本發(fā)明涉及具備超聲波振子的超聲波流量計(jì)。

背景技術(shù)：

圖1為作為以往的發(fā)送部和接收部使用呈環(huán)狀的超聲波振子1a及1b，在管體2中隔開規(guī)定的間隔的超聲波流量計(jì)的示意圖。超聲波流量計(jì)使用呈環(huán)狀且針對(duì)發(fā)送和接收各一個(gè)的總計(jì)兩個(gè)超聲波振子。上述結(jié)構(gòu)由于超聲波信號(hào)水平弱而難以進(jìn)行測(cè)量。若在流體流經(jīng)的管體內(nèi)直接安裝超聲波振子，則因超聲波信號(hào)長(zhǎng)而引起余音，會(huì)對(duì)下一個(gè)收發(fā)信的超聲波信號(hào)產(chǎn)生影響，因而無法進(jìn)行穩(wěn)定的測(cè)量。

如上所述的超聲波流量計(jì)必須按照管體的直徑來制造用于發(fā)送和接收的超聲波振子。另外，安裝超聲波振子時(shí)需要切斷管體。通常，大多數(shù)的超聲波流量計(jì)具有設(shè)置于管道與管道之間的結(jié)構(gòu)，當(dāng)事后在既有的管道上設(shè)置超聲波流量計(jì)時(shí)，為了設(shè)置超聲波流量計(jì)而需要切斷管道等的工作，因此難以事后在既有的管道上設(shè)置超聲波流量計(jì)。

作為無需切斷管道即可進(jìn)行設(shè)置的方法，已有設(shè)置將環(huán)狀超聲波振子一分為二的半環(huán)形超聲波振子的方法，但是由于半環(huán)形超聲波振子的材料要用到陶瓷，因此難以精密地制造為緊貼于管體，而且成本高，是不現(xiàn)實(shí)的。

(現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn))

(專利文獻(xiàn))

專利文獻(xiàn)1：日本特開平10-122923號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本特開2007-298275號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(發(fā)明所要解決的問題)

鑒于如上所述的問題，本發(fā)明的目的在于提供能夠?qū)崿F(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的振幅增大且能夠提高接收靈敏度的超聲波流量計(jì)。

(用于解決問題的措施)

本發(fā)明的超聲波流量計(jì)的特征在于，具備超聲波振子，上述超聲波振子在流體所流經(jīng)的管體的外側(cè)，在發(fā)送側(cè)與接收側(cè)隔開距離分別設(shè)置有兩個(gè)或更多，其中，以實(shí)質(zhì)上相同的壓力按壓管體，驅(qū)動(dòng)設(shè)置于發(fā)送側(cè)的兩個(gè)以上的超聲波振子，來使超聲波的振幅增大。

本發(fā)明的超聲波流量計(jì)特征在于，以波長(zhǎng)為管體的直徑或更長(zhǎng)的頻率來驅(qū)動(dòng)超聲波振子，來激勵(lì)導(dǎo)波。

本發(fā)明的超聲波流量計(jì)特征在于，在管體與超聲波振子之間具備用于轉(zhuǎn)換成適合于測(cè)量的超聲波信號(hào)的匹配部件，并且匹配部件在與管體的接觸面上設(shè)置有曲面或槽。

本發(fā)明的超聲波流量計(jì)特征在于，以同相的方式驅(qū)動(dòng)軸對(duì)稱地設(shè)置于管體上的上述超聲波振子。

本發(fā)明的超聲波流量計(jì)特征在于，超聲波振子為從圓筒狀、方柱狀、柱狀、板狀及平板狀中選擇的一種。

本發(fā)明的超聲波流量計(jì)特征在于，具備外表面形狀呈曲線或錐形的收納體。

本發(fā)明的超聲波流量計(jì)特征在于，收納體可拆裝地設(shè)置于管體，使超聲波振子保持規(guī)定的距離。

本發(fā)明的超聲波流量計(jì)特征在于，收納體具備用于觀察流經(jīng)管體的流體的開口。

(發(fā)明效果)

根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波振子激勵(lì)的信號(hào)的放大及接收靈敏度的提高，獲得適于測(cè)量的超聲波信號(hào)。

