特開 2023-110131 超音波流量計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023110131

(43)【公開日】2023-08-09

(54)【発明の名称】超音波流量計

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/66 20220101AFI20230802BHJP

   H04R 17/00 20060101ALI20230802BHJP

【ＦＩ】

G01F1/66 A

G01F1/66 101

H04R17/00 330J

H04R17/00 330Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022011373

(22)【出願日】2022-01-28

(71)【出願人】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003166

【氏名又は名称】弁理士法人山王内外特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】勝亦 敦

(72)【発明者】

【氏名】廣江 泰昭

【テーマコード（参考）】

2F035

5D019

【Ｆターム（参考）】

2F035DA05

2F035DA08

2F035DA09

2F035DA14

5D019BB08

5D019BB17

5D019GG03

(57)【要約】

【課題】従来に対し、小口径配管へのトランスデューサの取付けに対して設計自由度を柔軟化可能とする。
【解決手段】配管２における上流側に取付けられ、当該配管２における下流側との間で超音波の送受信を行うトランスデューサ１０１ａと、配管２における下流側に取付けられ、当該配管２における上流側との間で超音波の送受信を行うトランスデューサ１０１ｂと、トランスデューサ１０１ａによる送受信結果及びトランスデューサ１０１ｂによる送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差から配管２を流れる流体に関するパラメータを算出する演算部１０２とを備え、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂによる超音波の焦点位置が、超音波パスにおける中間点に一致する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

配管における上流側に取付けられ、当該配管における下流側との間で超音波の送受信を行う第１の集束超音波トランスデューサと、
配管における下流側に取付けられ、当該配管における上流側との間で超音波の送受信を行う第２の集束超音波トランスデューサと、
第１の集束超音波トランスデューサによる送受信結果及び第２の集束超音波トランスデューサによる送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差から配管を流れる流体に関するパラメータを算出する演算部とを備え、
前記第１の集束超音波トランスデューサ及び前記第２の集束超音波トランスデューサによる超音波の焦点位置が、超音波パスにおける中間点に一致する
ことを特徴とする超音波流量計。

【請求項2】

前記第１のトランスデューサは、第１のウェッジ材を有し、
前記第２のトランスデューサは、第２のウェッジ材を有し、
前記第１のウェッジ材、前記第２のウェッジ材、前記配管及び前記配管を流れる流体は、超音波を透過する媒質により構成された
ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。

【請求項3】

前記第１の集束超音波トランスデューサ及び前記第２の集束超音波トランスデューサのうち、一方のトランスデューサは、超音波パスから求めた超音波に屈折がない場合での仮想焦点に集束するように設計され、他方のトランスデューサは、当該超音波パスにおける反射点を通る垂直線に対して当該一方のトランスデューサと対称となるように設計された
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波流量計。

【請求項4】

前記第１の集束超音波トランスデューサ及び前記第２の集束超音波トランスデューサは、湾曲圧電素子型の集束超音波トランスデューサである
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか１項記載の超音波流量計。

【請求項5】

前記第１の集束超音波トランスデューサ及び前記第２の集束超音波トランスデューサは、音響レンズ型の集束超音波トランスデューサである
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか１項記載の超音波流量計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、超音波の斜角入射による伝搬時間差法を用いた超音波流量計に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、超音波流量計として、クランプオン式の超音波流量計が知られている（例えば特許文献１参照）。このクランプオン式の超音波流量計では、設置の際に配管を切断する必要がないため、設置が容易であり、後付けも可能である。また、このクランプオン式の超音波流量計では、配管に危険な薬液を流している場合に課題となる漏液を考慮する必要がない。また、このクランプオン式の超音波流量計では、配管が劣化した場合には、その配管だけを交換すればよく、超音波流量計自体の交換は必要ない。

