JP2009288151A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 多孔質シート状部の流体淀み空間に対する組み付け性に優れた超音波流量計を提供する。
【解決手段】 多孔質シート状部２０ａを筒状支持体２０ｂに一体化した超音波透過ユニット２０を三角形状の流体淀み空間内に装着する。あるいは、振動子配置筒状部を流路形成部から分離し、流路形成部の壁部に貫通形成された超音波ビーム導入孔に多孔質シート状部を配置し、その後、振動子配置筒状部を流路形成部に組み付ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は超音波流量計に関する。

特開平９−２１６９８号公報 特開２００３−６５８１７号公報

従来、都市ガスや水などの流量を計測するための超音波流量計が知られている。その際の計測原理として、一般には「伝搬時間差法」が用いられる。これは、流路の流体流れ方向上流側及び下流側に一対の超音波送受信部を設け、それら超音波送受信部間の超音波送受信方向を交互に切り替えるとともに、上流側超音波送受信部から発信された超音波ビームが下流側超音波送受信部に到達するまでの時間（順方向伝播時間）と、下流側超音波送受信部から発信された超音波ビームが上流側超音波送受信部に到達するまでの時間（逆方向伝播時間）とを計測して、両者の時間差から流路を流れる流体の平均流速度及び流量を求めるものである。

対をなす上流側超音波送受信部のうち、流路の上流側に配置される上流側超音波送受信部は、ビーム中心軸線が反射部材の反射面の法線方向に対し上流側に一定角度傾斜して定められる第一基準方向と一致するよう流路形成部の壁部に傾けて取り付けられるのが通常である。同様に、流路の下流側に配置される下流側超音波送受信部は、ビーム中心軸線が反射部材の反射面の法線方向に対し第一基準方向と同一角度にて下流側に傾斜して定められる第二基準方向と一致するよう流路形成部の壁部に傾けて取り付けられる。この場合、各超音波送受信部に組み込まれた超音波振動子は、流路形成部の壁部とその外面に一体化された振動子取付部とを斜めに貫通する形で流路と連通するように形成された振動子配置孔内に、自身の超音波ビーム放出面が、振動子配置孔の内周面と、流路形成部の壁部内面の該振動子配置孔側への延長面との間で三角形状の流体淀み空間を生ずる形で配置される。この流体淀み空間は、流速の小さい空間領域であり、流路本体を流れる被計測流体の流速が大きい場合には、この流体淀み空間に流体が流れ込むことにより超音波ビームが遮られる等の悪影響があり、計測精度の低下につながる問題がある。

そこで、特許文献１，２には、流体淀み空間と流路本体との境界位置にメッシュ部材を配置し、流路本体から流体淀み空間への流体流入を該メッシュ部材により抑制しつつ超音波ビームを流路本体側へ透過させる流量計の構成が開示されている。

しかしながら、特許文献１〜３には、メッシュ部材を流体淀み空間の境界位置に組み付ける際の利便性に注意が払われておらず、製造能率が悪い欠点がある。

本発明の課題は、メッシュ部材等の超音波透過ユニットの流体淀み空間に対する組み付け性に優れ、かつ計測感度も良好な超音波流量計を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明の超音波流量計の第一は、
被計測流体の流路を形成する流路形成部と、
流路形成部に対し被計測流体の流通方向において互いに異なる位置に設けられ、一方が被計測流体への計測用超音波の送出側となり、他方が該計測用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々計測用超音波として、予め定められた向きへの指向性を有する超音波ビームを送出可能な対をなす超音波送受信部とを有し、
各超音波送受信部に組み込まれた超音波振動子は、流路形成部の壁部の外面に形成され該流路形成部の壁部を斜めに貫通する振動子配置筒状部内に、自身の超音波ビーム放出面が、振動子配置筒状部の内周面と、流路形成部の壁部内面の該振動子配置筒状部側への延長面との間で三角形状の流体淀み空間を生ずる形で配置される一方、振動子配置筒状部の流路形成部の壁部への開口部が、シート面内に超音波透過孔が分散形成された多孔質シート状部により覆われてなり、さらに、
多孔質シート状部は、該多孔質シート状部の外周縁から流体淀み空間側に延出する形で一体化された筒状支持体とともに超音波透過ユニットを形成し、該超音波透過ユニットが振動子配置筒状部内に装着されてなることを特徴とする。

これにより、該多孔質シート状部を筒状支持体に一体化した超音波透過ユニット三角形状の流体淀み空間内に装着するだけで、該流体淀み空間と流路との境界部に多孔質シート状部を容易に位置決めしつつ取り付けでき、超音波透過ユニットの流体淀み空間に対する組み付け性に優れる。この多孔質シート状部の機能は特許文献１及び２に開示されているものと同じであり、超音波ビームの透過を許容しつつ、流体が流体淀み空間に流れ込むことを抑制し、流体淀み空間での乱流等による影響を軽減して計測精度の向上に寄与する。

本発明の第一及び後述の第二においては、多孔質シート状部は金属メッシュ等で構成することも可能であるが、高分子材料繊維からなる織布又は不織布として形成しておくことがより望ましい。高分子材料は超音波の吸収能が比較的高く、多孔質シート状部の超音波入射側表面での超音波反射が比較的生じにくく、該反射波が超音波送受信に戻ることにより計測誤差を軽減でき、また、広がり波束成分の減衰にも寄与するので計測感度の更なる向上を図ることができる。なお、高分子材料繊維の繊維径は、計測用の超音波ビーム（周波数：例えば１５０〜６００ｋＨｚ）の波長の１／２よりも小さく設定しておくと、主波束の透過効率を高めることができ、計測感度の更なる向上に寄与する。また、同様の観点から、多孔質シート状部の厚さも、計測用の超音波ビームの波長の１／２よりも小さく設定しておくとよい。

