JP5704510B2 - 超音波流量計及び流量測定方法 - Google Patents

Description

この発明は、超音波の指向性変位を利用して被測定流体の大流速を測定可能とした流量
計に適用して好適な超音波流量計及び流量測定方法に関するものである。

従来から、電気や、機械、化学工場等のプラントにおいて、配管内を流れる流体の速度
を計測して流量を表示する超音波流量計が使用される場合が多い。このような超音波流量
計は、配管の上流側と下流側とに超音波受信器を兼ねたトランスデューサが取り付けられ
る。超音波流量計によれば、上流側から下流側へ流体中を横切って、下流側から上流側へ
流体中を横切って、超音波を交互に送信し、到達した時間差から被測定流体の流速が求め
られる。

図１１は、従来例に係る超音波流量計１０の内部構成例を示す説明図である。図１１に
示す超音波流量計１０は、超音波受信器を兼ねた１対のトランスデューサ（以下超音波ト
ランスデューサ１，２という）を備えて構成される。超音波トランスデューサ１は、測定
管３の上流側であって、当該測定管３の外周部の一方の側において、測定管３に対して傾
斜姿勢を保持するために、所定の形状を有した台座１５と組み合わせて取り付けられる。
超音波トランスデューサ２は、測定管３の下流側であって、当該測定管３の外周部の他方
の側において、測定管３に対して傾斜姿勢を保持するために、所定の形状を有した台座１
９と組み合わせて取り付けられる。

超音波流量計１０によれば、流速測定時、上流側の超音波トランスデューサ１が下流側
の超音波トランスデューサ２に向けて超音波を送信する。超音波トランスデューサ２は、
超音波トランスデューサ１からの超音波を受信する。更に、下流側の超音波トランスデュ
ーサ２は、上流側の超音波トランスデューサ１に向けて超音波を送信する。超音波トラン
スデューサ１は、超音波トランスデューサ２から超音波を受信する。

これらの送受信を交互に繰り返し、上流側の超音波トランスデューサ１から下流側の超
音波トランスデューサ２へ至る超音波の到達時間をＴ１とし、下流側の超音波トランスデ
ューサ２から上流側の超音波トランスデューサ１へ至る超音波の到達時間をＴ２としたと
き、超音波トランスデューサ１から超音波トランスデューサ２へ至る超音波は順方向、す
なわち、超音波が流れに乗るため、到達時間Ｔ１が早くなる。

反対に超音波トランスデューサ２から超音波トランスデューサ１へ至る超音波は逆方向
、すなわち、超音波が流れに逆行するため、到達時間Ｔ２が遅くなる。ここで測定管３の
管軸方向における超音波トランスデューサ１と超音波トランスデューサ２との間の距離を
Ｌとし、超音波トランスデューサ１（又は２）と測定管３との間を成す傾斜角をφとし、
被測定流体の流速をＶとしたとき、次式、すなわち、
Ｖ＝（Ｌ／２cosφ）・｛（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２）｝
を演算するようになされる（通過時間差法）。

この種の超音波流量計に関して、特許文献１には、測定管内に流れる被測定流体の流量
を超音波を利用して計測する超音波流量計が開示されている。この超音波流量計によれば
、複数の第１及び第２の送受信超音波振動子を備えて構成される。第１の送受信超音波振
動子は、測定管の外周面であって、当該測定管の管軸方向に所定間隔を保って配置される
。第１の送受信超音波振動子は、一対の振動子で形成され、これらの振動子は向き合った
方向であって、管軸斜め方向内部に向けて超音波が発射できるように配置されている。

第２の送受信超音波振動子は、測定管の外周面であって、当該測定管の管断面方向の対
向する位置に配置されている。第２の送受信超音波振動子は、一対の振動子で形成され、
これらの振動子は向き合った方向であって、管断面方向に向けて超音波が発射できるよう
に配置されている。これを前提にして、第１の送受信超音波振動子で計測した流速成分か
ら第２の送受信超音波振動子で計測した流速成分を除去して、被測定流体の流量を算出す
るようにした。このように超音波流量計を構成すると、被測定流体の流速成分に含まれる
偏流等の流速成分が除去された管軸方向の流速のみを測定できるというものである。

また、特許文献２には、第１及び第２の超音波トランスデューサ、超音波反射体、流量
補正係数決定手段及び流量算出手段を備えた超音波流量計が開示されている。第１の超音
波トランスデューサは、測定管の一方の側の管外周部に取り付けられて、当該測定管の管
軸方向とある角度を成す方向であって、測定管の他方の側の管外周部に配置された超音波
反射体へ超音波を送信し、交互に超音波反射体の側からの超音波を受信する。

第２の超音波トランスデューサは、第１の超音波トランスデューサに対して測定管の管
軸方向に所定の距離を保って、当該測定管の同一の側の管外周部に取り付けられ、測定管
の管軸方向とある角度を成す方向であって、上記超音波反射体へ超音波を送信し、交互に
超音波反射体の側からの超音波を受信する。

特許文献２の超音波流量計によれば、一方の超音波トランスデューサから他方の超音波
トランスデューサへ測定管内の被測定流体を伝搬した超音波信号の第１相関値、または、
この伝搬した超音波信号の強度に応じて、第１相関値に基づく被測定流体の第１流速の測
定または超音波反射体によって反射された超音波信号の第２相関値に基づく第２流速の測
定のいずれか一方が行われる。

流量補正係数決定手段は、測定された第１および第２流速の比率に基づく測定管の面粗
さ係数から流量補正係数を求める。これを前提にして、流量算出手段が、流量補正係数決
定手段の流量補正係数と第１流速とを用いて被測定流体の流量を求めるようにした。この
ように超音波流量計を構成すると、面粗さに対応した、より正確な流量補正係数が求めら
れ、これを用いた高精度な流量測定を実行できるというものである。

特開２００５−１７２５４７号公報（第４頁 図１） 特開２０１０−１０１７６７号公報（第５頁 図１）

ところで、従来例に係る超音波流量計によれば、次のような問題がある。
ｉ．図１１に示した斜めに音波を入射させる超音波流量計１０によれば、２つの超音波
トランスデューサ１，２間で超音波のパルス経路を精度良く位置合わせすることができる
が、被測定流体の流速Ｖが大流速となると、超音波トランスデューサ１，２の間の超音波
のパルス経路（指向特性）が変化するため、各々の超音波トランスデューサ１，２で受信
される信号が小さくなり、流速測定が困難となる。因みに市販の製品によれば、配管寸法
や超音波トランスデューサ１，２の寸法にもよるが、大流速の測定は３０ｍ／ｓ程度が限
界となることが知られている。

ii．特許文献１に見られるような超音波流量計によれば、第１の送受信超音波振動子で
計測した流速成分から第２の送受信超音波振動子で計測した流速成分を除去する方法が採
られるが、被測定流体の流速Ｖが大流速となると、第１、第２の送受信超音波振動子の間
の超音波のパルス経路（指向特性）が変化するため、各々の送受信超音波振動子間で受信
される信号が小さくなり、より正確な被測定流体の流量を算出することが困難となるとい
う問題がある。

iii．特許文献２に見られるような超音波流量計によれば、測定管の一方の側の管外周
部に取り付けられた第１の超音波トランスデューサから、当該測定管の管軸方向とある角
度を成す方向であって、測定管の他方の側の管外周部に配置された超音波反射体へ超音波
を送信し、交互に超音波反射体の側からの超音波を受信し、この第１の超音波トランスデ
ューサに対して測定管の管軸方向に所定の距離を保って、当該測定管の同一の側の管外周
部に取り付けられた第２の超音波トランスデューサから、測定管の管軸方向とある角度を
成す方向であって、超音波反射体へ超音波を送信し、交互に超音波反射体の側からの超音
波を受信する方法が採られる。この方法であっても、被測定流体の流速Ｖが大流速となる
と、超音波トランスデューサ１，２の間の超音波のパルス経路（指向特性）が変化するた
め、各々の超音波トランスデューサ１，２で受信される信号が小さくなり、流速測定が困
難となるという問題がある。

