JP2004520581A - 流量計 - Google Patents
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Abstract
本発明は、液体又は気体等の媒体が流れる測定用チューブ(1)と、媒体と接触するように配置され、発生器及び受信回路(12)へ接続される少なくとも2つの超音波トランスデューサ(6;7)とを有する流量計に関する。超音波トランスデューサ(6;7)は、インターデジタルトランスデューサの電気的に分離させられた電極を備えた、平らな圧電性素子からなる。電極は、所定方向に良好に指向させられ、櫛状に互いに噛み合う。電極は、圧電性素子の2つの面のいずれか一方のみに配置される。トランスデューサ支持部材は、フィルム状にすなわち可撓性を有するように設けられる。このトランスデューサ支持部材は、同時に圧電性素子として作用することが可能である。
Description
【0001】
本発明は、請求の範囲の請求項1に引用される全体的な概念に記述されるタイプの流体又はガス状媒体用の流量計に関する。
【0002】
かかる流量計は、パイプ内を通過する媒体における超音波による流速の測定に用いられ、基準量を決定することができる。
【0003】
ドイツ特許第30 20 282 A1号は、測定されるべき媒体が流れる測定チューブと超音波発生器としての処理用インターデジタル変換器とを備えた超音波流量計を開示している。インターデジタル変換器は、セラミック圧電性材料から作られる平らな部品である。セラミック圧電性材料は、その一方の側に、交流電圧が印加され、構造上インターデジタルである2つの電極を有している。この構造は、接触せずに互いに交わる歯を備えた2つの櫛に似ている。媒体に向かう側は、全表面を占める大電極(mass electrode)からなる。
【0004】
180°の相対的な位相角の等しい周波数fの2つの交流電圧が、一方の側における2つの電極に、また、他方の側における大電極に印加された場合、インターデジタル構造によりカバーされる圧電性材料の領域が、厚さ方向に振動させられ、それにより、超音波が、大電極に対して垂直な角度で大電極を通じて放射される。放射の角度は、交流電流の周波数fに、また、インターデジタル構造の周期性に依存する。
【0005】
イギリス特許第2 167 857 A号は、流量計における超音波発生器用の圧電性材料として、PVDFの使用を簡単に提案している。
【0006】
ドイツ特許第36 33 306 C2号は、互いの上面にてサンドウィッチ形式に置かれた2つのインターデジタルトランスデューサの組合せからなる超音波発生器を示している。一方のインターデジタルトランスデューサは、超音波送信機として、また、例えばドイツ特許第30 20 282 A1号から知られるインターデジタルトランスデューサにおけるセラミックを使用した圧電性材料用に作用する。他方のインターデジタルトランスデューサは、受信機として作用し、また、圧電性のセラミックの代わりに、PVDFで作られたプレート部材を備えている。
【0007】
送信機の電極及び受信機の予備電極は、構造及び寸法上同様であり、また、互いに対して精度良く位置合せされている。ここでは、2つのインターデジタルトランスデューサが、他方の上面にサンドウィッチ形式に置かれ、大電極を備えた送信機の側は、インターデジタルトランスデューサのPVDF予備電極に対向する。インターデジタルトランスデューサのPVDFの大電極は、媒体に接触し、超音波の放射及び受け取りは、インターデジタルトランスデューサのPVDFの大電極を介して行われる。電気信号は、予備電極が超音波を受け取った場合に、該予備電極から受信され得る。
【0008】
超音波流量計の構造としては、各種の形態が知られている。それらは、主として、測定場所に沿った超音波の伝播方向について異なる。測定用チューブ(ドイツ特許第29 24 561 C2号)の軸に平行な音の伝播及び斜めの音の伝播(イギリス特許第2 167 857 A号)に加えて、特に知られた他の経路は、V字形状又はW字形状の伝播(ドイツ特許第39 41 544 A1号)、又は、多重反射(ドイツ特許第43 36 370 C1号)により得られる螺旋状の伝播通路である。
【0009】
ロンプス化学辞典(Rompps chemical dictionary)(ISBN 3−440−04515−3)の3325ページには、多様な化学製品に耐性のある、延伸フィルム状のフッ化ポリビニル(PVF:polyvinyl fluoride)及びフッ化ビニルデン(PVDF:polyvinylidene fluoride)が、技術的に利用可能な圧電特性をあらわすことが記述されている。
【0010】
超音波放射器は、媒体からそれら自体を保護するために、ハウジング内に密閉される必要があるが、それには大きなコストがかかる。先行技術による流量計の構造もまたコストを要するものである。これにより、例えばこの技術が温水及び冷水の量を測定するのに用いられる場合に、流量計は移動する部品を有しないという長所がはっきりと分かるが、実際面での遠隔の加熱領域に対する超音波流量計の適用可能な領域が制限される。
【0011】
本発明の目的は、簡単化された超音波トランスデューサを備えた価格面で有利な流量計、及び、その目的に適した超音波トランスデューサを提供することである。
【0012】
上記の目的は、場合によっては、請求の範囲における請求項1又は請求項14若しくは15の特徴で実現可能である。有効な種々の実施形態は、従属した請求項に記載される。
【0013】
上記目的に対する解決手段は、一般に広範囲での使用において、安価な回転式のベーンメータ(vane meter)にとって代わることに関した決定的なステップを可能とする。
【0014】
本発明の基本的な概念は、測定用チューブ内に挿入され得るような可撓性のある形式の超音波トランスデューサの実現である。実際に、超音波トランスデューサの挿入を果たすのに機械的な介入が全く必要とされない。
【0015】
簡単な形式の実施形態では、超音波トランスデューサが、圧電性を備えた可撓性のある材料のみからなり、インターデジタルトランスデューサを備え、測定用チューブ内部に固定され得る。好適な材料は、PVF又はPVDFのフィルムである。このフィルムは、侵食に対して電極を保護する層を形成し、また、およそ40度以下の温度での使用に特に適している。通常用いられる対をなす電極は必要ない。
