JP2000193674A - 斜角式超音波センサ、それを用いた超音波流速測定装置、及び流速測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 楔状の超音波伝播媒体及び該媒体の一つの面
に付設された圧電振動子からなる斜角式超音波センサで
あって、楔の超音波伝播速度を容易に測定することがで
き、かつ製造コストの安価な斜角式超音波センサを提供
すること。 【解決手段】 圧電振動子から超音波伝播媒体内に発せ
られる超音波の伝播経路内に、超音波の伝播方向に対し
て垂直な、一つ以上の超音波反射面が設けられているこ
とを特徴とする斜角式超音波センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波流速測定装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波流速測定装置は、測定対象流体に
測定装置を接触させないで、すなわち流体の流れている
配管等の管路の外からでも、容易に測定対象流体の流速
を測定することができるなどの利点があり、工業界のみ
ならず医療分野等でも利用されている。

【０００３】超音波流速測定装置による流速の測定方法
には、種々の方式のものが知られており、測定対象流体
の上流側と下流側に圧電振動子と楔状の超音波伝播媒体
（以下、楔という）とからなる超音波センサを設置し
て、上流側に設置した超音波センサから流体に入射した
超音波が、下流側に設置した超音波センサで受信される
までの時間と下流側に設置した超音波センサから流体に
入射した超音波が上流側に設置した超音波センサで受信
されるまでの時間をそれぞれ測定し、その時間の差から
流体の流速を算出する伝播時間差方式と、測定対象流体
に設置した超音波センサから流体に入射した超音波の周
波数と、入射された超音波が流体中の微粒子や気泡など
で反射し超音波センサで受信された時の超音波の周波数
とを測定し、入射した超音波と検出された超音波との周
波数の変化（ドップラーシフト）から流体の流速を算出
するドップラー方式とが一般に用いられている。

【０００４】流体の超音波伝播速度、及び超音波センサ
から流体に入射した超音波の屈折角は、流体の温度によ
って変化することが知られている。上記の伝播時間差方
式及びドップラー方式どちらの方式であっても、測定対
象流体の超音波伝播速度あるいは超音波の屈折角を用い
て、流速を算出するため、流体の温度が変化すると流速
を正確に算出することができないという問題がある。こ
のような問題に対して、流速測定時の流体の温度を測定
する様々な手法が提案されている。

【０００５】特開昭５５−６９０２０号公報では、温度
計を使用して流体の温度を測定する方法が提案されてい
る。しかし、配管に温度計を取り付けるためのスペース
が必要となり、また超音波の信号処理とは異なる処理回
路が必要となる等の課題がある。

【０００６】また、特開昭６１−１２００１５号公報、
特開平７−１３９９８２号公報では、流体が流れる配管
の上流側と下流側に設置した超音波センサを用いて、配
管内を伝播した超音波伝播速度を算出し、得られた配管
の超音波伝播速度から流体の温度を算出する伝播時間差
方式を用いた超音波流量測定装置が提案されている。し
かし、あらかじめ配管の超音波伝播速度と配管の温度と
の関係式と超音波を伝播させる配管の距離を正確に求め
ておく必要がある。

【０００７】実開昭６１−１３７２７１号公報では、超
音波センサに楔の超音波伝播速度測定用の圧電振動子を
設置した超音波センサが提案されている。これによれ
ば、楔の超音波伝播速度を容易に算出することができ、
この超音波伝播速度から流体の温度に変化に応じた流速
の補正も容易に算出することができるとされている。し
かし、流速測定用の圧電振動子とは別に、楔の超音波伝
播速度測定用の圧電振動子を楔に付設することが必要に
なり、コスト的に高価になる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、楔の超音波
伝播速度を容易に測定することができ、かつ製造コスト
の安価な斜角式超音波センサを提供することを目的とす
る。また、本発明は、流体の温度変化にかかわらず正確
な流速を算出することができる超音波流速測定装置及び
その測定装置を用いた流速の測定方法を提供することも
その目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、楔状の超音波
伝播媒体及び該媒体の一つの面に付設された圧電振動子
からなる斜角式超音波センサであって、圧電振動子から
超音波伝播媒体内に発せられる超音波の伝播経路内に、
超音波の伝播方向に対して垂直な、一つ以上の超音波反
射面が設けられていることを特徴とする斜角式超音波セ
ンサにある。

【００１０】上記超音波センサの好ましい態様は下記の
通りである。 １）超音波媒体が同一あるいは異なる材質からなる材料
片を少なくとも二つ以上貼り合わせたものであること。 ２）超音波反射面が、一旦超音波伝播媒体内で反射した
超音波の伝播経路に、設けられていること。 ３）超音波反射面が一つであること。

【００１１】さらに本発明は、（１）圧電振動子及び一
つの超音波反射面が設けられている楔状の超音波伝播媒
体とからなる斜角式超音波センサ、（２）圧電振動子と
超音波反射面との距離Ｌ₁が記録されているメモリ、
（３）測定対象流体に直接あるいは測定対象流体が流れ
る配管に該超音波センサの圧電振動子が付設されていな
い面を接触させた状態で、圧電振動子から発生した超音
波が、超音波の発生後、超音波反射面で反射して圧電振
動子に戻ってくるまでの時間Ｔ₁とメモリに記録されて
いる距離Ｌ₁とから超音波伝播媒体の超音波伝播速度を
算出する演算装置とを備えたことを特徴とする超音波流
速測定装置にもある。

【００１２】本発明の超音波流速計は、（１）圧電振動
子及び楔状の超音波伝播媒体から構成される斜角式超音
波センサ二個からなる一対の超音波センサであって、少
なくとも一方の斜角式超音波センサの超音波伝播媒体に
は、一つの超音波反射面が設けられている一対の超音波
センサ、（２）圧電振動子に電圧をパルス状に印加する
パルス発生器、（３）一対の超音波センサのうちどちら
か一方とパルス発生器とを切り替え可能にて接続する超
音波発生センサ切替回路、（４）圧電振動子から出力さ
れた測定対象流体の流速測定に関連する一連の電気信号
をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、（５）一対の
超音波センサのうちどちらか一方とＡ／Ｄ変換器とを切
り替え可能に接続する超音波受信センサ切替回路、
（６）超音波伝播媒体での温度と超音波の伝播速度との
関係式、及び測定対象流体での温度と超音波の伝播速度
との関係式、そしてあらかじめ定められている圧電振動
子と超音波反射面との距離Ｌ₁、超音波センサから測定
対象流体が流れる配管へ伝播する超音波の入射角θｅ、
測定対象流体中を超音波が横切った回数Ｎ、配管の内径
ｄを記録しているメモリ、（７）測定対象流体が流れる
配管の上流側と下流側とに超音波センサをそれぞれの圧
電振動子が超音波を送受信できるように設置した状態
で、超音波伝播媒体に超音波反射面が設けられている超
音波センサの圧電振動子から発生した超音波が、超音波
の発生後、その超音波を発生させた超音波センサの超音
波反射面で反射して圧電振動子にまで戻ってくるまでの
時間Ｔ₁とメモリに記録されている超音波伝播媒体での
温度と超音波の伝播速度との関係式、及び測定対象流体
での温度と超音波の伝播速度との関係式、距離Ｌ₁、入
射角θｅとから、測定対象流体の超音波伝播速度Ｃ、配
管から測定対象流体へ伝播する超音波の屈折角θを算出
し、そして、上流側に設置した超音波センサの圧電振動
子から発生した超音波が、超音波の発生後、下流側に設
置した超音波センサの圧電振動子で受信されるまでの時
間Ｔ₁₂、下流側に設置した超音波センサの圧電振動子か
ら発生した超音波が、超音波の発生後、上流側に設置し
た超音波センサの圧電振動子で受信されるまでの時間Ｔ
₂₁とメモリに記録されているＮ、内径d及び算出した超
音波伝播速度Ｃ、屈折角θから測定対象流体の流速を算
出する演算処理装置、（８）算出された流速を表示する
表示装置を組み合わせてなる超音波流速測定装置にもあ
る。