【0003】

そして、このクランプオンを実現する方法として、特許文献１に開示された超音波流量計のように、超音波の斜角入射による伝搬時間差法が知られている。この伝搬時間差法を用いた超音波流量計では、配管における上流側及び下流側に設置された１対のトランスデューサによって互いに超音波の送受信を行い、その超音波の伝搬時間差から配管を流れる流体に関するパラメータを計測可能としている。なお、流体に関するパラメータとしては、流速又は流量のうちの少なくとも一方が挙げられる。

【0004】

なお、従来の超音波流量計として、振動吸収体を用い、計測に不適な外面反射波を抑制するように構成されたものが知られている（例えば特許文献２参照）。
一方、以下に示す超音波流量計では、外面反射波を用いて計測を行うものが対象とされる。

【0005】

この超音波流量計が有する一対のトランスデューサの配置例としては、例えば図７及び図８に示すような配置が挙げられる。
なお、図７及び図８において、太い矢印は配管を流体が流れる方向を示し、細い矢印は超音波の伝搬方向を示している。また、図７及び図８において、破線で囲まれた領域は、超音波の伝搬領域を示している。

【0006】

図７Ａは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）である場合を示している。なお、図７Ａでは、左側に超音波流量計及び配管の正面図を示し、右側に超音波流量計及び配管の側面図（配管部分は断面図）を示している。
また、図７Ｂは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）である場合を示している。
また、図８Ａは、超音波パスが３トラバースである場合を示している。
また、図８Ｂは、超音波パスが４トラバース（Ｗ法）である場合を示している。
なお、トラバース数は、超音波が配管の軸方向に対して斜めに横断する回数を指す。

【0007】

また、図７及び図８において、符号２は配管を示し、符号５は超音波流量計を示している。また、図７及び図８において、符号５０１ａは一対のトランスデューサのうちの一方のトランスデューサを示し、符号５０１ｂは一対のトランスデューサのうちの他方のトランスデューサを示している。

【0008】

なお、実際の超音波の伝搬では、異なる物質（音速、音響インピーダンス）の境界面において、反射及び屈折が生じる。
図７及び図８において、トランスデューサが有するウェッジ材(樹脂)、配管(樹脂)、及び、配管を流れる流体(水)は、同程度の音速（音響インピーダンス）であり、超音波は透過するものとしている。また、超音波流量計が取付けられた配管の周囲は空気であり、超音波は反射するものとしている。
よって、図７及び図８に示す構成では、反射波が配管の外面で発生する。

【0009】

そして、この超音波流量計では、配管を流れる流体に関するパラメータを計測するために、超音波の伝搬時間差を求める。
ここで、上流側のトランスデューサから下流側のトランスデューサに超音波が伝搬する場合、音速は流速により早くなり、逆では遅くなる。この伝搬時間差を精度良く求めるためには、時間差が大きくなるように、流体中の超音波の伝搬距離を長くすることが望ましい（図７及び図８における細い矢印の長さの合計）。すなわち、トラバース数が増えると、伝搬距離が長くなり、計測上有利であることがわかる。例えば、Ｗ法(４トラバース)を用いると、一般的に用いられているＺ法(１トラバース)に比べて、４倍の伝搬時間差を得ることができる。

【0010】

また、超音波は、媒質の音速（音響インピーダンス）の差が大きい場合には反射が大きくなり、音速の差が小さいと透過することが知られている。今回想定している材質の音響インピーダンスは、空気の音響インピーダンスは他に比べて圧倒的に小さく、差が大きくなるため反射する。

【0011】

材質の違いによる超音波の伝搬の違い（音響インピーダンス及び音速の違い）について、例えば図９の通りである。また、超音波の屈折角と透過及び反射については、例えば図１０の通りである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特許第５８１２７３４号

【特許文献2】特開２０１０－１８１３２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

一方、従来の超音波流量計ではトランスデューサを小型化することは困難であり、超音波流量計の計測対象が小口径配管（直径数ミリ程度の径の小さい配管）を流れる流体である場合、トランスデューサの大きさを変更しないで対応する必要がある。
従来の超音波流量計において、トランスデューサを小型化することが困難である理由としては、以下の事項が挙げられる。

