JP2003106880A - 超音波送受信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 不都合なクロストークを大幅に回避できる超
音波送受信装置を提供する。 【解決手段】 超音波変換器１と超音波導波路２と外装
周壁３とを備えた超音波送受信装置であって、前記超音
波導波路２が前記外装周壁３内に配置され、かつ前記超
音波変換器１が前記超音波導波路２の一方の端部４に配
置されており、かつ該超音波導波路２の端部４の前記超
音波変換器１が、超音波を前記超音波導波路に伝送可能
もしくは該超音波導波路から受信可能である形式のもの
において、超音波変換器１と、該超音波変換器１から離
反した方の外装周壁３の領域との間に、インピーダンス
不連続部が設けられているようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波変換器と超
音波導波路と外装周壁とを備えた超音波送受信装置であ
って、前記超音波導波路が前記外装周壁内に配置され、
かつ前記超音波変換器が前記超音波導波路の一方の端部
に配置されており、かつ該超音波導波路の端部の前記超
音波変換器が、超音波を前記超音波導波路に伝送可能も
しくは該超音波導波路から受信可能である形式のものに
関する。

【０００２】

【従来の技術】前記形式の超音波送受信装置は例えば超
音波流量計器及び渦周波数流量計器において使用され
る。超音波変換器としてはその場合典型的には、超音波
を発生可能もしくは検出可能な圧電性結晶（Ｐｉｅｚｏ
ｋｒｉｓｔａｌｌ）が使用される。

【０００３】原則として１つの超音波送受信装置には、
超音波を発生可能もしくは検出可能なただ１つの超音波
変換器を設けることが可能である。そのためには、しか
しながら超音波を入力結合もしくは検出しようとする部
位に超音波変換器を直接配置することが必要になる。し
かし、この場合の問題点は、前述のように超音波変換器
のために典型的に使用される圧電性結晶が特定温度（い
わゆるキュリー温度）以上では、もはや使用できなくな
ることである。つまりキュリー温度以上になると、結晶
の圧電特性の前提条件であるところの結晶の強誘電性相
もしくは強磁性相はもはや存在しなくなる。しかしなが
ら超音波流量計器でもって流量を計測しようとする流動
媒体が例えば、圧電性結晶のキュリー温度以上になるほ
ど著しく高温である場合に、確実な稼働のためには、高
熱媒体から超音波変換器を或る程度断熱する必要があ
る。この理由に基づいて超音波送受信装置では、高熱媒
体から超音波変換器を可能な限り良好に断熱することを
保証する一方、超音波信号の、可能な限り損失及び障害
の無い伝送を保証する超音波導波路が使用される。この
ような超音波導波路を用いることで、超音波変換器によ
って発生された超音波が流動媒体に入力結合されるか、
もしくは超音波変換器によって高熱媒体から超音波が出
力結合される一方で、前記超音波変換器は高熱媒体から
空間的に離隔され、かつ少なくとも或る程度、前記高熱
媒体から熱絶縁されている。

【０００４】従来慣用の超音波送受信装置では、例えば
国際公開第９６／４１１５７号パンフレットに開示され
ているような超音波導波路が使用される。その場合、超
音波導波路としては、互いに平行な多本数の、極めて細
いロッドが使用され、しかも各ロッドのロッド直径は、
導波すべき超音波信号の波長よりも著しく小である。典
型的にはその場合ロッドは、緊密に接し合って１本のチ
ューブ内に嵌挿され、該チューブはロッドを側方から保
持しているので、従って超音波導波路のための外装周壁
を形成することになる。このようにしてコンパクトな超
音波導波路が実現される。前挙の国際公開第９６／４１
１５７号パンフレットに基づいて、超音波導波路につい
ては更にまた、実質的に円形に曲げ成形された金属薄板
を、互いに隔てて組み合わせて配置したような構造が公
知になっている。該構造はやはり１本のチューブ内に位
置しており、従って該チューブは、超音波導波路のため
の外装周壁を形成することになる。さらにヨーロッパ特
許庁特許公開第１０９８２９５号明細書に基づいて、巻
き込みシートから成るような超音波導波路が公知であ
り、前記巻き込みシートは、嵌合座をもって金属チュー
ブ内に差し込まれている。その場合、超音波を１５ｋＨ
ｚ〜２０ＭＨｚの周波数範囲で伝送するために巻き込み
シートの層厚は０．１ｍｍよりも小である。このシート
のための素材としては典型的には金属が使用される。

