(57)【要約】      （修正有）【課題】受信側の超音波センサで受信された超音波ビームから高い精度の流量を算出する超音波流量計を提供する。【解決手段】被測定流体を流通させる管体と、被測定流体の流通方向に対して斜めに横切って相互に対向した状態で超音波ビームにおける信号成分の送受信を交互に行う一対または複数対の上流側および下流側の超音波センサ１４０とを備え、超音波センサ１４０が、振動送受信部材１４２と、振動送受信部材１４２を内設して保護する有底円筒状のセンサフレーム１４４とから構成され、センサフレーム１４４が、振動送受信部材１４２の一方から他方に向けて超音波ビームの信号成分を発信した際に、センサフレーム１４２および管体を経由して伝搬される超音波ビームのノイズ成分を抑制する振動抑制機構を備えている超音波流量計。【選択図】図３
2018151262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体を流通させる管体と、前記被測定流体の流通方向に対して斜めに横切って相互に対向した状態で超音波ビームにおける信号成分の送受信を交互に行う一対または複数対の上流側および下流側の超音波センサとを備え、前記超音波ビームの信号成分が前記管体の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との時間差から管体の内部の流体速度を求め、該流体速度に管体の内部の断面積を乗じて管体の内部を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計であって、
前記超音波センサが、前記超音波ビームによる送受信を行う圧電素子からなる振動送受信部材と、該振動送受信部材を内設して保護する有底円筒状のセンサフレームとから構成され、
該センサフレームが、前記振動送受信部材の一方から他方に向けて超音波ビームの信号成分を発信した際に、前記センサフレームおよび管体を経由して伝搬されて前記超音波ビームの信号成分に重畳される超音波ビームのノイズ成分を抑制する振動抑制機構を備えていることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記センサフレームが、前記振動送受信部材を内設して振動自在な自由振動部と該自由振動部を管体に保持する管体保持部と前記自由振動部および管体保持部の間に介在させた振動減衰部とから構成され、
前記センサフレームの振動抑制機構が、前記自由振動部から管体保持部に伝搬するノイズ成分を減衰する振動減衰部に設けられている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】
前記振動減衰部が、径方向に折り返して重ね合わせた多重管状部分を有していることを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記振動減衰部の多重管状部分が、径方向の内側から外側に向かって偶数回折り返した形状からなることを特徴とする請求項３に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記振動減衰部の多重管状部分が、該多重管状部分に他の多重管状部分よりも管厚を薄くした薄管部分を有していることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記振動減衰部の薄管部分が、前記振動減衰部の多重管状部分の径方向に内側の内側管領域に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の超音波流量計。
【請求項７】
前記振動減衰部の多重管状部分が、径方向の最内側に設置した最内側管領域の内径を自由振動部の内径よりも小さくしていることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか１つに記載の超音波流量計。
【請求項８】
前記振動減衰部の多重管状部分が、径方向の外側に設置した外側管領域と内設した内側管領域とから形成された内外相互の間隙に弾性充填部材を設置していることを特徴とする請求項３乃至請求項７のいずれか１つに記載の超音波流量計。
【請求項９】
前記センサフレームの材質が、チタンであることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１つに記載の超音波流量計。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか１つに記載の超音波流量計に用いられる超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサから発生する超音波ビームが管体の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との時間差から管体の内部の流体速度を求め、この流体速度に管体の内部の断面積を乗じて管体の内部を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計に関するものであって、特に、天然ガスパイプライン、工場エアー、および、一般の各種気体プロセス工業などにおいて、配管内の流体を測定するための超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、時間差方式の超音波流量計として、超音波の伝播のための超音波窓を第１の領域内に設けたケーシングと、ケーシング内で超音波窓に隣接して配置されている変換エレメントとを備え、ケーシングの第１の領域に相対する第３の領域と第１の領域とを仲介する第２の領域に、弱く連結されている少なくとも２つの機械的な共振器をケーシング波の拡散方向でほぼ直列に配置した超音波変換器を用いた流量測定機器が知られている（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】特開２０１０−０２８８１５号公報（請求項１、図１参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の流量測定機器は、ケーシングから伝播されるノイズ成分の影響が無視できない程度であったため、充分な測定精度が得られないという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、前述したような従来技術の問題を解決するものであって、すなわち、本発明の目的は、受信側の超音波センサで受信された超音波ビームから高い精度の流量を算出す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】
【０００６】
本請求項１に係る発明は、被測定流体を流通させる管体と、前記被測定流体の流通方向に対して斜めに横切って相互に対向した状態で超音波ビームにおける信号成分の送受信を交互に行う一対または複数対の上流側および下流側の超音波センサとを備え、前記超音波ビームの信号成分が前記管体の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との時間差から管体の内部の流体速度を求め、該流体速度に管体の内部の断面積を乗じて管体の内部を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計であって、前記超音波センサが、前記超音波ビームによる送受信を行う圧電素子からなる振動送受信部材と、該振動送受信部材を内設して保護する有底円筒状のセンサフレームとから構成され、該センサフレームが、前記振動送受信部材の一方から他方に向けて超音波ビームの信号成分を発信した際に、前記センサフレームおよび管体を経由して伝搬されて前記超音波ビームの信号成分に重畳される超音波ビームのノイズ成分を抑制する振動抑制機構を備えていることにより、前述した課題を解決するものである。
【０００７】
本請求項２に係る発明は、請求項１に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記センサフレームが、前記振動送受信部材を内設して振動自在な自由振動部と該自由振動部を管体に保持する管体保持部と前記自由振動部および管体保持部の間に介在させた振動減衰部とから構成され、前記センサフレームの振動抑制機構が、前記自由振動部から管体保持部に伝搬するノイズ成分を減衰する振動減衰部に設けられていることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【０００８】
本請求項３に係る発明は、請求項２に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記振動減衰部が、径方向に折り返して重ね合わせた多重管状部分を有していることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【０００９】
本請求項４に係る発明は、請求項３に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記振動減衰部の多重管状部分が、径方向の内側から外側に向かって偶数回折り返した形状からなることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【００１０】
本請求項５に係る発明は、請求項３または請求項４に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記振動減衰部の多重管状部分が、該多重管状部分に他の多重管状部分よりも管厚を薄くした薄管部分を有していることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【００１１】
本請求項６に係る発明は、請求項５に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記振動減衰部の薄管部分が、前記振動減衰部の多重管状部分の径方向に内側の内側管領域に設けられていることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【００１２】
本請求項７に係る発明は、請求項３乃至請求項６のいずれか１つに記載された超音波流量計の構成に加えて、前記振動減衰部の多重管状部分が、径方向の最内側に設置した最内側管領域の内径を自由振動部の内径よりも小さくしていることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【００１３】
本請求項８に係る発明は、請求項３乃至請求項７のいずれか１つに記載された超音波流量計の構成に加えて、前記振動減衰部の多重管状部分が、径方向の外側に設置した外側管領域と内設した内側管領域とから形成された内外相互の間隙に弾性充填部材を設置していることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【００１４】
本請求項９に係る発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか１つに記載された超音波流量計の構成に加えて、前記センサフレームの材質が、チタンであることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【００１５】
