JP2000314742A - Flow velocity measuring method - Google Patents

Flow velocity measuring method

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JP2000314742A
JP2000314742A JP11124604A JP12460499A JP2000314742A JP 2000314742 A JP2000314742 A JP 2000314742A JP 11124604 A JP11124604 A JP 11124604A JP 12460499 A JP12460499 A JP 12460499A JP 2000314742 A JP2000314742 A JP 2000314742A
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phase difference
frequency
ultrasonic
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Chan Hakusoo
ハクソー、チャン
Yasuo Ito
康夫 伊藤
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CHANG MIN TEC CO Ltd
TOHO KEISOKU KENKYUSHO KK
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CHANG MIN TEC CO Ltd
TOHO KEISOKU KENKYUSHO KK
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To stably measure flow velocity even in the case of the distance between opposed transducers being large by measuring flow velocity from the difference between upstream and downstream propagation times of amplitude- modulated ultrasonic wave, and the like. SOLUTION: In a propagation time difference method, flow velocity is measured from the difference between upstream and downstream propagation times of amplitude-modulated ultrasonic wave. In a phase difference method, phase difference between transmitted wave and a signal received after propagated obliquely upstream, and phase difference between transmitted wave and a signal received after propagated obliquely downstream, are measured to compute flow velocity by the difference between the reciprocals of these phase differences regardless of the sound velocity. For instance, transducers 1, 2 are opposedly arranged on both sides of a river, with a distance L at an angle α to a flow velocity direction V. The transducers 1, 2 are alternately switched to the transmit side and receive side by a switching circuit 3. An amplitude modulator 17 and a carrier wave oscillator 13 are connected to an output amplifier 18, and a modulation signal oscillator 14 and the carrier wave oscillator 13 generate sine waves.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、河川や大きな人工開水
路に於ける流体の流量、並びに比較的口径の大きいパイ
プ管に於ける気体や液体等の流量を測定するために、流
体の流速を超音波で測定する技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a method for measuring the flow rate of a fluid in a river or a large artificial open channel, and the flow rate of a gas or a liquid in a pipe having a relatively large diameter. The present invention relates to a technique for measuring ultrasonic waves with ultrasonic waves.

【0002】[0002]

【従来の技術】周知のように、開水路やパイプ管用超音
波流量測定装置の主要部分は、超音波を利用して流速を
測定する部分である。そして、大多数の超音波流量測定
装置で使用している流速測定方法は、超音波伝播時間差
法または超音波位相差法である。
2. Description of the Related Art As is well known, the main part of an ultrasonic flow rate measuring apparatus for open channels and pipe pipes is a section for measuring the flow velocity using ultrasonic waves. The flow velocity measuring method used in most ultrasonic flow measuring devices is the ultrasonic propagation time difference method or the ultrasonic phase difference method.

【0003】図5に、超音波伝播時間差法を用いた典型
的な流速測定装置のブロック図を示した。同図に於い
て、流路の一方側と他方側に、超音波を発振・受信する
一対のトランスデュ−サ部1と2を、流速方向に対して
角度αで且つ距離Lで対向配置し、トランスデュ−サ部
1と2に夫々接続されるスイッチ回路3は、このトラン
スデュ−サ部1と2を、交互に超音波パルス発振回路4
の出力端と、超音波を受信して得た受信信号を増幅する
受信増幅回路5の入力端に、切替接続する。
FIG. 5 shows a block diagram of a typical flow velocity measuring apparatus using the ultrasonic propagation time difference method. In FIG. 1, a pair of transducers 1 and 2 for oscillating and receiving ultrasonic waves are disposed on one side and the other side of the flow path so as to face each other at an angle α and a distance L with respect to the flow direction. A switch circuit 3 connected to each of the transducer sections 1 and 2 alternately connects the transducer sections 1 and 2 to the ultrasonic pulse oscillation circuit 4.
And an input terminal of a reception amplification circuit 5 for amplifying a reception signal obtained by receiving an ultrasonic wave.

【0004】受信増幅回路5は、受信信号をチェックし
て短いパルス信号を成形する回路6、超音波パルスを発
射した瞬間から超音波パルスが距離Lの間隔を伝播して
受信された瞬間までの伝播時間を測定する時間間隔測定
回路7、超音波伝播時間差流速測定式によって流速Vを
演算する流速演算回路8に、夫々順次接続され、前記し
た超音波パルス発振回路4は時間間隔測定回路7に直接
接続されている。
The receiving amplifier circuit 5 checks a received signal and forms a short pulse signal. The receiving amplifier circuit 5 performs a process from the moment when the ultrasonic pulse is emitted to the moment when the ultrasonic pulse propagates through the distance L and is received. A time interval measuring circuit 7 for measuring the propagation time and a flow rate calculating circuit 8 for calculating the flow rate V according to the ultrasonic transit time difference flow rate measuring formula are sequentially connected, respectively. Directly connected.

【0005】図5に於いて、トランスデュ−サ部1から
トランスデュ−サ部2まで斜め下流方向に超音波パルス
が伝播した時間t1 と、反対にトランスデュ−サ部2か
らトランスデュ−サ部1まで超音波パルスが伝播した時
間t2 は、式(a)のようになり、これ等の伝播時間の
差Δt=t2 −t1 は、一般的に式(b)のようにな
る。ここで、cはこの流体に於ける音速、VはL区間で
の平均流速である。
Referring to FIG. 5, a time t 1 at which an ultrasonic pulse propagates obliquely downstream from the transducer section 1 to the transducer section 2, and conversely, the ultrasonic pulse propagates from the transducer section 2 to the transducer section 2. The time t 2 at which the ultrasonic pulse propagates to the sub-unit 1 is as shown in equation (a), and the difference Δt = t 2 −t 1 between these propagation times is generally expressed by equation (b). Become. Here, c is the sound velocity in this fluid, and V is the average flow velocity in the L section.

【0006】[0006]

【数5】 (Equation 5)

【0007】式(b)が表すように、伝播時間差Δt=
2 −t1 が流速Vに比例するので、伝播時間差流速測
定法と称されるのであり、式(b)から流速Vは式
(c)のようになる。式(c)には音速の2乗であるc
2 項が含まれるので、伝播時間差法は音速cに関与して
いるが、c2 は式(d)の通り表せるので、これを式
(c)に代入すれば、式(e)の如く音速cを含まない
最終的な流速測定式になる。ここでd=Lcosαであ
る。
As represented by equation (b), the propagation time difference Δt =
Since t 2 −t 1 is proportional to the flow velocity V, it is called a propagation time difference flow velocity measurement method, and the flow velocity V is represented by the equation (c) from the equation (b). Equation (c) shows that the square of the sound velocity is c
Since the two terms are included, the propagation time difference method is related to the sound velocity c. Since c 2 can be expressed as in equation (d), substituting this into equation (c) gives the sound velocity as in equation (e). The final flow rate measurement formula does not include c. Here, d = Lcosα.

【0008】このような流速測定式を用いた伝播時間差
流速測定法がもっとも多く利用されており、この流速測
定法の特許としては、例えば米国特許第5,515,7
21号、同第5,780,747号、日本特許第2,6
76,321号等に開示されている。
[0008] The method of measuring the propagation time difference flow velocity using such a flow velocity measurement formula is most frequently used. Patents for this flow velocity measurement method include, for example, US Patent No. 5,515,7.
No. 21, No. 5,780,747, Japanese Patent No. 2,6
No. 76,321.

