JP3324720B2 - 流速測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電体の圧電効果により
励振した弾性振動により流体中に放射される超音波を用
いて流体の流速を測定する流速測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、超音波を利用した流速測定装置が
水道メータ、ガスメータなどに利用されて注目されてい
る。この流速測定装置は、電気／機械エネルギー変換素
子である圧電セラミック等の圧電体を用いて超音波送波
器を構成し、これによって流体中に超音波を発し、流体
中の所定の伝搬路を伝搬する超音波の速度を計測するこ
とにより流体の速度を測定するものである。このような
流速測定装置については、例えば、「流量計測ハンドブ
ック」、日刊工業新聞社、川田他２名、２４３頁に記載
されている。

【０００３】以下に、超音波を用いた流速測定装置の測
定原理を図１０を参照しながら説明する。図１０におい
て、Ｔ１、Ｔ２はそれぞれ超音波送受波器であり、圧電
セラミック等の圧電振動子で構成されている。そして、
共振周波数近傍の交流電圧を圧電振動子に印加すること
により超音波を外部に放射することができ、また逆に、
伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換することもでき
る。

【０００４】電気信号を印加することにより送受波器Ｔ
１から超音波パルス（バースト）が放射されると、この
超音波パルスは距離がＬの伝搬経路Ｌ１を伝搬してｔ時
間後に送受波器Ｔ２に到達する。到達した超音波パルス
は送受波器Ｔ２で電気信号に変換される。この電気信号
は増幅されて送受波器Ｔ１に印加され、送受波器Ｔ１か
ら再び超音波パルスが放射される。このような繰り返し
はシング・アラウンドと呼ばれ、系を一巡するのに要す
る時間をシング・アラウンド周期、その逆数をシング・
アラウンド周波数という。

【０００５】図１０において、流体の流速をＶ、超音波
の速度をＣ、流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方
向との成す角度をθとする。送受波器Ｔ１を送波器と
し、送受波器Ｔ２を受波器としたときのシング・アラウ
ンド周期をｔ１、シング・アラウンド周波数ｆ１とすれ
ば次式（数１）が成立する。

【０００６】

【数１】 ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ 逆に、送受波器Ｔ２を送波器とし、送受波器Ｔ１を受波
器としたときのシング・アラウンド周期をｔ２、シング
・アラウンド周波数ｆ２とすれば、次式（数２）が成立
する。

【０００７】

【数２】 ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ 従って、二つの周波数の差Δｆは次式（数３）のように
なり、この周波数差Δｆから流体の流速Ｖを求めること
ができる。

【０００８】

【数３】 Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ この測定原理によれば、超音波の速度Ｃの温度等による
変動の影響を受けずに流体の速度Ｖを測定することがで
きる。

【０００９】上述のようなシング・アラウンドを利用し
た流速測定装置において、従来は、流体中に放射する超
音波として１つの固定周波数、一般には２００ｋＨｚ近
傍の周波数を有するものが使用されていた。また、超音
波送受波器の構造面では、円板または角板型圧電振動子
を厚み振動モードで振動させるものや、低電圧駆動を実
現するために圧電セラミック薄板を多数枚積層して圧電
振動子を構成したものが一般的であった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、流体中
に放射する超音波として１つの固定周波数を使用する従
来の装置にあっては以下のような問題があった。

【００１１】つまり、仮に周波数を低くすれば（例えば
３０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）、圧電振動子の電気エネル
ギーから機械振動エネルギーへの変換効率、ひいては、
超音波の放射効率を高くすることができるが、その代わ
りに、受波信号の立ち上がりが遅くなる。つまり、変換
後の電圧波形が比較電圧に達するまでの時間が長くな
る。したがって、流速測定装置としては、低消費電力と
いう利点が得られるが、伝搬時間の計測精度、ひいては
流速の測定精度が悪くなり、特に低流速の場合に測定誤
差が大きくなる点で不利である。圧電振動子が大きくな
る点でも不利である。

【００１２】一方、超音波の周波数が高い（例えば１０
０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ）場合は、受波信号の立ち上が
りは速いが、変換効率すなわち超音波の放射効率が低く
なる。したがって、流速測定装置としては、測定精度が
高く低流速までの測定が可能であるという利点を有する
が、圧電振動子の消費電力、つまり駆動回路の消費電力
が大きくなる点で不利である。

【００１３】このように、１つの固定周波数の超音波を
使用していた従来の装置では、消費電力を低く抑えなが
ら、しかも測定精度を高めて低流速の場合にも高精度の
流速測定を可能にすることが困難であった。