【0014】

まず、トランスデューサに用いられる圧電素子は、任意の周波数の振動を発生する。この周波数は、対象となる配管の材料、厚さ及び配管を流れる流体等により適切な値がある。よって、小口径配管に対応させるために、圧電素子を小さくすること及び薄くすることはできない。

【0015】

また、トランスデューサに用いられる圧電素子は、様々な振動モードが存在する。ここで、圧電素子を厚みモードで振動させる場合、基本的に圧電素子の厚さが周波数を決定するため、薄くすることができない。例えば、１ＭＨｚの周波数では厚さ(ｔ)は、圧電素子の厚みは２ｍｍ程度となる。

【0016】

また、トランスデューサに用いられる圧電素子を厚みモードで振動させる場合、圧電素子の長さ(ｌ)及び幅(ｗ)は厚さ（ｔ）に対して十分大きい必要がある（板状の形状）（図１１参照）。例えば、圧電素子の長さ及び幅は、厚さの１０倍程度、最低でも３倍程度が必要となる。圧電素子は、最小サイズでも、６ｍｍ（長さ）ｘ６ｍｍ（幅）ｘ２ｍｍ（厚さ）となる。
なお、図１１では、左側にトランスデューサの正面図を示し、右側にトランスデューサの側面図を示している。また、図１１において、符号５０１１ａは圧電素子を示し、符号５０１２ａはウェッジ材を示している。

【0017】

また、トランスデューサに用いられる圧電素子を小さくすると、超音波を送受信する面積が小さくなる。この場合、トランスデューサは、送信する超音波の出力が小さくなり、また、受信する超音波も弱くなる。すなわち、超音波信号が小さくなるので、性能に影響が悪化する。したがって、圧電素子は、最小サイズよりも長さと幅が大きいことが望ましい。

【0018】

そして、配管が小口径配管である場合でのトランスデューサの配置例としては、例えば、図１２，図１３及び図１４に示すような配置が挙げられる。

【0019】

図１２Ａは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）であり、配管が１／２配管（基準径の配管（図７及び図８に示す配管）に対して径が１／２である配管）である場合を示している。
また、図１２Ｂは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）であり、配管が１／４配管（基準径の配管に対して径が１／４である配管）である場合を示している。
また、図１２Ｃは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）であり、配管が１／８配管（基準径の配管に対して径が１／８である配管）である場合を示している。

【0020】

ここで、超音波パスが１トラバースである場合、超音波の干渉等は発生しないため、従来の超音波流量計は小口径配管にも対応可能である。但し、配管を流れる流体中における超音波の伝搬距離（図１２における細い矢印の長さ）が短いため、伝搬時間差が小さくなり、従来の超音波流量計では計測が困難になる。

【0021】

また、図１３Ａは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管が１／２配管である場合を示している。
また、図１３Ｂは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管が１／４配管である場合を示している。図１３Ｂの場合には、２つのトランスデューサが有するウェッジ材が干渉してしまうため配置できず、実現不可能である。また、干渉している部分の形状を変更すると、一部の超音波の伝搬エリアが無くなってしまう。
また、図１３Ｃは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管が１／４配管である場合を示している。図１３Ｃのように、２つのトランスデューサが有するウェッジ材を干渉しないように離すと、一方のトランスデューサが送信した超音波が正しく他方のトランスデューサに到達しないため、正しく機能しない。

【0022】

図１４Ａは、超音波パスが３トラバースであり、配管が１／２配管である場合を示している。図１４Ａの場合には、トランスデューサを正しく配置可能であり、超音波の送受信が可能である。
また、図１４Ｂは、超音波パスが３トラバースであり、配管が１／４配管である場合を示している。ここで、図１４Ｂにおける符号１４１は、配管で反射せずに送信したトランスデューサに入ってきてしまう超音波を示している。また、図１４Ｂにおける符号１４２は、１トラバースで直接入ってきてしまう超音波を示している。また、図１４Ｂにおける符号１４３は、３トラバースで入ってくる超音波（正しい超音波）を示している。このように、図１４Ｂの場合には、正しく反射した超音波をとらえることはできない。

