(57)【要約】    【目的】  超音波送信手段から発せられる超音波に対して横波を原因とする測定誤差を低減し、より正確な流量を計測する。    【構成】  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(10)内の被測定流体(11)中へ入射させる超音波送信手段(20)と、被測定流体(11)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、被測定流体の流速分布に基づいて、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る。被測定流体(11)に係る流体配管(10)の外壁面に対して超音波送信手段(20)を固定するためのくさび(30)を設け、そのくさび(30)における超音波送信手段(20)から流体配管(10)の外壁面に至る部位の材質は、流体配管(10)の音響インピーダンスが同等となる材質とした。【選択図】    図１
2005195372.tif 000002
【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、
被測定流体に係る流体配管の外壁面に対して前記超音波送信手段を固定するためのくさびを設け、
そのくさびにおける前記超音波送信手段から流体配管の外壁面に至る部位の材質は、流体配管の音響インピーダンスが同等となる材質としたことを特徴とする超音波流量計。
【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に用いるくさびであって、
被測定流体に係る流体配管に対して前記超音波送信手段を固定するための固定部と、
その固定部に固定された超音波送信手段から流体配管の外壁面に至る超音波伝達部とを備え、
その超音波伝達部の材質は、流体配管の音響インピーダンスが同等となる材質としたことを特徴とする超音波流量計用のくさび。
【請求項３】
くさびにおける前記超音波送信手段から流体配管の外壁面に至る距離を、当該くさび内を超音波が透過する速度に超音波の振動子が有する不感帯の時間を掛けて算出される距離よりも大きくなるように形成した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４】
くさびにおける超音波伝達部における超音波送信手段から流体配管の外壁面に至る距離を、当該くさび内を超音波が透過する速度に超音波の振動子が有する不感帯の時間を掛けて算出される距離よりも大きくなるように形成したことを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計用のくさび。
【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およびそれに関連する技術に関する。
【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）
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−９７７４２号
【０００４】
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トランスジューサから測定線に沿って流体（たとえば水）の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ものである。
【０００５】
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。
【０００６】
ドップラ式超音波流量計に限らないが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。配管に対して「後付け」が可能であ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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
さて、上述した「クランプオン形」の超音波流量計につき、更なる測定精度の向上を目指していたところ、以下のような問題点が浮上した。
図３を用いて説明する。超音波送信手段（トランスジューサ２０）が送信する超音波は、被測定流体１１中の気泡などに反射した反射波（図中では「縦波Ａ」）を用いたいのであるが、くさび３０と流体配管１０との材質（音響インピーダンス）が異なると、両者の界面において超音波は縦波と横波（図中では「横波Ｂ」）とに分かれる。この横波Ｂの存在が、測定誤差の原因のひとつとなっている。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、超音波送信手段から発せられる超音波に対して横波を原因とする測定誤差を低減し、より正確な流量を計測する技術を提供することである。
請求項１に記載の発明の目的は、超音波送信手段から発せられる超音波に対して横波を原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する超音波流量計を提供することにある。
請求項２に記載の発明の目的は、超音波送信手段から発せられる超音波に対して横波を原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する超音波流量計用のくさびを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（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(10)内の被測定流体(11)中へ入射させる超音波送信手段(20)と、  被測定流体(11)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。
そして、被測定流体(11)に係る流体配管(10)の外壁面に対して前記超音波送信手段(20)を固定するためのくさび(30)を設け、  そのくさび(30)における前記超音波送信手段(20)から流体配管(10)の外壁面に至る部位の材質は、流体配管(10)の音響インピーダンスが同等となる材質としたことを特徴とする。