【0009】伝播時間差流速測定法の最大の長所は、式
(e)から明らかなように、流体に於ける音速cが流速
測定には無関係なために、伝播時間t1 とt2 だけを変
数として毎回直接的に測定すれば流速を求めることが可
能な点で、従って流体に於ける音速が激しく変化したと
しても流速測定が簡単にできることである。
The greatest advantage of the transit time difference flow velocity measurement method is that, as is apparent from equation (e), since the sound speed c in the fluid is not related to the flow velocity measurement, only the propagation times t 1 and t 2 are variables. The point is that the flow velocity can be obtained by directly measuring the flow velocity every time. Therefore, even if the sound velocity in the fluid changes drastically, the flow velocity can be easily measured.

【0010】また、超音波位相差流速測定法としては、
例えば特開平10−104039号や、ドイツの特許公
開公報DE19722140Aに開示がある。
As an ultrasonic phase difference velocity measurement method,
For example, it is disclosed in JP-A-10-104039 and German Patent Publication DE19722140A.

【0011】図6の(a)は典型的な、また同図(b)
は上記の特開平10−104039号公報の図2(B)
で開示した、位相差流速測定装置のブロック図で、1と
1’は超音波受信トランスデュ−サ部、2と2’は超音
波連続サイン波を発信するトランスデュ−サ部であり、
発信トランスデュ−サ部2と2’または2には、周波数
fのサイン波発振器9が接続され、一方、受信トランス
デュ−サ部1と1’には位相調節器(Phase shifter )
10、受信増幅器11と11’、位相差検出器(Phase
difference discriminator)12が、順次接続される。
FIG. 6 (a) is a typical and FIG. 6 (b)
FIG. 2 (B) of the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-104039.
In the block diagram of the phase difference flow velocity measuring device disclosed in the above, 1 and 1 'is an ultrasonic receiving transducer unit, 2 and 2' are a transducer unit for transmitting an ultrasonic continuous sine wave,
A sine wave oscillator 9 having a frequency f is connected to the transmitting transducer units 2 and 2 'or 2, while a phase shifter (Phase shifter) is connected to the receiving transducer units 1 and 1'.
10, receiving amplifiers 11 and 11 ', phase difference detector (Phase
difference discriminator) 12 are sequentially connected.

【0012】周波数fのサイン波発振器9の出力が発信
トランスデュ−サ部2と2’に加えられると、超音波が
斜め上流方向及び斜め下流方向に伝播して受信トランス
デュ−サ部1と1’によって受信されるが、発信信号に
対するこれら受信信号の位相は、夫々φ1 =2πft
1 、φ2 =2πft2 となる。ここで、t1 とt2 は式
(f)であり、これにより、受信トランスデュ−サ部1
の受信信号と1’の受信信号との位相差Δφは、式
(g)のようになって、流速Vが式(h)から求められ
る。尚、cはこの流体に於ける音速、Lは対向するトラ
ンスデュ−サ部間の距離、VはL区間での平均流速、α
はL方向と流速方向が成す角度である。
When the output of the sine wave oscillator 9 having the frequency f is applied to the transmitting transducer units 2 and 2 ', the ultrasonic waves propagate obliquely upstream and obliquely downstream, and the ultrasonic wave propagates obliquely upstream and obliquely downstream. 1 ′, the phase of these received signals relative to the outgoing signal is φ 1 = 2πft, respectively.
1 , φ 2 = 2πft 2 . Here, t 1 and t 2 are given by equation (f).
The phase difference Δφ between the received signal of (1) and the received signal of 1 ′ is as shown in equation (g), and the flow velocity V is obtained from equation (h). Where c is the sound velocity in this fluid, L is the distance between the opposing transducer sections, V is the average flow velocity in the L section, α
Is the angle between the L direction and the flow direction.

【0013】[0013]

【数6】 (Equation 6)

【0014】位相差流速測定法は、パルス状の超音波を
発信・受信するのではなく、超音波連続サイン波を利用
すること、及び位相差Δφが超音波周波数fと流速に比
例するのが特徴である。従って、距離Lや流速Vが小さ
い場合でも、周波数fを高くすることによって位相差Δ
φを大きくして、毎回直接的に測定する位相差の測定精
度を高めることができる。
The phase difference velocity measurement method uses a continuous ultrasonic sine wave instead of transmitting and receiving pulsed ultrasonic waves, and the phase difference Δφ is proportional to the ultrasonic frequency f and the flow velocity. It is a feature. Therefore, even when the distance L and the flow velocity V are small, the phase difference Δ
By increasing φ, the measurement accuracy of the phase difference directly measured every time can be increased.

【0015】また超音波連続サイン波を発信・受信する
ので、超音波パルスに比べて減衰がずっと小さい。更に
は、受信信号の振幅が激しく脈動しても、パルスの到達
瞬間をチェックするものではないので、充分に増幅する
か、或いは自動増幅調整回路付増幅器の利用が可能とな
り、受信信号の検出自体には支障が生ぜず、位相差測定
を確実に行なえる等々の長所がある。
Further, since the ultrasonic continuous sine wave is transmitted and received, the attenuation is much smaller than that of the ultrasonic pulse. Furthermore, even if the amplitude of the received signal pulsates violently, it does not check the arrival time of the pulse, so it can be sufficiently amplified or an amplifier with an automatic amplification adjustment circuit can be used. Has such advantages that no problem occurs and the phase difference measurement can be performed reliably.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の伝播時間差流速測定法と位相差流速測定法には
各々短所があり、活用に限界がある。先ず、伝播時間差
法の短所に関しては、以下の問題点を指摘することがで
きる(更なる詳細は、例えば特願平10−291327
号「超音波流測定方法と装置」、特願平11−6163
0号「開水路の流測定方法とその装置及び較正検査方
法」の従来説明を参照)。
However, each of the above-mentioned conventional methods of measuring the transit time velocities and the method of measuring the phase velocities has disadvantages, and their use is limited. First, the following problems can be pointed out regarding the disadvantages of the propagation time difference method (for further details, see, for example, Japanese Patent Application No. 10-291327).
No. "Ultrasonic flow measuring method and apparatus", Japanese Patent Application No. 11-6163.
(Refer to the conventional description of No. 0, "Open Channel Flow Measurement Method and Apparatus and Calibration Inspection Method").

【0017】即ち、超音波パルスは発信効率が低いばか
りでなく、高調波成分が多く、特に最初の数周期には豊
富に含まれるので、伝播距離Lが大きくなると音圧の減
衰が顕著になり、受信点における超音波パルスの形態は
最初の数周期でその振幅が漸増し、その後漸減収束する
鐘形になってしまう。このため振幅が重要な要素にな
り、何れの振幅の波をもって信号の到達とするかが難し
く、且つ受信信号の最初の1〜3周期が時としてノイズ
レベル並に減衰してしまうこともあるので、受信信号到
達瞬間のチェックにエラ−が発生し、伝播時間測定誤差
が大きくなる。
That is, the ultrasonic pulse not only has a low transmission efficiency, but also has a large number of harmonic components, especially in the first several periods, so that when the propagation distance L increases, the attenuation of the sound pressure becomes remarkable. The form of the ultrasonic pulse at the receiving point becomes a bell shape in which the amplitude gradually increases in the first few cycles and then gradually converges. For this reason, the amplitude becomes an important factor, it is difficult to determine which amplitude of the signal to reach the signal, and the first 1 to 3 periods of the received signal sometimes attenuate to the same level as the noise level. An error occurs in the check at the instant of the arrival of the received signal, and the propagation time measurement error increases.