本請求項１０に係る発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか１つに記載の超音波流量計に用いられる超音波センサであることにより、前述した課題を解決するものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の超音波流量計は、被測定流体を流通させる管体と、被測定流体の流通方向に対して斜めに横切って相互に対向した状態で超音波ビームにおける信号成分の送受信を交互に行う一対または複数対の上流側および下流側の超音波センサとを備え、超音波ビームの信号成分が管体の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との時間差から管体の内部の流体速度を求め、この流体速度に管体の内部の断面積を乗じて管体の内部を流れる流量を求めることができるばかりでなく、以下のような特有の効果を奏することができる。
【００１７】
請求項１に係る発明の超音波流量計によれば、超音波センサが、超音波ビームによる送受信を行う圧電素子からなる振動送受信部材と、この振動送受信部材を内設して保護する有底円筒状のセンサフレームとから構成され、このセンサフレームが、振動送受信部材の一方から他方に向けて超音波ビームの信号成分を発信した際に、センサフレームおよび管体を経由して伝搬されて超音波ビームの信号成分に重畳される超音波ビームのノイズ成分を抑制する振動抑制機構を備えていることにより、送信側の超音波センサのセンサフレームに漏れて超音波流量計の管体を経由して受信側の超音波センサのセンサフレームから伝わる超音波ビームのノイズ成分の信号強度が、振動抑制機構で抑制されるため、受信側の超音波センサで検出される超音波ビームの信号成分に重畳されていたノイズ成分が抑制されて超音波ビームのノイズ成分に対する信号成分の割合であるＳ／Ｎ比を向上し、超音波流量計が算出する流量の精度を高めることができる。
【００１８】
請求項２に係る発明の超音波流量計によれば、請求項１に係る発明が奏する効果に加えて、センサフレームが、振動送受信部材を内設して振動自在な自由振動部とこの自由振動部を管体に保持する管体保持部と自由振動部および管体保持部の間に介在させた振動減衰部とから構成され、センサフレームの振動抑制機構が、自由振動部から管体保持部に伝搬するノイズ成分を減衰する振動減衰部に設けられていることにより、振動抑制機構が、自由振動部と管体保持部との間を適切に連接するともに自由振動部から管体保持部に伝搬する超音波ビームのノイズ成分を抑制しているため、振動送受信部材から超音波ビームの発信に適した内部構造を有する自由振動部と、管体の被保持部への固定に適した保持構造を有する管体保持部とを個別に選定することができる。
【００１９】
請求項３に係る発明の超音波流量計によれば、請求項２に係る発明が奏する効果に加えて、振動減衰部が、径方向に折り返して重ね合わせた多重管状部分を有していることにより、超音波ビームのノイズ成分が、振動減衰部を伝搬する際、多重管状部分における内外に隣接して対向させた内側管領域と外側管領域とを逆方向に伝搬するとともに、多重管状部分によって長くなった伝搬経路を伝搬するため、超音波ビームのノイズ成分を内側管領域と外側管領域との間で相互干渉によって打ち消し合うとともに、伝搬経路が長くなって伝搬中に減衰され、超音波ビームのノイズ成分の信号強度を低くすることができる。
【００２０】
請求項４に係る発明の超音波流量計によれば、請求項３に係る発明が奏する効果に加えて、振動減衰部の多重管状部分が、径方向の内側から外側に向かって偶数回折り返した形状からなることにより、振動減衰部の多重管状部分において、最内側の内側管領域と最外側の外側管領域との両端が逆方向に位置するため、振動減衰部と自由振動部および管体保持部との接続を簡便にすることができる。
【００２１】
請求項５に係る発明の超音波流量計によれば、請求項３または請求項４に係る発明が奏する効果に加えて、振動減衰部の多重管状部分が、この多重管状部分に他の多重管状部分よりも管厚を薄くした薄管部分を有していることにより、伝搬経路における薄管部分が、他の伝搬経路に比べて小さな断面積となって大きな経路抵抗となるため、伝搬経路中に設けられた薄管部分を通過する際に超音波ビームのノイズ成分をより多く減衰することができる。
【００２２】
請求項６に係る発明の超音波流量計によれば、請求項５に係る発明が奏する効果に加えて、振動減衰部の薄管部分が、振動減衰部の多重管状部分の径方向に内側の内側管領域に設けられていることにより、径方向の外側の外側管領域よりも小さな断面積となっている内側管領域をさらに小さな断面積にして伝搬経路の経路抵抗をさらに大きくするため、振動減衰部の経路抵抗を更に大きくして通過する超音波ビームのノイズ成分の減衰量をさらに多くすることができる。
【００２３】
請求項７に係る発明の超音波流量計によれば、請求項３乃至請求項６のいずれか１つに係る発明が奏する効果に加えて、振動減衰部の多重管状部分が、径方向の最内側に設置した最内側管領域の内径を自由振動部の内径よりも小さくしていることにより、振動減衰部の多重管状部分が、自由振動部の内径よりも小さな内径から径方向に折り返しを開始するため、センサフレームの外径を変えることなく、伝搬経路を長くすることができる。
【００２４】
請求項８に係る発明の超音波流量計によれば、請求項３乃至請求項７のいずれか１つに係る発明が奏する効果に加えて、振動減衰部の多重管状部分が、径方向の外側に設置した外側管領域と内設した内側管領域とから形成された内外相互の間隙に弾性充填部材を設置していることにより、間隙に設置された弾性充填部材が、内外に近接する内側管領域と外側管領域とを逆方向に伝搬する超音波ビームのノイズ成分の相互干渉をより強くするため、振動減衰部を伝搬する超音波ビームのノイズ成分が、径方向の内外に位置した管領域に生ずる相互干渉によってより多く減衰して超音波ビームのノイズ成分の信号強度をより小さくすることができる。
【００２５】
請求項９に係る発明の超音波流量計によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか１つに係る発明が奏する効果に加えて、センサフレームの材質が、チタンであることにより、センサフレームが高い耐食性を有するため、超音波流量計の管体に開口を設けてセンサフレームの自由振動部を被測定流体に直接接触させる超音波流量計とすることができる。
【００２６】
本請求項１０に係る発明の超音波センサによれば、請求項１乃至請求項９のいずれか１つに記載の超音波流量計に用いられることにより、送信側の超音波センサのセンサフレームに漏れて超音波流量計の管体を経由して受信側の超音波センサのセンサフレームから伝わる超音波ビームのノイズ成分の信号強度が、振動抑制機構で抑制されるため、受信側の超音波センサで検出される超音波ビームの信号成分に重畳されていたノイズ成分が抑制されて超音波ビームのノイズ成分に対する信号成分の割合であるＳ／Ｎ比を向上し、超音波流量計が算出する流量の精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施例である超音波流量計を示す縦断面図。
【図２】図１に示す超音波流量計の超音波の伝搬状態を説明するための横断面図。
【図３】図１に示す超音波流量計に用いた超音波センサの縦断面図。
【図４】図２に示す超音波センサにおけるセンサフレームの縦断面図。
【図５Ａ】図３に示す超音波センサに振動抑制機構を設置した場合の超音波受信波形を示す図。
【図５Ｂ】図３に示す振動抑制機構を超音波センサに設置していない場合の超音波受信波形を示す図。
【図６】本発明の第２実施例である超音波流量計に用いたセンサフレームの縦断面図。
【図７】本発明の第３実施例である超音波流量計に用いたセンサフレームの縦断面図。
【図８】本発明の第４実施例である超音波流量計に用いたセンサフレームの縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の超音波流量計は、被測定流体を流通させる管体と、被測定流体の流通方向に対して斜めに横切って相互に対向した状態で超音波ビームにおける信号成分の送受信を交互に行う一対または複数対の上流側および下流側の超音波センサとを備え、超音波ビームの信号成分が管体の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との時間差から管体の内部の流体速度を求め、この流体速度に管体の内部の断面積を乗じて管体の内部を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計であって、超音波センサが、超音波ビームによる送受信を行う圧電素子からなる振動送受信部材と、この振動送受信部材を内設して保護する有底円筒状のセンサフレームとから構成され、このセンサフレームが、振動送受信部材の一方から他方に向けて超音波ビームの信号成分を発信した際に、センサフレームおよび管体を経由して伝搬されて超音波ビームの信号成分に重畳される超音波ビームのノイズ成分を抑制する振動抑制機構を備えていることにより、受信側の超音波センサで受信された超音波ビームから高い精度の流量を算出するものであれば、その具体的な実施態様は、如何なるものであっても構わない。
【００２９】
ここで、本発明の超音波流量計で計測する被測定流体としては、気体や液体であれば良く、特に、天然ガスパイプライン、工場エアー、および、一般の各種気体プロセス工業などで用いられる気体である。
【００３０】
また、本発明の超音波流量計における管体の具体的な形態としては、直円管、直円管と流入管と流出管とからなる連通管であっても構わない。
ここで、直円管と流入管と流出管とからなる連通管の具体的な連通形態については、直円管の一方端および他方端にそれぞれ延在して相互に対向する一対の流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドを設けることができる連通形態であれば、如何なる連通形態であっても差し支えないが、たとえば、直円管の一方端に連通する流入管の所定の流入角度、直円管の他方端に連通する流出管の所定の流出角度については、直円管の一方端および他方端において過度の乱流渦や流通障害が発生しなければ、３０°、４５°、９０°などで連通する如何なる角度であれば良く、また、直円管に対する流入管と流出管の配置レイアウトについても、流入管と流出管が、直円管の一方端と他方端とで同一の方向からコの字状に配置されているもの、あるいは、Ｚ字状のような互い違いに配置されているものの、いずれであっても良い。
【００３１】
さらに、直円管と流入管と流出管とからなる連通管を管体として用いた場合は、被測定流体の流通方向に対して斜めに横切って相互に対向した状態で一対または複数対の上流側および下流側の超音波センサを直円管に設けるほか、直円管の一方端および他方端にそれぞれ延在して相互に対向する一対の流入側および流出側の測定ヘッドと、これらの流入側および流出側の測定ヘッドにそれぞれ内在させて直円管の中心軸に沿って超音波ビームの送受信を交互に行う超音波センサとを備えた構造としてもよい。
【実施例１】
【００３２】
以下に、本発明の第１実施例である超音波流量計について、図１乃至図５Ｂに基づいて説明する。
ここで、図１は、本発明の第１実施例である超音波流量計を示す縦断面図であり、図２は、図１に示す超音波流量計の超音波の伝搬状態を説明するための横断面図であり、図３は、図１に示す超音波流量計に用いた超音波センサの縦断面図であり、図４は、図２に示す超音波センサにおけるセンサフレームの縦断面図であり、図５Ａは、図３に示す超音波センサに振動抑制機構を設置した場合の超音波受信波形を示す図であり、図５Ｂは、図３に示す振動抑制機構を超音波センサに設置していない場合の超音波受信波形を示す図である。
【００３３】
