(57)【要約】【課題】超音波の伝播方向や伝播経路を改善し、効果的に気体の流速または流量を測定することができる超音波流量計を提供する。【解決手段】管１の内面１２から流体への屈折角が６°から７°の縦波となるように斜角入射する送信用トランスデューサ２と、流体を横断伝播するとともに管の内面でのモード変換で横波超音波として管壁を伝播して管の表面に達する超音波を受信する受信用トランスデューサ３とが備えられている。受信用トランスデューサ３を送信用トランスデューサ２より下流側に配置した第１測定モードにおける超音波受信信号と、受信用トランスデューサ３を送信用トランスデューサ２より上流側に配置した第２測定モードにおける超音波受信信号との伝播時間差から流体の流速または流量が算定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管の表面から横波超音波として斜角入射するとともに前記管の内面でのモード変換で縦波超音波として管内流体を横断伝播する超音波を送信する送信用超音波トランスデューサと、
前記縦波超音波として前記管内流体を横断伝播するとともに前記管の内面でのモード変換で横波超音波として管壁を伝播して前記管の表面に達する超音波を受信する受信用超音波トランスデューサと、
前記受信用超音波トランスデューサを前記送信用超音波トランスデューサより下流側に配置した第１測定モードにおける超音波受信信号と、前記受信用超音波トランスデューサを前記送信用超音波トランスデューサより上流側に配置した第２測定モードにおける超音波受信信号との伝播時間差から前記管内流体の流速または流量あるいはその両方を算定する評価ユニットとを備え、
前記管の内面から流体へ入射する縦波超音波の屈折角が６°から７°に設定されている超音波流量計。
【請求項２】
前記送信用超音波トランスデューサが、前記管壁における共振周波数を有する超音波を送信するように構成された請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記管の周壁に沿って伝播する壁体伝播超音波を吸収するために前記送信用超音波トランスデューサと前記受信用超音波トランスデューサの間の前記管の表面に載置される超音波吸収部材と、前記超音波吸収部材を前記管の表面に所定圧力で押し付ける締付ユニットが備えられている請求項１または２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記超音波吸収部材は複数層からなり、各層の音響インピーダンスは前記管の外周面に近い層ほど前記管の音響インピーダンスとの差が少ない請求項３に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記超音波はバースト波であり、前記評価ユニットは、前記バースト波を構成する各波のピークをバースト波ピーク列として検出し、前記第１測定モードと前記第２測定モードにおける前記バースト波ピーク列の時間差に基づいて前記管内流体の流速または流量あるいはその両方を算定する請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波流量計。
【請求項６】
管の内面から流体へ入射される超音波が６°から７°の入射角で縦波超音波として斜角入射するとともに前記管の内面でのモード変換で縦波超音波として管内流体を横断伝播する超音波を送信する送信用超音波トランスデューサを管の表面に配置するステップと、
前記縦波超音波として前記管内流体を横断伝播したのちに前記管の内面でのモード変換で横波超音波として管壁を伝播して前記管の表面に達する超音波を受信するように、受信用超音波トランスデューサを配置するステップと、
前記受信用超音波トランスデューサを前記送信用超音波トランスデューサより下流側に配置した第１測定モードにおける超音波受信信号と、前記受信用超音波トランスデューサを前記送信用超音波トランスデューサより上流側に配置した第２測定モードにおける超音波受信信号との伝播時間差から前記管内流体の流速または流量あるいはその両方を算定するステップと、
を備える超音波流量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管内流体の流速に基づく流量を測定する超音波流量計及び超音波流量測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波流量計として、管内の流体にその流れに沿う方向とその流れに逆行する方向とで超音波を斜角入射させ、それぞれの超音波の伝播時間の差から流速を求め、さらにその流速と管断面積とから流量を求める、伝播時間差方式超音波流量計が知られている（例えば、特許文献１）。その際、超音波の送受信を管の表面から行うクランプオン式が、既設管を流れる流体の流量測定に用いられている。
