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JP3324720B2 - Flow velocity measuring device - Google Patents
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JP3324720B2 - Flow velocity measuring device - Google Patents

Flow velocity measuring device

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JP3324720B2
JP3324720B2 JP11690295A JP11690295A JP3324720B2 JP 3324720 B2 JP3324720 B2 JP 3324720B2 JP 11690295 A JP11690295 A JP 11690295A JP 11690295 A JP11690295 A JP 11690295A JP 3324720 B2 JP3324720 B2 JP 3324720B2
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frequency
ultrasonic
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vibration
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修 川崎
基之 名和
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Panasonic Holdings Corp
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Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a flow velocity measuring device for measuring the flow velocity of a fluid using ultrasonic waves radiated into the fluid by elastic vibration excited by the piezoelectric effect of a piezoelectric body.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art In recent years, flow velocity measuring devices utilizing ultrasonic waves have been attracting attention for use in water meters, gas meters, and the like. This flow velocity measuring device constitutes an ultrasonic transmitter using a piezoelectric material such as a piezoelectric ceramic which is an electric / mechanical energy conversion element, thereby emitting an ultrasonic wave into a fluid and passing a predetermined propagation path in the fluid. The velocity of the fluid is measured by measuring the velocity of the propagating ultrasonic wave. Such a flow velocity measuring device is described in, for example, "Flow Measurement Handbook", Nikkan Kogyo Shimbun, Kawada et al.

【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。
[0003] The measurement principle of a flow velocity measuring device using ultrasonic waves will be described below with reference to FIG. In FIG. 10, T1 and T2 are ultrasonic transducers, each of which is constituted by a piezoelectric vibrator such as a piezoelectric ceramic. And
By applying an AC voltage near the resonance frequency to the piezoelectric vibrator, ultrasonic waves can be radiated to the outside, and conversely,
The transmitted ultrasonic waves can be converted into a voltage.

【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。
By applying an electric signal, the transducer T
When an ultrasonic pulse (burst) is radiated from 1, the ultrasonic pulse propagates along the propagation path L1 having a distance of L and reaches the transducer T2 after a time t. The arriving ultrasonic pulse is converted into an electric signal by the transducer T2. This electric signal is amplified and applied to the transducer T1, and the transducer T1 emits an ultrasonic pulse again. Such a repetition is called a sing-around, and the time required to go around the system is a sing-around period, and the reciprocal thereof is a sing-around.
Around frequency.

【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。
In FIG. 10, the flow velocity of the fluid is V, the velocity of the ultrasonic wave is C, and the angle between the direction in which the fluid flows and the propagation direction of the ultrasonic pulse is θ. If the sing-around period is t1 and the sing-around frequency is f1 when the transmitter / receiver T1 is a transmitter and the transmitter / receiver T2 is a receiver, the following equation (Equation 1) holds.

【0006】[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。
F1 = 1 / t1 = (C + Vcos θ) / L Conversely, when the transducer T2 is a transmitter and the transducer T1 is a receiver, the sing-around period is t2, and the sing-around is If the frequency is f2, the following equation (Equation 2) holds.

【0007】[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。
F2 = 1 / t2 = (C−Vcos θ) / L Therefore, the difference Δf between the two frequencies is given by the following expression (Expression 3), and the flow velocity V of the fluid can be obtained from the frequency difference Δf. it can.

【0008】[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。
Δf = f1−f2 = 2Vcosθ / L According to this measurement principle, the velocity V of the fluid can be measured without being affected by the fluctuation of the velocity C of the ultrasonic wave due to temperature or the like.

【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。
In the flow velocity measuring apparatus utilizing the above-described sing-around, conventionally, an ultrasonic wave radiated into a fluid has a fixed frequency, generally a frequency of around 200 kHz. In addition, in terms of the structure of the ultrasonic transducer, a piezoelectric vibrator that vibrates a circular or square-type piezoelectric vibrator in the thickness vibration mode, or a piezoelectric vibrator by laminating many piezoelectric ceramic thin plates to realize low-voltage driving Those that constituted children were common.

【0010】[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。
However, the conventional apparatus using one fixed frequency as the ultrasonic wave radiated into the fluid has the following problems.

