(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの開口を有し、流体を一方の開口端から他方の開口端に通す配管と、超音波送受信器と、一方の超音波送受信器を励起し流体の流れに対して上流側または下流側から超音波信号を切り換えて送信する送信手段と、他方の超音波送受信器で流体中を伝播する超音波信号を検出し、受信部で受信処理し流体中を伝播する超音波信号の伝播時間を検出し、下流方向または上流方向への超音波信号の伝播時間を計測する時間計測手段を備え、これらの伝播時間から流体の流速または流量を演算する流量演算手段を有する変換器とを備えた超音波流量計において、
前記超音波送受信器の整合層の厚さを、整合層材料のもつ音速Ｃ（ｍ／ｓ）と超音波の周波数ｆ（Ｈｚ）から求められる整合層材料の波長λ（ｍ）の０．１８λ以上で０．２２λ以下、好ましくは０．２λとすることを特徴とする超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波を用いて流体の流速度，流量を測定する超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３にこの種の従来例を示す。
すなわち、超音波流量計は大きくは測定管１と、変換器４と、ケーブル５とから構成される。測定管１は、両端にフランジ２ａを有する円筒状の配管２と、その配管２の中心線ｓを挟み、かつ、その中心線ｓに対して所定の角度θをもって対向して配置され、相互に超音波信号の送受を行なう一対の超音波送受信器（以下、送受波器ともいう）３ａ，３ｂとを有している。この一対の送受波器３ａ，３ｂはケーブル５を介して、送受波器３ａ，３ｂの信号を流体の速度，流量に換算する変換器４に接続されている。
【０００３】
図４は動作説明図で、同（ａ）は送受波器３ａから３ｂへ、同（ｂ）はその逆方向への送信動作を示す。
超音波流量計では、同（ａ）のように例えば一方の送受波器３ａから超音波信号を送信し、他方の送受波器（３ｂ）でこの送信された超音波信号を受信する。このとき、送信開始時のパルス１から受信終了のパルス２までの伝播時間ｔ１を測定するが、安定したトリガーを掛け測定精度を維持するために、Ｓ／Ｎ比が良く立ち上がりの良い受信波を得ることが必要になる。この超音波信号の送受信を交互に切り替えて、上流側への伝搬時間ｔ２と下流側への伝搬時間ｔ１との伝搬時間差を測定することにより、管路内の流体の流速を測定することができ、この流速に配管２の断面積を乗じることにより、流量を測定することができる。流量を求める関係式を示すと、以下のようになる。
【０００４】
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）                                …（１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）                                …（２）
（１），（２）式より、
Ｖ＝Ｌ（１／ｔ１−１／ｔ２）／２ｃｏｓθ                    …（３）
Ｑ＝（π／４）×Ｄ2 ×Ｖ×Ｋ                                …（４）
なお、上記各記号の意味は次のとおりである。
ｔ１：送受波器３ａから３ｂに送波される超音波の伝播時間
ｔ２：送受波器３ｂから３ａに送波される超音波の伝播時間
Ｃ  ：流体の音速            Ｌ  ：送受波器３ａと３ｂ間の距離
Ｖ  ：測定流速              Ｋ  ：流速分布係数
Ｄ  ：配管２の内径          Ｑ  ：流量
θ  ：配管軸と送受波器の設置軸とのなす角度
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来、送受波器の整合層の厚さは、波長λで記述すると０．２４λが感度の点から良いとされてきた。また、受信波形の立ち上がりを良くするために０．１５λとした例もある。ここで、整合層の波長λは下記式で示される。
整合層の波長λ
＝整合層材料の音速Ｃ（ｍ／ｓ）／超音波の周波数ｆ（Ｈｚ＝１／ｓ）
【０００６】
ここで、整合層の厚さと感度，トリガーのかけ易さとの関係について考察すると、整合層の厚さが０．２４λの場合は、図５に示すように、最大振幅値であるＶｍａｘが０．２４λ近辺で最大となって感度が高くＳ／Ｎ比が良いが、図６（ａ）に示すように立ち上がりの悪い（立ち上がり時間の長い）波形となって、上記伝播時間を測定するためのトリガーがかけ難くなる。なお、図５に示すＶ１〜Ｖ６，Ｖｍａｘは、図７に示す受信波形の第１波〜第６波，最大値をそれぞれ示している。
【０００７】
