JP3518538B2 - 超音波流量計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波により気体
や液体の流量や流速の計測を行う超音波流量計測装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の超音波流量計測装置には、
例えば特開平１１−３５１９２６号公報が知られてお
り、図１６に示すように流体を一方から他方に流す測定
管１を挟んで対向し、かつ中心線に対して所定角度を傾
けて上流側の超音波送受信器２ａと下流側の超音波送受
信器２ｂとを対向して設け、これらの超音波送受信器２
ａ、２ｂは測定管１に設けた凹部３ａ、３ｂに収納する
とともに、測定管１の入口側４に流れ変動抑止手段５を
設けている。そして、測定管１に入る流れは流れ変動抑
止手段５により規制して、計測部での流線の傾きを低減
したり渦の発生を抑制して、流れの乱れの境界面での超
音波の反射や屈折による超音波の受信レベルの変動を低
減して測定精度の悪化を防止している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の構成
では、流れ変動抑止手段５により測定管１の計測部およ
び凹部３ａ、３ｂでの流れの乱れが小さくなり計測精度
の悪化は低減されるものの、測定管１を流れる流量が大
きくなると凹部３ａ、３ｂへ流体が流れ込んで渦を生じ
るため、超音波送受信器２ａ、２ｂ間の流れの乱れが増
大し、この増大した渦により超音波が反射あるいは屈折
されて超音波の受信レベルが低下するため、超音波送受
信器２ａ、２ｂの駆動入力を低減し難いという課題があ
った。

【０００４】本発明は上記課題を解決するもので、開口
穴への流体の流れ込みによる渦を低減して超音波の減衰
を少なくして超音波の受信レベルを高め、さらに超音波
送受信器から発信された超音波のうち側方に発信された
ため受信側に直接向かわない不要成分の減衰を促進して
超音波の送信波形のＳ／Ｎを高めて計測精度および流量
計測できる上限値を高めることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記従来の課題を解決す
るために、本発明の超音波流量計測装置は、流体が流れ
る計測流路を有する流路体と、前記計測流路の上流側お
よび下流側に設けた超音波送受信器と、前記超音波送受
信器を計測流路に臨ませる開口窓とを具備し、前記超音
波送受信器と開口窓との間には、前記超音波送受信器の
側方へ発信された不要な超音波を多重反射させて減衰さ
せる空間を有するものである。

【０００６】このようにして、超音波の送受信レベルの
向上とＳ／Ｎ特性を高めた超音波の送受信により、計測
精度および流量計測できる上限値を高め、超音波の送受
信レベル向上により超音波送受信器の駆動入力を低減し
て低入力化できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態における発明
は、流体が流れる計測流路を有する流路体と、前記計測
流路の上流側および下流側に設けた超音波送受信器と、
前記超音波送受信器を計測流路に臨ませる開口窓とを具
備し、前記超音波送受信器と開口窓との間には、前記超
音波送受信器の側方へ発信された不要な超音波を多重反
射させて減衰させる空間を形成することで超音波送受信
器の側方に発信された不要な超音波を開口穴内で多重反
射させて減衰を促進し、開口窓を直接通過する直接波の
割合を高めてノイズの少ない送信波形を得ることができ
る。

【０００８】本発明の一実施形態における発明は、流体
が流れる計測流路と、前記計測流路の上流側および下流
側に設けた超音波送受信器と、前記超音波送受信器を前
記計測流路に臨ませる 上流側および下流側の開口穴と、
前記計測流路と前記開口穴とを連通させ前記開口穴の断
面積よりも小さい開口窓を有し、前記開口穴の断面を前
記超音波送受信器の送受信面より大きくすることで超音
波送受信器の側方に発信された不要な超音波を開口穴内
で多重反射させて減衰を促進し、開口窓を直接通過する
直接波の割合を高めてノイズの少ない送信波形を得るこ
とができる。

【０００９】本発明の一実施形態における発明は、流体
が流れる計測流路と、前記計測流路の上流側および下流
側に設けた超音波送受信器と、前記超音波送受信器を前
記計測流路に臨ませる上流側および下流側の開口穴と、
前記計測流路と前記開口穴とを連通させ前記開口穴の断
面積よりも小さい開口窓を有し、前記開口穴の断面を前
記超音波送受信器の外形寸法より大きくすることで超音
波送受信器の側方に発信された不要な超音波を開口穴内
で多重反射させて減衰を促進し、開口窓を直接通過する
直接波の割合を高めてノイズの少ない送信波形を得るこ
とができる。

【００１０】本発明の一実施形態における発明は、流体
が流れる計測流路を有する流路体と、前記計測流路の上
流側および下流側に設けた超音波送受信器と、前記超音
波送受信器を前記計測流路に臨ませる上流側および下流
側の開口穴と、前記流路体とは別体で設けられ、かつ前
記計測流路と前記開口穴とを連通させ前記開口穴の断面
積よりも小さい開口窓を有する流入抑制体とを備えるこ
とで超音波送受信器の側方に発信された不要な超音波を
開口穴内で多重反射させて減衰を促進し、開口窓を直接
通過する直接波の割合を高めてノイズの少ない送信波形
を得ることができる。

【００１１】また、計測流路の流路壁に略面一に配設し
た流入抑制体を備えたことにより、被計測流体の開口穴
への流れ込みを低減し、開口穴での渦の発生を低減して
渦による超音波の減衰を低下させて送受信レベルを高め
ることができる。

【００１２】このため、超音波の送受信レベルの向上と
Ｓ／Ｎ特性を高めた超音波の送受信により、計測精度お
よび流量計測できる上限値を高め、超音波の送受信レベ
ル向上により超音波送受信器の駆動入力を低減して低入
力化でき、電池などによる低電圧駆動でも長期間の動作
を実現できる。

【００１３】また、開口穴の内面に電気絶縁性を有する
開口穴絶縁体を設けたことにより、コンパクトな収納ス
ペースでも開口穴絶縁体により超音波送受信器と開口穴
を形成する流路体との間の導電距離を大きくし、落雷な
どにより取付側の流路体と超音波送受信器間に異常高電
圧が発生した場合でもリークに至る耐電圧を高め、リー
ク電流による超音波送受信器の破損を防いで信頼性を向
上でき、小型化が促進できる。

