JP2653391B2

JP2653391B2 - 流量測定装置用超音波送受変換素子

Info

Publication number: JP2653391B2
Application number: JP3112828A
Authority: JP
Inventors: ラングミヒャエル; シュタイナッハーミヒャエル; ヴュストウルス
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 1990-05-19
Filing date: 1991-05-17
Publication date: 1997-09-17
Anticipated expiration: 2012-09-17
Also published as: JPH04231820A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の概要】本発明は、請求項１に記載のように、測
定すべき液体を導くパイプライン内に挿入配置すること
ができかつ自由な流れ横断面および連続した管壁を有す
る真っすぐな測定管から成る、流量測定装置用超音波送
受変換素子であって、前記管壁の周面に、流れの方向に
おいて連続して相互に間隔をおいて、形状連結的に次の
ものが固定されており：少なくとも１つの吸収体ディス
クから成る流入側の、第１の共振吸収体と、一方の側面
において少なくとも１つの、半径方向共振周波数を励振
する第１の超音波変換器が固定されている第１の変換器
ディスクと、一方の側面において少なくとも１つの半径
方向共振周波数を励振する第２の超音波変換器が固定さ
れている第２の変換器ディスクと、少なくとも１つの吸
収体ディスクから成る流出側の、第２の共振吸収体とが
固定されており、前記吸収体ディスクは、それらそれぞ
れの半径方向共振周波数が前記超音波変換器の励振周波
数に等しいように設計されている、流量測定装置用超音
波送受変換素子から成る。

【０００２】本発明によれば、超音波流量測定原理に付
随する欠点を以下に説明する特性および利点によって克
服することが可能になる。この種の超音波送受変換素子
は、測定管の極めて小さい公称直径に対しても設計する
ことができ、その結果小さな流量も、極めて小さな流量
も測定可能である。

【０００３】本発明の超音波送受変換素子は更に、どん
な種類の液体にも適しており、しかも液体中にどんな種
類の流れの形式が形成されるかに無関係である。層流も
乱流も測定することができる。しかも層流から乱流への
境界における流れも、または著しく変化するレイノルズ
数を有するような流れも、そのまま測定可能である。

【０００４】また、変換素子の材料を、測定すべき液体
にその侵食性を考慮して整合することができる。また、
この種の変換素子はそのまま食料品に有用である。この
ことはまた、測定管をその不断の内壁に基づいて容易に
清掃することができかつそこに材料が堆積しないように
することでも一層好適化される。金属またはセラミック
測定管では高圧の液体も測定することができる。

【０００５】超音波変換器は変換器ディスクの少なくと
も１つの側面に固定されているので、それは変換素子の
解体なしにパイプラインから交換可能であり、すなわち
例えば、流量測定を含むシーケンスを中断する必要がな
い。

