(57)【要約】【課題】気体の流量を正確に測定することのできる超音波流量計および超音波流量計用の超音波吸収体を提供する。【解決手段】第１超音波センサ２０Ａと、第２超音波センサ２０Ｂと、第１超音波センサ２０Ａから送信された超音波が第２超音波センサ２０Ｂに受信されるまでの時間と、第２超音波センサ２０Ａから送信された超音波が第１超音波センサ２０Ａに受信されるまでの時間とに基づいて、流体の流量を測定する本体部と、を備え、第１超音波センサＡおよび第２超音波センサ２０Ｂのそれぞれは、超音波送受信器２２が設けられ、超音波送受信器から送信された超音波を所定の角度で前記流体に入射させるくさび２１を備え、くさび２１は、切欠き２１ｃを有する。【選択図】図７
2014157071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を流体が流れる配管における上流側の外周に設けられ、超音波の送信および受信を行う超音波送受信器を備える第１の超音波センサと、
前記配管における下流側の外周に設けられ、超音波の送信および受信を行う超音波送受信器を備える第２の超音波センサと、
前記第１の超音波センサから送信された前記超音波が前記第２の超音波センサに受信されるまでの時間と、前記第２の超音波センサから送信された前記超音波が前記第１の超音波センサに受信されるまでの時間とに基づいて、前記流体の流量を測定する本体部と、を備え、
前記第１の超音波センサおよび第２の超音波センサのそれぞれは、前記超音波送受信器が設けられ、前記超音波送受信器から送信された超音波を所定の角度で前記流体に入射させるくさびをさらに備え、
前記くさびは、切欠きを有する、
超音波流量計。
【請求項２】
前記切欠きは、前記超音波が前記流体を伝搬する流体伝搬波の前記くさびにおける前記超音波送受信器への伝搬経路の周辺に形成される、
請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記切欠きに所定の部材が充填される、
請求項１または２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記所定の部材は、前記くさびの材料と音響インピーダンスが異なる部材である、
請求項３に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記くさびは、外周に設けられる弾性体を備える、
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の超音波流量計。
【請求項６】
内部を流体が流れる配管の外周から送信された超音波が前記配管の外周で受信されるまでの時間に基づいて、前記流体の流量を測定する超音波流量計用の超音波センサであって、
前記超音波の送信および受信を行う超音波送受信器と、
前記超音波送受信器が設けられ、前記超音波送受信器から送信された超音波を所定の角度で前記流体に入射させるくさびと、を備え、
前記くさびは、切欠きを有する、
超音波流量計用の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明に係るいくつかの態様は、超音波を用いて配管を流れる流体の流量を測定する超音波流量計および超音波流量計用の超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の超音波流量計として、超音波振動子と斜角楔とによって構成した超音波送受波器１対または１対以上を流体の流れる配管の外周に設置し、流体の流れ方向および額方向に超音波を伝搬させたときそれぞれの伝搬時間を計測し、伝搬時間に基づいて計測制御部が流体の流量を演算して周津力するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３２１６７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、超音波振動子から発せられた超音波は、配管を流れる流体を伝搬する流体伝搬波と、配管の管壁で反射して配管を伝搬する配管伝搬波とに分けられる。従来の超音波流量計において、流体伝搬波は検出すべき信号（信号成分）であり、配管伝搬波は信号に対するノイズ（ノイズ成分）である。
【０００５】
しかしながら、従来の超音波流量計では、流体伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）に対して配管伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）を十分に小さくできず、流体伝搬波と配管伝搬波との識別が困難になっていた。そのため、従来の超音波流量計は流体の流量を誤って測定してしまう可能性があった。
【０００６】
本実施形態のいくつかの態様は前述の問題に鑑みてなされたものであり、流体の流量を正確に測定することのできる超音波流量計および超音波流量計用の超音波センサを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る超音波流量計は、内部を流体が流れる配管における上流側の外周に設けられ、超音波の送信および受信を行う超音波送受信器を備える第１の超音波センサと、前述の配管における下流側の外周に設けられ、超音波の送信および受信を行う超音波送受信器を備える第２の超音波センサと、第１の超音波センサから送信された超音波が第２の超音波センサに受信されるまでの時間と、第２の超音波センサから送信された超音波が前記第１の超音波センサに受信されるまでの時間とに基づいて、流体の流量を測定する本体部と、を備え、第１の超音波センサおよび第２の超音波センサのそれぞれは、超音波送受信器が設けられ、超音波送受信器から送信された超音波を所定の角度で前述の流体に入射させるくさびをさらに備え、前述のくさびは、切欠きを有する。
【０００８】