【００１４】ある好ましい実施形態において、流入抑制
体の超音波送受信器側の面は超音波の伝搬方向と斜交さ
せたことにより、開口窓を通過しない不要の超音波が流
入抑制体に当ると超音波送受信器側に戻る方向に反射せ
ずに開口穴の側壁側に反射するため，多重反射を促進し
て不要な超音波の減衰を一層促進できる。このため、Ｓ
／Ｎ特性を高めた超音波の送受信を一層高めて計測精度
を向上できる。

【００１５】ある好ましい実施形態において、流入抑制
体と開口穴絶縁体は一体化したことにより、流入抑制体
と開口穴絶縁体との当接部での電気絶縁性をより一層高
めて信頼性を向上できる。さらに流入抑制体と開口穴絶
縁体との位置関係のバラツキを低減して計測精度の安定
性を向上でき、部品点数の削減により低コスト化でき
る。

【００１６】ある好ましい実施形態において、流入抑制
体は超音波が通過可能な多数の微細な開口を持つ超音波
透過体を開口窓に備えたことにより、被計測流体の開口
穴への流れ込みを大幅に低減し、開口穴内での渦の発生
を大きく低減して渦による超音波の減衰を一層低減でき
る。このため、超音波の送受信レベルを一層向上してＳ
／Ｎ特性を一層高めた超音波の送受信ができ、計測精度
および流量計測できる上限値を向上できる。

【００１７】ある好ましい実施形態において、流入抑制
体は樹脂材料で形成し、超音波透過体を溶着接合したこ
とにより、流入抑制体と超音波透過体とは面一に接合可
能にでき、計測流路の流路壁と流入抑制体の超音波透過
体の取付部の面一性を向上して計測流路壁面近傍での流
れの乱れを防止して計測精度および流量計測できる上限
値を向上できる。さらに、流入抑制体と超音波透過体と
の確実な一体化ができ、信頼性を向上できる。

【００１８】

【実施例】 以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１９】（実施例１） 図１は本発明の実施例１における超音波流量計測装置の
断面図である。図１において、６は流路体７に囲まれた
計測流路であり、８および９は互いに対向するように流
路体７に振動伝達抑止体１０を介して取付けた上流側お
よび下流側の超音波送受信器であり、上流側の超音波送
受信器８と下流側の超音波送受信器９は距離Ｌを隔てる
とともに計測流路６の流体の流動方向に対して角度θ傾
けて設置されている。１１、１２は超音波送受信器８、
９を計測流路６に臨ませる上流側および下流側の開口穴
であり、流路体７に対して窪みとなっている。１３は対
向する超音波送受信器８および９間で送信された超音波
が壁面に反射すること無く直接相手側の超音波送受信器
に伝搬する超音波伝搬路（二点鎖線で領域を示す）であ
る。１４は計測流路６と開口穴１１、１２とを連通させ
開口穴１１、１２の断面積よりも小さい開口窓１５を有
するとともに計測流路６の流路壁６ａに略面一に配設し
た流入抑制体である。なお、振動伝達抑止体１０は超音
波送受信器８、９を防振支持するとともに被測定流体が
漏れないように気密シールも行っている。

【００２０】１６は超音波伝搬路１３の上流側に設け計
測流路６の流れを安定化するとともに上流側および下流
側の開口穴１１、１２への被測定流体の流れ込みを低減
させる流れ安定手段であり、この流れ安定手段１６は被
測定流体の流れ方向を整える方向規制部１６ａと流速分
布の均一化あるいは流れの脈動を低減する変動抑制部１
６ｂを有し、方向規制部１６ａと変動抑制部１６ｂは距
離Ｘだけ離れた近傍に配置し流路体７に設けた窪み部７
ａに嵌め込むようにして設置している。この方向規制部
１６ａは計測流路６の横断面を流れ方向に延びる仕切壁
により細かく分割した細分割口が複数設けられている
（図示せず）。また、変動抑制部１６ｂは流れ方向の長
さが短く計測流路６の横断面に対して多数の微細形状の
開口（図示せず）を有するもので、ここでは変動抑制部
１６ｂをメッシュで形成している。

【００２１】図２は流入抑制体１４の取付部を拡大して
示すものであり、流路体７に設けた凹部７ｂに流入抑制
体１４を挿入して計測流路６側の表面１４ａが計測流路
６の流路壁６ａに対して面一としている。また、開口窓
１５の開口面積を開口穴１２の断面積よりも小さくし、
開口穴１２は超音波送受信器９の外形寸法Ｄよりも大き
くしているので、超音波送受信器９の前方には超音波伝
搬路１３に入るまでに広がり空間部１２ａが形成されて
いる。さらに、流入抑制体１４の超音波送受信器９側の
裏面１４ｂは超音波の伝搬方向（超音波伝搬路１３で示
す方向）に対して直交せずに斜めに交わる角度に配設し
ている。なお、ここでは下流側の開口穴１２部を示した
が、上流側の開口穴１１部でも流入抑制体１４により同
様の広がり空間部１１ａ（図示せず）を形成している。

【００２２】１７は計測流路６の上流側に設けた開閉弁
（図示せず）に連通する上流側の屈曲部、１８は計測流
路６の下流側に設けた出口（図示せず）に連通する下流
側の屈曲部であり、屈曲部１７、１８により流路がコン
パクトに構成されている。１９は超音波送受信器８，９
に接続され超音波の送受信をさせる計測制御部であり、
２０は計測制御部１９での信号を基に流速を計算し流量
を算出する演算部である。

【００２３】次に超音波による流量計測動作を説明す
る。計測流路６の超音波伝搬路１３では、流れに対して
計測制御部１９の作用により超音波送受信器８，９間で
計測流路６を横切るようにして超音波の送受が行われ
る。すなわち、上流側の超音波送受信器８から発せられ
た超音波が下流側の超音波送受信器９で受信されるまで
の伝搬時間Ｔ１を計測する。また一方、下流側の超音波
送受信器９から発せられた超音波が上流側の超音波送受
信器８で受信されるまでの伝搬時間Ｔ２を計測する。

