JP5548834B1 - Ultrasonic flow meter - Google Patents

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Abstract

【課題】高周波数の超音波ビームを効率よく安定的に送受信させて高頻度の測定回数に基づく優れた測定精度を発揮する超音波流量計を提供すること。
【解決手段】セラミック製の円板状圧電素子141が、ガラスエポキシ樹脂製の音響インピーダンス整合層142とシリコンゴム製の振動吸収層143との間に介在して積層され、音響インピーダンス整合層142の厚みd1が、円板状圧電素子141の厚みd2より薄く設定され、振動吸収層143の厚みd3が、円板状圧電素子141の厚みd2より厚く設定されていることにより、音響インピーダンス整合層142が円板状圧電素子141から発生する超音波ビームを直円管110の管路端封止領域111aに向けて円滑に伝播させる超音波流量計100。
【選択図】図2
The present invention provides an ultrasonic flowmeter that transmits and receives a high-frequency ultrasonic beam efficiently and stably and exhibits excellent measurement accuracy based on the number of high-frequency measurements.
A ceramic disk-shaped piezoelectric element is laminated between an acoustic impedance matching layer made of glass epoxy resin and a vibration absorbing layer made of silicon rubber. The thickness d1 is set thinner than the thickness d2 of the disk-shaped piezoelectric element 141, and the thickness d3 of the vibration absorbing layer 143 is set larger than the thickness d2 of the disk-shaped piezoelectric element 141, so that the acoustic impedance matching layer 142 is obtained. An ultrasonic flowmeter 100 that smoothly propagates an ultrasonic beam generated from the disk-shaped piezoelectric element 141 toward the pipe end sealing region 111 a of the straight tube 110.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、圧電素子から発生する超音波ビームが測定導管の上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差から測定導管内の流体速度を求め、この流体速度に直円管の断面積を乗じて直円管内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計に関するものであって、特に、半導体や液晶の製造工程におけるシリコンウエハの研磨・洗浄を行う装置や液晶製造装置などで用いられる様々な薬液、食品製造ラインやケミカル製造ラインにおける原料、貯蔵、混合プロセスで取り扱われる薬液などの液体を測定するための超音波流量計に関するものである。   The present invention obtains the fluid velocity in the measurement conduit from the time difference between the time that the ultrasonic beam generated from the piezoelectric element propagates from the upstream side to the downstream side of the measurement conduit and the time that it propagates from the downstream side to the upstream side. The present invention relates to a time difference type ultrasonic flowmeter that obtains the flow rate in a straight tube by multiplying the cross-sectional area of the straight tube by velocity, and in particular, a device for polishing and cleaning silicon wafers in the manufacturing process of semiconductors and liquid crystals The present invention relates to an ultrasonic flowmeter for measuring various chemical liquids used in liquid crystal manufacturing apparatuses, raw materials in food production lines and chemical production lines, liquids such as chemical liquids handled in storage and mixing processes.

従来、時間差方式の超音波流量計として、流体が流通する流通路の一部に流体の流量を計測する計測流通路を含む流通路をなし、センサユニットを収容した樹脂からなる流量検出器本体と、計測流通路を挟んで互いに対向して配置された一対の超音波圧電素子とを備えた超音波流量検出器がある(例えば、特許文献1)。   Conventionally, as a time difference type ultrasonic flowmeter, a flow passage body including a measurement flow passage for measuring the flow rate of fluid is formed in a part of the flow passage through which the fluid flows, and a flow rate detector main body made of resin containing a sensor unit; There is an ultrasonic flow rate detector provided with a pair of ultrasonic piezoelectric elements arranged to face each other across a measurement flow path (for example, Patent Document 1).

そして、この超音波流量検出器における流量検出器本体のセンサユニットは、セラミックスからなる円板状の超音波圧電素子、その前面に配置された音響整合層、超音波圧電素子の側方及び後方を囲むハウジング、ゴム製のOリング、及び、超音波圧電素子に接続されたフッ素樹脂被覆のリード線から構成されている。   The sensor unit of the flow rate detector main body in this ultrasonic flow rate detector includes a disk-shaped ultrasonic piezoelectric element made of ceramics, an acoustic matching layer disposed on the front surface thereof, a side and a rear side of the ultrasonic piezoelectric element. It is composed of a surrounding housing, a rubber O-ring, and a fluororesin-coated lead wire connected to the ultrasonic piezoelectric element.

特開2011−38862号公報(特に、請求項1、図1参照)Japanese Patent Laying-Open No. 2011-38862 (refer to claim 1, FIG. 1 in particular)

しかしながら、従来の超音波流量検出器におけるセンサユニットは、音響整合層が超音波圧電素子の前面に配置されているが、超音波ビームが音響整合層を通過するときに音響振動が音響整合層に吸収されて信号強度が弱くなり、超音波送受信のS/N比が劣化して流量測定に支障を来すという問題があった。   However, in the sensor unit in the conventional ultrasonic flow rate detector, the acoustic matching layer is disposed on the front surface of the ultrasonic piezoelectric element. However, when the ultrasonic beam passes through the acoustic matching layer, the acoustic vibration is generated in the acoustic matching layer. There is a problem that the signal intensity is weakened by being absorbed, and the S / N ratio of ultrasonic transmission / reception deteriorates to hinder flow rate measurement.

また、計測流通路の両端屈曲部で流体が乱流渦を発生し、この乱流渦の動きによって超音波ビームの伝播に支障をきたすため、信号強度が弱い場合には、超音波送受信のS/N比がさらに劣化して測定精度に誤差が生じるという問題があった。   Further, the fluid generates turbulent vortices at both ends of the measurement flow path, and the movement of the turbulent vortices hinders the propagation of the ultrasonic beam. There is a problem that the / N ratio further deteriorates and an error occurs in measurement accuracy.

さらに、従来の超音波流量検出器では、超音波圧電素子の音響振動が減衰するまでに相当の時間を必要とし、超音波ビームの単位時間当たりの発生回数を増加させることができないため、超音波ビームの送受信が非効率的であり、高頻度の測定回数に基づく測定精度の向上が望めないという問題があった。   Furthermore, in the conventional ultrasonic flow rate detector, it takes a considerable time until the acoustic vibration of the ultrasonic piezoelectric element is attenuated, and the number of times the ultrasonic beam is generated per unit time cannot be increased. There is a problem in that beam transmission / reception is inefficient and improvement in measurement accuracy based on the number of high-frequency measurements cannot be expected.

そこで、本発明は、前述した従来技術の問題を解決するものであって、すなわち、本発明の目的は、高周波数の超音波ビームを効率よく安定的に送受信させて高頻度の測定回数に基づく優れた測定精度を発揮する超音波流量計を提供することである。   Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, that is, the object of the present invention is to efficiently transmit and receive a high-frequency ultrasonic beam efficiently and based on a high-frequency measurement count. It is to provide an ultrasonic flowmeter that exhibits excellent measurement accuracy.

本請求項1に係る発明は、被測定流体を流通させるフッ素樹脂製の直円管と、該直円管の一方端に所定の流入角度で連通する流入管と、前記直円管の他方端に所定の流出角度で連通する流出管と、前記直円管の一方端および他方端にそれぞれ延在して相互に対向する一対の流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドと、該流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドにそれぞれ内在させて前記直円管の中心軸に沿って超音波ビームの送受信を交互に行うセラミック製の円板状圧電素子とを備え、前記円板状圧電素子から発生する超音波ビームが前記直円管の上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差から前記直円管内の流体速度を求め、該流体速度に直円管の断面積を乗じて直円管内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計において、前記セラミック製の円板状圧電素子が、前記直円管の中心軸に対して直交配置されているとともに前記直円管の一方端および他方端にそれぞれ形成された管路端封止領域に対面するガラスエポキシ樹脂製の音響インピーダンス整合層と前記円板状圧電素子に対面するシリコンゴム製の振動吸収層との間に介在して積層され、前記音響インピーダンス整合層の厚みが、前記円板状圧電素子の厚みより薄く設定され、前記振動吸収層の厚みが、前記円板状圧電素子の厚みより厚く設定されていることにより、前述した課題を解決するものである。   The invention according to claim 1 includes a fluororesin straight circular pipe through which a fluid to be measured flows, an inflow pipe communicating with one end of the straight circular pipe at a predetermined inflow angle, and the other end of the straight pipe An outflow pipe communicating with a predetermined outflow angle, a pair of inflow side measurement heads and outflow side measurement heads extending to one end and the other end of the straight pipe and facing each other, and the inflow side measurement head And a ceramic disk-shaped piezoelectric element that is embedded in each of the outflow side measuring heads and alternately transmits and receives an ultrasonic beam along the central axis of the straight tube, and is generated from the disk-shaped piezoelectric element. The fluid velocity in the straight tube is obtained from the time difference between the time that the ultrasonic beam propagates from the upstream side to the downstream side of the straight tube and the time that the ultrasonic beam propagates from the downstream side to the upstream side. Multiply the cross-sectional area to find the flow rate in the straight pipe In the difference type ultrasonic flowmeter, the ceramic disk-shaped piezoelectric elements are arranged orthogonally to the central axis of the straight tube and formed at one end and the other end of the straight tube, respectively. Laminated between an acoustic impedance matching layer made of glass epoxy resin facing the pipe line end sealing region and a vibration absorbing layer made of silicon rubber facing the disc-shaped piezoelectric element, and the acoustic impedance The matching layer is set to be thinner than the disc-shaped piezoelectric element, and the vibration absorbing layer is set to be thicker than the disc-shaped piezoelectric element. Is.

本請求項2に係る発明は、請求項1に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記直円管に形成された管路端封止領域の厚みが、前記円板状圧電素子の厚みより厚く設定されていることにより、前述した課題を解決するものである。   In the invention according to claim 2, in addition to the configuration of the ultrasonic flowmeter according to claim 1, the thickness of the pipe end sealing region formed in the straight circular pipe is the disk-shaped piezoelectric element. The above-mentioned problem is solved by setting the thickness to be thicker than the above-described thickness.

本請求項3に係る発明は、請求項2に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記直円管の管路端封止領域に対して音響インピーダンス整合層を一体に密着させるグリセリン層が、前記直円管の管路端封止領域と音響インピーダンス整合層との間に設けられていることにより、前述した課題を解決するものである。   In addition to the configuration of the ultrasonic flowmeter according to claim 2, the invention according to claim 3 is a glycerin that integrally adheres an acoustic impedance matching layer to a pipe end sealing region of the straight tube. The layer is provided between the pipe end sealing region of the straight tube and the acoustic impedance matching layer, thereby solving the above-described problem.

本請求項4に係る発明は、請求項3に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記直円管の管内径および円板状圧電素子の円径が、ほぼ同一に設定されていることにより、前述した課題を解決するものである。   In the invention according to claim 4, in addition to the configuration of the ultrasonic flowmeter described in claim 3, the pipe inner diameter of the straight circular pipe and the circular diameter of the disk-shaped piezoelectric element are set to be substantially the same. Thus, the above-described problems are solved.

本請求項5係る発明は、請求項4に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記円板状圧電素子の周縁部を保持する円筒状保持部材が、前記流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッド内に設けられて前記円板状圧電素子の中心軸に沿った円板状圧電素子の音響振動を許容する音響空洞部を備えていることにより、前述した課題を解決するものである。   According to the fifth aspect of the invention, in addition to the configuration of the ultrasonic flowmeter according to the fourth aspect, a cylindrical holding member that holds a peripheral portion of the disc-shaped piezoelectric element includes the inflow side measuring head and the outflow side. The above-described problem is solved by providing an acoustic cavity provided in the side measuring head and allowing acoustic vibration of the disk-shaped piezoelectric element along the central axis of the disk-shaped piezoelectric element. .

