(57)【要約】      （修正有）【課題】くさび中での超音波減衰量が小さく、ナトリウム中での最適な超音波屈折角を得ることができる超音波入射法を提供する。【解決手段】超音波発生器で発生させた縦波の超音波を横波の超音波にモード変換する超音波入射法であって、縦波の超音波１２Ａを所定の角度ｃでくさび１０に入射させ、くさび１０を構成する面Ｃの境界面の点１６で縦波の超音波を反射させて横波の超音波１２Ｂにモード変換した後、予め定めた角度ｂで横波の超音波１２Ｂをくさび１０の外部にある物質へ入射させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波発生器で発生させた縦波の超音波を横波の超音波にモード変換する超音波入射法であって、
前記縦波の超音波を所定の角度でくさびに入射させ、前記くさびを構成する面内部で前記縦波の超音波を反射させて横波の超音波にモード変換した後、予め定めた角度で前記横波の超音波を前記くさびの外部にある物質へ入射させることを特徴とする超音波入射法。
【請求項２】
前記所定の角度は、前記縦波の超音波が反射する前記くさびを構成する面と直交する面に対してなす角度であり、５５度以上７５度以下であることを特徴とする請求項１に記載の超音波入射法。
【請求項３】
前記予め定めた角度は、前記横波の超音波を前記外部にある物質の内部を流れる流体中で屈折させるための角度であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波入射法。
【請求項４】
前記予め定めた角度は、４５度であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の超音波入射法。
【請求項５】
前記くさびの材料は、音響インピーダンスが、前記外部にある物質の材料の音響インピーダンスの０．９倍以上１．１倍以下の材料であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の超音波入射法。
【請求項６】
前記くさびの材料は、前記外部にある物質と同じ材料であることを特徴とする請求項５に記載の超音波入射法。
【請求項７】
前記外部にある物質は、直径が１ｍ以上の大口径配管であり、前記大口径配管の内部を流れる流体はナトリウムであることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の超音波入射法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力発電プラントの大口径配管を流れる流体の流量を測定するための超音波入射法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電プラントの高温、高放射能下の配管など、人が近づいて点検することができない配管内を流れる流体の流速と配管断面積の積から容易に流体の流量を測定できるものとして、超音波式流量計が多く用いられている。
【０００３】
例えば特許文献１には、超音波ビームの一部を測定対象に当接するくさびのコーナ部で反射させる構造を有する超音波トランスデューサと、この超音波トランスデューサの送受信動作を流量測定状態及び劣化監視状態に応じて適宜切換える切換器と、この切換器により劣化監視状態に切換えられている上記超音波トランスデューサの上記くさびのコーナ部で反射される超音波ビームのエコーレベルにより超音波トランスデューサの劣化判定を行なうレベル比較部とを備える超音波式流量計が提案されている。
【０００４】
また特許文献２には、所定の繰り返し周波数の超音波パルスを超音波トランスデ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とともに、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する超音波送受信手段と、受信した超音波エコーから測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流速分布測定手段と、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、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トランスデューサを固定するためのくさびとを備えた超音波流量計が提案されている。
