JP6556961B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波流量計に関する。

従来より、気体や液体のような流体物を通過させる流路内の上流側と下流側に一対の超音波素子を配置し、一方からの超音波信号の伝播時間と、他方からの超音波信号の伝播時間の差から、流体の流量を計測する超音波流量計が知られている。

例えば、図１５に示すように特許文献１に示す超音波流量計１０１では、計測流路を構成する直線状の円筒の管１０２の側面に長手方向に沿って上流側と下流側に外部に開口した一対のセンサ挿入孔１０３、１０４内に超音波センサ１０５、１０６をそれぞれ内部に向けて配置する。一対のセンサ挿入孔１０３、１０４の間の管１０２の内部には流速を速める縮径管１０７を備える。超音波センサ１０５、１０６から管１０７内に発せられた超音波信号を縮径管１０７の内径全体を超音波信号が通るように管１０７の中心軸線に沿って直交方向に反射させるため、一対の反射面１０８、１０９を管の計測流路中心線ＣＬ１００に沿って備える。反射面１０８、１０９の間の計測流路中心線ＣＬ１００に沿って超音波信号の送受波が行われ、流体の流れに沿った順方向の超音波信号の伝播時間と、流体の流れに逆らった逆方向の超音波信号の伝播時間との差に基づいて、計測流路を通過する流体の流速及び流量を計測する。

また、図１６に示すように特許文献２に示す超音波流量計２０１では、計測流路を構成する円筒状のインナースリーブ２０２の両端部にインナースリーブ２０２の計測流路中心線ＣＬ２００方向に対して斜め前方と斜め後方に突出した一対のセンサ保持部２０３、２０４が設けられている。それら一対のセンサ保持部２０３、２０４に超音波センサ２０５、２０６が保持されている。そして、超音波センサ２０５、２０６の間、即ち、計測流路を斜めに横切る方向で超音波信号の送受波が行われ、流体の流れに沿った順方向の超音波信号の伝播時間と、流体の流れに逆らった逆方向の超音波信号の伝播時間との差に基づいて、計測流路を通過する流体の流速及び流量を計測する。

中国実用新案公告第２０４８８１９２３号明細書 特開２０１４−７１０５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載した発明では、流路内を通過する流体の全体の速度を超音波で測定するために縮径管１０７を備え、計測流路中心線ＣＬ１００に沿って縮径管１０７の内径を全部カバーするように反射面１０８、１０９が配置される。そのため、反射面１０８、１０９が計測流路の流れを妨げるように配置されることになって流路抵抗が大きくなり、超音波流量計としては圧力損失が大きくなるという問題があった。

一方、特許文献２に記載した発明では、一対の超音波センサ２０５、２０６は、インナースリーブ２０２を斜めに横切る方向で配置されて超音波信号の送受波が行われるため、インナースリーブ２０２の流れを妨げにくく、かつ流路全体の流量を測定できる。

ところが、一対の超音波センサ２０５、２０６が、計測流路を斜めに横切る方向で配置されるためには、インナースリーブ２０２の中心軸を挟んで対向する方向から、斜めに超音波センサ２０５，２０６から送出される超音波信号の射出方向を正確に保持するため、センサ保持部２０３、２０４の形状を精度高く加工する必要がある。この場合インナースリーブ２０２に斜めにセンサ保持部２０３、２０４を形成するには、対向する方向からの加工が必要となる。そのため、一般に加工時にワークを保持するチャックを持ち替えたり、ステージを回転させたりするので、加工が複雑になるばかりか、座標位置の基準となるワークの移動により工作精度が下がり正確な方向に超音波信号が射出できなくなることもある。超音波信号の射出方向が不正確になると伝播される超音波信号を受信した際に十分な波高が得られないことがあり、その場合はＳ／Ｎ比が低下するなどして測定精度が低下する原因となる。

本発明の課題は、その製造が容易であり、かつ圧力損失が小さく、測定精度が高い超音波流量計を提供することにある。

上記課題を解決するため、本願に係る超音波流量計は、測定対象である流体を通過させる計測流路を備えた筒状の管本体と、当該流体が流れる前記管本体の上流位置と下流位置とにそれぞれ配置され相互に超音波信号を伝播させる一対の超音波センサとを備え、一方の超音波センサから他方の超音波センサまでの超音波信号の伝播時間と、他方の超音波センサから一方の超音波センサまでの超音波信号の伝播時間との到達時間差から測定対象である流体の流量を測定する超音波流量計であって、前記管本体は、前記計測流路と連通する計測空間を含み、当該計測空間は、前記一対の超音波センサの超音波伝播経路を規定し、前記超音波伝播経路は、前記計測流路の中心軸に対して斜めに交差する中心軸を有し、前記超音波流量計はさらに、前記一対の超音波センサを保持する一対の超音波センサユニットと、一対の超音波センサユニットを保持する一対の超音波センサユニット保持部とを備え、前記一対の超音波センサユニット保持部は、前記計測流路の中心軸を含む面と直交する方向に開口し、前記一対の超音波センサユニットを同一方向から挿入して保持可能な開口部を含む。

また、好ましくは、一対の超音波センサユニットは、超音波センサが超音波伝播経路の中心軸に沿った方向に超音波信号を送出するように超音波センサユニット保持部に配置されてもよい。

また、一対の超音波センサユニットは、超音波センサユニットの挿入方向に超音波信号を送出するように超音波センサユニット保持部に配置されるとともに、この超音波センサから送出された超音波信号を超音波伝播経路の中心軸に沿った方向に反射させる一対の反射部材を備えてもよい。

また、一対の超音波センサユニットは、計測流路の中心軸に対して対向する側に配置され、計測流路の中心軸に対して斜めに交差する中心軸を有する超音波伝播経路を形成してもよい。

また、一対の超音波センサユニットは、計測流路の中心軸に対して対向する側に配置され、計測流路の中心軸に対して斜めに交差するとともに、超音波センサユニット保持部の開口方向の中心軸を含む面に沿って計測空間内で反射して複数の軸を有する屈曲した超音波伝播経路を形成してもよい。

また、一対の超音波センサユニットは、計測流路の中心軸に対して同一の側に配置され、計測流路の中心軸に対して斜めに交差するとともに、計測流路の中心軸を含む面と直交する面に沿って計測空間内を反射して複数の軸を有する屈曲した超音波伝播経路を形成してもよい。

また、一対の超音波センサユニットは、計測流路の中心軸に対して対向する側に配置され、計測流路の中心軸に対して斜めに交差するとともに、計測流路の中心軸を含む面と直交する面に沿って計測空間内を反射して複数の軸を有する屈曲した超音波伝播経路を形成してもよい。

また、計測流路の中央部に縮径部を設けてもよい。また、管本体は、その縮径部の両端部にこの縮径部より内径が大きい拡径部を含んでもよい。この場合、超音波センサユニット保持部を拡径部に配置するようにしてもよい。

また、一対の超音波センサユニット保持部の中心軸間の距離を一定として、計測流路の中心軸方向と計測空間の中心軸とが交差する角度は、到達時間差が、予め設定された最小流量時において予め設定した値を超えるとともに、圧力損失が予め設定された数値を超えないように設定してもよい。この場合、流体が液体であれば交差する角度を５〜７０°としてもよい。

また、超音波センサユニットは、反射部材なしで超音波センサを計測空間に保持する超音波センサ保持部を備えてもよい。あるいは、超音波センサユニットは、超音波センサ保持部と、反射部材を保持する反射部材保持部とを備えてもよい。

また、超音波センサユニット保持部の開口部は挿入方向から見て円形であり、超音波センサユニットは、挿入方向から見て円形の輪郭を有して超音波センサユニット保持部に嵌合されてもよい。また、超音波センサユニットおよび超音波センサユニット保持部は、超音波センサから送出された超音波信号を超音波伝播経路に伝播させる位置に超音波センサユニットを位置決めするとともに当該超音波センサユニットの回転を規制する位置規制構造を備えてもよい。

また、超音波センサユニットは、超音波センサユニット保持部への超音波センサユニットの挿入時に超音波センサユニット保持部に当接して超音波センサユニットの挿入方向における高さ位置を決定する高さ位置決定部を備えてもよい。

また、位置規制構造は、超音波センサユニットの反射板保持部から下方に延びる突起と、超音波センサユニット保持部の底面に形成され、突起が嵌入される穴とで構成されてもよい。