【０００６】電子測定回路および作動回路として、殊
に、本出願人の国際公開第ＷＯ−９０／００７２３号公
報に記載されているようなものが適している。まず図１
０に基づいて本発明の超音波送受変換素子において使用
される超音波流量測定原理について簡単に説明する。図
１０に示す流量測定装置は測定管１１０を有し、この測
定管を通って、流れ速度Ｖ_Ｍで矢印の方向に媒体が流れ
る。媒体の容積流量の検出のためには流れ速度Ｖ_Ｍの測
定をするだけで十分である。それというのは容積流量は
流速Ｖ_Ｍと測定管の既知の横断面との積に等しいからで
ある。流速Ｖ_Ｍの測定のため測定管１１０にて２つの超
音波変換器１１２と１１４が、精確に既知の相互間隔を
おいて取り付けられている。各超音波変換器は選択的に
送信変換器又は受信変換器として作動され得る。方向切
換スイッチ１１６により、図示の位置１にて、超音波変
換器１１２は送信周波発生器１１８と接続され、同時
に、超音波変換器１１４は受信信号−処理回路１２０の
入力側と接続される。他方の位置２では方向切換スイッ
チ１１６により、超音波変換器１１４は送信周波発生器
１１８の出力側と接続され、超音波変換器１１２は受信
信号−処理回路１２０の入力側と接続される。送信周波
発生器１１８は出力側から周波数ｆ_Ｍの送信交流電圧Ｕ
_Ｓを送出し、この出力電圧は方向切換スイッチ１１６の
図示の位置において超音波変換器１１２に加えられる。
このとき超音波変換器１１２は送信変換器として動作す
る。この送信変換器の構成によれば電気的送信交流電圧
Ｕ_Ｓによる励振に基づき同じ周波数ｆ_Ｍの超音波を生じ
るのであり、この超音波は測定管内を流れる媒体内にて
測定管１１０の軸線の方向に伝播する。この超音波は順
流方向で超音波変換器１１４に達する。その際その変換
器１１４は図示の、方向切換スイッチ１０１の位置１に
て受信信号処理回路１２０の入力側と接続されている。
従って超音波変換器１１４は受信変換器として動作す
る。この受信変換器１１４は到来超音波を受信交流電圧
Ｕ_Ｈに変換し、この交流電圧は受信信号処理回路１２０
の入力側に供給される。方向切換スイッチ１１６が他方
の位置２に切換えられると、超音波変換器１１４は送信
周波発生器１１８から送信交流電圧Ｕ_Ｓを受信し、その
結果上記超音波変換器１１４は送信変換器として動作
し、超音波を発生する。この発生された超音波は測定管
１１０内を流れる媒体中を、測定管１１０の軸線の方向
に伝播する。この超音波は流動方法と逆方向に変換器１
１２に達する。その際その変換器１１２は今や受信信号
処理回路１２０の入力側と接続されていて、受信変換器
として動作する。この受信変換器は到来超音波を受信交
流電圧Ｕ_Ｆに変換し、この交流電圧は受信信号処理回路
１２０の入力側に供給される。送信周波数発生器１８′
には送信信号処理回路２２′が接続されている。両方の
信号処理回路１２０，１２２の出力側は位相検出器１２
４に接続されている。位相検出器２４′の出力はゲート
回路１２６の制御入力側に接続されており、一方でゲー
ト回路１２６はカウント周波発生器１２８に接続されて
いる。ゲート回路の出力側はカウンタ１３０に接続され
ており、カウンタは評価回路１３２に接続されている。
従って、評価回路１３２はカウンタ１３０から連続的に
カウンタ状態、即ち、位相検出器１２４から送出される
測定パルスＩ_Ｍの持続時間を表わすカウンタ状態を受取
る。方向切換スイッチ１１６が位置１にある場合、カウ
ンタ１３０から送出されるカウンタ状態は残留位相角ψ
_Ｒ１に対する測定値となる。方向切換スイッチ１１６が
他方の位置にもたらされた場合にはカウンタ１３０から
送出されるカウンタ状態は残留位相角ψ_Ｒ２に対する測
定値となる。それらの２つの測定値から評価回路１３２
は、流れ速度Ｖ_Ｍを、媒体中の音波速度ｃと無関係に計
算できる。

【０００７】超音波送受変換素子の本発明の構成によっ
て、変換器ディスク間の距離を、作動中発生する走行時
間差を接続された測定および作動回路によって処理する
ことができるように、調整することもできる。

【０００８】超音波変換器は、適当な圧電材料、例えば
圧電セラミックから成るような超音波変換器である。送
波用変換器は、適当な周波数の交流電圧の印加によって
機械的な共振状態に移行し、このことは、電気的な周波
数が機械共振振動の１つと一致し、その結果この（音
響）周波数の超音波信号が、変換器が自由振動すると
き、そこから送出されるとき、最適に実現される。

【０００９】本発明においてそれぞれの超音波変換器は
その所属の変換器ディスクに固定されているので、超音
波変換器はこの変換器ディスクを相応に励振する。この
ことはここでも、変換器ディスクの機械共振振動の１つ
が励振されるとき、すなわちこの共振振動が変換器の音
響周波数と一致するとき、最適に行われる。本発明で
は、それぞれの変換器ディスクの機械共振周波数はその
半径方向の共振周波数の１つ、例えばモード零の共振周
波数である。すなわち変換器ディスクは半径方向におい
て振動するので、変換器ディスクが測定管に固定されて
いる個所で、この振動は管壁におよびそこから液体に伝
達される（図４参照）。

