(57)【要約】【課題】測定管路の内壁面で超音波を反射させる方式であり且つ高い流量測定精度を有する超音波流量計を提供する。【解決手段】超音波を反射する位置の内壁面を構成する測定管路1bの部分に金属製の反射板13を配し、測定管路1bのその他の部分の内の少なくとも超音波の伝播経路を測定管路1bから流体５へおよび流体5から測定管路１bへの超音波の透過率の大きい樹脂等の材料で形成する。複数の反射板を用いることも有効である。また、超音波の伝播経路以外の測定管路の部分を金属製とすることも有効である。この場合には、測定管路の金属製部が前記反射板の機能を兼ねる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を流体が流れる測定管路の上流側および下流側の外面にそれぞれの超音波振動子を配置し、一方の超音波振動子から流体内に送信された超音波を、測定管路の内壁面で少なくとも１回は反射させた後で、他方の超音波振動子に受信させて、両超音波振動子間の往復の伝播時間の差によって流体の流速を測定し、その流速を流量に換算する超音波流量計であって、
超音波を反射する位置の内壁面を構成する測定管路の部分を、超音波の反射率の大きい材料で形成し、且つ測定管路のその他の部分の内の少なくとも超音波の伝播経路を、測定管路から流体へおよび流体から測定管路への超音波の透過率の大きい材料で形成する、
ことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記の超音波の反射率の大きい材料として金属を用いる、
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３】
前記金属としてステンレス鋼を用いる、
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記の測定管路から流体へおよび流体から測定管路への超音波の透過率の大きい材料として樹脂を用いる、
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５】
前記樹脂としてポリサルフォンを用いる、
ことを特徴とする請求項４に記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記の超音波を反射する位置の内壁面を構成する測定管路の部分を、超音波を反射する内壁面を含む長さの管状体とする、
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】
超音波が通過する測定管路と流体との境界部および超音波が反射される測定管路の内壁面を平面とする、
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８】
前記の超音波の反射率の大きい材料と前記の測定管路から流体へおよび流体から測定管路への超音波の透過率の大きい材料との境界部に、流体のシール性を有し且つ超音波の減衰効果の大きい材料を介在させる、
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９】
前記の流体のシール性を有し且つ超音波の減衰効果の大きい材料としてゴムを用いる、
ことを特徴とする請求項８に記載の超音波流量計。
【請求項１０】
前記測定管路の超音波の伝播経路を、測定管路から流体へおよび流体から測定管路への超音波の透過率の大きい材料で形成し、前記測定管路のその他の部分を超音波の反射率の大きい材料で形成する、
ことを特徴とする請求項１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】
この発明は、測定管路の内部を流れる流体の流量を測定する超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波流量計は、内部を流体が流れる測定管路の上流側および下流側の外面にそれぞれの超音波振動子を配置し、一方の超音波振動子から流体内に送信された超音波を他方の超音波振動子に受信させて、両超音波振動子間の往復の伝播時間の差によって流体の流速を測定し、その流速を流量に換算して、測定管路の内部を流れる流体の流量を求めるものである。
図６は、従来技術による超音波流量計の一例の検出部の構造を示す断面図である。
【０００３】
