JP3807976B2 - 残量検出用超音波トランスデューサおよびその支持方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、石油液化ガスなどの高圧ガスを貯蔵している貯槽内の残量を超音波を使用して検出するに当たり、超音波を送信もしくは受信、または送受信する残量検出用超音波トランスデューサ（超音波送信器もしくは超音波受信器、または超音波送受信器）、およびこれを残量検出装置の本体で支持する支持方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波を利用して被測定物を貯蔵している貯槽内の残量を検出する残量検出手段としては、大別して次の二つの方式が多く提供されている。
【０００３】
１つめの方式は、例えば特開平９−１６６４７８号公報に開示されているように、被測定物を貯蔵している貯槽の内部上面に残量検出装置を取り付け、残量検出装置の超音波送信器または超音波送受信器より送信された超音波が、貯槽内部の気層中を通り、被測定物の液面で反射され、残量検出装置の超音波受信器または超音波送受信器で受信されるまでにかかった時間より、被測定物の残量を検出する方式である。
【０００４】
もう一つの方式は、例えば特開平８−２１９８５４号公報に開示されているように、被測定物を貯蔵している貯槽の外側底面に残量検出装置を取り付け、残量検出装置の超音波送信器または超音波送受信器より送信された超音波が、貯槽の外側底面より、貯槽内部に貯蔵されている被測定物の液層中を通り、被測定物の液面で反射され、残量検出装置の超音波受信器または超音波送受信器で受信されるまでにかかった時間より被測定物の残量を検出する方式である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、貯槽の内部上面に残量検出装置を取り付けて被測定物の残量を検出する方式は、残量検出装置を貯槽の内部に取り付けるので、貯槽に残量検出装置を取り付けるための改造、または残量検出装置を取り付けるための治具などが必要になり、既存の貯槽をそのままの状態では使用することができない。
【０００６】
また、貯槽内の被測定物が液化石油ガスなどの高圧ガスの場合は、超音波を送受信するトランスデューサを剥き出しのままで貯槽の内部に取り付けると、残量検出装置のトランスデューサが高圧に耐えられずに破壊する、トランスデューサが腐食する、トランスデューサにかかる電圧による火災の危険性がある、等の理由でトランスデューサを高圧に耐えることができる筐体で密閉する必要がある。
【０００７】
超音波を送受信するトランスデューサは、貯槽の外部にある電源供給部、演算制御回路、残量表示メータ等と電気線で接続されているので、トランスデューサは貯槽の外部に出す方が望ましい。しかし、残量検出装置を貯槽の外側上面に取り付ける方式にすると、トランスデューサより送信された超音波は、貯槽の外側上面より、貯槽内部の気層中に入る過程で、急激な音響インピーダンスの違いにより超音波は急激に減衰してしまう。
【０００８】
また、この方式では、貯槽の材質、形状、板厚の違いによる影響を受けるため、残量検出装置を取り付ける貯槽の種類毎に残量検出装置の調整または仕様を変更することが必要になる。さらに、この方式では、超音波は被測定物の気層中を通るので、超音波が液層中を通る方式と比較して超音波が通る過程での温度変化が大きくなるため、貯槽内の被測定物の残量の温度誤差も大きくなる。
【０００９】
一方、貯槽の外部底面に残量検出装置を取り付けて被測定物の残量を検出する方式は、残量検出装置を貯槽の外部底面に残量検出装置が備えているマグネットなどで取り付けるので、貯槽に残量検出装置を取り付けるための改造、または残量検出装置を取り付けるための治具などが不要になり、既存の貯槽をそのままの状態で使用することができる。また、この方式では、貯槽の外部に残量検出装置を取り付けるので、貯槽内の高圧の影響がなくなり、また残量検出装置の信号線なども貯槽の外部にあるので、火災、爆発の危険性も少なくなるという利点がある。
【００１０】
しかし、超音波を貯槽の外部から内部にある被測定物の液層中に送信する方式のため、貯槽の材質、形状、板厚の違いによる影響を受けるので、残量検出装置を取り付ける貯槽の種類毎に残量検出装置の調整または仕様を変更することが必要になる。また、この方式では、超音波が被測定物の液層中を通るので、貯槽内部に貯蔵されている被測定物の種類による音速の影響を受ける。よって、この方式では、貯槽内部に貯蔵されている被測定物での音速を考慮して残量検出装置の調整または仕様を変更することが必要になる。
