JP2008014833A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】流路内の流速分布が均一でなくても正確に流量を計測できる超音波流量計を提供する。
【解決手段】被計測流体が流れる流路１と、流路の上流側に配置された第１超音波振動子１１と、第１超音波振動子から球面波として送出される超音波を平面波に変換して流路の上流側開口面に導くとともに、該上流側開口面から平面波として送出される超音波を球面波に変換して第１超音波振動子に導く第１音響レンズ１２と、流路の下流側に配置された第２超音波振動子２１と、第２超音波振動子から球面波として送出される超音波を平面波に変換して流路の下流側開口面に導くとともに、該下流側開口面から平面波として送出される超音波を球面波に変換して第２超音波振動子に導く第２音響レンズ２２を備え、第１超音波振動子と第２超音波振動子との間で送受される超音波の伝播時間に基づいて流路に流れる被計測流体の流量を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を用いて流量を計測する超音波流量計に関し、特に流路を流れる流体の流速分布の影響を小さくする技術に関する。

従来、流体の流路の上流側と下流側に一定の距離をおいて一対の超音波振動子を設け、その間で相互に超音波信号の送信および受信を繰り返して行ない、上流側から下流側への超音波信号の伝播積算時間と、下流側から上流側への伝播積算時間との差に基づいて流量を求める超音波流量計が知られている。

図２１（ａ）は、このような従来の超音波流量計の１つである超音波ガスメータの構造を概略的に示す斜視図である。この超音波ガスメータは、ガス入口ケース１０、ガス出口ケース２０および流路１を有して構成されている。流路１は、ガス入口ケース１０の内部とガス出口ケース２０の内部とが連通されるように配置されている。ガス入口ケース１０の内部には第１超音波振動子１１が設けられており、ガス出口ケース２０の内部には第２超音波振動子２１が設けられている。

第１超音波振動子１１および第２超音波振動子２１は、図２１（ｂ）の平面図に示すように、これらによって送受信される超音波が流路１の内部を斜めに横切るように配置されている。これにより、超音波が通る範囲（計測範囲）が流路１を横断するように形成されるので、流路１の内部におけるガスの流速が偏っても、平均的な流速下での超音波の伝播時間を計測することができ、計測精度を向上させることができる。

このような超音波ガスメータにおいては、例えば、図２１（ｂ）に示す例において、領域Ａにおける流速と領域Ｂにおける流速が同じであり、且つ領域Ｃにおける流速と領域Ｄにおける流速が同じであり、且つ領域Ｅにおける流速と領域Ｆにおける流速が同じであれば、正確な計測結果が得られる。しかしながら、流路１における流れの乱れや渦の発生に起因して各領域の流速が異なる場合は、計測結果に誤差が生じるという問題があった。

そこで、流路に流れ規制板を設置して乱流を起こさせ、これにより、超音波が通る計測流路内のガスの流速を均一にして計測精度を向上する流量計測装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。この流量計測装置では、被測定流体が流れる計測流路の上流側および下流側に位置する超音波送受信器を開口穴に配置し、さらに、これら上、下流側の超音波送受信器間の超音波伝搬路に沿うとともに、流れの中に露出する規制部を有する伝搬路流れ規制体が設けられている。この構成により、伝搬路流れ規制体の規制部により流れの乱流促進が行われて、超音波伝搬路の幅方向全域にわたり流れ状態が均等に乱流化される。
特開２００４−１０１５４３号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術では、流れ規制体により流速の均一化を狙っているものの、流体が完全に均一の速度で流れることはない。したがって、超音波が伝播する部分の流速の平均値を計測することになり、計測結果に誤差が生じるという問題は残されている。

そこで、本発明は、流路内の流速分布が均一でなくても正確に流量を計測できる超音波流量計を提供することにある。

上述した課題を達成するために、本発明は、被計測流体が流れる流路と、流路の上流側に配置された第１超音波振動子と、第１超音波振動子から球面波として送出される超音波を平面波に変換して流路の上流側開口面に導くとともに、該上流側開口面から平面波として送出される超音波を球面波に変換して第１超音波振動子に導く第１音響レンズと、流路の下流側に配置された第２超音波振動子と、第２超音波振動子から球面波として送出される超音波を平面波に変換して流路の下流側開口面に導くとともに、該下流側開口面から平面波として送出される超音波を球面波に変換して第２超音波振動子に導く第２音響レンズを備え、第１超音波振動子と第２超音波振動子との間で送受される超音波の伝播時間に基づいて流路に流れる被計測流体の流量を算出することを特徴とする。

本発明によれば、流路内を伝播される超音波は平面波であるので、経路の内部の流速分布の影響を受けにくくなり、ガスの流速を正確に計測することができる。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では、超音波流量計の１つとして、超音波ガスメータについて説明する。また、背景技術の欄で説明した超音波ガスメータと同一の構成部分には同一の符号を付して説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施例１に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す斜視図である。この超音波流量計は、ガス入口ケース１０、ガス出口ケース２０および流路１を有して構成されている。流路１は、切断面が矩形状の管によって構成されており、ガス入口ケース１０の内部とガス出口ケース２０の内部とが連通されるように配置されている。

ガス入口ケース１０の内部には、第１超音波振動子１１が設けられており、その超音波の送受波面にホーン状に形成された第１ビーム拡大音響レンズ１２が取り付けられている。第１ビーム拡大音響レンズ１２は、本発明の第１音響レンズに対応する。ガス出口ケース２０の内部には、第２超音波振動子２１が設けられており、その超音波の送受波面にホーン状に形成された第２ビーム拡大音響レンズ２２が取り付けられている。第２ビーム拡大音響レンズ２２は、本発明の第２音響レンズに対応する。

