JP2008268090A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】流路内部に仕切部材などを介在させること無く、流速分布が流量域で変化しても、流速分布状態のパターンを推定し、その流速分布パターンに基づいて被測定流体の流量を算出することができる超音波流量計を提供する。
【解決手段】超音波流量計は、被測定流体が流れる流路３０と、流路３０を挟んで斜めに対向する位置に配置された一対の超音波トランスジューサ１０，２０と、一対の超音波トランスジューサ１０，２０により送受信される超音波の伝播時間に基づいて被測定流体の流量を算出する流量算出部１３とを備える。一対の超音波トランスジューサ１０，２０は、その厚み方向に分割された圧電素子ブロック毎に超音波を送受信し、流量算出部１３は、各圧電素子ブロックで送受信される超音波の伝播時間あるいは該伝播時間から算出される流速に基づいて、被測定流体の流速分布を推定し、推定した流速分布から被測定流体の流量を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波流量計、より詳細には、超音波を利用した流体の流速や流量計測、微少漏洩の検出等に用いる超音波流量計に関する。

従来、流路を流れる流体の流速を計測する際に、流路を流れる流体には、その流量によって流速分布が異なることが流体力学的に一般に知られている。すなわち、流れが遅い時には、流路幅方向で層流と呼ばれる放物線形状の流速分布を示し、ピークの流速と、平均流速とが異なる分布状態となる。逆に流れが速くなると、徐々にその分布は崩れ、乱流域と呼ばれる流域となり、その時の流速分布は、ピーク流速が平均流速と等しい形状となるバスタブ形状と呼ばれる流速分布となり、その流速分布は流路幅方向で一様に等しい分布状態となる。

また、層流域では、放物線形状の流速分布形状に若干の相異が発生し、幅方向での流速差は一定では無い。更に層流域では、ガス種や、流路形状寸法等により、流速分布が異なることが一般に知られている。

このように流量域、流体の種類、流路形状寸法等により、流路幅方向での流速分布に差が存在すると、超音波トランスジューサにより流速分布を横切るように超音波を送受信させ、流路を流れる流体を計測する際に、流量域によって、計測される平均流速は分布の影響を受けてしまう。この分布の影響により計測した値には誤差が含まれるため、正確な流量を算出できないことになる。

仮にこの誤差の影響を補正するにしても、計測している流速分布そのものが把握出来ないので、流量域による流速分布を平均流速として補正することは極めて困難である。

このような問題に対して、例えば、特許文献１には、この分布の影響を低減し、どの流量域でも平均化された流速分布が得られるように、流路内部の幅方向を複数のエリアに分割し、特に層流域で発生する放物線形状の流速分布を平滑化するように、流路内部に仕切部材を配置する構成が記載されている。これによれば、層流域でも乱流域と同様に平均化された流速分布を計測し扱えるようになるため、正確な流速を算出でき、高精度に流量を算出することができる。

また、幅方向での流速分布の影響を低減するため、できるだけ流路幅に一様に超音波ビームが広がるように設計する、あるいは、流路幅一様に広がる指向性を有する超音波トランスジューサを選定するなどの方法が知られている。例えば、特許文献２には、超音波トランスジューサの放射面に、放射音波が一様に拡散するような部材を超音波トランスジューサの固定部の窪みに配置して対応したものが記載されている。
特開２００５−２５７３６３号公報 特開２００７−７１８９４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の発明の場合、仕切部材を流路内部に挿入することで、流れに対して抵抗を発生させることになり、圧力損失が顕著化してしまうという問題がある。仮にこの圧力損失を一定レベルに抑えることができたとしても、製品の固体差、仕切部材の組み込み精度、バラツキ、温度因子等による影響を考慮すると、製品の安定性、歩留り等にも影響する可能性がある。さらに、仕切部材を追加することで、部品点数が増加し、これに伴いコスト高となってしまうという問題がある。

また、流路幅方向に一様に広がる特性の超音波トランスジューサを設計するにしても、一様に拡散する音波特性のものを選定するにしても、温度、超音波トランスジューサ及び流路の取り付け状態、流路の個体差等のバラツキに左右され、期待通りの広がりを常に満足出来る訳ではなく、自由度に乏しいという欠点があった。さらに、特許文献２に記載の発明のように、超音波トランスジューサの取り付け窪みが（流体淀み部）にメッシュ等の部材により、超音波の放射特性を制御する場合にも、温度による超音波指向性の変化や、個体差等の影響で、常に一様な放射特性が安定して確保できるものではないという課題があった。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、流路内部に仕切部材などを介在させること無く、流速分布が流量域で変化しても、流速分布状態のパターンを推定し、その流速分布パターンに基づいて被測定流体の流量を算出することができる超音波流量計を提供すること、を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、被測定流体が流れる流路と、該流路を挟んで対向する位置に配置された一対の超音波素子と、該一対の超音波素子により送受信される超音波の伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する流量算出手段とを備えた超音波流量計であって、前記一対の超音波素子は、該一対の超音波素子の厚み方向に分割されたブロック毎に超音波を送受信し、前記流量算出手段は、前記一対の超音波素子の各ブロックで送受信される超音波の伝播時間あるいは該伝播時間から算出される流速に基づいて、前記被測定流体の流速分布を推定し、該推定した流速分布から前記被測定流体の流量を算出することを特徴としたものである。

第２の技術手段は、請求項１の発明において、前記一対の超音波素子それぞれは、一つの音響整合層に対して一つの圧電素子が接着され、該圧電素子の厚み方向に一つ以上のスリットが形成されていることを特徴としたものである。

第３の技術手段は、請求項１の発明において、前記一対の超音波素子それぞれは、一つの音響整合層に対して独立した複数の圧電素子が接着され、一体的に構成されていることを特徴としたものである。

第４の技術手段は、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記流量算出手段は、前記各ブロックの圧電素子をそれぞれ独立に動作させ、該各ブロックの圧電素子により区分けされた前記流路の幅方向における超音波の送受信パターンに応じた伝播時間の比あるいは該伝播時間から算出される流速の比に基づいて、前記流路の幅方向における流速分布を推定し、該推定した流速分布から前記被測定流体の流量を算出することを特徴としたものである。

第５の技術手段は、請求項４の発明において、前記流量算出手段は、前記伝播時間の比あるいは該伝播時間から算出される流速の比に対して、前記流速分布から予測される流量域に応じた補正を行うための流速補正係数を割り振り、前記被測定流体の流量を算出することを特徴としたものである。

