JP2006112960A - Ultrasonic vortex flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カルマン渦の発生周期に基づいて管路内を流れる被測流体の流量を計測する超音波渦流量計に関する。 The present invention relates to an ultrasonic vortex flowmeter that measures the flow rate of a fluid to be measured that flows in a pipeline based on the generation period of Karman vortices.
超音波渦流量計は、被測流体の流れ方向と直交する方向に延在する渦発生体を流路内に設け、この渦発生体の下流に、少なくとも一対の超音波送信器及び超音波受信器からなる渦検出センサを設けて構成される。超音波渦流量計は、この渦発生体の下流側流路に被測流体の流量(流速)に応じて発生するカルマン渦を渦検出センサにより検出し、検出したカルマン渦の発生周期に基づいて被測流体の流量(流速)を計測する。渦検出センサは、少なくとも一対の超音波を送信する超音波送信器と超音波を受信する超音波受信器とを、流路を挟んでそれぞれの送信面と受信面とが互いに対向するように配置して構成される。この渦検出センサは、渦発生体の下流側流路に被測流体の流量(流速)に応じて交番発生するカルマン渦を、送信側から発信された超音波と受信側で受信された超音波との間の位相変調量に基づいて検出する。 The ultrasonic vortex flowmeter is provided with a vortex generator extending in a direction orthogonal to the flow direction of the fluid to be measured in the flow path, and at least a pair of ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver downstream of the vortex generator. A vortex detection sensor comprising a vessel is provided. The ultrasonic vortex flowmeter uses a vortex detection sensor to detect Karman vortices generated according to the flow rate (velocity) of the fluid to be measured in the downstream flow path of the vortex generator, and based on the detected Karman vortex generation period Measure the flow rate (flow velocity) of the fluid to be measured. The vortex detection sensor has an ultrasonic transmitter that transmits at least a pair of ultrasonic waves and an ultrasonic receiver that receives ultrasonic waves, with each transmission surface and reception surface facing each other across the flow path. Configured. This vortex detection sensor generates Karman vortices that alternately generate in the downstream flow path of the vortex generator according to the flow rate (flow velocity) of the fluid to be measured. The ultrasonic wave transmitted from the transmission side and the ultrasonic wave received on the reception side. Detection is based on the phase modulation amount between
このように構成される超音波渦流量計において、安定した超音波の送受信を行うためには、超音波送信器又は超音波受信器において超音波を発生又は検出するために設けられている圧電素子の振動面(圧電面)を大きくして、その超音波ビーム幅を広くすることが有効である。一方、渦発生体の下流側流路に交番発生するカルマン渦を安定して検出するためには、被測流体中を伝播して超音波受信器により受信される超音波ビームの伝播経路幅を、カルマン渦のピッチP(同一方向にできるn番目のカルマン渦の頭と(n+1)番目のカルマン渦の頭との間隔であり、渦発生体の幅dによって決定され、一般に、P/2=(1/0.56)d、又はP/2=1.6d〜1.8d程度である)よりも小さくする必要がある。 In the ultrasonic vortex flowmeter configured as described above, in order to perform stable ultrasonic wave transmission / reception, a piezoelectric element provided for generating or detecting ultrasonic waves in an ultrasonic transmitter or ultrasonic receiver It is effective to widen the ultrasonic beam width by increasing the vibration surface (piezoelectric surface). On the other hand, in order to stably detect the Karman vortex generated alternately in the downstream flow path of the vortex generator, the propagation path width of the ultrasonic beam that propagates through the measured fluid and is received by the ultrasonic receiver is set. Karman vortex pitch P (the distance between the head of the nth Karman vortex and the head of the (n + 1) th Karman vortex formed in the same direction, determined by the width d of the vortex generator, and generally P / 2 = (1 / 0.56) d or P / 2 = about 1.6d to 1.8d).
これらから、渦発生体が設けられる被測流体の流路の口径に関して、圧電素子による安定した送受信特性を確保するための超音波ビーム幅と、カルマン渦を安定して検出するための超音波ビーム幅(伝播経路幅)とは、トレードオフな関係になっている。 From these, the ultrasonic beam width for ensuring stable transmission / reception characteristics by the piezoelectric element and the ultrasonic beam for stably detecting Karman vortices regarding the diameter of the flow path of the fluid to be measured provided with the vortex generator There is a trade-off relationship with the width (propagation path width).
そのため、超音波渦流量計では、カルマン渦を安定して検出するための超音波ビームの伝播経路幅に合わせて圧電素子の大きさを変えていたのでは、渦発生体が設けられる被測流体の流路の口径が小さい場合は、超音波ビームの安定した送受信特性の確保が難しくなるとともに、被測流体の流路の口径の相違によって圧電素子の共通化もはかれなくなる。 Therefore, in the ultrasonic vortex flowmeter, if the size of the piezoelectric element is changed in accordance with the propagation path width of the ultrasonic beam for stably detecting the Karman vortex, the fluid to be measured in which the vortex generator is provided When the diameter of the flow path is small, it is difficult to ensure stable transmission / reception characteristics of the ultrasonic beam, and the piezoelectric element is not shared due to the difference in the diameter of the flow path of the fluid to be measured.