多孔質シート状部は、超音波透過孔のシート全面積に対する開口面積比率を、例えば５５％以上７５％以下に設定しておくとよい。開口面積比率が５５％未満では超音波ビームの減衰が著しくなり、開口面積比率が７５％を超えると流体淀み空間への流体流入阻止効果が不十分となるほか、多孔質シート状部の機械的強度も確保しにくくなる。

超音波透過ユニットは、筒状支持体の外周面が振動子配置筒状部の内周面に密着配置されるように構成できる。これにより、筒状支持体が振動子配置筒状部の内周面に対し摩擦固定され、超音波透過ユニットの振動子配置筒状部に対する組み付け安定性が向上する。さらに、振動子配置筒状部が円筒状に形成され、かつ、円板状の超音波トランスジューサの軸線周り取付角度に制約が存在する場合は、溝や突起など、振動子配置筒状部に対する超音波トランスジューサの軸線周りに係る相対取付角度を規制する規制部を形成することができる。

超音波振動子は、振動子配置筒状部内にて超音波透過ユニットの筒状支持体の後端側開口部内側に嵌着することができる。このようにすると、超音波振動子を振動子配置筒状部に対し容易に組み付けできる。超音波透過ユニットは筒状支持体に対し後端側開口部から装着することもできるし、前端側開口部（つまり、筒状支持体の流路側開口部）から装着することもできる。前者の場合は、振動子配置筒状部に対し超音波透過ユニットを後端側開口部から先に装着し、さらに、超音波振動子を振動子配置筒状部に装着するようにする。後者の場合は、振動子配置筒状部に対する超音波透過ユニットと超音波振動子との取付順序は特に問題にならない。

超音波振動子は、超音波放出面を形成する側の端部外周縁部を縮径する形でユニット装着段部を形成することができ、このユニット装着段部の後方に続く外周面領域にて振動子配置筒状部の内周面に密着嵌合させて組み付けることができる。筒状支持体は、後端部内周面を該ユニット装着段部の外側に嵌着することができる。これにより、超音波透過ユニットの筒状支持体は超音波振動子側にも嵌着支持される形となり、組み付け安定性が一層向上する。このとき、筒状支持体の端面を該ユニット装着段部の底面に当て止めする形で組み付ければ、振動子配置筒状部の流路側の開口部に対し多孔質シート状部を、該ユニット装着段部の底面を基準として位置決めできる利点も生ずる。

また、振動子配置筒状部が流路形成部の壁部から突出する形で一体形成されている場合、超音波透過ユニットの後端部内側に超音波振動子を嵌着した一体の振動子アセンブリを、振動子配置筒状部の後端開口からその内側に嵌着することができる。すなわち、振動子配置筒状部への組み付け前に超音波透過ユニットの筒状支持体を超音波振動子に予め一体化しておくことができ、その一体化された状態で超音波振動子を超音波透過ユニットとともに振動子配置筒状部へ一括して組み付けることができるので、超音波流量計の組立工程の簡略化に寄与することができる。

超音波透過ユニットは、多孔質シート状部を、別体の筒状支持体の端面に接着又は融着して一体化することができる。このようにすると、多孔質シート状部を筒状支持体とは別体に形成するので、多孔質シート状部の設計仕様を、要求される超音波透過特性に応じて比較的自由に定めることができる。

また、多孔質シート状部を網状に形成する場合、筒状支持体の該多孔質シート状部が装着される側の端面に装着ピンを立設しておき、超音波透過ユニットを、多孔質シート状部の外周縁に位置する網目に装着ピンを圧入する形で筒状支持体に結合することができる。これにより、多孔質シート状部を筒状支持体とは別体に形成することによる上記効果に加え、装着ピンへの圧入により非接着により多孔質シート状部を筒状支持体に一体化できる利点も生ずる。また、多孔質シート状部が万一破損した場合も交換が容易である。

他方、超音波透過ユニットは、多孔質シート状部と筒状支持体とが同一材質の高分子材料により一体成型することも可能である。これにより、超音波透過ユニットの構成部品点数の削減を図ることができ、製造能率の大幅な向上にも寄与する。また、超音波透過ユニットの多孔質シート状部と筒状支持体とを網材の一体成形体とすることもできる。網材の成型加工により多孔質シート状部と筒状支持体とを一括形成でき、製造能率の大幅な向上に寄与する。

次に、本発明の超音波流量計の第二は、
被計測流体の流路を形成する流路形成部と、
流路形成部に対し被計測流体の流通方向において互いに異なる位置に設けられ、一方が被計測流体への計測用超音波の送出側となり、他方が該計測用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々計測用超音波として、予め定められた向きへの指向性を有する超音波ビームを送出可能な対をなす超音波送受信部とを有し、
各超音波送受信部に組み込まれた超音波振動子は、流路形成部の壁部の外面に形成され該流路形成部の壁部を斜めに貫通する振動子配置筒状部内に、自身の超音波ビーム放出面が、振動子配置筒状部の内周面と、流路形成部の壁部内面の該振動子配置筒状部側への延長面との間で三角形状の流体淀み空間を生ずる形で配置される一方、振動子配置筒状部の流路形成部の壁部への開口部が、シート面内に超音波透過孔が分散形成された多孔質シート状部により覆われてなり、さらに、
振動子配置筒状部が流路形成部から分離形成され、該流路形成部の壁部に貫通形成された超音波ビーム導入孔に多孔質シート状部を、該超音波ビーム導入孔の周縁にて多孔質シート状部の外縁を支持させつつ配置し、さらに該多孔質シート状部を覆うように振動子配置筒状部を流路形成部の壁部に取り付けたことを特徴とする。

