(57)【要約】      （修正有）【課題】音響ノイズの影響を受け難い超音波流量計を提供する。【解決手段】超音波流量計１０は、流体が内側を一方向に通過する計測管１１の軸方向に対して斜めに交差する素子対向軸Ｌ０上に１対の超音波素子２０，２０を配置し、それら両超音波素子２０，２０の超音波送受波面２２，２２の中心軸Ｌ１，Ｌ１を、素子対向軸Ｌ０に対して流体の上流側に傾けて、流速が最大値になったときに各超音波素子２０の伝播中心軸が素子対向軸Ｌ０と重なるようになっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が内側を一方向に通過する計測管の軸方向に対して斜めに交差する素子対向軸上に１対の超音波素子を配置し、一方から他方の前記超音波素子までの超音波の伝播時間と、他方から一方の前記超音波素子までの超音波の伝播時間との差分に基づいて前記流体の流量を検出する超音波流量計において、
両前記超音波素子の超音波送受波面の中心軸が、前記素子対向軸に対して流体の上流側に傾けられ、
前記計測管の軸方向に対する素子対向軸上の鋭角側の傾斜角をθとし、
超音波の音速をｃとし、
前記流体の流速の最大値をｖとすると、
上流側の前記超音波素子の前記超音波送受波面の中心軸が前記素子対向軸に対して上流側にずれるズレ角φ１と、下流側の前記超音波素子の前記超音波送受波面の中心軸が前記素子対向軸に対して上流側にずれるズレ角φ２とは、
【数１】
2016099139.tif 000018
【数２】
2016099139.tif 000019
になっている超音波流量計。
【請求項２】
流体が内側を一方向に通過する計測管の軸方向に対して斜めに交差する素子対向軸上に１対の超音波素子を配置し、一方から他方の前記超音波素子までの超音波の伝播時間と、他方から一方の前記超音波素子までの超音波の伝播時間との差分に基づいて前記流体の流量を検出する超音波流量計において、
両前記超音波素子の超音波送受波面の中心軸が、前記素子対向軸に対して流体の上流側に傾けられ、
前記計測管の軸方向に対する素子対向軸上の鋭角側の傾斜角をθとし、
超音波の音速をｃとし、
前記流体の流速の中央値をｖとすると、
上流側の前記超音波素子の前記超音波送受波面の中心軸が前記素子対向軸に対して上流側にずれるズレ角φ１と、下流側の前記超音波素子の前記超音波送受波面の中心軸が前記素子対向軸に対して上流側にずれるズレ角φ２とは、
【数１】
2016099139.tif 000020
【数２】
2016099139.tif 000021
になっている超音波流量計。
【請求項３】
流体が内側を一方向に通過する計測管の軸方向に対して斜めに交差する素子対向軸上に１対の超音波素子を配置し、一方から他方の前記超音波素子までの超音波の伝播時間と、他方から一方の前記超音波素子までの超音波の伝播時間との差分に基づいて前記流体の流量を検出する超音波流量計において、
両前記超音波素子の超音波送受波面の中心軸が、前記素子対向軸に対して流体の上流側に傾けられ、
前記計測管の軸方向に対する素子対向軸上の鋭角側の傾斜角をθとし、
超音波の音速をｃとし、
前記流体の流速の平均値をｖとすると、
上流側の前記超音波素子の前記超音波送受波面の中心軸が前記素子対向軸に対して上流側にずれるズレ角φ１と、下流側の前記超音波素子の前記超音波送受波面の中心軸が前記素子対向軸に対して上流側にずれるズレ角φ２とは、
【数１】
2016099139.tif 000022
【数２】
2016099139.tif 000023
になっている超音波流量計。
【請求項４】
前記超音波の音速ｃは、前記計測管の内側を通過し得る流体の種類及び温度の相違によって変わり得る範囲の中央値である請求項１乃至３の何れか１の請求項に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記計測管の内側面には、前記素子対向軸上に１対の素子受容凹部が設けられて、それら素子受容凹部に各前記超音波素子の全体が受容され、
