CN101919263A - 超声波发送接收器 - Google Patents

Abstract

缝隙(39)形成为，假设即使产生结露水分也通过其自重而排出的那样的间隔，或通过从在测定管中流过的被测定流体受到的负压而排出的那样的间隔。缝隙(39)以与对超声波进行发送接收的发送接收空间(41)连通的方式形成。在另一个端部(45)的外表面，为了保持缝隙(39)的状态而以等间距配置形成有多个凸部。在内部侧壳体(35)，以贯通内表面和外表面的方式多处形成有壳体贯通孔(42)。

Description

超声波发送接收器

技术领域

本发明涉及超声波发送接收器，具体地，涉及在气体用超声波流量计中使用的超声波发送接收器。

背景技术

例如，在日本专利第3639570号公报中公开了如下技术。在图8(a)中，超声波流量计1具备被测定流体以流速F流动的测定管2。在测定管2设置有相对于该管轴O-O具有角度β的角度而相向的支撑管3和4。超声波发送接收器5在支撑管3、超声波发送接收器6在支撑管4，同轴地固着为相向的状态。

超声波流量计1如以箭头Ua表示的那样从超声波发送接收器6以规定时间，相对于气流正方向地发射超声波，以超声波发送接收器5对其接收。超声波发送接收器5在接收到超声波之后，如以箭头Ub表示的那样向与气流相反的方向，即朝向超声波发送接收器6发射超声波。超声波发送接收器5和6使用同样结构的超声波发送接收器。超声波发送接收器5和6交替地反复进行超声波的发送接收。

在超声波发送接收器5和6的区间中，超声波的箭头Ua方向的传播时间与箭头Ub方向的传播时间的时间差，已知是与被测定流体的箭头F方向的流速成比例的时间差。因此，超声波流量计1求取对上述时间差实施了与被测定流体的流谱(flow pattern)相关的雷诺数(Reynolds number)校正的流速，然后通过将测定管2的管路截面积乘以该流速，能够求取流量。

在图8(b)中，超声波发送接收器5构成为具备：弹性体7；超声波发送接收元件(省略图示)，埋设于该弹性体7；以及大致圆筒状的内部侧壳体8，固着有弹性体7的一部分(超声波发送接收器6也是相同的结构，在这里省略说明)。超声波发送接收器5以在测定管2形成的支撑管3中将内部侧壳体8无缝隙地插入而被固定。弹性体7具有：大致圆柱状的一个端部9；大致圆柱状的另一个端部10；以及位于其间的小直径的缩颈部11。一个端部9固着在内部侧壳体8。在另一个端部10中埋设有超声波发送接收元件。

在另一个端部10的外表面与内部侧壳体8的内表面之间，设置有缝隙12。此外，缩颈部11和内部侧壳体8的内表面之间，设置有减振(damping)作用空间13。另一个端部10的外表面与内部侧壳体8的内表面之间的缝隙12形成为生成极少的空间的状态。在另一个端部10的端面14与内部侧壳体8的端面15之间，设置有密封构件17，其用于使上述缝隙12不与对超声波进行发送接收的测定管2内的发送接收空间16连通。密封构件17为了不使来自被测定流体的水分(液体)进入上述缝隙12而设置。虽然缝隙12仅是极少的空间，但对于水分进入也是充分的空间。

作为设置密封构件17的理由，是因为当通过来自被测定流体的水分而包住弹性体7时，弹性体7对于内部侧壳体8变为恰如架桥的状态，由此超声波不在气体中传播，而传播到比起更容易传递的内部侧壳体8，结果，对超声波的发送接收造成障碍，有引起计测不良的担忧。

发明内容

可是，在上述现有技术中，由于在弹性体7的另一个端部10的端面14与内部侧壳体8的端面15之间设置有密封构件17，因此具有下述问题。即，在内部侧壳体8的内侧例如产生结露等的情况下，由于密封构件17的存在导致不能排出水分，结果，具有对超声波的发送接收造成障碍的问题。

假设在上述内侧发生结露等的情况下，必须要进行将超声波发送接收器5从支撑管3卸下，除去水分的麻烦的作业。此外，在进行这样麻烦的作业之前，也不能够获得良好的计测结果。本申请发明者查明了接收波形紊乱、不能进行正常的计测的情况。

