(57)【要約】【課題】  流量を測定するための一対の超音波送受信器間の距離の設定が容易であり、そして管状体や測定対象の流体の温度が変動した場合であっても安定に流量を測定することのできる超音波流量計を提供すること。【解決手段】  管状体、管状体の外側表面の管状体の長さ方向に伸びる直線上に互いに間隔をあけて付設され、各々が管状体の壁体に垂直な方向に超音波を送受信する第一の超音波送受信器と第二の超音波送受信器、第一の超音波送受信器が付設された管状体の壁体部分と管状体の軸を中心として対称位置にある壁体部分の内側表面に備えられた第一の超音波反射手段、そして第二の超音波送受信器が付設された管状体の壁体部分と管状体の軸を中心として対称位置にある壁体部分の内側表面に備えられた第二の超音波反射手段からなる超音波流量計。【選択図】        図３
2005077146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にて流体を移動させる管状体、該管状体の外側表面の管状体の長さ方向に伸びる直線上に互いに間隔をあけて付設され、各々が管状体の壁体に垂直な方向に超音波を送受信する第一の超音波送受信器と第二の超音波送受信器、第一の超音波送受信器が付設された管状体の壁体部分と管状体の軸を中心として対称位置にある壁体部分の内側表面に備えられた第一の超音波反射手段、そして第二の超音波送受信器が付設された管状体の壁体部分と管状体の軸を中心として対称位置にある壁体部分の内側表面に備えられた第二の超音波反射手段からなり、前記の第一の超音波反射手段が、管状体の長さ方向に垂直で、かつ第一の超音波送受信器の底面と平行な軸を含み、第二の超音波送受信器の側に向いた斜面を備え、前記の第二の超音波反射手段が、管状体の長さ方向に垂直で、かつ第二の超音波送受信器の底面と平行な軸を含み、第一の超音波送受信器の側に向いた斜面を備え、そして第一の超音波送受信器、第二の超音波送受信器、第一の超音波反射手段、および第二の超音波反射手段が、第一の超音波送受信器により送信された超音波を、第一の超音波反射手段の斜面、第一の超音波送受信器と第二の超音波送受信器との間の管状体の壁体部分の内側表面、そして第二の超音波反射手段の斜面における反射を介して第二の超音波送受信器に伝え、かつ第二の超音波送受信器により送信された超音波を、第二の超音波反射手段の斜面、第一の超音波送受信器と第二の超音波送受信器との間の管状体の壁体部分の内側表面、そして第一の超音波反射手段の斜面における反射を介して第一の超音波送受信器に伝えるように配置されていることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
各々の超音波反射手段が、それぞれ互いに平行な二以上の斜面を備える請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
請求項１もしくは２に記載の超音波流量計の管状体の内部にて、測定対象の流体を一方の方向に移動させる工程；第一の超音波送受信器により超音波を送信し、該超音波が、第一の超音波反射手段の斜面、第一の超音波送受信器と第二の超音波送受信器との間の管状体の壁体部分の内側表面、そして第二の超音波反射手段の斜面における反射を介して第二の超音波送受信器に到達するまでの伝達時間（Ｔ1 ）を測定する工程；第二の超音波送受信器により超音波を送信し、該超音波が、第二の超音波反射手段の斜面、第一の超音波送受信器と第二の超音波送受信器との間の管状体の壁体部分の内側表面、そして第一の超音波反射手段の斜面における反射を介して第一の超音波送受信器に到達するまでの伝達時間（Ｔ2 ）を測定する工程；および前記の伝達時間（Ｔ1 ）と伝達時間（Ｔ2 ）との差をもとに、前記管状体の内部にて移動させた流体の流量を算出する工程を含む流体の流量測定方法。
【請求項４】
内部にて流体を移動させる管状体、該管状体の外側表面の管状体の長さ方向に伸びる直線上に付設され、管状体の壁体に垂直な方向に超音波を送受信する第一の超音波送受信器、前記直線と管状体の軸を中心として対称の位置にある管状体の外側表面の直線上に、第一の超音波送受信器から管状体の長さ方向に沿って間隔をあけて付設され、管状体の壁体に垂直な方向に超音波を送受信する第二の超音波送受信器、第一の超音波送受信器が付設された管状体の壁体部分と管状体の軸を中心として対称位置にある壁体部分の内側表面に備えられた第一の超音波反射手段、そして第二の超音波送受信器が付設された管状体の壁体部分と管状体の軸を中心として対称位置にある壁体部分の内側表面に備えられた第二の超音波反射手段からなり、前記の第一の超音波反射手段が、管状体の長さ方向に垂直で、かつ第一の超音波送受信器の底面と平行な軸を含み、第二の超音波反射手段の側に向いた斜面を備え、前記の第二の超音波反射手段が、管状体の長さ方向に垂直で、かつ第二の超音波送受信器の底面と平行な軸を含み、第一の超音波反射手段の側に向いた斜面を備え、そして第一の超音波送受信器、第二の超音波送受信器、第一の超音波反射手段、および第二の超音波反射手段が、第一の超音波送受信器により送信された超音波を、第一の超音波反射手段の斜面、そして第二の超音波反射手段の斜面における反射を介して第二の超音波送受信器に伝え、かつ第二の超音波送受信器により送信された超音波を、第二の超音波反射手段の斜面、そして第一の超音波反射手段の斜面における反射を介して第一の超音波送受信器に伝えるように配置されていることを特徴とする超音波流量計。
