(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二個一対を一組とする、各々が超音波振動子と超音波伝搬材とからなる超音波送受信器を複数組、最初の組の第一の超音波送受信器と最後の組の第二の超音波送受信器とを電気的に連結する下記の超音波発振駆動・検出回路、そして各組の第二の超音波送受信器と次の組の第一の超音波送受信器とを電気的に連結する下記の中継回路とを含むクランプオン型超音波流量計；
前記超音波発振駆動・検出回路は、最初の組の第一の超音波送受信器に電気信号を印加して超音波を発生させ、次いで、該超音波送受信器から、流体が一方の方向に移動する空間、超音波送受信器、そして中継回路を経由して、途中で電気信号への変換を経て、伝搬し、最後の組の第二の超音波送受信器に到達した超音波を電気信号として検出して、その伝搬時間Ｔ1 を測定する回路、最後の組の第二の超音波送受信器に電気信号を印加して超音波を発生させ、次いで、該超音波送受信器から上記空間、超音波送受信器、そして中継回路を経由して前記と逆の方向に、途中で電気信号への変換を経て、伝搬し、最初の組の第一の超音波送受信器に到達した超音波を電気信号として検出し、その伝搬時間Ｔ2 を測定する回路、そして伝搬時間Ｔ1 と伝搬時間Ｔ2 とを比較して、流体の流量値を算出する回路を含み；そして
上記中継回路は、各組の第二の超音波送受信器に到達した超音波に応じて該送受信器から出力される電気信号を増幅し、その増幅した電気信号を次の組の第一の超音波送受信器に印加して該送受信器にて超音波を発生させる回路を含むか；あるいは各組の第二の超音波送受信器に到達した超音波に応じて該送受信器から出力される電気信号を検出すると同時に、最初の組の第一の超音波送受信器に印加した電気信号と同一の電気信号を新たに発生させ、その新たに発生させた電気信号を次の組の第一の超音波送受信器に印加して該送受信器にて超音波を発生させる回路を含んでいる。
【請求項２】
含まれる超音波送受信器が二組である請求項１に記載のクランプオン型超音波流量計。
【請求項３】
含まれる超音波送受信器が三組である請求項１に記載のクランプオン型超音波流量計。
【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クランプオン型超音波流量計の各組の一対の超音波送受信器が、管状体の外周面の、該管状体の長手方向に沿った直線の上に、その第一の組から第二の組への順に、かつ各組毎に、第一の超音波送受信器から第二の超音波送受信器への順に固定されてなる流量測定構造体。
【請求項５】
請求項２に記載のクランプオン型超音波流量計の各組の一対の超音波送受信器が、管状体の外周面の、該管状体の長手方向に沿った直線の上に、その第一の組の第一の超音波送受信器から第二の組の第二の超音波送受信器への順に固定されてなり、かつ管状体の中心線に対して上記直線と対称の位置にある管状体の外周面の直線の上に、その第一の組の第二の超音波送受信器から第二の組の第一の超音波送受信器への順に固定されてなる流量測定構造体。
【請求項６】
請求項３に記載のクランプオン型超音波流量計の各組の一対の超音波送受信器が、管状体の外周面の、該管状体の長手方向に沿った直線の上に、その第一の組の第一の超音波送受信器から第二の組の第二の超音波送受信器そして第三の組の第一の超音波送受信器への順に固定されてなり、かつ管状体の中心線に対して上記直線と対称の位置にある管状体の外周面の直線の上に、その第一の組の第二の超音波送受信器から第二の組の第一の超音波送受信器そして第三の組の第二の超音波送受信器への順に固定されてなる流量測定構造体。
【請求項７】
内部を測定対象の流体が一方の方向に移動する管状体の外周面の、該流体の移動方向に沿って、請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載のクランプオン型超音波流量計の各組の一対の超音波送受信器を、その第一の組から第二の組への順に、かつ各組毎に、第一の超音波送受信器から第二の超音波送受信器への順に固定して、超音波発振駆動・検出回路から、最初の組の第一の超音波送受信器に電気信号を印加して、管状体内部の移動流体を斜め方向に横切る超音波を発生させ、流体を横切った超音波を同じ組の第二の超音波送受信器で受信して、電気信号に変換し、該電気信号を中継回路で増幅させたのち、その増幅した電気信号を、次の組の第一の超音波送受信器に印加して、管状体内部の移動流体を斜め方向に横切る超音波を発生させ、流体を横切った超音波を同じ組の第二の超音波送受信器で受信する工程を、超音波送受信器の組の数だけ実施したのち、前記電気信号への変換を経て、伝搬させ、最後の組の第二の超音波送受信器に到達した超音波を電気信号として検出して、その伝搬時間Ｔ1 を測定する操作を行ない、該操作の前もしくは後に、最後の組の第二の超音波送受信器に電気信号を印加して超音波を発生させ、次いで該超音波を、該超音波送受信器から上記移動流体、超音波送受信器、そして中継回路を経由して前記と逆の方向に、途中で電気信号への変換を経て、伝搬させ、最初の組の第一の超音波送受信器に到達した超音波を電気信号として検出し、その伝搬時間Ｔ2 を測定する操作を行ない、そして伝搬時間Ｔ1 と伝搬時間Ｔ2 とを比較して、流体の流量値を算出する操作を行なうことを特徴とする管状体の内部を一方の方向に移動する流体の流量測定方法。
【請求項８】