【００１０】受波用超音波変換器は、変換器ディスクか
らそこに作用する機械的な振動によってそれと同じ周波
数の交流電圧を送出するように励振される。変換器ディ
スクの、その半径方向周波数を有する機械振動は更に、
測定管壁を介して液体中を走行する超音波によって影響
を受ける。

【００１１】超音波送受変換素子は本発明の実施例にお
いて完全に金属から、例えば所望の使用目的に適してい
るステンレス鋼合金から形成することができる。しかし
別の実施例によれば、測定管に対して、変換器ディスク
および／または吸収体ディスクに対して異なった金属を
使用することもできる。このことは、別の実施例におい
て一方において変換器ディスクおよび吸収体ディスクが
出来るだけ低い熱弾性係数を有する同じ金属から成りか
つ測定管が耐食性であるか、または他方において変換器
ディスクの機械共振のＱが吸収体ディスクの共振のＱに
比べて大きいようにすれば、殊に有利である。

【００１２】本発明の実施例によれば、測定管は変換器
ディスクの間のその長さの一部において肉厚にされた壁
を備えている。これにより、管壁中において、変換器デ
ィスクの一方から出発して伝搬する、測定精度に不都合
に作用する音波信号が、それが他方の変換器ディスクに
は達しない程度に減衰される。

【００１３】別の実施例において肉厚にされた壁に少な
くとも１つの環状溝を備えることもでき、この環状溝に
は有利には、場合によっては壁の周面を被覆する減衰材
料が充填されている。これによりこれら２つの手段のそ
れぞれによって、機械的な縦波フィルタが実現される。

【００１４】殊に共振吸収体が１つ以上の吸収体ディス
クを有しているとき、それぞれの共振吸収体が、これら
吸収体ディスク間の中間空間を充填する減衰材料を備え
るようにすることもできる。この場合周面も被覆するこ
とができる。

【００１５】本発明の別の実施例によれば、変換素子
は、変換器ディスクそれぞれと隣接する吸収体ディスク
との間にそれぞれ減結合ディスクを備えるようにするこ
とができ、その際これら減結合ディスクの寸法および／
または機械的な特性は吸収体ディスクの寸法および／ま
たは機械的な特性とは異なっている。

【００１６】本発明の別の実施例において、変換素子は
変換器ディスクにそれぞれ１つの超音波センサを有して
おり、超音波センサは実際値発生器として、変換器ディ
スクの共振周波数に制御されて超音波変換器に対する励
振信号を発生するための電子位相制御ループに挿入配置
されている。

【００１７】

【実施例】次に本発明を図示の実施例につき図面を用い
て詳細に説明する。その際図面には、超音波送受変換素
子の構造の断面および超音波送受変換素子のいくつかの
部分の構造並びに作動回路が示されている。

【００１８】図１の断面図には、実施例として超音波送
受変換素子が示されている。それは、適当な材料、有利
には、例えばステンレス鋼のような金属から成ってい
る。セラミック材料またはガラス材料も適している。材
料選択は、例えば測定すべき液体の種類および特性のよ
うな、具体的な用途およびそのパラメータ、圧力領域、
温度領域、周囲条件等に依存している。

【００１９】図１において、左側に流入口５がありかつ
右側に流出口６があり、その結果流れの方向は矢印に相
応している測定管１は自由な流れ横断面およびその全長
にわたって断続のない管壁を有している。その周面に
は、吸収体ディスク１１１から成る流入側の、第１の共
振吸収体１１が固定されている。この吸収体ディスク
に、流れの方向においてある程度の間隔をおいて第１の
変換器ディスク２１が続いており、この変換器ディスク
の側方に第１の超音波変換器３１が固定されている。

【００２０】流出側において変換器ディスク２１は第２
の変換器ディスク２２と対向している。この変換器ディ
スクには第２の超音波変換器３２が側方に固定されてい
る。これに流れの方向においてここでも間隔をおいて、
有利には吸収体ディスク１１１と変換器ディスク２１と
の間と同じ間隔をおいて、吸収体ディスク１２１から成
る第２の共振吸収体１２が続いている。

