CN110274645A - 夹合式超声波流量传感器 - Google Patents

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Abstract

提供能够计算小直径的金属管中流动的流体的流量的夹合式超声波流量传感器。弹性耦合介质以使管接触部与管接触且沿着轴向布置的方式通过夹持构件支撑在管上。弹性耦合介质使从超声波元件发射的超声波传播到管。管接触部被夹持构件与管之间的阻尼材料围绕。弹性耦合介质以使管接触部与管接触且沿着轴向布置的方式通过夹持构件支撑在管上。弹性耦合介质使从超声波元件发射的超声波传播到管。管接触部被夹持构件与管之间的阻尼材料围绕。在夹持构件分别对阻尼材料加压的状态下，夹持构件彼此联接以夹住管。

Description

夹合式超声波流量传感器
技术领域
本发明涉及计算在管中流动的流体的流量的夹合式(clamp-on type)超声波流量传感器。
背景技术
已知这样的夹合式超声波流量传感器：其能够在夹合式超声波流量传感器通过夹持构件安装到管的状态下计算在管中流动的流体的流量(例如，参见日本特开2016-217733号公报(专利文献1))。
专利文献1的夹合式超声波流量传感器(超声波流量开关)包括进行超声波发送和接收的一对超声波元件。通过一个超声波元件向在管中流动的流体发送超声波。穿过流体的超声波被另一超声波元件接收。基于通过一对超声波元件发送和接收的超声波来计算流体的流量。
发明内容
发明要解决的问题
在夹合式超声波流量传感器中，在从一个超声波元件到达另一超声波元件的超声波中存在着在管的周壁中传播且不穿过流体的成分。这种成分是不具有关于流体的流量的信息的不必要成分。当超声波的不必要成分大时，难以准确地计算流体的流量。因此，需要使超声波的穿过流体的成分与不必要成分分离并且接收超声波的成分。
当管的直径大时，一对超声波元件能够被布置为彼此分离。超声波在树脂材料中的传播速度低于超声波在金属材料中的传播速度。此外，超声波在树脂材料中的衰减率大于超声波在金属材料中的衰减率。因此，当管的直径大或者管由树脂材料形成时，能够以使超声波的穿过流体的成分被暂时或空间上与不必要成分分离并被接收的方式容易地布置一对超声波元件。
然而，当管的直径小并且管由金属材料形成时，不易以使超声波的穿过流体的成分与不必要成分分离并被接收的方式布置一对超声波元件。因此，不能计算在具有小直径的金属管中流动的流体的流量。
本发明的目的是提供一种夹合式超声波流量传感器，其能够计算在具有小直径的金属管中流动的流体的流量。
用于解决问题的方案
(1)根据本发明的夹合式超声波流量传感器是：一种夹合式超声波流量传感器，其测量管中流动的流体的流量，所述夹合式超声波流量传感器包括：第一超声波元件，其被构造为发送和接收超声波；第一楔形材料，其被构造为传播从所述第一超声波元件发送的超声波并且包括相对于超声波的传播方向倾斜且发射所传播的超声波的第一入射/发射面；第一弹性耦合介质，其包括与所述管接触的第一管接触部并且被构造为使从所述第一楔形材料的所述第一入射/发射面发射的超声波经由所述第一管接触部传播到所述管；第一夹持构件，其被构造为支撑所述管并支撑所述第一弹性耦合介质，并使所述第一管接触部沿着所述管的轴向布置；第一阻尼材料，其被布置为使超声波衰减并且在所述第一夹持构件与所述管之间围绕所述第一弹性耦合介质的所述第一管接触部；第二超声波元件，其被构造为在所述第二超声波元件与所述第一超声波元件之间经过(across)所述管发送和接收超声波；第二楔形材料，其被构造为传播从所述第二超声波元件发送的超声波，并且包括相对于超声波的传播方向倾斜且发射所传播的超声波的第二入射/发射面；第二弹性耦合介质，其包括与所述管接触的第二管接触部并且被构造为使从所述第二楔形材料的所述第二入射/发射面发射的超声波经由所述第二管接触部传播到所述管；第二夹持构件，其被构造为支撑所述管并支撑所述第二弹性耦合介质，并使所述第二管接触部沿着所述轴向布置；第二阻尼材料，其被布置为使超声波衰减并且在所述第二夹持构件与所述管之间围绕所述第二弹性耦合介质的所述第二管接触部；以及流量计算部，其被构造为基于在所述第一超声波元件与所述第二超声波元件之间发送和接收的超声波来计算在所述管中流动的流体的流量。在所述第一夹持构件压住所述第一阻尼材料并且所述第二夹持构件压住所述第二阻尼材料的状态下，所述第一夹持构件与所述第二夹持构件彼此连接以夹住所述管。
在该夹合式超声波流量传感器中，在第一超声波元件与第二超声波元件之间经过管发送和接收超声波。从第一超声波元件发送的超声波通过第一楔形材料传播并且从相对于超声波的传播方向倾斜的第一入射/发射面发射。第一弹性耦合介质以使第一管接触部与管接触且沿着轴向布置的方式被第一夹持构件支撑在管上。第一弹性耦合介质使从第一楔形材料的第一入射/发射面发射的超声波经由第一管接触部传播到管。第一阻尼材料被布置为用于使超声波衰减并且围绕第一夹持构件与管之间的第一弹性耦合介质的第一管接触部。
从第二超声波元件发送的超声波通过第二楔形材料传播并且从相对于超声波的传播方向倾斜的第二入射/发射面发射。第二弹性耦合介质以使第二管接触部与管接触且沿着轴向布置的方式被第二夹持构件支撑在管上。第二弹性耦合介质使从第二楔形材料的第二入射/发射面发射的超声波经由第二管接触部传播到管。第二阻尼材料被布置为用于使超声波衰减并且围绕第二夹持构件与管之间的第二弹性耦合介质的第二管接触部。在第一阻尼材料被第一夹持构件压住并且第二阻尼材料被第二夹持构件压住的状态下，第一夹持构件和第二夹持构件彼此连接以夹住管。
利用上述构造，通过振动在管的周壁中激发超声波。可以使用所激发的超声波在第一超声波元件与第二超声波元件之间经过管发送和接收超声波。在该情况下，超声波的在管的周壁中传播且不穿过流体并且在第一超声波元件与第二超声波元件之间被发送和接收的不必要成分减少。因此，容易基于在第一超声波元件与第二超声波元件之间被发送和接收的超声波来计算在管中流动的流体的流量。
在第一阻尼材料围绕第一管接触部的状态下，第一阻尼材料压靠管。在第二阻尼材料围绕第二管接触部的状态下，第二阻尼材料压靠管。因此，防止了管的除了第一管接触部和第二管接触部的接触部分之外的部分的振动。超声波中的在管的周壁中沿周向传播的成分被第一阻尼材料和第二阻尼材料衰减。结果，超声波的在管的周壁中传播且不穿过流体并且在第一超声波元件与第二超声波元件之间被发送和接收的不必要成分进一步减少。
通过第一阻尼材料和第二阻尼材料防止了在管的周壁中沿轴向传播的超声波在周壁的轴向上的端面反射并返回。因此，返回的超声波不会在不必要的时刻激发超声波。结果，能够计算在具有小直径的金属管中流动的流体的流量。
(2)夹合式超声波流量传感器还可以包括：第一加压构件，其安装于所述第一夹持构件并且被构造为使所述第一阻尼材料压靠所述管；和第二加压构件，其安装于所述第二夹持构件并且被构造为使所述第二阻尼材料压靠所述管。在该情况下，第一阻尼材料和第二阻尼材料充分压靠管，由此在管的周壁中传播的超声波被充分衰减。结果，能够更准确地计算流体的流量。
(3)所述第一加压构件可以是第一薄板簧，其在周向上的两端相对于安装到所述第一夹持构件的固定部分是弧状悬臂，并且所述第一加压构件还可以使所述第一阻尼材料在与所述第一夹持构件和所述第二夹持构件的夹持方向不同的方向上压靠所述管，并且所述第二加压构件可以是第二薄板簧，其在所述周向上的两端相对于安装到所述第二夹持构件的固定部分是弧状悬臂，并且所述第二加压构件还可以使所述第二阻尼材料在与所述第一夹持构件和所述第二夹持构件的所述夹持方向不同的方向上压靠所述管。
