JP2019158677A - クランプオン式超音波流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小径を有する金属配管内を流れる流体の流量を算出することが可能なクランプオン式超音波流量センサを提供する。【解決手段】超音波素子１１２と超音波素子１２２とが、配管Ｐを挟んで超音波を送受信する。超音波素子１１２と超音波素子１２２との間で送受信される超音波に基づいて配管Ｐ内を流れる流体の流量が算出される。超音波素子１１２からの超音波は、ウェッジ材１１３により伝搬され、超音波の伝搬方向に対して傾斜した入出射面Ｃ１から出射される。弾性カプラント１１４は、配管接触部Ｔ１が配管Ｐの軸心方向に沿って配置されるようにクランプ部材１３０により配管Ｐに支持され、ウェッジ材１１３の入出射面Ｃ１からの超音波を配管Ｐへ伝搬する。配管接触部Ｔ１は、クランプ部材１３０に取り付けられた保持材によりクランプ部材１３０に対して位置決めされつつ周囲を保持される。【選択図】図２

Description

本発明は、配管内を流れる流体の流量を算出するクランプオン式超音波流量センサに関する。

クランプ部材により配管に取り付けられた状態で配管内を流れる流体の流量を算出することが可能なクランプオン式超音波流量センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のクランプオン式超音波流量センサ（超音波流量スイッチ）は、超音波の送信および受信を行う一対の超音波素子を含む。一方の超音波素子により配管内を流れる流体に超音波が送信され、他方の超音波素子により流体を通過した超音波が受信される。一対の超音波素子により送信および受信された超音波に基づいて流体の流量が算出される。

特開２０１６−２１７７３３号公報

クランプオン式超音波流量センサにおいては、一方の超音波素子から他方の超音波素子に到達する超音波の中には、流体を通過することなく配管の周壁内を伝搬する成分（以下、回り込み成分と呼ぶ。）が存在する。このような回り込み成分は、流体の流量についての情報を有さない不要な成分となる。回り込み成分が大きい場合には、流体の流量の正確な算出が困難になる。特に、小径を有する金属配管においては、大径を有する配管または樹脂配管よりも回り込み成分が増大するため、回り込み成分を低減させることが求められる。ここで、配管に伝搬する超音波の幅を小さくすることは、回り込み成分の低減に有効である。

一方で、取り扱い性を向上させるために、超音波を配管に伝搬する伝搬経路として、固体形状を有する弾性カプラントを超音波素子と配管との間に設けることが好ましい。弾性カプラントは、所定以上の押圧力で配管に押圧される必要がある。しかしながら、幅が小さい弾性カプラントが配管に押圧された場合には、圧力により弾性カプラントに意図しない変形が発生することにより、配管に伝搬される超音波の幅が変化する。この場合、配管内を流れる流体の流量を正確に算出することができない。

本発明の目的は、小径を有する金属配管内を流れる流体の流量を算出することが可能なクランプオン式超音波流量センサを提供することである。

（１）本発明に係るクランプオン式超音波流量センサは、配管内を流れる流体の流量を測定するクランプオン式超音波流量センサであって、超音波を送受信する第１の超音波素子と、第１の超音波素子からの超音波を伝搬するとともに、超音波の伝搬方向に対して傾斜しかつ伝搬した超音波を出射する入出射面を有するウェッジ材と、配管に接触する配管接触部を有し、配管接触部を介してウェッジ材の入出射面からの超音波を配管へ伝搬する弾性カプラントと、配管を支持するとともに、配管接触部が配管の軸心方向に沿って配置されるように弾性カプラントを支持するクランプ部材と、クランプ部材に取り付けられ、クランプ部材に対して配管接触部を位置決めしつつ配管接触部の周囲を保持する保持材と、配管を挟んで第１の超音波素子との間で超音波を送受信する第２の超音波素子と、第１の超音波素子と第２の超音波素子との間で送受信される超音波に基づいて配管内を流れる流体の流量を算出する流量算出部とを備える。

このクランプオン式超音波流量センサにおいては、配管を挟んで第１の超音波素子と第２の超音波素子との間で超音波が送受信される。第１の超音波素子からの超音波は、ウェッジ材により伝搬され、超音波の伝搬方向に対して傾斜した入出射面から出射される。弾性カプラントは、配管接触部が軸心方向に沿って配置されるようにクランプ部材により配管に支持され、配管接触部を介してウェッジ材の入出射面からの超音波を配管へ伝搬する。

上記の構成によれば、配管接触部は、クランプ部材に取り付けられた保持材によりクランプ部材に対して位置決めされつつ周囲を保持される。配管が小径である場合には、配管に伝搬される超音波の幅が変化すると流量の算出の正確さが低下するが、この構成によれば、配管接触部が配管に接触される場合でも、配管接触部の幅の変化が規制される。その結果、第１の超音波素子と第２の超音波素子との間で送受信される超音波に基づいて、小径を有する金属配管内を流れる流体の流量を算出することができる。また、配管接触部が軸心方向に沿って配置される状態で弾性カプラントを容易に配管に取り付けることができる。

（２）保持材は、弾性カプラントの位置および姿勢を保持するように構成されてもよい。この構成によれば、配管接触部が配管に押圧される場合でも、配管接触部の折れ曲がり、蛇行および変形が防止される。これにより、小径を有する金属配管内を流れる流体の流量を正確に算出することができる。

（３）保持材は、軸心方向に沿って延びかつ弾性カプラントの配管接触部が嵌め込まれるスリットを有してもよい。この場合、配管接触部をクランプ部材に対して位置決めしつつ配管接触部の周囲を保持材により容易に保持することができる。

（４）保持材は弾性体により形成されてもよい。この構成によれば、配管の外径に誤差またはばらつきがある場合でも、保持材が変形することにより、配管接触部をクランプ部材に対して位置決めしつつ配管接触部の周囲を保持材により保持することができる。

（５）クランプ部材と配管との間には、保持材の変形を許容する空間が形成されてもよい。この構成によれば、配管の外径に誤差またはばらつきがある場合でも、保持材が変形することにより、配管接触部をクランプ部材に対して位置決めしつつ配管接触部の周囲を保持材により保持することができる。

（６）クランプ部材は、配管を支持する際に当該クランプ部材を配管に導くガイド壁を含んでもよい。この場合、配管をクランプ部材により容易に支持することができる。

（７）配管の周壁は、ウェッジ材の入出射面から出射される超音波の縦波が衝突する励起領域を含み、配管の励起領域は、当該配管内を流れる流体を通過しかつ第２の超音波素子に向かう超音波を励起してもよい。

この場合、振動により配管の周壁内に超音波が励起され、励起された超音波を用いて、第１の超音波素子と第２の超音波素子との間で配管を挟んで超音波を送受信することができる。この場合、流体を通過することなく配管の周壁内を伝搬して第１の超音波素子と第２の超音波素子との間で送受信される超音波の不要な成分が低減する。したがって、配管の励起領域から発生された超音波に基づいて配管内を流れる流体の流量を算出することができる。

（８）保持材は、配管の周壁内の超音波を減衰させるダンピング材を含んでもよい。この場合、配管接触部との接触部分を除く配管の部分の振動が抑制され、配管の周壁内を周方向に伝搬する超音波の成分がダンピング材により減衰する。これにより、流体を通過することなく配管の周壁内を伝搬して第１の超音波素子と第２の超音波素子との間で送受信される超音波の不要な成分がより低減する。

また、配管の周壁内を軸心方向に伝搬する超音波が、軸心方向における周壁の端面で反射して帰還することがダンピング材により防止される。したがって、帰還した超音波が不要なタイミングで超音波を励起することがない。これらの結果、小径を有する金属配管内を流れる流体の流量を正確に算出することができる。

（９）クランプオン式超音波流量センサは、配管の周壁内の超音波を減衰させるダンピング材をさらに備え、保持材は、ダンピング材を配管に押圧する押圧部材を含んでもよい。

この場合、ダンピング材が配管に押圧されることにより、配管接触部との接触部分を除く配管の部分の振動が十分に抑制され、配管の周壁内を周方向に伝搬する超音波の成分がダンピング材により十分に減衰する。これにより、流体を通過することなく配管の周壁内を伝搬して第１の超音波素子と第２の超音波素子との間で送受信される超音波の不要な成分がさらに低減する。

また、配管の周壁内を軸心方向に伝搬する超音波が、軸心方向における周壁の端面で反射して帰還することがダンピング材により十分に防止される。したがって、帰還した超音波が不要なタイミングで超音波を励起することがない。これらの結果、小径を有する金属配管内を流れる流体の流量をより正確に算出することができる。

