JP2014145768A - 超音波変換器と変換器保持体とから成る構成ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】超音波変換器と変換器保持体とから成る構成ユニットを、ケーシング波の伝達の阻止に関して改良する。
【解決手段】変換器ケーシング（３）のケーシングフランジ（７）と、変換器保持体（２）の保持体フランジ（８）との間に、絶縁リング（１３）が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波変換器と変換器保持体とから成る構成ユニットであって、超音波変換器は、変換器ケーシングと変換器エレメントとを有しており、変換器ケーシングは、超音波ウインドウと、ケーシング管と、ケーシングフランジとを有しており、変換器エレメントは、超音波の送波又は受波用に形成されていて、変換器ケーシングの超音波ウインドウの近傍に設けられているか、又は変換器ケーシングの超音波ウインドウから離れて設けられており、変換器保持体は、保持体フランジを有しており、変換器ケーシングのケーシングフランジは、対応フランジによりシールリングを介して、変換器保持体の保持体フランジに対して緊締されているものに関する。

工業分野において測定技術、制御技術、調整技術及び自動化技術は特に重要である。これは特に、制御技術、調整技術及び自動化技術の基礎である測定技術について云える。測定技術の１つの重要な分野に、流量測定技術がある（Prof. Dr. sc. nat. Otto Fiedler "Stroemungs- und Durchflussmesstechnik" R. Oldenbourg Verlag Muenchen 101992の包括的な叙述を参照のこと）。流量測定技術にとって特に重要なのは（前掲の"Stroemungs- und Durchflussmesstechnik"参照）、機械的な作用原理に従った流量測定であり、特に浮遊式流量計、コリオリ式流量計、熱式流量計、磁気誘導式流量計並びに超音波流量計である。

超音波流量計では、測定管内を搬送される媒体中では、音波信号の伝搬速度に媒体の搬送速度が重畳される、という作用が利用される。つまり、媒体が音波信号の方向に搬送される場合、測定管に対する音波信号の測定された伝搬速度は、静止媒体中の伝搬速度よりも大きく、媒体が音波信号の方向とは逆方向に搬送される場合、測定管に対する音波信号の速度は、静止媒体中の伝搬速度よりも小さい。送波器と受波器（送受波器が超音波変換器である）との間の音波信号の進行時間は、前記重畳作用に基づいて、測定管延いては超音波変換器、つまり送受波器に対する媒体の搬送速度に関連している。

超音波流量計で問題なのは、超音波変換器内で発生される超音波若しくは超音波変換器が受け取る超音波が、変換器ケーシングの送波側及び／又は受波側から、超音波変換器を取り囲む媒体中に伝達されるだけでなく、−送られる又は受け取られる−超音波が変換器ケーシングをも介して、場合によってはケーシング保持体をも介して伝達される点である。このことは、事情によっては送波性能若しくは受波性能のかなりの部分が「失われる」ために問題であるばかりでなく、むしろ、とりわけいわゆるクロストークにより変換器ケーシングに伝達された超音波が、受波側にかなりの障害をもたらす恐れもあるために問題である。これは例えば、受け取られた超音波が媒体を介して受け取られた（有効信号）のか、或いは変換器ケーシングを介して受け取られたのかを、受波側で判別することができないことに起因している。

特に、超音波流量計をガス状媒体の流量の測定に用いる場合には、超音波変換器からガス状媒体に伝達される振動エネルギの成分は、発生する振動エネルギ全体に比べて極めて少ないので、クロストークの問題は特に重大である。

従来技術において、上述したクロストーク、即ちケーシング波の発生を減少させるための種々様々な手段が公知である。いくつかの手段は、このようなケーシング波の発生を回避するという課題に関するものである。これについては例えば、伝達されるエネルギ成分を最大化するための特に良好なインピーダンス適合、又は反射を減らすためのλ／４層としての超音波ウインドウの設計に関する変換器ケーシングの超音波ウインドウの特定の構成が挙げられる。別の手段は、既に発生したケーシング波の送波を、例えば不整合の音響インピーダンス移行によって阻止することに関する。

