JP2005351827A - ドップラー式超音波流量計に用いられる楔および楔ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 音響ノイズを低減させることが可能なドップラー式超音波流量計に用いられる楔および楔ユニットを提供することである。
【解決手段】 本発明のドップラー式超音波流量計に用いられる楔は、一面を配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって超音波を発生させ、かつ、その超音波に対応する反射波を受信する超音波振動子が装着され、その超音波振動子が設置された楔の他面の傾斜角度に応じて定まる、その超音波振動子からの超音波が配管の外壁に作る射影の大きさＬ’が、その超音波が配管外壁から入射した位置Ｐ₁と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置Ｐ₃との差分Ｌを超えないように、その超音波振動子の直径Ｄを設定している。
【選択図】図２

Description

本発明は、配管の外周面の一部に設置して（クランプオンして）用いられるクランプオン型ドップラー式超音波流量計に関し、特に、そのような流量計に用いて好適な楔および楔ユニットに関する。

従来、ドップラー式超音波流量計の１つに、クランプオン型超音波流量計がある。このクランプオン型超音波流量計は、被測定流体が内部を所定の向きに通過する配管に対し、その配管の一部に、音波を配管に伝えるための材料、すなわち、楔（くさび）を設置し（クランプオンし）、その楔を介して音波を配管内部に送信することにより、その配管の管状体の内部を移動する流体の流量を計測する流量計である。なお、以下の説明において、特にことわらない限り、配管内の流体は水平方向に流れているものとする。

クランプオン型ドップラー式超音波流量計には、伝播時間差式のものと、ドップラー式のものとがある。伝播時間差式クランプオン型超音波流量計では、超音波を管状体の内部を移動する流体を斜めに横切る経路で往復させて、超音波が往路と復路のそれぞれを伝播するのに要する時間の差から、流体の流量を算出している。

これに対し、ドップラー式クランプオン型超音波流量計では、流体中に含まれる浮遊粒子や気泡が流体と同じ速度で移動すると仮定して、浮遊粒子などの移動速度から流体の流量を算出している。このドップラー式では、流体中に送信された超音波の周波数が、浮遊粒子などに反射して、ドップラー効果により変化する点に注目し、その反射された超音波の周波数を検出することにより、浮遊粒子の移動速度を測定している。

図５は、従来のドップラー式クランプオン型超音波流量計に設けられる楔を、それがクランプオンされる配管の一部と共に示した断面図である。
図５において、楔４２は、一面を介して配管４３の外周面の一部に設置されると共に、他面には超音波振動子４１が装着される。この超音波振動子４１は、電気信号によって超音波を発生させ、その超音波を配管内部を通過する流体４４に入射させ、かつ、その流体４４中の上記浮遊粒子などの反射体にその超音波が当たることによって得られる反射波（エコー超音波）を受信する。

超音波振動子４１が送信する超音波は、例えば、５ｍｍ程度のパルス幅を有する直進性のビームである。また、上記反射体としては、流体中に一様に含まれる気泡、Ａｌの微粉末等のパーティクル、被測定流体とは異なる音響インピーダンスを有する異物、などがある。

受信されたエコー超音波は、流量の算出を行うユニット（不図示）に供給され、そこで、配管内部の被測定流体に対する流量が算出される。
より具体的には、反射体からの超音波エコー信号に信号処理を行って流速（分布）を求め、その流速から流量を求めている。流速から流量を求める方法は、例えば、下記特許文献１に開示されている。

すなわち、まず、流体の時間ｔにおける流量ｍ（ｔ）は下記（１）式で表すことができる。ここで、ρ：被測定流体の密度、ｖ（ｘ・ｔ）：時間ｔにおける速度成分、である。

（１）式から配管を流れる時間ｔにおける流量ｍ（ｔ）は、次の（２）式に書き換えることができる。

ここで、ｖｘ（ｒ・θ・ｔ）は、時間ｔにおいて、配管の横断面の中心から距離ｒ、その横断面の中心を通る所定方向から見て角度θの位置における、配管の軸方向（管軸方向）の速度成分を表している。
特開２０００−９７７４２号公報 「ドップラ式超音波流量計」

