JPH06117895A - 超音波流量計 - Google Patents
超音波流量計Info
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- JPH06117895A JPH06117895A JP4264009A JP26400992A JPH06117895A JP H06117895 A JPH06117895 A JP H06117895A JP 4264009 A JP4264009 A JP 4264009A JP 26400992 A JP26400992 A JP 26400992A JP H06117895 A JPH06117895 A JP H06117895A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 振動子とクサビ材との間に発生する熱応力を
緩和し、クサビ材への音波の伝搬率を高める。 【構成】 上流の超音波振動子から下流の超音波振動子
までの音波の伝搬時間と、その逆方向の音波の伝搬時間
との差から流体の流速または流量を計測する超音波流量
計において、前記超音波振動子６とクサビ材３とを接着
するための接着剤７に充填材を混入することにより、上
記目的の達成を図る。
緩和し、クサビ材への音波の伝搬率を高める。 【構成】 上流の超音波振動子から下流の超音波振動子
までの音波の伝搬時間と、その逆方向の音波の伝搬時間
との差から流体の流速または流量を計測する超音波流量
計において、前記超音波振動子６とクサビ材３とを接着
するための接着剤７に充填材を混入することにより、上
記目的の達成を図る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、流体の流れに対して
斜めに音波を伝播させたときの、超音波の伝搬時間差か
ら流体の流速または流量を計測するようにした、いわゆ
る超音波流量計に関する。
斜めに音波を伝播させたときの、超音波の伝搬時間差か
ら流体の流速または流量を計測するようにした、いわゆ
る超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】図６は透過型超音波流量計の測定原理を
説明するための説明図である。まず、上流の超音波振動
子１を超音波により励起すると、出射された超音波は斜
角クサビ３に伝搬される。この斜角クサビ３は流体の流
れ５に対し、超音波を斜めに入射させるものである。さ
らに、超音波は配管４から配管内の流れ５へと伝搬する
が、斜角クサビ３と配管４、配管４と配管内の流れ５と
の各境界面においては、図７に示す如きスネルの法則に
従って音波は屈折する。なお、図７のｉ，ｏはそれぞれ
媒質、θｉ，θｏはそれぞれ入射角，反射（出射）角、
Ｃｏ，Ｃｉはそれぞれ媒質ｉ，ｏでの音速を示してい
る。
説明するための説明図である。まず、上流の超音波振動
子１を超音波により励起すると、出射された超音波は斜
角クサビ３に伝搬される。この斜角クサビ３は流体の流
れ５に対し、超音波を斜めに入射させるものである。さ
らに、超音波は配管４から配管内の流れ５へと伝搬する
が、斜角クサビ３と配管４、配管４と配管内の流れ５と
の各境界面においては、図７に示す如きスネルの法則に
従って音波は屈折する。なお、図７のｉ，ｏはそれぞれ
媒質、θｉ，θｏはそれぞれ入射角，反射（出射）角、
Ｃｏ，Ｃｉはそれぞれ媒質ｉ，ｏでの音速を示してい
る。
【０００３】配管内の流れ５へと伝搬した音波は対向面
に到達し、再び境界面（流体と配管，配管とクサビ）で
屈折したのち下流の超音波振動子２で受信される。この
上流から下流の超音波センサに到達するまでの音波の伝
搬時間をＴ１２とし、逆に下流の超音波振動子２を励起
し上流の超音波振動子１で音波を受信する場合の伝搬時
間をＴ２１とすると、それぞれの伝搬時間は次の
（１），（２）式で表わされる。なお、τは配管，斜角
クサビでの伝搬時間、Ｄは配管の内径、Ｃは流体の音
速、Ｖは流体の流速をそれぞれ示す。
に到達し、再び境界面（流体と配管，配管とクサビ）で
屈折したのち下流の超音波振動子２で受信される。この
上流から下流の超音波センサに到達するまでの音波の伝
搬時間をＴ１２とし、逆に下流の超音波振動子２を励起
し上流の超音波振動子１で音波を受信する場合の伝搬時
間をＴ２１とすると、それぞれの伝搬時間は次の
（１），（２）式で表わされる。なお、τは配管，斜角
