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专利名称：声匹配体、超声波发送器/接收器和超声波流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将超声波发射到流体中的声匹配体、一种被提供声匹配体的 超声波发送器/接收器，和一种被提供超声波发送器/接收器的超声波流量计。
背景技术：
近来，用于通过计算超声波通过传播路径所必要的时间并且测量流体的移动速率 而测量流量的超声波流量计被利用作为气量计等。在超声波流量计中，一对超声波发送器/接收器被设于流体(例如，气体)沿其经 过的管道壁以与流体的流动以正交方式交叉。在利用该超声波流量计测量流体的流量的情形中，首先一个超声波发送器/接收 器将超声波发射到流体中，并且然后该超声波发送器/接收器接收经传播的超声波并且将 该超声波转换成电压。然后，该超声波发送器/接收器将超声波发射到通过管道的内部流动的流体中， 并且然后一个超声波发送器/接收器接收经传播的超声波并且将该超声波转换成电压。然后，基于经转换的电压、超声波的速率、沿着传播方向的超声波脉冲与流体的流 动方向的角度、超声波的传播路径的距离等探测流体的流量。这里，在一对超声波发送器/接收器中，用于将超声波发射到通道中的流体的匹 配部件分别作为声匹配体被设于主体的声波发射表面(超声波的发送/接收表面)。在该主体中，在具有底部的圆柱形外壳中容纳压电元件，利用端子板关闭该外壳 的开口，并且经由导电橡胶而被连接到压电元件的端子被该端子板支撑以向外地突出。而且，该匹配部件具有由多孔材料(玻璃球(中空))制成的匹配层以将超声波发 射到通道中的流体中。该匹配部件包括其声阻抗分别不同的第一层和第二层，并且被如此构造，S卩，使得 第一层是由多孔体和填充材料构成的合成材料，该填充材料在多孔中空间隙中，第二层由 填充材料或者多孔体形成，并且在第一层和第二层之间不存在任何独立的层(例如见专利 文献1)。专利文献1 JP-A-2004-45389官方公报

发明内容
本发明所要解决的问题在专利文献1中，该匹配层包含至少两个层，即其声阻抗分别不同的第一层和第 二层，并且被如此构造，即，使得在第一层和第二层之间不存在独立的层。因此，在第一层和第二层之间的分离能够得到抑制。结果，能够更加增强流体的流 量测量准确度。然而，现今要求实际上实现使得以更高准确度测量流体的流量成为可能的技术。本发明已经得以作出以满足前面的要求，并且本发明的目的在于提供一种声匹配体、一种超声波发送器/接收器，和一种超声波流量计，能够以更高准确度测量流体的流量。用于解决所述问题的方案一种被装配到超声波发送器/接收器中的主体的、本发明的声匹配体包括匹配 部件，该匹配部件配备有将被紧密地附着到该主体的声波发射表面的多孔体，和在该多孔 体的表面上堆叠并且包括热硬化树脂和第一流动性减小颗粒的致密层；和被紧密地附着到 该声波发射表面和多孔体的端面的侧壁部件。该侧壁部件被紧密地附着到声波发射表面和多孔体的端面。据此，即使当采用具 有高脆度的陶瓷多孔体作为匹配部件时，陶瓷多孔体的随着时间的退化也能够得到抑制， 并且测量准确度能够得到改进。而且，在本发明中，该多孔体利用致密层和侧壁部件而被密封。因为多孔体利用致密层和侧壁部件而被密封，所以通过在声波发射表面和陶瓷多 孔体之间的边界部分和在陶瓷多孔体和致密层之间的边界部分的吸湿能够得到防止。而且，在本发明中，流动性减小颗粒被混合到侧壁部件中。这里，“流动性减小颗粒”意味着被用于增加用作侧壁部件的粘性物质的粘度的物 质。S卩，除非该侧壁部件在某个程度上具有粘度，否则当在多孔体的端面上涂覆该侧 壁部件时，这种侧壁部件将被流体冲走。因此，混合了流动性减小颗粒以抑制这种事件。以此方式，因为流动性减小颗粒被混合到侧壁部件中，所以流动性减小颗粒能够 给予用作侧壁部件的粘性物质所期望的粘度。因此，侧壁部件的端面能够必定地得到覆盖。另外，在本发明中，该流动性减小颗粒是无机填料。据此，颗粒自身是由无机材料形成的。因此，由于温度而引起的质变是小的，并且 能够以低的成本获得流动性减小颗粒。