以上、説明したことから、流量を高精度で算出（計測）するには、その流量を算出する際に用いられる流速分布を精度よく検出することが必要となるが、その流速分布については、上記したように、超音波エコーを処理して求めているので、結局、この超音波エコーに所望とする音響信号のみが含まれるようにする必要がある。

しかし、以下に述べるような各種の原因によって、従来のドップラー式クランプオン型超音波流量（流速分布）計による流速分布の測定においては、流量または流速分布を求める際に用いられるエコー超音波信号には各種ノイズ、例えば、多重反射に起因するノイズが乗るために、流量を高精度で算出することが困難になっている。

上記したエコー超音波信号に乗るノイズとしては、２種類のノイズが考えられるが、まず、その第１のものについて説明する。
ドップラー式クランプオン型超音波流量計においては、配管内の流体の音響インピーダンスと配管材の音響インピーダンスとでは、配管の方が大きいため、超音波振動子から楔を介して配管内に入射しようとする超音波は、配管内壁と流体との境界面において、大部分が配管内壁から配管外壁の方に反射し、以降、その配管材の内部で（配管外壁と配管内壁との間で）多重反射を繰り返していく。そして、この多重反射が配管内壁から管内への入射に対して大きいことが、所望とする超音波エコーにノイズを乗らせることにつながり、流量計測における誤差を生じさせる原因となっている。

上記したことにつき、図５を参照して、より詳細に説明する。
図５において、超音波振動子４１から発振された超音波は、側線２０１に沿って楔４２に入射し、側線２０２ａに沿って配管４３に入射し配管４３の内壁まで進む。

配管４３の内壁において、超音波は、配管内壁を透過して側線２０２ｂに沿って流体に入射する超音波と、配管内壁で反射し側線２０３に沿って配管外壁に向かう超音波とに分かれる。

外壁まで進んだ超音波は、外壁において、殆ど全てが反射され、再び、側線２０４ａに沿って内壁に向かう。そして、内壁において、同様にして、その超音波は、その内壁を透過して側線２０４ｂに沿って流体に入射する超音波と、内壁で反射し外壁に向かう超音波とに分かれる。

それぞれの超音波は、側線に沿って往復することで、再度、超音波振動子に超音波エコーとして受信される。そして、受信された超音波エコーに基づいて、流速分布、流量が求められる。

すなわち、図では、側線２０２ｂ、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子まで戻る超音波エコー、側線２０４ｂ、２０４ａ、２０３、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子まで戻る超音波エコー、などがある。なお、これらのうちで、側線２０２ｂ、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子まで戻る超音波エコーのことを、「所望とする超音波エコー」という。

図では、所望とする超音波エコーに、例えば、側線２０４ｂ、２０４ａ、２０３、２０２ａ、２０１に沿って超音波振動子まで戻る超音波エコーがノイズとして重なってしまうという問題がある。

この問題につき、以下でより具体的に説明する。
図６は、媒質１から媒質２に向かう音波が、媒質１と媒質２との境界において、反射または透過する様子を説明する図である。

図６において、音波が境界面に垂直な方向から見て角度θinだけ傾斜した方向から入射して、媒質１から媒質２に向かう場合に、入射波、反射波、透過波の間には、次の（３）式に示されるような関係が成り立つ（スネル（Snell）の法則）。

ここで、（３）式において、ｃ１：媒質１の音速、ｃ２：媒質２の音速、θin：媒質１での入射角、θout：媒質２での角度、θref：媒質１での反射角、である。
また、媒質１および２における音響インピーダンスｚ１、ｚ２はそれぞれ（４）、（５）式で定義される。

ここで、（４）、（５）式において、ｃ１：媒質１の音速、ｃ２：媒質２の音速、ρ１：媒質１の密度、ρ２：媒質２の密度、である。
この時、音圧の透過率Ｔｐ、反射率Ｒｐは、それぞれ（６）、（７）式で示される。

これらの数式を上記した配管材とその配管内の流体とに適用することで、配管と流体との境界における反射率、透過率を求めることができる。
図７は、配管材にステンレスを用い、配管内の流体として水を用いた場合の計算例を示す図である。