そこで、この発明は上述した課題を解決したものであって、被測定流体の流速測定原理
を工夫し、被測定流体の流が速くて超音波のパルス経路が変わってしまう場合であっても
、流速を測定できるようにした超音波流量計及び流量測定方法を提供することを目的とす
る。

上記課題を解決するために、請求項１に係る超音波流量計は、測定管の直線部分を流れる被測定流体の流量を計測する超音波流量計であって、
前記測定管の一方の側の管外周部に取り付けられて、当該測定管の管軸方向と略直交する方向に超音波を送信し、他方の側からの超音波を受信する第１の送受信超音波振動子と、
前記第１の送受信超音波振動子に対して前記測定管の管軸方向に所定の距離を保って、当該測定管の他方の側の管外周部に取り付けられ、前記測定管の管軸方向と略直交する方向に超音波を送信し、他方の側からの超音波を受信する第２の送受信超音波振動子と、
前記第１の送受信超音波振動子から超音波を送信したときに前記第２の送受信超音波振動子で受信される第１の超音波検出信号の強度を測定するとともに、前記第２の送受信超音波振動子から超音波を送信したときに前記第１の送受信超音波振動子で受信される第２の超音波検出信号の強度を測定する測定手段と、
前記測定手段により測定される前記第１の超音波検出信号の強度および前記第２の超音波検出信号の強度から前記被測定流体の流速を演算する演算手段とを備え、
前記演算手段は、
前記第１の送受信超音波振動子の取り付け位置を前記第２の送受信超音波振動子の取り付け位置よりも上流側とし、前記被測定流体が上流側から下流側へ測定管内を流れる場合であって、
前記測定管の管軸方向における前記第１の送受信超音波振動子と第２の送受信超音波振動子との間の距離をＬとし、前記測定管の内径をＤとし、前記被測定流体の流速「０」時の超音波の指向角度をθとし、前記超音波の流体音速をＣとし、前記被測定流体の流速をＶとして、当該流速Ｖの測定時の前記第１の送受信超音波振動子から送信される超音波の放射方向を示す角度をθ１とし、前記被測定流体の任意の流速測定時の前記第２の送受信超音波振動子から送信される超音波の放射方向を示す角度をθ２としたとき、（１）乃至（３）式、すなわち、
θ＝tan ^-1 （Ｌ／Ｄ） ・・・・（１）
θ１＝tan ^-1 （Ｌ−Ｄ／cos（θ）／Ｃ×Ｖ）／Ｄ ・・・・（２）
θ２＝tan ^-1 （Ｌ＋Ｄ／cos（θ）／Ｃ×Ｖ）／Ｄ ・・・・（３）
を演算し、
θ１の値は、前記第１の超音波検出信号の強度とθ１の値とを対応付けたテーブルに基づいて定められ、
θ２の値は、前記第２の超音波検出信号の強度とθ２の値とを対応付けたテーブルに基づいて定められることを特徴とするものである。

本発明に係る超音波流量計によれば、測定管の直線部分に流れる被測定流体の流量を超
音波の指向性変位を利用して計測する場合に、第１の送受信超音波振動子は、測定管の一
方の側の管外周部に取り付けられて、当該測定管の管軸方向と略直交する方向に超音波を
送信し、交互に他方の側からの超音波を受信する。第２の送受信超音波振動子は、第１の
送受信超音波振動子に対して測定管の管軸方向に所定の距離を保って、当該測定管の他方
の側の管外周部に取り付けられ、測定管の管軸方向と略直交する方向に超音波を送信し、
交互に他方の側からの超音波を受信する。これを前提にして、演算手段が第１及び第２の
送受信超音波振動子から交互に得られる指向性変位成分を含む超音波検出信号を入力し、
超音波検出信号の受信強度から被測定流体の流速を演算するようになる。

この演算によって、第１及び第２の送受信超音波振動子から各々送信される超音波の指
向性変位を利用して被測定流体の流速を測定できるようになる。しかも、第１及び第２の
送受信超音波振動子の設置時、２つの送受信超音波振動子間における超音波のパルス経路
の位置合わせを省略できる。

請求項２に記載の超音波流量計は、請求項１において、前記流体音速Ｃ又は前記第１の送受信超音波振動子と第２の送受信超音波振動子との距離Ｌをパラメータとして、前記第１及び第２の超音波検出信号の間の強度比に対応する前記被測定流体の流速Ｖとの関係を参照テーブルとして記憶する記憶部を備え、
前記演算手段は、前記第１の送受信超音波振動子の超音波の指向性変位成分を含む第２の超音波検出信号を前記第２の送受信超音波振動子から入力し、交互に前記第２の送受信超音波振動子の超音波の指向性変位成分を含む第１の超音波検出信号を前記第１の送受信超音波振動子から入力し、前記第１及び第２の超音波検出信号の間の強度比を演算し、前記第１及び第２の超音波検出信号の間の強度比に対応する前記被測定流体の流速Ｖを前記記憶部から読み出すことを特徴とするものである。

請求項３に係る流量測定方法は、測定管の直線部分に流れる被測定流体の流量を超音波の指向性変位を利用して計測する流量測定方法であって、
前記測定管の一方の側の管外周部に取り付けられて、当該測定管の管軸方向と略直交する方向に超音波を送信し、他方の側からの超音波を受信する第１の送受信超音波振動子と、前記第１の送受信超音波振動子に対して前記測定管の管軸方向に所定の距離を保って、当該測定管の他方の側の管外周部に取り付けられ、前記測定管の管軸方向と略直交する方向に超音波を送信し、他方の側からの超音波を受信する第２の送受信超音波振動子と、
を用い、
前記第１の送受信超音波振動子から超音波を送信したときに前記第２の送受信超音波振動子で受信される第１の超音波検出信号の強度を測定するとともに、前記第２の送受信超音波振動子から超音波を送信したときに前記第１の送受信超音波振動子で受信される第２の超音波検出信号の強度を測定する測定ステップと、
前記測定ステップにより測定される前記第１の超音波検出信号の強度および前記第２の超音波検出信号の強度から前記被測定流体の流速を演算する演算ステップとを実行し、
前記演算ステップでは、
前記第１の送受信超音波振動子の取り付け位置を前記第２の送受信超音波振動子の取り付け位置よりも上流側とし、前記被測定流体が上流側から下流側へ測定管内を流れる場合であって、
前記測定管の管軸方向における前記第１の送受信超音波振動子と第２の送受信超音波振動子との間の距離をＬとし、前記測定管の内径をＤとし、前記被測定流体の流速「０」時の超音波の指向角度をθとし、前記超音波の流体音速をＣとし、前記被測定流体の流速をＶとして、当該流速Ｖの測定時の前記第１の送受信超音波振動子から送信される超音波の放射方向を示す角度をθ１とし、前記被測定流体の任意の流速測定時の前記第２の送受信超音波振動子から送信される超音波の放射方向を示す角度をθ２としたとき、（１）乃至（３）式、すなわち、
θ＝tan ^-1 （Ｌ／Ｄ） ・・・・（１）
θ１＝tan ^-1 （Ｌ−Ｄ／cos（θ）／Ｃ×Ｖ）／Ｄ ・・・・（２）
θ２＝tan ^-1 （Ｌ＋Ｄ／cos（θ）／Ｃ×Ｖ）／Ｄ ・・・・（３）
を演算し、
θ１の値は、前記第１の超音波検出信号の強度とθ１の値とを対応付けたテーブルに基づいて定められ、
θ２の値は、前記第２の超音波検出信号の強度とθ２の値とを対応付けたテーブルに基づいて定められることを特徴とするものである。

