(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へエミッションから入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーをレシーバにて受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計であって、
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合の前記の超音波トランスジューサは、エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きく形成した超音波流量計。
【請求項２】
所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計であって、
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合の前記の超音波トランスジューサは、楕円形の振動子を有し、その振動子は、前記の被測定流体の流れ方向に対して直角方向に長辺が一致するような楕円であることを特徴とする超音波流量計。
【請求項３】
前記の超音波トランスジューサは、  配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、  超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するように、前記第一の超音波送受信器に対して、配管の管軸方向に離間した位置にくさびを介して固定される第二の超音波トランスジューサと、  前記第一および第二の超音波トランスジューサによって受信される各測定信号の差分を出力し、測定時のノイズ成分を除去するノイズ除去手段とを備え、
前記ノイズ除去手段によりノイズ成分が除去された各測定信号の差分を用いて演算部により演算処理し、流速分布を算出することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記の超音波トランスジューサは、  配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、  超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備えるとともに、
第一および第二の超音波トランスジューサにおけるHotからの受波信号を入力する差動アンプと、  その差動アンプの出力と第一および第二の超音波トランスジューサにおけるColdとを入力する増幅器とを用いて配管壁面にて発生するノイズを除去するノイズ除去手段を備え、
そのノイズ除去手段によって得る流体中を流れる反射体からのエコー信号を用いて演算処理し、流速分布を算出することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記の超音波トランスジューサは、  配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、  超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備え、
前記第二の超音波トランスジューサは、その極性を逆にすることで、圧電素子の出力に対して前記第一の超音波トランスジューサと逆の電気出力が得られるようにするとともに、  第一の超音波トランスジューサにおけるHotと第二の超音波トランスジューサのColdとを増幅器４１に結線することで形成したノイズ除去手段を備え、
そのノイズ除去手段によって第一および第二の超音波トランスジューサが受ける外来同相ノイズを除去して二倍の電気的強度のエコー信号を出力し、エコー信号を用いて演算処理し、流速分布を算出することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項６】
所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へエミッションから入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーをレシーバにて受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段と、を備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる超音波トランスジューサであって、
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合には、  エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きくしたことを特徴とする超音波トランスジューサ。
【請求項７】
所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる超音波トランスジューサであって、
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合には、 楕円形の振動子を有することを特徴とする超音波トランスジューサ。
【請求項８】
所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段と、を備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる超音波トランスジューサであって、
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合において、
配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、  超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備えるとともに、
