JP2023110133A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に対し、小口径配管へのトランスデューサの取付けに対して設計自由度を柔軟化可能とする。【解決手段】超音波流量計１は、配管２における上流側に取付けられ、当該配管２における下流側との間で超音波の送受信を行うトランスデューサ１０１ａと、配管２における下流側に取付けられ、当該配管２における上流側との間で超音波の送受信を行うトランスデューサ１０１ｂと、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂによる超音波を反射可能であり、当該トランスデューサ１０１ａ及び当該トランスデューサ１０１ｂにおける超音波パスに応じて配管２に取付けられた１つ以上の反射ブロック１０２と、トランスデューサ１０１ａによる送受信結果及びトランスデューサ１０１ｂによる送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差から配管２を流れる流体に関するパラメータを算出する演算部１０３とを備えた。【選択図】図１

Description

本開示は、超音波の斜角入射による伝搬時間差法を用いた超音波流量計に関する。

従来、超音波流量計として、クランプオン式の超音波流量計が知られている（例えば特許文献１参照）。このクランプオン式の超音波流量計では、設置の際に配管を切断する必要がないため、設置が容易であり、後付けも可能である。また、このクランプオン式の超音波流量計では、配管に危険な薬液を流している場合に課題となる漏液を考慮する必要がない。また、このクランプオン式の超音波流量計では、配管が劣化した場合には、その配管だけを交換すればよく、超音波流量計自体の交換は必要ない。

そして、このクランプオンを実現する方法として、特許文献１に開示された超音波流量計のように、超音波の斜角入射による伝搬時間差法が知られている。この伝搬時間差法を用いた超音波流量計では、配管における上流側及び下流側に設置された１対のトランスデューサによって互いに超音波の送受信を行い、その超音波の伝搬時間差から配管を流れる流体に関するパラメータを計測可能としている。なお、流体に関するパラメータとしては、流速又は流量のうちの少なくとも一方が挙げられる。

なお、従来の超音波流量計として、振動吸収体を用い、計測に不適な外面反射波を抑制するように構成されたものが知られている（例えば特許文献２参照）。
一方、以下に示す超音波流量計では、外面反射波を用いて計測を行うものが対象とされる。

この超音波流量計が有する一対のトランスデューサの配置例としては、例えば図８及び図９に示すような配置が挙げられる。
なお、図８及び図９において、太い矢印は配管を流体が流れる方向を示し、細い矢印は超音波の伝搬方向を示している。また、図８及び図９において、破線で囲まれた領域は、超音波の伝搬領域を示している。

図８Ａは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）である場合を示している。なお、図８Ａでは、左側に超音波流量計及び配管の正面図を示し、右側に超音波流量計及び配管の側面図（配管部分は断面図）を示している。
また、図８Ｂは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）である場合を示している。
また、図９Ａは、超音波パスが３トラバースである場合を示している。
また、図９Ｂは、超音波パスが４トラバース（Ｗ法）である場合を示している。
なお、トラバース数は、超音波が配管の軸方向に対して斜めに横断する回数を指す。

また、図８及び図９において、符号２は配管を示し、符号５は超音波流量計を示している。また、図８及び図９において、符号５０１ａは一対のトランスデューサのうちの一方のトランスデューサを示し、符号５０１ｂは一対のトランスデューサのうちの他方のトランスデューサを示している。

なお、実際の超音波の伝搬では、異なる物質（音速、音響インピーダンス）の境界面において、反射及び屈折が生じる。
図８及び図９において、トランスデューサが有するウェッジ材(樹脂)、配管(樹脂)、及び、配管を流れる流体(水)は、同程度の音速（音響インピーダンス）であり、超音波は透過するものとしている。また、超音波流量計が取付けられた配管の周囲は空気であり、超音波は反射するものとしている。
よって、図８及び図９に示す構成では、反射波が配管の外面で発生する。