【００２４】このようにして測定された伝搬時間Ｔ１お
よびＴ２を基に、以下の演算式により演算部２０で流量
が算出される。

【００２５】いま、計測流路６の長手方向の被計測流体
の流速Ｖと超音波伝搬路１３とのなす角度をθとし、超
音波送受信器８，９間の距離をＬ、被測定流体を伝搬す
る超音波の音速をＣとすると、流速Ｖは以下の式にて算
出される。

【００２６】Ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） Ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） Ｔ１の逆数からＴ２の逆数を引き算する式より音速Ｃを
消去して Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）（（１／Ｔ１）−（１／Ｔ
２）） θおよびＬは既知なのでＴ１およびＴ２の値より流速Ｖ
が算出できる。

【００２７】次に、計測流路６の流れ方向に直交する横
断面積Ｓより、流量Ｑは Ｑ＝ＫＶＳ ここで、Ｋは横断面積Ｓにおける流速分布を考慮した流
量補正係数である。

【００２８】このようにして演算部２０で流量を求め
る。

【００２９】次に、この超音波流量計測装置の計測流路
内の流れ状態と計測動作について説明する。被計測流体
が計測流路６の上流側に設けた開閉弁（図示せず）での
流路断面積の拡大縮小あるいは屈曲部１７を流れること
などにより偏流あるいは流れの脈動を生じたまま計測流
路６に入る。計測流路６では超音波伝搬路１３の上流側
に設けた流れ安定手段１６の方向規制部１６ａにより計
測流路６断面内の流れは開口穴１１、１２に流入しにく
い方向に整流された流れにするとともに流れの乱れを低
減させる。

【００３０】次に、変動抑制部１６ｂは脈動などの流れ
変動による乱れを低減して開口穴１１、１２への流入を
より一層抑える状態にして超音波伝搬路１３に流入させ
る。さらに、変動抑制部１６ｂは方向規制部１６ａの複
数の細分割口から流出して噴流状になった流れを平坦化
して流速分布を安定化する作用がある。さらに、上流側
および下流側の開口穴１１、１２では流入抑制体１４の
開口窓１５はその開口面積を開口穴よりも小さくすると
ともに、流路壁６ｂに対して面一として計測流路６の流
れを乱さないようにしているため、被計測流体の開口穴
１１、１２への流れ込みの低減がなされ、開口穴１１、
１２内での渦の発生が低減でき、渦による超音波の減衰
が低下できて送受信レベルを高めることができ、さらに
超音波送受信器８、９と開口窓１５を有する流入抑制体
１４の間に広がり空間１１ａ、１２ａを形成することで
超音波送受信器８、９の側方に発信された不要な超音波
を開口穴１１、１２内で多重反射させて減衰を促進し、
開口窓を直接通過する直接波の割合を高めてノイズの少
ない送信波形を得ることができる。

【００３１】このため、超音波の送受信レベルの向上と
Ｓ／Ｎ特性を高めた超音波の送受信により、計測精度お
よび流量計測できる上限値を高め、超音波の送受信レベ
ル向上により超音波送受信器の駆動入力を低減して低入
力化でき、電池などによる低電圧駆動でも長期間の動作
を実現できる。また、流入抑制体１４は流路体７とは別
部材としているので、被測定流体の種類や計測すべき流
量範囲に対して、計測流路６は共通のままで開口窓１５
は適切な面積あるいは適切な形状に任意に設定すること
で多用な利用条件に対応でき、利便性あるいは機能性を
向上できる。

【００３２】また、流入抑制体１４の超音波送受信器
８、９側の裏面１４ｂは超音波の伝搬方向と直交せずに
斜交させたことにより、開口窓１５を通過せずに流入抑
制体１４の裏面１４ｂに当った不要な超音波は超音波送
受信器側に戻る方向に反射せずに開口穴１１、１２の側
壁１１ｂ、１２ｂ側に反射し，多重反射が促進されて不
要な超音波の減衰を一層促進できる。このため、Ｓ／Ｎ
特性を高めた超音波の送受信を一層高めて計測精度を向
上できる。

【００３３】以上のように、本実施例においては開口穴
の断面積よりも小さい開口窓を有し計測流路の流路壁に
面一に配設した流入抑制体を備えたことにより、被計測
流体の開口穴への流れ込みを低減して開口穴での渦の発
生を低減して渦による超音波の減衰を低下させて送受信
レベルを高めることができ、さらに超音波送受信器と開
口窓を有する流入抑制体の間に開口穴による広がり空間
を形成することで超音波送受信器の側方に発信された不
要な超音波を開口穴内で多重反射させて減衰を促進して
開口窓を直接通過する直接波の割合を高めてノイズの少
ない送信波形を得ることができ、超音波の送受信レベル
の向上とＳ／Ｎ特性を高めた超音波の送受信により、計
測精度および流量計測できる上限値を高め、超音波の送
受信レベル向上により超音波送受信器の駆動入力を低減
して低入力化でき、電池などによる低電圧駆動でも長期
間の動作を実現できる。

【００３４】また、本実施例では流入抑制体の超音波送
受信器側の面は超音波の伝搬方向と斜交させたことによ
り、開口窓を通過しない不要の超音波の多重反射を促進
して不要な超音波の減衰を一層促進でき、Ｓ／Ｎ特性を
高めた超音波の送受信を一層高めて計測精度を向上でき
る。

【００３５】（実施例２） 図３は本発明の実施例２を示す超音波流量計測装置の部
分断面図を示し、ここでは下流側の開口穴１２部を示す
が上流側の開口穴１１部も同様であり、また図１、図２
の実施例と同一部材、同一機能は同一符号を付し詳細な
説明は省略し、異なるところを中心に説明する。

【００３６】２１は開口穴１２の内面に配設した電気絶
縁性を有する材料で形成した開口穴絶縁体であり、この
開口穴絶縁体２１は超音波送受信器９の外周側を取り囲
むように設けると共に、その一端２１ａは超音波送受信
器９を防振支持および気密シールする振動伝達抑止体１
０に接している。また、超音波送受信器９は金属材料で
形成したケース２２の内面に圧電体２３を接合し、ケー
ス２２の外面に音響整合層２４を接合するとともに、ケ
ース２２を金属材料で形成した支持台２５に気密に接合
している。２６は接続端子であり、一方の接続端子２６
ａは導電体２７を介して圧電体２３の一端に電気的に接
続され、他方の接続端子２６ｂは支持台２５およびケー
ス２２を介して圧電体２３の他端に電気的に接続されて
いる。２８は接続端子２６ａと接続端子２６ｂとを電気
絶縁し気密シールする封口体である。２９は振動伝達抑
止体１０が脱落しないように流路に押える固定体であ
る。この振動伝達抑止体１０は、防振支持性と気密シー
ル性に加えて、電気抵抗の大きなゴムなどの材料で形成
して電気絶縁性を付与し、また、固定対２９は、樹脂な
どの電気抵抗の大きな材料で形成して電気絶縁性を与え
ている。

