JPH06500389A - 気体中の超音波パルスの伝播時間測定用超音波変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 気体中の超音波パルスの伝播時間測定用超音波変換器本発明は気体中の超音波パ ルスの伝播時間測定用、特に気体流量測定装置用の超音波変換器に関する。本発 明は天然ガスの流量測定のための気体流量計として、または空気流量計として有 利に使用され得る。このような空気流量計はたとえば加熱設備と結び付いて使用 され得る。

気体中の超音波パルスの伝播時間測定用の圧電振動子、特に圧電セラミックスを 育する超音波変換器は、超音波パルスが水中または人体組織中に入射される超音 波変換器と大幅に相違する。相違点はインピーダンスの相違にある。たとえばメ タンは２６０ｋｇ／ｓ”ｍのインピーダンスを有し、他方において人体組織は１ ．５Ｘ１０’　ｋｇ／ｓ”　ｍのインピーダンスを有する。これに対し圧電セラ ミックスは約２．２Ｘ１０’　ｋｇ／ｓ”　ｍのインピーダンスを有する。超音 波変換器に通常使用される圧電セラミック振動子の気体への良好な変換を得るた めには、水または組織中の変換の際とは異なる観点が留意されなければならない 。

超音波パルスの伝播時間測定の原理により作動する気体流量計では、針状の電圧 パルスにより励起され得る適当な超音波またはパルス変換器が必要とされる。

このような針状の電圧パルスはたとえばコンデンサ放電により発生され得る。測 定すべき気体を通過後に、干渉を避けるためには、評価回路に到達する超音波パ ルスの波頭、すなわち最大最初の３つの半波のみが評価されるべきであろう。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第３８３２９４７号明細書から、振動子として両 側に電極を設けられている圧電セラミックス円板を使用する気体測定用の超音波 変換器が公知である。この円板はたとえば１０ｍｍの直径および１ｍｍの厚みを 有する。測定すべき気体へのマツチング層として中空ガラス球で満たされた合成 樹脂が使用される。このマツチング層はつぼ状のケースとして構成されており、 また圧電セラミックス円板はつぼの内側にその底に接着されている。ここで、重 要なことはつぼの底が圧電セラミックス円板の基本共振（プレーナー振動）にほ ぼ同調させられているλ／４変換層として構成されていることである。基本共振 周波数はその際に約１９５ｋｌ（ｚである。このような超音波変換器から発生さ れる超音波パルスの気体中への最大エネルギー輸送を可能にするためには、イン ピーダンスＺ、が ｚ、−（ｚ、−ｚ、）”’　（＋） ここで２１は圧電セラミックス円板のインピーダンス、Ｚ６は気体のインピーダ ンス を満足するわずかな減衰および高い剛性を有する材料を使用すれば十分である。

このような構造は、材料のインピーダンスＺ、およびλ／４変換層の厚みｄ、に 関してわずかな許容差しか許されないという欠点を有する。このことは一方では 材料選択を制限し、また他方ではマツチング層の製造の際に高い加工精度が必要 とされる。

ヨーロッパ特許第０１１９８５５号明細書、特にその第１２図には、超音波変換 器において圧電厚み振動子の上に重ねて配！された音響インピーダンスの異なる ２つのマツチング層が使用され得ることも示されている。しかしその際に、両層 がλ／４層として構成されていることが前提となっており、それによってそれら は上記の許容差の要求を免れない。

ドイツ連邦共和国特許第３５０５８５２号明細書から、両側に電極を設けられて いる超音波振動子をつぼ状のケースのなかに収納することが公知である。放射面 として作用するケースの底は多孔性の合成樹脂、特にエポキシ樹脂から成ってい る。

米国特許第４４１４４１’１２号明細書ζこは、超音波変換器を非共振範囲でも 励起し得ることが示されている。しかしこの超音波変換器は、同じく人体組織を 検査するための医学領域に使用されるプレイである。

本発明の課題は、気体中の超音波パルスの伝播時間測定用の超音波変換器であっ て、針状の電気的刺激パルスの後に可能なかぎり高い音波または衝撃波を発し、 またその製造の際に許容差に関して高度の要求を満たす必要のない超音波変換器 を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、 ａ）両側に計パルス状の電圧を印加され得る！極を設けられている、好ましくは 圧電セラミ２クスから成る圧電放射振動子と、ｂ）この放射振動子の一方の側に 取付けられ変換器固有の波長の四分の−よりも小さい厚みの第１のマツチング層 と、 Ｃ）第１のマツチング層の上に取付けられ同じく変換器固有の波長の四分の−よ りも小さい厚みの第２のマツチング層と、ｄ）放射振動子の他方の側に取付けら れた減衰体とを含んでおり、ｅ）針パルス状の電圧が印加されると直ちに、放射 −厚み結合の結果としての放射振動子および両マツチング層の共同作用により厚 み振動が行われ、その際に前記の変換器固有の波長が厚み振動の際に固有振動の 結果として生ずる波長である ことを特徴とする超音波変換器により解決される。

