JP2008046062A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】計測精度を従来より向上させることが可能な超音波流量計の提供を目的とする。
【解決手段】本発明の超音波流量計ＦＭ１によれば、１対の超音波センサ４１，４１間において超音波は、計測管３０の内側（流路３０Ａ）を流れるガスを伝播して送受信される。ここで、計測管３０の一部には捻れたリング状の湾曲部３３が形成されているので、超音波センサ４１，４１間に直線状の計測管を配置した場合よりも超音波の伝播経路長が延長され、伝播時間を長くすることができる。これにより計測分解能の向上が図られる。そして、計測管３０の湾曲部３３における流路３０Ａの断面積は、湾曲部３３の全体に亘って略均一なので、湾曲部３３における断面平均流速のばらつきが抑えられ、従来のものより計測精度を向上させることが可能となる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、計測管の両端部の開口に対して１対の超音波送受波器を離して対向配置し、これら１対の超音波送受波器の間で送受波される超音波を、計測管に流れる流体に伝播させて、流量を計測する超音波流量計に関する。

この種の超音波流量計では、一般に、流体の流れに沿った方向での伝播時間と、流れに逆行した方向での伝播時間との逆数差を求めて流量を計測する。従って、超音波の伝播経路長を長くするほど伝播時間の差が大きくなり、計測分解能を向上させることができる。

これに対し、従来より、計測管の途中に蛇行した湾曲部を形成すると共に、その湾曲部の内壁に超音波を反射させるための反射面を形成することで、超音波の伝播経路長を延長させた超音波流量計が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開平９−８９６１５号公報（請求項２、第１図、第３図、第４図）

ところが、上述した従来の超音波流量計では、計測管の湾曲部における流路断面積が不均一であるため断面平均流速がばらつき、これが計測誤差の原因となり得るといった問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、計測精度を従来より向上させることが可能な超音波流量計の提供を目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１の発明に係る超音波流量計は、メータケースと、メータケース内に収容され、内側に流体が流れる流路を有した計測管と、その計測管の両端部の開口に対して離して対向配置された１対の超音波センサとを備え、これら１対の超音波センサの間で送受波される超音波を、計測管内を流れる流体に伝播させて、その伝播時間に基づいて流量を計測する超音波流量計において、計測管は少なくとも一部が湾曲し、その湾曲部における流路の断面積が湾曲部全体に亘って略均一であるところに特徴を有する。ここで、本発明における「流路の断面積」とは、計測管をその軸線に直交する平面で切断したときの計測管内側の断面積のことである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の超音波流量計において、流体の流れに沿った順方向の超音波の伝播時間をＴ１とし、流体の流れに逆行した逆方向の超音波の伝播時間をＴ２とし、計測管の全長をＤとし、計測管の一端部の開口と一方の超音波センサとの間隔をｄ１とし、計測管の他端部の開口と他方の超音波センサとの間隔をｄ２とし、所定の補正係数をｋとし、流路の断面積をＡとした場合に、超音波の伝播経路長Ｌを次式、
Ｌ＝Ｄ＋ｄ１＋ｄ２、
で求め、流体の流量Ｑを次式、
Ｑ＝ｋ・Ａ・（Ｌ／２）・｛（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２）｝
で演算するように構成したところに特徴を有する。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の超音波流量計において、計測管は、可撓性を有する樹脂製パイプにより構成されたところに特徴を有する。

請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の超音波流量計において、計測管の両端部に固定され、超音波センサを保持する１対のセンサ保持部材を備えたところに特徴を有する。

請求項５の発明は、請求項４に記載の超音波流量計において、センサ保持部材は、計測管の開口から離れる方向に延びかつ、その先端に互いに協働して超音波センサを保持した複数のセンサ保持アームを有するところに特徴を有する。

請求項６の発明は、請求項１乃至５の何れかに記載の超音波流量計において、計測管は円管状をなし、その内径が超音波の波長の３倍以下及び／又は超音波センサの送受信面の外径以下となるように構成したところに特徴を有する。

請求項７の発明は、請求項１乃至６の何れかに記載の超音波流量計において、計測管の両端部は略同一方向に開口し、メータケースのうち、計測管の各開口に対向した対向壁には、超音波センサによって閉塞された貫通孔が形成されると共に、対向壁の外面には、超音波センサに電気接続された回路基板が配置されたところに特徴を有する。

