JP2022098573A - ガイド波式の超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】計測に用いない不要エコーの影響を低減することにより測定精度を向上できるガイド波式の超音波流量計を提供すること。【解決手段】本発明のガイド波式の超音波流量計１１は、チューブ１２の外周面１３に超音波振動子２１Ａ、２１Ｂをチューブ長手方向に離間させて一対配置した構造を備える。計測部３１は一対の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂ間に位置する。計測部３１内にて超音波ガイド波の送受信を行うことで、流体の流量を計測する。超音波流量計１１は弾性体製の防振ブロック５１を備える。防振ブロック５１は、第１端面５１ａ及び第２端面５１ｂを貫通するチューブ挿通孔５２を有し、計測部３１の外側領域３２にてチューブ１２に外嵌される。チューブ挿通孔５２の内周面５３とチューブ１２の外周面１３との接触面積は、第１端面５１ａ側から第２端面５１ｂ側に行くに従って増大する。【選択図】図１

Description

本発明は、直管状のチューブの長手方向に沿って超音波ガイド波を伝播させることで流体の流量を計測するガイド波式の超音波流量計に関するものである。

流体の流量を計測するための装置として、超音波流量計がよく知られている。 従来の一般的な超音波流量計の場合、一対の超音波振動子を対向させて配置するために、流路となるチューブの部分が屈曲した形状となっている。そのため、圧力損失大きい、液溜りが生じるといったデメリットがある。このような事情のもと、流路が屈曲していない直管状のチューブを用いたストレートタイプの超音波流量計に対する強い要望がある。ストレートタイプの超音波流量計のなかでも、チューブ長手方向に沿って伝播する超音波ガイド波を流量の計測に利用する、ガイド波式の超音波流量計が従来いくつか提案されている（例えば特許文献１～２を参照）。

具体例を挙げて説明すると、一般的なガイド波式の超音波流量計は、流体が流れる直管状のチューブを備えており、そのチューブの外周面に一対の超音波振動子が配置されている。これらの超音波振動子は例えば円環状をなしており、チューブ長手方向に互いに離間して配置されている。チューブ内における一対の超音波振動子間の領域は計測部となっている。そして、流体がチューブ内を流れているときに、一方の超音波振動子から超音波ガイド波を送信して他方の超音波振動子で受信する。このような送受信動作を流れに沿った正方向及び逆方向についてそれぞれ行い、超音波ガイド波の伝播時間差を計算することにより、流量が算出されるようになっている。

特開平１０－１２２９２３号公報 特開平１１－２６４７５０号公報 特開２０２０－６０４９０号公報

ところで、円環状の超音波振動子を駆動した場合、超音波ガイド波は計測部に面している内側端面から発信されるばかりでなく、計測部に面していない外側端面からも同様に発信される。つまり、超音波ガイド波は、計測に使用する受信側の超音波振動子に向かって伝播するばかりでなく、計測とは関係のない反対方向にも同じ分だけ伝播する。便宜上、計測に用いる前者の超音波ガイド波を「必要エコー」と呼び、計測に用いない後者の超音波ガイド波を「不要エコー」と呼ぶことにする。

一般的にガイド波式の超音波流量計では、超音波ガイド波の減衰が小さいことが知られている。それゆえ、不要エコーが減衰せずにチューブ端や継手等にて反射して戻ってきてしまい、必要エコーの波形に重畳してしまう。このようなことは、計測精度を低下させる要因となる。従って、必要エコーを減衰させずに不要エコーのみを減衰させる何らかの対策を講じることが望まれていた。

不要エコーの影響を軽減する対策としては、例えばチューブの外周面に弾性体からなる防振シートを設置したり、弾性体からなる防振パーツを設置したりすればよいとも考えられる（例えば特許文献３を参照）。しかしながら、防振シートを用いたとしても、肉薄であることから十分な効果を期待することができない。また、防振パーツを単に用いただけでは、防振パーツで超音波ガイド波が反射されて戻ってくるため、不要エコーの影響を十分に抑えることができない。さらに、防振シートや防振パーツの設置面積を単に増やすだけでは、必要エコーまで減衰されてしまうおそれがある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、計測に用いない不要エコーの影響を低減することにより測定精度を向上させることができるガイド波式の超音波流量計を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、流体が流れる直管状のチューブの外周面に超音波振動子をチューブ長手方向に離間させて一対配置した構造を備え、一対の前記超音波振動子間に位置する計測部内にて一方の前記超音波振動子が送信した超音波ガイド波を前記チューブ長手方向に沿って伝播させて他方の前記超音波振動子で受信することにより、前記流体の流量を計測する超音波流量計であって、第１端面とその反対側に位置する第２端面とを貫通するチューブ挿通孔を有し、前記チューブにおける前記計測部の外側領域にて前記チューブに外嵌された弾性体製の防振ブロックを備えるとともに、前記チューブ挿通孔の内周面と前記チューブの前記外周面との接触面積が、前記第１端面側から前記第２端面側に行くに従って増大するように形成されていることを特徴とするガイド波式の超音波流量計をその要旨とする。