本发明的目的在于提供一种超声波发送接收器，其能够不被水分影响，进行正常的计测。

为了解决上述课题而完成的权利要求1所述的本发明的超声波发送接收器具备：弹性体，其具有大致圆柱状或大致圆板状的一个端部、大致圆柱状的另一个端部、以及位于其间的小直径的缩颈部；超声波发送接收元件，埋设于该弹性体中；以及大致圆筒状的内部壳体，经由上述一个端部固着有上述弹性体，其中，上述内部壳体和上述弹性体在上述内部壳体的内表面和上述缩颈部之间具有减振作用空间，并且在上述内部壳体的内表面和上述另一个端部之间具有缝隙，该超声波发送接收器的特征在于，在上述另一个端部的外表面设置多个凸部且调整上述另一个端部的直径来主动地较大地形成上述缝隙，并且，以使对超声波进行发送接收的测定管内的发送接收空间和上述缝隙连通的方式，配置形成上述内部壳体和上述弹性体，并且，在上述内部壳体多处形成贯通该内部壳体的壳体贯通孔。

根据具有这样的特征的本发明，即使在内部侧壳体和弹性体之间例如产生结露，或来自被测定流体的水分进入，水分也自然地排出。

权利要求2所述的本发明的超声波发送接收器的特征在于，在权利要求1所述的超声波发送接收器中，将上述壳体贯通孔的形成位置设定为四处，该四处在上述内部侧壳体的圆周方向成为等间距的四处

根据具有这样的特征的本发明，壳体贯通孔在难以被超声波发送接收器的安装方向所左右的位置配置形成。优选考虑在对被测定流体流过的测定管的支撑管支撑固定内部侧壳体时的、例如螺丝孔的位置而配置形成壳体贯通孔(例如在假设螺丝孔是四个时，以位于相邻的螺丝孔之间的方式配置形成。)

权利要求3所述的本发明的超声波发送接收器的特征在于，在权利要求1或权利要求2所述的超声波发送接收器中，使用途为气体计测。

根据具有这样特征的本发明，假设即使在气体中包含水分，该水分也自然地排出，因此成为适合于气体计测的超声波发送接收器。

附图说明

图1是示意地表示超声波流量计的测定原理的图。

图2是表示本发明的超声波发送接收器的一个实施方式的正视图。

图3是图2的A-A线截面图。

图4是超声波发送接收器的立体图。

图5是用于观察实际流体中的水分影响的水分封入影响试验装置的结构图。

图6是表示水分封入影响试验的结果的图表。

图7是超声波发送接收器的接收波的图。

图8(a)是表示现有例子的超声波流量计的图，图8(b)是表示现有例子的超声波发送接收器的图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边进行说明。图1是示意地表示超声波流量计的测定原理的图。此外，图2是表示本发明的超声波发送接收器的一个实施方式的正视图，图3是图2的A-A线截面图，图4是超声波发送接收器的立体图。

在图1中，超声波流量计21用于气体计测，其中，具备：被测定流体(例如气体)以流速V进行流动的测定管22。在测定管22，经由支撑管22、23设置有超声波发送接收器A、B。超声波流量计21构成为，根据在超声波发送接收器A、B之间交替地发送接收的超声波的传播时间的差来获得流量。超声波流量计21通过在超声波的发送接收中采用难以受到旋流的影响、能够获得高计测分辨率的“反射(single reflection)”方式，在运算法中采用与音速无关的“传播时间倒数差法”，从而能够高精度地实现稳定的气体流量的测定。以下，简单地说明测定原理。

当将“Tab”作为从超声波发送接收器A到B为止的传播时间(s)，将“Tba”作为从超声波发送接收器B到A为止的传播时间(s)，将“L”作为超声波的传播距离(m)，将“C”作为计测气体中的音速(m/s)，将“V”作为计测气体的流速(m/s)，将“φ”作为超声波的前进路径与测定管22的管路中心轴的角度时，在气体流动时以下式表示。

[数式1]

$\mathrm{Tab}=\frac{L}{C+V\cos \mathrm{\φ}}\·\·\·\left(1\right)$

[数式2]

$\mathrm{Tba}=\frac{L}{C-V\cos \mathrm{\φ}}\·\·\·\left(2\right)$

通过式(1)、(2)，

[数式3]

$V=\frac{L}{2\cos \mathrm{\φ}}(\frac{1}{\mathrm{Tab}}-\frac{1}{\mathrm{Tba}})\·\·\·\left(3\right)$