而且，在本发明中，流动性减小颗粒的平均颗粒直径被设为0. 01到0. 1 μ m。据此，侧壁部件的粘度能够被有效地降低。而且，在侧壁部件被涂覆之后，直到它 被硬化，侧壁部件到多孔体中的渗透能够得到有效的抑制。而且，在本发明中，流动性减小颗粒被以1到5wt%混合。据此，在通过使用分配器喷嘴涂覆侧壁部件的情形中，侧壁部件到多孔体中的渗 透能够得到有效的抑制。另外，在本发明中，通过使得多孔体紧密地附着到主体中的声波发射表面，并且然 后向多孔体的端面供应用作侧壁部件的粘性物质，同时在轴上一体地转动主体和多孔体， 而形成侧壁部件。而且，本发明的一种超声波发送器/接收器包括带有底部的圆柱形外壳；在该外 壳中容纳的压电体；经由导电橡胶而被连接到压电体的端子；和用于关闭该外壳的开口并 且在端子向外侧突出的状态中支撑端子的端子板；其中在权利要求1到权利要求7中的任 何一项中所述的声匹配体被装配到该外壳的声波发射表面，并且声匹配体和外壳还覆盖有 防水膜。而且，本发明的一种超声波流量计包括测量流体流动通过的流量测量部；被彼此 相对地布置于该流量测量部的上游侧和下游侧上的一对超声波发送器/接收器；用于测量超声波在该对超声波发送器/接收器之间的传播时间的超声波传播时间测量电路；和用于 基于由超声波传播时间测量电路测量的超声波传播时间而计算每单位时间的测量流体的 流量的计算单元；其中提供了在权利要求8中所述的超声波发送器/接收器。本发明的优点根据本发明的声匹配体、超声波发送器/接收器和超声波流量计，侧壁部件被紧 密地附着到声波发送/接收表面和多孔体的端面。因此，能够实现这种优点，即，陶瓷多孔 体的、由于高温和潮湿环境、温度变化等引起的吸湿能够得到抑制，并且还能够改进测量准 确度。


图1是示出根据本发明的超声波流量计的截面视图。图2是示出根据本发明的超声波流量计的截面视图。图3是图2的A部分的放大照片。图4是示出其中从图2的A部分移除防水膜的状态的放大视图。图5是根据本发明示出在被混合到致密层中的第一流动性减小颗粒的固体含量 比率(体积固体含量的浓度)和致密层的表面变形量之间的关系的图表。图6是根据本发明示出在被混合到致密层中的第一流动性减小颗粒的平均颗粒 直径和致密层的表面变形量之间的关系的图表。引用数字和符号的说明10超声波流量计11流量测量部12 通道15，16第一和第二超声波发送器/接收器(一对超声波发送器/接收器)17超声波传播时间测量电路18计算单元21 主体24声匹配体25 外壳25A外壳的开口26防水膜27声波发射表面28压电体29 端子31端子板34匹配部件35多孔体35A多孔体的端面35B 表面36侧壁部件
5
37致密层38热硬化树脂39第一流动性减小颗粒(流动性减小颗粒)42第二流动性减小颗粒(流动性减小颗粒)
具体实施例方式将在下文中参考附图解释根据本发明的实施例的一种声匹配体、一种超声波发送 器/接收器和一种超声波流量计。如在图1中所示，根据本实施例的超声波流量计10包括配备有流体(测量流体 (例如，气体))流动通过的通道12的流量测量部11、被彼此相对地布置于流量测量部11的 上游侧和下游侧上的第一和第二超声波发送器/接收器(一对超声波发送器/接收器)15、 16、被设于第一和第二超声波发送器/接收器15、16之间的超声波传播时间测量电路17，和 用于基于由超声波传播时间测量电路17测量的超声波传播时间而计算每单位时间的流体 的流量的计算单元18。在由超声波流量计10测量流动通过通道12的流体的流动速率V时，首先其频率 被设定为接近第一超声波发送器/接收器15的共振频率的AC电压被施加到压电转换器， 并且因此超声波被从第一超声波发送器/接收器15发射到流体中。所发射的超声波由第 二超声波发送器/接收器16接收并且被转换成电压。然后，其频率被设定为接近第二超声波发送器/接收器16的共振频率的AC电压 被施加到压电转换器，并且因此超声波被从第二超声波发送器/接收器16发射到流体中。 所发射的超声波由第一超声波发送器/接收器15接收并且被转换成电压。这里，假设流动通过通道12的流体的流动速率是V、超声波在流体中的声速是C， 并且超声波脉冲的传播方向与流体的流动方向的角度是θ。当作为从第一超声波发送器/接收器15发射的超声波脉冲到达第二超声波发送