従って、請求項１に記載の発明によると、チューブにおける計測部の外側領域に、防振ブロックが外嵌されている。この防振ブロックでは、チューブ挿通孔の内周面とチューブの外周面との接触面積が、第１端面側から第２端面側に行くに従って増大している。そのため、計測部の外側領域に向けて発信された超音波ガイド波は、第１端面であまり反射されずに防振ブロックの内部に入射する。また、この防振ブロックはある程度厚さを有する弾性体からなる部材であることから、その内部に入射した超音波ガイド波が効果的に減衰される。従って、必要エコーを減衰させずに不要エコーのみを減衰させることができ、不要エコーの影響を低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記チューブ挿通孔は前記防振ブロックの中心部を貫通するとともに、前記防振ブロックの前記第１端面側は、前記チューブ挿通孔の中心軸線を基準として回転対称な断面形状となるように形成されていることをその要旨とする。

従って、請求項２に記載の発明によると、防振ブロックにおけるチューブ挿通孔周りの肉厚が均等かつ十分に確保される。このため、例えば防振ブロックの外表面に押圧力を加えたときに、チューブ外周面の周方向に均等に力が加わる結果、チューブに曲がりが生じにくくなる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記防振ブロックは、前記チューブ挿通孔の前記第１端面側の開口部に溝部を有することをその要旨とする。

従って、請求項３に記載の発明によると、第１端面側の開口部に溝部を形成しておくことにより、チューブ挿通孔の内周面とチューブの外周面との接触面積を第１端面側から第２端面側に行くに従って増大させることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記防振ブロックは、前記チューブ挿通孔の前記第１端面側の開口部に溝部を有するとともに、前記溝部は、前記第１端面側の開口部を横断するように前記第１端面の一部に形成された断面略Ｖ字状の溝であることをその要旨とする。

従って、請求項４に記載の発明によると、このような溝部であれば比較的簡単に形成可能であるばかりでなく、上記接触面積が第１端面側から第２端面側に行くに従って徐々に増大する構造とすることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記チューブ挿通孔の内径寸法は前記チューブの外径寸法よりも小さく設定されるとともに、前記チューブは前記チューブ挿通孔に圧入されていることをその要旨とする。

従って、請求項５に記載の発明によると、チューブ外周面に対する防振ブロックの密着性が向上する結果、防振ブロック内に超音波ガイド波を確実に入射させて効率よく減衰させることができる。また、この構成であると、チューブに対して防振ブロックを容易に組付けることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記防振ブロックよりも硬質の材料からなり、前記防振ブロックの外面に接触して押圧することで、前記防振ブロックの変形を軽減する外面押圧部材をさらに備えることをその要旨とする。

従って、請求項６に記載の発明によると、外面押圧部材が防振ブロックの変形を軽減することにより、チューブ外周面に対する防振ブロックの密着性が維持される。その結果、防振ブロック内に超音波ガイド波を確実に入射させて効率よく減衰させることができる。

以上詳述したように、請求項１～６に記載の発明によると、計測に用いない不要エコーの影響を低減することにより測定精度を向上させることができるガイド波式の超音波流量計を提供することができる。

本発明を具体化した実施形態の超音波流量計を示す斜視図。 実施形態の超音波流量計を示す断面図。 （ａ）は実施形態の超音波流量計における防振ブロックの斜視図、（ｂ）は（ａ）の軸線方向に沿った断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ－Ａ線断面図、（ｄ）は（ｂ）のＢ－Ｂ線断面図、（ｅ）は（ｂ）のＣ－Ｃ線断面図。 実施形態の超音波流量計における別の防振ブロックの斜視図。 図４の防振ブロックに外面押圧部材を設けた状態を示す部分概略断面図。 実施形態の超音波流量計におけるさらに別の防振ブロックの斜視図。 図６の防振ブロックに外面押圧部材を設けた状態を示す斜視図。 図６の防振ブロックに別の外面押圧部材を設けた状態を示す斜視図。 評価試験を行うための試験機器の概略図。 （ａ）は別の実施形態の防振ブロックを第１端面側から見た図、（ｂ）は（ａ）のＤ－Ｄ線断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態のガイド波式の超音波流量計を図１～図５に基づき詳細に説明する。

