(57)【要約】  【課題】配管内を伝搬する縦波と横波の２本の測定線による超音波エコーのうち、縦波に基づく超音波エコーを除いてより正確に流速分布や流量を測定可能とする。  【解決手段】配管外部の超音波トランスデューサから配管内部の流体へ超音波を入射し、流体中の反射体により反射した超音波周波数がドップラー効果により変化するのを利用して流速分布を計測するクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計である。楔５２を、配管５３と音響インピーダンスが近い材料で構成し、被測定流体５４から配管５３に入射する超音波エコーの入射角が、被測定流体５４の音速と配管５３の縦波の音速とから決定される縦波の臨界角以上であり、かつ、被測定流体５４の音速と配管５３の横波の音速とから決定される横波の臨界角以下となるように超音波振動子５１を傾斜させて楔５２に固定する。【選択図】図１
2005241494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管体の外側に設置した超音波トランスデューサから管体内部の被測定流体へ超音波を入射し、被測定流体中に存在する反射体により反射した超音波の周波数がドップラー効果により変化することを利用して被測定流体の流速分布を計測するクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計であって、超音波を発生する超音波トランスデューサの音波発生源と前記管体との間に音波伝搬性の楔を介在させてなるクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
前記楔を、前記管体と音響インピーダンスが近い材料により構成すると共に、
被測定流体から前記管体に入射する超音波エコーの入射角が、
被測定流体における音速と前記管体における縦波の音速とから決定される縦波の臨界角以上であり、かつ、被測定流体における音速と前記管体における横波の音速とから決定される横波の臨界角以下となるように、前記音波発生源を傾斜させて前記楔に固定することを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。
【請求項２】
管体の外側に設置した超音波トランスデューサから管体内部の被測定流体へ超音波を入射し、被測定流体中に存在する反射体により反射した超音波の周波数がドップラー効果により変化することを利用して被測定流体の流速分布を計測するクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計であって、超音波を発生する超音波トランスデューサの音波発生源と前記管体との間に音波伝搬性の楔を介在させてなるクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
前記楔を、前記管体と音響インピーダンスが近い材料により構成すると共に、
被測定流体から前記管体に入射する超音波エコーの入射角が、
被測定流体における音速と前記管体における縦波の音速とから決定される縦波の臨界角以下となるように、前記音波発生源を傾斜させて前記楔に固定し、かつ、
前記音波発生源を、前記管体及び楔の内部を伝搬した超音波エコーの横波のみを受信可能な位置に配置したことを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。
【請求項３】
請求項１または２に記載したクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
前記楔が、ポリ塩化ビニル、アクリル、ＦＲＰ、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、タールエポキシ、モルタル等の音波伝搬性の樹脂からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載したクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
前記管体が、ポリ塩化ビニル、アクリル、ＦＲＰ、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、タールエポキシ、モルタル等の音波伝搬性の樹脂からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載したクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
前記楔及び管体が、同一種類の音波伝搬性の樹脂からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。
【請求項６】
