(57)【要約】【課題】配管の変形に起因する流量の測定精度の低下を防止することが可能なクランプオン式超音波流量センサを提供する。【解決手段】配管Ｐの外周面を取り囲むように形成された弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２が、２つのクランプ部材１３１，１３２の固定内面ＦＳにより配管Ｐに押圧されつつ固定される。第１超音波素子１０１と第２超音波素子１０２との間では、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２および配管Ｐ内の流体を通して超音波が伝播する。第１超音波素子１０１から第２超音波素子１０２に送信される超音波の伝播時間と第２超音波素子１０２から第１超音波素子１０１に送信される超音波の伝播時間との差に基づいて配管Ｐ内を流れる流体の流量が算出される。クランプ部材１３１，１３２の固定内面ＦＳの断面が配管の軸心を中心とする正偶数角形の形状を有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管内を流れる流体の流量を測定するクランプオン式超音波流量センサであって、
超音波を送信可能かつ受信可能な第１の超音波素子と、
超音波を送信可能かつ受信可能な第２の超音波素子と、
前記第１の超音波素子から送信される超音波を前記配管へ伝達しかつ前記配管内の流体から前記配管に伝達された超音波を前記第２の超音波素子へ伝達することが可能に構成されるとともに、前記第２の超音波素子から送信される超音波を前記配管へ伝達しかつ前記配管内の流体から前記配管に伝達された超音波を前記第１の超音波素子へ伝達することが可能に構成された固体の弾性カプラントと、
前記弾性カプラントを前記配管に押圧しつつ固定する固定部材と、
前記第１の超音波素子から前記第２の超音波素子に送信される超音波の伝播時間と前記第２の超音波素子から前記第１の超音波素子に送信される超音波の伝播時間との差に基づいて前記配管内を流れる流体の流量を算出する流量算出部とを備え、
前記弾性カプラントは、前記配管の外周面を取り囲むように形成され、
前記固定部材は、前記弾性カプラントの外周面を取り囲むように形成され、前記弾性カプラントに接触する固定内面を有し、
前記配管の軸心に直交する前記固定部材の断面において、前記固定内面は前記配管の軸心を中心としかつ対向する二辺が平行な正多角形の形状を有する、クランプオン式超音波流量センサ。
【請求項２】
前記弾性カプラントは、前記第１および第２の超音波素子と前記配管との間で超音波を伝達させるために前記配管の外周面に接触する音響接触面を有し、
前記音響接触面が前記配管の外周面に接触する状態で前記配管の軸心に直交することになる前記音響接触面の断面は、前記配管の外周面に対応する形状を有する、請求項１記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項３】
前記弾性カプラントは、
前記配管の外周面の周方向における一部分に接触するように設けられる第１の弾性カプラントと、
前記配管の外周面の周方向における他の部分に接触するように設けられる第２の弾性カプラントとを含み、
前記固定部材は、
前記第１の弾性カプラントを前記配管に押圧する第１の取付部材と、
前記第２の弾性カプラントを前記配管に押圧する第２の取付部材と、
前記第１の取付部材と前記第２の取付部材とを連結する連結部材とを含む、請求項１または２記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項４】
前記第１の取付部材は、半円筒形状を有する第１の連結部分を含み、
前記第２の取付部材は、半円筒形状を有する第２の連結部分を含み、
前記第１および第２の連結部分は、前記第１および第２の取付部材が前記配管に取り付けられた状態で互いの内面が対向配置されることにより、円筒形状を有する一の被締結部を形成し、
前記連結部材は、前記一の被締結部に締結可能に形成された締結部材である、請求項３記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項５】
前記締結部材は、第１および第２の部材を含み、
前記第１および第２の部材は、前記配管を挟み込むように互いに接続可能でかつ互いに取り外し可能に構成された、請求項４記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項６】
前記第１および第２の取付部材のうち少なくとも一方に取り付けられる弾性部材をさらに備え、
前記弾性部材は、前記配管を挟み込むことにより当該配管に対して前記少なくとも一方の取付部材を固定するように構成された、請求項３〜５のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項７】
前記第１の取付部材は、前記第１の超音波素子を保持する第１の素子保持部を有し、
前記第２の取付部材は、前記第２の超音波素子を保持する第２の素子保持部を有する請求項３〜４のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項８】
前記固定部材は、カーボン強化樹脂により構成された請求項１〜７のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項９】
前記音響接触面の断面は、前記配管の外周面に対応しかつ対向する二辺が平行な正多角形を有し、
前記弾性カプラントは、前記音響接触面の正多角形の断面において互いに対向する２つの頂点および当該正多角形の中心を通る直線を含みかつ前記配管の軸心に平行な分割面により分割された第１および第２の弾性カプラントを含む、請求項２記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管内を流れる流体の量を検出するクランプオン式超音波流量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
配管内を流れる流体の流量を測定するために流量センサが用いられている。流量センサの一例として、特許文献１には、配管に取り付け可能に構成された超音波流量スイッチが記載されている。具体的には、この超音波流量スイッチにおいては、上クランプ部材および下クランプ部材が配管を挟み込むように配置され、ねじを用いて結合される。また、２つの超音波素子を収容する筐体部が上クランプ部材に着脱可能に固定される。この状態で、一方の超音波素子から配管内の流体を通して他方の超音波素子に超音波が送信され、他方の超音波素子から配管内の流体を通して一方の超音波素子に超音波が送信される。
【０００３】
一方の超音波素子により超音波が送信される時点から他方の超音波素子により当該超音波が受信される時点までの時間と、他方の超音波素子により超音波が送信される時点から一方の超音波素子により当該超音波が受信される時点までの時間との時間差が算出される。算出された時間差と予め定められた数式とに基づいて、配管内を流れる流体の流量が算出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２１７７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の超音波流量スイッチでは、上クランプ部材および下クランプ部材が配管を挟んで結合されることにより、上クランプ部材および下クランプ部材から当該配管に一定の押圧力が加えられる。そのため、柔軟性を有する樹脂製の配管に上クランプ部材および下クランプ部材が取り付けられる場合には、当該配管が時間の経過とともに緩やかに変形する可能性が高い。このように、樹脂に継続的に負荷を加えることにより当該樹脂が徐々に変形することをクリープ変形と呼ぶ。
【０００６】
流体の流量を算出するために予め定められる数式には、配管の内径の設計寸法が含まれる。そのため、流量測定の対象となる配管にクリープ変形が発生すると、時間の経過とともに正確な流量を算出することができなくなる可能性がある。
【０００７】
本発明の目的は、配管の変形に起因する流量の測定精度の低下を防止することが可能なクランプオン式超音波流量センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明に係るクランプオン式超音波流量センサは、配管内を流れる流体の流量を測定するクランプオン式超音波流量センサであって、超音波を送信可能かつ受信可能な第１の超音波素子と、超音波を送信可能かつ受信可能な第２の超音波素子と、第１の超音波素子から送信される超音波を配管へ伝達しかつ配管内の流体から配管に伝達された超音波を第２の超音波素子へ伝達することが可能に構成されるとともに、第２の超音波素子から送信される超音波を配管へ伝達しかつ配管内の流体から配管に伝達された超音波を第１の超音波素子へ伝達することが可能に構成された固体の弾性カプラントと、弾性カプラントを配管に押圧しつつ固定する固定部材と、第１の超音波素子から第２の超音波素子に送信される超音波の伝播時間と第２の超音波素子から第１の超音波素子に送信される超音波の伝播時間との差に基づいて配管内を流れる流体の流量を算出する流量算出部とを備え、弾性カプラントは、配管の外周面を取り囲むように形成され、固定部材は、弾性カプラントの外周面を取り囲むように形成され、弾性カプラントに接触する固定内面を有し、配管の軸心に直交する固定部材の断面において、固定内面は配管の軸心を中心としかつ対向する二辺が平行な正多角形の形状を有する。
