(57)【要約】管１１を通って流れる流体の流量を測定する流量計であって、急峻な立下りまたは立ち上がり衝撃エッジを持った衝撃電圧７を上流側管外壁に固定された圧電振動子１２に印加したとき、生じた衝撃波を下流側管外壁に固定された圧電振動子１３が受け取り順方向受信波を出力し、衝撃電圧７を下流側振動子１３に印加したとき、生じた衝撃波を上流側振動子１２が受け取り逆方向受信波を出力し、演算処理装置６が、これら順方向受信波と逆方向受信波の差分を演算し、この差分の合成波の最大振幅またはその絶対値の積分値から流速を求め、この流速から流量を確定する。
2004097345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の長さを持ちその一端から他端へ被測定流体を流す管と、
この管の外周において、流れる被測定流体の上流側位置とそこから所定の間隔だけ離間した下流側位置にそれぞれ固着された同一の電気音響特性を有する少なくとも２個の圧電振動子と、
衝撃電圧を発生する衝撃電圧源と、
上流側の振動子に衝撃電圧を印加することによって衝撃波を被測定流体へ上流側から導入し、この衝撃波が被測定流体の流れに対し順方向に伝播したときの順方向受信波を下流側の振動子から出力させるとともに、下流側の振動子に衝撃電圧を印加することによって衝撃波を被測定流体へ下流側から導入し、この衝撃波が被測定流体の流れに対し逆方向に伝播したときの逆方向受信波を上流側の振動子から出力させる接続手段と、
これら順方向受信波と逆方向受信波との差分の合成波を求め、この合成波から流量を確定する演算処理装置と、を具える衝撃電圧を用いて被測定流体の流量を測定する衝撃流量計。
【請求項２】
前記接続手段は、上流側振動子に衝撃電圧を印加するときには下流側振動子から出力される順方向受信波を演算処理装置へ供給し、下流側振動子に衝撃電圧を印加するときには上流側振動子から出力される逆方向受信波を演算処理装置へ供給する切り替え器を含む請求項１に記載の衝撃流量計。
【請求項３】
前記演算処理装置は、前記差分の合成波の特定波形成分の振幅値から流速を推定し、この流速から流量を確定する請求項１に記載の衝撃流量計。
【請求項４】
前記演算処理装置は、前記差分の合成波の絶対値を時間積分して積分値を求め、得られた積分値から流速を推定し、この流速から流量を確定する請求項１に記載の衝撃流量計。
【請求項５】
前記演算処理装置は、前記差分の合成波の特定波形成分の絶対値を時間積分して積分値を求め、得られた積分値から流速を推定し、この流速から流量を確定する請求項４に記載の衝撃流量計。
【請求項６】
前記演算処理装置は、前記差分の合成波の始端から１０周期以内の波の内で、最大波高値の周期の波と、その前後少なくとも１周期の波の絶対値を時間積分して積分値を求め、得られた積分値から流速を推定し、この流速から流量を確定する請求項５に記載の衝撃流量計。
【請求項７】
前記接続手段は、衝撃電圧源からの衝撃電圧を、上流側振動子と下流側振動子に同相で印加し、
前記演算処理装置は、上流側の振動子からの逆方向受信波と下流側の振動子からの順方向受信波とを減算処理することによって、その差分の合成波を求め、この合成波の絶対値を時間積分して積分値を求め、得られた積分値から流速を推定し、この流速から流量を確定する請求項１に記載の衝撃流量計。
【請求項８】
前記衝撃電圧源は第１の衝撃電圧及びこれと逆相の第２の衝撃電圧を発生し、
前記接続手段は、衝撃電圧源からの第１の衝撃電圧を上流側の振動子に印加して第１の衝撃波を被測定流体へ上流側から導入し、下流側の振動子からこの衝撃波の順方向受信波を出力させるとともに、第２の衝撃電圧を下流側の振動子に印加して第２の衝撃波を被測定流体へ下流側から導入し、上流側の振動子からこの衝撃波の逆方向受信波を出力させ、
前記演算処理装置は、上流側の振動子からの逆方向受信波と下流側の振動子からの順方向受信波とを加算処理することによって、その差分の合成波を求め、この合成波の絶対値を時間積分して積分値を求め、得られた積分値から流速を推定し、この流速から流量を確定する請求項１に記載の衝撃流量計。
【請求項９】
前記管の外周において、流れる被測定流体の上流、中間及び下流の位置に前記所定の間隔だけ離間してそれぞれ固着された同一の電気音響特性を有する３個の圧電振動子を具え、
前記接続手段は、中間位置の振動子に衝撃電圧を印加することによって衝撃波を被測定流体へ中間位置で導入し、下流側の振動子からこの衝撃波の順方向受信波を出力させるとともに、上流側の振動子からこの衝撃波の逆方向受信波を出力させて、これらの受信波を演算処理装置に入力させ、
前記演算処理装置は、これら上流側及び下流側の振動子からの逆方向受信波と順方向受信波の差分の合成波を求め、それの絶対値を時間積分し、得られた積分値から流速を推定し、この流速から流量を得る請求項１に記載の衝撃流量計。
【請求項１０】
前記管の外周において、流れる被測定流体の上流、中間及び下流の位置に前記所定の間隔だけ離間してそれぞれ固着された同一の電気音響特性を有する３個の圧電振動子を具え、
前記衝撃電圧源は、第１の衝撃電圧及びこれと逆相の第２の衝撃電圧を互いに同期して同時に発生し、
前記接続手段は、上流側及び下流側の振動子に衝撃電圧源からの第１及び第２の衝撃電圧を同時にそれぞれ印加することによって第１の衝撃波及びこれと逆相の第２の衝撃波を被測定流体へ上流側及び下流側から同時にそれぞれ導入し、この第１及び第２の衝撃波を中間位置の振動子に受信させて、第１の衝撃波の順方向受信波と第２の衝撃波の逆方向受信波との差分の合成波をこの中間位置の振動子から出力させ、
前記演算処理装置は中間位置の振動子からの前記差分の合成波の絶対値を時間積分し、その積分値から流速を推定し、この流速から流量を得る請求項１に記載の衝撃流量計。
【請求項１１】
前記衝撃電圧源は、第１の衝撃電圧を発生する第１の衝撃電圧源と、第２の衝撃電圧を第１の衝撃電圧と同期して発生する第２の衝撃電圧源とを含む請求項８に記載の衝撃流量計。
【請求項１２】
前記圧電振動子は、環状の圧電体からなり、管軸方向に分極を持つ請求項１に記載の衝撃流量計。
【請求項１３】
前記圧電振動子は、最大で半円の弧状の圧電体からなり、管厚方向に分極を持つ請求項１に記載の衝撃流量計。
【請求項１４】
前記管の外周において、流れる被測定流体の上流、中間及び下流の位置に前記所定の間隔だけ離間してそれぞれ固着された同一の電気音響特性を有する３個の圧電振動子を具え、
前記下流側の振動子は、上流側の振動子の分極方向と逆向きの分極方向を持ち、