この超音波流量計の検出部は、流体５を流す測定管路１と、測定管路１の上流側および下流側に設けられた上流側楔部11および下流側楔部12の外面に取り付けられた上流側超音波振動子（図６では上流側振動子）２および下流側超音波振動子（図６では下流側振動子）3と、で構成されている。上流側超音波振動子２および下流側超音波振動子３は、一方から送信された超音波を他方が最も効率よく受信する位置に配置されており、上流側楔部11および下流側楔部12の傾きはその条件を満たすように設定されている。
測定管路１は、通常、エポキシ樹脂やポリプロピレン等の樹脂で作成され、使用目的に応じてその材質が選定される。樹脂が流体管路1の材料として使用されるのは、樹脂が、超音波振動子２または３からの超音波を効率よく流体5内に送り込み、且つ流体5からの超音波を効率よく超音波振動子３又は2まで取り出すのに適した材料であるからである。
【０００４】
上流側超音波振動子２および下流側超音波振動子３は、ＰＺＴ等の圧電セラミック等からなる圧電体の電気／機械エネルギー変換効果を利用して超音波を送受信する素子であり、両超音波振動子２および３間の超音波の伝播経路（超音波の最短到達経路）４が流体5の流れの方向と斜交するように配置されている。超音波は、測定管路1内での超音波の速度と流体5内での超音波の速度との違いによって、測定管路1と流体5との境界面で屈折するので、図６に示したように、その伝播経路4は測定管路1と流体5との境界面で屈折する。この屈折角を考慮して両超音波振動子２および３の配置が決められる。
【０００５】
なお、以下では、静止物体中の超音波の速度を音速と呼ぶことがある。
この超音波流量計では、上流側超音波振動子２および下流側超音波振動子３の内の一方の超音波振動子が超音波を送信し他方の超音波振動子がこれを受信することを交互に行い、それぞれの伝播時間を測定して、その時間差から測定管路1内を流れる流体5の流速を求め、既知である測定管路1の断面積を用いて流量に換算する。
上記のような、1対の超音波振動子を測定管路の外面に取り付ける構造を採用した超音波流量計に関する従来技術としては、特開平6-117894号公報に記載のものが知られている(特許文献1参照)。
【０００６】
【特許文献1】
特開平６−１１７８９４号公報
以下に、超音波流量計の動作および流量計算についてより詳しく説明する。
上流側超音波振動子２から超音波を送信して下流側超音波振動子３でこれを受信するまでに要する伝播時間をt1とし、下流側超音波振動子３から超音波を送信して上流側超音波振動子２でこれを受信するまでに要する伝播時間をt2とすると、t1およびt2は、超音波が流体5内を伝わるそれぞれの伝播時間t1' およびt2' と、測定管路1を伝わる伝播時間tpと、電子回路の遅れ時間tcとの和になる。
【０００７】
ここで、測定管路1の直径をDとし、静止している流体5中の超音波の速度（音速）をｃとし、流体5の流れに対する法線方向と流体5内での伝播経路４とがなす角度（屈折角）をθ2とすると、
t1' は、流体5内の超音波の伝播経路４の長さ（D／cosθ2）を、流速ｖ
の伝播経路方向成分ｖsinθ2を上乗せした超音波の速度（ｃ＋ｖsinθ2）で除して算出される。t2' は、同様にして、流体5内の超音波の伝播経路４の長さ（D／cosθ2）を、流速vの伝播経路方向成分ｖsinθ2を差し引いた超音波の速度（ｃ−ｖsinθ2）で除して算出される。
【０００８】
以上をまとめると、t1およびt2は、それぞれ（１）式および（２）式によって求められる。
2004157101.tif 000003
ｃ≫ｖであるから、分母の第2項が無視できて、
t2−t1≒２Dｖtanθ2／ｃ2                        （３）
（３）式より、流速ｖは、
ｖ＝ｃ2(t2−t1)／２D tanθ2                      （４）
として算出され、流速ｖに測定管路の面積Ｓを乗ずることによって、流量Ｑが求められる。
【０００９】
2004157101.tif 000004
但し、（４）式から求められるｖが測定管路の面積全体にわたる平均流速を正確に表している、とは限らないので、状況に応じて、（５）式の右辺には補正係数が乗じられることもある。
超音波流量計は超音波の伝播時間t1よびt2の測定値より流量を算出するため、電子回路の時間測定分解能や周囲ノイズ、送信用超音波振動子から測定管路内を直接に伝播して受信用超音波振動子に到達した超音波等による時間測定誤差が、流量の測定精度を低下させる。
【００１０】
t1およびt2の測定値にΔt1およびΔt2の誤差が存在する場合には、流量値Ｑは（５）式から、
2004157101.tif 000005
（６）式の第1項が流速の真値を表し、第2項が誤差を表す。