クサビでの伝搬時間、Ｄは配管の内径、Ｃは流体の音
速、Ｖは流体の流速をそれぞれ示す。
【０００４】上式からも明らかなように、流速があると
（Ｖが零でないとき）Ｔ１２，Ｔ２１に時間差が生じる
ことが分かる。かかる超音波流量計は内径が２５ｍｍ〜
３０００ｍｍの配管内の流速，流量が測定できることか
ら、一般に幅広く用いられている。ところで、斜角クサ
ビの材料としてはその内部での多重反射が問題とならな
いような、適度の音波減衰率を持つ樹脂が用いられ、一
般にはアクリル，エポキシ系の樹脂が用いられる。これ
らの樹脂の耐熱温度はアクリルでは８０℃、エポキシで
は１２０℃付近であり、２００℃以上の高温高精度流量
計の実現は不可能とされていた。しかし、最近、各種の
耐熱性エンジニアリングプラスチック（以下、エンプラ
とも云う）が商品化され、クサビ材としての耐熱性には
問題はなくなった。しかし、振動子とエンプラとの線膨
張係数の相違により、両者が破壊するという新たな問題
が生じている。
（Ｖが零でないとき）Ｔ１２，Ｔ２１に時間差が生じる
ことが分かる。かかる超音波流量計は内径が２５ｍｍ〜
３０００ｍｍの配管内の流速，流量が測定できることか
ら、一般に幅広く用いられている。ところで、斜角クサ
ビの材料としてはその内部での多重反射が問題とならな
いような、適度の音波減衰率を持つ樹脂が用いられ、一
般にはアクリル，エポキシ系の樹脂が用いられる。これ
らの樹脂の耐熱温度はアクリルでは８０℃、エポキシで
は１２０℃付近であり、２００℃以上の高温高精度流量
計の実現は不可能とされていた。しかし、最近、各種の
耐熱性エンジニアリングプラスチック（以下、エンプラ
とも云う）が商品化され、クサビ材としての耐熱性には
問題はなくなった。しかし、振動子とエンプラとの線膨
張係数の相違により、両者が破壊するという新たな問題
が生じている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】つまり、動作温度範囲
が広範囲にわたる場合には、振動子，接着剤，クサビ材
それぞれの線膨張係数の相違から熱応力を生じ各部材の
破壊を招くという問題がある。また、接着剤がＰｕｒｅ
（純粋）な樹脂のみとすると、振動子と接着剤との音響
インピーダンスの差が大きく、振動子からの音波がクサ
ビ材へ充分に伝搬しないという問題もある。したがっ
て、この発明の課題は振動子とクサビ材の間に発生する
熱応力を緩和するとともに、クサビ材への音波の伝搬率
を高めることにある。
が広範囲にわたる場合には、振動子，接着剤，クサビ材
それぞれの線膨張係数の相違から熱応力を生じ各部材の
破壊を招くという問題がある。また、接着剤がＰｕｒｅ
（純粋）な樹脂のみとすると、振動子と接着剤との音響
インピーダンスの差が大きく、振動子からの音波がクサ
ビ材へ充分に伝搬しないという問題もある。したがっ
て、この発明の課題は振動子とクサビ材の間に発生する
熱応力を緩和するとともに、クサビ材への音波の伝搬率
を高めることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め、この発明では、配管内を流れる流体の流れに対しく
さび材を介して或る一定の打ち込み角度をもって音波を
伝搬させ、上流の超音波振動子から下流の超音波振動子
までの音波の伝搬時間と下流の超音波振動子から上流の
超音波振動子までの音波の伝搬時間との差から流体の流
速または流量を計測する超音波流量計において、前記超
音波振動子とくさび材とを接着するための接着剤に充填
材を混入したことを特徴としている。
め、この発明では、配管内を流れる流体の流れに対しく
さび材を介して或る一定の打ち込み角度をもって音波を
伝搬させ、上流の超音波振動子から下流の超音波振動子
までの音波の伝搬時間と下流の超音波振動子から上流の
超音波振動子までの音波の伝搬時間との差から流体の流
速または流量を計測する超音波流量計において、前記超
音波振動子とくさび材とを接着するための接着剤に充填
材を混入したことを特徴としている。
【０００７】
【作用】超音波振動子とくさび材とを接着するための接
着剤に充填材を混入することにより、接着剤全体として
の線膨張係数が小さくなる。これにより、振動子，接着
剤，クサビ材相互の熱応力が緩和される。また、密度が
大きくなり硬度も増すことから、超音波の減衰も小さく
なる。
着剤に充填材を混入することにより、接着剤全体として
の線膨張係数が小さくなる。これにより、振動子，接着