第１超音波振動子１１は、図１（ｂ）の平面図に示すように、取り付けられた第１ビーム拡大音響レンズ１２の開口面が、流路１のガス入口ケース１０側の開口面（以下、「上流側開口面」という）に対向する位置に配置されている。第２超音波振動子２１は、取り付けられた第２ビーム拡大音響レンズ２２の開口面が、流路１のガス出口ケース２０側の開口面（以下、「下流側開口面」という）に対向する位置に配置されている。したがって、第１超音波振動子１１と第２超音波振動子２１とは、流路１の中心軸上に対向して配置されている。

第１ビーム拡大音響レンズ１２および第２ビーム拡大音響レンズ２２（以下は、特に区別する必要がない場合は「音響レンズ」と総称する）は、整合層を有し、例えば、微細な空孔を有するマイクロバルーンとエポキシ樹脂等とを混合させたコンポジット材から構成することができる。音響レンズは、光学レンズのように、入射された超音波を拡散または収束させる。

すなわち、第１ビーム拡大音響レンズ１２は、第１超音波振動子１１から球面波として送出される超音波を平面波に変換して流路１の上流側開口面に導くとともに、この上流側開口面から平面波として送出される超音波を球面波に変換して第１超音波振動子１１に導く。同様に、第２ビーム拡大音響レンズ２２は、第２超音波振動子２１から球面波として送出される超音波を平面波に変換して流路１の下流側開口面に導くとともに、この下流側開口面から平面波として送出される超音波を球面波に変換して第２超音波振動子２１に導く。

図２は、音響レンズの構成を示す平面図である。音響レンズから送出された超音波が位置ｐ（流路１の開口面）で平面波になるためには、位置ｐにおいて超音波の位相が同一であればよい。いま、空気中の音速をＣａ、音響レンズ中の音速をＣｂとする。また、経路Ｌｂ１およびＬａ１を通って位置ｐに達する音波の伝播時間をｔ１、経路Ｌｂ２およびＬａ２を通って位置ｐに達する音波の伝播時間ｔ２とすると、
ｔ１＝Ｌｂ１／Ｃｂ＋Ｌａ１／Ｃａ
ｔ２＝Ｌｂ２／Ｃｂ＋Ｌａ２／Ｃａ
となる。音響レンズは、ｔ１＝ｔ２となるように、その材質の種類および外形が決定されて作製される。

図３は、音響レンズの構成の一例を示す平面図である。図３に示す例では、超音波振動子（センサ）の直径をＤとし、センサの先端から位置ｐ（流路１の開口面）までのｘ方向の整合層（音響レンズの本体）の長さをＬとし、空気中の音速をＣａ、音響レンズ中の音速をＣｂとする。また、経路ＬｂおよびＬａを通って位置ｐに達する音波の伝播時間をｔとする。

図４はセンサ直径と整合層の長さと材質ｂとを設定したとき材質ｂの電波時間及び空気の伝搬時間の合計の伝搬時間が略等しくなる様に、経路Ｌｂの値と経路Ｌａの値とを変化させた様子を示す図である。即ち、材質ｂと空気との境界面は、超音波の伝搬時間（通過時間）が該超音波の通過位置に拘わらず一定になるような形状を有するようにする。

図４では、センサ直径Ｄを６ｍｍとし、整合層の長さＬを１０ｍｍとし、材質ｂはナイロンからなり、ナイロンの音速Ｃｂは２６２０ｍ／ｓであり、空気の音速Ｃａは３３１ｍ／ｓである。また、経路Ｌｂの始点座標はｘが０で、ｙが０~３ｍｍである。経路Ｌａの始点座標と経路Ｌｂの終点座標とは一致し、ｙが０~２０ｍｍである。経路Ｌａの終点座標はｘが１０ｍｍで、ｙが０~２０ｍｍである。

以上のように初期設定した場合に、材質ｂの電波時間及び空気の伝搬時間の合計の伝搬時間が各点において略等しくなる様に、経路Ｌｂの値と経路Ｌａの値とを変化させると、図４に示すような値となる。図５は図４に示すように経路Ｌｂの値と経路Ｌａの値とが変化したときに決定される整合層の形状を示す図である。

上記のように構成される超音波流量計において、ガスは、矢印で示すように、ガス入口ケース１０に設けられた入口からガス入口ケース１０に流入し、流路１を通ってガス出口ケース２０に流入し、このガス出口ケース２０に設けられた出口から流出する。

このような状態において、流量の計測は以下のようにして行われる。すなわち、第１超音波振動子１１の送受波面から球面波として出力された超音波は、第１ビーム拡大音響レンズ１２によって流路１の全領域を進むような広がりを有する平面波に変換されて流路１の上流側開口面に導かれる。そして、流路１を通過した超音波は、第２ビーム拡大音響レンズ２２によって球面波になるように変換され、第２超音波振動子２１の送受波面に入力される。

同様に、第２超音波振動子２１の送受波面から球面波として出力された超音波は、第２ビーム拡大音響レンズ２２によって流路１の全領域を進むような広がりを有する平面波に変換されて流路１の下流側開口面に導かれる。そして、流路１を通過した超音波は、第１ビーム拡大音響レンズ１２によって球面波になるように変換され、第１超音波振動子１１の送受波面に入力される。

以上のようにして、第１超音波振動子１１と第２超音波振動子２１との間で、流体の流れの順方向および逆方向に相互に超音波を送受信する動作が繰り返し行われ、各方向における超音波の伝播積算時間の差に基づき流量が算出される。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る超音波流量計によれば、第１超音波振動子１１と第２超音波振動子２１との間で送受される超音波を、流路１の全領域に広がりを有する平面波に変換して伝播時間を計測するように構成したので、流路１の内部の流速分布の影響を受けにくくなり、ガスの流速を正確に計測することができる。