ステンレスは音速が３２５０ｍ／ｓ、密度が７．９１×１０³ｋｇ／ｍ³で与えられ、また、水は音速が１４９０ｍ／ｓ、密度が１．００×１０³ｋｇ／ｍ³で与えられる。
図７に示すように、配管からの超音波の入射角を４７ｄｅｇとすると、（６）、（７）式を用いて、透過率が約６％、反射率が約９４％と求まり、超音波の殆どが水中に入射せずに配管内に反射することが分かる。

配管の内壁で反射した超音波に対しても同様に、透過率、反射率を計算できる。配管の外壁においては、ステンレスと空気とが接していて、空気の音速が３４４ｍ／ｓ、密度が１．２９３×１０³ｋｇ／ｍ³で与えられることを考慮し、（６）、（７）式を用いて、透過率が約０．００１％、反射率が約９９．９９９％と求まる。この場合、超音波の殆どが空気中に入射せず、配管内に反射する。

再度、配管（ステンレス）と流体との境界に達した超音波に対して、同様の計算を行なうと、この側線に沿って水中へ入射する音圧は５．４％と計算される。ただし、この計算値は、最初に配管に入射した超音波の音圧を１００％とした場合の相対値である。

なお、配管材の厚み、配管の内径を具体的に指定することによって、超音波の伝播時間等を算出することが可能となるが、ここでは、配管の厚みを６ｍｍ、配管の内径を１０２ｍｍとした。

入射角（この場合、４７ｄｅｇ）から超音波がとる経路である側線の長さが分かり、それを各媒質（ステンレス、または、水）中での音速で割ることによって所要時間が求まる。

図５に示す側線２０４ｂと側線２０２ｂとの配管内壁からの側線に沿った対応する位置では、側線２０４ｂで発生した超音波エコーの方が側線２０３、２０４ａを往復する時間だけ遅れて、超音波振動子４１に受信される。

よって、側線２０４ｂに沿った任意の位置で発生する超音波エコーが時間的に連続して超音波振動子４１に受信される区間は、側線２０３、２０４ａを往復する時間だけ遅れて、側線２０２ｂに沿った任意の位置で発生する超音波エコーが時間的に連続して超音波振動子４１に受信される区間に重ねられる。

図８は、超音波振動子に超音波エコーが重なって受信される様子を説明する図である。
図８において、上記した配管の厚み、配管の内径、入射角から、側線２０３、２０４ａを往復する距離が、１２．２ｍｍ×４＝４８．８ｍｍと求められ、ステンレス製の配管中の横波の速度が上記３２５０ｍ／ｓである関係から、その往復による遅延時間が１５μｓｅｃと求められる。また、２０２ｂ、２０４ｂ、等の水中を横切る側線を音波が往復するのに要する時間は、水中での音速が上記１４９０ｍ／ｓである関係から、１３７μｓｅｃと求められる。よって、図に示す区間Ｘにおいて、側線２０２ｂ、２０４ｂからの超音波エコー信号が重ねられて超音波振動子に受信される。

図９は、エコー信号が重ねあわされることでノイズが生じることを説明する図である。
図９において、符号Ｉは、側線２０２ｂから得られた超音波エコーに基づいて求められた流速分布、符号ＩＩは、側線２０４ｂから得られた超音波エコーに基づいて求められた流速分布、符号ＩＩＩは、側線２０２ｂからの超音波エコーに基づくものと、側線２０４ｂからの超音波エコーに基づくものとを重ねて得られる流速分布、をそれぞれ示している。この図から、測定結果として得られる符号ＩＩＩの流速分布が、所望とする流速分布に対応する符号Ｉの流速分布からずれていることが分かる。

図１０は、従来のドップラー式クランプオン型超音波流量計に設けられる楔を、それがクランプオンされる配管の一部と共に示した断面図である。また、この図は、従来技術における第２の問題点を説明する図である。

図１０において、超音波振動子５１が装着された楔５２が配管５３の外壁の一部にクランプオンされる。
図１０は、超音波振動子の直径に対して配管の厚みが薄い（それらの比が所定値未満である）場合に相当する。この場合、図に示すように、超音波ビームの直径内で多重反射が発生する。すなわち、例えば位置Ｐ₁₁で、配管外壁から入射した超音波ビームが位置Ｐ₁₂で、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達した場合、この位置Ｐ₁₂において、配管外壁から入射する超音波ビームと重なることで多重反射が生じる。

