JP2004072461A

JP2004072461A - 超音波送受波器およびそれを用いた超音波流量計

Info

Publication number: JP2004072461A
Application number: JP2002229725A
Authority: JP
Inventors: Masato Sato; 佐藤　真人; Akihisa Adachi; 足立　明久; Norio Niimura; 新村　紀夫
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-08-07
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-07
Also published as: JP4134629B2

Abstract

【課題】圧電体の振動を効率的に被測定流体中に伝搬させる、超音波送受波器を実現させることを目的とする。
【解決手段】ケースを介した音響整合層の厚みを部分的に変えることにより、音響整合層から出力される音波の指向性や感度分布を制御することができる。この結果、流量測定部内の被測定流体の流速分布特性を網羅し安定した流量計測が可能となる。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波により気体や液体の流量や流速の計測を行う超音波流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波流量計に用いる超音波振動子は、例えば、特開平１１−１１８５５０号公報が公開されており、図１１に超音波振動子の外観図を示す。
【０００３】
図１１のように、２６は超音波送受波器、２７はケース、２８はケース２７の天部、２９は天部２８に固定された音響整合層である。音響整合層２９は均一厚みでケース２７の天部と同等の面積を持つ円板形状をしている。
【０００４】
図１２に超音波振動子の断面図を示す。３０は天部２８の内壁面に配置された圧電体、３１はケース２７を固定するための支持部である。３２は導電体、３３は支持部３１に固定された端子板、３４ａ、３４ｂは端子板３３に固定された端子、３５は端子３４ａと端子３４ｂを絶縁するための絶縁部である。３６は、圧電体３０に設けられた溝である。
【０００５】
端子３４ａ、３４ｂから導電体３２を介して、圧電体３０に電圧が加わると。圧電体３０は圧電現象により振動する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の音響整合層では音響整合層の大きさがケース天部の面積と同等であり厚みも均一であるため、圧電体で発生した振動がケースを通じて音響整合層に伝わる場合に、流量計測を行う上で不要な振動も音波に変換してしまうことがある。これは、流量計測では圧電体の振動が大きい部分の音波のみを超音波送受波器から発生していることで、ばらつきの無い流量計測を行うことが可能となる。
【０００７】
しかし、従来の音響整合層では不要な音波によるノイズ成分と振動が大きい部分の音波が混同された状態となるため、流量計測が不安定になる事がある。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、音響整合層壁の厚み方向に対して部分的に厚みを異ならせることで、ケースを介した圧電体の振動が大きい部分の音波のみを効率的に被測定流体中に伝搬させる超音波送受波器とそれを用いた超音波流量計を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、超音波送受波器を構成する音響整合層は厚み方向に対して部分的に厚みを異ならすことで、被測定流体の計測を行う上で不要な音波を送受信することなく計測に必要な音波のみを送受信する事でばらつきの無い安定した計測を行うものである。
【００１０】
上記発明によれば、圧電体の振動を効率よく伝搬させるために音響整合層の厚みを部分的に最適寸法に変えることで、不要音波を排除し、音波の指向性を制御する事ができるため、被測定流体の流量測定を安定して測定することができる。
【００１１】
【発明実施の形態】
本発明は第１の形態の超音波送受波器は天部と側壁部を有する有天ケースと、前記天部の外壁面に接着剤で固定された音響整合層と、前記音響整合層は厚み方向に対して部分的に厚みが異なるため、音波の指向性を制御することが可能な超音波送受波器を得ることができる。
【００１２】
本発明は第２の形態の超音波送受波器は、第１の形態の超音波送受波器において、音響整合層の中心部が他の部分よりも厚い構成をすることにより、不要音波を排除し、音波の指向性を制御する超音波送受波器を得られる。
【００１３】
本発明は第３の形態の超音波送受波器は、第１の形態の超音波送受波器において、音響整合層の中心部が他の部分よりも厚みが薄い構成をとることで、音波の指向性や感度分布を調整することが可能な超音波送受波器が得られる。
【００１４】
本発明は第４の形態の超音波送受波器は、第１の形態の超音波送受波器において、音響整合層が凸面形状の構成をとることで、音波の指向性や感度分布を調整することが可能な超音波送受波器が得られる。
【００１５】
本発明は第５の形態の超音波送受波器は、第１の形態の超音波送受波器において、音響整合層が凹面形状の構成をとることで、音波の出る方向を調整することが可能な超音波送受波器が得られる。
【００１６】
本発明は第６の形態の超音波送受波器は、第１の形態の超音波送受波器において、音響整合層は複数段で構成をとることで、音波の感度分布を制御することができる超音波送受波器が得られる。
【００１７】
本発明は第７の形態の超音波送受波器は、第１の形態の超音波送受波器において、音響整合層は各段とも相似形で構成をとることで、音波の指向性と感度分布の制御が可能な超音波送受波器が得られる。
【００１８】