附圖說明

圖1為示出作為以往的收發(fā)部設(shè)置有環(huán)狀的超聲波振子的超聲波流量計(jì)的示意圖。

圖2為示出本發(fā)明的超聲波流量計(jì)的示意圖。

圖3為示出導(dǎo)波的振動(dòng)的概念圖。

圖4為示出設(shè)置于管體的超聲波振子的配置的示意圖。

圖5為示出本發(fā)明的超聲波流量計(jì)的示意圖。

圖6為示出本發(fā)明的另一個(gè)超聲波流量計(jì)的示意圖。

圖7為本發(fā)明的匹配部件14的示意圖。

圖8為示出用于收納超聲波流量計(jì)的收納體的示意圖。

圖9為示出用于收納超聲波流量計(jì)的收納體的示意圖。

圖10為示出測(cè)量超聲波信號(hào)的波形而得的數(shù)據(jù)的圖。

圖11為示出測(cè)量超聲波信號(hào)的波形而得的數(shù)據(jù)的圖。

圖12為示出測(cè)量超聲波信號(hào)的波形而得的數(shù)據(jù)的圖。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的超聲波流量計(jì)進(jìn)行説明。此外，本發(fā)明的超聲波流量計(jì)不局限于如下所述的實(shí)施方式及實(shí)施例所記載的內(nèi)容來解釋。此外，在本發(fā)明的實(shí)施方式及后述的實(shí)施例所參照的附圖中，對(duì)于相同的部分或具有同樣的功能的部分賦予相同的附圖標(biāo)記，并省略對(duì)此的重復(fù)說明。

通常所使用的超聲波流量計(jì)為利用超聲波接收部檢測(cè)從超聲波發(fā)送部發(fā)送的超聲波的體波(縱波或橫波)的裝置。另一方面，本發(fā)明的超聲波流量計(jì)與通常所使用的超聲波流量計(jì)的不同點(diǎn)在于：本發(fā)明的超聲波流量計(jì)利用超聲波發(fā)送部來激勵(lì)導(dǎo)波，并利用超聲波接收部接收管體內(nèi)部所傳播的流體的導(dǎo)波，來測(cè)量管體內(nèi)部的流體的流速。

在本發(fā)明的說明書中“導(dǎo)波”是指在管體、板、棒及鐵軌等的由與超聲波波長(zhǎng)相比間隔更小的邊界面所包圍的介質(zhì)中，在長(zhǎng)度方向上傳播時(shí)的超聲波傳播形態(tài)的總稱。導(dǎo)波與體波的不同點(diǎn)在于：導(dǎo)波在介質(zhì)的邊界上經(jīng)模式轉(zhuǎn)換了的縱波和橫波不分離，利用波長(zhǎng)為管體的直徑或更長(zhǎng)的頻率來驅(qū)動(dòng)超聲波振子而激勵(lì)。另外，導(dǎo)波可在管體內(nèi)部不為空洞、即管體被流體填滿的狀態(tài)下來觀測(cè)。

本發(fā)明的發(fā)明人在專利文獻(xiàn)2中公開了使用導(dǎo)波的超聲波流量計(jì)。專利文獻(xiàn)2中的超聲波流量計(jì)在流體流經(jīng)的管體的外周面上相隔距離L設(shè)置兩個(gè)超聲波振子，將兩個(gè)超聲波振子中的一個(gè)作為發(fā)送側(cè)，另一個(gè)作為接收側(cè)來交替地操作，通過超聲波振子的驅(qū)動(dòng)將管體和內(nèi)部流體作為一個(gè)介質(zhì)而激勵(lì)的導(dǎo)波在隔開間隔L的超聲波發(fā)送部與接收部之間，從上游向下游的傳播的傳播時(shí)間與從下游向上游傳播的傳播時(shí)間之間的傳播時(shí)間之差來求得流體的流速。

更具體地，在專利文獻(xiàn)2中的超聲波流量計(jì)中，在流體流經(jīng)的管體的外部面上相隔距離L設(shè)置兩個(gè)超聲波振子，將兩個(gè)超聲波振子中的一個(gè)作為發(fā)送部，另一個(gè)作為接收部來交互操作，并具備控制分析裝置，通過利用波長(zhǎng)為管體的直徑或更長(zhǎng)的頻率來驅(qū)動(dòng)超聲波振子而將管體和內(nèi)部流體作為一個(gè)介質(zhì)所激勵(lì)的導(dǎo)波在隔開間隔L的超聲波發(fā)送部與接收部之間，從上游傳播到下游的傳播時(shí)間T₁與從下游傳播到上游的傳播時(shí)間T₂之間的傳播時(shí)間差來求得流體的流速。該超聲波流量計(jì)中，超聲波振子呈可安裝在管體外表面的圓周方向的一部分的形狀。

流體的流速、導(dǎo)波的相速度和群速度之間存在線性關(guān)系。

V(v)＝V(0)+αv

vg(v)＝vg(0)+βv

其中，α為表示管體內(nèi)部的流體的流速對(duì)導(dǎo)波的相速度產(chǎn)生的影響的系數(shù)，β為表示管體內(nèi)部的流體的流速對(duì)導(dǎo)波的群速度產(chǎn)生的影響的系數(shù)。

