JP5287513B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

この発明は、超音波を用いて流体の流量計測を行う超音波流量計に関する。

従来、この種の超音波流量計として、たとえば、伝搬時間差法という計測原理を用いたものが知られている。図２０は、その計測原理を用いた超音波流量計の説明図である（特許文献１）。この超音波流量計は、流体が流れる管９０の側壁に配置された素子９１，９２を備える。素子９１は流体の上流側に配置されており、素子９２は流体の下流側に配置されている。素子９１，９２は、超音波の放射軸が、流体の流れる方向と鋭角に交差するように斜めに配置されている。

超音波が素子９１から素子９２に伝搬する時間をｔＡ、素子９２から素子９１に伝搬する時間をｔＢ、素子９１，９２間の距離をＬ、音速をＣ、流体の流速をＶ、流体の流れる方向と超音波放射軸とが成す角度をθとすると、流速Ｖ＝０のときは、ｔＡ＝ｔＢ＝Ｌ／Ｃが成立する。そして、Ｖ＞０になると、ｔＡ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）、ｔＢ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）が成立する。つまり、Ｖ＝Ｌ（（１／ｔＡ）−（１／ｔＢ））／２ｃｏｓθとなる。ここで、管９０の断面積をＳとすると、流体の容積流量Ｑは、Ｑ＝ＳＶを演算して求める。

また、管の側壁で反射した超音波の強度に基づいて流体の流速を求めるものが知られている（特許文献２）。このものは、管の側壁に配置された複数の素子と、各素子と対向する側壁に配置された反射面とを備える。そして、各素子が送信した超音波は、反射面で反射され、その反射した超音波は各素子で受信される。流体の流速は、各素子で受信された超音波の強度に基づいて求める。

特開昭５６−６７７１６号公報（第１図）。 特開２００７−５１７２０７号公報（図３）。

しかし、前者のものは、素子の送受信面を管の側壁に対して斜めに配置する必要があるため、素子の位置決めが難しいし、管の側壁の加工が難しい。また、後者のものは、超音波の放射軸が素子の数および配置間隔で一義的に決まるため、使用状況に応じて素子の数および配置間隔を高精度で調整しなければならない。

そこでこの発明は、上述の諸問題を解決するためになされたものであり、素子を流路の側壁に対して斜めに配置する必要がなく、かつ、使用状況に応じて素子の数および配置間隔を高精度で調整する必要もない超音波流量計を実現することを目的とする。

この発明の第１の特徴は、超音波を送受信する超音波センサを流路を挾んで配置し、各超音波センサ間で超音波の送受信を行って前記流路を流れる流体の流量を測定する超音波流量計において、超音波を送受信する複数の素子（Ａ，Ｂ）が送受信面（２ｃ）を流体（Ｆ）の流れる方向に沿わせて流路（３ｃ）の側壁（３ａ）に配置されてなる第１の超音波センサ（４）と、超音波を送受信する複数の素子（Ｃ，Ｄ）が送受信面を流体の流れる方向に沿わせて前記第１の超音波センサと対向する側壁（３ｂ）に配置されてなる第２の超音波センサ（５）と、前記第１および第２の超音波センサが放射軸（Ｒ１〜Ｒ４）を複数回変えて超音波を送信するように前記第１および第２の超音波センサを制御する制御回路（３０）と、前記制御回路によって変えられた各放射軸のときの前記第１および第２の超音波センサの送受信内容に基づいて前記流体の流量を演算する演算回路（２０）と、を備え、前記各素子は、圧電素子および音響整合層を備え、前記音響整合層に発生する圧力を検出する圧力センサを備えることにある。

この発明の第２の特徴は、前述の第１の特徴において、前記制御回路（３０）は、前記流路（３ｃ）の上流から下流に向かう第１の放射軸（Ｒ１，Ｒ４）と、下流から上流に向かう第２の放射軸（Ｒ２，Ｒ３）とを含むように前記放射軸を変えることにある。

この発明の第３の特徴は、前述の第１または第２の特徴において、前記演算回路（２０）は、前記制御回路（３０）によって変えられた各放射軸（Ｒ１〜Ｒ４）のときの前記第１および第２の超音波センサ（４，５）間の超音波の伝搬時間の差に基づいて前記流体（Ｆ）の流量を演算することにある。

この発明の第４の特徴は、前述の第１ないし第３の特徴のいずれか１つにおいて、前記演算回路（２０）は、各放射軸（Ｒ１〜Ｒ４）のときにそれぞれ演算した流量の平均値を演算することにある。

この発明の第５の特徴は、前述の第３の特徴において、前記演算回路（２０）は、各放射軸（Ｒ１〜Ｒ４）のときに演算した伝搬時間の差の平均値に基づいて流量を演算することにある。

この発明の第６の特徴は、前述の第１ないし第５の特徴のいずれか１つにおいて、前記制御回路（３０）は、超音波を送信する超音波センサを構成する各素子の入力信号間の位相を異ならせることにより、前記放射軸を変えることにある。

この発明の第７の特徴は、前述の第１ないし第６の特徴のいずれか１つにおいて、相互に隣接する素子の配置間隔が、前記超音波の２分の１波長であることにある。

この発明の第８の特徴は、前述の第１ないし第７の特徴のいずれか１つにおいて、前記音響整合層（２ｂ）は、薄肉部を介して前記流体（Ｆ）と接していることにある。

この発明の第９の特徴は、前述の第１ないし第８の特徴のいずれか１つにおいて、前記音響整合層（２ｂ）には、放熱部材（６０）が設けられていることにある。

なお、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

超音波センサを構成する各素子が、その送受信面を流体の流れる方向に沿わせて流路の側壁に配置されており、超音波センサは放射軸を変えて超音波を送信することができる。
したがって、素子を流路の側壁に対して斜めに配置する必要がなく、かつ、使用状況に応じて素子の数および配置間隔を高精度で調整する必要もない超音波流量計を実現することができる。