【0016】
このタイプの超音波トランスデューサは、ほぼいかなる形式もの測定用チューブ内に簡単に挿入され得る。このことは、主として、その薄型によるもので、それにより、流体の流れはほとんど妨げられない。また、それは、製造が非常に簡単であり、自動化された連続的な製作に適している。すなわち、その製作は価格について特に良好な価値をもたらし、経済的には非常に有効である。
【0017】
更なる長所及びその詳細については以下に記述する。本発明による流量計及び超音波トランスデューサは、全ての気体又は流体媒体に適している。
【0018】
図1では、符号1は測定用チューブをあらわし、符号2,2’は測定用チューブ1の内面をあらわし、符号3は測定用チューブの軸をあらわし、符号4は超音波用の鏡をあらわし、符号5はトランスデューサ支持部材をあらわし、符号6及び7は超音波トランスデューサをあらわし、符号8はダクトをあらわし、符号9は多極ケーブルをあらわし、符号9aは孔をあらわし、符号10は媒体の流れ方向をあらわすものである。
【0019】
流量計Dにおける測定機構は、一例としてV字形状の音の経路11を用いるように示されている。2つの超音波トランスデューサ6及び7は、測定用チューブ1の内面2におけるトランスデューサ支持部材5上に所定間隔Aを隔てて、媒体の流れ方向10に沿って配置されている。
【0020】
1つの実施形態では、トランスデューサ支持部材5が、トランスデューサ側で平坦であり、他方の側で、測定用チューブ1の内面2に密接する。サイクル発生器及び受信回路(receptor circuit)12は、ケーブル9によって、超音波トランスデューサ6,7に接続される。ケーブル9は、ダクト8内に導かれ、媒体の漏れに対して密閉されている。サイクル発生器12は、超音波トランスデューサ6,7を駆動させるために所定周波数fの位相シフトした交流電圧を発生する。また、ケーブル9の代わりに、導電経路を備えたフィルムを用いることもできる。
【0021】
第1の超音波トランスデューサ6は、例えば測定軸3に対してαの放射角度をなす超音波経路11に沿って超音波を送り、これらは、反射面からつまり鏡4から、第2の超音波トランスデューサ7の反対側の内面2’上に反射される。超音波は、超音波トランスデューサ7内で相互に位相シフトされた受信信号を発生し、これらは、ケーブル9を介して受信回路12に導かれる。次の測定のために、超音波トランスデューサ6,7は、送信及び受信の機能について交代する。
【0022】
他の実施形態では、超音波トランスデューサ6,7の両方が同時に送信を行い、その後、それぞれ、他方の超音波トランスデューサにより発せられる音波の受信を待つ。受信された信号から、サイクル発生器及び受信回路12は、測定用チューブ3の軸に沿った流れの速度及び媒体(例えば冷水又は温水等)の量を計算し、そして、規定の基準量に比例したパルスをカウンタ13へ送る。
【0023】
トランスデューサ支持部材5は、例えば、超音波トランスデューサ6,7がそれぞれ自立して媒体から隔離されてその上に配置されるフィルムから構成され得る。しかしながら、トランスデューサ支持部材5は、また、超音波トランスデューサの機能がインターデジタル構造により実行され得るPVF又はPVDFフィルムから形成されてもよい。
【0024】
図2は、一例として、超音波トランスデューサ6(図1参照),7(図1参照)の圧電性素子14を、それらの作用の概略的な説明のために示す。圧電性素子14は、その厚さ方向に平行に分極化された圧電性材料で作られた基板であり、また、その上面において2つの電極15,16を備えている。電極15,16の隣り合う縁部は、インターデジタル構造15,16,17のフィンガー部17の形状に形成されている。各電極15,16のフィンガー部17は、規則的に隔てられ、1つの電極15又は16の隣接するフィンガー部17は、互いから間隔dで隔てられる。電極材料のない曲折した帯が、2つの電極15,16,17を分離することになる。
【0025】
超音波は、圧電性素子14の表面に垂直な平面Eに平行に発せられる。破線で示されたその交差線は、フィンガー部17を二等分にするものである。音の経路11が、圧電性素子14の面に垂直な垂直線18に対して放射角度αで傾斜している。媒体における超音波の波長λ及び間隔dによって、公式cosα=λ/dから、放射角度αが決定される。
【0026】
運転条件及び他のインターデジタル構造15,16,17に関して、我々は、ここで、初期に説明したドイツ特許第30 20 282号(8頁の11行目〜10頁の4行目,12頁の9〜33行目)を参照する。
【0027】
一方における2つの電極15,16と他方における測定用チューブとの間の等しい周波数による2つの180°の位相シフトされた交流電圧の適用に際して、インターデジタル構造により覆われた圧電性素子14の領域は、厚さ方向に振動させられ、その結果、圧電性素子14の自由面が、放射角度αで超音波を媒体へ発する。
【0028】
先行技術で記載されたインターデジタルトランスデューサに対して、圧電性素子14は、インターデジタル構造15,16,17に背を向けた側に、対をなす電極を有している。これは、実験により、薄いフィルムが圧電性素子として採用された場合に、対をなす電極が必要でないことが確認されたためである。
【0029】
図3では、超音波トランスデューサの断面が示される。この表示は、基本的には、超音波トランスデューサ6及び7に適用可能である。超音波トランスデューサ6又は7は、場合によっては、少なくとも圧電性素子14,フィンガー部17を備えた電極15,16(図2),カバー層19を有している。これらはトランスデューサ支持部材として作用し得る。カバー層19は、インターデジタル構造15,16,17を備えた圧電性素子14の全表面を覆い、特に縁部の領域にて、媒体の影響から、電極15,16,17の材料を保護する。カバー層19及び圧電性素子14は、薄層構造20を形成する。超音波トランスデューサ6又は7の薄層構造20は、そのカバー層19を、その自由な側で、内面2に対して密接させる。カバー層19は、好ましくはプラスチックで作られ、モールディングつまり射出成形によって広げられる。
【0030】