【００１４】また、前述のように、円板または角板型圧
電振動子を厚み振動モードで振動させる圧電振動子を用
いた超音波送受波器にあっては、圧電セラミックの厚さ
が１ｃｍ程度になり入力インピーダンスが高くなる結
果、高い駆動電圧が必要であり消費電力が大きくなると
いった問題があった。一方、低電圧駆動を目的として圧
電セラミック薄板を多数数枚積層して圧電振動子を構成
したものは、コストが高くなるとともに、信頼性面で問
題があった。

【００１５】そこで本発明は、上記のような従来の問題
点を解消し、消費電力が小さく、しかも測定精度が高く
て低流速の場合にも高精度の流速測定が可能な流速測定
装置を提供することを目的とする。併せて、低消費電力
を実現しながらも構造上低コストで信頼性が高い流速測
定装置を提供することをも目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明による流速測定装
置の特徴は、超音波送受波を構成する圧電振動子の２つ
の振動モードを使用し、測定対象の流速の大きさに応じ
て上記圧電振動子の振動モードを切り替えることによ
り、予測される流速が所定値以上のときは流体中に放射
する超音波の周波数を低い方に切り替え、予測される流
速が所定値未満のときは上記周波数を高い方に切り替え
る点にある。好ましくは、圧電振動子の２つの振動モー
ドとして、同じ振動の１次振動と高次（例えば３次）振
動を使用する。あるいは、異なった共振周波数を有する
異なった振動モードを使用してもよい。

【００１７】

【００１８】

【作用】上記の特徴構成によれば、予測される流速が所
定値以上のときは流体中に放射する超音波の周波数を低
い方に切り替えることにより、圧電振動子の電気／機械
振動エネルギー変換効率、ひいては、超音波の放射効率
を高くして、低消費電力化を図ることができる。一方、
予測される流速が所定値未満のときは流体中に放射する
超音波の周波数を高い方に切り替えることにより、消費
電力は多くなるが、受波信号の立ち上がりが速くなる。
つまり、変換後の電圧波形が検出用の比較電圧に達する
までの時間が短くなり、伝搬時間の計測精度、ひいては
流速の測定精度が良くなる。その結果、小さい流速まで
精度良く測定することが可能になる。

【００１９】

【００２０】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細
に説明する。 （実施例１）図１は本発明の実施例に係る流体測定装置
の超音波送受波器に用いる圧電振動子４を模式的に示し
た斜視図である。同図において、１と２はそれぞれ厚さ
方向に分極され上下面に電極が形成された圧電セラミッ
クであり、お互いに貼り合わせられて圧電振動子４を構
成している。３は駆動電源であり、圧電振動子４を駆動
するための交流電圧を発生する。圧電振動子４を構成す
る圧電セラミック１、２に、その共振周波数近傍の周波
数を有する交流電圧が駆動電源３によって印加される
と、圧電振動子４は厚み振動をして外部に超音波を放射
する。

【００２１】この圧電振動子４を用いて構成した超音波
送受波器８の断面図を図２に示す。同図において、５は
圧電振動子４の端面から超音波を効率よく放射させるた
めの整合層であり、放射音圧の指向性を絞る役目も果た
している。また、６は緩衝材であり圧電振動子４の音響
放射面以外の面からの音波の放射を防止している。そし
て、圧電振動子４、緩衝材６、及び整合層５はケース７
に収納されている。このように構成された超音波送受波
器８は、ケース７を確実に固定して用いることができ、
音響放射面のみから安定して超音波パルス（バースト）
を放射することができる（矢印の方向）。また、逆に、
到来した超音波パルスは、整合層５により効率よく圧電
振動子４に入力されて電圧信号に変換される。この超音
波送受波器の駆動端子から見たアドミッタンスの周波数
特性を図３示す。同図において、周波数ｆｒ１は１次の
厚み振動の共振周波数であり、周波数ｆｒ２は３次の厚
み振動の共振周波数である。

【００２２】上記のような超音波送受波器を用いた本実
施例の流速測定装置のブロック図を図４に示す。この図
において、Ｔ１及びＴ２が図２に示した超音波送受波器
である。また、以下の説明においても図１０と同様に、
流体の流速をＶ、超音波の速度をＣ、流体の流れる方向
と超音波パルスの伝搬方向とが成す角度をθとし、適宜
図１０を参照する。