【００１３】本発明は、上記の超音波流速測定装置を用
いて、流速測定時の超音波伝播媒体の超音波伝播速度Ｃ
ｅを下記の計算式（１６）で算出し、 式（１６） Ｃｅ＝２×Ｌ₁／Ｔ₁ 算出した超音波伝播速度Ｃｅと超音波伝播媒体での温度
と超音波の伝播速度との関係式とから、超音波伝播媒体
の温度を算出し、次いで、この温度を測定対象流体の温
度として、測定対象流体での温度と超音波の伝播速度と
の関係式から測定対象流体の超音波伝播速度Ｃを算出
し、屈折角θを下記の計算式（１７）で算出し、

【００１４】

【数１１】 そして、測定対象流体の流速Ｖを下記の計算式（１８）
で算出することを特徴とする流速の測定方法にもある。

【００１５】

【数１２】

【００１６】本発明は、配管を流れる測定対象流体の流
速を測定する超音波流速測定装置であって、（１）圧電
振動子及び楔状の超音波伝播媒体とから構成される斜角
式超音波センサ二個からなる一対の超音波センサであっ
て、少なくとも一方の斜角式超音波センサの超音波伝播
媒体には、一つの超音波反射面が設けられている一対の
超音波センサ、（２）圧電振動子に電圧をパルス状に印
加するパルス発生器、（３）一対の超音波センサのうち
どちらか一方とパルス発生器とを切り替え可能にて接続
する超音波発生センサ切替回路、（４）圧電振動子から
出力された測定対象流体の流速測定に関連する一連の電
気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、（５）
一対の超音波センサのうちどちらか一方とＡ／Ｄ変換器
とを切り替え可能に接続する超音波受信センサ切替回
路、（６）超音波伝播媒体での温度と超音波の伝播速度
との関係式、測定対象流体が流れる配管での温度と超音
波の伝播速度との関係式、及び測定対象流体での温度と
超音波の伝播速度との関係式、そしてあらかじめ定めら
れている圧電振動子と超音波反射面との距離Ｌ₁、圧電
振動子と超音波伝播媒体の配管と接する面との距離
Ｌ₂、配管の厚さＬ₃、超音波伝播媒体から測定対象流体
が流れる配管へ伝播する超音波の入射角θｅ、測定対象
流体中を超音波が横切った回数Ｎ、配管の内径ｄが記録
されているメモリ、（７）測定対象流体が流れる配管の
上流側と下流側とに超音波センサをそれぞれの圧電振動
子が超音波を送受信できるように設置した状態で、超音
波伝播媒体に超音波反射面が設けられている超音波セン
サの圧電振動子から発生した超音波が、超音波の発生
後、その超音波センサの超音波反射面で反射して圧電振
動子にまで戻ってくるまでの時間Ｔ₁とメモリに記録さ
れている超音波伝播媒体での温度と超音波の伝播速度と
の関係式、測定対象流体が流れる配管での温度と超音波
の伝播速度との関係式、及び測定対象流体での温度と超
音波の伝播速度との関係式、距離Ｌ₁、距離Ｌ₂、厚さＬ
₃、入射角θｅとから、配管から測定対象流体へ伝播す
る超音波の屈折角θ、超音波が超音波伝播媒体を伝播し
た時間Ｔｅ及び、超音波が配管を伝播した時間Ｔｆｅを
算出し、そして、上流側に設置した超音波センサの圧電
振動子から発生した超音波が、超音波の発生後、下流側
に設置した超音波センサの圧電振動子で受信されるまで
の時間Ｔ₁₂、下流側に設置した超音波センサの圧電振動
子から発生した超音波が、超音波の発生後、上流側に設
置した超音波センサの圧電振動子で受信されるまでの時
間Ｔ₂₁とメモリに記録されているＮ，内径d及び算出し
た屈折角θ、時間Ｔｅ、時間Ｔｆｅとから測定対象流体
の流速を算出する演算処理装置、（８）算出された流速
を表示する表示装置を組み合わせてなる超音波流速測定
装置にもある。

【００１７】本発明は、上記の超音波流速測定装置を用
いて、流速測定時の超音波伝播媒体の超音波伝播速度Ｃ
ｅを下記の計算式（１９）で算出し、 式（１９） Ｃｅ＝２×Ｌ₁／Ｔ₁ 算出した超音波伝播速度Ｃｅと超音波伝播媒体での温度
と超音波の伝播速度との関係式とから、超音波伝播媒体
の温度を算出し、次いで、この温度を配管の温度とし
て、配管での温度と超音波の伝播速度との関係式から配
管の超音波伝播速度Ｃｆｅを算出し、時間Ｔｅを下記の
計算式（２０）で算出し、 式（２０） Ｔｅ＝２×Ｌ₂／Ｃｅ 超音波伝播媒体から配管を伝播する超音波の屈折角θｆ
ｅを下記の計算式（２１）で算出し、

【００１８】

【数１３】 時間Ｔｆｅを下記の計算式（２２）で算出し、

【００１９】

【数１４】 そして、測定対象流体の流速Ｖを下記の計算式（２３）
で算出することを特徴とする流速の測定方法にもある。

【００２０】

【数１５】

【００２１】本発明は、配管を流れる測定対象流体の流
速を測定する超音波流速測定装置であって、（１）圧電
振動子及び一つの超音波反射面が設けられている楔状の
超音波伝播媒体とからなる斜角式超音波センサ、（２）
圧電振動子に電圧をパルス状に印加するパルス発生器、
（３）圧電振動子から出力された測定対象流体の流速測
定に関連する一連の電気信号をデジタル信号に変換する
Ａ／Ｄ変換器、（４）超音波伝播媒体での温度と超音波
の伝播速度との関係式、及び測定対象流体での温度と超
音波の伝播速度との関係式、そしてあらかじめ定められ
ている圧電振動子と超音波反射面との距離Ｌ₁、超音波
伝播媒体から測定対象流体が流れる配管に伝播する超音
波の入射角θｅを記録しているメモリ、（５）測定対象
流体が流れる配管に超音波センサを設置した状態で、圧
電振動子から発生した超音波が、超音波の発生後、超音
波反射面で反射して圧電振動子にまで戻ってくるまでの
時間Ｔ₁とメモリに記録されている超音波伝播媒体での
温度と超音波の伝播速度との関係式、及び測定対象流体
での温度と超音波の伝播速度との関係式、そして距離Ｌ
₁、入射角θｅとから、測定対象流体の超音波伝播速度
Ｃ、超音波伝播媒体から測定対象流体へ伝播する超音波
の屈折角θを算出し、そして圧電振動子から発生した超
音波の周波数ｆ₁、流体中で反射して圧電振動子に戻っ
てきた超音波の周波数ｆ₂、及び算出した屈折角θ、超
音波伝播速度Ｃから測定対象流体の流速を算出する演算
処理装置、（６）算出された流速を表示する表示装置を
組み合わせてなる超音波流速測定装置にもある。

【００２２】本発明は、上記の超音波流速測定装置を用
いて、流速測定時の超音波伝播媒体の超音波伝播速度Ｃ
ｅを下記の計算式（２４）で算出し、 式（２４） Ｃｅ＝２×Ｌ₁／Ｔ₁ 算出した超音波伝播速度Ｃｅと超音波伝播媒体での温度
と超音波の伝播速度との関係式とから、超音波伝播媒体
の温度を算出し、次いで、この温度を測定対象流体の温
度として、測定対象流体での温度と超音波の伝播速度と
の関係式から測定対象流体の超音波伝播速度Ｃを算出
し、屈折角θを下記の計算式（２５）で算出し、