他の実施形態では、圧電性素子14の電極側は、媒体に対する保護のために、プラスチックフィルムと一列に並べられる。ここでは、カバー層19と圧電性素子14の材料とケーブル9の被覆物との間には、密な接着がなされることが重要であり、それにより、媒体が、カバー層19の下側で、密閉された電極15,16,17に対して侵入できなくなる。知られた圧電性のセラミックに加えて、フッ化ポリビニル(PVF)又はフッ化ビニルデン(PVDF)の延伸フィルム、又は、PVF及び/又はPVDFの調和した混合ポリマーもまた適切である。
【0031】
簡略化された実施形態では、カバー層19が、周辺領域にて要求されるのみである。このことは、例えばプラスチック製の測定用チューブを備えた、測定用チューブ1と電極との間で防熱素子(insulation)が全く必要とされない場合にあてはまる。当然ながら、薄層構造が、また、その電極側(カバー層を備えた)を媒体に向かって変更してもよい。
【0032】
他の実施形態では、サイクル発生器及び受信回路12又はこれらの一部が、また、インターデジタル構造15,16,17により占められた領域の外側で、また、カバー層19の下側で、圧電性素子14上に置かれる。
【0033】
図4における平面図に示される実施形態は、測定用チューブ1(図1)の内部の内面2に配置されたトランスデューサ支持部材5を示している。この実施形態におけるトランスデューサ支持部材5は、薄層構造20(図3)である。圧電性素子14のみが図4の表示においてあらわされている。圧電性素子14は透明に示され、それにより、サイクル発生器及び受信回路12、並びに、圧電性素子14(図2)上に位置決めされたインターデジタル構造15,16,17が、圧電性素子14を通じて識別され得る。
【0034】
インターデジタル構造は共に配置され、帯状の圧電性素子14上に間隔A(図1)で隔てられる。間隔Aは、超音波トンラスデューサ6,7の中心間で測定される。1つの実施形態では、2つのインターデジタル構造15,16,17の電極15又は16が、互いに、また、導電経路によりサイクル発生器及び受信回路12へ結合される。また別の実施形態では、4つの電極15,16が、サイクル発生器及び受信回路12へ別個に接続される。図4では、これらの第1のものが例として電極15として、また、第2のものが電極16として示される。
【0035】
1つのインターデジタル構造の電極15及び16が他のインターデジタル構造の電極15,16へ圧電性素子14上の導電経路によって直接に接続される実施形態では、超音波が、2つの超音波トランスデューサ6,7において、±45°の放射角度で同時に発せられる。
【0036】
鏡4(図1)からの反射後に、V字形状の音の経路10(図1)における流れで伝播させられる超音波は、第1の超音波トランスデューサ6に向かって上流側へ進む超音波よりも幾分か早く、第2の超音波トランスデューサ7に達する。結果として各電極15,16にて受け取った信号は、超音波トランスデューサ6,7にて生成された2つの信号のオーバーレイ(overlay)である。流れの変位効果(displacement effect)により引き起こされた時間遅延は、超音波トランスデューサ6,7に達する超音波における位相シフトをもたらす。
【0037】
上記サイクル発生器及び受信回路12は、必要な交流電圧を生成し、流れの速度又は通過した流れの容積を算出すべく、電極15及び16で受け取った信号における位相シフトを利用し、測定用チューブ1の外側で、ケーブル9(図3)を介して、一連のパルスをカウンタ13(図1)へ送信する。各パルスは、所定の量をあらわすものである。
【0038】
他の実施形態において、超音波トランスデューサ6,7がサイクル発生器及び受信回路12に別個に接続された場合には、後者が、超音波が2つの超音波トランスデューサ6,7から同時に若しくは連続的に送信されるかどうかを決定する。同様に、2つの超音波トランスデューサ6,7から受け取った信号は、互いに無関係に処理される。
【0039】
図4による実施形態は、測定用チューブ1の外側の素子が、サイクル発生器及び受信回路12並びにカウンタ13(図1)に対する電極供給源のみであり、また、一方、サイクル発生器及び受信回路12が、測定用チューブ1内に密閉されるという利点を有する。
【0040】
他の実施形態では、電極15,16が、サイクル発生器及び受信回路12への2つのコア又は4つのコアをもつ測定用チューブ1の外側に配置されたケーブル9によって接続される。
【0041】
図5は、測定用チューブ1(図1)の可能な実施形態を断面で示している。測定用チューブ1は、蓋部材21と矩形断面の容器22とからなる。測定用チューブ1の矩形断面は、その端部で、パイプ内への超音波メータの組込みを可能とするために、ここに示さない環状の中空断面23をもつパイプへ変形する。圧電性素子14及びカバー層19を有する薄層構造20(図3)は、蓋部材21の内面2(図1)に配置される。
【0042】
図5に示される例は、例えばダクト8の一部としてケーブル9を取り囲むプラグ8’とともに射出形成により製造されるカバー層19を有している。プラグ8’は、蓋部材に開けられた孔、および、また、その孔にねじ込まれるダクト8を軸方向に通過する。ダクト8の下側のシール(例えばOリング)8”は、プラグ8’に対して、また、蓋部材21に開けられた孔の壁部に対して押圧され、その結果、測定用チューブ1は、媒体の漏れに対して密閉される。同時に、薄層構造20が、測定用チューブ1内に保持される。
【0043】
他の実施形態では、薄層構造20が、例えばねじ部材又は接着剤によって、付加的に内面2に固定されてもよい。例えばゴム継ぎ手(rubber joint)等のシールを構成する手段が、図5の右側に示されるような蓋部材21と容器22との間の隙間を密閉する。図5の左側には、シールを保証する他の手段が示されている。
【0044】
薄層構造20は、圧電性素子14の側部とともに、蓋部材21によって、ゴムシールに対して直接に押圧されている。その結果、ダクト8,プラグ8’及びケーブル9の漏れのない入り口箇所は無用になる。これにより、有効な簡易化が実現できる。音の経路11(図1)は、V字形状であり、また、鏡4が、図1の長手方向に沿った断面に示されるように容器の床の内面2’上に配置される。
【0045】