【００３７】ここで、流路体７を形成する材料として耐
久性、強度、耐食性に優れたダイキャスト合金などの金
属材料で形成した場合、電気絶縁材料である開口穴絶縁
体２１で超音波送受信器９を取り囲むことにより、超音
波送受信器９と流路体７との導電距離が大きく設定でき
る。さらに、電気絶縁性を有した振動伝達抑止体１０お
よび固定体２９で流路体７に固定支持するとともに、電
気絶縁材料である開口穴絶縁体２１の一端２１ａを振動
伝達抑止体１０に当接させることで超音波送受信器９を
取り囲むことにより、流路体７と超音波送受信器９との
導電距離を大きく設定できる。

【００３８】このため、コンパクトな収納スペースでも
開口穴絶縁体２１により超音波送受信器と開口穴を形成
する流路体との間の導電距離を大きくし、落雷などによ
り取付側の流路体と超音波送受信器間に異常高電圧が発
生した場合でもリークに至る耐電圧を高め、リーク電流
による超音波送受信器の破損を防いで信頼性を向上で
き、小型化が促進できる。さらに、流路壁６ａと面一に
設置した流入抑制体１４と開口面積を低減した開口窓１
５により、開口穴での渦発生の低減と不要な超音波を開
口穴内で多重反射により減衰させ、超音波の送受信レベ
ルの向上とＳ／Ｎ特性を高めた超音波の送受信により、
計測精度および流量計測できる上限値を高め、超音波の
送受信レベル向上により超音波送受信器の駆動入力を低
減して低入力化できる。

【００３９】さらに、本実施例の応用として、開口穴１
２の開口部断面積を縮めた開口窓１５を設けず、開口穴
１２の開口部をそのままにし、超音波送受信機９の周囲
を開口穴絶縁体で囲った構成を図４に示す。この構成で
は、振動伝達抑止体１０は防振支持性と気密シール性に
加えて電気抵抗の大きなゴムなどの材料で形成して電気
絶縁性を付与せしめ、また固定体２９は樹脂などの電気
抵抗の大きな材料で形成して電気絶縁性を与えている。

【００４０】さらに、電気絶縁性を有した振動伝達抑止
体１０および固定体２９で流路体７に固定支持するとと
もに、電気絶縁材料である開口穴絶縁体２１の一端２１
ａを振動伝達抑止体１０に当接させることで超音波送受
信器９を取り囲むことにより、流路体７と超音波送受信
器９との導電距離を大きく設定できる。

【００４１】図４の構成では、開口穴の断面積を縮めた
開口窓１５がなくなったため、超音波の減衰が少なく感
度が向上する。加えて、開口窓がある場合その内側によ
どみが生ずるが、それがないため、ゴミなどの蓄積が防
止でき信頼性が向上する。

【００４２】図５は開口穴１１、１２部の他の実施例を
示す部分断面図であり、開口穴絶縁体２１の一端２１ａ
は超音波送受信器９を防振支持および気密シールする振
動伝達抑止体１０に接するとともに、開口穴絶縁体２１
の他端２１ｂは流入抑制体１４に接している。ここで、
流入抑制体１４および振動伝達抑止体１０を絶縁材料で
形成することにより超音波送受信器９は流路体７との電
気絶縁距離を大きくでき、超音波送受信器９を計測流路
６に接近させて配置することが可能になり計測部の小型
コンパクト化ができる。

【００４３】このように、流入抑制体は電気絶縁材料で
形成し、開口穴絶縁体の計測流路側の端部は流入抑制体
に当接させたことにより、超音波送受信器を計測流路側
により一層接近させて配置しても超音波送受信器と計測
流路を形成する流路壁との間の導電距離を大きくでき、
落雷などによる異常高電圧が発生した場合でもリークに
至る耐電圧を高めてリーク電流による超音波送受信器の
破損を防止して信頼性を向上でき、さらに超音波送受信
器を計測流路側により一層接近させて配置できるため小
型化を一層促進できる。

【００４４】さらに、図５の実施例の応用として図６に
示すように、開口穴１２の開口部断面積を縮めた開口窓
１５を設けず、開口穴１２の開口部をそのままにし、開
口穴絶縁体２１を流入抑制体１４まで延設した構成があ
る。この構成では、開口穴の断面積を縮めた開口窓１５
がなくなったため、超音波の減衰が少なく感度が向上す
る。加えて、開口窓がある場合その内側によどみが生ず
るが、それがないため、ゴミなどの蓄積が防止でき信頼
性が向上する。

【００４５】図７は開口穴１１、１２部の他の実施例を
示す部分断面図であり、流入抑制体１４と開口穴絶縁体
２１は一体化させるとともに、開口穴絶縁体２１の一端
２１ａは振動伝達抑止体１０に接している。流入抑制体
１４と開口穴絶縁体２１を一体化することで流入抑制体
１４と開口穴絶縁体２１との間の電気絶縁を確実にでき
る。また、開口穴絶縁体２１と振動伝達抑止体１０との
間の電気絶縁性の確保は、振動伝達抑止体１０を弾力性
の有るゴムなどの材料で形成し、かつ接触力を与えて接
触させて振動伝達抑止体１０を若干撓ませることにより
信頼性を向上できる。

【００４６】このように、流入抑制体と開口穴絶縁体は
一体化したことにより、流入抑制体と開口穴絶縁体との
当接部での電気絶縁性をより一層高めて信頼性を向上で
きる。さらに流入抑制体と開口穴絶縁体との位置関係の
バラツキを低減して計測精度の安定性を向上でき、部品
点数の削減により低コスト化できる。