内部を測定対象の流体が一方の方向に移動する管状体の外周面の、該流体の移動方向に沿って、請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載のクランプオン型超音波流量計の各組の一対の超音波送受信器を、その第一の組から第二の組への順に、かつ各組毎に、第一の超音波送受信器から第二の超音波送受信器への順に固定して、超音波発振駆動・検出回路から、最初の組の第一の超音波送受信器に電気信号を印加して、管状体内部の移動流体を斜め方向に横切る超音波を発生させ、流体を横切った超音波を同じ組の第二の超音波送受信器で受信して、電気信号に変換し、該電気信号を中継回路で検出すると同時に、該中継回路から、上記第一の超音波送受信器に印加された電気信号と同一の電気信号を発生させ、発生させた電気信号を、次の組の第一の超音波送受信器に印加して、管状体内部の移動流体を斜め方向に横切る超音波を発生させ、流体を横切った超音波を同じ組の第二の超音波送受信器で受信する工程を、超音波送受信器の組の数だけ実施したのち、前記電気信号への変換を経て、伝搬させ、最後の組の第二の超音波送受信器に到達した超音波を電気信号として検出して、その伝搬時間Ｔ1 を測定する操作を行ない、該操作の前もしくは後に、最後の組の第二の超音波送受信器に電気信号を印加して超音波を発生させ、次いで該超音波を、該超音波送受信器から上記移動流体、超音波送受信器、そして中継回路を経由して前記と逆の方向に、途中で電気信号への変換を経て、伝搬させ、最初の組の第一の超音波送受信器に到達した超音波を電気信号として検出し、その伝搬時間Ｔ2 を測定する操作を行ない、そして伝搬時間Ｔ1 と伝搬時間Ｔ2 とを比較して、流体の流量値を算出する操作を行なうことを特徴とする管状体の内部を一方の方向に移動する流体の流量測定方法。
【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】
クランプオン型超音波流量計は、管状体の外周面上に配置され、管状体の内部を移動する流体の流量を測定する流量計である。
【０００３】
図６は、従来のクランプオン型超音波流量計の一例の構成を示す断面図である。図６に示すクランプオン型超音波流量計は、二個一対で一組をなす超音波送受信器６１ａ及び６１ｂを備えている。超音波送受信器６１ａは、超音波振動子６２ａと超音波伝搬材６３ａから構成される。超音波伝搬材６３ａは、底面６４ａと底面６４ａに対して鋭角をなす斜面６５ａを備えている。超音波振動子６２ａは、超音波伝搬材６３ａの斜面６５ａに装着される。そして、超音波振動子６２ａの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６２ａに電気信号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６１ｂは、超音波振動子６２ｂと超音波伝搬材６３ｂから構成される。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超音波振動子が用いられる。そして超音波伝搬材を形成する材料としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ステンレスなどが用いられる。
【０００４】
超音波振動子が備えられた超音波送受信器６１ａ及び６１ｂ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６１ａ及び６１ｂは、超音波が、管状体６６の内部を移動する流体を、その移動方向（図６に記入した矢印６７の示す方向）に対して斜めの方向に横切るように、管状体の外周面上に配置される。図６に記入した破線６９は、超音波の伝搬経路の一例を意味する。また、超音波送受信器と管状体の隙間に空気が存在すると、超音波送受信器から送信された超音波が、超音波送受信器と空気との界面において反射する。この超音波の反射を防止する為に、超音波送受信器と管状体の隙間には、グリースやワセリンなどの接触媒体が充填される。
【０００５】
管状体６６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６１ａの超音波振動子６２ａに電気信号を印加して超音波を発生させ、発生させた超音波を送信する。超音波は、図６に示す破線６９の方向に沿って、超音波伝搬材６３ａ、管状体６６、移動流体、管状体６６、そして超音波伝搬材６３ｂの順に伝搬して、超音波送受信器６１ｂの超音波振動子６２ｂに到達して受信され、超音波送受信器６１ｂの超音波振動子６２ｂから電気信号が出力される。超音波送受信器６１ａが超音波を送信してから、超音波送受信器６１ｂが超音波を受信するまでに要する超音波の伝搬時間（Ｔ1 ）を測定する。次に、超音波送受信器６１ｂの超音波振動子６２ｂに電気信号を印加して、前記の伝搬経路を逆向きに超音波を伝搬させ、超音波送受信器６１ａの超音波振動子６２ａにより超音波を受信する。超音波送受信器６１ｂが超音波を送信してから、超音波送受信器６１ａが超音波を受信するまでの超音波の伝搬時間（Ｔ2 ）を測定する。
【０００６】
