JP2005345445A - Ultrasonic flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波流量計および超音波センサに関する。 The present invention relates to an ultrasonic flow meter and an ultrasonic sensor.
従来、都市ガス、水などの流体の流量を計測する装置として、超音波流量計が知られている。超音波流量計のトランスデューサには、PZTなどの圧電セラミックからなる素子(圧電素子)に音響整合層を接合した構造の超音波センサが用いられる。 Conventionally, an ultrasonic flowmeter is known as an apparatus for measuring the flow rate of a fluid such as city gas or water. An ultrasonic sensor having a structure in which an acoustic matching layer is bonded to an element (piezoelectric element) made of piezoelectric ceramic such as PZT is used for the transducer of the ultrasonic flowmeter.
超音波流量計において、広い流量範囲にわたって高精度の計測を行なうための技術として、流量に応じて超音波の周波数を変化させる技術があることは知られている。周波数を可変とするために、従来から、異なる特性の複数の圧電素子を積層した構造を持つ超音波センサや、異なる特性の圧電素子をアレー状に配列させた構造を持つ超音波センサが採用されている。
ところで、都市ガス用途等の超音波流量計においては、流通管の外側に超音波センサを取り付ける、いわゆるクランプオン式を採用することが技術的に難しく、超音波センサを被計測流体(ガス)の通路に直接露出させる構造を採用する。そのため、超音波センサに割けるスペースや配置に制約があり、複数の圧電素子を持つような超音波センサを採用しづらい。また、圧電素子を複数持つ超音波センサを採用すると、制御や補正が複雑化するし、コスト高となる問題もある。制御や補正の複雑化は、計測精度向上の妨げになる。また、電池駆動が要求される超音波流量計は、低消費電力であることが重要であるから、制御の複雑化は、できれば避けたい。 By the way, in ultrasonic flowmeters for city gas applications, it is technically difficult to employ a so-called clamp-on type in which an ultrasonic sensor is attached to the outside of the distribution pipe, and the ultrasonic sensor is used for the fluid to be measured (gas). A structure that is directly exposed to the passage is adopted. For this reason, there are restrictions on the space and arrangement available for the ultrasonic sensor, and it is difficult to employ an ultrasonic sensor having a plurality of piezoelectric elements. In addition, when an ultrasonic sensor having a plurality of piezoelectric elements is employed, there is a problem in that control and correction become complicated and cost increases. Complicated control and correction hinder measurement accuracy improvement. In addition, since it is important for an ultrasonic flowmeter that requires battery driving to have low power consumption, control complexity should be avoided if possible.
また、流通管の側壁による超音波の反射作用が、しばしばS/N低下の原因、すなわち計測精度にとって障害となることが知られている。鋭い指向性の超音波を使えば、流通管内での反射の影響が小さくなるものの、今度は計測できる流量範囲が犠牲になる。なぜなら、鋭い指向性の超音波ほど、流体の流れによって送受信可能な範囲から逸れやすく、計測不能となる流量限界も早く訪れるからである。 In addition, it is known that the reflection of ultrasonic waves by the side wall of the flow pipe is often an obstacle to the cause of S / N reduction, that is, measurement accuracy. Using sharp directional ultrasonic waves reduces the effect of reflection in the flow pipe, but this time sacrifices the measurable flow range. This is because sharper directional ultrasonic waves are more likely to deviate from the range that can be transmitted and received by the flow of fluid, and the flow rate limit that makes measurement impossible comes earlier.
このように、広い流量範囲にわたって高精度な計測を行なうことは、依然として超音波流量計の主要課題の一つとなっている。本発明の課題は、コンパクトな構成でありながら、広い流量範囲と高計測精度を兼ね備えた超音波流量計を提供することにある。また、そうした課題を持つ超音波流量計に好適な超音波センサを提供する。 As described above, highly accurate measurement over a wide flow range is still one of the main problems of the ultrasonic flowmeter. An object of the present invention is to provide an ultrasonic flowmeter having a wide flow range and high measurement accuracy while having a compact configuration. Moreover, the ultrasonic sensor suitable for the ultrasonic flowmeter with such a subject is provided.
上記課題を解決するために本発明の超音波流量計は、流体が流通する流通管の上流側と下流側とに超音波センサが配置された超音波流量計において、超音波センサは、圧電素子が音響整合層に接合された構造を有するものであり、圧電素子は、分極軸方向の両側に位置する電極形成面が長方形(正方形を除く)をなす直方体の形態を有するものとされ、高流量時と低流量時とで、圧電素子の長辺方向の伸び振動モードの共振周波数と、短辺方向の伸び振動モードの共振周波数とを使い分けるようにしたことを主要な特徴とする。 In order to solve the above problems, an ultrasonic flowmeter of the present invention is an ultrasonic flowmeter in which ultrasonic sensors are arranged on the upstream side and the downstream side of a flow pipe through which a fluid flows. Is bonded to the acoustic matching layer, and the piezoelectric element has a rectangular parallelepiped shape in which the electrode forming surfaces located on both sides of the polarization axis direction form a rectangle (except for a square), and has a high flow rate. The main feature is that the resonance frequency of the extension vibration mode in the long side direction of the piezoelectric element and the resonance frequency of the extension vibration mode in the short side direction are selectively used depending on the time and the low flow rate.
上記本発明は、圧電素子の2方向の伸び振動モードを、各方向と垂直方向に取り出すように構成した超音波センサを用いるようにしたものである。電極形成面が長方形をなす場合、図4(a)(b)に示すごとく、圧電素子13は長辺方向の伸び振動モードと短辺方向の伸び振動モードとを持ち、各振動モードの共振周波数が相違する。つまり、1ペアの超音波センサのみで、しかも同一ポイントから高流量時と低流量時とで周波数を異ならせた計測を行なうことができ、計測できる流量範囲もその分広くなる。また、流量域に応じた複数の超音波センサ対を要しないので、超音波センサの占有スペースが小である。また、複数の超音波センサ対を用いるときよりも、制御や補正が単純であり、計測精度向上、計測回数削減、低消費電力化に有利である。なお、短辺方向の伸び振動モードと長辺方向の伸び振動モードを効率的に利用できるようにするためには、電極形成面の短辺と長辺の比が概ね1:3となるように、圧電素子の寸法調整がなされていることが望ましい。
In the present invention, an ultrasonic sensor configured to take out the extension vibration mode in two directions of the piezoelectric element in the direction perpendicular to each direction is used. When the electrode forming surface has a rectangular shape, as shown in FIGS. 4A and 4B, the
一つの好適な態様において、流通管の流体の流れ方向と垂直な断面は、超音波センサが位置する辺が短辺にあたる矩形状をなすものであり、流通管の断面の短辺方向と圧電素子の電極形成面の長辺方向とが平行となるように、流通管のセンサ取り付け部に超音波センサが取り付けられている。図3に示すように、電極形成面が長方形である直方体の形態を有する圧電素子は、ある周波数における超音波の放射方向が短辺方向と長辺方向とで異方性を示す。具体的には、短辺方向の指向性は鈍く(図3(a))、長辺方向の指向性は鋭い(図3(b))。この傾向は、使用する周波数が変化しても続く。したがって、流通管の断面の短辺方向と圧電素子の電極形成面の長辺方向とが平行となる配置の場合、流通管の短辺方向への超音波の拡がりを抑制できるため、壁面反射等による不要ノイズが抑制され、S/Nも良好なものとなる。また、流体の流れ方向に対しては、比較的指向性の鈍い超音波を伝搬させることになる。そのため、発振された超音波が受信側の超音波センサから逸れにくくなり、安定した受信感度特性が得られるとともに、計測できる流量(流速)の上限も高くなる。 In one preferred embodiment, the cross section perpendicular to the fluid flow direction of the flow pipe has a rectangular shape in which the side where the ultrasonic sensor is located corresponds to the short side, and the short side direction of the cross section of the flow pipe and the piezoelectric element An ultrasonic sensor is attached to the sensor attachment portion of the flow pipe so that the long side direction of the electrode forming surface is parallel. As shown in FIG. 3, a piezoelectric element having a rectangular parallelepiped shape in which the electrode formation surface is rectangular exhibits anisotropy in the direction of ultrasonic wave emission at a certain frequency in the short side direction and the long side direction. Specifically, the directivity in the short side direction is dull (FIG. 3A), and the directivity in the long side direction is sharp (FIG. 3B). This tendency continues even if the frequency used changes. Therefore, in the case where the short side direction of the cross section of the flow pipe is parallel to the long side direction of the electrode forming surface of the piezoelectric element, it is possible to suppress the spread of ultrasonic waves in the short side direction of the flow pipe. Unnecessary noise due to is suppressed, and the S / N is also good. In addition, ultrasonic waves with relatively low directivity are propagated in the fluid flow direction. For this reason, the oscillated ultrasonic wave is less likely to deviate from the ultrasonic sensor on the reception side, a stable reception sensitivity characteristic is obtained, and the upper limit of the flow rate (flow velocity) that can be measured is increased.