当該構成ユニットに属する超音波変換器については、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００８０３３０９８号明細書及び同じ内容のヨーロッパ特許出願公開第２１４８３２２号明細書により公知である。これらの公知の超音波変換器では、超音波変換器の変換器ケーシングに対するケーシング波の伝達を防止する別の手段が、変換器ケーシングの第２の領域に、比較的柔らかい機械的な結合システムが設けられており、且つこの結合システムは、ケーシング波の伝搬方向にほぼ前後して作用する、少なくとも２つの弱く結合された機械的な共振器を有していることにより、実現されている。

これらの機械的な共振器によってさしあたり、超音波により搬送されるエネルギを、機械的な共振器の励振により、局所的に「捕捉」することが可能である。機械的な共振器は、一般にばね−質量系として説明可能であり、この場合、実際のばね−質量系において、ばねの特性、つまり変位に関連した力作用は、−極めて小さくとも−共振器の質量に寄与することなしには実現不可能であり、質量と同様、共振器に構造的に組み込まれることに基づいて、ばね−質量系のばね特性も常に影響を及ぼされる。即ち、ばねと質量とは、構造的に互いに完全に分離することは不可能である。

ケーシング波の伝搬方向に少なくとも２つの機械的な共振器を直列に配置することによって、必然的にケーシング波は、変換器ケーシングの第１の領域から変換器ケーシングの第３の領域に到達し且つ反対に変換器ケーシングの第３の領域から変換器ケーシングの第１の領域に到達するために、全ての共振器を横断することになる。２つの共振器の弱い結合に基づき、これらの共振器は、強力に結合された共振器に比べて、共振器自体は同じ振動特性を有していたとしても、全体としてはケーシング波に対してより有効な障害物を成すことになる。強力な機械的な結合は、共振器の振動を、隣接する共振器に実際に直接に伝達する。弱い機械的な結合の場合には、当然この場合も隣り合う共振器間に機械的な相互作用が生じるとしても、共振器の振動を直接伝達するようなことはない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００８０３３０９８号明細書 ヨーロッパ特許出願公開第２１４８３２２号明細書 ドイツ連邦共和国特許第１９８１２４５８号明細書 ヨーロッパ特許第１０４６８８６号明細書

Prof. Dr. sc. nat. Otto Fiedler "Stroemungs- und Durchflussmesstechnik" R. Oldenbourg Verlag Muenchen 101992

本発明の課題は、冒頭で述べた、超音波変換器と変換器保持体とから成る構成ユニットを、ケーシング波の伝達の阻止に関して改良することにある。

この課題を解決する本発明による構成ユニットは、変換器ケーシングのケーシングフランジと、変換器保持体の保持体フランジとの間に、絶縁リングが設けられていることを特徴とする。好適には、変換器ケーシングのケーシングフランジと、絶縁リングとの間に、シールリングが設けられている。

超音波変換器と変換器保持体とから成る、上述した本発明による構成ユニットでは、付加的に設けられた絶縁リングと、更に付加的に設けられた別のシールリングとが、音響的な不整合をもたらすことにより、従来技術において公知の前記形式の構成ユニットに比べて、ケーシング波の伝達に関して改良されている。

更に付加的に、絶縁リングが変換器ケーシングのケーシングフランジに間接的に結合されていると、本発明による構成ユニットは著しく有用な意味を有することになる。変換器ケーシングのケーシングフランジに絶縁リングを間接的に結合するために、滑りリングが設けられていて、この滑りリングは、絶縁リングに固定的に結合、例えば溶接又はねじ締結されている。

詳細には、本発明による構成ユニットを構成及び改良する種々様々な手段がある。これについては、請求項１の従属請求項、及び以下に図面につき説明する図示の実施形態を参照されたい。

