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JP2018021862A - 超音波式ガスメータ - Google Patents

超音波式ガスメータ Download PDF

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JP2018021862A JP2016154329A JP2016154329A JP2018021862A JP 2018021862 A JP2018021862 A JP 2018021862A JP 2016154329 A JP2016154329 A JP 2016154329A JP 2016154329 A JP2016154329 A JP 2016154329A JP 2018021862 A JP2018021862 A JP 2018021862A
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牛嶋 一博
Kazuhiro Ushijima
一博 牛嶋
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Abstract

【課題】計測精度の向上を図ることが可能な超音波式ガスメータを提供する。【解決手段】超音波式ガスメータは、多層ユニット22の側壁に形成された2つの開口部O1,O2の一方を通じて多層ユニット22内に間欠的に超音波信号を送信すると共に、送信されて多層ユニット22の内壁で反射した超音波信号を多層ユニット22の側壁に形成された2つの開口部O1,O2の他方を通じて受信する2つの超音波式流速センサ21a,21bと、超音波信号の伝搬時間に基づいて、ガス流量を計測するサブ制御基板26と、2つの開口部O1,O2のそれぞれに設けられたメッシュ部材M1,M2と、を備え、それぞれのメッシュ部材M1,M2は、複数の開口が形成された1枚の金属板Pにより構成され、当該複数の開口の面積を合わせた開口面積を、当該金属板の外形面積で除して得られる開口率が70%以上である。【選択図】図3

Description

本発明は、超音波式ガスメータに関する。
従来、超音波を利用してガス流量を計測する超音波式ガスメータが提案されている(例えば、特許文献1〜6)。上述した超音波式ガスメータは超音波周波数で作動する2つの超音波式流速センサを備えており、2つの超音波式流速センサは、ガス流路内に一定距離だけ離れて配置されている。そして、超音波式ガスメータは、一方の超音波式流速センサの発生する超音波信号を他方の超音波式流速センサに受信させる動作を行って超音波信号がセンサ間を伝搬する際の伝搬時間を計測し、この計測した伝搬時間に基づいてガス流速を間欠的に求める構成となっている。
このような超音波式ガスメータにおいては、例えば略四角筒からなる流量計測用の流路部を備えている。流路部は、筒体の側壁に開口が形成されており、当該開口を利用して超音波信号を送受信する構成となっている。さらに、流路部は、開口によってガスの流れに乱れが生じないように、開口にメッシュ部材が設けられる構成となっている。
特開2015−129722号公報 特開2015−4516号公報 特開2014−215060号公報 特開2014−74728号公報 特開2012−247299号公報 特開2010−71812号公報
特許文献1,6に記載の超音波式ガスメータは、2つの超音波式流速センサが筒状の流路部を挟んで対向配置されている。このため、一方の超音波式流速センサからの超音波信号は直線的に伝搬して直接的に他方の超音波式流速センサに受信される構成となっている。
これに対して、特許文献2〜5に記載の超音波式ガスメータは、2つの超音波式流速センサが筒状の流路部の同側に配置されている。このため、一方の超音波式流速センサからの超音波信号は、筒の内壁にて反射したうえで他方の超音波式流速センサに受信される。
ここで、特許文献2〜5に記載の超音波式ガスメータは、超音波信号を反射させたうえで受信する反射方式(以下Vパス方式)であるため、信号出力が不足し易くなり、特に低温環境下において信号出力が低下する。このため、Vパス方式の超音波式ガスメータでは、信号出力を増幅した場合の計測誤差が大きくなる傾向にある。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、計測精度の向上を図ることが可能な超音波式ガスメータを提供することにある。