図6では、測定用チューブ1が、湾曲した丸い内面2をあらわしている。PVF又はPVDFフィルムで作られた圧電性素子14の可撓性により、薄層構造20が、内壁2の湾曲に対して、難なく適合させられることが可能である。音の放射における悪影響は全く検出されなかった。
【0046】
良く知られるように、測定用チューブ1の断面にわたって流れる媒体は、流れの輪郭(profile)をあらわす。内壁2では、流れの速度が実質的にゼロとなり、理想的な状態の下で、それは、測定用チューブ3(図1)の軸上で最大に達する。測定の精度に関しては、流れの輪郭は流れの速度に依存するため、流れの輪郭における流れの速度を正確に評価することが重要である。
【0047】
前述したドイツ特許第43 36 370号は、この問題を扱い、超音波をそらすべく斜めに配置された鏡の助けを伴い、その文書で提案された繰り返し反射される音の経路11(図1)によって仕事を実行する。
【0048】
方位角によって傾斜させられたインターデジタル構造15,16,17を伴う図7に示す配置は、繰り返し反射される音の経路11(図1)を備えた流量計のコスト削減を可能とする。圧電性素子14の平面における音の経路11の一構成が、フィンガー部17を接続する電極15,16の一部に平行であり、超音波トランスデューサ6の描写では符号24が付された方向をあらわしている。圧電性素子14の平面上にもたらされる測定用チューブの軸3に関して、符号24が付された方向は、発射方位(azimuth)角度βで傾斜させられる。
【0049】
第1の超音波トランスデューサ6又は7(図1)の超音波は、場合によっては、まず、容器22(図5)の内壁25(図5)に反射させられ、それにより、内面2’(図5)上の鏡4(図5)上へそらされ、更に、そこで反射される。鏡4からは、更なる反射による音の経路11が、容器22の他の側の壁26(図5)上の他の超音波トランスデューサ7又は6に導かれる。第2の超音波トランスデューサ7の描写で示される方向(図7では不図示)は、第1の超音波トランスデューサ6の符号24が付された方向に平行に指向させられ、帯状の圧電性素子14の他端に配置される。
【0050】
測定用チューブ1の長い方の断面に関して、測定用チューブ1を通じた良好な音の放射を保証するには、2つの平行な、螺旋状の音の経路11を用いることが有効である。図8は、圧電性素子14上の超音波トランスデューサ6,6’から構成される第1の対の電極15,16,17(図7)の可能な配置を示している。符号24及び27が付された超音波トランスデューサ6,6’の方向は、2βの角度を含んでいる。ここで、βは、発射方位角度であり、また、作成された測定用チューブの軸3は、角度2βを二等分する。
【0051】
超音波トランスデューサ7(図4)の第2の対(図8では不図示)は、圧電性素子14の他端に位置決めされ、第1の対6,6’と同じ電極15,16,17の構造及び配置をあらわしている。しかし、第2の対は、第1の対6,6’に対して、圧電性素子14の平面内で180°回転させられる。
【0052】
完全性のためには、インターデジタル構造が、好ましくは、真空メッキされた若しくはラミネートされた、最終的な形状がエッチングにより得られる電極材料から構成される必要があることが述べられるべきである。電極材料は、また、ステンシルで刷り込まれることで付加されてもよい。
【0053】
この流量計の更なる利点は、媒体又は媒体内に浮遊する物質との反応により侵食され易い電極が不要であることである。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】長手方向に沿った流量計の断面説明図である。
【図2】インターデジタルトランスデューサの平面図である。
【図3】インターデジタルトランスデューサの断面説明図である。
【図4】2つのインターデジタルトランスデューサの配置をあらわす図である。
【図5】流量計の断面説明図である。
【図6】チューブ状流量計の断面説明図である。
【図7】インターデジタルトランスデューサの斜めの配置をあらわす図である。
【図8】対をなすインターデジタルトランスデューサの配置をあらわす図である。
本発明は、請求の範囲の請求項1に引用される全体的な概念に記述されるタイプの流体又はガス状媒体用の流量計に関する。
【0002】
かかる流量計は、パイプ内を通過する媒体における超音波による流速の測定に用いられ、基準量を決定することができる。
【0003】
ドイツ特許第30 20 282 A1号は、測定されるべき媒体が流れる測定チューブと超音波発生器としての処理用インターデジタル変換器とを備えた超音波流量計を開示している。インターデジタル変換器は、セラミック圧電性材料から作られる平らな部品である。セラミック圧電性材料は、その一方の側に、交流電圧が印加され、構造上インターデジタルである2つの電極を有している。この構造は、接触せずに互いに交わる歯を備えた2つの櫛に似ている。媒体に向かう側は、全表面を占める大電極(mass electrode)からなる。
【0004】
180°の相対的な位相角の等しい周波数fの2つの交流電圧が、一方の側における2つの電極に、また、他方の側における大電極に印加された場合、インターデジタル構造によりカバーされる圧電性材料の領域が、厚さ方向に振動させられ、それにより、超音波が、大電極に対して垂直な角度で大電極を通じて放射される。放射の角度は、交流電流の周波数fに、また、インターデジタル構造の周期性に依存する。
【0005】
イギリス特許第2 167 857 A号は、流量計における超音波発生器用の圧電性材料として、PVDFの使用を簡単に提案している。
【0006】
ドイツ特許第36 33 306 C2号は、互いの上面にてサンドウィッチ形式に置かれた2つのインターデジタルトランスデューサの組合せからなる超音波発生器を示している。一方のインターデジタルトランスデューサは、超音波送信機として、また、例えばドイツ特許第30 20 282 A1号から知られるインターデジタルトランスデューサにおけるセラミックを使用した圧電性材料用に作用する。他方のインターデジタルトランスデューサは、受信機として作用し、また、圧電性のセラミックの代わりに、PVDFで作られたプレート部材を備えている。
【0007】