【００１０】
（用語説明）
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。
【００１１】
「流量演算手段」は、流量をｍ（ｔ）とするとき、 
【数１】
2005195372.tif 000003
の演算を行う手段である。
【００１２】
また、上記の式（１）から、流体配管を流れる時間ｔの流量ｍ（ｔ）は、次式に書き換えることができる。
【数２】
2005195372.tif 000004
【００１３】
なお、配管内を流れる被測定流体の流れが、管軸方向の流れで半径方向や角度θの流れｖｒ，ｖθを無視できるとすると、ｖｘ＞＞ｖｒ＝ｖθとなり、流量計測は簡素化され、次式で表わされる。
【数３】
2005195372.tif 000005
ここで、αとは、超音波トランスジューサから発振される超音波の入射角度、すなわち管壁への垂線に対してなす角度である。
【００１４】
超音波トランスジューサ(20)から発振される超音波の入射角度αは、配管の材質、配管の内径および外径または肉厚、被測定流体の種類などの可変条件が特定されることによって決定される。
【００１５】
「流体配管(10)の音響インピーダンスが同等となる材質」とは、例えば、流体配管(10)がステンレス鋼であれば、そのくさび(30)における前記超音波送信手段(20)から流体配管(10)の外壁面に至る部位もステンレス鋼を採用すること、あるいはエポキシ樹脂とタングステンの粉末とを混合したものである。なお、くさび(30)全体を同一の材質とすることは、当然可能である。前例で言えば、流体配管(10)がステンレス鋼の場合には、くさび(30)そのものをステンレス鋼としても良い。
【００１６】
「音響インピーダンスが同等」とは、例えばプラスマイナス約１０％程度、より好ましくはプラスマイナス約５％程度である。
ステンレス鋼やアルミ合金で構成されることが多い流体配管と音響インピーダンスが同等となる材質は、同材質の他、上記したようにエポキシ樹脂とタングステンの粉末とを混合したもののほか、タングステンの代わりにモリブデンやクロム、鉛などを採用することも可能な場合もある。
【００１７】
（作用）
まず、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサ(20)から測定線に沿って流体配管(10)内の被測定流体(11)に向かって入射させる。すると、超音波は、超音波トランスジューサ(20)からくさび(30)を介して流体配管(10)の外壁面に至る。くさび(30)と流体配管(10)の界面において、両者の材質が異なるなどによって音響インピーダンスが異なる場合には横波が発生するが、本発明においてはそのくさび(30)における前記超音波送信手段(20)から流体配管(10)の外壁面に至る部位の材質は、流体配管(10)の音響インピーダンスが同等となる材質としているので横波の発生を抑制できる。
したがって、被測定流体(11)に入射された超音波は縦波のみであり、横波を原因とする測定誤差の発生を抑制することができる。流体速度分布測定手段(超音波トランスジューサ20)は、縦波による超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体(11)の流速分布を測定する。そして前記被測定流体(11)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(11)の流量を流量演算手段が演算する。
【００１８】
（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(10)内の被測定流体(11)中へ入射させる超音波送信手段(20)と、  被測定流体(11)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くさび(30)に係る。
そのくさび(30)は、被測定流体(11)に係る流体配管(10)に対して前記超音波送信手段(20)を固定するための固定部(31)と、  その固定部(31)に固定された超音波送信手段(20)から流体配管(10)の外壁面に至る超音波伝達部(32)とを備え、  その超音波伝達部(32)の材質は、流体配管(10)の音響インピーダンスが同等となる材質としたことを特徴とする。
【００１９】
少なくとも、超音波伝達部(32)の材質が流体配管(10)の音響インピーダンスが同等となる材質であればよく、固定部(31)を含めたくさび(30)全体の材質が流体配管(10)の音響インピーダンスが同等となる材質であってもよい。
【００２０】
（作用）
以上のような構成により、くさび(30)と流体配管(10)の界面において、超音波トランスジューサ(20)が発振する超音波に横波が発生することを抑制できる。そのため、被測定流体(11)に入射された超音波は縦波のみであり、横波を原因とする測定誤差の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１に記載の発明によれば、超音波送信手段から発せられる超音波に対して横波を原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する超音波流量計を提供することができた。
請求項２に記載の発明によれば、超音波送信手段から発せられる超音波に対して横波を原因とする測定誤差を低減して、より正確な流量を計測する超音波流量計用のくさび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】
【００２２】
以下、本発明を実施の形態及び図面に基づいて、更に詳しく説明する。ここで使用する図面は、図１および図２である。
（図１）
図１は、被測定流体１１が流れる流体配管１０の流量を計測するための超音波流量計において、被測定流体１１に入射された超音波パルスの測定領域から反射された超音波エコーを受信する受信機を兼ねた超音波送受信手段（トランスジューサ２０）を備える。そのトランスジューサ２０は、樹脂製のくさび３０にて配管１０の所定箇所に固定されている。くさび３０の材質については、後述する。