かかる構成によれば、第１の超音波センサおよび第２の超音波センサのそれぞれは、超音波送受信器が設けられ、超音波送受信器から送信された超音波を所定の角度で配管の内部を流れる流体に入射させるくさびを備え、くさびが切欠き２１ｃを有する。これにより、くさびに入射した配管伝搬波は切欠きに阻害されて超音波送受信器に到達しにくくなるので、超音波送受信器に到達する配管伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）を流体伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）に対して小さくする、すなわち、ＳＮ比を向上させることができる。
【０００９】
好ましくは、前述の切欠きは、前述の超音波が前述の流体を伝搬する流体伝搬波のくさびにおける超音波送受信器への伝搬経路の周辺に形成される。
【００１０】
かかる構成によれば、切欠きが、流体伝搬波のくさびにおける超音波送受信器への伝搬経路の周辺に形成される。これにより、切欠きは、超音波送受信器に到達し得る配管伝搬波を効率的に阻害するとともに、流体伝搬波の超音波送受信器への伝搬経路上には形成されないので、くさびに入射した流体伝搬波は切欠きに阻害されることなく、超音波送受信器に到達する。したがって、切欠きは、流体伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）を低減することなく（維持したまま）、超音波送受信器に到達する配管伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）をさらに低減することができるので、ＳＮ比をさらに向上させることができる。
【００１１】
好ましくは、前述の切欠きに所定の部材が充填される。
【００１２】
かかる構成によれば、くさびが有する切欠きに所定の部材が充填される。これにより、くさびに入射した配管伝搬波は切欠きに充填された所定の部材に阻害されて超音波送受信器に到達しにくくなりので、ＳＮ比を向上させることができる。
【００１３】
また、切欠きには所定の部材が充填されるので、くさびは、切欠きを有していても強度の低下を抑制することができる。
【００１４】
好ましくは、前述の所定の部材は、くさびの材料と音響インピーダンスが異なる部材である。
【００１５】
かかる構成によれば、所定の部材が、くさびの材料と音響インピーダンスが異なる材料の部材である。これにより、所定の部材が、くさびの材料に対して音響インピーダンスの差の大きい材料の部材であるほど、切欠きに到達した配管伝搬波を反射しやすくなるので、超音波送受信器に向かう配管伝搬波を阻害することができる。したがって、所定の部材は、超音波送受信器に到達する配管伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）をさらに低減することができるので、ＳＮ比をさらに向上させることができる。
【００１６】
好ましくは、前述のくさびは、外周に設けられる弾性体を備える。
【００１７】
かかる構成によれば、くさびが、外周に設けられる弾性体を備える。これにより、くさびの外周に達した配管伝搬波は弾性体に吸収されやすくなるので、くさびに入射した配管伝搬波の一部を減衰させることができる。したがって、弾性体は、超音波送受信器に到達し得る配管伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）をさらに低減することができるので、ＳＮ比をさらに向上させることができる。
【００１８】
本発明に係る超音波流量計用の超音波センサは、内部を流体が流れる配管の外周から送信された超音波が前述の配管の外周で受信されるまでの時間に基づいて、前述の流体の流量を測定する超音波流量計用の超音波センサであって、前述の超音波の送信および受信を行う超音波送受信器と、超音波送受信器が設けられ、超音波送受信器から送信された超音波を所定の角度で前述の流体に入射させるくさびと、を備え、くさびは、切欠きを有する。
【００１９】
かかる構成によれば、超音波の送信および受信を行う超音波送受信器と、超音波送受信器が設けられ、超音波送受信器から送信された超音波を所定の角度で配管の内部を流れる流体に入射させるくさびと、を備え、くさびが切欠き２１ｃを有する。これにより、くさびに入射した配管伝搬波は切欠きに阻害されて超音波送受信器に到達しにくくなるので、超音波送受信器に到達する配管伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）を流体伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）に対して小さくする、すなわち、ＳＮ比を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の超音波流量計によれば、くさびに入射した配管伝搬波は切欠きに阻害されて超音波送受信器に到達しにくくなるので、超音波送受信器に到達する配管伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）を流体伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）に対して小さくする、すなわち、ＳＮ比を向上させることができる。したがって、超音波流量計は、流体伝搬波と配管伝搬波とを容易に識別することができ、流体の流量を正確に測定することができる。
【００２１】
また、本発明の超音波流量計用の超音波センサによれば、くさびに入射した配管伝搬波は切欠きに阻害されて超音波送受信器に到達しにくくなるので、超音波送受信器に到達する配管伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）を流体伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）に対して小さくする、すなわち、ＳＮ比を向上させることができる。したがって、超音波流量計は、流体伝搬波と配管伝搬波とを容易に識別することができ、流体の流量を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】超音波流量計の概略構成の一例を示す構成図である。
【図２】図１に示した第１超音波センサの構成の一例を説明するための側面図である。