本発明に係る超音波流量計及び流量測定方法によれば、測定管の管軸方向と略直交する
方向から超音波を各々送信する第１及び第２の送受信超音波振動子を備え、これらの送受
信超音波振動子に接続された演算手段が当該送受信超音波振動子から交互に得られる指向
性変位成分を含む超音波検出信号を入力し、超音波検出信号の受信強度から被測定流体の
流速を演算するものである。

この構成によって、第１及び第２の送受信超音波振動子から各々送信される超音波の指
向性変位を利用して被測定流体の大流速を測定できるようになる。因みに配管寸法や検出
器の寸法にもよるが、市販の製品（３０ｍ／ｓ程度）の約２倍程度の大流速が測定できる
ようになる。しかも、第１及び第２の送受信超音波振動子の設置時、２つの送受信超音波
振動子間で超音波のパルス経路の位置合わせを省略できる。また、斜めに音波を入射させ
る超音波流量計に比べて、測定管の管軸方向と略直交する方向から超音波を各々送信する
ので、送受信超音波振動子の寸法の影響を受けることがなくなる。これにより、超音波の
指向性変位を利用して被測定流体の大流速を測定可能な超音波流量計を提供できるように
なる。

本発明に係る実施形態としての超音波流量計１００の構成例を示す説明図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、放射角θｘ及び、指向特性（放射強度角度分布）の測定例を示す説明図である。 超音波流量計１００における大流速測定時の動作例を示す説明図である。 第１の実施例としての超音波流量計１００の制御系の構成例を示すブロック図である。 その制御部３６の内部構成例を示すブロック図である。 超音波流量計１００における動作例を示すフローチャートである。 第２の実施例としての制御部３６’の内部構成例を示すブロック図である。 指向角１０°における流速音速をパラメータとしたＩ２（θ１）／Ｉ１（θ２）と流速Ｖとの間の関係例を示すグラフ図である。 指向角１０°における検出器＃１，＃２間の距離をパラメータとしたＩ２（θ１）／Ｉ１（θ２）と流速Ｖとの間の関係例を示すグラフ図である。 第２の実施例に係る超音波流量計１００における動作例を示すフローチャートである。 従来例に係る超音波流量計１０の構成例を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態に係る超音波流量計及び流量測定方
法について説明をする。図１に示す超音波流量計１００は、測定管の直線部分に流れる被
測定流体（液体・気体・ガス等）の流速を演算すると共にその流量を計測するものである
。超音波流量計１００は、第１の送受信超音波振動子（以下単に検出器＃１という）、第
２の送受信超音波振動子（以下単に検出器＃２という）及び演算手段３０を有して構成さ
れる。

この例で、被測定流体が測定管内に流れ込む側を上流側とし、被測定流体が測定管内か
ら流れ出る側を下流側としたとき、検出器＃１は上流側であって、測定管３の一方の側の
管外周部に取り付けられる。
検出器＃１は例えば管バンド（図示せず）を用いて測定管３に固定される。測定管３は所
定の肉厚を有すると共に内径Ｄを有している。

検出器＃２は、検出器＃１の下流側であって、当該検出器＃１に対して測定管３の管軸
方向に所定の距離Ｌを保って、当該測定管３の他方の側の管外周部に取り付けられる。距
離Ｌは、検出器＃１と検出器＃２との配置間距離である。例えば、検出器＃１の超音波送
受信窓部の中心点から検出器＃２の超音波送受信窓部の中心点に至る距離である。検出器
＃２も管バンドを用いて測定管３に固定される。

この例で、検出器＃１には、振動子１１及び音響整合材１２を有した超音波トランスデ
ューサが使用される。検出器＃２には、振動子２１及び音響整合材２２を有した超音波ト
ランスデューサが使用される。振動子１１，２１にはピエゾ素子（ＰＺＴ）等の圧電素子
が使用される。検出器＃１及び検出器＃２には演算手段３０が接続される。

この超音波流量計１００によれば、測定管３の直線部分に流れる被測定流体の流量を超
音波の指向性変位を利用して計測する場合に、検出器＃１は、測定管３の管軸方向と略直
交する方向であって、下方に向けて超音波を送信し、交互に他方の側からの超音波を受信
して、超音波検出信号Ｉ１（θ２）を発生する。

検出器＃２は、測定管３の管軸方向と略直交する方向であって、上方に向けて超音波を
送信し、交互に他方の側からの超音波を受信して、超音波検出信号Ｉ２（θ１）を発生す
る。演算手段３０では、検出器＃１及び検出器＃２から交互に得られる指向性変位成分を
含む超音波検出信号Ｉ１（θ２），Ｉ２（θ１）を入力し、当該超音波検出信号Ｉ１（θ
２），Ｉ２（θ１）の受信強度から被測定流体の流速Ｖを演算するようになる。なお、演
算手段３０の内部構成例については、図４で説明する。

図中、破線に示す楕円Ｉｄは、被測定流体の流速「０」時の検出器＃１による超音波の
流体中の指向特性(directional characteristics)である。同図、破線に示す楕円IIｄは
、同様にして検出器＃２による超音波の流体中の指向特性である。指向特性は、検出器＃
１や検出器＃２等の寸法と、音響整合材１２，２２の長さと、振動子１１，２１等の発振
周波数ｆ０とによって決まる。同図、実線に示す双方向の矢印IIIは超音波の流体中の経
路である。

また、図中に示すθは指向角(directional angle)である。ここに指向角θとは、検出
器＃１，＃２の配置によって定まる角度であって、指向中心線Ｌ１（又はＬ２）と経路最
短線Ｌ12との間を成す角度である。指向中心線Ｌ１は、検出器＃１の振動子１１（発振源
）の中心点から垂直（鉛直）方向に延在する線分であって、検出器＃１における超音波の
指向特性(directional characteristics)を左右に２分する線である。

指向中心線Ｌ２は、検出器＃２の振動子２１の中心点から垂直（鉛直）方向に延在する
線分であって、検出器＃２における超音波の指向特性を左右に２分する線である。この例
で、経路最短線Ｌ12は、検出器＃１の振動子１１の中心点と検出器＃２の振動子２１の中
心点を結ぶ線分であって、超音波の最短経路を構成する線分である。

ここで、図２Ａ及びＢを参照して、放射角θｘ及び、指向特性（放射強度角度分布）の
測定例について説明する。図２Ａは検出器＃２の例であり、検出器＃１についても同様に
定義される。図２Ａにおいて、Ｌｘは、上述の検出器＃２の中心点から任意の一の方向に
延在する線分であって、当該指向特性における超音波の放射方向を示す線（以下放射方向
線という）である。ここで、指向中心線Ｌ１と放射方向線Ｌｘとの間の成す角度を放射角
θｘと定義する。この例では、放射方向線Ｌｘが経路最短線Ｌ12と等しくなる、放射角θ
ｘ＝θを特に指向角(directional angle)といい、指向角θが１０°に設定されている（
図１参照）。

