(57)【要約】【課題】流速測定部外部から伝搬してくる圧力変動を流速測定部において抑制させることにより、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。【解決手段】被測定流体の流路２０を規定する内壁２１を有する流速測定部１０と、流速測定部１０の内壁に設けられ、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１０ａ、１０ｂを備えた超音波流量計５０であって、流路内壁２１に、流速測定部外部から伝搬してくる圧力変動を流速測定部において抑制させるための圧力波を発生させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体の流路（２０）を規定する内壁（２１）を有する流速測定部（１０）と、上記流速測定部の内壁（２１）に設けられ、超音波の送信及び／又は受信を行うことにより上記流速測定部での上記被測定流体の流速を計測する少なくとも１つの超音波振動子（１ａ，１ｂ）を備えて、上記被測定流体の流速に基づいて上記被測定流体の流量を求める超音波流量計であって、
上記流速測定部の外部から上記流速測定部に伝搬してくる上記被測定流体の圧力変動を、上記流速測定部において抑制させる圧力波を発生させる圧力波発生装置（７０ａ，７０ｂ，９１，９２，１０００，８０）を備えた超音波流量計。
【請求項２】
上記超音波振動子は第１超音波振動子（１ａ）と第２超音波振動子（１ｂ）とより構成され、
上記第１超音波振動子は、上記第２超音波振動子に対して超音波を出射して上記流速測定部の上記被測定流体を貫通させるように配置され、
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して上記流速測定部の上記被測定流体を貫通させるように配置されている、請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
上記流速測定部外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動を検出する圧力検出装置（６０ａ，６０ｂ）をさらに備えるとともに、
上記圧力波発生装置（７０ａ，７０ｂ，９１，９２，１０００）は、上記圧力検出装置により検出された圧力変動情報を基に、上記流速測定部の外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動を、上記流速測定部において抑制させるための圧力波を発生できるよう、圧力波位相情報及び圧力波強度情報を演算して求める圧力波演算部（９１）を備え、上記圧力波演算部（９１）により演算されて求められた圧力波位相情報及び圧力波強度情報を含む圧力波を、上記流速測定部の外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動を上記流速測定部において抑制させるために発生させる、請求項１〜２のいずれか１つに記載の超音波流量計。
【請求項４】
上記圧力波発生装置（８０）は、上記被測定流体の上記流路（２０Ａ）の入口側の上流流路（３１）と出口（５２Ａ）側の下流流路（３２）とを仕切るように配置され、かつ、上記流速測定部の外部から上記流速測定部に伝搬してくる上記圧力変動の上記上流流路と上記下流流路との間での圧力差を用いて圧力の低い方の流路に対して、上記流速測定部の外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動を上記流速測定部において抑制させるための圧力波を発生させる可撓性部材を備える、請求項１又は２に記載の超音波流量計。
【請求項５】
上記圧力波発生装置（８０）である可撓性部材は、膜部材である、請求項４に記載の超音波流量計。
【請求項６】
上記圧力波発生装置（８０）である上記可撓性部材は、上記圧力変動の位相と上記圧力変動を抑制させるための上記圧力波の位相とが上記流速測定部においてずれるように、上記可撓性部材の上記上流流路側から上記流速測定部までの距離と上記可撓性部材の上記下流流路側から上記流速測定部までの距離とを異ならせて上記可撓性部材を配置する、請求項４又は５に記載の超音波流量計。
【請求項７】
上記圧力波発生装置（７０ａ，７０ｂ，９１，９２，１０００）は、上記流速測定部での上記被測定流体の流量がしきい値以下のときにのみ上記圧力波を発生させる請求項１〜６のいずれか１つに記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波により流体の流量を精度良く計測する超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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４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。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、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するとともに、機械エネルギーを電気エネルギー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４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）