【００４７】以上のように、本実施例においては開口穴
の断面積よりも小さい開口窓を有し計測流路の流路壁に
面一に配設した流入抑制体と、前記開口穴の内面に配設
した電気絶縁性を有する材料で形成した開口穴絶縁体を
備えることにより、コンパクトな収納スペースでも開口
穴絶縁体により超音波送受信器と開口穴を形成する流路
体との間の導電距離を大きくでき、落雷などにより取付
側の流路体と超音波送受信器間に異常高電圧が発生した
場合でもリークに至る耐電圧を高めることができ、リー
ク電流による超音波送受信器の破損を防いで信頼性を向
上でき、小型化が促進できる。さらに、開口穴での渦発
生の低減と不要な超音波を開口穴内で多重反射により減
衰させ、超音波の送受信レベルの向上とＳ／Ｎ特性を高
めた超音波の送受信により、計測精度および流量計測で
きる上限値を高め、超音波の送受信レベル向上により超
音波送受信器の駆動入力を低減して低入力化できる。

【００４８】また、本実施例では流入抑制体は電気絶縁
材料で形成し、開口穴絶縁体の計測流路側の端部は流入
抑制体に当接させたことにより、超音波送受信器を計測
流路側により一層接近させて配置しても超音波送受信器
と計測流路を形成する流路壁との間の導電距離を大きく
でき、落雷などによる異常高電圧が発生した場合でもリ
ークに至る耐電圧を高めることができ、リーク電流によ
る超音波送受信器の破損を防止して信頼性を向上でき、
さらに超音波送受信器を計測流路側により一層接近させ
て配置できるため小型化を一層促進できる。

【００４９】また、本実施例では流入抑制体と開口穴絶
縁体は一体化したことにより、流入抑制体と開口穴絶縁
体との当接部での電気絶縁性をより一層高めて信頼性を
向上でき、流入抑制体と開口穴絶縁体との位置関係のバ
ラツキを低減して計測精度の安定性を向上でき、さらに
部品点数の削減により低コスト化できる。

【００５０】（実施例３） 図８は本発明の実施例３を示す超音波流量計測装置の部
分断面図を示し、ここでは下流側の開口穴１２部を示す
が上流側の開口穴１１部も同様であり、また図１〜図５
の実施例と同一部材、同一機能は同一符号を付し詳細な
説明は省略し、異なるところを中心に説明する。

【００５１】３０は流入抑制体１４の開口窓１５の計測
流路６側に設けた超音波透過体であり、この超音波透過
体３０は超音波が通過可能な多数の微細な開口（図示せ
ず）を持つとともに、流入抑制体１４に設けた凹部１４
ａに超音波透過体３０の表面３０ａが流路壁６ａと略面
一になるように取付けている。ここでは超音波透過体３
０としてメッシュを用いており、メッシュの目の細かさ
として＃５０〜＃５００程度のものが利用できる。な
お、パンチング加工あるいはエッチング加工などによる
穴明き板、ラス網、ガーゼや不織布などの布、穴明きフ
ィルム、網目状樹脂成形品など小さい微細な開口を多数
有するものも利用できる。

【００５２】超音波透過体３０を流路壁６ａと略面一に
開口窓１５に設置することで、開口穴１２への被測定流
体の流れ込みを大幅に低減できるので計測流路６での流
れの乱れを低減でき、さらに開口穴１２内での渦の発生
を大きく低減できる。さらに、流路体７と微細な開口を
持つ超音波透過体３０で開口窓１５を覆った流入抑制体
１４とを別部材化することで、計測流体の種類や計測す
べき流量範囲に対して計測流路６を形成する流路体７は
共通のままで、開口窓１５の形状や寸法あるいは超音波
透過体３０の微細な開口の大きさを決めるメッシュの目
の細かさを最適化して超音波の送受信感度を高めた流速
あるいは流量の計測ができる。

【００５３】このように、流入抑制体は超音波が通過可
能な多数の微細な開口を持つ超音波透過体を開口窓に備
えたことにより、被計測流体の開口穴への流れ込みを大
幅に低減し、開口穴内での渦の発生を大きく低減して渦
による超音波の減衰を一層低減できる。このため、超音
波の送受信レベルを一層向上してＳ／Ｎ特性を一層高め
た超音波の送受信ができ、計測精度および流量計測でき
る上限値を向上できる。

【００５４】また、流入抑制体１４を熱可塑性の樹脂材
料で形成し、超音波透過体３０を所定の位置に置いた後
に流入抑制体１４を局所的に加熱して溶かし、流入抑制
体１４に超音波透過体３０を確実に固着させることがで
きる。特に、超音波透過体３０として金属性のメッシュ
を選定した場合では溶着作業が容易になるだけでなく、
溶けた樹脂がメッシュの目の間に入り込むため、超音波
透過体３０の表面３０ａでの平滑な面の割合を増加で
き、凹凸の低減により計測流路６での流れを一層安定化
できる。さらに、流入抑制体１４を形成する樹脂材料に
グラスファイバーを２０〜３０％程度混入させることで
メッシュ材料と同等程度の熱膨張率に低減し、加熱溶着
作業後のメッシュで形成した超音波透過体３０部を平坦
に維持でき、超音波透過体３０の表面３０ａの凹凸の発
生を防止して計測流路６の流れを安定化できる。

【００５５】このように、流入抑制体は樹脂材料で形成
し、超音波透過体を溶着接合したことにより、流入抑制
体と超音波透過体とは面一に接合可能にでき、計測流路
の流路壁と流入抑制体の超音波透過体の取付部の面一性
を向上して計測流路壁面近傍での流れの乱れを防止して
計測精度および流量計測できる上限値を向上できる。さ
らに、流入抑制体と超音波透過体との確実な一体化がで
き、信頼性を向上できる。

【００５６】また、流入抑制体を形成する樹脂材料にグ
ラスファイバーを混入させることにより、熱膨張率に低
減して加熱溶着作業後の超音波透過体はその表面の平坦
性に維持でき、凹凸の発生を防止して計測流路の流れを
安定化できる。