本発明の第１実施例である超音波流量計１００は、図１および図２に示すように、被測定流体としての気体を流通させる管体１２０と、この管体１２０の外周に設置され、超音波ビームＳＢにおける信号成分ＳＢｓの送受信を交互に行う２個で一組となる一対の上流側の超音波センサ１４０ｕ（１４０）および下流側の超音波センサ１４０ｄ（１４０）とを備えている。
対となる上流側の超音波センサ１４０ｕおよび下流側の超音波センサ１４０ｄは、被測定流体の流通方向Ｃに対して任意の角度θで斜めに横切った位置に、相互に対向した状態で設置されている。
【００３４】
本発明の超音波流量計１００によって被測定流体の流量を測定する原理について説明する。
図１に示すように、上流側の超音波センサ１４０ｕを送信側として超音波ビームＳＢｆ（ＳＢ）を発生させ、下流側の超音波センサ１４０ｄが超音波ビームＳＢｆを受信するまでに伝搬に要した時間を測定する。
【００３５】
次に、下流側の超音波センサ１４０ｄを送信側として超音波ビームＳＢｒ（ＳＢ）を発生させ、上流側の超音波センサ１４０ｕが超音波ビームＳＢｒを受信するまでに伝搬に要した時間を測定する。
そして、上流側の超音波センサ１４０ｕおよび下流側の超音波センサ１４０ｄのそれぞれに電気的に接続された図示しない変換器などの演算部によって、超音波ビームＳＢの信号成分ＳＢｓが管体１２０の上流側から下流側への伝搬に要した時間と下流側から上流側への伝搬に要した時間との時間差から管体の内部の流体速度を求め、この流体速度に管体の内部の断面積を乗じて管体１２０の内部を流れる流量を求めている。
【００３６】
ここで、送信側の超音波センサ１４０から発生させた超音波ビームＳＢは、被測定流体を伝搬して流量を求める際に必要な信号である信号成分ＳＢｓと、管体１２０を伝搬して流量を求める際にノイズであるノイズ成分ＳＢｎとに分かれ、受信側の超音波センサ１４０に到達する。
被測定流体が液体または気体であるため、固体である管体１２０を伝搬するノイズ成分ＳＢｎよりも信号成分ＳＢｓの方が遅く受信側の超音波センサ１４０に到達する。
第１実施例では、信号成分ＳＢｓの到達開始時を判別し易くするため、ノイズ成分ＳＢｎを減衰する振動抑制機構を超音波センサ１４０に用いている。
【００３７】
続いて、超音波センサ１４０の概要について図３および図４を用いて説明する。
超音波センサ１４０は、振動送受信部材１４２と、リード線１４３と、センサフレーム１４４と、フレーム裏蓋１４６と、シール部材１４８と、部材固定蓋１４９とから構成される。
振動送受信部材１４２は、例えば、ピエゾ素子とも呼ばれるセラミック製の円板状圧電素子からなり、リード線１４３を介して図示しない変換器などの演算部と電気的に接続している。
【００３８】
センサフレーム１４４は、有底円筒状をしており、図４に示すように、自由振動部１４４ａと振動減衰部１４４ｂと管体保持部１４４ｃとから構成されている。
自由振動部１４４ａは、薄厚の有底端側に振動送受信部材１４２を内設して保護しており、振動送受信部材１４２が超音波ビームＳＢを送受信する際、振動自在な状態となっている。
振動減衰部１４４ｂは、自由振動部１４４ａおよび管体保持部１４４ｃの間に介在しており、第１振動減衰部１４４ｂａと弾性充填部材１４４ｂｃとからなる。
【００３９】
管体保持部１４４ｃは、自由振動部１４４ａを管体１２０に保持している。
そして、センサフレーム１４４は、振動減衰部１４４ｂによって、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎが伝搬する際、振動を抑制してノイズ成分ＳＢｎの信号強度を減衰する振動抑制機構が構成される。
なお、本実施例では、センサフレーム１４４の自由振動部１４４ａと振動減衰部１４４ｂと管体保持部１４４ｃとの接続には、レーザ溶接を用いたが、抵抗溶接、アーク溶接などの溶接や、溶加材を用いた溶着によって接続してもよい。
【００４０】
第１振動減衰部１４４ｂａは、径方向の内側から外側に向かって径方向に２回折り返して重ね合わせた多重管状部分を有している。
これにより、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎが振動減衰部１４４ｂを伝搬する際、多重管状部分における内外に隣接して対向させた内側管領域と外側管領域とを逆方向に伝搬するとともに、多重管状部分によって長くなった伝搬経路を伝搬する構造となっている。
【００４１】
さらに、第１振動減衰部１４４ｂａは、径方向の寸法が管体保持部１４４ｃの径方向の寸法以下である。
これにより、超音波センサ１４０は、超音波流量計１００の管体１２０への取付け構造を変更することなく取り付けることができる。
【００４２】
弾性充填部材１４４ｂｃは、第１振動減衰部１４４ｂａの多重管状部分における径方向の外側に設置した外側管領域と内設した内側管領域とから形成された内外相互の間隙に設置されている。
これにより、振動減衰部１４４ｂの第１振動減衰部１４４ｂａは、多重管状部分における最内側の内側管領域と最外側の外側管領域との両端が逆方向に位置し、自由振動部１４４ａと管体保持部１４４ｃとの間を適切に連接している。
【００４３】
さらに、間隙に設置された弾性充填部材１４４ｂｃが、内外に近接する内側管領域と外側管領域とを逆方向に伝搬する超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎの相互干渉をより強くして、自由振動部１４４ａから管体保持部１４４ｃに伝搬する間にノイズ成分ＳＢｎの信号強度を減衰している。
なお、弾性充填部材１４４ｂｃの素材としては、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ウレタンゴム（Ｕ）、シリコンゴムなどの合成ゴムや、天然ゴム（ＮＲ）などの弾性材料や粘弾性材料、これらの材料を形成したＯリングやシートなどが用いられている。
【００４４】
フレーム裏蓋１４６は、管体１２０の外側に位置するセンサフレーム１４４の開口端側を閉塞している。
部材固定蓋１４９は、リード線１４３をセンサフレーム１４４の内外を貫通させたシール部材１４８をフレーム裏蓋１４６との螺合によって密着させ、超音波センサ１４０の内部を密封状態にしている。
センサフレーム１４４は、振動送受信部材１４２の一方から他方に向けて超音波ビームＳＢの信号成分ＳＢｓを発信した際に、センサフレーム１４４および管体１２０を経由して伝搬されて超音波ビームＳＢの信号成分ＳＢｓに重畳される超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎを抑制する振動抑制機構を備えている。
【００４５】
なお、本発明の第１実施例では、一例として、超音波流量計１００の管体１２０に上流側の超音波センサ１４０ｕおよび下流側の超音波センサ１４０ｄを１組設置した場合について説明したが、上流側の超音波センサ１４０ｕおよび下流側の超音波センサ１４０ｄは、管体１２０の外周方向に互にずらして複数組設置しても、被測定流体の流通方向Ｃに互にずらして複数組設置しても良い。
さらに、本実施例では、振動減衰部１４４ｂの折り返し回数を２回としたが、管体保持部１４４ｃを管体保持部１４４ｃから自由振動部１４４ａに向かって延在した構造にすることによって、折り返し回数を１回省略し、振動減衰部１４４ｂの多重管状部分における径方向への折り返しの回数を１回にすることもできる。
【００４６】
さらに、センサフレーム１４４の材質には、耐食性の高いチタンを用い、センサフレーム１４４の自由振動部１４４ａを被測定流体に直接接触させた接液型の超音波流量計１００としている。
なお、センサフレーム１４４の振動減衰部１４４ｂについての素材については、センサフレーム１４４に用いるチタンに代えて、ステンレスやＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などを用いてもよい。
【００４７】
次に、図５Ａおよび図５Ｂを参照しながら、超音波センサ１４０に振動抑制機構を設けた場合の超音波受信波形と、超音波センサ１４０に振動抑制機構を設けていない場合の超音波受信波形とを説明する。
図５Ａおよび図５Ｂの横軸は、受信側の超音波センサ１４０の振動送受信部材１４２が超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎを受信した時点を０とした経過時間を示し、縦軸は、受信側の超音波センサ１４０の振動送受信部材１４２が超音波ビームＳＢを受信することによって生じた電圧（電気信号）の振幅の大きさを示す。
【００４８】
図５Ａに示すように、超音波センサ１４０に振動抑制機構を設置した場合には、第１経過時間Ｔａの電圧の振幅の大きさである超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎは、小さな値となっており、超音波ビームＳＢの信号成分ＳＢｓが到達した第２経過時間Ｔｂの開始を精度よく測定することができる状態となっている。
その結果、超音波ビームＳＢのＳ／Ｎ比が向上し、超音波流量計１００が算出する流量の精度を高めることができる。
【００４９】
これに比べ、図５Ｂに示すように、振動抑制機構を超音波センサに設置していない場合には、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎが大きな値となっており、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎと信号成分ＳＢｓとが混在するため、第１経過時間Ｔａと第２経過時間Ｔｂとの境界が明確に判別できない状態になっている。
その結果、超音波ビームＳＢのＳ／Ｎ比が低下し、超音波流量計１００が算出する流量の精度が低下している。
【００５０】
このようにして得られた本発明の第１実施例である超音波流量計１００は、超音波センサ１４０が、超音波ビームＳＢによる送受信を行う圧電素子からなる振動送受信部材１４２と、この振動送受信部材１４２を内設して保護する有底円筒状のセンサフレーム１４４とから構成され、このセンサフレーム１４４が、振動送受信部材１４２の一方から他方に向けて超音波ビームＳＢの信号成分ＳＢｓを発信した際に、センサフレーム１４４および管体１２０を経由して伝搬されて超音波ビームＳＢの信号成分ＳＢｓに重畳される超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎを抑制する振動抑制機構を備えていることにより、受信側の超音波センサ１４０で検出される超音波ビームＳＢの信号成分ＳＢｓに重畳されていたノイズ成分ＳＢｎが抑制されて超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎに対する信号成分ＳＢｓの割合であるＳ／Ｎ比を向上し、超音波流量計１００が算出する流量の精度を高めることができる。
【００５１】
さらに、超音波センサ１４０のセンサフレーム１４４が、振動送受信部材１４２を内設して振動自在な自由振動部１４４ａとこの自由振動部１４４ａを管体１２０に保持する管体保持部１４４ｃと自由振動部１４４ａおよび管体保持部１４４ｃの間に介在させた振動減衰部１４４ｂとから構成され、センサフレーム１４４の振動抑制機構が、自由振動部から管体保持部に伝搬するノイズ信号を減衰する振動減衰部に設けられていることにより、
振動送受信部材１４２から超音波ビームＳＢの発信に適した内部構造を有する自由振動部１４４ａと、管体１２０の被保持部への固定に適した保持構造を有する管体保持部１４４ｃとを個別に選定することができる。
【００５２】