上記本発明の第二によると、振動子配置筒状部を流路形成部から分離し、流路形成部の壁部に貫通形成された超音波ビーム導入孔に多孔質シート状部を配置し、その後、振動子配置筒状部を流路形成部に組み付ける構造となるので、振動子配置筒状部を取り外した状態で超音波ビーム導入孔へ多孔質シート状部を容易に装着することができる。

流路形成部の壁部にはシート装着凹部を形成することができ、該シート装着凹部の底面に超音波ビーム導入孔を孔設することができる。多孔質シート状部は、超音波ビーム導入孔の周縁領域をなす支持底面領域に支持させる形で該シート装着凹部内に配置することができる。シート装着凹部内に多孔質シート状部を配置することにより、超音波ビーム導入孔に対する多孔質シート状部を容易に位置決めすることができる。

また、振動子配置筒状部には、壁部への取付側開口周縁から延出するとともに壁部外面に重ね配置される取付フランジ部を設けることができ、該取付フランジ部にて壁部に結合することができる。これにより振動子配置筒状部の流路形成部への取付が容易になる。この場合、流路形成部の壁部に取付フランジ部を嵌着させるためのフランジ嵌着凹部を形成し、該フランジ嵌着凹部の底面にてさらに内側にシート装着凹部を形成しておくとよい。フランジ嵌着凹部を形成することで、取付けに際して振動子配置筒状部を流路形成部に対し容易に位置決めすることができる。

多孔質シート状部の外縁は、支持底面領域に接着又は融着により固定することができる。これにより、多孔質シート状部を流路形成部に対し強固に固定できる。他方、多孔質シート状部が網状に形成される場合は、その支持底面領域に装着ピンを立設し、多孔質シート状部の外周縁に位置する網目に装着ピンを圧入する形で多孔質シート状部を支持底面領域に結合することができる。これにより、多孔質シート状部は装着ピンへの圧入により非接着による取付けが可能となり、多孔質シート状部が万一破損した場合も交換が容易である。

また、多孔質シート状部は、支持底面領域とともに超音波ビーム導入孔を覆う本体部と、該本体部の外縁からシート装着凹部の内側面に沿ってその開口側に立ち上がる側壁部と、該側壁部の端縁からシート装着凹部の開口周縁領域に沿って外向きに延出し、該開口周縁領域にて支持される支持延出部とを有するものとして形成することもできる。上記構成の多孔質シート状部は、本体部と側壁部とがシート装着凹部内に嵌合しつつ支持延出部にてシート装着凹部の開口周縁領域により支持されるので、シート装着凹部に対する位置決め性と組み付け安定性に優れる。

（実施の形態１）
本発明に係る超音波流量計の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、一般住宅用ガスメータ等として用いられる、本発明の第一に係る超音波流量計の一実施例を基本構成にて示すものである。この超音波流量計１には、被計測流体Ｆの流路ＧＦを形成する流路形成部３と、流路形成部３に対し被計測流体Ｆの流通方向Ｏにおいて互いに異なる位置に設けられ、一方が送出側となり他方が受信側となるように機能するとともに、各々指向性を有する超音波ビームＳＷを送出可能な対をなす超音波送受信部２ａ，２ｂとを備えている。流路形成部３と超音波送受信部２ａ，２ｂとが流量計本体１Ｍを構成し、該流量計本体１Ｍと制御回路部１Ｅとにより超音波流量計１の全体が構成されている。

流路形成部３と超音波送受信部２ａ，２ｂとが流量計本体１Ｍを構成し、該流量計本体１Ｍと制御回路部１Ｅとにより超音波流量計１の全体が構成されている。その流路ＧＦには、流量計測用ガス（流体）Ｆが図示の流れ方向に流通するとともに、流れ方向下流側に下流側超音波送受信部２ｂが設けられ、流れ方向上流側に上流側超音波送受信部２ａが設けられている。これらの超音波送受信部２ａ，２ｂは圧電振動子などからなる超音波振動子を有した超音波トランスデューサであり、駆動電圧の印加により超音波ビームを送出する超音波送出機能と、超音波ビームの受信により電気信号（受信信号）を出力する超音波受信機能とを複合して備えるものである。計測用の超音波ビームＳＷは、流路内にて超音波送受信部２ａ，２ｂ間に定在波を生じないよう、所定波数以下のパルス状に送出される（図６は３パルスの場合の駆動例を示している）。

計測対象がガスの場合、流路ＧＦを形成する流路形成部３の軸断面形状は壁部３Ｊにより閉鎖された空間を形成するものであればよく、例えば、円形状、楕円形状、正方形状、矩形状等のいずれを採用してもよい。本実施形態では、図１に示すごとく流路形成部３は矩形状に形成され、上壁部３Ｊａに上流側超音波送受信部２ａが、また下壁部３Ｊｂに下流側超音波送受信部２ｂが取り付けられている。つまり、対をなす超音波送受信部２ａ，２ｂが、流路形成部３に対し、複数の反射部材３１，３２群を配列方向に挟む形で振り分けて配置されている。