剤，クサビ材相互の熱応力が緩和される。また、密度が
大きくなり硬度も増すことから、超音波の減衰も小さく
なる。
【０００８】
【実施例】図１はこの発明の１実施例を示す構成図であ
る。同図は超音波振動子６，接着剤７およびクサビ材
（斜角クサビ）３の関係を示しており、斜角クサビ３の
上面に振動子６を接着剤７により取り付けて構成した超
音波センサを示している。つまり、このような構成自体
は公知であるが、ここでは振動子６には例えばＰＺＴ
〔Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ3 〕の如き圧電素子を用い、斜
角クサビ３にはポリイミド系のエンプラを用いており、
エンプラの線膨張係数は振動子に比べて１桁程度大きい
ので、その両者の線膨張係数の差を緩和するために、ポ
リイミド系の接着剤に球状溶融シリカを充填した点など
を特徴としている。そして、球状溶融シリカとしては、
平均０．５μｍで真球状のシリカの微粉末とし、その大
きさとしては、使用する超音波（１ＭＨｚ）の波長の１
／１０以下の値とし、かつ形状を球形とすることで超音
波の散乱，屈折などの悪影響をなくすようにしている。
る。同図は超音波振動子６，接着剤７およびクサビ材
（斜角クサビ）３の関係を示しており、斜角クサビ３の
上面に振動子６を接着剤７により取り付けて構成した超
音波センサを示している。つまり、このような構成自体
は公知であるが、ここでは振動子６には例えばＰＺＴ
〔Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ3 〕の如き圧電素子を用い、斜
角クサビ３にはポリイミド系のエンプラを用いており、
エンプラの線膨張係数は振動子に比べて１桁程度大きい
ので、その両者の線膨張係数の差を緩和するために、ポ
リイミド系の接着剤に球状溶融シリカを充填した点など
を特徴としている。そして、球状溶融シリカとしては、
平均０．５μｍで真球状のシリカの微粉末とし、その大
きさとしては、使用する超音波（１ＭＨｚ）の波長の１
／１０以下の値とし、かつ形状を球形とすることで超音
波の散乱，屈折などの悪影響をなくすようにしている。
【０００９】次に、樹脂に充填剤を混入した場合、線膨
張係数αと縦弾性係数Ｅとの間にはφを体積分率（φ
１，φ２の１で接着剤、２で充填材を示し、以下同様と
する。）、Ｂを体積弾性率、Ｇを横弾性率、νをポアソ
ン比として、（３），（４）式のような関係が成立す
る。
張係数αと縦弾性係数Ｅとの間にはφを体積分率（φ
１，φ２の１で接着剤、２で充填材を示し、以下同様と
する。）、Ｂを体積弾性率、Ｇを横弾性率、νをポアソ
ン比として、（３），（４）式のような関係が成立す
る。
【００１０】図２は上記（３），（４）式に従い充填材
の体積分率φ２を０〜９０％まで変化させたときの、線
膨張係数αと縦弾性係数Ｅの変化を示している。同図か
ら明らかなように、充填量を多くすれば実線にて示す線
膨張係数αは小さくなるが、点線にて示す縦弾性係数Ｅ
は次第に大きくなって行く。また、図３は図２のαとＥ
をもとに計算した熱応力を示している。この場合の計算
モデルとしては図４に示すような、円盤型の振動子６を
充分大きなクサビ材３に接着剤７で接着した場合の例を
想定している。図３からも分かるように、シリカの充填
量を増やせば振動子の熱応力は低下して行くが、接着剤
とクサビ材の熱応力は上昇傾向にある。これは、接着剤
の線膨張係数の低下により振動子の熱応力が緩和される
一方で、クサビ材に接着剤と同じポリイミド系の樹脂を
用いたため、シリカ充填により線膨張係数の差がかえっ
て大きくなってしまうためと考えられている。なお、図
３の実線は振動子、点線は接着剤、一点斜線はクサビ材
３の場合をそれぞれ示している。また、図４（イ）は超
音波センサの上面図、同（ロ）はその側面図、（ハ）は
熱膨張した結果を示す側面図である。
の体積分率φ２を０〜９０％まで変化させたときの、線
膨張係数αと縦弾性係数Ｅの変化を示している。同図か
ら明らかなように、充填量を多くすれば実線にて示す線
膨張係数αは小さくなるが、点線にて示す縦弾性係数Ｅ
は次第に大きくなって行く。また、図３は図２のαとＥ
をもとに計算した熱応力を示している。この場合の計算
モデルとしては図４に示すような、円盤型の振動子６を
充分大きなクサビ材３に接着剤７で接着した場合の例を
想定している。図３からも分かるように、シリカの充填
