JP4875780B2 - 超音波流量測定装置及び超音波流量測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、管内を流れる流体の流速の計測結果に基づいて流量を計測する超音波流量測定装置、及び、その超音波流量測定装置を用いた超音波流量測定方法に関し、特に、管体への装着が容易な超音波流量測定装置であり、精度の高い超音波流量測定方法に関するものである。

本発明は、管内を流れる流体の流量を計測する超音波流量測定装置及びその方法に関するものであるが、流体の流速を得た後に流量を演算により求めるものであるので、当然のことながら、流速測定装置及び流速測定方法に適用できるものである。

つまり、本発明の超音波流量測定装置は、管内を流れる流体の流速を計測し、それに対して管断面積を乗じて流量を計測するものであり、最初の計測結果である流速のみを測定する装置に適用することは極めて容易なものである。むしろ、本発明の技術分野を正確に言い表すとしたら、超音波流速・流量測定装置及び超音波流速・流量測定方法である。

本発明者は、既に、特許文献１（特開平１０−１２２９２３号公報）において、全長に亘って同径な管体よりなる検出器を備え、それでいて小流量用の管径が小さく、さらにコンパクトな超音波流量計を開示している。この超音波流量計では、測定管は全長に亘って同径なものとし、この測定管に２個の円環状の超音波振動子をその内周面が測定管の外周面と実質的に密着するように測定管の軸線方向へ所定の間隔で設け、これら２個の振動子のうちの一方の振動子に交番電気エネルギが与えられることにより発振した超音波を他方の振動子によって受振し、発振側と受振側の振動子を交互に切り換えることにより上流側から下流側への超音波の伝播時間と下流側から上流側への超音波の伝播時間とをそれぞれ計測し、演算回路によりこれら伝播時間の差を演算して測定管内を流れる流体の流速を求められるようにしている。ここで、測定管は、直管のものあるいは曲成された非直管のものが可能である。

このように比較的柔らかい軟質性樹脂等で構成されている流路における液体を主とする流体媒質の流量を検出する方法として超音波を用いる方式は、本出願人によって既に実用化されている（非特許文献１参照）ので、本発明においては、基本的な流量検出の手法については説明しない。

このような流量検出方式においては、一般的に、管体に対して環状の超音波振動子を挿入して接着する等の手段が用いられている。医療用の生理的媒質や食品・飲料等の媒質の流量検出においては、管体の交換や接続等の際に、媒質に対する汚染の危険が伴うことも考えられるため、管体内の洗浄の容易さが追求され、安易な管体の接続替えを嫌う場面が多い。この様な要求に対しては、音響管方式の超音波伝搬を用いた超音波流量計の方式では、管体内に検出器を一切配置させないために管体内の洗浄も容易な好適な方式として望まれているものである。

従来、音響管方式の超音波伝搬方式を用いた流量計は、特許文献６（特開平８−８６６７５号公報），特許文献７（実開昭５４−１６０１６７号公報）や特許文献２（特開２００２−２２１４４０号公報）に開示されているように、管体と超音波振動子を取り付ける手法として、超音波振動子を管体内に組み込む方法や接着材を用いて管体に直接結合する方法が採られていた。しかし、この従来方法では、流量計の設置や交換の際に、管体の交換や接続替え等の方法を採用せざるを得ないために、最近では、管体の外周から超音波センサー部を挟み込む方法で、超音波送受波器を含むセンサー部を管体に接触させて超音波信号を管体内に送波及び受波して流量を計測する方法が実現されてきた。

特許文献２（特開２００２−２２１４４０号公報）には、振動子と流体との間における超音波の伝達を良好にし、正確に流量を測定することを可能とする超音波流量計が開示されている。この超音波流量計は、流体が流される測定用管体に、間隔をあけて測定部を設ける。測定部は、測定用管体の周方向へ沿う外周面の一部に、円弧状の振動子が接着剤によって密着固定され、接着剤中の気泡が押し出されている。

また、特許文献３（特開２００２−３０３５４２号公報）には、外部からの振動や温度による影響を最小限に抑えて、正確な流量の測定を可能とする超音波流量計が開示されている。この超音波流量計は、流体が流される測定用管体に、長手方向へ間隔をあけて振動子を有する測定部を設け、測定部間での両方向の超音波の伝播時間の差から液体の流速を求めて流量を測定する超音波流量計とする。ベース部となる筐体の下部筐体に測定部同士よりも広い間隔をあけて一対の固定部を設ける。測定部の軸方向外方側における測定用管体を、固定部を構成する左側固定部材と右側固定部材とを突き合わせることにより、それぞれの保持凹部によって保持させる。また、測定部及び測定用管体を覆うように筐体内に断熱材を充填して備える構成とした。

また、特許文献４（特開平１０−９９１４号公報）には、全長に亘って同径な管体よりなる検出器を備え、それでいて小流量用の管径が小さく、さらにコンパクトな超音波流量計に関する発明が開示されている。この発明においては、測定管は全長に亘って同径なものとし、この測定管に３個の円環状の超音波振動子をその内周面が測定管の外周面と実質的に密着するように測定管の軸線方向へ所定の間隔で設け、これら３個の振動子のうちの中央の振動子に超音波を発生させ、その超音波を前後に位置する２個の振動子によって検出し、前側の振動子が検出した超音波波形と、後側の振動子が検出した超音波波形とを比較回路によって演算して測定管内を流れる流体の流速を求められるようにし、測定管は直管のものあるいは曲成された非直管のものとしてある。

さらに、音響管方式伝搬を用いたチューブ内液体の流量計測法に関しては、特許文献５（特開２０００−１８０２２８号公報）において、測定管自体を伝搬する振動波の影響を除くために、測定管に振動波を減衰する機能を付加する手法が開示されている。その第１の手法は、測定管が振動波を良好に伝搬する金属製又は同等の材料で構成されている場合には、測定管に音響フィルタを取付けて、振動波をカット若しくは低減する方法であり、第２の手法は、測定管自体を振動波を減衰する材料で構成する方法である。

更に、音響管方式伝搬を用いたチューブ内液体の流量計測法に関する一般的な技術に関しては、非特許文献２乃至５に記載しているので、ここにおいては特に説明はしない。

特開平１０−１２２９２３号公報 特開２００２−２２１４４０号公報 特開２００２−３０３５４２号公報 特開平１０−９９１４号公報 特開２０００−１８０２２８号公報 特開平８−８６６７５号公報 実開昭５４−１６０１６７号公報

ｈｔｔｐ：／／ｈｏｍｅｐａｇｅ３．ｎｉｆｔｙ．ｃｏｍ／ｎｋｓ／ＩＺＵＭＩｓｏｚａｉ／ｋｕｆ１０．ｐｄｆ 「音響管方式伝搬を用いたチューブ内液体の流量計測法」小谷野、薄井、播；日本音響学会講演論文集、平成９年秋季、ＰｌＯ３１〜１０３２ 「音響管方式超音波流量計の信号波伝搬についての一考察」小谷野、播、薄井；日本音響学会講演論文集、１９９９年９月、ＰｌＯ６５〜１０３６ "Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ａｘｉｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｐｉｐｅ ｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈ ｆｌｕｉｄ" Ｈ・Ｐａｎ ａｎｄ Ｋ・Ｋｏｙａｎｏ・Ｙ・Ｕｓｕｉ；Ｊ・Ａｃｏｕｓｔ・Ｓｏｃ・Ａｍ．１１３（６）ｐ３２０９ 「細い管内の流量を測る」＝音響管方式超音波流量計について＝（株）泉技研 小谷野清、薄井良子、藩海涛、日本工業出版、超音波ＴＥＣＨＮＯ、第１１号第２号、Ｐ３２−３６

本発明が解決しようとする課題は、流量を測定すべきチューブ等の管体への装着が容易な音響管伝搬方式を用いた管内流体の流量計測装置及びその超音波流量測定装置を用いた超音波流量測定方法の提供である。例えば、特許文献２（特開２００２−２２１４４０号公報）には、測定用管体に円弧状の振動子が接着剤によって密着固定された超音波流量計が開示されている。しかしながら、これでは管体に対して超音波流量測定装置の着脱が容易ではない。そこで、本発明は、管体をその外面から一対の半円環状の超音波センサー部で挟み込むことにより、管体に対する取り付け・取り外しが容易な音響管伝搬方式を用いた超音波流量計を提供するものであり、その超音波流量測定装置を用いた超音波流量測定方法を提供するものである。

さらに本発明が解決しようとする課題は、超音波流量計において、管体をその外面から一対の半円環状の超音波センサー部により挟み込む際に、磁石の吸着力によってより強力に且つ簡便に挟み込もうとするものである。

