JP6231754B2 - 超音波流量計および超音波流量計用の超音波吸収体 - Google Patents
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Description
本発明に係るいくつかの態様は、超音波を用いて配管を流れる流体の流量を測定する超音波流量計および超音波流量計用の超音波吸収体に関する。
従来、この種の超音波流量計として、超音波振動子と斜角楔とによって構成した超音波送受波器１対または１対以上を流体の流れる配管の外周に設置し、流体の流れ方向および逆方向に超音波を伝搬させたときそれぞれの伝搬時間を計測し、伝搬時間に基づいて計測制御部が流体の流量を演算して出力するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、超音波振動子から発せられた超音波は、配管を流れる流体を伝搬する流体伝搬波と、配管の管壁で反射して配管を伝搬する配管伝搬波とに分けられる。従来の超音波流量計において、流体伝搬波は検出すべき信号（信号成分）であり、配管伝搬波は信号に対するノイズ（ノイズ成分）である。
しかしながら、従来の超音波流量計では、流体伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）に対して配管伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）を十分に小さくできず、流体伝搬波と配管伝搬波との識別が困難になっていた。そのため、従来の超音波流量計は流体の流量を誤って測定してしまう可能性があった。
本実施形態のいくつかの態様は前述の問題に鑑みてなされたものであり、気体の流量を正確に測定することのできる超音波流量計および超音波流量計用の超音波吸収体を提供することを目的の１つとする。
本発明に係る超音波流量計は、内部を気体が流れる配管における上流側の外周に設けられ、超音波の送信および受信を行う第１の超音波送受信部と、前述の配管における下流側の外周に設けられ、超音波の送信および受信を行う第２の超音波送受信部と、第１の超音波送受信部から送信された超音波が第２の超音波送受信部に受信されるまでの時間と、第２の超音波送受信部から送信された超音波が第１の超音波送受信部に受信されるまでの時間とに基づいて、前述の気体の流量を測定する本体部と、前述の配管の外周に設けられ、前述の超音波が前述の配管を伝搬する配管伝搬波を吸収する超音波吸収体と、を備え、超音波吸収体は、実質的に、１００ｋＨｚ以上であって２．０ＭＨｚ以下の周波数帯の前述の超音波を吸収する未架橋のブチルゴムからなる。
かかる構成によれば、前述の配管の外周に設けられ、前述の超音波が配管を伝搬する配管伝搬波を吸収する超音波吸収体を備え、超音波吸収体が未架橋のブチルゴムを含む。ここで、未架橋のブチルゴムは、音響インピーダンスの値が配管の材料と近く、かつ、超音波の周波数帯の振動を吸収する能力（吸収性能）が高い。これにより、超音波吸収体は、配管を伝搬する過程で配管伝搬波を減衰させることができ、第１超音波送受信部および第２超音波送受信部に到達する配管伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）を気体伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）に対して十分に小さくする、すなわち、ＳＮ比を向上させることができる。
また、未架橋のブチルゴムは、粘着性および弾性を有する粘弾性体でもある。これにより、超音波吸収体は粘着しやすいので、配管の外周に密着して固定することができるとともに、超音波吸収体は弾性により変形しやすいので、様々な材料、形状、表面状態の配管に容易に設けることができる。
さらに、未架橋のブチルゴムは、超音波流量計の使用環境において、例えば、温度や湿度などについて、十分な耐久性（耐環境性）を有することが実験などで確認された。これにより、超音波吸収体は、強度や耐環境性を高めるために、硫黄などを用いた架橋（加硫）を行うことなく、未架橋のブチルゴムを利用することができる。
好ましくは、超音波吸収体は、実質的に、所定の混合粒子と混合された未架橋のブチルゴムからなる。
かかる構成によれば、超音波吸収体が実質的に、所定の混合粒子と混合された未架橋のブチルゴムからなる。これにより、所定の混合粒子として、音響インピーダンスの値が配管の材料と近くなる、および／または、超音波の周波数帯の振動を吸収する能力（吸収性能）を向上させる混合粒子を未架橋のブチルゴムと混合することで、超音波吸収体はＳＮ比をさらに向上させることができる。
好ましくは、前述の所定の混合粒子は、タングステンである。
かかる構成によれば、所定の混合粒子がタングステンである。これにより、ＳＮ比をさらに向上させる超音波吸収体を容易に実現（構成）することができる。
好ましくは、前述の所定の混合粒子は、フェライトである。
かかる構成によれば、所定の混合粒子がフェライトである。これにより、ＳＮ比をさらに向上させる超音波吸収体を容易に実現（構成）することができる。
好ましくは、前述の所定の混合粒子は、硫酸バリウムである。
かかる構成によれば、所定の混合粒子が硫酸バリウムである。これにより、ＳＮ比をさらに向上させる超音波吸収体を容易に実現（構成）することができる。
