JPH05180810A - 液体濃度計用超音波送受波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】温度センサ及びそれに付随する温度測定用回路
を不要にし、しかも被測定液中の不純物の濃度を液温の
影響をも考慮して正確に測定する。 【構成】筐体１内に相互に平行に且階段状に配置された
第１及び第２の圧電素子２，３と、当該両圧電素子２，
３に対向して且平行に設けられた反射板７とを備えてい
る。また、反射板７からの距離が遠い方の圧電素子３の
反射板７側に超音波の遅延時間の温度特性が既知の遅延
材９が装備されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体中を伝播する超音
波の音速を測定することによって液体中に溶け込んでい
る不純物の濃度を測定用として好適な液体濃度計用超音
波送受波器に関する。

【０００２】

【背景技術】液体中を伝播する超音波の音速を測定する
ことによって液体中に溶け込んでいる不純物の濃度，例
えば、水に溶け込んでいる食塩（ＮａＣｌ）濃度，水に
溶けている水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）濃度，水に溶
けているメタノール（ＣＨ3ＯＨ）濃度等を測定する装
置として、図４に示すような構成の液体濃度計が知られ
ている。この液体濃度計の測定原理について、簡単に説
明すると、時刻ｔ₁ に時間計測部５５から時間計測スタ
ート信号がパルサ回路５１に出力され、パルサ回路５１
では、この時間計測スタート信号の入力により超音波ト
ランスデューサ駆動用パルスを発生する。この駆動用パ
ルスが超音波トランスデューサ５２に送られ、当該超音
波トランスデューサ５２では、パルサ回路５１から出力
されたパルスを電気音響変換し超音波として出力する。
この超音波が被測定液Ｗ（図５参照）中を伝播し、該液
Ｗ中を伝播した超音波は後述する反射板（図５中符号４
４参照）で反射され再び超音波トランスデューサ５２に
入力し、電気信号に再変換される。次いで、この受信信
号が、広帯域増幅器５３で十分な振幅に増幅された後、
コンパレータ５４にて所定の基準電圧と比較され方形波
パルスに波形整形されて後、時刻ｔ₂ に時間計測部５５
に入力する。時間計測部５５では、ｔ₁ からｔ₂ までの
時間Δｔ＝ｔ₂ −ｔ₁ を測定し、その結果をコンピュー
タ５６に送出する。

【０００３】ところで、上記Δｔの中には、電気信号が
電気回路中を伝播するのに要する時間ｔ_e が誤差として
含まれているので、コンピュータ５６では、予め測定さ
れたこの時間ｔ_e を内部メモリに記憶しておき、これを
差し引いて正味の超音波の伝播時間Δｔ_a を求める。

【０００４】 Δｔ_a ＝Δｔ−ｔ_e ＝ｔ₂ −ｔ₁ −ｔ_e ………………

【０００５】そして、コンピュータ５６では、トランス
デューサ５２を構成する圧電素子から反射板までの距離
ｌ（図５参照）と、上で求めた超音波の伝播時間Δｔ_a
とに基づき次式により超音波の音速ｖを算出する。

【０００６】 ｖ＝２ｌ／Δｔ_a ………………

【０００７】ところで、音速は被測定液Ｗ中の不純物の
濃度とともに液温に対しても変化する。図６には、水に
メタノールを混入した場合のメタノール濃度と音速の関
係が示されている。従って、コンピュータ５６では、図
６のような濃度と音速と液温との関係を近似式あるいは
マップの形で内部メモリに予め記憶しておき、温度セン
サ５９の検出温度のデータをＡ／Ｄ変換器５７を介して
読み込み、式で算出した音速ｖと温度センサ５９から
読み込んだ液温Ｔの値により濃度を求め、この結果を表
示部５８に出力していた。

【０００８】なお、受信専用の超音波トランスデューサ
を別個に設ける場合には、図４のＡ点に切替スイッチを
設けるとともに、その切替スイッチに受信専用の超音波
トランスデューサを接続し、切替スイッチにより超音波
トランスデューサ５２を広帯域増幅器５３から切り離
し、新たに設けた受信専用の超音波トランスデューサの
出力を広帯域増幅器５３に接続すれば、同様にして測定
を行なうことができる。