図２は、流量計本体１Ｍの要部構造の詳細を示すものである。各超音波送受信部２ａ，２ｂに組み込まれた超音波振動子ＳＴは、流路形成部３の壁部の外面に一体化され該流路形成部３の壁部を斜めに貫通する振動子配置筒状部２ｇ内に、自身の超音波ビーム放出面２ｒ（図３）が、振動子配置筒状部２ｇの内周面と、流路形成部３の壁部内面の該振動子配置筒状部２ｇ側への延長面との間で三角形状の流体淀み空間２ｄを生ずる形で配置されている。振動子配置筒状部２ｇは軸断面形状が円状であり、流路形成部３の壁部には楕円状の開口を形成する。

振動子配置筒状部２ｇ内の流体淀み空間２ｄには超音波透過ユニット２０が装着されている。超音波透過ユニット２０は、厚さ方向に貫通する超音波透過孔ＯＰが面内に分散形成されるシート状部であって、振動子配置筒状部２ｇの流路形成部３への開口部を覆うとともに流路ＧＦと平行な多孔質シート状部２０ａと、該多孔質シート状部２０ａの外周縁から流体淀み空間２ｄ側に延出する形で一体化された筒状支持体２０ｂとを有する。多孔質シート状部２０ａは振動子配置筒状部２ｇの流路形成部３への開口部に対応した楕円状の外形を有する。また、超音波透過ユニット２０の筒状支持体２０ｂの外周面は、振動子配置筒状部２ｇの内周面に密着形態ないし隙間嵌め形態（広義にこれも密着形態の一つであるとみなす）にて配置されている。

例えば、図７に示すように、多孔質シート状部２０ａは、高分子材料繊維ＳＮからなる織布として形成できる（不織布としてもよい）。採用可能な高分子材料繊維ＳＮとしては、例えば熱可塑性樹脂繊維を採用でき、代表的なものとしてポリアミド樹脂繊維（例えば、ナイロン６、ナイロン６，６等）やポリエステル樹脂繊維を例示できる。高分子材料繊維ＳＮの繊維径は、計測用の超音波ビームＳＷ（周波数：例えば１５０〜６００ｋＨｚ）の波長の１／２よりも小さく設定され、多孔質シート状部２０ａの厚さも、計測用の超音波ビームＳＷの波長の１／２よりも小さく設定される。また、多孔質シート状部２０ａは、超音波透過孔ＯＰのシート全面積に対する開口面積比率を、例えば５５％以上７５％以下に設定される。

また、筒状支持体２０ｂも高分子材料、例えば熱可塑性樹脂にて構成される。図２に示すように、筒状支持体２０ｂは超音波透過孔を有さない筒状樹脂成型物として構成されている。多孔質シート状部２０ａは、外周縁に形成された接合部２０ｋにて筒状支持体２０ｂの端面にて融着により接合・一体化されている。なお、多孔質シート状部２０ａを金属メッシュにて構成してもよく、金属製の筒状支持体２０ｂに溶接により接合・一体化することができる。

超音波送受信素子２ａ，２ｂ（超音波振動子）は、それぞれ振動子配置筒状部２ｇ内にて超音波透過ユニット２０の筒状支持体２０ｂの後端側開口部内側に嵌着されている。図３に示すように、超音波振動子ＳＴは、超音波放出面２ｒを形成する側の端部外周縁部を縮径する形でユニット装着段部２ｔが形成されており、このユニット装着段部２ｔの後方に続く外周面２Ｃにて振動子配置筒状部２ｇ（図１）の内周面に密着嵌合させる形で組み付けられている。

超音波透過ユニット２０の筒状支持体２０ｂは、その後端部内周面が超音波振動子ＳＴのユニット装着段部２ｔの外側に嵌着されている。筒状支持体２０ｂの端面は該ユニット装着段部２ｔの底面に当て止めされている。超音波振動子ＳＴを振動子配置筒状部２ｇ内の所定位置に組み付けた状態で、筒状支持体２０ｂは超音波振動子ＳＴへの上記当て止め状態にて、多孔質シート状部２０ａが振動子配置筒状部２ｇの流路ＧＦ側の開口部に対し該ユニット装着段部２ｔの底面を基準として位置決めされるように、その軸線方向寸法が調整されている。

図３に示すように、超音波透過ユニット２０の後端部内側に超音波振動子ＳＴを嵌着して一体の振動子アセンブリ２５を形成し、図１に示すように、振動子配置筒状部２ｇの後端開口からその内側に該アセンブリを嵌着すれば、超音波振動子ＳＴを超音波透過ユニット２０とともに振動子配置筒状部２ｇ内に一括して組み付けることができる。

図１に戻り、制御回路部１Ｅには、前述の超音波駆動機構４と周辺回路ブロック７〜１１が設けられている。超音波駆動機構４は、送信部５、受信部６及び切り替え部４ｓを有する。送信部５は、超音波送受信素子２ａ，２ｂに対して駆動信号を入力するための回路である。受信部６はスイッチ等から構成され、このスイッチを切り替えることにより、前述の駆動モードの切り替えがなされる。この受信部６の切り替え制御は切り替え部４ｓにより行われる。増幅部７は、受信部６により受信された超音波を所定の増幅率で増幅し、ゼロクロス点検出部９に入力する。ゼロクロス点検出部９は、図６に示すように、受信した超音波波形に含まれる、閾値を超える特定順位波のゼロクロス点を検出するものである。時間計測部１０は、第一駆動モードでの、上流側超音波送受信素子２ａから発信された超音波ビームＳＷが下流側超音波送受信素子２ｂに到達するまでの順方向伝播時間ｔｘと、第二駆動モードにおける下流側超音波送受信素子２ｂから発信された超音波ビームＳＷが上流側超音波送受信素子２ａに到達するまでの逆方向伝播時間ｔｘ’とを、検出された上記ゼロクロス点に基づいて計測するものである。また、マイコン１１は、上記の順方向伝播時間と逆方向伝播時間との時間差から、流路を流れる被計測流体の平均流速度及び流量を計算する。