本発明の超音波式ガスメータは、筐体内部に設けられた筒状体を流れる燃料ガスの流量を計測して積算表示する超音波式ガスメータであって、前記筒状体の側壁に形成された第1開口部を通じて前記筒状体内に間欠的に超音波信号を送信する送信手段と、前記送信手段により送信されて前記筒状体の内壁で反射した超音波信号を前記筒状体の側壁に形成された第2開口部を通じて受信する受信手段と、前記送信手段から送信されて前記受信手段により受信された超音波信号の伝搬時間に基づいて、ガス流量を計測する流量計測手段と、前記第1開口部及び前記第2開口部のそれぞれに設けられたメッシュ部材と、を備え、それぞれの前記メッシュ部材は、複数の開口が形成された1枚の金属板により構成され、当該複数の開口の面積を合わせた開口面積を、当該金属板の外形面積で除して得られる開口率が70%以上であることを特徴とする。
この超音波式ガスメータによれば、メッシュ部材は、複数の開口が形成された1枚の金属板により構成されているため、縦糸及び横糸で作成したメッシュ部材と比較すると、その厚みを抑えることができ、超音波信号の減衰を抑え易くすることができる。しかも、開口率が70%以上であるため、縦糸及び横糸で作成したメッシュ部材では達成し難い高い開口率により、超音波信号の減衰を抑え易くすることができる。従って、超音波信号の減衰を抑えて、計測精度の向上を図ることが可能な超音波式ガスメータを提供することができる。
また、本発明の超音波式ガスメータにおいて、前記複数の開口は、正六角形とされていることが好ましい。
この超音波式ガスメータによれば、複数の開口は正六角形とされているため、開口率が70%以上であったとしても、メッシュ部材の強度を確保し易くすることができる。
また、本発明の超音波式ガスメータにおいて、前記複数の開口は、1辺が0.35mm以下の正六角形とされていることが好ましい。
この超音波式ガスメータによれば、複数の開口は、1辺が0.35mm以下の正六角形とされている。ここで、本件発明者らは、開口の1辺の大きさが0.35mmを超えると、筒内からのガスの流量に応じてせん断力が働き、送信手段及び受信手段の周辺で流れが発生して誤差要因となり易くなることを見出した。このため、複数の開口それぞれを、1辺が0.35mm以下の正六角形とすることで、このような誤差要因の発生を抑えて、より一層の計測精度の向上を図ることができる。
本発明によれば、計測精度の向上を図ることが可能な超音波式ガスメータを提供することができる。
本発明の実施形態に係る超音波式ガスメータの詳細を示す斜視図である。 図1に示した超音波式ガスメータの分解斜視図である。 図1に示した超音波式ガスメータの内部構成を示す断面図である。 図2及び図3に示した多層ユニットの上面図である。 メッシュ部材の断面図であり、(a)は本実施形態に係るメッシュ部材の断面を示し、(b)は比較例に係るメッシュ部材の断面を示している。 図4に示したメッシュ部材M1,M2の一部拡大図である。 比較例1に係る超音波式ガスメータの計測結果を示すグラフであり、空気に対する計測結果を示している。 比較例1に係る超音波式ガスメータの計測結果を示すグラフであり、LPガスに対する計測結果を示している。 比較例2に係る超音波式ガスメータの計測結果を示すグラフであり、空気に対する計測結果を示している。 比較例2に係る超音波式ガスメータの計測結果を示すグラフであり、LPガスに対する計測結果を示している。 実施例に係る超音波式ガスメータの計測結果を示すグラフであり、空気に対する計測結果を示している。 実施例に係る超音波式ガスメータの計測結果を示すグラフであり、LPガスに対する計測結果を示している。
以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾点が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用されていることはいうまでもない。