【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。
That is, if the frequency is lowered (for example, 30 kHz to 100 kHz), the conversion efficiency of the piezoelectric vibrator from electric energy to mechanical vibration energy, and consequently,
Although the radiation efficiency of the ultrasonic wave can be increased, the rise of the received signal is instead delayed. That is, the time required for the converted voltage waveform to reach the comparison voltage becomes longer. Therefore, the flow velocity measuring device has an advantage of low power consumption, but has a disadvantage in that the measurement accuracy of the propagation time and, consequently, the measurement accuracy of the flow velocity are deteriorated, and particularly in the case of a low flow velocity, the measurement error increases. It is also disadvantageous in that the piezoelectric vibrator becomes large.

【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。
On the other hand, the frequency of the ultrasonic wave is high (for example, 10
In the case of 0 kHz to 500 kHz), the rising of the received signal is fast, but the conversion efficiency, that is, the radiation efficiency of the ultrasonic wave is low. Therefore, the flow velocity measuring device has an advantage that measurement accuracy is high and measurement is possible down to a low flow velocity, but it is disadvantageous in that the power consumption of the piezoelectric vibrator, that is, the power consumption of the drive circuit increases.

【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。
As described above, in the conventional apparatus using one fixed frequency ultrasonic wave, it is possible to measure the flow velocity with high accuracy even when the flow velocity is low by increasing the measurement precision while keeping the power consumption low. It was difficult to do.

【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。
Further, as described above, in an ultrasonic transducer using a piezoelectric vibrator for vibrating a circular or square piezoelectric vibrator in a thickness vibration mode, the thickness of the piezoelectric ceramic is about 1 cm. As a result, there is a problem that a high drive voltage is required and power consumption is increased. On the other hand, when a piezoelectric vibrator is formed by laminating a number of piezoelectric ceramic thin plates for low voltage driving, the cost is high and there is a problem in reliability.

【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。
Accordingly, the present invention solves the above-mentioned conventional problems, and provides a flow velocity measuring apparatus which consumes a small amount of power, has a high measuring accuracy, and can measure the flow velocity with high accuracy even at a low flow velocity. The purpose is to do. In addition, it is another object of the present invention to provide a highly reliable flow velocity measuring device that is structurally inexpensive while realizing low power consumption.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明による流速測定装
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。
Means for Solving the Problems] Features of the flow rate measuring device according to the present invention uses two vibration modes of the piezoelectric vibrators constituting the ultrasonic transmitter, the according to the magnitude of the flow velocity of the measurement object By switching the vibration mode of the piezoelectric vibrator, when the predicted flow velocity is equal to or higher than a predetermined value, the frequency of the ultrasonic wave radiated into the fluid is switched to a lower frequency, and when the predicted flow velocity is lower than the predetermined value, the above frequency is changed. Is to switch to the higher one. Preferably, as the two vibration modes of the piezoelectric vibrator, a primary vibration and a higher-order (for example, tertiary) vibration of the same vibration are used. Alternatively, different vibration modes with different resonance frequencies may be used.

【0017】[0017]

【0018】[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。
According to the above feature, when the predicted flow velocity is equal to or higher than the predetermined value, the frequency of the ultrasonic wave radiated into the fluid is switched to a lower frequency, thereby converting the electric / mechanical vibration energy conversion efficiency of the piezoelectric vibrator. As a result, the radiation efficiency of the ultrasonic waves can be increased, and the power consumption can be reduced. on the other hand,
When the predicted flow velocity is less than the predetermined value, by switching the frequency of the ultrasonic wave radiated into the fluid to a higher one, the power consumption increases, but the rise of the received signal becomes faster.
That is, the time required for the converted voltage waveform to reach the comparison voltage for detection is shortened, and the measurement accuracy of the propagation time and, consequently, the measurement accuracy of the flow velocity are improved. As a result, it is possible to accurately measure even a small flow velocity.