本発明の実施例２に係る超音波流量計は、音響レンズを、超音波の伝播速度が異なる複数種類の材料から構成したものである。なお、以下では、実施例１と同一または相当する構成部分には実施例１と同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図６は、本発明の実施例２に係る超音波流量計で使用される音響レンズの構成を示す平面図である。この音響レンズは、第１超音波振動子１１または第２超音波振動子２１側となる部分が材質ｂ、流路１側となる部分が材質ｃによって構成されている。材質ｃの部分の流路１に対向する端面ｑは平面になっている。

音響レンズから送出された音波が音響レンズの端面ｑで平面波になるためには、端面ｑにおいて音波の位相が同一であればよい。いま、音響レンズ材質ｂ中の音速をＣｂ、音響レンズ材質ｃ中の音速をＣｃ（但し、Ｃｂ＞Ｃｃ）とする。また、経路Ｌｂ１およびＬｃ１を通って端面ｑに達する音波の伝播時間をｔ１、経路Ｌｂ２およびＬｃ２を通って端面ｑに達する音波の伝播時間ｔ２とすると、
ｔ１＝Ｌｂ１／Ｃｂ＋Ｌｃ１／Ｃｃ
ｔ２＝Ｌｂ２／Ｃｂ＋Ｌｃ２／Ｃｃ
となる。音響レンズは、ｔ１＝ｔ２となるように、その材質ｂおよび材質ｃの種類、外形および材質ｂと材質ｃの境界面の形状が決定されて作製される。

図７は本発明の実施例２に係る超音波流量計で使用される音響レンズの構成の一例を示す平面図である。図７に示す例では、超音波振動子（センサ）の直径をＤとし、センサの先端から位置ｐ（流路１の開口面）までのｘ方向の整合層（音響レンズの本体）の長さをＬとし、音響レンズ材質ｂ中の音速をＣｂ、音響レンズ材質ｃ中の音速をＣｃとする。また、経路ＬｂおよびＬｃを通って位置ｐに達する音波の伝播時間をｔとする。

図９は図７に示すセンサ直径と整合層の長さと材質ｂと材質ｃを設定したとき材質ｂの電波時間及び材質ｃの伝搬時間の合計の伝搬時間が略等しくなる様に、経路Ｌｂの値と経路Ｌｃの値とを変化させた様子を示す図である。即ち、材質ｂと材質ｃとの境界面は、超音波の伝搬時間（通過時間）が該超音波の通過位置に拘わらず一定になるような形状を有するようにする。

図９では、センサ直径Ｄを６ｍｍとし、整合層の長さＬを１８ｍｍとし、材質ｂはガラスからなり、ガラスの音速Ｃｂは５４４０ｍ／ｓであり、材質ｃはナイロンからなり、ナイロンの音速Ｃａは２６２０ｍ／ｓである。また、経路Ｌｂの始点座標はｘが０で、ｙが０~３ｍｍである。経路Ｌｃの始点座標と経路Ｌｂの終点座標とは一致し、ｙが０~２０ｍｍである。経路Ｌｃの終点座標はｘが１８ｍｍで、ｙが０~２０ｍｍである。

以上のように初期設定した場合に、材質ｂの電波時間及び材質ｃの伝搬時間の合計の伝搬時間が各点において略等しくなる様に、経路Ｌｂの値と経路Ｌｃの値とを変化させると、図９に示すような値となる。図８は経路Ｌｂの値と経路Ｌｃの値とが変化したときに決定される複数の材料からなる整合層の形状を示す図である。

以上説明したように、本発明の実施例２に係る超音波流量計によれば、音響レンズの流路１に対向する端面が平面になるように構成したので、ガスの流れが乱されることがない。したがって、実施例１に係る超音波流量計よりも、さらにガスの流速を正確に計測することができる。

本発明の実施例３に係る超音波流量計は、実施例１または実施例２における音響レンズをＬ字状に曲げて構成したものである。なお、以下では、実施例１と同一または相当する構成部分には実施例１と同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１０（ａ）は、本発明の実施例３に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す斜視図である。この超音波流量計は、第１ビーム拡大音響レンズ１２および第２ビーム拡大音響レンズ２２が略Ｌ字状に曲げられて構成されている。

なお、第１ビーム拡大音響レンズ１２および第２ビーム拡大音響レンズ２２を略Ｌ字状に曲げるのではなく、一般的には、第１ビーム拡大音響レンズ１２は、流路１の上流側開口面に対向する面と第１超音波振動子１１に対向する面とが所定の角度を有するように成型し、第２ビーム拡大音響レンズ２２は、流路１の下流側開口面に対向する面と第２超音波振動子２１に対向する面とが所定の角度を有するように成型して構成することができる。

上記の構成において、第１超音波振動子１１の送受波面から球面波として出力された超音波は、第１ビーム拡大音響レンズ１２の角で反射されて進行し、流路１の全領域を進むような広がりを有する平面波に変換されて流路１の上流側開口面に導かれる。そして、流路１を通過した超音波は、第２ビーム拡大音響レンズ２２によって球面波になるように変換され、第２超音波振動子２１の送受波面に入力される。

同様に、第２超音波振動子２１の送受波面から球面波として出力された超音波は、第２ビーム拡大音響レンズ２２の角で反射されて進行し、流路１の全領域を進むような広がりを有する平面波に変換されて流路１の下流側開口面に導かれる。そして、流路１を通過した超音波は、第１ビーム拡大音響レンズ１２によって球面波になるように変換され、第１超音波振動子１１の送受波面に入力される。

以上説明したように、本発明の実施例３に係る超音波流量計によれば、音響レンズを略Ｌ字状に曲げて構成したので、図１０（ｂ）に示すように、第１超音波振動子１１、第１ビーム拡大音響レンズ１２、流路１、第２ビーム拡大音響レンズ２２および第２超音波振動子２１から成る計測部３０の幅を短くすることができる。したがって、超音波流量計の全体を小型化できる。

