JP3584578B2 - 超音波流量計及び超音波送受信モジュール - Google Patents
超音波流量計及び超音波送受信モジュール Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、2個一組の超音波トランスジューサを流れの上流側、下流側にそれぞれ配置し、超音波を一方で送信、他方で受信することにより、被測定流体の流量を測定する超音波流量計に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
超音波を用いた流量計測は古くから良く知られた技術であり、主にパイプ中を流れる液体の流量を測定する工業用の超音波流量計が開発されている。代表的な例としては、液体が流れているパイプの外側に、パイプの長手方向に上流側と下流側に2個の超音波トランスジューサを取り付け、一方で超音波パルスを送信し他方で受信することを交互に行い、それぞれの伝搬時間を計測することにより液体の流速を求め、パイプ内の断面積を乗じて流量を算出する流量計がある。
【0003】
以下に、従来の超音波流量計について説明する。
図7、図8、図9は従来の超音波流量計の流路検出部の模式図である。図7において、1は被測定流体が流れる流路、20は流路を構成するパイプ、4、5は超音波を送信または受信するトランスジューサ、vは流路1を流れる液体の流速、Cは液体が静止しているときの液体中の音速である。トランスジューサ4から送信された超音波は液体中を伝搬し、トランスジューサ5で受信される。この送信から受信までの液体中の伝搬時間をt1 とする。このとき、液体中を超音波が伝搬した距離をL、パイプ20の長手方向と超音波の伝搬方向とのなす角をθとすると、次式が成り立つ。
【0004】
【数1】
【0005】
次にトランスジューサ5から送信された超音波が液体中を伝搬し、トランスジューサ4で受信される。この液体中の伝搬時間をt2 とすると、同様に次式が成り立つ。
【0006】
【数2】
【0007】
これら2式からそれぞれ伝搬時間の逆数を求めると、次式のようになる。
【0008】
【数3】
【0009】
これら2式の差を求めると、次式のようになる。
【0010】
【数4】
【0011】
したがってこの式から流速vを求めると、次式のようになる。
【0012】
【数5】
【0013】
以上の流速vに流路1の断面積を乗じることにより、流量が求められる。
この流速vの式からわかるように、式には静止音速Cが含まれておらず、流体の種類等による音速の差に関係なく、伝搬時間t1 とt2 を計測することにより液体の流速を求めることができる。
【0014】
図8は、一方のトランスジューサから送信した超音波のエネルギーができるだけもう一方のトランスジューサに受信されるような工夫として、トランスジューサ4とパイプ20の間、トランスジューサ5とパイプ20の間にそれぞれ超音波伝達子21、22を挿入したもので、超音波の屈折による入射角の変化を考慮して角度を設定してある。このような形式においても、流速vと流量は図7の例と同様の方法で求めることができ、音速には無関係となる。
【0015】
図9は、パイプ20を透過させずに直接流路1に超音波を送受信できるように、パイプ20の中にトランスジューサ4、5を設置したものである。この形式においても、流速vと流量は図7の例と同様の方法で求めることができ、音速には無関係となる。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の従来の構成では、図7においては、送信側のトランスジューサから送信された超音波ビームは方向の調節ができず、もし超音波の指向性が小さくビームが細ければ、もう一方のトランスジューサには受信されないため、実際にこの方式を用いるためにはトランスジューサはかなり広い指向性を持っていなければならない。計測の方式上、トランスジューサ4、5のいずれも送信側になるため、両方とも指向性が広くなければいけない。このように指向性を広くした場合、トランスジューサの設置位置の精度が多少粗くても超音波の送受信が可能となる利点はあるが、超音波ビームはパイプ20の長手方向と径方向の両方に広がってしまうため、受信側のトランスジューサで受信される超音波は大きく広がった超音波ビームの一部でしかなく、非常に効率が悪くなってしまうという問題点を有していた。
【0017】
また、図8においては、送信側の超音波伝達子によって超音波ビームの向きを設定することができるため、図7の場合とは逆に超音波の指向性を狭くして受信側のトランスジューサに入射する超音波のエネルギーを集中できるという利点はあるが、送信した超音波ビームを確実に受信側のトランスジューサに入射させるためには、超音波伝達子の角度、トランスジューサと超音波伝達子のパイプ20に対する長手方向の位置、周方向の位置について、かなり正確な調節が必要となり、超音波ビームの方向がずれると急激に受信出力が落ちてしまうことになる。このようにいくつもの角度・位置の厳密な調節が必要となる場合、長期間メンテナンスを行わずに流量計を設置しておくような用途には、振動等の何らかの理由で位置や角度がずれて出力が急激に落ち流量検出が不能となる可能性があるため、適切とはいえないという問題点を有していた。
