(57)【要約】【課題】被計測流体の成分が変化、流路内の渦発生によっても、安定した、高精度な超音波流量計の提供。【解決手段】被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路３と、前記流路に超音波が送受信できるように配置した一対の超音波送受波器５，６と、前記一対の超音波送受波器間の伝搬時間計測回路８と、前記計測回路により得られた伝搬時間に基づいて前記被測定流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段９とを備える超音波流量計であって、前記超音波送受波器は、異なる周波数で順次駆動し、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数を選択して流量計測を行う超音波流量計とすることにより、被計測流体の成分の変化によって超音波の減衰が変化しても、異なる周波数で駆動させ、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数を選択して流量計測を行うため、高精度な流量計測を行うことができる。【選択図】図１
2013246065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、
前記流路に超音波が送受信できるように配置した一対の超音波送受波器と、
前記一対の超音波送受波器間の伝搬時間計測回路と、
前記計測回路により得られた伝搬時間に基づいて前記被測定流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段とを備える超音波流量計であって、
Ｓ／Ｎ良否判定手段をさらに備え、
前記超音波送受波器は、異なる周波数で順次駆動し、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数を選択して流量計測を行う超音波流量計。
【請求項２】
被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、
前記流路に超音波が送受信できるように配置した一対の超音波送受波器と、
前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間計測回路と、
前記超音波伝搬時間計測回路により得られた超音波伝搬時間に基づいて前記被測定流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段とを備える超音波流量計であって、
Ｓ／Ｎ良否判定手段をさらに備え、
前記流路は、同一の断面積を備える二つに分割された矩形流路とし、前記分割された矩形流路の中央部に、垂直方向に異なる周波数の超音波を送受信できる一対の超音波送受波器を、前記流路内壁で一度反射させることで超音波を送受信できるように対向配置し、複数の周波数の超音波を同時に、かつ垂直方向に送信し、受信した超音波をフーリエ変換して周波数成分を分離し、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数成分を選択し、逆フーリエ変換して、単一の周波数成分の受信波形とし、流量計測を行う超音波流量計。
【請求項３】
超音波送受波器は複数の周波数の超音波を同一の方向に送受信できる構成であって、
前記超音波送受波器は、天部、側壁部、この側壁より外側に延びる支持部を有する有天筒状の金属ケースと、前記金属ケースの天部内壁面に収容される異なる周波数で駆動する複数の圧電体と、前記複数の圧電体に共振するように厚み調整した音波放射面に備えられた複数の音響整合体とを備えた請求項１記載の超音波流量計。
【請求項４】
超音波送受波器は複数の周波数の超音波を同一の方向に送受信できる構成であって、
前記超音波送受波器は、金属板と、一方の面に固定した異なる周波数で駆動する複数の圧電体と、前記金属板他方の面に前記複数の圧電体に共振するように厚み調整した音波放射面に備えられた複数の音響整合体とを備えた請求項１記載の超音波流量計。
【請求項５】
超音波送受波器は、流路に対し、駆動周波数の異なる複数の圧電体を被測定流体の流れ方向と同一方向に並べて配置する構成とした請求項３または４記載の超音波流量計。
【請求項６】