図1は、本発明の実施形態に係る超音波式ガスメータ1の詳細を示す斜視図であり、図2は、図1に示した超音波式ガスメータ1の分解斜視図である。また、図3は、図1に示した超音波式ガスメータ1の内部構成を示す断面図である。なお、以下においてはガスボンベからガスの供給を受けるLPガス向けの超音波式ガスメータ1について説明するが、都市ガス向けの超音波式ガスメータについても同様である。
図1〜図3に示す超音波式ガスメータ1は、超音波を利用して筐体内部に設けられたガス流路(後述の符号11c参照)を流れる燃料ガスの流量を計測して積算表示するものである。この超音波式ガスメータ1は、本体ユニット(筐体)10と、計測流路ユニット20と、フロントカバー30と、制御基板40と、遮断弁50とを主体に構成されている。
本体ユニット10は、メータボディ11と、メータボディ11の下側開口を塞ぐアンダーカバー12とで構成される筐体である。メータボディ11は、アンダーカバー12が取り付けられることで、ガス流入口11aからガス流出口11bへと至る略U字状に折れ曲がった一連のガス流路11cが画定される。アンダーカバー12は、略プレート状の金属部材であって、螺子止めによってメータボディ11に下側から固定される。これらメータボディ11及びアンダーカバー12は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金などの金属材料により形成されているが、可能であれば樹脂にて形成されてもよい。
計測流路ユニット20は、アンダーカバー12上に載置されるものであって、超音波式流速センサ21a,21b(送信手段、受信手段)と、多層ユニット(筒状体)22と、保護カバー24と、ストレーナ25と、サブ制御基板(流量計測手段)26とを備えている。
多層ユニット22は、略U字状のガス流路11cのうち、U字の底辺となる部位に設置されるものであって、その内部に計測流路を形成する断面略四角形状の筒状体である。この多層ユニット22は、筒状体の内部に、計測流路を奥行き方向にかけて分割する複数の分流板を一体に備えている。これらの分流板により、多層ユニット22内部を流れるガスが整流される。
また、多層ユニット22の上方には、上流側超音波式流速センサ21aと下流側超音波式流速センサ21bとが設けられている。これら超音波式流速センサ21a,21bは、多層ユニット22の上壁22a(側壁の一例)に形成された2つの開口部O1,O2のうち一方(第1開口部)を通じて多層ユニット22内に間欠的に超音波信号を送信すると共に、送信されて多層ユニット22の下壁22b(内壁の一例)で反射した超音波信号を多層ユニット22の上壁22a(側壁の一例)に形成された2つの開口部O1,O2のうち他方(第2開口部)を通じて受信するものである。すなわち、超音波式流速センサ21a,21bは、超音波信号の経路がV字形状となるように傾いて配置されている(Vパス方式となっている)。
保護カバー24は、図3に示すように、内部のサブ制御基板26及び超音波式流速センサ21a,21bを保護するものである。サブ制御基板26は、超音波式流速センサ21a,21bにより送信されて受信された超音波信号の伝搬時間からガス流速を算出し、算出したガス流速からガス流量を求める機能が搭載されている。
ストレーナ25は、整流機能を有するものであり、多層ユニット22の上流側に配置される。ストレーナ25は、上下方向に延在する四角形状の筒材に対して、ガス通路用の開口を有する上面壁25cが設けられた構成となっている。なお、筒下面側は開放されている。このようにストレーナ25は筒状であることから自立可能であり、この自立可能な筒に対してガス通路用の開口を有する上面壁25cが設けられることとなる。この上面壁25cが整流機能を発揮することとなる。
再度図1及び図2を参照する。フロントカバー30は、メータボディ11の外側前面を覆うカバーである。フロントカバー30とメータボディ11の外面との間には、制御基板40、電池(図示せず)、遮断弁50などが収容される。フロントカバー30は、メータボディ11と同様、アルミニウムあるいはアルミニウム合金などの金属材料により形成することができるが、メータボディ11とは異なる樹脂等の材料により形成することも可能である。
