JP2003247873A

JP2003247873A - 管状体の内部を移動する流体の流量測定方法

Info

Publication number: JP2003247873A
Application number: JP2002369909A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2003-09-05

Abstract

(57)【要約】【課題】流量計の設計や設置が容易となり、そして環
境温度が変動しても安定に流量の測定ができる、特に外
径の大きな管状体の内部を移動する流体の流量測定に好
ましい流量測定方法を提供すること。【解決手段】管状体の外周方向に沿って配設された互
いに周波数の異なる超音波を発生する二つの超音波発生
検出器の各々により、超音波を前記管状体の中心軸に向
けて送信することにより、管状体の中心軸近傍にて各々
の超音波発生検出器から送信された二つの超音波の周波
数の差の周波数を有する超音波をパラメトリック効果に
より発生させ、この超音波を用いて前記管状体の内部を
移動する流体の流量を測定する方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、管状体の内部を移
動する流体の流量測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】管状体の内部を移動する流体の流量を測
定する流量計のうちの一つとして、クランプオン型超音
波流量計が知られている。

【０００３】図１は、従来のクランプオン型超音波流量
計の構成と、これを用いた流体の流量測定方法とを説明
する断面図である。図１の超音波流量計は、超音波発生
検出器１１ａ及び超音波発生検出器１１ｂから構成され
ている。

【０００４】超音波発生検出器１１ａは、超音波振動子
１２ａと超音波伝搬材１３ａから構成されている。超音
波振動子１２ａとしては、圧電振動子が用いられてい
る。圧電振動子は、圧電セラミック及び圧電セラミック
に電圧を印加するための一対の電極から構成されてい
る。超音波振動子１２ａは、その電極に電圧を印加する
と超音波を発生し、そして超音波が付与されるとその電
極に電圧を発生する。従って、超音波振動子１２ａが備
えられた超音波発生検出器１１ａは、超音波の発生器と
しても機能し、また検出器としても機能する。超音波発
生検出器１１ｂの構成は、超音波発生検出器１１ａと同
様である。

【０００５】管状体の内部を移動する流体の流量は、下
記のようにして測定される。先ず、超音波発生検出器１
１ａの超音波振動子１２ａに電圧パルスを印加して、超
音波を発生させる。超音波は、図１に記入した破線１９
に示す経路に沿って、超音波伝搬材１３ａ、管状体の壁
体１６、流体、管状体の壁体１６、そして超音波伝搬材
１３ｂをこの順に伝わって、超音波発生検出器１１ｂの
超音波振動子１２ｂにて検出される。そして超音波発生
検出器１１ａにて超音波を発生してから、超音波発生検
出器１１ｂにて超音波を検出するまでの時間（Ｔ₁）を
測定する。

【０００６】次に、超音波発生検出器１１ｂの超音波振
動子１２ｂに電圧パルスを印加して、超音波を発生させ
る。超音波は、前記の経路を逆の向きに伝わって、超音
波発生検出器１１ａの超音波振動子１２ａにて検出され
る。そして超音波発生検出器１１ｂにて超音波を発生し
てから、超音波発生検出器１１ａにて超音波を検出する
までの時間（Ｔ₂）を測定する。

【０００７】超音波が、超音波発生検出器１１ａと１１
ｂの間を伝わるのに要する時間Ｔ₁及びＴ₂は、一方向
に流れる流体中を超音波が伝わる方向（図１に示す矢印
１９ａ及び１９ｂの示す方向）により、互いに異なる値
となる。

【０００８】すなわち、超音波発生検出器１１ａから超
音波発生検出器１１ｂに（矢印１９ａが示す方向に）伝
わる超音波は、流体の流れに乗って流体中を伝わるの
で、時間（Ｔ₁）は、流体が静止している場合よりも小
さな値を示す。一方、超音波発生検出器１１ｂから超音
波発生検出器１１ａに（矢印１９ｂが示す方向に）伝わ
る超音波は、流体の流れに逆らって流体中を伝わるの
で、時間（Ｔ₂）は、流体が静止している場合よりも大
きな値を示す。これらの時間の差（Ｔ₂−Ｔ₁）は、管
状体の内部を移動する流体の流量と相関がある。そし
て、この時間差から、別に用意された較正用のデータ
（時間差と流速との比例係数、および管状体の流水断面
積など）を用いて流体の流量値を算出する。なお、流量
とは、管の断面を単位時間当たりに移動する流体の量を
意味する。

【０００９】特許文献１には、管状体の内部を移動する
流体の流量の測定に、円環状の超音波振動子を備えた超
音波流量計を用いることが記載されている。図２は、特
許文献１に記載の円環状の超音波振動子を備えた従来の
超音波流量計の構成と、これを用いた流体の流量測定方
法とを説明する斜視図である。