【０００３】
さらに、特許文献２には、送信用トランスデューサと受信用トランスデューサとを二組用意し、各組で異なる周波数の超音波信号を用いられる超音波流量計が開示されている。この流量計では、それぞれの受信用トランスデューサで受信された超音波信号の強度に対して相互相関関数を適用することにより、一組目の受信波形と二組目の受信波形のパターンが一致する時間と、この時間と二組のトランスデューサが配置されている間隔から流量が測定される。その際、送信用トランスデューサから横波（せん断波）を管壁に入射角７０°で入射させ、管内面でのモード変換で生じた縦波で管内流体を横断し、再び管内面でモード変換して生じた横波を受信用トランスデューサに受信させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５０６４４号公報
【特許文献２】特表２００２−５３５６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
超音波の送受信を管の表面から行うクランプオン式の超音波流量計の場合、管の表面への超音波の入射時に発生する表面波や板波、さらには管の表面と内面との間で反射を繰り返す反射波がノイズ波となるため、このノイズ波を回避することが重要である。さらに、測定対象となる流体が気体の場合、横波は気体中を伝播しないので、縦波で管内を横断させる必要がある。また、管材料は金属や合成樹脂であり、気体との音響インピーダンスの差が大きいことから、その境界面の通過時に大きな音圧損失が生じる。このため、十分な受信信号レベルを確保するためには、できるだけ強い超音波を入射させる必要があるが、強い超音波の送信は、ノイズ波の強度も大きくするという問題を引き起こす。
特許文献２による超音波流量計では、入射角７０°で入射させた横波を管内面でモード変換させて生じた縦波を管内流体に伝播させている。これは、この超音波流量計が採用している方法では、入射された超音波を管の表面と内面との間で繰り返し反射（スキップ）させるためである。このように入射角７０°で入射させた横波は、効率よく管の表面と内面との間でスキップするが、このスキップ波（管壁反射波）が伝播時間差方式にとっては致命的となるような強いノイズ波となってしまう。
【０００６】
本発明の目的は、上述したような従来の超音波流量計で用いられていた超音波の伝播方向や伝播経路を改善し、効果的に気体の流速または流量を測定することができる超音波流量計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による超音波流量計は、管の表面から横波超音波として斜角入射するとともに前記管の内面でのモード変換で縦波超音波として管内流体を横断伝播する超音波を送信する送信用超音波トランスデューサと、前記縦波超音波として前記管内流体を横断伝播するとともに前記管の内面でのモード変換で横波超音波として管壁を伝播して前記管の表面に達する超音波を受信する受信用超音波トランスデューサと、前記受信用超音波トランスデューサを前記送信用超音波トランスデューサより下流側に配置した第１測定モードにおける超音波受信信号と、前記受信用超音波トランスデューサを前記送信用超音波トランスデューサより上流側に配置した第２測定モードにおける超音波受信信号との伝播時間差から前記管内流体の流速または流量あるいはその両方を算定する評価ユニットとを備え、前記管の内面から流体へ入射する縦波超音波の屈折角が６°から７°に設定されている。
【０００８】