在该情况下，简单地通过将管夹持在第一夹持构件与第二夹持构件之间，通过第一薄板簧和第二薄板簧使第一阻尼材料和第二阻尼材料在与第一夹持构件和第二夹持构件的夹持方向不同的方向上也压靠管。结果，能够使超声波的在管的周壁中传播的不必要成分充分地衰减。
(4)所述第一薄板簧可以具有半圆筒形状并且可以被布置为围绕所述管的整个所述周向且对所述第一阻尼材料加压，并且所述第二薄板簧可以具有半圆筒形状并且可以被布置为围绕所述管的整个所述周向且对所述第二阻尼材料加压。在该情况下，通过第一薄板簧和第二薄板簧使第一阻尼材料和第二阻尼材料在与第一夹持构件和第二夹持构件的夹持方向不同的方向上遍及管的整个周向地也压靠管。结果，能够使超声波的在管的周壁中传播的不必要成分更充分地衰减。
(5)在所述第一夹持构件与所述管之间和在所述第二夹持构件与所述管之间可以形成用于允许所述第一阻尼材料和所述第二阻尼材料变形的空间。利用该构造，即使在管的外径中存在误差或波动时，第一阻尼材料也变形，由此通过第一夹持构件能够使第一阻尼材料更确实地压靠管。类似地，第二阻尼材料也变形，由此通过第二夹持构件能够使第二阻尼材料更确实地压靠管。
(6)所述第一阻尼材料和所述第二阻尼材料可以由弹性体形成。利用该构造，即使在管的外径中存在误差或波动时，第一阻尼材料也变形，由此通过第一夹持构件能够使第一阻尼材料更确实地压靠管。类似地，第二阻尼材料也变形，由此通过第二夹持构件能够使第二阻尼材料更确实地压靠管。
(7)所述第一加压构件可以被构造为维持所述第一弹性耦合介质的位置和姿势，并且所述第二加压构件可以被构造为维持所述第二弹性耦合介质的位置和姿势。利用该构造，即使在第一管接触部和第二管接触部压靠管时，第一管接触部和第二管接触部的宽度上的改变也受到限制。防止了第一管接触部和第二管接触部的弯折、蛇行和变形。结果，能够准确地计算在具有小直径的金属管中流动的流体的流量。
(8)所述第一加压构件可以包括沿着所述轴向延伸的第三缝，所述第一弹性耦合介质的所述第一管接触部嵌合在所述第三缝中，并且所述第二加压构件可以包括沿着所述轴向延伸的第四缝，所述第二弹性耦合介质的所述第二管接触部嵌合在所述第四缝中。在该情况下，可以利用第一加压构件使第一阻尼材料容易地压靠管，同时使第一管接触部与管接触。类似地，可以利用第二加压构件使第二阻尼材料容易地压靠管，同时使第二管接触部与管接触。
(9)所述第一夹持构件和所述第二夹持构件中的至少一个夹持构件可以包括在所述夹持构件支撑所述管时将所述夹持构件引导至所述管的引导壁。在该情况下，可以利用第一夹持构件或第二夹持构件容易地支撑管。
(10)所述管的周壁可以包括第一激发区域和第二激发区域，从所述第一楔形材料的所述第一入射/发射面发射的超声波的纵波与所述第一激发区域碰撞，从所述第二楔形材料的所述第二入射/发射面发射的超声波的纵波与所述第二激发区域碰撞，所述管的所述第一激发区域可以激发穿过在所述管中流动的流体且行进至所述第二超声波元件的超声波，并且所述管的所述第二激发区域可以激发穿过在所述管中流动的流体且行进至所述第一超声波元件的超声波。在该情况下，可以基于从管的第一激发区域和第二激发区域产生的超声波来计算在管中流动的流体的流量。
(11)所述第一阻尼材料可以安装到所述管并围绕所述第一激发区域，并且所述第二阻尼材料可以安装到所述管并围绕所述第二激发区域。在该情况下，进一步防止了管的除了第一激发区域和第二激发区域之外的部分的振动。通过第一阻尼材料和第二阻尼材料使超声波的在管的周壁中沿周向和轴向传播的成分进一步衰减。结果，能够更准确地计算在具有小直径的金属管中流动的流体的流量。
(12)所述第一楔形材料可以被设置为使从所述第一超声波元件发送的超声波的剪切波相对于所述轴向的入射角被设定为大于等于临界角，并且所述第二楔形材料可以被设置为使从所述第二超声波元件发送的超声波的剪切波相对于所述轴向的入射角被设定为大于等于所述临界角。
在该情况下，从第一管接触部和第二管接触部发射的超声波全部被管反射并且难以侵入管的周壁。结果，能够进一步减少超声波的在管的周壁中传播且不穿过流体并且在第一超声波元件与第二超声波元件之间发送和接收的不必要成分。
(13)所述管的外径可以大于等于2mm且小于等于20mm。利用该构造，即使在金属管的外径充分小时，也能够计算流体的流量。
发明的效果
根据本发明，能够计算在具有小直径的金属管中流动的流体的流量。
附图说明
图1是根据本发明的实施方式的流量传感器的外观立体图；
图2是示出图1所示的头部的内部构造的截面图；
图3是用于说明图1所示的流量传感器中的流量的计算方法的图；
图4是示出传感器头的细节的示意性截面图；
图5是图4所示的传感器头的A-A线截面图；
图6是示出变型例中的头部的内部构造的示意性截面图；
图7是用于说明将头部安装到管的工序的图；
图8是用于说明将头部安装到管的工序的图；
图9是示出在未安装管的状态下夹持构件内部的示意性截面图；
图10是示出在安装了管的状态下夹持构件内部的示意性截面图；
图11是示出在安装了管的状态下夹持构件内部的示意性截面图；并且
图12是示出图1所示的中继部和主体部的内部构造的框图。
具体实施方式
(1)夹合式超声波流量传感器的示意性构造
参照附图说明根据本发明的实施方式的夹合式超声波流量传感器(以下简称为流量传感器)。在以下说明中，沿着管的中心轴线的方向被称为轴向。沿着管的周壁的方向被称为周向。相对于轴向倾斜预定角度的方向被称为倾斜方向。与轴向和倾斜方向正交的方向被称为宽度方向。与倾斜方向和宽度方向正交的方向被称为长度方向。
图1是根据本发明的实施方式的流量传感器的外观立体图。如图1所示，根据该实施方式的流量传感器1由头部100、中继部200和主体部300构成。头部100包括两个传感器头110和120以及两个夹持构件130和140。头部100还包括两个安装金属片150和160，用于将传感器头110和120的一部分安装到夹持构件130和140。夹持构件130和140由例如金属材料形成。
在传感器头110和120分别被夹持构件130和140保持的状态下，传感器头110和120安装到管P的周壁的外周面。在该实施方式中，管P是具有比较小的直径的金属管。管P的直径(外径)是例如大于等于2mm且小于等于20mm。流体在管P中流动。
头线缆CA1连接在传感器头110与中继部200之间。头线缆CA2连接在传感器头120与中继部200之间。中继线缆CA3连接在中继部200与主体部300之间。主体线缆CA4的一端也连接到主体部300。主体线缆CA4的另一端连接到流量传感器1的外部设备(在图1中未示出)。外部设备例如是个人计算机或可编程逻辑控制器。以下说明中继部200和主体部300的细节。
图2是示出图1所示的头部100的内部构造的截面图。如图2所示，传感器头110包括壳体111、超声波元件112、楔形材料113、弹性耦合介质114、板簧115、阻尼材料116和显示灯117。
壳体111由例如树脂材料形成并且具有沿着轴向延伸的细长形状(在该示例中，大致长方体形状)。在以下说明中，在壳体111中，面向管P的方向被定义为下方向，而下方向的相反方向被定义为上方向。壳体111的上下方向与轴向和宽度方向正交。由透明构件形成的窗部W形成于壳体111的上表面。开口H1形成于壳体111的下部。
