(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子が、底面と該底面に対して鋭角をなす少なくとも一つの斜面を備えた、超音波を該斜面に対して垂直な方向に伝搬する楔形超音波伝搬材の該斜面に装着されてなる超音波送受信器であって、該超音波伝搬材の底面に、超音波振動子装着斜面と平行な複数の表面が整列形成されていることを特徴とする超音波送受信器。
【請求項２】
楔形超音波伝搬材が、樹脂材料シート中に複数本の高弾性繊維がシート平面に沿って平行に整列配置された構成の繊維強化樹脂シートが複数枚積層一体化された構成にあることを特徴とする請求項１に記載の超音波送受信器。
【請求項３】
高弾性繊維が、炭素繊維である請求項２に記載の超音波送受信器。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載の超音波送受信器が一対、底面に開口を有する細長い形状のケースに、各超音波送受信器の超音波振動子が装着された斜面が互いに対向しないような位置関係で収容固定されてなるクランプオン型超音波流量計。
【請求項５】
フッ素樹脂製管状体の内部を移動する流体の流量測定用である請求項４に記載のクランプオン型超音波流量計。
【請求項６】
管状体の外周面に、請求項４に記載のクランプオン型超音波流量計の各超音波送受信器を固定してなり、そして各超音波送受信器の超音波伝搬材の底面に形成された、超音波振動子装着斜面と平行な各表面の少なくとも一部が、管状体と密接していることを特徴とする流量測定構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クランプオン型超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
管状体の外周面上に装着され、管状体の内部を移動する流体の流量を測定する流量計として、伝搬時間差式あるいはドップラー式などのクランプオン型超音波流量計が知られている。
【０００３】
図７に、従来のクランプオン型超音波流量計とその使用の形態の一例を示す。図７のクランプオン型超音波流量計は、伝搬時間差式の流量計である。クランプオン型超音波流量計は、一対の超音波送受信器７１ａ及び７１ｂから構成されている。超音波送受信器７１ａは、超音波振動子７２ａと楔形超音波伝搬材７３ａから構成されている。楔型超音波伝搬材７３ａは、底面７４ａと底面７４ａに対して鋭角をなす斜面７５ａを備えている。超音波振動子７２ａは、楔型超音波伝搬材７３ａの斜面７５ａに装着されている。そして、超音波振動子７２ａの楔形超音波伝搬材側の面及びその逆側の面には、超音波振動子に電圧を印加するための電極とリード線（図示は略する）が備えられている。同様に、超音波送受信器７１ｂは、超音波振動子７２ｂが、楔型超音波伝搬材７３ｂの斜面７５ｂに装着された構成を有している。一般に、超音波振動子としては、ジルコン酸チタン酸鉛系のセラミックスなどから形成された圧電振動子が用いられている。また、楔形超音波伝搬材は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ステンレスなどから形成されている。
【０００４】
超音波振動子７２ａ及び７２ｂのそれぞれは、電極に電気的な駆動信号が印加されると、超音波を楔形超音波伝搬材に付与（送信）し、逆に超音波が付与（受信）されると、電極に電気的な受信信号を生じる。従って、超音波振動子が備えられた超音波送受信器７１ａ及び７１ｂのそれぞれは、超音波の送信器でもあり、受信器でもある。そして、超音波送受信器７１ａ及び７１ｂは、管状体７６の内部の流体の移動方向（図７に記入した矢印７７の示す方向）に対して斜めに超音波が伝搬するように、管状体７６の外周面上に配置されている。図７に記入した破線７９は、超音波の伝搬経路の一例を意味している。
【０００５】
管状体７６の内部を移動する流体の流量は、以下の様にして測定される。先ず、超音波送受信器７１ａの超音波振動子７２ａに駆動信号を印加して、超音波を送信する。超音波は、伝搬経路７９に沿って、楔型超音波伝搬材７３ａ、管状体７６、移動流体、管状体７６、そして楔形超音波伝搬材７３ｂの順に伝搬して、超音波送受信器７１ｂの超音波振動子７２ｂにより受信される。超音波送受信器７１ａが超音波の送信を開始してから、超音波送受信器７１ｂが超音波を受信するまでに要する超音波の伝搬時間Ｔ1 を計測する。
【０００６】
次に、超音波送受信器７１ｂの超音波振動子７２ｂに駆動信号を印加して、超音波を送信する。超音波は、前記の伝搬経路を逆向きに伝搬して、超音波送受信器７１ａの超音波振動子７２ａにより受信される。超音波送受信器７１ｂが超音波の送信を開始してから、超音波送受信器７１ａが超音波を受信するまでに要する超音波の伝搬時間Ｔ2 を計測する。