【０００５】
「くさび」とは、超音波トランスデューサをクランプオンするとともに、その超音波トランスデューサから発振される超音波の入射角度αを決定するために用いられるものである。ここで入射角度αとは、超音波トランスデューサから発振される超音波の入射角度、すなわち流体配管の管壁への垂線に対してなす角度である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−６６６１０号公報
【特許文献２】特開２００５−３４５３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の超音波式流量計は、超音波振動子で発生した超音波ビームを所定の角度で配管中に伝播させるためのくさびの構成については開示されているが、くさびの材質や超音波ビームの入射角度に関しては記載されていない。
【０００８】
また特許文献２に記載の超音波流量計は、超音波トランスデューサとくさびの構成については開示されているが、横波のみを発振させる超音波トランスデューサの構成や、くさびにおける縦波と横波とのモード変換および超音波の入射角に関しては記載されていない。
【０００９】
現在、大口径配管に適用する超音波流量計としてナトリウム中で最適な超音波屈折角を得るために銀のくさびを用いたものがあるが、超音波は銀中での減衰が非常に大きいという問題がある。
【００１０】
また銀のくさびを配管に取り付ける際は銀のくさびを配管に押し付けて配管に密着させて設置するため、経年変化により銀のくさびが変形するおそれがあるという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、くさび中での超音波減衰量が小さく、ナトリウム中での最適な超音波屈折角を得ることができる超音波入射法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の超音波入射法は、超音波発生器で発生させた縦波の超音波を横波の超音波にモード変換する超音波入射法であって、縦波の超音波を所定の角度でくさびに入射させ、くさびを構成する面内部で縦波の超音波を反射させて横波の超音波にモード変換した後、予め定めた角度で横波の超音波をくさびの外部にある物質へ入射させることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、圧電素子で発生した縦波の超音波をくさびの面内部で反射させ、縦波から横波にモード変換して横波の超音波を所定の角度で配管に入射することができる。また超音波センサの圧電素子の配設位置およびくさびの形状だけで、銀のくさびを使用せずに大口径配管の内部を流れるナトリウム中での超音波の最適な屈折角を得ることができる。
【００１４】
本発明の超音波入射法の所定の角度は、縦波の超音波が反射するくさびを構成する面と直交する面に対してなす角度であり、５５度以上７５度以下であることが、好ましい。
【００１５】
この構成によれば、縦波の反射率が低く、横波の反射率が高い領域の範囲になるように縦波入射角を設定することで、効率的に横波を反射させることができる。
【００１６】
本発明の超音波入射法の予め定めた角度は、横波の超音波を外部にある物質の内部を流れる流体中で屈折させるための角度であることが、好ましい。
【００１７】
この構成によれば、銀のくさびを使用せずに大口径配管の内部を流れるナトリウム中での超音波の最適な屈折角を得ることができる。
【００１８】
本発明の超音波入射法の予め定めた角度は、４５度であることが、好ましい。
【００１９】
この構成によれば、銀のくさびを使用せずに大口径配管の内部を流れるナトリウム中での超音波の最適な屈折角を得ることができる。
【００２０】
本発明の超音波入射法のくさびの材料は音響インピーダンスが、外部にある物質の材料の音響インピーダンスの０．９倍以上１．１倍以下の材料であることが、好ましい。