【００２３】図４において、スタート回路１１により流
体の流速計測が始まると、切換回路１０は、送受波器Ｔ
１を送波器とし、送受波器Ｔ２を受波器とするように切
り替えられる。また、スタート回路１１は計測開始を時
間計測回路１９に知らせる。そして、トリガー回路１８
が駆動回路１２にトリガーをかけて送受波器Ｔ１を駆動
し、超音波パルスが流体中に放射される。超音波パルス
は距離Ｌの伝搬経路Ｌ１を伝搬して送受波器Ｔ２に到達
し、電圧信号に変換される。送受波器Ｔ２の出力信号が
増幅器１３で増幅され、比較回路１４で設定レベルと比
較されることにより、超音波パルスが送受波器Ｔ２到達
したことが認識される。そして、遅延回路１７による所
定の遅延時間の経過を待って、再びトリガー回路１８に
より送受波器Ｔ１に電圧パルス印加して超音波パルスを
放射する。この遅延時間は前回の超音波が計測系から消
えるまでの時間に相当するものである。この動作が繰返
設定回路１５で設定された回数だけ繰り返され、経過時
間が時間計測回路１９で計測される。この繰返し動作の
終了を司るのが繰返制御回路１６である。このときの経
過時間を繰返し回数で割って遅延時間を引けば平均シン
グ・アラウンド周期ｔ１が求められ、その逆数から平均
シング・アラウンド周波数ｆ１が求められる。この演算
は流速演算回路２０によって実行され、演算結果が一旦
記憶される。

【００２４】次に、切換回路１０が、送受波器Ｔ２を送
波器とし、送受波器Ｔ１を受波器とするように切り替え
られる。そして、上記と同様の繰返し動作が行われ、平
均シング・アラウンド周期ｔ２及び周波数ｆ２が、流速
演算回路２０によって演算される。そして、平均シング
・アラウンド周波数ｆ１とｆ２との周波数差Δｆから前
述の式（数３）に基づいて流速Ｖが演算される。この演
算を行うのも流速演算回路２０である。

【００２５】図５に示す応答特性は図２に示した超音波
送受波器を用いたときのものであり、同図（ａ）は厚み
振動の１次モードによる周波数ｆｒ１を使用したとき、
同図（ｂ）は厚み振動の３次モードによる周波数ｆｒ２
を使用したときの超音波送受波器の受波波形をそれぞれ
示している。受波波形の認識は、受波波形レベルが所定
レベル（以下、トリガーレベルという）を越えた時に超
音波パルスが到来したとみなされる。従って、同図
（ａ）では受波より時間ｔｄ１だけ経過した時に、同図
（ｂ）では受波より時間ｔｄ２だけ経過した時に超音波
パルスが到来したとみなされる。従って、受波波形の認
識できる時間計測の精度は、高い周波数である厚み振動
の３次モードを使用した時の方が１次モードを使用した
時より高くなるので、流速の測定精度も高くなる。しか
し、超音波の周波数を高くすると、電圧パルスを発生す
る発信器、増幅回路などの消費電力が大きくなってしま
う。

【００２６】式（数３）からわかるように、流体の流速
Ｖが小さいときは平均シング・アラウンド時間の差が小
さくなり、高い時間測定精度が必要になる。この点に着
目して、本発明による装置では流体の流速Ｖが小さいと
きは高い周波数である厚み振動の３次モードを使用して
測定精度を高くし、流体の流速Ｖが大きいときは低い周
波数である厚み振動の３次モードを使用して消費電力を
小さくしているのである。この振動モードの切り替え
は、本実施例では、公知の種々の方法で駆動電源３の発
振周波数をｆｒ１（の近傍の周波数）とｆｒ２（の近傍
の周波数）との間で切り替えることによって行われる。 （実施例２）図６に本発明の第２の実施例に係る流速測
定装置の超音波送受波器に用いられる圧電振動子の断面
図を示す。同図において、２１と２２はそれぞれ厚さ方
向に分極され上下面に電極が形成された圧電セラミック
であり、金属板２３を挟んで貼り合わされることにより
圧電振動子を構成している。Ｖ１、Ｖ２は駆動電源であ
り、圧電振動子を駆動するための交流電圧を発生する。
圧電セラミック２１、２２に共振周波数近傍の交流電圧
を印加すると、圧電振動子に厚み振動が生じて超音波が
放射される。

【００２７】図７は図６に示した圧電振動子を用いて構
成した超音波送受波器の駆動端子から見たアドミッタン
スの周波数特性図である。同図において、周波数ｆｒ３
は駆動電源１と２のの出力電圧の極性を逆極性にしたと
きの共振周波数であり、周波数ｆｒ４は駆動電源１と２
の出力電圧の極性を同極性にしたときの共振周波数であ
る。

