JPH05506092A - 超音波気体／液体流量計の改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 超音波気体／液体流量計の改良 本発明は超音波を利用して気体もしくは液体の流量を計量する流量計の改良に関 する。このような流量計は例えば先願のドイツ連邦共和国特許出願Ｐ３９４１５ ４６．５、Ｐ３９４１５４５．７及びＰ３９４１５４４．９に種々の実施影響で 詳細に記載されている。これらの先願の特許出願の流量計に共通なことは、気体 もしくは液体が通流する測定管の超音波流量測定の部分が矩形状断面を持ってい る、皿ち、この測定管は平面状の側壁を備えていることである。同様にまたこれ ら全ての流量計に共通なことは、流量測定に使用される超音波がＷ字状の通路、 即ち、超音波が測定管のかかる側壁において３回反射を行う通路をとることであ る。なおこの「Ｗ字状」なる言葉は超音波の伝搬の原理を指向するものである。

超音波の伝搬通路はまた超音波を発振する送信変換器とこの超音波を受ける受信 変換器との間に多数回反射を繰り返すものもある。流量計に必要な送信変換器も しくは受信変換器を設置する場合そしてまたこれらの変換器を測定管に取り付け る場合、気体もしくは液体の通流に大きな障害が生しないようにするためには、 超音波を斜めの方向に測定管の測定容積内に送り込み、対応した斜めの方向に受 信変換器で受信することが必要である。

上記のドイツ連邦共和国特許用ＩＪＩＰ３９４１５４６．５は、このような矩形 断面を持ち、その流れの高さＨと断面の幅Ｂとの比が２：ｌ乃至１５：ｌに定め られた流量計に関するものである。ｉｊＪ定管の側壁の比をこのように設定する ことにより、特に送信変換器もしくは受信変換器が測定管の幅Ｂの狭い側に取り 付けられ、この断面の高さ寸法が測定管における超音波の伝搬通路の成分である 場合に、気体或いは液体が通流する測定管断面に超音波が均質に伝搬することに なる。なおこれに関するその他の空間的配置の詳細は図１の断面図及び図２の側 面図に示される。

図４及び２は測定管を流れの軸方向に見た正面図（図１）及び測定管を長手方向 に切った側面図（図２）をそれぞれ示すものである。ＨとＢは矩形状測定管１の 高さ及び幅のそれぞれ上述のように規定された寸法である。２及び３は両側の側 壁、４及び５はそれぞれ下側の壁及び上側の壁を指す０図２でも同一符号を採用 している。上部壁５には変換器１１及び１２が、図２に示されるように、その送 信面Ｉ１１及び受信面１１２が上部壁５に対して斜めに傾くように、設置されて いる。Ｗ字状の超音波伝搬通路２１は下側壁４及び上側壁５に対して角αで傾い ている０面Ｉｌｌ及び１１２は、前記超音波伝搬通路２１がこの面に垂直に当た るように傾斜している。

しかし、音響エネルギーの一部がある角度で、即ち測定管１の内部にＶ字状の伝 搬通路２２となるような角度で面１１１から放射され、面１１２に入射されるこ とは原理的に避けられない、この角βを持つＶ字状の通路と所望のＷ字状の通路 とは、後者の方が前者より大きな音響的通路長を持っており、その超音波の伝搬 時間も異なる。

図２において流量計の全長はして示されている０図２におけるその他の符号は以 下に挙げる本発明の詳細な説明に関係する。

上部壁と下部壁で３回反射する、図１及び２に相当する本発明による流量計に対 する有効流速Ｖ、２．は次のように表される。

ｖ、、、ｗｖ＊ｃｏｓｃｒ　（１） ここで、αは軸方向の流れ方向と送信変換器１１及び受信変換器１２の放射方向 もしくは受信方向との間の角度であり、■牢は超音波伝搬通路にわたってめられ た平均流速である。ｖ＊はまた時間に対する流量の微分ｄｖ／ｄｔに関係する。

