JPH1194614A - 流速測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流路を構成する壁面に超音波送受波器を設置
することにより形成される凹部の存在により超音波送受
波器前面にできる流体の渦や圧力低下を抑制し、測定精
度が高い流速計測が常にできる流速測定装置を提供す
る。 【解決手段】 流路を構成する壁面３に超音波送受波器
１、２を設置するためにできた凹部に、それぞれ充填材
３、４を充填することにより、流路の凹部を小さくす
る。これにより、流体は流路中を矢印の方向にスムーズ
に流れ、超音波送受波器１、２の前面にできる渦を防止
することができ、また、流れによる圧力低下を防止する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電体の圧電効果に
より励振した弾性振動により外部に超音波を発し、超音
波が流体が流れる所定の伝搬路を伝搬する時間を計測し
て流体の流速を測定する流速測定装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気エネルギー／機械エネルギー
変換素子として圧電セラミック等の圧電体を用いて超音
波送波器を構成し、この超音波送波器を交流電圧で駆動
して流体中に超音波を発して、流体中の所定の伝搬路を
伝搬する超音波の速度（超音波が伝搬路を伝達する時
間）を計測して流体の移動速度を測定する流速測定装置
が、水道メータ、ガスメータなどに利用されて注目され
ている。

【０００３】以下に、図面を参照しながら従来の流速測
定装置について説明する。

【０００４】図７に流速測定装置の測定原理を示す。流
路を構成する壁面３に一対の超音波送受波器１、２が相
対して設置されている。超音波送受波器１、２は、電気
エネルギー／機械エネルギー相互変換素子として圧電セ
ラミック等の圧電振動子を用いて構成されている。そし
て、超音波送受波器１、２は圧電ブザー、圧電発振子と
同様に共振特性を示す。ここで、超音波送受波器１を超
音波送波器として用い、超音波送受波器２を超音波受波
器として用いる。超音波送波器１の共振周波数近傍の周
波数の交流電圧を圧電振動子に印加すると、超音波送波
器１は外部の流体中に同図中のＬ１で示す伝搬経路に超
音波を放射し、超音波受波器２は伝搬してきた超音波を
受けて電圧に変換する。また、逆に超音波送受波器２を
超音波送波器として用い、超音波送受波器１を超音波受
波器として用いる。超音波送波器２の共振周波数近傍の
周波数の交流電圧を圧電振動子に印加することにより外
部の流体中に同図中のＬ２で示す伝搬経路に超音波を放
射し、超音波受波器１は伝搬してきた超音波を受けて電
圧に変換する。以上に説明したように、超音波送受波器
は受波器としての役目と送波器としての役目を果たすの
で一般に超音波送受波器と呼ばれる。

【０００５】連続的に交流電圧を印加すると超音波送受
波器から連続的に超音波が放射され伝搬時間を測定する
ことが困難なので、通常は電気パルス（バースト電圧）
を駆動電圧として用いる。以下、測定原理について詳細
な説明を行う。駆動用の電気パルスを超音波送受波器１
に印加することにより超音波送受波器１から超音波パル
スが放射されると、この超音波パルスは距離がＬの伝搬
経路Ｌ１を伝搬してｔ時間後に超音波送受波器２に到達
する。超音波送受波器２では伝達してきた超音波パルス
のみを高いＳ／Ｎ比で電気パルスに変換することができ
る。この電気パルスを電気的に増幅して、再び超音波送
受波器１に印加して超音波パルスを放射する。この装置
をシング・アラウンド装置と呼び、超音波パルスが超音
波送受波器１から放射され伝搬路を伝搬して超音波送受
波器２に到達するのに要する時間をシング・アラウンド
周期といい、その逆数をシング・アラウンド周波数とい
う。

【０００６】図７において、管の中を流れる流体の流速
をＶ、流体中の超音波の速度をＣ、流体の流れる方向と
超音波パルスの伝搬方向のなす角度をθとする。超音波
送受波器１を送波器、超音波送受波器２を受波器として
用いたときに、超音波送受波器１から出た超音波パルス
が超音波送受波器２に到達する時間であるシング・アラ
ウンド周期をｔ１、シング・アラウンド周波数ｆ１とす
れば、 ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（式１） の関係が成立する。逆に、超音波送受波器２を送波器と
して、超音波送受波器１を受波器として用いたときのシ
ング・アラウンド周期をｔ２、シング・アラウンド周波
数ｆ２とすれば、 ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（式２） の関係が成立する。従って、両シング・アラウンド周波
数の周波数差Δｆは、 Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ ・・・（式３） となり、超音波の伝搬経路の距離Ｌと周波数差Δｆから
流体の流速Ｖを求めることができる。流体中の超音波の
速度Ｃは流体の温度により変化するが、この装置による
と超音波の速度Ｃによらず流体の流速Ｖを求めることが
できるので、式３より温度による超音波速度変化の影響
を受けることなく流体の流速Ｖを求めることができる。
そして、この流速測定装置においては、流体の流速Ｖを
正確に求めるためには伝搬時間ｔ１、ｔ２を正確に計測
することが重要になる。