このような超音波変換器では、両マツチング層はλ／４層として構成されていな い、従って、許容差に関して高度の要求を満たす必要はない。このことは、非共 振のインピーダンスマツチングは針状の電圧パルスの結果として送り出される超 音波パルスの最初の３つの半波に実原上はとんど影響しないという認識に基づい ている。

好ましくは、第１のマツチング層はつぼの形態に構成されており、その際に放射 振動子はっばの底に配！されている。つぼは減衰体で満たされている。それによ り、放射振動子が励起後に過度な後振動なしに休止状態に移行し得ることが保証 される。

電極に針パルス状の電圧を印加するため、投入の際に電極へ放電するコンデンサ を含んでいる電気的励起回路が設けられていると有利である。

本発明の他の有利な実施Ｂ様は従属請求項にあげられている。

以下、本発明の１つの実施例を図面により一層詳細に説明する。

図面には、方向２で気体１４中に入射される超音波パルス１２の伝播時間測定用 の超音波変換器１０が示されている。気体１４は特に都市ガスまたは天然ガス、 たとえばメタンであってよい、放射される超音波パルスの強度Ｉと時間ｔとの関 係はダイアグラムＢに示されている。それ自体は公知の測定原理により、干渉を 避けるために、図示の超音波パルス１　（ｔ）の最大最初の３つの半波１．２お よび３が評価される。

超音波変換器ｌＯの中核を成しているものは、好ましくは圧電セラミックスから 成る圧電振動子１６である。この超音波振動子１６は特に１０ｍｍの直径および １ｍｍの厚みを有する圧電セラミック円板であってよい、この超音波振動子１６ は両側に金属電極１８．２０を設けられており、それらに導ｗＡ２２．２４を介 して針パルス状の電圧ＩＪ（ｔ）が与えられる。この電圧Ｕ　（ｔ）の時間的経 過はダイアグラムＡに示されている。超音波振動子１６は特に圧電放射振動子で あってよい、なぜならば、これは針パルス状の電圧Ｕ　（ｔ）の印加の結果とし て発生された放射振動をいわゆる放射−厚み結合の結果としてＺ方向の振動に変 換するからである。

放射振動子１６の上側に第１のマツチング層２６が取付けられている。この第１ のマツチング層２６はつぼ２日の底を形成する。その内部に対称的に放射振動子 １６が配置されている。つぼ２８はその底の範囲内で外側を斜面にされており、 または円錐状の面取り３０を設けられている。第１のマツチング層２６の厚みｄ 。

は変換器固有の波長λの四分の−よりも小さい、特に厚みｄ、は０．１２５λ≦ ｄｉ＜０．２λ　（２）に選ばれている。

第１のマツチング層２６の上に他の材料から成る第２のマツチング層３２が取付 けられている。それは同しく周縁を面取りされている。この第２のマツチング層 ３２の厚みｄ、は同じく上記の変換器固有の波長λの四分の−よりも小さい。

特にここでも ０．１２５λ≦ｄａ＜０．２λ　（３）に選ばれている。

また第２のマツチング層３２の上に厚みｄｃの第３のマツチング層３４が取付け られていてよい、マツチング層２６および３２ならびに場合によっては３４の役 割は、圧電円板１６のインピーダンスＺＩｌを気体１４のインピーダンスＺ６に マツチングさせることである。

前記のように、マツチング層２６．３２の厚みｄ、、ｄ、は変換器固有の波長λ の四分の−よりも小さい、このような寸法設定により“位相−ミスマツチングが 甘受される。その際用語°°ミスマツチングはここで共振の場合にのみ関係する ことに注意すべきである。すなわち、λ／４変換またはマツチング層による“共 振インピーダンスマツチングは、超音波振動子ｌＯが完全にビルドアップし得て 、良度により得られる共振増大が利用しつくされるときにのみ有意義であること が判明している。上述の場合は、超音波パルスの波頭のみが評価されるので、共 振増大による利点は無効である。単に最大で最初の３つの半波１．２および３が 評価のために利用される場合には、気体中へのエネルギー結合の際の”ミスマツ チングは重要な役割を演じない、一般にただ２つの彼達で十分である。従って好 ましくは、厚みｄＡおよびｄｌは前記の変換器固有の波長λの１／８と１／４と の間にある（弐（２）および（３）を参照）、その際これらの２つの厚みの和、 すなわちｄＡ＋ｄａが前記の波長λの約１／４であるべきこと、すなわちｄＡ＋ ｄ、ζλ／４　（４） であると有利であることが判明している。