請求項１または２に記載したクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
前記楔が、鉄、鋼、タグタイル鋳鉄、鋳鉄、ステンレス、銅、鉛、アルミニウム、黄銅等の音波伝搬性の金属からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。
【請求項７】
請求項１，２または６に記載したクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
前記管体が、鉄、鋼、タグタイル鋳鉄、鋳鉄、ステンレス、銅、鉛、アルミニウム、黄銅等の音波伝搬性の金属からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。
【請求項８】
請求項１，２，６または７に記載したクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
前記楔及び管体が、同一種類の音波伝搬性の金属からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管体の外側に設置した超音波トランスデューサから管体内部の被測定流体へ超音波を入射し、ドップラー効果を利用して被測定流体の流速分布を非接触で計測するようにしたクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
クランプオン型超音波流量計は、超音波トランスデューサを配管等の管体の外周面の一部に装着し、管体の内部を移動する被測定流体の流量を管体の外側から測定する流量計である。このクランプオン型超音波流量計は、主に、伝搬時間差式とドップラー式とに分類することができる。
【０００３】
伝搬時間差式は、管体の内部を移動する被測定流体を斜めに横切るような経路で超音波を往復させ、超音波が往路と復路のそれぞれを伝搬するのに要する時間の差から、被測定流体の流量を測定する方法である。
一方、ドップラー式は、被測定流体中に含まれる浮遊粒子や気泡が流体と同じ速度で移動すると仮定して、浮遊粒子等の移動速度から被測定流体の流量を測定する方法である。すなわち、被測定流体中に超音波を送信すると、浮遊粒子等により反射した超音波の周波数がドップラー効果により浮遊粒子等の移動速度に応じて変化することから、反射超音波の周波数を検出して浮遊粒子等の移動速度、すなわち被測定流体の速度を検出し、流速分布や流量を測定するものである。
【０００４】
このようなドップラー式超音波流量計の従来技術として、例えば後述の特許文献１に記載された「ドップラー式超音波流量計」がある。図３は、この流量計の概略的な構成を示している。
【０００５】
図３に示すドップラー式超音波流量計は、配管２１の内部を流れる被測定流体２２の流速を非接触で測定する超音波速度分布計測ユニット（以下、ＵＶＰユニットという）１０を備えている。このＵＶＰユニット１０は被測定流体２２に対し測定線ＭＬに沿って所要周波数（基本周波数Ｆ０）の超音波パルスを送信する超音波送信手段１１と、被測定流体２２に入射した超音波パルスの測定領域から反射した超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体２２の流速分布を測定する流速分布計測回路１２と、被測定流体２２の流速分布に基づき演算処理して配管２１の半径方向の積分を行うことにより、被測定流体２２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３１と、このコンピュータ３１からの出力を時系列的に表示する表示装置３２とを備えている。
【０００６】
超音波送信手段１１は、例えば１［ＭＨｚ］，２［ＭＨｚ］，４［ＭＨｚ］等の基本周波数Ｆ０の電気信号を発生する発振器１３と、この発振器１３からの電気信号を所定周期（１／Ｆｒｐｆ）毎に周波数Ｆｒｐｆのパルスとして出力するエミッタ１４とからなる信号発生器１５を備え、この信号発生器１５から前記基本周波数Ｆ０のパルス電気信号が超音波トランスデューサ１６に入力される。
超音波トランスデューサ１６からは、基本周波数Ｆ０の超音波パルスが測定線ＭＬに沿って配管２１内部の被測定流体２２に発信される。この超音波パルスは、例えばパルス幅５［ｍｍ］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。
【０００７】
超音波トランスデューサ１６は送受信器を兼ねており、発信された超音波パルスが被測定流体２２中の反射体に当たって反射される超音波エコーを受信可能に構成されている。上記反射体は、被測定流体２２中に一様に含まれる気泡や浮遊粒子、言い換えれば、被測定流体２２とは音響インピーダンスが異なる異物である。
【０００８】