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。
【００１３】
【数２】
ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ                ・・・（２）
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。
【００１４】
【数３】
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ                    ・・・（３）
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。
【００１５】
【数４】
Ｑ＝Ｓ・Ｖ                                          ・・・（４）
多くの流量計の場合、被測定流体は管路内を流れ、管路は流量計以外の他機器と接続されている。たとえば、他機器が内燃機関の場合、燃焼開始及び停止時、又は燃焼調整時等にバルブ等を開閉させるなどの動作を行うと、内燃機関内の被測定流体に圧力変動を生じさせる。その圧力変動は、被測定流体を介して流量計まで伝搬してくる。他機器は、流量計からみて下流側の場合、上流側の場合、又は両者の場合も存在する。つまり、圧力変動は流量計から見て下流側から、上流側から、又は両者から伝播してくることになる。圧力変動が生じた場合、仮に、配管系全体を流れている被測定流体の流量が０であっても、管路内を局所的にみると、圧力変動により被測定流体は圧力変動の周期で移動している。つまり、被測定流体の流速は、圧力変動の周期で変動していることになる。変動している被測定流体の最大流速の絶対値は、圧力変動の最大圧力の絶対値により決定される。定常流量が配管系を流れている場合は、定常流速のＤＣ成分上に、圧力変動による交流成分の流速が重ね合わされることになる。
【００１６】
超音波流量計では、被測定流体の流速を瞬時計測し、その流速を用いて流量に換算するため、圧力変動により被測定流体の流速が変動してしまうと正確な流量測定ができなくなるという問題点があった。これは、特にガスヒートポンプで圧力変動差が大きくなっていた。
【００１７】
この問題を解決するため、流入口と流出口との間に圧力変動を吸収する脈動吸収構造の膜を備えるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。また、流入口と流出口との間に配置されたジャバラの収縮により圧力変動を吸収するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照。）。さらに、流入口の近傍に、圧力変動が通過する流路と、圧力変動を位相反転させるバイパス流路とを併設して、圧力変動と反転した圧力変動とを重ね合わせて圧力変動を吸収させることにより相殺するようにしたものがある（例えば、特許文献３参照。）。
【００１８】
【特許文献１】
特開平１１−２８１４５０号公報
【特許文献２】
特開平１１−２８１４３４号公報
【特許文献３】
特開平１１−２８１４４０号公報
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１及び２では、特別な圧力変動吸収部材又は機構が必要となり、かつ、圧力変動を吸収することにより圧力変動を除去しようとする消極的なものであり、圧力変動に対して、これを抑制可能な圧力波を積極的に発生させて抑制しようとする能動的な技術はなかった。また、特許文献３では、流入口の近傍で併設された２つの流路の出口付近で重ね合わせを行うため、圧力変動と反転した圧力変動とが必ずしも同じタイミングで確実に重ね合わせが行えず、圧力変動の抑制が効果的に行えないといった問題があった。
【００２０】
本発明は上記の課題を解決するもので、流速測定部外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動を流速測定部において圧力波を重ね合わせて抑制させることにより、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。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
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。
【００２２】
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速測定部と、上記流速測定部の内壁に設けられ、超音波の送信及び／又は受信を行うことにより上記流速測定部での上記被測定流体の流速を計測する少なくとも１つの超音波振動子を備えて、上記被測定流体の流速に基づいて上記被測定流体の流量を求める超音波流量計であって、