そして、この多重反射に対応して、配管内の流速を測定（算出）する際に用いられる側線も多重に発生する。これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、流速分布算出、または、流量算出において、誤差を生じさせるという問題がある。

本発明の課題は、音響ノイズを低減させることが可能なドップラー式超音波流量計に用いられる楔および楔ユニットを提供することである。

本発明の第１態様のドップラー式超音波流量計に用いられる楔は、流体が内部を通過する配管の外壁に設置されると共に、超音波を前記流体に入射させ、その反射波を受信して、流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する、ドップラー式超音波流量計に用いられる楔において、一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着され、前記超音波振動子が設置された楔の他面の傾斜角度に応じて定まる、該超音波振動子からの超音波が配管の外壁に作る射影の大きさが、その超音波が配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、前記超音波振動子の直径を設定したことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔である。

ここで、超音波振動子の直径内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化することを防ぐことができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差をなくすことができる。

また、本発明の第２態様のドップラー式超音波流量計に用いられる楔ユニットは、流体が内部を通過する配管の外壁に設置されると共に、超音波を前記流体に入射させ、その反射波を受信して、流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する、ドップラー式超音波流量計に用いられる楔ユニットにおいて、一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着された楔と、超音波エコー信号へのノイズとなる超音波成分を減衰させるための超音波減衰材と、を備え、前記超音波振動子が設置された楔の他面の傾斜角度に応じて定まる、該超音波振動子からの超音波が配管の外壁に作る射影の大きさが、その超音波が配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、前記超音波振動子の直径を設定したと共に、前記超音波振動子からの超音波が、配管外壁に作る前記射影を回避するように、超音波減衰材を前記配管の外周面に設置したことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔ユニットである。

ここで、第２態様においては、上記第１態様に加え、さらに、超音波が、配管外壁に入射する前に超音波減衰材８に入射して反射することを防ぐことができる。
また、本発明の第３態様のドップラー式超音波流量計に用いられる楔ユニットは、流体が内部を通過する配管の外壁に設置されると共に、超音波を前記流体に入射させ、その反射波を受信して、流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する、ドップラー式超音波流量計に用いられる楔ユニットにおいて、一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着された楔と、前記超音波振動子が送信する超音波のビーム径を制限し、かつ、楔の底面に設けられた第１および第２ビーム径制限手段と、を備え、前記第１および第２ビーム径制限手段の少なくとも１つは、超音波エコー信号へのノイズとなる超音波成分を減衰させるための超音波減衰材を兼用したことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔ユニットである。

ここで、スリットと超音波減衰材との組み合わせに応じて、制限されたビーム径の内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化する度合いを軽減することができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差を軽減することができる。

上記第３態様において、ビーム径が配管の外壁に作る射影の大きさが、そのビームのいずれかが配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、前記ビーム径制限手段または前記超音波減衰材を設置してもよい。

また、本発明の第４態様のドップラー式超音波流量計に用いられる楔は、流体が内部を通過する配管の外壁に設置されると共に、超音波を前記流体に入射させ、その反射波を受信して、流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する、ドップラー式超音波流量計に用いられる楔において、一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着され、前記超音波振動子が送信する超音波のビーム径を制限するビーム径制限手段を楔内部に設けたことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔である。

ここで、スリットがビーム径を制限する度合いに応じて、そのビーム径の内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化する度合いを軽減することができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差を軽減することができる。

上記第４態様において、前記超音波減衰材は、前記超音波振動子から前記配管に入射される超音波が、配管外壁に最初に達する位置を回避するように、前記配管の外周面に設置されると共に、前記ビーム径制限手段は、前記制限されたビーム径が配管の外壁に作る射影の大きさが、そのビームのいずれかが配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、前記楔内部に設けられるようにしてもよい。

本発明によれば、超音波振動子の直径内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化することを防ぐことができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差をなくすことができる。よって、音響ノイズを低減させることが可能となる。

また、本発明によれば、スリットと超音波減衰材との組み合わせに応じて、制限されたビーム径の内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化する度合いを軽減することができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差を軽減することができる。よって、音響ノイズを低減させることが可能となる。