導(dǎo)波在隔開間隔L的超聲波發(fā)送部與接收部之間從上游傳播到下游的傳播時(shí)間如下式所示。

T₁＝L/(vg(0)+βv)

另外，同樣地，導(dǎo)波在隔開間隔L的超聲波發(fā)送部與接收部之間從下游傳播到上游的傳播時(shí)間如下式所示。

T₂＝L/(vg(0)－βv)

因此，在專利文獻(xiàn)2中的超聲波流量計(jì)中，按照如下的公式來求得導(dǎo)波的傳播時(shí)間差。

ΔT＝T₂－T₁＝2Lβv/vg²(0)×(1+β²v²/vg²(0)+····)≒2Lβv/(vg²(0))＝v/γ

其中，L：兩個(gè)超聲波振子的設(shè)置距離；v：流體的流速；vg：導(dǎo)波的群速度；β：表示管體內(nèi)部的流體的流速對(duì)導(dǎo)波的群速度產(chǎn)生的影響的系數(shù)；γ＝vg²(0)/2Lβ。

本發(fā)明的發(fā)明人為了針對(duì)專利文獻(xiàn)2中的超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)更高精度的流量測(cè)量，對(duì)激勵(lì)信號(hào)的振幅增大和接收靈敏度的提高進(jìn)行了研究。本發(fā)明的發(fā)明人通過在發(fā)送側(cè)配置兩個(gè)或更多的超聲波振子來實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的振幅增大和接收靈敏度的提高，并且本發(fā)明的發(fā)明人出乎意料地發(fā)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超出兩倍的激勵(lì)信號(hào)的振幅增大和接收靈敏度的提高的事實(shí)，并完成了本發(fā)明。

圖2為示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的超聲波流量計(jì)100的示意圖。超聲波流量計(jì)100在具有測(cè)量流體所流經(jīng)的路徑的管體10的外側(cè)，以在沿著在長(zhǎng)度方向上延伸的方向隔開距離L的方式，在發(fā)送側(cè)及接收側(cè)分別設(shè)置有兩個(gè)或更多超聲波振子12a～12d。此外，作為一例，在圖2中示出在發(fā)送側(cè)及接收側(cè)各設(shè)置兩個(gè)超聲波振子的超聲波流量計(jì)。在圖2中，雖然在管體10的外側(cè)軸對(duì)稱(相向)地設(shè)置有兩個(gè)超聲波振子12a及12b(或12c及12d)，但是本發(fā)明不限于此，還可以在能夠獲得本說明書中的信號(hào)的放大效果及接收靈敏度的提高效果的范圍內(nèi)，非對(duì)稱地配置在管體10的外側(cè)。另外，可以在能夠接收導(dǎo)波的范圍內(nèi)任意設(shè)定距離L。

超聲波流量計(jì)100以同相的方式驅(qū)動(dòng)設(shè)置于發(fā)送側(cè)的兩個(gè)或更多的超聲波振子12a及12b(或12c及12d)，從而以實(shí)質(zhì)上相同的壓力按壓管體10。在此，以同相的方式驅(qū)動(dòng)超聲波振子12a及12b(或12c及12d)是指使設(shè)置于發(fā)送側(cè)的兩個(gè)或更多的超聲波振子12a及12b(或12c及12d)以相同的定時(shí)操作。在本發(fā)明中，通過以同相方式驅(qū)動(dòng)發(fā)送側(cè)的超聲波振子12a及12b(或12c及12d)，而以實(shí)質(zhì)上相同的壓力按壓管體10，由此，能夠獲得簡(jiǎn)單地配置兩個(gè)或更多超聲波振子所無法獲得的優(yōu)秀的放大效果。

這樣的超聲波流量計(jì)100能夠在導(dǎo)波中、尤其在管體10上僅激勵(lì)軸振動(dòng)模式的振動(dòng)，使超聲波的振幅增大。在軸振動(dòng)模式中，L(0，4)孤立于其他的模式的群速度，是適合于測(cè)量的模式，可優(yōu)選地用于本發(fā)明的超聲波流量計(jì)100中。對(duì)于軸振動(dòng)模式，詳見后述。

