JP2003075219A

JP2003075219A - クランプオン型超音波流量計

Info

Publication number: JP2003075219A
Application number: JP2001270305A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2003-03-12
Also published as: EP1291620A2; US20030041674A1; US6532827B1

Abstract

(57)【要約】【課題】測定感度の高いクランプオン型超音波流量計
を提供すること。【解決手段】超音波振動子が、底面と該底面に対して
鋭角をなす少なくとも一つの斜面を備えた楔型超音波伝
搬材の該斜面に装着されてなる超音波送受信器であっ
て、該超音波伝搬材が、超音波振動子から超音波伝搬材
に付与された超音波が、超音波振動子装着斜面に対して
垂直な方向に伝搬するように、樹脂材料シート中に複数
本の高弾性繊維がシート平面に沿って平行に整列配置さ
れた構成の繊維強化樹脂シートが複数枚積層一体化され
た構成にある超音波送受信器を用いてクランプオン型超
音波流量計を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、クランプオン型超
音波流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】クランプオン型超音波流量計は、管状体
の外周面の一部に装着し、その管状体の内部を移動する
流体の流量を、管状体の外側から測定する流量計であ
る。クランプオン型超音波流量計は、主に、伝搬時間差
式とドップラー式に分類できる。伝搬時間差式は、超音
波を、管状体の内部を移動する流体を斜めに横切るよう
な経路で往復させ、超音波が往路と復路のそれぞれを伝
搬するのに要する時間の差から、流体の流量を測定する
方法である。一方、ドップラー式は、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、浮流粒子などの移動速度から流体の流量を測定する
方法である。浮遊粒子などの移動速度は、流体中に超音
波を送信して、浮流粒子などに反射された超音波の周波
数がドップラー効果により変化することから、超音波の
周波数を検出することにより測定する。

【０００３】図１１は、従来のクランプオン型超音波流
量計の一例の構成を示す断面図である。図１１に示すク
ランプオン型超音波流量計は、伝搬時間差式の流量計で
ある。クランプオン型超音波流量計は、一対の超音波送
受信器１ａ及び１ｂから構成される。超音波送受信器１
ａは、超音波振動子２ａと楔形超音波伝搬材３ａから構
成される。楔型超音波伝搬材３ａは、底面４ａと底面４
ａに対して鋭角をなす斜面５ａを備えている。超音波振
動子２ａは、楔型超音波伝搬材３ａの斜面５ａに装着さ
れる。そして、超音波振動子２ａの楔型超音波伝搬材側
の面及びその逆側の面には、超音波振動子２ａに電圧を
印加するために電極とリード線（図示は略する）が備え
られている。同様に、超音波送受信器１ｂは、超音波振
動子２ｂが、楔型超音波伝搬材３ｂの斜面５ｂに装着さ
れた構成を有する。

【０００４】超音波振動子２ａ及び２ｂのそれぞれは、
電極に電圧が印加されると超音波を楔形超音波伝搬材に
付与（送信）し、逆に超音波が付与（受信）されると電
極に電圧を生じる。従って、超音波振動子が備えられた
超音波送受信器１ａ及び１ｂのそれぞれは、超音波の送
信器でもあり、受信器でもある。そして、超音波送受信
器１ａ及び１ｂは、管状体６の内部を移動する流体７の
移動方向（図１１に記入した矢印８の示す方向）に対し
て斜めに超音波を送受信するように、管状体６の外周面
上に配置される。図１１に記入した破線９は、超音波の
伝搬経路の例を意味する。

【０００５】管状体６の内部を移動する流体７の流量
は、下記の様にして測定される。先ず、超音波送受信器
１ａの超音波振動子２ａに電圧パルスを印加して、超音
波を送信する。超音波は、図１１に示す破線９の方向に
沿って、楔型超音波伝搬材３ａ、管状体６、流体７、管
状体６、そして楔形超音波伝搬材３ｂの順に伝搬して、
超音波送受信器１ｂの超音波振動子２ｂにより受信され
て電圧信号が出力される。超音波送受信器１ａが超音波
の送信を開始してから、超音波送受信器１ｂが超音波を
受信するまでの時間（Ｔ₁）を検出する。次に、超音波
送受信器１ｂの超音波振動子２ｂに電圧パルスを印加し
て、前記とは逆の伝搬経路で超音波を伝搬させ、超音波
送受信器１ａの超音波振動子２ａにより超音波を受信す
る。超音波送受信器１ｂが超音波の送信を開始してか
ら、超音波送受信器１ａが超音波を受信するまでの時間
（Ｔ₂）を検出する。