【0019】[0019]

【0020】[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。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. (Embodiment 1) FIG. 1 is a perspective view schematically showing a piezoelectric vibrator 4 used in an ultrasonic transducer of a fluid measuring device according to an embodiment of the present invention. In the figure, reference numerals 1 and 2 denote piezoelectric ceramics which are polarized in the thickness direction and have electrodes formed on upper and lower surfaces, respectively, and are bonded together to form a piezoelectric vibrator 4. Reference numeral 3 denotes a driving power supply, which generates an AC voltage for driving the piezoelectric vibrator 4. When an AC voltage having a frequency near the resonance frequency is applied to the piezoelectric ceramics 1 and 2 constituting the piezoelectric vibrator 4 by the driving power supply 3, the piezoelectric vibrator 4 oscillates in thickness and emits ultrasonic waves to the outside. I do.

【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。
FIG. 2 is a sectional view of an ultrasonic transducer 8 using the piezoelectric vibrator 4. In the figure, reference numeral 5 denotes a matching layer for efficiently radiating ultrasonic waves from the end face of the piezoelectric vibrator 4, and also serves to narrow the directivity of radiated sound pressure. Reference numeral 6 denotes a cushioning material that prevents the sound wave from radiating from surfaces other than the acoustic radiation surface of the piezoelectric vibrator 4. The piezoelectric vibrator 4, cushioning material 6, and matching layer 5 are provided in a case 7.
It is stored in. The ultrasonic transducer 8 configured as described above can be used with the case 7 securely fixed.
Ultrasonic pulse (burst) stably from the sound emitting surface only
Can be emitted (in the direction of the arrow). Also, conversely,
The arriving ultrasonic pulse is efficiently input to the piezoelectric vibrator 4 by the matching layer 5 and is converted into a voltage signal. FIG. 3 shows the frequency characteristics of admittance as viewed from the drive terminal of the ultrasonic transducer. In the figure, a frequency fr1 is a resonance frequency of the first-order thickness vibration, and a frequency fr2 is a resonance frequency of the third-order thickness vibration.

【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。
FIG. 4 is a block diagram of a flow velocity measuring apparatus according to the present embodiment using the above-described ultrasonic transducer. In this figure, T1 and T2 are the ultrasonic transducers shown in FIG. Also, in the following description, similarly to FIG.
V is the flow velocity of the fluid, C is the velocity of the ultrasonic wave, and θ is the angle formed by the direction in which the fluid flows and the propagation direction of the ultrasonic pulse.

【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。
In FIG. 4, when the measurement of the flow velocity of the fluid is started by the start circuit 11, the switching circuit 10
Switching is performed so that 1 is a transmitter and the transmitter / receiver T2 is a receiver. Further, the start circuit 11 notifies the time measurement circuit 19 of the start of measurement. And the trigger circuit 18
Triggers the drive circuit 12 to drive the transducer T1, and an ultrasonic pulse is emitted into the fluid. The ultrasonic pulse propagates along the propagation path L1 having a distance L, reaches the transducer T2, and is converted into a voltage signal. The output signal of the transducer T2 is amplified by the amplifier 13 and compared with the set level by the comparison circuit 14, whereby it is recognized that the ultrasonic pulse has reached the transducer T2. Then, after the elapse of a predetermined delay time by the delay circuit 17, the trigger circuit 18 again applies a voltage pulse to the transducer T1 to emit an ultrasonic pulse. This delay time corresponds to the time until the previous ultrasonic wave disappears from the measurement system. This operation is repeated the number of times set by the repetition setting circuit 15, and the elapsed time is measured by the time measuring circuit 19. The repetition control circuit 16 is responsible for terminating the repetition operation. By dividing the elapsed time at this time by the number of repetitions and subtracting the delay time, an average sing-around period t1 is obtained, and an average sing-around frequency f1 is obtained from its reciprocal. This calculation is executed by the flow speed calculation circuit 20, and the calculation result is temporarily stored.

【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。
Next, the switching circuit 10 is switched so that the transmitter / receiver T2 is used as a transmitter and the transmitter / receiver T1 is used as a receiver. Then, the same repetitive operation as described above is performed, and the average sing-around period t2 and the frequency f2 are calculated by the flow velocity calculating circuit 20. Then, the flow velocity V is calculated from the frequency difference Δf between the average sing-around frequencies f1 and f2 based on the above equation (Equation 3). The flow velocity calculation circuit 20 performs this calculation.

