JPH01280217A - 超音波流量計 - Google Patents
超音波流量計Info
- Publication number
- JPH01280217A JPH01280217A JP1055713A JP5571389A JPH01280217A JP H01280217 A JPH01280217 A JP H01280217A JP 1055713 A JP1055713 A JP 1055713A JP 5571389 A JP5571389 A JP 5571389A JP H01280217 A JPH01280217 A JP H01280217A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ultrasonic
- frequency
- acoustic impedance
- matching layer
- wall thickness
- Prior art date
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- Y02T30/16—
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〈産業上の利用分野〉
本発明は、超音波流量計に用いられて有効な超音波送受
波器の改良に関するものである。
波器の改良に関するものである。
〈従来の技術〉
以下従来の技術を図面を用いて説明する。
第１図は従来の超音波送受波器の構造図である。
第２図は第１図の超音波送受波器を用いた超音波流量計
の構造図である。
の構造図である。
第３図は第２図の説明に供する図である。
第１図において、超音波送受波器は、図示しない外部の
発信回路から発信信号を受けて超音波を発生する振動子
１と、超音波を伝播させる例えばアクリル樹脂やエポキ
シ樹脂等の材質から成る伝播要素（以下「シュー」と略
称する）２と、−層又は多層のλ・（１／４）（但しλ
は波長）厚の媒質から成る音響整合層３から成る。
発信回路から発信信号を受けて超音波を発生する振動子
１と、超音波を伝播させる例えばアクリル樹脂やエポキ
シ樹脂等の材質から成る伝播要素（以下「シュー」と略
称する）２と、−層又は多層のλ・（１／４）（但しλ
は波長）厚の媒質から成る音響整合層３から成る。
第２図において、第１図の構造の超音波送受波器は、被
測定流体５が流れる管路４に一対に取付けられて超音波
流量計が構成され、超音波送受波器間で往復する超音波
の到達時間差を測定することにより被測定流体５の流量
を測定する。
測定流体５が流れる管路４に一対に取付けられて超音波
流量計が構成され、超音波送受波器間で往復する超音波
の到達時間差を測定することにより被測定流体５の流量
を測定する。
ところで、管路４の肉厚が、超音波送受波器から発信さ
れる超音波の波長と同程度（又は波長の数倍程度）であ
る場合、管路４に板波（薄い板状の固体を伝播する波）
が生じる。ここで、板波が生じる管路４の肉厚を夫々ａ
＋ ＋ ａ２ ＋ ａｌとし、このａ Ｉ ＋ ａ２
＋ ａｌの中間付近の肉厚をｂ＋＋ｂ３．ｂ、とする時
の超音波透過特性は、第３図のようになる。
れる超音波の波長と同程度（又は波長の数倍程度）であ
る場合、管路４に板波（薄い板状の固体を伝播する波）
が生じる。ここで、板波が生じる管路４の肉厚を夫々ａ
＋ ＋ ａ２ ＋ ａｌとし、このａ Ｉ ＋ ａ２
＋ ａｌの中間付近の肉厚をｂ＋＋ｂ３．ｂ、とする時
の超音波透過特性は、第３図のようになる。
今、所定入射角度・所定周波数の超音波が、超音波送受
波器から管路４に入射した場合を、第３図をらとに考え
る。
波器から管路４に入射した場合を、第３図をらとに考え
る。
第３図において、板波が生じる管路４の肉厚ａ＋ ＋
ａ２ ＋ ａｌでは透過音（受信波）電圧は大きく、こ
れに対して、ａｌ ｒ ａ２ ＋ ａｌの中間付近の肉
厚す、、ｂ、、ｂ、では透過音（受信波）電圧は小さい
（尚、破線は管路肉厚の増大にともない透過音電圧が小
さくなることを表わす）ことが分る。このことから、板
波の励起がうまく行なわれない肉厚を有する管路におい
ては、発振超音波が被測定流体５まで伝達しにくいこと
、つまりこのような管路においては、超音波は管壁を通
過する際に急激に減衰し、最悪の場合流量測定が不可能