第一および第二の超音波トランスジューサにおけるHotからの受波信号を入力する差動アンプと、  その差動アンプの出力と第一および第二の超音波トランスジューサにおけるColdとを入力する増幅器と、を用いて配管壁面にて発生するノイズを除去するノイズ除去手段を備えたことを特徴とする超音波トランスジューサ。
【請求項９】
所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる超音波トランスジューサであって、
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合において、
配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、  超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備え、
前記第二の超音波トランスジューサは、その極性を逆にすることで、圧電素子の出力に対して前記第一の超音波トランスジューサと逆の電気出力が得られるようにするとともに、
第一の超音波トランスジューサにおけるHotと第二の超音波トランスジューサのColdとを増幅器４１に結線することで形成したノイズ除去手段を備えたことを特徴とする超音波トランスジューサ。
【請求項１０】
配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスをエミッションから発信し、測定領域から反射する超音波エコーをレシーバにて受信する超音波送受信器と、前記超音波送受信器を支持するくさびとを備え、受信した測定信号を演算部により処理し、被測定流体の流速分布を算出する超音波流量計に用いられる超音波送受信ユニットであって、
配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信可能に前記くさびを介して固定される第一の超音波トランスジューサと、
超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するように、前記第一の超音波送受信器に対して、配管の管軸方向に離間した位置に前記くさびを介して固定される第二の超音波トランスジューサと、を具備してなり、
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合には、  前記第一および第二の超音波トランスジューサは、エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きく形成するとともに、
前記第一および第二の超音波トランスジューサによって受信される各測定信号の差分を用いることにより、測定時のノイズ成分を除去可能であることを特徴とする超音波送受信ユニット。
【請求項１１】
配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスをエミッションから発信し、測定領域から反射する超音波エコーをレシーバにて受信する超音波送受信器と、前記超音波送受信器を支持するくさびとを備え、受信した測定信号を演算部により処理し、被測定流体の流速分布を算出する超音波流量計に用いられる超音波送受信ユニットであって、
配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信可能に前記くさびを介して固定される第一の超音波トランスジューサと、
超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するように、前記第一の超音波送受信器に対して、配管の管軸方向に離間した位置に前記くさびを介して固定される第二の超音波トランスジューサと、を具備してなり、
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合には、  前記第一および第二の超音波トランスジューサは、楕円形の振動子を有するとともに、
前記第一および第二の超音波トランスジューサによって受信される各測定信号の差分を用いることにより、測定時のノイズ成分を除去可能であることを特徴とする超音波送受信ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定領域の流速分布から被測定流体の流量を時間依存で瞬時に測定することが可能な超音波流量計、例えば超音波流量計に用いる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触で流量を測定可能であるドップラ式超音波流量計については、さまざまな技術が提供されている。（例えば、特開２０００−９７７４２号）
【特許文献１】特開２０００−９７７４２号公報
【０００３】
上記の技術を具体的に説明する。上記文献に開示されているドップラ式超音波流量計は、所要周波数の超音波パルスを、超音波送受信器を具備する超音波トランスジューサから測定線に沿って配管内の被測定流体（例えば、水）中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流速分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定するものである。【０００４】
この技術は、配管内を流れる被測定流体の流速分布を測定し、時間的に変動する過渡時の流量を迅速に測定でき、応答性に優れている。また、流体の流れが充分に発達していない箇所や流れが三次元になっている場所、例えばエルボ配管やＵ字状の反転配管のように曲げられた配管の直後でも、被測定流体の流量を効率的に精度よく瞬時に測定できる。それ以前に提供されていた超音波流量計と比較した場合、実験値や経験値などから割り出された「流量補正係数」がなくても正確な測定が可能であるという特徴があり、大きく評価されている。【０００５】