この式から明らかなように、第2項が流速によって変化しないと仮定すると、低流速（低流量）になるほど流速の真値が相対的に小さくなるので、誤差の影響が大きくなり、その結果として、流量の測定精度が低下する。
【００１１】
低流速域での測定精度を確保するために誤差の影響を小さくする手段の1つとしては、伝播時間差 (t2−t1) を大きくする方法がある。すなわち、（６）式の第２項に対する第1項の比率を大きくして誤差の影響を小さくするのであり、伝播時間差 (t2−t1) を大きくすれば、測定精度が向上する。（３）式から、伝播時間差 (t2−t1) を大きくするためには２D tanθ2を大きくすればよい、ことが分かる。
測定管路1から流体5に超音波が伝播する場合には、測定管路1中の音速と流体5中の音速との違いによって、界面で超音波の伝播経路４が屈折する。入射角をθ1、測定管路1中の音速をcp、流体5中の音速をcf、とすると、屈折角θ2は、 (７) 式で表される。
【００１２】
θ2= sin-1[(cf／cp) sinθ1]                        （７）
したがって、θ=90°(超音波が測定管路1の壁面にほぼ平行に入射) で、
θ2= sin-1(cf／cp)
となって、この値がθ2の最大値であり、２D tanθ2もこのθ2の最大値によって上限値を抑えられる。
伝播時間差 (t2−t1) を更に大きくしようとすれば、超音波を測定管路1の内壁面で反射させて、伝播経路の流れ方向成分の長さを長くすることが必要となる。伝播経路の流れ方向成分の長さは、n回反射させれば、2 (n＋１) D tanθ2となり、反射させればさせるほど長くなる。
【００１３】
図７は、このような反射の n=1に相当する検出部構造の超音波流量計の従来例を示した断面図であって、測定管路1aの上流側楔部11および下流側楔部12aが、同じ側に形成され、超音波の伝播経路4aはＶ字を描く構造となっている。入射角θ1および測定管路の内径Ｄが図６の場合と同じであれば、伝播経路の流れ方向成分の長さは図６の場合の2倍となる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示した従来技術による測定管路1aの場合は、超音波を反射する部分の壁面も樹脂で構成されているため、超音波の反射率が、例えば50％程度と低く、受信側の超音波振動子に到達する超音波が弱くなって、Ｓ／Ｎ比が低下し、誤差が増大する。その結果、超音波を測定管路1aの内壁で反射させて伝播時間差(t−t)を大きくしても、増大した誤差がその効果を削減し、場合によっては流量の測定精度を低下させてしまう。
測定管路1aの内壁での反射率を高めるために測定管路1aを金属製とする場合には、測定管路1aから流体5内への超音波の透過率が非常に小さくなってしまうのに加えて、測定管路1a内を直接伝播してノイズとなる超音波が多くなり、測定誤差が増大する。したがって、測定管路1aの材料として金属を使用することは適当ではない。
【００１５】
この発明の課題は、測定管路の内壁で超音波を反射させてその伝播経路を長くしても、反射部での超音波の減衰が少なく、測定管路から流体へ及び流体から測定管路への超音波の透過率が高く、且つ測定管路内を直接伝播する超音波の影響が少なくて、流量の測定精度が高い超音波流量計を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、内部を流体が流れる測定管路の上流側および下流側の外面にそれぞれの超音波振動子を配置し、一方の超音波振動子から流体内に送信された超音波を、測定管路の内壁面で少なくとも１回は反射させた後で、他方の超音波振動子に受信させて、両超音波振動子間の往復の伝播時間の差によって流体の流速を測定し、その流速を流量に換算する超音波流量計であって、超音波を反射する位置の内壁面を構成する測定管路の部分を、超音波の反射率の大きい材料で形成し、且つ測定管路のその他の部分の内の少なくとも超音波の伝播経路を、測定管路から流体へおよび流体から測定管路への超音波の透過率の大きい材料で形成する。
【００１７】
超音波を反射する位置の内壁面を構成する測定管路の部分を、超音波の反射率の大きい材料で形成し、且つ測定管路のその他の部分の内の少なくとも超音波の伝播経路を、測定管路から流体へおよび流体から測定管路への超音波の透過率の大きい材料で形成するので、超音波の反射部では、超音波が高い反射率で反射されて超音波の減衰が少なくなり、且つ流体内へ超音波を導入する部分および流体内から超音波を取り出す部分では、超音波が高い透過率で透過して超音波の減衰が少なくなる。
