JP4341782B1 - 超音波送受波器 - Google Patents

Abstract

【課題】水分に影響されることがなく、正常な計測を行うことが可能な超音波送受波器を提供する。
【解決手段】隙間３９は、仮に結露が発生しても、水分がこの自重によって抜け出るような間隔に、また、測定管を流れる被測定流体から受ける負圧によって抜け出るような間隔に形成されている。隙間３９は、超音波を送受波する送受波空間４１に連通するようになっている。他端部４５の外面には、隙間３９の状態を保つために、複数の凸部が等ピッチで配置形成されている。内部側ハウジング３５には、内面及び外面を貫通するようにハウジング貫通穴４２が複数箇所形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波送受波器に関し、詳しくは、気体用超音波流量計に用いられる超音波送受波器に関する。

下記特許文献１には次のような技術が開示されている。図８（ａ）において、超音波流量計１は、被測定流体が流速Ｆで流れる測定管２を備えている。測定管２には、この管軸Ｏ−Ｏに対し角度βの角度を持って対向する支持管３及び４が設けられている。支持管３には超音波送受波器５が、また、支持管４には超音波送受波器６が、同軸に対向する状態に固着されている。

超音波流量計１は、矢印Ｕａで示す如く超音波送受波器６から超音波を所定時間、流れに対して順方向に発射し、これを超音波送受波器５にて受波するようになっている。超音波送受波器５は、超音波を受波した後に矢印Ｕｂで示す如く流れと逆方向に、すなわち超音波送受波器６に向けて超音波を発射するようになっている。超音波送受波器５及び６は、同じ構造のものが用いられている。超音波送受波器５及び６は、交互に超音波の送受を繰り返すものとなっている。

超音波送受波器５及び６の区間において、超音波の矢印Ｕａ方向の伝播時間と、矢印Ｕｂ方向の伝播時間との時間差は、被測定流体の矢印Ｆ方向の流速に比例した時間差であることが知られている。従って、超音波流量計１は、上記時間差に被測定流体のフローパターンに関するレイノルズ数補正を施した流速を求め、そして、この流速に測定管２の管路断面積を乗算することによって流量を求めることができるようになっている。

図８（ｂ）において、超音波送受波器５は、弾性体７と、この弾性体７埋設される超音波送受波素子（図示省略）と、弾性体７の一部が固着する略円筒状の内部側ハウジング８とを備えて構成されている（超音波送受波器６も同じものであることから、ここでの説明を省略する）。超音波送受波器５は、測定管２に形成される支持管３に内部側ハウジング８を隙間なく差し込んで固定されている。弾性体７は、略円柱状の一端部９と、略円柱状の他端部１０と、これらの間に位置する小径のくびれ部１１とを有している。一端部９は、内部側ハウジング８に固着されている。他端部１０には、超音波送受波素子が埋設されている。

他端部１０の外面と内部側ハウジング８の内面との間には、隙間１２が設けられている。また、くびれ部１１と内部側ハウジング８の内面との間には、ダンピング作用空間１３が設けられている。他端部１０の外面と内部側ハウジング８の内面との間の隙間１２は、極僅かな空間が生じるような状態に形成されている。他端部１０の端面１４と内部側ハウジング８の端面１５との間には、上記隙間１２が超音波を送受波する測定管２内の送受波空間１６に連通しないようにするための封止部材１７が設けられている。封止部材１７は、上記隙間１２に被測定流体からの水分（液体）が入り込まないようにするために設けられている。隙間１２は極僅かな空間であるものの、水分が入り込むには十分な空間となっている。

封止部材１７を設ける理由としては、被測定流体からの水分によって弾性体７が包まれてしまうと、弾性体７は内部側ハウジング８に対し恰も架橋された状態になってしまうことから、これにより超音波は気体中に伝搬せずに、より伝わり易い内部側ハウジング８に伝搬してしまい、結果、超音波の送受波に支障を来して計測不良を引き起こしてしまう恐れを有するからである。
特許第３６３９５７０号公報