【０００９】図５には、図４の超音波トランスデューサ
５２を含んで構成される超音波送受波器が一部破断して
示されている。この図において、超音波トランスデュー
サ５２は、取り付けフランジ４１Ａが設けられた耐腐蝕
性の高いステンレス等の筐体４１内に収納されている。
超音波トランスデューサ５２は、電気音響変換素子とし
ての圧電セラミック，高分子圧電膜等の圧電素子４２
と、該素子４２の振動特性，感度などを決める吸音材４
３とから成り、また、圧電素子４２の被測定液Ｗとの境
界面には、ここでは図示していないが実際には圧電素子
４２を保護し且音響インピーダンスのマッチングをとる
ための保護膜が装着されている。筐体４１の図における
下端面には、被測定液Ｗに臨むように温度センサ５９が
下方に向かって植設されている。ここで、圧電素子４２
において発生した超音波は保護膜を通し、液Ｗ中を伝播
し、圧電素子４２に対向して且平行に取り付けられた反
射板４４において反射され再び圧電素子４２に入力し該
圧電素子４２で電気信号に変換され、この電気信号が図
４の広帯域増幅器５３に入力するようになっている。図
５において、符号４５はケーブルを示す。

【００１０】なお、上記説明においては、温度センサ５
９を超音波トランスデューサ５２が収納された筐体４１
に一体的に取り付けた場合について説明したが、両者を
別々の筐体に組み込んだものもある。この他、初期の段
階においては、液温Ｔを別に温度計で測定し、測定者が
その測定結果をキー入力にすることもなされていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術にあっては、温度測定のため、熱電対，半導体温
度センサ，サーミスタ等の温度センサが必要不可欠であ
り、また、温度センサ駆動回路（この駆動回路は図４で
は図示されていない。）やＡ／Ｄ変換器など温度測定用
回路も併せて必要であり、このため、装置の大型化，コ
ストアップ，消費電力の増大等を招くという不都合があ
り、また、超音波トランスデューサ用同軸ケーブルの他
に温度センサ用の複数本のケーブルが必要になり、ケー
ブルの処理が面倒であり、温度センサがノイズに対して
弱いために特別のノイズ対策が必要になったりするとい
う不都合をも有していた。

【００１２】

【発明の目的】本発明は、かかる従来技術の有する問題
点に鑑みてなされたもので、その目的は、温度センサ及
びそれに付随する温度測定用回路を不要にし、しかも被
測定液中の不純物の濃度を液温の影響をも考慮して正確
に測定し得る液体濃度計用超音波送受波器を提供するこ
とにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の液体濃度計用超音波送受波器は、筐体内に
相互に平行に且階段状に配置された第１及び第２の圧電
素子と、当該両圧電素子に対向して且平行に設けられた
反射板とを備え、前記反射板からの距離が遠い方の圧電
素子の反射板側に超音波の遅延時間の温度特性が既知の
遅延材を装備したことを特徴として構成されている。

【００１４】

【作用】遅延材が設けられていない方の圧電素子（以
下、この項の説明では「一方の圧電素子」という。）が
送受信用超音波トランスデューサとして機能し、遅延材
が設けられている方の圧電素子（以下、この項の説明で
は「他方の圧電素子」という。）が受信用超音波トラン
スデューサとして機能し得るように、上記超音波送受波
器を液体濃度計に組み込み、超音波送受波器を被測定液
中に設置し、計測を開始すると、一方の圧電素子から超
音波が出力され、この出力された超音波が被測定液中を
伝播し、反射板で反射されてその反射波の一部が一方の
圧電素子に再び入力し、反射波の残りの一部が遅延材を
介して（幾分遅れて）他方の圧電素子に入力する。そし
て、両圧電素子に入力した反射波（超音波）が一方と他
方の圧電素子でそれぞれ電気信号に変換され、これらの
電気信号（受信信号）が液体濃度計の受信部で受信され
る。そして、液体濃度計の演算部では、受信部で受信さ
れた前記二つの電気信号の受信時間及び受信時間差，既
知の超音波の遅延時間の温度特性，既知の圧電素子から
反射板までの距離等を用いて超音波の音速及び液温を算
出し、これらに基づき既知の濃度と音速と液温との関係
から濃度を最終的に求める。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図３及
び図６に基づいて説明する。

