(57)【要約】【課題】超音波振動子の面と直交する方向に超音波ビームを発信し、曲面反射体を有するビーム伝達体を介して管体の円周上に超音波ビームを集束し測定精度を向上させる。【解決手段】管体１１から離隔し中心部に孔が開けられた円板状の超音波振動子１２Ａから出射された平行束の超音波ビームＢは、ビーム伝達体１２Ｂに形成された凹曲反射部１２Ｃで反射し、管体１１の外周の周囲に円環状に集束される。ビーム伝達体１２Ｂは管体１１の外周を取り囲むように配置されているので、超音波ビームは管体１１の円周上から管体１１内の流体Ｆに伝搬し、流体Ｆに大きな超音波振動エネルギを伝達させることが可能となる。超音波ビームＢは一円周上から管体１１内に入射し、超音波ビームＢは流体Ｆ中を伝播して他方の超音波送受信器１２、１２’に送信される。【選択図】図２
2014215040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる管体の上流側と下流側のそれぞれの外周に少なくとも２つの超音波送受信器を配置し、一方の前記超音波送受信器から前記管体内の流体中に超音波ビームを発信し他方の前記超音波送受信器により受信し、前記超音波ビームが上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間差から前記管体内の流体の速度を求め、前記管体内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計において、前記超音波送受信器は、中央に孔を開けた円板状の超音波振動子を前記管体の周囲に厚み方向が前記管体の長さ方向と平行になるように配置し、前記超音波振動子で発生した前記超音波ビームを前記超音波振動子と前記管体との間に前記管体を取り囲むようにビーム伝達体を配置し、該ビーム伝達体に形成した凹曲反射部により前記超音波ビームを略直交方向に屈曲し、前記管体の外周円上に円環状に集束することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記凹曲反射部は円面、楕円面、放物面の何れかとしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記凹曲反射部は多面体により構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管体中を流れる流体の流量を測定する超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のクランプオン式超音波流量計においては、超音波送受信器を管体の外側に取り付けて超音波ビームを管体内に送受信して流量測定を行うため、超音波送受信器が接液することがなく、既存の管体に後から超音波流量計を構成できる利点がある。しかし、このクランプオン式超音波流量計では、一対の超音波送受信器を管体に対して斜めに取り付け、管体内を超音波ビームを伝播させる必要がある。
【０００３】
このような方式では、管体に対して斜めに超音波ビームを送受信することで、管体内全体を通過する流量を推定して求めるために、流速分布の影響を受けて正確な測定がなかなか難しい。更に、管体の直径が小さくなると表面の曲率が小さくなり、管体に対して正確に斜めに超音波ビームを送受信することが困難であり、また信号伝搬距離も短くなって、時間差方式の測定において分解能が低下するという問題点がある。
【０００４】
そこで、この問題を回避するために、特許文献１には、図５に示すように管体１の周囲に配置し中央に孔が開けられた円板状の超音波振動子２を用いて、管体１の円周全体から超音波ビームを打ち込む方法が開示されている。この方法では、管体１内の流速分布の影響を受けることもなく、曲率の小さな管体１の表面からでも超音波ビームの送受信を容易に行うことができる利点がある。しかし、この方法ではリング状の超音波振動子の直径方向の振動モードの超音波ビームを利用することになるため、低周波数の超音波ビームしか利用できず、測定の分解能を上げることができない欠点がある。
【０００５】
また、測定の時間分解能を向上させるためには、円板状の超音波振動子の厚み方向の振動モードの超音波パルスを管体の外周全体から管体内に打ち込む必要がある。そこで、特許文献２、３には図６に示すような超音波振動子３のコーン状のビーム伝達体（シュー）４を用いて、管体１内に超音波ビームを打ち込む方法が開示されている。この方法は、超音波振動子３の厚み方向の振動モードを利用するため、高い周波数の超音波ビームを利用できる利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２６４７５０号公報