【００２１】超音波変換器３１，３２は、変換器ディス
クのお互いの方に向いた側の側面に取り付けることもで
きる。このことは殊に、構造スペースがギリギリである
場合に有利である。更に、例えば対称性の理由から、複
数の超音波変換器、例えば４つの超音波変換器を、図９
から読み取ることができるように、１つの変換器ディス
クに設けても有利である。

【００２２】超音波送受変換素子はその流入側および流
出側によって、例えばフランジ等の相応の連結部材によ
って、測定すべき液体が流れる図示されていないパイプ
ライン中に挿入配設されている。

【００２３】２つの共振吸収体１１，１２により、一方
において音響エネルギーが接続されたパイプラインに達
することが妨げられ、他方において、もしそうなってし
まった場合に、そこに生じる反射エネルギーがその“帰
路”において吸収されかつ従って変換器ディスク２１，
２２に達する可能性がない。

【００２４】パイプラインから到来する可能性がある
（障害）エネルギーに相応する、例えば雑音の形の周波
数も、勿論吸収される。

【００２５】吸収特性はまず、吸収体ディスクが超音波
周波数において機械共振をし、それ故に励振された際に
音響エネルギーを吸収することに基づいている。吸収体
ディスクの機械共振のＱに応じて、吸収体ディスクは超
音波の音場から定常状態においてもエネルギーを取り出
す。このエネルギー取り出しは、相応の材料選択によっ
て制御することができる共振のＱに依存している。

【００２６】図２には、測定管１の壁中の２つの変換器
２１，２２間において、一方の変換器ディスクから出発
して、他方の変換器ディスクに達し、ひいては測定誤差
を惹き起こす可能性がある縦波が伝搬されるのを妨げる
ことができるようにした有利な手段が図示されている。
すなわち測定誤差を回避するために測定管はその長さの
一部に肉厚な壁２を備えている。その他、超音波送受変
換素子の構造は図１に示されたものと同じである。

【００２７】図３には、図２に示された実施例における
有利な手段の使用が示されており、この手段によって図
２の実施例の減衰特性の改善が計られる。このために、
肉厚にされた壁２に形成された環状溝３が設けられてい
る。有利には環状溝の底部はそれぞれ、そこの壁厚が流
入領域および流出領域における測定管の壁厚に等しいよ
うな深さのことろにある。

【００２８】図３には更に、別の実施例において、環状
溝３に減衰材料４、例えば合成樹脂を充填することがで
きることが示されている。ここではこの減衰材料は肉厚
にされた壁２の周面も被覆しているが、このことは必ず
しも必要でない。しかしこうすれば減衰特性は一層改善
可能である。

【００２９】図３の２つの実施例によって、相互に近接
して位置する変換器ディスクにおいても、測定管壁にお
ける縦波が一方の超音波変換器から他方の超音波変換器
に達することを妨げる機械的な縦波フィルタを実現する
ことができる。

【００３０】図４には、変換器ディスクがどのように半
径方向に振動するかが示されている（破線参照）。超音
波変換器３１は相応に設計されたディスクである。

【００３１】図５には、環状の超音波変換器３１′を使
用することもできることが示されている。

【００３２】図６には、それぞれ同じ半径方向共振周波
数を有する３つの吸収体ディスク１１１，１１２，１１
３を有する共振吸収体が示されている。

【００３３】図７には、図６の３つの吸収体ディスク１
１１，１１２，１１３間の中間空間に、場合に応じてそ
の周面も被覆することができる減衰材料４′を充填する
ことができることが示されている。これにより図３の装
置の場合の減衰材料４と同じ作用効果が得られる。

【００３４】図８には、本発明の別の実施例が略示され
ている。それぞれの変換器ディスク２１，２２と隣接す
る吸収体ディスク１１，１２との間に、減結合ディスク
７１，７２が挿入配設されている。これらは、変換器デ
ィスクを吸収体ディスクに接続する管部材を介して生じ
る、障害作用する可能性がある、吸収体ディスクに対す
る音響エネルギーの過結合を抑圧するために用いられ
る。その際減結合ディスクの寸法および／または機械的
な特性は、吸収体ディスクの寸法および／または機械的
な特性とは異なっている。