【請求項５】
各々の超音波反射手段が、それぞれ互いに平行な二以上の斜面を備える請求項４に記載の超音波流量計。
【請求項６】
請求項４もしくは５に記載の超音波流量計の管状体の内部にて、測定対象の流体を一方の方向に移動させる工程；第一の超音波送受信器により超音波を送信し、該超音波が、第一の超音波反射手段の斜面、そして第二の超音波反射手段の斜面における反射を介して第二の超音波送受信器に到達するまでの伝達時間（Ｔ1 ）を測定する工程；第二の超音波送受信器により超音波を送信し、該超音波が、第二の超音波反射手段の斜面、そして第一の超音波反射手段の斜面における反射を介して第一の超音波送受信器に到達するまでの伝達時間（Ｔ2 ）を測定する工程；および前記の伝達時間（Ｔ1 ）と伝達時間（Ｔ2 ）との差をもとに、前記管状体の内部にて移動させた流体の流量を算出する工程を含む流体の流量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管状体の内部を移動する流体の流量測定に用いる超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
管状体の内部を移動する流体の流量を測定する流量計のうちの一つとして、クランプオン型超音波流量計が知られている（例えば、非特許文献１参照）。クランプオン型超音波流量計は、管状体の外側表面に付設され、管状体の内部を移動する流体の流量を、管状体の外部にて測定する流量計である。
【０００３】
図１は、従来のクランプオン型超音波流量計の一例の構成を示す断面図である。クランプオン型超音波流量計は、一対の超音波送受信器１２ａ、１２ｂから構成されている。一対の超音波送受信器１２ａ、１２ｂは、管状体１１の外側表面に、管状体１１の長さ方向に沿って互いに間隔をあけて付設される。図１に記入した矢印１７は、測定対象の流体の移動方向を示している。
【０００４】
超音波送受信器１２ａは、圧電振動子１５ａと超音波伝搬材１６ａから構成されている。圧電振動子１５ａは、平板状の圧電セラミックと、その各々の面に付設された一対の電極から構成されている。超音波送受信器１２ｂの構成は、超音波送受信器１２ａと同様である。
【０００５】
圧電振動子１５ａ、１５ｂのそれぞれは、その電極に電圧を印加すると超音波を送信し、そして超音波を受信するとその電極に電圧を発生する。従って、圧電振動子が備えられた超音波送受信器１２ａ、１２ｂのそれぞれは、超音波の送信器でもあり、受信器でもある。
【０００６】
管状体１１の内部を移動する流体の流量は、以下のようにして測定される。先ず、超音波送受信器１２ａの圧電振動子１５ａに電圧パルスを印加して超音波を送信し、この超音波が、流体内を伝わって超音波送受信器１２ｂにより受信されるまでの伝達時間（Ｔ1 ）を測定する。図１に記入した破線１９は、超音波の伝搬経路の一例を示している。
【０００７】
次に、超音波送受信器１２ｂの圧電振動子１５ｂに電圧パルスを印加して超音波を送信し、この超音波が、前記の経路１９を逆の向きに伝わって、超音波送受信器１２ａにより受信されるまでの伝達時間（Ｔ2 ）を測定する。
【０００８】
超音波送受信器１２ａから超音波送受信器１２ｂに（矢印１８ａが示す方向に）伝わる超音波は、流体の流れに乗って流体内を伝わるので、伝達時間（Ｔ1 ）は、流体が静止している場合よりも小さな値を示す。そして超音波送受信器１２ｂから超音波送受信器１２ａに（矢印１８ｂが示す方向に）伝わる超音波は、流体の流れに逆らって流体内を伝わるので、伝達時間（Ｔ2 ）は、流体が静止している場合よりも大きな値を示す。
【０００９】
これらの伝達時間の差（Ｔ2 −Ｔ1 ）は、管状体の内部を移動する流体の流量と相関がある。そして、この伝達時間の差をもとに、管状体の内部にて移動させた流体の流量を算出する。
【００１０】
【非特許文献１】超音波便覧編集委員会編，「超音波便覧」，丸善株式会社，平成１１年８月３０日，ｐ．３４５−３４７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図１の従来のクランプオン型超音波流量計において、流量の測定に用いる超音波の伝搬経路１９は、超音波伝搬材１６ａと管状体１１との界面における超音波の屈折角θ1 、そして管状体１１と測定対象の流体との界面における超音波の屈折角θ2 により定まる。屈折角θ1 は、スネルの法則に基づき、超音波伝搬材内を伝わる音波の速度と、管状体内を伝わる音波の速度との比により定まる。同様に、屈折角θ2 は、管状体内を伝わる音波の速度と、測定対象の流体内を伝わる音波の速度との比により定まる。ところが、音波の速度は、音波が伝わる媒体（超音波伝搬材、管状体あるいは流体）の材料の種類や温度によって変動する。従って、このような音波の速度の変動によって、超音波の伝搬経路は異なるものとなる。