各前記素子受容凹部の内面のうち前記超音波送受波面より上流側部分と下流側部分との間で、前記超音波送受波面の中心軸に対する傾斜角又は直線距離を異ならせた請求項１乃至４の何れか１の請求項に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、超音波素子を利用して流体の流量を検出する超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の超音波流量計として、計測管の軸方向に対して斜めに交差する方向に１対の超音波素子を配置して備え、一方から他方の超音波素子までの超音波の伝播時間と、他方から一方の超音波素子までの超音波の伝播時間との差分に基づいて流体の流量を検出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１１１６９０号公報（図8，図９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した従来の超音波流量計では、音響ノイズ源が近くにあると流量が大きくなるに従って計測エラーの頻度が高くなることが問題になっていた。即ち、流量が大きくなるに従って、超音波素子が受信する正規の超音波とそれ以外の音響ノイズとの比率であるＳ／Ｎ比が悪化するという問題があった。なお、音響ノイズとは、例えば、超音波流量計の近傍に配置されているガバナやバルブ等のノイズ源が発生するノイズのうち超音波流量計が計測で用いる超音波の周波数成分の近傍の周波数のノイズである。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、音響ノイズの影響を受け難い流量計測が可能な超音波流量計の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明者は、流体が流れる方向に対して斜めに交差する方向に１対の超音波素子を対向配置して双方間で超音波を送受波する場合、流体の流速が０であるときには、超音波素子の超音波送受波面から送波される超音波の伝播経路のうち超音波の強度が最も大きくなる部分の中心軸（以下、これを、適宜、「伝播中心軸」という）と、超音波送受波面の中心を貫通する中心軸（以下、これを、適宜、「送波面中心軸」）とが一致するが、流体の流速が大きくなるに従って送波面中心軸に対する下流側への伝播中心軸のズレ角δが、後に詳説する下記［数３」の関係性に従って徐々に大きくなっていくことを見いだした。
【０００７】
【数３】
2016099139.tif 000003
【０００８】
但し、上記式において「ｖ」は流体の流速、「ｃ」は、流体の平均温度でその流体を伝番する超音波の音速、「ψ」は、流体が内側を流れる計測管の軸方向に対する上流側の超音波素子の送波面中心軸の鋭角の傾斜角である。
【０００９】
また、流体の流速が大きくなるに従って伝播していく超音波の振幅は小さくなっていく。そして、従来の超音波流量計では、１対の超音波素子の送波面中心軸同士を一致させた構造になっていたので、流速の増加に伴う超音波の振幅の減衰と、送波面中心軸に対する超音波の伝播中心軸のズレ量増加との両方が共に各超音波素子による超音波の受波強度を低下させるように作用し、その結果、流体の流速が増加すると超音波素子の受信波におけるＳ／Ｎ比が著しく低下していた。このことに鑑み、本願発明者は、「両前記超音波素子の送波面中心軸を、前記素子対向軸に対して流体の上流側に予め傾けておいて、超音波素子の受信波におけるＳ／Ｎ比の低下を抑える」という見知に至った。
【００１０】
即ち、上記目的を達成するためになされた請求項１の発明は、流体が内側を一方向に通過する計測管の軸方向に対して斜めに交差する素子対向軸上に１対の超音波素子を配置し、一方から他方の前記超音波素子までの超音波の伝播時間と、他方から一方の前記超音波素子までの超音波の伝播時間との差分に基づいて前記流体の流量を検出する超音波流量計において、両前記超音波素子の超音波送受波面の中心軸が、前記素子対向軸に対して流体の上流側に傾けられ、前記計測管の軸方向に対する素子対向軸上の鋭角側の傾斜角をθとし、超音波の音速をｃとし、前記流体の流速の最大値をｖとすると、上流側の前記超音波素子の前記超音波送受波面の中心軸が前記素子対向軸に対して上流側にずれるズレ角φ１と、下流側の前記超音波素子の前記超音波送受波面の中心軸が前記素子対向軸に対して上流側にずれるズレ角φ２とは、
【数１】
2016099139.tif 000004
【数２】
2016099139.tif 000005
になっている超音波流量計である。
【００１１】