また、超音波センサユニット保持部は、超音波センサ保持部を支持する段差部を含んでもよい。この場合、位置規制構造はさらに、超音波センサ保持部から下方に突出する突部と、超音波センサユニット保持部の段差部に形成され、突部が嵌入される穴とで構成されてもよい。

また、反射部材は、反射板と、その反射板を保持する反射板保持部とを含んでもよい。この場合、反射板保持部の背面を板状に形成してもよい。あるいは、反射板保持部は、傾き４５度の斜面を上面として有する円柱によって形成され、この円柱の斜面に反射板を保持してもよい。あるいは、反射板保持部の背面を半球状に形成してもよい。

また、超音波センサユニットは、反射部材の背面を挿入方向に沿って覆うように形成された壁面を備えてもよい。
また、反射部材が、反射板と反射板保持部とを含む場合、反射板が反射板保持部に熱かしめにより一体化されてもよい。

本発明によれば、その製造が容易であり、かつ圧力損失をより小さくでき、測定精度を高めることができる。

第１の実施形態の超音波流量計の使用状態を示す斜視図。 第１の実施形態の超音波流量計の分解斜視図。 第１の実施形態の超音波流量計のＡ−Ａ水平断面図。 第１の実施形態の超音波流量計の計測空間Ｂ−Ｂ垂直断面図。 第１の実施形態の超音波センサユニット。（ａ）斜視図、（ｂ）側面図、（ｃ）平面図。 （ａ）第１の実施形態の超音波センサユニット、（ｂ）超音波センサユニット保持部の位置決め構成を示す。 （ａ）到達時間差を説明する模式図、（ｂ）交差角θが小さい場合の伝播速度を説明する模式図、（ｃ）交差角θが大きい場合の伝播速度を説明する模式図。 （ａ）〜（ｃ）超音波センサユニットの反射部材の変形例を示す図。 第２の実施形態の超音波流量計の斜視図。 第２の実施形態の超音波流量計のＣ−Ｃ水平断面図。 第３の実施形態の超音波流量計の計測空間の垂直断面図。 第４の実施形態の超音波流量計の分解斜視図。 第５の実施形態の超音波流量計の水平断面図。 第６の実施形態の超音波流量計の水平断面図。 従来技術１の超音波流量計を示す断面図。 従来技術２の超音波流量計を示す断面図。

（第１の実施形態）
以下、本発明の一実施形態を図１〜８に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の超音波流量計１の使用状態を示す斜視図であり、周辺との接続関係の例も示す。図２は、本実施形態の超音波流量計１の分解斜視図を示す。図３は、図１のＡ−Ａ断面であり、管本体２の計測流路中心線ＣＬ１に沿った水平断面図である。図４は、図３のＢ−Ｂ断面であり、計測空間中心線ＣＬ２に沿った垂直断面図である。なお、本願においては構成の説明の便宜上、図示された姿勢において鉛直や水平の語を説明に用いるが、いうまでもなく実際の超音波流量計の設置の姿勢はこれに限定されるものではない。

（超音波流量計１の全体構成）
図１に示すように本実施形態の超音波流量計１は、管本体２を備え、例えば金属、実施形態ではステンレススチールから構成されている。管本体２は測定対象である流体Ｆ、例えばこの実施形態では熱量供給用の温水を通過させる流路管１０を備える。また、この流路管１０と斜めに交差する計測管２０を備え、計測管２０の両端部には超音波センサ５０を備えた超音波センサユニット保持部３０が設けられている。

（計測流路１５）
図３に示すように、管本体２の流路管１０は、上流側（図１〜３において左側）に開口する流入口１１と、その周囲のフランジ部１２を備えるとともに、下流側に開口する流出口１３と、その周囲のフランジ部１４とを備える。流路管１０は、管本体２の内部に流入口１１から流入した温水を通過させ流出口１３から流出させる計測流路１５を形成する。超音波流量計１の内部において、流入口１１の上流側の端部には円筒状の空間が形成されている。流入口１１の下流側の端部から下流側に行くにしたがって内径が狭まるテーパ部１６が続く。そして、流路管１０の中央部にはテーパ部１６のもっとも小さな内径と同径の空間を有した円筒形の縮径部１７が形成されている。そして、縮径部１７の下流側の端部には、下流に行くにしたがって径が拡がるテーパ部１８が連続して設けられ、テーパ部１８のもっとも大きな内径と同径の円筒状の流出口１３が下流側に開口している。流路管１０の上流側と下流側は、対称な形状となっている。また、流入口１１、流出口１３には、管接続のための周知の加工がなされているが、詳細な説明は省略する。

（計測空間２１）
管本体２の計測流路中心線ＣＬ１に対してこれを含む水平面において交差角θで斜めに交差する計測空間中心線ＣＬ２を有する計測空間２１を形成する円筒形の計測管２０が形成されている。計測空間２１は、超音波センサ５０、５０（図１）から送受信される超音波信号ＵＳが伝播される超音波伝播経路２２を形成する。

計測管２０内部の計測空間２１は管本体２内で計測流路１５を斜めに横断するように形成され、計測流路１５と計測空間２１は連通するように形成されている。計測空間２１は、管本体２の計測流路１５を形成する縮径部１７と同径の内径を有する。計測管２０の両端部は管本体２の計測流路中心線ＣＬ１に対して対向する側に配置され、超音波センサユニット保持部３０がテーパ部１６、１８より管本体２の長手方向内側の縮径部１７の一部に飛び出すように配置される。

（超音波センサユニット保持部３０）
図４に示すように、計測空間２１の両端部には、それぞれ超音波センサユニット保持部３０が形成されている。超音波センサユニット保持部３０は、計測空間２１と連通する筒部３１からなり、計測空間中心線ＣＬ２と直交する鉛直方向の超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３を中心とした上部が開放した有底円筒状の空間として形成されている。すなわち、超音波センサユニット保持部３０、３０の中心線ＣＬ３、ＣＬ３は、相互に平行で、超音波センサユニット保持部３０、３０は、同じ垂直方向上側に開口している。超音波センサユニット保持部３０、３０の内径は計測空間２１の内径よりも大きな内径となっている。超音波センサユニット保持部３０、３０の底面３２、３２は、水平な平面として形成され、計測空間２１のもっとも低い位置より低く掘り下げるように形成されている。超音波センサユニット保持部３０は、詳細にはその上部と下部が同心異径の円筒形の形状となっており、上端から３分の１あたりまでの上部の内面である上部内壁面３４の内径は、それより下部の下部内壁面３５の内径より大きく形成されている。そして、上部内壁面３４と下部内壁面３５との境界部分は、ドーナツ状の水平な平面として形成された段差部３３となっている。

図２に示すように、超音波センサユニット保持部３０、３０には、超音波センサユニット４０を介して超音波センサ５０及び反射板４４が所定の位置に保持される。
（超音波センサユニット４０）
図５（ａ）は、超音波センサユニット４０の斜視図であり、図５（ｂ）は、計測空間中心線ＣＬ２と直交する方向から見た超音波センサユニット４０の側面図、図５（ｃ）は、超音波センサユニット４０の平面図である。

図５（ａ）に示すように、超音波センサユニット４０は、周方向の断面が長方形をなす水平な円環状の嵌合リング４１と、この嵌合リング４１の直径方向で対向する位置に、やや内側にオフセットされて下方に舌状に延びる一対の反射部材保持部４２、４２を備える。嵌合リング４１は、超音波センサ５０を保持する超音波センサ保持部として機能する。また、超音波センサユニット４０は、反射部材保持部４２、４２の下端内側間に設けられた反射板保持部４３と、ここに保持された反射板４４を備える。反射板４４は、図５（ｂ）に示すように側面視では計測空間中心線ＣＬ２と４５度の傾きをもっている。

図６（ａ）に示す嵌合リング４１の下面４１ｂはドーナツ状の環状の水平面とされ、図２に示す段差部３３に対応するように当接し（図４参照）、高さ方向に嵌合リング４１が正確に位置決めされる。従って、嵌合リング４１は、超音波センサユニット４０の挿入方向における高さ位置を決定する高さ位置決定部としても機能する。

図６（ａ）に示すように、嵌合リング４１の側面４１ａの外径は、上部内壁面３４（図４）の内径よりわずかに小さく、上部内壁面３４内に嵌入された嵌合リング４１の側面４１ａは、上部内壁面３４とほぼ隙間なく当接して位置決めされる。

