JPH05264304A - 超音波式渦流量計 - Google Patents

超音波式渦流量計

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JPH05264304A
JPH05264304A JP4093629A JP9362992A JPH05264304A JP H05264304 A JPH05264304 A JP H05264304A JP 4093629 A JP4093629 A JP 4093629A JP 9362992 A JP9362992 A JP 9362992A JP H05264304 A JPH05264304 A JP H05264304A
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豊 稲田
Hiroshi Yoshikura
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波式渦流量計の超音波素子とハウジング
内の流体との間に介在する管路壁の超音波の透過率を向
上させる。 【構成】 ハウジング9内に渦発生体10を設け、渦発生
体10の下流側の外周部に超音波発信器13および超音波受
信器14を装着する。ハウジング9内の流体の流れにより
発生するカルマン渦により、超音波発信器13から発信さ
れ流体中を伝播する超音波信号Sが変調される。変調さ
れた超音波信号Sを超音波受信器14で受信し復調してカ
ルマン渦の生成を検出することにより流体の流量を計測
する。圧電素子15,16の音響インピーダンスZ1 、超音
波発信器13と超音波受信器14のケースおよびハウジング
9の音響インピーダンスZ2 、流体の音響インピーダン
スZ3 として、Z1 >Z2 >Z3 であり、かつZ2 が概
1 とZ3 との相乗平均値に近くなるようにすることに
より、圧電素子15,16と流体との間に介在する管路壁
(厚さt)の超音波の透過率が高くなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波式渦流量計の改
良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】超音波を用いて管路内の流体の流量を計
測する流量計として超音波式渦流量計がある。
【0003】例えば図5に示すように、超音波式渦流量
計1は、流体が流れる管路2内にカルマン渦を発生させ
るための渦発生体3が設けられており、渦発生体3の下
流側の管路2の側壁に超音波発信器4と超音波受信器5
とが流体の流路をはさんで互いに対向させて配置された
構成となっている。そして、超音波発信器4は、発振源
(図示せず)からの発振信号により管路2内の流体中に
超音波信号Sを発信し、超音波受信器5は、流体中を伝
播した超音波信号Sを受信するようになっている。
【0004】この構成により、管路2内の流体の流れに
よって渦発生体3の下流にその流速に応じて規則的にカ
ルマン渦が生成される。このカルマン渦の超音波信号S
の伝播方向の速度成分により超音波信号Sが管路2内の
流体の流速に応じた位相変調を受ける。カルマン渦によ
り位相変調を受けた超音波信号Sを超音波受信器5で受
信し、復調してカルマン渦の生成を超音波信号Sの変調
分として検出することにより管路2内の流体の流量を計
測することができる。
【0005】また、従来の超音波式渦流量計1では、一
般に、管路2の材質はステンレス鋼等の金属であり、超
音波発信器4および超音波受信器5は超音波の発受信部
である圧電素子を管路2と同様の金属製のケースで被っ
た構造となっている。そして、圧電素子と管路2内の流
体との間の管路壁の超音波信号の透過効率を高くするた
め、図6に示すように、管路2の側壁に取付孔6,7を
設け、取付孔6,7に超音波発信器4および超音波受信
器5を嵌装することにより、超音波発信器4および超音
波受信器5が管路2内の流体に直接接触するようにして
いる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、超音波は、
音響インピーダンスの著しく異なるものどうしの境界で
は透過効率が極端に低くなる。上記従来の超音波式渦流
量計1では、超音波発信器4および超音波受信器5の圧
電素子と管路2内の流体との間にこの流体に比して音響
インピーダンスがはるかに大きな金属製のケースが介在
しているため、圧電素子と流体中との間の超音波の透過
効率が低いという問題がある。また、管路2内の流体と
圧電素子のケースの音響インピーダンスが大きく異なる
ため、流体中から超音波受信器5へ入射する超音波が強
く反射され、この反射波と入射波とが干渉して定在波が
発生する。このため、受信信号は図7に示すように定在
波を含んだものとなり、温度変化等により受信レベルお
よび位相が大きく変化するので受信信号が不安定になり
やすく、また、受信信号から定在波成分を除去するため
の回路を受信装置に設ける必要があり受信装置の回路が
複雑になるという問題がある。さらに、取付孔5,6と
超音波発信器4および超音波受信器5との間のシール部
に漏れや異物の付着等が発生する虞があるという問題が
ある。
【0007】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
であり、超音波発受信器の超音波素子と管路内の流体と
間の管路壁の超音波の透過効率を向上させることを目的
とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために、管路内に設けられたカルマン渦を発生
させるための渦発生体と、前記管路の前記渦発生体の下
流側の側壁に互いに対向配置された超音波発信器および
超音波受信器を備えてなり、前記超音波発信器より発信
され前記管路内の流体中を伝播する超音波信号を前記超
音波受信器で受信し、前記超音波受信器の受信信号から
前記カルマン渦による位相変調を検出することにより前
記管路内の流体の流量を計測する超音波式渦流量計にお
いて、前記超音波発信器および超音波受信器の超音波発
受信部と前記管路内の流体との間に介在する管路壁の音
響インピーダンスを、前記超音波発受信部の音響インピ
ーダンスよりも小さく、かつ前記流体の音響インピーダ
ンスよりも大きく設定し、また、前記超音波発受信部の
音響インピーダンスと前記流体の音響インピーダンスと
の相乗平均値に近い値に設定したことを特徴とする。
【0009】
【作用】このように構成したことにより、超音波発信器
および超音波受信器の超音波発受信部と管路内の流体と
の間に介在する管路壁に対する超音波の透過効率が高く
なる。
【0010】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。図1および図2に示すように、超音波式
渦流量計8は、管路を構成する円筒状のハウジング9を
有しており、ハウジング9には、その内部にカルマン渦
を発生させるための渦発生体10が一体に形成されてい
る。ハウジング9は、流体に近い音響インピーダンスを
有する樹脂等の材質で構成されている。ハウジング9の
渦発生体10の下流側の側壁の外周部には、管路をはさん
で互いに対向する部位に一対の取付穴11,12が設けられ
ており、取付穴11,12には超音波発信器13および超音波
受信器14が嵌装されている。
【0011】超音波発信器13および超音波受信器14は、
超音波の発受信部である圧電素子15,16をハウジング9
と同様の音響インピーダンスを有する樹脂等の材質で構
成されたケースに収納した構造となっており、圧電素子
15,16から発信された超音波信号は、超音波発信器13、
超音波受信器14のケースおよびハウジング9の側壁を介
してハウジング9内の流体中へ伝播するようになってい
る。
【0012】また、超音波式渦流量計8は、図2に示す
ように、上流側の配管17と下流側の配管18との間に接続
され、配管17,18のそれぞれの端部に設けられたフラン
ジ19,20をボルト21およびナット22によって互いに連結
させることにより固定されるようになっている。
【0013】ここで、圧電素子15,16の音響インピーダ
ンスZ1 、超音波発信器13、超音波受信器14のケースお
よびハウジング9(圧電素子と管路内の流体との間に介
在する管路壁)の音響インピーダンスZ2 、ハウジング
9内の流体の音響インピーダンスZ3 、圧電素子15,16
と流体との間に介在する超音波発信器13、超音波受信器
14のケースとハウジング9の側壁の厚さ、すなわち圧電
素子と管路内の流体との間に介在する管路壁の厚さt、
この管路壁中の超音波の波長λとすると、圧電素子15,
16から管路内の流体中への超音波の透過率Tは次式で示
すことができる。なお、次式において、θ=2πt/λ
である。
【0014】
【数1】
【0015】したがって、管路壁の厚さtと超音波の透
過率Tの関係は、図3に示すようになる。図3におい
て、およびは、管路壁の音響インピーダンスZ2
が、超音圧電素子15,16の音響インピーダンスZ1 より
も小さく、かつ流体の音響インピーダンスZ3 よりも大
きい、すなわち、Z1 >Z2 >Z3 の場合を示してい
る。特に、管路壁の音響インピーダンスZ2 が、超音圧
電素子15,16の音響インピーダンスZ1 と流体の音響イ
ンピーダンスZ3 と相乗平均値に近いとき、すなわち、
次式の関係が成立つときに示すようになる。
【0016】
【数2】
【0017】また、は、Z2 =Z1 またはZ2 =Z3
の場合、およびは、Z2 >Z1 の場合(はZ2
3 が小、はZ2 /Z3 が大)を示している。
【0018】図3からわかるように、各部の音響インピ
ーダンスZ1 ,Z2 ,Z3 がZ1 >Z2 >Z3 となるよ
うにすることにより超音波の透過効率を高くすることが
できる。ここで、流体は水(概、Z3 =1.5 ×105 ( g
/sec・cm2 )この単位はCGS系であり、日刊工業新聞
社発行「超音波技術便覧(新訂版)」(昭和60年12
月30日発行)の1325頁 5・2項を参照してい
る。)、圧電素子15,16の材質は圧電セラミックスPZ
T(概、Z1 =2.8 ×106 ( g/sec・cm2 ))とした場
合には、超音波発信器13、超音波受信器14のケースおよ
びハウジング9の材質としては、Z2 =2×105 〜2.5
×106 ( g/sec・cm2 )である樹脂等を用いることがで
きる。
【0019】さらに、各部の音響インピーダンスZ1
2 ,Z3 が式で示す関係となるようにすることによ
り、圧電素子15,16と管路内の流体のとの間の超音波の
透過効率を向上させることができる。この場合、超音波
発信器13および超音波受信器14のケースならびにハウジ
ング9の材質としては、音響インピーダンスZ2 =5×
105 〜8×105 ( g/sec・cm2 )である樹脂等の材質を
用いることにより、最大80%以上の透過率を得ることが
できる。このような特性を有し、かつ、充分な機械的強