【0018】また、河川や開水路では様々な規模の過流
などが常に発生していて、これらによって伝播軌道が屈
折するために、受信点に於ける超音波の強度や音圧が著
しく脈動し、このため本来の波と異なる波をもって信号
の到達としてしまうばかりか、受信不能がたびたび発生
する。
[0018] Also, overflows of various scales are constantly generated in rivers and open channels, and the propagation trajectory is refracted by these. Therefore, the intensity and sound pressure of the ultrasonic wave at the receiving point significantly pulsate. Therefore, not only does the signal arrive with a wave different from the original wave, but also reception failure often occurs.

【0019】この場合、減衰を抑制或いは補填するため
にパルス周波数を低くしたり超音波の強度を高くする
と、発信部分の水に空洞現象(cavitation)が発生し、
発信不能になる危険がある。
In this case, if the pulse frequency is lowered or the intensity of the ultrasonic wave is increased in order to suppress or compensate for the attenuation, cavitation occurs in the water at the transmitting portion,
There is a risk of being unable to make calls.

【0020】更に気体に於いては、液体に比べて超音波
の減衰度がずっと大きいので、その流速測定は極めて難
しい。
Further, in a gas, since the attenuation of ultrasonic waves is much larger than that of a liquid, it is extremely difficult to measure the flow velocity.

【0021】反対に、超音波の伝播距離Lが小さい時や
流速Vが小さい時も、流速Vを精度高く測定するのは難
しい。例えば、L=0.05m、V=0.1 m/s、c≒1500
m/sなら、伝播時間差はΔt=3.14・10-9sにすぎな
い。このΔtを1%の誤差で測定するのなら、測定絶対
誤差はΔΔt≒3.10-11s以下にしなければならない。こ
のような微小な誤差で、時間を簡単に測定するのは殆ど
不可能である。
Conversely, even when the ultrasonic wave propagation distance L is small or the flow velocity V is small, it is difficult to measure the flow velocity V with high accuracy. For example, L = 0.05 m, V = 0.1 m / s, c ≒ 1500
If m / s, the propagation time difference is only Δt = 3.14 · 10 −9 s. If this Δt is measured with an error of 1%, the absolute measurement error must be less than ΔΔt ≒ 3.10 −11 s. With such a small error, it is almost impossible to easily measure time.

【0022】このように、伝播距離Lが大きくても、ま
た逆に小さくても、或いは流速Vが小さい時も、伝播時
間差法で流速を測定するのは簡単なことではない。
As described above, even when the propagation distance L is large or small, or when the flow velocity V is small, it is not easy to measure the flow velocity by the propagation time difference method.

【0023】一方、位相差法は、伝播時間差法とは反対
に、伝播距離Lと流速Vとが小さい時でも超音波サイン
波の周波数fを高くして感度や分解能を大きくすること
が可能であるが、周波数fが高すぎたり或いは伝播距離
Lまたは流速Vが大きくなると、位相差Δφが位相差検
出器の測定範囲πを超えてしまうので、位相差法で流速
を測定するのが不可能になってしまう。
On the other hand, in the phase difference method, contrary to the propagation time difference method, the sensitivity and resolution can be increased by increasing the frequency f of the ultrasonic sine wave even when the propagation distance L and the flow velocity V are small. However, if the frequency f is too high or the propagation distance L or the flow velocity V increases, the phase difference Δφ exceeds the measurement range π of the phase difference detector, so that it is impossible to measure the flow velocity by the phase difference method. Become.

【0024】また、位相差法では、連続したサイン波の
超音波を利用するので減衰度がパルス状の超音波よりず
っと小さく、そのため気体の流速を測定するのにも適し
ているが、気体に於ける伝播速度が液体のそれより小さ
いぶんだけ位相差がπを更に大きく超えるので、位相差
法で気体の流速を測定することができない場合が多い。
In the phase difference method, since continuous sine wave ultrasonic waves are used, the attenuation is much smaller than that of pulsed ultrasonic waves. Therefore, the phase difference method is suitable for measuring the gas flow velocity. Since the phase difference is much larger than π as the propagation velocity in the liquid is smaller than that of the liquid, it is often impossible to measure the gas flow velocity by the phase difference method.

【0025】例えば口径が 300mmのパイプ管で平均流速
がV=10〜30m/sの場合、気体に於ける音速がc≒ 4
00m/s、α=45°、f=40kHz(パイプ管内での雑
音周波数帯より高くfを選択)とすれば、位相差Δφの
変化範囲は、 Δφ=9.42〜28.26rad=(2π+0.998π)〜(8π+
0.995π)rad となり、Δφ>π radなので、一般の位相差検出器でΔ
φを測定することはできない。
For example, when the average flow velocity is V = 10 to 30 m / s in a pipe having a diameter of 300 mm, the sound velocity in the gas is c ≒ 4
If 00 m / s, α = 45 °, and f = 40 kHz (f is selected higher than the noise frequency band in the pipe pipe), the change range of the phase difference Δφ is as follows: Δφ = 9.42 to 28.26 rad = (2π + 0.998π) ~ (8π +
0.995π) rad, and Δφ> π rad.
φ cannot be measured.

【0026】また液体であっても、比較的狭い開水路で
L=10m、V=3m/s、f=200kHz、c≒1500m
/sの場合には、ΔφはΔφ≒16.746 rad=5π+0.33
πrad >π radになり、やはり一般の位相差検出器でΔ
φを測定することはできない。
Even for liquids, L = 10 m, V = 3 m / s, f = 200 kHz, c ≒ 1500 m in a relatively narrow open channel.
/ S, Δφ is Δφ ≒ 16.746 rad = 5π + 0.33
πrad> π rad.
φ cannot be measured.

【0027】この問題以外にも数式(h)から明らかな
ように、音速cを別途に測定しなければならない問題が
ある。もし流体の音速がc=const(コンスタン
ト)で且つcの値が判明しているなら、音速cを別途に
測定する必要はないが、気体や液体に於ける音速は温
度、圧力、成分等の変化に応じて変わるので、大多数の
場合には音速cを充分精度高く、別途測定しなければな
らない。
In addition to this problem, there is another problem that the sound speed c must be measured separately, as is apparent from the equation (h). If the sound velocity of the fluid is c = const (constant) and the value of c is known, there is no need to separately measure the sound velocity c. However, the sound velocity in a gas or liquid is determined by the temperature, pressure, component, etc. Since it changes according to the change, in most cases, the sound speed c must be measured with sufficient accuracy and separately.

【0028】以上説明してきたように、位相差ΔφがΔ
φ>π radになったり、或いは流体に於ける音速が変化
する場合には、周知の位相差流速測定法を簡単に実現さ
せることはできないのである。
As described above, the phase difference Δφ is Δ
If φ> π rad or the speed of sound in the fluid changes, the well-known phase difference flow velocity measurement method cannot be easily realized.

【0029】よって本発明は、上述した従来技術の不満
点を解決するため開発されたもので、対向するトランス
デュ−サ部間の距離Lが大きい場合でも安定して流速を
測定することができる伝播時間差流速測定法と、上記の
ように距離Lや流速Vが大きい時でも一般の位相差検出
器を利用して且つ音速cに従属しない位相差流速測定法
を提供するのを主な目的としている。
Therefore, the present invention has been developed to solve the above-mentioned dissatisfaction point of the prior art, and can measure the flow velocity stably even when the distance L between the opposed transducer parts is large. The main purpose of the present invention is to provide a propagation time difference flow velocity measurement method and a phase difference flow velocity measurement method that utilizes a general phase difference detector and does not depend on the sound speed c even when the distance L and the flow velocity V are large as described above. I have.

