(57)【要約】【課題】長い超音波伝播距離を確保できるとともに、流体淀み空間を小さくできる超音波流量計を提供する。【解決手段】反射部３０の超音波ビームの反射面Ｓが、対応する超音波送受信部２ａからの超音波ビームＳＷの入射方向を法線とする基準面に対し、流通方向における他方の超音波送受信部２ｂに遠い側の端縁Ａ１が、同じく近い側の端縁Ａ２よりも、入射方向において対応する超音波送受信部２ａに近くなるように傾斜して配置されている。そして、送信側の超音波送受信部２ａからの超音波ビームを、各反射部３０にて反射させることにより流路内にて屈曲した経路に沿って伝播させつつ受信側の超音波送受信部２ｂに導くようにした。【選択図】図１
2008128727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体の流路を形成する流路形成部と、
前記流路形成部に対し前記被測定流体の流通方向において互いに異なる位置に一対に設けられ、一方が前記被測定流体への測定用超音波の送出側となり、他方が該測定用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々前記測定用超音波として、予め定められた向きへの指向性を有する超音波ビームを送出可能とされた超音波送受信部と、
各前記超音波送受信部の各々に対応して設けられ、対応する超音波送受信部が送信モードとなる場合には該超音波送受信部からの超音波ビームが直接入射され、同じく受信モードとなる場合には該超音波送受信部へ超音波ビームを直接反射入力させる位置関係でそれぞれ配置された反射部とを備え、
前記反射部の前記超音波ビームの反射面が、対応する超音波送受信部からの超音波ビームの入射方向を法線とする基準面に対し、前記流通方向における他方の超音波送受信部に遠い側の端縁が、同じく近い側の端縁よりも、前記入射方向において前記対応する超音波送受信部に近くなるように傾斜して配置され、
送信側の超音波送受信部からの超音波ビームを、各前記反射部にて反射させることにより前記流路内にて屈曲した経路に沿って伝播させつつ受信側の超音波送受信部に導くようにしたことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
対をなす前記超音波送受信部は、互いの超音波放射面の中心を直結する基準線に対し、前記超音波ビームの送出方向が前記被測定流体の流通方向に直交する方向に近づくように、予め定められた取付角度を向けて各々前記流路形成部に取り付けられている請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
対をなす前記超音波送受信部は、前記超音波ビームの送出方向が前記被測定流体の流通方向に直交する方向と一致するように各々前記流路形成部に取り付けられている請求項１または請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記超音波送受信部は超音波送振動子と、該超音波送振動子の外面に一体化された振動子取付部とを備え、該振動子取付部は、前記流路形成部の壁部に形成された貫通孔に内嵌されるとともに、前記超音波送振動子は自身の超音波放出面が、前記流路形成部の壁部内面の前記貫通孔への延長面と一致するように配置されてなる請求項３記載の超音波流量計。
【請求項５】
対をなす前記反射部の間の超音波伝播経路上に中間反射部が配置され、前記超音波ビームを、前記反射部および前記中間反射部を使って前記流路内を反射させつつ受信側となる前記超音波送受信部へ導くようにされている請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記流路形成部は断面矩形状に形成され、一対の前記超音波送受信部は、前記流路形成部を構成し対向配置された第一壁部および第二壁部に各々振り分けて設けられるとともに、
前記中間反射部は、前記反射面が前記反射部と同一方向に傾斜しかつ偶数個設けられ、
前記超音波ビームは、一方の前記反射部により反射された後、前記中間反射部によって偶数次の反射をし、他方の前記反射部により反射され、受信側となる前記超音波送受信部へと導かれる請求項５記載の超音波流量計。
【請求項７】
前記流路形成部は断面矩形状に形成され、一対の前記超音波送受信部は、前記流路形成部を構成し対向配置された第一壁部および第二壁部に各々振り分けて設けられるとともに、