なお、流通管の断面の短辺方向と圧電素子の電極形成面の長辺方向とが完全に平行であることは理想であるが、組立誤差等により多少ずれても本発明の有意な効果を得ることができる。たとえば、流通管の断面の短辺方向と圧電素子の電極形成面の長辺方向とのなす角度が±5°程度は平行であるものとみなすことができる。 Although it is ideal that the short side direction of the cross-section of the flow pipe and the long side direction of the electrode forming surface of the piezoelectric element are perfectly parallel, the significant effect of the present invention can be obtained even if there is a slight deviation due to assembly errors. Can be obtained. For example, the angle formed by the short side direction of the cross-section of the flow pipe and the long side direction of the electrode forming surface of the piezoelectric element can be regarded as parallel by about ± 5 °.
また、課題を解決するために本発明の超音波流量計の第二は、流体が流通する流通管の上流側と下流側とに超音波センサが配置された超音波流量計において、超音波センサは、圧電素子が音響整合層に接合された構造を有するものであり、圧電素子は、分極軸方向の一方側かつ音響整合層と接続する側とは反対側の電極形成面が長方形(正方形を除く)をなす一方で、音響整合層と接続する側には当該圧電素子の長手方向と略直交する向きに延びる溝が形成されて、その溝の左右に分かれた電極形成面を有し、全体としては直方体の形態を呈しており、高流量時と低流量時とで、その圧電素子の長さ方向伸び振動モードの共振周波数と、厚み方向振動モードの共振周波数とを使い分けるようにしたことを主要な特徴とする。 In order to solve the problem, the second of the ultrasonic flowmeters of the present invention is an ultrasonic flowmeter in which ultrasonic sensors are arranged on the upstream side and the downstream side of a flow pipe through which a fluid flows. Has a structure in which a piezoelectric element is bonded to an acoustic matching layer. The piezoelectric element has a rectangular (square-shaped) electrode forming surface on one side in the polarization axis direction and opposite to the side connected to the acoustic matching layer. A groove extending in a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the piezoelectric element is formed on the side connected to the acoustic matching layer, and the electrode forming surface is divided into left and right sides of the groove. It has a rectangular parallelepiped shape, and the resonance frequency of the longitudinal vibration mode of the piezoelectric element and the resonance frequency of the thickness direction vibration mode of the piezoelectric element are properly used at high flow rate and low flow rate. Main features.
上記本発明の超音波流量計において、超音波は圧電素子の溝の左右に分かれた電極形成面から取り出される。長さ方向伸び振動モードに関していえば、溝を設けることにより、長辺方向の伸び振動モードが著しく低減される。つまり、溝を設けることで長辺方向振動を低減させ、短辺方向振動のみを効率良く取り出し、この短辺方向振動と厚み振動を選択的に使用する。長辺方向振動は、その高調波が使用周波数帯域にほとんど影響しない(特に厚み振動へ影響しない)レベルにまで低減する。この結果、圧電素子の長さ方向伸び振動(短辺方向振動)を低周波数側として高流量時の計測を行ない、厚さ方向振動を高周波数側として低流量時の計測を行なうことができる。測定するべき流量域に応じた複数の超音波センサ対を要しないので、超音波センサの占有スペースが小である。また、複数の超音波センサ対を用いるときよりも、制御や補正が単純であり、計測精度向上、計測回数削減、低消費電力化に有利である。 In the ultrasonic flowmeter of the present invention, the ultrasonic waves are taken out from the electrode forming surfaces divided on the left and right of the groove of the piezoelectric element. With regard to the lengthwise extension vibration mode, by providing the groove, the extension vibration mode in the long side direction is significantly reduced. That is, by providing the groove, the long-side vibration is reduced, and only the short-side vibration is efficiently extracted, and the short-side vibration and the thickness vibration are selectively used. Long-side vibration is reduced to a level at which the harmonics hardly affect the used frequency band (in particular, it does not affect thickness vibration). As a result, it is possible to perform measurement at a high flow rate with the longitudinal vibration (short side direction vibration) of the piezoelectric element as a low frequency side, and perform measurement at a low flow rate with the thickness direction vibration as a high frequency side. Since a plurality of ultrasonic sensor pairs corresponding to the flow rate range to be measured is not required, the space occupied by the ultrasonic sensors is small. In addition, the control and correction are simpler than when a plurality of ultrasonic sensor pairs are used, which is advantageous in improving measurement accuracy, reducing the number of measurements, and reducing power consumption.
また、流通管の断面の短辺方向と圧電素子の電極形成面の長辺方向とが平行となるように、流通管のセンサ取り付け部に超音波センサを取り付けるようにすることが、先に説明した理由、すなわち、流路側壁による超音波の反射をなるべく抑制するという観点から望ましい。図7、図8に示すごとく圧電素子23に溝23mを設け、短辺方向振動を効率良く取り出すようにする場合にも、各振動面23p,23pは同位相で振動する。そのため、振動モードとしては短辺方向であるが、あたかも長辺の長さで音波が放射される形になる。この結果、流通管短辺方向に関する超音波の指向性は比較的鋭い状態が維持され、壁面での反射が抑制される。加えて、流れ方向には鈍い指向性を持つ。
In addition, it is first described that the ultrasonic sensor is attached to the sensor attachment portion of the flow pipe so that the short side direction of the cross section of the flow pipe is parallel to the long side direction of the electrode forming surface of the piezoelectric element. For this reason, that is, from the viewpoint of suppressing the reflection of ultrasonic waves by the channel side wall as much as possible. As shown in FIGS. 7 and 8, also when the
また、課題を解決するために本発明の超音波流量計の第三は、流体が流通する流通管の上流側と下流側に超音波センサが配置された超音波流量計において、超音波センサは、板状の圧電素子が収容ケースの隔壁部に直接または接着剤を介して固定され、隔壁部を介在する形で反対側に音響整合層が配置された構造を有し、無負荷時における圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数をf0、周波数f0で隔壁部を伝搬する超音波の波長をλとしたとき、圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数がスプリットするように、隔壁部がn*λ/2(n:自然数)からずれた厚さに調整されていることを主要な特徴とする。 In order to solve the problem, the third of the ultrasonic flowmeters of the present invention is an ultrasonic flowmeter in which ultrasonic sensors are arranged on the upstream side and the downstream side of the flow pipe through which the fluid flows. The plate-like piezoelectric element has a structure in which the acoustic matching layer is disposed on the opposite side in a form of interposing the partition wall part, directly or via an adhesive, and the piezoelectric element when no load is applied. When the fundamental resonance frequency of the thickness vibration mode of the element is f 0 and the wavelength of the ultrasonic wave propagating through the partition wall at the frequency f 0 is λ, the partition wall portion is split so that the basic resonance frequency of the thickness vibration mode of the piezoelectric element is split. Is adjusted to a thickness deviating from n * λ / 2 (n: natural number).