この構成のように、管内流体を横断する縦波が６°から７°という小さい屈折角で管の内面から流体へ入射させるためには、管壁を斜めに横断する横波を送信用超音波トランスデューサから送り出し、この横波が管内面において管内流体に入射する縦波を発生させるモード変換を利用することになる。つまり、送信用超音波トランスデューサから送り出され、管壁を斜めに横断した横波からモード変換により生じた縦波で管内流体を横断し、再び横波にモード変換され、受信用超音波トランスデューサによって受信される超音波受信信号を用いて、管内流体の流速または流量あるいはその両方を算定される。管内流体を横断する超音波として縦波を用いているので、管内流体が気体であっても問題なく測定することができる。その際、管壁中の横波速度と流体中の縦波速度を考慮すると、管の表面から入射する横波超音波の入射角は９０°に近くなることから、スキップ波に起因するノイズ波の音圧は、例えば特許文献２に示されているような７０°程度の入射角で入射された横波に基づくノイズ波に比べて低くなる。例えば、ガス管などの使用されている鋳鉄管、鋼管、樹脂管などの横波音速、及びガスの音速を考慮すると、管の表面から入射する横波超音波の入射角が８０°から８５°程度となるので、受信用超音波トランスデューサを受信する信号のＳ／Ｎが良好となる。例えば、管壁を伝播している横波の音圧中心軸と管壁横断角（傾斜角）でもある入射角が８５°を超えると、送信用超音波トランスデューサから送信された超音波が管の外表面に入る際に、その超音波成分の大部分が表面波となり、この発明で利用する横波成分が不十分となる。また、入射角が８０°を下回ると、上述したようなスキップ波（管壁反射波）が大きくなり、ノイズ波の増加を導く。このことから、管の内面から流体へ入射する縦波超音波の屈折角を、前述したように６°から７°が適切であり、少なくとも５°から１０°とすることが、本発明では提案される。
しかも、この超音波流量計では、伝播時間差法を採用しているので、一組の超音波トランスデューサを用意するだけでよい。第１測定モードと第２測定モードでの測定とでは、各超音波トランスデューサの送信機能と受信機能を逆にすればよい。
【０００９】
ここで、管と流体の音速と縦波の屈折角の関係を例を挙げて説明する。測定対象となる流体が、２００ｍ／秒〜４５０ｍ／秒の音速を有する気体であり、前記管が鋼製であるとする。例えば、その流体が都市ガス（その音速は約３７６ｍ／秒）である場合、鋼管の横波音速は約３２００ｍ／秒であるので、管内入射角が８０°から８５°の横波が管内面でのモード変換によって生み出す縦波の屈折角は６．６°〜６．７°となる。これは、従来の伝播時間差法で用いられていた屈折角が３０°を超えていることを考えるとかなり小さな角度であり、これにより、測定超音波の管内流体を横断する伝播距離も短縮化され、拡散などによる超音波減衰も抑制される。モード変換による音圧の低下を考慮すると、このような超音波減衰の抑制は好都合である。
【００１０】
管壁を伝播する超音波の音圧低下をできるだけ回避するために、本発明の好適な実施形態では、前記送信用超音波トランスデューサが、前記管壁における共振周波数を有する超音波を送信するように構成されている。管壁での共振周波数を有する超音波を用いることで、より大きな音圧の超音波受信信号が得られる。
【００１１】
超音波の管壁伝播に伴って発生した反射波や板波や表面波などのノイズ波をできるだけ減衰させることが、満足できるＳ／Ｎ比を有する超音波受信信号を得るために重要である。この目的のため、本発明の好適な実施形態では、前記管の周壁に沿って伝播する壁体伝播超音波を吸収するために前記送信用超音波トランスデューサと前記受信用超音波トランスデューサの間の前記管の表面に載置される超音波吸収部材と、前記超音波吸収部材を前記管の表面に所定圧力で押し付ける締付ユニットが備えられている。この構成では、ノイズ波は管壁を伝播する途中で管の表面に装着された超音波吸収部材によって部分的に吸収される。しかも、その超音波吸収部材は管の表面（外周面）に締付ユニットに押し付けられるので、ノイズ波の管の表面から超音波吸収部材へ入射効率が高まる。
【００１２】
管壁を伝播するノイズ波をできるだけスムーズに超音波吸収部材に入射させるには、管壁の音響インピーダンスと超音波吸収部材の音響インピーダンスとの差が少ない方がよい。しかしながら、互いの音響インピーダンスを近似させてノイズ波をスムーズに超音波吸収部材に入射させたとしても、そのノイズ波が超音波吸収部材の外周面で再び反射して管壁に戻って再び管壁に入射することは避けなければならない。従って、超音波吸収部材に入射したノイズ波は散乱や段階的な反射などによりできるだけ超音波吸収部材の内部でその音圧エネルギを低減させるとよい。この目的のため、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記超音波吸収部材は複数層からなり、各層の音響インピーダンスは前記管の外周面に近い層ほど前記管の音響インピーダンスとの差が少なくなるように構成されている。
【００１３】