【００２１】
この構成によれば、銀のくさびを使用せずに大口径配管の内部を流れるナトリウム中での超音波の最適な屈折角を得ることができる。また、くさび中での超音波減衰量を小さくすることができる。
【００２２】
本発明の超音波入射法のくさびの材料は、外部にある物質と同じ材料であることが、好ましい。
【００２３】
この構成によれば、くさびと大口径配管の材料は同じなので、くさびと大口径配管との界面での屈折は起きないため、入射角の設定が容易にできる。また、くさび中での超音波減衰量を小さくすることができる。
【００２４】
本発明の超音波入射法の外部にある物質は、直径が１ｍ以上の大口径配管であり、大口径配管の内部を流れる流体はナトリウムであることが、好ましい。
【００２５】
この構成によれば、直径が１ｍ以上の大口径配管の内部を流れるナトリウムの流量を精度良く測定することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の超音波入射法によれば、くさび中での超音波減衰量が小さく、ナトリウム中での最適な超音波屈折角を得ることができる超音波入射法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本実施例に係る超音波流量計の構成図である。
【図２】図２は、本実施例に係る大口径配管の超音波流量計の測定系を説明する図である。
【図３】図３は、従来の大口径配管に適用する超音波センサの概略図である。
【図４】図４は、本実施例に係る超音波流量計の超音波センサを説明する図である。
【図５】図５は、他の実施例に係る超音波流量計の超音波センサを説明する図である。
【図６】図６は、本実施例に係る超音波の縦波入射角度と縦波・横波の反射率との関係を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に、本発明に係る超音波入射法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例】
【００２９】
以下の実施例では、高速増殖炉や次世代実証炉の冷却材配管に用いられる超音波流量計を例にして説明する。冷却材配管中を流れる流体としては液体ナトリウムを対象としている。
【００３０】
図１は、本発明の実施例に係る超音波流量計の概略構成図である。超音波流量計１は、一対の超音波センサ１Ａ，１Ｂと超音波送受信部２０，２１と制御部２２と流量演算部２３と表示部２４とを備えている。本実施例において、超音波センサ１Ａ，１Ｂは、超音波の発振器（エミッション）とその超音波の反射波を受信する受信器（レシーバ）とが一体になった超音波送受信器（超音波トランスデューサ）として構成されている。この超音波送受信器は、縦波の超音波を発生する振動子を備えたものである。以下、超音波送受信器を超音波トランスデューサということがある。
【００３１】
超音波送受信部２０，２１は、超音波センサ１Ａ，１Ｂに高電圧パルスを供給して超音波を発生させる超音波送信部と超音波センサ１Ａ，１Ｂで得られた超音波を受信する超音波受信部とで構成されている。超音波送受信部２０，２１は、超音波センサ１Ａが発信器の場合には、超音波センサ１Ａに対して超音波送受信部２０から高電圧パルスを伝送し、超音波を発生させて測定対象である配管２に伝播させると共に、受信器としての超音波センサ１Ｂで得られた超音波のエコーを超音波送受信部２１へ伝送して受信させる。超音波送受信部２１は、その受信タイミングを示す信号を流量演算部２３へ送出する。
【００３２】
制御部２２は、超音波流量計１全体を制御するものである。例えば、制御部２２は、一対の超音波センサ１Ａ，１Ｂの一方を超音波送信部として超音波を送信させ、他方を超音波受信部として超音波を受信させるように超音波送受信部２０，２１を制御する。制御部２２は、超音波送受信部２０，２１で送受信した超音波の伝播時間を流量演算部２３へ受け渡すように制御する。制御部２２は、超音波送受信部２０，２１で送信・受信を切換えることにより、配管２内を流れる流体Ｘの流れの順方向（矢印方向）に超音波を伝播させた場合の時間データと流体Ｘの流れの逆方向（矢印と反対方向）に超音波を伝播させた場合の時間データとをサンプリングして超音波送受信部２０，２１に取得させ、流量演算部２３に受け渡す。