圧電セラミックス１６の厚みｄにも考慮に入れると、関係式％式％（５） が守られるならば、有利な構成が得られる。

放射振動子１６の下側には減衰体または超音波吸収体３６が配置されている。

これはっば２８の内部に位置している。すなわち、つぼ２８はほぼ完全に減衰体 ３６で満たされている。

ダイアグラムＡにより針状の電圧Ｕ（む）が電極１８．２０に与えられると直ち に、放射振動子１６および両マツチング層２６．３２ならびに場合によっては第 ３のマツチング層３４の結合により、いわゆる放射−厚み結合の結果として２方 向の厚み振動が行われる。厚み振動の際の固有共振の結果として上記の変換器固 有の波長ｄである波長が住する。固有共振周波数は２００ｋＨｚの範囲内であっ てよい。

両層２６．３２による二重マツチングの際にたとえば好ましくはジルコン酸チタ ン酸鉛（ＰＺＴ）から成っていてよい圧電放射振動子１６に対してインピーダン スＺ、＝２・１０’ｋｇ／ｓ”ｍが選ばれ得る。その場合にたとえば第１のマツ チング層２６のインピーダンスＺＡは１．３５・１０”ｋｇ／ｓ”ｍ、また第２ のマツチング層３２のインピーダンス２．は１．　０・１０’ｋｇ／ｓ’ｍであ ってよい、メタン（天然ガス）のインピーダンスＺＧはたとえばＺ、−２６０ｋ ｇ／ｓ”ｍである。

第１のマツチング層２６としてはたとえばエポキシ樹脂中の微小ガラス球から成 る層が設けられていてよい、また第２のマツチング層３２としては開孔発泡勧賞 、たとえばスチロポールが使用され得る。音響インピーダンスＬ−１・１０’ｋ ｇ／ｓ”ｍを有する材料はたとえばＰＵ発泡物質またはコルクである。モデル構 造から成る発泡勧賞も使用され得る。また第３のマツチング層３４は原理的には スチロボール（Ｚ−４，４３１０”　ｋｇ／ｓ”ｍ）から成っていてよい。

３つの層２６．３２．３４を有する三重マツチングに対してはたとえば下記の値 ＺＡ−１，３１０’　；Ｌ−８・１０’　；Ｚｃ−４，５１０”　ｋｇ／ｓ”ｍ が選ばれ得る。

他の材料の組み合わせは下記の組み合わせＺａ−２，５１０’　；Ｌ＝１．２５ ・１０ｈ　；Ｚｃ−１，０・１０’ｋｇ／ｓ”ｍ が可能である。

その際に値ｄａ　＝２．３ｍｍ、ｄｍ−１，５ｍｍ、ｄｃ　＝１．０ｍｍが変換 器固有の周波数ｆ−ｃ／λ−２００ｋＨｚに対して選ばれ得る。

特記すべきこととして、良好なエネルギー結合を達成するために、インピーダン ス値Ｚも厚みｄも正確に予め計算された値に一致していなくてよい、がなりの許 容差が許されるので、材料選択も製造精度もがなり自由であり得る。

電極１日、２０に針パルス状の電圧Ｕ（ｔ）を印加するために電気的励起回路４ ０が設けられている。これは主な要素として、コンデンサ４４の放電を行わせる 切換スイッチ４２を含んでいる。スイッチ４２の切換の際にこのコンデンサ４４ は電極」８．２０に放電する。放電経路に、導線２２．２４によっても形成され 得る放電抵抗４６が設けられている。切換スイッチ４２を介してのコンデンサ４ ４の充電のために、たとえば３００■の直流電圧５４日および充電抵抗５ｏから 成っていてよい充電回路が設けられている。切換スイッチ４２は、図面中の原理 的な表示と異なり、１つまたはそれ以上のサイリスタにより実現され得る。

（それ自体は公知の）評価回路は図示されていない、これは励起の際に放出され た超音波パルスＩ　（ｔ）の各々の最大最初の３つの半波１．２．３、好ましく は最初の２つの半波１および２を気体１４を通過後に評価するように構成されて いる。伝播時間から超音波変換器ｌＯを通過する気体流の量が決定され得る。

