JP2000097741A - 超音波式渦流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定流体の温度変化にかかわらず安定した
良好な流量計測を行える簡易な構成の超音波式渦流量計
を提供する。 【解決手段】 超音波受信信号Ｄをしきい値に基づいて
矩形受信信号Ｅに変換して位相比較器７に入力するコン
パレータ６と、位相比較器７からの位相差信号Ｇに基づ
いてコンパレータ６のしきい値を変える位相差監視回路
１２とを設けた。被測定流体の温度が反映された位相差
信号Ｇに基づいてコンパレータ６のしきい値を変えてお
り、被測定流体の温度に応じてコンパレータ６の超音波
受信信号Ｄの矩形受信信号Ｅへの変換タイミングを変え
ることが可能であるので、矩形受信信号Ｅを位相比較器
７の復調範囲に収めることができ、ひいては広い温度範
囲で安定して良好に流量計測できる。広い温度範囲にお
ける良好な流量計測を、構造が複雑な移相器を使用せず
に果たしているので、構成の簡易化及び装置の低廉化を
図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量を計測
する超音波式渦流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】渦流量計は、流れの中に置かれた障害物
の後方に発生するカルマン渦の周波数が流速に比例する
ことを利用して被測定流体の流量を求めるものであり、
堅牢かつ高精度である等の特長を有することから、種々
の分野で用いられている。近時、低流速での渦検出感度
が高いこと及び耐震性が優れていることなどから超音波
センサを用いた流量計（超音波式渦流量計）が注目され
ている。

【０００３】超音波式渦流量計としては、振幅復調方式
のものと、位相復調方式のものとがあるが、流量検出感
度が高いことから位相復調方式が主流になっている。こ
こで、位相復調方式の超音波式渦流量計は、大略、超音
波センサの送信器から送信される超音波（送信側超音
波）とカルマン渦により変調されて受信器で受信される
超音波（受信側超音波）との位相差を求める位相比較器
を備え、この位相比較器で求めた位相差に基づいて被測
定流体の流量を計測するようにしている。

【０００４】しかし、位相復調方式の超音波式渦流量計
では、位相比較器が得る送信側超音波及び受信側超音波
の位相差には、カルマン渦により超音波が受ける位相変
調による位相差分と被測定流体の温度の変化による位相
差分とが混在し、温度変化が大きい場合には基準となる
２つの超音波信号（送信側、受信側超音波）の位相差が
位相比較器の位相復調範囲（±２π）を超えることがあ
る。そして、このような場合、一時的に安定した流量計
測を行えない状態を惹起することになる。

【０００５】上述した被測定流体の温度変化による流量
計測への影響をキャンセルする方法としていわゆる回路
的に対処したものと、いわゆる構造的に対処したものと
がある。前記回路的に対処したものは、例えば、送、受
信器からなる１組の超音波センサを用い、送信器に発振
器を接続し、発振器が駆動信号を出力することにより、
送信器に、駆動信号と位相及び周波数が同等の超音波
（送信側超音波）を発生させ、被測定流体中を伝搬して
受信器に受信される超音波（受信側超音波）と前記駆動
信号（ひいては送信側超音波）とを位相比較する際に、
駆動信号を移相回路を介して位相比較器に入力すること
で位相差を常に位相比較器の位相復調範囲の中心になる
ように制御するようにしている。

【０００６】また、前記構造的に対処したものは、例え
ば、送、受信器からなる超音波センサを２組用意し、被
測定流体中を伝搬して両受信器で得られる超音波信号
（受信側超音波）同士を位相比較し、被測定流体温度変
化による位相差をキャンセルするようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た回路的に対処したものでは、移相器の構成が複雑であ
り、かつ高価なものになってしまうという問題点を有す
る。また、上述した構造的に対処したものでは、１組の
みの超音波センサを有する渦流量計に適用する場合、更
に超音波センサを１組備える必要があり、部品点数が多
くなる上、組付工程がその分多くなり、ひいては高価な
ものになってしまうことになる。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、被測定流体の温度変化にかかわらず安定した良好な
流量計測を行える簡易な構成の超音波式渦流量計を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
被測定流体が流れる管と、管内に設けられてカルマン渦
を発生させる渦発生体と、前記カルマン渦発生領域を間
にして配設される送、受信器からなる超音波センサと、
前記送信器から送信される超音波と前記受信器で受信さ
れる超音波との位相差信号を出力する位相比較器と、該
位相比較器から出力される位相差信号に基づいて前記管
を流れる被測定流体の流量を計測する超音波式渦流量計
であって、前記受信器と前記位相比較器との間に介装さ
れ、前記受信器からの超音波信号を基準値に基づいて矩
形の超音波信号に変換する波形整形手段と、該波形整形
手段の基準値を前記位相比較器からの位相比較信号に基
づき調整する基準値調整手段と、を設けたことを特徴と
する。