【０００７】
超音波が、超音波送受信器７１ａ及び７１ｂの間を伝搬するのに要する時間（Ｔ1 及びＴ2 ）は、超音波の伝搬する方向（図７に示す矢印７９ａ及び７９ｂの示す方向）により異なる値となる。超音波送受信器７１ａから超音波送受信器７１ｂに（矢印７９ａが示す方向に）向かう超音波は、いわば流体の流れに乗って流体中を伝搬するので、伝搬時間Ｔ1 は、流体が静止している場合と比べると短い値となる。一方、超音波送受信器７１ｂから超音波送受信器７１ａに（矢印７９ｂが示す方向に）向かう超音波は、流体の流れに逆らって流体中を伝搬するので、伝搬時間Ｔ2 は、流体が静止している場合と比べると長い値となる。これらの伝搬時間の差（Ｔ2 −Ｔ1 ）の値は、流体の移動速度と相関があり、この伝搬時間の差から流体の移動速度が算出される。そして、得られた流体の移動速度、管状体７６の内径などから流体の流量が算出される。
【０００８】
クランプオン型超音波流量計の測定感度を高くするためには、前記の伝播時間の差の値を大きくする、即ち、流体中における超音波の伝搬距離を長く設定すればよい。流体中における超音波の伝搬距離を長くするためには、楔形超音波伝搬材と管状体の界面における超音波の入射角が大きくなるよう、楔形超音波伝搬材の超音波振動子装着斜面の角度を調節すればよい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来のクランプオン型超音波流量計においては、楔形超音波伝搬材と管状体の界面における超音波の入射角を大きくしても、流量の測定感度を、ある程度以上には高くすることができない。これは、超音波の入射角が大きくなるにつれ、前記の界面における超音波の反射量が多くなったり、管状体の壁体を伝搬する超音波の量が多くなったりして、流体中を伝搬した超音波の受信によって超音波送受信器から出力される受信信号の値が小さくなるためである。
【００１０】
本発明の目的は、測定感度の高いクランプオン型超音波流量計を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、楔形超音波伝搬材の底面に、超音波振動子装着斜面と平行な複数の表面を整列形成することにより、楔形超音波伝搬材と管状体の界面における超音波の反射などを抑えることができ、測定感度の高いクランプオン型超音波流量計が提供できることを見出した。
【００１２】
本発明は、超音波振動子が、底面と該底面に対して鋭角をなす少なくとも一つの斜面を備えた、超音波を前記斜面に対して垂直な方向に伝搬する楔形超音波伝搬材の前記斜面に装着されてなる超音波送受信器であって、超音波伝搬材の底面に、超音波振動子装着斜面と平行な複数の表面が整列形成されていることを特徴とする超音波送受信器にある。
【００１３】
本発明の超音波送受信器の好ましい態様は、下記の通りである。
（１）楔形超音波伝搬材が、樹脂材料シート中に複数本の高弾性繊維がシート平面に沿って平行に整列配置された構成の繊維強化樹脂シートが複数枚積層一体化された構成にある。
（２）高弾性繊維が、炭素繊維である。
【００１４】
本発明はまた、前記超音波送受信器が一対、底面に開口を有する細長い形状のケースに、各超音波送受信器の超音波振動子が装着された斜面が互いに対向しないような位置関係で収容固定されてなるクランプオン型超音波流量計にもある。
【００１５】
本発明のクランプオン型超音波流量計は、フッ素樹脂製管状体の内部を移動する流体の流量測定用であることが好ましい。
【００１６】
本発明はまた、管状体の外周面に、前記クランプオン型超音波流量計の各超音波送受信器を固定してなり、そして各超音波送受信器の超音波伝搬材の底面に形成された、超音波振動子装着斜面と平行な各表面の少なくとも一部が、管状体と密接していることを特徴とする流量測定構造体にもある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波送受信器を、添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明に従う超音波送受信器とその使用の形態の一例を示す斜視図である。図２は、図１に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した、超音波送受信器と管状体の断面図である。図１及び図２に示す超音波送受信器１１は、超音波振動子１２と楔形超音波伝搬材１３から構成されている。楔形超音波伝搬材１３は、底面１４と、底面１４に対して傾斜する斜面１５を備えている。楔形超音波伝搬材１３において、超音波は、斜面１５に対して垂直な方向に伝搬する。超音波振動子１２は、楔形超音波伝搬材１３の斜面１５に装着されている。そして、楔形超音波伝搬材１３の底面１４には、超音波振動子装着斜面１５と平行な複数の表面１６が整列形成されている。また、超音波振動子１２の楔形超音波伝搬材側の面及びその逆側の面には、超音波振動子に電圧を印加するための電極とリード線（図示は略する）が備えられている。
