(57)【要約】励起信号の振幅増大と受信感度の向上を可能にする超音波流量計を提供する。本発明に係る超音波流量計は、流体を流す管体の外側に所定の距離を隔ててそれぞれ２以上配設された超音波振動子を備え、送信側に配設された２以上の超音波振動子を管体に実質的に同じ圧力で押圧するように駆動させ、超音波の振幅を大きくしたことを特徴とする。また、本発明に係る超音波流量計は、管体と超音波振動子との間に計測に適した超音波信号に変換する整合部材を備え、かつ整合部材は、管体との接触面に曲面又は溝を設けることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を流す管体の外側で送信側及び受信側に距離を隔ててそれぞれ２以上配設された超音波振動子を備え、
前記送信側に配設された２以上の超音波振動子を前記管体に実質的に同じ圧力で押圧するように駆動させ、超音波の振幅を大きくしたことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記超音波振動子を前記管体の径以上の波長になる周波数で駆動させて、ガイド波を励起することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記管体と前記超音波振動子との間に計測に適した超音波信号に変換する整合部材を設け、かつ前記整合部材は前記管体との接触面に曲面又は溝を設けることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記管体に軸対称に配設された前記超音波振動子を同相にして駆動してなることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記超音波振動子は、円筒状、角柱状、柱状、板状、平板状から選択された１つであ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６】
曲線もしくはテーパ形状の外面形状を有する収納体を備え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７】
前記収納体は、前記超音波振動子を所定の距離に保持し、前記管体に着脱可能に設けられることを特徴とすることを特徴とする請求項６に記載の超音波流量計。
【請求項８】
前記収納体は、前記管体を流れる流体を観察するための開口を備えることを特徴とする請求項６に記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子を備える超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、従来の送受信子にリング状に形成した超音波振動子１ａ及び１ｂを用いて管体２に所定の間隔を設けた超音波流量計の概略図である。超音波流量計は、超音波振動子をリング形状にして、送受信各１個の合計２個使用している。この構造では超音波信号レベルが弱く測定が困難であった。流体を流す管体に超音波振動子を直接つけると、超音波信号が長いことによる残響があり、次の送受信の超音波信号に影響を及ぼし、安定した測定ができない。【０００３】
上述した超音波流量計は、管体径に合わせて送受信の超音波振動子を作製しなければならない。また、超音波振動子の取り付け時に管体を切る必要がある。超音波流量計は一般的に配管と配管の間に設置する構造を備えるものが多く、既存の配管に超音波流量計を後から設備する場合、超音波流量計を設置するために配管を切り離すなどの作業が必要となるため、既存の配管に後から超音波流量計を設置するのは困難である。【０００４】
配管を切り離すことなく設置する方法として、リング状超音波振動子を２つ割にした半円環状超音波振動子を設置する方法があるが、半円環状超音波振動子の材料にはセラミックが使用されているため、管体に密着するように精密に製造するのは非常に難しく、またコストが高いので非現実的であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１２２９２３号公報
【特許文献２】特開２００７−２９８２７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、上述した問題点を勘案してなされたもので、励起信号の振幅増大と受信感度の向上を可能にする超音波流量計を提供することにある。
【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、流体を流す管体の外側で送信側及び受信側に距離を隔ててそれぞれ２以上配設された超音波振動子を備え、送信側に配設された２以上の超音波振動子を管体に実質的に同じ圧力で押圧するように駆動させ、超音波の振幅を大きくしたことを特徴とする。【０００８】
本発明に係る超音波流量計は、超音波振動子を管体の径以上の波長になる周波数で駆動させて、ガイド波を励起することを特徴とする。【０００９】
