JPS59100820A - 液体流速計 - Google Patents

液体流速計

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JPS59100820A
JPS59100820A JP57209257A JP20925782A JPS59100820A JP S59100820 A JPS59100820 A JP S59100820A JP 57209257 A JP57209257 A JP 57209257A JP 20925782 A JP20925782 A JP 20925782A JP S59100820 A JPS59100820 A JP S59100820A
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fluid
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耕司 戸田
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters

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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】 (技術分野) 本発明は、流路を流れる液体の流速測定に関し、更に詳
細にはすだれ状トランステーーサを用いた超音波による
液体流速計に関する。
(背景技術) すだれ状トランスデユーサは弾性表面波技術の中で最も
重要なものとして幅広く用いられ、液体−固体面でも効
率よ(動作し、液中への縦波音波の放射あるいは受波の
ためにも用いることができる。
(発明の目的) 本発明はこのような機能を有するすだれ状トランスチー
ーサを用いた液体の流速測定計を提供することを目的と
し、その特徴はすだれ状トランステーーサを用いて液体
遅延線発振器を構成することによって、音波の伝播媒体
である液体の流速変化による発振周波数の変化を測定す
ることによって液体の流速を測定する液体流速計にある
(発明の構成及び作用) 以下、本発明を図面に基づいて説明する。
第1図は本発明による液体流速計の構成例である。同図
において、10は液体で、矢印は液体の流れの方向を示
し、12は液体1oが流れろ液体容器である。14は超
音波デバイスで、圧′紙基板16と、その表面に離間し
て配置される2組のすだれ状電極18及び加を有する。
すだれ状電極は周知のごと(、くしの歯状の電極指が交
互にインターディジタルに配列されている。超音波デバ
イス14は同図に示すように、2組のすだれ状電極が液
体と接するように液体容器12に設置される。22は増
幅器を有する回路で、すだれ状電極18及び20に接続
され帰還回路を構成し、この帰還回路と、トランすデー
一サを介する音波の液体流路の伝播(液体遅延線)とで
液体遅延線発振器を構成する。24は出力端子で、液体
遅延線発振器の発振周波数を出力する。
以上のような構成において、超音波デバイス14は液体
・固体境界面で液中に、次式の関係を満足する方向に音
波を放射あるいは受波することができろ。
θ= s+n  (Vc / VR)     −・・
・(1)ここで、Vcは液体中の縦波の速度、VRは圧
電基板16上の漏えい弾性表面波速度である。液体10
が第1図の矢印に示すように右から左方向に速度(流速
)■で移動する時は、右側のトランステー−サから左側
のトランスデユーサへの音波の伝播速度VCIは、 V(1=  VC−V  sin θ        
・四・(2)で表わされ、逆方向の場合の音波の伝播速
度VC2は、 VC2−VC+ Vsinθ   ・曲・(3)で表わ
される。従って、液体10は液体遅延線を構成すること
がわかる。
このような液体遅延線を用いることにより、液体中を伝
播する音波を受信する出力用トランステー−サで得られ
る遅延出力信号を増幅器を介して音波を放射する入力用
トランスデユーサに印加する帰還系を構成することによ
って、遅延線発掘器を構成することができる。このよう
な遅延線発振器を用いることにより、音波の伝播方向と
液体の流れる方向との順逆関係から、次式に示す2組の
発振周波数f、及びf2′を得ることができる。
ここで、Lは液体遅延線の音波の仏僧路長、nは発振モ
ードに関係する整数である。
従って、上記2組の発振周波数f、及びf2を周波数測
定手段、例えば周波数カウンタで測定することによって
流速Vを求めることができる。
また、液体中の縦波の速度Vcがほぼ一定であれば、前
記発掘周波数の差をΔfとすると、流速■とΔfとの間
には式(1)及び(4)から次式のような関係が求めら
れる。
V −(LVR/ 2n Vc )Δf・・・・・・(
5)従って、Δfに比例する電圧値を測定することがで
きる回路を使用すれば、流速■の測定が可能となる。
第2図は回路22の具体例で、発振部30.スイッチン
グ回路・↓0、周波数変換回路50、及び周波数−電圧
変換回路60かも構成される。液体遅延線中の音波の進