送信機の電極及び受信機の予備電極は、構造及び寸法上同様であり、また、互いに対して精度良く位置合せされている。ここでは、2つのインターデジタルトランスデューサが、他方の上面にサンドウィッチ形式に置かれ、大電極を備えた送信機の側は、インターデジタルトランスデューサのPVDF予備電極に対向する。インターデジタルトランスデューサのPVDFの大電極は、媒体に接触し、超音波の放射及び受け取りは、インターデジタルトランスデューサのPVDFの大電極を介して行われる。電気信号は、予備電極が超音波を受け取った場合に、該予備電極から受信され得る。
【0008】
超音波流量計の構造としては、各種の形態が知られている。それらは、主として、測定場所に沿った超音波の伝播方向について異なる。測定用チューブ(ドイツ特許第29 24 561 C2号)の軸に平行な音の伝播及び斜めの音の伝播(イギリス特許第2 167 857 A号)に加えて、特に知られた他の経路は、V字形状又はW字形状の伝播(ドイツ特許第39 41 544 A1号)、又は、多重反射(ドイツ特許第43 36 370 C1号)により得られる螺旋状の伝播通路である。
【0009】
ロンプス化学辞典(Rompps chemical dictionary)(ISBN 3−440−04515−3)の3325ページには、多様な化学製品に耐性のある、延伸フィルム状のフッ化ポリビニル(PVF:polyvinyl fluoride)及びフッ化ビニルデン(PVDF:polyvinylidene fluoride)が、技術的に利用可能な圧電特性をあらわすことが記述されている。
【0010】
超音波放射器は、媒体からそれら自体を保護するために、ハウジング内に密閉される必要があるが、それには大きなコストがかかる。先行技術による流量計の構造もまたコストを要するものである。これにより、例えばこの技術が温水及び冷水の量を測定するのに用いられる場合に、流量計は移動する部品を有しないという長所がはっきりと分かるが、実際面での遠隔の加熱領域に対する超音波流量計の適用可能な領域が制限される。
【0011】
本発明の目的は、簡単化された超音波トランスデューサを備えた価格面で有利な流量計、及び、その目的に適した超音波トランスデューサを提供することである。
【0012】
上記の目的は、場合によっては、請求の範囲における請求項1又は請求項14若しくは15の特徴で実現可能である。有効な種々の実施形態は、従属した請求項に記載される。
【0013】
上記目的に対する解決手段は、一般に広範囲での使用において、安価な回転式のベーンメータ(vane meter)にとって代わることに関した決定的なステップを可能とする。
【0014】
本発明の基本的な概念は、測定用チューブ内に挿入され得るような可撓性のある形式の超音波トランスデューサの実現である。実際に、超音波トランスデューサの挿入を果たすのに機械的な介入が全く必要とされない。
【0015】
簡単な形式の実施形態では、超音波トランスデューサが、圧電性を備えた可撓性のある材料のみからなり、インターデジタルトランスデューサを備え、測定用チューブ内部に固定され得る。好適な材料は、PVF又はPVDFのフィルムである。このフィルムは、侵食に対して電極を保護する層を形成し、また、およそ40度以下の温度での使用に特に適している。通常用いられる対をなす電極は必要ない。
【0016】
このタイプの超音波トランスデューサは、ほぼいかなる形式もの測定用チューブ内に簡単に挿入され得る。このことは、主として、その薄型によるもので、それにより、流体の流れはほとんど妨げられない。また、それは、製造が非常に簡単であり、自動化された連続的な製作に適している。すなわち、その製作は価格について特に良好な価値をもたらし、経済的には非常に有効である。
【0017】
更なる長所及びその詳細については以下に記述する。本発明による流量計及び超音波トランスデューサは、全ての気体又は流体媒体に適している。
【0018】
図1では、符号1は測定用チューブをあらわし、符号2,2’は測定用チューブ1の内面をあらわし、符号3は測定用チューブの軸をあらわし、符号4は超音波用の鏡をあらわし、符号5はトランスデューサ支持部材をあらわし、符号6及び7は超音波トランスデューサをあらわし、符号8はダクトをあらわし、符号9は多極ケーブルをあらわし、符号9aは孔をあらわし、符号10は媒体の流れ方向をあらわすものである。
【0019】
流量計Dにおける測定機構は、一例としてV字形状の音の経路11を用いるように示されている。2つの超音波トランスデューサ6及び7は、測定用チューブ1の内面2におけるトランスデューサ支持部材5上に所定間隔Aを隔てて、媒体の流れ方向10に沿って配置されている。
【0020】
1つの実施形態では、トランスデューサ支持部材5が、トランスデューサ側で平坦であり、他方の側で、測定用チューブ1の内面2に密接する。サイクル発生器及び受信回路(receptor circuit)12は、ケーブル9によって、超音波トランスデューサ6,7に接続される。ケーブル9は、ダクト8内に導かれ、媒体の漏れに対して密閉されている。サイクル発生器12は、超音波トランスデューサ6,7を駆動させるために所定周波数fの位相シフトした交流電圧を発生する。また、ケーブル9の代わりに、導電経路を備えたフィルムを用いることもできる。
【0021】
第1の超音波トランスデューサ6は、例えば測定軸3に対してαの放射角度をなす超音波経路11に沿って超音波を送り、これらは、反射面からつまり鏡4から、第2の超音波トランスデューサ7の反対側の内面2’上に反射される。超音波は、超音波トランスデューサ7内で相互に位相シフトされた受信信号を発生し、これらは、ケーブル9を介して受信回路12に導かれる。次の測定のために、超音波トランスデューサ6,7は、送信及び受信の機能について交代する。
【0022】
他の実施形態では、超音波トランスデューサ6,7の両方が同時に送信を行い、その後、それぞれ、他方の超音波トランスデューサにより発せられる音波の受信を待つ。受信された信号から、サイクル発生器及び受信回路12は、測定用チューブ3の軸に沿った流れの速度及び媒体(例えば冷水又は温水等)の量を計算し、そして、規定の基準量に比例したパルスをカウンタ13へ送る。
【0023】
トランスデューサ支持部材5は、例えば、超音波トランスデューサ6,7がそれぞれ自立して媒体から隔離されてその上に配置されるフィルムから構成され得る。しかしながら、トランスデューサ支持部材5は、また、超音波トランスデューサの機能がインターデジタル構造により実行され得るPVF又はPVDFフィルムから形成されてもよい。