超音波が、超音波送受信器６１ａ及び６１ｂの間を伝搬するのに要する時間（Ｔ1 及びＴ2 ）は、超音波が伝搬する方向（図６に示す矢印６９ａ及び６９ｂの示す方向）により異なる値となる。超音波送受信器６１ａから超音波送受信器６１ｂに（矢印６９ａが示す方向に）向かって伝搬する超音波は、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６１ｂから超音波送受信器６１ａに（矢印６９ｂが示す方向に）向かって伝搬する超音波は、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 ）は、流体の移動速度と相関があり、この伝搬時間の差の値から、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６６の内径などから、流体の流量が算出される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のクランプオン型流量計により、内径の小さな管状体の内部を移動する流体の流量を、高い精度で測定することは難しい。このような内径の小さな管状体は、化学工場や半導体工場などにおいて、高精度で流量の制御が必要とされる流体を移送するために用いられている。このような内径の小さな管状体の外周面に、クランプオン型超音波流量計の一対の超音波送受信器を固定して、超音波を送受信した場合、流体中における超音波の伝搬距離が短くなる。このような短い距離を伝搬するのに要する超音波の伝搬時間は短く、測定された伝搬時間に含まれる誤差の割合が大きくなる。また、流体の流量値と対応する、上記の伝搬時間の差の値も小さくなり、流量の測定感度（分解能）が低下する。
【０００８】
一方、管の内径が小さい場合以外にも、クランプオン型超音波流量計の流量の測定精度や測定感度が低下する場合がある。クランプオン型超音波流量計の超音波送受信器は、管状体内部を移動する流体を斜め方向に横切る超音波を送信する。送信された超音波は、管状体の内周面と移動流体の界面に斜めに入射する。この際に、管状体の示す音波伝搬速度と、測定対象の流体の示す音波伝搬速度との差が大きいと、スネルの法則により、前記界面における超音波の入射角に対して、屈折角が極端に小さな値となる。屈折角が小さくなると、超音波の伝搬距離は短くなり、前記と同様に流量の測定精度や測定感度が低下する。
【０００９】
上記のような流量の測定精度や測定感度の低下は、いずれも、流体中における超音波の伝搬距離が短いことに原因がある。従って、流量の測定精度や測定感度を高めるには、流体中における超音波の伝搬距離を長くする、即ち、管状体の外周面における超音波の入射角を大きく設定すればよいことがわかる。ところが、管状体の外周面における超音波の入射角を大きく設定すると、超音波送受信器から送信された超音波が、管状体の外周面において反射する割合が大きくなったり、場合によっては、管状体の外周面において全反射して、流体中に超音波を送信できなくなるなどの別の問題を生じる場合がある。
【００１０】
本発明の目的は、高測定精度、高測定感度（高測定分解能）の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、管状体の外周面における超音波の入射角を大きくして、流体中における超音波の伝搬距離を長く設定するのではなく、二組以上の超音波送受信器による超音波送受信を繰り返して、前記の伝搬距離を長く設定することにより、測定精度および測定感度の高いクランプオン型超音波流量計を提供できることを見出した。
【００１２】
本発明は、二個一対を一組とする、各々が超音波振動子と超音波伝搬材とからなる超音波送受信器を複数組、最初の組の第一の超音波送受信器と最後の組の第二の超音波送受信器とを電気的に連結する下記の超音波発振駆動・検出回路、そして各組の第二の超音波送受信器と次の組の第一の超音波送受信器とを電気的に連結する下記の中継回路とを含むクランプオン型超音波流量計にある。
【００１３】
前記超音波発振駆動・検出回路は、最初の組の第一の超音波送受信器に電気信号を印加して超音波を発生させ、次いで、その超音波送受信器から、流体が一方の方向に移動する空間、超音波送受信器、そして中継回路を経由して、途中で電気信号への変換を経て、伝搬し、最後の組の第二の超音波送受信器に到達した超音波を電気信号として検出して、その伝搬時間Ｔ1 を測定する回路、最後の組の第二の超音波送受信器に電気信号を印加して超音波を発生させ、次いで、その超音波送受信器から上記空間、超音波送受信器、そして中継回路を経由して前記と逆の方向に、途中で電気信号への変換を経て、伝搬し、最初の組の第一の超音波送受信器に到達した超音波を電気信号として検出し、その伝搬時間Ｔ2 を測定する回路、そして伝搬時間Ｔ1 と伝搬時間Ｔ2 とを比較して、流体の流量値を算出する回路を含んでいる。
【００１４】
上記中継回路は、各組の第二の超音波送受信器に到達した超音波に応じてその送受信器から出力される電気信号を増幅し、増幅した電気信号を次の組の第一の超音波送受信器に印加してその送受信器にて超音波を発生させる回路を含むか；あるいは各組の第二の超音波送受信器に到達した超音波に応じてその送受信器から出力される電気信号を検出すると同時に、最初の組の第一の超音波送受信器に印加した電気信号と同一の電気信号を新たに発生させ、その新たに発生させた電気信号を次の組の第一の超音波送受信器に印加してその送受信器にて超音波を発生させる回路を含んでいる。
【００１５】
本発明のクランプオン型超音波流量計において、含まれる超音波送受信器は、二組もしくは三組であることが好ましい。
【００１６】
本発明はまた、上記の本発明のクランプオン型超音波流量計の各組の一対の超音波送受信器が、管状体の外周面の、管状体の長手方向に沿った直線の上に、その第一の組から第二の組への順に、かつ各組毎に、第一の超音波送受信器から第二の超音波送受信器への順に固定されてなる流量測定構造体にもある。