【０００９】
そのクランプオン式超音波流量センサにおいては、配管の外周面を取り囲むように形成された弾性カプラントが、固定部材により配管に押圧されつつ固定される。この状態で、第１の超音波素子から送信される超音波が弾性カプラントにより配管を通して配管内の流体に伝達され、その流体から配管に再度伝達された超音波が弾性カプラントにより第２の超音波素子に伝達される。さらに、第２の超音波素子から送信される超音波が弾性カプラントにより配管を通して配管内の流体に伝達され、その流体から配管に再度伝達された超音波が弾性カプラントにより第１の超音波素子に伝達される。
【００１０】
第２の超音波素子に送信される超音波の伝播時間と第２の超音波素子から第１の超音波素子に送信される超音波の伝播時間との差に基づいて配管内を流れる流体の流量が算出される。
【００１１】
このとき、配管内を流れる流体の流量は、軸心に直交する配管の内周面の断面が内径の設計寸法を直径とする真円であると仮定した上で、内径の設計寸法を含む予め定められた数式に基づいて算出される。そのため、配管が変形した場合、予め定められた数式では流量を正確に算出できない可能性がある。しかしながら、配管の内周面の断面の周長が変化することなくその内周面の断面が真円から正偶数角形に変形する場合には、内径の設計寸法を含む予め定められた数式を用いることにより、変形の前後でそれぞれ正確に流量を算出することが可能である。
【００１２】
上記の構成によれば、固定部材の固定内面が、弾性カプラントの外周面に接触しつつ当該弾性カプラントを配管に押圧する。この場合、固定内面の断面が配管の軸心を中心とする正偶数角形の形状を有するので、配管の断面において、配管の外周面には固定内面の正偶数角形の各辺から軸心に向かう方向に押圧力が作用する。したがって、配管の変形は、当該配管の断面が真円から固定内面の断面に対応する正偶数角形となる変形に制限される。
【００１３】
その結果、配管が変形する場合でも、算出方法を変更することなく正確な流量を算出することができる。その結果、配管の変形による流量の測定精度の低下を防止することが可能となる。
【００１４】
（２）弾性カプラントは、第１および第２の超音波素子と配管との間で超音波を伝達させるために配管の外周面に接触する音響接触面を有し、音響接触面が配管の外周面に接触する状態で配管の軸心に直交することになる音響接触面の断面は、配管の外周面に対応する形状を有してもよい。
【００１５】
この場合、音響接触面が配管の外周面の形状に対応する形状を有するので、配管に対する弾性カプラントの取り付けが容易になる。また、弾性カプラントが配管に押圧されることによる配管の変形が低減される。したがって、配管の変形に伴う配管内の圧力損失の発生が低減される。
【００１６】
（３）弾性カプラントは、配管の外周面の周方向における一部分に接触するように設けられる第１の弾性カプラントと、配管の外周面の周方向における他の部分に接触するように設けられる第２の弾性カプラントとを含み、固定部材は、第１の弾性カプラントを配管に押圧する第１の取付部材と、第２の弾性カプラントを配管に押圧する第２の取付部材と、第１の取付部材と第２の取付部材とを連結する連結部材とを含んでもよい。
【００１７】
この場合、第１の取付部材が第１の弾性カプラントを配管の外周面の一部分に押圧しかつ第２の取付部材が第２の弾性カプラントを配管の外周面の他の部分に押圧した状態で、連結部材により第１および第２の取付部材を連結することができる。これにより、弾性カプラントおよび固定部材の既存の配管への取り付けが容易になる。
【００１８】
（４）第１の取付部材は、半円筒形状を有する第１の連結部分を含み、第２の取付部材は、半円筒形状を有する第２の連結部分を含み、第１および第２の連結部分は、第１および第２の取付部材が配管に取り付けられた状態で互いの内面が対向配置されることにより、円筒形状を有する一の被締結部を形成し、連結部材は、一の被締結部に締結可能に形成された締結部材であってもよい。
【００１９】
これにより、簡単な構成で既存の配管に固定部材を容易に取り付けることができる。
【００２０】
（５）締結部材は、第１および第２の部材を含み、第１および第２の部材は、配管を挟み込むように互いに接続可能でかつ互いに取り外し可能に構成されてもよい。
【００２１】
これにより、簡単な構成で既存の配管に固定部材を容易に取り付けることができる。
【００２２】
（６）クランプオン式超音波流量センサは、第１および第２の取付部材のうち少なくとも一方に取り付けられる弾性部材をさらに備え、弾性部材は、配管を挟み込むことにより当該配管に対して少なくとも一方の取付部材を固定するように構成されてもよい。
【００２３】
この場合、弾性部材により少なくとも一方の取付部材が配管に固定される。したがって、既存の配管に固定部材をより容易に取り付けることができる。
【００２４】
（７）第１の取付部材は、第１の超音波素子を保持する第１の素子保持部を有し、第２の取付部材は、第２の超音波素子を保持する第２の素子保持部を有してもよい。
【００２５】
この場合、第１の超音波素子が第１の素子保持部により保持された状態で第１の取付部材を配管に取り付けることができる。また、第２の超音波素子が第２の素子保持部により保持された状態で第２の取付部材を配管に取り付けることができる。それにより、既存の配管に対する第１および第２の超音波素子の取り付けが容易になる。
【００２６】
（８）固定部材は、カーボン強化樹脂により構成されてもよい。
【００２７】
この場合、固定部材の強度が確保されるので、配管に対する固定部材の取付状態が安定するとともに、固定部材の変形が抑制される。また、固定部材の耐腐食性が向上する。
【００２８】
（９）音響接触面の断面は、配管の外周面に対応しかつ対向する二辺が平行な正多角形を有し、弾性カプラントは、音響接触面の正多角形の断面において互いに対向する２つの頂点および当該正多角形の中心を通る直線を含みかつ配管の軸心に平行な分割面により分割された第１および第２の弾性カプラントを含んでもよい。
【００２９】
この場合、第１および第２の弾性カプラントの音響接触面は、配管の軸心に直交する断面において、分割面に対して傾斜する両端部を有する。これにより、配管を第１および第２の弾性カプラントの音響接触面上の適切な位置に容易に導くことができる。したがって、柔軟性を有する配管に対しても取付が容易になる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、配管の変形に起因する流量の測定精度の低下を防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る流量センサの外観斜視図である。
【図２】図１の流量センサの電気系統の構成を示すブロック図である。
【図３】図１の流量センサにおける流量の算出方法を説明するための第１超音波素子、第２超音波素子およびそれらの周辺部材を示す模式的断面図である。
【図４】ヘッド固定機構のクランプ部材による配管の変形制限機能を説明するための斜視図である。
【図５】配管の軸心に直交する図４のクランプ部材および弾性カプラントの断面図である。
【図６】図４のクランプ部材および弾性カプラントの分解斜視図である。
【図７】互いに連結されたクランプ部材の断面の他の例を示す模式図である。
【図８】弾性カプラントとクランプ部材との間に部分的な隙間が形成される構成の一例を示す断面図である。
【図９】配管の軸心に平行な図１のヘッド部の断面図である。
【図１０】図９のヘッド部のＡ−Ａ線における断面図である。
【図１１】図９のヘッド固定機構のうち一方のクランプ部材およびそのクランプ部材に接続される複数の部材を示す分解斜視図である。
【図１２】仮固定用ゴムによりクランプ部材が配管に仮に固定された状態を示す外観斜視図である。
【図１３】ヘッド部を配管に取り付けるための２つのクランプ部材の連結を説明するための外観斜視図である。
【図１４】他の実施の形態に係る弾性カプラントの一例および他の例を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
［１］クランプオン式超音波流量センサの概略構成
本発明の一実施の形態に係るクランプオン式超音波流量センサ（以下、流量センサと略記する。）について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る流量センサの外観斜視図である。図１に示すように、本実施の形態に係る流量センサ１は、主としてヘッド部１０、中継部２０および本体部３０から構成される。