管に取付けられた超音波流量計の説明図であり、（ａ）は管の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ矢視断面図である。 図１に示す素子の縦断面図である。 超音波センサ４，５が放射軸を変えて送信波を送信する状態を示す説明図である。 超音波流量計１の電気的構成をブロックで示す説明図である。 図４に示す送信制御部の電気的構成をブロックで示す説明図である。 素子Ａ，Ｂが送信する送信波の送信波形を示す説明図である。 送信波の合成指向性を説明するために、基準軸と空間の任意の位置との関係を示す図である。 図４に示す受信制御部の電気的構成をブロックで示す説明図である。 演算部２０のＣＰＵ２１が実行する流量測定処理の流れを示すフローチャートである。 第１実施形態の変更例を示す説明図である。 第２実施形態に係る超音波流量計１の電気的構成をブロックで示す説明図である。 超音波センサ４，５が送信する送信波の放射軸の説明図である。 第３実施形態に係る超音波流量計１の電気的構成をブロックで示す説明図である。 超音波センサ７が送信する送信波の放射角度が変化したときの説明図である。 流速Ｖが０の場合およびＶの場合における信号強度および角度αの関係を示すグラフである。 （ａ）は、角度αおよび時刻の関係を示すグラフ、（ｂ）〜（ｄ）は、信号強度および時刻の関係を示すグラフである。 第４実施形態の超音波流量計に備えられた素子の縦断面図である。 第４実施形態の変更例の説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は、他の実施形態の説明図である。 従来の超音波流量計の説明図である。

〈第１実施形態〉
この発明の第１実施形態について説明する。
［全体の構成］
最初に、この実施形態に係る超音波流量計の全体の構成について図を参照しながら説明する。図１は、管に取付けられた超音波流量計の説明図であり、（ａ）は管の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ矢視断面図である。図２は、図１に示す素子の縦断面図である。以下の説明では、送信する超音波を送信波と称する。図４は、超音波流量計１の電気的構成をブロックで示す説明図である。

図４に示すように、超音波流量計１は、超音波を送受信する素子Ａ，Ｂを有する第１の超音波センサ４と、素子Ｃ，Ｄを有する第２の超音波センサ５とを備える。素子Ａ〜Ｄは、それぞれ超音波の送信および受信を兼用する。図１に示すように、管３は、断面が略円形に形成されており、その内部には、流体Ｆが流れる流路３ｃが形成されている。

流路３ｃの一方の側壁３ａには、第１の超音波センサ４を構成する素子Ａ，Ｂがアレイ状に配置されており、流路３ｃを挾んで側壁３ａと対向する他方の側壁３ｂには、第２の超音波センサ５を構成する素子Ｃ，Ｄがアレイ状に配置されている。素子Ａ，Ｃは流路３ｃを挾んで相互に対向しており、素子Ｂ，Ｄも流路３ｃを挾んで相互に対向している。

図２に示すように、素子Ａは、音響整合層２ｂの上に圧電素子（ピエゾ素子）２ａを積層して構成されている。音響整合層２ｂは、圧電素子２ａおよび流体Ｆの音響インピーダンスを整合させるためのものである。この音響整合層２ｂを圧電素子２ａに設けることにより、素子Ａが送信する送信波の音圧を上げることができる。

音響整合層２ｂの下面、つまり超音波の送受信面２ｃは、流路３ｃに露出している。また、送受信面２ｃは、側壁３ａの内壁の形状に合致した形状に形成されており、流路３ｃを流れる流体Ｆの順流方向Ｄ１および逆流方向Ｄ２に沿うように配置されている。送受信面２ｃを側壁３ａの内壁の形状に合致した形状に形成することにより、音響整合層２ｂを音響レンズとしても作用させることができるので、送信波を効率良く受信することができる。素子Ａ，Ｂは、各送受信面２ｃの中心間隔が、使用する超音波の波長λの２分の１（λ／２）となるように配置されており、素子Ｃ，Ｄも同様の間隔で配置されている。

音響整合層２ｂの音響インピーダンスは、流体Ｆの音響インピーダンスと、圧電素子２ａの音響インピーダンスとの間の大きさに設定されている。たとえば、流体Ｆが空気である場合は、音響整合層２ｂの音響インピーダンスは、４４２〜２４．２Ｅ６ｋｇ／ｍ^２・ｓの範囲内に設定する。

音響整合層２ｂの材料は、流体によって腐食し難く、空気とのマッチングが良い材料の中から選択する。たとえば、中空ビーズの混ぜ物など、エポキシ樹脂をベースに音響インピーダンスを下げたもの、あるいは、ＰＰＳ（ポリフェニリンサルファイド樹脂）をベースに音響インピーダンスを下げたものなどを選択することができる。このように、圧電素子２ａよりもヤング率が低い材料を選定する場合には、音響整合層２ｂの厚さは、送信波の波長の１／４に設定すると、圧電素子２ａが発生する振動を効率良く伝えることができる。

また、音響整合層２ｂの材料は、金属やガラスなど腐食に強い材料を用いることも考えられる。そのように圧電素子２ａよりもヤング率が高い材料を選定する場合には音響整合層２ｂの厚さを送信波の１／２に設定すると圧電素子２ａが発生する振動を効率よく伝えることが出来る。また、圧電素子２ａと同等のヤング率の材料を選定する場合には、音響整合層２ｂと圧電素子２ａの厚さの合計が共振する厚さに設定すると、振動を効率よく伝えることができる。

