(57)【要約】【課題】流路内流体の境界層制御を行い、流量計測の高精度化が実現できる超音波流量計を提供する。【解決手段】被測定流体の流路９を規定する内壁４０を有する流量測定部４と、流量測定部４の内壁４０に設けられ、超音波の送信及び／又は受信を行う少なくとも１つの超音波振動子１ａ、１ｂを備えた超音波流量計１０、２０であって、流路内壁４０に凹凸部２１、２２を有する超音波流量計１０、２０である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体の流路（９）を規定する内壁（４０）を有する流量測定部（４）と、前記流量測定部の前記内壁に設けられ、超音波の送信及び／又は受信を行う少なくとも１つの超音波振動子（１ａ，１ｂ）を備えた超音波流量計であって、
前記内壁における、被測定流体の流路の上流（９Ａ）から前記超音波振動子が備えられている箇所までに、前記内壁内を前記被測定流体が流れる事で生じる前記内壁付近の境界層に応じて高くなる、少なくとも２つの凹凸部（２１）を有し、前記凹凸部は、前記境界層を破壊する、超音波流量計。
【請求項２】
前記凹凸部が、前記内壁に形成された凸状構造体である請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記凹凸部が、前記内壁に形成された凹状構造体である請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記凹凸部が、前記被測定流体の流れ方向に直交する方向沿いに凹凸をなすように構成されている、請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記凹凸部の断面形状が円形又は半円形である、請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記凹凸部の断面形状が長方形である、請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項７】
前記凹凸部の高さが、前記内壁からの前記被測定流体の境界層の厚さの１／３以上である、請求項１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、超音波により流体（例えば、水などの液体、又は、都市ガスなどの気体）の流量を計測する超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、所定の伝搬路を超音波が伝達する時間を計測することにより、流体の移動速度を測定し、その測定値から流量を計測する超音波流量計がガスメータや化学反応の制御等に利用されつつある。
【０００３】
以下、図３を参照しながら、従来の超音波流量計の測定原理を説明する（特許文献１参照）。図示されている超音波流量計では、管内の流体が速度Ｖにて図中の矢印で示す方向に流れている。超音波流量計の管壁１０３には、一対の超音波送受波器１０１及び１０２が相対して設置されている。超音波送受波器１０１及び１０２の各々は、電気エネルギを機械エネルギに変換するとともに、機械エネルギを電気エネルギに変化する変換素子（トランスデューサ）を備えている。この変換素子は、例えば、圧電セラミック等の圧電振動子で構成され、圧電ブザーや圧電発振子と同様に共振特性を示す。
【０００４】
まず、超音波送受波器１０１を超音波の送波器として用い、超音波送受波器１０２を超音波の受波器として用いる場合について、超音波流量計の動作を説明する。
【０００５】
超音波送受波器１０１の共振周波数近傍における周波数を持つ交流電圧を超音波送受波器１０１の圧電振動子に印加すると、超音波送受波器１０１は管内の流体中に超音波を放射する。この超音波は、伝搬経路Ｌ１に沿って伝搬し、超音波送受波器１０２に到達する。超音波送受波器１０２の圧電振動子は、この超音波を受けて電圧信号を出力する。
【０００６】
この後、超音波送受波器１０２を超音波の送波器として動作させる。具体的には、超音波送受波器１０２の共振周波数近傍における周波数を持つ交流電圧を超音波送受波器１０２の圧電振動子に印加することにより、超音波送受波器１０２は管内の流体中に超音波を放射する。超音波は伝搬経路Ｌ２に沿って伝搬し、超音波送受波器１０１に到達する。超音波送受波器１０１の圧電振動子は、この超音波を受けて電圧信号を出力する。
