JPS631217Y2

JPS631217Y2 -

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Publication number: JPS631217Y2
Application number: JP1981100859U
Authority: JP
Priority date: 1981-07-07
Filing date: 1981-07-07
Publication date: 1988-01-13
Also published as: JPS586236U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は、流速、流量、液位等の超音波による
測定に用いられる超音波送受波器に関するもので
ある。

一般に、超音波を利用した流速、流量等の計測
技術は、工業計測のみならず医用、海洋観測等広
範囲にわたつて利されている。このような計測技
術においては、超音波振動子を備えた超音波送受
波器を用いて超音波を送受信し、伝搬速度の変
化、伝搬時間、超音波ビームの偏位等を検出する
ことにより、目的とする諸量を測定する。

従来、上記の分野に提供されている超音波送受
波器としては、第１図及び第２図に示すものが知
られている。まず、第１図に示す超音波送受波器
Ａは、主として超音波流量計に使用されるもので
あり、金属等により箱状に形成された本体１の内
部底面にプラスチツク等からなるシユー２が装着
され、このシユー２上側部に超音波の送受波方向
に垂直となるような面２ａが形成されている。こ
の面２ａには、円盤状の超音波振動子３がその下
面において接着剤により密着固定されている。こ
超音波振動子３は、例えば、円盤状の圧電素子の
両面に、銀蒸着により電極が形成されたものであ
り、各電極にはリード線４，４が接続され、これ
によつて本体１外部の計測機器（図示しない）等
と電気的に接続できるようになつている。また、
本体１内部の空間には、例えば柔軟な合成樹脂等
からなるポツテイング材が充填されている。この
ポツテイング材５は、超音波振動子３から前記ポ
ツテイング材の内部へ向けて発生するエネルギー
を吸収するためのものである。

一方、第２図に示す超音波送受波器Ｂは、レベ
ル計等に用いられるものであり、本体６内部底面
に、前記した超音波振動子３と同様な超音波振動
子７が密着固定され、また同様に、リード線８，
８が接続されている。そして本体６内部には、ポ
ツテイング材９が充填されている。

上記のような超音波送受波器Ａ，Ｂにおいて、
リード線４，４及びリード線８，８を介して超音
波振動子３，７に所定周波数の交流電圧を印加す
ると、超音波振動子３，７が同周波数で厚み方向
に振動し、これによりそれぞれ矢印P₁，P₂方向
に向けて超音波が放射される。この場合、各振動
子３，７からは、ポツテイング材５，９方向へも
同様に超音波が放射されるが、この方向へのエネ
ルギは、ポツテイング材５，９内部にて吸収さ
れ、逆に振動子３，７は制動を受ける。

また、逆に矢印Q₁，Q₂方向から入射した上記
周波数の超音波が、超音波振動子３，７に到達す
ると超音波振動子３，７は、同周波数で振動し、
これによりリード線４，４及びリード線８，８の
各々の間に交流電圧が発生する。

このようにして超音波送受波器Ａ，Ｂは、超音
波の送受信を行なうものであり、これらに接続さ
れる計測機器等においては、上記の送受信信号に
基づいて流量、液位等の諸量が検出されるもので
ある。

ところで、上記のような従来の超音波送受波器
Ａ，Ｂにおいては、いずれも超音波振動子３，７
からポツテイング材５，９内部に向けて放射され
る超音波は、ポツテイング材５，９に吸収され、
そのエネルギーは、ポツテイング材５，９中には
熱的なエネルギーに変換されて消費される。従つ
て、従来の超音波送受波器においては、超音波振
動子の両面から放射される放射波の一方は、全く
利用することができず、エネルギー的な効率が悪
いものであつた。

本考案は、上記の事情に鑑みてなされたもので
あり、超音波振動子による放射音波を有効に利用
できる超音波送受波器を提供することを目的と
し、その構造を、互いに異なる位置に振動面を有
し、該振動面で夫々超音波を送信し・受信し、ま
たは送受信する超音波振動子を具備した超音波送
受波器において、前記超音波振動子の少なくとも
一方の振動面に所定の距離をもつて対向配置さ
れ、送・受信される超音波を所定の角度で屈折
し、反射する反射面を具備し、前記反射面で反射
される経路を含んだ異なる超音波経路が形成さ
れ、該超音波形成上を超音波が伝播する構造を特
徴とするものである。