本発明に係る超音波流量計用の超音波吸収体は、内部を気体が流れる配管における上流側の外周から送信された超音波が前述の配管における下流側の外周で受信されるまでの時間と、前述の配管における下流側の外周から送信された超音波が前述の配管における上流側の外周で受信されるまでの時間とに基づいて、前記気体の流量を測定する超音波流量計用の超音波吸収体であって、前述の配管の外周に設けられ、前述の超音波が前述の配管を伝搬する配管伝搬波を吸収し、実質的に未架橋のブチルゴムからなる。
かかる構成によれば、前述の配管の外周に設けられ、前述の超音波が前述の配管を伝搬する配管伝搬波を吸収し、実質的に未架橋のブチルゴムからなる。ここで、未架橋のブチルゴムは、音響インピーダンスの値が配管の材料と近く、かつ、超音波の周波数帯の振動を吸収する能力（吸収性能）が高い。これにより、超音波吸収体は、配管を伝搬する過程で配管伝搬波を減衰させることができ、受信される配管伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）を気体伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）に対して十分に小さくする、すなわち、ＳＮ比を向上させることができる。
また、未架橋のブチルゴムは、粘着性および弾性を有する粘弾性体でもある。これにより、超音波吸収体は粘着しやすいので、配管の外周に密着して固定することができるとともに、超音波吸収体は弾性により変形しやすいので、様々な材料、形状、表面状態の配管Ａに容易に設けることができる。
さらに、未架橋のブチルゴムは、超音波流量計の使用環境において、例えば、温度や湿度などについて、十分な耐久性（耐環境性）を有することが実験などで確認された。これにより、超音波吸収体は、強度や耐環境性を高めるために、硫黄などを用いた架橋（加硫）を行うことなく、未架橋のブチルゴムを利用することができる。
本発明の超音波流量計によれば、超音波吸収体は、配管を伝搬する過程で配管伝搬波を減衰させることができ、第１超音波送受信部および第２超音波送受信部に到達する配管伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）を気体伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）に対して十分に小さくする、すなわち、ＳＮ比を向上させることができる。したがって、超音波流量計は、気体伝搬波と配管伝搬波とを容易に識別することができ、気体の流量を正確に測定することができる。特に、配管の内部を流れる気体の圧力が低い場合に、気体伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）は相対的に小さくなるが、超音波吸収体は、気体の圧力が低い場合でもＳＮ比を向上させることができるので、超音波流量計は、圧力の低い気体の流量を正確に測定することができる。
本発明の超音波流量計用の超音波吸収体によれば、超音波吸収体は、配管を伝搬する過程で配管伝搬波を減衰させることができ、受信される配管伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）を気体伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）に対して十分に小さくする、すなわち、ＳＮ比を向上させることができる。したがって、超音波流量計は、気体伝搬波と配管伝搬波とを容易に識別することができ、気体の流量を正確に測定することができる。特に、配管の内部を流れる気体の圧力が低い場合に、気体伝搬波のエネルギー（大きさ、または強度）は相対的に小さくなるが、超音波吸収体は、気体の圧力が低い場合でもＳＮ比を向上させることができるので、超音波流量計は、圧力の低い気体の流量を正確に測定することができる。
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」という。
図１ないし図１０は、本発明に係る超音波流量計および超音波流量計用の超音波吸収体の一実施形態を示すためのものである。図１は、超音波流量計１００の概略構成の一例を示す構成図である。図１に示すように、超音波流量計１００は、配管Ａの内部を流れる気体（ガス）の流量を測定するためのものである。超音波流量計１００の測定対象である気体は、図１において白抜き矢印で示す方向（図１における左から右の方向）に流れている。超音波流量計１００は、第１超音波送受信部２０Ａと、第２超音波送受信部２０Ｂと、本体部５０と、超音波吸収体１０と、を備える。
第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂは、それぞれ配管Ａの外周に設けられる。図１に示す例では、第１超音波送受信部２０Ａが配管Ａにおける上流側に、第２超音波送受信部２０Ｂは配管Ａにおける下流側に、それぞれ配置される。第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂは、それぞれ超音波の送信および受信を行い、相互に超音波を送受信する。すなわち、第１超音波送受信部２０Ａが送信した超音波は、第２超音波送受信部２０Ｂによって受信され、第２超音波送受信部２０Ｂが送信した超音波は、第１超音波送受信部２０Ａによって受信される。