【００２３】
トランスジューサ２０は、被測定流体１１に対して測定線に沿って所要周波数（基本周波数）の超音波パルスを送信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を兼ねている。そして、図示は省略するが、その流速分布に基づいて被測定流体の流量を時間依存で求める流量演算手段としてのマイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ等のコンピュータと、このコンピュータからの出力を時系列的に表示可能な表示装置とに接続されている。
【００２４】
また、トランスジューサ２０には、トランスジューサ２０を加振させる信号発生器としての加振用アンプを備えており、加振用アンプから所要の基本周波数のパルス電気信号が超音波トランスジューサへ入力されるようになっている。そして、パルス電気信号の印加により基本周波数の超音波パルスが測定線に沿って発振せしめられる。超音波パルスは、パルス幅５mm程度で拡がりをほとんど持たない直進性のビームである。
【００２５】
トランスジューサ２０は、発振された超音波パルスが流体１１中の反射体（気泡）１２に当って反射される超音波エコーを受信するようになっている。この受信して測定すべきは、発振された超音波パルスのうちの縦波である。なお、反射体１２は、被測定流体１１とは音響インピーダンスが異なる異物でなければならない。
【００２６】
くさび３０は、被測定流体１１が流れる流体配管１０と同じ材質、すなわちステンレス鋼にて形成されている。このため、そのくさび３０と流体配管１０の外壁面との界面でも超音波の屈折がなく、横波の発生も抑制できる。したがって、被測定流体１１に入射された超音波は縦波のみであり、横波を原因とする測定誤差の発生を抑制することができる。
トランスジューサ２０にて受信された縦波による超音波エコーは、トランスジューサ２０が兼ねた反射波レシーバーにて受信され、その反射波レシーバーにてエコー電気信号へ変換される。このエコー電気信号は、増幅器で増幅された後、ＡＤ変換器を通ってデジタル化される。そして、デジタル化されたデジタルエコー信号が流速分布計測回路を備えた流速計算装置に入力される。
【００２７】
流速計算装置には、発振用アンプからの基本周波数の電気信号がデジタル化されて入力され、両信号の周波数差からドップラシフトに基づく流速の変化もしくは両信号の相互相関値を用いて流速を計測し、測定線に沿う測定領域の流速分布を算出している。測定領域の流速分布を超音波の入射角度αで較正することによって、流体配管の横断面における流速分布を計測することができる。
【００２８】
さて、流体配管１０の寸法（外径、肉厚、内径のいずれか２つ以上）、流体配管１０の材質、流体１１の種類などが予め把握できている場合には、前述した超音波の入射角度αが特定できる。その特定された超音波の入射角度αに基づいて、トランスジューサ２０のくさび３０に対する取り付け角度が特定され、その取り付け角度が得られるようにくさび３０を形成することとなる。
【００２９】
（図２）
図２に示す実施形態は、くさび３０について要求される二つの機能に基づいて、それぞれの部位の材質を異ならせたものである。二つの機能とは、被測定流体１１に係る流体配管１０に対してトランスジューサ２０を固定するための機能と、トランスジューサ２０から発振された超音波を流体配管１０の外壁面に到達させる機能である。前者の機能を達成する部位を固定部３１、後者の機能を達成する部位を超音波伝達部３２とする。そして、その超音波伝達部３２の材質は、流体配管１０の音響インピーダンスが同等となる材質とし、固定部３１の材質は加工が行いやすい樹脂などの材質を採用する。
具体的には、超音波伝達部３２の材質は流体配管１０と同材質、例えばステンレス鋼であり、固定部３１の材質は例えばエポキシ樹脂である。
【００３０】
超音波伝達部３２の材質が流体配管１０の音響インピーダンスが同等となる材質であれば、そのくさび３０と流体配管１０の外壁面との界面でも横波の発生を抑制できる。したがって、被測定流体１１に入射された超音波は縦波のみであり、横波を原因とする測定誤差の発生を抑制することができる。
一方、流体配管１０の寸法（外径、肉厚、内径のいずれか２つ以上）、流体１１の種類などを把握することによって特定される超音波の入射角度αが得られるように固定部３１を加工することは、固定部３１までがステンレス鋼である場合（例えば図１の場合）に比べて容易であるという利点がある。
【００３１】
くさび３０において、固定部３１と超音波伝達部３２とを備え、固定部３１が図２に示すような超音波伝達部３２を保持するような形状で提供することにより、超音波伝達部３２の材質に、液体やゲル状物質を採用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
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。
また、超音波流量計の製造業のほか、超音波流量計取り付け業、メンテナンス業においても用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第一の実施形態を示す概念図である。
【図２】第二の実施形態を示す概念図である。
【図３】従来の技術の問題点を示すための概念図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０    流体配管            １１  被測定流体
１２    流体中の気泡
２０    超音波送受信手段（トランスジューサ）
３０    くさび              ３１  固定部
３２    超音波伝達部
【図１】
2005195372.tif 000006
【図２】
2005195372.tif 000007
【図３】
2005195372.tif 000008