前記接続手段は、上流側及び下流側の振動子に衝撃電圧源からの衝撃電圧を同時にそれぞれ印加して互いに逆極性の衝撃波を被測定流体へ上流側及び下流側からそれぞれ導入し、これらの衝撃波を中間位置の振動子に受信させて、上流側から導入された衝撃波の順方向受信波と下流側から導入された衝撃波の逆方向受信波との差分の合成波をこの中間位置の振動子から出力させ、
前記演算処理装置は、中間位置の振動子からの前記差分の合成波の絶対値を時間積分し、その積分値から流速を推定し、この流速から流量を得る請求項１２または１３に記載の衝撃流量計。
【請求項１５】
前記演算処理装置は、被測定流体が流れているときの差分合成波から、当該流体の静止時における差分合成波を減算処理することにより補正された合成波を得て、この補正された合成波から流量を確定する請求項１に記載の衝撃流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、衝撃電圧（Ｉｍｐａｃｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）によって発生される衝撃的な波（以下衝撃波という）を用いて被測定流体の流量を測定する流量計（これを本願発明では衝撃流量計という）に関するものである。
もう少し詳しく説明すれば、本発明は、急峻な立ち上がりエッジ或いは立ち下がりエッジ（以下衝撃エッジという）を持つインパルス電圧（これを本願発明では衝撃電圧という）によって発生される衝撃波を用いて被測定流体の流量を測定する衝撃流量計に関するものである。
【背景技術】  従来は、流体の流量を測定する装置として正弦波交番電圧によって発生される超音波を用いて被測定流体の流量を測定する流量計（これを超音波流量計という）が知られている。
これら従来の超音波流量計は、特開平８−８２５４０、特開平８−８６６７５、特開平１０−９９１４、特開平１０−１２２９２３に開示されたように、正弦波交番電圧を利用して所定の測定管に被測定流体を流し、この管の外周に設けた圧電振動子に正弦波交番電圧を印加して超音波を発生させ、管内を流れる被測定流体の中に超音波を伝播させ、その伝播時間が流速によって変化する時間変化分を検出して流速を得て、この流速から被測定流体の流量を確定するものである。
一例として、図１に示すような従来の超音波流量計を組み立ててその動作を検証した。図において、１は外径４ｍｍ、内径２ｍｍ、長さ２００ｍｍのＰＦＡ製（四ふっ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合体）の測定用直管であり、この管１の管端１Ａから管端１Ｂへ被測定流体（一例として水）を流し、管１の外周に外径７ｍｍ、内径４ｍｍ、長さ２ｍｍの環状形状を持ち、管軸方向に分極したチタン酸バリウムを用いた同一の電気音響特性を有する一対の超音波送受信用圧電振動子（以下送受信子という）２、３を所定距離Ｄ＝４０ｍｍだけ離間して固着する。
送受信子２と３は、その一方たとえば上流側の送受信子２（この場合送信子として働く）に、切り替え器４を介して正弦波交番電圧源５を接続し、波高値±１０Ｖ、周波数１００ＫＨｚの正弦波交番電圧ＳＩＮを５０μＳｅｃ（マイクロ秒）の短時間だけ印加し超音波を発生させ、この超音波を被測定流体中に伝播させ、他方の下流側の送受信子３（この場合受信子として働く）に受信させて、その順方向受信波出力（ＯＵＴ３）を切り替え器４を介して時間差測定装置６に入力する。
次いで前記送受信子２と３の接続関係を切り替え器４によって逆に切り替えて、他方の下流側送受信子３（送信子として働く）に、前記したのと同様に正弦波交番電圧を印加し、超音波を発生させ、一方の上流側送受信子２（受信子として働く）に受信させて、その逆方向受信波出力（ＯＵＴ２）を切り替え器４を介して時間差測定装置６に入力する。
この従来の超音波流量計は、該時間差測定結果を下記に提示した原理式に基づいて算出している。
管端１Ａから管端１Ｂへ水が流速Ｖ（ｍ／Ｓｅｃ）で流れている時、上流側の送受信子（送信子として働く）２から出た超音波が下流側の送受信子（受信子として働く）３に到達するまでの順方向伝播時間Ｔ１（図２の（Ａ））は、次式で表される。
Ｔ１＝Ｄ／（Ｃ＋Ｖ）
Ｃは流体中の音速、流体が水ならば２５℃で１５４０ｍ／秒。
Ｄは超音波送受信子２、３間の距離。
一方、下流側の送受信子（送信子として働く）３から出た超音波が上流側の送受信子（受信子として働く）２に到達するまでの逆方向伝播時間Ｔ２（図２の（Ｂ））は次式で表される。
Ｔ２＝Ｄ／（Ｃ−Ｖ）
従って、その伝播時間差：ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１は
ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１＝２Ｄ＊Ｖ／Ｃ＊Ｃ    ：ただしＣ＞＞Ｖ
となる。
水が管端１Ａから１Ｂへ３ｍ／Ｓｅｃ、４ｍ／Ｓｅｃ、５ｍ／Ｓｅｃ、６ｍ／Ｓｅｃと異なる４つの予め設定した流速で流れる場合において、それぞれの時間差ΔＴ値を測定し、それらの値と設定した流速との比例係数Ｋを求めて、この比例係数Ｋを基にして、流速が不知の被測定流体の時間差から所望の流速を求め、得られた流速から所望の流量を算出することを試みた。
この測定結果は次の通り。
2004097345.tif 000003
しかし、この検証例では、設定した流速Ｖと得られた伝播時間差値ΔＴとの対応関係であるＫ＝ΔＴ／Ｖを計算してみると上記の表に示す値となり、図３に点線で示す如く、一定の比例係数を確定することが大変困難であった。この原因は、後に詳述するが、従来技術に関する前記した文献における超音波の伝播時間の検出の仕方に従う限り、本来の超音波の伝播時刻が求められていないことに因るものと推測した。
なお、この検証例及び以下で述べる本願発明の実施例において、予め設定した流速の設定は、管端１Ａを給水槽（図示せず）に接続し、管端１Ｂを絞り弁（図示せず）を介して受水槽（図示せず）に接続し、所定時間内に所定量の水が受水槽に流れ込む様に絞り弁を調節して定めた。
従来の超音波流量計は、流速が遅くなるにつれて流速による被測定流体中の超音波伝播速度の差が少なくなり、時間差測定が困難となるという点が欠点である。また、正弦波の交番電圧によって発生させた超音波を用いているために、雑音成分や反射波成分の干渉を受けやすく、これらの干渉があった場合、受信波の弁別が複雑になり、受信波の伝播時間の測定が難しく、よって時間差測定が困難となり、精度の高い流量測定が困難である。