請求項８の発明は、請求項１乃至７の何れかに記載の超音波流量計において、計測管の湾曲部は、螺旋状、渦巻き状又は蛇行形状をなしたところに特徴を有する。

［請求項１及び８の発明］
上記のように構成した請求項１に係る発明によれば、１対の超音波センサ間では、計測管の内側を流れる流体に超音波を伝播させて送受信が行われる。ここで、計測管の少なくとも一部は湾曲しているので、超音波センサ間に直線状の計測管を配置した場合に比べて超音波の伝播経路長が延長され、伝播時間を長くすることができる。そして、計測管の湾曲部における流路の断面積は、湾曲部全体に亘って略均一なので、断面平均流速のばらつきが抑えられ計測精度を向上させることが可能となる。また、超音波を反射させる反射面を形成する必要がないので、従来のものに比較して容易に製造することができ、製造コストを抑えることができる。ここで、計測管の湾曲部は、螺旋状、渦巻き状又は蛇行形状としてもよい（請求項８の発明）。

［請求項２の発明］
超音波の伝播時間に基づいて流体の流量を求めるには、請求項２の発明のように、流体の流れに沿った順方向の超音波の伝播時間をＴ１とし、流体の流れに逆行した逆方向の超音波の伝播時間をＴ２とし、超音波の伝播経路長をＬとし、所定の補正係数をｋとし、流路の断面積をＡとし、流体の流量をＱとした場合に、次式、
Ｑ＝ｋ・Ａ・（Ｌ／２）・｛（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２）｝
により演算する。
ここで、超音波の伝播経路長Ｌは、計測管の全長をＤとし、計測管の一端部の開口と一方の超音波センサとの間隔をｄ１とし、計測管の他端部の開口と他方の超音波センサとの間隔をｄ２とした場合に、次式、
Ｌ＝Ｄ＋ｄ１＋ｄ２、
で求めるようにしたから、伝播経路長Ｌを容易に求めることができる。

［請求項３の発明］
請求項３の発明によれば、湾曲部を容易に形成することができる。

［請求項４，５の発明］
計測管の両端部にセンサ保持部材を固定し、そのセンサ保持部材に超音波センサを保持させたことで、超音波センサと計測管の開口との間の距離のばらつきを抑えることができる。ここで、センサ保持部材は、計測管の開口から離れる方向に延びかつ、その先端に互いに協働して超音波センサを保持した複数のセンサ保持アームを有する構成とすればよい（請求項５の発明）。

［請求項６の発明］
請求項６の発明によれば、超音波の送受信を良好に行うことができる。

［請求項７の発明］
請求項７の発明によれば、計測管の各開口が対向した対向壁の外面に回路基板を配置したことで、各開口に対向配置された超音波センサと回路基板との接続を容易に行うことができる。また、対向壁に形成された貫通孔を超音波センサにて塞いだことで、計測する流体が液体であった場合に、回路基板の防水を図ることができる。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。図１における符号ＦＭ１は、本発明の「超音波流量計」であって、本発明の「流体」としてのガスが流れるガス管の途中に取り付けられている。超音波流量計ＦＭ１は、メータケース２０の内部に計測管３０及び１対の超音波センサ４１，４１を備えてなる。

メータケース２０は箱形構造をなし、その内部は空洞の計測管収容室２３となっている。メータケース２０のうち、長手方向（図２の左右方向）で対向した１対の側部壁２７，２７からは管連結部１５Ａ，１５Ｂが互いに相反する方向に延びている。管連結部１５Ａ，１５Ｂの先端部にはフランジ部１６，１６が一体形成されており、これらフランジ部１６，１６に図示しないガス配管のフランジ部が連結されている。

メータケース２０の上面には、回路基板５５を収容した基板ケース５０が取り付けられている。図５に示すように回路基板５５には、例えば、コントロール部５１、クロックカウンタ５２、演算処理部５３等の電気回路及び液晶表示部５４が実装されている。また、基板ケース５０の上面に形成された表示窓５０Ｗを通して液晶表示部５４を視認可能となっている。

メータケース２０のうち、側部壁２７，２７の内面には、１対の超音波センサ４１，４１が固定されている。超音波センサ４１，４１は、管連結部１５Ａ，１５Ｂより上方でかつ、メータケース２０を上方から見たときの対角線方向に配置されている（図３を参照）。