また、本発明によれば、スリットがビーム径を制限する度合いに応じて、そのビーム径の内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化する度合いを軽減することができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差を軽減することができる。よって、音響ノイズを低減させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態の超音波流量計に用いられる楔ユニットの断面図である。この楔ユニットは、超音波振動子が装着された楔と、超音波減衰材とからなる。

図１において、楔２と超音波減衰材８とは、流体４が内部を通過する配管３の外壁に設置される。楔２の一面は、配管３の外周面の一部に設置される。また、楔２の他面には、超音波振動子１が装着される。この超音波振動子１は、駆動回路（不図示）からの電気信号によって超音波を発生させ、その超音波を流体４に入射させ、その反射波を受信する。その受信された反射波は、その後、流量の算出を行うユニット（不図示）に超音波エコー信号として供給される。

楔２は、好ましくは、アクリル、ポリ塩化ビニルなどの樹脂材料で構成される。また、超音波振動子１は、好ましくは、ＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛）などの圧電材料で構成される。超音波振動子１は、エポキシ系の接着剤などで楔２に固定される。なお、図に示すように、この超音波振動子１が装着された（固定された）楔２の面は、配管３の長手方向の垂直方向に対して、角度θｗだけ傾斜している。

本実施形態においては、超音波振動子１が設置された楔２の他面の傾斜角度に応じて定まる、その超音波振動子１からの超音波が配管３の外壁に作る射影の大きさが、その超音波が配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、超音波振動子１の直径を設定している。

これにより、超音波振動子１の直径内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化することを防ぐことができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差をなくすことができる。

なお、図１においては、超音波エコー信号へのノイズとなる超音波成分を減衰させる超音波減衰材８をさらに有するものであるが、この超音波減衰材８を、超音波振動子１からの超音波が、配管外壁に作る上記射影、すなわち、配管外壁に最初に達する位置、を回避するように配管３の外周面に設置している。このようにすれば、超音波が、配管外壁に入射する前に超音波減衰材８に入射して反射することを防ぐことができる。

そして、さらに、超音波減衰材８を、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置を含むように、配管３の外周面に設置した場合には、側線を介して受信される２回目以降の反射波をもたらす原因となる初回の反射波について効果的に、その強度を減衰させることが可能となり、ノイズがより一層軽減される。

なお、超音波減衰材８は、配管内での超音波の進行方向を考慮し、その配管内での超音波の多重反射を１回以上受け止めることができる大きさであることが望ましい。また、この超音波減衰材８は、配管３よりも小さい音響インピーダンスを有する材料、例えば、タングステンゴムで構成されることが好ましい。なお、超音波減衰材８は、例えば、楔２に接着剤などで固定されてもよいし、また、例えば、金属ベルト等の固定手段により配管に直接固定されてもよい。

図２は、超音波振動子の直径を設定する様子を説明する図である。
図２において、超音波振動子が設置された楔の他面の傾斜角度に応じて定まる、その超音波振動子からの超音波が配管の外壁に作る射影の大きさ（点Ｐ₁とＰ₂の距離、すなわち、Ｌ’）が、その超音波が配管外壁から入射した位置（点Ｐ₁）と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置（点Ｐ₃）との差分Ｌを超えないように、超音波振動子の直径Ｄを設定している。すなわち、下記（Ａ１）式が成り立つように、直径Ｄが設定される。

Ｌ’≦Ｌ ・・・ （Ａ１）
一方、楔の超音波振動子が設置される面の傾斜角度をθｗとすると、下記（Ａ２）式が成り立つ。

Ｄ＝Ｌ’ｃｏｓθｗ ・・・ （Ａ２）
また、配管の厚みをｔ、配管内の超音波の伝播方向をθｐとすると、下記（Ａ３）式が成り立つ。

Ｌ＝２ｔ・ｔａｎθｐ ・・・ （Ａ３）
（Ａ２）、（Ａ３）式を（Ａ１）式に代入することによって、ＬおよびＬ’を消去すると、下記（Ａ４）式が得られる。

（Ｄ／ｃｏｓθｗ）≦２ｔ・ｔａｎθｐ ・・・ （Ａ４）
θｗ≦π／２であるので、（Ａ４）式を整理して（Ａ５）式が得られる。
Ｄ≦２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ ・・・ （Ａ５）
射影の大きさＬ’が差分Ｌと一致するように、超音波振動子の直径Ｄを設定した場合には、ノイズカットを実現しつつ、最大の送信パワーを有する超音波振動子が得られることになる。この場合、下記（Ａ６）式が成り立つ。