【００１１】
そこで、この発明の第１の目的は、このような従来の問題点に鑑み、小型、簡単な構造で、貯槽の種類、貯槽内部に貯蔵されている被測定物の種類の違いによる影響を受けることなく、広い分野で使用可能であるとともに、効率よく超音波を送受信できる残量検出用超音波トランスデューサ（超音波送信器もしくは超音波受信器、または超音波送受信器）を安価に提供できるようにすることにある。
【００１２】
また、第２の目的は、超音波トランスデューサを残量検出装置の本体に簡単に支持できるとともに、貯槽に改造や、取り付け治具などを要することなく、既存の貯槽をそのままの状態で使用することができる、残量検出用超音波トランスデューサの支持方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明の残量検出用超音波トランスデューサは、超音波変換素子を、片側端部を閉じた円筒形状のケース内の片側端部に装着するとともに、該ケースの外周面であって、超音波変換素子で超音波を送信または受信する時にケースの側部の振動変位が極小になる位置に環状凸部を設けたことを特徴とする。
【００１４】
好ましくは、次のような形態とする。
環状凸部が、残量検出装置の本体に支持するための支持部になっている。
環状凸部に、残量検出装置の本体側の雌ネジと螺合する雄ネジを形成する。
ケースの軸方向の長さ寸法を、超音波を送信または受信する時、ケースに伝わる超音波の波長をλとするとき、〔（λ／２）×Ｎ（正の整数）〕の±１０％とする。
ケースの材質を真鍮とする。
【００１５】
超音波トランスデューサの支持方法は、上記のような超音波トランスデューサを、そのケースを残量検出装置の本体の取付孔に嵌合させた状態で、環状凸部にて残量検出装置の本体に支持する。
【００１６】
残量検出装置の本体は、貯槽の開口部を閉塞するフランジを兼ねる形態にすると良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の実施の形態を図面に従って詳細に説明する。
【００１８】
図１は、この発明の一実施例の残量検出用超音波トランスデューサの断面図で、超音波送受信器としたものである。この超音波送受信器１は、円筒形ケース２を有底として片側端部、つまり底部３を閉じ、このケース２内の底部３上に超音波を送受信する超音波変換素子４を装着している。ケース２の外周面には、環状凸部５が一体に設けられている。
【００１９】
この環状凸部５の寸法および設定位置は、振動シミュレーションなどを行い、超音波変換素子４で超音波を送受信する時に、ケース２の側部６の振動振幅が極小になるように設定されている。
【００２０】
図２および図３に、図１に示す超音波送受信器１について、振動シミュレーションを行なった時のケース２の断面図を示す。これらの図は、超音波変換素子４により超音波を送受信した時、ケース２の材質、形状、支持方法などで決まるそれぞれの結合共振周波数時の振動の様子を示している。
【００２１】
図中（Ａ）は、結合共振周波数時でのケース２の振動の１周期中で、振動の振幅が最大になる時を示しており、一方、（Ｂ）は、（Ａ）に対して振動周期の位相が１８０°ずれた時のケース２の振動の振幅が最大になる時を示している。図２に示す結合共振周波数時には、ケース２の底部３のみが屈曲する振動を示している。他方、図３に示す結合共振周波数時には、ケース２の底部３、側部６および凸部５を含め、ケース２全体が屈曲する振動を示している。
【００２２】
図２および図３に示す振動モードの場合に、超音波を、図中矢印ｃに示す底部方向に送信する時、図３に示す振動モードの場合は、ケース２全体が屈曲する振動のため、超音波をｃ方向だけでなく、側部６の方向などにも送信するため指向性が鈍い。また、超音波変換素子４で発生できる超音波のエネルギ時、図２と図３の振動モードで同じため、図３の振動モードの場合は、側部６の方向などにも超音波のエネルギは分散され、ｃ方向に送信する超音波のエネルギは小さくなる。一方、図２に示す振動モードの場合は、ケース２の底部３のみが屈曲する振動のため、超音波をｃ方向だけに送信するため指向性が鋭い。また、図２の振動モードの場合は、底部３のみに超音波のエネルギが集中され、ｃ方向に送信する超音波のエネルギは大きくなる。
【００２３】
よって、超音波をｃ方向に送信する時は、図２に示す振動モードの場合の方が、図３に示す振動モードの場合と比較して、ｃ方向への指向性が鋭く、音圧レベルも高くなり、超音波を効率よくｃ方向に送信することができる。
【００２４】