【0018】
また、図9においては、被測定流体である液体に対して直接超音波を送受信するため境界面での反射等によるロスがなく効率的であるが、パイプ20の内部に凹部ができて液体に渦が生じやすく、またパイプ20の形状も特殊な形状に加工しなければならないという問題点を有していた。さらに、パイプ20の中にトランスジューサ4、5を設置するため、超音波ビームの出射方向についてアラインメントしずらい上、一度設置した後のメンテナンス等が難しく、また流量計作製時にトランスジューサの不調が起こった場合にトランスジューサだけでなくパイプ20を含めた全体を交換しなければならないため、歩留まりが悪く、コストが高くなってしまうという問題点も有していた。
【0019】
また、図7、図8、図9のいずれにおいても、パイプ20の外側に向かってトランスジューサ4、5の後部が突き出るため、パイプ20の横のスペースをあまりとれない場合には取り付けが難しいという問題を有していた。
【0020】
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、高感度・高安定性で精度が良く、コンパクトで低コストな超音波流量計を提供することを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の超音波流量計は、断面が矩形状であり、長辺側が予め決められた高さを有する二つの平行な平板を有する流路と、前記二つの平板の外側であり短辺側に位置し、超音波の送受信面が前記予め決められた高さと実質的に同じ高さを有する二つのトランスジューサとを具備し、前記超音波の伝搬経路は前記予め決められた高さに規定されており、かつ前記トランスジューサは音波放射面全体が一様に振動することにより前記予め決められた高さの方向に一様な音圧分布をつくるものである。
【0022】
また、前記構成において、トランスジューサが超音波の波長に対して十分に小さい幅を有しても良い。
【0023】
また、前記構成において、トランスジューサが超音波の波長に対して十分に大きな幅を有しても良い。
【0024】
また、本発明の好ましい実施態様の超音波流量計は、更に一方のトランスジューサから送信された超音波を反射して他方のトランスジューサに送信する反射面を設けたものである。
【0025】
また、本発明の好ましい実施態様の超音波流量計は、流路とトランスジューサとの間に位置し、前記流路に対して前記超音波を送信または受信する面が前記流路の前記トランスジューサ側の壁面に対して凹凸を生じない形状を有する超音波伝達子を具備するものである。
【0026】
また、本発明の好ましい実施態様の超音波流量計は、トランスジューサは送受信が互いに対向して設けられている。
【0027】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載の発明は、予め決められた高さを有する二つの平行な平板を備える流路と、前記二つの平板の外側に位置し、超音波の送受信面が前記予め決められた高さと実質的に同じ高さを有する二つのトランスジューサとを具備するものであり、送信側のトランスジューサから出射した超音波の音圧を高さ方向にわたって一様にし、かつ受信側のトランスジューサの受信面全面で受信することができるため感度を高めることができるとともに、安定した受信出力を得ることができる。
【0028】
本発明の請求項4に記載の発明は、被測定流体が流れる流路と、前記流路の外側に位置し前記流路の長手方向に対して実質的に平行な方向に超音波を送受信する第1トランスジューサ及び第2のトランスジューサと、前記第1のトランスジューサの正面に位置して前記第1のトランスジューサから送信された超音波を前記流路の内部に向かって反射し、前記第2のトランスジューサから送信された超音波を前記第1のトランスジューサへ送信する第1の反射面と、前記第2のトランスジューサの正面に位置して前記第2のトランスジューサから送信された超音波を前記流路の内部に向かって反射し、前記第1のトランスジューサから送信された超音波を前記第2のトランスジューサへ送信する第2の反射面とを具備するものであり、送信側と受信側の両方のトランスジューサを流路に対して平行に設置することができ、流路に対して斜めに設置する必要がなくなるため、流量検出部を非常にコンパクトにすることができる。
【0029】
本発明の請求項5に記載の発明は、被測定流体が流れる流路と、前記被測定流体を介して超音波の送信または受信を行う第1、第2のトランスジューサと、前記流路と前記第1のトランスジューサとの間に位置し、前記流路に対して前記超音波を送信または受信する面が前記流路の前記第1のトランスジューサ側の壁面に対して凹凸を生じない形状を有する第1の超音波伝達子と、前記流路と前記第2のトランスジューサとの間に設置しかつ前記流路に対して前記超音波を送信または受信する面が前記流路の前記第2のトランスジューサ側の壁面に対して凹凸を生じない形状を有する第2の超音波伝達子とを具備するものであり、流路の壁面に凹凸がなくなり、被測定流体の流れを乱すことがなくなるため、測定精度を向上することができ、かつ被測定流体に直接超音波伝達子が接しているので、境界面での反射等によるロスがなくなる。