伝播時間差法による流速測定では、２つの超音波受信信号の伝播時間の差を算定する必要があるが、その時間差は、マイクロ秒オーダとなる。このため、より正確な時間差を算定するためには、複数の波からなる超音波受信信号の包絡線を利用するよりは、１つ１つの波のピークを利用するのが好都合である。したがって、本発明の好適な実施形態では、前記超音波はバースト波であり、前記評価ユニットは、前記バースト波を構成する各波のピークをバースト波ピーク列として検出し、前記第１測定モードと前記第２測定モードにおける前記バースト波ピーク列の時間差に基づいて前記管内流体の流速または流量あるいはその両方を算定するように構成されている。
【００１４】
本発明は、上述し超音波流量計だけでなく、管内を流れる流体の速度や流量を測定する超音波流量測定方法も対象としている。本発明による超音波流量測定方法は、管の内面から流体へ入射される超音波が６°から７°の入射角で縦波超音波として斜角入射するとともに前記管の内面でのモード変換で縦波超音波として管内流体を横断伝播する超音波を送信する送信用超音波トランスデューサを管の表面に配置するステップと、前記縦波超音波として前記管内流体を横断伝播したのちに前記管の内面でのモード変換で横波超音波として管壁を伝播して前記管の表面に達する超音波を受信するように、受信用超音波トランスデューサを配置するステップと、前記受信用超音波トランスデューサを前記送信用超音波トランスデューサより下流側に配置した第１測定モードにおける超音波受信信号と、前記受信用超音波トランスデューサを前記送信用超音波トランスデューサより上流側に配置した第２測定モードにおける超音波受信信号との伝播時間差から前記管内流体の流速または流量あるいはその両方を算定するステップとからなる。この超音波流量測定方法がもたらす作用効果は、上述した超音波流量計で述べた通りである。また、好適な実施形態として述べられた種々の特徴もこの超音波流量測定方法にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の基本的な構成を説明する模式図である。
【図２】本発明による超音波流量計の具体的な実施形態の１つを示す側面図である。
【図３】送信用超音波トランスデューサと受信用超音波トランスデューサとを結ぶ面を切断面とする断面模式図である。
【図４】締付ユニットを省いた状態での超音波流量計の構成要素を示す模式図である。
【図５】超音波受信信号の一例を示す波形図である。
【図６】利用された超音波の伝播経路とその際の受信波形を示す模式図である。
【図７】超音波の伝播経路の別実施形態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明による超音波流量計に採用されている、管内を流れる流体に対する流速測定の基本原理を図１の模式図を用いて説明する。なお、この流体は、気体でもよいし、液体でもよい。
図１に示された管１の内部を都市ガス、空気、ＬＰＧ、水などの流体が流れている。本発明による超音波流量計はクランプオン式であり、管１の表面（外周面）１１に送信され、流体を通過した超音波を再び表面（外周面）１１から受信し、この受信信号を評価することで管１を流れる流体の速度を測定する。この流速測定には、伝播時間差法が用いられている。伝播時間差法では、２つの送受信可能な超音波トランスデューサ２，３が上流側と下流側に配置される。上流側の超音波トランスデューサ（送信用超音波トランスデューサ）２から超音波を送信して下流側の超音波トランスデューサ３（受信用超音波トランスデューサ）で受信するまでの伝播時間と、下流側の超音波トランスデューサ（送信用超音波トランスデューサ）３から超音波を送信して上流側の超音波トランスデューサ（受信用超音波トランスデューサ）２で受信するまでの伝播時間との時間差から、管内を流れる流体の速度が求められる。ここでは、前者の配置構成での測定を第１測定モードと称し、後者の配置構成での測定を第２測定モードと称する。流体の速度が求められると、管１の断面積を乗じれば（必要に応じて流量補正係数も用いられる）流量が得られる。
【００１７】
図１に示されているように、送信用超音波トランスデューサ２から傾斜角θ１で管１の外表面１１から管１に入った超音波は、横波超音波として傾斜角θ２で管壁内を伝播する。管１の内面１２に達した横波超音波は、入射角θ２で流体に入るが、その際に生じるモード変換によって縦波超音波として屈折角θ３で流体内を斜めに伝播する。流体を斜め横断して管１の内面１２に達した縦波超音波は再びモード変換を通じて横波超音波として管壁内に入り、管１の外表面１１から出て受信用超音波トランスデューサ３によって受信される。