超音波トランスデューサ１６により受信された超音波エコーは、このトランスデューサ１６でエコー電気信号に変換される。このエコー電気信号はＵＶＰユニット１０内の増幅器１７により増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１８を通ってディジタル化され、このディジタルエコー信号が流速分布計測回路１２に入力される。
【０００９】
流速分布計測回路１２には、発振器１３からの基本周波数Ｆ０の電気信号がＡ／Ｄ変換器１８によりディジタル化されて入力されており、両信号の周波数差からドップラーシフトに基づく流速の変化を測定し、測定線ＭＬに沿う測定領域の被測定流体２２の流速分布を算出している。この測定領域の流速分布を超音波トランスデューサ１６の傾斜角α（配管２１の長手方向に直交する方向に対する傾斜角）で補正することにより、配管２１の横断面における流体２２の流速分布を測定することができる。
【００１０】
次に、図４を参照して、ドップラー式超音波流量計の動作原理について更に詳述する。
図４（Ａ）に示すように、超音波トランスデューサ１６を前記角度αだけ被測定流体２２の流れ方向に傾けて設置した状態で、超音波トランスデューサ１６から基本周波数Ｆ０の超音波パルスを配管内に入射すると、この超音波パルスは測定線ＭＬ上の被測定流体２２に一様に分布する浮遊粒子等の反射体に当たって反射し、図４（Ｂ）に示すように超音波エコーａとなって超音波トランスデューサ１６に受信される。
【００１１】
なお、図４（Ｂ）において、符号ｂは超音波パルス入射側の配管２１の管壁で反射する多重反射エコーであり、符号ｃは反対側の配管２１の管壁で反射する多重反射エコーである。超音波トランスデューサ１６から発信される超音波パルスの発信周期は、図示する如く（１／Ｆｒｐｆ）である。
【００１２】
超音波トランスデューサ１６により受信したエコー信号ａをフィルタリング処理し、ドップラーシフト法を利用して測定線ＭＬに沿って流速分布を計測すると、図４（Ｃ）のように表示される。この流速分布は、ＵＶＰユニット１０の流速分布計測回路１２によって測定され、コンピュータ３１を介して表示装置３２により表示されるものである。
【００１３】
上述したように、ドップラーシフト法は、配管２１内部を流れる被測定流体２２中に超音波パルスを放射すると、この超音波パルスは流体２２中に混在または一様に分布する反射体により反射して超音波エコーとなり、この超音波エコーの周波数が流速に比例した大きさだけ周波数シフトする原理を応用したものである。
また、流速分布計測回路１２により測定された被測定流体２２の流速分布信号はコンピュータ３１に送られ、流速分布信号を配管２１の半径方向に積分することにより被測定流体２２の流量を時間依存で求めることができる。この流体２２の時間ｔにおける流量ｍ（ｔ）は、数式１によって表すことができる。
【００１４】
【数１】
2005241494.tif 000003
【００１５】
上記流量ｍ（ｔ）は、数式２のように書き換えることができる。
【００１６】
【数２】
2005241494.tif 000004
【００１７】
上述した従来のドップラー式超音波流量計において、被測定流体２２の流量を定常状態、非定常状態の如何を問わず高精度で計測するためには、配管２１内部の被測定流体２２の流速分布を精度よく検出する必要がある。
前述の計測原理からわかるように、被測定流体２２の流速分布は、被測定流体２２中の反射体による超音波エコーを信号処理して演算することにより得られるため、この超音波エコーに目的とする音響信号のみが含まれるようにする必要があり、音響的及び電気的ノイズを排除する必要がある。
この超音波エコーに影響する音響的なノイズとして、音響インピーダンスが異なる媒質間の反射や散乱等から発生するものがあるが、これ以外にも配管材料等の固体中で発生する縦波と横波がある。
【００１８】
一般的に金属等の固体中では、疎密波と呼ばれる波動の伝搬方向と同一方向に変位を有する縦波と、せん断波と呼ばれる波動の伝搬方向と直交する方向に変位を有する横波との２種類の音波が存在する。
ここで、参考文献１として、「電気音響工学概論」（（株）昭晃堂出版（ｐ２４７〜２５１）に記載されているように、流体から固体へ斜めに音波が入射する場合、固体中には、縦波の他に横波が発生する。また、固体から固体へと音波が伝搬する場合は、透過及び反射の両方に縦波と横波とが発生することが一般的に知られている。
【００１９】
以下に、固体中における縦波と横波による超音波エコーの影響について説明する。
図５に示すように、媒質１から媒質２に音波が伝搬する場合、媒質１、媒質２における音波の伝搬角度θｉｎ（両媒質の境界面における入射角）、θｏｕｔ（同じく屈折角または出射角）の関係は数式３のようになる。
【００２０】
【数３】