そこで、従来の超音波渦流量計では、被測流体の流路の口径の相違に関わらず、安定した送受信特性の確保が容易な大きな口径に合わせた圧電素子を使用し、特開平11−271113号公報に記載されているような超音波受信器構造の渦検出センサを採用することによって、カルマン渦を安定して検出するための超音波ビーム幅(伝播経路幅、同公報記載の超音波渦流量計では、受信ビーム幅が対応)を制御している。 Therefore, a conventional ultrasonic vortex flowmeter uses a piezoelectric element having a large diameter that can easily ensure stable transmission / reception characteristics regardless of the difference in the diameter of the flow path of the fluid to be measured. The ultrasonic beam width (propagation path width, ultrasonic vortex described in the publication) for stably detecting Karman vortices by adopting the vortex detection sensor of the ultrasonic receiver structure as described in the publication The flowmeter controls the receiving beam width).
図4は、この従来の超音波渦流量計の横断面である。 FIG. 4 is a cross section of this conventional ultrasonic vortex flowmeter.
図4において、超音波渦流量計18は、被測流体(流れ方向を太矢印で示す)が流れる配管2に対して接続可能に設けられたハウジング3と、ハウジング3に形成された流路4を横切るようにして設けられた渦発生体5と、被測流体の流れによって渦発生体5の後流に生じるカルマン渦Kの発生領域Eを挟んで渦発生体5と直交するように、互いに対向させてハウジング3の流路壁に設けられた一対の超音波送受信器6,7とを備えて構成されている。
In FIG. 4, an
超音波送受信器6,7はそれぞれ、圧電素子6a,7aが、ハウジング3の外周部に設けられた取付穴8,9内に挿入され、ハウジング3に螺着、溶着または接着等によって固定される蓋部材10によりシリコンゴム等の弾性体11を介して押圧されて、振動板6b,7bを形成する管壁に接着剤またはグリース等の音響接合剤12を介して密着固定(接合)された構成になっている。
In the
その上で、超音波受信器7の圧電素子7aの取付穴9の底部(振動板7b)の中央部には、圧電素子7aの超音波受信面(振動面)よりも被測流体の流れ方向に沿った方向の幅W1が小さな接合部19が突出され、この接合部19には圧電素子7aの超音波受信面が音響接合剤12を介して接合されている。この接合部19は、流路4内の流体中を伝播して受信側の振動板7bに到達した超音波を、圧電素子7aの超音波受信面に伝達するための音響伝達経路を形成する。
In addition, the flow direction of the fluid to be measured is higher than the ultrasonic wave receiving surface (vibrating surface) of the
この場合、被測流体の流れ方向に沿った方向の接合部19の幅W1は、渦発生体5の幅dによって決定されるカルマン渦KのピッチPに基づいて、その幅W1(被測流体の流れ方向に沿った寸法)が渦ピッチPの1/2よりも小さくなるようにしてある(W1<P/2)。具体的には、渦発生体5の幅dと渦ピッチPとの関係(一般に、P/2=(1/0.56)d、又はP/2=1.6d〜1.8d程度)に基づいて、例えば、渦発生体5の幅dに対してW1<1.6d〜1.8d、望ましくはW1≦(1/0.56)dの関係になっている。 このように構成された接合部19は、渦発生体5の後流に生成されるカルマン渦Kの1つによって変調された超音波を、次のようにして受信する。
In this case, the width W1 of the
まず、超音波送信器6の圧電素子6aから発信された超音波は、所定の送信ビーム幅Tの指向性(広がり)をもって被測流体中を伝播し、カルマン渦Kによって変調されて受信側の振動板7bに到達する。そして、到達した超音波は、接合部19によって形成される音響伝達路及び音響接合剤12を介して、圧電素子7aによって受信される。
First, the ultrasonic wave transmitted from the
このとき、受信側の振動板7bには、圧電素子7aの超音波受信面と振動板7bとの間に接合部19によって空間Sが形成されているので、到達した超音波の伝達経路を接合部19の幅W1に限定して、圧電素子7aの受信ビーム幅R1をカルマン渦のピッチPの1/2よりも小さい接合部19の幅W1に限定できる。
At this time, since the space S is formed by the
この結果、微小流量の計測のため、管路4の小径化にともなって渦発生体5の幅dが小さくなり、カルマン渦KのピッチPが小さくなった場合でも、渦発生体5の幅dによって決定される渦ピッチPに応じて接合部19の幅W1を充分小さく設定することにより、超音波受信器7の圧電素子7aの寸法を小さくすることなく、所望の超音波の受信ビーム幅R1を得ることができ、単一のカルマン渦Kによる変調を連続的に受けた超音波を受信して流量の計測精度を高めることができるようになっている。
As a result, even when the width d of the
上述した従来構成の超音波渦流量計18では、圧電素子7aは、ハウジング3の取付穴9に嵌合可能な嵌め合い寸法の外周部を有するリテーナ20の端面に形成された凹部にその背部を当接させ、リテーナ20に嵌合された状態でハウジング3の取付穴9内にリテーナ20と一体で収容配置される。その上で、圧電素子7aは、ハウジング3に螺着、溶着又は接着等によって固定される蓋部材10によって、シリコンゴム等の弾性体11を介してリテーナ20とともに取付穴9の軸方向に接合部19側に押圧されることによって、流路4に対する平行度が確保される構成になっている。
In the
しかしながら、上述した従来構成の超音波渦流量計18では、圧電素子7aはハウジング3の取付穴9内にリテーナ20と一体で収容配置されるため、超音波送受信器6,7を収容したハウジング部分が肉厚になって、その流路面積に比して超音波渦流量計18のハウジング3が大きくなってしまう。そのため、ハウジング3と渦発生体5や取付穴9といったセンサ部を成型で一体的に構成する場合には、不向きであるという問題点があった。
However, in the