さらにまた、斯かる反射波の干渉を軽減するためには、管の長さを上流側振動子から更に上流側に長く、また下流側振動子から下流側に更に長く設けなければならないといった制約などもあった。
これらの欠点を改善するため、特開２００２−１６２２６９に示すような、受信波中の最高ピーク波のゼロクロス点の伝播時間に着目して流量を求める方式なども提案されているが、超音波を用い、その伝播波形から伝播時間を実時間で測定しなければならないという点は本質上避けられないので、流速が遅い被測定流体、たとえば２０ｍｍ／Ｓｅｃ程度の流速を持つ流体の流量を測定しようとすると、ｎＳｅｃ（ナノ秒）オーダーの時間測定が要求され、これは大変難しい技術であった。
【発明の開示】
本発明の目的は、従来の技術では流速が遅い被測定流体の流量を精度良く測定する流量計を得ることが困難な点に着目し、この点を解決した流量計を提供することである。
本発明の他の目的は、流速の早い被測定流体についてもハード・ソフト両面において簡便な流量計を提供することである。
前記目的を達成するために、本願発明は、所定の長さを持つ測定用直管に被測定流体を流し、この管の外周に、少なくとも２個の同一特性を持った圧電振動子を所定の間隔を隔てて固定し、急峻な立ち上がりエッジ或いは立ち下がりエッジ（衝撃エッジ）を持つインパルス電圧（衝撃電圧）を上流側の圧電振動子（送信子）に印加し、この衝撃エッジによって管を流れる被測定流体中に衝撃波を励起させ、これを流体中に伝播させ、この伝播された衝撃波を、下流側の圧電振動子（受信子）によって受信させ、この衝撃波が被測定流体の上流から下流へ伝播して受信されたときの順方向受信波を求めるとともに、接続を切り替えて、下流から上流へ伝播して受信されたときの逆方向受信波を求め、これら２つの受信波の差分の合成波を求め、この合成波から流量を確定する衝撃流量計を提供する。
本願発明に係る衝撃流量計は、所定の長さを持ちその一端から他端へ被測定流体を流す管と、この管の外周において、流れる被測定流体の上流側位置とそこから所定の間隔だけ離間した下流側位置にそれぞれ固着された同一の電気音響特性を有する少なくとも２個の圧電振動子と、衝撃電圧を発生する衝撃電圧源と、上流側の振動子に衝撃電圧を印加することによって衝撃波を被測定流体へ上流側から導入し、この衝撃波が被測定流体の流れに対し順方向に伝播したときの順方向受信波を下流側の振動子から出力させるとともに、下流側の振動子に衝撃電圧を印加することによって衝撃波を被測定流体へ下流側から導入し、この衝撃波が被測定流体の流れに対し逆方向に伝播したときの逆方向受信波を上流側の振動子から出力させる接続手段と、これら順方向受信波と逆方向受信波との差分の合成波を求め、この合成波から流量を確定する演算処理装置と、を具える。
本願発明に係る衝撃流量計において、前記接続手段は、上流側振動子に衝撃電圧を印加するときには下流側振動子から出力される順方向受信波を演算処理装置へ供給し、下流側振動子に衝撃電圧を印加するときには上流側振動子から出力される逆方向受信波を演算処理装置へ供給する切り替え器を含む。
本願発明に係る衝撃流量計において、前記演算処理装置は、前記差分の合成波の特定波形成分の振幅値から流速を推定し、この流速から流量を確定する。なお、この特定波形成分は、最大波高値を持った波が望ましい。
本願発明に係る衝撃流量計において、前記演算処理装置は、前記差分の合成波の絶対値を時間積分して積分値を求め、得られた積分値から流速を推定し、この流速から流量を確定する。
本願発明に係る衝撃流量計において、前記演算処理装置は、前記差分の合成波の特定波形成分、望ましくは最大波高値の周期の波の絶対値を時間積分して積分値を求め、得られた積分値から流速を推定し、この流速から流量を確定する。
本願発明に係る衝撃流量計において、前記演算処理装置は、前記差分の合成波の始端から１０周期以内の波の内で、最大波高値の周期の波と、その前後少なくとも１周期の波の絶対値を時間積分して積分値を求め、得られた積分値から流速を推定し、この流速から流量を確定する。
本願発明に係る衝撃流量計において、前記接続手段は、衝撃電圧源からの衝撃電圧を、上流側振動子と下流側振動子に同相で印加し、前記演算処理装置は、上流側の振動子からの逆方向受信波と下流側の振動子からの順方向受信波とを減算処理することによって、その差分の合成波を求め、この合成波の絶対値を時間積分して積分値を求め、得られた積分値から流速を推定し、この流速から流量を確定する。
本願発明に係る衝撃流量計において、前記衝撃電圧源は、第１の衝撃電圧及びこれと逆相の第２の衝撃電圧を発生し、前記接続手段は、衝撃電圧源からの第１の衝撃電圧を上流側の振動子に印加して第１の衝撃波を被測定流体へ上流側から導入し、下流側の振動子からこの衝撃波の順方向受信波を出力させるとともに、第２の衝撃電圧を下流側の振動子に印加して第２の衝撃波を被測定流体へ下流側から導入し、上流側の振動子からこの衝撃波の逆方向受信波を出力させ、前記演算処理装置は、上流側の振動子からの逆方向受信波と下流側の振動子からの順方向受信波とを加算処理することによって、その差分の合成波を求め、この合成波の絶対値を時間積分して積分値を求め、得られた積分値から流速を推定し、この流速から流量を確定する。
本願発明に係る衝撃流量計において、前記管の外周において、流れる被測定流体の上流、中間及び下流の位置に前記所定の間隔だけ離間してそれぞれ固着された同一の電気音響特性を有する３個の圧電振動子を具え、前記接続手段は、中間位置の振動子に衝撃電圧を印加することによって衝撃波を被測定流体へ中間位置で導入し、下流側の振動子からこの衝撃波の順方向受信波を出力させるとともに、上流側の振動子からこの衝撃波の逆方向受信波を出力させて、これらの受信波を演算処理装置に入力させ、前記演算処理装置は、これら上流側及び下流側の振動子からの逆方向受信波と順方向受信波の差分の合成波を求め、それの絶対値を時間積分し、得られた積分値から流速を推定し、この流速から流量を得る。
本願発明に係る衝撃流量計において、前記管の外周において、流れる被測定流体の上流、中間及び下流の位置に前記所定の間隔だけ離間してそれぞれ固着された同一の電気音響特性を有する３個の圧電振動子を具え、前記衝撃電圧源は、第１の衝撃電圧及びこれと逆相の第２の衝撃電圧を互いに同期して同時に発生し、前記接続手段は、上流側及び下流側の振動子に衝撃電圧源からの第１及び第２の衝撃電圧を同時にそれぞれ印加することによって第１の衝撃波及びこれと逆相の第２の衝撃波を被測定流体へ上流側及び下流側から同時にそれぞれ導入し、この第１及び第２の衝撃波を中間位置の振動子に受信させて、第１の衝撃波の順方向受信波と第２の衝撃波の逆方向受信波との差分の合成波をこの中間位置の振動子から出力させ、前記演算処理装置は中間位置の振動子からの前記差分の合成波の絶対値を時間積分し、その積分値から流速を推定し、この流速から流量を得る。