図１、図２に示されるように、本実施形態の超音波流量計１１は、直管状のチューブ１２の長手方向に沿って進む超音波ガイド波を利用して、チューブ１２内を流れる液体の流量を計測するための装置である。この超音波流量計１１は、流量計測管としての直管状のチューブ１２を備えていることから、ストレートタイプの超音波流量計と称されることがある。チューブ１２を流れる液体としては任意であって特に限定されないが、本実施形態では加熱された高温の液体（半導体洗浄液など）がチューブ１２に流される。

チューブ１２は可撓性を有する樹脂製であって、ここではフッ素樹脂の一種である四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＦＡ）を材料として用いて形成されている。勿論、チューブ１２はＰＦＡ以外の樹脂材料を用いて形成されてもよく、例えば、ポリ塩化ビニル樹脂、シリコーンゴム、ポリエチレン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂などを用いて形成されてもよい。

図１、図２に示されるように、この超音波流量計１１は、一対の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂを備えている。これらの超音波振動子２１Ａ、２１Ｂは、チューブ１２の外周面１３に配設されている。便宜上、図１及び図２において左側に位置する超音波振動子を第１の超音波振動子２１Ａとし、図１及び図２において右側に位置する超音波振動子を第２の超音波振動子２１Ｂとする。第１の超音波振動子２１Ａと第２の超音波振動子２１Ｂとは、チューブ長手方向に沿って互いに離間した状態で配置されている。本実施形態の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂはともに円環状であって、同じ寸法を有する。具体的には、これら超音波振動子２１Ａ、２１Ｂは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックスを用いて形成された圧電素子である。円環状をなす超音波振動子２１Ａ、２１Ｂは中心孔２４を有しており、その中心孔２４の内周面はチューブ１２の外周面１３に対して密着されている。このとき、中心孔２４の内周面とチューブ１２の外周面１３とは直接接して密着していてもよいが、音響整合層として機能するカップリング材層などを介して密着していてもよく、あるいは接着剤層を介して密着していてもよい。

チューブ１２内における一対の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂ間の領域は、計測部３１となっている。これら超音波振動子２１Ａ、２１Ｂは、それぞれ第１側端面２２及び第２側端面２３を有している。第１の超音波振動子２１Ａの第１側端面２２と、第２の超音波振動子２１Ｂの第１側端面２２とは、計測部３１に面した状態で互いに対向して配置されている。第１の超音波振動子２１Ａの第２側端面２３及び第２の超音波振動子２１Ｂの第２側端面２３は、計測部３１に面しておらず、それぞれ計測部３１がある方向とは反対方向（即ち計測部３１の外側領域３２）を向くように配置されている。

次に、図１に基づいて超音波流量計１１の電気的構成について説明する。

この超音波流量計１１は計測制御装置４１を備えている。この計測制御装置４１は、一対の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂを駆動して計測部３１内で送受信を行うことにより、チューブ１２内を流れる液体の流量を演算によって求めるための装置である。本実施形態の計測制御装置４１は、信号処理部４２、演算処理部４３、入力装置４４及び表示装置４５等を備えている。信号処理部４２は、一対の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂを駆動するための駆動信号を出力する回路などを含んでいる。

なお、一対の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂを駆動するときの周波数は特に限定されず高周波数であればよいが、超音波ガイド波を励起させうる周波数であることが必要である。本実施形態では、例えば２００ｋＨｚ～５００ｋＨｚの周波数に設定され、好ましくは２３０ｋＨｚ～３００ｋＨｚの周波数に設定される。

演算処理部４３は、従来周知のＣＰＵ４６やメモリ４７等を含んで構成された処理回路である。メモリ４７には、制御プログラムやデータが記憶されており、ＣＰＵ４６は、メモリ４７に記憶されている制御プログラムに基づいて流量の演算処理や表示処理を行う。

また、入力装置４４は、各種の操作ボタンを有し、測定の開始・終了、表示モードの設定などを行う。表示装置４５は、例えば液晶ディスプレイであり、演算処理部４３にて算出された流量を表示する。