本請求項6に係る発明は、請求項5に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記円板状圧電素子に向けて円筒状保持部材を弾力的に押圧する蓋部材が、前記流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドに形成した開口端部に螺着されていることにより、前述した課題を解決するものである。   In the invention according to claim 6, in addition to the configuration of the ultrasonic flowmeter described in claim 5, the lid member that elastically presses the cylindrical holding member toward the disk-shaped piezoelectric element includes: The problem described above is solved by being screwed into the opening end portions formed in the inflow side measurement head and the outflow side measurement head.

本請求項7に係る発明は、請求項6に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記流入管および流出管が、前記直円管の一方端と他方端とで同一の方向からコの字状に配置されて前記直円管と連通していることにより、前述した課題を解決するものである。   According to the seventh aspect of the present invention, in addition to the configuration of the ultrasonic flowmeter according to the sixth aspect, the inflow pipe and the outflow pipe are arranged in the same direction at one end and the other end of the straight circular pipe. The above-described problems are solved by arranging in a U-shape and communicating with the straight pipe.

本請求項8に係る発明は、請求項6に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記流入管および流出管が、前記直円管の一方端と他方端とで互い違いに配置されて前記直円管と連通していることにより、前述した課題を解決するものである。   According to the eighth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the ultrasonic flowmeter according to the sixth aspect, the inflow pipe and the outflow pipe are alternately arranged at one end and the other end of the straight circular pipe. Thus, the above-described problems are solved by communicating with the straight pipe.

本請求項9に係る発明は、請求項7または請求項8に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記円板状圧電素子を厚み1mm、円径10mmとし、前記超音波ビームの周波数を2MHzとした場合に、前記音響インピーダンス整合層の厚みが0.5mmに設定されるとともに、前記振動吸収層の厚みが4mmに設定されていることにより、前述した課題を解決するものである。   In addition to the configuration of the ultrasonic flowmeter described in claim 7 or claim 8, the invention according to claim 9 is configured such that the disk-shaped piezoelectric element has a thickness of 1 mm and a circular diameter of 10 mm, and the ultrasonic beam When the frequency is 2 MHz, the thickness of the acoustic impedance matching layer is set to 0.5 mm, and the thickness of the vibration absorbing layer is set to 4 mm, thereby solving the above-described problem. .

本発明の超音波流量計は、被測定流体を流通させるフッ素樹脂製の直円管と、この直円管の一方端に所定の流入角度で連通する流入管と、直円管の他方端に所定の流出角度で連通する流出管と、直円管の一方端および他方端にそれぞれ延在して相互に対向する一対の流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドと、これらの流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドにそれぞれ内在させて直円管の中心軸に沿って超音波ビームの送受信を交互に行うセラミック製の円板状圧電素子とを備えていることにより、円板状圧電素子から発生する超音波ビームが直円管の上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差から直円管内の流体速度を求め、この流体速度に直円管の断面積を乗じて直円管内を流れる流量を求めることができるばかりでなく、以下のような特有の効果を奏することができる。   The ultrasonic flowmeter of the present invention includes a fluororesin straight circular pipe through which a fluid to be measured flows, an inflow pipe communicating with one end of the straight circular pipe at a predetermined inflow angle, and the other end of the straight circular pipe. An outflow pipe communicating at a predetermined outflow angle; a pair of inflow side measurement heads and outflow side measurement heads extending to one end and the other end of the straight circular pipe and facing each other; It is generated from the disk-shaped piezoelectric element by being equipped with a ceramic disk-shaped piezoelectric element that is embedded in the outflow side measuring head and alternately transmits and receives ultrasonic beams along the central axis of the straight tube The fluid velocity in the straight tube is obtained from the time difference between the time that the ultrasonic beam propagates from the upstream side to the downstream side of the straight tube and the time that it propagates from the downstream side to the upstream side. Multiply the area to find the flow rate in the straight pipe It not only can, it is possible to obtain the specific effect as described below.

すなわち、本請求項1に係る発明の超音波流量計によれば、セラミック製の円板状圧電素子が、直円管の中心軸に対して直交配置されているとともに直円管の一方端および他方端にそれぞれ形成された管路端封止領域に対面するガラスエポキシ樹脂製の音響インピーダンス整合層と円板状圧電素子に対面するシリコンゴム製の振動吸収層との間に介在して積層されていることにより、音響インピーダンス整合層が円板状圧電素子と直円管の管路端封止領域との間に生じがちな音響インピーダンスの急変を段階的に緩和させるため、音響インピーダンス整合層が円板状圧電素子から発生する超音波ビームを直円管の管路端封止領域に向けて円滑に伝播させることができるとともに、振動吸収層が円板状圧電素子の音響振動を早期に減衰吸収するため、流入側測定ヘッドと流出側測定ヘッドとの相互間で超音波ビームの単位時間当たりの発生回数を大幅に増加させることができ、その結果、超音波ビームを効率よく安定的に送受信させるとともに測定回数の増加による測定平均値の精度を向上させることができる。   That is, according to the ultrasonic flowmeter of the present invention, the disk-shaped piezoelectric element made of ceramic is disposed orthogonally to the central axis of the straight circular pipe and has one end of the straight circular pipe and Laminated between an acoustic impedance matching layer made of glass epoxy resin facing the pipe end sealing region formed on the other end and a vibration absorbing layer made of silicon rubber facing the disc-shaped piezoelectric element. Therefore, the acoustic impedance matching layer gradually reduces the sudden change in acoustic impedance that tends to occur between the disk-shaped piezoelectric element and the pipe end sealing region of the straight tube. The ultrasonic beam generated from the disk-shaped piezoelectric element can be smoothly propagated toward the pipe end sealing region of the straight tube, and the vibration absorbing layer attenuates the acoustic vibration of the disk-shaped piezoelectric element early. Absorb Therefore, the number of generation of the ultrasonic beam per unit time between the inflow side measurement head and the outflow side measurement head can be greatly increased. As a result, the ultrasonic beam can be transmitted and received efficiently and stably. The accuracy of the measurement average value can be improved by increasing the number of measurements.

そして、音響インピーダンス整合層の厚みが、円板状圧電素子の厚みより薄く設定されていることにより、円板状圧電素子と音響インピーダンスが異なる直円管の管路端封止領域での乱反射が少なくなり波形が安定するため、超音波ビームの送受信を安定化させることができる。これに対して、音響インピーダンス整合層の厚みが円板状圧電素子の厚みより厚い場合には、超音波ビームが音響インピーダンス整合層を通過するときに音響振動が吸収されて信号強度が弱くなるため、超音波送受信のS/N比が著しく劣化して測定精度が悪化する。   And since the thickness of the acoustic impedance matching layer is set to be smaller than the thickness of the disk-shaped piezoelectric element, irregular reflection at the pipe end sealing region of the straight pipe having a different acoustic impedance from that of the disk-shaped piezoelectric element is caused. Since the waveform is reduced and the waveform is stabilized, transmission and reception of the ultrasonic beam can be stabilized. On the other hand, when the thickness of the acoustic impedance matching layer is thicker than the thickness of the disk-shaped piezoelectric element, the acoustic intensity is absorbed when the ultrasonic beam passes through the acoustic impedance matching layer, so that the signal intensity is weakened. The S / N ratio of ultrasonic transmission / reception is remarkably deteriorated, and the measurement accuracy is deteriorated.

また、振動吸収層の厚みが、円板状圧電素子の厚みより厚く設定されていることにより、音響振動が早期に収束して次の超音波を発信することが可能になるため、超音波ビームの単位時間当たりの発生回数に伴う測定回数が大幅に増加し、応答および測定平均値の精度を著しく向上させることができる。これに対して、振動吸収層の厚みが円板状圧電素子の厚みより薄い場合には、音響振動が早期に収束せず次の超音波を発信することができないため、超音波ビームの単位時間当たりの発生回数に伴う測定回数が少なくなり、応答および測定平均値の精度が悪化する。   In addition, since the thickness of the vibration absorbing layer is set to be thicker than the thickness of the disk-shaped piezoelectric element, the acoustic vibration can be converged early and the next ultrasonic wave can be transmitted. The number of measurements associated with the number of occurrences per unit time greatly increases, and the accuracy of the response and the measurement average value can be significantly improved. On the other hand, when the thickness of the vibration absorbing layer is thinner than the thickness of the disk-shaped piezoelectric element, the acoustic vibration does not converge early and the next ultrasonic wave cannot be transmitted. The number of times of measurement associated with the number of hits is reduced, and the accuracy of the response and the measurement average value is deteriorated.

本請求項2に係る発明の超音波流量計によれば、請求項1に係る発明が奏する効果に加えて、直円管に形成された管路端封止領域の厚みが、円板状圧電素子の厚みより厚く設定されていることにより、円板状圧電素子から一定の押圧力で押されている管路端封止領域の経時的な形態変形が抑制されて円板状圧電素子同士の相対的な配置関係が長期に亘って中心軸上で中心軸に垂直に維持され、円板状圧電素子同士が相互に平行に対面するように配置されるとともに、フッ素樹脂の特性に起因して生じがちな管路端封止領域のフッ素樹脂内への被測定流体の化学物質の湿潤が抑制されるため、管路端封止領域における超音波ビームの伝播を円滑に確保し、測定精度を長期に亘って維持することができる。これに対して、直円管に形成された管路端封止領域の厚みが円板状圧電素子の厚みより薄い場合には、円板状圧電素子から一定の押圧力で押されている管路端封止領域の経時的な形状変形を受け易くなるとともに、長期計量時にフッ素樹脂の特性に起因して被測定流体の化学物質が管路端封止領域のフッ素樹脂内に湿潤してくるため、管路端封止領域における超音波ビームの伝播に障害を来し、測定精度が悪化する。   According to the ultrasonic flowmeter of the invention of claim 2, in addition to the effect of the invention of claim 1, the thickness of the pipe end sealing region formed in the straight pipe is disc-shaped piezoelectric. By setting the thickness thicker than the thickness of the element, the temporal deformation of the pipe-end sealing region pressed by a certain pressing force from the disk-shaped piezoelectric element is suppressed, and the disk-shaped piezoelectric elements The relative arrangement relationship is maintained on the central axis perpendicular to the central axis over a long period of time, and the disk-shaped piezoelectric elements are arranged so as to face each other in parallel. Since wetting of chemical substances of the fluid under measurement into the fluororesin in the pipe end sealing area, which tends to occur, is suppressed, the propagation of the ultrasonic beam in the pipe end sealing area is ensured smoothly, and measurement accuracy is improved. It can be maintained for a long time. On the other hand, when the thickness of the pipe end sealing region formed in the straight circular pipe is thinner than the thickness of the disk-shaped piezoelectric element, the pipe pressed by the disk-shaped piezoelectric element with a constant pressing force The passage end seal area is susceptible to shape deformation over time, and the chemical substance of the fluid to be measured wets in the fluoro resin in the pipe end seal area due to the characteristics of the fluoro resin during long-term measurement. For this reason, the propagation of the ultrasonic beam in the pipe end sealing region is hindered, and the measurement accuracy is deteriorated.

本請求項3に係る発明の超音波流量計によれば、請求項2に係る発明が奏する効果に加えて、直円管の管路端封止領域に対して音響インピーダンス整合層を一体に密着させるグリセリン層が、音響インピーダンス整合層と直円管の管路端封止領域との間に設けられていることにより、直円管の管路端封止領域と音響インピーダンス整合層のそれぞれの表面荒さに起因して生じがちな相互間の隙間が解消されるため、双方の密着度が向上して超音波ビームの送受信を効率アップさせることができる。   According to the ultrasonic flowmeter of the invention of claim 3, in addition to the effect of the invention of claim 2, the acoustic impedance matching layer is integrally adhered to the pipe end sealing region of the straight pipe. Since the glycerin layer to be provided is provided between the acoustic impedance matching layer and the pipe end sealing region of the straight tube, each surface of the pipe end sealing region of the straight tube and the acoustic impedance matching layer Since the gap between each other that tends to occur due to roughness is eliminated, the degree of adhesion between the two can be improved and the transmission / reception of the ultrasonic beam can be improved.