ｄｖ／ｄ　ｔ−ｖ＊　・Ｆ　（２） ここで、Ｆは断面の面積ＨｘＢに等しい、運動している媒体中の超音波伝搬通路 の長さし、は、超音波の反射の回数をＮとすれば、Ｎ＋３　（Ｗ字状の構成）の 場合、 Ｌｌ　−（Ｎ＋１）　・Ｈ／ｓ　１ｎｅｔ＝４Ｈ／ｓ　ｉｎα　（３）また、超 音波が（仮想の）上部壁を通過する位Ｗ、（図２参照）の間の測定距離の長さＬ ｌは、反射回数Ｎ＝３　（Ｗ字状の構成）の場合、Ｌｍ　＝　（Ｎ＋１　）　Ｈ ｃ　ｏ　ｔα−４Ｈｃｏｔα　（４）これにより得られる伝搬時間差は次の式で 表される。

Δｔ−２Ｌｓ　・ｖ＊ｒｔ　／ｃ”　＝２Ｌａ　ｖ＊／ｃ”−２（Ｎ＋１）４（ ｖ＊−ｃｏｔａ／ｃ”　（５）測定管の入口から超音波通過位置（図２）までに は通流媒体があるが、この部分は超音波は通過しない、この部分の長さり、は、 送信変換器もしくは受信変換器ケースの壁厚を考慮しなければ、入射角αと変換 器の半径「に関係する。

Ｌｖ　−ｒ／ｓ　ｉ　ｎα　（６） 変換器のｍ遣部内部の超音波伝搬通路Ｌ１１はこの超音波伝搬通路は付加的な信 号減衰の原因となるのでできるだけ小さくされねばならない。

全長Ｌ−Ｌ、＋２ＬｖＯ中の利用されない割合２Ｌ、／Ｌは次式で計量される。

即ち、 Ｌ−／Ｌ、＝ｒ／４Ｈもしくは Ｌｖ／Ｌｍ　−Ｌ、ｖ　／　（Ｌ−２Ｌｖ　）−ｒ／　Ｃ４Ｈｃｏｓａ）　もし くは２Ｌｖ／Ｌ＝ｒ／　（２Ｈｃｏｓｃｒ＋ｒ）　（８）この割合は入射角α、 変換器の半径「及び測定管断面の高さＨに関係する。即ち、測定管断面の高さが 高ければ高い程また変換器の半径ｒが小さければ小さい程、利用可能な割合は大 きくなる。利用可能な割合は、それ故、入射角αが小さくなる程に大きくなる（ α＝０で反射のない直線状な測定管が生じ、この場合いわゆるＷ字状の構成とな らない）、同様に測定に利用されない変換器内部の容積Ｖｔ−５ｃ　ｏ　ｔａ／ ２　（９） はｒが所定のときαが大きくなるにつれ小さくなる。従って管断面を広げること 及び狭めることによる乱流及び圧力損に対する影響は少なくなる。

いわゆるＷ字状の構成では、変換器の面１１１．１１２の法線（Ｗ字状の伝搬通 路）に対して角Δαで放射され、角βで１回（Ｎ−１）反射する寄生のＶ字状超 音波通路２２の影響は重畳した擾乱信号として観察される。

超音波伝搬通路の空間的な分離を考えてみる。

Δα−α−βなる関係がある。この両超音波通路に対して変換器の中点間の距離 Ｌ１は一定である。Ｗ字状の超音波通路に対してはり、＝Ｌ、本２Ｌ、（図２参 詔）である１次式 ％式％（１０） 及び式（４）より角Δαに対しては Δａ−ａ−ａ　ｒｃＬａｎ　（１−Ｈ／　（ｒｃｏｓα＋２Ｈ）　ｔａｎα）　 （１１）となる。

このことは、α≠０゛及びα≠９０”のとき比較的小さいｒ及び比較的大きし１ αによりΔαは比較的大きくなることを意味する。ｒがＯでなくかつαが定まっ ているとき比較的大きいΔαはなお高さＨにわたって得られる。ｒがＨより　に 小さくもしくはｒ−０に対しては式〔１１）は簡単にΔａ−ａ−ａｒｃｔａｎ　 （ｔａｎα／２）　（１２）で表される。Δαはそれ故高さＨに無関係である。