図２は、図１に示した第１超音波送受信部２０Ａの構成を説明する拡大断面図である。図２に示すように、第１超音波送受信部２０Ａは、くさび２１と、圧電素子２２と、を備える。
くさび２１は、配管Ａに対して所定の鋭角で超音波を入射させるためのものであり、樹脂製または金属製の部材である。くさび２１は、底面２１ａが配管Ａの外周面に接触するように設置される。また、くさび２１は、底面２１ａに対して所定の角度を有する斜面２１ｂが形成されている。斜面２１ｂには、圧電素子２２が設置される。
本実施形態では、底面２１ａが配管Ａの外周面に接触する例を示したが、これに限定されない。底面２１ａと配管Ａの外周面との間に接触媒質（カプラント）を介在させてもよい。
圧電素子２２は、超音波を送信するとともに、超音波を受信するためのものである。圧電素子２２には、リード線（図示省略）が電気的に接続されている。リード線を介して所定周波数の電気信号が印加されと、圧電素子２２は、当該所定周波数で振動して超音波を発する。これにより、超音波が送信される。図２において破線の矢印で示すように、圧電素子２２から送信された超音波は、斜面２１ｂの角度でくさび２１を伝搬する。くさび２１を伝搬する超音波は、くさび２１と配管Ａの外壁との界面で屈折して入射角が変化し、配管Ａの内壁と配管Ａの内部を流れる気体との界面でさら屈折して入射角が変化し、当該気体を伝搬する。界面おける屈折は、スネルの法則に従うので、配管Ａを伝搬するときの超音波の速度、気体を伝搬するときの超音波の速度に基づいて、斜面２１ｂの角度をあらかじめ設定することにより、超音波を所望の入射角で気体に入射させ、伝搬させることができる。
一方、圧電素子２２に超音波が到達すると、圧電素子２２は、当該超音波の周波数で振動して電気信号を発生させる。これにより、超音波が受信される。圧電素子２２に発生した電気信号は、リード線を介して後述する本体部５０で検出される。
なお、第２超音波送受信部２０Ｂは、第１超音波送受信部２０Ａと同様の構成を備える。すなわち、第２超音波送受信部２０Ｂも、くさび２１と、圧電素子２２と、を備える。よって、前述した第１超音波送受信部２０Ａの説明をもって、第２超音波送受信部２０Ｂの詳細な説明を省略する。
図１に示す本体部５０は、超音波が配管Ａの内部を流れる気体を伝搬する時間に基づいて当該気体の流量を測定するためのものである。本体部５０は、切替部５１と、送信回路部５２と、受信回路部５３と、計時部５４と、演算制御部５５と、入出力部５６と、を備える。
切替部５１は、超音波の送信および受信を切り替えるためのものである。切替部５１は、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂに接続されている。切替部５１は、例えば、切替スイッチなどを含んで構成することが可能である。演算切替部５１は、演算制御部５５から入力される制御信号に基づいて切替スイッチを切り替え、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂのうちの一方を送信回路部５２に接続させるとともに、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂのうちの他方を受信回路部５３と接続させる。これにより、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂのうちの一方が超音波を送信し、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂのうちの他方が当該超音波を受信することができる。
送信回路部５２は、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂに超音波を送信させるためのものである。送信回路部５２は、例えば、所定周波数の矩形波を生成する発振回路、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂを駆動する駆動回路などを含んで構成することが可能である。送信回路部５２は、演算制御部５５から入力される制御信号に基づいて、駆動回路が発振回路により生成された矩形波を駆動信号として第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂのうちの一方の圧電素子２２に出力する。これにより、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂの一方の圧電素子２２が駆動され、当該圧電素子２２が超音波を送信する。
受信回路部５３は、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂが受信した超音波を検出するためのものである。受信回路部５３は、例えば、信号を所定の利得（ゲイン）で増幅する増幅回路、所定周波数の電気信号を取り出すためのフィルタ回路などを含んで構成することが可能である。受信回路部５３は、演算制御部５５から入力される制御信号に基づいて、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂのうちの一方の圧電素子２２から出力された電気信号を増幅し、フィルタリングして受信信号に変換する。受信回路部５３は、変換した受信信号を演算制御部５５に出力する。