本願発明に係る衝撃流量計において、前記衝撃電圧源は、第１の衝撃電圧を発生する第１の衝撃電圧源と、第２の衝撃電圧を第１の衝撃電圧と同期して発生する第２の衝撃電圧源とを含む。
本願発明に係る衝撃流量計において、前記圧電振動子は、環状の圧電体からなり、管軸方向に分極を持つ。
本願発明に係る衝撃流量計において、前記圧電振動子は、最大で半円の弧状の圧電体からなり、管厚方向に分極を持つ。
本願発明に係る衝撃流量計において、前記管の外周において、流れる被測定流体の上流、中間及び下流の位置に前記所定の間隔だけ離間してそれぞれ固着された同一の電気音響特性を有する３個の圧電振動子を具え、前記下流側の振動子は、上流側の振動子の分極方向と逆向きの分極方向を持ち、前記接続手段は、上流側及び下流側の振動子に衝撃電圧源からの衝撃電圧を同時にそれぞれ印加して互いに逆極性の衝撃波を被測定流体へ上流側及び下流側からそれぞれ導入し、これらの衝撃波を中間位置の振動子に受信させて、上流側から導入された衝撃波の順方向受信波と下流側から導入された衝撃波の逆方向受信波との差分の合成波をこの中間位置の振動子から出力させ、前記演算処理装置は、中間位置の振動子からの前記差分の合成波の絶対値を時間積分し、その積分値から流速を推定し、この流速から流量を得る。
本願発明に係る衝撃流量計において、前記演算処理装置は、被測定流体が流れているときの差分合成波から、当該流体の静止時における差分合成波を減算処理することにより補正された合成波を得て、この補正された合成波から流量を確定する。
以下、先ず、本願発明の原理を説明する。
前記、従来例の検証実験における不満足な結果の原因を追及してみると、驚くべきことが分かった。すなわち、図２の（Ａ）、（Ｂ）に示された従来例の受信子の受信波ＯＵＴ３、ＯＵＴ２の波形を詳細に見ると、一例として（Ａ）に示された下流側の超音波振動子３の受信波出力ＯＵＴ３の波形を拡大して図４に示す。図４は、被測定流体である水が流速（Ｖ）３ｍ／Ｓｅｃで流れている状態で、１００ＫＨｚの正弦波が時刻（ｔＩＮ）に上流側の超音波振動子２に印加され、５周期分の短時間（５０μＳｅｃ）だけその印加が持続されて、これにより被測定流体中に超音波が導入され、これを下流側の超音波振動子３が受信した場合を示す。この時刻（ｔＩＮ）から、ある時間経過の後、最大波高値を持つ部分（図において２Ｃと示す部分）が現れ、確かにこの最大波高値を持つ部分２Ｃは、入力印加電圧の周波数である１００ＫＨｚに近い周波数（１２５ＫＨｚ）を持つ正弦波なので、前記の従来技術の開示文献の教示に従えば、これが受信波に相当すると認識できる。そこで斯かる最大波高値を持つ部分（２Ｃ）の始端（ｔＢＥＧＩＮ）を捕らえて、入力印加時（ｔＩＮ）からこの始端（ｔＢＥＧＩＮ）までの経過時間を計測して超音波の順方向の伝播時間Ｔ１とみなしていた。そして、同様の仕方で逆方向伝播時間Ｔ２を求め、これらの値から伝播時間差ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１を得て、異なる流速についても同様にかかる伝播時間差ΔＴを求めた結果が、図３の様な関係となって現れたのである。
ところが、図４のこの下流側の超音波振動子３の受信波出力ＯＵＴ３の波形を詳細に観察すると、前記した最大波高値を持つ部分（２Ｃ）の始端（ｔＢＥＧＩＮ）より前に、小さな波動部分（図において２Ｆと２Ｇと示す部分）が存在することがわかった。
そして、従来例に関する前記した日本国特許公開公報の何れにおいても、これら小さな波動部分が存在するということを全く記載していないから、それが何を表すものかということは想像すらできないことであった。
本願発明者も、前記従来技術の検証実験において、上述の如く受信波の伝播時間Ｔ１〜Ｔ２の測定に際し、斯かる小さな波動部分（２Ｆ、２Ｇ）を単にノイズと見なして、何ら考慮を払うことなしに、最大波高値を持つ波形部分（２Ｃ）の始端を以て伝播時間の計測を行い、上述のような結果を得ていた。
ところが前記検証実験が不満足な結果となったため、発明者は、その原因追求に入り、初めて、前記小さな波動部分（２Ｆ、２Ｇ）の存在の意義に気付いた。すなわち、受信出力電圧レベルに微小であるが波動を記録したのであるから、それが単なるノイズではなくて、何らかの意味を持った信号ではないかと気付いたのである。
そこで、この微小レベルの波動の解明に取り掛かったが、従来の超音波流量計においては、受信子が超音波を受信した時刻をｎＳｅｃ（ナノ秒）オーダーの実時間で測定しなければならないという要件に加えて、受信波出力レベルは非常に低い微小レベルの波動を測定し、その現象を解明することになるので、これまで以上の困難を伴うものであった。
しかし、この微小レベルの波動を、より大きな振幅レベルにして得ようと努力を重ね、印加すべき正弦波交番電圧の大きさやその印加時間を変えることを試みているうちに、ついに、入力印加電圧として正弦波交番電圧に代えて図６において波形７で示す衝撃電圧（Ｉｍｐａｃｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）を用いることに想到し、かかる衝撃電圧を用いると、極めて特異の現象が得られることを見いだした。
すなわち、本願発明の衝撃電圧は急峻な衝撃エッジを持って立ち下がった後そのままの電位を維持し続けるので、斯かる衝撃電圧の印加によって被測定流体中には唯１個の衝撃波が導入されると考えがちであるが、斯かる衝撃波が伝播して受信子によって受信されたときに、受信子から得られる受信波出力は、図６において波形９で示す如き正弦波振動を伴った受信波を出力することを見いだした。
そして、この受信波の波形が、当該送受信振動子と、管と、それを流れる流体とからなる伝播系に固有の波形であり、かつ衝撃波の伝播方向を順方向と逆方向のいずれに切り替えて測定しても、受信波の形状は、同じ前記固有の波形を保っているということを見いだした。
さらに、異なる幾つかの流速の場合において測定しても、斯かる受信波の波形が同じ前記固有の波形を保っているということを見いだした。厳密には順方向の受信波と逆方向の受信波とでは、それぞれの実効水路の長さが、異なるので、その差に応じて受信波の伝播時間が変化しているのが本願の解析を進めるうちに明らかとなったが、発明の初期の想到時点では、その時間差は前記の従来技術文献にも記されている様にｎＳｅｃ（ナノ秒）オーダーの差であり、波形としては同じと認識した。