また、圧電素子7aの流路4に対する平行度をリテーナ20によって確保する一方で、蓋部材10によって、リテーナ20を介在させ、圧電素子7aの受信面(振動面)中央部を振動板7bの接合部19に対して押圧当接させる構成を採用している。そのため、流路の口径が小さな微小流量計測用の超音波渦流量計に適用した場合は、渦ピッチPが2〜3mmになり、安定して渦を検出できる超音波の受信ビーム幅R1が1mm程度になってしまって接合部19の幅W1も狭くなるため、リテーナ20の取付穴9に対する取付精度(嵌合精度)等といったその組み立てにおける僅かな個体差によって、圧電素子7aの固定が流量計相互間で不安定になり、超音波ビームの透過特性にばらつきが生じる等の問題点があった。
In addition, while the
本発明は上述した問題点を鑑みなされたものであって、圧電素子を安定に固定しながらカルマン渦を安定して検出するための超音波ビームの伝播経路幅(超音波ビームの受信ビーム幅R1)を流量計相互間のばらつきを抑えて制御することができ、その組み立ても容易な超音波渦流量計を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and is a propagation path width of an ultrasonic beam for stably detecting a Karman vortex while stably fixing a piezoelectric element (received beam width R1 of an ultrasonic beam). It is an object to provide an ultrasonic vortex flowmeter that can be controlled with less variation between flowmeters and can be easily assembled.
本発明の超音波渦流量計は、上述した課題を解決するために、被測流体が流れる流路内に渦発生体を設け、この渦発生体の下流側流路のカルマン渦の発生領域には、少なくとも一対の超音波送信器及び超音波受信器を互いに流路を挟んで対向させて設け、この少なくとも一対の超音波送信器及び超音波受信器によって検出されるカルマン渦の発生周期に基づいて被測流体の流量を計測する超音波渦流量計であって、その少なくとも一対の超音波送信器及び超音波受信器は、圧電素子と、この圧電素子の圧電面と圧電面に対向する流路内壁面との間で超音波を伝播する伝播部とをそれぞれ有し、さらにこの一対の超音波送信器及び超音波受信器の中の少なくとも一方の伝播部には、被測流体の流れ方向に沿って音響インピーダンスの異なる部位を形成して、超音波の伝播部における被測流体の流れ方向に沿った伝播経路幅を、圧電素子の圧電面の被測流体の流れ方向に沿った面幅に比して狭小に規制してなり、かつその圧電素子の圧電面は、被測流体の流れ方向にその両端側と中間部とが少なくとも前記伝播部に接合されて支持されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the ultrasonic vortex flowmeter of the present invention is provided with a vortex generator in a flow path through which a fluid to be measured flows, and in a Karman vortex generation region in a downstream flow path of the vortex generator. Is based on the generation period of Karman vortices detected by at least a pair of ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers, facing each other across the flow path. An ultrasonic vortex flowmeter for measuring a flow rate of a fluid to be measured, wherein at least a pair of the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver includes a piezoelectric element, a piezoelectric surface of the piezoelectric element, and a flow opposite to the piezoelectric surface. Each of the pair of ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers includes at least one of the pair of ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers. Different parts of acoustic impedance along The propagation path width along the flow direction of the fluid to be measured in the ultrasonic wave propagation part is restricted to be narrower than the surface width along the flow direction of the fluid to be measured on the piezoelectric surface of the piezoelectric element. Further, the piezoelectric surface of the piezoelectric element is characterized in that both end sides and an intermediate portion thereof are supported by being bonded to at least the propagation portion in the flow direction of the fluid to be measured.
その上で、伝播部は、流路を形成する流路管の互いに対向する管壁部によって構成され、音響インピーダンスの異なる部位は、当該管壁部内に形成された空隙部、又は当該管壁部の外周面に形成された溝部によって構成されていることを特徴とする。 In addition, the propagation part is configured by mutually opposing tube wall portions of the flow channel tube forming the flow channel, and the portion having different acoustic impedance is the gap formed in the tube wall portion or the tube wall portion. It is comprised by the groove part formed in the outer peripheral surface of this.