上記流速測定部の外部から上記流速測定部に伝搬してくる上記被測定流体の圧力変動を、上記流速測定部において抑制させる圧力波を発生させる圧力波発生装置を備える超音波流量計を提供する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
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。
【００２４】
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速測定部と、上記流速測定部の内壁に設けられ、超音波の送信及び／又は受信を行うことにより上記流速測定部での上記被測定流体の流速を計測する少なくとも１つの超音波振動子を備えて、上記被測定流体の流速に基づいて上記被測定流体の流量を求める超音波流量計であって、
上記流路内壁に、上記流速測定部の外部から上記流速測定部に伝搬してくる上記被測定流体の圧力変動を、上記流速測定部において抑制させる圧力波を発生させる圧力波発生装置を備える超音波流量計を提供する。
【００２５】
本発明の第１態様により、流速測定部での圧力変動を除去し、被測定流体の実流量での流速を正確に測定することにより、高精度に流体の流量を測定できる。
【００２６】
本発明の第２態様によれば、上記超音波振動子は第１超音波振動子と第２超音波振動子とより構成され、
上記第１超音波振動子は、上記第２超音波振動子に対して超音波を出射して上記流速測定部の上記被測定流体を貫通させるように配置され、
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して上記流速測定部の上記被測定流体を貫通させるように配置されている、第１態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００２７】
本発明の第２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。
【００２８】
また、本発明のある態様によれば、上記圧力波発生装置は、上記流速測定部の上流側と下流側とにそれぞれ配置され、かつ、上記流速測定部の外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動を上記流速測定部において抑制させるための圧力波を発生させる圧力波発生器を備えている、第１又は２態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００２９】
本発明のこの態様により、上記流速測定部外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動を流速測定部において抑制させるための圧力波を発生させる圧力波発生器を複数個用いることにより、超音波流量計からみて上流側から伝搬してくる圧力波と下流側から伝搬してくる圧力波を流速測定部で別々に抑制することが可能となり、流速測定部流速の安定性を向上させ、計測精度を向上させることができる。
【００３０】
本発明の第３態様によれば、上記流速測定部外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動を検出する圧力検出装置をさらに備えるとともに、
上記圧力波発生装置は、上記圧力検出装置により検出された圧力変動情報を基に、上記流速測定部の外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動を、上記流速測定部において抑制させるための圧力波を発生できるよう、圧力波位相情報及び圧力波強度情報を演算して求める圧力波演算部を備え、上記圧力波演算部により演算されて求められた圧力波位相情報及び圧力波強度情報を含む圧力波を、上記流速測定部の外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動を上記流速測定部において抑制させるために発生させる、第１〜２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。
【００３１】
本発明の第３態様により、流速測定部外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動に対しアクティブにしかも精度良く、流速測定部外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動を流速測定部において抑制させるための圧力波を発生できるようになり、さらに流速測定部流速の安定性を向上させ、計測精度を向上させることができる。
【００３２】