本発明の実施例４に係る超音波流量計は、実施例１においける音響レンズの代わりに、音響放物面鏡を使用したものである。なお、以下では、実施例１と同一または相当する構成部分には実施例１と同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１１（ａ）は、本発明の実施例４に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す斜視図である。ガス入口ケース１０の内部には、第１超音波振動子１１および第１音響放物面鏡１３が設けられている。ガス出口ケース２０の内部には、第２超音波振動子２１および第２音響放物面鏡２３が設けられている。

第１超音波振動子１１は、第１音響放物面鏡１３の反射面と流路１の上流側開口面との間であって、第１音響放物面鏡１３の焦点に配置されている。同様に、第２超音波振動子２１は、第２音響放物面鏡２３の反射面と流路１の下流側開口面との間であって、第２音響放物面鏡２３の焦点に配置されている。第１超音波振動子１１と第２超音波振動子２１とは、流路１の中心軸上に対向して配置されている。

第１音響放物面鏡１３および第２音響放物面鏡２３（以下は、特に区別する必要がない場合は「音響放物面鏡」と総称する）は、例えば、銅やアルミといった金属から構成することができる。音響放物面鏡は、光学放物面鏡のように、入射された超音波を反射することにより拡散または収束させる。

すなわち、第１音響放物面鏡１３は、図１１（ｂ）の平面図に示すように、第１超音波振動子１１から球面波として送出される超音波を反射させることにより平面波に変換して流路１の上流側開口面に導くとともに、この上流側開口面から平面波として送出される超音波を反射させることにより球面波に変換して第１超音波振動子１１に導く。同様に、第２音響放物面鏡２３は、第２超音波振動子２１から球面波として送出される超音波を反射させることにより平面波に変換して流路１の下流側開口面に導くとともに、この下流側開口面から平面波として送出される超音波を反射させることにより球面波に変換して第２超音波振動子２１に導く。

図１２は、音響放物面鏡の構成を示す平面図である。音響放物面鏡で反射された超音波が位置ｐ（流路１の開口面）で平面波になるためには、位置ｐにおいて超音波の位相が同一であればよい。いま、空気中の音速をＣａとし、経路Ｌｂ１およびＬａ１を通って位置ｐに達する音波の伝播時間をｔ１、経路Ｌｂ２およびＬａ２を通って位置ｐに達する音波の伝播時間ｔ２とすると、
ｔ１＝Ｌｂ１／Ｃｂ＋Ｌａ１／Ｃａ
ｔ２＝Ｌｂ２／Ｃｂ＋Ｌａ２／Ｃａ
となる。音響放物面鏡は、ｔ１＝ｔ２となるように、形状が決定されて作製される。

上記のように構成される超音波流量計において、ガスは、矢印で示すように、ガス入口ケース１０に設けられた入口からガス入口ケース１０に流入し、流路１を通ってガス出口ケース２０に流入し、このガス出口ケース２０に設けられた出口から流出する。

このような状態において、流量の計測は以下のようにして行われる。すなわち、第１超音波振動子１１の送受波面から球面波として出力された超音波は、第１音響放物面鏡１３によって反射されることにより流路１の全領域を進むような広がりを有する平面波に変換されて流路１の上流側開口面に導かれる。そして、流路１を通過した超音波は、第２音響放物面鏡２３によって球面波になるように変換され、第２超音波振動子２１の送受波面に入力される。

同様に、第２超音波振動子２１の送受波面から球面波として出力された超音波は、第２音響放物面鏡２３によって反射されることにより流路１の全領域を進むような広がりを有する平面波に変換されて流路１の下流側開口面に導かれる。そして、流路１を通過した超音波は、第１音響放物面鏡１３によって球面波になるように変換され、第１超音波振動子１１の送受波面に入力される。

以上のようにして、第１超音波振動子１１と第２超音波振動子２１との間で、流体の流れの順方向および逆方向に相互に超音波を送受信する動作が繰り返し行われ、各方向における超音波の伝播時間の差に基づき流量が算出される。

以上説明したように、本発明の実施例４に係る超音波流量計によれば、第１超音波振動子１１と第２超音波振動子２１との間で送受される超音波を、音響放物面鏡によって流路１の全領域に広がりを有する平面波に変換して伝播時間を計測するように構成したので、流路１の内部の流速分布の影響を受けにくくなり、ガスの流速を正確に計測することができる。

本発明の実施例５に係る超音波流量計は、実施例４に係る超音波流量計において、音響放物面鏡として軸外し音響放物面鏡を用いたものである。なお、以下では、実施例４と同一または相当する構成部分には実施例１と同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１３は、本発明の実施例５に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す斜視図である。この超音波流量計は、第１音響放物面鏡１３および第２音響放物面鏡２３として、焦点が光軸から外れた位置にある音響放物面鏡が使用されている。第１超音波振動子１１および第２超音波振動子２１は、光軸（流路の中心軸）から外れた位置、図１３に示す例では下側に配置されている。

上記の構成において、第１超音波振動子１１の送受波面から球面波として出力された超音波は、第１音響放物面鏡１３によって反射されることにより流路１の全領域を進むような広がりを有する平面波に変換されて流路１の上流側開口面に導かれる。そして、流路１を通過した超音波は、第２音響放物面鏡２３によって球面波になるように変換され、第２超音波振動子２１の送受波面に入力される。

同様に、第２超音波振動子２１の送受波面から球面波として出力された超音波は、第２音響放物面鏡２３によって反射されることにより流路１の全領域を進むような広がりを有する平面波に変換されて流路１の下流側開口面に導かれる。そして、流路１を通過した超音波は、第１音響放物面鏡１３によって球面波になるように変換され、第１超音波振動子１１の送受波面に入力される。

以上説明したように、本発明の実施例５に係る超音波流量計によれば、第１超音波振動子１１および第２超音波振動子２１をガスの流れから外れた位置に配置したので、ガスの流れが乱されることがない。したがって、実施例４に係る超音波流量計よりも、さらにガスの流速を正確に計測することができる。