図４に示すように超音波センサ４１，４１は略円柱構造をなしており、その一方の端面に超音波の送受信面４０Ａが設けられ、他方の端面から接続端子４０Ｂが起立している。図３に示すように接続端子４０Ｂは、メータケース２０の側部壁２７，２７を貫通して外部に露出しており、この接続端子４０Ｂと回路基板５５とが電線３５（図５を参照）により電気接続されている。

メータケース２０の内部には、計測管収容室２３をその長手方向（図２の左右方向）の中央部で２つの部屋に隔絶した隔壁２４が備えられている。即ち、隔壁２４は、計測管収容室２３を、上流側のガス管に接続される管連結部１５Ａと計測管３０の一方の開口３１と一方の超音波センサ４１とを含んだ流入部屋２５と、下流側のガス管に接続される管連結部１５Ｂと計測管３０の他方の開口３１と他方の超音波センサ４１とを含んだ流出部屋２６とに隔絶している。

これにより、上流側の管連結部１５Ａからメータケース２０の流入部屋２５に流れ込んだガスは、全て計測管３０を通過し、流出部屋２６を経て下流側の管連結部１５Ｂからメータケース２０の外に排出される。

さて、本実施形態の計測管３０は、例えば可撓性を有する樹脂製パイプ（より詳細には、ゴムパイプ）で構成されている。計測管３０は円管状をなしており、その内側に形成された流路３０Ａの断面積（詳細には、図４において二点鎖線で示された計測管３０の中心を通る軸線Ｊと直交する平面で切断したときの断面積）が計測管３０の全長（図４の二点鎖線で示された軸線Ｊの長さ）に亘って均一となっている。換言すれば、計測管３０の内径は計測管３０の全長に亘って一定となっている。ここで、計測管３０の内径は超音波センサ４１の送受信面４０Ａの外径よりも小さくなっている。これにより、計測管３０の流路３０Ａの断面を均等に超音波が伝播し、計測管３０内におけるガスの断面平均流速を捉え易くなる。

計測管３０は、その中間部分に、捻れたリング状に巻回された湾曲部３３を備えると共に、両端部が互いに相反する方向に開口している（図４を参照）。詳細には、計測管３０の中間部分が、隔壁２４の所定位置に貫通形成された３つのパイプ保持孔２４Ｈを貫通して、それらパイプ保持孔２４Ｈの内側に嵌合されており、これにより、湾曲部３３が捻れたリング状をなすように保持されている（図１、図２を参照）。なお、図２には、３つのパイプ保持孔２４Ｈのうちの１つのみが示されている。

計測管３０のうち湾曲部３３よりも端部側、即ち、両端部の各開口３１，３１から隔壁２４までの部分は直線状の直管部３４，３４となっている。この直管部３４，３４は、湾曲部３３の巻回軸（図３の左右方向）と直交する方向に延びている。また、計測管３０の両端部の各開口３１，３１は、各超音波センサ４１，４１の送受信面４０Ａ，４０Ａに所定の間隔ｄ１，ｄ２（図３を参照、なお、本実施形態ではｄ１＝ｄ２）を空けて対向している。そして、送波器としての超音波センサ４１から送信された超音波は、計測管３０の内側（流路３０Ａ）を流れるガスに伝播して、受波器としての超音波センサ４１で受信される。

次に、本実施形態の超音波流量計の動作について説明する。
図示しないガス配管を流れるガスは、一方の管連結部１５Ａから一旦流入部屋２５に流れ込み、計測管３０に進入する。流入部屋２５に流れ込んだガスは、全て計測管３０を通って流出部屋２６に流れ込み、他方の管連結部１５Ｂからメータケース２０の外部に排出される。

超音波センサ４１，４１は、回路基板５５に備えたコントロール部５１からの送受切替信号によって制御され、一方が送波器になると他方が受波器になり、所定のタイミングでそれら送波器と受波器とが切り替えられる。

送波器としての超音波センサ４１から送信された超音波は、計測管３０の内側（流路３０Ａ）を流れるガスを伝播して、受波器としての超音波センサ４１で受信される。そして、受波器としての超音波センサ４１の検出信号が図示しない増幅回路を介してクロックカウンタ５２に取り込まれる。

クロックカウンタ５２は、流れの上流側に配された一方の超音波センサ４１から送信された超音波を下流側に配された他方の超音波センサ４１で受信する迄の時間（順方向の伝播時間）と、他方の超音波センサ４１から送信された超音波を一方の超音波センサ４１で受信する迄の時間（逆方向の伝播時間）とをカウントする。