本発明に係る超音波流量計は、管体と超音波振動子との間に計測に適した超音波信号に変換する整合部材を備え、かつ整合部材は管体との接触面に曲面又は溝を設けることを特徴とする。【００１０】
本発明に係る超音波流量計は、管体に軸対称に配設された超音波振動子を同相にして駆動してなることを特徴とする。【００１１】
本発明に係る超音波流量計は、超音波振動子が、円筒状、角柱状、柱状、板状、平板状から選択された１つであることを特徴とする。【００１２】
本発明に係る超音波流量計は、曲線もしくはテーパ形状の外面形状を有する収納体を備えることを特徴とする。【００１３】
本発明に係る超音波流量計は、収納体が超音波振動子を所定の距離に保持し、管体に着脱可能に設けられることを特徴とする。【００１４】
本発明に係る超音波流量計は、収納体が管体を流れる流体を観察するための開口を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、超音波振動子によって励起された信号の増幅及び受信感度の向上を図り、計測に適した超音波信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の送受信子にリング状の超音波振動子を設けた超音波流量計を示す概略図である。
【図２】本発明に係る超音波流量計を示す概略図である。
【図３】ガイド波の振動を示す概念図である。
【図４】管体に設けられる超音波振動子の配置を示す概略図である。
【図５】本発明に係る超音波流量計を示す概略図である。
【図６】本発明に係る他の超音波流量計を示す概略図である。
【図７】本発明に係る整合部材１４の模式図である。
【図８】超音波流量計を収納するための収納体を示す概略図である。
【図９】超音波流量計を収納するための収納体を示す概略図である。
【図１０】超音波信号の波形を測定したデータを示す図である。
【図１１】超音波信号の波形を測定したデータを示す図である。
【図１２】超音波信号の波形を測定したデータを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明に係る超音波流量計について説明する。なお、本発明の超音波流量計は、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態及び後述する実施例で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１８】
一般に用いられる超音波流量計は、超音波送信子から発信した超音波のバルク波（縦波若しくは横波）を超音波受信子で検出する装置である。一方、本発明に係る超音波流量計は、超音波送信子によってガイド波を励起し、管体内部の流体を伝搬したガイド波を超音波受信子で受信して管体内部の流体の流速を測定する点で、一般に用いられる超音波流量計とは異なる。
【００１９】
本明細書において「ガイド波」とは、管体、板、棒、鉄道レールなど、超音波波長より短い間隔の境界面に囲まれた媒質中を長手方向に伝わる際の超音波伝搬形態の総称を意味する。ガイド波は、媒質の境界でモード変換した縦波と横波が分離せず、超音波振動子を管体の径以上の波長になる周波数で駆動させることにより励起できる点で、バルク波とは異なる。また、ガイド波は、管体内部が空洞ではなく、即ち、管体が流体で満たされているときに観測される。
【００２０】
本発明者らは、特許文献２において、ガイド波を用いた超音波流量計を開示した。特許文献２の超音波流量計は、流体を流す管体の外周面に距離Ｌを隔てて２個の超音波振動子を設け、２個の超音波振動子の一方を送信側、他方を受信側として交互に作動させ、超音波振動子の駆動により管体と内部流体とを１つの媒体として励起されるガイド波が間隔Ｌ離れた超音波送受信子間を上流から下流へ伝搬する伝搬時間と、下流から上流へ伝搬する伝搬時間との伝搬時間差から流体の流速を求める。
【００２１】
より具体的には、特許文献２の超音波流量計は、流体を流す管体の外面に２個の超音波振動子を距離Ｌ隔てて設け、２個の超音波振動子の一方を送信子、他方を受信子として相互に作動させ、超音波振動子を管体の径以上の波長になる周波数で駆動させることにより管体と内部流体とを１つの媒体として励起されるガイド波が、間隔Ｌ離れた超音波送受信子間を上流から下流へ伝搬する時の伝搬時間Ｔ１と、下流から上流へ伝搬する時の伝搬時間Ｔ２との伝搬時間差から流体の流速を求める制御・解析装置を備え、超音波振動子が管体外面の周方向の一部分に取付け可能な形状である。
【００２２】
流体の流速とガイド波の位相速度と群速度には線形の関係がある。
Ｖ（ｖ）＝Ｖ（０）＋αｖ
ｖｇ（ｖ）＝ｖｇ（０）＋βｖ
ただし、αは管体内部の流体の流速がガイド波の位相速度におよぼす影響を表す因子であり、βは管体内部の流体の流速がガイド波の群速度におよぼす影響を表す因子である。
【００２３】
ガイド波が間隔Ｌ離れた超音波送受信子間を上流から下流へ伝搬する時の伝搬時間は下記式により示される。
Ｔ１＝Ｌ／（ｖｇ（０）＋βｖ）
