JP2004521367A - 超音波流量計用測定ヘッド - Google Patents

超音波流量計用測定ヘッド Download PDF

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Abstract

超音波流量計のための測定ヘッドで、超音波連結要素40と測定ヘッド筺体10とは、一体鋳造され、鋳造材50と共に接触面Eを形成し、接触面Eは、効果的な熱伝導を測定ヘッド2に対して行う。製造公差を補償するために、測定ヘッド筺体10と超音波連結要素40との間隔は接触面Eの領域内で少なくとも1mmである。
【選択図】図2

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波流量計用の連結要素に関する。
【背景技術】
【0002】
超音波流量計は、処理および自動化技術で広く利用され、非接触で配管内の体積流量を簡単に知ることが出来る。
従来の超音波流量計は、ドップラーの原理または移動時間差の原理のいずれかに基いて動作する。
【0003】
移動時間差の原理では、液体の流れの方向に対して、超音波パルスの異なる移動時間を測定する。
このため、超音波パルスは、流れの方向およびその逆方向に伝送する。移動時間差から、流速を知ることが出来、これによって、配管部分の直径を用いて体積流量を得る。
【0004】
ドップラーの原理では、与えられた周波数の超音波が液体に取り込まれ、その液体から戻ってくる超音波を測定する。取り込まれる超音波と戻ってくる超音波との周波数変動を用いて、液体の流速を求められる。
【0005】
液体内での反射は、細かい気泡または不純物が混入しているときだけ生じるので、この原理は、主に汚染した液体の場合に利用する。
超音波は、測定ヘッドによって生成され、受信される。特定の測定ヘッドを配管部分の壁面に取り付ける。近年では、締め付け式の超音波測定システムが使用されている。このようなシステムでは、測定ヘッドは、配管の壁面で圧着する。この種のシステムは、例えば、EP-B686,255および米国特許4,484,478および4,598,593に記載されている。
【0006】
測定ヘッドの主な構成要素は、測定ヘッド筺体、接続部付きの圧電素子、およびプラスチック製の超音波連結要素である。超音波は、圧電要素で生成され、超音波連結要素を通って配管壁に伝わる。ここから超音波は液体中に導かれる。
【0007】
従来の測定ヘッドでは、超音波連結要素は測定ヘッド筺体よりいくらか長く、超音波連結要素のみが測定管と接触するようになっている。超音波連結要素の熱伝導が小さいので、配管壁から測定ヘッドへと移動可能な熱はほんの少量である。したがって、測定ヘッドに熱変化が生じ、この変化は測定精度に好ましくない影響を与える。
【0008】
従来の測定ヘッドのもうひとつの欠点は、測定ヘッド筺体と超音波連結要素が接着されていることである。このため、測定ヘッド筺体の製造公差が非常に小さい。したがって、公差の大きい鋳造部の製造に高額の仕上げ操作が必要となる。
【発明の開示】
【0009】
本発明の目的は、上記の欠点を持たず、均一で急速な温度分布を実現し、測定ヘッド筺体の製造における公差を許容し、しかも簡単かつ安価に製造することのできる超音波流量計用の測定ヘッドを提供することにある。
【0010】
この目的は、以下の通りの超音波流量計用の測定ヘッドによって達成することができる。すなわち、この測定ヘッドは、測定ヘッド筺体の一部に開口部を持ち、測定ヘッド筺体には、圧電素子と接続部とを備えた超音波連結要素が固定され、そして、超音波連結要素と測定ヘッド筺体は一体に鋳造(cast)または注型(potted)され、鋳造材または注型材と共に接触面を形成しており、その接触面領域内での測定ヘッド筺体と超音波連結要素との間隔が少なくとも1mmであることを特徴としている。
【0011】
本発明の本質的な思想は、一体鋳造を行うことによって測定ヘッド筺体の製造公差を補償すると同時に、この測定ヘッドを測定管に配置することによって接触面の全体を通じ効果的な熱平衡が可能になる、という点にある。
【0012】
簡素化のためには、上記接触面は平面である。
本発明の更なる発展形態においては、コスト面を考慮して、測定ヘッド筺体を完全に鋳造材で満たす構造はとっていない。
【0013】
連結要素を測定ヘッド筺体内で鋳造材で十分に固定するために、固定要素(例えば、突起部や溝)を測定ヘッド筺体に備えておく。
有利な形態においては、鋳造材の熱伝導率は1W/mKより大きくして熱平衡を急速で実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
本発明を、図面を参照して以下にさらに詳しく述べる。
図1は、2つの測定ヘッド2、3を持つ超音波流量計を簡略化して示したもので、測定ヘッド2、3は、配管1の上に配置し、軸に平行に互いに離しておく。液体は、配管1を矢印Fの方向に流れる。
【0015】
測定ヘッド2、3は、異なる2つの方向に動かすことができる。測定ヘッド2を送信器にし、測定ヘッド3を受信器にするか、または測定ヘッド3を送信器にして測定ヘッド2を受信器にすることができ、このような構成で、測定を、流れの方向とその逆方向とに交代で行う。
【0016】
2つの測定ヘッド2、3は、結合線23、33を用いて測定回路100と接続している。2つの結合線23、33は、電気パルスを伝送する。適切な測定回路100は公知であり、これは本発明の主題ではない。
【0017】
図2は、図1の測定ヘッドの断面を表す。測定ヘッド2、3の主な構成要素は、測定ヘッド筺体10、結合部30で接続される圧電素子20、プラスチック(例えばPEEK,PI,PEI)製の超音波連結要素40、および鋳造材50である。結合部30は、折り曲げ自由なケーブル対32と結合線23、33の接続用プラグ結合34で構成される。測定ヘッド筺体はその内部12へと続く開口部14を有し、ここには超音波連結要素40が固定されている。
【0018】
超音波連結要素40、測定ヘッド筺体10、および鋳造材50は、開口部14の領域内に接触面Eを形成している。
接触面Eの領域内で、超音波連結要素40と測定ヘッド筺体10の内壁16との間に少なくとも1mmの間隔aをおく。
【0019】
固定を完全にしておくために、固定要素80を測定ヘッド筺体10に備えておく。図では、溝であるが、その他突起部などでもよい。
測定ヘッド2、3の使用適温は、摂氏−20度から80度である。
【0020】
本発明の測定ヘッドの動作を、超音波流量計の説明とともにさらに詳しく述べる。
使用中は、測定ヘッド2、3は、その接触面Eの全体を配管1の外壁に接して配置される。測定対象の液体の温度変化は、配管1の外壁の温度変化をもたらす。この温度変化は、測定ヘッド2、3に伝わる。配管1からの熱伝導は、接触面E全体で生じるので、急速な温度平衡が得られる。熱伝導は、配管1から超音波連結要素40に対してだけでなく、配管1から鋳造材50および測定ヘッド筺体10に対しても行われる。鋳造材50および測定ヘッド筺体10は通常は金属製であり、その熱伝導がよいので、熱変化は急速に均一化される。このため、信頼性の高い測定が可能となる。
【0021】
超音波連結要素40および測定ヘッド筺体10は一体鋳造なので、測定ヘッド筺体10の製造における製造公差は補償が容易である。接触面Eが、主にこの補償を行うことになる。接触面Eの領域内での測定ヘッド筺体10と超音波連結要素40との1mmの間隔は、予測される製造公差を十分補償出来ることがわかっている。
【0022】
内部12を完全に鋳造材50で充填しないのは、コスト面で意義がある。部分鋳造であっても、超音波連結要素40を十分に固定することができる。
鋳造中に、鋳造材50が溝80内に注入され、凝固後は超音波連結要素40が測定ヘッド筺体10からはずれることはない。
【0023】
鋳造材50の熱伝導率が高いため、温度平衡が促進される。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】図1は、2つの測定ヘッドを持つ超音波流量計の模式図である。
【図2】図2は、図1の測定ヘッドの断面図である。