超音波送受波器は、金属板と、前記金属板の一方の面に固定した溝を備えたひとつの圧電体を備え、前記圧電体の溝深さ方向振動に共振する一方の音響整合体を前記金属板の他方の面に備え、前記圧電体の溝を形成した側壁面に、前記圧電体の溝長さ方向振動に共振する他方の音響整合体を備える構成とした請求項２記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の送受信可能な超音波送受波器を用いて超音波の伝搬時間を計測し、被測定流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の超音波流量計は一対の送受信可能な超音波送受波器を備えた構成となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図６は特許文献１に示されている超音波流量計を示し、被計測流体が流れる流路５２は、流路壁５３に囲まれた幅Ｗの計測流路となっており、超音波送受波器５４および５５は互いに対向するように流路壁５３の取付穴５６に振動伝達抑止体５７を介して取付けてある。上記、上流側の超音波送受波器５４と下流側の超音波送受波器５５は距離Ｌを隔てるとともに速度Ｖの被計測流体の流れに対して角度θ傾けて設置されている。計測回路５８は接続された超音波送受波器５４，５５に対して超音波の送受信をさせ伝播時間計測し、演算部５９は、計測回路５８で求めた伝搬時間を基に流速を計算し流量を算出する。
【０００４】
また、前記超音波送受波器５４および５５は図７に示すように、天部６０と、側壁部６１と、この側壁部６１の外側に設けた支持部６２と、天部６０の内壁面に固定された圧電体６３を有する金属ケース６４と、側壁部６１に当接し側壁部６１の振動を低減する制振体６５と、支持部６２を保持する保持部６６を有する振動伝達抑止体６７とを備え、金属ケース６４は振動伝達抑止体６７の保持部６６を介して流路壁５３に取付けてある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１５９５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の構成では、超音波流量計に用いる場合、被計測流体の成分によって、特定の周波数で大きく減衰する現象があり、被計測流体の成分の変化によって、超音波流量計で採用する周波数では、結果的に流量計測性能が大きく低下することがある。
【０００７】
また、超音波流量計内で発生する被計測流体の渦の影響により、受信する超音波信号が乱され、計測精度が低下するという課題があった。
【０００８】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、超音波流量計測時、複数の周波数で超音波を送受信させ、超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数を選択して流量計測を行い、高精度な超音波流量計とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため本発明の超音波流量計は、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、前記流路に超音波が送受信できるように配置した一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器間の伝搬時間計測回路と、前記計測回路により得られた伝搬時間に基づいて前記被測定流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段とを備える超音波流量計であって、Ｓ／Ｎ良否判定手段をさらに備え、前記超音波送受波器は、異なる周波数で順次駆動し、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数を選択して流量
計測を行う構成としてある。
【００１０】
これによって、被計測流体の成分の変化によって超音波の減衰が変化しても、異なる周波数で駆動させ、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数を選択して流量計測を行うため、高精度な流量計測を行うことができる。
【００１１】
また、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、前記流路に超音波が送受信できるように配置した一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間計測回路と、前記超音波伝搬時間計測回路により得られた超音波伝搬時間に基づいて前記被測定流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段とを備える超音波流量計であって、Ｓ／Ｎ良否判定手段をさらに備え、前記流路は、同一の断面積を備える二つに分割された矩形流路とし、前記分割された矩形流路の中央部に、垂直方向に異なる周波数の超音波を送受信できる一対の超音波送受波器を、前記流路内壁で一度反射させることで超音波を送受信できるように対向配置し、複数の周波数の超音波を同時に、かつ垂直方向に送信し、受信した超音波をフーリエ変換して周波数成分を分離し、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数成分を選択し、逆フーリエ変換して、単一の周波数成分の受信波形とし、流量計測を行う構成としてある。