【００５７】以上のように、本実施例においては流入抑
制体は超音波が通過可能な多数の微細な開口を持つ超音
波透過体を開口窓に備えたことにより、被計測流体の開
口穴への流れ込みを大幅に低減でき、開口穴内での渦の
発生を大きく低減して渦による超音波の減衰を一層低減
でき、超音波の送受信レベルを一層向上してＳ／Ｎ特性
を一層高めた超音波の送受信ができ、計測精度および流
量計測できる上限値を向上できる。

【００５８】また、本実施例では流入抑制体は樹脂材料
で形成し、超音波透過体を溶着接合したことにより、流
入抑制体と超音波透過体とは面一に接合可能にでき、計
測流路の流路壁と流入抑制体の超音波透過体の取付部の
面一性を向上して計測流路壁面近傍での流れの乱れを防
止して計測精度および流量計測できる上限値を向上で
き、流入抑制体と超音波透過体との確実な一体化により
信頼性を向上できる。

【００５９】また、本実施例では流入抑制体を形成する
樹脂材料はグラスファイバーを混入させたことにより、
熱膨張率に低減して加熱溶着作業後の超音波透過体はそ
の表面の平坦性に維持でき、凹凸の発生を防止して計測
流路の流れを安定化できる。

【００６０】なお、本実施例の形態の応用として、図９
に示す開口窓を設けない構成がある。この構成で、開口
穴の開口部に超音波透過体を設けることにより、開口穴
に直接流体が入り込むことなく、また、開口穴の断面積
を縮めた開口窓１５がなくなったため、超音波の減衰が
少なく感度が向上する。加えて、開口窓がある場合その
内側によどみが生ずるが、それがないため、ゴミなどの
蓄積が防止でき信頼性が向上する。

【００６１】（実施例４） 図１０は本発明の実施例４を示す超音波流量計測装置の
部分断面図を示し、ここでは下流側の開口穴１２部を示
すが上流側の開口穴１１部も同様であり、また図１〜図
６の実施例と同一部材、同一機能は同一符号を付し詳細
な説明は省略し、異なるところを中心に説明する。

【００６２】３１は流入抑制体１４に設けた超音波を吸
収する作用の有る吸音手段であり、吸音手段３１は流入
抑制体１４の計測流路６側の表面１４ａに設けた吸音手
段３１ａおよび超音波送受信器９側の裏面１４ｂに設け
た吸音手段３１ｂで形成している。

【００６３】まず、下流側の超音波送受信器９から超音
波を送信する場合で説明する。流入抑制体１４に吸音手
段３１を設けることにより、超音波送受信器９から発信
された超音波の内、開口窓１５を通過しない不要な超音
波が流入抑制体１４の裏面１４ｂに設けた吸音手段３１
ｂに当ると、吸音された残りは反射するものの不要な超
音波は減衰が促進され、Ｓ／Ｎ特性を高めた超音波が受
信側である上流側の超音波送受信器８に向かって送信さ
れる。

【００６４】次に、上流側の超音波送受信器８から超音
波を送信し、下流側の超音波送受信器９で受信する場合
で説明する。Ｓ／Ｎ特性を高めた超音波が受信側に伝搬
し、下流側の流入抑制体１４の開口窓１５を通過して受
信される。しかし、伝搬時の広がりにより下流側の開口
窓１５に当った超音波は流入抑制体１４の表面１４ａに
設けた吸音手段３１ａによって吸音されて減衰する。こ
の流入抑制体１４の表面１４ａに設けた吸音手段３１ａ
による吸音作用のため、多重反射の減衰が促進されてＳ
／Ｎ特性を一層高めた超音波の送受信が可能になる。

【００６５】このように、流入抑制体は超音波の吸音手
段を備えたことにより、開口窓を通過しない不要の超音
波が流入抑制体に当った超音波は吸音されて不要な超音
波の減衰を一層促進できる。このため、Ｓ／Ｎ特性を高
めた超音波の送受信を一層高めて計測精度を向上でき
る。ここで、吸音手段は、流入抑制体１４の表面１４ａ
および裏面１４ｂにそれぞれ吸音手段３１ａ、３１ｂを
設けたが、各々を単独で用いることも可能である。

【００６６】図１１は吸音手段の他の実施例を示す部分
断面図であり、流入抑制体１４の計測流路６側の表面１
４ａには超音波透過体３０および吸音手段３１ａが設け
られ、超音波透過体３０があるところは超音波透過体３
０の内側に吸音手段３１ａが配置されている。

【００６７】このため、超音波透過体３０による開口穴
への流れ込みの低減と計測流路の流れ乱れの低減作用に
より超音波の減衰を一層低減でき、吸音手段３１による
不要反射波の低減によるノイズ原因の除去作用により、
超音波の送受信レベルを一層向上してＳ／Ｎ特性を一層
高めた超音波の送受信ができ、計測精度および流量計測
できる上限値を向上できる。

【００６８】また、流入抑制体１４を多孔性材料で形成
することで、流入抑制体１４のコンパクト化と形状およ
び寸法の安定化による吸音効果の安定化が可能となり、
計測装置の小型化と信頼性の向上ができる。ここでは微
細な連続気泡を有する発泡金属で形成することで機械的
強度が十分確保でき、長期間にわたる信頼性を確保でき
る。

【００６９】以上のように、本実施例においては流入抑
制体は超音波の吸音手段を備えたことにより、開口窓を
通過しない不要の超音波が流入抑制体に当った超音波は
吸音されて不要な超音波の減衰を一層促進でき、Ｓ／Ｎ
特性を高めた超音波の送受信を一層高めて計測精度を向
上できる。

【００７０】また、本実施例では流入抑制体は多孔性材
料で形成したことにより、流入抑制体のコンパクト化と
形状および寸法の安定化による吸音効果の安定化が可能
となり、計測装置の小型化と信頼性の向上ができる。

【００７１】（実施例５） 図１２は本発明の実施例５を示す超音波流量計測装置の
部分断面図を示し、ここでは下流側の開口穴１２部を示
すが上流側の開口穴１１部も同様であり、また図１〜図
８の実施例と同一部材、同一機能は同一符号を付し詳細
な説明は省略し、異なるところを中心に説明する。