【０００７】上記に説明したシング・アラウンド法を利
用した流速測定装置においては、流体中に超音波を放射
する超音波送受波器として、従来は単板の圧電素子を駆
動源とした超音波送受波器を使用していた。図８は超音
波送受波器の一例の断面図である。同図において、圧電
振動子５２は円板形または矩形の圧電セラミックで構成
されており、ケース５３の内側に貼り付けられている。
ケース５３は圧電振動子５２から超音波が効率よく出て
いくための整合層の役目と、外部の環境に対して圧電振
動子５２の信頼性を保証するという役目を兼ねている。
従って、ケース５３はプラスチック材料などのように圧
電振動子５２の音響インピーダンスと流体の音響インピ
ーダンスの中間の値を有する材料で構成される。時に
は、ケース５３は信頼性の向上のみの実現のためにステ
ンレスなどの金属で作られることもある。バッキング材
５４はフェライト粉を混合したプラスチック材からな
り、圧電振動子５２を電圧で駆動したときに放射される
超音波５６の立ち上がりを早くするために用いられる。
駆動端子５５ａ、５５ｂに共振周波数近傍の成分を持つ
バースト電圧を印加すると、圧電振動子５２は振動し外
部の流体中に超音波５６を放射する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来のシング・アラウンド法を利用した流速測定装置に
おいては、流路を構成する壁面に超音波送受波器を設置
する際に、図７に示すように壁面から超音波送受波器が
突出しないように埋め込んで設置していたために、超音
波送受波器１、２の前面に凹部１５、１６ができて、流
路に流体が流れると超音波送受波器１、２の前面の凹部
１５、１６に渦ができて圧力の変化を生じ、超音波受波
器により電圧に変換されて雑音となり、超音波送波器か
ら放射された超音波を電圧に変換した信号に重畳され
て、超音波送受波器から出た超音波パルスが超音波送受
波器に到達する時間を正確に計測することができなくな
るという課題がある。特に、流路に流れる流体の速度が
大きくなると大きな渦が頻繁にでき、ＳＮ比が悪化して
正確な測定が困難になるという課題を有する。また、流
路を構成する壁面に超音波送受波器を設置するためにで
きた凹部１５、１６の圧力が流体の流れにより低下する
ので、凹部１５、１６の流体の密度が低下し超音波送受
波器の送受波感度を低下させるという課題も有する。

【０００９】一方、上記式３より明らかな通り、シング
・アラウンド法では、超音波の伝搬方向を流体の流れる
方向と直角にすることはできないため、超音波送受波器
は流路の壁面に対して斜めに取り付けざるを得ない。ま
た、超音波送受波器は図８に示すように、構造上円筒形
又は直方体であることが多い。従って、上記凹部は必然
的なものであった。

【００１０】従って、本発明の目的とするところは、超
音波送受波器を流路を構成する壁面に設置するためにで
きる凹部対策を打つことにより、超音波送受波器前面に
できる渦や圧力低下を抑制することにあり、渦による超
音波受波器へのノイズを抑制し、送受波感度の低下を抑
制することにある。そして、このような超音波送受波器
の設置方法を流速測定装置に使用することにより、常に
測定精度が高い流速計測ができる流速測定装置を提供す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明の第１の手段は、壁面により構成され流体を
流す流路と、前記流路を流れる流体中に超音波を送波す
る超音波送受波器と、前記超音波を受波する超音波送受
波器と、前記流体中の所定の伝搬路を前記超音波が伝搬
する時間を計測する時間計測器とから構成される流速測
定装置であって、前記超音波送受波器の少なくとも一方
が前記壁面にその少なくとも一部が突出するように設置
されており、前記設置により前記超音波送受波器と前記
壁面とにより形成された凹部に充填材が充填されている
ことを特徴とする。

【００１２】上記の課題を解決するための本発明の第２
の手段は、壁面により構成され流体を流す流路と、前記
流路を流れる流体中に超音波を送波する超音波送受波器
と、前記超音波を受波する超音波送受波器と、前記流体
中の所定の伝搬路を前記超音波が伝搬する時間を計測す
る時間計測器とから構成される流速測定装置であって、
前記超音波送受波器の少なくとも一方が前記壁面に埋設
されており、前記埋設により前記超音波送受波器の前面
に形成された凹部にインピーダンス整合材が設置されて
いることを特徴とする。

【００１３】上記の課題を解決するための本発明の第３
の手段は、壁面により構成され流体を流す流路と、前記
流路を流れる流体中に超音波を送波する超音波送受波器
と、前記超音波を受波する超音波送受波器と、前記流体
中の所定の伝搬路を前記超音波が伝搬する時間を計測す
る時間計測器とから構成される流速測定装置であって、
前記超音波送受波器の少なくとも一方が、その送受波面
が前記壁面の仮想延長面と交わるように設置されている
ことを特徴とする。