【００１０】請求項２記載の発明は、被測定流体が流れ
る管と、管内に設けられてカルマン渦を発生させる渦発
生体と、前記カルマン渦発生領域を間にして配設される
送、受信器からなる超音波センサと、前記送信器から送
信される超音波と前記受信器で受信される超音波との位
相差信号を出力する位相比較器と、該位相比較器から出
力される位相差信号に基づいて前記管を流れる被測定流
体の流量を計測する超音波式渦流量計であって、前記管
内の被測定流体の温度を検出する温度検出手段と、前記
受信器と前記位相比較器との間に介装され、前記受信器
からの超音波信号を基準値に基づいて矩形の超音波信号
に変換する波形整形手段と、該波形整形手段の基準値を
前記温度検出手段の検出結果に基づき調整する基準値調
整手段と、を設けたことを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態の超
音波式渦流量計を図１ないし図５に基づいて説明する。
図１において、超音波式渦流量計は、被測定流体が流れ
る管１と、この管１内に設けたカルマン渦発生用の渦発
生柱（渦発生体）２とを有している。管１には、カルマ
ン渦の発生領域に臨むようにして超音波センサ３を構成
する１組の送信器３ａ及び受信器３ｂのそれぞれが、相
対向して設けられている。

【００１２】送信器３ａには発振器４が接続されてお
り、駆動信号Ａを出力して送信器３ａに超音波を送信さ
せるようにしている。この場合、送信器３ａが送信する
超音波（送信側超音波）Ｂと駆動信号Ａとは周波数が同
等になるようにしている。送信器３ａが発生する超音波
（送信側超音波）Ｂは、被測定流体の流速に対応する周
波数で発生するカルマン渦により変調され、変調された
（送信側超音波Ｂに対し位相差を生じた）超音波（受信
側超音波）Ｃが受信器３ｂに受信されるようになってい
る。受信器３ｂは受信側超音波Ｃに対応した略正弦波状
の信号（超音波受信信号Ｄ）を出力する。

【００１３】受信器３ｂには、超音波受信信号Ｄを増幅
する増幅回路５、コンパレータ（波形整形手段）６及び
位相比較器７がこの順に接続されている。コンパレータ
６は、増幅回路５を介して受信器３ｂから送られる略正
弦波状の超音波受信信号Ｄを基準値（以下、しきい値と
いう。）に基づいて矩形の超音波信号（矩形受信信号）
Ｅに変換して位相比較器７に入力するものであり、しき
い値は調整可能となっている。例えば、図２に示すよう
に、しきい値を点線のしきい値Ｔ₁ 、実線のしきい値Ｔ
₂ 、二点鎖線のしきい値Ｔ₃ のいずれかに設定した場
合、超音波受信信号Ｄを入力すると、前記各しきい値に
対応して、超音波受信信号Ｄを図３に示すような矩形受
信信号Ｅに変換してこれを位相比較器７に入力する。上
述したようにしきい値を変えることにより、図２に示す
同一の超音波受信信号Ｄでも、時間軸（図３横軸）で見
たときの矩形受信信号Ｅの変換タイミングが変わること
になる。

【００１４】位相比較器７は、図１及び図４に示すよう
に、コンパレータ６からの矩形受信信号Ｅ及び発振器４
からの駆動信号Ａを入力され、両信号（矩形受信信号Ｅ
及び駆動信号Ａ）の立上りエッジを検出してその時間差
から位相差Ｆを求め、この位相差Ｆに相当する大きさの
電圧の位相差信号Ｇを出力する。なお、この位相差信号
Ｇは、被測定流体の温度による位相差分が含まれ、被測
定流体の温度が反映されたものになっている。その際、
位相比較器７の連続的な復調範囲は、図５に示すように
（−２π）〜（＋２π）の範囲〔±２πの範囲〕であ
り、この範囲を超えた場合は、位相差０に戻ってその位
相差０を中心にして±２πの範囲で連続的に復調を行う
ようにしている。