また、振動減衰部１４４ｂが、径方向の内側から外側に向かって２回折り返し重ね合わせた多重管状部分を有していることにより、振動減衰部１４４ｂと自由振動部１４４ａおよび管体保持部１４４ｃとの接続を簡便にすることができる。
さらに、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎを内側管領域と外側管領域との間で相互干渉によって打ち消し合うとともに、伝搬経路が長くなって伝搬中に減衰され、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎの信号強度を低くすることができる。
【００５３】
また、振動減衰部１４４ｂの多重管状部分が、径方向の外側に設置した外側管領域と内設した内側管領域とから形成された内外相互の間隙に弾性充填部材１４４ｂｃを設置していることにより、振動減衰部１４４ｂを伝搬する超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎが、径方向の内外に位置した管領域に生ずる相互干渉によってより多く減衰して超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎの信号強度をより小さくすることができるなど、その効果は甚大である。
【実施例２】
【００５４】
続いて、本発明の第２実施例である超音波流量計２００について、図６に基づいて説明する。
ここで、図６は、本発明の第２実施例である超音波流量計に用いたセンサフレームの縦断面図である。
第２実施例の超音波流量計２００に用いた超音波センサ２４０は、第１実施例の超音波流量計１００の超音波センサ１４０において、センサフレーム１４４の振動減衰部１４４ｂを分割して組み合わせた構成としたものであり、多くの要素について第１実施例の超音波流量計１００と共通するので、共通する事項については詳しい説明を省略し、下２桁が共通する２００番台の符号を付すのみとする。
【００５５】
センサフレーム２４４は、有底円筒状をしており、図６に示すように、自由振動部２４４ａと振動減衰部２４４ｂと管体保持部２４４ｃとから構成されている。
振動減衰部２４４ｂは、自由振動部２４４ａおよび管体保持部２４４ｃの間に介在しており、第１振動減衰部２４４ｂａと第２振動減衰部２２４ｂｂと弾性充填部材２４４ｂｃとからなる。
【００５６】
第１振動減衰部２４４ｂａは、自由振動部２４４ａから管体保持部２４４ｃに向かって延在した後、径方向の内側から外側に向かって径方向にＬ字状に折り返した形状である。
第２振動減衰部２４４ｂｂは、第１振動減衰部２４４ｂａのＬ字状に折り返した部分に接続され、管体保持部２４４ｃから自由振動部２４４ａに向かって延在した後、径方向の内側から外側に向かって径方向にＬ字状に折り返した形状である。
【００５７】
管体保持部２４４ｃは、管体保持部２４４ｃから自由振動部２４４ａに向かって延在した後、第２振動減衰部２４４ｂｂのＬ字状に折り返した部分に接続されている。
そして、第１振動減衰部２４４ｂａと第２振動減衰部２４４ｂｂと管体保持部２４４ｃから自由振動部２４４ａに向かって延在した部分とをレーザ溶接で内側から順に接続して折り返し重ね合わせた多重管状部分を形成し、この多重管状部分における径方向の外側に設置した外側管領域と内設した内側管領域とから形成された内外相互の間隙に弾性充填部材２４４ｂｃを設置することによって、センサフレーム２４４に振動抑制機構が構成される。
【００５８】
このようにして得られた本発明の第２実施例である超音波流量計２００は、超音波センサ２４０のセンサフレーム２４４における振動減衰部２４４ｂの多重管状部分が分割された２部材を組み合わせた構成としていることにより、超音波センサ２４０のセンサフレーム２４４における振動減衰部２４４ｂが複雑な切削加工や鋳型を必要としないため、簡便に形成することができる。
【実施例３】
【００５９】
続いて、本発明の第３実施例である超音波流量計３００について、図７に基づいて説明する。
ここで、図７は、本発明の第３実施例である超音波流量計に用いたセンサフレームの縦断面図である。
第３実施例の超音波流量計３００に用いた超音波センサ３４０は、第１実施例の超音波流量計１００の超音波センサ１４０において、センサフレーム１４４の振動減衰部１４４ｂの多重管状部分を複数回折り返し重ね合わせた構成としたものであり、多くの要素について第１実施例の超音波流量計１００と共通するので、共通する事項については詳しい説明を省略し、下２桁が共通する３００番台の符号を付すのみとする。
【００６０】
センサフレーム３４４の振動減衰部３４４ｂは、自由振動部３４４ａおよび管体保持部３４４ｃの間に介在しており、第１振動減衰部３４４ｂａと弾性充填部材３４４ｂｃとからなる。
第１振動減衰部３４４ｂａは、径方向の内側から外側に向かって径方向に４回折り返して重ね合わせた多重管状部分となっており、この多重管状部分が他の多重管状部分よりも管厚を薄くした薄管部分となっている。
【００６１】
これにより、伝搬経路が、長くなるとともに、伝搬経路における薄管部分が、他の伝搬経路に比べて小さな断面積となって大きな経路抵抗となる。
そして、センサフレーム３４４は、振動減衰部３４４ｂによって、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎが伝搬する際、振動を抑制してノイズ成分ＳＢｎの信号強度を減衰する振動抑制機構が構成される。
【００６２】
このようにして得られた本発明の第３実施例である超音波流量計３００は、超音波センサ３４０のセンサフレーム１４４における振動減衰部３４４ｂの多重管状部分が、この多重管状部分に他の多重管状部分よりも管厚を薄くした薄管部分を有していることにより、伝搬経路中に設けられた薄管部分を通過する際に超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎをより多く減衰することができるなど、その効果は甚大である。
【実施例４】
【００６３】
続いて、本発明の第４実施例である超音波流量計４００について、図８に基づいて説明する。
ここで、図８は、本発明の第４実施例である超音波流量計に用いたセンサフレームの縦断面図である。
第４実施例の超音波流量計４００に用いた超音波センサ４４０は、第１実施例の超音波流量計１００の超音波センサ１４０において、センサフレーム１４４の振動減衰部１４４ｂに偶数回折り返し重ね合わせた多重管状部分を設け、この多重管状部分に他の多重管状部分よりも管厚の薄い薄管部分と最内側管領域の内径を自由振動部の内径よりも小さくした構成とを併用したものであり、多くの要素について第１実施例の超音波流量計１００と共通するので、共通する事項については詳しい説明を省略し、下２桁が共通する４００番台の符号を付すのみとする。
【００６４】
センサフレーム４４４の振動減衰部４４４ｂは、自由振動部４４４ａおよび管体保持部４４４ｃの間に介在しており、第１振動減衰部４４４ｂａと第２振動減衰部４４４ｂｂと弾性充填部材４４４ｂｃとからなる。
第１振動減衰部４４４ｂａは、自由振動部４４４ａから径方向の外側から内側に向かって延在した後、Ｌ字状に折り返して管体保持部４４４ｃに向かって延在した形状となっている。
【００６５】
第２振動減衰部４４４ｂｂは、第１振動減衰部４４４ｂａのＬ字状に折り返した部分に接続され、管体保持部４４４ｃから自由振動部４４４ａに向かって延在した後、径方向の内側から外側に向かって径方向に３回折り返して重ね合わせた多重管状部分となっている。
この第２振動減衰部４４４ｂｂにおける多重管状部分の最内側管領域は、第１振動減衰部４４４ｂａと同等の管厚であり、他の多重管状部分よりも管厚を薄くした薄管部分となっている。
【００６６】
第１振動減衰部４４４ｂａと第２振動減衰部４４４ｂｂとを接続することによって、振動減衰部４４４ｂの多重管状部分が、自由振動部４４４ａの内径よりも小さな内径から径方向に折り返しを開始し、径方向の内側から外側に向かって径方向に偶数回の一例として４回折り返して重ね合わせた多重管状部分が構成され、この多重管状部分の１回折り返し部分である径方向の最内側に設置されて対向している最内側管領域とこの最内側管領域に続く第２内側管領域とが、他の多重管状部分よりも管厚を薄くした薄管部分となっている。
そして、センサフレーム４４４は、振動減衰部４４４ｂによって、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎが伝搬する際、振動を抑制してノイズ成分ＳＢｎの信号強度を減衰する振動抑制機構が構成される。
なお、振動減衰部４４４ｂの多重管状部分における径方向への折り返しの回数は、４回、６回、８回など、偶数回であれば、何回でも良い。
【００６７】
さらに、本実施例では、振動減衰部４４４ｂの折り返し回数を偶数回の一例として４回としたが、管体保持部４４４ｃを管体保持部４４４ｃから自由振動部４４４ａに向かって延在した構造にすることによって、折り返し回数を１回省略し、振動減衰部４４４ｂの多重管状部分における径方向への折り返しの回数を３回、５回、７回など、奇数回にすることもできる。
振動減衰部４４４ｂの折り返し回数を奇数回にした場合、第１振動減衰部４４４ｂａと第２振動減衰部４４４ｂｂと管体保持部４４４ｃから自由振動部４４４ａに向かって延在した部分とから複数の折り返し重ね合わせた多重管状部分を形成し、この多重管部分における径方向の外側に設置した外側管領域と内設した内側管領域とから形成された内外相互の間隙に弾性充填部材４４４ｂｃを設置することによって、センサフレーム４４４に振動抑制機構が構成される。
【００６８】
このようにして得られた本発明の第４実施例である超音波流量計４００は、超音波センサ４４０のセンサフレーム４４４における振動減衰部４４４ｂの多重管状部分が、径方向の最内側に設置した最内側管領域の内径を自由振動部４４４ａの内径よりも小さくしていることにより、センサフレーム４４４の外径を変えることなく、伝搬経路を長くするとともに、伝搬経路における薄管部分を設けることによって、伝搬経路を大きな経路抵抗とすることができるなど、その効果は甚大である。
【符号の説明】
【００６９】
１００、    ２００、    ３００、    ４００    ・・・  超音波流量計
１２０                                        ・・・  管体
１４０、    ２４０、    ３４０、    ４４０    ・・・  超音波センサ
１４２、    ２４２、    ３４２、    ４４２    ・・・  振動送受信部材（圧電素子）
１４３                                        ・・・  リード線
１４４  、  ２４４、    ３４４、    ４４４    ・・・  センサフレーム
１４４ａ、  ２４４ａ、  ３４４ａ、  ４４４ａ  ・・・  自由振動部
１４４ｂ、  ２４４ｂ、  ３４４ｂ、  ４４４ｂ  ・・・  振動減衰部（振動抑制機構）
１４４ｂａ、２４４ｂａ、３４４ｂａ、４４４ｂａ  ・・  第１振動減衰部
２４４ｂｂ、            ４４４ｂｂ  ・・  第２振動減衰部
１４４ｂｃ、２４４ｂｃ、３４４ｂｃ、４４４ｂｃ  ・・  弾性充填部材
１４４ｃ、  ２４４ｃ、  ３４４ｃ、  ４４４ｃ  ・・・  管体保持部
１４６                                        ・・・  フレーム裏蓋
１４８                                        ・・・  シール部材
１４９                                        ・・・  部材固定蓋