【0030】
本発明の請求項6に記載の発明は、被測定流体を介して超音波の送受信を行う第1トランスジューサ及び第2のトランスジューサを流量検出に最適な位置と角度に調節して固定具で固定された超音波送受波モジュールであり、トランスジューサを流量計内に設置してから角度や位置を調節する必要がなくなるため、組立工程の作業効率を高めることができるとともに、点検時や不調時に超音波送受波モジュールのみの取り出しや交換が可能となる。
【0031】
【実施例】
(実施例1)
以下本発明の第1の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【0032】
図1は本発明の第1の実施例における超音波流量計の流量検出部の概略図である。図1において、1は速度vで被測定流体が流れる流路で、2が流路1の上壁、3が流路1の下壁であり、上壁2と下壁3は互いに平行な平面である。11、12は流路1の横の壁面で、16及び17はそれぞれ壁面11とトランスジューサ4の隙間及び壁面12とトランスジューサ5の隙間を埋める補助壁である。本実施例では流路1に流れる被測定流体は空気とする。Cは無風状態での音速である。4、5は超音波を送信または受信するトランスジューサであり、電気信号を音響信号へあるいは音響信号を電気信号へ変換する素子である。このトランスジューサ4、5は、ある時間においてはトランスジューサ4から超音波が送信されて空気中を伝搬し、トランスジューサ5で受信される。この送信から受信までの空気中の伝搬時間をt1 とする。このとき、空気中を超音波が伝搬した距離をL、流路1の長手方向と超音波の伝搬方向とのなす角をθとする。またある時間においてはトランスジューサ5から送信されてトランスジューサ4で受信され、その伝搬時間をt2 とする。
【0033】
このような状態における流速vは、従来の技術で示した方法と同様に、(数5)で求められる。すなわち、この式には静止音速Cが含まれていないため、音速の差に無関係に伝搬時間t1 とt2 を計測することにより流速を求めることができる。
【0034】
このような超音波流量計の流量検出部の製造方法の一例を図1を用いて説明する。
【0035】
まず初めに各寸法を決める。流路1の高さHと、壁面11と壁面12の幅を決める。次にトランスジューサ4と5の高さhと幅を決める。このとき、流路1の高さHと、トランスジューサ4と5の超音波の送受信面の高さhは等しくする。
【0036】
次に流路1を作製する。流路1は、トランスジューサ4、5の周辺部を除いて断面が矩形であるため、平板を用いて作製する。平板の材料は、流路1に流す被測定流体に対して化学反応等を生じず、漏れることのないように気密性のあるものを用いる。本実施例では被測定流体は空気であるため、上記条件に合うものとしてアクリル板を用いた。次に寸法に合わせて下壁3、壁面11、壁面12の3枚の平板をエポキシ樹脂系の接着剤を用いて接着し、この段階で上壁2のない矩形流路を構成する。ただし上壁2と下壁3は、トランスジューサ4と5の前に流路1の凹部ができるため、その部分をカバーできるような寸法にしておく。次にθの値を決め、それに対応してトランスジューサ4、5が流路1の中心に対して対称な位置にくるように、トランスジューサ4と5の位置を決める。その位置に対応する壁面11、12の位置に切り込みを入れ、補助壁16、17を接着剤で取り付けた後、上壁2を接着剤で取り付ける。この段階で空気の入口と出口、トランスジューサ4と5の取り付け口の4カ所の穴が開いた流路1ができる。
【0037】
次にトランスジューサ4と5を取り付ける。トランスジューサ4と5は、圧電振動子の振動等により超音波を送受信することができるものを用いる。トランスジューサ4と5は、既に決められている取り付け位置に、流路1を挟むように対向して取り付ける。ただしここではネジ等による仮止めとし、ここでトランスジューサ4と5の向きをそれぞれ微調節して送受信感度が初期設定感度となる向き(例えば感度が最大となる向き)を見つける。向きが決まったら、その向きが固定されるようにトランスジューサ4と5を接着剤で固定する。
【0038】
最後に、気密性を完全にする。すなわち、トランスジューサ4と5の微調節により生じた流路1の隙間を接着剤等で塞ぐ。
【0039】
以上のようにして、本実施例における超音波流量計の流量検出部を作製することができる。
【0040】
このような構成の超音波流量計の流量検出部は以下のように動作する。
まず、トランスジューサ4を送信側、トランスジューサ5を受信側とする。超音波流量計のトランスジューサ駆動回路から駆動信号を受けた送信側のトランスジューサ4は、その電気信号を音響信号に変換し、流路1に向かって超音波を送信する。駆動信号は、一定の周波数で一定の波数の波連を発振するバースト発振信号である。このとき、送信側のトランスジューサ4は、図1で斜線で示した音波放射面全面が一様に振動して超音波を送信し、放射面の振動のムラはないものとする。流路1を斜めに伝搬した超音波は、対向するもう一方の受信側のトランスジューサ5で受信され、その音響信号は電気信号に変換されて受信回路に入射する。各波連に対応する受信信号の回数が予め規定した回数に達すると、送信側と受信側のトランスジューサが切り替えられる。すなわち、トランスジューサ5が送信側、トランスジューサ4が受信側となる。以降の動作は上記と同様である。このように、送信と受信のトランスジューサを切り替えることによってt1とt2がそれぞれ求められ、前述のように(数5)を用いて流速、流量を求めることができる。
