(57)【要約】【課題】  音響ノイズを低減させることが可能なドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニットを提供することである。【解決手段】  本発明の超音波送受信ユニットは、ドップラー式超音波流速分布計の流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する。そして、基本周波数の電気信号を発生させる発振器１１と、その発振器１１からの電気信号を所定の時間間隔毎にパルス状に出力するエミッタ１２と、配管２１内に超音波パルスを発信させると共に、配管２１からの超音波エコーを受信する超音波振動子１３と、一面を配管２１の外周面の一部に設置されると共に他面に上記超音波振動子１３を装着した所定の材料にて構成される楔１４と、上記超音波振動子１３から上記楔１４を介して上記配管２１に入射した超音波が配管内壁での反射によって最初に配管外壁に達する位置を含むようにして上記配管２１の外周面に設置された超音波減衰材１５とを備える。【選択図】図１
2005214820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドップラー式超音波流速分布計の流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する超音波送受信ユニットにおいて、
基本周波数の電気信号を発生させる発振器と、
該発振器からの電気信号を所定の時間間隔毎にパルス状に出力するエミッタと、
該エミッタからの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を測定線に沿って配管内に発信させると共に、前記配管からの超音波エコーを受信する超音波振動子と、
一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に他面に前記超音波振動子を装着した所定の材料にて構成される楔と、
前記超音波振動子から前記楔を介して前記配管に入射した超音波が配管内壁での反射によって最初に配管外壁に達する位置を含むようにして前記配管の外周面に設置された超音波減衰手段と、
を備えることを特徴とするドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニット。
【請求項２】
前記超音波減衰手段は、前記配管の材質よりも小さい音響インピーダンスを有する材料により構成されることを特徴とする請求項１記載の超音波送受信ユニット。
【請求項３】
前記超音波減衰手段は、タングステンゴムで構成されることを特徴とする請求項１記載の超音波送受信ユニット。
【請求項４】
前記超音波減衰手段または前記超音波透過手段の前記配管との接触部に対して、前記配管外周と同じＲを設けたことを特徴とする請求項１記載の超音波送受信ユニット。
【請求項５】
ドップラー式超音波流速分布計の流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する超音波送受信ユニットにおいて、
基本周波数の電気信号を発生させる発振器と、
該発振器からの電気信号を所定の時間間隔毎にパルス状に出力するエミッタと、
該エミッタからの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を測定線に沿って配管内に発信させると共に、前記配管からの超音波エコーを受信する超音波振動子と、
一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に他面に前記超音波振動子を装着した所定の材料にて構成される楔と、
前記配管と略同じ音響インピーダンスを有すると共に、前記超音波振動子から前記楔を介して前記配管に入射した超音波が配管内壁での反射によって最初に配管外壁に達する位置を含むようにして前記配管の外周面に設置された超音波透過手段と、
を備えることを特徴とするドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニット。
【請求項６】
前記超音波透過手段は、その外面部に超音波を乱反射させる機構を設けたことを特徴とする請求項５記載の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、ドップラー式超音波流速分布計に関し、特に、配管の外周面の一部に設置して（クランプオンして）用いられるドップラー式クランプオン型超音波流速分布計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ドップラー式超音波流速分布計の１つに、クランプオン型超音波流量計がある。このクランプオン型超音波流量計は、被測定流体が内部を所定の向きに通過する配管に対し、その配管の外周面の一部に、音波を配管に伝えるための材料、すなわち、楔（くさび）を設置し（クランプオンし）、その楔を介して音波を配管内部に送信することにより、その配管の管状体の内部を移動する流体の流量を測定する流量計である。なお、以下の説明において、特にことわらない限り、配管内の流体は水平方向に流れているものとする。