嵌合リング４１の下方に舌状に延びる一対の反射部材保持部４２、４２は、嵌合リング４１の内側からさらに内側にオフセットされ、下部内壁面３５に沿ってほぼ当接するように延びる構成とされている。

反射部材保持部４２、４２の下端内側間には反射板保持部４３がステンレススチールなどの金属製の反射板４４（図５（ａ）参照）を保持している。反射板４４は、図５（ａ）〜５（ｃ）に示すように鉛直線から４５度傾けられた楕円の板状に形成され、図５（ｃ）に示す平面視（超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３上側からの鉛直下向きの視点）及び図示しないが計測空間中心線ＣＬ２の方向から見た正面視のいずれから見ても概ね円形になるように構成されている。そして、反射板４４は、超音波信号ＵＳを超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３に沿った方向から正確に計測空間中心線ＣＬ２に沿った方向に反射させるとともに、計測空間中心線ＣＬ２に沿った方向から正確に超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３に沿った方向に反射させるように構成されている。

そして、この反射板４４を正確な位置に保持するための反射板保持部４３が反射部材保持部４２、４２の間に設けられる。本実施形態では、反射板保持部４３とここに保持された反射板４４が反射部材を構成している。本実施形態では嵌合リング４１、反射部材保持部４２、４２、反射板保持部４３は、樹脂で一体成形されている。そして、反射板４４は、反射板保持部４３にインサート成形されて反射板保持部４３と反射板４４も一体に成形されている。なお、これらは、別々に成形して組み合わせることは妨げないが、一体成形とすることで、各要素の位置的な関係を正確に特定しやすい。

（位置規制構造）
図６（ａ）に示すように、嵌合リング４１の下面４１ｂのうち計測空間２１に近い位置には、下方に突出する突部からなる上部位置被規制部４５が嵌合リング４１と一体に形成されている。

図６（ｂ）に示すように、超音波センサユニット保持部３０の段差部３３のうち計測空間２１に近い位置には、上部位置被規制部４５がずれなく嵌入される穴状の上部位置規制部３７が凹設される。

図６（ａ）に示すように、反射板保持部４３の反射板４４と反対の背面には、鉛直下方に延びる棒状の突起からなる底部位置被規制部４６が設けられている。
図６（ｂ）に示すように、超音波センサユニット保持部３０の底面３２の計測空間２１と反対側には、底部位置被規制部４６がずれなく嵌入される穴状の底部位置規制部３６が凹設される。

（超音波センサユニット４０の装着）
図２に示すように、超音波センサユニット保持部３０に超音波センサユニット４０を挿入すると、嵌合リング４１の下面４１ｂと段差部３３とが当接し、これにより嵌合リング４１の鉛直方向の位置が決まるとともに嵌合リング４１が水平に載置される。嵌合リング４１の側面４１ａと上部内壁面３４により嵌合リング４１の水平方向の位置が決まる。そして、超音波センサユニット４０の上部位置被規制部４５と段差部３３の上部位置規制部３７（図６（ｂ））と、超音波センサユニット４０の底部位置被規制部４６と底面３２の底部位置規制部３６（図４）とにより、反射板４４の水平面における回転方向の向きが決まる。すなわち、超音波センサユニット保持部３０に超音波センサユニット４０を挿入するだけで、超音波センサユニット保持部３０に対する超音波センサユニット４０の高さ、水平位置、向きが正確に決まる。

図２、図４に示すように、超音波センサ５０の下部が超音波センサユニット４０の嵌合リング４１の内部に嵌めこまれる。このとき、超音波センサ５０は、嵌合リング４１を介して段差部３３により鉛直高さ方向の位置が簡単かつ正確に決まるとともに正確に水平に載置される。

図４に示すように、超音波センサ５０が超音波センサユニット保持部３０に挿入されるだけで、超音波センサ５０の側面が超音波センサユニット保持部３０の上部内壁面３４に当接して超音波センサ５０の水平位置が簡単かつ正確に決まる。なお、図示しない超音波センサの超音波素子は、その底面の中央部に配置されているため、超音波センサ５０の回転方向によってはその位置は変化しないので、位置ずれは生じない。

なお、超音波センサユニット４０や超音波センサ５０を超音波センサユニット保持部３０に固定するためのねじなどの固定部材やカバー部材、気密性を高めるシール部材などの周知の構成については、適宜適用されるものとして説明を省略する。

（交差角θ）
次に、図３、図４、図７（ａ）〜７（ｃ）に基づいて、計測流路中心線ＣＬ１と計測空間中心線ＣＬ２との交差角θについて説明する。

図７（ａ）は、本実施形態の到達時間差を説明する模式図である。一対の超音波センサ５０と一対の反射板４４による超音波伝播経路２２を模式的に示す。超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３に沿った超音波センサ５０から反射板４４までの距離をｘ_１、ｘ_２として、一対の超音波センサユニット保持部３０の超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３、ＣＬ３間の離間距離Ｌを一定とすると、超音波伝播距離＝Ｌ＋ｘ_１＋ｘ_２となる。管本体２の計測流路中心線ＣＬ１方向と計測空間中心線ＣＬ２とが交差する交差角θは、到達時間差Δｔが、予め設定された最小流量時において予め設定した値を超えるとともに、最大流量時に圧力損失が予め設定された数値を超えないように設定される。

図３に示すように、本実施形態では、一対の超音波センサユニット保持部３０の超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３の離間距離Ｌ、言い換えると計測空間中心線ＣＬ２に沿った超音波伝播距離について一定とすることにしている。その理由は、この離間距離Ｌを一定とすることで、計測流路の管径が異なる場合であっても、一対の超音波センサ５０からの信号を受信し解析し表示する外部機器を一対の超音波センサユニット保持部３０、３０に共通して装着できるからである。

一方、超音波流量計（特に取引に用いられる計器として超音波流量計）に公的な規格が課せられることがある。すなわち、条件１「計測精度が求められる（計測精度の為に、十分な到達時間差を得られること）」、条件２「圧力損失が規格以内であること」が求められる。

そこで、本実施形態では、このような条件を満たす交差角θを求めるため、以下のような構成としている。
（条件１：「計測精度が求められる」（計測精度の為に、十分な到達時間差を得られること））
特に、最小流量の場合に計測流路１５内の流速ｖ_ｆが最も遅くなるので、この時の到達時間差Δｔが測定器の分解能以上であることが問題となる。

図７（ａ）を参照して、条件１を満たすため、まず、交差角θ＝０としたときの「到達時間差Δｔ」の算出を説明する。到達時間差Δｔは、以下の式により算出する。
Δｔ＝２Ｌｖ_ｆ／ｃ^２
ここで、Δｔ：到達時間差、ｃ：音速（流体内の音速）、ｖ_ｆ：流速（計測流路中心線ＣＬ１と平行な向きの流体の流速）、Ｌ：離間距離（超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３-ＣＬ３間の離間距離）である。

ｔ_ｄ：上流から下流に向けて発信した時の到達時間
＝(ｘ_１／ｃ)＋(ｘ_２／ｃ)＋Ｌ／(ｃ＋ｖ_ｆ)
ｔ_ｕ：下流から上流に向けて発信した時の到達時間
＝(ｘ_１／ｃ)＋(ｘ_２／ｃ)＋Ｌ／(ｃ−ｖ_ｆ)
を用いると、到達時間差Δｔは、次式で表される。

Δｔ＝ｔ_ｕ −ｔ_ｄ
＝Ｌ／(ｃ−ｖ_ｆ)−Ｌ／(ｃ＋ｖ_ｆ)
＝(Ｌ(ｃ＋ｖ_ｆ)−Ｌ(ｃ−ｖ_ｆ))／(ｃ−ｖ_ｆ)(ｃ＋ｖ_ｆ)
＝２Ｌｖ_ｆ／(ｃ^２−ｖ_ｆ ^２)
ｃ＞＞ｖ_ｆより
Δｔ＝２Ｌｖ_ｆ／ｃ^２
すなわち、到達時間差Δｔは、流速ｖ_ｆと比例する。

