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    • 专利摘要:
    本發明提供一種可防止振動子與導管之間、振動子與制振材料之間之接著狀態之偏差、減輕零位移、測定謀求精度之超音波感測器。本申請發明之超音波感測器1A,1B，係由配置在微少流量流過之導管20之外周上、賦予高頻而振動且接收振動產生高頻訊號之環狀超音波振動子2與配置成將該超音波振動子2挾持固定之一對制振構件3,4構成，其特徵在於：在該超音波振動子2之內周面與該導管20之外周面之間設置具有較該超音波振動子2之寬度大之寬度之環狀具柔軟性之大致均勻之匹配構件7，且該匹配構件7係由音之傳遞速度與在該導管內流動之物質之音之傳遞速度大致相等之材質構成。
    公开号:TW201319524A
    申请号:TW101135258
    申请日:2012-09-26
    公开日:2013-05-16
    发明作者:Masamichi Iwasa
    申请人:Masamichi Iwasa；
    IPC主号:G01F1-00
    专利说明:
    超音波感測器及使用此之超音波流量計
    本申請之發明係關於一種使用在用以高精度地測定微少流量之微少流量計之超音波感測器、與使用此超音波感測器測定微少流量之超音波流量計。
    專利文獻1(日本特開2000-121404號公報)揭示一種流量測量單元，該流量測量單元具備氣體流路、設置於該氣體流路之收發訊用超音波感測器、進行該超音波感測器之收發訊控制及超音波之傳遞時間測量並將測量資料以資料排線輸出入之控制測量電路、及儲存該控制測量電路之控制內容之一部分之非揮發記憶體，就該構成要素之組合單元零件分別進行實際流量之測定，以另外設置之資料處理用電腦執行資料之收發訊以進行流量運算，根據與該實際流量之比較將該單元零件分別之固有修正資料寫入該非揮發記憶體，成為保有固有修正資料之狀態。如此專利文獻1所揭示，超音波式流量檢測之原理為氣體流路內之二點間之超音波之傳遞時間包含氣體流速之函數，若測量傳遞時間則能反算氣體流速，若得知流速則藉由此與通過剖面積可知流量。
    專利文獻2(日本特開2010-14690號公報)揭示超音波流量計，該超音波流量計為了實現回應性優異之高精度流量測定，在預先測量超音波之傳遞時間之預備測量時，就順方向與反方向預先儲存從超音波之送訊時點至收訊波之到達時點之間測量之時脈脈衝數，在預備測量後之正式測量時，從超音波之送訊時點開始計數時脈脈衝數，在就順方向與反方向分別儲存之時脈脈衝數之二個前之時脈脈衝之輸出時點開始積分，在收訊波之到達時點測定積分電壓算出微少時間，藉此從時脈脈衝時間與微少時間測量傳遞時間。
    專利文獻3(日本特開2011-7539號公報)揭示超音波流量計，該超音波流量計具備沿著流體之流動相隔既定距離地安裝在測定管之複數個超音波振動子、及根據時間差求出流體流速之運算電路，該時間差係下游側之超音波振動子接收從上游側之超音波振動子發訊之超音波為止之傳遞時間、與上游側之超音波振動子接收從下游側之超音波振動子發訊之超音波為止之傳遞時間之時間差，超音波振動子交互發訊依據測定管預先決定之第1頻率之超音波與第2頻率之超音波，運算電路將在第1頻率之超音波之傳遞時間之第1時間差求出為流體流速為零時之時間差，根據在第2頻率之超音波之傳遞時間之第2時間差與第1時間差求出流體之流速。
    專利文獻1：日本特開2000-121404號公報
    專利文獻2：日本特開2010-14690號公報
    專利文獻3：日本特開2011-7539號公報
    在上述超音波流量計，尤其是測定微少流量之情形，如專利文獻3所揭示，不易在微少流量之流體通過之導管內側設置超音波振動子，會有妨礙流動本身之虞，因此較佳為，在導管外側設置超音波振動子。