【００１２】
例えば、測定対象の流体の温度が変動して屈折角θ2 が大きな値を示した場合、超音波送受信器１２ａにて送信された超音波は、図１に記入した一点鎖線に示す伝搬経路１９’を伝わって超音波送受信器１２ｂにより受信される。このような屈折角の変動により超音波の伝搬経路が変化すると、第二の超音波送受信器１２ｂにより受信される超音波の波形が変形するため、測定される超音波の伝達時間の値が不正確なものとなり、安定に流量を測定することができない場合がある。このため、従来のクランプオン型超音波流量計を用いて安定に流量を測定するためには、超音波送受信器１２ａ、１２ｂの間の距離Ｌ1 を、音波が伝わる媒体（超音波伝搬材、管状体、あるいは流体）の材料の種類や温度によって定まる超音波の伝搬経路に応じた適切な値に設定する必要がある。
【００１３】
本発明の目的は、流量を測定するための一対の超音波送受信器間の距離の設定が容易であり、そして管状体や測定対象の流体の温度が変動したり、あるいは測定対象の流体の種類を変更した場合であっても安定に流量を測定することの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】
【００１４】
本発明は、内部にて流体を移動させる管状体、この管状体の外側表面の管状体の長さ方向に伸びる直線上に互いに間隔をあけて付設され、各々が管状体の壁体に垂直な方向に超音波を送受信する第一の超音波送受信器と第二の超音波送受信器、第一の超音波送受信器が付設された管状体の壁体部分と管状体の軸を中心として対称位置にある壁体部分の内側表面に備えられた第一の超音波反射手段、そして第二の超音波送受信器が付設された管状体の壁体部分と管状体の軸を中心として対称位置にある壁体部分の内側表面に備えられた第二の超音波反射手段からなり、前記の第一の超音波反射手段が、管状体の長さ方向に垂直で、かつ第一の超音波送受信器の底面と平行な軸を含み、第二の超音波送受信器の側に向いた斜面を備え、前記の第二の超音波反射手段が、管状体の長さ方向に垂直で、かつ第二の超音波送受信器の底面と平行な軸を含み、第一の超音波送受信器の側に向いた斜面を備え、そして第一の超音波送受信器、第二の超音波送受信器、第一の超音波反射手段、および第二の超音波反射手段が、第一の超音波送受信器により送信された超音波を、第一の超音波反射手段の斜面、第一の超音波送受信器と第二の超音波送受信器との間の管状体の壁体部分の内側表面、そして第二の超音波反射手段の斜面における反射を介して第二の超音波送受信器に伝え、かつ第二の超音波送受信器により送信された超音波を、第二の超音波反射手段の斜面、第一の超音波送受信器と第二の超音波送受信器との間の管状体の壁体部分の内側表面、そして第一の超音波反射手段の斜面における反射を介して第一の超音波送受信器に伝えるように配置されていることを特徴とする超音波流量計にある。
【００１５】
以下、この超音波流量計の構成を、第一の構成と記載する。第一の構成の超音波流量計においては、各々の超音波反射手段は、それぞれ互いに平行な二以上の斜面を備えることが好ましい。
【００１６】
本発明はまた、上記第一の構成の超音波流量計の管状体の内部にて、測定対象の流体を一方の方向に移動させる工程；第一の超音波送受信器により超音波を送信し、該超音波が、第一の超音波反射手段の斜面、第一の超音波送受信器と第二の超音波送受信器との間の管状体の壁体部分の内側表面、そして第二の超音波反射手段の斜面における反射を介して第二の超音波送受信器に到達するまでの伝達時間（Ｔ1 ）を測定する工程；第二の超音波送受信器により超音波を送信し、該超音波が、第二の超音波反射手段の斜面、第一の超音波送受信器と第二の超音波送受信器との間の管状体の壁体部分の内側表面、そして第一の超音波反射手段の斜面における反射を介して第一の超音波送受信器に到達するまでの伝達時間（Ｔ2 ）を測定する工程；および前記の伝達時間（Ｔ1 ）と伝達時間（Ｔ2 ）との差をもとに、前記管状体の内部にて移動させた流体の流量を算出する工程を含む流体の流量測定方法（以下、第一の方法と記載する）にもある。
【００１７】