【００１２】
これによって、複数の周波数の超音波を同時に、かつ垂直方向に送信し、受信した超音波をフーリエ変換して周波数成分を分離し、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数成分を選択し、逆フーリエ変換して、単一の周波数成分の受信波形とし、流量計測を行うため、被計測流体の成分が変化しても、被計測流体に合わせて、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数成分を選択するため、高精度な流量計測を行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の超音波流量計は、被計測流体の成分が変化しても、安定して、高精度な流量計測を行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成図
【図２】本発明の実施の形態１における超音波流量計に用いた超音波送受波器を示し、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は超音波放射面方向から見た図
【図３】本発明の実施の形態２における超音波送受波器を示し、（ａ）は実施の形態１における超音波流量計に用いた超音波送受波器を示す側面断面図、（ｂ）は超音波放射面方向から見た図
【図４】本発明の実施の形態３における超音波流量計を示し、（ａ）は流路入り口方向から見た断面図、（ｂ）は流体が流れる方向の一部断面図
【図５】本発明の実施の形態３における超音波流量計に用いた超音波送受波器を示し、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は図中右側から見た側面断面図、（ｃ）は超音波放射面方向から見た図
【図６】従来の超音波流量計の構成図
【図７】従来の超音波流量計に用いた超音波送受波器の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の発明は、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、前記流路に超音波が送受信できるように配置した一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器間の伝搬時間計測回路と、前記計測回路により得られた伝搬時間に基づいて前記被測定流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段とを備える超音波流量計であって、Ｓ／Ｎ良否判定手段をさらに備え、前記超音波送受波器は、異なる周波数で順次駆動し、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数を選択して流量計測を行う超音波流量計としたこと
により、被計測流体の成分の変化によって超音波の減衰が変化しても、異なる周波数で駆動させ、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数を選択して流量計測を行うため、高精度な流量計測を行うことができる。
【００１６】
第２の発明は、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、前記流路に超音波が送受信できるように配置した一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間計測回路と、前記超音波伝搬時間計測回路により得られた超音波伝搬時間に基づいて前記被測定流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段とを備える超音波流量計であって、Ｓ／Ｎ良否判定手段をさらに備え、前記流路は、同一の断面積を備える二つに分割された矩形流路とし、前記分割された矩形流路の中央部に、垂直方向に異なる周波数の超音波を送受信できる一対の超音波送受波器を、前記流路内壁で一度反射させることで超音波を送受信できるように対向配置し、複数の周波数の超音波を同時に、かつ垂直方向に送信し、受信した超音波をフーリエ変換して周波数成分を分離し、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数成分を選択し、逆フーリエ変換して、単一の周波数成分の受信波形とし、流量計測を行う超音波流量計としたものである。
【００１７】