一方、整合層の厚さが０．１５λの場合は、図５に示すように最大振幅値Ｖｍａｘが小さくなりＳ／Ｎ比が悪いが、図６（ｃ）のように立ち上がりの良い波形となるため、伝播時間を測定するためのトリガーはかけ易くなる。
以上のことから、整合層の厚さに対する振幅値の大小によるＳ／Ｎ比の問題と立ち上がり波形の良し，悪しによるトリガーのかけ易さ，かけ難さとは両立せず、伝播時間の測定精度上の問題ともなっている。
したがって、この発明の課題は、Ｓ／Ｎ比が良好でトリガーのかけ易い超音波流量計を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、少なくとも２つの開口を有し、流体を一方の開口端から他方の開口端に通す配管と、超音波送受信器と、一方の超音波送受信器を励起し流体の流れに対して上流側または下流側から超音波信号を切り換えて送信する送信手段と、他方の超音波送受信器で流体中を伝播する超音波信号を検出し、受信部で受信処理し流体中を伝播する超音波信号の伝播時間を検出し、下流方向または上流方向への超音波信号の伝播時間を計測する時間計測手段を備え、これらの伝播時間から流体の流速または流量を演算する流量演算手段を有する変換器とを備えた超音波流量計において、
前記超音波送受信器の整合層の厚さを、整合層材料のもつ音速Ｃ（ｍ／ｓ）と超音波の周波数ｆ（Ｈｚ）から求められる整合層材料の波長λ（ｍ）の０．１８λ以上で０．２２λ以下、好ましくは０．２λとすることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施の形態説明図である。
これは、送受波器の具体的構成を示している。１１が整合層で、接着剤１８によって圧電素子１２に接着され、フタ１３によりケース１６に固定されている。１２は圧電素子で、Ｏリング１４を介してケース１６に保持されている。圧電素子１２の電極面にハンダ付けされたリード線１５は、電極１７にネジ１９にて接続され、電圧信号が伝達される。
なお、このような構成そのものは一般的なものと変わりないが、上述のような観点から、ここでは整合層１１の厚みを最適となるようにする。
【００１０】
そのために、この発明では整合層厚さを変えながら、図７に示す第１波と第２波との比（Ｖ２／Ｖ１）、およびＶｍａｘと第３波Ｖ３との比（Ｖ３／Ｖｍａｘ）に着目してそれぞれプロットすると、図２のような関係曲線が得られた。そこで、この２つの曲線の交点に着目すると、この交点ではトリガーの安定性を示すＶ２／Ｖ１の比、および感度の良し悪しを示すＶ３／Ｖｍａｘの比がともに比較的大きな値となることから、このときの整合層厚さ０．２λを最適値として採用する、というのがこの発明の基本概念である。なお、０．２λの前後に１０％程度のマージンをとって、その範囲を０．１８λ〜０．２２λとしても特に問題のないことは、図２からも明らかである。整合層厚さをこの範囲にした場合の受信波形例を、図６（ｂ）に示す。立ち上がり，立ち下がりとも良好な波形となることが分かる。
【００１１】
このように、整合層の厚さを、整合層材料のもつ音速Ｃ（ｍ／ｓ）と超音波の周波数ｆ（Ｈｚ）から求められる整合層材料の波長λ（ｍ）の０．１８λ以上で０．２２λ以下、より好ましくは０．２λとすることで、感度を示すＳ／Ｎ比とトリガーの安定性とを両立させることができ、その結果、受信波形から生成されるパルスの生成タイミングが安定化し、伝播時間の測定精度を向上させることが可能となる。
【００１２】
【発明の効果】
この発明によれば、超音波送受信器の整合層の厚さを最適となるようにしたので、伝播時間の測定精度が向上し誤差の少ない測定が可能となる利点がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態説明図である。
【図２】この発明の原理説明図である。
【図３】従来の超音波流量計を示す構成図である。
【図４】図３での測定原理説明図である。
【図５】整合層厚さと受信波形の振幅値との関係説明図である。
【図６】整合層厚さを特定した場合の各受信波形図である。
【図７】受信波形例を示す波形図である。
【符号の説明】
１…測定管、２…配管、２ａ…フランジ、３ａ，３ｂ…超音波送受信器（送受波器）、４…変換器、５…ケーブル、６…センサ固定部、１１…整合層、１２…圧電素子、１３…フタ、１４…Ｏリング、１５…リード線、１６…ケース、１７…電極、１８…接着剤、１９…ネジ。
【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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【図７】
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