超声波元件112包括能够发送和接收超声波的发送/接收面A1。楔形材料113由具有高刚性和高透声性(acoustic transparency)的非金属材料形成。楔形材料113优选由具有高耐环境性(environment resistance)的材料形成。楔形材料113包括面向倾斜方向的接合面B1，并且，在下部中，楔形材料113包括面向下的入射/发射面C1。超声波元件112的发送/接收面A1通过未示出的声学粘接剂接合到楔形材料113的接合面B1。
楔形材料113经由未示出的密封构件安装到壳体111的下部，以封闭开口H1。结果，在壳体111内形成诸如水和油的液体不能侵入的空间。超声波元件112收纳在壳体111内。楔形材料113的入射/发射面C1从壳体111的开口H1稍向下突出。在该状态下，壳体111通过两个安装螺钉151安装到安装金属片150。在壳体111内填充有树脂构件。
弹性耦合介质114具有固体形状并且由以高分子橡胶或凝胶物质制成的柔软的弹性材料形成。弹性耦合介质114的硬度为例如20度至40度。在弹性耦合介质114的下部中，能够与管P接触的向下突出的管接触部T1被形成为遍及轴向上的预定长度。
弹性耦合介质114被布置为与管P以及楔形材料113的入射/发射面C1接触，从而与管P的声阻抗和楔形材料113的声阻抗相匹配。弹性耦合介质114中与楔形材料113接触的接触面被称为楔接触面D1。在弹性耦合介质114的管接触部T1中与管P接触的接触面被称为管接触面E1。
板簧115被布置为在周向和轴向上围绕管接触部T1，并且通过两个安装螺钉134使板簧115与弹性耦合介质114一起安装到夹持构件130。阻尼材料116由例如使管P中的超声波衰减的弹性体形成并且布置在板簧115与管P之间，以在周向和轴向上围绕管接触部T1。
如在以下说明的，流量传感器1还能够作为基于流体是否在管P中以等于或高于阈值的流量流动而改变对于外部设备的开关信号(ON/OFF信号)的状态的流量开关进行操作。显示灯117包括例如发射不同颜色的光的多个发光二极管。基于图1所示的中继部200的控制，显示灯117根据流量开关的操作状态以多种形式点亮或闪烁。
在该实施方式中，显示灯117在外部设备处于ON状态时被点亮为绿色，在外部设备处于OFF状态时被点亮为红色。显示灯117可以在外部设备处于ON状态时点亮并且可以在外部设备处于OFF状态时熄灭。相反，显示灯117可以在外部设备处于ON状态时熄灭并且可以在外部设备处于OFF状态时点亮。
显示灯117与窗部W紧密接触地布置于壳体111内。结果，能够从壳体111的外部通过窗部W来目视识别显示灯117的操作形式。使用者能够通过目视识别显示灯117的颜色、点亮状态等而容易地区分外部设备的ON状态和OFF状态。
传感器头120包括壳体121、超声波元件122、楔形材料123、弹性耦合介质124、板簧125和阻尼材料126。壳体121除了未形成有窗部W之外具有与壳体111的构造相同的构造。因此，在壳体121中形成有与开口H1相同的开口H2。
超声波元件122和楔形材料123分别具有与超声波元件112的构造和楔形材料113的构造相同的构造。因此，超声波元件122包括与发送/接收面A1相同的发送/接收面A2。楔形材料123包括分别与接合面B1和入射/发射面C1相同的接合面B2和入射/发射面C2。超声波元件122的发送/接收面A2接合到楔形材料123的接合面B2。在安装了楔形材料123的状态下，通过两个安装螺钉161将壳体121安装到安装金属片160。
弹性耦合介质124具有与弹性耦合介质114的构造相同的构造。因此，弹性耦合介质124包括分别与管接触部T1、楔接触面D1和管接触面E1相同的管接触部T2、楔接触面D2和管接触面E2。弹性耦合介质124被布置为与管P和楔形材料123的入射/发射面C2接触，从而与管P的声阻抗和楔形材料123的声阻抗相匹配。
板簧125和阻尼材料126分别具有与板簧115的构造和阻尼材料116的构造相同的构造。板簧125被布置为在周向和轴向上围绕管接触部T2并且通过两个安装螺钉144使板簧125与弹性耦合介质124一起安装到夹持构件140。阻尼材料126布置在板簧125与管P之间以在周向和轴向上围绕管接触部T2。
安装金属片150和安装金属片160通过四个联接螺钉101彼此连接以夹住夹持构件130、管P和夹持构件140。结果，在通过夹持构件130使弹性耦合介质114和阻尼材料116压靠管P的状态下，传感器头110安装到夹持构件130。类似地，在通过夹持构件140使弹性耦合介质124和阻尼材料126压靠管P的状态下，传感器头120安装到夹持构件140。
(2)流量的计算方法
图3是用于说明图1所示的流量传感器1中的流量的计算方法的图。在图3中，省略了夹持构件130和140以及安装金属片150和160的图示。如图3所示，超声波元件112和超声波元件122被布置为超声波元件112和超声波元件122在轴向上彼此错开的状态。
基于图1所示的中继部200的控制，超声波元件112从发送/接收面A1沿倾斜方向发送超声波。使所发送的超声波从接合面B1入射于楔形材料113。此后，超声波在楔形材料113中传播并且从入射/发射面C1发送。使从入射/发射面发送的超声波从楔接触面D1入射到弹性耦合介质114中，在弹性耦合介质114中传播，此后从管接触部T1的管接触面E1朝向管P发射。
在本实施方式中，在楔形材料113中，将接合面B1和入射/发射面C1形成为使相对于轴向的横波(剪切波)的入射角设定为大于等于临界角。在该情况下，从管接触面E1发射的超声波的纵波和横波全部被管P的周壁P1反射且难以侵入周壁P1。另一方面，超声波的纵波与周壁P1的外周面碰撞，由此在周壁P1中激发导波。导波是在管P中沿与轴向平行的方向传播的超声波。像导波一样，还存在板波、表面波等。在导波中存在多个振动模式。导波具有这样的特征：导波的相位速度(phase velocity)和群速度(group velocity)以及导波的振动状态根据超声波的频率和周壁P1的厚度的积以及振动模式而不同。
周壁P1中的导波与周壁P1的内周面碰撞，由此超声波被激发并穿过流体并且以预定的入射角θ行进到与周壁P1相对的周壁P2。穿过流体的超声波的纵波与周壁P2的内周面碰撞，由此在周壁P2中激发导波。周壁P2中的导波与周壁P2的外周面碰撞，由此激发了从管P行进到弹性耦合介质124的管接触面E2的超声波的纵波。
使从管P行进的超声波从管接触面E2入射到管接触部T2中、在弹性耦合介质124中传播并且从楔接触面D2发射。使从楔接触面D2发射的超声波从入射/发射面C2入射到楔形材料123中，此后在楔形材料123中传播，并且从接合面B2发射。此后，基于中继部200的控制从超声波元件122的发送/接收面A2接收超声波。
以该方式，在周壁P1中设置了从超声波元件112发射的超声波的纵波所碰撞的激发区域R1。激发区域R1是主要激发穿过在管P中流动的流体并且行进到超声波元件122的超声波的区域。在图3中，由阴影图案表示激发区域R1。
随后，基于中继部200的控制，超声波元件122从发送/接收面A2沿倾斜方向发送超声波。使所发送的超声波从接合面B2入射到楔形材料123中。此后，超声波在楔形材料123中传播并且从入射/发射面C2发送。使从入射/发射面C2发送的超声波从楔接触面D2入射到弹性耦合介质124中，在弹性耦合介质124中传播，并且此后从管接触部T2的管接触面E2朝向管P发射。