また、同様に、下流から上流への伝搬時間は下記式により示される。
Ｔ２＝Ｌ／（ｖｇ（０）−βｖ）となる。
【００２４】
したがって、特許文献２の超音波流量計において、ガイド波の伝搬時間差を次の式から求める。
ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１＝２Ｌβｖ／ｖｇ２（０）×（１＋β２ｖ２／ｖｇ２（０）＋・・・・）≒２Ｌβｖ／（ｖｇ２（０））＝ｖ／γ
ただし、Ｌ：２個の超音波振動子の設置距離、ｖ：流体の流速、ｖｇ：ガイド波の群速度、β：管体内部の流体の流速がガイド波の群速度におよぼす影響を表す因子、γ＝ｖｇ２（０）／２Ｌβとする。
【００２５】
本発明者らは、特許文献２の超音波流量計についてさらに高精度の流量測定を実現するため、励起信号の振幅増大と受信感度の向上を検討した。本発明者らは、超音波振動子を送信側に２つ以上配置することにより、励起信号の振幅増大と受信感度の向上をさせ、しかも２倍を遥かに上回る励起信号の振幅増大と受信感度の向上が実現可能であることを期せずして見出し、本発明を完成した。
【００２６】
図２は、本発明の一実施形態に係る超音波流量計１００を示す概略図である。超音波流量計１００は、長手方向に延出する方向に被測定流体を流す経路を有する管体１０の外側で送信側及び受信側に距離Ｌを隔ててそれぞれ２以上配設された超音波振動子１２ａ〜１２ｄを備える。なお、一例として、図２においては、送信側及び受信側に超音波振動子を２個ずつ配設した超音波流量計を示す。図２において、２つの超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）を、管体１０の外側に軸対称に（対向して）配設しているが、本発明はこれに限定されず、本願の信号の増幅効果及び受信感度の向上効果が得られる範囲で管体１０の外側に非対称に配置してもよい。また、距離Ｌは、ガイド波を受信可能な範囲で任意に設定可能である。
【００２７】
超音波流量計１００は、送信側に２以上配設された超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）を、管体１０を実質的に同じ圧力で押圧するように、同相で駆動させる。ここで、超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）を同相で駆動させるとは、送信側に２以上配設された超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）を、同じタイミングで作動させることを意味する。本発明においては、送信側の超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）を同相で駆動させ、管体１０を実質的に同じ圧力で押圧することにより、単に超音波振動子を２つ以上配置するだけでは得られない、優れた増幅効果を得ることができる。
【００２８】
このような超音波流量計１００は、ガイド波の中で、特に管体１０に軸振動モードの振動のみを励起して、超音波の振幅を大きくすることができる。軸振動モードの中で、Ｌ（０，４）は、他のモードの群速度から孤立しており、測定に適したモードであり、本発明に係る超音波流量計１００において好適に用いることができる。軸振動モードについては、後で詳述する。
【００２９】
本発明に係る超音波振動子１２ａ〜１２ｄは、円筒状であることが好ましいが、管体１０に接触し、ガイド波を発生する面を備えれば、角柱状、柱状、さらには板状、平板状であってもよい。しかし、角柱等の角のある形状では、超音波振動子は欠けが生じやすくなるとともに、超音波を発生しにくい。一方、円筒形を使用することで、欠けが生じにくく、製作コストを抑え、超音波を発生しやすくなるため、超音波振動子の特性の安定化が図れる。ここで送信側及び受信側にそれぞれ配設する２以上からなる１組の超音波振動子は、同じ大きさや形状であることが好ましい。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、同相で駆動させ、管体１０を実質的に同じ圧力で押圧することができれば、必ずしも大きさや形状が同じであることは要求されない。
【００３０】
また、本発明においては、送信側に２以上の超音波振動子を配設することを特徴とするが、上述したように、超音波送受信子間を上流から下流へ伝搬する伝搬時間と、下流から上流へ伝搬する伝搬時間とを交互に測定するため、送信側及び受信側に配設する超音波振動子の数は同じになる。一方、流体の流速と上流から下流へ伝搬するガイド波の伝搬時間とは正の相関を有し、流体の流速と下流から上流へ伝搬するガイド波の伝搬時間とは負の相関を有するため、本発明において、管体１０の上流側又は下流側の何れか一方のみに超音波振動子を２以上配設して送信側とすることも可能である。
【００３１】