前記中間反射部は前記第一壁部と前記第二壁部との板厚方向中間位置にて前記流通方向に対して平行を向いた板状に構成され、前記超音波ビームが通過可能なビーム通過孔が板厚方向に貫通形成され、
送信側の前記超音波流量計から送出された前記超音波ビームは、一方の前記反射部により反射された後、前記中間反射部の第一主表面と前記第一壁部との間に形成された第一導波空間にて奇数次の反射をし、前記ビーム通過孔を通って前記中間反射部の第二主表面と前記第二壁部との間に形成された第二導波空間へ導かれ、該第二導波空間へにて奇数次の反射をするようになっている請求項５記載の超音波流量計。
【請求項８】
前記流路形成部は断面矩形状に形成され、一対の前記超音波送受信部は、前記流路形成部を構成し対向配置された第一壁部および第二壁部のうち第一壁部に各々設けられるとともに、
前記中間反射部は前記第一壁部と前記第二壁部との板厚方向中間位置にて前記流通方向に対して平行を向いた板状に構成され、前記超音波ビームが通過可能なビーム通過孔が板厚方向に貫通形成され、
送信側の前記超音波流量計から送出された前記超音波ビームは、一方の前記反射部により反射された後、前記中間反射部の第一主表面と前記第一壁部との間に形成された第一導波空間にて奇数次の反射をし、前記ビーム通過孔を通って前記中間反射部の第二主表面と前記第二壁部との間に形成された第二導波空間へ導かれ、該第二導波空間へにて奇数次の反射をし、再び前記ビーム通過孔を通って前記第一導波空間へと導かれ、該第一導波空間にて奇数次の反射をするようになっている請求項５記載の超音波流量計。
【請求項９】
前記超音波ビームのビーム中心軸線からその半径方向に拡散する波束成分のうち、予め定められた超音波反射経路以外の経路を伝播する波束成分を遮断するための不要波束成分遮断部材が、前記超音波ビームの伝播経路上に設けられている請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００４−２５１６５３号公報
【０００３】
従来、都市ガスや水などの流量を計測するための超音波流量計が知られている。その際の測定原理として、一般には「伝搬時間差法」が用いられる。これは、流路の流体流れ方向上流側及び下流側に一対の超音波送受信部を設け、それら超音波送受信部間の超音波送受信方向を交互に切り替えるとともに、上流側超音波送受信部から発信された超音波ビームが下流側超音波送受信部に到達するまでの時間（順方向伝播時間）と、下流側超音波送受信部から発信された超音波ビームが上流側超音波送受信部に到達するまでの時間（逆方向伝播時間）とを計測して、両者の時間差から流路を流れる流体の平均流速度及び流量を求めるものである。
【０００４】
特許文献１には、そのような超音波流速計として、対をなす超音波送受信部の間で、一方の超音波送受信部から送出された超音波ビームを管路壁部で１回反射させてから他方の超音波送受信部へ導くようにした超音波流量計が開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１３に、従来の超音波流量計の概略断面図を示す。このように超音波流量計は、ガス等の被測定流体が流れる流路１０１を形成する流路形成部１０３を備え、この流路形成部１０３に一対の超音波素子１００が配置されている。より詳しくは、超音波素子１００はその外周面に筒状の素子取付部１０２が一体形成され、この素子取付部１０２が、流路形成部１０３に対して斜め方向に貫通するように設けられている。超音波ビームは流路を斜め方向に伝播することとなり、この伝播時間を使って（順方向伝播時間と逆方向伝播時間との時間差を使って）、流体の平均流速および流量が求められる。
【０００６】
しかしこのようにすると、超音波素子１００の超音波放射面１０４と、超音波取付部１０２の内面とによって、三角形状の流体淀み空間Ｄが形成されてしまう。この流体淀み空間Ｄにおいてガスが淀むため、ガスの流速および流量を正確に測定しにくいという問題がある。そのため、流体淀み空間Ｄを小さくすることができ、被測定流体の流速および流量を正確に測定できる超音波流量計が望まれていた。
【０００７】