在本实施方式中，在楔形材料123中，将接合面B2和入射/发射面C2形成为使超声波的横波相对于轴向的入射角设定为大于等于临界角。在该情况下，从管接触面E2发射的超声波的纵波和横波全部被管P的周壁P2反射并且难以侵入周壁P2。另一方面，超声波的纵波与周壁P2的外周面碰撞，由此在周壁P2中激发导波。
周壁P2中的导波与周壁P2的内周面碰撞，由此超声波产生并穿过流体并且以预定入射角θ行进到与周壁P2相反的周壁P1。穿过流体的超声波的纵波与周壁P1的内周面碰撞，由此在周壁P1中激发导波。周壁P1中的导波与周壁P1的外周面碰撞，由此激发从管P行进到弹性耦合介质114的管接触面E1的超声波的纵波。
使从管P行进的超声波从管接触面E1入射到管接触部T1中，在弹性耦合介质114中传播并且从楔接触面D1发射。使从楔接触面D1发射的超声波从入射/发射面C1入射到楔形材料113中，此后在楔形材料113中传播并且从接触面B1发射。此后，基于中继部200的控制从超声波元件112的发送/接收面A1接收超声波。
以该方式，在周壁P2中设置了从超声波元件122发射的超声波的纵波所碰撞的激发区域R2。激发区域R2是主要激发穿过在管P中流动的流体并且行进到超声波元件122的超声波的区域。在图3中，由点图案表示激发区域R2。
超声波的从超声波元件112到超声波元件122的传播时间与超声波的从超声波元件122到超声波元件112的传播时间之间的差异被称为时间差Δt。基于时间差Δt，由以下表达式(1)计算在管P中流动的流体的流量Q。在表达式(1)中，d1表示管P的内径，Vs表示超声波在流体中的速度，θ表示超声波在流体中的入射角，并且K表示用于将在管P的截面中具有预定分布的流体的速度转换为平均速度的流量校正系数。速度Vs、入射角θ和流量校正系数K是已知的。使用者能够通过操作图1所示的主体部300来设定管P的内径d1。
流量传感器1还能够作为流量开关进行操作。使用者能够通过操作主体部300来设定流量的阈值。主体部300将通过表达式(1)计算的流量Q与所设定的阈值进行比较并且基于比较的结果向外部设备输出ON/OFF信号。ON/OFF信号是用于对通过图1所示的主体线缆C4连接到主体部300的外部设备的ON状态和OFF状态进行切换的信号。图2中示出的显示灯117被点亮以能够区分外部设备的ON状态和OFF状态。
(3)头部的细节
图4是示出传感器头110和120的细节的示意性截面图。图5是图4所示的传感器头110和120的A-A线截面图。在图4中，省略了壳体111和121、显示灯117、夹持元件130和140以及安装金属片150和160的图示。在图5中，省略了壳体111和121、显示灯117以及安装金属片150和160的图示。由虚线表示传感器头120以及夹持元件130和140。
通过薄板状压电元件形成超声波元件112。超声波元件112的厚度是t1(图4)。超声波元件112(发送/接收面A1)的宽度是w1(图5)。厚度和宽度分别指的是倾斜方向和宽度方向上的尺寸。发送/接收面A1在长度方向上的尺寸(长度)为L1(图4)。长度L1可以大致等于宽度w1或者可以大于宽度w1。在图4中，超声波元件112的厚度被图示为大于实际厚度。管P的外径是d2。周壁的厚度是t2。
对超声波元件112施加接近固有频率的AC电压(脉冲电压)。结果，超声波元件112以固有频率(共振频率fr)振动并且发送具有高强度的超声波。在以下说明中，以MHz(兆赫兹)为单位表示的超声波的共振频率fr和以mm(毫米)为单位表示的周壁的厚度t2的积被称为f·t积。
超声波元件112优选地形成为以共振频率fr振动，共振频率fr的f·t积大于等于2且小于等于6。通过将f·t积设定为大于等于2，防止了周壁中的导波的相位速度的波动。结果，能够更准确地计算流体的流量。通过将f·t积设定为小于等于6，防止了周壁中的导波的表面波占据支配地位。结果，能够在流体中产生具有高强度的超声波。
超声波元件112优选地形成为宽度w1大于等于厚度t1的五倍。在该情况下，相对于作为超声波的发送方向的倾斜方向上的共振，宽度方向上的多个共振的强度降低。结果，能够改善倾斜方向上的共振特征。超声波元件122的优选构造与超声波元件112的优选构造相同。
管P的周壁中超声波所照射的部分的宽度(以下称为照射宽度)优选小于等于管P的外径d2的三分之一。在该情况下，能够进一步减少超声波的未穿过流体而在周壁中传播并且在传感器头110和120之间被发送和接收的成分。结果，能够更准确地计算流体的流量。
如上所述，超声波元件112的宽度w1优选大于等于厚度t1的五倍。为了防止超声波元件112破损，需要将超声波元件112的厚度t1设定为大于等于预定厚度。因此，超声波元件112(发送/接收面A1)的宽度w1大于预定宽度。
另一方面，如上所述，优选超声波的照射宽度小于等于管P的外径d2的三分之一。在该实施方式中，由于管P的外径d2比较小(例如，大于等于2mm且小于等于20mm)，所以超声波的照射宽度小于预定宽度。以该方式，当从发送/接收面A1的宽度w1的整个区域发送的超声波照射于管P时，如上所述的两个优选条件不能都被满足。
因此，用于将从超声波元件112的发送/接收面A1发送的超声波传播到管P的传播路径设置在弹性耦合介质114中。在传播路径中，形成宽度改变部V1，该宽度改变部V1的宽度在楔接触面D1与管接触面E1之间变化。在该实施方式中，弹性耦合介质114的楔接触面D1被形成为具有宽度w1。另一方面，管接触部T1和管接触面E1被形成为具有小于w1的宽度w2。具体地，宽度w2小于等于管P的外径d2的三分之一。即，在传播路径的宽度改变部V1中，在楔接触面D1与管接触面E1之间，宽度从w1改变到w2。
在该构造中，使具有大宽度w1的超声波从楔接触面D1入射于弹性耦合介质114。此后，超声波在弹性耦合介质114中传播并且从弹性耦合介质114的下表面(发射面)发射。除了管接触面E1之外的超声波的发射面不与管P接触。因此，从发射面发射的超声波逐渐衰减并且难以照射到管P上。另一方面，由于管接触面E1与管P接触，所以从管接触面E1发射的超声波几乎不衰减并且照射到管P上。
特别地，在该实施方式中，由金属构件形成的板簧115布置在管P与除了管接触面E1之外的超声波的发射面之间。在该情况下，从发射面发射的超声波被板簧115阻挡。结果，能够确实地防止超声波从除了管接触面E1之外的发射面照射到管P上。
以该方式，即使在超声波从超声波元件112的具有大宽度w1的发送/接收面A1发送时，具有小宽度w2的超声波也能够照射到管P上。结果，两个优选条件都能够被满足。在该实施方式中，宽度改变部V1的宽度从w1改变到w2。然而，本发明不限于此。宽度改变部V1的宽度可以从与w1和w2不同的w3改变到w2。宽度w3可以大于w1或可以小于w1。
超声波元件112被布置为沿倾斜方向发送超声波。因此，超声波在轴向上的扩散区域大于通过超声波元件112沿与轴向正交的方向发送的超声波的扩散区域。因此，弹性耦合介质114的管接触部T1的管接触面E1优选地形成为在轴向上具有比L1大的长度L2。结果，能够使超声波从管接触面E1遍及轴向上足够大的区域地照射在管P上。
