JP2019045387A - 超音波流量測定装置および超音波流量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小径な管状部材を流れる流体の流量を精度良く測定することができる超音波流量測定装置および超音波流量測定方法を提供する。【解決手段】超音波送受信素子対４０における下流側素子４Ｂが、超音波送受信素子対５０における上流側素子５Ａに対して電気信号線３００によって接続されており、超音波送受信素子対４０の素子間において超音波が通過する経路と、超音波送受信素子対５０の素子間において超音波が通過する経路と、が連続的になっているものと考えることができる。このように超音波が流体中を通過する距離を長くすることにより、超音波が流体中を伝搬する時間を長くし、正方向所要時間と逆方向所要時間との伝搬時間差を長くすることができ、伝搬時間差の測定精度を向上させることができる。これにより、チューブ１０が小径であっても、流体の流量を精度良く測定することができる。【選択図】図６

Description

本発明は、超音波流量測定装置および超音波流量測定方法に関する。

従来、管状部材によって形成される流路を通過する流体の流量を、非接触で測定するための流量計として、超音波流量測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された超音波流量測定装置では、一対の超音波送受信器（一対の超音波送受信素子）が管体（管状部材）に対して傾斜して配置され、これらの間で超音波を送受信することにより、伝搬時間に基づいて流量を求めている。

特開２０１４−２１９２１０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたような超音波流量測定装置では、超音波の伝搬時間に基づいて流量を測定するため、超音波が流体中を通過する距離が短くなると、良好な測定結果が得られないことがあった。即ち、内径が小さい管状部材を用いた測定が困難であった。そこで、一対の超音波送受信素子を管状部材の長手方向に離して配置する（長手方向に対する送受信方向の傾斜角度を小さくする）ことによって流体中の通過距離を長くする構成も考えられるものの、測定装置全体が大型化したり、超音波が部材間の界面において全反射されたりするといった不都合が生じ得る。

本発明の目的は、小径な管状部材を流れる流体の流量を精度良く測定することができる超音波流量測定装置および超音波流量測定方法を提供することにある。

本発明の超音波流量測定装置は、可撓性の管状部材を上流側から下流側に向かって通過する流体の流量を測定する超音波流量測定装置であって、前記管状部材の長手方向に対して傾斜した方向を送受信方向として該管状部材を挟んで対向配置される複数組の超音波送受信素子対を備え、前記複数組の超音波送受信素子対は、前記長手方向に対する前記送受信方向の傾斜角度が互いに等しく、一の前記超音波送受信素子対における下流側素子と、他の前記超音波送受信素子対における上流側素子と、が電気信号送信手段によって接続されていることを特徴とする。

このような本発明によれば、一の超音波送受信素子対における下流側素子と、他の超音波送受信素子対における上流側素子と、が電気信号送信手段によって接続されていることで、一の超音波送受信素子対の上流側素子が送信した超音波を下流側素子が受信したら、この下流側素子から他の超音波送受信素子対の上流側素子に電気信号が送信される。これにより、他の超音波送受信素子対において上流側素子が超音波を送信し、下流側素子が受信する。また、他の超音波送受信素子対の下流側素子が送信した超音波を上流側素子が受信したら、この上流側素子から一の超音波送受信素子対の下流側素子に電気信号が送信される。これにより、一の超音波送受信素子対において下流側素子が超音波を送信し、上流側素子が受信する。

このとき、電気信号の伝搬に要する時間は、超音波送受信素子対の素子間において超音波の伝搬に要する時間よりも充分に短いことから、流量の測定上、無視することができる。従って、一の超音波送受信素子対の素子間において超音波が通過する経路と、他の超音波送受信素子対の素子間において超音波が通過する経路と、が実質的に連続的なものとなる。これにより、一の超音波送受信素子対において超音波の送受信に要する時間と、他の超音波送受信素子対において超音波の送受信に要する時間と、に基づいて流量が算出される。このように、複数組の超音波送受信素子対が接続されていることで、超音波が流体中を通過する距離を長くすることができる。従って、超音波が流体中を伝搬する時間を長くし、一方向の伝搬に要する時間と他方向の伝搬に要する時間との時間差の測定精度を向上させることができ、管状部材が小径であっても、流体の流量を精度良く測定することができる。