本発明の課題は、超音波送受信部に形成される流体淀み空間を小さくすることができ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および発明の効果】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の超音波流量計は、
被測定流体の流路を形成する流路形成部と、
流路形成部に対し被測定流体の流通方向において互いに異なる位置に一対に設けられ、一方が被測定流体への測定用超音波の送出側となり、他方が測定用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々測定用超音波として、予め定められた向きへの指向性を有する超音波ビームを送出可能とされた超音波送受信部と、
各超音波送受信部の各々に対応して設けられ、対応する超音波送受信部が送信モードとなる場合には超音波送受信部からの超音波ビームが直接入射され、同じく受信モードとなる場合には超音波送受信部へ超音波ビームを直接反射入力させる位置関係でそれぞれ配置された反射部とを備え、
反射部の超音波ビームの反射面が、対応する超音波送受信部からの超音波ビームの入射方向を法線とする基準面に対し、流通方向における他方の超音波送受信部に遠い側の端縁が、同じく近い側の端縁よりも、入射方向において対応する超音波送受信部に近くなるように傾斜して配置され、
送信側の超音波送受信部からの超音波ビームを、各反射部にて反射させることにより流路内にて屈曲した経路に沿って伝播させつつ受信側の超音波送受信部に導くようにしたことを特徴とする。
【０００９】
上記発明によると、超音波ビームの反射面を有する反射部が流路内に設けられており、この反射面は、被測定流体の流通方向に対して斜めを向くようにされている。これにより、超音波送受信部を流路形成部に対して直角に近くなるように取り付けた場合でも、超音波ビームを反射部によって斜め方向に反射させることができ、従って、超音波伝播距離を長く確保できるとともに、超音波送受信部に形成される流体淀み空間を小さくすることが可能となる。そのため、被測定流体の流速測定および流量測定を正確に行うことができる。
【００１０】
この場合、対をなす超音波送受信部は、互いの超音波放射面の中心を直結する基準線に対し、超音波ビームの送出方向が被測定流体の流通方向に直交する方向に近づくように、予め定められた取付角度を向けて各々流路形成部に取り付けられていることが好ましい。超音波ビームの送出方向が、被測定流体の流通方向に直交する方向に近づくほど、流体淀み空間を小さくすることができる。なお、対をなす超音波送受信部は、超音波ビームの送出方向が被測定流体の流通方向に直交する方向と一致するように各々流路形成部に取り付けられていることが最も望ましい。
【００１１】
また、超音波送受信部は超音波送振動子と、超音波送振動子の外面に一体化された振動子取付部とを備え、振動子取付部は、流路形成部の壁部に形成された貫通孔に内嵌されるとともに、超音波送振動子は自身の超音波放出面が、流路形成部の壁部内面の貫通孔への延長面と一致するように配置されていることが好ましい。この構成によると、超音波放出面と、流路形成部の壁部内面とが面一となるため、流体淀み空間が形成されず、従って、流路を流れる被測定媒体の流速および流量を精度よく測定することが可能となる。
【００１２】
また、本発明は、対をなす反射部の間の超音波伝播経路上に中間反射部が配置され、超音波ビームを、反射部および中間反射部を使って流路内を反射させつつ受信側となる超音波送受信部へ導くようにしてもよい。この構成によると、超音波が流路内で多重反射するため、超音波伝播距離を長くすることができ、従って、被測定媒体の流速測定および流量測定を高精度に行うことが可能となる。
【００１３】
例えば、流路形成部は断面矩形状に形成され、一対の超音波送受信部は、流路形成部を構成し対向配置された第一壁部および第二壁部に各々振り分けて設けられるとともに、中間反射部は、反射面が反射部と同一方向に傾斜しかつ偶数個設けられ、超音波ビームは、一方の反射部により反射された後、中間反射部によって偶数次の反射をし、他方の反射部により反射され、受信側となる超音波送受信部へと導かれる構成にすることができる。
【００１４】
