【発明の詳細な説明】 【０００１】本発明は、超音波を使用し、かつ特殊な幾何形状の測定管に関連した適切な手段を採用することによって、全ての状態において、前記測定管内では、放物線状の流体速度分布を有する絶えず層状の流れを確保し、それ故に超音波ビーム用のエミッタ−センサ対を、
信号がほとんど乱れず、かつ最大強度を有している測定管軸線に沿って位置決めし整合させることができ、更に、如何なる流体でもその流量の経済的かつ高精度の測定を達成できるだけでなく、確かに安全性の理由から、
最近出現の国内用、特に産業用のガスメータに要求されているように、前記流量を容易かつ精密に制御でき、又その流れを即座に遮断できる新規の流量計に関する。 【０００２】現在の技術状態では、この種のガスメータとしては、回転分配器又は往復動すべり弁等により、ベロー型の、それ故幾何形状が可変の１つ又はそれ以上の室の内のガス容積変位によって作動し、流量は前記室の容積変位に比例する機械系が用いられている。 【０００３】しかしながら、この種の公知メータは、機械的に複雑で、それ故にコストが高く可動部品を含む構造であり、可動部品の避け難い摩耗と汚損が測定精度を害する等の欠点を有している。 また、その精巧な機械的性質のために、これらの部品は、コストが高く構造上複雑化させることなく、“知的な”メータとして開発するのに特に不適当なものとなっている。 【０００４】技術状態からは、一般に超音波原理に基づきガスや流体の流量を測定する、即ち超音波ビームがエミッタから測定管の軸線に対して様々に位置したセンサ又はレシーバへと進むに要する時間の変動を測定する各種型式の系統も公知である。 【０００５】上記の超音波原理は、本質的にごみ等には無感覚であり、相対的な測定系を“知的に”開発するのに適しているけれども、測定管内の、特に管軸線に沿った流体の運動型式によって強く影響されるので、流体の運動が層流から乱流へと進む意味で同流体運動に断続がある毎に、流量測定は流体速度分布の放物線プロフィールから平坦プロフィールへの変化の結果として生じる誤差によって影響を受けると言う重大な欠点を有している。 また、でたらめに層流とも、乱流ともなり得る流れが存在することによって、発生するうずにより乱流が確かに超音波測定に別の乱れを誘引することに加えて、常に測定精度や不安定性について無視できない問題が生じている。 【０００６】上述の乱流による欠点を除くために、前記公知の超音波測定系は、測定管軸線、即ち層状体勢から乱流体勢に進む際に最大の速度変化が生じる領域である（もっとも、正確には、発進した信号が実際上変形せず最小のゆがみでセンサに達する最良の可能な正度と精度状態下で測定を行なうことができる層流の場合にこの領域においてであるが）管軸線の方向に超音波ビームを配向させないような様々な手段を用いている。 この配向は、代りに、管半径の半分より僅かに大きく前記軸線から片寄らせ、層流及び乱流両者にとって流速がおよそ等しい領域で作動させてもよい（この関点から、National
Research Development Co． の米国特許第４,０７
８,４２８号及びE． I． Du Pont de Nemours & C
o． の米国特許第４,１０２,１８６号を参照されたい）。 【０００７】しかしながら、これらのオフセット測定によれば、超音波ビームの細条は様々な速度で進み異なる時刻にセンサに達するので、伝達した信号をゆがめたり、また正確な流量値に近い平均を得るための多数回の測定を行なうと共に前記信号の複雑でコストのかかる取扱い方を必要としている。 【０００８】従って、公知の超音波流体流量測定系は、
全て、複数個のエミッタ及びセンサが必要であること、
実質的に流体運動の法則に依存した測定を達成するためにデータを複雑に処理する際労苦と高いエネルギ消費を必要とすること、更に数回の測定の平均として得られる概算測定は不都合であること等、コスト高による限界を有している。 【０００９】従って、本発明の目的は、測定管内の流体にとって放物線プロフィールを備えた絶えず層状の運動を確保することによって、前記管の軸方向に沿って配置した２対のみの超音波エミッタ−センサを用いて、その完全遮断の範囲まで精確な流量制御を行ないながら、精密で信頼性があり繰返し可能な流量測定を行なうことを可能とした流量計を提供することによって、上述の欠点を除去することである。 