Ｄ＝２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ ・・・ （Ａ６）
図３は、本発明の第２実施形態の超音波流量計に用いられる楔ユニットの断面図である。この楔ユニットは、超音波振動子が装着された楔と、超音波減衰材とからなる。図３の説明においては、図１と重複する部分は省略される。

図３において、楔１２の底面には、超音波振動子１１が送信する超音波のビーム径を制限するスリット９と、超音波エコー信号へのノイズとなる超音波成分を減衰させるための超音波減衰材８とが設けられている。なお、送信される超音波が配管外壁に達する前に超音波減衰材８に入射する場合は、超音波減衰材８は、その超音波のビーム径を制限するスリットの役割を兼用している。

スリット９は、楔材料と比較し音響インピーダンスが小さく、空気などの気体により構成されたり、または、超音波を吸収・減衰させる材料（例えば、タングステンゴム）で構成されたり、または、楔材料と比較し音響インピーダンスが大きい材料で構成される超音波反射材（例えば、ステンレスやアルミなどの金属材料）で構成されたりする。

このようにすれば、スリット９と超音波減衰材８との組み合わせに応じて、制限されたビーム径の内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化する度合いを軽減することができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差を軽減することができる。

また、好ましくは、ビーム径が配管３の外壁に作る射影の大きさが、そのビームのいずれかが配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、スリット９または超音波減衰材８を設置する。

このようにすれば、上記のビーム径の内部における超音波同士の重なりを防ぐことができ、一層効果的である。
なお、第２実施形態においては、配管３の厚みｔ、配管内の超音波の伝播角度θｐ、楔の傾斜角度θｗ、としたとき、下記条件式（Ｂ１）を満たすように超音波振動子１１から送信される超音波のビーム径Ｄを制限すべくスリット９または超音波減衰材８は、好ましくは楔底面に設置されている。

Ｄ≦２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ ・・・ （Ｂ１）
図４は、本発明の第３実施形態の超音波流量計に用いられる楔の断面図である。この楔は、超音波振動子が装着され、内部にスリットを含んでいる。図４の説明においては、図１と重複する部分は省略される。

図４において、楔２２内部には、超音波振動子２１が送信する超音波のビーム径を制限するスリット１０が設けられている。
このスリット１０は、楔材料と比較し音響インピーダンスが小さく、空気などの気体により構成されたり、または、超音波を吸収・減衰させる材料（例えば、タングステンゴム）で構成されたり、または、楔材料と比較し音響インピーダンスが大きい材料で構成される超音波反射材（例えば、ステンレスやアルミなどの金属材料）で構成されたりする。

このようにすれば、スリット１０がビーム径を制限する度合いに応じて、そのビーム径の内部において、超音波同士が重なることで、側線が多重化する度合いを軽減することができ、これらの発生した側線を介して受信される超音波エコー信号が、所望とする超音波エコー信号に重なることで、生じる誤差を軽減することができる。

好ましくは、超音波減衰材８は、超音波振動子２１から配管３に入射される超音波が、配管外壁に最初に達する位置を回避するように、配管３の外周面に設置される。また、スリット１０は、ビーム径が配管の外壁に作る射影の大きさが、そのビームのいずれかが配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、超音波振動子２１のビーム径を制限する。

このようにすれば、上記のビーム径の内部における超音波同士の重なりを防ぐことができ、一層効果的である。また、超音波が、配管外壁に入射する前に超音波減衰材８に入射して反射することを防ぐことができる。

そして、さらに、超音波減衰材８を、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置を含むように、配管３の外周面に設置した場合には、側線を介して受信される２回目以降の反射波をもたらす原因となる初回の反射波について効果的に、その強度を減衰させることが可能となる。

なお、第３実施形態においては、配管３の厚みｔ、配管内の超音波の伝播角度θｐ、楔の傾斜角度θｗ、としたとき、下記条件式（Ｃ１）を満たすように超音波振動子２１から送信される超音波のビーム径Ｄを制限すべくスリット１０は、好ましくは楔内部に設置されている。

