JP2001272261A - 流速測定装置及び流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、被測流体の流速及び流量を高精度
に計測できることを課題とする。 【解決手段】 流量計１０は、流速測定装置１２により
測定された流速に基づいて流量を演算する。流速測定装
置１２は、被測流体が流れる流量計本体１４の外周に設
けられたアンテナ１６と、アンテナ１６の下流に設けら
れた超音波センサ１９を有する。アンテナ１６は、所定
の周期でマイクロ波を流量計本体１４内に形成された流
路２４を流れる被測流体に照射して加熱領域２６を生成
する。超音波送信器１８から送信された超音波の伝播速
度は、被測流体の温度差による密度の差異によって変化
するため、超音波送信器１８から送信された超音波が超
音波受信器２０で受信されるまでの時間の変化を監視す
ることにより加熱領域２６の通過を非接触で正確に検出
し、被測流体の流速及び流量が求まる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流路を流れる被測
流体に熱パルスを照射することで被測流体の流速及び流
量を測定する流速測定装置及び流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術としては、例えば特開昭６０
−１８６７１４号公報に記載された流体流量測定装置が
ある。この公報に記載された装置では、配管内に電気ヒ
ータを設け、電気ヒータの下流にサーミスタ等の温度セ
ンサを設けてなる。そして、電気ヒータにより流体中に
与えられた熱パルスは、下流に設けられた温度センサに
より検出される。さらに、演算部では、電気ヒータを加
熱してから温度センサが流体の温度上昇を測定して熱パ
ルスの通過を検出するまでの時間を求め、この時間に基
づいて配管内を流れる流体の流量を演算する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の装置では、以下のような問題があった。 （１）電気ヒータにより流体を加熱するため、熱パルス
の立ち上がりを早くしたり、パルス列の入力周波数の高
周波化には限界があるため、高精度の流量計測やワイド
レンジな計測には向いていない。 （２）また、流体の温度を直接測定する温度センサによ
る温度検出では、精度・応答性が悪く、高精度な計測が
できない。 （３）熱パルスの熱伝導や温度検出精度を高めるために
流体が流れる流路内に電気ヒータや温度センサを挿入す
る構成であるので、流体の流れが乱れてしまい、熱パル
スの生成や温度検出精度が低下する。 また、流路内に電気ヒータや温度センサを挿入すると、
電気ヒータや温度センサが直接的に流体に接触するた
め、流体の性質によって温度センサの腐食や流体の汚染
などの問題を引き起こすおそれがある。さらに、流路内
に電気ヒータや温度センサが挿入される構成であるの
で、流体の圧力損失が大きいといった問題もある。そこ
で、本発明は、上記課題を鑑みて流路内の流体を高精度
に測定できるよう構成した流速測定装置及び流量計を提
供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は以下のような特徴を有する。

【０００５】上記請求項１記載の発明は、流路を流れる
被測流体にマイクロ波を送信して該被測流体中に加熱領
域を断続的に生成するマイクロ波送信器と、該マイクロ
波送信器の下流に設けられ、前記被測流体中の加熱領域
の通過を検出する検出部と、前記マイクロ波送信器から
送信されたマイクロ波により加熱された加熱領域が前記
検出部を通過するまでの時間を演算し、前記マイクロ波
送信器から前記検出部までの距離を時間で割ることによ
り流速を求める演算部と、を備えてなることを特徴とす
る流速測定装置である。

【０００６】従って、請求項１記載の発明によれば、マ
イクロ波送信器から送信されたマイクロ波により加熱さ
れた加熱領域が検出部を通過するまでの時間を演算し、
マイクロ波送信器から検出部までの距離を時間で割るこ
とにより流速を求めるため、流路を流れる被測流体を効
率良く加熱して熱パルス列を生成することができ、且つ
被測流体に非接触で加熱できるので、熱パルスの乱れや
圧力損失を無くすことができる。