ここでａｒｃｔａｎ（ｘ）及びｊａｎ（ｘ）に対する数列展開により次の近似式 ６式％（１３） が成立する。

大きなΔαはいわゆる■信号振幅を良好に抑制することを意味する。それ故、入 射角もできるだけ大きくされまたｒはＨより非常に小さくされねばならない。

反射点間の距離 Ｌｍ　−Ｌｍ　／　４　＝　Ｈｃ　ｏ　ｔα　（１４）は、両超音波伝搬通路の 一致をできるだけ少なくし、そして反射抑制要素によりいわゆるＶ振幅を減少さ せるためには、少なくとも２Ｌｖより大きく、即ちり。

が８Ｌ、より大きくなければならない、多くの場合し、は固定的に与えられてし ）るから、Ｌ、の寸法を適当に考慮する必要がある。

超音波通路の時間的な分離を考えてみる。

超音波通路の長さはｒ−０に対してり、で表され、所謂Ｖ字状の構成の超音波通 路は式（３）及び（１２）によりＬ′、で表される６通路長の差ｄＬ−Ｌｓ−Ｌ ’　ｓは最もｓｍなｒ−０もしくはｒがＨより非常に小さい場合、ｄＬ−Ｈ４− ２（３ｃａｓ”　α＋１）””　／ｓ　：ｎα　（１５）で表される。

流れに関係する伝搬１キ間に対する関係は、所謂「流れに遡る１場合及び「流れ に乗る。Ｉ場合、それぞれＬａｕｅ　＝Ｌｓ　／　（ＣＶａｒｙ　）及びＬ　ａ ｂ＝　Ｌ　ｓ　／　（Ｃ−Ｉ−ｖ＊ｒｔ　）であり、これにより所謂Ｖ信号とＷ 信号との進入の時間差ｔ、はで表される。

Ｌ、が大きければ大きい程所謂Ｖ信号とＷ信号とはより良く時間的に分離される 、皿ち重畳効果による評価誤差は減少する（時間複合）、なお遡行方向の流れの 際には時間も、は増加し、順流方向の流れの際には減少し、従って時間的な分離 可能性も減少する。ｄＬは、それ故、最大流れにおいて両方の信号部分がなお充 分に時間的に分離されるように大きくされねばならない、比較的大きいα、即ち 入射角が大きいこと及び高さＨが比較的大きいことによりｄＬは大きくなる。

上述の周囲条件は許容圧力損Δｐであり、これは測定管の形状と次のように関係 する。Ｂち、 Δｐ　ｐｒｏｐ　ｖ＊”　・Ｌ・Ｕ／Ｆ　ｐｒｏｐ（ｄｖ／ｄｔ）”　・Ｌ−Ｕ ／Ｆ”　（１７）なお、ここでＬは測定管の長さ、ＵはＦによって表される断面 の周囲である。これは測定管の形状が矩形状のとき圧力降下が最小であることを 意味する。

所謂Ｗ字状の構成による超音波測定管の設計に当たっては一般に測定管の最大長 り、、最大容積流量ｄｖ／ｄｔ、一定の媒体を使用したときの最大圧力降下Δｐ 及び最大高さＨが与えられている。できるだけ大きなΔｐができるだけ小さな擾 乱で達成されねばならない、この度喚器間の最大存効距１１１Ｌ、（超音波がそ の上部壁の内面を通過する点間の距離）及び最大組立て高さＨ□。がら入射角は ｔａｎα−４Ｈｍａｘ／Ｌｍ　（１８）で決定される。

測定管の断面積もしくは暢Ｂは圧力損によって決定される。これは間車な実験的 手法で、最大流量で最大圧力損失に達するまで変更される。これによって得ら机 だ断面積はめる伝搬時間差Δｔを決定する。即ち、Δｃ−２１−ｍ　・　（ｄＶ ／ｄ　ｊ）／Ｈｅａｒ　−Ｅ３−　Ｃ”　（１９）Ｌ　（１８１及び（１９）よ り測定管の高さと幅の比は、Ｈ／Ｂ＝Ｆ−ｔａｎ”　α・ｃ’　・Δｔ”　／６ ４　（ｄ　ｖ／ｄ　ｔ）　”−Ｌ、”　−ｔａｎ”　α／１６Ｆ　（２０）長く 伸びた管（Ｌ、がＨより大きく、Ｌ、がＢより大きい）ではＨ／Ｂは２より大き くもしくは等しく設定される。このことは少なくともはっきり正方形でない断面 を持ち、辺の長さにおいて極端な比を持つ測定管を意味する。