ここで、流体を斜め横断する縦波超音波の伝播経路長をＬとし、管１を流れている流体の音速をＣとし、流体の速度をＶとすると、よく知られているように、第１測定モードでの伝播時間Ｔ１と第２測定モードでの伝播時間Ｔ２との差ΔＴは以下の式で表すことができる。
ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１＝（２ＬＶｃｏｓ（９０−θ３））／Ｃ2。
よって、流体の速度Ｖは、
Ｖ＝Ｃ2ΔＴ／（２Ｌｃｏｓ（９０−θ３））
となり、ΔＴから求めることできる。
管１の内面１２を境界面とする縦波超音波の屈折角θ３は、その境界面への入射角θ２、管１の横波音速、流体の縦波音速によって変化する。本発明では、管表面への入射角θ２を８０°〜８５°に設定することで、管壁を反射しながら伝播する反射波を抑制している。例えば、管１の材料として横波音速が３２４０ｍ／秒の鋼を用い、縦波音速が３８０ｍ／秒の都市ガスが測定対象流体である場合、流体を通過する超音波縦波の屈折角θ３は６．５〜６．７°となる。
【００１８】
次に、図面を用いて、本発明による超音波流量計の具体的な実施形態の１つを説明する。図２は、超音波流量計の全体構成を示す斜視図である。図３は、送信用超音波トランスデューサ２と受信用超音波トランスデューサ３のところで断面視した図面を重ねあわせた模式図である。図４は、締付ユニットを省いた状態での流体識別装置の構成要素を示す模式図である。
【００１９】
この超音波流量計は、図１を用いて説明した基本原理を実施するものであり、ここでの管１は都市ガスなどの気体を供給するガス管であり、その外表面１１に斜め対向設置される送信用（受信用）超音波トランスデューサ２（３）と受信用（送信用）超音波トランスデューサ３（２）、超音波処理ユニット５、超音波吸収部材４、締付ユニット６を備えている。送信用超音波トランスデューサ２と受信用超音波トランスデューサ３の位置関係は、ガス管１の外表面から斜角入射された横波超音波がガス管１の内面１２でのモード変換で縦波超音波に変換され、気体を横断伝播した縦波超音波が再びガス管１の内面１２でモード変換して生じた横波超音波をガス管１の外表面で受信されるように設定されている。
【００２０】
送信用超音波トランスデューサ２及び受信用超音波トランスデューサ３の超音波励起面にはガス管１の曲面とのマッチングおよび斜角入射を行なうためのシュー部材３１が装着されている。超音波吸収部材４は、油粘土製で、厚さ数ｍｍで約３０ｃｍ幅のシート状に成形加工され、ガス管１の外表面１１に隙間なく巻き付けられている。但し、超音波吸収部材４には、シュー部材３１がガス管１の外表面１１に直接接触できるように、超音波吸収部材４の送信用超音波トランスデューサ２と受信用超音波トランスデューサ３の設置箇所には開口部４１が設けられている。
【００２１】
図３に示すように、送信用超音波トランスデューサ２と受信用超音波トランスデューサ３とは、ガス管１の軸心に対して対向配置されている。受信用超音波トランスデューサ３で受信される信号には、測定に必要な有効超音波とそれ以外のノイズ波が混じっている。有効超音波は、ガス管１の外表面から内面１２に向かって通過する超音波（縦波超音波であり、図３では符号Ｗｐ１が付記されている）とガス管１に内在する流体を横断して伝播する超音波（横波超音波であり、図３では符号Ｗｓが付記されている）とガス管１の内面１２から外表面に向かって通過する超音波（縦波超音波であり、図３では符号Ｗｐ２が付記されている）といった形態を経て受信用超音波トランスデューサ３に達する。ノイズ波（図３では符号Ｗｎが付記されている）は、送信用超音波トランスデューサ２から送信された超音波が板波や表面波に分解されたものであり、その分解された超音波が、管壁に沿って拡散し、受信用超音波トランスデューサ３に達して受信される。鋼や鋳鉄あるいは合成樹脂から製造されるガス管１を伝播するノイズ波の速度は、音速の遅い流体を介して伝播する有効著音波に較べてかなり速いので、早く受信用超音波トランスデューサ３に達する。しかしながら、ノイズ波の一部は種々の伝搬経路を経て有効超音波とほぼ同時に受信用超音波トランスデューサ３に達する可能性がある。しかもノイズ波の音圧は有効超音波に比べてきわめて大きいので、そのようなノイズ波は有効超音波の検出を妨害する。
【００２２】