【００１４】上記の課題を解決するための本発明の第４
の手段は、壁面により構成され流体を流す流路と、前記
流路を流れる流体中に超音波を送波する超音波送受波器
と、前記超音波を受波する超音波送受波器と、前記流体
中の所定の伝搬路を前記超音波が伝搬する時間を計測す
る時間計測器とから構成される流速測定装置であって、
前記超音波送受波器の少なくとも一方が前記壁面に埋設
されており、前記埋設により前記超音波送受波器の前面
に形成された凹部の入口部に、前記超音波送受波器が埋
設された壁面と略同一面となるように薄膜が設けられて
いることを特徴とする。

【００１５】上記の課題を解決するための本発明の第５
の手段は、壁面により構成され流体を流す流路と、前記
流路を流れる流体中に超音波を送波する超音波送受波器
と、前記超音波を受波する超音波送受波器と、前記流体
中の所定の伝搬路を前記超音波が伝搬する時間を計測す
る時間計測器とから構成される流速測定装置であって、
前記超音波送受波器の少なくとも一方が前記壁面に埋設
されており、前記埋設により前記超音波送受波器の前面
に形成された凹部の入口部に、前記超音波送受波器が埋
設された壁面と略同一面となるように網が設けられてい
ることを特徴とする。

【００１６】上記の手段は、一対の超音波送受波器の少
なくとも一方に適用されていればその効果を発現するこ
とができるが、双方に適用すると得られる効果はより一
層顕著になる。また、一対の超音波送受波器のそれぞれ
に上記の異なる手段を適用することも勿論可能である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を例
示して本発明を具体的に説明する。

【００１８】（実施の形態１）図１は超音波送受波器を
用いた流速測定装置の概観図であり、同図において、超
音波送受波器１、超音波送受波器２はそれぞれ流路を構
成する壁面３に、その一部を埋め込み、残りの部分を壁
面から突出させた状態で、相対して設置されており、い
ずれも電気エネルギー／機械エネルギー相互変換素子と
して圧電セラミック等の圧電振動子を用いて構成されて
いる。流体は流路中を速度Ｖで同図中に示す矢印の方向
に流れている。ここで、超音波送受波器１を超音波送波
器として用い、超音波送受波器２を超音波受波器として
用いる。超音波送波器１の共振周波数近傍の周波数の交
流電圧を圧電振動子に印加すると、超音波送波器１は外
部の流体中の同図中のＬ１で示す伝搬経路に超音波を放
射し、超音波受波器２が伝搬してきた超音波を受けて電
圧に変換する。また、逆に超音波送受波器２を超音波送
波器として用い、超音波送受波器１を超音波受波器とし
て用いる。超音波送波器２の共振周波数近傍の周波数の
交流電圧を圧電振動子に印加することにより、超音波送
波器２は外部の流体中に同図中の伝搬経路Ｌ２に超音波
を放射し、超音波受波器１が伝搬してきた超音波を受け
て電圧に変換する。

【００１９】本実施の形態では、流路を構成する壁面３
に超音波送受波器１と超音波送受波器２を壁面３からそ
の一部を突出させて設置したことにより、超音波送受波
器の側面と壁面とによってできた凹部（窪み）に、それ
ぞれ充填材４および充填材５を充填することにより流路
の凹部を流速測定に影響ない程度にまで事実上なくして
いる。これにより、流体はスムーズに流路中を矢印の方
向に流れ、超音波送受波器１と超音波送受波器２の前面
に渦を作ることがない。また、流れにより超音波送受波
器１と超音波送受波器２の前面の圧力を低下させること
がない。従って、渦による圧力の変化が超音波受波器に
より電圧に変換されて雑音となり、超音波送波器から放
射された超音波を電圧に変換した信号に重畳されて、超
音波送受波器から出た超音波パルスが超音波送受波器に
到達する時間を正確に計測することができなくなるとい
う課題を解決することができる。また圧力低下により流
体、特に気体の密度が小さくなって超音波送受波器の送
受波感度を低下させるという課題も解決することができ
る。

【００２０】なお、上記の実施の形態では、超音波送受
波器は、図１に示すようにその平面図上の対角線が壁面
３に含まれる程度にまで埋め込まれて設置されている
が、埋め込みの程度や設置の角度はこの例に限られない
ことはいうまでもない。また、充填材の形状や大きさ、
材質等は、形成された凹部の程度、流体の物性、流速等
を考慮して適宜変更することができる。