さらに、本発明が解決しようとする課題は、上記の課題を解決する手段として一対の超音波送受振手段を開閉自在のケースに収容するものであるが、そのようなケースを備える構成のために、受振される超音波には、管体内の媒質を伝搬してくる流速測定を目的とした正規の伝搬波の到達時間位置に、ケース内を伝わって来た不要な伝搬波が存在することになり、正規の伝搬波の測定の邪魔をすることになる。そこで、本発明の更なる課題は、ケース内を伝わる不要な伝搬波が、管体内の媒質を伝搬してくる正規の伝搬波の測定の邪魔にならないように、ケース内の超音波の伝搬を制御することである。そして、その超音波伝搬制御の具体的手法の一つとしては、ケース内を伝わる不要な伝搬波を消去或いは減衰させることである。

また、本発明が解決しようとする課題は、ケース内を伝わる不要な伝搬波が管体内の媒質を伝搬してくる正規の伝搬波の測定の邪魔にならないように、ケース内の超音波の伝搬を制御する別の具体的手法として、超音波送受振手段と管体との接触部分の超音波伝搬速度と、超音波送受振手段とケース体との接触部分の超音波伝搬速度に相違をつけようとするものである。つまり、超音波送受振手段と管体との接触部分は、超音波伝搬速度の大きい充実ゴム素材等の音響結合材によって構成し、超音波送受振手段とケース体との接触部分は超音波伝搬速度の小さい独立気泡発泡材や和紙等の超音波伝搬減速材によって構成する。これにより、ケース内を伝わる不要な伝搬波の伝搬速度を遅くしようとするものである。

さらに、本発明が解決しようとする更なる課題は、上記ケース内を伝わって来た伝搬波が測定の邪魔をすることのないように、ケース内を伝わる不要な伝搬波の伝搬速度を遅くする別方式として、ケース内の超音波伝搬経路中に伝搬波の迂回路を形成して不要な伝搬波の受振時間が遅くなるように構成することである。

本発明の超音波流量測定装置は、開閉自在に構成された一対の上下センサー・ケースによって測定すべき流体が流れる管体を上下から挟持し、少なくとも一方のセンサー・ケース内には半円環状の２個以上の複数の超音波送受振手段をそれぞれ所定距離だけ離して埋め込んであり、該複数の超音波送受振手段の内の一つが送振手段として超音波を送振し、該複数の超音波送受振手段の内の別の一つが受振手段として超音波を受振することによって、管体内を流れる媒質の流量を測定する超音波流量測定装置であって、前記送振手段及び受振手段としての超音波送受振手段の間において前記上下センサー・ケース内を伝搬する超音波の伝搬を制御する超音波伝搬制御手段を備えたものであり、さらに、本発明の超音波流量測定装置は、超音波伝搬制御手段が、複数の超音波減衰手段から構成されており、その第１の超音波減衰手段は、超音波のセンサー・ケース内の超音波伝搬路を管体の管軸方向に垂直に遮蔽する状態で形成された第１の溝部であり、第２の超音波減衰手段は、超音波送受振手段を囲むように形成された第２の溝部であることを特徴とする。

さらに、本発明の超音波流量測定装置は、前記複数の超音波送受振手段は、一対の超音波送受振手段により構成され、一方の超音波送受振手段が送振手段として超音波を送振する際には、他方の超音波送受振手段が受振手段として超音波を受振し、他方の超音波送受振手段が送振手段として超音波を送振する際には、一方の超音波送受振手段が受振手段として超音波を受振するように構成したことを特徴とする。

さらに、本発明の超音波流量測定装置は、３個の超音波送受振手段により構成され、中央に位置した超音波送受振手段が送振手段として超音波を送振し、両側に位置した超音波送受振手段が夫々受振手段として超音波を受振するように構成したことを特徴とする。

さらに、本発明の超音波流量測定装置は、第１の溝部を構成した第１の超音波減衰手段が、当該第１の溝部内に発泡体又は和紙が装着されていることを特徴とする。

さらに、本発明の超音波流量測定装置は、一対の上下センサー・ケースが、ヒンジにより枢軸的に相互に開閉自在とされていることを特徴とする。

本発明は、管体内を流れる媒質の流量を測定する超音波流量測定方法を実現できるものであって、
その超音波流量測定方法においては、開閉自在に構成された一対の上下センサー・ケースによって測定すべき流体が流れる管体を上下から挟持し、少なくとも一方のセンサー・ケース内には半円環状の２個以上の複数の超音波送受振手段をそれぞれ所定距離だけ離して埋め込んであり、該複数の超音波送受振手段の内の一つが送振手段として超音波を送振し、該複数の超音波送受振手段の内の別の一つが受振手段として超音波を受振することによって、管体内を流れる媒質の流量を測定する超音波流量測定装置であって、前記送振手段及び受振手段としての超音波送受振手段の間に超音波の伝搬を制御する複数の超音波伝搬制御手段を備え、その第１の超音波減衰手段は、超音波のセンサー・ケース内の超音波伝搬路を管体の管軸方向に垂直に遮蔽する状態で形成された第１の溝部であり、第２の超音波減衰手段は、超音波送受振手段を囲むように形成された第２の溝部である超音波流量測定装置を用いて、
媒質のビン詰め又は缶詰めの際に、一旦、媒質の移送を停止して媒質の流速をゼロとした上で上記超音波流量測定装置を作動させてゼロ点計測を行い、次いで媒質の移送を開始することにより上記超音波流量測定装置を作動させて管体内を流れる媒質の流速を計測することにより管体内を流れる媒質の流量を測定することを特徴とする。

本発明は、以上のような構成により、各種飲料の生産工程において、製品のビン詰め又は缶詰めの工程でのメンテナンスや、医療機器のメンテナンスや洗浄の際での移送管に対しての超音波流量測定装置の着脱が極めて容易なものである。

さらに、本発明は、以上のような構成により、ケース内を伝わる超音波の伝搬波を有効に減衰又は遮断することにより、移送管内を流れる媒質を伝わる超音波の正規の伝搬波を正確に計測できるという効果を奏するものである。

さらに、本発明は、以上のような構成により、ケース内を伝わる超音波の不要な伝搬波を大きく迂回させることにより、さらに移送管内を流れる媒質を伝わる超音波の正規の伝搬波を正確に計測できるという効果を奏するものである。

本発明の超音波流量測定方法では、一旦媒質の移送を停止させてゼロ点計測を行うために、より正確な流量の計測が可能なものである。

本発明の基本的思想を適用した実例１の超音波流量計を管体に対して取り付ける際のセンサー・ケースを開放した状態の斜視図である。 本発明の実施例１の超音波流量計を管体に対して取り付ける際のセンサー・ケースを開放した状態の斜視図である。 本発明の基本的思想を適用した実例１の下センサー・ケース内を伝搬する超音波伝搬波の減衰状態及び迂回状態を示す模式図である。 本発明の実施例１の下センサー・ケース内を伝搬する超音波伝搬波の減衰状態及び迂回状態を示す模式図である。 本発明の実施例１での第１及び第２の超音波減衰手段の詳細配置構成図である。 図４のＡ−Ａ断面における断面図である。 図４のＢ−Ｂ断面における断面図である。 図４のＣ−Ｃ断面における断面図である。 図４のＤ−Ｄ断面における断面図である。 図４のＥ−Ｅ断面における断面図である。 図４のＦ−Ｆ断面における断面図である。 図４のＧ−Ｇ断面における断面図である。 本発明の基本的思想を適用した実例２の超音波流量計を管体に対して取り付ける際のセンサー・ケースを開放した状態の斜視図である。 本発明の基本的思想を適用した実例２の下センサー・ケース内を伝搬する超音波伝搬波の減衰状態及び迂回状態を示す模式図である。 本発明の実施例２の下センサー・ケース内を伝搬する超音波伝搬波の減衰状態及び迂回状態を示す模式図である。 本発明の実施例２での第１，第２及び第３の超音波減衰手段の詳細配置構成図である。 センサー・ケースに対して超音波減衰手段を設けない場合の送振波と受波信号の伝搬時間関係を計測した波形図を示している。 センサー・ケースに超音波減衰手段を形成させた場合であり、且つ、チューブ内に流体媒質が存在しない場合のセンサー・ケース内のみを伝搬した波形図を示している。 センサー・ケースに超音波減衰手段を形成させた場合において、チューブ内に流体媒質を充満させ、それに送振信号を流して、流体媒質内を伝搬した受渡信号の波形図を示している。 本発明の別の適用例１の超音波流量計を管体に対して取り付ける際のセンサー・ケースを開放した状態の斜視図である。 本発明の別の適用例１の超音波送受振素子の概観斜視図である。 図１１ＡのＢ−Ｂ断面における断面図である。 図１１ＡのＣ−Ｃ断面における断面図である。 別構成の図１１ＡのＢ−Ｂ断面における断面図である。 本発明の別の適用例２の超音波送受振素子の概観斜視図である。 本発明の別の適用例３の超音波送受振素子の概観斜視図である。