【０００６】超音波が、超音波送受信器１ａ及び１ｂの
間を伝搬するのに要する時間（Ｔ₁及びＴ₂）は、超音
波の伝搬する方向（図１１に示す矢印９ａ及び９ｂの示
す方向）により異なる値となる。超音波送受信器１ａか
ら超音波送受信器１ｂに（矢印９ａが示す方向に）向か
う超音波は、いわば流体の流れに乗って流体中を伝搬す
るので、伝搬時間（Ｔ₁）は、流体が静止している場合
と比べると短い値となる。一方、超音波送受信器１ｂか
ら超音波送受信器１ａに（矢印９ｂが示す方向に）向か
う超音波は、流体の流れに逆らって流体中を伝搬するの
で、伝搬時間（Ｔ₂）は、流体が静止している場合と比
べると長い値となる。これらの伝搬時間の差（Ｔ₂−Ｔ
₁）は、流体７の移動速度と相関があり、この伝搬時間
の差から流体７の移動速度が算出される。そして、得ら
れた流体の移動速度、管状体６の流水断面積などから流
体７の流量を算出することができる。

【０００７】このようなクランプオン型超音波流量計に
は、流体に非接触で流量の測定が可能であるという大き
な利点があるところから、その利点を生かすために、流
量計の測定感度をさらに高める検討がされている。クラ
ンプオン型超音波流量計を高感度とする手段の一つとし
て、超音波送受信器から送信される超音波の指向性を改
善することが挙げられる。超音波送受信器に用いる超音
波振動子の寸法は有限であるため、超音波振動子から送
信される超音波は、単一の指向性を備えた完全な平面波
はとはならず、多少の拡散性を有する。従って、送信側
の超音波送受信器の超音波振動子から送信された超音波
は、送信方向（超音波振動子の振動面に垂直な方向）以
外の成分を有するために、その一部が受信側の超音波送
受信器により受信できずに測定感度が低下する。送信方
向からずれた超音波が、受信側の超音波送受信器により
受信される場合でも、送信方向に伝搬した超音波と、送
信方向からずれた超音波との位相がずれているため、受
信信号の波形に乱れを生じて測定感度が低下する。

【０００８】特開平７−２８４１９８号公報には、超音
波振動子と繊維強化樹脂材を積層一体化することによ
り、超音波振動子から送信される超音波の指向性を改善
できることが記載されている。同公報には、超音波振動
子と繊維強化樹脂材を積層一体化することにより、超音
波振動子の、繊維強化樹脂材の繊維の長さ方向に沿った
方向の振動の励起が抑えられ、長さ方向に垂直な方向の
振動が強く励起されるため、超音波の指向性を改善でき
ることが記載されている。そして、超音波振動子と繊維
強化樹脂材の積層体が、流量計に利用可能であることが
示唆されている。

【０００９】本発明者は、前述の特開平７−２８４１９
８号公報の記載をもとに、超音波振動子と、超音波振動
子の振動面に平行な方向に繊維が配向した繊維強化樹脂
材との積層体を作製した。そして、図１２に示すよう
に、作製した超音波振動子２と繊維強化樹脂材９の積層
体（超音波送受信器１）を一対を用いて、センサ挿入型
の超音波流量計を作製して、流体の流量測定を行った。
その結果、送信される超音波の指向性が改善されるため
に、高感度で流体の流量を測定できることが確認され
た。

【００１０】さらに、作製した積層体を用いて、図１３
に示すような、クランプオン型超音波流量計を作製し
た。超音波送受信器１は、従来の超音波送受信器の楔形
超音波伝搬材３の斜面に装着された超音波振動子に代
え、作製した超音波振動子２と繊維強化樹脂材９の積層
体を装着して作製した。ところが、超音波振動子２と繊
維強化樹脂材９の積層体を用いることにより、指向性に
優れた超音波が送受信されるにも係わらず、クランプオ
ン型超音波流量計の場合には、期待されるほど測定感度
が高くはならなかった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、測定
感度の高いクランプオン型超音波流量計を提供すること
にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、繊維強化樹
脂材を用いたクランプオン型超音波流量計の測定感度を
高めるために、超音波送受信器から送信される超音波の
指向性や強度などについて詳細な検討を行った。その結
果、超音波振動子と繊維強化樹脂材の積層体により、指
向性に優れる超音波が送信されるものの、楔形超音波伝
搬材の内部において、超音波の減衰や波形の乱れを生じ
ることがわかった。

【００１３】このような超音波の減衰や波形の乱れは、
前記の積層体により指向性に優れる超音波を送信して
も、送信された超音波（縦波）が楔形超音波伝搬材の内
部を伝搬する際に、その一部が横波となってしまうこと
が原因で生ずると推測される。横波の発生により、正常
な（超音波振動子の振動面に垂直な方向に伝搬する）超
音波の強度が低下し、さらに、発生した横波が正常な超
音波と重なり合って超音波の波形に乱れを生じさせると
考えられる。

【００１４】本発明者は、楔形超音波伝搬材の全体を繊
維強化樹脂材から形成することにより、指向性に優れる
超音波を、楔形超音波伝搬材の内部で減衰させずに管状
体に送信でき、従来よりも極めて高感度のクランプオン
型超音波流量計を提供できることを見出した。

