JP2000304581A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】測定管内面に対して超音波センサの取り付け部
位を平滑化することにより、流体の流れを乱すことなく
流量を測定する超音波流量計を提供する。 【解決手段】超音波振動子21と第１音響整合層31と第２
音響整合層32とからなる超音波センサ2A,2B を、測定管
路１の斜位置に送信側と受信側とを垂直に対向配備し、
第１音響整合層31は超音波振動子21と接合する第１界面
22を直角に、第２音響整合層32と接合する第２界面23を
傾斜角度とし、第１音響整合層31の材質は、超音波伝搬
方向に均質であり伝搬方向と直角方向は層状あるいは連
続的に伝搬速度ｃが変化する傾斜特性を有し、超音波伝
搬方向の第１音響整合層31の長さは、伝搬する超音波の
1/4波長とし、第２音響整合層32は、第２界面23で屈折
した超音波が第３界面24から測定流体1aに放射できる広
がりを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波技術を利用し
た流体流量を測定する超音波流量計に関わり、特に、気
体用の超音波流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７において、従来技術による超音波流
量計は、超音波振動子４とこの超音波振動子４に接合さ
れ他方の面から音波を放射する音響整合層５とからなる
超音波センサ4A,4B を、測定流体1aが搬送される測定管
路１に対して傾斜して送信側と受信側とを対向して配備
して構成される。

【０００３】かかる構成において、超音波流量計は、一
方の超音波センサ（例えば4A）の超音波振動子４を励振
し音響整合層５を介して流体1aとの音響インピーダンス
の整合を図り、超音波振動子４から超音波信号4aを送信
し、他方の超音波センサ(4B)の音響整合層５を介して超
音波振動子４でこの送信された超音波信号4aを受信す
る。そして、この超音波信号4aの送受信を交互に切り換
えて、超音波信号4aが上流側への伝搬時間と下流側への
伝搬時間との伝搬時間差ΔT を測定することにより、測
定管路１内の流体1aの流速あるいは流量を測定すること
ができる。

【０００４】図７の図示例の超音波流量計は、測定管１
に傾斜して超音波センサ4A,4B の送信側および受信側が
流体1aに接して対向して配備されている。この超音波流
量計の超音波センサ4A,4B の取り付け部では、測定管１
の内面に対して突出部および測定管１の内面よりもへこ
んだ部分が構成され、測定管１の内面はこの超音波セン
サ4A,4B の取り付け部を流れる流体1aに対して平滑な面
を構成していない。このため、超音波センサ4A,4B の取
り付け部付近に、測定する流体1aに乱れが生じ、流体1a
の流量を正確に測定することができなかった。

【０００５】また、ここでは図示省略されているが、測
定管路１の外側に傾斜して超音波センサ4A,4B の送信側
および受信側を対向して配備して、測定管路１内の流体
1aの流速を測定することができる。この測定法では、流
体1aが液体のときは、まだ流体1aの音響インピーダンス
が比較的大きいので測定管１を介して超音波を流体1a中
に伝搬させることができるが、流体1aが気体のときは、
流体1aの音響インピーダンスが小さいので、測定管１と
流体1aの気体との界面で反射現象が起こり、超音波を流
体1a中に伝搬させることが困難となる。

【０００６】従って、測定管路１の外側に超音波センサ
を配備する方法は、一般的には流体1aが液体で構成され
る場合であり、この場合では、測定管路１内の流体1aの
流れに乱れを生じさせない特徴があるが、測定管路１内
の測定流体1aを伝搬して傾斜して対向配置される受信側
の超音波センサ(4A),4B に受信される超音波信号4a以外
に、測定管路１のパイプ自身を直接伝搬して対向して配
置される受信側の超音波センサ(4A),4B に受信されノイ
ズ成分となる伝搬速度の速い超音波信号(4c)が存在す
る。通常の流量測定では、この測定管路１のパイプ自身
を直接伝搬して受信される超音波信号(4c)は、受信時に
マスク処理をして除去されるが、測定管路１の口径が小
さいときは、このマスク処理でノイズ成分の超音波信号
(4c)を安定に除去することが困難となる。このため、上
述の如く、超音波センサ4A,4B を測定流体1aに直接接触
する方法が行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この様に、従来技術に
よる超音波流量計では、超音波センサが流体に接触する
部位での凹凸による流体の流れに乱れが発生し、超音波
信号の受信振幅が変動し、伝搬時間差の測定に影響が生
じ、流量測定誤差を生じる問題がある。