量を増やせば振動子の熱応力は低下して行くが、接着剤
とクサビ材の熱応力は上昇傾向にある。これは、接着剤
の線膨張係数の低下により振動子の熱応力が緩和される
一方で、クサビ材に接着剤と同じポリイミド系の樹脂を
用いたため、シリカ充填により線膨張係数の差がかえっ
て大きくなってしまうためと考えられている。なお、図
３の実線は振動子、点線は接着剤、一点斜線はクサビ材
３の場合をそれぞれ示している。また、図４（イ）は超
音波センサの上面図、同（ロ）はその側面図、（ハ）は
熱膨張した結果を示す側面図である。
【００１１】この発明の実施例で用いる接着剤と充填材
の物性値の一例を表１に示す。
の物性値の一例を表１に示す。
【００１２】図５はシリカの充填量による接着剤の音響
インピーダンス変化の様子を示している。接着剤に比べ
てシリカは密度が大きく硬いので、充填量を増やすこと
によって音響インピーダンスが大きく変化することが分
かる。以上の考察から、シリカの充填量を増やせば音響
特性は良くなるが、熱応力については一概に良いとは言
えない。したがって、使用用途に合わせて両者のバラン
スを考えて充填量を決めることが必要となる。
インピーダンス変化の様子を示している。接着剤に比べ
てシリカは密度が大きく硬いので、充填量を増やすこと
によって音響インピーダンスが大きく変化することが分
かる。以上の考察から、シリカの充填量を増やせば音響
特性は良くなるが、熱応力については一概に良いとは言
えない。したがって、使用用途に合わせて両者のバラン
スを考えて充填量を決めることが必要となる。
【００１３】
【発明の効果】この発明によれば、接着剤に充填材を混
入することにより、その線膨張係数を超音波振動子とエ
ンジニアリングプラスチックとの中間的な値にするよう
にしたので、振動子と接着剤との境界で発生する熱応力
を緩和することができる。さらには、接着剤の音響イン
ピーダンスが大きくなることから、超音波の伝搬率を向
上させることが可能となる利点が得られる。
入することにより、その線膨張係数を超音波振動子とエ
ンジニアリングプラスチックとの中間的な値にするよう
にしたので、振動子と接着剤との境界で発生する熱応力
を緩和することができる。さらには、接着剤の音響イン
ピーダンスが大きくなることから、超音波の伝搬率を向
上させることが可能となる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す斜視図である。
【図２】充填量に応じた線膨張係数と縦弾性率の関係を
示す特性図である。
示す特性図である。
【図３】振動子，接着剤，くさび材の充填量に応じた熱
応力を示す特性図である。
応力を示す特性図である。
【図４】図３の特性変化を得るために用いられた振動
子，接着剤およびクサビ材の例を説明するための説明図
である。
子，接着剤およびクサビ材の例を説明するための説明図
である。
【図５】充填量による音響インピーダンスを説明するた
めの特性図である。
めの特性図である。
【図６】透過型超音波流量計の測定原理を説明するため
の説明図である。
の説明図である。
【図７】スネルの法則を説明するための説明図である。
１，２，６…超音波振動子、３…斜角クサビ、４…配
管、５…流体（流れ）、７…接着剤。
管、５…流体（流れ）、７…接着剤。
Claims (1)
- 【請求項１】 配管内を流れる流体の流れに対しくさび
材を介して或る一定の打ち込み角度をもって音波を伝搬
させ、上流の超音波振動子から下流の超音波振動子まで
の音波の伝搬時間と下流の超音波振動子から上流の超音
波振動子までの音波の伝搬時間との差から流体の流速ま
たは流量を計測する超音波流量計において、 前記超音波振動子とくさび材とを接着するための接着剤
に充填材を混入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 |
|---|---|---|---|
| JP4264009A JP3039159B2 (ja) | 1992-10-02 | 1992-10-02 | 超音波流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4264009A JP3039159B2 (ja) | 1992-10-02 | 1992-10-02 | 超音波流量計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06117895A true JPH06117895A (ja) | 1994-04-28 |