この例で、指向角θを１０°に設定したのは、指向角θが大きいと、超音波検出信号Ｉ
１（θ２）及びＩ２（θ１）の受信強度が小さくなるので、内径Ｄに比べて距離Ｌが小さ
い方が望ましい。しかし、指向角θが０°に近いと、超音波検出信号Ｉ１（θ２）及びＩ
２（θ１）の値が近接してくるので、超音波の放射角θｘ＝角度θ１，θ２を精度良く求
めるのが難しくなる。そこで、指向角θが１０°程度になるように、検出器＃１と検出器
＃２とを設置するようにした。

また、図２Ｂに示す指向特性を得るための放射強度角度分布の測定例によれば、上述の
検出器＃２の中心点から半径Ｒの半円周上に、例えば、角度θｓ（＝約１２°）置きに、
計１５個の音響受信器２４が配置される。音響受信器２４にはアコースティックエミッシ
ョンセンサ（ＡＥセンサ）等が使用される。

検出器＃２で超音波を発生させ、放射角θｘに対応する角度６°，１８°，３０°，４
２°，５４°，６６°，７８°，９０°，１０２°，１１４°，１２６°，１３８°，１
５０°，１６２°，１７４°の各々位置で、超音波を受信して超音波検出信号Ｉ１（θ２
）を測定する。ここで測定される１５箇所の超音波検出信号Ｉ１（θ２）は角度に依存し
た受信強度（放射強度）を示す。

この角度について、検出器＃２の中心点を基準にして、超音波検出信号Ｉ１（θ２）の
放射強度をプロットすると、図２Ａに示した検出器＃２における超音波の指向特性が得ら
れる。なお、放射強度の角度依存性は媒質流体によらない。指向特性は、検出器＃１や検
出器＃２等の寸法と、音響整合材１２，２２の長さと、振動子１１，２１等の発振周波数
ｆ０とによって決まるが、特定の流体（例えば、水）中で予め測定して置くとよい。

上述の測定を検出器＃１についても同様にして行う。これらの測定から１５個の角度６
°，１８°，３０°，４２°，５４°，６６°，７８°，９０°，１０２°，１１４°，
１２６°，１３８°，１５０°，１６２°，１７４°に対応する１５個の超音波検出信号
Ｉ１（θ２）や、各々に対応する１５個の超音波検出信号Ｉ２（θ１）等を取得できるの
で、これらをＡ／Ｄ変換した後の超音波検出データＤIN＝Ｉ１（θ２），Ｉ２（θ１）に
基づいて超音波検出データＤIN対放射角θｘの参照（ルックアップ）テーブルを作成でき
るようになる。

続いて、図３を参照して、超音波流量計１００における大流速測定時の指向特性の状態
例を説明する。被測定流体は紙面の左側から右側に流れる。図３に示す超音波流量計１０
０における指向特性の状態例によれば、流速Ｖが図１に示した流速＝「０」時に比べて大
きくなると、超音波の指向特性が変化することが確認された。例えば、大流速測定時の検
出器＃１，＃２の各々の指向特性は、超音波が上流側から下流側へ流される現象により、
上流側から下流側へ傾斜することが見出された。

この例では、検出器＃１における流速＝「０」時の指向中心線Ｌ１に対して、大流速測
定（１００m/s等）時には、検出器＃１の指向特性がその中心点を基準にして指向中心線
Ｌ１’に移行するように傾斜する。指向中心線Ｌ１’は上流側から下流側へ倒れる。指向
中心線Ｌ１と指向中心線Ｌ１’との間を成す角度はθａである。

同様にして、検出器＃２における流速＝「０」時の指向中心線Ｌ２に対して、大流速測
定時には、検出器＃２の指向特性がその中心点を基準にして指向中心線Ｌ２’に移行する
ように傾斜する。指向中心線Ｌ２’も上流側から下流側へ倒れる。指向中心線Ｌ２と指向
中心線Ｌ２’との間を成す角度はθｂである。以下でθａ，θｂを指向変位角という。

一方、検出器＃１が受信する超音波は、検出器＃２から図２に示す放射角θｘ＝角度θ
２（θ２＞θ）の方向に発せられた成分のものである。角度θ２は指向角θ＋指向変位角
θｂである。また、検出器＃１から距離Ｌだけ離れた位置（指向角θ）に配設された検出
器＃２が受信する超音波は、検出器＃１から図３に示す放射角θｘ＝角度θ１（θ１＜θ
）の方向に発せられた成分のものである。角度θ１は指向角θ−指向変位角θａである。

従って、大流速測定時に、検出器＃１から出力される超音波検出信号Ｉ１（θ２）と、
検出器＃２から出力される超音波検出信号Ｉ２（θ１）との間には、Ｉ２（θ１）＞Ｉ１
（θ２）なる関係がある。演算手段３０では、検出器＃１及び検出器＃２から交互に得ら
れる指向性変位成分を含む超音波検出信号Ｉ１（θ２），Ｉ２（θ１）を入力し、当該超
音波検出信号Ｉ１（θ２），Ｉ２（θ１）の受信強度の差又は、これらの比から被測定流
体の流速Ｖを演算できるようになる。

続いて、図４及び図５を参照して、第１の実施例としての超音波流量計１００の制御系
の内部構成例について説明する。図４において、演算手段３０は、発振器３１、送信部３
２、送受信切換部３３、受信部３４、アナログ・ディジタル（以下Ａ／Ｄという）変換部
３５及び制御部３６を有して構成される。送信部３２は２つの入力in１，in２及び１個の
出力out１を有している。発振器３１の出力は送信部３２の入力in１に接続される。制御
部３６は、２つの入力in１，in２及び３個の出力Ｏ１〜Ｏ３を有している。送信部３２の
入力in２には制御部３６の出力Ｏ１が接続される。

送受信切換部３３は１組の２回路１選択用のスイッチＳＷ１，ＳＷ２及び制御用の端子
Ｃinを有して構成され、スイッチＳＷ１，ＳＷ２は検出器＃１、検出器＃２、送信部３２
、受信部３４及び制御部３６に接続されている。スイッチＳＷ１は接点ａ１、接点ｂ１及
び中点ｃ１を有しており、スイッチＳＷ２は接点ａ２、接点ｂ２及び中点ｃ２を有してい
る。端子Ｃinには、制御部３６の出力Ｏ２が接続される。

接点ａ１は接点ａ２に接続されて検出器＃１に接続される。接点ｂ１は接点ｂ２に接続
されて検出器＃２に接続される。中点ｃ１は送信部３２の出力out１に接続される。中点
ｃ２は受信部３４の入力inに接続される。受信部３４の出力outはＡ／Ｄ変換部３５の入
力inに接続される。Ａ／Ｄ変換部３５の出力outは制御部３６の入力in１に接続される。
この例で、制御部３６の入力in２には操作部１４が接続され、その出力Ｏ３には表示部１
８が接続されている。