クロックカウンタ５２によって計測された順逆両方向の伝播時間は、演算処理部５３に出力される。演算処理部５３は、それら伝播時間に基づいてガスの流量を演算する。即ち、順方向の伝播時間をＴ１とし、逆方向の伝播時間をＴ２とし、計測管３０の全長（図４の二点鎖線で示された軸線Ｊの長さ）をＤとし、計測管３０の両端部の各開口３１，３１と超音波センサ４１，４１との間の間隔をそれぞれｄ１，ｄ２とし、所定の補正係数をｋとし、流路３０Ａの断面積をＡとした場合に、超音波の伝播経路長Ｌを次式、
Ｌ＝Ｄ＋ｄ１＋ｄ２ ・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
により求め、ガスの流量Ｑを次式、
Ｑ＝ｋ・Ａ・（Ｌ／２）・｛（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２）｝ ・・・（２）
により演算する。なお、補正係数ｋは、計測管３０に計測対象であるガスを設定した流量で実際に流して予め求めておいてもよいし、レイノルズ数に基づいて公知な演算式から算出してもよい。

本実施形態の超音波流量計ＦＭ１によれば、１対の超音波センサ４１，４１間において超音波は計測管３０の内側（流路３０Ａ）を流れるガスを伝播して送受信される。この計測管３０の一部には捻れたリング状の湾曲部３３が形成されているので、超音波センサ４１，４１間に直線状の計測管を配置した場合よりも超音波の伝播経路長が延長され、伝播時間を長くすることができる。この点は、後述する実験により実証することができた。これにより、超音波流量計の大型化を抑えつつ計測分解能を向上させたり、計測分解能の低下を抑えつつ超音波流量計を小型化することが可能となる。

そして、計測管３０の湾曲部３３における流路３０Ａの断面積は、湾曲部３３の全体に亘って略均一なので、湾曲部３３における断面平均流速のばらつきが抑えられ、従来のものより計測精度を向上させることが可能となる。また、超音波を反射させる反射面を計測管に形成する必要がないので、従来のものに比較して容易に製造することができ、製造コストを抑えることができる。

さらに、流量Ｑを演算するときに必要な超音波の伝播経路長Ｌは、計測管３０の全長をＤとし、計測管３０の一端部の開口３１と一方の超音波センサ４１との間隔をｄ１とし、計測管３０の他端部３１の開口と他方の超音波センサ４１との間隔をｄ２とした場合に
Ｌ＝Ｄ＋ｄ１＋ｄ２、
で求めるようにしたから、伝播経路長Ｌを容易に求めることができる。

［実験１］
図６には、超音波センサ４１，４１間に上記実施形態の超音波流量計ＦＭ１に用いた計測管３０を配置して超音波の送受信を行った場合と、超音波センサ４１，４１間に計測管３０を置かずに送受信を行った場合の、超音波の受信波形のグラフが対比して示されている。

本実験において、超音波センサ４１，４１間に計測管３０を置かずに送受信を行った場合の超音波の伝播経路長は超音波センサ４１，４１間の直線距離に等しく、例えば１７０ｍｍとなっている。一方、超音波センサ４１，４１間に計測管３０を配置した場合の伝播経路長Ｌ（＝Ｄ＋ｄ１＋ｄ２）は、計測管３０を置かなかった場合よりも延長されて、例えば、７３５ｍｍ（計測管３０を置かなかった場合の約４．３倍）となっている。なお、本実験では超音波センサ４１，４１間にガスを流さずに送受信を行った。

［実験結果］
図６の（Ａ）に示すように、超音波センサ４１，４１間に計測管３０を置かずに送受信を行った場合の伝播時間Ｔａは、約５００μ秒であった。これに対し、計測管３０を配置して送受信を行った場合の伝播時間Ｔｂは、図６の（Ｂ）に示すように、約２２００μ秒（計測管３０を置かなかった場合の約４．４倍）となった。即ち、湾曲部３３を有する計測管３０によって超音波の伝播経路長を延ばすことで、伝播時間を延ばすことができることが分かった。これは超音波センサ４１，４１間で送受信される超音波が、計測管３０の軸線Ｊに沿って（流路３０Ａを流れる流体の進行方向と平行に）伝播する疎密波（縦波）であるためと推測される。