計時部５４は、所定の期間における時間を計測するためのものである。計時部５４は、例えば、発振回路などで構成することが可能である。なお、発振回路は、送信回路部５２と共有するようにしてもよい。計時部５４は、演算制御部５５から入力されるスタート信号およびストップ信号に基づいて、発振回路の基準波の数をカウントして時間を計測する。計時部５４は、計測した時間を演算制御部５５に出力する。
演算制御部５５は、配管Ａの内部を流れる気体の流量を演算により算出するためのものである。演算制御部５５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ、入出力インターフェースなどで構成することが可能である。また、演算制御部５５は、切替部５１、送信回路部５２、受信回路部５３、計時部５４、および、入出力部５６などの本体部５０の各部を制御する。なお、演算制御部５５が気体の流量を算出する方法については、後述する。
入出力部５６は、ユーザ（利用者）が情報を入力し、かつ、ユーザに対して情報を出力するためのものである。入出力部５６は、例えば、操作ボタンなどの入力手段、表示ディスプレイなどの出力手段などで構成することが可能である。ユーザが操作ボタンなどを操作することにより、設定などの各種の情報が入出力部５６を介して演算制御部５５に入力される。また、入出力部５６は、演算制御部５５により算出された気体の流量、気体の速度、所定期間における積算流量などの情報を、表示ディスプレイなどに表示して出力する。
図３は、配管Ａの内部を流れる気体の流量の算出方法を説明するための側方断面図である。図３に示すように、配管Ａの内部を所定の方向（図３において左側から右側への方向）に流れる気体の速度（以下、流速という）をＶ［ｍ／ｓ］、当該気体中を超音波が伝搬するときの速度（以下、音速という）をＣ［ｍ／ｓ］とし、当該気体を伝搬する超音波の伝搬経路長をＬ［ｍ］とし、配管Ａの管軸と超音波の伝搬経路とのなす角度をθとする。ここで、配管Ａの上流側（図３において左側）に設置された第１超音波送受信部２０Ａが超音波を送信し、配管Ａの下流側（図３において右側）に設置された第２超音波送受信部２０Ｂが当該超音波を受信するときに、当該超音波が配管Ａの内部の気体を伝搬する伝搬時間ｔ12は、以下の式（１）で表される。
ｔ12＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） …（１）
ｔ12＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） …（１）
一方、配管Ａの下流側に設置された第２超音波送受信部２０Ｂが超音波を送信し、配管Ａの上流側に設置された第１超音波送受信部２０Ａが当該超音波を受信するときに、当該超音波が配管Ａの内部の気体を伝搬する伝搬時間ｔ21は、以下の式（２）で表される。
ｔ21＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） …（２）
ｔ21＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） …（２）
式（１）および式（２）から、気体の流速Ｖは、以下の式（３）で表される。
Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）・｛（１／ｔ12）−（１／ｔ21）｝ …（３）
Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）・｛（１／ｔ12）−（１／ｔ21）｝ …（３）
式（３）において、伝搬経路長Ｌおよび角度θは、流量の測定前に既知の値であるから、流速Ｖは、伝搬時間ｔ12および伝搬時間ｔ21を計測することで、式（３）から算出することができる。
そして、配管Ａの内部を流れる気体の流量Ｑ［ｍ3／ｓ］は、流速Ｖ［ｍ／ｓ］と、補数係数Ｋおよび配管Ａの断面積Ｓ［ｍ3／ｓ］と、を用いて以下の式（４）で表される。
Ｑ＝ＫＶＳ …（４）
Ｑ＝ＫＶＳ …（４）
したがって、演算制御部５５は、伝搬経路長Ｌ、角度θ、補数係数Ｋ、および、配管Ａの断面積Ｓを、あらかじめメモリなどに記憶しておく。そして、演算制御部５５は、受信回路部５３から入力される受信信号に基づいて、計時５４により伝搬時間ｔ12および伝搬時間ｔ21を計測することで、式（３）および式（４）から、配管Ａの内部を流れる気体の流量Ｑを算出することができる。
本実施計形態では、図３および式（１）ないし式（４）を用いて、伝搬時間逆数差法により気体の流量を算出する例を示したが、これに限定されない。演算制御部５５は、他の方法、例えば、周知の伝搬時間差法により気体の流量を算出するようにしてもよい。
また、本実施計形態では、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ａの一方が送信した超音波が、配管Ａの内部の気体を伝搬し、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ａの他方で直接受信する例を示したが、これに限定されない。配管Ａの内部の気体を伝搬する超音波は、配管Ａの内壁において反射し得る。よって、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ａの他方は、配管Ａの内壁で２ｎ回（ｎは正の整数）反射した超音波を受信してもよい。