【特許文献２】米国特許第７３６０４４８号公報
【特許文献３】特許第４２３３４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、このコーン状の超音波ビーム伝達体４は、対となる相手側の超音波送受信器に向けて同軸方向で信号の方向を絞ってゆく構造となる。従って、ビーム伝達体４と外部の界面であるコーンの外形面で反射して管体１に至る超音波ビームの伝搬経路は１個所ではなく、複数個所に拡散されて出射してゆくことになる。
【０００８】
従って、超音波ビームは分散されて伝達するため、単位面積辺りのエネルギ強度が弱くなるだけでなく、超音波ビームのビーム伝達体４から管体１内の流体への伝搬位置の正確な特定が困難になる。管体１に対する超音波ビームの打ち込み位置、取り込み位置が正確に特定できないと、超音波ビームの伝達経路長が正確に決められないという問題点がある。
【０００９】
このように、特許文献２、３のようなコーン状の超音波ビーム伝達体４を用いて管体１内の流体に超音波ビームを伝えようとすると、超音波ビームが拡散し、超音波流量計の高精度化を妨げるという問題がある。超音波ビームが拡散すると、受信信号が弱くなって信号のＳＮ比も悪くなり、測定精度が悪くなる一因となる。
【００１０】
本発明の目的は、上述の課題を解消し、超音波振動子の面と直交する方向に超音波ビームを発信し、曲面反射体を有するビーム伝達体を介して管体の一円周上に超音波ビームを集束し、高精度な測定が可能な超音波流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明に係る超音波流量計は、流体が流れる管体の上流側と下流側のそれぞれの外周に少なくとも２つの超音波送受信器を配置し、一方の前記超音波送受信器から前記管体内の流体中に超音波ビームを発信し他方の前記超音波送受信器により受信し、前記超音波ビームが上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間差から前記管体内の流体の速度を求め、前記管体内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計において、前記超音波送受信器は、中央に孔を開けた円板状の超音波振動子を前記管体の周囲に厚み方向が前記管体の長さ方向と平行になるように配置し、前記超音波振動子で発生した前記超音波ビームを前記超音波振動子と前記管体との間に前記管体を取り囲むようにビーム伝達体を配置し、該ビーム伝達体に形成した凹曲反射部により前記超音波ビームを略直交方向に屈曲し、前記管体の外周円上に円環状に集束することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る超音波流量計によれば、管体の周囲上に超音波送受信器からの超音波ビームを集束させることによって、超音波ビームの拡散を防ぎ、伝搬経路長を明確にし、更に超音波ビーム信号のＳＮ比を改善できることにより測定精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】超音波流量計の実施例１の斜視図である。
【図２】超音波ビームの伝播経路の説明図である。
【図３】超音波送受信器の断面図である。
【図４】実施例２の超音波ビームの伝播経路の説明図である。
【図５】従来例の構成図である。
【図６】他の従来例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明を図１〜図４に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は実施例１の斜視図であり、図２はビーム伝達体内の超音波ビームの伝播経路の説明図である。
【００１６】
直管状の管体１１の上流側と下流側に、所定の間隔をおいて超音波送受信器１２、１２’が配置されている。これらの超音波送受信器１２、１２’には、管体１１から離隔し中心部に孔が開けられた円板状の超音波振動子１２Ａが使用されている。超音波振動子１２Ａと管体１１との間に円環状の超音波ビーム伝達体１２Ｂが配置され、超音波ビームのビーム伝達体１２Ｂの内周面は管体１１の表面に密着されている。これらの超音波送受信器１２、１２’からはそれぞれリード線が引き出され、図示しない測定回路に接続されている。
【００１７】
超音波振動子１２Ａで発生し出射された平行束の超音波ビームＢは、ビーム伝達体１２Ｂに形成された凹曲反射部１２Ｃで反射し、管体１１の外周の周囲に円環状に集束されるようになっている。また、超音波送受信器１２、１２’を受信器として使用する際には、管体１１から超音波振動子１２Ａに戻る超音波ビームＢは反対の経路を通ることになる。
