(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流速測定管（１）を流れる計測流体の上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子（２）（３）が配置され、前記各超音波振動子（２）（３）から相互に超音波を発生送信するとともに、送信された超音波を相互に受信し、それら超音波の伝搬時間の差に基づいて流速を測定するものとなされている超音波流速測定装置において、
前記流速測定管（１）の上流側と下流側にそれぞれ超音波反射部（４）（５）が前記超音波振動子（２）（３）に対応するように設けられ、
前記超音波反射部（４）（５）は、反射面の任意の点Ｑの法線ａが、その点Ｑと対応する超音波振動子（２）（３）の放射面の点Ｐ及び点Ｐの後方に位置する仮想放射点Ｒとを結んだ線と、流速測定管（１）の軸線ｃとがなす角を二等分するように形成されていることを特徴とする超音波流速測定装置。
【請求項２】
前記超音波反射部は、その反射面の少なくとも一部において下式［１］の条件を満たすように形成されている超音波流速測定装置。
ｍ＝−｛γｘ／（Ｇ−ｙ）＋√［１＋（γｘ／（Ｇ−ｙ））2］・・・［１］
Ｏ：超音波振動子（２）（３）の軸線ｄと流速測定管（１）の軸線ｃとの交点
（ｘ、ｙ）：交点Ｏを原点とする超音波反射部材（４）（５）の反射面上の位置
ｍ：超音波反射部材（４）（５）の反射面上の位置（ｘ、ｙ）における傾き
ｒ：超音波振動子（２）（３）の放射面の直径
ｂ：流速測定管（１）のｙ方向の長さ
γ：１−ｒ／ｂ
Ｇ：原点Ｏから超音波振動子（２）（３）の放射面までのｙ方向の距離
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波を利用してガスその他の流体の流速を測定する超音波流速測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、ガスその他の流体の流量を求めるに際し、まず流体の流速を連続的ないし定期的に測定し、これに基いて流量を演算することが行われている。そして、このような流体の流速測定方法の一つとして、超音波を利用した方法が知られている。
【０００３】
かかる超音波流速測定方法の原理を、図５にて説明すると次のとおりである。図５において、（１）は内部をガス等の流体が流れる超音波流速測定管である。この超音波流速測定管（１）内には、流れ方向の上流側及び下流側に、互いに所定距離を隔てて対向する態様で円筒状の超音波振動子（２）（３）が配置されている。この超音波振動子（２）（３）は、駆動パルス発生回路（６）からの駆動パルスにより駆動されて振動し、超音波を発生送信する一方、送信されてきた超音波を受信するもので、その超音波振動子（３）（２）が振動したときの受信波が受信増幅回路（６）から出力されるものとなされている。
【０００４】
そして、上流側の超音波振動子（２）から流れに対して順方向に送信された超音波が下流側の超音波振動子（３）で受波されるまでの伝搬時間と、下流側の超音波振動子（３）から流れに対して逆方向に送信された超音波が上流側の超音波振動子（２）で受信されるまでの伝搬時間との差は、流速に関係することから、この超音波の伝搬時間差をクロック波を利用する等して求めることにより流体の流速を測定するものとなされている。
【０００５】
なお、図５において、（８）は各超音波振動子（２）（３）と駆動パルス発生回路（６）及び受信増幅回路（７）の接続を切り替える切替回路であり、まず駆動パルス発生回路（４）と上流側の超音波振動子（２）、下流側の超音波振動子（３）と受信増幅回路（７）を接続して、上流側から下流側への伝搬時間を測定したのち、該切替回路（８）の作動により駆動パルス発生回路（６）と下流側の超音波振動子（３）、上流側の超音波振動子（２）と受信増幅回路（７）とが接続されるように切替えて、下流側から上流側への伝搬時間を測定するものとなされている。
【０００６】