    又，每當檢測微少流量時，如專利文獻3所揭示，以下游側之超音波振動子檢測從上游側之超音波振動子振盪且在導管內之順方向流動之流體傳遞之超音波振動，且以上游側之超音波振動子檢測從下游側之超音波振動子振盪且在反方向流動之流體傳遞之超音波振動之情形，由於檢測之流量微少，因此在超音波振動子與導管之接合部分之狀態、尤其是將超音波振動子與導管之接合部分接著之接著劑之量及偏心等接著狀態有偏差之情形，包含振動子之衰減之振動子之振動狀態產生偏差，因此超音波之傳遞狀態亦產生偏差，此等之結果，此等表現在相位差，會有微少流量之檢測產生誤差之問題點。
    又，為了避免振動子之振動未衰減使流量檢測不可能，較佳為，以制振材料挾持固定振動子，確實地除去殘響，雖以接著劑固定振動子與制振材料，但因此振動子與制振材料之間之接著劑之接著狀態之偏差亦會對超音波之收發訊造成影響，此等表現在相位差，會有微少流量之檢測產生誤差之問題。
    原本，在聚四氟乙烯(PTFE)以環氧等接著之情形，會有不易且產率差之問題。即使在表面處理後可接著，接著狀態亦產生不可預測之偏差，不易高精度地接著，相位差尤其因溫度等增幅，會有在無流量之狀態下產生顯示流量之零位移之問題。此等同樣地不可預測，因感測器間會有差異。
    因此，本發明提供一種可防止振動子與導管之間、振動子與制振材料之間之接著狀態之偏差、減輕零位移、測定謀求精度之超音波感測器。
    是以，本申請發明之超音波感測器，係由配置在微少流量流過之導管之外周上、賦予高頻而振動且接收振動產生高頻訊號之環狀超音波振動子與配置成將該超音波振動子挾持固定之一對制振構件構成，其特徵在於：在該超音波振動子之內周面與該導管之外周面之間設置具有較該超音波振動子之寬度大之寬度之環狀具柔軟性之大致均勻之匹配構件，且該匹配構件係由音之傳遞速度與在該導管內流動之物質之音之傳遞速度大致相等之材質構成。此「由音之傳遞速度與在該導管內流動之物質之音之傳遞速度大致相等之材質構成」具有與匹配構件具有與測定之流體之密度大致相等之密度相同之概念。該匹配構件較佳為尤其是均勻。
    再者，較佳為，該超音波振動子與該制振構件之接觸面係加工成其黏著性成為最小限。例如，較佳為，使該超音波振動子與該制振構件之接觸面之黏著性成為最小限之加工，係對任一面或兩面施加之表面塗敷，或電漿表面處理。再者，在超音波振動子與制振構件之間夾著非黏著性物質亦可。再者，在單面或兩面設置已施加非黏著性處理之介在構件亦可。
    再者，較佳為，在該超音波振動子與該匹配構件之間及該匹配構件與該導管之間適用具有與在導管流動之物質之密度大致相等之密度之滑脂。例如，在導管流動之物質為水之情形，較佳為，滑脂之密度為大致1.00。
    又，較佳為，該制振構件係硬度20~25之橡膠系物質。
    為了防止經年變化導致之劣化，尤其是振動子與制振構件之間之面之防濕，在外周面設置防濕處理用構件亦可。
    又，本申請發明之另一形態之超音波流量計，係在微細流量流過之導管上以既定間隔配置有上述本申請發明之超音波感測器。
    又，上述超音波流量計，較佳為，具備由供載置執行在該導管流動之流量之測量並輸出之控制單元之控制單元收納部、與一對該超音波感測器以既定間隔配置之感測器保護部構成之盒體，再者，較佳為，該盒體之感測器保護部，在與導管分離之狀態下挾持固定制振構件。
    根據本發明之超音波感測器及使用其之超音波流量計，以制振構件挾持超音波感測器之超音波振動子並固定於導管，使由具有與在導管流動之物質相同之音波傳遞速度之材料構成之環狀匹配構件介在於超音波振動子與導管之間，藉此，能使超音波振動子之振動之偏差減少，可均勻地確實傳遞至導管內之流體，且能藉由超音波振動子偏差較少地均勻確實檢測在導管內之流體傳遞之振動，因此可高精度地檢測在導管內通過之流體之流量、流速。又，在本發明，由於相位差偏差較少，因此能減輕零位移。
    以下，藉由圖式說明本發明之實施例。 (實施例)