【００１０】この目的は、測定管が直線形であり、かつ流体を前記測定管内で連続した加速下に維持するならば、前記流体は前記管内で層状運動の状態を常に保持し、決して乱流運動に進むことがないことを実験的に見い出したことによって、実質的に達成される。 そのためには、測定管を直線状とすると共に、運動が確実に層状である入口部分から始めて断面を均一に減少させることで十分である。 これは、前記入口部分を十分に大きくして最大の予想流量でも層状運動を確保し、それに乱流防止グリッドを設けることによって実質的に達成されるが、同乱流防止グリッドの目的はその入口での圧力降下を前記測定管内にも生み出して、乱流によって生じる管外への速度脈動を低減させ、それ故当該グリッドの各点において均一な流体速度を得ることである。 【００１１】しかしながら、前記２対の超音波エミッタ−センサは今では直線状測定管と同軸に設置しなければならないので、これらの存在が管内に乱流を起し、それがために測定を変えることがないようにするために、前記管の軸線まわりに対称な環状の径方向延長体の管入口を用いている。 環状構造体の乱流防止グリッドを備えたこの入口は、円弧の形に湾曲され、同湾曲部分でも層状運動を確保するために流体を加速下に維持するように断面が減少している環状入口ダクトに接続しており、入口ダクトは、前記入口エミッタ−センサ対に対面して、正面端部が管軸線に正接している円弧を回転して得られる実質的に円錐状の延長体のフェアリングを備えている。 【００１２】この様式で、必然的に乱流を生じる非対称の速度成分を流体運動に導入することなく、流れ方向を径方向から軸方向に変化させることによって、流体運動は層状のみであるようにする前記測定管軸線まわりに対称の構造体が得られる。 【００１３】また、入口エミッタの超音波ビームが測定管内に進入できるようにするために、前記ダクトの前記フェアリングは、超音波ビームにとって最小屈折率を有する透明材質で形成してある。 【００１４】最後に、出口エミッタ−センサ対が軸方向に存在しているために、また測定管内の流体の層状運動を乱すことがある出口流体流れ用の制御及び／又は遮断部材が恐らく存在しているために、測定管の出口で乱流が生じるのを防ぐため、前記直線状測定管の前記出口は超音波ビームにとって最小屈折率の透明な軸流そらせ体で形成し、このそらせ体は、出口エミッタ−センサ対の正面に同軸に位置し、層流の維持が確保できるように流体を常に加圧下に維持するために断面が減少しかつ環状の径方向出口ポートを有している環状出口ダクト内に前記流体を運ぶようになっている。 【００１５】前記出口ポートは、前記そらせ体の円筒状部分まわりに前記測定管軸線に沿って可動な部材によって完全閉鎖まで収縮させることができ、またその位置が何処にあれ、前記出口ダクトの断面を常に減少するように維持して層状の流体運動を維持するような形状となっている。 【００１６】しかしながら、この種の流量計コントローラは、流体運動が完全に層状であるとしても、その入口では、乱流運動の平坦な速度プロフィール特性を示すこと、それに徐々にではあるが、管に沿ってレイノルズ数に依存したある距離以降では層状運動の安定した放物線パターン特性を呈することが実験から見い出されている。 【００１７】従って、行なうべき測定の正確さに対して明白な乱れの源を意味するこの矛盾を排除するために、
流量計コントローラの前記乱流防止グリッドは、前記入口において安定した放物線速度分布を瞬時に与えるような様態に形成してある、即ち実験的に規定した適切な関係に従って流体の通過抵抗が一端から他端に増大するような構造となっている。 【００１８】更に詳述すれば、好ましい実施例によると、前記グリッドは、該グリッドの外側端部から内側端部へと減少するように距離を置いて相互に軸方向に対面している一連の同一で小厚のリングで構成されている。
この様態では、前記リング間の距離が最大であり、それ故通過抵抗が最小である（これは、正確には測定管の中央領域で生じる）処で、流体速度は最大となり、そして前記距離が減少するにつれて、流体速度は前記測定管の壁に相当する前記グリッドの内側端部で最小となるように減少している。 【００１９】従って、本発明は、試験下の流体用の入口及び出口を有する直線状の測定管と、前記入口及び出口に対応した少なくとも１対の超音波ビームエミッタであって、対応する少なくとも１対のセンサ又はレシーバと共働して前記ビームが前記エミッタから前記センサに進むに要する時間を流れ方向及びその反対方向の両方向において測定する超音波ビームエミッタとを包含する流体流量計コントローラにおいて、前記対の超音波エミッタ−センサは断面が前記入口から均一に減少している前記直線状測定管と同軸に設置されており、前記入口は前記測定管軸線まわりに対称な環状の径方向延長体であり、