本發(fā)明的超聲波振子12a～12d優(yōu)選呈圓筒狀，但是只要具備與管體10接觸并產(chǎn)生導(dǎo)波的面，則也可以呈方柱狀、柱狀，甚至可以呈板狀、平板狀。但是，在方柱等的具有角的形狀的情況下，超聲波振子容易產(chǎn)生缺口，并且難以產(chǎn)生超聲波。另一方面，通過使用圓柱形的超聲波振子，不易出現(xiàn)缺口，能夠抑制制造成本，并易于產(chǎn)生超聲波，因此能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波振子的特性的穩(wěn)定化。在此，優(yōu)選由在發(fā)送側(cè)及接收側(cè)分別設(shè)置的兩個(gè)或更多超聲波振子形成的一組超聲波振子具有相同的大小和形狀。但是，本發(fā)明不限于此，只要能夠以同相方式驅(qū)動(dòng)并且以實(shí)質(zhì)上相同的壓力按壓管體10，則大小或形狀并非一定要相同。

另外，本發(fā)明的特征在于，在發(fā)送側(cè)設(shè)置兩個(gè)或更多超聲波振子，但是，如上所述，為了交替測(cè)量在超聲波發(fā)送部與接收部之間的從上游傳播到下游的傳播時(shí)間與從下游傳播到上游的傳播時(shí)間，設(shè)置在發(fā)送側(cè)及接收側(cè)的超聲波振子的數(shù)量相同。另一方面，流體的流速與從上游傳播到下游的導(dǎo)波的傳播時(shí)間之間具有正相關(guān)關(guān)系，并且流體的流速與從下游傳播到上游傳播的導(dǎo)波的傳播時(shí)間之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，在本發(fā)明中，也可以僅在管體10的上游側(cè)和下游側(cè)中的任一側(cè)設(shè)置兩個(gè)或更多超聲波振子來作為發(fā)送側(cè)。

現(xiàn)在對(duì)軸振動(dòng)模式進(jìn)行詳細(xì)的說明。在以往的環(huán)狀超聲波振子的配置中，超聲波振子的振動(dòng)(或變形)方向相對(duì)于管體10的長(zhǎng)度方向平行。另一方面，在具有如上所述的形狀的本發(fā)明的超聲波振子12a～12d的配置中，超聲波振子的振動(dòng)(或變形)方向相對(duì)于管體10的方向垂直。在本發(fā)明的超聲波流量計(jì)100中，為了激勵(lì)導(dǎo)波，以波長(zhǎng)為管體10的直徑或更長(zhǎng)的頻率，以相對(duì)于管體10垂直振動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)超聲波振子12a及12b(或12c及12d)。

圖為3為示出導(dǎo)波的振動(dòng)的概念圖。導(dǎo)波的振動(dòng)方式根據(jù)圓周方向的對(duì)稱性而分類。圖3的(a)部分的L(0，m)模式以軸對(duì)稱的方式振動(dòng)。圖3的(b)部分的F(1，m)模式因具有360度的對(duì)稱性，因此激勵(lì)効率高。圖3的(c)部分的F(2，m)模式雖然具有180度的對(duì)稱性，但是激勵(lì)効率非常小。在此，L(0，m)模式為軸對(duì)稱，因此若以軸對(duì)稱的方式振動(dòng)，則軸振動(dòng)模式的導(dǎo)波的振幅變大，因此是優(yōu)選的。另外，可以通過對(duì)多個(gè)接收部的信號(hào)進(jìn)行積分，僅放大L(0，m)模式的振幅。由此，可以實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的振幅增大和接收靈敏度的提高，進(jìn)而也可以選擇激勵(lì)波的模式。

導(dǎo)波具有速度分散性(頻率依賴性)，因此通過選擇激勵(lì)導(dǎo)波的頻帶，能夠從其他模式的群速度孤立L(0，4)，從而能夠提高接收靈敏度，是適合于測(cè)量的模式。在本發(fā)明的超聲波流量計(jì)100中，通過以實(shí)質(zhì)上相同的壓力按壓管體10的方式驅(qū)動(dòng)設(shè)置于發(fā)送側(cè)的兩個(gè)或更多超聲波振子12a及12b(或12c及12d)，L(0，4)模式的導(dǎo)波能夠獲得簡(jiǎn)單地設(shè)置兩個(gè)或更多超聲波振子所無法獲得的優(yōu)秀的放大效果。由此，接收型的超聲波振子12所接收的導(dǎo)波的S/N比(通過驅(qū)動(dòng)發(fā)送側(cè)的超聲波振子12a及12b(或12c及12d)來激勵(lì)導(dǎo)波的前后所接收的信號(hào)的強(qiáng)度比)變得非常大，能夠提高接收靈敏度。另一方面，由于F(2，m)模式下接收的導(dǎo)波的S/N比小，因此不適于本發(fā)明的超聲波流量計(jì)100。

(匹配部件)

