JP2014095581A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】量産性に優れ、高精度の流量計測可能な超音波流量計を提供する。
【解決手段】被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路３と、金属板９ａと、金属板９ａの一方の面に固定した音響整合体９ｃと他方の面に固定した圧電体９ｂとを有した超音波送受波器５，６と、音響整合体９ｃ及びその周囲を除いて金属板９ａを覆うように形成した絶縁性制振部材１１と、流路３に設けられた超音波送受波器５，６の取付部３ｂと、超音波送受波器５，６を取付部３ｂに固定する固定部材１３と、を備え、固定部材１３は、超音波送受波器５，６の押え部１８と、Ｌ字状に延出された延出部１２とを有し、延出部１２の先端に設けたつめ部１５を、取付部３ｂに設けた穴部に係合して超音波送受波器５，６を取付部３ｂに固定し、筐体伝搬を低減する。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体中に超音波を送信、または、流体中を伝搬する超音波を受信するための超音波送受波器を用いる超音波流量計に関する。

従来この種の超音波流量計に用いる超音波送受波器は、例えば図４に示すように、天部６０、側壁部６１、この側壁部６１より外側に延びる支持部６２を有する有天筒状のケース６３と、天部６０の内壁面に固定した圧電体６４と、側壁部６１の外周に被着、密着してこの側壁部６１の振動を抑制する制振体６５と、支持部６２を保持する保持部６６を有し、ケース６３を防振的に取付部に取付ける振動伝達抑止体６７とを備えた超音波送受波器６８であって、制振体と振動伝達抑止体６７の保持部６６とを一体に形成している。そして、超音波送受波器６８は、流路６９にセンサ押え７０を振動伝達抑止体６７に押し当ててビス７１で固定されている。

特開２００１−１５９５５１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、超音波流量計に用いる場合、振動伝達抑止体６７と超音波送受波器６８とは別部品とし、超音波送受波器６８に振動伝達抑止体６７を密着するように取り付ける必要があり、柔軟な振動伝達抑止体６７を取り付けるには一定の時間を要し、量産性に課題があった。

また、振動伝達抑止体６７の取り付けばらつきによって、本来機能を果たすべき振動伝達抑止体６７が充分に機能せず、流量計測時の計測ノイズとなる残響ノイズ、および振動を流路に伝えてしまい、筐体伝搬ノイズが増大し、流量計測精度の低下が起こることもあった。

そして、流路６９への取り付けにおいて、ビス７１の締め付けトルクのばらつきにより、超音波送受波器６８の振動を流路６９に伝えてしまうことで、筐体伝搬のノイズが増大し、流量計測精度の低下する可能性があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、超音波送受波器の量産性を改善し、高精度な流量計測を実現する超音波流量計とすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の超音波流量計は、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、金属板と、前記金属板の一方の面に固定した音響整合体と他方の面に固定した圧電体とを有した超音波送受波器と、前記音響整合体及びその周囲を除いて前記金属板を覆うように形成した絶縁性制振部材と、前記流路に設けられた超音波送受波器の取付部と、前記超音波送受波器を前記取付部に固定する固定部材と、を備え、前記固定部材は、前記超音波送受波器の押え部と、Ｌ字状に延出された延出部とを有し、前記延出部の先端に設けた係合部を、前記取付部に設けた被係合部に係合して前記超音波送受波器を前記取付部に固定したことを特徴とするもので、延出部が、超音波送受波器の振動を直接流路に伝えないようにする減衰部として機能することで、計測時の筐体伝搬を低減
することができ、高精度の流量計測を実現できる。

本発明の超音波流量計は、超音波送受波器を延出部で構成された減衰部で押える構造にすることによって、超音波送受波器の取り付け位置の精度を確保するとともに、超音波送受波器の振動伝搬を減衰させるため、筐体伝搬を抑制でき高精度な流量計測を行うことが出来る。

本発明の実施の形態１における超音波流量計の流れ方向断面図 （ａ）本発明の実施の形態１における超音波送受波器および流路への取り付け構成斜視図、（ｂ）（ａ）のＡＡ’断面図 本発明の実施の形態１における固定部材の断面図 従来の超音波送受波器の取り付け状態を示す図

第１の発明は、被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、金属板と、前記金属板の一方の面に固定した音響整合体と他方の面に固定した圧電体とを有した超音波送受波器と、前記音響整合体及びその周囲を除いて前記金属板を覆うように形成した絶縁性制振部材と、前記流路に設けられた超音波送受波器の取付部と、前記超音波送受波器を前記取付部に固定する固定部材と、を備え、前記固定部材は、前記超音波送受波器の押え部と、Ｌ字状に延出された延出部とを有し、前記延出部の先端に設けた係合部を、前記取付部に設けた被係合部に係合して前記超音波送受波器を前記取付部に固定したことを特徴とするもので、延出部が、超音波送受波器の振動を直接流路に伝わらないようにする減衰部として機能することで、計測時の筐体伝搬を低減することができ、高精度の流量計測を実現できる。