本発明の第４態様によれば、上記圧力波発生装置は、上記被測定流体の上記流路の入口側の上流流路と出口側の下流流路とを仕切るように配置され、かつ、上記流速測定部の外部から上記流速測定部に伝搬してくる上記圧力変動の上記上流流路と上記下流流路との間での圧力差を用いて圧力の低い方の流路に対して、上記流速測定部の外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動を上記流速測定部において抑制させるための圧力波を発生させる可撓性部材を備える、第１又は２の態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００３３】
本発明の第４態様によれば、速測定部外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動の圧力を用いるため、外部からエネルギーを供給して流速測定部外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動を流速測定部において抑制させるための圧力波を発生させる必要がなくなり、消費エネルギーの低減が可能である。
【００３４】
本発明の第５態様によれば、上記圧力波発生装置である可撓性部材は、膜部材である、第４の態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００３５】
本発明の第５態様によれば、流速測定部外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動を流速測定部において抑制させるための圧力波を発生させる機構に膜部材を用いるため、安価で信頼性の高い超音波流量計を得ることができる。
【００３６】
本発明の第６態様によれば、上記圧力波発生装置である上記可撓性部材は、上記圧力変動の位相と上記圧力変動を抑制させるための上記圧力波の位相とが上記流速測定部においてずれるように、上記可撓性部材の上記上流流路側から上記流速測定部までの距離と上記可撓性部材の上記下流流路側から上記流速測定部までの距離とを異ならせて上記可撓性部材を配置する、第４又は５の態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００３７】
本発明の第６態様によれば、上記流速測定部外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動を流速測定部において抑制させるため圧力波を発生させる構造を、流速測定部から被測定流体の流路に沿って被測定流体の上流側方向及び下流側方向に等距離の位置に配置することにより、流速測定部外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力波と圧力変動を抑制させるための圧力波をより良く流速測定部において重ね合わせられ、流速測定部流速の安定性を向上させ、計測精度を向上させることが可能となる。しかも、安価で信頼性が高く、省エネルギーの超音波流量計が実現できる。
【００３８】
本発明の第７態様によれば、上記圧力波発生装置は、上記流速測定部での上記被測定流体の流量がしきい値以下のときにのみ上記圧力波を発生させる第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。
【００３９】
本発明の第７態様にすれば、圧力波を無駄なく効率的に、必要なときに必要な分だけ発生させることができる。
【００４０】
（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、流速測定部の外部から上記流速測定部に伝搬してくる上記被測定流体の圧力変動を流速測定部において抑制させるための圧力波を発生させる機構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。
【００４１】
まず、図１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），（Ｂ）は、第１実施形態にかかる超音波流量計の縦断面図及び横断面図である。
【００４２】
図示されている超音波流量計５０は、ガスヒートポンプなどに使用されるガスなどの被測定流体の円形又は矩形断面の流路２０を規定する流路内壁２１を有する。流路２０の内部の流速測定部１０には、超音波の送信及び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、一方の超音波送受波器１ａ又は１ｂから超音波を発信して他方の超音波送受波器１ｂ又は１ａで受信するようにしている。被測定流体は、超音波流量計５０の入口５１から超音波流量計５０内に導入され、流速測定部１０を通過し、超音波流量計５０の出口５２より超音波流量計５０の外部に出る。被測定流体は、流速測定部１０を通過する際に、超音波により被測定流体の流速が計測される。入口５１の近傍の流路内壁２１には入口５１の近傍の被測定流体の圧力を検出する圧力検出器６０ａが、出口５２の近傍の流路内壁２１には出口５２の近傍の被測定流体の圧力を検出する圧力検出器６０ｂが、それぞれ、設置されている。圧力検出器６０ａと流速測定部１０の間には、超音波流量計５０内の被測定流体に圧力波を発生させる圧力波発生器７０ｂが、圧力検出器６０ｂと流速測定部１０の間には、超音波流量計５０内の被測定流体に圧力波を発生させる圧力波発生器７０ａが、それぞれ、設置されている。