また、ケース２の軸方向の長さ寸法は、超音波を送受信する時、側部６内を伝わる波長をλとするとき、〔（λ／２）×Ｎ（正の整数）〕の±１０％に設定すると、側部６内を伝わる超音波は、底部３の位置で振動の腹になり、放射されるので効率良く超音波を送受信することができる。
【００２５】
図１では、この発明による超音波トランスデューサを超音波送受信器としたが、超音波送信器または超音波受信器とした場合も同様である。
【００２６】
図４に、超音波送信器１１として用いたこの発明による超音波トランスデューサと超音波受信器１２として用いたこの発明による超音波トランスデューサとを並設した第１実施例の残量検出装置１０の断面図を示す。
【００２７】
この残量検出装置１０の本体１３は、貯槽の開口部を後述のように閉塞する例えば円盤状のフランジを兼ねるようになっており、超音波送信器１１と超音波受信器１２とは、この本体１３に設けられたそれぞれのための取付孔１３ａ・１３ｂに嵌合させて取り付けられている。
【００２８】
超音波送信器１１および超音波受信器１２には、それぞれのケース２の凸部５を覆い込むようにそれぞれ断面コの字形のパッキン１４が取り付けてある。
【００２９】
そして、超音波送信器１１および超音波受信器１２は、本体１３に設けてあるそれぞれのための取付孔１３ａ・１３ｂに、パッキン１４を介して嵌合させるとともに、押さえプレート１５で下側から押さえて本体１３に取り付けられ、それぞれの一部が本体１３の下面より突出している。
【００３０】
パッキン１４は、超音波送信器１１および超音波受信器１２の振動、残響が本体１３に伝わらないようにする緩衝材としての役割と、被測定物を貯蔵している貯槽内の圧力を密閉するシール材の役割を担っている。これらの役割を果たせるのであれば、形状はコの字形でなくても良い。
【００３１】
また、押さえプレート１５は、超音波送信器１１および超音波受信器１２が取付孔１３ａ・１３ｂから脱出して貯槽内に抜け落ちるのを防止する役割と、パッキン１４のシール性を保つために、パッキン１４に圧力を加える役割を担っていて、押さえプレート１５に設けてある孔１５ａより、例えばボルト１６などで本体１３の下面に取り付けられている。
【００３２】
超音波送信器１１の超音波変換素子４および超音波受信器１２の超音波変換素子４は、それぞれリード線１７を介して本体１３上に搭載された演算・制御・電源部１８に接続され、電気信号などのやり取りを行う。超音波送信器１１内のリード線１７は、取付孔１３ａの上面開口部に嵌め込まれた緩衝部材１９を貫通し、超音波受信器１２内のリード線１７は、取付孔１３ｂの上面開口部に嵌め込まれた緩衝部材１９を貫通している。
【００３３】
緩衝部材１９として、例えば樹脂、ゴムなどの緩衝材を使用している。それぞれの緩衝部材１９は、超音波変換素子４から送受信された超音波が、取付孔１３ａの上面開口部方向および取付孔１３ｂの上面開口部方向に放射されたりするのを防ぎ、超音波を減衰させる役割をする。このような役割を果たせるのであれば、緩衝材の代りに液体ゴムなどを、取付孔１３ａの上面開口部および取付孔１３ｂの上面開口部に流し込んだりしても良い。
【００３４】
本例では、演算・制御・電源部１８を本体１３の上面に取り付けているが、信号線などを経由して遠隔場所に設置しても良い。
【００３５】
本体１３の外周部には、本体１３を貯槽２０の天井部上に固定するための複数の固定孔１３ｃが設けられている。
【００３６】
一方、図８にも示すように貯槽２０の天井部には開口部２０ａが形成され、この開口部２０ａの周囲にリング状のフランジ取付部２１が設けられている。残量検出装置１０は、その本体１３をＯリングなどのパッキン類２２を介してフランジ取付部２１上に固定ネジ２３にて固定し、本体１３にて貯槽２０の開口部２０ａを閉塞する。
【００３７】
図５は、第２実施例の残量検出装置１０ａの断面図を示す。この残量検出装置１０ａでは、図１に示した超音波送受信器１を用い、これを図４における超音波送信器１１と同様に本体１３に取り付け、これ一つで超音波の送受信を行うようにしたもので、それ以外の構成は図４と同じである。このようにすると、図４の残量検出装置１０と比較して部品点数を削減でき、小型化およびコスト削減が行える。
【００３８】
図６は、第３実施例の残量検出装置１０ｂの断面図を示す。この残量検出装置１０ｂでは、図１に示した超音波送受信器１に対してケース２の凸部５の外周に雄ネジ５ａを形成した超音波送受信器１ａを用い、この雄ネジ５ａを本体１３の取付孔１３ａの内周に形成された雌ネジ１３ｄに螺合させて、超音波送受信器１ａを本体１３に取り付けたものである。この場合、凸部５を覆うパッキン１４に代えて、取付孔１３ａの段部と凸部５の端面との間に介在させるパッキン１４ａを用いる。その他、図４および図５において、対応部分に使用した符号をそのまま使用する。