【0023】

なお、図１５Ａは、図１２Ｂに示す構成の場合での超音波の受信波形の一例を示す図であり、図１５Ｂは、図１３Ｃに示す構成の場合での超音波の受信波形の一例を示す図である。
この図１５Ａに示すように、図１２Ｂに示す構成の場合には、超音波の受信波形として、伝搬時間差の演算に適したピーク波形が得られている。一方、図１５Ｂに示すように、図１３Ｃに示す構成の場合には、明確なピークがなく、伝搬時間差の演算に適していない。

【0024】

このように、従来の超音波流量計を小口径配管に適用する場合、トラバース数が少ないと超音波の伝搬時間差が微小となるため計測が困難となり、トラバース数が多いとトランスデューサの取付けが困難となる。

【0025】

なお、超音波の伝搬時間差が微小となる場合、計測精度の向上のために超音波流量計における電気回路又は処理アルゴリズムに工夫を凝らすことが一般的であるが、その性能（対応可能な配管径、最小流量、又は、安定した計測等）には限界がある。

【0026】

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来に対し、小口径配管へのトランスデューサの取付けに対して設計自由度を柔軟化可能な超音波流量計を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0027】

本開示に係る超音波流量計は、配管における上流側に取付けられ、当該配管における下流側に対して超音波の送受信を行う第１の集束超音波トランスデューサと、配管における下流側に取付けられ、当該配管における上流側に対して超音波の送受信を行う第２の集束超音波トランスデューサと、第１の集束超音波トランスデューサによる送受信結果及び第２の集束超音波トランスデューサによる送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差から配管を流れる流体に関するパラメータを算出する演算部とを備え、第１の集束超音波トランスデューサ及び第２の集束超音波トランスデューサによる超音波の焦点位置が、超音波パスにおける中間点に一致することを特徴とする。

【発明の効果】

【0028】

本開示によれば、上記のように構成したので、従来に対し、小口径配管へのトランスデューサの取付けに対して設計自由度を柔軟化可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】実施の形態１に係る超音波流量計の構成例を示す図である。

【図2】実施の形態１におけるトランスデューサの構成例を示す図である。

【図3】図３Ａ～図３Ｂは、実施の形態１におけるトランスデューサの配置例を示す図であって、図３Ａは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管が１／４配管である場合を示し、図３Ｂは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管が１／８配管である場合を示す図である。

【図4】図４Ａ～図４Ｂは、実施の形態１におけるトランスデューサの配置例を示す図であって、図４Ａは、超音波パスが３トラバースであり、配管が１／４配管である場合を示し、図４Ｂは、超音波パスが４トラバース（Ｗ法）であり、配管が１／４配管である場合を示す図である。

【図5】実施の形態１におけるトランスデューサの設計方法を説明するための図である。

【図6】実施の形態１におけるトランスデューサの別の構成例を示す図である。

【図7】図７Ａ～図７Ｂは、従来のトランスデューサの配置例を示す図であって、図７Ａは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）である場合を示し、図７Ｂは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）である場合を示す図である。

【図8】図８Ａ～図８Ｂは、従来のトランスデューサの配置例を示す図であって、図８Ａは、超音波パスが３トラバースである場合を示し、図８Ｂは、超音波パスが４トラバース（Ｗ法）である場合を示す図である。

【図9】媒質の違いによる超音波の伝搬の違いの一例を示す図である。

【図10】超音波の屈折角と透過及び反射を説明するための図である。

【図11】従来のトランスデューサの構成例を示す図である。

【図12】図１２Ａ～図１２Ｃは、配管が小口径配管である場合での従来のトランスデューサの配置例を示す図であって、図１２Ａは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）であり、配管が１／２配管である場合を示し、図１２Ｂは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）であり、配管が１／４配管である場合を示し、図１２Ｃは、超音波パスが１トラバース（Ｚ法）であり、配管が１／８配管である場合を示す図である。