そして、この超音波流量計では、配管を流れる流体に関するパラメータを計測するために、超音波の伝搬時間差を求める。
ここで、上流側のトランスデューサから下流側のトランスデューサに超音波が伝搬する場合、音速は流速により早くなり、逆では遅くなる。この伝搬時間差を精度良く求めるためには、時間差が大きくなるように、流体中の超音波の伝搬距離を長くすることが望ましい（図８及び図９における細い矢印の長さの合計）。すなわち、トラバース数が増えると、伝搬距離が長くなり、計測上有利であることがわかる。例えば、Ｗ法(４トラバース)を用いると、一般的に用いられているＺ法(１トラバース)に比べて、４倍の伝搬時間差を得ることができる。

また、超音波は、媒質の音速（音響インピーダンス）の差が大きい場合には反射が大きくなり、音速の差が小さいと透過することが知られている。今回想定している材質の音響インピーダンスは、空気の音響インピーダンスは他に比べて圧倒的に小さく、差が大きくなるため反射する。

材質の違いによる超音波の伝搬の違い（音響インピーダンス及び音速の違い）について、例えば図１０の通りである。また、超音波の屈折角と透過及び反射については、例えば図１１の通りである。

特許第５８１２７３４号 特開２０１０－１８１３２１号公報

一方、従来の超音波流量計ではトランスデューサを小型化することは困難であり、超音波流量計の計測対象が小口径配管（直径数ミリ程度の径の小さい配管）を流れる流体である場合、トランスデューサの大きさを変更しないで対応する必要がある。
従来の超音波流量計において、トランスデューサを小型化することが困難である理由としては、以下の事項が挙げられる。

まず、トランスデューサに用いられる圧電素子は、任意の周波数の振動を発生する。この周波数は、対象となる配管の材料、厚さ及び配管を流れる流体等により適切な値がある。よって、小口径配管に対応させるために、圧電素子を小さくすること及び薄くすることはできない。

また、トランスデューサに用いられる圧電素子は、様々な振動モードが存在する。ここで、圧電素子を厚みモードで振動させる場合、基本的に圧電素子の厚さが周波数を決定するため、薄くすることができない。例えば、１ＭＨｚの周波数では厚さ(ｔ)は、圧電素子の厚みは２ｍｍ程度となる。

また、トランスデューサに用いられる圧電素子を厚みモードで振動させる場合、圧電素子の長さ(ｌ)及び幅(ｗ)は厚さ（ｔ）に対して十分大きい必要がある（板状の形状）（図１２参照）。例えば、圧電素子の長さ及び幅は、厚さの１０倍程度、最低でも３倍程度が必要となる。圧電素子は、最小サイズでも、６ｍｍ（長さ）ｘ６ｍｍ（幅）ｘ２ｍｍ（厚さ）となる。
なお、図１２では、左側にトランスデューサの正面図を示し、右側にトランスデューサの側面図を示している。また、図１２において、符号５０１１ａは圧電素子を示し、符号５０１２ａはウェッジ材を示している。

また、トランスデューサに用いられる圧電素子を小さくすると、超音波を送受信する面積が小さくなる。この場合、トランスデューサは、送信する超音波の出力が小さくなり、また、受信する超音波も弱くなる。すなわち、超音波信号が小さくなるので、性能に影響が悪化する。したがって、圧電素子は、最小サイズよりも長さと幅が大きいことが望ましい。

そして、配管が小口径配管である場合でのトランスデューサの配置例としては、例えば、図１３，図１４及び図１５に示すような配置が挙げられる。

図１３Ａは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）であり、配管が１／２配管（基準径の配管（図８及び図９に示す配管）に対して径が１／２である配管）である場合を示している。
また、図１３Ｂは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）であり、配管が１／４配管（基準径の配管に対して径が１／４である配管）である場合を示している。
また、図１３Ｃは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）であり、配管が１／８配管（基準径の配管に対して径が１／８である配管）である場合を示している。

ここで、超音波パスが１トラバースである場合、超音波の干渉等は発生しないため、従来の超音波流量計は小口径配管にも対応可能である。但し、配管を流れる流体中における超音波の伝搬距離（図１３における細い矢印の長さ）が短いため、伝搬時間差が小さくなり、従来の超音波流量計では計測が困難になる。