【０００８】本発明は上記の点にかんがみてなされたも
のであり、その目的は前記した課題を解決して、測定管
路内面に対して、超音波センサの取り付け部位を平滑化
することにより、測定する流体の流れを乱すことなく流
量を測定する超音波流量計を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題は本発明によれ
ば、超音波振動子と, この超音波振動子に第１界面で接
合される第１音響整合層と, この第１音響整合層と第２
界面で接合され第１界面と平行に形成される第３界面か
ら音波を放射する第２音響整合層と, からなる超音波セ
ンサを、流体が搬送される測定管路に対して送信側と受
信側とを斜に対向配置する位置に垂直に配備し、超音波
センサの第１音響整合層は、超音波伝搬方向に対して、
超音波振動子と接合する第１界面を直角に、第２音響整
合層と接合する第２界面を柱状体を斜めに切断した形状
をなす傾斜角度とし、この第１音響整合層を構成する材
質は、超音波伝搬方向に均質であり、この伝搬方向と直
角方向は層状あるいは連続的に変化する傾斜特性を有
し、この直角方向の各位置に応じて超音波伝搬方向の伝
搬速度が変化し、この超音波伝搬方向の第１音響整合層
の長さは、各位置を伝搬する超音波の 1/4波長とし、超
音波センサの第２音響整合層は、第１音響整合層と接合
される第２界面を第１音響整合層の第２界面の傾斜角度
とし、第３界面の寸法は，少なくとも，第２界面で屈折
した超音波が第３界面から測定流体に放射する広がりを
有するものとする。

【００１０】かかる構成により、超音波振動子で発生し
た超音波は、第１界面を介して第１音響整合層に入射
し、この第１音響整合層の各位置毎で定まる音波伝搬速
度で第２音響整合層との第２界面に伝搬し、かつ、この
超音波伝搬方向の長さが伝搬する超音波の 1/4波長にな
っているので、第２界面がなす傾斜位置で屈折し、この
第２界面での反射現象を少なく、超音波を効率よく第２
音響整合層を伝搬することができる。また、第２音響整
合層からの放射面である第３界面は、管路あるいは管路
内面の測定流体と平滑に配備されているので、測定する
流体の流れを乱すことなく流量を測定することができ
る。

【００１１】また、第１音響整合層は、超音波伝搬方向
の伝搬速度は一定であり、この伝搬方向と直角方向は層
状に傾斜配合され、この材料の音速ｃと密度ρとの積値
ρｃからなる音響インピーダンスを予め定められた値に
し、音速ｃの分布を段階状に傾斜配合して構成し、第２
音響整合層の音響インピーダンスは第１音響整合層の音
響インピーダンスよりも小さくすることができる。

【００１２】また、第１音響整合層は、超音波伝搬方向
の伝搬速度は一定であり、この伝搬方向と直角方向は連
続的に傾斜配合され、この材料の音速ｃと密度ρとの積
値ρｃからなる音響インピーダンスを予め定められた値
にし、音速ｃの分布を連続的に傾斜配合して構成し、第
２音響整合層の音響インピーダンスは第１音響整合層の
音響インピーダンスよりも小さくすることができる。

【００１３】かかる構成により、第２音響整合層の音響
インピーダンスを測定管路あるいは測定管路内面の測定
流体と整合を保ちながら、あるいは、特に流体が気体の
ときは、この測定流体の音響インピーダンスに極力近づ
けるべく第２音響整合層の音響インピーダンスを小さく
し、超音波伝搬方向に対しても音響インピーダンスが傾
斜配合させることにより、効率的に測定流体に超音波セ
ンサからの超音波を傾斜する角度で伝搬させることがで
きる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例による超
音波流量計の要部構成図、図２は一実施例による第１音
響整合層および第２音響整合層の説明図、図３は段階状
に傾斜配合された第１音響整合層の説明図、図４は連続
的に傾斜配合される第１音響整合層の説明図、図５はバ
ルーンの説明図、図６は他の方法による連続的に傾斜配
合される第１音響整合層の説明図であり、図７、図８に
対応する同一部材には同じ符号が付してある。