器/接收器16所需的时间的单程周期被设为tl并且单程频率被设为f 1时，如下给出等式 ⑴。η = 1/tl = (C+Vcos θ )/L …(1)而且，当作为从第二超声波发送器/接收器16发射的超声波脉冲到达第一超声波 发送器/接收器15所需的时间的单程周期被设为t2并且单程频率被设为f2时，如下给出 等式⑵。F2 = l/t2 = (C-Vcos θ )/L …(2)据此，在两个单程频率之间的频差Af由等式(3)给出。然后，能够从超声波的传 播路径的距离L和频差Δ f推导流体的流动速率V，并且能够从流动速率V推导流量。Af = fl-f2 = 2 (Vcos θ )/L ... (3)为了改进超声波流量计10的准确度，被设于发送/接收超声波的第一和第二超声 波发送器/接收器15、16 (即，图2所示的压电体28)中的声波发送/接收表面(在下文中 被称作“声波发射表面”)27的声匹配体24的声阻抗是重要的。这里，第一和第二超声波发送器/接收器15、16被分别构造成具有相同的结构。因 此，在下文中解释第一超声波发送器/接收器15的结构，但是将在下文中省略第二超声波发送器/接收器16的解释。如在图2和图3中所示，第一超声波发送器/接收器15具有用于产生超声波的主 体21、被设于主体21的声波发射表面27以将由主体21产生的超声波传送到流体的声匹配 体24，和用于覆盖声匹配体24和主体21的外壳25的防水膜26。主体21具有带有底部的圆柱形外壳25、在外壳25中容纳的压电体28、经由导电 橡胶而被连接到压电体28的端子29，和用于关闭外壳25的开口 25A并且在端子29向外突 出的状态中支撑该端子的端子板31。声匹配体24被装配到外壳25的声波发射表面27。该声匹配体24具有被紧密地附着到声波发射表面27的匹配部件34，和被紧密地 附着到声波发射表面27和多孔体35的端面35A的侧壁部件36。根据第一超声波发送器/接收器15，由压电体28振动的超声波以特定频率振荡， 并且然后该振荡经由外壳25而被传递到匹配部件34。被传递到匹配部件34的振荡作为声 波而传播通过流体。在此情形中，匹配部件34的角色在于使压电体28的振荡有效地传播通过流体。声 阻抗由流体中的声速C和密度P定义，如在下面由等式(4)给出。Z=PXC …(4)在压电体和流体之间，声阻抗在很大程度上是不同的。以此方式，声波在声阻抗不同的边界表面上传播期间引起反射，并且因此透射的 声波的强度减弱。因此，通过在具有声阻抗Zl的压电体28和具有声阻抗Z2的流体之间插入其声阻 抗具有如下由等式(5)给出的关系的物质，而减小声波的反射并且增强声波的透射强度的 方法是已知的。Z = (Z1XZ2) (1/2) . . . (5)如根据等式(4)理解地，需要具有小的密度和缓慢的声速的固体作为满足该声阻 抗的物质。因此，应该通过向匹配部件34提供多孔体35而满足此条件，即，应该提供具有小 的密度和缓慢的声速的固体。然后，为了向匹配部件34提供多孔体35，如下地构造匹配部件34。S卩，匹配部件34配备有被紧密地附着到声波发射表面27的多孔体35，和在多孔 体35的表面35B上堆叠的并且包括在图4中所示的热硬化树脂38和第一流动性减小颗粒 (流动性减小颗粒)39的致密层37。多孔体35利用致密层37和侧壁部件36而被密封。例如，如在图4中所示，采用由陶瓷制成并且其骨架40包含间隙40A的多孔体(在 下文中被称作“陶瓷多孔体35”)作为多孔体35。而且，在陶瓷多孔体35中，在骨架40和骨架40之间形成孔40B。如在图2中所示，陶瓷多孔体35利用致密层37和侧壁部件36而被密封。因此， 通过在声波发射表面27和陶瓷多孔体35之间的边界部分41和在陶瓷多孔体35和致密层 37之间的边界部分42的吸湿能够得以防止。如在图4中所示，致密层37包括热硬化树脂38和第一流动性减小颗粒39，并且致密层37的表面37A被平坦地形成。因为致密层37的表面37A被平坦地形成，所以声波的直线性能够得以保证并且测 量准确度能够得以增强。