【００４３】
さらに、入口５１の近傍の圧力検出器６０ａと出口５２の近傍の圧力検出器６０ｂは、それぞれ、圧力波演算部の一例としての圧力波演算回路９１に接続されて、圧力検出器６０ａ又は６０ｂで検出された圧力変動の圧力変動情報例えば位相及び強度情報を含む信号を圧力波演算回路９１に入力して、流速測定部１０において圧力変動を抑制させるために必要な圧力波の圧力波発生情報例えば圧力位相及び強度情報を、圧力変動の圧力変動情報に基づいて演算して求める。圧力波演算回路９１は、圧力波発生器駆動部の一例としての圧力波発生器駆動回路９２に接続されており、この圧力波発生器駆動回路９２には圧力波発生器７０ａ及び圧力波発生器７０ｂが接続されている。そして、圧力波演算回路９１で演算されて求められた圧力波の圧力位相及び強度を含む信号が圧力波発生器駆動回路９２に入力されると、圧力波発生器駆動回路９２から圧力波発生器７０ａ又は圧力波発生器７０ｂに駆動信号が出力されて、圧力波発生器７０ａ又は圧力波発生器７０ｂから圧力波を発生させるようにしている。
【００４４】
よって、圧力波発生器７０ａ又は圧力波発生器７０ｂと、圧力波演算回路９１と、圧力波発生器駆動回路９２と、後述する制御装置１０００とより、圧力波発生装置の一例を構成している。
【００４５】
上記超音波送受波器１ａと１ｂは以下のように機能する。例えば、超音波送受波器１ａを超音波の送波器として用い、超音波送受波器１ｂを超音波の受波器として用いる場合について、図１（Ｂ）に示すように、超音波流量計の動作を説明する。
【００４６】
超音波送受波器１ａ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１ａの圧電振動子に印加すると、超音波送受波器１ａ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１ｂに到達する。超音波送受波器１ｂ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。
【００４７】
この後、超音波送受波器１ｂ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１ｂ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１ｂの圧電振動子に印加することにより、超音波送受波器１ｂ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１ａに到達する。超音波送受波器１ａ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。
【００４８】
このように、超音波送受波器１ａ及び１ｂ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。
【００４９】
駆動用のバースト電圧信号を超音波送受波器１ａに印加して超音波送受波器１ａ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１ｂに到達する。
【００５０】
超音波送受波器１ｂ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１ａ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。
【００５１】
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１ａから超音波送受波器１ｂ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。
【００５２】
図１（Ｂ）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１ａを送波器、超音波送受波器１ｂを受波器として用いたとき、超音波送受波器１ａから出た超音波パルスが超音波送受波器１ｂ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（５）が成立する。
【００５３】
【数５】
ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ                ・・・（５）
逆に、超音波送受波器１ｂを送波器として、超音波送受波器１ａ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（６）の関係が成立する。
【００５４】
【数６】
ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ                ・・・（６）
上記式（５）及び（６）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（７）で示される。
【００５５】
【数７】
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ                    ・・・（７）