ところで、上記従来技術にあっては、弾性体７における他端部１０の端面１４と内部側ハウジング８の端面１５との間に封止部材１７を設けていることから、次のような問題点を有している。すなわち、内部側ハウジング８の内側で例えば結露等が生じた場合には、封止部材１７の存在によって水分を抜くことができず、結果、超音波の送受波に支障を来してしまうという問題点を有している。

仮に、上記内側で結露等が発生した場合には、超音波送受波器５を支持管３から取り外して水分を除去する、というような面倒な作業をしなければならないことになる。また、この面倒な作業をするまでは、良好な計測結果が得られないということにもなる。本願発明者は、受信波形が乱れて正常な計測を行うことができないことを突き止めている。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたもので、水分に影響されることがなく、正常な計測を行うことが可能な超音波送受波器を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の本発明の超音波送受波器は、略円柱状又は略円板状の一端部、略円柱状の他端部、及びこれらの間に位置する小径のくびれ部、を有する弾性体と、該弾性体に埋設される超音波送受波素子と、前記一端部を介して前記弾性体が固着する略円筒状の内部ハウジングと、を備える超音波送受波器であって、前記内部ハウジング及び前記弾性体は、前記内部ハウジングの内面と前記くびれ部との間にダンピング作用空間を有するとともに、前記内部ハウジングの内面と前記他端部との間に隙間を有する、超音波送受波器において、前記他端部の外面に複数の凸部を設けるとともに前記他端部の径を調整して前記隙間を積極的に大きく形成し、且つ、超音波を送受波する測定管内の送受波空間と前記隙間とを連通させるように前記内部ハウジングと前記弾性体とを配置形成し、且つ、前記内部ハウジングには、該内部ハウジングを貫通するハウジング貫通穴を複数箇所形成することを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、内部側ハウジングと弾性体との間に例えば結露が生じたり、或いは被測定流体からの水分が入り込んだりしても、水分は自然と抜け出るようになる。

請求項２記載の本発明の超音波送受波器は、請求項１に記載の超音波送受波器において、前記ハウジング貫通穴の形成位置を前記内部側ハウジングの周方向に等ピッチとなる四箇所に設定することを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、ハウジング貫通穴は超音波送受波器の取り付け方向に左右され難い位置に配置形成されるようになる。ハウジング貫通穴は、被測定流体が流れる測定管の支持管に対して内部側ハウジングを支持固定する際の、例えばネジ穴の位置に配慮して配置形成することが好ましいものとする（例えばネジ穴が四つであるとすると、隣り合うネジ穴の間に位置するように配置形成する）。

請求項３記載の本発明の超音波送受波器は、請求項１又は請求項２に記載の超音波送受波器において、用途を気体計測とすることを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、気体中に水分が仮に含まれていたとしても、この水分は自然と抜け出るようになることから、気体計測に好適な超音波送受波器になる。

本発明によれば、水分に影響されることのない超音波送受波器を提供することができるという効果を奏する。また、本発明の超音波送受波器は正常な計測を行うことができるという効果を奏する。

以下、図面を参照しながら説明する。図１は超音波流量計の測定原理を模式的に示す図である。また、図２は本発明の超音波送受波器の一実施の形態を示す正面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４は超音波送受波器の斜視図である。

図１において、超音波流量計２１は、気体計測用のものであって、被測定流体（例えばガス）が流速Ｖで流れる測定管２２を備えている。測定管２２には、支持管２３、２３を介して超音波送受波器Ａ、Ｂが設けられている。超音波流量計２１は、超音波送受波器Ａ、Ｂ間で交互に送受波される超音波の伝搬時間の差から流量が得られるように構成されている。超音波流量計２１は、超音波の送受波に、旋回流の影響を受け難く、高い計測分解能が得られる「反射（シングルリフレクション）方式」と、演算法に、音速が関係しない「伝搬時間逆数差法」を採用することによって、高精度で安定した気体流量の測定を可能としたものとなっている。以下、測定原理を簡単に説明する。