また、図１４Ａは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管が１／２配管である場合を示している。
また、図１４Ｂは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管が１／４配管である場合を示している。図１４Ｂの場合には、２つのトランスデューサが有するウェッジ材が干渉してしまうため配置できず、実現不可能である。また、干渉している部分の形状を変更すると、一部の超音波の伝搬エリアが無くなってしまう。
また、図１４Ｃは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管が１／４配管である場合を示している。図１４Ｃのように、２つのトランスデューサが有するウェッジ材を干渉しないように離すと、一方のトランスデューサが送信した超音波が正しく他方のトランスデューサに到達しないため、正しく機能しない。

図１５Ａは、超音波パスが３トラバースであり、配管が１／２配管である場合を示している。図１５Ａの場合には、トランスデューサを正しく配置可能であり、超音波の送受信が可能である。
また、図１５Ｂは、超音波パスが３トラバースであり、配管が１／４配管である場合を示している。ここで、図１５Ｂにおける符号１４１は、配管で反射せずに送信したトランスデューサに入ってきてしまう超音波を示している。また、図１５Ｂにおける符号１４２は、１トラバースで直接入ってきてしまう超音波を示している。また、図１５Ｂにおける符号１４３は、３トラバースで入ってくる超音波（正しい超音波）を示している。このように、図１５Ｂの場合には、正しく反射した超音波をとらえることはできない。

なお、図１６Ａは、図１３Ｂに示す構成の場合での超音波の受信波形の一例を示す図であり、図１６Ｂは、図１４Ｃに示す構成の場合での超音波の受信波形の一例を示す図である。
この図１６Ａに示すように、図１３Ｂに示す構成の場合には、超音波の受信波形として、伝搬時間差の演算に適したピーク波形が得られている。一方、図１６Ｂに示すように、図１４Ｃに示す構成の場合には、明確なピークがなく、伝搬時間差の演算に適していない。

このように、従来の超音波流量計を小口径配管に適用する場合、トラバース数が少ないと超音波の伝搬時間差が微小となるため計測が困難となり、トラバース数が多いとトランスデューサの取付けが困難となる。

なお、超音波の伝搬時間差が微小となる場合、計測精度の向上のために超音波流量計における電気回路又は処理アルゴリズムに工夫を凝らすことが一般的であるが、その性能（対応可能な配管径、最小流量、又は、安定した計測等）には限界がある。

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来に対し、小口径配管へのトランスデューサの取付けに対して設計自由度を柔軟化可能な超音波流量計を提供することを目的としている。

本開示に係る超音波流量計は、配管における上流側に取付けられ、当該配管における下流側との間で超音波の送受信を行う第１のトランスデューサと、配管における下流側に取付けられ、当該配管における上流側との間で超音波の送受信を行う第２のトランスデューサと、第１のトランスデューサ及び第２のトランスデューサによる超音波を外面で反射可能であり、当該第１のトランスデューサ及び当該第２のトランスデューサにおける超音波パスに応じて配管に取付けられた１つ以上の反射ブロックと、第１のトランスデューサによる送受信結果及び第２のトランスデューサによる送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差から配管を流れる流体に関するパラメータを算出する演算部とを備えたことを特徴とする。