（超音波信号の伝播速度ｖ_ｄ、ｖ_ｕ）
しかしながら、ｃ：音速、ｖ_ｆ：流速、Ｌ：離間距離を一定としても（厳密にいえば、超音波伝播経路が曲線となるためＬは変化するが、ここでは無視できる。）、実際の超音波信号の伝播速度は、交差角θが変化すると、流速ｖ_ｆが音速ｃに与える影響が変化するため変化する。

すなわち、上流から下流に向けて発信した時の伝播速度ｖ_ｄ、下流から上流に向けて発信した時の伝播速度ｖ_ｕは、流速ｖ_ｆの交差角θでの伝播方向の速度ベクトルと音速ｃの速度ベクトルとの和となる。

ｖ_ｄ＝ｃ＋ｖ_ｆ・cosθ
ｖ_ｕ＝ｃ−ｖ_ｆ・cosθ
図７（ｂ）に示すように、交差角θがゼロに近い時には、伝播速度ｖ_ｕはｃ−ｖ_ｆに近づき、伝播速度ｖ_ｄはｃ＋ｖ_ｆに近づくため、速度差は２ｖ_ｆに近づく。

一方、図７（ｃ）に示すように交差角θが大きくなると、ｖ_ｆ・cosθがゼロに近づくため、伝播速度ｖ_ｕと伝播速度ｖ_ｕはいずれも、音速ｃに近づき、速度差はゼロに近づく。

ここで、Δｔ：到達時間差、ｃ：音速、Ｌ：超音波伝播距離として、
ｖ_ｄ：上流から下流に向けて発信した時の伝播速度
ｖ_ｕ：下流から上流に向けて発信した時の伝播速度
ｔ_ｄ：上流から下流に向けて発信した時の到達時間
＝(ｘ_１／ｃ)＋(ｘ_２／ｃ)＋Ｌ／ｖ_ｄ
ｔ_ｕ：下流から上流に向けて発信した時の到達時間
＝(ｘ_１／ｃ)＋(ｘ_２／ｃ)＋Ｌ／ｖ_ｕ
を用いると、到達時間差Δｔは、次式で表される。

Δｔ＝ｔ_ｕ −ｔ_ｄ
＝Ｌ／ｖ_ｕ−Ｌ／ｖ_ｄ
＝Ｌ（１／ｖ_ｕ−１／ｖ_ｄ)
ここで、cosθがゼロ、すなわちθ＝９０°に近づけば、ｖ_ｕ≒ｖ_ｄ≒ｃとなり、到達時間差Δｔは小さくなってゼロに近づき、流量の測定が困難となる。

したがって、交差角θは、仕様の最小流量の時に、十分な到達時間差Δｔが満たされる範囲とする必要がある。
（条件２：圧力損失が規格以内であること）
圧力損失は、一般に最大流量のときが最大になるが、流体の種類、管本体２の形状・材質、反射部材保持部４２の形状や位置、乱流や層流の発生状態など、スペックだけでは算出できないため、実験若しくはシミュレーションによる流体解析により算出する。一般的には、交差角θが大きいほど流路抵抗が小さくなる傾向がある。一般に、取引用の超音波流量計においては、規格により圧力損失が定められている。

（本実施形態の交差角θ）
以上のように条件１と条件２を満たす交差角θを決定する。
以上のような理由から、本実施形態においては、例えば温水による熱量供給のカロリメータとして使用する超音波流量計であり、条件１及び条件２を満たすために交差角θを５〜７０°に設定している。もちろん上記範囲内で、必要に応じて、到達時間差Δｔか圧力損失かのいずれかを重視するような設計としてもよい。

（製造方法）
続いて、本実施形態の超音波流量計１の製造方法について説明する。
本実施形態の超音波流量計１の管本体２は、ステンレススチールを鋳造して製造する。その後、安全のための面取りや、精度を確保したり、流路抵抗を下げたりするために、切削・研削・研磨等を行う。

特に、管本体２に対する超音波センサ５０と反射板４４の位置は、測定精度を確保するために極めて重要である。このため、超音波センサユニット保持部３０は、リーマや砥石等で正確に加工される。

本実施形態では、鋳造後の管本体２は、図１に示すような姿勢でリーマや研削盤等の工作機械のステージにチャックや治具を用いてワークとして所定の位置に固定される。この時、例えば超音波センサユニット保持部３０を鉛直上方に開口する姿勢とする。また、管本体２の流路管１０と計測管２０が水平になるようにする。そして、一方の超音波センサユニット保持部３０を、工具を鉛直下方に向けて移動させて加工する。続いて、他方の超音波センサユニット保持部３０を、工具を水平移動して鉛直下方に向けて移動させて加工する。いずれも鉛直上方に開口しているので、管本体２は、工作機械のステージに治具を用いて所定の位置に固定したまま、超音波センサユニット保持部３０の工具の加工方向の角度を精密に割り出す必要もなく、そのまま、工具の水平位置のみ平行移動して移動して加工をする。この場合、一方の超音波センサユニット保持部３０と他方の超音波センサユニット保持部３０は、管本体２を固定したままで移動がなく、工具の水平移動のみであるので工作機械の精度を最大限に活かした加工が可能となる。

また、工数の面からもチャックによるワークの持ち替えなどの作業も不要となり、加工の工数の低減も可能となる。
このため、一方の超音波センサユニット保持部３０と他方の超音波センサユニット保持部３０は、相互に高度な精度で平行な関係を維持できる。また、水平に載置された管本体２の流路管１０と計測管２０の中心線を含む面に対しても、高い精度で垂直な位置関係とすることができる。このことは、高精度な超音波流量計の前提として重要な構成となる。

次に、図２に示すように表面や内部の加工が終了した管本体２に対して、超音波センサユニット４０を装着する。超音波センサユニット４０は、反射板４４が既にインサート成形された反射板保持部４３を含め、全体が樹脂で正確に一体成形されている。このため、嵌合リング４１と反射板４４との位置関係は正確に維持されている。この反射板４４がインサート成形された超音波センサユニット４０を超音波センサユニット保持部３０に挿入する。挿入するだけで、前述のように嵌合リング４１が段差部３３と上部内壁面３４とにより位置決めされ、また、上部位置被規制部４５も上部位置規制部３７に嵌合し、超音波センサユニット４０の回転を規制する。さらに図４に示すように底部位置被規制部４６が底部位置規制部３６に嵌合し、超音波センサユニット４０の高さと回転方向の向きを規定する。底部位置被規制部４６は、位置決めのみならず、超音波センサユニット４０を支え、特に反射板４４が流体によって振動等しないように安定させる。

そして、段差部３３に嵌合リング４１を介して超音波センサ５０を固定する。
なお、各種蓋材、シール部材、シール剤、接着剤、スペーサ、ねじなど周知の材料を適宜用いることができるが、その説明は省略する。

（本実施形態の作用）
次に、このように構成された本実施形態の超音波流量計１の作用について説明する。
図１に示すように超音波流量計１は、例えば、暖房等の熱源となる温水の供給流路６の上流側６ａ、下流側６ｂの間に流入口１１と流出口１３が接続されて直列に配置される。配置位置はエルボ管などから離間して流れの安定した位置に取付けられる。取付姿勢は、図示に限定されず管内に気泡等が貯留されないような姿勢とする。このように装着された超音波流量計１の一対の超音波センサユニット保持部３０、３０には、仮想線で示すような表示部５が装着される。

表示部５は、その接続部５ａ、５ｂが、超音波センサユニット保持部３０、３０に気密に接続される。表示部５は、内部の図示を省略するが、超音波センサ５０、５０に電気的に接続され、信号を送受信させて信号を解析し流量を算出する制御部と、流量を表示する表示部５と、流量をデータとして外部に送信する出力部とを内蔵する。表示部５の取付に当たっては、接続部５ａ、５ｂの間隔を一定にしており、一対の超音波センサユニット保持部３０、３０の中心線ＣＬ３、ＣＬ３間の離間距離Ｌがその一定値に合わせてあるので、特に調整をすることなく表示部５を超音波流量計１に簡単に装着することができる。

図４に示すように、このように装着した超音波流量計１は、超音波センサ５０、５０から、超音波信号ＵＳを送受信する。一方の超音波センサ５０から送出される超音波信号ＵＳは、超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３を中心として、図４の下方向に送出され、反射板４４に当たって反射し、超音波信号ＵＳは、正確に９０度屈曲して計測空間中心線ＣＬ２を中心として計測空間２１を進む。その超音波信号ＵＳの送出幅と同等の幅を有する超音波伝播経路２２が、計測管２０により計測空間２１として形成されている。