（１０）ウェッジ材は、軸心方向対する第１の超音波素子からの超音波のせん断波の入射角が臨界角以上となるように設けられてもよい。この場合、配管接触部から出射される超音波は配管により全反射され、ほとんど配管の周壁内に侵入しない。これにより、流体を通過することなく配管の周壁内を伝搬して第１の超音波素子と第２の超音波素子との間で送受信される超音波の不要な成分をより低減させることができる。

（１１）配管の外径は２ｍｍ以上２０ｍｍ以下であってもよい。この構成によれば、金属配管の外径が十分に小さい場合でも、流体の流量を算出することができる。

本発明によれば、小径を有する金属配管内を流れる流体の流量を算出することができる。

本発明の一実施の形態に係る流量センサの外観斜視図である。 図１のヘッド部の内部構成を示す横断面図である。 図１の流量センサにおける流量の算出方法を説明するための図である。 センサヘッドの詳細を示す模式的横断面図である。 図４のセンサヘッドのＡ−Ａ線断面図である。 変形例におけるヘッド部の内部構成を示す模式的横断面図である。 ヘッド部を配管に取り付ける工程を説明するための図である。 ヘッド部を配管に取り付ける工程を説明するための図である。 配管が取り付けられていない状態のクランプ部材の内部を示す模式的断面図である。 配管が取り付けられた状態のクランプ部材の内部を示す模式的断面図である。 配管が取り付けられた状態のクランプ部材の内部を示す模式的断面図である。 図１の中継部および本体部の内部構成を示すブロック図である。

（１）クランプオン式超音波流量センサの概略構成
本発明の一実施の形態に係るクランプオン式超音波流量センサ（以下、流量センサと略記する。）について図面を参照しながら説明する。また、以下の説明において、配管の中心軸に沿った方向を軸心方向と呼ぶ。配管の周壁に沿った方向を周方向と呼ぶ。軸心方向に対して所定の角度だけ傾斜した方向を傾斜方向と呼ぶ。軸心方向と傾斜方向とに直交する方向を幅方向と呼ぶ。傾斜方向と幅方向とに直交する方向を長さ方向と呼ぶ。

図１は、本発明の一実施の形態に係る流量センサの外観斜視図である。図１に示すように、本実施の形態に係る流量センサ１は、ヘッド部１００、中継部２００および本体部３００から構成される。ヘッド部１００は、２つのセンサヘッド１１０，１２０および２つのクランプ部材１３０，１４０を含む。また、ヘッド部１００は、センサヘッド１１０，１２０の一部をクランプ部材１３０，１４０に取り付けるための２つの取付板金１５０，１６０をさらに含む。クランプ部材１３０，１４０は、例えば金属材料により形成される。

センサヘッド１１０，１２０は、それぞれクランプ部材１３０，１４０により保持された状態で配管Ｐの周壁の外周面に取り付けられる。本実施の形態においては、配管Ｐは、比較的小径を有する金属配管である。配管Ｐの直径（外径）は、例えば２ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。配管Ｐ内には流体が流れる。

センサヘッド１１０と中継部２００との間にヘッド用ケーブルＣＡ１が接続され、センサヘッド１２０と中継部２００との間にヘッド用ケーブルＣＡ２が接続されている。中継部２００と本体部３００との間に中継ケーブルＣＡ３が接続されている。本体部３００には、さらに本体ケーブルＣＡ４の一端が接続されている。本体ケーブルＣＡ４の他端は、流量センサ１の外部装置（図示せず）に接続される。外部装置は、例えばパーソナルコンピュータまたはプログラマブルロジックコントローラである。中継部２００および本体部３００の詳細は後述する。

図２は、図１のヘッド部１００の内部構成を示す横断面図である。図２に示すように、センサヘッド１１０は、ケーシング１１１、超音波素子１１２、ウェッジ材１１３、弾性カプラント１１４、板ばね１１５、ダンピング材１１６および表示灯１１７を含む。

ケーシング１１１は、例えば樹脂材料により形成され、軸心方向に沿って延びる細長形状（本例においては、略直方体形状）を有する。以下、ケーシング１１１において、配管Ｐを向く方向を下方向と定義し、その反対方向を上方向と定義する。ケーシング１１１の上下方向は、軸心方向と幅方向とに直交する。ケーシング１１１の上面には、透明部材により形成された窓部Ｗが形成される。ケーシング１１１の下部には開口Ｈ１が形成される。

超音波素子１１２は、超音波を送受信可能な送受信面Ａ１を有する。ウェッジ材１１３は、非金属でかつ高い剛性および高い音響透過性を有する材料により形成される。ウェッジ材１１３は、高い耐環境性を有する材料により形成されることが好ましい。ウェッジ材１１３は、傾斜方向を向く接合面Ｂ１を有し、下部に下方を向く入出射面Ｃ１を有する。超音波素子１１２の送受信面Ａ１は、図示しない音響接合剤によりウェッジ材１１３の接合面Ｂ１に接合される。

ウェッジ材１１３は、図示しないシール部材を介して、開口Ｈ１を閉塞するようにケーシング１１１の下部に取り付けられる。これにより、ケーシング１１１の内部に水および油等の液体が浸入不可能な空間が形成され、超音波素子１１２がケーシング１１１の内部に収容される。ウェッジ材１１３の入出射面Ｃ１は、ケーシング１１１の開口Ｈ１から下方にわずかに突出する。この状態で、ケーシング１１１は、２つの取付ねじ１５１により取付板金１５０に取り付けられる。なお、ケーシング１１１の内部には、樹脂部材が充填される。

弾性カプラント１１４は、固体形状を有し、高分子ゴムまたはゲル状物質等からなる軟質弾性体材料により形成される。弾性カプラント１１４の硬度は、例えば２０度〜４０度である。弾性カプラント１１４の下部には、軸心方向における所定の長さにわたって配管Ｐと接触可能に下方に突出する配管接触部Ｔ１が形成される。

弾性カプラント１１４は、ウェッジ材１１３の入出射面Ｃ１と配管Ｐとに接触するように配置されることにより、ウェッジ材１１３と配管Ｐとの音響インピーダンスを整合させる。弾性カプラント１１４におけるウェッジ材１１３との接触面をウェッジ接触面Ｄ１と呼ぶ。また、弾性カプラント１１４の配管接触部Ｔ１における配管Ｐとの接触面を配管接触面Ｅ１と呼ぶ。

板ばね１１５は、周方向および軸心方向に配管接触部Ｔ１を取り囲むように配置され、２つの取付ねじ１３４により弾性カプラント１１４とともにクランプ部材１３０に取り付けられる。ダンピング材１１６は、例えば配管Ｐ内の超音波を減衰させる弾性体により形成され、周方向および軸心方向に配管接触部Ｔ１を取り囲むように板ばね１１５と配管Ｐとの間に配置される。

後述するように、流量センサ１は、配管Ｐ内にしきい値以上の流量で流体が流れているか否かに基づいて外部装置への切替信号（オンオフ信号）の状態を変化させる流量スイッチとして動作することも可能である。表示灯１１７は、例えば異なる色で発光する複数の発光ダイオードを含み、図１の中継部２００による制御に基づいて、流量スイッチの動作状態に対応して複数種類の態様で点灯または点滅する。

本実施の形態においては、表示灯１１７は、外部装置がオン状態である場合に緑色に点灯し、外部装置がオフ状態である場合に赤色に点灯する。外部装置がオン状態である場合には表示灯１１７が点灯し、外部装置がオフ状態である場合には表示灯１１７が消灯してもよい。逆に、外部装置がオン状態である場合には表示灯１１７が消灯し、外部装置がオフ状態である場合には表示灯１１７が点灯してもよい。

表示灯１１７は、窓部Ｗに近接するようにケーシング１１１の内部に配置される。これにより、表示灯１１７の動作の態様は、窓部Ｗを通してケーシング１１１の外部から視認可能である。使用者は、表示灯１１７の色または点灯状態等を視認することにより、外部装置のオン状態とオフ状態とを容易に識別することができる。

センサヘッド１２０は、ケーシング１２１、超音波素子１２２、ウェッジ材１２３、弾性カプラント１２４、板ばね１２５およびダンピング材１２６を含む。ケーシング１２１は、窓部Ｗが形成されない点を除き、ケーシング１１１と同様の構成を有する。したがって、ケーシング１２１には、開口Ｈ１と同様の開口Ｈ２が形成される。