以下、図面を用いて本発明の基本的思想を適用した実例、実施例及び別の適用例について説明する。

本発明の基本的思想を適用した実例１は、一対の超音波送受振手段４０，４０を備えた構成の実例であり、図１及び図３Ａに示す。図１は、超音波流量計１００をチューブ１０に対して取り付ける際の斜視図であり、超音波流量計１００の一対で構成される上下センサー・ケース２０，３０を開放した状態の斜視図である。なお、本明細書において上下・前後・左右の方向は図１に示した方向で表現する。従って、製品に適用する場合には天地が逆に配置されたり、左右逆配置であったり、前後逆配置となることは設計的事項であり、本発明の技術的範囲に含まれるのは当然である。更に、以降の例においては、移送管体の断面形状は円形、楕円形、角状等の如何なる形状でも良いが、以下の具体的な例としてはチューブとして説明する。

本発明の基本的思想を適用した実例１の超音波流量計１００は、一対の上下センサー・ケース２０，３０により構成されている。この上下センサー・ケース２０，３０は、ヒンジ２１によって開閉自在に構成されており、上下センサー・ケース２０，３０を閉じると測定すべき流体（媒質）が流れるチューブ１０を上下から挟持することになる。この上下センサー・ケース２０，３０の開閉手段の具体的構成は、特に後段において実施例等として説明する他の手段以外では、適宜選択・変更可能なものである。この上下センサー・ケース２０，３０の少なくとも一方のセンサー・ケース（図１に示した実例１においては下センサー・ケース３０）には、半円環状の一対の超音波送受振手段４０，４０が所定の距離Ｌを離して埋め込まれている。この一対の超音波送受振手段４０，４０は、超音波の送振及び受振機能を備えており、一方が送振手段として超音波を送振する場合は、他方が受振手段として機能し、他方が送振手段として超音波を送振する場合は、一方が受振手段として機能する。このような機能を実現するためには、一対の超音波送受振手段４０，４０への電力供給の方向を切り替える切替スイッチを設けることにより容易に達成することができる。また、この半円環状の一対の超音波送受振手段４０，４０の内径面は、上下センサー・ケース２０，３０を閉じた際には、チューブ１０の外周面に密接に接触するのが好ましい。

ここで本発明の作動原理を説明しておく。図１に示す上下センサー・ケース２０，３０を閉じ、チューブ１０の外周に一対の超音波送受振手段４０，４０を接触させ、一方の超音波送受振手段４０（例えば、図１の左側の素子）から超音波を発振してチューブ１０内を流れる媒質に超音波圧力場を形成させる。それにより、この超音波圧力場の音圧をチューブ１０内の媒質を通して、チューブ１０の軸方向に超音波信号として伝搬させ、他方の超音波送受振手段４０（例えば、図１の右側の素子）により受渡し信号を音響−電気変換して受振する。次に、この送受振の方向を切り替えて計測する。このような切替センサー方式において、媒質の流れる方向Ａと同一方向に伝搬する超音波は、媒質の流速により速度変調されて媒質の流れが停止している状態から流れ分だけ速く到達し、逆に媒質の流れる方向Ａに逆行する方向に伝搬する超音波は、流速によって速度変調されて媒質の流れが停止している状態から流れ分だけ遅く到達する。このような原理を利用して、その到達時間差を計測して媒質の流速を検知して、チューブ１０内を流れる媒質の流量を得る。この原理自体は、既に知られた技術によるものである。

このとき、超音波送受振手段４０は、チューブ１０の外周に沿って外周の一部（例えば、半円環状）に配置しておく。但し、本発明は、超音波送受振手段自体の発明ではないので、その超音波送受振手段４０自体の構成について詳細に説明することはしない。超音波送受振手段４０を埋め込む一対のセンサー・ケース２０，３０は、チューブ１０の材質と同等の硬さか又は若干硬めの弾性率を有するプラスチック材料でモールドしておき、このモールド部分がチューブ１０の外周を押圧するようにして接触状態を達成させて、超音波送受振手段４０を駆動した際に、チューブ１０内の媒質に圧力波即ち超音波音場を形成させる。この際、超音波送受振手段４０の内周面とチューブ１０の外周面との間に隙間が生じないように密接に接触させる必要がある。一方、他端側にも同様の構成の超音波送受振手段４０を配置しておき、先に駆動した超音波送受振手段４０（例えば、図１の左側の素子）により発生した超音波がチューブ１０内の媒質中を伝搬して他端側の超音波送受振手段４０（例えば、図１の右側の素子）の位置まで達すると、その圧力波により超音波送受振手段４０（図１の右側の素子）が受振し、この信号を受振電気変換することにより信号の受け渡しができる。

この様な機能を有した一組の超音波送受振手段４０，４０（超音波送受振素子）を図１に示す一対のセンサー・ケース内に所定距離Ｌの間隔を置いて配置し、それら一対の超音波送受振手段４０，４０間で超音波の送受振を行うことによりチューブ１０内を流れる媒質の流速を検知することができる。そして、媒質の流速が検知できれば、予め知られているチューブ１０の内径断面積を乗じることにより、チューブ１０内を流れる媒質の流量が検知できる。この手法は既に説明している。

図１に示す本発明の基本的思想を適用した実例１では、一方のセンサー・ケース（図１の実例１では下センサー・ケース３０）のみに一対の超音波送受振手段４０，４０を埋め込んであり、他方のセンサー・ケース（図１の実例１では上センサー・ケース２０）には、当該一対の超音波送受振手段４０，４０の対応位置に一対の環状の空隙部４５，４５が形成されている。これにより、一対のセンサー・ケース２０，３０を閉じることにより、チューブ１０と一対の超音波送受振手段４０，４０が密接して接触するようにチューブ１０に対して固定する方式となっている。この環状の空隙部４５の機能は、超音波送受振手段４０から発振した超音波を上センサー・ケース２０に伝搬させないようにする効果を持たせるものである。しかしながら、この際の固定方法は、特にヒンジに限定されるものではなく、係脱自在なフック等の手段や、上下センサー・ケース２０，３０を通したボルト締め手段によって達成しても良い。いずれにしても、チューブ１０と一対の超音波送受振手段４０，４０の間で超音波の伝搬が可能な程度の密接な接触が維持されることが大切である。ここでは図示しないが、一対の超音波送受振手段４０，４０を一対の上下センサー・ケース２０，３０の両方に設けても良い。

以上の実例１の場合、一対のセンサー・ケース２０，３０は、ケース内の超音波の伝搬を制御するために、超音波送受振手段４０を設置するケースの構造を工夫する必要がある。つまり、上下センサー・ケース２０，３０は、超音波送受振手段４０を収容する筐体として機能するものであるが、同時に超音波を伝播する媒体になることを注意する必要がある。つまり、超音波送受振手段４０を下センサー・ケース３０内に設置しただけでは、図９Ａ，図９Ｂ，図９Ｃに示す様に、流速測定に寄与するチューブ内の媒質を伝播してくる正規の伝搬波の到達時間位置に対して、ケースを伝わって来た不要な伝搬波が存在するために、正規の伝搬波の到達時間の測定の邪魔をすることになる。そこで、ケースを伝わる不要な伝播波を制御することにより、正規の伝搬波と峻別できるようにする必要がある。このケース内を伝わる超音波の伝搬を制御する具体的手法の一つとして、不要な伝播波を消去或いは減衰させる手段を必要とするものである。

本発明の基本的思想を適用した一つの実例は、このようなケース内を伝わる超音波の伝搬波の減衰手段を備えたことにより、正規の伝搬波と不要な伝播波とを峻別できるようにしたことを特徴とするものであり、その結果、図９Ｃに示す様に、ケース内を伝搬する不要な伝搬波が消去されて、チューブ内に媒質を充満させて流速を測定した場合に、媒質を伝搬した正規の伝搬波の到達時間位置にはケース内伝搬波の影響をなくすことが可能であり、図９Ｃの様に流速検知に必要な正規の伝搬波と不要な伝搬波を峻別して検出することができるものである。これには、不要な伝搬波が遅延して到達することにより、正規の伝搬波到達時間位置に不要な伝搬波が到達していない場合を含むものである。