【０００３】
クランプオン型超音波流量計には、伝播時間差式のものとドップラー式のものとがある。
伝播時間差式クランプオン型超音波流量計では、超音波を管状体の内部を移動する流体を斜めに横切るような経路で往復させて、超音波が往路と復路のそれぞれを伝播するのに要する時間の差から、流体の流量を測定している。
【０００４】
これに対し、ドップラー式クランプオン型超音波流量計では、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、浮遊粒子などの移動速度から流体の流量を測定している。このドップラー方式では、流体中に送信された超音波の周波数が、浮遊粒子などに反射して、ドップラー効果により変化する点に注目し、その反射された超音波の周波数を検出することにより浮遊粒子の移動速度を測定している。
【０００５】
図５は、従来のドップラー式クランプオン型超音波流速分布計の構成を示す図である。
図５において、ドップラー式クランプオン型超音波流速分布計は、超音波送受信ユニット４０、増幅器５１、ＡＤ変換器５２、流速分布計測部５３、コンピュータ６１、表示部６２からなる。
【０００６】
超音波送受信ユニット４０は、基本周波数ｆ0の電気信号を発生させる発振器４１、この発振器４１からの電気信号を所定の時間間隔（１／Ｆrpf）毎にパルス状に出力するエミッタ４２、エミッタ４２からのパルス電気信号の印加により基本周波数ｆ0の超音波パルスを測定線に沿って発信させる超音波振動子４３、その超音波を配管７１に伝えるために所定の材料にて構成される楔４４、からなる。
【０００７】
なお、上記基本周波数ｆ0は、基本的には、配管７１の内径に反比例して定まる所要周波数である。また、超音波パルスは、例えば５ｍｍ程度のパルス幅を有する直進性のビームである。
【０００８】
また、楔４４は、一面を配管７１の外周面の一部に設置されると共に他面に上記超音波振動子４３を装着して所定の材料にて構成される。超音波振動子４３が装着された楔４４の面は、その法線方向が配管７１の横断面の法線方向とは９０度より小さい角度で交わるように、一定の角度だけ傾斜している面である。
【０００９】
また、超音波振動子４３は、送信器の機能の他に、超音波振動子４３が発信した超音波が、流体７２中の反射体に当たって反射されて生じるエコー超音波を受信する受信器としても機能する。
【００１０】
このような流体７２中の反射体としては、流体中に一様に含まれる気泡、Ａｌの微粉末等のパーティクル、被測定流体とは異なる音響インピーダンスを有する異物、などがある。
【００１１】
以下に、図５のドップラー式クランプオン型超音波流速分布計の動作を説明する。
まず、エミッタ４２からのパルス電気信号の印加により基本周波数ｆ0の超音波パルスが超音波振動子４３から配管７１内の流体７２に発信される。この超音波パルスは流体７２中の反射体に当たって反射され、超音波エコーとして、再び超音波振動子４３によって受信され、エコー電気信号に変換される。
【００１２】
このエコー電気信号は増幅器５１を介して増幅され、その増幅されたエコー電気信号はＡＤ変換器５２を介してデジタル化される。
デジタル化されたエコー電気信号は流速分布計測部５３に入力される。なお、図からは定かでないが、流速分布計測部５３には発振器４１からの基本周波数ｆ0の電気信号も入力され、エコー電気信号と基本周波数の電気信号と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。そして、算出した測定領域の流速分布を傾斜角で補正することにより配管７１の横断面における流速分布を求めている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来のドップラー式クランプオン型超音波流速分布計による流速分布の測定技術の問題点について以下に説明する。この説明に先立って問題点の概要を記載すると次のようになる。すなわち、流量または流速分布を求める際に用いられる超音波エコーには、多重反射に起因するノイズが乗っている、というものである。
【００１４】
なお、本発明の構成に至るに際して、課題の発見が主要な役割りを果たしており、その関係から、上記問題点の説明を詳しく行う。
その説明に関連して、まず、ドップラー式超音波流量計の動作原理について、図６を参照して説明する。
【００１５】
図６（ａ）に示すように、超音波振動子４３からの超音波パルスは、鉛直方向に対し角度αだけ傾けた角度から、被測定流体７２の流れ方向に合流するようにして配管７１内に入射される。この超音波パルスは、例えば流体中に一様に分布する反射体に当たって反射し、超音波エコーとなって入射経路を逆方向に戻り超音波振動子４３によって受信され、エコー電気信号に変換される。