ここで、軸振動モードについて詳述する。超音波振動子の振動（又は変形）方向は、従来のリング形状の超音波振動子の配置では管体１０の長手方向に対して平行である。一方、上述した形状を有する本発明の超音波振動子１２ａ〜１２ｄの配置では管体１０に対して、垂直に振動する。本発明に係る超音波流量計１００において、ガイド波を励起するために、超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）を管体１０の径以上の波長になる周波数で管体１０に対して、垂直に振動するように駆動させる。
【００３２】
図３は、ガイド波の振動の概念図を示す。ガイド波の振動の仕方は、円周方向の対称性により分類される。（ａ）Ｌ（０、ｍ）モードは、軸対称に振動する。（ｂ）Ｆ（１、ｍ）モードは、３６０度の対称性を持ち、励起効率が高い。（ｃ）Ｆ（２、ｍ）モードは、１８０度の対称性を持つが、励起効率は極端に小さくなる。ここで、Ｌ（０、ｍ）モードは、軸対称なので、軸対称に振動させれば軸振動モードのガイド波の振幅が大きくなり、好ましい。そして、複数の受信子の信号を積分することにより、Ｌ（０、ｍ）モードの振幅のみが増幅される。よって、励起信号の振幅増大と受信感度の向上が得られ、励起波のモード選択も可能となる。
【００３３】
ガイド波は速度分散性（周波数依存性）を有するため、ガイド波を励起させる周波数帯を選択することにより、他のモードの群速度からＬ（０，４）を孤立させることができるため、受信感度を向上させることができ、測定に適したモードである。本発明に係る超音波流量計１００においては、送信側に配設された２以上の超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）を管体１０に実質的に同じ圧力で押圧するように駆動させることにより、Ｌ（０，４）モードのガイド波を、単に超音波振動子を２つ以上配置するだけでは得られない、優れた増幅効果を得ることができる。これにより、受信型の超音波振動子１２で受信するガイド波のＳ／Ｎ比（送信側の超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）を駆動してガイド波を励起した前後で受信される信号の強度比）が極めて大きくなり、受信感度を向上させることができる。一方、Ｆ（２、ｍ）モードは、受信するガイド波のＳ／Ｎ比が小さく、本発明に係る超音波流量計１００には適さない。
【００３４】
（整合部材）
一実施形態において、本発明に係る超音波流量計１００は、図５に示すように、管体１０と超音波振動子１２ａ〜１２ｄとの間に超音波信号の計測に適した超音波信号に変換する整合部材１４を設ける。整合部材１４は、超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）の駆動により生じる超音波を管体１０へ効率良く伝達するとともに、管体１０の変形を防止するために、管体１０との接触面に曲面を備えることが好ましい。また、整合部材１４の管体１０との接触面は、管体１０との密着性が担保できれば、曲面に限定されない。
【００３５】
流体を流す管体１０と超音波振動子１２ａ〜１２ｄの間に整合部材１４を配設し、整合部材１４で管体１０を挟むことにより超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）から励起する超音波信号を効率良く管体１０に伝え、かつ超音波信号を減衰させて超音波信号を短くでき、安定した測定が可能になる。これは、超音波信号を連続して発振するため、発信した超音波信号を整合部材１４により速やかに減衰させることにより、次に発振する超音波信号に残響が重なるのを防止するためである。本発明において、整合部材１４は、超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）から発信される超音波信号を効率良く管体１０に伝えることにより、残響が残りにくく、発信側の超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）からの超音波信号を速やかに減衰させることができる。このため、本発明に係る超音波流量計１００においては、受信側の超音波振動子１２ｃ及び１２ｄ（又は１２ａ及び１２ｂ）で受信するガイド波のＳ／Ｎ比が極めて大きくなり、受信感度を向上させることができる。
【００３６】
一般に、管体１０は超音波振動子１２よりも硬度が低いため、本発明に係る整合部材１４には、管体１０の硬度より高く、超音波振動子１２の硬度の低い部材を用いることが好ましい。整合部材１４には、例えば、炭素繊維強化プラスチック（CFRP）、シリコンシート、アルミニウム、エボナイト、マグネシウム、ポリフェニレンサルファイド樹脂（PPS）等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。特に、炭素繊維強化プラスチックは、超音波振動子１２から励起する超音波信号を効率良く管体１０に伝えることができるため、本発明に係る整合部材１４として好ましい。炭素繊維強化プラスチックを本発明に係る整合部材１４として用いる場合、炭素繊維が超音波振動子１２と接する面に対して垂直となるように積層した部材を用いることが好ましい。整合部材１４に含まれる炭素繊維がこのような配向性を有することにより、超音波振動子１２から発信される超音波信号を効率良く管体１０に伝えるとともに、発信側の超音波振動子１２からの超音波信号を速やかに減衰させることができる。
