JP2005164571A - 超音波流量計及び超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 流路への超音波センサの取り付けが容易であり、流路の内径が小さくても流路の流量を高精度に測定可能な超音波流量計を提供すること。
【解決手段】 超音波センサは、半円板若しくは略円板に流路の外皮と密着する半円形状の切欠部を有し、流路の外皮に脱着可能に取り付けられるようにする。また、超音波センサの流路の長手方向の厚みを薄くして、検出分解能を向上させる。
流路の長手方向に所定の間隔を保って複数の前記超音波センサを取り付けて、超音波センサ間の超音波の伝播時間の差から流量を測定するようにする。
【選択図】 図７

Description

本発明は、超音波による流路内の液体の流量を測定する超音波流量計及び超音波センサに関し、特に流路への超音波センサの取り付けが容易であり、流路の内径が小さくても測定可能な超音波流量計及び超音波センサに関する。

従来、半導体製造装置、プラント内の装置等で流路内の液体の流量を計測する超音波流量計が用いられている。超音波流量計は、流路内の液体の上流、下流における超音波の伝達時間の差を測定して流量を測定するものである。以下に述べるように、超音波の伝播時間の差を利用した超音波流量計に関する様々な提案がなされている。

特許文献１には、測定管に２個の円環状の超音波振動子を測定管の外周面に密着するように所定の間隔で設けた超音波流量計が開示されており、測定管内部が流体で満たされているとき、振動子から発生する超音波は管壁を経て流体に伝えられ、一旦振動子の中心（直管の中心）位置に向かって伝播した後、直角に向きを変えて管と平行に前後両方向に伝播する旨開示されている。また、中空部分の径が流管の内径にほぼ等しい一対のリング状振動子を、音響的絶縁材を介して、リング状振動子の中心軸と流管の中心軸が一致するように適宜の間隔をおいて取り付けた超音波流量計が特許文献２に開示されている。また、所定の距離で管の厚み部分に内挿して配置した２個のリング形状をした圧電トランスジューサで、トランスジューサ間に流れる媒体の流量を測定する超音波流量計が特許文献３に開示されている。

以上説明した超音波流量計は、測定管に２個のリング状の超音波振動子を設置して、各超音波振動子を超音波の送信または受信に交互に切り替えて超音波の伝播時間を測定して管内の流量を算出するようにしている。リング状の超音波振動子を使用した超音波流量計は、微少流量を扱うような細い管の流量の測定に用いられている。

また、超音波振動子を内蔵した収納ケースを固定金具等により流路上の長さ方向に沿って固定して、他の収納ケースを所定の間隔で配置して超音波振動子同士が対向するように固定した（クランプオン方式）の超音波流量計が特許文献４に開示されている。

また、流体の流れの方向とその逆方向とに超音波を伝播させるためのトランスジューサの対を複数配置して、測線数を増やすことで流速分布の変化に対する測定値のばらつきを軽減したマルチパス方式の超音波流量計が特許文献５に開示されている。

更に、測定用管体に間隔をあけて測定部を設けて、測定部は、管体の周方向へ沿う外周部の一部に、円弧状の振動子が接着剤によって固定された超音波流量計が特許文献６に開示されている。

特開平１０−１２２９２３（第２頁及び第３頁） 特開昭６１−１３２８２３ ＵＳＰ５５９４１８１ ＵＳＰ３９８７６９４ 特開２００１−７４５２７ 特開２００２−２２１４４０

近年、半導体製造工程では、プロセスの微細化、製造コストの削減、環境問題の対策等に、高価な薬液を微少量で使用することが多くなり、口径が小さい流路の薬液流量をより正確に管理する要求が高まっている。

しかしながら従来の超音波流量計及び超音波センサは、以下に述べる課題を有している。

リング状センサを用いた超音波流量計は、センサ間距離を大きく設計することができ、微小な流量まで高精度に計ることができる。しかしながら、リング状センサは、流路に取り付けるために流路の配管を一度取り外す必要があり、流路の配管を取り外すことのできない装置には使用することができなかった（問題点１）。

また、クランプオン方式では、図１０（ａ）に示す超音波センサ２０の配置状態から、図１０（ｂ）に示すように流路５の口径が小さくなる場合には、超音波センサ２０間の距離（Ｌ）も短くなり、液体の流れによって生じる超音波の伝播時間の差が微小となり、このため高い測定精度を得ることが困難となっている（問題点２）。