第２の発明は、特に第１の発明において、延出部の固有振動数が、前記超音波送受波器の振動周波数と異なるようにしたものであり、これによって、超音波送受波器の振動が流路側へ伝搬するのを低減させることができるため高精度の流量計測を実現できる。

第３の発明は、特に第１の発明において、前記延出部は、前記超音波送受波器から前記係合部までの長さを前記超音波送受波器の振動周波数に共振しないようにしたことを特徴とするもので、これによって、超音波送受波器の振動が減衰してから流路側へ伝搬するため精度よく流量計測を実現できる。

第４の発明は、特に第１の発明において、前記延出部は、前記超音波送受波器の振動周波数に共振しない材料を用いたことを特徴とするもので、これによって、超音波送受波器の振動が直接流路側へ伝搬しにくくなるため計測精度がよい流量計測を実現できる。

第５の発明は、特に第１の発明において、前記延出部の固有振動数が、前記超音波送受波器の振動周波数から外れる形状にしたことを特徴とするもので、これによって、固定部材は超音波送受波器の振動に共振しにくくなるため、流路への筐体伝搬が低減するため高精度な流量計測を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における超音波流量計の流れ方向断面図を示してい
る。

図１において、流体を一方の開口端１から他方の開口端２へ通す流路３は、被測定流体を通す配管であり、この流路３に対して、斜めに超音波が送受信するように超音波が伝搬する開口部４が設けられ、その延長上に、超音波送受波器５，６が対向するように固定されている。

以下、流量計測に関して図１を用いて説明する。

図１において、Ｌ１は、上流側に配置された超音波送受波器５から伝搬する超音波の伝搬経路を示しており、Ｌ２は下流側に配置された超音波送受波器６の超音波の伝搬経路を示している。

ここで、流路３を流れる流体の流速をＶ、流体中を超音波が伝搬する速度をＣ、流体の流れる方向と超音波の伝搬方向のなす角度をθとする。

超音波送受波器５を送信側、超音波送受波器６を受信側として用いたときに、超音波送受波器５から出た超音波パルスが超音波送受波器６に到達する伝搬時間ｔ１は、
ｔ１ ＝ Ｌ ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （１）
で示される。

逆に、超音波送受波器６を送信側、超音波送受波器５を受信側として用いたときに、超音波送受波器６から出た超音波パルスが超音波送受波器５に到達する伝搬時間ｔ２は、
ｔ２ ＝ Ｌ ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） （２）
で示される。

そして、（１）と（２）の式から流体の音速Ｃを消去すると、
Ｖ ＝ Ｌ ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２） （３）
の式が得られる。

従って、Ｌとθが既知なら、超音波伝搬時間計測回路７によってｔ１、ｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。必要に応じて、この流速Ｖに流路３の断面積Ｓと補正係数Ｋを乗じれば、流量Ｑを求めることができる。演算手段８は、このＱ＝ＫＳＶを演算するものである。

次に、本願の特徴である超音波送受波器５，６の流路３への取り付け構成及び、超音波送受波器５，６の構造に関して詳細に説明する。

図２（ａ）は、本実施の形態における流路へ取り付けた超音波送受波器の斜視図、（ｂ）は、（ａ）のＡＡ’断面図を示している。

図２において、超音波送受波器５は、音響整合体９ｃと金属板９ａとが接着剤で接着され、金属板９ａの他方の面に圧電体９ｂが接着剤や導電ペーストで接着されている。リード線１０は、圧電体９ｂの接着されていない方の電極に電気的に接続され、他方の電極には金属板９ａを介して電気的に接続されている。

金属板９ａと圧電体９ｂの電極とは、接合部に接着剤を用いた場合はオーミックコンタクトによって電気的に接続されている。絶縁性制振部材１１は、圧電体９ｂの外周を覆うように形成され、かつ金属板９ａと流路３との当接面だけでなく、圧電体９ｂ取り付け側にも、金属板９ａを覆うように、かつ、一定強度の接着力を与えるように一体的に形成さ
れている。

音響整合体９ｃは、ガラスの中空球体の隙間を熱硬化性樹脂で充填し、硬化した構成で実現することが出来る。あるいは、セラミック多孔体の音波放射面に音響膜を形成した構成でも可能である。音響整合体９ｃはいずれも、λ／４の厚みで調整することで超音波を効率よく被計測流体に伝搬することが出来る。