【００１０】図２の超音波流量計は、三個の円環状の超
音波振動子（２２ａ、２２ｂ及び２２ｃ）から構成され
ている。各々の円環状超音波振動子（超音波発生検出
器）は、測定対象の流体を移動させる管状体２８を、振
動子の有する孔に通すことにより、管状体２８の外表面
に配設される。

【００１１】管状体２８の内部を移動する流体の流量
は、以下のようにして測定される。先ず、超音波振動子
２２ｂにて超音波を発生させる。超音波は、流体中を管
状体２８の長さ方向に沿って平面波として伝達する。そ
して超音波振動子２２ｂにて超音波を発生してから、超
音波振動子２２ｃにて前記平面波を検出するまでの時間
（Ｔ₁）を測定する。さらに超音波振動子２２ｂにて超
音波を発生してから、超音波振動子２２ａにて前記平面
波を検出するまでの時間（Ｔ₂）を測定する。

【００１２】これらの時間の差（Ｔ₂−Ｔ₁）から、別
に用意された較正用のデータを用いて流体の流量値を算
出する。

【００１３】非特許文献１には、円環状の超音波振動子
を備えた超音波流量計についての詳しい記載がある。こ
の文献においては、流体中における波長が管状体の内径
よりも長い超音波を用いることにより、超音波が流体中
を管状体の長さ方向に沿って平面波として伝達するとさ
れている。また、非特許文献２には、同様に、音の波長
が管状体の内径よりも長い場合に、音は平面波として管
軸方向（管の長さ方向に沿った方向）にのみに伝達する
と記載されている。

【００１４】特許文献２には、二つの音源から互いに異
なる周波数（ｆ₁及びｆ₂）を有する音波を発生させる
と、これらの音波の両方が伝わる領域にて、これらの周
波数の差の周波数（ｆ₁−ｆ₂）を有する音波と、和の
周波数（ｆ₁＋ｆ₂）を有する音波とがパラメトリック
効果により発生することが記載されている。

【００１５】前記の特許文献２においては、互いの周波
数の差が可聴周波数となり、かつ各々が可聴周波数より
高い周波数を有する二つの超音波を発生させ、そして二
つの超音波の両方が伝わる限られた領域にて、二つの超
音波の周波数の差の周波数を有する可聴音波を発生させ
る技術について記載されている。このように限られた領
域にて可聴音波を発生させることにより、この領域にい
る人のみに音声などの情報を伝達できるとされている。

【００１６】

【特許文献１】特開平１０−９９１４号公報（図１）

【特許文献２】特開平１１−１４５９１５号公報

【非特許文献１】石川博朗、他４名，「液体用超音波微
小流量計のセンサ配置と流量特性」，計測自動制御学会
論文集，平成１２年１２月，第３６巻，第１２号，ｐ１
０７１−１０７８

【非特許文献２】川村雅恭著，「電気音響工学概論」，
第２８版，株式会社昭晃堂，１９９８年９月，ｐ．５９

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】図１の超音波流量計
は、流体に非接触で流量の測定ができるという大きな利
点を有している。しかしながら、図１の超音波流量計
は、一対の超音波発生検出器１１ａ及び１１ｂの間隔
を、超音波伝搬材と管状体外表面との界面、あるいは管
状体内表面と流体との界面における超音波の屈折角を考
慮して設定する必要があり、流量計の設計や設置に手間
がかかるという問題を有している。さらに、屈折角の値
が超音波が伝わる媒質（超音波伝搬材、管状体、および
流体）の温度に依存して変動するために、流量計を設置
する環境温度の変動により、流量の測定感度が変動しや
すいなどの問題も有している。

【００１８】また、図１の超音波流量計においては、管
状体の内径が小さいと、超音波が流体中を伝わる距離が
短くなるために、流量の測定精度が低下することが知ら
れている。このことから、図１のような構成をとる市販
のクランプオン型超音波流量計において、測定可能な管
状体の内径は、一般に、２５ｍｍ以上とされている。ク
ランプオン型超音波流量計は、内径の大きな（即ち、外
径も大きな）管状体の内部を移動する流体の流量測定に
好ましく用いられている。

【００１９】一方、図２の超音波流量計においては、超
音波が管状体２８の外表面に対して垂直な方向に送信さ
れるために、図１の超音波流量計の場合のような超音波
の屈折が生じない。従って、図２の超音波流量計は、そ
の設計や設置が容易であり、そして環境温度が変動して
も安定に流量を測定できるという利点を有している。