【０００５】前記の超音波導波路を備えた超音波送受信
装置に共通な点は、超音波導波路の一端には超音波変換
器が、該超音波変換器によって超音波を超音波導波路へ
入力結合可能もしくは前記超音波導波路から受信可能に
なるように配置されている。その場合、典型的な配置形
式では、超音波変換器は直接的に、要するに具体的な接
点をもって、超音波導波路の一端に載着される。前記の
巻き込みシートから成る超音波導波路の場合は一般に、
超音波導波路の端部は溶接及び面削りされている。超音
波変換器はその場合、超音波導波路の前記の溶接及び面
削りされた面に位置している。

【０００６】ところで、前記超音波送信装置における問
題点は、超音波変換器によって発生された超音波が、超
音波導波路に入力結合されるばかりではなく、超音波導
波路を包囲する外装周壁にも入力結合されることであ
る。同等のことは、超音波変換器が超音波を検出するた
めに設けられている場合、要するに超音波受信装置とし
て存在している場合にも該当する。つまりその場合、超
音波は、超音波導波路を介してばかりでなく、外装周壁
を介しても超音波変換器に到達する。したがって、一方
に超音波送信装置、他方に超音波受信装置が設けられて
いる場合、超音波導波路を介して送信もしくは受信され
る超音波のみならず、各外装周壁を介して送信もしくは
受信される超音波も検出されてしまう。それ故、超音波
送受信装置がその外装周壁を介して、例えば流量を測定
しようとする流動媒体が案内されている１本の管の囲壁
内に組込まれている場合には、該流動媒体を通過する超
音波が検出されるばかりでなく、前記囲壁を介して超音
波送信装置から超音波受信装置へ運動する超音波も検出
されることになる。この現象はクロストーク（Ｋｒｅｕ
ｚｋｏｐｐｌｕｎｇ）もしくは漏話（Ｎｅｂｅｎｓｐｒ
ｅｃｈｅｎ）と呼ばれ、かつ場合によっては、本来計測
したい測定信号の混信又は完全障害を惹起することにな
る。

【０００７】これに付随した問題点は特に、異なる２つ
の媒体間を超音波が推移する際に、幾何学的効果を無視
した伝送係数について次式： Ｔ＝４（ｚ_１／ｚ_２）／（１＋ｚ_１／ｚ_２）^２ が成り立つことを想起すれば、明らかである。

【０００８】但し式中： ｚ_１及びｚ_２は、超音波の推
移が行われる第１媒体と第２媒体の特性的なインピーダ
ンスを表わす。鋼から空気中に推移する場合、前記の伝
送係数Ｔは約０．００４％である。これは、音響エネル
ギーの大部分、つまり９９．９９６％が失われることに
相当する。この失われるエネルギーの決定的な部分は、
不都合なクロストークにおいて再度見出される。従って
クロストークは実質的に、超音波送信装置及び／又は超
音波受信装置と共に作業する測定計器の、信号：雑音の
比率を決定する。

【０００９】

【特許文献１】国際公開第９６／４１１５７号パンフレ
ット

【特許文献２】ヨーロッパ特許庁特許公開第１０９８２
９５号明細書

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従って本発明の課題
は、不都合なクロストークを大幅に回避できる超音波送
受信装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の構成では、超音波変換器と、該超音波変換器
から離反した方の外装周壁の領域との間に、インピーダ
ンス不連続部（インピーダンスジャンプ部）が設けられ
ている。

【００１２】

【発明の効果】本発明によりインピーダンス不連続部が
設けられたことで、超音波変換器から不都合に外装周壁
に到達される超音波を著しく弱める、超音波送信装置の
外装周壁域が得られる。又これに相応して本発明の超音
波受信装置では、該超音波受信装置の外装周壁によって
キャッチされて超音波変換器へ導かれる超音波を著しく
弱める、超音波受信装置の外装周壁域が得られる。つま
り両者の場合、或る時は超音波変換器から、或る時は超
音波変換器へ向かって、外装周壁を介して走行する超音
波はインピーダンス不連続部を通過せねばならず、しか
もその都度インピーダンス不連続部の大きさに関連し
て、超音波の強度は、実質的に前記伝送係数のための数
式に従って弱められる。