【０００７】また、請求項２記載の発明は、前記検出部
が、流路を流れる被測流体中の加熱領域に超音波を送信
する超音波送信器と、前記被測流体中の加熱領域を通過
した超音波を受信する超音波受信器と、からなることを
特徴とする流速測定装置である。

【０００８】従って、請求項２記載の発明によれば、検
出部が、流路を流れる被測流体中の加熱領域に超音波を
送信する超音波送信器と、被測流体中の加熱領域を通過
した超音波を受信する超音波受信器と、からなるため、
被測流体中に生成された加熱領域の通過を非接触で正確
に検出できるとともに、流路中に突出しないため、熱パ
ルスの乱れや圧力損失を無くすことができる。

【０００９】また、請求項３記載の発明は、前記請求項
１記載の流速測定装置により求められた流速に基づいて
前記流路を流れる被測流体の流量を演算することを特徴
とする流量計である。

【００１０】従って、請求項３記載の発明によれば、マ
イクロ波送信器から送信されたマイクロ波により加熱さ
れた加熱領域が検出部を通過するまでの時間を演算し、
この時間に基づいて求められた流速から流路を流れる被
測流体の流量を求めるため、より高精度に流量を測定で
きるとともに、熱パルスの乱れや圧力損失を生じること
も防止できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態を詳細に説明する。

【００１２】図１は本発明になる流速測定装置及び流量
計の一実施例を示す構成図である。

【００１３】図１に示されるように、流量計１０は、流
速測定装置１２により測定された流速に基づいて流量を
演算するように構成されている。流速測定装置１２は、
被測流体が流れる流量計本体１４の外周に設けられたア
ンテナ（マイクロ波送信器）１６と、アンテナ１６の下
流に設けられた非接触式の検出手段としての超音波セン
サ１９を有する。

【００１４】超音波センサ１９は、被測流体に超音波を
送信する超音波送信器１８と、超音波送信器１８から送
信された超音波を受信する超音波受信器２０とを有す
る。超音波送信器１８と超音波受信器２０とは、互いに
１８０度の位置で対向するように流量計本体１４を貫通
する取付部１４ａ，１４ｂに挿入されている。尚、検出
手段は、上記のような超音波センサに限らず、他の形式
の非接触式のセンサを用いても良いのは勿論である。さ
らに、アンテナ１６が被測流体に非接触で加熱できるの
で、流体の性質によって腐食したり、被測流体を汚染さ
せるといった問題を解消できる。

【００１５】また、流量計本体１４は、マイクロ波を透
過させる性質を持っている合成樹脂材により形成されて
いる。しかし、金属材を流量計本体１４に用いる場合に
は、アンテナ１６を流量計本体１４の内壁に取り付ける
必要がある。また、流量計本体１４としては、樹脂製管
路に金属をコーティングしたものや、金属管を樹脂モー
ルドしたものを用いることもできる。

【００１６】アンテナ１６は、マイクロ波送信回路２２
により駆動制御されており、出力の大きさに応じて所定
の周期でマイクロ波を流量計本体１４内に形成された流
路２４中の所定位置（本実施の形態では流路中心）を流
れる被測流体に照射する。従って、アンテナ１６から被
測流体中にマイクロ波が送信されると、流路２４の中心
部分を流れる被測流体が瞬時に加熱されて加熱領域２６
（図１中、破線で示す）が生成される。そして、アンテ
ナ１６からマイクロ波が断続的に送信されると、被測流
体の温度より所定温度上昇された加熱領域２６が所定の
周期で生成され、被測流体の流速に応じた周期の熱パル
ス列が発生する。

【００１７】アンテナ１６は、マイクロ波を断続的に照
射することにより流路２４の中心部分を流れる被測流体
を局所的に加熱して加熱領域２６を生成できるので、加
熱領域２６の周期を小さくあるいは周波数を高くするこ
とが可能になり、熱パルス列を細分化してより計測精度
を高められる。また、アンテナ１６は、流路２４を流れ
る被測流体を効率良く加熱して熱パルス列を生成するこ
とができ、且つ被測流体に非接触で加熱できるので、熱
パルスの乱れや圧力損失を無くすことができる。