【００１５】本発明は、超音波振動子が、底面と該底面
に対して鋭角をなす少なくとも一つの斜面を備えた楔型
超音波伝搬材の該斜面に装着されてなる超音波送受信器
であって、該超音波伝搬材が、超音波振動子から超音波
伝搬材に付与された超音波が、超音波振動子装着斜面に
対して垂直な方向に伝搬するように、樹脂材料シート中
に複数本の高弾性繊維がシート平面に沿って平行に整列
配置された構成の繊維強化樹脂シートが複数枚積層一体
化された構成にあることを特徴とする超音波送受信器に
ある。

【００１６】本発明の超音波送受信器の好ましい態様
は、以下の通りである。（１）超音波伝搬材が、複数枚の繊維強化樹脂シート
が、隣接する各シート内の高弾性繊維の整列方向が互い
に直交をなすように交互に積層され、一体化された構成
をなしている。（２）繊維強化樹脂シートの高弾性繊維の長さ方向の引
張弾性率が５０ＧＰａ以上である。（３）繊維強化樹脂シートの高弾性繊維が炭素繊維であ
る。（４）超音波伝搬材の底部に弾性シートが装着されてい
る。（５）弾性シートの、超音波伝搬材に接する表面とは逆
側の表面が凹状に湾曲している。（６）弾性シートが、１０００〜２０００ｍ／秒の音波
伝搬速度を示す弾性材料から形成されている。（７）弾性シートが、ポリウレタンゲルから形成されて
いる。

【００１７】本発明はまた、前記の超音波送受信器が一
対、底面に開口を有する細長い形状のケースに、各超音
波送受信器の超音波振動子が装着された斜面が互いに対
向しないような位置関係で収容固定されてなるクランプ
オン型超音波流量計にもある。

【００１８】本発明はまた、前記の超音波送受信器が一
対、底面に開口を有する細長い形状のケースに、各超音
波送受信器の超音波振動子が装着された斜面が互いに対
向しないような位置関係にあり、かつ超音波送受信器間
の距離を任意に変えることができるように収容されてな
るクランプオン型超音波流量計にもある。

【００１９】前記の二種類の本発明のクランプオン型超
音波流量計は、金属製管状体の内部を移動する流体の流
量測定用、もしくはポリ塩化ビニル樹脂製管状体の内部
を移動する流体の流量測定用であることが好ましい。

【００２０】本発明はまた、内部を流体が移動する管状
体に、前記のクランプオン型超音波流量計が、そのケー
スの長さ方向と管状体の長さ方向とが一致するように装
着固定されてなる流量測定構造体にもある。本発明の流
量測定構造体において、管状体は、鉄管、ステンレス管
などの金属製の管状体、もしくはポリ塩化ビニル樹脂製
の管状体であることが好ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の超音波送受信器につい
て、添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明の超
音波送受信器の一例の構成を示す斜視図である。図１に
示す本発明の超音波送受信器１１は、超音波振動子１２
と楔形超音波伝搬材１３から構成される。楔型超音波伝
搬材１３は、底面１４と底面１４に対して鋭角をなす斜
面１５を備えている。超音波振動子１２は、楔型超音波
伝搬材１３の斜面１５に装着される。そして、超音波振
動子１２の楔型超音波伝搬材側の面及びその逆側の面に
は、超音波振動子１２に電圧を印加するために電極とリ
ード線（図示は略する）が備えられている。そして、超
音波振動子１２から楔形超音波伝搬材１３に付与された
超音波が、超音波振動子装着斜面１５に対して垂直な方
向に伝搬するように、楔型超音波伝搬材１３は、樹脂材
料シート中に複数本の高弾性繊維１６がシート平面に沿
って平行に整列配置された構成の繊維強化樹脂シートが
複数枚積層一体化された構成を有する。高弾性繊維１６
は、繊維の長さ方向が、楔形超音波伝搬材１３の斜面１
５（超音波振動子１２の振動面）に平行となるように整
列配置している。

【００２２】このように、超音波送受信器の楔形超音波
伝搬材の全体を繊維強化樹脂材から形成することで、流
量計を高感度にできる原因は、以下のように推測され
る。（１）高弾性繊維を楔形超音波伝搬材の斜面（超音波振
動子の振動面）に平行な方向に整列配置させることで、
超音波振動子の振動面に沿った方向の振動の励起が抑え
られ、超音波振動子の振動面に垂直な方向の振動が強く
励起される。このため、超音波振動子の振動面から送信
される超音波の指向性が改善されて、流量計の測定感度
が高くなる。