【0030】[0030]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、伝播時間差法に於いては、超音波パルスの代
わりに超音波を発信しながら、このサイン波を所定の周
波数で振幅変調して、この振幅変調された超音波を伝播
時間測定用マークに利用し、流速を測定することを特徴
とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a transit time difference method, in which an ultrasonic wave is transmitted instead of an ultrasonic pulse, and this sine wave is amplitude-modulated at a predetermined frequency. The amplitude-modulated ultrasonic wave is used as a propagation time measurement mark to measure the flow velocity.

【0031】また、位相差法に於いては、発信波と斜め
上流方向に伝播して受信された信号との位相差と、発信
波と斜め下流方向に伝播して受信された信号との位相
差、を測定して、これらの位相差の逆数の差によって、
音速に無関係に流速を演算することを特徴とする。
Also, in the phase difference method, the phase difference between the transmitted wave and the signal propagated and received in the obliquely upstream direction is compared with the phase difference between the transmitted wave and the signal propagated in the diagonally downstream direction and received. Phase difference, and by measuring the reciprocal of these phase differences,
It is characterized in that the flow velocity is calculated irrespective of the speed of sound.

【0032】この場合、超音波をこれより低い所定の周
波数fM の変調信号で振幅変調して上記の位相差を測定
するに際して、振幅変調信号の位相差を測定して超音波
の位相差のmπ(mは整数)を算出すると共に、残りの
位相差βπとγπ(βとγは1.0 未満)を一般の位相差
検出器で測定し、これにmπを加算して、超音波が斜め
上流方向に伝播して受信された時の位相差と、斜め下流
方向に伝播して受信された時の位相差、を精密に求める
ようになっている。
In this case, when the ultrasonic wave is amplitude-modulated with a modulation signal having a lower predetermined frequency f M and the above-mentioned phase difference is measured, the phase difference of the amplitude-modulated signal is measured to determine the phase difference of the ultrasonic wave. In addition to calculating mπ (m is an integer), the remaining phase differences βπ and γπ (β and γ are less than 1.0) are measured by a general phase difference detector, and mπ is added thereto, so that the ultrasonic wave is obliquely upstream. The phase difference when the signal is propagated and received in the direction and the phase difference when the signal is propagated and received in the obliquely downstream direction are precisely obtained.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】先ず本発明の伝播時間差流速測定
法に対して詳細に説明する。図1に、この伝播時間差法
を採用した流速測定方法を実施する装置のブロック図を
一つの例として示した。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION First, the method for measuring the flow velocity of a transit time difference of the present invention will be described in detail. FIG. 1 shows, as an example, a block diagram of an apparatus for implementing the flow velocity measuring method employing the propagation time difference method.

【0034】図1に於いて、トランスデュ−サ部1と2
は例えば河川の両側に、距離Lをあけ、L方向と流速方
向が成す角度αで対向配置される。
In FIG. 1, transducer units 1 and 2
Are arranged on both sides of a river, for example, at a distance L and at an angle α between the L direction and the flow velocity direction.

【0035】トランスデュ−サ部1と2はスイッチ回路
3に接続されて交互に発信側と受信側に切換えられ、ス
イッチ回路3はその時々に於いて、一方のトランスデュ
−サ部を、励振(excite)する出力増幅器18に接続
し、他方のトランスデュ−サ部を、受信信号の増幅度自
動調節(AGC(auto gain control ))増幅器19に
接続し、この増幅器19では、受信信号を常に最適なレ
ベルに保ちつつ主に変調信号の周波数帯を増幅する。
The transducer sections 1 and 2 are connected to a switch circuit 3 and are alternately switched between a transmitting side and a receiving side. The switch circuit 3 excites one of the transducer sections at each time. (Excite), and the other transducer section is connected to an automatic gain control (AGC) amplifier 19 of the received signal, which always receives the received signal. Maintain the optimum level while amplifying the frequency band of the modulation signal.

【0036】出力増幅器18には、振幅変調器(amplit
ude modulator)17、超音波搬送波用の周波数fC
発振器13が順次接続され、待機時には開状態となって
いるスイッチ回路24を介して振幅変調器17と接続さ
れる符号14は、変調信号用の周波数fM の発振器であ
り、当該変調信号発振器14と超音波搬送波発振器13
はサイン波の発振器である。
The output amplifier 18 has an amplitude modulator (amplitude modulator).
A ude modulator 17 and an oscillator 13 having a frequency f C for an ultrasonic carrier wave are sequentially connected, and a reference numeral 14 connected to the amplitude modulator 17 via a switch circuit 24 which is in an open state during standby is a modulation signal. an oscillator of frequency f M, the modulated signal generator 14 and the ultrasonic carrier oscillator 13
Is a sine wave oscillator.

【0037】この変調信号発振器14の出力は、スイッ
チ回路23により指定された時間及び間隔で0点クロッ
シング回路15に入力され、0点クロッシング回路15
は、この入力された変調信号が負から正へ向かう増加過
程に於いて、最初に0点を通過した時に矩形パルスを発
振する。
The output of the modulation signal oscillator 14 is input to the zero-point crossing circuit 15 at a time and an interval designated by the switch circuit 23, and the zero-point crossing circuit 15
Oscillates a rectangular pulse when the input modulated signal first passes the zero point in the increasing process from negative to positive.

【0038】0点クロッシング回路15のパルスで作動
する単安定パルス発振器(univib−rator )16は、指
定の長さ(τ2 )のパルスを発振する。そして、この単
安定パルス発振器16のパルスによって閉じられるスイ
ッチ回路24は、このパルスτ2 が出力されている間だ
け、変調信号発振器14の出力を振幅変調器17に入力
させる。
A monostable pulse oscillator (univib-rator) 16 operated by a pulse of the zero-point crossing circuit 15 oscillates a pulse having a designated length (τ 2 ). Then, the switch circuit 24 closed by the pulse of the monostable pulse oscillator 16 inputs the output of the modulation signal oscillator 14 to the amplitude modulator 17 only while the pulse τ 2 is being output.

【0039】一方、スイッチ回路25を介して接続され
る符号20は復調器(amplitude demodulator )であ
って変調信号を検出し、復調器20から順次、検出され
た変調信号を増幅する狭帯域増幅器(narrow-band amp
lifier)21、この増幅器21の出力信号の最初の1周
期が終了し、次に0電位を超える瞬間に矩形のパルスを
発振する0点クロッシング回路22、二つの矩形パルス
間の時間を測定する時間間隔測定装置7、超音波伝播時
間差流速測定式(前記した数式(e))に従って流速を
演算する流速演算装置8が接続される。
On the other hand, the code 20 connected via the switch circuit 25 is a demodulator (amplitude demodulator) for detecting a modulation signal and sequentially amplifying the detected modulation signal from the demodulator 20 by a narrow band amplifier ( narrow-band amp
lifier) 21, a zero-point crossing circuit 22 that oscillates a rectangular pulse at the moment when the first cycle of the output signal of the amplifier 21 ends and then exceeds zero potential, and a time for measuring the time between two rectangular pulses. An interval measuring device 7 and a flow velocity calculating device 8 for calculating a flow velocity in accordance with an ultrasonic propagation time difference flow velocity measuring equation (the above-described equation (e)) are connected.

【0040】スイッチ回路25は、出力増幅器18の出
力信号の一部を、復調器20に通過した後に直ちに、受
信増幅器19の出力端を復調器20の入力端に接続する
役目をする。ここで符号27は、上記した出力増幅器1
8の出力信号を減衰する信号減衰器(attenuator)、ま
た符号26は、前記した夫々のスイッチ回路3、23及
び25を個別に制御するスイッチ制御装置である。
The switching circuit 25 serves to connect the output terminal of the receiving amplifier 19 to the input terminal of the demodulator 20 immediately after passing a part of the output signal of the output amplifier 18 to the demodulator 20. Here, reference numeral 27 denotes the output amplifier 1 described above.
Reference numeral 26 designates a signal attenuator for attenuating the output signal of 8, and a switch control device for individually controlling the respective switch circuits 3, 23 and 25.