第６の技術手段は、請求項５の発明において、前記流量算出手段は、前記流速補正係数を、前記被測定流体の種類及び／又は前記流路の寸法に応じて変化させることを特徴としたものである。

第７の技術手段は、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記流量算出手段は、前記各ブロックの圧電素子をそれぞれ独立に動作させる場合と、前記各ブロックの圧電素子を同時に動作させる場合とを組み合わせ、前記各ブロックの圧電素子により区分けされた前記流路の幅方向における超音波の送受信パターンに応じた伝播時間の比あるいは該伝播時間から算出される流速の比に基づいて、前記流路の幅方向における流速分布を推定し、該推定した流速分布から前記被測定流体の流量を算出することを特徴としたものである。

本発明によれば、流路内部に仕切部材などを介在させること無く、流速分布が流量域で変化しても、流速分布状態のパターンを推定し、その流速分布パターンに基づいて被測定流体の流量を算出することができるため、高精度な流量検出を行うことができる。

図１は、本発明の超音波流量計が備える超音波素子の配置例を示す図である。図１（Ａ）は一対の超音波素子を側面から見たときの配置例を示し、図１（Ｂ）は受信側の超音波素子を上面から見たときの配置例を示す。本発明の超音波流量計は、被測定流体が流れる流路３０と、流路３０を挟んで対向する位置に配置された一対の超音波トランスジューサ１０，２０と、一対の超音波トランスジューサ１０，２０により送受信される超音波の伝播時間に基づいて流路３０を流れる被測定流体の流量を算出する流量算出部１３とを備える。

超音波トランスジューサ１０は、音響整合層１１、圧電素子１２を備える。また、超音波トランスジューサ１０と対となる超音波トランスジューサ２０は、同様に、音響整合層２１、圧電素子２２を備える。一対の超音波トランスジューサ１０と２０は、流れ方向に対して角度θだけ傾いて設置され、両者の放射面間の距離はＬ（伝播長）となる。なお、本例の場合、流路３０の中を、被測定流体が図の矢印の方向に向かって流速Ｖで流れているものとし、３１は流量域による流速分布の差（パターン）を示す。

図１（Ａ），（Ｂ）に例示するように、流路３０の幅方向に対して、それぞれ複数個に分割されたアレー状の圧電素子構造を有する超音波トランスジューサ１０，２０が、流路３０の上流側及び下流側であって、流路流れ方向に対して斜めに対向する位置に配置される。なお、図１（Ｂ）では超音波トランスジューサ２０のみを示し、超音波トランスジューサ１０の記載を省略するが、両者は同様の構成を備えるものとする。

この超音波トランスジューサ２０の圧電素子２２を構成する複数の圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′により区分けされた流路幅に対して、各圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′からは独立に超音波ビームの送受信が可能である。圧電素子２２は、振動的に複数の圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′に分割され、流量算出部１３は、各圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′の各超音波ビームによって区分けされたエリア毎に流路３０の幅方向における超音波の送受信パターンを取得する。そして、これらの超音波送受信パターンに基づいてエリア毎の超音波伝播時間を算出する。

すなわち、一対の超音波トランスジューサ１０，２０は、その厚み方向に分割されたブロック毎に超音波を送受信する。そして、流量算出部１３は、本発明の流量算出手段に相当し、一対の超音波トランスジューサ１０，２０の各ブロックで送受信される超音波の伝播時間あるいは該伝播時間から算出される流速に基づいて、被測定流体の流速分布を推定し、推定した流速分布から被測定流体の流量を算出する。

図２は、本発明の超音波流量計による流量計測方法の一例を説明するための図である。本例では超音波トランスジューサ１０が送信用、超音波トランスジューサ２０が受信用として説明する。送信用圧電素子ブロックａから受信用圧電素子ブロックａ′への伝播時間をＴａａ′、同様に、圧電素子ブロックｂからｂ′への伝播時間をＴｂｂ′、更に、圧電素子ブロックｃからｃ′への伝播時間をＴｃｃ′とする。これらの各伝播時間に対して、伝播時間Ｔａａ′と伝播時間Ｔｂｂ′を比較し、伝播時間Ｔｂｂ′と伝播時間Ｔｃｃ′を比較することにより、流路内を流れる流量による流速分布のパターンを推定する。

また、図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、互いに対向して平行関係にある超音波の伝播パターンａａ′，ｂｂ′，ｃｃ′以外に、伝播パターンａｂ′，ｂａ′，ｂｃ′，ｃｂ′のように交差する複数の伝播パターンによる伝播時間の比較を行うようにしてもよい。これにより、さらに詳細に流速分布を推定することができ、より正確な流速を算出することができる。

また、各圧電素子ブロックにおける伝播時間から算出される流速を比較することにより、流路内を流れる被測定流体の流速分布のパターンを推定するようにしてもよい。
図３は、本発明の超音波流量計による流量計測方法の他の例を説明するための図である。図中、圧電素子ブロックａからブロックａ′への伝播パターンａａ′（順方向）での伝播時間をＴａａ′、その逆方向となる圧電素子ブロックａ′からブロックａへの伝播パターンａ′ａ（逆方向）での伝播時間をＴａ′ａ、同様に、圧電素子ブロックｂからブロックｂ′への伝播パターンｂｂ′（順方向）での伝播時間をＴｂｂ′、その逆方向となる圧電素子ブロックｂ′からブロックｂへの伝播パターンｂ′ｂ（逆方向）での伝播時間をＴｂ′ｂ、さらに、圧電素子ブロックｃからブロックｃ′への伝播パターンｃｃ′（順方向）での伝播時間をＴｃｃ′、その逆方向となる圧電素子ブロックｃ′からブロックｃへの伝播パターンｃ′ｃ（逆方向）での伝播時間をＴｃ′ｃとする。

それぞれの伝播パターンによる幅方向に区分けされた流速をＶａ、Ｖｂ、Ｖｃとすれば、
Ｖａ＝｛Ｌ／（２・ＣＯＳθ）｝・（１／Ｔａａ′−１／Ｔａ′ａ）
Ｖｂ＝｛Ｌ／（２・ＣＯＳθ）｝・（１／Ｔｂｂ′−１／Ｔｂ′ｂ） …式（１）
Ｖｃ＝｛Ｌ／（２・ＣＯＳθ）｝・（１／Ｔｃｃ′−１／Ｔｃ′ｃ）
と表記できる。ここで、Ｌは超音波トランスジューサ１０，２０の放射面間の距離、θは流れ方向とのなす角度である。
このようにして、各伝播パターンにおける伝播時間より流速Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃを算出し、これらＶａ，Ｖｂ，Ｖｃの大小関係により被測定流体の流速分布を推定し、この流速分布から流量域を予測することができる。