尚、電気信号送信手段は、下流側素子と上流側素子とを信号処理回路上、有線接続する信号線であってもよいし、下流側素子と上流側素子とを無線接続して電磁波によって通信する通信手段であってもよく、通信速度が音速よりも充分に速いものであればよい。即ち、「電気信号」には、電磁波による信号も含まれるものとする。また、超音波流量測定装置が３組以上の超音波送受信素子対を備える場合、これらは順次接続されていればよく、接続順序における一方側の超音波送受信素子対の上流側素子が超音波を送信してから、他方側の下流側素子が超音波を受信するまでの時間に基づいて流量を算出すればよい。

この際、本発明の超音波流量測定装置では、前記電気信号送信手段には、信号増幅手段が設けられていることが好ましい。上流側素子または上流側素子が送信する超音波は、各部を通過して相手方の素子に到達するまでに減衰し、その強度（振幅、エネルギー）が低くなる。この相手方の素子から他の超音波送受信素子対に電気信号を送信する際に、信号増幅手段によって信号強度を増幅すれば、他の超音波送受信素子対において超音波を送信させる際に、その強度を向上させることができ、相手方の素子によって超音波を検出しやすい。即ち、複数の超音波送受信素子対を接続した際に、超音波の減衰に対応して測定感度を向上させることができる。

さらに、本発明の超音波流量測定装置では、前記保持部材は、前記超音波送受信素子対における一方から送信されて前記溝部と前記管状部材との界面において反射された超音波である反射波が通過するように構成され、前記反射波が前記超音波送受信素子対における他方に到達することを遅らせるための迂回路部と、前記反射波を前記他方とは異なる方向に向かって進行させるための反射部と、のうち少なくとも一方を有することが好ましい。このような構成によれば、正規の超音波と反射波とが干渉して受信されてしまうことを抑制し、測定精度をさらに向上させることができる。迂回路部は、送信開始直後の超音波が反射された際に、この反射波が、送信終了直前の超音波が他方の素子に到達するよりも遅れて、他方の素子に到達するように迂回させるものである。また、反射部は、反射波をさらに反射させることで、相手方の素子とは異なる方向に向かうように（例えば長手方向に沿って進行するように）するものである。

また、本発明の超音波流量測定装置では、前記長手方向に沿って延びて前記管状部材を保持する溝部が形成された保持部材をさらに備え、前記複数組の超音波送受信素子対は、前記保持部材において、長手方向に沿って並んでいることが好ましい。このような構成によれば、上記のように保持部材が迂回路部及び反射部のうち少なくとも一方を備えた構成において、装置全体を小型化することができる。

また、本発明の超音波流量測定装置では、前記保持部材のうち前記溝部と反対側の面には、前記長手方向に隣り合う２組の前記超音波送受信素子対の間に凹溝部が形成されるとともに、該凹溝部に吸音部材が充填されて音響分離層が形成されていることが好ましい。このような構成によれば、一の超音波送受信素子対において送信された超音波やこの反射波が、溝部を迂回するように保持部材を通過して他の超音波送受信素子対に向かって進行しようとした際に、音響分離層によって進行が妨げられる。従って、誤って他の超音波送受信素子対において受信されてしまうことを抑制することができる。

一方、本発明の超音波流量測定方法は、可撓性の管状部材を上流側から下流側に向かって通過する流体の流量を測定する超音波流量測定方法であって、複数組の超音波送受信素子対を、前記管状部材の長手方向に対して傾斜した方向を送受信方向として該管状部材を挟んで対向配置するとともに、前記長手方向に対する前記送受信方向の傾斜角度を互いに等しくし、一の前記超音波送受信素子対における上流側および下流側のうち一方側の素子が超音波を送信して他方側の素子が受信したら、当該他方側の素子から他の前記超音波送受信素子対における前記一方側の素子に電気信号を送信することにより、当該一方側の素子に超音波を送信させることを特徴とする。このような本発明によれば、上記の超音波流量測定装置と同様に、小径な管状部材を流れる流体の流量を精度良く測定することができる。

本発明の超音波流量測定装置および超音波流量測定方法によれば、複数組の超音波送受信素子対が電気信号送信手段によって接続されていることで、小径な管状部材を流れる流体の流量を精度良く測定することができる。