【００２３】（２）一般に、超音波（縦波）が固体中を
伝搬する際に、その一部は横波となる。楔形超音波伝搬
材の斜面に垂直（超音波振動子の振動面に垂直）な方向
に沿った超音波の伝搬経路には、整列配置された高弾性
繊維の間にある樹脂１７が存在する。この樹脂の部分に
おいて、超音波の一部は横波になると考えられる。とこ
ろが、高弾性繊維が超音波の伝搬方向に間欠的に存在す
るために、超音波振動子により送信された超音波と同じ
方向に伝搬する横波は発生しにくいと考えられる。即
ち、超音波と同じ方向に伝搬する横波の振動方向は、超
音波の伝搬方向と垂直な方向であり、この方向の振動の
励起が高弾性繊維により抑えられるために、超音波と同
じ方向に伝搬する横波が発生し難いと考えられる。楔形
超音波伝搬材の内部で横波の発生が抑えられることによ
り、超音波振動子の振動面に垂直な方向に伝搬する超音
波（縦波）に減衰が生じず、横波により生じる波形の乱
れも発生し難くなり、流量計の測定感度が高くなると考
えられる。

【００２４】高弾性繊維１６が整列配置する方向は、楔
形超音波伝搬材１３の斜面１５（超音波振動子１２の振
動面）に平行であれば、特に制限は無いが、製造のし易
さ、コストの面で、前記の斜面１５に平行な、一方向ま
たは二方向に整列配置させることが好ましい。

【００２５】楔形超音波伝搬材１３の斜面１５に平行な
一方向のみに高弾性繊維１６を整列配置させる場合は、
図１に示すように、高弾性繊維１６の長さ方向を楔形超
音波伝搬材１３の底面１４に投影した線と、斜面１５の
法線を前記の底面１４に投影した線とが平行であること
が好ましい。高弾性繊維を斜面に平行な一方向のみに整
列配置した場合、（斜面と平行で）高弾性繊維と直交す
る方向には、弾性繊維による制振効果が小さいために、
若干の振動の励起を生じてノイズの原因となる場合があ
る。このような振動の励起があった場合にも、図１に示
すように繊維を整列配置すると、励起された振動による
音波は、伝搬方向が楔型超音波伝搬材の側面に垂直な方
向であるために、管状体には伝搬し難い。逆に、高弾性
繊維を、斜面と平行で、側面に垂直な一方向に整列配置
すると、（斜面と平行で）高弾性繊維と直交する方向に
励起された振動による音波は、伝搬方向が、先の場合の
繊維の長さ方向と同方向となり、管状体に伝播してノイ
ズとなり、測定感度を低下させる場合がある。

【００２６】楔形超音波伝搬材１３の斜面１５に平行な
二方向に高弾性繊維１６を整列配置させる場合は、楔形
超音波伝搬材１３を、複数枚の繊維強化樹脂シートが、
隣接する各シート内の高弾性繊維の整列方向が互いに直
交をなすように交互に積層され、一体化された構成とす
ることが好ましい。楔形超音波伝搬材１３は、市販の繊
維強化樹脂材を切削加工して形成することができる。

【００２７】超音波振動子の振動面に沿った方向の振動
の励起を抑制するため、高弾性繊維の長さ方向の引張弾
性率は、５０ＧＰａ以上であることが好ましく、１００
ＧＰａ以上であることがより好ましい。高弾性繊維の例
としては、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、ナイロン繊維、
ポリアミド繊維、およびアラミド繊維などが挙げられ、
炭素繊維もしくは炭化ケイ素繊維を用いることが好まし
い。また、繊維強化樹脂シートの樹脂材料の例として
は、エポキシ樹脂、ナイロン樹脂、ポリイミド樹脂、Ｐ
ＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、フェノール樹
脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカ
ーボネート樹脂、およびポリアミドイミド樹脂などが挙
げられ、エポキシ樹脂を用いることが好ましい。

【００２８】楔形超音波伝搬材１３と管状体６との間に
空気（隙間）が存在すると、空気の音響インピーダンス
が小さいために、超音波が楔型超音波伝搬材と空気の界
面で反射してしまうため、楔型超音波伝搬材１３と管状
体６との隙間には、接触媒質を充填することが好まし
い。管状体６の外周面上に接触媒質を塗布してから超音
波送受信器１１を管状体６に押し付けることで、前記の
隙間に接触媒質を充填することができる。このような、
超音波の伝搬経路から空気を排除するために用いる接触
媒質としては、公知の材料を用いることができる。接触
媒質としては、気泡が残りにくい液体またはペースト状
の材料が用いられ、一般には、水、油、水ガラス、グリ
ース、ワセリンなどが用いられる。超音波送受信器を管
状体に固定して、継続的に流体の流量を測定する場合に
は、接触媒質としてはグリースを用いることが好まし
い。