また、超音波流量計を内燃機関の吸気管や排気管に配置し、内燃機関への空気の流量や内燃機関からの排気流量を測定する用途など、高温に晒される環境で使用する場合は、耐熱性を有する材料で音響整合層２ｂを作成することが望ましい。なお、素子Ｂ〜Ｄも素子Ａと同じ材料により同じ構造に形成されている。

［超音波流量計の特徴］
次に、超音波流量計１の特徴について図を参照して説明する。図３は、超音波センサ４，５が放射軸を変えて送信波を送信する状態を示す説明図である。図中Ｒ１〜Ｒ４は、送信波の放射軸を示す。

第１の超音波センサ４は、素子Ａ，Ｂの入力信号の位相を異ならせることにより、送信波の放射軸を変えることができることを特徴とする。第２の超音波センサ５は、素子Ｃ，Ｄの入力信号の位相を異ならせることにより、送信波の放射軸を変えることができることを特徴とする。ここで、放射軸とは、送信波の圧力レベルの相対的に強い部分が進行する方向を示す軸のことである。

つまり、隣接する素子の入力信号の位相が同相の場合は、その隣接する素子によって作られる送信波の放射軸は両素子間の中間位置から鉛直方向に延びるが、位相を異ならせると、音圧エネルギーの強い領域の分布方向が鉛直方向から傾くため、放射軸が傾く。

今、流体Ｆが管３の流路３ｃを順流方向Ｄ１で流れているとする。第１の超音波センサ４が、流路３ｃの上流から下流に向かう放射軸Ｒ１にて送信波を送信すると、その送信波を第２の超音波センサ５が受信する（図３（ａ））。次に、第２の超音波センサ５が下流から上流に向かう放射軸Ｒ３にて送信波を送信すると、その送信波を第１の超音波センサ４が受信する（図３（ｂ））。

次に、第１の超音波センサ４が、流路３ｃの下流から上流に向かう放射軸Ｒ２にて送信波を送信すると、その送信波を第２の超音波センサ５が受信する（図３（ｃ））。次に、第２の超音波センサ５が上流から下流に向かう放射軸Ｒ４にて送信波を送信すると、その送信波を第１の超音波センサ４が受信する（図３（ｄ））。

また、超音波流量計１は、第１および第２の超音波センサ４，５が送信波を送信した時間および受信した時間に基づいて、超音波センサ間の超音波の伝播時間を演算する。そして、上流から下流へ送信したときの伝搬時間と、下流から上流へ送信したときの伝搬時間との差に基づいて流体Ｆの流量を演算する。

この実施形態の超音波流量計は、放射軸Ｒ１に対応する伝搬時間と、放射軸Ｒ３に対応する伝搬時間との差に基づいて流体Ｆの第１の流量を演算し、放射軸Ｒ２に対応する伝搬時間と、放射軸Ｒ４に対応する伝搬時間との差に基づいて第２の流量を演算し、第１および第２の流量から平均流量を演算する。これにより、時々刻々と変化する流量の検出精度を向上させることができる。

［超音波流量計の電気的構成］
次に、超音波流量計１の電気的構成について図４を参照して説明する。図５は、図４に示す送信制御部の電気的構成をブロックで示す説明図である。図６は、素子Ａ，Ｂが送信する送信波の送信波形を示す説明図である。図８は、図４に示す受信制御部の電気的構成をブロックで示す説明図である。

図４に示すように、超音波流量計１は、演算部２０と、送信制御部３０と、受信制御部４０とを備える。送信制御部３０は、素子Ａ〜Ｄと接続されており、素子Ａ〜Ｄを駆動して超音波センサ４，５から送信波を送信させる。また、送信制御部３０は、素子Ａ〜Ｄを駆動して送信波を受信可能な状態にする。演算部２０は、ＣＰＵ２１と、ＲＯＭ２２と、ＲＡＭ２３とを備える。ＣＰＵ２１は、送信制御部３０に対して、送信波を送信する素子および受信する素子の指示、送信波の放射軸の指示など、送信モードの指示を行う。

また、ＣＰＵ２１は、受信制御部４０からの信号に基いて第１および第２の超音波センサ４，５間の超音波の伝搬時間を演算し、その演算された伝搬時間に基づいて流体Ｆの流量を演算する。ＲＯＭ２２には、ＣＰＵ２１が流量を演算するために必要なコンピュータプログラムが格納されている。ＲＡＭ２３は、ＲＯＭ２２から読出したコンピュータプログラムやＣＰＵ２１の演算結果などを一時的に格納する。

（送信制御部）
図５に示すように、送信制御部３０は、送信位相決定部３１と、送信波形生成部３２とを備える。送信位相決定部３１は、第１および第２の超音波センサ４，５が送信する送信波の放射軸が、ＣＰＵ２１から指示された放射軸となるように、次段の送信波形生成部３２において生成される送信波形の位相を決定する。送信波形生成部３２は、素子Ａ〜Ｄに接続された送信波形生成部３２ａ〜３２ｄを備える。送信波形生成部３２ａ〜３２ｄは、送信位相決定部３１から指示された位相の送信波形を生成し、それを各素子Ａ〜Ｄの圧電素子２ａに出力する。