【００１８】
図２に示すように、超音波送受信器１１は、超音波振動子装着斜面と平行な各表面１６の少なくとも一部が管状体１７と密接するようにして、管状体の外周面に固定されている。超音波伝搬材の表面１６と管状体１７とを密接させるには、超音波送受信器１１を管状体の側に押し付けることにより、表面１６を管状体の壁体に食い込ませればよい。また、管状体１７に、超音波伝搬材の表面１６と対応する切り欠きを形成しておき、切り欠きにあわせて超音波送受信器を固定することにより、表面１６と管状体１７とを密接させることもできる。
【００１９】
超音波振動子１２により送信された超音波は、図２に記入した破線２０が示す伝搬経路に沿って、楔形超音波伝搬材１３の内部を伝搬し、底面１４に形成された複数の表面１６に垂直に入射する。楔形超音波伝搬材１３の底面に、このような複数の表面１６を形成することにより、表面１６と管状体の界面における超音波の入射角が零度となり、界面における超音波の反射などを極めて少なくすることができる。従って、このような超音波送受信器を用いることにより、クランプオン型超音波流量計の測定感度を高くすることができる。
【００２０】
また、楔形超音波伝搬材１３の底面に形成された表面２１は、超音波振動子装着斜面１５と垂直であることが好ましい。超音波振動子装着斜面１５に垂直となるように表面２１を形成することにより、超音波振動子１２から超音波伝搬材１３に付与された超音波の大部分を、表面１６に入射させることができる。
【００２１】
超音波伝搬材１３において、超音波は、超音波振動子装着斜面１５に対して垂直な方向に伝搬する。楔形超音波伝搬材１３は、従来の楔形超音波伝搬材と同様にして形成することができる。楔形超音波伝搬材は、超音波振動子に垂直な円柱部分とその外側の部分とを、互いに音響インピーダンスの値が大きく異なる材料から形成することもできる。超音波伝搬材を、このような構成とすることにより、超音波が超音波振動子に垂直な方向から広がって伝搬することを防止することができる。
【００２２】
楔形超音波伝搬材１３は、樹脂材料シート中に複数本の高弾性繊維がシート平面に沿って平行に整列配置された構成の繊維強化樹脂シートが複数枚積層一体化された構成にあることが好ましい。楔形超音波伝搬材１３は、市販の繊維強化樹脂材料を切削加工して形成することができる。なお、図２、図３及び図６の断面図において、繊維強化樹脂材料の高弾性繊維の配置を説明するために、楔形超音波伝搬材１３の断面には、ハッチングの記入を省略した。
【００２３】
繊維強化樹脂材料の高弾性繊維１８の長さ方向は、楔形超音波伝搬材の底面に形成された表面１６と平行であることが好ましい。このような繊維強化樹脂材料に超音波を付与した場合、高弾性繊維の長さ方向に沿った振動が抑えられるために、繊維の長さ方向に垂直な方向（即ち、表面１６に垂直な方向）に、指向性に優れた超音波を伝搬させることができ、クランプオン型超音波流量計の測定感度をさらに高くすることができる。繊維強化樹脂材料による超音波の伝搬方向の制御については、特開平７−２８４１９８号公報に記載がある。
【００２４】
高弾性繊維１８は、繊維強化樹脂材料の製造のし易さや、コストなどの面で、楔形超音波伝搬材の表面１６に平行な、一方向または二方向に整列配置させることが好ましい。高弾性繊維を、楔形超音波伝搬材１３の表面１６に平行な一方向に整列配置させる場合は、図１に示すように、高弾性繊維１８の長さ方向を楔形超音波伝搬材１３の底面１４に投影した線と、表面１６の法線を前記の底面に投影した線とが平行であることが好ましい。
【００２５】
高弾性繊維１８を、楔形超音波伝搬材１３の表面１６に平行な二方向に整列配置させる場合は、楔形超音波伝搬材１３を、複数枚の繊維強化樹脂シートが、隣接する各シート内の高弾性繊維の整列方向が互いに直交をなすように交互に積層され一体化された構成とすることが好ましい。
【００２６】