また、流路形成部は断面矩形状に形成され、一対の超音波送受信部は、流路形成部を構成し対向配置された第一壁部および第二壁部に各々振り分けて設けられるとともに、中間反射部は第一壁部と第二壁部との板厚方向中間位置にて流通方向に対して平行を向いた板状に構成され、超音波ビームが通過可能なビーム通過孔が板厚方向に貫通形成され、送信側の超音波流量計から送出された超音波ビームは、一方の反射部により反射された後、中間反射部の第一主表面と第一壁部との間に形成された第一導波空間にて奇数次の反射をし、ビーム通過孔を通って中間反射部の第二主表面と第二壁部との間に形成された第二導波空間へ導かれ、第二導波空間へにて奇数次の反射をする構成にしてもよい。
【００１５】
さらに、流路形成部は断面矩形状に形成され、一対の超音波送受信部は、流路形成部を構成し対向配置された第一壁部および第二壁部のうち第一壁部に各々設けられるとともに、中間反射部は第一壁部と第二壁部との板厚方向中間位置にて流通方向に対して平行を向いた板状に構成され、超音波ビームが通過可能なビーム通過孔が板厚方向に貫通形成され、送信側の超音波流量計から送出された超音波ビームは、一方の反射部により反射された後、中間反射部の第一主表面と第一壁部との間に形成された第一導波空間にて奇数次の反射をし、ビーム通過孔を通って中間反射部の第二主表面と第二壁部との間に形成された第二導波空間へ導かれ、第二導波空間へにて奇数次の反射をし、再びビーム通過孔を通って第一導波空間へと導かれ、第一導波空間にて奇数次の反射をする構成にしてもよい。
【００１６】
一方、超音波ビームのビーム中心軸線からその半径方向に拡散する波束成分のうち、予め定められた超音波反射経路以外の経路を伝播する波束成分を遮断するための不要波束成分遮断部材を、超音波ビームの伝播経路上に設けることが好ましい。予め定められた超音波反射経路を伝播する主波束成分と、それ以外の経路を伝播する不要波束成分とは、受信側の超音波送受信部に対して時間差をおいて到達するため、流量測定を不正確にする原因となり得る。しかし、不要波束成分を遮断するための遮断部材を、超音波ビームの伝播経路上に設けることにより、このような問題を最小限にすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、一般住宅用ガスメータ等として用いられる超音波流量計の一実施例の基本構成であり、図２は流量計本体の内部構造を示す断面斜視図である。この超音波流量計１は、被測定流体の流路３Ｐを形成する流路形成部３と、流路形成部３に対し被測定流体の流通方向において互いに異なる位置に一対に設けられ、一方が被測定流体への測定用超音波の送出側となり、他方が測定用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々測定用超音波として、予め定められた向きへの指向性を有する超音波ビームＳＷを送出可能とされた超音波送受信部２ａ，２ｂとを備える。また、各超音波送受信部２ａ，２ｂの各々に対応して設けられ、対応する超音波送受信部２ａ，２ｂが送信モードとなる場合には超音波送受信部２ａ，２ｂからの超音波ビームＳＷが直接入射され、同じく受信モードとなる場合には超音波送受信部２ａ，２ｂへ超音波ビームＳＷを直接反射入力させる位置関係でそれぞれ配置された反射部３０，３１とを備える。そして流路３Ｐ内に、超音波ビームＳＷの反射面Ｓ１を有する反射部３０，３１が設けられている。この反射面Ｓ１は、被測定流体の流通方向に対して斜めを向くようにされている。また、送信側の超音波送受信部２ａ，２ｂからの超音波ビームＳＷを、各反射部３０，３１にて反射させることにより流路内にて屈曲した経路に沿って伝播させつつ受信側の超音波送受信部２ａ，２ｂに導くようにされている。
【００１８】
図１において、制御回路１Ｅは、対をなす超音波送受信部２ａ，２ｂを、流路上流側に位置する上流側超音波送受信部２ａ側が送信側となり、流路下流側に位置する下流側超音波送受信部２ｂ側が受信側となる第一駆動モードと、その逆となる第二駆動モードとの間で切り替え可能に駆動する超音波駆動機構４を有する。
【００１９】