次に、このように構成された超音波流量計１１における測定動作について説明する。

流量の測定は液体がチューブ１２内を所定方向に流れているときに行われる。例えば、図１及び図２の左側から右側に向かって液体が流れているものとする。このとき、第１の超音波振動子２１Ａが上流側に位置する超音波振動子、第２の超音波振動子２１Ｂが下流側に位置する超音波振動子ということになる。ＣＰＵ４６は、信号処理部４２を介して一対の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂを駆動してそれらに交互に超音波ガイド波の送受信を行わせる。具体的にいうと、ＣＰＵ４６は、まず上流側である第１の超音波振動子２１Ａを駆動して超音波ガイド波を発信させ、超音波ガイド波をチューブ長手方向に沿って計測部３１内を流れの正方向に伝播させる。そして、流れの正方向に伝播してきた超音波ガイド波を第２の超音波振動子２１Ｂで受信する。そしてＣＰＵ４６は、超音波ガイド波の正方向の伝播時間を計測する。次に、ＣＰＵ４６は、下流側である第２の超音波振動子２１Ｂを駆動して超音波ガイド波を発信させ、超音波ガイド波をチューブ長手方向に沿って計測部３１内を流れの逆方向に伝播させる。そして、流れの逆方向に伝播してきた超音波ガイド波を第１の超音波振動子２１Ａで受信する。そしてＣＰＵ４６は超音波ガイド波の逆方向の伝播時間を計測する。正方向の伝播時間の計測及び逆方向の伝播時間の計測は、それぞれ複数回ずつ繰り返して行ってもよい。次に、ＣＰＵ４６は、信号処理部４２から演算処理部４３に正方向の伝播時間と逆方向の伝播時間とを取り込み、伝播時間の差に基づいて液体の流速を算出する。そして演算処理部４３は、さらにこの流速から流量を算出する。すると、表示装置４５が算出された流量値を表示するようになっている。

ところで、円環状の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂを駆動した場合、超音波ガイド波は計測部３１に面している第１側端面２２から発信されるばかりでなく、計測部３１に面していない第２側端面２３からも同様に発信される。つまり、超波ガイド波には、第１側端面２２から発信される必要エコーと、第２側端面２３から発信される不要エコーとがある。本実施形態では、必要エコーを減衰させずに不要エコーのみを減衰させるために、超音波流量計１１に以下のような防振構造を持たせている。

図１～図３に示されるように、この超音波流量計１１は、一対の防振ブロック５１を備えている。防振ブロック５１は、いわば不要エコーの超音波振動が必要エコーの超音波振動に重畳することを防止（余分な振動を防止）するために取り付けられる部材である。本実施形態の防振ブロック５１は矩形ブロック状（具体的には略６面体形状）をした部材であって、第１端面５１ａとその反対側に位置する第２端面５１ｂとを有している。第１端面５１ａと第２端面５１ｂとの間には、４つの側面５１ｃが位置している。防振ブロック５１は、チューブ挿通孔５２を有している。チューブ挿通孔５２は断面円形状であって、防振ブロック５１の中心部を通り抜けて第１端面５１ａ及び第２端面５１ｂ間を貫通している。チューブ挿通孔５２の直径は特に限定されず任意に設定可能であるが、例えば矩形状をなす第１端面５１ａ及び第２端面５１ｂの一辺の長さの２０％～５０％程度に設定される。本実施形態では当該直径が約３０％に設定されているため、チューブ挿通孔５２の周囲全域にわたり前記直径よりも大きい寸法の肉厚が確保されている。ちなみに、防振ブロック５１の体積（チューブ挿通孔５２の軸線方向寸法、チューブ挿通孔５２の径方向寸法に依存する。）は、装置全体の大型化を伴わない範囲内であれば、基本的に大きいほうがよい。

防振ブロック５１は弾性体を材料として形成されており、具体的には好適な弾性を有するゴム材を材料として形成されている。防振ブロック５１に使用可能なゴム材としては、例えば、天然ゴム、合成天然ゴム、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、エチレン・プロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、多硫化ゴムなどを挙げることができる。本実施形態では、耐熱性及び耐薬品性に優れたフッ素ゴムをゴム材料として選択している。ゴム材料の硬度は特に限定されないが、例えば硬度５０度以上８０度以下のものが使用される。硬度が低すぎると、チューブに対して防振ブロック５１を密着させた際に十分な押圧力をチューブに付与できないおそれがある。硬度が高すぎると、チューブに対する密着性が悪くなるおそれがある。また、チューブ１２の外径の公差を吸収することができず、防振効果にばらつきが生じるおそれがある。なお、フッ素ゴムを選択した本実施形態では、５５度以上６５度以下のものを使用している。