【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。
The response characteristics shown in FIG. 5 are obtained when the ultrasonic transducer shown in FIG. 2 is used. FIG. 5A shows the case where the frequency fr1 in the first mode of the thickness vibration is used.
FIG. 4B shows the frequency fr2 in the third mode of the thickness vibration.
Respectively shows the received waveforms of the ultrasonic transducer when using. Recognition of the received waveform is considered that an ultrasonic pulse has arrived when the received waveform level exceeds a predetermined level (hereinafter, referred to as a trigger level). Therefore, it is considered that the ultrasonic pulse has arrived when the time td1 has elapsed from the received wave in FIG. 10A and when the time td2 has elapsed since the received wave in FIG. Accordingly, the accuracy of the time measurement that can recognize the received waveform is higher when the third mode of the thickness vibration, which is a high frequency, is used than when the first mode is used, and the measurement accuracy of the flow velocity is also higher. . However, when the frequency of the ultrasonic wave is increased, the power consumption of a transmitter that generates a voltage pulse, an amplifier circuit, and the like increases.

【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。
As can be seen from equation (3), when the flow velocity V of the fluid is small, the difference in the average sing-around time becomes small, and high time measurement accuracy is required. Focusing on this point, in the device according to the present invention, when the flow velocity V of the fluid is small, the tertiary mode of the thickness vibration, which is a high frequency, is used to increase the measurement accuracy. The power consumption is reduced by using the third mode of thickness vibration. In this embodiment, the switching of the vibration mode is performed by switching the oscillation frequency of the driving power supply 3 between fr1 (frequency near) and fr2 (frequency near) by various known methods. (Embodiment 2) FIG. 6 is a sectional view of a piezoelectric vibrator used in an ultrasonic transducer of a flow velocity measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention. In the figure, reference numerals 21 and 22 denote piezoelectric ceramics which are polarized in the thickness direction and have electrodes formed on upper and lower surfaces, respectively, and are bonded together with a metal plate 23 therebetween to constitute a piezoelectric vibrator. V1 and V2 are drive power supplies, which generate an AC voltage for driving the piezoelectric vibrator.
When an AC voltage near the resonance frequency is applied to the piezoelectric ceramics 21 and 22, the piezoelectric vibrator generates thickness vibration and emits ultrasonic waves.

【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。
FIG. 7 is a frequency characteristic diagram of admittance as viewed from the drive terminal of the ultrasonic transducer formed using the piezoelectric vibrator shown in FIG. In the figure, the frequency fr3
Is the resonance frequency when the polarities of the output voltages of the driving power supplies 1 and 2 are reversed, and the frequency fr4 is
Are the resonance frequencies when the polarities of the output voltages are the same.

【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。
As described above, in the present embodiment, two driving power supplies are used, and the polarity of one of them is adjusted to the polarity of the other or switched so as to change the ultrasonic wave output from the ultrasonic transducer. Switching frequency. Then, as in the first embodiment, when the flow velocity V of the fluid is small, the measurement accuracy is increased by using high frequency ultrasonic waves, and when the flow velocity V of the fluid is large, low frequency ultrasonic waves are used. To reduce power consumption. The block diagram of the flow velocity measuring device is the same as that of FIG. 4 described in the description of the first embodiment, and its response characteristics are also the same as those shown in FIG. (Embodiment 3) Next, a description will be given of an embodiment of a highly reliable fluid measuring device which is low in power consumption and low in manufacturing cost. FIG. 8 is a perspective view of a piezoelectric vibrator of the ultrasonic transducer used in the apparatus of the present embodiment. In the figure, reference numeral 30 denotes a piezoelectric ceramic element having electrodes formed on an inner peripheral surface and an outer peripheral surface of a cylindrical shape and polarized in a radial direction. When a drive AC voltage, which is the output of a drive power supply, is applied to the piezoelectric element 30, the piezoelectric element 30 vibrates in a longitudinal (axial) vibration mode and emits ultrasonic waves in the direction indicated by the arrow.