【００２１】次に、流体の流速計測の原理を説明する。
超音波送受波器１を送波器として、超音波送受波器２を
受波器とする。超音波送受波器１を駆動して超音波バー
ストを流体中に放射し、超音波バーストは距離がＬの伝
搬経路Ｌ１を伝搬し超音波送受波器２で受波される。超
音波送受波器２で受けた超音波バーストは電圧バースト
に変換される。このとき流体の流れにより渦および圧力
低下がないので、受波器はノイズの極めて小さい電圧変
換ができ、また送受波感度の低下もないので高精度な変
換が可能である。そして、超音波が流体中の計測系から
消えるまで待って、再び超音波送受波器１に電圧バース
トを印加して超音波バーストを放射する。この動作を設
定された回数だけ繰り返して時間を時間計測器（図１に
は図示せず）により高精度に計測することができる。こ
のときの流路の中を流れる流体の流速をＶ、流体中の超
音波の速度をＣ、平均シング・アラウンド周期をｔ１、
平均シング・アラウンド周波数ｆ１とすれば、 ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（式４） の関係が成立する。次に、超音波送受波器２を送波器と
して、超音波送受波器１を受波器として用いて同様の動
作をした時の平均シング・アラウンド周期をｔ２、平均
シング・アラウンド周波数ｆ２とすれば、 ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（式５） の関係が成立する。従って、両者の周波数差Δｆは、 Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ ・・・（式６） となり、周波数差Δｆにより正確に流体の流速Ｖを求め
ることができる。

【００２２】本発明では、超音波送受波器を流路を構成
する壁面にその少なくとも一部を突出するように設置す
るためにできる凹部を充填材で流速測定に影響がない程
度にまで無くすことにより、超音波送受波器前面にでき
る渦や圧力低下を抑制する事ができる。この結果、渦に
よる超音波受波器へのノイズを抑制し、送受波感度の低
下を抑制することができる。そして、このような超音波
送受波器の設置方法を流速測定装置に使用することによ
り、常に測定精度が高い流速計測ができる流速測定装置
を提供することができる。

【００２３】（実施の形態２）図２は超音波送受波器を
用いた流速測定装置の概観図であり、同図において、超
音波送受波器１、２はそれぞれ流路を構成する壁面３に
埋め込まれた状態で相対して設置されており、いずれも
電気エネルギー／機械エネルギー相互変換素子として圧
電セラミック等の圧電振動子を用いて構成されている。
流体は流路中を速度Ｖで同図中に示す矢印の方向に流れ
ている。ここで、超音波送受波器１を超音波送波器とし
て用い、超音波送受波器２を超音波受波器として用い
る。超音波送波器１の共振周波数近傍の周波数の交流電
圧を圧電振動子に印加すると、超音波送波器１は外部の
流体中の同図中のＬ１で示す伝搬経路に超音波を放射
し、超音波受波器２は伝搬してきた超音波を受けて電圧
に変換する。また、逆に超音波送受波器２を超音波送波
器として用い、超音波送受波器１を超音波受波器として
用いる。超音波送波器２の共振周波数近傍の周波数の交
流電圧を圧電振動子に印加することにより、超音波送波
器２は外部の流体中に同図中の伝搬経路Ｌ２に超音波を
放射し、超音波受波器１が伝搬してきた超音波を受けて
電圧に変換する。

【００２４】本実施の形態では、超音波送受波器１と超
音波送受波器２の前面には、それぞれインピーダンス整
合材６およびインピーダンス整合材７が設置されてい
る。流路を構成する壁面３に超音波送受波器１と超音波
送受波器２は完全に埋め込まれて設置されているため
に、超音波送受波器の前面に流路から見て凹部（窪み）
が形成されている。かかる凹部に、その凹部の形状に形
成したインピーダンス整合材６およびインピーダンス整
合材７を設置しているので流路の凹部をなくすことがで
きる。これにより、流体はスムーズに流路中を矢印の方
向に流れ、超音波送受波器１と超音波送受波器２の前面
に渦を作ることがない。また、流れにより超音波送受波
器１と超音波送受波器２の前面の圧力を低下させること
がない。従って、渦による圧力の変化が超音波受波器に
より電圧に変換されて雑音となり、超音波送波器から放
射された超音波を電圧に変換した信号に重畳されて、超
音波送受波器から出た超音波パルスが超音波送受波器に
到達する時間を正確に計測することができなくなるとい
う課題を解決することができる。また圧力低下により流
体、特に気体の密度が小さくなって超音波送受波器の送
受波感度を低下させるという課題も解決することができ
る。ここで、インピーダンス整合材６およびインピーダ
ンス整合材７の材質は、流体の音響インピーダンスと超
音波送受波器１と超音波送受波器２の音響インピーダン
スの中間の音響インピーダンスを持つものが好ましく、
この選択により超音波送受波器１と超音波送受波器２の
送受波感度を低下させない。

【００２５】流体の流速計測の原理は実施の形態１で説
明したのと同様であるので詳細な説明は省略する。流体
の流れにより渦および圧力低下がないので、超音波受波
器はノイズの極めて小さい電圧変換ができ、また送受波
感度の低下もないので高精度な変換が可能であるのも同
様である。