【００３３】
流量演算部２３は、超音波センサ１Ａ，１Ｂの超音波送信部の送信状態と超音波受信部の受信状態とによって配管内を流れる流体Ｘの流速を測定し、測定した流速と配管内の断面積との積を演算して流体Ｘの流量を求める演算部である。流量演算部２３は、超音波送受信部２０により超音波センサ１Ａに高電圧パルスを伝送して超音波を発生させたタイミングと超音波送受信部２１により超音波センサ１Ｂで超音波を受信したタイミングとから配管２中の超音波の伝播に要した時間データを得る。流量演算部２３は、順方向と逆方向との超音波の伝播時間差から配管２内を流れる流体Ｘの流速を測定する。流量演算部２３は、測定したこの流速の値と予め測定しておくことが可能な配管２の内側の断面積とを積算することにより、配管２内を流れる流体Ｘの流量を算出する。
【００３４】
表示部２４は、流量演算部２３で求められた流量を表示出力する表示部である。２Ａ，２Ｂは、測定対象である配管断面の管壁２Ａ，２Ｂを表している。
【００３５】
図２は、本実施例に係る大口径配管の超音波流量計の測定系を説明する図である。本実施例の測定対象となる大口径配管２は、例えば、管壁の厚さＴ１，Ｔ２が１７．５ｍｍ、外径φが１２７０ｍｍの５０Ｂ配管（ＪＩＳ規格配管）で、材質が９Ｃｒ鋼である。大口径配管２の内部を流れる流体Ｘは約４００度の高温のナトリウム（液体ナトリウム）で流れの方向は矢印方向である。超音波流量計１の超音波センサ１Ａ，１Ｂは、軸対称に管壁２Ａと対向した管壁２Ｂとに所定の距離を離して設置されている。
【００３６】
例えば、超音波センサ１Ａから発生した主超音波３は、９Ｃｒ鋼の管壁２Ａの内壁７に対してなす入射角αが約４５度となるように予め設定されている。このように入射角αを予め設定することで入射した主超音波３は、管壁２Ａの内壁７と流体Ｘとの境界で管壁２Ａに対する垂線６に対してなす角度β（屈折角）が約３３度で流体Ｘ中に入射する。この屈折角β約３３度は流体Ｘの流量を計測するための最適な屈折角であり、９Ｃｒ鋼の管壁２Ａの内壁７への入射角αと流体Ｘ中での屈折角βとの関係はスネルの法則より導き出すことができる。つまり流体Ｘの種類によって流量を計測するための最適な屈折角βが決まり、その屈折角βを得るために、例えば、上記９Ｃｒ鋼の管壁２Ａの内壁７に対してなす入射角αがスネルの法則より求められて決定される。流体Ｘ中を伝播した主超音波４は、管壁２Ｂに対する垂線８に対してなす角度β（屈折角）が上記と同じく約３３度で入射した後、流体Ｘと管壁２Ｂの内壁９との境界で管壁２Ｂの内壁９に対してなす入射角αが約４５度となるように屈折して主超音波５は超音波センサ１Ｂで受信される。この場合も上述したように、流体Ｘ中での屈折角βと管壁２Ｂの内壁９への入射角αとの関係はスネルの法則より導き出すことができる。このように、超音波センサ１Ａから発振された主超音波３が大口径配管２の内部を流れる流体Ｘ中を伝播することに要した時間データを取得する。次に、流体Ｘの流れに対して逆方向である超音波センサ１Ｂから超音波を発振し、超音波センサ１Ａで受信した時間データを取得する。これら２回で取得した時間データの差分から、大口径配管２内を流れる流体Ｘの流速を測定することができる。
【００３７】
そして、測定したこの流速の値と予め測定しておくことが可能な大口径配管２内側の断面積とを積算することにより、配管２内を流れる流体Ｘの流量を測定することができる。本実施例によれば、大口径配管の内部を流れる流体の流量を精度良く測定することができる。
【００３８】
なお、大口径配管とは直径が約１ｍ以上の配管のことをいうものとする。また大口径配管２の内部を流れる流体はナトリウムを例にしたが、これに限ることはなく他の流体でも良い。流体がナトリウムの場合屈折角βは約３３度が最適であるが、流体の種類に対して最適な屈折角βが決まるので、流体と接触する物質への超音波入射角αはスネルの法則により決定されることになる。
【００３９】