    本申請發明之超音波感測器1(1A,1B)係使用於例如圖1所示之微少流量計100。圖1所示之微少流量計100，上游側超音波感測器1A與下游側超音波感測器1B係相隔既定間隔外設在微少量之流體流過之導管20。此等超音波感測器1A,1B係電氣連接於控制單元(C/U)30，對上游側超音波感測器1A施加高頻使其振動，相對於流動垂直傳遞之振動在導管20之中心部改變方向，在流動之流體傳遞，在下游側超音波感測器1B使振動子振動，藉由控制單元30電氣檢測。再者，對下游側超音波感測器1B施加高頻使其振動，相對於流動垂直傳遞之振動在導管20之中心部改變方向，在流動之流體傳遞，在上游側超音波感測器1A使振動子振動，藉由控制單元30電氣檢測。藉此，從分別之相位差測量在導管20流動之流體之流速，藉由平均流體速度V與導管20之剖面積S運算求出流量，例如顯示為流量值或流速值，或轉換成輸出訊號。
    又，上述超音波流量計100具有盒體110，該盒體110具備供載置上述控制單元30之控制單元收納部120、及配置有以既定間隔配置之一對超音波感測器1A,1B之感測器保護部130。上述感測器保護部130具有與上述盒體110一體地形成且挾持固定上述超音波感測器之超音波感測器保持部131。此超音波感測器保持部131，較佳為，以不接觸上述導管20之方式保持上述超音波感測器1A,1B。
    在此微少流量計100使用之本申請發明之超音波感測器1，例如圖2所示，由環狀超音波振動子2、及挾持此超音波振動子2之一對制振構件3,4構成，再者，在該超音波振動子2之內周面與上述導管20之外周面之間設有環狀具柔軟性之大致均勻之匹配構件7。
    為了上述制振構件3,4與超音波振動子2之間之表面8之防濕，在外周側面設置防濕處理用構件之情形，振動子外周側面和制振構件3,4與超音波振動子2之間之表面8同樣地，較佳為，不妨礙接著劑、黏著等振動子之自由振動。
    一般而言，上述導管20係藉由3mm、4mm、6mm徑之聚四氟乙烯(PTFE)形成，測定之流體為水之情形，上述匹配構件7，較佳為，由聚乙烯等、具有與在水傳遞之音之速度大致相等音速之具柔軟性之乙烯系材料構成。再者，在超音波振動子2與上述匹配構件7之間之面9及匹配構件7與導管20之間之面10，較佳為，塗布具有與在測定之流體(例如水)傳遞之音速同等音速之滑脂(例如密度極接近1.00之滑脂)。
    藉此，超音波振動子2與導管20之接合部分之狀態，在例如環氧系接著劑，密度(ρ)乘上物質中之音速(c)之音響阻抗(z=ρ c)，在PTFE與環氧系接著劑大致同等，分別物質中之音速(c)為1300m/sec程度、2500m/sec程度，因此在液體中傳遞而來之振動，從液體中通過具有具有較PTFE及振動子之寬度大之寬度之不可預測之偏差之接著部位，以2倍速度一次傳遞至超音波振動子，但在具有較超音波振動子2之寬度大之寬度之大致均勻之匹配構件7，藉由使密度(ρ)、物質中之音速(c)等與水大致一致，不會通過大致均勻之匹配構件7以2倍速度一次傳遞至超音波振動子，又由於選擇大致均勻製作之材質，因此不需在意其偏差，能減少偏差均勻地收發訊。
    又，藉由具柔軟性之大致均勻之匹配構件7，超音波振動子2可在相對導管20之方向順暢地振動，因此可在導管20流動之流體偏差較少均勻地傳遞振動。
    又，上述制振構件3,4，如圖4所示，為了偏差較少均勻地除去超音波振動子2之殘響，較佳為，由具有硬度20~25間之硬度之橡膠系材料形成。
    再者，制振構件3,4與超音波振動子2之間之表面8，較佳為，加工成不產生黏著性。此加工有表面塗敷方法，尤其是施加電漿處理以使表面不產生黏著性之表面處理方法、使經表面處理之膜介在於兩面或單面以不產生黏著性之方法、使由不具有黏著性之材料構成之膜介在之方法等。
    藉此，對導管20，相對於流體之流動方向，藉由制振構件3,4、具柔軟性之大致均勻之匹配構件7，亦即並非使用接著劑固定進行固定端振動，而是不固著地自由振動，藉此可順暢地振動，流動方向之振動被制振構件3,4制振，偏差較少均勻地除去超音波振動子2之殘響，在相對於導管20之方向，亦藉由制振構件3,4及具柔軟性之大致均勻之匹配構件7，亦即並非使用接著劑固定進行固定端振動，而是不固著地自由振動，藉此振動子可順暢地振動，因此可在導管20流動之流體偏差較少均勻地傳遞振動。