【００２３】

【数１６】 そして、測定対象流体の流速Ｖを下記の計算式（２６）
で算出することを特徴とする流速の測定方法にもある。

【００２４】

【数１７】

【００２５】本発明は、配管を流れる測定対象流体の流
速を測定する超音波流速測定装置であって、（１）圧電
振動子及び楔状の超音波伝播媒体とからなる送信用斜角
式超音波センサ及び受信用斜角式超音波センサであっ
て、少なくとも一方の斜角式超音波センサの超音波伝播
媒体に一つの超音波反射面が設けられている送信用斜角
式超音波センサ及び受信用斜角式超音波センサ、（２）
圧電振動子に電圧をパルス状に印加するパルス発生器、
（３）一対の超音波センサのうちどちらか一方とパルス
発生器とを切り替え可能にて接続する超音波発生センサ
切替回路、（４）圧電振動子から出力された測定対象流
体の流速測定に関連する一連の電気信号をデジタル信号
に変換するＡ／Ｄ変換器、（５）一対の超音波センサの
うちどちらか一方とＡ／Ｄ変換器とを切り替え可能に接
続する超音波受信センサ切替回路、（６）超音波伝播媒
体での温度と超音波の伝播速度との関係式、及び測定対
象流体での温度と超音波の伝播速度との関係式、そして
あらかじめ定められている圧電振動子と超音波反射面と
の距離Ｌ₁、送信用斜角式超音波センサの超音波伝播媒
体から測定対象流体に伝播する超音波の入射角θｅ₁、
測定対象流体から受信用斜角式超音波センサの超音波伝
播媒体に伝播する超音波の屈折角θｅ₂、を記録してい
るメモリ、（７）測定対象流体が流れる配管に一対の超
音波センサをそれぞれの圧電振動子が超音波を送受信で
きるように設置した状態で、一方あるいは双方の超音波
センサの圧電振動子から発生した超音波が、超音波の発
生後、超音波を発生させた超音波センサの超音波反射面
で反射して圧電振動子にまで戻ってくるまでの時間Ｔ ₁
とメモリに記録されている超音波伝播媒体での温度と超
音波の伝播速度との関係式、及び測定対象流体での温度
と超音波の伝播速度との関係式、そして距離Ｌ ₁、入射
角θｅ₁、屈折角θｅ₂とから、測定対象流体の超音波伝
播速度Ｃ、送信用斜角式超音波センサの超音波伝播媒体
から測定対象流体へ伝播する超音波の屈折角θａ、測定
対象流体から受信用斜角式超音波センサの超音波伝播媒
体へ伝播する超音波の入射角θｂを算出し、そして送信
用超音波センサの圧電振動子で発生した超音波の周波数
ｆ₁、受信用超音波センサの圧電振動子で受信された超
音波の周波数ｆ₂、及び算出した屈折角θａ、入射角θ
ｂ、超音波伝播速度Ｃから測定対象流体の流速を算出す
る演算処理装置、（８）算出された流速を表示する表示
装置を組み合わせてなる超音波流速測定装置にもある。

【００２６】本発明は、上記の超音波流速測定装置を用
いて、流速測定時の超音波伝播媒体の超音波伝播速度Ｃ
ｅを下記の計算式（２７）で算出し、 式（２７） Ｃｅ＝２×Ｌ₁／Ｔ₁ 算出した超音波伝播速度Ｃｅと超音波伝播媒体での温度
と超音波の伝播速度との関係式とから、超音波伝播媒体
の温度を算出し、次いで、この温度を測定対象流体の温
度として、測定対象流体での温度と超音波の伝播速度と
の関係式から測定対象流体の超音波伝播速度Ｃを算出
し、屈折角θａを下記の計算式（２８）で算出し、

【００２７】

【数１８】 入射角θｂを下記の計算式（２９）で算出し、

【００２８】

【数１９】 そして、測定対象流体の流速Ｖを下記の計算式（３０）
で算出することを特徴とする流速の測定方法にもある。

【００２９】

【数２０】

【００３０】

【発明の実施の形態】図１に本発明の斜角式超音波セン
サの一例の断面図を示す。超音波センサ１０は、楔１２
及び楔の一つの面に付設された圧電振動子１１からな
る。流体の流速を測定する際には、楔の底面１４（以
下、接触面という）を流体に直接、あるいは流体の流れ
る配管に接触させて、流体に超音波を伝播させる。楔１
２の内部には圧電振動子１１から楔１２に発せられる超
音波の伝播経路内に、超音波の伝播方向に対して垂直
な、一つ以上の超音波反射面１３が設けられている。超
音波反射面１３の形状に特に制限はなく、例えば、球形
であっても良い。超音波反射面が球形である場合には、
超音波反射面の直径は、圧電振動子から発せられる超音
波の波長以上の大きさが必要である。また、超音波反射
面を設ける位置についても特に制限はなく、例えば、接
触面で反射した超音波の伝播経路内であっても良い。超
音波反射面は、楔に孔を空けて、あるいはスリット状に
切り込みを入れて、もしくは音響インピーダンスの異な
る材料を挿入して設けることができる。

【００３１】圧電振動子１１から発せられた超音波の一
部（超音波Ｓ₁）は超音波反射面１３で反射して圧電振
動子１１に戻る。従って、この超音波Ｓ₁が発生してか
ら、超音波反射面１３で反射して圧電振動子１１に戻る
までの時間と圧電振動子と超音波反射面との距離が既知
であれば、楔内の超音波伝播速度を算出することができ
る。また、楔に超音波反射面が二つ以上設けられている
場合には、超音波が発生してから、それぞれの反射面で
反射して圧電振動子にまで戻ってくる時間と圧電振動子
とそれぞれ超音波反射面との距離が既知であれば、楔の
超音波伝播速度のばらつきを測定することができる。

【００３２】図２に本発明の斜角式超音波センサの別の
一例の断面図を示す。超音波センサ２０は、二つの材料
片（Ａ）２５、（Ｂ）２６からなる楔２２及び楔２２の
一つの面に付設された圧電振動子２１からなる。図に示
すように、二つの材料片（Ａ）２５、（Ｂ）２６の接合
面が超音波反射面２３となる。この二つの材料片の材質
は、同一であってもそれぞれ異なっていても良い。

【００３３】図３に本発明の斜角式超音波センサのさら
に別の一例の断面図を示す。超音波センサ３０は、楔３
２及び楔３２の一つの面に付設された圧電振動子３１か
らなる。超音波反射面３３は、図に示すように楔３２の
圧電振動子が付設されている面に対向する面である。ま
た、超音波反射面で反射する超音波の振幅を小さくする
ために、超音波反射面３３に、超音波を吸収しやすい材
料を貼り合わせても良い。

【００３４】上記の超音波センサの楔の材質に特に制限
はないが、一般にプラスチック材料が用いられる。プラ
スチック材料の例としては、アクリル樹脂等が挙げられ
る。さらに、超音波センサは、遅延材全体の温度が均一
になるように熱導電性の高い材料（例えば、アルミニウ
ム）からなるケースに入れてあることが好ましい。

【００３５】図４に本発明の超音波流速測定装置の一例
の構成図を示す。超音波流速測定装置４０は超音波セン
サ４１、演算処理装置４２、メモリ４３からなり、超音
波センサ４１は測定対象流体が流れる配管４４に設置さ
れる。超音波センサの楔の温度は、配管４４に設置され
ることにより測定対象流体の熱が配管を介して伝わって
流体の温度とほぼ等しくなる。メモリ４３には、超音波
センサ４１の圧電振動子４５と楔４６に設けられた超音
波反射面４７との距離Ｌ₁が記録されている。演算処理
装置４２は、圧電振動子４５から発した超音波が、楔４
６に設けられた超音波反射面４７で反射して圧電振動子
まで戻ってくるまでの時間Ｔ₁と、メモリに記録されて
いる距離Ｌ₁とから楔の超音波伝播速度を算出する。従
って、楔での温度と超音波伝播速度との関係式が既知で
あれば超音波伝播速度から楔の温度を算出することがで
きる。

