JPH0456247B2 - - Google Patents
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- JPH0456247B2 JPH0456247B2 JP1055713A JP5571389A JPH0456247B2 JP H0456247 B2 JPH0456247 B2 JP H0456247B2 JP 1055713 A JP1055713 A JP 1055713A JP 5571389 A JP5571389 A JP 5571389A JP H0456247 B2 JPH0456247 B2 JP H0456247B2
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-
- Y02T30/16—
Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
＜産業上の利用分野＞
本発明は、超音波流量計に用いられて有効な超
音波送受波器の改良に関するものである。
音波送受波器の改良に関するものである。
＜従来の技術＞
以下従来の技術を図面を用いて説明する。
第１図は従来の超音波送受波器の構造図であ
る。
る。
第２図は第１図の超音波送受波器を用いた超音
波流量計の構造図である。
波流量計の構造図である。
第３図は第２図の説明に供する図である。
第１図において、超音波送受波器は、図示しな
い外部の発信回路から発信信号を受けて超音波を
発生する振動子１と、超音波を伝播させる例えば
アクリル樹脂やエポキシ樹脂等の材質から成る伝
播要素（以下「シユー」と略称する）２と、一層
又は多層のλ・（１／４）（但しλは波長）厚の媒
質から成る音響整合層３から成る。
い外部の発信回路から発信信号を受けて超音波を
発生する振動子１と、超音波を伝播させる例えば
アクリル樹脂やエポキシ樹脂等の材質から成る伝
播要素（以下「シユー」と略称する）２と、一層
又は多層のλ・（１／４）（但しλは波長）厚の媒
質から成る音響整合層３から成る。
第２図において、第１図の構造の超音波送受波
器は、被測定流体５が流れる管路４に一対に取付
けられて超音波流量計が構成され、超音波送受波
器間で往復する超音波の到達時間差を測定するこ
とにより被測定流体５の流量を測定する。
器は、被測定流体５が流れる管路４に一対に取付
けられて超音波流量計が構成され、超音波送受波
器間で往復する超音波の到達時間差を測定するこ
とにより被測定流体５の流量を測定する。
ところで、管路４の肉厚が、超音波送受波器か
ら発信される超音波の波長と同程度（又は波長の
数倍程度）である場合、管路４に板波（薄い板状
の固体を伝播する波）が生じる。ここで、板波が
生じる管路４の肉厚を夫々a1，a2，a3とし、この
a1，a2，a3の中間付近の肉厚をb1，b3，b3とする
時の超音波透過特性は、第３図のようになる。
ら発信される超音波の波長と同程度（又は波長の
数倍程度）である場合、管路４に板波（薄い板状
の固体を伝播する波）が生じる。ここで、板波が
生じる管路４の肉厚を夫々a1，a2，a3とし、この
a1，a2，a3の中間付近の肉厚をb1，b3，b3とする
時の超音波透過特性は、第３図のようになる。
今、所定入射角度・所定周波数の超音波が、超
音波送受波器から管路４に入射した場合を、第３
図をもとに考える。
音波送受波器から管路４に入射した場合を、第３
図をもとに考える。
第３図において、板波が生じる管路４の肉厚
a1，a2，a3では透過音（受信波）電圧は大きく、
これに対して、a1，a2，a3の中間付近の肉厚b1，
b3，b3では透過音（受信波）電圧は小さい（尚、
破線は管路肉厚の増大にともない透過音電圧が小
さくなることを表わす）ことが分る。このことか
ら、板波の励起がうまく行なわれない肉厚を有す
る管路においては、発振超音波が被測定流体５ま
で伝達しにくいこと、つまりこのような管路にお
いては、超音波は管壁を通過する際に急激に減衰
し、最悪の場合流量測定が不可能となる。
a1，a2，a3では透過音（受信波）電圧は大きく、
これに対して、a1，a2，a3の中間付近の肉厚b1，