試験下の前記流体の通過に対して外側端部から内側端部へと増大する抵抗を与える環状構造体のグリッドを備え、かつ断面が均一に減少する円弧の形に湾曲した環状入口ダクトによって前記測定管に連結されており、前記入口ダクトは前記入口エミッタ−センサ対に対面して実質的に円錐状の延長体の入口そらせフェアリングを備え、そして前記出口エミッタ−センサ対に対面してこれと同軸に、軸流そらせ体が前記流体を断面が減少する環状出口ダクト内に運ぶために設けてあり、前記出口ダクトの出口ポートは環状の径方向延長体であり、操作手段により前記測定管軸線に沿って可動の弁部材によって完全閉鎖まで収縮させることができることを特徴としている。 【００２０】本発明の好ましい実施例によれば、環状構造体の前記グリッドは、当該グリッドの外側端部から内側端部へと減少するように距離を置いて相互に軸方向に対面している一連の同一で小厚のリングから成っている。 【００２１】本発明の他の好ましい実施例によれば、前記入口そらせフェアリングは、前記超音波ビームにとって最小屈折率を有する透明材質の本体であって、一端が前記測定管軸線に正接した円弧を回転して得られる実質的に円錐状の延長体の本体から成っている。 【００２２】前記軸流そらせ体は、本発明によれば、実質的に円錐状の延長体の本体であって、前記超音波ビームにとって最小屈折率の透明材質から形成され、かつ前記弁部材を案内し支持脚によって前記測定管に固定した中空の円筒状部分によって支持された本体から成っている。 【００２３】本発明の他の好ましい実施例によれば、前記弁部材を前記測定管軸線に沿って移動させる前記手段は、前記管軸線に平行に配置され前記弁部材に一体の大歯車に係合しているピニオンを減速歯車列を介して作動する電気モータから成り、前記弁部材は前記そらせ体の前記中空円筒状部分上で軸方向に摺動自在で、前記測定管に一体に固定した容器によって支持したボール再循環ねじに固定されており、前記ピニオンは前記出口ポートの完全閉鎖まで前記弁部材の全回転及び並進走行中に前記係合を確保するような長さを有している。 【００２４】この様態では、前記モータにより前記ピニオンを一方向に、又は他方向に回転させる毎に、前記弁部材の回転を生じ、これを前記ボール再循環ねじによって軸方向の並進運動に変換している。 【００２５】最後に、前記超音波ビームに向かう前記入口そらせフェアリングの不完全な透明性から起り得る問題を未然に防ぐために、本発明の変更例によれば、前記フェアリングをなしで済ませ、そして前記フェアリングを除いたことで生じる乱流うずの形成を防ぐために、前記フェアリングの元来の外形を越えて外方に突出た小型のそらせ体リングによって、前記フェアリングを除いたことで生じた空間を占める静止うずの発生を安定化させるように局所の流体加速を生み出す手段を採用している。 【００２６】同様の理由から、前記出口エミッタ−センサ対の正面に位置した実質的に円錐状の延長体の前記透明軸流そらせ体は、共通の軸側部を有し、かつ１２０°
離れて径方向に配置した３個のフィンであって、前記測定管に固定されて前記弁部材用の前記中空円筒状案内部分を支持するフィンから成る安定化装置に取替えている。 【００２７】この関点では、前記そらせ体を除くことによって、実質的に前記出口エミッタ−センサ対の正面に、流体よどみ圧を受ける空所が生じており、この流体よどみ圧は前記流体を当該空所の一側部から他側部に進ませることによって、前記測定管に沿って伝播しながら流れの層状性を乱し、それ故測定を乱すことがある振動運動を引き起すこともあるが、前記安定化装置のフィンは正確に前記振動を防ぐように働いている。 【００２８】以下、本発明の範囲を逸脱することなく技術的、科学技術的あるいは構造的な変更を行なうことができる非限定的な例としての好適な実施例を示す添付図面を参照して、本発明を更に詳述する。 例えば、環状構造体の前記グリッドは、適当に離して隔置した一連のリングから成る代りに、直径が当該グリッドの外側端部から内側端部へと減少している一連の通し管で構成してもよく、また超音波ビームの代りに、レーザビームを使用することもできる。 【００２９】図面中、符号１は流体流量計コントローラの直線状の測定管を示すが、同測定管は断面が環状フランジ２及び３をそれぞれ設けたその入口１′からその出口１″へと減少している。 【００３０】フランジ２及びこれに対してボルト５及びスペーサ６によって固定された閉鎖片４は、流量計コントローラの環状の径方向入口７を一緒に画定しており、