「Ｔａｂ」を超音波送受波器ＡからＢまでの伝搬時間（ｓ）とし、「Ｔｂａ」を超音波送受波器ＢからＡまでの伝搬時間（ｓ）とし、「Ｌ」を超音波の伝搬距離（ｍ）とし、「Ｃ」を計測気体中の音速（ｍ／ｓ）とし、「Ｖ」を計測気体の流速（ｍ／ｓ）とし、「φ」を超音波の進路と測定管２２の管路中心軸との角度とすると、気体が流れている時は、次のような式で表される。

式（１）、（２）より、

ここで測定管２２の管路断面積をＡ（ｍ^２）とすれば、流量Ｑ（ｍ^３／ｈ）は、次の（４）式で表される。

すなわち、超音波伝搬時間の逆数の差から流速が求まり（上記式（３）参照）、結果として流量が得られるようになる（上記式（４）参照）。

次に、図２ないし図４を参照しながら上記超音波送受波器Ａ、Ｂに対応する、本発明の超音波送受波器３１について説明する。

図２ないし図４において、本発明の超音波送受波器３１は、支持管２３にネジ止めによって支持固定されるハウジング３２を備えている。また、超音波送受波器３１は、ハウジング３２に収容される弾性体３３と、この弾性体３３に埋設される超音波送受波素子３４とを備えている。

ハウジング３２は、例えばステンレスからなる材料を切削加工することにより製造されている。ハウジング３２は、支持管２３内に差し込まれる内部側ハウジング３５と、支持管２３にネジ止めされるフランジ３６と、支持管２３の外部に露出して配線３７を導出する外部ハウジング３８とを有している。

本発明の超音波送受波器３１は、内部側ハウジング３５と、この内部側ハウジング３５内に収容される弾性体３３と、これらの間に形成される隙間３９とに特徴を有している（この他は基本的に従来と同じ構成及び構造であり、詳細な説明は省略するものとする）。

上記内部側ハウジング３５は、略円筒状の形状であって、この先端部４０が測定管２２の管路、すなわち超音波を送受波する送受波空間４１（図１参照）に露出するように形成されている。内部側ハウジング３５は、所定の長さを有しており、この基端には環状のフランジ３６が連成されている。内部側ハウジング３５の内面及び外面は、断面で見た場合、ハウジング３２の図示しない中心軸に対して同心円となるように形成されている。このような内部側ハウジング３５には、内面及び外面を貫通するようにハウジング貫通穴４２が複数箇所形成されている。

ハウジング貫通穴４２は、内部側ハウジング３５の周方向に等ピッチ（９０度ピッチ）となる四箇所に配置形成されている（数は一例であるものとする。数は一又は複数のいずれであっても良いものとする）。ハウジング貫通穴４２は、フランジ３６のネジ穴４３に対して４５度ずれる位置に配置形成されている。ハウジング貫通穴４２は、上記中心軸に沿ってのびるように形成されている。本形態においては、長円形状に形成されている（一例であるものとする。例えば、略長方形状や楕円形状に形成しても良いものとする。また、複数の円形の穴を一列に並べるような形状にしても良いものとする）。

内部側ハウジング３５は、複数のハウジング貫通穴４２を設けた形状であるものの、剛性は十分に確保されている。

上記弾性体３３は、略円板状の一端部４４と、略円柱状の他端部４５と、これらの間に位置する小径のくびれ部４６とを有して、図示のような形状に形成されている。弾性体３３は、一端部４４を介して内部側ハウジング３５に固着されている（図中の固着位置は一例であるものとする）。他端部４５は、従来例の他端部１１（図８（ｂ）参照）よりも若干小径に形成されている。すなわち、他端部４５の外面と内部側ハウジング３５の内面との間隔が従来例よりも広くなるように、他端部４５は形成されている。これにより隙間３９は、従来例よりも積極的に大きく形成されている。