また、マルチパス方式の超音波流量計は、測線数を増やすことで流速分布の変化に対する誤差や測定値のばらつきを低減するようにしたものであるが、口径の小さい流路では複数の超音波センサを配置して多側線を実現することは困難であった（問題点３）。

また、図１１（ｂ）に示すように、（ｂ）に示す円弧状の超音波振動子２１が接着剤によって固定された超音波流量計は、超音波センサ２１間の距離Ｌを長くすることができ、また、クランプオンも可能であるが、流路５の長手方向（液体の流れる方向）における振動子の寸法ｔｏが長いため、流路に沿う方向の検出分解能（ｔｏ／Ｌ）が低下して、十分な測定精度が得られないという問題がある（問題点４）。これは超音波センサ間の距離に対する送受信センサの寸法の比率が大きいため、超音波センサの検出分解能が低下するためである。

また、流路の長手方向の振動子の寸法が長い超音波センサは、流路に沿う方向に伝播する超音波の送受信感度が悪いという問題がある（問題点５）。これは、流路の長手方向の振動子の寸法が長い場合には、音源の面積が大きくなり、超音波の指向性が鋭くなり、液体中の超音波の伝達効率が悪くなり、送受信感度が低下してしまうためである。

そこで本発明は、上記の問題点１から５を解決するためになされたものであり、目的とするところは流路への超音波センサの取り付けが容易であり、また、流路の内径が小さくても流量を高精度に測定可能な超音波流量計及び超音波センサを提供することである。

本発明による超音波流量計は、流路の長手方向に所定の間隔を保って設けられた超音波センサを有し、超音波センサ間の超音波の伝播時間の差から流量を測定する超音波流量計であって、前記超音波センサは、流路の長手方向の厚みが薄状に構成された半円板の振動子に流路の外皮と密着する半円形状の切欠部を設けて、流路の外皮に脱着可能に取り付け可能な構成にし、少なくとも一の超音波センサから放射された超音波は、球面波として流路内の全ての方向に対して伝播し、流路内の上下流方向に直接伝播した超音波が他の少なくとも一の超音波センサにより信号として検出されることを特徴とするものである。

また、本発明による超音波流量計は、流路の長手方向に所定の間隔を保って設けられた超音波センサを有し、超音波センサ間の超音波の伝播時間の差から流量を測定する超音波流量計であって、前記超音波センサは、流路の長手方向の厚みが薄状に構成された略円板の振動子に流路の中心位置と略円板の中心位置がほぼ一致するように切欠部を設けて、流路の外皮に脱着可能に取り付け可能な構成にし、少なくとも一の超音波センサから放射された超音波は、球面波として流路内の全ての方向に対して伝播し、流路内の上下流方向に直接伝播した超音波が他の少なくとも一の超音波センサにより信号として検出されることを特徴とするものである。

また、本発明による超音波流量計の前記超音波センサの流路の長手方向の厚みｔは、超音波センサ間の距離Ｌに対して、（ｔ／Ｌ）が超音波センサの検出分解能の基準値以下になるように形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明による超音波流量計の前記超音波センサは、流路の長手方向に所定の間隔で少なくとも２個以上設けられていることを特徴とするものである。

また、本発明による超音波流量計の前記超音波センサは、半円板若しくは略円板の切欠部が流路の外皮の半円部と密着するように接着剤で固定するようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明による超音波流量計の前記超音波センサは、半円板若しくは略円板の切欠部が流路の外皮の半円部と密着するように弾性手段を有する固定金具で固定するようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明による超音波センサは、流路の長手方向の厚みが薄状に構成された半円板の振動子に流路の外皮と密着する半円形状の切欠部を設けて、流路の外皮に脱着可能に取り付け可能な構成にしたことを特徴とするものである。

また、本発明による超音波センサは、流路の長手方向の厚みが薄状に構成された略円板の振動子に流路の中心位置と略円板の中心位置がほぼ一致するように切欠部を設けて、流路の外皮に脱着可能に取り付け可能な構成にしたことを特徴とするものである。

また、本発明による前記超音波センサの流路の長手方向の厚みｔは、超音波センサ間の距離Ｌに対して、（ｔ／Ｌ）が超音波センサの検出分解能の基準値以下になるように形成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、超音波センサに切欠部を設けることにより、流路の配管を取り外すことなく、超音波センサを流路に接着剤で固定したり、ワンタッチ方式の取付金具で流路に取り付けが行えるため、流量測定の適用範囲を広げることができる。