2005241494.tif 000005
【００２１】
更に、媒質１から媒質２へ音波が入射するときに、媒質２における音速ｃ２が媒質１における音速ｃ１よりも大きい場合（ｃ１＜ｃ２）には、音波が両媒質の境界面で全反射を起こす臨界角がある。この臨界角θｃは、数式４で示される。
【００２２】
【数４】
2005241494.tif 000006
【００２３】
ここで、図３に示した従来技術のドップラー式超音波流速分布計における超音波トランスデューサ１６の傾斜角度（配管２１への超音波の入射角）について、以下の参考文献２，３に基づいて説明する。
参考文献２：「超音波流速分布計測（ＵＶＰ）を用いた流量計測手法の開発（６）NIST（米国）キャリブレーション流量計測用ループによる測定−試験結果と精度検証」（原子力学会  ９９年秋季大会  Ｈ１３）
参考文献３：「Development of a novel flow metering system using ultrasonic velocity profile measurement」
【００２４】
参考文献２は、ドップラー式超音波流速分布計をステンレス製配管の外壁に設置して測定した、いわゆるクランプオン式での例であり、超音波トランスデューサの傾斜角度は１０度または５度である。
また、参考文献３では、１［ＭＨｚ］の周波数で駆動される超音波トランスデューサは配管に対して５度の傾斜角度で設置し、４［ＭＨｚ］の周波数で駆動される超音波トランスデューサについては、配管に対して０〜２０度の傾斜角度で設置されるが、超音波トランスデューサと配管との間に厚み２［ｍｍ］のアクリルを楔として挟んでいることが記述されている。
【００２５】
参考文献３に記載された測定条件に相当する構成を図示すると、図６のようになる。
図６において、アクリルを材料とする楔４２に、超音波トランスデューサ４１が固定される。ただし、この超音波トランスデューサ４１は、配管４３の長手方向に直交する方向に対して、角度θｉｎだけ傾斜して設置される。すなわち、楔４２から配管４３への超音波の入射角はθｉｎである。
【００２６】
参考文献２，３によれば、図６に示す被測定流体４４は水であり、配管４３はステンレス製である。また、水中の音速は約１５００［ｍ／ｓ］であり、ステンレス内の縦波の音速は約５７５０［ｍ／ｓ］、横波の音速は約３２０６［ｍ／ｓ］である。更に、アクリル製の楔４２における縦波の音速は２７３０［ｍ／ｓ］である。
【００２７】
縦波と横波との臨界角θｃを前述した数式４から計算すると、楔４２と配管４３との境界面における縦波の臨界角は２８．３度であり、横波の臨界角は５８．４度である。
例えば、傾斜角度（入射角）θｉｎが２０度である超音波トランスデューサ４１から音波を出射すると、何れも固体である楔４２と配管４３との境界面で縦波と横波が発生するが、上記境界面における入射角θｉｎが縦波及び横波の両方の臨界角以下であるため、配管４３中には縦波と横波の両方の音波が伝搬する。
【００２８】
更に、配管４３中を伝搬する縦波、横波の成分は、それぞれ屈折して水中に入射するため、測定線ＭＬが２本発生することになる。
なお、図６に示す配管４３内において、縦波の屈折角（出射角）θｐｌは４６．１度、横波の屈折角θｐｓは２３．７度である。
【００２９】
配管４３から水中へ音波が入射する際は、音波は縦波に変換され、水中における屈折角θｆｌは１０．８４度となる。このように金属から水中へ音波が入射する際の音波の透過率については、以下の参考文献４に示されている。
参考文献４：「超音波便覧」超音波便覧編集委員会  丸善（株）
【００３０】
参考文献４に記載されている例は、図５において、媒質１がアルミ、媒質２が水の場合である。
また、図７は、この参考文献４に記載されている図であり、媒質１に相当するアルミ板と媒質２に相当する水との境界面に横波が入射した場合の、入射角とエネルギー反射係数（反射率）、エネルギー透過係数（透過率）との関係を示している。なお、ＳＶ波は横波、Ｌ波は縦波である。この図７によれば、横波の入射角が２８度を越えても全反射とはならず、縦波が透過することがわかる。
【００３１】
更に、図８は、アルミ板と水との境界面に縦波が入射した場合の入射角と反射率及び透過率との関係を示しており、図８によれば、縦波のみが透過することがわかる。
【００３２】
次に、図９は、図６の構成における超音波エコーの挙動を説明するための図である。
水中の反射体からの超音波エコーは、配管４３側から水中へ入射する時と同じ経路をたどって水中から超音波トランスデューサ４１へ戻る。水中からアルミ製の配管４３へ入射するときの超音波エコーの入射角θｆは１０．８４度であるため、縦波と横波の両方が発生する。
【００３３】