【００３３】
ヘッド部１０は、第１ヘッド部１１、第２ヘッド部１２およびヘッド固定機構１３を含む。第１ヘッド部１１および第２ヘッド部１２は、ヘッド固定機構１３により保持された状態で配管Ｐの外周面に取り付けられる。本実施の形態においては、配管Ｐは、比較的小型の樹脂配管であり、例えば２ｍｍ以上２０ｍｍ以下の直径（外径）を有する。配管Ｐ内には流体が流れる。
【００３４】
第１ヘッド部１１と中継部２０との間に第１ヘッド用ケーブルＣＡ１が接続され、第２ヘッド部１２と中継部２０との間に第２ヘッド用ケーブルＣＡ２が接続されている。中継部２０と本体部３０との間に中継ケーブルＣＡ３が接続されている。本体部３０および中継ケーブルＣＡ３には、コネクタＣＮ１，ＣＮ２がそれぞれ設けられている。コネクタＣＮ１，ＣＮ２は、互いに着脱可能に構成されている。本体部３０には、さらに本体ケーブルＣＡ４の一端が接続されている。本体ケーブルＣＡ４の他端は、流量センサ１の外部装置（図示せず）に接続される。外部装置は、例えばパーソナルコンピュータまたはプログラマブルロジックコントローラである。
【００３５】
図２は図１の流量センサ１の電気系統の構成を示すブロック図である。図２に示すように、ヘッド部１０において、第１ヘッド部１１は第１超音波素子１０１および表示灯１０３を含み、第２ヘッド部１２は第２超音波素子１０２を含む。
【００３６】
第１ヘッド部１１の第１超音波素子１０１は、後述する第１送信回路２０２により生成される第１の駆動信号に応答して超音波を送信する。また、第１超音波素子１０１は、超音波を受信するとともに、受信した超音波に応じたアナログ形式の超音波信号を出力する。
【００３７】
一方、第２ヘッド部１２の第２超音波素子１０２は、後述する第２送信回路２０３により生成される第２の駆動信号に応答して超音波を送信する。また、第２超音波素子１０２は、超音波を受信するとともに、受信した超音波に応じたアナログ形式の超音波信号を出力する。表示灯１０３は、例えば異なる色彩で発光する複数の発光ダイオードを含み、後述する表示灯駆動回路２１０により生成される第３の駆動信号に応答して複数種類の態様で点灯または点滅する。
【００３８】
中継部２０は、切替回路２０１、第１送信回路２０２、第２送信回路２０３、増幅回路２０４、Ａ／Ｄ（アナログデジタル）変換器２０５、中継制御部２０６、校正情報記憶部２０７、通信回路２０８、電源回路２０９および表示灯駆動回路２１０を含む。
【００３９】
切替回路２０１は、図１の第１ヘッド用ケーブルＣＡ１を介して第１超音波素子１０１に接続されるとともに、図１の第２ヘッド用ケーブルＣＡ２を介して第２超音波素子１０２に接続される。また、中継部２０において、切替回路２０１は増幅回路２０４に接続される。切替回路２０１は、中継制御部２０６の制御に基づいて、第１および第２超音波素子１０１，１０２と増幅回路２０４との接続状態を第１の状態と第２の状態との間で切り替える。
【００４０】
第１の状態は、第２超音波素子１０２と増幅回路２０４とが接続されかつ第１超音波素子１０１と増幅回路２０４とが接続されない状態である。第１の状態においては、第２超音波素子１０２が超音波を受信することにより第２超音波素子１０２から出力される超音波信号が増幅回路２０４に与えられる。
【００４１】
第２の状態は、第１超音波素子１０１と増幅回路２０４とが接続されかつ第２超音波素子１０２と増幅回路２０４とが接続されない状態である。第２の状態においては、第１超音波素子１０１が超音波を受信することにより第１超音波素子１０１から出力される超音波信号が増幅回路２０４に与えられる。
【００４２】
第１送信回路２０２および第２送信回路２０３の各々は、トライステートドライバを含む。第１送信回路２０２においては、中継制御部２０６の制御に基づいてトライステートドライバの出力状態が３つの状態（Ｈレベル状態、Ｌレベル状態およびハイインピーダンス状態）の間で切り替えられる。それにより、第１の駆動信号が生成される。第２送信回路２０３においても、中継制御部２０６の制御に基づいてトライステートドライバの出力状態が３つの状態の間で切り替えられる。それにより、第２の駆動信号が生成される。
【００４３】
増幅回路２０４は、予め定められた信号処理として、第１送信回路２０２または第２送信回路２０３から与えられた超音波信号を所定の利得で増幅し、信号処理後の超音波信号をＡ／Ｄ変換器２０５に与える。Ａ／Ｄ変換器２０５は、予め定められた信号処理として、与えられた超音波信号のＡ／Ｄ変換処理を行い、信号処理後のデジタル形式の超音波信号を中継制御部２０６に与える。
【００４４】
中継制御部２０６は、例えばＦＰＧＡ（Field−Programmable Gate Array）またはＣＰＵ（中央演算処理装置）およびメモリにより構成され、機能部として超音波制御部２０６ａ、測定情報生成部２０６ｂおよび表示灯制御部２０６ｃを含む。中継制御部２０６がＣＰＵおよびメモリにより構成される場合、これらの機能部は、ＣＰＵがメモリに記憶されたプログラムを実行することにより実現される。なお、超音波制御部２０６ａ、測定情報生成部２０６ｂおよび表示灯制御部２０６ｃの一部がＦＰＧＡ等の電子回路（ハードウェア）により実現され、ＣＰＵがプログラムを実行することにより残りの部分が実現されてもよい。
【００４５】
超音波制御部２０６ａは、本体部３０からの後述する送信制御信号に応答して切替回路２０１、第１送信回路２０２および第２送信回路２０３を制御する。例えば、超音波制御部２０６ａは、第１および第２超音波素子１０１，１０２と増幅回路２０４との間の接続状態を第１の状態に移行させると同時に、第１の駆動信号を生成するように第１送信回路２０２を動作させる。この場合、第１超音波素子１０１から超音波が送信される。送信された超音波は、図１の配管Ｐおよび配管Ｐ内の流体を通して第２超音波素子１０２により受信される。これにより、第２超音波素子１０２から出力された超音波信号が、増幅回路２０４およびＡ／Ｄ変換器２０５により信号処理されつつ中継制御部２０６に与えられる。
【００４６】
また、超音波制御部２０６ａは、第１および第２超音波素子１０１，１０２と増幅回路２０４との間の接続状態を第２の状態に移行させると同時に、第２の駆動信号を生成するように第２送信回路２０３を動作させる。この場合、第２超音波素子１０２から超音波が送信される。送信された超音波は、図１の配管Ｐおよび配管Ｐ内の流体を通して第１超音波素子１０１により受信される。これにより、第１超音波素子１０１から出力された超音波信号が、増幅回路２０４およびＡ／Ｄ変換器２０５により信号処理されつつ中継制御部２０６に与えられる。
【００４７】
測定情報生成部２０６ｂは、第１および第２超音波素子１０１，１０２から出力される超音波信号に基づいて、第１超音波素子１０１から第２超音波素子１０２に送信される超音波の伝播時間と第２超音波素子１０２から第１超音波素子１０１に送信される超音波の伝播時間との差（以下、時間差と呼ぶ。）を測定情報として生成する。具体的には、測定情報生成部２０６ｂは、与えられた２つの超音波信号の信号波形の相互相関関数のピークから上記の時間差を算出する。
【００４８】
なお、測定情報生成部２０６ｂは、第１超音波素子１０１から送信された超音波が第２超音波素子１０２により受信されるまでの時間と、第２超音波素子１０２から送信された超音波が第１超音波素子１０１により受信されるまでの時間とをそれぞれ測定し、それらの時間の差分を上記の時間差として算出してもよい。
【００４９】
表示灯制御部２０６ｃは、本体部３０からの後述する表示制御信号に応答して、表示灯駆動回路２１０を制御する。表示灯駆動回路２１０は、図１の第１ヘッド用ケーブルＣＡ１を介して表示灯１０３に接続され、表示灯制御部２０６ｃの制御に基づいて表示灯１０３を駆動する第３の駆動信号を生成する。
【００５０】
校正情報記憶部２０７は、例えば不揮発性メモリにより構成され、測定情報生成部２０６ｂにより生成される測定情報と配管Ｐ内の流体の流量との間の予め定められた関係を校正するための校正情報を記憶する。校正情報の詳細は後述する。
【００５１】
通信回路２０８は、図１の中継ケーブルＣＡ３の一端に接続され、測定情報生成部２０６ｂにより生成されたデジタル形式の測定情報と校正情報とを中継ケーブルＣＡ３を通して本体部３０へ出力する。また、通信回路２０８は、中継ケーブルＣＡ３を通して本体部３０から入力される送信制御信号および表示制御信号を中継制御部２０６に与える。送信制御信号は第１送信回路２０２および第２送信回路２０３を制御するための制御信号であり、表示制御信号は表示灯駆動回路２１０を制御するための制御信号である。
【００５２】
電源回路２０９は、本体部３０から中継ケーブルＣＡ３を通して供給される電力を受けるとともに、受けた電力を中継部２０に設けられる他の構成要素に供給する。
