JP5580950B1 - 超音波流量計 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】円板状圧電素子141が、音響インピーダンス整合層142と振動吸収層143との間に介在して積層され、音響インピーダンス整合層142の厚みd1が、円板状圧電素子141の厚みd2より薄く設定されていることにより、音響インピーダンス整合層142が円板状圧電素子141から発生する超音波ビームを直円管110の管路端封止領域111aに向けて円滑に伝播させる超音波流量計100。
【選択図】図2
Description
ここで、図1は、第1実施例である超音波流量計100の概略を示す正面断面図であり、図2は、図1の符号2で示す超音波流量計100の流入側における要部拡大図であり、図3(A)は、音響インピーダンス整合層142の厚みd1が円板状圧電素子141の厚みd2より薄いときの円板状圧電素子141で受信される超音波の波形を示す図であり、図3(B)は、音響インピーダンス整合層142の厚みd1が円板状圧電素子141の厚みd2より厚いときの円板状圧電素子141で受信される超音波の波形を示す図であり、図4(A)は、振動吸収層143の厚みd3が円板状圧電素子141の厚みd2より厚いときの円板状圧電素子141で受信される超音波の波形を示す図であり、図4(B)は、振動吸収層143の厚みd3が円板状圧電素子141の厚みd2より薄いときの円板状圧電素子141で受信される超音波の波形を示す図である。
このうち、直円管110は、被測定流体の一例である液体を流通させるように設けられている。
また、流入管120は、直円管110の一方端111に所定の流入角度で連通するように配設されている。
同様に、流出管130は、直円管110の他方端112に所定の流出角度で連通するように配設されている。
また、直円管110、流入管120および流出管130は、フッ素系樹脂のPFAによって一体に成形されている。
一対の流入側測定ヘッド140および流出側測定ヘッド150は、直円管110の一方端111および他方端112にそれぞれ延在して相互に対向するように配設されている。
また、流入側測定ヘッド140および流出側測定ヘッド150も、直円管110、流入管120、流出管130と一体に成形され、成形性に優れたPFAからなっている。
円板状圧電素子141は、流入側測定ヘッド140および流出側測定ヘッド150にそれぞれ内在されて直円管110の中心軸Cに沿って超音波ビームの送受信を交互に行うように設けられている。
本実施例では、流入側測定ヘッド140の構成および流出側測定ヘッド150の構成は同様であるので、図2を用いて流入側測定ヘッド140の構成について説明することとし、流出側測定ヘッド150の構成の詳しい説明は省略する。
音響インピーダンス整合層142の音響インピーダンスは、管路端封止領域111aの音響インピーダンスと円板状圧電素子141の音響インピーダンスとの間に設定されている。
グリセリン層144は、管路端封止領域111aと音響インピーダンス整合層142との間に塗られたグリセリンによって形成されている。
円筒状保持部材146は、内部に基板147を保持し、先端が円板状圧電素子141の周縁部141aと当接している。
蓋部材149は、Oリング148を押し続けるためにネジ構造を有している。
流入側測定ヘッド140に形成した開口端部145に対する蓋部材149の螺着によって、押圧力が調整されるように構成されている。
これにより、音響インピーダンス整合層142が、円板状圧電素子141と直円管110の管路端封止領域111aとの間に生じがちな音響インピーダンスの急変を段階的に緩和させる。
また、振動吸収層143が、円板状圧電素子141の音響振動を早期に減衰吸収する。
これにより、図3(A)に示すように、円板状圧電素子141と音響インピーダンスが異なる直円管110の管路端封止領域111aでの乱反射が少なくなり円板状圧電素子141で受信したときの波形がきれいな紡錘形で安定する。
要するに、信号強度が充分な強さとなり、超音波送受信のS/N比が充分な高さとなり、測定精度を向上させることができるので、被測定液体の流路上において乱流渦が生じるタイプの超音波流量計100である場合に、特に有効である。
また、「きれいな紡錘形」の波形とは、図3(A)に示す波形のように、振動の振幅が単調に増加してピークに達し、その後、単調に減衰し、振幅の変化を示す線(図示せず)が紡錘形となる波形をいう。