この防振ブロック５１は、チューブ１２における計測部３１の外側領域３２に外嵌されている。つまり、チューブ１２が防振ブロック５１のチューブ挿通孔５２に対して挿通されることにより、防振ブロック５１がチューブ１２に取り付けられている。なお、一対の防振ブロック５１は、それぞれ超音波振動子２１Ａ、２１Ｂから若干離間した状態で配置されている。この離間距離は特に限定されないが、例えば１ｍｍ以上に設定され、好ましくは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定される。離間距離がこの範囲内であると、組み立てやすくて装置全体の小型化が図りやすい構造とすることができる。離間距離が大きすぎると、例えば筐体を大きくする必要性が生じ、装置全体が大型化するおそれがある。チューブ挿通孔５２の内径寸法は、チューブ１２の外径寸法よりもわずかに小さく設定されている。このため、チューブ１２はチューブ挿通孔５２に圧入される。この圧入によって、チューブ１２の外周面１３に対してチューブ挿通孔５２の内周面５３が密着する。

また、図３（ａ）等に示されるように、この防振ブロック５１では、第１端面５１ａ側の形状と第２端面５１ｂ側の形状が異なっている。即ち、第２端面５１ｂ側はフラットな単純形状となっている。そのため、第２端面５１ｂは、チューブ１２の軸線及びチューブ挿通孔５２の中心軸線Ｃ１に対して直交する位置関係にある。これに対し、第１端面５１ａ側は反射波の低減を目的としており、それゆえフラットではない形状が採用されている。この防振ブロック５１の場合、チューブ挿通孔５２の第１端面５１ａ側の開口部５４に、１本の溝部５５が形成されている。溝部５５は断面略Ｖ字状かつ直線状の溝であって、溝の開口幅はチューブ挿通孔５２の内径とほぼ等しくなっている。溝部５５の深さは特に限定されないが、ここでは防振ブロック５１の長さ寸法（第１端面５１ａと第２端面５１ｂとの距離）の１／３～１／６程度に設定されている。この溝部５５は、第１端面５１ａ側の開口部５４を横断するように、第１端面５１ａの一部に形成されている。なお、防振ブロック５１の第１端面５１ａ側は、チューブ挿通孔５２の中心軸線Ｃ１を基準として回転対称な断面形状となっている。

図３（ｂ）～（ｅ）に示されるように、本実施形態の防振ブロック５１は、チューブ挿通孔５２の内周面５３とチューブ１２の外周面１３との接触面積が、第１端面５１ａ側から第２端面５１ｂ側に行くに従って徐々に増大するように形成されている。これを具体的に説明すると、図３（ｂ）は防振ブロック５１を中心軸線Ｃ１で切断したときの断面図であり、図３（ｂ）～（ｅ）は防振ブロック５１の第１端面５１ａ側を中心軸線Ｃ１に対して垂直に異なる位置で切断したときの断面図である。比較的浅い位置で切断した図３（ｃ）では、チューブ挿通孔５２の内周面５３の５割程度がチューブ１２の外周面１３に接触している。それよりも深い位置で切断した図３（ｄ）では、チューブ挿通孔５２の内周面５３の７～８割程度がチューブ１２の外周面１３に接触している。それよりも深い位置で切断した図３（ｅ）では、チューブ挿通孔５２の内周面５３の全体がチューブ１２の外周面１３に接触している。そして、このように構成された防振ブロック５１に向けて超音波ガイド波が発信された場合、超音波ガイド波は、第１端面５１ａであまり反射されずに防振ブロック５１の内部に入射する。

ここで、図３のものとは異なる防振構造体をいくつか挙げて説明する。図４に示す防振構造体は、防振ブロック５１に外面押圧部材６１を設けたものとなっている。ゴム材からなる防振ブロック５１は、Ｖ字状の溝部５５が開く方向に変形しやすく、高温液体の流通時に軟化するような場合にはその傾向はより顕著になる。その結果、チューブ１２に対する防振ブロック５１の密着性が低下し、防振効果の低下につながる可能性がある。外面押圧部材６１は、このような変形を防止して防振効果の低下を防ぐために使用される部材である。外面押圧部材６１は、防振ブロック５１の外面、具体的には４つある側面５１ｃのうちの少なくとも２つに接触して、それらを押圧するように配置される。図４では上側に位置する側面５１ｃ、その反対側である下側に位置する側面５１ｃのそれぞれに、平板状の外面押圧部材６１が接触配置されている。外面押圧部材６１の形状は特に限定されず任意であるが、ここでは側面５１ｃとほぼ同じ形状及び大きさを有したものとなっている。これらの外面押圧部材６１は、実際にはチューブ１２に取り付けられた一対の超音波振動子２１Ａ，２１Ｂ及び一対の防振ブロック５１を全体的に覆うケーシング６２に取り付けられる（図５参照）。図５に示すケーシング６２は開閉可能な上側部材６３Ａと下側部材６３Ｂとからなり、外面押圧部材６１は上側部材６３Ａ及び下側部材６３Ｂのそれぞれの内面に一体的に取り付けられている。