一般に、板厚方向に分極軸方向を有する圧電素子の厚み方向に負荷を接合したとき、厚み振動モードの共振周波数は変化する。厚み振動モードの共振周波数がどのように変化するのかは、主として接合する負荷の材料物性(特には材料のヤング率)および負荷の厚みによって決まることが知られている。ただし、負荷の厚みがλ/2の整数倍のときは、材料物性に拠らず無負荷状態に一致し、理論的には共振周波数は変化しない。こうした知見から、圧電素子と音響整合層との間にケースの隔壁部が介在する場合には、ケースの隔壁部の厚さは減衰ロスが最も小さくなるλ/2に調整するか、もしくは無視できる程度まで薄くするのが通常である。 Generally, when a load is bonded in the thickness direction of a piezoelectric element having a polarization axis direction in the plate thickness direction, the resonance frequency of the thickness vibration mode changes. It is known that how the resonance frequency of the thickness vibration mode changes mainly depends on the material properties of the load to be joined (particularly the Young's modulus of the material) and the thickness of the load. However, when the thickness of the load is an integral multiple of λ / 2, it matches the no-load state regardless of the material properties, and the resonance frequency does not change theoretically. From these findings, when the case partition wall is interposed between the piezoelectric element and the acoustic matching layer, the thickness of the case partition wall can be adjusted to λ / 2 where the attenuation loss is minimized or can be ignored. Usually it is thinned to a certain extent.
本発明はいわばその逆であり、積極的に厚み振動モードの共振周波数を変化(分散)させることに主眼を置いている。これによれば、1ペアの超音波センサのみで、周波数を異ならせた計測を容易に行なえ、計測可能な流量範囲を広くできる。また、複数の超音波センサ対を要しないので、超音波センサの占有スペースが小である。また、複数の超音波センサ対を用いるときよりも、制御や補正が単純であり、計測精度向上、計測回数削減、低消費電力化に有利である。 In other words, the present invention focuses on positively changing (dispersing) the resonance frequency of the thickness vibration mode. According to this, measurement with different frequencies can be easily performed with only one pair of ultrasonic sensors, and the measurable flow range can be widened. Further, since a plurality of ultrasonic sensor pairs are not required, the space occupied by the ultrasonic sensors is small. In addition, the control and correction are simpler than when a plurality of ultrasonic sensor pairs are used, which is advantageous in improving measurement accuracy, reducing the number of measurements, and reducing power consumption.
また、課題を解決するために本発明の超音波センサは、板状の圧電素子が収容ケースの隔壁部に直接または接着剤を介して固定され、隔壁部を介在する形で反対側に音響整合層が配置された構造を有し、無負荷時における圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数をf0、周波数f0で隔壁部を伝搬する超音波の波長をλとしたとき、圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数をスプリットさせるために、隔壁部がn*λ/2(n:自然数)からずれた厚さに調整されていることを主要な特徴とする。 In order to solve the problem, the ultrasonic sensor according to the present invention has a plate-like piezoelectric element fixed to the partition wall of the housing case directly or via an adhesive, and acoustically matched to the opposite side through the partition wall. When the basic resonance frequency of the thickness vibration mode of the piezoelectric element at no load is f 0 and the wavelength of the ultrasonic wave propagating through the partition wall at the frequency f 0 is λ, In order to split the fundamental resonance frequency of the thickness vibration mode, the main feature is that the partition wall is adjusted to a thickness deviated from n * λ / 2 (n: natural number).
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図1は、一般住宅用ガスメータ等として用いられる超音波流量計100の基本構成を示す。流通管10には、流路1が形成されている。流路1には、ガスが流れ方向軸線Oに沿って図示の流れ方向に流通(平均流速v)する。流通管10の上流側と下流側には、一対のセンサ取り付け凹部10a,10bが形成されている。センサ取り付け凹部10a,10bには、超音波センサ2a,2bが個別に取り付けられている。超音波センサ2a,2bは流路1に露出しており、流路1を流れるガスと直接接する配置となっている。図1の実施形態では、超音波センサ2aと2bは、流路1を隔てて反対側に位置しているが、同じ側に位置する形態もある。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a basic configuration of an ultrasonic flow meter 100 used as a general residential gas meter or the like. A flow path 1 is formed in the
流通管10は、超音波センサ2a−超音波センサ2b間において流れ方向軸線Oが直線状であり、軸断面の形状および断面積が流れ方向において同一に形成されている。測定対象がガスの場合、流通管10の軸断面形状は、たとえば、円形状、楕円形状、正方形状、矩形状等のいずれを採用してもよい。本実施形態においては、図5に示すごとく、流通管10は流れ方向軸Oと垂直な断面が矩形状であり、その断面のうち超音波センサ2a,2bの位置する辺が短辺11a,11bにあたる。
In the
超音波センサ2a,2bは、圧電素子や音響整合層等で構成されたトランスデューサであり、これら超音波センサ2a,2bを発振させるための駆動電圧回路等から構成される送信手段22、あるいは超音波センサ2a,2bの発生電圧を検出するための電圧検出回路等から構成される受信手段32に接続される。超音波センサ2a,2bの接続先の切り替えは、アナログスイッチ等で構成される切替手段3によって行なわれる。切替手段3は、マイクロコンピュータ9によって制御される。たとえば、流れ方向上流側(超音波センサ2a側)から流れ方向下流側(超音波センサ2b側)に向けて超音波を送信する場合には、超音波センサ2aが送信側(発振元)となるので、切替手段3は、始め、送信手段22と超音波センサ2aとを接続し、受信手段32と超音波センサ2bとを接続することとなる。
The
超音波流量計100は、計測部として、超音波センサ2a,2bにより得られる超音波受信出力を増幅する増幅器5と、ゼロクロス法により出力波形から超音波到達時点を検出するゼロクロスポイント検出手段6と、マイクロコンピュータ9とを備える。受信波が増幅器5で増幅され、ゼロクロスポイント検出手段6に入力される。ゼロクロスポイント検出部5は、超音波センサ2a,2bの一方で発振された超音波が、他方で受信されたか否か検出する。受信波の検出には、いわゆるゼロクロス法が採用される。ゼロクロスポイント検出部5は、受信波を検出した旨の信号をマイクロコンピュータ9に入力する。時間計測手段としてのマイクロコンピュータ9は、ゼロクロスポイント検出手段6から信号取得に基づいて、超音波センサ2a,2bの一方が超音波を発振してから、他方がその超音波を受信するまでの直接到達時間を計測し、該計測結果より流量演算を行なう。
The ultrasonic flowmeter 100 includes, as a measurement unit, an amplifier 5 that amplifies the ultrasonic reception output obtained by the
超音波流量計100は、伝搬時間逆数差法により流量を計測する装置として構成されている。図1において、ガスの平均流速をv、ガス中を伝搬する音速をc、超音波の進行方向(超音波センサ2a,2bを結ぶライン)とガスの流れ方向(流れ方向軸線O)とのなす角をθ、超音波センサ2a−超音波センサ2b間の距離をHとすると、超音波が距離Hだけ伝搬するときの順方向到達時間Tdおよび逆方向到達時間Tuはそれぞれ次のように表わされる。
Td=H/(c+v・cosθ)…(1)
Tu=H/(c−v・cosθ)…(2)
(1)、(2)式の逆数をとり、その差をとれば次式が得られる。
1/Td−1/Tu=2v・cosθ/H…(3)
したがって、順方向到達時間Tdと逆方向到達時間Tuの測定から、ガスの平均流速vと流量Qが次式により求められる。“A”は流路1の断面積である。
v=(1/2Td−1/2Tu)H/cosθ…(4)
Q=v・A…(5)
このように、ガスの温度・含有成分等に依存する音速cを(4)式から消去することで、測定値(到達時間Td,Tu)と一定値(H,θ)とから流速vが得られる利点を有している。
The ultrasonic flowmeter 100 is configured as a device that measures a flow rate by a reciprocal propagation time difference method. In FIG. 1, the average flow velocity of gas is v, the velocity of sound propagating in the gas is c, the ultrasonic traveling direction (line connecting the
Td = H / (c + v · cos θ) (1)
Tu = H / (cv · cos θ) (2)
Taking the reciprocal of equations (1) and (2) and taking the difference, the following equation is obtained.