しかしながら、上述のように超音波振動子（２）（３）を対向する態様で配置するものだと、超音波振動子（２）（３）から垂直に送信される直進超音波だけは対向する超音波振動子（３）（２）にそのまま同位相で受信されるが、直進超音波以外の大部分の超音波は流速測定管の内面で１回以上反射したあと、対向する超音波振動子（３）（２）にばらばらな位相で受信される。このため受信増幅回路（７）から出力される受信波は、全体として振幅が小さく、流体の流速を精度良く測定することができないという問題があった。
【０００７】
この発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、受信波の振幅を増大させることができ、ひいては流体の流速を精度良く測定することが可能な超音波流速測定装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記目的を達成するために、流速測定管（１）を流れる計測流体の上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子（２）（３）が配置され、前記各超音波振動子（２）（３）から相互に超音波を発生送信するとともに、送信された超音波を相互に受信し、それら超音波の伝搬時間の差に基づいて流速を測定するものとなされている超音波流速測定装置において、
前記流速測定管（１）の上流側と下流側にそれぞれ超音波反射部（４）（５）が前記超音波振動子（２）（３）に対応するように設けられ、
前記超音波反射部（４）（５）は、反射面の任意の点Ｑの法線ａが、その点Ｑと対応する超音波振動子（２）（３）の放射面の点Ｐ及び点Ｐの後方に位置する仮想放射点Ｒとを結んだ線と、流速測定管（１）の軸線ｃとがなす角を二等分するように形成されていることを特徴とする。
【０００９】
これによれば、送信側の超音波振動子から送信された大部分の超音波は、送信側の超音波反射部において流速測定管の軸線方向に平行となるように反射し、流速測定管内を軸線方向に平行に通過したあと、受信側の超音波反射部において受信側の超音波振動子に受信されるように反射する。
【００１０】
このため、送信側の超音波振動子から送信された大部分の超音波が同一位相で受信側の超音波振動子に受信されるので、受信波の振幅を増大させることができ、ひいては流体の流速を精度良く測定することが可能となる。また、送信側の超音波振動子から送信された大部分の超音波は、流速測定管内を断面一杯に軸線方向に平行に通過し得るので、流体が小流量で流速測定管内のいずれかの箇所に偏って流れている場合であっても流体の流速を精度良く測定することができる。
【００１１】
また、前記超音波反射部は、その反射面の少なくとも一部において下式［１］の条件を満たすように形成されるのが好ましい。
【００１２】
ｍ＝−｛γｘ／（Ｇ−ｙ）＋√［１＋（γｘ／（Ｇ−ｙ））２］・・・［１］
Ｏ：超音波振動子（２）（３）の軸線ｄと流速測定管（１）の軸線ｃとの交点
（ｘ、ｙ）：交点Ｏを原点とする超音波反射部材（４）（５）の反射面上の位置
ｍ：超音波反射部材（４）（５）の反射面上の位置（ｘ、ｙ）における傾き
ｒ：超音波振動子（２）（３）の放射面の直径
ｂ：流速測定管（１）のｙ方向の長さ
γ：１−ｒ／ｂ
Ｇ：原点Ｏから超音波振動子（２）（３）の放射面までのｙ方向の距離
これによれば、上述のような効果を奏する超音波反射部を簡単かつ確実に形成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
図１は、この発明の実施形態に係る超音波流速測定装置を上方から見た断面図、図２は前記超音波流速測定装置を側方から見た図（図１のＩ−Ｉ線矢視断面図）である。
【００１５】
図１および図２において、（１）は流体が流れるコ字形状の流速測定管、（１ａ）は流速測定管（１）の屈曲部に設けれた収容部、（１ｂ）は流速測定管（１）の下部水平部に設けられた流速測定部、（２）（３）は収容部（１ａ）に設けられた超音波振動子、（４）（５）は同じく収容部（１ａ）において各超音波振動子（２）（３）に対応する位置にそれぞれ設けられた金属製等の超音波反射部材である。