この入口は測定管１の軸線８まわりに対称的に延在している（詳しくは図２参照）。 前記入口７は、相互に距離を置いて軸方向に対面している一連の同一で小厚のリング１０から成る環状構造体のグリッド９を備えており、
同リングは前記グリッド９の外側端部１１から内側端部１２へと増大する流れ通過抵抗を決めるように端部１１
から端部１２へと減少している（詳しくは図５参照）。
入口７は、円弧１４の形に、かつ断面が均一に減少する形に（図２参照）湾曲した環状の入口ダクト１３を介し、そして２個のエミッタ−センサ対、即ち入口対１７
及び出口対１８間に延びる図面中２本の点線の間にある超音波ビーム１６にとって最小屈折率の透明体から成る入口そらせフェアリング１５を介して測定管１に接合しており、同エミッタ−センサ対は測定管１に同軸に設置され、ケーブル１７′及び１８′を介して電力供給される。 前記フェアリング１５は、端部２０が前記測定管１
の軸線８に正接している円弧１９を前記軸線８のまわりに回転させることで得られる実質的に円錐状の延長体である。 【００３１】前記出口エミッタ−センサ対１８は、測定管１の出口１″で、支持脚２２によって同測定管に固定した中空の円筒状部分２１によって支持されている。前記部分２１の正面には、前記環状フランジ３と前記円筒状部分２１上で回転自在かつ並進自在の弁部材２５とによって画定され断面が減少する環状の出口ダクト２４内に流れを運ぶための軸流そらせ体２３が設けてある。前記軸流そらせ体２３は前記超音波ビーム１６にとって最小屈折率を有する透明材質で製作した実質的に円錐状の本体から成り、前記弁部材２５は、ボルト２８及びスペーサ２９により前記フランジ３に連結したプレート２７
によって支持されているボール再循環ねじ２６に固定され、これらプレート、ボルト及びスペーサはメッシュ３
０で保護した固定容器を形成している。 また、この弁部材２５は、軸３３によって測定管１の軸線８に平行に支持され減速歯車３５及び３６を介して電気モータ３４によって回転されるピニオン３２に係合している大歯車３
１を備えており、前記ピニオン３２は、前記環状出口ダクト２４のポートを完全に閉鎖するに要する前記弁部材２５の前記回転及び並進走行ができるように前記大歯車３１との係合を維持するに充分な長さを有している。 【００３２】図５の変形例においては、前記入口そらせフェアリング１５（図中点線で示す）は、前記フェアリング１５の元の形状を越えた処３８で外方に突き出ている小型のそらせ体リング３７に取替えてある。 【００３３】最後に、図３及び図４においては、前記の出口軸流そらせ体２３は、共通の軸側部４３を有する３
個のフィン４０，４１及び４２であって、１２０°離れて配置され、かつ測定管１に固定されて、前記中空円筒状部分２１を支持するフィンから成る安定化装置３９に取替えてある。 【図面の簡単な説明】 【図１】本発明による流体流量計コントローラの斜視図である。 【図２】図１の流量計コントローラの尺度を変えた縦断面図である。 【図３】本発明の変形例による尺度を大きくして図２の線Ａ−Ａから見た断面図である。 【図４】図３の線Ｂ−Ｂから見た縦断面図である。 【図５】本発明の変更例による図２の詳細について相当に拡大した縦断面図である。 【符号の説明】 １ 測定管２，３ フランジ４ 閉鎖片５ ボルト６ スペーサ７ 入口８ 軸線９ グリッド１０ リング１１ グリッド外側端部１２ グリッド内側端部１３ 入口ダクト１４ 円弧１５ 入口そらせフェアリング１６ 超音波ビーム１７ 入口エミッタ−センサ対１８ 出口エミッタ−センサ対１９ 円弧２０ 円弧端部２１ 中空円筒状部分２２ 支持脚２３ 軸流そらせ体２４ 出口ダクト２５ 弁部材２６ ボール再循環ねじ２７ プレート２８ ボルト２９ スペーサ３０ メッシュ３１ 大歯車３２ ピニオン３３ 軸３４ 電気モータ３５，３６ 減速歯車３７ そらせ体リング３９ 安定化装置４０，４１，４２ フィン４３ 軸側部 ───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl. 7 ，ＤＢ名) G01F 1/66 |