次に、図３〜図６を参照しながら、本実施例に係る超音波流量計の超音波センサ及び超音波入射法について説明する。
【００４０】
図３は、従来の大口径配管２に適用した超音波センサの概略図である。この超音波センサを超音波トランスデューサということがある。図３に示す大口径配管２の超音波センサ１Ａ，１Ｂは、超音波を発生する振動子として圧電素子３０と発生した超音波を測定対象である大口径配管２に伝播させるくさび１０とで構成される。
【００４１】
圧電素子３０は、例えば、２ＭＨｚで超音波を発振する。圧電素子３０の材質は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用いることができる。くさび１０は、例えば、大口径配管２中を流れる流体が高温のナトリウムの場合に超音波の最適な入射角γが得られる銀であり、圧電素子３０の面中心から垂直に進む主超音波（二点鎖線で表す）１２が、配管２の管壁に対する垂線１１に対してなす角度γ（屈折角γ）が５３度となるように設定されている。この５３度の角度は、くさび１０が銀で超音波を入射する管壁２Ａが９Ｃｒ鋼なので、スネルの法則より設定される角度である。
【００４２】
大口径配管２中を流れるナトリウムは使用温度が約４００度と高温のため、普通の超音波流量計で使用される超音波の減衰が小さい樹脂製のくさびは、使用することができないため、金属である銀を使用している。超音波は銀中での減衰が非常に大きいため、上端部の超音波（破線）１３Ａから下端部の超音波（破線）１３Ｂまでの全ての超音波が銀のくさび１０の下面を介して大口径配管２に伝播されるようになっている。また大口径配管２の管壁２Ａ，２Ｂに隙間無く密着させるために銀のくさび１０は、管壁２Ａ，２Ｂに押さえ付ける状態で設置される。このとき銀は強度が低いため、例えば通常運用の２６ヶ月間押さえ付けられた状態で設置した場合、銀のくさびが変形するおそれがあった。
【００４３】
図４は、本実施例に係る超音波流量計の超音波センサを説明する図である。図４に示す本実施例の超音波センサ１Ａ，１Ｂは、超音波を発生する振動子としての圧電素子３０と発生した超音波を測定対象である大口径配管２に伝播させるくさび１０とで構成される。この超音波センサ１Ａ，１Ｂを超音波トランスデューサ１Ａ，１Ｂということがある。本実施例の超音波センサ１Ａ，１Ｂを構成するくさび１０は、圧電素子３０から発振した超音波が直進してくさび１０を構成する面と交差する面を有する。超音波はくさび１０と交差する面で反射して縦波から横波へとモード変換することが特徴である。
【００４４】
圧電素子３０は、例えば、２ＭＨｚで発振する。圧電素子３０の材質は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）である。なお、圧電素子３０の発振周波数と材質はこれに限ることはなく、測定対象の配管および配管中を流れる流体により適した圧電素子を適用することができる。
【００４５】
本実施例の圧電素子３０で発生する超音波は、主に縦波といわれるものである。くさび１０の材質は、大口径配管２中を流れる約４００度の高温のナトリウムでも使用可能な金属材料である。好適に使用される金属材料としては、大口径配管２の材料と音響インピーダンスが同程度である材料が好ましい。さらに好適には、大口径配管２と同じ材質の材料であるのがより好ましい。音響インピーダンスが同程度とは、例えば、好ましくはプラスマイナス１０％程度、より好ましくはプラスマイナス５％程度である。言い換えると大口径配管２の材料の音響インピーダンスの好ましくは０．９倍以上１．１倍以下、より好ましくは０．９５倍以上１．０５倍以下の材料である。
【００４６】
本実施例では、大口径配管２の材料が９Ｃｒ鋼であるため、くさび１０の材質も９Ｃｒ鋼として説明する。上述したように圧電素子３０で発生させた超音波を大口径配管２に伝播させるくさび１０の材料を大口径配管２と同じ材料にした場合、くさび１０と大口径配管２との界面で超音波が屈折して入射角が変わることがない。従って大口径配管２の管壁２Ａへの超音波の入射角は、圧電素子３０の配設位置とくさび１０の形状だけで設計できることになる。本実施例では、くさび１０から大口径配管２の管壁２Ａへの超音波入射角を約４５度と設定することで、大口径配管２中の流体であるナトリウム中での超音波屈折角を約３３度とすることができる。なお管壁２Ａへの超音波入射角とナトリウム中での超音波屈折角の関係は、スネルの法則から求めることができる。