本発明は第８の形態の超音波送受波器は、第１の形態の超音波送受波器において、音響整合層は各段とも異なる形状で構成をとることで、不要な音波を低減し音波の指向性や感度分布を調整することが可能な超音波送受波器が得られる。
【００１９】
本発明は第９の形態の超音波送受波器は、第１の形態の超音波送受波器において、音響整合層は各段とも音響整合層の中心に位置する構成をとることで、音波の指向性や感度分布を制御することができる超音波送受波器が得られる。
【００２０】
本発明は第１０の形態の超音波送受波器は、第１の形態の超音波送受波器において、音響整合層は各段とも音響整合層の中心以外に位置する構成をとることで、音波の指向性や感度分布の出力状態を調整することが可能な超音波送受波器が得られる。
【００２１】
本発明は第１１の形態の超音波送受波器は、第１の形態の超音波送受波器において、被測定流体が流れる流量測定部と、この流量測定部に設けられ超音波を送受信する請求項１ないし１０のいずれか１項記載の１対の超音波送受波器と、前記超音波送受波器間の伝搬時間を計測する計測回路と、前記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えたため、計測ばらつきの少ない超音波流量計を得ることができる。
【００２２】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお図面中で同一符号を付しているものは同一なものであり、詳細な説明は省略する。
【００２３】
図１は本発明の後述する各実施例で示す超音波送受波器を用いた超音波流量計の概略構成図である。図１において、１は被測定流体が流れる流量測定部、２、３は流量測定部１の流れの方向に対し斜めに対向して配置された超音波送受波器、４は超音波送受波器２、３の使用周波数を発信する発振回路、５は発振回路４に接続され超音波送受波器２、３を駆動する駆動回路、６は送受信する超音波送受波器を切り替える切替回路、７は超音波パルスを検知する受信検知回路、８は超音波パルスの伝搬時間を計測するタイマ、９はタイマ８の出力より流量を演算する演算部、１０は駆動回路５とタイマ８に制御信号を出力する制御部である。
【００２４】
上記のように構成される超音波流量計の動作を説明する。本実施例では被測定流体を都市ガス、超音波流量計として家庭用ガスメータを想定し、流量測定部１を構成する材料をアルミニウム合金ダイカストとする。
【００２５】
また超音波送受波器２、３の使用周波数には約５００ＫＨＺを選択する。発振回路４は例えばコンデンサと抵抗で構成され約５００ＫＨＺの方形波を発信し、駆動回路５では発振回路４の信号から超音波送受波器２、３を駆動するため方形波が３波のバースト信号からなる駆動信号を出力可能とする。また測定手段には測定流量の分解能を向上するため、シングアラウンド法を用いる。
【００２６】
制御部１０では駆動回路５に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ８の時間計測を開始させる。駆動回路５は送信開始信号を受けると超音波送受波器２を駆動し、超音波パルスを送信する。送信された超音波パルスは流量測定部１内を伝搬し超音波送受波器３で受信される。受信された超音波パルスは超音波送受波器３で電気信号に変換され、受信検知回路７に出力される。受信検知回路７では受信信号の受信タイミングを決定し、制御部１０に受信検知信号を出力する。制御部１０では受信検知信号を受けると、あらかじめ設定した遅延時間ｔｄ経過後に再び駆動回路５に送信開始信号を出力し、２回目の計測を行う。この動作をＮ回繰返した後、タイマ８を停止させる。演算部９ではタイマ８で測定した時間を測定回数のＮで割り、遅延時間ｔｄを引いて伝搬時間ｔ１を演算する。
【００２７】
引き続き切替回路６で駆動回路５と受信検知回路７に接続する超音波送受波器を切り替え、再び制御部１０では駆動回路５に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ８の時間計測を開始させる。伝搬時間ｔ１の測定と逆に、超音波送受波器３で超音波パルスを送信し、超音波送受波器２で受信する計測をＮ回繰返し、演算部９で伝搬時間ｔ２を演算する。
【００２８】
ここで、超音波送受波器２と超音波送受波器３の中心を結ぶ距離をＬ、空気の無風状態での音速をＣ、流量測定部１内での流速をＶ、非測定流体の流れの方向と超音波送受波器２と超音波送受波器３の中心を結ぶ線との角度をθとすると、伝搬時間ｔ１、ｔ２は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）　（１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）　（２）
で示される。（１）（２）式より音速Ｃを消去して、流速Ｖを求めると
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２）　（３）
が得られる。Ｌ、θは既知であるのでｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。この流速Ｖと流量測定部１の面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量Ｑは
Ｑ＝ＫＳＶ　（４）
で演算できる。
【００２９】
以上のような動作原理で流量計測を行う超音波流量計に用いる超音波送受波器についての実施例は図２を用いて説明する。
【００３０】
図２は本発明の超音波送受波器２、３の断面図である。図２において、１１はケース。音響整合層１２は低層部１２ａと高層部１２ｂが設けられている、音響整合層１２とケース天部外壁面１３およびケース天部内壁面１４と圧電体１５は接着により接続されている。１６はケース支持部、１７はケース支持部に固定された端子板。１８ａ、１８ｂは端子板１７に設けられた端子、１９は端子１８ａと端子１８ｂを絶縁するための絶縁部、２０は端子１８ａと圧電体１５を電気的に接続するためのリード線である。