    藉由以上構成，根據本申請發明，可將超音波振動子之振動偏差較少均勻確實地傳遞至導管內之流體，且藉由超音波振動子偏差較少均勻確實地檢測在導管內之流體傳遞之振動，因此可達成可高精度地檢測通過導管內之流體之流量、流速之效果。
    又，具備具有上述構造之超音波感測器1之超音波流量計100，如圖3(a)、(b)所示，由於相位差偏差較少，因此可達成減輕零位移之效果。使PTFE與環狀超音波振動子之偏心等偏差減少，可高精度地製造，感測器間之再現性之不良亦減輕，再者，由於構造簡單，因此成本低，產率效果亦高，可達成製造變得大幅容易之效果。
    超音波感測器1係以盒體110保護免於衝擊且防濕，因此即使在感測器保護部130安裝超音波感測器1A,1B時，亦可達成可高精度地檢測通過導管20內之流體之流量、流速之效果、減輕零位移之效果等，因此在由塑膠或金屬等構成之盒體110設置感測器保護部130。此情形，較佳為，以超音波感測器保持部131挾持制振構件3,4，在與導管20分離之狀態下，以未使用接著劑接著於導管20之方式支承。此情形，並未特別限定必須支承超音波感測器1之部位。又，針對感測器保護部130、控制單元收納部120，是否為一體型亦未特別限定。
    圖5係使用接著劑固定超音波振動子2與制振構件3,4並使之振動之情形之示波器一般波形之例，從其接著狀態之偏差可知，上游與下游之波形之振幅差顯著地不同。
    圖6係常溫時，冷卻時之示波器一般波形之比較例，在波形中心部與後方部可觀察到溫度差導致之振幅之不同。如上述，因接著狀態之偏差、溫度差而波形產生差異，對相位差造成影響。
    圖7係在導管透過匹配構件7配置有振動子且在常溫時使之振動之超音波流量計之上游與下游之實施波形例。
    圖8係在導管透過匹配構件7配置有以制振構件3,4挾持之振動子且在常溫時使之振動之超音波流量計之上游與下游之實施波形例。
    圖9係在導管透過匹配構件7配置有以制振構件3,4挾持之振動子且在常溫時、45℃、65℃、85℃使之振動之超音波流量計之上游之實施波形例。實際上使用在流量測定之波形，如圖7及圖8所示，上游與下游之實施波形幾乎無差異。
    此外，圖3(a)、(b)中，A、A’係顯示以制振構件3,4挾持接著固定超音波振動子2並接著固定於導管20之情形之超音波流量計之特性，超音波流量計之上游下游之波形差雖少，但在圖5所示之接著狀態之偏差導致之波形差加上圖6所示之溫度導致之波形差，相位差變差。
    B、B’係顯示透過匹配構件7將上述超音波振動子2固定於導管20之情形之超音波流量計之特性，未以制振構件3,4挾持而出現圖5、圖6所示之波形差，但並非接著劑之固定，偏差亦較少，因此不會如A、A’般變差。
    C、C’係顯示透過匹配構件7將上述超音波振動子2以制振構件3,4挾持固定並固定於導管20之情形之超音波流量計之特性。由於為制振構件3,4、匹配構件7之構成，因此恆成為圖7、圖8所示之上游下游之波形差極少之狀態，相位差變少。如上述，從此特性線圖可知本申請發明之超音波流量計100之特性C、C’相位差成為最少。
    1,1A,1B‧‧‧超音波感測器
    2‧‧‧超音波振動子
    3,4‧‧‧制振構件
    7‧‧‧匹配構件
    8‧‧‧振動子與制振構件之間之面
    9‧‧‧振動子與匹配構件之間之面
    10‧‧‧匹配構件與導管之間之面
    20‧‧‧導管
    30‧‧‧控制單元
    100‧‧‧超音波流量計
    110‧‧‧盒體
    120‧‧‧控制單元收納部
    130‧‧‧超音波感測器保護部
    131‧‧‧超音波感測器保持部
    圖1係顯示以既定間隔配置有本申請發明之超音波感測器之本申請發明之超音波流量計之構成之說明圖。
    圖2係顯示本申請發明之超音波感測器之構造之說明圖。