【図13】図１３Ａ～図１３Ｃは、配管が小口径配管である場合での従来のトランスデューサの配置例を示す図であって、図１３Ａは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管が１／２配管である場合を示し、図１３Ｂは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管が１／４配管である場合を示し、図１３Ｃは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管が１／４配管である場合を示す図である。

【図14】図１４Ａ～図１４Ｂは、配管が小口径配管である場合での従来のトランスデューサの配置例を示す図であって、図１４Ａは、超音波パスが３トラバースであり、配管が１／２配管である場合を示し、図１４Ｂは、超音波パスが３トラバースであり、配管が１／４配管である場合を示す図である。

【図15】図１５Ａ～図１５Ｂは、従来の超音波流量計を小口径配管に適用した場合での超音波の受信波形の一例を示す図であって、図１５Ａは、図１２Ｂに示す構成の場合での超音波の受信波形の一例を示す図であり、図１５Ｂは、図１３Ｃに示す構成の場合での超音波の受信波形の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下、実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る超音波流量計１の構成例を示す図である。
超音波流量計１は、対象となる配管２を流れる流体に関するパラメータを計測する。流体に関するパラメータとしては、流速又は流量のうちの少なくとも一方が挙げられる。なお、超音波流量計１は、超音波の斜角入射による伝搬時間差法を用いた、クランプオン式の超音波流量計である。

【0031】

この超音波流量計１は、図１に示すように、トランスデューサ（第１の集束超音波トランスデューサ）１０１ａ、トランスデューサ（第２の集束超音波トランスデューサ）１０１ｂ及び演算部１０２（不図示）を備えている。

【0032】

なお、図１では、超音波流量計１（トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂ）が配管２に取付けられた状態を示している。この配管２は、例えばＰＦＡのような樹脂から成る。また、この配管２は、主に、小口径配管（直径数ミリ程度の径の小さい配管）であることを想定している。また、配管２を流れる流体は水等の液体である。

【0033】

また、図１において、符号１１は、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂによる超音波の焦点位置を示している。
また、図１において、太い矢印は配管内を流体が流れる方向を示し、細い矢印は超音波の伝搬方向を示している。また、図１において、破線で囲まれた領域は、超音波の伝搬領域を示している。

【0034】

トランスデューサ１０１ａは、配管２における上流側に取付けられ、当該配管２における下流側（トランスデューサ１０１ｂ）との間で超音波の送受信を行う集束超音波トランスデューサである。

【0035】

図１に示すトランスデューサ１０１ａでは、図２に示すように、湾曲圧電素子型の集束超音波トランスデューサが用いられた場合を示している。この集束超音波トランスデューサは、湾曲した圧電素子により集束する超音波を発生させる集束超音波トランスデューサである。この集束超音波トランスデューサとしては既存のものを使用することができる。

【0036】

このトランスデューサ１０１ａは、図１，２に示すように、圧電素子１０１１ａ及びウェッジ材１０１２ａを有する。
圧電素子１０１１ａは、湾曲状に構成され、任意の周波数の振動を発生することで、集束する超音波を発生する。
ウェッジ材１０１２ａは、圧電素子１０１１ａを配管２に取付けるための部材である。このウェッジ材１０１２ａは、例えばアクリルのような樹脂から成る。

【0037】

なお、図２において、符号２１は超音波の進行方向を示している。また、符号２２は超音波の波面を示している。

【0038】

そして、このトランスデューサ１０１ａは、配管２における下流側（トランスデューサ１０１ｂ）に超音波を送信し、当該下流側（トランスデューサ１０１ｂ）からの超音波を受信する。

【0039】

トランスデューサ１０１ｂは、配管２における下流側に取付けられ、当該配管２における上流側（トランスデューサ１０１ａ）との間で超音波の送受信を行う集束超音波トランスデューサである。