【0041】
超音波流量計においては、トランスジューサ4、5における送受信の感度ができるだけ高い方が測定に有利である。しかし、一般的に開空間における遠距離音場ではトランスジューサから送信された超音波ビームは広がっていく。また開空間でなくても、トランスジューサから放射された音波が広がりをもてるような空間の場合では同様である。これは超音波ビームに指向性があるためで、このような場合、送信側と受信側のトランスジューサが同じ形状寸法であれば超音波ビームが広がる分、送受信の効率は悪くなる。したがって、超音波のエネルギーができるだけ受信側のトランスジューサに集中するようにした方が感度が上がるとともに効率もよくなる。本実施例では流路1を上壁2と下壁3の平行平面で限定するとともに、流路1の高さHとトランスジューサ4、5の高さhを等しくした。このような構成にすることにより、送信側のトランスジューサから出射した超音波の音圧を高さ方向にわたって一様にし、かつ受信側のトランスジューサの受信面全面で受信することができる。
【0042】
実際にこのような超音波流量計を構成して実験を行った結果、開空間でトランスジューサ2個を対向した場合よりも高い送受信感度特性が得られることが確認できた。
【0043】
また、このような高さ方向に条件づけた構成に加えて、トランスジューサの幅方向の条件をつけることにより超音波ビームの指向性を調節することができ、ビーム幅を広くしたり、あるいは狭くしたりすることができる。
【0044】
例えば、送信側のトランスジューサの幅を超音波の波長よりも小さくすると、超音波の指向性は広くなるため、トランスジューサから出射された超音波ビームは流路1内で横方向に広がる。したがってこのような構成の超音波流量計では、空気の流れによって超音波が下流方向に流されても受信側のトランスジューサの受信レベルを一定に保つことができる。
【0045】
あるいは、送信側のトランスジューサの幅を超音波の波長よりも十分に大きくすると、超音波の指向性は狭くなるため、トランスジューサから出射された超音波ビームは流路1内で横方向には広がらず、空気の流速vが小さい場合においてはほとんどの超音波エネルギーを受信側のトランスジューサに集中することができるため、高感度を実現することができる。
【0046】
なお、このような高さ方向の条件づけ、横方向の条件づけは、超音波の伝搬経路が図2、図3のような場合でも同様な効果を有する。
【0047】
(実施例2)
以下本発明の第2の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【0048】
図4は本発明の第2の実施例における超音波流量計の流量検出部で、(a)は上から見た概略図である。図4(a)において、1は速度vで被測定流体が流れる流路で、図4(b)は流路1を被測定流体の入口から見たときの概略図である。本実施例では流路1に流れる被測定流体は空気とし、Cは無風状態での音速である。2は流路1の上壁、3は流路1の下壁であり、上壁2と下壁3は互いに平行な平面である。4、5は超音波を送信または受信するトランスジューサであり、電気信号を音響信号へあるいは音響信号を電気信号へ変換する素子である。9は例えばステンレス等の金属板からなり、トランスジューサ4から送信された超音波を反射する反射面、10はトランスジューサ5から送信された超音波が反射する反射面であり、11、12は流路1の横の壁面で、16及び17はそれぞれ反射面9とトランスジューサ4の隙間及び反射面10とトランスジューサ5の隙間を埋める補助壁である。トランスジューサ4、5は、ある時間においてはトランスジューサ4から超音波が送信されて反射面9、10で反射しながら空気中を伝搬し、トランスジューサ5で受信される。この送信から受信までの空気中の伝搬時間をt1 とする。このとき、空気中を超音波が伝搬した距離をL、流路1の長手方向と超音波の伝搬方向とのなす角をθとする。またある時間においてはトランスジューサ5から超音波が送信されて反射面10、9で反射しながら空気中を伝搬し、トランスジューサ4で受信され、その伝搬時間をt2 とする。
【0049】
このような状態における流速vは、従来の技術で示した方法と同様に、(数5)で求められる。すなわち、この式には静止音速Cが含まれていないため、音速の差に無関係に伝搬時間t1 とt2 を計測することにより流速を求めることができる。
【0050】
このような超音波流量計の流量検出部の製造方法の一例を図4を用いて説明する。
【0051】
まず初めに各寸法を決める。流路1の高さHと、壁面11と壁面12の幅を決める。次にトランスジューサ4と5の高さhと幅を決める。このとき、流路1の高さHと、トランスジューサ4と5の高さhは等しくする。