ここで、チューブ内を流れる媒質の流速測定の際の伝搬波制御の原理の概要を、図９Ａ，図９Ｂ及び図９Ｃを用いて説明する。図９Ａは、センサー・ケースに対して超音波減衰手段５０等を設けない場合の送振波と受波信号の伝搬時間関係を計測した波形を示している。チャネル１（ＣＨ１）は超音波送受振手段４０からの送振波（バースト信号でＳｉｎ波５波として例示）で、チャネル２（ＣＨ２）は他方の超音波送受振手段４０で受渡した信号を示し、横軸は時間、縦軸はチャネル毎の電圧変換したレベルを示す。チャネル１（ＣＨ１）の送振信号が、２個の素子間距離Ｌ（図１）を伝搬して受波した信号をチャネル２（ＣＨ２）として示すものであり、その横軸の時間相当分が送振素子から受渡素子への伝搬時間となる。このように図９Ａは、伝搬波を制御する超音波減衰手段５０を設けない場合の送振・受振信号波形を例示したものである。従って、このＣＨ２の受渡波形は、チューブ内の流体媒質内を伝搬した不要な超音波とセンサー・ケース３０内の媒質を伝搬した正規の超音波とが混在したものである。

図９Ｂは、下センサー・ケース３０内に伝搬波を制御する超音波減衰手段５０等を形成させた場合であり、且つ、チューブ１０内に流体媒質が存在しない場合のセンサー・ケース３０内のみを超音波が伝搬した際の波形（チャネル２（ＣＨ２））を示すものである。これによると、チャネル１（ＣＨ１）の送振波によっても、図９Ａにおいて認められた正規の受信波に相当した時間位置に大きな受波信号が存在しないことが分かる。即ち、超音波減衰手段５０等を設けることにより、センサー・ケース３０内を伝搬する不要な超音波信号を、減衰させ流体媒質を伝搬する超音波信号の到達時間位置において阻止できたことを示したものである。

図９Ｃは、図９Ｂに例示したと同様に、センサー・ケース３０内に伝搬波を制御する超音波減衰手段５０等を形成させた場合において、チューブ１０内に流体媒質を充満させ、それに超音波送受振手段４０からの送振信号（ＣＨ１）を流して、流体媒質内を伝搬した受渡信号をチャネル２（ＣＨ２）に示す。ここには、図９Ｂに示したセンサー・ケース内を伝搬する不要な受波信号（ＣＨ２）が相乗されていると考えるべきであるが、図９Ｃの受波信号（ＣＨ２）の時間位置Ｔ’で示した時間位置での信号波には、チューブ内媒質を伝搬した正規の超音波信号のみとなっていることは明らかである。このようにセンサー・ケース３０に伝搬波を制御する超音波減衰手段５０等を設けた効果が明確に示されたものである。

本発明は、この様にして受波された図９Ｃのチャネル２（ＣＨ２）の信号からチューブ内媒質内を伝搬した正規の超音波信号波のＴ’に相当する部分を検出対象として計測・演算することにより、流速計測を正確に行うことができる手段を提供すものである。

そこで本発明の基本的思想を適用した実例１（図１及び図３Ａ）においては、一対の超音波送受振手段４０，４０の中間部に超音波の伝搬を制御する超音波減衰手段５０を備えることを特徴とするものである。この超音波減衰手段５０は、具体的には、下センサー・ケース３０に形成した減衰溝５０により構成されている。ここで、超音波減衰手段と減衰溝を同じ符号を用いて説明している理由は、減衰溝はセンサー・ケースの材料を取り除いて溝状の空間部分形成したものであり、対象部分としては同じものであり、機能は超音波の伝搬を制御する超音波減衰手段として機能するものであるが故である。これにより、一方の超音波送受振手段４０から発振された超音波ａが、上下センサー・ケース２０，３０内を伝搬して他方の超音波送受振手段４０に向かう際に超音波減衰手段５０（溝状の空間部）によって伝搬波ａが大きく減衰されることにより、チューブ内の媒質を伝搬してくる正規の伝搬波ｃの測定に問題は生じない。図３Ａでは、下センサー・ケース３０内を伝搬する実線の超音波ａが超音波減衰手段５０の存在により点線となって減衰する状態を示している。図３Ａに示した動作状態の説明図では、チューブ内の媒質の流れの方向Ａの上流側の超音波送受振手段４０から発振され、下流側の超音波送受振手段４０で受振する動作状態を説明しているが、チューブ内の媒質の流れの方向Ａの下流側の超音波送受振手段４０から発振され、上流側の超音波送受振手段４０で受振する場合でも同様である。

なお、符号については前述したように、超音波減衰手段、減衰溝及び溝状の空間部分に対して同じ５０を用いて表記して説明しているが、どのような構造の手段であっても、センサー・ケース内を一方の超音波送受振手段４０から他方の超音波送受振手段４０に向かって伝搬される流速の計測には不要な超音波の通路に形成され超音波の伝搬を制御して減衰或いは抑制する手段であれば良い。つまり、チューブ１０内の媒質を伝搬する超音波の受渡信号が到達する時間位置での上記超音波の伝搬を減衰、減少或いは抑制させる手段であれば良い。

減衰溝以外としては、減衰溝部５０内に発泡体或いは和紙を充填したものであっても良い。それにより少しでも、センサー・ケースの剛性を高めることができる。加えて、発泡体或いは和紙は中に存在する空隙が超音波の伝搬を減衰する機能を備えているものである。この応用例は、後段において本発明の別の適用例１として説明する。

この超音波減衰手段５０は、一対の超音波送受振手段４０，４０を設置した下センサー・ケース３０に設けることは必須であり、それと同様の構成の超音波減衰手段６０を上センサー・ケース２０にも形成すると、超音波のチューブ内への伝搬の観点からは更に良い。また、下センサー・ケース３０に設けられた一対の超音波送受振手段４０，４０に対応する上センサー・ケース２０の位置には、上下センサー・ケース２０，３０が閉じられた際に、超音波が上センサー・ケース２０に直接伝搬しないように、環状の空隙部４５，４５が形成されても良い。これにより、超音波送受振手段４０から上センサー・ケース２０への直接的な超音波の伝搬が大きく抑制される。この環状の空隙部４５，４５内には、さらに超音波の伝搬抑制の効果を大きくするために、発泡体或いは和紙を充填しても良い。本明細書では後者の例を説明している。

また、この超音波減衰手段５０は、一対の超音波送受振手段４０，４０の間のセンサー・ケースにおいて、チューブ１０の管軸方向に垂直に超音波の伝搬路を遮蔽する状態で形成されていることにより、超音波の伝搬時間を遅らせる効果もある。つまり、図３Ａには、実線の超音波ｂが超音波減衰手段５０の存在により、伝搬路が大きく迂回される状態を示している。これにより、下センサー・ケース３０を伝搬する不要な超音波ｂの到達時間が正規の伝搬波ｃからずれることになり、正規の伝搬波ｃの測定に悪影響を与えない。つまり、チューブ１０内の媒質を伝搬してくる正規の超音波の受渡信号が到達する時間位置でのセンサー・ケース内を伝わってくる不要な伝搬波が存在しない。

次に、本発明の実施例１を図２及び図３Ｂにて説明する。なお、本発明の基本的思想を適用した実例１と同様の機能を有する手段等は同じ符号により説明する。実施例１は本発明の基本的思想を適用した実例１と同様に、下センサー・ケース３０には一対の超音波送受振手段４０，４０を設け、それ等の中間部には第１の超音波の減衰手段５０を備えており、上センサー・ケース２０には、当該一対の超音波送受振手段４０，４０の対応位置に一対の環状の空隙部４５，４５を形成している。この第１の超音波減衰手段５０は、実例１と同様に、具体的には、下センサー・ケース３０に形成した減衰溝５０により構成されている。この減衰溝５０は、センサー・ケースの材料を取り除いて溝状の空間部分５０を形成したものである。本発明の実施例１においては、下センサー・ケース３０に、第１の超音波減衰手段５０に加えて第２の超音波減衰手段５１，５２を設けることを特徴としている。この第２の超音波減衰手段５１，５２は、下センサー・ケース３０に埋め込まれた一対の超音波送受振手段４０，４０を取り囲む形に形成された減衰溝５１，５２により構成されている。具体的には、第１の超音波減衰手段５０と同様に、下センサー・ケース３０の材料を取り除いて溝状の空間部分５１，５２を形成したものである。超音波減衰手段と減衰溝と溝状の空間部分とは対象部分は同じであるので同じ符号を用いている。