【００１６】
また、（６）は超音波振動子（２）（３）に印可する駆動パルスを発生する駆動パルス回路、（７）は超音波振動子（２）（３）に受信された超音波に基づいて受信波を出力する受信増幅回路、（８）は超音波振動子（２）（３）と駆動パルス発生回路（６）および受信増幅回路（７）との接続を切り替える切替回路であり、これらは図５に示したものと同一なので、同一符合を付してその説明を省略する。
【００１７】
なお、この実施形態では、図１に示すように、流速測定管（１）の流速測定部（１ｂ）の軸線方向をｘ方向、超音波振動子（２）（３）の軸線方向をｙ方向とする。また、図２に示すように、前記ｘ方向およびｙ方向のいずにも垂直な方向をｚ方向とする。
【００１８】
前記流速測定管（１）は、横断面矩形状に形成されており、図２に示すように、流速測定管（１）の上流側の端部（図２の左側の端部）から流入した流体が、そのまま流速測定部（１ａ）を通過し、その通過している間に流速が測定されたあと、流速測定部（１ａ）の下流側の端部（図２の右側の端部）から流出するようになっている。
【００１９】
前記超音波反射部材（４）（５）は、図１に示すように、その反射面が互いに向き合う態様でｘｙ方向に湾曲に形成されている。具体的には、前記超音波反射部材（４）（５）は、図３に示すように、その反射面の任意の点Ｑの法線ａが、その点Ｑと対応する超音波振動子（２）（３）の放射面の点Ｐとを結んだ線ｂと、流速測定管（１）の軸線ｃ（あるいは軸線ｃの平行線ｃ’）とがなす角（θ１＋θ２）を二等分するように形成されている。
【００２０】
しかして、送信側の超音波振動子（２）（３）から送信された超音波は、ｘｙ方向において、送信側の超音波反射部（４）（５）において流速測定管（１）の軸線方向に平行となるように反射し、流速測定管（１）の流速測定部（１ｂ）内を軸線方向に平行に通過したあと、受信側の超音波反射部（５）（４）において後述する仮想放射点Ｒに収束するように反射し、受信側の超音波振動子（３）（２）に受信される。
【００２１】
特に、この実施形態では、前記超音波反射部材（４）（５）は、その反射面が下式［１］の条件を満たすような形状に形成されている。
【００２２】
ｍ＝−｛γｘ／（Ｇ−ｙ）＋√［１＋（γｘ／（Ｇ−ｙ））２］・・・［１］
Ｏ：超音波振動子（２）（３）の軸線ｄと流速測定管（１）の軸線ｃとの交点
（ｘ、ｙ）：交点Ｏを原点とする反射面上の位置（座標）
ｍ：反射面上の位置（ｘ、ｙ）における傾き
ｒ：超音波振動子（２）（３）の放射面の直径
ｂ：流速測定管（１）のｙ方向の長さ
γ：１−ｒ／ｂ
Ｇ：原点Ｏから超音波振動子（２）（３）の放射面までのｙ方向の距離
前記超音波反射部材（４）（５）をこのような形状に形成するのは以下の理由による。なお、説明の便宜上、超音波反射部材（４）について説明する。
【００２３】
まず、図３において、
Ｐ：超音波の送信点（受信点）
Ｑ：送信点Ｐに対応する反射点
Ｒ：仮想放射点
Ｏ：超音波振動子（２）の軸線ｄと流速測定管（１）の軸線ｃとの交点
（ｘ、ｙ）：交点Ｏを原点とする反射面上の位置
Ｇ：原点Ｏから超音波振動子（２）の放射面までのｙ方向の距離
ｒ：超音波振動子（２）の放射面の直径
ｂ：流速測定管（１）のｙ方向の長さ
θ１：Ｑ点の法線ａと直線ｂとがなす角度
θ２：Ｑ点の法線ａと流速測定管（１）の平行軸線ｃ’とがなす角度
ｘｐ：超音波振動子（２）の軸線ｄから送信点Ｐまでの距離
とすると、
線分ＰＱ（直線ｂ）について、
ｔａｎ（θ１＋θ２）＝（Ｇ−ｙ）／（ｘ−ｘｐ）…［２］
となる。
また、Ｑ点の法線の条件は、
ｔａｎθ２＝ｄｘ／ｄｙ…［３］
となる。
また、ｘとｘｐは比例的に対応しているとみなすと、
ｘ／ｂ＝ｘｐ／ｒ…［４］
となり、γ（ガンマ）＝１−ｒ／ｂとすると、
ｘ−ｘｐ
＝ｘ−ｘｒ／ｂ
＝ｘ（１−ｒ／ｂ）
＝ｘγ…［５］
となる。
ここで、θ１＝θ２＝θ（∵反射条件）、ｄｘ／ｄｙ＝１／ｍとすると、上式［２］の左式は、
ｔａｎ（θ１＋θ２）
＝ｔａｎ（２θ）
＝２ｔａｎθ／（１−ｔａｎ２θ）
＝２ｍ／（１−ｍ２）…［６］