超音波流量計においては、被測定流体が液体である場合にはくさびを介して超音波送信手段を配管へ固定する「クランプオン形」を用いることが多い。既設の配管に対して簡易に取り付けられるなどの利点があるからである。そのくさびについては、超音波を通しやすい材質であることが第一条件である。一方、超音波の入射角度を決定した後に超音波送信手段の固定作業を行うなどの便宜から、一般には合成樹脂（例えばアクリル樹脂）を採用する。【０００６】
最近のドップラ式超音波流量計では、超音波の送信装置（エミッション）とその超音波の反射波を受信する装置（レシーバ）とを一つの超音波送受信器とし、さらに、これを予めくさびに装着した超音波送受信ユニットして提供することが多い。超音波の送信装置とその超音波の反射波を受信する受信装置とを別々に用意したドップラ式超音波流量計では、それぞれを流体配管へ厳格な位置決めをして取り付けなければならないが、両者を兼ねる超音波送受信器の場合には、流体配管への取り付け作業が一度で済むなどの利点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
超音波送信ユニットから発せられた超音波は、一部が反射体（例えば、気泡）に反射し、戻ってくる。この信号は、微弱であり、反射体から超音波受信ユニットまでの経路上の影響（ノイズ）を大きく受ける。このため、速度算出手段にて計算の際誤差が大きくなり、測定精度向上の妨げとなっていた。【０００８】
一方、送信ユニットと受信ユニットが同一で、ユニットの大きさを大きくしていった場合、送信ユニットから発せられる信号が大きくなる。それに従い、配管壁で発生するノイズ、送信ユニット中に組み込まれた振動子の送波直後の減衰低下、反射体で散乱するノイズが増加し、速度算出手段にて計算の際、誤差が大きくなり、測定精度向上の妨げとなっていた。また、測定体積が増加するため、速度勾配が大きな箇所では、流量算出手段にて計算の際、誤差が大きくなり、測定精度向上の妨げとなっていた。【０００９】
また、他の課題について、図３および図４に基づいて説明する。被測定流体１１の流れは、流体配管１０の内壁付近が遅く、配管１０の中心付近で速い。したがって、図４にて概念的に示すように、流体配管１０の内壁に近いほど速度勾配の変化は大きいこととなる。【００１０】
一方、超音波流量計はトランスジューサ２０から発信される超音波を用いて流速分布を測る原理であるから、被測定流体１１に入射される超音波の波長と超音波のビーム径で決定される測定体積以下の実流れは平均値を算出するしかない。図４に示すように、このため、速度勾配の変化が大きいほど、平均値に対する偏差が大きくなる。このことから、流体配管１０の内壁に近いほど測定誤差が大きくなるということとなる。【００１１】
原理的には、超音波の波長における主流方向の幅（いわゆるビーム幅）を小さくすれば、速度勾配の変化が大きくても影響が小さく、測定誤差を減らせる。しかし、超音波の反射波を受信する役目に鑑みれば、ビーム幅を小さくすることは反射波の受信を困難にすることとなる。【００１２】
更に、超音波トランスジューサにより受信される測定信号に、配管壁からのノイズや外来ノイズなどのコモンモードノイズが加わる場合がある。特に、配管壁を超音波が通過することによる配管壁からのノイズの影響が大きい。測定精度を更に向上させるには、このコモンモードノイズを除去することが望ましい。【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、超音波流量計における微弱な反射波を効率的に受信したり、コモンモードノイズを除去して測定精度を更に向上させる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（請求項１）
請求項１記載の発明は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へエミッションから入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーをレシーバにて受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に係る。
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合の前記の超音波トランスジューサは、エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きく形成する。
【００１５】
上記の超音波流量計には、一般のドップラ式超音波流量計と、相関法を用いた超音波流量計とを含む。相関法を用いた超音波流量計とは、例えば、特開２００３−３４４１３１号に開示されているような超音波流量計である。
両者とも、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する。【００１６】
（作用）
エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きくしているので、測定体積および配管壁で発生するノイズを小さく保ったまま、受信感度が良く、正確な流量の算出に寄与する。【００１７】
（請求項２）
請求項２記載の発明は、  所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に係る。
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合の前記の超音波トランスジューサは、楕円形の振動子を有し、その振動子は、前記の被測定流体の流れ方向に対して直角方向に長辺が一致するような楕円とする。
【００１８】
振動子の楕円形状は、楕円の短径方向が流体の主流方向とほぼ平行となるように設置する。
