JP2005156401A - クランプオン型ドップラー式超音波流速分布計 - Google Patents

Abstract

【課題】配管内を伝搬する縦波と横波の２本の測定線による超音波エコーのうち、縦波に基づく超音波エコーを除いてより正確に流速分布や流量を測定可能とする。
【解決手段】配管の外側の超音波トランスデューサから配管内部の流体へ超音波を入射し、流体中の反射体により反射した超音波周波数がドップラー効果により変化するのを利用して流体の流速分布を計測するクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計である。配管５３中を伝搬する超音波の縦波及び横波の音速が楔５２の縦波の音速以上である時に、楔５２から配管５３に入射する超音波の入射角が、楔５２の縦波の音速と配管５３の縦波の音速とから決定される縦波の臨界角以上であり、かつ、楔５２の縦波の音速と配管５３の横波の音速とから決定される横波の臨界角以下となるように、超音波振動子５１を傾斜させて楔５２に固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、管体の外側に設置した超音波トランスデューサから管体内部の被測定流体へ超音波を入射し、ドップラー効果を利用して被測定流体の流速分布を非接触で計測するようにしたクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計に関するものである。

クランプオン型超音波流量計は、超音波トランスデューサを配管等の管体の外周面の一部に装着し、管体の内部を移動する被測定流体の流量を管体の外側から測定する流量計である。このクランプオン型超音波流量計は、主に、伝搬時間差式とドップラー式とに分類することができる。

伝搬時間差式は、管体の内部を移動する被測定流体を斜めに横切るような経路で超音波を往復させ、超音波が往路と復路のそれぞれを伝搬するのに要する時間の差から、被測定流体の流量を測定する方法である。
一方、ドップラー式は、被測定流体中に含まれる浮遊粒子や気泡が流体と同じ速度で移動すると仮定して、浮遊粒子等の移動速度から被測定流体の流量を測定する方法である。すなわち、被測定流体中に超音波を送信すると、浮遊粒子等により反射した超音波の周波数がドップラー効果により浮遊粒子等の移動速度に応じて変化することから、反射超音波の周波数を検出して浮遊粒子等の移動速度、すなわち被測定流体の速度を検出し、流速分布や流量を測定するものである。

このようなドップラー式超音波流量計の従来技術として、例えば後述の特許文献１に記載された「ドップラー式超音波流量計」がある。図６は、この流量計の概略的な構成を示している。

図６に示すドップラー式超音波流量計は、配管２１の内部を流れる被測定流体２２の流速を非接触で測定する超音波速度分布計測ユニット（以下、ＵＶＰユニットという）１０を備えている。このＵＶＰユニット１０は被測定流体２２に対し測定線ＭＬに沿って所要周波数（基本周波数ｆ_０）の超音波パルスを送信する超音波送信手段１１と、被測定流体２２に入射した超音波パルスの測定領域から反射した超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体２２の流速分布を測定する流速分布計測回路１２と、被測定流体２２の流速分布に基づき演算処理して配管２１の半径方向の積分を行うことにより、被測定流体２２の流量を時間依存で求める流量演算手段としてのマイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ等のコンピュータ３１と、このコンピュータ３１からの出力を時系列的に表示する表示装置３２とを備えている。

超音波送信手段１１は、例えば１［ＭＨｚ］，２［ＭＨｚ］，４［ＭＨｚ］等の基本周波数ｆ_０の電気信号を発生する発振器１３と、この発振器１３からの電気信号を所定周期（１／Ｆ_ｒｐｆ）毎に周波数Ｆ_ｒｐｆのパルスとして出力するエミッタ１４とからなる信号発生器１５を備え、この信号発生器１５から前記基本周波数ｆ_０のパルス電気信号が超音波トランスデューサ１６に入力される。
超音波トランスデューサ１６からは、基本周波数ｆ_０の超音波パルスが測定線ＭＬに沿って配管２１内部の被測定流体２２に発信される。この超音波パルスは、例えばパルス幅５［ｍｍ］程度で拡がりをほとんど持たない直進性のビームである。