【００３６】図５に伝播時間差方式により測定対象流体
の流速を算出する本発明の超音波流速測定装置の構成図
を示す。流速測定装置５０は、パルス発生器５１、超音
波発生センサ切替回路５２、超音波センサ５３ａ、５３
ｂ、超音波受信センサ切替回路５４、Ａ／Ｄ変換器５
５、演算処理装置５６、メモリ５７、表示装置５８を主
構成要素とし、圧電振動子から出力された一連の電気信
号を増減幅させるためのプリアンプ５９、ゲインコント
ロールアンプ６０、制御器６１が設けられている。超音
波センサ５３ａ、５３ｂの楔６４ａ、６４ｂは同じ形状
であって、少なくとも一方には超音波反射面６５が設け
られている。

【００３７】パルス発生器５１から発生した電気信号
は、超音波発生センサ切替回路５２により配管６２の上
流側と下流側に送受信可能に設置した超音波センサ５３
ａ、５３ｂのうちどちらか一方の超音波センサに供給さ
れる。超音波センサに供給された電気信号は、圧電振動
子で超音波に変換される。発生した超音波は楔及び配管
６２を介して測定対象流体に伝播し、流体中を少なくと
も一回横切って、超音波を発生した超音波センサと別の
超音波センサの圧電振動子で検出され、電気信号に変換
される。変換された電気信号は、超音波受信センサ切替
回路５４を通ってプリアンプ５９で増幅され、さらにゲ
インコトロールアンプ６０で適切な大きさの電気信号に
なるように増減幅された後、Ａ／Ｄ変換器５５でデジタ
ル信号に変換されて演算処理装置５６に供給される。演
算処理装置５６はデジタル信号化された波形の振幅を判
断し、不適切と判断した場合には、制御器６１から、ゲ
インコントロールアンプの増減幅の幅を調整するように
制御信号（Ａ）を、あるいは、パルス発生器から圧電振
動子に印加する電圧を調整するように出力制御信号
（Ｂ）を送る。また、メモリ５７には流速を算出するた
めの必要な値や関係式が記録されており、演算処理装置
５６で算出した流速は表示装置５８で表示される。

【００３８】次に、本発明の超音波流速測定装置を用い
た測定対象流体の流速の測定方法について説明する。上
流側に設置された超音波センサ５３ａの圧電振動子６３
ａから発生した超音波が、超音波の発生後、下流側に設
置された超音波センサ５３ｂの圧電振動子６３ｂで受信
されるまでの時間Ｔ₁₂（伝播時間Ｔ₁₂）と、下流側に設
置された超音波センサ５３ｂの圧電振動子６３ｂから発
生した超音波が、超音波の発生後、上流側に設置された
超音波センサ５３ａの圧電振動子６３ａで受信されるま
での時間Ｔ₂₁（伝播時間Ｔ₂₁）との差は一般に下記の計
算式（３１）より表される。

【００３９】

【数２１】 但し、Ｎは流体中を超音波が横切った回数、dは配管の
内径、Ｖは流体の流速、Ｃは流体の超音波伝播速度、屈
折角θは配管から測定対象流体に伝播した超音波の屈折
角を表す。

【００４０】上記の式（３１）を流速Ｖについて解く
と、前記の式（１８）が得られる。超音波伝播速度Ｃ及
び屈折角θは上述したように、測定対象流体の温度によ
って変化し、Ｎ（図５においては２回）及び内径dは流
体の温度によって変化しない値である。超音波伝播速度
Ｃ及び屈折角θは、伝播時間Ｔ₁₂と伝播時間Ｔ₂₁とを測
定する前に算出しておくことが好ましい。以下、超音波
伝播速度Ｃ及び屈折角θの算出方法について説明する。

【００４１】超音波伝播速度Ｃは、楔の温度を算出し、
その楔の温度を流体の温度として、流体での温度と超音
波伝播速度の関係式から流体の超音波伝播速度を算出す
ることができる。パルス発生装置５１とプリアンプ５９
とを楔に超音波反射面が設けられている超音波センサ
（図５においては下流側に設置された超音波センサ５３
ｂ）の圧電振動子６３ｂに接続し、圧電振動子から発生
した超音波が、超音波の発生後、超音波反射面６５で反
射して圧電振動子６３ｂに戻ってくるまでの時間Ｔ₁を
測定する。そして、得られた時間Ｔ₁と圧電振動子と超
音波反射面との距離Ｌ₁とから前記の式（１６）より楔
の超音波伝播速度Ｃｅを算出する。なお、上流側に設置
された超音波センサ５３ａ、下流側に設置された超音波
センサ５３ｂともに楔に超音波反射面が設けられている
場合には、双方の楔の超音波伝播速度を算出しその平均
値を伝播速度Ｃｅとすることが好ましい。

【００４２】算出した超音波伝播速度Ｃｅと超音波伝播
媒体での温度と超音波の伝播速度との関係式（楔の超音
波伝搬速度から、楔の温度を算出する近似式）とから、
楔の温度を算出する。そして、楔の温度と測定対象流体
での温度と超音波の伝播速度との関係式（測定対象流体
の温度から、測定対象流体の超音波伝搬速度を算出する
近似式）から超音波伝播速度Ｃを算出する。

【００４３】屈折角θは、スネルの法則から算出するこ
とができる。例えば、算出した超音波伝播速度Ｃｅ及び
超音波伝播速度Ｃと超音波センサから測定対象流体が流
れる配管へ伝播する超音波の入射角θｅとから、前記の
式（１７）より屈折角θを算出する。

【００４４】算出した超音波伝播速度Ｃ及び屈折角θを
一旦メモリ５７に記録し、そして、上流側に設置された
超音波センサ５３ａをパルス発生装置５１に接続し、下
流側に設置された超音波センサ５３ｂをプリアンプ５９
に接続して、伝播時間Ｔ₁₂を測定し、次いで、上流側に
設置された超音波センサ５３ａをプリアンプ５９に接続
し、下流側に設置された超音波センサ５３ｂをパルス発
生装置５１に接続し伝播時間Ｔ₂₁を測定し、流速を算出
する。従って、前記の式（１８）を用いて流速を算出す
る場合には、メモリには、超音波伝播媒体での温度と超
音波の伝播速度との関係式、及び測定対象流体での温度
と超音波の伝播速度との関係式、そしてあらかじめ定め
られている圧電振動子と超音波反射面との距離Ｌ₁、超
音波センサから測定対象流体が流れる配管へ伝播する超
音波の入射角θｅ、測定対象流体中を超音波が横切った
回数Ｎ、配管の内径ｄが記録されている。

【００４５】図５に示した超音波流速測定装置を用いた
流速の別の算出方法について説明する。上流側に設置さ
れた超音波センサ５３ａから下流側に設置された超音波
センサ５３ｂ（上流から下流）に超音波を発したときの
伝播時間Ｔ₁₂と、下流側に設置された超音波センサ５３
ｂから上流側に設置された超音波センサ５３ａ（下流か
ら上流）に超音波を発したときの伝播時間Ｔ₂₁の逆数の
差は下記の計算式（３２）より表される。

【００４６】

【数２２】 但し、Ｖは流体の流速、屈折角θは配管から測定対象流
体に伝播した超音波の屈折角、距離Ｌは楔、配管、流体
中を超音波が伝播した距離を表す。上記の式（３２）と
超音波が楔を伝播した時間Ｔｅと超音波が配管を伝播し
た時間Ｔｆｅから前記の式（２３）が得られる。時間Ｔ
ｅ及び時間Ｔｆｅは測定対象流体の温度によって変化す
る値である。以下、時間Ｔｅ及び時間Ｔｆｅの算出方法
について説明する。