図４は、一体型圧電素子を備えた超音波トランスジューサの構成例を示す図である。図４（Ａ）に示すように、下流側の超音波トランスジューサ２０は、一つの音響整合層２１に対して一つの圧電素子２２が接着され、圧電素子２２の厚み方向に一つ以上のスリットＳが形成されている。なお、上流側の超音波トランスジューサ１０の構成も同様である。

すなわち、図４（Ａ）において、超音波トランスジューサ２０を構成する圧電素子２２には、スリットＳにより複数に分割された圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′が一体的に構成されている。これにより、個々の圧電素子ブロックの厚み方向の振動を、独立にしかも効率良く取り出すことができるので、流路３０の幅方向を分割したエリアに、それぞれ独立に一様な超音波ビームを送受信させることができる。このように、超音波流量計は、それぞれ独立な伝播パターンで超音波の送受信が可能なように、一体で複数個に分割されたアレー状の圧電素子構造を有する超音波トランスジューサ１０，２０を備える。

一対の超音波トランスジューサ１０，２０を、流路３０の幅方向に対して、上流側及び下流側へと流路３０の流れ方向に対向させて配置させ、この超音波トランスジューサを構成する複数の圧電素子ブロックによる超音波ビームにより区分けされた流路幅に対して、それぞれの圧電素子ブロックからは独立に超音波ビームの送受信が可能である。そして、振動的に複数のブロックに分割された圧電素子による各超音波ビームによって区分けされたエリア毎に流路幅方向における複数の超音波送受信パターンを取得し、これらの超音波送受信パターンから超音波伝播時間を算出する。

すなわち、図４（Ｂ）に示すように、送信用圧電素子ブロックａから受信用圧電素子ブロックａ′への伝播時間をＴａａ′、同様に、圧電素子ブロックｂからブロックｂ′への伝播時間をＴｂｂ′、更に、圧電素子ブロックｃからブロックｃ′への伝播時間をＴｃｃ′とすると、各伝播時間に対して、伝播時間Ｔａａ′と伝播時間Ｔｂｂ′を比較し、伝播時間Ｔｂｂ′と伝播時間Ｔｃｃ′を比較することにより、流路内を流れる被測定流体の流速分布のパターンを推定する。

従来、流路３０を流れる被測定流体は、流量により幅方向での流速分に差ができる。特に、流速が遅いエリアでは、幅方向での流速分布は放物線形状であり、流速が速いエリアでは、バスタブ形状となることが一般的に知られている。

そこで、本発明の場合、流路幅方向で発生する流速分布を複数に分割できるように、これに対応した複数の圧電素子が分割されたポイントで、それぞれ独立に超音波を送受信できる構成とすることにより、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異を反映させた精度の高い流量計測が可能となり、計測誤差を著しく低減することができる。

また、流路内部に流速の分布を制御するための仕切板、整流板等の仕切部材を設けなくても、高い計測精度を確保出来るために、コストの低減を図ることができる。
また、複数個の圧電素子ブロックによる幅方向に分割した超音波の送受信パターンによる伝播時間の相異から、直接的に流速分布のおおよその状態が把握できるため、流路寸法、仕切板の配置精度、寸法精度等の固体差による影響がなく、さらに温度による影響も少ないため、安定性が良く高精度な流速計測を実現することができる。

また、超音波トランスジューサを構成する圧電素子が一体で構成され、しかもスリットにより複数に分割された圧電素子ブロックとして構成されるため、個々の圧電振動を独立に効率良く取り出すことができ、流路幅方向を分割したエリア毎に、それぞれ独立に一様な超音波ビームを送受信させることが可能となる。この結果、流路幅方向を複数個に分割したエリア毎に、超音波ビームをそれぞれ送受信させ、幅方向に区分けされた各エリアで送受信される超音波信号による伝播時間情報を取得することができる。
また、この伝播時間情報あるいは伝播時間情報から算出される流速情報から、流路幅方向に区分けされた各エリアによる流速（流速分布）が推定できるので、この流速分布より流量を演算し、算出することが可能となる。

図５は、分離型圧電素子を備えた超音波トランスジューサの構成例を示す図である。図５（Ａ）に示すように、下流側の超音波トランスジューサ２０は、一つの音響整合層２１に対して独立した複数の圧電素子２２が接着され、一体的に構成されている。なお、上流側の超音波トランスジューサ１０の構成も同様である。

ずなわち、図５（Ａ）に示すように、超音波トランスジューサ２０を構成する圧電素子２２が、機械的に完全に分離された複数の圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′として、それぞれが独立に音響整合層２１に接着固定された一体構造としてもよい。これにより、音響整合層２１で一体化された個々の圧電素子ブロックの厚み方向振動を、独立にしかも効率良く取り出すことができるので、流路幅方向を分割したエリア毎に、それぞれ独立に一様な超音波ビームを送受信させることができる。

このように、それぞれ独立した伝播パターンで超音波の送受信が可能なように、音響整合層２１により一体化された複数個のアレー状の圧電素子構造を有する超音波トランスジューサ２０を構成する。これら一対の超音波トランスジューサ１０，２０は、流路幅方向に対して、上流側及び下流側へと流路の流れ方向に対向させて配置される。この超音波トランスジューサを構成する複数の圧電素子ブロックａ，ｂ，ｃ（圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′）による超音波ビームにより区分けされた流路幅に対して、各圧電素子ブロックａ，ｂ，ｃ（圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′）からは独立に超音波ビームが送受信される。振動的に複数のブロックに分割された圧電素子ブロックａ，ｂ，ｃ（圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′）による各超音波ビームによって区分けされたエリアによる流路幅方向における複数の超音波送受信パターンによって、これら複数の超音波の送受信パターンによる伝播時間を計測することができる。