超音波トランスデューサ１６は送受信器を兼ねており、発信された超音波パルスが被測定流体２２中の反射体に当たって反射される超音波エコーを受信可能に構成されている。上記反射体は、被測定流体２２中に一様に含まれる気泡や浮遊粒子、言い換えれば、被測定流体２２とは音響インピーダンスが異なる異物である。

超音波トランスデューサ１６により受信された超音波エコーは、このトランスデューサ１６でエコー電気信号に変換される。このエコー電気信号はＵＶＰユニット１０内の増幅器１７により増幅された後、ＡＤ変換器１８を通ってディジタル化され、このディジタルエコー信号が流速分布計測回路１２に入力される。

流速分布計測回路１２には、発振器１３からの基本周波数ｆ_０の電気信号がＡＤ変換器１８によりディジタル化されて入力されており、両信号の周波数差からドップラーシフトに基づく流速の変化を測定し、測定線ＭＬに沿う測定領域の被測定流体２２の流速分布を算出している。この測定領域の流速分布を超音波トランスデューサ１６の傾斜角α（配管２１の長手方向に直交する方向に対する傾斜角）で補正することにより、配管２１の横断面における流体２２の流速分布を測定することができる。

次に、図７を参照して、ドップラー式超音波流量計の動作原理について更に詳述する。
図７（Ａ）に示すように、超音波トランスデューサ１６を前記角度αだけ被測定流体２２の流れ方向に傾けて設置した状態で、超音波トランスデューサ１６から基本周波数ｆ_０の超音波パルスを配管内に入射すると、この超音波パルスは測定線ＭＬ上の被測定流体２２に一様に分布する浮遊粒子等の反射体に当たって反射し、図７（Ｂ）に示すように超音波エコーａとなって超音波トランスデューサ１６に受信される。

なお、図７（Ｂ）において、符号ｂは超音波パルス入射側の配管２１の管壁で反射する多重反射エコーであり、符号ｃは反対側の配管２１の管壁で反射する多重反射エコーである。超音波トランスデューサ１６から発信される超音波パルスの発信周期は、図示する如く（１／Ｆ_ｒｐｆ）である。

超音波トランスデューサ１６により受信したエコー信号ａをフィルタリング処理し、ドップラーシフト法を利用して測定線ＭＬに沿って流速分布を計測すると、図７（Ｃ）のように表示される。この流速分布は、ＵＶＰユニット１０の流速分布計測回路１２によって測定され、コンピュータ３１を介して表示装置３２により表示されるものである。

上述したように、ドップラーシフト法は、配管２１内部を流れる被測定流体２２中に超音波パルスを放射すると、この超音波パルスは流体２２中に混在または一様に分布する反射体により反射して超音波エコーとなり、この超音波エコーの周波数が流速に比例した大きさだけ周波数シフトする原理を応用したものである。
また、流速分布計測回路１２により測定された被測定流体２２の流速分布信号はコンピュータ３１に送られ、流速分布信号を配管２１の半径方向に積分することにより被測定流体２２の流量を時間依存で求めることができる。この流体２２の時間ｔにおける流量ｍ（ｔ）は、数式１によって表すことができる。

上記流量ｍ（ｔ）は、数式２のように書き換えることができる。

上述した従来のドップラー式超音波流量計において、被測定流体２２の流量を定常状態、非定常状態の如何を問わず高精度で計測するためには、配管２１内部の被測定流体２２の流速分布を精度よく検出する必要がある。
前述の計測原理からわかるように、被測定流体２２の流速分布は、被測定流体２２中の反射体による超音波エコーを信号処理して演算することにより得られるため、この超音波エコーに目的とする音響信号のみが含まれるようにする必要があり、音響的及び電気的ノイズを排除する必要がある。
この超音波エコーに影響する音響的なノイズとして、音響インピーダンスが異なる媒質間の反射や散乱等から発生するものがあるが、これ以外にも配管材料等の固体中で発生する縦波と横波がある。

一般的に金属等の固体中では、疎密波と呼ばれる波動の伝搬方向と同一方向に変位を有する縦波と、せん断波と呼ばれる波動の伝搬方向と直交する方向に変位を有する横波との２種類の音波が存在する。
ここで、参考文献１として、「電気音響工学概論」（（株）昭晃堂出版（ｐ２４７〜２５１）に記載されているように、流体から固体へ斜めに音波が入射する場合、固体中には、縦波の他に横波が発生する。また、固体から固体へと音波が伝搬する場合は、透過及び反射の両方に縦波と横波とが発生することが一般的に知られている。