式（７）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。
【００５６】
【数８】
Ｑ＝Ｓ・Ｖ                                          ・・・（８）
なお、上記超音波送受波器１ａ，１ｂと圧力波演算回路９１と圧力波発生器駆動回路９２とは、超音波流量計５０の制御装置１０００に接続されて、制御装置１０００により、それぞれ動作制御されるようにしている。さらに、上記圧力検出器６０ａ，６０ｂも制御装置１０００に接続されて、動作制御されるようにしてもよい。
【００５７】
次に、上記構成にかかる第１実施形態にかかる超音波流量計において、一例として、流速測定部１０の外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動が、入口５１側から超音波流量計５０内に伝搬してくる場合について説明する。圧力変動は、入口５１の近傍の圧力検出器６０ａで図２（Ａ）のように検出され、圧力波演算回路９１に位相及び強度情報を伝達する。圧力波演算回路９１は、圧力検出器６０ａで検出され圧力変動の位相及び強度情報を基に、流速測定部１０において圧力変動を抑制させるために必要な圧力波の位相及び強度情報を演算し、演算の結果求められた圧力波の位相及び強度情報を含む圧力波発生信号を圧力波発生器駆動回路９２に伝達する。圧力波発生器駆動回路９２は、圧力波演算回路９１より送られた上記圧力波発生信号によって、圧力波発生器７０ａを駆動して圧力波発生器７０ａから流速測定部１０に向けて被測定流体に、上記位相及び強度情報を有する圧力波を発生する。流速測定部１０において圧力変動を抑制させるためには、流速測定部１０において、流速測定部１０に伝搬してきた図２（Ｂ）の実線で示されるような圧力変動と逆位相でかつ同じ強度の圧力波を図２（Ｂ）の一点鎖線のように重ね合わせることである。このように、圧力変動と逆位相でかつ同じ強度の圧力波を圧力波発生器７０ａから流速測定部１０に向けて被測定流体に発生させることにより、流速測定部１０において圧力変動と圧力波とが重ね合わされて大略相殺（キャンセル）され、超音波流量計５０外の外乱による圧力変動を取り除くことが可能となり、上記一対の超音波送受波器（超音波振動子）１ａ及び１ｂにより高精度に被測定流体の流速を計測して、上記被測定流体の計測した流速に基づいて上記被測定流体の流量を求めることができる。
【００５８】
この例では、圧力検出器６０ａと圧力波発生器７０ａとを用いたが、圧力検出器６０ａと圧力波発生器７０ｂとを用いてもよい。原理的には、圧力変動を検出してからその圧力変動が流速測定部１０に到達するまでに、圧力波発生器７０ａ又は７０ｂによる圧力波（圧力抑制波）が流速測定部１０に到達し、流速測定部１０において圧力変動を抑制されれば、どのような構成を用いても良い。
【００５９】
また、流速測定部１０の外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動が、出口５２側から伝搬してくる場合も同様である。異なるのは、入口５１の近傍の圧力検出器６０ａに代えて出口５２の近傍の圧力検出器６０ｂで圧力変動を検出することだけである。
【００６０】
また、流速測定部１０の外部から上記流速測定部に伝搬してくる圧力変動が入口５１及び出口５２から同時にくる場合には、２つの圧力検出器６０ａ、６０ｂを用いて圧力変動をそれぞれ検出し、２つの圧力波発生器７０ａ及び７０ｂを同時に動作させればよい。圧力変動が入口５１及び出口５２から同時にくる場合において、構成を簡略化するためには、２つの圧力検出器６０ａ、６０ｂを用いて圧力変動を検出し、２方向の圧力変動が流速測定部１０において合成される圧力変動を圧力波演算回路９１で演算し、その圧力変動を抑制する圧力波を、圧力波発生器駆動回路９２からの出力により、いずれか１つの圧力波発生器７０ａ又は７０ｂから発生するようにしても良い。圧力波発生器７０ａ，７０ｂは、ボイスコイル、圧電素子等外部から駆動できる圧力発生器であればどのようなものを用いても良い。
【００６１】
圧力変動検出と圧力波発生は常時行っても良いが、超音波流量計を低消費電力にするためには、制御装置１０００により、一対の超音波送受波器（超音波振動子）１ａ及び１ｂにより流速を計測している時間にのみ圧力波演算回路９１と圧力波発生器駆動回路９２とで圧力波を演算して発生させて、一対の超音波送受波器（超音波振動子）１ａ及び１ｂにより流速を計測している時間に流速計測部１０で圧力変動が起きないようにだけ圧力抑制を行えばよい。また、圧力変動が周期的であるならば、圧力波演算回路９１に記憶回路を持たせ、そのパターンを記憶回路に記憶又は学習記憶させ、制御装置１０００の制御により、圧力変動の周期に応じて、適切な時間に記憶回路から上記パターンを読み出して、例えば演算することなく、読み出されたパターンに基づいて適切な圧力波を発生させることも可能である。
【００６２】