【００３７】
また、管体１０との密着性の観点から、整合部材１４として、グリースやゲルシートのような不定形の部材を用いることもできる。グリースやゲルシートは、上述した所定の形状を有する部材と組合せて、整合部材１４の管体１０との接触面に配置してもよい。
【００３８】
流体を流す管体１０と超音波振動子の間の整合部材の形状を管体外周のＲ形状に近づけ、また溝を設けて押しつけることにより管体の変形を防ぐことができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３９】
図４は、管体１０に設けられた送受信用の超音波振動子１２ａ及び１２ｂの管体１０の断面方向からの配置を示す概略図である。なお、図４は、図２のＡＡ’における断面を示す。超音波振動子１２ａ及び１２ｂは、管体１０の周囲に軸対称に取り付けられ、かつ同位相（同相）で励起し、受信する。図４において、（ａ）管体１０の周囲に１対の軸対称の超音波振動子１２ａ及び１２ｂが、垂直方向に取り付けられる。（ｂ）管体１０の周囲に１対の軸対称の超音波振動子１２ａ、１２ｂ、１２ｅ及び１２ｆが、垂直方向及び水平方向に４個取り付けられる。（ｃ）管体１０の周囲に１対の軸対称の超音波振動子１２ａ、１２ｂ及び１２ｅが、角度１２０度をもって３個取り付けられる。また、上述したように、本発明に係る超音波流量計１００において、２以上の超音波振動子１２ａ及び１２ｂを、本願の信号の増幅効果及び受信感度の向上効果が得られる範囲で、管体１０の周囲に非対称に配設してもよい（ｄ）。また、このような非対称な超音波振動子の配置は、超音波振動子を３以上配置する場合にも同様である。
【００４０】
本発明に係る超音波流量計１００において、送信側および受信側にそれぞれ超音波振動子１２ａ〜１２ｄを２個で１セット、合計４個使い、管体１０の中心軸に対して垂直に取り付け、超音波信号を垂直に励起することで超音波信号の増加が図れ、測定可能なレベルになる。また、超音波振動子を３個以上で１セット、合計６個以上の場合でも同じ効果が得られる。本発明に係る超音波流量計１００は、従来のＶ型反射式（クランプオン形）の超音波流量計とは異なるため、超音波振動子を送信側に２以上配設することにより、ガイド波の増幅効果により受信感度の向上効果が得られる。
【００４１】
本発明に係る超音波流量計１００においては、送信側に配設された２以上の超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）に印加する電圧を同相とする（超音波振動子１２を駆動するタイミングと振動の大きさを同じにする）ことで管体１０に軸振動モード、特にＬ（０，４）モードのみの振動を励起して超音波の振動を大きくすることによりＳ／Ｎ比を大きくし、受信感度を増幅させることが可能である。
【００４２】
また、本発明に係る超音波流量計１００においては、従来のＶ型反射式の超音波流量計とは異なるため、超音波振動子１２ａ〜１２ｄは、受信側と送信側の取付け方向を並行でなく、異なる方向に角度を付けて配設してもよい。これにより、後述する収納体に伝わってくる超音波信号（定在波）の影響を低減することが可能である。
【００４３】
一実施形態において、本発明に係る超音波流量計１００には、管体１０を着脱可能に収納するために収納体が設けられる。収納体は、例えば、図８に示すような管体１０を流れる流体を観察するための開口２２を設けた収納体２０であり、収納体２０の外面形状を曲線もしくはテーパ形状として収納体２０に伝わる定在波を低減することが好ましい。これは、収納体２０の全体に渡る平行部や直線部が存在すると、収納体２０が共振して、超音波振動子１２が受信する超音波信号に影響するためである。
【００４４】
また、一実施形態において、管体１０を収納する収納体２０を着脱可能な構造にするため、収納体２０を２つ割れ構造とし、これらをリンク部材２４により開閉可能に構成することが好ましい。従来の超音波流量計は、管体に一旦設置すると、管体を切断しなければ超音波振動子１２を付け替えることができなかった。本発明に係る超音波流量計１００は、着脱可能な収納体２０に超音波振動子を配設することにより、管体１０への取り付けが容易となり、流量を計測する管体１０の位置を後から変更することも可能である。また、収納体２０に超音波振動子を配設することにより、送信側と受信側の超音波振動子の距離を一定にして着脱を容易にできることが好ましい。流量を測定する上で、送信側と受信側の超音波振動子１２ａと１２ｃ（又は１２ｂと１２ｄ）間の距離Ｌは重要なパラメータであるが、本発明に係る収納体２０を用いることにより、簡便に超音波振動子１２ａと１２ｃ（又は１２ｂと１２ｄ）を配設することができる。