【0052】
次に流路1を作製する。流路1は、トランスジューサ4、5の周辺部を除いて断面が矩形であるため、平板を用いて作製する。平板の材料は、流路1に流す被測定流体に対して化学反応等を生じず、漏れることのないように気密性のあるものを用いる。本実施例では被測定流体は空気であるため、上記条件に合うものとしてアクリル板を用いた。次に寸法に合わせて下壁3、壁面11、壁面12の3枚の平板をエポキシ樹脂系の接着剤を用いて接着し、この段階で上壁2のない矩形流路を構成する。ただし上壁2と下壁3は、トランスジューサ4と5の前に流路1の凹部ができるため、その部分をカバーできるような寸法にしておく。次にθの値を決め、それに対応して反射面9、10が流路1の中心に対して対称な位置にくるように反射面9と10の位置を決め、その位置に対応する壁面11、12の位置に切り込みを入れ、接着剤で壁面11と下壁3、壁面12と下壁3にそれぞれ取り付ける。このとき反射面9、10の向きは、図4(a)で示されているように、流路1を伝搬してきた超音波が流路1の長手方向と平行な方向に反射されてトランスジューサ4、5で受信されるような向きとなるようにする。さらに、反射面9、10から一定距離だけ離してトランスジューサ4、5の位置を決める。このとき、トランスジューサ4、5から送信されて反射面9、10で反射された超音波が、トランスジューサ4、5にかからないようにある程度の余裕をもって位置を決める。そして補助壁16、17を接着剤で取り付けた後、上壁2を接着剤で取り付ける。この段階で空気の入口と出口、トランスジューサ4と5の取り付け口の4カ所の穴が開いた流路1ができる。
【0053】
次にトランスジューサ4と5を取り付ける。トランスジューサ4と5は、圧電振動子の振動等により超音波を送受信することができるものを用いる。トランスジューサ4と5は、既に決められている取り付け位置に、それぞれ反射面9、10に向けて取り付ける。ただしここではネジ等による仮止めとし、ここでトランスジューサ4と5の向きをそれぞれ微調節して送受信感度が初期設定感度となる向き(例えば感度が最大となる向き)を見つける。向きが決まったら、その向きが固定されるようにトランスジューサ4と5を接着剤で固定する。
【0054】
最後に、気密性を完全にする。すなわち、トランスジューサ4と5の微調節により生じた流路1の隙間を接着剤等で塞ぐ。
【0055】
以上のようにして、本実施例における超音波流量計の流量検出部を作製することができる。
【0056】
このような構成の超音波流量計の流量検出部は以下のように動作する。
まず、トランスジューサ4を送信側、トランスジューサ5を受信側とする。超音波流量計のトランスジューサ駆動回路から駆動信号を受けた送信側のトランスジューサ4は、その電気信号を音響信号に変換し、反射面9に向かって超音波を送信する。駆動信号は、一定の周波数で一定の波数の波連を一定の周期で発振するバースト発振信号である。このとき、送信側のトランスジューサ4は、音波放射面全面が一様に振動して超音波を送信し、放射面の振動のムラはないものとする。反射面9で反射された超音波は流路1を斜めに伝搬し、対向するもう一方の反射面10で反射されて受信側のトランスジューサ4で受信され、その音響信号が電気信号に変換されて受信回路に入射する。各波連に対応する受信信号の回数が予め規定した回数に達すると、送信側と受信側のトランスジューサが切り替えられる。すなわち、トランスジューサ5が送信側、トランスジューサ4が受信側となる。以降の動作は上記と同様である。このように、送信と受信のトランスジューサを切り替えることによってt1とt2がそれぞれ求められ、前述のように(数5)を用いて流速、流量を求めることができる。
【0057】
通常は流路1を斜めに横切るように超音波が伝搬しなければ測定できないため、一般的には送信側と受信側のトランスジューサを流路1の長手方向に対して斜めに設置するのが普通だが、この設置方法の場合は流路1の外側に大きなスペースが必要となる。したがって本実施例では、図4のように流路1に平行して隣接するようにトランスジューサ4、5を設置し、反射面9、10で超音波を斜めに反射して流路1に入射することにより、送受信を行うことができる。このような構成の超音波流量計においては、流路1の外側のスペースはトランスジューサ4、5の幅程度で済むため、非常にコンパクトな超音波流量計を実現することができる。
【0058】
なお、このような反射面9、10の設置は、超音波の伝搬経路が図2、図3のような場合でも同様な効果を有する。
【0059】
(実施例3)
以下本発明の第3の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【0060】