これらの知見を基に、水が所定の流速で流れている時に、順方向と逆方向の受信波伝播時間の差分を測定するという従来技術のネックを回避する方策として、これら２つの受信波が同じ波形を保持しているというその特異性に着目して、その差分の合成波を作成してそれを観察してみると、斯かる差分の合成波の波高値が流速に比例しているように認識されたので、合成波の最大波高値と流速との相関を取ったところ、見事に比例することが分かった。
さらに、斯かる合成波の絶対値を時間積分して、得られた積分値と流速との相関を取ると、この比例関係が一層如実につかめることが分かった。
したがって、各被測定流体毎に斯かる比例係数を予め求めて演算処理装置に記憶させておき、所望の被測定流体について、順方向及び逆方向の受信波を測定し、その差分の合成波を求めて、得られたその波高値と当該流体の比例係数とから、又はその絶対値の積分値と当該流体の比例係数とから、流速を推定し、この流速から流量を確定することで本発明が完成した。
本願発明により、初めて管内の流体を伝播する波の伝播実時間の測定から脱却して流速を求めることができる。
なお、本願発明で用いる衝撃電圧とは、一般の矩形波インパルスが用いられ得るが、図６において波形７で示すように、送信子に入力を印加するときに＋１０Ｖの電位から一気に−１０Ｖの電位に立ち下がる衝撃エッジを持つ必要がある。
もちろん、この衝撃電圧は立ち上がる衝撃エッジを持った矩形波を用いることも出来るが、本発明の動作説明においては、立ち下がり衝撃エッジを始端として持った矩形波インパルスを衝撃電圧として用いて説明を続ける。
そして、この衝撃エッジで立ち下がった電位は少なくとも受信子における受信波出力の測定動作が完了するときまでは、変化せずに持続した後に、また元の＋１０Ｖの電位に復帰して次の測定回の入力印加に備える必要がある。
もしも、受信波出力の測定動作が完了する前にこの衝撃電圧の維持を終了させる必要があるときには、その終端は、それによって衝撃波が発生されないように、始端のような急峻エッジでなくて緩やかなエッジ波形を持つようにする。
要は、衝撃的な始端の立ち下がりの電位で衝撃波を発生させることが重要である反面、その終端の立ち上がり電位によっては衝撃波が発生されないようにするか、或いは終端の立ち上がり電位が測定結果に影響を及ぼさないようにする。
前記した従来例に係る日本国特許公開公報においても、従来の超音波流量計用の入力正弦波交番電圧はパルス的、または衝撃的に極めて短い時間だけ印加されると開示されているので、一見すると本願の衝撃電圧と同じ作用効果があると錯覚しがちであるが、正弦波交番電圧は、印加時間がたとえ極めて短い期間であっても、印加期間中その電位は常に変化するものであるのに対し、本願で用いられる衝撃電圧は印加期間中一定不変であり、両者は全く波形が異なる。
また、印加電圧の波形の相違に伴い、受信波の波形も全く異なる。すなわち本願に用いられる印加衝撃電圧によって発生される衝撃波の受信波の波形は、前記の如く、全く固有の波形を保つことが発見されたが、従来例の印加正弦波交番電圧によって発生される超音波は、その様な固有波形を伴わないので、この点でも全く作用効果が異なる。
【図面の簡単な説明】  図１は従来の超音波流量計の一例を示す図。
図２は従来例の動作説明図である。
図３は従来例の動作説明図である。
図４は従来例の動作説明図である。
図５は本発明に係る衝撃パルス流量計の第１実施例を示す図。
図６は本願発明の第１実施例の動作説明図。
図７は本願発明の第１実施例の動作説明図。
図８は本願発明の第１実施例の動作説明図。
図９は本願発明の第１実施例の動作説明図。
図１０は本願発明の第１実施例の動作説明図。
図１１は本願発明の第１実施例の動作説明図。
図１２は本願発明の第１実施例の動作説明図。
図１３は本願発明の第１実施例の動作説明図。
図１４は本願発明の第１実施例の動作説明図。
図１５は本願発明の第１実施例の動作説明図。
図１６は本願発明の第１実施例の動作説明図。
図１７は本願発明の第２実施例を示す図。
図１８は本願発明の第３実施例を示す図。
図１９は本願発明の第４実施例を示す図。
図２０は環状圧電振動子及び円弧状圧電振動子を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下本願発明の実施例を、図を参照して説明する。
図５は本発明に係る衝撃パルス流量計の第１の実施例を示す図であり、図６〜１６はその動作を説明するための送信波、受信波の波形図である。
図５に示した本願発明の第１実施例において、被測定流体は水とし、内径２ｍｍ、外径４ｍｍ、長さ２００ｍｍのテフロンＰＦＡ製の管１１内を矢印方向に管端１１Ａから導入され、管端１１Ｂへ流される。この管１１の外周に外径７ｍｍ、内径４ｍｍ、長さ２ｍｍの環状形状を持ち、管軸方向に分極したチタン酸バリウムを用いた同一の電気音響特性を有する一対の圧電振動子１２、１３を間隔Ｄ＝４０ｍｍだけ離間して固定する。図５において、圧電振動子に付した点線矢印はその分極方向を示す。図から分かるように２つの圧電振動子の分極方向は同一方向に揃えられている。
なお、正弦波交番電圧を印加して発生する超音波を用いた従来例の超音波流量計では、上流側圧電振動子よりもさらに上流側、及び下流側圧電振動子よりもさらに下流側の管の形状及び長さが特定の条件を満たす必要があるが、衝撃電圧による衝撃波を用いた本発明では、間隔Ｄ＝４０ｍｍ離間して固定した上流側圧電振動子１２よりもさらに上流側、及び下流側圧電振動子１３よりもさらに下流側のテフロンＰＦＡ製の管の形状及び長さは特に条件指定する必要はない。このことも本願発明のメリットである。
なお、図１の従来例と同一部分は同一参照数字を付して示す。
本願のこの第１実施例では、切り替え器４（接続手段として働く）により、一方の上流側振動子１２（送信子として働く）に本願特有の衝撃電圧源５０を接続し、振幅±１０Ｖの立下り衝撃エッジを持った衝撃電圧７を印加することによって管１１内の水に衝撃力を与え、衝撃波を発生させ、この衝撃波を水中で順方向に伝播させ、伝わってきた衝撃波を他方の下流側振動子１３（受信子として働く）に受信させて、その順方向受信波９（図６参照）を切り替え器４を介して演算処理装置６０に入力する。
次に切り替え器４によって振動子１２及び１３と、衝撃電圧源５０及び演算処理装置６０と、の接続を逆に切り替えて、衝撃電圧源５０から、先に上流側振動子１２に印加したものと同一の大きさと位相を持った衝撃電圧７を他方の下流側振動子１３（送信子として働く）に印加して衝撃波を発生させ、この衝撃波を管１１内の水中で逆方向に伝播させ、一方の上流側振動子１２（受信子として働く）に受信させて、その逆方向受信波１０（図７参照）を切り替え器４を介して演算処理装置６０に入力する。