超音波素子１２２およびウェッジ材１２３は、超音波素子１１２およびウェッジ材１１３とそれぞれ同様の構成を有する。したがって、超音波素子１２２は、送受信面Ａ１と同様の送受信面Ａ２を有する。また、ウェッジ材１２３は、接合面Ｂ１および入出射面Ｃ１とそれぞれ同様の接合面Ｂ２および入出射面Ｃ２を有する。超音波素子１２２の送受信面Ａ２は、ウェッジ材１２３の接合面Ｂ２に接合される。ケーシング１２１は、ウェッジ材１２３が取り付けられた状態で、２つの取付ねじ１６１により取付板金１６０に取り付けられる。

弾性カプラント１２４は、弾性カプラント１１４とそれぞれ同様の構成を有する。したがって、弾性カプラント１２４は、配管接触部Ｔ１、ウェッジ接触面Ｄ１および配管接触面Ｅ１とそれぞれ同様の配管接触部Ｔ２、ウェッジ接触面Ｄ２および配管接触面Ｅ２を有する。弾性カプラント１２４は、ウェッジ材１２３の入出射面Ｃ２と配管Ｐとに接触するように配置されることにより、ウェッジ材１２３と配管Ｐとの音響インピーダンスを整合させる。

板ばね１２５およびダンピング材１２６は、板ばね１１５およびダンピング材１１６とそれぞれ同様の構成を有する。板ばね１２５は、周方向および軸心方向に配管接触部Ｔ２を取り囲むように配置され、２つの取付ねじ１４４により弾性カプラント１２４とともにクランプ部材１４０に取り付けられる。ダンピング材１２６は、周方向および軸心方向に配管接触部Ｔ２を取り囲むように板ばね１２５と配管Ｐとの間に配置される。

取付板金１５０と取付板金１６０とは、クランプ部材１３０、配管Ｐおよびクランプ部材１４０を挟んで４つの結合ねじ１０１により互いに結合される。これにより、弾性カプラント１１４およびダンピング材１１６がクランプ部材１３０により配管Ｐに押圧された状態で、センサヘッド１１０がクランプ部材１３０に取り付けられる。同様に、弾性カプラント１２４およびダンピング材１２６がクランプ部材１４０により配管Ｐに押圧された状態で、センサヘッド１２０がクランプ部材１４０に取り付けられる。

（２）流量の算出方法
図３は、図１の流量センサ１における流量の算出方法を説明するための図である。図３においては、クランプ部材１３０，１４０および取付板金１５０，１６０の図示を省略している。図３に示すように、超音波素子１１２と超音波素子１２２とは、軸心方向に互いにオフセットした状態で配置される。

超音波素子１１２は、図１の中継部２００による制御に基づいて、送受信面Ａ１から傾斜方向に超音波を送信する。送信された超音波は、接合面Ｂ１からウェッジ材１１３内に入射する。その後、超音波は、ウェッジ材１１３内を伝搬し、入出射面Ｃ１から送信される。入出射面Ｃ１から送信された超音波は、ウェッジ接触面Ｄ１から弾性カプラント１１４内に入射し、弾性カプラント１１４内を伝搬した後、配管Ｐに向けて配管接触部Ｔ１の配管接触面Ｅ１から出射される。

本実施の形態においては、ウェッジ材１１３は、軸心方向に対する超音波の横波（せん断波）の入射角が臨界角以上となるように接合面Ｂ１および入出射面Ｃ１が形成される。この場合、配管接触面Ｅ１から出射される超音波の縦波および横波が配管Ｐの周壁Ｐ１により全反射され、ほとんど周壁Ｐ１内に侵入しない。一方で、超音波の縦波が周壁Ｐ１の外周面に衝突することにより、周壁Ｐ１内にガイド波が励起される。ガイド波は、配管Ｐを軸心方向に平行な方向に伝搬する超音波であり、板波または表面波等が存在する。ガイド波には、複数の共振振動モードが存在し、ガイド波の位相速度および群速度は超音波の周波数と周壁Ｐ１の厚みとの積ならびに共振振動モードにより振動の様子が異なるという特徴がある。

周壁Ｐ１内のガイド波が周壁Ｐ１の内周面に衝突することにより、流体を通過して所定の入射角θで対向する周壁Ｐ２に向かうように超音波が励起される。流体を通過した超音波の縦波が周壁Ｐ２の内周面に衝突することにより、周壁Ｐ２内にガイド波が励起される。周壁Ｐ２内のガイド波が周壁Ｐ２の外周面に衝突することにより、配管Ｐから弾性カプラント１２４の配管接触面Ｅ２に向かう超音波の縦波が励起される。

配管Ｐからの超音波は、配管接触面Ｅ２から配管接触部Ｔ２内に入射し、弾性カプラント１２４内を伝搬してウェッジ接触面Ｄ２から出射される。ウェッジ接触面Ｄ２から出射された超音波は、入出射面Ｃ２からウェッジ材１２３内に入射した後、ウェッジ材１２３内を伝搬して接合面Ｂ２から出射される。その後、超音波は、中継部２００による制御に基づいて超音波素子１２２の送受信面Ａ２から受信される。

このように、周壁Ｐ１には、超音波素子１１２から出射される超音波の縦波が衝突する励起領域Ｒ１が設けられる。励起領域Ｒ１は、主として配管Ｐ内を流れる流体を通過しかつ超音波素子１２２に向かう超音波を励起する領域である。図３には、励起領域Ｒ１がハッチングパターンにより図示されている。

次に、超音波素子１２２は、中継部２００による制御に基づいて、送受信面Ａ２から傾斜方向に超音波を送信する。送信された超音波は、接合面Ｂ２からウェッジ材１２３内に入射する。その後、超音波は、ウェッジ材１２３内を伝搬し、入出射面Ｃ２から送信される。入出射面Ｃ２から送信された超音波は、ウェッジ接触面Ｄ２から弾性カプラント１２４内に入射し、弾性カプラント１２４内を伝搬した後、配管Ｐに向けて配管接触部Ｔ２の配管接触面Ｅ２から出射される。

本実施の形態においては、ウェッジ材１２３は、軸心方向に対する超音波の横波の入射角が臨界角以上となるように接合面Ｂ２および入出射面Ｃ２が形成される。この場合、配管接触面Ｅ２から出射される超音波の縦波および横波が配管Ｐの周壁Ｐ２により全反射され、ほとんど周壁Ｐ２内に侵入しない。一方で、超音波の縦波が周壁Ｐ２の外周面に衝突することにより、周壁Ｐ２内にガイド波が励起される。

周壁Ｐ２内のガイド波が周壁Ｐ２の内周面に衝突することにより、流体を通過して所定の入射角θで対向する周壁Ｐ１に向かうように超音波が発生する。流体を通過した超音波の縦波が周壁Ｐ１の内周面に衝突することにより、周壁Ｐ１内にガイド波が励起される。周壁Ｐ１内のガイド波が周壁Ｐ１の外周面に衝突することにより、配管Ｐから弾性カプラント１１４の配管接触面Ｅ１に向かう超音波の縦波が励起される。

配管Ｐからの超音波は、配管接触面Ｅ１から配管接触部Ｔ１内に入射し、弾性カプラント１１４内を伝搬してウェッジ接触面Ｄ１から出射される。ウェッジ接触面Ｄ１から出射された超音波は、入出射面Ｃ１からウェッジ材１１３内に入射した後、ウェッジ材１１３内を伝搬して接合面Ｂ１から出射される。その後、超音波は、中継部２００による制御に基づいて超音波素子１１２の送受信面Ａ１から受信される。

このように、周壁Ｐ２には、超音波素子１２２から出射される超音波の縦波が衝突する励起領域Ｒ２が設けられる。励起領域Ｒ２は、主として配管Ｐ内を流れる流体を通過しかつ超音波素子１１２に向かう超音波を励起する領域である。図３には、励起領域Ｒ２がドットパターンにより図示されている。

超音波素子１１２から超音波素子１２２への超音波の伝搬時間と超音波素子１２２から超音波素子１１２への超音波の伝搬時間との差を時間差Δｔと呼ぶ。時間差Δｔに基づいて、配管Ｐ内を流れる流体の流量Ｑを下記式（１）により算出する。ここで、ｄ_１は配管Ｐの内径であり、Ｖ_ｓは流体中の超音波の速度であり、θは流体中の超音波の入射角である。Ｋは、配管Ｐの断面内で所定の分布を有する流体の速度を平均速度に換算するための流量補正係数である。速度Ｖ_ｓ、入射角θおよび流量補正係数Ｋは既知である。使用者は、図１の本体部３００を操作することにより、配管Ｐの内径ｄ_１を設定することができる。