【００２９】また、楔形超音波伝搬材１３の底面１４
が、管状体６の外周面と密着するように、底面１４を凹
状に加工することも好ましい。ただし、繊維強化樹脂材
から形成された楔形超音波伝搬材１３の底面１４を曲面
に加工することは手間がかかるため、楔形超音波伝搬材
１３の底面１４に弾性シート１８を装着することが好ま
しい。弾性シート１８の存在により、管状体６の外周面
において超音波送受信器１１を安定に配置でき、位置の
調整も容易となる。弾性シートは、１０００〜２０００
ｍ／秒の音波伝搬速度を示す弾性材料から形成すること
が好ましい。弾性シートは、樹脂や金属などの固体材料
（弾性材料）を成形加工して作製してもよいが、ゲル状
の弾性材料から形成することが、管状体との密着性を容
易に確保できるために好ましい。ゲル状の弾性材料に
は、軟質エラストマーが含まれる。このようなゲル状の
弾性材料の例としては、シリコーンゲル、ポリウレタン
ゲル、ポリウレタンエラストマーなどが挙げられ、ポリ
ウレタンゲルを用いることが好ましい。

【００３０】次に、本発明の超音波送受信器の別の態様
について説明する。図２は、本発明の超音波送受信器の
別の一例の構成を示す斜視図である。図２に示す超音波
送受信器１１は、楔形超音波伝搬材の形状が異なる以外
は、図１に示した超音波送受信器と同様の構成である。
超音波を、超音波振動子装着斜面に垂直に伝搬させるた
めには、図１に示した構成の楔型超音波伝搬材の形状で
十分であるが、図２に示すように、楔形超音波伝搬材１
３の上側に、底面１４と平行な面を設けることが好まし
い。このような面に楔型超音波伝搬材固定用のボルト穴
１９を設けることで、超音波送受信器１１の管状体６の
外周面に対する位置を、ボルトを用いて容易に固定でき
る。具体的な固定の方法については、後述する。このよ
うな楔形超音波伝搬材１３の一例の構成の具体的な寸法
（単位：ｍｍ）を、図３に記載する。図３において
（ａ）は、楔形超音波伝搬材１３の側面図を、そして
（ｂ）は、楔形超音波伝搬材１３の側面図を示す。

【００３１】前述のように、クランプオン型超音波流量
計には、伝搬時間差式、ドップラー式のように多くの種
類があり、用いられる超音波送受信器の数も様々であ
る。クランプオン型超音波流量計については、「流量計
測ＡｔｏＺ」（日本計量機器工業連合会編、第８章、１
９９５）に詳しく記載がある。本発明の超音波送受信器
は、様々な種類のクランプオン型超音波流量計のいずれ
にも好ましく用いることができる。図４に、本発明の超
音波送受信器を用いたＶ式のクランプオン型超音波流量
計の一例の構成の断面図を、図５に、Ｚ式のクランプオ
ン型超音波流量計の一例の構成の断面図を示す。図４お
よび図５に示すクランプオン型超音波流量計は、いずれ
も伝搬時間差式の流量計である。Ｚ式、Ｖ式とは、流体
中での超音波の伝搬経路９の形状から命名されている。
Ｖ式のクランプオン型超音波流量計は、Ｚ式に比べて、
超音波伝搬経路９が長いために測定感度が高く、管状体
を挟んで超音波送受信器を配置する必要がないために設
置が容易であるという利点がある。

【００３２】次に、本発明のクランプオン型超音波流量
計について説明する。図６は、本発明のクランプオン型
超音波流量計の一例の構成を示す一部切欠き斜視図であ
る。本発明のクランプオン型超音波流量計は、基本的に
は一対の超音波送受信器と、それぞれの超音波送受信器
の管状体に対する位置を固定する手段からなる。図６に
示すように、本発明のクランプオン型超音波流量計は、
前記の本発明の超音波送受信器が一対（１１ａ及び１１
ｂ）、底面に開口を有する細長い形状のケース２０に、
各超音波送受信器の超音波振動子が装着された斜面が互
いに対向しないような位置関係で収容固定されてなる。
ケース２０は、ケース本体２１とケース蓋２２から構成
される。ケース本体２１とケース蓋２２は、ねじ２８に
より固定される。

【００３３】管状体の寸法（内径および外径）と材質が
予めわかれば、超音波送受信器１１ａと１１ｂの最適な
位置関係は算出できるので、超音波送受信器のそれぞれ
を、ケース蓋２２にボルト２３を用いて固定する。この
ように予め一対の超音波送受信器間の位置関係を固定し
ておくことで、既設の管状体（化学プラントの配管な
ど）にクランプオン型超音波流量計を装着する作業が容
易となる。

【００３４】流量計と管状体は、管状体６をケース２０
と流量計固定材２４により挟んで、ケース２０と流量計
固定材２４をねじ２５により締め付けることにより、簡
便且つ確実に固定することができる。流量計の管状体へ
の固定方法は、前記の方法に限定されず、ゴムバンドな
どを用いてケース本体２０と管状体６を締め付けて固定
してもよい。

【００３５】管状体の寸法（内径および外径）や材質が
不明な場合などは、一対の超音波送受信器間の距離を、
流量計を設置する際に設定する必要がある。このため、
ケース２０の蓋に、超音波送受信器の装着位置調整用長
穴２６を設けるなどして、流量計を、超音波送受信器間
の距離を任意に変更できる構成とすることもできる。