送信用超音波トランスデューサ２と受信用超音波トランスデューサ３の間のガス管１の外表面に装着されている超音波吸収部材４が、ガス管１の管壁に沿って伝播しているノイズ波を吸収する。ガス管１から超音波吸収部材４にノイズ波が効率良く入射するために、超音波吸収部材４の材料はガス管１の音響インピーダンスにできるだけ近いものが選ばれる。さらにガス管１の外表面１１への密着性を良くするために、外表面１１の曲率に一致する屈曲性を持つ程度の粘性を有することが好ましい。さらには、超音波吸収部材４に入射したノイズ波を吸収するために吸音特性を有する材料の使用、あるいは吸音構造（多孔構造や粒状体混入構造）を形成することも利点がある。一例として、超音波吸収部材４を、各層の音響インピーダンスがガス管１の外周面に近い層ほどガス管１の音響インピーダンスとの差が小さくなるように形成した複数層から構成することも好適である。また、超音波吸収部材４のガス管１の外表面１１への密着性をより向上させるためには、超音波吸収部材４をガス管１の外周面に押し付ける締付具が用いられる。好適な超音波吸収部材４として、油粘土、パテ、さらにはゴムシート、プラスチック（ＰＰ）シート、不織布など、あるいはそれらを組み合わせた複合材が挙げられる。
【００２３】
図３に模式的に示されているように、ガス管１から超音波吸収部材４に入射したノイズ波（図３では符号Ｗａが付記されている）は散乱等によって超音波吸収部材４に吸収されその音圧エネルギを失っていく。これにより、受信用超音波トランスデューサ３で受信される超音波信号としてのノイズ波はかなり減衰することになる。
【００２４】
さらにこの実施形態では、締付ユニット６は、図２などに示されるように、巻き付けられた超音波吸収部材４を全面的にガス管１に対して押し付けるように構成されており、帯状体６１と帯状体６１の自由端同士を引っ張り合わせて帯状体６１に張力を与える締付ボルト６２からなる。締付ボルト６２を締め込むことで、帯状体６１の張力を増大させ、その径方向内方へ力によって超音波吸収部材４を締付ける。その締付トルクは１０Ｎ・ｍ程度である。帯状体６１においても、ガス管１に設置された送信用超音波トランスデューサ２と受信用超音波トランスデューサ３とに干渉しないように、開口部３１ａが設けられている。締付ユニット６の装着時には、超音波吸収部材４の開口部４１と帯状体６１の開口部６３とが一致するように、帯状体６１のガス管１に対する軸方向および周方向の位置が調整される。ガス管１の外表面１１と超音波吸収部材４との密着性を向上させるために、その間にグリセリンや潤滑オイルなどのカップリング剤を介在させることも好適である。なお、超音波吸収部材４は実質的に均質な材料で形成してもよいが、それぞれの音響インピーダンスが異なる複数層から形成し、その際、各層の音響インピーダンスは管１の外周面に近い層ほど管１の音響インピーダンスとの差が少なくなるように構成すると、音波吸収性が向上する。
【００２５】
この実施形態では、ガス管１を伝播する超音波がより高い音圧をもつように、使用する超音波周波数として、測定対象となるガス管１と共振可能な周波数が用いられている。その縦波の半波長共振周波数は、縦波音速をガス管１の肉厚で割ると得られる。ガス管１が鋼製であれば、縦波音速は約５９５０ｍ／秒、肉厚が４．５ｍｍ（１００Ａガス管）とすれば、半波長共振周波数は約６６０ｋＨｚとなる。したがって、測定対象となる管１の種類によって適正な周波数の超音波を選択するとよい。
【００２６】
超音波処理ユニット５は、送信用超音波トランスデューサ２から送信され受信用超音波トランスデューサ３で受信された超音波受信信号を評価する。その結果、第１測定モード及び第２測定モードでの、気体を斜め伝播する超音波の伝播時間を算定し、気体の流速、結果的には気体の流量が算定される。このため、この超音波処理ユニット５には、図４に示されているように、切替スイッチ５０ａ、モード切替部５０、送信回路５１、受信回路５２、信号評価部５３、パラメータ設定部５４、表示部５５を備えている。送信回路５１は、高圧パルスを発生させ送信用超音波トランスデューサ２の圧電素子を励起し、超音波パルスを作り出す。受信回路５２は、受信用超音波トランスデューサ３で受信された信号に対して増幅や周波数選別などを行なう前処理を行なう。切替スイッチ５０ａは、２つの超音波トランスデューサ２または３の一方を送信回路５１に、他方を受信回路５２に選択的に接続するためのスイッチである。第１測定モードにおいて、モード切替部５０は、上流側に位置する超音波トランスデューサを送信回路５１に接続されるとともに、下流側に位置する超音波トランスデューサを受信回路５２に接続するように、切替スイッチ５０ａに制御信号を与える。逆に、第２測定モードにおいて、モード切替部５０は、下流側に位置する超音波トランスデューサを送信回路５１に接続されるとともに、上流側に位置する超音波トランスデューサを受信回路５２に接続するように、切替スイッチ５０ａに制御信号を与える。