これにより、複数の周波数の超音波を同時に、かつ垂直方向に送信し、受信した超音波をフーリエ変換して周波数成分を分離し、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数成分を選択し、逆フーリエ変換して、単一の周波数成分の受信波形とし、流量計測を行うため、被計測流体の成分が変化しても、被計測流体に合わせて、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数成分を選択するため、高精度な流量計測を行うことができる。
【００１８】
第３の発明は、第１の発明において、超音波送受波器は複数の周波数の超音波を同一の方向に送受信できる構成であって、前記超音波送受波器は、天部、側壁部、この側壁より外側に延びる支持部を有する有天筒状の金属ケースと、前記金属ケースの天部内壁面に収容される異なる周波数で駆動する複数の圧電体と、前記複数の圧電体に共振するように厚み調整した音波放射面に備えられた複数の音響整合体とを備えた構成としてあり、同一の方向に、複数の超音波を送受信でき、超音波送受波器を流路に対して精度よく取り付けることができ、結果的に高精度な流量計測を行うことができる。
【００１９】
第４の発明は、第１の発明において、超音波送受波器は複数の周波数の超音波を同一の方向に送受信できる構成であって、前記超音波送受波器は、金属板と、一方の面に固定した異なる周波数で駆動する複数の圧電体と、前記金属板他方の面の前記複数の圧電体に共振するように厚み調整した音波放射面に設けられた複数の音響整合体とを備えた構成としてあり、第３の発明と同様同一の方向に、複数の超音波を送受信でき、より安価な超音波送受波器とすることができる。
【００２０】
第５の発明は、第３または第４の発明において、超音波送受波器は、前記流路に対し、駆動周波数の異なる複数の圧電体を被測定流体の流れ方向と同一方向に並べて配置する構成としてあり、それぞれ複数の周波数において、流路の中央部分に超音波を均一に伝搬させることができるため、安定した流量計測を行うことができる。
【００２１】
第６の発明は、第２の発明において、超音波送受波器は、金属板と、前記金属板の一方の面に固定した溝を備えたひとつの圧電体を備え、前記圧電体の溝深さ方向振動に共振する一方の音響整合体を前記金属板の他方の面に備え、前記圧電体の溝を形成した側壁面に、前記圧電体の溝長さ方向振動に共振する他方の音響整合体を備えた構成としてあり、圧電体ひとつで二つに分割された矩形流路に対し複数の超音波を送受信でき、超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数成分を選択して流量計即できるため、ガス成分の変化、渦に影響されない超音波流量計とすることができる。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明第１の実施の形態における超音波流量計の構成図を示している。
【００２４】
図１において、流体を一方の開口端１から他方の開口端２へ通す流路３は、被測定流体を通す配管であり、この流路３に対して、制振部材４を介して超音波送受波器５、６が超音波を送信、あるいは受波できるように、対向して取り付けられている。また、駆動回路７は前記超音波送受波器５、６を特定の周波数で駆動し、伝搬時間計測回路８は超音波送受波器５、６における超音波の伝搬時間を計測し、演算手段９はその伝搬時間によって流量を計測する。
【００２５】
以下、流量計測原理に関して図１を用いて説明する。
【００２６】
図１に図示した、Ｌ１は、上流側に配置された超音波送受波器５から伝搬する超音波の伝搬経路を示しており、Ｌ２は下流側に配置された超音波送受波器６の超音波の伝搬経路を示している。
【００２７】
流路３を流れる流体の流速をＶ、流体中を超音波が伝搬する速度をＣ（図示せず）、超音波送受波器間において、流量計測時伝搬時間変化を生じさせる超音波の伝搬距離をＬ、流体の流れる方向と超音波の伝搬方向のなす角度をθとする。
【００２８】
超音波送受波器５を送波器、超音波送受波器６を受波器として用いたときに、超音波送受波器５から出た超音波パルスが超音波送受波器６に到達する伝搬時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）                      （１）
で示される。
【００２９】
次に超音波送受波器６から出た超音波パルスが超音波送受波器５に到達する伝搬時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）                      （２）
で示される。
そして、（１）と（２）の式から伝搬時間の逆数差を計算して流体の音速Ｃを消去すると、
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２）          （３）
の式が得られる。
【００３０】