弹性耦合介质124的构造与弹性耦合介质114的构造相同。因此，在弹性耦合介质124的传播路径中形成与宽度改变部V1相同的宽度改变部V2。弹性耦合介质124的管接触部T2的管接触面E2优选地形成为在轴向上具有比L1大的长度L2。
板簧115中形成有沿着轴向延伸的矩形缝S3。在阻尼材料116中形成有沿着轴向延伸且与缝S3重叠的矩形缝S1。弹性耦合介质114的管接触部T1嵌合在板簧115的缝S3和阻尼材料116的缝S1中。在该情况下，管接触部T1在与管P接触的情况下被板簧115和阻尼材料116在周向和轴向上围绕。
使板簧115在安装于夹持构件130的状态下围绕管接触部T1，从而维持弹性耦合介质114相对于夹持构件130的位置和姿势。结果，即使在具有小宽度w2的管接触部T1压靠管P时，管接触部T1的宽度的改变也受到限制。因此，具有小宽度w2的超声波能够容易地照射到管P上。在维持了管接触部T1的宽度的情况下，防止了管接触部T1的弯折、蛇行和变形。结果，能够准确地计算管P中流动的流体的流量。
阻尼材料116在沿周向围绕管接触部T1和激发区域R1的情况下安装于管P，并且阻尼材料116压靠管P。在该情况下，防止了管P的除了激发区域R1之外的部分的振动。在周壁中沿周向传播的超声波因阻尼材料116而衰减。结果，能够进一步减少超声波的未穿过流体而在周壁中传播并且在传感器头110和120之间被发送和接收的成分。
阻尼材料116在沿轴向围绕管接触部T1和激发区域R1的情况下安装于管P，并且阻尼材料116压靠管P。在该情况下，防止了管P的除了激发区域R1之外的部分的振动。在管P的周壁中沿轴向传播的超声波因阻尼材料116而衰减。因此，防止了在轴向上传播的导波在周壁的轴向上的端面反射并且防止了该导波返回。因此，返回的导波不会在不必要的时刻激发超声波。结果，能够更准确地计算流体的流量。
板簧125的构造和阻尼材料126的构造分别与板簧115的构造和阻尼材料116的构造相同。因此，在板簧125中形成有与缝S3相同的缝S4。在阻尼材料126中形成有与缝S1相同的缝S2。弹性耦合介质124的管接触部T2嵌合在板簧125的缝S4和阻尼材料126的缝S2中。结果，管接触部T2在与管P接触的情况下被板簧125和阻尼材料126在周向和轴向上围绕。阻尼材料126在沿周向和轴向围绕激发区域R2的状态下安装于管P，并且阻尼材料126压靠管P。
图6是示出变型例中的头部100的内部构造的示意性截面图。如图6所示，在变型例中，在板簧115中形成有围绕缝S3的边缘并且朝向管P延伸的立壁部W1。立壁部W1在嵌合在阻尼材料116的缝S1中的情况下围绕弹性耦合介质114的管接触部T1。在该情况下，板簧115更牢固地维持弹性耦合介质114相对于夹持构件130的位置和姿势。结果，更确实地防止了管接触部T1的弯折、蛇行和变形。
类似地，在变型例中，在板簧125中形成有围绕缝S4的边缘且朝向管P延伸的立壁部W2。立壁部W2在嵌合在阻尼材料126的缝S2中的情况下围绕弹性耦合介质124的管接触部T2。
(4)头部到管的安装
图7和图8是用于说明将头部100安装于管P的工序的图。如图7所示，弹性耦合介质114布置在夹持构件130与板簧115之间。随后，在弹性耦合介质114的管接触部T1(图4和图5)嵌合在板簧115的缝S3中的状态下，板簧115通过两个安装螺钉134安装于夹持构件130。管接触部T1的末端从板簧115的缝S3突出。
随后，以使管接触部T1的末端嵌合在缝S1中的方式布置阻尼材料116。阻尼材料116可以通过粘接剂等结合到板簧115。在该情况下，容易与夹持构件130一起一体地处理弹性耦合介质114、板簧115和阻尼材料116。
类似地，弹性耦合介质124布置在夹持构件140与板簧125之间。随后，在弹性耦合介质124的管接触部T2嵌合在板簧125的缝S4(图4和图5)中的状态下，板簧125通过两个安装螺钉144安装于夹持构件140。管接触部T2的末端从板簧125的缝S4突出。
随后，阻尼材料126被布置为使管接触部T2的末端嵌合在缝S2(图4和图5)中。阻尼材料126可以通过粘接剂等结合到板簧125。在该情况下，容易与夹持构件140一起一体地处理弹性耦合介质124、板簧125和阻尼材料126。
夹持构件140包括在轴向上延伸且在宽度方向上面向彼此的一对垂直壁141以及在轴向上面向彼此的一对垂直壁142。夹持构件140包括支撑部143，该支撑部143被形成为能够通过与管P接触而支撑管P。在一对垂直壁141的面向彼此的表面(内表面)设置有用于暂时将夹持构件140固定于管P的一对暂时固定构件145。通过诸如橡胶构件的弹性体形成暂时固定构件145。在本实施方式中，一对暂时固定构件145被布置为在宽度方向上不面向彼此的情况下在轴向上彼此错开。
夹持构件130包括在轴向上延伸且在宽度方向上面向彼此的一对垂直壁131以及在轴向上面向彼此的一对垂直壁132。一对垂直壁131和一对垂直壁141彼此对应。类似地，一对垂直壁132和一对垂直壁142彼此对应。夹持构件130包括支撑部133，该支撑部133被形成为能够通过与管P接触而支撑管P。
一对垂直壁131和一对垂直壁132在夹持构件130安装至管P时引导夹持构件130。一对垂直壁141和一对垂直壁142在夹持构件140安装至管P时引导夹持构件140。夹持构件130和140被对应于彼此的成对的垂直壁131和141以及对应于彼此的成对的垂直壁132和142引导。
一对垂直壁131的内表面和一对垂直壁141的外表面具有这样的尺寸关系：利用该尺寸关系形成了间隙，用于使内表面和外表面在正对彼此时能够彼此平行地移动并且用于限制内表面和外表面绕着管P的轴向倾斜预定角度以上。类似地，一对垂直壁132的内表面和一对垂直壁142的外表面具有这样的尺寸关系：利用该尺寸关系形成了间隙，用于使内表面和外表面在正对彼此时能够彼此平行地移动并且用于限制内表面和外表面沿着管P的轴向在俯仰方向上倾斜预定角度以上。
夹持构件140被布置为将管P定位在一对垂直壁141的内表面之间。在该情况下，一对暂时固定构件145与管P接触。夹持构件130被布置为将一对垂直壁141定位于一对垂直壁131的内表面之间并且将一对垂直壁142定位于一对垂直壁132的内表面之间。此后，夹持构件130和夹持构件140以预定加压力或更大的加压力夹持管P。在该状态下，将一对暂时固定螺钉135以在上下方向上贯通夹持构件130的方式分别旋入夹持构件140的一对暂时固定构件145中。
根据上述过程，夹持构件130和140与弹性耦合介质114和124、板簧115和125以及阻尼材料116和126一起暂时固定于管P。在该情况下，通过一对暂时固定构件145和一对暂时固定螺钉135维持夹持构件130和夹持构件140受压的状态。结果，防止夹持构件130和140从管P脱落。通过夹持构件130和140与管P之间产生的摩擦力防止了夹持构件130和140在轴向上滑动。
在暂时固定构件145中形成螺孔，该螺孔具有的直径稍小于暂时固定螺钉135的对应于螺孔的螺纹部的直径。当夹持构件130和140以预定加压力或更大的加压力夹持管P时，暂时固定螺钉135在使与暂时固定螺钉135对应的暂时固定构件145的螺孔扩张的同时插入暂时固定构件145。在该情况下，防止了暂时固定螺钉135由于暂时固定螺钉135与暂时固定构件145之间产生的摩擦力而从暂时固定构件145脱出。结果，能够维持夹持构件130和140以预定加压力或更大的加压力夹持管P的状态。