以下に、固体中における縦波と横波による超音波エコーの影響について説明する。
図８に示すように、媒質１から媒質２に音波が伝搬する場合、媒質１、媒質２における音波の伝搬角度θ_ｉｎ（両媒質の境界面における入射角）、θ_ｏｕｔ（同じく屈折角または出射角）の関係は数式３のようになる。

更に、媒質１から媒質２へ音波が入射するときに、媒質２における音速ｃ_２が媒質１における音速ｃ_１よりも大きい場合（ｃ_１＜ｃ_２）には、音波が両媒質の境界面で全反射を起こす臨界角がある。この臨界角θ_ｃは、数式４で示される。

ここで、図６に示した従来技術のドップラー式超音波流速分布計における超音波トランスデューサ１６の傾斜角度（配管２１への超音波の入射角）について、以下の参考文献２，３に基づいて説明する。
参考文献２：「超音波流速分布計測（ＵＶＰ）を用いた流量計測手法の開発（６）NIST（米国）キャリブレーション流量計測用ループによる測定−試験結果と精度検証」（原子力学会 ９９年秋季大会 Ｈ１３）
参考文献３：「Development of a novel flow metering system using ultrasonic velocity profile measurement」

参考文献２は、ドップラー式超音波流速分布計をステンレス製配管の外壁に設置して測定した、いわゆるクランプオン式での例であり、超音波トランスデューサの傾斜角度は１０度または５度である。
また、参考文献３では、１［ＭＨｚ］の周波数で駆動される超音波トランスデューサは配管に対して５度の傾斜角度で設置し、４［ＭＨｚ］の周波数で駆動される超音波トランスデューサについては、配管に対して０〜２０度の傾斜角度で設置されるが、超音波トランスデューサと配管との間に厚み２［ｍｍ］のアクリルを楔として挟んでいることが記述されている。

参考文献３に記載された測定条件に相当する構成を図示すると、図９のようになる。
図９において、アクリルを材料とする楔４２に、超音波トランスデューサ４１が固定される。ただし、この超音波トランスデューサ４１は、配管４３の長手方向に直交する方向に対して、角度θ_ｉｎだけ傾斜して設置される。すなわち、楔４２から配管４３への超音波の入射角はθ_ｉｎである。

参考文献２，３によれば、図９に示す被測定流体４４は水であり、配管４３はステンレス製である。また、水中の音速は約１５００［ｍ／ｓ］であり、ステンレス内の縦波の音速は約５７５０［ｍ／ｓ］、横波の音速は約３２０６［ｍ／ｓ］である。更に、アクリル製の楔４２における縦波の音速は２７３０［ｍ／ｓ］である。

縦波と横波との臨界角θ_ｃを前述した数式４から計算すると、楔４２と配管４３との境界面における縦波の臨界角は２８．３度であり、横波の臨界角は５８．４度である。
例えば、傾斜角度（入射角）θ_ｉｎが２０度である超音波トランスデューサ４１から音波を出射すると、何れも固体である楔４２と配管４３との境界面で縦波と横波が発生するが、上記境界面における入射角θ_ｉｎが縦波及び横波の両方の臨界角以下であるため、配管４３中には縦波と横波の両方の音波が伝搬する。

更に、配管４３中を伝搬する縦波、横波の成分は、それぞれ屈折して水中に入射するため、測定線ＭＬが２本発生することになる。
なお、図９に示す配管４３内において、縦波の屈折角（出射角）θ_ｐｌは４６．１度、横波の屈折角θ_ｐｓは２３．７度である。

配管４３から水中へ音波が入射する際は、音波は縦波に変換され、水中における屈折角θ_ｆｌは１０．８４度となる。このように金属から水中へ音波が入射する際の音波の透過率については、以下の参考文献４に示されている。
参考文献４：「超音波便覧」超音波便覧編集委員会 丸善（株）