従って、要約するに、ｒが一定、角αが０°及び９０”でなく、即ち、反射して 進行する伝搬通路で、Ｎ−３の場合、入射角αの選択については次の基準が成立 する。

測定管長の良好な相対的利用（式（８））はできるだけ角αを小さくすることに よって達成される。変換器内部の小さい容積ｃ式（９））、変換器内部における 短イｇｉ音波伝搬通路（式（７））、大きなＳ−Ｎ比角（式（１１）、式（１２ ）、式（１３））、測定管長の良好な絶対的利用（弐（６））及び超音波伝搬通 路の良好な時間的分離（式（１５）、式（１６））はまた逆にできるだけ角αを 大きくすることによって達成される。Ｓ−Ｎ比、即ち超音波伝搬通路の分離、乱 流の回避及び測定管長の最適な絶対的利用は測定の質にとって決定的となるので 、実際にはできるだけ大きな角α（例えばαは３５°より大きいが等しい）に選 ばれねばならない、原理的には、角αは所定の式（１８）によるＬｌにおいて管 の取付は寸法によって決まる高さＨによってのみ制限されている。しがしながら 重要な変数（上述参照）がＨ以上に最適化されるから、Ｈは（輻Ｂに比して）で きるだけ大きくされねばならない、勿論、Ｈを大きくすることは超音波伝搬通路 り。

により付加的な信号減衰を意味するが、しかしこれは充分高い音波レベルによっ て相殺される０例えばメタンやメタン混合気体（例えば水素、二酸化炭素等々を 含んだ）では大きな減衰が起こる。

実際の数値例を下記に示す。

測定管長Ｌｍ　−１５０ｍｍ、圧力降下Δｐ−２ミリバール、最大容積流、ｄｖ ／ｄ　ｔ　＝０．　ＯＯ１６７ｍ’　／ｓ、媒体は室温の空気（音速ｃ−３４０ ｍ／ｓ）、ｒ＝５ｍｍ、実験的には圧力降下は断面積Ｆ−１，２ｃｍ”も可能と する０Ｍ大据付は高さＨ−３１，５ｍｍ、従って入射角α−４０’、そして幅Ｂ −３，８ｍｍ、この場合Ｈ／Ｂは８２５、利用可能な（７：Ｉｐｊ時間差はΔＬ 　＝　、３６　ｕ　ｓとなる。

その他の砂値は、Ｓ−Ｎ比角変（式（１１）による）Δ−１６，ビ、Ｌ、　＝７ ゜８ｍｍ、Ｌｍ１６５．５ｍｍ、２Ｌ、／Ｌ＝０．０９４で、即ち測定管長の９ ０６％が利用される。測定管の容積はＶ−１９，９ｃｍ’、変換器内部の容積Ｖ 。

＝２Ｘ０．４７ｃｍ’となる−　８　Ｌｖ　−６２ｍｍはＬｍ−１５０ｍｍより 小さいので、超音波伝搬通路の良好な空間的分離が得られる６、ｄＬは３３．２ ｍｍに決められる。従って媒体が不動の場合所謂■信号はＷ信号の１］９Ｂｕｓ 前に進入する。

この数値例かられかるように、辺長さの比は極端である。しかしなお次の利点が 見られる。同じ面積の正方形断面の場合Ｈ−Ｂ＝１１ｍｍ、従って変換器側の側 面が本来の変換器より去い、この場合測定空間を不均一に超音波が流れることと なりこれにより重大な測定誤差を伴うことになる。Ｈ／Ｂの比が２より大きい場 合変換器側の側面が変換器より狭くなり、従って均一に超音波が流れる。極端な 辺長比を持つ測定管断面はその流れの方向特性により、流れの人口或いは変換器 内部に発生し或いはまた流れに逆らって発生し測定管内にもたらされた乱流を減 少し、従って測定精度、超音波測定方法の再現性及び信号安定性に寄与する。