【００１６】
図６（ｂ）は、図５のＡＤ変換器の出力を示す図である。
図６（ｂ）において、符号ａで示される部分は、反射体から反射された超音波エコーに対応している。また、符号ｂで示される部分は、超音波パルスが入射される側の管壁で多重反射する多重反射エコーに対応している。また、符号ｃで示される部分は、超音波パルスが入射される側から見た反対側の管壁で多重反射する多重反射エコーに対応している。超音波振動子から所定の時間間隔（１／Ｆrpf）で出力される超音波パルスに対応して、符号ｂ、ａ、ｃで示される信号部分が繰り返される。
【００１７】
図６（ｂ）のエコー電気信号に対して、さらに、ＡＤ変換処理、フィルタリング処理を行い、流速分布計測部によりドップラーシフト法を用いて測定線に沿って流速分布を計測する。ここで、ドップラーシフト法とは、上記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利用する流速の計測方法である。
【００１８】
図６（ｃ）は、この流速分布計測部の出力を示す図である。
図６（ｃ）において、横軸は、測定線に沿う位置を示しており、また、縦軸は各位置に対応する流速を示している。
【００１９】
流速が求められた場合に、その流速から流量を求めるには、以下の手順で行う。このような方法は、例えば下記特許文献１をはじめとする多数の文献に示されている。
まず、流体の時間ｔにおける流量ｍ（ｔ）は下記（１）式で表すことができる。ここで、ρ：被測定流体の密度、ｖ（ｘ・ｔ）：時間ｔにおける速度成分である。
【００２０】
【数１】
2005214820.tif 000003
【００２１】
（１）式から配管を流れる時間ｔにおける流量ｍ（ｔ）は、次の（２）式に書き換えることができる。
【００２２】
【数２】
2005214820.tif 000004
【００２３】
ここで、ｖｘ（ｒ・θ・ｔ）は、時間ｔにおいて、配管の横断面の中心から距離ｒ、その横断面の中心を通る所定方向から見て角度θの位置における、配管の軸方向（管軸方向）の速度成分を表している。
【特許文献１】特開２０００−９７７４２号公報  「ドップラ式超音波流量計」
【００２４】
このようなことから、流量を高精度で計測するには、その流量を算定する際に用いられる流速分布を精度よく検出することが必要である。このことは、その被測定流体が定常状態であるか非定常状態であるかを問わず、必要なことである。
【００２５】
さらに、その流速分布は、反射体からの超音波エコーに信号処理を行って求めているので、この超音波エコーに所望の音響信号のみが含まれるようにすることが理想である。
しかし、このようなドップラー式クランプオン型超音波流速分布計においては、配管内の流体の音響インピーダンスと配管（の材料）の音響インピーダンスとでは、配管の方が大きいため、超音波振動子から楔を介して配管内に入射しようとする超音波は、その配管と流体との境界面において、大部分が配管内に反射し、以降、その配管材の内部で配管外壁と内壁の間で多重反射を繰り返していく。そして、この多重反射が管内への入射に対して大きいことが、所望とする超音波エコーにノイズを乗らせることにつながり、流量計測における誤差を生じさせる原因となっている。
【００２６】
図７は、上記したことについて、より詳細に説明する図である。
図７において、超音波振動子４３から発振された超音波は側線２０１に沿って楔４４に入射し、側線２０２ａに沿って配管７１に入射し、その側線２０２ａに沿って配管７１の内壁まで進む。
【００２７】
配管７１の内壁において、超音波は、配管内壁を透過して側線２０２ｂに沿って流体に入射する超音波と、配管内壁で反射し側線２０３に沿って配管外壁に向かう超音波とに分かれる。
【００２８】
外壁まで進んだ超音波は、外壁において、殆ど全てが反射され、再び、側線２０４ａに沿って内壁に向かう。そして、内壁において、同様にして、その超音波は、その内壁を透過して側線２０４ｂに沿って流体７２に入射する超音波と、内壁で反射し外壁に向かう超音波とに分かれる。
【００２９】
それぞれの超音波は、側線に沿って往復することで、再度、超音波振動子４３に超音波エコーとして受信され、その超音波エコーに基づいて、流速分布、流量が求められる。
すなわち、図では、側線２０２ｂ、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子４３まで戻る超音波エコー、側線２０４ｂ、２０４ａ、２０３、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子４３まで戻る超音波エコー、などがある。なお、これらのうちで、側線２０２ｂ、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子４３まで戻る超音波エコーのことを、「所望とする超音波エコー」という。