【0041】次に図2は、上記した装置に於ける伝播時
間差流速測定法を説明するタイムチャ−トである。超音
波は搬送波の役目をするが、この周波数fC は、流体に
於けるノイズ周波数帯、超音波の指向性保障、流体での
超音波の減衰などを考慮して選択されるのは周知の通り
である。
FIG. 2 is a time chart for explaining the method for measuring the propagation time difference flow velocity in the above apparatus. It is well known that the ultrasonic wave acts as a carrier wave, and this frequency f C is selected in consideration of the noise frequency band in the fluid, the directivity of the ultrasonic wave, the attenuation of the ultrasonic wave in the fluid, and the like. It is on the street.

【0042】このように選択した超音波(図2VI)を斜
め下流方向に発信したり斜め上流方向に発信しておい
て、流速を測定する際に一定時間τ2 (図2V)だけ、
C より低い周波数fM の変調信号(図2I)で振幅変
調する(図2VI)。
The ultrasonic wave selected in this way (FIG. 2VI) is transmitted in the obliquely downstream direction or in the obliquely upstream direction, and when measuring the flow velocity, only a certain time τ 2 (FIG. 2V)
Amplitude modulation (FIG. 2VI) is performed with a modulation signal (FIG. 2I) having a frequency f M lower than f C.

【0043】そして振幅変調した波の或る瞬間を始点と
して、振幅変調された超音波が、距離Lを伝播して受信
された信号を復調して得た変調信号の前記に対応した或
る瞬間まで、の時間を測定すれば、この時間が流速方向
や反流速方向に伝播した時間t1 やt2 になるようにす
るのである。
Then, starting from a certain moment of the amplitude-modulated wave, the amplitude-modulated ultrasonic wave propagates through the distance L and demodulates a signal received. By measuring the time up to, this time is set to the time t 1 or t 2 propagated in the flow velocity direction or the counter flow velocity direction.

【0044】このように振幅変調された超音波は、伝播
時間測定用のマ−クの役目をするようになっている。即
ち、超音波を例えばサイン波として連続に発信しながら
流速を測定する時に一定の時間だけ振幅変調するので、
パルス発信に比べると発信効率が著しく改善されるばか
りでなく、この超音波の周波数帯はfC ±fM になり、
高調波を多く含んだパルス状の超音波の周波数帯に比べ
ると極めて狭いため、減衰が僅少である。
The ultrasonic wave whose amplitude has been modulated in this way serves as a mark for measuring the propagation time. That is, since the amplitude is modulated for a certain time when measuring the flow velocity while continuously transmitting ultrasonic waves as, for example, a sine wave,
Not only is the transmission efficiency significantly improved compared to pulse transmission, but the frequency band of this ultrasonic wave is f C ± f M ,
Since the frequency band is extremely narrow as compared with the frequency band of a pulsed ultrasonic wave containing many harmonics, the attenuation is small.

【0045】更に、振幅の大小に関わりなく変調信号の
有無をもって信号到達瞬間を判別する構成であるため、
例え瞬間瞬間で減衰度が変化して受信音圧が激しく脈動
しても何等支障なく、そのうえ連続波のために受信信号
を、例えばAGC増幅器を使用して一定振幅(レベル)
に保持することもできるので、超音波伝播時間測定が確
実且つ容易に達成できる。これが請求項1に記載の発明
である。
Further, since the signal arrival instant is determined based on the presence or absence of the modulation signal regardless of the magnitude of the amplitude,
Even if the attenuation level changes instantaneously and the received sound pressure pulsates violently, there is no problem at all, and the received signal for a continuous wave is converted to a constant amplitude (level) using, for example, an AGC amplifier.
Can be reliably and easily achieved. This is the first aspect of the present invention.

【0046】処で、振幅変調された電気信号をトランス
デュ−サ部に印加しても、即座にこの信号に一致した超
音波が発信される訳ではなく、振幅変調された超音波の
始めの半周期は過渡現象によって歪曲されるので、受信
された変調信号の半周期も歪曲している。そのうえ、こ
の歪曲は変調信号の変化率(位相による急緩度合い)に
よってもその形状を変え、位相の変位をもたらす。
Even if the amplitude-modulated electric signal is applied to the transducer section, an ultrasonic wave corresponding to this signal is not immediately transmitted, but the beginning of the amplitude-modulated ultrasonic wave. Since the half cycle is distorted by the transient, the half cycle of the received modulated signal is also distorted. In addition, this distortion changes its shape depending on the rate of change of the modulation signal (the degree of sudden relaxation due to the phase), resulting in a phase shift.

【0047】そこで重要なことは、超音波を振幅変調す
る場合には、変調信号が或る一定の位相の時に、常に変
調開始するようにすることである。例えば図2Vに示し
たように変調信号の0位相、或いは変化率の小さいピー
ク付近やボトム付近で常に変調が始まるようにする。こ
うすることにより、変調開始点付近に生じる超音波の歪
曲が常に一定に或いはそのうえ少なくなるので、歪みに
よる位相の微少変位がもたらす伝播時間測定誤差を解消
することができる(請求項3)。
It is important that the amplitude of the ultrasonic wave is always modulated when the modulation signal has a certain phase. For example, as shown in FIG. 2V, the modulation always starts near the zero phase of the modulation signal, or near the peak or bottom where the rate of change is small. By doing so, since the distortion of the ultrasonic wave generated near the modulation start point is always constant or further reduced, it is possible to eliminate the propagation time measurement error caused by the minute displacement of the phase due to the distortion (claim 3).

【0048】また、振幅変調された電気信号(図2VI)
をトランスデュ−サ部に印加すると同時に、復調器20
にも入力して変調信号を検出し(図2VII )、請求項4
に示したように、この信号の例えば最初の一周期が終了
し次に0電位を通過する瞬間を、例えば0点クロッシン
グ回路22を利用してチェックして(図2VIII)、この
瞬間を超音波伝播時間測定開始点にする。
Further, the electric signal subjected to amplitude modulation (FIG. 2 VI)
Is applied to the transducer section, and at the same time, the demodulator 20
And a modulation signal is detected (FIG. 2VII).
As shown in (2), the moment when, for example, the first cycle of this signal ends and then passes the zero potential is checked by using, for example, the zero-point crossing circuit 22 (FIG. 2VIII). Set the propagation time measurement start point.

【0049】そして、請求項2に示したように、流体中
を伝播後に受信される振幅変調された信号(図2IX)
も、上記と同一の復調器20で変調信号を検出して(図
2X)、同様に例えば最初の一周期が終了し次に0電位
を通過する瞬間をチェックして伝播時間測定終了信号と
するのである(図2XI)。
Then, as described in claim 2, an amplitude-modulated signal received after propagating in a fluid (FIG. 2IX)
Also, the modulation signal is detected by the same demodulator 20 as described above (FIG. 2X), and similarly, for example, the moment when the first one cycle ends and the moment when the zero potential is passed is checked, the signal is used as the propagation time measurement end signal. (Fig. 2 XI).