上記第１実施形態によれば、流速測定部１０の外部から上記流速測定部１０に伝搬してくる圧力変動を圧力検出器６０ａ又は６０ｂで検出し、検出された圧力変動情報に基づいて、圧力変動を抑制可能な圧力波発生情報を圧力波演算回路９１で求め、求められた圧力波発生情報に基づき圧力波発生器駆動回路９２を介して圧力波発生器７０ａ及び圧力波発生器７０ｂから圧力波を発生させるようにしている。この結果、流速測定部１０において圧力変動と圧力波とが重ね合わされて圧力変動が抑制されることにより、上記一対の超音波送受波器（超音波振動子）１ａ及び１ｂにより流体の流量を高精度に測定することができる。よって、特に、圧力変動が大きくなりがちなガスヒートポンプにおいて、流体の流量を高精度に測定することができる。  なお、被測定流体が流路２０を流れていないときは、いずれか一方の超音波送受波器１ａ又は１ｂからオフ信号が出力されて制御装置１０００に入力され、圧力波演算回路９１で圧力波を求める演算を行わないようにするか、又は、圧力検出器６０ａ又は６０ｂでの圧力検出を行わないようにすることにより、不要な圧力波が発生しないようにすることができる。
【００６３】
また、すべての圧力変動に対して圧力波を発生させるのではなく、圧力変動により流量測定に誤差が生じやすい、あるしきい値以下の流量だけ流体が流れているときのみ、圧力波を発生させるようにしてもよい。すなわち、図５に示すような、以下の流量測定動作を行う。
【００６４】
まず、ステップＳ１では、超音波流量計５０内の被測定流体の流量が、例えば１００リットル／ｈ以下の小流量か否かを判断する。被測定流体の流量が１００リットル／ｈを超える流量のときには以下の圧力波発生動作は行わずに、ステップＳ５では、超音波送受波器１ａと１ｂにより被測定流体の流速を計測する。
【００６５】
被測定流体の流量が１００リットル／ｈ以下の小流量のときは、ステップＳ２で被測定流体の圧力変動を圧力検出器６０ａ又は６０ｂにより検出する。
【００６６】
次いで、ステップＳ３で、検出された圧力変動情報に基づき、発生させるべき圧力波情報を求める。
【００６７】
次いで、ステップＳ４で、圧力波情報に基づき圧力波を発生させる。
【００６８】
次いで、ステップＳ５で、超音波送受波器１ａと１ｂにより被測定流体の流速を計測する。
【００６９】
このようにすれば、圧力波を無駄なく効率的に、必要なときに必要な分だけ発生させることができる。
【００７０】
（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、流速測定部１０の外部から上記流速測定部１０に伝搬してくる圧力変動を流速測定部１０において抑制させるための圧力波を発生させる機構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。
【００７１】
まず、図３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５９を説明する。図３は、第２実施形態の超音波流量計５９の縦断面図である。
【００７２】
図３に示されている超音波流量計５９は、被測定流体の流路２０Ａを規定する流路内壁２１Ａを有する。流路２０Ａの内部の流速測定部１０には、超音波の送信及び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、超音波流量計５９の入口５１Ａから超音波流量計５９内に導入され、流速測定部１０を通過し、出口５２Ａより超音波流量計５９の外部に出る。被測定流体は、流速測定部１０を通過する際に、超音波により被測定流体の流速が計測される。
【００７３】
入口５１Ａ側の上流流路３１と出口５２Ａ側の下流流路３２は、ある区間の間は平行に配置され、かつ、上流流路３１と下流流路３２とを仕切る壁の一部が、流速測定部１０の外部から上記流速測定部１０に伝搬してくる圧力変動に応じて変位する、可撓性部材又は膜部材の一例としての構造体８０で仕切られている。詳しくは、上流流路３１の屈曲部と下流流路３２の屈曲部とが隣接する個所に構造体８０が配置されている。
【００７４】
構造体８０は、たとえば、ゴム又は金属などの弾性膜、言い換えれば可撓性膜などで構成される。また、構造体８０は、圧力変動により効率良く変位する構造であるならば、どのような材質、構成でも良い。このような構造にすることにより、受動的に圧力波を発生させるため、省エネルギーとなり、安価で信頼性の高い超音波流量計が実現可能となる。
【００７５】
また、構造体８０から流速測定部１０までの流路長は、上流側又は下流側からの圧力変動の位相と構造体８０の変位による圧力波の位相とが逆位相になるように上流側からと下流側からでは異なった流路長になっており、図３では、構造体８０の上流側から流速測定部１０までの流路長は、構造体８０の下流側から流速測定部１０までの流路長よりも短く構成している。
【００７６】