請求項２の発明は、請求項1の発明において、前記の超音波の反射率の大きい材料として金属を用いる。
【００１８】
金属は、一般的に、流体よりも大きい速度で超音波を伝播し、且つ全ての金属が流体の音響インピーダンスよりはるかに大きな音響インピーダンスを有している。このため、金属は測定管路の反射部に適した材料である。
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記金属としてステンレス鋼を用いる。
ステンレス鋼は、その音速も音響インピーダンスも大きく、且つ耐食性にも優れていて、反射部の材料として最適である。
請求項４の発明は、請求項1の発明において、前記の測定管路から流体へおよび流体から測定管路への超音波の透過率の大きい材料として樹脂を用いる。
【００１９】
樹脂は、固体ではあるが、密度が水等の流体に近く、超音波の伝播速度も流体より幾らか大きい程度である。このため、流体との界面において超音波を余り反射しないで、よく透過させる。
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記樹脂としてポリサルフォンを用いる。
ポリサルフォンは、食品衛生上の問題もなく、対象流体が食品である場合にも使用可能である。
請求項６の発明は、請求項1の発明において、前記の超音波を反射する位置の内壁面を構成する測定管路の部分を、超音波を反射する内壁面を含む長さの管状体とする。
【００２０】
超音波を反射する位置の内壁面を構成する測定管路の部分を、超音波を反射する内壁面を含む長さの管状体とすると、超音波の反射率の大きい材料で作られる管状体が両超音波振動子の中間部に存在する構成となるので、測定管路を直接伝播してノイズとなる超音波がこの管状体で反射されて大幅に低減し、その結果として、超音波流量計のＳ／Ｎ比が向上する。
請求項７の発明は、請求項1の発明において、超音波が通過する測定管路と流体との境界部および超音波が反射される測定管路の内壁面を平面とする。
超音波が通過する測定管路と流体との境界部および超音波の反射部を平面とすると、境界部や反射部で伝播経路から外れる超音波の割合が少なくなり、送信された超音波の受信効率が高まる。
【００２１】
請求項８の発明は、請求項1の発明において、前記の超音波の反射率の大きい材料と前記の測定管路から流体へおよび流体から測定管路への超音波の透過率の大きい材料との境界部に、流体のシール性を有し且つ超音波の減衰効果の大きい材料を介在させる。
前記境界部に、流体のシール性を有し且つ超音波の減衰効果の大きい材料を介在させるので、境界部での流体の漏れが防止されるのに加えて、境界部を通過する超音波が境界部の大きな減衰効果によって大幅に低減される。
請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記の流体のシール性を有し且つ超音波の減衰効果の大きい材料としてゴムを用いる。
【００２２】
ゴムは、流体のシール性を有し且つ超音波の減衰効果の大きい材料として、性能的にもコスト的にも優れた材料である。
請求項10の発明は、前記測定管路の超音波の伝播経路を、測定管路から流体へおよび流体から測定管路への超音波の透過率の大きい材料で形成し、前記測定管路のその他の部分を超音波の反射率の大きい材料で形成する。
測定管路の超音波の伝播経路を、測定管路から流体へおよび流体から測定管路への超音波の透過率の大きい材料で形成するので、超音波振動子から流体へおよび流体から超音波振動子への超音波の伝播効率が高く、且つ、測定管路のその他の部分を超音波の反射率の大きい材料で形成するので、この部分の内壁面が流体内へ伝播された超音波の反射部として機能し、別部材による反射部を必要としない。なお、伝播経路から外れて測定管路を直接伝播しようとする超音波は、請求項８の超音波の減衰効果の大きな材料で減衰されて、その影響を削減される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
この発明の特徴は、測定管路の超音波反射部を超音波の反射率の高い材料で作成し、且つ測定管路の少なくとも超音波伝播経路を、流体との界面における超音波の透過率の高い材料で作成することである。このような材料構成によって、超音波反射部における超音波の減衰が大幅に低減し、且つ測定管路と流体との界面における超音波の減衰も少なくなるので、流体内での超音波の伝播距離の延長効果が有効に活用され、流量の測定精度を高めることができる。
以下において、この発明による超音波流量計の実施の形態について実施例を用いてより詳しく説明する。
【００２４】