このようなフロントカバー30には、制御基板40に設けられるLCD(Liquid Crystal Display)やLED(Light Emitting Diode)などの表示部41の表示内容を視認可能とするためのフロントガラス(図1に図示し、図2において図示せず)31が取り付けられている。また、フロントカバー30には、ガス流路11cを閉塞状態とした遮断弁50を開放状態とするための操作部である復帰ボタン(図1に図示し、図2において図示せず)32が設けられている。さらに、フロントカバー30は、下部に前面下部カバー33を備えており、この前面下部カバー33を外すことにより端子台43が露出するようになっている。
制御基板40は、超音波式ガスメータ1の全体を制御する機能を有したものであって、基板保持プレート42を介してフロントカバー30の背面側に取り付けられ、メータボディ11とフロントカバー30との間に配置される。この制御基板40は、サブ制御基板26から受信した流量の情報に基づいて積算及びその表示を行う。
遮断弁50は、ガス流路11cのガス流入口11a側を遮断して閉塞状態とするものであり、家庭等に設置される燃焼器へのガスの供給を停止させるための弁である。この遮断弁50は、制御基板40に接続されており、ガス漏れ警報器からのガス漏れ通知を示す信号又は超音波式ガスメータ1内部での遮断事象の検出に基づいて、遮断弁50を閉塞する。
図4は、図2及び図3に示した多層ユニット22の上面図である。図4に示すように、2つの開口部O1,O2のそれぞれには、メッシュ部材M1,M2が設けられている。メッシュ部材M1,M2は、1枚の金属板Pに対して、エッチング加工によって複数の開口が形成されたものである。
図5は、メッシュ部材の断面図であり、(a)は本実施形態に係るメッシュ部材の断面を示し、(b)は比較例に係るメッシュ部材の断面を示している。図5(a)に示すように、本実施形態に係るメッシュ部材M1,M2は、1枚の金属板Pから形成されている。このため、本実施形態に係るメッシュ部材M1,M2の厚みt2は1枚の金属板Pの厚みと同じとなる。
一方、図5(b)に示すように、比較例に係るメッシュ部材M1’,M2’は、金属製の糸Y1,Y2(縦糸Y1及び横糸Y2)によって形成されている。このため、比較例に係るメッシュ部材M1’,M2’は、金属製の糸Y1,Y2の径が金属板Pの厚みと略同じである場合、本実施形態の2倍の厚みt1(=t2×2)となる。
加えて、比較例に係るメッシュ部材M1’,M2’は、開口部O1,O2に合う形状に切り出した際に糸Y1,Y2がほつれ易く、端面の処理や組み付け時の作業性に難が出るため、50%以上の開口率(複数の開口の面積を合わせた開口面積を、メッシュ部材M1’,M2’の外形面積で除して得られる値)とすることが困難となっている。
このように、比較例に係るメッシュ部材M1’,M2’は、厚み及びその開口率からすると、超音波信号を減衰させ易い構成となっている。
これに対して、本実施形態に係るメッシュ部材M1,M2は、縦糸Y1及び横糸Y2から構成せず、複数の開口が形成された1枚の金属板Pとなっている。このため、厚みを抑えることができるのみならず、端面の処理や組み付け時の作業性に難が出難く、開口率を高めることができる。特に本実施形態においては、複数の開口の面積を合わせた開口面積を、当該金属板Pの外形面積で除して得られる開口率が70%以上となっている。
このため、本実施形態に係るメッシュ部材M1,M2は、厚み及びその開口率からすると、超音波信号を減衰させ難い構成となっている。
詳細に説明すると、Vパス方式の多層ユニット22では、多層ユニット22の内壁で超音波信号が反射する関係上、超音波信号が減衰し易い構成となっている。さらに、超音波信号は、メッシュ部材M1,M2を通過する際にも減衰する。特に、LPガスは分子が大きく超音波信号の伝搬媒体としてメッシュ部材M1,M2を通過する分子が減少していると推測される。本実施形態では、厚み及びその開口率からメッシュ部材M1,M2におけるLPガスの分子が極端に減少してしまうことを防止しており、これにより超音波信号を減衰させ難い構成となっている。
図6は、図4に示したメッシュ部材M1,M2の一部拡大図である。図6に示すように、メッシュ部材M1,M2に形成された開口は、平面視して正六角形となっておりハニカム構造となっている(なお、メッシュ部材M1,M2の端部の開口については、正六角形を半分にした台形を含むことは言うまでもない)。また、開口は、正六角形の1辺の長さが0.3mm(±0.05mm)とされている。このため、開口の1辺の長さは、0.35mm以下となる。一方、開口を除く金属部分は幅が0.1mmとされている。