Ｌとθが既知なら、伝搬時間計測回路８によってｔ１、ｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。必要に応じて、この流速Ｖに流路３の断面積Ｓと補正係数Ｋを乗じれば、流量Ｑを求めることができる。演算手段９は、前記計測回路内に備えられており、上記Ｑ＝ＫＳＶを演算するものである。
【００３１】
次に超音波送受波器５，６の構成に関して以下詳細に説明する。
【００３２】
図２は、本発明第１の実施の形態における超音波流量計に用いた超音波送受波器の断面図を示している。
【００３３】
図２（ａ）は超音波送受波器５、６の側面断面図、図２（ｂ）は超音波送受波器５、６の超音波放射面方向から見た図を示している。
【００３４】
超音波送受波器５，６は、対向する電極を備える圧電体１０と、対向する電極を備え、前記圧電体１０とは異なる周波数で振動する圧電体１１と、天部１２、側壁部１３、支持部１４によって構成される有天筒状の金属ケース１５と、前記圧電体１０と共振するように厚み調整された音響整合体１６と、もう一方の圧電体１１と共振するように厚み調整された音響整合体１７と、第１端子１８、第２端子１９、第３端子２０を備える端子板２１と、前記圧電体１０と第１端子１８とを電気的に接続するリード線２２、前記圧電体１１と第１端子１９とを電気的に接続するリード線２３で構成されている。
【００３５】
圧電体１０および圧電体１１は、有天筒状の金属ケース１５および音響整合体１６および１７と、例えば、接着剤で接合する。粘着剤でも可能であるが、特性安定性の観点から接着剤で固定した場合のほうがより好ましい。圧電体１０および１１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムなど圧電特性を有する材料であれば特に限定されない。
【００３６】
有天筒状の金属ケース１５は例えば、銅、鉄、ステンレス鋼等が例示できる。端子板２１は、第１端子１８、第２端子１９および第３端子２０とは絶縁体２１ａによって絶縁され、そのほかは金属材料で構成する。絶縁体２１ａとしては、例えば、樹脂などの有機材料、あるいは、ガラスハーメチックシールを用いた無機材料など絶縁体であれば特に限定されない。端子板２１と、有天筒状の金属ケース１５とは、支持部１４で溶接、あるいは銀ロウなどの工法によって電気的に導通され、密閉される。第１端子１８と圧電体１０の一方の電極は、リード線２２などで電気的に導通され、同様に、第２端子１９と圧電体１１の一方の電極は、リード線２３などで電気的に導通され、第３端子２０と圧電体１０、および圧電体１１の他方のそれぞれの電極が、前記有天筒状の金属ケース１５を介して電気的に導通した構成となっている。
【００３７】
音響整合体１６および１７は、圧電体１０および１１の振動を被計測流体に効率よく伝搬させることを役割としている。このため、被計測流体がガスであった場合これが軽量であることを考慮すると、音響整合体１６および１７はより軽量で音速の遅い材料が好ましい。そのため例えば、中空ガラスフィラーの充填物をエポキシ樹脂で硬化した複合材料が用いてあり、以下その構成について説明する。一定の容器内に、ガラスの中空球体をタッピングして充填し、その隙間を熱硬化性樹脂で満たし、その状態を保持したまま、加熱し、樹脂を硬化した構成で実現することが出来る。あるいは、セラミック多孔体の音波放射面に音響膜を形成した構成でも可能である。音響整合体１６はいずれも、λ／４の厚みで調整することで超音波を効率よく被計測流体に伝搬することが出来る。
【００３８】
以下超音波送受波器５，６の動作について説明する。
【００３９】
超音波送受波器５、６は二つの周波数で駆動することができる。
【００４０】
まず、低い周波数で駆動する場合の動作について説明する。低い周波数の超音波を送受波するために用いる圧電体１０の電極には、第１端子１８および、第３端子２０に、例えば２００ｋＨｚの矩形波を加える。加えられた電気信号に対して、圧電体１０が本実施の形態においては、音波放射面に対して垂直方向に振動する。この圧電体の振動に対して、あらかじめ厚み調整した音響整合体１６が共振し、その結果、被測定流体に超音波が伝播する。
【００４１】
同様に、高い周波数で駆動する場合の動作について説明する。高い周波数の超音波を送受波するために用いる圧電体１１の電極には、第２端子１９および、第３端子２０に、例えば５００ｋＨｚの矩形波を加える。加えられた電気信号に対して、圧電体１１が本実施の形態においては、音波放射面に対して垂直方向に振動する。この圧電体の振動に対して
、あらかじめ厚み調整した音響整合体１７が共振し、その結果、被測定流体に超音波が伝播する。
【００４２】