本発明に従って矩形状断面に設定された測定管１と均一な超音波の流れの為の変 換器配置及び構成により５１ｔｒ／ｈ乃至３０ｃｂｍ／ｈの範囲の流量測定を確 実に行うことができる６例えばこのためにはＨＵＢは３０ｍｍ：５〜６ｍｍが適 する。′Ｉｋ大流量では圧力降下は２５ミリｂａｒまで上がることもある。この ような流量計は電子的な再校正により３０ｃｂｍ／ｈから１ｌｔｒ／ｈ以下まで 正確な測定器として利用できる。

前記の他の特許出１１Ｐ３９４１５４５．７は前記第一の特許出願による流量計 の変形例を記載している。ｐち、この流量計はかかるＷ字状の通路を持つ超音波 を利用するが、その送信変換器における発振方向と受信変換器における受信角度 とが送信／受信面Ｉ１１．１１２に対して９０”ずれているものである、このよ うな９０′の角度の偏りは変換器１１．１２の距離を大きくしたり或いは小さく することにより或いはまたこれらの変換器の設置方向を意図的に変えることで実 現される。このよう構成では超音波が変換器の送信もしくは受信面に対する角度 にその強変が関係しているという状況を利用している６　二の手段では送信変換 器と受信変換器との間のＷ字状の通路以外の通路を伝搬する超音波、例えばＶ字 状の通路２２を伝搬する超音波の強噴が相対的に弱められる。従ってこの手段は 望ましくない寄生の信号に対して有効信号を上げるのに役立つ。

この構成についてのその他の細部に関しては、本願の構成とも同しくするので前 記の特許出１１Ｐ３９４１５４５．７の明細書を参照する。

さらに異なる特許出願Ｐ３９４１５４４．９による流量計においては超音波は互 いに差において相殺されるということを利用する。測定管の断面、特に前述した 寄生のＶ字状の超音波伝搬通路の反射地点の測定管の内面に段部を設け、これに よりＶ字状通路のこの寄生の超音波の成分をこれと異なる成分の反射の位相と反 対の位相で反射させる。これにより寄生のＶ字状の通路の信号をＷ字状の通路の 所望の信号に対して著しく弱めるこ々が困難なくできる。その他の細部について は、同様に本願の内容としたいので、この出願の明細書を参照する。

本発明の課題は、上述の先願の特許出願による流量計を改良し、これにより付加 的に（Ｗ字状の通路）のを効信号と（Ｖ字状の通路）の寄生信号との比をさらに 改善しようとすることにある。

この課題は、本発明によれば、請求の範囲１の特徴部分により解決される。

添付の図２に示されるように、上記の特許出願による流量計においては趨ｌ波が ５０１及び５０２の地点で、さらに５０３の地点でも平面で反射している。送信 変換器１１（変換器１２が発振変換器として使用される場合には変換器」２）か ら放射された超音波ビームの開き角は例えばδ−１５＃の限られた角寸法をもっ ている、即ち送信変換器から発散した超音波ビームが発振するが、その場合発散 角層は公知の如く超音波の波長と変換器の幾何学的寸法及び構造の詳細に関係す る。かかる超音波変換器の受信特性もまた受信変換器として使用されているとき には同様の発散角度を持っている。

この発明は、反射地点５０１乃至５０３の少なくとも１つにおいて付加的に焦点 合わせをすることにより超音波ビーム２１の広がりを限度内に抑えるもしくは減 するようにするものである。

反射面５０１乃至５０３の湾曲の選択によってＢの方向へもビームの集中化がで きる０図２はその切断面で湾曲「、を示し、この湾曲で図２の平面の超音波ビー ムの集点合わせがなされる０図１に示される湾曲ｒ、により図２の面に対して垂 直な面における超音波ビーム２１が集点合わせされる（その投影面は図１の切断 面である）。