制御部３６は、例えば、図５に示す信号角度変換部６１、演算部６２及びメモリ部６３
を有して構成される。信号角度変換部６１は演算部６２に接続される。信号角度変換部６
１には例えば、超音波検出データＤIN対放射角θｘを参照テーブル化した読み出し専用メ
モリ（ＲＯＭ）等が用いられる。演算部６２にはＣＰＵ（Central Processing Unit）
や、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等が用いられる。演算部６２の出力はメモリ
部６３に接続される。メモリ部６３にはＲＡＭ（Random Access Memory）等のワーク用
の汎用メモリが用いられる。信号角度変換部６１は、図２に示したＡ／Ｄ変換部３５に接
続される。これらにより、超音波流量計１００を構成する。

続いて、図６を参照して、本発明に係る流量測定方法に関して、超音波流量計１００に
おける大流速測定時の動作例について説明する。この例では、被測定流体が上流側から下
流側へ測定管３内を流れる場合であって、測定管３の一方の側の管外周部に検出器＃１が
取り付けられ、検出器＃１の下流側であって、当該検出器＃１に対して測定管３の管軸方
向に所定の距離Ｌを保って、当該測定管３の他方の側の管外周部に検出器＃２が取り付け
られている（指向角θ＝１０°）。

超音波流量計１００が測定管３内に流れる被測定流体の流量を超音波の指向性変位を利
用して計測する場合を前提とする。これを動作条件にして、超音波流量計１００は、図６
に示すステップＳＴ１で、制御部３６が測定命令を待機する。測定命令は例えば、測定開
始を指示する操作データＤ１４が操作部１４から制御部３６へ出力されることで発行され
る。

制御部３６は、操作データＤ１４に基づいて送信許可信号Ｓ３２及び送受信切換信号Ｓ
３３等を発生する。測定命令が無い場合は、操作データＤ１４の入力を待機する。測定命
令が有った場合は、超音波の送受信を開始する。このとき、発振器３１は所定の周波数の
原信号Ｓｆを発振する。送信部３２は送信許可信号Ｓ３２に基き、原信号Ｓｆを増幅して
超音波信号ＳOUTを出力する。送信許可信号Ｓ３２は制御部３６から送信部３２へ出力さ
れる。

ステップＳＴ２で制御部３６は検出器＃１及び＃２の送受切り換え制御を実行する。こ
のとき、制御部３６は、送受信切換部３３を動作させるための送受信切換信号Ｓ３３を供
給する。送受信切換部３３は送受信切換信号Ｓ３３に基づいてスイッチＳＷ１及びＳＷ２
における切り換え制御を実行する。

この切り換え制御では、検出器＃１を最初に送信用に設定し、検出器＃２を受信用に設
定するか、検出器＃２を最初に送信用に設定し、検出器＃１を受信用に設定するかが送受
信切換信号Ｓ３３によって決定される。スイッチＳＷ１は送受信切換信号Ｓ３３に基づい
て接点ａ１又は接点ｂ１を交互に選択して中点ｃ１と接続する。スイッチＳＷ２は送受信
切換信号Ｓ３３に基づいて接点ａ２又は接点ｂ２を交互に選択して中点ｃ２と接続する。

送受信切換部３３は、例えば、制御部３６によって、最初、検出器＃１を送信用の超音
波振動子として機能させ、検出器＃２を受信用の超音波振動子として機能させる設定がな
されたときは、接点ａ１と中点ｃ１とを接続するようにスイッチＳＷ１を制御し、かつ、
接点ｂ２と中点ｃ２とを接続するようにスイッチＳＷ２を制御する。この制御により、超
音波信号ＳOUTが検出器＃１に出力される。

ステップＳＴ３で検出器＃１は、測定管３の管軸方向と略直交する方向に超音波を送信
する。このとき、検出器＃１では、超音波信号ＳOUTに基づいて振動子１１が測定管３に
対して垂直方向から超音波を発振する。超音波は、音響整合材１２を介して測定管３内に
伝播する。これにより、検出器＃１から測定管３内へ超音波を垂直に入射できるようにな
る。

ステップＳＴ４で検出器＃２は、他方の側からの超音波を受信する。このとき、検出器
＃２では、測定管３内を伝播してくる超音波が音響整合材２２を介して拾い込まれ、振動
子２１を介して超音波が受信され、超音波検出信号ＳINが出力される。これにより、検出
器＃２から、例えば、超音波検出信号ＳIN＝Ｉ２（θ１）が得られる。

ステップＳＴ５で制御部３６は送受切り換え制御を実行する。このとき、制御部３６は
、送受信切換信号Ｓ３３を送受信切換部３３に供給して、スイッチＳＷ１及びＳＷ２にお
ける切り換え制御を実行する。この例では、検出器＃１を送信用から受信用に機能を切り
換えると共に、検出器＃２を受信用から送信用に機能を切り換える。このとき、スイッチ
ＳＷ１は送受信切換信号Ｓ３３に基づいて接点ｂ１と中点ｃ１とを接続する。スイッチＳ
Ｗ２は接点ａ２と中点ｃ２とを接続する。これにより、超音波信号ＳOUTが検出器＃２に
出力される。

ステップＳＴ６で、検出器＃２は、測定管３の管軸方向と略直交する方向に超音波を送
信する。このとき、検出器＃２では、超音波信号ＳOUTに基づいて振動子２１が測定管３
に対して垂直方向から超音波を発振する。超音波は、音響整合材２２を介して測定管３内
に伝播する。これにより、検出器＃２から測定管３内へ超音波を垂直に入射できるように
なる。

ステップＳＴ７で検出器＃１は、他方の側からの超音波を受信する。このとき、検出器
＃１では、測定管３内を伝播してくる超音波が音響整合材１２を介して拾い込まれ、振動
子１１を介して超音波が受信され、超音波検出信号ＳINが出力される。これにより、検出
器＃１から、例えば、超音波検出信号ＳIN＝Ｉ１（θ２）が得られる。なお、被測定流体
の流速Ｖが「０」のときは、超音波検出信号Ｉ１（θ２），Ｉ２（θ１）に差が無いが、
流速Ｖが大流速となると、超音波検出信号Ｉ１（θ２），Ｉ２（θ１）に差が発生するよ
うになる。

この例では、ステップＳＴ１３で、制御部３６は測定終了命令が有るか否かに対応して
制御を分岐するが、測定終了命令が無い場合は、ステップＳＴ２に戻って制御部３６は検
出器＃１及び＃２の送受切り換え制御を実行する。例えば、検出器＃１を受信用から送信
用に機能を切り換えると共に、検出器＃２を送信用から受信用に機能を切り換える。この
ように、検出器＃１及び＃２が、交互に、測定管３の管軸方向と略直交する方向に超音波
を送信し、検出器＃１及び＃２が交互に他方の側からの超音波を受信するようになる。

この例では、以上の送受信動作と並行して流速演算動作が以下に実行される。すなわち
、ステップＳＴ８で受信部３４は検出器＃１及び検出器＃２から交互に得られる指向性変
位成分を含む超音波検出信号ＳINを入力し、当該超音波検出信号ＳINを増幅してＡ／Ｄ変
換部３５に出力する。

ステップＳＴ９でＡ／Ｄ変換部３５は、増幅後の超音波検出信号ＳINをアナログ・ディ
ジタル変換し、Ａ／Ｄ変換後の超音波検出データＤINを信号角度変換部６１に出力する。
ステップＳＴ１０で信号角度変換部６１は、Ａ／Ｄ変換部３５から超音波検出データＤIN
＝Ｉ２（θ１）及び、超音波検出データＤIN＝Ｉ１（θ２）を交互に入力する。