超音波流量計１の流量測定用の流路３Ｐには、流量測定用ガス（流体）が図示の流れ方向に流通している。流路３Ｐには、流れ方向下流側に下流側超音波送受信部２ｂが設けられ、流れ方向上流側に上流側超音波送受信部２ａが設けられている。これらの超音波送受信部２ａ，２ｂは圧電振動子などからなる超音波振動子を有した超音波トランスデューサであり、駆動電圧の印加により超音波ビームを送出する超音波送出機能と、超音波ビームの受信により電気信号（受信信号）を出力する超音波受信機能とを複合して備えるものである。測定用の超音波ビームは、流路内にて超音波送受信部２ａ，２ｂ間に定在波を生じないよう、所定波数以下のパルス状に送出される。
【００２０】
図１１に、超音波送受信部２ａおよび反射部３０の拡大図を示す。図示するように、反射部３０の超音波ビームＳＷの反射面Ｓ１が、対応する超音波送受信部２ａからの超音波ビームＳＷの入射方向を法線とする基準面Ｓ０に対し、流通方向における他方の超音波送受信部２ｂ（図示しない）に遠い側の端縁Ａ１が、同じく近い側の端縁Ａ２よりも、入射方向において対応する超音波送受信部２ａに近くなるように傾斜して配置されている。また、他方の反射部３１も、同様に傾斜して配置されている（図１参照）。このように構成することにより、超音波送受信部２ａ，２ｂを流路形成部３に対して直角に近くなるように取り付けた場合でも、超音波ビームＳＷを反射部３０，３１によって斜め方向に反射させることができ、従って、超音波伝播距離を長く確保できるとともに、超音波送受信部２ａ，２ｂに形成される流体淀み空間（図１３参照）を小さくすることが可能となる。そのため、被測定流体の流速測定および流量測定を正確に行うことができる。
【００２１】
次に、図１に示すように、対をなす超音波送受信部２ａ，２ｂは、互いの超音波放射面Ｓ２の中心を直結する基準線Ｌに対し、超音波ビームＳＷの送出方向が被測定流体の流通方向に直交する方向に近づくように、予め定められた取付角度を向けて各々流路形成部３に取り付けられている。超音波ビームＳＷの送出方向が、被測定流体の流通方向に直交する方向に近づくほど、流体淀み空間を小さくすることができる。図１の実施例では、対をなす超音波送受信部２ａ，２ｂは、超音波ビームＳＷの送出方向が被測定流体の流通方向に直交する方向と一致するように各々流路形成部３に取り付けられている。
【００２２】
また、図１および図１１に示すように、超音波送受信部２ａ，２ｂは超音波送振動子２ａ１，２ｂ１と、当該超音波送振動子２ａ１，２ｂ１の外面に一体化された振動子取付部２ｇとを備え、振動子取付部２ｇは、流路形成部３の壁部に形成された貫通孔２ｈに内嵌されるとともに、超音波送振動子２ａ１，２ｂ１は自身の超音波放出面Ｓ２が、流路形成部３の壁部内面Ｓ３の貫通孔２ｈへの延長面Ｓ４と一致するように配置されている。この構成によると、超音波放出面Ｓ２と、流路形成部３の壁部内面Ｓ３とが面一となるため、流体淀み空間が形成されず、従って、流路を流れる被測定媒体の流速および流量を精度よく測定することが可能となる。
【００２３】
測定対象がガスの場合、流路３Ｐを形成する流路形成部３の軸断面形状は壁部３Ｊにより閉鎖された空間を形成するものであればよく、例えば、円形状、楕円形状、正方形状、矩形状等のいずれを採用してもよい。本実施形態では、図１に示すごとく流路形成部３は矩形状に形成され、第一壁部３Ｊａに上流側超音波送受信部２ａが、また第二壁部３Ｊｂに下流側超音波送受信部２ｂが取り付けられている。
【００２４】
また、図１及び図２に示すように、第一壁部３Ｊａ及び第二壁部３Ｊｂに直交する側壁部３Ｊ１，３Ｊ２の内面に、反射部３０，３１の両縁が結合されている。
【００２５】
反射部３０，３１は、被測定流体（媒質）の音響インピーダンスをＺ１とした場合、反射部の音響インピーダンスをＺ２とすれば、境界（反射面）が反射部３０，３１であるので、Ｚ１／Ｚ２≪１となるような音響インピーダンスＺ２を有した材質を選定すればよい。このようにすれば、反射部３０，３１の音響インピーダンスＺ２は媒質の音響インピーダンスＺ１に比べて充分に大きいので、境界（反射面）をなす反射部３０，３１を超音波ビームＳＷが透過することを阻止でき、ほぼ全反射となるため、超音波ビームＳＷの伝播ロスが少なくなり、高感度な送受信が達成できる。具体的には、音響インピーダンス比Ｚ１／Ｚ２の値は１／１０以下であればよく、反射部３０，３１の具体的な材質としては、金属、セラミックス、プラスチックスを例示できる。
【００２６】