となる。
一方、上式［５］により上式［２］の右式は、
（Ｇ−ｙ）／（ｘ−ｘｐ）＝（Ｇ−ｙ）／ｘγ…［７］
となる。
従って、上式［６］［７］により、
２ｍ／（１−ｍ２）＝（Ｇ−ｙ）／ｘγ
∴ｍ２＋２ｍｘγ／（Ｇ−ｙ）−１＝０…［８］
上式［８］をｍについて解くと、
ｍ＝−｛γｘ／（Ｇ−ｙ）±√［１＋（γｘ／（Ｇ−ｙ））２］…［９］
となる。ｍ＜０だから、
ｍ＝−｛γｘ／（Ｇ−ｙ）＋√［１＋（γｘ／（Ｇ−ｙ））２］…［１］
と上式［１］が導き出される。
そして、上式［１］により
ｙ＝∫ｍｄｘ…［１０］
として、超音波反射部材（４）の反射面のｘｙ方向の形状を求めることができる。
【００２４】
なお、他方の超音波反射部材（５）についても上述と同様にしてｘｙ方向の形状を求めることができる。
【００２５】
また、前記超音波反射部材（４）（５）は、図２に示すように、その反射面がｘｚ方向において円弧状に形成されている。この円弧は、図４に示すように、超音波反射部材（４）（５）の反射面から仮想放射点Ｒまでの２倍の距離にある点Ｒ’を中心とする円弧である。前記超音波反射部材（４）（５）をこのように形成するのは、円弧の直径の１／２の距離にある放射点から放射された超音波は、該円弧において軸線方向ｃに平行に反射する一方、軸線方向ｃに平行に入射してきた超音波は、該円弧において仮想放射点Ｒに収束するように反射するという性質を利用するためである。
【００２６】
しかして、送信側の超音波振動子（２）（３）から送信された超音波は、ｘｚ方向において、送信側の超音波反射部（４）（５）において流速測定管（１）の軸線方向に平行となるように反射し、流速測定管（１）の流速測定部（１ｂ）内を軸線方向に平行に通過したあと、受信側の超音波反射部（５）（４）において仮想放射点Ｒに収束するように反射し、受信側の超音波振動子に受信される。
【００２７】
次に、図１および図２に示す超音波流速測定装置を用いた超音波流速測定方法について説明する。
【００２８】
まず、切替回路（８）の作動により、駆動パルス発生回路（６）と上流側の超音波振動子（２）、下流側の超音波振動子（３）と受信増幅回路（７）とが接続さるようにした上で、駆動パルス発生回路（６）で駆動パルスを発生させて超音波振動子（２）に印加すると、超音波振動子（２）から超音波が放射状に送信される。
【００２９】
この上流側の超音波振動子（２）から送信された超音波は、上流側の超音波反射部材（４）の反射面において、互いに流速測定管（１）の軸線方向に平行となるように反射し、そのまま流速測定管（１）の流速測定部（１ｂ）内を軸線方向に平行に通過する。この実施形態では、超音波反射部材（４）（５）の反射面をｘｙ方向およびｘｚ方向について上述のような湾曲または円弧状に形成しているので、超音波反射部材（４）（５）で反射した超音波は流速測定部（１ｂ）の断面一杯に通過することができる。なお、図２の円形の一点鎖線は、反射部材（４）（５）の反射面における実際の反射領域（円内）を示す。
【００３０】
そして、その流速測定部（１ｂ）内を軸線方向に平行に通過してきた超音波は、下流側の超音波反射部材（５）の反射面において、下流側の超音波振動子（３）に収束するように反射して、そのまま同位相で超音波振動子（３）に受信される。
【００３１】
受信増幅回路（７）では、下流側の超音波振動子（３）に受信された超音波に対応する受信波が出力される。このときの受信波は、超音波の大部分が同位相で受信されることから、その振幅が増大したものとなる。
【００３２】
あとは、受信増幅回路（７）から出力される受信波に基づいて、上流側の超音波振動子（２）より超音波が送信された時から下流側の超音波振動子（３）にその超音波が受信される時までの順方向の伝搬時間を求める。
【００３３】
次に、切替回路（８）の作動により駆動パルス発生回路（６）と下流側の超音波振動子（３）、上流側の超音波振動子（２）と受信増幅回路（７）とが接続されるように切り替えた上で、駆動パルス発生回路（６）で駆動パルスを発生させて超音波振動子（３）に印加すると、超音波振動子（３）から超音波が放射状に送信される。