【００１８】超音波送信器１８及び超音波受信器２０
は、アンテナ１６より下流へ距離Ｌだけずれた位置に取
り付けられている。そのため、アンテナ１６により送信
されたマイクロ波によって生成された加熱領域２６は、
下流へ距離Ｌ移動した時点で超音波送信器１８及び超音
波受信器２０に対向する検出位置を通過する。

【００１９】超音波送信器１８から送信された超音波
は、流路２４を流れる被測流体中を伝播して超音波受信
器２０で受信される。超音波の伝播速度は、被測流体の
温度差によって変化するため、超音波送信器１８から送
信された超音波を被測流体を介して受信し、上記送信信
号波形と受信信号波形との位相変化を検出することによ
り加熱領域２６の通過を非接触で正確に検出することが
できる。そして、上記距離Ｌを熱パルス列の周期で割る
と、被測流体の流速が求まり、流速に流路２４の断面積
を掛けることにより単位時間当たりの流量が求まる。

【００２０】本実施の形態では、超音波送信器１８及び
超音波受信器２０が流路２４内に突出しておらず、被測
流体に超音波を照射することにより熱パルスを検出でき
るので、熱パルスの乱れや流路２４内の圧力損失を無く
すことができ、計測精度を高めることができる。

【００２１】また、超音波送信器１８は、超音波送信回
路２８により駆動制御され、上記熱パルス列の時間間隔
よりも小さい時間間隔（少なくとも1/5〜1/10以下）で
超音波を被測流体中に送信する。そして、被測流体中を
伝播した超音波が超音波受信器２０で受信されると、超
音波受信器２０は超音波受信回路３０へ受信信号を出力
する。また、超音波受信回路３０が接続された相関演算
回路３２では、熱パルスの浸透により位相変調が起こっ
た受信信号を自己相関することで熱パルス列の温度分布
最高点の通過を検出する。そして、相関演算回路３２が
接続された流速・流量演算回路３４では、マイクロ波送
信回路２２からのフィードバック信号と相関演算回路３
２から出力された加熱領域２６の中心位置の検出信号と
の時間差に基づきマイクロ波の送信タイミングから加熱
領域２６が検出されるまでの通過時間を演算して流速及
び流量を演算する。

【００２２】流速・流量演算回路３４で演算された被測
流体の流速及び流量は、表示器３６に表示される。

【００２３】図２はマイクロ波送信回路２２の回路構成
を示すブロック図である。

【００２４】図２に示されるように、マイクロ波送信回
路２２は、マイクロ波を発振するための高周波発振器３
８、高周波信号を増幅するための高周波増幅器４０、減
衰量を可変できる可変減衰器４２、高周波増幅器４０の
破壊を防止するためのサーキュレータ４４、アンテナ１
６から入力される反射を吸収する終端器４８と接続され
ている。さらに、マイクロ波送信回路２２には、パルス
列を生成するためのパルス発振器４６が接続されてお
り、流路２４内に熱パルスを与える。

【００２５】マイクロ波送信回路２２では、上記高周波
発振器３８により発振されるマイクロ波の周波数あるい
は照射時間を調整することが可能であり、被測流体の種
類に応じてマイクロ波照射による加熱温度を適宜調整で
きる。

【００２６】図３はマイクロ波を照射するためのアンテ
ナ１６の形状を示す斜視図である。

【００２７】図３に示されるように、本実施の形態のア
ンテナ１６には、平面形状のマイクロストリップアンテ
ナ５２を用いている。また、アンテナとしては、上記マ
イクロストリップアンテナ５２の代わりにホーンアンテ
ナやアレイアンテナなどを用いても良い。