流量センサ１は流量スイッチとして動作することも可能である。使用者は、本体部３００を操作することにより、流量のしきい値を設定することができる。本体部３００は、上記式（１）により算出された流量Ｑを設定されたしきい値と比較し、比較結果に基づいてオンオフ信号を外部装置に出力する。オンオフ信号は、図１の本体ケーブルＣＡを通して本体部３００に接続された外部装置のオン状態とオフ状態とを切り替えるための信号である。図２の表示灯１１７は、外部装置のオン状態とオフ状態とを識別可能に点灯する。

（３）ヘッド部の詳細
図４は、センサヘッド１１０，１２０の詳細を示す模式的横断面図である。図５は、図４のセンサヘッド１１０，１２０のＡ−Ａ線断面図である。図４においては、ケーシング１１１，１２１、表示灯１１７、クランプ部材１３０，１４０および取付板金１５０，１６０の図示が省略されている。図５においては、ケーシング１１１，１２１、表示灯１１７および取付板金１５０，１６０の図示が省略され、センサヘッド１２０およびクランプ部材１３０，１４０が点線により図示されている。

超音波素子１１２は、薄い板状の圧電素子により形成される。超音波素子１１２の厚みはｔ_１である（図４）。超音波素子１１２（送受信面Ａ１）の幅はｗ_１である（図５）。ここで、厚みおよび幅とは、それぞれ傾斜方向および幅方向における大きさを意味する。長さ方向における送受信面Ａ１の大きさ（長さ）はＬ_１である（図４）。長さＬ_１は、幅ｗ_１と略等しくてもよいし、幅ｗ_１より大きくてもよい。なお、図４においては、超音波素子１１２の厚みは、実際の厚みより大きく図示されている。配管Ｐの外径はｄ_２であり、周壁の厚みはｔ_２である。

超音波素子１１２には、固有振動数付近の交流電圧（パルス電圧）が印加される。これにより、超音波素子１１２は、固有振動数（共振周波数ｆ_ｒ）で振動し、高い強度を有する超音波を送信する。以下、ＭＨｚ（メガヘルツ）の単位で表示された超音波の共振周波数ｆ_ｒとｍｍ（ミリメートル）の単位で表示された周壁の厚みｔ_２との積をｆ・ｔ積と呼ぶ。

超音波素子１１２は、ｆ・ｔ積が２以上６以下となる共振周波数ｆ_ｒで振動するように形成されることが好ましい。ｆ・ｔ積を２以上とすることにより、周壁内のガイド波の位相速度の変動が防止される。これにより、流体の流量をより正確に算出することが可能になる。また、ｆ・ｔ積を６以下とすることにより、周壁内のガイド波の表面波が支配的になることが防止される。これにより、流体内に高い強度を有する超音波を発生させることができる。

また、超音波素子１１２は、幅ｗ_１が厚みｔ_１の５倍以上となるように形成されることが好ましい。この場合、超音波の送信方向である傾斜方向の共振に対する幅方向の複共振の強度が低下する。これにより、傾斜方向の共振特性を向上させることができる。超音波素子１２２の好ましい構成は、超音波素子１１２の好ましい構成と同様である。

配管Ｐの周壁における超音波が照射される部分の幅（以下、照射幅と呼ぶ。）は、配管Ｐの外径ｄ_２の３分の１以下であることが好ましい。この場合、流体を通過することなく周壁内を伝搬してセンサヘッド１１０，１２０間で送受信される超音波の成分をより低減することができる。これにより、流体の流量をより正確に算出することが可能になる。

ここで、上記のように、超音波素子１１２の幅ｗ_１は厚みｔ_１の５倍以上であることが好ましい。また、超音波素子１１２が破損することを防止するため、超音波素子１１２の厚みｔ_１を所定の厚み以上にすることが必要となる。したがって、超音波素子１１２（送受信面Ａ１）の幅ｗ_１は所定の幅より大きくなる。

一方で、上記のように、超音波の照射幅は、配管Ｐの外径ｄ_２の３分の１以下であることが好ましい。本実施の形態においては、配管Ｐの外径ｄ_２は比較的小さい（例えば２ｍｍ以上２０ｍｍ以下である）ため、超音波の照射幅は所定の幅より小さくなる。このように、送受信面Ａ１の幅ｗ_１の全領域から送信される超音波を配管Ｐに照射する場合には、上記の２つの好ましい条件を両立させることができない。

そこで、超音波素子１１２の送受信面Ａ１から送信される超音波を配管Ｐへ伝搬する伝搬経路が弾性カプラント１１４に設けられる。伝搬経路には、ウェッジ接触面Ｄ１と配管接触面Ｅ１との間において幅が変化する幅変化部Ｖ１が形成される。本実施の形態においては、弾性カプラント１１４のウェッジ接触面Ｄ１は、幅がｗ_１となるように形成される。一方で、配管接触部Ｔ１および配管接触面Ｅ１は、幅がｗ_１より小さいｗ_２となるように形成される。具体的には、幅ｗ_２は配管Ｐの外径ｄ_２の３分の１以下である。すなわち、伝搬経路の幅変化部Ｖ１は、ウェッジ接触面Ｄ１と配管接触面Ｅ１との間において、幅がｗ_１からｗ_２に変化する。

この構成においては、大きい幅ｗ_１を有する超音波がウェッジ接触面Ｄ１から弾性カプラント１１４に入射する。その後、超音波は、弾性カプラント１１４内を伝搬して弾性カプラント１１４の下面（出射面）から出射される。ここで、配管接触面Ｅ１を除く超音波の出射面は配管Ｐに接触していないため、当該出射面から出射される超音波は次第に減衰し、配管Ｐにほとんど照射されない。一方、配管接触面Ｅ１は配管Ｐに接触しているため、配管接触面Ｅ１から出射される超音波はほとんど減衰せずに配管Ｐに照射される。

特に、本実施の形態においては、配管接触面Ｅ１を除く超音波の出射面と配管Ｐとの間に金属部材により形成された板ばね１１５が配置される。この場合、当該出射面から出射される超音波は、板ばね１１５により遮断される。これにより、配管接触面Ｅ１を除く出射面から配管Ｐに超音波が照射されることをより確実に防止することができる。

このように、大きい幅ｗ_１を有する超音波素子１１２の送受信面Ａ１から超音波が送信された場合でも、小さい幅ｗ_２を有する超音波を配管Ｐに照射することができる。これにより、上記の２つの好ましい条件を両立させることができる。なお、本実施の形態においては、幅変化部Ｖ１の幅はｗ_１からｗ_２に変化するが、本発明はこれに限定されない。幅変化部Ｖ１の幅は、ｗ_１，ｗ_２とは異なるｗ_３からｗ_２に変化してもよい。幅ｗ_３は、ｗ_１より大きくてもよいし、ｗ_１より小さくてもよい。

超音波素子１１２は、傾斜方向に超音波を送信するように配置される。そのため、軸心方向における超音波の広がり領域は、超音波素子１１２が軸心方向に対して直交する方向に送信された超音波の広がり領域より大きくなる。そこで、弾性カプラント１１４の配管接触部Ｔ１の配管接触面Ｅ１は、軸心方向において長さがＬ_１より大きいＬ_２となるように形成されることが好ましい。これにより、軸心方向に十分に大きい領域にわたって配管接触面Ｅ１から配管Ｐに超音波を照射することができる。

弾性カプラント１２４の構成は、弾性カプラント１１４の構成と同様である。したがって、弾性カプラント１２４の伝搬経路には、幅変化部Ｖ１と同様の幅変化部Ｖ２が形成される。また、弾性カプラント１２４の配管接触部Ｔ２の配管接触面Ｅ２は、軸心方向において長さがＬ_１より大きいＬ_２となるように形成されることが好ましい。

板ばね１１５には、軸心方向に沿って延びる矩形状のスリットＳ３が形成される。ダンピング材１１６には、軸心方向に沿って延びかつスリットＳ３と重なる矩形状のスリットＳ１が形成される。弾性カプラント１１４の配管接触部Ｔ１は、板ばね１１５のスリットＳ３およびダンピング材１１６のスリットＳ１に嵌め込まれる。この場合、配管接触部Ｔ１は、配管Ｐに接触しつつ板ばね１１５およびダンピング材１１６により周方向および軸心方向に取り囲まれる。