また、反射部３０，３１の厚みは、材料の機械的物性や加工性等を考慮して、０．４ｍｍ以上確保されていることが望ましい。また、反射部３０，３１の厚みが超音波波長λの１／２に一致していると、図１０に示すごとく、共振により反射部の音波透過率が非常に急峻に増大し、反射がほとんど生じなくなるので、該厚さはλ／２（約１．２５ｍｍ）よりも小さいこと、具体的には１ｍｍ以下に設定されていることが望ましい。
【００２７】
さらに、反射部３０，３１の反射面の表面粗さ（ＪＩＳ：Ｂ０６０１（２００１）に規定された算術平均高さＲａを採用する）は、超音波波長λの１／１０以下に仕上げられていることが望ましい。これにより、反射面での乱反射による超音波エネルギーのロスが少なくなり、ほぼ全反射するため、超音波ビームの伝播ロスが抑制され、高感度な送受信を実現できる。
【００２８】
一方、図１および図２の実施例では、対をなす反射部３０，３１の間の超音波伝播経路上に中間反射部３２，３３が配置され、超音波ビームＳＷを、反射部３０，３１および中間反射部３２，３３を使って流路３Ｐ内を反射させつつ受信側となる超音波送受信部２ａ，２ｂへ導いている。この構成によると、超音波の伝播距離を長くすることができるため、被測定媒体の流速測定および流量測定を高精度にできる。
【００２９】
より詳しくは、流路形成部３は断面矩形状に形成され、一対の超音波送受信部２ａ，２ｂは、流路形成部３を構成し対向配置された第一壁部３Ｊａおよび第二壁部３Ｊｂに各々振り分けて設けられるとともに、中間反射部３２，３３は、反射面Ｓ４が反射部３０，３１と同一方向に傾斜しかつ偶数個（本実施例では２個）設けられる。例えば超音波送受信部２ａが送出側となる場合、超音波ビームＳＷは、一方の反射部３０により反射された後、中間反射部３２，３３により偶数次（本実施例では２次）の反射をし、他方の反射部３１により反射され、受信側となる超音波送受信部２ｂへと導かれる。
【００３０】
また、図１の実施例では、超音波ビームＳＷのビーム中心軸線からその半径方向に拡散する波束成分のうち、予め定められた超音波反射経路以外の経路を伝播する波束成分を遮断するための不要波束成分遮断部材３４ａ〜３４ｃを、超音波ビームＳＷの伝播経路上に設けている。予め定められた超音波反射経路を伝播する主波束成分と、それ以外の経路を伝播する不要波束成分とは、受信側の超音波送受信部２ａ，２ｂに対して時間差をおいて到達するため、流量測定を不正確にする原因となり得る。しかし、不要波束成分を遮断するための遮断部材を、超音波ビームＳＷの伝播経路上に設けることにより、このような問題を最小限にすることが可能となる。
【００３１】
次に、図１に示すように、制御回路部１Ｅには、前述の超音波駆動機構４と周辺回路ブロック７〜１１が設けられている。超音波駆動機構４は、送信部５、受信部６及び切替部４ｓを有する。送信部５は、超音波送受信部２ａ，２ｂに対して駆動信号を入力するための回路である。受信部６はスイッチ等から構成され、このスイッチを切り替えることにより、前述の駆動モードの切替がなされる。この受信部６の切替制御は切替部４ｓにより行われる。増幅部７は、受信部６により受信された超音波を所定の増幅率で増幅し、増幅された超音波変換信号をマスク時間設定部８に入力する。マスク時間設定部８は、ノイズ対策のため、超音波素子２ａまたは２ｂより超音波を送出してから、流路３を伝搬される超音波が到達しない最低の時間を設けるものである。また、ゼロクロスポイント検出部９は、受信した超音波波形に含まれる特定順位波（例えば、第３波）のゼロクロスポイントを検出するものである。時間計測部１０は、第一駆動モードでの、上流側超音波送受信部２ａから発信された超音波ビームＳＷが下流側超音波送受信部２ｂに到達するまでの順方向伝播時間と、第二駆動モードにおける下流側超音波送受信部２ｂから発信された超音波ビームＳＷが上流側超音波送受信部２ａに到達するまでの逆方向伝播時間とを計測するものである。また、演算部１１は、上記の順方向伝播時間と逆方向伝播時間との時間差から、流路３Ｐを流れる流体の平均流速度及び流量を計算する。
【００３２】