本発明の実施形態に係る超音波流量測定装置を示す斜視図である。 前記超音波流量測定装置において蓋部を開いた状態を示す斜視図である。 前記超音波流量測定装置を示す側面図である。 前記超音波流量測定装置の保持部材を示す上面図及び側面図である。 前記超音波流量測定装置の保持部材を示す下面図である。 前記超音波流量測定装置において超音波送受信素子対が接続される様子を示すブロック図である。 前記保持部材において超音波が反射する様子を示す上面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の超音波流量測定装置１０６は、図１〜３に示すような装置本体２と、図６に示すような制御部２００と、を備え、可撓性の管状部材としてのチューブ１０を上流側から下流側に向かって通過する流体の流量を測定するものである。チューブ１０は、例えば塩化ビニル樹脂やシリコーン樹脂等の軟質な樹脂材料によって構成されることで可撓性を有する。本実施形態では、チューブ１０の長手方向をＸ方向とし、Ｘ方向に略直交する方向をそれぞれＹ方向およびＺ方向とする。また、Ｘ方向において、流体が上流側から下流側に向かって流れるものとする。超音波流量測定装置１０６は、筐体内に収容され、固定された超音波流量測定装置１０６に対してチューブ１０が取り付けられるものとするが、チューブ１０が所定の配索形状を有するとともに超音波流量測定装置１０６をチューブ１０に対して取り付けるものとしてもよい。

装置本体２は、ケース２１と、ケース２１に収容される測定ユニット２２と、を備える。ケース２１は、例えば樹脂によって構成され、ケース本体２１１と蓋部２１２と、を有する。ケース本体２１１は、Ｚ方向の一方側（上方側）に開口した収容凹部２１１Ａを有し、収容凹部２１１Ａに測定ユニット２２が収容されるようになっている。ケース本体２１１のうち収容凹部２１１ＡのＸ方向両側には、後述する溝部３１に連続した溝部２１１Ｂが形成されている。

蓋部２１２のＹ方向の一端縁には、Ｘ方向に沿って延びる回動被支持部２１２Ａが設けられ、ケース本体２１１の回動支持部２１１Ｃによって軸支されている。また、ケース本体２１１および蓋部２１２のＹ方向の他端縁には、係止部材組２５が設けられている。係止部材組２５は、いわゆるキャッチクリップであって、ケース本体２１１に固定されたクリップ部材２５１と、蓋部２１２に固定されたフック部材２５２と、によって構成されている。クリップ部材２５１は、レバー部２５１Ａと、フック部材２５２に係止される被係止部２５１Ｂと、を有しており、レバー部２５１Ａを起こす（その先端を蓋部２１２に近づける）ことにより、被係止部２５１Ｂも蓋部２１２に近づくように移動する。レバー部２５１Ａを一旦起こし、被係止部２５１Ｂをフック部材２５２に係止させ、レバー部２５１Ａを倒すことにより、蓋部２１２の閉状態が維持されるようになる。また、この状態からレバー部２５１Ａを起こせば、フック部材２５２による被係止部２５１Ｂの係止を解除することができ、蓋部２１２が開動作可能な状態となる。

蓋部２１２の内面（ケース２１内側の面）には、互いに独立な２つの蓋突起２３、２４がＸ方向に並んで設けられている。蓋突起２３、２４の接触面（ケース２１内側の面）は、蓋部２１２の閉状態においてＹ方向から見て円弧状となっている。また、蓋部２１２の閉状態において、蓋突起２３、２４は溝部３１の内側に向かって突出する。

測定ユニット２２は、図４、５に示すように、保持部材３と、２組の超音波送受信素子対４０、５０と、を備える。超音波送受信素子対４０は、一対の超音波送受信素子としての上流側素子４Ａおよび下流側素子４Ｂによって構成され、超音波送受信素子対５０は、一対の超音波送受信素子としての上流側素子５Ａおよび下流側素子５Ｂによって構成されている。

保持部材３は、例えばＰＰＳやＰＥＩ、アクリル等の樹脂によって構成されている。保持部材３を構成する樹脂は、超音波の音響特性や耐薬品性等に応じて適宜に選択されればよい。保持部材３には、溝部３１と、４つの素子配置部３２〜３５と、音響分離部３６と、が形成されている。