【００１３】超音波送受信装置の外装周壁における斯か
る本発明のインピーダンス不連続部は、種々の形式で実
現することができる。本発明の有利な実施形態によれ
ば、例えば外装周壁は超音波変換器から間隔を隔てて配
置されている。このようにすれば、超音波変換器寄りの
外装周壁端部に直接、エアギャップが実現され、伝送係
数に関連して説明したように、極めて顕著な減衰が惹起
される。これに関連して、本発明の有利な実施形態にに
よれば、前記の間隔域は、外装周壁の材料及び超音波変
換器の材料とは異なった材料で充填されている。このよ
うな処置は、超音波変換器から超音波送受信装置の外装
周壁へ幾何学的に均等な移行が必要である場合、要する
に切欠き部の形成が不可である場合に特に有利である。

【００１４】これとは択一的な有利な実施形態によれ
ば、インピーダンス不連続部が、外装周壁自体に設けら
れている。これは例えば、インピーダンス不連続部を外
装周壁内の切欠き部によって形成することによって実現
することができる。その際、切欠き部は例えば１つの孔
又は複数の孔により形成され得る。この孔は、盲孔であ
ってもよく、或いは外装周壁の全肉厚にわたって延びる
貫通孔であってもよい。また切欠き部は、周方向の溝、
殊に有利には円環状の溝によって形成することもでき
る。またこの溝に関しても、該溝が外装周壁の全肉厚に
わたって延在していても良いし、外装周壁の肉厚の一部
分だけにわたって延在していても良い。特にこれに関連
して、溝は、その円周に沿って種々異なった深さを有す
ることも可能である。

【００１５】基本的には、外装周壁自体に、つまり外装
周壁内に形成された切欠き部によって、インピーダンス
不連続部を形成する場合でも、前記切欠き部を、少なく
とも部分的に、外装周壁の材料及び超音波変換器の材料
とは相異した材料で充填することが可能である。

【００１６】本発明の更に有利な実施形態では、超音波
送受信装置は、ガス又は液体のような１つの媒体を収容
もしくは案内する容器を備えた測定計器において使用さ
れる。１つの媒体を収容もしくは案内する容器として
は、特にタンク又は管が考えられる。したがって、例え
ば１つの媒体を案内する容器としては、超音波流量測定
計器用の管が考えられる。このような測定計器において
本発明の有利な実施形態では、前記の超音波送信装置及
び／又は前記の超音波受信装置は、超音波変換器から離
反した方の外装周壁の領域部分を介して、容器の囲壁内
に固定されている。したがって、超音波送信装置の場
合、外装周壁のその部分だけが容器囲壁と接触している
にすぎず、ここでは超音波がすでに著しく弱められてい
る。従って、容器囲壁を介して生じる不都合なクロスト
ークは著しく低下されている。その一方で、超音波受信
装置の場合は、クロストークを経た超音波は、容器囲壁
を介して、容器囲壁に超音波受信装置を固定している外
装周壁の領域に入力結合される。しかしながら、前記外
装周壁の領域を、超音波変換器に通じる領域から断つイ
ンピーダンス不連続部に基づいて、超音波変換器に通じ
る領域からは、著しく減少したクロストーク成分が検出
されるにすぎない。

【００１７】基本的には超音波送信装置及び／又は超音
波受信装置を容器囲壁内に直接固定することが可能であ
る。しかしながら有利な実施形態によれば、超音波送信
装置及び／又は超音波受信装置を固定するためにフラン
ジが設けられており、しかも該フランジと超音波送信装
置もしくは超音波受信装置の外装周壁との間に、１つの
緩衝リングを設けることによって、クロストークの付加
的な減衰作用を得ることが可能である。緩衝リングのた
めの材料を選択する場合にやはり留意すべき点は、でき
るだけ大きなインピーダンス不連続作用を発生させるこ
とである。超音波送受信装置の外装周壁は典型的には金
属から製作され、また容器の囲壁も典型的には金属から
成っているので、前記緩衝リングのための典型的な材料
としては、プラスチック材料又はゴム材料が考えられ
る。

【００１８】さて、本発明の超音波送受信装置を構成す
るための有利な実施可能性は多数存在している。この有
利な実施可能性は、従属請求項に記載した構成手段並び
に、以下に図面に基づいて詳説する有利な実施例から明
らかである。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に図面に基づいて本発明の実施
例を詳説する。

