JPWO2013183292A1 - 超音波送受波器およびそれを備えた超音波流量計 - Google Patents
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Abstract
Description
(超音波流量計の構成)
図1は、超音波送受波器5、6を装着した超音波流量計100を模式的に示す断面図である。超音波流量計100は、図1に示すように、流路を流れる被測定流体の流量を計測する装置であって、流路部材3に取り付けられている。流路部材3は、たとえば、円筒形状の管で形成され、その両端のそれぞれに一方開口1および他方開口2を有している。流路部材3の内部空間が流路として用いられ、この流路は一方開口1および他方開口2と連通している。また、流路部材3には、その管壁を貫通する一方開口部4および他方開口部4が設けられている。各開口部4は、たとえば、流路部材3の外側へ突出し、円柱形状の内部空間を有している。一方開口部4は一方開口1側に設けられ、他方開口部4は他方開口2側に設けられ、これらは対向している。このため、これらの開口部4の中心軸は一致し、流路部材3の中心軸に対して成す角θで傾斜している。
図2は、実施の形態1に係る超音波送受波器5を示す断面図である。なお、超音波送受波器6の構成は、超音波送受波器5の構成と同様であるため、その説明を省略する。図2に示すように、超音波送受波器5は、圧電体17と、音響整合体15と、金属板16と、2本のリード線18と、絶縁性制振部材11と、を備えている。
図2に示すように、各超音波送受波器5は、流路部材3側に押さえ付けられるように環状の固定部材12により流路部材3に固定されている。このとき、金属板16の外周部における音響整合体15側の面が、絶縁性制振部材11を介して流路部材3の当接面10aに当接する。また、金属板16の端面が、絶縁性制振部材11を介して流路部材3の当接面10bに当接する。さらに、金属板16の外周部における圧電体17側の面が、絶縁性制振部材11を介して固定部材12に当接する。このため、各超音波送受波器5は、絶縁性制振部材11を介して流路部材3に固定される。
たとえば、超音波送受波器5から超音波パルスを送信する場合、図1および図2に示すように、伝搬時間計測部7は、リード線18を介して電気(電圧)信号を超音波送受波器5の圧電体17に与える。この電気信号は、圧電体17の共振周波数に近い周波数の矩形波で形成されているため、圧電体17は電気信号を機械振動に変換して厚み方向に振動する。そして、機械振動が圧電体17から金属板16を介して音響整合体15に与えられ、音響整合体15は圧電体17と共振する。これにより、振幅を増大した機械振動は、超音波パルスとして音響整合体15の放射面から放射される。
また、伝搬経路L2に沿って超音波送受波器6から超音波送受波器5に到達する超音波パルスの伝搬時間t2は、下記式(2)で示される。
これらの式(1)および式(2)から被測定流体の流速Vは、下記式(3)で示される。
超音波パルスの伝搬経路L1およびL2の距離Lと、被測定流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向とのなす角度θとは、既知である。また、超音波パルスの伝搬時間t1およびt2は、伝搬時間計測部7によって計測されている。これにより、演算部8は、式(3)に基づいて被測定流体の流速Vを求めることができる。さらに、演算部8は、この流速Vに流路部材3の断面積Sと補正係数Kを乗じて、流量Qを求めることができる。
図2に示すように、圧電体17で発生した機械振動は、金属板16を介して音響整合体15に伝えられ、音響整合体15の放射面から超音波パルスとして放射される。これと共に、圧電体17で発生した機械振動は、背面負荷部20に伝わって伝播し、圧電体17との接合面との反対側の面(背面負荷部20の背面)に向かう。そして、機械振動は、背面負荷部20の背面で反射して、圧電体17との接合面側へ戻る。
この結果、(数12)に示すように背面負荷部20の厚み寸法Mが半波長の整数倍である場合、伝搬振動の影響(残響ノイズや伝搬ノイズ)が抑えられる。このため、図3に示すように、超音波送受波器5、6が放射する超音波パルスの強さが伝搬振動の影響によって低減されることが抑制され、超音波パルスの強さを大きく確保することができる。