また、図９に示すように超音波エコーが水中から配管４３へ入射した際に縦波成分、横波成分の２本の測定線が発生するため、配管４３内では４本の超音波エコーが存在する。更に、配管４３から楔４２に超音波エコーが入射する場合、数式３に従って音波は屈折するが、楔４２の材質の音速の方が配管４３の材質の音速よりも遅いため、臨界角は存在せず、全反射は起こらずに４本の超音波エコーが楔４２の内部を超音波トランスデューサ４１方向に進む。
このため、楔４２の内部を伝搬する４本の超音波エコーが、超音波トランスデューサ４１の伝搬経路の音速に応じて超音波トランスデューサ４１に時間差をもって入射することになる。
なお、図９において、θｐｌは被測定流体（水）４４と配管４３との境界面における縦波の屈折角、θｐｓは横波の屈折角、θｗｌは配管４３と楔４２との境界面における縦波の屈折角、θｗｓは横波の屈折角である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
超音波トランスデューサ４１により受信される超音波エコーの時間軸は、配管４３内の径方向の位置に相当する。また、配管４３内では、縦波と横波とで音速に差がある。
このため、超音波トランスデューサ４１によってある時刻に受信される超音波エコーは、図１０における配管４３中の横波によって測定した流体４４のＡ点の流速と、配管４３中の縦波によって測定した流体４４のＡ’点（前記Ａ点とは配管４３の径方向に沿って異なった位置である）の流速とを合成したものとなる。
つまり、図１１に概念的に示す如く、超音波トランスデューサ４１によってある時刻に受信される超音波エコーから求めた流速は、実際には異なる位置であるＡ点及びＡ’点の流速を合成したものとなり、配管４３内部の流体４４の正確な流速分布ひいては流量を測定することができない。
【００３５】
以上のように、配管内部の流速分布を測定して流量を求めるドップラー式超音波流量計では、超音波トランスデューサから送信した音波が配管中で縦波と横波を発生し、２本の測定線が被測定流体に入射してそれぞれによる反射体からの超音波エコーが受信されるため、流速分布が不正確になり、測定精度に悪影響を与えるという問題があった。
【００３６】
そこで本発明は、配管等の管体中を伝搬する縦波と横波の２本の測定線に起因する超音波エコーのうち、縦波に基づく超音波エコーを除いてより正確に流速分布や流量を測定可能としたクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計を提供しようとするものである。
【００３７】
【特許文献１】特開２０００−９７７４２号公報（図１，図２）
【課題を解決するための手段】
【００３８】
上記課題を解決達成するために、請求項１に記載した発明は、管体の外側に設置した超音波トランスデューサから管体内部の被測定流体へ超音波を入射し、被測定流体中に存在する反射体により反射した超音波の周波数がドップラー効果により変化することを利用して被測定流体の流速分布を計測するクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計であって、超音波を発生する超音波トランスデューサの音波発生源と前記管体との間に音波伝搬性の楔を介在させてなるクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
前記楔を、前記管体と音響インピーダンスが近い材料により構成すると共に、
被測定流体から前記管体に入射する超音波エコーの入射角が、
被測定流体における音速と前記管体における縦波の音速とから決定される縦波の臨界角以上であり、かつ、被測定流体における音速と前記管体における横波の音速とから決定される横波の臨界角以下となるように、前記音波発生源を傾斜させて前記楔に固定するものである。
【００３９】
請求項２に記載した発明は、管体の外側に設置した超音波トランスデューサから管体内部の被測定流体へ超音波を入射し、被測定流体中に存在する反射体により反射した超音波の周波数がドップラー効果により変化することを利用して被測定流体の流速分布を計測するクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計であって、超音波を発生する超音波トランスデューサの音波発生源と前記管体との間に音波伝搬性の楔を介在させてなるクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
前記楔を、前記管体と音響インピーダンスが近い材料により構成すると共に、
被測定流体から前記管体に入射する超音波エコーの入射角が、
被測定流体における音速と前記管体における縦波の音速とから決定される縦波の臨界角以下となるように、前記音波発生源を傾斜させて前記楔に固定し、かつ、
前記音波発生源を、前記管体及び楔の内部を伝搬した超音波エコーの横波のみを受信可能な位置に配置したものである。