また、伝播部は、流路を形成する流路管と、この流路管の互いに対向する管壁部の外周面に接合されて圧電素子の圧電面を支持する圧電素子支持部材とによって構成され、音響インピーダンスの異なる部位は、当該圧電素子支持部材に形成された空隙部、又は当該圧電素子支持部材の接合面に形成された溝部によって構成されていることを特徴とする。 The propagation part is configured by a flow path tube that forms a flow path, and a piezoelectric element support member that is bonded to the outer peripheral surface of the pipe wall portion facing each other and supports the piezoelectric surface of the piezoelectric element. The parts having different acoustic impedances are constituted by gaps formed in the piezoelectric element support member or grooves formed on the bonding surface of the piezoelectric element support member.
本発明の超音波渦流量計によれば、圧電素子の圧電面は被測流体の流れ方向に沿ってその両端側及び中間部において伝播部に接合されて構成されているから、渦発生体が設けられた流路の口径の相違に関わらず、圧電素子を伝播部に安定させて固定することができる。 According to the ultrasonic vortex flowmeter of the present invention, the piezoelectric surface of the piezoelectric element is configured to be joined to the propagation part at both end sides and the intermediate part along the flow direction of the fluid to be measured. Regardless of the difference in the diameter of the flow path provided, the piezoelectric element can be stably fixed to the propagation part.
さらに、この伝播部には、被測流体の流れ方向に沿って音響インピーダンスの異なる部位を形成して、超音波の伝播部における被測流体の流れ方向に沿った伝播経路幅を、圧電素子の圧電面の被測流体の流れ方向に沿った面幅に比して狭小に規制してなるから、被測流体中を伝播する又は伝播してきた超音波の伝播経路幅を、圧電素子の圧電面の被測流体の流れ方向に沿った面幅によらずに、渦発生体が設けられた流路の口径の相違に応じて適確かつ容易に制御することができ、その組み立ても容易になる。 Further, in this propagation part, a part having different acoustic impedance is formed along the flow direction of the fluid to be measured, and the propagation path width along the flow direction of the fluid to be measured in the propagation part of the ultrasonic wave is determined by the piezoelectric element. Since the piezoelectric surface is restricted to be narrower than the surface width along the flow direction of the fluid to be measured, the propagation path width of the ultrasonic wave propagating through the fluid to be measured or the propagation of the ultrasonic wave is determined by the piezoelectric surface of the piezoelectric element. Regardless of the surface width along the flow direction of the fluid to be measured, it can be accurately and easily controlled according to the difference in the diameter of the flow path provided with the vortex generator, and its assembly is also facilitated. .
さらにまた、本発明の超音波渦流量計によれば、上述のように圧電素子を安定に固定しながら被測流体中を伝播する又は伝播してきた超音波の伝播経路幅を制御することができるので、一対の超音波送信器及び超音波受信器を備えて構成される渦検出センサの送受信特性に関して、流量計相互間のばらつきを低減できるとともに、渦発生体が設けられた流路の口径の相違する流量計同士についても、それぞれの圧電素子を共通化することができる。 Furthermore, according to the ultrasonic vortex flowmeter of the present invention, it is possible to control the propagation path width of the ultrasonic wave that propagates or propagates in the measured fluid while stably fixing the piezoelectric element as described above. Therefore, regarding the transmission / reception characteristics of the vortex detection sensor configured to include a pair of ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers, variation between flow meters can be reduced, and the diameter of the flow path provided with the vortex generator can be reduced. The piezoelectric elements can be shared by different flow meters.
本発明の超音波渦流量計の実施の形態について、図面に基づき説明する。なお、その説明にあたって、図4に示した従来の超音波渦流量計18の構成と同一又は同様な構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
Embodiments of the ultrasonic vortex flowmeter of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description, the same or similar components as those of the conventional
図1は、本発明の第一の実施の形態の超音波渦流量計の構成図である。図1において、
図1(a)は、本実施の形態の超音波渦流量計の横断面を示し、図1(b)は、本実施の形態の超音波渦流量計に関して、図1(a)中に記載したB−B矢視方向の縦断面図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of the ultrasonic vortex flowmeter according to the first embodiment of the present invention. In FIG.
FIG. 1A shows a transverse section of the ultrasonic vortex flowmeter of the present embodiment, and FIG. 1B shows the ultrasonic vortex flowmeter of the present embodiment in FIG. 1A. It is the longitudinal cross-sectional view of the BB arrow direction.