【００３１】
以上のように構成された超音波送受波器２、３のについて図３を用いて説明する。音響整合層１２は図示していないエポキシ樹脂と中空ガラス球の混合体からなる材料を用いている。ケース１１はステンレス製であり、音響整合層１２とケース１１および圧電体１５は熱硬化性エポキシ系樹脂用いて接続している。
【００３２】
音響整合層１２において例えば低層部１２ａの厚みを共振周波数の１／４波長相当より低い値に設定し、高層部１２ｂは共振周波数の１／４波長相当の厚みにすることにより、高層部１２ｂの面からのみ音波が出力される。ケース１１を介した圧電体１５の振動はケース１１の中心付近が大きくなる傾向にあるため、高層部１２ｂをケース１１の中心付近に設けた場合、共振周波数成分に近い波長を持つ音波が送信される。
【００３３】
高層部直径２１は、低層部直径２２に対して、２０％から９０％を基本とし、３５％から６５％のもので４５％から５５％でもかまわない。高層部厚み２３は、音響整合層総厚み２４に対して、８％から８５％を基本とし、３５％から７０％のもので約４３％でもかまわない。高層部１２ｂの円周方向の面積を小さくしていくことにより、高層部１２ｂから出力される音波の平面波領域が短くなり球面波として拡散して伝播していくため、音波の感度分布を制御することとなる。
【００３４】
なお、図３では高層部１２ｂの形状を円形として低層部１２ａの相似形である実施例をあげたが、図４のように高層部１２ｂを四角形や図示していない多角形にしてもかまわない。図５は実施例１の音響整合層１２の低層部１２ａを中心部にし高層部１２ｂを低層部１２ａの外周方向に設け、低層部１２ａに音響整合層１２と異なる材料である整合材料２５を高層部１２ｂと同一厚みまで入れたものである。整合材料２５は例えば無機質な材料で音響整合層１２より密度が軽いものを設けることにより、密度が異なる構造をもつことにより超音波送受信器２、３から出力される音波の感度分布を制御させてもよい。
【００３５】
（実施例２）
図６は本発明の第２実施例における超音波送受波器の斜視図である。音波の出力は音響整合層１２の厚みを圧電体１５の共振周波数の１／４波長相当の厚みにする事で得られるため、例えば音響整合層１２の高層部１２ｂを共振周波数の１／４波長相当の厚みにし、高層部１２ｂの位置を音響整合層１２の中心より外すことで、音波の指向性と感度分布をある程度自由に設定することが可能となる。
【００３６】
図１の流量測定部１に設置された超音波送受波器２、３の位置により被測定流体の速度分布全体を網羅する音波の指向性と感度分布の最適値を導き出してもよい。
【００３７】
なお、図６では共振周波数の１／４波長相当の厚みである音響整合層１２の高層部１２ｂを低層部１２ａの相似形である実施例を上げているが、図７のように高層部１２ｂを楕円形状にしてもよい。楕円形状にすると音波の出力は長軸と短軸の寸法関係にもよるが、長軸側からは平面波が出力され短軸側からは球面波が出力されることになる。
【００３８】
（実施例３）
図８は本発明の第３実施例における超音波送受波器の斜視図である。圧電体１５に共振周波数点が複数点存在する場合、音響整合層１２の第１共振周波数音響整合層部１２ｃと第２共振周波数音響整合層部１２ｄをそれぞれ共振周波数の１／４波長相当の厚みにすることで、複数種の共振周波数成分の音波を出力させてもよい。例えば、圧電体１５の共振周波数が約５００ｋＨｚと約２００ｋＨｚの２種類が共存し、約５００ｋＨｚの方を共振点として設計した圧電体１５の場合、第１共振周波数音響整合層部１２ｃの部分を約５００ｋＨｚの振動が大きい中心部に設け、第２共振周波数音響整合層部１２ｄの部分を第１共振周波数厚さ１２ｃ以外の部分に設ける。第１共振周波数音響整合層部１２ｃと第２共振周波数音響整合層部１２ｄの面積割合を変更することにより、第１共振周波数音響整合層部１２ｃと第２共振周波数音響整合層部１２ｄから出力される音波の感度分布を調整することになる。
【００３９】
なお、図８では第１共振周波数音響整合層部１２ｃを音響整合層１２の中心部に、第２共振周波数音響整合層部１２ｄを第１共振周波数音響整合層部１２ｃ以外の部分としたが、これらは逆でもかまわない。図９、図１０は実施例２の変形例の断面図である。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明の超音波送受波器及びこれを用いた流量計によれば、音波の指向性および感度分布を制御することが可能な超音波送受波器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波送受波器に用いる超音波流量計の一部断面図を含む構成図
【図２】本発明の実施例１における超音波送受波器の断面図
【図３】本発明の実施例１における超音波送受波器の斜視図
【図４】本発明の実施例１における超音波送受波器の斜視図
【図５】本発明の実施例１における超音波送受波器の斜視図
【図６】本発明の実施例２における超音波送受波器の斜視図
【図７】本発明の実施例２における超音波送受波器の斜視図
【図８】本発明の実施例３における超音波送受波器の斜視図
【図９】本発明の実施例３における超音波送受波器の断面図
【図１０】本発明の実施例３における超音波送受波器の断面図
【図１１】従来の超音波送受波器の斜視図
【図１２】従来の超音波送受波器の断面図
【符号の説明】
１　流量測定部
２、３　超音波送受波器
４　発信回路
５　駆動回路
６　切替回路
７　受信検知回路
８　タイマ
９　演算部
１０　制御部
１１　ケース
１２　音響整合層
１２ａ　音響整合層低層部
１２ｂ　音響整合層高層部
１２ｃ　第１共振周波数音響整合層部
１２ｄ　第２共振周波数音響整合層部
１５　圧電体
２５　整合材料