1 / Td−1 / Tu = 2v · cos θ / H (3)
Therefore, from the measurement of the forward arrival time Td and the reverse arrival time Tu, the average gas flow velocity v and flow rate Q are obtained by the following equations. “A” is a cross-sectional area of the flow path 1.
v = (1 / 2Td−1 / 2Tu) H / cos θ (4)
Q = v · A (5)
In this way, by eliminating the sound velocity c depending on the gas temperature and the contained components from the equation (4), the flow velocity v is obtained from the measured values (arrival times Td, Tu) and the constant values (H, θ). Has the advantage of being
次に、図2に示すのは、超音波センサ2a,2bの要部上面図(上段)および断面図(下段)である。超音波センサ2a,2bは、圧電素子13が音響整合層15に接合された構造を有する。音響整合層15の外周縁部には、圧電素子13を取り囲む形で筒状の収容ケース17が固定されており、圧電素子13の側面と、収容ケース17の内周面とが向かい合う配置になっている。圧電素子13と音響整合層15とは、エポキシ系などの接着剤にて接合されている。
Next, FIG. 2 shows a top view (upper part) and a cross-sectional view (lower part) of the main parts of the
圧電素子13は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)系の圧電セラミックにて構成されており、音響整合層15との接合面およびそれと平行な面が電極形成面13p,13q(電極が形成されている面)となっている。PZTの他にも、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛などを使用することもある。圧電素子13の分極軸方向は、電極形成面13p,13qと直交する方向である。電極材料には、一般には銀などの良導性金属が使用される。電極形成面13p,13qには、電圧印加用および受信波取り出し用のリードが半田等で接続されるが、図2では省略している。また、圧電素子13は、電極形成面13p,13qが長方形(正方形を除く)をなす直方体の形状に成形されている。
The
音響整合層15は、エポキシ樹脂などの樹脂材料にガラスバルーンを混入し、円板状に成形したものである。音響整合層15の音響インピーダンスは、超音波の伝達効率を向上させるために、圧電素子13と媒質(ガス)の音響インピーダンスの幾何平均になるべく近くなるように調整されている。目的とする音響インピーダンスを得るために、ガラスバルーンを混入しない樹脂材料で音響整合層15を構成することもある。また、ケース17は、オーステナイト系ステンレス鋼やアルミニウム合金など耐食性に優れる金属材料や、エンジニアリングプラスチックが成形されたものである。
The
さて、本発明にかかる超音波流量計100は、図2に示す超音波センサ2a,2bを用いることにより、高流量時と低流量時とで超音波の周波数を異ならせた計測を行なうように構成されている。具体的には、超音波センサ2a,2bの長辺方向の伸び振動モードの共振周波数fr1を高流量時に使用し、短辺方向の伸び振動モードの共振周波数fr2を低流量時に使用する。これにより、低流量から高流量まで、広い流量範囲にわたって高計測精度が得られる。長辺方向の伸び振動モードは、図4(a)に示すように振動方向が分極軸方向に垂直なモードの一つである。また、短辺方向の伸び振動モードは、図4(b)に示すように振動方向が分極軸方向に垂直なモードの他の一つである。
Now, the ultrasonic flowmeter 100 according to the present invention uses the
方形板状の圧電素子13で通常用いられる共振周波数は、長さ方向伸び振動モードとして表わされる長辺方向の伸び振動モードのものである。本発明では、長辺方向のみならず、短辺方向の伸び振動モードの共振周波数fr2を積極的に使用する。各共振周波数fr1,fr2に対応した駆動パルスは、マイクロコンピュータ9、該マイクロコンピュータ9によって制御される送信手段22によって生成される。この場合、送信手段22は、VCO(電圧制御発振器)を含むものとして構成される。
The resonance frequency normally used in the rectangular plate-like
ただし、全く出鱈目な条件では各振動モードで効率よく超音波を取り出すことは難しい。そこで、以下のように超音波センサ2a,2bの各部品寸法等を調整することで、2つの伸び振動モードの共振周波数による超音波を効率良く取り出せるようにする。いま、低周波数側となる長辺方向の伸び振動モードの共振周波数をfr1、高周波数側となる短辺方向の共振周波数をfr2とする。そして、周波数fr2で音響整合層15を伝搬する超音波の波長をλ’、音響整合層15の厚さをt1とする。なお、短辺方向は、図2に示すごとく、電極形成面の短辺13sと平行な方向である。長辺方向は、電極形成面の長辺13rと平行な方向である。
However, it is difficult to efficiently extract ultrasonic waves in each vibration mode under completely unobtrusive conditions. Therefore, by adjusting the size of each part of the
音響整合層15のマッチング条件を考慮すると、下式(A)(B)を満足するように各部品を構成したときに、一つの音響整合層15の厚みに対して、2つの異なる周波数が同時に整合する。すなわち、音響整合層15は、低周波数側の共振周波数fr1と、高周波数側の共振周波数fr2とのいずれであっても整合する厚さt1に調整がなされている。
fr2≒(2m1+1)*fr1(m1:自然数)…(A)
t1≒(2m2+1)*λ’/4(m2:自然数)…(B)
Considering the matching conditions of the
fr 2 ≈ (2m 1 +1) * fr 1 (m 1 : natural number) (A)
t1≈ (2m 2 +1) * λ ′ / 4 (m 2 : natural number) (B)
本発明の超音波流量計100ではKHz帯の超音波を用いることや、減衰ロスを小さくするために音響整合層15の厚みt1をできる限り薄くするのが望ましい。このことを考慮すれば、m1=1かつm2=1、つまり周波数比を概ね1:3かつ音響整合層15の厚みt1を3λ’/4に調整するのが現実的である。なお、fr2=3*fr1を満足することが理想であるが、ある程度の幅があっても本発明の目的は達成できる。共振周波数fr1,fr2の値や音響整合層15の厚さt1は、音響整合層15の材料特性、計測するべき媒質、接合用の接着剤、電極等、様々な要因によって微妙に変化するので、一概には決めにくいという事情を考えると、たとえば、fr2=(3±0.18)*fr1、t1=(3/4±0.022)λ’といった範囲が、発明の目的を達成しうる現実的な範囲であるといえよう。
In the ultrasonic flowmeter 100 of the present invention, it is desirable to use ultrasonic waves in the KHz band and to make the thickness t1 of the
より具体的な目安として、市販されている超音波センサ用のPZT圧電素子を用い、長辺方向の伸び振動モードの共振周波数fr1を120KHz〜190KHz、短辺方向の伸び振動モードの共振周波数fr2を330KHz〜530KHz、共振周波数差を220KHz〜420KHzに設定する場合、たとえば以下のような条件内で、最適なポイントを探すとよいであろう。 As a more specific standard, a commercially available PZT piezoelectric element for an ultrasonic sensor is used, the resonance frequency fr 1 in the extension vibration mode in the long side direction is set to 120 KHz to 190 KHz, and the resonance frequency fr in the extension vibration mode in the short side direction. When 2 is set to 330 KHz to 530 KHz and the resonance frequency difference is set to 220 KHz to 420 KHz, for example, an optimal point may be searched for under the following conditions.