図１に示す超音波吸収体１０は、配管Ａの外周面に設けられる。具体的には、超音波吸収体１０は、配管Ａの外周面において、少なくとも第１超音波送受信部２０Ａと第２超音波送受信部２０Ｂとの間の領域を覆うように配置され、配管Ａの外周面に密着して固定される。第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂが配管Ａの外周面に直接接触するように、超音波吸収体１０のうちの第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂが配置される部分は、超音波吸収体１０の一部が枠状に切り取られる。また、超音波吸収体１０は、主な材料として、架橋していない、すなわち、未架橋のブチルゴム（ＩＩＲ、イソブチレンとイソプレンとの共重合体）を含んでいる。
図４は、第１超音波送受信部２０Ａから送信された超音波が第２超音波送受信部２０Ｂに受信される様子を説明するための断面図である。図４に示すように、例えば、第１超音波送受信部２０Ａから送信された超音波は、配管Ａを通過（透過）して配管Ａの内部の気体を伝搬する気体伝搬波Ｗ1と、配管Ａの管壁で反射して配管Ａを伝搬する配管伝搬波Ｗ2とに分けられる。気体伝搬波Ｗ1は、再び配管Ａを通過して第２超音波送受信部２０Ｂに到達する。一方、配管伝搬波Ｗ2も、配管Ａの内壁および外壁を複数回反射しながら第２超音波送受信部２０Ｂに到達し得る。図示およびその詳細な説明を省略するが、第１超音波送受信部２０Ａから送信された超音波と同様に、第２超音波送受信部２０Ａから送信された超音波も、気体伝搬波Ｗ1と配管伝搬波Ｗ2とに分けられ、気体伝搬波Ｗ1は配管Ａを通過して第１超音波送受信部２０Ａに到達するとともに、配管伝搬波Ｗ2も配管Ａの内壁および外壁を複数回反射しながら第１超音波送受信部２０Ａに到達し得る。
一般に、一方の媒質を伝搬する音波が、他方の媒質との界面で透過（通過）するか、反射するかは、一方の媒質と他方の媒質との音響インピーダンスの差によって決まる。すなわち、音響インピーダンスの差が小さいほど、一方の配質を伝搬する音波は他方の媒質に透過し、音響インピーダンスの差が大きいほど、一方の配質を伝搬する音波は他方の媒質との界面で反射する傾向がある。
配管Ａの内部を流れる流体が、例えば、液体である場合、液体の音響インピーダンスと、配管の材料、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）などの金属や合成樹脂などの高分子化合物の音響インピーダンスとの差が相対的に小さいので、超音波は、配管Ａを透過（通過）して内部を流れる液体を伝搬する割合（透過率）が多く（大きく）、つまり、配管Ａの管壁で反射する割合（反射率）が少なく（小さく）、配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）は小さい。これに対し、気体の音響インピーダンスは、液体の音響インピーダンスと比較して小さい。そのため、配管Ａの内部を流れる流体が気体である場合、気体の音響インピーダンスと、配管Ａの音響インピーダンスとの差が相対的に大きくなるので、超音波は、配管Ａを透過（通過）して内部を流れる液体を伝搬する割合（透過率）が少なく（小さく）、つまり、配管Ａの管壁で反射する割合（反射率）が多く（大きく）、配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）は大きい。
ここで、超音波の気体伝搬波Ｗ1を受信して伝搬時間を計測し、当該伝搬時間に基づいて流量を測定する超音波流量計において、気体伝搬波Ｗ1は検出すべき信号（新合成分）であり、配管伝搬波Ｗ2は信号に対するノイズ（ノイズ成分）である。そのため、気体伝搬波Ｗ1のエネルギー（大きさ、または強度）に対して配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）が十分に小さくないと、気体伝搬波Ｗ1と配管伝搬波Ｗ2との識別が困難になる。その結果、気体伝搬波Ｗ1と配管伝搬波Ｗ2とを取り違えて伝搬時間の計測を誤り、誤った伝搬時間に基づいて気体の流量を測定してしまう可能性がある。
超音波吸収体１０は、配管Ａの外周に設けられており、配管Ａを伝搬する配管伝搬波Ｗ2を吸収する。また、超音波吸収１０は、前述したように、未架橋のブチルゴムを含んでいる。ここで、未架橋のブチルゴムは、音響インピーダンスの値が配管Ａの材料と近く、かつ、超音波の周波数帯の振動を吸収する能力（吸収性能）が高い。これにより、超音波吸収体１０は、配管Ａを伝搬する過程で配管伝搬波Ｗ2を減衰させることができ、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂに到達する、つまり、受信される配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）を気体伝搬波Ｗ1のエネルギー（大きさ、または強度）に対して十分に小さくする、すなわち、ＳＮ比を向上させることができる。
また、未架橋のブチルゴムは、粘着性および弾性を有する粘弾性体でもある。これにより、超音波吸収体１０は粘着しやすいので、配管Ａの外周に密着して固定することができるとともに、超音波吸収体１０は弾性により変形しやすいので、様々な材料、形状、表面状態の配管Ａに容易に設けることができる。