被測定流体が静止している場合には、図６に示すように送信子１２からの衝撃波が下流側の受信子１３から静止時受信波９となって得られ、この受信波９は衝撃電圧７を印加した時（ｔＩＮ）より静止時伝播時間ｔ０＝２８μＳｅｃ（マイクロ秒）（これは２５度Ｃでの水中超音波伝播速度値１５００ｍ／秒より求めたＤ＝４０ｍｍ間の水路を通過するのに要する超音波伝播時間）＋５μＳｅｃ（これはＰＦＡ材中の超音波伝播速度値７００ｍ／秒より求めた厚さ１ｍｍの管壁中を上流側と下流側で合計２ｍｍの厚さ分通過するのに要する超音波伝播時間）＝約３３μＳｅｃ経過後に立ち上がる。（この始端をｔＢＥＧＩＮ９という）
切り替え器４を逆に切り替えて、送信子１３に衝撃電圧７を印加して衝撃力を発生させると、逆の経路を経て受信子１２に伝わり、図７に示すように、静止時受信波９と同一の波形を持ち、受信波９のそれと同じ静止時伝播時間ｔ０経過後に立ち上がる静止時受信波１０が得られる。（この始端をｔＢＥＧＩＮ１０という）
これら２つの受信波９と１０が同一波形を持ち、その伝播時間も同一であることが、両受信波を減算処理すると明らかになる。すなわち、この減算処理を表示の便宜上加算処理に替えて、図８及びこれの要部を拡大表示した図９に示すように、一方の受信波９に対し、他方の受信波１０にマイナス１を掛けたものを（−）１０として重ねて表示して、これら両受信波９と（−）１０を加算して差分の合成波を求めてみると、図８及び図９中にＤ（０）と示すように、静止時には、ほぼレベル０の合成波となっていることから確認できる。
一対の振動子は圧電セラミック形であり、これらは可逆特性を有するので、一方を送信子としかつ他方を受信子として動作させる場合と、一方を受信子としかつ他方を送信子として逆方向に動作させる場合とでは、それらの伝播特性が相反定理により完全に一致することは、従来例の説明と同様である。
被測定流体としての水が速度Ｖ＝３ｍ／Ｓｅｃで流れている場合には、上流側送信子１２に衝撃電圧７を印加して、上流側から受信子１３に向かって、水の流れに対して順方向に、衝撃波を伝播させ、受信子１３に受信させると、この受信子が出力する順方向受信波９−１は、図１０に示すように測定され、その順方向伝播時間ｔＦ−１は、ｔＦ−１＝ｔ０−Δｔ１で表され、静止時受信波９の静止時伝播時間ｔ０よりも差分時間△ｔ１＝約５０ｎＳｅｃ（ナノ秒）だけ短くなり、この受信波中のそれぞれの波成分も時間圧縮された形で全体として静止時よりも早く受信子１３に到達するが、図６と図１０から受信波９と９−１を比較してもこの△ｔ１＝約５０ｎＳｅｃ（ナノ秒）の違いは図１０からは識別できないくらいの微差である。（この順方向受信波９−１の始端をｔＢＥＧＩＮ９−１という）
次に、下流側送信子１３に衝撃電圧７を印加して、下流側から受信子１２へ逆方向に衝撃波を伝播させると、受信子１２の逆方向受信波１０−１は、図１１に示すように測定され、その逆方向伝播時間ｔＢ−１は、ｔＢ−１＝ｔ０＋Δｔ１で表され、静止時受信波１０の静止時伝播時間ｔ０よりも時間△ｔ１だけ長くなり、この受信波１０−１中のそれぞれの波成分も時間伸長された形で全体として静止時よりも遅れて受信子１２に到達する。この場合も、図７と図１１から受信波１０と１０−１を比較してもこの△ｔ１＝  約５０ｎＳｅｃ（ナノ秒）の違いは図１１からは識別できないくらいの微差である。（この逆方向受信波１０−１の始端をｔＢＥＧＩＮ１０−１という）
水が流速５．７ｍ／Ｓｅｃで流れている場合にも、同様の仕方で、衝撃電圧７を印加して測定を行い、順方向受信波９−２、逆方向受信波１０−２、順方向伝播時間ｔＦ−２、逆順方向伝播時間ｔＢ−２、差分時間△ｔ２を求めることができ、この差分△ｔ２の違いは△ｔ１と同様の微差である。
従来の超音波流量計では、斯かる微差である受信波の到達時間の差分△ｔ１、Δｔ２を実測して、その結果から流速を求めなければならなかったので、流速が遅くなるにつれその困難さが増すこととなっていた。
本願発明は、斯かる受信波の到達時間の差分△ｔ１、Δｔ２を実測することなく、流速を求める手法を見出した。
すなわち、本発明の衝撃波を用いると、水が流れている時には、静止時に比べて、順方向受信波は時間圧縮され逆方向受信波は時間伸長されるが、波形の形は当該伝播系固有の波形を保ち続けている。これが、衝撃電圧を使用して発生された衝撃波を受信した受信波の特異な特徴である。そして、このことは、静止時のおける順方向受信波と逆方向受信波とを減算してその差分の合成波Ｄ（０）がゼロと成ることからも裏付けられた。
斯かる特徴に着目し、本発明では、演算処理装置６０が、水が流速３ｍ／Ｓｅｃで流れている場合の順方向受信波９−１から逆方向受信波１０−１を減算して図１２でＤ（１）で示す差分の合成波を演算することとした。この受信波９−１、（−）１０−１及び合成波Ｄ（１）の要部拡大図を図１３で示す。なお、この減算処理も、図示の便宜上、加算処理に替えて、図１２及び図１３に示すように、一方の受信波９−１と、他方の受信波１０−１にマイナス１を掛けたものを（−）１０−１として重ねて表示して、これら両受信波９−１と（−）１０−１を加算して差分の合成波Ｄ（１）を演算する。
同様に、水が流速５．７ｍ／Ｓｅｃで流れている場合の順方向受信波９−２から逆方向受信波１０−２を減算して図１４でＤ（２）で示す差分の合成波を得る。この受信波９−２、（−）１０−２及び合成波Ｄ（２）の要部拡大図を図１５で示す。
これらの図９、図１３、図１５から、水が流れている時には、順方向受信波９−１、９−２は静止時受信波９に比べて時間圧縮され、逆方向受信波１０−１、１０−２は静止時受信波１０に比べて時間伸長されるが、波形の形は当該伝播系固有の波形を保ち続けていることが明白に分かる。
そして、合成波Ｄ（０）、Ｄ（１）、Ｄ（２）を比較観察すると、流速が合成波Ｄ（０）、Ｄ（１）、Ｄ（２）の振幅に比例していることが分かる。
これを検証するために、これら合成波の最大波高値を持つ波の振幅（ＷＡ）と流速（Ｖ）との相関データを取ってみた。
2004097345.tif 000004
（ＷＡ）と（Ｖ）の相関関係を図１６に示す。この図１６から、１ｍ／Ｓｅｃ以上の流速においては、両者が明白な比例関係を有していることが分かるので、比例係数Ｋ＝Ｖ／ＷＡを図から一義的に求め（図において直線の傾斜）、この係数を演算処理装置に記憶させておけば、被測定流体の不知の流速Ｖにこの係数を掛ける演算から流速を求め、以て流量測定を簡便に達成できる。