これにより、図３Ｂに示すように、一方の超音波送受振手段４０から発振された超音波ａが、下センサー・ケース３０内を伝搬して他方の超音波送受振手段４０に向かう際に、第１の超音波減衰手段（溝状の空間部）５０及び第２の超音波減衰手段（溝状の空間部）５１，５２によって伝搬波ａが更に大きく減衰される。また、下センサー・ケース３０内を伝搬する伝搬波ｂは大きく迂回することにより、チューブ内の媒質を伝播してくる正規の伝搬波ｃの測定に問題が生じない。図３Ｂでは、実線の超音波ａが、第１の超音波減衰手段５０及び第２の超音波減衰手段５１，５２の存在により点線となって減衰し、実線の超音波ｂが迂回する状態を示している。この超音波減衰手段、減衰溝及び溝状の空間部分は、どのような手段であっても、センサー・ケース内を一方の超音波送受振手段４０から他方の超音波送受振手段４０に向かって伝搬される超音波の通路に形成され超音波の伝搬を減衰或いは迂回させて超音波を制御する手段であれば良い。減衰溝以外の実施例としては、本発明の基本的思想を適用した実例１と同様に、減衰溝部内に発泡体或いは和紙を充填したものであっても良い。それにより少しでも、センサー・ケースの剛性を高めることができる。加えて、発泡体或いは和紙は中に存在する空隙が超音波の伝搬を減衰する機能を備えているものである。

この第１の超音波減衰手段５０は、一対の超音波送受振手段４０，４０を設置した下センサー・ケース３０に設けることは必須であるが、それと同様の構成の超音波減衰手段６０を上センサー・ケース２０にも形成すると更に良い。この場合は、下センサー・ケース３０の超音波減衰手段５０と上センサー・ケース２０の超音波減衰手段６０の両者により第１の超音波減衰手段が形成されることになる。また、下センサー・ケース３０に設けられた一対の超音波送受振手段４０，４０に対応する上センサー・ケース２０の位置には、上下センサー・ケース２０，３０が閉じられた際に、超音波が上センサー・ケース２０に直接伝搬しないように、一対の環状の空隙部４５，４５が形成されている。この様に構成することにより、下センサー・ケース３０の超音波送受振手段４０から上センサー・ケース２０への直接的な超音波の伝搬が大きく抑制される。この環状の空隙部４５，４５内には、さらに超音波の伝搬抑制の効果を大きくするために、発泡体或いは和紙を充填しても良い。

図２においては、第２の超音波減衰手段５１，５２は、下センサー・ケース３０には設けているが、上センサー・ケース２０には設けていない。その理由は、センサー・ケース内を伝搬する超音波ａ及びｂが正規の伝搬超音波ｃの計測に影響するのは、主に一対の超音波送受振手段４０，４０が取り付けられた下センサー・ケース３０内の伝搬であるためである。故に、図２では、第２の超音波減衰手段５１，５２を下センサー・ケース３０にのみに設けた実施例を図示しているが、超音波の減衰効果をより高めるために、上センサー・ケース２０にも同様の第２の超音波減衰手段５１，５２を設けることは当業者が容易に実施することが可能である。

また図２において、第２の超音波減衰手段５１，５２は、超音波送受振手段４０を囲むようにコ字状又は逆コ字状に設けたが、その具体的形状は図２に示したとおりのものでなくても良いことは説明を待つまでもない。例えば、半円状、円弧状、三日月状、ブーメラン状等、超音波送受振手段４０を囲むように構成される形状が効果を発揮する。これにより、図３Ｂに示すとおりに、第２の超音波減衰手段５１，５２は、一対の超音波送受振手段４０，４０を囲んで形成されている。そのために、センサー・ケースにおいては、チューブ１０の軸線方向に垂直に超音波の伝搬路を遮蔽する状態で形成されており、センサー・ケースを伝播する超音波ｂの伝搬時間を大幅に遅らせる効果がある。つまり、図３Ｂには、実線の超音波ａは第１の超音波減衰手段５０及び第２の超音波減衰手段５１，５２により減衰され、実線の超音波ｂは第１の超音波減衰手段５０及び第２の超音波減衰手段５１，５２の存在により伝搬路が大きく迂回されている状態を示している。これにより、下センサー・ケース３０を伝搬する超音波ｂの到達時間がずれることになり、正規の伝搬波ｃの測定に悪影響を与えない。つまり、チューブ１０内の媒質を伝搬する正規の超音波ｃの受渡信号が到達する時間位置にはセンサー・ケース内を伝搬する超音波ｂが到達していない。

さらに図４により実施例１の詳細構造を説明する。図４には下センサー・ケース３０の平面構成が示され、図２及び図３Ｂと同様に、一定距離を離して一対の超音波送受振手段４０，４０が設けられており、その間に第１の超音波減衰手段５０に加えて第２の超音波減衰手段５１，５２が設けられている。第１の超音波減衰手段５０は、図２及び図３Ｂと相違して、その中央部により深い溝状の空間部が設けられている。

図５Ａ乃至図５Ｇは、図４で示す本発明の実施例１での第１及び第２の超音波減衰手段を設けた下センサー・ケース３０の各断面詳細構成図であり、Ｇ−Ｇ断面を中心として左右に対象の配置となっている。

次に、本発明の基本的思想を適用した実例２として、３素子方式の超音波流量測定装置及び超音波流量測定方法を説明する。特許文献１（特開平１０−１２２９２３号公報）に示したものは、本発明の基本的思想を適用した実例１又は実施例１と同様に２素子方式の原型を提案したものである。３素子方式の超音波流量測定装置は、図６乃至図８に示したとおりである。

まず、３素子方式の作動原理を説明する。２素子方式の作動原理は、一対の超音波送受振手段４０，４０を媒質が流れるチューブ１０の軸上に所定間隔Ｌを離して２個設置し、一方の素子から送振して、媒質中を伝搬した超音波信号を他方の素子で受波し、送振素子と受振素子を交互に切替えて、媒質流体の流れ方向Ａに沿って伝搬する信号と、流れ方向Ａに逆らって伝搬する信号を夫々検出して、上流側素子からの伝搬波と下流側素子からの伝搬波の時間差を検出し、それから演算した媒質の流速を求め、チューブの内径断面積を乗じて流量を計算し表示する方式である。

これに対して、３素子方式の作動原理は、中央に１つの超音波送振手段４１を設置し、その両側に２つの超音波受振手段４２，４２をチューブ１０の軸上に各々所定間隔Ｌを離して設置し、中央部の超音波送振素子４１から超音波を送振し、チューブ内の媒質の流れＡの中を上流側および下流側の双方の超音波受振素子４２，４２へ伝搬させ、上流側に設置した超音波受振素子４２（図６の左側の素子）では流体媒質の流れに逆らって伝搬する超音波信号を捕捉し、下流側に設置した超音波受振素子４２（図６の右側の素子）では流体媒質の流れＡに沿って伝搬する超音波信号を捕捉する。これにより、２素子方式のように送振・受振の切り替えをせずに、上流側への伝搬波と下流側への伝搬波の伝達時間が同時に計測できることから、切り替え手段を必要としない特徴がある。この方式の流速計測原理自体は、特許文献４（特開平１０−９９１４号公報）に記載してあるとおりである。

図６乃至図８に示した超音波流量計１００は、本発明の基本的思想を適用した実例１及び実施例１と同様に、上下センサー・ケース２０，３０により構成されている。この上下センサー・ケース２０，３０は、ヒンジ２１によって開閉自在に構成されており、上下センサー・ケース２０，３０を閉じると測定すべき流体媒質が流れるチューブ１０を上下から挟持することになる。この上下センサー・ケース２０，３０の一方のセンサー・ケース（図６に示した実例２においては、下センサー・ケース３０）には、半円環状の３つの超音波送受振手段が各々所定の距離Ｌを離して埋め込まれている。この３つの超音波送受振手段は、中央の素子４１が送振手段として超音波を送振し、両方に配置された２つの素子４２，４２が各々受振手段として機能する。

このような構成により、上述の３素子方式の作動原理に基づき、中央の超音波送振手段４１と、上流側及び下流側に配置された一対の超音波受振手段４２，４２との間で超音波の送受振を行う事によりチューブ１０内を流れる媒質の流速を検知することができる。

本発明の基本的思想を適用した実例２及び実施例２においても、上下センサー・ケース２０，３０は、３つの超音波送受振手段を収容する筐体として機能するものであるが、同時に超音波を伝搬する媒体になることを注意する必要がある。つまり、超音波送受振手段を下センサー・ケース３０内に設置しただけでは、図９Ａ，図９Ｂ，図９Ｃに示す様に、流速測定を目的としたチューブ内の媒質を伝搬してくる正規の伝搬波ｃの到達時間位置にケース内を伝わって来た不要な伝搬波ａ，ｂが存在するために、測定の邪魔をすることになる。そこで、ケース内を伝わる不要な伝搬波ａ，ｂを消去或いは減衰させる超音波減衰手段を必要とする。この超音波減衰手段により超音波の伝搬を制御する。