本請求項4に係る発明の超音波流量計によれば、請求項3に係る発明が奏する効果に加えて、直円管の管内径および円板状圧電素子の円径が、ほぼ同一に設定されていることにより、円板状圧電素子から発生する超音波ビームを直円管内で乱反射させることなく充分に振幅させて超音波ビームの送受信が交互に行なわれるため、流入側測定ヘッドと流出側測定ヘッドとの相互間で超音波ビームを感度良く送受信させることができる。   According to the ultrasonic flowmeter of the invention of claim 4, in addition to the effect of the invention of claim 3, the tube inner diameter of the straight circular tube and the circle diameter of the disk-like piezoelectric element are set to be substantially the same. As a result, the ultrasonic beam generated from the disk-shaped piezoelectric element is sufficiently amplified without being irregularly reflected in the straight tube, and the ultrasonic beam is alternately transmitted and received. An ultrasonic beam can be transmitted and received with high sensitivity between the measurement head and each other.

本請求項5に係る発明の超音波流量計によれば、請求項4に係る発明が奏する効果に加えて、円板状圧電素子の周縁部を保持する円筒状保持部材が、流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッド内に設けられていることにより、円板状圧電素子の振動に支障を来すこと無く円板状圧電素子が音響インピーダンス整合層に対して確実に位置決めされるため、長期に亘って安定した流量計測が可能となり流量計として優れた耐久性を発揮することができる。   According to the ultrasonic flowmeter of the fifth aspect of the invention, in addition to the effect of the fourth aspect of the invention, the cylindrical holding member that holds the peripheral edge portion of the disk-shaped piezoelectric element has the inflow side measuring head. And in the outflow side measuring head, the disk-shaped piezoelectric element is reliably positioned with respect to the acoustic impedance matching layer without hindering the vibration of the disk-shaped piezoelectric element. A stable flow rate measurement is possible, and excellent durability as a flow meter can be exhibited.

そして、円筒状保持部材が音響空洞部を備えていることにより、円板状圧電素子の音響振動が許容されて増幅されるため、流入側測定ヘッドと流出側測定ヘッドとの相互間で超音波ビームを感度良く発信させることができる。   Since the cylindrical holding member includes the acoustic cavity, acoustic vibration of the disk-shaped piezoelectric element is allowed and amplified, so that ultrasonic waves are generated between the inflow side measurement head and the outflow side measurement head. The beam can be transmitted with high sensitivity.

本請求項6に係る発明の超音波流量計によれば、請求項5に係る発明が奏する効果に加えて、蓋部材が、流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドに形成した開口端部に螺着されていることにより、円板状圧電素子に向けて円筒状保持部材が弾力的に押圧されて確実に保持されるとともに円板状圧電素子に生じがちな内部応力が螺着度合いに応じて弾力的に吸収されるため、長期に亘って安定した流量計測が可能となり流量計として優れた耐久性を発揮することができる。   According to the ultrasonic flowmeter of the invention of claim 6, in addition to the effect of the invention of claim 5, the lid member is screwed into the opening end portions formed in the inflow side measurement head and the outflow side measurement head. By being attached, the cylindrical holding member is elastically pressed toward the disk-shaped piezoelectric element and is securely held, and internal stress that tends to occur in the disk-shaped piezoelectric element depends on the degree of screwing. Since it is absorbed elastically, it is possible to stably measure the flow rate over a long period of time, and to exhibit excellent durability as a flow meter.

本請求項7に係る発明の超音波流量計によれば、請求項6に係る発明が奏する効果に加えて、流入管および流出管とが、直円管の一方端と他方端とで同一の方向からコの字状に配置されていることにより、計量作業エリアにおいて直円管に対する流入管と流出管との取付スペースが最小化されるため、他の周辺機器との設置干渉も回避し易くなり、優れた操作性を発揮することができる。   According to the ultrasonic flowmeter of the invention of claim 7, in addition to the effect of the invention of claim 6, the inflow pipe and the outflow pipe are the same at one end and the other end of the straight circular pipe. The U-shaped arrangement from the direction minimizes the installation space between the inflow pipe and the outflow pipe for the straight circular pipe in the weighing work area, so it is easy to avoid installation interference with other peripheral devices. Thus, excellent operability can be exhibited.

本請求項8に係る発明の超音波流量計によれば、請求項6に係る発明が奏する効果に加えて、流入管および流出管が、直円管の一方端と他方端とで互い違いに配置されていることにより、計量作業エリアにおいて如何なる設置形態であっても流入管と流出管のいずれか一方が上方に向けて配置され易くなり直円管内に滞留しがちな被測定流体の気泡を直円管の一方端と他方端のいずれか一方から脱気し易くなるため、流入側測定ヘッドと流出側測定ヘッドとの相互間で生じがちな気泡障害による超音波ビームを感度良く送受信させることができる。   According to the ultrasonic flowmeter of the invention of claim 8, in addition to the effect of the invention of claim 6, the inflow pipe and the outflow pipe are alternately arranged at one end and the other end of the straight circular pipe. This makes it easy to place either the inflow pipe or the outflow pipe upwards in any measuring configuration in the measurement work area, and the bubbles of the fluid to be measured, which tends to stay in the straight circular pipe, are directly removed. Since it becomes easy to deaerate from one of the one end and the other end of the circular tube, it is possible to transmit and receive with high sensitivity the ultrasonic beam due to bubble failure that tends to occur between the inflow side measurement head and the outflow side measurement head. it can.

本請求項9に係る発明の超音波流量計によれば、請求項7または請求項8に係る発明が奏する効果に加えて、円板状圧電素子を厚み1mm、円径10mmとし、超音波ビームの周波数を2MHzとした場合に、音響インピーダンス整合層の厚みが0.5mmに設定されるとともに、振動吸収層の厚みが4mmに設定されていることにより、音響インピーダンス整合層が円板状圧電素子と管路端封止領域との間の音響インピーダンスの大きな差の影響を抑制して安定した波形が伝播するため、超音波ビームを感度良く発信させることができる。これに対して、音響インピーダンス整合層の厚みが0.5mmよりも薄くなってくると、音響インピーダンス整合層の効果が薄れ、円板状圧電素子と管路端封止領域との間の音響インピーダンスの大きな差の影響が残り、安定した波形が伝播しなくなり、他方、音響インピーダンス整合層の厚みが0.5mmを越えてくると、超音波ビームが音響インピーダンス整合層を通過するときに音響振動が音響インピーダンス整合層に吸収され、信号強度が弱くなり、超音波送受信のS/N比が劣化して測定精度が悪化してくる。   According to the ultrasonic flowmeter of the invention of claim 9, in addition to the effects of the invention of claim 7 or claim 8, the disk-shaped piezoelectric element has a thickness of 1 mm and a circle diameter of 10 mm, and an ultrasonic beam The thickness of the acoustic impedance matching layer is set to 0.5 mm and the thickness of the vibration absorbing layer is set to 4 mm, so that the acoustic impedance matching layer is a disc-shaped piezoelectric element. Since the stable waveform propagates while suppressing the influence of a large difference in acoustic impedance between the pipe end sealing region and the pipe end sealing region, the ultrasonic beam can be transmitted with high sensitivity. On the other hand, when the thickness of the acoustic impedance matching layer becomes thinner than 0.5 mm, the effect of the acoustic impedance matching layer is reduced, and the acoustic impedance between the disk-shaped piezoelectric element and the pipe end sealing region is reduced. However, if the thickness of the acoustic impedance matching layer exceeds 0.5 mm, acoustic vibration will not occur when the ultrasonic beam passes through the acoustic impedance matching layer. It is absorbed by the acoustic impedance matching layer, the signal intensity becomes weak, the S / N ratio of ultrasonic transmission / reception deteriorates, and the measurement accuracy deteriorates.

本発明の第1実施例である超音波流量計の概略を示す正面断面図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a front sectional view showing an outline of an ultrasonic flowmeter according to a first embodiment of the present invention. 図1の符号2で示す超音波流量計の流入側における要部拡大図。The principal part enlarged view in the inflow side of the ultrasonic flowmeter shown with the code | symbol 2 of FIG. (A)(B)は音響インピーダンス整合層の厚みと円板状圧電素子の厚みとの大小関係を変えて比較したときの受信される超音波の波形を示す図。(A) (B) is a figure which shows the waveform of the ultrasonic wave received when changing the magnitude relationship between the thickness of an acoustic impedance matching layer, and the thickness of a disk-shaped piezoelectric element. (A)(B)は振動吸収層の厚みと円板状圧電素子の厚みとの大小関係を変えて比較したときの受信される超音波の波形を示す図。(A) (B) is a figure which shows the waveform of the ultrasonic wave received when changing the magnitude relationship of the thickness of a vibrational absorption layer, and the thickness of a disk-shaped piezoelectric element. 本発明の第2実施例である超音波流量計の概略を示す正面断面図。Front sectional drawing which shows the outline of the ultrasonic flowmeter which is 2nd Example of this invention. 本発明の第3実施例である超音波流量計の概略を示す正面断面図。Front sectional drawing which shows the outline of the ultrasonic flowmeter which is 3rd Example of this invention. 本発明の第4実施例である超音波流量計の概略を示す正面断面図。Front sectional drawing which shows the outline of the ultrasonic flowmeter which is 4th Example of this invention.

本発明は、被測定流体を流通させるフッ素樹脂製の直円管と、この直円管の一方端に所定の流入角度で連通する流入管と、直円管の他方端に所定の流出角度で連通する流出管と、直円管の一方端および他方端にそれぞれ延在して相互に対向する一対の流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドと、これらの流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドにそれぞれ内在させて前記直円管の中心軸に沿って超音波ビームの送受信を交互に行うセラミック製の円板状圧電素子とを備え、円板状圧電素子から発生する超音波ビームが直円管の上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差から直円管内の流体速度を求め、この流体速度に直円管の断面積を乗じて直円管内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計において、セラミック製の円板状圧電素子が直円管の中心軸に対して直交配置されているとともに直円管の一方端および他方端にそれぞれ形成された管路端封止領域に対面するガラスエポキシ樹脂製の音響インピーダンス整合層と前記円板状圧電素子に対面するシリコンゴム製の振動吸収層との間に積層され、音響インピーダンス整合層の厚みが円板状圧電素子の厚みより薄く設定され、振動吸収層の厚みが円板状圧電素子の厚みより厚く設定され、高周波数の超音波ビームを効率よく安定的に送受信させて高頻度の測定回数に基づく優れた測定精度を発揮するものであれば、その具体的な形態は、如何なるものであっても良い。   The present invention includes a straight circular pipe made of fluororesin that allows a fluid to be measured to flow, an inflow pipe communicating with one end of the straight pipe at a predetermined inflow angle, and a predetermined outflow angle at the other end of the straight circular pipe. An outflow pipe that communicates with each other, a pair of inflow side measurement heads and outflow side measurement heads that extend to one end and the other end of the straight circular pipe and face each other, and these inflow side measurement heads and outflow side measurement heads And a ceramic disk-shaped piezoelectric element that alternately transmits and receives an ultrasonic beam along the central axis of the straight tube, and the ultrasonic beam generated from the disk-shaped piezoelectric element is a straight tube. The fluid velocity in the straight pipe is obtained from the time difference between the time to propagate from the upstream side to the downstream side and the time to propagate from the downstream side to the upstream side. Time difference type ultrasonic flowmeter for determining flowing flow rate In this case, the ceramic disk-shaped piezoelectric element is disposed orthogonally to the central axis of the straight tube and faces the pipe end sealing regions formed at one end and the other end of the straight tube, respectively. The acoustic impedance matching layer is laminated between the acoustic impedance matching layer made of glass epoxy resin and the vibration absorbing layer made of silicon rubber facing the disk-shaped piezoelectric element, and the thickness of the acoustic impedance matching layer is set to be smaller than the thickness of the disk-shaped piezoelectric element. The thickness of the vibration absorbing layer is set to be thicker than the thickness of the disk-shaped piezoelectric element, and the high-frequency ultrasonic beam is transmitted and received efficiently and exhibits excellent measurement accuracy based on the number of high-frequency measurements. If so, the specific form may be any form.