在这里，如果将测定管22的管路截面积作为A(m²)的话，流量Q(m³/h)以接下来的(4)式表示。

[数式4]

流量：Q＝KVA×3600………………………(4)

其中)K：系数

即，根据超声波传播时间的倒数的差来求取(参照上述式(3))，结果能够获得流量(参照上述式(4))。

接着，一边参照图2至图4一边针对与上述超声波发送接收器A、B对应的本发明的超声波发送接收器31进行说明。

在图2至图4中，本发明的超声波发送接收器31具备：壳体32，其通过螺丝固定被支撑固定于支撑管23。此外，超声波发送接收器31具备：弹性体33，收容在壳体32；以及超声波发送接收元件34，埋设于该弹性体33中。

壳体32例如通过对由不锈钢构成的材料进行切削加工而制造。壳体32具有：内部侧壳体35，插入到支撑管23内；凸缘36，被螺丝固定于支撑管23；以及外部壳体38，露出于支撑管23的外部，将布线37导出。

本发明的超声波发送接收器31在如下方面具有特征：内部侧壳体35；弹性体33，收容在该内部侧壳体35内；以及缝隙39，形成于其间(其它基本上是与现有技术相同的结构和构造，省略详细的说明)。

上述内部侧壳体35是大致圆筒状的形状，其前端部40形成为露出于测定管22的管路、即对超声波进行发送接收的发送接收空间41(参照图1)。内部侧壳体35具有规定的长度，在其基端复合有环状的凸缘36。内部侧壳体35的内表面和外表面在以截面观察的情况下，以相对于壳体32的未图示的中心轴成为同心圆的方式形成。在这样的内部侧壳体35中，以贯通内表面和外表面的方式多处形成有壳体贯通孔42。

壳体贯通孔42在内部侧壳体35的圆周方向成为等间距(90度间距)的四处配置形成(数量只是一个例子。数量是一或多个也可)。壳体贯通孔42在相对于凸缘36的螺丝孔43偏移45度的位置配置形成。壳体贯通孔42以沿着上述中心轴延伸的方式形成。在本方式中，形成为长圆形状(仅是一个例子。例如，形成为大致长方形状、椭圆形状也可。此外，也可以作为将多个圆形的孔排列成一列的形状)。

内部侧壳体35虽然是设置了多个壳体贯通孔42的形状，但充分确保了刚性。

上述弹性体33具有：大致圆板状的一个端部44；大致圆柱状的另一个端部45；以及位于其间的小直径的缩颈部46，形成为图示那样的形状。弹性体33经由一个端部44固着在内部侧壳体35(图中的固着位置仅是一个例子)。另一个端部45比现有例子的另一个端部11(参照图8(b))少许小直径地形成。即，以另一个端部45的外表面和内部侧壳体35的内表面的间隔与现有例子相比变宽的方式，形成有另一个端部45。由此，缝隙39与现有例子相比主动地较大地形成。

缝隙39形成为，假设即使产生结露水分也由于其自重而排出那样的空间，或通过从在测定管22中流过的被测定流体受到的负压而排出那样的空间。缝隙39与对超声波进行发送接收的发送接收空间41连通。再有，在本发明中，在另一个端部45的端面47与内部侧壳体35的端面48之间，假设不存在现有例子那样的密封构件。

在另一个端部45的外表面，为了保持缝隙39的状态，以等间距配置形成有多个凸部49。在本方式中，凸部49以成为突起(protrusion)的形状形成有四处(形状只是一个例子)。凸部49以其前端接触于内部侧壳体35的内表面的方式形成。另一个端部45形成为连接于缩颈部46的部分成为圆锥状的形状。在该成为圆锥状的部分中，水分难以滞留。在缩颈部46和内部侧壳体35的内表面之间，形成有减振作用空间50。

上述超声波发送接收元件34构成为具备：圆板状的具有规定的压电常数的压电元件51；阻抗匹配层52；以及未图示的引线。超声波发送接收元件34使用与现有例子的未图示的超声波发送接收元件相同的元件。在超声波发送接收元件34中，阻抗匹配层52以露出于另一个端部45的端面47的中央位置的方式配置。