なお、従来技術と同じ機能の部分には同じ符号をつける。
〔第１の実施例〕
図１は、この発明による超音波流量計の第１の実施例の構造を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図，（ｃ）は断面図である。
この実施例は、図７に示した従来例と同じように、測定管路1bの上流側楔部11および下流側楔部12aが同じ側に形成され、それぞれに上流側超音波振動子   (図1では上流側振動子) 2および下流側超音波振動子 (図1では下流側振動子)3が取り付けられていて、超音波の伝播経路4aはＶ字を描く構成となっており、測定管路1bの超音波の反射位置には、ステンレス鋼製の円弧状の反射板13が測定管路1bの一部として一体に作り込まれている。測定管路1bの反射板13以外の部分は、ポリサルフォンやエポキシ樹脂、ポリプロピレン等の樹脂で作成されている。
【００２５】
上流側超音波振動子２より発信された超音波は、上流側楔部11を伝播して入射角θ1で測定管路1bの上部の内壁面に達し、屈折角θ2で流体５内へ送り込まれる。入射角θ1および屈折角θ2は、測定管路1bの音速cpおよび流体5の音速cfによって前述の (7) 式で表される関係にある。
例えば、測定管路1bを樹脂のポリサルフォン製、流体５を水とし、θ1を60°および75°とすると、cp＝2,200m/s、cf＝1,500m/sを用いて、屈折角θ2は、それぞれ約36°および約41°となる。θ1をより大きくすれば、θ2も更に大きくなるが、θ2は45°を超えない。しかも、その場合には、測定管路1b中の超音波の伝播距離が長くなるので、測定管路1b内での超音波の減衰が問題となり、θ1を90°に近い角度まで大きくすることは実用上できない。
【００２６】
流体5内へ透過した超音波は、流体5内を斜めに横切って反射板13に達し、ここで反射され、再び流体5内を斜めに横切って測定管路1bの上部内壁に達し、上記とは逆の屈折（θ2からθ1へ）をして測定管路1b内に透過し、下流側楔部12aを伝播して下流側超音波振動子３に受信される。
ここで、反射板13での反射率と、従来技術における樹脂製の測定管路1aの内壁での反射率とを計算してみる。
音響インピーダンスをZ、音速をｃ、密度をρとし、それぞれに付ける添字として、測定管路材料である樹脂の場合にｐ、流体の場合にｆ、反射板の場合にｒ、を用い、反射率をR、透過率をTとし、反射板での屈折角をθ3とすると、
Z =ｃρ
であり、
θ3＝sin-1〔（ｃr／ｃf）sinθ2〕                 （８）
である。
【００２７】
（８）式より、上述のθ2が36°の場合に対しては、（ｃr／ｃf）が1.7を超えると、〔（ｃr／ｃf）sinθ2〕が1を越えて、反射板に入射した超音波は全反射状態となる。上記の材料例を用いれば、ｃf＝1,500m/sであるから、音速が2,550m/sを越える物質を反射板13として用いれば、超音波を全反射することになる。
θ2がより大きくなれば、全反射となる条件がより低い音速の材料まで広がる。
この条件は、鉛等の一部の金属を除く大部分の金属に当てはまる条件である。
また、音響インピーダンスを用いた音圧の反射率Rは、
Ｒ＝（Ｚrcosθ2−Ｚfcosθ3）／(Ｚrcosθ2+Ｚfcosθ3）   （９）
であり、反射板13の材料が、流体5に比べて音響インピーダンスのはるかに大きい材料（Ｚr≫Ｚf）であれば、反射率が1に近くなる。全ての金属がこの条件を満たしている。
【００２８】
一方、ポリサルフォンで超音波を反射させる場合には、
Ｚr＝Ｚp＝2.7×10kg/m2s、θ2=36°、Ｚf＝1.5×10kg/m2s、θ3=60°として (9) 式により計算すれば、反射率Rは50％弱となり、金属製の反射板13の場合の2分の1程度となる。
以上の説明から明らかなように、ステンレス鋼等の金属製の反射板13を用いれば、反射部では超音波を殆ど透過させないで反射するので、受信される超音波信号を従来技術の場合の約2倍にしてS／N比を約2倍に増大させ、且つ伝播時間差を2倍に伸ばすことができる。したがって、この実施例を用いれば、測定精度を大幅に高めることができる。
【００２９】
なお、ポリサルフォンは、食品衛生上の問題がなく、対象流体が食品である場合にも使用可能な樹脂である。
〔第２の実施例〕
図2は、第2の実施例の構造を示し、(ａ) は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は断面図である。