図1に示すように、本実施の形態の超音波渦流量計1-1の流路4を構成するハウジング3は、両端に流入口及び流出口が形成されたフランジ部の形成された円筒の配管部材30によって構成されている。そして、ハウジング3を構成する配管部材30の外周面には、流路4内に配置された渦発生体5の立設方向と平行な面を有する圧電素子固定面31,32が、渦発生体5を中心とする対称位置に形成されている。図示の例では、圧電素子固定面31,32は、円筒の配管部材30の断面円環状の管壁部の一部を、渦発生体5の立設方向と平行な弦方向に沿って除去するようにして形成されている。そして、圧電素子固定面31,32が形成された部分の配管部材30の管壁部分33,34は、その流路径方向の肉厚が他の外周部分に対して薄肉に形成されており、伝播部を構成するようになっている。
As shown in FIG. 1, the
さらに、本実施の形態の場合、外周に圧電素子固定面31,32が形成された管壁部分33,34には、渦発生体5の立設方向と平行に延びる2つの貫通孔35・36,37・38が、流路4の延設方向に沿って並んで形成されている。そして、貫通孔35と貫通孔36との流路4の延設方向に沿った設置間隔W11、及び貫通孔37と貫通孔38との流路4の延設方向に沿った設置間隔W12は、それぞれカルマン渦のピッチPの1/2よりも小さい間隔になっている。その上で、流路4の延設方向に沿った貫通孔35と貫通孔36との間の管壁部分39と、貫通孔37と貫通孔38との間の管壁部分40とは、流路中心軸を中心にして対称関係を有し、流路4の延設方向に関して渦発生体5の下流側に位置するように配置されている。
Further, in the case of the present embodiment, two through
この一対の2つの貫通孔35・36,37・38により、外周に圧電素子固定面31,32が形成された管壁部分(伝播部)33,34には、空隙部がそれぞれ形成される。また、貫通孔35と貫通孔36との間の管壁部分39、及び貫通孔37と貫通孔38との間の管壁部分40が、外周に圧電素子固定面31,32が形成された管壁部分(伝播部)33,34における、超音波の被測流体の流れ方向に沿った伝播経路幅を規制する伝播制限部を形成する。
By the pair of two through
これに対して、圧電素子6a,7aは、前述した圧電素子固定面31,32には、圧電素子6a,7aが、貫通孔35・36,37・38及び管壁部分39,40と流路4の径方向に重なるようにして、それぞれ音響接合剤12を介して音響的に密着接合されている。その際、圧電素子6a,7aは、超音波の振動が貫通孔(空隙部分)35・36を介する以外は、専ら残余中間部(伝播制限部)45,46を介して伝播するように、圧電素子6a,7aの流路4の延設方向に沿った両端が、2つの貫通孔(空隙部分)35・36の両端,又は2つの貫通孔(空隙部分)37・38の両端から、それぞれ流路4の延設方向にはみ出さないようになっている。圧電素子6aは、図示省略した駆動回路に接続されて励振され、上述した空隙部及び伝播制限部が形成された管壁部分(伝播部)33と一体になって超音波送信器6を構成する。また、圧電素子7aは、図示省略した位相比較回路等を有する渦検出回路に接続され、上述した空隙部及び伝播制限部が形成された管壁部分(伝播部)34と一体になって超音波受信器7を構成する。そして、管壁部分(伝播部)33の内壁面が、超音波送信器6の振動板6bになり、管壁部分(伝播部)34の内壁面が、超音波受信器7の振動板7bになる。
On the other hand, in the
次にこのように構成された本実施の形態の超音波渦流量計1-1の作用について説明する。 Next, the operation of the ultrasonic vortex flow meter 1-1 of the present embodiment configured as described above will be described.
超音波を生成する超音波送信器6の圧電素子6aが励振されると、その振動(超音波振動)は、圧電素子6aの圧電面から、音響接合剤12を介して圧電素子6aの圧電面と音響的に密着接合されている圧電素子固定面31を介して、ハウジング3の管壁部分(伝播部)33に伝播する。この圧電素子固定面31に伝播された超音波は、管壁部分(伝播部)33を、圧電素子固定面31側から流路4の内壁面側へ向けて伝播される。
When the
その際、超音波は、密度と音速の積で表現される音響インピーダンスの異なる媒体への伝播時には大きな減衰と反射が起こることから、管壁部分(伝播部)33の貫通孔(空隙部分)35,36部分を伝播する超音波は、同じく管壁部分(伝播部)33における管壁部分(伝播制限部)39を伝播する超音波に比べて,非常に小さい音圧でしか伝播しない。そのため、管壁部分(伝播部)33に形成された貫通孔(空隙部分)35,36部分、及び両貫通孔(空隙部分)35,36の間の管壁部分(伝播制限部)39は、管壁部分(伝播部)33の圧電素子固定面31側から流路4の内壁面側へ向けて伝播する超音波のビーム幅R1を絞る効果がある。これにより、管壁部分(伝播部)33における流路4の内壁面からは、流路4の延設方向に沿って音圧レベルが異なった状態で超音波が流路4中の被測流体に対して伝播されることになる。
At that time, since the ultrasonic wave is greatly attenuated and reflected when propagating to a medium having different acoustic impedance expressed by the product of density and sound velocity, the through-hole (gap part) 35 of the tube wall part (propagation part) 33 is generated. , 36 propagates only with a very small sound pressure as compared with the ultrasonic wave propagating through the tube wall portion (propagation limiting portion) 39 in the tube wall portion (propagation portion) 33. Therefore, the through-hole (gap part) 35 and 36 part formed in the pipe wall part (propagation part) 33, and the pipe wall part (propagation restriction part) 39 between both through-holes (gap part) 35 and 36 are: There is an effect of narrowing the beam width R1 of the ultrasonic wave propagating from the piezoelectric
そして、管壁部分(伝播部)33における流路4の内壁面から被測流体中に伝播した超音波は、渦発生体5の下流側に被測流体の流れにより交番発生するカルマン渦による変調を受けて、対向する管壁部分(伝播部)34における流路4の内壁面に伝播する。
The ultrasonic wave propagated into the measured fluid from the inner wall surface of the
この管壁部分(伝播部)34においても、被測流体から伝播された超音波は、流路4の内壁面から圧電素子固定面31側へ向けて伝播される。
Also in the tube wall portion (propagating portion) 34, the ultrasonic wave propagated from the fluid to be measured is propagated from the inner wall surface of the