【００４７】時間Ｔｅは、超音波センサの圧電振動子と
楔の超音波反射面との距離Ｌ₁、圧電振動子と楔の配管
と接する面（接触面）との距離Ｌ₂、及び圧電振動子か
ら発生した超音波が、超音波の発生後、超音波反射面で
反射して圧電振動子に戻ってくるまでの時間Ｔ₁から前
記の式（２０）により算出することができる。

【００４８】時間Ｔｆｅは、超音波伝播媒体から配管に
伝播する超音波の屈折角θｆｅを算出し、算出した屈折
角θｆｅと配管の厚さから超音波が伝播した距離を算出
し、配管の超音波伝播速度から算出することができる。
上述の算出方法により算出される楔の温度と配管での温
度と超音波の伝播速度との関係式（配管の温度から、配
管の超音波伝搬速度を算出する近似式）から、配管の超
音波伝播速度Ｃｆｅを算出する。そして伝播速度Ｃｆｅ
及び楔の超音波伝播速度Ｃｅと、超音波伝播媒体から測
定対象流体が流れる配管へ伝播する超音波の入射角θｅ
とから、前記の式（２１）により、屈折角θｆｅを算出
する。算出した屈折角θｆｅ及び超音波伝播速度Ｃｆｅ
と、メモリに記録されている配管の厚さＬ₃とから、前
記の式（２２）により、時間Ｔｆｅを算出する。

【００４９】算出した時間Ｔｅ及び時間Ｔｆｅを一旦メ
モリ５７に記録し、そして、上流側に設置された超音波
センサ５３ａをパルス発生装置５１に接続し、下流側に
設置された超音波センサ５３ｂをプリアンプ５９に接続
して、伝播時間Ｔ₁₂を測定し、次いで、上流側に設置さ
れた超音波センサ５３ａをプリアンプ５９に接続し、下
流側に設置された超音波センサ５３ｂをパルス発生装置
５１に接続し伝播時間Ｔ₂₁を測定し、流速を算出する。
従って、前記の式（２３）を用いて流速を算出する場合
には、メモリには、超音波伝播媒体での温度と超音波の
伝播速度との関係式、測定対象流体が流れる配管での温
度と超音波の伝播速度との関係式、及び測定対象流体で
の温度と超音波の伝播速度との関係式、そしてあらかじ
め定められている圧電振動子と超音波反射面との距離Ｌ
₁、圧電振動子と超音波伝播媒体の配管と接する面との
距離Ｌ₂、配管の厚さＬ₃、超音波伝播媒体から測定対象
流体が流れる配管へ伝播する超音波の入射角θｅ、測定
対象流体中を超音波が横切った回数Ｎ、配管の内径ｄが
記録されている。

【００５０】図６にドップラー方式により流体の流速を
算出する本発明の超音波流速測定装置の一例の構成図を
示す。流速測定装置７０は、パルス発生器７１、楔８１
に超音波反射面８２が設けられている超音波センサ７
２、Ａ／Ｄ変換器７３、演算処理装置７４、メモリ７
５、表示装置７６を主構成要素とし、圧電振動子から出
力された一連の電気信号を増減幅させるためのプリアン
プ７７、ゲインコントロールアンプ７８、制御器７９が
設けられている。

【００５１】パルス発生器７１から発生した電気信号
は、超音波センサ７２に供給されて、圧電振動子８０で
超音波に変換される。発生した超音波は楔８１及び配管
９３を介して測定対象流体に伝播し、流体中の微粒子や
気泡など８４で反射して、圧電振動子に戻り電気信号に
変換される。変換された電気信号は、プリアンプ７７で
増幅され、さらにゲインコトロールアンプ７８で適切な
大きさの電気信号になるように増減幅された後、Ａ／Ｄ
変換器７３でデジタル信号に変換されて演算処理装置７
４に供給される。演算処理装置７４はデジタル信号化さ
れた波形の振幅を判断し、不適切と判断した場合には、
制御器７９から、ゲインコントロールアンプの増減幅の
幅を調整するように制御信号（Ａ）を、あるいは、パル
ス発生器から圧電振動子に印加する電圧を調整するよう
に出力制御信号（Ｂ）を送る。また、メモリ７５には流
速を算出するための必要な値や関係式が記録されてお
り、演算処理装置７４で算出した流速は表示装置７６で
表示される。

【００５２】次に、本発明の超音波流速測定装置を用い
て測定対象流体の流速の測定方法について説明する。測
定対象流体の流速Ｖと超音波センサ７２の圧電振動子８
０から発生した超音波の周波数ｆ₁と流体中の微粒子や
気泡などで反射して超音波センサ７２の圧電振動子８０
に戻ってくる超音波の周波数ｆ₂との関係は前記の計算
式（２６）で表される。上述したように、超音波伝播速
度Ｃ及び屈折角θは流体の温度によって変化し、上記の
伝播時間差方式と同様の方法により算出することができ
る。

【００５３】超音波センサ７２の圧電振動子８０と超音
波反射面８２との距離Ｌ₁と、超音波センサ７２の圧電
振動子８０から発生した超音波が、超音波の発生後、超
音波反射面８２で反射して圧電振動子８０にまで戻って
くるまでの時間Ｔ₁とから前記の式（２４）より楔の超
音波伝播速度Ｃｅを算出する。

【００５４】算出した超音波伝播速度Ｃｅと楔での温度
と超音波の伝播速度との関係式（楔の超音波伝搬速度か
ら、楔の温度を算出する近似式）とから、楔の温度を算
出する。そして、楔の温度と測定対象流体での温度と超
音波の伝播速度との関係式（測定対象流体の温度から、
測定対象流体の超音波伝搬速度を算出する近似式）から
超音波伝播速度Ｃを算出する。

【００５５】屈折角θは、スネルの法則から算出するこ
とができる。算出した超音波伝播速度Ｃｅ及び超音波伝
播速度Ｃと超音波センサから測定対象流体が流れる配管
へ伝播する超音波の入射角θｅとから、前記の式（２
５）より屈折角θを算出する。

【００５６】算出した超音波伝播速度Ｃ及び屈折角θを
一旦メモリ７５に記録し、そして、周波数ｆ₁の超音波
を超音波センサ７２の圧電振動子８０から発生させて、
流体中の微粒子や気泡などで反射して超音波センサ７２
の圧電振動子８０に戻ってくる超音波の周波数ｆ₂を測
定し、流速を算出する。従って、前記の式（２６）を用
いて流速を算出する場合には、メモリには、超音波伝播
媒体での温度と超音波の伝播速度との関係式、及び測定
対象流体での温度と超音波の伝播速度との関係式、そし
てあらかじめ定められている圧電振動子と超音波反射面
との距離Ｌ₁、超音波伝播媒体から測定対象流体が流れ
る配管に伝播する超音波の入射角θｅが記録されてい
る。

【００５７】図７に、さらに別のドップラー方式により
流体の流速を算出する本発明の超音波流速測定装置の一
例の構成図を示す。流速測定装置９０は、パルス発生器
９１、超音波発生センサ切替回路９２、受信用超音波セ
ンサ９３ａ、送信用超音波センサ９３ｂ、超音波受信セ
ンサ切替回路９４、Ａ／Ｄ変換器９５、演算処理装置９
６、メモリ９７、表示装置９８を主構成要素とし、圧電
振動子から出力された一連の電気信号を増減幅させるた
めのプリアンプ９９、ゲインコントロールアンプ１０
０、制御器１０１が設けられている。超音波センサ９３
ａ、９３ｂのうち、少なくとも一方の超音波センサに
は、楔に超音波反射面１０４が設けられている。