【００１７】
本発明はまた、超音波送受信器を二組含む上記本発明のクランプオン型超音波流量計が、管状体の外周面の、管状体の長手方向に沿った直線の上に、その第一の組の第一の超音波送受信器から第二の組の第二の超音波送受信器への順に固定されてなり、かつ管状体の中心線に対して上記直線と対称の位置にある管状体の外周面の直線の上に、その第一の組の第二の超音波送受信器から第二の組の第一の超音波送受信器への順に固定されてなる流量測定構造体にもある。
【００１８】
本発明はまた、超音波送受信器を三組含む上記本発明のクランプオン型超音波流量計が、管状体の外周面の、管状体の長手方向に沿った直線の上に、その第一の組の第一の超音波送受信器から第二の組の第二の超音波送受信器そして第三の組の第一の超音波送受信器への順に固定されてなり、かつ管状体の中心線に対して上記直線と対称の位置にある管状体の外周面の直線の上に、その第一の組の第二の超音波送受信器から第二の組の第一の超音波送受信器そして第三の組の第二の超音波送受信器への順に固定されてなる流量測定構造体にもある。
【００１９】
本発明はまた、内部を測定対象の流体が一方の方向に移動する管状体の外周面の、流体の移動方向に沿って、上記本発明のクランプオン型超音波流量計の各組の一対の超音波送受信器を、その第一の組から第二の組への順に、かつ各組毎に、第一の超音波送受信器から第二の超音波送受信器への順に固定して、超音波発振駆動・検出回路から、最初の組の第一の超音波送受信器に電気信号を印加して、管状体内部の移動流体を斜め方向に横切る超音波を発生させ、流体を横切った超音波を同じ組の第二の超音波送受信器で受信して、電気信号に変換し、その電気信号を中継回路で増幅させたのち、増幅した電気信号を、次の組の第一の超音波送受信器に印加して、管状体内部の移動流体を斜め方向に横切る超音波を発生させ、流体を横切った超音波を同じ組の第二の超音波送受信器で受信する工程を、超音波送受信器の組の数だけ実施したのち、前記電気信号への変換を経て、伝搬させ、最後の組の第二の超音波送受信器に到達した超音波を電気信号として検出して、その伝搬時間Ｔ1 を測定する操作を行ない、この操作の前もしくは後に、最後の組の第二の超音波送受信器に電気信号を印加して超音波を発生させ、次いで超音波を、その超音波送受信器から上記移動流体、超音波送受信器、そして中継回路を経由して前記と逆の方向に、途中で電気信号への変換を経て、伝搬させ、最初の組の第一の超音波送受信器に到達した超音波を電気信号として検出し、その伝搬時間Ｔ2 を測定する操作を行ない、そして伝搬時間Ｔ1 と伝搬時間Ｔ2 とを比較して、流体の流量値を算出する操作を行なうことを特徴とする管状体の内部を一方の方向に移動する流体の流量測定方法にもある。
【００２０】
本発明はまた、内部を測定対象の流体が一方の方向に移動する管状体の外周面の、流体の移動方向に沿って、上記本発明のクランプオン型超音波流量計の各組の一対の超音波送受信器を、その第一の組から第二の組への順に、かつ各組毎に、第一の超音波送受信器から第二の超音波送受信器への順に固定して、超音波発振駆動・検出回路から、最初の組の第一の超音波送受信器に電気信号を印加して、管状体内部の移動流体を斜め方向に横切る超音波を発生させ、流体を横切った超音波を同じ組の第二の超音波送受信器で受信して、電気信号に変換し、その電気信号を中継回路で検出すると同時に、中継回路から、上記第一の超音波送受信器に印加された電気信号と同一の電気信号を発生させ、発生させた電気信号を、次の組の第一の超音波送受信器に印加して、管状体内部の移動流体を斜め方向に横切る超音波を発生させ、流体を横切った超音波を同じ組の第二の超音波送受信器で受信する工程を、超音波送受信器の組の数だけ実施したのち、前記電気信号への変換を経て、伝搬させ、最後の組の第二の超音波送受信器に到達した超音波を電気信号として検出して、その伝搬時間Ｔ1 を測定する操作を行ない、この操作の前もしくは後に、最後の組の第二の超音波送受信器に電気信号を印加して超音波を発生させ、次いで超音波を、その超音波送受信器から上記移動流体、超音波送受信器、そして中継回路を経由して前記と逆の方向に、途中で電気信号への変換を経て、伝搬させ、最初の組の第一の超音波送受信器に到達した超音波を電気信号として検出し、その伝搬時間Ｔ2 を測定する操作を行ない、そして伝搬時間Ｔ1 と伝搬時間Ｔ2 とを比較して、流体の流量値を算出する操作を行なうことを特徴とする管状体の内部を一方の方向に移動する流体の流量測定方法にもある。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明のクランプオン型超音波流量計を、添付の図面を用いて説明する。図１に、本発明のクランプオン型超音波流量計の一例の構成を示す。図１に示すクランプオン型超音波流量計は、二個一対を一組とする超音波送受信器の二組、超音波発振駆動・検出回路１４、そして中継回路１５などから構成されている。図１に示す超音波送受信器１１ａと超音波送受信器１１ｂが、二個一対で一組（以下、第一の組と記載する）をなす。そして超音波送受信器１２ａと超音波送受信器１２ｂが、二個一対で一組（以下、第二の組と記載する）をなす。それぞれの超音波送受信器は、超音波振動子１６と超音波伝搬材１７から構成されている。図１において、各超音波送受信器と管状体１０は、その断面を示している。
【００２２】