たとえば、送信位相決定部３１から第１の超音波センサ４に対して指示された位相差がβであった場合は、送信波形生成部３２ａ，３２ｂは、図６に示すように、生成する送信波形の位相差がβとなるように送信波形をそれぞれ生成する。なお、この実施形態では、放射軸をＲ１〜Ｒ４に変えるために必要な各送信波形の位相差が予め実験などによって求められており、各放射軸に対応する送信側の超音波センサおよび受信側の超音波センサと、位相差とが送信モードとしてＲＯＭ２２に格納されている。たとえば、送信モード１では、超音波センサ４が送信側、超音波センサ５が受信側で、放射軸がＲ１に設定されている。

図７は、送信波の合成指向性を説明するために、基準軸と空間の任意の位置との関係を示す図である。アレイ状に配置された複数の素子から送信される送信波の合成指向性Ｅ（β、φ）は、次式（１）のように表される（以下、１次元の場合を示す）。

Ｅ（β、φ）＝Ｅ_０（β、φ）＊Σｅｘｐ［ｊ｛（２π／λ）＊（ｍ＊ｄｘ＊ｓｉｎβ＊ｃｏｓφ）＋β_ｍ｝］、（ｍ＝０、１、・・・、Ｍ−１） ・・・（１）

式（１）におけるβ、φは、図７において任意の点における、その任意の点と原点とを結んだ直線と基準軸との角度を表す。Ｅ_０（β、φ）は、各素子単体の指向性、λは送信波の波長、ｄｘは素子間隔、β_ｍは、各素子に入力する送信信号の位相、Ｍは素子数を示す。

ここで、１次元（ｘ軸上）の指向性を考えるために、φ＝０とし、さらに、素子数Ｍを２、素子間隔ｄｘを半波長λ／２、各素子に入力する送信信号の位相差をΔβ_ｍとするため、β_０＝０、β_１＝Δβ_ｍとすると、２つの素子の合成指向性Ｅ（β、φ）は、次式（２）のように表される。

Ｅ（β、φ）＝Ｅ_０（β、φ）＊［１＋ｅｘｐ｛ｊ（π＊ｓｉｎβ＋Δβ_ｍ）｝］ ・・・（２）

（受信制御部）
図８に示すように、受信制御部４０は、素子Ａ〜Ｄにそれぞれ接続されたアンプ４１ａ〜４１ｄと、閾値判定部４４とを備える。受信制御部４０がマイクロコンピュータを備える場合は、そのマイクロコンピュータが閾値判定部４４の役割をしても良いし、演算部２０がその役割をしても良い。

アンプ４１ａ〜４１ｄは、それぞれ素子Ａ〜Ｄから出力された信号を所定の増幅率で増幅する。閾値判定部４４は、アンプ４１ａ〜４１ｄから出力された各素子の受信信号のいずれかの振幅が閾値を超えているか否かを判定する。閾値判定部４４は、受信信号を構成する各波の電圧（振幅）が閾値Ｖｔｈを超えたか否かを判定する。また、閾値判定部４４は、送信波を受信した素子の受信信号の振幅が閾値を超えたと判定したときに、その判定結果を示す信号を演算部２０へ出力する。

たとえば、閾値判定部４４は、演算部２０へ出力している信号のレベル（電圧）を変化させることにより、判定結果を演算部２０へ知らせる。演算部２０は、閾値判定部４４からの信号変化を検出したタイミングを送信波の受信時間に設定する。そして、演算部２０は、送信波の送信時間および受信時間に基づいて伝搬時間を演算し、その伝搬時間に基づいて流体Ｆの流量を演算する。

［流量測定処理］
次に、演算部２０のＣＰＵ２１が実行する流量測定処理の流れについてそれを示す図９のフローチャートを参照して説明する。

ＣＰＵ２１は、流量を測定するタイミングになったと判定すると（ステップ（以下、Ｓと略す）１：Ｙｅｓ）、第２の超音波センサＣ，Ｄが送信波を受信可能な状態となるように送信制御部３０に指示する（Ｓ２）。続いて、ＣＰＵ２１は、第１の超音波センサ４の素子Ａ，Ｂが放射軸Ｒ１にて送信波を送信するように送信制御部３０に指示する（Ｓ３）。これにより、第１の超音波センサ４は、図３（ａ）に示すように、送信波を放射軸Ｒ１にて送信する。

続いて、ＣＰＵ２１は、その指示した時間を送信波の送信時間ｔ１としてＲＡＭ２３に格納する（Ｓ４）。続いて、ＣＰＵ２１は、第１の超音波センサ４が送信した送信波を第２の超音波センサ５の素子Ｃ，Ｄが受信したと判定すると（Ｓ５：Ｙｅｓ）、その判定した時間を受信時間ｔ２としてＲＡＭ２３に格納する（Ｓ６）。

続いて、ＣＰＵ２１は、第１の超音波センサ４の素子Ａ，Ｂが送信波を受信可能な状態となるように送信制御部３０に指示する（Ｓ７）。続いて、ＣＰＵ２１は、第２の超音波センサ５の素子Ｃ，Ｄが放射軸Ｒ３にて送信波を送信するように送信制御部３０に指示する（Ｓ８）。これにより、第２の超音波センサ５は、図３（ｂ）に示すように、送信波を放射軸Ｒ３にて送信する。

続いて、ＣＰＵ２１は、その指示した時間を送信波の送信時間ｔ３としてＲＡＭ２３に格納する（Ｓ９）。続いて、ＣＰＵ２１は、第２の超音波センサ５が送信した送信波を第１の超音波センサ４の素子Ａ，Ｂが受信したと判定すると（Ｓ１０：Ｙｅｓ）、その判定した時間を受信時間ｔ４としてＲＡＭ２３に格納する（Ｓ１１）。