上記の超音波流量計もまた、一般のドップラ式超音波流量計と、相関法を用いた超音波流量計とを含む。相関法を用いた超音波流量計とは、例えば、特開２００３−３４４１３１号に開示されているような超音波流量計である。【００１９】
（請求項３）
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の超音波流量計を限定したものである。
すなわち、前記の超音波トランスジューサは、  配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、  超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するように、前記第一の超音波送受信器に対して、配管の管軸方向に離間した位置にくさびを介して固定される第二の超音波トランスジューサと、  前記第一および第二の超音波トランスジューサによって受信される各測定信号の差分を出力し、測定時のノイズ成分を除去するノイズ除去手段とを備える。
そして、前記ノイズ除去手段によりノイズ成分が除去された各測定信号の差分を用いて演算部により演算処理し、流速分布を算出することを特徴とする。【００２０】
（作用）
第一の超音波送受信器と第二の超音波送受信器は、両者の入射角度が一致するようにくさびを介して配管に取り付けられる。このため、第一の超音波送受信器により受信した測定信号と第二の超音波送受信器により測定した測定信号とは、ノイズの影響がないとすれば、本来、所定の位相差を持って一致するはずである。しかし現実には、ノイズ成分、特にコモンモードノイズが測定信号に重畳している。そこで、本発明では、２つの測定信号の差分を算出し、その差分を用いて演算処理し、ノイズ成分を除去する。【００２１】
（請求項４）
請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の超音波流量計を限定したものである。
すなわち、超音波トランスジューサは、  配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、  超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備える。
そして、第一および第二の超音波トランスジューサにおけるHotからの受波信号を入力する差動アンプと、  その差動アンプの出力と第一および第二の超音波トランスジューサにおけるColdとを入力する増幅器とを用いて配管壁面にて発生するノイズを除去するノイズ除去手段を備える。  そのノイズ除去手段によって得る流体中を流れる反射体からのエコー信号を用いて演算処理し、流速分布を算出する。
ここで、Hotとは正極、Coldとは負極のことをいうものとする。【００２２】
（請求項５）
請求項記載の発明もまた、請求項１または請求項２のいずれかに記載の超音波流量計を限定したものである。
すなわち、  前記の超音波トランスジューサは、  配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、  超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備える。
前記第二の超音波トランスジューサは、その極性を逆にすることで、圧電素子の出力に対して前記第一の超音波トランスジューサと逆の電気出力が得られるようにするとともに、  第一の超音波トランスジューサにおけるHotと第二の超音波トランスジューサのColdとを増幅器４１に結線することで形成したノイズ除去手段を備える。  そのノイズ除去手段によって第一および第二の超音波トランスジューサが受ける外来同相ノイズを除去して二倍の電気的強度のエコー信号を出力し、エコー信号を用いて演算処理し、流速分布を算出する。
【００２３】
請求項４、請求項５に記載の発明とも、第一および第二の超音波トランスジューサは、配管の管軸方向に離間した位置にくさびを介して固定される物理的に二つの超音波トランスジューサを用いる場合と、以下のような場合とがある。
すなわち、超音波の受信部を二種類用意するとともに、超音波の送信部を兼用とした複合型も含まれる。【００２４】
（請求項６）
請求項６記載の発明は、  所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へエミッションから入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーをレシーバにて受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段と、を備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる超音波トランスジューサに係る。
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合には、  エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きく形成する。
【００２５】
（作用）
エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きくしているので、測定体積および送信の際発生するノイズを小さく保ったまま、受信感度が良く、正確な流量の算出に寄与する。【００２６】
（請求項７）
請求項７に記載の発明は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる超音波トランスジューサに係る。
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合には、 楕円形の振動子を有することとする。
【００２７】
（請求項８）
請求項８記載の発明もまた、超音波流量計に用いる超音波トランスジューサに係る。