行方向は、スイッチング回路40により連続する矩形波
のマークとスペースに基づく各ザイクル毎に対応して切
り換えられる。従つτ、液体の流れの方向に対する音波
の順方向、逆方向とで遅延時間が異なることにより、式
(4)で表わした2つの発振周波数f1及びf2がスイ
ッチ201の切り換えごとに繰り返される。この発振周
波数f1及びf2の差Δfは極めて小さいので直接検波
することは困難である。従って、周波数変換回路50に
おいて局部発振周波数(LO0O8C)を印加して周波
数変換し、数10KHzの差の周波数成分を取り出す。
この出力は周波数−電圧変換回路60により、Δfか前
記連続する矩形波のマークとスペースに同期する電位差
として出力端子62から得られる。
次に第1図及び第2図に示す本発明による液体流速計を
用いた流速測定の実験例を示す。この実験で用いたトラ
ンステー−ザ材料は、東京電気化学工業■製造の圧電磁
器91A lで、寸法は長さ70mm、幅20mm 、
厚さ5mで、厚さ方向に分極軸を有し、表面波速度は2
100m/sである。すだれ状電極】8及び加の周期長
は840μm、電極対数は6で、中心周波数は2.45
5 MHzである。また、液体として水を用いた。
このような水の流速測定システムにお℃・て、式(5)
と第2図の回路の周波数−電圧特性及び装置の構造から
、2つの発振周波数1.及びf2の差Δfに対応する電
圧ΔVoutと流速■の間に、ΔVout Cvolt
 ) = 0.546 V[m/ s ]   ・・・
・・(6)が成立する。
第3図は流速〔m/S〕と出力電圧〔×100mV〕の
関係を示す図である。同図の直線は式(6)の関係を示
したもので、図中の・印は実測値である。実測値として
は電磁流量計(出代)・ネウエル:MagneW−M型
)によって測定した流速値に対応するΔVoutの測定
値を示しているが、両者の間によい一致が認められる。
尚、2つのすだれ状電極間の長さと液体容器の径は液体
中を伝播する音波が第1図に示すような伝播径路をとる
ように、それぞれ決定されろ。従って、複数のすだれ状
電極を圧電基板上に一列配列に設けておき、これらのう
ち2つのすだれ状電極と回路22との接続を適当なスイ
ッチで適宜切り換えられるようにすれば、液体容器の径
に対して適切な位置関係にある2つのすだれ状電極を選
択することかで゛きる。
以上、本発明の実施例及び実験例について詳述した。
第1図において、超音波デバイス14ば2組のすだれ状
電極が液体と接するように液体容器12に設置した。し
かしなから、逆に2組のすだれ状電極が設けられている
面と対向する面が液体と接するように設置しても、前述
の実施例と同一の結果を得ることができる。ただし、圧
電基板の厚さをこの圧電基板を伝播する音波の波長λ以
下にする必要がある。これにより圧電基板を伝播する音
波として零次対称モードのラム波が得られる。零次対称
モードのラム波はレイリー波(第1図ではレイリー波を
用いている)とは異なり、音波が伝播する媒体の表裏両
面に変位が存在ししかも対象モードなので、その変位の
特性が同じである。したがって、この特性を考慮するこ
とにより、すだれ状電極を有する面とその反対側の面と
で変位の状況が同じこととなり、すだれ状電極を含む面
を液体に接することな(音波を放射することができる。
また、このようなトランスデユーサにおいて他のモード
によるスプリアスを抑制するために、すだれ状′電極が
設けられた面に対向する面、すなわち液体と接する圧電
基板の面に全面電極、あるいはすだれ状電極に対向する
位置に平板状電極を設けることか好ましい。尚、これら
の電極を対向するすだれ状′電極の1対の(しの歯電極
のどちらか一方に接続する必要がある。
次に、本発明による液体流速計の他の実施例について説
明する。前述の実施例は1つの圧電基板上に2組のすだ
れ状トランスデユーサを配置し、このトランステー−サ
と液体遅延線及び帰還回路とで1つの発振回路を構成し
、帰還回路の電気信号の帰還方向、すなわち液体中を伝
播する音波に着目すれば音波の伝播方向をスイッチング
回路により切り換えろ構成であった。ここで、以下に説
明するトランスデー−サを用いることにより、このスイ
ッチング回路を省略することができる。第4図はこのた
めに用いられるトランスデユーサの平面図である。同一
圧電基板上100に図示のように4組のすだれ状電極1
02.104 、106及び108が離間配置されてい
る。このようなデバイスを第1図のように、すだれ状ト
ランスチーーサが液体と接するように液体容器に設置す
る。ここで、2つの帰還回路を構成するためにすだれ状
電極102及び104で1つの帰還回路を構成し、すだ
れ状電極106及び108でもう1つの帰還回路を構成
するように、これらの電極と帰還回路とをそれぞれ接続
する。この時、これらの2つの帰還回路の電気信号の帰
還方向、すなわち音波に着目すれば音波の伝播方向が写
いに逆方向となるようにする。従って、式(4)で示す
2つの発振周波数f1及びf2を得ろことができる。尚
、このハ及びf2は前述のように直接測定するか、ある