［第２実施形態］
この第２実施形態は図７〜図１０に示されている。この第２実施形態は、超音波センサの保持構造が上記第１実施形態と異なる。その他の構造に関しては、第１実施形態と同様であり、同一部位については同一符号を付すことで重複した説明は省略する。

図７に示すように、本実施形態の超音波流量計ＦＭ２において、計測管３０の両端部には超音波センサ４２，４２を計測管３０の各開口３１，３１から離した位置に保持するセンサホルダ６０（本発明の「センサ保持部材」に相当する）が備えられている。

センサホルダ６０は、例えば、計測管３０を構成するゴムパイプよりも剛性の高い合成樹脂で構成されている。図８に示すようにセンサホルダ６０は、計測管３０の直管部３４，３４の外側に嵌合された円筒部６１と、円筒部６１に一体形成されて、計測管３０の開口３１から離れる方向に延びた複数（例えば４つ）のセンサ保持アーム６２とから構成され、それらセンサ保持アーム６２が協働して１つの超音波センサ４２を保持している。

図１０の（Ｂ）に示すように、円筒部６１は、その先端側に計測管３０の内径と同一径の小径孔部６３を備えると共に、基端側に段付き状に拡径した大径孔部６４を備えている。この大径孔部６４に計測管３０の直管部３４が嵌合され、奥部に形成された段差部６６に計測管３０の端面が突き当てられている。これによりセンサホルダ６０の軸方向における位置決めがなされている。また、センサホルダ６０は、円筒部６１を側方から貫通したビス６５により計測管３０に対して抜け止め及び回り止めされている（図７を参照）。

なお、円筒部６１の先端側の開口縁は丸みを帯びるように面取り（Ｒ面取り）されている。このようにすることで、円筒部６１に流入する際のガスの流れが安定する。なお、円筒部６１の先端側の開口縁が、テーパー状の平面となるように面取り（Ｃ面取り）してもよい。

一方、センサ保持アーム６２は、円筒部６１の周方向に例えば、互いに９０度ずつ間隔を開けて４つ設けられている。詳細には、センサ保持アーム６２は、円筒部６１の周面から起立した壁体の径方向外側部分を、円筒部６１の先端から離れるように円筒部６１の軸方向（図１０の右方向）に延ばした構造をなし、その先端部にそれぞれ係止溝６２ａが形成されている。これら係止溝６２ａは同一円上に配置されており、ここに超音波センサ４２，４２の周面から張り出したフランジ４２Ｆが係止されている（図８を参照）。

図７に示すように、メータケース２０の流入部屋２５及び流出部屋２６には、それぞれ、メータケース２０の側部壁２７と隔壁２４との間に差し渡された横壁２１及び、横壁２１とメータケース２０の上部壁２２との間に差し渡された１対の縦壁２８，２８が備えられており、縦壁２８，２８に貫通形成された保持孔２８Ｈにセンサホルダ６０の円筒部６１が嵌合して固定されている。

本実施形態の超音波流量計ＦＭ２によれば、上記第１実施形態と同等の効果を奏すると共に、計測管３０に固定されたセンサホルダ６０に各超音波センサ４２，４２を保持したので、計測管３０の各開口３１，３１と超音波センサ４２，４２との間の距離のばらつきを抑えることができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態を図１１〜図１３に基づいて説明する。図１１に示すように、超音波流量計ＦＭ３のメータケース１２０は、両端有底の筒形構造をなしている。メータケース１２０の筒壁からは、２つの管連結部１７Ａ，１７Ｂが長手方向に並んで起立している。図１２に示すように、管連結部１７Ａ，１７Ｂは、メータケース１２０内の計測管収容室２３と直交し、かつ計測管収容室２３に収容された計測管３０の側面に向かって開放している。これら管連結部１７Ａ，１７Ｂに図示しないガス配管が接続される。

メータケース１２０の長手方向における両端部壁１２１，１２１には、１対の超音波センサ４１，４１が取り付けられている。超音波センサ４１，４１は、メータケース１２０の軸線上に配置されており、これら超音波センサ４１，４１間に、計測管１３０が配置されている。