【００３９】
なお、上述したすべての例では、超音波送受信器１１の円筒形ケース２の底部３側を閉じたが、例えば図７に示すように環状凸部５を有する円筒形ケース２の底部側を開放して逆に頂部７側を閉じるようにし、その頂部７上に超音波変換素子４を取り付けるようにしてもよい。このようにすると、超音波変換素子４で超音波を送受信するとき、ケース２内で反響してｃ方向に送信する超音波のエネルギを大きくすることができる。
【００４０】
次に、図４の残量検出装置１０を例にとって、被測定物を貯蔵している貯槽に取り付ける場合の使用例をさらに詳しく説明する。図８において、一般的に貯槽２０の開口部２０ａには、例えばフロート式の残量計用の取付部など、いくつかの取付部が予め備えてある。そのような取付部の中で、例えばフロート式の残量計用の取付部など、使用していない空いているリング状の取付部をフランジ取付部２１として利用して、残量検出装置１０の本体１３を、パッキン２２を介して固定ボルト２３でフランジ取付部２１上に固定する。図８中符号２４は、貯槽２０内に貯蔵されている被測定物の液層、符号２５は被測定物の気層、符号２６は被測定物の液面を示す。
【００４１】
次に、図８を参照して動作を説明する。演算・制御・電源部１８より送られた送信信号により、超音波送信器１１より超音波２７が送信される。超音波２７は、被測定物の気層２５中を通り被測定物の液面２６で反射され、再び被測定物の気層２５中を通り超音波受信器１２にて受信され、受信信号が演算・制御・電源部１８に入力される。
【００４２】
演算・制御・電源部１８は、超音波２７の送信から受信までにかかった時間より液面レベルを算出する。演算・制御・電源部１８は、算出した液面レベルに、必要に応じ温度センサなどで測定した温度情報により温度補正など行い、補正後の被測定物の残量情報を表示部２８に表示させる。同時に、残量情報は、無線または有線の通信手段を経由して遠隔地にある集中監視センタなどへ送信することもできる。
【００４３】
図９（Ａ）、（Ｂ）、(Ｃ)に、この発明による超音波トランスデューサのケース２の材質を、真鍮と、ステンレスと、アルミニウムとし、各々の材料での音圧が最大になる時の、超音波送信試験結果を示す。この場合、ケース２の材質以外の寸法、形状、超音波変換素子４などの条件は同一条件で試験を行った。試験データの横軸は時間を、縦軸は超音波の音圧を示す。この試験結果により、ケース２の材質を真鍮にした時が、最も音圧が高くなり、超音波を効率よく送受信することができることが確認された。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、超音波変換素子を、片側端部を閉じた円筒形状のケース内の片側端部に装着したので、超音波変換素子を、貯槽内の高圧による破損、腐食より保護することができる。また、超音波変換素子にかかる電圧による火災の危険性がなくなる。また、超音波変換素子より超音波を送受信する時に、ケースの側部の振動変位が極小になる位置に環状の凸部を設けてあるので、残量検出装置を貯槽などに取り付けた後でも、残量検出装置の結合共振周波数及び振動モードが変化することなく、常に超音波を効率よく送受信できる。さらに、貯槽の天井部の開口部に取り付けて、超音波を被測定物の気層中に直接送信し、被測定物の液面で反射された超音波を、超音波受信部で受信する方式にできるので、貯槽内の被測定物の種類、貯槽の種類による影響を受けにくく、広い分野で使用可能な残量検出装置を提供することができる。
【００４５】
請求項２に係る発明によれば、環状凸部が、残量検出装置の本体で支持される支持部になっているので、残量検出装置の本体で支持し易い。
【００４６】
請求項３に係る発明によれば、環状凸部に、残量検出装置の本体側の雌ネジと螺合する雄ネジを形成したので、取り付け構造が簡単になり、取り付け性も一層容易になる。
【００４７】
請求項４に係る発明によれば、ケースの軸方向の長さ寸法を、超音波を送信または受信する時、ケースに伝わる超音波の波長をλとするとき、〔（λ／２）×Ｎ（正の整数）〕の±１０％としたので、ケースの側部内を伝わる超音波は、閉じてある片側端部の位置で振動の腹になり、放射されるので効率良く超音波を送受信することができる。
【００４８】
請求項５に係る発明によれば、ケースの材質を真鍮としたので、材質的に最も音圧が高くなり、超音波を一層効率よく送受信することができる。
【００４９】