【００２６】本発明では、超音波送受波器を流路を構成
する壁面に埋設するためにできる超音波送受波器前面の
凹部をインピーダンス整合材により無くすことにより、
超音波送受波器前面にできる渦や圧力低下を抑制する事
ができる。この結果、渦による超音波受波器へのノイズ
を抑制し、送受波感度の低下を抑制することができる。
そして、このような超音波送受波器の設置方法を流速測
定装置に使用することにより、常に測定精度が高い流速
計測ができる流速測定装置を提供することができる。

【００２７】（実施の形態３）図３は超音波送受波器を
用いた流速測定装置の概観図であり、同図において、超
音波送受波器１、２はそれぞれ流路を構成する壁面３
に、その一部が埋設され、残りの部分が突出した状態
で、相対して設置されており、いずれも電気エネルギー
／機械エネルギー相互変換素子として圧電セラミック等
の圧電振動子を用いて構成されている。流体は流路中を
速度Ｖで同図中に示す矢印の方向に流れている。ここ
で、超音波送受波器１を超音波送波器として用い、超音
波送受波器２を超音波受波器として用いる。超音波送波
器１の共振周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振動子
に印加すると、超音波送波器１は外部の流体中の同図中
のＬ１で示す伝搬経路に超音波を放射し、超音波受波器
２は伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。ま
た、逆に超音波送受波器２を超音波送波器として用い、
超音波送受波器１を超音波受波器として用いる。超音波
送波器２の共振周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振
動子に印加することにより、超音波送波器２は外部の流
体中に同図中の伝搬経路Ｌ２に超音波を放射し、超音波
受波器１が伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換す
る。

【００２８】本実施の形態では、超音波送受波器１と超
音波送受波器２は、図３に示すように、各超音波送受波
器の送受波面が壁面３の仮想延長面と交わるように、互
いに相対して設置される。これを、図３の超音波送受波
器１の壁面３への設置状態の詳細を示した図４を用いて
詳細に説明する。図４に示すように、超音波送受波器１
は、その送受波面１ａが壁面３の仮想延長面３′と交わ
るように、即ち、送受波面１ａの一部のみが仮想延長面
３′から流路側に突出するようにして、残りの一部は流
路から見て仮想延長面３′の下に埋め込まれた状態で設
置されている。かかる設置状態の結果、超音波送受波器
１の壁面３の仮想延長面３′からの突出部８により超音
波送受波器１の側面と壁面３とで形成された凹部９と、
超音波送受波器１前面に形成された仮想延長面３′から
の凹部１０とを、いずれも流速測定に影響がない程度に
までバランスよく小さくすることができる。より好まし
くは、仮想延長面３′からの突出部８と仮想延長面３′
からの凹部１０との体積ががほぼ等しくなるように設置
すれば、流路にできる上記の凹部をもっとも小さくする
ことができる。これは、超音波送受波器２についても同
様である。かくして、本実施の形態によれば、流体はス
ムーズに流路中を矢印の方向に流れ、超音波送受波器１
と超音波送受波器２の前面に渦を作ることが少なくな
り、流れにより超音波送受波器１と超音波送受波器２の
前面の圧力の低下を極力抑えることができる。従って、
渦による圧力の変化が超音波受波器により電圧に変換さ
れて雑音となり、超音波送波器から放射された超音波を
電圧に変換した信号に重畳されて、超音波送受波器から
出た超音波パルスが超音波送受波器に到達する時間を正
確に計測することができなくなるという課題を解決する
ことができる。また圧力低下により流体、特に気体の密
度が小さくなって超音波送受波器の送受波感度を低下さ
せるという課題も解決することができる。

【００２９】なお、本実施の形態では、図４に示した凹
部９に前記実施の形態１で説明した充填材を設置しても
よく、また、図４に示した凹部１０に前記実施の形態２
で説明したインピーダンス整合材を設置してもよく（超
音波送受波器２についても同様）、かかる態様により、
より広範囲で高精度の流速測定を実現することができ
る。

【００３０】流体の流速計測の原理は実施の形態１で説
明したのと同様であるので詳細な説明は省略する。流体
の流れにより渦および圧力低下がないので、超音波受波
器はノイズの極めて小さい電圧変換ができ、また送受波
感度の低下もないので高精度な変換が可能であるのも同
様である。

【００３１】本発明では、超音波送受波器の送受波面が
壁面の仮想延長面と交わるように設置して、超音波送受
波器を流路を構成する壁面に設置したことによりできる
凹部を極力無くすことにより、超音波送受波器前面にで
きる渦や圧力低下を抑制する事ができる。この結果、渦
による超音波受波器へのノイズを抑制し、送受波感度の
低下を抑制することができる。そして、このような超音
波送受波器の設置方法を流速測定装置に使用することに
より、常に測定精度が高い流速計測ができる流速測定装
置を提供することができる。