前記の超音波発振駆動・検出回路１４は、第一の組（最初の組）の第一の超音波送受信器１１ａと第二の組（最後の組）の第二の超音波送受信器１２ｂとを電気的に連結している。
【００２３】
超音波発振駆動・検出回路１４は、第一の組（最初の組）の第一の超音波送受信器１１ａに電気信号を印加して超音波を発生（送信）させ、次いで、超音波送受信器１１ａから、流体が一方の方向に移動する空間、超音波送受信器１１ｂ、そして中継回路１５を経由して、途中で電気信号への変換を経て、伝搬し、第二の組（最後の組）の第二の超音波送受信器１２ｂに到達した（受信された）超音波を電気信号として検出して、その伝搬時間Ｔ1 を測定する回路を含んでいる。即ち、超音波発振駆動・検出回路１４は、超音波送受信器１１ａから送信された超音波が、途中で電気信号への変換を経て、伝搬し、超音波送受信器１２ｂにて受信されまでに要する時間（伝搬時間Ｔ1 ）を測定する。
【００２４】
超音波発振駆動・検出回路１４はまた、第二の組（最後の組）の第二の超音波送受信器１２ｂに電気信号を印加して超音波を発生させ、次いで、超音波送受信器１２ｂから上記空間、超音波送受信器１２ａ、そして中継回路１５を経由して前記と逆の方向に、途中で電気信号への変換を経て、伝搬し、第一の組（最初の組）の第一の超音波送受信器１１ａに到達した超音波を電気信号として検出し、その伝搬時間Ｔ2 を測定する回路を含んでいる。即ち、超音波発振駆動・検出回路１４は、超音波送受信器１２ｂから送信された超音波が、途中で電気信号への変換を経て、伝搬し、超音波送受信器１１ａにて受信されるまでに要す時間（伝搬時間Ｔ2 ）を測定する。
【００２５】
そして超音波発振駆動・検出回路１４は、上記のように測定された伝搬時間Ｔ1 と伝搬時間Ｔ2 とを比較して、流体の流量値を算出する回路を含んでいる。このような超音波発振駆動・検出回路は、従来の伝搬時間差式のクランプオン型超音波流量計に用いられている回路と同様の動作をする。従って、超音波発振駆動・検出回路としては、従来の伝搬時間差式のクランプオン型超音波流量計に用いられている、公知の回路を用いることができる。
【００２６】
超音波発振駆動・検出回路の上記の三つの回路は、それぞれ独立の回路であっても良いし、任意の二回路以上を一体として設計された回路であってもよい。図１に示す超音波発振駆動・検出回路１４においては、伝搬時間Ｔ1 を測定する回路と伝搬時間Ｔ2 を測定する回路が一体化されている。図１において、制御回路１４ｃと、二つの切替スイッチ１４ａ及び１４ｂ、電流増幅器１４ｄ、そして電圧増幅器１４ｅが、伝搬時間Ｔ1 を測定する回路と伝搬時間Ｔ2 を測定する回路として動作する。そして、制御回路１４ｃには、制御回路から出力された伝搬時間Ｔ1 と伝搬時間Ｔ2 の値に対応する電気信号を比較して、流体の流量値を算出する演算回路１４ｆが電気的に接続されている。また、図１に示すように、超音波発振駆動・検出回路１４には、演算回路１４ｆにより算出された流量値を表示する出力回路１４ｇが電気的に接続されている。超音波発振駆動・検出回路１４の動作については、中継回路１５の動作と併せて、後に記載する。
【００２７】
前記の中継回路１５は、第一の組の第二の超音波送受信器１１ｂと第二の組（次の組）の第一の超音波送受信器１２ａとを電気的に連結している。中継回路１５は、第一の組の第二の超音波送受信器１１ｂに到達した超音波に応じて送受信器１１ｂから出力される電気信号を増幅し、その増幅した電気信号を第二の組の第一の超音波送受信器１２ａに印加して、送受信器１２ａにて超音波を発生させる回路を含んでいる。図１に示す中継回路１５は、二つの切替スイッチ１５ａ及び１５ｂ、電圧増幅器１５ｃ、そして電流増幅器１５ｄなどから構成されている。
【００２８】
次に、図１に示す本発明のクランプオン型超音波流量計の動作と、流体の流量測定方法について説明する。本発明のクランプオン型超音波流量計により、流体の流量を測定する場合、まず最初に、管状体の外周面に、流量計の各組の一対の超音波送受信器を固定する。また、従来のクランプオン型超音波流量計の場合と同様に、各超音波送受信器と管状体との間には、グリースやワセリンなどの接触媒体を充填することが好ましい。
【００２９】
各組の一対の超音波送受信器は、最初の組の第一の超音波送受信器から超音波を送信し、送信した超音波を最後の組の第二の超音波送受信器が受信するまでに、全ての組の一対の超音波送受信器が、流体の流れの上流側から下流側および下流側から上流側に向かういずれか一方の方向に揃って超音波を送受信するように配置される。このように、全ての組が一方向に揃って超音波を送受信するよう、各組の超音波送受信器が配置されていれば、超音波送受信器の各組は、管状体の外周面上のどのような位置に配置されていてもよい。例えば、管状体の長手方向に沿って、第二の組から第一の組への順に配置されていてもよいし、第一の組と第二の組が、管状体の外周方向に沿って並んで配置されていてもよい。
【００３０】
図１においては、最初の組の第一の超音波送受信器１１ａから超音波を送信し、最後の組の第二の超音波送受信器１２ｂが超音波を受信するまでに、全ての組の超音波送受信器が、流体の流れの上流側から下流側に向かう方向に超音波を送受信するよう、各組の一対の超音波送受信器が配置されている。また、図１に示すクランプオン型超音波流量計においては、各組の一対の超音波送受信器は、管状体の外周面の、管状体の長手方向に沿った直線の上に、その第一の組から第二の組への順に、かつ各組毎に、第一の超音波送受信器から第二の超音波送受信器の順に固定されている。このような配置は、各超音波送受信器が、管状体の外周面上の直線に沿って配置されるので、超音波送受信器の取付け作業が簡便であるという利点がある。