【００２０】また、図２の超音波流量計は、超音波発生
検出器の間隔（例えば、超音波振動子２２ｂ及び２２ｃ
の間隔）を、超音波の屈折角を考慮することなく広く設
定できるため、超音波が流体中を伝わる距離を長く設定
できる。従って、図２の超音波流量計は、内径の小さな
（即ち、外径も小さな）管状体の内部を移動する流体の
流量を、高い精度で測定できるとされている。

【００２１】しかしながら、図２の超音波流量計におい
ては、管状体の外径が大きいと、この外径と対応する大
きなサイズの超音波振動子を作製する必要がある。超音
波振動子を構成する圧電セラミックは、サイズが大きい
と、その製造の際の熱処理により、その内部に大きな応
力を有している。このような圧電セラミックに分極処理
のための電界を印加すると、圧電セラミックに割れを生
じる場合が多い。また、超音波振動子のサイズが大きい
と、同じ大きさの超音波を発生させるために、超音波振
動子に大きな電圧を印加する必要があるなどの問題も生
じる。従って、図２の超音波流量計は、外径が１０ｍｍ
以上の管状体の内部を移動する流体の流量測定用として
は、超音波振動子の製造上の問題から実用的ではないと
推測される。

【００２２】図２の超音波流量計においては、超音波を
管状体の長さ方向に沿って平面波として伝えるために、
管状体の内径よりも長い波長を有する超音波を用いてい
る。例えば、図１の超音波流量計の超音波振動子によ
り、波長の長い超音波を発生させることも考えられる
が、波長の長い超音波を発生させるためには、前記と同
様にサイズの大きな超音波振動子が必要となる。

【００２３】以上のように、図１の超音波流量計は、外
径の大きな管状体の内部を移動する流体の流量測定に好
ましく用いることができるが、流量計の設計や設置に手
間がかかり、そして環境温度の変動により流量の測定感
度が変動するという問題を有している。一方、図２の超
音波流量計は、流量計の設計や設置が容易で、環境温度
が変動しても安定に流量を測定できるが、外径の大きな
管状体の内部を移動する流体の流量測定の目的には実用
的でないという問題を有している。

【００２４】本発明の目的は、流量計の設計や設置が容
易となり、そして環境温度が変動しても安定に流量の測
定ができる、特に外径の大きな管状体の内部を移動する
流体の流量測定に好ましい流量測定方法を提供すること
にある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】前記のように、超音波流
量計の超音波発生検出器に用いられる超音波振動子は、
長い波長（低い周波数）を有する音波を発生させる場合
など、サイズが大きくなると製造が難しくなる問題を有
している。本発明者は、前記の特許文献２などに記載さ
れている音波のパラメトリック効果に注目した。そして
パラメトリック効果により発生した低い周波数を有する
音波を用いることにより、流量計の設計や設置が容易と
なり、そして環境温度が変動しても安定に流量の測定が
でき、特に外径の大きな管状体の内部を移動する流体の
流量測定に好ましい流量測定方法が提供できることを見
出した。

【００２６】本発明は、下記（１）〜（５）の工程を含
むことを特徴とする管状体の内部を移動する流体の流量
を測定する方法にある。

【００２７】（１）管状体、この管状体の外周方向に沿
って配設された、互いに周波数の異なる超音波を発生す
る超音波発生検出器Ａ及び超音波発生検出器Ｂ、そして
管状体の長さ方向において超音波発生検出器Ａ及び超音
波発生検出器Ｂとは間隔をあけて、前記管状体の外周方
向に沿って配設された、互いに周波数の異なる超音波を
発生する超音波発生検出器Ｃ及び超音波発生検出器Ｄを
含む構造体を用意する工程。（２）管状体の内部に測定対象の流体を移動させる工
程。（３）超音波発生検出器Ａ及び超音波発生検出器Ｂの各
々にて、同時に超音波を発生させ、各々の超音波を管状
体の中心軸に向けて送信することにより、管状体の中心
軸近傍にて、超音波発生検出器Ａにて発生した超音波の
周波数と超音波発生検出器Ｂにて発生した超音波の周波
数との差の周波数を有する低周波数の音波をパラメトリ
ック効果により発生させ、そしてこの低周波数の音波を
管状体の長さ方向に沿って平面波として伝達させ、次い
でこの平面波を超音波発生検出器Ｃ及び／又は超音波発
生検出器Ｄにて検出することにより、超音波発生検出器
Ａ及び超音波発生検出器Ｂにて超音波を発生してから、
超音波発生検出器Ｃ及び／又は超音波発生検出器Ｄにて
平面波を検出するまでの時間Ｔ₁を測定する工程。（４）超音波発生検出器Ｃ及び超音波発生検出器Ｄの各
々にて、同時に超音波を発生させ、各々の超音波を管状
体の中心軸に向けて送信することにより、管状体の中心
軸近傍にて、超音波発生検出器Ｃにて発生した超音波の
周波数と超音波発生検出器Ｄにて発生した超音波の周波
数との差の周波数を有する低周波数の音波をパラメトリ
ック効果により発生させ、そしてこの低周波数の音波を
管状体の長さ方向に沿って平面波として伝達させ、次い
でこの平面波を超音波発生検出器Ａ及び／又は超音波発
生検出器Ｂにて検出することにより、超音波発生検出器
Ｃ及び超音波発生検出器Ｄにて超音波を発生してから、
超音波発生検出器Ａ及び／又は超音波発生検出器Ｂにて
平面波を検出するまでの時間Ｔ₂を測定する工程。（５）測定された時間Ｔ₁と時間Ｔ₂との差の値から、
流体の流量値を算出する工程。