また、従来のリング形状の超音波センサと同様に、センサ間距離を長くして流路に取り付けることができるため、流路の径が小さい場合でも高精度で流量の測定を行うことができる。

また、流路上にセンサを２個以上配置することにより、センサ対の複数の測定の組み合わせが可能となるため、層流から乱流への流れの遷移や脈動流などに対しても高精度計測を実現できる。

また、切欠部を有する半円板若しくは略円板からなる超音波センサの厚みを薄くすることにより、超音波センサの検出分解能を上げることができるため、検出分解能に起因する誤差を減らすことができる。

また、超音波センサの半円板若しくは略円板の厚みを薄くして、外径を大きくすることにより、超音波センサの共振周波数を低くすることができる。これにより超音波振動の減衰を抑えることができ、また、ノイズ等の影響を減らすことができるため高精度で流量の測定が行える。

以下図面を参照して、本発明による超音波流量計及び超音波センサの実施の形態について説明する。なお、本発明による超音波流量計は、流路へのセンサの取り付けが容易であり、また、流路の内径が微少であっても流量を精度良く測定することができるようにしたものである。

図１（ａ）および（ｂ）は、半円板に切欠部を設けた超音波センサの形状を示す正面図および底面図、図２（ａ）および（ｂ）は、略円板に切欠部を設けた超音波センサの形状を示す正面図および底面図、図３は、図１及び図２に係る超音波センサを接着剤で流路に固定した状態を示す図、図４（ａ）および（ｂ）は、超音波センサを固定金具で流路に固定した状態を示す正面図および側面図、図５は、超音波センサを接着剤で流路に固定した状態を示す斜視図、図６は、超音波の伝播を示す音圧分布のセルラオートマトン（ＣＡ）法による３次元計算結果であり、（ａ）は、図５のＡ断面における計算結果、（ｂ）は、図５のＢ断面における計算結果であり、図１１（ｂ）は、超音波流量計の超音波センサの厚さと超音波センサの取り付け間隔との関係を示す図である。

図１（ａ）に示すように、超音波振動子からなるセンサとしての超音波センサ１は、流路５の長手方向の厚みが薄状に構成され、外径Ｒｂからなる半円板に内径Ｒａの半円形状の空間を形成する切欠部２を有している。また、図１（ｂ）に示すように、半円板の厚さはｔの寸法で形成されている。超音波センサ１の切欠部２は、超音波センサ１を流路５（図３，図４に図示）に取り付けるためのものであり、超音波センサ１の内径の表面と流路５の外皮とが接触するようになっている。また、超音波センサ１の流路５の長手方向（液体の流れる方向）の厚みｔは、超音波センサ間の距離Ｌ（図１１に示す）に対して、（ｔ／Ｌ）が超音波センサの検出分解能の基準値ｓ以下になるように形成されている。即ち、（ｔ／Ｌ）≦ｓとなるように寸法を規定している。なお、基準値ｓは、流量の測定に必要な精度を得るために、超音波センサに要求される検出分解能である。

なお、図１および図２に示す切欠部２は、流路５の外皮に超音波センサ１を脱着可能に取り付けるためのものである。

図１に示す超音波センサ１は、半円板に半円形状の切欠部２を有するようになっているが、図２（ａ）に示す超音波センサ１は、外径がＲｄからなる略円板に流路５（図３（ｂ）に示す）の中心位置と略円板の中心位置がほぼ一致するように、略円板に径Ｒｃの半円形状と半円の直径２Ｒｃの大きさで略円板の外径まで垂直に切り欠いた切欠部２を設けるようにしたものである。また、図２（ｂ）に示すように、切欠部２を有する略円板の厚さはｔの寸法で形成されている。

図１および図２に示す超音波センサ１は、ＰＺＴ（チタン酸ジリコン酸鉛）セラミックス等の圧電素材からなる。超音波センサ１には、振動子に電圧を印加したり、振動子に発生した電圧をピックアップするための、電極（図示せず）が設けられている。振動子の電極にリード線を接続して、外部より電圧の印加または電圧の検出が行えるようになっている。超音波センサ１は、１００ＫＨｚから１ＭＨｚの周波数の電圧で駆動されるようになっている。