図5は本発明の第3の実施例における超音波流量計の流量検出部で、(a)は上から見た概略図である。図5(a)において、1は速度vで被測定流体が流れる流路で、図5(b)は流路1を被測定流体の入口から見たときの概略図である。本実施例では流路1に流れる被測定流体は空気とし、Cは無風状態での音速である。2は流路1の上壁、3は流路1の下壁であり、上壁2と下壁3は互いに平行な平面である。4、5は超音波を送信または受信するトランスジューサであり、電気信号を音響信号へあるいは音響信号を電気信号へ変換する素子である。11、12は流路1の横の壁面で、13、14は壁面11、12に凹部が生じないように設置された超音波伝達子で直接被測定流体に接している。トランスジューサ4、5から送信された超音波を、屈折を用いて流路1の空気に入射できるように、かつ流路1を通過してきた超音波を屈折を用いてトランスジューサ5、4に入射できるようになっている。このように、トランスジューサ4、5は、ある時間においてはトランスジューサ4から超音波が送信され、超音波伝達子13を通過して空気中を伝搬し、超音波伝達子14を通過してトランスジューサ5で受信される。このときの送信から受信までの超音波の空気中での伝搬時間をt1 とする。空気中を超音波が伝搬した距離をL、流路1の長手方向と超音波の伝搬方向とのなす角をθとする。またある時間においてはトランスジューサ5から超音波が送信され、超音波伝達子14を通過して空気中を伝搬し、超音波伝達子13を通過してトランスジューサ4で受信され、そのときの空気中での伝搬時間をt2 とする。
【0061】
このような状態における流速vは、従来の技術で示した方法と同様に、(数5)で求められる。すなわち、この式には静止音速Cが含まれていないため、音速の差に無関係に伝搬時間t1 とt2 を計測することにより流速を求めることができる。
【0062】
このような超音波流量計の流量検出部の製造方法の一例を図5を用いて説明する。
【0063】
まず初めに各寸法を決める。流路1の高さHと、壁面11と壁面12の幅を決める。次にトランスジューサ4と5の高さhと幅を決める。このとき、流路1の高さHと、トランスジューサ4と5の高さhは等しくする。 次に流路1を作製する。流路1は、トランスジューサ4、5の周辺部を除いて断面が矩形であるため、平板を用いて作製する。平板の材料は、流路1に流す被測定流体に対して化学反応等を生じず、漏れることのないように気密性のあるものを用いる。本実施例では被測定流体は空気であるため、上記条件に合うものとしてアクリル板を用いた。次に寸法に合わせて下壁3、壁面11、壁面12の3枚の平板をエポキシ樹脂系の接着剤を用いて接着し、この段階で上壁2のない矩形流路を構成する。次に超音波伝達子13、14の材料を決める。超音波伝達子13、14の材料は、密度とその材料の音速との積で求まる音響インピーダンスが、トランスジューサ4、5の音響インピーダンスよりも小さく、かつ空気の音響インピーダンスよりも大きなもの(例えばアクリル樹脂等)を選ぶ。次にθの値を決め、それに対応して決まる超音波伝達子13、14内での屈折角を求めて超音波伝達子13、14の形状を図5(a)のように加工し、トランスジューサ4、5と超音波伝達子13、14を図5(a)のように接着剤で接着する。このとき、接着剤の影響を少なくするために、できるだけ接着剤は薄くした方が良い。そしてトランスジューサ4、5が流路1の中心に対して対称な位置にくるように、超音波伝達子13と14がそれぞれ接着されているトランスジューサ4と5の位置を決め、その位置に対応する壁面11、12の位置に切り込みを入れ、上壁2を接着剤で取り付ける。この段階で空気の入口と出口、超音波伝達子13と14がそれぞれ接着されたトランスジューサ4と5の取り付け口の4カ所の穴が開いた流路1ができる。
【0064】
次に超音波伝達子13、14が接着されたトランスジューサ4と5を取り付ける。トランスジューサ4と5は、圧電振動子の振動等により超音波を送受信することができるものを用いる。超音波伝達子13、14が接着されたトランスジューサ4と5は、既に決められている取り付け位置に、流路1を挟むように対向して取り付ける。ただしここではネジ等による仮止めとし、ここでトランスジューサ4と5の向きをそれぞれ微調節して送受信感度が初期設定感度となる向き(例えば感度が最大となる向き)を見つける。向きが決まったら、その向きが固定されるように超音波伝達子13、14が接着されたトランスジューサ4と5を接着剤で固定する。
【0065】
最後に、気密性を完全にする。すなわち、微調節により生じた流路1の隙間を接着剤等で塞ぐ。
【0066】
以上のようにして、本実施例における超音波流量計の流量検出部を作製することができる。
【0067】
このような構成の超音波流量計の流量検出部は以下のように動作する。
まず、トランスジューサ4を送信側、トランスジューサ5を受信側とする。超音波流量計のトランスジューサ駆動回路から駆動信号を受けた送信側のトランスジューサ4は、その電気信号を音響信号に変換し、超音波伝達子13に超音波を送信する。超音波伝達子13内を伝搬した超音波は、超音波伝達子13と流路1との境界面で屈折し、流路1に超音波を入射する。駆動信号は、一定の周波数で一定の波数の波連を一定の周期で発振するバースト発振信号である。このとき、送信側のトランスジューサ4は、音波放射面全面が一様に振動して超音波を送信し、放射面の振動のムラはないものとする。流路1を斜めに伝搬した超音波は、流路1と超音波伝達子14の境界面で屈折して超音波伝達子14に入射し、受信側のトランスジューサ5で受信され、その音響信号は電気信号に変換されて受信回路に入射する。各波連に対応する受信信号の回数が予め規定した回数に達すると、送信側と受信側のトランスジューサが切り替えられる。すなわち、トランスジューサ5が送信側、トランスジューサ4が受信側となる。以降の動作は上記と同様である。このように、送信と受信のトランスジューサを切り替えることによってt1とt2がそれぞれ求められ、前述のように(数5)を用いて流速、流量を求めることができる。