ここで、本件発明者は、開口の1辺の大きさが0.35mmを超えると、多層ユニット22内からのガスの流量に応じてせん断力が働き、センサ21a,21bの周辺で流れが発生して誤差要因となり易くなることを見出した。このため、複数の開口を、1辺が0.35mm以下の正六角形とすることで、このような誤差要因の発生を抑えて、より一層の計測精度の向上を図ることができる。
次に、本実施形態の一例である実施例に係る超音波式ガスメータの計測誤差について説明するが、まず、それに先立って比較例1及び比較例2に係る超音波式ガスメータの計測誤差について説明する。なお、メッシュ部材は、比較例1において、♯80のもの(1インチ平方メートル内に開口が80個あるもの)を使用し、比較例2において、♯60のもの(1インチ平方メートル内に開口が60個あるもの)を使用した。
図7及び図8は、比較例1に係る超音波式ガスメータの計測結果を示すグラフであり、図7は空気に対する計測結果を示し、図8はLPガスに対する計測結果を示している。なお、図7及び図8において、縦軸は超音波信号のn(nは任意の自然数)波及びn+1波のピーク値(100個の平均)を示し、横軸は流量を示している。また、n波目とn+1波目とを区別するための閾値(伝搬時間を判定するための閾値:太線で示す)を70(任意単位)とした。閾値は、23℃におけるn波ピークとn+1波ピークの大凡中間位置に設定される。
図7に示すように、空気に対しては誤差棒(3σの領域で99.7%を示す)が閾値に接触することはないものの、図8に示すように、LPガスに対しては誤差棒が閾値に接触することとなった。すなわち、比較例1のメッシュ部材ではn波目とn+1波目とを区別し難く計測誤差が大きくなり易いといえる。
比較例1では上記のような結果となったことから、メッシュ部材の開口率を高くして、超音波信号の減衰を抑えることが考えられる。しかし、開口率を高くした比較例2では以下のようになった。
図9及び図10は、比較例2に係る超音波式ガスメータの計測結果を示すグラフであり、図9は空気に対する計測結果を示し、図10はLPガスに対する計測結果を示している。なお、図9及び図10において、縦軸は超音波信号のn波及びn+1波のピーク値(100個の平均)を示し、横軸は流量を示している。また、n波目とn+1波目とを区別するための閾値(伝搬時間を判定するための閾値:太線で示す)を70(任意単位)とした。閾値は、23℃におけるn波ピークとn+1波ピークの大凡中間位置に設定される。
図9に示すように、空気に対しては誤差棒が閾値に接触することはないものの、図10に示すように、LPガスに対しては誤差棒が閾値に跨る結果となった。すなわち、比較例2のメッシュ部材では比較例1よりもn波目とn+1波目とを区別し難く計測誤差が大きくなり易いといえる。
これは以下の理由による。縦糸と横糸とから作成されるメッシュ部材において開口率を高めようとすると、線径が太くなり且つ格子が大きくなってしまう。このため、メッシュ部材の平面度が損なわれることとなる。この結果、開口率を大きくしても超音波の計測が乱され易くなる。このように、計測精度の向上を図るうえでは、単にメッシュ部材の開口率を上げても良好な結果が得られない。
これに対して実施例に係る超音波式ガスメータの計測結果は以下のようになっている。なお、実施例においてメッシュ部材は、金属板をエッチング加工して正六角形(1辺0.30mm)の開口を複数形成したものであって、開口率が70.5%のものを使用した。
図11及び図12は、実施例に係る超音波式ガスメータの計測結果を示すグラフであり、図11は空気に対する計測結果を示し、図12はLPガスに対する計測結果を示している。図11及び図12において、縦軸は超音波信号のn波及びn+1波のピーク値(100個の平均)を示し、横軸は流量を示している。また、n波目とn+1波目とを区別するための閾値(伝搬時間を判定するための閾値:太線で示す)を70(任意単位)とした。閾値は、23℃におけるn波ピークとn+1波ピークの大凡中間位置に設定される。