そこで本発明の基本的思想を適用した実例２及び実施例２においても、３つの超音波送受振手段の間に超音波の一対の減衰手段５０，５０を夫々備えることを特徴とするものである。この超音波減衰手段５０は、具体的には、下センサー・ケース３０に形成した減衰溝５０により構成されている。この減衰溝５０は、センサー・ケースの材料を取り除いて溝状の空間部分５０を形成したものである。これにより、中央に配置された超音波送振手段４１から発振された超音波ａが、下センサー・ケース３０内を伝搬して両側の超音波受振手段４２，４２に向かう際に、超音波減衰手段（溝状の空間部）５０によって減衰され、又は、超音波送振手段４１から発振された超音波ｂが迂回されることにより、チューブ内の媒質を伝搬してくる正規の伝搬波ｃの測定に問題が生じない。図７Ａでは、実線の超音波ａが超音波減衰手段５０の存在により点線となって減衰する状態を示し、実線の超音波ｂが超音波減衰手段５０の存在により迂回する状態を示している。なお、符号については、超音波減衰手段、減衰溝及び溝状の空間部分に対して同じ箇所を示しているので同じ符号５０を用いて表記しているが、どのような手段であっても、センサー・ケース内を中央の超音波送振手段４１から両側の超音波受振手段４２，４２に向かって伝搬される超音波の通路に形成されて超音波の伝搬を減衰又は吸収する手段であれば良い。つまり、チューブ１０内の媒質を伝搬する超音波の正規の受波信号が到達する時間位置でのセンサー・ケース内を伝搬する不要な超音波の到来を避ける手段であればどのような手段であっても良い。

減衰溝以外の実施例としては、減衰溝部５０，５０内に発泡体或いは和紙を充填したものであっても良い。それにより少しでも、センサー・ケースの剛性を高めることができる。加えて発泡体或いは和紙は中に存在する空隙が超音波の伝搬を減衰する機能を備えているものである。

この超音波減衰手段５０は、３つの超音波送受振手段を設置した下センサー・ケース３０に設けることは必須であるが、それと同様の構成の超音波減衰手段６０を上センサー・ケース２０にも形成すると更に超音波の減衰効果が高い。また、下センサー・ケース３０に設けられた３つの超音波送受振手段に対応する上センサー・ケース２０の位置には、上下センサー・ケース２０，３０が閉じられた際に、超音波が上センサー・ケース２０に直接伝搬しないように、環状の空隙部４５が形成されても良い。これにより、超音波送振手段４１から一対の超音波受振手段４２，４２に向けての上センサー・ケース２０への直接的な超音波の伝搬が大きく抑制される。また、この環状の空隙部４５内には、発泡体或いは和紙を充填しても良い。また、３つの超音波送受振手段は、下センサー・ケース３０にのみ設けているが、当然のこととして、上センサー・ケース２０にも設けることは可能である。

また、この超音波減衰手段５０は、３つの超音波送受振手段の各間のセンサー・ケースにおいて、チューブ１０の管軸方向に垂直に超音波の伝搬路を遮蔽する状態で形成されていることにより、超音波送振手段４１から両方の超音波受振手段４２，４２に伝搬する超音波ｂの伝搬時間を遅らせる効果もある。つまり、図７Ａには、超音波減衰手段５０，５０の存在により、実線の超音波ａが減衰或いは消滅し、実線の超音波ｂの伝搬路が迂回される状態を示している。これにより、下センサー・ケース３０を伝搬する超音波ａは減衰し超音波ｂの到達時間はずれることになり、正規の伝搬波ｃの測定に悪影響を与えない。つまり、チューブ１０内の媒質を伝搬する正規の超音波ｃの受渡信号が到達する時間位置での不要な伝搬波の到来を避けられるものである。

次に、本発明の実施例２を図７Ｂにて説明する。なお、他の実施例等と同様の機能を有する手段等は同じ符号により説明する。この実施例２は本発明の基本的思想を適用した実例２と同様に、下センサー・ケース３０には３つの超音波送受振手段を設け、中央部に１つの超音波送振手段４１を設け、その両側に２つの超音波受振手段４２，４２を設けている。超音波送振手段４１と夫々の超音波受振手段４２，４２の間には第１の超音波の減衰手段５０を備えている。この第１の超音波減衰手段５０は、他の実施例と同様に、具体的には、下センサー・ケース３０に形成した減衰溝５０により構成されている。この減衰溝５０は、センサー・ケースの材料を取り除いて溝状の空間部分５０を形成したものであるので、同じ符号を用いて説明している。本発明の実施例２においては、第１の超音波減衰手段５０に加えて、第２の超音波減衰手段５３及び第３の超音波減衰手段５４を設けることを特徴としている。この第２の超音波減衰手段５３は、下センサー・ケース３０に埋め込まれた中央の超音波送振手段４１を取り囲む形に形成された減衰溝５３により構成されている。そして第３の超音波減衰手段５４は、下センサー・ケース３０に埋め込まれた両側の超音波受振手段４２，４２を夫々取り囲む形に形成された減衰溝５４により構成されている。具体的には、第１の超音波減衰手段５０と同様に、下センサー・ケース３０の材料を取り除いて減衰溝であり溝状の空間部分を形成したものであるので、同じ符号を用いて説明している。

これにより、図７Ｂに示すように、中央の超音波送振手段４１から発振された超音波ａが、下センサー・ケース３０内を伝搬して両側の超音波受振手段４２，４２に向かう際に、第１の超音波減衰手段（溝状の空間部）５０及び第２の超音波減衰手段（溝状の空間部）５３及び第３の超音波減衰手段（溝状の空間部）５４によって、下センサー・ケース３０内を伝搬する伝搬波ａが大きく減衰され、また伝搬波ｂが大きく迂回されることにより、チューブ内の媒質を伝搬してくる正規の伝搬波ｃの測定に問題が生じない。図７Ｂでは、実線の超音波ａが、第１の超音波減衰手段５０、第２の超音波減衰手段５３及び第３の超音波減衰手段５４の存在により点線となって大きく減衰し、同じく実線の超音波ｂが、大きく迂回する状態を示している。この超音波減衰手段、減衰溝及び溝状の空間部分は、どのような手段であっても、センサー・ケース内を中央の超音波送振手段４１から両側の超音波受振手段４２，４２に向かって伝搬される超音波の通路に形成され超音波の伝搬を減衰又は迂回して超音波の伝搬を制御する手段であれば良い。減衰溝以外の実施例としては、本発明の基本的思想を適用した実例１と同様に、減衰溝部内に発泡体或いは和紙を充填したものであっても良い。それにより少しでも、センサー・ケースの剛性を高めることができる。加えて、発泡体或いは和紙は中に存在する空隙が超音波の伝搬を減衰する機能を備えているものである。

この第１の超音波減衰手段５０は、３つの超音波送受振手段を設置した場合であっても、下センサー・ケース３０に設けることは必須であるが、それと同様の構成の超音波減衰手段６０を上センサー・ケース２０にも形成すると更に超音波の減衰効果が良い。この場合は、下センサー・ケース３０の超音波減衰手段５０と上センサー・ケース２０の超音波減衰手段６０により第１の超音波減衰手段が形成される。また、下センサー・ケース３０に設けられた３つの超音波送受振手段に対応する上センサー・ケース２０の位置には、上下センサー・ケース２０，３０が閉じられた際に、超音波が上センサー・ケース２０に直接伝搬しないように、環状の空隙部４５を形成するのが良い。これにより、各超音波送受振手段と上センサー・ケース２０との直接的な超音波の伝搬が大きく抑制される。この環状の空隙部４５内には、発泡体或いは和紙を充填すれば超音波の減衰効果がより高い。

また図７Ｂにおいて、第２の超音波減衰手段５３及び第３の超音波減衰手段５４は、中央の超音波送振手段４１及び両側の超音波受振手段４２，４２を囲むようにコ字状又は逆コ字状に設けたが、その具体的形状は図７Ｂに示したとおりのものでなくても良いことは説明を待つまでもない。例えば、半円状、円弧状、三日月状、ブーメラン状等、各超音波送受振手段を囲むように構成される形状が効果を発揮する。これにより、図示のとおりに、第２の超音波減衰手段５３及び第３の超音波減衰手段５４は、中央の超音波送受振手段４１と両側超音波送受振手段の４２，４２とを囲んで形成されているために、センサー・ケースにおいて、チューブ１０の管軸方向に垂直に超音波の伝搬路を遮蔽する状態で形成されており、ケース内を伝播する超音波を減衰させ、その伝搬時間を大幅に遅らせる効果がある。つまり、図７Ｂには、第１の超音波減衰手段５０、第２の超音波減衰手段５３及び第３の超音波減衰手段５４の存在により、実線の超音波ａが大きく減衰し、実線の超音波ｂの伝搬路が大きく迂回される状態を示している。これにより、下センサー・ケース３０を伝搬する不要な超音波ｂの到達時間がずれることになり、正規の伝搬波ｃの測定に悪影響を与えない。これにより、チューブ１０内の媒質を伝搬する正規の超音波ｃの受渡信号が到達する時間位置での不要な超音波の到来はない。