【００２０】図１には、従来慣用の超音波送受信装置と
対比された本発明の有利な第１実施例による超音波送受
信装置が示されている。図１の右手に示した、本発明の
有利な第１実施例による超音波送受信装置は、超音波変
換器１と超音波導波路２と、該超音波導波路２を包囲す
る外装周壁３とを有している。超音波導波路２は、巻き
込まれた１枚の薄い金属シートから成り、該金属シート
のシート厚は約０．１ｍｍであり、かつ金属シートの端
部４は面削りされて溶接されている。本発明の有利な第
１実施例による超音波送受信装置を固定するために、外
装周壁３にはフランジ５が溶接されている。本発明の有
利な第１実施例による超音波送受信装置は前記フランジ
５を介して、図１では詳細な図示は省いたが、例えば測
定管に固着された接続フランジに位置決めされる。外装
周壁３は、超音波導波路２と同様に金属から成ってい
る。外装周壁３には、フランジ５の上位で、要するに超
音波変換器１寄りの外装周壁３の領域内に切欠き部６が
設けられている。該切欠き部６は円環状の溝として形成
されており、かつ外装周壁３の全肉厚にわたっている。

【００２１】図１の左手に示した従来慣用の超音波送受
信装置の場合には、このような切欠き部は設けられてい
ないが、その他の点では慣用の超音波送受信装置の構造
は事実上等しい。しかしながら本発明の有利な第１実施
例による超音波送受信装置において設けられている切欠
き部６に基づいて、超音波変換器１から外装周壁３へ入
力結合される超音波に関して、超音波送受信装置の全く
異なった挙動が得られる。

【００２２】つまり矢印で示したように、従来慣用の超
音波送受信装置では、外装周壁３へ入力結合された超音
波は、直接にフランジ５を介して、超音波送受信装置の
組込まれている測定管の囲壁（図示せず）へ伝送される
ことがある。これに対して本発明の有利な第１実施例に
よる超音波送受信装置では、超音波変換器１に接する外
装周壁３を経る前記の直接的な経路は、外装周壁３に設
けた切欠き部６に基づいて実質的に拒否される。したが
って、超音波は、超音波導波路２を完全に通走して、超
音波変換器１から離反した方の端部４で外装周壁３へ入
力結合し、次いで該外装周壁３内を超音波変換器１の方
へ向かって逆走した後、最終的に前記フランジ５へ入力
結合することによってのみ、フランジ５を介して測定管
の囲壁（図示せず）に到達することができる。このよう
にして、フランジ５を介して測定管へ入力結合される超
音波の強度が実質的に弱くなる一方、クロストークを生
ぜしめる超音波の走行距離も、このようにして実質的に
長くなるので、クロストークに起因した妨害信号は、超
音波送信装置から超音波受信装置へ直接に走行する本来
の測定信号を受信した後に時間的に著しく遅れて受信さ
れることになる。このようにして妨害信号に対する測定
信号の弁別が実質的に容易になる。

【００２３】ところで図２には、本発明の有利な第２実
施例による超音波送受信装置が示されている。この超音
波送受信装置の構造は、図１に示した本発明の有利な第
１実施例による超音波送受信装置に、次の点を除けば実
質的に等しい。すなわち相違点は、切欠き部６が、外装
周壁３の材料並びに超音波変換器１の材料とは相異した
材料７で充填されていることである。本実施例では切欠
き部６を充填するためにプラスチック材料が選ばれてい
る。

【００２４】図３には、超音波送受信装置の外装周壁３
内に設けた切欠き部６の３種の可能な実施形態が図示さ
れている。図３から判るように切欠き部６は、複数の孔
の形、外装周壁３の部分周域にわたって延びる１つの斜
向溝の形、或いは外装周壁３の全周域にわたって延びる
１つの斜向溝の形で設けることができる。

【００２５】図４及び図５には、本発明の有利な第３及
び第４の実施例による超音波送受信装置が図示されてい
る。両実施例では、インピーダンス不連続部（インピー
ダンスジャンプ部）が超音波送受信装置の外装周壁３自
体にではなくて、超音波変換器１と外装周壁３との間に
設けられている。つまり両実施例において外装周壁３は
超音波変換器１までは達していず、要するに超音波変換
器１から隔てて配置されている。なお図５に示した本発
明の有利な第４実施例によって得られる更なる利点は、
外装周壁３が更に引き上げられたことに基づいて、超音
波導波路２の、超音波変換器１寄り端部４並びに超音波
変換器１自体の防護が一層改善される点にある。