溝部３１は、ＸＹ平面に沿って延びる底部３１１と、ＺＸ平面に沿って延びる一対の壁部３１２、３１３と、によって構成され、Ｘ方向を長手方向として延びるとともにＺ方向の一方側において開口し、Ｘ方向の両端においても開口している。一方の壁部３１２には、Ｘ方向に並んだ２つの突起部３１４、３１５が形成され、他方の壁部３１３には、Ｘ方向に並んだ２つの突起部３１６、３１７が形成されている。突起部３１４と突起部３１６とが一対の突起部を構成し、突起部３１５と突起部３１７とが一対の突起部を構成する。

突起部３１４〜３１７の先端には、ＺＸ平面に沿って延びる接触平面３１４Ａ〜３１７Ａが形成されている。接触平面３１４Ａ〜３１７Ａは、鏡面加工が施されることで鏡面状となっており、壁部３１２、３１３の他の部分よりも面粗度が小さくなっている。例えば、接触平面３１４Ａ〜３１７Ａの面粗度Ｒｚが３．２〜６．０程度であり、壁部３１２、３１３の他の部分の面粗度Ｒｚが２５程度であればよい。

本実施形態では、接触平面３１４Ａ〜３１７Ａは、Ｙ方向から見て矩形状に形成されているものとするが、接触平面は、円形状であってもよいし、後述する全体投影領域３０Ａや有効投影領域３０Ｂと同様の形状を有していてもよい。

素子配置部３２〜３５は、保持部材３のうち溝部３１を基準として外側の面が凹状に形成されたものであって、壁部３１２側の素子配置部３２に上流側素子４Ａが配置され、壁部３１３側の素子配置部３３に下流側素子４Ｂが配置され、壁部３１２側の素子配置部３４に上流側素子５Ａが配置され、壁部３１３側の素子配置部３５に下流側素子５Ｂが配置される。

素子配置部３２〜３５は、素子４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂの送受信面４１、５１をＸ方向に対して傾斜させるような形状を有している。送受信面４１、５１と略直交する方向が、素子４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂが送受信する超音波の送受信方向となる。尚、超音波は屈折しつつ進むため、各部において進行方向が異なるが、保持部材３を通過する際の進行方向を送受信方向とする。超音波送受信素子対４０の送受信方向と超音波送受信素子対５０の送受信方向とは略平行であり、即ち、Ｘ方向に対する送受信方向の傾斜角度が互いに略等しい。素子配置部３２に配置された上流側素子４Ａと、素子配置部３３に配置された下流側素子４Ｂと、が溝部３１（及びチューブ１０）を挟んで送受信方向に対向配置されている。素子配置部３４に配置された上流側素子５Ａと、素子配置部３５に配置された下流側素子５Ｂと、が溝部３１（及びチューブ１０）を挟んで送受信方向に対向配置されている。尚、チューブ１０内の流体の流れにおける上流側から下流側に向かって、素子配置部３２と素子配置部３３と素子配置部３４と素子配置部３５とが順に配置されている。即ち、２組の超音波送受信素子対４０、５０は、保持部材３においてＸ方向に沿って並んでいる。

保持部材３のうち溝部３１から見てＹ方向外側の面には、素子４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂの送受信面４１、５１のそれぞれと対向する対向面３２１〜３５１が形成されている。対向面３２１〜３５１は、溝部３１から遠ざかるにしたがって、対向する各素子４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂに近づく傾斜を有している。

音響分離部３６は、保持部材３のうち溝部３１と反対側の面（Ｚ方向他方側の面）に形成された凹溝部であって、素子配置部３２および素子配置部３４の間と、素子配置部３３および素子配置部３５の間と、を結ぶように送受信方向に沿って延びる。音響分離部３６には、例えば軟質な樹脂によって構成された吸音部材が充填され、音響分離層が形成される。

素子４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂは、超音波を送受信する円形状の送受信面４１、５１を溝部３１に向けて配置される。送受信面４１、５１のうちその中央の所定領域が有効送受信領域４２、５２となる。有効送受信領域４２、５２とは、送受信面４１、５１のうち、送信する超音波が縦波として相手方の素子に到達するような領域である。即ち、送受信面４１、５１のうち外周に近い部分ほど、送信される超音波が面直方向に対して傾斜しやすく、横波となって伝達されやすい。有効送受信領域４２、５２は、素子４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂのサイズや性能等に応じて決まり、例えば外径が５．５ｍｍであり内径が３．３ｍｍであるチューブ１０を通過する流体の流量測定時に、直径７．０ｍｍの素子４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂを用いる場合、有効送受信領域４２、５２は、送受信面４１、５１のうち中心側の５５〜９０％程度の領域となる。