次に、本発明の第２実施例を図３に示す。この実施例では、流路形成部３は断面矩形状に形成され、一対の超音波送受信部２ａ，２ｂは、流路形成部３を構成し対向配置された第一壁部３Ｊａおよび第二壁部３Ｊｂに各々振り分けて設けられるとともに、中間反射部３２，３３は第一壁部３Ｊａと第二壁部３Ｊｂとの板厚方向中間位置にて、被測定媒体の流通方向に対して平行を向いた板状に構成され、超音波ビームＳＷが通過可能なビーム通過孔３６が板厚方向に貫通形成される。そして、中間反射部３５の第一主表面Ｃ１と第一壁部３Ｊａとの間が第一導波空間３Ｐ１とされ、中間反射部３５の第二主表面Ｃ２と第二壁部３Ｊｂとの間が第二導波空間３Ｐ２とされる。例えば超音波送受信部２ａが送信側となる場合、送出された超音波ビームＳＷは、一方の反射部３０により反射された後、第一導波空間３Ｐ１にて奇数次（本実施例では３回）の反射をし、ビーム通過孔３６を通って第二導波空間３Ｐ２へと導かれ、第二導波空間３Ｐ２にて奇数次（本実施例では１回）の反射をする。その後、反射部３１にて反射され、受信側となる超音波送受信部２ｂへと導かれる。
【００３３】
図４に、本発明の第３実施例を示す。この実施例では、流路形成部３は断面矩形状に形成され、一対の超音波送受信部２ａ，２ｂは、流路形成部３を構成し対向配置された第一壁部３Ｊａおよび第二壁部３Ｊｂのうち第一壁部３Ｊａに各々設けられるとともに、中間反射部３５は第一壁部３Ｊａと第二壁部３Ｊｂとの板厚方向中間位置にて、被測定媒体の流通方向に対して平行に設けられた板状に構成されている。そして、超音波ビームＳＷが通過可能なビーム通過孔３６ａ，３６ｂが板厚方向に貫通形成され、中間反射部３５の第一主表面Ｃ１と第一壁部３Ｊａとの間が第一導波空間３Ｐ１とされ、中間反射部３２，３３の第二主表面Ｃ２と第二壁部３Ｊｂとの間が第二導波空間３Ｐ２とされる。例えば超音波送受信部２ａが送信側の場合、送出された超音波ビームＳＷは、一方の反射部３０により反射した後、第一導波空間３Ｐ１にて奇数次（本実施例では１回）の反射をし、ビーム通過孔３６ａを通って第二導波空間３Ｐ２へと導かれ、第二導波空間３Ｐ２にて奇数次（本実施例では１回）の反射をする。その後、ビーム通過孔３６ｂを通って第一導波空間３Ｐ１へと導かれ、第一導波空間３Ｐ１にて奇数次（本発明では１回）の反射をし、他方の反射部３１にて反射をして、受信側の超音波送受信部２ｂへと導かれる。
【００３４】
次に、本発明の第４実施例を図５に示す。この実施例では、反射面Ｓ１付近において被測定流体がスムーズに流れるように、反射部３０，３１を流線型にしている。また、反射部３０，３１は、第一壁部３Ｊａおよび第二壁部３Ｊｂの内面に各々取り付けられている。送出された超音波ビームＳＷは、一方の反射部３０（又は３１）にて反射した後、第一壁部３Ｊａおよび第二壁部３Ｊｂの内面にて偶数次（本実施例では２次）の反射をし、その後、他方の反射部３１（又は３０）にて反射し、受信側の超音波送受信部へと導かれる。この構成によると、超音波ビームＳＷの伝播距離を長くできるため、流量測定および流速測定を正確に行うことができる。
【００３５】
図６に、本発明の第５実施例を示す。この実施例では、第一壁部３Ｊａおよび第二壁部３Ｊｂに各々平行な板状の中間反射部３５ａ，３５ｂが一対に設けられ、この中間反射部３５ａ，３５ｂに超音波ビームＳＷが通過する通過孔３６ａ，３６ｂが板厚方向に貫通形成されている。また、中間反射部３５ａ，３５ｂの内面に反射部３０，３１が設けられている。例えば超音波送受信部２ａが送出側となる場合、超音波ビームＳＷ６は反射部３０にて反射した後、中間反射部３５ａ，３５ｂの内面にて偶数次（本実施例では４次）の反射をし、反射部３１にて反射をして、受信側の超音波送受信部２ｂへと導かれる。この構成によると、被測定流体の流速が最も安定している流路中心部分において超音波ビームＳＷ６を多重反射させることができるため、流速および流量計測を安定して行える。
【００３６】
一方、図６の実施例では、ビーム通過孔３６ａ，３６ｂの開口径が大きいと、主波束成分ＳＷ６以外に、不要な波束成分ＳＷ８が通ってしまう可能性がある。すなわち、超音波ビームＳＷはビーム中心軸線に対し半径方向に広がりつつ進行するため、主波束成分ＳＷ６とは入射角度の異なる不要波束成分ＳＷ８が、ビーム通過孔３６ａ，３６ｂを通って中間反射部３５ａ，３５ｂの中に入ってしまう場合がある。この場合、受信側となる超音波送受信部には、まず６次反射した主波束成分ＳＷ６が到達し、時間差をおいて８次反射した不要波束成分ＳＷ８が到達する。そのため、流量計測を正確に行えなくなる場合があるが、ビーム通過孔３６ａ，３６ｂの開口径を狭くして、不要波束成分ＳＷ８を遮断すれば、このような問題を回避できる。
【００３７】