続いて、ＣＰＵ２１は、第２の超音波センサ５の素子Ｃ，Ｄが送信波を受信可能な状態となるように送信制御部３０に指示する（Ｓ１２）。続いて、ＣＰＵ２１は、第１の超音波センサ４の素子Ａ，Ｂが放射軸Ｒ２にて送信波を送信するように送信制御部３０に指示する（Ｓ１３）。これにより、第１の超音波センサ５は、図３（ｃ）に示すように、送信波を放射軸Ｒ２にて送信する。

続いて、ＣＰＵ２１は、その指示した時間を送信波の送信時間ｔ５としてＲＡＭ２３に格納する（Ｓ１４）。続いて、ＣＰＵ２１は、第１の超音波センサ４が送信した送信波を第２の超音波センサ５の素子Ｃ，Ｄが受信したと判定すると（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、その判定した時間を受信時間ｔ６としてＲＡＭ２３に格納する（Ｓ１６）。

続いて、ＣＰＵ２１は、第１の超音波センサ４の素子Ａ，Ｂが送信波を受信可能な状態となるように送信制御部３０に指示する（Ｓ１７）。続いて、ＣＰＵ２１は、第２の超音波センサ５の素子Ｃ，Ｄが放射軸Ｒ４にて送信波を送信するように送信制御部３０に指示する（Ｓ１８）。これにより、第２の超音波センサ５は、図３（ｄ）に示すように、送信波を放射軸Ｒ４にて送信する。

続いて、ＣＰＵ２１は、その指示した時間を送信波の送信時間ｔ７としてＲＡＭ２３に格納する（Ｓ１９）。続いて、ＣＰＵ２１は、第２の超音波センサ５が送信した送信波を第１の超音波センサ４の素子Ａ，Ｂが受信したと判定すると（Ｓ２０：Ｙｅｓ）、その判定した時間を受信時間ｔ８としてＲＡＭ２３に格納する（Ｓ２１）。

続いて、ＣＰＵ２１は、放射軸Ｒ１，Ｒ３における送信波の伝搬時間差を第１の伝搬時間差として演算し、その第１の伝搬時間差に基づいて第１の流量を演算する。また、放射軸Ｒ２，Ｒ４における送信波の伝搬時間差を第２の伝搬時間差として演算し、その第２の伝搬時間差に基づいて第２の流量を演算する（Ｓ２２）。

各放射軸における伝搬時間は、ＲＡＭ２３に格納した受信時間から送信時間を減算して求める。また、伝搬時間差は、軸が共通で放射方向が逆方向の２つの放射軸における伝搬時間から求める。各流量の演算方法は、前述の背景技術において説明した伝搬時間差法と同じである。そして、第１および第２の流量の平均値を演算する（Ｓ２３）。なお、第１および第２の伝搬時間差の平均値を演算し、その平均値に基づいて流量を演算しても良い。また、Ｓ１〜Ｓ１１を実行し、第１の伝搬時間差のみに基いて流量を演算しても良い。さらに、第２の伝搬時間差のみを求め、その第２の伝搬時間差に基いて流量を演算しても良い。

［第１実施形態の効果］
以上のように、第１実施形態の超音波流量計１を実施すれば、第１および第２の超音波センサ４，５を構成する各素子Ａ〜Ｄが、その送受信面２ｃを流体Ｆの流れる方向に沿わせて流路３ｃの側壁３ａ，３ｂに配置されているため、素子を流路の側壁に対して斜めに配置する必要がない。

しかも、各超音波センサ４，５は放射軸を変えて送信波を送信することができるため、送信側と受信側とで素子の配置位置や配置間隔が多少ずれている場合であっても、送信波の送受信を行うことができるので、素子の配置位置および配置間隔を高精度で調整する必要がない。また、送信波の放射軸を変えることにより、送信波の送信範囲を広くすることができるため、送信波を送信する素子の数を少なくすることができる。

［第１実施形態の変更例］
第１および第２の超音波センサを複数組流路に配置し、センサの測線数を増やすこともできる。たとえば、図１０に示すように、相対向する管３の流路３ｃに計４組の超音波センサを配置する。このように第１および第２の超音波センサを複数組流路に配置し、各組毎に演算した流量に基づいて流体の流量を計測すれば、計測の精度をより一層高めることができる。なお、各組毎の伝搬時間差の平均値を演算し、その平均値に基づいて流量を演算しても良い。

〈第２実施形態〉
この発明の第２実施形態について図を参照しながら説明する。図１１は、この実施形態に係る超音波流量計１の電気的構成をブロックで示す説明図である。図１２は、超音波センサ４，５が送信する送信波の放射軸の説明図である。

この実施形態の超音波流量計は、流路の一方の側壁に配置された超音波センサから送信波を送信し、他方の側壁にて反射した反射波を用いて流体の流量を計測することを特徴とする。超音波流量計は、超音波センサ６を備える。超音波センサ６は、超音波の送受信を行う３つの素子Ａ〜Ｃを備えており、素子Ａ〜Ｃは、流路３ｃの一方の側壁３ａにアレイ状に配置されている。素子Ａ〜Ｃは、相互に隣接する素子の各送受信面２ｃの中心間隔が、使用する超音波の波長λの２分の１（λ／２）となるように配置されている。

超音波センサ６は、第１実施形態の超音波センサ４，５と同じように、相互に隣接する素子への入力信号の位相を異ならせることにより、送信波の放射軸を変える。今、流体Ｆは順流方向Ｄ１で流れているとする。最初に、超音波センサ６は、図１２（ａ）に示すように、素子Ａ，Ｂを駆動して送信波を放射角度θ１の放射軸Ｒ１、つまり上流側から下流側に向けて対向する側壁３ｂへ送信する。