度を有する材質としては、PEEK(ポリ・エーテル・
エーテル・ケトン)樹脂等を用いることができる。
【0020】また、さらに、管路壁の厚さtをλ/4の
奇数倍とすることにより、超音波の透過効率を最大にす
ることができる。
【0021】以上のように構成した本実施例の作用につ
いて次に説明する。図5に示す従来例と同様に、超音波
発信器13は、発振源(図示せず)からの発振信号により
ハウジング9内に超音波信号Sを発信し、ハウジング9
内の流体中を伝播させる。一方、ハウジング9内の流体
の流れによって渦発生体10の下流にその流速に応じて規
則的にカルマン渦が生成される。このカルマン渦の超音
波信号Sの伝播方向の速度成分により超音波信号Sがハ
ウジング9内の流体の流速に応じた位相変調を受ける。
カルマン渦により位相変調を受けた超音波信号Sを超音
波受信器5で受信し、復調器(図示せず)によって復調
してカルマン渦の生成を超音波信号Sの変調分として検
出することによりハウジング2内の流体の流量を計測す
ることができる。
【0022】圧電素子14,15とハウジング9内の流体と
の間に介在する管路壁の超音波の透過率が高いので、超
音波発信器11および超音波受信器12をハウジング9内の
流体に直接接触させる必要がないため、超音波発信器11
および超音波受信器12をハウジング9の外周部に装着す
ることができ、ハウジング9の接流体部と超音波発信器
11および超音波受信器12との間にシール部がないのでシ
ール部に漏れや異物の付着等が発生することがない。
【0023】また、圧電素子14,15とハウジング9内の
流体との間に介在する管路壁の超音波の透過率が高いの
で、各部の境界において超音波信号の反射が少なく、入
射波と反射波との干渉によって生じる定在波の発生が抑
制され、図4に示すような安定した受信信号を得ること
ができる。
【0024】
【発明の効果】以上、詳述したように、本発明の超音波
式渦流量計は、超音波発信器および超音波受信器の超音
波発受信部と管路内の流体との間に介在する管路壁の超
音波の透過率を向上させることができる。その結果、超
音波発信器および超音波受信器を管路の側壁の外側に装
着することにより、管路の接流体部と超音波発信器およ
び超音波受信器との間にシール部をなくしてシール部の
漏れや異物の付着を防止することができる。また、超音
波の反射による定在波の発生が抑制されるので超音波信
号の発信受信を安定させることができるという優れた効
果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の要部の正面図である。
【図2】図1の装置の側面の縦断面図である。
【図3】超音波式渦流量計の管路壁の厚さと超音波の透
過率との関係を示す図である。
【図4】図1の装置の受信信号の特性を示す図である。
【図5】従来の超音波式渦流量計の要部の構成を示す図
である。
【図6】従来の超音波式渦流量計の要部の正面の縦断面
図である。
【図7】従来の超音波式渦流量計の受信信号の特性を示
す図である。
【符号の説明】
8 超音波式渦流量計 9 ハウジング(管路) 10 渦発生体 13 超音波発信器 14 超音波受信器 15,16 圧電素子(超音波発受信部) t 管路壁の厚さ Z1 圧電素子の音響インピーダンス Z2 管路壁の音響インピーダンス Z3 流体の音響インピーダンス

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 管路内に設けられたカルマン渦を発生さ
    せるための渦発生体と、前記管路の前記渦発生体の下流
    側の側壁に互いに対向配置された超音波発信器および超
    音波受信器を備えてなり、前記超音波発信器より発信さ
    れ前記管路内の流体中を伝播する超音波信号を前記超音
    波受信器で受信し、前記超音波受信器の受信信号から前
    記カルマン渦による位相変調を検出することにより前記
    管路内の流体の流量を計測する超音波式渦流量計におい
    て、前記超音波発信器および超音波受信器の超音波発受
    信部と前記管路内の流体との間に介在する管路壁の音響
    インピーダンスを、前記超音波発受信部の音響インピー
    ダンスよりも小さく、かつ前記流体の音響インピーダン
    スよりも大きく設定したことを特徴とする超音波渦流量
    計。
  2. 【請求項2】 超音波発受信部と管路内の流体との間に
    介在する管路壁の音響インピーダンスを前記超音波発受
    信部の音響インピーダンスと前記流体の音響インピーダ
    ンスとの相乗平均値に近い値に設定したことを特徴とす
    る請求項1に記載の超音波渦流量計。
  3. 【請求項3】 超音波発受信部の材質を圧電セラミック
    スとし、管路内の流体を液体とし、前記超音波発受信部
    と前記流体との間に介在する管路壁の音響インピーダン
    スを5×105 〜8×105 ( g/sec・cm2 )の範囲内に設
    定したことを特徴とする請求項1または2に記載の超音
    波式渦流量計。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2005351803A (ja) * 2004-06-11 2005-12-22 Asahi Organic Chem Ind Co Ltd 流量計
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