【００５８】パルス発生器９１から発生した電気信号
は、超音波発生センサ切替回路９２を介して送信用超音
波センサ９３ｂに供給される。送信用センサに供給され
た電気信号は、圧電振動子１０２ｂで超音波に変換され
る。発生した超音波は楔１０３ｂ及び配管１０５を介し
て測定対象流体に伝播し、流体中の微粒子や気泡など１
０６で反射して、受信用センサの圧電振動子１０２ａで
検出され、電気信号に変換される。変換された電気信号
は、超音波受信センサ切替回路９４を通ってプリアンプ
９９で増幅され、さらにゲインコトロールアンプ１００
で適切な大きさの電気信号になるように増減幅された
後、Ａ／Ｄ変換器９５でデジタル信号に変換されて演算
処理装置９６に供給される。演算処理装置９６はデジタ
ル信号化された波形の振幅を判断し、不適切と判断した
場合には、制御器１０１から、ゲインコントロールアン
プの増減幅の幅を調整するように制御信号（Ａ）を、あ
るいは、パルス発生器から圧電振動子に印加する電圧を
調整するように出力制御信号（Ｂ）を送る。また、メモ
リ９７には流速を算出するための必要な値や関係式が記
録されており、演算処理装置９６で算出した流速は表示
装置９８で表示される。

【００５９】次に、測定対象流体の流速の算出方法につ
いて説明する。測定対象流体の流速Ｖと送信用センサの
圧電振動子１０２ｂから発生した超音波の周波数ｆ₁と
流体中の微粒子や気泡など１０６により反射して受信用
センサの圧電振動子１０２ａで受信された超音波の周波
数ｆ₂との関係は前記の計算式（３０）で表される。上
述したように、超音波伝播速度Ｃ及び屈折角θａ、θｂ
は流体の温度によって変化し、上記の伝播時間差方式と
同様の方法により算出することができる。

【００６０】パルス発生装置９１とプリアンプ９９とを
楔に超音波反射面が設けられている超音波センサ（図７
では送信用超音波センサ）の圧電振動子１０２ｂに接続
し、圧電振動子から発生した超音波が、超音波の発生
後、超音波反射面１０４で反射して圧電振動子１０２ｂ
にまで戻ってくるまでの時間Ｔ₁を測定する。そして、
得られた時間Ｔ₁と圧電振動子と超音波反射面との距離
Ｌ₁とから前記の式（２７）より楔の超音波伝播速度Ｃ
ｅを算出する。なお、送信用センサ、受信用センサとも
に楔に超音波反射面が設けられている場合には、双方の
楔の超音波伝播速度を算出しその平均値を伝播速度Ｃｅ
とすることが好ましい。

【００６１】算出した超音波伝播速度Ｃｅと超音波伝播
媒体での温度と超音波の伝播速度との関係式（楔の超音
波伝搬速度から、楔の温度を算出する近似式）とから、
楔の温度を算出する。そして、楔の温度と測定対象流体
での温度と超音波の伝播速度との関係式（測定対象流体
の温度から、測定対象流体の超音波伝搬速度を算出する
近似式）から超音波伝播速度Ｃを算出する。

【００６２】屈折角θａ、入射角θｂは、スネルの法則
から算出することができる。例えば、算出した超音波伝
播速度Ｃｅ及び超音波伝播速度Ｃと送信用斜角式超音波
センサの超音波伝播媒体から測定対象流体に伝播する超
音波の入射角θｅ₁とから、前記の式（２８）より屈折
角θａを、測定対象流体から受信用斜角式超音波センサ
の超音波伝播媒体に伝播する超音波の屈折角θｅ₂とか
ら前記の式（２９）より入射角θｂを算出する。

【００６３】算出した超音波伝播速度Ｃ、屈折角θａ及
び入射角θｂを一旦メモリ９７に記録し、そして、送信
用センサの圧電振動子１０２ｂから周波数ｆ₁の超音波
を発生させて、流体中の微粒子や気泡などにより反射し
て受信用センサの圧電振動子１０２ａで受信された超音
波の周波数ｆ₂を測定し、流速を算出する。従って、前
記の式（３０）を用いて流速を算出する場合には、メモ
リには、超音波伝播媒体での温度と超音波の伝播速度と
の関係式、及び測定対象流体での温度と超音波の伝播速
度との関係式、そしてあらかじめ定められている圧電振
動子と超音波反射面との距離Ｌ₁、送信用斜角式超音波
センサの超音波伝播媒体から測定対象流体に伝播する超
音波の入射角θｅ₁、測定対象流体から受信用斜角式超
音波センサの超音波伝播媒体に伝播する超音波の屈折角
θｅ₂が記録されている。

【００６４】

【発明の効果】本発明の斜角式超音波センサは、楔の超
音波伝播速度を楔の超音波伝播測定用圧電振動子を用い
なくても測定することができるので、安価で製造するこ
とができる。また、本発明の超音波センサを用いた超音
波流速計は、温度センサなどを必要としないので、配管
への取り付けも容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波センサの一例の断面図である。

【図２】本発明の超音波センサの別の一例の断面図であ
る。

【図３】本発明の超音波センサのさらに別の一例の断面
図である。

【図４】本発明の超音波流速計の一例の構成図である。

【図５】本発明の伝播時間差方式の超音波流速計の一例
の構成図である。

【図６】本発明のドップラー方式の超音波流速計の一例
の構成図である。

【図７】本発明のドップラー方式の超音波流速計の別の
一例の構成図である。

【符号の説明】

１０、２０、３０、４１、５３ａ、５３ｂ、７２、９３
ａ、９３ｂ 超音波センサ １１、２１、３１、４５、６３ａ、６３ｂ、８０、１０
２ａ、１０２ｂ 圧電振動子 １２、２２、３２、４６、６４ａ、６４ｂ、８１、１０
３ａ、１０３ｂ 楔（超音波伝播媒体） １３、２３、３３、４７、６５、８２、１０４ 超音波
反射面 １４、２４、３４ 接触面 ２５、２６ 材料片 ４０、５０、７０、９０ 超音波流速測定装置 ４２、５６、７４、９６ 演算処理装置 ４３、５７、７５、９７ メモリ ４４、６２、８３、１０５ 配管 ５１、７１、９１ パルス発生装置 ５２、９２ 超音波発生センサ切替回路 ５４、９４ 超音波受信センサ切替回路 ５５、７３、９５ Ａ／Ｄ変換器 ５８、７６、９８ 表示装置 ５９、７７、９９ プリアンプ ６０、７８、１００ ゲインコントロールアンプ ６１、７９、１０１ 制御器 ８４、１０６ 微粒子や気泡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 戸田 誠二 長野県上田市踏入２丁目10番19号 上田日 本無線株式会社内 (72)発明者 大森 聡 長野県上田市踏入２丁目10番19号 上田日 本無線株式会社内 (72)発明者 山越 孝夫 長野県上田市踏入２丁目10番19号 上田日 本無線株式会社内 Ｆターム(参考） 2F035 DA05 DA07 DA14 DA19 2G064 AA04 AB05 BA02 BA05 BA13 BA22 BD18 CC23 CC29 DD06 DD32