すなわち、本発明の超音波流量計における直円管と流入管と流出管との具体的な連通形態については、直円管の一方端および他方端にそれぞれ延在して相互に対向する一対の流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドを設けることができる連通形態であれば、如何なる連通形態であっても差し支えないが、たとえば、直円管の一方端に連通する流入管の所定の流入角度、直円管の他方端に連通する流出管の所定の流出角度については、直円管の一方端および他方端において過度の乱流渦が発生したり、流通障害が発生しなければ、30°、45°、90°などで連通する如何なる角度であれば良く、また、直円管に対する流入管と流出管の配置レイアウトについても、流入管と流出管が、直円管の一方端と他方端とで同一の方向からコの字状に配置されているもの、あるいは、Z字状のような互い違いに配置されているものの、いずれであっても良い。   That is, the specific communication form of the straight circular pipe, the inflow pipe, and the outflow pipe in the ultrasonic flowmeter of the present invention is a pair of opposite ends that extend to one end and the other end of the straight circular pipe, respectively. As long as the inflow side measurement head and the outflow side measurement head can be provided in any communication form, any communication form may be used.For example, a predetermined inflow angle of the inflow pipe communicating with one end of the straight circular pipe, The predetermined outflow angle of the outflow pipe communicating with the other end of the straight pipe is 30 ° unless excessive turbulent vortices occur at one end and the other end of the straight pipe or a flow failure occurs. Any angle that communicates at 45 °, 90 °, etc. is acceptable. Also, regarding the layout of the inflow pipe and the outflow pipe with respect to the straight circular pipe, the inflow pipe and the outflow pipe are connected to one end and the other end of the straight circular pipe. In the U-shape from the same direction Those are location, or of what is staggered, such as Z-shaped, may be any.

本発明の超音波流量計で用いる直円管と流入管と流出管の具体的な材質については、耐薬品性、耐熱性、耐候性、透明性、電気的特性に優れたフッ素系樹脂であれば良いが、特に、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキル・ビニルエーテル共重合体)を用いた場合には、直円管の成形性に優れるばかりでなく、PFA内の音速が被測定流体の音速よりも遅くなるため、超音波ビームが直円管などの管路に伝わってノイズ源となることを回避することができるので、好ましい。   The specific materials of the straight circular pipe, the inflow pipe, and the outflow pipe used in the ultrasonic flowmeter of the present invention should be a fluorine resin excellent in chemical resistance, heat resistance, weather resistance, transparency, and electrical characteristics. In particular, when PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl / vinyl ether copolymer) is used, not only is the shape of the straight tube excellent, but the sound speed in the PFA is the sound speed of the fluid to be measured. Therefore, it is preferable that the ultrasonic beam is prevented from being transmitted to a pipe such as a straight tube and becoming a noise source.

本発明の超音波流量計で用いる音響インピーダンス整合層の具体的な材質については、円板状圧電素子と直円管の管路端封止領域との間に生じがちな音響インピーダンスの急変を段階的に緩和して超音波ビームを円滑に伝播させることができるものであれば良く、たとえば、円板状圧電素子と直円管のそれぞれの密度の中間程度の密度になるように、ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させる際に小さな気泡を混入させて密度を調整したガラスエポキシ樹脂などがより好ましい。   Regarding the specific material of the acoustic impedance matching layer used in the ultrasonic flowmeter of the present invention, a sudden change in acoustic impedance that tends to occur between the disk-shaped piezoelectric element and the pipe end sealing region of the straight circular pipe is staged. It is only necessary that the ultrasonic beam can be smoothly propagated and the ultrasonic wave can be smoothly propagated. For example, the glass cloth is made to have a density that is about halfway between the density of the disk-shaped piezoelectric element and the straight tube. A glass epoxy resin or the like in which the density is adjusted by mixing small bubbles when the epoxy resin is impregnated is more preferable.

また、本発明の超音波流量計で計測する被測定流体としては、たとえば、半導体や液晶の製造工程におけるシリコンウエハの研磨・洗浄を行う装置や液晶製造装置で用いられる様々な薬液、食品製造ラインやケミカル製造ラインにおける原料、貯蔵、混合プロセスで取り扱われる薬液などの液体である。   The fluid to be measured with the ultrasonic flowmeter of the present invention includes, for example, various chemicals used in devices for polishing and cleaning silicon wafers in liquid crystal manufacturing processes, liquid crystal manufacturing devices, and food manufacturing lines. And liquids such as chemicals used in raw materials, storage and mixing processes in chemical production lines.

以下に、本発明の第1実施例である超音波流量計100について、図1乃至図4に基づいて説明する。
ここで、図1は、第1実施例である超音波流量計100の概略を示す正面断面図であり、図2は、図1の符号2で示す超音波流量計100の流入側における要部拡大図であり、図3(A)は、音響インピーダンス整合層142の厚みd1が円板状圧電素子141の厚みd2より薄いときの円板状圧電素子141で受信される超音波の波形を示す図であり、図3(B)は、音響インピーダンス整合層142の厚みd1が円板状圧電素子141の厚みd2より厚いときの円板状圧電素子141で受信される超音波の波形を示す図であり、図4(A)は、振動吸収層143の厚みd3が円板状圧電素子141の厚みd2より厚いときの円板状圧電素子141で受信される超音波の波形を示す図であり、図4(B)は、振動吸収層143の厚みd3が円板状圧電素子141の厚みd2より薄いときの円板状圧電素子141で受信される超音波の波形を示す図である。
Below, the ultrasonic flowmeter 100 which is 1st Example of this invention is demonstrated based on FIG. 1 thru | or FIG.
Here, FIG. 1 is a front sectional view showing an outline of the ultrasonic flowmeter 100 according to the first embodiment, and FIG. 2 is a main part on the inflow side of the ultrasonic flowmeter 100 indicated by reference numeral 2 in FIG. 3A is an enlarged view, and FIG. 3A shows a waveform of an ultrasonic wave received by the disk-shaped piezoelectric element 141 when the thickness d1 of the acoustic impedance matching layer 142 is thinner than the thickness d2 of the disk-shaped piezoelectric element 141. FIG. 3B is a diagram showing a waveform of an ultrasonic wave received by the disk-shaped piezoelectric element 141 when the thickness d1 of the acoustic impedance matching layer 142 is thicker than the thickness d2 of the disk-shaped piezoelectric element 141. 4A is a diagram showing a waveform of an ultrasonic wave received by the disk-shaped piezoelectric element 141 when the thickness d3 of the vibration absorbing layer 143 is thicker than the thickness d2 of the disk-shaped piezoelectric element 141. FIG. 4B shows that the thickness d3 of the vibration absorbing layer 143 is Is a diagram showing an ultrasonic wave received by the plate-like piezoelectric thin disc-shaped piezoelectric element 141 when than the thickness d2 of the element 141.

本発明の第1実施例である超音波流量計100は、図1に示すように、PFAからなるフッ素樹脂製の直円管110と、PFAからなるフッ素樹脂製の流入管120と、PFAからなる流出管130と、一対の流入側測定ヘッド140および流出側測定ヘッド150と、ピエゾ素子とも呼ばれるセラミック製の円板状圧電素子141とを備えている。
このうち、直円管110は、被測定流体の一例である液体を流通させるように設けられている。
また、流入管120は、直円管110の一方端111に所定の流入角度で連通するように配設されている。
同様に、流出管130は、直円管110の他方端112に所定の流出角度で連通するように配設されている。
As shown in FIG. 1, the ultrasonic flowmeter 100 according to the first embodiment of the present invention includes a fluororesin straight tube 110 made of PFA, a fluororesin inflow pipe 120 made of PFA, and a PFA. An outflow pipe 130, a pair of inflow side measuring heads 140 and outflow side measuring heads 150, and a disk-shaped piezoelectric element 141 made of ceramic, also called a piezoelectric element.
Among these, the straight circular tube 110 is provided so as to circulate a liquid which is an example of a fluid to be measured.
Further, the inflow pipe 120 is disposed so as to communicate with one end 111 of the straight circular pipe 110 at a predetermined inflow angle.
Similarly, the outflow pipe 130 is disposed so as to communicate with the other end 112 of the straight circular pipe 110 at a predetermined outflow angle.

本実施例では、流入管120は直円管110の一方端111に90度で連通し、流出管130も流入管120と同じ側から直円管110の他方端112に90度で連通し、直円管110と流入管120と流出管130とがコの字状に配置されている。
また、直円管110、流入管120および流出管130は、フッ素樹脂によって一体に成形されている。
一対の流入側測定ヘッド140および流出側測定ヘッド150は、直円管110の一方端111および他方端112にそれぞれ延在して相互に対向するように配設されている。
また、流入側測定ヘッド140および流出側測定ヘッド150も、直円管110、流入管120、流出管130と一体に成形され、成形性に優れたPFAからなっている。
円板状圧電素子141は、流入側測定ヘッド140および流出側測定ヘッド150にそれぞれ内在されて直円管110の中心軸Cに沿って超音波ビームの送受信を交互に行うように設けられている。
In this embodiment, the inflow pipe 120 communicates with one end 111 of the straight pipe 110 at 90 degrees, and the outflow pipe 130 communicates with the other end 112 of the straight pipe 110 from the same side as the inflow pipe 120 at 90 degrees, The straight circular pipe 110, the inflow pipe 120, and the outflow pipe 130 are arranged in a U-shape.
Further, the straight circular pipe 110, the inflow pipe 120, and the outflow pipe 130 are integrally formed of a fluororesin.
The pair of inflow side measurement heads 140 and outflow side measurement heads 150 are disposed so as to extend to one end 111 and the other end 112 of the straight tube 110 and to face each other.
The inflow side measuring head 140 and the outflow side measuring head 150 are also formed integrally with the straight circular pipe 110, the inflow pipe 120, and the outflow pipe 130, and are made of PFA having excellent moldability.
The disk-shaped piezoelectric element 141 is provided in each of the inflow side measurement head 140 and the outflow side measurement head 150 so as to alternately transmit and receive the ultrasonic beam along the central axis C of the straight tube 110. .

そして、超音波流量計100は、流入側測定ヘッド140および流出側測定ヘッド150と電気的に接続された図示しない変換器などの演算部によって、円板状圧電素子141から発生する超音波ビームが直円管110の上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差から直円管110内の液体速度を求め、この液体速度に直円管110の断面積を乗じて直円管110内を流れる被測定液体の流量を求めるように構成されている。
本実施例では、流入側測定ヘッド140の構成および流出側測定ヘッド150の構成は同様であるので、図2を用いて流入側測定ヘッド140の構成について説明することとし、流出側測定ヘッド150の構成の詳しい説明は省略する。
Then, the ultrasonic flowmeter 100 receives an ultrasonic beam generated from the disk-shaped piezoelectric element 141 by a calculation unit such as a converter (not shown) electrically connected to the inflow side measurement head 140 and the outflow side measurement head 150. The liquid velocity in the straight tube 110 is obtained from the time difference between the time of propagation from the upstream side to the downstream side of the straight tube 110 and the time of propagation from the downstream side to the upstream side, and the cross-sectional area of the straight tube 110 is obtained from this liquid velocity. And the flow rate of the liquid to be measured flowing in the straight pipe 110 is calculated.
In this embodiment, since the configuration of the inflow side measuring head 140 and the configuration of the outflow side measuring head 150 are the same, the configuration of the inflow side measuring head 140 will be described with reference to FIG. Detailed description of the configuration is omitted.