如圖5所示，在一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明的超聲波流量計(jì)100在管體10與超聲波振子12a～12d之間設(shè)置有用于轉(zhuǎn)換成適于超聲波信號(hào)的測(cè)量的超聲波信號(hào)的匹配部件14。匹配部件14為了在高效地向管體10傳遞由超聲波振子12a及12b(或12c及12d)的驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的超聲波的同時(shí)，防止管體10的變形，優(yōu)選在與管體10的接觸面上具備曲面。另外，只要能夠確保與管體10的緊貼性，則匹配部件14的與管體10的接觸面不局限于曲面。

在流體所流經(jīng)的管體10與超聲波振子12a～12d之間設(shè)置匹配部件14，并利用匹配部件14夾住管體10而將從超聲波振子12a及12b(或12c及12d)所激勵(lì)的超聲波信號(hào)高效地傳遞給管體10，并且可以使超聲波信號(hào)衰減來縮短超聲波信號(hào)，而能夠穩(wěn)定地進(jìn)行測(cè)量。為了使超聲波信號(hào)連續(xù)起振，利用匹配部件14使發(fā)送的超聲波信號(hào)快速地衰減，由此防止余振與下一次起振的超聲波信號(hào)疊加。在本發(fā)明中，匹配部件14將從超聲波振子12a及12b(或12c及12d)發(fā)送的超聲波信號(hào)高效地傳遞給管體10，由此余振很難殘留，從而能夠使來自發(fā)送側(cè)的超聲波振子12a及12b(或12c及12d)的超聲波信號(hào)快速地衰減。因此，在本發(fā)明的超聲波流量計(jì)100中，接收側(cè)的超聲波振子12c及12d(或12a及12b)所接收的導(dǎo)波的S/N比率非常大，因此能夠提高接收靈敏度。

通常，管體10的硬度小于超聲波振子12的硬度，因此，在本發(fā)明的匹配部件14中優(yōu)選使用硬度高于管體10且低于超聲波振子12的部件。匹配部件14可以使用例如碳纖維增強(qiáng)聚合物(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)、硅片、鋁、硬橡膠(ebonite)、鎂、聚苯硫醚樹脂(Polyphenylene Sulfide，PPS)等，但是不限于此。尤其是碳纖維增強(qiáng)聚合物能夠高效地將從超聲波振子12激勵(lì)的超聲波信號(hào)傳遞給管體10，因此優(yōu)選用于本發(fā)明的匹配部件14。在將碳纖維增強(qiáng)聚合物用作本發(fā)明的匹配部件14的情況下，優(yōu)選使用碳纖維相對(duì)于與超聲波振子12接觸的面垂直地層疊的部件。通過使匹配部件14中所包含的碳纖維具有如上所述的取向性，不僅能夠?qū)某暡ㄕ褡?2發(fā)送的超聲波信號(hào)高效地傳遞給管體10，而且能夠使來自發(fā)送側(cè)的超聲波振子12的超聲波信號(hào)迅速衰減。

另外，從與管體10之間的緊貼性的角度來看，作為匹配部件14還可以使用諸如油膏(grease)或凝膠片等無定形的部件。油膏或凝膠片可以與具有如上所述的規(guī)定形狀的部件組合，而配置在匹配部件14的與管體10接觸的面上。

可以使在流體所流經(jīng)的管體10與超聲波振子之間的匹配部件的形狀接近于管體外周的R形狀，并設(shè)置槽來按壓從而防止管體的變形，但是本發(fā)明不限于此。

圖4為示出從管體10的截面方向上觀察設(shè)置在管體10上的收發(fā)用超聲波振子12a及12b的配置的示意圖。此外，圖4示出了圖2的AA'截面。超聲波振子12a及12b軸對(duì)稱地安裝在管體10的周圍，并以相同的相位(同相)來激勵(lì)并接收。在圖4中，在圖4的(a)部分中，在管體10的周圍沿垂直方向安裝有一對(duì)軸對(duì)稱的超聲波振子12a及12b。在圖4的(b)部分中，在管體10的周圍沿著垂直方向及水平方向安裝有一對(duì)軸對(duì)稱的四個(gè)超聲波振子12a、12b、12e及12f。在圖4中的(c)部分中，在管體10的周圍間隔120度的角度安裝有一對(duì)軸對(duì)稱的三個(gè)超聲波振子12a、12b及12e。另外，在圖4的(d)部分中，如上所述，在本發(fā)明的超聲波流量計(jì)100中，在能夠獲得本發(fā)明的信號(hào)的放大效果及接收靈敏度的提高效果的范圍內(nèi)，也可以將兩個(gè)或更多超聲波振子12a及12b以非對(duì)稱的方式設(shè)置在管體10的周圍。另外，像這樣的非對(duì)稱的超聲波振子的配置，也可用于配置三個(gè)以上超聲波振子的情況。