【００３１】
そして、本発明の超音波流量計においては、超音波が、第一の組の第一の超音波送受信器１１ａから、第二の組の第二の超音波送受信器１２ｂまで伝搬するのに要する時間Ｔ1 と、超音波が、第二の組の第二の超音波送受信器１２ｂから、第一の組の第一の超音波送受信器１１ａに伝搬するのに要する時間Ｔ2 とを比較するすることにより、流量値を算出する。図１において、超音波発振駆動・検出回路１４と中継回路１５が備える全ての切替スイッチは、クランプオン型超音波流量計が、超音波の伝搬時間Ｔ1 を測定する際の状態を示している。
【００３２】
上記のように、本発明のクランプオン型超音波流量計を、管状体の外周面上に配置した後、超音波発振駆動・検出回路１４から、第一の組の第一の超音波送受信器１１ａに印加する電気信号を発生する。発生した電気信号は、電流増幅器１４ｄにより増幅され、切替スイッチ１４ａを経由して、第一の組の第一の超音波送受信器１１ａに印加される。電気信号の印加により、超音波送受信器１１ａは、管状体内部の流体を斜め方向に横切る超音波を発生する。そして流体を横切った超音波は、同じ組の第二の超音波送受信器１１ｂにより受信され、電気信号に変換される。そして受信された電気信号は、中継回路の切替スイッチ１５ｂを経由し、電圧増幅器１５ｃ、そして電流増幅器１５ｄにより増幅される。増幅された電気信号は、切替スイッチ１５ａを経由して、第二の組の第一の超音波送受信器１２ａに印加され、超音波送受信器１２ａは、移動流体を斜め方向に横切る超音波を発生する。そして流体を横切った超音波は、同じ組の第二の超音波送受信器１２ｂにより受信されて電気信号に変換される。
【００３３】
このようにして、本発明のクランプオン型超音波流量計においては、各組の一対の超音波送受信器によって超音波を送受信する工程を、超音波送受信器の組の数だけ（図１の流量計の場合は、２回）実施する。得られた電気信号は、切替スイッチ１４ｂを経由して、電圧増幅器１４ｅにより増幅された後、制御回路１４ｃに入力される。そして、入力された電気信号に基づき、制御回路１４ｃは、伝搬時間Ｔ1 の測定をする。
【００３４】
第一の組の第一の超音波送受信器１１ａから送信された超音波は、流体中を伝搬する際に減衰するため、同じ組の第二の超音波送受信器１１ｂから出力される電気信号をそのまま第二の組の第一の超音波送受信器１２ａに印加しても、超音波送受信器１２ａにて超音波を発生させることは困難である。中継回路１５は、各組の第二の超音波送受信器が出力する小さな電気信号を、次の組の第一の超音波送受信器にて超音波が発生できる程度まで増幅する。
【００３５】
超音波の伝搬時間Ｔ1 の測定が終了すると、制御回路１４ｃは、超音波発振駆動・検出回路と中継回路が備える全ての切替スイッチを、端子ｔ2 の側に切替える。全てのスイッチを端子ｔ2 の側に切替えた後に、伝搬時間Ｔ2 の測定がなされる。
【００３６】
超音波発振駆動・検出回路１４は、第二の組（最後の組）の第二の超音波送受信器１２ｂに電気信号を印加して、超音波を発生させる。発生した超音波は、移動流体、超音波送受信器１２ａ、そして中継回路１５を経由して前記と逆の方向に、途中で電気信号への変換を経て、伝搬し、第一組（最初の組）の第一の超音波送受信器１１ａに到達する。これにより超音波送受信器１１ａが出力する電気信号は、電圧増幅器１４ｅにより増幅された後、制御回路１４ｃに入力される。、そして、入力された電気信号に基づき、制御回路１４ｃは、伝搬時間Ｔ2 の測定をする。伝搬時間Ｔ2 の測定は、伝搬時間Ｔ1 を測定する操作の前後いずれにおいて実施してもよい。
【００３７】
一般に、制御回路１４ｃは、伝搬時間Ｔ1 およびＴ2 を、その内部で周期的に発生するパルスの数として出力する。そして、演算回路１４ｆは、制御回路から出力された、伝搬時間に対応するパルスの数から、伝搬時間Ｔ1 とＴ2 を算出し、そして両者の伝搬時間の差の値から、流体の流量値を算出する。本発明のクランプオン型超音波流量計は、流体中における超音波の伝搬距離が長いために、測定される伝搬時間に含まれる誤差の割合が小さく、伝搬時間の差の値も大きいために、高精度、高感度で流体の流量を測定することができる。
【００３８】
次に、本発明のクランプオン型超音波流量計の別の一例について説明する。図２に、本発明のクランプオン型超音波流量計の別の一例の構成を示す。図２に示す本発明のクランプオン型超音波流量計は、超音波送受信器を三組を含んでいる。図２に示す本発明のクランプオン型超音波流量計において、流量計の備える各組の一対の超音波送受信器は、管状体の外周面の、管状体の長手方向に沿った直線の上に、その第一の組の第一超音波送受信器２１ａから第二の組の第二の超音波送受信器２２ｂそして第三の組の第一の超音波送受信器２３ａへの順に固定され、かつ管状体の中心軸に対して上記直線と対称の位置にある管状体の外周面の直線の上に、その第一の組の第二の超音波送受信器２１ｂから第二の組の第一の超音波送受信器２２ａそして第三の組の第二の超音波送受信器２３ｂへの順に固定されている。
【００３９】
そして、図２に示すクランプオン型流量計には、図１の流量計と同様に、第一の組（最初の組）の第一の超音波送受信器２１ａと第三の組（最後の組）の第二の超音波送受信器２３ｂとを連結する超音波発振駆動・検出回路１４が付設されている。