Ｖ字状の寄生の超音波伝搬通路２２に対しては本発明によるこのような手段は用 意されない０反射面５０４において壁が僅かに曲がっていることにより、部ち、 このよう壁の曲がりにより反射した超音波ビーム２２の分散が行われるが、付加 的に寄生信号に対する有効信号の比が増大する。上述した測定管の内面における 集点合わせのための湾曲５０１乃至５０３及び発散化のための湾曲５０４はＨ及 びＢ１．：比して非常に小さいので、これらが測定管内の気体もしくは液体の流 れに悪影響することはない、寄生の超音波ビーム２２の反射面５０４における発 散化の湾曲ｒｏの設定についても同様なことが言える。但し、この場合は発散化 が問題となるので、最適の寸法設計のための特別の労力は必要としない０反射面 ５０１乃至５０３の湾曲ｒ、及びｒ、の設定に対してはＷ字状通路の超音波ビー ム２１の箇所における最小のビーム発散が得られるようにするのが最適である。

この場合最適の集点合わせのための湾曲は往路に対しても復路に対しても、即ち 変換器１１が発振側で変換器１２が受信側であるときもまた逆に変換器１２が発 振側で変換器１１が受信側であるときにも妥当する。　以下の図３による計夏例 はただ１回集中化の反射が行われる（反射面５０３〕例に関係するもので、この 場合図１によるＷ字状の超音波伝搬通路２１のその他の反射は考慮されていない 、この例ではＷ字状の通路は計算のため、図３に示されるように、ただ１回反射 する超音波伝搬通路として考察されている６本来の図１によるＷ字状の通路は図 ３では破線で示されている。

本願明細書の先の部分に示されもしくは導き出された式１乃至２０とは筆関係に Ｗ字状の通路に対してはその他の式２１乃至２４が成立する。

上述したように、この図３における反射されないＷ字状の通路の超音波ビームは 伝搬通路２１’　として側壁２乃至５を持ち、高さ２Ｈ１幅Ｂの測定管１に角α で放射さ机ている。同様にこの超音波ビームは受信側として使用されている変換 器１２゛にこの角αで突き当たっている。

この場合、次の式 ％式％（２１） ここで、「は変換器の半径、Ｈは測定管ｌの当該寸法そしてり、は変換器間の距 離である。

距離Ｌ１は Ｌｍ−（Ｎ＋１）・Ｈ／５ｒｎｅｒ＝４Ｈ／ｓＩｎα（２２）両受換器内部の超 音波通路の距ＮＬｗはＬｗ＝ｒ−ｃｏｔα　（２３） 従って、全体の超音波通路長し１．、はＬｏｓｔ　＝Ｌ１１　＋２Ｌｗ　（２４ ）この場合、これは変換器１１゛の超音波放射面から変換器１２′の超音波入射 面までの全長であり、即ち超音波放射面と超音波入射面との間の焦点合わせを考 慮した超音波通路長である。

既述のように、図３は有効信号の焦点合わせをした反射の計算を表すためのもの である。２１゛は超音波の中央ビームを指し、２１．゛及び２１．°で縁部のビ ームを区別して示す。

図３には半径Ｒを持つ平らな湾曲部が示されている。この例では球状或いは円筒 状の（凹面）鏡をしている。焦点合わせの効果は図３かられかる。

本発明の手段によれば受信側の超音波変換器には発振側の超音波変換器から放射 された超音波エネルギーのかなり大きな部分が到達する。寄生の超音波通路（図 ２参照）に対してはこのような焦点合わせの手段はとられていないから、この焦 点合わせの効果は有効信号にのみ役立ち、従ってＳ−Ｎ比の改善に貢献する。

ここでは筒車のため単なる例で本発明の詳細な説明したが、この要点に応じて有 効信号のＷ字状通路に対して焦点合わせの手段を測定管１の内部の３つの反射部 に通用することもできる。どのような選択が最適であるかは個々のケースによる 。

ただｌｓ所だけを恢点合わせをした反射部とすることは例えば技術的に面倒では ない。他方数箇所で焦点合わせをするのは超音波ビームの束が著しく広がるのを 回避でき、このことは例えば幅Ｂの値が小さい場合に利点がある。