より精密な方法としては、合成波Ｄ（０）、Ｄ（１）、Ｄ（２）の絶対値の積分値（Ｓ）と流速（Ｖ）の相関から得られることも次のデータから検証された。
2004097345.tif 000005
この合成波の絶対値積分に当たって、注意することは、例えば、この合成波Ｄ（１）について見た場合、その始端である立ち上がり時点（ｔＢＥＧＩＮ９−１またはｔＢＥＧＩＮ１０−１）から、最大１０周期以内の波形成分に限ると、図１２、１３から明らかなように、これら受信波及び合成波がほとんど歪の無い正弦波形を示していることが分かる。
なお、厳密に観察すると、始端そのものは若干判別し難く、またこの始端から数周期の波形は歪んだ正弦波形が見られるので、始端から数個の波形は絶対値積分対象から除外する方がより精度の高い結果が得られる。
また、始端から１０周期ほどの波形を過ぎるとそれ以後の波形も形が歪んだ正弦波となっている。このことは、始端から１０周期以内の波形成分は、衝撃波が先ず高い伝播速度（１５４０ｍ／秒、２５度Ｃ）を持った水の中を伝わって受信子に達し、それのみによって発生された波形成分であり、上記１０周期よりも後の波形成分は、衝撃波が水よりも低い伝播速度（７００ｍ／秒）を持ったＰＦＡ管１１の中を伝播してきて受信子に達した波形成分と、先に水の中を伝わって受信子に達した波形成分とが干渉して発生された波形成分ではないかと推測する。
したがって、始端からほぼ１０周期以後の波形も、絶対値積分の対象から除外する方がより精度の高い結果が得られる。
結論として、合成波の始端から１０周期以内の波形であって、特に望ましくは、その中でも、最大波高値を持つ１周期の波のみ、或いはこの周期とその前後少なくとも１周期の波に限り絶対値積分を行い、積分値（Ｓ）を得て、これと流速（Ｖ）との相関関係Ｋ＝Ｖ／Ｓを取ると、より精度が上がった相関係数が得られることが分かった。
なお、本発明に利用している衝撃波は、距離に反比例して大きく減衰する。従って、送受信子２から送受信子３に向けて順方向に衝撃波７を伝播させる場合と、送受信子３から受信子２に向けて逆方向に衝撃波７を伝播させる場合の受信波は、水の静止時には同一波形となるが、流速がある場合は、順及び逆の両方向に向かう衝撃波の実効距離の長さが異なるため、両方向の受信波は、系に固有の同じ波形を持つとこれまで説明してきたが、厳密には同じ波形成分（例えば最大振幅を持った波成分）同士を比べても微妙に振幅が異なる。この振幅差も流速に比例する量であり、流量測定に寄与する。したがって、受信波のある特定成分（例えば、最大振幅を持った波形成分）の振幅に着目するだけでも、その値が流量を表現しており、簡便に流速を得る方法として有効である。
この第１実施例は、２個の同一特性を持った圧電振動子と、衝撃電圧源と、演算処理装置と、接続手段としての切り替え器とを具え、一方の振動子（例えば上流側振動子）に衝撃電圧源からの衝撃電圧を印加した時、他方の振動子（下流側振動子）から順方向受信波を得て、演算処理装置に供給するとともに、切り替え器によって逆接続して、他方の振動子に衝撃電圧源からの衝撃電圧を印加した時、一方の振動子から逆方向受信波を得て、演算処理装置に供給し、これら両受信波の差分を求める構成であり、２個の振動子の可逆特性と、それらの伝播特性の相反定理を利用することによって、この測定装置の持つ不平衡性が測定結果に及ぼす影響を極力抑制することに努めてきたが、図８及び図９に示したような被測定流体である水が静止しているときの両受信波の差分の合成波Ｄ（０）を予め求め、これを静止時差分合成波として、演算処理装置に記憶しておいて、その後、水がそれぞれの流速Ｖを以って流されたときの各流水時受信波の差分の合成波Ｄ（１）、Ｄ（２）、・・・を得たときに、それら合成波と、この静止時差分合成波Ｄ（０）とを減算処理することにより、不平衡誤差の補正が行なわれ、更にその測定制度を高めることができる。  このため、各被測定流体毎の静止時差分合成波を予め求めて演算処理装置に記憶しておいて斯かる減算処理を行うことが望ましい。
第２の実施例として、図１７に示す如く被測定流体が始端１１Ａから終端１１Ｂへと流れる管１１の管外に同一の電気音響特性を有する３個の環状圧電振動子（動作に応じて送信子、又は受信子という）２１、２２、２３を所定の間隔Ｄだけ離間して上流、中間及び下流の位置にそれぞれ設け、中間位置の振動子（送信子として働く）２２に衝撃電圧源５０を接続し、上流側及び下流側振動子（受信子として働く）２１、２３に演算処理装置６０を接続し、中間位置の送信子２２から互いに反対の方向に衝撃波を伝播させ、前記管１１内の被測定流体中を伝わってきた衝撃波を上流側受信子２１が受信して、逆方向受信波１０−３を演算処理装置６０に供給し、及び下流側受信子２３が受信して、順方向受信波９−３を演算処理装置６０に供給し、演算処理装置６０はこれら２つの受信波９−３と１０−３の差分の合成波Ｄ（３）を求め、その絶対値を時間積分し、得られた積分値から流速を推定し、この流速から流量を得る。図１７において、圧電振動子に付した点線矢印はその分極方向を示す。図から分かるように、３つの圧電振動子２１、２２、２３の分極方向は管軸方向において、同一方向に揃えられている。
第３の実施例として、図１８に示す如く、被測定流体が始端１１Ａから終端１１Ｂへと流れる管１１の管外に同一の電気音響特性を有する３個の環状圧電振動子２１、２２、２３（動作に応じて送信子又は受信子という）を所定の間隔Ｄだけ離間して上流、中間及び下流の位置にそれぞれ設け、中間位置の振動子２２（受信子として働く）に演算処理装置６０を接続し、一方の上流側振動子２１（送信子として働く）に第１の衝撃電圧源５０Ａを接続し、この上流側送信子２１に立ち下がり衝撃エッジを持った第１衝撃電圧７を印加することによって上流側送信子２１から第１衝撃波を発生させ、他方の下流側振動子２３（送信子として働く）に第２の衝撃電圧源５０Ｂを接続し、この第２の衝撃電圧源５０Ｂは、第１衝撃電圧と逆相の立ち上がり衝撃エッジを持った第２衝撃電圧８を発生し、この第２衝撃電圧を下流側送信子２３に前記第１衝撃電圧の印加と同期して印加することによって前記下流側送信子２３から第２衝撃波を発生させ、前記受信子２２は互いに反対の方向から送信され、前記管内の被測定流体中を伝わってきた第１及び第２衝撃波を受信し、その差分の合成波を出力する。演算処理装置６０はこの差分の合成波の絶対値の時間積分を演算し、その積分値から流速を求め、この流速から流量を得る。図１８において、圧電振動子に付した点線矢印はその分極方向を示す。図から分かるように、３つの圧電振動子２１、２２、２３の分極方向は管軸方向において、同一方向に揃えられている。