在上述结构和构造中，在压电元件以驱动脉冲的下降而被驱动时，通过弹性体33的弹簧弹力和另一个端部45的质量构成的振动系统，在上述未图示的中心轴的方向产生压缩/伸长的压电交变变形(圧電交番歪)，经由阻抗匹配层52与发送接收超声波的外部介质的声阻抗被匹配，高效率地发送超声波。与此同时，弹性体33的另一个端部45也振动，该振动传播到中央的缩颈部46。该振动由于缩颈部46的截面积小，内部摩擦大，以及减振作用空间50的减振作用而被制动，压电交变变形迅速衰减。

假设水分进入缝隙39的情况下，或者结露导致水分产生的情况下，由于缝隙39比现有例子大，此外具有多个壳体贯通孔42，所以水分自然地排出。因此，根据本发明，成为不被水分影响的超声波发送接收器31。由于本发明的超声波发送接收器31不被水分影响，所以发挥能够进行正常的计测的效果。针对该效果在以下进行说明。

图5是用于观察实际流体的水分影响的水分封入影响试验装置的结构图，图6是表示水分封入影响试验的结果的图表，图7是超声波发送接收器的接收波的图。

在图5中，在水分封入影响试验装置61中，从超声波流量计62的上游经由蛇腹管63和配管64流过15m/s的空气，并且以0.1MPa对压送罐65进行加压，使水以0.7～1.0L/min流过，由此成为可观察实际流体的水分的影响的装置结构。附图标记66表示容积流量计。在超声波流量计62中，设置有本发明的超声波发送接收器31或现有例子的超声波发送接收器5、6(参照图8)的任一个。水分封入影响试验装置61构成为，在水在配管64的下部流过那样的与实际使用的情况相比极端严酷的条件下进行试验。再有，超声波流量计62构成为以口径50mm对流量进行计测(口径、以上的数值仅是一个例子)。

图6的图表将流速(m/s)作为纵轴，将时间(s)作为横轴来表示，纵轴的流速省略12m/s以下的情况。图表中的实线是使用了本发明的超声波发送接收器31的情况下的结果，在流过15m/s的空气的状态下在箭头P1的点以1.0L/min的封入水分，在箭头P2的点停止水分封入。从图表可知，在使用本发明的超声波发送接收器31的情况下，不受水分的影响。也就是说，能够进行正常的计测。

相对于此，图表中的虚线是使用了现有例子的超声波发送接收器5、6的情况下的结果，可知当在流过15m/s的空气的状态下在箭头P3的点以1.0L/min封入水分时，之后流速立刻一口气下降到0m/s而成为不能计测的状态。再有，尝试停止封入水分，但也不恢复。

在图7中，在不包含水分的状态下的稳定的接收波是如图7(a)所示的波形。另一方面，在封入了水分的状态下，在使用了本发明的超声波发送接收器31的情况下，接收波成为图7(b)所示的波形。可是，在封入了水分的状态下，在使用现有例子的超声波发送接收器5、6的情况下，接收波成为图7(c)所示的波形。因此，可以说出现图6的图表那样的结果是当然的。

以上，如参照图1至图7进行说明的那样，根据本发明能够发挥如下效果，即能够提供不受水分影响的超声波发送接收器31。此外，发挥如下效果，即本发明的超声波发送接收器31能够进行正常的计测。

当然，本发明在不改变本发明的主旨的范围中能够实施各种变更。

Claims (3)

1.一种超声波发送接收器，具备：弹性体，其具有大致圆柱状或大致圆板状的一个端部、大致圆柱状的另一个端部、以及位于它们之间的小直径的缩颈部；超声波发送接收元件，埋设于该弹性体中；以及大致圆筒状的内部壳体，经由所述一个端部固着有所述弹性体，其中，

所述内部壳体和所述弹性体，在所述内部壳体的内表面和所述缩颈部之间具有减振作用空间，并且在所述内部壳体的内表面和所述另一个端部之间具有缝隙，该超声波发送接收器的特征在于，

在所述另一个端部的外表面设置多个凸部且调整所述另一个端部的直径来主动地较大地形成所述缝隙，并且，以使对超声波进行发送接收的测定管内的发送接收空间和所述缝隙连通的方式，配置形成所述内部壳体和所述弹性体，并且，在所述内部壳体多处形成贯通该内部壳体的壳体贯通孔。

2.根据权利要求1所述的超声波发送接收器，其特征在于，

将所述壳体贯通孔的形成位置设定为四处，该四处在所述内部壳体的圆周方向成为等间距。

3.根据权利要求1或2所述的超声波发送接收器，其特征在于，

使用途为气体计测。

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