板ばね１１５は、クランプ部材１３０に取り付けられた状態で配管接触部Ｔ１を取り囲むことにより、クランプ部材１３０に対する弾性カプラント１１４の位置および姿勢を保持する。これにより、小さい幅ｗ_２を有する配管接触部Ｔ１が配管Ｐに押圧される場合でも、配管接触部Ｔ１の幅の変化が規制される。そのため、小さい幅ｗ_２を有する超音波を容易に配管に照射することができる。また、配管接触部Ｔ１の幅を維持しつつ配管接触部Ｔ１の折れ曲がり、蛇行および変形が防止される。これにより、配管Ｐ内を流れる流体の流量を正確に算出することができる。

ダンピング材１１６は、配管接触部Ｔ１および励起領域Ｒ１を周方向に取り囲む状態で配管Ｐに取り付けられ、配管Ｐに押圧される。この場合、励起領域Ｒ１を除く配管Ｐの部分の振動が抑制され、周壁内を周方向に伝搬する超音波がダンピング材１１６により減衰する。これにより、流体を通過することなく周壁内を伝搬してセンサヘッド１１０，１２０間で送受信される超音波の成分をより低減することができる。

また、ダンピング材１１６は、配管接触部Ｔ１および励起領域Ｒ１を軸心方向に取り囲む状態で配管Ｐに取り付けられ、配管Ｐに押圧される。この場合、励起領域Ｒ１を除く配管Ｐの部分の振動が抑制され、配管Ｐの周壁内を軸心方向に伝搬する超音波がダンピング材１１６により減衰する。そのため、軸心方向に伝搬するガイド波が、軸心方向における周壁の端面で反射して帰還することが防止される。したがって、帰還したガイド波が不要なタイミングで超音波を励起することがない。これにより、流体の流量をより正確に算出することが可能になる。

板ばね１２５およびダンピング材１２６の構成は、板ばね１１５およびダンピング材１１６の構成とそれぞれ同様である。したがって、板ばね１２５にはスリットＳ３と同様のスリットＳ４が形成され、ダンピング材１２６にはスリットＳ１と同様のスリットＳ２が形成される。弾性カプラント１２４の配管接触部Ｔ２は、板ばね１２５のスリットＳ４およびダンピング材１２６のスリットＳ２に嵌め込まれる。これにより、配管接触部Ｔ２は、配管Ｐに接触しつつ板ばね１２５およびダンピング材１２６により周方向および軸心方向に取り囲まれる。また、ダンピング材１２６は、励起領域Ｒ２を周方向および軸心方向に取り囲む状態で配管Ｐに取り付けられ、配管Ｐに押圧される。

図６は、変形例におけるヘッド部１００の内部構成を示す模式的横断面図である。図６に示すように、変形例における板ばね１１５には、スリットＳ３の縁を取り囲みかつ配管Ｐに向かって延びる立壁部Ｗ１が形成される。立壁部Ｗ１は、ダンピング材１１６のスリットＳ１に嵌め込まれつつ弾性カプラント１１４の配管接触部Ｔ１を取り囲む。この場合、板ばね１１５は、クランプ部材１３０に対する弾性カプラント１１４の位置および姿勢をより強固に保持する。これにより、配管接触部Ｔ１の折れ曲がり、蛇行および変形がより確実に防止される。

同様に、変形例における板ばね１２５には、スリットＳ４の縁を取り囲みかつ配管Ｐに向かって延びる立壁部Ｗ２が形成される。立壁部Ｗ２は、ダンピング材１２６のスリットＳ２に嵌め込まれつつ弾性カプラント１２４の配管接触部Ｔ２を取り囲む。

（４）ヘッド部の配管への取り付け
図７および図８は、ヘッド部１００を配管Ｐに取り付ける工程を説明するための図である。図７に示すように、弾性カプラント１１４がクランプ部材１３０と板ばね１１５との間に配置される。次に、弾性カプラント１１４の配管接触部Ｔ１（図４および図５）が板ばね１１５のスリットＳ３に嵌め込まれた状態で、板ばね１１５が２つの取付ねじ１３４によりクランプ部材１３０に取り付けられる。配管接触部Ｔ１の先端は、板ばね１１５のスリットＳ３から突出する。

続いて、配管接触部Ｔ１の先端がスリットＳ１に嵌め込まれるようにダンピング材１１６が配置される。ダンピング材１１６は、接着剤等により板ばね１１５に接着されてもよい。この場合、弾性カプラント１１４、板ばね１１５およびダンピング材１１６をクランプ部材１３０とともに一体的に扱うことが容易になる。

同様に、弾性カプラント１２４がクランプ部材１４０と板ばね１２５との間に配置される。次に、弾性カプラント１２４の配管接触部Ｔ２が板ばね１２５のスリットＳ４（図４および図５）に嵌め込まれた状態で、板ばね１２５が２つの取付ねじ１４４によりクランプ部材１４０に取り付けられる。配管接触部Ｔ２の先端は、板ばね１２５のスリットＳ４から突出する。

続いて、配管接触部Ｔ２の先端がスリットＳ２（図４および図５）に嵌め込まれるようにダンピング材１２６が配置される。ダンピング材１２６は、接着剤等により板ばね１２５に接着されてもよい。この場合、弾性カプラント１２４、板ばね１２５およびダンピング材１２６をクランプ部材１４０とともに一体的に扱うことが容易になる。

クランプ部材１４０は、軸心方向に延びかつ幅方向に向かい合う一対の垂直壁１４１と、軸心方向に向かい合う一対の垂直壁１４２とを有する。また、クランプ部材１４０は、配管Ｐと接触することにより配管Ｐを支持可能に形成された支持部１４３を有する。一対の垂直壁１４１の互いに向かい合う面（内面）には、配管Ｐにクランプ部材１４０を仮止めするための一対の仮止部材１４５が設けられる。仮止部材１４５は、ゴム部材等の弾性体により形成される。本実施の形態においては、一対の仮止部材１４５は、幅方向に向かい合わずに軸心方向に互いにオフセットするように配置される。

クランプ部材１３０は、軸心方向に延びかつ幅方向に向かい合う一対の垂直壁１３１と、軸心方向に向かい合う一対の垂直壁１３２とを有する。一対の垂直壁１３１と一対の垂直壁１４１とは、それぞれ対応する。同様に、一対の垂直壁１３２と一対の垂直壁１４２とは、それぞれ対応する。また、クランプ部材１３０は、配管Ｐと接触することにより配管Ｐを支持可能に形成された支持部１３３を有する。

一対の垂直壁１３１および一対の垂直壁１３２は、クランプ部材１３０を配管Ｐに取り付ける際にクランプ部材１３０のガイドを行う。一対の垂直壁１４１および一対の垂直壁１４２は、クランプ部材１４０を配管Ｐに取り付ける際にクランプ部材１４０のガイドを行う。クランプ部材１３０，１４０のガイドは、互いに対応する一対の垂直壁１３１，１４１と、互いに対応する一対の垂直壁１３２，１４２とにより行われる。

一対の垂直壁１３１の内面と一対の垂直壁１４１の外面とは、正対したときに互いに平行に移動可能でかつ配管Ｐの軸心方向周りに所定の角度以上傾くことを規制するクリアランスが形成されるような寸法関係を有する。同様に、一対の垂直壁１３２の内面と一対の垂直壁１４２の外面とは、正対したときに互いに平行に移動可能でかつ配管Ｐの軸心方向に沿ったピッチング方向に所定の角度以上傾くことを規制するクリアランスが形成されるような寸法関係を有する。

一対の垂直壁１４１の内面間に配管Ｐが位置するようにクランプ部材１４０が配置される。この場合、一対の仮止部材１４５が配管Ｐに接触する。また、一対の垂直壁１３１の内面間に一対の垂直壁１４１が位置しかつ一対の垂直壁１３２の内面間に一対の垂直壁１４２が位置するようにクランプ部材１３０が配置される。その後、配管Ｐに対して、クランプ部材１３０とクランプ部材１４０とが所定以上の押圧力で挟み込まれる。この状態で、クランプ部材１３０を上下方向に貫通するように、一対の仮止ねじ１３５がクランプ部材１４０の一対の仮止部材１４５にそれぞれ螺合される。

上記の手順により、弾性カプラント１１４，１２４、板ばね１１５，１２５およびダンピング材１１６，１２６とともにクランプ部材１３０，１４０が配管Ｐに仮止めされる。この場合、クランプ部材１３０とクランプ部材１４０とが押圧された状態が一対の仮止部材１４５と一対の仮止ねじ１３５とにより維持される。これにより、クランプ部材１３０，１４０が配管Ｐから脱落することが防止される。また、クランプ部材１３０，１４０と配管Ｐとの間に生じる摩擦力により、クランプ部材１３０，１４０が軸心方向に滑ることが防止される。