【０００７】
このように、超音波送受波器１０１及び１０２は、それぞれ、１つの超音波振動子でありながら、受波器としての機能と送波器としての機能を果たすことができる。この超音波流量計では、連続的に交流電圧を印加すると超音波送受波器から連続的に超音波が放射されて伝搬時間を測定することが困難になるので、通常はパルス信号を搬送波とするバースト電圧信号を駆動電圧として用いる。
【０００８】
駆動用のバースト電圧信号を超音波送受波器１０１に印加して超音波送受波器１０１から超音波バースト信号を放射すると、この超音波バースト信号は距離がＬの伝搬経路Ｌ１を伝搬してｔ時間後に超音波送受波器１０２に到達する。
【０００９】
超音波送受波器１０２では伝達して来た超音波バースト信号のみを、高いＳ／Ｎ比で電気バースト信号に変換することができる。この電気バースト信号をトリガとして、再び超音波送受波器１０１に駆動用バースト電圧信号を印加して超音波バースト信号を放射する。
【００１０】
このような装置を「シング・アラウンド装置」と呼ぶ。また、超音波パルスが超音波送受波器１０１から超音波送受波器１０２に到達するまでに要する時間を「シング・アラウンド周期」といい、その逆数を「シング・アラウンド周波数」という。
【００１１】
図３の超音波流量計において、管の中を流れる流体の流速をＶ、流体中の超音波の速度をＣ、流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向の角度をθとする。更に、超音波送受波器１０１を送波器、超音波送受波器１０２を受波器として用いたとき、超音波送受波器１０１から出た超音波パルスが超音波送受波器１０２に到達する時間（シング・アラウンド周期）をｔ１、シング・アラウンド周波数ｆ１とする。このとき、次式（１）が成立する。
【００１２】
（数１）
ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ                ・・・（１）
【００１３】
逆に、超音波送受波器１０２を送波器として、超音波送受波器１０１を受波器として用いたときのシング・アラウンド周期をｔ２、シング・アラウンド周波数ｆ２とすれば、次式（２）の関係が成立する。
【００１４】
（数２）
ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ                ・・・（２）
【００１５】
上記式（１）及び（２）に基づいて、両シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、次式（３）で示される。
【００１６】
（数３）
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ                    ・・・（３）
【００１７】
式（３）からわかるように、超音波の伝搬経路の距離Ｌ及び周波数差Δｆから、流体の流速Ｖを求めることができる。そして、流路断面積Ｓが決まっているため、流速Ｖから流量Ｑを決定することができる。
【００１８】
（数４）
Ｑ＝Ｓ・Ｖ                                          ・・・（４）
【００１９】
【特許文献１】特開平９−２１６６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
通常、流体の流量が少なく流速が遅い場合、つまり、レイノルズ数が小さいとき流体流れは層流となる。層流は、流体の粘性抵抗の影響を大きく受け、流体の流れ方向に対して直交する面内において、流路内壁近傍と流路中心近傍とで流速に顕著な差が出てくる、いわゆる、中心流速が最大値をとる層流速度分布となる（図４の湾曲した実線１００参照）。また、流体の流量が増大し流体の流速が速くなると、レイノルズ数が大きくなり乱流となる。乱流では、流体の主流は慣性項が支配的となり、粘性項の影響が小さくなる。これにより、流体の流れ方向に対して直交する面内において層流の速度分布とは違う、トップハット的な速度分布である乱流速度分布となる。乱流の場合、トップハット的な速度分布を持っており、また、境界層が薄く流路内壁からの速度勾配が非常に大きいため、主流の流速は平均流速に近似し、流量は実流量に近似してくる。しかし、層流の場合、流路内部の主流の流速を測定しただけでは、流路内部の平均流速を決定できず、流量が正確に導出できない。つまり、流量が変化する系において、主流の流速を測定する場合、層流か乱流かによって測定流量と実流量との比である流量係数が大きく変化するという問題点があった。