插入暂时固定构件145的螺孔的暂时固定螺钉135的螺纹部的长度根据管P的外径而不同。具体地，暂时固定螺钉135的插入部在管P的外径大时短。暂时固定螺钉135的插入部在管P的外径小时长。因此，暂时固定构件145的螺孔被形成为这样的长度：在该长度的情况下，即使暂时固定螺钉135的插入部最短时也能够产生足够的摩擦力，即使在暂时固定螺钉135的插入部最长时暂时固定螺钉135的末端也不与暂时固定构件145的螺孔的底部接触。结果，能够将夹持构件130和140暂时地固定于具有各种外径的管P。
此后，安装金属片150和160被布置为夹住暂时固定于管P的夹持构件130和140。如图2所示，壳体111通过两个安装螺钉151安装于安装金属片150。壳体121通过两个安装螺钉161安装于安装金属片160。
在该状态下，通过四个联接螺钉101使安装金属片150和安装金属片160彼此联接，从而以安装金属片150安装于夹持构件130且安装金属片160安装于夹持构件140的方式夹住管P。结果，在管P由夹持构件130的支撑部133支撑的情况下，传感器头110通过夹持构件130安装于管P。在管P被夹持构件140的支撑部143支撑的情况下，传感器头120安装于夹持构件140。
在传感器头110安装于管P的状态下，通过夹持构件130使弹性耦合介质114和阻尼材料116压靠管P。弹性耦合介质114的管接触部T1在与管P接触的情况下沿着轴向布置。夹持构件130的支撑部133与管P接触，由此使弹性耦合介质114(管接触部T1)的压溃量(crushing amount)受到限制。因此，无需考虑安装夹持构件130的操作者的个体差异，就能够使弹性耦合介质114均匀地受压。
类似地，在传感器头120安装于管P的状态下，通过夹持构件140使弹性耦合介质124和阻尼材料126压靠管P。弹性耦合介质124的管接触部T2在与管P接触的情况下沿着轴向布置。夹持构件140的支撑部143与管P接触，由此使弹性耦合介质124(管接触部T2)的压溃量受到限制。因此，无需考虑安装夹持构件140的操作者的个体差异，就能够使弹性耦合介质124均匀地受压。
图9是示出在未安装管P的状态下夹持构件130和140的内部的示意性截面图。图10和图11是示出在安装了管P的状态下夹持构件130和140的内部的示意性截面图。图11所示的管P的外径稍大于图10所示的管P的外径。
在本实施方式中，板簧115和125以及阻尼材料116和126具有高弹性。板簧115和125是半圆筒形薄板的弹簧并且是这样的薄板簧：该薄板簧的周向上的两端相对于通过两个安装螺钉134和144安装到夹持构件130和140的固定部分是弧状悬臂。如图9至图11所示，用于允许板簧115和125以及阻尼材料116和126变形的空间V固定在夹持构件130和140内。此外，如图9所示，在管P未安装至板簧115和125的状态下，阻尼材料116和126的内表面的直径被设定为稍小于所能够安装的管P的外径。
如图10所示，夹持构件130和140夹持管P。管P安装于板簧115和125。此时，如白箭头表示的，在板簧115和125中产生面向彼此的力，并且在阻尼材料116和126中产生面向彼此的力，由此板簧115和125以及阻尼材料116和126在空间V中扩展。在该情况下，如点划线箭头所表示的，通过板簧115和125的相应弧状悬臂的薄板簧的抵抗扩展的弹性，在与夹持构件130和140的夹持方向不同的方向(朝向管P的轴心的方向)上也产生加压力。结果，简单地通过利用夹持构件130和140来夹持管P，通过作为半圆筒形薄板的弹簧的板簧115和125使阻尼材料116和126朝向管P的轴心压靠管P。结果，能够使超声波的在管P的周壁中传播的不必要成分确实地衰减。
如图11所示，即使当管P的外径稍微不同时，当夹持构件130和140如图10所示地夹持管P时，通过板簧115和125的弹性在朝向管P的轴心的方向上产生压力。结果，使阻尼材料116和126朝向管P的轴心压靠管P。
以该方式使空间V固定在夹持构件130和140内，由此，即使在管P的外径存在误差或波动时，也允许板簧115和125变形。结果，能够使夹持构件130和140容易地安装于管P。阻尼材料116变形，由此能够通过夹持构件130使阻尼材料116确实地压靠管P。类似地，阻尼材料126变形，由此能够通过夹持构件140使阻尼材料126确实地压靠管P。
(5)中继部和主体部
图12是示出图1所示的中继部200和主体部300的内部构造的框图。如图12所示，中继部200包括开关回路201、发送回路202和203、放大器回路204、A/D(模拟/数字)转换器205、中继控制部206、校正信息存储部207、通信回路208、电源回路209以及显示灯驱动回路210。
开关回路201经由图1所示的头线缆CA1连接到超声波元件112并且经由图1所示的头线缆CA2连接到超声波元件122。在中继部200中，开关回路201连接到放大器回路204。开关回路201基于中继控制部206的控制使超声波元件112和122与放大器回路204的连接状态在第一状态与第二状态之间切换。
第一状态是超声波元件122和放大器回路204连接且超声波元件112和放大器回路204未连接的状态。在第一状态下，超声波元件122接收超声波并且输出与所接收的超声波对应的模拟格式的超声波信号。将从超声波元件122输出的超声波信号赋予放大器回路204。
第二状态是超声波元件112和放大器回路204连接且超声波元件122和放大器回路204未连接的状态。在第二状态下，超声波元件112接收超声波并且输出与所接收的超声波对应的模拟格式的超声波信号。将从超声波元件112输出的超声波信号赋予放大器回路204。
发送回路202包括三态驱动器。在发送回路202中，三态驱动器的输出状态基于中继控制部206的控制而在三个状态(H电平状态、L电平状态和高阻抗状态)之中切换，由此产生第一驱动信号。超声波元件112响应于由发送回路202产生的第一驱动信号发送超声波。
类似地，发送回路203包括三态驱动器。在发送回路203中，三态驱动器的输出状态基于中继控制部206的控制而在三个状态之中切换，由此产生第二驱动信号。超声波元件122响应于由发送回路203产生的第二驱动信号发送超声波。
放大器回路204以预定增益放大由超声波元件112或超声波元件122赋予的超声波信号并且在放大之后将该超声波信号赋予A/D转换器205。A/D转换器205进行所赋予的超声波信号的A/D转换并且在转换之后将数字格式的超声波信号赋予中继控制部206。
中继控制部206由例如FPGA(现场可编程门阵列)或CPU(中央处理单元)和存储器构成。中继控制部206包括作为功能部的超声波控制部206a、测量信息产生部206b和显示灯控制部206c。当中继控制部206由CPU和存储器构成时，这些功能部通过执行存储在存储器中的计算机程序的CPU来实现。超声波控制部206a、测量信息产生部206b和显示灯控制部206c的一部分可以通过诸如FPGA的电子回路(硬件)来实现。剩余部分可以通过执行计算机程序的CPU来实现。
超声波控制部206a基于主体部300的控制来控制开关回路201以及发送回路202和203。例如，超声波控制部206a使超声波元件112和122与放大器回路204之间的连接状态转变为第一状态并且操作发送回路202产生第一驱动信号。在该情况下超声波信号由超声波元件112发送并且由超声波元件122接收。从超声波元件122输出的超声信号被放大器回路204放大、被A/D转换器205进行A/D转换、此后被赋予到测量信息产生部206b。