本発明の実施例６に係る超音波流量計は、超音波を球面波から平面波に変換、または、その逆の変換を行うために、複数の超音波振動子を用いたものである。なお、以下では、実施例１と同一または相当する構成部分には実施例１と同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１４は、本発明の実施例６に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す斜視図である。この超音波流量計は、実施例１における第１超音波振動子１１および第１ビーム拡大音響レンズ１２の代わりに複数の超音波振動子から成る第１超音波振動子群１４が用られ、第２超音波振動子２１および第２ビーム拡大音響レンズ２２の代わりに複数の超音波振動子から成る第２超音波振動子群２４が用いられている。

上記の構成において、第１超音波振動子群１４の各超音波振動子の送受波面から球面波として同時に出力された超音波は、流路１の全領域を進むような広がりを有する略平面波として流路１の上流側開口面に導かれる。そして、流路１を通過した超音波は、第２超音波振動子群２４を構成する各超音波振動子の送受波面に入力される。

同様に、第２超音波振動子群２４の各超音波振動子の送受波面から球面波として同時に出力された超音波は、流路１の全領域を進むような広がりを有する略平面波として流路１の下流側開口面に導かれる。そして、流路１を通過した超音波は、第１超音波振動子群１４を構成する各超音波振動子の送受波面に入力される。

以上説明したように、本発明の実施例６に係る超音波流量計によれば、複数の超音波振動子から成る第１超音波振動子群１４および第２超音波振動子２４によって略平面波を発生させるように構成したので、音響レンズや音響放物面鏡が不要であり、超音波流量計の構造を単純化できる。

本発明の実施例７に係る超音波流量計は、流路１の側面に超音波振動子とビーム整形音響レンズとから成る組を４組設けたものである。以下では、実施例１と同一または相当する構成部分には実施例１と同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１５は、本発明の実施例６に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す図であり、図１５（ａ）は側面図、図１５（ｂ）は平面図である。なお、ガス入口ケース１０およびガス出口ケース２０の描画は省略してある。

第１超音波振動子１１の超音波の送受波面には第１ビーム整形音響レンズ１５が取り付けられている。第１ビーム整形音響レンズ１５は、本発明の第１音響レンズに対応する。第２超音波振動子２１の超音波の送受波面には第２ビーム整形音響レンズ２５が取り付けられている。第２ビーム整形音響レンズ２５は、本発明の第２音響レンズに対応する。

第３超音波振動子１６の超音波の送受波面には第３ビーム整形音響レンズ１７が取り付けられている。第３ビーム整形音響レンズ１７は、本発明の第３音響レンズに対応する。第４超音波振動子２６の超音波の送受波面には第４ビーム整形音響レンズ２７が取り付けられている。第４ビーム整形音響レンズ２７は、本発明の第４音響レンズに対応する。

第１超音波振動子１１は、取り付けられた第１ビーム整形音響レンズ１５の開口面が、流路１の側面に設けられた第１開口面１８に対向する位置になるように配置されている。第２超音波振動子２１は、取り付けられた第２ビーム整形音響レンズ２５の開口面が、流路１の側面に設けられた第２開口面２８に対向する位置になるように配置されている。

第３超音波振動子１６は、取り付けられた第１ビーム整形音響レンズ１５の開口面が、流路１の側面であって第１開口面１８に対向する位置（流路の中心軸に対して対称となる位置）に設けられた第３開口面１９に対向する位置になるように配置されている。第４超音波振動子２６は、取り付けられた第４ビーム整形音響レンズ２７の開口面が、流路１の側面であって第２開口面２８に対向する位置（流路の中心軸に対して対称となる位置）に設けられた第４開口面２９に対向する位置になるように配置されている。

第１ビーム整形音響レンズ１５、第２ビーム整形音響レンズ２５、第３ビーム整形音響レンズ１７および第４ビーム整形音響レンズ２７（以下は、特に区別する必要がない場合は「音響レンズ」と総称する）は、実施例１の第１ビーム拡大音響レンズ１２および第２ビーム拡大音響レンズ２２と同様に、例えば、微細な空孔を有するマイクロバルーンと樹脂とを混合させたコンポジット材から構成することができる。

音響レンズは、光学レンズのように、入射された超音波を拡散または収束させる。すなわち、第１ビーム整形音響レンズ１５は、第１超音波振動子１１から球面波として送出される超音波を平面波に変換して流路１の側面に設けられた第１開口面１８に導くとともに、この第１開口面１８から平面波として送出される超音波を球面波に変換して第１超音波振動子１１に導く。第２ビーム整形音響レンズ２５は、第２超音波振動子２１から球面波として送出される超音波を平面波に変換して流路１の側面に設けられた第２開口面２８に導くとともに、この第２開口面２８から平面波として送出される超音波を球面波に変換して第２超音波振動子２１に導く。

第３ビーム整形音響レンズ１７は、第３超音波振動子１６から球面波として送出される超音波を平面波に変換して流路１の側面に設けられた第３開口面１９に導くとともに、この第３開口面１９から平面波として送出される超音波を球面波に変換して第３超音波振動子１６に導く。第４ビーム整形音響レンズ２７は、第４超音波振動子２６から球面波として送出される超音波を平面波に変換して流路１の側面に設けられた第４開口面２９に導くとともに、この第４開口面２９から平面波として送出される超音波を球面波に変換して第４超音波振動子２６に導く。

図１６は、第１ビーム整形音響レンズ１５の構成を示す側面図であり、図１７は、図１５の矢視ＡＡ’で切断した第１ビーム整形音響レンズ１５の構成を示す平面図である。なお、以下では、第１ビーム整形音響レンズ１５についてのみ説明するが、第２ビーム整形音響レンズ２５、第３ビーム整形音響レンズ１７および第４ビーム整形音響レンズ２７についても同様である。第１ビーム整形音響レンズ１５は、第１超音波振動子１１側となる部分が材質ｂ、流路１側となる部分が材質ｃによって構成されている。