以下、本考案の実施例を図面を参照して説明す
る。

第３図及び第４図は、いずれも本考案の第１実
施例を示す図である。これらの図に示す超音波送
受波器C₁，C₂は、超音波流量計の検出器として
適用したものであり、各超音波送受波器C₁，C₂
は、配管１０外側面の上下に、これの軸方向に前
後して互いに反対称的に設置されている。この場
合、超音波送受波器C₁，C₂は、共に略同様に構
成されたものであり、ここでは送受波器C₁につ
いてその構成を説明し、送受波器C₂については、
対応する構成要素の符号を括弧内に付記してお
く。上記の超音波送受波器C₁，C₂は、プラスチ
ツク等により形成された短部１１，１２と長部１
３，１４とが一体的に接合されたシユー１５，１
６の接合部１５ａ，１６ａに、円盤状の超音波振
動子１７，１８が挾着されたものである。この場
合、超音波振動子１７，１８は、円盤状の圧電素
子の両面に銀蒸着により電極が形成されたもので
ある。そして両電極間に所定周波数の交流電圧が
印加されると厚み振動し、超音波振動子の振動面
１７ａ，１８ａからは、シユー１５，１６の反射
部１５ｂ，１６ｂに向けて、また振動面１７ｂ，
１８ｂからは、反射部１５ｃ，１６ｃに向けて超
音波が放射されるようになつている。上記シユー
１５，１６は、図ではその一側面が配管１０の外
側面と合致する曲面に形成されたようになつてい
るが、必ずしもそうである必要はなく、超音波送
受波器C₁，C₂からの超音波の通路において配管
１０外側面に接触固定できるようになつていれば
よい。また、シユー１５，１６の左右両端部に
は、超音波振動子１７，１８の面に対し所定の角
度をもつて平面状の反射部１５ｂ，１５ｃ，１６
ｂ，１６ｃが形成されている。この場合、反射部
１５ｂ，１６ｂの中心部と超音波振動子１７，１
８との間の距離がｌ、また反射部１５ｃ，１６ｃ
の中心部と超音波振動子１７，１８との間の距離
がＬとなるように形成されている。

このような構成のもとに、超音波送受波器C₁，
C₂においては、これの超音波振動子１７，１８
の両面から左右２方向に超音波が放射され、それ
ぞの放射波は、シユー１５，１６の短部１１，１
２及び長部１３，１４内を伝搬される。そして反
射部１５ｂ，１５ｃ，１６ｂ，１６ｃにて所定の
角度をもつて反射され、配管１０を介してこの内
部に放射されるようになつている。また一方、配
管１０内部から所定の角度をもつて入射した超音
波は、放射波と逆の経路をたどつて超音波振動子
１７，１８の両面のいずれにても受波されるよう
になつている。

次に、上記のように構成された超音波送受波器
C₁，C₂を第３図及び第４図に示すように配設し
てなる超音波流量計の作用を説明する。

今、配管１０内部に流体が矢印Ｘの向きに流れ
ており、超音波送受波器C₂が配管１０の上流側
に、また超音波送受波器C₁が下流側に配されて
いるとする。この場合の流量測定方法は、時間差
側定法式によるものであり、いわゆるＺ法（透過
法）に分類される方法による。すなわち、一対の
超音波送受波器C₁，C₂において、交互または同
時に超音波パルスを発射し、配管１０内部の流体
中に順逆両方向のパルスを伝搬させ、上流側と下
流側とに配設された超音波送受波器C₂，C₁に受
信される受信波の立ち上がりの時間差等を計側し
て流量の測定を行なうものである。

この場合、超音波振動子１７と超音波振動子１
８との間には、次のような２つの超音波伝搬経路
が形成される。すなわち、経路イは、超音波振動
子１７−反射部１５ｂ−配管１０内部（流体）−
反射部１６ｂ−超音波振動子１８であり、また経
路ロは、超音波振動子１７−反射部１５ｃ−配管
１０内部（流体）−反射部１６ｃ−超音波振動子
１８である。そして上記のような経路イ，ロにお
いては、経路ロが経路イより２（Ｌ−ｌ）だけ長
くなつている。従つて、上記の２つの経路イ，ロ
をたどつた超音波パルスには、２（Ｌ−ｌ）の経
路長の差に相当する伝搬時間の差が生じ、上記の
経路長の差を適当に設定することにより、２つの
経路イ，ロをたどつた各超音波パルスの受信波を
各超音波振動子１７，１８において分離して検出
することができる。すなわち、超音波送受波器
C₁，C₂においては、これらの間に各々独立した
２側線を設定することができるのである。従つ
て、本考案による超音波送受波器C₁，C₂を用い
た上記の超音波流量計においては、超音波振動子
１７，１８を２個用いるのみで配管断面方向の流
れの乱れに対応できる２側線方式の流量計とする
ことができ、同時に超音波振動子の放射エネルギ
ーは、有効に利用されることになる。しかも、２
側線方式の流量計に用いる場合、超音波送受波器
は従来４個必要とするのに対し、本考案はその半
分の２個で済むので装置のコストダウンにつなが
る。