【００２８】本発明の流量測定方法において、各々の超
音波発生検出器は、管状体外表面の側から、振動方向制
御素子と超音波振動子とが積層された構成にあることが
好ましい。

【００２９】本明細書において、パラメトリック効果に
より発生させる「音波」には、一般に、２０ｋＨｚ以上
の周波数を有する音波として定義されている超音波と、
２０ｋＨｚ以下の周波数を有する音波との両方が含まれ
る。

【００３０】

【発明の実施の形態】図３は、本発明の流体の流量測定
方法の実施に好ましく用いることのできる超音波流量計
の構成と、これを用いた流体の流量測定方法を説明する
斜視図である。図４は、図３に記入した超音波発生検出
器Ｂ近傍の部分側面図であり、そして図５は、図４に記
入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した超音波発生検出
器Ｂ近傍の断面図である。

【００３１】管状体３８の内部を移動する流体の流量
は、下記の（１）から（５）の工程を実施することによ
り測定される。まず、（１）乃至（３）の工程について
説明する。

【００３２】（１）管状体３８、管状体３８の外周方向
に沿って配設された、互いに周波数の異なる超音波を発
生する超音波発生検出器Ａ（３１ａ）及び超音波発生検
出器Ｂ（３１ｂ）、そして管状体３８の長さ方向におい
て超音波発生検出器Ａ及び超音波発生検出器Ｂとは間隔
をあけて、管状体３８の外周方向に沿って配設された、
互いに異なる周波数を発生する超音波発生検出器Ｃ（３
１ｃ）及び超音波発生検出器Ｄ（３１ｄ）からなる構造
体を用意する工程。（２）管状体３８の内部に測定対象の流体を移動させる
工程。（３）超音波発生検出器Ａ（３１ａ）及び超音波発生検
出器Ｂ（３１ｂ）の各々にて同時に超音波を発生させ、
各々の超音波を管状体３８の中心軸に向けて送信するこ
とにより、管状体３８の中心軸近傍にて、超音波発生検
出器Ａ（３１ａ）にて発生した超音波の周波数と超音波
発生検出器Ｂ（３１ｂ）にて発生した超音波の周波数と
の差の周波数を有する低周波数の音波をパラメトリック
効果により発生させ、そしてこの低周波数の音波を管状
体３８の長さ方向に沿って平面波として伝達させ、次い
でこの平面波を超音波発生検出器Ｃ（３１ｃ）及び／又
は超音波発生検出器Ｄ（３１ｄ）にて検出することによ
り、超音波発生検出器Ａ（３１ａ）及び超音波発生検出
器Ｂ（３１ｂ）にて超音波を発生してから、超音波発生
検出器Ｃ（３１ｃ）及び／又は超音波発生検出器Ｄ（３
１ｄ）にて平面波を検出するまでの時間Ｔ₁を測定する
工程。

【００３３】超音波発生検出器Ａ（３１ａ）にて発生す
る超音波の周波数をｆ_A、そして超音波発生検出器Ｂ
（３１ｂ）にて発生する超音波の周波数をｆ_Bとする
と、これらの超音波の両方が伝わる管状体３８の中心軸
近傍においては、パラメトリック効果により周波数が
（ｆ_A−ｆ_B）の音波と、周波数が（ｆ_A＋ｆ_B）の音波と
が発生する。

【００３４】周波数が（ｆ_A−ｆ_B）である低周波数の音
波の流体中における波長は、下記の式（Ｉ）で表され
る。

【００３５】

【数１】式（Ｉ）：λ＝Ｖ／（ｆ_A−ｆ_B）

【００３６】式（Ｉ）において、λは、流体中における
音波の波長である。そしてＶは、流体中における音波の
速度であり、流体の種類により決まる定数である。

【００３７】パラメトリック効果により発生した低周波
数の音波の波長λを、管状体の内径ｄよりも長くするこ
とにより、図２の超音波流量計と同様に、音波を管状体
の長さ方向に沿って平面波として伝達させることができ
る。前記の低周波数の音波の波長λを、管状体の内径ｄ
よりも長くするには、下記の式（II）を満足するよう
に、超音波発生検出器Ａ（３１ａ）及び超音波発生検出
器Ｂ（３１ｂ）にて発生する超音波の周波数を設定すれ
ばよい。