本開示によれば、上記のように構成したので、従来に対し、小口径配管へのトランスデューサの取付けに対して設計自由度を柔軟化可能となる。

実施の形態１に係る超音波流量計の構成例を示す図である。 図２Ａ～図２Ｂは、実施の形態１におけるトランスデューサの配置例を示す図である。 図３Ａ～図３Ｂは、実施の形態１におけるトランスデューサの配置例を示す図である。 実施の形態１におけるトランスデューサの設計方法を説明するための図である。 図５Ａは、図２Ａに示す構成の場合での超音波の受信波形の一例を示す図であり、図５Ｂは、図２Ｂに示す構成の場合での超音波の受信波形の一例を示す図であり、図５Cは、図３Ａに示す構成の場合での超音波の受信波形の一例を示す図である。 図６Ａ～図６Ｄは、実施の形態２におけるトランスデューサの配置例を示す図である。 図７Ａ～図７Ｂは、実施の形態２におけるトランスデューサの配置例を示す図である。 図８Ａ～図８Ｂは、従来のトランスデューサの配置例を示す図であって、図８Ａは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）である場合を示し、図８Ｂは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）である場合を示す図である。 図９Ａ～図９Ｂは、従来のトランスデューサの配置例を示す図であって、図９Ａは、超音波パスが３トラバースである場合を示し、図９Ｂは、超音波パスが４トラバース（Ｗ法）である場合を示す図である。 媒質の違いによる超音波の伝搬の違いの一例を示す図である。 音波の屈折角と透過及び反射を説明するための図である。 従来のトランスデューサの構成例を示す図である。 図１３Ａ～図１３Ｃは、配管が小口径配管である場合での従来のトランスデューサの配置例を示す図であって、図１３Ａは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）であり、配管が１／２配管である場合を示し、図１３Ｂは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）であり、配管が１／４配管である場合を示し、図１３Ｃは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）であり、配管が１／８配管である場合を示す図である。 図１４Ａ～図１４Ｃは、配管が小口径配管である場合での従来のトランスデューサの配置例を示す図であって、図１４Ａは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管が１／２配管である場合を示し、図１４Ｂは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管が１／４配管である場合を示し、図１４Ｃは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管が１／４配管である場合を示す図である。 図１５Ａ～図１５Ｂは、配管が小口径配管である場合での従来のトランスデューサの配置例を示す図であって、図１５Ａは、超音波パスが３トラバースであり、配管が１／２配管である場合を示し、図１５Ｂは、超音波パスが３トラバースであり、配管が１／４配管である場合を示す図である。 図１６Ａ～図１６Ｂは、従来の超音波流量計を小口径配管に適用した場合での超音波の受信波形の一例を示す図であって、図１６Ａは、図１３Ｂに示す構成の場合での超音波の受信波形の一例を示す図であり、図１６Ｂは、図１４Ｃに示す構成の場合での超音波の受信波形の一例を示す図である。

以下、実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る超音波流量計１の構成例を示す図である。
超音波流量計１は、対象となる配管２を流れる流体に関するパラメータを計測する。流体に関するパラメータとしては、流速又は流量のうちの少なくとも一方が挙げられる。なお、超音波流量計１は、超音波の斜角入射による伝搬時間差法を用いた、クランプオン式の超音波流量計である。

この超音波流量計１は、図１に示すように、トランスデューサ（第１のトランスデューサ）１０１ａ、トランスデューサ（第２のトランスデューサ）１０１ｂ、１つ以上の反射ブロック１０２、及び、演算部１０３（不図示）を備えている。

なお、図１では、超音波流量計１（トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂ）が配管２に取付けられた状態を示している。この配管２は、例えばＰＦＡのような樹脂から成る。また、この配管２は、主に、小口径配管（直径数ミリ程度の径の小さい配管）であることを想定している。また、配管２を流れる流体は水等の液体である。

また、図１において、太い矢印は配管内を流体が流れる方向を示し、細い矢印は超音波の伝搬方向を示している。また、図１において、破線で囲まれた領域は、超音波の伝搬領域を示している。

トランスデューサ１０１ａは、配管２における上流側に取付けられ、当該配管２における下流側（トランスデューサ１０１ｂ）との間で超音波の送受信を行うトランスデューサである。このトランスデューサ１０１ａとしては既存のものを使用することができる。

このトランスデューサ１０１ａは、図１に示すように、圧電素子１０１１ａ及びウェッジ材１０１２ａを有する。
圧電素子１０１１ａは、板状に構成され、任意の周波数の振動を発生することで、超音波を発生する。
ウェッジ材１０１２ａは、圧電素子１０１１ａを配管２に取付けるための部材である。このウェッジ材１０１２ａは、例えばアクリルのような樹脂から成る。

そして、このトランスデューサ１０１ａは、配管２における下流側（トランスデューサ１０１ｂ）に超音波を送信し、当該下流側（トランスデューサ１０１ｂ）からの超音波を受信する。

トランスデューサ１０１ｂは、配管２における下流側に取付けられ、当該配管２における上流側（トランスデューサ１０１ａ）との間で超音波の送受信を行うトランスデューサである。このトランスデューサ１０１ｂとしては既存のものを使用することができる。