図３に示すように、送出した超音波信号ＵＳを大きく減衰させることなしに、流路管１０の縮径部１７により形成された計測流路１５を流体（温水）が流下するときにその計測流路１５の幅全体を、超音波信号ＵＳが斜めに横断する。

その後、図４に示すように計測空間中心線ＣＬ２を中心として計測空間２１を進む超音波信号ＵＳは反射板４４に当たって反射し、９０度屈曲して図４の上方向に送出され、超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３を中心として進み他方の超音波センサ５０の受信面に到達する。

このため、超音波伝播経路２２を進行する超音波信号ＵＳは、流路管１０の縮径部１７により流体の流速が高まるように形成された計測流路１５の幅方向中心部のみならず、もれなく計測流路１５の幅全体にわたる流体の流れの影響を受ける。そのため中心部と端部との間で流速が異なる場合や、上下左右に流心が偏った偏流や、乱流などが生じた場合でも、測定精度の低下を抑制できる。

また、図５（ａ）などに示す超音波センサユニット４０は、反射部材保持部４２、反射板保持部４３の位置が、図３、図４に示すように、流路管１０の縮径部１７により形成された計測流路１５から、幅方向にオフセットされるようにして、その流路を妨げにくい構成となっている。このため、超音波センサユニット４０は、計測流路１５の流路抵抗を上げて、超音波流量計１の圧力損失が高くならないような構成となっている。

このようにして、流路内の上流側の超音波センサと下流側の超音波センサ５０により、一方からの超音波信号の伝播時間と、他方からの超音波信号の伝播時間の差から、流体の流量を計測する。計測した流量は、表示部５により表示され、記憶され、外部に送信される。

（本実施形態の効果）
本実施形態では、上記のような構成を備えるため、以下のような効果を奏する。
○同一方向から管本体２の超音波センサユニット保持部３０を加工できるので、ワークである管本体２のチャックによるワークの持ち替えや、ワークである管本体２を保持する治具の回転をさせないで、管本体２を同一位置に固定したまま超音波センサユニット保持部３０を加工することができる。そのため加工の工数を減らし、工程の簡易化が可能となる。

○また、加工中にチャックによるワークとしての管本体２の持ち替えや、管本体２を保持する治具を回転させることがないので、ワークとしての管本体２の位置を移動する必要がなくなるため、ワークの移動に起因する位置ずれが生じない。このため、同一位置に固定された管本体２の位置を基準として、超音波センサユニット保持部３０の工具の加工方向の角度を精密に割り出す必要もなく、工具を平行移動するだけで同一方向から一対の超音波センサユニット保持部３０を加工することで、管本体２に対する超音波センサユニット保持部３０の開口方向を容易に精度高く形成できる。

○超音波センサユニット保持部３０の形状を精度高く加工することができるので、ここに保持される超音波センサユニット４０の管本体２に超音波信号の射出方向の位置ずれを小さく正確な送出方向とすることができ、測定精度を向上させることができる。

○共通した超音波センサユニット保持部３０に共通した超音波センサユニット４０を用いることで、管径が異なっても共通の構成を共用できる。
○超音波センサユニット保持部３０の開口部が同一方向に向いているので、表示部５を取り付ける場合でも、超音波センサ５０の配線の取り回しも同一方向とすることができるため、外部機器の装着が容易となる。また、超音波センサ５０の配線なども取り回しが短くなり、外部への突出や露出を抑えることができる。

○一対の超音波センサユニット保持部３０、３０の超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３、ＣＬ３の離間距離Ｌを共通化すれば、供給流路６の管径が異なっても、交差角θを調整することで、同一規格の表示部５のような外部機器の共通化ができる。

○精度の高い加工ができるため、超音波センサ５０間で正確に超音波信号ＵＳの送受信ができる。そのため、受信される超音波信号ＵＳが減衰されることが少なく、高い波高を得ることができるため、Ｓ／Ｎ比を大きくして精度が高い流量計１とすることができる。

○また、受信される超音波信号ＵＳが減衰されることが少なく、高い波高を得ることができるため、流体Ｆの流れにより超音波信号ＵＳの超音波伝播経路２２が変化して曲がっても、受信する超音波信号ＵＳの波高を比較的高く維持できる。

○超音波信号ＵＳが管本体２の流路管１０の縮径部１７により形成された計測流路１５を斜めに通過するため、流体Ｆが流れる計測流路１５の幅方向中央部分のみならず周縁部を含めた幅方向全体に超音波信号ＵＳが伝播するので計測流路１５の全体を測定でき、流量の計測精度を向上させることができる。

○超音波伝播経路２２の計測空間中心線ＣＬ２と、管本体２の流路管１０の縮径部１７により形成された計測流路１５の計測流路中心線ＣＬ１とが所定の交差角θを有しているので、超音波センサユニット４０が計測流路１５を妨げにくい位置にオフセットすることができるため、流路抵抗を下げて圧力損失を小さくすることができる。小径の管でも流路を妨げにくく比較的小さな圧力損失とすることができる。

○超音波伝播経路２２の計測空間中心線ＣＬ２と、管本体２の流路管１０の縮径部１７により形成された計測流路１５の計測流路中心線ＣＬ１とが所定の交差角θを有しているので、超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３、ＣＬ３間の離間距離Ｌを大きくとることができるので、測定に必要な十分な到達時間差Δｔを得ることができる。

○反射板４４、超音波センサ５０を一体に保持する超音波センサユニット４０を超音波センサユニット保持部３０に保持するので、超音波センサ５０や反射板４４を超音波流量計１に容易に装着することができる。

○超音波センサユニット４０を超音波センサユニット保持部３０に挿入する。それだけで、超音波センサユニット４０の嵌合リング４１が超音波センサユニット保持部３０の段差部３３に当接し、超音波センサユニット４０を管本体２に対して正確な高さと水平位置とすることができる。

○また、超音波センサユニット４０を超音波センサユニット保持部３０に挿入するだけで、超音波センサユニット４０の嵌合リング４１が超音波センサユニット保持部３０の段差部３３に当接し、上部位置被規制部４５が上部位置規制部３７に嵌合する。このため、超音波センサユニット４０を超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３を中心とした正確な回転方向の向きに取り付けることができる。

○また、超音波センサユニット４０を超音波センサユニット保持部３０に挿入するだけで、超音波センサユニット４０の反射板保持部４３の背面から下方に突出した底部位置被規制部４６が、超音波センサユニット保持部３０の底面３２に凹設された底部位置規制部３６に嵌合するため、超音波センサユニット４０の管本体２に対する高さが正確に設定される。

○また、底部位置被規制部４６が底部位置規制部３６に嵌合するため、超音波センサユニット４０を超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３を中心とした正確な回転方向とすることができる。

○また、底部位置被規制部４６が底部位置規制部３６に嵌合するため、超音波センサユニット４０に保持された反射板４４が流体の影響により不安定となることを抑制することができる。

（反射部材変形例）
なお、上記実施形態において、反射部材は以下のように実施してもよい。
(変形例１)
・上記実施形態では、反射板保持部４３の背面が板状に形成されたものであったが、図８（ａ）に示すように、傾き４５度の斜面を上面として有する円柱によって反射板保持部４３を形成し、この反射板保持部４３の斜面（上面）に反射板４４を保持してもよい。

このように構成することで、反射板４４を安定して保持することができる。また、反射板４４の背面への流体の回り込みを少なくすることで、流体の流れを円滑にすることができ、流路抵抗の上昇を抑制できる。

(変形例２)
・図８（ｂ）に示すように反射板保持部４３の背面を半球状としてもよい。
このように構成することで、反射板保持部４３の背面を流れる流体の流れを円滑にすることができ、流路抵抗の上昇を抑制できる。

(変形例３)
・図８（ｃ）に示すように、反射部材保持部４２を反射板４４の背面部分にも拡張して反射板４４の背面を覆うようにしている。このように構成することで、反射板４４の背面への流体の回り込みを少なくすることで、流体の流れを円滑にすることができ、流路抵抗の上昇を抑制できる。

（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した超音波流量計１の第２の実施形態を図９〜図１０にしたがって説明する。なお、第２の実施形態は、第１の実施形態の計測管２０により構成される計測空間２１の形状を変更したのみの構成であるため、同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