【００３８】

【数２】式（II）：（ｆ_A−ｆ_B）＜（Ｖ／ｄ）

【００３９】そして超音波発生検出器Ａ（３１ａ）及び
超音波発生検出器Ｂ（３１ｂ）にて同時に超音波を発生
させ、各々の超音波を管状体３８の中心軸に向けて送信
する。これにより、管状体３８の中心軸近傍にて、超音
波発生検出器Ａにて発生した超音波の周波数ｆ_Aと、超
音波発生検出器Ｂにて発生した超音波の周波数ｆ_Bとの
差の周波数（ｆ_A−ｆ_B）を有し、そして管状体の内径ｄ
よりも長い波長を有する低周波数の音波がパラメトリッ
ク効果により発生し、この低周波数の音波を管状体３８
の長さ方向に沿って平面波として伝達させることができ
る。

【００４０】このように、各々の超音波発生検出器にて
高い周波数の超音波を発生させても、上記式（II）を満
足するように周波数の差（ｆ_A−ｆ_B）の値を小さく設定
することにより、流体中にて管状体の内径よりも長い波
長（低周波数）を有する音波を発生させることができ
る。従って、各々の超音波発生検出器を、サイズの小さ
な超音波振動子を用いて構成することができる。

【００４１】各々の超音波発生検出器にて発生する超音
波の周波数に特に制限はないが、超音波振動子のサイズ
を小さくするためには、なるべく高い周波数の超音波を
発生させることが好ましい。実用的には、各々の超音波
発生検出器の超音波振動子にて、周波数が１００ｋＨｚ
以上の超音波を発生させることが好ましい。

【００４２】なお、超音波発生検出器Ａ（３１ａ）及び
超音波発生検出器Ｂ（３１ｂ）にて同時に超音波を発生
させることには、例えば、超音波発生検出器Ａにて周波
数がｆ_Aの超音波を連続的に発生し、そして超音波発生
検出器Ｂにて周波数がｆ_Bの超音波を断続的に発生させ
ることも含まれる。このように各々の超音波発生検出器
にて超音波を発生させることにより、流体中にて周波数
が（ｆ_A−ｆ_B）の音波をパラメトリック効果により断続
的に発生させることができる。

【００４３】各々の超音波発生検出器は、図３に示すよ
うに、管状体の外表面の側から、振動方向制御素子と超
音波振動子とが積層された構成にあることが好ましい。
超音波振動子は、例えば、エポキシ樹脂系の接着剤など
を用いて振動方向制御素子に固定される。各々の超音波
発生検出器と管状体３８との接触面には、この接触面に
おける超音波の反射を防止するために、グリースやワセ
リンなどの接触媒質からなる薄い層を付設することが好
ましい。

【００４４】超音波振動子としては、板状の圧電セラミ
ックと、その各々の平面に付設された電極（図示は略す
る）から構成される圧電振動子を用いることが好まし
い。圧電セラミックは、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛
系のセラミック材料から形成される。

【００４５】振動方向制御素子としては、バインダ樹
脂、及びバインダ樹脂中に管状体の外表面と平行に整列
配置された複数本の高弾性繊維からなる繊維強化樹脂材
が好ましく用いられる。

【００４６】バインダ樹脂の例としては、エポキシ樹
脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミ
ド樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹
脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、および
ポリカーボネート樹脂が挙げられる。

【００４７】高弾性繊維の例としては、炭素繊維、炭化
ケイ素繊維、ナイロン繊維、アラミド繊維、およびポリ
アミド繊維が挙げられる。

【００４８】超音波発生検出器の超音波振動子にて発生
した超音波は、振動方向制御素子の内部を伝わる。振動
方向制御素子のバインダ樹脂中に整列配置された高弾性
繊維は、繊維の長さ方向に沿った振動の発生を抑制す
る。このため、超音波は、その振動方向制御素子の底面
（管状体と接触する面）に垂直な方向の指向性が高めら
れ、そして管状体の中心軸に向けて送信される。振動方
向制御素子については、特開平７−２８４１９８号公報
に詳しい記載がある。