金属板９ａは、例えば、鉄、ステンレス、黄銅、銅、アルミ、ニッケルめっき鋼板等の金属材料であれば可能である。

圧電体９ｂは、圧電性を示す材料であればどのような材料であっても可能であるが、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等が好適である。圧電体９ｂとリード線１０との接合、および金属板９ａとリード線１０との接合は、半田付け、導電ペースト等で接合可能である。

超音波送受波器５は、流路３の開口部４における流路当接面３ａに絶縁性制振部材１１を介して固定されている。超音波送受波器５の流路３への固定は、固定部材１３によって流路３の開口部４へ圧縮するように取り付ける。超音波送受波器５には、絶縁性制振部材１１が形成されていない、未形成部１４が存在し、金属板９ａが露出している。

固定部材１３は、超音波送受波器５の未形成部１４の金属板９ａを押し当て、流路３に設けられたつめ部１５に、固定部材１３に設けられた穴部１６を引っ掛けることで、超音波送受波器５を固定している。

図３は、本実施の形態における固定部材１３の断面図を示している。

図３において、押え部１８は超音波送受波器５の未形成部１４にある露出した金属板９ａを押し当てる。穴部１６は、固定部材１３の上部から空間部１７を形成するように形成された延出部１２に設けられている。即ち、空間部１７が押え部１８から穴部１６までの間に設けられている。

以上のように構成された超音波送受波器について、以下その動作、作用を説明する。

圧電体９ｂにはリード線１０が電気的に接合されており、このリード線１０を介して、超音波伝搬時間計測回路７より、圧電体９ｂの共振周波数に近い周波数の矩形信号で駆動することで、電気信号が圧電体９ｂ加えられ、圧電体９ｂによって電気信号が機械的振動に変換され、圧電体９ｂと音響整合体９ｃとが共振することによって、より大きな超音波パルスが、開口部４を通って被計測流体に伝搬する。

絶縁性制振部材１１は、超音波パルスを被計測流体へ伝搬するときに発生する振動を流路３に伝えないようにする機能と、圧電体９ｂの振動及び、圧電体９ｂの振動を受けて振動した金属板９ａの振動を早急に減衰させ、計測時のノイズとなる残響時間を短くする機能とを備えるものである。そのため、圧電体９ｂの外周及び、金属板９ａの外周を覆うようにして形成してある。

更に、金属板９ａを押えている押え部１８からの振動は、流路３に筐体伝搬しにくくなるように、固定部材１３に設けられた延出部１２により、空間部１７を迂回して穴部１６まで伝わり、流路３に設けられたつめ部１５に到達する。即ち、延出部１２は、減衰部としての機能を有している。

また、延出部１２により、固定部材１３が弾性しやすくなるため、穴部１６が流路３に設けられたつめ部１５に挿入しやすくなる。

なお、延出部１２の固有振動数が、超音波送受波器５の振動周波数から外れる構成としてもよい。

また、延出部１２を構成する材料は減衰作用がある、ゴム系のＮＲＢやシリコン等の弾性体および弾性作用のあるものを用いてもよい。

また、本実施の形態において、固定部材１３に穴部１６を設け、取付部３ｂにつめ部１５を設けた構成で説明したが、逆に、固定部材１３につめ部、取付部３ｂに穴部を設けた構成としても良いことは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、量産性が大きく向上でき、高精度な流量計測が可能となるため、家庭用流量計、産業用流量計等の用途に適用できる。

１ 一方の開口端
２ 他方の開口端
３ 流路
３ｂ 取付部
４ 開口部
５、６ 超音波送受波器
９ａ 金属板
９ｂ 圧電体
９ｃ 音響整合体
１１ 絶縁性制振部材
１２ 延出部
１３ 固定部材
１５ つめ部（係合部）
１６ 穴部（被係合部）
１８ 押え部

Claims (5)

1. 被測定流体を一方の開口端から他方の開口端に通す流路と、
   金属板と、前記金属板の一方の面に固定した音響整合体と他方の面に固定した圧電体とを有した超音波送受波器と、
   前記音響整合体及びその周囲を除いて前記金属板を覆うように形成した絶縁性制振部材と、
   前記流路に設けられた超音波送受波器の取付部と、
   前記超音波送受波器を前記取付部に固定する固定部材と、を備え、
   前記固定部材は、前記超音波送受波器の押え部と、Ｌ字状に延出された延出部とを有し、前記延出部の先端に設けた係合部を、前記取付部に設けた被係合部に係合して前記超音波送受波器を前記取付部に固定したことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記延出部の固有振動数が、前記超音波送受波器の振動周波数と異なるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記延出部は、前記超音波送受波器から前記係合部までの長さを前記超音波送受波器の振動周波数に共振しないようにしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
4. 前記延出部は、前記超音波送受波器の振動周波数に共振しない材料を用いたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
5. 前記延出部の固有振動数が、前記超音波送受波器の振動周波数から外れる形状にしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。