<圧電素子>
長辺寸法:L1=8.5mm〜15.5mm
短辺寸法:W1=3.0mm〜6.3mm
素子厚み:T1=0.5mm〜3.75mm
<音響整合層>
音響インピーダンス:Z1=0.65Kg/m2・s〜2.70Kg/m2・s
整合層厚み:t1=1.5mm〜5.5mm
<Piezoelectric element>
Long side dimension: L1 = 8.5 mm to 15.5 mm
Short side dimension: W1 = 3.0 mm to 6.3 mm
Element thickness: T1 = 0.5 mm to 3.75 mm
<Acoustic matching layer>
Acoustic impedance: Z1 = 0.65Kg / m 2 · s~2.70Kg / m 2 · s
Matching layer thickness: t1 = 1.5 mm to 5.5 mm
先にも述べたように、最適な共振周波数fr1,fr2や音響整合層15の厚さt1を画一的に導き出すことは難しいが、圧電素子13の短辺13sと長辺13rの比を、1:2.7〜1:3.2(概ね1:3)に設定すれば、共振周波数差(fr2−fr1)220KHz〜420KHzで、短辺方向の伸び振動モード、長辺方向の伸び振動モード、ともに効率よく取り出せる条件を比較的容易に見出せる。共振周波数差が220KHz〜420KHzの範囲にあると、高精度計測と広い流量範囲とを両立しやすい。また、上記の寸法範囲では、圧電素子13の厚みT1が短辺寸法W1に一致する、もしくは上回る場合があるが、そのような場合でも好適な条件を見出すことが可能である。すなわち、圧電素子13は板状には限定されない。
As described above, it is difficult to uniformly derive the optimum resonance frequencies fr 1 and fr 2 and the thickness t1 of the
さて、以上に説明してきた圧電素子13を用いる場合、発射される超音波は異方性を持つことになる。その様子を概念的に示すのが図3である。図3(a)が短辺方向の指向性を示しており、図3(b)が長辺方向の指向性を示している。長辺方向の指向性は鋭く、短辺方向の指向性は鈍い。このような場合、超音波センサ2a,2bをセンサ取り付け部10a,10にそれぞれ取り付けた状態での、流通管10に対する圧電素子13の姿勢が重要になる。
When the
先に、図5で説明した通り、流通管10が断面矩形状であり、その断面の短辺11a,11bにあたる位置に超音波センサ2a,2bが配置されていることを説明した。図6は、図5とは視点を変えて観たときの流通管10及び超音波センサ2a,2bの分解斜視図である。この図6に示すように、流通管10の断面の短辺方向WLと、圧電素子13の電極形成面13pの長辺13rとが平行となるように、流通管10のセンサ取り付け部10a,10bに超音波センサ2a,2bを取り付ける。
As described above with reference to FIG. 5, it has been described that the
すると、発振された超音波が受信側の超音波センサから逸れにくくなるから、安定した受信感度特性が得られるとともに、計測できる流量範囲の上限もアップする。同時に、流路壁面による不要ノイズは抑制され、S/Nが向上し、計測精度も高まる。もちろん、使用する超音波の周波数によって指向性も変化するが、図3に示す傾向自体は続く。したがって、使用する超音波の周波数が複数か単一かに拠らず、図6の配置は好適である。 This makes it difficult for the oscillated ultrasonic wave to deviate from the ultrasonic sensor on the reception side, so that stable reception sensitivity characteristics can be obtained and the upper limit of the flow rate range that can be measured is increased. At the same time, unnecessary noise due to the channel wall surface is suppressed, S / N is improved, and measurement accuracy is increased. Of course, the directivity also changes depending on the frequency of the ultrasonic wave used, but the tendency shown in FIG. 3 continues. Accordingly, the arrangement shown in FIG. 6 is suitable regardless of whether the frequency of ultrasonic waves used is plural or single.