【００２１】
また、流量導出の精度低下をもたらす要因として、超音波の流路内壁での反射波の影響がある。通常、流体の流速は、シング・アラウンド周波数の周波数差から求める。この場合、超音波送波器からの直接波だけを受波できれば、計測精度は高くなる。しかし、超音波は発散角を持ち、流路に内壁があるため、超音波はこの内壁により反射され、超音波受波器では直接波と反射波の両方を受波する。反射波の遅れ時間が短い場合、直接波の波尾と重なり合って受波されるため信号の分離が難しくなるという問題点があった。さらに、反射波は、流路内壁で反射するため、流路内壁近傍の流速の遅い部分を通過する。流速の遅い部分の速度、厚み等の分布は、流速によって変化する。つまり、流量によって、反射波の遅れ時間が異なり、シング・アラウンド周波数の周波数差を正確に測定することが難しくなるという問題点もあった。
【００２２】
この問題点に関連して、流路内に送信された超音波が、管壁などで反射を繰り返し、いつまでも残響波として残り、その残響波が超音波振動子で受信されて誤差の要因となることから、面粗さの振幅は０．５〜２mm程度となるように粗した粗面状の内壁面を有する管状の流路を形成し、振動子から送信された超音波が、粗面状の管状流路の管壁に到達して反射し、大きく散乱するかもしくは吸収されることにより、残響波を少なくなるすることが提案されている（特開平９−２１６６５号公報）。しかしながら、この公報には、先に記載した問題である、層流か乱流かによって測定流量と実流量との比である流量係数が大きく変化するという問題点は残ったままであった。
【００２３】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、流れ主流の流速測定により、高精度に流体の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】
【００２４】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００２５】
本発明によれば、被測定流体の流路を規定する内壁を有する流量測定部と、前記流量測定部の前記内壁に設けられ、超音波の送信及び／又は受信を行う少なくとも１つの超音波振動子を備えた超音波流量計であって、
前記内壁における、被測定流体の流路の上流から前記超音波振動子が備えられている箇所までに、前記内壁内を前記被測定流体が流れる事で生じる前記内壁付近の境界層に応じて高くなる、少なくとも２つの凹凸部を有し、前記凹凸部は、前記境界層を破壊する超音波流量計を提供する。
【発明の効果】
【００２６】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、流路内流体の境界層の発達を制御すること、及び、流路内流体の境界層の発達を制御しかつ流路内壁における超音波の反射波を制御することにより、高精度に流体の流量を測定できるという有利な効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する前に、まず、本発明の種々の態様について説明する。
【００２８】
本発明の第１態様によれば、被測定流体の流路を規定する内壁を有する流量測定部と、前記流量測定部の前記内壁に設けられ、超音波の送信及び／又は受信を行う少なくとも１つの超音波振動子を備えた超音波流量計であって、
前記内壁における、被測定流体の流路の上流から前記超音波振動子が備えられている箇所までに、前記内壁内を前記被測定流体が流れる事で生じる前記内壁付近の境界層に応じて高くなる、少なくとも２つの凹凸部を有し、前記凹凸部は、前記境界層を破壊する、超音波流量計を提供する。
【００２９】
本発明の第１態様により、流体の粘性の影響を強く受ける境界層を破壊し、主流を極めて平均流速に近似させ、流体の流量が変化しても高精度にガス流量を測定できる。
【００３０】
本発明の１つの態様によれば、上記流量測定部の上流側の上記流路内壁の上記凹凸部は、上記流量測定部の上流側の、上記凹凸部が無いときに境界層が発達しうる境界層発達区間内の流路内壁に配置されている第１の態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００３１】