図2に示すように、流入側測定ヘッド140の内部には、セラミック製の円板状圧電素子141と、ガラスエポキシ樹脂製の音響インピーダンス整合層142と、シリコンゴム製の振動吸収層143と、グリセリン層144と、フッ素樹脂製の円筒状保持部材146と、基板147と、ゴム製のOリング148とが設けられ、流入側測定ヘッド140に形成した開口端部145に蓋部材149が螺着されている。   As shown in FIG. 2, in the inflow side measuring head 140, a disk-shaped piezoelectric element 141 made of ceramic, an acoustic impedance matching layer 142 made of glass epoxy resin, a vibration absorbing layer 143 made of silicon rubber, A glycerin layer 144, a fluororesin cylindrical holding member 146, a substrate 147, and a rubber O-ring 148 are provided. Has been.

円板状圧電素子141は、直円管110の中心軸Cに対して直交配置され、送信側円板状圧電素子141として基板147から導線Lを介して送られた電気信号(電圧)によって反り共振周波数で振動して超音波ビームを送信する。他方、受信側円板状圧電素子141として送信側円板状圧電素子から送られた超音波ビームを受信して振動し、電気信号(電圧)を導線Lを介して基板147へ送るように構成されている。   The disk-shaped piezoelectric element 141 is arranged orthogonally to the central axis C of the straight circular tube 110 and warps by an electrical signal (voltage) sent from the substrate 147 via the conductor L as the transmitting-side disk-shaped piezoelectric element 141. An ultrasonic beam is transmitted by vibrating at a resonance frequency. On the other hand, the receiving-side disk-shaped piezoelectric element 141 is configured to receive and vibrate an ultrasonic beam transmitted from the transmitting-side disk-shaped piezoelectric element, and to transmit an electric signal (voltage) to the substrate 147 through the lead L. Has been.

音響インピーダンス整合層142は、直円管110の一方端111に形成された管路端封止領域111aに対面し、管路端封止領域111aと円板状圧電素子141との間に配設されている。
音響インピーダンス整合層142の音響インピーダンスは、管路端封止領域111aの音響インピーダンスと円板状圧電素子141の音響インピーダンスとの間に設定されている。
The acoustic impedance matching layer 142 faces the pipe end sealing region 111a formed at one end 111 of the straight tube 110, and is disposed between the pipe end sealing region 111a and the disk-shaped piezoelectric element 141. Has been.
The acoustic impedance of the acoustic impedance matching layer 142 is set between the acoustic impedance of the duct end sealing region 111a and the acoustic impedance of the disk-shaped piezoelectric element 141.

要するに、円板状圧電素子141から発信された超音波ビームが管路端封止領域111aによく透過するように、音響インピーダンス整合層142は、円板状圧電素子141の密度と管路端封止領域111aの密度との中間の密度となるようにガラスに小さい気泡を混入させて密度調整した薄い層で、円板状圧電素子141と管路端封止領域111aとの間の音響インピーダンスの急変を緩和することを目的としたものである。   In short, the acoustic impedance matching layer 142 is arranged so that the density of the disk-shaped piezoelectric element 141 and the pipe end sealing are such that the ultrasonic beam transmitted from the disk-shaped piezoelectric element 141 is well transmitted to the pipe end sealing region 111a. A thin layer in which small bubbles are mixed in the glass so that the density is intermediate to the density of the stop region 111a, and the acoustic impedance between the disk-shaped piezoelectric element 141 and the pipe end sealing region 111a is adjusted. The purpose is to alleviate sudden changes.

振動吸収層143は、円板状圧電素子141における音響インピーダンス整合層142側と反対側に配設されている。振動吸収層143は、粘弾性を有し、振動を早期に止めるために設けられている。また、振動吸収層143は、円板状圧電素子141を覆って空気や水分による円板状圧電素子141の劣化を防止する役割もある。
グリセリン層144は、管路端封止領域111aと音響インピーダンス整合層142との間に塗られたグリセリンによって形成されている。
円筒状保持部材146は、内部に基板147を保持し、先端が円板状圧電素子141の周縁部141aと当接している。
The vibration absorbing layer 143 is disposed on the opposite side to the acoustic impedance matching layer 142 side in the disk-shaped piezoelectric element 141. The vibration absorbing layer 143 has viscoelasticity and is provided to stop vibration early. The vibration absorbing layer 143 also has a role of covering the disk-shaped piezoelectric element 141 and preventing the disk-shaped piezoelectric element 141 from being deteriorated by air or moisture.
The glycerin layer 144 is formed of glycerin applied between the pipe end sealing region 111 a and the acoustic impedance matching layer 142.
The cylindrical holding member 146 holds the substrate 147 therein, and the tip is in contact with the peripheral portion 141a of the disk-shaped piezoelectric element 141.

Oリング148は、円筒状保持部材146と蓋部材149との間に配設されている。Oリング148は、円板状圧電素子141に対する押圧力を所定の大きさに保つための緩衝材である。
蓋部材149は、Oリング148を押し続けるためにネジ構造を有している。
流入側測定ヘッド140に形成した開口端部145に対する蓋部材149の螺着によって、押圧力が調整されるように構成されている。
The O-ring 148 is disposed between the cylindrical holding member 146 and the lid member 149. The O-ring 148 is a buffer material for keeping the pressing force against the disk-shaped piezoelectric element 141 at a predetermined magnitude.
The lid member 149 has a screw structure to keep pressing the O-ring 148.
The pressing force is adjusted by screwing the lid member 149 to the opening end 145 formed in the inflow side measuring head 140.

本実施例では、上述したように、セラミック製の円板状圧電素子141が、直円管110の中心軸Cに対して直交配置されているとともに直円管110の一方端111に形成された管路端封止領域111aに対面するガラスエポキシ樹脂製の音響インピーダンス整合層142と円板状圧電素子141に対面するシリコンゴム製の振動吸収層143との間に介在して積層されている。
これにより、音響インピーダンス整合層142が、円板状圧電素子141と直円管110の管路端封止領域111aとの間に生じがちな音響インピーダンスの急変を段階的に緩和させる。
また、振動吸収層143が、円板状圧電素子141の音響振動を早期に減衰吸収する。
In the present embodiment, as described above, the disk-shaped piezoelectric element 141 made of ceramic is disposed orthogonally to the central axis C of the straight tube 110 and is formed at one end 111 of the straight tube 110. The acoustic impedance matching layer 142 made of glass epoxy resin facing the pipe end sealing region 111a and the vibration absorbing layer 143 made of silicon rubber facing the disc-shaped piezoelectric element 141 are laminated.
As a result, the acoustic impedance matching layer 142 gradually reduces a sudden change in acoustic impedance that tends to occur between the disk-shaped piezoelectric element 141 and the pipe end sealing region 111a of the straight pipe 110.
Further, the vibration absorbing layer 143 attenuates and absorbs the acoustic vibration of the disk-shaped piezoelectric element 141 at an early stage.

さらに、音響インピーダンス整合層142の厚みd1(すなわち、厚み0.5mm)が、円板状圧電素子141の厚みd2(すなわち、厚み1mm)より薄く設定されている。
これにより、図3(A)に示すように、円板状圧電素子141と音響インピーダンスが異なる直円管110の管路端封止領域111aでの乱反射が少なくなり円板状圧電素子141で受信したときの波形がきれいな紡錘形で安定する。
要するに、信号強度が充分な強さとなり、超音波送受信のS/N比が充分な高さとなり、測定精度を向上させることができるので、被測定液体の流路上において乱流渦が生じるタイプの超音波流量計100である場合に、特に有効である。
Further, the thickness d1 (that is, thickness 0.5 mm) of the acoustic impedance matching layer 142 is set to be thinner than the thickness d2 (that is, thickness 1 mm) of the disc-shaped piezoelectric element 141.
As a result, as shown in FIG. 3A, irregular reflection at the pipe end sealing region 111a of the straight pipe 110 having an acoustic impedance different from that of the disk-shaped piezoelectric element 141 is reduced, and reception is performed by the disk-shaped piezoelectric element 141. The waveform is stable with a clean spindle shape.
In short, the signal strength is sufficiently strong, the S / N ratio of ultrasonic transmission / reception is sufficiently high, and the measurement accuracy can be improved, so that a turbulent vortex is generated on the flow path of the liquid to be measured. This is particularly effective when the ultrasonic flowmeter 100 is used.

ここで、図3(A)の横軸は、送信側の円板状圧電素子141が超音波ビームを発信したときを0とした時間を示し、縦軸は、受信側の円板状圧電素子141が超音波ビームを受信したことによって生じる電気信号(電圧)の大きさを示す。
また、「きれいな紡錘形」の波形とは、図3(A)に示す波形のように、振動の振幅が単調に増加してピークに達し、その後、単調に減衰し、振幅の変化を示す線(図示せず)が紡錘形となる波形をいう。
Here, the horizontal axis of FIG. 3A indicates the time when the transmission-side disk-shaped piezoelectric element 141 transmits an ultrasonic beam to 0, and the vertical axis indicates the reception-side disk-shaped piezoelectric element. 141 shows the magnitude of an electric signal (voltage) generated by receiving an ultrasonic beam.
In addition, the “clean spindle-shaped” waveform is a line (as shown in FIG. 3A) in which the amplitude of vibration monotonously increases and reaches a peak, and then attenuates monotonously and indicates a change in amplitude ( (Not shown) refers to a waveform having a spindle shape.

振幅の変化は、出来るだけ早く増加し、出来るだけ早く減衰することが望ましい。
この理由は、受信側の円板状圧電素子141が超音波ビームを受信したときの波形が「きれいな紡錘形」になることにより、波形のピーク時の時間や電圧が所定以上となっている時間帯の中心となる時間などに基づいて、送信側の円板状圧電素子141が超音波ビームを発信してから受信側の円板状圧電素子141が超音波ビームを受信したその瞬間までの時間を精度よく測定することができ、その結果、流量測定の精度を向上させることができるからである。
It is desirable that the change in amplitude increases as soon as possible and attenuates as soon as possible.
This is because the waveform when the receiving disk-shaped piezoelectric element 141 receives the ultrasonic beam becomes a “clean spindle shape”, so that the time at the peak of the waveform and the voltage are over a predetermined time period. The time from when the transmitting disk-shaped piezoelectric element 141 transmits an ultrasonic beam to the moment when the receiving disk-shaped piezoelectric element 141 receives the ultrasonic beam is This is because the measurement can be performed with high accuracy, and as a result, the accuracy of the flow rate measurement can be improved.

これに対して、参考までに、音響インピーダンス整合層142の厚みd1が、円板状圧電素子141の厚みd2より厚い場合には、図3(B)に示すように、超音波ビームが音響インピーダンス整合層142を通過するときに音響振動がほとんど吸収されて信号強度が弱くなり、振動の振幅が単調に増加・減衰せずピークがどこにあるのかがはっきりしない乱れた波形となる。
そのため、超音波送受信のS/N比が著しく劣化して流量測定精度が悪化する。
On the other hand, for reference, when the thickness d1 of the acoustic impedance matching layer 142 is larger than the thickness d2 of the disk-shaped piezoelectric element 141, the ultrasonic beam is converted into the acoustic impedance as shown in FIG. When passing through the matching layer 142, the acoustic vibration is almost absorbed and the signal intensity is weakened, and the amplitude of the vibration does not monotonously increase / decrease, resulting in a distorted waveform where the location of the peak is not clear.
Therefore, the S / N ratio of ultrasonic transmission / reception is significantly deteriorated, and the flow rate measurement accuracy is deteriorated.