【００４９】次に（４）の工程について説明する。
（４）の工程は、超音波発生検出器Ｃ（３１ｃ）及び超
音波発生検出器Ｄ（３１ｄ）の各々にて同時に超音波を
発生させ、各々の超音波を管状体３８の中心軸に向けて
送信することにより、管状体３８の中心軸近傍にて、超
音波発生検出器Ｃ（３１ｃ）にて発生した超音波の周波
数と超音波発生検出器Ｄ（３１ｄ）にて発生した超音波
の周波数との差の周波数を有する低周波数の音波をパラ
メトリック効果により発生させ、そしてこの低周波数の
音波を管状体３８の長さ方向に沿って平面波として伝達
させ、次いでこの平面波を超音波発生検出器Ａ（３１
ａ）及び／又は超音波発生検出器Ｂ（３１ｂ）にて検出
することにより、超音波発生検出器Ｃ（３１ｃ）及び超
音波発生検出器Ｄ（３１ｄ）にて超音波を発生してか
ら、超音波発生検出器Ａ（３１ａ）及び／又は超音波発
生検出器Ｂ（３１ｂ）にて平面波を検出するまでの時間
Ｔ₂を測定する工程である。

【００５０】この（４）の工程は、超音波発生検出器Ｃ
及び超音波発生検出器Ｄにて超音波を発生し、そして流
体中を管状体の長さ方向に伝達する平面波を超音波発生
検出器Ａ及び／又は超音波発生検出器Ｂにて検出するこ
と以外は、前記（３）の工程と同様にして実施すること
ができる。

【００５１】次に（５）の工程について説明する。
（５）の工程は、測定された時間Ｔ₁と時間Ｔ₂との差
の値から、流体の流量値を算出する工程である。

【００５２】本発明の流体の流量測定方法は、超音波を
管状体の外表面に垂直な方向に送信するため、図２の超
音波流量計の場合と同様に、流量計の設計や設置が容易
となり、そして環境温度が変動しても安定に流量の測定
ができるという利点を有している。さらに、本発明の流
体の流量測定方法においては、管状体の内径よりも長い
音波を発生させるためにサイズの大きな超音波振動子を
用いる必要がない。従って、本発明の流体の流量測定
は、外径が大きな管状体、特に外径が１０ｍｍ以上の管
状体の内部を流れる流体の流量測定に好ましい方法であ
る。

【００５３】以下、図３の超音波流量計の詳細について
説明する。図３の超音波流量計においては、管状体３８
として、外径が３２ｍｍ、そして内径が２５ｍｍの硬質
塩化ビニル製の管状体が用いられている。管状体３８の
内部には、測定対象の流体である空気が移動している。

【００５４】管状体３８には、その外周方向に沿って超
音波発生検出器Ａ（３１ａ）及び超音波発生検出器Ｂ
（３１ｂ）が配設され、そしてこれらの超音波発生検出
器とは間隔をあけて、管状体３８の外周方向に沿って超
音波発生検出器Ｃ（３１ｃ）及び超音波発生検出器Ｄ
（３１ｄ）が配設されている。超音波発生検出器Ａ（３
１ａ）及び超音波発生検出器Ｂ（３１ｂ）から、超音波
発生検出器Ｃ（３１ｃ）及び超音波発生検出器Ｄ（３１
ｄ）までの距離は、２００ｍｍに設定されている。

【００５５】各々の超音波発生検出器は、管状体３８の
外表面の側から、振動方向制御素子と超音波振動子と
が、エポキシ樹脂系の接着剤を用いて積層された構成を
有している。振動方向制御素子のバインダ樹脂としては
エポキシ樹脂が、そして高弾性繊維としては炭素繊維が
用いられている。複数本の炭素繊維は、管状体の外表面
と平行に整列配置されている。振動方向制御素子によ
り、管状体の中心軸に向けて指向性の高い超音波を送信
することができる。なお、各々の振動方向制御素子と管
状体３８との間には、両者の接触面における超音波の反
射を抑える接触媒体として、グリースが充填されてい
る。

【００５６】超音波発生検出器Ａ（３１ａ）と超音波発
生検出器Ｃ（３１ｄ）のそれぞれは、その超音波振動子
の厚みが４．０ｍｍに設定され、電圧の印加による超音
波振動子の厚み方向の共振により、周波数が５００ｋＨ
ｚの超音波を発生する。

【００５７】超音波発生検出器Ｂ（３１ｂ）と超音波発
生検出器Ｄ（３１ｄ）のそれぞれは、その超音波振動子
の厚みが４．０４ｍｍに設定され、電圧の印加による超
音波振動子の厚み方向の共振により、周波数が４９５ｋ
Ｈｚの超音波を発生する。