上流側素子４Ａから送信された超音波は、保持部材３、チューブ１０、チューブ１０内の流体、チューブ１０、保持部材３の順に通過し、下流側素子４Ｂによって受信される。下流側素子４Ｂから送信された超音波は、この逆の順で進行して上流側素子４Ａに受信される。上流側素子５Ａおよび下流側素子５Ｂについても同様である。また、送信された超音波は、保持部材３とチューブ１０との界面、及び、チューブ１０と流体との界面において各部の音速に応じて屈折する。

制御部２００は、素子４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂに超音波を送信させるとともに、受信した超音波の伝搬時間差に基づいて流体の流量を算出する。尚、超音波を送信させるための手段と、流量を算出するための手段と、が独立となっていてもよい。

ここで、各部の接続構造および超音波の送受信方法の一例について、図６を参照して説明する。まず、制御部２００は、信号線４０１によって超音波送受信素子対４０の上流側素子４Ａに接続されるとともに、信号線４０２によって超音波送受信素子対５０の下流側素子５Ｂに接続されている。尚、制御部２００と素子４Ａ、５Ｂとは無線接続されていてもよい。また、超音波送受信素子対４０の下流側素子４Ｂと、超音波送受信素子対５０の上流側素子５Ａと、が電気信号送信手段としての電気信号線３００によって信号処理回路上、接続されている。また、信号処理回路上の電気信号線３００の途中には、信号増幅手段（アンプ）３０１が設けられている。尚、信号処理回路上の電気信号線３００は、常に双方向に電気信号を送信可能なものであってもよいし、スイッチによって電気信号の送信可能方向が切り替えられるものであってもよい。

制御部２００は、上流側素子４Ａに対し、超音波送信開始信号を送信する。超音波送信開始信号を受信した上流側素子４Ａは、下流側素子４Ｂに向けて超音波を送信する。下流側素子４Ｂがこの超音波を受信したら、この受信信号は、電気信号として信号処理回路内の電気信号線３００によって上流側素子５Ａに伝達される。信号処理回路内の電気信号線３００によって伝達される電気信号は、信号増幅手段３０１によって増幅される。この電気信号を受信した上流側素子５Ａは、下流側素子５Ｂに向けて超音波を送信し、この超音波を下流側素子５Ｂが受信する。下流側素子５Ｂは、超音波を受信したら、超音波検知信号を制御部２００に送信する。制御部２００は、上記のように超音波送信開始信号を送信してから超音波検知信号を受信するまでの時間を正方向所要時間として取得する。

次に、制御部２００は、下流側素子５Ｂに対し、超音波送信開始信号を送信する。超音波送信開始信号を受信した下流側素子５Ｂは、上流側素子５Ａに向けて超音波を送信する。尚、上記のように信号処理回路内の電気信号線３００における電気信号の送信可能方向が切り替えられる構成の場合、制御部２００は、下流側素子５Ｂに対する信号送信に前後して、スイッチに対して切替信号を送信すればよい。上流側素子５Ａがこの超音波を受信したら、この受信信号は、電気信号として信号処理回路内の電気信号線３００によって下流側素子４Ｂに伝達される。信号処理回路内の電気信号線３００によって伝達される電気信号は、信号増幅手段３０１によって増幅される。この電気信号を受信した下流側素子４Ｂは、上流側素子４Ａに向けて超音波を送信し、この超音波を上流側素子４Ａが受信する。上流側素子４Ａは、超音波を受信したら、超音波検知信号を制御部２００に送信する。制御部２００は、上記のように超音波送信開始信号を送信してから超音波検知信号を受信するまでの時間を逆方向所要時間として取得する。制御部２００は、正方向所要時間および逆方向所要時間の伝搬時間差に基づき、チューブ１０を通過する流体の流量を算出する。以上のように、超音波流量測定装置１０６は流体の流量を測定する。

ここで、装置本体２の各部の詳細な位置関係について説明する。まず、一対の壁部３１２、３１３のそれぞれに形成された突起部３１４、３１６は、超音波の送受信方向において超音波送受信素子対４０の素子４Ａ、４Ｂの間に配置されている。これにより、一対の突起部３１４、３１６は、Ｘ方向に互いにずれている。即ち、突起部３１４の接触平面３１４ＡにおけるＸ方向中央部と、突起部３１６の接触平面３１６ＡにおけるＸ方向中央部と、が互いにずれている。同様に、突起部３１５、３１７は、超音波の送受信方向において超音波送受信素子対５０の素子５Ａ、５Ｂの間に配置されており、Ｘ方向に互いにずれている。

素子４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂの送受信面４１、５１を送受信方向に沿って壁部３１２、３１３に投影した領域を全体投影領域３０Ａとし、有効送受信領域４２、５２を送受信方向に沿って壁部３１２、３１３に投影した領域を有効投影領域３０Ｂとする。送受信面４１、５１が円形状であり、送受信方向がＸ方向に対して傾斜していることから、領域３０Ａ、３０Ｂは、円がＸ方向に引き伸ばされた形状を有している。接触平面３１４Ａ〜３１７Ａは、有効投影領域３０Ｂの全体を含んでいる。また、接触平面３１４Ａ〜３１７ＡのＸ方向寸法は、全体投影領域３０ＡのＸ方向寸法よりも小さい。

次に、溝部３１と蓋部２１２との関係について説明する。蓋部２１２は、ケース本体２１１の収容凹部２１１Ａを覆うものであるが、収容凹部２１１Ａには保持部材３が収容されることから、蓋部２１２は溝部３１の底部３１１に対向して開口を覆うものでもある。蓋部２１２が閉状態となった際に、蓋突起２３が、送受信方向において一対の突起部３１４、３１６の間に位置し、蓋突起２４が、送受信方向において一対の突起部３１５、３１７の間に位置する。

ここで、チューブ１０のうち、送受信方向において超音波送受信素子対４０の素子４Ａ、４Ｂの間に位置する部分を超音波通過部１０Ａとし、送受信方向において超音波送受信素子対５０の素子５Ａ、５Ｂの間に位置する部分を超音波通過部１０Ｂとする。蓋突起２３はチューブ１０の超音波通過部１０Ａを押圧し、蓋突起２４はチューブ１０の超音波通過部１０Ｂを押圧する。従って、２つの蓋突起２３、２４は、２組の超音波送受信素子対４０、５０のそれぞれに対応して独立して設けられている。尚、超音波通過部１０Ａは、Ｘ方向およびＹ方向において多少の幅を有しており、蓋突起２３、２４の先端が、送受信面４１、５１の中心同士を結ぶ線上に位置していてもよいし、多少ずれていてもよい。

ここで、素子４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂが送信する超音波の進行経路の詳細について、図７に基づいて説明する。尚、素子４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂ、及び、その周辺における保持部材３の各部位は、対称な形状を有しており、以下では上流側素子４Ａから超音波を送信する場合について代表して説明するが、他の素子４Ｂ、５Ａ、５Ｂから超音波を送信する場合についても、超音波は同様に進行する。

上流側素子４Ａから送信された超音波Ｗ０は、保持部材３内を進行し、チューブ１０との界面において屈折するとともに、一部が全反射されて第１反射波Ｗ１となる。この第１反射波Ｗ１は、Ｙ方向外側（溝部３１と反対側）且つ下流側に向かって進行することにより、対向面３２１に到達して反射されて第２反射波Ｗ２となる。この第２反射波Ｗ２は、上流側素子４Ａに向かって進行する。

以上のような反射波Ｗ１、Ｗ２は、相手方の素子である下流側素子４Ｂには向かわない。従って、対向面３２１は、溝部３１とチューブ１０との界面において反射された超音波である第１反射波Ｗ１を、他方の素子とは異なる方向に向かって進行させる反射部として機能する。