超声波控制部206a使超声波元件112和122与放大器回路204之间的连接状态转变为第二状态并且操作发送回路203产生第二驱动信号。在该情况下，超声波由超声波元件122发送并且由超声波元件112接收。从超声波元件112输出的超声波信号被放大器回路204放大、被A/D转换器205进行A/D转换、此后被赋予到测量信息产生部206b。
测量信息产生部206b根据从超声波元件112和122输出的两个超声波信号的信号波形的互相关函数(cross-correlation function)的峰值而产生作为测量信息的时间差。测量信息产生部206b可以测量从超声波元件112到超声波元件122的超声波的传播时间以及从超声波元件122到超声波元件112的超声波的传播时间，并且计算时间之间的差异作为时间差。
显示灯控制部206c基于主体部300的控制而控制显示灯驱动回路210。显示灯驱动回路210经由图1所示的头线缆CA1连接到显示灯117。显示灯驱动回路210基于显示灯控制部206c的控制而产生用于驱动显示灯117的第三驱动信号。
校正信息存储部207由例如非易失存储器构成。校正信息存储部207存储关于超声波元件112和122、开关回路201、发送回路202和203、放大器回路204以及A/D转换器205的校正信息。
根据头部100和中继部200的部件的操作特征，由测量信息产生部206b计算的时间差与管P中流动的流体的流量之间不满足关系式(1)。校正信息是用于校正表达式(1)以便准确地计算由测量信息产生部206b计算的时间差与要被实际测量的流量之间的固有关系的信息。校正信息包括例如用于调整表达式(1)中的时间差Δt的系数的值和应加到表达式(1)中包括时间差Δt的项的偏移值(相对于流量0的调整值)。
通信回路208连接到图1所示的中继线缆CA3的一端。通信回路208通过中继线缆CA3向主体部300输出校正信息和由测量信息产生部206b产生的数字格式的测量信息。通信回路208通过中继线缆CA3将从主体部300输入的发送控制信号和显示控制信号赋予中继控制部206。发送控制信号是用于控制发送回路202和203的控制信号。显示控制信号是用于控制显示灯驱动回路210的控制信号。
电源回路209通过中继线缆CA3接收从主体部300供应的电力，并且向中继部200中设置的其它部件供应所接收的电力。
主体部300包括通信回路301、主体控制部302、显示部303、操作部304、存储部305、输出回路306和电源回路307。通信回路301连接到图1所示的中继线缆CA3的另一端。通信回路301通过中继线缆CA3将从中继部200输出的测量信息和校正信息赋予主体控制部302。通信回路301如下所述地通过中继线缆CA3向中继部200输出主体控制部302中产生的发送控制信号和显示控制信号。
显示部303包括例如分段显示器或点阵显示器并且基于主体控制部302的控制显示例如在管P中流动的流体的流量。操作部304包括多个操作钮。使用者能够通过对操作部304进行操作输入头部100将安装的管P的尺寸、流量校正系数等。使用者能够通过对操作部304进行操作输入流量的阈值。存储部305由非易失性存储器或硬盘驱动器构成。
主体控制部302包括例如CPU和存储器并且产生将赋予中继部200的发送控制信号和显示控制信号，以便分别驱动超声波元件112和122以及显示灯117。主体控制部302使存储部305存储通过操作部304输入的诸如管P的尺寸、流量校正系数和流量的阈值等的信息，从而设定信息。作为管P的尺寸，管P的外径d2和周壁的厚度t2被输入到操作部304，由此可以设定管P的内径d1。
此外，主体控制部302基于从通信回路301赋予的校正信息来校正表达式(1)。主体控制部302基于从通信回路301赋予的测量信息以及所设定的流量校正系数来计算在管P中流动的流体的流量。主体控制部302基于所计算的流量与所设定的流量阈值的比较结果来产生ON/OFF信号。输出回路306连接到图1所示的主体线缆CA4的一端。输出回路306通过主体线缆CA4将主体控制部302产生的ON/OFF信号输出到流量传感器1的外部设备。
(6)效果
在根据本实施方式的流量传感器1中，从超声波元件112发射的超声波通过楔形材料113传播并且从相对于超声波的传播方向倾斜的入射/发射面C1发射。弹性耦合介质114以使管接触部T1与管P接触且沿着轴向布置的方式支撑在管P上。弹性耦合介质114使从楔形材料113的入射/发射面C1发射的超声波经由管接触部T1传播到管P。阻尼材料116被布置为使超声波衰减并且在夹持构件130与管P之间围绕弹性耦合介质114的管接触部T1。
从超声波元件122发射的超声波通过楔形材料123传播并且从相对于超声波的传播方向倾斜的入射/发射面C2发射。弹性耦合介质124以使管接触部T2与管P接触且沿着轴向布置的方式通过夹持构件140支撑在管P上。弹性耦合介质124使从楔形材料123的入射/发射面C2发射的超声波经由管接触部T2传播到管P。阻尼材料126被布置为使超声波衰减并且在夹持构件140与管P之间围绕弹性耦合介质124的管接触部T2。
在通过夹持构件130压阻尼材料116并且通过夹持构件140压阻尼材料126的状态下，夹持构件130和夹持构件140彼此联接以夹住管P。在超声波元件112与超声波元件122之间经过管P发送和接收超声波。
利用该构造，通过振动在管P的周壁中激发兰姆波(Lamb wave)。能够使用所激发的兰姆波使超声波在超声波元件112与超声波元件122之间经过管P被发送和接收。在该情况下，超声波的在管P的周壁中传播且不穿过流体并且在超声波元件112与超声波元件122之间被发送和接收的不必要成分减少。因此，容易基于在超声波元件112与超声波元件122之间发送和接收的超声波来计算在管P中流动的流体的流量。
在阻尼材料116围绕管接触部T1的状态下，阻尼材料116压靠管P。在阻尼材料126围绕管接触部T2的状态下，阻尼材料126压靠管P。因此，防止了管P的除了管接触部T1和T2的接触部分之外的部分的振动。通过阻尼材料116和126使超声波的在管P的周壁中沿周向传播的成分衰减。结果，超声波的在管P的周壁中传播且不穿过流体并且在超声波元件112与超声波元件122之间被发送和接收的不必要成分进一步减少。
通过阻尼材料116和126防止了在管P的周壁中沿轴向传播的超声波在周壁的轴向上的端面反射并且返回。因此，返回的超声波不会在不必要的时刻激发超声波。结果，能够计算在具有小直径的金属管P中流动的流体的流量。
(7)其它实施方式
(a)在实施方式中，中继部200和主体部300被设置为分离体并且通过中继线缆CA3连接。然而，本发明不限于此。可以一体地设置中继部200和主体部300。
(b)在实施方式中，阻尼材料116由在周向和轴向上围绕弹性耦合介质114的管接触部T1的一个弹性体构成。然而，本发明不限于此。阻尼材料116可以由在周向和轴向上围绕弹性耦合介质114的管接触部T1的多个弹性体构成。在该情况下，可以不在阻尼材料116中形成缝S1。类似地，阻尼材料126可以由在周向和轴向上围绕弹性耦合介质124的管接触部T2的多个弹性体构成。