計測管１３０は、流路１３０Ａの断面積が計測管１３０の全長に亘って均一（換言すれば、内径が計測管１３０の全長に亘って一定）な円管状をなしており（図１１及び図１３を参照）、隔壁２４を貫通して流入部屋２５と流出部屋２６とを連通させている。計測管１３０の中間部は、メータケース１２０の長手方向（図１１の左右方向）と直交する方向で往復しながらメータケース１２０の長手方向に延びた蛇行形状の湾曲部１３３となっており、計測管１３０の両端部は、メータケース１２０の長手方向と平行な直線状の直管部１３４，１３４となっている。そして、計測管１３０の両端部の各開口１３１，１３１が、各超音波センサ４１，４１の送受信面４０Ａ，４０Ａに所定の間隔を空けて対向している。また、計測管１３０の内径は、送受信面４０Ａ，４０Ａの外径よりも小さくなっている。

そして、一方の超音波センサ４１から送信された超音波は、図１１において二点鎖線で示された軸線Ｊに沿って、計測管１３０の内部を伝播して他方の超音波センサ４１にて受信される。なお、その他の構成については、第１実施形態と同じであるので、同一部位については同一符号を付すことで重複した説明は省略する。

本実施形態によっても、上記第１実施形態と同等の効果を奏する。なお、計測管１３０の軸線Ｊが水平面上に配置される（湾曲部１３３が水平面上で往復する）ように超音波流量計ＦＭ３を設置すれば、湾曲部１３３における偏流の影響を抑えることができる。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態を図１４〜図１６に基づいて説明する。図１４には、本実施形態の超音波流量計ＦＭ４の全体構造が示されている。このうちメータケース２２０は、両端有底の角筒形構造をなし、短手方向で対向した側部壁２２７，２２７から相反する方向に１対の管連結部１５Ａ，１５Ｂを延設した構造をなしている。

計測管３３０は、流路３３０Ａの断面積が計測管３３０の全長に亘って均一（換言すれば、内径が計測管３３０の全長に亘って一定）な円管状であって、互いに平行な１対の縦向き直管部３３４，３３４の下端間を円弧状の湾曲部３３３で連絡したＵ字状になっている（図１５及び図１６を参照）。この計測管３３０のうち一方の縦向き直管部３３４は流入部屋２５に配置され、他方の縦向き直管部３３４は流出部屋２６に配され、湾曲部３３３は隔壁２４を貫通している。

さて、超音波センサ４１，４１は、計測管３３０の各開口３３１，３３１に対して所定距離だけ離した対向位置に設けられている。詳細には、メータケース２２０の上部壁２２２のうち、計測管３３０における縦向き直管部３３４，３３４の延長線上には貫通孔２２３，２２３が形成されており、これら各貫通孔２２３，２２３の開口縁に超音波センサ４１，４１の一端面が宛がわれて閉塞されている。また、超音波センサ４１，４１の接続端子４０Ｂ，４０Ｂは、貫通孔２２３，２２３を通って上部壁２２２の上方に突出し、上部壁２２２の上面側に固定された回路基板５５に電気接続（例えば、ハンダ付け）されている。なお、回路基板５５を覆った基板ケース５０とメータケース２２０の上部壁２２２との間は密閉されている。

そして、一方の超音波センサ４１から送信された超音波は、図１５において二点鎖線で示された計測管３３０の軸線Ｊに沿って計測管３３０の内部を伝播する。即ち、計測管３３０の一方の縦向き直管部３３４に沿って垂直下方に向かい、湾曲部３３３を通って、他方の縦向き直管部３３４を垂直上方に進んで他方の超音波センサ４１に受信される。なお、その他の構成については第１実施形態と同じであるので、同一部位については同一符号を付すことで重複した説明を省略する。

本実施形態によれば、計測管３３０の各開口３３１，３３１が対向した上部壁２２２の上面側に回路基板５５を配置したことで、各開口３３１，３３１に対向配置された超音波センサ４１，４１と回路基板５５との接続を容易に行うことができる。また、上部壁２２２に形成された貫通孔２２３，２２３を超音波センサ４１，４１にて塞いだことで、計測する流体が液体であった場合には、回路基板５５の防水を図ることができる。