なお、前記第３の実施例において、中間位置の振動子２２の位置が僅かにずれていて、上流側と下流側の振動子との離間距離Ｄが等しくない場合、流体を静止させた状態で、第１と第２の衝撃電圧の印加タイミングを僅かにずらして、それぞれの受信波の静止時伝播時間が等しくなる様に初期設定を行うことで前記位置ずれの補正を行うことが出来る。
また中間位置の振動子２２と上流側と下流側の振動子２１、２３の特性の差などにより、流体を静止させた状態であっても、第１及び第２衝撃波の差分の合成波出力がゼロにならない場合は、この静止時受信波の差分の合成波出力を演算処理装置６０に記憶させ、流体が動いている時の受信波の差分の合成波から、この記憶した静止時の受信波の差分の合成波を差し引くことにより不平衡誤差の補正を行なうと、斯かる補正を行なわないときに比べてより正確な流速を得ることが出来る。
またこの不平衡誤差の補正方法は、伝播速度が水よりも小さいテフロンＰＦＡチューブを用いた測定装置を例に説明したが、伝播速度が水よりも大きいステンレスなど金属管を用いた測定装置にも適用できる。この場合は、衝撃波が水中を伝播して受信子に到達するよりも金属管中を伝播して到達する方が先となり、水中を伝播して到達した受信波を見分けることが困難であるが、このような場合にこの手法を適用すると金属管中を伝播して到達する波の成分を除去することができるので、非常に有効である。
第３の実施例において、互いに逆相の第１及び第２衝撃電圧７、８を発生する第１及び第２の衝撃電圧源を用いる構成を説明したが、第４の実施例として、図１９に示す如く、１個の衝撃電圧源５０を用いて測定装置を構成することもできる。この場合、被測定流体が始端１１Ａから終端１１Ｂへと流れる管１１の管外に同一の電気音響特性を有する３個の環状圧電振動子２１、２２、２３（動作に応じて送信子又は受信子という）を所定の間隔Ｄだけ離間して上流、中間及び下流の位置にそれぞれ設け、中間位置の振動子２２（受信子として働く）に演算処理装置６０を接続する。
上流側振動子２１と下流側振動子２３は管軸方向において、互いに逆方向を向いた分極を持ち、これら２つの振動子に衝撃電圧源５０から発せられた衝撃電圧７を同時にそれぞれ印加する。なお、図１９において、圧電振動子に付した点線矢印はその分極方向を示す。
これにより、上流側振動子２１（送信子として働く）から被測定流体中に導入された衝撃波と、下流側振動子２３（送信子として働く）から被測定流体中に導入された衝撃波が、互いに逆極性で同時に中間位置の受信子２２に受信され、その差分の合成波が出力される。したがって、演算処理装置６０はこの差分の合成波の絶対値の時間積分を演算し、その積分値から流速を求め、この流速から流量を得る。なお、第３の実施例において、静止時の受信波の差分の合成波出力を用いて不平衡誤差の補正をする手法を示したが、本実施例にも適用できる。
前記各実施例において、図２０の（Ａ）に示す環状の圧電振動子を用いて説明したが、これに代え、図２０の（Ｂ）に示す円弧状の圧電振動子を用いることが出来る。この場合、この円弧の形状は、最大で半円形とする。
図２０（Ａ）に示した環状の圧電振動子の場合は、環軸方向に分極方向を持ち、環の両端に電極を持つが、図２０（Ｂ）に示した円弧状の圧電振動子の場合は、分極方向を厚み方向とすることが望ましい。なお、図２０において、圧電振動子に付した点線矢印はその分極方向を示し、２０は電極を示す。
衝撃電圧の波形は立ち上がりの衝撃エッジを持ったインパルスを用いても全く同じ結果になる。
【産業上の利用可能性】  本発明によれば衝撃パルス電圧の印加による衝撃波を被測定流体中に伝播させ、その受信波の、ｎＳｅｃオーダーの伝播時間差を実時間で測定して流速を求めることを避けて、受信波の差分合成波の振幅または絶対値積分値から流速を得るので、従来の流量測定装置より格段に精度のよい、また直線性に優れた流量測定が可能となった。従来の流量測定装置では数百ｍｍ／Ｓｅｃの流速測定が限界であったが、本発明では数十ｍｍ／Ｓｅｃの流速測定が可能となった。
本願発明では、測定管内を流れる被測定流体の伝播速度を求めてそれから流速を計算しているので、流体の伝播速度測定器にもなる。
さらに敷衍すると、流体の粘度とその中を伝わる衝撃波の伝播速度とは比例関係にあるので、この流量計は粘度計にも活用できる。
従来のように正弦波電圧を印加する超音波流量計だと受信波の波形が複雑になり、その弁別が難しかったが、本発明によれば受信波の波形がきわめて単純であり、かつ印加する際、かなりの高電圧の衝撃電圧インパルスを印加できる。実施例では±１０Ｖの例で説明したが、数百ボルトの波高値を持つものも使用可能である。これによりＳ／Ｎが向上し精度の高い流量測定が可能となった。
前記の如く、従来の超音波流量計では印加電圧の振幅に上限があるために大きなＳ／Ｎがとれないという欠点があると説明したが、本願発明では斯かる欠点を克服しており、この点でも従来例を凌いでいる。
【図１】
2004097345.tif 000006
【図２】
2004097345.tif 000007
【図３】
2004097345.tif 000008
【図４】
2004097345.tif 000009
【図５】
2004097345.tif 000010
【図６】
2004097345.tif 000011
【図７】
2004097345.tif 000012
【図８】
2004097345.tif 000013
【図９】
2004097345.tif 000014
【図１０】
2004097345.tif 000015
【図１１】
2004097345.tif 000016
【図１２】
2004097345.tif 000017
【図１３】
2004097345.tif 000018
【図１４】
2004097345.tif 000019
【図１５】
2004097345.tif 000020
【図１６】
2004097345.tif 000021
【図１７】
2004097345.tif 000022
【図１８】
2004097345.tif 000023
【図１９】
2004097345.tif 000024
【図２０】
2004097345.tif 000025
【国際調査報告】
2004097345.tif 000026
2004097345.tif 000027
2004097345.tif 000028
2004097345.tif 000029