なお、超音波センサ１の切欠部２の切り欠きの範囲は、図１に示す半円形状から図２に示す略円板の一部を切り欠いた形状までとする。この範囲内の切欠部２であれば、測定精度に影響を与えない。

図３は、超音波センサ１を流路５に取り付けた状態を示す図であり、図３（ａ）は、半円板に切欠部２を設けた超音波センサ１を接着剤４で流路５に固定した状態を示し、図３（ｂ）は、略円板に切欠部２を設けた超音波センサ１を接着剤４で流路５に固定した状態を示す図である。図３に示すように、超音波センサ１は、流路５の外周の半分が超音波センサ１の内径に密着するように取り付けられており、超音波センサ１は、流路５の外周と接着剤４を介して固定されている。流路５の外周と接触している超音波センサ１の半円の内径部分から、接着剤４を介して超音波振動が伝達される。

図３に示した固定方法は、超音波センサ１を接着剤４を用いて流路５に固定した例であるが、取付金具を使用して超音波センサ１を流路５に固定する場合について述べる。

図４は、略円板に切欠部２を設けた超音波センサ１を取付金具３で流路５に固定した状態を示す図である。図４に示すように、取付金具３は、上限ストッパー３ｂ、下限ストッパー３ｃ、バネ３ａで構成されている。上限ストッパー３ｂは、図４（ｂ）に示すようにコの字型の形状であり、上部に弾性手段としてのバネ３ａが取り付けられており、バネ３ａの他端には下限ストッパー３ｃの上部が接触するようになっている。また、上限ストッパー３ｂの下部には、超音波センサ１が接触しないように、切り欠きが設けられている。下限ストッパー３ｃは、コの字型の形状であり、上部の部分は超音波センサ１の外周の一部と接触するように円弧状の切り込みが設けられている。また、下限ストッパー３ｃの中間部は、上限ストッパー３ｂの下部に貫通しており、下限ストッパー３ｃが上下に移動できるようになっている。上限ストッパー３ｂと下限ストッパー３ｃは、バネ３ａを介して結合されている。超音波センサ１と接触する下限ストッパー３ｃおよび上限ストッパー３ｂは、超音波センサ１からの振動を吸収して他の部位に伝達しないように、プラスチック等で構成されている。

取付金具３で超音波センサ１を流路５に取り付ける場合には、流路５上の所定の位置に超音波センサ１の切欠部２の半円部分を流路５の外皮に接触させ、下限ストッパー３ｃを押し上げながら超音波センサ１を挟み込むように取付金具３をスライドさせて、下限ストッパー３ｃの上部の切り込み部分に超音波センサ１の外周の一部と接触するようにする。これにより、上部ストッパー３ｂの下部が流路５に接触し、超音波センサ１は上部からのバネ圧により押さえ込まれることにより、流路５の外皮と超音波センサ１とが常に密着固定される。取付金具３を使用することにより、接着剤４を使用することなしに、ワンタッチで超音波センサ１を流路５に取り付けすることができる。

なお、図４は、略円板に切欠部２を設けた超音波センサ１を取付金具３で流路５に固定した例を示したが、半円板に切欠部２を設けた超音波センサ１についても取付金具３を用いて流路５に固定することが可能である。