次に、一例として、流速測定部１０の外部から上記流速測定部１０に伝搬してくる圧力変動が入口５１Ａ側から伝搬してくる場合について説明する。流速測定部１０の外部から上記流速測定部１０に伝搬してくる圧力変動が入口５１Ａ側から超音波流量計５９内に伝搬してきた場合、上流流路３１に圧力変動があると構造体８０が変位し、その変位よって圧力波が発生し下流流路３２に伝搬する。すなわち、例えば、図３に示されるように、上流流路３１の圧力変動のために構造体８０が下流流路３２に向けて凸に湾曲して、下流流路３２に圧力波を発生させる。下流流路３２に伝搬した圧力波は、流路２０Ａを流速測定部１０に向けて伝搬して流速測定部１０に到達する。このとき、上流側からの圧力変動と位相が逆位相になるように、構造体８０の下流側から流速測定部１０までの流路長を構成する。これにより、流速測定部１０で圧力変動と圧力波とが重ね合わされて大略相殺（キャンセル）され、流速測定部１０での圧力変動は抑制され、流速測定部１０において、超音波流量計５０外の外乱による圧力変動を取り除くことが可能となり、上記一対の超音波送受波器（超音波振動子）１ａ及び１ｂにより高精度に被測定流体の流速を計測することができる。
【００７７】
流速測定部１０の外部から上記流速測定部１０に伝搬してくる圧力変動が出口５２Ａ側から超音波流量計５９内に伝搬してくる場合も動作は同様である。異なるのは、図３とは逆に、下流流路３２の圧力変動のために構造体８０が上流流路３１に向けて凸に湾曲して、上流流路３１に圧力波を発生させる点である。
【００７８】
また、流速測定部１０の外部から上記流速測定部１０に伝搬してくる圧力変動が入口５１Ａ及び出口５２Ａから超音波流量計５９内に同時にくる場合にも同様の動作で、言い換えれば、入口５１Ａ側の圧力変動と出口５２Ａ側の圧力変動との差により、入口５１Ａ側又は出口５２Ａ側に残った圧力変動により構造体８０が上流流路３１又は下流流路３２に向けて凸に湾曲して、上流流路３１又は下流流路３２に圧力波を発生させて、流速測定部１０において外乱による圧力変動を取り除くことが可能となり、上記一対の超音波送受波器（超音波振動子）１ａ及び１ｂにより高精度に被測定流体の流速を計測することができる。
【００７９】
上記第２実施形態によれば、入口５１Ａ側の上流流路３１と出口側５２Ａ側の下流流路３２とを、圧力変動により変位しやすい構造体８０で仕切ることにより、流速測定部１０の外部から上記流速測定部１０に伝搬してくる圧力変動により、入口５１Ａ側の上流流路３１側の圧力と出口側５２Ａ側の下流流路３２側の圧力との圧力差に応じて、いずれか圧力が高い方から低い方に向けて構造体８０が変位し、その変位により圧力波が発生させるようにしている。この結果、流速測定部１０において圧力変動と圧力波とが重ね合わされて圧力変動が抑制されることにより、上記一対の超音波送受波器（超音波振動子）１ａ及び１ｂにより流体の流量を高精度に測定することができる。
【００８０】
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。
【００８１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、流速測定部の外部から上記流速測定部に伝搬してくる上記被測定流体の圧力変動に基づきこの圧力変動を抑制可能な圧力波を発生させて、流速測定部において圧力波と圧力変動とを重ね合わせて抑制させることにより、超音波送受波器（超音波振動子）により高精度に流体の流量を測定することができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【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の縦断面図及び横断面である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ上記超音波流量計での圧力変動時の圧力と時間との関係及び圧力変動を圧力波で抑制するときの圧力と時間との関係をそれぞれ示すグラフである。
【図３】本発明の第２実施形態による超音波流量計の縦断面図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ従来の超音波流量計の横断面及び縦断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態の変形例による超音波流量計での流量測定動作のフローチャートである。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…超音波送受波器（超音波振動子）、１０…流速測定部、１０ａ、１０ｂ…超音波送受波器、２０…流路、２１…流路内壁、３１…上流流路、３２…下流流路、５０，５９…超音波流量計、５１…入口、５２…出口、６０ａ、６０ｂ…圧力検出器、７０ａ、７０ｂ…圧力波発生器、８０…圧力波発生器（構造体）、９１…圧力波演算回路、９２…圧力波発生器駆動回路、１０００…制御装置。
【図１】
2004347348.tif 000003
【図２】
2004347348.tif 000004
【図３】
2004347348.tif 000005
【図４】
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【図５】
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