各仮止部材１４５には、対応する仮止ねじ１３５のねじ部の径よりもやや小さい径を有するねじ孔が形成されている。配管Ｐに対してクランプ部材１３０，１４０が所定以上の押圧力で挟み込まれるときに、各仮止ねじ１３５が対応する仮止部材１４５のねじ孔を押し広げながら当該仮止部材１４５に挿入される。この場合、仮止ねじ１３５と仮止部材１４５との間に発生する摩擦力により、仮止ねじ１３５が仮止部材１４５から抜けにくくなる。これにより、配管Ｐに対してクランプ部材１３０，１４０を所定以上の押圧力で挟み込んだ状態を維持することができる。

なお、仮止部材１４５のねじ孔に挿入される仮止ねじ１３５のねじ部の長さは、配管Ｐの外径により異なる。具体的には、配管Ｐの外径が大きい場合には仮止ねじ１３５の挿入部分は短く、配管Ｐの外径が小さい場合には仮止ねじ１３５の挿入部分は長い。そこで、仮止部材１４５のねじ孔は、仮止ねじ１３５の挿入部分が最も短い場合でも十分な摩擦力を発生可能でかつ仮止ねじ１３５の挿入部分が最も長い場合でも仮止ねじ１３５の先端が仮止部材１４５のねじ孔の底に接触しない長さに形成される。これにより、種々の外径を有する配管Ｐにクランプ部材１３０，１４０を仮止めすることが可能になる。

その後、図８に示すように、配管Ｐに仮止めされたクランプ部材１３０，１４０を挟むように取付板金１５０，１６０が配置される。ここで、図２に示すように、取付板金１５０には、２つの取付ねじ１５１によりケーシング１１１が取り付けられている。また、取付板金１６０には、２つの取付ねじ１６１によりケーシング１２１が取り付けられている。

この状態で、取付板金１５０がクランプ部材１３０に取り付けられかつ取付板金１６０がクランプ部材１４０に取り付けられるように、配管Ｐを挟んで取付板金１５０と取付板金１６０とが４つの結合ねじ１０１により互いに結合される。これにより、配管Ｐがクランプ部材１３０の支持部１３３により支持されつつセンサヘッド１１０がクランプ部材１３０により配管Ｐに取り付けられる。また、配管Ｐがクランプ部材１４０の支持部１４３により支持されつつセンサヘッド１２０がクランプ部材１４０に取り付けられる。

センサヘッド１１０が配管Ｐに取り付けられた状態においては、弾性カプラント１１４およびダンピング材１１６がクランプ部材１３０により配管Ｐに押圧される。また、弾性カプラント１１４の配管接触部Ｔ１が、配管Ｐに接触しつつ軸心方向に沿って配置される。クランプ部材１３０の支持部１３３が配管Ｐに接触することにより、弾性カプラント１１４（配管接触部Ｔ１）の押し潰し量が規制される。そのため、クランプ部材１３０の取付作業者の個人差によらず、均一に弾性カプラント１１４を押圧することができる。

同様に、センサヘッド１２０が配管Ｐに取り付けられた状態においては、弾性カプラント１２４およびダンピング材１２６がクランプ部材１４０により配管Ｐに押圧される。また、弾性カプラント１２４の配管接触部Ｔ２が、配管Ｐに接触しつつ軸心方向に沿って配置される。クランプ部材１４０の支持部１４３が配管Ｐに接触することにより、弾性カプラント１２４（配管接触部Ｔ２）の押し潰し量が規制される。そのため、クランプ部材１４０の取付作業者の個人差によらず、均一に弾性カプラント１２４を押圧することができる。

図９は、配管Ｐが取り付けられていない状態のクランプ部材１３０，１４０の内部を示す模式的断面図である。図１０および図１１は、配管Ｐが取り付けられた状態のクランプ部材１３０，１４０の内部を示す模式的断面図である。図１１の配管Ｐの外径は、図１０の配管Ｐの外径よりもわずかに大きい。

本実施の形態においては、板ばね１１５，１２５およびダンピング材１１６，１２６は高い弾性を有する。板ばね１１５，１２５は、半円筒形薄板のばねであり、２つの取付ねじ１３４，１４４によりクランプ部材１３０，１４０に取り付けられた固定箇所に対し、周方向の両端が円弧状片持の薄板ばねとなっている。また、図９〜図１１に示すように、クランプ部材１３０，１４０の内部には、板ばね１１５，１２５およびダンピング材１１６，１２６の変形を許容する空間Ｖが確保されている。さらに、図９に示すように、板ばね１１５，１２５に配管Ｐが取り付けられていない状態において、ダンピング材１１６，１２６の内面の径は、取り付け可能な配管Ｐの外径よりもわずかに小さく設定されている。

図１０に示すように、配管Ｐに対してクランプ部材１３０，１４０が挟み込まれ、配管Ｐが板ばね１１５，１２５に取り付けられる。このとき、白抜きの矢印で示すように、板ばね１１５，１２５に互いに向かい合う力が発生し、ダンピング材１１６，１２６に互いに向かい合う力が発生することにより、板ばね１１５，１２５およびダンピング材１１６，１２６が空間Ｖに押し広げられる。この場合、押し広げに対抗する板ばね１１５，１２５の各々の円弧状片持の薄板ばねの弾性により、一点鎖線の矢印で示すように、クランプ部材１３０，１４０の挟み込み方向とは異なる方向（配管Ｐの軸中心に向かう方向）にも押圧力が発生する。これにより、クランプ部材１３０，１４０に配管Ｐを挟み込むだけで、半円筒形薄板のばねである板ばね１１５，１２５により、ダンピング材１１６，１２６が配管Ｐの軸中心に向けて配管Ｐに押圧される。その結果、配管Ｐの周壁内を伝搬する超音波の不要な成分を確実に減衰することができる。

図１１に示すように、配管Ｐの外径がわずかに異なる場合でも、配管Ｐに対してクランプ部材１３０，１４０が挟み込まれたときには、図１０と同様に、板ばね１１５，１２５の弾性により配管Ｐの軸中心に向かう方向に押圧力が発生する。これにより、ダンピング材１１６，１２６が配管Ｐの軸中心に向けて配管Ｐに押圧される。

このように、クランプ部材１３０，１４０の内部に空間Ｖが確保されることにより、配管Ｐの外径に誤差またはばらつきがある場合でも、板ばね１１５，１２５が変形することが許容される。これにより、クランプ部材１３０，１４０を容易に配管Ｐに取り付けることができる。また、ダンピング材１１６が変形することにより、ダンピング材１１６をクランプ部材１３０により確実に配管Ｐに押圧することができる。同様に、ダンピング材１２６が変形することにより、ダンピング材１２６をクランプ部材１４０により確実に配管Ｐに押圧することができる。

（５）中継部および本体部
図１２は、図１の中継部２００および本体部３００の内部構成を示すブロック図である。図１２に示すように、中継部２００は、切替回路２０１、送信回路２０２，２０３、増幅回路２０４、Ａ／Ｄ（アナログデジタル）変換器２０５、中継制御部２０６、校正情報記憶部２０７、通信回路２０８、電源回路２０９および表示灯駆動回路２１０を含む。

切替回路２０１は、図１のヘッド用ケーブルＣＡ１を介しての超音波素子１１２に接続されるとともに、図１のヘッド用ケーブルＣＡ２を介して超音波素子１２２に接続される。また、中継部２００において、切替回路２０１は増幅回路２０４に接続される。切替回路２０１は、中継制御部２０６の制御に基づいて、超音波素子１１２，１２２と増幅回路２０４との接続状態を第１の状態と第２の状態との間で切り替える。

第１の状態は、超音波素子１２２と増幅回路２０４とが接続されかつ超音波素子１１２と増幅回路２０４とが接続されない状態である。第１の状態においては、超音波素子１２２が超音波を受信するとともに、受信した超音波に応じたアナログ形式の超音波信号を出力する。超音波素子１２２から出力された超音波信号が増幅回路２０４に与えられる。

第２の状態は、超音波素子１１２と増幅回路２０４とが接続されかつ超音波素子１２２と増幅回路２０４とが接続されない状態である。第２の状態においては、超音波素子１１２が超音波を受信するとともに、受信した超音波に応じたアナログ形式の超音波信号を出力する。超音波素子１１２から出力された超音波信号が増幅回路２０４に与えられる。