図９は第２実施形態の超音波流量計１の斜視図である。図１０は、図９のＣ-Ｃ線における水平断面図である。
図９に示すように、第２実施形態の管本体２は、計測流路１５（図１０）を構成する流路管１０は第１の実施形態と同様の構成であるが、一対の超音波センサユニット４０は、管本体２の計測流路中心線ＣＬ１に対して同一の側に配置される。

図１０に示すように、上流側の計測管２０が形成する計測空間２１の計測空間中心線ＣＬ２ａは、管本体２の流路管１０が形成する計測流路１５の計測流路中心線ＣＬ１に対して斜めに交差する。この計測空間中心線ＣＬ２ａは、管本体２の流路管１０が形成する計測流路１５の内壁面に達している。したがって、この計測空間中心線ＣＬ２ａに沿って送出された超音波信号ＵＳは、この内壁面で反射される。反射した超音波信号ＵＳは再び計測流路中心線ＣＬ１に対して斜めに交差して進む。

下流側の計測管２０が形成する計測空間２１の計測空間中心線ＣＬ２ｂは、この超音波信号ＵＳの進路に沿って形成されている。そのため管本体２は、上流側と下流側が面対象の形状となっている。

第２実施形態では、一方の超音波センサ５０ａから送出される超音波信号ＵＳは、超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３を中心として、図９の下方向に送出され、反射板４４に当たって反射し、超音波信号ＵＳは、正確に９０度屈曲して計測空間中心線ＣＬ２ａを中心として計測空間２１を進む。その超音波信号ＵＳの送出幅と同等の幅を有する超音波伝播経路２２が、計測管２０により計測空間２１として形成されている。

図１０に示すように、送出した超音波信号ＵＳを大きく減衰させることなしに、流路管１０の縮径部１７により形成された計測流路１５を流体（温水）が流下するときに、その計測流路１５の幅全体を、超音波信号ＵＳが斜めに横断する。

次に、超音波信号ＵＳは、流路管１０の縮径部１７の内壁面に到達して反射する。その後、図１０に示すように再び計測流路中心線ＣＬ１と交差し、計測空間中心線ＣＬ２ｂを中心として計測空間２１を進む超音波信号ＵＳは反射板４４に当たって反射し、９０度屈曲して上方向に送出され、超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３を中心として進み他方の超音波センサ５０ｂの受信面に到達する。

管本体２はステンレススチール製で、管本体２の内壁面は、流路抵抗が小さくなるように平滑に研磨されているので、超音波信号ＵＳを十分効率よく反射する。この時、計測流路中心線ＣＬ１を通過した超音波信号ＵＳは再び計測流路中心線ＣＬ１を通過するように反射するが、超音波伝播経路２２の高さ方向において各中心線ＣＬ２ａ，ＣＬ２ｂよりも上方及び下方の位置、特に上下の周縁部の位置で超音波伝播経路２２を伝播する超音波信号ＵＳは、中心線ＣＬ２ａ，ＣＬ２ｂと平行な方向には反射しない。そのため第１の実施形態よりは、一方の超音波センサ５０ａ又は５０ｂから送出した超音波信号ＵＳが、他方の超音波センサ５０ｂ又は５０ａには効率よく到達しない。

一方、上記第２の実施形態の超音波流量計１によれば、以下のような効果を得ることができる。
○上記第２の実施形態では、第１の実施形態の超音波流量計１よりもコンパクトな形状とすることができる。

○超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３、ＣＬ３の離間距離Ｌが第１の実施形態の超音波流量計１の場合と同一であれば、超音波伝播距離を長くして、第１の実施形態よりも到達時間差Δｔを大きくすることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明を具体化した超音波流量計１の第３の実施形態を図１１にしたがって説明する。なお、第３の実施形態は、第１の実施形態の反射板４４の角度を変更し、計測空間２１における超音波伝播経路２２を変更したのみの構成であるため、同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

第３の実施形態の超音波流量計１において、一対の超音波センサユニット４０は、第１の実施形態と同様に管本体２の流路管１０の計測流路中心線ＣＬ１に対して対向する側に配置されている。そして、超音波信号ＵＳは、管本体２の流路管１０の計測流路中心線ＣＬ１に対して斜めに交差する。

第１の実施形態と異なる点は、各反射板４４ａ、４４ｂの傾斜角度が超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３に対して４５度ではないことである。
具体的には、一方の超音波センサ５０ａから送出された超音波信号ＵＳは超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３ａに沿って下方に送出されて反射板４４ａに当たり反射する。このとき、超音波信号ＵＳは、計測空間中心線ＣＬ２よりも上方に向けて反射され、計測管２０の内部に形成された計測空間２１の上方の内壁面に到達する。超音波信号ＵＳは、その内壁面で再び反射し、次は、計測空間２１の下方の内壁面に到達して再び反射する。そして、反射した超音波信号ＵＳは、反射板４４ｂに到達し、超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３ｂに沿って上方に伝播し、超音波センサ５０ｂで受信される。

上記第３の実施形態の超音波流量計１によれば、以下のような効果を得ることができる。
○ 超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３、ＣＬ３の離間距離Ｌが第１の実施形態の超音波流量計１の場合と同一であれば、第１の実施形態より超音波伝播距離を長くして、到達時間差Δｔを大きくすることができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明を具体化した超音波流量計１の第４の実施形態を図１２にしたがって説明する。なお、第４の実施形態は、第１の実施形態の超音波流量計１の反射板４４を省略した点で変更したのみの構成であるため、同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

第４の実施形態では、超音波センサユニット４０は、超音波センサ５０の超音波信号が計測空間中心線ＣＬ２に沿って送出されるように、計測空間２１内で超音波センサ５０を保持する。

超音波センサ５０は、超音波センサユニット４０により、第１の実施形態において反射板４４を保持するのと同様な方法で保持することができる。つまり第４の実施形態では、超音波センサユニット４０の反射部材保持部４２が、超音波センサ５０を計測空間２１内において保持する超音波センサ保持部として機能し得る。

上記第４の実施形態の超音波流量計１によれば、以下のような効果を得ることができる。
○上記第４の実施形態では、第１の実施形態と比較して反射板４４を備えていないため、部品点数も少なく簡単な構造とすることができる。そのため、製造に必要な工数も少なくすることができる。

○上記第４の実施形態では、第１の実施形態と比較して反射板４４を備えていないため、よりコンパクトな構成とすることができる。
○超音波センサ５０は、超音波センサユニット４０により、この超音波センサユニット４０との位置関係が正確に保持される。そのうえで、超音波センサユニット４０は超音波センサユニット保持部３０に保持される。

第１の実施形態で説明したとおり、超音波センサユニット保持部３０は、管本体２に対して極めて正確な位置関係に加工されている。また、超音波センサユニット４０に保持された超音波センサ５０は、超音波センサユニット保持部３０に挿入するだけで、管本体２に対して、極めて正確な位置に保持され、且つ安定した状態で保持される。

○さらに、反射板４４を備えないため、測定精度を下げる要素が少なくなり、より測定精度を高めることができる。また、反射に由来する超音波信号の減衰もない。
（第５の実施形態）
次に、本発明を具体化した超音波流量計１の第５の実施形態を図１３にしたがって説明する。なお、第５の実施形態は、第１の実施形態の計測管２０により構成される計測空間の形状と、超音波伝播経路２２を変更したのみの構成であるため、同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

図１３は第５実施形態の超音波流量計１の水平断面図である。第５実施形態の管本体２において、計測流路１５を構成する流路管１０は第１の実施形態と同様の構成であり、一対の超音波センサユニット４０も、管本体２の計測流路中心線ＣＬ１に対して対向する側に配置される。

計測管２０が形成する計測空間２１の計測空間中心線ＣＬ２は、管本体２の流路管１０が形成する計測流路１５の計測流路中心線ＣＬ１に対して斜めに交差する。また、この計測空間２１の計測空間中心線ＣＬ２は、管本体２の流路管１０が形成する計測流路１５の計測流路中心線ＣＬ１を含む面に沿って延びている。この計測空間中心線ＣＬ２に沿って伝播する超音波信号ＵＳは計測空間２１の内壁面で反射する。そして、反射した超音波信号ＵＳは、対向する内壁面で再度反射する。そして反射板４４により他方の超音波センサ５０に超音波信号ＵＳが受信される。