【００７２】開口穴１２部には開口穴絶縁体２１および
開口窓１５を設けた流入抑制体１４を設けるとともに、
少なくとも開口穴絶縁体２１の内面２１ｃには吸音手段
３１が設けられている。ここでは吸音手段３１として、
流入抑制体１４の表面１４ａに設けた吸音手段３１ａ
と、流入抑制体１４の裏面１４ｂに設けた吸音手段３１
ｂと、開口穴絶縁体２１の内面２１ｃに設けた吸音手段
３１ｃを備えている。

【００７３】下流側の超音波送受信器９から超音波を送
信する場合で説明する。開口穴絶縁体に２１の内面に吸
音手段３１を設けることにより、超音波送受信器９から
発信された超音波の内、側方に発信された超音波は開口
穴絶縁体２１の内面２１ｃに設けた吸音手段３１ｃに当
って減衰されることで側壁反射して開口窓１５を通過す
る成分を低減させ、開口窓１５を直接通過する直接波の
割合を高めてより一層ノイズの少ない送信波形を受信側
に送り、Ｓ／Ｎ特性を高めた超音波の送受信により計測
精度を高め、計測可能な流量の上限値を高めることがで
きる。さらに、開口穴絶縁体２１の電気絶縁性により、
落雷などにより取付側の流路体と超音波送受信器間に異
常高電圧が発生した場合でもリークに至る耐電圧を高
め、リーク電流による超音波送受信器の破損を防いで信
頼性を向上できる。

【００７４】このように、開口穴絶縁体は超音波の吸音
手段を備えたことにより、超音波送受信器の側方に発信
された不要な超音波は開口穴絶縁体に設けた吸音手段に
より吸音されて減衰を促進でき、開口窓を直接通過する
直接波の割合を高めてより一層ノイズの少ない送信波形
を得ることができる。このため、超音波の送受信レベル
の向上とＳ／Ｎ特性を高めた超音波の送受信により、計
測精度および流量計測できる上限値を高めることがで
き、開口穴絶縁体の電気絶縁性により落雷などにより取
付側の流路体と超音波送受信器間に異常高電圧が発生し
た場合でもリークに至る耐電圧を高め、リーク電流によ
る超音波送受信器の破損を防いで信頼性を向上できる。

【００７５】また、流入抑制体１４を電気絶縁性のある
材料で形成し、開口穴絶縁体の一端および他端をそれぞ
れ振動伝達抑止体１０および流入抑制体１４に接して配
置し、流入抑制体１４に吸音手段３１を設けることによ
り、超音波の不要反射波の減衰促進を一層高め、Ｓ／Ｎ
特性を一層高めた超音波の送受信による計測精度および
流量計測できる上限値が向上でき、また落雷などの異常
高電圧が発生した場合でのリーク電流による超音波送受
信器の破損を防止する信頼性を向上でき、さらに計測装
置の小型化ができる。

【００７６】以上のように、本実施例においては開口穴
絶縁体は超音波の吸音手段を備えたことにより、超音波
送受信器の側方に発信された不要な超音波は開口穴絶縁
体に設けた吸音手段により吸音されて減衰を促進でき、
開口窓を直接通過する直接波の割合を高めてより一層ノ
イズの少ない送信波形を得ることができ、超音波の送受
信レベルの向上とＳ／Ｎ特性を高めた超音波の送受信に
より、計測精度および流量計測できる上限値を高めるこ
とができ、開口穴絶縁体の電気絶縁性により落雷などに
より取付側の流路体と超音波送受信器間に異常高電圧が
発生した場合でもリークに至る耐電圧を高めることがで
き、リーク電流による超音波送受信器の破損を防いで信
頼性を向上できる。

【００７７】なお、本実施例の応用として、図１３に示
すように開口窓を設けず吸音手段を超音波送受信器を取
り囲むように開口穴側面と流入抑制体の表面に備えた構
成を示す。この構成では、開口穴の内面反射を低減して
超音波のＳ／Ｎ特性を高め、さらに断面積が縮小する開
口窓による減衰が発生しないので、感度を向上した超音
波の送受信により計測精度を一層向上できる。さらに、
開口窓の内側によどみ部がないため、ゴミなどの蓄積が
防止でき信頼性が向上する。

【００７８】さらに、図１４の構成では、流入抑制体の
表面の吸音手段を省いた構成を示す。流入抑制体１４の
表面１４ａに凹凸の形状と成り易い吸音手段がなく、流
路壁６ａ近傍の被計測流体の流れを乱すことを低減し
て、流速分布を安定化して計測精度を向上できる。

【００７９】（実施例６） 図１５は本発明の実施例６を示す超音波流量計測装置の
部分断面図を示し、ここでは下流側の開口穴１２部を示
すが上流側の開口穴１１部も同様であり、またこれまで
の実施例と同一部材、同一機能は同一符号を付し詳細な
説明は省略し、異なるところを中心に説明する。

【００８０】開口穴１２に設けた開口穴絶縁体２１の超
音波が通過する断面形状は、超音波送受信器９側から計
測流路６側に向かうにつれて開口窓１５の形状および断
面積にに漸近する形状としたものである。ここでは、超
音波送受信器９側の断面形状を直径１４ｍｍ程度の円形
とし、計測流路６側の断面形状は開口窓１５の形状であ
る□８ｍｍ程度の角穴に近い形状として、途中は円形か
ら角穴に順次滑らかに変化する形状としている。

【００８１】ここで、下流側の超音波送受信器９が受信
側となる場合で説明する。上流側の超音波送受信器８か
ら発信された超音波は、超音波伝搬路１３を伝搬して下
流側の流入抑制体１４の開口窓１５を通過して開口穴１
２に入る。開口穴１２内は開口穴絶縁体２１により超音
波送受信器９に近づくにつれて通路断面が滑らかに拡大
しているため、開口穴１２内での超音波の散逸が低減さ
れて受信側の超音波送受信器９に到達し、受信感度を高
めた信号を得ることができる。また、下流側の超音波送
受信器９が送信側となる場合では、発信された超音波は
開口窓１５に向かって滑らかに縮小する断面形状とした
開口穴絶縁体２１により、広がりの少なく強度を高めた
超音波として下流側の開口窓１５を通過して受信側であ
る上流側の超音波送受信器８に伝搬させて感度を高めた
超音波の送受信がなされる。