信号角度変換部６１では、例えば、ルックアップテーブルを参照して、当該超音波検出
データＤIN＝Ｉ２（θ１）を検出器＃１の超音波の放射方向を示す放射角θｘ＝θ１に変
換し、当該超音波検出データＤIN＝Ｉ１（θ２）を検出器＃２の超音波の放射方向を示す
放射角θｘ＝θ２に交互に変換する。

超音波検出データＤIN＝Ｉ２（θ１）には、検出器＃１の超音波の指向性変位成分が含
まれ、超音波検出データＤIN＝Ｉ１（θ２）には検出器＃２の超音波の指向性変位成分が
含まれている。ルックアップテーブルは、放射角θｘ＝θ１と超音波検出データＤIN＝Ｉ
２（θ１）との間の関係及び、放射角θｘ＝θ２と超音波検出データＤIN＝Ｉ１（θ２）
との間の関係とが予め求められ作成されている。

ステップＳＴ１１で演算部６２は信号角度変換部６１から交互に出力される検出器＃１
の超音波の放射方向を示す放射角θｘ＝θ１及び、検出器＃２の超音波の放射方向を示す
放射角θｘ＝θ２を入力し、超音波検出信号ＳINの受信強度を示す放射角θｘ＝θ１，θ
２から被測定流体の流速を演算（逆算）する。

例えば、演算部６２は、被測定流体が上流側から下流側へ測定管３内を流れる場合であ
って、測定管３の管軸方向における検出器＃１と検出器＃２との距離をＬとし、測定管３
の内径をＤとし、被測定流体の流速「０」時の超音波の指向角をθとし、超音波の流体中
の音速（以下流体音速という）をＣとし、被測定流体の流速をＶとして、当該流速Ｖの測
定時の検出器＃１から送信される超音波の放射方向を示す放射角をθ１とし、被測定流体
の任意の流速測定時の検出器＃２から送信される超音波の放射方向を示す放射角をθ２と
したとき、（１）乃至（３）式、すなわち、
θ＝tan^-1（Ｌ／Ｄ） ・・・・（１）
θ１＝tan^-1（Ｌ−Ｄ／cos（θ）／Ｃ×Ｖ）／Ｄ ・・・・（２）
θ２＝tan^-1（Ｌ＋Ｄ／cos（θ）／Ｃ×Ｖ）／Ｄ ・・・・（３）
を演算する。なお、距離Ｌ，内径Ｄ，指向角θ，流体音速Ｃが既知であり、tan１０°の
三角比は０．１７６≒０．１８である。演算部６２は、放射角θｘ＝θ１，θ２から流速
Ｖを逆算するようになされる（測定原理）。この演算によって、検出器＃１及び検出器＃
２から各々送信される超音波の指向性変位を利用して被測定流体の流速を測定できるよう
になる。しかも、検出器＃１及び検出器＃２の設置時、２つの送受信超音波振動子間にお
ける超音波のパルス経路の位置合わせを省略できる。

そして、ステップＳＴ１２で表示部１８は表示データＤ１８に基づいて流速Ｖや、流量
Ｑ等を表示する。流量Ｑは、測定管３の管断面積をＡとすると、Ｑ＝Ａ・Ｖで計算される
。表示データＤ１８は、流速Ｖや、流量Ｑ等を表示するデータであって、制御部３６から
表示部１８に出力される。その後、ステップＳＴ１３で、制御部３６は測定終了命令が有
った場合は、超音波流量測定を終了する。

このようにして、第１の実施例としての超音波流量計１００及び流量測定方法によれば
、測定管３の管軸方向と略直交する垂直方向から超音波を交互に送信する検出器＃１，＃
２を備え、この検出器＃１，＃２に接続された演算手段３０が検出器＃１，＃２から交互
に得られる指向性変位成分を含む超音波検出信号ＳINを入力し、超音波検出信号ＳINの受
信強度から被測定流体の流速Ｖを演算（逆算）するものである。

この演算によって、検出器＃１，＃２から交互に送信される超音波の指向性変位を利用
して被測定流体の流速Ｖや流量Ｑを測定できるようになる。しかも、検出器＃１，＃２の
設置時、２つの検出器＃１，＃２間で超音波のパルス経路の位置合わせを省略できる。ま
た、斜めに音波を入射させる超音波流量計に比べて、測定管３の管軸方向と略直交する垂
直方向から超音波を各々送信するので、検出器＃１，＃２の寸法の影響を受けることがな
くなる。

大流速のとき超音波のパルス経路が変化するが、この超音波経路の変化分は、指向性の
変位パラメータとして、超音波検出信号ＳINの受信強度に反映される。このため、大流速
時、超音波検出信号ＳINの受信強度に反映された指向性変位から大流速を演算できるよう
になる。因みに配管寸法や検出器＃１，＃２の寸法にもよるが、市販の製品（３０ｍ／ｓ
程度）の約２倍程度の大流速が測定できるようになる。これにより、超音波の指向性変位
を利用して被測定流体の流速Ｖや流量Ｑを測定する超音波流量計１００を提供できるよう
になる。

なお、演算手段３０については、上述した放射角θｘ＝θ１，θ２から流速Ｖを逆算す
る機能を有した制御部３６に限られることはなく、第２の実施例に示すような超音波検出
信号Ｉ２（θ１）及び超音波検出信号Ｉ１（θ２）の間の受信強度の比に対応して、被測
定流体の流速Ｖを演算するように制御部３６を構成してもよい。

続いて、図７〜図１０を参照して、第２の実施例としての制御部３６’の内部構成例に
ついて説明する。この例では、図４に示した演算手段３０において、制御部３６が制御部
３６’に置き換わって適用されるものである。

図７に示す制御部３６’は、演算部６４及びメモリ部６５を有して構成される。メモリ
部６５（記憶部）は演算部６４に接続される。演算部６４にはＣＰＵや、ＤＳＰ等が用い
られる。メモリ部６５には、流体音速Ｃ又は検出器＃１と検出器＃２との間の距離Ｌをパ
ラメータとして、超音波検出信号Ｉ２θ１）と超音波検出信号Ｉ１（θ２）との間の強度
比に対応する被測定流体の流速Ｖとの関係が参照テーブルとして記憶されている。メモリ
部６５には例えば、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）等が用いられる。

ここで、図８を参照して、指向角１０°のときの超音波検出信号Ｉ２（θ１），Ｉ１（
θ２）の受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）と流速Ｖとの関係例について説明する。
図８において、縦軸は被測定流体の流速Ｖ［ｍ／ｓ］である。流速Ｖは片対数目盛りで示
している。横軸は、超音波検出信号Ｉ２（θ１），Ｉ１（θ２）の受信強度比Ｉ２（θ１
）／Ｉ１（θ２）である。受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）は等分目盛りで示して
いる。

実線に黒塗り菱形印は指向角１０°、内径Ｄ＝１［ｍ］、距離Ｌ＝０．１８［ｍ］であ
って、流体音速が５００［ｍ／ｓ］時の流速Ｖ対受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）
の関係曲線である。実線に黒塗り四角形印は指向角１０°、内径Ｄ＝１［ｍ］、距離Ｌ＝
０．１８［ｍ］の場合であって、流体音速が１４８０［ｍ／ｓ］時の流速Ｖ対受信強度比
Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）の関係曲線である。なお、温度が変わると流体音速Ｃが変わ
る。水０℃〜１００℃において、流体音速Ｃは７％程度変化する。温度上昇で流体音速Ｃ
が早くなる。油は１桁異なる。