このトランスデューサ１０１ｂは、図１に示すように、圧電素子１０１１ｂ及びウェッジ材１０１２ｂを有する。
圧電素子１０１１ｂは、板状に構成され、任意の周波数の振動を発生することで、超音波を発生する。
ウェッジ材１０１２ｂは、圧電素子１０１１ｂを配管２に取付けるための部材である。このウェッジ材１０１２ｂは、例えばアクリルのような樹脂から成る。

そして、このトランスデューサ１０１ｂは、配管２における上流側（トランスデューサ１０１ａ）に超音波を送信し、当該上流側（トランスデューサ１０１ａ）からの超音波を受信する。

反射ブロック１０２は、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂによる超音波を外面で反射可能であり、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂにおける超音波パスに応じて配管２に１つ以上取付けられたブロックである。すなわち、この反射ブロック１０２は、トランスデューサ１０１ａ、トランスデューサ１０１ｂ又は他の反射ブロック１０２に対し、配管２を介して、対向配置されている。

反射ブロック１０２は、ウェッジ材１０１２ａ及びウェッジ材１０１２ｂと同等の媒質（音速（音響インピーダンス）が同等の媒質）で構成されている。この反射ブロック１０２は、例えばアクリルのような樹脂から成る。

このトランスデューサ１０１ａ、トランスデューサ１０１ｂ及び反射ブロック１０２は、例えば図２及び図３に示すような超音波パスを形成するように配置される。

図２Ａは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管２が１／４配管である場合を示している。
図２Ａの場合には、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂに対して、配管２を介して、１つの反射ブロック１０２が対向配置されている。

また、図２Ｂは、超音波パスが３トラバースであり、配管２が１／４配管である場合を示している。
図２Ｂの場合には、トランスデューサ１０１ａに対して、配管２を介して、１つ目の反射ブロック１０２が対向配置されている。そして、１つ目の反射ブロック１０２及びトランスデューサ１０１ｂに対して、配管２を介して、２つ目の反射ブロック１０２が対向配置されている。

また、図３Ａは、超音波パスが４トラバース（Ｗ法）であり、配管２が１／４配管である場合を示している。
図３Ａの場合には、トランスデューサ１０１ａに対して、配管２を介して、１つ目の反射ブロック１０２が対向配置されている。そして、１つ目の反射ブロック１０２に対して、配管２を介して、２つ目の反射ブロック１０２が対向配置されている。そして、２つ目の反射ブロック１０２に対して、配管２を介して、３つ目の反射ブロック１０２が対向配置されている。そして、３つ目の反射ブロック１０２に対して、配管２を介して、トランスデューサ１０１ｂが対向配置されている。

また、図３Ｂは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管２が１／４配管である場合を示している。
図３Ｂの場合には、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂに対して、配管２を介して、１つの反射ブロック１０２が対向配置されている。なお、図３Ｂの場合には、反射ブロック１０２が台形状に構成されている。
なお、トラバース数は、超音波が配管２の軸方向に対して斜めに横断する回数を指す。

なお、図１に示す超音波流量計１では、ウェッジ材１０１２ａ、ウェッジ材１０１２ｂ、反射ブロック１０２，配管２、及び、配管２を流れる流体は、同程度の音速（音響インピーダンス）であり、超音波が透過する媒質により構成されている。
一方、超音波流量計１が取付けられた配管２の周囲は空気であり、上記超音波は当該空気との境界面で反射する。

演算部１０３は、トランスデューサ１０１ａによる送受信結果及びトランスデューサ１０１ｂによる送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差から配管２を流れる流体に関するパラメータを算出する。ここで、演算部１０３は、上記流体に関するパラメータとして、流体の流速を算出してもよい。また、演算部１０３は、上記算出した流体の流速及び配管２の径に基づいて、上記流体に関するパラメータとして、流体の流量を算出してもよい。
この演算部１０３による演算方法については、従来方法を適用可能であり、その詳細については省略する。