また、背面負荷部20が伝搬振動を減衰する機能に優れる場合、背面負荷部20の厚み寸法Mをλ/2より小さくしても、背面負荷部20における伝播振動が小さくすることができる。この場合、背面負荷部20が薄くなるため、超音波送受波器5、6の小型化がさらに図られる。
実施の形態1に係る超音波送受波器5、6では平板状の金属板16が用いられていたが、実施の形態2に係る超音波送受波器30では、鍔付容器形状の金属板31が金属板として用いられる。図4は、実施の形態2に係る超音波送受波器30を示す断面図である。
実施の形態1に係る超音波送受波器5、6では金属板16の外周部を環状の固定部材12で固定していた。これに対して、実施の形態3に係る超音波送受波器5、6では、図5に示すように、金属板16の外周部および圧電体17を鍔付容器形状の固定部材112で固定している。図5は、実施の形態3に係る超音波送受波器5を示す断面図である。なお、超音波送受波器6の構成は、超音波送受波器5の構成と同様であるため、その説明を省略する。
この結果、背面負荷部20の厚み寸法Mが(数14)に示す関係を満たす場合、伝搬振動の影響(残響ノイズや伝搬ノイズ)が抑えられる。このため、超音波送受波器5、6が放射する超音波パルスの強さが伝搬振動の影響によって低減されることが抑制され、超音波パルスの強さを大きく確保することができる。
実施の形態2に係る超音波送受波器30では金属板31の鍔部34を環状の固定部材12で固定していた。これに対して、実施の形態4に係る超音波送受波器30では、図6に示すように、鍔部34および圧電体17を平板状の固定部材212で固定している。図6は、実施の形態4に係る超音波送受波器30を示す断面図である。
5、6、30 超音波送受波器
7 超音波伝搬時間計測部(伝搬時間計測部)
8 演算部
11 絶縁性制振部材
15 音響整合体
16 金属板
17 圧電体
20 背面負荷部(絶縁性制振部材)
31 金属板
32 天部
33 側壁部
34 鍔部
100 超音波流量計
112a 支持部
212a 支持部
Claims (6)
- 金属板と、
前記金属板の一方面に固定された音響整合体と、
前記金属板の他方面に固定され、振動を発生する圧電体と、
前記金属板との固定面とは反対側の前記圧電体の背面を覆う絶縁性制振部材と、を備え、
前記絶縁性制振部材の厚み寸法が、前記絶縁性制振部材を伝播する前記振動の波長のn/2の長さ寸法に設定されている、超音波送受波器。 - 金属板と、
前記金属板の一方面に固定された音響整合体と、
前記金属板の他方面に固定され、振動を発生する圧電体と、
前記金属板との固定面とは反対側の前記圧電体の背面を覆う絶縁性制振部材と、
前記圧電体より大きな密度を有し、前記圧電体を被覆する面とは反対側の前記絶縁性制振部材の背面に接する支持部と、を備え、
前記絶縁性制振部材の厚み寸法が、前記絶縁性制振部材を伝播する前記振動の波長の(2n−1)/4の長さ寸法に設定されている、超音波送受波器。 - 前記金属板は、平板状に形成されている、請求項1または2に記載の超音波送受波器。
- 前記金属板は、筒状の側壁部と、前記側壁部の一端の開口を覆う天部と、前記側壁部の他端から外側に張り出す鍔部とを含む鍔付容器形状に形成され、
前記天部の一方面に前記音響整合体が固定され、
前記側壁部の内部空間において前記天部の他方面に前記圧電体が固定され、
前記絶縁性制振部材は、前記天部との固定面とは反対側の前記圧電体の背面を覆っている、請求項1または2に記載の超音波送受波器。 - 前記絶縁性制振部材は、前記圧電体の背面に加え、前記圧電体の側面、および、前記音響整合体との固定部分および前記圧電体との固定部分を除く前記金属板の部分を一体的に覆っている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の超音波送受波器。
- 相互に超音波パルスを送受信する請求項1〜5のいずれか一項に記載の一対の超音波送受波器と、
前記一対の超音波送受波器が互いに離れて配置された流路部材と、
前記一対の超音波送受波器の間を前記超音波パルスが伝搬する時間を計測する伝搬時間計測部と、
前記伝搬時間計測部により計測された時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する演算部と、を備える超音波流量計。
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