［他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

（１）上記第１〜第４実施形態では、本発明に係る「流体」としてガスを例示したが、液体でもよい。

（２）計測管の形状は、上記第１〜第４実施形態に例示したものに限定するものではない。例えば、図１７の（Ａ）及び（Ｂ）に示す計測管４３０，５３０のように、螺旋状に巻回された湾曲部４３３，５３３を有していてもよいし、同図の（Ｃ）に示す計測管６３０のように、渦巻き状に巻回された湾曲部６３３を有していてもよい。ここで、計測管４３０のように、両端部の各開口４３１，４３１が湾曲部４３３の巻回軸に対して平行でかつ相反する方向を向いていてもよいし、計測管６３０のように、両端部の各開口６３１，６３１が湾曲部６３３の巻回軸に対して平行でかつ同方向を向いていてもよい。また、計測管５３０のように、両端部の各開口５３１，５３１が湾曲部５３３の巻回軸に対して直交する方向を向いていてもよい。

（３）図１８に示すように、センサホルダ６０の小径孔部６３を、大径孔部６４から離れるに従ってテーパー状に拡径するように構成してもよい。このようにしても、円筒部６１に流入する際のガスの流れを安定させることができる。

（４）本願発明者らは、計測管を円管状とした場合に、その内径を超音波の波長の３倍以下となるように設定すると、湾曲部を有した計測管においても超音波の送受信を良好に行うことができることを以下の実験により見い出した。実験の手順は以下の通りである。

［実験２］
（１）超音波の波長１．５７ｍｍ（２２０ｋＨｚ）に対して計測管の内径を４．０ｍｍ（波長の約２．５倍）に設定した計測管（全長３００ｍｍ）を、その全長に亘って直線状にして超音波の送受信を行ったときの受信波形の波高値と、半円弧状に湾曲させて送受信を行ったときの受信波形の波高値を計測した。
（２）超音波の波長１．５７ｍｍ（２２０ｋＨｚ）に対して計測管の内径を６．０ｍｍ（波長の約３．８倍）に設定した計測管（全長３００ｍｍ）を、その全長に亘って直線状にして送受信を行ったときの受信波形の波高値と、半円弧状に湾曲させて送受信を行ったときの受信波形の波高値を計測した。
（３）計測管を直線状にしたときの波高値をＷ１とし、湾曲させたときの波高値をＷ２としたときに、波高値の減衰率Ｒを、
Ｒ（％）＝１００・（Ｗ１−Ｗ２）／Ｗ１
上記式により求めた。

［実験結果］

表１に示すように、計測管の内径を波長の３．８倍とした場合には、波高値の減衰率Ｒが５６．１（％）となり、波高値が大きく減衰したのに対し、計測管の内径を波長の２．５倍とした場合には減衰率Ｒが、２４．９（％）となり、波高値の減衰が比較的抑えられることが分かった。このことから、計測管の内径を超音波の波長の３倍以下とすることで、湾曲部を有した計測管においても、超音波の送受信を良好に行うことができることが推測される。

［実験３］
次に、全長に亘って直線状となった計測管と、上記第１実施形態の如く捻れたリング状の湾曲部を有した計測管とで受信波形を比較した。本実験において、計測管の内径（４．０ｍｍ）は超音波の波長（１．５７ｍｍ）の約２．５倍であり、計測管の全長は何れも３００ｍｍである。

［実験結果］
図１９の（Ａ）には、計測管を全長に亘って直線状としたときに観測された受信波形が示されており、図１９の（Ｂ）には、計測管に捻れたリング状の湾曲部を形成したときに観測された受信波形である。これらの受信波形を比較すると、湾曲部を有した計測管で観測された受信波形の波高値（図１９の（Ｂ）を参照）は、直線状の計測管における波高値（図１９の（Ａ）を参照）より若干減衰するものの、比較的高い値であることが分かった。このことから、計測管の内径を超音波の波長の３倍以下とすることで、上記第１実施形態の如き形状の計測管においても、超音波の送受信を良好に行うことができることが分かった。

なお、計測管の内径を超音波の波長の３倍以下とすると、超音波が計測管の内側（流路）を平面波状に伝播し易くなるものと推測される。これにより、計測管における断面平均流速を捉え易くなり、断面平均流速に補正する為の処理の負荷を軽減することが可能になる。

（５）上記第１〜第４実施形態において、計測管３０，１３０，３３０の材質はゴム以外の可撓性を有する樹脂や金属でもよい。

（６）計測管は、湾曲部における流路の断面積が、湾曲部全体に亘って略均一であれば円管状に限るものではなく、例えば、角管状でもよい。

（７）センサホルダ６０の円筒部６１は、計測管３０の各開口３１，３１より超音波センサ４２，４２側に突出していなくてもよい。また、１つのセンサホルダ６０に備えたセンサ保持アーム６２の数は、４つ以外の複数（例えば、３つ）でもよい。さらに、センサホルダ６０と計測管３０は接着剤により固定してもよい。

