JPH0611452Y2 - 超音波トランスデユ−サ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ａ．産業上の利用分野 本考案は、超音波ドプラー流速計などに使用される超音
波トランスデューサに関する。

ｂ．従来の技術 第５図は超音波ドプラー流速計による流速測定方法を示
すものである。第５図に示すように、送波用トランスデ
ューサ１及び受波用トランスデューサが流体３の流れ方
向Ａに直角で対称の位置に配置されると共に、これらの
トランスデューサ１，２の指向方向Ｂ，Ｂ′と流れ方向
Ａとのなす角度がそれぞれθとなされる。

ここで、流体３の流速をＶ、流体３中における音速を
Ｃ、送信周波数を_ｔとすれば、流体３中の微粒子４に
より反射された反射波の受信周波数_ｒは、いわゆるト
プラー効果を受けて、 となる。

ところで、一般に水中での音速は約1,500m/secであり、
測定しようとする流速は数m/sec程度であるから、Ｃ≫
Ｖである。従って、上記(1)式は、 となり、ドプラー（シフト）周波数_ｄは、 である。よって、上記(3)式を変形すれば、 となる。

すなわち、上記(4)式からわかるように、ドプラー周波
数_ｄを計測することによって流速Ｖを測定することが
できる。

なお、上述のトランスデューサ１としては、超音波送信
用の振動子を流体３に直接接触させるようにした垂直形
トランスデューサが従来より用いられている。しかし、
垂直形トランスデューサを用いた場合には、上記(4)式
からわかるように、流体３中の音速Ｃの変化に依存して
流速Ｖの測定値に影響を受けるため、高精度の流速測定
を行なうことができない不都合があった。

そこで、従来より、このような不都合を除去するため
に、有機ガラスなどから成るくさび材を介して振動子か
らの超音波を発信するうよにした斜角形トランスデュー
サが用いられている。第６図は、この種の従来の超音波
トランスデューサ６を示すものであって、図中におい
て、７はケース、８はケース７内に収納配置されたくさ
び材、９はくさび材８に取付けられた振動子、10は超音
波計測用信号ケーブルである。しかし、振動子９から発
信された超音波はくさび材８を介して被測定物面（流体
面）11に伝播されるようになっている。

この場合、くさび材８中における音速をC₁、超音波の入
射角をφ₁、流体３中への超音波の屈折角をφとすれ
ば、屈折の法則から、 の関係が成立する。

従って、上記(5)式を上記(4)式に代入すると、 となり、流体３中の音速がくさび材８中の音速に変換さ
れる。一方、φ₁はくさび材８の一面に直角に超音波を
入射するために一定であり、C₁はくさび材８が固体であ
るために温度変化に伴う流体３中の音速変化に比べて極
めて小さい。このため、斜角形トランスデューサ６を用
いれば、流体３中の音速Ｃとは全く無関係に、また温度
変化に殆ど影響されずに流速Ｖを得ることができる。ち
なみに、θ＝23°、有機ガラス製のくさび材８を使用し
た場合には、温度変化に対する流速Ｖの誤差率が垂直形
トランスデューサを使用した場合に比べて約1/2〜1/4
（10〜30℃の範囲の場合）である。

ｃ．考案が解決しようとする問題点 上述の如く、従来では、くさび材８の温度依存性が小さ
いため温度変化に対しての影響は実用上無視できると一
般に考えているが、高精度の流速測定を行なうに際して
は温度変化に応じた補正をする必要がある。特に、温度
変化の度合が大きな場合には、このような補正が要求さ
れる。

そこで、第７図に示す如く温度センサ12を設けてくさび
材８の温度を検知し、予め計算又は実測した音速に変換
して、測定精度を上げるようにすることが考えられる。
しかし、このような方法を採った場合には、くさび材８
の一点のみの温度を検知するようにしているため、くさ
び材８内の温度分布が一様でないときには適正な補正は
できず、また流体３の温度変化時における温度センサ12
の追従性が完全ではないという問題点がある。

本考案は、上述の如き実状に鑑みて考案されたものであ
って、その目的は、温度変化に充分に対処し得て、高精
度の計測を行ない得るような超音波トランスデューサを
提供することにある。

ｄ．問題点を解決するための手段 既述の如き問題点を解決するために、本考案において
は、くさび材中における実際の音速を直接的に計測すべ
く音速測定手段を設けている。

以下、本考案の実施例に付き第１図〜第４図を参照して
説明する。なお、第１図〜第４図において第６図及び第
７図と共通する部分には同一の符号を付してその説明を
省略する。