【００４０】
また、図２に示すクランプオン型超音波流量計には、各組の第二の超音波送受信器と次の組の第一の超音波送受信器とを連結する中継回路２５が付設されている。中継回路としては、図１に示すクランプオン型超音波流量計で用いたものと同じ中継回路を用いることができが、図２のクランプオン型超音波には、別の態様の中継回路２５が用いられている。
【００４１】
図３は、図２のクランプオン型超音波流量計における、中継回路２５の一例の構成を示すブロック図である。中継回路２５は、各組の第二の超音波送受信器に到達した超音波に応じて出力される電気信号を検出すると同時に、第一の組（最初の組）の第一の超音波送受信器２１ａに印加した電気信号と同一の電気信号を新たに発生させ、その新たに発生した電気信号を次の組の第一の超音送受信器に印加して、その超音波送受信器にて超音波を発生させる回路を含んでいる。
【００４２】
図１のクランプオン型超音波流量計に用いた中継回路１５は、各組の第二の超音波送受信器が出力する電気信号を増幅して、次の組の第一の超音波送受信器に印加している。この各組の第二の超音波送受信器が出力する電気信号は、同じ組の第一の超音波送受信器に電気信号が印加されることにより送信され、移動流体を斜めに横切って前記第二の超音波送受信器に到達した超音波が電気信号に変換されたものである。ところが、前記第二の超音波送受信器に到達する超音波は、第一の超音波送受信器に印加された電気信号と対応する波形で流体中を伝搬しない。一般に、伝搬時間の計測をするために、第一の超音波送受信器には電気信号のパルスが印加されるが、超音波は、電気信号のパルスの急な波形の変化には対応することができず、第一の超音波送受信器に印加した電気信号とは異なる波形で、第二の超音波送受信器に到達する。
【００４３】
従って、各組の第二の超音波送受信器が出力する電気信号を、そのまま増幅して用いると、次の組の第一の超音波送受信器から送信される超音波は、前記と同様にさらにその波形が変化して、同じ組の第二の超音波送受信器に到達するため、超音波の伝搬時間の測定値に誤差を生じる場合がある。図３に示す中継回路２５は、各組の第二の超音波送受信器に到達した超音波に応じて出力される電気信号を検出すると同時に、第一の組（最初の組）の第一の超音波送受信器２１ａに印加した電気信号と同一の電気信号を新たに発生させ、その新たに発生した電気信号を次の組の第一の超音送受信器に印加するため、このような誤差の発生を抑えることができる。
【００４４】
図３に示す中継回路２５は、二つの切替スイッチ２５ａ及び２５ｂ、電圧増幅器２５ｃ、比較器２５ｅ、そして電流増幅器２５ｄから構成されている。図３において、中継回路２５は、クランプオン型超音波流量計が、超音波の伝搬時間Ｔ1 を測定する際の状態を示している。切替スイッチ２５ａおよび２５ｂ、電圧増幅器２５ｃ、そして電流増幅器２５ｄの機能は、図１に示す中継回路１５の場合と同様である。
【００４５】
図３に示す中継回路２５において、中継回路２５に入力された電気信号は、切替スイッチ２５ｂを経由したのち、電圧増幅器２５ｃにより増幅され、比較器２５ｅに入力される。一方、比較器２５ｅは、比較電圧入力端子２５ｆを備え、入力端子２５ｆには、予め設定したしきい値電圧を有する電気信号が入力されている。比較器２５ｅは、前記の増幅された電気信号が入力され、入力された電気信号の電圧値が、しきい値電圧以上となると、超音波発振駆動・検出回路１４の制御回路が出力する電気信号と同一の電気信号を出力する。出力された電気信号は、電流増幅器２５ｄにより増幅され、最初の組の第一の超音波送受信器に印可された電気信号と同一の電気信号となり、切替えスイッチ２５ａを経由して、次の組の第一の超音波送受信器に印加される。
【００４６】
次に、本発明のクランプオン型超音波流量計において好ましい、管状体の外周面における各組の一対の超音波送受信器の配置について記載する。まず最初に、一対の超音波送受信器の第一の超音波送受信器から発生した超音波が、どのような経路で伝搬するかについて説明する。図４は、クランプオン型超音波流量計における超音波伝搬経路の一例を説明する図である。前述したように、クランプオン型超音波流量計の第一の超音波送受信器４１ａから送信された超音波は、図４に示す超音波伝搬経路４９に沿って伝搬し、第二の超音波送受信器４１ｂにより受信される。
【００４７】
ところが、超音波送受信器４１ａから送信された超音波の一部は、図４に記入した矢印４９ａに示すように、管状体１０の壁体の内部を伝搬したり、あるいは第二の超音波送受信器４１ｂに受信されずに、図４に記入した矢印４９ｂに示すように、管状体の壁体もしくは流体中を伝搬したりする。これ以外にも、第二の超音波送受信器４１ｂに受信されずに伝搬する超音波の伝搬経路もあるが、図示は略する。このような第二の超音波送受信器４１ｂに受信されずに、管状体の壁体の内部もしくは流体中を伝搬する超音波が、次の組の第一の超音波送受信器（図示せず）に到達すると、流体の流量測定をする際にノイズとなり、測定精度を低下させる原因となる。
【００４８】
上記のような、第二の超音波送受信器に受信されずに、次の組の超音波送受信器へと伝搬する超音波が、次の組の超音波の送受信に影響を与えないように、超音波送受信器の組同士を、互いに間隔をあけて配置することが好ましい。具体的には、各組の一対の超音波送受信器による超音波送受信を行い、次の組の第一の超音波送受信器から出力される電気信号の波形を観察しながら、徐々に組同士の間隔を長くしていく。そして、超音波送受信器の組同士の間隔を、観察される電気信号の波形に現れるノイズが小さくなった際の距離に設定すればよい。このようにして、超音波送受信器の組同士の好ましい間隔は、実験的に求めることができる。