【0040】

図１に示すトランスデューサ１０１ｂでは、湾曲圧電素子型の集束超音波トランスデューサが用いられた場合を示している。この集束超音波トランスデューサは、湾曲した圧電素子により集束する超音波を発生させる集束超音波トランスデューサである。この集束超音波トランスデューサとしては既存のものを使用することができる。

【0041】

このトランスデューサ１０１ｂは、図１に示すように、圧電素子１０１１ｂ及びウェッジ材１０１２ｂを有する。
圧電素子１０１１ｂは、湾曲状に構成され、任意の周波数の振動を発生することで、集束する超音波を発生する。
ウェッジ材１０１２ｂは、圧電素子１０１１ｂを配管２に取付けるための部材である。このウェッジ材１０１２ｂは、例えばアクリルのような樹脂から成る。

【0042】

そして、このトランスデューサ１０１ｂは、配管２における上流側（トランスデューサ１０１ａ）に超音波を送信し、当該上流側（トランスデューサ１０１ａ）からの超音波を受信する。

【0043】

このトランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂはそれぞれ、送信する超音波の焦点位置が超音波パス（伝搬パス）の中間点に一致（略一致の意味を含む）するように、構成されている。すなわち、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂは、上記のような焦点を持つ集束超音波トランスデューサが使用され、正しい位置に設置される。

【0044】

また、このトランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂは、例えば図３及び図４に示すような超音波パスを形成するように配置される。
図３Ａは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管２が１／４配管である場合を示している。
また、図３Ｂは、超音波パスが２トラバース（Ｖ法）であり、配管２が１／８配管である場合を示している。
また、図４Ａは、超音波パスが３トラバースであり、配管２が１／４配管である場合を示している。
また、図４Ｂは、超音波パスが４トラバース（Ｗ法）であり、配管２が１／４配管である場合を示している。
なお、トラバース数は、超音波が配管２の軸方向に対して斜めに横断する回数を指す。

【0045】

なお、図１に示す超音波流量計１では、ウェッジ材１０１２ａ、ウェッジ材１０１２ｂ、配管２、及び、配管２を流れる流体は、同程度の音速（音響インピーダンス）であり、超音波が透過する媒質により構成されている。
一方、超音波流量計１が取付けられた配管２の周囲は空気であり、上記超音波は当該空気との境界面で反射する。

【0046】

演算部１０２は、トランスデューサ１０１ａによる送受信結果及びトランスデューサ１０１ｂによる送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差から配管２を流れる流体に関するパラメータを算出する。ここで、演算部１０２は、上記流体に関するパラメータとして、流体の流速を算出してもよい。また、演算部１０２は、上記算出した流体の流速及び配管２の径に基づいて、上記流体に関するパラメータとして、流体の流量を算出してもよい。
この演算部１０２による演算方法については、従来方法を適用可能であり、その詳細については省略する。

【0047】

なお、演算部１０２は、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により実現される。

【0048】

次に、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂの設計方法について、図５を参照しながら説明する。
トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂのうち、一方のトランスデューサは、超音波パスから求めた超音波に屈折がない場合での仮想焦点に集束するように設計され、他方のトランスデューサは、当該超音波パスにおける反射点を通る垂直線に対して当該一方のトランスデューサと対称となるように設計される。トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂのより具体的な設計方法を以下に示す。

【0049】

なお以下では、トランスデューサ１０１ａの設計を行った後にトランスデューサ１０１ｂの設計を行う場合について示すが、設計の順序は逆であってもよい。
前提として、図９及び図１０に示すように、異なる媒質間での超音波の伝搬に関して、屈折角は、材質の音速（音響インピーダンス）によって求めることができる。
また、ウェッジ材１０１２ａ，１０１２ｂから配管２への超音波の入射角は、様々な条件により最適値は異なっていると考えられ、任意の角度でよいものとする。