【0068】
通常、流路1の空気に直接超音波を送信するタイプのものは、流路1を斜めに超音波が伝搬するように、流路1の外側に斜めにトランスジューサ4、5を取り付けるが、その際に壁面11、12には凹部ができてしまう。このような凹部があると、そこに空気の渦ができてしまい、正確な流速計測ができなくなってしまうため、できるだけ壁面11、12には凹部ができないような構造にした方がよい。したがって本実施例では、図5のように超音波を送信するトランスジューサ4、5と流路1の空気との間に、流路1の入口から出口までの壁面11、12が全体として平面となるような凹部に収まる形状を有する超音波伝達子13、14を設置した。超音波伝達子13、14の寸法と角度は、超音波の屈折による空気への入射角を考慮して設定した。このような構成の超音波流量計においては、流路1の壁面に凹部がなく、流れる空気に渦ができないため、精度の高い流速計測を行うことができる。
【0069】
なお、このような超音波伝達子13、14の設置は、超音波の伝搬経路が図2、図3のような場合でも同様な効果を有する。
【0070】
(実施例4)
以下本発明の第4の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【0071】
図6は本発明の第4の実施例における超音波流量計の超音波送受波モジュールの概略図である。図6において、4、5は超音波を送信または受信するトランスジューサであり、圧電振動子の振動等により超音波を送受信できるもので、電気信号を音響信号へあるいは音響信号を電気信号へ変換する素子である。15はトランスジューサ4、5の相対的な位置と角度を決定し固定するための固定具で、材料としては、流路に流す被測定流体に対して化学反応等を生じず、漏れることのないように気密性のあるものを用いる。実際には超音波流量計の流路の材料と同じものを用いるのがよい。本実施例では4本の棒状体でトランスジューサ4、5を固定しているが、固定の方法はそれ以外でもよく、例えばトランスジューサ4、5の上面、下面に平行な板を用いて固定する方法などもある。
このような超音波送受波モジュールを用いた超音波流量計の製造方法の一例を図 6を用いて説明する。
【0072】
まずトランスジューサ4と5の相対的な向きを決める。すなわち、予め流量検出に最適な状態を決めておき、それに合うように設定する。例えば、トランスジューサ4、5からお互いに超音波を送受信して、出力感度が最大となるところで接着剤で固定する。接着剤も被測定流体に対して化学反応等を生じず、漏れることがないように気密性があるものがよい。あるいは、被測定流体の流れによって超音波が下流方向に流されることを考慮し、感度が最大となる角度よりもやや上流側に向けた角度で接着剤で固定するといった方法もある。トランスジューサ4と5の距離は、超音波送受波モジュールを取り付ける超音波流量計の流路の寸法と、設置する位置によって必然的に決まる。また、トランスジューサ4、5と固定具15の固定の方法は、接着剤による固定のほか、ネジ止めによる固定等、いずれでも良い。
【0073】
以上のように、超音波流量計組立の前に予めこのような超音波送受波モジュールを作製しておく。そして超音波流量計全体を組み立てる際に、流路に固定具15がはまるように上壁・下壁の対応する位置に溝を入れておき、この超音波送受波モジュールを組み込めばよい。
【0074】
通常、流路内にトランスジューサ4、5を設置する場合には、超音波流量計全体を組み立てる工程の中で、流路内でのトランスジューサ4、5の位置・角度調節を行うためアラインメントが難しく、また流量計全体の組立工程中で、アラインメントがうまくいかない、トランスジューサ4または5に不調が生じた、等の何らかの問題が生じた場合には、流路を含めた流量検出部全体、あるいは超音波流量計全体として不良となるため、歩留まりが悪く、コストが高くなってしまう。したがって本実施例では、予め図6のような超音波送受波モジュールを作製しておき、超音波流量計全体を組み立てる工程の中でその超音波送受波モジュールを組み込むことにより超音波流量計を作製した。このような手順により作製した超音波流量計においては、トランスジューサ4、5を流量計内に設置してから角度や位置を調節する必要がなくなるため、組立工程の作業効率を高めることができるとともに、点検時や不調時に超音波送受波モジュールのみの取り出しや交換が可能となり、歩留まりを向上し、コストを低減することができる。
【0075】