| JP3039159B2 JP3039159B2 (ja) | 2000-05-08 |
Family
ID=17397284
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4264009A Expired - Fee Related JP3039159B2 (ja) | 1992-10-02 | 1992-10-02 | 超音波流量計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3039159B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5814736A (en) * | 1994-04-19 | 1998-09-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Holder for ultrasonic transducers |
| DE10055893A1 (de) * | 2000-11-10 | 2002-05-23 | Hydrometer Gmbh | Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflußmesser für ein gasförmiges oder flüssiges Medium |
| JP2007288289A (ja) * | 2006-04-13 | 2007-11-01 | Honda Electronic Co Ltd | 超音波振動子及び超音波洗浄機 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005064288A1 (ja) * | 2003-12-26 | 2005-07-14 | The Tokyo Electric Power Company, Incorporated | 超音波流量計、超音波流量計用くさび、超音波送受信ユニットのセッティング方法および超音波送受信ユニット |
-
1992
- 1992-10-02 JP JP4264009A patent/JP3039159B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5814736A (en) * | 1994-04-19 | 1998-09-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Holder for ultrasonic transducers |
| DE10055893A1 (de) * | 2000-11-10 | 2002-05-23 | Hydrometer Gmbh | Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflußmesser für ein gasförmiges oder flüssiges Medium |
| DE10055893B4 (de) * | 2000-11-10 | 2004-09-23 | Hydrometer Gmbh | Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflußmesser für ein gasförmiges oder flüssiges Medium |
| DE10055893C5 (de) * | 2000-11-10 | 2010-04-01 | Hydrometer Gmbh | Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflußmesser für ein gasförmiges oder flüssiges Medium |
| JP2007288289A (ja) * | 2006-04-13 | 2007-11-01 | Honda Electronic Co Ltd | 超音波振動子及び超音波洗浄機 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3039159B2 (ja) | 2000-05-08 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |