專利名稱：聲匹配體、超聲波發(fā)送器/接收器和超聲波流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將超聲波發(fā)射到流體中的聲匹配體、一種被提供聲匹配體的 超聲波發(fā)送器/接收器，和一種被提供超聲波發(fā)送器/接收器的超聲波流量計。
背景技術(shù)：
近來，用于通過計算超聲波通過傳播路徑所必要的時間并且測量流體的移動速率 而測量流量的超聲波流量計被利用作為氣量計等。在超聲波流量計中，一對超聲波發(fā)送器/接收器被設(shè)于流體(例如，氣體)沿其經(jīng) 過的管道壁以與流體的流動以正交方式交叉。在利用該超聲波流量計測量流體的流量的情形中，首先一個超聲波發(fā)送器/接收 器將超聲波發(fā)射到流體中，并且然后該超聲波發(fā)送器/接收器接收經(jīng)傳播的超聲波并且將 該超聲波轉(zhuǎn)換成電壓。然后，該超聲波發(fā)送器/接收器將超聲波發(fā)射到通過管道的內(nèi)部流動的流體中， 并且然后一個超聲波發(fā)送器/接收器接收經(jīng)傳播的超聲波并且將該超聲波轉(zhuǎn)換成電壓。然后，基于經(jīng)轉(zhuǎn)換的電壓、超聲波的速率、沿著傳播方向的超聲波脈沖與流體的流 動方向的角度、超聲波的傳播路徑的距離等探測流體的流量。這里，在一對超聲波發(fā)送器/接收器中，用于將超聲波發(fā)射到通道中的流體的匹 配部件分別作為聲匹配體被設(shè)于主體的聲波發(fā)射表面(超聲波的發(fā)送/接收表面)。在該主體中，在具有底部的圓柱形外殼中容納壓電元件，利用端子板關(guān)閉該外殼 的開口，并且經(jīng)由導(dǎo)電橡膠而被連接到壓電元件的端子被該端子板支撐以向外地突出。而且，該匹配部件具有由多孔材料(玻璃球(中空))制成的匹配層以將超聲波發(fā) 射到通道中的流體中。該匹配部件包括其聲阻抗分別不同的第一層和第二層，并且被如此構(gòu)造，S卩，使得 第一層是由多孔體和填充材料構(gòu)成的合成材料，該填充材料在多孔中空間隙中，第二層由 填充材料或者多孔體形成，并且在第一層和第二層之間不存在任何獨立的層(例如見專利 文獻1)。專利文獻1 JP-A-2004-45389官方公報

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題在專利文獻1中，該匹配層包含至少兩個層，即其聲阻抗分別不同的第一層和第 二層，并且被如此構(gòu)造，即，使得在第一層和第二層之間不存在獨立的層。因此，在第一層和第二層之間的分離能夠得到抑制。結(jié)果，能夠更加增強流體的流 量測量準確度。然而，現(xiàn)今要求實際上實現(xiàn)使得以更高準確度測量流體的流量成為可能的技術(shù)。本發(fā)明已經(jīng)得以作出以滿足前面的要求，并且本發(fā)明的目的在于提供一種聲匹配體、一種超聲波發(fā)送器/接收器，和一種超聲波流量計，能夠以更高準確度測量流體的流量。用于解決所述問題的方案一種被裝配到超聲波發(fā)送器/接收器中的主體的、本發(fā)明的聲匹配體包括匹配 部件，該匹配部件配備有將被緊密地附著到該主體的聲波發(fā)射表面的多孔體，和在該多孔 體的表面上堆疊并且包括熱硬化樹脂和第一流動性減小顆粒的致密層；和被緊密地附著到 該聲波發(fā)射表面和多孔體的端面的側(cè)壁部件。該側(cè)壁部件被緊密地附著到聲波發(fā)射表面和多孔體的端面。據(jù)此，即使當采用具 有高脆度的陶瓷多孔體作為匹配部件時，陶瓷多孔體的隨著時間的退化也能夠得到抑制， 并且測量準確度能夠得到改進。而且，在本發(fā)明中，該多孔體利用致密層和側(cè)壁部件而被密封。因為多孔體利用致密層和側(cè)壁部件而被密封，所以通過在聲波發(fā)射表面和陶瓷多 孔體之間的邊界部分和在陶瓷多孔體和致密層之間的邊界部分的吸濕能夠得到防止。而且，在本發(fā)明中，流動性減小顆粒被混合到側(cè)壁部件中。這里，“流動性減小顆?！币馕吨挥糜谠黾佑米鱾?cè)壁部件的粘性物質(zhì)的粘度的物 質(zhì)。S卩，除非該側(cè)壁部件在某個程度上具有粘度，否則當在多孔體的端面上涂覆該側(cè) 壁部件時，這種側(cè)壁部件將被流體沖走。因此，混合了流動性減小顆粒以抑制這種事件。以此方式，因為流動性減小顆粒被混合到側(cè)壁部件中，所以流動性減小顆粒能夠 給予用作側(cè)壁部件的粘性物質(zhì)所期望的粘度。因此，側(cè)壁部件的端面能夠必定地得到覆蓋。另外，在本發(fā)明中，該流動性減小顆粒是無機填料。據(jù)此，顆粒自身是由無機材料形成的。因此，由于溫度而引起的質(zhì)變是小的，并且 能夠以低的成本獲得流動性減小顆粒。而且，在本發(fā)明中，流動性減小顆粒的平均顆粒直徑被設(shè)為0. 01到0. 1 μ m。據(jù)此，側(cè)壁部件的粘度能夠被有效地降低。而且，在側(cè)壁部件被涂覆之后，直到它 被硬化，側(cè)壁部件到多孔體中的滲透能夠得到有效的抑制。而且，在本發(fā)明中，流動性減小顆粒被以1到5wt%混合。據(jù)此，在通過使用分配器噴嘴涂覆側(cè)壁部件的情形中，側(cè)壁部件到多孔體中的滲 透能夠得到有效的抑制。另外，在本發(fā)明中，通過使得多孔體緊密地附著到主體中的聲波發(fā)射表面，并且然 后向多孔體的端面供應(yīng)用作側(cè)壁部件的粘性物質(zhì)，同時在軸上一體地轉(zhuǎn)動主體和多孔體， 而形成側(cè)壁部件。而且，本發(fā)明的一種超聲波發(fā)送器/接收器包括帶有底部的圓柱形外殼；在該外 殼中容納的壓電體；經(jīng)由導(dǎo)電橡膠而被連接到壓電體的端子；和用于關(guān)閉該外殼的開口并 且在端子向外側(cè)突出的狀態(tài)中支撐端子的端子板；其中在權(quán)利要求1到權(quán)利要求7中的任 何一項中所述的聲匹配體被裝配到該外殼的聲波發(fā)射表面，并且聲匹配體和外殼還覆蓋有 防水膜。而且，本發(fā)明的一種超聲波流量計包括測量流體流動通過的流量測量部；被彼此 相對地布置于該流量測量部的上游側(cè)和下游側(cè)上的一對超聲波發(fā)送器/接收器；用于測量超聲波在該對超聲波發(fā)送器/接收器之間的傳播時間的超聲波傳播時間測量電路；和用于 基于由超聲波傳播時間測量電路測量的超聲波傳播時間而計算每單位時間的測量流體的 流量的計算單元；其中提供了在權(quán)利要求8中所述的超聲波發(fā)送器/接收器。本發(fā)明的優(yōu)點根據(jù)本發(fā)明的聲匹配體、超聲波發(fā)送器/接收器和超聲波流量計，側(cè)壁部件被緊 密地附著到聲波發(fā)送/接收表面和多孔體的端面。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)這種優(yōu)點，即，陶瓷多孔 體的、由于高溫和潮濕環(huán)境、溫度變化等引起的吸濕能夠得到抑制，并且還能夠改進測量準 確度。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的超聲波流量計的截面視圖。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的超聲波流量計的截面視圖。圖3是圖2的A部分的放大照片。圖4是示出其中從圖2的A部分移除防水膜的狀態(tài)的放大視圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明示出在被混合到致密層中的第一流動性減小顆粒的固體含量 比率(體積固體含量的濃度)和致密層的表面變形量之間的關(guān)系的圖表。圖6是根據(jù)本發(fā)明示出在被混合到致密層中的第一流動性減小顆粒的平均顆粒 直徑和致密層的表面變形量之間的關(guān)系的圖表。引用數(shù)字和符號的說明10超聲波流量計11流量測量部12 通道15，16第一和第二超聲波發(fā)送器/接收器(一對超聲波發(fā)送器/接收器)17超聲波傳播時間測量電路18計算單元21 主體24聲匹配體25 外殼25A外殼的開口26防水膜27聲波發(fā)射表面28壓電體29 端子31端子板34匹配部件35多孔體35A多孔體的端面35B 表面36側(cè)壁部件
5
37致密層38熱硬化樹脂39第一流動性減小顆粒(流動性減小顆粒)42第二流動性減小顆粒(流動性減小顆粒)
具體實施例方式將在下文中參考附圖解釋根據(jù)本發(fā)明的實施例的一種聲匹配體、一種超聲波發(fā)送 器/接收器和一種超聲波流量計。如在圖1中所示，根據(jù)本實施例的超聲波流量計10包括配備有流體(測量流體 (例如，氣體))流動通過的通道12的流量測量部11、被彼此相對地布置于流量測量部11的 上游側(cè)和下游側(cè)上的第一和第二超聲波發(fā)送器/接收器(一對超聲波發(fā)送器/接收器)15、 16、被設(shè)于第一和第二超聲波發(fā)送器/接收器15、16之間的超聲波傳播時間測量電路17，和 用于基于由超聲波傳播時間測量電路17測量的超聲波傳播時間而計算每單位時間的流體 的流量的計算單元18。在由超聲波流量計10測量流動通過通道12的流體的流動速率V時，首先其頻率 被設(shè)定為接近第一超聲波發(fā)送器/接收器15的共振頻率的AC電壓被施加到壓電轉(zhuǎn)換器， 并且因此超聲波被從第一超聲波發(fā)送器/接收器15發(fā)射到流體中。所發(fā)射的超聲波由第 二超聲波發(fā)送器/接收器16接收并且被轉(zhuǎn)換成電壓。然后，其頻率被設(shè)定為接近第二超聲波發(fā)送器/接收器16的共振頻率的AC電壓 被施加到壓電轉(zhuǎn)換器，并且因此超聲波被從第二超聲波發(fā)送器/接收器16發(fā)射到流體中。 所發(fā)射的超聲波由第一超聲波發(fā)送器/接收器15接收并且被轉(zhuǎn)換成電壓。這里，假設(shè)流動通過通道12的流體的流動速率是V、超聲波在流體中的聲速是C， 并且超聲波脈沖的傳播方向與流體的流動方向的角度是θ。當作為從第一超聲波發(fā)送器/接收器15發(fā)射的超聲波脈沖到達第二超聲波發(fā)送
器/接收器16所需的時間的單程周期被設(shè)為tl并且單程頻率被設(shè)為f 1時，如下給出等式 ⑴。η = 1/tl = (C+Vcos θ )/L …(1)而且，當作為從第二超聲波發(fā)送器/接收器16發(fā)射的超聲波脈沖到達第一超聲波 發(fā)送器/接收器15所需的時間的單程周期被設(shè)為t2并且單程頻率被設(shè)為f2時，如下給出 等式⑵。F2 = l/t2 = (C-Vcos θ )/L …(2)據(jù)此，在兩個單程頻率之間的頻差A(yù)f由等式(3)給出。然后，能夠從超聲波的傳 播路徑的距離L和頻差Δ f推導(dǎo)流體的流動速率V，并且能夠從流動速率V推導(dǎo)流量。Af = fl-f2 = 2 (Vcos θ )/L ... (3)為了改進超聲波流量計10的準確度，被設(shè)于發(fā)送/接收超聲波的第一和第二超聲 波發(fā)送器/接收器15、16 (即，圖2所示的壓電體28)中的聲波發(fā)送/接收表面(在下文中 被稱作“聲波發(fā)射表面”)27的聲匹配體24的聲阻抗是重要的。這里，第一和第二超聲波發(fā)送器/接收器15、16被分別構(gòu)造成具有相同的結(jié)構(gòu)。因 此，在下文中解釋第一超聲波發(fā)送器/接收器15的結(jié)構(gòu)，但是將在下文中省略第二超聲波發(fā)送器/接收器16的解釋。如在圖2和圖3中所示，第一超聲波發(fā)送器/接收器15具有用于產(chǎn)生超聲波的主 體21、被設(shè)于主體21的聲波發(fā)射表面27以將由主體21產(chǎn)生的超聲波傳送到流體的聲匹配 體24，和用于覆蓋聲匹配體24和主體21的外殼25的防水膜26。