すると、その送信された送信波は、図１２（ｂ）に示すように、側壁３ｂにおける反射点から放射角度θ１の放射軸Ｒ４、つまり上流側から下流側に向けて反射する。このとき、素子Ｂ，Ｃは、送信制御部３０の制御によって、反射波を受信可能な状態に切替えられている。

そして、側壁３ｂにて反射した反射波は、素子Ｂ，Ｃによって受信される。演算部２０のＣＰＵ２１は、超音波センサ６が素子Ａ，Ｂを駆動して送信波を送信した時間を送信時間としてＲＡＭ２３に記憶し、素子Ｂ，Ｃの受信レベルが閾値を超えたタイミングを受信時間としてＲＡＭ２３に記憶する。

続いて、図１２（ｃ）に示すように、超音波センサ６は、素子Ｂ，Ｃを駆動して送信波を放射角度θ２の放射軸Ｒ２、つまり下流側から上流側に向けて対向する側壁３ｂへ送信する。すると、その送信された送信波は、図１２（ｄ）に示すように、側壁３ｂにおける反射点から放射角度θ２の放射軸Ｒ３、つまり下流側から上流側に向けて反射する。このとき、素子Ａ，Ｂは、送信制御部３０の制御によって、反射波を受信可能な状態に切替えられている。

そして、側壁３ｂにて反射した反射波は、素子Ａ，Ｂによって受信される。演算部２０のＣＰＵ２１は、超音波センサ６が素子Ｂ，Ｃを駆動して送信波を送信した時間を送信時間としてＲＡＭ２３に記憶し、素子Ａ，Ｂの受信レベルが閾値を超えたタイミングを受信時間としてＲＡＭ２３に記憶する。

ＣＰＵ２１は、送信波が放射軸Ｒ１にて送信されてから、側壁３ｂで反射し、放射軸Ｒ４にて受信されるまでに要した第１の伝搬時間ｔＡと、送信波が放射軸Ｒ２にて送信されてから、側壁３ｂで反射し、放射軸Ｒ３にて受信されるまでに要した第２の伝搬時間ｔＢとの差に基づいて流体Ｆの流量を演算する。つまり、送信波を上流側から下流側へ送信したときの伝搬時間と、下流側から上流側へ送信したときの伝搬時間との差に基づいて流量を演算する。

素子Ａ，Ｂから送信波の反射点までの距離（放射軸Ｒ１の長さ）と、その反射点から素子Ｂ，Ｃまでの距離（放射軸Ｒ４の長さ）とをそれぞれＬとし、流体Ｆの流速をＶ、音速をＣとすると、上記の第１の伝搬時間ｔＡは、次式（３）を使って求めることができる。

ｔＡ＝２Ｌ／（Ｃ＋２Ｖｃｏｓθ） ・・・（３）

また、素子Ｂ，Ｃから送信波の反射点までの距離（放射軸Ｒ２の長さ）と、その反射点から素子Ａ，Ｂまでの距離（放射軸Ｒ３の長さ）とをそれぞれＬとすると、上記の第２の伝搬時間ｔＢは、次式（４）を使って求めることができる。

ｔＢ＝２Ｌ／（Ｃ−２Ｖｃｏｓθ） ・・・（４）

式（３），（４）から、流速Ｖは次式（５）によって求めることができる。

Ｖ＝Ｌ（（１／ｔＡ）−（１／ｔＢ））／２ｃｏｓθ ・・・（５）

以上のように、第２実施形態の超音波流量計は、流路を挾んで超音波センサを配置した第１実施形態の超音波流量計と同じ演算手法を用いて流体の流量を計測することができる。
また、流路の一方の側壁だけに超音波センサを配置すれば済むため、超音波センサの設置が容易である。さらに、流路の一方の側壁に障害物などが存在するなど、流路を挾んで超音波センサを設置することができないような状況でも超音波センサを設置して流量を計測することができる。

〈第３実施形態〉
この発明の第３実施形態について図を参照しながら説明する。図１３は、この実施形態に係る超音波流量計１の電気的構成をブロックで示す説明図である。図１４は、超音波センサ７が送信する送信波の放射角度θが変化したときの説明図である。図１５は、流速Ｖが０の場合およびＶの場合における信号強度および角度αの関係を示すグラフである。図１６（ａ）は、角度αおよび時刻の関係を示すグラフ、（ｂ）〜（ｄ）は、信号強度および時刻の関係を示すグラフである。

図１３に示すように、この実施形態の超音波流量計は、流路３ｃの一方の側壁３ａに配置された超音波センサ７と、他方の側壁３ｂに配置された超音波センサ８とを備える。超音波センサ７は、超音波の送信を行う２つの素子Ａ，Ｂを備えており、超音波センサ８は、超音波の受信を行う単一の素子Ｃを備える。素子Ａ，Ｂは、各送受信面２ｃの中心間隔が、使用する超音波の波長λの２分の１（λ／２）となるようにアレイ状に配置されている。素子Ｃは、素子Ａ，Ｂと対向する位置に配置されている。素子Ｃの送受信面２ｃの中心は、素子Ａ，Ｂの送受信面２ｃの中心間の中間と一致している。

超音波センサ７は、素子Ａ，Ｂへの入力信号の位相を異ならせることにより、図１４に示すように、送信波の放射角度θを変化させる。つまり、超音波センサ７は、送信波によって超音波センサ８をスキャンするように送信波の放射軸Ｒを振る。ここでは、図１４（ｂ）に示すように、放射角度θが９０°のときの放射軸Ｒを基準の放射軸Ｒ０とし、図１４（ａ）に示すように、放射軸Ｒを基準の放射軸Ｒ０から流体Ｆの上流側に向けて振ったときの放射軸を放射軸Ｒ＋とし、図１４（ｃ）に示すように、放射軸Ｒを基準の放射軸Ｒ０から流体Ｆの下流側に向けて振ったときの放射軸を放射軸Ｒ−とする。また、放射軸Ｒ＋，Ｒ−が基準の放射軸Ｒ０と成す角度をαとし、放射軸Ｒ＋，Ｒ−が基準の放射軸Ｒ０と成す角度をそれぞれα＋，α−とする。