本発明の前記態様により、上記凹凸部が、上記凹凸部が無いときに境界層が発達しうる境界層発達区間内の流路内壁に配置されることにより、発達し始める境界層を確実に破壊することができて、主流を極めて平均流速に近似させ、流体の流量が変化しても高精度にガス流量を測定できる。
【００３２】
本発明の１つの態様によれば、上記超音波振動子の数は複数であり、
上記複数の超音波振動子のうち、第１の超音波振動子は、上記複数の超音波振動子のうち、第２の超音波振動子に対して超音波を出射するように配置され、
上記第２の超音波振動子は、上記第１の超音波振動子に対して超音波を出射するように配置されている、前記態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００３３】
本発明の前記態様により、超音波振動子を複数個用いることにより、計測精度を向上させることができる。
【００３４】
本発明の１つの態様によれば、上記凹凸部が、上記流量測定部の少なくとも超音波伝播経路内に設けられ、上記測定用超音波の上記流路内壁での反射波を上記凹凸部により反射又は散乱させるよう配置する、第１〜３のいずれか１つの態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００３５】
本発明の前記態様により、計測の精度低下の要因である超音波の流路内壁での反射波を反射又は拡散し、超音波受波器では直接波のみを受波するようにするし、計測精度を向上させることができる。
【００３６】
本発明の第２態様によれば、前記凹凸部が、前記内壁に形成された凸状構造体である第１態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００３７】
本発明の第２態様により、流路内壁面に凸状構造体を付加させることにより、容易に凹凸部を実現可能である。
【００３８】
本発明の第３態様によれば、前記凹凸部が、前記内壁に形成された凹状構造体である第１態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００３９】
本発明の第３態様により、流路内壁に溝等の凹状構造体を形成することにより、精度良く凹凸部を実現可能となる。
【００４０】
本発明の１つの態様によれば、上記凹凸部が周期的に配置されている、第１〜６のいずれか１つの態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００４１】
本発明の前記態様により、境界層の除去を効率よく行うことができる。
【００４２】
本発明の１つの態様によれば、上記凹凸部が、上記流路内壁にランダムに凹凸に形成したものである、前記いずれか１つの態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００４３】
本発明の前記態様により、流路内壁を機械的、化学的に荒らすことにより、効率よく凹凸部を実現できる。また、境界層を除去する凹凸部が多数できるため、境界層除去効果が高くなる。
【００４４】
本発明の第４態様によれば、前記凹凸部が、前記被測定流体の流れ方向に直交する方向沿いに凹凸をなすように構成されている、第１態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００４５】
本発明の第４態様により、前記凹凸部を、前記被測定流体の流れ方向に直交する方向沿いに凹凸をなすように配置するため、流れに伴い成長する境界層に対しての抵抗が最大となり、効率的な境界層除去ができる。
【００４６】
本発明の第５態様によれば、前記凹凸部の断面形状が円形又は半円形である、第１態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００４７】
本発明の第５態様により、前記凹凸部の断面形状が円形又は半円形であることにより、前記凹凸部をワイヤー、円柱体又は半円柱体の汎用的で安価な材料で構成でき低コスト化できる。また、凹状構造体は、回転ブレード等で容易に加工可能となり低コスト化できる。
【００４８】
本発明の第６態様によれば、前記凹凸部の断面形状が長方形である、第１態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００４９】