また、超音波センサ１は、接着剤４若しくは取付金具３を使用して少なくとも２個以上を流路５の外周に所定の間隔で取り付けるようにする。

超音波センサ１から放射された超音波の波動について述べるに、一般に超音波の音源は微小な点音源の集まりと考えることができ、各々の点音源が振動してそれらの波が重ね合わさって波面を形成している。本発明の超音波流量計の超音波センサ１についても同様に考えることができる。すなわち、流路５と超音波センサ１の切欠部２の接触部が音源であり、その音源が超音波センサ１の半径方向に振動すると、その振動によって生じた波は球面波となって流路５内の流体中を伝播する。超音波センサ１からの振動波は、球面波として伝播することから超音波センサ１の半径方向に伝播する波から流路５内の上下流に伝播していく波まで、流路５内の全ての方向に対して超音波が伝播する。超音波は、複数の超音波が衝突した場合においても、互いに影響を与えず、方向、振幅、波長が変化しないという性質を有するものであって（波の独立性）、一旦流路５の中心位置に向かって伝播した後、直角に向きを変えて流路５と平行に上下流方向に伝播するものではなく、送信用の超音波センサ１から球面波として放射された超音波の中で、流路５内の上下流方向に直接伝播した超音波が受信用の超音波センサ１により信号として検出される。従って、超音波センサ１に切欠きがあっても音波を上下流に伝播させることができる。図５及び図６に超音波の伝播を示す音圧分布のセルラオートマトン（ＣＡ）法による３次元計算結果を示す。図５は、超音波センサを接着剤で流路に固定した状態を示す斜視図、図６の（ａ）は、図５のＡ断面における計算結果、（ｂ）は、図ＰのＢ断面における計算結果であり、流路５と超音波センサ１との接触部を音源面と考え微小分割して計算を行ったものである。図６（ａ）及び（ｂ）において、流路に係る管の外径は３ｍｍ、内径は２ｍｍ、流路内の液体の流速は、１５００ｍ／ｓ、超音波の周波数は１００ｋＨｚで計測を行った。送信用の超音波センサ１から放射された超音波は球面波となって、周囲に広がり流路５の上下方向に伝播していく点が明らかである。

次に、超音波センサ１を駆動して流量を測定する超音波流量計について説明する。

図７は、超音波流量計の制御部７のブロック図であり、複数の超音波センサ１を制御する制御部７を示す図である。図７に示すように、制御部７は、超音波の送信および超音波の受信を行う超音波センサ１ａ、１ｂ、１ｃの選択を行う測定系スイッチング回路７ａと、選択された超音波センサ１の振動子にパルス状の駆動信号を発生するパルス発生回路７ｂと、選択された超音波センサ１からの信号を受信する受信回路７ｃと、受信回路７ｃから出力される信号をデジタルデータに変換するＡＤコンバータ７ｄと、超音波のセンサの送信および受信の制御、受信したデジタルデータより流量の演算等を行うコンピュータ７ｆと、測定した流量等を表示する表示部７ｇとから構成されている。

次に、図７に示す制御部７による流量の算出に必要な遅延時間の測定について、図８および図９に示すフローチャートを用いて説明する。

図８に示すように、最初にコンピュータ７ｆは、測定系スイッチング回路７ａに、超音波の送信と受信を行う超音波センサ１を選択するための、センサ選択信号を出力する（ステップＳ１）。次に、コンピュータ７ｆは、選択した超音波センサ１が超音波を送信するためのパルス起動信号をパルス発生回路７ｂに出力する（ステップＳ２）。また、パルス発生回路７ｂへのパルス起動信号を出力後、コンピュータ７ｆに内蔵させているタイマーを起動して、計時を行うようにする（ステップＳ３）。パルス発生回路７ｂから出力されたパルス状の駆動信号は、測定系スイッチング回路７ａから送信用の超音波センサ１に印加される。また、タイマーは、設定された時間経過直後に、コンピュータ７ｆのＣＰＵに信号で通知するようになっている。

受信用の超音波センサ１からの信号は、測定系スイッチング回路７ａを経由して受信回路７ｃに入力される。受信回路７ｃは信号の増幅、ノイズ処理等を行ってＡＤコンバータ７ｄに出力される。ＡＤコンバータ７ｄは、受信回路７ｃからのアナログ信号をデジタルデータに変換してコンピュータ７ｆの入出力回路に出力する。

コンピュータ７ｆは、入出力回路に接続されたＡＤコンバータ７ｄのデジタルデータを読み出して、メモリへデジタルデータを記憶する（ステップＳ４）。コンピュータ７ｆは、ＡＤコンバータ７ｄのデジタルデータを所定の時間間隔で読み出して、メモリのアドレスをインクリメントして、メモリ上に連続して記憶していく。この動作は、タイマーからのタイムアップの信号入力があるまで続けられる（ステップＳ５）。

コンピュータ７ｆはタイマーからのタイムアップの信号入力後に、ＡＤコンバータ７ｄのデジタルデータを記憶した最初のアドレスからデータを順次読み出して、前もって設定されている基準値と比較して、基準値を超えるデータのメモリのアドレスを算出して、遅延時間を算出する。ＡＤコンバータ７ｄのデジタルデータは、メモリのアドレスに所定の時間間隔で書き込まれているため、データ書き込み開始アドレスからのアドレスのオフセット値を算出して、書き込みの時間間隔を乗算することにより、遅延時間が算出される（ステップＳ６）。