【００５３】
本体部３０は、通信回路３０１、本体制御部３０２、表示部３０３、操作部３０４、記憶部３０５、出力回路３０６および電源回路３０７を含む。通信回路３０１は、図１の中継ケーブルＣＡ３の他端に接続され、中継部２０から中継ケーブルＣＡ３を通して出力される測定情報および校正情報を本体制御部３０２に与える。また、通信回路３０１は、後述するように本体制御部３０２において生成される送信制御信号および表示制御信号を中継ケーブルＣＡ３を通して中継部２０へ出力する。
【００５４】
表示部３０３は、例えばセグメント表示器またはドットマトリクス表示器を含み、本体制御部３０２の制御に基づいて配管Ｐ内を流れる流体の流量等を表示する。操作部３０４は、複数の操作ボタンを含む。使用者は、操作部３０４を操作することにより、流量の測定に用いられる各種情報を入力することができる。流量の測定に用いられる各種情報には、ヘッド部１０の取付対象となる配管Ｐの材質、配管Ｐの内径、配管Ｐの外径、流体内での超音波の速度、流体への超音波の入射角および後述する流量補正係数等が含まれる。また、使用者は、操作部３０４を操作することにより、流量センサ１の外部に出力されるべき流量値の出力条件を入力することができる。記憶部３０５は、不揮発性メモリまたはハードディスクドライブにより構成される。
【００５５】
本体制御部３０２は、例えばＣＰＵおよびメモリを含み、第１超音波素子１０１、第２超音波素子１０２および表示灯１０３をそれぞれ駆動するために中継部２０に与えるべき送信制御信号および表示制御信号を生成する。また、本体制御部３０２は、操作部３０４により入力された各種情報の設定を行う。具体的には、本体制御部３０２は、操作部３０４により入力された各種情報を記憶部３０５に記憶させる。さらに、本体制御部３０２は、通信回路３０１から与えられる測定情報および校正情報と予め設定された各種情報とに基づいて、配管Ｐ内を流れる流体の流量を算出する。また、本体制御部３０２は、算出された流量（流量値）を予め設定された出力条件に従って出力する。
【００５６】
なお、本体部３０においては、使用者は、操作部３０４を操作することにより、流量の測定に関する補正値等を入力することができる。この場合、本体制御部３０２は、入力された情報に基づいて流量の算出結果を補正することが可能である。
【００５７】
出力回路３０６は、図１の本体ケーブルＣＡ４の一端に接続され、本体制御部３０２から出力される流量値を本体ケーブルＣＡ４を通して流量センサ１の外部装置に出力する。
【００５８】
電源回路３０７は、図示しない電源ケーブルを通して商用電源から供給される電力を受けるとともに、受けた電力の一部を本体部３０に設けられる他の構成要素に供給する。また、電源回路３０７は、受けた電力の残りを中継ケーブルＣＡ３を通して中継部２０の電源回路２０９に供給する。
【００５９】
ここで、記憶部３０５には、出力条件として流量のしきい値が記憶されてもよい。この場合、本体制御部３０２は、算出された流量と予め設定された流量のしきい値との比較結果に基づいてオンオフ信号を生成してもよい。オンオフ信号は、本体ケーブルＣＡ４を通して本体部３０に接続された外部装置のオン状態とオフ状態とを切り替えるための信号である。出力回路３０６が生成されたオンオフ信号を外部装置に出力することにより、流量センサ１が流量スイッチとして機能する。また、通信回路３０１は、生成されたオンオフ信号を表示制御信号として中継部２０に出力してもよい。この場合、中継部２０において、表示灯制御部２０６ｃはオンオフ信号に基づいて第３の駆動信号を生成する。それにより、流量および外部装置の状態に応じた態様で表示灯１０３の表示態様を制御することができる。
【００６０】
［２］流量の算出方法
図３は、図１の流量センサ１における流量の算出方法を説明するための第１超音波素子１０１、第２超音波素子１０２およびそれらの周辺部材を示す模式的断面図である。
【００６１】
図３に示すように、図１のヘッド部１０においては、配管Ｐの外周面の一部に接触するように固体の弾性カプラントＣＰ１が設けられ、配管Ｐの外周面の他の部分に接触するように固体の弾性カプラントＣＰ２が設けられる。弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２は、固体の高分子ゴムまたは固体のゲル状物質等からなる軟質弾性体材料により形成される。弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の硬度は、例えば２０度〜４０度である。また、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２は、配管Ｐの外周面を取り囲むように形成され、その内周面が配管Ｐの外周面に密着するように、配管Ｐに押圧されつつ固定される。
【００６２】
第１ヘッド部１１は、超音波を伝達するウェッジ材１１１を含み、ウェッジ材１１１が弾性カプラントＣＰ１の外周面に接するように設けられる。第２ヘッド部１２は、第１ヘッド部１１と同様に、超音波を伝達するウェッジ材１１１を含み、当該ウェッジ材１１１が弾性カプラントＣＰ２の外周面に接するように設けられる。ウェッジ材１１１は、非金属でかつ高い剛性および高い音響透過性を有する材料により形成される。ウェッジ材１１１は、高い耐環境性を有する材料により形成されることが好ましい。
【００６３】
弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２は、ウェッジ材１１１と配管Ｐとに接触するように配置されることにより、ウェッジ材１１１と配管Ｐとの音響インピーダンスを整合させる。
【００６４】
第１ヘッド部１１および第２ヘッド部１２が配管Ｐに取り付けられた状態で配管Ｐ内を流体が流れることにより、第１超音波素子１０１と第２超音波素子１０２との間の超音波の送受信が可能となる。図２の中継部２０においては、第１超音波素子１０１から第２超音波素子１０２に超音波が送信されるとともに第２超音波素子１０２から出力される超音波信号が増幅回路２０４へ入力されるように各種回路が制御される。また、第２超音波素子１０２から第１超音波素子１０１に超音波が送信されるとともに第１超音波素子１０１から出力される超音波信号が増幅回路２０４へ入力されるように各種回路が制御される。その後、２つの超音波信号に基づいて時間差が算出される。
【００６５】
流量の測定前には、流量センサ１には少なくとも配管Ｐの内径、流体内での超音波の速度、流体への超音波の入射角および流量補正係数が設定される。ここで、流量補正係数は、配管Ｐの断面内で所定の分布を有する流体の速度を平均速度に換算するための係数である。
【００６６】
図２の本体制御部３０２においては、配管Ｐの軸心に直交する配管Ｐの内周面の断面が設計寸法の内径を有する真円であると仮定された状態で、理論上下記式（１）に基づいて配管Ｐ内を流れる流体の流量Ｑを算出することができる。Δｔは中継部２０において算出される時間差であり、ｄは配管Ｐの内径であり、θは流体中の超音波の入射角であり、Ｖｓは流体中の超音波の速度であり、Ｋは流量補正係数である。
【００６７】
Ｑ＝（１／Ｋ）・（πｄＶｓ２／８ｔａｎθ）・Δｔ  …（１）
上記式（１）においては、内径ｄ、入射角θ、速度Ｖｓおよび流量補正係数Ｋは、予め流量センサ１に設定される固定値である。
【００６８】
ところで、ヘッド部１０および中継部２０の各構成要素の動作特性によっては、中継部２０において算出される時間差と配管Ｐを流れる流体の流量との間で式（１）の関係が満たされない場合がある。
【００６９】
そこで、本実施の形態では、ヘッド部１０および中継部２０により算出される時間差と実際に測定されるべき流量との間の固有の関係を正確に取得するために、上記の校正情報を用いて式（１）が校正される。すなわち、本体制御部３０２は、測定情報と流体の流量との間の予め定められた関係としての上記式（１）を、校正情報を用いて校正する。校正により得られる数式（時間差と流量との関係）に基づいて、実際の流量が算出される。このように、校正情報は、ヘッド部１０および中継部２０に応じて式（１）を校正するための情報である。この場合、校正情報は、例えば式（１）における時間差Δｔの係数を調整する値と、式（１）のうち時間差Δｔを含む項に加算されるべきオフセット値（流量０に対する調整値）とを含む。
【００７０】
［３］配管Ｐの変形
以下の説明では、中継部２０において算出される時間差と配管Ｐを流れる流体の流量との間で式（１）の関係が満たされているものとする。
【００７１】
配管Ｐの軸心に直交する配管Ｐの内周面の断面が真円から変形すると、配管Ｐの内径ｄが変化することにより正確な流量が算出されない可能性がある。しかしながら、配管Ｐの内周面の断面の周長が変化することなくその配管Ｐの内周面の断面が真円から正偶数角形に変形する場合には、第１および第２超音波素子１０１，１０２が特定の位置関係で配管Ｐ上に配置されることを条件として、配管Ｐの変形後においても上記の式（１）を用いることにより流量を算出することが可能である。この理由について説明する。