送信回路２０２は、トライステートドライバを含む。送信回路２０２においては、中継制御部２０６の制御に基づいてトライステートドライバの出力状態が３つの状態（Ｈレベル状態、Ｌレベル状態およびハイインピーダンス状態）の間で切り替えられることにより第１の駆動信号が生成される。超音波素子１１２は、送信回路２０２により生成された第１の駆動信号に応答して超音波を送信する。

同様に、送信回路２０３は、トライステートドライバを含む。送信回路２０３においては、中継制御部２０６の制御に基づいてトライステートドライバの出力状態が３つの状態の間で切り替えられることにより第２の駆動信号が生成される。超音波素子１２２は、送信回路２０３により生成された第２の駆動信号に応答して超音波を送信する。

増幅回路２０４は、超音波素子１１２または超音波素子１２２から与えられた超音波信号を所定の利得で増幅し、増幅後の超音波信号をＡ／Ｄ変換器２０５に与える。Ａ／Ｄ変換器２０５は、与えられた超音波信号のＡ／Ｄ変換を行い、変換後のデジタル形式の超音波信号を中継制御部２０６に与える。

中継制御部２０６は、例えばＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、またはＣＰＵ（中央演算処理装置）およびメモリにより構成され、機能部として超音波制御部２０６ａ、測定情報生成部２０６ｂおよび表示灯制御部２０６ｃを含む。中継制御部２０６がＣＰＵおよびメモリにより構成される場合、これらの機能部は、ＣＰＵがメモリに記憶されたプログラムを実行することにより実現される。なお、超音波制御部２０６ａ、測定情報生成部２０６ｂおよび表示灯制御部２０６ｃの一部がＦＰＧＡ等の電子回路（ハードウェア）により実現され、残りの部分がＣＰＵがプログラムを実行することにより実現されてもよい。

超音波制御部２０６ａは、本体部３００による制御に基づいて、切替回路２０１および送信回路２０２，２０３を制御する。例えば、超音波制御部２０６ａは、超音波素子１１２，１２２と増幅回路２０４との間の接続状態を第１の状態に移行させるとともに、第１の駆動信号を生成するように送信回路２０２を動作させる。この場合、超音波素子１１２により超音波が送信され、超音波素子１２２により超音波が受信される。超音波素子１２２から出力された超音波信号が、増幅回路２０４により増幅され、Ａ／Ｄ変換器２０５によりＡ／Ｄ変換された後、測定情報生成部２０６ｂに与えられる。

また、超音波制御部２０６ａは、超音波素子１１２，１２２と増幅回路２０４との間の接続状態を第２の状態に移行させるとともに、第２の駆動信号を生成するように送信回路２０３を動作させる。この場合、超音波素子１２２により超音波が送信され、超音波素子１１２により超音波が受信される。超音波素子１１２から出力された超音波信号は、増幅回路２０４により増幅され、Ａ／Ｄ変換器２０５によりＡ／Ｄ変換された後、測定情報生成部２０６ｂに与えられる。

測定情報生成部２０６ｂは、超音波素子１１２，１２２から出力される２つの超音波信号の信号波形の相互相関関数のピークから時間差を測定情報として生成する。なお、測定情報生成部２０６ｂは、超音波素子１１２から超音波素子１２２への超音波の伝搬時間と超音波素子１２２から超音波素子１１２への超音波の伝搬時間とをそれぞれ測定し、それらの時間の差分を時間差として算出してもよい。

表示灯制御部２０６ｃは、本体部３００による制御に基づいて、表示灯駆動回路２１０を制御する。表示灯駆動回路２１０は、図１のヘッド用ケーブルＣＡ１を介して表示灯１１７に接続され、表示灯制御部２０６ｃの制御に基づいて表示灯１１７を駆動するための第３の駆動信号を生成する。

校正情報記憶部２０７は、例えば不揮発性メモリにより構成され、超音波素子１１２，１２２、切替回路２０１、送信回路２０２，２０３、増幅回路２０４およびＡ／Ｄ変換器２０５に関する校正情報を記憶する。

ヘッド部１００および中継部２００の各構成要素の動作特性によっては、測定情報生成部２０６ｂにより算出される時間差と配管Ｐ内を流れる流体の流量との間で式（１）の関係が満たされない場合がある。校正情報は、測定情報生成部２０６ｂにより算出される時間差と実際に測定されるべき流量との間の固有の関係を正確に算出するために、式（１）を校正するための情報である。校正情報は、例えば式（１）における時間差Δｔの係数を調整する値と、式（１）のうち時間差Δｔを含む項に加算されるべきオフセット値（流量０に対する調整値）とを含む。

通信回路２０８は、図１の中継ケーブルＣＡ３の一端に接続され、測定情報生成部２０６ｂにより生成されたデジタル形式の測定情報と校正情報とを中継ケーブルＣＡ３を通して本体部３００へ出力する。また、通信回路２０８は、中継ケーブルＣＡ３を通して本体部３００から入力される送信制御信号および表示制御信号を中継制御部２０６に与える。送信制御信号は送信回路２０２，２０３を制御するための制御信号であり、表示制御信号は表示灯駆動回路２１０を制御するための制御信号である。

電源回路２０９は、本体部３００から中継ケーブルＣＡ３を通して供給される電力を受けるとともに、受けた電力を中継部２００に設けられる他の構成要素に供給する。

本体部３００は、通信回路３０１、本体制御部３０２、表示部３０３、操作部３０４、記憶部３０５、出力回路３０６および電源回路３０７を含む。通信回路３０１は、図１の中継ケーブルＣＡ３の他端に接続され、中継部２００から中継ケーブルＣＡ３を通して出力される測定情報および校正情報を本体制御部３０２に与える。また、通信回路３０１は、後述するように本体制御部３０２において生成される送信制御信号および表示制御信号を中継ケーブルＣＡ３を通して中継部２００へ出力する。

表示部３０３は、例えばセグメント表示器またはドットマトリクス表示器を含み、本体制御部３０２の制御に基づいて配管Ｐ内を流れる流体の流量等を表示する。操作部３０４は、複数の操作ボタンを含む。使用者は、操作部３０４を操作することにより、ヘッド部１００の取付対象となる配管Ｐの寸法および流量補正係数等を入力することができる。また、使用者は、操作部３０４を操作することにより、流量のしきい値を入力することができる。記憶部３０５は、不揮発性メモリまたはハードディスクドライブにより構成される。

本体制御部３０２は、例えばＣＰＵおよびメモリを含み、超音波素子１１２，１２２および表示灯１１７をそれぞれ駆動するために中継部２００に与えるべき送信制御信号および表示制御信号を生成する。また、本体制御部３０２は、操作部３０４により入力された配管Ｐの寸法、流量補正係数および流量のしきい値等の情報を記憶部３０５に記憶させることにより情報を設定する。なお、配管Ｐの寸法として、操作部３０４に配管Ｐの外径ｄ_２および周壁の厚みｔ_２が入力されることにより配管Ｐの内径ｄ_１が設定されてもよい。

さらに、本体制御部３０２は、通信回路３０１から与えられる校正情報に基づいて式（１）を校正する。また、本体制御部３０２は、校正された式（１）、通信回路３０１から与えられる測定情報および設定された流量補正係数に基づいて配管Ｐ内を流れる流体の流量を算出する。また、本体制御部３０２は、算出された流量と設定された流量のしきい値との比較結果に基づいてオンオフ信号を生成する。出力回路３０６は、図１の本体ケーブルＣＡ４の一端に接続され、本体制御部３０２により生成されたオンオフ信号を本体ケーブルＣＡ４を通して流量センサ１の外部装置に出力する。

（６）効果
本実施の形態に係る流量センサ１は、センサヘッド１１０，１２０を含む。センサヘッド１１０においては、超音波素子１１２からの超音波は、ウェッジ材１１３により伝搬され、超音波の伝搬方向に対して傾斜した入出射面Ｃ１から出射される。弾性カプラント１１４は、配管接触部Ｔ１が軸心方向に沿って配置されるようにクランプ部材１３０により配管Ｐに支持され、配管接触部Ｔ１を介してウェッジ材１１３の入出射面Ｃ１からの超音波を配管Ｐへ伝搬する。センサヘッド１２０は、センサヘッド１１０と同様の構成を有する。