【0024】
図2は、一例として、超音波トランスデューサ6(図1参照),7(図1参照)の圧電性素子14を、それらの作用の概略的な説明のために示す。圧電性素子14は、その厚さ方向に平行に分極化された圧電性材料で作られた基板であり、また、その上面において2つの電極15,16を備えている。電極15,16の隣り合う縁部は、インターデジタル構造15,16,17のフィンガー部17の形状に形成されている。各電極15,16のフィンガー部17は、規則的に隔てられ、1つの電極15又は16の隣接するフィンガー部17は、互いから間隔dで隔てられる。電極材料のない曲折した帯が、2つの電極15,16,17を分離することになる。
【0025】
超音波は、圧電性素子14の表面に垂直な平面Eに平行に発せられる。破線で示されたその交差線は、フィンガー部17を二等分にするものである。音の経路11が、圧電性素子14の面に垂直な垂直線18に対して放射角度αで傾斜している。媒体における超音波の波長λ及び間隔dによって、公式cosα=λ/dから、放射角度αが決定される。
【0026】
運転条件及び他のインターデジタル構造15,16,17に関して、我々は、ここで、初期に説明したドイツ特許第30 20 282号(8頁の11行目〜10頁の4行目,12頁の9〜33行目)を参照する。
【0027】
一方における2つの電極15,16と他方における測定用チューブとの間の等しい周波数による2つの180°の位相シフトされた交流電圧の適用に際して、インターデジタル構造により覆われた圧電性素子14の領域は、厚さ方向に振動させられ、その結果、圧電性素子14の自由面が、放射角度αで超音波を媒体へ発する。
【0028】
先行技術で記載されたインターデジタルトランスデューサに対して、圧電性素子14は、インターデジタル構造15,16,17に背を向けた側に、対をなす電極を有している。これは、実験により、薄いフィルムが圧電性素子として採用された場合に、対をなす電極が必要でないことが確認されたためである。
【0029】
図3では、超音波トランスデューサの断面が示される。この表示は、基本的には、超音波トランスデューサ6及び7に適用可能である。超音波トランスデューサ6又は7は、場合によっては、少なくとも圧電性素子14,フィンガー部17を備えた電極15,16(図2),カバー層19を有している。これらはトランスデューサ支持部材として作用し得る。カバー層19は、インターデジタル構造15,16,17を備えた圧電性素子14の全表面を覆い、特に縁部の領域にて、媒体の影響から、電極15,16,17の材料を保護する。カバー層19及び圧電性素子14は、薄層構造20を形成する。超音波トランスデューサ6又は7の薄層構造20は、そのカバー層19を、その自由な側で、内面2に対して密接させる。カバー層19は、好ましくはプラスチックで作られ、モールディングつまり射出成形によって広げられる。
【0030】
他の実施形態では、圧電性素子14の電極側は、媒体に対する保護のために、プラスチックフィルムと一列に並べられる。ここでは、カバー層19と圧電性素子14の材料とケーブル9の被覆物との間には、密な接着がなされることが重要であり、それにより、媒体が、カバー層19の下側で、密閉された電極15,16,17に対して侵入できなくなる。知られた圧電性のセラミックに加えて、フッ化ポリビニル(PVF)又はフッ化ビニルデン(PVDF)の延伸フィルム、又は、PVF及び/又はPVDFの調和した混合ポリマーもまた適切である。
【0031】
簡略化された実施形態では、カバー層19が、周辺領域にて要求されるのみである。このことは、例えばプラスチック製の測定用チューブを備えた、測定用チューブ1と電極との間で防熱素子(insulation)が全く必要とされない場合にあてはまる。当然ながら、薄層構造が、また、その電極側(カバー層を備えた)を媒体に向かって変更してもよい。
【0032】
他の実施形態では、サイクル発生器及び受信回路12又はこれらの一部が、また、インターデジタル構造15,16,17により占められた領域の外側で、また、カバー層19の下側で、圧電性素子14上に置かれる。
【0033】
図4における平面図に示される実施形態は、測定用チューブ1(図1)の内部の内面2に配置されたトランスデューサ支持部材5を示している。この実施形態におけるトランスデューサ支持部材5は、薄層構造20(図3)である。圧電性素子14のみが図4の表示においてあらわされている。圧電性素子14は透明に示され、それにより、サイクル発生器及び受信回路12、並びに、圧電性素子14(図2)上に位置決めされたインターデジタル構造15,16,17が、圧電性素子14を通じて識別され得る。
【0034】
インターデジタル構造は共に配置され、帯状の圧電性素子14上に間隔A(図1)で隔てられる。間隔Aは、超音波トンラスデューサ6,7の中心間で測定される。1つの実施形態では、2つのインターデジタル構造15,16,17の電極15又は16が、互いに、また、導電経路によりサイクル発生器及び受信回路12へ結合される。また別の実施形態では、4つの電極15,16が、サイクル発生器及び受信回路12へ別個に接続される。図4では、これらの第1のものが例として電極15として、また、第2のものが電極16として示される。
【0035】
1つのインターデジタル構造の電極15及び16が他のインターデジタル構造の電極15,16へ圧電性素子14上の導電経路によって直接に接続される実施形態では、超音波が、2つの超音波トランスデューサ6,7において、±45°の放射角度で同時に発せられる。
【0036】
鏡4(図1)からの反射後に、V字形状の音の経路10(図1)における流れで伝播させられる超音波は、第1の超音波トランスデューサ6に向かって上流側へ進む超音波よりも幾分か早く、第2の超音波トランスデューサ7に達する。結果として各電極15,16にて受け取った信号は、超音波トランスデューサ6,7にて生成された2つの信号のオーバーレイ(overlay)である。流れの変位効果(displacement effect)により引き起こされた時間遅延は、超音波トランスデューサ6,7に達する超音波における位相シフトをもたらす。
【0037】