つまり、第５の実施形態では、流路管１０を計測管２０として、利用していることになる。
上記第５の実施形態の超音波流量計１によれば、以下のような効果を得ることができる。

○上記第５の実施形態では、第１の実施形態の超音波流量計１よりも極めてコンパクトな形状とすることができる。
○超音波センサユニット保持部中心線ＣＬ３、ＣＬ３の離間距離Ｌが同一であれば、第１の実施形態の超音波流量計１よりも超音波伝播距離を長くして、到達時間差Δｔを大きくすることができる。

（第６の実施形態）
次に、本発明を具体化した超音波流量計１の第６の実施形態を図１４にしたがって説明する。なお、第６の実施形態は、第１の実施形態の超音波センサユニット保持部３０の配置を変更したのみの構成であるため、同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

図１４は、第６の実施形態の水平断面図である。管本体２に設けられた流路管１０は、第１の実施形態と基本的に同じ構成であり、流体の流速を速めるため流入口１１より内径を小さくした縮径部１７を備え、この縮径部１７が計測流路１５を構成する点でも共通する。

第１の実施形態と異なる点は、流入口１１と縮径部１７の間に、内径が大きい拡径部４を設けている。
また、第１の実施形態では、縮径部１７の内側に一対の超音波センサユニット保持部３０、３０が配置されていた。一方、第６の実施形態では、計測管２０の両端部の超音波センサユニット保持部３０、３０は、縮径部１７の外側の拡径部４に配置されている点で異なる。

上記第６の実施形態の超音波流量計１によれば、以下のような効果を得ることができる。
○上記第６の実施形態では、計測流路１５を構成する縮径部１７の外側に拡径部４を設け、一対の超音波センサユニット保持部３０、３０は、縮径部１７の外側の拡径部４に配置されており、縮径部１７の形状が円筒形状を保持しているため、測定の為の円滑な流れが期待できる。

○また、一対の超音波センサユニット保持部３０、３０は、拡径部４に配置しているので、縮径部１７の外端部での流体の流れ、つまり計測流路１５での流体の流れを妨げない。また、一対の超音波センサユニット保持部３０、３０が流路管１０の外側に大きく飛び出すようなオフセットをする必要がなく、流路管１０の外部に著しい突起部を形成しなくてもよい。

（変形例）なお、上記各実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、熱量供給用の温水を例示したが、流体Ｆは温水に限らず他の液体でもよく、さらに気体の流量の測定にも適用できる。

・管本体２は、流体を通過させる筒状であるが、筒状とは円筒形に限定されず、流体が流せれば各種断面のものや、複数の流路が形成されたものでもよい。
・管本体２は、ステンレススチールを例示したが、青銅鋳物や鋳鉄管や真鍮管、あるは樹脂やセラミックスにより構成されていてもよい。また、必要に応じて内部に超音波信号ＵＳの反射を高め、あるは乱反射を抑制するようなコーティングを施したりや研磨を適宜することを妨げない。また、インナーパイプを配設してもよい。

・超音波センサは、ここでは送受信が可能なセラミックスの圧電素子が代表に挙げられるが、その素材は限定されない。また、送信用と受信用の超音波センサとを夫々用いてもよく、超音波信号を送信でき且つ受信できればその構成は問わない。

・「超音波」とは、可聴音を超える周波数のものをいうが、材質等により適宜周波数は選択でき、また、複数の周波数を組み合わせることも妨げない。
・超音波センサや管同士の接続は、詳細な説明はしないが、適宜周知の方法で、固定し、弾性体や充填剤でシールすることができる。或いは、適宜蓋材やスペーサを用いることも妨げない。また、フランジを形成した接合、ねじによる螺合を含む加工をすることも含む。

・管本体２の超音波センサユニット保持部３０に対する加工は、リーマや砥石に限定されず、ドリルや刃物、研磨、レーザ加工、放電加工などその方法は限定されない。
・ワークとしての管本体２は、工作機械の構成により、超音波センサユニット保持部３０を鉛直上方に開口する姿勢に限らず、水平方向にするなど、工作機械において精度を上げやすい姿勢で加工することができる。また、ワークとしての管本体２の一対の超音波センサユニット保持部３０を、固定したまま加工できることが望ましい。

・反射部材は、図５（ａ）、図８（ｃ）などに示すような反射板４４を樹脂製の反射板保持部４３とインサート成形により一体化することに限らず、反射板４４を樹脂製の反射板保持部４３に熱かしめで一体化してもよい。また、反射部材は、反射板４４と反射板保持部４３によらず、反射板４４のみで構成されていてもよい。また、反射板４４は単なる薄膜により形成されていてもよい。

・また、温度計、電流計等適宜他の計測器を付加することを妨げない。
・表示部５は、各種の構成が採用でき、単に超音波センサ５０からの信号を取りだし、遠隔で処理してもよく、逆に超音波センサ５０内で、信号処理などの制御を行ってもよい。

なお、各実施形態は例示であり、本発明は特許請求の範囲を逸脱しない限り、当業者により適宜変更し、追加し、削除して実施することができる。

ＣＬ１…計測流路中心線（中心軸）、ＣＬ２…計測空間中心線（中心軸）、ＣＬ３…超音波センサユニット保持部中心線（中心軸）、θ…交差角、Ｆ…流体、ＵＳ…超音波信号、ｔ（ｔ_ｄ・ｔ_ｕ）…伝播時間、Δｔ…到達時間差、ｃ…音速、ｖ_ｆ…流速、Ｌ…離間距離，１…超音波流量計、２…管本体、４…拡径部、５…表示部、６…供給流路、６ａ…上流側、６ｂ…下流側、１０…流路管、１１…流入口、１３…流出口、１５…計測流路、１６…テーパ部、１７…縮径部、１８…テーパ部、２０…計測管、２１…計測空間、２２…超音波伝播経路、３０…超音波センサユニット保持部、３１…筒部、３２…底面、３３…段差部、３４…上部内壁面、３５…下部内壁面、３６…底部位置規制部、３７…上部位置規制部、４０…超音波センサユニット、４１…嵌合リング、４１ａ…側面、４１ｂ…下面、４２…反射部材保持部、４３…反射板保持部（反射部材）、４４…反射板（反射部材）、４５…上部位置被規制部、４６…底部位置被規制部、５０…超音波センサ、１０１…超音波流量計（従来技術１）、２０１…超音波流量計（従来技術２）。

Claims (15)