【００４７】
なお、本実施例において、超音波は圧電素子３０が発生するとしたが、これに限ることはなく、例えば電磁コイルなどを用いて超音波を発生させてもよい。
【００４８】
図４に示す、くさび１０は、平面Ａ，Ｂ，Ｃを有する。それぞれの平面Ａ，Ｂ，Ｃが隣接する平面となす角は狭角である。このように、くさび１０は、三角柱形状の構造体である。面Ａには超音波発振子である圧電素子３０が所定の位置に設けられている。面Ｂは、大口径配管２の管壁２Ａに密着して接触する面である。面Ｃは圧電素子３０で発生した主超音波１２Ａが面Ｃの境界面で反射する点１６を有する面である。
【００４９】
圧電素子３０で発生した縦波の主超音波１２Ａは、面Ｃの点１６に対して入射角ｃで入射する。この入射角ｃは、面Ｃに対してなす角度である。入射した主超音波１２Ａは、点１６で反射して横波の主超音波１２Ｂとして管壁２Ａの点１４に入射角ｂで入射する。この入射角ｂは、面Ｂに対してなす角度である。なお、くさび１０及び大口径配管２の材料は同一なので超音波は、面Ｂの界面での屈折は起こらない。このため主超音波１２Ｂが管壁２Ａに入射した時の管壁２Ａに対する垂線１１に対してなす角度は入射角ｂと同じ大きさである。主超音波１２Ａは点１６で反射した時に縦波から横波にモード変換して横波の主超音波１２Ｂとして点１４から管壁２Ａに入射する。
【００５０】
上記の入射角は、例えば、入射角ａは面Ｃと直交する面１５に対してなす角度ａであり、約６５度である。入射角ｂは面Ｂに対してなす角度ｂであり、約４５度である。入射角ｃは面Ｃに対してなす角度ｃであり、約２５度である。この超音波入射角の設定法については後に詳細に説明する。
【００５１】
なお上述したように縦波の主超音波１２Ａが点１６で反射して横波の主超音波１２Ｂにモード変換する例を示したが、最初から圧電素子３０で横波の超音波を発生させて主超音波１２Ｂとして管壁２Ａに対して入射角ｂ（４５度）で入射させても良い。この時はくさび１０を使用しても良いし、使用しなくても良い。なお圧電素子３０で直接横波を発生させるには、圧電素子３０を横（薄い方向）方向に振動させることで発生させることが可能であるが、横波の発生方法については特に限定されるものではない。
【００５２】
上述した角度で、主超音波が反射して測定対象である大口径配管２の管壁２Ａに入射するように後述する超音波入射法で超音波流量計１の超音波センサ１Ａ，１Ｂを構成する。また、超音波センサ１Ａ，１Ｂを圧電素子３０とくさび１０で構成する例を示したが、予め配管にくさび形状を形成しておき、圧電素子３０を配管のくさび形状部分に直接取り付けて、超音波流量計１の超音波センサ１Ａ，１Ｂとすることも可能である。
【００５３】
本実施例によれば、銀のくさびを使用せずに大口径配管中を流れるナトリウム中の超音波の最適な屈折角を得ることができる。また、くさび中での超音波減衰量を小さくすることができる。さらに、くさびと大口径配管の材料は同一なので、くさびと大口径配管との界面での屈折は起きないため、入射角の設定が容易にできる。
【００５４】
（他の実施例）
図５は、他の実施例に係る超音波流量計の超音波センサを説明する図である。図５に示す他の実施例の超音波センサ１Ａ，１Ｂは、超音波を発生する振動子としての圧電素子３０と発生した超音波を測定対象である大口径配管２に伝播させるくさび１０とで構成される。この超音波センサ１Ａ，１Ｂを超音波トランスデューサ１Ａ，１Ｂともいうことがある。図５に示した他の実施例は、図４に示した実施例と超音波センサ１Ａ，１Ｂと、くさび１０の形状および圧電素子３０の配設位置が違うだけで他の構成は同様であるため、同じ部分には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５５】