この例では、流体音速＝５００［ｍ／ｓ］時の流速Ｖ対受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１
（θ２）の関係曲線によれば、受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が１〜５の範囲内
で、流速Ｖが大きく変化している。グラフ図によれば、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”
１”で流速Ｖが２［ｍ／ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”１．２”で流速Ｖ
が１０［ｍ／ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”１．４”で流速Ｖが２０［ｍ
／ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”２．０５”で流速Ｖが５０［ｍ／ｓ］で
あり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”４．８”で流速Ｖが１００［ｍ／ｓ］である。

また、流体音速＝１４８０［ｍ／ｓ］時の流速Ｖ対受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ
２）の関係曲線によれば、受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が１〜２の範囲内で、
流速Ｖが大きく変化している。グラフ図によれば、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”１”
で流速Ｖが１〜１０［ｍ／ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”１．０８”で流
速Ｖが２０［ｍ／ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”１．６”で流速Ｖが５０
［ｍ／ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”７．１”で流速Ｖが１００［ｍ／ｓ
］である。このように、流速Ｖが大きくなれば、受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）
も大きくなる特質を利用して、受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）から流速Ｖを求め
るようになされる。

続いて、図９を参照して、指向角１０°における検出器＃１，＃２間の距離Ｌをパラメ
ータとしたＩ（θ１）／Ｉ（θ２）と流速との間の関係例について説明する。図９におい
て、縦軸は被測定流体の流速Ｖ［ｍ／ｓ］である。流速Ｖは片対数目盛りで示している。
横軸は、超音波検出信号Ｉ２（θ１），Ｉ１（θ２）の受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（
θ２）である。受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）は等分目盛りで示している。実線
に黒塗り菱形印は、指向角１０°、内径Ｄ＝１［ｍ］、流体音速＝１４８０［ｍ／ｓ］、
距離Ｌ＝０．１８［ｍ］時の流速Ｖ対受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）の関係曲線
である。実線に黒塗り四角印は、指向角１０°、内径Ｄ＝１［ｍ］、流体音速＝１４８０
［ｍ／ｓ］、距離Ｌ＝０．３６［ｍ］時の流速Ｖ対受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２
）の関係曲線である。実線に黒塗り三角印は、指向角１０°、内径Ｄ＝１［ｍ］、流体音
速＝１４８０［ｍ／ｓ］、距離Ｌ＝０．５８［ｍ］時の流速Ｖ対受信強度比Ｉ２（θ１）
／Ｉ１（θ２）の関係曲線である。

この例で、距離Ｌ＝０．１８［ｍ］時の流速Ｖ対受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２
）の関係曲線によれば、受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が１〜２の範囲内で、流
速Ｖが大きく変化している。グラフ図によれば、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”１”で
流速Ｖが１〜１０［ｍ／ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”１．０８”で流速
Ｖが２０［ｍ／ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”２．８”で流速Ｖが５０［
ｍ／ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”６．６”で流速Ｖが１００［ｍ／ｓ］
である。

また、距離Ｌ＝０．３６［ｍ］時の流速Ｖ対受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）の
関係曲線によれば、受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が１〜３の範囲内で、流速Ｖ
が大きく変化している。グラフ図によれば、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”１”で流速
Ｖが１〜２［ｍ／ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”１．０８”で流速Ｖが５
［ｍ／ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”１．５”で流速Ｖが１０［ｍ／ｓ］
であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”２．８”で流速Ｖが２０［ｍ／ｓ］であり、Ｉ
２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”３”で流速Ｖが１００［ｍ／ｓ］である。

更に、距離Ｌ＝０．５８［ｍ］時の流速Ｖ対受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）の
関係曲線によれば、受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が１〜５の範囲内で、流速Ｖ
が大きく変化している。グラフ図によれば、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”１”で流速
Ｖが１〜２［ｍ／ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”１．０８”で流速Ｖが５
［ｍ／ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”１．５”で流速Ｖが１０［ｍ／ｓ］
であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”２．８”で流速Ｖが２０［ｍ／ｓ］であり、Ｉ
２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”３”で流速Ｖが１００［ｍ／ｓ］である。

更に、距離Ｌ＝０．５８［ｍ］時の流速Ｖ対受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）の
関係曲線によれば、受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が１〜５の範囲内で、流速Ｖ
が大きく変化している。グラフ図によれば、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”１”で流速
Ｖが１［ｍ／ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”１．５”で流速Ｖが５［ｍ／
ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”２．８”で流速Ｖが１０［ｍ／ｓ］であり
、Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）が”４．８”で流速Ｖが２０［ｍ／ｓ］であり、Ｉ２（θ
１）／Ｉ１（θ２）が”２．２”で流速Ｖが５０［ｍ／ｓ］であり、Ｉ２（θ１）／Ｉ１
（θ２）が”５”で流速Ｖが１００［ｍ／ｓ］である。

このように流速Ｖが大きくなれば、受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）も大きくな
る特質を利用して、受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）から流速Ｖを求めるようにな
される。

続いて、図１０を参照して、第２の実施例に係る超音波流量計１００における動作例に
ついて説明する。この例では、図１０に示すフローチャートのステップＳＴ１０’及びＳ
Ｔ１１’を、図６に示したフローチャートのステップＳＴ１０及びＳＴ１１に置き換えて
参照されたい。なお、他の動作は、第１の実施例と同様であるので、その説明を省略する
。

この例では、第１の実施例で説明したステップＳＴ９で、Ａ／Ｄ変換部３５が増幅後の
超音波検出信号ＳINをアナログ・ディジタル変換し、Ａ／Ｄ変換後の超音波検出データＤ
INを図７に示した演算部６４に出力する。

その後、ステップＳＴ１０’で演算部６４は、検出器＃１の超音波の指向性変位成分を
含む超音波検出データＤIN＝Ｉ２（θ１）をＡ／Ｄ変換部３５から入力し、交互に検出器
＃２の超音波の指向性変位成分を含む超音波検出データＤIN＝Ｉ１（θ２）をＡ／Ｄ変換
部３５から入力し、超音波検出データＤIN＝Ｉ２（θ１）及び超音波検出データＤIN＝Ｉ
１（θ２）の間の受信強度比Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）を演算する。

そして、ステップＳＴ１１’で演算部６４は、超音波検出データＤIN＝Ｉ（θ１）及び
超音波検出データＤIN＝Ｉ（θ２）の間の強度比をアドレスにして、超音波検出データＤ
IN＝Ｉ２（θ１）及び超音波検出データＤIN＝Ｉ１（θ２）の間の受信強度比Ｉ２（θ１
）／Ｉ１（θ２）に対応する被測定流体の流速Ｖをメモリ部６５から読み出すようになさ
れる。メモリ部６５には、図８又は図９に示した関係曲線を参照テーブル化したルックア
ップテーブルが格納されている。その後、第１の実施例で説明したステップＳＴ１２で、
表示部１８が表示データＤ１８に基づいて流速Ｖや、流量Ｑ等を表示する。

このように、第２の実施例としての超音波流量計１００によれば、演算手段３０に制御
部３６’を備え、超音波検出データＤIN＝Ｉ２（θ１），Ｉ１（θ２）の間の受信強度比
Ｉ２（θ１）／Ｉ１（θ２）を演算し、図８及び図９に示した関係曲線から流速Ｖを読み
出すようにメモリ部６５を制御する。