すなわち、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、  被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、  前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段と、を備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる超音波トランスジューサである。
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合において、
配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、  超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備える。
また、第一および第二の超音波トランスジューサにおけるHotからの受波信号を入力する差動アンプと、その差動アンプの出力と第一および第二の超音波トランスジューサにおけるColdとを入力する増幅器と、を用いて配管壁面にて発生するノイズを除去するノイズ除去手段を備える。
【００２８】
（請求項９）
請求項９記載の発明もまた、超音波流量計に用いる超音波トランスジューサに係る。
すなわち、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、 前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に用いる超音波トランスジューサである。
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合において、
配管にくさびを介して固定され、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信する第一の超音波トランスジューサと、  超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するようにした第二の超音波トランスジューサとを備える。
前記第二の超音波トランスジューサは、その極性を逆にすることで、圧電素子の出力に対して前記第一の超音波トランスジューサと逆の電気出力が得られるようにする。
第一の超音波トランスジューサにおけるHotと第二の超音波トランスジューサのColdとを増幅器４１に結線することで形成したノイズ除去手段を備える。
【００２９】
（請求項１０）
請求項１０記載の発明は、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスをエミッションから発信し、測定領域から反射する超音波エコーをレシーバにて受信する超音波送受信器と、前記超音波送受信器を支持するくさびとを備え、受信した測定信号を演算部により処理し、被測定流体の流速分布を算出する超音波流量計に用いられる超音波送受信ユニットに係る。
配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信可能に前記くさびを介して固定される第一の超音波トランスジューサと、  超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するように、前記第一の超音波送受信器に対して、配管の管軸方向に離間した位置に前記くさびを介して固定される第二の超音波トランスジューサと、を具備する。
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合には、  前記第一および第二の超音波トランスジューサは、エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きく形成するとともに、  前記第一および第二の超音波トランスジューサによって受信される各測定信号の差分を用いることにより、測定時のノイズ成分を除去可能である。
【００３０】
（請求項１１）
請求項１１記載の発明は、配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスをエミッションから発信し、測定領域から反射する超音波エコーをレシーバにて受信する超音波送受信器と、前記超音波送受信器を支持するくさびとを備え、受信した測定信号を演算部により処理し、被測定流体の流速分布を算出する超音波流量計に用いられる超音波送受信ユニットに係る。
配管内の被測定流体中に所定の入射角度で超音波パルスを発信可能に前記くさびを介して固定される第一の超音波トランスジューサと、
超音波パルスの被測定流体への入射角度が前記第一の超音波送受信器の被測定流体への入射角度と一致するように、前記第一の超音波送受信器に対して、配管の管軸方向に離間した位置に前記くさびを介して固定される第二の超音波トランスジューサと、を具備する。
前記の超音波送信手段が入射した超音波によって発生するコモンモードノイズに比べて受信する超音波エコーが微弱である場合には、  前記第一および第二の超音波トランスジューサは、楕円形の振動子を有するとともに、  前記第一および第二の超音波トランスジューサによって受信される各測定信号の差分を用いることにより、測定時のノイズ成分を除去可能である。
【００３１】
以下のような超音波流量計を用いた流量測定方法を提供することもできる。
すなわち、配管の管軸方向に離間させて被測定流体への入射角度を一致させて第一の超音波トランスジューサと第二の超音波トランスジューサとを配置し、 その第一および第二の超音波トランスジューサは、エミッションの面積よりもレシーバの面積を大きく形成している。
第一および第二の超音波トランスジューサを用いて、それぞれ、配管内の被測定流体中に超音波パルスを発信し、測定領域から反射する超音波エコーを受信し、 受信した各測定信号の差分を用いて演算部により演算処理し、流速分布を算出する。