【００１５】図１において、本発明による超音波流量計
は、超音波振動子21と, この超音波振動子21に第１界面
22で接合される第１音響整合層31(3a,3b,3c,・・) と,
この第１音響整合層31と第２界面23で接合され第１界面
22と平行に形成される第３界面24から超音波2a,2b,2c・
・2mを放射する第２音響整合層32と, からなる超音波セ
ンサ2A,2B を、流体1aが搬送される測定管路１に対して
送信側と受信側とが斜に対向配置する位置に垂直に配備
して構成される。

【００１６】この超音波センサ2A,2B の第１音響整合層
31は、図示例では音響整合層（3a,3b,3c・・) の積層構
造で構成され、超音波（2a,2b,2c・・) の伝搬方向（図
示例では垂直方向）に対して、超音波振動子21と接合す
る第１界面22を直角に、第２音響整合層32と接合する第
２界面23を柱状体を斜めに切断した形状をなす傾斜角度
とし、この第１音響整合層31(3a,3b,3c,・・) を構成す
る材質は、超音波伝搬方向に均質であり、この伝搬方向
と直角方向は層状あるいは連続的に変化する傾斜特性を
備え、この直角方向の各位置（(i=a,b,c・・) または
(x) 以下、直角方向の位置を段階状ではi,連続的ではx
の添字で表現する）に応じて超音波（2a,2b,2c・・) の
伝搬方向の伝搬速度（ｃi=ｃa,ｃb,ｃc,・・）または
（ｃx)が一定の割合で変化し、この超音波（2a,2b,2c・
・) の伝搬方向の第１音響整合層31（3a,3b,3c・・) の
長さは、各位置(iまたはx)を伝搬する超音波（2a,2b,2c
・・)または（ｃx)の 1/4波長に構成される。

【００１７】また、超音波センサ2A,2B の第２音響整合
層32は、第１音響整合層31と接合される第２界面23を第
１音響整合層31の第２界面23と同じ傾斜角度とし、第３
界面24を構成する寸法は，少なくとも，第２界面23で屈
折した超音波2a,2b,2c・・2mが第３界面24から測定流体
1aに放射できる広がりを備える様に構成される。

【００１８】かかる構成により、超音波振動子21で発生
した超音波は、第１界面22を介して第１音響整合層31(3
a,3b,3c,・・) に入射し、この第１音響整合層31(3a,3
b,3c,・・) の各位置毎で定まる音波伝搬速度（ｃa,ｃ
b,ｃc,・・）で第２音響整合層32との第２界面23に伝搬
し、かつ、この超音波伝搬方向の長さが伝搬する超音波
の 1/4波長になっているので、第２界面23がなす傾斜角
度と，第１音響整合層31と第２音響整合層32との音波伝
搬速度に比から定まる角度で屈折する。この第２界面23
での反射現象は少なく、超音波を効率よく第２音響整合
層32を伝搬することができる。また、第２音響整合層32
からの放射面である第３界面24は、管路１あるいは管路
１内面の測定流体1aと平滑に配備されているので、測定
する流体1aの流れを乱すことなく流量を測定することが
できる。

【００１９】

【実施例】図２、図３により本発明の超音波センサの音
速の分布が段階状に傾斜配合される第１音響整合層31の
構成を、図４〜図６で音速の分布が連続的に傾斜配合さ
れる第１音響整合層31の構成例を中心に説明する。 （実施例１）図２の(A) において、第１音響整合層31
は、超音波（2a,2b,2c・・) の伝搬方向に構成される材
料特性は一定であり、超音波（2a,2b,2c・・) の伝搬方
向と垂直方向に構成される材料特性は傾斜配合され、こ
の材料の音速ｃ（ｃi,ｃx)と密度ρ（ρi,ρx)との積値
ρｃで示される音響インピーダンス（ρi ｃi,ρx ｃx)
を一定にし、音速ｃの分布を段階状に傾斜配合して構成
する。

【００２０】この第１音響整合層31は、例えば、図３に
図示される様に、音速ｃ(Ci)と密度ρ（ρi)が異なり、
かつ、積値ρｃ（ρi ｃi)が等しい材料（3a,3b,3c・
・）を層状に張り合わせる。この張り合わせは、音速ｃ
の大小関係に従って (1)式に示される関係に配列され
る。