    圖3(a)係顯示在常溫下，顯示對在導管接著有以制振構件挾持之振動子之超音波流量計之波數之相位差之特性(A)、顯示對在導管透過匹配構件配置有振動子之超音波流量計之波數之相位差之特性(B)、及顯示對在導管透過匹配構件配置有以制振構件挾持之振動子之超音波流量計之波數之相位差之特性(C)之特性線圖，圖3(b)係顯示在高溫時或低溫時，顯示對在導管接著有以制振構件挾持之振動子之超音波流量計之波數之相位差之特性(A’)、顯示對在導管透過匹配構件配置有振動子之超音波流量計之波數之相位差之特性(B’)、及顯示對在導管透過匹配構件配置有以制振構件挾持之振動子之超音波流量計之波數之相位差之特性(C’)之特性線圖。
    圖4係顯示制振構件之硬度與相位差之關係之特性線圖。
    圖5係常溫時，接著劑使用時之示波器一般波形之例。
    圖6係常溫時，冷卻時之示波器一般波形之比較例。
    圖7係常溫時，在導管透過匹配構件配置有振動子之超音波流量計之波形例。
    圖8係常溫時，在導管透過匹配構件配置有以制振構件挾持之振動子之超音波流量計之波形例。
    圖9係常溫時、45℃、65℃、85℃在導管透過匹配構件配置有以制振構件挾持之振動子之超音波流量計之波形例。
    1A,1B‧‧‧超音波感測器
    2‧‧‧超音波振動子
    3,4‧‧‧制振構件
    20‧‧‧導管
    30‧‧‧控制單元
    100‧‧‧超音波流量計
    110‧‧‧盒體
    120‧‧‧控制單元收納部
    130‧‧‧超音波感測器保護部
    131‧‧‧超音波感測器保持部
    权利要求:
    Claims (11)
    [1] 一種超音波感測器，係由配置在微少流量流過之導管之外周上、被賦予高頻而振動且接收振動產生高頻訊號之環狀超音波振動子與配置成將該超音波振動子挾持固定之一對制振構件構成，其特徵在於：在該超音波振動子之內周面與該導管之外周面之間設置具有寬度較該超音波振動子之寬度大之環狀具柔軟性之大致均勻之匹配構件，且該匹配構件係由音之傳遞速度與在該導管內流動之物質之音之傳遞速度大致相等之材質構成。
    [2] 如申請專利範圍第1項之超音波感測器，其中，該超音波振動子與該制振構件之接觸面係加工成其黏著性為最小限。
    [3] 如申請專利範圍第2項之超音波感測器，其中，使該超音波振動子與該制振構件之接觸面之黏著性為最小限之加工係表面塗敷。
    [4] 如申請專利範圍第2項之超音波感測器，其中，使該超音波振動子與該制振構件之接觸面之黏著性為最小限之加工係電漿表面處理。
    [5] 如申請專利範圍第1至4項中任一項之超音波感測器，其中，在該超音波振動子與該制振構件之接觸面夾著非黏著性物質。
    [6] 如申請專利範圍第1至4項中任一項之超音波感測器，其中，在該超音波振動子與該制振構件之接觸面之至少一方之面設置施有非黏著性處理之介在構件。
    [7] 如申請專利範圍第1至4項中任一項之超音波感測器，其中，在該超音波振動子與該匹配構件之間及該匹配構件與該導管之間，適用具有與在導管流動之物質之密度大致相等之密度之滑脂。
    [8] 如申請專利範圍第5項之超音波感測器，其中，在該超音波振動子與該匹配構件之間及該匹配構件與該導管之間適用具有與在導管流動之物質之密度大致相等之密度之滑脂。
    [9] 如申請專利範圍第6項之超音波感測器，其中，在該超音波振動子與該匹配構件之間及該匹配構件與該導管之間適用具有與在導管流動之物質之密度大致相等之密度之滑脂。
    [10] 一種超音波流量計，係在微少流量流過之導管上以既定間隔配置有申請專利範圍第1至9項中任一項之超音波感測器。
    [11] 如申請專利範圍第10項之超音波流量計，其具備由供載置執行在該導管流動之流量之測量並輸出之控制單元之控制單元收納部、與一對該超音波感測器以既定間隔配置之感測器保護部構成之盒體；該盒體之感測器保護部，在與導管分離之狀態下挾持固定制振構件。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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