【図３】図１に示した第１超音波センサの構成の一例を説明するための上面図である。
【図４】図３に示したＩＩ−ＩＩ線矢視方向断面図である。
【図５】図１に示した第１超音波センサの構成の他の例を説明する上面図である。
【図６】図１に示した第１超音波センサの構成のさらに他の例を説明するための上面面図である。
【図７】配管の内部を流れる気体の流量の算出方法を説明するための側方断面図である。
【図８】第１超音波センサから送信された超音波が第２超音波センサに受信される様子を説明するための断面図である。
【図９】第１超音波センサに到達した超音波がくさびを伝搬する様子を説明するための側方断面図である。超音波吸収体のＳＮ比を示す表である。
【図１０】仮想的な超音波流量計の受信信号のグラフである。
【図１１】図１に示した受信回路部が出力する受信信号のグラフである。
【図１２】図１０に示した受信信号の一部を拡大したグラフである。
【図１３】図１１に示した受信信号の一部を拡大したグラフである。
【図１４】図９に示した第１超音波センサの変形例を説明するための側方断面図である。
【図１５】図３に示した第１超音波センサの変形例を説明する上面図である。
【図１６】図１に示した超音波流量計の概略構成の他の例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」という。
【００２４】
図１ないし図１６は、本発明に係る超音波流量計および超音波流量計用の超音波センサの一実施形態を示すためのものである。図１は、超音波流量計１００の概略構成の一例を示す構成図である。図１に示すように、超音波流量計１００は、配管Ａの内部を流れる流体、例えば、気体（ガス）や液体の流量を測定するためのものである。超音波流量計１００の測定対象である流体は、図１において白抜き矢印で示す方向（図１における左から右の方向）に流れている。超音波流量計１００は、第１超音波センサ２０Ａと、第２超音波センサ２０Ｂと、本体部５０と、を備える。
【００２５】
第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂは、それぞれ配管Ａの外周に設けられる。図１に示す例では、第１超音波センサ２０Ａが配管Ａにおける上流側に、第２超音センサ２０Ｂが配管Ａにおける下流側に、それぞれ配置される。第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂは、相互に超音波を送受信する。すなわち、第１超音波センサ２０Ａが送信した超音波は、第２超音波センサ２０Ｂによって受信され、第２超音波センサ２０Ｂが送信した超音波は、第１超音波センサ２０Ａによって受信される。
【００２６】
図２は図１に示した第１超音波センサ２０Ａの構成の一例を説明するための側面図であり、図３は図１に示した第１超音波センサ２０Ａの構成の一例を説明するための上面図であり、図４は図３に示したＩＩ−ＩＩ線矢視方向断面図である。第１超音波センサ２０Ａの構成の一例を説明する正面図である。図２ないし図４に示すように、第１超音波センサ２０Ａは、くさび２１と、超音波送受信器２２と、を備える。
【００２７】
くさび２１は、超音波送受信器２２が設けられ、例えば、樹脂製または金属製の部材である。くさび２１は、底面２１ａが配管Ａの外周面に接触するように設置される。また、くさび２１は、底面２１ａに対して所定の角度を有する斜面２１ｂが形成されている。斜面２１ｂには、超音波送受信器２２が設置される。
【００２８】
本実施形態では、底面２１ａが配管Ａの外周面に接触する例を示したが、これに限定されない。底面２１ａと配管Ａの外周面との間に接触媒質（カプラント）を介在させてもよい。
【００２９】
超音波送受信器２２は、超音波の送信および受信を行う。超音波送受信器２２は、例えば、圧電素子などで構成することが可能である。超音波送受信器２２には、リード線（図示省略）が電気的に接続されている。リード線を介して所定周波数の電気信号が印加されと、超音波送受信器２２は、当該所定周波数で振動して超音波を発する。これにより、超音波送受信器２２から超音波が送信される。図４において破線の矢印で示すように、超音波送受信器２２の寸法（縦横の長さ）で送信された超音波は、斜面２１ｂの角度でくさび２１を伝搬する。くさび２１を伝搬する超音波は、くさび２１と配管Ａの外壁との界面で屈折して入射角が変化し、配管Ａの内壁と配管Ａの内部を流れる流体との界面でさら屈折して入射角が変化し、当該流体を伝搬する。界面おける屈折は、スネルの法則に従うので、配管Ａを伝搬するときの超音波の速度、流体を伝搬するときの超音波の速度に基づいて、斜面２１ｂの角度をあらかじめ設定することにより、くさび２１は超音波を所望の角度で配管Ａの内部を流れる流体に入射させることができる。
【００３０】
一方、超音波送受信器２２に超音波が到達すると、超音波送受信器２２は、当該超音波の周波数で振動して電気信号を発生させる。これにより、超音波送受信器２２によって超音波が受信される。超音波送受信器２２に発生した電気信号は、リード線を介して後述する本体部５０で検出される。
【００３１】
また、くさび２１は、くさび２１の一部を切り取った切欠き２１ｃを有する。図３に示すように、くさび２１は、各側面に対して所定の角度を有する矩形状の切欠き２１ｃを４つずつ、合計８つの切欠き２１ｃを有する。また、くさび２１は、上面の中央付近に、さらに３つの切欠き２１ｃを有する。各切欠き２１ｃは、超音波送受信器２２の寸法（縦横の長さ）で送受信される超音波のくさび２１における伝搬経路の周辺に形成される。すなわち、各切欠き２１ｃは、図２および図４において破線の矢印で示す超音波の伝搬経路に達しない（届かない）ように、配置され、寸法（深さ）が決められる。各切欠き２１ｃは、例えば、くさび２１に切削加工を施すことにより形成される。
【００３２】
なお、第２超音波センサ２０Ｂは、第１超音波センサ２０Ａと同様の構成を備える。すなわち、第２超音波センサ２０Ｂも、くさび２１と、超音波送受信器２２と、を備える。よって、前述した第１超音波センサ２０Ａの説明をもって、第２超音波センサ２０Ｂの詳細な説明を省略する。
【００３３】