1. 測定対象である流体を通過させる計測流路を備えた筒状の管本体と、流体が流れる前記管本体の上流位置と下流位置とにそれぞれ配置され相互に超音波信号を伝播させる一対の超音波センサとを備え、
   一方の超音波センサから他方の超音波センサまでの超音波信号の伝播時間と、他方の超音波センサから一方の超音波センサまでの超音波信号の伝播時間との到達時間差から測定対象である流体の流量を測定する超音波流量計であって、
   前記管本体は、前記計測流路と連通する計測空間を含み、当該計測空間は、前記一対の超音波センサの超音波伝播経路を規定し、
   前記超音波伝播経路は、前記計測流路の中心軸に対して斜めに交差する中心軸を有し、
   前記超音波流量計はさらに、
   前記一対の超音波センサを保持する一対の超音波センサユニットと、
   前記一対の超音波センサユニットを保持する一対の超音波センサユニット保持部と、を備え、
   前記一対の超音波センサユニット保持部は、前記計測流路の中心軸を含む面と直交する方向に開口し、前記一対の超音波センサユニットを同一方向から挿入して保持可能な開口部を含み、
   前記一対の超音波センサユニットは、前記超音波センサが前記超音波伝播経路の中心軸に沿った方向に超音波信号を送出するように前記超音波センサユニット保持部に配置されることを特徴とする超音波流量計。
2. 測定対象である流体を通過させる計測流路を備えた筒状の管本体と、流体が流れる前記管本体の上流位置と下流位置とにそれぞれ配置され相互に超音波信号を伝播させる一対の超音波センサとを備え、
   一方の超音波センサから他方の超音波センサまでの超音波信号の伝播時間と、他方の超音波センサから一方の超音波センサまでの超音波信号の伝播時間との到達時間差から測定対象である流体の流量を測定する超音波流量計であって、
   前記管本体は、前記計測流路と連通する計測空間を含み、当該計測空間は、前記一対の超音波センサの超音波伝播経路を規定し、
   前記超音波伝播経路は、前記計測流路の中心軸に対して斜めに交差する中心軸を有し、
   前記超音波流量計はさらに、
   前記一対の超音波センサを保持する一対の超音波センサユニットと、
   前記一対の超音波センサユニットを保持する一対の超音波センサユニット保持部と、を備え、
   前記一対の超音波センサユニット保持部は、前記計測流路の中心軸を含む面と直交する方向に開口し、前記一対の超音波センサユニットを同一方向から挿入して保持可能な開口部を含み、
   前記一対の超音波センサユニットは、前記計測流路の中心軸に対して同一の側に配置され、前記計測流路の中心軸に対して斜めに交差するとともに、前記計測流路の中心軸を含む面と直交する面に沿って計測空間内を反射して複数の軸を有する屈曲した超音波伝播経路を形成することを特徴とする超音波流量計。
3. 測定対象である流体を通過させる計測流路を備えた筒状の管本体と、流体が流れる前記管本体の上流位置と下流位置とにそれぞれ配置され相互に超音波信号を伝播させる一対の超音波センサとを備え、
   一方の超音波センサから他方の超音波センサまでの超音波信号の伝播時間と、他方の超音波センサから一方の超音波センサまでの超音波信号の伝播時間との到達時間差から測定対象である流体の流量を測定する超音波流量計であって、
   前記管本体は、前記計測流路と連通する計測空間を含み、当該計測空間は、前記一対の超音波センサの超音波伝播経路を規定し、
   前記超音波伝播経路は、前記計測流路の中心軸に対して斜めに交差する中心軸を有し、
   前記超音波流量計はさらに、
   前記一対の超音波センサを保持する一対の超音波センサユニットと、
   前記一対の超音波センサユニットを保持する一対の超音波センサユニット保持部と、を備え、
   前記一対の超音波センサユニット保持部は、前記計測流路の中心軸を含む面と直交する方向に開口し、前記一対の超音波センサユニットを同一方向から挿入して保持可能な開口部を含み、
   前記一対の超音波センサユニット保持部の中心軸間の距離を一定として、
   前記計測流路の中心軸と前記計測空間の中心軸とが交差する角度は、
   前記到達時間差が、予め設定された最小流量時において予め設定した値を超えるとともに、圧力損失が予め設定された数値を超えないように設定されたことを特徴とする超音波流量計。
4. 測定対象である流体を通過させる計測流路を備えた筒状の管本体と、流体が流れる前記管本体の上流位置と下流位置とにそれぞれ配置され相互に超音波信号を伝播させる一対の超音波センサとを備え、
   一方の超音波センサから他方の超音波センサまでの超音波信号の伝播時間と、他方の超音波センサから一方の超音波センサまでの超音波信号の伝播時間との到達時間差から測定対象である流体の流量を測定する超音波流量計であって、
   前記管本体は、前記計測流路と連通する計測空間を含み、当該計測空間は、前記一対の超音波センサの超音波伝播経路を規定し、
   前記超音波伝播経路は、前記計測流路の中心軸に対して斜めに交差する中心軸を有し、
   前記超音波流量計はさらに、
   前記一対の超音波センサを保持する一対の超音波センサユニットと、
   前記一対の超音波センサユニットを保持する一対の超音波センサユニット保持部と、を備え、
   前記一対の超音波センサユニット保持部は、前記計測流路の中心軸を含む面と直交する方向に開口し、前記一対の超音波センサユニットを同一方向から挿入して保持可能な開口部を含み、
   前記一対の超音波センサユニットは、前記超音波センサユニットの挿入方向に超音波信号を送出するように前記超音波センサユニット保持部に配置されるとともに、当該超音波センサから送出された超音波信号を前記超音波伝播経路の中心軸に沿った方向に反射させる一対の反射部材を備え、
   前記超音波センサユニットは、前記超音波センサを保持する超音波センサ保持部と、前記反射部材を保持する反射部材保持部と、を備えたことを特徴とする超音波流量計。
5. 測定対象である流体を通過させる計測流路を備えた筒状の管本体と、流体が流れる前記管本体の上流位置と下流位置とにそれぞれ配置され相互に超音波信号を伝播させる一対の超音波センサとを備え、
   一方の超音波センサから他方の超音波センサまでの超音波信号の伝播時間と、他方の超音波センサから一方の超音波センサまでの超音波信号の伝播時間との到達時間差から測定対象である流体の流量を測定する超音波流量計であって、
   前記管本体は、前記計測流路と連通する計測空間を含み、当該計測空間は、前記一対の超音波センサの超音波伝播経路を規定し、
   前記超音波伝播経路は、前記計測流路の中心軸に対して斜めに交差する中心軸を有し、
   前記超音波流量計はさらに、
   前記一対の超音波センサを保持する一対の超音波センサユニットと、
   前記一対の超音波センサユニットを保持する一対の超音波センサユニット保持部と、を備え、
   前記一対の超音波センサユニット保持部は、前記計測流路の中心軸を含む面と直交する方向に開口し、前記一対の超音波センサユニットを同一方向から挿入して保持可能な開口部を含み、
   前記超音波センサユニットは、前記超音波センサを計測空間に保持する超音波センサ保持部を備え、
   前記超音波センサユニット保持部の前記開口部は、挿入方向から見て円形であり、前記超音波センサユニットは、前記挿入方向から見て円形の輪郭を有して前記超音波センサユニット保持部に嵌合されるとともに、
   前記超音波センサユニットおよび前記超音波センサユニット保持部は、前記超音波センサから送出された超音波信号を前記超音波伝播経路に伝播させる位置に前記超音波センサユニットを位置決めするとともに当該超音波センサユニットの回転を規制する位置規制構造を備え、
   前記位置規制構造は、前記超音波センサユニットの反射板保持部から下方に延びる突起と、 前記超音波センサユニット保持部の底面に形成され、前記突起が嵌入される穴とで構成されることを特徴とする超音波流量計。
6. 前記一対の超音波センサユニットは、前記超音波センサが前記超音波伝播経路の中心軸に沿った方向に超音波信号を送出するように前記超音波センサユニット保持部に配置されることを特徴とする請求項５に記載の超音波流量計。
7. 前記一対の超音波センサユニットは、前記計測流路の中心軸に対して同一の側に配置され、前記計測流路の中心軸に対して斜めに交差するとともに、前記計測流路の中心軸を含む面と直交する面に沿って計測空間内を反射して複数の軸を有する屈曲した超音波伝播経路を形成することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
8. 前記一対の超音波センサユニット保持部の中心軸間の距離を一定として、
   前記計測流路の中心軸と前記計測空間の中心軸とが交差する角度は、
   前記到達時間差が、予め設定された最小流量時において予め設定した値を超えるとともに、圧力損失が予め設定された数値を超えないように設定されたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項７のうちいずれか一項に記載の超音波流量計。
9. 前記流体が液体であって、前記交差する角度が、５〜７０°であることを特徴とする請求項３又は請求項８に記載の超音波流量計。
10. 前記超音波センサユニット保持部は、前記超音波センサ保持部を支持する段差部を含み、
    前記位置規制構造はさらに、前記超音波センサ保持部から下方に突出する突部と、前記超音波センサユニット保持部の前記段差部に形成され、前記突部が嵌入される穴とで構成されることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の超音波流量計。
11. 前記反射部材は、反射板と、当該反射板を保持する反射板保持部とを含み、当該反射板保持部は、背面が板状に形成されたことを特徴とする請求項４に記載の超音波流量計。
12. 前記反射部材は、反射板と、当該反射板を保持する反射板保持部とを含み、当該反射板保持部は、傾き４５度の斜面を上面として有する円柱によって形成され、当該円柱の斜面に前記反射板が保持されることを特徴とする請求項４に記載の超音波流量計。
13. 前記反射部材は、反射板と、当該反射板を保持する反射板保持部とを含み、当該反射板保持部は、背面が半球状に形成されたことを特徴とする請求項４に記載の超音波流量計。
14. 前記超音波センサユニットは、前記反射部材の背面を挿入方向に沿って覆うように形成された壁面を備えたことを特徴とする請求項４に記載の超音波流量計。
15. 前記反射部材は、反射板と、当該反射板を保持する反射板保持部と
    を含み、前記反射板は前記反射板保持部に熱かしめにより一体化されていることを特徴とする請求項４に記載の超音波流量計。

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