【００１６】図１には、本発明の一実施例に係る超音波
送受波器１０の構成が示されている。この図１の実施例
は、筒状の筐体１内に相互に平行に且階段状に配置され
た第１及び第２の圧電素子２，３と、これらの圧電素子
２，３の後方（図１における上方）に配設され該素子
２，３の振動特性，感度などを決める吸音材（バッキン
グ材）４，５とを備えている。そして、第１の圧電素子
２とその後方に配置された吸音材４とにより一方の超音
波トランスデューサ（以下、「トランスデューサ」とい
う。）２０が、第２の圧電素子３とその後方に配置され
た吸音材５とにより他方のトランスデューサ３０が構成
されている。また、第１の圧電素子２と第２の圧電素子
３とは、本実施例では、共振周波数その他の特性が同一
のものが使用されている。圧電素子２，３及び吸音材
４，５の間には空間６が設けられており、吸音材４，５
とこの空間６の作用により、両圧電素子２，３相互間に
直接超音波が伝播しないようになっている。また、筐体
１の図における下方には、反射板支持部材８により圧電
素子２，３に対向して且当該両圧電素子２，３に平行に
支持された反射板７が設けられている。反射板７からの
距離が遠い方の第２の圧電素子３の反射板７側には、超
音波の遅延時間の温度特性が既知の遅延材９が装備され
ている。そして、圧電素子２と遅延材９の前面（図にお
ける下面）は同一面上に位置しており、これらの前方
（図中下方）には、圧電素子２を保護し音響インピーダ
ンスのマッチングをとるための保護膜１１が設けられて
おり、この保護膜１１を介して第１，第２の圧電素子
２，３による超音波の送信あるいは受信がなされるよう
になっている。

【００１７】筐体１の図１における上端には、取付ねじ
用穴１３，１３が形成されたフランジ１Ａが設けられて
いる。図１において、符号１２Ａ，１２Ｂは、圧電素子
２，３に電気的に接続されたリード線１４，１４，……
を後述する計測装置のパルサ回路あるいは広帯域増幅器
に接続するための同軸ケーブルを示す。図１におい
て、、ｌは反射板７から圧電素子２までの距離を示す。

【００１８】図２には、上述のようにして構成された超
音波送受波器１０を組み込んだ液体濃度計の構成が示さ
れている。ここで、前述した図４の従来例と同一もしく
は同等の構成部分については同一の符号を付すものとす
る。

【００１９】この図２の液体濃度計は、時間計測部５５
から時間計測スタート信号を受け超音波トランスデュー
サ駆動用パルスを出力するパルサ回路５１と、超音波送
受波器１０を構成する一方のトランスデューサ２０又は
他方のトランスデューサ３０からの受信信号を広対域増
幅器５３に択一的に接続する切替スイッチ１５と、この
切替スイッチ１５を介して入力した受信信号を十分な振
幅に増幅する広帯域増幅器５３と、この広帯域増幅器５
３で増幅された受信信号を方形波パルスに波形整形する
コンパレータ５４と、このコンパレータ５４から方形波
パルスを入力するとともに時間計測スタート信号出力か
ら当該方形波パルス入力までの時間を計測する時間計測
部５５と、時間計測部５５からの出力信号を受け所定の
演算を行なって被測定液Ｗ中の不純物の濃度を算出する
コンピュータ５６と、該コンピュータ５６に併設された
計測結果表示用の表示部５８とを備えている。