また、本実施例では、振動吸収層143の厚みd3(すなわち、厚み4mm)が、円板状圧電素子141の厚みd2(すなわち、厚み1mm)より厚く設定されている。
これにより、図4(A)に示すように、音響振動が早期に収束して次の超音波を発信することが可能になる。
In the present embodiment, the thickness d3 (that is, the thickness of 4 mm) of the vibration absorbing layer 143 is set to be thicker than the thickness d2 (that is, the thickness of 1 mm) of the disk-shaped piezoelectric element 141.
As a result, as shown in FIG. 4A, the acoustic vibrations converge early and the next ultrasonic wave can be transmitted.

これに対して、参考までに、振動吸収層143の厚みd3が円板状圧電素子141の厚みd2より薄い場合には、図4(B)に示すように、振動吸収層143による振動吸収が不十分であり音響振動が早期に収束せず次の超音波を発信することができない。
そのため、超音波ビームの単位時間当たりの発生回数に伴う測定回数が少なくなり、応答および測定平均値の精度が悪化する。
On the other hand, for reference, when the thickness d3 of the vibration absorbing layer 143 is thinner than the thickness d2 of the disk-shaped piezoelectric element 141, vibration absorption by the vibration absorbing layer 143 is prevented as shown in FIG. It is insufficient and the acoustic vibration does not converge early, and the next ultrasonic wave cannot be transmitted.
Therefore, the number of times of measurement associated with the number of times the ultrasonic beam is generated per unit time is reduced, and the accuracy of the response and the measurement average value is deteriorated.

図2に戻ってさらなる技術的特徴について説明する。
本実施例では、直円管110に形成された管路端封止領域111aの厚みd4(すなわち、厚み3mm)が、円板状圧電素子141の厚みd2(すなわち、厚み1mm)より厚く設定されている。
これにより、管路端封止領域111aの経時的な形態変形が抑制されて円板状圧電素子141、141同士の相対的な配置関係が長期に亘って中心軸上で中心軸に垂直に維持され、円板状圧電素子同士141、141が相互に平行に対面するように配置されるとともに、フッ素樹脂の特性に起因して生じがちな管路端封止領域111aのフッ素樹脂内への液体の化学物質の湿潤が抑制される。
Returning to FIG. 2, further technical features will be described.
In the present embodiment, the thickness d4 (that is, thickness 3 mm) of the pipe end sealing region 111a formed in the straight circular pipe 110 is set to be thicker than the thickness d2 (that is, thickness 1 mm) of the disk-shaped piezoelectric element 141. ing.
As a result, the temporal deformation of the pipe end sealing region 111a is suppressed, and the relative positional relationship between the disk-shaped piezoelectric elements 141 and 141 is maintained on the central axis and perpendicular to the central axis over a long period of time. In addition, the disk-shaped piezoelectric elements 141 and 141 are arranged so as to face each other in parallel, and the liquid into the fluororesin in the pipe end sealing region 111a that tends to be generated due to the characteristics of the fluororesin. Wetting of chemical substances is suppressed.

これに対して、参考までに、直円管110に形成された管路端封止領域111aの厚みd4が円板状圧電素子141の厚みd2より薄い場合には、円板状圧電素子141から一定の押圧で押されている管路端封止領域111aが経時的に形態変形を受け易くなり、円板状圧電素子同士の平行度が崩れてくるとともに、長期計量時にフッ素樹脂の特性に起因して液体の化学物質が管路端封止領域111aのフッ素樹脂内に湿潤してくる。
このため、管路端封止領域111aにおける超音波ビームの伝播に障害を来し、測定精度が悪化する。
On the other hand, for reference, when the thickness d4 of the pipe end sealing region 111a formed in the straight circular pipe 110 is smaller than the thickness d2 of the disk-shaped piezoelectric element 141, the disk-shaped piezoelectric element 141 The pipe-end sealing region 111a that is pressed with a constant pressure becomes susceptible to form deformation over time, the parallelism between the disk-shaped piezoelectric elements is broken, and it is caused by the characteristics of the fluororesin during long-term measurement. As a result, the liquid chemical substance wets in the fluororesin in the pipeline end sealing region 111a.
For this reason, the propagation of the ultrasonic beam in the pipeline end sealing region 111a is obstructed, and the measurement accuracy is deteriorated.

本実施例では、上述したように、グリセリン層144が、音響インピーダンス整合層142と直円管110の管路端封止領域111aとの間に設けられている。
そして、グリセリン層144が、直円管110の管路端封止領域111aに対して音響インピーダンス整合層142を一体に密着させている。
これにより、直円管110の管路端封止領域111aと音響インピーダンス整合層142のそれぞれの表面荒さに起因して生じがちな相互間の隙間が解消される。
In the present embodiment, as described above, the glycerin layer 144 is provided between the acoustic impedance matching layer 142 and the pipe end sealing region 111a of the straight pipe 110.
Then, the glycerin layer 144 integrally adheres the acoustic impedance matching layer 142 to the duct end sealing region 111a of the straight pipe 110.
This eliminates a gap between the pipe end sealing region 111a of the straight circular pipe 110 and the acoustic impedance matching layer 142, which tends to occur due to the surface roughness.

また、本実施例では、直円管110の管内径r1および円板状圧電素子141の円径r2が、ほぼ同一に設定されている。
ここで、「ほぼ同一」とは、両者の差が2mm未満の程度をいう。
これにより、円板状圧電素子141から発生する超音波ビームが直円管110内で乱反射することなく充分に振幅されて、超音波ビームの送受信が交互に行なわれる。
In the present embodiment, the tube inner diameter r1 of the straight circular tube 110 and the circle diameter r2 of the disc-shaped piezoelectric element 141 are set to be substantially the same.
Here, “substantially the same” means that the difference between the two is less than 2 mm.
Thereby, the ultrasonic beam generated from the disk-shaped piezoelectric element 141 is sufficiently amplified without being irregularly reflected in the straight tube 110, and the ultrasonic beam is alternately transmitted and received.

円筒状保持部材146が、流入側測定ヘッド140および流出側測定ヘッド150内に設けられ、円板状圧電素子141の周縁部141aを保持するように周縁部141aのみと当接している。
これにより、円板状圧電素子141の振動に支障を来すこと無く円板状圧電素子141が、音響インピーダンス整合層142に対して確実に位置決めされる。
さらに、円筒状保持部材146が、音響空洞部Sを備えている。
これにより、円板状圧電素子141の音響振動が、許容されて増幅する。
すなわち、円板状圧電素子141の中央部が振動するように、円筒状保持部材146が、円板状圧電素子141の周縁部141aだけを押圧している。
A cylindrical holding member 146 is provided in the inflow side measuring head 140 and the outflow side measuring head 150, and is in contact with only the peripheral portion 141a so as to hold the peripheral portion 141a of the disc-shaped piezoelectric element 141.
As a result, the disk-shaped piezoelectric element 141 is reliably positioned with respect to the acoustic impedance matching layer 142 without hindering the vibration of the disk-shaped piezoelectric element 141.
Further, the cylindrical holding member 146 includes an acoustic cavity S.
Thereby, the acoustic vibration of the disk-shaped piezoelectric element 141 is allowed and amplified.
That is, the cylindrical holding member 146 presses only the peripheral portion 141a of the disc-shaped piezoelectric element 141 so that the central portion of the disc-shaped piezoelectric element 141 vibrates.

蓋部材149が、流入側測定ヘッド140の開口端部145に螺着されている。
これにより、円板状圧電素子141に向けて円筒状保持部材146が弾力的に押圧されて確実に保持される。
さらに、円板状圧電素子141に生じがちな内部応力が、螺着度合いに応じて弾力的に吸収される。
なお、本実施例では、蓋部材149が、弾性変形するOリング148を介して円筒状保持部材146を円板状圧電素子141に向けて押圧している。
これにより、円筒状保持部材146が円板状圧電素子141の周縁部141aと当接してこの周縁部141aを押圧する押圧力の大きさが適度な大きさとなる。
ここで、「適度な大きさ」とは、円板状圧電素子141の振動に悪影響を及ぼすこと無く、かつ、円板状圧電素子141を位置決めすることができる押圧力の大きさをいう。
A lid member 149 is screwed to the open end 145 of the inflow side measuring head 140.
Thereby, the cylindrical holding member 146 is elastically pressed toward the disc-shaped piezoelectric element 141 and is securely held.
Furthermore, internal stress that tends to occur in the disk-shaped piezoelectric element 141 is elastically absorbed in accordance with the degree of screwing.
In the present embodiment, the lid member 149 presses the cylindrical holding member 146 toward the disc-shaped piezoelectric element 141 through an O-ring 148 that is elastically deformed.
Thereby, the magnitude | size of the pressing force which the cylindrical holding member 146 contacts the peripheral part 141a of the disk-shaped piezoelectric element 141, and presses this peripheral part 141a becomes a moderate magnitude | size.
Here, the “appropriate size” means the magnitude of the pressing force that can position the disk-shaped piezoelectric element 141 without adversely affecting the vibration of the disk-shaped piezoelectric element 141.

流入管120および流出管130が、直円管110の一方端111と他方端112とで同一の方向からコの字状に配置されている。
これにより、計量作業エリアにおいて直円管110に対する流入管120と流出管130の取付スペースが最小化される。
The inflow pipe 120 and the outflow pipe 130 are arranged in a U shape from the same direction at one end 111 and the other end 112 of the straight circular pipe 110.
Thereby, the installation space of the inflow pipe 120 and the outflow pipe 130 with respect to the straight circular pipe 110 in the measurement work area is minimized.

また、本実施例では、円板状圧電素子141を厚み1mm、円径(r2)10mmとし、超音波ビームの周波数を2MHzとした場合に、音響インピーダンス整合層142の厚みd1が0.5mmに設定されるとともに、振動吸収層143の厚みd3が4mmに設定されている。
これにより、音響インピーダンス整合層142が円板状圧電素子141と管路端封止領域111aとの間の音響インピーダンスの大きな差の影響を抑制して安定した波形が伝播する。
In this embodiment, when the disk-shaped piezoelectric element 141 has a thickness of 1 mm, a circular diameter (r2) of 10 mm, and the frequency of the ultrasonic beam is 2 MHz, the thickness d1 of the acoustic impedance matching layer 142 is 0.5 mm. In addition, the thickness d3 of the vibration absorbing layer 143 is set to 4 mm.
Thereby, the acoustic impedance matching layer 142 suppresses the influence of a large difference in acoustic impedance between the disk-shaped piezoelectric element 141 and the pipe line end sealing region 111a, and a stable waveform propagates.

これに対して、参考として、円板状圧電素子141を厚み1mm、円径(r2)10mmとし、超音波ビームの周波数を2MHzとした場合に、音響インピーダンス整合層142の厚みd1が0.5mmよりも薄くなってくると、音響インピーダンス整合層142の効果が薄れ、円板状圧電素子141と管路端封止領域111aとの間の音響インピーダンスの大きな差の影響が残り、安定した波形の伝播に支障を生じてくる。他方、音響インピーダンス整合層142の厚みd1が0.5mmを越えてくると、超音波ビームが音響インピーダンス整合層142を通過するときに音響振動が音響インピーダンス整合層142に吸収され、信号強度が弱くなり、超音波送受信のS/N比が劣化して測定精度が低下してくる。   On the other hand, for reference, when the disk-shaped piezoelectric element 141 has a thickness of 1 mm, a circular diameter (r2) of 10 mm, and the frequency of the ultrasonic beam is 2 MHz, the thickness d1 of the acoustic impedance matching layer 142 is 0.5 mm. When the thickness becomes thinner, the effect of the acoustic impedance matching layer 142 is reduced, and the influence of a large difference in acoustic impedance between the disk-shaped piezoelectric element 141 and the pipe end sealing region 111a remains, and a stable waveform is obtained. It will interfere with transmission. On the other hand, when the thickness d1 of the acoustic impedance matching layer 142 exceeds 0.5 mm, the acoustic vibration is absorbed by the acoustic impedance matching layer 142 when the ultrasonic beam passes through the acoustic impedance matching layer 142, and the signal intensity is weak. Thus, the S / N ratio of ultrasonic transmission / reception deteriorates and the measurement accuracy decreases.