すなわち、図５（Ｂ）に示すように、送信用圧電素子ブロックａに対する受信用圧電素子ブロックａ′の伝播時間をＴａａ′とし、同様に、圧電素子ブロックｂに対するブロックｂ′の伝播時間をＴｂｂ′とし、更に圧電素子ブロックｃに対するブロックｃ′の伝播時間をＴｃｃ′とする。各伝播時間Ｔａａ′，Ｔｂｂ′，Ｔｃｃ′に対して、伝播パターンｂｂ′の伝播時間Ｔｂｂ′と伝播パターンａａ′の伝播時間Ｔａａ′を比較し、伝播パターンｂｂ′の伝播時間Ｔｂｂ′と伝播パターンｃｃ′の伝播時間Ｔｃｃ′を比較して流路内を流れる流量による流速分布のパターンを推定することで、推定した流速分布から被測定流体の流量を算出する。

このように、超音波トランスジューサを構成する圧電素子を、それぞれ独立に構成された複数のブロックとして構成することにより、個々の圧電振動を独立に効率良く取り出すことができるため、流路幅方向を分割したエリアに、それぞれ独立に一様な超音波ビームを送受信させることが可能となる。
この結果、幅方向を複数個に分割したエリアに、超音波ビームをそれぞれ送受信させることで、幅方向の区分けされたそれぞれのエリアで送受信される超音波信号による伝播時間情報を把握することができる。
また、この伝播時間情報あるいは該伝播時間から算出される流速情報から、幅方向に区分けされた各エリアによる流速が算出できるため、各エリアの流速より流量を演算し、算出することができる。

図６は、本発明の超音波流量計による流量計測方法の他の例を説明するための図である。図６（Ａ）に示すように、それぞれ独立な超音波パターンで送受信が可能な、一体で複数個に分割された圧電素子（アレー状）構造を有する超音波トランスジューサ１０，２０を、流路幅方向に対して、上流側及び下流側へと流路の流れ方向に対向させて配置させる。なお、ここでは下流側の超音波トランスジューサ２０のみを示し、上流側の超音波トランスジューサ１０の記載は省略する。

この超音波トランスジューサ２０を構成する複数の圧電素子ブロックａ，ｂ，ｃ（圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′）による超音波ビームにより区分けされた流路幅に対して、各圧電素子ブロックａ，ｂ，ｃ（圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′）からは独立に超音波ビームを送受信することができる。振動的に複数のブロックに分割された圧電素子ブロックａ，ｂ，ｃ（圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′）による各超音波ビームによって区分けされたエリアによる流路幅方向における複数の超音波送受信パターンによって、流量域で異なる流速分布（１），（２），（３）のパターン及びこれらの中間の流速パターンに対して、複数の超音波の送受信パターンによる伝播時間を計測する。

すなわち、図６（Ｂ）に示すように、送信用圧電素子ブロックａに対する受信用圧電素子ブロックａ′の伝播パターンａａ′における伝播時間をＴａａ′とし、以下同様に、圧電素子ブロックｂに対するブロックｂ′の伝播パターンｂｂ′における伝播時間をＴｂｂ′とし、圧電素子ブロックｃに対するブロックｃ′の伝播パターンｃｃ′における伝播時間をＴｃｃ′とする。

各伝播時間に対して、伝播パターンｂｂ′の伝播時間Ｔｂｂ′と伝播パターンａａ′の伝播時間Ｔａａ′とを比較し、その比を、
Ｔａａ′／Ｔｂｂ′＝α
とし、伝播パターンｂｂ′の伝播時間Ｔｂｂ′と伝播パターンｃｃ′の伝播時間Ｔｃｃ′とを比較し、その比を、
Ｔｃｃ′／Ｔｂｂ′＝β
とする。

ここで、流速パターン（１）によるα及びβをα１，β１とし、流速パターン（２）によるα及びβをα２，β２とし、更に、流速パターン（３）によるα及びβをα３，β３とする。その大小関係は、
α１（β１）＞α２（β２）＞α３（β３）≒１
の関係となり、それぞれの比の値により、流量域による流速分布パターンを推定できるため、被測定流体の流量を算出することができる。

むろん流量域の把握は、各圧電素子ブロックの伝播時間から流速を算出し、その流速の大小関係から流量域を予測しても良い。すなわち、圧電素子ブロックａに対する順方向の伝播パターンａａ′での伝播時間をＴａａ′とし、逆方向の伝播パターンａ′ａでの伝播時間をＴａ′ａとする。また、圧電ブロックｂに対する順方向の伝播パターンｂｂ′での伝播時間をＴｂｂ′とし、逆方向の伝播パターンｂ′ｂでの伝播時間をＴｂ′ｂとする。更に、圧電素子ブロックｃに対する順方向の伝播パターンｃｃ′での伝播時間をＴｃｃ′とし、逆方向の伝播パターンｃ′ｃでの伝播時間をＴｃ′ｃとする。

各伝播パターンによる幅方向に区分けされた流速をＶａ、Ｖｂ、Ｖｃとすれば、前述の式（１）と同様に、
Ｖａ＝｛Ｌ／（２・ＣＯＳθ）｝・（１／Ｔａａ′−１／Ｔａ′ａ）
Ｖｂ＝｛Ｌ／（２・ＣＯＳθ）｝・（１／Ｔｂｂ′−１／Ｔｂ′ｂ）
Ｖｃ＝｛Ｌ／（２・ＣＯＳθ）｝・（１／Ｔｃｃ′−１／Ｔｃ′ｃ）
と表記できる。ここで、Ｌは超音波トランスジューサ１０，２０の放射面間の距離、θは流れ方向とのなす角度である。

各伝播時間より算出された流速Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃの大小関係により流量域を予測し、妥当な流速を決定する。例えば、Ｖｂ＞Ｖａ（Ｖｃ）の場合には層流域、その時のＶａ（Ｖｃ）／Ｖｂの比の値により妥当な流速を決定する。また、Ｖｂ≒Ｖａ（Ｖｃ）の場合には乱流域であることが推定でき、妥当な流速を決定する。

このように、流量算出部１３は、各ブロックの圧電素子をそれぞれ独立に動作させ、各ブロックの圧電素子により区分けされた流路３０の幅方向における超音波の送受信パターンに応じた伝播時間の比あるいは伝播時間から算出される流速の比に基づいて、流路３０の幅方向における流速分布を推定し、推定した流速分布から被測定流体の流量を算出する。

次に、より詳細な流速分布を把握し、流速を正確に判断するための流量計測方法について説明する。
図７は、本発明の超音波流量計による流量計測方法の他の例を説明するための図である。本例では超音波トランスジューサ１０が送信用、超音波トランスジューサ２０が受信用として説明する。
図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、各圧電素子ブロックから送受信される超音波パターンで、個々の圧電素子の指向性を拡大し広がりを有する超音波ビームによる伝播時間を含め、個々の伝播時間の比較を行うことで、より詳細な流速分布を把握することができる。