本発明に構成では、流体の流速増加に伴い送波面中心軸に対する超音波の伝播中心軸のズレ量が減少していき、超音波の強度を高めるように作用するので、流体の流速増加に伴い超音波の振幅が減衰しても、従来に比べて超音波の受波強度は低下せず、Ｓ／Ｎ比が改善されて、音響ノイズの影響を受け難くい流量計測が可能になる。
【００１２】
請求項２の発明は、流体が内側を一方向に通過する計測管の軸方向に対して斜めに交差する素子対向軸上に１対の超音波素子を配置し、一方から他方の前記超音波素子までの超音波の伝播時間と、他方から一方の前記超音波素子までの超音波の伝播時間との差分に基づいて前記流体の流量を検出する超音波流量計において、両前記超音波素子の超音波送受波面の中心軸が、前記素子対向軸に対して流体の上流側に傾けられ、前記計測管の軸方向に対する素子対向軸上の鋭角側の傾斜角をθとし、超音波の音速をｃとし、前記流体の流速の中央値をｖとすると、上流側の前記超音波素子の前記超音波送受波面の中心軸が前記素子対向軸に対して上流側にずれるズレ角φ１と、下流側の前記超音波素子の前記超音波送受波面の中心軸が前記素子対向軸に対して上流側にずれるズレ角φ２とは、
【数１】
2016099139.tif 000006
【数２】
2016099139.tif 000007
になっている超音波流量計である。
【００１３】
本願発明の構成によれば、流体の流速が中央値になったときに送波面中心軸に対する超音波の伝播中心軸のズレ量が０になり、流速が中央値近傍で変化する状況下で、積算流量を正確に計測することができる。
【００１４】
請求項３の発明は、流体が内側を一方向に通過する計測管の軸方向に対して斜めに交差する素子対向軸上に１対の超音波素子を配置し、一方から他方の前記超音波素子までの超音波の伝播時間と、他方から一方の前記超音波素子までの超音波の伝播時間との差分に基づいて前記流体の流量を検出する超音波流量計において、両前記超音波素子の超音波送受波面の中心軸が、前記素子対向軸に対して流体の上流側に傾けられ、前記計測管の軸方向に対する素子対向軸上の鋭角側の傾斜角をθとし、超音波の音速をｃとし、前記流体の流速の平均値をｖとすると、上流側の前記超音波素子の前記超音波送受波面の中心軸が前記素子対向軸に対して上流側にずれるズレ角φ１と、下流側の前記超音波素子の前記超音波送受波面の中心軸が前記素子対向軸に対して上流側にずれるズレ角φ２とは、
【数１】
2016099139.tif 000008
【数２】
2016099139.tif 000009
になっている超音波流量計である。
【００１５】
本願発明の構成によれば、流体の流速が平均値になったときに送波面中心軸に対する超音波の伝播中心軸のズレ量が０になり、流速が平均値近傍で変化する状況下で、積算流量を正確に計測することができる。
【００１６】
請求項４の発明は、前記超音波の音速ｃは、前記計測管の内側を通過し得る流体の種類及び温度の相違によって変わり得る範囲の中央値である請求項１乃至３の何れか１の請求項に記載の超音波流量計である。
【００１７】
本願発明の構成によれば、超音波流量計が複数種類の流体に使用されても、従来より音響ノイズの影響を受け難くい流量計測が可能になる。
【００１８】
請求項５の発明は、前記計測管の内側面には、前記素子対向軸上に１対の素子受容凹部が設けられて、それら素子受容凹部に各前記超音波素子の全体が受容され、各前記素子受容凹部の内面のうち前記超音波送受波面より上流側部分と下流側部分との間で、前記超音波送受波面の中心軸に対する傾斜角又は直線距離を異ならせた請求項１乃至４の何れか１の請求項に記載の超音波流量計である。
【００１９】
この構成によれば、一方の超音波素子が送波した超音波が他方の超音波素子を受容した素子受容凹部の内面で反射して音響ノイズとなり、他方の超音波素子に受信され得る。しかしながら、本願発明では、各素子受容凹部の内面のうち超音波送受波面より上流側部分と下流側部分との間で超音波送受波面の中心軸に対する傾斜角又は距離を異ならせたので、それら上流側部分と下流側部分とで超音波が反射して生じる音響ノイズが超音波素子の超音波送受波面に到達する各時間が相違する。これにより、超音波の音響ノイズの強度が抑えられてＳ／Ｎ比が大きくなり、このことによっても、音響ノイズの影響を受け難くい流量計測が可能になる。
【００２０】