この実施例も、第1の実施例と同様に、超音波の伝播経路4aがＶ字を描く構成となっているが、超音波を反射する部分が、円弧状の反射板13ではなく、管状の反射部管路13aとなっていることが第1の実施例と異なる。測定管路1cの樹脂製部の中間に反射部管路13aを配置することは、第1の実施例と同様に、流体５内を伝播する超音波を高い反射率で反射させて、反射部における超音波の減衰を大幅に低減させ、Ｓ／Ｎ比を向上させる、のに加えて、測定管路1cを直接伝播する超音波を反射部管路13aが反射して、直接伝播によるノイズ成分を低減させ、Ｓ／Ｎ比をより一層向上させる。
【００３０】
参考までに、測定管路1cを直接伝播する超音波を反射部管路13aが反射する反射率は、（９）式においてＺfをＺpに置き換えることによって求められる。例えば樹脂としてポリサルフォンを用い、反射部管路13aにステンレス鋼を用いる場合には、Ｚp＝2.7×106kg/m2s、Ｚr＝45.7×106kg/m2sであるから、R≒１となり、測定管路1cを直接伝播する超音波は、反射部管路13aでその大部分を反射され、受信側には殆ど伝播しない。
前述したように、測定管路の材料および直径と流体の材質とが決まると流体内への入射角は上限値をもつので、伝播経路の流れ方向成分の長さを長くするためには、測定管路の内壁における反射回数を多くすることが必要となる。第1の実施例および第2の実施例は、反射回数が1回の場合に相当するが、反射板や反射部管路を増やすことによって反射回数を増やすことができる。
【００３１】
〔第３の実施例〕
図３（ａ）は、第３の実施例を示す概念図であり、測定管路の内壁で信号超音波を2回反射させるために、反射板131および反射板132をそれぞれ測定管路の下側および上側に配している。
〔第４の実施例〕
図３（ｂ）は、第４の実施例を示す概念図であり、測定管路の内壁で信号超音波を３回反射させるために、第３の実施例の反射板131および反射板132に更に反射板133を追加している。
【００３２】
これまでに説明した実施例においては、超音波の伝播経路は測定管路の中心を通る同一平面内にあるが、超音波の伝播経路は測定管路の中心を通る平面内に限定される必要はない。
〔第５の実施例〕
図３（ｃ）は、第５の実施例を示す概念図であり、信号超音波の伝播経路を螺旋状にしたものである。この実施例においては、超音波を中心から外れた方向に入射させて、測定管路内を螺旋状に伝播させる。図3（ｃ）の場合は、測定管路の長さ方向に垂直な断面内で測定管路の中心に向かう方向から30°傾け、且つ流体の流れ方向にも傾けて、超音波を入射し、左側の反射板134で1回目の反射をさせ、次に右側の反射板135で2回目の反射をさせている。この場合には、超音波の伝播経路が測定管路の中心を通らないので、測定結果から得られる流速を流量に換算する際に、必要に応じて、中心を通る場合とは異なる補正係数を用いる。
【００３３】
図3には、反射板131等で超音波を反射する例が示されているが、反射板131等を第2の実施例に示した反射部管路に置き換えることもできる。
また、第１の実施例や第３から第５の実施例においては、反射板として測定管路の厚さ全部をもつ反射板が用いられているが、厚さ全部を反射板とするのではなく、より薄い反射板を測定管路の内壁面に取り付けることも有効である。
以上で説明してきた第１の実施例から第５の実施例においては、測定管路1a等は、樹脂製の管を主体としており、これに反射板13等や反射部管路13aを取り付けた構造のものである。これに対して、測定管路を金属製の管を主体とし、信号超音波の伝播経路に樹脂を使用する構造も可能であり、以下の実施例はこのような構造のものである。
【００３４】
〔第６の実施例〕
図４は、第６の実施例の構造を示す断面図である。
この実施例の測定管路1dは、ステンレス鋼製の金属製管路部14と樹脂製の上流側楔部11aおよび下流側楔部12bとで構成されている。金属製管路部14と上流側楔部11aおよび下流側楔部12bとは接着やインサート成形等で一体化される。この測定管路1dは、超音波の伝播経路である上流側楔部11aおよび下流側楔部12bのみが樹脂製となっており、他の部分はすべて金属製であるので、この実施例の場合には、超音波の反射部となる部分は金属製であって、そのままで十分な反射機能を有しており、反射板を別途準備する必要がない。そのため、この実施例のような構成の測定管路は、その構成が単純であり、信号超音波の反射回数が1回である測定管路1dの場合でも有効であるが、反射回数が多い測定管路の場合には、その有効性を更に高める。
【００３５】