【００８２】以上のように、本実施例においては開口穴
絶縁体の超音波が通過する断面形状は計測流路側に向か
うにつれて開口窓の形状に漸近する形状としたことによ
り、開口窓を通過した超音波は開口穴内での散逸が低減
されて受信側の超音波送受信器に到達でき、感度を高め
た超音波の送受信により、計測精度および流量計測でき
る上限値を高めることができる。

【００８３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明の
超音波流量計測装置によれば、超音波の送受信レベルの
向上とＳ／Ｎ特性を高めた超音波の送受信ができ、計測
精度および流量計測できる上限値を向上でき、超音波の
送受信レベル向上により超音波送受信器の駆動入力を低
減して低入力化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の超音波流量計測装置の構成
断面図

【図２】図１における開口穴部の部分断面図

【図３】本発明の実施例２の開口穴絶縁体を示す開口穴
部の部分断面図

【図４】本発明の実施例２の他の開口穴絶縁体を示す開
口穴部の部分断面図

【図５】同絶縁体の他の実施例を示す部分断面図

【図６】同絶縁体の別の実施例を示す部分断面図

【図７】同絶縁体のさらに他の実施例を示す部分断面図

【図８】本発明の実施例３の超音波透過体を示す開口穴
部の部分断面図

【図９】本発明の実施例３の超音波透過体を示す開口穴
部の部分断面図

【図１０】本発明の実施例４の吸音手段を示す開口穴部
の部分断面図

【図１１】同吸音手段の他の開口穴部の部分断面図

【図１２】本発明の実施例５の開口穴絶縁体を示す開口
穴部の部分断面図

【図１３】本発明の実施例５の他の開口穴絶縁体を示す
開口穴部の部分断面図

【図１４】本発明の実施例５の別の開口穴絶縁体を示す
開口穴部の部分断面図

【図１５】本発明の実施例６の開口穴絶縁体を示す開口
穴部の部分断面図

【図１６】従来の超音波流量計測装置の構成断面図

【符号の説明】

６ 計測流路 ６ａ 流路壁 ８、９ 超音波送受信器 １１、１２ 開口穴 １４ 流入抑制体 １５ 開口窓 ２１ 開口穴絶縁体 ３０ 超音波透過体 ３１ 吸音手段

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体が流れる計測流路を有する流路体
   と、前記計測流路の上流側および下流側に設けた超音波
   送受信器と、前記超音波送受信器を計測流路に臨ませる
   開口窓とを具備し、前記超音波送受信器と前記開口窓と
   の間には、前記超音波送受信器の側方へ発信された不要
   な超音波を多重反射させて減衰させる空間を形成した超
   音波流量計測装置。
2. 【請求項２】 流体が流れる計測流路と、前記計測流路
   の上流側および下流側に設けた超音波送受信器と、前記
   超音波送受信器を前記計測流路に臨ませる上流側および
   下流側の開口穴と、前記計測流路と前記開口穴とを連通
   させ前記開口穴の断面積よりも小さい開口窓を有し、前
   記開口穴の断面を前記超音波送受信器の送受信面より大
   きくした超音波流量計測装置。
3. 【請求項３】 流体が流れる計測流路と、前記計測流路
   の上流側および下流側に設けた超音波送受信器と、前記
   超音波送受信器を前記計測流路に臨ませる上流側および
   下流側の開口穴と、前記計測流路と前記開口穴とを連通
   させ前記開口穴の断面積よりも小さい開口窓を有し、前
   記開口穴の断面を前記超音波送受信器の外形寸法より大
   きくした超音波流量計測装置。
4. 【請求項４】 流体が流れる計測流路を有する流路体
   と、前記計測流路の上流側および下流側に設けた超音波
   送受信器と、前記超音波送受信器を前記計測流路に臨ま
   せる上流側および下流側の開口穴と、前記流路体とは別
   体で設けられ、かつ前記計測流路と前記開口穴とを連通
   させ前記開口穴の断面積よりも小さい開口窓を有する流
   入抑制体とを備えた超音波流量計測装置。
5. 【請求項５】 流入抑制体を前記計測流路の流路壁に略
   面一に配設した請求項４記載の超音波流量計測装置。
6. 【請求項６】 開口穴の内面に電気絶縁性を有する開口
   穴絶縁体を設けた請求項２から５のいずれか１項に記載
   の超音波流量計測装置。
7. 【請求項７】 流入抑制体の超音波送受信器側の面は超
   音波の伝搬方向と斜交させた請求項３から６のいずれか
   １項に記載の超音波流量計測装置。
8. 【請求項８】 流入抑制体と開口穴絶縁体は一体化した
   請求項６または７に記載の超音波流量計測装置。
9. 【請求項９】 流入抑制体は超音波が通過可能な多数の
   微細な開口を持つ超音波透過体を開口窓に備えた請求項
   ３から８のいずれか１項に記載の超音波流量計測装置。
10. 【請求項１０】 流入抑制体は樹脂材料で形成し、超音
    波透過体を溶着接合した請求項８記載の超音波流量計測
    装置。
11. 【請求項１１】 流体が流れる計測流路を有する流路体
    と、前記計測流路の上流側および下流側に設けた超音波
    送受信器と、前記超音波送受信器を計測流路に臨ませる
    開口窓とを具備し、前記超音波送受信器と開口窓との間
    には、前記超音波送受信器の側方へ発信された不要な超
    音波を多重反射させて減衰させる空間を形成した超音波
    流速計測装置。
12. 【請求項１２】 流体が流れる計測流路と、前記計測流
    路の上流側および下流側に設けた超音波送受信器と、前
    記超音波送受信器を前記計測流路に臨ませる上流側およ
    び下流側の開口穴と、前記計測流路と前記開口穴とを連
    通させ前記開口穴の断面積よりも小さい開口窓を有し、
    前記開口穴の断面は前記超音波送受信器の送受信面より
    大きくした超音波流速計測装置。
13. 【請求項１３】 流体が流れる計測流路と、前記計測流
    路の上流側および下流側に設けた超音波送受信器と、前
    記超音波送受信器を前記計測流路に臨ませる上流側およ
    び下流側の開口穴と、前記計測流路と前記開口穴とを連
    通させ前記開口穴の断面積よりも小さい開口窓を有し、
    前記開口穴の断面を前記超音波送受信器の外形寸法より
    大きくした超音波流速計測装置。