なお、上記した流体の流速の最小値及び最大値、中央値、平均値、流体の温度は、統計的又は仕様から求めればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波流量計の側断面図
【図２】超音波流量計の側断面図
【図３】超音波流量計の側断面図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態の超音波流量計１０は、直線状に延びた計測管１１の内側に１対の超音波素子２０，２０を備えている。計測管１１は、例えば、ガス配管の途中に取り付けられ、内側の計測流路１２を一方向（図１の左から右に向かう方向）に流体（例えば、商用ガス）が流れる。なお、本実施形態では、計測流路１２の断面が例えば円形になっているが、計測流路１２は、断面長方形、長円形又は楕円形であってもよい。
【００２３】
計測管１１の内面には、その計測管１１の軸方向と斜めに交差する直線上に１対の素子受容凹部１３，１３が陥没形成され、それら素子受容凹部１３，１３に１対の超音波素子２０，２０が受容されている。超音波素子２０は、偏平円柱状のベース部２１の一端に、ドーム状に膨出した形状の超音波送受波面２２を有し、この超音波送受波面２２にて超音波を送受波する。また、両超音波素子２０，２０は、計測流路１２側にはみ出すことなく素子受容凹部１３，１３に受容されて、両超音波素子２０，２０の超音波送受波面２２，２２同士が対向している。そして、公知な超音波流量計と同様に、一方の超音波素子２０から他方の超音波素子２０までの超音波の伝播時間と、他方の超音波素子２０から一方の超音波素子２０までの超音波の伝播時間との差分に基づいて計測管１１を通過する流体の流速を計測し、その流速に計測管１１の流体通過面積を乗じて流体の流量を検出するようになっている。
【００２４】
図２に示すように、各素子受容凹部１３の内面は、それぞれ受容した超音波素子２０の超音波送受波面２２より上流側部分１３Ａと下流側部分１３Ｂとが非対称な形状になっている。具体的には、一般的な超音波流量計における素子受容凹部の内面は、超音波送受波面２２と同心の円筒面になっているが、本実施形態の素子受容凹部１３の内面は、超音波送受波面２２より上流側部分１３Ａと下流側部分１３Ｂとが超音波送受波面２２の中心軸（図２のＬ１参照）に対する傾斜角も距離も異なっている。
【００２５】
超音波素子２０は、公知な超音波流量計にも使用されている超音波素子と同様に、高い指向性を有する超音波を送波する。具体的には、流体の流速が「０」の状態では、超音波素子２０の超音波送受波面２２から送波される超音波の伝播経路のうち超音波の強度が最も大きくなる部分の中心軸である伝播中心軸Ｌ２は、超音波送受波面２２の中心を貫通する中心軸である送波面中心軸Ｌ１と一致し、送波面中心軸Ｌ１上において超音波の強度が最も高なる。そして、送波面中心軸Ｌ１上の超音波の強度を１００％とすると、送波面中心軸Ｌ１から例えば６度ずれると強度が５０％に減衰し、１０度ずれると１０％にまで減衰するほどの指向性を有する超音波を超音波素子２０は送波する。
【００２６】
ところで、超音波素子２０が送波する超音波の伝播中心軸Ｌ２は、伝播中心軸Ｌ２と交差する方向に流れる流体の流速によってずれる。具体的には、図３に示すように、計測管１１の軸方向に対して送波面中心軸Ｌ１が傾斜角ψだけ傾いた上流側の超音波素子２０から音速ｃで送波された超音波は、流体の流速ｖによって伝播方向の交差する方向に吹き流され、音速ｃと流速ｖとの合成した合成音速ｃ１となって伝播される。そして、その合成音速ｃ１は、以下の［数５］の式で表すことができる。
【００２７】
【数５】
2016099139.tif 000010
【００２８】
ここで、計測管１１の軸方向に対する合成音速ｃ１の傾斜角をθとすると、以下の［数６］の式で表すことができる。
【００２９】
【数６】
2016099139.tif 000011
【００３０】
また、上記した［数５］，［数６］の式からｃ１を消去すると、次の［数７］で示したｃｏｓψの二次方程式を得る。
【００３１】
【数７】
2016099139.tif 000012
【００３２】
さらに、この二次方程式を解いてψを求めると、次の［数８］となる。
【数８】
2016099139.tif 000013
【００３３】