なお、樹脂製の上流側楔部11aまたは下流側楔部12bから送信された超音波の内の、伝播経路4aから外れて金属製管路部14へ直接に伝播しようとする超音波は、上流側楔部11aまたは下流側楔部12bと金属製管路部14との境界面でその大部分を反射され、金属製管路部14を伝播して受信側まで到達するノイズ超音波は僅かである。
〔第７の実施例〕
図５は、第７の実施例の構造等を示し、（ａ）は外観の斜視図、（ｂ）は構造を示す断面図である。
【００３６】
この実施例は、第6の実施例の上流側楔部および下流側楔部と金属製管路部との境界部に、流体のシール性を有し且つ超音波の減衰効果の大きい材料、例えばシリコーンゴム等のゴム製のパッキン15を介在させたものである。
前記境界部にパッキン15を介在させて上流側楔部11bおよび下流側楔部12cと金属製管路部14aとを一体にするために、上流側楔部11bおよび下流側楔部12cには楔部側フランジ111が形成され、金属製管路部14aには管路部側フランジ141が形成されている。このフランジ111および141間にパッキン15が挟み込まれ、これらがねじ16によって締め付けられて一体化されることによって、測定管路1eが構成されている。
【００３７】
前記境界部にパッキン15を介在させることによって、境界部の気密性が完全になると共に、測定管路を直接に伝播してノイズとなる超音波がほぼ完全に減衰される。したがって、この実施例は、流体の漏洩の可能性が低くて信頼性が高く、且つ流量の測定精度が高い。
以上の実施例では、測定管路の断面形状が円形の場合について説明してきたが、測定管路の断面形状は円形に限定されるものではなく、正方形や矩形、その他の多角形等とすることもできる。
また、測定管路と流体との境界部および反射部の形状は、円形断面の場合には曲面となるので、図に示した断面内を伝播する超音波を除けば、紙面に対して傾いた方向に伝播する状態となるので、受信用の超音波振動子に到達する超音波の割合が、一般的には低くなる可能性が高い。勿論、振動子と境界部および反射部との距離や入射角度等に合せて境界部および反射部の曲率を選べば、受信用の超音波振動子の位置にある程度収束させることも可能であると考えられる。しかし、実用的な管径や振動子配置位置から判断して、一般的には収束効果は少なく、発散状態にあると考えられる。一方、測定管路と流体との境界部および反射部の形状を平面にすれば、伝播経路方向に透過および反射される超音波の成分が多くなるので、受信用の超音波振動子に到達する超音波の割合を安定させることができる。したがって、測定管路と流体との境界部および反射部の形状を平面にするのも、測定精度を安定させ且つ向上させるのに有効な手段となる。測定管路の断面形状が正方形や多角形の場合には、その辺のいずれかをこの面に合わせればよい。
【００３８】
更に、第１の実施例やその他の実施例において、反射板を測定管路の厚さ全部としたものを示しているが、厚さ全部ではなく内壁面側の厚さの一部を反射板とすることも有効である。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１の発明においては、超音波を反射する位置の内壁面を構成する測定管路の部分を、超音波の反射率の大きい材料で形成し、且つ測定管路のその他の部分の内の少なくとも超音波の伝播経路を、測定管路から流体へおよび流体から測定管路への超音波の透過率の大きい材料で形成するので、超音波の反射部では、超音波が高い反射率で反射されて超音波の減衰が少なくなり、且つ流体内へ超音波を導入する部分および流体内から超音波を取り出す部分では、超音波が高い透過率で透過して超音波の減衰が少なくなる。
【００４０】
したがって、この発明によれば、測定管路の内壁で超音波を反射させてその伝播経路を長くしても、反射部での超音波の減衰が少なく、測定管路から流体へおよび流体から測定管路への超音波の透過率が高く、且つ測定管路内を直接伝播する残響等の影響が少なくて、流量の測定精度が高い超音波流量計を提供することができる。
請求項２の発明においては、超音波の反射率の大きい材料を金属とする。金属は、一般的には、流体よりも大きい速度で超音波を伝播し、全ての金属が流体の音響インピーダンスよりはるかに大きな音響インピーダンスをもっている。このため、「第1の実施例」の項で説明したように、金属は測定管路の反射部に適した材料である。
【００４１】
請求項３の発明においては、金属をステンレス鋼とする。ステンレス鋼は、その音速も音響インピーダンスも大きく、耐食性にも優れ、反射部の材料として最適である。