このようにして得られた本発明の第1実施例である超音波流量計100は、セラミック製の円板状圧電素子141が、直円管110の中心軸Cに対して直交配置されているとともに直円管110の一方端111および他方端112にそれぞれ形成された管路端封止領域(111a)に対面するガラスエポキシ樹脂製の音響インピーダンス整合層142と円板状圧電素子141に対面するシリコンゴム製の振動吸収層143との間に介在して積層され、音響インピーダンス整合層142の厚みd1が、円板状圧電素子141の厚みd2より薄く設定され、振動吸収層143の厚みd3が、円板状圧電素子141の厚みd2より厚く設定されていることにより、音響インピーダンス整合層142が円板状圧電素子141から発生する超音波ビームを直円管110の管路端封止領域111aに向けて円滑に伝播させることができるとともに、流入側測定ヘッド140と流出側測定ヘッド150との相互間で超音波ビームの単位時間当たりの発生回数を大幅に増加させることができ、その結果、超音波ビームを効率よく安定的に送受信させることができ、応答および測定平均値の精度を著しく向上させることができる。   In the ultrasonic flow meter 100 according to the first embodiment of the present invention thus obtained, the disk-shaped piezoelectric element 141 made of ceramic is arranged orthogonally to the central axis C of the straight tube 110. At the same time, the acoustic impedance matching layer 142 made of glass epoxy resin and the disc-shaped piezoelectric element 141 face the pipe end sealing regions (111a) formed at the one end 111 and the other end 112 of the straight tube 110, respectively. The acoustic impedance matching layer 142 is set to have a thickness d1 thinner than the thickness d2 of the disc-shaped piezoelectric element 141, and the thickness d3 of the vibration absorbing layer 143 is set to be between the vibration absorbing layer 143 made of silicon rubber. The ultrasonic impedance generated by the acoustic impedance matching layer 142 from the disk-shaped piezoelectric element 141 is set by being thicker than the thickness d2 of the disk-shaped piezoelectric element 141. The number of times the ultrasonic beam is generated per unit time between the inflow side measurement head 140 and the outflow side measurement head 150 can be smoothly propagated toward the pipe end sealing region 111a of the straight tube 110. As a result, the ultrasonic beam can be transmitted and received efficiently and stably, and the accuracy of the response and the measurement average value can be significantly improved.

また、直円管110に形成された管路端封止領域111aの厚みd4が、円板状圧電素子141の厚みd2より厚く設定されていることにより、管路端封止領域111aにおける超音波ビームの伝播を円滑に確保し、測定精度を長期に亘って維持することができる。   Further, since the thickness d4 of the pipe end sealing region 111a formed in the straight circular pipe 110 is set to be thicker than the thickness d2 of the disc-shaped piezoelectric element 141, the ultrasonic wave in the pipe end sealing region 111a is set. The propagation of the beam can be ensured smoothly, and the measurement accuracy can be maintained over a long period of time.

さらに、直円管110の管路端封止領域111aに対して音響インピーダンス整合層142を一体に密着させるグリセリン層144が、音響インピーダンス整合層142と直円管110の管路端封止領域111aとの間に設けられていることにより、双方の密着度が向上して超音波ビームの送受信を効率アップさせることができる。   Further, the glycerin layer 144 that integrally adheres the acoustic impedance matching layer 142 to the pipe end sealing region 111a of the straight pipe 110 is provided with the acoustic impedance matching layer 142 and the pipe end sealing area 111a of the straight pipe 110. The degree of adhesion between the two is improved, and the transmission / reception of the ultrasonic beam can be improved.

また、直円管110の管内径r1および円板状圧電素子141の円径r2が、ほぼ同一に設定されていることにより、流入側測定ヘッド140と流出側測定ヘッド150との相互間で超音波ビームを感度良く送受信させることができる。   Further, since the inner diameter r1 of the straight circular tube 110 and the circular diameter r2 of the disk-shaped piezoelectric element 141 are set to be substantially the same, the inflow side measuring head 140 and the outflow side measuring head 150 are super A sound beam can be transmitted and received with high sensitivity.

さらに、円板状圧電素子141の周縁部141aを保持する円筒状保持部材146が、流入側測定ヘッド140および流出側測定ヘッド150内に設けられて円板状圧電素子141の中心軸Cに沿った円板状圧電素子141の音響振動を許容する音響空洞部Sを備えていることにより、長期に亘って安定した流量計測が可能となり流量計として優れた耐久性を発揮することができ、流入側測定ヘッド140と流出側測定ヘッド150との相互間で超音波ビームを感度良く発信させることができる。   Further, a cylindrical holding member 146 that holds the peripheral edge 141 a of the disk-shaped piezoelectric element 141 is provided in the inflow side measuring head 140 and the outflow side measuring head 150, and is along the central axis C of the disk-shaped piezoelectric element 141. By providing the acoustic cavity S that allows acoustic vibration of the disc-shaped piezoelectric element 141, it is possible to measure the flow rate stably over a long period of time, and to exhibit excellent durability as a flow meter. The ultrasonic beam can be transmitted with high sensitivity between the side measuring head 140 and the outflow side measuring head 150.

また、蓋部材149が、流入側測定ヘッド140および流出側測定ヘッド150に形成した開口端部145に螺着されていることにより、長期に亘って安定した流量計測が可能となり流量計として優れた耐久性を発揮することができる。   Further, since the lid member 149 is screwed to the opening end 145 formed in the inflow side measuring head 140 and the outflow side measuring head 150, the flow rate can be stably measured over a long period of time and is excellent as a flowmeter. Durability can be demonstrated.

さらに、流入管120および流出管130が、直円管110の一方端111と他方端112とで同一の方向からコの字状に配置されていることにより、他の周辺機器との設置干渉も回避し易くなり、優れた操作性を発揮することができる。   Furthermore, since the inflow pipe 120 and the outflow pipe 130 are arranged in a U shape from the same direction at one end 111 and the other end 112 of the straight circular pipe 110, installation interference with other peripheral devices is also possible. It becomes easy to avoid and excellent operability can be exhibited.

また、円板状圧電素子141を厚み1mm、円径(r2)10mmとし、超音波ビームの周波数を2MHzとした場合に、音響インピーダンス整合層142の厚みd1が0.5mmに設定されるとともに、振動吸収層143の厚みd3が4mmに設定されていることにより、超音波ビームを感度良く発信させることができるなど、その効果は甚大である。   When the disk-shaped piezoelectric element 141 has a thickness of 1 mm, a circular diameter (r2) of 10 mm, and the frequency of the ultrasonic beam is 2 MHz, the thickness d1 of the acoustic impedance matching layer 142 is set to 0.5 mm, Since the thickness d3 of the vibration absorbing layer 143 is set to 4 mm, the effect is enormous, such that the ultrasonic beam can be transmitted with high sensitivity.

続いて、本発明の第2実施例である超音波流量計200について、図5に基づいて説明する。
ここで、図5は、本発明の第2実施例の超音波流量計200の概略を示す正面断面図である。
Next, an ultrasonic flowmeter 200 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
Here, FIG. 5 is a front sectional view showing an outline of the ultrasonic flowmeter 200 of the second embodiment of the present invention.

第2実施例の超音波流量計200は、第1実施例の超音波流量計100の流出管130の直円管110に対する配置を逆側にしたものであり、多くの要素について第1実施例の超音波流量計100と共通するので、共通する事項については、詳しい説明を省略し、下2桁が共通する200番台の符号を付すのみとする。   The ultrasonic flowmeter 200 of the second embodiment is obtained by arranging the ultrasonic flowmeter 100 of the first embodiment with respect to the straight pipe 110 on the opposite side of the outflow pipe 130. The ultrasonic flow meter 100 is the same as the ultrasonic flow meter 100, and therefore, detailed description of the common items is omitted, and only the reference numbers of the 200th series having the last two digits are attached.

第2実施例の超音波流量計200では、図5に示すように、流入管220および流出管230とが、直円管210の一方端211と他方端212とで互い違いに配置されている。所謂、Z字形の超音波流量計200である。
これにより、計量作業エリアにおいて如何なる設置形態であっても流入管220と流出管230のいずれか一方が上方に向けて配置され易くなり、直円管210内に滞留しがちな被測定液体内の気泡を直円管210の一方端211と他方端212のいずれか一方から脱気し易くなる。
In the ultrasonic flowmeter 200 of the second embodiment, as shown in FIG. 5, the inflow pipe 220 and the outflow pipe 230 are alternately arranged at one end 211 and the other end 212 of the straight circular pipe 210. This is a so-called Z-shaped ultrasonic flow meter 200.
This makes it easy for either the inflow pipe 220 or the outflow pipe 230 to be arranged upward in any measuring form in the measurement work area, and in the liquid to be measured that tends to stay in the straight pipe 210. Air bubbles can be easily degassed from either one end 211 or the other end 212 of the straight tube 210.

このようにして得られた本発明の第2実施例である超音波流量計200は、流入管220および流出管230が、直円管210の一方端211と他方端212とで互い違いに配置されていることにより、流入側測定ヘッド240と流出側測定ヘッド250との相互間で生じがちな気泡障害による超音波ビームを感度良く発信させることができるなど、その効果は甚大である。   In the ultrasonic flowmeter 200 according to the second embodiment of the present invention thus obtained, the inflow pipe 220 and the outflow pipe 230 are alternately arranged at one end 211 and the other end 212 of the straight circular pipe 210. As a result, it is possible to transmit an ultrasonic beam due to bubble failure that tends to occur between the inflow side measuring head 240 and the outflow side measuring head 250 with high sensitivity.

続いて、本発明の第3実施例である超音波流量計300について、図6に基づいて説明する。
ここで、図6は、本発明の第3実施例の超音波流量計300の概略を示す正面断面図である。
Subsequently, an ultrasonic flowmeter 300 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
Here, FIG. 6 is a front sectional view showing an outline of the ultrasonic flowmeter 300 of the third embodiment of the present invention.

第3実施例の超音波流量計300は、第1実施例の超音波流量計100の流入管120の直円管110に対する流入角度および流出管130の直円管110に対する流出角度を45度にしたものであり、多くの要素について第1実施例の超音波流量計100と共通するので、共通する事項については、詳しい説明を省略し、下2桁が共通する300番台の符号を付すのみとする。   In the ultrasonic flowmeter 300 of the third embodiment, the inflow angle of the inflow pipe 120 with respect to the straight pipe 110 and the outflow angle of the outflow pipe 130 with respect to the straight pipe 110 of the ultrasonic flowmeter 100 of the first embodiment are set to 45 degrees. Since many elements are the same as those of the ultrasonic flowmeter 100 of the first embodiment, detailed explanations are omitted for the common items, and only the numbers in the 300 series with the last two digits are attached. To do.

第3実施例の超音波流量計300では、図6に示すように、流入管320は直円管310の一方端311に45度で連通し、流出管330も流入管320と同じ側から直円管310の他方端312に45度で連通している。
これにより、流入管および流出管が直円管に対して90度で連通している場合と比べて、連通箇所において被測定液体がスムーズに流れ、被測定液体の乱流渦が小さくなる、または、この乱流渦の発生が抑制される。
その結果、被測定液体の測定精度を向上させることができるなど、その効果は甚大である。
In the ultrasonic flowmeter 300 of the third embodiment, as shown in FIG. 6, the inflow pipe 320 communicates with one end 311 of the straight pipe 310 at 45 degrees, and the outflow pipe 330 is also directly connected from the same side as the inflow pipe 320. It communicates with the other end 312 of the circular tube 310 at 45 degrees.
Thereby, compared with the case where the inflow pipe and the outflow pipe communicate with each other at 90 degrees with respect to the straight circular pipe, the liquid to be measured flows smoothly at the communication portion, and the turbulent vortex of the liquid to be measured is reduced, or The generation of this turbulent vortex is suppressed.
As a result, the measurement accuracy of the liquid to be measured can be improved, and the effect is enormous.