【００２０】次に、この液体濃度計を用いて、水に溶け
ているメタノールの濃度を測定する場合の動作について
説明する。

【００２１】まず、操作者（測定者）は、測定に先立
ち、超音波送受波器１０を、被測定液Ｗが収容された容
器内に設置する（図１参照）。そして、測定者が切替ス
イッチ１５を接点ａ側に設定し、測定を開始すると、時
刻ｔ₁ で時間計測部５５から時間計測スタート信号がパ
ルサ回路５１に出力され、前述した背景技術の項で説明
したのと同様にして、一方のトランスデューサ２０を構
成する第１の圧電素子２から超音波が出力される（図１
中符号Ｂ参照）。そして、この出力された超音波は被測
定液Ｗ中を伝播し、その一部が反射板７で反射され、そ
の反射波（図１中符号Ｒ参照）は圧電素子２で受波され
電気信号に変換される。そして、この電気信号（受信信
号）が広帯域増幅器５３で十分な振幅に増幅された後、
コンパレータ５４にて所定の基準電圧と比較され方形波
パルスに波形整形され、時刻ｔ₂ に時間計測部５５に入
力する。時間計測部５５では、ｔ₁ からｔ₂ までの時間
Δｔ＝ｔ₂ −ｔ₁ を測定し、その結果をコンピュータ５
６に送る。コンピュータ５６では、この時間Δｔを用い
て前述した背景技術の項で説明した同様に式により、
正味の超音波の伝播時間Δｔ_a を求め、更に前述した
式により超音波の音速ｖを求め、この計算が終了したこ
とを表示部５８に出力すると同時に計算結果を内部メモ
リに保存する。

【００２２】次に、操作者がスイッチ１５を接点ｂ側に
切り替えて、再び測定を開始すると、同様に第１の圧電
素子２から出力された超音波の一部が反射板７で反射さ
れ、その反射波（図１中符号ｒ参照）が他方のトランス
デューサ３０を構成する第２の圧電素子３に遅延材９を
介して入力し、第２の圧電素子３で電気信号に変換さ
れ、この電気信号が前と同様の経路を経て遅延材９によ
る遅延時間Δｔr だけ遅れた時刻ｔ₃ に時間計測部５５
に入力する。時間計測部５５では、ｔ₁ からｔ₃までの
時間Δｔ_R ＝ｔ₃ −ｔ₁ を測定し、その結果をコンピュ
ータ５６に送る。コンピュータ５６では、この時間Δｔ
_R の入力を受け、次式により遅延時間Δｔ_r を求める。

【００２３】 Δｔ_r ＝Δｔ_R −Δｔ＝ｔ₃ −ｔ₁ −（ｔ₂ −ｔ₁ ）＝ｔ₃ −ｔ₂ ………

【００２４】そして、コンピュータ５６では、この結果
と、予め実験等で求め内部メモリにマップとして記憶し
た遅延時間Δｔ_r と液温Ｔとの間の関係とにより、液温
Ｔを求める。そして、コンピュータ５６では、この液温
Ｔと先に内部メモリに記憶した超音波の音速ｖを用い
て、予めマップとしてメモリに記憶した図６の濃度と音
速と液温との関係により不純物であるエタノールの濃度
を求め、この結果を表示部５８に出力する。ここで、上
記の遅延時間Δｔ_r と液温Ｔとの間の関係，濃度と音速
と液温との関係はマップではなく、近似式としてメモリ
内に記憶し、これに基づいてコンピュータ５６が所要の
演算を行なうようにしてもよい。

【００２５】図３には、本実施例の超音波送受波器１０
の動作タイミング波形が示されており、図中（ａ）は第
１の圧電素子２の電圧出力波形であり、（ｂ）は第２の
圧電素子３の電圧出力波形である。この図から、第２の
圧電素子３の受信波が第１の圧電素子２の受信波よりΔ
ｔ_r だけ遅延していることがわかる。

【００２６】以上説明したように、本実施例によると、
超音波送受波器１０を被測定液Ｗが収容された容器内に
設置し、最初に切替スイッチ１５を接点ａ側に設定して
測定を行ない、次に切替スイッチ１５を接点ｂ側に切り
替えて測定を行なうという簡単な操作により、超音波の
伝播時間及び遅延時間が求められ、これに基づき温度の
影響をも考慮した被測定液Ｗ中のエタノールの濃度を高
精度に計測することができ、とくに、超音波の遅延時間
の温度特性が既知の遅延材９を設けたことにより、温度
センサを用いることなく液温を求めることができ、従っ
て熱電対，半導体温度センサ，サーミスタ等の温度セン
サやこれに伴う温度測定用回路が不要となり、これによ
り装置の小型化，コストダウンン，消費電力の節減を図
ることができ、温度センサ用の特別なノイズ対策も不要
となる。