上記の構成によれば、配管接触部Ｔ１は、クランプ部材１３０に取り付けられた板ばね１１５によりクランプ部材１３０に対して位置決めされつつ周囲を保持される。また、配管接触部Ｔ２は、クランプ部材１４０に取り付けられた板ばね１２５によりクランプ部材１４０に対して位置決めされつつ周囲を保持される。配管Ｐが小径である場合には、配管Ｐに伝搬される超音波の幅が変化すると流量の算出の正確さが低下するが、この構成によれば、配管接触部Ｔ１，Ｔ２が配管Ｐに押圧される場合でも、配管接触部Ｔ１，Ｔ２の幅の変化が規制される。その結果、超音波素子１１２と超音波素子１２２との間で送受信される超音波に基づいて、小径を有する金属配管Ｐ内を流れる流体の流量を算出することができる。

また、配管接触部Ｔ１が軸心方向に沿って配置される状態で弾性カプラント１１４を容易に配管Ｐに取り付けることができる。同様に、配管接触部Ｔ２が軸心方向に沿って配置される状態で弾性カプラント１２４を容易に配管Ｐに取り付けることができる。

（７）他の実施の形態
（ａ）上記実施の形態において、中継部２００と本体部３００とが別体として設けられ、中継ケーブルＣＡ３により接続されるが、本発明はこれに限定されない。中継部２００と本体部３００とが一体的に設けられてもよい。

（ｂ）上記実施の形態において、ダンピング材１１６は、弾性カプラント１１４の配管接触部Ｔ１を周方向および軸心方向に取り囲む１つの弾性体により構成されるが、本発明はこれに限定されない。ダンピング材１１６は、弾性カプラント１１４の配管接触部Ｔ１を周方向および軸心方向に取り囲む複数の弾性体により構成されてもよい。この場合、ダンピング材１１６にはスリットＳ１が形成されなくてもよい。同様に、ダンピング材１２６は、弾性カプラント１２４の配管接触部Ｔ２を周方向および軸心方向に取り囲む複数の弾性体により構成されてもよい。

（ｃ）上記実施の形態において、ヘッド部１００にダンピング材１１６，１２６が設けられるが、本発明はこれに限定されない。励起領域Ｒ１，Ｒ２を除く配管Ｐの部分が不要な超音波をほとんど励起しない場合には、ヘッド部１００にダンピング材１１６，１２６が設けられなくてもよい。

（ｄ）上記実施の形態において、ヘッド部１００に板ばね１１５，１２５が設けられるが、本発明はこれに限定されない。ヘッド部１００に板ばね１１５が設けられなくてもよい。この場合、ダンピング材１１６は、接着剤等によりクランプ部材１３０に取り付けられる。弾性カプラント１１４の配管接触部Ｔ１は、ダンピング材１１６のスリットＳ１に嵌め込まれる。これにより、ダンピング材１１６は、クランプ部材１３０に対する弾性カプラント１１４の位置および姿勢を保持する。

同様に、ヘッド部１００に板ばね１２５が設けられなくてもよい。この場合、ダンピング材１２６は、接着剤等によりクランプ部材１４０に取り付けられる。弾性カプラント１２４の配管接触部Ｔ２は、ダンピング材１２６のスリットＳ２に嵌め込まれる。これにより、ダンピング材１２６は、クランプ部材１４０に対する弾性カプラント１２４の位置および姿勢を保持する。

（８）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。

上記実施の形態においては、配管Ｐが配管の例であり、流量センサ１がクランプオン式超音波流量センサの例であり、超音波素子１１２，１２２がそれぞれ第１および第２の超音波素子の例である。入出射面Ｃ１が入出射面の例であり、ウェッジ材１１３がウェッジ材の例であり、配管接触部Ｔ１が配管接触部の例であり、弾性カプラント１１４が弾性カプラントの例である。

クランプ部材１３０がクランプ部材の例であり、板ばね１１５またはダンピング材１１６が保持材の例であり、本体制御部３０２が流量算出部の例であり、スリットＳ１，Ｓ３がスリットの例である。ダンピング材１１６がダンピング材の例であり、板ばね１１５が押圧部材の例であり、空間Ｖが空間の例であり、垂直壁１３１，１３２がガイド壁の例であり、励起領域Ｒ１が励起領域の例である。

１…流量センサ，１００…ヘッド部，１０１…結合ねじ，１１０，１２０…センサヘッド，１１１…ケーシング，１１２，１２２…超音波素子，１１３，１２３…ウェッジ材，１１４，１２４…弾性カプラント，１１５，１２５…板ばね，１１６，１２６…ダンピング材，１１７…表示灯，１３０，１４０…クランプ部材，１３１，１３２，１４１，１４２…垂直壁，１３３，１４３…支持部，１３４，１４４，１５１，１６１…取付ねじ１３５，１４６…仮止ねじ，１４５…仮止部材，１５０，１６０…取付板金，２００…中継部，２０１…切替回路，２０２，２０３…送信回路，２０４…増幅回路，２０５…Ａ／Ｄ変換器，２０６…中継制御部，２０６ａ…超音波制御部，２０６ｂ…測定情報生成部，２０６ｃ…表示灯制御部，２０７…校正情報記憶部，２０８，３０１…通信回路，２０９，３０７…電源回路，２１０…表示灯駆動回路，３００…本体部，３０２…本体制御部，３０３…表示部，３０４…操作部，３０５…記憶部，３０６…出力回路，Ａ１，Ａ２…送受信面，Ｂ１，Ｂ２…接合面，Ｃ１，Ｃ２…入出射面，ＣＡ１，ＣＡ２…ヘッド用ケーブル，ＣＡ３…中継ケーブル，ＣＡ…本体ケーブル，Ｄ１…ウェッジ接触面，Ｅ１，Ｅ２…配管接触面，Ｈ１，Ｈ２…開口，Ｐ…配管，Ｐ１，Ｐ２…周壁，Ｒ１，Ｒ２…励起領域，Ｓ１〜Ｓ４…スリット，Ｔ１，Ｔ２…配管接触部，Ｖ１，Ｖ２…幅変化部，Ｖ…空間，Ｗ…窓部，Ｗ１，Ｗ２…立壁部

Claims (11)

1. 配管内を流れる流体の流量を測定するクランプオン式超音波流量センサであって、
   超音波を送受信する第１の超音波素子と、
   前記第１の超音波素子からの超音波を伝搬するとともに、超音波の伝搬方向に対して傾斜しかつ伝搬した超音波を出射する入出射面を有するウェッジ材と、
   前記配管に接触する配管接触部を有し、前記配管接触部を介して前記ウェッジ材の前記入出射面からの超音波を前記配管へ伝搬する弾性カプラントと、
   前記配管を支持するとともに、前記配管接触部が前記配管の軸心方向に沿って配置されるように前記弾性カプラントを支持するクランプ部材と、
   前記クランプ部材に取り付けられ、前記クランプ部材に対して前記配管接触部を位置決めしつつ前記配管接触部の周囲を保持する保持材と、
   前記配管を挟んで前記第１の超音波素子との間で超音波を送受信する第２の超音波素子と、
   前記第１の超音波素子と前記第２の超音波素子との間で送受信される超音波に基づいて前記配管内を流れる流体の流量を算出する流量算出部とを備える、クランプオン式超音波流量センサ。
2. 前記保持材は、前記弾性カプラントの位置および姿勢を保持するように構成される、請求項１記載のクランプオン式超音波流量センサ。
3. 前記保持材は、前記軸心方向に沿って延びかつ前記弾性カプラントの前記配管接触部が嵌め込まれるスリットを有する、請求項１または２記載のクランプオン式超音波流量センサ。
4. 前記保持材は弾性体により形成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
5. 前記クランプ部材と前記配管との間には、前記保持材の変形を許容する空間が形成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
6. 前記クランプ部材は、前記配管を支持する際に当該クランプ部材を前記配管に導くガイド壁を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
7. 前記配管の周壁は、前記ウェッジ材の前記入出射面から出射される超音波の縦波が衝突する励起領域を含み、
   前記配管の前記励起領域は、当該配管内を流れる流体を通過しかつ前記第２の超音波素子に向かう超音波を励起する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
8. 前記保持材は、前記配管の周壁内の超音波を減衰させるダンピング材を含む、請求項７記載のクランプオン式超音波流量センサ。
9. 前記配管の周壁内の超音波を減衰させるダンピング材をさらに備え、
   前記保持材は、前記ダンピング材を前記配管に押圧する押圧部材を含む、請求項７記載のクランプオン式超音波流量センサ。
10. 前記ウェッジ材は、前記軸心方向対する前記第１の超音波素子からの超音波のせん断波の入射角が臨界角以上となるように設けられる、請求項１〜９のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
11. 前記配管の外径は２ｍｍ以上２０ｍｍ以下である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。

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