【００５８】まず、超音波発生検出器Ａ（３１ａ）の超
音波振動子３２ａに、パルス状の電圧（幅：１μ秒、電
圧値：３０Ｖ）を印加し、そして同時に、超音波発生検
出器Ｂ（３１ｂ）の超音波振動子３２ｂに、パルス状の
電圧（幅：１．０１μ秒、電圧値：３０Ｖ）を印加す
る。電圧の印加により、超音波発生検出器Ａ（３１ａ）
から周波数が５００ｋＨｚの超音波（バースト波）が、
そして超音波発生検出器Ｂ（３１ｂ）から周波数が４９
５ｋＨｚの超音波が、管状体３８の中心軸に向かって送
信される。各々の超音波は、図５に記入した一点鎖線の
示す方向に沿って伝わる。

【００５９】超音波発生検出器Ａ（３１ａ）と超音波発
生検出器Ｂ（３１ｂ）との各々にて発生した超音波の両
方が伝わる管状体３８の中心軸近傍にて、これらの周波
数の差である５ｋＨの周波数を有する低周波数の音波が
パラメトリック効果により発生する。管状体３８の内部
にある空気中を伝わる音波の速度は、約３４０ｍ／秒で
ある。従って、前記の式（Ｉ）から、この低周波数の音
波の空気中における波長は、約６８ｍｍであることがわ
かる。従って、この低周波数の音波は、その波長が管状
体の内径（２５ｍｍ）よりも長いために、管状体３８の
長さ方向に沿って平面波として伝達する。

【００６０】次いで、この流体中を伝達する平面波を、
超音波発生検出器Ｃ（３１ｃ）及び超音波発生検出器Ｄ
（３１ｄ）にて検出する。そして超音波発生検出器Ａ
（３１ａ）及び超音波発生検出器Ｂ（３１ｂ）にて超音
波を発生してから、超音波発生検出器Ｃ（３１ｃ）及び
超音波発生検出器Ｄ（３１ｄ）にて平面波を検出するま
での時間Ｔ₁を測定する。同様にして、超音波発生検出
器Ｃ（３１ｃ）及び超音波発生検出器Ｄ（３１ｄ）にて
超音波を発生してから、超音波発生検出器Ａ（３１ａ）
及び超音波発生検出器Ｂ（３１ｂ）にて平面波を検出す
るまでの時間Ｔ₂を測定する。

【００６１】測定された時間Ｔ₁と時間Ｔ₂との差の値
は、管状体の内部を移動する流体の流量と相関があり、
この時間差（Ｔ₂−Ｔ₁）から、従来の超音波流量計と
同様にして、管状体の内部を移動する空気の流量値を算
出することができる。

【００６２】仮に、一個の超音波振動子にて、周波数が
５ｋＨｚの音波を発生させる場合には、その厚みを４０
０ｍｍ程度まで厚くする必要がある。このように厚い超
音波振動子を作製することは難しく、仮に作製が可能で
あったとしてもサイズが極めて大きく高価であり、さら
に、同じ強さの超音波を発生させるために非常に高い電
圧の印加が必要となるために、実用的ではない。

【００６３】なお、管状体の外周方向に沿って配設され
る二個の超音波発生検出器の構成や配置は、流体が移動
する管状体の内部にて低周波数の音波をパラメトリック
効果により発生させることができれば、特に制限はな
い。例えば、管状体の外周方向に沿って、超音波発生検
出器Ａを管状体の最頂部に、そして超音波発生検出器Ｂ
を管状体の最底部に配設することもできる。

【００６４】また、例えば、超音波送発生検出器Ａと超
音波発生検出器Ｂとを一体として構成することもでき
る。この場合には、振動方向制御素子３３ａと振動方向
制御素子３３ｂとを一体として構成し、この一体として
構成した振動方向制御素子の頂面に、超音波振動子３２
ａと超音波振動子３３ｂとを付設すればよい。さらに、
超音波振動子３２ａと超音波振動子３２ｂとを一体とし
て構成し、この一体として構成した超音波振動子から、
互いに周波数の異なる二つの超音波成分を有する超音波
を送信することもできる。このような二つの成分を有す
る超音波は、一体として構成した超音波振動子に、互い
に異なる二つの周波数成分を有する振幅変調された電圧
を印加することにより発生させることができる。このよ
うな超音波を管状体の中心に向けて送信する、即ち二つ
の周波数成分の各々を管状体の中心軸に向けて送信する
と、管状体の中心軸近傍にて、二つの超音波成分の周波
数の差の周波数を有する低周波数の音波がパラメトリッ
ク効果により発生する。

【００６５】特開平８−８０３００号公報には、振幅変
調された超音波を用いて、パラメトリック効果により低
周波数の音波が発生することが記載されている。この文
献においては、このような低周波数の音波を、医療診断
の分野で用いられる超音波診断装置に応用する技術につ
いて記載されている。