さらに、未架橋のブチルゴムは、超音波流量計１００の使用環境において、例えば、温度や湿度などについて、十分な耐久性（耐環境性）を有することが実験などで確認された。これにより、超音波吸収体１０は、強度や耐環境性を高めるために、硫黄などを用いた架橋（加硫）を行うことなく、未架橋のブチルゴムを利用することができる。
一般に、超音波は、２０［ｋＨｚ］以上の周波数帯の音波を意味する。よって、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂが送信する超音波は、２０［ｋＨｚ］以上の周波数帯の音波である。好ましくは、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂが送信する超音波は、１００［ｋＨｚ］以上であって２．０［ＭＨｚ］以下の周波数帯の超音波である。より好ましくは、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂが送信する超音波は、０．５［ＭＨｚ］以上であって１．０［ＭＨｚ］以下の周波数帯の超音波である。なお、いずれの場合であっても、第１超音波送受信部２０Ａが送信する超音波と第２超音波送受信部２０Ｂが送信する超音波とは、同一周波数であってもよいし、異なる周波数であってもよい。
図５および図６は、図１に示した受信回路部５３が出力する受信信号のグラフである。図５および図６において、横軸は時間であり、縦軸は振幅（電圧）である。また、図５および図６において、上段は配管Ａの内部を流れる気体の圧力が０．５［ＭＰａ］のグラフであり、下段は配管Ａの内部を流れる気体の圧力が０．３［ＭＰａ］のグラフである。さらに、図５は第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂが送信する超音波の周波数が０．５［ＭＨｚ］のグラフであり、図６は第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂが送信する超音波の周波数が１．０［ＭＨｚ］のグラフである。図５の上段のグラフに示すように、気体の圧力が０．５［ＭＰａ］であって、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂが送信する超音波の周波数が０．５［ＭＨｚ］である場合に、超音波吸収体１０は配管伝搬波Ｗ2を減衰させることができ、演算制御部５５はグラフの中央付近に発生する相対的に振幅の大きい気体伝搬波Ｗ1を識別して検出することができる。また、図６の上段のグラフに示すように、気体の圧力が０．５［ＭＰａ］であって第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂが送信する超音波の周波数が１．０［ＭＨｚ］である場合も同様に、超音波吸収体１０は配管伝搬波Ｗ2を減衰させることができ、演算制御部５５はグラフの中央付近に発生する相対的に振幅の大きい気体伝搬波Ｗ1を識別して検出することができる。
配管Ａの内部を流れる気体の圧力が低い場合、例えば、気体の圧力が０．５［ＭＰａ］より低い場合、気体の音響インピーダンスは圧力に比例するので、配管Ａの音響インピーダンスとの差はさらに大きくなり、気体伝搬波Ｗ1のエネルギー（大きさ、または強度）はさらに小さくなる。しかし、配管Ａの内部を流れる気体の圧力が低い場合、例えば、気体の圧力が０．３［ＭＰａ］の場合であっても、図５および図６の下段のグラフに示すように、超音波吸収体１０は配管伝搬波Ｗ2を減衰させることができ、演算制御部５５はグラフの中央付近に発生する相対的に振幅の大きい気体伝搬波Ｗ1を識別して検出することができる。このように、超音波吸収体１０は、気体伝搬波Ｗ1のエネルギー（大きさ、または強度）が小さい場合であっても、配管伝搬波Ｗ2を十分に減衰させることができ、ＳＮ比を向上させることができる。
図７は、他の超音波吸収体を備える仮想的な超音波流量計の受信信号のグラフである。なお、仮想的な超音波流量計は、超音波吸収体１０とは異なる超音波吸収体を備える点を除き、超音波流量計１００と同様とする。図７において、横軸は時間であり、縦軸は振幅（電圧）である。また、図７において、超音波の周波数は０．５［ＭＨｚ］であり、上段は配管の内部を流れる気体の圧力が０．５［ＭＰａ］のグラフであり、下段は配管の内部を流れる気体の圧力が０．３［ＭＰａ］のグラフである。主な材料としてアスファルトを含む他の超音波吸収体を備えた仮想的な超音波流量計は、図５に示した本実施形態の超音波流量計１００のグラフと比較して、図７に示すように、超音波吸収体が配管伝搬波Ｗ2を十分に減衰させることができず、配管伝搬波Ｗ2と気体伝搬波Ｗ1とを識別するのが困難になる。
図８は、様々な材料の超音波吸収体のＳＮ比を示す表である。図８において、配管Ａの内部を流れる気体の圧力は０．３［ＭＰａ］であり、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂが送信する超音波の周波数は、０．５［ＭＨｚ］である。図８に示すように、アスファルトを含む超音波吸収体を備える場合、気体伝搬波Ｗ1の最大振幅と配管伝搬波Ｗ2の最大振幅との比（以下、ＳＮ比という）は、３．８に止まる。一方、未架橋のブチルゴムを含む超音波吸収体１０を備える場合、ＳＮ比は７．４となって約２倍にまで向上する。