第１ビーム整形音響レンズ１５は、以下のように構成される。第１ビーム整形音響レンズ１５から送出された超音波が位置ｐ（流路１の所定部位）で流路壁面に略垂直な平面波になるためには、位置ｐにおいて超音波の位相が同一であればよい。いま、空気中の音速をＣａ、音響レンズ材質ｂ中の音速をＣｂ、音響レンズ材質ｃ中の音速をＣｃ（但し、Ｃｂ＞Ｃｃ＞Ｃａ）とし、経路Ｌｂ１、Ｌｃ１およびＬａ１を通って位置ｑに達する超音波の伝播時間をｔ１、経路Ｌｂ２、Ｌｃ２およびＬａ２を通って位置ｐに達する超音波の伝播時間をｔ２とすると、
ｔ１＝Ｌｂ１／Ｃｂ＋Ｌｃ１／Ｃｃ＋Ｌａ１／Ｃａ
ｔ２＝Ｌｂ２／Ｃｂ＋Ｌｃ２／Ｃｃ＋Ｌａ２／Ｃａ
となる。第１ビーム整形音響レンズ１５は、ｔ１＝ｔ２となるように、材質ｂと材質ｃの種類およびこれらの境界面の形状が決定されて作製される。

上記のように構成される超音波流量計において、流量の計測は以下のようにして行われる。すなわち、第１超音波振動子１１の送受波面から球面波として出力された超音波は、第１ビーム整形音響レンズ１５によって流路１の位置ｐにおいて該流路１の上半分の領域を進むような広がりを有する平面波に変換されて流路１の位置ｐに導かれる。そして、流路１を通過した超音波は、第２ビーム整形音響レンズ２５によって球面波になるように変換され、第２超音波振動子２１の送受波面に入力されるとともに、第４ビーム整形音響レンズ２７によって球面波になるように変換され、第４超音波振動子２６の送受波面に入力される。

同様に、第３超音波振動子１６の送受波面から球面波として出力された超音波は、第３ビーム整形音響レンズ１７によって流路１の位置ｐにおいて該流路１の下半分の領域を進むような広がりを有する平面波に変換されて流路１の位置ｐに導かれる。そして、流路１を通過した超音波は、第４ビーム整形音響レンズ２７によって球面波になるように変換され、第２超音波振動子２１の送受波面に入力されるとともに、第４ビーム整形音響レンズ２７によって球面波になるように変換され、第４超音波振動子２６の送受波面に入力される。

また、第２超音波振動子２１の送受波面から球面波として出力された超音波は、第２ビーム整形音響レンズ２５によって流路１の所定位置（第１超音波振動子１１に対する位置ｐに対応する位置）において該流路１の上半分の領域を進むような広がりを有する平面波に変換されて流路１の所定位置に導かれる。そして、流路１を通過した超音波は、第１ビーム整形音響レンズ１５によって球面波になるように変換され、第１超音波振動子１１の送受波面に入力されるとともに、第３ビーム整形音響レンズ１７によって球面波になるように変換され、第３超音波振動子１６の送受波面に入力される。

同様に、第４超音波振動子２６の送受波面から球面波として出力された超音波は、第４ビーム整形音響レンズ２７によって流路１の所定位置（第３超音波振動子１６に対する位置ｐに対応する位置）において該流路１の下半分の領域を進むような広がりを有する平面波に変換されて流路１の所定位置に導かれる。そして、流路１を通過した超音波は、第１ビーム整形音響レンズ１５によって球面波になるように変換され、第１超音波振動子１１の送受波面に入力されるとともに、第３ビーム整形音響レンズ１７によって球面波になるように変換され、第３超音波振動子１６の送受波面に入力される。

以上のようにして、第１超音波振動子１１または第３超音波振動子１６と、第２超音波振動子２１または第４超音波振動子２６との間で、流体の流れの順方向および逆方向に相互に超音波を送受信する動作が繰り返し行われ、各方向における超音波の伝播時間の差に基づき流量が算出される。

以上説明したように、本発明の実施例７に係る超音波流量計によれば、第１超音波振動子１１と第２超音波振動子２１との間で送受される超音波を、流路１の上半分と下半分を合わせて全領域に広がりを有する平面波に変換し、しかも流路１内のみの伝播時間を計測するように構成したので、流路１の内部の流速分布の影響を受けにくくなり、ガスの流速を正確に計測することができる。

本発明の実施例８に係る超音波流量計は、流路１を２箇所で折曲げ、その折曲部に音響レンズおよび超音波振動子を配置したものである。以下では、実施例１と同一または相当する構成部分には実施例１と同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１８は、本発明の実施例８に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す図であり、図１８（ａ）は側面図、図１８（ｂ）は平面図である。なお、この超音波流量計では、実施例１におけるガス入口ケース１０およびガス出口ケース２０は不要である。

第１超音波振動子１１は、それに取り付けられた第１ビーム拡大音響レンズ１２の開口面が、流路１の一方の折曲部に形成された第１開口部３１に対向する位置に配置されている。第２超音波振動子２１は、それに取り付けられた第２ビーム拡大音響レンズ２２の開口面が、流路１の他方の折曲部に形成された第２開口部３２に対向する位置に配置されている。