図４は、ゼロクロスコンパレータ部９の回路構成例を示すものであり、増幅部７の波形出力の入力信号は、該入力信号をＧＮＤ基準で二値化する第一コンパレータ９１と、同じく下限振幅（振幅下限値Ｖｓ）を規制しつつ二値化する第二コンパレータ９２とに分配入力される。いずれのコンパレータも、オペアンプＩＣを用いたアナログコンパレータ回路として構成されている。第一コンパレータ９１の出力は、セットリセットフリップフロップ（ＲＳＦＦ）回路９３のセット端子に、第二コンパレータ９２の出力は同じくリセット端子に入力され、該セットリセットフリップフロップ（ＲＳＦＦ）回路９３の出力変化エッジをトリガとする形で、単安定回路にて構成されたゼロクロス点パルス発生回路９４が、増幅部７からの入力波形のうち振幅Ｖｓを超える半波によるゼロクロス点に対応したパルス波形を出力する。このパルス波形は、クロックパルス発生回路９６からのクロック入力と同期して動作するパルスカウンタ回路９５にて計測され、規定数のパルス入力を計数することにより伝播時間の検出信号を出力する。

図５は、各部の動作シーケンスを示すタイミング図である。駆動パルス入力により励起された振動波形の増幅出力（Ｖａ）は、第一コンパレータ９１によりゼロ点基準電圧Ｖ０と比較され、その結果が方形波（Ｖｂ）として出力される。他方、第二コンパレータ９２は、振幅Ｖｓを閾値とした反転波形にて上記振動波形を二値化する。これにより、第一コンパレータ９１の方形波出力は、振幅Ｖｓを超える半波が入力された場合にのみＲＳＦＦ回路９３によりラッチされ、ゼロクロス点パルス発生回路９４へのパルス出力トリガとなる入力エッジを生ずる。本実施形態では、振幅が漸増する初期振動波形の所定順位波のゼロクロス点（ここでは、第二正半波のゼロクロス点（つまり、波形開始点から３番目のゼロクロス点））から認識されるように、第二コンパレータ９２の振幅閾値Ｖｓが定められている。なお、振幅閾値Ｖｓは、可変抵抗ＲＶ１の設定値により変更可能とされている。

流量計測時においては、まず、上流側の超音波送受信素子２ａが振動励起される。これにより発生する超音波ビームは流体中を通過し、下流側超音波送受信素子２ｂによる受信される。その受信波形は増幅部７を経てゼロクロスコンパレータ９に入力され、所定順位波のゼロクロス点が特定され、伝播時間検出信号が時間計測回路１０に出力される。時間計測回路１０は、駆動信号の入力タイミングを起点として、受信波形の上記ゼロクロス点までの時間を順方向伝播時間ｔｘとして計測する。続いて、上流側超音波送受信素子２ａと下流側超音波送受信素子２ｂとの送受信関係を入れ替えて同様の計測が行なわれ、逆方向伝播時間ｔｘ’を計測する。そして、前述の順方向伝播時間ｔｘを合わせ用いて、周知の方法にて流速（あるいは流量）が算出される。

ここで、図３に示すごとく、超音波透過ユニット２０が、振動子配置筒状部２ｇの流路形成部３の壁部への開口部（つまり、三角形状の流体淀み空間２ｄと流路ＧＦとの境界部）を覆う多孔質シート状部２０ａと、振動子配置筒状部２ｇの内周面を覆う筒状支持体２０ｂとの一体形成物として構成され、流体淀み空間２ｄ内に装着されている。多孔質シート状部２０ａは、超音波ビームＳＷの透過を許容しつつ、流体が流体淀み空間２ｄに流れ込むことを抑制し、該流体淀み空間２ｄでの乱流等による影響を軽減して計測精度の向上に寄与する。一方、超音波ビームＳＷは、超音波送受信部２ａの超音波送出面２ｒ（図３）の法線方向（ビーム中心軸線Ｏ方向）においてビーム強度が最大となる指向性を有する。しかし、上記ビーム中心軸線Ｏ方向から傾斜した向きにも一定強度の波束の広がりを有しており、この広がり波束成分ＢＦはビーム中心軸線方向の主波束ＭＦとは異なる角度で流路ＧＦ内に入射する。該広がり波束成分ＢＦは、伝播経路が傾いている分だけ主波束ＭＦよりも伝播長が長く、受信側の超音波送受信部（２ｂ：図２）対し異なった位相にて到達し、計測誤差要因となりうる。しかし、上記の超音波透過ユニット２０を設けることで、多孔質シート状部２０ａが広がり波束成分ＢＦの一部を減衰させることができ、計測制度の向上に寄与する。なお、本発明者の検討によると、実際の流速計測時にあっては、超音波ビームの受信波形に対し図６のように第二正半波のゼロクロス点を採用したとき、他のゼロクロス点を採用した場合よりも、超音波透過ユニット２０の配置に伴なう感度低下の影響を受けにくいことがわかっている。