また、一般に、天然ゴムや合成ゴムなどのゴム類（ゴム組成物）は、振動吸収性能が高い。しかしながら、図８に示すように、超音波吸収体の主な材料として、未架橋のブチルゴム以外のゴム類（ゴム組成物）を使用しても、超音波の周波数帯域で配管Ａを流れる気体を伝搬させる場合には、ＳＮ比が向上しないことが分かった。
超音波吸収体１０は、未架橋のブチルゴムのみを含む場合に限定されない。超音波吸収体１０は、未架橋のブチルゴムと混合される所定の混合粒子を含んでいてもよい。これにより、所定の混合粒子として、音響インピーダンスの値が配管Ａの材料と近くなる、および／または、超音波の周波数帯の振動を吸収する能力（吸収性能）を向上させる混合粒子を未架橋のブチルゴムと混合することで、超音波吸収体１０はＳＮ比をさらに向上させることができる。
所定の混合粒子としては、例えば、タングステンなどの金属の粒子、フェライトなどの有機化合物の粒子、または、硫酸バリウムなどの無機化合物の粒子などが挙げられる。
図９は、超音波吸収体１０のＳＮ比を示す表である。図９において、配管Ａの内部を流れる気体の圧力は０．３［ＭＰａ］であり、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂが送信する超音波の周波数は、０．５［ＭＨｚ］である。図９に示すように、未架橋のブチルゴムのみを含む超音波吸収体１０を備える場合、前述したように、ＳＮ比は７．４である。一方、超音波吸収体１０が、所定の混合粒子１１として、フェライトをさらに含む場合には８．９に、タングステンをさらに含む場合には１１．７に、硫酸バリウムをさらに含む場合には３４．２に、未架橋のブチルゴムのみを含む超音波吸収体１０と比較して、それぞれＳＮ比がさらに向上する。
図１では、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂが互いに対向するように、図１において配管Ａの上側に第１超音波送受信部２０Ａを配置し、配管Ａの下側に第２超音波送受信部２０Ｂを配置する例を示したが、これに限定されない。第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂは、配管Ａの上流側と下流側との外周に設けられていればよい。
図１０は、超音波流量計１００の概略構成の他の例を示す構成図である。なお、図１に示した超音波流量計１００と同一構成部分は同一符号をもって表し、その説明を適宜省略する。図１０に示すように、第１超音波送受信部２０Ａは配管Ａにおける上流側（図１０において左側）の外周に、第２超音波送受信部２０Ｂは配管Ａにおける下流側（図１０において右側）の外周に、それぞれ設けられる。第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂは、ともに、図１０において配管Ａの上側に、配管Ａの管軸に平行な直線上に配置される。このような配置の場合、例えば、第１超音波送受信部２０Ａから送信した超音波の気体伝搬波Ｗ1は、配管Ａの内壁で反射されて第２超音波送受信部２０Ｂに到達する反射法（Ｖ法）により受信される。
このように、本実施形態における超音波流量計１００によれば、配管Ａの外周に設けられ、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂにより送信された超音波が配管Ａを伝搬する配管伝搬波Ｗ2を吸収する超音波吸収体１０を備え、超音波吸収体１０が未架橋のブチルゴムを含む。ここで、未架橋のブチルゴムは、音響インピーダンスの値が配管Ａの材料と近く、かつ、超音波の周波数帯の振動を吸収する能力（吸収性能）が高い。これにより、超音波吸収体１０は、配管Ａを伝搬する過程で配管伝搬波Ｗ2を減衰させることができ、第１超音波送受信部２０Ａおよび第２超音波送受信部２０Ｂに到達する配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）を気体伝搬波Ｗ1のエネルギー（大きさ、または強度）に対して十分に小さくする、すなわち、ＳＮ比を向上させることができる。したがって、超音波流量計１００は、気体伝搬波Ｗ1と配管伝搬波Ｗ2とを容易に識別することができ、気体の流量を正確に測定することができる。特に、配管Ａの内部を流れる気体の圧力が低い場合に、気体伝搬波Ｗ1のエネルギー（大きさ、または強度）は相対的に小さくなるが、超音波吸収体１０は、気体の圧力が低い場合でもＳＮ比を向上させることができるので、超音波流量計１００は、圧力の低い気体の流量を正確に測定することができる。
また、未架橋のブチルゴムは、粘着性および弾性を有する粘弾性体でもある。これにより、超音波吸収体１０は粘着しやすいので、配管Ａの外周に密着して固定することができるとともに、超音波吸収体１０は弾性により変形しやすいので、様々な材料、形状、表面状態の配管Ａに容易に設けることができる。
さらに、未架橋のブチルゴムは、超音波流量計１００の使用環境において、例えば、温度や湿度などについて、十分な耐久性（耐環境性）を有することが実験などで確認された。これにより、超音波吸収体１０は、強度や耐環境性を高めるために、硫黄などを用いた架橋（加硫）を行うことなく、未架橋のブチルゴムを利用することができる。