b3，b3では透過音（受信波）電圧は小さい（尚、
破線は管路肉厚の増大にともない透過音電圧が小
さくなることを表わす）ことが分る。このことか
ら、板波の励起がうまく行なわれない肉厚を有す
る管路においては、発振超音波が被測定流体５ま
で伝達しにくいこと、つまりこのような管路にお
いては、超音波は管壁を通過する際に急激に減衰
し、最悪の場合流量測定が不可能となる。
ところがこのようなことも、実験の結果、音響
整合層３に“理想的な音響インピーダンス（密度
ρ×音速ｃ）”を有する物質を使用して広帯域化
を図ることで、管路の肉厚に左右されない（周波
数帯域化を図ることで各周波数において離散的に
生じる板波を連続的に発生させてb1，b2，b3に示
すような望ましくない状態の発生を防ぐことがで
きる）超音波送受波器を実現できることが判明し
た。
整合層３に“理想的な音響インピーダンス（密度
ρ×音速ｃ）”を有する物質を使用して広帯域化
を図ることで、管路の肉厚に左右されない（周波
数帯域化を図ることで各周波数において離散的に
生じる板波を連続的に発生させてb1，b2，b3に示
すような望ましくない状態の発生を防ぐことがで
きる）超音波送受波器を実現できることが判明し
た。
この音響整合層３の理想的な音響インピーダン
スZ0は、振動子１の音響インピーダンスをZ1、シ
ユー２の音響インピーダンスをZ2とした時、 Z0＝√1・2 ……(1) から求めることができる。例えば、振動子１を鉛
PbとジルコニウムZrとチタンTiの酸化物粉末を
緻密に焼結した多結晶体“PZT”で構成してZ1
≒30×106Kg／m2・Ｓとし、又、Z2≒３×106Kg／
m2・Ｓとし、音響整合層３を一層とした場合、理
想的な音響インピーダンスZ0は、(1)式から、 Z0≒9.5×106Kg／m2・Ｓ ……(2) 程度となる。ところが、現実的な問題として、こ
の値を有し且つ実用に絶える物質は単体では存在
しない。そこで、実際には、タングステン粉末等
の金属粉末をエポキシ樹脂等の母材樹脂に添加し
て平板状に固化して得ることとなる。
スZ0は、振動子１の音響インピーダンスをZ1、シ
ユー２の音響インピーダンスをZ2とした時、 Z0＝√1・2 ……(1) から求めることができる。例えば、振動子１を鉛
PbとジルコニウムZrとチタンTiの酸化物粉末を
緻密に焼結した多結晶体“PZT”で構成してZ1
≒30×106Kg／m2・Ｓとし、又、Z2≒３×106Kg／
m2・Ｓとし、音響整合層３を一層とした場合、理
想的な音響インピーダンスZ0は、(1)式から、 Z0≒9.5×106Kg／m2・Ｓ ……(2) 程度となる。ところが、現実的な問題として、こ
の値を有し且つ実用に絶える物質は単体では存在
しない。そこで、実際には、タングステン粉末等
の金属粉末をエポキシ樹脂等の母材樹脂に添加し
て平板状に固化して得ることとなる。
＜発明が解決しようとする課題＞
しかしながら、このようにして得ることのでき
る理想的な音響インピーダンスZ0を持つ音響整合
層には、以下の問題点を有する。
る理想的な音響インピーダンスZ0を持つ音響整合
層には、以下の問題点を有する。
：製作価格が高い。
：金属粉末を添加したことにより、品質の均一
化が困難となる。
化が困難となる。
：音速が母材よりも小さくなるため、ＭHz単位
の高周波においては音響整合層３の厚さが極め
て薄くなり、強度的に不十分となり、しかも取
扱も難しい。
の高周波においては音響整合層３の厚さが極め
て薄くなり、強度的に不十分となり、しかも取
扱も難しい。
：熱膨張率が振動子１と大きく異なるため、接
着後温度が大きく変化すると剥離が生ずる。
着後温度が大きく変化すると剥離が生ずる。
：温度変化により音速が大きく変化するので、
結果的に厚さが1/4波長厚からずれることにな
り、感度や送受信波形も変化する。
結果的に厚さが1/4波長厚からずれることにな
り、感度や送受信波形も変化する。
本発明は、従来の技術の有するこのような問題
点に鑑みてなされたものであり、その目的とする
ところは、安価に製造することができ、しかも管
路の肉厚に影響されることのない音響整合層を具
備する超音波送受波器を用いた超音波流量計を提
供するものである。
点に鑑みてなされたものであり、その目的とする
ところは、安価に製造することができ、しかも管
路の肉厚に影響されることのない音響整合層を具
備する超音波送受波器を用いた超音波流量計を提
供するものである。
＜課題を解決するための手段＞
上記目的を達成するために、本発明は、外部信
号により超音波を発生する振動子の超音波振動を
音響整合層を介して伝播要素に印加する超音波波
送受波器を被測定流体が流れる管路に一対に取付
け、この時に前記管路には前記超音波によつてそ
の管路の肉厚及び超音波周波数に応じた板波が発
生するものであつて、この時の前記管路に取付け
られた前記一対の超音波送受波器間で往復する超
音波の到達時間差を測定して前記被測定流体の流
量を測定する超音波流量計において、 前記音響整合層の厚さｄを、 “ｄ＝λ・｛（１／４）±0.07）｝” に選定し（但しλは波長）、 前記音響整合層の音響インピーダンスZ0ａを、
前記振動子の音響インピーダンスZ1と前記伝播要
素の音響インピーダンスZ2の幾何平均よりも大き
な値“Z0ａ＞√1・2”となる関係を有するよう
に選定し、 周波数と送受波電圧レベルの関係における周波
数特性において双峯周波数（1，2）を形成さ
せ、該双峯周波数の値を、一方の峯周波数（1）
により前記板波が相応する肉厚において励起され
た時、他方の峯周波数（2）によつて前記肉厚の
中間付近の肉厚で板波が励起されるように選定し
た超音波送受波器を用いるようにしたことを特徴
とするものである。
号により超音波を発生する振動子の超音波振動を
音響整合層を介して伝播要素に印加する超音波波
送受波器を被測定流体が流れる管路に一対に取付
け、この時に前記管路には前記超音波によつてそ
の管路の肉厚及び超音波周波数に応じた板波が発
生するものであつて、この時の前記管路に取付け
られた前記一対の超音波送受波器間で往復する超
音波の到達時間差を測定して前記被測定流体の流
量を測定する超音波流量計において、 前記音響整合層の厚さｄを、 “ｄ＝λ・｛（１／４）±0.07）｝” に選定し（但しλは波長）、 前記音響整合層の音響インピーダンスZ0ａを、
前記振動子の音響インピーダンスZ1と前記伝播要
素の音響インピーダンスZ2の幾何平均よりも大き
な値“Z0ａ＞√1・2”となる関係を有するよう
に選定し、 周波数と送受波電圧レベルの関係における周波
数特性において双峯周波数（1，2）を形成さ
せ、該双峯周波数の値を、一方の峯周波数（1）
により前記板波が相応する肉厚において励起され
た時、他方の峯周波数（2）によつて前記肉厚の
中間付近の肉厚で板波が励起されるように選定し
た超音波送受波器を用いるようにしたことを特徴
とするものである。
＜実施例＞
本発明においては、超音波送受波器における音
響整合層３の音響インピーダンス（これを従来と
区別するためにZ0ａとする）は、振動子１の音響
インピーダンスZ1と、シユー２の音響インピーダ
ンスZ2の幾何平均よりも大きな値、即ち、 Z0ａ（＝ρC）＞√1・2 ……(3) となる関係を有するようにする。この関係を満足
するような材質としてはガラス等の安価なものが
多数存在する。この時の音響整合層３の厚さｄ
を、 ｄ＝λ・｛（１／４）±0.07）｝ ……(4) とする。
響整合層３の音響インピーダンス（これを従来と
区別するためにZ0ａとする）は、振動子１の音響
インピーダンスZ1と、シユー２の音響インピーダ
ンスZ2の幾何平均よりも大きな値、即ち、 Z0ａ（＝ρC）＞√1・2 ……(3) となる関係を有するようにする。この関係を満足
するような材質としてはガラス等の安価なものが
多数存在する。この時の音響整合層３の厚さｄ
を、 ｄ＝λ・｛（１／４）±0.07）｝ ……(4) とする。
以下、図面を参照して説明する。
尚、以下の図面において、第１図乃至第３図と
重複する部分は同一番号を付してその説明は省略
する。
重複する部分は同一番号を付してその説明は省略
する。
第４図乃至第５図は本発明の説明に供する図で
ある。
ある。
第４図は、振動子１の中心周波数0を1MHzと
し、音響整合層３を(3)，(4)式に基づいて、例え
ば、厚さλ／４（＝1.4mm）の硼珪酸ガラス［ρ＝
2.23×103Kg／m2、Ｃ＝5600ｍ／ｓ、∴Z0ａ＝12.5
×106Kg／m2・Ｓ］として、横軸に周波数／0
をとり、縦軸に送受波電圧レベルをとつた時の周
波数特性図である。この時、1，2を双峯周波数
という。この双峯周波数1，2の値を、第３図に
示した特性において相補的な特性を示すように選
定することで、超音波透過特性を改善する。即
ち、一方の峯周波数1により板波が励起される管
路４の肉厚a1，a2，a3の中間の厚さb1，b2，b3付
近で他方の峯周波数2により板波が励起されるよ
うに、夫々双峯周波数1，2の値を選定すること
で、第３図に対応する第５図に示すように、大幅
に超音波透過特性を改善することができる。
し、音響整合層３を(3)，(4)式に基づいて、例え
ば、厚さλ／４（＝1.4mm）の硼珪酸ガラス［ρ＝
2.23×103Kg／m2、Ｃ＝5600ｍ／ｓ、∴Z0ａ＝12.5
×106Kg／m2・Ｓ］として、横軸に周波数／0
をとり、縦軸に送受波電圧レベルをとつた時の周
波数特性図である。この時、1，2を双峯周波数
という。この双峯周波数1，2の値を、第３図に
示した特性において相補的な特性を示すように選
定することで、超音波透過特性を改善する。即
ち、一方の峯周波数1により板波が励起される管
路４の肉厚a1，a2，a3の中間の厚さb1，b2，b3付
近で他方の峯周波数2により板波が励起されるよ
うに、夫々双峯周波数1，2の値を選定すること
で、第３図に対応する第５図に示すように、大幅
に超音波透過特性を改善することができる。
これからも明らかなように、第５図は第３図に
比べて透過曲線のうねりが大幅に減少し、管路４
の肉厚に依存しない良好な特性であることが分
る。これは、超音波送受波器の特性が、第４図に
示すように、双峯周波数1，2を有し、この双峯
周波数1，2の値を選定することで、1成分と2
成分が相補的に働き、結果的に超音波透過特性を
改善することを示すものである。
比べて透過曲線のうねりが大幅に減少し、管路４
の肉厚に依存しない良好な特性であることが分
る。これは、超音波送受波器の特性が、第４図に
示すように、双峯周波数1，2を有し、この双峯
周波数1，2の値を選定することで、1成分と2
成分が相補的に働き、結果的に超音波透過特性を
改善することを示すものである。
上記条件を満たす音響整合層３の材質としては
前記した硼珪酸ガラスのような、一般のガラス等
に容易に見い出すことができるから、製作費用の
点でも安価なものとなる。
前記した硼珪酸ガラスのような、一般のガラス等
に容易に見い出すことができるから、製作費用の
点でも安価なものとなる。
尚、本発明においては、シユーは傾斜形に限定
されるものではない。
されるものではない。
＜発明の効果＞
本発明は、以上説明したように構成されている
ので、次に記載するような効果を奏する。
ので、次に記載するような効果を奏する。
：従来問題とされている管路の肉厚の影響を解
決できて精度の良い・測定範囲の広い超音波流
量計を実現出来る。
決できて精度の良い・測定範囲の広い超音波流
量計を実現出来る。
：安価で容易に入手可能な材質を音響整合層と
して使用することができるので、製品の価格低
減がはかれる。
して使用することができるので、製品の価格低
減がはかれる。
：適用範囲の広い超音波送受波器を安価に製作
することができる。
することができる。
：音響整合層の材質の選択範囲が広がるので、
色々の目的や条件に対応することが可能とな
る。
色々の目的や条件に対応することが可能とな
る。
：従つて高品質で高信頼性を有する製品を実現
出来る。ことにガラス、セラミツク或はそれ等
の合成物を使用した場合は、広い温度範囲に渡
つて音速が変化せず、特性も安定なため、一定
した性能を有する製品を製作することができ
る。
出来る。ことにガラス、セラミツク或はそれ等
の合成物を使用した場合は、広い温度範囲に渡
つて音速が変化せず、特性も安定なため、一定
した性能を有する製品を製作することができ
る。
第１図は従来の超音波送受波器の構造図、第２
図は第１図の超音波送受波器を用いた超音波流量
計の構造図、第３図は第２図の説明に供する図、
第４図乃至第５図は本発明の説明に供する図であ
る。 １……振動子、２……伝播要素（シユー）、３
……音響整合層、４……管路、５……被測定流
体。
図は第１図の超音波送受波器を用いた超音波流量
計の構造図、第３図は第２図の説明に供する図、
第４図乃至第５図は本発明の説明に供する図であ
る。 １……振動子、２……伝播要素（シユー）、３
……音響整合層、４……管路、５……被測定流
体。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 外部信号により超音波を発生する振動子の超
音波振動を音響整合層を介して伝播要素に印加す
る超音波波送受波器を被測定流体が流れる管路に
一対に取付け、この時に前記管路には前記超音波
によつてその管路の肉厚及び超音波周波数に応じ
た板波が発生するものであつて、この時の前記管
路に取付けられた前記一対の超音波送受波器間で
往復する超音波の到達時間差を測定して前記被測
定流体の流量を測定する超音波流量計において、 前記音響整合層の厚さｄを、 “ｄ＝λ・｛（１／４）±0.07）｝” に選定し（但しλは波長）、 前記音響整合層の音響インピーダンスZ0ａを、
前記振動子の音響インピーダンスZ1と前記伝播要
素の音響インピーダンスZ2の幾何平均よりも大き
な値“Z0ａ＞√1・2”となる関係を有するよう
に選定し、 周波数と送受波電圧レベルの関係における周波
数特性において双峯周波数（1，2）を形成さ
せ、該双峯周波数の値を、一方の峯周波数（1）
により前記板波が相応する肉厚において励起され
た時、他方の峯周波数（2）によつて前記肉厚の
中間付近の肉厚で板波が励起されるように選定し
た超音波送受波器を用いるようにしたことを特徴
とする超音波流量計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1055713A JPH01280217A (ja) | 1989-03-08 | 1989-03-08 | 超音波流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1055713A JPH01280217A (ja) | 1989-03-08 | 1989-03-08 | 超音波流量計 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58138935A Division JPS6030298A (ja) | 1983-07-29 | 1983-07-29 | 超音波送受波器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01280217A JPH01280217A (ja) | 1989-11-10 |
| JPH0456247B2 true JPH0456247B2 (ja) | 1992-09-07 |
Family
ID=13006518
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1055713A Granted JPH01280217A (ja) | 1989-03-08 | 1989-03-08 | 超音波流量計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01280217A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6472617B2 (ja) * | 2014-08-06 | 2019-02-20 | 関西電力株式会社 | 気体用外付式超音波流量計及び気体流量計測方法 |
-
1989
- 1989-03-08 JP JP1055713A patent/JPH01280217A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01280217A (ja) | 1989-11-10 |
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