【００３０】
図では、所望とする超音波エコーに、例えば、側線２０４ｂ、２０４ａ、２０３、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子まで戻る超音波エコーがノイズとして重なってしまうという問題がある。
【００３１】
この問題につき、具体的に説明するために、まず、一般的な計算式を導く。
図８は、媒質１から媒質２に向かう音波が、媒質１と媒質２との境界において、反射または透過する様子を説明する図である。
【００３２】
図８において、音波が境界面に垂直な方向から見て角度θinだけ傾斜した方向から入射して、媒質１から媒質２に進む場合に、入射波、反射波、透過波の間には、次の（３）式に示されるような関係が成り立つ（スネル（Snell）の法則）。
【００３３】
【数３】
2005214820.tif 000005
【００３４】
ここで、（３）式において、ｃ１：媒質１の音速、ｃ２：媒質２の音速、θin：媒質１での入射角、θout：媒質２での角度、θref：媒質１での反射角、である。
また、媒質１および２における音響インピーダンスＺ１、Ｚ２はそれぞれ（４）（５）式で定義される。
【００３５】
【数４】
2005214820.tif 000006
【００３６】
【数５】
2005214820.tif 000007
【００３７】
ここで、（４）（５）式において、ｃ１：媒質１の音速、ｃ２：媒質２の音速、ρ１：媒質１の密度、ρ２：媒質２の密度、である。
この時、音圧の透過率、反射率は、それぞれ（６）（７）式で示される。
【００３８】
【数６】
2005214820.tif 000008
【００３９】
【数７】
2005214820.tif 000009
【００４０】
これらの数式を上記した配管（の材料）とその配管内の流体とに適用することで、配管と流体との境界面における反射率、透過率を求めることができる。
図９は、配管材にステンレスを用い、配管内の流体として水を用いた場合の計算例を示す図である。
【００４１】
ステンレスは音速が３２５０ｍ／ｓ、密度が７．９１×１０3ｋｇ／ｍ3で与えられ、また、水は音速が１４９０ｍ／ｓ、密度が１．００×１０3ｋｇ／ｍ3で与えられる。
図９に示すように、配管からの超音波の入射角を４７ｄｅｇとすると、（６）（７）式を用いて、透過率が約６％、反射率が約９４％と求まり、超音波の殆どが水中に入射せずに配管内に反射する。
【００４２】
配管の内壁で反射した超音波に対しても同様にして、透過率、反射率の計算が可能である。配管の外壁ではステンレスと空気とが接しているので、空気は音速が３４４ｍ／ｓ、密度が１．２９３×１０3ｋｇ／ｍ3で与えられることを考慮し、（６）（７）式を用いて、透過率が約０．００１％、反射率が約９９．９９９％と求まる。この場合、超音波の殆どが空気中に入射せず、配管内に反射する。
【００４３】
再度、配管（ステンレス）と流体（水）との境界に達した超音波に対し、同様の計算を行うと、この側線の水中へ入射する音圧は５．４％と計算される。ただし、この計算値は、最初に配管に入射した超音波の音圧を１００％とした場合の相対値である。
【００４４】
最初の透過波に対応する超音波エコー、すなわち、所望とする超音波エコーに反射波から生じる超音波エコーが重なる様子を具体的に示すには、配管材の厚み、配管の内径が必要である。ここでは、配管の厚みを６ｍｍ、配管の内径を１０２ｍｍとした。
【００４５】
入射角（この場合、４７ｄｅｇ）から超音波のとる側線（の長さ）が分かり、それを各媒質（ステンレスまたは水）中での音速で割ることにより所要時間が求まる。
図７に示す側線２０４ｂと側線２０２ｂとの配管内壁からの側線に沿った対応する位置では、側線２０４ｂで発生した超音波エコーの方が側線２０３、２０４ａを往復する時間だけ遅れて、超音波振動子に受信される。
【００４６】
よって、側線２０４ｂに沿った任意の位置で発生する超音波エコーが時間的に連続して超音波振動子４３に受信される区間は、側線２０３、２０４ａを往復する時間だけ遅れて、側線２０２ｂに沿った任意の位置で発生する超音波エコーが時間的に連続して超音波振動子４３に受信される区間に重ねられる。
【００４７】
図１０は、このような異なる側線から超音波振動子４３に戻る超音波エコーが重なって受信される様子を示す図である。
図１０においては、上記した配管材の厚み、配管の内径、入射角から、側線２０３、２０４ａを往復する距離が、１２．２ｍｍ×４＝４８．８ｍｍと求められ、ステンレス製の配管中の横波の速度が上記３２５０ｍ／ｓである関係から、その往復による遅延時間が１５μｓｅｃと求められる。また、５５ｂ、５７ｂ、等の側線を音波が往復するのに要する時間は、水中での音速が上記１４９０ｍ／ｓである関係から、１３７μｓｅｃと求められる。よって、図に示す区間Ｘにおいて、側線５５ｂ、５７ｂからのエコー信号が重ねられて超音波振動子に受信される。
【００４８】
図１１は、エコー信号が重ね合わされることでノイズが生じることを説明する図である。
図１１において、符号Ｉは、側線２０２ｂから得られた超音波エコーに基づいて求められた流速分布、符号IIは、側線２０４ｂから得られた超音波エコーに基づいて求められた流速分布、符号III は、上記符号Ｉによるものと、上記符号IIによるものとを重ねて得られる流速分布を、それぞれ示している。この図から、測定結果として得られる流速分布（符合IIIの流速分布）が、所望とする流速分布に対応する符号Ｉにて示される流速分布からずれていることが分かる。
【００４９】
本発明の課題は、音響ノイズを低減させることが可能なドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００５０】
本発明の第１態様の超音波送受信ユニットは、ドップラー式超音波流速分布計の流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する超音波送受信ユニットにおいて、基本周波数の電気信号を発生させる発振器と、その発振器からの電気信号を所定の時間間隔毎にパルス状に出力するエミッタと、そのエミッタからの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を測定線に沿って配管内に発信させると共に、上記配管からの超音波エコーを受信する超音波振動子と、一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に他面に上記超音波振動子を装着した所定の材料にて構成される楔と、上記超音波振動子から上記楔を介して上記配管に入射した超音波が配管内壁での反射によって最初に配管外壁に達する位置を含むようにして上記配管の外周面に設置された超音波減衰手段と、を備えることを特徴とするドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニットである。
【００５１】
ここで、配管内壁で反射された超音波が最初に配管外壁に達する位置を含むように上記超音波減衰手段を設け、それにより、その配管外壁に達した超音波の一部を吸収させるようにしているので、その配管外壁からのさらなる反射によって生じる側線を介して上記超音波振動子によって受信されるノイズとなるエコー信号を減衰させることができ、音響ノイズの低減が可能となる。
【００５２】
本発明の第２態様の超音波送受信ユニットは、ドップラー式超音波流速分布計の流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する超音波送受信ユニットにおいて、基本周波数の電気信号を発生させる発振器と、その発振器からの電気信号を所定の時間間隔毎にパルス状に出力するエミッタと、そのエミッタからの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を測定線に沿って配管内に発信させると共に、上記配管からの超音波エコーを受信する超音波振動子と、一面を上記配管の外周面の一部に設置されると共に他面に上記超音波振動子を装着した所定の材料にて構成される楔と、上記配管と略同じ音響インピーダンスを有すると共に、上記超音波振動子から上記楔を介して上記配管に入射した超音波が配管内壁での反射によって最初に配管外壁に達する位置を含むようにして上記配管の外周面に設置された超音波透過手段と、を備えることを特徴とするドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニットである。
【００５３】
ここで、配管内壁で反射された超音波が最初に配管外壁に達する位置を含むように上記超音波透過手段を設け、それにより、その配管外壁に達した超音波を透過させるようにしているので、その超音波透過手段の外面等による更なる反射によって、その配管外壁からの透過波が拡散して、上記した超音波振動子にノイズとして戻るエコー信号を低減させることができ、音響ノイズの低減が可能となる。
【発明の効果】
【００５４】
本発明のドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニットによれば、配管内壁で反射された超音波が最初に配管外壁に達する位置を含むように超音波減衰手段を設け、それにより、その配管外壁に達した超音波の一部を吸収させるようにしているので、その配管外壁からのさらなる反射によって生じる側線を介して上記超音波振動子によって受信されるノイズとなるエコー信号を減衰させることができ、音響ノイズの低減が可能となる。また、音響ノイズを低減させることで、流速分布、流量の測定精度を向上させることができる。
【００５５】
また、本発明のドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニットによれば、配管内壁で反射された超音波が最初に配管外壁に達する位置を含むように超音波透過手段を設け、それにより、その配管外壁に達した超音波を透過させるようにしているので、その超音波透過手段の外面等による更なる反射によって、その配管外壁からの透過波が拡散して、上記した超音波振動子にノイズとして戻るエコー信号を低減させることができ、音響ノイズの低減が可能となる。また、音響ノイズを低減させることで、流速分布、流量の測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態のドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニット１０の構成を示す図である。
【００５７】
図１において、本実施形態のドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニット１０は、基本周波数ｆ0の電気信号を発生させる発振器１１、この発振器１１からの電気信号を所定の時間間隔（１／Ｆrpf）毎にパルス状に出力するエミッタ１２、エミッタ１２からのパルス電気信号の印加により基本周波数ｆ0の超音波パルスを測定線に沿って発信させる超音波振動子１３、その超音波を配管２１に伝えるために所定の材料にて構成される楔１４、前記超音波振動子１３から前記楔１４を介して前記配管２１に入射した超音波が配管内壁での反射によって最初に配管外壁に達する位置を含むようにして前記配管２１の外周面に設置された超音波減衰材１５、からなる。
【００５８】
なお、上記基本周波数ｆ0は、基本的には、配管２１の内径に反比例して定まる所要周波数である。また、超音波パルスは、例えば５ｍｍ程度のパルス幅を有する直進性のビームである。
【００５９】
また、楔１４は、一面を配管２１の外周面の一部に設置されると共に他面に上記超音波振動子１３を装着して所定の材料、例えば、アクリル、ポリ塩化ビニルなどの樹脂材料にて構成される。また、上記超音波振動子１３は、ＰＺＴ（ジルコン・チタン酸鉛）などの圧電材料で構成され、例えば、エポキシ系の接着剤で上記楔１４に固定される。
【００６０】
超音波振動子１３が装着された楔１４の面は、その法線方向が配管２１の横断面の法線方向（配管の長手方向）とは９０度より小さい角度で交わるように、一定の角度だけ傾斜している面である。
【００６１】
また、超音波振動子１３は、送信器の機能の他に、超音波振動子１３が発信した超音波が、流体２２中の反射体に当たって反射されて生じるエコー超音波を受信する受信器としても機能する。
【００６２】
図１において、超音波振動子１３から発振された超音波は側線１０１に沿って楔１４に入射し、側線１０２ａに沿って配管２１に入射し、その側線１０２ａに沿って配管２１の内壁まで進む。
【００６３】
配管２１の内壁において、超音波は、配管内壁を透過して側線１０２ｂに沿って流体に入射する超音波と、配管内壁で反射し側線１０３に沿って配管外壁に向かう超音波とに分かれる。
【００６４】
外壁まで進んだ超音波は、少なくともその位置を含むように外壁に接して設置された超音波減衰材１５の作用により、その所定部分がその超音波減衰材１５に入射し、残りが外壁において反射され、再び、側線１０４ａに沿って内壁に向かう。
【００６５】
このように、その配管との境界において、その境界に達した超音波の一部を超音波減衰材に吸収させることにより、再び、側線１０４ａに沿って内壁に向かう超音波を弱め、側線１０４ｂに沿って流体中に透過する超音波が、所望とする超音波エコー（側線１０２ｂに沿って流体中に透過する超音波に対応する超音波エコー）に及ぼすノイズを、測定値に誤差を生じさせない程度にまで下げるようにしている。
【００６６】
このように、配管内壁で反射された超音波が（側線１０３に沿って）最初に配管外壁に達する位置を含むように上記超音波減衰材１５を設けることにより、その配管外壁に達した超音波の所定部分を吸収させるようにしているので、その配管外壁からのさらなる反射によって生じる側線を介して上記超音波振動子１３によって受信されるノイズとなるエコー信号を減衰させることができ、音響ノイズの低減が可能となる。
【００６７】
なお、内壁まで達した超音波は、同様にして、その内壁を透過して側線１０４ｂに沿って流体２２に入射する超音波と、内壁で反射し外壁に向かう超音波とに分かれる。
それぞれの超音波は、側線に沿って往復することで、再度、超音波振動子１３に超音波エコーとして受信され、その超音波エコーに基づいて、流速分布、流量が求められる。
【００６８】
すなわち、図では、側線１０２ｂ、１０２ａ、１０１に沿って超音波振動子１３まで戻る超音波エコー、側線１０４ｂ、１０４ａ、１０３、１０２ａ、１０１に沿って超音波振動子１３まで戻る超音波エコー、などがある。
【００６９】