【００３６】本発明のクランプオン型超音波流量計に用
いる楔形超音波伝搬材の音波伝搬速度の値は、高弾性繊
維の長さ方向に垂直な方向で、３０００ｍ／秒程度であ
る。楔形超音波伝搬材から管状体に超音波が伝搬する場
合、管状体の外周の表面においては、スネルの法則によ
り下記式（Ｉ）で示される関係が成立する。

【００３７】（Ｉ）ｓｉｎα／ｓｉｎβ＝Ｃ₁／Ｃ₂ 式（Ｉ）において、Ｃ₁は、楔形超音波伝搬材の音波伝
搬速度を表し；Ｃ₂は、管状体の音波伝搬速度を表し；
αは、音波の入射角を表し；そしてβは、音波の屈折角
を表す。

【００３８】楔型超音波伝搬材と管状体の音波伝搬速度
の値の差が小さい場合、入射角αを大きく設定すること
により、屈折角βを、（入射角αに近い値にまで）大き
く設定でき、流体中における超音波の伝搬距離を長く設
定することができる。流体中における超音波の伝搬距離
を長く設定できると、小さな流量に対しても、大きな伝
搬時間から流量測定ができるために、測定感度の高い流
量計を設計することができる。

【００３９】一方、楔形超音波伝搬材と管状体の音波伝
搬速度の値の差が大きいと、スネルの法則により配管外
周面において超音波が全反射したり、あるいは管状体内
部に超音波が伝搬しても屈折角βが（音波伝搬速度の差
が小さい場合と比べて）小さい値となる場合がある。例
えば、Ｃ₁＜Ｃ₂の場合は、Ｃ₁とＣ₂の差が大きいほ
ど臨界角が小さくなり、入射角αを大きな値に設定する
と、超音波が管状体の外周面で全反射してしまう場合が
ある。一方、Ｃ₁＞Ｃ₂の場合には、全反射は生じない
が、Ｃ₁とＣ₂の差が大きいほど、設定した入射角αに
対して、屈折角βは小さな値に（流体中における超音波
の伝搬距離が短く）なってしまう。従って、楔形超音波
伝搬材と管状体の音波伝搬速度の値の差が大きいと、音
波伝搬速度の差が小さい場合と比べて、測定感度の高い
流量計を設計することが難しくなる場合がある。

【００４０】従って、本発明のクランプオン型超音波流
量計は、楔形超音波伝搬材の音波伝搬速度に近い音速を
示す材料から形成された管状体の内部を移動する流体の
流量測定用に用いることが好ましい。好ましい管状体の
例としては、金属（例えば、ステンレスの音波伝搬速
度：約５０００ｍ／秒）製の管状体、およびポリ塩化ビ
ニル樹脂（音波伝搬速度：約２２００ｍ／秒）製の管状
体が挙げられる。これらの管状体の内部を移動する流体
の流量を測定する場合、楔形超音波伝搬材の底面と斜面
のなす角度（即ち、管状体の外周面における超音波の入
射角）は、２５乃至４５度の範囲にあることが好まし
い。

【００４１】なお、流量測定の際には、楔形超音波伝搬
材と管状体の間に接触媒質もしくは弾性シートが存在す
るが、上記においてはこれらを無視して簡略に説明をし
た。実際の流量計は、これらの存在を考慮して設計する
が、上記の様にスネルの法則により計算を行えば、同様
の結論が得られる。

【００４２】また、化学プラントなどにおける既設の配
管の取り外しが可能である場合には、予め管状体とクラ
ンプオン型超音波流量計とを一体化させた流量測定構造
体を用いることもできる。このような構成とすること
で、予め超音波送受信器の位置関係を精密に調整した
（管状体とクランプオン型超音波流量計が一体となっ
た）流量測定構造体と、既設の配管を交換するのみで、
直ちに流量の測定が可能となる。このような本発明の流
量測定構造体は、図６に示すように、ケース２０の長さ
方向と管状体６を、ケースの長手方向と管状体の長さ方
向とが一致するように固定することで得られる。このよ
うに固定するためには、ケース２０と流量計固定材２４
により管状体６を挟み、ねじ２５などの固定手段によ
り、ケース２０と固定材２４とを締め付け固定すればよ
い。管状体６の好ましい材質は、前記の本発明のクラン
プオン型超音波流量計の場合と同様である。

【００４３】

【発明の効果】本発明の超音波送受信器は、指向性に優
れた超音波を楔形超音波伝搬材の内部での減衰なく管状
体に送信することができる。このため、本発明の超音波
送受信器を用いることにより、高感度のクランプオン型
超音波流量計を提供することができる。そして本発明の
超音波送受信器を一対用いて構成される、本発明のクラ
ンプオン型超音波流量計は、超音波送受信器の位置関係
の設定が容易であり、流量計を簡単に管状体に設置でき
る。また、管状体とクランプオン型超音波流量計とを一
体化した本発明の流量測定構造体は、既設の配管と流量
測定構造体を交換するのみで高感度の流量測定を行うこ
とができる。