【００１８】
一般に、超音波振動子１２Ａは電圧を印加する方向に最も大きな振動エネルギを生じさせる。超音波振動子１２Ａは面と直交する軸線方向に伸縮するので、ビーム伝達体１２Ｂを介して超音波ビームＢを管体１１の長手方向と略直交方向に屈曲して伝達させることができる。また、ビーム伝達体１２Ｂは管体１１の外周を取り囲むように配置されているので、超音波ビームは管体１１の円周上から管体１１内の流体Ｆに伝搬し、流体Ｆに大きな超音波振動エネルギを伝達させることが可能となる。
【００１９】
凹曲反射部１２Ｃは球面、楕円面、放物面等の超音波振動子１２Ａからの超音波ビームＢの平行束を、管体１１の外周面に集束できる機能を有していればよく、ビーム伝達体１２Ｂの外表面を目的の曲面に形成し、超音波ビームＢは凹曲反射部１２Ｃの内面で全反射するようにされている。なお、これらの凹曲反射部１２Ｃは、平面である多数の反射部を組合わせて、全体として多面体による凹曲面を構成することもできる。
【００２０】
このようにして、超音波送受信器１２、１２’の超音波振動子１２Ａから出射された超音波ビームＢは、ビーム伝達体１２Ｂを経て一円周上から管体１１内に入射し、超音波ビームＢは流体Ｆ中を伝播して他方の超音波送受信器１２、１２’に送信される。一方、管体１１中の超音波ビームＢを受信する際にも、管体１１の一円周上からビーム伝達体１２Ｂに入射した超音波ビームＢはビーム伝達体１２Ｂ内で平行束とされ、超音波振動子１２Ａにより受信されることになる。
【００２１】
実際の超音波送受信器１２、１２’では、図３に示すようにビーム伝達体１２Ｂは必要なビーム経路以外にも肉盛りがなされていて、ビーム伝達体１２Ｂを介して管体１１に取り付け易いようにされている。
【００２２】
既設の管体１１に超音波送受信器１２、１２’を取り付けるには、予め超音波送受信器１２、１２’を例えば２つ割りにしておいて、管体１１を挟み付けるように取り付ければよい。
【００２３】
この超音波流量計では、管体１１中を流体Ｆが流れている状態で、超音波送受信器１２、１２’から交互に超音波パルス信号が送信され、管体１１内の流体Ｆを通過して他方の超音波送受信器１２’、１２で受信される。そして、流体Ｆの流れに順行した場合と逆行した場合との超音波ビームの伝搬時間を計測する。この伝播時間は測定管路長Ｌ間を流れる流体Ｆの速度Ｖに関係するので、演算で得られた速度Ｖに管体１の断面積Ｓを乗ずることにより時間差方式で流量を求めることができる。
【実施例２】
【００２４】
上述の実施例では、１組の超音波送受信器１２、１２’を用いて、交互に超音波ビームＢを発振し、流体Ｆ中に順行する場合と逆行する場合の時間差を測定している。
【００２５】
しかし、図４に示す実施例２のように、管体１１に沿って３個の超音波送受信器１２、１２’、１２”を等間隔に配置し、中央の超音波送受信器１２は発信専用とし、上流側及び下流側の超音波送受信器１２、１２’は受信専用とすることもできる。或いは、中央の超音波送受信器１２は受信専用とし、超音波送受信器１２’、１２”は発信専用とすることもできる。
【００２６】
また、計４個の２組の超音波送受信器を用いて、１組ずつ順行専用、逆行専用に伝播時間の測定を行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１１  管体
１２、１２’、１２”  超音波送受信器
１２Ａ  超音波振動子
１２Ｂ  ビーム伝達体
１２Ｃ  凹曲反射部
Ｂ  超音波ビーム
Ｆ  流体
【図１】
2014215040.tif 000003
【図２】
2014215040.tif 000004
【図３】
2014215040.tif 000005
【図４】
2014215040.tif 000006
【図５】
2014215040.tif 000007
【図６】
2014215040.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成25年7月22日(2013.7.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる管体の上流側と下流側のそれぞれの外周に少なくとも２つの超音波送受信器を配置し、一方の前記超音波送受信器から前記管体内の流体中に超音波ビームを発信し他方の前記超音波送受信器により受信し、前記超音波ビームが上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間差から前記管体内の流体の速度を求め、前記管体内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計において、