【0050】

また、図５において、圧電素子１０１１ａの中央から入射角（θ１）で送信され、屈折を考慮した超音波の超音波パスを実線矢印で示す。また、圧電素子１０１１ａについて、中央と両端からの仮想パス（屈折を考慮しないパス）を破線矢印で示す。なお、各仮想パスは、全て符号５２で示す仮想焦点に収束するものとする。また、配管２を流れる流体の流速は０であるとする。また、図５において、符号５１は超音波の反射点を示している。

【0051】

この場合、まず、圧電素子１０１１ａから送信される超音波の入射角（θ１）、及び、当該超音波が透過する各媒質の音速から求められた屈折角に基づいて、圧電素子１０１１ａの中央からの超音波パス（実線矢印）を設計する。
ここで、図５に示す超音波パス（実線矢印）のうち、ウェッジ材１０１２ａの部分の超音波パスの距離をｘ１とし、配管２の部分（トランスデューサ１０１ａが取付けられる側の配管２の部分）の超音波パスの距離をｘ２とし、流体の部分の超音波パスの距離をｘ３とし、配管２の部分（トランスデューサ１０１ａが取付けられる側とは反対側の配管２の部分）の超音波パスの距離をｘ４とする。

【0052】

次に、屈折による異なる入射角を持つ超音波パス（ｘ１～ｘ４）に基づいて、圧電素子１０１１ａから超音波の送受信の中間点（配管２の外壁による反射点）までの距離（ｒ１）を求める（ｒ１＝ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＋ｘ４）。この距離（ｒ１）は、図５に示す破線矢印の距離である仮想焦点距離に相当する。

【0053】

次に、求めた距離（ｒ１）から、屈折がない場合での仮想焦点を求める。なお、屈折がないので、θ１で距離（ｒ１）分の位置が仮想焦点となる。

【0054】

そして、この仮想焦点に超音波が収束するようにトランスデューサ１０１ａを設計する。この際、仮想焦点から、半径（ｒ１）の円弧となるように圧電素子１０１１ａを設計する。

【0055】

次に、トランスデューサ１０１ｂを、超音波パスにおける反射点を通る垂直線に対して、トランスデューサ１０１ａと対称になるように設計する。これにより、トランスデューサ１０１ａとトランスデューサ１０１ｂとの間の間隔（ピッチ）も決定する。

【0056】

なお、ウェッジ材１０１２ａ及びウェッジ材１０１２ｂの上面は、仮想焦点に向かうように設計することで、必要な超音波パスの領域が確保できる。この際、ウェッジ材１０１２ａ及びウェッジ材１０１２ｂは重なって配置することはできないので、図５に示すｙ１は０以上である必要がある。
仮に、ウェッジ材１０１２ａ及びウェッジ材１０１２ｂが重なってしまう設計になった場合には、ｒ１を小さくする、θ１を大きくする、或いは、圧電素子１０１１ａ，１０１１ｂ又はウェッジ材１０１２ａ，１０１２ｂの円弧を小さくする等といった調整を行うことで、トランスデューサ１０１ａを小型化し、重なりをなくす。

【0057】

なお、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂの幅は、配管２との接触面よりも十分大きな幅であればよい。一方で、樹脂製の配管２では変形が想定され接触面積も異なってくるため、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂの幅は、配管２の内径以上の幅（ｄ１）であることが望ましい。

【0058】

なお上記では、超音波パスが２トラバースである場合を示したが、超音波パスがその他（３トラバース又は４トラバース）である場合についても、焦点（トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂによる超音波パスの中点）までの超音波パスの伝搬距離の合計から、同様の手法で設計可能である。

【0059】

ここで、ウェッジ材１０１２ａ，１０１２ｂ（樹脂）、配管２（樹脂）、及び、配管２を流れる流体（水等の液体）は、同様の超音波特性（音速）を有している。そのため、これらを密着させることでその境界面で屈折及び反射がほとんど発生せずに透過することになる。
一方、超音波流量計１が取付けられた配管２の周囲は空気等のように上記とは超音波特性（音速）が大きく異なることを想定しており、周囲との境界面で上記超音波は反射する。これにより、上記のような超音波パスが構成される。