また、図6で説明した配置と併せて、次のような配置を採用すれば、高流量時において超音波が受信側の超音波センサから逸れる問題を緩和できる。いま、図1等で示すごとく、(1)上流側の超音波センサ2aの送受信面(音響整合層15の主表面)と、下流側の超音波センサ2bの送受信面が平行になるように配置する場合、もしくは(2)上流側と下流側の超音波センサを流通管10の同一側つまり一対の超音波センサの送受信面のなす角度が90°になるように配置する場合を考える。これら(1)(2)の場合、流れがゼロのときに受信感度のピークがきてしまう。
Further, if the following arrangement is adopted in combination with the arrangement described with reference to FIG. 6, the problem that the ultrasonic wave deviates from the ultrasonic sensor on the reception side at a high flow rate can be alleviated. As shown in FIG. 1 and the like, (1) the transmission / reception surface of the upstream
そこで、図12に示すごとく、一定の流速のときに受信感度のピークが到来するように、上流側の超音波センサ2aの送受信面の法線方向と、下流側の超音波センサ2bの送受信面の法線方向とをずらした配置とする。上流側と下流側の超音波センサを流通管10の同一側に配置する形態の場合は、上流側の超音波センサの送受信面の法線方向と、下流側の超音波センサの送受信面の法線方向とのなす角度が90°よりも小さくなるよう、各超音波センサの配置調整を行なう。このようにすれば、図6で説明した構成と相俟って、高流量側における計測限界の拡大が望める。
Therefore, as shown in FIG. 12, the normal direction of the transmission / reception surface of the upstream
(第二実施形態)
次に、本発明にかかる他の超音波流量計200について説明する。基本的な構成は、図1に示すように、前述した超音波流量計100と共通である。主要な相違点は、超音波センサ5a,5bおよび圧電素子23の振動モードにある。図7に示すのは、超音波センサ5a,5bの要部上面図および断面模式図である。超音波センサ5a,5bは、圧電素子23が音響整合層25に接着剤にて接合された構造を有する。圧電素子23は、音響整合層25に接合する側の電極形成面23p,23pが溝23mによって複数に分割(本実施形態では左右2等分割)されている。溝を当該圧電素子23の長手方向NDと平行にもう一本形成すれば、電極形成面が4分割されるが、その形態も採用可能である。その他の構造は、図2の超音波センサ2a,2bとほぼ同様であるが、各部品の寸法は相違する。
(Second embodiment)
Next, another ultrasonic flowmeter 200 according to the present invention will be described. The basic configuration is the same as that of the ultrasonic flowmeter 100 described above, as shown in FIG. The main difference is in the vibration modes of the
溝23mによって2つの領域に分かれた電極形成面23p,23pは、ほぼ正方形である。他方、音響整合層25に接合する側とは反対側の電極形成面23qは、長方形(正方形を除く)になっている。溝23mは、当該圧電素子23の長手方向ND(図8参照)と略直交する向きに延びる形で形成されている。圧電素子23は、全体としては直方体の形態を呈している。こうした構造の場合、図8に示すように、圧電素子23の長さ方向伸び振動モードで取り出される超音波は、個別の電極形成面23p,23pから音響整合層25に伝わる。すると、長さ方向伸び振動モードに関していえば、溝23mを設けることにより、長辺方向振動を低減させ、短辺方向振動のみを効率良く取り出すことができる。この短辺方向振動の超音波は、流れ方向の指向性が比較的鈍いので、高流量時の計測には好適である。
The electrode formation surfaces 23p and 23p divided into two regions by the
一方、低流量時には、鋭い指向性の超音波を使用し、流通管10の壁面などでの反射をなるべく抑え、S/Nを向上させて計測精度を上げる。低流量時には、流れ場の影響が小さいので高い共振周波数の振動モードを使える。具体的には、図9のグラフに示すごとく、長さ方向伸び振動モードの共振周波数fr1よりも高い共振周波数fr2を持つ厚み方向振動モードを用いることで、高流量時と低流量時で超音波の周波数を異ならせる。
On the other hand, when the flow rate is low, sharp directional ultrasonic waves are used to suppress reflection on the wall surface of the
もちろん、前述したように各部品が出鱈目な寸法では、実用的な超音波センサは得られない。したがって、以下のように超音波センサ5a,5bの部品寸法等を調整することで、2つの振動モードの共振周波数による超音波を効率良く取り出せるようにする。長さ方向振動モードの共振周波数fr1、厚み方向振動モードの共振周波数をfr2、周波数fr2で音響整合層25を伝搬する超音波の波長をλ’、音響整合層25の厚さをt2とする。
Of course, as described above, a practical ultrasonic sensor cannot be obtained if each component has a clear dimension. Therefore, by adjusting the component dimensions and the like of the
音響整合層15のマッチング条件を考慮すると、下式(A)(B)を満足するように各部品を構成したときに、一つの音響整合層15の厚みに対して、2つの異なる周波数が同時に整合する。すなわち、音響整合層15は、低周波数側の共振周波数fr1と、高周波数側の共振周波数fr2とのいずれであっても整合する厚さt2に調整がなされている。
fr2≒(2m1+1)*fr1(m1:自然数)…(A)
t2≒(2m2+1)*λ’/4(m2:自然数)…(B)
Considering the matching conditions of the
fr 2 ≈ (2m 1 +1) * fr 1 (m 1 : natural number) (A)
t2≈ (2m 2 +1) * λ ′ / 4 (m 2 : natural number) (B)
共振周波数fr1,fr2の値や音響整合層25の厚さt2を一概に決めにくいという事情を考えると、たとえば、fr2=(3±0.20)*fr1、t2=(3/4±0.025)λ’といった範囲が、発明の目的を達成しうる現実的な範囲であるといえよう。
Considering the fact that it is difficult to determine the values of the resonance frequencies fr 1 and fr 2 and the thickness t2 of the
一つの目安として、市販されている超音波センサ用のPZT圧電素子を用い、短辺方向の伸び振動モードの共振周波数fr1を120KHz〜190KHz、長辺方向の伸び振動モードの共振周波数fr2を330KHz〜530KHz、共振周波数差を220KHz〜420KHzに設定する場合には、以下のような条件内で、最適なポイントを探すとよいであろう。 As one guideline, a commercially available PZT piezoelectric element for an ultrasonic sensor is used, and the resonance frequency fr 1 in the extension vibration mode in the short side direction is set to 120 KHz to 190 KHz, and the resonance frequency fr 2 in the extension vibration mode in the long side direction is set. In the case where 330 KHz to 530 KHz and the resonance frequency difference are set to 220 KHz to 420 KHz, an optimal point may be searched for under the following conditions.
<圧電素子>
長辺寸法:L2=18mm〜24mm(好適には20mm〜22mm)
短辺寸法:W2=7.5mm〜12.5mm(好適には9mm〜11mm)
素子厚み:T2=2.75mm〜5.45mm(好適には3mm〜4mm)
溝幅d1:素子厚みT2の30%〜40%程度
溝深さd2:素子厚みT2の55%〜65%程度
<音響整合層>
音響インピーダンス:Z=0.65Kg/m2・s〜2.70Kg/m2・s
整合層厚み:t2=1.5mm〜5.5mm
<Piezoelectric element>
Long side dimension: L2 = 18 mm to 24 mm (preferably 20 mm to 22 mm)
Short side dimension: W2 = 7.5 mm to 12.5 mm (preferably 9 mm to 11 mm)
Element thickness: T2 = 2.75 mm to 5.45 mm (preferably 3 mm to 4 mm)
Groove width d1: About 30% to 40% of element thickness T2 Groove depth d2: About 55% to 65% of element thickness T2 <Acoustic matching layer>
Acoustic impedance: Z = 0.65Kg / m 2 · s~2.70Kg / m 2 · s
Matching layer thickness: t2 = 1.5 mm to 5.5 mm
圧電素子13の幅方向(溝23mと平行な方向)と長手方向の長さの比を、1:2.7〜1:3.2(概ね1:3)に設定すれば、共振周波数差(fr2−fr1)220KHz〜420KHzで、超音波を効率よく取り出せる条件を見つけやすい。共振周波数差が220KHz〜420KHzの範囲にあると、高精度計測と広い流量範囲とを両立しやすい。また、上記の寸法範囲では、圧電素子23の厚みT2が短辺寸法W2に一致する、もしくは上回る場合があるが、そのような場合でも好適な条件を見出すことが可能である。すなわち、圧電素子23は板状には限定されない。