【００２６】図６には、すでに説明した本発明の有利な
第１実施例による超音波送受信装置を、それぞれ接続フ
ランジ９を介して、超音波流量計器の測定管８内に組込
んだ状態が図示されている。図６に基づいて、一方の超
音波変換器１から超音波送信装置のフランジ５、一方の
接続フランジ９、測定管８の囲壁１０、他方の接続フラ
ンジ９、超音波受信装置のフランジ５を経て他方の超音
波変換器１に至るクロストークを形成する超音波の経路
が、超音波送信装置又は超音波受信装置の超音波導波路
２の、各超音波変換器１から離反した方の端部４を経た
直接的な経路よりも著しく長いことが判る。この理由に
基づいて、クロストークに相当する超音波が、本来の測
定信号よりも時間的に著しく遅れて到達するので、パル
ス駆動を選択した場合に、クロストークに対して測定信
号を比較的容易に弁別することが可能である。

【００２７】図７には、本発明の有利な前記第１実施例
による超音波送受信装置を、緩衝リング１１を介して容
器の囲壁１２内に組込んだ状態が図示されている。緩衝
リング１１は本例ではゴム材料から形成されているの
で、クロストークを形成する超音波の付加的な減衰作用
が生じる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来慣用の超音波送受信装置と対比して示した
本発明の有利な第１実施例による超音波送受信装置の概
略的な断面図である。

【図２】本発明の有利な第２実施例による超音波送受信
装置の概略的な断面図である。

【図３】本発明の有利な第１実施例もしくは第２実施例
による超音波送受信装置の外装周壁内に形成される切欠
き部の３種の実施形態の概略図である。

【図４】本発明の有利な第３実施例による超音波送受信
装置の概略的な断面図である。

【図５】本発明の有利な第４実施例による超音波送受信
装置の概略的な断面図である。

【図６】超音波流量計器の測定管内に組込まれた本発明
の有利な第１実施例による超音波送受信装置の概略断面
図である。

【図７】緩衝リングを介して容器周壁内に配置された本
発明の有利な第１実施例による超音波送受信装置の概略
的な断面図である。

【符号の説明】

１ 超音波変換器、 ２ 超音波導波路、 ３
外装周壁、 ４ 端部、 ５ フランジ、 ６
切欠き部、 ７ 材料、 ８ 測定管、９ 接続
フランジ、 １０ 囲壁、 １１ 緩衝リング、
１２ 囲壁

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波変換器（１）と超音波導波路
   （２）と外装周壁（３）とを備えた超音波送受信装置で
   あって、前記超音波導波路（２）が前記外装周壁（３）
   内に配置され、かつ前記超音波変換器（１）が前記超音
   波導波路（２）の一方の端部（４）に配置されており、
   かつ該超音波導波路（２）の端部（４）の前記超音波変
   換器（１）が、超音波を前記超音波導波路に伝送可能も
   しくは該超音波導波路から受信可能である形式のものに
   おいて、 超音波変換器（１）と、該超音波変換器（１）から離反
   した方の外装周壁（３）の領域との間に、インピーダン
   ス不連続部が設けられていることを特徴とする、超音波
   送受信装置。
2. 【請求項２】 外装周壁（３）が超音波変換器（１）か
   ら間隔を隔てて配置されている、請求項１記載の超音波
   送受信装置。
3. 【請求項３】 間隔域が、外装周壁（３）の材料及び超
   音波変換器（２）の材料とは異なった材料で充填されて
   いる、請求項２記載の超音波送受信装置。
4. 【請求項４】 インピーダンス不連続部が外装周壁
   （３）内の切欠き部（６）によって形成されている、請
   求項１記載の超音波送受信装置。
5. 【請求項５】 切欠き部（６）が少なくとも１つの孔に
   よって形成されている、請求項４記載の超音波送受信装
   置。
6. 【請求項６】 切欠き部（６）が１つの溝、有利には周
   方向溝によって形成されている、請求項４記載の超音波
   送受信装置。
7. 【請求項７】 切欠き部（６）が少なくとも部分的に、
   外装周壁（３）の材料及び超音波変換器（１）の材料と
   は相異した材料（７）で充填されている、請求項４から
   ６までのいずれか１項記載の超音波送受信装置。
8. 【請求項８】 １つの媒体を収容もしくは案内する容器
   を備えた測定計器において、請求項１から７までのいず
   れか１項記載の超音波送信装置及び／又は超音波受信装
   置が、超音波変換器（１）から離反した方の外装周壁
   （３）の領域を介して、容器の囲壁（８，１２）内に固
   定されていることを特徴とする、測定計器。
9. 【請求項９】 超音波送信装置及び／又は超音波受信装
   置を固定するためにフランジ（９）が設けられており、
   かつ、該フランジ（９）と超音波送信装置もしくは超音
   波受信装置の外装周壁（３）との間に、１つの緩衝リン
   グ（１１）が設けられている、請求項８記載の測定計
   器。