在本發(fā)明的超聲波流量計(jì)100中，在發(fā)送側(cè)及接收側(cè)分別使用兩個(gè)為一組的共計(jì)四個(gè)超聲波振子12a～12d，以垂直于管體10的中心軸的方式安裝，通過垂直地激勵(lì)超聲波信號(hào)來實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的增大，而成為能夠進(jìn)行測(cè)量的水平。另外，在以三個(gè)或更多為一組、共計(jì)6個(gè)或更多超聲波振子的情況下，也能夠獲得相同的效果。本發(fā)明的超聲波流量計(jì)100與以往的V型反射式(鉗形)的超聲波流量計(jì)不同，因此在發(fā)送側(cè)設(shè)置兩個(gè)以上的超聲波振子，由此能夠利用導(dǎo)波放大的效果而獲得接收靈敏度提高的效果。

在本發(fā)明的超聲波流量計(jì)100中，通過使向設(shè)置于發(fā)送側(cè)的兩個(gè)或更多超聲波振子12a及12b(或12c及12d)施加的電壓為同相(使驅(qū)動(dòng)超聲波振子12的定時(shí)以及振動(dòng)的大小相同)，來對(duì)管體10激勵(lì)軸振動(dòng)模式、尤其僅激勵(lì)L(0，4)模式的振動(dòng)，使超聲波的振動(dòng)增大，由此使S/N比增大，使接收靈敏度放大。

另外，在本發(fā)明的超聲波流量計(jì)100中，與以往的V型反射式的超聲波流量計(jì)不同，因此超聲波振子12a～12d在接收側(cè)與在發(fā)送側(cè)的安裝方向可以不平行，而是設(shè)置為向不同的方向帶有角度。由此，能夠降低從后述的收納體中傳播而來的超聲波信號(hào)(駐波)的影響。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明的超聲波流量計(jì)100設(shè)置有用于可拆裝地收納管體10的收納體。收納體例如是如圖8所示的設(shè)置有用于觀察管體10中流動(dòng)的流體的開口22的收納體20，收納體20的外部面形狀優(yōu)選為曲線或錐形，來減少傳播到收納體20的駐波。這是因?yàn)?，如果存在跨收納體20整體的平行部或直線部，則收納體20會(huì)共振，會(huì)對(duì)超聲波振子12接收的超聲波信號(hào)產(chǎn)生影響。

另外，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，收納管體10的收納體20具有可拆裝的結(jié)構(gòu)，因此優(yōu)選使收納體20為分割為兩部分的結(jié)構(gòu)，借助于連接部件24而以可開閉的方式形成。以往的超聲波流量計(jì)一旦設(shè)置在管體上，則不切斷管體就無法更換超聲波振子12。本發(fā)明的超聲波流量計(jì)100通過將超聲波振子設(shè)置于可拆裝的收納體20中，由此易于安裝至管體10，可以事后變更用于測(cè)量流量的管體10的位置。另外，優(yōu)選通過在收納體20上設(shè)置超聲波振子，使發(fā)送側(cè)與接收側(cè)的超聲波振子的距離恒定，而能夠容易地進(jìn)行拆裝。在測(cè)量流量時(shí)，發(fā)送側(cè)與接收側(cè)的超聲波振子12a、超聲波振子12c(或12b與12d)之間的距離L為重要的參數(shù)，但是通過使用本發(fā)明的收納體20，可簡(jiǎn)單地設(shè)置超聲波振子12a和12c(或12b和12d)。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，優(yōu)選在收納體20的中央部設(shè)置用于觀察管道內(nèi)的流動(dòng)、泡沫及異物的開口22。因?yàn)檫@些可能成為影響流體的因素。另外，優(yōu)選這樣的結(jié)構(gòu)：在收納體20的內(nèi)側(cè)設(shè)置用于防止與管體10之間的干涉的充分的避讓空間，使從外部至管體10之間隔開距離而從外部不容易接觸。這是為了使來自收納體20的外部的振動(dòng)等不會(huì)對(duì)管體10造成影響。