隙間３９は、仮に結露が発生しても、水分がこの自重によって抜け出るような空間に、また、測定管２２を流れる被測定流体から受ける負圧によって抜け出るような空間に形成されている。隙間３９は、超音波を送受波する送受波空間４１に連通するようになっている。尚、他端部４５の端面４７と内部側ハウジング３５の端面４８との間において、本発明では、従来例のような封止部材が存在しないものとする。

他端部４５の外面には、隙間３９の状態を保つために、複数の凸部４９が等ピッチで配置形成されている。凸部４９は、本形態において、突条となる形状で四箇所形成されている（形状は一例であるものとする）。凸部４９は、この先端が内部側ハウジング３５の内面に接触するように形成されている。他端部４５は、くびれ部４６に連続する部分がテーパ状となる形状に形成されている。このテーパ状となる部分は、水分が留まり難くなっている。くびれ部４６と内部側ハウジング３５の内面との間には、ダンピング作用空間５０が形成されている。

上記超音波送受波素子３４は、円板状で所定の圧電定数を有する圧電素子５１と、インピーダンス整合層５２と、図示しないリード線とを備えて構成されている。超音波送受波素子３４は、従来例の図示しない超音波送受波素子と同じものが用いられている。超音波送受波素子３４は、インピーダンス整合層５２が他端部４５の端面４７の中央位置に露出するように配置されている。

上記構成及び構造において、圧電素子５１が駆動パルスの立ち下げで駆動された時、弾性体３３のバネ力と他端部４５の質量とからなる振動系により、上記図示しない中心軸の方向に圧縮・伸長する圧電交番歪を生じ、インピーダンス整合層５２を介して超音波を送受波する外部媒体との音響インピーダンスが整合され、効率良く超音波が発射される。これと同時に、弾性体３３の他端部４５も振動し、この振動は中央のくびれ部４６に伝播する。この振動は、くびれ部４６の断面積が小さく内部摩擦が大きいことと、ダンピング作用空間５０によるダンピング作用のため制動され、圧電交番歪は急速に減衰する。

仮に隙間３９に水分が入り込んだ場合、或いは結露によって水分が発生した場合は、隙間３９が従来例よりも大きく、また、ハウジング貫通穴４２を複数有することから、水分が自然と抜け出るようになる。従って、本発明によれば、水分に影響されることのない超音波送受波器３１になる。本発明の超音波送受波器３１は、水分に影響されることのないものであることから、正常な計測を行うことができるという効果を奏する。この効果について、以下に説明する。

図５は実流での水分影響を見るための水分封入影響試験装置の構成図、図６は水分封入影響試験の結果を示すグラフ、図７は超音波送受波器の受信波に係る図である。

図５において、水分封入影響試験装置６１は、超音波流量計６２の上流から蛇腹管６３及び配管６４を介して１５ｍ／ｓの空気を流すとともに、圧送タンク６５を０．１ＭＰａで加圧して水を０．７〜１．０Ｌ／ｍｉｎ流し、これによって実流での水分影響を見ようとした装置構成になっている。引用符号６６は容積流量計を示している。超音波流量計６２には、本発明の超音波送受波器３１又は従来例の超音波送受波器５、６（図８参照）の、いずれかが設けられるようになっている。水分封入影響試験装置６１は、配管６４の下部を水が流れるような、実際の使用状況よりも格段に厳しい条件での試験となるように構成されている。尚、超音波流量計６２は、口径５０ｍｍで流量を計測するように構成されている（口径や以上の数値は一例であるものとする）。

図６のグラフは、縦軸に流速（ｍ／ｓ）、横軸に時間（ｓ）をとって表したものであり、縦軸の流速は１２ｍ／ｓよりも下を省略している。グラフ中の実線は本発明の超音波送受波器３１を用いた場合の結果であり、１５ｍ／ｓの空気を流した状態において矢印Ｐ１のポイントで水分を１．０Ｌ／ｍｉｎ封入し、矢印Ｐ２のポイントで水分封入を止めている。グラフから、本発明の超音波送受波器３１を用いた場合では、水分の影響を受けていないことが分かる。つまり、正常な計測を行うことができている。