参考文献４に記載されている例は、図８において、媒質１がアルミ、媒質２が水の場合である。
また、図１０は、この参考文献４に記載されている図であり、媒質１に相当するアルミ板と媒質２に相当する水との境界面に横波が入射した場合の、入射角とエネルギー反射係数（反射率）、エネルギー透過係数（透過率）との関係を示している。なお、ＳＶ波は横波、Ｌ波は縦波である。この図１０によれば、横波の入射角が２８度を越えても全反射とはならず、縦波が透過することがわかる。

更に、図１１は、アルミ板と水との境界面に縦波が入射した場合の入射角と反射率及び透過率との関係を示しており、図１１によれば、縦波のみが透過することがわかる。

次に、図１２は、図９の構成における超音波エコーの挙動を説明するための図である。
水中の反射体からの超音波エコーは、配管４３側から水中へ入射する時と同じ経路をたどって水中から超音波トランスデューサ４１へ戻る。水中からアルミ製の配管４３へ入射するときの超音波エコーの入射角θ_ｆは１０．８４度であるため、後述する図２から分かるように、縦波と横波の両方が発生する。

また、図１２に示すように超音波エコーが水中から配管４３へ入射した際に縦波成分、横波成分の２本の測定線が発生するため、配管４３内では４本の超音波エコーが存在する。更に、配管４３から楔４２に超音波エコーが入射する場合、数式３に従って音波は屈折するが、楔４２の材質の音速の方が配管４３の材質の音速よりも遅いため、臨界角は存在せず、全反射は起こらずに４本の超音波エコーが楔４２の内部を超音波トランスデューサ４１方向に進む。
このため、楔４２の内部を伝搬する４本の超音波エコーが、超音波トランスデューサ４１の伝搬経路の音速に応じて超音波トランスデューサ４１に時間差をもって入射することになる。
なお、図１２において、θ_ｐｌは被測定流体（水）４４と配管４３との境界面における縦波の屈折角、θ_ｐｓは横波の屈折角、θ_ｗｌは配管４３と楔４２との境界面における縦波の屈折角、θ_ｗｓは横波の屈折角である。

超音波トランスデューサ４１により受信される超音波エコーの時間軸は、配管４３内の径方向の位置に相当する。また、配管４３内では、縦波と横波とで音速に差がある。
このため、超音波トランスデューサ４１によってある時刻に受信される超音波エコーは、図１３における配管４３中の横波によって測定した流体４４のＡ点の流速と、配管４３中の縦波によって測定した流体４４のＡ’点（前記Ａ点とは配管４３の径方向に沿って異なった位置である）の流速とを合成したものとなる。
つまり、図１４に概念的に示す如く、超音波トランスデューサ４１によってある時刻に受信される超音波エコーから求めた流速は、実際には異なる位置であるＡ点及びＡ’点の流速を合成したものとなり、配管４３内部の流体４４の正確な流速分布ひいては流量を測定することができない。

以上のように、配管内部の流速分布を測定して流量を求めるドップラー式超音波流量計では、超音波トランスデューサから送信した音波が配管中で縦波と横波を発生し、２本の測定線が被測定流体に入射してそれぞれによる反射体からの超音波エコーが受信されるため、流速分布が不正確になり、測定精度に悪影響を与えるという問題があった。

そこで本発明は、配管等の管体中を伝搬する縦波と横波の２本の測定線に起因する超音波エコーのうち、縦波に基づく超音波エコーを除いてより正確に流速分布や流量を測定可能としたクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計を提供しようとするものである。

特開２０００−９７７４２号公報（図１，図２）

上記課題を解決達成するために、請求項１に記載した発明は、管体の外側に設置した超音波トランスデューサから管体内部の被測定流体へ超音波を入射し、被測定流体中に存在する反射体により反射した超音波の周波数がドップラー効果により変化することを利用して被測定流体の流速分布を計測するクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計であって、縦波の超音波を発生する超音波トランスデューサの音波発生源と管体との間に音波伝搬性の楔を介在させてなるクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
管体中を伝搬する超音波の縦波及び横波の音速が楔における縦波の音速以上であるときに、楔から管体に入射する超音波の入射角が、楔における縦波の音速と管体における縦波の音速とから決定される縦波の臨界角以上であり、かつ、楔における縦波の音速と管体における横波の音速とから決定される横波の臨界角以下となるように、音波発生源を傾斜させて楔に固定するものである。