本発明はまた、内部にて流体を移動させる管状体、この管状体の外側表面の管状体の長さ方向に伸びる直線上に付設され、管状体の壁体に垂直な方向に超音波を送受信する第一の超音波送受信器、前記直線と管状体の軸を中心として対称の位置にある管状体の外側表面の直線上に、第一の超音波送受信器から管状体の長さ方向に沿って間隔をあけて付設され、管状体の壁体に垂直な方向に超音波を送受信する第二の超音波送受信器、第一の超音波送受信器が付設された管状体の壁体部分と管状体の軸を中心として対称位置にある壁体部分の内側表面に備えられた第一の超音波反射手段、そして第二の超音波送受信器が付設された管状体の壁体部分と管状体の軸を中心として対称位置にある壁体部分の内側表面に備えられた第二の超音波反射手段からなり、前記の第一の超音波反射手段が、管状体の長さ方向に垂直で、かつ第一の超音波送受信器の底面と平行な軸を含み、第二の超音波反射手段の側に向いた斜面を備え、前記の第二の超音波反射手段が、管状体の長さ方向に垂直で、かつ第二の超音波送受信器の底面と平行な軸を含み、第一の超音波反射手段の側に向いた斜面を備え、そして第一の超音波送受信器、第二の超音波送受信器、第一の超音波反射手段、および第二の超音波反射手段が、第一の超音波送受信器により送信された超音波を、第一の超音波反射手段の斜面、そして第二の超音波反射手段の斜面における反射を介して第二の超音波送受信器に伝え、かつ第二の超音波送受信器により送信された超音波を、第二の超音波反射手段の斜面、そして第一の超音波反射手段の斜面における反射を介して第一の超音波送受信器に伝えるように配置されていることを特徴とする超音波流量計にもある。
【００１８】
以下、この超音波流量計の構成を、第二の構成と記載する。第二の構成の超音波流量計においては、各々の超音波反射手段は、それぞれ互いに平行な二以上の斜面を備えることが好ましい。
【００１９】
本発明はまた、上記第二の構成の超音波流量計の管状体の内部にて、測定対象の流体を一方の方向に移動させる工程；第一の超音波送受信器により超音波を送信し、該超音波が、第一の超音波反射手段の斜面、そして第二の超音波反射手段の斜面における反射を介して第二の超音波送受信器に到達するまでの伝達時間（Ｔ1 ）を測定する工程；第二の超音波送受信器により超音波を送信し、該超音波が、第二の超音波反射手段の斜面、そして第一の超音波反射手段の斜面における反射を介して第一の超音波送受信器に到達するまでの伝達時間（Ｔ2 ）を測定する工程；および前記の伝達時間（Ｔ1 ）と伝達時間（Ｔ2 ）との差をもとに、前記管状体の内部にて移動させた流体の流量を算出する工程を含む流体の流量測定方法（以下、第二の方法と記載する）にもある。
【００２０】
なお、本明細書において、「管状体の壁体に垂直な方向」とは、管状体の壁体の法線とのなす角度が２０度未満、好ましくは１０度未満、さらに好ましくは５度未満である方向を意味する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の超音波流量計は、その各々の超音波送受信器により管状体の壁体に垂直な方向に超音波を送受信するため、一方の超音波送受信器により送信された超音波は、超音波送受信器と管状体との界面、そして管状体と測定対象の流体との界面のいずれにおいても屈折を生じることなく他方の超音波送受信器へと伝わる。すなわち、本発明の超音波流量計においては、流量測定に用いる超音波の伝搬経路が、第一の超音波送受信器、第二の超音波送受信器、第一の超音波反射手段、そして第二の超音波手段の、管状体に対する幾何的な配置により一義的に定まる。このために、本発明の超音波流量計は、流量を測定するための一対の超音波送受信器の間隔の設定が容易であり、そして管状体や測定対象の流体の温度が変動したり、あるいは測定対象の流体の種類を変更した場合であっても、超音波の伝搬経路が変動しないため、管状体の内部を移動する流体の流量を安定に測定することができる。また、本発明の超音波流量計の各々の超音波反射手段を、それぞれ互いに平行な二以上の斜面を備える構成とすることにより、超音波の伝達時間を測定する際のしきい値電圧の設定が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明を、添付の図面を用いて説明する。図２は、本発明の第一の構成の超音波流量計の一例を示す正面図であり、そして図３は、図２に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した超音波流量計の断面図である。
【００２３】
図２及び図３に示す超音波流量計は、内部にて流体を移動させる管状体２１、管状体２１の外側表面の管状体２１の長さ方向に伸びる直線上に互いに間隔をあけて付設され、各々が管状体２１の壁体に垂直な方向に超音波を送受信する第一の超音波送受信器２２ａと第二の超音波送受信器２２ｂ、第一の超音波送受信器２２ａが付設された管状体２１の壁体部分と管状体２１の軸を中心として対称位置にある壁体部分の内側表面に備えられた第一の超音波反射手段２３ａ、そして第二の超音波送受信器２２ｂが付設された管状体２１の壁体部分と管状体２１の軸を中心として対称位置にある壁体部分の内側表面に備えられた第二の超音波反射手段２３ｂから構成されている。図３に記入した矢印１７は、測定対象の流体の移動方向を示している。