【００７２】
なお、正偶数角形は、互いに対向する二辺が平行な正多角形であり、ｎを２の倍数として正ｎ角形と表記することができる。また、第１および第２超音波素子１０１，１０２の特定の位置関係とは、円筒形状から正偶数角筒形状に変形した配管Ｐをその軸心に沿って見た場合に、当該配管Ｐの軸心を挟んで平行に並ぶ２つの平坦な外面上に第１および第２超音波素子１０１，１０２がそれぞれ取り付けられる位置関係をいう。
【００７３】
ここで、配管Ｐの内周面の断面の周長が変化することなくその配管Ｐの内周面の断面が真円から正ｎ角形（ｎは２の倍数）に変形する場合には、下記式（２）が成立する。Ｓ１は配管Ｐの変形前における内部空間の断面積であり、Ｓ２は配管Ｐの変形後における内部空間の断面積である。
【００７４】
Ｓ２＝［π／｛ｎ・ｔａｎ（π／ｎ）｝］・Ｓ１  …（２）
また、配管Ｐの内周面の断面の周長が変化することなくその配管Ｐの内周面の断面が真円から正ｎ角形（ｎは２の倍数）に変形する場合には、変形の前後で配管Ｐ内を流れる流体の流量が一定であると仮定すると、下記式（３）が成立する。Ｖ１は配管Ｐの変形前に配管Ｐ内を流れる流体の速度であり、Ｖ２は配管Ｐの変形後に配管Ｐ内を流れる流体の速度である。
【００７５】
Ｖ２＝［｛ｎ・ｔａｎ（π／ｎ）｝／π］・Ｖ１  …（３）
配管Ｐ内を流れる流体の流量は、流量補正係数Ｋの逆数と配管Ｐの内部空間の断面積と配管Ｐ内を流れる流体の速度との積である。上記の式（２），（３）の関係によれば、配管Ｐの変形の前後で、配管Ｐの内部空間の断面積と配管Ｐ内を流れる流体の速度との積は変化しない。
【００７６】
上記のように、式（１）においては、内径ｄ、入射角θ、速度Ｖｓおよび流量補正係数Ｋが固定値として扱われるため、流量Ｑは時間差Δｔによって定まる。したがって、配管Ｐの内周面の断面が真円から正偶数角形に変形する場合、すなわち配管Ｐが円筒形状から正偶数角筒形状に変形する場合には、配管Ｐの変形後であっても上記式（１）と実際に算出された時間差Δｔとを用いることにより正確な流量を算出することが可能である。
【００７７】
樹脂により形成された配管Ｐにおいては、継続的に負荷が加えられることにより当該樹脂が徐々に変形するクリープ変形が生じやすい。そこで、本実施の形態においては、配管Ｐにおいてヘッド部１０が取り付けられる部分の変形が円筒形状から正偶数角筒形状への変形に制限される。それにより、配管Ｐにクリープ変形が生じる場合でも、上記式（１）を用いて正確な流量を算出することができる。
【００７８】
図１のヘッド固定機構１３は、図３の弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２をそれぞれ配管Ｐに押圧しつつ固定するためのクランプ部材を有する。本実施の形態では、ヘッド固定機構１３のクランプ部材が配管Ｐの変形を上記の変形に制限するための部材として機能する。
【００７９】
図４はヘッド固定機構１３のクランプ部材による配管Ｐの変形制限機能を説明するための斜視図である。図５は配管Ｐの軸心に直交する図４のクランプ部材１３１，１３２および弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の断面図である。図６は図４のクランプ部材１３１，１３２および弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の分解斜視図である。
【００８０】
図４〜図６では、クランプ部材１３１，１３２による配管Ｐの変形制限機能の理解を容易にするためにクランプ部材１３１，１３２および弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の形状が模式的に示される。また、図５では、第１および第２超音波素子１０１，１０２の特定の位置関係が一点鎖線で示される。
【００８１】
図５および図６に示すように、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の各々は、互いに逆方向を向く接触面ＣＳおよび外面ＯＳを有する。接触面ＣＳは配管Ｐの外周面に接触する面であり、外面ＯＳは接触面ＣＳが配管Ｐの外周面に接触する状態で配管Ｐの外方を向く面である。接触面ＣＳが配管Ｐの外周面に接触する状態で配管Ｐの軸心に直交することになる接触面ＣＳの断面は、配管Ｐの外周面に対応する円弧形状を有する。
【００８２】
一方の弾性カプラントＣＰ１は、その接触面ＣＳが配管Ｐの外周面のうち半周部分に接触するように配管Ｐに取り付けられる。他方の弾性カプラントＣＰ２は、その接触面ＣＳが配管Ｐの外周面のうち残りの半周部分に接触するように配管Ｐに取り付けられる。それにより、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２は、配管Ｐに取り付けられた状態で周方向における配管Ｐの全体を取り囲む。なお、配管Ｐの周方向において、２つの弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の間には、隙間が形成されてもよい。
【００８３】
クランプ部材１３１，１３２は、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の外面ＯＳにそれぞれ接触する固定内面ＦＳを有する。一方の弾性カプラントＣＰ１の外面ＯＳに固定内面ＦＳが接触するようにクランプ部材１３１が配置され、他方の弾性カプラントＣＰ２の外面ＯＳに固定内面ＦＳが接触するようにクランプ部材１３２が配置される。この状態で、２つのクランプ部材１３１，１３２が互いに連結されることにより、クランプ部材１３１，１３２の固定内面ＦＳが弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２を配管Ｐに押圧する。
【００８４】
クランプ部材１３１，１３２の固定内面ＦＳは、クランプ部材１３１，１３２が配管Ｐを挟んで互いに連結された状態で、配管Ｐの軸心に直交する断面が正偶数角形（本例では、正六角形）を有するように形成されている。この場合、配管Ｐの軸心に直交する面内では、配管Ｐの外周面に対して正偶数角形の固定内面ＦＳの各辺から配管Ｐの軸心に向かう方向に押圧力が作用する。それにより、配管Ｐの変形が、円筒形状から正偶数角筒形状への変形に制限される。
【００８５】
上記のように、図６の各クランプ部材１３１，１３２の固定内面ＦＳは、配管Ｐの軸心に平行に延びる帯状の複数（本例では３つ）の平面で構成される。この場合、各弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の外面ＯＳは、固定内面ＦＳの複数の平面にそれぞれ対応する帯状の複数の平面を有することが好ましい。これにより、配管Ｐの軸心に直交する面内で、クランプ部材１３１，１３２の固定内面ＦＳの各平面から配管Ｐに対して安定した押圧力が作用する。なお、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の外面ＯＳは、上記の例に限らず、配管Ｐの外周面に対応する曲面を有してもよい。
【００８６】
本実施の形態において、配管Ｐの軸心に直交するクランプ部材１３１，１３２の固定内面ＦＳの断面は、略正偶数角形を有していればよく、完全な正偶数角形を有しなくてもよい。具体的には、クランプ部材１３１，１３２の固定内面ＦＳは、その断面が正偶数角形の複数の辺の各々の中央部分を有するように形成されていればよい。
【００８７】
図７は互いに連結されたクランプ部材１３１，１３２の断面の他の例を示す模式図である。図７の例では、クランプ部材１３１，１３２の固定内面ＦＳの断面は、太い一点鎖線で示される完全な正偶数角形（本例では正六角形）を有しない。しかしながら、固定内面ＦＳの断面は、正偶数角形の複数の辺の各々の中央部分を有する。これにより、クランプ部材１３１，１３２が弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２とともに配管Ｐに取り付けられることにより、配管Ｐの変形が円筒形状から正偶数角筒形状への変形に制限される。
【００８８】
また、本実施の形態において、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の外面ＯＳは、その全体がクランプ部材１３１，１３２の固定内面ＦＳに接触しないように形成されてもよい。弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２とクランプ部材１３１，１３２との間には部分的に隙間が形成されてもよい。
【００８９】