【００３２】
以下のような超音波流量計を用いた流量測定方法に係る発明を提供することも可能である。
すなわち、配管の管軸方向に離間させて被測定流体への入射角度を一致させて第一の超音波トランスジューサと第二の超音波トランスジューサとを配置し、 その第一および第二の超音波トランスジューサは、楕円形の振動子を有している。
第一および第二の超音波トランスジューサを用いて、それぞれ、配管内の被測定流体中に超音波パルスを発信し、測定領域から反射する超音波エコーを受信し、 受信した各測定信号の差分を用いて演算部により演算処理し、流速分布を算出する。
【発明の効果】
【００３３】
本願発明によれば、超音波流量計における微弱な反射波を効率的に受信したり、コモンモードノイズを除去して測定精度を更に向上させる技術を提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、図面に示した実施形態に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。ここで使用する図面は、図１〜図１１である。
図１は、本発明の実施形態に係る超音波トランスジューサを模式的に示している。円柱状に形成した超音波トランスジューサの一方の円形面に、送波用振動子と、受信用振動子とを備える。
送波用振動子は送波信号を送信し、受信用振動子は被測定流体からの反射波を受信して、受波信号として流量算出ユニットへ送信する役割を果たしている。【００３５】
図１[A]においては、超音波トランスジューサの一方の円形面において、中央に小さな断面円形の送波用振動子を配置し、その送波用振動子の周りに位置する大きな断面円形の受信用振動子とを備える。受信用振動子の直径が送波用振動子の直径の３倍であれば、面積の差は９倍となる。【００３６】
図１[B]においては、超音波トランスジューサの一方の円形面において、中央に小さな断面円形の送波用振動子を配置し、その送波用振動子の周りに、同じ断面積の受信用振動子を６つ備える。すなわち、面積の差は６倍である。【００３７】
図１中、エミッションの部分を切り替えて全面的にレシーバとすることもできる。そのようにすれば、更に受信部分が大きくなり、受信感度の向上、ひいては正確な流量の算出に寄与する。【００３８】
続いて、図２に基づいて説明する。一の実施形態に係る超音波送受信ユニット１０を配管２０に取り付けた状態を模式的に示した図である。なお、比較のため、従来の円形の振動子を有する超音波送受信ユニット１０を配管２０に取り付けた状態を、図３において模式的に示す。【００３９】
図２に示したように、超音波送受信ユニット２０から発信された超音波は、一例として放物型の流速分布を持った流体中を通過する。図３に示した円形の振動子では、図２のように楕円形の振動子を有する超音波送受信ユニットから発信されたビームに比べ、幅が広くなる。【００４０】
図４は、速度勾配が大きい箇所（例えば、壁面近傍）において、偏差が大きくなることを模式的に示した図である。この図に示したように、速度勾配が大きいほど、平均化される領域が大きくなるため、ビームの幅は狭い方が良い。【００４１】
以下、図面に示した実施形態に基づき本発明をさらに詳細に説明する。図５は、本発明の一の実施形態に係るドップラ式超音波流量計に用いた超音波送受信ユニット２０を配管１０に取り付けた状態を模式的に示した図である。【００４２】
この図に示したように、超音波送受信ユニット２０は、くさび３０と、そのくさび３０に支持される第一の超音波トランスデューサー２１と、当該くさび３０において第一のトランスデューサー２１に対して管軸方向に離間して支持される第二の超音波トランスデューサー２２とを備えている。【００４３】
第一の超音波トランスデューサー２１および第二の超音波トランスデューサー２２は、いずれも、超音波送受信器が組み込まれており、各超音波トランスデューサー２１，２２から超音波パルスが発信され、反射される超音波エコーを受信する。従って、第一の超音波トランスデューサー２１および第二の超音波トランスデューサー２２は、それぞれ、各請求項に規定する第一の超音波送受信器、第二の超音波送受信器に相当する。【００４４】
くさび３０は、各超音波トランスデューサー２１，２２を、配管１０の管軸方向に沿って所定間隔離間し、かつ、互いに被測定流体への超音波パルスの入射角度α１，α２が同角度で、各測定線ＭＬ１，ＭＬ２が平行となるように支持する。図１に示したように、超音波パルスは配管１０の周壁を貫通する際に屈折するが、各超音波トランスデューサー２１，２２の管軸への垂線に対する傾斜角度θ１，θ２を同一方向に同角度傾斜した角度とすれば、被測定流体への入射角度α１，α２も一致する。なお、くさび３０は、超音波透過特性の優れた高粘性グリースや金属カプラント等を介して、配管１０の外面に固着される。【００４５】
図６は、本実施形態のドップラ式超音波流量計の全体構成を示すブロック図である。この図に示したように、ドップラ式超音波流量計は、超音波送受信ユニットのくさび３０に設けられる上記第一および第二の超音波トランスデューサー２１，２２と、各超音波トランスデューサー２２，２３により受信された超音波エコーの電気信号を増幅する増幅器４１と、ＡＤ変換器４２と、演算部４３と、表示装置４４と、ノイズ除去手段４５とを備えて構成される。【００４６】
ノイズ除去手段４５としては、例えば、第一および第二の超音波トランスデューサー２１，２２からの測定信号が入力され、その差分を出力する差動増幅器を用いることができる。但し、ノイズ除去手段４５はこれに限定されるものではなく、第一および第二の超音波トランスデューサー２１，２２と他の回路との配線接続の仕方によってノイズを除去する手段を用いることもできる。【００４７】