【００４０】
また、請求項３〜請求項８に記載したように、楔及び管体には音波伝搬性の樹脂や金属を用いることができる。
音波伝搬性の樹脂は、例えばポリ塩化ビニル、アクリル、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、タールエポキシ、モルタル等であり、また、音波伝搬性の金属は、鉄、鋼、タグタイル鋳鉄、鋳鉄、ステンレス、銅、鉛、アルミニウム、黄銅等である。
特に、楔及び管体は、音波伝搬性を有する同一種類の樹脂または金属によって形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００４１】
請求項１に記載した発明によれば、被測定流体から管体中を伝搬する超音波エコーの縦波を除去し、超音波トランスデューサには、横波による１本の測定線に沿った超音波エコーだけが受信されるため、縦波に起因する音響ノイズが低減される。
また、請求項２に記載した発明によれば、超音波振動子の傾斜角度を小さくした結果、管体中を伝搬する超音波エコーの縦波が発生したとしても、横波のみを受信可能な位置に超音波トランスデューサを配置するため、請求項１と同様に縦波に起因する音響ノイズが低減される。
従って、何れの発明においても、流速分布の測定精度が向上し、流量の高精度な演算が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は請求項１に相当する第１実施形態の主要部構成図である。その構成要素は図６，図９，図１０等に示したものと実質的に同様であるが、便宜的に参照符号を変えてある。
【００４３】
図１において、５１は超音波トランスデューサの音波発生源としての超音波振動子であり、ＰＺＴ（ジルコン・チタン酸鉛）等の圧電材料によって構成され、超音波の送受信器を兼ねている。
また、５２は楔であり、その上端部に形成された斜面５２ａに、超音波振動子５１がエポキシ系の接着剤等で固定されている。更に、５３は被測定流体５４が通過する配管である。
【００４４】
ここで、楔５２及び配管５３の材料は、ポリ塩化ビニル、アクリル、ＦＲＰ、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、タールエポキシ、モルタル等の音波伝搬性の樹脂材料、若しくは、鉄、鋼、タグタイル鋳鉄、鋳鉄、ステンレス、銅、鉛、アルミニウム、黄銅等の音波伝搬性の金属材料であり、何れにしても、楔５２及び配管５３は音響インピーダンスが近い（同一またはほぼ同一のものを含む）材料によって形成されている。好ましくは、楔５２及び配管５３を同一種類の金属（例えばステンレス）や樹脂によって形成することが望ましい。
【００４５】
なお、前記斜面５２ａは、配管５３の長手方向に直交する方向に対する超音波振動子５１の傾斜角度（楔５２と配管５３との境界面における超音波パルスの入射角）がθｉｎとなるように傾斜している。
また、図１において、θｐｌは配管５３における縦波の屈折角（出射角）、θｆｌは被測定流体５４における縦波の屈折角（出射角）である。
【００４６】
図１の構成において、楔５２及び配管５３の材質をステンレスとし、被測定流体５４を水とした場合の前記傾斜角度θｉｎ等について考察する。
ちなみに、ステンレスにおける縦波の音速は約５７５０［ｍ／ｓ］、横波の音速は約３２５０［ｍ／ｓ］、水中の音速は約１４９０［ｍ／ｓ］とする。
【００４７】
前述した如く、媒質１から媒質２へ音波が入射するときに、媒質２における音速ｃ２が媒質１における音速ｃ１よりも大きい場合（ｃ１＜ｃ２）には臨界角が存在するので、図１の例では、被測定流体５４から配管５３への超音波エコーの入射時に臨界角が存在することになる。なお、楔５２と配管５３との間では、両者の材質が同一であるため、音波はそのまま伝搬される。
【００４８】
前述の図５で説明したように、媒質１から媒質２に音波が伝搬する場合、媒質１、媒質２における音波の伝搬角度θｉｎ（両媒質の境界面における入射角）と、θｏｕｔ（同じく屈折角または出射角）との関係は前記数式３の通りであり、この数式３の関係は、図１における傾斜角度θｉｎと屈折角θｐｌとの間、屈折角θｐｌ（つまり、配管５３と被測定流体５４との境界面における入射角）と屈折角θｆｌとの間にも当てはまる。
【００４９】
また、媒質１から媒質２へ音波が入射するときに、媒質２における音速ｃ２が媒質１における音速ｃ１よりも大きい場合（ｃ１＜ｃ２）の臨界角θｃは、前記数式４の通りである。
【００５０】
従って、数式４により、被測定流体５４から配管５３へ超音波エコーが入射する際の臨界角θｃを計算すると、縦波については１５．５度、横波については２３．４度となる。このため、被測定流体５４から配管５３へ超音波エコーが入射する際の入射角（これをθｆとする。なお、このθｆは図１におけるθｆｌに等しい。）を１５．５度以上で２３．４度以下とすることにより、配管５３には横波だけが伝搬し、縦波は伝搬しないことになる。