楔形超音波伝搬材１３の高弾性繊維１８の長さ方向に沿った方向の振動の励起を抑えるために、高弾性繊維の長さ方向の引張弾性率は、５０ＧＰａ以上であることが好ましく、１００ＧＰａ以上であることがより好ましい。高弾性繊維１８の例としては、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、ナイロン繊維、ポリアミド繊維、およびアラミド繊維などが挙げられ、炭素繊維もしくは炭化ケイ素繊維を用いることが好ましい。また、繊維強化樹脂シートの樹脂材料１９の例としては、エポキシ樹脂、ナイロン樹脂、ポリイミド樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、およびポリアミドイミド樹脂などが挙げられ、エポキシ樹脂を用いることが好ましい。
【００２７】
また、楔形超音波伝搬材１３と管状体１７との間に空気（隙間）が存在すると、空気の音響インピーダンスが小さいために、楔型超音波伝搬材と空気の界面で超音波が反射してしまうため、楔型超音波伝搬材と管状体との隙間には、接触媒質を充填することが好ましい。接触媒質としては、気泡が残りにくい液体またはペースト状の材料が用いられ、一般には、水、油、水ガラス、グリース、ワセリンなどが用いられる。超音波送受信器を管状体に固定して、継続的に流体の流量を測定する場合には、接触媒質としてはグリースを用いることが好ましい。また、接触媒質として液状の高分子材料、もしくは高分子ゲル材料を用いることもできる。高分子ゲル材料の例としては、シリコーンゲル、ポリウレタンゲルが挙げられる。
【００２８】
図３は、本発明の超音波送受信器を用いたＶ式のクランプオン型超音波流量計とその使用の形態の一例を示す断面図である。図３のクランプオン型超音波流量計は、超音波の伝搬経路３０の形から、Ｖ式と呼ばれている。Ｖ式のクランプオン型超音波流量計は測定感度が高く、管状体１７の長さ方向に沿った直線上に一対の超音波送受信器１１を配置できるので、管状体への取り付け作業が容易であるという利点がある。そして、図３のクランプオン型超音波流量計は、楔形超音波伝搬材１３に超音波振動子装着斜面１５に平行な複数の表面１６が整列形成されているために、測定感度が高い。
【００２９】
クランプオン型超音波流量計には、伝搬時間差式、ドップラー式のように多くの種類があり、用いられる超音波送受信器の数も様々である。クランプオン型超音波流量計については、「流量計測ＡｔｏＺ」（日本計量機器工業連合会編、第８章、１９９５）に詳しい記載がある。本発明の超音波送受信器は、様々な種類のクランプオン型超音波流量計のいずれにも好ましく用いることができる。
【００３０】
図４に、本発明に従う別の超音波送受信器とその使用の形態の一例を示す。図４の超音波送受信器４１は、楔形超音波伝搬材４３の管状体の側の面が凹状に湾曲した形状とされていること以外は、図１の超音波送受信器と同様の構成である。超音波伝搬材４１の管状体の側の面を凹状に湾曲した形状とすることにより、超音波振動子装着斜面と平行な表面４６と、管状体１７とが密接する面積が大きくなる。従って、超音波送受信器４１から、より多くの超音波を管状体の内部に送信できるようになり、超音波流量計の測定感度をさらに高くすることができる。
【００３１】
次に、本発明のクランプオン型超音波流量計について説明する。図５は、本発明に従うクランプオン型超音波流量計とその使用の形態の一例を示す一部切欠き斜視図である。図５のクランプオン型超音波流量計は、図１の超音波送受信器１１が一対、底面に開口を有する細長い形状のケース５１に、各超音波送受信器の超音波振動子が装着された斜面１５が互いに対向しないような位置関係で収容固定されてなる。ケース５１は、ケース本体５２とケース蓋５３から構成されている。
【００３２】
管状体１７の寸法（内径および外径）と材質がわかれば、一対の超音波送受信器１１の適切な位置関係が算出できるので、予め超音波送受信器１１のそれぞれを、ケース蓋５３にボルト５４を用いて固定しておくことができる。一対の超音波送受信器１１の位置関係を予め固定しておくことにより、既設の管状体（化学プラントの配管など）にクランプオン型超音波流量計を装着する作業が容易となる。
【００３３】
クランプオン型超音波流量計と管状体１７は、管状体をケース５１と流量計固定材５５により挟んで、ケース５１と流量計固定材５５をねじ５６により締め付けることにより、簡便且つ確実に固定することができる。そして各超音波送受信器１１の超音波伝搬材の表面１６と管状体１７とを密接させるために、ボルト５４を締め付けて、超音波伝搬材１３を管状体に食い込ませる。これにより、楔形超音波伝搬材の表面１６と管状体１７の界面における超音波の入射角は零度となり、界面における超音波の反射量を少なくすることができる。本発明のクランプオン型超音波流量計は、超音波伝搬材を管状体に容易に食い込ませることができるので、フッ素樹脂などの柔らかい材料から形成された管状体の内部を移動する流体の流量測定に好ましく用いることができる。また、管状体１７に、予め超音波伝搬材の表面１６と対応する切り欠きを形成しておき、切り欠きにあわせて超音波送受信器を固定することにより、表面１６と管状体１７とを密接させることもできる。