【００１５】位相比較器７の出力部には、増幅回路８、
波形整形回路（以下、出力側波形整形回路という。）
９、マイコンからなる流量演算回路１０及びインタフェ
ース部１１がこの順に接続されている。さらに、位相比
較器７の出力部には位相差監視回路（基準値調整手段）
１２が接続されており、この位相差監視回路１２の出力
部がコンパレータ６のしきい値用端子６ａに接続されて
いる。

【００１６】増幅回路８は位相比較器７からの位相差信
号Ｇを増幅する。出力側波形整形回路９は、位相差信号
Ｇをこの位相差信号Ｇの大きさに相当する数のパルス信
号Ｈに変換して流量演算回路１０に入力する。流量演算
回路１０は、前記パルス信号Ｈから前記管１を流れる被
測定流体の流量を求め、単位流量パルスあるいは４〜２
０ｍＡの瞬時流量信号としてインタフェース部１１を介
して外部に出力する。

【００１７】位相差監視回路１２は、予め、位相比較器
７の復調範囲に相当する規定値と位相差信号Ｇの平均値
との対応関係（位相差信号Ｇ−規定値対応特性）を格納
しており、位相差信号Ｇを監視し、この位相差信号Ｇの
平均値が前記規定値から外れないように（すなわち、矩
形受信信号Ｅが位相比較器７の復調範囲から外れないよ
うに）、コンパレータ６に電圧を供給してしきい値をリ
ニアに変える（すなわち、超音波受信信号Ｄの矩形受信
信号Ｅへの変換タイミングを変える）ようにしている。

【００１８】上述したように構成した超音波式渦流量計
では、位相差監視回路１２が、位相比較器７が出力する
被測定流体の温度が反映された位相差信号Ｇに基づいて
コンパレータ６のしきい値を変えており、被測定流体の
温度に応じてコンパレータ６の超音波受信信号Ｄの矩形
受信信号Ｅへの変換タイミングを変えることが可能であ
るので、矩形受信信号Ｅを位相比較器７の復調範囲に収
めることができ、ひいては広い温度範囲で安定した良好
な流量計測を図ることができる。また、広い温度範囲に
おける良好な流量計測を、従来技術で用いられる構造が
複雑な移相器を使用せずに果たしているので、構成の簡
易化及び装置の低廉化を図ることができる。さらに、１
組の超音波センサ３で、広い温度範囲における安定した
良好な流量計測を果たすことが可能であるので、温度に
よる計測精度の低下を２組の超音波センサを用いて行う
上述した従来技術に比して、適用範囲が広いものにな
る。

【００１９】本実施の形態では、位相比較器７からの位
相差信号Ｇを位相差監視回路１２に入力して、コンパレ
ータ６へフィードバックする場合を例にしたが、これに
代えて、流量演算回路１０に位相差信号Ｇを入力して、
流量演算回路１０の制御信号をコンパレータ６の基準値
入力へフィードバックするように構成してもよい。

【００２０】さらに、本実施の形態では、位相比較器７
からの位相差信号Ｇを位相差監視回路１２に入力して、
コンパレータ６へフィードバックする場合を例にした
が、これに代えて、図６に示すように、管１を流れる被
測定流体の温度を検出する温度センサ２０を設ける一
方、予め位相比較器７の復調範囲に相当する規定値と被
測定流体の温度との対応関係（温度−規定値対応特性）
を格納し、温度センサ２０の検出信号を監視し、この温
度信号の値が前記規定値から外れないように（すなわ
ち、矩形受信信号Ｅが位相比較器７の復調範囲から外れ
ないように）、コンパレータ６に電圧を供給してしきい
値をリニアに変える（すなわち、超音波受信信号Ｄの矩
形受信信号Ｅへの変換タイミングを変える）ように構成
した位相差監視回路１２Ａを設けるようにしてもよい。

【００２１】なお、本実施の形態では、コンパレータ６
へ位相差監視回路１２，１２Ａから電圧を供給してリニ
アにしきい値を変える構成としたが、これに限らず、位
相比較器７または温度センサ２０からの電圧に基づき、
異なる２値の規定値電圧のうちいずれか１つを出力する
ようにしてもよい。また、本実施の形態では、ハード回
路により構成したが、マイコン及びＡ−Ｄ変換器により
ソフトウェアにより処理するようにしてもよい。