以上のように、本実施の形態の超音波送受波器５，６の第１端子１８、および第２端子１９に、２００ｋＨｚ、および５００ｋＨｚの電気信号を交互に加えた場合は、２００ｋＨｚでの流量計測、５００ｋＨｚでの流量計測を行うことができる。これは、例えば、図１に示すように圧電体１０、１１を駆動する駆動回路７に対して駆動圧電体／周波数変更手段４５を設け、この駆動圧電体／周波数変更手段４５からの指示によって、各圧電体１０、１１に対する周波数を変更し、その変更周波数で駆動回路７が超音波送受波器５，６を駆動するとともに、伝搬時間計測回路８が超音波の伝搬時間を計測し、演算手段９が演算して流量を計測している。
【００４３】
ここで上記超音波は伝搬時に減衰する。その減衰は、一般的に、周波数が高いほど減衰が大きいが、ガスの成分によって、異なる。そのため、被計測流体の流量計測時一定時間ごとに、超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数を選択して流量計測を行う。そのためのＳ／Ｎ良否判定手段４６が設けてあり、このＳ／Ｎ良否判定手段４６によるＳ／Ｎの良否の判定は、超音波受信信号直前のノイズレベルで判断するか、流量値の標準偏差、あるいは、伝搬時間計測回路８で伝搬時間を計測する場合、一定レベルに超音波信号を増幅するが、その増幅率によっても判断できる。超音波信号の増幅レベルが小さければ、ノイズの増幅も低減できるため、相対的に超音波の増幅レベルが小さいほどＳ／Ｎがよいと判断できる。
【００４４】
以上のような判定基準によって、必要に応じて、Ｓ／Ｎ良否判定手段４６が流量計測時のＳ／Ｎを判断し、駆動圧電体／周波数変更手段４５に指示を出して超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数を選択して流量計測を行うことにより、被計測流体の成分の変化によって超音波の減衰が変化しても、異なる周波数で駆動させ、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数を選択して流量計測を行うため、高精度な流量計測を行うことができる。
【００４５】
また、この実施の形態では、超音波送受波器５、６の流路への配置は、前記超音波送受波器５、６が、前記流路３に対し、複数の周波数の圧電体１０、１１を被測定流体の流れ方向と同一方向に並べて配置する構成としている（図１）。これによって、それぞれ複数の周波数において、流路３の中央部分に超音波を均一に伝搬させることができるため、安定した流量計測を行うことができる。
【００４６】
以上のように、本実施の形態においては、被測定流体を一方の開口端１から他方の開口端２に通す流路３と、前記流路３に超音波が送受信できるように配置した一対の超音波送受波器５、６と、前記一対の超音波送受波器５，６間の伝搬時間計測回路８と、前記伝搬時間計測回路８により得られた伝搬時間に基づいて前記被測定流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段９とを備える超音波流量計であって、Ｓ／Ｎ良否判定手段４６をさらに備え、前記超音波送受波器５、６は、異なる周波数で順次駆動し、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数を選択して流量計測を行う超音波流量計としたものである。
【００４７】
これによって、被計測流体の成分の変化によって超音波の減衰が変化しても、異なる周波数で駆動させ、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数を選択して流量計測を行うため、高精度な流量計測を行うことができる。
【００４８】
また、前記超音波送受波器５、６は複数の周波数の超音波を同一の方向に送受信できる構成とし、さらに前記超音波送受波器５、６は、天部、側壁部、この側壁より外側に延びる支持部を有する有天筒状の金属ケース１５と前記金属ケース１５天部内壁面に収容される異なる周波数で駆動する複数の圧電体１０、１１と、前記複数の圧電体１０、１１に共
振するように厚み調整した音波放射面に備えられた複数の音響整合体１６、１７とを備えた構成としてあり、同一の方向に、複数の超音波を送受信でき、超音波送受波器５、６を流路３に対して精度よく取り付けることができ、結果的に高精度な流量計測を行うことができる。
【００４９】
また、前記超音波送受波器５、６は、既述したように前記流路３に対し、複数の周波数の圧電体１０、１１を被測定流体の流れ方向と同一方向に並べて配置する構成としてあり、それぞれ複数の周波数において、流路の中央部分に超音波を均一に伝搬させることができるため、安定した流量計測を行うことができる。
【００５０】
（実施の形態２）
図３は、本発明第２の実施の形態における超音波送受波器の断面図を示している。
【００５１】
図３（ａ）は超音波送受波器２５の側面断面図、図３（ｂ）は超音波送受波器２５の超音波放射面方向から見た図を示している。