図５に示す、くさび１０は、平面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを有する。平面ＡとＣ、平面ＣとＤがなす角は狭角で、平面ＡとＢ、平面ＣとＤがなす角は鈍角である。このように、くさび１０は、四角柱形状の構造体である。面Ａには超音波発振子である圧電素子３０が所定の位置に設けられている。圧電素子３０の配設位置は、図４とは反対側で管壁２Ａ側から超音波を発振する位置である。面Ｂは、大口径配管２の管壁２Ａに密着して接触する面である。面Ｃは圧電素子３０で発生した主超音波１２Ａが面Ｃの境界面で反射する点１６を有する面である。
【００５６】
圧電素子３０で発生した縦波の主超音波１２Ａは、面Ｃの点１６に対して入射角ｃで入射する。この入射角ｃは、面Ｃに対してなす角度である。入射した主超音波１２Ａは、点１６で反射して横波の主超音波１２Ｂとして管壁２Ａの点１４に入射角ｂで入射する。この入射角ｂは、面Ｂに対してなす角度である。なお、くさび１０及び大口径配管２の材料は同一なので超音波は、面Ｂの界面での屈折は起こらない。このため主超音波１２Ｂが管壁２Ａに入射した時の管壁２Ａに対する垂線１１に対してなす角度は入射角ｂと同じ大きさである。縦波の超音波１２Ａは点１６で反射した時に縦波から横波にモード変換して横波の主超音波１２Ｂとして点１４から管壁２Ａに入射する。
【００５７】
上記の入射角は、例えば、入射角ａは面Ｃと直交する面１５に対してなす角度ａであり、約６５度である。入射角ｂは面Ｂに対してなす角度ｂであり、約４５度である。入射角ｃは面Ｃに対してなす角度ｃであり、約２５度である。この超音波入射角の設定法については後に詳細に説明する。
【００５８】
上述した角度で主超音波が反射して測定対象である大口径配管２の管壁２Ａに入射するように後述する超音波入射法で超音波流量計１の超音波センサ１Ａ，１Ｂを構成する。また、超音波センサ１Ａ，１Ｂを圧電素子３０とくさび１０で構成する例を示したが、予め配管にくさび形状を形成しておき、圧電素子３０を配管のくさび形状部分に直接取り付けて、超音波流量計１の超音波センサ１Ａ，１Ｂとすることも可能である。
【００５９】
本実施例によれば、銀のくさびを使用せずに大口径配管中を流れるナトリウム中の超音波の最適な屈折角を得ることができる。また、くさび中での超音波減衰量を小さくすることができる。さらに、くさびと大口径配管の材料は同一なので、くさびと大口径配管との界面での屈折は起きないため、入射角の設定が容易にできる。
【００６０】
（超音波入射法）
図６は、本実施例に係る超音波の縦波入射角度と縦波・横波の反射率との関係を表した図である。
【００６１】
次に、図６を参照しながら、超音波入射法について説明する。図６に示した横軸は、超音波が物質に入射した時の縦波の入射角（度）を表している。縦軸は、縦波の入射角に対する縦波と横波の反射率を表している。
【００６２】
例えば、超音波が物質に入射して界面で反射した場合、超音波は縦波と横波とに分かれる。このように超音波が界面で反射した場合に縦波と横波とに分かれることが測定誤差の要因の一つとなっている。図４で示した本実施例の超音波センサ１Ａ，１Ｂは、圧電素子３０で発生した縦波の主超音波１２Ａは面Ｃの点１６で反射した時に縦波から横波にモード変換して横波の主超音波１２Ｂとして点１４から管壁２Ａに入射する。このように点１６で反射した時に横波を取り出すために図６に示した、縦波入射角と横波・縦波反射率の関係を利用する。すなわち、実線で示した縦波の反射率が低く、破線で示した横波の反射率が高い領域の範囲になるように縦波入射角を設定することで、効率的に横波を反射させることが可能となる。
【００６３】
本実施例は、図６に示した両矢印および縦の２本の破線の間の範囲になるように縦波入射角を設定している。好適には縦波入射角が５５度以上７５度以下であり、さらに好適には６０度以上７０度以下であり、最も好適には６５度である。
【００６４】
次に、縦波入射角の設定について図４を参照して説明する。縦波入射角に相当する角度は、図４に示した入射角ａである。入射角ａは面Ｃと直交する面１５に対してなす角度ａである。この入射角ａを好適には５５度以上７５度以下、さらに好適には６０度以上７０度以下、最も好適には６５度で設定することが、本実施例の超音波入射法である。