なお、多孔質シート状部２０ａ（多孔質シート状部２０ａ及び第二シート状部２０ｃ）は、図８に示すように、超音波透過孔ＯＰを有した金属ないし樹脂製の網状の骨格部２０ｃに対し、それよりも細径の高分子材料繊維２０ｓを巻きつけて形成したもの（あるいは、骨格部２０ｃに短繊維を植設したもの）を使用してもよい。

図９に示すように、超音波透過ユニット２０は、多孔質シート状部２０ａと筒状支持体２０ｂとが同一材質の高分子材料により一体成型することも可能である。多孔質シート状部２０ａは、放射状骨格部２０３により、所定間隔で配列する複数の周方向骨格部２０２を相互に連結・一体化した構造を有し、各放射状骨格部２０３の外端が筒状支持体２０ｂの外周縁部に結合されている。また、図１０に示すように、超音波透過ユニット２０の多孔質シート状部２０ａ’と筒状支持体２０ｂ’とを網材の一体成形体とすることもできる。網材としては例えば金属網材を使用することができ、該金属網材をカップ状に絞り加工することで、図１０の態様の超音波透過ユニット２０が得られる。

また、多孔質シート状部２０ａを網状に形成する場合、図１１に示すように、筒状支持体２０ｂの該多孔質シート状部２０ａが装着される側の端面に装着ピン２０ｒを立設しておき、超音波透過ユニット２０を、多孔質シート状部２０ａの外周縁に位置する網目に装着ピン２０ｒを圧入する形で筒状支持体２０ｂに結合することができる。これにより、多孔質シート状部２０ａを筒状支持体２０ｂとは別体に形成することによる上記効果に加え、装着ピン２０ｒへの圧入により非接着により多孔質シート状部２０ａを筒状支持体２０ｂに一体化できる利点も生ずる。また、多孔質シート状部２０ａが万一破損した場合も交換が容易である。

（実施の形態２）
以下、本発明の第二に係る超音波流量計の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。超音波流量計の全体構成は、流量計本体の要部構造を除けば図１に示す実施の形態１と全く同一である。従って、ここでは該流量計本体の要部構造についてのみ詳細に説明し、実施の形態１と共通する残余部分の説明は行なわない。図１２は、流量計本体の要部構造を示す分解斜視図を示し、図１３は同じく組立状態での斜視図を示す。図１２，図１３は、超音波送受信素子２ａ側（壁部３Ｊａ側）の構造を示しているが、超音波送受信素子２ｂ側（壁部３Ｊｂ（図１参照）側）についての構造も全く同一である。以下、超音波送受信素子１ａ側で代表させて説明する。

図１２に示すように、振動子配置筒状部２ｇは流路形成部３から分離形成されており、該流路形成部３の壁部３Ｊａに貫通形成された超音波ビーム導入孔３ｐに多孔質シート状部２０ａが、該超音波ビーム導入孔３ｐの周縁にて多孔質シート状部２０ａの外縁を支持させつつ配置されている。そして、図１３に示すように、該多孔質シート状部２０ａを覆うように振動子配置筒状部２ｇが流路形成部３の壁部３Ｊａに取り付けられている。

振動子配置筒状部２ｇは軸断面形状が四辺形状の中空三角柱形態を有し、その軸線方向端面には、円状軸断面形状の超音波送受信素子（図１２、図１３では図示を省略しているが、図３等に示したものとほぼ同様の形態を有する）を嵌合（ないし隙間嵌め）するための、素子装着孔２ｈが貫通形成されており、その内周面には素子の超音波放出側端面の外周縁を当て止めする段部２ｊが形成されている。図中、符号２ｓは、超音波送受信素子側の取付けフランジ（図示せず）を締結するためのねじ孔である。

流路形成部３の壁部３Ｊａ，３Ｊｂにはシート装着凹部３ｈが形成され、該シート装着凹部３ｈの底面に超音波ビーム導入孔３ｐが孔設されている。多孔質シート状部２０ａは、超音波ビーム導入孔３ｐの周縁領域をなす支持底面領域３ｋに支持させる形で該シート装着凹部３ｈ内に位置決めしつつ配置される。

振動子配置筒状部２ｇには、壁部３Ｊａ，３Ｊｂへの取付け側開口周縁から延出する形で取付フランジ部２ｆが一体形成されている。流路形成部３の壁部３Ｊａには、該取付フランジ部２ｆを嵌着させるためのフランジ嵌着凹部３ｕが形成され、該フランジ嵌着凹部３ｕの底面にてさらに内側にシート装着凹部３ｈが形成されている。取付フランジ部２ｆにはねじ挿通孔２ｅが貫通形成され、締結部材としての図示しないねじ部材が該ねじ挿通孔２ｅを介して壁部３Ｊａ側のねじ孔３ｅにねじ込まれ、振動子配置筒状部２ｇが壁部３Ｊａに締結される。なお、フランジ嵌着凹部３ｕとフランジ嵌着凹部３ｕの底面との間には図示しないパッキンが配置される。また、四辺形状のフランジ嵌着凹部３ｕの内隅位置には逃がし孔３ｑが形成されている。

以上の構成によると、振動子配置筒状部２ｇを流路形成部３から分離し、流路形成部３の壁部３Ｊａ，３Ｊｂに貫通形成された超音波ビーム導入孔３ｐに多孔質シート状部２０ａを配置し、その後、振動子配置筒状部２ｇを流路形成部３に組み付ける構造となるので、振動子配置筒状部２ｇを取り外した状態で超音波ビーム導入孔３ｐへ多孔質シート状部２０ａを容易に装着することができる。シート装着凹部３ｈ内に多孔質シート状部２０ａを配置することにより、超音波ビーム導入孔３ｐに対する多孔質シート状部２０ａを容易に位置決めすることができる。