本発明の第６態様により、前記凹凸部の断面形状が長方形であるため容易に高精度で流路内壁に取り付け可能となる。また、凹状構造体は、フライス等で容易に高精度で加工可能となる。
【００５０】
本発明の第７態様によれば、前記凹凸部の高さが、前記内壁からの前記被測定流体の境界層の厚さの１／３以上である、第１態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００５１】
本発明の第７態様により、凹凸部の高さを境界層厚さの１／３以上とすることにより、効率良く境界層を除去可能となる。
【００５２】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００５３】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態の超音波流量計であって流路内壁に凹凸部を有する超音波流量計について図面を参照しながら説明する。
【００５４】
まず、図１（ａ）及び（ｂ）を参照しながら、本発明の第１実施形態による超音波流量計を説明する。図１（ａ）は、第１実施形態における超音波流量計１０の長手方向に沿って超音波送受波器を含む断面を示し、図１（ｂ）は、超音波流量計１０の図１（ａ）側面の断面を示している。
【００５５】
図示されている超音波流量計１０は、被測定流体の流路を規定する内壁４０を有する流量測定部４と、流量測定部４の内壁４０に囲まれた断面矩形の流路空間９の外側に設けられ、超音波の送信及び／又は受信を行う一対の超音波送受波器（超音波振動子）１ａ及び１ｂが配置されている。被測定流体は、流量測定部４の内壁４０に囲まれた流路空間９の内部を矢印５の方向に流れるものとする。また、超音波送受波器１ａの上流側の内壁４０の所定範囲の全周には、流路空間９内に半径方向に所定高さだけ突出し、かつ、上記被測定流体の上記流路内の内壁４０沿いの境界層を破壊して流速分布を制御することにより被測定流体の流れを制御する、環状凸状構造体２１が配置されている。凸状構造体２１の配置位置は、例えば、図４に示すように、一定の流速分布を持つ被測定流体が流路空間９内に入るとき、その入り口９Ａから境界層が発達して発達した流れとなる区間より前であって、境界層が発達しつつある助走区間内に配置する。この助走区間内において発達しようとする境界層を凸状構造体２１により破壊して、図５のように一定流速分布となるようにしたのち、その一定の流速分布を測定して流体の速度を高精度に測定しようとするものである。よって、凸状構造体２１の所定高さは、境界層を破壊できる程度の高さであればよく、例えば、少なくとも、上記流路内の上記被測定流体の境界層の１／３の高さ（例えば、数ミリメートルの高さ）があれば十分である。数ミクロンメートル以下の凹凸の場合には、上記流路内の上記被測定流体の境界層を十分に破壊することができない可能性があることから、凹凸部の高さＨは、少なくとも、数ミリメートル、より具体的には２ｍｍ＜Ｈ≦３ｍｍ、又は、２ｍｍ＜Ｈ≦５ｍｍの高さの凹凸が好ましい。
【００５６】
具体例としては、都市ガス用の４０ｍｍ×１５ｍｍの矩形の流路空間９において、幅１ｍｍで高さＨ（但し、２ｍｍ＜Ｈ≦３ｍｍ）の環状の凸状構造体より構成される凹凸部２１を配置する。
【００５７】
第１実施形態では、超音波送受波器１ａ，１ｂの超音波放射面が被測定流体の流れ方向５に対して所定角度で傾斜しており、超音波送受波器１ａ又は１ｂから出た超音波は、流量測定部４の内壁に対して斜めに入射し、伝送経路６を通って一方の超音波送受波器１ｂ又は１ａで受波される。伝送経路６を通る超音波には、図１（ａ），（ｂ）に示すように、大きく分けて超音波送受波器１ａ，１ｂ間を直接伝播する直接波６０と流路内壁４０で反射されて送受波される反射波６１が存在する。
【００５８】