【００３５】図１から８までのいずれの実施例において
も、吸収体ディスクおよび変換器ディスクは、例えばプ
レスばめを用いて、測定管１に固定される予め成型され
た部材とすることができる。その際この形式の構造で
は、既述のように、測定管およびディスクに対して異な
った材料を使用することができる。しかし超音波送受変
換素子を同一の材料から形成することができるとき、他
方において、超音波送受変換素子を、例えば精密鋳込み
または旋削等によって一体に製造することもできる。

【００３６】最後に図９に示されているブロック回路図
は、超音波変換器に対する励振信号をどのように、それ
ぞれの送波用変換器が所属の変換器ディスクを常時その
共振周波数によって励振するように発生することができ
るかを説明するものである。このことは位相制御ループ
９を用いて行われる。変換器ディスク２１は側面図にて
示されており、その結果−ここでは４つの−並列接続さ
れた超音波変換器３１，３３，３４，３５、並びに１つ
の超音波センサ８１が略示されているのがわかる。

【００３７】（高周波）正弦波状電圧の形の励振信号
は、変換器３１，３３，３４，３５ばかりでなく、電圧
増幅器９１の入力側にも供給されている。これに相応す
る方法で超音波センサ８１は電圧増幅器９１′の入力側
に接続されているが、超音波センサには回路零点に接続
されているコンデンサＣが並列に接続されている。この
コンデンサＣによって、センサ８１の十分大きな時定数
が電圧増幅器９１′の入力抵抗とともに実現される。２
つの電圧増幅器９１，９１′のそれぞれの出力側は、矩
形波変換器９２，９２′のそれぞれの入力側に導かれて
いる。これらは例えば、入力側が過制御される増幅器と
して実現することができる。

【００３８】２つの矩形波変換器９２，９２′のそれぞ
れの出力側は、ローパスフィルタを有する位相コンパレ
ータ９３のそれぞれの入力側に接続されている。ローパ
スフィルタには、励振信号と超音波センサ８１の信号と
の間の位相のずれに比例する電圧が現れる。この電圧
は、９０°の位相のずれに対する信号“９０°”ととも
に、制御回路９４に供給される。その制御回路の出力側
には、共振周波数に関する情報を表す電圧が現れる。す
なわちこの電圧は電圧制御発振器９７に供給されてい
る。この発振器の周波数ｆＣは、分周器９８を用いて前
以て決められた一定の係数が乗算される前の励振信号の
周波数に相応する。矩形波−正弦波変換器９９の入力側
は、分周器９８の出力側に接続されている。位相コンパ
レータ９３は簡単には排他的ＯＲゲートによって実現さ
れる。

【００３９】送波器または受波器として交互に作動する
超音波変換器に対してそれぞれ１つの位相制御ループを
設ける必要がないようにするために、位相制御ループ９
において、制御された状態に達するとすぐに開放される
スイッチ９５が設けられている。その際制御された状態
に相応する電圧は、測定サイクル全体の期間（流れの方
向および流れとは反対方向における測定）、保持メモリ
ＣＨに記憶される。新たな測定サイクルの前に、正しい
共振周波数に新たに制御することができる。

【００４０】センサ８１によって、所属の変換器ディス
クおよびそれらの変換器の正しい機能も監視することが
できる。

【００４１】

【発明の効果】本発明の流量測定装置用超音波送受変換
素子は、極めて小さな流量でも測定可能であり、どんな
種類の液体にも適しており、超音波変換器の交換が容易
である等の利点を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、超音波送受変換素子の、測定管の壁厚
が同じである実施例の断面略図である。

【図２】超音波送受変換素子の、変換器ディスク間の
壁が肉厚になっている実施例の断面略図である。

【図３】超音波送受変換素子の、肉厚にされた壁に設け
られた環状溝に減衰材料が充填されている実施例の断面
略図である。

【図４】ディスク形状の超音波変換器ディスクを備えた
変換器ディスクの断面略図である。

【図５】環状の超音波変換器ディスクを備えた変換器デ
ィスクの断面略図である。

【図６】３つの吸収体ディスクを備えた共振吸収体の断
面略図である。

【図７】減衰材料が取り付けられている、図６の共振吸
収体の断面略図である。

【図８】減結合ディスクを備えた超音波送受変換素子の
断面略図である。

【図９】超音波変換器に対する励振信号を発生するため
の位相制御ループのブロック回路図である。

【図１０】超音波流量測定の原理を説明するためのブロ
ック線図である。

【符号の説明】

１測定管、２肉厚にされた壁、３環状溝、
４減衰材料、９位相制御ループ、１１，１２，１
１１，１１２，１１３吸収体ディスク、２１，２２
変換器ディスク、３１，３２超音波変換器、７
１，７２減結合ディスク、８１超音波センサ、