【００２７】
パラメータ設定部５４は、信号評価部５３で用いられる各種パラメータが記録されており、測定時に図示されていない入力操作デバイスを通じて必要なパラメータが選択設定または直接設定される。設定されるパラメータには、測定対象の流体を流している管１の寸法や音速、測定対象となる流体の音速、使用する超音波トランスデューサ２と３の周波数や管１への入射角、超音波トランスデューサ２と３との間隔などが含まれる。
表示部５５は、超音波受信信号の波形や算定された流体の流速や流量などの情報を表示する、液晶等のディスプレイである。
【００２８】
信号評価部５３には、伝播時間算定部５３ａ、流速算定部５３ｂ、流量算定部５３ｃ、表示データ生成部５３ｄが含まれている。伝播時間算定部５３ａは、第１測定モードと第２測定モードとにおける超音波の伝播時間の差を算定する。シュー部材３１を含め、２つの超音波トランスデューサ２、３は同一形状であるので、第１測定モードと第２測定モードとにおいてガス管１の管壁を伝播する時間は同じである。したがって、伝播時間の差は流体（ここでは都市ガスなどの気体）を斜め横断する際の流体伝播経路（図１では長さＬで示されている）における伝播時間の差に相当する。その差は非常に小さいので、精密な測定が要求されている。図５には、第１測定モードにおける超音波受信信号（実線）と、第２測定モードにおける超音波受信信号（点線）が示されている。図５から明らかなように、超音波は、短時間だけ励起されたバースト波である。その伝搬時間差は、使用超音波（５００ＫＨｚ周辺）の周期レベルであることから、伝播時間算定部５３ａは、バースト波を構成する各波のピーク（バースト波ピーク列）を検出し、第１測定モードと第２測定モードとにおけるバースト波ピーク列の時間差の平均値から、伝播時間差を求めることが好ましい。なお、この図５は説明目的であり、その波形は理解し易いようにデフォルメされている。
【００２９】
流速算定部５３ｂは、伝播時間算定部５３ａによって算定された伝搬時間差から、前述した式を用いて、ガス管１を流れている気体の流速を算定する。流量算定部５３ｃは、流速算定部５３ｂで算定された流速と、パラメータ設定部５４から読み出したガス管１の断面積とに基づいて流量を算定する。表示データ生成部５３ｄは、算定された気体の流速または流量あるいはその両方を表示するための表示データを生成し、表示部５５に送る。
【００３０】
この流量測定は、第１測定モードと第２測定モードとで、縦波超音波が気体を斜め横断する際の伝播時間の差に基づいて流量が導かれるが、その伝播距離が長い方が伝播時間差が大きくなり測定上有利である。したがって、縦波超音波が、ガス管１の内面１２で繰り返す反射波を利用することで、その伝播距離を稼ぐことは好都合である。例えば、図６に示すように、２回反射を用いることで、３倍の伝播距離を得ることができる。また、図７に示すように、送信用超音波トランスデューサ２と受信用超音波トランスデューサ３を同じ側の表面に配置し、１回反射を用いてもよい。もちろん、さらに多くの反射回数を用いてよいが、反射による損失や伝播距離の増大による損失も考慮しなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、管に内在する流体、特に気体の流速または流量あるいはその両方をガス管の外側から非破壊的手法で測定する超音波流量計に適用できる。
【符号の説明】
【００３２】
１：ガス管（管）
２：送信用超音波トランスデューサ（超音波トランスデューサ）
３：受信用超音波トランスデューサ（超音波トランスデューサ）
４：超音波吸収部材
５：超音波処理ユニット
５０：モード切替部
５１：送信回路
５２：受信回路
５３：信号評価部
５３ａ：伝播時間算定部
５３ｂ：流速算定部
５３ｃ：流量算定部
５３ｄ：表示データ生成部
５４：パラメータ設定部
６：締付ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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