これに対して、グラフ中の破線は従来例の超音波送受波器５、６を用いた場合の結果であり、１５ｍ／ｓの空気を流した状態において矢印Ｐ３のポイントで水分を１．０Ｌ／ｍｉｎ封入すると、この後すぐに流速が０ｍ／ｓまで一気に降下して計測不能になってしまうことが分かる。尚、水分封入を止めてみたが復帰することはなかった。

図７において、水分の含まれない状態での定常的な受信波は図７（ａ）に示す如くの波形である。一方、水分を封入した状態において、本発明の超音波送受波器３１を用いた場合では、受信波は図７（ｂ）に示す如くの波形になる。ところが、水分を封入した状態において、従来例の超音波送受波器５、６を用いた場合では、受信波が図７（ｃ）に示す如くの波形になってしまう。従って、図６のグラフのような結果が出てしまうのは当然であるといえる。

以上、図１ないし図７を参照しながら説明してきたように、本発明によれば、水分に影響されることのない超音波送受波器３１を提供することができるという効果を奏する。また、本発明の超音波送受波器３１は正常な計測を行うことができるという効果を奏する。

本発明は本発明の主旨を変えない範囲で種々変更実施可能なことは勿論である。

超音波流量計の測定原理を模式的に示す図である。 本発明の超音波送受波器の一実施の形態を示す正面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 超音波送受波器の斜視図である。 実流での水分影響を見るための水分封入影響試験装置の構成図である。 水分封入影響試験の結果を示すグラフである。 超音波送受波器の受信波に係る図である。 （ａ）は従来例の超音波流量計を示す図、（ｂ）は従来例の超音波送受波器を示す図である。

符号の説明

２１ 超音波流量計
２２ 測定管
２３ 支持管
３１ 超音波送受波器
３２ ハウジング
３３ 弾性体
３４ 超音波送受波素子
３５ 内部側ハウジング
３６ フランジ
３７ 配線
３８ 外部ハウジング
３９ 隙間
４０ 先端部
４１ 送受波空間
４２ ハウジング貫通穴
４３ ネジ穴
４４ 一端部
４５ 他端部
４６ くびれ部
４７、４８ 端面
４９ 凸部
５０ ダンピング作用空間
５１ 圧電素子
５２ インピーダンス整合層

Claims (3)

1. 略円柱状又は略円板状の一端部、略円柱状の他端部、及びこれらの間に位置する小径のくびれ部、を有する弾性体と、該弾性体に埋設される超音波送受波素子と、前記一端部を介して前記弾性体が固着する略円筒状の内部ハウジングと、を備える超音波送受波器であって、
   前記内部ハウジング及び前記弾性体は、前記内部ハウジングの内面と前記くびれ部との間にダンピング作用空間を有するとともに、前記内部ハウジングの内面と前記他端部との間に隙間を有する、超音波送受波器において、
   前記他端部の外面に複数の凸部を設けるとともに前記他端部の径を調整して前記隙間を積極的に大きく形成し、且つ、超音波を送受波する測定管内の送受波空間と前記隙間とを連通させるように前記内部ハウジングと前記弾性体とを配置形成し、且つ、前記内部ハウジングには、該内部ハウジングを貫通するハウジング貫通穴を複数箇所形成する
   ことを特徴とする超音波送受波器。
2. 請求項１に記載の超音波送受波器において、
   前記ハウジング貫通穴の形成位置を前記内部ハウジングの周方向に等ピッチとなる四箇所に設定する
   ことを特徴とする超音波送受波器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の超音波送受波器において、
   用途を気体計測とする
   ことを特徴とする超音波送受波器。

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