本実施形態では、くさび２１が１１個の矩形状の切欠き２１ｃを有する例を示したがこれに限定されない。切欠き２１ｃの数は、１個あるいはその他の複数であってもよし、切欠き２１ｃの形状は、矩形状以外の形状であってもよい。
【００３４】
図５は、図１に示した第１超音波センサ２０Ａの構成の他の例を説明するための上面図である。図５に示すように、くさび２１は、各側面に対して直角の矩形状の切欠き２１ｃを３つずつ、合計６つの切欠き２１ｃを有する。図２ないし図４に示した例と同様に、図５に示す各切欠き２１ｃも、超音波送受信器２２の寸法（縦横の長さ）で送受信される超音波のくさび２１における伝搬経路の周辺に形成される。
【００３５】
図６は、図１に示した第１超音波センサ２０Ａの構成のさらに他の例を説明するための上面面図である。図６に示すように、くさび２１は、上面における上辺の付近および下辺の付近に、円形の切欠き２１ｃを２つずつ、合計４つの切欠き２１ｃを有する。図２ないし図４に示した例と同様に、図６に示す各切欠き２１ｃも、超音波送受信器２２の寸法（縦横の長さ）で送受信される超音波のくさび２１における伝搬経路の周辺に形成される。
【００３６】
また、図２ないし図６に示した例では、各切欠き２１ｃは、超音波の伝搬経路に関して対称である例を示したが、これに限定されず、超音波の伝搬経路に関して非対称であってもよい。さらに、第１超音波センサ２０Ａのくさび２１と、第２超音波センサ２０Ｂのくさび２１とは、同一であっても異なっていてもよい。よって、第１超音波センサ２０Ａのくさび２１の切欠き２１ｃと、第２超音波センサ２０Ｂのくさび２１の切欠き２１ｃとは、その形状、個数、配置などにおいて、同一であっても異なっていてもよい。
【００３７】
図１に示す本体部５０は、超音波が配管Ａの内部を流れる流体を伝搬する時間に基づいて当該気体の流量を測定するためのものである。本体部５０は、切替部５１と、送信回路部５２と、受信回路部５３と、計時部５４と、演算制御部５５と、入出力部５６と、を備える。
【００３８】
切替部５１は、超音波の送信および受信を切り替えるためのものである。切替部５１は、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂに接続されている。切替部５１は、例えば、切替スイッチなどを含んで構成することが可能である。演算切替部５１は、演算制御部５５から入力される制御信号に基づいて切替スイッチを切り替え、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂのうちの一方を送信回路部５２に接続させるとともに、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂのうちの他方を受信回路部５３と接続させる。これにより、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂのうちの一方が超音波を送信し、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂのうちの他方が当該超音波を受信することができる。
【００３９】
送信回路部５２は、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂに超音波を送信させるためのものである。送信回路部５２は、例えば、所定周波数の矩形波を生成する発振回路、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂを駆動する駆動回路などを含んで構成することが可能である。送信回路部５２は、演算制御部５５から入力される制御信号に基づいて、駆動回路が発振回路により生成された矩形波を駆動信号として第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂのうちの一方の超音波送受信器２２に出力する。これにより、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂの一方の超音波送受信器２２が駆動され、当該超音波送受信器２２が超音波を送信する。
【００４０】
一般に、超音波は、２０［ｋＨｚ］以上の周波数帯の音波を意味する。よって、超音波送受信器２２が送信する超音波は、２０［ｋＨｚ］以上の周波数帯の音波である。好ましくは、超音波送受信器２２が送信する超音波は、１００［ｋＨｚ］以上であって２．０［ＭＨｚ］以下の周波数帯の超音波である。より好ましくは、超音波送受信器２２が送信する超音波は、０．５［ＭＨｚ］以上であって１．０［ＭＨｚ］以下の周波数帯の超音波である。なお、いずれの場合であっても、第１超音波センサ２０Ａの超音波送受信器２２が送信する超音波と第２超音波センサ２０Ｂの超音波送受信器２２が送信する超音波とは、同一周波数であってもよいし、異なる周波数であってもよい。
【００４１】
受信回路部５３は、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂが受信した超音波を検出するためのものである。受信回路部５３は、例えば、信号を所定の利得（ゲイン）で増幅する増幅回路、所定周波数の電気信号を取り出すためのフィルタ回路などを含んで構成することが可能である。受信回路部５３は、演算制御部５５から入力される制御信号に基づいて、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂのうちの一方の超音波送受信器２２から出力された電気信号を増幅し、フィルタリングして受信信号に変換する。受信回路部５３は、変換した受信信号を演算制御部５５に出力する。
【００４２】
計時部５４は、所定の期間における時間を計測するためのものである。計時部５４は、例えば、発振回路などで構成することが可能である。なお、発振回路は、送信回路部５２と共有するようにしてもよい。計時部５４は、演算制御部５５から入力されるスタート信号およびストップ信号に基づいて、発振回路の基準波の数をカウントして時間を計測する。計時部５４は、計測した時間を演算制御部５５に出力する。
【００４３】