【００４５】
一実施形態において、収納体２０の中央部に配管内の流れ、泡、ゴミを観察する開口２２を設けることが好ましい。これらは、流体に影響を与える因子となりうるためである。また、収納体２０の内側は管体１０との干渉を防ぐために十分に逃げを設け、外部から管体１０までに距離を設けて外部からは容易に接触できない構造を有することが好ましい。これは、収納体２０の外部からの振動等の影響を管体１０に与えないためである。
【実施例】
【００４６】
図５は、本発明の一実施例に係る超音波流量計２００を示す概略図である。【００４７】
図５において、超音波流量計２００には、流体を流す管体１０の外周面に２個の超音波振動子１２ａと１２ｃ（又は１２ｂと１２ｄ）が距離Ｌを隔てて送信側及び受信側にそれぞれ同じ向きに平行に設けられている。超音波振動子は、１対の円筒形状を備え、かつ管体１０に対して、軸対称に垂直方向に配設され、よって軸対称に振動する。２個ずつ配設した超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）の一方は、送信側、他方は受信側として機能し、２個ずつ配設した超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）を交互に作動させる。超音波振動子１２の駆動により管体１０と内部流体とを１つの媒体として励起されるガイド波が間隔Ｌ離れた超音波送受信子間を上流から下流へ伝搬する伝搬時間と、下流から上流へ伝搬する伝搬時間との伝搬時間差から流体の流速を求めることができる。【００４８】
超音波流量計２００において、超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）は、管体１０に実質的に同じ圧力で押圧するように設けられ、かつ軸対称に配設された超音波振動子を同相で、Ｌ（０、ｍ）モードで駆動させて管体１０を軸対称に振動させることができる。これにより管体１０に軸振動モードのみの振動が励起され、軸振動モードのみの振動を流体の流れ方向に沿って伝えることができる。管体１０の外周に軸対称に配設された超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）は、同相にして駆動する。なお、本実施例は、管体１０の外周に軸対称に配設された超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）を逆位相にして駆動してＦ（１、ｍ）モードのガイド波を大きな振幅で励起し、検出することを排除するものではない。【００４９】
図６は、超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）の受信側と送信側の取付け方向を並行でなく、異なる角度を設けて配設した超音波流量計３００の概略図である。超音波流量計３００においては、超音波振動子１２を収納体に配設した場合、収納体に伝わってくる超音波信号（定在波）の影響を低減することが可能である。これは、定在波が収納体に平行に伝達するので、これを防止するためである。【００５０】
図５及び図６において、管体１０と超音波振動子１２ａ〜１２ｄとの間に計測に適した超音波信号に変換する整合部材１４が設けられている。整合部材１４は、管体１０の変形を防止するために管体との接触面を曲面に形成して、管体１０との接触を十分にしている。管体１０との接触を十分にするために管体１０との接触面を曲面にし、さらにグリース等を塗布して、又はゲルシートを配置して密着性を高めてもよい。【００５１】
整合部材１４は、上部側の超音波振動子１２ａ及び１２ｃと下部側の超音波振動子１２ｂ及び１２ｄに独立して設けられる。図７は、本発明の実施例に係る整合部材１４の模式図である。本実施例においては、整合部材１４は、エポキシ樹脂に炭素繊維を一方向に配列したCFRP材片１６を重ね合わせて形成したCFRP集合体からなる。整合部材１４は、CFRP集合体の炭素繊維の方向を管体１０に対して垂直方向になるようにして構成される。整合部材１４は、管体１０を挟み込む下端に管体１０を挟むように湾曲形状、又は溝を設けて形成されている。【００５２】
図８は、管体１０を着脱可能に収納するための収納体２０の概略図である。図９は、収納体２０を開いた内部構造を示す概略図である。本実施例の収納体２０は、管体１０を流れる流体を観察するための開口２２を備える。収納体２０の外面形状は、曲線もしくはテーパ形状として収納体に伝わる定在波を低減してなる。収納体２０は、管体１０を着脱可能にするためのヒンジ２４を備える。超音波振動子を収納するための収納部２６を備える。また、収納体２０の内側には、管体１０は整合部材１４とのみ接触し、収納体２０には接触しない非接触部２８を有する。このような構造を有することで、管体１０に対する収納体２０の外部からの振動の影響を低減することができる。【００５３】