なお、演算部１０３は、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により実現される。

次に、トランスデューサ１０１ａ、トランスデューサ１０１ｂ及び反射ブロック１０２の設計方法について、図４を参照しながら説明する。
トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂは、超音波パスに基づいて設計され、反射ブロック１０２は、超音波の伝搬領域に基づいて設計される。トランスデューサ１０１ａ、トランスデューサ１０１ｂ及び反射ブロック１０２のより具体的な設計方法を以下に示す。

なお以下では、トランスデューサ１０１ａを基準に設計を行った場合について示すが、トランスデューサ１０１ｂを基準に設計を行ってもよい。
前提として、図１０及び図１１に示すように、異なる媒質間での超音波の伝搬に関して、屈折角は、材質の音速（音響インピーダンス）によって求めることができる。
また、ウェッジ材１０１２ａ，１０１２ｂから配管２への超音波の入射角は、様々な条件により最適値は異なっていると考えられ、任意の角度でよいものとする。

また、図４において、圧電素子１０１１ａの中央から入射角（θ１）で送信された超音波の超音波パスを実線矢印で示す。また、圧電素子１０１１ａについて、下端からのパスを破線矢印で示し、上端からのパスを一点鎖線矢印で示す。なお、各パスは、全て平行（略平行の意味を含む）に伝搬する。破線矢印と一点鎖線矢印で挟まれた領域は、超音波が伝搬するパスとなる。また、配管２を流れる流体の流速は０であるとする。

この場合、まず、圧電素子１０１１ａから送信される超音波の入射角（θ１）、及び、当該超音波が透過する各媒質の音速から求められた屈折角に基づいて、圧電素子１０１１ａの中央からの超音波パス（実線矢印）を設計する。

次に、設計した超音波パスに基づいて、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂを設計する。この際、トランスデューサ１０１ａとトランスデューサ１０１ｂとの間の間隔（ピッチ）は任意で構わない。但し、ウェッジ材１０１２ａ及びウェッジ材１０１２ｂが重なって配置することはできないため、図４に示すｘ１は０以上である必要がある。

次に、実線矢印の超音波パスが圧電素子１０１１ａの中央から送信され、圧電素子１０１１ｂの中央に受信されるようにするため、ｘ１が０以上、ｘ２，ｘ３が０以上となるように、反射ブロック１０２の高さ（ｈ１）を設計する。

次に、送信側の圧電素子１０１１ａの下端からのパス（破線矢印）及び上端からのパス（一点鎖線矢印）を、実線矢印と同様に（平行に）描画する。そして、破線矢印の反射ブロック１０２の入射部分、一点鎖線矢印の反射ブロック１０２からの出射部分に着目し、この部分が反射ブロック１０２に含まれるように、すなわち、ｘ４，ｘ５が０以上になるように反射ブロック１０２の長さ（ｌ１）を設計する。

なお、反射ブロック１０２の幅は、配管２との接触面よりも十分大きな幅であればよい。一方で、樹脂製の配管２では変形が想定され接触面積も異なってくるため、反射ブロック１０２の幅は、配管２の内径以上の幅（ｄ１）であることが望ましい。

また、反射ブロック１０２の形状は、直方体を基本とするが、超音波の伝搬エリアに含まれない領域は削除することも可能である。

また、一般的に、伝搬時間差法を用いたクランプオン式の超音波流量計では、一方のトランスデューサから配管に伝わり、流体に伝わらずに、当該配管から直接他方のトランスデューサに伝搬した超音波はノイズとなる。よって、計測の用いる伝搬時間差を演算する際には上記ノイズを超音波信号と区別する必要がある。ここで、ノイズと超音波信号の伝搬時間が大きく異なる場合、容易に区別可能であるが、伝搬時間が近い場合にはノイズが超音波信号に影響し、伝搬時間差が正確に求められなくなることがある。
このような場合、配管の外壁にダンピング材と呼ばれる超音波吸収体が取付けられることがある。このダンピング材によりノイズ成分が弱められ、超音波信号が検出し易くなる。