Ｄ≦２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ ・・・ （Ｃ１）
なお、以上の説明では、図１と図４とにおいて、超音波の進行方向に超音波減衰材８を設置していたが、この超音波減衰材８の代わりに、配管材と同一または略同一の音響インピーダンスを有する超音波透過材を設置してもよい。この場合、この超音波透過材の外気と接触する境界面には、その境界に達した超音波を散乱させるための凹凸が設けられていることが好ましい。

本発明の第１実施形態の超音波流量計に用いられる楔ユニットの断面図である。 超音波振動子の直径を設定する様子を説明する図である。 本発明の第２実施形態の超音波流量計に用いられる楔ユニットの断面図である。 本発明の第３実施形態の超音波流量計に用いられる楔の断面図である。 従来のドップラー式クランプオン型超音波流量計に設けられる楔を、それがクランプオンされる配管の一部と共に示した断面図であると共に、従来技術における第１の問題点を説明する図である。 媒質１から媒質２に向かう音波が、媒質１と媒質２との境界において、反射または透過する様子を説明する図である。 配管材にステンレスを用い、配管内の流体として水を用いた場合の計算例を示す図である。 超音波振動子に超音波エコーが重なって受信される様子を説明する図である。 エコー信号が重ねあわされることでノイズが生じることを説明する図である。 従来のドップラー式クランプオン型超音波流量計に設けられる楔を、それがクランプオンされる配管の一部と共に示した断面図であると共に、従来技術における第２の問題点を説明する図である。

符号の説明

１，１１，２１，４１，５１ 超音波振動子
２，１２，２２，４２，５２ 楔
３，４３，５３ 配管
４，４４ 流体
８ 超音波減衰材
９，１０ スリット

Claims (26)