外面押圧部材６１は、防振ブロック５１の変形を防止するために、防振ブロック５１よりも硬質の材料を用いて形成される。このような材料の好適例としては、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ等の樹脂材料が挙げられるほか、アルミニウム、ステンレス、鉄、銅等の金属材料が挙げられる。例えば金属材料からなるものであると、上記の変形防止効果に加えてシールド効果を得ることができる。

図６に示す防振ブロック５１Ａは、矩形ブロック状ではなく円柱ブロック状の部材となっている。図７に示すものは、この円柱ブロック状の防振ブロック５１Ａの外周面５１ｄに、円筒状の外面押圧部材７１を装着したものとなっている。外面押圧部材７１は、防振ブロック５１Ａの外周面５１ｄの全体に接触している。防振ブロック５１Ａは外面押圧部材７１に対して圧入されており、これにより防振ブロック５１Ａの全周にわたって押圧力が作用し、防振ブロック５１Ａの変形が防止される。また、図８に示すものも、円柱ブロック状の防振ブロック５１Ａの外周面５１ｄに、円筒状の外面押圧部材７２を装着したものとなっている。ただし、この外面押圧部材７２の場合、防振ブロック５１Ａの中心軸線Ｃ１に沿って延びる多数の貫通孔７３が形成されている。なお、外面押圧部材７１、７２についても、上記外面押圧部材６１と同様の材料を用いて形成される。

次に、上記の防振構造体による防振効果を比較するために行った試験及びその結果について説明する。

この試験では、図９に示すような試験機器８１を用いた。この試験機器８１は超音波流量計１１を模したモデルであって、所定長さの直管状のチューブ１２の途中に、円環状の超音波振動子２１Ａを１つ設けた構成を備えている。チューブ１２において超音波振動子２１Ａから１５０ｍｍ離れた位置には、防振構造体Ｂ１を配置した。チューブ１２内には液体（ここでは水）を収容し、その両端を封止した。図９において、超音波振動子２１Ａの左側端面から左側封止端Ｅ１までの長さを２２０ｍｍ、超音波振動子２１Ａの右側端面から右側封止端Ｅ２までの長さを２８０ｍｍにそれぞれ設定した。チューブ１２としては、外径６ｍｍ、内径４ｍｍのＰＦＡ製チューブを用いた。また、防振ブロック５１Ａとしては、基本的にフッ素ゴム（硬度６０度）製のものを使用した。

そして、超音波振動子２１Ａを駆動して超音波ガイド波を発信したときに、防振構造体Ｂ１の１の第１端面５１ａからの反射波、チューブ１２の左側封止端Ｅ１からの反射波のそれぞれについて、従来公知の手法により信号の強度（ｍＶ）を測定した。なおこの試験では、複数の実施例及び複数の比較例を設定して試験を行った。

例えば、Ｖ字状の溝部５５を有する図３（ａ）の防振ブロック５１（端面が１５ｍｍ角の矩形ブロック状、軸線方向寸法が１０ｍｍ）を用いたものを、「実施例１」とした。

また、防振ブロック５１（端面が１５ｍｍ角の矩形ブロック状、軸線方向寸法が１０ｍｍ）を用い、硬質樹脂からなる一対の外面押圧部材６１で外面を覆うようにしたものを、「実施例２」とした（図４、図５参照）。

また、防振ブロック５１Ａ（外径１２．５ｍｍφの円柱ブロック状、軸線方向寸法が１０ｍｍ）を用い、有孔円筒状のＰＴＦＥからなる外面押圧部材７２（内径１２．５ｍｍφ、外径１９ｍｍφ）で外面を覆うようにしたものを、「実施例３」とした（図８参照）。

また、防振ブロック５１Ａ（外径１６ｍｍφの円柱ブロック状、軸線方向寸法が１０ｍｍ）を用い、ＰＦＡからなる円筒状の外面押圧部材７１（内径１６ｍｍφ、外径１９ｍｍφ）で外面を覆うようにしたものを、「実施例４」とした（図７参照）。

これらに対して、防振構造体Ｂ１を配置しないものを「比較例１」とした。また、図３（ａ）の防振ブロック５１（端面が１９ｍｍ角の矩形ブロック状、軸線方向寸法が５ｍｍ）を用いてＶ字状の溝部５５を省略したものを、「比較例２」とした。