【００２８】このように、本実施例では、２つの駆動電
源を用い、その一方の極性を他方の極性に合わせるか逆
にするか切り替えることにより、超音波送受波器から出
力される超音波の周波数を切り替えている。そして、上
記の実施例１と同様に、流体の流速Ｖが小さいときは高
い周波数の超音波を使用して測定精度を高くし、流体の
流速Ｖが大きいときは低い周波数の超音波を使用して消
費電力を小さくする。尚、流速計測装置のブロック図
は、実施例１の説明で示した図４と同様であり、その応
答特性も図５に示したのと同様である。 （実施例３）次に、低消費電力でありながら製造上低コ
ストで信頼性が高い流体測定装置の実施例について説明
する。本実施例の装置に用いられる超音波送受波器の圧
電振動子の斜視図を図８に示す。同図において、３０は
円筒形の内周面及び外周面に電極を形成され、径方向に
分極された圧電セラミック素子である。圧電素子３０に
駆動電源の出力である駆動交流電圧を印加すると、圧電
素子３０は長さ（軸方向）振動モードで振動して、矢印
で示す方向に超音波を放射する。

【００２９】図８に示した圧電素子１０を用いて構成し
た超音波送受波器３２の斜視図を図９に示す。同図にお
いて、３１は圧電素子３０の１端面から音波を効率よく
放射させるための整合材（整合層）であり、放射音圧の
指向性を絞る役目も果たしている。ここで整合層３１は
円板形状をしているが、図２に示した断面図のように音
響放射面を凹面状にすることにより、放射音圧の指向性
を改善することができる。また、図２に示した著音波送
受波器と同様に圧電素子３０を緩衝材で覆うことによ
り、音響放射面以外の面からの超音波の放射を防止する
ことができる。

【００３０】本実施例の圧電素子では、駆動電圧は円筒
状圧電素子の内外周に形成された電極間に印加されるの
で、駆動端子から見たインピーダンスを小さくすること
ができる。従って、従来の流速測定装置において使用さ
れている円板または角板型圧電振動子を厚み振動モード
で振動させるものに比べて、低駆動電圧で効率よく超音
波パルスを放射することができる。また、圧電セラミッ
ク薄板を多数枚積層して圧電振動子を構成したものに比
べて、構造が簡単であるので低コストで、信頼性の高い
圧電素子を実現することができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、圧電振動子の２つの振
動モード（例えば１次と高次）を使用して、流速の大き
さにより振動モード（即ち周波数）を切り替えることに
より、消費電力が小さく、かつ、測定精度が高くて低流
速の場合にも高精度の流速計測ができる流速測定装置を
提供することができる。

【００３２】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例に係る流体測定装置に用
いられる圧電振動子の斜視図

【図２】 図１に示した圧電振動子を用いた超音波送受
波器の断面図

【図３】 図２に示した超音波送受波器のアドミッタン
ス対周波数特性を示す図

【図４】 流体測定装置のブロック図

【図５】 超音波送受波器の受波波形を示す図

【図６】 第２実施例に係る流体測定装置に用いられる
圧電振動子の断面図

【図７】 図６に示した超音波送受波器のアドミッタン
スの周波数特性を示す図

【図８】 第３実施例に係る流体測定装置に用いられる
圧電素子の斜視図

【図９】 図８に示した圧電素子を用いた超音波送受波
器の斜視図

【図１０】 超音波流速測定装置の測定原理を説明する
ための概念図

【符号の説明】

１，２；２１，２２ 圧電セラミック ３ 駆動電源 ４；３０ 圧電振動子 ５；３１ 整合層 ６ 緩衝材 ７ ケース ８；３２ 送受波器 ２３ 金属板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/66

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波送受波器を駆動して流体中に超音
   波を発射し、上記超音波が所定の伝搬路を伝搬する時間
   を計測することにより、上記流体の流速を測定する装置
   であって、 上記超音波送受波器を構成する圧電振動子の２つの振動
   モードを使用して、予測される流速に応じて上記振動モ
   ードを切り替えることにより、予測される流速が所定値
   以上のときは流体中に放射される超音波の周波数を低い
   方に切り替え、予測される流速が所定値未満のときは上
   記周波数を高い方に切り替えることを特徴とする流速測
   定装置。
2. 【請求項２】 上記圧電振動子の２つの振動モードとし
   て、同じ振動の１次振動と高次振動を使用する請求項１
   記載の流速測定装置。
3. 【請求項３】 上記圧電振動子の２つの振動モードとし
   て、異なった共振周波数を有する異なった振動モードを
   使用する請求項１記載の流速測定装置。