ＳＢ    ・・・  超音波ビーム
ＳＢｆ  ・・・  被測定流体の流通方向に対して順方向の超音波ビーム
ＳＢｒ  ・・・  被測定流体の流通方向に対して逆方向の超音波ビーム
ＳＢｓ  ・・・  超音波ビームの信号成分
ＳＢｎ  ・・・  超音波ビームのノイズ成分
Ｃ      ・・・  被測定流体の流通方向
【図１】
2018151262.tif 000003
【図２】
2018151262.tif 000004
【図３】
2018151262.tif 000005
【図４】
2018151262.tif 000006
【図５Ａ】
2018151262.tif 000007
【図５Ｂ】
2018151262.tif 000008
【図６】
2018151262.tif 000009
【図７】
2018151262.tif 000010
【図８】
2018151262.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成29年4月11日(2017.4.11)
【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】
被測定流体を流通させる管体と、前記被測定流体の流通方向に対して斜めに横切って相互に対向した状態で超音波ビームにおける信号成分の送受信を交互に行う一対または複数対の上流側および下流側の超音波センサとを備え、前記超音波ビームの信号成分が前記管体の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との時間差から管体の内部の流体速度を求め、該流体速度に管体の内部の断面積を乗じて管体の内部を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計であって、
前記超音波センサが、前記超音波ビームによる送受信を行う圧電素子からなる振動送受信部材と、該振動送受信部材を内設して保護する有底円筒状のセンサフレームとから構成され、
該センサフレームが、前記振動送受信部材の一方から他方に向けて超音波ビームの信号成分を発信した際に、前記センサフレームおよび管体を経由して伝搬されて前記超音波ビームの信号成分に重畳される超音波ビームのノイズ成分を抑制する振動抑制機構を備え、
前記センサフレームが、前記振動送受信部材を内設して振動自在な自由振動部と該自由振動部を管体に保持する管体保持部と前記自由振動部および管体保持部の間に介在させた振動減衰部とから構成され、
前記センサフレームの振動抑制機構が、前記自由振動部から管体保持部に伝搬するノイズ成分を減衰する振動減衰部に設けられ、
前記振動減衰部が、径方向に折り返して重ね合わせた多重管状部分を有していることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記振動減衰部の多重管状部分が、径方向の内側から外側に向かって偶数回折り返した形状からなる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】
前記振動減衰部の多重管状部分が、該多重管状部分に他の多重管状部分よりも管厚を薄くした薄管部分を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記振動減衰部の薄管部分が、前記振動減衰部の多重管状部分の径方向に内側の内側管領域に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記振動減衰部の多重管状部分が、径方向の最内側に設置した最内側管領域の内径を自由振動部の内径よりも小さくしていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記振動減衰部の多重管状部分が、径方向の外側に設置した外側管領域と内設した内側管領域とから形成された内外相互の間隙に弾性充填部材を設置していることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の超音波流量計。
【請求項７】
前記センサフレームの材質が、チタンであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の超音波流量計。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の超音波流量計に用いられる超音波センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサから発生する超音波ビームが管体の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との時間差から管体の内部の流体速度を求め、この流体速度に管体の内部の断面積を乗じて管体の内部を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計に関するものであって、特に、天然ガスパイプライン、工場エアー、および、一般の各種気体プロセス工業などにおいて、配管内の流体を測定するための超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、時間差方式の超音波流量計として、超音波の伝播のための超音波窓を第１の領域内に設けたケーシングと、ケーシング内で超音波窓に隣接して配置されている変換エレメントとを備え、ケーシングの第１の領域に相対する第３の領域と第１の領域とを仲介する第２の領域に、弱く連結されている少なくとも２つの機械的な共振器をケーシング波の拡散方向でほぼ直列に配置した超音波変換器を用いた流量測定機器が知られている（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】特開２０１０−０２８８１５号公報（請求項１、図１参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の流量測定機器は、ケーシングから伝播されるノイズ成分の影響が無視できない程度であったため、充分な測定精度が得られないという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、前述したような従来技術の問題を解決するものであって、すなわち、本発明の目的は、受信側の超音波センサで受信された超音波ビームから高い精度の流量を算出す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】
【０００６】
本請求項１に係る発明は、被測定流体を流通させる管体と、前記被測定流体の流通方向に対して斜めに横切って相互に対向した状態で超音波ビームにおける信号成分の送受信を交互に行う一対または複数対の上流側および下流側の超音波センサとを備え、前記超音波ビームの信号成分が前記管体の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との時間差から管体の内部の流体速度を求め、該流体速度に管体の内部の断面積を乗じて管体の内部を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計であって、前記超音波センサが、前記超音波ビームによる送受信を行う圧電素子からなる振動送受信部材と、該振動送受信部材を内設して保護する有底円筒状のセンサフレームとから構成され、該センサフレームが、前記振動送受信部材の一方から他方に向けて超音波ビームの信号成分を発信した際に、前記センサフレームおよび管体を経由して伝搬されて前記超音波ビームの信号成分に重畳される超音波ビームのノイズ成分を抑制する振動抑制機構を備え、前記センサフレームが、前記振動送受信部材を内設して振動自在な自由振動部と該自由振動部を管体に保持する管体保持部と前記自由振動部および管体保持部の間に介在させた振動減衰部とから構成され、前記センサフレームの振動抑制機構が、前記自由振動部から管体保持部に伝搬するノイズ成分を減衰する振動減衰部に設けられ、前記振動減衰部が、径方向に折り返して重ね合わせた多重管状部分を有していることにより、前述した課題を解決するものである。
【０００７】
本請求項２に係る発明は、請求項１に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記振動減衰部の多重管状部分が、径方向の内側から外側に向かって偶数回折り返した形状からなることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【０００８】
本請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記振動減衰部の多重管状部分が、該多重管状部分に他の多重管状部分よりも管厚を薄くした薄管部分を有していることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【０００９】
本請求項４に係る発明は、請求項３に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記振動減衰部の薄管部分が、前記振動減衰部の多重管状部分の径方向に内側の内側管領域に設けられていることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【００１０】
本請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載された超音波流量計の構成に加えて、前記振動減衰部の多重管状部分が、径方向の最内側に設置した最内側管領域の内径を自由振動部の内径よりも小さくしていることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【００１１】
本請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載された超音波流量計の構成に加えて、前記振動減衰部の多重管状部分が、径方向の外側に設置した外側管領域と内設した内側管領域とから形成された内外相互の間隙に弾性充填部材を設置していることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【００１２】
本請求項７に係る発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載された超音波流量計の構成に加えて、前記センサフレームの材質が、チタンであることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【００１３】
本請求項８に係る発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の超音波流量計に用いられる超音波センサであることにより、前述した課題を解決するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の超音波流量計は、被測定流体を流通させる管体と、被測定流体の流通方向に対して斜めに横切って相互に対向した状態で超音波ビームにおける信号成分の送受信を交互に行う一対または複数対の上流側および下流側の超音波センサとを備え、超音波ビームの信号成分が管体の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との時間差から管体の内部の流体速度を求め、この流体速度に管体の内部の断面積を乗じて管体の内部を流れる流量を求めることができるばかりでなく、以下のような特有の効果を奏することができる。