図１６（ａ）は、超音波センサ７が素子Ａ，Ｂへの入力信号の位相差を増減させたときの放射軸Ｒの角度αと時刻ｔとの関係を示すグラフである。角度αは、時刻ｔ０のときに角度α＋が最大になり、時刻ｔ２のときに０になり、時刻ｔ４のときに角度α−が最大になっている。そして、流体Ｆの流速Ｖが０のときに、角度αを変化させて放射軸Ｒを振ったときの受信側の素子Ｃにより受信された送信波の信号強度は、図１６（ｂ）に示すように、角度α＋が最大のときに最小になり、角度α＋が減少するにつれて次第に増大し、角度αが０（放射角度θが９０°）になったときに最大になる。そして、角度αが０からα−に転じ、角度α−が次第に増加するにつれて次第に減少する。つまり、素子Ｃにより受信される送信波の信号強度は、素子Ａ，Ｂへの入力信号の位相差に対応して増減し、位相差が０になったときに最大になる。たとえば、超音波センサ７が、図１５（ａ）に示すように、送信波を角度αが−π／２からπ／２に変化するように送信した場合、角度αが０になったときに信号強度が最大になる。

次に、流体Ｆが流速Ｖで順流方向Ｄ１に流れている場合の信号強度と角度αとの関係を説明する。図１４（ａ）に示すように、送信波を角度α＋で送信した場合は、送信波は流体Ｆによって下流へ流される作用を受ける。したがって、送信波を放射軸Ｒ＋の角度α＋が減少するようにスキャンした場合、素子Ｃが受信する送信波の信号強度は、図１６（ｃ）に示すように、角度α＋が０になるタイミングよりも所定時間（−Δｓ）早く最大になる。たとえば、超音波センサ７が、図１５（ｂ）に示すように、送信波を角度αが−π／２からπ／２に変化するように送信した場合、角度αが＋αになったときに信号強度が最大になる。
また、逆に、流体Ｆが流速Ｖで逆方向に流れているときに、送信波を放射軸Ｒ＋の角度α＋が減少するようにスキャンした場合、素子Ｃが受信する送信波の信号強度は、図１６（ｄ）に示すように、角度α＋が０になるタイミングよりも所定時間（Δｓ）遅れて最大になる。

次に、この実施形態の超音波流量計を用いて流体Ｆの流速Ｖを求める手法について説明する。なお、流路３ｃの直径をＬとし、送信波の伝搬速度をＣとする。
先ず、流速Ｖが０のときに、超音波センサ７が送信波を角度α＝０（放射角度θ＝９０°）で送信したときの送信を開始したタイミングから、素子Ｃにおける送信波の信号強度が最大になるまでの伝搬時間Ｔ０を、Ｔ０＝Ｌ／Ｃを計算して求める。

次に、流速Ｖが０のときに、素子Ａ，Ｂにおける入力信号間の位相差を与え、放射軸Ｒの角度αがα＋およびα−間を変化するように送信波をスキャンし、角度αと、素子Ｃにより受信された送信波の信号強度との関係を求める。たとえば、図１５（ａ）のグラフに示す関係を求める。なお、角度αは、素子Ａ，Ｂにおける入力信号間の位相差と対応関係にあり、その関係は、予め実験やシミュレーションによって求めておく。また、送信波のスキャンを開始したタイミングから信号強度が最大になったタイミングまでに要した時間Ｔ１を求める。

そして、流体Ｆが流速Ｖで流れているときに、図１４に示したように、送信波を角度α＋から角度α＋が減少するようにスキャンし、信号強度が最大になったときの角度αを求める。また、送信波のスキャンを開始したタイミングから信号強度が最大になったタイミングまでに要した時間Ｔ２を求める。そして、Ｔ１−Ｔ２＝Δｓを計算し、流速Ｖが０のときとＶのときにおける、信号強度が最大になる時刻の時間差Δｓを求める。

また、流速Ｖ＝Ｖのとき、送信波は流速によって流されるため、送信波の伝搬速度Ｃには、Ｖ／｜ｓｉｎα｜の速度成分が加算されることになる。したがって、流速Ｖ＝Ｖで角度αのときの送信波の伝搬時間Ｔαは、次式（６）によって求めることができる。

Ｔα＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ／｜ｓｉｎα｜） ・・・（６）

また、上記の伝搬時間Ｔαは、流速Ｖ＝０のときの伝搬時間Ｔ０からΔｓを差し引いた時間に等しいから、次式（７）の等式が成立する。

Ｌ／（Ｃ＋Ｖ／｜ｓｉｎα｜）＝（Ｌ／Ｃ）−Δｓ ・・・（７）

そして、上記の式（７）に流路３ｃの直径Ｌと、送信波の伝搬速度Ｃと、角度αと、時間差Δｓとを代入して流速Ｖを求める。

また、流体Ｆの流れる方向が上記の順方向と逆方向のとき（流速Ｖ＝−Ｖ）は、角度α＋のときの送信波は、流速によって押し戻される作用を受けるため、信号強度が最大になるタイミングは、図１６（ｄ）に示すように、流速Ｖ＝０のときと比較してΔｓだけ遅れる。
したがって、この場合は、前記の式（７）の右辺は、（Ｌ／Ｃ）＋Δｓとなる。