【００３２】（実施の形態４）図５は超音波送受波器を
用いた流速測定装置の概観図であり、同図において、超
音波送受波器１、２はそれぞれ流路を構成する壁面３に
相対して埋設されており、いずれも電気エネルギー／機
械エネルギー相互変換素子として圧電セラミック等の圧
電振動子を用いて構成されている。流体は流路中を速度
Ｖで同図中に示す矢印の方向に流れている。ここで、超
音波送受波器１を超音波送波器として用い、超音波送受
波器２を超音波受波器として用いる。超音波送波器１の
共振周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振動子に印加
すると、超音波送波器１は外部の流体中の同図中のＬ１
で示す伝搬経路に超音波を放射し、超音波受波器２は伝
搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。また、逆に
超音波送受波器２を超音波送波器として用い、超音波送
受波器１を超音波受波器として用いる。超音波送波器２
の共振周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振動子に印
加することにより、超音波送波器２は外部の流体中に同
図中の伝搬経路Ｌ２に超音波を放射し、超音波受波器１
が伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。

【００３３】本実施の形態では、超音波送受波器１及び
超音波送受波器２が壁面３に埋設されたことにより生じ
た凹部の入口部に、壁面と略同一面となるように薄膜１
１および薄膜１２がそれぞれ設置されている。つまり、
流路を構成する壁面３に超音波送受波器１と超音波送受
波器２は完全に埋め込まれて設置されているために、超
音波送受波器の前面に、流路から見て凹部（窪み）が形
成されている。かかる凹部に壁面と略同一面となるよう
に薄膜を設けることにより、流路の凹部をなくすことが
できる。これにより、流体はスムーズに流路中を矢印の
方向に流れ、超音波送受波器１と超音波送受波器２の前
面に渦を作ることがない。また、流れにより超音波送受
波器１と超音波送受波器２の前面の圧力を低下させるこ
とがない。従って、渦による圧力の変化が超音波受波器
により電圧に変換されて雑音となり、超音波送波器から
放射された超音波を電圧に変換した信号に重畳されて、
超音波送受波器から出た超音波パルスが超音波送受波器
に到達する時間を正確に計測することができなくなると
いう課題を解決することができる。また圧力低下により
流体、特に気体の密度が小さくなって超音波送受波器の
送受波感度を低下させるという課題も解決することがで
きる。ここで、薄膜１１および薄膜１２の材質は、流体
の音響インピーダンスと超音波送受波器１と超音波送受
波器２の音響インピーダンスの中間の音響インピーダン
スで、流体の音響インピーダンスに近い値を持つものが
好ましく、また薄膜１１および薄膜１２の厚さはできる
限り薄くする。この選択により超音波送受波器１と超音
波送受波器２の送受波感度が低下するのを極力防止する
ことができる。

【００３４】流体の流速計測の原理は実施の形態１で説
明したのと同様であるので詳細な説明は省略する。流体
の流れにより渦および圧力低下がないので、超音波受波
器はノイズの極めて小さい電圧変換ができ、また送受波
感度の低下もないので高精度な変換が可能であるのも同
様である。

【００３５】本発明では、超音波送受波器を流路を構成
する壁面に埋設するためにできる凹部を、薄膜を壁面と
略同一面となるように貼って無くすことにより、超音波
送受波器前面にできる渦や圧力低下を抑制する事ができ
る。この結果、渦による超音波受波器へのノイズを抑制
し、送受波感度の低下を抑制することができる。そし
て、このような超音波送受波器の設置方法を流速測定装
置に使用することにより、常に測定精度が高い流速計測
ができる流速測定装置を提供することができる。

【００３６】（実施の形態５）図６は超音波送受波器を
用いた流速測定装置の概観図であり、同図において、超
音波送受波器１、２はそれぞれ流路を構成する壁面３に
相対して埋設されており、いずれも電気エネルギー／機
械エネルギー相互変換素子として圧電セラミック等の圧
電振動子を用いて構成されている。流体は流路中を速度
Ｖで同図中に示す矢印の方向に流れている。ここで、超
音波送受波器１を超音波送波器として用い、超音波送受
波器２を超音波受波器として用いる。超音波送波器１の
共振周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振動子に印加
すると、超音波送波器１は外部の流体中の同図中のＬ１
で示す伝搬経路に超音波を放射し、超音波受波器２は伝
搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。また、逆に
超音波送受波器２を超音波送波器として用い、超音波送
受波器１を超音波受波器として用いる。超音波送波器２
の共振周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振動子に印
加することにより、超音波送波器２は外部の流体中に同
図中の伝搬経路Ｌ２に超音波を放射し、超音波受波器１
が伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。