この理由は、受信側の円板状圧電素子141が超音波ビームを受信したときの波形が「きれいな紡錘形」になることにより、波形のピーク時の時間や電圧が所定以上となっている時間帯の中心となる時間などに基づいて、送信側の円板状圧電素子141が超音波ビームを発信してから受信側の円板状圧電素子141が超音波ビームを受信したその瞬間までの時間を精度よく測定することができ、その結果、流量測定の精度を向上させることができるからである。
そのため、超音波送受信のS/N比が著しく劣化して流量測定精度が悪化する。
これにより、図4(A)に示すように、音響振動が早期に収束して次の超音波を発信することが可能になる。
そのため、超音波ビームの単位時間当たりの発生回数に伴う測定回数が少なくなり、応答および測定平均値の精度が悪化する。
本実施例では、直円管110に形成された管路端封止領域111aの厚みd4(すなわち、厚み3mm)が、円板状圧電素子141の厚みd2(すなわち、厚み1mm)より厚く設定されている。
これにより、管路端封止領域111aの経時的な形態変形が抑制されて円板状圧電素子141、141同士の相対的な配置関係が長期に亘って中心軸上で中心軸に垂直に維持され、円板状圧電素子同士141、141が相互に平行に対面するように配置されるとともに、フッ素系樹脂の特性に起因して生じがちな管路端封止領域111aのフッ素系樹脂内への液体の化学物質の湿潤が抑制される。
このため、管路端封止領域111aにおける超音波ビームの伝播に障害を来し、測定精度が悪化する。
そして、グリセリン層144が、直円管110の管路端封止領域111aに対して音響インピーダンス整合層142を一体に密着させている。
これにより、直円管110の管路端封止領域111aと音響インピーダンス整合層142のそれぞれの表面荒さに起因して生じがちな相互間の隙間が解消される。
ここで、「ほぼ同一」とは、両者の差が2mm未満の程度をいう。
これにより、円板状圧電素子141から発生する超音波ビームが直円管110内で乱反射することなく充分に振幅されて、超音波ビームの送受信が交互に行なわれる。
これにより、円板状圧電素子141の振動に支障を来すこと無く円板状圧電素子141が、音響インピーダンス整合層142に対して確実に位置決めされる。
さらに、円筒状保持部材146が、音響空洞部Sを備えている。
これにより、円板状圧電素子141の音響振動が、許容されて増幅する。
すなわち、円板状圧電素子141の中央部が振動するように、円筒状保持部材146が、円板状圧電素子141の周縁部141aだけを押圧している。
これにより、円板状圧電素子141に向けて円筒状保持部材146が弾力的に押圧されて確実に保持される。
さらに、円板状圧電素子141に生じがちな内部応力が、螺着度合いに応じて弾力的に吸収される。
なお、本実施例では、蓋部材149が、弾性変形するOリング148を介して円筒状保持部材146を円板状圧電素子141に向けて押圧している。
これにより、円筒状保持部材146が円板状圧電素子141の周縁部141aと当接してこの周縁部141aを押圧する押圧力の大きさが適度な大きさとなる。
ここで、「適度な大きさ」とは、円板状圧電素子141の振動に悪影響を及ぼすこと無く、かつ、円板状圧電素子141を位置決めすることができる押圧力の大きさをいう。
これにより、計量作業エリアにおいて直円管110に対する流入管120と流出管130の取付スペースが最小化される。
これにより、音響インピーダンス整合層142が円板状圧電素子141と管路端封止領域111aとの間の音響インピーダンスの大きな差の影響を抑制して安定した波形が伝播する。
ここで、図5は、本発明の第2実施例の超音波流量計200の概略を示す正面断面図である。
これにより、計量作業エリアにおいて如何なる設置形態であっても流入管220と流出管230のいずれか一方が上方に向けて配置され易くなり、直円管210内に滞留しがちな被測定液体内の気泡を直円管210の一方端211と他方端212のいずれか一方から脱気し易くなる。
ここで、図6は、本発明の第3実施例の超音波流量計300の概略を示す正面断面図である。
これにより、流入管および流出管が直円管に対して90度で連通している場合と比べて、連通箇所において被測定液体がスムーズに流れ、被測定液体の乱流渦が小さくなる、または、この乱流渦の発生が抑制される。
その結果、被測定液体の測定精度を向上させることができるなど、その効果は、甚大である。