図８は、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２とクランプ部材１３１，１３２との間に部分的な隙間が形成される構成の一例を示す断面図である。図８の例では、正偶数角形を有する固定内面ＦＳの断面のうち各頂点部分と弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の外面ＯＳとの間に隙間Ｇが形成されている。この場合でも、配管Ｐの軸心に直交する面内で、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の外面ＯＳが固定内面ＦＳの正偶数角形の複数の辺の各々の中央部分に接触することにより、配管Ｐの変形が円筒形状から正偶数角筒形状への変形に制限される。
【００９０】
また、この場合、配管Ｐおよびクランプ部材１３１，１３２の寸法誤差および組み付け誤差が、隙間Ｇと弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の弾性力とにより容易に吸収される。したがって、固定内面ＦＳおよび外面ＯＳのうち少なくとも一方には、固定内面ＦＳおよび外面ＯＳ間に隙間Ｇを形成するための溝部が形成されることが好ましい。
【００９１】
上記の例に限らず、式（１）が校正情報により校正される場合であっても、配管Ｐの変形が円筒形状から正偶数角筒形状への変形に制限される場合には、その変形の前後で校正情報による校正後の式（１）を用いて正確な流量を算出することができる。校正情報は、ヘッド部１０および中継部２０の構成に応じて定められるものであり、配管Ｐの変形により変化する情報ではないためである。
【００９２】
［４］ヘッド部１０の具体的な内部構造
図９は配管Ｐの軸心に平行な図１のヘッド部１０の断面図であり、図１０は図９のヘッド部１０のＡ−Ａ線における断面図である。図９の断面図は図３の模式的断面図に対応する。図９および図１０の縮尺は互いに異なる。
【００９３】
図９に示すように、第１ヘッド部１１は、ケーシング１１ｃ、第１超音波素子１０１、表示灯１０３およびウェッジ材１１１を含む。ケーシング１１ｃは、樹脂により形成され、一方向に延びる細長形状（本例では、略直方体形状）を有する。
【００９４】
ここで、配管Ｐに取り付けられる各部材において、配管Ｐの軸心を向く方向（配管Ｐの軸心に近づく方向）を内方と呼び、その逆方向（配管Ｐの軸心から離間する方向）を外方と呼ぶ。
【００９５】
外方を向くケーシング１１ｃの外側端部には透明部材により形成された窓部１１９が設けられている。透明部材は、例えば樹脂により形成される。ケーシング１１ｃの内部には、窓部１１９に近接する位置に表示灯１０３が配置されている。この状態で、表示灯１０３は、ケーシング１１ｃの外部から窓部１１９を通して使用者により視認可能となっている。
【００９６】
内方を向くケーシング１１ｃの内側端部には、ケーシング１１ｃの内部空間とケーシング１１ｃの外部空間とを連通する開口１１８が形成されている。開口１１８を閉塞するようにケーシング１１ｃの内側端部にウェッジ材１１１が取り付けられる。これにより、ケーシング１１ｃの内部に水および油等の液体が浸入不可能な空間が形成される。
【００９７】
ウェッジ材１１１の外側部分には、斜め外方を向く接合面１１１ａが形成されている。ウェッジ材１１１の内側部分には、開口１１８を閉塞する状態でケーシング１１ｃの内側端部から内方に突出する突出部１１１ｐが形成されている。突出部１１１ｐの先端には、内方を向く平坦な入出射面１１１ｂが形成されている。
【００９８】
ケーシング１１ｃの長手方向における一端部には、ケーブル挿入孔ＣＨが形成されている。ケーブル挿入孔ＣＨには、第１ヘッド用ケーブルＣＡ１の一端が挿入されている。第１ヘッド用ケーブルＣＡ１は、シールドケーブルと非シールドケーブルとが束ねられた構成を有する。より具体的には、第１ヘッド用ケーブルＣＡ１の一部を構成するシールドケーブルは、第１超音波素子１０１に接続されるツイストペア芯線とそれらのツイストペア芯線を覆うシールド層とを含む。一方、第１ヘッド用ケーブルＣＡ１の他の部分を構成する非シールドケーブルは、表示灯１０３に接続される１または複数の芯線を含み、シールド層を含まない。
【００９９】
ケーシング１１ｃ内には、第１ヘッド用ケーブルＣＡ１と第１超音波素子１０１との電気的な接続点、および第１ヘッド用ケーブルＣＡ１と表示灯１０３との電気的な接続点が埋め込まれるように樹脂部材１１３が充填されている。それにより、第１ヘッド用ケーブルＣＡ１と第１超音波素子１０１および表示灯１０３との電気的な接続点が樹脂部材１１３により保護される。これにより、接続点の劣化が抑制され、流量センサ１の信頼性が向上するとともに長寿命化が実現される。
【０１００】
第２ヘッド部１２は、ケーシング１２ｃ、第２超音波素子１０２およびウェッジ材１１１を含む。第２ヘッド部１２は、表示灯１０３を含まない点、ケーシング１２ｃに窓部１１９が設けられない点、およびケーシング１２ｃに取り付けられるウェッジ材１１１の向きが当該ケーシング１２ｃの長手方向に関して逆である点を除いて第１ヘッド部１１と同じ構成を有する。
【０１０１】
ケーシング１２ｃのケーブル挿入孔ＣＨには、第２ヘッド用ケーブルＣＡ２の一端が挿入されている。第２ヘッド用ケーブルＣＡ２は、シールドケーブルにより構成される。より具体的には、第２ヘッド用ケーブルＣＡ２を構成するシールドケーブルは、第２超音波素子１０２に接続されるツイストペア芯線とそれらのツイストペア芯線を覆うシールド層とを含む。ケーシング１２ｃ内には、第１ヘッド部１１の内部構成と同様に、第２ヘッド用ケーブルＣＡ２と第２超音波素子１０２との電気的な接続点が埋め込まれるように樹脂部材１１３が充填されている。
【０１０２】
ヘッド固定機構１３は、クランプ部材１３１，１３２、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２、複数（本例では２つ）のナット部材１３３、複数（本例では４つ）のグランドナットゴム１４０および複数（本例では４つ）の仮固定用ゴム１５０を含む。
【０１０３】
クランプ部材１３１，１３２は、同じ形状を有し、カーボン強化樹脂により形成される。各クランプ部材１３１，１３２には、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２、２つのグランドナットゴム１４０および２つの仮固定用ゴム１５０が、例えば接着剤を用いて予め接続される。なお、クランプ部材１３１，１３２は、強化剤を含まない通常の樹脂により形成されてもよい。
【０１０４】
クランプ部材１３１，１３２を代表して、一方のクランプ部材１３２における各部品の接続状態を説明する。図１１は、図９のヘッド固定機構１３のうち一方のクランプ部材１３２およびそのクランプ部材１３２に接続される複数の部材を示す分解斜視図である。
【０１０５】
図１１に示すように、クランプ部材１３２は、第２ヘッド部１２よりも長く延びる細長形状を有する。クランプ部材１３２の両端部には、半円筒形状を有し、クランプ部材１３２の長手方向に延びる連結部１３２ｐがそれぞれ形成されている。連結部１３２ｐの外周面には、ねじ切り加工が施されている。図１１に白抜きの矢印Ａ１で示すように、連結部１３２ｐの内周面上に、略半円筒形状を有するグランドナットゴム１４０が取り付けられる。グランドナットゴム１４０の両端部には、フランジ部１４１，１４２が形成されている。フランジ部１４１，１４２のうち一方のフランジ部１４１は半円環形状を有し、クランプ部材１３２の長手方向における連結部１３２ｐの外方に配置される。
【０１０６】
クランプ部材１３２の略中央部には、内方を向く固定内面ＦＳが形成されている。図１１に白抜きの矢印Ａ２で示すように、固定内面ＦＳ上に弾性カプラントＣＰ２が取り付けられる。本例の弾性カプラントＣＰ２は、略半円筒形状を有する超音波伝達部ＣＰａと２つのフランジ部ＣＰｂとを有する。２つのフランジ部ＣＰｂは、超音波伝達部ＣＰａの周方向における両端部から互いに離間する方向に一定距離延びるように形成されている。弾性カプラントＣＰ２の超音波伝達部ＣＰａは、上記の接触面ＣＳおよび外面ＯＳを有する。弾性カプラントＣＰ２の外面ＯＳには、クランプ部材１３２の固定内面ＦＳとの間に上記の隙間Ｇ（図８）を形成するための溝部ｇｒが形成されている。クランプ部材１３２に弾性カプラントＣＰ２が取り付けられた状態で、クランプ部材１３２の固定内面ＦＳが、弾性カプラントＣＰ２の外面ＯＳのうち溝部ｇｒを除く部分に接触する。
【０１０７】
なお、固定内面ＦＳを形成するクランプ部材１３２の一部分には、第２ヘッド部１２の入出射面１１１ｂを弾性カプラントＣＰ２の外面ＯＳの一部に接触させるための開口１３２ｏが形成されている。
【０１０８】
クランプ部材１３２における固定内面ＦＳと一方の連結部１３２ｐとの間および固定内面ＦＳと他方の連結部１３２ｐとの間の部分に、ゴム嵌め込み部１３２ｇがそれぞれ形成されている。ゴム嵌め込み部１３２ｇは、クランプ部材１３２の短手方向に一定の距離をおいて互いに対向するように形成された２つの支持片ｗｓを有する。図１１に白抜きの矢印Ａ３で示すように、ゴム嵌め込み部１３２ｇの２つの支持片ｗｓの間に、略Ｕ字形状の断面を有する仮固定用ゴム１５０が嵌め込まれる。