上記サイクル発生器及び受信回路12は、必要な交流電圧を生成し、流れの速度又は通過した流れの容積を算出すべく、電極15及び16で受け取った信号における位相シフトを利用し、測定用チューブ1の外側で、ケーブル9(図3)を介して、一連のパルスをカウンタ13(図1)へ送信する。各パルスは、所定の量をあらわすものである。
【0038】
他の実施形態において、超音波トランスデューサ6,7がサイクル発生器及び受信回路12に別個に接続された場合には、後者が、超音波が2つの超音波トランスデューサ6,7から同時に若しくは連続的に送信されるかどうかを決定する。同様に、2つの超音波トランスデューサ6,7から受け取った信号は、互いに無関係に処理される。
【0039】
図4による実施形態は、測定用チューブ1の外側の素子が、サイクル発生器及び受信回路12並びにカウンタ13(図1)に対する電極供給源のみであり、また、一方、サイクル発生器及び受信回路12が、測定用チューブ1内に密閉されるという利点を有する。
【0040】
他の実施形態では、電極15,16が、サイクル発生器及び受信回路12への2つのコア又は4つのコアをもつ測定用チューブ1の外側に配置されたケーブル9によって接続される。
【0041】
図5は、測定用チューブ1(図1)の可能な実施形態を断面で示している。測定用チューブ1は、蓋部材21と矩形断面の容器22とからなる。測定用チューブ1の矩形断面は、その端部で、パイプ内への超音波メータの組込みを可能とするために、ここに示さない環状の中空断面23をもつパイプへ変形する。圧電性素子14及びカバー層19を有する薄層構造20(図3)は、蓋部材21の内面2(図1)に配置される。
【0042】
図5に示される例は、例えばダクト8の一部としてケーブル9を取り囲むプラグ8’とともに射出形成により製造されるカバー層19を有している。プラグ8’は、蓋部材に開けられた孔、および、また、その孔にねじ込まれるダクト8を軸方向に通過する。ダクト8の下側のシール(例えばOリング)8”は、プラグ8’に対して、また、蓋部材21に開けられた孔の壁部に対して押圧され、その結果、測定用チューブ1は、媒体の漏れに対して密閉される。同時に、薄層構造20が、測定用チューブ1内に保持される。
【0043】
他の実施形態では、薄層構造20が、例えばねじ部材又は接着剤によって、付加的に内面2に固定されてもよい。例えばゴム継ぎ手(rubber joint)等のシールを構成する手段が、図5の右側に示されるような蓋部材21と容器22との間の隙間を密閉する。図5の左側には、シールを保証する他の手段が示されている。
【0044】
薄層構造20は、圧電性素子14の側部とともに、蓋部材21によって、ゴムシールに対して直接に押圧されている。その結果、ダクト8,プラグ8’及びケーブル9の漏れのない入り口箇所は無用になる。これにより、有効な簡易化が実現できる。音の経路11(図1)は、V字形状であり、また、鏡4が、図1の長手方向に沿った断面に示されるように容器の床の内面2’上に配置される。
【0045】
図6では、測定用チューブ1が、湾曲した丸い内面2をあらわしている。PVF又はPVDFフィルムで作られた圧電性素子14の可撓性により、薄層構造20が、内壁2の湾曲に対して、難なく適合させられることが可能である。音の放射における悪影響は全く検出されなかった。
【0046】
良く知られるように、測定用チューブ1の断面にわたって流れる媒体は、流れの輪郭(profile)をあらわす。内壁2では、流れの速度が実質的にゼロとなり、理想的な状態の下で、それは、測定用チューブ3(図1)の軸上で最大に達する。測定の精度に関しては、流れの輪郭は流れの速度に依存するため、流れの輪郭における流れの速度を正確に評価することが重要である。
【0047】
前述したドイツ特許第43 36 370号は、この問題を扱い、超音波をそらすべく斜めに配置された鏡の助けを伴い、その文書で提案された繰り返し反射される音の経路11(図1)によって仕事を実行する。
【0048】
方位角によって傾斜させられたインターデジタル構造15,16,17を伴う図7に示す配置は、繰り返し反射される音の経路11(図1)を備えた流量計のコスト削減を可能とする。圧電性素子14の平面における音の経路11の一構成が、フィンガー部17を接続する電極15,16の一部に平行であり、超音波トランスデューサ6の描写では符号24が付された方向をあらわしている。圧電性素子14の平面上にもたらされる測定用チューブの軸3に関して、符号24が付された方向は、発射方位(azimuth)角度βで傾斜させられる。
【0049】
第1の超音波トランスデューサ6又は7(図1)の超音波は、場合によっては、まず、容器22(図5)の内壁25(図5)に反射させられ、それにより、内面2’(図5)上の鏡4(図5)上へそらされ、更に、そこで反射される。鏡4からは、更なる反射による音の経路11が、容器22の他の側の壁26(図5)上の他の超音波トランスデューサ7又は6に導かれる。第2の超音波トランスデューサ7の描写で示される方向(図7では不図示)は、第1の超音波トランスデューサ6の符号24が付された方向に平行に指向させられ、帯状の圧電性素子14の他端に配置される。
【0050】
測定用チューブ1の長い方の断面に関して、測定用チューブ1を通じた良好な音の放射を保証するには、2つの平行な、螺旋状の音の経路11を用いることが有効である。図8は、圧電性素子14上の超音波トランスデューサ6,6’から構成される第1の対の電極15,16,17(図7)の可能な配置を示している。符号24及び27が付された超音波トランスデューサ6,6’の方向は、2βの角度を含んでいる。ここで、βは、発射方位角度であり、また、作成された測定用チューブの軸3は、角度2βを二等分する。
【0051】
超音波トランスデューサ7(図4)の第2の対(図8では不図示)は、圧電性素子14の他端に位置決めされ、第1の対6,6’と同じ電極15,16,17の構造及び配置をあらわしている。しかし、第2の対は、第1の対6,6’に対して、圧電性素子14の平面内で180°回転させられる。
【0052】
完全性のためには、インターデジタル構造が、好ましくは、真空メッキされた若しくはラミネートされた、最終的な形状がエッチングにより得られる電極材料から構成される必要があることが述べられるべきである。電極材料は、また、ステンシルで刷り込まれることで付加されてもよい。
【0053】