この制御によって、検出器＃１，＃２から交互に送信される超音波の指向性変位を利用
して被測定流体の流速Ｖや流量Ｑを測定できるようになる。しかも、第１の実施例と同様
な効果に加えて、放射角θｘ＝θ１、θ２の演算を省略できるようになる。

なお、流速Ｖが小さい（例えば、３０m/s未満）ときは、従来技術のように通過時間差
法に切り換え、そのままの超音波検出データＤIN＝Ｉ２（θ１），Ｉ１（θ２）の入力波
形を使用して時間差を見て流速Ｖを求めるようにしてもよい。

この発明は、超音波の指向性変位を利用して被測定流体の大流速を測定可能とした流量
計に適用して極めて好適である。

＃１ 検出器（第１の送受信超音波振動子）
＃２ 検出器（第２の送受信超音波振動子）
３ 測定管
１１，２１ 振動子
１２，２２ 音響整合材
１４ 操作部
１８ 表示部
３０ 演算手段
３１ 発振器
３２ 送信部
３３ 送受信切換部
３４ 受信部
３５ Ａ／Ｄ変換部
３６，３６’制御部
６１ 信号角度変換部
６２，６４ 演算部
６３，６５ メモリ部（記憶部）
１００ 超音波流量計

Claims (3)

1. 測定管の直線部分を流れる被測定流体の流量を計測する超音波流量計であって、
   前記測定管の一方の側の管外周部に取り付けられて、当該測定管の管軸方向と略直交する方向に超音波を送信し、他方の側からの超音波を受信する第１の送受信超音波振動子と、
   前記第１の送受信超音波振動子に対して前記測定管の管軸方向に所定の距離を保って、当該測定管の他方の側の管外周部に取り付けられ、前記測定管の管軸方向と略直交する方向に超音波を送信し、他方の側からの超音波を受信する第２の送受信超音波振動子と、
   前記第１の送受信超音波振動子から超音波を送信したときに前記第２の送受信超音波振動子で受信される第１の超音波検出信号の強度を測定するとともに、前記第２の送受信超音波振動子から超音波を送信したときに前記第１の送受信超音波振動子で受信される第２の超音波検出信号の強度を測定する測定手段と、
   前記測定手段により測定される前記第１の超音波検出信号の強度および前記第２の超音波検出信号の強度から前記被測定流体の流速を演算する演算手段とを備え、
   前記演算手段は、
   前記第１の送受信超音波振動子の取り付け位置を前記第２の送受信超音波振動子の取り付け位置よりも上流側とし、前記被測定流体が上流側から下流側へ測定管内を流れる場合であって、
   前記測定管の管軸方向における前記第１の送受信超音波振動子と第２の送受信超音波振動子との間の距離をＬとし、前記測定管の内径をＤとし、前記被測定流体の流速「０」時の超音波の指向角度をθとし、前記超音波の流体音速をＣとし、前記被測定流体の流速をＶとして、当該流速Ｖの測定時の前記第１の送受信超音波振動子から送信される超音波の放射方向を示す角度をθ１とし、前記被測定流体の任意の流速測定時の前記第２の送受信超音波振動子から送信される超音波の放射方向を示す角度をθ２としたとき、（１）乃至（３）式、すなわち、
   θ＝tan ^-1 （Ｌ／Ｄ） ・・・・（１）
   θ１＝tan ^-1 （Ｌ−Ｄ／cos（θ）／Ｃ×Ｖ）／Ｄ ・・・・（２）
   θ２＝tan ^-1 （Ｌ＋Ｄ／cos（θ）／Ｃ×Ｖ）／Ｄ ・・・・（３）
   を演算し、
   θ１の値は、前記第１の超音波検出信号の強度とθ１の値とを対応付けたテーブルに基づいて定められ、
   θ２の値は、前記第２の超音波検出信号の強度とθ２の値とを対応付けたテーブルに基づいて定められることを特徴とする超音波流量計。
2. 前記流体音速Ｃ又は前記第１の送受信超音波振動子と第２の送受信超音波振動子との距離Ｌをパラメータとして、前記第１及び第２の超音波検出信号の間の強度比に対応する前記被測定流体の流速Ｖとの関係を参照テーブルとして記憶する記憶部を備え、
   前記演算手段は、前記第１の送受信超音波振動子の超音波の指向性変位成分を含む第２の超音波検出信号を前記第２の送受信超音波振動子から入力し、交互に前記第２の送受信超音波振動子の超音波の指向性変位成分を含む第１の超音波検出信号を前記第１の送受信超音波振動子から入力し、前記第１及び第２の超音波検出信号の間の強度比を演算し、前記第１及び第２の超音波検出信号の間の強度比に対応する前記被測定流体の流速Ｖを前記記憶部から読み出すことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 測定管の直線部分に流れる被測定流体の流量を超音波の指向性変位を利用して計測する流量測定方法であって、
   前記測定管の一方の側の管外周部に取り付けられて、当該測定管の管軸方向と略直交する方向に超音波を送信し、他方の側からの超音波を受信する第１の送受信超音波振動子と、前記第１の送受信超音波振動子に対して前記測定管の管軸方向に所定の距離を保って、当該測定管の他方の側の管外周部に取り付けられ、前記測定管の管軸方向と略直交する方向に超音波を送信し、他方の側からの超音波を受信する第２の送受信超音波振動子と、
   を用い、
   前記第１の送受信超音波振動子から超音波を送信したときに前記第２の送受信超音波振動子で受信される第１の超音波検出信号の強度を測定するとともに、前記第２の送受信超音波振動子から超音波を送信したときに前記第１の送受信超音波振動子で受信される第２の超音波検出信号の強度を測定する測定ステップと、
   前記測定ステップにより測定される前記第１の超音波検出信号の強度および前記第２の超音波検出信号の強度から前記被測定流体の流速を演算する演算ステップとを実行し、
   前記演算ステップでは、
   前記第１の送受信超音波振動子の取り付け位置を前記第２の送受信超音波振動子の取り付け位置よりも上流側とし、前記被測定流体が上流側から下流側へ測定管内を流れる場合であって、
   前記測定管の管軸方向における前記第１の送受信超音波振動子と第２の送受信超音波振動子との間の距離をＬとし、前記測定管の内径をＤとし、前記被測定流体の流速「０」時の超音波の指向角度をθとし、前記超音波の流体音速をＣとし、前記被測定流体の流速をＶとして、当該流速Ｖの測定時の前記第１の送受信超音波振動子から送信される超音波の放射方向を示す角度をθ１とし、前記被測定流体の任意の流速測定時の前記第２の送受信超音波振動子から送信される超音波の放射方向を示す角度をθ２としたとき、（１）乃至（３）式、すなわち、
   θ＝tan ^-1 （Ｌ／Ｄ） ・・・・（１）
   θ１＝tan ^-1 （Ｌ−Ｄ／cos（θ）／Ｃ×Ｖ）／Ｄ ・・・・（２）
   θ２＝tan ^-1 （Ｌ＋Ｄ／cos（θ）／Ｃ×Ｖ）／Ｄ ・・・・（３）
   を演算し、
   θ１の値は、前記第１の超音波検出信号の強度とθ１の値とを対応付けたテーブルに基づいて定められ、
   θ２の値は、前記第２の超音波検出信号の強度とθ２の値とを対応付けたテーブルに基づいて定められることを特徴とする流量測定方法。

Images