【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。
FIG. 9 is a perspective view of an ultrasonic transducer 32 constituted by using the piezoelectric element 10 shown in FIG. In the figure, reference numeral 31 denotes a matching material (matching layer) for efficiently radiating sound waves from one end face of the piezoelectric element 30, and also serves to reduce the directivity of radiated sound pressure. Although the matching layer 31 has a disk shape here, the directivity of radiated sound pressure can be improved by making the acoustic radiation surface concave as shown in the cross-sectional view shown in FIG. In addition, by covering the piezoelectric element 30 with a cushioning material as in the case of the ultrasonic wave transducer shown in FIG. 2, it is possible to prevent the emission of ultrasonic waves from surfaces other than the acoustic radiation surface.

【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。
In the piezoelectric element of this embodiment, since the drive voltage is applied between the electrodes formed on the inner and outer circumferences of the cylindrical piezoelectric element, the impedance seen from the drive terminals can be reduced. Therefore, an ultrasonic pulse can be emitted more efficiently at a lower driving voltage than a disk or square plate type piezoelectric vibrator used in a conventional flow velocity measuring device that vibrates in a thickness vibration mode. Further, since the structure is simpler than that in which a piezoelectric vibrator is formed by laminating a large number of piezoelectric ceramic thin plates, a low-cost and highly reliable piezoelectric element can be realized.

【0031】[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。
According to the present invention, by using two vibration modes (for example, primary and higher order) of the piezoelectric vibrator and switching the vibration mode (that is, frequency) according to the magnitude of the flow velocity, the power consumption is reduced. It is possible to provide a flow velocity measuring device capable of measuring flow velocity with high accuracy even when the flow velocity is small and the measurement precision is high and the flow velocity is low.

【0032】[0032]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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
FIG. 1 is a perspective view of a piezoelectric vibrator used in a fluid measuring device according to a first embodiment of the present invention.

【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
FIG. 2 is a sectional view of an ultrasonic transducer using the piezoelectric vibrator shown in FIG. 1;

【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
FIG. 3 is a diagram showing admittance versus frequency characteristics of the ultrasonic transducer shown in FIG. 2;

【図4】 流体測定装置のブロック図FIG. 4 is a block diagram of a fluid measuring device.

【図5】 超音波送受波器の受波波形を示す図FIG. 5 is a diagram showing a received waveform of an ultrasonic transducer.

【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
FIG. 6 is a sectional view of a piezoelectric vibrator used in a fluid measuring device according to a second embodiment.

【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
FIG. 7 is a diagram showing frequency characteristics of admittance of the ultrasonic transducer shown in FIG. 6;

【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
FIG. 8 is a perspective view of a piezoelectric element used in a fluid measuring device according to a third embodiment.

【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
FIG. 9 is a perspective view of an ultrasonic transducer using the piezoelectric element shown in FIG. 8;

【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
FIG. 10 is a conceptual diagram for explaining the measurement principle of the ultrasonic flow velocity measuring device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 1,2; 21,22 Piezoelectric ceramic 3 Drive power supply 4; 30 Piezoelectric vibrator 5; 31 Matching layer 6 Buffer material 7 Case 8; 32 Transmitter / receiver 23 Metal plate

───────────────────────────────────────────────────── 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 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01F 1/66

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【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。
An apparatus for measuring the flow velocity of the fluid by driving an ultrasonic transducer to emit an ultrasonic wave into a fluid and measuring a time required for the ultrasonic wave to propagate through a predetermined propagation path. When the predicted flow velocity is equal to or higher than a predetermined value by switching the vibration mode according to the predicted flow velocity using two vibration modes of the piezoelectric vibrator constituting the ultrasonic transducer. The present invention relates to a flow velocity measuring device, wherein the frequency of an ultrasonic wave radiated into a fluid is switched to a lower frequency, and the frequency is switched to a higher frequency when an estimated flow velocity is less than a predetermined value.
【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。
2. The first vibration and the higher vibration of the same vibration are used as two vibration modes of the piezoelectric vibrator.
The flow velocity measuring device according to the above.
【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。
3. The flow velocity measuring device according to claim 1, wherein different vibration modes having different resonance frequencies are used as the two vibration modes of the piezoelectric vibrator.
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