図１０は、超音波振動子１２ａ〜１２ｄにＰＺＴを使用して、そして送信側及び受信側にそれぞれ１個のＰＺＴを使用する比較例（図１０（ａ））と、本発明の超音波流量計１００のように送信側及び受信側にそれぞれ１対のＰＺＴを使用する実施例１（図１０（ｂ））での超音波信号の波形を測定したデータを示す。
測定条件は、以下の通りである。
管体の材質；ＰＦＡ、サイズ１／８インチ（３．１７×１．５９）
センサ取り付け間隔；６０ｍｍ
打ち込みパルス；３３８ｋＨｚ，５発
整合部材；ＰＺＴと管体の間にグリースを塗布
水温；常温
周囲温度；２５℃
アンプ１段目出力を観察した。ゲイン値は４０固定
測定結果の超音波波形を（ａ；ＰＺＴ１個）及び（ｂ；１対（２個）ＰＺＴ）にそれぞれ示す。
ＰＺＴ１個に比べてより強い超音波信号を得ることができる。
１個；Ｖｐｐ＝１２０ｍＶ，１対（２個）；Ｖｐｐ＝７９２ｍＶ。【００５４】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）において、波形Wiは送信側の超音波振動子が発信した超音波の波形を示し、波形Wpは受信側でガイド波を受信する前の波形を示し、波形Woは受信側で受信したガイド波を示す。図１０から明らかなように、送信側に２つの超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）を配設することにより、２つの超音波振動子を配設した場合の２倍を遥かに上回る受信感度を得ることができた。また、送信側及び受信側にそれぞれ１個の配設した比較例ではＶｐｐが１２０ｍＶであったのに対して、送信側及び受信側にそれぞれ２個の配設した実施例１ではＶｐｐが７９２ｍＶとなり、６倍以上に増幅された。波形Wpと波形WoとによるＳ／Ｎ比に着目すると、送信側に２つの超音波振動子を配設することにより、Ｓ／Ｎ比が格段に向上し、本発明に係る超音波流量計は飛躍的に感度が向上したことが明らかとなった。これは、単純に予測できる効果ではない。【００５５】
また、実施例２として、所定形状の整合部材１４を用いることの効果を検討した。整合部材１４には、図７に示したCFRP集合体（径７、１ｍｍ）を用い、整合部材１４と管体１０の間にはグリースを塗布（図１１（ａ））、又はゲルシートを配置した（図１１（ｂ））。なお、本実施例においては、ＰＺＴとCFRP集合体とは接着剤により接着した。図１０（ｂ）の下段に示したグリースのみを配置した場合に比べ、図１１に示したように、CFRP集合体からなる整合部材１４を配設した超音波流量計２００においては、受信したガイド波の波形がシャープになり、流量の測定に適した状態にあることが明らかとなった。また、整合部材１４と管体１０の間はグリースを塗布した実施例（図１１（ａ））とゲルシートを配置した実施例（図１１（ｂ））を比較しても、受信されるガイド波の波形は同レベルであった。【００５６】
実施例３として、本発明に係る超音波流量計において、送信側に配設する２つの超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）が管体１０の外周に非対称に配置された場合の影響について検討した。図１２（ａ）は超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）を管体１０の外周に配置した模式図である。図１２（ｂ）は超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）を管体１０の外周に対向した配置した実施例１の波形を示し、図１２（ｃ）は超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）を管体１０の外周に４５°ずらして配置した実施例３の波形を示す。図１２の結果から、超音波振動子１２ａ及び１２ｂ（又は１２ｃ及び１２ｄ）を配置する角度は、受信されるガイド波に影響しないことが明らかとなった。【００５７】
以上説明したように、本発明に係る超音波流量計はこれまでになく、高感度な流量測定を可能とするものである。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る超音波流量計は、産業上利用される流速の測定、血管等の生体で流体の測定等に用いることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１、１２ａ〜１２ｆ；超音波振動子
２、１０；管体
１４；整合部材
２０；収納体
２２；開口
２４；ヒンジ
２６；収納部
２８；非接触部
【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】
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【国際調査報告】
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