よって、流速ｖの増加に伴って送波面中心軸Ｌ１の下流側へのズレ角δは、以下の［数３］で示した関係式に従って大きくなることがわかる。
【００３４】
【数３】
2016099139.tif 000014
【００３５】
これと同様に、流体が内側を流れる計測管１１の軸方向に対する下流側の超音波素子２０の送波面中心軸Ｌ１の鋭角の傾斜角をψとし、流体の流速をｖとし、流体の平均温度でその流体を伝番する超音波の音速をｃとすると、流速ｖの増加に伴って送波面中心軸Ｌ１の下流側へのズレ角λは、以下の［数４］で示した関係式に従って大きくなっていく。
【００３６】
【数４】
2016099139.tif 000015
【００３７】
また、流体の流速が大きくなるに従って伝播していく超音波の振幅は小さくなっていく。これら現象に鑑み、本実施形態の超音波流量計１０は、図３に示すように、上流側の超音波素子２０が、超音波送受波面２２の中心軸Ｌ１が素子対向軸Ｌ０に対して流体の上流側にずれ角φ１だけずれた状態に配置されると共に、下流側の超音波素子２０が、超音波送受波面２２の中心軸Ｌ１が素子対向軸Ｌ０に対して流体の上流側にずれ角φ２だけずれた状態に配置されている。そして、流体の流速が最大値になったときに各超音波素子２０の伝播中心軸Ｌ２が、１対の超音波素子２０，２０における両超音波送受波面２２，２２の中心点Ｐ１，Ｐ１を結ぶ素子対向軸Ｌ０と重なるようになっている。
【００３８】
具体的には、上記［数３］，［数４］の関係式に鑑み、計測管１１の軸方向に対する素子対向軸Ｌ０上の鋭角側の傾斜角をθとし、超音波の音速をｃとし、流体の流速の最大値をｖとすると、上流側の超音波素子２０の送波面中心軸Ｌ１の素子対向軸Ｌ０するズレ角φ１と下流側の超音波素子２０の送波面中心軸Ｌ１の素子対向軸Ｌ０に対するズレ角φ２は、以下の［数１］，［数２］で示した大きさになっている。
【００３９】
【数１】
2016099139.tif 000016
【００４０】
【数２】
2016099139.tif 000017
【００４１】
以上の構成により本実施形態の超音波流量計１０では、流体の流速増加に伴い送波面中心軸Ｌ１に対する超音波の伝播中心軸Ｌ２のズレ量が減少していき、超音波の強度を高めるように作用するので、流体の流速増加に伴い超音波の振幅が減衰しても、従来に比べて超音波の受波強度は低下せず、Ｓ／Ｎ比が改善されて、音響ノイズの影響を受け難くい流量計測が可能になる。
【００４２】
また、本実施形態では、上記した音速ｃは、計測管１１の内側を通過し得る流体の種類及び温度の相違によって変わり得る範囲の中央値に設定されている。具体的には、計測管１１内を通過し得る流体には、Ａ，Ｂ，Ｃの３種類があり、それら流体の温度がｔ１〜ｔ２［℃］で変化し、その温度変化範囲においてＡを伝播する音速が３００〜３５０［ｍ／ｓ］で変化し、Ｂを伝播する音速が３３０〜３６０［ｍ／ｓ］で変化し、Ｃを伝播する音速が３４０〜３８０［ｍ／ｓ］で変化するとしたら、上記した［数１］，［数２］の式中の音速ｃは、（３００＋３８０）／２＝３４０［ｍ／ｓ］になる。
【００４３】
このように音速ｃを設定して上記ズレ角φ１，φ２を決定してことにより、超音波流量計１０が複数種類の流体に使用されても、従来より音響ノイズの影響を受け難くい流量計測が可能になる。
【００４４】
［他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【００４５】
（１）前記実施形態では、流体の流速の最大値をｖとして上記［数１］，［数２］の関係式が成り立つ構成になっていたが、流体の流速の平均値や中央値をｖとして上記［数１］，［数２］の関係式が成り立つ構成としてもよい。
【００４６】
（２）前記実施形態において、素子対向軸Ｌ０に対する送波面中心軸Ｌ１の傾斜角を変更する調整部（例えば、調整螺子）を設けた構成にしてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１０    超音波流量計
１１    計測管
１３    素子受容凹部
１３Ａ    上流側部分
１３Ｂ    下流側部分
２０    超音波素子
２２    超音波送受波面
【図１】
2016099139.tif 000024
【図２】
2016099139.tif 000025
【図３】
2016099139.tif 000026