主體21具有帶有底部的圓柱形外殼25、在外殼25中容納的壓電體28、經(jīng)由導(dǎo)電 橡膠而被連接到壓電體28的端子29，和用于關(guān)閉外殼25的開口 25A并且在端子29向外突 出的狀態(tài)中支撐該端子的端子板31。聲匹配體24被裝配到外殼25的聲波發(fā)射表面27。該聲匹配體24具有被緊密地附著到聲波發(fā)射表面27的匹配部件34，和被緊密地 附著到聲波發(fā)射表面27和多孔體35的端面35A的側(cè)壁部件36。根據(jù)第一超聲波發(fā)送器/接收器15，由壓電體28振動的超聲波以特定頻率振蕩， 并且然后該振蕩經(jīng)由外殼25而被傳遞到匹配部件34。被傳遞到匹配部件34的振蕩作為聲 波而傳播通過流體。在此情形中，匹配部件34的角色在于使壓電體28的振蕩有效地傳播通過流體。聲 阻抗由流體中的聲速C和密度P定義，如在下面由等式(4)給出。Z=PXC …(4)在壓電體和流體之間，聲阻抗在很大程度上是不同的。以此方式，聲波在聲阻抗不同的邊界表面上傳播期間引起反射，并且因此透射的 聲波的強度減弱。因此，通過在具有聲阻抗Zl的壓電體28和具有聲阻抗Z2的流體之間插入其聲阻 抗具有如下由等式(5)給出的關(guān)系的物質(zhì)，而減小聲波的反射并且增強聲波的透射強度的 方法是已知的。Z = (Z1XZ2) (1/2) . . . (5)如根據(jù)等式(4)理解地，需要具有小的密度和緩慢的聲速的固體作為滿足該聲阻 抗的物質(zhì)。因此，應(yīng)該通過向匹配部件34提供多孔體35而滿足此條件，即，應(yīng)該提供具有小 的密度和緩慢的聲速的固體。然后，為了向匹配部件34提供多孔體35，如下地構(gòu)造匹配部件34。S卩，匹配部件34配備有被緊密地附著到聲波發(fā)射表面27的多孔體35，和在多孔 體35的表面35B上堆疊的并且包括在圖4中所示的熱硬化樹脂38和第一流動性減小顆粒 (流動性減小顆粒)39的致密層37。多孔體35利用致密層37和側(cè)壁部件36而被密封。例如，如在圖4中所示，采用由陶瓷制成并且其骨架40包含間隙40A的多孔體(在 下文中被稱作“陶瓷多孔體35”)作為多孔體35。而且，在陶瓷多孔體35中，在骨架40和骨架40之間形成孔40B。如在圖2中所示，陶瓷多孔體35利用致密層37和側(cè)壁部件36而被密封。因此， 通過在聲波發(fā)射表面27和陶瓷多孔體35之間的邊界部分41和在陶瓷多孔體35和致密層 37之間的邊界部分42的吸濕能夠得以防止。如在圖4中所示，致密層37包括熱硬化樹脂38和第一流動性減小顆粒39，并且致密層37的表面37A被平坦地形成。因為致密層37的表面37A被平坦地形成，所以聲波的直線性能夠得以保證并且測 量準確度能夠得以增強。利用轉(zhuǎn)印方法形成該致密層37。作為轉(zhuǎn)印方法，例如通過利用絲網(wǎng)印刷、金屬掩模印刷等在其它材料(在其上涂 覆脫模劑的PET膜)上印刷環(huán)氧樹脂，然后在其上布置陶瓷多孔體35，并且然后將樹脂轉(zhuǎn)印 到陶瓷多孔體35的表面35B上的方法形成致密層37。在圖4所示致密層37的熱硬化樹脂38中，例如采用環(huán)氧基樹脂作為粘合劑。而且，添加致密層37的第一流動性減小顆粒39以增加致密層37的粘度。固體含 量比率(體積固體含量的濃度)被設(shè)為30到50%。而且，第一流動性減小顆粒39的平均顆粒直徑是0. 05 μ m到5 μ m。將在下面解釋第一流動性減小顆粒39的固體含量比率(體積固體含量的濃度) 被設(shè)為30到50%并且平均顆粒直徑被確定為0. 05 μ m到5 μ m的原因。首先，將參考圖5的圖表和下面的表格1解釋第一流動性減小顆粒39的固體含量 比率(體積固體含量的濃度)被確定為30到50%的原因。在此情形中，圖5的圖表和表格1所示數(shù)據(jù)對應(yīng)于在具有高溫和潮濕測試條件 70°C的環(huán)境中經(jīng)過240小時之后獲得的數(shù)據(jù)。由以下等式(1)推導(dǎo)出第一流動性減小顆粒39的固體含量比率。固體含量比率=[Vp/(Vb+Vp)]XlOO其中Vb 粘合劑(基于環(huán)氧的樹脂)38的體積，并且Vp 第一流動性減小顆粒39的體積。[表格1]