そこで、θｆｌ（＝θｆ）を上記範囲にするための超音波振動子５１の傾斜角度θｉｎを前記数式３により求めると、この傾斜角度θｉｎは３４．３度以上で６０度以下となる。
【００５１】
例えば、超音波振動子５１の傾斜角度θｉｎを４５度とすると、超音波振動子５１から発生した横波の音波は、同一材料である楔５２及び配管５３の境界面を４５度の角度で入出射し、被測定流体５４に１８．９度で出射（入射）する。すなわち、図１におけるθｉｎ＝θｐｌ＝４５度、θｆｌ＝１８．９度となる。なお、図１では、一般的に楔５２及び配管５３が同一材料でない場合を考慮して、楔５２及び配管５３内部における音波伝搬経路を一直線上には描いていない。
【００５２】
被測定流体５４に１８．９度で入射した音波は測定領域の浮遊粒子等により反射し、超音波エコーとして入射角１８．９度にて配管５３に入射する。この入射角は、前述した縦波の臨界角（１５．５度）以上であって横波の臨界角（２３．４度）以下であるから、縦波は発生せずに横波だけが配管５３内を伝搬する。そして、この横波の超音波エコーだけが超音波振動子５１に受信されることにより、超音波トランスデューサには縦波に起因した超音波エコーが受信されなくなって音響ノイズが低減される。このため、流速分布の測定精度が向上し、流量の高精度な演算が可能になる。
【００５３】
なお、本実施形態における流速分布の測定原理や流量の演算方法は従来技術と同様であるため、説明を省略する。
【００５４】
次に、図２は請求項２に相当する第２実施形態の主要部構成図である。
この実施形態は、図２（ｂ）に詳しく示すように、超音波振動子５１の傾斜角度θｉｎを、被測定流体５４から配管５３へ超音波エコーが入射する際の縦波の臨界角以下の値とした例である。
【００５５】
上記のように傾斜角度θｉｎを設定すると、前記図１における被測定流体５４への入射角θｆｌは常に上記縦波の臨界角以下の値となり、被測定流体５４から配管５３への超音波エコーの入射角θｆも縦波の臨界角以下になるので、配管５３内では、縦波及び横波が発生する。しかしながら、図２に示すように、超音波振動子５１を、斜面５２ａ上で横波のみを受信可能な位置に配置することにより、縦波に起因した超音波エコーが受信されなくなって音響ノイズが低減され、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、図２において、θｐｓは被測定流体５４と配管５３との境界面における横波の屈折角（出射角）である。
【００５６】
ここで、超音波振動子５１の傾斜角度θｉｎが、被測定流体５４から配管５３へ超音波エコーが入射する際の縦波の臨界角より若干大きい場合、楔５２や配管５３の材質、及び被測定流体５４の種類によっては、前記超音波エコーの配管５３への入射角が縦波の臨界角より小さくなる場合もあり、その場合にも、図２に示したように配管５３内で縦波及び横波が発生する。
従って、この実施形態では、被測定流体５４から配管５３へ超音波エコーが入射する際の縦波の臨界角以下の角度で超音波エコーが配管５３へ入射するように、超音波振動子５１の傾斜角度θｉｎを設定し、かつ、配管５３及び楔５２を介して超音波エコーの横波だけを受信可能な位置に超音波振動子５１を配置すればよいものである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１実施形態を示す主要部の構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す主要部の構成図である。
【図３】従来技術を示す構成図である。
【図４】ドップラー式超音波流量計の動作原理の説明図である。
【図５】異なる媒質間における音波の伝搬状態を示す図である。
【図６】参考文献２，３に記載された測定条件の説明図である。
【図７】参考文献４に記載された入射角と透過率及び反射率との関係を示す図である。
【図８】参考文献４に記載された入射角と透過率及び反射率との関係を示す図である。
【図９】図９における超音波エコーの挙動の説明図である。
【図１０】図９を更に拡張して示した図である。
【図１１】本発明の課題を説明するための流速分布の説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
５１：超音波振動子
５２：楔
５２ａ：斜面
５３：配管
５４：被測定流体
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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