【0060】

そして、超音波流量計１における計測を、上流から下流への超音波の伝播時間差、及び、下流から上流への超音波の伝搬時間差から求める場合、小口径配管である配管２では流体中を通る超音波パスが短い（上記細い実線矢印の長さの合計）ことにより時間差を検出し難く、ウェッジ材１０１２ａ，１０１２ｂを含むトランスデューサ１０１ａ，１０１ｂの小型化が困難である。

【0061】

そこで、実施の形態１に係る超音波流量計１では、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂとして集束超音波トランスデューサが用いられ、その超音波の焦点が超音波パスの中間点に一致するように構成されている。
これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１では、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂによる超音波ビームの幅を最小限にしつつ（超音波の伝搬領域を焦点に向かって集束するように狭めつつ）も、十分な大きさの圧電素子１０１１ａ，１０１１ｂを用いて、計測対象である液体をできるだけ多く通過する超音波パスを構成することが可能となる。結果として、実施の形態１に係る超音波流量計１では、従来に対し、小口径配管である配管２に対する超音波を用いた伝搬時間差法による計測を、任意のトラバース数で実現することが容易となる。

【0062】

なお上記では、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂとして、湾曲圧電素子型の集束超音波トランスデューサが用いられた場合を示した。しかしながら、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂとしては、これに限らず、例えば図６に示すように音響レンズ型の集束超音波トランスデューサが用いられてもよい。
なお図６では、トランスデューサ１０１ａが音響レンズ型の集束超音波トランスデューサである場合の構成例を示しているが、トランスデューサ１０１ｂが音響レンズ型の集束超音波トランスデューサである場合についても図６と同様に構成される。この集束超音波トランスデューサとしては既存のものを使用することができる。

【0063】

図６に示すトランスデューサ１０１ａは、圧電素子１０１１ａ、音響レンズ１０１３ａ及びウェッジ材１０１２ａを有する。なお図６では、ウェッジ材１０１２ａの図示を省略している。
圧電素子１０１１ａは、板状に構成され、任意の周波数の振動を発生することで、超音波を発生する。
音響レンズ１０１３ａは、一方の面に圧電素子１０１１ａが取付けられ、当該圧電素子１０１１ａにより発生された超音波を集束して他方の面から出射する。
ウェッジ材１０１２ａは、圧電素子１０１１ａ及び音響レンズ１０１３ａを配管２に取付けるための部材である。

【0064】

なお、図６において、符号６１は超音波の進行方向を示している。また、符号６２は超音波の波面を示している。

【0065】

以上のように、この実施の形態１によれば、超音波流量計１は、配管２における上流側に取付けられ、当該配管２における下流側との間で超音波の送受信を行うトランスデューサ１０１ａと、配管２における下流側に取付けられ、当該配管２における上流側との間で超音波の送受信を行うトランスデューサ１０１ｂと、トランスデューサ１０１ａによる送受信結果及びトランスデューサ１０１ｂによる送受信結果に基づいて、超音波の伝搬時間差から配管２を流れる流体に関するパラメータを算出する演算部１０２とを備え、トランスデューサ１０１ａ及びトランスデューサ１０１ｂによる超音波の焦点位置が、超音波パスにおける中間点に一致する。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１は、従来に対し、小口径配管へのトランスデューサ１０１ａ，１０１ｂの取付けに対して設計自由度を柔軟化可能となる。

【0066】

なお、実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

【符号の説明】

【0067】

１ 超音波流量計
２ 配管
１０１ａ トランスデューサ（第１の集束超音波トランスデューサ）
１０１ｂ トランスデューサ（第２の集束超音波トランスデューサ）
１０２ 演算部
１０１１ａ 圧電素子
１０１１ｂ 圧電素子
１０１２ａ ウェッジ材
１０１２ｂ ウェッジ材
１０１３ａ 音響レンズ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】