【００６６】

【発明の効果】本発明の流体の流量測定方法により、流
量計の設計や設置が容易となり、そして環境温度が変動
しても安定に流量を測定することができる。さらに本発
明の流量測定方法は、管状体の内部を移動する流体の流
量をサイズの小さな超音波振動子を備えた小型の超音波
発生検出器を用いて測定することができるので、外径の
大きな管状体、特に外径が１０ｍｍ以上の管状体の内部
を移動する流体の流量測定として好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】公知のクランプオン型超音波流量計の構成と、
これを用いた流体の流量測定方法とを説明する断面図で
ある。

【図２】公知の円環状の超音波振動子を用いた超音波流
量計の構成と、これを用いた流体の流量測定方法とを説
明する斜視図である。

【図３】本発明の流体の流量測定方法の実施に好ましく
用いることのできる超音波流量計の構成と、これを用い
た流体の流量測定方法とを説明する斜視図である。

【図４】図３に記入した超音波発生検出器Ｂ近傍の部分
側面図である。

【図５】図４に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断し
た超音波発生検出器Ｂ近傍の断面図。

【符号の説明】

１１ａ、１１ｂ超音波発生検出器１２ａ、１２ｂ超音波振動子１３ａ、１３ｂ超音波伝搬材１４ａ、１４ｂ底面１５ａ、１５ｂ斜面１６管状体の壁体１７流体の移動する方向１９超音波の伝わる経路の一例を示す破線１９ａ、１９ｂ流体中を超音波が伝わる方向を示す矢
印２２ａ、２２ｂ、２２ｃ環状の超音波振動子２８管状体３１ａ超音波発生検出器Ａ３１ｂ超音波発生検出器Ｂ３１ｃ超音波発生検出器Ｃ３１ｄ超音波発生検出器Ｄ３２ａ超音波振動子３２ｂ超音波振動子３２ｃ超音波振動子３２ｄ超音波振動子３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ振動方向制御素子３８管状体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記の工程を含むことを特徴とする管状
体の内部を移動する流体の流量測定方法：（１）管状体、該管状体の外周方向に沿って配設され
た、互いに周波数の異なる超音波を発生する超音波発生
検出器Ａ及び超音波発生検出器Ｂ、そして管状体の長さ
方向において超音波発生検出器Ａ及び超音波発生検出器
Ｂとは間隔をあけて、該管状体の外周方向に沿って配設
された、互いに周波数の異なる超音波を発生する超音波
発生検出器Ｃ及び超音波発生検出器Ｄを含む構造体を用
意する工程；（２）管状体の内部に測定対象の流体を移動させる工
程；（３）超音波発生検出器Ａ及び超音波発生検出器Ｂの各
々にて同時に超音波を発生させ、各々の超音波を管状体
の中心軸に向けて送信することにより、管状体の中心軸
近傍にて、超音波発生検出器Ａにて発生した超音波の周
波数と超音波発生検出器Ｂにて発生した超音波の周波数
との差の周波数を有する低周波数の音波をパラメトリッ
ク効果により発生させ、そして該低周波数の音波を管状
体の長さ方向に沿って平面波として伝達させ、次いでこ
の平面波を超音波発生検出器Ｃ及び／又は超音波発生検
出器Ｄにて検出することにより、超音波発生検出器Ａ及
び超音波発生検出器Ｂにて超音波を発生してから、超音
波発生検出器Ｃ及び／又は超音波発生検出器Ｄにて平面
波を検出するまでの時間Ｔ₁を測定する工程；（４）超音波発生検出器Ｃ及び超音波発生検出器Ｄの各
々にて同時に超音波を発生させ、各々の超音波を管状体
の中心軸に向けて送信することにより、管状体の中心軸
近傍にて、超音波発生検出器Ｃにて発生した超音波の周
波数と超音波発生検出器Ｄにて発生した超音波の周波数
との差の周波数を有する低周波数の音波をパラメトリッ
ク効果により発生させ、そして該低周波数の音波を管状
体の長さ方向に沿って平面波として伝達させ、次いでこ
の平面波を超音波発生検出器Ａ及び／又は超音波発生検
出器Ｂにて検出することにより、超音波発生検出器Ｃ及
び超音波発生検出器Ｄにて超音波を発生してから、超音
波発生検出器Ａ及び／又は超音波発生検出器Ｂにて平面
波を検出するまでの時間Ｔ₂を測定する工程；（５）測定された時間Ｔ₁と時間Ｔ₂との差の値から、
流体の流量値を算出する工程。
【請求項２】各々の超音波発生検出器が、管状体外表
面の側から、振動方向制御素子と超音波振動子とが積層
された構成にある請求項１に記載の流体の流量測定方
法。