第１ビーム拡大音響レンズ１２および第２ビーム拡大音響レンズ２２は、実施例１のそれらと同じである。すなわち、第１ビーム拡大音響レンズ１２は、第１超音波振動子１１から球面波として送出される超音波を平面波に変換して第１開口部３１に導くとともに、この第１開口部３１から平面波として送出される超音波を球面波に変換して第１超音波振動子１１に導く。同様に、第２ビーム拡大音響レンズ２２は、第２超音波振動子２１から球面波として送出される超音波を平面波に変換して第２開口部３２に導くとともに、この第２開口部３２から平面波として送出される超音波を球面波に変換して第２超音波振動子２１に導く。上記のように構成される超音波流量計における流量の計測は、実施例１と同じである。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る超音波流量計によれば、実施例１に係る超音波流量計と同様に、流路１の内部の流速分布の影響を受けにくくなるとともに、ガスが流れる経路に構造物が存在しないので、ガスの流れが乱されることがない。したがって、実施例１に係る超音波流量計よりも、さらにガスの流速を正確に計測することができる。

本発明の実施例９に係る超音波流量計は、実施例８における流路１の折曲部を所定の曲率でカーブさせたものである。以下では、実施例８と同一または相当する構成部分には実施例１と同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１９は、本発明の実施例９に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す図であり、図１９（ａ）は側面図、図１９（ｂ）は平面図である。なお、この超音波流量計では、実施例１におけるガス入口ケース１０およびガス出口ケース２０は不要である。

第１超音波振動子１１は、それに取り付けられた第１ビーム整形音響レンズ１５の曲面に整形された開口面が、流路１の一方の折曲部に形成された第１開口部３１に対向する位置に配置されている。第２超音波振動子２１は、それに取り付けられた第２ビーム整形音響レンズ２５の曲面に整形された開口面が、流路１の他方の折曲部に形成された第２開口部３２に対向する位置に配置されている。

図２０は、第１ビーム整形音響レンズ１５の構成を示す側面図である。なお、以下では、第１ビーム整形音響レンズ１５についてのみ説明するが、第２ビーム整形音響レンズ２５についても同様である。第１ビーム整形音響レンズ１５は、第１超音波振動子１１側となる部分が材質ｂ、流路１側となる部分が材質ｃによって構成されている。

第１ビーム整形音響レンズ１５は、以下のように構成される。第１ビーム整形音響レンズ１５から送出された超音波が位置ｐ（流路１の所定部位）で流路壁面に略垂直な平面波になるためには、位置ｐにおいて超音波の位相が同一であればよい。いま、空気中の音速をＣａ、音響レンズ材質ｂ中の音速をＣｂ、音響レンズ材質ｃ中の音速をＣｃ（但し、Ｃｂ＞Ｃｃ＞Ｃａ）とし、経路Ｌｂ１、Ｌｃ１およびＬａ１を通って位置ｐに達する超音波の伝播時間をｔ１、経路Ｌｂ２、Ｌｃ２およびＬａ２を通って位置ｐに達する超音波の伝播時間をｔ２とすると、
ｔ１＝Ｌｂ１／Ｃｂ＋Ｌｃ１／Ｃｃ＋Ｌａ１／Ｃａ
ｔ２＝Ｌｂ２／Ｃｂ＋Ｌｃ２／Ｃｃ＋Ｌａ２／Ｃａ
となる。第１ビーム整形音響レンズ１５は、ｔ１＝ｔ２となるように、材質ｂと材質ｃの種類およびこれらの境界面の形状が決定されて作製される。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る超音波流量計によれば、実施例１に係る超音波流量計と同様に、流路１の内部の流速分布の影響を受けにくくなるとともに、ガスが流れる経路の折曲部がカーブしているので、ガスの流れが乱されることがない。したがって、実施例１に係る超音波流量計よりも、さらにガスの流速を正確に計測することができる。

本発明に係る超音波流量計は、ガスメータや水道メータといった流体の流量を測定する流量計に利用可能である。

本発明の実施例１に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る超音波流量計で使用される音響レンズの構成を示す平面図である。 本発明の実施例１に係る超音波流量計で使用される音響レンズの構成の一例を示す平面図である。 図３に示すセンサ直径と整合層の長さと材質ｂとを設定したとき材質ｂの電波時間及び空気の伝搬時間の合計の伝搬時間が略等しくなる様に、経路Ｌｂの値と経路Ｌａの値とを変化させた様子を示す図である。 図４に示すように経路Ｌｂの値と経路Ｌａの値とが変化したときに決定される整合層の形状を示す図である。 本発明の実施例２に係る超音波流量計で使用される音響レンズの構成を示す平面図である。 本発明の実施例２に係る超音波流量計で使用される音響レンズの構成の一例を示す平面図である。 経路Ｌｂの値と経路Ｌｃの値とが変化したときに決定される複数の材料からなる整合層の形状を示す図である。 図７に示すセンサ直径と整合層の長さと材質ｂと材質ｃを設定したとき材質ｂの電波時間及び材質ｃの伝搬時間の合計の伝搬時間が略等しくなる様に、経路Ｌｂの値と経路Ｌｃの値とを変化させた様子を示す図である。 本発明の実施例３に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施例４に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施例４に係る超音波流量計で使用される音響放物面鏡の構成を示す平面図である。 本発明の実施例５に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施例６に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施例７に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す図である。 本発明の実施例７に係る超音波流量計で使用される音響レンズの構成を示す側面図である。 本発明の実施例７に係る超音波流量計で使用される音響レンズの構成を示す平面図である。 本発明の実施例８に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す図である。 本発明の実施例９に係る超音波流量計の要部の構造を概略的に示す図である。 本発明の実施例９に係る超音波流量計で使用される音響レンズの構成を示す側面図である。 従来の超音波流量計の１つである超音波流量計を説明するための図である。

符号の説明

１ 流路
１０ ガス入口ケース
１１ 第１超音波振動子
１２ 第１ビーム拡大音響レンズ
１３ 第１音響放物面鏡
１４ 第１超音波振動子群
１５ 第１ビーム整形音響レンズ
１６ 第３超音波振動子
１８ 第１開口面
１９ 第３開口面
２０ ガス出口ケース
２１ 第２超音波振動子
２２ 第２ビーム拡大音響レンズ
２３ 第２音響放物面鏡
２４ 第２超音波振動子群
２５ 第２ビーム整形音響レンズ
２６ 第４超音波振動子
２８ 第２開口面
２９ 第４開口面
３０ 計測部
３１ 第１開口部
３２ 第２開口部