請求項２に記載した発明は、管体中を伝搬する超音波の縦波及び横波の音速が被測定流体における音速以上であるときに、管体から被測定流体に入射する超音波の入射角が、被測定流体における音速と管体における縦波の音速とから決定される縦波の臨界角以上であり、かつ、被測定流体における音速と管体における横波の音速とから決定される横波の臨界角以下となるように、音波発生源を傾斜させて楔に固定するものである。

また、請求項３〜請求項６に記載したように、前記楔及び管体には音波伝搬性の樹脂や金属を用いることができる。
楔として使用される樹脂は、例えばアクリル、エポキシ系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリフェニレンサルファイド等であり、楔として使用される金属は、鉄、鋼、鋳鉄、ステンレス、銅、鉛、アルミニウム、黄銅等である。
更に、管体として使用される金属は、鉄、鋼、タグタイル鋳鉄、鋳鉄、ステンレス、銅、鉛、アルミニウム、黄銅等であり、管体として使用される樹脂は、ポリ塩化ビニル、アクリル、ＦＲＰ、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、タールエポキシ、モルタル等である。

請求項１に記載した発明によれば、超音波トランスデューサから出射して楔から管体中を伝搬する超音波の縦波成分をなくすことができ、被測定流体には管体中の横波による１本の測定線に沿った超音波だけが存在する。これにより、被測定流体中の反射体からの超音波エコーも管体中の横波によるものだけとなり、超音波トランスデューサには縦波に起因した超音波エコーが受信されなくなって音響ノイズが低減される。
また、請求項２に記載した発明によれば、被測定流体から管体中を伝搬する超音波エコーの縦波成分をなくすことができ、超音波トランスデューサには超音波エコーの横波だけが受信されるので、請求項１と同様に音響ノイズが低減される。
従って、何れの発明においても、流速分布の測定精度が向上し、流量の高精度な演算が可能になる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は第１実施形態の主要部を示す構成図である。その構成は図９，図１２，図１３等に示したものと実質的に同様であるが、便宜的に参照符号を変えてある。

図１において、５１は超音波トランスデューサの音波発生源としての超音波振動子であり、ＰＺＴ（ジルコン・チタン酸鉛）等の圧電材料によって構成されており、超音波の送受信器を兼ねている。また、５２はアクリル、エポキシ系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリフェニレンサルファイド等の音波伝搬性の樹脂材料によって構成された楔であり、その上端部に形成された斜面５２ａに、超音波振動子５１がエポキシ系の接着剤等で固定されている。ここで、前記斜面５２ａは、配管５３の長手方向に直交する方向に対する超音波振動子５１の傾斜角度（楔５２と配管５３との境界面における超音波パルスの入射角）がθ_ｉｎとなるように傾斜している。なお、５４は被測定流体である。

図１の構成において、配管５３内の音速が楔５２内の音速よりも早いことを仮定し、楔５２の材質が例えばアクリルであり、配管５３の材質がアルミニウムであるものとして説明する。なお、被測定流体５４を水と仮定する。
ちなみに、アクリルにおける音速は約２７３０［ｍ／ｓ］、アルミニウムにおける縦波の音速は約６４２０［ｍ／ｓ］、横波の音速は約３０４０［ｍ／ｓ］、水中の音速は約１５００［ｍ／ｓ］である。
ここで、前記配管５３の材質としては、アルミニウム以外に鉄、鋼、タグタイル鋳鉄、ステンレス、銅、鉛、黄銅などの音波伝搬性の金属材料であればよい。

図１においては、楔５２から配管５３への超音波パルスの入射時と被測定流体５４から配管５３への超音波エコーの入射時に臨界角が存在する。
また、周知のスネルの法則から、各材質における角度には数式５の関係がある。

