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2010年7月 9日 (金)

超音波流速センサ

超音波流速センサは圧電素子を送信・受信に使い、管路を斜め(角度θ)で伝播させて、伝播時間から流速を求める。

流れに順方向に伝播させるときには音速:C、平均流速:v、伝播経路長:Lとして、伝播時間τ1=L/(C+vcosθ)である。流れに逆方向であればτ2=L/(C-vcosθ)である。

音速Vは、液体の組成や温度により変化する。

そこで、一工夫して、

1/τ1-1/τ2=2vcosθ/L を得て、音速Cに依存しない式を得る。

水の場合、v=1500m/sでvを1m/s、L=2m、θ=60°とすれば1/τ1-1/τ2=0.5Hzとなる。超音波の波長は1MHzで0.15cmくらいであり、時間差は0.2μsである。従って、波長の数分の1が問題になる。実際には流速を1%程度まで測定したいので、波長より2桁程度小さい時間の測定が課題になる。事は単純ではないのだ。圧電素子は送信・受信できるので、一対の圧電素子を送信・受信の役割を切り替えて使えば、回路的要因は殆ど消去できるが、波長よりはるかに短い時間の測定が鍵を握ることになる。

超音波流量計としては口径10cmくらいから数mまで使われているが、小口径では時間測定が制約になり、大口径では超音波の減衰に制約される。

なお、気体流速の計測では、音速が数倍遅く、音響インピーダンスの関係で圧電素子から流体へのエネルギー伝達効率が悪いので、課題の形態は異なる。

超音波は主として圧電素子により発生・検知される。そして、信号処理方法や圧電素子の材料、寸法により様々な用途に使われる。その一つである超音波流速センサは圧電素子の利用の1形態に過ぎないが、音速差の計測に特化して様々な工夫がなされているのである。

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