以上に示した超音波変換器の利点は、値ｄおよびＺの許容差に関する特に高度な 要求を守る必要なしに、ダイアグラムＢによる電気的励起パルスＵ（【）の後に 高い強度の超音波または衝撃波を発することにある。超音波変換器１０はこのよ うな超音波パルスＵ（ｔ）の発生後に減衰体３６の配置の結果としてあまりに多 い後振動なしに休止状態に移行し、またその後に新しい超音波パルスＵ（ｔ）の 発生の準備態勢に入る。別の利点として、ケース（つぼ２８）は、本来ならば期 待されるように、非常に高価な材料、たとえばドージー（Ｄｏｓｅｙ）から成る 必要はなく、任意の材料から製造され得る。なぜならば、中空ガラス球で満たさ れたこの硬質発泡物質の特別な特性は（ここでは意図的に避けられた）共振系の なかでのみ効果を発揮するからである。さらに、“最適な“音響インピーダンス が特に正確に守られなくてもよいことが示されており、このことは材料の選択を 容易にする。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．気体中の超音波パルスの伝播時間測定用、特に気体流量測定装置用超音波変 換器において、 ａ）両側に針パルス状の電圧（Ｕ（ｔ））を印加され得る電極（１８、２０）を 設けられ好ましくは圧電セラミックスから成る圧電放射振動子（１６）と、ｂ） 放射振動子（１６）の一方の側に取付けられた変換器固有の波長（λ）の四分の 一よりも小さい厚み（ｄＡ）の第１のマッチング層（２６）と、ｃ）第１のマッ チング層（２６）の上に取付け同じく変換器固有の波長（λ）の四分の一よりも 小さい厚み（ｄＢ）の第２のマツチング層（３２）と、ｄ）放射振動子（１６） の他方の側に取付けられた減衰体（３６）とを含んでおり、 ｅ）針パルス状の電圧（Ｕ（ｔ））が印加されると直ちに、放射−厚み結合の結 果としての放射振動子（１６）および両マッチング層（２６、３２）の共同作用 により厚み振動が行われ、その際に前記の変換器固有の波長（λ）は厚み振動の 際に固有振動の結果として生ずる波長であることを特徴とする超音波変換器。
2. ２．第１のマッチング層（２６）がつぼ（２８）の形態に構成され、また放射振 動子（１６）がつぼ（２８）の底に配置されていることを特徴とする請求項１記 載の超音波変換器。
3. ３．つぼ（２８）が減衰体（３６）で満たされていることを特徴とする請求項２ 記載の超音波変換器。
4. ４．つぼ（２８）がその底の範囲内に面取り部（３０）を設けられていることを 特徴とする請求項２または３記載の超音波変換器。
5. ５．第２のマッチング層（３２）の上に第３のマッチング層（３４）が配置され ていることを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の超音波変換器。
6. ６．λを厚み振動の波長として、第１のマッチング層（２６）の厚みｄＡがλ／ ８≦ｄＡ＜λ／４ に、また第２のマッチング層（３２）の厚みｄＢがλ／８≦ｄＢ＜λ／４ に選ばれていることを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の超音波変換器 。
7. ７．第１および第２のマッチング層（２６、３２）の厚みｄＡおよびｄＢに対し て ｄＡ＋ｄＢ≒λ／４ が成り立っていることを特徴とする請求項６記載の超音波変換器。
8. ８．第１および第２のマッチング層（２６、３２）の厚みｄＡおよびｄＢならび に放射振動子（１６）の厚みｄＣに対してｄＡ＋ｄＢ＋ｄＣ≒λ／２ が成り立っていることを特徴とする請求項６または７記載の超音波変換器。
9. ９．第１のマッチング層（２６）として微小ガラス球の層がエポキシ樹脂のなか に設けられていることを特徴とする請求項１ないし８の１つに記載の超音波変換 器。
10. １０．第２のマッチング層（３２）として開孔性の発泡物質が設けられているこ とを特徴とする請求項１ないし９の１つに記載の超音波変換器。
11. １１．電極（１８、２０）に針パルス状の電圧（Ｕ（ｔ））を印加するため、投 入の際に電極（１８、２０）へ放電するコンデンサ（４４）を含んでいる電気的 励起回路（４０）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし１０の１つ に記載の超音波変換器。
12. １２．励起の際に放出される超音波パルス（Ｉ（ｔ））の各々の最大最初の３つ の半波をその気体（１４）通過後に評価する評価回路が設けられていることを特 徴とする請求項１ないし１１の１つに記載の超音波変換器。
13. １３．約２００ｋＨｚの周波数に対して構成されていることを特徴とする請求項 １ないし１２の１つに記載の超音波変換器。