【００２４】
第一の超音波反射手段２３ａは、管状体２１の長さ方向に垂直で、かつ第一の超音波送受信器２２ａの底面と平行な軸（すなわち、図３の紙面に垂直な軸）を含み、第二の超音波送受信器２２ｂの側に向いた斜面２４ａを備えている。第二の超音波反射手段２３ｂは、管状体２１の長さ方向に垂直で、かつ第二の超音波送受信器２２ｂの底面と平行な軸（すなわち、図３の紙面に垂直な軸）を含み、第一の超音波送受信器２２ａの側に向いた斜面２４ｂを備えている。
【００２５】
第一の超音波送受信器２２ａ、第二の超音波送受信器２２ｂ、第一の超音波反射手段２３ａ、および第二の超音波反射手段２３ｂは、第一の超音波送受信器２２ａにより送信された超音波を、第一の超音波反射手段２３ａの斜面２４ａ、第一の超音波送受信器２２ａと第二の超音波送受信器２２ｂとの間の管状体２１の壁体部分の内側表面、そして第二の超音波反射手段２３ｂの斜面２４ｂにおける反射を介して第二の超音波送受信器２２ｂに伝え、かつ第二の超音波送受信器２２ｂにより送信された超音波を、第二の超音波反射手段２３ｂの斜面２４ｂ、第一の超音波送受信器２２ａと第二の超音波送受信器２２ｂとの間の管状体２１の壁体部分の内側表面、そして第一の超音波反射手段２３ａの斜面２４ａにおける反射を介して第一の超音波送受信器２２ａに伝えるように配置されている。図４に記入した破線２９ａ、２９ｂ、２９ｃのそれぞれは、第一の超音波送受信器２２ａから第二の超音波送受信器２２ｂへと伝わる超音波の伝搬経路の例を示している。
【００２６】
図３に示す超音波流量計の超音波送受信器２２ａは、円盤状の圧電振動子２５ａと円盤状の超音波伝搬材２６ａとが積層された構成を有している。円盤状の圧電振動子２５ａは、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛系のセラミック材料から形成された円盤の各々の面に、リン青銅製の電極を付設して構成される。超音波伝搬材２６ａは、圧電振動子２５ａと管状体２１との音響インピーダンスを整合するために用いられる。超音波伝搬材２６ａは、その音響インピーダンスの値が、圧電振動子２５ａの音響インピーダンスの値と管状体２１の音響インピーダンスの値との間にある、金属材料、樹脂材料、あるいは繊維強化樹脂材料などから形成することができる。管状体２１が、金属材料などの導電性材料から形成されている場合、圧電振動子２５ａの電極と管状体２１とを電気的に絶縁するために、超音波伝搬材２６ａは、絶縁性を示す材料から形成される。超音波伝搬材２６ａを形成する材料の代表例としては、ガラスエポキシ材が挙げられる。同様に、超音波送受信器２２ｂは、円盤状の圧電振動子２５ｂと円盤状の超音波伝搬材２６ｂとが積層された構成を有している。
【００２７】
超音波反射手段２３ａ、２３ｂのそれぞれは、その斜面において効率良く超音波を反射させるために、その音響インピーダンスの値が、測定対象の流体の音響インピーダンスの値に対して大きな差を有する金属材料、樹脂材料、もしくはセラミック材料などから形成することが好ましい。超音波反射手段２３ａ、２３ｂのそれぞれは、管状体の材料と同じ材料から形成することもできる。管状体２１を形成する材料の代表例としては、ステンレススチール、フッ素樹脂、アクリル樹脂、および塩化ビニル樹脂が挙げられる。
【００２８】
超音波送受信器２２ａ、２２ｂのそれぞれは、管状体２１の壁体に垂直な方向に超音波を送受信するため、超音波は、超音波伝搬材と管状体２１との界面、そして管状体２１と測定対象の流体との界面のいずれにおいても屈折しない。従って、音波が伝わる媒体（超音波伝搬材、管状体あるいは流体）の温度が変動したり、測定対象の流体の種類が変更されることにより音波の速度が変動した場合であっても、上記の界面のそれぞれにおける超音波の屈折角は、常に零度となる。すなわち、図３の破線２９ａ、２９ｂ、２９ｃで示した超音波の伝搬経路は、超音波流量計の第一の超音波送受信器２２ａ、第二の超音波送受信器２２ｂ、第一の超音波反射手段２３ａ、および第二の超音波反射手段２３ｂの、管状体２１に対する幾何的な配置により一義的に定まる。このため、本発明の超音波流量計は、流量を測定するための超音波送受信器２２ａ、２２ｂの間の距離Ｌ4 の設定が容易である。そして管状体２１や測定対象の流体の温度が変動したり、あるいは測定対象の流体の種類を変更した場合であっても超音波の伝搬経路が変動しないため、管状体２１の内部を移動する流体の流量を安定に測定することができる。
【００２９】
図２及び図３に示すように、管状体２１の外側表面の各々の超音波送受信器との接触部分を含む管状体の壁体部分は、平板状とされていることが好ましい。これにより、上記の各々の界面において屈折する超音波の量をさらに低減することができる。
【００３０】
