are arranged, and the flow rate of the fluid is measured by the difference in sound wave propagation time between the transducers, The flow coefficient does not change with respect to a change in flow rate, a change in temperature, or a change in gas type, and highly accurate flow rate measurement can be performed.
(2)流路の断面を長方形状とし、音波送受波器の偏心量が流路の短辺の長さと相対する送受波器の長さの差の30〜60%の範囲に設定したので、比較的簡単な構成で流量係数を一定にすることができ、流量精度が高い。 (2) Since the cross section of the flow path is rectangular, the eccentric amount of the sonic transducer is set in the range of 30 to 60% of the difference between the length of the transducer and the short side of the flow path, The flow coefficient can be made constant with a relatively simple configuration, and the flow accuracy is high.
(3)流路の長辺と短辺の比率が1.1〜5の範囲にしたので、流量係数の安定度がさらに高くなる。 (3) Since the ratio of the long side to the short side of the flow path is in the range of 1.1 to 5, the stability of the flow coefficient is further increased.
(4)音波送受波器の振動子が矩形で、その一辺は流路短辺の30〜70%にし、流量係数の安定化を維持しつつ、流路壁面からの反射を小さくし、送受信感度の低下を防止したので、流量精度が高い。 (4) The transducer of the acoustic wave transmitter / receiver is rectangular, and its one side is 30 to 70% of the short side of the flow path, and the reflection from the wall surface of the flow path is reduced while maintaining the stabilization of the flow coefficient, and the transmission / reception sensitivity. The flow rate accuracy is high.
以上のように、本発明に係る流量計測装置は、ガスなどの流体の流速、流量の計測に適用できる。 As described above, the flow rate measuring device according to the present invention can be applied to the measurement of the flow velocity and flow rate of a fluid such as gas.
1 矩形流路
3 第1送受波器(音波送受波器)
4 第2送受波器(音波送受波器)
1
4 Second transducer (Sound transducer)
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