反射面５０３を凹面鏡反射面として、発振側の変換器がこの凹面鏡反射面の６Ｆ 　ｔ　＝２　ｂ　Ｌ　９８１　ｔ　ａ　ｎ　（δ／　２　）　（　２　５　）幅 Ｂが小さいときは一船に球面状の鏡反射面の代わりに、円筒状の反射面で、その 円筒の回転軸が図３（もしくは図２）の面に対して垂直であるものを通用するこ とで充分である。

Ｗ字状構成の場合、図３では理想的に図示されるように、近軸ビームが反射され るのではなく、角αで鏡面に入射するビームが反射される。

従って共心ビーム束は反射後はもはや共心状ではなく、はっきり定義できるよう な像もしくは平行なビーム束は生しない．近軸状態から大きく偏倚することとそ の反射面の結像誤差に制約されて送信変換器が理論的なに点間になく、反射面と 比較的近い距離にある．それ故、ビーム束はあらゆる流れの状態にあっても、特 に起こり得るビームの四散を考慮して、受信変換器に入射するようにされねばな らない。

その他の、特別のケースに必要な補足を以下に述べる。

再び図３を参昭する。有効信号の図示された実際のＷ字状の通路に対して高さＨ ′は測定管の実際の高さＨの２倍に示されている０図２はＷ状測定管での実際の 変換器の配！を示し、ここでは第−及び第三の反射面が所謂折り目を伸ばして示 されている，これらは以下の考察には余り重要ではないからである。この為勿論 高さＨは２倍にされねばならない．送信変換器１１”は発振点源として描かれて いる．ここで凹面状の反射面の頂点を原点とする平行座標系を導入する（Ｂち、 ｙ軸は系の鏡の軸であり、ｙ軸は反射面の頂点を通る）、以下に好ましい鏡体の 半径をめるための経験的方法を既述する．このため送信変換器は発振点＊＜共心 状ビーム束）と見做される０発散角はδとする．上述したように、鏡面反射後は 無収差像は生じないから、もしくは平行なビーム束は達成されないから、すべて のビームは発散角内で受信変換器に入射するようにされねばならない．このため それぞれ（α＋／−δ／２）で発せられたビームはそれぞれ受信変換器の角点に 入射しなければならない（図３参ＴＩり。

送信変換器１１の中心点としての発振点ｆｉＷ＋　（　Ｘ＋　；　）’＋　）、 並びに受信変換器１２の角点を上側の角点に対してＬ＋（　Ｘ！Ｉ；　Ｙｘ□） 、下側の角点に対してＷ２□（ｘｚ□：）’ｚｚ）を持つ座標系は公知である。

入射角αは直線２＋１’ｇＯによりめられる。角（α↓δ／２）及び（αーδ， ／２）で生ずる直線２１１゛及び２ｔｚ”　は送信変換器から決まる。

近（ワ的には鏡の湾曲を訳視することができる。従ってｙ軸と２１＋’　皮び２ １２゛　との交点Ｓ，並びに５２が決まる。Ｓｌ及びＷ２１並びにＢ２及びＷ２ □によりそれぞれ直線１２１，’及び１２１□°が決まる。さらになお２１，° 及び１２１１゛並びに２１ｔ゛及び１２１ｇ’　の角半分線とｙ軸との交点（即 ちｘ−０）が決定され、これは凹面鏡の半径である，上述の理由から２つの僅か に異なる半径が生ずる．焦点距離はこの場合ｆ＝ｒ／２となる．しかしここで得 られた解決には仮定があるため多少の誤差がある．従って実際には現実の伝搬通 路での微細な調整が必要である。

次の例は前記の実施例の本発明による改良に関する．この例では幅Ｂ−６ｍｍ、 高さＨ＝３０ｍｍ、入射角α＝３８°、距１１Ｌｓ−１６５ｍｍ、発散角δ＝１ ５。

である、ここで予定されている凹面鏡は高さＨに対して３ｍｍの深さを持ち、そ こに反射点がある。変換器半径はｒｗ７ｍｍである。

結果はり．＝１７９．１２ｍｍである．この場合２つの異なる凹面鏡半径Ｒ１＝ ２２０ｍｍ及びＲｘ　＝２　１　１ｍｍとなる．鏡体の窪みにより本来の測定通 路への移り部における弦の長さＳはｖｆ１７２ｍｍとなる．実験により検証した ところ約２２０ｍｍの半径で最適な信号ゲインを得ることができた．信号ゲイン はその場合的６ｄＢである。