また、第一の超音波送受信器２２ａと第二の超音波送受信器２２ｂとの間の管状体２１の壁体部分の内側表面は、平らな面とされていることが好ましい。これにより、第一の超音波送受信器２２ａにて送信され、第一の超音波反射手段２３ａの斜面２４ａにて反射された超音波の大部分を、前記壁体部分の平らな面において反射して、第二の超音波反射手段２３ｂへと効率良く伝えることができる。
【００３１】
本発明の超音波流量計の各々の超音波反射手段は、それぞれ互いに平行な二以上の斜面を備えていることが好ましい。二以上の斜面を備える超音波反射手段の形状は、その各々の斜面において反射された超音波の互いの位相差が、測定対象の流体内における音波の波長の整数倍の値となるように設計することがさらに好ましい。
【００３２】
例えば、図２及び図３に示す超音波流量計の超音波反射手段２３ａは、それぞれ互いに平行な三つの斜面２４ａを備え、そして超音波反射手段２３ｂは、それぞれ互いに平行な三つの斜面２４ｂを備えている。
【００３３】
図４は、図３の超音波流量計の超音波反射手段２３ａの構成を示す拡大図である。図４に示すように、三つの斜面２４ａを備える超音波反射手段２３ａの形状は、その各々の斜面２４ａにおいて反射される超音波、例えば、超音波伝搬経路２９ｃと２９ｂとのそれぞれを伝わる超音波の互いの位相差、すなわち距離Ｌ5 が、測定対象の流体内における音波の波長の整数倍となるように設計されている。
【００３４】
測定対象の流体内における音波の波長は、流体内における音波の速度を、超音波送受信器により送信される超音波の周波数で除すことにより求めることができる。図２及び図３に示す超音波流量計において、直径が１０ｍｍ、そして厚みが２ｍｍの円盤状の圧電振動子を備えた超音波送受信器を用いて１ＭＨｚの超音波を送信し、そして測定対象の流体が水である場合、水中における超音波の波長は、水中における音波の速度（約１５００ｍ／秒）を、超音波の周波数（１ＭＨｚ）で除して、１．５ｍｍとなる。超音波反射手段の斜面の加工のし易さから、図４の超音波反射手段の距離Ｌ5 は、４．５ｍｍ（水中における音波の波長の３倍）とされている。
【００３５】
このように、超音波反射手段が、それぞれ互いに平行な二以上の斜面を備えることにより、超音波の伝達時間を測定する際のしきい値電圧の設定が容易となる。この理由については、本発明の超音波流量計を用いた流量の測定方法の説明とともに、後に記載する。
【００３６】
次に、本発明の流量測定方法（第一の方法）を、図３の第一の構成の超音波流量計を用いる場合を例として説明する。本発明の流量測定方法は、超音波流量計の管状体２１の内部にて、測定対象の流体を一方の方向に移動させる工程、第一の超音波送受信器２２ａにより超音波を送信し、この超音波が、第一の超音波反射手段２３ａの斜面２４ａ、第一の超音波送受信器２２ａと第二の超音波送受信器２２ｂとの間の管状体２１の壁体部分の内側表面、そして第二の超音波反射手段２３ｂの斜面２４ｂにおける反射を介して第二の超音波送受信器２２ｂに到達するまでの伝達時間（Ｔ1 ）を測定する工程、第二の超音波送受信器２２ｂにより超音波を送信し、この超音波が、第二の超音波反射手段２３ｂの斜面２４ｂ、第一の超音波送受信器２２ａと第二の超音波送受信器２２ｂとの間の管状体２１の壁体部分の内側表面、そして第一の超音波反射手段２３ａの斜面２４ａにおける反射を介して第一の超音波送受信器２２ａに到達するまでの伝達時間（Ｔ2 ）を測定する工程、および前記の伝達時間（Ｔ1 ）と伝達時間（Ｔ2 ）との差をもとに、管状体２１の内部にて移動させた流体の流量を算出する工程からなる。
【００３７】
図５は、図３に示す超音波流量計の管状体２１の内部にて流量測定対象の流体として水を移動させ、第一の超音波送受信器２２ａにより超音波を送信したのちに、第二の超音波送受信器２２ｂの圧電振動子２５ｂにて発生する電気信号の電圧波形の一例を示す図である。第一の超音波送受信器２２ａの圧電振動子２５ａには、パルス電圧（振幅：３０Ｖ、パルス幅：約５００ｎ秒）を印加した。
【００３８】
なお、超音波流量計の管状体２１としては、図２に示す内径Ｄ1 が２８ｍｍ、そして外径Ｄ2 が３４ｍｍのステンレススチール製の管状体を用いた。管状体２１の各々の超音波送受信器が付設される平板状の壁体部分の厚みＬ3 は３ｍｍであり、管状体の軸から平板状の壁体部分までの距離Ｌ2 は１２．５ｍｍである。図３に示す超音波流量計の一対の超音波送受信器の間の距離Ｌ4 は７９．１ｍｍとした。超音波伝搬材２６ａ、２６ｂのそれぞれは、直径が１０ｍｍ、そして厚みが０．７ｍｍであり、ガラスエポキシ材から形成されている。
【００３９】
そして超音波反射手段２３ａの形状は、図４に示すＬ5 が４．５ｍｍ、Ｗが５．１９ｍｍ、角度αが６０度、そして角度βが３０度に設計されている。超音波反射手段２３ａは、ステンレススチール製である。超音波反射手段２３ａは、管状体２１の壁体に形成された孔に填め合わされ、そして固定されている。超音波反射手段２３ｂの構成は、その斜面２４ｂが、第一の超音波送受信器２２ａの側に向いていること以外は超音波反射手段２３ａと同様である。