次に、図７に示す３個の超音波センサ１ａ、１ｂ、１ｃが流路５の外周に設置されている場合における流量の測定について図９に示すフローチャートを用いて説明する。

最初に、コンピュータ７ｆは、測定計スイッチング回路に送信用超音波センサとして１ａを、受信用超音波センサを１ｂを選択するように信号を出力する（ステップＳ１０）。次に図８に示すフローチャートの遅延時間算出処理を行って、遅延時間を算出する（ステップＳ１１）。算出した遅延時間をｔａｂとしてメモリに記憶する（ステップＳ１２）。

次に、コンピュータ７ｆは、測定計スイッチング回路に送信用超音波センサとして１ｂを、受信用超音波センサを１ａを選択するように信号を出力する（ステップＳ１３）。次に図８に示すフローチャートの遅延時間算出処理を行って、遅延時間を算出する（ステップＳ１４）。算出した遅延時間をｔｂａとしてメモリに記憶する（ステップＳ１５）。遅延時間ｔａｂ，ｔｂａより流速を算出して、流速より流量Ｌａｂを求める。

以下同様に超音波センサ１ａ、１ｃおよび１ｂ、１ｃの組み合わせによりそれぞれの流量ＬａｃおよびＬｂｃを求め、Ｌａｂ，Ｌａｃ，Ｌｂｃより平均値を算出して流量Ｌを求めるようにする。これにより１対の超音波センサ１で算出する流量よりも高精度化が計られる。複数の超音波センサ１の組み合わせにより流量を測定することにより、脈流等の影響による測定誤差を減らすことができる。

以上述べたように、本発明による超音波流量計は、超音波センサ１に切欠部２を設けることにより、流路５の配管を取り外すことなく、超音波センサ１を流路５に接着剤４で固定したり、ワンタッチ方式の取付金具で取り付けが行えるため、流量測定の適用範囲を広げることができる。

また、従来のリング形状の超音波センサと同じく、センサ間距離を長くして流路５に取り付けることができるため、流量の測定を高精度で行うことができる。

また、流路５上に超音波センサ１を２個以上配置することにより、センサ対の複数の測定の組み合わせが可能となるため、層流から乱流への流れの遷移や脈動流などに対しても高精度計測を実現できる。

また、図１１（ａ）に示すように超音波センサ１の厚さｔを薄くして、外径Ｄを大きくすることにより、検出分解能を高めつつ、共振周波数を低く保つことが可能となっている。共振周波数を低く保つことによって超音波振動の減衰を抑えることができ、高精度を実現することができる。

また、超音波センサ１の検出分解能の基準値ｓを１／１００とすると、図１１（ａ）に示す超音波センサ１の厚さｔをセンサ間距離Ｌに対して（ｔ／Ｌ）を１／１００以下となるようにすれば、検出分解能に起因する誤差を１／１００以下に抑えることができる。

なお、図１１（ｂ）は、従来の超音波センサ２１の厚みｔｏとセンサ間距離Ｌを示したものである。従来の超音波センサ２１の流路５の長手方向（液体の流れる方向）の厚みｔｏが大きいため、超音波センサ２１の検出分解能が低下していた。

また、従来のリング状センサを用いたの超音波流量計は、リングセンサの全周方向から中心点に収束した音波が垂直に屈折することによって上下流に音波を伝播させているが、本発明による超音波流量計は、超音波センサの流路方向の厚みを薄くできるため、検出分解能が向上するとともに、超音波センサからの超音波の指向性が広くなり、超音波が流路に沿う方向に直接伝播するため、超音波の送受信感度が高くなり、ノイズ等の影響を減らすことができるため高精度で流量の測定が可能となる。

以上の構成からなる超音波流量計において、流路の内径が０．５ｍｍでの流量の測定および流量を算出するための最小の流速０．１ｍ／ｓまでの測定を行い、本発明による超音波流量計の有効性を確認した。