また、本実施形態における超音波流量計１００によれば、超音波吸収体１０が未架橋のブチルゴムと混合される所定の混合粒子をさらに含む。これにより、所定の混合粒子として、音響インピーダンスの値が配管Ａの材料と近くなる、および／または、超音波の周波数帯の振動を吸収する能力（吸収性能）を向上させる混合粒子を未架橋のブチルゴムと混合することで、超音波吸収体１０はＳＮ比をさらに向上させることができる。
また、本実施形態における超音波流量計１００によれば、所定の混合粒子がタングステンである。これにより、ＳＮ比をさらに向上させる超音波吸収体１０を容易に実現（構成）することができる。
また、本実施形態における超音波流量計１００によれば、所定の混合粒子がフェライトである。これにより、ＳＮ比をさらに向上させる超音波吸収体１０を容易に実現（構成）することができる。
また、本実施形態における超音波流量計１００によれば、所定の混合粒子が硫酸バリウムである。これにより、ＳＮ比をさらに向上させる超音波吸収体１０を容易に実現（構成）することができる。
また、本実施形態における超音波流量計１００用の超音波吸収体１０は、配管Ａの外周に設けられ、配管における上流側の外周から送信された超音波および配管における下流側の外周から送信された超音波が配管Ａを伝搬する配管伝搬波Ｗ2を吸収し、未架橋のブチルゴムを含む。ここで、未架橋のブチルゴムは、音響インピーダンスの値が配管Ａの材料と近く、かつ、超音波の周波数帯の振動を吸収する能力（吸収性能）が高い。これにより、超音波吸収体１０は、配管Ａを伝搬する過程で配管伝搬波Ｗ2を減衰させることができ、受信される配管伝搬波Ｗ2のエネルギー（大きさ、または強度）を気体伝搬波Ｗ1のエネルギー（大きさ、または強度）に対して十分に小さくする、すなわち、ＳＮ比を向上させることができる。したがって、超音波流量計１００は、気体伝搬波Ｗ1と配管伝搬波Ｗ2とを容易に識別することができ、気体の流量を正確に測定することができる。特に、配管Ａの内部を流れる気体の圧力が低い場合に、気体伝搬波Ｗ1のエネルギー（大きさ、または強度）は相対的に小さくなるが、超音波吸収体１０は、気体の圧力が低い場合でもＳＮ比を向上させることができるので、超音波流量計１００は、圧力の低い気体の流量を正確に測定することができる。
また、未架橋のブチルゴムは、粘着性および弾性を有する粘弾性体でもある。これにより、超音波吸収体１０は粘着しやすいので、配管Ａの外周に密着して固定することができるとともに、吸音体１０は弾性により変形しやすいので、様々な材料、形状、表面状態の配管Ａに容易に設けることができる。
さらに、未架橋のブチルゴムは、超音波流量計１００の使用環境において、例えば、温度や湿度などについて、十分な耐久性（耐環境性）を有することが実験などで確認された。これにより、超音波吸収体１０は、強度や耐環境性を高めるために、硫黄などを用いた架橋（加硫）を行うことなく、未架橋のブチルゴムを利用することができる。
なお、前述した実施形態の構成は、組み合わせたり、あるいは一部の構成部分を入れ替えたりしたりしてもよい。また、本実施形態の構成は前述した実施形態のみに限定されるものではなく、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。
１０…超音波吸収体
２０Ａ…第１超音波送受信部
２０Ｂ…第２超音波送受信部
２１…くさび
２１ａ…底面
２１ｂ…斜面
２２…圧電素子
５０…本体部
５１…切替部
５２…送信回路部
５３…受信回路部
５４…計時部
５５…演算制御部
５６…入出力部
１００…超音波流量計
Ａ…配管
Ｗ1…気体伝搬波
Ｗ2…配管伝搬波
２０Ａ…第１超音波送受信部
２０Ｂ…第２超音波送受信部
２１…くさび
２１ａ…底面
２１ｂ…斜面
２２…圧電素子
５０…本体部
５１…切替部
５２…送信回路部
５３…受信回路部
５４…計時部
５５…演算制御部
５６…入出力部
１００…超音波流量計
Ａ…配管
Ｗ1…気体伝搬波
Ｗ2…配管伝搬波
Claims (5)
- 内部を気体が流れる配管における上流側の外周に設けられ、超音波の送信および受信を行う第１の超音波送受信部と、
前記配管における下流側の外周に設けられ、超音波の送信および受信を行う第２の超音波送受信部と、
前記第１の超音波送受信部から送信された前記超音波が前記第２の超音波送受信部に受信されるまでの時間と、前記第２の超音波送受信部から送信された前記超音波が前記第１の超音波送受信部に受信されるまでの時間とに基づいて、前記気体の流量を測定する本体部と、
前記配管の外周に設けられ、前記超音波が前記配管を伝搬する配管伝搬波を吸収する超音波吸収体と、を備え、
前記超音波吸収体は、実質的に、１００ｋＨｚ以上であって２．０ＭＨｚ以下の周波数帯の前記超音波を吸収する未架橋のブチルゴムからなる、
超音波流量計。 - 前記超音波吸収体は、実質的に、所定の混合粒子と混合された前記未架橋のブチルゴムからなる、
請求項１に記載の超音波流量計。 - 前記所定の混合粒子は、タングステンである、
請求項２に記載の超音波流量計。 - 前記所定の混合粒子は、フェライトである、
請求項２に記載の超音波流量計。 - 前記所定の混合粒子は、硫酸バリウムである、
請求項２に記載の超音波流量計。
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