第１図は本考案の第１実施例を示すものである。本例に
おいては、くさび材８の両側面8a，8bであって、振動子
９から発生される超音波の進行方向に対して直交する線
上の個所に、音速計測用の超音波送信用振動子14及び超
音波受信用振動子15が設けられている。さらに、ケース
７には、これらの振動子14，15に関連して音速計測用信
号ケーブル16が付設されている。

次に、本例の超音波トランスデューサ１の動作に付き述
べる。

まず、既述と同様に流速測定用超音波振動子９から発せ
られる超音波をくさび材８を介して発信してドプラー周
波数_ｄを計測する。一方、この際に、信号ケーブル16
を介して超音波送信用振動子14にパルス信号が供給さ
れ、この送信用振動子14からもう一方の受信用振動子15
に向けて所定の超音波が発信される。次いで、上述の振
動子15からの超音波検知信号が信号ケーブル16を介して
図外の音速計測器に供給される。そして、上記音速計測
器においては、超音波発生用パルス信号の出力時から超
音波受信時までの時間Δtが計測され、この時間Δtにて
振動子14，15間の所定距離を割った値、すなわちくさび
材８中の音速C₁が計算される。

しかして、計測されたドプラー周波数_ｄ及びくさび材
中の音速C₁を上記(6)式に代入することにより、流速Ｖ
が求められる。この場合、一対の振動子14，15を設け
て、くさび材８中における実際の音速C₁を検知するよう
にしているので、誤差を生ずることなく非常に高精度の
流速測定を行なうことができる。また、流体の温度が変
化してくさび材８の温度が変化しても、その状況下にお
ける実際の音速C₁を得ることができるので、温度変化に
対する追従性が完全であり信頼性が極めて高い。

また、第２図は本考案の第２実施例を示すものである。
本例においては、一対の送受信振動子14，15を傾斜させ
て配置し、これによって振動子14，15間の距離をより長
くとるようにしている。この場合には、既述の第１実施
例の場合と同様の動作が行なわれることになるが、振動
子14，15間の距離が長いので、くさび材８中の音速C₁を
より一層正確に計測でき、ひいては、より高精度の流速
測定が可能となる。

また、第３図及び第４図は本考案の第３及び第４実施例
を示すものであって、既述の第１及び第２実施例におい
て受信用振動子15に代えて、反射体17を配設すると共
に、この反射体17に対応して１つの送受信用振動子18を
配設するようにしたものである。これらの場合には、上
記振動子18から発せられた超音波が反射体17にて反射さ
れて再びこの振動子18に戻るため、くさび材８中におけ
る超音波の伝播距離が２倍になり、流速の高精度測定が
可能となる。また、音速計測用振動子18を１つ用いるだ
けて済み、安価でしかも高精度の超音波トランスデュー
サを提供できる。

以上、本考案の実施例に付き説明したが、本考案は既述
の実施例に限定されるものではなく、本考案の技術的思
想に基いて各種の変形及び変更が可能である。

ｅ．考案の効果 以上の如く本考案は、くさび材中の実際の音速を直接計
測し得るようにしたものであるから、くさび材の温度変
化に応じた現実の音速を常に得ることができ、極めて高
精度の測定が可能となる。また、被測定物の計測可能な
温度範囲が大きくなり、信頼性の大巾な向上を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本考案の実施例を示すものであって、
第１図は本考案の第１実施例を示す超音波トランスデュ
ーサの断面図、第２図は本考案の第２実施例を示す超音
波トランスデューサの断面図、第３図は本考案の第３実
施例を示す超音波トランスデューサの断面図、第４図は
本考案の第４実施例を示す超音波トランスデューサの断
面図、第５図は超音波ドプラー流速計による流速測定方
法を示す説明図、第６図及び第７図は従来の超音波トラ
ンスデューサをそれぞれ示す断面図である。 １……送波用トランスデューサ、 ２……受波用トランスデューサ、 ３……流体（被測定物）、 ６……超音波トランスデューサ、 ８……くさび材８、 ９……振動子、 11……被測定物面（流体面）、 14……音速計測用の超音波送信用振動子、 15……音速計測用の超音波受信用振動子、 17……反射体、 18……音速計測用の超音波送受信用振動子。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物面と振動子との間にくさび材を介
   在させるようにした超音波トランスデューサにおいて、
   上記くさび材中における音速を計測するための音速計測
   手段を付設したことを特徴とする超音波トランスデュー
   サ。