【００４４】

【実施例】［比較例１］外径３４ｍｍのステンレス製の
管状体に水を流し、市販のクランプオン型超音波流量計
（東京計装（株）製）を用いて、超音波の送受信を行っ
た。Ｖ法により超音波が送受信されるよう、一対の超音
波送受信器を、管状体の表面にグリースを介して配置し
た。送信側の超音波送受信器の超音波振動子に電圧パル
ス（パルス幅０．５μｓ、パルス高さ３０Ｖ）を印加し
て超音波を送信し、受信側の超音波送受信器により超音
波を受信した。受信側の超音波送受信器において得られ
た電圧波形を、図７に示す。図７の電圧波形において、
横軸は時間、そして縦軸は電圧を表す。得られた電圧波
形の最大の振幅は、０．６６Ｖであった。

【００４５】［実施例１］先ず、エポキシ樹脂と、炭素
繊維（繊維の長さ方向の引張弾性率２４０ＧＰａ）から
構成された繊維強化樹脂材を切削加工して、図２に示す
形状の楔形超音波伝搬材を作製した。次に、二液硬化型
のポリウレタンゲルを型枠に流し込んだのちに常温硬化
させて、図２に示す形状の弾性シートを成形した。弾性
シートの超音波伝搬材に接する表面とは逆の面は、管状
体の外周面と密着するように凹状に湾曲した形状とし
た。作製した楔形超音波伝搬材の底面に弾性シートを、
そして斜面にジルコン酸チタン酸鉛系の市販の超音波振
動子（直径１０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を貼り合わせた。こ
の様にして、図２に示す構成の超音波送受信器を作製し
た。

【００４６】高弾性繊維は、図２に示すように超音波振
動子の振動面に平行な一方向に整列配置させた。また、
楔形超音波伝搬材の底面と斜面のなす角度は、３５゜
（即ち底面における超音波の入射角は５５゜）であっ
た。

【００４７】作製した超音波送受信器を一対用いる以外
は比較例１と同様にして、超音波の送受信を行った。受
信側の超音波送受信器で得られた電圧波形を、図８に示
す。図８の電圧波形において、横軸は時間、そして縦軸
は電圧を表す。得られた電圧波形の最大の振幅は、１．
０４Ｖであった。

【００４８】従って、送信側の超音波振動子に同じ電圧
パルスを印加して超音波を送信した場合、受信側の超音
波送受信器の超音波振動子から出力される電圧値は、従
来の流量計の１．５倍以上であり、本発明の超音波送受
信器を用いたクランプオン型超音波流量計は、非常に高
感度であることがわかる。

【００４９】［比較例２］外径１インチのポリ塩化ビニ
ル樹脂製の管状体を用いること以外は比較例１と同様に
して、超音波の送受信を行った。受信側の超音波送受信
器において得られた電圧波形を、図９に示す。図９の電
圧波形において、横軸は時間、そして縦軸は電圧を表
す。得られた電圧波形の最大の振幅は、１．３１Ｖであ
った。ただし、得られた電圧波形には大きな波形の乱れ
（うねり）が観測された。このように電圧波形に大きな
うねりが存在すると、信号の受信開始点を定めるための
しきい値電圧の設定が難しく、超音波伝搬時間の検出に
誤差を生じるために測定感度が低下する。

【００５０】［実施例２］実施例１で作製した超音波送
受信器一対を用いる以外は比較例２と同様にして、超音
波の送受信を行った。受信側の超音波送受信器で得られ
た電圧波形を、図１０に示す。図１０の電圧波形におい
て、横軸は時間、そして縦軸は電圧を表す。得られた電
圧波形の最大の振幅は、１．２９Ｖであった。得られた
電圧波形にの最大の振幅値は、比較例２とほぼ同じであ
るが、得られた電圧波形には、比較例２で観測されたよ
うな大きな波形の乱れは無かった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波送受信器の一例の構成を示す斜
視図である。