よって、実施の形態１に係る超音波流量計１についても、上記と同様の考え方により、配管２の外壁だけでなく、反射ブロック１０２の反射面以外にはダンピング材が取付けられることが望ましい。反射ブロック１０２は、配管２の接触面（図４に示す上面）とその対面が反射面（図４に示す底面）となる。そのため、図４に示す反射ブロック１０２のうち、接触面及び反射面以外の面にはすべてダンピング材が取付けられることが望ましい。

なお上記では、超音波パスが２トラバースである場合を示したが、超音波パスがその他（３トラバース又は４トラバース）である場合についても、反射ブロック１０２毎に、同様の手法で設計可能である。

ここで、ウェッジ材１０１２ａ，１０１２ｂ（樹脂）、反射ブロック１０２（樹脂）、配管２（樹脂）、及び、配管２を流れる流体（水等の液体）は、同様の超音波特性（音速）を有している。そのため、これらを密着させることでその境界面で屈折及び反射がほとんど発生せずに透過することになる。
一方、超音波流量計１が取付けられた配管２の周囲は空気等のように上記とは超音波特性（音速）が大きく異なることを想定しており、周囲との境界面で上記超音波は反射する。これにより、上記のような超音波パスが構成される。

そして、超音波流量計１における計測を、上流から下流への超音波の伝播時間差、及び、下流から上流への超音波の伝搬時間差から求める場合、小口径配管である配管２では流体中を通る超音波パスが短い（上記細い実線矢印の長さの合計）ことにより時間差を検出し難く、ウェッジ材１０１２ａ，１０１２ｂを含むトランスデューサ１０１ａ，１０１ｂの小型化が困難である。

そこで、実施の形態１に係る超音波流量計１では、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂによる超音波の反射部分に反射ブロック１０２が設置されている。すなわち、反射ブロック１０２がない状態では、配管２と周囲（空気等）との接触面においてほとんどの超音波が反射するが、反射ブロック１０２がある状態では、配管２から反射ブロック１０２内に超音波が伝搬し、反射ブロック１０２と周囲の接触面において超音波が反射するようになる。結果として、実施の形態１に係る超音波流量計１では、従来に対し、小口径配管である配管２に対する超音波を用いた伝搬時間差法による計測を、任意のトラバース数で実現することが容易となる。

なお、図５Ａは、図２Ａに示す構成の場合での超音波の受信波形の一例を示す図であり、図５Ｂは、図２Ｂに示す構成の場合での超音波の受信波形の一例を示す図であり、図５Cは、図３Ａに示す構成の場合での超音波の受信波形の一例を示す図である。
この図５Ａ～図５Ｃに示すように、実施の形態１に係る超音波流量計１では、反射ブロック１０２が用いられることで、超音波の受信波形として、伝搬時間差の演算に適したピーク波形が得られている。

なお上記では、反射ブロック１０２として、主に、直方体のものが用いられた場合を示した。しかしながら、これに限らず、反射ブロック１０２の形状としては、例えば超音波が伝搬しない部分が削除された形状でもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、超音波流量計１は、配管２における上流側に取付けられ、当該配管２における下流側との間で超音波の送受信を行うトランスデューサ１０１ａと、配管２における下流側に取付けられ、当該配管２における上流側との間で超音波の送受信を行うトランスデューサ１０１ｂと、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂによる超音波を反射可能であり、当該トランスデューサ１０１ａ及び当該トランスデューサ１０１ｂにおける超音波パスに応じて配管２に取付けられた１つ以上の反射ブロック１０２と、トランスデューサ１０１ａによる送受信結果及びトランスデューサ１０１ｂによる送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差から配管２を流れる流体に関するパラメータを算出する演算部１０３とを備えた。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１は、従来に対し、小口径配管へのトランスデューサ１０１ａ，１０１ｂの取付けに対して設計自由度を柔軟化可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１に係る超音波流量計１では、トランスデューサ１０１ａとトランスデューサ１０１ｂとの間（ウェッジ材１０１２ａとウェッジ材１０１２ｂとの間）の距離（ピッチ）を任意の距離とする場合を示した。
これに対し、実施の形態２に係る超音波流量計１では、トランスデューサ１０１ａとトランスデューサ１０１ｂとの間（ウェッジ材１０１２ａとウェッジ材１０１２ｂとの間）の距離を一定に固定した状態のまま、反射ブロック１０２のサイズを変更することで対応する場合について示す。