前記超音波送受信器は、中央に孔を開けた円板状の超音波振動子を前記管体の周囲に厚み方向が前記管体の長さ方向と平行になるように配置し、前記超音波振動子と前記管体との間に、前記超音波ビームを略直交方向に屈曲すると共に集束機能を有する凹曲反射部を備えたビーム伝達体を前記管体を取り囲むように配置し、
前記超音波振動子で発信した前記超音波ビームを前記ビーム伝達体を介して前記管体の一円周上に集束させて前記管体内に出射し、また到達した前記超音波ビームを前記管体の一円周上から入射し、前記ビーム伝達体を介して前記超音波振動子で受信することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記凹曲反射部は円面、楕円面、放物面の何れかとしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記凹曲反射部は多面体により構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波流量計。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の目的は、上述の課題を解消し、超音波振動子の面と直交する方向に超音波ビームを発信し、凹面反射部を有するビーム伝達体を介して管体の一円周上に超音波ビームを集束し、高精度な測定が可能な超音波流量計を提供することにある。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明に係る超音波流量計は、流体が流れる管体の上流側と下流側のそれぞれの外周に少なくとも２つの超音波送受信器を配置し、一方の前記超音波送受信器から前記管体内の流体中に超音波ビームを発信し他方の前記超音波送受信器により受信し、前記超音波ビームが上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間差から前記管体内の流体の速度を求め、前記管体内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計において、前記超音波送受信器は、中央に孔を開けた円板状の超音波振動子を前記管体の周囲に厚み方向が前記管体の長さ方向と平行になるように配置し、前記超音波振動子と前記管体との間に、前記超音波ビームを略直交方向に屈曲すると共に集束機能を有する凹曲反射部を備えたビーム伝達体を前記管体を取り囲むように配置し、前記超音波振動子で発信した前記超音波ビームを前記ビーム伝達体を介して前記管体の一円周上に集束させて前記管体内に出射し、また到達した前記超音波ビームを前記管体の一円周上から入射し、前記ビーム伝達体を介して前記超音波振動子で受信することを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明に係る超音波流量計によれば、管体の一円周上に超音波振動子からの超音波ビームを集束させ、また到達した超音波ビームを一円周上から超音波振動子に導くことによって、超音波ビームの拡散を防ぎ、伝搬経路長を明確にし、更に超音波ビーム信号のＳＮ比を改善できることにより測定精度が向上する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
一般に、超音波振動子１２Ａは電圧を印加する方向に最も大きな振動エネルギを生じさせる。超音波振動子１２Ａは面と直交する軸線方向に伸縮するので、ビーム伝達体１２Ｂの凹曲反射部１２Ｃを介して超音波ビームＢを管体１１の長手方向と略直交方向に屈曲して伝達させることができる。また、ビーム伝達体１２Ｂは管体１１の外周を取り囲むように配置されているので、超音波ビームは管体１１の一円周上から管体１１内の流体Ｆに伝搬し、流体Ｆに大きな超音波振動エネルギを伝達させることが可能となる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
このようにして、超音波送受信器１２、１２’の超音波振動子１２Ａから発信された超音波ビームＢは、ビーム伝達体１２Ｂを経て一円周上から管体１１内に出射し、超音波ビームＢは流体Ｆ中を伝播して他方の超音波送受信器１２’、１２に送信される。一方、管体１１中の超音波ビームＢを受信する際にも、管体１１の一円周上からビーム伝達体１２Ｂに入射した超音波ビームＢはビーム伝達体１２Ｂ内で平行束とされ、超音波振動子１２Ａにより受信されることになる。