となる。
ａ２ ＋ ａｌでは透過音（受信波）電圧は大きく、こ
れに対して、ａｌ ｒ ａ２ ＋ ａｌの中間付近の肉
厚す、、ｂ、、ｂ、では透過音（受信波）電圧は小さい
（尚、破線は管路肉厚の増大にともない透過音電圧が小
さくなることを表わす）ことが分る。このことから、板
波の励起がうまく行なわれない肉厚を有する管路におい
ては、発振超音波が被測定流体５まで伝達しにくいこと
、つまりこのような管路においては、超音波は管壁を通
過する際に急激に減衰し、最悪の場合流量測定が不可能
となる。
ところがこのようなことも、実験の結果、音響整合層３
に“理想的な音響インピーダンス（密度ρ×音速Ｃ）”
を有する物質を使用して広帯域化を図ることで、管路の
肉厚に左右されない（周波数帯域化を図ることで各周波
数において離散的に生じる板波を連続的に発生させてす
、 、 ｂ２ 、 ｂ３に示すような望ましくない状態
の発生を防ぐことができる）超音波送受波器を実現でき
ることが判明した。
に“理想的な音響インピーダンス（密度ρ×音速Ｃ）”
を有する物質を使用して広帯域化を図ることで、管路の
肉厚に左右されない（周波数帯域化を図ることで各周波
数において離散的に生じる板波を連続的に発生させてす
、 、 ｂ２ 、 ｂ３に示すような望ましくない状態
の発生を防ぐことができる）超音波送受波器を実現でき
ることが判明した。
この音響整合層３の理想的な音響インピーダンスＺ０は
、振動子１の音響インピーダンスをＺ＋＋シュー２の音
響インピーダンスをＺ２とした時、Ｚｏ ＝ ＋
Ｔ７２ −（１）から求めることがで
きる。例えば、振動子１を鉛ｐｂとジルコニウムＺｒと
チタンＴｉの酸化物粉末を緻密に焼結した多結晶体“Ｐ
ＺＴ″で構成してＺ、中３０Ｘ１０’ Ｋｇ／ｍ２・Ｓ
とし、又、２２キ３Ｘ１０’ Ｋｇ／ｍ’ −Ｓとし、
音＃整合層３を一層とした場合、理想的な音響インピー
ダンスＺ０は、（１）式から、 ２０中９．５ｘ１０６Ｋｇ／ｍ２・Ｓ −（２）程度
となる。ところが、現実的な問題として、この値を有し
且つ実用に絶える物質は単体では存在しない、そこで、
実際には、タングステン粉末等の金属粉末をエポキシ樹
脂等の母材樹脂に添加して平板状に固化して得ることと
なる。
、振動子１の音響インピーダンスをＺ＋＋シュー２の音
響インピーダンスをＺ２とした時、Ｚｏ ＝ ＋
Ｔ７２ −（１）から求めることがで
きる。例えば、振動子１を鉛ｐｂとジルコニウムＺｒと
チタンＴｉの酸化物粉末を緻密に焼結した多結晶体“Ｐ
ＺＴ″で構成してＺ、中３０Ｘ１０’ Ｋｇ／ｍ２・Ｓ
とし、又、２２キ３Ｘ１０’ Ｋｇ／ｍ’ −Ｓとし、
音＃整合層３を一層とした場合、理想的な音響インピー
ダンスＺ０は、（１）式から、 ２０中９．５ｘ１０６Ｋｇ／ｍ２・Ｓ −（２）程度
となる。ところが、現実的な問題として、この値を有し
且つ実用に絶える物質は単体では存在しない、そこで、
実際には、タングステン粉末等の金属粉末をエポキシ樹
脂等の母材樹脂に添加して平板状に固化して得ることと
なる。
〈発明が解決しようとする課題〉
しかしながら、このようにして得ることのできる理想的
な音響インピーダンスＺ。を持つ音９整合層には、以下
の問題点を有する。
な音響インピーダンスＺ。を持つ音９整合層には、以下
の問題点を有する。
■：製作価格が高い。
■：金属粉末を添加したことにより、品質の均一化が困
難となる。
難となる。
■：音速が母材よりも小さくなるため、Ｍ８２単位の高
周波においては音響整合層３の厚さが極めて薄くなり、
強度的に不十分となり、しかも取板も難しい。
周波においては音響整合層３の厚さが極めて薄くなり、
強度的に不十分となり、しかも取板も難しい。
■：熱膨脹率が振動子１と大きく異なるため、接着後温
度が大きく変化すると剥離が生ずる。
度が大きく変化すると剥離が生ずる。
■：温度変化により音速が大きく変化するので、結果的
に厚さが１／４波長厚からずれることになり、感度や送
受信波形も変化する。
に厚さが１／４波長厚からずれることになり、感度や送
受信波形も変化する。
本発明は、従来の技術の有するこのような問題点に鑑み
てなされたものであり、その目的とするところは、安価
に製造することができ、しかも管路の肉厚に影響される
ことのない音響整合層を具面する超音波送受波器を用い