次に、流路内の流体の速度分布について説明する。簡単のために、流路が円管であり、入り口流が一様でレイノルズ数が低い層流であるとする。流路入り口では、図４に示すように、一様流速分布で流入してきた流れは流路表面の粘性の影響を受けないので、一様な流速分布である。入り口から流路内を流体が流れるにつれて、流路表面から流体の粘性の影響を受け境界層が成長してくる。これにより、発達した流れになると主流が粘性の影響を大きく受け、速度勾配の小さな放物線状の流速分布となる。このような流速分布になると、図１のような主流を測定するような計測系では、流体の速度の速い、主流の速度を測定することになり平均流速との差が大きくなる。これにより、流量測定に誤差が生じてしまう。計測値に流速分布に対する補正を加えればある程度流量補正が可能であるが、流速分布は被測定流体の条件、流路条件により変化してしまい、すべての条件で補正することは難しい。被測定流体の条件とは、粘性、密度等の物性値、入り口流の流速分布、流量等の流体の初期条件である。また、流路条件とは、入り口形状、流路断面形状、流路断面のアスペクト比、流路断面の大きさ、表面粗さ等の形状条件である。そこで、主流が流路内壁から成長してくる粘性の影響を受けにくくするためには、境界層の発達を阻止すればよい。そのために、図１に示されているような流路内壁４０に凹凸部２１を設けて境界層が発達しないようにする。
【００５９】
流路内壁４０に設ける凹凸部２１としては、流路内壁４０に構造体を新たに取り付けて構成する凸状構造体であっても、流路内壁４０を加工して構成する凹状構造体であっても、効果は同様である。凹凸部２１が凸状構造体の場合、断面形状が円形のワイヤーや棒状の汎用で安価な材料を用いて内壁４０に取付けるようにすれば、凹凸部２１の低コスト化を図ることができる。また、凸状構造体の断面形状を長方形にする場合には、断面形状を機械加工で高精度に行なうことができ、内壁４０に対する取り付けも容易に高精度化できる。凹凸部２１が凹状構造体の場合、内壁４０を回転ブレード等で削ることにより、凹状構造体の断面形状を半円形に容易に加工可能となり、低コスト化を図ることができる。このとき、フライス等を用いて加工すれば、断面形状が長方形の凹凸部２１を容易に高精度で加工可能となる。
【００６０】
境界層の発達を阻止する効果的な構造の１つは、図５に示すように、入り口９Ａから流速測定部４に至るまで境界層を発達させないように、周期的に配置された凹凸部２１Ａを設けることである。このような凹凸部２１Ａで、さらに効果的に境界層の発達を阻止するためには、流体流れ方向に対し直交するよう凹凸部２１を配する。なお、このとき、図４にハッチングで示すように、凹凸部の高さを境界層に応じて、入り口９Ａから流量測定部４に向かうに従い徐々に高くなるように形成してもよい。
【００６１】
境界層の発達を阻止するもうひとつの効果的な構造は、図５に示すように、流路内壁表面４０に広範囲に、上記流路内壁からの上記被測定流体の境界層の厚さの例えば１／３以上の高さを有するような細かい凹凸の凹凸部２１Ａを設けることである。製作方法は、サンドブラスト等の機械的加工や電解研磨、エッチング、アルマイト処理等の化学的加工である。この方法では、ランダムに凹凸部２１が形成できる。
【００６２】
上記凸状構造体又は上記凹状構造体が等間隔に周期的に配置されるか、又は、広い間隔、広い間隔、狭い間隔、狭い間隔、広い間隔、広い間隔の順に周期的に配置されるなどしてもよい。
【００６３】
凹凸部２１の理想的な高さは、凹凸部２１位置においての境界層厚さ以上である。しかし、実験的には境界層厚さ１／３程度（例えば、数ミリメートル）から境界層破壊の効果が現れる。
【００６４】
上記第１実施形態によれば、上記流量測定部４の上流側の上記流路内壁４０に配置された上記凹凸部２１により上記被測定流体の上記流路内の境界層を破壊して流速の遅い部分を取り除き、流路内を流れる流体の境界層の発達を制御することができるので、流れ主流の流速を測定することができ、高精度に流体の流量を測定することができる。
【００６５】
また、上記凹凸部２１を、例えば被測定流体の境界層厚さの１／３以上の外径のワイヤーなどにより構成する場合には、１つの部材で凹凸部２１を形成することができ、簡単な構造でありながら、上記被測定流体の上記流路内の境界層を破壊することにより流速の遅い部分を取り除くことができて流体の流れを均一化させることができ、流路内流体の流速を制御することができる。
【００６６】
（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態の超音波流量計であって、流路内壁に凹凸部を有する超音波流量計について図面を参照しながら説明する。
【００６７】
まず、図２（ａ）及び（ｂ）を参照しながら、本発明の第２実施形態による超音波流量計を説明する。図２（ａ）は、第２実施形態における超音波流量計２０の長手方向に沿って超音波送受波器１ａ，１ｂを含む断面を示し、図２（ｂ）は、超音波流量計２０の図２（ａ）側面の断面を示している。