【００４０】
図５の電圧波形において、その前半部分（Ｓｎ）は、超音波送受信器により送信された超音波が、管状体の壁体内を伝わって、第二の超音波送受信器にて受信されることにより生じるノイズであり、そして後半部分（Ｓ）は、第一の超音波送受信器にて送信された超音波が、第一の超音波反射手段の斜面、第一の超音波送受信器と第二の超音波送受信器との間の管状体の壁体部分の内側表面、そして第二の超音波反射手段の斜面における反射を介して伝わって、第二の超音波送受信器にて受信されることにより生じ、流量の測定に用いられる。
【００４１】
伝達時間（Ｔ1 ）は、例えば、第一の超音波送受信器により超音波が送信されてから、上記の電圧波形（Ｓ）の電圧値が所定のしきい値電圧（図５に、一例として示すＶT ）を超えたのちに零となるまでの時間を測定することにより得られる。このような伝達時間の測定方法は、零クロス法と呼ばれ、従来より知られている方法である。上記のように、超音波流量計の各々の超音波反射手段が、それぞれ互いに平行な二以上の斜面を備えることにより、流量の測定に用いる電圧波形のピーク電圧の差（図５に、一例として示すΔＶ）の値を大きくすることができる。これは、超音波反射手段の各々の斜面により反射された超音波が互いに干渉するため、電圧波形（Ｓ）はそのピークが強調された波形となるためと理解される。ピーク電圧の差（ΔＶ）が大きいと、前記のしきい値電圧（ＶT ）の設定が容易となる。
【００４２】
図６は、本発明の第一の構成の超音波流量計の別の一例を示す断面図である。図６の超音波流量計の構成は、その超音波反射手段６３ａ、６３ｂのそれぞれが、管状体６１の壁体に埋め込まれるように配置された斜面６４ａ、６４ｂを備えていること以外は、図２及び図３に示す超音波流量計と同様である。図６に記入した破線６９ａ、６９ｂ、６９ｃのそれぞれは、第一の超音波送受信器２２ａから第二の超音波送受信器２２ｂへと伝わる超音波の伝搬経路の例を示している。図６の超音波流量計は、各々の超音波反射手段が、管状体６１の壁体の内周面よりも内側に突出した部分を有しないため、管状体の内部を移動する流体の流れを乱さないという利点を有している。
【００４３】
図７は、本発明の第二の構成の超音波流量計の一例を示す断面図である。図７の超音波流量計は、内部にて流体を移動させる管状体７１、管状体７１の外側表面の管状体７１の長さ方向に伸びる直線上に付設され、管状体７１の壁体に垂直な方向に超音波を送受信する第一の超音波送受信器２２ａ、前記直線と管状体７１の軸を中心として対称の位置にある管状体７１の外側表面の直線上に、第一の超音波送受信器２２ａから管状体７１の長さ方向に沿って間隔をあけて付設され、管状体７１の壁体に垂直な方向に超音波を送受信する第二の超音波送受信器２２ｂ、第一の超音波送受信器２２ａが付設された管状体７１の壁体部分と管状体７１の軸を中心として対称位置にある壁体部分の内側表面に備えられた第一の超音波反射手段７３ａ、そして第二の超音波送受信器２２ｂが付設された管状体７１の壁体部分と管状体７１の軸を中心として対称位置にある壁体部分の内側表面に備えられた第二の超音波反射手段７３ｂから構成されている。
【００４４】
第一の超音波反射手段７３ａは、管状体７１の長さ方向に垂直で、かつ第一の超音波送受信器２２ａの底面と平行な軸（すなわち、図７の紙面に垂直な軸）を含み、第二の超音波反射手段７３ｂの側に向いた斜面７４ａを備えている。第二の超音波反射手段７３ｂは、管状体７１の長さ方向に垂直で、かつ第二の超音波送受信器２２ｂの底面と平行な軸（すなわち、図７の紙面に垂直な軸）を含み、第一の超音波反射手段７３ａの側に向いた斜面７４ｂを備えている。
【００４５】
第一の超音波送受信器２２ａ、第二の超音波送受信器２２ｂ、第一の超音波反射手段７３ａ、および第二の超音波反射手段７３ｂは、第一の超音波送受信器２２ａにより送信された超音波を、第一の超音波反射手段７３ａの斜面７４ａ、そして第二の超音波反射手段７３ｂの斜面７４ｂにおける反射を介して第二の超音波送受信器２２ｂに伝え、かつ第二の超音波送受信器２２ｂにより送信された超音波を、第二の超音波反射手段７３ｂの斜面７４ｂ、そして第一の超音波反射手段７３ａの斜面７４ａにおける反射を介して第一の超音波送受信器２２ａに伝えるように配置されている。図７に記入した破線７９ａ、７９ｂ、７９ｃのそれぞれは、第一の超音波送受信器２２ａから第二の超音波送受信器２２ｂへと伝わる超音波の伝搬経路の例を示している。
【００４６】