【図２】本発明の超音波送受信器の別の一例の構成を示
す斜視図である。

【図３】図２に示す楔型超音波伝搬材の一例の構成の寸
法を示す図である。

【図４】本発明の超音波送受信器を用いたＺ式のクラン
プオン型超音波流量計の一例の構成を示す断面図であ
る。

【図５】本発明の超音波送受信器を用いたＶ式のクラン
プオン型超音波流量計の一例の構成を示す断面図である

【図６】本発明のクランプオン型超音波流量計の一例の
構成を示す一部切欠き斜視図である。

【図７】比較例１において、受信側の超音波送受信器か
ら出力された電圧波形を示す図である。

【図８】実施例１において、受信側の超音波送受信器か
ら出力された電圧波形を示す図である。

【図９】比較例２において、受信側の超音波送受信器か
ら出力された電圧波形を示す図である。

【図１０】実施例２において、受信側の超音波送受信器
から出力された電圧波形を示す図である。

【図１１】従来のクランプオン型超音波流量計の一例の
構成を示す断面図である。

【図１２】繊維強化樹脂材を用いたセンサ挿入型の超音
波流量計の構成を示す断面図である。

【図１３】繊維強化樹脂材を用いたクランプオン型超音
波流量計の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１、１ａ、１ｂ超音波送受信器２、２ａ、２ｂ超音波振動子３、３ａ、３ｂ楔形超音波伝搬材４、４ａ、４ｂ底面５、５ａ、５ｂ斜面６管状体７流体８流体の移動方向９超音波の伝搬経路の例９ａ、９ｂ超音波の伝搬方向を示す矢印１０繊維強化樹脂材１１、１１ａ、１１ｂ超音波送受信器１２、１２ａ、１２ｂ超音波振動子１３、１３ａ、１３ｂ楔形超音波伝搬材１４底面１５斜面１６高弾性繊維１７樹脂１８、１８ａ弾性シート１９ボルト穴２０ケース２１ケース蓋２２ケース本体２３ボルト２４流量計固定材２５ねじ２６超音波送受信器の装着位置調整用長穴２７リード線２８ねじ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波振動子が、底面と該底面に対して
鋭角をなす少なくとも一つの斜面を備えた楔型超音波伝
搬材の該斜面に装着されてなる超音波送受信器であっ
て、該超音波伝搬材が、超音波振動子から超音波伝搬材
に付与された超音波が、超音波振動子装着斜面に対して
垂直な方向に伝搬するように、樹脂材料シート中に複数
本の高弾性繊維がシート平面に沿って平行に整列配置さ
れた構成の繊維強化樹脂シートが複数枚積層一体化され
た構成にあることを特徴とする超音波送受信器。
【請求項２】超音波伝搬材が、複数枚の繊維強化樹脂
シートが、隣接する各シート内の高弾性繊維の整列方向
が互いに直交をなすように交互に積層され、一体化され
た構成をなしている請求項１に記載の超音波送受信器。
【請求項３】繊維強化樹脂シートの高弾性繊維の長さ
方向の引張弾性率が５０ＧＰａ以上である請求項１もし
くは２に記載の超音波送受信器。
【請求項４】繊維強化樹脂シートの高弾性繊維が炭素
繊維である請求項３に記載の超音波送受信器。
【請求項５】超音波伝搬材の底部に弾性シートが装着
されてなる請求項１乃至４のうちのいずれかの項に記載
の超音波送受信器。
【請求項６】弾性シートの、超音波伝搬材に接する表
面とは逆側の表面が凹状に湾曲している請求項５に記載
の超音波送受信器。
【請求項７】弾性シートが、１０００〜２０００ｍ／
秒の音波伝搬速度を示す弾性材料から形成されている請
求項５もしくは６に記載の超音波送受信器。
【請求項８】弾性シートが、ポリウレタンゲルから形
成されている請求項５乃至７のうちのいずれかの項に記
載の超音波送受信器。
【請求項９】請求項１乃至８のうちのいずれかの項に
記載の超音波送受信器が一対、底面に開口を有する細長
い形状のケースに、各超音波送受信器の超音波振動子が
装着された斜面が互いに対向しないような位置関係で収
容固定されてなるクランプオン型超音波流量計。
【請求項１０】請求項１乃至８のうちのいずれかの項
に記載の超音波送受信器が一対、底面に開口を有する細
長い形状のケースに、各超音波送受信器の超音波振動子
が装着された斜面が互いに対向しないような位置関係に
あり、かつ超音波送受信器間の距離を任意に変えること
ができるように収容されてなるクランプオン型超音波流
量計。
【請求項１１】金属製管状体の内部を移動する流体の
流量測定用である請求項９もしくは１０に記載のクラン
プオン型超音波流量計。
【請求項１２】ポリ塩化ビニル樹脂製管状体の内部を
移動する流体の流量測定用である請求項９もしくは１０
に記載のクランプオン型超音波流量計。
【請求項１３】内部を流体が移動する管状体に請求項
９もしくは１０に記載のクランプオン型超音波流量計
が、そのケースの長さ方向と管状体の長さ方向とが一致
するように装着固定されてなる流量測定構造体。
【請求項１４】内部を流体が移動する金属製管状体に
請求項１１に記載のクランプオン型超音波流量計が、そ
のケースの長さ方向と管状体の長さ方向とが一致するよ
うに装着固定されてなる流量測定構造体。
【請求項１５】内部を流体が移動するポリ塩化ビニル
樹脂製管状体に請求項１２に記載のクランプオン型超音
波流量計が、そのケースの長さ方向と管状体の長さ方向
とが一致するように装着固定されてなる流量測定構造
体。