また、図７の実施例を採用することもできる。この実施例では、中間反射部３５ａ，３５ｂに各々大きめのビーム通過孔３６ａ，３６ｂが形成されている。送出された超音波ビームＳＷのうち、主波束成分ＳＷ６および不要波束成分ＳＷ８がこのビーム通過孔３６ａ，３６ｂを通過し、主導波空間３Ｐ０に進む。中間反射部３５ａ，３５ｂには不要波束成分透過孔３７が形成されており、不要波束成分ＳＷ８は、この不要波束成分透過孔３７を通って、主導波空間３Ｐ０から副導波空間３Ｐ１へ進む。そのため受信側となる超音波送受信部２ｂには、不要波束成分ＳＷ８が到達しない。
【００３８】
さらに、図８の実施例のように、中間反射部３５ａ，３５ｂの間に整流板３５ｃを設けることもできる。整流板３５ｃには大きめのビーム透過孔３６ｂが形成されている。例えば超音波送受信部２ａを送出側とした場合、超音波ビームＳＷはビーム透過孔３６ａ，３６ｃを通り、反射部３０にて反射した後に、中間反射部３５ａ，３５ｂの間で偶数次の反射をし（このとき、超音波ビームＳＷはビーム透過孔３６ｂを通る）、他方の反射部３１にて反射して、受信側となる超音波送受信部２ｂへと導かれる。
【００３９】
なお、図８の実施例では、流路３Ｐのうち、中間反射部３５ａ，３５ｂに挟まれた部分にて超音波ビームＳＷが多重反射するようになっている。この状態だと、流路３Ｐの全断面積にわたって超音波ビームＳＷが通過しないため、通過する断面だけで流量を代表し演算したり、全断面積を通過するとして流量に補正係数をもたせて算出する場合に、流量値が不正確になる惧れがある。この場合、例えば図１２のように構成することができる。図１２の実施例では整流板３５ａ〜３５ｃを備えており、これら整流板３５ａ〜３５ｃにビーム通過孔３６ａ〜３６ｉが図示するように形成されている。そして超音波ビームＳＷは、流路３Ｐの全領域（３Ｐ１〜３Ｐ４）にわたって通過するようになっている。このようにすると、整流板３５ａ〜３５ｃによってガスの流速分布が一様になり、しかも超音波ビームＳＷの伝播距離を長くできるため、流量計測を正確に行うことができる。また、図１２の実施例では、各ビーム通過孔３６ａ〜３６ｉの配置位置が対称とされているため、ガスの流れを中間の整流板３５ｃに関して上下対称にできる。
【００４０】
次に、図３の変形例を図９に示す。この実施例では、第一壁部３Ｊａ及び第二壁部３Ｊｂの中間位置に、被測定流体の流通方向と平行になるように板状の中間反射部３５を設けている。この中間反射部３５は厚めに形成されており、一部が斜めに切りかかれて反射部３０，３１をなすように形成されている。このようにすると、被測定媒体の流通断面積が減るものの、反射面Ｓ１付近における被測定流体の乱れを少なくすることができる。そのため、正確な流量測定および流速測定を行いやすい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る超音波流量計の全体構造を示す模式図。
【図２】図１の超音波流量計の、流量計本体の内部構造を示す断面斜視図。
【図３】超音波流量計の第２実施例。
【図４】超音波流量計の第３実施例。
【図５】超音波流量計の第４実施例。
【図６】超音波流量計の第５実施例。
【図７】超音波流量計の第６実施例。
【図８】超音波流量計の第７実施例。
【図９】超音波流量計の第８実施例。
【図１０】反射部の厚みと超音波透過率との関係をシミュレーションした結果を示すグラフ。
【図１１】図１の要部拡大図。
【図１２】超音波流量計の第９実施例。
【図１３】従来例。
【符号の説明】
【００４２】
１  超音波流量計
２ａ，２ｂ  超音波送受信部
２ａ１，２ｂ１  超音波送振動子
２ｇ  振動子取付部
２ｈ  貫通孔
３  流路形成部
３Ｐ１  第一導波空間
３Ｐ２  第二導波空間
３Ｊａ  第一壁部
３Ｊｂ  第二壁部
４  超音波駆動機構
３０，３１  反射部
３２，３３  中間反射部
３４  不要波束成分遮断部材
３６  ビーム透過孔
【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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【図１３】
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