權(quán)利要求
一種被裝配到超聲波發(fā)送器/接收器中的主體的聲匹配體，包括匹配部件，所述匹配部件配備有多孔體和致密層，所述多孔體被緊密地附著到所述主體的聲波發(fā)射表面，所述致密層堆疊在所述多孔體的表面上并且包括熱硬化樹脂和第一流動性減小顆粒；和被緊密地附著到所述聲波發(fā)射表面和所述多孔體的端面的側(cè)壁部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的聲匹配體，其中所述多孔體被所述致密層和所述側(cè)壁部件密封。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的聲匹配體，其中流動性減小顆粒被混合到所述側(cè)壁部件中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的聲匹配體，其中所述流動性減小顆粒是無機填料。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的聲匹配體，其中所述流動性減小顆粒的平均顆粒直徑被設(shè)為0.01 至Ij 0. 1 μ HIo
6.根據(jù)權(quán)利要求3的聲匹配體，其中以1到5wt%混合所述流動性減小顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項的聲匹配體，其中通過使得所述多孔體緊密地附著 到所述主體中的所述聲波發(fā)射表面，并且然后向所述多孔體的所述端面供應(yīng)用作所述側(cè)壁 部件的粘性物質(zhì)，同時在軸上一體地轉(zhuǎn)動所述主體和所述多孔體，來形成所述側(cè)壁部件。
8.一種超聲波發(fā)送器/接收器，包括 帶有底部的圓柱形外殼；在所述外殼中容納的壓電體；經(jīng)由導(dǎo)電橡膠連接到所述壓電體的端子；和用于關(guān)閉所述外殼的開口并且在所述端子向外側(cè)突出的狀態(tài)中支撐所述端子的端子板；其中在權(quán)利要求1到7中的任何一項中所述的所述聲匹配體被裝配到所述外殼的所述 聲波發(fā)射表面，并且所述聲匹配體和所述外殼還覆蓋有防水膜。
9.一種超聲波流量計，包括 測量流體流動通過的流量測量部；被彼此相對地布置于所述流量測量部的上游側(cè)和下游側(cè)上的一對超聲波發(fā)送器/接 收器；用于測量超聲波在所述一對超聲波發(fā)送器/接收器之間的傳播時間的超聲波傳播時 間測量電路；和用于基于由所述超聲波傳播時間測量電路測量的超聲波傳播時間來計算所述測量流 體的每單位時間的流量的計算單元；其中提供了在權(quán)利要求8中所述的所述超聲波發(fā)送器/接收器。
全文摘要
提供了能夠以更高準確度測量流體的流量的一種聲匹配體、一種超聲波發(fā)送器/接收器和一種超聲波流量計。聲匹配體(24)被裝配到一對超聲波發(fā)送器/接收器(15，16)中的主體(21)。聲匹配體(24)包括匹配部件(34)，匹配部件(34)配備有緊密地附著到主體(21)的聲波發(fā)射表面(27)的多孔體(35)，和在多孔體(35)的表面(35B)上堆疊并且包括熱硬化樹脂(38)和第一流動性減小顆粒(39)的致密層(37)；和緊密地附著到聲波發(fā)射表面(27)和多孔體(35)的端面(35)的側(cè)壁部件(36)。
文檔編號G01F1/66GK101960869SQ20098010805
公開日2011年1月26日 申請日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月7日
發(fā)明者中野慎, 伊藤雅彥, 重岡武彥 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社