（８）上記第３実施形態では、計測管１３０の両端部が湾曲部１３３の往復方向（図１１における上下方向）と直交する方向（換言すれば、メータケース１２０の長手方向）に開口していたが、例えば、湾曲部１３３の往復方向と平行に開口していてもよい。このとき、超音波センサ４１，４１は、計測管１３０の各開口と対向するように、メータケース１２０の筒壁内面に固定すればよい。

本発明の第１実施形態に係る超音波流量計の斜視図 超音波流量計の側断面図 超音波流量計の平面図 計測管及び超音波センサの斜視図 超音波流量計のブロック図 実験１の結果を示したグラフ 第２実施形態に係る超音波流量計の斜視図 超音波流量計の側断面図 超音波流量計の側断面図 （Ａ）センサホルダの斜視図、（Ｂ）センサホルダの側断面図 第３実施形態に係る超音波流量計の側断面図 超音波流量計の平面図 計測管及び超音波センサの斜視図 第４実施形態に係る超音波流量計の斜視図 超音波流量計の側断面図 計測管及び超音波センサの斜視図 他の実施形態（２）に係る計測管の斜視図 他の実施形態（３）に係るセンサホルダの側断面図 他の実施形態（４）に係る実験結果のグラフ

符号の説明

２０，１２０，２２０ メータケース
３０，１３０，３３０，４３０，５３０，６３０ 計測管
３０Ａ，１３０Ａ，３３０Ａ 流路
３１，１３１ 開口
３３，１３３，３３３，４３３，５３３，６３３ 湾曲部
４１，４２ 超音波センサ
５５ 回路基板
６０ センサホルダ（センサ保持部材）
６２ センサ保持アーム
２２２ 上部壁（対向壁）
２２３ 貫通孔
ＦＭ１〜ＦＭ４ 超音波流量計

Claims (8)

1. メータケースと、前記メータケース内に収容され、内側に流体が流れる流路を有した計測管と、その計測管の両端部の開口に対して離して対向配置された１対の超音波センサとを備え、これら１対の超音波センサの間で送受波される超音波を、前記計測管内を流れる流体に伝播させて、その伝播時間に基づいて流量を計測する超音波流量計において、
   前記計測管は少なくとも一部が湾曲し、その湾曲部における前記流路の断面積が前記湾曲部全体に亘って略均一であることを特徴とする超音波流量計。
2. 前記流体の流れに沿った順方向の超音波の伝播時間をＴ１とし、
   前記流体の流れに逆行した逆方向の超音波の伝播時間をＴ２とし、
   前記計測管の全長をＤとし、
   前記計測管の一端部の開口と一方の前記超音波センサとの間隔をｄ１とし、
   前記計測管の他端部の開口と他方の前記超音波センサとの間隔をｄ２とし、
   所定の補正係数をｋとし、
   前記流路の断面積をＡとした場合に、
   前記超音波の伝播経路長Ｌを次式、
   Ｌ＝Ｄ＋ｄ１＋ｄ２、
   で求め、前記流体の流量Ｑを次式、
   Ｑ＝ｋ・Ａ・（Ｌ／２）・｛（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２）｝
   で演算するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記計測管は、可撓性を有する樹脂製パイプにより構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波流量計。
4. 前記計測管の両端部に固定され、前記超音波センサを保持する１対のセンサ保持部材を備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の超音波流量計。
5. 前記センサ保持部材は、前記計測管の開口から離れる方向に延びかつ、その先端に互いに協働して前記超音波センサを保持した複数のセンサ保持アームを有することを特徴とする請求項４に記載の超音波流量計。
6. 前記計測管は円管状をなし、その内径が前記超音波の波長の３倍以下及び／又は前記超音波センサの送受信面の外径以下となるように構成したことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の超音波流量計。
7. 前記計測管の両端部は略同一方向に開口し、
   前記メータケースのうち、前記計測管の各開口に対向した対向壁には、前記超音波センサによって閉塞された貫通孔が形成されると共に、前記対向壁の外面には、前記超音波センサに電気接続された回路基板が配置されたことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の超音波流量計。
8. 前記計測管の前記湾曲部は、螺旋状、渦巻き状又は蛇行形状をなしたことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の超音波流量計。