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 楔状の超音波伝播媒体及び該媒体の一つ
   の面に付設された圧電振動子からなる斜角式超音波セン
   サであって、圧電振動子から超音波伝播媒体内に発せら
   れる超音波の伝播経路内に、超音波の伝播方向に対して
   垂直な、一つ以上の超音波反射面が設けられていること
   を特徴とする斜角式超音波センサ。
2. 【請求項２】 超音波伝播媒体が同一あるいは異なる材
   質からなる材料片を少なくとも二つ以上貼り合わせたも
   のであることを特徴とする請求項１に記載の斜角式超音
   波センサ。
3. 【請求項３】 超音波反射面が、一旦超音波伝播媒体内
   で反射した超音波の伝播経路に、設けられていることを
   特徴とする請求項１に記載もしくは２に記載の斜角式超
   音波センサ。
4. 【請求項４】 超音波反射面が一つであることを特徴と
   する請求項１乃至３のうちいずれかの項に記載の斜角式
   超音波センサ。
5. 【請求項５】 （１）圧電振動子及び一つの超音波反射
   面が設けられている楔状の超音波伝播媒体とからなる斜
   角式超音波センサ、（２）圧電振動子と超音波反射面と
   の距離Ｌ₁が記録されているメモリ、（３）測定対象流
   体に直接あるいは測定対象流体が流れる配管に該超音波
   センサの圧電振動子が付設されていない面を接触させた
   状態で、圧電振動子から発生した超音波が、超音波の発
   生後、超音波反射面で反射して圧電振動子に戻ってくる
   までの時間Ｔ₁とメモリに記録されている距離Ｌ₁とから
   超音波伝播媒体の超音波伝播速度を算出する演算装置と
   を備えたことを特徴とする超音波流速測定装置。
6. 【請求項６】 配管を流れる測定対象流体の流速を測定
   する超音波流速測定装置であって、（１）圧電振動子及
   び楔状の超音波伝播媒体から構成される斜角式超音波セ
   ンサ二個からなる一対の超音波センサであって、少なく
   とも一方の斜角式超音波センサの超音波伝播媒体には、
   一つの超音波反射面が設けられている一対の超音波セン
   サ、（２）圧電振動子に電圧をパルス状に印加するパル
   ス発生器、（３）一対の超音波センサのうちどちらか一
   方とパルス発生器とを切り替え可能にて接続する超音波
   発生センサ切替回路、（４）圧電振動子から出力された
   測定対象流体の流速測定に関連する一連の電気信号をデ
   ジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、（５）一対の超音
   波センサのうちどちらか一方とＡ／Ｄ変換器とを切り替
   え可能に接続する超音波受信センサ切替回路、（６）超
   音波伝播媒体での温度と超音波の伝播速度との関係式、
   及び測定対象流体での温度と超音波の伝播速度との関係
   式、そしてあらかじめ定められている圧電振動子と超音
   波反射面との距離Ｌ₁、超音波センサから測定対象流体
   が流れる配管へ伝播する超音波の入射角θｅ、測定対象
   流体中を超音波が横切った回数Ｎ、配管の内径ｄを記録
   しているメモリ、（７）測定対象流体が流れる配管の上
   流側と下流側とに超音波センサをそれぞれの圧電振動子
   が超音波を送受信できるように設置した状態で、超音波
   伝播媒体に超音波反射面が設けられている超音波センサ
   の圧電振動子から発生した超音波が、超音波の発生後、
   その超音波を発生させた超音波センサの超音波反射面で
   反射して圧電振動子にまで戻ってくるまでの時間Ｔ₁と
   メモリに記録されている超音波伝播媒体での温度と超音
   波の伝播速度との関係式、及び測定対象流体での温度と
   超音波の伝播速度との関係式、距離Ｌ₁、入射角θｅと
   から、測定対象流体の超音波伝播速度Ｃ、配管から測定
   対象流体へ伝播する超音波の屈折角θを算出し、そし
   て、上流側に設置した超音波センサの圧電振動子から発
   生した超音波が、超音波の発生後、下流側に設置した超
   音波センサの圧電振動子で受信されるまでの時間Ｔ₁₂、
   下流側に設置した超音波センサの圧電振動子から発生し
   た超音波が、超音波の発生後、上流側に設置した超音波
   センサの圧電振動子で受信されるまでの時間Ｔ₂₁とメモ
   リに記録されているＮ、内径d及び算出した超音波伝播
   速度Ｃ、屈折角θから測定対象流体の流速を算出する演
   算処理装置、（８）算出された流速を表示する表示装置
   を組み合わせてなる超音波流速測定装置。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の超音波流速測定装置を
   用いて、流速測定時の超音波伝播媒体の超音波伝播速度
   Ｃｅを下記の計算式（１）で算出し、 式（１） Ｃｅ＝２×Ｌ₁／Ｔ₁ 算出した超音波伝播速度Ｃｅと超音波伝播媒体での温度
   と超音波の伝播速度との関係式とから、超音波伝播媒体
   の温度を算出し、次いで、この温度を測定対象流体の温
   度として、測定対象流体での温度と超音波の伝播速度と
   の関係式から測定対象流体の超音波伝播速度Ｃを算出
   し、屈折角θを下記の計算式（２）で算出し、 【数１】 そして、測定対象流体の流速Ｖを下記の計算式（３）で
   算出することを特徴とする流速の測定方法。 【数２】
8. 【請求項８】 配管を流れる測定対象流体の流速を測定
   する超音波流速測定装置であって、（１）圧電振動子及
   び楔状の超音波伝播媒体とから構成される斜角式超音波
   センサ二個からなる一対の超音波センサであって、少な
   くとも一方の斜角式超音波センサの超音波伝播媒体に
   は、一つの超音波反射面が設けられている一対の超音波
   センサ、（２）圧電振動子に電圧をパルス状に印加する
   パルス発生器、（３）一対の超音波センサのうちどちら
   か一方とパルス発生器とを切り替え可能にて接続する超
   音波発生センサ切替回路、（４）圧電振動子から出力さ
   れた測定対象流体の流速測定に関連する一連の電気信号
   をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、（５）一対の
   超音波センサのうちどちらか一方とＡ／Ｄ変換器とを切
   り替え可能に接続する超音波受信センサ切替回路、
   （６）超音波伝播媒体での温度と超音波の伝播速度との
   関係式、測定対象流体が流れる配管での温度と超音波の
   伝播速度との関係式、及び測定対象流体での温度と超音
   波の伝播速度との関係式、そしてあらかじめ定められて
   いる圧電振動子と超音波反射面との距離Ｌ₁、圧電振動
   子と超音波伝播媒体の配管と接する面との距離Ｌ₂、配
   管の厚さＬ₃、超音波伝播媒体から測定対象流体が流れ
   る配管へ伝播する超音波の入射角θｅ、測定対象流体中
   を超音波が横切った回数Ｎ、配管の内径ｄが記録されて
   いるメモリ、（７）測定対象流体が流れる配管の上流側
   と下流側とに超音波センサをそれぞれの圧電振動子が超
   音波を送受信できるように設置した状態で、超音波伝播
   媒体に超音波反射面が設けられている超音波センサの圧
   電振動子から発生した超音波が、超音波の発生後、その
   超音波センサの超音波反射面で反射して圧電振動子にま
   で戻ってくるまでの時間Ｔ₁とメモリに記録されている
   超音波伝播媒体での温度と超音波の伝播速度との関係
   式、測定対象流体が流れる配管での温度と超音波の伝播
   速度との関係式、及び測定対象流体での温度と超音波の
   伝播速度との関係式、距離Ｌ₁、距離Ｌ₂、厚さＬ₃、入
   射角θｅとから、配管から測定対象流体へ伝播する超音
   波の屈折角θ、超音波が超音波伝播媒体を伝播した時間
   Ｔｅ及び、超音波が配管を伝播した時間Ｔｆｅを算出
   し、そして、上流側に設置した超音波センサの圧電振動