試験結果は表１に示すとおりである。表１からわかるように、比較例１ではチューブ１２の左側封止端Ｅ１からの反射が非常に大きく（２４０．０ｍＶ）、不要エコーが殆ど減衰せずに戻ってきていた。比較例２では防振構造体Ｂ１を配置したことで、左側封止端Ｅ１からの反射がいくぶん小さく（５２．０ｍＶ）なっていた。しかし、防振構造体Ｂ１の第１端面５１ａからの反射がかなり大きく（９３．２ｍＶ）、その反射波が不要エコーとなって戻ってきていた。よって、比較例１、２では防振効果についての評価結果は低いものとなった。

一方、実施例１～４では好適な防振構造体Ｂ１を配置したことで、防振構造体Ｂ１の第１端面５１ａからの反射がかなり小さくなり、比較例２の計測値の数分の１程度に抑制できることがわかった。また、左側封止端Ｅ１からの反射についても、比較例２の計測値の数分の１程度に抑制できることがわかった。よって、実施例１～４では防振効果についても評価結果は高いものとなった。なかでも特に実施例２の防振効果が優れていることがわかった。ちなみに、防振効果の評価結果については、左側封止端Ｅ１からの反射信号強度と防振構造体Ｂ１の第１端面５１ａからの反射信号強度との和が、３０ｍＶ未満の場合に「◎」、３０ｍＶ以上５０ｍＶ未満の場合に「〇」、５０ｍＶ以上の場合に「×」とした。

以上詳述したように、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態のガイド波式の超音波流量計１１によると、チューブ１２における計測部３１の外側領域３２に、防振ブロック５１、５１Ａが外嵌されている。この防振ブロック５１、５１Ａでは、チューブ挿通孔５２の内周面５３とチューブ１２の外周面１３との接触面積が、第１端面５１ａ側から第２端面５１ｂ側に行くに従って増大している。そのため、計測部３１の外側領域３２に向けて発信された超音波ガイド波は、第１端面５１ａであまり反射されずに防振ブロック５１、５１Ａの内部に入射する。また、この防振ブロック５１、５１Ａはある程度厚さを有する弾性体からなる部材であることから、その内部に入射した超音波ガイド波が効果的に減衰される。従って、必要エコーを減衰させずに不要エコーのみを減衰させることができ、不要エコーの影響を低減することができるため、測定精度を向上させることができる。

（２）本実施形態の防振ブロック５１、５１Ａは、チューブ挿通孔５２の第１端面５１ａ側の開口部５４に溝部５５を有している。またこの溝部５５は、開口部５４を横断するように第１端面５１ａの一部に形成された断面略Ｖ字状の溝となっている。このような溝部５５は、比較的簡単に形成可能であるため、防振ブロック５１、５１Ａを製造するうえで有利である。また、第１端面５１ａ側から第２端面５１ｂ側に行くに従って上記接触面積が徐々に増大する構造を、比較的簡単に実現することができる点でも有利である。

（３）本実施形態では、チューブ挿通孔５２の内径寸法はチューブ１２の外径寸法よりも小さく設定されるとともに、チューブ１２はチューブ挿通孔５２に圧入されている。従って、チューブ１２の外周面１３に対する防振ブロック５１、５１Ａの密着性を向上させることができる。その結果、防振ブロック５１、５１Ａ内に超音波ガイド波を確実に入射させて効率よく減衰させることができる。また、この構成であると、チューブ１２に対して防振ブロック５１、５１Ａを容易に組付けることができる。

（４）本実施形態の防振構造体Ｂ１は、防振ブロック５１、５１Ａと、それよりも硬質の材料からなり防振ブロック５１、５１Ａの外面に接触して押圧する外面押圧部材６１、７１、７２とを備えている。この構造によると、外面押圧部材６１、７１、７２が防振ブロック５１、５１Ａの変形を軽減することにより、チューブ１２の外周面１３に対する防振ブロック５１、５１Ａの密着性が維持される。その結果、防振ブロック５１、５１Ａ内に超音波ガイド波を確実に入射させて効率よく減衰させることができる。それゆえ、不要エコーの影響をより確実に低減することができ、測定精度をいっそう向上させることができる。

なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施形態では超音波振動子２１Ａ，２１Ｂは円環状であったが、例えば超音波振動子を半円環状とし、これらを２つ組み合わせて配置することで、全体として環状をなすような構造としてもよい。あるいは、超音波振動子を四半円環状とし、これらを４つ組み合わせて配置することで、全体として環状をなすような構造としてもよい。また、半円環状や四半円環状ではない形状（例えば円板状や円柱状など）の超音波振動子を複数個用い、それらが全体として環状をなすように配置してもよい。具体的には、複数個の超音波振動子を用いるとともに、それらをチューブ１２の中心軸線に対して回転対称になるように、チューブ１２における同一位置にて周方向に沿って均等な角度で配置してもよい。