図７の超音波流量計においては、第一の超音波送受信器２２ａにより送信された超音波は、第二の超音波送受信器２２ｂにより受信されるまでに、第一の超音波反射手段７３ａの斜面７４ａ、そして第二の超音波反射手段７３ｂの斜面７４ｂにおいて、合計二回反射される。図２及び図３に示す超音波流量計においては、第一の超音波送受信器２２ａにより送信された超音波は、第二の超音波送受信器２２ｂにより受信されるまでに、第一の超音波反射手段２３ａの斜面２４ａ、第一の超音波送受信器２２ａと第二の超音波送受信器２２ｂとの間の管状体の壁体部分の内側表面、そして第二の超音波反射手段２３ｂの斜面２４ｂにおいて、合計三回反射される。通常、超音波が管状体の壁体部分の内側表面において反射する際には、超音波が僅かに管状体に吸収される。図７の超音波流量計は、超音波を管状体の内側表面において反射させる必要がなく、このような超音波の吸収を生じないため、第二の超音波送受信器において大きな電気信号が得られるという利点を有している。
【００４７】
次に、本発明の流量測定方法（第二の方法）を、図７の第二の構成の超音波流量計を用いる場合を例として説明する。本発明の流量測定方法は、超音波流量計の管状体７１の内部にて、測定対象の流体を一方の方向に移動させる工程、第一の超音波送受信器２２ａにより超音波を送信し、この超音波が、第一の超音波反射手段７３ａの斜面７４ａ、そして第二の超音波反射手段７３ｂの斜面７４ｂにおける反射を介して第二の超音波送受信器２２ｂに到達するまでの伝達時間（Ｔ1 ）を測定する工程、第二の超音波送受信器２２ｂにより超音波を送信し、この超音波が、第二の超音波反射手段７３ｂの斜面７４ｂ、そして第一の超音波反射手段７３ａの斜面７４ａにおける反射を介して第一の超音波送受信器２２ａに到達するまでの伝達時間（Ｔ2 ）を測定する工程、および前記の伝達時間（Ｔ1 ）と伝達時間（Ｔ2 ）との差をもとに、管状体７１の内部にて移動させた流体の流量を算出する工程からなる。
【００４８】
図７の第二の構成の超音波流量計を用いる場合にも、超音波送受信器２２ａ、２２ｂのそれぞれは、管状体７１の壁体に垂直な方向に超音波を送受信するため、流量を測定するための超音波送受信器２２ａ、２２ｂの間の距離Ｌ6 の設定が容易である。そして管状体７１や測定対象の流体の温度が変動したり、あるいは測定対象の流体の種類を変更した場合であっても超音波の伝搬経路が変動しないため、管状体７１の内部を移動する流体の流量を安定に測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の超音波流量計は、金属製、樹脂製、あるいはセラミック製の管状体の内部を移動する流体（液体、気体など）の流量を測定するために好ましく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】従来のクランプオン型超音波流量計の一例の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第一の構成の超音波流量計の一例を示す正面図である。
【図３】図２に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した超音波流量計の断面図である。
【図４】図３の超音波流量計の超音波反射手段２３ａの構成を示す拡大図である。
【図５】図３の超音波流量計の管状体の内部にて水を移動させ、第一の超音波送受信器により超音波を送信したのちに、第二の超音波送受信器の圧電振動子にて発生する電気信号の電圧波形の一例を示す図である。
【図６】本発明の第一の構成の超音波流量計の別の一例を示す断面図である。
【図７】本発明の第二の構成の超音波流量計の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１１  管状体
１２ａ、１２ｂ  超音波送受信器
１５ａ、１５ｂ  圧電振動子
１６ａ、１６ｂ  超音波伝搬材
１７  流体の移動方向を示す矢印
１８ａ、１８ｂ  超音波の伝わる方向を示す矢印
１９  超音波の伝搬経路の一例を示す破線
１９’  超音波の伝搬経路の別の一例を示す一点鎖線
θ1   超音波伝搬材と管状体との界面における超音波の屈折角
θ2   管状体と測定対象の流体との界面における超音波の屈折角
Ｌ1 、Ｌ4 、Ｌ5   一対の超音波送受信器間の距離
２１  管状体
２２ａ  第一の超音波送受信器
２２ｂ  第二の超音波送受信器
２３ａ  第一の超音波反射手段
２３ｂ  第二の超音波反射手段
２４ａ、２４ｂ  斜面
２５ａ、２５ｂ  圧電振動子
２６ａ、２６ｂ  音響整合材
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ  超音波伝搬経路の例を示す破線
６１  管状体
６３ａ  第一の超音波反射手段
６３ｂ  第二の超音波反射手段
６４ａ、６４ｂ  斜面
６９ａ、６９ｂ、６９ｃ  超音波伝搬経路の例を示す破線
７１  管状体
７３ａ  第一の超音波反射手段
７３ｂ  第二の超音波反射手段
７４ａ、７４ｂ  斜面
７９ａ、７９ｂ、７９ｃ  超音波伝搬経路の例を示す破線
【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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