【００３４】
超音波振動子（３）から送信された超音波の大部分は、上述の超音波振動子（２）から送信された超音波の経路と逆の経路を辿って超音波振動子（２）に受信される。
【００３５】
あとは、上述と同様にして、受信増幅回路（７）から出力される受信波に基づいて、下流側の超音波振動子（３）より超音波が送信された時から下流側の超音波振動子（２）にその超音波が受信される時までの逆方向の伝搬時間を求める。
【００３６】
しかして、前記超音波の順方向および逆方向の伝搬時間との差に基づいて流体の流速を求め、さらに必要に応じて流体の流量を求める。
【００３７】
このように、送信側の超音波振動子（２）（３）から送信された超音波の大部分が同一位相で受信側の超音波振動子（３）（２）に受信されるので、受信波の振幅を増大させることができ、ひいては流体の流速を精度良く測定することが可能となる。
【００３８】
また、送信側の超音波振動子（２）（３）から送信された超音波の大部分は、流速測定管（１）内を断面一杯に軸線方向に平行に通過し得るので、流体が小流量で流速測定管内のいずれかの箇所に偏って流れている場合であっても流体の流速を精度良く測定することができる。
【００３９】
なお、この実施形態では、超音波反射部は、流速測定管（１）と別体の超音波反射部材（４）（５）としたが、流速測定管（１）の内面に直接形成するものとしてもよい。
【００４０】
また、超音波反射部材（４）（５）は、その反射面全体がｘｙ方向に上述のような湾曲形状に形成されるものとしたが、反射面の一部のみがｘｙ方向に上述のような湾曲形状に形成されるものとしてもよい。
【００４１】
また、超音波反射部材（４）（５）は、その反射面がｘｚ方向において円弧状に形成されるものとしたが、反射面の一部のみがｘｚ方向において円弧状に形成されるものとしてもよいし、反射面全体がｘｚ方向において円弧以外のその他の形状に形成されるものとしてもよい。
【００４２】
また、超音波振動子（２）（３）および超音波反射部材（４）（５）の配置態様は上述のものに限定されるものでなく、その他の配置態様であってもよい。要は、超音波振動子（２）（３）から送信された超音波が一方の超音波反射部材（４）（５）で反射したあと、さらに他方の超音波反射部材（５）（４）で反射して超音波振動子（３）（２）に受信されるような配置態様であればよい。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、送送信側の超音波振動子から送信された大部分の超音波が同一位相で受信側の超音波振動子に受信されるので、受信波の振幅を増大させることができ、ひいては流体の流速を精度良く測定することが可能となる。また、送信側の超音波振動子から送信された大部分の超音波は、流速測定管内を断面一杯に軸線方向に平行に通過し得るので、流体が小流量で流速測定管内のいずれかの箇所に偏って流れている場合であっても流体の流速を精度良く測定することができる。
【００４４】
請求項２に係る発明によれば、上述のような効果を奏する超音波反射部を簡単かつ確実に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る超音波流速測定装置の上方断面図である。
【図２】図１の超音波流速測定装置のＩ−Ｉ線矢視断面図である。
【図３】超音波反射部材における超音波のｘｙ方向の反射の状態を示す図である。
【図４】超音波反射部材における超音波のｘｚ方向の反射の状態を示す図である。
【図５】従来の超音波流速測定装置の構成概略図である。
【符号の説明】
１・・・流速測定管
２、３・・・超音波振動子
４、５・・・超音波反射部材
６・・・駆動パルス発生回路
７・・・受信増幅回路
８・・・切替回路
【図１】
0003583114.tif 000002
【図２】
0003583114.tif 000003
【図３】
0003583114.tif 000004
【図４】
0003583114.tif 000005
【図５】
0003583114.tif 000006