【００６５】
図４に示した、くさび１０の形状と圧電素子３０の配設位置とを設計する場合、上述した範囲に入射角ａを設定すると入射角ｃが求められる。この入射角ｃから圧電素子３０の配設位置を設定することができる。入射角ｂは管壁２Ａへの超音波入射角なのでスネルの法則より求められる。つまり、本実施例では、大口径配管２中の流体であるナトリウム中での超音波屈折角を約３３度と設定しているため、大口径配管２の管壁２Ａからナトリウム中への超音波入射角は約４５度と設定されることになる。ここで、くさび１０と大口径配管２の材料は同一なので、くさび１０と管壁２Ａとの界面での屈折は起きないため、入射角ｂは４５度と設定される。くさび１０と大口径配管２の材料が異なる場合は、スネルの法則より入射角ｂを設定することができる。
【００６６】
以上が本実施例の超音波入射法による超音波センサ１Ａ，１Ｂの構成の設定である。このように入射角ａ、入射角ｂ、入射角ｃの関係を上述した超音波入射法により設定し、くさび１０の形状を設計する。つまり、くさび１０の三角形形状は、入射角ａ、ｂ、ｃの角度を保ったままで、面ＡとＢに挟まれた角度と面ＡとＣに挟まれた角度と面ＢとＣに挟まれた角度を、測定対象によって調節することができる。
【００６７】
また、図５に示した、くさび１０の四角形形状も上記と同様に、入射角ａ、入射角ｂ、入射角ｃの関係を上述したように設定し、くさび１０の四角形形状を設計することができる。
【００６８】
本実施例の超音波入射法で設定したように超音波センサ１Ａ，１Ｂの圧電素子３０の配設位置およびくさび１０の形状を構成することで、銀のくさび１０を使用せずに大口径配管２中を流れるナトリウム中の主超音波の最適な屈折角を得ることができる。また銀を使わないので、くさび１０中での超音波の減衰を小さくすることができると共に経年変化によるくさび１０の変形を防止することができる。
【００６９】
なお上述した超音波入射法は、大口径配管中の流体がナトリウムである例で説明したが、これに限ることはなく、各種の流体に対して適用することができる。
【００７０】
（本実施例の効果）
上述したように、本実施例は、超音波センサのくさびに銀を使用することなく、くさびの材料を大口径配管の材料と音響インピーダンスが同程度である材料とすることで、くさびと管壁との界面で超音波が屈折して入射角が変わることがない。このため、管壁への超音波の入射角を、くさびの形状と圧電素子の配設位置だけで設計することができる。
【００７１】
また、くさびに銀を使用しないため、くさび中での超音波の減衰を小さくすることができると共に経年変化によるくさびの変形を防止することができる。
【００７２】
また圧電素子で発生した縦波の超音波をくさびの面内部で反射させ、縦波から横波にモード変換して横波の超音波を所定の角度で配管に入射することができる。
【００７３】
また超音波センサの圧電素子の配設位置およびくさびの形状だけで、銀のくさびを使用せずに大口径配管中を流れるナトリウム中での超音波の最適な屈折角を得ることができる。
【００７４】
また縦波の反射率が低く、横波の反射率が高い領域の範囲になるように縦波入射角を設定することで、効率的に横波を反射させることができる。
【００７５】
また大口径配管内を流れる流体の流量を精度良く測定することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１    超音波流量計
１Ａ、１Ｂ    超音波センサ（超音波トランスデューサ）
２    大口径配管（配管）
２Ａ、２Ｂ    管壁
３、４、５    主超音波
７、９    内壁
６、８、１１    垂線
１２、１２Ａ、１２Ｂ    主超音波
１４、１６    点
１５    面Ｃと直交する面
２０、２１    超音波送受信部
２２    制御部
２３    流量演算部
２４    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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