超音波振動子１３が受信したエコー超音波（エコー信号）は、図１に示すドップラー式超音波流速分布計の流量の算出を行うユニットに供給される。この算出ユニットは例えば図５の増幅器５１、ＡＤ変換器５２、流速分布計測部５３を備える。
【００７０】
図２は、図１の紙面右側から見た横断面図である。
図２に示すように、楔１４および超音波減衰材１５は、配管２１に接するように設置されている。
【００７１】
クランプオン式であることから、上記設置は、後で取り外しが可能なように、例えば、金属ベルトなどにより楔１４および超音波減衰材１５を配管２１に巻きつけるようにして行なわれるのが一般的である。しかし、取り外しを考慮しない場合には、例えば、接着剤などによりこれらを配管２１に固定することもできる。なお、超音波減衰材１５を楔１４に接着剤で固定するようにしてもよい。
【００７２】
上記超音波減衰材１５としては、上記配管２１の材質よりも小さい音響インピーダンスを有する材料、例えば、タングステンゴムを用いることができる。
なお、楔１４を図２に示すように、配管２１に接するようにして載置する場合でも、超音波振動子１３からの超音波は、実際には、配管外壁と配管内壁との間の空間において、２次元的な広がりをもって反射を繰り返している。
【００７３】
その意味では、図３に示すように、このような２次元的な広がりをもつ反射波が最初に配管外壁に達する位置を含むように、配管の外壁に沿ったＲが設けられている超音波減衰材１６を配管２１に設置すれば、上記したノイズとなるエコー信号を減衰させることが一層可能となり、音響ノイズの低減効果が高まる。
【００７４】
また、図１〜図３において、超音波減衰材を用いる代わりに、配管材とほぼ等しい音響インピーダンスを有する超音波透過材を用いた場合、例えばステンレス製の配管上に所定形状を有するステンレス材を設置した場合、境界面上での若干の反射は生じるものの、配管内壁で反射された超音波が最初に配管外壁に達する位置においては、その超音波の殆どが透過する。この結果、そのステンレス材の外面等による更なる反射によって、その配管外壁からの透過波が拡散して、上記した超音波振動子１３にノイズとして戻るエコー信号を低減させることができ、音響ノイズの低減が可能となる。
【００７５】
なお、この場合において、超音波透過材の外面部に超音波を乱反射させる機構を設けて、これにより、その透過材に入射する超音波をより一層拡散（乱反射）させ減衰させるようにしてもよい。そのような乱反射の機構としては、例えば、図４に示すように、その透過材１７の外面部の形状を入射する超音波の波長と同程度のピッチの三角形状にすることが考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、配管の外周面の一部に設置して（クランプオンして）用いられるドップラー式クランプオン型超音波流速分布計に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本実施形態のドップラー式超音波流速分布計の超音波送受信ユニットの構成を示す図である。
【図２】図１の紙面右側から見た横断面図（その１）である。
【図３】図１の紙面右側から見た横断面図（その２）である。
【図４】超音波透過材を用いる場合において、その外面部の形状の一変形例を示す図である。
【図５】従来のドップラー式クランプオン型超音波流速分布計の構成を示す図である。
【図６】ドップラー式超音波流量計の動作原理について説明する図であり、（ａ）は、超音波振動子からの超音波パルスが配管内に発振される様子を、（ｂ）は、図５のＡＤ変換器の出力を、（ｃ）は、図５の流速分布計測部の出力を、それぞれ示す図である。
【図７】従来例において、超音波エコーに乗るノイズを説明する図である。
【図８】媒質１から媒質２に向かう音波が、媒質１と媒質２との境界において、反射または透過する様子を説明する図である。
【図９】配管材にステンレスを用い、配管内の流体として水を用いた場合の計算例を示す図である。
【図１０】従来例において、異なる側線から超音波振動子に戻る超音波エコーが重なって受信される様子を示す図である。
【図１１】従来例において、エコー信号が重ね合わされることでノイズが生じることを説明する図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０，４０  超音波送受信ユニット
１１，４１  発振器
１２，４２  エミッタ
１３，４３  超音波震動子
１４，４４  楔（くさび）
１５，１６  超音波減衰材
１７  超音波透過材
２１，７１  配管
２２，７２  流体
５１  増幅器
５２  ＡＤ変換器
５３  流速分布計測部
６１  コンピュータ
６２  表示部
【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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