しかし、この場合も、管壁部分(伝播部)33の伝播の場合と同様に、流路4の内壁面から圧電素子固定面32側へ向けて伝播される超音波は、貫通孔(空隙部分)37,38部分に差し掛かると、減衰と反射により遮られる。これにより、管壁部分(伝播部)34の圧電素子固定面32から音響接合剤12を介して受信側の圧電素子7aの圧電面に伝達される超音波は、管壁部分(伝播部)34における管壁部分(伝播制限部)40を伝播した超音波だけとなる。
However, in this case as well, as in the case of propagation through the tube wall portion (propagation portion) 33, the ultrasonic wave propagated from the inner wall surface of the
そして、圧電素子7aに伝播される超音波による振動は、電気信号に変換されて図示省略した位相比較回路等を有する渦検出回路に供給される。
And the vibration by the ultrasonic wave propagated to the
したがって、本実施の形態の超音波渦流量計1-1によれば、圧電素子6aと空隙部並びに伝播制限部が形成された管壁部分(伝播部)33とで構成される超音波送信器6、圧電素子7aと空隙部並びに伝播制限部が形成された管壁部分(伝播部)34とで構成される超音波受信器7とによって、結果として強い指向性を持った超音波の送受信が、貫通孔35と貫通孔36との流路4の延設方向に沿った設置間隔W11、及び貫通孔37と貫通孔38との流路4の延設方向に沿った設置間隔W12に対応した狭いビーム幅R1で実現できる。これにより、渦ピッチPに対して十分狭いビーム幅R1での超音波の送受信が可能になる。
Therefore, according to the ultrasonic vortex flowmeter 1-1 of the present embodiment, an ultrasonic transmitter including the
さらに、本実施の形態の超音波渦流量計1-1によれば、管壁部分(伝播部)33,34に、渦発生体5の立設方向と平行に延びる2つの貫通孔35・36,37・38を、流路4の延設方向に沿って並んで形成しておくだけの構成なので、ハウジング3を成形する際に一体的に貫通孔35,36,37,38を成形したり、又は成形したハウジング3に貫通孔35,36,37,38を穴開け加工するだけで容易に製造することができる。また、圧電素子6a,7aの固定作業も、本実施の形態の超音波渦流量計1-1の場合は、ハウジング3に形成された平坦な圧電素子固定面31,32に音響接合剤12等を用いて音響的に密着接合するだけなので、従来のようにリテーナ20や蓋部材10を用いて圧電素子6a,7aを見えない状態で取付穴8,9内に安定に固定化する必要もない。これにより、圧電素子6a,7aの固定が流量計相互間で不安定になり、超音波ビームの透過特性にばらつきが生じるのを抑制することができ、その組み立ても容易になる。
Furthermore, according to the ultrasonic vortex flowmeter 1-1 of the present embodiment, the two through
次に、本発明の第二の実施の形態の超音波渦流量計1-2について、図2に基づいて説明する。 Next, an ultrasonic vortex flowmeter 1-2 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図2は、本発明の第二の実施の形態の超音波渦流量計の構成図である。図2において、
図2(a)は、本実施の形態の超音波渦流量計の横断面を示し、図2(b)は、本実施の形態の超音波渦流量計に関して、図2(a)中に記載したB−B矢視方向の縦断面図である。
FIG. 2 is a configuration diagram of the ultrasonic vortex flowmeter according to the second embodiment of the present invention. In FIG.
FIG. 2A shows a cross section of the ultrasonic vortex flowmeter of the present embodiment, and FIG. 2B describes the ultrasonic vortex flowmeter of the present embodiment in FIG. It is the longitudinal cross-sectional view of the BB arrow direction.
本実施の形態の超音波渦流量計1-2は、前述の第一の実施の形態の超音波渦流量計1-1ではハウジング3に直接形成した渦発生体5の立設方向と平行に延びる2つの貫通孔(空隙部分)35・36,37・38、及び両者間の管壁部分(伝播制限部)39,40を、ハウジング3とは別体に、圧電素子固定面31,32に取り付け固定される圧電素子31,32の圧電素子基台51,52によって形成したものである。
The ultrasonic vortex flowmeter 1-2 of the present embodiment is parallel to the standing direction of the
圧電素子基台51,52は、圧電素子6a,7aが音響接合剤12等を用いて接合固定される面側とは反対側のハウジング固定面53,54に、ハウジング3の圧電素子固定面31,32に取り付けられた状態で、渦発生体5の立設方向とそれぞれの延設方向が同じ(平行)になるように、2つの溝部55・56,57・58が、流路4の延設方向に沿って間隔を置いて並ぶように形成されている。各圧電素子基台51,52において、2つの溝部55・56,57・58間のハウジング固定面53,54における残余中間部59,60は、カルマン渦のピッチPの1/2よりも小さい幅W11,W12を有するようになっている。
The piezoelectric element bases 51 and 52 are arranged on the housing fixing surfaces 53 and 54 on the opposite side to the surface on which the
このように構成された本実施の形態の超音波渦流量計1-2によれば、各圧電素子基台51,52のハウジング固定面53,54側を、残余中間部59,60同士が流路中心軸を中心にして対称関係になり、流路4の延設方向に関して渦発生体5の下流側に位置するようにして、ハウジング3の圧電素子固定面31,32に接合固定することによって、2つの溝部55・56,57・58は前述した第一の実施の形態の超音波渦流量計1-1における2つの貫通孔(空隙部分)35・36,37・38として、また残余中間部59,60は同じく管壁部分(伝播制限部)39,40として機能するようになる。
According to the ultrasonic vortex flowmeter 1-2 of the present embodiment configured as described above, the remaining
この結果、本実施の形態の超音波渦流量計1-2によっても、前述した第一の実施の形態の超音波渦流量計1-1の場合と同様な作用・効果を奏することができる。 As a result, the ultrasonic vortex flow meter 1-2 according to the present embodiment can provide the same operations and effects as those of the ultrasonic vortex flow meter 1-1 according to the first embodiment described above.