た超音波流量計を提供するものである。
てなされたものであり、その目的とするところは、安価
に製造することができ、しかも管路の肉厚に影響される
ことのない音響整合層を具面する超音波送受波器を用い
た超音波流量計を提供するものである。
く課題を解決するための手段〉
上記目的を達成するために、本発明は、外部信号により
超音波を発生ずる振動子の超音波振動をｆ饗整合層を介
して伝播要素に印加する超音波源送受波器を被測定流体
が流れる管路に一対に取付け、この時に前記管路には前
記超音波によってその管路の肉厚及び超音波周波数に応
じた板波が発生するものであって、この時の前記管路に
取付けられた前記一対の超音波送受波器間で往復する超
音波の到達時間差を測定して前記被測定流体の流景を測
定する超音波流量計において、 前記音響整合層の厚さｄを、 “ｄ＝λ・ （（１／４）±０．０７））”に選定しく
但しλは波長）、 前記音響整合層の音響インピーダンスＺＯ＆を、前記振
動子の音響インピーダンスＺ、と前記伝播要素の音響イ
ンピーダンスＺ２の幾何平均よりも大きな値“Ｚｏａ＞
Ｊフヂ「ニー７１−”となる関係を有するように選定し
、 周波数と送受波電圧レベルの関係における周波数特性に
おいて双峯周波数（ｆＩｌｆ２）を形成させ、該収電周
波数の値を、一方の峯周波数（ｆ１）により前記板波が
相応する肉厚において励起された時、他方の半周波ｉよ
・て前記肉厚の中間付近の肉厚で板波が励起されるよう
に選定した超音波送受波器を用いるようにしたことを特
徴とするものである。
超音波を発生ずる振動子の超音波振動をｆ饗整合層を介
して伝播要素に印加する超音波源送受波器を被測定流体
が流れる管路に一対に取付け、この時に前記管路には前
記超音波によってその管路の肉厚及び超音波周波数に応
じた板波が発生するものであって、この時の前記管路に
取付けられた前記一対の超音波送受波器間で往復する超
音波の到達時間差を測定して前記被測定流体の流景を測
定する超音波流量計において、 前記音響整合層の厚さｄを、 “ｄ＝λ・ （（１／４）±０．０７））”に選定しく
但しλは波長）、 前記音響整合層の音響インピーダンスＺＯ＆を、前記振
動子の音響インピーダンスＺ、と前記伝播要素の音響イ
ンピーダンスＺ２の幾何平均よりも大きな値“Ｚｏａ＞
Ｊフヂ「ニー７１−”となる関係を有するように選定し
、 周波数と送受波電圧レベルの関係における周波数特性に
おいて双峯周波数（ｆＩｌｆ２）を形成させ、該収電周
波数の値を、一方の峯周波数（ｆ１）により前記板波が
相応する肉厚において励起された時、他方の半周波ｉよ
・て前記肉厚の中間付近の肉厚で板波が励起されるよう
に選定した超音波送受波器を用いるようにしたことを特
徴とするものである。
〈実施例〉
本発明においては、超音波送受波器における音響整合層
３の音響インピーダンス（これを従来と区別するために
２゜ａとする）は、振動子１の音響インピーダンスＺ！
と、シュー２の音響インピーダンスｚ２の幾何平均より
も大きな値、即ち、Ｚｏ ａ （＝ρＣ）＞ＣＴ「７７
−（３）となる関係を有するようにする。この関係
を満足するような材質としてはガラス等の安価なものが
多数存在する。この時の音響整合層３の厚さｄを、ｄ＝
λ・（（１／４）±０．０７）） ・・・（４）とす
る。
３の音響インピーダンス（これを従来と区別するために
２゜ａとする）は、振動子１の音響インピーダンスＺ！
と、シュー２の音響インピーダンスｚ２の幾何平均より
も大きな値、即ち、Ｚｏ ａ （＝ρＣ）＞ＣＴ「７７
−（３）となる関係を有するようにする。この関係
を満足するような材質としてはガラス等の安価なものが
多数存在する。この時の音響整合層３の厚さｄを、ｄ＝
λ・（（１／４）±０．０７）） ・・・（４）とす
る。
以下、図面を参照して説明する。
尚、以下の図面において、第１図乃至第３図と重複する
部分は同一番号を付してその説明は省略する。
部分は同一番号を付してその説明は省略する。
第４図乃至第５図は本発明の説明に供する図である。
第４図は、振動子１の中心周波数ｆ０をＩＭＨ２とし、
音響整合層３を（３）、（４）式に基づいて、例えば、
厚さλ／４ （−１，４ｍｍ）の硼珪酸ガラス Ｃｐ＝
２．２３Ｘ１０’ Ｋｇ／ｍコ 、Ｃ＝５６００ｍ／
ｓ、、’、ｚＯａ＝１２．５ｘｌＯ’ Ｋｇ／ｍ２・Ｓ