続いて、本発明の第4実施例である超音波流量計400について、図7に基づいて説明する。
ここで、図7は、本発明の第4実施例の超音波流量計400の概略を示す正面断面図である。
Subsequently, an ultrasonic flowmeter 400 according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
Here, FIG. 7 is a front sectional view showing an outline of the ultrasonic flowmeter 400 of the fourth embodiment of the present invention.

第4実施例の超音波流量計400は、第2実施例の超音波流量計200の流入管220の直円管210に対する流入角度および流出管230の直円管210に対する流出角度を45度にしたものであり、多くの要素について第2実施例の超音波流量計200と共通するので、共通する事項については、詳しい説明を省略し、下2桁が共通する400番台の符号を付すのみとする。   In the ultrasonic flowmeter 400 of the fourth embodiment, the inflow angle of the inflow pipe 220 to the straight pipe 210 and the outflow angle of the outflow pipe 230 to the straight pipe 210 of the ultrasonic flowmeter 200 of the second embodiment are set to 45 degrees. Since many elements are the same as those of the ultrasonic flowmeter 200 of the second embodiment, detailed explanations are omitted for the common items, and only the 400th series code having the same last two digits is attached. To do.

第4実施例の超音波流量計400では、図7に示すように、流入管420は、直円管410の一方端411に45度で連通し、流出管430は、流入管420と反対側から直円管410の他方端412に45度で連通している。
これにより、流入管および流出管が直円管に対して90度で連通している場合と比べて、連通箇所において液体がスムーズに流れ、液体の乱流渦が小さくなる、または、この乱流渦の発生が抑制されるとともに、流入管420と流出管430とのいずれか一方が上方に向けて配置され易くなり直円管410内に滞留しがちな液体内の気泡を直円管410の一方端411と他方端412のいずれか一方から脱気し易くなる。
その結果、液体の測定精度を向上させることができるなど、その効果は甚大である。
In the ultrasonic flowmeter 400 of the fourth embodiment, as shown in FIG. 7, the inflow pipe 420 communicates with one end 411 of the straight circular pipe 410 at 45 degrees, and the outflow pipe 430 is opposite to the inflow pipe 420. To the other end 412 of the straight tube 410 at 45 degrees.
Thereby, compared with the case where the inflow pipe and the outflow pipe communicate with each other at 90 degrees with respect to the straight circular pipe, the liquid flows smoothly at the communication portion, and the turbulent vortex of the liquid becomes smaller. The generation of vortices is suppressed, and one of the inflow pipe 420 and the outflow pipe 430 is easily arranged upward, and bubbles in the liquid that tends to stay in the straight pipe 410 are removed from the straight pipe 410. It becomes easy to deaerate from either one end 411 or the other end 412.
As a result, the measurement accuracy of the liquid can be improved, and the effect is enormous.

100、 200、 300、 400 ・・・ 超音波流量計
110、 210、 310、 410 ・・・ 直円管
111、 211、 311、 411 ・・・ 一方端
111a ・・・ 管路端封止領域
112、 212、 312、 412 ・・・ 他方端
120、 220、 320、 420 ・・・ 流入管
130、 230、 330、 430 ・・・ 流出管
140、 240、 340、 440 ・・・ 流入側測定ヘッド
141 ・・・ 円板状圧電素子
141a ・・・ 周縁部
142 ・・・ 音響インピーダンス整合層
143 ・・・ 振動吸収層
144 ・・・ グリセリン層
145 ・・・ 開口端部
146 ・・・ 円筒状保持部材
147 ・・・ 基板
148 ・・・ Oリング
149 ・・・ 蓋部材
150、 250、 350、 450 ・・・ 流出側測定ヘッド
C ・・・ 中心軸
d1 ・・・ 音響インピーダンス整合層の厚み
d2 ・・・ 円板状圧電素子の厚み
d3 ・・・ 振動吸収層の厚み
d4 ・・・ 管路端封止領域の厚み
L ・・・ 導線
r1 ・・・ 直円管の管内径
r2 ・・・ 円板状圧電素子の円径
S ・・・ 音響空洞部
100, 200, 300, 400 ... Ultrasonic flowmeters 110, 210, 310, 410 ... Straight pipes 111, 211, 311, 411 ... One end 111a ... Pipe end sealing region 112 212, 312, 412... The other end 120, 220, 320, 420 ・ ・ ・ the inflow pipe 130, 230, 330, 430 ・ ・ ・ the outflow pipe 140, 240, 340, 440 ・ ・ ・ the inflow side measuring head 141 ... disk-shaped piezoelectric element 141a ... peripheral part 142 ... acoustic impedance matching layer 143 ... vibration absorption layer 144 ... glycerin layer 145 ... opening end 146 ... cylindrical holding member 147 ... Substrate 148 ... O-ring 149 ... Lid members 150, 250, 350, 450 ... Outflow side measuring head C ... Center axis d1 ... Acoustic impedance matching layer thickness d2 ... Disc-shaped piezoelectric element thickness d3 ... Vibration absorbing layer thickness d4 ... Pipe end sealing region thickness L ... Conductor r1・ ・ ・ Pipe inner diameter r2 of straight pipe ・ ・ ・ Circle diameter S of disk-shaped piezoelectric element ・ ・ ・ Acoustic cavity

Claims (9)

被測定流体を流通させるフッ素樹脂製の直円管と、該直円管の一方端に所定の流入角度で連通する流入管と、前記直円管の他方端に所定の流出角度で連通する流出管と、前記直円管の一方端および他方端にそれぞれ延在して相互に対向する一対の流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドと、該流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドにそれぞれ内在させて前記直円管の中心軸に沿って超音波ビームの送受信を交互に行うセラミック製の円板状圧電素子とを備え、前記円板状圧電素子から発生する超音波ビームが前記直円管の上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差から前記直円管内の流体速度を求め、該流体速度に直円管の断面積を乗じて直円管内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計において、
前記セラミック製の円板状圧電素子が、前記直円管の中心軸に対して直交配置されているとともに前記直円管の一方端および他方端にそれぞれ形成された管路端封止領域に対面するガラスエポキシ樹脂製の音響インピーダンス整合層と前記円板状圧電素子に対面するシリコンゴム製の振動吸収層との間に介在して積層され、
前記音響インピーダンス整合層の厚みが、前記円板状圧電素子の厚みより薄く設定され、
前記振動吸収層の厚みが、前記円板状圧電素子の厚みより厚く設定されていることを特徴とする超音波流量計。
A fluororesin straight circular pipe for circulating the fluid to be measured, an inflow pipe communicating with one end of the straight circular pipe at a predetermined inflow angle, and an outflow communicating with the other end of the straight circular pipe at a predetermined outflow angle A pipe, a pair of inflow side measurement heads and outflow side measurement heads extending to one end and the other end of the straight circular tube and facing each other, and inflow side measurement heads and outflow side measurement heads, respectively. And a ceramic disk-shaped piezoelectric element that alternately transmits and receives an ultrasonic beam along the central axis of the straight pipe, and the ultrasonic beam generated from the disk-shaped piezoelectric element is The fluid velocity in the straight pipe is obtained from the time difference between the time propagating from the upstream side to the downstream side and the time propagating from the downstream side to the upstream side, and the fluid velocity is multiplied by the cross-sectional area of the straight pipe. Time difference type ultrasonic flowmeter for determining flowing flow rate Oite,
The ceramic disk-shaped piezoelectric element is disposed orthogonally to the central axis of the straight pipe and faces a pipe end sealing region formed at one end and the other end of the straight pipe, respectively. Laminated between an acoustic impedance matching layer made of glass epoxy resin and a vibration absorbing layer made of silicon rubber facing the disk-shaped piezoelectric element,
The thickness of the acoustic impedance matching layer is set to be thinner than the thickness of the disk-shaped piezoelectric element,
The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein a thickness of the vibration absorbing layer is set to be greater than a thickness of the disk-shaped piezoelectric element.
前記直円管に形成された管路端封止領域の厚みが、前記円板状圧電素子の厚みより厚く設定されていることを特徴とする請求項1に記載の超音波流量計。   The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein a thickness of a pipe end sealing region formed in the straight circular pipe is set to be thicker than a thickness of the disk-shaped piezoelectric element. 前記直円管の管路端封止領域に対して音響インピーダンス整合層を一体に密着させるグリセリン層が、前記直円管の管路端封止領域と音響インピーダンス整合層との間に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の超音波流量計。   A glycerin layer for integrally adhering the acoustic impedance matching layer to the pipe end sealing region of the straight pipe is provided between the pipe end sealing region of the straight pipe and the acoustic impedance matching layer. The ultrasonic flowmeter according to claim 2, wherein 前記直円管の管内径および円板状圧電素子の円径が、ほぼ同一に設定されていることを特徴とする請求項3に記載の超音波流量計。   The ultrasonic flowmeter according to claim 3, wherein the inner diameter of the straight circular tube and the diameter of the disk-shaped piezoelectric element are set to be substantially the same. 前記円板状圧電素子の周縁部を保持する円筒状保持部材が、前記流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッド内に設けられて前記円板状圧電素子の中心軸に沿った円板状圧電素子の音響振動を許容する音響空洞部を備えていることを特徴とする請求項4に記載の超音波流量計。   A disc-shaped piezoelectric element is provided along the central axis of the disc-shaped piezoelectric element, wherein a cylindrical holding member that holds a peripheral portion of the disc-shaped piezoelectric element is provided in the inflow side measuring head and the outflow side measuring head The ultrasonic flowmeter according to claim 4, further comprising an acoustic cavity that allows acoustic vibrations of the ultrasonic flowmeter. 前記円板状圧電素子に向けて円筒状保持部材を弾力的に押圧する蓋部材が、前記流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドに形成した開口端部に螺着されていることを特徴とする請求項5に記載の超音波流量計。   A lid member that elastically presses a cylindrical holding member toward the disk-shaped piezoelectric element is screwed to an opening end formed in the inflow side measurement head and the outflow side measurement head. The ultrasonic flowmeter according to claim 5. 前記流入管および流出管が、前記直円管の一方端と他方端とで同一の方向からコの字状に配置されて前記直円管と連通していることを特徴とする請求項6に記載の超音波流量計。   7. The inflow pipe and the outflow pipe are arranged in a U-shape from the same direction at one end and the other end of the straight circular pipe and communicate with the straight circular pipe. The described ultrasonic flowmeter. 前記流入管および流出管が、前記直円管の一方端と他方端とで互い違いに配置されて前記直円管と連通していることを特徴とする請求項6に記載の超音波流量計。   The ultrasonic flowmeter according to claim 6, wherein the inflow pipe and the outflow pipe are alternately arranged at one end and the other end of the straight circular pipe and communicate with the straight circular pipe. 前記円板状圧電素子を厚み1mm、円径10mmとし、前記超音波ビームの周波数を2MHzとした場合に、前記音響インピーダンス整合層の厚みが0.5mmに設定されるとともに、前記振動吸収層の厚みが4mmに設定されていることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の超音波流量計。   When the disk-shaped piezoelectric element has a thickness of 1 mm, a circular diameter of 10 mm, and the frequency of the ultrasonic beam is 2 MHz, the thickness of the acoustic impedance matching layer is set to 0.5 mm, and the vibration absorption layer The ultrasonic flowmeter according to claim 7 or 8, wherein the thickness is set to 4 mm.
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