Claims

天部と側壁部を有する有天ケースと、前記天部の外壁面に接続固定された音響整合層とを備え、前記音響整合層は、厚み方向に対して部分的に厚みが異なる超音波送受波器。
音響整合層の中心部が他の部分よりも厚い構成をした請求項１記載の超音波送受波器。
音響整合層の中心部が他の部分よりも厚みが薄い構成をした請求項１記載の超音波送受波器。
音響整合層が凸面形状の構成をした請求項１記載の超音波送受波器。
音響整合層が凹面形状の構成をした請求項１記載の超音波送受波器。
音響整合層は複数段で構成された請求項１ないし５のいずれか１項記載の超音波送受波器。
音響整合層は各段とも相似形で構成された請求項１ないし５のいずれか１項記載の超音波送受波器。
音響整合層は各段とも異なる形状で構成された請求項１ないし５のいずれか１項記載超音波送受波器。
音響整合層は各段とも音響整合層の中心に位置する構成をした請求項１ないし５のいずれか１項記載超音波送受波器。
音響整合層は各段とも音響整合層の中心以外に位置する構成をした請求項１ないし５のいずれか１項記載超音波送受波器。
被測定流体が流れる流量測定部と、この流量測定部に設けられ超音波を送受信する請求項１ないし１０のいずれか１項記載の１対の超音波送受波器と、前記超音波送受波器間の伝搬時間を計測する計測回路と、前記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計。