］として、横軸に周波数ｆ／ｆｏをとり、縦軸に送受波
電圧レベルをとった時の周波数特性図である。この時、
ｆ、、ｆ２を収電周波数という、この収電周波数ｆ、、
ｆ２の値を、第３図に示した特性において相補的な特性
を示すように選定することで、超音波透過特性を改善す
る。即ち、一方の峯周波数ｆ、により板波が励起される
管路４の肉厚ａ＋ 、 ２ 、ａ３の中間の厚さｂ＋
、 ｂ２、ｂ３付近で他方の峯周波数ｆ２により板波
が励起されるように、夫々収電周波数ｆ１．ｆ２の値を
選定することで、第３図に対応する第５図に〜示すよう
に、大幅に超音波透過特性を改善することができる。
音響整合層３を（３）、（４）式に基づいて、例えば、
厚さλ／４ （−１，４ｍｍ）の硼珪酸ガラス Ｃｐ＝
２．２３Ｘ１０’ Ｋｇ／ｍコ 、Ｃ＝５６００ｍ／
ｓ、、’、ｚＯａ＝１２．５ｘｌＯ’ Ｋｇ／ｍ２・Ｓ
］として、横軸に周波数ｆ／ｆｏをとり、縦軸に送受波
電圧レベルをとった時の周波数特性図である。この時、
ｆ、、ｆ２を収電周波数という、この収電周波数ｆ、、
ｆ２の値を、第３図に示した特性において相補的な特性
を示すように選定することで、超音波透過特性を改善す
る。即ち、一方の峯周波数ｆ、により板波が励起される
管路４の肉厚ａ＋ 、 ２ 、ａ３の中間の厚さｂ＋
、 ｂ２、ｂ３付近で他方の峯周波数ｆ２により板波
が励起されるように、夫々収電周波数ｆ１．ｆ２の値を
選定することで、第３図に対応する第５図に〜示すよう
に、大幅に超音波透過特性を改善することができる。
これからも明らかなように、第５図は第３図に比べて透
過曲線のうねりが大幅に減少し、管路４の肉厚に依存し
ない良好な特性であることが分る。
過曲線のうねりが大幅に減少し、管路４の肉厚に依存し
ない良好な特性であることが分る。
これは、超音波送受波器の特性が、第４図に示すように
、収電周波数ｆ、、ｆ２を有し、この収電周波数ｆ、、
ｆ２の値を選定することで、ｆ、成分とｆ２成分が相補
的に働き、結果的に超音波透過特性を改善することを示
すものである。
、収電周波数ｆ、、ｆ２を有し、この収電周波数ｆ、、
ｆ２の値を選定することで、ｆ、成分とｆ２成分が相補
的に働き、結果的に超音波透過特性を改善することを示
すものである。
上記条件を満たす音響整合層３の材質としては前記した
硼珪酸ガラスのような、一般のガラス等に容易に見い出
すことができるから、製作費用の点でも安価なものとな
る。
硼珪酸ガラスのような、一般のガラス等に容易に見い出
すことができるから、製作費用の点でも安価なものとな
る。
尚、本発明においては、シューは傾斜形に限定されるも
のではない。
のではない。
〈発明の効果〉
本発明は、以上説明したように構成されているので、次
に記載するような効果を奏する。
に記載するような効果を奏する。
■：従来問題とされていた管路の肉厚の影響を解決でき
て精度の良い・測定範囲の広い超音波流量計を実現出来
る。
て精度の良い・測定範囲の広い超音波流量計を実現出来
る。
■：安価で容易に入手可能な材質を音響整合層として使
用することができるので、製品の価格低減がはかれる。
用することができるので、製品の価格低減がはかれる。
■：適用範囲の広い超音波送受波器を安価に製作するこ
とができる。
とができる。
■：音響整合層の材質の選択範囲が広がるので、色々の
目的や条件に対応することが可能となる。
目的や条件に対応することが可能となる。
■：従って高品質で高信頼性を有する製品を実現出来る
。ことにガラス、セラミック或はそれ等の合成物を使用
した場合は、広い温度範囲に渡って音速が変化せず、特
性も安定ななめ、一定した性能を有する製品を製作する
ことができる。
。ことにガラス、セラミック或はそれ等の合成物を使用
した場合は、広い温度範囲に渡って音速が変化せず、特
性も安定ななめ、一定した性能を有する製品を製作する
ことができる。
第１図は従来の超音波送受波器の構造図、第２図は第１
図の超音波送受波器を用いた超音波流量計の構造図、第
３図は第２図の説明に供する図、第４図乃至第５図は本
発明の説明に供する図である。 １・・・振動子、２・・・伝播要素（シュー）、３・・
・音響整合層、４・・−管路、５・・・被測定流木。 箪１図 管路の肉！！ｍｍｌ 爪５図 管Ｊ各の肉、ａｆｍｍｌ
図の超音波送受波器を用いた超音波流量計の構造図、第