なお、図１４及び図１５に示すように、多孔質シート状部２０ａの外縁は、支持底面領域に接着又は融着により固定することができる。図１４は高分子材料ないし金属の網からなる多孔質シート状部２０ａの各角部を点状の融着部（あるいは溶接部）２０ｋにより接合した事例を示し、図１５は、同じく多孔質シート状部２０ａの対向する１対の各辺に沿う線状の融着部（あるいは溶接部）２０ｋにより接合した事例を示す。

また、図１６は、支持底面領域に装着ピン２０ｒを立設し、網状の多孔質シート状部２０ａの外周縁に位置する網目に装着ピン２０ｒを圧入する形で結合した例を示す。これにより、多孔質シート状部２０ａは装着ピン２０ｒへの圧入により非接着による取付けが可能となり、多孔質シート状部２０ａが万一破損した場合も交換が容易である。

また、図１７に示すように、多孔質シート状部２０ａは、支持底面領域３ｋとともに超音波ビーム導入孔３ｐを覆う本体部２０ｗと、該本体部２０ｗの外縁からシート装着凹部３ｈの内側面に沿ってその開口側に立ち上がる側壁部２０ｋと、該側壁部２０ｋの端縁からシート装着凹部３ｈの開口周縁領域に沿って外向きに延出し、該開口周縁領域にて支持される支持延出部２０ｆとを有するものとして形成することもできる。上記構成の多孔質シート状部２０ａは、本体部２０ｗと側壁部２０ｋとがシート装着凹部３ｈ内に嵌合しつつ支持延出部２０ｆにてシート装着凹部３ｈの開口周縁領域により支持されるので、シート装着凹部３ｈに対する位置決め性と組み付け安定性に優れる。

図１７においては、多孔質シート状部２０ａは、四辺形状の本体部２０ｗの一辺に沿う向きにおいて、その両端に側壁部２０ｋと支持延出部２０ｆとを、網素材の曲げ加工によりそれぞれ形成している。また、振動子配置筒状部２ｇの取付フランジ部２ｆの裏面側からは、多孔質シート状部２０ａの、側壁部２０ｋと支持延出部２０ｆとが形成する凹状部分の内側に嵌合する枠状の押さえ凸部２ｎが突出形成され、多孔質シート状部２０ａを該押さえ凸部２ｎと支持底面領域３ｋとの間で挟圧保持している。図１８は、シート装着凹部３ｈの多孔質シート状部２０ａを装着した状態を示している。

本発明の第一に係る超音波流量計の全体構成を示す模式図。 図１の超音波流量計で使用する超音波透過ユニットの第一例を示す斜視図。 図２の超音波透過ユニットの超音波振動子への組み付け形態の一例を示す説明図。 ゼロクロスコンパレータ回路の構成例を示す回路図。 図２のゼロクロスコンパレータ回路の動作シーケンスを示すタイミング図。 実施形態で採用したゼロクロス点位置を説明する図。 多孔質シート状部の第一例を示す模式図。 同じく第二例を示す模式図。 超音波透過ユニットの第二例を超音波振動子への組み付け形態とともに示す斜視図。 超音波透過ユニットの第三例を超音波振動子への組み付け形態とともに示す斜視図。 超音波透過ユニットの第四例を示す斜視図。 本発明の第二に係る超音波流量計の要部の第一例を示す分解斜視図。 図１２の組立状態を示す斜視図。 多孔質シート状部の取付形態に係る第一変形例を示す斜視図。 多孔質シート状部の取付形態に係る第二変形例を示す斜視図。 多孔質シート状部の取付形態に係る第三変形例を示す斜視図。 本発明の第二に係る超音波流量計の要部の第二例を示す分解斜視図。 同じく多孔質シート状部の組み付け状態にて示す分解斜視図。

符号の説明

１ 超音波流量計
Ｆ 流体
２ａ，２ｂ 超音波送受信部
２ｆ 取付フランジ部
３ｈ シート装着凹部
３ｕ フランジ嵌着凹部
ＳＴ 超音波振動子
２ｒ（図３） 超音波ビーム放出面
２ｇ 振動子配置筒状部
２ｄ 流体淀み空間
３ 流路形成部
３ｐ 超音波ビーム導入孔
ＧＦ 流路
２０ 超音波透過ユニット
２０ａ 多孔質シート状部
２０ｂ 筒状支持体
２０ｒ 装着ピン
２０ｗ 本体部
２０ｋ 側壁部
２０ｆ 支持延出部
２５ 振動子アセンブリ

Claims (16)