演算制御部５５は、配管Ａの内部を流れる流体の流量を演算により算出するためのものである。演算制御部５５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ、入出力インターフェースなどで構成することが可能である。また、演算制御部５５は、切替部５１、送信回路部５２、受信回路部５３、計時部５４、および、入出力部５６などの本体部５０の各部を制御する。なお、演算制御部５５が流体の流量を算出する方法については、後述する。
【００４４】
入出力部５６は、ユーザ（利用者）が情報を入力し、かつ、ユーザに対して情報を出力するためのものである。入出力部５６は、例えば、操作ボタンなどの入力手段、表示ディスプレイなどの出力手段などで構成することが可能である。ユーザが操作ボタンなどを操作することにより、設定などの各種の情報が入出力部５６を介して演算制御部５５に入力される。また、入出力部５６は、演算制御部５５により算出された流体の流量、流体の速度、所定期間における積算流量などの情報を、表示ディスプレイなどに表示して出力する。
【００４５】
図７は、配管Ａの内部を流れる気体の流量の算出方法を説明するための側方断面図である。図７に示すように、配管Ａの内部を所定の方向（図７において左側から右側への方向）に流れる流体の速度（以下、流速という）をＶ［ｍ／ｓ］、当該流体中を超音波が伝搬するときの速度（以下、音速という）をＣ［ｍ／ｓ］とし、当該流体を伝搬する超音波の伝搬経路長をＬ［ｍ］とし、配管Ａの管軸と超音波の伝搬経路とのなす角度をθとする。ここで、配管Ａの上流側（図７において左側）に設置された第１超音波センサ２０Ａが超音波を送信し、配管Ａの下流側（図７において右側）に設置された第２超音波センサ２０Ｂが当該超音波を受信するときに、当該超音波が配管Ａの内部の流体を伝搬する伝搬時間ｔabは、以下の式（１）で表される。
ｔab＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）  …（１）
【００４６】
一方、配管Ａの下流側に設置された第２超音波センサ２０Ｂが超音波を送信し、配管Ａの上流側に設置された第１超音波センサ２０Ａが当該超音波を受信するときに、当該超音波が配管Ａの内部の流体を伝搬する伝搬時間ｔbaは、以下の式（２）で表される。
ｔba＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）  …（２）
【００４７】
式（１）および式（２）から、流体の流速Ｖは、以下の式（３）で表される。
Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）・｛（１／ｔab）−（１／ｔba）｝  …（３）
【００４８】
式（３）において、伝搬経路長Ｌおよび角度θは、流量の測定前に既知の値であるから、流速Ｖは、伝搬時間ｔabおよび伝搬時間ｔbaを計測することで、式（３）から算出することができる。
【００４９】
そして、配管Ａの内部を流れる流体の流量Ｑ［ｍ3／ｓ］は、流速Ｖ［ｍ／ｓ］と、補数係数Ｋおよび配管Ａの断面積Ｓ［ｍ3／ｓ］と、を用いて以下の式（４）で表される。
Ｑ＝ＫＶＳ  …（４）
【００５０】
したがって、演算制御部５５は、伝搬経路長Ｌ、角度θ、補数係数Ｋ、および、配管Ａの断面積Ｓを、あらかじめメモリなどに記憶しておく。そして、演算制御部５５は、受信回路部５３から入力される受信信号に基づいて、計時５４により伝搬時間ｔabおよび伝搬時間ｔbaを計測することで、式（３）および式（４）から、配管Ａの内部を流れる流体の流量Ｑを算出することができる。
【００５１】
本実施計形態では、図７および式（１）ないし式（４）を用いて、伝搬時間逆数差法により流体の流量を算出する例を示したが、これに限定されない。演算制御部５５は、他の方法、例えば、周知の伝搬時間差法により流体の流量を算出するようにしてもよい。
【００５２】
また、本実施計形態では、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ａの一方が送信した超音波を、配管Ａの内部の流体を伝搬させ、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ａの他方で直接受信する例を示したが、これに限定されない。配管Ａの内部の流体を伝搬する超音波は、配管Ａの内壁で反射し得る。よって、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ａの他方は、配管Ａの内壁で２ｎ回（ｎは正の整数）反射した超音波を受信してもよい。
【００５３】
図８は、第１超音波センサ２０Ａから送信された超音波が第２超音波センサ２０Ｂに受信される様子を説明するための断面図である。図８に示すように、例えば、第１超音波センサ２０Ａから送信された超音波は、配管Ａを通過（透過）して配管Ａの内部の流体を伝搬する流体伝搬波Ｗ1と、配管Ａの管壁で反射して配管Ａを伝搬する配管伝搬波Ｗ2とに分けられる。流体伝搬波Ｗ1は、再び配管Ａを通過して第２超音波センサ２０Ｂに到達する。一方、配管伝搬波Ｗ2も、配管Ａの内壁および外壁を複数回反射しながら第２超音波センサ２０Ｂに到達し得る。図示およびその詳細な説明を省略するが、第１超音波センサ２０Ａから送信された超音波の場合と同様に、第２超音波センサ２０Ａから送信された超音波も、流体伝搬波Ｗ1と配管伝搬波Ｗ2とに分けられ、流体伝搬波Ｗ1は配管Ａを通過して第１超音波センサ２０Ａに到達するとともに、配管伝搬波Ｗ2も配管Ａの内壁および外壁を複数回反射しながら第１超音波センサ２０Ａに到達し得る。
【００５４】
一般に、一方の媒質を伝搬する音波が、他方の媒質との界面で透過（通過）するか、反射するかは、一方の媒質と他方の媒質との音響インピーダンスの差によって決まる。すなわち、音響インピーダンスの差が小さいほど、一方の配質を伝搬する音波は他方の媒質に透過し、音響インピーダンスの差が大きいほど、一方の配質を伝搬する音波は他方の媒質との界面で反射する傾向がある。
【００５５】