【0050】このように、例えば最初の一周期が終了し
次に0電位を通過する同一の瞬間を夫々時間間隔測定開
始信号(スタ−ト)と終了信号(ストップ)として利用
するので、大部分の場合は歪みが少なく位相変位の少な
い部分をもって伝播時間測定開始・終了信号を得ること
ができるし、例え位相変位が生じる部分であっても、夫
々同一の変位であり、且つ開始時も終了時も同様に位相
変位が作用するために、時間間隔としては不変であり、
超音波伝播時間測定精度が高くなる。
As described above, for example, the same instant when the first one cycle ends and then passes the zero potential is used as the time interval measurement start signal (start) and the end signal (stop), respectively. In the case of, the propagation time measurement start / end signal can be obtained with a portion having little distortion and a small phase displacement, and even if a portion where a phase displacement occurs is the same displacement, and both the start and end times are the same. Similarly, since the phase displacement acts, the time interval is invariable,
Ultrasonic propagation time measurement accuracy is improved.

【0051】更に、同一の復調器20で発信信号(図2
VI)と受信信号を復調して周波数f M の変調信号を検出
するので、復調器20、増幅器21、0点クロッシング
回路22等で発生する遅延時間は、開始時と終了時で互
いに相殺されるため、遅延時間を別途に補償することな
く、精密な伝播時間測定が達成される。
Further, a signal transmitted by the same demodulator 20 (FIG. 2)
VI) and demodulate the received signal to obtain a frequency f M Modulation signal detection
Therefore, demodulator 20, amplifier 21, zero-point crossing
The delay time generated in the circuit 22 and the like is different between the start time and the end time.
Do not compensate for the delay time separately.
In addition, accurate transit time measurements are achieved.

【0052】変調信号の周波数fM は、以下のような条
件を満足しなければならない。第一の条件は、伝播の際
に瞬時瞬時に於ける減衰度の変化によって、伝播後の超
音波の音圧が周波数fP で脈動するので、fM はこの周
波数fP より大幅に高くする。即ちfM ≫fP である。
The frequency f M of the modulation signal must satisfy the following conditions. The first condition is that the sound pressure of the ultrasonic wave after propagation pulsates at the frequency f P due to the instantaneous change in the attenuation at the time of propagation, so that f M is significantly higher than this frequency f P. . That is, f M ≫f P.

【0053】流体中を超音波が伝播する時に種々の要因
によって減衰度が変化するが、これは減衰脈動の周波数
P で超音波が振幅変調されるのと同じである。従って
上記したように、fM をfP より大幅に高くすることに
より、fM 周波数帯だけを弁別することが容易になり、
減衰脈動の影響を回避することが可能になる。尚、減衰
脈動周波数fP はそれほど高くなく、開水路に於いては
通常約100 Hz以下である。また、勿論fP はノイズの
周波数ではない。
When the ultrasonic wave propagates through the fluid, the degree of attenuation changes due to various factors, which is the same as the amplitude modulation of the ultrasonic wave at the frequency f P of the attenuation pulsation. Therefore, as described above, by making f M much higher than f P, it becomes easy to discriminate only the f M frequency band,
It is possible to avoid the influence of the damping pulsation. Note that the damping pulsation frequency f P is not so high, and is usually about 100 Hz or less in an open channel. Also, of course, f P is not the frequency of the noise.

【0054】第二の条件は、仮に周波数fM の振幅変調
信号で2〜3周期だけ振幅変調された信号を復調すると
復調した信号が歪曲するので、歪曲なく復調検出するた
めには、振幅変調された信号の連続時間を最短でも5/
M 以上にするのが良い。これにより歪曲がもたらす位
相変位を防ぎ、伝播時間測定誤差を抑制することができ
る。上記第一と第二の条件は、実験の結果に基づいた条
件である。しかしながら復調器の特性によっては、勿論
5/fM 以下にしても良い。
The second condition is that if a signal that has been amplitude-modulated for two or three cycles with an amplitude-modulated signal having a frequency f M is demodulated, the demodulated signal will be distorted. At least 5 /
f M or more is good. As a result, phase displacement caused by distortion can be prevented, and a propagation time measurement error can be suppressed. The first and second conditions are conditions based on the results of an experiment. However, depending on the characteristics of the demodulator, of course, it may be 5 / f M or less.

【0055】第三の条件は、超音波を斜め上流方向と斜
め下流方向に交互に発信・受信する場合、振幅変調した
超音波の連続時間τ2 は、超音波伝播時間t1 或いはt
2 の半分程度にした方が良い。あまり長いと、残響現象
のために本来の信号が歪曲する危険があるからである。
即ち、式(1)の条件を満たすことにより、残響現象の
発生を防止し、本来の伝播信号だけを確実に受信する。
そして、上記三つの条件を満たす振幅変調信号の周波数
は、式(2)によって求める。
The third condition is that when ultrasonic waves are transmitted and received alternately in the obliquely upstream direction and the obliquely downstream direction, the continuous time τ 2 of the amplitude-modulated ultrasonic wave is the ultrasonic wave propagation time t 1 or t 1
It is better to make it about half of 2 . If the length is too long, the original signal may be distorted due to the reverberation phenomenon.
That is, by satisfying the condition of Expression (1), the occurrence of reverberation is prevented, and only the original propagation signal is reliably received.
Then, the frequency of the amplitude modulation signal that satisfies the above three conditions is obtained by equation (2).

【0056】[0056]

【数7】 (Equation 7)

【0057】ここで、cmax はその流体に於いて想定さ
れる最大音速、vmax =Vmax cosαでVmax は最大
流速である。尚、式(2)によって周波数fM を選択す
るが、その範囲に於いてできるだけfM を低く選択する
のが好ましい。急激に変化する電圧をトランスデュ−サ
部に印加すると過度現象が発生するからである。
Here, c max is the maximum sound velocity assumed in the fluid, v max = V max cos α, and V max is the maximum flow velocity. Although the frequency f M is selected according to the equation (2), it is preferable to select f M as low as possible within the range. This is because if a suddenly changing voltage is applied to the transducer section, a transient phenomenon occurs.

【0058】そこで理想的には、fM ≦0.1 fC にす
る。搬送波を変調する時は、変調信号が例えば図2Vの
ように0位相の時に常に変調を始めるが、搬送波は任意
の位相で変調開始されることになるので、振幅変調され
た信号の始めの1/2周期部分には過度現象が発生し、
波形が歪曲する。
Therefore, ideally, f M ≦ 0.1 f C. When modulating the carrier, the modulation always starts when the modulating signal has zero phase as shown in FIG. 2V, for example, but since the carrier starts modulating at an arbitrary phase, the first one of the amplitude-modulated signal starts. The transient phenomenon occurs in the / 2 cycle part,
The waveform is distorted.

【0059】波形が1/2周期以上歪曲しないようにす
るためには、変調信号の1/2周期内に搬送波が最少で
5周期入っているのが良い。即ち変調信号の一周期に、
搬送波が2×5=10周期以上になるようにするのであ
る。また、変調信号を検出する時に、搬送波の脈動を効
率良く濾過(filtering )するためにも、fM ≪fC
好ましい。
In order to prevent the waveform from being distorted for more than a half cycle, it is preferable that the carrier wave is included in a minimum of five cycles within a half cycle of the modulation signal. That is, in one cycle of the modulation signal,
The carrier wave is set to have 2 × 5 = 10 periods or more. Further, in order to efficiently filter the pulsation of the carrier wave when detecting the modulation signal, f M ≪f C is preferable.