図８は、本発明の実施例２での第１，第２及び第３の超音波減衰手段５０，５３，５４の詳細配置構成図であり、その各断面図は、図５Ａ，図５Ｂ，図５Ｃ，図５Ｄ，図５Ｅ，図５Ｆ，図５Ｇに示す断面図と同様である。

図１０により本発明の別の適用例１を説明する。本発明の別の適用例１の超音波流量計２００は、本発明の基本的思想を適用した実例１と同じく、半円筒状の一対の上下センサー・ケース２０，３０により構成されている。この上下センサー・ケース２０，３０は、所定数のヒンジ２１によって開閉自在に構成されており、上下センサー・ケース２０，３０を閉じると測定すべき流体媒質が流れるチューブ（図示なし）を上下から挟持して円筒状を呈することになる。この上下センサー・ケース２０，３０の開閉手段の具体的構成は適宜変更可能なものである。この上下センサー・ケース２０，３０の一方のセンサー・ケース（図１０の別の適用例１においては下センサー・ケース３０）には、半円環状の一対の超音波送受振手段８０，８０が所定の距離Ｌを離して埋め込まれている。この一対の超音波送受振手段８０，８０は、超音波の送振及び受振機能を備えており、一方が送振手段として超音波を送振する場合は、他方が受振手段として超音波を受振する機能をし、他方が送振手段として超音波を送振する場合は、一方が受振手段として超音波を受振する機能をする。この半円環状の一対の超音波送受振手段８０，８０の内径面は、上下センサー・ケース２０，３０を閉じた際には、チューブの外周面に密接に接触するのが好ましい。図１０の別の適用例１では、一対の超音波送受振手段８０，８０は、下センサー・ケース３０にのみ設け、上センサー・ケース２０には当該一対の超音波送受振手段８０，８０の対応位置に一対の環状の空隙部４５，４５が形成されている。この環状の空隙部４５の機能は、超音波送受振手段８０から発振した超音波を上センサー・ケース２０に伝搬させないようにする効果を持たせるものである。ここでは図示しないが、一対の超音波送受振手段４０，４０を一対の上下センサー・ケース２０，３０の両方に設けても良い。

超音波送受振手段８０は、チューブの外周に沿って外周の一部（例えば、半円環状）に配置しておく。超音波送受振手段８０を埋め込むセンサー・ケース２０，３０は、チューブの材質と同等の硬さか又は若干硬めの弾性率を有するプラスチック材料でモールドしておき、このモールド部分がチューブの外周を押圧するようにして接触状態を達成させて、超音波送受振手段８０を駆動した際に、チューブ内の媒質に圧力波即ち超音波音場を形成させる。この際、超音波送受振手段８０の内周面とチューブの外周面との間に隙間が生じないようにする必要がある。

図１０に示す超音波流量測定装置は、一方のセンサー・ケース（図１０の適用例１では下センサー・ケース３０）に超音波送受振手段８０，８０を埋め込んで、他方のセンサー・ケース（図１０の適用例１では上センサー・ケース２０）は、チューブと超音波送受振手段８０，８０が密接して接触するようにチューブに対して固定する方式とする。このときの固定方法は特に限定されるものではなく、係脱自在なフック等の手段や、上下センサー・ケース２０，３０を通したボルト締め手段によって達成しても良い。いずれにしても、チューブと超音波送受振手段８０，８０の間で超音波の伝搬が可能な程度の密接した接触が維持されることが大切である。

上述したように、図１０に示す超音波流量測定装置では、下センサー・ケース３０に設けられた一対の超音波送受振手段８０，８０に対応する上センサー・ケース２０の位置には、上下センサー・ケース２０，３０が閉じられた際に、超音波が上センサー・ケース２０に直接伝搬しないように、環状の空隙部４５が形成されている。これにより、超音波送受振手段８０から上センサー・ケース２０への直接的な超音波の伝搬が大きく抑制される。また、この環状の空隙部４５内には、超音波の伝搬抑制の効果を大きくするために、発泡体或いは和紙を充填しても良い。また、下センサー・ケース３０の一対の超音波送受振手段８０，８０の間、及び上センサー・ケース２０の一対の環状空隙部４５，４５の間には夫々大きな空隙部４６が設けられており、上下センサー・ケース２０，３０内を伝わる超音波の伝搬を抑制している。

この本発明の別の適用例１に用いる超音波送受振手段８０の詳細構成を、図１１Ａ乃至図１１Ｄを用いて説明する。図１１Ａには、超音波送受振手段８０の外観斜視図を示している。超音波送受振手段８０は全体として半円環状の形状を呈している。超音波送受振手段８０は、図１１Ｂ及び図１１Ｃから明らかなように、内部に半円環状の圧電セラミック素子８１が配置されている。そして独立気泡の発泡樹脂或いは和紙等の超音波伝搬抑制部材８２が、圧電セラミック素子８１の下面と両側面との外周部を覆っている。圧電セラミック素子８１のチューブと接する側には充実ゴム等の音響結合部材８３が設けられている。超音波伝搬抑制部材８２は、圧電セラミック素子８１からの超音波発振の伝搬を抑制する機能を備えたものであり、音響結合部材８３は圧電セラミック素子８１からの超音波発振の伝搬を抑制しない機能を備えたものである。このように構成された超音波送受振手段８０が、下センサー・ケース３０に形成された一対のリム４７，４７間に形成された窪み部内に配置されている。このように、一対の超音波送受振手段８０を一対のリム４７，４７間に形成された窪み部内に配置することにより、一対の超音波送受振手段８０，８０間の距離を正確に配置することができる。

本発明の別の適用例１に用いる超音波送受振手段８０の別構成として図１１Ｄを示す。図１１Ｄの超音波送受振手段８０は、圧電セラミック素子の外周部を覆って独立気泡の発泡樹脂或いは和紙等の超音波伝搬抑制部材８２が設けられ、圧電セラミック素子のチューブと接する側には充実ゴム等の音響結合部材８３が設けられている点では図１１Ａ乃至図１１Ｃの構成と同一である。これに対して、図１１Ｄの超音波送受振手段８０の特徴点は、圧電セラミック素子が複数の分割された圧電セラミック素子群８４，８４，８４・・・から構成されている点である。図１１Ｄの圧電セラミック素子群８４は、夫々が独立した四角形状を呈しており、これが複数個円弧状に配置されている。これにより全体として半円環状の圧電セラミック素子群８４が安価に構成されるものである。

図１２により本発明の別の適用例２を説明する。本発明の別の適用例２の超音波流量計２００は、適用例１と類似構成の半円筒状の一対の上下センサー・ケース２０，３０により構成されている。この上下センサー・ケース２０，３０は、所定数のヒンジ２１によって開閉自在に構成されており、上下センサー・ケース２０，３０を閉じると測定すべき流体媒質が流れるチューブ（図示なし）を上下から挟持して円筒状を呈することになる。この上下センサー・ケース２０，３０の一方のセンサー・ケース（図１０の適用例１においては下センサー・ケース３０）には、半円環状の一対の超音波送受振手段８０，８０が所定の距離Ｌを離して埋め込まれている。この一対の超音波送受振手段８０，８０は、超音波の送振及び受振機能を備えており、一方が送振手段として超音波を送振する場合は、他方が受振手段として超音波を受振する機能をし、他方が送振手段として超音波を送振する場合は、一方が受振手段として超音波を受振する機能をする。この半円環状の一対の超音波送受振手段８０，８０の内径面は、上下センサー・ケース２０，３０を閉じた際には、チューブの外周面に密接に接触するのが好ましい。図１２の適用例２では、適用例１と同様に一対の超音波送受振手段８０，８０は、下センサー・ケース３０にのみ設け、上センサー・ケース２０には当該一対の超音波送受振手段８０，８０の対応位置に一対の環状の空隙部４５，４５が形成されている。この環状の空隙部４５の機能は、超音波送受振手段８０から発振した超音波を上センサー・ケース２０に伝搬させないようにする効果を持たせるものである。ここでは図示しないが、一対の超音波送受振手段４０，４０を一対の上下センサー・ケース２０，３０の両方に設けても良い。

さらに、本発明が解決しようとする別の課題は、超音波伝搬制御を達成するために、特許文献５（特開２０００−１８０２２８号公報）に開示された技術を応用して、管体に一対の半円環状の超音波センサー部を吸着力によって挟み込む磁石を音響フィルタとして構成することにより、ケース内を伝わる不要な伝搬波を消去或いは減衰に寄与させようとするものである。

そこで、本発明の超音波流量測定装置は、別の適用例として、超音波伝搬制御手段が、一対の上下センサー・ケースを伝搬する超音波を吸収する音響フィルタ効果のあるフランジから構成されていることを特徴とする。