ここで、図7は、本発明の第4実施例の超音波流量計400の概略を示す正面断面図である。
これにより、流入管および流出管が直円管に対して90度で連通している場合と比べて、連通箇所において液体がスムーズに流れ、液体の乱流渦が小さくなる、または、この乱流渦の発生が抑制されるとともに、流入管420と流出管430とのいずれか一方が上方に向けて配置され易くなり直円管410内に滞留しがちな液体内の気泡を直円管410の一方端411と他方端412のいずれか一方から脱気し易くなる。
その結果、液体の測定精度を向上させることができるなど、その効果は甚大である。
110、 210、 310、 410 ・・・ 直円管
111、 211、 311、 411 ・・・ 一方端
111a ・・・ 管路端封止領域
112、 212、 312、 412 ・・・ 他方端
120、 220、 320、 420 ・・・ 流入管
130、 230、 330、 430 ・・・ 流出管
140、 240、 340、 440 ・・・ 流入側測定ヘッド
141 ・・・ 円板状圧電素子
141a ・・・ 周縁部
142 ・・・ 音響インピーダンス整合層
143 ・・・ 振動吸収層
144 ・・・ グリセリン層
145 ・・・ 開口端部
146 ・・・ 円筒状保持部材
147 ・・・ 基板
148 ・・・ Oリング
149 ・・・ 蓋部材
150、 250、 350、 450 ・・・ 流出側測定ヘッド
C ・・・ 中心軸
d1 ・・・ 音響インピーダンス整合層の厚み
d2 ・・・ 円板状圧電素子の厚み
d3 ・・・ 振動吸収層の厚み
d4 ・・・ 管路端封止領域の厚み
L ・・・ 導線
r1 ・・・ 直円管の管内径
r2 ・・・ 円板状圧電素子の円径
S ・・・ 音響空洞部
Claims (5)
- 被測定流体を流通させるフッ素系樹脂製の直円管と、該直円管の一方端に所定の流入角度で連通する流入管と、前記直円管の他方端に所定の流出角度で連通する流出管と、前記直円管の一方端および他方端にそれぞれ延在して相互に対向する一対の流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドと、該流入側測定ヘッドおよび流出側測定ヘッドにそれぞれ内在させて前記直円管の中心軸に沿って超音波ビームの送受信を交互に行うセラミック製の円板状圧電素子とを備え、前記円板状圧電素子から発生する超音波ビームが前記直円管の上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差から前記直円管内の流体速度を求め、該流体速度に直円管の断面積を乗じて直円管内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計において、
前記セラミック製の円板状圧電素子が、前記直円管の中心軸に対して直交配置されているとともに前記直円管の一方端および他方端にそれぞれ形成された管路端封止領域に対面する音響インピーダンス整合層と前記円板状圧電素子に対面する振動吸収層との間に介在して積層され、
前記音響インピーダンス整合層の厚みが、前記円板状圧電素子の厚みより薄く設定されていることを特徴とする超音波流量計。 - 前記直円管に形成された管路端封止領域の厚みが、前記円板状圧電素子の厚みより厚く設定されていることを特徴とする請求項1に記載の超音波流量計。
- 前記直円管の管路端封止領域に対して音響インピーダンス整合層を一体に密着させるグリセリン層が、前記直円管の管路端封止領域と音響インピーダンス整合層との間に設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超音波流量計。
- 前記流入管および流出管が、前記直円管の一方端と他方端とで同一の方向からコの字状に配置されて前記直円管と連通しているこことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1つに記載の超音波流量計。
- 前記流入管および流出管が、前記直円管の一方端と他方端とで互い違いに配置されて前記直円管と連通していることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1つに記載の超音波流量計。
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