すなわち、送信用圧電素子ブロックａに対する受信用圧電素子ブロックａ′の伝播パターンａａ′での伝播時間をＴａａ′とし、送信用圧電素子ブロックａに対する受信用圧電素子ブロックｂ′の伝播パターンａｂ′での伝播時間をＴａｂ′とする。以下同様に、圧電素子ブロックｂに対するブロックａ′の伝播パターンｂａ′での伝播時間をＴｂａ′とし、更に、圧電素子ブロックｂに対するブロックｂ′の伝播パターンｂｂ′での伝播時間をＴｂｂ′とし、圧電素子ブロックｂに対するブロックｃ′の伝播パターンｂｃ′での伝播時間をＴｂｃ′とする。さらに、圧電素子ブロックｃに対するブロックｂ′の伝播パターンｃｂ′での伝播時間をＴｃｂ′とし、圧電素子ブロックｃに対するブロックｃ′の伝播パターンｃｃ′での伝播時間をＴｃｃ′とする。

また、被測定流体の流れが幅方向の中心線で上下対称（幅方向の中心線で対称な流速分布）の場合を想定して説明する。まず個々の伝播パターンによる伝播時間の比を、Ｔａａ′／Ｔｂｂ′＝αとし、以下、Ｔａａ′／Ｔａｂ′＝β、Ｔｂａ′／Ｔｂｂ′＝γ、Ｔａａ′／Ｔｂａ′＝ε、Ｔａｂ′／Ｔｂｂ′＝μとし、各々の比の値を算出し、その大小関係と比の値とにより、より詳細に流量域による流速分布パターンを推定することができ、被測定流体の流量を精度良く算出することができる。

図８は、本発明の超音波流量計による流量計測方法の他の例を説明するための図である。前述したように、それぞれ独立した超音波パターンで送受信可能な、一体で複数個に分割されたアレー状の圧電素子構造を有する超音波トランスジューサ１０，２０を、流路幅方向に対して、上流側及び下流側へと流路の流れ方向に対向させて配置させる。

この超音波トランスジューサ１０，２０を構成する複数の圧電素子ブロックａ，ｂ，ｃ（圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′）による超音波ビームにより区分けされた流路幅に対して、各圧電素子ブロックａ，ｂ，ｃ（圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′）からは独立に超音波ビームを送受信することができる。振動的に複数のブロックに分割された圧電素子ブロックａ，ｂ，ｃ（圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′）による各超音波ビームによって区分けされたエリア毎に流路幅方向における複数の超音波送受信パターンにより、流量域で異なる流速分布パターン及びこれらの中間の流速パターンに対して、複数の超音波の送受信パターンによる伝播時間を計測し、各伝播時間より算出した各流速の比の値に応じて流量域を把握し、この比の値に応じて妥当な補正係数を割り振り、平均流速を演算し流量を算出する。

具体的には、圧電素子ブロックａに対する順方向伝播パターンａａ′での伝播時間をＴａａ′とし、逆方向伝播パターンａ′ａでの伝播時間をＴａ′ａとする。同様に、圧電素子ブロックｂに対する順方向伝播パターンｂｂ′での伝播時間をＴｂｂ′とし、逆方向伝播パターンｂ′ｂでの伝播時間をＴｂ′ｂとする。更に、圧電素子ブロックｃに対する順方向伝播パターンｃｃ′での伝播時間をＴｃｃ′とし、逆方向伝播パターンｃ′ｃでの伝播時間をＴｃ′ｃとする。各伝播パターンによる幅方向に区分けされた流速をＶａ，Ｖｂ，Ｖｃとすれば、前述の式（１）と同様に、
Ｖａ＝｛Ｌ／（２・ＣＯＳθ）｝・（１／Ｔａａ′−１／Ｔａ′ａ）
Ｖｂ＝｛Ｌ／（２・ＣＯＳθ）｝・（１／Ｔｂｂ′−１／Ｔｂ′ｂ）
Ｖｃ＝｛Ｌ／（２・ＣＯＳθ）｝・（１／Ｔｃｃ′−１／Ｔｃ′ｃ）
と表記できる。ここで、Ｌは超音波トランスジューサ１０，２０の放射面間の距離、θは流れ方向とのなす角度である。

各伝播時間より算出された流速Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃの大小関係により流量域を予測し、妥当な流速を決定する。Ｖｂ＞Ｖａ（Ｖｃ）の場合には層流域、その時のＶｂ／Ｖａ（Ｖｃ）の比の値により妥当な流速を決定する。またＶｂ≒Ｖａ（Ｖｃ）であれば乱流域であることが把握できるため、これに基づいて妥当な流速を決定する。乱流に関する速度分布はピーク速度が平均速度となるため、基本的には補正係数を用いないが、比の値により乱流域に切り替わるまでは補正係数を割り振るようにしてもよく、演算は可能である。

図９は、本発明の超音波流量計における流速分布の状態を説明するための図で、図中、１０１，１０２は層流域での流速分布を示す。このように、幅方向の流速分布に応じて、例えば、流速分布（図中点線部分）１０１のように中心が最大で、中心から対称な速度分布パターンの場合、圧電素子ブロックｂとｂ′の間の伝播パターンｂｂ′により算出された流速Ｖｂと、圧電素子ブロックｃとｃ′の間の伝播パターンｃｃ′により算出された流速Ｖｃとの比の値を、Ｖｂ／Ｖｃ＝ζ１とする。また、流速分布（図中実線部分）１０２における流速ＶｂとＶｃとの比を、Ｖｂ／Ｖｃ＝ζ２とし、ζ１，ζ２の大きさに比例した補正係数をそれぞれφ１，φ２とする。

図９において、流速分布１０１及び流速分布１０２の各流速パターンにおける平均流速Ｖ１，Ｖ２は、
Ｖ１＝φ１・（Ｖｂ＋Ｖｃ）／２ …式（２）
Ｖ２＝φ２・（Ｖｂ＋Ｖｃ）／２ …式（３）
として算出できる。

あるいは、
Ｖ１＝φ１′・Ｖｃ …式（４）
Ｖ２＝φ２′・Ｖｃ …式（５）
として算出することも可能である。但し、φ１′，φ２′はζ１，ζ２に比例した別の補正係数である。