（ａ）は半円板に切欠部を設けた超音波センサの形状を示す正面図（ｂ）は、超音波センサの底面図である （ａ）は、略円板に切欠部を設けた超音波センサの形状を示す正面図（ｂ）は、超音波センサの底面図である。 （ａ）は、半円板に切欠部を設けた超音波センサを接着剤で流路に固定した状態を示す図であり、（ｂ）は、略円板に切欠部を設けた超音波センサを接着剤で流路に固定した状態を示す図である。 （ａ）は、超音波センサを固定金具で流路に固定した状態を示す正面図、（ｂ）は側面図である。 は、超音波センサを接着剤で流路に固定した状態を示す斜視図である。 は、超音波の伝播を示す音圧分布のセルラオートマトン（ＣＡ）法による３次元計算結果であり、（ａ）は、図５のＡ断面における計算結果、（ｂ）は、図５のＢ断面における計算結果である。 超音波流量計の制御部のブロック図を示す。 制御部による流量の算出に必要な遅延時間の測定に関するフローチャートである。 ３個の超音波センサが流路の外周に設置されている場合における流量の測定に関するフローチャートである。 （ａ）は、従来の超音波流量計のクランプオン方式における超音波センサの配置状態での超音波センサ間の距離Ｌを示し、（ｂ）は、流路口径が小さくなった場合の超音波センサの配置状態での超音波センサ間の距離Ｌを示す図である。 （ａ）は、本発明による超音波流量計の超音波センサの厚さと超音波センサの取り付け間隔との関係を示す図であり、（ｂ）は、従来の超音波流量計の超音波センサの厚さと超音波センサの取り付け間隔との関係を示す図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ 超音波センサ
２ 切欠部
３ 取付金具
３ａ バネ
３ｂ 上限ストッパー
３ｃ 下限ストッパー
４ 接着剤
５ 流路
７ 制御部
７ａ 測定系スイッチング回路
７ｂ パルス発生回路
７ｃ 受信回路
７ｄ ＡＤコンバータ
７ｆ コンピュータ
７ｇ 表示部
１０ ケーブル
２０、２１ 従来の超音波センサ

Claims (9)

1. 流路の長手方向に所定の間隔を保って設けられた超音波センサを有し、超音波センサ間の超音波の伝播時間の差から流量を測定する超音波流量計であって、
   前記超音波センサは、流路の長手方向の厚みが薄状に構成された半円板の振動子に流路の外皮と密着する半円形状の切欠部を設けて、流路の外皮に脱着可能に取り付け可能な構成にし、
   少なくとも一の超音波センサから放射された超音波は、球面波として流路内の全ての方向に対して伝播し、流路内の上下流方向に直接伝播した超音波が他の少なくとも一の超音波センサにより信号として検出されること
   を特徴とする超音波流量計。
2. 流路の長手方向に所定の間隔を保って設けられた超音波センサを有し、超音波センサ間の超音波の伝播時間の差から流量を測定する超音波流量計であって、
   前記超音波センサは、流路の長手方向の厚みが薄状に構成された略円板の振動子に流路の中心位置と略円板の中心位置がほぼ一致するように切欠部を設けて、流路の外皮に脱着可能に取り付け可能な構成にし、
   少なくとも一の超音波センサから放射された超音波は、球面波として流路内の全ての方向に対して伝播し、流路内の上下流方向に直接伝播した超音波が他の少なくとも一の超音波センサにより信号として検出されること
   を特徴とする超音波流量計。
3. 前記超音波センサの流路の長手方向の厚みｔは、超音波センサ間の距離Ｌに対して、（ｔ／Ｌ）が超音波センサの検出分解能の基準値以下になるように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波流量計。
4. 前記超音波センサは、流路の長手方向に所定の間隔で少なくとも２個以上設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波流量計。
5. 前記超音波センサは、前記切欠部が流路の外皮の半円部と密着するように接着剤で固定するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波流量計。
6. 前記超音波センサは、前記切欠部が流路の外皮の半円部と密着するように弾性手段を有する固定金具で固定するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波流量計。
7. 流路の長手方向の厚みが薄状に構成された半円板の振動子に流路の外皮と密着する半円形状の切欠部を設けて、流路の外皮に脱着可能に取り付け可能な構成にしたこと
   を特徴とする超音波センサ。
8. 流路の長手方向の厚みが薄状に構成された略円板の振動子に流路の中心位置と略円板の中心位置がほぼ一致するように切欠部を設けて、流路の外皮に脱着可能に取り付け可能な構成にしたこと
   を特徴とする超音波センサ。
9. 前記超音波センサの流路の長手方向の厚みｔは、超音波センサ間の距離Ｌに対して、（ｔ／Ｌ）が超音波センサの検出分解能の基準値以下になるように形成されていることを特徴とする請求項７または請求項８記載の超音波センサ。