次に、本発明の第三の実施の形態の超音波渦流量計1-3について、図3に基づいて説明する。 Next, an ultrasonic vortex flow meter 1-3 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図3は、本発明の第三の実施の形態の超音波渦流量計の構成図である。図3において、
図3(a)は、本実施の形態の超音波渦流量計の横断面を示し、図3(b)は、本実施の形態の超音波渦流量計に関して、図3(a)中に記載したB−B矢視方向の縦断面図である。
FIG. 3 is a configuration diagram of an ultrasonic vortex flowmeter according to the third embodiment of the present invention. In FIG.
FIG. 3A shows a transverse section of the ultrasonic vortex flowmeter of the present embodiment, and FIG. 3B describes the ultrasonic vortex flowmeter of the present embodiment in FIG. It is the longitudinal cross-sectional view of the BB arrow direction.
本実施の形態の超音波渦流量計1-3は、前述の第一の実施の形態の超音波渦流量計1-1ではハウジング3に直接形成した渦発生体5の立設方向と平行に延びる2つの貫通孔(空隙部分)35・36,37・38、及び両者間の管壁部分(伝播制限部)39,40を、ハウジング3の圧電素子固定面31,32に形成された2つの溝部41・42,43・44と圧電素子6a,7aとを用いて構成している。この2つの溝部41・42,43・44は、圧電素子固定面31,32に、渦発生体5の立設方向とそれぞれの延設方向が同じ(平行)になるように、流路4の延設方向に沿って間隔を置いて並ぶように設けられている。そして、2つの溝部41・42,43・44間の圧電素子固定面31,32における残余中間部45,46は、カルマン渦のピッチPの1/2よりも小さい幅W11,W12を有するようになっている。
The ultrasonic vortex flow meter 1-3 of the present embodiment is parallel to the standing direction of the
このように構成された本実施の形態の超音波渦流量計1-3によれば、ハウジング3の溝部41・42,43・44以外の残余の圧電素子固定面31,32に、圧電素子6a,7aを薄板状の架橋部材47,48を介して間接的に接合固定することによって、2つの溝部41・42,43・44は前述した第一の実施の形態の超音波渦流量計1-1における2つの貫通孔(空隙部分)35・36,37・38として、また残余中間部45,46は同じく管壁部分(伝播制限部)39,40として機能するようになる。
According to the ultrasonic vortex flowmeter 1-3 of the present embodiment configured as described above, the
なお、本実施の形態において、圧電素子6a,7aを架橋部材47,48を介して圧電素子固定面31,32に間接的に接合固定するようにしたのは、圧電素子6a,7aの流路4の延設方向に沿った両端が、第一,第二の実施の超音波渦流量計1-1,1-2と同様に2つの貫通孔(空隙部分)35・36の両端,又は2つの貫通孔(空隙部分)37・38の両端から、それぞれ流路4の延設方向にはみ出さないようにして、圧電素子6a,7aの圧電素子固定面31,32に対する取り付けの安定化をはかるとともに、超音波の振動が貫通孔(空隙部分)35・36を介する以外は、専ら残余中間部(伝播制限部)45,46を介して伝播するようにしたためである。
In the present embodiment, the
この結果、本実施の形態の超音波渦流量計1-3によっても、前述した第一,第二の実施の形態の超音波渦流量計1-1,1-2の場合と同様な作用・効果を奏することができる。 As a result, the ultrasonic vortex flowmeter 1-3 of the present embodiment also has the same effect as the ultrasonic vortex flowmeters 1-1 and 1-2 of the first and second embodiments described above. There is an effect.
以上説明したように、本発明の実施の形態の超音波渦流量計1は構成されるが、本発明の超音波渦流量計の実施の形態は、上述した構成に限られるものではない。 As described above, the ultrasonic vortex flowmeter 1 of the embodiment of the present invention is configured, but the embodiment of the ultrasonic vortex flowmeter of the present invention is not limited to the above-described configuration.