Claims (7)

  1. 一部開口の測定ヘッド筺体(10)を備え、該測定ヘッド筐体内に、圧電素子(20)を有する超音波連結要素(40)と結合部(30)とが固定された超音波流量計用の測定ヘッドにおいて、、前記超音波連結要素(40)と前記測定ヘッド筺体(10)とが一体鋳造で、鋳造材(50)と共に接触面Eを形成し、該接触面Eの領域内での前記測定ヘッド筺体(10)と前記超音波連結要素(40)との間隔が少なくとも1mmであることを特徴とする測定ヘッド。
  2. 前記鋳造材(50)は、少なくとも1W/mKの熱伝導率を持つことを特徴とする上記いずれかの請求項に記載の測定ヘッド。
  3. 前記接触面Eが平面であることを特徴とする請求項1に記載の測定ヘッド。
  4. 前記測定ヘッド筺体(10)は、完全に前記鋳造材(50)で満たされてはいないことを特徴とする上記いずれかの請求項に記載の測定ヘッド。
  5. 固定要素(80)が前記測定ヘッド筺体(10)に備えられていることを特徴とする上記いずれかの請求項に記載の測定ヘッド。
  6. 溝が前記固定要素(80)として備えられていることを特徴とする請求項5に記載の測定ヘッド。
  7. 突起部が前記固定要素(80)として備えられていることを特徴とする請求項5に記載の測定ヘッド。
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