請求項６に係る発明によれば、ケースを残量検出装置の本体の取付孔に嵌合させた状態で、環状凸部を残量検出装置の本体で支持するので、該本体を貯槽の開口部に取り付けて、超音波を被測定物の気層中に直接送信し、被測定物の液面で反射された超音波を、超音波受信部で受信する方式にできるので、貯槽内の被測定物の種類、貯槽の種類による影響を受けにくく、広い分野で使用可能な残量検出装置を提供することができる。
【００５０】
請求項７に係る発明によれば、残量検出装置の本体が、貯槽の天井部の開口部を閉塞するフランジを兼ねるので、残量検出装置を貯槽に取り付けるにあたり、貯槽に改造や、取り付け治具など要することなく、既存の貯槽をそのままの状態で使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波送受信器としたこの発明の一実施例の残量検出用超音波トランスデューサの断面図である。
【図２】図１に示す超音波送受信器について、振動シミュレーションを行なった時のケースの断面図である。
【図３】図２とは異なる振動モードの断面図である。
【図４】超音波送信器として用いたこの発明による超音波トランスデューサと超音波受信器として用いたこの発明による超音波トランスデューサとを並設した残量検出装置の断面図である。
【図５】図１に示した超音波送受信器を用い、これを図４における超音波送信器と同様に本体に取り付けた残量検出装置の断面図である。
【図６】ケースの凸部をネジ付けて超音波送受信器を本体に取り付けた残量検出装置の断面図である。
【図７】超音波送受信器としたこの発明の他の実施例の残量検出用超音波トランスデューサの断面図である。
【図８】図４の残量検出装置を例にとって、被測定物を貯蔵している貯槽に取り付けた場合の使用例を示す断面図である。
【図９】ケースの材質を、真鍮と、ステンレスと、アルミニウムとし、各々の材料での音圧が最大になる時の、超音波送信試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 超音波送受信器
１ａ 超音波送受信器
２ ケース
４ 超音波変換素子
５ 凸部
５ａ 雄ネジ
１０ 残量検出装置
１０ａ 残量検出装置
１０ｂ 残量検出装置
１１ 超音波送信器
１２ 超音波受信器
１３ 本体
１３ａ 取付孔
１３ｂ 取付孔
１３ｄ 雌ネジ
１４ パッキン
１４ａ パッキン
１５ 押さえプレート
１７ リード線
１８ 演算・制御・電源部
１９ 緩衝部材
２０ 貯槽
２０ａ 開口部
２１ フランジ取付部
２２ パッキン類
２３ 固定ネジ
２４ 液層
２５ 気層
２６ 液面
２７ 超音波

Claims (7)

1. 超音波の送信から、貯槽内の被測定物の表面で反射して受信までにかかった時間により、被測定物の残量を検出するための残量検出用超音波トランスデューサにおいて、超音波変換素子を、片側端部を閉じた円筒形状のケース内の片側端部に装着するとともに、該ケースの外周面であって、前記超音波変換素子で超音波を送信または受信する時にケースの側部の振動変位が極小になる位置に環状凸部を設けたことを特徴とする、残量検出用超音波トランスデューサ。
2. 前記環状凸部が、残量検出装置の本体で支持するための支持部になっていることを特徴とする、請求項１に記載の残量検出用超音波トランスデューサ。
3. 前記環状凸部に、残量検出装置の本体側の雌ネジと螺合する雄ネジを形成したことを特徴とする、請求項２に記載の残量検出用超音波トランスデューサ。
4. 前記ケースの軸方向の長さ寸法を、超音波を送信または受信する時、ケースに伝わる超音波の波長をλとするとき、〔（λ／２）×Ｎ（正の整数）〕の±１０％としたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の残量検出用超音波トランスデューサ。
5. 前記ケースの材質を真鍮としたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の残量検出用超音波トランスデューサ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の超音波トランスデューサを、そのケースを残量検出装置の本体の取付孔に嵌合させた状態で、前記環状凸部を残量検出装置の本体で支持することを特徴とする、超音波トランスデューサの支持方法。
7. 貯槽の開口部を閉塞する残量検出装置の本体で超音波トランスデューサを支持することを特徴とする、請求項６に記載の超音波トランスデューサの支持方法。

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