1. 被計測流体の流路を形成する流路形成部と、
   前記流路形成部に対し前記被計測流体の流通方向において互いに異なる位置に設けられ、一方が前記被計測流体への計測用超音波の送出側となり、他方が該計測用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々前記計測用超音波として、予め定められた向きへの指向性を有する超音波ビームを送出可能な対をなす超音波送受信部とを有し、
   各前記超音波送受信部に組み込まれた超音波振動子は、前記流路形成部の壁部の外面に形成され該流路形成部の壁部を斜めに貫通する振動子配置筒状部内に、自身の超音波ビーム放出面が、前記振動子配置筒状部の内周面と、前記流路形成部の壁部内面の該振動子配置筒状部側への延長面との間で三角形状の流体淀み空間を生ずる形で配置される一方、前記振動子配置筒状部の前記流路形成部の壁部への開口部が、シート面内に超音波透過孔が分散形成された多孔質シート状部により覆われてなり、さらに、
   前記多孔質シート状部は、該多孔質シート状部の外周縁から前記流体淀み空間側に延出する形で一体化された筒状支持体とともに超音波透過ユニットを形成し、該超音波透過ユニットが前記振動子配置筒状部内に装着されてなることを特徴とする超音波流量計。
2. 前記超音波透過ユニットの前記筒状支持体の外周面が前記振動子配置筒状部の内周面に密着配置されている請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記振動子配置筒状部内にて前記超音波透過ユニットの前記筒状支持体の後端側開口部内側に前記超音波振動子が嵌着されている請求項１又は請求項２に記載の超音波流量計。
4. 超音波振動子は、超音波放出面を形成する側の端部外周縁部が縮径されてユニット装着段部が形成され、該ユニット装着段部の後方に続く外周面領域にて前記振動子配置筒状部の内周面に密着嵌合するとともに、前記筒状支持体は、後端面を該ユニット装着段部の底面に当て止めする形で、後端部内周面が該ユニット装着段部の外側に嵌着されてなる請求項３記載の超音波流量計。
5. 前記振動子配置筒状部が前記流路形成部の壁部から突出する形で一体形成され、前記超音波透過ユニットの前記筒状支持体の後端部内側に前記超音波振動子を嵌着した一体の振動子アセンブリが、前記振動子配置筒状部の後端開口からその内側に嵌着されてなる請求項３又は請求項４に記載の超音波流量計。
6. 前記超音波透過ユニットは、前記多孔質シート状部が、別体の前記筒状支持体の端面に接着又は融着されてなる請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の超音波流量計。
7. 前記超音波透過ユニットは、前記多孔質シート状部と前記筒状支持体とが同一材質の高分子材料により一体成型されたものである請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の超音波流量計。
8. 前記多孔質シート状部が網状に形成され、前記筒状支持体の該多孔質シート状部が装着される側の端面に装着ピンが立設されてなり、前記超音波透過ユニットは、前記多孔質シート状部の外周縁に位置する網目に前記装着ピンを圧入する形で前記筒状支持体に結合されてなる請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の超音波流量計。
9. 前記超音波透過ユニットは、前記多孔質シート状部と前記筒状支持体とが網材の一体成形体とされてなる請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の超音波流量計。
10. 被計測流体の流路を形成する流路形成部と、
    前記流路形成部に対し前記被計測流体の流通方向において互いに異なる位置に設けられ、一方が前記被計測流体への計測用超音波の送出側となり、他方が該計測用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々前記計測用超音波として、予め定められた向きへの指向性を有する超音波ビームを送出可能な対をなす超音波送受信部とを有し、
    各前記超音波送受信部に組み込まれた超音波振動子は、前記流路形成部の壁部の外面に形成され該流路形成部の壁部を斜めに貫通する振動子配置筒状部内に、自身の超音波ビーム放出面が、前記振動子配置筒状部の内周面と、前記流路形成部の壁部内面の該振動子配置筒状部側への延長面との間で三角形状の流体淀み空間を生ずる形で配置される一方、前記振動子配置筒状部の前記流路形成部の壁部への開口部が、シート面内に超音波透過孔が分散形成された多孔質シート状部により覆われてなり、さらに、
    前記振動子配置筒状部が前記流路形成部から分離形成され、該流路形成部の壁部に貫通形成された超音波ビーム導入孔に前記多孔質シート状部を、該超音波ビーム導入孔の周縁にて前記多孔質シート状部の外縁を支持させつつ配置し、さらに該多孔質シート状部を覆うように前記振動子配置筒状部を前記流路形成部の壁部に取り付けたことを特徴とする超音波流量計。
11. 前記流路形成部の壁部にシート装着凹部が形成され、該シート装着凹部の底面に前記超音波ビーム導入孔が孔設されるとともに、前記多孔質シート状部を前記超音波ビーム導入孔の周縁領域をなす支持底面領域に支持させる形で該シート装着凹部内に配置した請求項１０記載の超音波流量計。
12. 前記振動子配置筒状部は、前記壁部への取り付け側開口周縁から延出するとともに前記壁部外面に重ね配置される取付フランジ部を有し、該取付フランジ部にて前記壁部に結合されてなる請求項１１記載の超音波流量計。
13. 前記壁部に前記取付フランジ部を嵌着させるためのフランジ嵌着凹部が形成され、該フランジ嵌着凹部の底面にてさらに内側に前記シート装着凹部が形成されてなる請求項１２記載の超音波流量計。
14. 前記多孔質シート状部の外縁が前記支持底面領域に接着又は融着により固定されてなる請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の超音波流量計。
15. 前記多孔質シート状部が網状に形成され、前記支持底面領域に装着ピンが立設されてなり、前記多孔質シート状部が、その外周縁に位置する網目に前記装着ピンを圧入する形で前記支持底面領域に結合されてなる請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の超音波流量計。
16. 前記多孔質シート状部は、前記シート装着凹部の前記支持底面領域とともに前記超音波ビーム導入孔を覆う本体部と、該本体部の外縁から前記シート装着凹部の内側面に沿ってその開口側に立ち上がる側壁部と、該側壁部の端縁から前記シート装着凹部の開口周縁領域に沿って外向きに延出し、該開口周縁領域にて支持される支持延出部とを有する請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の超音波流量計。