実施の形態２におけるトランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂは、例えば図６及び図７に示すような超音波パスを形成するように配置される。
図６Ａは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管２が１／１配管である場合を示している。図６Ａの場合には、反射ブロック１０２は不要である。
また、図６Ｂは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管２が１／２配管である場合を示している。図６Ｂの場合には、反射ブロック１０２として小さいブロックが用いられている。
また、図７Ａは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管２が１／４配管である場合を示している。図７Ａの場合には、反射ブロック１０２として大きいブロック（図４Ｂに示す反射ブロック１０２より大きいブロック）が用いられている。
また、図７Ｂは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管２が略１／２配管（１／２配管に対して僅かに径が小さい配管）である場合を示している。図７Ｂの場合には、反射ブロック１０２として小さいブロックが用いられている。

図６及び図７に示すように、実施の形態２に係る超音波流量計１では、反射ブロック１０２のサイズを変更することで、ウェッジ材１０１２ａ及びウェッジ材１０１２ｂとの間の距離（ピッチ）を一定に固定したままで、様々な配管２の径に対応可能となる。

ここで、反射ブロック１０２は、単なる樹脂素材であり、安価に製造可能である。一方、トランスデューサ１０１ａ，１０１ｂは、圧電素子１０１１ａ，１０１１ｂ及びウェッジ材１０１２ａ，１０１２ｂ等から成り、超音波を送受信するため、比較的高価な部品となる。

そこで、実施の形態２に係る超音波流量計１では、図６及び図７に示すように、トランスデューサ１０１ａとトランスデューサ１０１ｂとの間の距離を一定に固定する。これにより、実施の形態２に係る超音波流量計１では、一体型にパッケージングすることが可能となる。その結果、実施の形態２に係る超音波流量計１では、配管２の径毎に異なる距離にトランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂを設置したり、予め特定の配管２の径に最適化された距離のトランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂのペアを用意する必要が無くなる。

また、実施の形態２に係る超音波流量計１では、配管２が変形等により少し小さめの径になっている場合、又は、配管２又は配管２を流れる流体の超音波特性により、屈折等が発生し、正常に超音波が送受信できない場合においても、反射ブロック１０２のサイズを調整することで、適切な超音波を送受信できるようになる。

なお、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 超音波流量計
２ 配管
１０１ａ トランスデューサ（第１のトランスデューサ）
１０１ｂ トランスデューサ（第２のトランスデューサ）
１０２ 反射ブロック
１０３ 演算部
１０１１ａ 圧電素子
１０１１ｂ 圧電素子
１０１２ａ ウェッジ材
１０１２ｂ ウェッジ材

Claims (4)

1. 配管における上流側に取付けられ、当該配管における下流側との間で超音波の送受信を行う第１のトランスデューサと、
   配管における下流側に取付けられ、当該配管における上流側との間で超音波の送受信を行う第２のトランスデューサと、
   前記第１のトランスデューサ及び前記第２のトランスデューサによる超音波を外面で反射可能であり、当該第１のトランスデューサ及び当該第２のトランスデューサにおける超音波パスに応じて前記配管に取付けられた１つ以上の反射ブロックと、
   第１のトランスデューサによる送受信結果及び第２のトランスデューサによる送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差から配管を流れる流体に関するパラメータを算出する演算部と
   を備えた超音波流量計。
2. 前記第１のトランスデューサは、第１のウェッジ材を有し、
   前記第２のトランスデューサは、第２のウェッジ材を有し、
   前記第１のウェッジ材、前記第２のウェッジ材、前記反射ブロック、前記配管及び前記配管を流れる流体は、超音波を透過する媒質により構成された
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記第１のトランスデューサ及び前記第２のトランスデューサは、超音波パスに基づいて設計され、
   前記反射ブロックは、超音波の伝搬領域に基づいて設計された
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波流量計。
4. 前記第１のトランスデューサと前記第２のトランスデューサとの間の距離は固定である
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか１項記載の超音波流量計。

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