   子から発生した超音波が、超音波の発生後、下流側に設
   置した超音波センサの圧電振動子で受信されるまでの時
   間Ｔ₁₂、下流側に設置した超音波センサの圧電振動子か
   ら発生した超音波が、超音波の発生後、上流側に設置し
   た超音波センサの圧電振動子で受信されるまでの時間Ｔ
   ₂₁とメモリに記録されているＮ，内径d及び算出した屈
   折角θ、時間Ｔｅ、時間Ｔｆｅとから測定対象流体の流
   速を算出する演算処理装置、（８）算出された流速を表
   示する表示装置を組み合わせてなる超音波流速測定装
   置。
9. 【請求項９】 請求項８に記載の超音波流速測定装置を
   用いて、流速測定時の超音波伝播媒体の超音波伝播速度
   Ｃｅを下記の計算式（４）で算出し、 式（４） Ｃｅ＝２×Ｌ₁／Ｔ₁ 算出した超音波伝播速度Ｃｅと超音波伝播媒体での温度
   と超音波の伝播速度との関係式とから、超音波伝播媒体
   の温度を算出し、次いで、この温度を配管の温度とし
   て、配管での温度と超音波の伝播速度との関係式から配
   管の超音波伝播速度Ｃｆｅを算出し、時間Ｔｅを下記の
   計算式（５）で算出し、 式（５） Ｔｅ＝２×Ｌ₂／Ｃｅ 超音波伝播媒体から配管を伝播する超音波の屈折角θｆ
   ｅを下記の計算式（６）で算出し、 【数３】 時間Ｔｆｅを下記の計算式（７）で算出し、 【数４】 そして、測定対象流体の流速Ｖを下記の計算式（８）で
   算出することを特徴とする流速の測定方法。 【数５】
10. 【請求項１０】 配管を流れる測定対象流体の流速を測
    定する超音波流速測定装置であって、（１）圧電振動子
    及び一つの超音波反射面が設けられている楔状の超音波
    伝播媒体とからなる斜角式超音波センサ、（２）圧電振
    動子に電圧をパルス状に印加するパルス発生器、（３）
    圧電振動子から出力された測定対象流体の流速測定に関
    連する一連の電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ
    変換器、（４）超音波伝播媒体での温度と超音波の伝播
    速度との関係式、及び測定対象流体での温度と超音波の
    伝播速度との関係式、そしてあらかじめ定められている
    圧電振動子と超音波反射面との距離Ｌ₁、超音波伝播媒
    体から測定対象流体が流れる配管に伝播する超音波の入
    射角θｅを記録しているメモリ、（５）測定対象流体が
    流れる配管に超音波センサを設置した状態で、圧電振動
    子から発生した超音波が、超音波の発生後、超音波反射
    面で反射して圧電振動子にまで戻ってくるまでの時間Ｔ
    ₁とメモリに記録されている超音波伝播媒体での温度と
    超音波の伝播速度との関係式、及び測定対象流体での温
    度と超音波の伝播速度との関係式、そして距離Ｌ₁、入
    射角θｅとから、測定対象流体の超音波伝播速度Ｃ、超
    音波伝播媒体から測定対象流体へ伝播する超音波の屈折
    角θを算出し、そして圧電振動子から発生した超音波の
    周波数ｆ₁、流体中で反射して圧電振動子に戻ってきた
    超音波の周波数ｆ₂、及び算出した屈折角θ、超音波伝
    播速度Ｃから測定対象流体の流速を算出する演算処理装
    置、（６）算出された流速を表示する表示装置を組み合
    わせてなる超音波流速測定装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の超音波流速測定装
    置を用いて、流速測定時の超音波伝播媒体の超音波伝播
    速度Ｃｅを下記の計算式（９）で算出し、 式（９） Ｃｅ＝２×Ｌ₁／Ｔ₁ 算出した超音波伝播速度Ｃｅと超音波伝播媒体での温度
    と超音波の伝播速度との関係式とから、超音波伝播媒体
    の温度を算出し、次いで、この温度を測定対象流体の温
    度として、測定対象流体での温度と超音波の伝播速度と
    の関係式から測定対象流体の超音波伝播速度Ｃを算出
    し、屈折角θを下記の計算式（１０）で算出し、 【数６】 そして、測定対象流体の流速Ｖを下記の計算式（１１）
    で算出することを特徴とする流速の測定方法。 【数７】
12. 【請求項１２】 配管を流れる測定対象流体の流速を測
    定する超音波流速測定装置であって、（１）圧電振動子
    及び楔状の超音波伝播媒体とからなる送信用斜角式超音
    波センサ及び受信用斜角式超音波センサであって、少な
    くとも一方の斜角式超音波センサの超音波伝播媒体に一
    つの超音波反射面が設けられている送信用斜角式超音波
    センサ及び受信用斜角式超音波センサ、（２）圧電振動
    子に電圧をパルス状に印加するパルス発生器、（３）一
    対の超音波センサのうちどちらか一方とパルス発生器と
    を切り替え可能にて接続する超音波発生センサ切替回
    路、（４）圧電振動子から出力された測定対象流体の流
    速測定に関連する一連の電気信号をデジタル信号に変換
    するＡ／Ｄ変換器、（５）一対の超音波センサのうちど
    ちらか一方とＡ／Ｄ変換器とを切り替え可能に接続する
    超音波受信センサ切替回路、（６）超音波伝播媒体での
    温度と超音波の伝播速度との関係式、及び測定対象流体
    での温度と超音波の伝播速度との関係式、そしてあらか
    じめ定められている圧電振動子と超音波反射面との距離
    Ｌ₁、送信用斜角式超音波センサの超音波伝播媒体から
    測定対象流体に伝播する超音波の入射角θｅ₁、測定対
    象流体から受信用斜角式超音波センサの超音波伝播媒体
    に伝播する超音波の屈折角θｅ₂、を記録しているメモ
    リ、（７）測定対象流体が流れる配管に一対の超音波セ
    ンサをそれぞれの圧電振動子が超音波を送受信できるよ
    うに設置した状態で、一方あるいは双方の超音波センサ
    の圧電振動子から発生した超音波が、超音波の発生後、
    超音波を発生させた超音波センサの超音波反射面で反射
    して圧電振動子にまで戻ってくるまでの時間Ｔ ₁とメモ
    リに記録されている超音波伝播媒体での温度と超音波の
    伝播速度との関係式、及び測定対象流体での温度と超音
    波の伝播速度との関係式、そして距離Ｌ ₁、入射角θ
    ｅ₁、屈折角θｅ₂とから、測定対象流体の超音波伝播速
    度Ｃ、送信用斜角式超音波センサの超音波伝播媒体から
    測定対象流体へ伝播する超音波の屈折角θａ、測定対象
    流体から受信用斜角式超音波センサの超音波伝播媒体へ
    伝播する超音波の入射角θｂを算出し、そして送信用超
    音波センサの圧電振動子で発生した超音波の周波数
    ｆ₁、受信用超音波センサの圧電振動子で受信された超
    音波の周波数ｆ₂、及び算出した屈折角θａ、入射角θ
    ｂ、超音波伝播速度Ｃから測定対象流体の流速を算出す
    る演算処理装置、（８）算出された流速を表示する表示
    装置を組み合わせてなる超音波流速測定装置。
13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の超音波流速測定装
    置を用いて、流速測定時の超音波伝播媒体の超音波伝播
    速度Ｃｅを下記の計算式（１２）で算出し、 式（１２） Ｃｅ＝２×Ｌ₁／Ｔ₁ 算出した超音波伝播速度Ｃｅと超音波伝播媒体での温度
    と超音波の伝播速度との関係式とから、超音波伝播媒体
    の温度を算出し、次いで、この温度を測定対象流体の温
    度として、測定対象流体での温度と超音波の伝播速度と
    の関係式から測定対象流体の超音波伝播速度Ｃを算出
    し、屈折角θａを下記の計算式（１３）で算出し、 【数８】 入射角θｂを下記の計算式（１４）で算出し、 【数９】 そして、測定対象流体の流速Ｖを下記の計算式（１５）
    で算出することを特徴とする流速の測定方法。 【数１０】