各部材の材質を、前記のように楔５２をアクリル、配管５３をアルミニウム、被測定流体５４を水とした場合、楔５２から配管５３へ超音波が入射する際の縦波の臨界角は２５．２度であり、横波の臨界角は６３．９度である。よって、超音波振動子５１の傾斜角度θ_ｉｎ（楔５２と配管５３との境界面における入射角）を上記各臨界角の範囲内、すなわち２５．２度≦θ_ｉｎ≦６３．９度とすると、縦波は楔５２と配管５３との境界面で全反射するので、配管５３内には横波しか伝搬しない。
このため、水中には配管５３内の横波による１本の測定線に沿った超音波だけが入射することになり、水中の反射体からの超音波エコーも横波によるものだけとなる。すなわち、超音波振動子５１には縦波に起因した超音波エコーが受信されなくなり、計測される流速に含まれる音響ノイズが低減される。従って、流速分布の測定精度が向上し、流量の高精度な演算が可能になる。

次に、図１の構成において、具体的に楔５２内の音波の入射角θ_ｉｎを４５度とした例について説明する。
楔５２からアルミ製の配管５３中へ音波が伝搬する場合、上記入射角θ_ｉｎは縦波の臨界角である２５．２度を超えているので、縦波は楔５２と配管５３との境界面で全反射され、配管５３内を伝搬しない。一方、横波は、配管５３中を屈折角５１．９度で伝搬する。

次いで、配管５３から流体５４である水へ入射する場合、前述したように横波は水中では縦波のみとなるので、水中へは屈折角（図１におけるθ_ｆｓ）が２２．８度の１本の測定線に沿って縦波が伝搬する。
また、この縦波による反射体からの超音波エコーについても、入射角２２．８度で配管５３へ入射することになる。

なお、水からアルミ製の配管への入射については、図２に示されるデータがあり、これの図は参考文献５に記載されている。
参考文献５：「Accoustic Wave」(Cordon S.Kino)
この図２は、水から配管への入射角と配管中での縦波、横波のエネルギー透過係数（透過率）との関係を示している。

図２によれば、配管５３への入射角である２２．８度は縦波の臨界角以上であるため、縦波は水と配管５３との境界面で全反射する。すなわち、配管５３中を縦波が伝搬することはない。よって配管５３中の測定線は横波による超音波エコーの１本であり、超音波振動子５１はこの横波の超音波エコーのみを受信するため、従来の縦波に起因する音響ノイズが低減されるものである。

上述のように、超音波振動子５１の傾斜角度（配管５３への入射角）を改良して配管５３内の縦波を除くことで、流速分布の計測精度を従来よりも改善することができる。
ここで、図３、図４は、超音波振動子５１の傾斜角度が１５度の場合（図３）と４５度の場合（図４）における、配管５３の径方向位置に対する流速の測定例である。

超音波振動子５１の傾斜角度を、楔５２から配管５３へ超音波が入射する際の縦波の臨界角（２５．２度）以上で横波の臨界角（６３．９度）以下の４５度とすることにより、図４のように、径方向位置に応じて流速が連続的に変換する妥当な計測値が得られている。
一方、図３の傾斜角度が１５度の場合では、配管５３中に縦波、横波が存在してその超音波エコーが超音波振動子５１により受信されるため、音響ノイズが多く含まれており、流速分布の計測値も安定せず計測精度が悪くなっている。

図５は、同じく超音波振動子５１の傾斜角度を本実施形態により４５度にした時と、従来のように１５度とした時の、流速分布から電磁流量計の流量出力を計測した時の計測誤差を比較したものである。
この図からも、本実施形態によれば、従来よりも計測誤差が大幅に改善されていることがわかる。

また、本発明の第２実施形態として、被測定流体５４中の反射体から反射して配管５３中を伝搬する超音波エコーの縦波成分のみを除去することが考えられる。
例えば、被測定流体５４が水の場合、水中の反射体により反射してアルミ製の配管５３へ入射する超音波エコーのうち縦波の臨界角は、水中の音波を１５００［ｍ／ｓ］とすると、１３．５度であり、横波の臨界角は２９．６度である。
従って、配管５３から水中への音波の入射角を１３．５度以上で２９．６度以下とすることにより、超音波エコーが水から配管５３へ入射する際に、配管５３中で横波成分のみが透過して縦波成分が除去されるので、縦波による音響ノイズが低減される。