特に、配管Ａの内部を流れる流体が、例えば、気体である場合、気体の音響インピーダンスは、液体の音響インピーダンスと比較して小さい。そのため、気体の音響インピーダンスと、配管の材料、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）などの金属や合成樹脂などの高分子化合物の音響インピーダンスとの差が相対的に大きくなるので、超音波は、配管Ａを透過（通過）して内部を流れる気体を伝搬する割合（透過率）が少なく（小さく）、つまり、配管Ａの管壁で反射する割合（反射率）が多く（大きく）、配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）は相対的に大きくなる。
【００５６】
ここで、超音波の流体伝搬波Ｗ1を受信して伝搬時間を計測し、当該伝搬時間に基づいて流量を測定する超音波流量計において、流体伝搬波Ｗ1は検出すべき信号（新合成分）であり、配管伝搬波Ｗ2は信号に対するノイズ（ノイズ成分）である。そのため、流体伝搬波Ｗ1のエネルギー（大きさ、または強度）に対して配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）が十分に小さくないと、流体伝搬波Ｗ1と配管伝搬波Ｗ2との識別が困難になる。その結果、流体伝搬波Ｗ1と配管伝搬波Ｗ2とを取り違えて伝搬時間の計測を誤り、誤った伝搬時間に基づいて流体の流量を測定してしまう可能性がある。
【００５７】
図９は、第１超音波センサ２０Ａに到達した超音波がくさび２１を伝搬する様子を説明するための側方断面図である。図９に示すように、流体伝搬波Ｗ1は、配管Ａの内部を流れる流体と配管Ａの内壁との界面で屈折し、配管Ａの外壁とくさび２１との界面でさらに屈折して、くさび２１に入射する。くさび２１に入射した流体伝搬波Ｗ1は、図９において破線の矢印で示す伝搬経路の範囲内で超音波送受信器２２に到達し、受信される。一方、くさび２１に入射した配管伝搬波Ｗ2の一部は、図９において一点鎖線の矢印で示すように、切欠き２１ｃによって反射される。また、くさび２１に入射した配管伝搬波Ｗ2の他の一部は、図９において二点鎖線の矢印で示すように、切欠き２１ｃに沿う方向に向きが変えられる。このように、くさび２１が切欠き２１ｃを有することにより、くさび２１に入射した配管伝搬波Ｗ2は切欠き２１ｃに阻害されて超音波送受信器２２に到達しにくくなりので、超音波送受信器２２に到達する配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）を流体伝搬波Ｗ1のエネルギー（大きさ、または強度）に対して小さくする、すなわち、ＳＮ比を向上させることができる。
【００５８】
また、各切欠き２１ｃは、図９において破線の矢印で示す、流体伝搬波Ｗ1のくさび２１における超音波送受信器２２への伝搬経路の周辺に形成される。これにより、各切欠き２１ｃは、超音波送受信器２２に到達し得る配管伝搬波Ｗ2を効率的に阻害するとともに、流体伝搬波Ｗ1の超音波送受信器２２への伝搬経路上には形成されないので、くさび２１に入射した流体伝搬波Ｗ1は各切欠き２１ｃに阻害されることなく、超音波送受信器２２に到達する。
【００５９】
図示およびその詳細な説明を省略するが、図９に示す第１超音波センサ２０Ａに到達した超音波がくさび２１を伝搬する場合と同様に、第２超音波センサ２０Ｂに到達した超音波がくさび２１を伝搬するときも、くさび２１に入射した配管伝搬波Ｗ2の一部は切欠き２１ｃによって反射され、また、くさび２１に入射した配管伝搬波Ｗ2の他の一部は切欠き２１ｃに沿う方向に向きが変えられる。
【００６０】
図１０は仮想的な超音波流量計の受信信号のグラフであり、図１１は図１に示した受信回路部５３が出力する受信信号のグラフである。図１０および図１１において、横軸は時間であり、縦軸は電圧（受信信号の振幅）である。また、配管の内部を流れる流体は気体を用いた。なお、図１０に受信信号のグラフを示す仮想的な超音波流量計は、超音波流量計１００との比較のために、切欠きを有さないくさびを備える第１超音波センサおよび第２超音波センサを備える超音波流量計であり、本体部などのその他の構成は超音波流量計１００と同様である。図１１に示すように、超音波流量計１００の受信信号は、図１０に示す仮想的な超音波流量計の受信信号と比較して、一部を除き、全体的に電圧が小さくなっている。このように、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂが備えるくさび２１の切欠き２１ｃによって、配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）は低減しているのがわかる。
【００６１】
図１２は図１０に示した受信信号の一部を拡大したグラフであり、図１３は図１１に示した受信信号の一部を拡大したグラフである。図１２および図１３は、図１０および図１１と同様に、横軸は時間であり、縦軸は電圧（受信信号の振幅）である。図１３に示すように、超音波流量計１００は、時間ｔ13と時間ｔ14との間の時間帯に、相対的に大きな電圧の信号を受信しており、演算制御部５５は、これを流体伝搬波Ｗ1として検出し、流体伝搬波Ｗ1と配管伝搬波Ｗ2とを識別することができる。また、時間ｔ13と時間ｔ14との間の流体伝搬波Ｗ1に対して、その近傍における配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）が低減しているので、超音波流量計１００のＳＮ比は大きくなる。これに対して、図１２に示す仮想的な超音波流量計では、時間ｔ13と時間ｔ14との間の時間帯に加え、時間ｔ10と時間ｔ11との間の時間帯をはじめとする多くの時間帯で、相対的に大きな電圧の信号を受信しており、これらの信号は配管伝搬波Ｗ2によるものである。このように、仮想的な超音波流量計の受信信号では、配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）が大きいので、演算制御部は、いずれの時間帯の信号が流体伝搬波Ｗ1であるか、流体伝搬波Ｗ1と配管伝搬波Ｗ2との識別が困難になる。また、仮に演算制御部が時間ｔ13と時間ｔ14との間の流体伝搬波Ｗ1を正しく認識したとしても、時間ｔ13と時間ｔ14との間の時間帯の近傍における配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）が大きいため、超音波流量計１００と比較して、仮想的な超音波流量計のＳＮ比は小さくなる。