【００３４】
管状体１７の寸法（内径および外径）や材質が不明な場合などは、一対の超音波送受信器間の距離を、流量計を管状体に装着する際に設定する必要がある。このため、ケース蓋５３に、長穴５７を設けるなどして、流量計を、超音波送受信器間の距離を任意に変更できる構成とすることもできる。
【００３５】
また、化学プラントなどにおける既設の配管が取り外し可能な場合には、管状体の外周面に、クランプオン型超音波流量計の各超音波送受信器を固定して構成される流量測定構造体を用いて、流量の測定をすることも好ましい。本発明の流量測定構造体においては、各超音波送受信器の超音波伝搬材の底面に形成された、超音波振動子装着斜面と平行な各表面の少なくとも一部を、管状体と密接させる。このような流量測定構造体を用いると、予め超音波送受信器の位置関係を精密に調整した（管状体とクランプオン型超音波流量計が一体となった）流量測定構造体と、既設の配管を交換するのみで、直ちに流量の測定が可能となる。なお、流量測定構造体の管状体の両端部には、既設配管と流量測定構造体の交換を容易にするために、フランジなどの適当な管接続手段を付設することが好ましい。
【００３６】
図６は、本発明に従う流量測定構造体の一例の構成の要部を示す断面図である。図６には、超音波の伝搬経路を説明するために、流量測定構造体の一方の超音波送受信器と管状体の一部のみを記載する。図６に示すように、超音波伝搬材の底面に形成された表面１６の全体と、管状体を密接させることにより、超音波伝搬材の表面１６と管状体の界面における超音波の反射量を少なくすることができる。さらに、管状体の内周面を、外周面と対応する形状とすることにより、管状体と測定対象の流体との界面における超音波の入射角も零度にする（即ち、管状体と流体との界面における超音波の反射量も少なくする）ことができ、流量測定構造体の測定感度をさらに高くすることができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明のクランプオン型超音波流量計を用いることにより、流体の流量を高感度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う超音波送受信器とその使用の形態の一例を示す斜視図である。
【図２】図１に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した、超音波送受信器と管状体の断面図である。
【図３】図１の超音波送受信器を一対用いたクランプオン型超音波流量計とその使用の形態の一例を示す断面図である。
【図４】本発明に従う別の超音波送受信器とその使用の形態の一例を示す図である。
【図５】本発明に従うクランプオン型超音波流量計とその使用の形態の一例を示す一部切り欠き斜視図である。
【図６】  本発明に従う流量測定構造体の一例の構成の要部を示す断面図である。
【図７】  従来のクランプオン型超音波流量計とその使用の形態の一例を示す図である。
【符号の説明】
１１、４１  超音波送受信器
１２  超音波振動子
１３、４３  楔形超音波伝搬材
１４  底面
１５、４５  斜面
１６、４６  超音波振動子装着斜面と平行な表面
１７  管状体
１８  高弾性繊維
１９  樹脂材料
２０、３０、６０  超音波伝搬経路の一例
２１  表面
５１  ケース
５２  ケース本体
５３  ケース蓋
５４  ボルト
５５  流量計固定材
５６  ねじ
５７  長穴
５８  リード線
５９  ねじ
６７  管状体
７１ａ、７１ｂ  超音波送受信器
７２ａ、７２ｂ  超音波振動子
７３ａ、７３ｂ  楔形超音波伝搬材
７４ａ、７４ｂ  底面
７５ａ、７５ｂ  斜面
７６  管状体
７７  流体の移動方向
７９  超音波伝搬経路の一例
【図１】
0003949982.tif 000002
【図２】
0003949982.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003949982.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003949982.tif 000007
【図７】
0003949982.tif 000008