Claims (9)

1. 被計測流体が流れる流路と、
   前記流路の上流側に配置された第１超音波振動子と、
   前記第１超音波振動子から球面波として送出される超音波を平面波に変換して前記流路の上流側開口面に導くとともに、該上流側開口面から平面波として送出される超音波を球面波に変換して前記第１超音波振動子に導く第１音響レンズと、
   前記流路の下流側に配置された第２超音波振動子と、
   前記第２超音波振動子から球面波として送出される超音波を平面波に変換して前記流路の下流側開口面に導くとともに、該下流側開口面から平面波として送出される超音波を球面波に変換して前記第２超音波振動子に導く第２音響レンズとを備え、
   前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子との間で送受される超音波の伝播時間に基づいて前記流路に流れる被計測流体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。
2. 前記第１音響レンズおよび前記第２音響レンズの各々は、超音波の伝播速度が異なる複数種類の材料から成り、前記流路の開口面に対向する面は平面であり、各材料の境界面は、超音波の通過時間が該超音波の通過位置に拘わらず一定になるような形状を有することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記第１音響レンズは、前記流路の上流側開口面に対向する面と前記第１超音波振動子に対向する面とが所定の角度を有するように成型され、前記第２音響レンズは、前記流路の下流側開口面に対向する面と前記第２超音波振動子に対向する面とが所定の角度を有するように成型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. 被計測流体が流れる流路と、
   前記流路の上流側に配置された第１超音波振動子と、
   前記第１超音波振動子が焦点に位置するように配置され、前記第１超音波振動子から球面波として送出される超音波を反射させることにより平面波に変換して前記流路の上流側開口面に導くとともに、該上流側開口面から平面波として送出される超音波を反射させることにより球面波に変換して前記第１超音波振動子に導く第１音響放物面鏡と、
   前記流路の下流側に配置された第２超音波振動子と、
   前記第２超音波振動子が焦点に位置するように配置され、前記第２超音波振動子から球面波として送出される超音波を反射させることにより平面波に変換して前記流路の下流側開口面に導くとともに、該下流側開口面から平面波として送出される超音波を反射させることにより球面波に変換して前記第２超音波振動子に導く第２音響放物面鏡とを備え、
   前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子との間で送受される超音波の伝播時間に基づいて前記流路に流れる被計測流体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。
5. 前記第１超音波振動子および前記第２超音波振動子の各々は、流路の中心軸から外れた位置に配置されていることを特徴とする請求項４記載の超音波流量計。
6. 被計測流体が流れる流路と、
   前記流路の上流側に前記流路の上流側開口面に平行に配置された複数の超音波振動子から成る第１超音波振動子群と、
   前記流路の下流側に前記流路の下流側開口面に平行に配置された複数の超音波振動子から成る第２超音波振動子群とを備え、
   前記第１超音波振動子群と前記第２超音波振動子群との間で送受される超音波の伝播時間に基づいて前記流路に流れる被計測流体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。
7. 被計測流体が流れる流路と、
   前記流路の上流側に配置された第１超音波振動子と、
   前記第１超音波振動子から球面波として送出される超音波を平面波に変換して前記流路の上流側の側面に形成された第１開口部に導くとともに、該第１開口部から平面波として送出される超音波を球面波に変換して前記第１超音波振動子に導く第１音響レンズと、
   前記流路の上流側であって前記第１超音波振動子と前記流路に対して対称となる位置に配置された第３超音波振動子と、
   前記第３超音波振動子から球面波として送出される超音波を平面波に変換して前記流路の上流側の前記第１開口部に対向する位置に形成された第３開口部に導くとともに、該第３開口部から平面波として送出される超音波を球面波に変換して前記第３超音波振動子に導く第３音響レンズと、
   前記流路の下流側に配置された第２超音波振動子と、
   前記第２超音波振動子から球面波として送出される超音波を平面波に変換して前記流路の下流側の側面に形成された第２開口部に導くとともに、該第２開口部から平面波として送出される超音波を球面波に変換して前記第２超音波振動子に導く第２音響レンズと、
   前記流路の下流側であって前記第２超音波振動子と前記流路に対して対称となる位置に配置された第４超音波振動子と、
   前記第４超音波振動子から球面波として送出される超音波を平面波に変換して前記流路の下流側の前記第２開口部に対向する位置に形成された第４開口部に導くとともに、該第４開口部から平面波として送出される超音波を球面波に変換して前記第４超音波振動子に導く第４音響レンズとを備え、
   前記第１超音波振動子または第３超音波振動子と前記第２超音波振動子または第４超音波振動子との間で送受される超音波の伝播時間に基づいて前記流路に流れる被計測流体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。
8. 被計測流体が流れる、２箇所で折り曲げられた流路と、
   前記流路の上流側に配置された第１超音波振動子と、
   前記第１超音波振動子から球面波として送出される超音波を平面波に変換して前記流路の上流側の折曲部に形成された上流側開口部に導くとともに、該上流側開口部から平面波として送出される超音波を球面波に変換して前記第１超音波振動子に導く第１音響レンズと、
   前記流路の下流側に配置された第２超音波振動子と、
   前記第２超音波振動子から球面波として送出される超音波を平面波に変換して前記流路の下流側の折曲部に形成された下流側開口部に導くとともに、該下流側開口部から平面波として送出される超音波を球面波に変換して前記第２超音波振動子に導く第２音響レンズ
   とを備え、
   前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子との間で送受される超音波の伝播時間に基づいて前記流路に流れる被計測流体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。
9. 前記流路の上流側の折曲部および下流側の折曲部は、所定の曲率でカーブするように成型されていることを特徴とする請求項８記載の超音波流量計。

Images