【００２１】

【数１】 ｃa ＜ｃb ＜ｃc ＜・＜ｃi ＜・ (1) また、第１音響整合層31は、超音波振動子２との接合面
側である第１界面22を直角に構成し、材料（3a,3b,3c・
・）の各層は、層の長さＬi を (2)式で示される 1/4波
長(1/4λi)とし、層の厚さを各層の長さＬi( La,Lb,Lc
・・）とこの層の中心部分とを結ぶ線が直線となる様に
選択する。

【００２２】

【数２】 Ｌi ＝（1/4)λi ＝ｃi ／4f (2) 但し、ｃi は音速ｃa,ｃb,ｃc,・・、f は超音波の周波
数 また、第２音響整合層32は、第１音響整合層31と接合さ
れる第２界面23を第１音響整合層31の第２界面23と同じ
傾斜角度とし、第１界面22と平行に形成される第３界面
24の寸法は，少なくとも，第２界面23で屈折した超音波
2a,2b,2c・・2mが第２音響整合層32の側面で反射するこ
となく、第３界面24から測定流体1aに放射できる広がり
を備える様に構成される。

【００２３】図２の(A) は、各層の長さＬi(La,Lb,Lc・
・）を (2)式の寸法より少し長めに製作し、第２界面23
を平滑に研磨して構成する、あるいは、上述した第１音
響整合層31を長く構成し、これを切断・研磨して複数の
第１音響整合層31を構成することができる。また、図２
の(B) は、上述の各層の長さＬi(La,Lb,Lc・・）を (2)
式の寸法で層状に張り合わせることによって構成するこ
とができる。 （実施例２）図４に図示される第１音響整合層31は、他
の実施例であり、超音波伝搬方向の材料特性は均一であ
り、超音波伝搬方向と直角方向の材料特性は傾斜配合さ
れ、この材料の音速ｃx と密度ρx との積値ρx ｃx か
らなる音響インピーダンスを予め定められた値に選択
し、音速ｃx の分布を連続的（あるいは段階状）に傾斜
配合して構成するものである。

【００２４】かかる構成の第１音響整合層31は次の様に
構成することができる。図４の(A)において、硬化して
いない低粘度の樹脂中に白丸および黒丸で図示された密
度ρ1,ρ2 の異なるプラスチックバルーンあるいはガラ
スバルーン（以下、バルーンと略称する）を混合し、一
定時間放置する。すると、重力の作用によって、密度ρ
1,ρ2 の異なるバルーンの分布は、図４の(B) に図示さ
れる様に、上下方向に位置x をとり、低粘度の樹脂中で
黒丸で図示される密度ρ1 の濃いバルーンが下方に多く
分布し、白丸で図示される密度ρ2 の薄い白丸のバルー
ンが上方に多く分布し、この黒丸および白丸のバルーン
の分布が横方向にほぼ均等な濃度で分布し、階段状ある
いは連続的な密度分布を生じさせることができる。

【００２５】この状態の樹脂を硬化させることにより、
音速ｃx と密度ρx の異なる第１音響整合層31を製作す
ることができる。この第１音響整合層31の製作にあた
り、バルーンはプラスチック球あるいはガラス球のいず
れのバルーンでも密度ρの値が制御できれば使用可能で
ある。

【００２６】図５はプラスチックバルーンあるいはガラ
スバルーンを図示し、それぞれ中空状のプラスチック球
あるいは中空状のガラス球から構成することができる。 （実施例３）図６の(A) において、硬化していない低粘
度の樹脂中に帯電させた白丸および黒丸で図示される密
度ρ3,ρ4 の異なるプラスチック球あるいは金属粉末体
を混合し、電界あるいは磁界中に挿入する。帯電したプ
ラスチック球あるいは金属粉末体は、電界あるいは磁界
の作用を受け、図６の(B) に図示される様に、図示例で
は横方向に位置x をとり、電気（あるいは磁気）泳動さ
せ、樹脂中で黒丸で図示される密度ρ3 のバルーンが左
方に多く分布し、白丸で図示される密度ρ4 の白丸のバ
ルーンが右方に多く分布し、この分布が上下方向にほぼ
均等な濃度で分布する様にして、階段状あるいは連続的
な密度分布を生じさせることができる。この状態で樹脂
を硬化させることにより、音速ｃx と密度ρx の異なる
第１音響整合層31を製作することができる。