【００３７】本実施の形態では、超音波送受波器１及び
超音波送受波器２が壁面３に埋設されたことにより生じ
た凹部の入口部に、壁面と略同一面となるように網１３
および網１４がそれぞれ設置されている。つまり、流路
を構成する壁面３に超音波送受波器１と超音波送受波器
２は完全に埋め込まれて設置されているために、超音波
送受波器の前面に、流路から見て凹部（窪み）が形成さ
れている。かかる凹部に壁面と略同一面となるように網
を設けることにより、流路の凹部を流速測定に実質上影
響がない程度にまでなくすことができる。これにより、
流体はスムーズに流路中を矢印の方向に流れ、超音波送
受波器１と超音波送受波器２の前面に渦を作ることがな
い。また、流れにより超音波送受波器１と超音波送受波
器２の前面の圧力を低下させることがない。従って、渦
による圧力の変化が超音波受波器により電圧に変換され
て雑音となり、超音波送波器から放射された超音波を電
圧に変換した信号に重畳されて、超音波送受波器から出
た超音波パルスが超音波送受波器に到達する時間を正確
に計測することができなくなるという課題を解決するこ
とができる。また圧力低下により流体、特に気体の密度
が小さくなって超音波送受波器の送受波感度を低下させ
るという課題も解決することができる。ここで、網１３
および網１４の材質は、流体の音響インピーダンスと超
音波送受波器１と超音波送受波器２の音響インピーダン
スの中間の音響インピーダンスで、流体の音響インピー
ダンスに近い値を持つものが好ましく、また網１３およ
び網１４の厚さはできる限り薄くする。しかし、網の選
択の範囲は実施の形態４の薄膜よりも大きい。この選択
により超音波送受波器１と超音波送受波器２の送受波感
度が低下するのを極力防止することができる。

【００３８】流体の流速計測の原理は実施の形態１で説
明したのと同様であるので詳細な説明は省略する。流体
の流れにより渦および圧力低下がないので、受波器はノ
イズの極めて小さい電圧変換ができ、また送受波感度の
低下もないので高精度な変換が可能であるのも同様であ
る。

【００３９】本発明では、超音波送受波器を流路を構成
する壁面に埋設するためにできる凹部を、網を壁面と略
同一面となるように貼って実質上無くすことにより、超
音波送受波器前面にできる渦や圧力低下を抑制する事が
できる。この結果、渦による超音波受波器へのノイズを
抑制し、送受波感度の低下を抑制することができる。そ
して、このような超音波送受波器の設置方法を流速測定
装置に使用することにより、常に測定精度が高い流速計
測ができる流速測定装置を提供することができる。

【００４０】

【発明の効果】本発明の第１の手段によれば、超音波送
受波器を流路を構成する壁面にその少なくとも一部を突
出するように設置するためにできる凹部に充填材を充填
し、凹部を測定上影響がない程度に無くすことにより、
超音波送受波器前面にできる渦や圧力低下を抑制する事
ができる。この結果、渦による超音波受波器へのノイズ
を抑制し、送受波感度の低下を抑制することができる。
そして、このような超音波送受波器の設置方法を流速測
定装置に使用することにより、常に測定精度が高い流速
計測ができる流速測定装置を提供することができる。

【００４１】本発明の第２の手段によれば、超音波送受
波器を流路を構成する壁面に埋設するためにできる超音
波送受波器前面の凹部にインピーダンス整合材を設置し
て、凹部を測定上影響がない程度ににより無くすことに
より、超音波送受波器前面にできる渦や圧力低下を抑制
する事ができる。この結果、渦による超音波受波器への
ノイズを抑制し、送受波感度の低下を抑制することがで
きる。そして、このような超音波送受波器の設置方法を
流速測定装置に使用することにより、常に測定精度が高
い流速計測ができる流速測定装置を提供することができ
る。

【００４２】本発明の第３の手段によれば、超音波送受
波器をその送受波面が壁面の仮想延長面と交わるように
設置して、超音波送受波器を流路を構成する壁面に設置
するためにできる凹部を極力無くすことにより、超音波
送受波器前面にできる渦や圧力低下を抑制する事ができ
る。この結果、渦による超音波受波器へのノイズを抑制
し、送受波感度の低下を抑制することができる。そし
て、このような超音波送受波器の設置方法を流速測定装
置に使用することにより、常に測定精度が高い流速計測
ができる流速測定装置を提供することができる。

【００４３】本発明の第４の手段によれば、超音波送受
波器を流路を構成する壁面に埋設するためにできる凹部
を、超音波送受波器が埋設された壁面と略同一面となる
ように薄膜を貼って無くすことにより、超音波送受波器
前面にできる渦や圧力低下を抑制する事ができる。この
結果、渦による超音波受波器へのノイズを抑制し、送受
波感度の低下を抑制することができる。そして、このよ
うな超音波送受波器の設置方法を流速測定装置に使用す
ることにより、常に測定精度が高い流速計測ができる流
速測定装置を提供することができる。