【０１０９】
クランプ部材１３２が配管Ｐに取り付けられた状態で配管Ｐの外方を向くことになるクランプ部材１３２の外側部分に、保持面１３２ｓが形成されている。保持面１３２ｓ上に第２ヘッド部１２が配置された状態で、図１１に太い矢印Ａ４で示すように、クランプ部材１３２と第２ヘッド部１２とが、２つのねじＳを用いて接続される。このとき、２つのねじＳの頭部は、クランプ部材１３２の内方に位置する。また、第２ヘッド部１２の突出部１１１ｐがクランプ部材１３２の開口１３２ｏに挿入される。この状態で、突出部１１１ｐの先端の入出射面１１１ｂはクランプ部材１３２の固定内面ＦＳと面一となる（図９および図１０参照）。それにより、第２ヘッド部１２の入出射面１１１ｂが弾性カプラントＣＰ２の外面ＯＳに接触する。この場合、入出射面１１１ｂは、超音波の伝達経路として機能するとともに、固定内面ＦＳの一部として弾性カプラントＣＰ２を配管Ｐに押圧しつつ固定するように機能する。
【０１１０】
上記のように、第２ヘッド部１２がクランプ部材１３２に保持されることにより、第２ヘッド部１２およびクランプ部材１３２を含む構成を配管Ｐに対して一体的に取り扱うことができる。
【０１１１】
ここで、上記の仮固定用ゴム１５０は、互いに対向する２つの壁部ｗを有する。仮固定用ゴム１５０がゴム嵌め込み部１３２ｇに嵌め込まれた状態で、２つの壁部ｗは、ゴム嵌め込み部１３２ｇの２つの支持片ｗｓにより支持される。このとき、当該仮固定用ゴム１５０の２つの壁部ｗの間隔は、配管Ｐの外径よりもやや小さい。これにより、第２ヘッド部１２を配管Ｐに取り付ける際には、配管Ｐを各仮固定用ゴム１５０の２つの壁部ｗの間に容易に挿入することができる。
【０１１２】
図１２は、仮固定用ゴム１５０によりクランプ部材１３２が配管Ｐに仮に固定された状態を示す外観斜視図である。図１２に示すように、配管Ｐが２つの仮固定用ゴム１５０の２つの壁部ｗの間にそれぞれ挿入されることにより、各仮固定用ゴム１５０は配管Ｐを挟み込む。それにより、クランプ部材１３２が２つの仮固定用ゴム１５０の弾性力により配管Ｐに仮に固定される。
【０１１３】
上記のように、クランプ部材１３１は、クランプ部材１３２と同じ形状を有し、クランプ部材１３２と同様に、弾性カプラントＣＰ１、２つのグランドナットゴム１４０および２つの仮固定用ゴム１５０が接続される。クランプ部材１３１の外側部分には、保持面１３１ｓ（図９）が形成されている。保持面１３１ｓ上に第１ヘッド部１１が配置された状態で、クランプ部材１３１と第１ヘッド部１１とが２つのねじＳを用いて接続される。これにより、第１ヘッド部１１およびクランプ部材１３１を含む構成を配管Ｐに対して一体的に取り扱うことができる。
【０１１４】
図１３は、ヘッド部１０を配管Ｐに取り付けるための２つのクランプ部材１３１，１３２の連結を説明するための外観斜視図である。図１３に示すように、クランプ部材１３１，１３２の連結時には、まず、配管Ｐを挟み込むように２つのクランプ部材１３１，１３２を配管Ｐにそれぞれ仮に固定する。
【０１１５】
この状態で、クランプ部材１３１，１３２が配管Ｐを挟んで正確に対向するように、クランプ部材１３１，１３２の位置合わせを行う。この位置合わせにより、クランプ部材１３１の一端部に形成される連結部１３１ｐとクランプ部材１３２の一端部に形成される連結部１３２ｐとが一の雄ねじ（中空ねじ）を形成する。また、クランプ部材１３１の他端部に形成される連結部１３１ｐとクランプ部材１３２の他端部に形成される連結部１３２ｐとが一の雄ねじ（中空ねじ）を形成する。その後、対向配置された連結部１３１ｐ，１３２ｐにより構成される雄ねじに、ナット部材１３３が締結される。それにより、クランプ部材１３１，１３２が連結される。
【０１１６】
ここで、図９に示すように、ナット部材１３３の内周面には、内径が連続的に変化するテーパー部ｔｐが形成されている。テーパー部ｔｐは、ナット部材１３３の連結部１３１ｐ，１３２ｐへの締結時にグランドナットゴム１４０のフランジ部１４１を配管Ｐの外周面および連結部１３１ｐ，１３２ｐの端部に向かって押圧する。それにより、グランドナットゴム１４０のフランジ部１４１が、テーパー部ｔｐと連結部１３１ｐ，１３２ｐと配管Ｐの外周面との間で押しつぶされる。このとき、押しつぶされたフランジ部１４１の弾性力によりナット部材１３３と連結部１３１ｐ，１３２ｐと配管Ｐとの間に強い保持力が発生する。
【０１１７】
また、ナット部材１３３は、カーボン強化樹脂により形成され、図１３に示すように、２つの部材１３３Ａ，１３３Ｂからなる。なお、ナット部材１３３は、強化されていない通常の樹脂により形成されてもよい。
【０１１８】
２つの部材１３３Ａ，１３３Ｂは、クランプ部材１３１，１３２の連結部１３１ｐ，１３２ｐよりもやや大きい略半円筒形状を有し、内周面にねじ切り加工が施されている。一方の部材１３３Ａの周方向における両端部ｊｐ１は、他方の部材１３３Ｂの周方向における両端部ｊｐ２に接続可能かつ取り外し可能に構成されている。これにより、簡単な構成で配管Ｐを切断することなくクランプ部材１３１，１３２を連結することができる。
【０１１９】
ヘッド部１０が配管Ｐに取り付けられた状態で、図１０に示すように、弾性カプラントＣＰ１がクランプ部材１３１の固定内面ＦＳおよび第１ヘッド部１１の入出射面１１１ｂにより配管Ｐの外周面に押圧され、固定される。また、弾性カプラントＣＰ２がクランプ部材１３２の固定内面ＦＳおよび第２ヘッド部１２の入出射面１１１ｂにより配管Ｐの外周面に押圧され、固定される。
【０１２０】
なお、本例のクランプ部材１３１，１３２により形成される固定内面ＦＳと第１および第２ヘッド部１１，１２の入出射面１１１ｂとで形成される面の断面は、図８の例と同様に、完全な正偶数角形ではない略正偶数角形を有する。しかしながら、クランプ部材１３１，１３２の固定内面ＦＳと第１および第２ヘッド部１１，１２の入出射面１１１ｂとで形成される面の断面は、図１０に点線で示すように、正偶数角形の複数の辺の各々の中央部分を有する。それにより、配管Ｐの変形が円筒形状から正偶数角形筒形状への変形に制限される。
【０１２１】
［５］効果
（ａ）本実施の形態に係る流量センサ１においては、クランプ部材１３１，１３２の固定内面ＦＳの断面が配管Ｐの軸心を中心とする略正偶数角形の形状を有するので、配管Ｐの変形が円筒形状から正偶数角筒形状への変形に制限される。この場合、配管が変形する場合でも、算出方法を変更することなく第１超音波素子１０１から第２超音波素子１０２に送信される超音波の伝播時間と第２超音波素子１０２から第１超音波素子１０１に送信される超音波の伝播時間との時間差に基づいて正確な流量を算出することができる。したがって、配管Ｐの変形に起因する流量の測定精度の低下を防止することが可能となる。
【０１２２】
（ｂ）上記の流量センサ１においては、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の接触面ＣＳが配管Ｐの外周面に接触する状態で配管Ｐの軸心に直交することになる接触面ＣＳの断面は、円弧形状を有する。それにより、配管Ｐに対するヘッド部１０の取り付けが容易になる。
【０１２３】
（ｃ）上記のヘッド部１０においては、互いに分離されたクランプ部材１３１，１３２にそれぞれ弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２が取り付けられるとともに、クランプ部材１３１，１３２が配管Ｐを挟んで連結される。それにより、既存の配管Ｐに対して、当該配管Ｐを切断することなくヘッド部１０を容易に取り付けることができる。
【０１２４】
（ｄ）本実施の形態に係るクランプ部材１３１，１３２は、カーボン強化樹脂により形成されている。この場合、クランプ部材１３１，１３２の強度が確保されるので、配管Ｐに対するヘッド部１０の取付状態が安定するとともに、クランプ部材１３１，１３２の変形が抑制される。また、クランプ部材１３１，１３２の耐腐食性が向上する。
【０１２５】
（ｅ）上記のヘッド部１０の外表面は、ケーシング１１ｃ，１２ｃ、窓部１１９、クランプ部材１３１，１３２およびナット部材１３３により形成される。これらの部材が、樹脂で形成されることにより、ヘッド部１０においては金属材料を含む構成が露出しない。したがって、ヘッド部１０の耐環境性が向上する。
【０１２６】
［６］他の実施の形態
（ａ）上記実施の形態では、正偶数角形を有する固定内面ＦＳの形状の例として、図５に正六角形の断面を有する固定内面ＦＳが示されるが、本発明はこれに限定されない。固定内面ＦＳの断面形状は、正六角形の他、正四角形を有してもよいし、正八角形を有してもよい。
【０１２７】