If the ratio of the length of the
また、超音波センサ5a,5bを流通管10のセンサ取り付け部10a,10bに取り付けたときの圧電素子23の姿勢も、先の実施形態同様に重要である。すなわち、図6を用いて説明したごとく、流通管10の断面の短辺方向WLと、圧電素子23の長手方向NDとが平行となるように、流通管10のセンサ取り付け凹部10a,10bに超音波センサ5a,5bを取り付ける。
Further, the posture of the
すると、超音波センサ5a,5bから発射される超音波は、流通管10の断面の短辺方向WLには鋭い指向性を持ち、流れ方向にはブロードな指向性を持つことになる。すると、流路壁面による不要ノイズは抑制されて計測精度が高まる効果と、超音波が受信側の超音波センサから逸れにくくなることにより安定した受信感度特性が得られ、計測できる流量限界が高くなる効果とを両立できる。これに相俟って、低流量時と高流量時とで異なる周波数の超音波を使い分けるようにしているので、いっそうの計測精度向上、計測可能な流量域の拡大とを期待できる。
Then, the ultrasonic waves emitted from the
(第三実施形態)
次に、本発明にかかる他の超音波流量計300について説明する。基本的な構成は、図1に示すように、前述した超音波流量計100,200と共通である。主要な相違点は、超音波センサ7a,7bおよび圧電素子33の振動モードにある。図10に示すのは、超音波センサ7a,7bの断面模式図である。超音波センサ7a,7bは、板状の圧電素子33がケース37の隔壁部37kに固定され、その隔壁部37kを介在する形で反対側に音響整合層35が配置された構造を有する。
(Third embodiment)
Next, another ultrasonic flow meter 300 according to the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the basic configuration is common to the ultrasonic flowmeters 100 and 200 described above. The main difference is in the vibration modes of the
圧電素子33の形状は、板状であれば方形であっても円形であってもよく、厚さ方向が分極軸方向であり、厚さ方向の両側に位置する面が電極形成面33p,33qとなっている。ケース37と圧電素子33との接着には、導電性接着剤が使用されている。ケース37は、ステンレス鋼やアルミニウム合金などの金属材料で構成されているので、圧電素子33の一方の電極形成面33pとケース37とが導通している。一方、音響整合層35をケース37に固定する接着剤に導電性は不要である。
The shape of the
ケース37は、圧電素子33を収容する有底筒状の形態をなし、底部が圧電素子33を固定する隔壁部37kになっている。また、ケース37内には、圧電素子33を取り囲むように筒状の振動抑制部材45が配置されている。振動抑制部材45は、ウレタンゴムなどのゴム材料で構成されたものである。そして、その振動抑制部材45と圧電素子33との隙間を埋めるように、ゲル材がバッキング材として充填されている。また、ケース37の内径とほぼ同じ径を有する端子板43が、圧電素子33と向かい合う位置に配置されている。端子板43は、ケース37と同一またはそれと同等の良導性を有する金属材料にて構成されており、ケース37とは直接導通している。そして、その端子板43には、ケース37の外部に延びるグランド端子41が接続されている。グランド端子41は端子板43およびケース37を介して圧電素子33の電極形成面33pに導通している。したがって、圧電素子33の一方の電極形成面33pについては、リード線の取り付けおよびリード線の引き回しを行なわずに済む構造となっている。他方の電極形成面33qには、電源端子42から延びるリード線46が、半田接続されている。
The
ここで、圧電素子33と音響整合層35とを隔てるケース37の隔壁部37kは、特別な厚さに調整されている。具体的には、無負荷時における圧電素子33の厚み振動モードの基本共振周波数をf0、周波数f0で隔壁部37kを伝搬する超音波の波長をλとしたとき、圧電素子33の厚み振動モードの基本共振周波数がスプリットするように、隔壁部37kがn*λ/2(n:自然数)からずれた厚さDに調整されている。一般に、厚み振動モードで超音波を発振させる場合には、圧電素子と音響整合層とを直接貼り合わせるか、ケースが介在したとしてもその介在部分の厚さは圧電素子の基本共振周波数に影響を及ぼさないように、非常に薄くする。厚み振動モードは、図11に示すごとく、分極軸方向と平行な方向の振動モードである。
Here, the
本発明では、圧電素子33の基本共振周波数に積極的に影響が及ぶように、ケース37の隔壁部37kの厚さを調整するところに特徴を有する。具体的には、圧電素子33の厚み振動モードの基本共振周波数が2分化するように、隔壁部37kの厚さがλ/2よりも小さく調整されている。λ/2の整数倍からずれた厚さであれば、厚み振動モードが支配的となる共振周波数を2ピーク化することは可能であるが、超音波の減衰ロスを考えると、隔壁部37kの厚さはできるだけ薄い方がよいからである。
The present invention is characterized in that the thickness of the
そして、前述した実施形態と同様、高流量時と低流量時とで2分化した厚み振動モードの基本共振周波数を使い分ける。具体的には、高流量時は低周波数側の共振周波数fr1を用い、低流量時は高周波数側の共振周波数fr2を用いて計測を行なう。もちろん、各部品の寸法調整を適切に行なう必要がある。まず、圧電素子33の音響インピーダンスをZ0、ケース37(隔壁部37kを含む)の音響インピーダンスをZ1、音響整合層35の音響インピーダンスをZ2としたとき、Z2≪Z0≦Z1であることが前提となる。
As in the above-described embodiment, the basic resonance frequency of the thickness vibration mode divided into two at high flow rate and low flow rate is used properly. Specifically, the measurement is performed using the resonance frequency fr 1 on the low frequency side when the flow rate is high, and using the resonance frequency fr 2 on the high frequency side when the flow rate is low. Of course, it is necessary to appropriately adjust the dimensions of each component. First, assuming that the acoustic impedance of the
音響整合層35のマッチング条件を考慮すると、下式(A)(B)を満足するように各部品を構成したときに、一つの音響整合層35の厚みに対して、2分化した周波数が整合する。すなわち、音響整合層35は、低周波数側の共振周波数fr1と、高周波数側の共振周波数fr2とのいずれであっても整合する厚さt3に調整がなされている。
fr2≒(2m1+1)*fr1(m1:自然数)…(A)
t3≒(2m2+1)*λ’/4(m2:自然数)…(B)
Considering the matching condition of the
fr 2 ≈ (2m 1 +1) * fr 1 (m 1 : natural number) (A)
t3≈ (2m 2 +1) * λ ′ / 4 (m 2 : natural number) (B)
隔壁部37kを、どのような厚さDに調整するかによって、厚み方向振動モードの分散も変わってくる。さらに、用いる接着剤の種類、接着剤層の厚み、ケースの材料物性によって、厚み方向振動モードの分散の形態が変化する。したがって、隔壁部37kの厚さDを一義的に決めることは難しい。こうした事情を考えると、たとえば、fr2=(3±0.30)*fr1、t3=(3/4±0.030)λ’といった範囲が、発明の目的を達成しうる現実的な範囲であるといえよう。これは、fr1:fr2=1:3となるのが理想であるが、fr2の10%程度までのズレは実用レベルで考えられるということに基づいている。これは、先に説明済みの2つの実施形態(図2、図7)にも共通にいえる。したがって、先の2つの実施形態に記す範囲は好適な範囲であり、実際には上記の程度まで範囲を拡張できるといえる。
The dispersion of the thickness direction vibration mode varies depending on what thickness D the
具体的な目安としては、ケース37の材質をオーステナイト系ステンレス鋼(たとえばSUS304)とし、導電性接着剤の基材にエポキシ系の樹脂材料を用い、導電性接着剤層の厚さを3.5μm〜15μmに調整するような場合、ケース37の隔壁部37kを1.1mm〜1.5mmの範囲内の1点に固定しておき、あとは、圧電素子33および音響整合層35の形状並びに寸法を調整することで、2分化した厚み方向振動モードの基本共振周波数を、低周波数側の共振周波数fr1が230KHz〜260KHz、高周波数側の共振周波数fr2が670KHz〜700KHzとなる超音波センサを比較的簡単に作製することができる。
As a specific guideline, the material of the
以上、本明細書中には、いくつかの実施形態を示したが、発明の要旨を逸脱しない範囲内でそれらを相互に組み合わせることが可能である。なお、共振周波数や波長の標記について、各実施形態で同一のものを使用しているが、これらは互いに一致することを必ずしも意味しないことを断っておく。 As mentioned above, although several embodiment was shown in this specification, it is possible to combine them mutually within the range which does not deviate from the summary of invention. In addition, although the same thing is used in each embodiment about the notation of a resonant frequency and a wavelength, it is not necessarily meaning that these mutually correspond.