原理的には３つのすべての反射面で焦点合わせを行うことができる．しかしなが らその場合凹面鏡の半径を適当に合わさなければならない。寄生のｖ字状通路の 反射面には分散化の対策（凸面反射面）をとり、これにより有効信号に対してノ イズ信号を改善することもできる．上述の焦点合わせの対策は、Ｗ字状構成でな く、１回反射の超音波通ｊ！３（Ｖ状測定管）にも通用できる。

上記の説明では球状の反射体についてのみ言及してきた．しかしパラボラ状の反 射体でもなおよい結像特性を得ることができる。

路（２２）に対して声点合わせした反射部を設番する。

１□１ａｌｌｅｌｌ＊ｌ　Ａｐｐｋ＃ＩｌｅＭ　Ｈ０ＰＣＴ／ＥＰ　９０１０２ １８１国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．気体もしくは液体が貫流する測定管（１）と、超音波送信及び受信変換器（ １１、１２）とを備え、これらの変換器がこの測定管（１）内に互いに所定の間 隔で配置されて設けられた複数個の反射部を持つＷ字状の超音波通路（２１）を 発生するために測定管（１）の同一の側壁（５）に取り付けられた超音波流量計 において、測定管（１）内に、よく知られたように、生ずる寄生のＶ字状の超音 波通路に基づくノイズ信号に対する有効信号の比を改善するために、Ｗ字状の超 音波通路（２１）の反射部（５０１、５０２、５０３）の少なくとも１つにおい て、測定管の側壁（４，５）の内面の（それぞれ）反射を起こさせる面部分に焦 点合わせの為の湾曲部が設けられ、その際この面部分は開き角＋／−δに適合し て設定されており、かつ受信変換器（図３の１２′）の箇所における束状の超音 波ビーム（２１）の（すべての）焦点合わせがその受信面に入射される（図３） ことを特徴とする超音波流量計。 ２．送信変換器（１１もしくは１２）と受信変換器（１２）もしくは送信変換器 （１１）との間の有効信号のＷ字状の通路の超音波ビーム（２１）の複数個の反 射部（５０１、５０２、５０３）において前記の焦点合わせが行われる（図２） ことを特徴とする請求の範囲１記載の超音波流量計。 ３．送信変換器と受信変換器との間の寄生の超音波ビームのＶ字状の超音波通路 （２２）に対して測定管（１）内にある超音波通路（２２）の反射部における測 定管の内面壁の表面を焦点の分散化に作用する形状（５０４）とする（図２）こ とを特徴とする請求の範囲１または２記載の超音波流量計。 ４．有効信号の超音波通路（２１）の少なくとも１つの反射部（５０１、５０２ 、５０３）の形状を球形状とすることを特徴とする請求の範囲１乃至３の１つに 記載の超音波流量計。 ５．有効信号の超音波通路（２１）の少なくとも１つの反射部（５０１、５０２ 、５０３）の形状を円筒状とすることを特徴とする請求の範囲１乃至３の１つに 記載の超音波流量計。 ６．有効信号の超音波通路（２１）の少なくとも１つの反射部（５０１、５０２ 、５０３）の形状をバラボラ状とすることを特徴とする請求の範囲１乃至３の１ つに記載の超音波流量計。 ７．有効信号の超音波通路（２１）の少なくとも１つの反射部（５０１、５０２ 、５０３）の形状を、測定管の寸法（Ｌ及びＢ）の選択に関連して、異なる湾曲 状とすることを特徴とする請求の範囲１乃至３の１つに記載の超音波流量計。 ８．測定管（１）は特許出願Ｐ３９４１５４６．５に相当する矩形状断面を持つ ことを特徴とする請求の範囲１乃至７の１つに記載の超音波流量計。 ９．送信変換器（１１もしくは１２）と受信変換器（１２もしくは１１）相互の 配置は先願の特許出願Ｐ３９４１５４５．７に応じて設定されていることを特徴 とする請求の範囲１乃至８の１つに記載の超音波流量計。