実施例においては、空気の計測結果はもとより、LPガスの計測結果に対しても、誤差棒が閾値に接触することが無くなっている。これは、実施例に係るメッシュ部材では、超音波信号が減衰し難くなっているためであるといえる。
このように、実施例に係る超音波式ガスメータでは、計測精度の向上が図られているといえる。
このようにして、本実施形態に係る超音波式ガスメータ1によれば、メッシュ部材M1,M2は、複数の開口が形成された1枚の金属板Pにより構成されているため、縦糸Y1及び横糸Y2で作成したメッシュ部材M1’,M2’と比較すると、その厚みを抑えることができ、超音波信号の減衰を抑え易くすることができる。しかも、開口率が70%以上であるため、縦糸Y1及び横糸Y2で作成したメッシュ部材M1’,M2’では達成し難い高い開口率により、超音波信号の減衰を抑え易くすることができる。従って、超音波信号の減衰を抑えて、計測精度の向上を図ることが可能な超音波式ガスメータ1を提供することができる。
また、複数の開口は正六角形とされているため、開口率が70%以上であったとしても、メッシュ部材M1,M2の強度を確保し易くすることができる。
また、複数の開口は、1辺が0.35mm以下の正六角形とされている。ここで、本件発明者らは、開口の1辺の大きさが0.35mmを超えると、多層ユニット22からのガスの流量に応じてせん断力が働き、センサ21a,21bの周辺で流れが発生して誤差要因となり易くなることを見出した。このため、複数の開口それぞれを、1辺が0.35mm以下の正六角形とすることで、このような誤差要因の発生を抑えて、より一層の計測精度の向上を図ることができる。
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、可能な範囲で適宜他の技術(公知技術や周知技術を含む)を組み合わせてもよい。
例えば上記実施形態において超音波式ガスメータ1は、超音波信号を多層ユニット22内で1回反射させたうえで受信するVパス方式であるが、2回以上反射させる方式のものであってもよい。
1 :超音波式ガスメータ
10 :本体ユニット(筐体)
11 :メータボディ
11a :ガス流入口
11b :ガス流出口
11c :ガス流路
12 :アンダーカバー
20 :計測流路ユニット
21a,21b :超音波式流速センサ(送信手段、受信手段)
22 :多層ユニット(筒状体)
22a :上壁
22b :下壁
24 :保護カバー
25 :ストレーナ
25c :上面壁
26 :サブ制御基板(流量計測手段)
30 :フロントカバー
31 :フロントガラス
32 :復帰ボタン
33 :前面下部カバー
40 :制御基板
41 :表示部
42 :基板保持プレート
43 :端子台
50 :遮断弁
M1,M2 :メッシュ部材
O1,O2 :開口部(第1開口部、第2開口部)
P :金属板
Y1 :縦糸
Y2 :横糸

Claims (3)

  1. 筐体内部に設けられた筒状体を流れる燃料ガスの流量を計測して積算表示する超音波式ガスメータであって、
    前記筒状体の側壁に形成された第1開口部を通じて前記筒状体内に間欠的に超音波信号を送信する送信手段と、
    前記送信手段により送信されて前記筒状体の内壁で反射した超音波信号を前記筒状体の側壁に形成された第2開口部を通じて受信する受信手段と、
    前記送信手段から送信されて前記受信手段により受信された超音波信号の伝搬時間に基づいて、ガス流量を計測する流量計測手段と、
    前記第1開口部及び前記第2開口部のそれぞれに設けられたメッシュ部材と、を備え、
    それぞれの前記メッシュ部材は、複数の開口が形成された1枚の金属板により構成され、当該複数の開口の面積を合わせた開口面積を、当該金属板の外形面積で除して得られる開口率が70%以上である
    ことを特徴とする超音波式ガスメータ。
  2. 前記複数の開口は、正六角形とされている
    ことを特徴とする請求項1に記載の超音波式ガスメータ。
  3. 前記複数の開口は、1辺が0.35mm以下の正六角形とされている
    ことを特徴とする請求項2に記載の超音波式ガスメータ。
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