演算部４３は、コンピュータプログラムからなる流速分布算出手段４３ａを備えている。ノイズ除去手段４５を経てノイズの除去された測定信号は、増幅器４１で増幅され、ＡＤ変換器４２でデジタル化されて流速分布算出手段４３ａにより、被測定流体の流速分布が求められる。【００４８】
かかるドップラ式超音波流量計によれば、第一および第二の超音波トランスデューサー２１，２２の各測定信号の差分を用いることで、コモンモードノイズ、特に、配管壁からのノイズを効果的に除去でき、流量測定精度を向上させることができる。【００４９】
続いて、ノイズを除去する手段を説明する。
ＡＤ変換器４２によりデジタル化した後に、二つの測定信号の一方の符号を反転させてから加算し、加算結果の１／２をバックグランドノイズとして測定信号から除去する、といった手段もあるが、ここではアナログ回路上にて他の手段にてノイズを除去する方法について、図７および図８を用いて説明する。【００５０】
図７に示す手段は、超音波トランスジューサ２１，２２におけるHotからの受波信号を差動アンプへ入力する。その作動アンプの出力と、超音波トランスジューサ２１，２２におけるColdとを増幅器４１に入力するのである。この場合、配管壁面により発生するノイズを除去し、流体中を流れる反射体からのエコー信号のみを得ることが可能である。【００５１】
図８に示す手段は、超音波トランスジューサ２１，２２において、以下のように結線する。まず、第二トランスデューサー２２の極性を逆にし、圧電素子の出力に対し、第一トランスデューサー２１と逆の電気出力が得られるように取り扱う。そして、第一トランスデューサー２１と第二トランスデューサー２２とを直列に接続する。具体的には、第一トランスジューサにおけるCold（２１ａ）と第二トランスジューサのHot（２２ａ）とを結線する。また、第一トランスジューサにおけるHot（２１ａ）と第二トランスジューサのCold（２２ａ）とは、増幅器４１に結線する。これらによって、超音波トランスジューサ２１，２２が受ける外来同相ノイズ（コモンモードノイズ）を除去し、２倍の電気的強度を有する入力信号を得るのである。【００５２】
次に、図９、図１０を用いて、図１[Ｂ]に示した超音波トランスジューサのバリエーションである複合型のトランスジューサについて説明する。
図９に示した超音波トランスジューサでは、受波用振動子を二種類用意し、それを交互に配置している。図１０に示した超音波トランスジューサもまた、受波用振動子を二種類用意しているが、３つずつ連続させて配置している。
そして、前記の受波用振動子は、一方を第一トランスジューサ２１（または第一トランスジューサにおけるHot(21a)）として用い、他方を第二トランスジューサ２２（または第二トランスジューサにおけるHot(22a)）として用いる。
このような複合型の超音波トランスジューサを採用すれば、物理的に二つの超音波トランスジューサを配置固定するよりも簡単にセッティングできるなどのメリットがある。【００５３】
なお、図１１に示すように、第一および第二の超音波トランスデューサー２１，２２を配管１０の周囲方向に並列させることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本願発明は、ドップラ式超音波流量計に限られず、一般の超音波流量計に属する流量計においても採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一の実施形態にかかる超音波送受信ユニットを配管に取り付けた状態を模式的に示す図である。
【図２】楕円形の振動子を有する超音波送受信ユニットを配管に取り付けた状態を示す模式図である。
【図３】従来の円形の振動子を有する超音波送受信ユニットを配管に取り付けた状態を示す模式図である。
【図４】流体配管の内壁に近いほど速度勾配の変化が大きいことを示す模式図である。
【図５】測定対象の流体が流れる配管へ二つの超音波トランスデューサーを並列に取り付けた状態を模式的に示す図である。
【図６】一の実施形態に係るドップラ式超音波流量計の全体構成を示すブロック図である。
【図７】ノイズを除去する手段の一例を示す図である。
【図８】ノイズを除去する手段の他の例を示す図である。
【図９】複合型のトランスジューサの一例を示す図である。
【図１０】複合型のトランスジューサの他の例を示す図である。
【図１１】超音波送受信ユニットを配管の周囲方向に並列させた状態を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０    流体配管                  １１  被測定流体
２０    超音波送受信手段（トランスジューサ）
２１    第一の超音波トランスジューサ
２２    第二の超音波トランスジューサ
２４    ダミー
３０    くさび
３１ａ  第一の支持部              ３１ｂ  第二の支持部
３２    型材                      ３３    流動体
４０    ドップラ式超音波流量計    ４１    増幅器
４２    ＡＤ変換器
４３    演算部                    ４３ａ  流量分布算出手段
４４    表示装置
４５    ノイズ除去手段
【図１】
0004827008.tif 000002
【図２】
0004827008.tif 000003
【図３】
0004827008.tif 000004
【図４】
0004827008.tif 000005
【図５】
0004827008.tif 000006
【図６】
0004827008.tif 000007
【図７】
0004827008.tif 000008
【図８】
0004827008.tif 000009
【図９】
0004827008.tif 000010
【図１０】
0004827008.tif 000011
【図１１】
0004827008.tif 000012