【００４４】本発明の第５の手段によれば、超音波送受
波器を流路を構成する壁面に埋設するためにできる凹部
を、超音波送受波器が埋設された壁面と略同一面となる
ように網を貼って無くすことにより、超音波送受波器前
面にできる渦や圧力低下を抑制する事ができる。この結
果、渦による超音波受波器へのノイズを抑制し、送受波
感度の低下を抑制することができる。そして、このよう
な超音波送受波器の設置方法を流速測定装置に使用する
ことにより、常に測定精度が高い流速計測ができる流速
測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１の流速測定装置の概略
を示した断面図である。

【図２】 本発明の実施の形態２の流速測定装置の概略
を示した断面図である。

【図３】 本発明の実施の形態３の流速測定装置の概略
を示した断面図である。

【図４】 図３の超音波送受波器の壁面への設置状態の
詳細を示した断面図である。

【図５】 本発明の実施の形態４の流速測定装置の概略
を示した断面図である。

【図６】 本発明の実施の形態５の流速測定装置の概略
を示した断面図である。

【図７】 従来の流速測定装置の概略を示した断面図で
ある。

【図８】 流速測定装置に用いる超音波送受波器の一例
の構成を示した概略断面図である。

【符号の説明】

１ 超音波送受波器 １ａ 送受波面 ２ 超音波送受波器 ３ 壁面 ３′ 壁面の仮想延長面 ４ 充填材 ５ 充填材 ６ インピーダンス整合材 ７ インピーダンス整合材 ８ 突出部 ９ 凹部 １０ 凹部 １１ 薄膜 １２ 薄膜 １３ 網 １４ 網 １５ 凹部 １６ 凹部 ５１ 超音波送受波器 ５２ 圧電振動子 ５３ ケース ５４ パッキング材 ５５ａ、５５ｂ 駆動端子 ５６ 放射超音波

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 壁面により構成され流体を流す流路と、
   前記流路を流れる流体中に超音波を送波する超音波送受
   波器と、前記超音波を受波する超音波送受波器と、前記
   流体中の所定の伝搬路を前記超音波が伝搬する時間を計
   測する時間計測器とから構成される流速測定装置であっ
   て、前記超音波送受波器の少なくとも一方が前記壁面に
   その少なくとも一部が突出するように設置されており、
   前記設置により前記超音波送受波器と前記壁面とにより
   形成された凹部に充填材が充填されていることを特徴と
   する流速測定装置。
2. 【請求項２】 壁面により構成され流体を流す流路と、
   前記流路を流れる流体中に超音波を送波する超音波送受
   波器と、前記超音波を受波する超音波送受波器と、前記
   流体中の所定の伝搬路を前記超音波が伝搬する時間を計
   測する時間計測器とから構成される流速測定装置であっ
   て、前記超音波送受波器の少なくとも一方が前記壁面に
   埋設されており、前記埋設により前記超音波送受波器の
   前面に形成された凹部にインピーダンス整合材が設置さ
   れていることを特徴とする流速測定装置。
3. 【請求項３】 壁面により構成され流体を流す流路と、
   前記流路を流れる流体中に超音波を送波する超音波送受
   波器と、前記超音波を受波する超音波送受波器と、前記
   流体中の所定の伝搬路を前記超音波が伝搬する時間を計
   測する時間計測器とから構成される流速測定装置であっ
   て、前記超音波送受波器の少なくとも一方が、その送受
   波面が前記壁面の仮想延長面と交わるように設置されて
   いることを特徴とする流速測定装置。
4. 【請求項４】 壁面により構成され流体を流す流路と、
   前記流路を流れる流体中に超音波を送波する超音波送受
   波器と、前記超音波を受波する超音波送受波器と、前記
   流体中の所定の伝搬路を前記超音波が伝搬する時間を計
   測する時間計測器とから構成される流速測定装置であっ
   て、前記超音波送受波器の少なくとも一方が前記壁面に
   埋設されており、前記埋設により前記超音波送受波器の
   前面に形成された凹部の入口部に、前記超音波送受波器
   が埋設された壁面と略同一面となるように薄膜が設けら
   れていることを特徴とする流速測定装置。
5. 【請求項５】 壁面により構成され流体を流す流路と、
   前記流路を流れる流体中に超音波を送波する超音波送受
   波器と、前記超音波を受波する超音波送受波器と、前記
   流体中の所定の伝搬路を前記超音波が伝搬する時間を計
   測する時間計測器とから構成される流速測定装置であっ
   て、前記超音波送受波器の少なくとも一方が前記壁面に
   埋設されており、前記埋設により前記超音波送受波器の
   前面に形成された凹部の入口部に、前記超音波送受波器
   が埋設された壁面と略同一面となるように網が設けられ
   ていることを特徴とする流速測定装置。