これにより、超音波振動子５１では配管５３中の横波の超音波エコーのみを受信するため、配管５３中の縦波による音響ノイズが低減され、流速分布が高精度に計測されると共に、流量計測精度も向上する。

なお、楔としては、鉄、鋼、鋳鉄、ステンレス、銅、鉛、アルミニウム、黄銅等の音波伝搬性の金属を使用しても良く、また、配管として、ポリ塩化ビニル、アクリル、ＦＲＰ、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、タールエポキシ、モルタル等の音波伝搬性の樹脂を使用しても良い。

本発明の第１実施形態を示す主要部の構成図である。 参考資料５に記載された、水から配管への入射角と配管中での縦波、横波のエネルギー透過係数との関係を示す特性図である。 超音波振動子の傾斜角度が１５度の場合における配管の径方向位置に対する流速の測定例である。 超音波振動子の傾斜角度が４５度の場合における配管の径方向位置に対する流速の測定例である。 本発明の第１実施形態と従来技術による流量出力の計測誤差を比較して示した図である。 従来技術を示す構成図である。 ドップラー式超音波流量計の動作原理の説明図である。 異なる媒質間における音波の伝搬状態を示す図である。 参考文献２，３に記載された測定条件の説明図である。 参考文献４に記載された入射角と透過率及び反射率との関係を示す図である。 参考文献４に記載された入射角と透過率及び反射率との関係を示す図である。 図９における超音波エコーの挙動の説明図である。 図９を更に拡張して示した図である。 本発明の課題を説明するための流速分布の説明図である。

符号の説明

５１：超音波振動子（音波発生源）
５２：楔
５２ａ：斜面
５３：配管
５４：被測定流体

Claims (6)

1. 管体の外側に設置した超音波トランスデューサから管体内部の被測定流体へ超音波を入射し、被測定流体中に存在する反射体により反射した超音波の周波数がドップラー効果により変化することを利用して被測定流体の流速分布を計測するクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計であって、縦波の超音波を発生する超音波トランスデューサの音波発生源と前記管体との間に音波伝搬性の楔を介在させてなるクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
   前記管体中を伝搬する超音波の縦波及び横波の音速が前記楔における縦波の音速以上であるときに、楔から管体に入射する超音波の入射角が、楔における縦波の音速と管体における縦波の音速とから決定される縦波の臨界角以上であり、かつ、楔における縦波の音速と管体における横波の音速とから決定される横波の臨界角以下となるように、前記音波発生源を傾斜させて楔に固定することを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。
2. 管体の外側に設置した超音波トランスデューサから管体内部の被測定流体へ超音波を入射し、被測定流体中に存在する反射体により反射した超音波の周波数がドップラー効果により変化することを利用して被測定流体の流速分布を計測するクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計であって、縦波の超音波を発生する超音波トランスデューサの音波発生源と前記管体との間に音波伝搬性の楔を介在させてなるクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
   前記管体中を伝搬する超音波の縦波及び横波の音速が被測定流体における音速以上であるときに、管体から被測定流体に入射する超音波の入射角が、被測定流体における音速と管体における縦波の音速とから決定される縦波の臨界角以上であり、かつ、被測定流体における音速と管体における横波の音速とから決定される横波の臨界角以下となるように、前記音波発生源を傾斜させて楔に固定することを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。
3. 請求項１または２に記載したクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
   前記楔が、アクリル、エポキシ系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリフェニレンサルファイド等の音波伝搬性の樹脂からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載したクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
   前記管体が、鉄、鋼、タグタイル鋳鉄、鋳鉄、ステンレス、銅、鉛、アルミニウム、黄銅等の音波伝搬性の金属からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。
5. 請求項１〜３の何れか１項に記載したクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
   前記管体が、ポリ塩化ビニル、アクリル、ＦＲＰ、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、タールエポキシ、モルタル等の音波伝搬性の樹脂からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。
6. 請求項１，２，４または５に記載したクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計において、
   前記楔が、鉄、鋼、鋳鉄、ステンレス、銅、鉛、アルミニウム、黄銅等の音波伝搬性の金属からなることを特徴とするクランプオン型ドップラー式超音波流速分布計。

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