【0060】例えば、トランスデュ−サ部1、2の距離
がL=3m、α=45°、Vmax =10m/s、cmax
=1500m/s、fC = 500kHzの場合、式(2)及び
上記からfP ≪1005<fM ≦50kHzになる。従って
M ≒10〜40kHzの範囲で選択することができ
る。トランスデュ−サ部の過度現象を考慮して、不等号
範囲に於ける最大の周波数fM =50kHzや、残響現
象を防ぎ、歪曲を抑制する面から1005Hzは選択しない
方が良い。
For example, the distance between the transducer units 1 and 2 is L = 3 m, α = 45 °, V max = 10 m / s, c max
= 1500 m / s and f C = 500 kHz, f P ≪1005 <f M ≦ 50 kHz from the equation (2) and the above. Therefore, it can be selected in the range of f M ≒ 10 to 40 kHz. In consideration of the transient phenomenon of the transducer section, it is better not to select the maximum frequency f M = 50 kHz in the inequality range or 1005 Hz from the viewpoint of preventing reverberation and suppressing distortion.

【0061】尚、振幅変調度(modulation percentage
)mは50%を超過しないようにする。実験による
と、m=25〜30%にするのが合理的である。超音波
の減衰度は低い周波数fp で脈動するが、その深さは5
0%程度なので、仮に振幅変調度をm>50%にする
と、振幅変調された超音波が消えてしまう可能性がある
ためである。
Note that the modulation percentage (modulation percentage)
) M should not exceed 50%. According to experiments, it is reasonable to set m = 25 to 30%. The attenuation of the ultrasonic wave pulsates at a low frequency fp, but its depth is 5
This is because, if the amplitude modulation degree is set to m> 50%, the amplitude-modulated ultrasonic wave may disappear because it is about 0%.

【0062】さて、上述した図1の装置の動作を図2に
従って説明すると、先ず、超音波搬送波用の発振器13
と変調信号用の発振器14は、ほぼ連続したサイン波信
号を発振する(図2のVIとI)。
Now, the operation of the above-described apparatus shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
The oscillator 14 for the modulation signal oscillates a substantially continuous sine wave signal (VI and I in FIG. 2).

【0063】流速を測定する瞬間になると、スイッチ回
路制御装置26からτ1 時間長さの矩形パルス(図2の
II)がスイッチ回路23に印加され、スイッチ回路23
はτ 1 時間だけ発振器14が出力する周波数fM の変調
信号を0点クロッシング回路15に通過させる。
At the moment when the flow velocity is measured, the switch
From the road controller 261 Rectangular pulse of time length (Fig. 2
II) is applied to the switch circuit 23, and the switch circuit 23
Is τ 1 Frequency f output from oscillator 14 for timeM Modulation of
The signal is passed to the zero-point crossing circuit 15.

【0064】0点クロッシング回路15の動作電圧レベ
ルは“負”になっていて、発振器14の出力信号が負か
ら正へ向かう増加過程で最初に0電位(u=0)になる
時、クロッシング回路15が図2のIII のように矩形パ
ルスをパルス発振器16に入力し、するとパルス発振器
16はτ2 の長さのパルス(図2IV)を発振するのであ
る。
The operating voltage level of the zero-point crossing circuit 15 is "negative", and when the output signal of the oscillator 14 becomes 0 potential (u = 0) for the first time in the increasing process from negative to positive, the crossing circuit 15 inputs a rectangular pulse to the pulse oscillator 16 as indicated by III in FIG. 2, and the pulse oscillator 16 oscillates a pulse having a length of τ 2 (IV in FIG. 2).

【0065】τ2 のパルスによってスイッチ回路24が
閉じ、周波数fM の変調信号が振幅変調器17に入力さ
れ、τ2 時間の間だけ超音波搬送波が図2VIのように振
幅変調される。このように振幅変調信号 の同一の位相
に於いて、常に変調開始されるのである。
The switch circuit 24 is closed by the pulse of τ 2 , the modulation signal of the frequency f M is input to the amplitude modulator 17, and the ultrasonic carrier is amplitude-modulated for τ 2 time as shown in FIG. 2VI. Thus, the modulation is always started in the same phase of the amplitude modulation signal.

【0066】今、スイッチ回路制御装置26の制御によ
ってスイッチ回路3が、トランスデュ−サ部1を出力増
幅器18(発信側)に、トランスデュ−サ部2を受信増
幅器19(受信側)に、夫々接続しているなら、振幅変
調された変調器17の出力は出力増幅器18によって増
幅され、スイッチ回路3を通りトランスデュ−サ部1に
印加されるので、トランスデュ−サ部1は、振幅変調さ
れた超音波を流体に伝達する(発信)。これと同時に、
出力増幅器18の出力は減衰器27とスイッチ25を通
って復調器20に入力され、復調器20の出力には周波
数fM の変調信号が復調・検出される(図2のVII )。
Now, under the control of the switch circuit control device 26, the switch circuit 3 causes the transducer section 1 to become the output amplifier 18 (transmitting side), the transducer section 2 to become the receiving amplifier 19 (receiving side), and If they are connected, the output of the modulator 17 whose amplitude has been modulated is amplified by the output amplifier 18 and applied to the transducer unit 1 through the switch circuit 3, so that the transducer unit 1 Transmits (transmits) the modulated ultrasonic waves to the fluid. At the same time,
The output of the output amplifier 18 is input to the demodulator 20 through the attenuator 27 and the switch 25, and the output of the demodulator 20 demodulates and detects a modulation signal having a frequency f M (VII in FIG. 2).

【0067】復調・検出された変調信号は、主にfM
波数帯だけを増幅する狭帯域増幅器21で増幅されて0
点クロッシング回路22に入力される。クロッシング回
路22は、入力された変調信号の最初の一周期が終了し
次に0電位を通過する瞬間に、図2のVIIIのように短い
パルスを発振する。
The demodulated and detected modulated signal is amplified by a narrow band amplifier 21 which mainly amplifies only the f M frequency band, and
The signal is input to the point crossing circuit 22. The crossing circuit 22 oscillates a short pulse as shown in VIII of FIG. 2 at the moment when the first cycle of the input modulation signal is completed and the potential crosses the next zero potential.

【0068】この短いパルスは、時間間隔測定装置7に
入力されて時間測定開始(スタ−ト)信号の役目をす
る。この後、直ちにスイッチ25は減衰器27を切り離
し、代わりに受信増幅器19の出力を復調器20へと接
続する。
This short pulse is input to the time interval measuring device 7 and serves as a time measurement start signal. Immediately thereafter, switch 25 disconnects attenuator 27 and instead connects the output of receive amplifier 19 to demodulator 20.

【0069】トランスデュ−サ部1から発信された振幅
変調超音波がトランスデュ−サ部2まで伝播すると、ト
ランスデュ−サ部2によって受信され、その受信信号は
受信増幅器19により自動的に必要に応じて適度な増幅
度で増幅される(図2のIX)。
When the amplitude-modulated ultrasonic wave transmitted from the transducer section 1 propagates to the transducer section 2, it is received by the transducer section 2, and the received signal is automatically required by the receiving amplifier 19. (IX in FIG. 2).

【0070】増幅器19の出力信号は、復調器20と狭
帯域増幅器21を通って0点クロッシング回路22に入
力される。そして前記と同様に、0電位を通過する瞬間
に発振された0点クロッシング回路22の短いパルス
は、時間間隔測定装置7に入力され、時間測定を終了す
るストップ信号の役目をする。従って時間間隔測定装置
7が測定する時間は、0点クロッシング回路22の一番
目と二番目のパルス間の時間t1 である。
The output signal of the amplifier 19 is input to a zero-point crossing circuit 22 through a demodulator 20 and a narrow-band amplifier 21. As described above, the short pulse of the zero-point crossing circuit 22 oscillated at the moment of passing the zero potential is input to the time interval measuring device 7 and serves as a stop signal for ending the time measurement. Therefore, the time measured by the time interval measuring device 7 is the time t 1 between the first and second pulses of the zero-point crossing circuit 22.