【００６２】
本実施形態では、くさび２１が有する切欠き２１ｃは、くさび２１の一部を切り取った隙間（空隙）である例を示したが、これに限定されない。切欠き２１ｃは、例えば、充填材で充填されていてもよい。
【００６３】
図１４は、図９に示した第１超音波センサ２０Ａの変形例を説明するための側方断面図である。なお、図９に示した第１超音波センサ２０Ａと同一構成部分は同一符号をもって表し、その説明を適宜省略する。また、図９に示した第１超音波センサ２０Ａと類似する構成部分は類似の符号をもって表し、その詳細な説明を省略する。さらに、図示しない構成部分は、図９に示した第１超音波センサ２０Ａと同様とする。図１４に示すように、くさび２１Ａの切欠き２１ｃには、充填材２３が充填される。図９に示したくさび２１の場合と同様に、くさび２１Ａに入射した流体伝搬波Ｗ1は、図１４において破線の矢印で示す伝搬経路で超音波送受信器２２に到達し、受信される。一方、くさび２１Ａに入射した配管伝搬波Ｗ2の一部は、図１４において一点鎖線の矢印で示すように、切欠き２１ｃの充填材２３によって反射される。また、くさび２１Ａに入射した配管伝搬波Ｗ2の他の一部は、図１４において二点鎖線の矢印で示すように、切欠き２１ｃに沿う方向に向きが変えられる。このように、図９に示したくさび２１が有する切欠き２１ｃの場合と同様に、くさび２１Ａが有する切欠き２１ｃに充填材２３を充填したときも、くさび２１に入射した配管伝搬波Ｗ2は切欠き２１ｃの充填材２３に阻害されて超音波送受信器２２に到達しにくくなりので、ＳＮ比を向上させることができる。
【００６４】
また、切欠き２１ｃには充填材２３が充填されるので、くさび２１Ａは、切欠き２ｃを有していても強度の低下を抑制することができる。
【００６５】
充填材２３は、くさび２１Ａの材料と音響インピーダンスが異なる材料の部材であることが好ましい。これにより、充填材２３が、くさび２１Ａの材料に対して音響インピーダンスの差の大きい材料の部材であるほど、切欠き２１ｃに到達した配管伝搬波Ｗ2を反射しやすくなるので、超音波送受信器２２に向かう配管伝搬波Ｗ2を阻害することができる。
【００６６】
なお、図１４では、くさび２１Ａが側面に有する各切欠き２１ｃに充填剤２３を充填する例を示したが、これに限定されない。例えば、くさび２１Ａが有する各切欠き２１ｃの全てに充填剤２３を充填するようにしてもよいし、くさび２１Ａが有する各切欠き２１ｃのうちの少なくとも一つに充填剤２３を充填するようにしてもよい。
【００６７】
また、本実施形態では、くさび２１が超音波送受信器２２のみを備える例を示したが、これに限定されない。くさび２１は、例えば、外周に設けられる弾性体を備えていてもよい。
【００６８】
図１５は、図３に示した第１超音波センサ２０Ａの変形例を説明する上面図である。なお、図３に示した第１超音波センサ２０Ａと同一構成部分は同一符号をもって表し、その説明を適宜省略する。また、図３に示した第１超音波センサ２０Ａと類似する構成部分は類似の符号をもって表し、その詳細な説明を省略する。さらに、図示しない構成部分は、図３に示した第１超音波センサ２０Ａと同様とする。図１５に示すように、くさび２１Ｂは、上面および斜面２１ｂの両側面のそれぞれに設けられた弾性体２４を備える。各弾性体２４は、弾性を有する材料、例えば、天然ゴムや合成ゴムなどのゴム（ラバー）であり、超音波の周波数帯の振動を吸収する能力（吸収性能）が高い材料である。各弾性体２４は、くさび２１Ｂに各切欠き２１ｃを形成した後、例えば接着剤を介して側面に付着され、設置される。このように、くさび２１Ｂが、外周に設けられる弾性体２４を備えることにより、くさび２１Ｂの外周に達した配管伝搬波Ｗ2は弾性体２４に吸収されやすくなるので、くさび２１Ｂに入射した配管伝搬波Ｗ2の一部を減衰させることができる。
【００６９】
なお、図１５では、くさび２１Ｂの各側面に弾性体２４を設ける例を示したが例を示したが、これに限定されない。弾性体２４は、超音波送受信器２２に干渉しない限り、斜面２１ｂに設けるようにしてもよい。また、弾性体２４の数は２つに限定されず、１つであってもよいし、３つ以上の複数であってもよい。
【００７０】
また、図１では、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂが互いに対向するように、図１において配管Ａの上側に第１超音波センサ２０Ａを配置し、配管Ａの下側に第２超音波センサ２０Ｂを配置する例を示したが、これに限定されない。第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂは、配管Ａの上流側と下流側との外周に設けられていればよい。
【００７１】
図１６は、図１に示した超音波流量計１００の概略構成の他の例を示す構成図である。なお、図１に示した超音波流量計１００と同一構成部分は同一符号をもって表し、その説明を適宜省略する。図１６に示すように、第１超音波センサ２０Ａは配管Ａにおける上流側（図１６において左側）の外周に、第２超音波センサ２０Ｂは配管Ａにおける下流側（図１６において右側）の外周に、それぞれ設けられる。第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂは、ともに、図１６において配管Ａの上側に、配管Ａの管軸に平行な直線上に配置される。このような配置の場合、例えば、第１超音波センサ２０Ａから送信した超音波の流体伝搬波Ｗ1は、配管Ａの内壁で反射されて第２超音波センサ２０Ｂに到達する反射法（Ｖ法）により受信される。
【００７２】