（ｂ）上記実施の形態では、配管Ｐの外周面が互いに分離された２つの弾性カプラントＣＰ１、ＣＰ２により取り囲まれるが、本発明はこれに限定されない。互いに分離された弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２を用いる代わりに、配管Ｐの全周またはほぼ全周を取り囲むように形成された単一の弾性カプラントが用いられてもよい。
【０１２８】
（ｃ）上記実施の形態では、ヘッド部１０が取り付けられる配管Ｐは樹脂配管であるが、本発明はこれに限定されない。配管Ｐは、金属配管であってもよい。
【０１２９】
（ｄ）上記実施の形態では、２つのクランプ部材１３１，１３２がその両端部に形成される雄ねじ（中空ねじ）およびナット部材１３３を用いて連結されるが、本発明はこれに限定されない。クランプ部材１３１，１３２は、ゴムバンドまたは結束バンド等を用いて互いに連結されてもよい。
【０１３０】
（ｅ）上記実施の形態において、第１ヘッド部１１および第２ヘッド部１２はいわゆるＺ型配置で設けられるが、本発明はこれに限定されない。第１ヘッド部１１および第２ヘッド部１２は、配管Ｐが延びる方向に並ぶ配置（いわゆるＶ型配置）で設けられてもよい。この場合においても、上記の例と同様に、配管Ｐを取り囲むように弾性カプラントが設けられ、その弾性カプラントが２つのクランプ部材１３１，１３２により配管Ｐに固定されることにより上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１３１】
なお、Ｖ型配置においては、第１超音波素子１０１により送信された超音波は、入射角θで配管Ｐ内の流体に入射された後、反射角θで配管Ｐの内面により反射され、第２超音波素子１０２により受信される。同様に、第２超音波素子１０２により送信された超音波は、入射角θで配管Ｐ内の流体に入射された後、反射角θで配管Ｐの内面により反射され、第１超音波素子１０１により受信される。
【０１３２】
この場合、下記式（４）に基づいて配管Ｐ内を流れる流体の流量Ｑが算出される。Δｔは中継部２０において算出される時間差であり、ｄは配管Ｐの内径であり、θは流体中の超音波の入射角であり、Ｖｓは流体中の超音波の速度であり、Ｋは流量補正係数である。
【０１３３】
Ｑ＝（１／Ｋ）・（πｄＶｓ２／１６ｔａｎθ）・Δｔ  …（４）
この場合、上記実施の形態における流量の算出方法の例と同様に、式（４）を校正することにより、校正後の数式を用いて正確な流量を算出することが可能となる。
【０１３４】
（ｆ）上記実施の形態では、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の接触面ＣＳの断面は、配管Ｐの外周面に対応する略円弧形状を有するが、本発明はこれに限定されない。弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の接触面ＣＳの断面は、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２が配管Ｐに取り付けられる際の位置関係にある状態で配管Ｐの外周面に対応する正多角形を有してもよい。ここで、配管Ｐの外周面に対応する正多角形は、配管Ｐの外周面の断面形状に近似した正多角形であり、例えば中心を通って対向する２つの頂点を結ぶ直線の長さが配管Ｐの外径に等しいかまたはその外径に近い正多角形をいう。
【０１３５】
図１４は、他の実施の形態に係る弾性カプラントの一例および他の例を示す模式的断面図である。図１４（ａ）の例では、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の接触面ＣＳの断面は、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２が配管Ｐに取り付けられる際の位置関係にある状態で配管Ｐの外周面に対応する正六角形状を有する。また、図１４（ｂ）の例では、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の接触面ＣＳの断面は、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２が配管Ｐに取り付けられる際の位置関係にある状態で配管Ｐの外周面に対応する正十角形状を有する。
【０１３６】
上記のように、接触面ＣＳの断面が配管Ｐの外周面に対応する正多角形に形成される場合、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２は、図１４（ａ），（ｂ）に示すように、当該正多角形の互いに対向する２つの頂点および当該正多角形の中心を通る直線を含みかつ配管Ｐの軸心に平行な仮想分割面ＤＰにより分割されるように構成されることが好ましい。
【０１３７】
この場合、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の接触面ＣＳは、配管Ｐの軸心に直交することになる断面において、仮想分割面ＤＰに対して傾斜する両端部を有する。これにより、配管Ｐを弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の接触面ＣＳ上の適切な位置に容易に導くことができる。したがって、柔軟性を有する配管Ｐに対しても取付が容易になる。
【０１３８】
［７］請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
【０１３９】
上記実施の形態においては、配管Ｐが配管の例であり、流量センサ１がクランプオン式超音波流量センサの例であり、第１超音波素子１０１が第１の超音波素子の例であり、第２超音波素子１０２が第２の超音波素子の例であり、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２が弾性カプラントの例であり、クランプ部材１３１，１３２が固定部材の例であり、中継制御部２０６および本体制御部３０２が流量算出部の例であり、固定内面ＦＳが固定内面の例である。
【０１４０】
また、弾性カプラントＣＰ１，ＣＰ２の接触面ＣＳが音響接触面の例であり、弾性カプラントＣＰ１が第１の弾性カプラントの例であり、弾性カプラントＣＰ２が第２の弾性カプラントの例であり、クランプ部材１３１が第１の取付部材の例であり、クランプ部材１３２が第２の取付部材の例であり、ナット部材１３３が連結部材および締結部材の例である。
【０１４１】
また、クランプ部材１３１の連結部１３１ｐが第１の連結部分の例であり、クランプ部材１３２の連結部１３２ｐが第２の連結部分の例であり、連結部１３１ｐ，１３２ｐにより形成される一の雄ねじが被締結部の例であり、ナット部材１３３の部材１３３Ａが第１の部材の例であり、ナット部材１３３の部材１３３Ｂが第２の部材の例である。
【０１４２】
また、仮固定用ゴム１５０が弾性部材の例であり、クランプ部材１３１の保持面１３１ｓが第１の素子保持部の例であり、クランプ部材１３２の保持面１３２ｓが第２の素子保持部の例である。
【０１４３】
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
【符号の説明】
【０１４４】
１…流量センサ，１０…ヘッド部，１１…第１ヘッド部，１１ｃ，１２ｃ…ケーシング，１２…第２ヘッド部，１３…ヘッド固定機構，２０…中継部，３０…本体部，１０１…第１超音波素子，１０２…第２超音波素子，１０３…表示灯，１１１…ウェッジ材，１１１ａ…接合面，１１１ｂ…入出射面，１１１ｐ…突出部，１１３…樹脂部材，１１８，１３２ｏ…開口，１１９…窓部，１３１，１３２…クランプ部材，１３１ｐ，１３２ｐ…連結部，１３１ｓ，１３２ｓ…保持面，１３２ｇ…ゴム嵌め込み部，１３３…ナット部材，１３３Ａ，１３３Ｂ…部材，１４０…グランドナットゴム，１４１，１４２，ＣＰｂ…フランジ部，１５０…仮固定用ゴム，２０１…切替回路，２０２…第１送信回路，２０３…第２送信回路，２０４…増幅回路，２０５…Ａ／Ｄ変換器，２０６…中継制御部，２０６ａ…超音波制御部，２０６ｂ…測定情報生成部，２０６ｃ…表示灯制御部，２０７…校正情報記憶部，２０８，３０１…通信回路，２０９，３０７…電源回路，２１０…表示灯駆動回路，３０２…本体制御部，３０３…表示部，３０４…操作部，３０５…記憶部，３０６…出力回路，ＣＡ１…第１ヘッド用ケーブル，ＣＡ２…第２ヘッド用ケーブル，ＣＡ３…中継ケーブル，ＣＡ４…本体ケーブル，ＣＨ…ケーブル挿入孔，ＣＮ１，ＣＮ２…コネクタ，ＣＰ１，ＣＰ２…弾性カプラント，ＣＰａ…超音波伝達部，ＣＳ…接触面，ＤＰ…仮想分割面，ＦＳ…固定内面，Ｇ…隙間，ＯＳ…外面，Ｐ…配管，Ｓ…ねじ，ｇｒ…溝部，ｊｐ１，ｊｐ２…両端部，ｔｐ…テーパー部，ｗ…壁部，ｗｓ…支持片
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2019158678.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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