<實(shí)施例>

圖5為示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的超聲波流量計(jì)200的示意圖。

在圖5中，在超聲波流量計(jì)200中，在流體所流經(jīng)的管體10的外周面上，兩個(gè)超聲波振子12a和12c(或12b和12d)隔開距離L分別朝著相同的方向平行地設(shè)置于發(fā)送側(cè)與接收側(cè)。超聲波振子具有一對(duì)的圓柱形狀，并且相對(duì)于管體10軸對(duì)稱地設(shè)置于垂直方向，由此軸對(duì)稱地進(jìn)行振動(dòng)。各兩個(gè)地設(shè)置的超聲波振子12a和12b(或12c和12d)中的一方用作發(fā)送側(cè)，另一方用作接收側(cè)，使各兩個(gè)地設(shè)置的超聲波振子12a和12b(或12c和12d)交替操作。根據(jù)利用超聲波振子12的驅(qū)動(dòng)并以管體10和內(nèi)部流體作為一個(gè)介質(zhì)而激勵(lì)的導(dǎo)波在隔開間隔L的超聲波收發(fā)部之間，從上游傳播到下游的傳播時(shí)間與從下游傳播到上游的傳播時(shí)間之間的傳播時(shí)間差，來求得流體的流速。

在超聲波流量計(jì)200中，超聲波振子12a及12b(或12c及12d)可設(shè)置為以實(shí)質(zhì)上相同的壓力按壓管體10，并且可同相地在L(0，m)模式下驅(qū)動(dòng)軸對(duì)稱地設(shè)置的超聲波振子，而使管體10軸對(duì)稱地振動(dòng)。由此，可在管體10中僅激勵(lì)軸振動(dòng)模式的振動(dòng)，能夠沿著流體的流動(dòng)方向只傳遞軸振動(dòng)模式的振動(dòng)。在管體10的外周上軸對(duì)稱地設(shè)置的超聲波振子12a和12b(或12c和12d)以同相方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。此外，本實(shí)施例不排除以相反相位驅(qū)動(dòng)在管體10的外周上軸對(duì)稱地設(shè)置的超聲波振子12a和12b(或12c和12d)，以大振幅激勵(lì)F(1，m)模式的導(dǎo)波，來進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)構(gòu)。

圖6為超聲波流量計(jì)300的示意圖，其中，超聲波振子12a及12b(或12c及12d)在接收側(cè)與在發(fā)送側(cè)的安裝方向不是平行的，而是具有不同角度。在超聲波流量計(jì)300中，在將超聲波振子12設(shè)置于收納體的情況下，可降低從收納體傳播來的超聲波信號(hào)(駐波)的影響。這是由于駐波在收納體中平行地傳播的緣故，因此可以防止駐波的影響。

在圖5及圖6中，在管體10與超聲波振子12a～12d之間設(shè)置有用于轉(zhuǎn)換成適于測(cè)量的超聲波信號(hào)的匹配部件14。為了防止管體10的變形，匹配部件14的與管體之間的接觸面形成為曲面，而與管體10充分地接觸。為了與管體10充分地接觸，可使與管體10之間的接觸面為曲面，進(jìn)而涂敷油膏等、或配置凝膠片，來提高緊貼性。

可針對(duì)上部側(cè)的超聲波振子12a及12c與下部側(cè)的超聲波振子12b及12d獨(dú)立地設(shè)置匹配部件14。圖7為本發(fā)明的實(shí)施例的匹配部件14的示意圖。在實(shí)施例中，匹配部件14由CFRP集合體來形成，上述CFRP集合體通過將碳纖維沿著一個(gè)方向排列在環(huán)氧樹脂中而得到的CFRP材料片16疊加而成。匹配部件14形成為。CFRP集合體的碳纖維的方向垂直于管體10的方向。匹配部件14形成為，夾入管體10的下端因要夾入管體10而呈彎曲形狀，或以設(shè)置有槽。

圖8為用于可拆裝地收納管體10的收納體20的示意圖。圖9為示出打開收納體20后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖。本實(shí)施例的收納體20具備用于觀察流經(jīng)管體10的流體的開口22。收納體20的外部面形狀呈曲線或錐形，由此減弱傳播到收納體的駐波。收納體20具有用于可拆裝管體10的鉸鏈24。收納體20具備用于收納超聲波振子的收納部26。另外，在收納體20的內(nèi)側(cè)具有使管體10僅與匹配部件14接觸而不與收納體20接觸的非接觸部28。通過具有這種結(jié)構(gòu)，能夠降低來自收納體20的外部的振動(dòng)對(duì)管體10的影響。

圖10示出了作為超聲波振子12a～12d使用壓電陶瓷換能器(piezoelectric ceramic transducer，PZT)，在發(fā)送側(cè)與接收側(cè)分別使用一個(gè)PZT的比較例(圖10中的(a)部分)，以及在如本發(fā)明的超聲波流量計(jì)100那樣在發(fā)送側(cè)與接收側(cè)分別使用一對(duì)PZT的實(shí)施例1(圖10中的(b)部分)中，測(cè)量了超聲波信號(hào)的波形而得的數(shù)據(jù)。