【００１５】
請求項１に係る発明の超音波流量計によれば、超音波センサが、超音波ビームによる送受信を行う圧電素子からなる振動送受信部材と、この振動送受信部材を内設して保護する有底円筒状のセンサフレームとから構成され、このセンサフレームが、振動送受信部材の一方から他方に向けて超音波ビームの信号成分を発信した際に、センサフレームおよび管体を経由して伝搬されて超音波ビームの信号成分に重畳される超音波ビームのノイズ成分を抑制する振動抑制機構を備えていることにより、送信側の超音波センサのセンサフレームに漏れて超音波流量計の管体を経由して受信側の超音波センサのセンサフレームから伝わる超音波ビームのノイズ成分の信号強度が、振動抑制機構で抑制されるため、受信側の超音波センサで検出される超音波ビームの信号成分に重畳されていたノイズ成分が抑制されて超音波ビームのノイズ成分に対する信号成分の割合であるＳ／Ｎ比を向上し、超音波流量計が算出する流量の精度を高めることができる。
【００１６】
そして、センサフレームが、振動送受信部材を内設して振動自在な自由振動部とこの自由振動部を管体に保持する管体保持部と自由振動部および管体保持部の間に介在させた振動減衰部とから構成され、センサフレームの振動抑制機構が、自由振動部から管体保持部に伝搬するノイズ成分を減衰する振動減衰部に設けられていることにより、振動抑制機構が、自由振動部と管体保持部との間を適切に連接するともに自由振動部から管体保持部に伝搬する超音波ビームのノイズ成分を抑制しているため、振動送受信部材から超音波ビームの発信に適した内部構造を有する自由振動部と、管体の被保持部への固定に適した保持構造を有する管体保持部とを個別に選定することができる。
【００１７】
また、振動減衰部が、径方向に折り返して重ね合わせた多重管状部分を有していることにより、超音波ビームのノイズ成分が、振動減衰部を伝搬する際、多重管状部分における内外に隣接して対向させた内側管領域と外側管領域とを逆方向に伝搬するとともに、多重管状部分によって長くなった伝搬経路を伝搬するため、超音波ビームのノイズ成分を内側管領域と外側管領域との間で相互干渉によって打ち消し合うとともに、伝搬経路が長くなって伝搬中に減衰され、超音波ビームのノイズ成分の信号強度を低くすることができる。
【００１８】
請求項２に係る発明の超音波流量計によれば、請求項１に係る発明が奏する効果に加えて、振動減衰部の多重管状部分が、径方向の内側から外側に向かって偶数回折り返した形状からなることにより、振動減衰部の多重管状部分において、最内側の内側管領域と最外側の外側管領域との両端が逆方向に位置するため、振動減衰部と自由振動部および管体保持部との接続を簡便にすることができる。
【００１９】
請求項３に係る発明の超音波流量計によれば、請求項１または請求項２に係る発明が奏する効果に加えて、振動減衰部の多重管状部分が、この多重管状部分に他の多重管状部分よりも管厚を薄くした薄管部分を有していることにより、伝搬経路における薄管部分が、他の伝搬経路に比べて小さな断面積となって大きな経路抵抗となるため、伝搬経路中に設けられた薄管部分を通過する際に超音波ビームのノイズ成分をより多く減衰することができる。
【００２０】
請求項４に係る発明の超音波流量計によれば、請求項３に係る発明が奏する効果に加えて、振動減衰部の薄管部分が、振動減衰部の多重管状部分の径方向に内側の内側管領域に設けられていることにより、径方向の外側の外側管領域よりも小さな断面積となっている内側管領域をさらに小さな断面積にして伝搬経路の経路抵抗をさらに大きくするため、振動減衰部の経路抵抗を更に大きくして通過する超音波ビームのノイズ成分の減衰量をさらに多くすることができる。
【００２１】
請求項５に係る発明の超音波流量計によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか１つに係る発明が奏する効果に加えて、振動減衰部の多重管状部分が、径方向の最内側に設置した最内側管領域の内径を自由振動部の内径よりも小さくしていることにより、振動減衰部の多重管状部分が、自由振動部の内径よりも小さな内径から径方向に折り返しを開始するため、センサフレームの外径を変えることなく、伝搬経路を長くすることができる。
【００２２】
請求項６に係る発明の超音波流量計によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか１つに係る発明が奏する効果に加えて、振動減衰部の多重管状部分が、径方向の外側に設置した外側管領域と内設した内側管領域とから形成された内外相互の間隙に弾性充填部材を設置していることにより、間隙に設置された弾性充填部材が、内外に近接する内側管領域と外側管領域とを逆方向に伝搬する超音波ビームのノイズ成分の相互干渉をより強くするため、振動減衰部を伝搬する超音波ビームのノイズ成分が、径方向の内外に位置した管領域に生ずる相互干渉によってより多く減衰して超音波ビームのノイズ成分の信号強度をより小さくすることができる。
【００２３】
請求項７に係る発明の超音波流量計によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか１つに係る発明が奏する効果に加えて、センサフレームの材質が、チタンであることにより、センサフレームが高い耐食性を有するため、超音波流量計の管体に開口を設けてセンサフレームの自由振動部を被測定流体に直接接触させる超音波流量計とすることができる。
【００２４】
請求項８に係る発明の超音波センサによれば、請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の超音波流量計に用いられることにより、送信側の超音波センサのセンサフレームに漏れて超音波流量計の管体を経由して受信側の超音波センサのセンサフレームから伝わる超音波ビームのノイズ成分の信号強度が、振動抑制機構で抑制されるため、受信側の超音波センサで検出される超音波ビームの信号成分に重畳されていたノイズ成分が抑制されて超音波ビームのノイズ成分に対する信号成分の割合であるＳ／Ｎ比を向上し、超音波流量計が算出する流量の精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施例である超音波流量計を示す縦断面図。
【図２】図１に示す超音波流量計の超音波の伝搬状態を説明するための横断面図。
【図３】図１に示す超音波流量計に用いた超音波センサの縦断面図。
【図４】図２に示す超音波センサにおけるセンサフレームの縦断面図。
【図５Ａ】図３に示す超音波センサに振動抑制機構を設置した場合の超音波受信波形を示す図。
【図５Ｂ】図３に示す振動抑制機構を超音波センサに設置していない場合の超音波受信波形を示す図。
【図６】本発明の第２実施例である超音波流量計に用いたセンサフレームの縦断面図。
【図７】本発明の第３実施例である超音波流量計に用いたセンサフレームの縦断面図。
【図８】本発明の第４実施例である超音波流量計に用いたセンサフレームの縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の超音波流量計は、被測定流体を流通させる管体と、被測定流体の流通方向に対して斜めに横切って相互に対向した状態で超音波ビームにおける信号成分の送受信を交互に行う一対または複数対の上流側および下流側の超音波センサとを備え、超音波ビームの信号成分が管体の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との時間差から管体の内部の流体速度を求め、この流体速度に管体の内部の断面積を乗じて管体の内部を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計であって、超音波センサが、超音波ビームによる送受信を行う圧電素子からなる振動送受信部材と、この振動送受信部材を内設して保護する有底円筒状のセンサフレームとから構成され、このセンサフレームが、振動送受信部材の一方から他方に向けて超音波ビームの信号成分を発信した際に、センサフレームおよび管体を経由して伝搬されて超音波ビームの信号成分に重畳される超音波ビームのノイズ成分を抑制する振動抑制機構を備え、センサフレームが、振動送受信部材を内設して振動自在な自由振動部と該自由振動部を管体に保持する管体保持部と前記自由振動部および管体保持部の間に介在させた振動減衰部とから構成され、センサフレームの振動抑制機構が、自由振動部から管体保持部に伝搬するノイズ成分を減衰する振動減衰部に設けられ、この振動減衰部が、径方向に折り返して重ね合わせた多重管状部分を有し、受信側の超音波センサで受信された超音波ビームから高い精度の流量を算出するものであれば、その具体的な実施態様は、如何なるものであっても構わない。
【００２７】
ここで、本発明の超音波流量計で計測する被測定流体としては、気体や液体であれば良く、特に、天然ガスパイプライン、工場エアー、および、一般の各種気体プロセス工業などで用いられる気体である。
【００２８】
また、本発明の超音波流量計における管体の具体的な形態としては、直円管、直円管と流入管と流出管とからなる連通管であっても構わない。
ここで、直円管と流入管と流出管とからなる連通管の具体的な連通形態については、直円管の一方端および他方端にそれぞれ延在して相互に対向する一対の流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドを設けることができる連通形態であれば、如何なる連通形態であっても差し支えないが、たとえば、直円管の一方端に連通する流入管の所定の流入角度、直円管の他方端に連通する流出管の所定の流出角度については、直円管の一方端および他方端において過度の乱流渦や流通障害が発生しなければ、３０°、４５°、９０°などで連通する如何なる角度であれば良く、また、直円管に対する流入管と流出管の配置レイアウトについても、流入管と流出管が、直円管の一方端と他方端とで同一の方向からコの字状に配置されているもの、あるいは、Ｚ字状のような互い違いに配置されているものの、いずれであっても良い。
【００２９】
さらに、直円管と流入管と流出管とからなる連通管を管体として用いた場合は、被測定流体の流通方向に対して斜めに横切って相互に対向した状態で一対または複数対の上流側および下流側の超音波センサを直円管に設けるほか、直円管の一方端および他方端にそれぞれ延在して相互に対向する一対の流入側および流出側の測定ヘッドと、これらの流入側および流出側の測定ヘッドにそれぞれ内在させて直円管の中心軸に沿って超音波ビームの送受信を交互に行う超音波センサとを備えた構造としてもよい。
【実施例１】
【００３０】
以下に、本発明の第１実施例である超音波流量計について、図１乃至図５Ｂに基づいて説明する。
ここで、図１は、本発明の第１実施例である超音波流量計を示す縦断面図であり、図２は、図１に示す超音波流量計の超音波の伝搬状態を説明するための横断面図であり、図３は、図１に示す超音波流量計に用いた超音波センサの縦断面図であり、図４は、図２に示す超音波センサにおけるセンサフレームの縦断面図であり、図５Ａは、図３に示す超音波センサに振動抑制機構を設置した場合の超音波受信波形を示す図であり、図５Ｂは、図３に示す振動抑制機構を超音波センサに設置していない場合の超音波受信波形を示す図である。
【００３１】
本発明の第１実施例である超音波流量計１００は、図１および図２に示すように、被測定流体としての気体を流通させる管体１２０と、この管体１２０の外周に設置され、超音波ビームＳＢにおける信号成分ＳＢｓの送受信を交互に行う２個で一組となる一対の上流側の超音波センサ１４０ｕ（１４０）および下流側の超音波センサ１４０ｄ（１４０）とを備えている。