【００２７】なお、この第１音響整合層31の製作にあた
り、プラスチック球あるいは金属粉末体の密度は変えず
に、帯電させる電荷量ごとのプラスチック球あるいは金
属粉末体の量を増減させることによって第１音響整合層
31の傾斜特性を制御することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように本発明による超音波流
量計は、超音波センサの取り付け角度によって、音響整
合層の超音波放射面と超音波振動子の振動面との角度を
制御することができ、超音波流量計の測定管内面に対す
る超音波センサの取り付け部位を平滑化することがで
き、測定する流体の流れを乱すことなく流量を測定する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としての超音波流量計の要部
構成図

【図２】一実施例による第１音響整合層および第２音響
整合層の説明図

【図３】段階状に傾斜配合された第１音響整合層の説明
図

【図４】連続的に傾斜配合される第１音響整合層の説明
図

【図５】バルーンの説明図

【図６】他の方法による連続的に傾斜配合される第１音
響整合層の説明図

【図７】従来技術による超音波流量計の要部構成図

【図８】従来技術による音響整合層の説明図

【符号の説明】

１ 測定管 1a 測定流体 21、４ 超音波振動子 22 第１界面 23 第２界面 24 第３界面 2A,2B,4A,4B 超音波センサ 2a,2b,2c・・4a,4c 超音波信号 31,3a,3b,3c ・・５ 第１音響整合層 32 第２音響整合層 35 バルーン 36 中空 ρ, ρi,ρx 密度 ｃ，ｃi,ｃx 音速 i,x 位置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波振動子と, この超音波振動子に第１
   界面で接合される第１音響整合層と, この第１音響整合
   層と第２界面で接合され第１界面と平行に形成される第
   ３界面から音波を放射する第２音響整合層と, からなる
   超音波センサを、流体が搬送される測定管路に対して送
   信側と受信側とを斜に対向配置する位置に垂直に配備
   し、 超音波センサの第１音響整合層は、超音波伝搬方向に対
   して、超音波振動子と接合する第１界面を直角に、第２
   音響整合層と接合する第２界面を柱状体を斜めに切断し
   た形状をなす傾斜角度とし、この第１音響整合層を構成
   する材質は、超音波伝搬方向に均質であり、この伝搬方
   向と直角方向は層状あるいは連続的に変化する傾斜特性
   を有し、この直角方向の各位置に応じて超音波伝搬方向
   の伝搬速度が変化し、この超音波伝搬方向の第１音響整
   合層の長さは、各位置を伝搬する超音波の 1/4波長と
   し、 超音波センサの第２音響整合層は、第１音響整合層と接
   合される第２界面を第１音響整合層の第２界面の傾斜角
   度とし、第３界面の寸法は，少なくとも，第２界面で屈
   折した超音波が第３界面から測定流体に放射する広がり
   を有する、 ことを特徴とする超音波流量計。
2. 【請求項２】請求項１に記載の超音波流量計において、 第１音響整合層は、超音波伝搬方向の伝搬速度は一定で
   あり、この伝搬方向と直角方向は層状に傾斜配合され、
   この材料の音速ｃと密度ρとの積値ρｃからなる音響イ
   ンピーダンスを予め定められた値にし、音速ｃの分布を
   段階状に傾斜配合して構成し、第２音響整合層の音響イ
   ンピーダンスは第１音響整合層の音響インピーダンスよ
   りも小さくする、 ことを特徴とする超音波流量計。
3. 【請求項３】請求項１に記載の超音波流量計において、 第１音響整合層は、超音波伝搬方向の伝搬速度は一定で
   あり、この伝搬方向と直角方向は連続的に傾斜配合さ
   れ、この材料の音速ｃと密度ρとの積値ρｃからなる音
   響インピーダンスを予め定められた値にし、音速ｃの分
   布を連続的に傾斜配合して構成し、第２音響整合層の音
   響インピーダンスは第１音響整合層の音響インピーダン
   スよりも小さくする、 ことを特徴とする超音波流量計。