また、反射波Ｗ２は、上流側素子４Ａに到達するまでに充分に長い距離を進行し、所定の時間を要する。この所定の時間は、上流側素子４Ａが超音波の送信を継続する時間よりも長い。従って、送信開始直後の超音波が第２反射波Ｗ２となって上流側素子４Ａに到達した際には、上流側素子４Ａは超音波の送信を完了している。即ち、第２反射波Ｗ２が上流側素子４Ａにおいて反射されて下流側素子４Ｂに向かったとしても、正規の超音波（反射せずに下流側素子４Ｂに向かう超音波）と干渉しないようになっている。例えば、上流側素子４Ａによる超音波の送信継続時間が３μｓｅｃである場合に、超音波が上流側素子４Ａから溝部３１とチューブ１０との界面に到達するまでの時間が２μｓｅｃ以上であり、この界面から対向面３２１に到達するまでの時間が２μｓｅｃ以上であり、対向面３２１から上流側素子４Ａに到達するまでの時間が２μｓｅｃ以上であれば、正規の超音波と第２反射波Ｗ２との干渉が抑制される。このように、保持部材３のうち、素子配置部３２と、壁部３１２と、対向面３２１と、によって囲まれた領域が、反射波Ｗ２が他方の素子に到達することを遅らせるための迂回路部として機能する。

このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。即ち、超音波送受信素子対４０における下流側素子４Ｂが、超音波送受信素子対５０における上流側素子５Ａに対して信号処理回路上、電気信号線３００によって接続されており、電気信号の伝搬に要する時間が、超音波送受信素子対４０、５０の素子間において超音波の伝搬に要する時間よりも充分に短く、流量の測定上、無視することができる。従って、超音波送受信素子対４０の素子間において超音波が通過する経路と、超音波送受信素子対５０の素子間において超音波が通過する経路と、が連続的になっているものと考えることができる。このように超音波が流体中を通過する距離を長くすることにより、超音波が流体中を伝搬する時間を長くし、正方向所要時間と逆方向所要時間との伝搬時間差を長くすることができ、伝搬時間差の測定精度を向上させることができる。これにより、チューブ１０が小径であっても、流体の流量を精度良く測定することができる。

また、信号処理回路上の電気信号線３００に信号増幅手段３０１が設けられていることで、下流側素子４Ｂと上流側素子５Ａとの間で送信される電気信号を増幅することができ、各部を通過することによる超音波の減衰に対応して測定感度を向上させることができる。

さらに、保持部材３が反射部および迂回路部を有していることで、正規の超音波と反射波とが干渉して受信されてしまうことを抑制し、測定精度をさらに向上させることができる。

また、保持部材３のうち溝部３１と反対側の面に音響分離層が形成されていることで、超音波送受信素子対４０において送信された超音波やこの反射波が、溝部３１を迂回するように保持部材３を通過して超音波送受信素子対５０に向かって進行しようとした際に、音響分離層によって進行が妨げられる。従って、誤って超音波送受信素子対５０において受信されてしまうことを抑制することができる。尚、超音波送受信素子対５０において超音波が送信された場合も同様である。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。

例えば、前記実施形態では、保持部材３に音響分離層が形成されているものとしたが、２組の超音波送受信素子対同士がＸ方向において離れている場合や、各部の界面において超音波が全反射されにくい場合等、一方の超音波送受信素子対において送信された超音波が他方の超音波送受信素子対において受信されにくい場合には、音響分離層は形成されていなくてもよい。

また、前記実施形態では、保持部材３が反射部および迂回路部を有しているものとしたが、保持部材が反射部および迂回路部のいずれか一方のみを有するものとしてもよい。また、上記のように一方の超音波送受信素子対において送信された超音波が他方の超音波送受信素子対において受信されにくい場合には、保持部材が反射部および迂回路部を有していない構成としてもよい。

また、前記実施形態では、２組の超音波送受信素子対４０、５０が、保持部材３においてＸ方向に沿って並んでいるものとしたが、例えば２組の超音波送受信対を、Ｘ方向において略同一位置に配置し、且つ、チューブ１０の周方向において互いにずらして配置してもよい。このような構成によれば、装置全体のＸ方向寸法を小さくすることができる。

また、前記実施形態では、上流側の超音波送受信素子対４０における下流側素子４Ｂと、下流側の超音波送受信素子対５０における上流側素子５Ａと、が接続されるものとしたが、上流側の超音波送受信素子対の上流側素子と、下流側の超音波送受信素子対の下流側素子と、を接続してもよい。

また、前記実施形態では、電気信号線３００に信号増幅手段３０１が設けられているものとしたが、超音波が減衰しにくい場合や、超音波送受信素子が高強度の超音波を送信可能な場合等、超音波送受信素子が受信する超音波の強度が高い場合には、信号増幅手段は設けられていなくてもよい。

また、前記実施形態では、信号処理回路上、電気信号送信手段としての電気信号線３００によって下流側素子４Ｂと上流側素子５Ａとが接続されているものとしたが、電気信号送信手段は、素子同士を無線接続して電磁波によって通信する通信手段であってもよく、通信速度が音速よりも充分に速いものであればよい。

また、前記実施形態では、超音波流量測定装置１０６が２組の超音波送受信素子対４０、５０を備えるものとしたが、超音波流量測定装置は、３組以上の超音波送受信素子対を備えていてもよい。このとき、電気信号送信手段によって３組以上の超音波送受信素子対が直列に順次接続されていればよい。また、直列に接続された２組以上の超音波送受信素子対を１つのユニットとして、超音波流量測定装置が２以上のユニットを備えていてもよい。

また、超音波流量測定装置は、流体が通過する可撓性の管状部材に対して用いられればよく、例えば人工透析の為の液体を循環させる液体供給装置に組み込まれて利用されてもよいし、半導体の製造時に洗浄液等を供給するものに用いられてもよいし、農業において液体肥料や水等を供給するものに用いられてもよい。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、制御方法及び手順、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質、制御方法及び手順などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質、制御方法及び手順などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した記載は、本発明に含まれるものである。

１０６ 超音波流量測定装置
１０ チューブ（管状部材）
３ 保持部材
４０、５０ 超音波送受信素子対
４Ａ、５Ａ 上流側素子
４Ｂ、５Ｂ 下流側素子
２００ 制御部
３００ 電気信号線（電気信号送信手段）
３０１ 信号増幅手段
３２１〜３４１ 対向面（反射部）
３１２、３１３ 壁部（反射部）

Claims (6)

1. 可撓性の管状部材を上流側から下流側に向かって通過する流体の流量を測定する超音波流量測定装置であって、
   前記管状部材の長手方向に対して傾斜した方向を送受信方向として該管状部材を挟んで対向配置される複数組の超音波送受信素子対を備え、
   前記複数組の超音波送受信素子対は、前記長手方向に対する前記送受信方向の傾斜角度が互いに等しく、一の前記超音波送受信素子対における下流側素子と、他の前記超音波送受信素子対における上流側素子と、が電気信号送信手段によって接続されていることを特徴とする超音波流量測定装置。
2. 前記電気信号送信手段には、信号増幅手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量測定装置。
3. 前記長手方向に沿って延びて前記管状部材を保持する溝部が形成された保持部材をさらに備え、
   前記複数組の超音波送受信素子対は、前記保持部材において、長手方向に沿って並んでいることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波流量測定装置。
4. 前記保持部材は、前記超音波送受信素子対における一方から送信されて前記溝部と前記管状部材との界面において反射された超音波である反射波が通過するように構成され、前記反射波が前記超音波送受信素子対における他方に到達することを遅らせるための迂回路部と、前記反射波を前記他方とは異なる方向に向かって進行させるための反射部と、のうち少なくとも一方を有することを特徴とする請求項３に記載の超音波流量測定装置。
5. 前記保持部材のうち前記溝部と反対側の面には、前記長手方向に隣り合う２組の前記超音波送受信素子対の間に凹溝部が形成されるとともに、該凹溝部に吸音部材が充填されて音響分離層が形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の超音波流量測定装置。
6. 可撓性の管状部材を上流側から下流側に向かって通過する流体の流量を測定する超音波流量測定方法であって、
   複数組の超音波送受信素子対を、前記管状部材の長手方向に対して傾斜した方向を送受信方向として該管状部材を挟んで対向配置するとともに、前記長手方向に対する前記送受信方向の傾斜角度を互いに等しくし、
   一の前記超音波送受信素子対における上流側および下流側のうち一方側の素子が超音波を送信して他方側の素子が受信したら、当該他方側の素子から他の前記超音波送受信素子対における前記一方側の素子に電気信号を送信することにより、当該一方側の素子に超音波を送信させることを特徴とする超音波流量測定方法。

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