(c)在实施方式中，板簧115和125设置于头部100。然而，本发明不限于此。可以不在头部100中设置板簧115。在该情况下，阻尼材料116可以通过粘接剂等安装于夹持构件130。弹性耦合介质114的管接触部T1嵌合在阻尼材料116的缝S1中。结果，阻尼材料116维持弹性耦合介质114相对于夹持构件130的位置和姿势。
类似地，可以不在头部100中设置板簧125。在该情况下，阻尼材料126可以通过粘接剂等安装于夹持构件140。弹性耦合介质124的管接触部T2嵌合在阻尼材料126的缝S2中。结果，阻尼材料126维持弹性耦合介质124相对于夹持构件140的位置和姿势。
(8)技术方案的构成要素与实施方式的部分之间的对应关系
技术方案的构成要素与实施方式的部分之间的对应的示例如下所述。然而，本发明不限于该示例。还能够使用具有在技术方案中说明的构造或功能的其它各种要素来作为技术方案的构成要素。
在实施方式中，管P是管的示例。流量传感器1是夹合式超声波流量传感器的示例。超声波元件112和122分别是第一超声波元件和第二超声波元件的示例。入射/发射面C1和C2分别是第一入射/发射面和第二入射/发射面的示例。楔形材料113和123分别是第一楔形材料和第二楔形材料的示例。管接触部T1和T2分别是第一管接触部和第二管接触部的示例。
弹性耦合介质114和124分别是第一弹性耦合介质和第二弹性耦合介质的示例。夹持构件130和140分别是第一夹持构件和第二夹持构件的示例。阻尼材料116和126分别是第一阻尼材料和第二阻尼材料的示例。主体控制部302是流量计算部的示例。缝S1至S4分别是第一缝至第四缝的示例。空间V是空间的示例。板簧115和125分别是第一加压构件和第二加压构件的示例。垂直壁131、132、141和142是引导壁的示例。激发区域R1和R2分别是第一激发区域和第二激发区域的示例。

Claims (13)

1.一种夹合式超声波流量传感器，其测量管中流动的流体的流量，所述夹合式超声波流量传感器包括：
第一超声波元件，其被构造为发送和接收超声波；
第一楔形材料，其被构造为传播从所述第一超声波元件发送的超声波并且包括相对于超声波的传播方向倾斜且发射所传播的超声波的第一入射/发射面；
第一弹性耦合介质，其包括与所述管接触的第一管接触部并且被构造为使从所述第一楔形材料的所述第一入射/发射面发射的超声波经由所述第一管接触部传播到所述管；
第一夹持构件，其被构造为支撑所述管并支撑所述第一弹性耦合介质，并使所述第一管接触部沿着所述管的轴向布置；
第一阻尼材料，其被布置为使超声波衰减并且在所述第一夹持构件与所述管之间围绕所述第一弹性耦合介质的所述第一管接触部；
第二超声波元件，其被构造为在所述第二超声波元件与所述第一超声波元件之间经过所述管发送和接收超声波；
第二楔形材料，其被构造为传播从所述第二超声波元件发送的超声波，并且包括相对于超声波的传播方向倾斜且发射所传播的超声波的第二入射/发射面；
第二弹性耦合介质，其包括与所述管接触的第二管接触部并且被构造为使从所述第二楔形材料的所述第二入射/发射面发射的超声波经由所述第二管接触部传播到所述管；
第二夹持构件，其被构造为支撑所述管并支撑所述第二弹性耦合介质，并使所述第二管接触部沿着所述轴向布置；
第二阻尼材料，其被布置为使超声波衰减并且在所述第二夹持构件与所述管之间围绕所述第二弹性耦合介质的所述第二管接触部；以及
流量计算部，其被构造为基于在所述第一超声波元件与所述第二超声波元件之间发送和接收的超声波来计算在所述管中流动的流体的流量，其中，
在所述第一夹持构件压住所述第一阻尼材料并且所述第二夹持构件压住所述第二阻尼材料的状态下，所述第一夹持构件与所述第二夹持构件彼此连接以夹住所述管。
2.根据权利要求1所述的夹合式超声波流量传感器，其特征在于，所述夹合式超声波流量传感器还包括：
第一加压构件，其安装于所述第一夹持构件并且被构造为使所述第一阻尼材料压靠所述管；和
第二加压构件，其安装于所述第二夹持构件并且被构造为使所述第二阻尼材料压靠所述管。
3.根据权利要求2所述的夹合式超声波流量传感器，其特征在于，
所述第一加压构件是第一薄板簧，其在周向上的两端相对于安装到所述第一夹持构件的固定部分是弧状悬臂，并且所述第一加压构件还使所述第一阻尼材料在与所述第一夹持构件和所述第二夹持构件的夹持方向不同的方向上压靠所述管，并且
所述第二加压构件是第二薄板簧，其在所述周向上的两端相对于安装到所述第二夹持构件的固定部分是弧状悬臂，并且所述第二加压构件还使所述第二阻尼材料在与所述第一夹持构件和所述第二夹持构件的所述夹持方向不同的方向上压靠所述管。
4.根据权利要求3所述的夹合式超声波流量传感器，其特征在于，
所述第一薄板簧具有半圆筒形状并且被布置为围绕所述管的整个所述周向且对所述第一阻尼材料加压，并且
所述第二薄板簧具有半圆筒形状并且被布置为围绕所述管的整个所述周向且对所述第二阻尼材料加压。
5.根据权利要求1所述的夹合式超声波流量传感器，其特征在于，在所述第一夹持构件与所述管之间和在所述第二夹持构件与所述管之间形成用于允许所述第一阻尼材料和所述第二阻尼材料变形的空间。
6.根据权利要求1所述的夹合式超声波流量传感器，其特征在于，所述第一阻尼材料和所述第二阻尼材料由弹性体形成。
7.根据权利要求6所述的夹合式超声波流量传感器，其特征在于，
所述第一加压构件被构造为维持所述第一弹性耦合介质的位置和姿势，并且
所述第二加压构件被构造为维持所述第二弹性耦合介质的位置和姿势。
8.根据权利要求6所述的夹合式超声波流量传感器，其特征在于，
所述第一加压构件包括沿着所述轴向延伸的第三缝，所述第一弹性耦合介质的所述第一管接触部嵌合在所述第三缝中，并且
所述第二加压构件包括沿着所述轴向延伸的第四缝，所述第二弹性耦合介质的所述第二管接触部嵌合在所述第四缝中。
9.根据权利要求1所述的夹合式超声波流量传感器，其特征在于，所述第一夹持构件和所述第二夹持构件中的至少一个夹持构件包括在所述夹持构件支撑所述管时将所述夹持构件引导至所述管的引导壁。
10.根据权利要求1所述的夹合式超声波流量传感器，其特征在于，
所述管的周壁包括第一激发区域和第二激发区域，从所述第一楔形材料的所述第一入射/发射面发射的超声波的纵波与所述第一激发区域碰撞，从所述第二楔形材料的所述第二入射/发射面发射的超声波的纵波与所述第二激发区域碰撞，
所述管的所述第一激发区域激发穿过在所述管中流动的流体且行进至所述第二超声波元件的超声波，并且
所述管的所述第二激发区域激发穿过在所述管中流动的流体且行进至所述第一超声波元件的超声波。
11.根据权利要求10所述的夹合式超声波流量传感器，其特征在于，
所述第一阻尼材料安装到所述管并围绕所述第一激发区域，并且
所述第二阻尼材料安装到所述管并围绕所述第二激发区域。
12.根据权利要求1所述的夹合式超声波流量传感器，其特征在于，
所述第一楔形材料被设置为使从所述第一超声波元件发送的超声波的剪切波相对于所述轴向的入射角被设定为大于等于临界角，并且
所述第二楔形材料被设置为使从所述第二超声波元件发送的超声波的剪切波相对于所述轴向的入射角被设定为大于等于所述临界角。
13.根据权利要求1所述的夹合式超声波流量传感器，其特征在于，所述管的外径大于等于2mm且小于等于20mm。
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