・上記実施形態では防振ブロック５１、５１Ａを矩形ブロック状や円柱ブロック状としたが、これら以外の形状としてもよい。

・上記実施形態では防振ブロック５１、５１Ａをゴム材からなるものとしたが、ゴム以外の材料からなる弾性体（例えばエラストマーなど）を用いて防振ブロック５１、５１Ａを形成してもよい。

・上記実施形態では、チューブ挿通孔５２の内周面５３とチューブ１２の外周面１３との接触面積が、第１端面５１ａ側から第２端面５１ｂ側に行くに従って増大するように、所定位置に１本のＶ字状の溝部５５を形成したが、これに限定されない。即ち、上記実施形態とは異なる位置に溝部を形成してもよいほか、複数の溝部を形成してもよい。例えば、図１０に示す別の実施形態の防振ブロック９１では、チューブ挿通孔５２の第１端面５１ａ側の開口部５４に、４つの溝部９２が等角度間隔をもって形成されている。これらの溝部９２は断面円弧状であって、チューブ挿通孔５２の中心軸線Ｃ１の方向に延びている。また、溝部９２の深さは、第１端面５１ａ側から第２端面５１ｂ側に行くに従って徐々に浅くなっている。溝部９２の幅は、第１端面５１ａ側から第２端面５１ｂ側に行くに従って徐々に狭くなっている。このような構成であっても、上記接触面積が第１端面５１ａ側から第２端面５１ｂ側に行くに従って徐々に増大する構成を実現することができる。

・上記実施形態では、チューブ挿通孔５２の第１端面５１ａ側の開口部５４に溝部５５を形成したが、溝部に代えて例えば複数の小さな凹部などを形成してもよい。

・上記実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる超音波振動子２１Ａ、２１Ｂを用いたが、超音波振動子２１Ａ、２１Ｂの形成材料は特に限定されるものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系（ニオブ酸アルカリ系）の圧電セラミックスからなる超音波振動子などを用いても勿論よい。

１１…ガイド波式の超音波流量計
１２…チューブ
１３…（チューブの）外周面
２１Ａ…（第１の）超音波振動子
２１Ｂ…（第２の）超音波振動子
３１…計測部
３２…計測部の外側領域
５１、５１Ａ…防振ブロック
５１ａ…第１端面
５１ｂ…第２端面
５２…チューブ挿通孔
５３…（チューブ挿通孔の）内周面
５４…開口部
５５、９２…溝部
６１、７１、７２…外面押圧部材
Ｃ１…中心軸線

Claims (6)

1. 流体が流れる直管状のチューブの外周面に超音波振動子をチューブ長手方向に離間させて一対配置した構造を備え、一対の前記超音波振動子間に位置する計測部内にて一方の前記超音波振動子が送信した超音波ガイド波を前記チューブ長手方向に沿って伝播させて他方の前記超音波振動子で受信することにより、前記流体の流量を計測する超音波流量計であって、
   第１端面とその反対側に位置する第２端面とを貫通するチューブ挿通孔を有し、前記チューブにおける前記計測部の外側領域にて前記チューブに外嵌された弾性体製の防振ブロックを備えるとともに、
   前記チューブ挿通孔の内周面と前記チューブの前記外周面との接触面積が、前記第１端面側から前記第２端面側に行くに従って増大するように形成されている
   ことを特徴とするガイド波式の超音波流量計。
2. 前記チューブ挿通孔は前記防振ブロックの中心部を貫通するとともに、前記防振ブロックの前記第１端面側は、前記チューブ挿通孔の中心軸線を基準として回転対称な断面形状となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガイド波式の超音波流量計。
3. 前記防振ブロックは、前記チューブ挿通孔の前記第１端面側の開口部に溝部を有することを特徴とする請求項１または２に記載のガイド波式の超音波流量計。
4. 前記防振ブロックは、前記チューブ挿通孔の前記第１端面側の開口部に溝部を有するとともに、前記溝部は、前記第１端面側の開口部を横断するように前記第１端面の一部に形成された断面略Ｖ字状の溝であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガイド波式の超音波流量計。
5. 前記チューブ挿通孔の内径寸法は前記チューブの外径寸法よりも小さく設定されるとともに、前記チューブは前記チューブ挿通孔に圧入されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガイド波式の超音波流量計。
6. 前記防振ブロックよりも硬質の材料からなり、前記防振ブロックの外面に接触して押圧することで、前記防振ブロックの変形を軽減する外面押圧部材をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガイド波式の超音波流量計。

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