以上のように、第３実施形態の超音波流量計は、送信波を受信する側の超音波センサは、素子が単一で済むため、超音波流量計の製造コストを低減することができる。

また、信号強度が最大になったときの角度αと流速Ｖとの関係を実験やシミュレーションなどによって予め求め、角度αおよび流速Ｖの関係をマップにしてＲＯＭなどの記憶部に記憶しておき、信号強度が最大になったときの角度αに対応する流速Ｖをマップから読出すように構成することもできる。

〈第４実施形態〉
次に、この発明の第４実施形態について説明する。図１７は、この実施形態の超音波流量計に備えられた素子の縦断面図である。この実施形態の超音波流量計は、流体の圧力を検出する圧力センサを備えることを特徴とする。なお、この実施形態の超音波流量計は、圧力センサを備えることと、音響整合層２ｂの材質が異なること以外は、第１実施形態の超音波流量計１と同じ構成であるため、同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。

音響整合層２ｂは、ゾルまたはゲルにより形成されており、音響整合層２ｂの下面には、薄膜状のダイヤフラム２ｄが設けられている。この実施形態では、ダイヤフラム２ｄは金属により形成されている。音響整合層２ｂには、流体Ｆの圧力を検出するための圧力センサ５０が挿入されている。圧力センサ５０は、ダイヤフラム２ｄを介して音響整合層２ｂに伝達される流体Ｆの圧力を検出する。この実施形態では、圧力センサ５０は、半導体基板上にセンシング部を有する半導体式圧力センサである。

圧力センサ５０は、演算部２０と接続されており、圧力センサ５０の検出信号は演算部２０に入力される。演算部２０のＣＰＵ２１は、圧力センサ５０から入力した検出信号に基づいて流体Ｆの圧力を演算し、その演算した圧力を容積流量に乗じて質量流量を演算する。

以上のように、第４実施形態の超音波流量計を実施すれば、流体Ｆの質量流量を求めることができる。また、音響整合層２ｂがゾルまたはゲルにより形成されているため、流体Ｆが高温である場合でも、その熱が音響整合層２ｂによって冷却されるので、圧電素子２ａが熱の影響を受けて特性が変化するおそれがない。さらに、音響整合層２ｂがゾルまたはゲルにより形成されているため、音響整合層２ｂを流路３ｃの形状に対応した形状に容易に変形させることができる。

［第４実施形態の変更例］
図１８に示すように、音響整合層２ｂに放熱部材６０を設け、流体Ｆから音響整合層２ｂに伝達した熱の放熱効率を高めるようにすることもできる。この構成を用いれば、圧電素子２ａが受ける熱の影響をより一層少なくすることができるため、圧電素子２ａの特性がより一層変化し難い。

〈他の実施形態〉
図１９（ａ）に示すように、音響整合層２ｂの下面２ｃは、必ずしも流路３ｃの内壁の形状に合致した形状に形成しなくても良い。また、同図（ｂ）に示すように、圧電素子２ａと比較して音響整合層２ｂが大きくても良いし、同図（ｃ）に示すように、音響整合層２ｂの方が小さくても良い。

１・・超音波流量計、２ａ・・圧電素子、２ｂ・・音響整合層、３・・管、
３ａ，３ｂ・・側壁、３ｃ・・流路、４，５・・超音波センサ、Ａ〜Ｄ・・素子、
Ｆ・・流体、Ｒ１〜Ｒ４・・放射軸。

Claims (9)

1. 超音波を送受信する超音波センサを流路を挾んで配置し、各超音波センサ間で超音波の送受信を行って前記流路を流れる流体の流量を測定する超音波流量計において、
   超音波を送受信する複数の素子が送受信面を流体の流れる方向に沿わせて流路の側壁に配置されてなる第１の超音波センサと、
   超音波を送受信する複数の素子が送受信面を流体の流れる方向に沿わせて前記第１の超音波センサと対向する側壁に配置されてなる第２の超音波センサと、
   前記第１および第２の超音波センサが放射軸を複数回変えて超音波を送信するように前記第１および第２の超音波センサを制御する制御回路と、
   前記制御回路によって変えられた各放射軸のときの前記第１および第２の超音波センサの送受信内容に基づいて前記流体の流量を演算する演算回路と、
   を備え、
   前記各素子は、圧電素子および音響整合層を備え、
   前記音響整合層に発生する圧力を検出する圧力センサを備えることを特徴とする超音波流量計。
2. 前記制御回路は、
   前記流路の上流から下流に向かう第１の放射軸と、下流から上流に向かう第２の放射軸とを含むように前記放射軸を変えることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記演算回路は、
   前記制御回路によって変えられた各放射軸のときの前記第１および第２の超音波センサ間の超音波の伝搬時間の差に基づいて前記流体の流量を演算することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波流量計。
4. 前記演算回路は、
   各放射軸のときにそれぞれ演算した流量の平均値を演算することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波流量計。
5. 前記演算回路は、
   各放射軸のときに演算した伝搬時間の差の平均値に基づいて流量を演算することを特徴とする請求項３に記載の超音波流量計。
6. 前記制御回路は、
   超音波を送信する超音波センサを構成する各素子の入力信号間の位相を異ならせることにより、前記放射軸を変えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の超音波流量計。
7. 相互に隣接する素子の配置間隔が、前記超音波の２分の１波長であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の超音波流量計。
8. 前記音響整合層は、薄肉部を介して前記流体と接していることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の超音波流量計。
9. 前記音響整合層には、放熱部材が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１つに記載の超音波流量計。

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