さらに、本発明の超音波流量測定装置は、別の適用例として、超音波伝搬制御手段を構成する音響フィルタ効果のあるフランジが、磁石材から構成されていることを特徴とする。

さらに、本発明の超音波流量測定装置は、別の適用例として、超音波伝搬制御手段が、一対の上下センサー・ケースを伝搬する不要な超音波を吸収する音響フィルタから構成され、その音響フィルタが磁石材から構成されていることにより、不要な超音波の効果的な吸収と装着の容易性を同時に満足するものである。

図１２の適用例２では、下センサー・ケース３０の一対の超音波送受振手段８０，８０の間、及び上センサー・ケース２０の一対の環状空隙部４５，４５の間には夫々大きな空隙部４６が設けられているが、この空隙部４６内には、超音波送受振手段８０と略同一形状の音響フィルタ効果を奏するフランジ９１,９２及び９３，９４が設けられている。この音響フィルタを奏するフランジは上下センサー・ケース２０，３０の内周に接着又は固着されている。

音響フィルタの技術は、既に特許文献５（特開２０００−１８０２２８号公報）において、測定管に取付けた音響フィルタとしてのフランジの効果が説明されている。別の適用例２では、この音響フィルタ効果のあるフランジ９１,９２及び９３，９４を備え、これにより上下センサー・ケース２０，３０内を伝わる超音波の伝搬を抑制しているものである。

さらに、適用例２の超音波流量計２００は、音響フィルタ効果を奏するフランジ９１,９２及び９３，９４が磁石材から構成されている。これにより、特別な上下センサー・ケース２０，３０の開閉手段が必要なく、フランジ９１,９２及び９３，９４の磁石の吸着力により、チューブに対して上下センサー・ケース２０，３０を強力に挟み込むことができるものである。上下センサー・ケース２０，３０の取り外しにおいても、磁石の吸着力に抗する力で開けば容易に取り外しができるものである。

図１３により本発明の別の適用例３を説明する。適用例３の超音波流量計２００は、適用例２と同じく、半円筒状の一対の上下センサー・ケース２０，３０により構成されている。適用例２との相違点は、本発明の基本思想を適用した実例２（図６）と同様に３つの超音波送受振手段８０を設け、中央の超音波送受振手段８０を超音波送振素子とし、両側の超音波送受振手段８０，８０を超音波受振素子としたものである。

本発明の別の適用例３の超音波流量計２００も、音響フィルタ効果を奏するフランジ９１,９２及び９３，９４が磁石材から構成されている。この音響フィルタ効果を奏するフランジ９１,９２及び９３，９４は、各超音波送受振手段８０の間に一つずつ設けられている。これにより、特別な上下センサー・ケース２０，３０の開閉手段が必要なく、フランジ９１,９２及び９３，９４の磁石の吸着力により、チューブに対して上下センサー・ケース２０，３０を強力に挟み込むことができるものである。

特に、独立して図示はしないが、図２に示した実施例１の変形例を説明する。つまり、この変形例は本発明の超音波の伝搬を制御する手段としての超音波減衰手段の技術と、音響フィルタ効果を奏するフランジの技術を組み合わせるものである。つまり、この変形例においては、図２の実施例１の下センサー・ケース３０の一対の超音波送受振手段４０，４０の間、及び上センサー・ケース２０の一対の環状の空隙部４５，４５の間に設けた第１の超音波の減衰手段としての溝部分５０，６０に磁石材からなる音響フィルタ効果を奏するフランジ部材を嵌合させて配置するものである。この音響フィルタ効果を奏するフランジ部材は、溝部分５０，６０に確実に固定又は接着されている。このような構成により、フランジ部材の音響フィルタ効果を奏すると共に、特別な上下センサー・ケース２０，３０の開閉手段が必要なく、フランジ部材の磁石吸着力により、チューブに対して上下センサー・ケース２０，３０を強力に挟み込むことができるものである。

勿論、この変形例においては、本発明の基本思想を適用した実例１（図１）の溝部分５０，６０内に磁石材からなる音響フィルタ効果を奏するフランジ部材を嵌合させて配置することも可能である。この場合は、図２に示すような超音波減衰手段５１，５２を備えていないので、上下センサー・ケース２０，３０そのものを独立気泡体からなる発泡樹脂等で形成することも良い。これにより、特別に超音波減衰手段５１，５２を備えなくとも、上下センサー・ケース２０，３０を伝播する不要な超音波の伝搬波を有効に減衰することが可能である。勿論、このように上下センサー・ケース２０，３０そのものを独立気泡体からなる発泡樹脂等で形成することは、この変形例のみにおいて有効なものではなく、他の各例に対しても適応は可能なものである。

以上各実施例等に基づいて、超音波送受振手段が２つ及び３つの場合について説明したが、中央に一つの超音波送受振手段を備え、その両側に複数の超音波送受振手段を配置することで４つ以上の装置を提供することも可能である。本発明では、図９に示すように、チューブ内の媒質を伝搬した受振波のみを検出できる状態にすることにより、流速は特許文献５（特開２０００−１８０２２８号公報）の（４）式に示した様に送・受間距離Ｌと上流側送振と下流側送振時の伝搬時間差から検知することができる。この様にして媒質流速が検知できればチューブ内断面積および流速係数（定数）を用いて流量演算して流量表示することができるものである。

本発明の超音波流量測定装置を用いた超音波流量測定方法は、媒質のビン詰め又は缶詰めの際に、一旦媒質の移送を停止して媒質の流速をゼロとした上で上記超音波流量測定装置を作動させてゼロ点計測を行い、次いで媒質の移送を再開することにより再度上記超音波流量測定装置を作動させて管体内を流れる媒質の流速を計測することにより管体内を流れる媒質の流量を測定する。

以上、本発明を実施例等に基づいて説明したが、本発明は、実施例等の具体的構成によって技術的範囲が限定されるものではなく、特許請求の範囲に規定された構成要件に基づき、その発明思想の範囲内であれば当業者が容易に設計変更可能な範囲は含まれるものであ。

１０ チューブ
２０ 上センサー・ケース
３０ 下センサー・ケース
２１ ヒンジ
４０，８０ 超音波送受振手段
４５ 環状空隙部
５０ 第１の超音波減衰手段
５１，５２，５３ 第２の超音波減衰手段
５４ 第３の超音波減衰手段
６０ 超音波減衰手段
９１，９２，９３，９４ 音響フィルタ
１００，２００ 超音波流量測定装置

Claims (5)

1. 開閉自在に構成された一対の上下センサー・ケースによって測定すべき流体が流れる管体を上下から挟持し、少なくとも一方のセンサー・ケース内には半円環状の２個以上の複数の超音波送受振手段をそれぞれ所定距離だけ離して埋め込んであり、該複数の超音波送受振手段の内の一つが送振手段として超音波を送振し、該複数の超音波送受振手段の内の別の一つが受振手段として超音波を受振することによって、管体内を流れる媒質の流量を測定する超音波流量測定装置であって、前記送振手段及び受振手段としての超音波送受振手段の間において前記上下センサー・ケース内を伝搬する超音波の伝搬を制御する超音波伝搬制御手段を備えており、
   前記超音波伝搬制御手段は、複数の超音波減衰手段から構成されており、その第１の超音波減衰手段は、前記センサー・ケース内の超音波伝搬路を前記管体の管軸方向に垂直に遮蔽する状態で形成された第１の溝部であり、第２の超音波減衰手段は、前記超音波送受振手段を囲むように形成された第２の溝部であることを特徴とする超音波流量測定装置。
2. 前記複数の超音波送受振手段は、一対の超音波送受振手段により構成され、一方の超音波送受振手段が送振手段として超音波を送振する際には、他方の超音波送受振手段が受振手段として超音波を受振し、前記他方の超音波送受振手段が送振手段として超音波を送振する際には、前記一方の超音波送受振手段が受振手段として超音波を受振するように構成したことを特徴とする請求項１記載の超音波流量測定装置。
3. 前記複数の超音波送受振手段は、３個の超音波送受振手段により構成され、中央に位置した超音波送受振手段が送振手段として超音波を送振し、両側に位置した超音波送受振手段が夫々受振手段として超音波を受振するように構成したことを特徴とする請求項１記載の超音波流量測定装置。
4. 前記第１の溝部からなる前記第１の超音波減衰手段は、当該第１の溝部内に発泡体又は和紙が装着されていることを特徴とする請求項１乃至３の内の一つの請求項に記載の超音波流量測定装置。
5. 前記一対の上下センサー・ケースは、ヒンジにより枢軸的に相互に開閉自在とされていることを特徴とする請求項１乃至３の内の一つの請求項に記載の超音波流量測定装置。

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