利用转印方法形成该致密层37。作为转印方法，例如通过利用丝网印刷、金属掩模印刷等在其它材料(在其上涂 覆脱模剂的PET膜)上印刷环氧树脂，然后在其上布置陶瓷多孔体35，并且然后将树脂转印 到陶瓷多孔体35的表面35B上的方法形成致密层37。在图4所示致密层37的热硬化树脂38中，例如采用环氧基树脂作为粘合剂。而且，添加致密层37的第一流动性减小颗粒39以增加致密层37的粘度。固体含 量比率(体积固体含量的浓度)被设为30到50%。而且，第一流动性减小颗粒39的平均颗粒直径是0. 05 μ m到5 μ m。将在下面解释第一流动性减小颗粒39的固体含量比率(体积固体含量的浓度) 被设为30到50%并且平均颗粒直径被确定为0. 05 μ m到5 μ m的原因。首先，将参考图5的图表和下面的表格1解释第一流动性减小颗粒39的固体含量 比率(体积固体含量的浓度)被确定为30到50%的原因。在此情形中，图5的图表和表格1所示数据对应于在具有高温和潮湿测试条件 70°C的环境中经过240小时之后获得的数据。由以下等式(1)推导出第一流动性减小颗粒39的固体含量比率。固体含量比率=[Vp/(Vb+Vp)]XlOO其中Vb 粘合剂(基于环氧的树脂)38的体积，并且Vp 第一流动性减小颗粒39的体积。[表格1]
权利要求
一种被装配到超声波发送器/接收器中的主体的声匹配体，包括匹配部件，所述匹配部件配备有多孔体和致密层，所述多孔体被紧密地附着到所述主体的声波发射表面，所述致密层堆叠在所述多孔体的表面上并且包括热硬化树脂和第一流动性减小颗粒；和被紧密地附着到所述声波发射表面和所述多孔体的端面的侧壁部件。
2.根据权利要求1的声匹配体，其中所述多孔体被所述致密层和所述侧壁部件密封。
3.根据权利要求2的声匹配体，其中流动性减小颗粒被混合到所述侧壁部件中。
4.根据权利要求3的声匹配体，其中所述流动性减小颗粒是无机填料。
5.根据权利要求3的声匹配体，其中所述流动性减小颗粒的平均颗粒直径被设为0.01 至Ij 0. 1 μ HIo
6.根据权利要求3的声匹配体，其中以1到5wt%混合所述流动性减小颗粒。
7.根据权利要求1到6中的任一项的声匹配体，其中通过使得所述多孔体紧密地附着 到所述主体中的所述声波发射表面，并且然后向所述多孔体的所述端面供应用作所述侧壁 部件的粘性物质，同时在轴上一体地转动所述主体和所述多孔体，来形成所述侧壁部件。
8.一种超声波发送器/接收器，包括 带有底部的圆柱形外壳；在所述外壳中容纳的压电体；经由导电橡胶连接到所述压电体的端子；和用于关闭所述外壳的开口并且在所述端子向外侧突出的状态中支撑所述端子的端子板；其中在权利要求1到7中的任何一项中所述的所述声匹配体被装配到所述外壳的所述 声波发射表面，并且所述声匹配体和所述外壳还覆盖有防水膜。
9.一种超声波流量计，包括 测量流体流动通过的流量测量部；被彼此相对地布置于所述流量测量部的上游侧和下游侧上的一对超声波发送器/接 收器；用于测量超声波在所述一对超声波发送器/接收器之间的传播时间的超声波传播时 间测量电路；和用于基于由所述超声波传播时间测量电路测量的超声波传播时间来计算所述测量流 体的每单位时间的流量的计算单元；其中提供了在权利要求8中所述的所述超声波发送器/接收器。
全文摘要
提供了能够以更高准确度测量流体的流量的一种声匹配体、一种超声波发送器/接收器和一种超声波流量计。声匹配体(24)被装配到一对超声波发送器/接收器(15，16)中的主体(21)。声匹配体(24)包括匹配部件(34)，匹配部件(34)配备有紧密地附着到主体(21)的声波发射表面(27)的多孔体(35)，和在多孔体(35)的表面(35B)上堆叠并且包括热硬化树脂(38)和第一流动性减小颗粒(39)的致密层(37)；和紧密地附着到声波发射表面(27)和多孔体(35)的端面(35)的侧壁部件(36)。
文档编号G01F1/66GK101960869SQ20098010805
公开日2011年1月26日 申请日期2009年1月9日 优先权日2008年3月7日
发明者中野慎, 伊藤雅彦, 重冈武彦 申请人:松下电器产业株式会社