1 流路
2a,2b,5a,5b,7a,7b 超音波センサ
10 流通管
10a,10b センサ取り付け凹部
13,23,33 圧電素子
13s 短辺
13r 長辺
13p,13q,23p,23q 電極形成面
15,25,35 音響整合層
17,27,37 ケース
23m 溝
37k 隔壁部
100,200,300 超音波流量計
O 流れ方向軸線
WL 流通管の短辺方向
ND 長手方向
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (8)
前記超音波センサは、圧電素子が音響整合層に接合された構造を有するものであり、
前記圧電素子は、分極軸方向の両側に位置する電極形成面が長方形(正方形を除く)をなす直方体の形態を有するものとされ、
高流量時と低流量時とで、前記圧電素子の長辺方向の伸び振動モードの共振周波数と、短辺方向の伸び振動モードの共振周波数とを使い分けるようにしたことを特徴とする超音波流量計。 In the ultrasonic flowmeter in which ultrasonic sensors are arranged on the upstream side and the downstream side of the flow pipe through which the fluid flows,
The ultrasonic sensor has a structure in which a piezoelectric element is bonded to an acoustic matching layer,
The piezoelectric element has a rectangular parallelepiped shape in which electrode forming surfaces located on both sides in the polarization axis direction form a rectangle (excluding a square),
The ultrasonic flow rate is characterized in that the resonance frequency of the extension vibration mode in the long side direction of the piezoelectric element and the resonance frequency of the extension vibration mode in the short side direction are selectively used at high flow rate and low flow rate. Total.
前記超音波センサは、圧電素子が音響整合層に接合された構造を有するものであり、
前記圧電素子は、分極軸方向の一方側かつ前記音響整合層と接続する側とは反対側の電極形成面が長方形(正方形を除く)をなす一方で、前記音響整合層と接続する側には当該圧電素子の長手方向と略直交する向きに延びる溝が形成されて、その溝の左右に分かれた電極形成面を有し、全体としては直方体の形態を呈しており、
高流量時と低流量時とで、その圧電素子の長さ方向伸び振動モードの共振周波数と、厚み方向振動モードの共振周波数とを使い分けるようにしたことを特徴とする超音波流量計。 In the ultrasonic flowmeter in which ultrasonic sensors are arranged on the upstream side and the downstream side of the flow pipe through which the fluid flows,
The ultrasonic sensor has a structure in which a piezoelectric element is bonded to an acoustic matching layer,
In the piezoelectric element, the electrode forming surface on one side in the direction of the polarization axis and the side opposite to the side connected to the acoustic matching layer forms a rectangle (except for a square), while on the side connected to the acoustic matching layer A groove extending in a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the piezoelectric element is formed, and the electrode forming surface is divided into right and left of the groove, and as a whole has a rectangular parallelepiped shape,
An ultrasonic flowmeter, wherein the resonance frequency of the longitudinal vibration mode of the piezoelectric element and the resonance frequency of the thickness direction vibration mode are selectively used at high flow rate and low flow rate.
前記流通管の前記断面の短辺方向と前記圧電素子の前記電極形成面の長辺方向とが平行となるように、前記流通管のセンサ取り付け部に前記超音波センサが取り付けられている請求項1または2記載の超音波流量計。 The cross section of the flow pipe perpendicular to the fluid flow direction has a rectangular shape in which the side where the ultrasonic sensor is located corresponds to the short side,
The ultrasonic sensor is attached to a sensor attachment portion of the flow pipe so that a short side direction of the cross section of the flow pipe is parallel to a long side direction of the electrode forming surface of the piezoelectric element. The ultrasonic flowmeter according to 1 or 2.
前記超音波センサは、板状の圧電素子が収容ケースの隔壁部に直接または接着剤を介して固定され、前記隔壁部を介在する形で反対側に音響整合層が配置された構造を有し、
無負荷時における前記圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数をf0、周波数f0で前記隔壁部を伝搬する超音波の波長をλとしたとき、前記圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数がスプリットするように、前記隔壁部がn*λ/2(n:自然数)からずれた厚さに調整されていることを特徴とする超音波流量計。 In the ultrasonic flowmeter in which ultrasonic sensors are arranged on the upstream side and the downstream side of the flow pipe through which the fluid flows,
The ultrasonic sensor has a structure in which a plate-like piezoelectric element is fixed to a partition wall portion of a housing case directly or via an adhesive, and an acoustic matching layer is disposed on the opposite side with the partition wall interposed. ,
When the fundamental resonance frequency of the thickness vibration mode of the piezoelectric element at no load is f 0 , and the wavelength of the ultrasonic wave propagating through the partition wall at the frequency f 0 is λ, the fundamental resonance frequency of the thickness vibration mode of the piezoelectric element is The ultrasonic flowmeter is characterized in that the partition wall is adjusted to have a thickness deviating from n * λ / 2 (n: natural number) so as to split.
fr2≒(2m1+1)*fr1(m1:自然数)…(A)
t≒(2m2+1)*λ’/4(m2:自然数)…(B) When the resonance frequency on the low frequency side is fr 1 , the resonance frequency on the high frequency side is fr 2 , the wavelength of the ultrasonic wave propagating through the acoustic matching layer at the frequency f 2 is λ ′, and the thickness of the acoustic matching layer is t The ultrasonic flowmeter according to any one of claims 1 to 6, wherein dimensions of each component are adjusted so as to satisfy the following expressions (A) and (B).
fr 2 ≈ (2m 1 +1) * fr 1 (m 1 : natural number) (A)
t≈ (2m 2 +1) * λ ′ / 4 (m 2 : natural number) (B)
前記隔壁部を介在する形で反対側に音響整合層が配置された構造を有し、
無負荷時における前記圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数をf0、周波数f0で前記隔壁部を伝搬する超音波の波長をλとしたとき、前記圧電素子の厚み振動モードの基本共振周波数をスプリットさせるために、前記隔壁部がn*λ/2(n:自然数)からずれた厚さに調整されていることを特徴とする超音波センサ。 The plate-like piezoelectric element is fixed to the partition wall of the housing case directly or via an adhesive,
Having a structure in which an acoustic matching layer is disposed on the opposite side with the partition wall interposed therebetween,
When the fundamental resonance frequency of the thickness vibration mode of the piezoelectric element at no load is f 0 , and the wavelength of the ultrasonic wave propagating through the partition wall at the frequency f 0 is λ, the fundamental resonance frequency of the thickness vibration mode of the piezoelectric element is The ultrasonic sensor is characterized in that the partition wall is adjusted to have a thickness shifted from n * λ / 2 (n: natural number).
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