【００５２】
超音波送受波器２５は、対向する電極を備える圧電体１０と、対向する電極を備え、前記圧電体１０とは異なる周波数で振動する圧電体１１と、金属板２６と、前記圧電体１０と共振するように厚み調整された音響整合体１６と、前記圧電体１１と共振するように厚み調整された音響整合体１７と、前記圧電体１０と電気的に接続されたリード線２７と、もう一方の圧電体１１と電気的に接続されたリード線２８と、前記金属板２６と電気的に接続されたリード線２９とで構成されている。
【００５３】
圧電体１０および圧電体１１は、金属板２６および音響整合体１６および１７とは、例えば、接着剤で接合する。粘着剤でも可能であるが、特性安定性の観点から接着剤で固定した場合のほうがより好ましい。圧電体１０および１１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムなど圧電特性を有する材料であれば特に限定されない。金属板２６は例えば、銅、鉄、ステンレス鋼等が例示できる。圧電体１０の一方の電極は、リード線２７などで電気的に導通され、同様に、圧電体１１の一方の電極は、リード線２８などで電気的に導通され、前記金属板２６はリード線２９を介して電気的に導通した構成となっている。
【００５４】
超音波送受波器２５の動作、流量計測時の超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数を選択して流量計測する方法は、実施の形態１と同様のため省略する。
【００５５】
以上のように、この実施の形態の超音波送受波器は、複数の周波数の超音波を同一の方向に送受信できる構成であって、前記超音波送受波器には、金属板２６と、一方の面に固定した異なる周波数で駆動する複数の圧電体１０、１１と、前記金属板他方の面に前記複数の圧電体１０、１１に共振するように厚み調整した音波放射面に備えられた複数の音響整合体１６、１７とを設けた構成としてある。
【００５６】
これにより、同一の方向に、複数の超音波を送受信でき、より安価な超音波送受波器とすることができる。
【００５７】
（実施の形態３）
図４は、本発明第３の実施の形態における超音波流量計の一部断面図を示している。
【００５８】
図４（ａ）は流路入り口方向から見た図、図４（ｂ）は超音波流量計における流体が流れる方向の断面図を示している。
【００５９】
図４（ｂ）において、この超音波流量計は、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通し、同一の断面積を備える二つに分割された矩形の流路３０と、前記分割された矩形の流路３０の中央開口部に、垂直方向に異なる周波数の超音波を送受信できる一対の超音波送受波器３１、３２を、前記流路内壁で一度反射させることで超音波を送受信できるように対向配置し、異なる周波数の超音波は、超音波伝搬路３３、超音波伝搬路３４で送受信される。
【００６０】
以下、本実施の形態における超音波送受波器の構成について説明する。
【００６１】
図５は本発明第３の実施の形態における超音波送受波器３１、３２の断面図を示している。図５（ａ）は側面断面図、図５（ｂ）は図中右側から見た側面断面図、図５（ｃ）は超音波放射面方向から見た図である。
【００６２】
超音波送受波器３１、３２は、対向する電極と溝３６備える圧電体３７と、金属板３８と、前記圧電体３７の、溝深さ方向振動（図中Ｘ方向）に共振するように厚み調整した音響整合体３９と、前記圧電体３７の溝３６を形成した側壁面に、前記圧電体３７の溝長さ方向（図中Ｙ方向）振動に共振するように厚み調整した他方の音響整合体４０を設けて構成してある。
【００６３】
以下この超音波送受波器３１，３２の動作について説明する。
【００６４】
超音波送受波器３１，３２は高い周波数で駆動した場合、その形状に由来する低い周波数の振動も発生する。
【００６５】
まず、高い周波数で駆動する場合の動作について説明する。高い周波数の超音波を送受波するために用いる圧電体３７の一方の電極にはリード線４１を介して、また圧電体３７の他方の電極には前記金属板３８とリード線４２を介して、例えば５００ｋＨｚの矩形波を加える。加えられた電気信号に対して、圧電体３７がＸ方向（図中に記載）に振動することで音響整合体３９と共振し、超音波が送受信される。この、Ｘ方向の振動に伴い、より低い周波数（例えば２００ｋＨｚ）のＹ方向の振動が発生し、このＹ方向の振動に共振するように厚み調整された音響整合体４０が共振し、Ｘ方向、Ｙ方向に同時に超音波を送受信することができる。
【００６６】
同時に送信した異なる周波数の超音波の信号処理方法を以下に示す。
【００６７】