上述したように、本考案による超音波送受波器
は、最少限の個数の超音波振動子を用いて高度な
側定方式を可能にするものであり、その利用可能
な分野は広範囲にわたる。以下、更に５つの実施
例について概説する。

第５図に示す第２の実施例は、本考案による超
音波送受波器E₁，E₂を透過法による２側線方式
の超音波流量計に適用したものであり、この場
合、一対の超音波送受波器E₁，E₂は、配管１０
の上下面に互いに対向すると共に、配管１０の軸
線と平行するように配設されている。そして超音
波の伝搬経路は、図中に破線によつて示すよう
に、経路長の異なる２つの経路が形成されてい
る。上記のような超音波流量計によれば、管軸方
向の偏流を補償できるような２側線方式の測定
が、最少限の個数の振動子を使用して実現可能と
なる。

また、第６図に示す第３の実施例は、流体中に
粒子を含む場合に特に有効に使用されるドツプラ
法によるドツプラ流量計について本考案を適用し
たものである。図に示す超音波送受波器Ｆは、管
軸方向に前後した位置から２つの超音波パルスを
管路の中間部の所定位置に向けて同時に発射でき
るようになつており、超音波送受波器Ｆに対して
流体と共に相対的に移動する粒子Ｐによつて反射
された超音波パルスを受信し、ドツプラ効果によ
る周波数の偏移を検出することにより粒子の速度
を検出し、これをもつて流速、流量等を測定する
ものである。

更に、第７図に示す第４の実施例は、透過法に
よる超音波流量計に対して本考案を適用したもの
である。この場合、一対の超音波送受波器G₁，
G₂においては、それらの各超音波振動子３０，
３１が、それぞれ配管１０の対向する内壁面に向
けて超音波パルスを送受信すると共にシユー３
２，３３の各反射部３２ａ，３３ａを経て互いに
送受信するようになつている。これにより、流体
の温度変化に伴なう音速変化に対して、配管１０
内壁面での反射波の受信信号に基づいて温度補償
を行なうようにしたものである。

また、第８図に示す第５の実施例は、本考案を
レベル差計に適用したものである。図中、符号３
５は、超音波振動子であり、これは、両端部に反
射部３６，３７の設けられた支持部３８に固定さ
れている。この場合、超音波振動子３５と各反射
部３６，３７の中間部との間に距離は、それぞれ
l₇，L₇となつている。そして超音波振動子３５の
両面から発射される超音波パルスは、それぞれ反
射部３６，３７を経て、これらの下方の液体Y₁，
Y₂表面で反射され、超音波振動子３５に受信さ
れるようになつている。このようなレベル差計に
おいては、（L₇−l₇）の値を適当に設定すること
により、液体Y₁，Y₂による２つの反射波を分離
して受信でき、単一の振動子を用いた簡便なレベ
ル差計を実現できる。

第９図に示す第６の実施例は、本考案をレベル
計に適用したものであり、超音波振動子３８は、
液体Y₃表面との間において超音波の送受信を行
なうと共に、反射部３９，４０，４１を経て形成
される経路長の一定な経路ハにおいても送受信を
行なうものである。従つて経路ハにおける送受信
信号に基づいて、液位検出信号の温度補償を行な
うことができるものである。

以上、説明したように、本考案による超音波送
受波器は、その超音波振動子について２方向以上
に対して送受信するようにしたものであるから、
超音波振動子の放射エネルギーが有効に利用さ
れ、更には、、最少限の個数の超音波振動子を用
いて、従来多数の超音波振動子を用いて高度な超
音波測定を行うようにしていたのと同様の高度な
測定を行い得る超音波測定装置を実現することが
できる、という効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、いずれも従来の超音波送
受波器を示す断面図、第３図は、本考案の第１実
施例の概略構成図、第４図は、同側面図、第５図
は、同第２実施例の概略構成図、第６図は、同第
３実施例の概略構成図、第７図は、同第４実施例
の概略構成図、第８図は、同第５実施例の概略構
成図、第９図は、同第６実施例の概略構成図であ
る。 C₁，C₂，E₁，E₂，Ｆ，G₁，G₂……超音波送受
波器、１７，１８，３０，３１，３５，３８……
超音波振動子。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

互いに異なる位置に振動面を有し、該振動面で
夫々超音波を送信し・受信し、または送受信する
超音波振動子を具備した超音波送受波器荷おい
て、前記超音波振動子の少なくとも一方の振動面
に所定の距離をもつて対向配置され、送・受信さ
れる超音波を所定の角度で屈折し、反射する反射
面を具備し、前記反射面で反射される経路を含ん
だ異なる超音波経路が形成され、該超音波経路上
を超音波が伝播する構造を特徴とする超音波送受
波器。