1. 流体が内部を通過する配管の外壁に設置されると共に、超音波を前記流体に入射させ、その反射波を受信して、流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する、ドップラー式超音波流量計に用いられる楔において、
   一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着され、
   前記超音波振動子が設置された楔の他面の傾斜角度に応じて定まる、該超音波振動子からの超音波が配管の外壁に作る射影の大きさが、その超音波が配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、前記超音波振動子の直径を設定したことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔。
2. 前記射影の大きさが前記差分と一致または略一致するように、前記超音波振動子の直径を設定したことを特徴とする請求項１記載の楔。
3. 前記配管の厚みｔ、配管内の超音波の伝播角度θｐ、楔の傾斜角度θｗから、下記条件式を満たすように前記超音波振動子の直径Ｄを設定したことを特徴とする請求項１記載の楔。
   Ｄ≦２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ
4. 前記配管の厚みｔ、配管内の超音波の伝播角度θｐ、楔の傾斜角度θｗから、下記式を満たす、または、略満たすように前記超音波振動子の直径Ｄを設定したことを特徴とする請求項１記載の楔。
   Ｄ＝２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ
5. 流体が内部を通過する配管の外壁に設置されると共に、超音波を前記流体に入射させ、その反射波を受信して、流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する、ドップラー式超音波流量計に用いられる楔ユニットにおいて、
   一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着された楔と、
   超音波エコー信号へのノイズとなる超音波成分を減衰させるための超音波減衰材と、を備え、
   前記超音波振動子が設置された楔の他面の傾斜角度に応じて定まる、該超音波振動子からの超音波が配管の外壁に作る射影の大きさが、その超音波が配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、前記超音波振動子の直径を設定したと共に、
   前記超音波振動子からの超音波が、配管外壁に作る前記射影を回避するように、超音波減衰材を前記配管の外周面に設置したことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔ユニット。
6. さらに、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置を含むように、前記超音波減衰材を前記配管の外周面に設置したことを特徴とする請求項５記載の楔ユニット。
7. 前記射影の大きさが前記差分と一致または略一致するように、前記超音波振動子の直径を設定したことを特徴とする請求項５記載の楔ユニット。
8. 前記超音波減衰材の音響インピーダンスは、前記配管のそれよりも小さいことを特徴とする請求項５記載の楔ユニット。
9. 前記超音波減衰材は、タングステンゴムであることを特徴とする請求項５記載の楔ユニット。
10. 流体が内部を通過する配管の外壁に設置されると共に、超音波を前記流体に入射させ、その反射波を受信して、流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する、ドップラー式超音波流量計に用いられる楔ユニットにおいて、
    一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着された楔と、
    前記超音波振動子が送信する超音波のビーム径を制限し、かつ、楔の底面に設けられた第１および第２ビーム径制限手段と、を備え、
    前記第１および第２ビーム径制限手段の少なくとも１つは、超音波エコー信号へのノイズとなる超音波成分を減衰させるための超音波減衰材を兼用したことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔ユニット。
11. ビーム径が配管の外壁に作る射影の大きさが、そのビームのいずれかが配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、前記ビーム径制限手段または前記超音波減衰材を設置したことを特徴とする請求項１０記載の楔ユニット。
12. 前記ビーム径制限手段または前記超音波減衰材は、配管の厚みｔ、配管内の超音波の伝播角度θｐ、楔の傾斜角度θｗから、下記条件式を満たすように前記超音波振動子から送信される超音波のビーム径Ｄを制限すべく設置されたことを特徴とする請求項１１記載の楔。
    Ｄ≦２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ
13. 前記ビーム径制限手段は、楔材料と比較し音響インピーダンスが小さく、空気などの気体により構成されるスリットであることを特徴とする請求項１０記載の楔。
14. 前記ビーム径制限手段は、超音波を吸収・減衰させる材料で構成されるスリットであることを特徴とする請求項１０記載の楔。
15. 前記吸収・減衰させる材料は、タングステンゴムであることを特徴とする請求項１４記載の楔。
16. 前記ビーム径制限手段は、楔材料と比較し音響インピーダンスが大きい材料で構成される超音波反射材であることを特徴とする請求項１０記載の楔。
17. 前記超音波反射材は、ステンレスやアルミなどの金属材料であることを特徴とする請求項１６記載の楔。
18. 流体が内部を通過する配管の外壁に設置されると共に、超音波を前記流体に入射させ、その反射波を受信して、流量の算出を行うユニットに超音波エコー信号を供給する、ドップラー式超音波流量計に用いられる楔において、
    一面を前記配管の外周面の一部に設置されると共に、他面には電気信号によって前記超音波を発生させ、かつ、前記反射波を受信する超音波振動子が装着され、
    前記超音波振動子が送信する超音波のビーム径を制限するビーム径制限手段を楔内部に設けたことを特徴とするドップラー式超音波流量計の楔。
19. 前記超音波減衰材は、前記超音波振動子から前記配管に入射される超音波が、配管外壁に最初に達する位置を回避するように、前記配管の外周面に設置されると共に、
    前記ビーム径制限手段は、前記制限されたビーム径が配管の外壁に作る射影の大きさが、そのビームのいずれかが配管外壁から入射した位置と、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置との差分を超えないように、前記楔内部に設けられたことを特徴とする請求項１８記載の楔。
20. さらに、配管内壁での反射後に配管外壁に最初に達する位置を含むように、前記超音波減衰材を前記配管の外周面に設置したことを特徴とする請求項１９記載の楔。
21. 前記ビーム径制限手段は、配管の厚みｔ、配管内の超音波の伝播角度θｐ、楔の傾斜角度θｗから、下記条件式を満たすように前記超音波振動子から送信される超音波のビーム径Ｄを制限すべく前記楔内部に設けられたことを特徴とする請求項１９記載の楔ユニット。
    Ｄ≦２ｔ・ｔａｎθｐ・ｃｏｓθｗ
22. 前記ビーム径制限手段は、楔材料と比較し、音響インピーダンスが小さく、空気などの気体により構成されるスリットであることを特徴とする請求項１８記載の楔ユニット。
23. 前記ビーム径制限手段は、超音波を吸収・減衰させる材料で構成されるスリットであることを特徴とする請求項１８記載の楔ユニット。
24. 前記吸収・減衰させる材料は、タングステンゴムであることを特徴とする請求項２３記載の楔ユニット。
25. 前記ビーム径制限手段は、楔材料と比較し、音響インピーダンスが大きい材料で構成される超音波反射材であることを特徴とする請求項１８記載の楔。
26. 前記超音波反射材は、ステンレスやアルミなどの金属材料であることを特徴とする請求項２５記載の楔。