このようにして、流量算出部１３は、伝播時間の比あるいは伝播時間から算出される流速の比に対して、流速分布から予測される流量域に応じた補正を行うための流速補正係数を割り振り、被測定流体の流量を算出するように構成してもよい。

これによれば、流路幅方向を複数個に分割したエリアに、超音波ビームをそれぞれ送受信させることで、幅方向に区分けされた各エリアで、流路幅方向で異なる流速分布に応じた超音波送受信による伝播時間の計測結果が得られる。そして、その伝播時間の計測結果から、指定された区間に対する伝播時間の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると共に、伝播時間の比の値に応じて最適な流速補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流量を演算し算出することができるため、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず安定した高精度な計測が実現できる。

また、伝播時間の計測結果から算出した流速結果から、指定された区間に対する流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると共に、流速の比の値に応じて最適な流速補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流量を演算し算出することができるため、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず安定した高精度な計測が実現できる。

また、流速補正係数を、被測定流体の種類及び／又は流路３０の寸法に応じて変化させるようにしてもよい。この処理は流量算出部１３で実行される。図９に示すように、幅方向の流速分布に応じて、例えば、流速分布１０１のような中心が最大で、中心から対称な速度分布パターンの場合、圧電素子ブロックｂとｂ′間での伝播パターンｂｂ′により算出された流速Ｖｂと、圧電素子ブロックｃとｃ′間での伝播パターンｃｃ′により算出された流速Ｖｃとの比の値を、Ｖｂ／Ｖｃ＝ζ１とする。また、流速分布１０２における流速ＶｂとＶｃとの比を、Ｖｂ／Ｖｃ＝ζ２とし、被測定流体のガス種がＬＰＧの場合、ζ１，ζ２の大きさに比例した補正係数をそれぞれφ３，φ４とする。

これより、流速分布１０１，流速分布１０２の各流速パターンにおける平均流速Ｖ１，Ｖ２は、
Ｖ１＝φ３・（Ｖｂ＋Ｖｃ）／２ …式（６）
Ｖ２＝φ４・（Ｖｂ＋Ｖｃ）／２ …式（７）
として算出できる。

あるいは、
Ｖ１＝φ３′・Ｖｃ …式（８）
Ｖ２＝φ４′・Ｖｃ …式（９）
として算出することも可能である。但し、φ３′、φ４′はζ１、ζ２に比例した別の補正係数である。

同様に、被測定流体のガス種が都市ガス（１３Ａ）の場合、ζ１，ζ２の大きさに比例した流速補正係数をそれぞれφ５，φ６とする。この場合、流速分布１０１，流速分布１０２の各流速パターンにおける平均流速Ｖ１，Ｖ２は、
Ｖ１＝φ５・（Ｖｂ＋Ｖｃ）／２ …式（１０）
Ｖ２＝φ６・（Ｖｂ＋Ｖｃ）／２ …式（１１）
として算出できる。

あるいは、
Ｖ１＝φ５′・Ｖｃ …式（１２）
Ｖ２＝φ６′・Ｖｃ …式（１３）
として算出することも可能である。但し、φ５′，φ６′はζ１，ζ２に比例した別の補正係数である。むろん、別の補正係数を用いて、Ｖｂに対する補正として流速を算出するようにしても良い。

図１０は、本発明の超音波流量計による流量計測方法の他の例を説明するための図である。本例に示すように、流体の種類によって、すなわち流体の粘性、密度に相異があるため、ガス種（媒質）を伝播する流速が異なり、流体を伝播する超音波の指向特性に差が発生する。また流路形状、寸法による最適な超音波ビームのエリアが異なる。

図１０（Ａ）は都市ガス（１３Ａ）の超音波伝播状態を示し、図１０（Ｂ）はＬＰＧの超音波伝播状態を示す。具体的には、都市ガス（１３Ａ）に比べて、ＬＰＧの縦波伝播速度は遅いため、同一の圧電素子寸法で形成されたブロックからの指向性は都市ガスの方が広くなる。従って、同一の圧電ブロックで、速度に大きな差があるガス種（媒質）による流速分布パターンを計測する場合、図１０（Ｃ）に示すように、ガス種（媒質）によって広がりの異なる超音波ビームにより、区分けされた流速分布パターン３１，３２を横切る際、計測される伝播時間に微妙なズレが発生してしまうことになる。

本発明の超音波流量計の場合、ガス種に応じて、または流路寸法に応じて、最適な寸法比率に区分けされた複数の圧電素子ブロックにより、流路幅方向を複数個に分割したエリアに、最適な指向性の超音波ビームをそれぞれ送受信させることができるので、幅方向に区分けされた各エリアで、流路幅方向で異なる流速分布に応じた超音波送受信による伝播時間の計測結果が得られる。そして、その伝播時間の計測結果から、指定された区間に対する伝播時間の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると共に、伝播時間の比の値に応じて最適な流速補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流量を演算し算出することができる。これにより、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず安定した高精度な計測が実現できる。

また、送受信による伝播時間の計測結果から演算し算出した流速結果から、指定された区間に対する流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると共に、流速の比の値に応じて最適な流速補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流量を演算し算出することができる。これにより、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず安定した高精度な計測が実現できる。

また、超音波トランスジューサを構成する、複数の圧電素子アレーの配置及び数量を、流路形状寸法や、計測する流量レンジや計測分解能に伴って変化させる超音波トランスジューサの配置及び寸法、流速分布の偏り度合に応じて変化させるようにしてもよい。

図１１〜図１３は、流路を流れる被測定流体の計測レンジ（計測範囲）を拡大させるための超音波トランスジューサの構成例を示す図である。図１１は伝播長を増加させた場合の超音波トランスジューサ１０，２０の配置例を示す。図１２は流路幅方向の寸法が拡大したり、流量レンジが拡大し、伝播長Ｌ′が増加する場合に対応させて、中央から外れた流速分布を詳細に計測可能なように圧電素子の枚数を変化させた状態を示す。図１３は流路幅方向の寸法が拡大したり、流量レンジが拡大し、伝播長Ｌ′が増加する場合に対応させて、圧電素子の枚数が流れ方向に重なるように配置させ、中央の流速分布を詳細に計測可能なように圧電素子の枚数を変化させた状態を示す。