対となる上流側の超音波センサ１４０ｕおよび下流側の超音波センサ１４０ｄは、被測定流体の流通方向Ｃに対して任意の角度θで斜めに横切った位置に、相互に対向した状態で設置されている。
【００３２】
本発明の超音波流量計１００によって被測定流体の流量を測定する原理について説明する。
図１に示すように、上流側の超音波センサ１４０ｕを送信側として超音波ビームＳＢｆ（ＳＢ）を発生させ、下流側の超音波センサ１４０ｄが超音波ビームＳＢｆを受信するまでに伝搬に要した時間を測定する。
【００３３】
次に、下流側の超音波センサ１４０ｄを送信側として超音波ビームＳＢｒ（ＳＢ）を発生させ、上流側の超音波センサ１４０ｕが超音波ビームＳＢｒを受信するまでに伝搬に要した時間を測定する。
そして、上流側の超音波センサ１４０ｕおよび下流側の超音波センサ１４０ｄのそれぞれに電気的に接続された図示しない変換器などの演算部によって、超音波ビームＳＢの信号成分ＳＢｓが管体１２０の上流側から下流側への伝搬に要した時間と下流側から上流側への伝搬に要した時間との時間差から管体の内部の流体速度を求め、この流体速度に管体の内部の断面積を乗じて管体１２０の内部を流れる流量を求めている。
【００３４】
ここで、送信側の超音波センサ１４０から発生させた超音波ビームＳＢは、被測定流体を伝搬して流量を求める際に必要な信号である信号成分ＳＢｓと、管体１２０を伝搬して流量を求める際にノイズであるノイズ成分ＳＢｎとに分かれ、受信側の超音波センサ１４０に到達する。
被測定流体が液体または気体であるため、固体である管体１２０を伝搬するノイズ成分ＳＢｎよりも信号成分ＳＢｓの方が遅く受信側の超音波センサ１４０に到達する。
第１実施例では、信号成分ＳＢｓの到達開始時を判別し易くするため、ノイズ成分ＳＢｎを減衰する振動抑制機構を超音波センサ１４０に用いている。
【００３５】
続いて、超音波センサ１４０の概要について図３および図４を用いて説明する。
超音波センサ１４０は、振動送受信部材１４２と、リード線１４３と、センサフレーム１４４と、フレーム裏蓋１４６と、シール部材１４８と、部材固定蓋１４９とから構成される。
振動送受信部材１４２は、例えば、ピエゾ素子とも呼ばれるセラミック製の円板状圧電素子からなり、リード線１４３を介して図示しない変換器などの演算部と電気的に接続している。
【００３６】
センサフレーム１４４は、有底円筒状をしており、図４に示すように、自由振動部１４４ａと振動減衰部１４４ｂと管体保持部１４４ｃとから構成されている。
自由振動部１４４ａは、薄厚の有底端側に振動送受信部材１４２を内設して保護しており、振動送受信部材１４２が超音波ビームＳＢを送受信する際、振動自在な状態となっている。
振動減衰部１４４ｂは、自由振動部１４４ａおよび管体保持部１４４ｃの間に介在しており、第１振動減衰部１４４ｂａと弾性充填部材１４４ｂｃとからなる。
【００３７】
管体保持部１４４ｃは、自由振動部１４４ａを管体１２０に保持している。
そして、センサフレーム１４４は、振動減衰部１４４ｂによって、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎが伝搬する際、振動を抑制してノイズ成分ＳＢｎの信号強度を減衰する振動抑制機構が構成される。
なお、本実施例では、センサフレーム１４４の自由振動部１４４ａと振動減衰部１４４ｂと管体保持部１４４ｃとの接続には、レーザ溶接を用いたが、抵抗溶接、アーク溶接などの溶接や、溶加材を用いた溶着によって接続してもよい。
【００３８】
第１振動減衰部１４４ｂａは、径方向の内側から外側に向かって径方向に２回折り返して重ね合わせた多重管状部分を有している。
これにより、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎが振動減衰部１４４ｂを伝搬する際、多重管状部分における内外に隣接して対向させた内側管領域と外側管領域とを逆方向に伝搬するとともに、多重管状部分によって長くなった伝搬経路を伝搬する構造となっている。
【００３９】
さらに、第１振動減衰部１４４ｂａは、径方向の寸法が管体保持部１４４ｃの径方向の寸法以下である。
これにより、超音波センサ１４０は、超音波流量計１００の管体１２０への取付け構造を変更することなく取り付けることができる。
【００４０】
弾性充填部材１４４ｂｃは、第１振動減衰部１４４ｂａの多重管状部分における径方向の外側に設置した外側管領域と内設した内側管領域とから形成された内外相互の間隙に設置されている。
これにより、振動減衰部１４４ｂの第１振動減衰部１４４ｂａは、多重管状部分における最内側の内側管領域と最外側の外側管領域との両端が逆方向に位置し、自由振動部１４４ａと管体保持部１４４ｃとの間を適切に連接している。
【００４１】
さらに、間隙に設置された弾性充填部材１４４ｂｃが、内外に近接する内側管領域と外側管領域とを逆方向に伝搬する超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎの相互干渉をより強くして、自由振動部１４４ａから管体保持部１４４ｃに伝搬する間にノイズ成分ＳＢｎの信号強度を減衰している。
なお、弾性充填部材１４４ｂｃの素材としては、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ウレタンゴム（Ｕ）、シリコンゴムなどの合成ゴムや、天然ゴム（ＮＲ）などの弾性材料や粘弾性材料、これらの材料を形成したＯリングやシートなどが用いられている。
【００４２】
フレーム裏蓋１４６は、管体１２０の外側に位置するセンサフレーム１４４の開口端側を閉塞している。
部材固定蓋１４９は、リード線１４３をセンサフレーム１４４の内外を貫通させたシール部材１４８をフレーム裏蓋１４６との螺合によって密着させ、超音波センサ１４０の内部を密封状態にしている。
センサフレーム１４４は、振動送受信部材１４２の一方から他方に向けて超音波ビームＳＢの信号成分ＳＢｓを発信した際に、センサフレーム１４４および管体１２０を経由して伝搬されて超音波ビームＳＢの信号成分ＳＢｓに重畳される超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎを抑制する振動抑制機構を備えている。
【００４３】
なお、本発明の第１実施例では、一例として、超音波流量計１００の管体１２０に上流側の超音波センサ１４０ｕおよび下流側の超音波センサ１４０ｄを１組設置した場合について説明したが、上流側の超音波センサ１４０ｕおよび下流側の超音波センサ１４０ｄは、管体１２０の外周方向に互にずらして複数組設置しても、被測定流体の流通方向Ｃに互にずらして複数組設置しても良い。
さらに、本実施例では、振動減衰部１４４ｂの折り返し回数を２回としたが、管体保持部１４４ｃを管体保持部１４４ｃから自由振動部１４４ａに向かって延在した構造にすることによって、折り返し回数を１回省略し、振動減衰部１４４ｂの多重管状部分における径方向への折り返しの回数を１回にすることもできる。
【００４４】
さらに、センサフレーム１４４の材質には、耐食性の高いチタンを用い、センサフレーム１４４の自由振動部１４４ａを被測定流体に直接接触させた接液型の超音波流量計１００としている。
なお、センサフレーム１４４の振動減衰部１４４ｂについての素材については、センサフレーム１４４に用いるチタンに代えて、ステンレスやＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などを用いてもよい。
【００４５】
次に、図５Ａおよび図５Ｂを参照しながら、超音波センサ１４０に振動抑制機構を設けた場合の超音波受信波形と、超音波センサ１４０に振動抑制機構を設けていない場合の超音波受信波形とを説明する。
図５Ａおよび図５Ｂの横軸は、受信側の超音波センサ１４０の振動送受信部材１４２が超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎを受信した時点を０とした経過時間を示し、縦軸は、受信側の超音波センサ１４０の振動送受信部材１４２が超音波ビームＳＢを受信することによって生じた電圧（電気信号）の振幅の大きさを示す。
【００４６】
図５Ａに示すように、超音波センサ１４０に振動抑制機構を設置した場合には、第１経過時間Ｔａの電圧の振幅の大きさである超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎは、小さな値となっており、超音波ビームＳＢの信号成分ＳＢｓが到達した第２経過時間Ｔｂの開始を精度よく測定することができる状態となっている。
その結果、超音波ビームＳＢのＳ／Ｎ比が向上し、超音波流量計１００が算出する流量の精度を高めることができる。
【００４７】
これに比べ、図５Ｂに示すように、振動抑制機構を超音波センサに設置していない場合には、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎが大きな値となっており、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎと信号成分ＳＢｓとが混在するため、第１経過時間Ｔａと第２経過時間Ｔｂとの境界が明確に判別できない状態になっている。
その結果、超音波ビームＳＢのＳ／Ｎ比が低下し、超音波流量計１００が算出する流量の精度が低下している。
【００４８】
このようにして得られた本発明の第１実施例である超音波流量計１００は、超音波センサ１４０が、超音波ビームＳＢによる送受信を行う圧電素子からなる振動送受信部材１４２と、この振動送受信部材１４２を内設して保護する有底円筒状のセンサフレーム１４４とから構成され、このセンサフレーム１４４が、振動送受信部材１４２の一方から他方に向けて超音波ビームＳＢの信号成分ＳＢｓを発信した際に、センサフレーム１４４および管体１２０を経由して伝搬されて超音波ビームＳＢの信号成分ＳＢｓに重畳される超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎを抑制する振動抑制機構を備えていることにより、受信側の超音波センサ１４０で検出される超音波ビームＳＢの信号成分ＳＢｓに重畳されていたノイズ成分ＳＢｎが抑制されて超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎに対する信号成分ＳＢｓの割合であるＳ／Ｎ比を向上し、超音波流量計１００が算出する流量の精度を高めることができる。
【００４９】
さらに、超音波センサ１４０のセンサフレーム１４４が、振動送受信部材１４２を内設して振動自在な自由振動部１４４ａとこの自由振動部１４４ａを管体１２０に保持する管体保持部１４４ｃと自由振動部１４４ａおよび管体保持部１４４ｃの間に介在させた振動減衰部１４４ｂとから構成され、センサフレーム１４４の振動抑制機構が、自由振動部から管体保持部に伝搬するノイズ信号を減衰する振動減衰部に設けられていることにより、
振動送受信部材１４２から超音波ビームＳＢの発信に適した内部構造を有する自由振動部１４４ａと、管体１２０の被保持部への固定に適した保持構造を有する管体保持部１４４ｃとを個別に選定することができる。
【００５０】
また、振動減衰部１４４ｂが、径方向の内側から外側に向かって２回折り返し重ね合わせた多重管状部分を有していることにより、振動減衰部１４４ｂと自由振動部１４４ａおよび管体保持部１４４ｃとの接続を簡便にすることができる。