超音波変換器と変換器保持体とから成る、従来技術において公知の構成ユニットを示した図である。 超音波変換器と変換器保持体とから成る、本発明による構成ユニットの好適な実施形態を示した図である。 本発明に基づき設けられた分離リングと、設けられていると好適な別のシールリングとを備えた、図２に示した本発明による構成ユニットに属する超音波変換器を示した図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、超音波変換器１と変換器保持体２とから成る、従来技術において公知の構成ユニットが示されている。超音波変換器１は、変換器ケーシング３と、変換器エレメント４とを有している。変換器ケーシング３は、超音波ウインドウ５と、ケーシング管６と、ケーシングフランジ７とを有している。変換器エレメント４は、超音波の送波又は受波用に形成されていて、図示のように、変換器ケーシング３の超音波ウインドウ５の近傍に設けられているか、又は例えばドイツ連邦共和国特許第１９８１２４５８号明細書や、同じ内容のヨーロッパ特許第１０４６８８６号明細書に記載されているように、変換器ケーシング３の超音波ウインドウ５から離れて設けられている。

図１に示した従来技術による構成ユニットでは、図２に示した本発明による構成ユニットと同様に、変換器保持体２が保持体フランジ８を有しており、変換器ケーシング３のケーシングフランジ７が、対応フランジ９によりシールリング１０を介して、変換器保持体２の保持体フランジ８に対して、緊締ボルト１１と対応ナット１２とを用いて緊締されている。

本発明では、図２に示したように、変換器ケーシング３のケーシングフランジ７と、変換器保持体２の保持体フランジ８との間に、絶縁リング１３が設けられている。図示の実施形態では、変換器ケーシング３のケーシングフランジ７と、絶縁リング１３との間に、付加的にシールリング１４が設けられている。

図２に示した本発明による構成ユニットの実施形態では更に、絶縁リング１３が間接的に、変換器ケーシング３のケーシングフランジ７に接続されている。詳細には、絶縁リング１３を、変換器ケーシング３のケーシングフランジ７に間接的に結合するために、滑りリング１５が設けられており、この滑りリング１５は、絶縁リング１３に固定的に結合、例えば溶接又はねじ締結されている。

図２に示した上述の本発明による構成ユニットの好適な実施形態では、絶縁リング１３と、シールリング１４と、滑りリング１５とを備えた超音波変換器１は、従来技術による超音波変換器と同様、変換器保持体に挿入可能である。

１ 超音波変換器、 ２ 変換器保持体、 ３ 変換器ケーシング、 ４ 変換器エレメント、 ５ 超音波ウインドウ、 ６ ケーシング管、 ７ ケーシングフランジ、 ８ 保持体フランジ、 ９ 対応フランジ、 １０ シールリング、 １１緊締ボルト、 １２ 対応ナット、 １３ 絶縁リング、 １４ シールリング

Claims (4)

1. 超音波変換器（１）と変換器保持体（２）とから成る構成ユニットであって、前記超音波変換器（１）は、変換器ケーシング（３）と変換器エレメント（４）とを有しており、前記変換器ケーシング（３）は、超音波ウインドウ（５）と、ケーシング管（６）と、ケーシングフランジ（７）とを有しており、前記変換器エレメント（４）は、前記変換器ケーシング（３）の超音波ウインドウ（５）の近傍に設けられているか、又は前記変換器ケーシング（３）の超音波ウインドウ（５）から離れて設けられており、前記変換器保持体（２）は、保持体フランジ（８）を有しており、前記変換器ケーシング（３）のケーシングフランジ（７）は、対応フランジ（９）によりシールリング（１０）を介して、前記変換器保持体（２）の保持体フランジ（８）に対して緊締されているものにおいて、
   前記変換器ケーシング（３）のケーシングフランジ（７）と、前記変換器保持体（２）の保持体フランジ（８）との間に、絶縁リング（１３）が設けられていることを特徴とする、超音波変換器（１）と変換器保持体（２）とから成る構成ユニット。
2. 前記変換器ケーシング（３）のケーシングフランジ（７）と、前記絶縁リング（１３）との間に、シールリング（１４）が設けられている、請求項１記載の構成ユニット。
3. 前記絶縁リング（１３）は、前記変換器ケーシング（３）のケーシングフランジ（７）に間接的に結合されている、請求項１又は２記載の構成ユニット。
4. 前記変換器ケーシング（３）のケーシングフランジ（７）に前記絶縁リング（１３）を間接的に結合するために、滑りリング（１５）が設けられていて、該滑りリング（１５）は、前記絶縁リング（１３）に固定的に結合、例えば溶接又はねじ締結されている、請求項３記載の構成ユニット。

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