流路を流れる被測定流体の計測レンジ（計測範囲）を拡大させたい場合、図１１に示すように、超音波トランスジューサ１０，２０を流体の流れ方向に対してより鋭角（流れ方向とのなす角θ′＜θ、伝播長Ｌ′＞Ｌ）にするようにしてもよい。また、流路幅方向の寸法を拡大するような場合、例えば、流速分布が中央から偏り、流速分布を支配するエリアが中央から離れるような場合には、図１２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、超音波トランスジューサ１０，２０を構成する複数の圧電素子ブロックａ，ｂ，ｃ，ｄ（及び圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′，ｄ′）を流路幅の中央を境に割り振るように配置する。流路幅の中央を境に４区間に分かれた超音波パターンにより、中央から外れた流速分布を優先的に計測することで中央からの偏りの影響があっても精度を損ねずに計測できる。

なお、図１２（Ｂ）には流速分布３１が中央から偏った状態を示す。このように、超音波ビームの発射位置を独立に、且つ同時に可変できる構成としているため、流路幅方向を複数のエリアに分割しつつ、それぞれの超音波ビームが互いに広がりをもって重なり合う効果により、流路幅方向に対して、部分的にも、全体的にも超音波ビームを放射することができる。このため、温度の変化や、個体差があっても予めマージンをもって流路幅方向に一様な超音波を放射することが可能となり、温度、個体差等の影響を受けず安定な計測を行うことができ、計測精度を確保することができる。

これに対して、流速分布の偏りが流路幅の中央部に分布する場合では、すなわち、流速分布を支配するエリアが中央に存在する場合では、図１３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、超音波トランスジューサ１０，２０を構成する圧電素子ブロックａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ（及び圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′，ｄ′，ｅ′）を流路幅方向のみならず、流れ方向へシフトさせた位置関係にも配置し、中央部に集中するように割り振るように配置させる。すなわち、圧電素子ブロックｄ，ｅ（及び圧電素子ブロックｄ′，ｅ′）を流れ方向にシフトさせて配置する。これにより、流路中央部をより詳細に分割できるので、中央部での流速分布の偏りが大きい場合に有効となる。

むろんそれ以外にも幅方向、それと隣接する流れ方向へ互い違いに配置させたりすることも可能ではあるが、可能な限り少ない枚数で、効率の良い配置構成を、流路形状寸法や、流速分布の偏り部位に合わせて最適化させるようにすればよい。

このように、流体の種類や、流路寸法に応じて流速補正係数を変化させることで、流路幅方向に流体の粘性や密度の相異で変化する流速分布による影響を考慮した最適な流速補正係数を割り振ることができる。このような圧電素子ブロックの配置構成にすることで、流路幅方向に複数個に分割したエリアに、超音波ビームをそれぞれ送受信させ、流路幅方向の区分けされたそれぞれのエリアで、流路幅方向で異なる流速分布に応じた超音波送受信による伝播時間の計測結果が得られる。そして、この伝播時間の計測結果から、指定された区間に対する伝播時間の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると共に、伝播時間の比の値に応じて最適化された流速補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流量を演算し算出することができる。このようにして、流量域による幅方向の流速分布が流体の種類や、流路寸法に影響を受けないよう補正係数を最適化させるので、安定した高精度な計測が実現できる。

また、時間計測情報から演算し算出した流速結果から、指定された区間に対する流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると共に、流速の比の値に応じて最適化された流速補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流量を演算し算出することができる。このようにして、流量域による幅方向の流速分布が流体の種類や、流路寸法に影響を受けないよう補正係数を最適化させるので、安定した高精度な計測が実現できる。

また、超音波トランスジューサを構成する複数の圧電素子アレーの幅方向における各ブロックの寸法比率を、流路を流れる流体の種類や、流路形状に応じて変化させることで、流体の種類によって異なる粘性、密度の相異による流速値の相異により、流体を伝播する超音波の指向性に差があっても、また流路形状、寸法による超音波ビームエリアに差があっても、最適な寸法比率に区分けされた複数の圧電素子ブロックにより、流路幅方向を複数個に分割したエリアに、最適な超音波ビームをそれぞれ送受信させることができる。

また、幅方向の区分けされたそれぞれのエリアで、流路幅方向で異なる流速分布に応じた超音波送受信による伝播時間の計測結果が得られ、その伝播時間の計測結果から、指定された区間に対する伝播時間の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると同時に、伝播時間の比の値に応じて最適な流速補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流量を演算し算出することができる。このため、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず安定した高精度な計測が実現できる。

また、超音波の送受信による伝播時間の計測結果から演算し算出した流速結果から、指定された区間に対する流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると共に、流速の比の値に応じて最適な流速補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流量を演算し算出することができる。このため、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず安定した高精度な計測が実現できる。

また、超音波トランスジューサを構成する複数の圧電素子アレーの配置及び枚数を、流路を流れる流体の種類や、計測する流量レンジに応じて変化させることで、流体の種類によって異なる粘性、密度による流速分布の差があっても、また計測すべき流量レンジによる流速分布に差があっても、流路幅に対して最適な位置に配置させ、最適な枚数により区分けされた複数の圧電素子ブロックにより、流路幅方向を複数個に分割したエリアに、超音波ビームをそれぞれ送受信させることができる。

また、幅方向の区分けされたそれぞれのエリアで、流路幅方向で異なる流速分布に応じた超音波送受信による伝播時間の計測結果が得られるので、その伝播時間の計測結果から、指定された区間に対する伝播時間の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると共に、伝播時間の比の値に応じて最適な流速補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流量を演算し算出することができる。このため、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず安定した高精度な計測が実現できる。

また、超音波の送受信による伝播時間の計測結果から演算し算出した流速結果から、指定された区間に対する流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると共に、流速の比の値に応じて最適な流速補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流量を演算し算出することができる。このため、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず安定した高精度な計測が実現できる。

図１４は、本発明の超音波流量計による流量計測方法の他の例を説明するための図である。本例の場合、図１４（Ａ）に示すように、一対の超音波トランスジューサ１０，２０を構成する圧電素子ブロックを４個で構成する。なお、ここでは超音波トランスジューサ１０の記載は省略する。図１４（Ｂ）は圧電素子ブロックａ，ｂ，ｃ，ｄと圧電素子ブロックａ′，ｂ′，ｃ′，ｄ′がそれぞれ独立に超音波を送受信する場合の例を示し、図１４（Ｃ）は圧電素子ブロック（ａ，ｂ）、（ｃ，ｄ）と圧電素子ブロック（ａ′，ｂ′）、（ｃ′，ｄ′）がそれぞれ同時に超音波を送受信する場合の例を示し、図１４（Ｄ）は圧電素子ブロック（ｂ，ｃ）と圧電素子ブロック（ｂ′，ｃ′）がそれぞれ同時に超音波を送受信する場合の例を示す。