測(cè)量條件如下。

管體的材質(zhì)：四氟乙烯與全氟丙基乙烯基醚共聚物(PFA)，尺寸1/8英寸(3.17×1.59)

傳感器的安裝間隔：60mm

驅(qū)動(dòng)脈沖：338kHz，5發(fā)

匹配部件：在PZT與管體之間涂敷油膏

水溫：常溫

環(huán)境溫度：25℃

觀察了第一級(jí)的放大器的輸出。增益值固定在40。

分別針對(duì)(圖10中的(a)部分：一個(gè)PZT)及(圖10中的(b)部分：一對(duì)(兩個(gè))PZT)示出測(cè)量結(jié)果的超聲波波形。

與1個(gè)PZT相比，能夠獲得更強(qiáng)的超聲波信號(hào)。

一個(gè)：Vpp＝120mV，一對(duì)(兩個(gè))：Vpp＝792mV。

在圖10中的(a)部分及圖10中的(b)中，波形W_i示出發(fā)送側(cè)的超聲波振子所發(fā)送的超聲波波形，波形W_p示出在接收側(cè)接收導(dǎo)波之前的波形，波形W_o示出在接收側(cè)所接收的導(dǎo)波。在圖10中明確可知，通過在發(fā)送側(cè)設(shè)置兩個(gè)超聲波振子12a及12b(或12c及12d)，可獲得與設(shè)置兩個(gè)超聲波振子的情況相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出兩倍的接收靈敏度。另外，在發(fā)送側(cè)與接收側(cè)分別設(shè)置一個(gè)超聲波振子的比較例中，Vpp為120mV，與之相比，在發(fā)送側(cè)與接收側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)超聲波振子的實(shí)施例1中，Vpp為792mV，放大到6倍以上。若著重分析波形W_p和波形W_o的S/N比，則明確可知，通過在發(fā)送側(cè)設(shè)置兩個(gè)超聲波振子，顯著提高了S/N比，而且本發(fā)明的超聲波流量計(jì)靈敏度飛躍性地提高。這不是能夠簡(jiǎn)單地預(yù)測(cè)的效果。

另外，作為實(shí)施例2，研究了在使用規(guī)定形狀的匹配部件14時(shí)的效果。匹配部件14使用了如圖7所示的CFRP集合體(直徑7、1mm)，并在匹配部件14與管體10之間涂敷了油膏(圖11中的(a)部分)，或者配置了凝膠片(圖11中的(b)部分)。另外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，PZT與CFRP集合體之間利用粘合劑來粘合。明確可知，與在圖10中的(b)部分的下部所示的僅配置了油膏的情況相比，如圖11所示，在設(shè)置了由CFRP集合體形成的匹配部件14的超聲波流量計(jì)200中，所接收的導(dǎo)波的波形變得尖銳，處于適合于流量測(cè)量的狀態(tài)。另外，即使將在匹配部件14與管體10之間涂敷油膏的實(shí)施例(圖11中的(a)部分)與在匹配部件14與管體10之間配置凝膠片的實(shí)施例(圖11中的(b)部分)相比較，所接收的導(dǎo)波的波形也具有相同的水準(zhǔn)。

作為實(shí)施例3，在本發(fā)明的超聲波流量計(jì)中，對(duì)設(shè)置在發(fā)送側(cè)的兩個(gè)超聲波振子12a及12b(或12c及12d)非對(duì)稱地配置在管體10的外周時(shí)的影響進(jìn)行了研究。圖12中的(a)部分為在管體10的外周配置了超聲波振子12a及12b(或12c及12d)的示意圖。圖12中的(b)部分示出了在與管體10的外周相向地配置超聲波振子12a及12b(或12c及12d)的實(shí)施例1的波形，圖12中的(c)部分示出在管體10的外周以錯(cuò)開45°的方式配置了超聲波振子12a及12b(或12c及12d)的實(shí)施例3的波形。從圖12的結(jié)果明確可知，配置超聲波振子12a及12b(或12c及12d)的角度不會(huì)對(duì)所接收的導(dǎo)波產(chǎn)生影響。

如上所述，根據(jù)本發(fā)明的超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了迄今為止未能實(shí)現(xiàn)的具有高靈敏度的流量測(cè)量。

(產(chǎn)業(yè)上的可利用性)

本發(fā)明的超聲波流量計(jì)可以用于在產(chǎn)業(yè)中使用的流速的測(cè)量、血管等的生物體中的流體的測(cè)量等。

(附圖標(biāo)記說明)

1、12a～12F：超聲波振子；2、10：管體；14：匹配部件；

20：收納體；22：開口；24：鉸鏈；26：收納部；28：非接觸部。