例えば、上述した超音波渦流量計1-1,1-2,1-3では、いずれも送受信のために超音波送信器6側の伝播部及び超音波受信器7側の伝播部両方に、空隙部及び伝播制限部を形成するように構成したが、ビーム幅R1の狭い超音波を受信するためには、超音波送信器6側又は超音波受信器7側いずれか一方の伝播部にのみに空隙部及び伝播制限部を構成するだけでよく、上述した超音波渦流量計1-1,1-2,1-3においても、超音波送信器6側又は超音波受信器7側いずれか一方の伝播部の空隙部及び伝播制限部を省略することも可能である。
For example, in the ultrasonic vortex flowmeters 1-1, 1-2, and 1-3 described above, both of the propagation unit on the
また、上述した超音波渦流量計1-1,1-2,1-3では、超音波送信器6及び超音波受信器7を一対だけ設けた超音波渦流量計を例に説明したが、本発明は、超音波送信器6及び超音波受信器7を複数対設けた超音波渦流量計にも適用可能である。
In the above-described ultrasonic vortex flowmeters 1-1, 1-2, and 1-3, the ultrasonic vortex flowmeter provided with only one pair of the
1-1,1-2,1-3 超音波渦流量計
4 流路
5 渦発生体
6 超音波送信器
7 超音波受信器
6a,7a 圧電素子
6b,7b 振動板
19 接合部
30 配管部材
31,32 圧電素子固定面
33,34 管壁部分(伝播部)
35・36,37・38 貫通孔(空隙部)
39,40 管壁部分(伝播制限部)
41,42,43,44 溝部(空隙部)
45,46 残余中間部
47,48 架橋部材
51,52 圧電素子基台
53,54 ハウジング固定面
55,56,57,58 溝部(空隙部)
59,60 残余中間部(伝播制限部)
K カルマン渦
1-1, 1-2, 1-3
35/36, 37/38 Through hole (void)
39, 40 Tube wall part (propagation limiting part)
41, 42, 43, 44 Groove (gap)
45, 46 Remaining intermediate portion 47, 48
59,60 Remaining middle part (propagation restriction part)
K Karman vortex
Claims (3)
該渦発生体の下流側流路のカルマン渦の発生領域には、少なくとも一対の超音波送信器及び超音波受信器を互いに流路を挟んで対向させて設け、
前記少なくとも一対の超音波送信器及び超音波受信器によって検出されるカルマン渦の発生周期に基づいて被測流体の流量を計測する超音波渦流量計であって、
前記少なくとも一対の超音波送信器及び超音波受信器は、圧電素子と、該圧電素子の圧電面と該圧電面に対向する流路内壁面との間で超音波を伝播する伝播部とをそれぞれ有し、
前記一対の超音波送信器及び超音波受信器の中の少なくとも一方の前記伝播部には、被測流体の流れ方向に沿って音響インピーダンスの異なる部位を形成して、超音波の前記伝播部における被測流体の流れ方向に沿った伝播経路幅を、前記圧電素子の圧電面の被測流体の流れ方向に沿った面幅に比して狭小に規制してなり、
かつ前記圧電素子の圧電面は、被測流体の流れ方向にその両端側と中間部とが少なくとも前記伝播部に接合されて支持されている
ことを特徴とする超音波渦流量計。 A vortex generator is provided in the flow path through which the fluid to be measured flows.
In the Karman vortex generation region of the downstream flow path of the vortex generator, at least a pair of ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers are provided facing each other across the flow path,
An ultrasonic vortex flowmeter that measures a flow rate of a fluid to be measured based on a Karman vortex generation period detected by the at least one pair of ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver,
The at least a pair of ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers each include a piezoelectric element and a propagation unit that propagates ultrasonic waves between the piezoelectric surface of the piezoelectric element and the inner wall surface of the flow channel facing the piezoelectric surface. Have
In the propagation part of at least one of the pair of ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers, a part having different acoustic impedance is formed along the flow direction of the fluid to be measured, and the ultrasonic wave in the propagation part The propagation path width along the flow direction of the measured fluid is restricted to be narrower than the width of the piezoelectric surface of the piezoelectric element along the flow direction of the measured fluid,
The piezoelectric vortex flowmeter is characterized in that the piezoelectric surface of the piezoelectric element is supported with at least both ends and an intermediate part thereof joined to the propagation part in the flow direction of the fluid to be measured.
ことを特徴とする請求項1記載の超音波渦流量計。 The propagation part is configured by mutually opposing tube wall portions of a flow channel tube that forms a flow channel, and the portion having a different acoustic impedance is a void formed in the tube wall portion, or an outer periphery of the tube wall portion The ultrasonic vortex flowmeter according to claim 1, wherein the ultrasonic vortex flowmeter is constituted by a groove formed on the surface.
ことを特徴とする請求項1記載の超音波渦流量計。 The propagation part is joined to the outer peripheral surface of the pipe wall part of the flow path pipe that forms the flow path and the pipe wall part of the flow path pipe facing each other, and supports the piezoelectric surface of the piezoelectric element. The part having different acoustic impedance is constituted by a gap formed in the piezoelectric element support member, or a groove formed in the bonding surface of the piezoelectric element support member. Item 2. The ultrasonic vortex flowmeter according to Item 1.
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