このように、各ブロックをそれぞれ独立に動作させて得られた順方向及び逆方向の伝播時間、あるいは、各伝播時間から演算し算出した各ブロックによる超音波ビームによる流速値を取得する。また、各々隣接する複数の圧電素子ブロック、すなわち、ブロック（ａ，ｂ）と（ａ′，ｂ′）、ブロック（ｃ，ｄ）と（ｃ′，ｄ′）、ブロック（ｂ，ｃ）と（ｂ′，ｃ′）の各圧電素子ブロックを同時に動作させ順方向及び逆方向の伝播時間、あるいは、各伝播時間から演算し算出した各ブロックによる超音波ビームによる流速値を取得する。

上記のように取得したデータに基づいて、流路幅方向をより細かく分割した超音波ビームエリアのデータが得られるので、各エリアで送受信される超音波の伝播時間の計測結果から、指定された区間に対する伝播時間の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると共に、伝播時間の比の値に応じて最適な流速補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流量を演算し算出することができる。これにより、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず、より安定した高精度な計測ができることになる。

なお、超音波の送受信による伝播時間の計測結果から演算し算出した流速結果によっても、指定された区間に対する流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると共に、流速の比の値に応じて最適な流速補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流量を演算し算出することができる。これにより、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず安定した高精度な計測ができる。

このようにして、流量算出部１３は、各ブロックの圧電素子をそれぞれ独立に動作させる場合と、各ブロックの圧電素子を同時に動作させる場合とを組み合わせ、各ブロックの圧電素子により区分けされた流路３０の幅方向における超音波の送受信パターンに応じた伝播時間の比あるいは伝播時間から算出される流速の比に基づいて、流路３０の幅方向における流速分布を推定し、推定した流速分布から被測定流体の流量を算出する。

これによれば、伝播時間の計測結果の比及び妥当な流速補正係数を割り振る超音波流量計測において、個々の圧電素子アレーを独立に動作させる場合と、同時に動作させる場合とを組み合わせることで、流路幅方向をより細かく分割した超音波ビームエリアが得られるため、各エリアで送受信される超音波の伝播時間の計測結果から、指定された区間に対する伝播時間の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると共に、伝播時間の比の値に応じて最適な流速補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流量を演算し算出することができる。このため、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず、より安定した高精度な計測が実現できる。

また、超音波送受信による伝播時間の計測結果から演算し算出した流速結果から、指定された区間に対する流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると共に、流速の比の値に応じて最適な流速補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流量を演算し算出することができる。このため、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず安定した高精度な計測が実現できる。

本発明の超音波流量計が備える超音波素子の配置例を示す図である。 本発明の超音波流量計による流量計測方法の一例を説明するための図である。 本発明の超音波流量計による流量計測方法の他の例を説明するための図である。 一体型圧電素子を備えた超音波トランスジューサの構成例を示す図である。 分離型圧電素子を備えた超音波トランスジューサの構成例を示す図である。 本発明の超音波流量計による流量計測方法の他の例を説明するための図である。 本発明の超音波流量計による流量計測方法の他の例を説明するための図である。 本発明の超音波流量計による流量計測方法の他の例を説明するための図である。 本発明の超音波流量計における流速分布の状態を説明するための図である。 本発明の超音波流量計による流量計測方法の他の例を説明するための図である。 流路を流れる被測定流体の計測レンジ（計測範囲）を拡大させるための超音波トランスジューサの構成例を示す図である。 流路を流れる被測定流体の計測レンジ（計測範囲）を拡大させるための超音波トランスジューサの構成例を示す図である。 流路を流れる被測定流体の計測レンジ（計測範囲）を拡大させるための超音波トランスジューサの構成例を示す図である。 本発明の超音波流量計による流量計測方法の他の例を説明するための図である。

符号の説明

１０，２０…超音波トランスジューサ、１１，２１…音響整合層、１２，２２…圧電素子、１３…流量算出部、３０…流路。

Claims (7)

1. 被測定流体が流れる流路と、該流路を挟んで対向する位置に配置された一対の超音波素子と、該一対の超音波素子により送受信される超音波の伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する流量算出手段とを備えた超音波流量計であって、
   前記一対の超音波素子は、該一対の超音波素子の厚み方向に分割されたブロック毎に超音波を送受信し、
   前記流量算出手段は、前記一対の超音波素子の各ブロックで送受信される超音波の伝播時間あるいは該伝播時間から算出される流速に基づいて、前記被測定流体の流速分布を推定し、該推定した流速分布から前記被測定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. 請求項１に記載の超音波流量計において、前記一対の超音波素子それぞれは、一つの音響整合層に対して一つの圧電素子が接着され、該圧電素子の厚み方向に一つ以上のスリットが形成されていることを特徴とする超音波流量計。
3. 請求項１に記載の超音波流量計において、前記一対の超音波素子それぞれは、一つの音響整合層に対して独立した複数の圧電素子が接着され、一体的に構成されていることを特徴とする超音波流量計。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波流量計において、前記流量算出手段は、前記各ブロックの圧電素子をそれぞれ独立に動作させ、該各ブロックの圧電素子により区分けされた前記流路の幅方向における超音波の送受信パターンに応じた伝播時間の比あるいは該伝播時間から算出される流速の比に基づいて、前記流路の幅方向における流速分布を推定し、該推定した流速分布から前記被測定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. 請求項４に記載の超音波流量計において、前記流量算出手段は、前記伝播時間の比あるいは該伝播時間から算出される流速の比に対して、前記流速分布から予測される流量域に応じた補正を行うための流速補正係数を割り振り、前記被測定流体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。
6. 請求項５に記載の超音波流量計において、前記流量算出手段は、前記流速補正係数を、前記被測定流体の種類及び／又は前記流路の寸法に応じて変化させることを特徴とする超音波流量計。
7. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載に記載の超音波流量計において、前記流量算出手段は、前記各ブロックの圧電素子をそれぞれ独立に動作させる場合と、前記各ブロックの圧電素子を同時に動作させる場合とを組み合わせ、前記各ブロックの圧電素子により区分けされた前記流路の幅方向における超音波の送受信パターンに応じた伝播時間の比あるいは該伝播時間から算出される流速の比に基づいて、前記流路の幅方向における流速分布を推定し、該推定した流速分布から前記被測定流体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。

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