【００２２】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、基準値調整手段
が波形整形手段の基準値を調整するので、被測定流体の
温度変化または温度変化を反映した信号に応じて前記基
準値を調整させることにより、波形整形手段の超音波受
信器からの超音波の矩形の超音波信号への変換タイミン
グを被測定流体の温度変化に応じて変えることが可能と
なり、被測定流体の温度変化にかかわらず矩形の超音波
信号を位相比較器の復調範囲に収めることができ、ひい
ては広い温度範囲で安定した良好な流量計測を図ること
ができる。

【００２３】また、広い温度範囲における安定した良好
な流量計測を、従来技術で用いられる構造が複雑な移相
器を使用せずに果たしているので、構成の簡易化及び装
置の低廉化を図ることができる。さらに、１組の超音波
センサで、広い温度範囲における安定した良好な流量計
測を果たすことが可能であるので、温度による計測精度
の低下を２組の超音波センサを用いて行う上述した従来
技術に比して、２組の超音波センサを有するという制約
が回避され、その分、適用範囲が広いものになる。

【００２４】請求項２記載の発明は、基準値調整手段が
温度検出手段の検出結果に基づいて波形整形手段の基準
値を調整しており、波形整形手段の超音波受信器からの
超音波の矩形の超音波信号への変換タイミングが被測定
流体の温度変化に応じて変えることが可能となるので、
被測定流体の温度変化にかかわらず矩形の超音波信号を
位相比較器の復調範囲に収めることができ、ひいては広
い温度範囲で安定した良好な流量計測を図ることができ
る。

【００２５】また、前記請求項１記載の発明と同様に、
以下の作用、効果を奏することになる。すなわち、広い
温度範囲における安定した良好な流量計測を、従来技術
で用いられる構造が複雑な移相器を使用せずに果たして
いるので、構成の簡易化及び装置の低廉化を図ることが
できる。さらに、１組の超音波センサで、広い温度範囲
における安定した良好な流量計測を果たすことが可能で
あるので、温度による計測精度の低下を２組の超音波セ
ンサを用いて行う上述した従来技術に比して、２組の超
音波センサを有するという制約が回避され、その分、適
用範囲が広いものになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の超音波式渦流量計を模
式的に示すブロック図である。

【図２】図１のコンパレータの機能を示すための超音波
信号としきい値とを対応させた図である。

【図３】図１のコンパレータの波形整形処理を図２に対
応して示す図である。

【図４】図１の位相比較器に入力する２つの信号（駆動
信号、矩形受信信号）のタイミングと、両信号の比較に
より得られる位相差を示す図である。

【図５】図１の位相比較器の復調範囲を示す図である。

【図６】本発明の他の実施の形態を模式的に示すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

３ 超音波センサ ３ａ 送信器 ３ｂ 受信器 ６ コンパレータ（波形整形手段） ７ 位相比較器 １２，１２ａ 位相差監視回路（基準値調整手段） ２０ 温度センサ（温度検出手段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定流体が流れる管と、管内に設けら
   れてカルマン渦を発生させる渦発生体と、前記カルマン
   渦発生領域を間にして配設される送、受信器からなる超
   音波センサと、前記送信器から送信される超音波と前記
   受信器で受信される超音波との位相差信号を出力する位
   相比較器と、該位相比較器から出力される位相差信号に
   基づいて前記管を流れる被測定流体の流量を計測する超
   音波式渦流量計であって、 前記受信器と前記位相比較器との間に介装され、前記受
   信器からの超音波信号を基準値に基づいて矩形の超音波
   信号に変換する波形整形手段と、 該波形整形手段の基準値を前記位相比較器からの位相比
   較信号に基づき調整する基準値調整手段と、を設けたこ
   とを特徴とする超音波式渦流量計。
2. 【請求項２】 被測定流体が流れる管と、管内に設けら
   れてカルマン渦を発生させる渦発生体と、前記カルマン
   渦発生領域を間にして配設される送、受信器からなる超
   音波センサと、前記送信器から送信される超音波と前記
   受信器で受信される超音波との位相差信号を出力する位
   相比較器と、該位相比較器から出力される位相差信号に
   基づいて前記管を流れる被測定流体の流量を計測する超
   音波式渦流量計であって、 前記管内の被測定流体の温度を検出する温度検出手段
   と、 前記受信器と前記位相比較器との間に介装され、前記受
   信器からの超音波信号を基準値に基づいて矩形の超音波
   信号に変換する波形整形手段と、 該波形整形手段の基準値を前記温度検出手段の検出結果
   に基づき調整する基準値調整手段と、を設けたことを特
   徴とする超音波式渦流量計。