複数の周波数の超音波を同時に、かつ垂直方向に送信し、受信した超音波をフーリエ変換して周波数成分を分離し、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数成分を選択し、逆フーリエ変換して、単一の周波数成分の受信波形とし、流量計測を行う。これによって、ひとつの圧電体３７を設けるだけで複数の超音波を送受信でき、超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数成分を選択するため、ガス成分の変化、渦に影響されない超音波流量計とすることができる。
【００６８】
以上のように、この実施の形態においては、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路３０と、前記流路３０に超音波が送受信できるように配置した一対の超音波送受波器３１、３２と、前記一対の超音波送受波器３１、３２間の超音波伝搬時間計測回路（図１で示す伝搬時間計測回路８で代用）と、前記超音波伝搬時間計測回路により得られた超音波伝搬時間に基づいて前記被測定流体の単位時間当たりの流量を算出する演算手段（図１で示す演算手段９で代用）とを備える超音波流量計であって、Ｓ／Ｎ良否判定手段（図１で示すＳ／Ｎ良否判定手段４６で代用）をさらに備え、前記流路３０は、同一の断面積を備える二つに分割された矩形流路とし、前記分割された矩形流路の中央部に、垂
直方向に異なる周波数の超音波を送受信できる一対の超音波送受波器３１、３２を、前記流路内壁で一度反射させることで超音波を送受信できるように対向配置し、複数の周波数の超音波を同時に、かつ垂直方向に送信し、受信した超音波をフーリエ変換して周波数成分を分離し、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数成分を選択し、逆フーリエ変換して、単一の周波数成分の受信波形とし、流量計測を行う構成としてある。
【００６９】
これにより、複数の周波数の超音波を同時に、かつ垂直方向に送信し、受信した超音波をフーリエ変換して周波数成分を分離し、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数成分を選択し、逆フーリエ変換して、単一の周波数成分の受信波形とし、流量計測を行うため、被計測流体の成分が変化しても、被計測流体に合わせて、より超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数成分を選択するため、高精度な流量計測を行うことができる。
【００７０】
また、この実施の形態で用いる超音波送受波器３１、３２は、金属板３８と、前記金属板３８の一方の面に固定した溝３６を備えたひとつの圧電体３７を備え、前記圧電体３７の溝深さ方向振動に共振する一方の音響整合体３９を前記金属板３８の他方の面に備え、前記圧電体３７の溝３６を形成した側壁面に、前記圧電体３７の溝長さ方向振動に共振する他方の音響整合体４０を備えた構成としてあり、圧電体３７ひとつで複数の超音波を送受信でき、超音波受信信号のＳ／Ｎの良い周波数成分を選択するため、ガス成分の変化、渦に影響されない超音波流量計とすることができる。
【００７１】
なお、上記各実施の形態は本発明を実施する一例として示したものであり、本発明の目的を達成する範囲で種々変更可能である。例えば、実施の形態１においては、超音波送受波器５、６は流路３に対向配置して超音波を直線状で送受信するようにしたものを例示したが、実施の形態３で示したものと同様超音波送受波器５、６からの超音波が流路３の流路内壁に反射してＶ字状に送受信するように配置するなどしてもよいものである。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、被計測流体の成分が変化しても、安定して、高精度な流量計測を行うことが出来るため、家庭用流量計、産業用流量計、計測器等の用途に適用できる。
【符号の説明】
【００７３】
１  一方の開口端
２  他方の開口端
３、３０  流路
５、６、２５、３１、３２  超音波送受波器
７  駆動回路
８  伝搬時間計測回路
９  演算手段
１５  金属ケース
１６、１７、３９、４０  音響整合体
２６，３８  金属板
２２，２３，２７，２８，２９、４１、４２  リード線
３６  溝
１０，１１，３７  圧電体
４５  駆動圧電体／周波数変更手段
４６  Ｓ／Ｎ良否判定手段
【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１】
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【図６】
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【図７】
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