いは第2図の周波数変換回路及び周波数−電圧変換回路
を用いて゛亀圧伯号として取り出すことができる。また
、圧電基板の厚さをこの圧電基板を伝播する音波の波長
λ以下とし、すだれ状電極が設けられていない面を液体
と接するようにすれば、ラム波を用いて流速を測定する
ことができる。
(発明の効果) 以上説明し1こように、本発明によJt、ばすだれ状ト
ランスデーーサを用いて比較的簡単な回路構成で液体の
流速を精度よく測定することができる。
また各実施例の効果としては次のようなものが挙げられ
る。2つの発振周波数を直接測定する場合には、液体中
の縦波の速度Vcに変動があっても正確な流速■を求め
ることができる。
ラム波を用いる場合には、すだれ状電極が液体と直接接
触することがないので、すだれ状電極の機械的および化
学的保護の必要かない。
4組のすだれ状電極を有するトランスデユーサを用いる
場合にはスイッチング回路が不要となるので、回路構成
が更に簡単になる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による一実施例の構成図、第2図は第1
図の回路22に用いられる詳細な回路例、第3図は流速
と出力電圧との関係を示す図、第4図は4組のすだれ状
トランスデーーサを有するデバイスの平面図である。 10・・・液体、     12・・・液体容器、14
・・・超音波デバイス、16,1oo・・・圧電基板、
18.20.102,104,106,108・・・す
だれ状電極、−22・・・回路、     加・・・発
振部、40・・・スイッチング回路、50・・・周波数
変換回路、60・・・周波数−電圧変換回路。 特許出願人 戸    1)   耕    司 特許出願代理人 弁理士  山 本 恵 − 第1図 第2図 第3図 フ1(の流速 (m/se子(:) 第4図 106    108

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)  圧電基板とその一表面に設けられた2組の離
    間配置された液体の流路に接するすだれ状トランスデー
    ーサとを有し、一方のすだれ状電極の電気出力を増幅し
    て他方のすだれ状電極に帰還させる帰還回路と、該帰還
    回路の電気信号の帰還方向を切り換えるスイッチング回
    路と、前記トランスデー−サを介する音波の液体流路の
    伝播及び前記帰還回路により構成される発振回路の発振
    周波数を測定する周波数測定手段とを具備し、前記スイ
    ッチング回路を切り換えて液体の移動方向と音波の伝播
    方向との相対関係を切り換えることにより前記発振回路
    に2つの発振周波数を得、それらの周波数差から液体の
    流速を測定することを特徴とする液体流速計。
  2. (2)前記スイッチング回路が矩形波によって切り換え
    られ、前記周波数測定手段が発振周波数を周波数変換す
    る周波数変換回路と、変換された周波数を電圧に変換す
    る周波数−電圧変換回路とを有し、前記周波数が前記ス
    イッチング回路の切り換えに対応して周波数−電圧変換
    回路の出力の電位差により与えられることを特徴とする
    特許請求の範囲第1項に記載の液体流速計。
  3. (3)前記圧電基板をすだれ状電極が液体に接するよう
    に設置することを特徴とする特許請求の範囲第1項ない
    し第2項に記載の液体流速計。
  4. (4)前記圧電基板の厚さが該圧電基板を伝播する音波
    の波長λ以下で、前記すだれ状電極が設けられた面に対
    向する面が液体と接するごと(設置されることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項ないし笛2項に記載の液体流
    速計。
  5. (5)圧電基板と該圧電基板の一表面に設けられた4組
    の離間配置される液体の流路に接するすだれ状トランス
    デユーサとを有し、前記4組のすだれ状電極のうち2組
    のすだれ状電極の各々の電気出力を増幅して他の2組の
    すだれ状電極に帰還させる2つの帰還回路とを頁し、該
    2つの帰還回路の電気信号の帰還方向が互いに逆方向と
    なるように構成し、液体中の音波の伝播と帰還回路によ
    り構成される発振回路により2つの発振周波数を得、更
    に該発振周波数を測定する周波数測定手段とを具備し、
    前記2つの発振周波数の差により液体の流速を測定する
    ことを特徴とする液体流速計。
  6. (6)前記圧電基板をすだれ状電極が液体に接するよう
    に設置することを特徴とする特許請求の範囲第5項に記
    載の液体流速計。 (力 前記圧電基板の厚さが該圧電基板を伝播する音波
    の波長λ以下で、該圧電基板をすだれ状電極が設けられ
    た面と対向する面が液体と接するように設置することを
    特徴とする特許請求の範囲第5項に記載の液体流速計。
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