フロントページの続き (72)発明者ウルスヴュストスイス国ドルナッハエスオーウンタードルフシュトラーセ 23

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】測定すべき液体を導くパイプライン内に
挿入配置することができかつ自由な流れ横断面および連
続した管壁を有する真っすぐな測定管（１）から成る、
流量測定装置用超音波送受変換素子であって、前記管壁
の周面において流れ方向において連続的に相互に間隔を
おいて、形状連結的に次のものが固定されている：少なくとも１つの吸収体ディスク（１１１）から成る流
入側の第１の共振吸収体（１１）、一方の側面に少なくとも１つの半径方向共振周波数を励
振する第１の超音波変換器（３１）が固定されている第
１の変換器ディスク（２１）、一方の側面に少なくとも１つの半径方向共振周波数を励
振する第２の超音波変換器（３２）が固定されている第
２の変換器ディスク（２２）、少なくとも１つの吸収体ディスク（１２１）から成る流
出側の第２の共振吸収体（１２）が固定されており、前
記吸収体ディスク（１１１，１２１）は、それらのそれ
ぞれの半径方向共振周波数が超音波励振周波数に等しい
ように形成されていることを特徴とする流量測定装置用
超音波送受変換素子。
【請求項２】金属測定管と金属変換器ディスクおよび
吸収体ディスクとを備えている請求項１記載の流量測定
装置用超音波送受変換素子。
【請求項３】測定管、変換器ディスクおよび／または
吸収体ディスクに対してそれぞれ異なった金属を用いる
請求項２記載の流量測定装置用超音波送受変換素子。
【請求項４】出来るだけ低い熱弾性係数を有する同じ
金属から成る変換器ディスクおよび吸収体ディスクと、
耐食性の測定管とを備えている流量測定装置用超音波送
受変換素子。
【請求項５】機械共振Ｑが吸収体ディスクの共振Ｑに
比較して大きい変換器ディスクを備えている請求項３記
載の流量測定装置用超音波送受変換素子。
【請求項６】測定管（１）の壁は変換器ディスク（２
１，２２）間の長さの一部において肉厚にされている請
求項１記載の流量測定装置用超音波送受変換素子。
【請求項７】肉厚にされた壁（２）に少なくとも１つ
の環状溝（３）を備えている請求項６記載の流量測定装
置用超音波送受変換素子。
【請求項８】減衰材料（４）が充填されている環状溝
（３）および／または前記減衰材料によって被覆されて
いる、肉厚にされた壁（２）の周面を備えている請求項
７記載の流量測定装置用超音波送受変換素子。
【請求項９】中間の空間に減衰材料（４）が充填され
ている、少なくとも２つの吸収体ディスク（１１１，１
１２，１１３）を備えている請求項１記載の流量測定装
置用超音波送受変換素子。
【請求項１０】吸収体ディスクの周面が減衰材料
（４）によって被覆されている請求項９記載の流量測定
装置用超音波送受変換素子。
【請求項１１】それぞれの変換器ディスク（２１，２
２）と隣接する吸収体ディスク（１１，１２）との間に
それぞれ１つの減結合ディスク（７１，７２）を備えて
おり、その際前記減結合ディスクの寸法および／または
機械的な特性は前記吸収体ディスクの寸法および／また
は機械的な特性とは異なっている請求項１記載の流量測
定装置用超音波送受変換素子。
【請求項１２】変換器ディスク（２１，２２）の一方
に超音波センサ（８１）を備えており、該超音波センサ
は実際値発生器として、前記変換器ディスク（２１，２
２）の共振周波数に制御されて超音波変換器（３１，３
２）に対する励振信号を発生するための電子位相制御ル
ープ（９）に挿入接続されている請求項１から１１まで
のいずれか１項記載の流量測定装置用超音波送受変換素
子。