以上のように本発明の実施形態の第1の超音波流量計は、被測定流体が流れる任意の高さで配置した平行な二平面に挟まれた流路と、被測定流体を介して超音波の送信または受信を行う任意の高さと同じ高さの送受信面を有する第1、第2のトランスジューサとを設けることにより、送信側のトランスジューサから出射した超音波の音圧を高さ方向にわたって一様にし、かつ受信側のトランスジューサの受信面全面で受信することができるため、非常に高感度で安定性が高く、かつ高効率のため低消費電力である、優れた超音波流量計を実現できるものである。
本発明の実施形態の第2の超音波流量計は、一方のトランスジューサから送信された超音波を反射して他方のトランスジューサに送信する反射面を設ける
ことにより、送信側と受信側の両方のトランスジューサを流路に対して平行に設置することができ、流路に対して斜めに設置する必要がなくなるため、流量検出部が非常にコンパクトな超音波流量計を実現できるものである。
【0076】
本発明の実施形態の第3の超音波流量計は、流路とトランスジューサとの間に位置し、前記流路に対して前記超音波を送信または受信する面が前記流路の前記トランスジューサ側の壁面に対して凹凸を生じない形状を有する超音波伝達子を備えることにより、流路の壁面に凹凸がなくなるので被測定流体の流れを乱すことがなくなり、かつ超音波伝達子が直接被測定流体に接しているため境界面における反射等のロスがなくなるため、測定精度の高い優れた超音波流量計を実現できるものである。
【0077】
【発明の効果】
以上のように本発明の超音波流量計は、断面が矩形状であり、長辺側が予め決められた高さを有する二つの平行な平板を有する流路と、前記二つの平板の外側であり短辺側に位置し、超音波の送受信面が前記予め決められた高さと実質的に同じ高さを有する二つのトランスジューサとを具備し、前記超音波の伝搬経路は前記予め決められた高さに規定されており、かつ前記トランスジューサは音波放射面全体が一様に振動することにより前記予め決められた高さの方向に一様な音圧分布をつくることにより、送信側のトランスジューサから出射した超音波の音圧を高さ方向にわたって一様にし、かつ受信側のトランスジューサの受信面全面で受信することができるため、非常に高感度で安定性が高く、かつ高効率のため低消費電力である、優れた超音波流量計を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例における超音波流量計の流量検出部の概略を示した図
【図2】第1の実施例における超音波流量計の流量検出部の概略を示した図
【図3】第1の実施例における超音波流量計の流量検出部の概略を示した図
【図4】第2の実施例における超音波流量計の流量検出部を上から見た概略を示した図
【図5】第3の実施例における超音波流量計の流量検出部を上から見た概略を示した図
【図6】第4の実施例における超音波流量計の超音波送受波モジュールの概略を示した図
【図7】従来の超音波流量計の流路検出部の概略を示した図
【図8】従来の超音波流量計の流路検出部の概略を示した図
【図9】従来の超音波流量計の流路検出部の概略を示した図
【符号の説明】
1 流路
2 上壁
3 下壁
4 トランスジューサ
5 トランスジューサ
6 反射面
7 反射面
8 反射面
9 反射面
10 反射面
11 壁面
12 壁面
13 超音波伝達子
14 超音波伝達子
15 固定具
16 補助壁
17 補助壁
20 パイプ
21 超音波伝達子
22 超音波伝達子
Claims (6)
- 断面が矩形状であり、長辺側が予め決められた高さを有する二つの平行な平板を有する流路と、前記二つの平板の外側であり短辺側に位置し、超音波の送受信面が前記予め決められた高さと実質的に同じ高さを有する二つのトランスジューサとを具備し、前記超音波の伝搬経路は前記予め決められた高さに規定されており、かつ前記トランスジューサは音波放射面全体が一様に振動することにより前記予め決められた高さの方向に一様な音圧分布をつくることを特徴とする超音波流量計。
- 二つのトランスジューサが送受信する超音波の波長に対して、前記二つのトランスジューサの送受信面の幅が十分に小さいことを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。
- 二つのトランスジューサが送受信する超音波の波長に対して、前記二つのトランスジューサの送受信面の幅が十分に大きいことを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。
- 一方のトランスジューサから送信された超音波を反射して他方のトランスジューサに送信する反射面を設けた請求項1から3のいずれかに記載の超音波流量計。
- 流路とトランスジューサとの間に位置し、前記流路に対して前記超音波を送信または受信する面が前記流路の前記トランスジューサ側の壁面に対して凹凸を生じない形状を有する超音波伝達子を具備する請求項1から4のいずれかに記載の超音波流量計。
- トランスジューサは送受信が互いに対向して設けられた請求項1から3のいずれかに記載の超音波流量計。
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1995
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