このように、本実施形態における超音波流量計１００によれば、第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂのそれぞれは、超音波送受信器２２が設けられ、超音波送受信器２２から送信された超音波を所定の角度で配管Ａの内部を流れる流体に入射させるくさび２１，２１Ａ，２１Ｂを備え、くさび２１，２１Ａ，２１Ｂが切欠き２１ｃを有する。これにより、くさび２１，２１Ａ，２１Ｂに入射した配管伝搬波Ｗ2は切欠き２１ｃに阻害されて超音波送受信器２２に到達しにくくなるので、超音波送受信器２２に到達する配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）を流体伝搬波Ｗ1のエネルギー（大きさ、または強度）に対して小さくする、すなわち、ＳＮ比を向上させることができる。したがって、超音波流量計１００は、流体伝搬波Ｗ1と配管伝搬波Ｗ2とを容易に識別することができ、流体の流量を正確に測定することができる。
【００７３】
また、本実施形態における超音波流量計１００によれば、切欠き２１ｃが、流体伝搬波Ｗ1のくさび２１，２１Ａ，２１Ｂにおける超音波送受信器２２への伝搬経路の周辺に形成される。これにより、切欠き２１ｃは、超音波送受信器２２に到達し得る配管伝搬波Ｗ2を効率的に阻害するとともに、流体伝搬波Ｗ1の超音波送受信器２２への伝搬経路上には形成されないので、くさび２１に入射した流体伝搬波Ｗ1は切欠き２１ｃに阻害されることなく、超音波送受信器２２に到達する。したがって、切欠き２１ｃは、流体伝搬波Ｗ1のエネルギー（大きさ、または強度）を低減することなく（維持したまま）、超音波送受信器２２に到達する配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）をさらに低減することができるので、ＳＮ比をさらに向上させることができる。
【００７４】
また、本実施形態における超音波流量計１００によれば、くさび２１Ａが有する切欠き２１ｃに充填材２３が充填される。これにより、図９に示したくさび２１が有する切欠き２１ｃの場合と同様に、くさび２１に入射した配管伝搬波Ｗ2は切欠き２１ｃの充填材２３に阻害されて超音波送受信器２２に到達しにくくなりので、ＳＮ比を向上させることができる。
【００７５】
また、切欠き２１ｃには充填材２３が充填されるので、くさび２１Ａは、切欠き２１ｃを有していても強度の低下を抑制することができる。
【００７６】
また、本実施形態における超音波流量計１００によれば、充填材２３が、くさび２１Ａの材料と音響インピーダンスが異なる材料の部材である。これにより、充填材２３が、くさび２１Ａの材料に対して音響インピーダンスの差の大きい材料の部材であるほど、切欠き２１ｃに到達した配管伝搬波Ｗ2を反射しやすくなるので、超音波送受信器２２に向かう配管伝搬波Ｗ2を阻害することができる。したがって、充填材２３は、超音波送受信器２２に到達する配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）をさらに低減することができるので、ＳＮ比をさらに向上させることができる。
【００７７】
また、本実施形態における超音波流量計１００によれば、くさび２１Ｂが、外周に設けられる弾性体２４を備える。これにより、くさび２１Ｂの外周に達した配管伝搬波Ｗ2は弾性体２４に吸収されやすくなるので、くさび２１Ｂに入射した配管伝搬波Ｗ2の一部を減衰させることができる。したがって、弾性体２４は、超音波送受信器２２に到達し得る配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）をさらに低減することができるので、ＳＮ比をさらに向上させることができる。
【００７８】
また、本実施形態における超音波流量計１００用の第１超音波センサ２０Ａおよび第２超音波センサ２０Ｂのそれぞれは、超音波の送信および受信を行う超音波送受信器２２と、超音波送受信器２２が設けられ、超音波送受信器２２から送信された超音波を所定の角度で配管Ａの内部を流れる流体に入射させるくさび２１，２１Ａ，２１Ｂと、を備え、くさび２１，２１Ａ，２１Ｂが切欠き２１ｃを有する。これにより、くさび２１，２１Ａ，２１Ｂに入射した配管伝搬波Ｗ2は切欠き２１ｃに阻害されて超音波送受信器２２に到達しにくくなるので、超音波送受信器２２に到達する配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）を流体伝搬波Ｗ1のエネルギー（大きさ、または強度）に対して小さくする、すなわち、ＳＮ比を向上させることができる。したがって、超音波流量計１００は、流体伝搬波Ｗ1と配管伝搬波Ｗ2とを容易に識別することができ、流体の流量を正確に測定することができる。
【００７９】
なお、前述した実施形態の構成は、組み合わせたり、あるいは一部の構成部分を入れ替えたりしたりしてもよい。また、本実施形態の構成は前述した実施形態のみに限定されるものではなく、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。
【符号の説明】
【００８０】
２０Ａ…第１超音波センサ
２０Ｂ…第２超音波センサ
２１、２１Ａ，２１Ｂ…くさび
２１ａ…底面
２１ｂ…斜面
２１ｃ…切欠き
２２…圧電素子
２３…充填材
２４…弾性体
５０…本体部
５１…切替部
５２…送信回路部
５３…受信回路部
５４…計時部
５５…演算制御部
５６…入出力部
１００…超音波流量計
Ａ…配管
Ｗ1…流体伝搬波
Ｗ2…配管伝搬波
【図１】
2014157071.tif 000003
【図２】
2014157071.tif 000004
【図３】
2014157071.tif 000005
【図４】
2014157071.tif 000006
【図５】
2014157071.tif 000007
【図６】
2014157071.tif 000008
【図７】
2014157071.tif 000009
【図８】
2014157071.tif 000010
【図９】
2014157071.tif 000011
【図１０】
2014157071.tif 000012
【図１１】
2014157071.tif 000013
【図１２】
2014157071.tif 000014
【図１３】
2014157071.tif 000015
【図１４】
2014157071.tif 000016
【図１５】
2014157071.tif 000017
【図１６】
2014157071.tif 000018