【００４９】
次に、本発明のクランプオン型超音波流量計のさらに別の一例の構成について説明する。図５に、本発明のクランプオン型超音波流量計のさらに別の一例の構成を示す。図５に示す超音波流量計は、図１に示すクランプオン型超音波流量計と同様に、超音波送受信器を二組含んでいる。超音波発振駆動・検出回路１４および中継回路１５としては、それぞれ図１に示す流量計の場合と同じ回路が用いられている。
【００５０】
図５に示すように、超音波送受信器の組を、管状体の外周方向に沿って配置することもできる。このような配置は、流体の流れが管状体の長手方向で乱れている場合、例えば、流量計の設置位置を過ぎて、管状体が曲がったり、径が変わったりする場合などに好ましい配置である。
【００５１】
以上では、本発明のクランプオン型超音波流量計を、超音波送受信器が二組もしくは三組含まれる場合を例として説明した。超音波送受信器を四組以上含むクランプオン型超音波流量計は、以上説明した例に従って構成することができる。超音波送受信器の組の数を増やすに従い、超音波伝搬時間の測定精度を高めることができ、流体の流量の算出に用いる超音波の伝搬時間の差の値も大きくなり、測定感度（分解能）を高めることができる。
【００５２】
また、医療の分野で、病人を治療する際に、人体へ薬液を小量投与する場合に、薬液は点滴注入される。点滴注入される薬液を移送する管状体として、内径３ｍｍ程度の樹脂製のチューブが用いられる。本発明のクランプオン型超音波流量計は、このような内径の細いチューブの内部を移動する薬液の流量測定にも、好ましく用いることができる。
【００５３】
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である場合には、予め管状体とクランプオン型超音波流量計とを一体化させた流量測定構造体を用いることもできる。このような構成とすることで、予め各組の一対の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。流量測定構造体における、各組の一対の超音波送受信器の好ましい配置は、前記のクランプオン型超音波流量計の場合と同様である。流量測定構造体において、管状体の両端部には、既設配管と流量測定構造体との交換を容易にするための、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。
【００５４】
【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、流体の流量を高精度、高感度（高解能）に測定することができる。本発明のクランプオン型超音波流量計は、特に、内径の小さな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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のクランプオン型超音波流量計の一例の構成を示す図である。
【図２】本発明のクランプオン型超音波流量計の別の一例の構成を示す図である。
【図３】図２のクランプオン型超音波流量計における、中継回路の一例を示すブロック図である。
【図４】クランプオン型超音波流量計における、超音波の伝搬経路の一例を説明する図である。
【図５】本発明のクランプオン型超音波流量計のさらに別の一例の構成を示す図である。
【図６】  従来のクランプオン型超音波流量計の一例の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０  管状体
１１ａ、２１ａ、４１ａ、５１ａ  第一の組の第一の超音波送受信器
１１ｂ、２１ｂ、４１ｂ、５１ｂ  第一の組の第二の超音波送受信器
１２ａ、２２ａ、５２ａ  第二の組の第一の超音波送受信器
１２ｂ、２２ｂ、５２ｂ  第二の組の第二の超音波送受信器
１４  超音波発振駆動・検出回路
１４ａ、１４ｂ  切替スイッチ
１４ｃ  制御回路
１４ｄ  電流増幅器
１４ｅ  電圧増幅器
１４ｆ  演算回路
１４ｇ  出力回路
１５  中継回路
１５ａ、１５ｂ  切替スイッチ
１５ｃ  電圧増幅器
１５ｄ  電流増幅器
１６、２６、４６、５６  超音波振動子
１７、２７、４７、５７  超音波伝搬材
１８  流体の移動方向
１９、２９、４９、４９ａ、４９ｂ  超音波伝搬経路の一例
２３ａ  第三の組の第一の超音波送受信器
２３ｂ  第三の組の第二の超音波送受信器
２５  中継回路
２５ａ、２５ｂ  切替スイッチ
２５ｃ  電圧増幅器
２５ｄ  電流増幅器
２５ｅ  比較器
２５ｆ  比較電圧入力端子
６１ａ、６１ｂ  超音波送受信器
６２ａ、６２ｂ  超音波振動子
６３ａ、６３ｂ  超音波伝搬材
６４ａ、６４ｂ  超音波伝搬材の底面
６５ａ、６５ｂ  超音波伝搬材の斜面
６６  管状体
６７  流体の移動方向
６９  超音波伝搬経路の一例
６９ａ、６９ｂ  超音波の伝搬方向を示す矢印
【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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