(57)【要約】【課題】トランスデューサーの設置時において自由度を確保するとともに、設置後も入射角の変更が可能な超音波流量計を実現する。【解決手段】配管内を流れる流体に超音波発振器から所定の入射角をもって超音波を入射し、前記配管内を流れる流体の流速に関連する信号を得るようにした超音波流量計において、前記超音波の配管への入射角を変更可能とした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管内を流れる流体に超音波発振器から所定の入射角をもって超音波を入射し、前記配管内を流れる流体の流速に関連する信号を得るようにした超音波流量計において、前記超音波の配管への入射角を変更可能としたことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記超音波発振器の取付部材として複数のくさび形部材を用いたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記超音波発振器の取付部材に温度勾配を持たせるための加熱手段を用いたことを特徴とする請求項１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、流体の流れに対して斜めに音波を伝播させたときの、超音波の伝搬時間差から流体の流速または流量を計測するようにした、超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３（ａ，ｂ）は一般的な超音波流量計の要部構成図である。
図３（ａ）は配管１に取り付けた超音波トランスデューサー２（超音波発信器）の先端から配管を流れる液体中へ超音波パルスを出射し、液体中の気泡やパーティクル３等の反射体からのエコーを受信器で検出する。エコーの周波数が、反射体の速度で変化することを利用して流速分布を求め、流量を測定するパルスドップラ法を示している。
【０００３】
図３（ｂ）は配管１の上流側と下流側に超音波受信器をかねたトランスデューサー２，２ａを設け、超音波パルスを、流体中を横切って上流から下流、下流から上流に交互に送信し、到達した時間の差（Ｔ１−Ｔ２）から流速を求める伝播時間差法を示している。
【０００４】
図４（ａ）は同じ側に超音波振動子５ａ，５ｂを設けた超音波流量計の測定原理を説明するための図である。まず、上流の超音波振動子５ａを超音波により励起すると、出射された超音波は固定部材４に伝搬される。この固定部材４は流体の流れ７に対し、超音波を斜めに入射させるものである。
【０００５】
超音波は配管１から配管内の流れ７へと伝搬するが、固定部材４と配管１、配管１と配管内の流れ７との各境界面においては、図４（ｂ）に示すようなスネルの法則に従って音波が屈折する。なお、図４（ｂ）のｉ，ｏはそれぞれ媒質、θｉ，θｏはそれぞれ入射角，反射（出射）角、Ｃｏ，Ｃｉはそれぞれ媒質ｉ，ｏでの音速を示している。
【０００６】
配管内の流れ７へと伝搬した超音波は対向面に到達し、再び境界面（流体と配管，配管と固定部材）で屈折したのち下流の超音波振動子５ｂで受信される。この上流から下流の超音波センサに到達するまでの音波の伝搬時間をＴ１とし、逆に下流の超音波振動子５ｂを励起し上流の超音波振動子５ａで音波を受信する場合の伝搬時間をＴ２とすると、それぞれの伝搬時間は次の（１），（２）式で表わされる。なお、τは配管，固定部材での伝搬時間、Ｄは配管の内径、Ｃは流体の音速、Ｖは流体の流速をそれぞれ示す。
【０００７】
Ｔ１＝２τ＋（２Ｄ／ｃｏｓθ）／Ｃ＋Ｖ・ｓｉｎθ・・・（１）
Ｔ２＝２τ＋（２Ｄ／ｃｏｓθ）／Ｃ−Ｖ・ｓｉｎθ・・・（２）
【０００８】
上式から明らかなように、流速があると（Ｖが零でないとき）Ｔ１，Ｔ２に時間差が生じることが分かる。このような超音波流量計は内径が２５ｍｍ〜３０００ｍｍの配管内の流速，流量が測定できることから、一般に幅広く用いられている。
なお、超音波流量計の従来技術としては下記の特許文献が知られている。
【０００９】
【特許文献１】特開平６−１１７８９５号公報
【特許文献２】特開平７−２９４３００号公報
【特許文献３】特開２００６−２２０５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上述の構成においては、一度トランスデューサー（超音波振動子）を取付けてしまうと超音波の入射角を変えることはできない。
そのため、パルスドップラ法で測定する場合、超音波の入射角によって測定流速の上限と位置分解能が決まってしまう。この２つのパラメータはトレードオフの関係となっている。測定対象の流体の条件(例えば流速)が変化した場合、再度測定環境を最適化したいときには、別の入射角を入射させる固定部材が必要であった。
【００１１】
また、伝播時間差法で測定する場合、受信信号が大きくなるような位置に、対となるトランスデューサーを設置する必要があるが、直管長が取れないなど、配管の条件によってトランスデューサーの位置に制限を受けることがあった。
【００１２】
また、トランスデューサーの設置時に受信信号を最大となるように取付けても、流体中の音速が温度によって変化すると超音波の入射角も変化するので、流体の条件によっても受信信号が小さくなってしまうという課題があった。
【００１３】