３図は第２図の説明に供する図、第４図乃至第５図は本
発明の説明に供する図である。 １・・・振動子、２・・・伝播要素（シュー）、３・・
・音響整合層、４・・−管路、５・・・被測定流木。 箪１図 管路の肉！！ｍｍｌ 爪５図 管Ｊ各の肉、ａｆｍｍｌ
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 外部信号により超音波を発生する振動子の超音波振動を
音響整合層を介して伝播要素に印加する超音波波送受波
器を被測定流体が流れる管路に一対に取付け、この時に
前記管路には前記超音波によつてその管路の肉厚及び超
音波周波数に応じた板波が発生するものであつて、この
時の前記管路に取付けられた前記一対の超音波送受波器
間で往復する超音波の到達時間差を測定して前記被測定
流体の流量を測定する超音波流量計において、前記音響
整合層の厚さｄを、 “ｄ＝λ・｛（１／４）±０．０７）｝” に選定し（但しλは波長）、 前記音響整合層の音響インピーダンスＺ＿０＿ａを、前
記振動子の音響インピーダンスＺ＿１と前記伝播要素の
音響インピーダンスＺ＿２の幾何平均よりも大きな値“
Ｚ＿０＿ａ＞√Ｚ＿１・Ｚ＿２”となる関係を有するよ
うに選定し、 周波数と送受波電圧レベルの関係における周波数特性に
おいて双峯周波数（ｆ＿１、ｆ＿２）を形成させ、該双
峯周波数の値を、一方の峯周波数（ｆ＿１）により前記
板波が相応する肉厚において励起された時、他方の峯周
波数（ｆ＿２）によって前記肉厚の中間付近の肉厚で板
波が励起されるように選定した超音波送受波器を用いる
ように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 |
|---|---|---|---|
| JP1055713A JPH01280217A (ja) | 1989-03-08 | 1989-03-08 | 超音波流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1055713A JPH01280217A (ja) | 1989-03-08 | 1989-03-08 | 超音波流量計 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58138935A Division JPS6030298A (ja) | 1983-07-29 | 1983-07-29 | 超音波送受波器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01280217A true JPH01280217A (ja) | 1989-11-10 |
| JPH0456247B2 JPH0456247B2 (ja) | 1992-09-07 |
Family
ID=13006518
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1055713A Granted JPH01280217A (ja) | 1989-03-08 | 1989-03-08 | 超音波流量計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01280217A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016038264A (ja) * | 2014-08-06 | 2016-03-22 | 関西電力株式会社 | 気体用外付式超音波流量計及び気体流量計測方法 |
-
1989
- 1989-03-08 JP JP1055713A patent/JPH01280217A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016038264A (ja) * | 2014-08-06 | 2016-03-22 | 関西電力株式会社 | 気体用外付式超音波流量計及び気体流量計測方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0456247B2 (ja) | 1992-09-07 |
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