【００６８】
以下、第２実施形態の流路内壁４０に凹凸部２１を有する超音波流量計２０に特徴的な点を説明し、第１実施形態における流路内壁４０に凹凸部２１を有する超音波流量計１０と同様の部分については説明を省略する。
【００６９】
流速測定の精度低下をもたらす要因として、超音波の流路内壁４０での反射波６１の影響がある。通常、流体の流速は、シング・アラウンド周波数の周波数差から求める。この場合、超音波送波器１ａ、１ｂのからの直接波６０だけを受波できれば、計測精度は高くなる。しかし、超音波は発散角を持ち、流路に内壁４０があるため、超音波はこの壁４０により反射され、超音波受波器１ａ、１ｂでは直接波６０と反射波６１の両方を受波する。反射波６１の遅れ時間が短い場合、直接波６０の波尾と重なり合って受波されるため信号の分離が難しくなる。
【００７０】
さらに、反射波６１は、流路内壁４０で反射するため、流路内壁４０近傍の流速の遅い部分を通過する。流速の遅い部分の速度、厚み等の分布は、流速によって変化する。つまり、流量によって、反射波６１の遅れ時間が異なり、シング・アラウンド周波数の周波数差を正確に測定することが難しくなる。
【００７１】
そこで、上記凹凸部２１と同様な構造でかつ境界層を破壊する凹凸部２２を超音波伝播経路６内に設置し、超音波の反射波６１を反射又は散乱し、受波器側に到達することを阻止する。これにより、受波信号を高精度に受信することができ、流速測定の高精度化が実現できる。上記凹凸部２２は、上記凹凸部２１と同様な構造でかつ同様に形成することができるが、この第２実施形態において、上記凹凸部２１と上記凹凸部２２とは同一構造にする必要はなく、互いに異なる高さ、互いに異なる形状を持つようにしてもよい。
【００７２】
上記第２実施形態によれば、上記流量測定部４の上流側の上記流路内壁４０の超音波伝播経路６内に配置された凹凸部２１により、上記被測定流体の上記流路内の境界層を破壊するとともに、超音波の反射波６１を反射又は散乱して受波器側に到達することを阻止することにより、流路内流体の境界層の発達を制御しつつ受波信号を高精度に受信することができるので、流れ主流の流速をより確実に測定することができ、高精度に流体の流量を測定することができる。
【００７３】
なお、上記第１及び第２実施形態のいずれの実施形態でも、一対の超音波送受波器１ａ，１ｂの構成を実質的に同一なものとし、１８０°の回転対称な配置構成を採用しているが、本発明は、このような構成に限定されない。また、上記実施形態では、超音波振動子１ａ，１ｂを超音波送受波器として用いることより、超音波の送信だけではなく受信をも同じ超音波振動子１ａ，１ｂによって行っているが、本発明はこのような構成に限定されない。送波用及び受波用として、別々の超音波振動子を用いても良い。
【００７４】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態による超音波流量計を流体の流路に設定した状態での流路の長手方向に沿った超音波送受波器を含む縦断面及び横断面図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の第２実施形態による超音波流量計を流体の流路に設定した状態での流路の長手方向に沿った超音波送受波器を含む縦断面及び横断面図である。
【図３】従来の超音波流量計の断面図である。
【図４】実線は本発明の凹凸部を形成しない場合の流体の層流速度分布を示し、点線は境界層を示すとともに、ハッチング部分は本発明の変形例にかかる凹凸部を示す説明図である。
【図５】本発明の第１実施形態の変形例にかかる超音波流量計の凹凸部を示す横断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１ａ、１ｂ…超音波送受波器、４…流量測定部、５…流体の流れ方向、６…超音波の伝搬経路、９…流路空間、１０…超音波流量計、２０…超音波流量計、２１、２２…凹凸部、４０…流路内壁、６０…直接波、６１…反射波。
【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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