請求項４の発明においては、測定管路から流体へおよび流体から測定管路への超音波の透過率の大きい材料を樹脂とする。樹脂は、固体ではあるが、密度が水等の流体に近く、超音波の伝播速度も流体より幾らか大きい程度である。このため、流体との界面において超音波を余り反射しないで、よく透過させる。
請求項５の発明においては、樹脂をポリサルフォンとする。ポリサルフォンは食品衛生上の問題がなく、対象流体が食品である場合にも使用可能な樹脂であり、ビール等を計量する流量計にも適用できる。
【００４２】
請求項６の発明においては、超音波を反射する位置の内壁面を構成する測定管路の部分を、超音波を反射する内壁面を含む長さの管状体とするので、超音波の反射率の大きい材料で作られる管状体が両超音波振動子の中間部に存在する構成となり、測定管路を直接伝播してノイズとなる超音波がこの管状体で反射されて大幅に低減し、その結果として、超音波流量計のＳ／Ｎ比が高まって、流量の測定精度が向上する。
請求項７の発明においては、超音波が出入する測定管路と流体との境界部および超音波が反射される測定管路の部分を平面とするので、境界部や反射部で伝播経路から外れる超音波の割合が少なくなって、送信された超音波の受信効率が高まり、その結果として、超音波流量計のＳ／N比がより高まって、流量の計測精度がより向上する。
【００４３】
請求項８の発明においては、超音波の反射率の大きい材料と測定管路から流体へおよび流体から測定管路への超音波の透過率の大きい材料との境界部に、流体のシール性を有し且つ超音波の減衰効果の大きい材料を介在させるので、境界部での流体の漏れが防止されるのに加えて、境界部を通過する超音波が境界部の大きな減衰効果によって大幅に低減される。したがって、この発明によれば、信頼性が高くなり、且つ測定管路内を直接伝播する残響等の影響がより少なくなる。
請求項９の発明においては、流体のシール性を有し且つ超音波の減衰効果の大きい材料としてゴムを用いる。ゴムは、流体のシール性を有し且つ超音波の減衰効果の大きい材料として、性能的にもコスト的にも優れた材料である。
【００４４】
請求項10の発明においては、測定管路の超音波の伝播経路を、測定管路から流体へおよび流体から測定管路への超音波の透過率の大きい材料で形成するので、超音波振動子から流体へおよび流体から超音波振動子への超音波の伝播効率が高く、且つ、測定管路のその他の部分を超音波の反射率の大きい材料で形成するので、この部分の内壁面が流体内へ伝播された超音波の反射部として機能し、別部材による反射部を必要としない。なお、伝播経路から外れて測定管路を直接伝播しようとする超音波は、請求項８の超音波の減衰効果の大きな材料で減衰されて、その影響を削減される。したがって、この発明によれば、反射部の数が多くなっても、それに合せて反射部用部材を増やす必要がなくて、単純な構成で済ますことができる。その結果として、コストを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
この発明による超音波流量計の第１の実施例の構造を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は断面図
【図２】
第２の実施例の構造を示し、（ａ）は正面図、 （ｂ）は平面図、（ｃ）は断面図
【図３】
第３の実施例から第5の実施例を示し、（ａ）は第3の実施例（2回反射させる場合）の概念図、（ｂ）は第４の実施例（３回反射させる場合）の概念図、（ｃ）は第５の実施例（伝播経路が螺旋状になる場合）の概念図
【図４】第６の実施例の構造を示す断面図
【図５】第７の実施例を示し、（ａ）は外観の斜視図、（ｂ）は構造を示す断面図
【図６】従来技術による超音波流量計の一例の構造を示す断面図
【図７】従来技術による超音波流量計の他例の構造を示す断面図
【符号の説明】
１, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e  測定管路
11, 11a, 11b  上流側楔部            111  楔部側フランジ
12, 12a, 12b, 12c  下流側楔部
13, 131, 132, 133  反射板
134  左側の反射板
135  右側の反射板
13a  反射部管
14, 14a  金属製管路部              141  管路部側フランジ
15  パッキン
16  ねじ
２  上流側振動子
３  下流側振動子
４, 4a  伝播経路
５  流体
【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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