【００２７】なお、上記実施例においては、第１の圧電
素子２を送受信用とし、第２の圧電素子３を受信専用と
し、これらを切替スイッチ１５により液体濃度計の受信
回路を構成する広帯域増幅器５３に必要に応じて切り替
え接続する構成を例示したが、このようにすることによ
り受信部の回路構成が非常に簡単になるという利点があ
る。但し、本発明はこのような構成に限定されるもので
はなく、第１の圧電素子２と第２の圧電素子３用として
それぞれ受信回路を設けてもよく、このようにすれば回
路構成が複雑になる反面、超音波の音速と遅延時間ひい
ては液温との計測が１回の測定で可能なものとなる。

【００２８】また、上記実施例では、遅延材９が設けら
れていない方の圧電素子２と遅延材９との前面が同一平
面上に位置しているが、このようにしたのは、受信信号
の遅延時間の計算が非常に容易になることを考慮したか
らである。しかし、反射板７から両圧電素子２，３まで
の距離が既知であれば、簡単な比例計算等により遅延材
９による超音波の遅延時間を算出することはできるの
で、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。

【００２９】更に、実施にあたっては、被測定液Ｗの音
響インピーダンスをＺ₁ 、保護膜１１の音響インピーダ
ンスをＺ₂ 、遅延材９の音響インピーダンスをＺ₃ 、圧
電素子２，３の音響インピーダンスをＺ₄ とした場合、
Ｚ₄ ＞Ｚ₃ ＞Ｚ₂ ＞Ｚ₁ なる関係が成立するように各材
料の材質を選定することが、音響インピーダンスのマッ
チングの面からは望ましい。

【００３０】更にまた、上記実施例では、取付ねじ用穴
１３，１３がフランジ部１Ａに形成されているので、こ
れにより超音波送受波器１０の全体を被測定液Ｗを収容
した容器に強固に固定できるので、動くもの，例えば自
動車等に取り付けて使用することもでき、燃料の流路に
十分なシーリングをして取り付けることにより、時々刻
々と変化する燃料中のメタノール濃度等を測定すること
もでき、この濃度情報を燃料の燃焼制御等に利用するこ
とも可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
超音波の遅延時間の温度特性が既知の遅延材が第１の圧
電素子又は第２の圧電素子のいずれか一方の前方に設け
られていることから、受信信号の遅延時間により伝播速
度計測用の超音波を用いて液温をも測定することがで
き、これにより温度センサを用いる事無く液温の影響を
も考慮した正確な濃度の測定が可能となり、温度センサ
やこれに伴う温度測定用回路が不要になり、これがた
め、装置の小型化，コストダウン，消費電力の節減等を
図ることができ、温度センサ用の特別なノイズ対策をも
不要にすることができるという従来にない優れた液体濃
度計用超音波送受波器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す概略断面図である。

【図２】図１の超音波送受波器が組み込まれた液体濃度
計の構成を示すブロック図である。

【図３】図２の液体濃度計における超音波送受波器の動
作タイミング波形を示す線図である。

【図４】従来の液体濃度計の構成を示すブロック図であ
る。

【図５】従来の液体濃度計用超音波送受波器を一部破断
して示す説明図である。

【図６】水に混入したメタノール濃度と超音波の音速と
の関係を示す線図である。

【符号の説明】

１ 筐体 ２ 第１の圧電素子 ３ 第２の圧電素子 ７ 反射板 ９ 遅延材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筐体内に相互に平行に且階段状に配置さ
   れた第１及び第２の圧電素子と、当該両圧電素子に対向
   して且平行に設けられた反射板とを備え、前記反射板か
   らの距離が遠い方の圧電素子の反射板側に超音波の遅延
   時間の温度特性が既知の遅延材を装備したことを特徴と
   する液体濃度計用超音波送受波器。