【００２８】アンテナ１６から送信されるマイクロ波
は、例えば周波数が２．４５GHz帯の高周波信号であ
り、管内の流体分子を加熱することのできる周波数であ
る。

【００２９】ここで、上記のように構成された流量計１
０の計測動作について説明する。

【００３０】図４はマイクロ波を流路内に照射した状態
を模式的に示した縦断面図である。また、図５は超音波
センサ１９により被測流体中の加熱領域を検出する状態
を示す縦断面図である。

【００３１】図４に示されるように、流量計１０では、
流量計本体１４の外周に取り付けられたアンテナ１６か
らマイクロ波を所定の周期でパルス的に照射して流路２
４内を流れる被測流体を断面的に局所加熱する。アンテ
ナ１６から送信されたマイクロ波は、流量計本体１４を
透過して流路２４の中央を横切るように放射される。そ
のため、流路２４内を流れる被測流体のうち流路２４の
中央を横切るように形成された水平方向の断面で局所的
に加熱される。

【００３２】このように、マイクロ波を利用することに
より、電気ヒータ加熱方法に比べて流路２４内を流れる
被測流体を局所的に加熱することができ、被測流体中に
加熱領域２６を発生させて熱パルス列を所定の周期で断
続的に生成する。

【００３３】従って、高い周波数の熱パルス列を生成す
ることが可能になるので、電気ヒータ方法に比較してよ
り高い分解能で流速を検出することができる。また、被
測流体の流速に応じてアンテナ１６から照射されるマイ
クロ波のパルス周期を変更して微小流量域から高流量域
までワイドレンジで流速を高精度に検出することが可能
になる。

【００３４】図５に示されるように、アンテナ１６の下
流に設けられた超音波センサ１９は、アンテナ１６から
照射されるマイクロ波の周期よりも短い周期で超音波送
信器１８から超音波受信器２０に向けて超音波を断続的
に送信している。従って、被測流体がマイクロ波により
加熱されない領域が超音波センサ１９の超音波伝播経路
を通過する際は、超音波が変調されないので、超音波送
信器１８に入力される送信信号と超音波受信器２０から
出力される受信信号波形は、同位相となり変化しない。

【００３５】ところが、アンテナ１６から照射されるマ
イクロ波により加熱された加熱領域２６は、加熱されて
いない周囲との温度差により密度の異なるゆらぎ領域と
なって超音波伝播経路を通過する。そのため、加熱領域
２６に超音波が照射されると、周囲との温度差に伴う密
度の違いにより被測流体中を伝播する超音波の速度が変
化し、超音波受信器２０から出力される受信信号が変調
される。

【００３６】これにより、超音波受信器２０からの受信
信号が供給される自己相関演算回路３２では、加熱領域
２６において発生した被測流体の温度ゆらぎにより周波
数変化（ドップラーシフト）や位相変調が起きた受信信
号の波形の自己相関を取ることで波形変化最大点を正確
に検出することで、加熱領域２６の温度分布最高点の通
過を正確に検出する。

【００３７】さらに、流速・流量演算回路３４では、相
関演算回路３２により検出された加熱領域２６の温度分
布最高点の通過タイミングとマイクロ波の送信タイミン
グから加熱領域２６が検出されるまでの通過時間を演算
して被測流体の流速及び流量を演算する。そして、流速
・流量演算回路３４で演算された流速及び流量は、表示
器３６に表示される。

【００３８】次に、本実施の形態の変形例について説明
する。

【００３９】図６は本実施の形態の変形例１を示す縦断
面図である。

【００４０】図６に示されるように、変形例１では、流
量計本体１４の外周に３個のアンテナ１６_１〜１６_３が
１２０度間隔で取り付けられている。そして、アンテナ
１６ _１〜１６_３の下流には、上記実施例と同様に超音波
センサ１９が設けられている。