従って本発明は、トランスデューサーの設置時において自由度を確保するとともに、設置後も入射角の変更が可能な超音波流量計を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１に記載の超音波流量計の発明においては、
配管内を流れる流体に超音波発振器から所定の入射角をもって超音波を入射し、前記配管内を流れる流体の流速に関連する信号を得るようにした超音波流量計において、前記超音波の配管への入射角を変更可能としたことを特徴とする。
【００１５】
請求項２においては、請求項１に記載の超音波流量計の発明において、
前記超音波発振器の取付部材として複数のくさび形部材を用いたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３においては、請求項１に記載の超音波流量計の発明において、
前記超音波発振器の取付部材に温度勾配を持たせるための加熱手段を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したことから明らかなように本発明の請求項１，２によれば、超音波発振器の取付部材として複数のくさび形部材を用いたので、このくさび型部材の枚数を増減することにより超音波の配管への入射角を変えることができる。
【００１８】
また、請求項１，３によれば、取付部材に温度勾配を持たせるための加熱手段を用いているので、加熱手段の温度を調節して屈折率を変え取付部材中を伝播する超音波の経路を変えることができる。
その結果、パルスドップラ法ではより測定対象に適した条件で流速測定が可能となる。
【００１９】
また、 伝播時間差法で測定する場合、従来技術では信号強度が小さかったトランスデューサーの配置条件や温度条件でも、信号強度を大きくできるようにすることで、より精度の良好な流速測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１（ａ，ｂ）は本発明の超音波流量計の要部断面構成図である。
これらの図において、１は配管、２はトランスデューサー、８は支持部材（吸音材）、４ａはくさび形部材である。
図１（ａ）では３枚のくさび形部材４ａを介して固定されたトランスデューサー２の先端に２枚のくさび形部材４ａを挿入しようとしている状態を示している。このときの超音波の液中への入射角はαとなっている。なお、くさび形部材４ａの合わせ面は超音波が屈折しない程度に密着して取付けられているものとする。
【００２１】
図２（ｂ）では一枚のくさび形部材４ａがトランスデューサー２の先端に挿入され、挿入前の入射角αがα’に変化している状態を示している。このα’は更にもう一枚のくさび形部材４ａを挿入することにより変化させることができる。
【００２２】
図１において、流体内の音速をＶr、くさび形部材４ａ内の音速をＶiとするとスネルの法則より、
入射角α＝Ｓｉｎ−1（Ｖｒ／Ｖｉ× Ｓｉｎ（３β）)
入射角α’＝Ｓｉｎ−１（ＶＲ／ＶＩ×Ｓｉｎ（４β））
Ｓｉｎ（α‘−α）＝
Ｖｉ／Ｖｒ×Ｓｉｎ（４β）×Ｃｏｓα―Ｃｏｓα’×Ｖｉ／Ｖｒ×Ｓｉｎ（３β）
α’＞α
となる。
【００２３】
図１に示すように、複数のくさび形部材４ａを設け、配管１と超音波トランスデューサー２の間に挿入する。挿入するくさび形部材４ａの枚数によって、超音波の入射角を変えることができる。
【００２４】
図２は他の実施例を示す超音波流量計の要部断面構成図である。
なお、図１と同一部品には同一符号を付している。
この実施例においては、取付部材４ｂを断面３角のくさび状に形成し、一辺を配管１に他の一片にトランスデューサー２（超音波発信器）を固定している。この取付部材４ｂは音速の温度依存性の大きな材質が用いられる。更に、もう一方の辺に加熱部材（ヒーター）が固定される。
【００２５】
そして、ヒーター６を加熱すると取付部材４ｂの中に温度勾配が形成される。この温度勾配により取付部材４ｂ中の屈折率が変化する。ヒーター６の温度を調節することにより屈折率が制御可能となり超音波の経路を変化させることができる。
【００２６】
例えば、トランスデューサーの設置角を１８度とし、取付部材４ｂ内の音速の温度依存性を＋０．１％／度（水の値）程度とした時、ヒーターで５０℃の温度勾配を生じさせると、水中入射角は１７°に変化する。
【００２７】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の超音波流量計の実施形態の一例を示す要部断面構成図である。
【図２】他の実施例を示す図である。
【図３】超音波流量計の一般的な構成を示す断面図である。
【図４】超音波流量計の原理を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１      配管
２      超音波トランスデューサー（超音波発信器）
３      気泡
４      固定部材
４ａ，４ｂ  くさび形部材
５      超音波振動子
６      ヒーター
７      流体の流れ
８      支持部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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