さらに、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎを内側管領域と外側管領域との間で相互干渉によって打ち消し合うとともに、伝搬経路が長くなって伝搬中に減衰され、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎの信号強度を低くすることができる。
【００５１】
また、振動減衰部１４４ｂの多重管状部分が、径方向の外側に設置した外側管領域と内設した内側管領域とから形成された内外相互の間隙に弾性充填部材１４４ｂｃを設置していることにより、振動減衰部１４４ｂを伝搬する超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎが、径方向の内外に位置した管領域に生ずる相互干渉によってより多く減衰して超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎの信号強度をより小さくすることができるなど、その効果は甚大である。
【実施例２】
【００５２】
続いて、本発明の第２実施例である超音波流量計２００について、図６に基づいて説明する。
ここで、図６は、本発明の第２実施例である超音波流量計に用いたセンサフレームの縦断面図である。
第２実施例の超音波流量計２００に用いた超音波センサ２４０は、第１実施例の超音波流量計１００の超音波センサ１４０において、センサフレーム１４４の振動減衰部１４４ｂを分割して組み合わせた構成としたものであり、多くの要素について第１実施例の超音波流量計１００と共通するので、共通する事項については詳しい説明を省略し、下２桁が共通する２００番台の符号を付すのみとする。
【００５３】
センサフレーム２４４は、有底円筒状をしており、図６に示すように、自由振動部２４４ａと振動減衰部２４４ｂと管体保持部２４４ｃとから構成されている。
振動減衰部２４４ｂは、自由振動部２４４ａおよび管体保持部２４４ｃの間に介在しており、第１振動減衰部２４４ｂａと第２振動減衰部２２４ｂｂと弾性充填部材２４４ｂｃとからなる。
【００５４】
第１振動減衰部２４４ｂａは、自由振動部２４４ａから管体保持部２４４ｃに向かって延在した後、径方向の内側から外側に向かって径方向にＬ字状に折り返した形状である。
第２振動減衰部２４４ｂｂは、第１振動減衰部２４４ｂａのＬ字状に折り返した部分に接続され、管体保持部２４４ｃから自由振動部２４４ａに向かって延在した後、径方向の内側から外側に向かって径方向にＬ字状に折り返した形状である。
【００５５】
管体保持部２４４ｃは、管体保持部２４４ｃから自由振動部２４４ａに向かって延在した後、第２振動減衰部２４４ｂｂのＬ字状に折り返した部分に接続されている。
そして、第１振動減衰部２４４ｂａと第２振動減衰部２４４ｂｂと管体保持部２４４ｃから自由振動部２４４ａに向かって延在した部分とをレーザ溶接で内側から順に接続して折り返し重ね合わせた多重管状部分を形成し、この多重管状部分における径方向の外側に設置した外側管領域と内設した内側管領域とから形成された内外相互の間隙に弾性充填部材２４４ｂｃを設置することによって、センサフレーム２４４に振動抑制機構が構成される。
【００５６】
このようにして得られた本発明の第２実施例である超音波流量計２００は、超音波センサ２４０のセンサフレーム２４４における振動減衰部２４４ｂの多重管状部分が分割された２部材を組み合わせた構成としていることにより、超音波センサ２４０のセンサフレーム２４４における振動減衰部２４４ｂが複雑な切削加工や鋳型を必要としないため、簡便に形成することができる。
【実施例３】
【００５７】
続いて、本発明の第３実施例である超音波流量計３００について、図７に基づいて説明する。
ここで、図７は、本発明の第３実施例である超音波流量計に用いたセンサフレームの縦断面図である。
第３実施例の超音波流量計３００に用いた超音波センサ３４０は、第１実施例の超音波流量計１００の超音波センサ１４０において、センサフレーム１４４の振動減衰部１４４ｂの多重管状部分を複数回折り返し重ね合わせた構成としたものであり、多くの要素について第１実施例の超音波流量計１００と共通するので、共通する事項については詳しい説明を省略し、下２桁が共通する３００番台の符号を付すのみとする。
【００５８】
センサフレーム３４４の振動減衰部３４４ｂは、自由振動部３４４ａおよび管体保持部３４４ｃの間に介在しており、第１振動減衰部３４４ｂａと弾性充填部材３４４ｂｃとからなる。
第１振動減衰部３４４ｂａは、径方向の内側から外側に向かって径方向に４回折り返して重ね合わせた多重管状部分となっており、この多重管状部分が他の多重管状部分よりも管厚を薄くした薄管部分となっている。
【００５９】
これにより、伝搬経路が、長くなるとともに、伝搬経路における薄管部分が、他の伝搬経路に比べて小さな断面積となって大きな経路抵抗となる。
そして、センサフレーム３４４は、振動減衰部３４４ｂによって、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎが伝搬する際、振動を抑制してノイズ成分ＳＢｎの信号強度を減衰する振動抑制機構が構成される。
【００６０】
このようにして得られた本発明の第３実施例である超音波流量計３００は、超音波センサ３４０のセンサフレーム１４４における振動減衰部３４４ｂの多重管状部分が、この多重管状部分に他の多重管状部分よりも管厚を薄くした薄管部分を有していることにより、伝搬経路中に設けられた薄管部分を通過する際に超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎをより多く減衰することができるなど、その効果は甚大である。
【実施例４】
【００６１】
続いて、本発明の第４実施例である超音波流量計４００について、図８に基づいて説明する。
ここで、図８は、本発明の第４実施例である超音波流量計に用いたセンサフレームの縦断面図である。
第４実施例の超音波流量計４００に用いた超音波センサ４４０は、第１実施例の超音波流量計１００の超音波センサ１４０において、センサフレーム１４４の振動減衰部１４４ｂに偶数回折り返し重ね合わせた多重管状部分を設け、この多重管状部分に他の多重管状部分よりも管厚の薄い薄管部分と最内側管領域の内径を自由振動部の内径よりも小さくした構成とを併用したものであり、多くの要素について第１実施例の超音波流量計１００と共通するので、共通する事項については詳しい説明を省略し、下２桁が共通する４００番台の符号を付すのみとする。
【００６２】
センサフレーム４４４の振動減衰部４４４ｂは、自由振動部４４４ａおよび管体保持部４４４ｃの間に介在しており、第１振動減衰部４４４ｂａと第２振動減衰部４４４ｂｂと弾性充填部材４４４ｂｃとからなる。
第１振動減衰部４４４ｂａは、自由振動部４４４ａから径方向の外側から内側に向かって延在した後、Ｌ字状に折り返して管体保持部４４４ｃに向かって延在した形状となっている。
【００６３】
第２振動減衰部４４４ｂｂは、第１振動減衰部４４４ｂａのＬ字状に折り返した部分に接続され、管体保持部４４４ｃから自由振動部４４４ａに向かって延在した後、径方向の内側から外側に向かって径方向に３回折り返して重ね合わせた多重管状部分となっている。
この第２振動減衰部４４４ｂｂにおける多重管状部分の最内側管領域は、第１振動減衰部４４４ｂａと同等の管厚であり、他の多重管状部分よりも管厚を薄くした薄管部分となっている。
【００６４】
第１振動減衰部４４４ｂａと第２振動減衰部４４４ｂｂとを接続することによって、振動減衰部４４４ｂの多重管状部分が、自由振動部４４４ａの内径よりも小さな内径から径方向に折り返しを開始し、径方向の内側から外側に向かって径方向に偶数回の一例として４回折り返して重ね合わせた多重管状部分が構成され、この多重管状部分の１回折り返し部分である径方向の最内側に設置されて対向している最内側管領域とこの最内側管領域に続く第２内側管領域とが、他の多重管状部分よりも管厚を薄くした薄管部分となっている。
そして、センサフレーム４４４は、振動減衰部４４４ｂによって、超音波ビームＳＢのノイズ成分ＳＢｎが伝搬する際、振動を抑制してノイズ成分ＳＢｎの信号強度を減衰する振動抑制機構が構成される。
なお、振動減衰部４４４ｂの多重管状部分における径方向への折り返しの回数は、４回、６回、８回など、偶数回であれば、何回でも良い。
【００６５】
さらに、本実施例では、振動減衰部４４４ｂの折り返し回数を偶数回の一例として４回としたが、管体保持部４４４ｃを管体保持部４４４ｃから自由振動部４４４ａに向かって延在した構造にすることによって、折り返し回数を１回省略し、振動減衰部４４４ｂの多重管状部分における径方向への折り返しの回数を３回、５回、７回など、奇数回にすることもできる。
振動減衰部４４４ｂの折り返し回数を奇数回にした場合、第１振動減衰部４４４ｂａと第２振動減衰部４４４ｂｂと管体保持部４４４ｃから自由振動部４４４ａに向かって延在した部分とから複数の折り返し重ね合わせた多重管状部分を形成し、この多重管部分における径方向の外側に設置した外側管領域と内設した内側管領域とから形成された内外相互の間隙に弾性充填部材４４４ｂｃを設置することによって、センサフレーム４４４に振動抑制機構が構成される。
【００６６】
このようにして得られた本発明の第４実施例である超音波流量計４００は、超音波センサ４４０のセンサフレーム４４４における振動減衰部４４４ｂの多重管状部分が、径方向の最内側に設置した最内側管領域の内径を自由振動部４４４ａの内径よりも小さくしていることにより、センサフレーム４４４の外径を変えることなく、伝搬経路を長くするとともに、伝搬経路における薄管部分を設けることによって、伝搬経路を大きな経路抵抗とすることができるなど、その効果は甚大である。
【符号の説明】
【００６７】
１００、    ２００、    ３００、    ４００    ・・・  超音波流量計
１２０                                        ・・・  管体
１４０、    ２４０、    ３４０、    ４４０    ・・・  超音波センサ
１４２、    ２４２、    ３４２、    ４４２    ・・・  振動送受信部材（圧電素子）
１４３                                        ・・・  リード線
１４４  、  ２４４、    ３４４、    ４４４    ・・・  センサフレーム
１４４ａ、  ２４４ａ、  ３４４ａ、  ４４４ａ  ・・・  自由振動部
１４４ｂ、  ２４４ｂ、  ３４４ｂ、  ４４４ｂ  ・・・  振動減衰部（振動抑制機構）
１４４ｂａ、２４４ｂａ、３４４ｂａ、４４４ｂａ  ・・  第１振動減衰部
２４４ｂｂ、            ４４４ｂｂ  ・・  第２振動減衰部
１４４ｂｃ、２４４ｂｃ、３４４ｂｃ、４４４ｂｃ  ・・  弾性充填部材
１４４ｃ、  ２４４ｃ、  ３４４ｃ、  ４４４ｃ  ・・・  管体保持部
１４６                                        ・・・  フレーム裏蓋
１４８                                        ・・・  シール部材
１４９                                        ・・・  部材固定蓋
ＳＢ    ・・・  超音波ビーム
ＳＢｆ  ・・・  被測定流体の流通方向に対して順方向の超音波ビーム
ＳＢｒ  ・・・  被測定流体の流通方向に対して逆方向の超音波ビーム
ＳＢｓ  ・・・  超音波ビームの信号成分
ＳＢｎ  ・・・  超音波ビームのノイズ成分
Ｃ      ・・・  被測定流体の流通方向