【００４１】各アンテナ１６_１〜１６_３は、流路２４の
中心に向かってマイクロ波を所定の周期で断続的に同時
に送信するように取り付けられている。そのため、流路
２４を流れる被測流体は、３方向から照射されたマイク
ロ波により流路２４の中心部分を流れる領域が局部的に
加熱され、周囲との温度差がより大きくなる。

【００４２】従って、各アンテナ１６_１〜１６_３からマ
イクロ波が照射されることにより流路２４の中心に発生
した加熱領域２６は、超音波伝播経路を通過する際、超
音波送信器１８から送信された超音波の周波数変化（ド
ップラーシフト）や位相変調を上記実施例の場合よりも
大きくすることができ、これにより熱パルスを生成しに
くい高流量域での計測精度を高めることができる。

【００４３】図７は本実施の形態の変形例２を示す縦断
面図である。

【００４４】図７に示されるように、変形例２では、流
量計本体１４の延在方向に沿って複数（図７では３個）
のアンテナ１６_１〜１６_３が流量計本体１４の外周に取
り付けられている。各アンテナ１６_１〜１６_３は、上流
から下流に向かって所定間隔毎に配置されている。そし
て、アンテナ１６_１〜１６_３の下流には、上記実施例と
同様に超音波センサ１９が設けられている。

【００４５】３個の各アンテナ１６_１〜１６_３は、所定
の周期でマイクロ波を同時に送信しており、被測流体中
に加熱領域２６が断続的に生成される。

【００４６】流量計本体１４の延在方向に沿って設けら
れた各アンテナ１６_１〜１６_３は、流路２４の中心及び
アンテナ１６_２に対向する中心位置に向かってマイクロ
波を所定の周期で断続的に送信するように取り付けられ
ている。すなわち、この変形例２の場合、上流側に配置
されたアンテナ１６_１からのマイクロ波、及び下流側に
配置されたアンテナ１６_３からのマイクロ波は、アンテ
ナ１６_２に対向する中心位置に向かって傾斜した方向に
照射される。

【００４７】そのため、流路２４を流れる被測流体は、
３方向から照射されたマイクロ波により流路２４の中心
部分を流れる領域が局部的に加熱され、周囲との温度差
がより大きくなる。

【００４８】従って、流路２４に発生した加熱領域２６
は、超音波伝播経路を通過する際、超音波送信器１８か
ら送信された超音波の周波数変化（ドップラーシフト）
や位相変調を上記実施例の場合よりも大きくすることが
でき、これにより熱パルスを生成しにくい高流量域での
計測精度を高めることができる。

【００４９】尚、上記実施の形態では、アンテナ１６を
流量計本体１４の外周に取り付けた構成を一例として挙
げたが、これに限らず、流量計本体１４に取付孔を設
け、この取付孔に埋め込むようにしても良いのは勿論で
ある。

【００５０】また、上記実施の形態では、アンテナ１６
の形状を図３に示すような平板形状としたが、これに限
らず、他の形状に形成されたマイクロ波送信器を用いる
ようにしても良い。

【００５１】また、上記実施の形態では、超音波送信器
１８及び超音波受信器２０が流路２４内に露出するよう
に取り付けられた構成を一例として挙げたが、これに限
らず、例えば、流量計本体１４の外周に半径方向に延在
する有底孔を設け、この有底孔に超音波送信器１８及び
超音波受信器２０を挿入して被測流体に接触しないよう
に取り付けても良いのは勿論である。

【００５２】

【発明の効果】上述の如く、請求項１記載の発明によれ
ば、マイクロ波送信器から送信されたマイクロ波により
被測流体を加熱するようにしたので、流路を流れる被測
流体を効率良く加熱して熱パルス列を生成することがで
き、且つ被測流体に非接触で加熱できるので、熱パルス
の乱れや圧力損失を無くすことができる。従って、従来
のように電気ヒータにより流体を加熱する場合よりも熱
パルスの立ち上がりを早くしたり、パルス列の入力周波
数の高周波化に対応でき、高精度の流量計測やワイドレ
ンジな計測にも適応できる。