この流量計の更なる利点は、媒体又は媒体内に浮遊する物質との反応により侵食され易い電極が不要であることである。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】長手方向に沿った流量計の断面説明図である。
【図2】インターデジタルトランスデューサの平面図である。
【図3】インターデジタルトランスデューサの断面説明図である。
【図4】2つのインターデジタルトランスデューサの配置をあらわす図である。
【図5】流量計の断面説明図である。
【図6】チューブ状流量計の断面説明図である。
【図7】インターデジタルトランスデューサの斜めの配置をあらわす図である。
【図8】対をなすインターデジタルトランスデューサの配置をあらわす図である。
Claims (17)
- 測定用チューブ(1)と、サイクル発生器及び受信回路(12)に接続され、インターデジタル構造を形成する平らな圧電性素子(14)の一方の側に、電気的に分離した櫛状に噛み合う電極(15,16)を備えた少なくとも2つの超音波トランスデューサ(6,6’,7)とを有する、流体又は気体の媒体の流れを測定する流量計において、
上記圧電性素子(14)が、可撓性のある材料で作られ、また、超音波トランスデューサ(6,6’,7)が上記測定用チューブ(1)の内部に配置されていることを特徴とする流量計。 - 上記圧電性素子(14)用の材料が、フッ化ポリビニル(PVF),フッ化ビニルデン(PVDF)若しくは少なくともPVF又はPVDFの一部を含むポリマー混合物であることを特徴とする請求項1記載の流量計。
- 上記材料が、フィルム形状を有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の流量計。
- 上記超音波トランスデューサ(6,6’,7)が、共通の圧電性素子(14)を有していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一に記載の流量計。
- 上記サイクル発生器及び受信回路又はそれらの一部が、インターデジタル構造の外部にある圧電性素子の表面上に配置されていることを特徴とする請求項4記載の流量計。
- 上記材料が、インターデジタル構造用に、媒体に対する保護作用を有し、上記圧電性素子(14)の一方の側が、上記測定用チューブ(1)の内面(2,2’)に向けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一に記載の流量計。
- 上記インターデジタル構造(15,16,17)が保護用カバー層(19)により被覆され、上記圧電性素子(14)が、該インターデジタル構造(15,16,17)及びカバー層(19)と共に薄層構造を構成していることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一に記載の流量計。
- 上記薄層構造(20)が、トランスデューサを支持する部材(5)上に配置されていることを特徴とする請求項7記載の流量計。
- 上記測定用チューブ(1)が、超音波をそらすべく、少なくとも内面(2’)に反射面(4)を備えていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一に記載の流量計。
- 上記超音波トランスデューサ(6,6’,7)が、上記測定用チューブ(1)の測定用チューブ軸(3)に対して平行に延びる、インターデジタル構造(15,16,17)のフィンガー部(17)に垂直な方向(24,27)に指向させられることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一に記載の流量計。
- 上記超音波トランスデューサ(6,6’,7)が、互いに平行に、また、上記測定用チューブ(1)の測定用チューブ軸(3)に対して所定の角度で延びる、インターデジタル構造(15,16,17)のフィンガー部(17)に垂直な方向(24,27)に指向させられることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一に記載の流量計。
- 互いに隣り合うように配置される2つの超音波トランスデューサ(6,6’)が対をなし、角度2βを有する方向でありかつインターデジタル構造(15,16,17)のフィンガー部(17)に垂直な方向に指向させられること、及び、角度2βの二等分線が、上記測定用チューブ(1)の測定用チューブ軸(3)に平行に延びることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一に記載の流量計。
- 上記測定用チューブ(1)が、超音波トランスデューサ(6,7)及び/又はサイクル発生器及び受信回路(12)用の接続コンダクタとなるケーブル(9)がそれを介して導かれる孔(9a)を備えていることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一に記載の流量計。
- 上記薄層構造(20)は、特に矩形断面について、測定用チューブ(1)の上記容器と蓋部材との間に保持され、上記圧電性素子(14)の自由な側が、容器(22)の縁部まわりのゴム製シールに対して押圧されていることを特徴とする請求項1〜13のいずれか一に記載の流量計。
- インターデジタル構造を構成する電極(15,16)がその上に配置される圧電性素子(14)を備えた超音波トランスデューサにおいて、
上記圧電性素子(14)が可撓性を有し、フッ化ポリビニル(PVF),フッ化ビニルデン(PVDF)又は少なくともこれらの材料の一部を含むポリマー混合物で作られることを特徴とする超音波トランスデューサ。 - インターデジタル構造を構成する電極(15,16)がその上に配置される圧電性素子(14)を備えた超音波トランスデューサにおいて、
上記圧電性素子(14)及び電極(15,16)がその上に配置され、トランスデューサを支持する支持部材が設けられ、該支持部材は、可撓性のあるフィルムであることを特徴とする超音波トランスデューサ。 - 上記トランスデューサを支持する支持部材(5)がフッ化ポリビニル(PVF),フッ化ビニルデン(PVDF)又は少なくともこれらのPVF又はPVDFの一部を含むポリマー混合物で作られることを特徴とする請求項16記載の流量計。
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