【００５３】さらに、マイクロ波送信器が被測流体に非
接触で加熱できるので、流体の性質によって腐食した
り、被測流体を汚染させるといった問題を解消できる。

【００５４】また、請求項２記載の発明によれば、検出
部が、流路を流れる被測流体中の加熱領域に超音波を送
信する超音波送信器と、被測流体中の加熱領域を通過し
た超音波を受信する超音波受信器と、からなるため、被
測流体中に生成された加熱領域の通過を非接触で正確に
検出できるとともに、被測流体の温度を直接測定する温
度センサ等による温度検出に比べて検出精度・応答性を
改善することができ、高精度な計測が可能になる。ま
た、超音波送信器及び超音波送信器が流路中に突出しな
いため、熱パルスの乱れや圧力損失を無くすことができ
る。

【００５５】また、請求項３記載の発明によれば、マイ
クロ波送信器から送信されたマイクロ波により加熱され
た加熱領域が検出部を通過するまでの時間を演算し、こ
の時間に基づいて求められた流速から流路を流れる被測
流体の流量を求めるため、より高精度に流量を測定でき
るとともに、熱パルスの乱れや圧力損失を生じることも
防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる流速測定装置及び流量計の一実施
例を示す構成図である。

【図２】マイクロ波送信回路２２の回路構成を示すブロ
ック図である。

【図３】アンテナ１６の形状を示す斜視図である。

【図４】マイクロ波を流路内に照射した状態を模式的に
示した縦断面図である。

【図５】超音波センサ１９により被測流体中の加熱領域
を検出する状態を示す縦断面図である。

【図６】本実施の形態の変形例１を示す縦断面図であ
る。

【図７】本実施の形態の変形例２を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１０ 流量計 １２ 流速測定装置 １４ 流量計本体 １６ アンテナ １８ 超音波送信器 １９ 超音波センサ ２０ 超音波受信器 ２２ マイクロ波送信回路 ２４ 流路 ２６ 加熱領域 ２８ 超音波送信回路 ３０ 超音波受信回路 ３２ 相関演算回路 ３４ 流速・流量演算回路 ３８ 高周波発振器 ４０ 高周波増幅器 ４２ サーキュレータ ４４ 終端器 ４６ パルス発振器 ４８ 可変減衰器 ５２ マイクロストリップアンテナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平澤 貴久 神奈川県川崎市川崎区富士見１丁目６番３ 号 トキコ株式会社内 (72)発明者 吉倉 博史 神奈川県川崎市川崎区富士見１丁目６番３ 号 トキコ株式会社内 (72)発明者 長井 和裕 神奈川県川崎市川崎区富士見１丁目６番３ 号 トキコ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F035 FA04 FB02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流路を流れる被測流体にマイクロ波を送
   信して該被測流体中に加熱領域を断続的に生成するマイ
   クロ波送信器と、 該マイクロ波送信器の下流に設けられ、前記被測流体中
   の加熱領域の通過を検出する検出部と、 前記マイクロ波送信器から送信されたマイクロ波により
   加熱された加熱領域が前記検出部を通過するまでの時間
   を演算し、前記マイクロ波送信器から前記検出部までの
   距離を時間で割ることにより流速を求める演算部と、 を備えてなることを特徴とする流速測定装置。
2. 【請求項２】 前記検出部は、流路を流れる被測流体中
   の加熱領域に超音波を送信する超音波送信器と、 前記被測流体中の加熱領域を通過した超音波を受信する
   超音波受信器と、 からなることを特徴とする請求項１記載の流速測定装
   置。
3. 【請求項３】 前記請求項１記載の流速測定装置により
   求められた流速に基づいて前記流路を流れる被測流体の
   流量を演算することを特徴とする流量計。