【0071】時間間隔t1 の測定が終了すると、スイッ
チ制御装置26によってトランスデュ−サ部1、2の切
換スイッチ3が動作して、トランスデュ−サ部2が出力
増幅器18の出力に、トランスデュ−サ部1が受信増幅
器19の入力に、夫々接続されて、上述の過程が同様に
繰返されてトランスデュ−サ部2からトランスデュ−サ
部1までの超音波伝播時間t2 を測定する。このように
して測定された時間t 1 とt2 は、流速演算装置8に入
力され、流速が求められるのである。流量計の場合は、
演算装置8の出力が更に流量演算装置に入力される。
Time interval t1 When the measurement of
Switch 26 turns off the transducer units 1 and 2.
Switch 3 operates and the transducer unit 2 outputs
The transducer unit 1 receives and amplifies the output of the amplifier 18.
Respectively connected to the inputs of the
Repeatedly, the transducer unit 2
Ultrasonic propagation time t to part 1Two Is measured. in this way
Time t measured 1 And tTwo Enters the flow velocity calculator 8
Forced, flow velocity is required. For a flow meter,
The output of the arithmetic unit 8 is further input to the flow rate arithmetic unit.

【0072】ここで最も重要且つ特徴的なことは、請求
項2に示したように、上記のように伝播時間t1 とt2
とを測定するために、時間間隔測定装置7に入力される
時間測定開始(スタ−ト)パルス信号と同終了(ストッ
プ)パルス信号を、トランスデュ−サ部1または2に於
ける発信時の振幅変調された信号と、トランスデュ−サ
部2または1に於ける受信時の振幅変調された信号が、
同一の復調器20や0点クロッシング回路22で処理さ
れ、成形されることである。このようにすると、復調器
20や0点クロッシング回路22の特性が均等に作用す
るのでこれ等に起因する誤差を無視でき、t1 とt2
測定精度が高くなるのである。
Here, the most important and characteristic feature is that the propagation times t 1 and t 2 are set as described above.
In order to measure the time, the time measurement start (start) pulse signal and the same end (stop) pulse signal input to the time interval measuring device 7 are transmitted by the transducer unit 1 or 2 at the time of transmission. The amplitude-modulated signal and the amplitude-modulated signal at the time of reception in the transducer unit 2 or 1 are
It is processed and shaped by the same demodulator 20 and zero-point crossing circuit 22. In this way, the characteristics of the demodulator 20 and the zero-point crossing circuit 22 act equally, so that errors caused by these can be ignored, and the measurement accuracy of t 1 and t 2 is increased.

【0073】また、従来の技術とは異なり、トランスデ
ュ−サ部1と2の距離Lが大きい場合でも、連続的な超
音波を発信・受信するので、伝播過程に於ける超音波の
減衰が極めて小さく、更に変調信号を伝播時間測定マ−
クに利用するので、ノイズの混入や超音波の減衰度変化
による受信音圧の脈動が生じても振幅の大小とは無関係
なため、このマークの判別・検出には支障がなく、その
うえAGC回路も使用可能となり、伝播時間を確実に測
定することができるのである。
Unlike the prior art, even when the distance L between the transducer sections 1 and 2 is large, continuous ultrasonic waves are transmitted and received, so that the attenuation of the ultrasonic waves in the propagation process is reduced. Extremely small, and the modulated signal
Since it is used for the noise, even if the pulsation of the received sound pressure due to the contamination of noise or the change of the attenuation of the ultrasonic wave is not related to the magnitude of the amplitude, it does not hinder the discrimination and detection of this mark. Can also be used, and the propagation time can be reliably measured.

【0074】尚、上記実施例は、発信トランスデュ−サ
部に印加する電気信号を復調・検出してスタート信号に
利用する例を主体に述べたが、本発明はこれに限定され
るものではなく、例えば発信側トランスデュ−サ部の近
傍に例えば第三のトランスデュ−サ部を受信側トランス
デュ−サ部と距離Lで配し、発信トランスデュ−サ部が
流体中に発信した超音波を発信直後に受信し、この受信
信号を復調・検出してスタート信号に利用することに何
の支障もない。むしろ更に高精度化する。
Although the above embodiment has mainly described an example in which an electric signal applied to the transmission transducer section is demodulated and detected and used as a start signal, the present invention is not limited to this. Instead, for example, a third transducer section is arranged near the transmitting transducer section at a distance L from the receiving transducer section, and the transmitting transducer section transmits the fluid in the fluid. There is no problem in receiving the sound wave immediately after transmission, demodulating and detecting the received signal, and using it as a start signal. Rather, the accuracy is further improved.

【0075】次いで位相差流速測定法に関し、本発明の
構成の前提となる、従来知られていなかった優れた位相
差流速測定法の詳細な説明を行う。
Next, with respect to the phase difference flow velocity measuring method, a detailed description will be given of an excellent phase difference flow velocity measuring method which has not been known so far, which is a premise of the constitution of the present invention.

【0076】周知の位相差流速測定法は、前記した数式
(h)が示す通り音速cの2乗c2に従属するが、音速
cに従属しない位相差流速測定式を次のように導き出す
ことも可能である。即ち、超音波発信波と、これが斜め
下流方向に伝播して受信された受信波の位相差Δψ1
並びに同発信波と、これが斜め上流方向に伝播して受信
された受信波の位相差Δψ2 、は式(3)のようにな
る。ここでv=Vcosαで、位相差Δψ1 と位相差Δ
ψ2 の逆数の差は式(4)のようになり、この式(4)
から流速Vは式(5)となる。
The well-known phase difference flow velocity measurement method derives a phase difference flow velocity measurement equation which depends on the square c 2 of the sound velocity c as shown in the above equation (h) but does not depend on the sound velocity c as follows. Is also possible. That is, the phase difference Δψ 1 between the ultrasonic wave transmitted and the received wave that is propagated obliquely downstream and received,
In addition, the phase difference Δψ 2 between the transmitted wave and the received wave that propagates obliquely in the upstream direction is represented by Expression (3). In this case v = Vcosα, the phase difference [Delta] [phi] 1 and the phase difference Δ
difference [psi 2 of the reciprocal is as shown in equation (4), the formula (4)
Therefore, the flow velocity V is given by the equation (5).

【0077】[0077]

【数8】 (Equation 8)

【0078】この流速測定式には音速cの項がないの
で、音速cが変化する流体であっても、従来技術が別途
に行わなければならなかった音速測定をここでは行うこ
となく流速測定が可能になり、装置を簡略化でき且つ音
速測定に起因する誤差も当然生じない優れた流速測定方
法である。
Since there is no term of the sound velocity c in this flow velocity measurement formula, even if the fluid has a variable sound velocity c, the flow velocity measurement can be performed without performing the sound velocity measurement which had to be separately performed by the prior art. This is an excellent flow velocity measuring method which enables the apparatus to be simplified and does not naturally cause an error due to the measurement of the sound velocity.

【0079】しかしながら、この流速測定式に於いて
は、位相差Δψ1 と位相差Δψ2 の測定誤差を無視する
ほど小さくできないと、流速測定誤差がかなり大きくな
るディメリットも存する。
However, in this flow velocity measurement formula, if the measurement error of the phase difference Δψ 1 and the phase difference Δψ 2 cannot be made so small as to be ignored, there is a disadvantage that the flow velocity measurement error becomes considerably large.

【0080】例えば、位相差Δψ1 =2.0 rad、位相差
Δψ2 =2.2 radであったとすると、この位相差を+
0.5%と−0.5%で測定した場合の位相差Δψ1
とΔψ2’ は夫々式(6)のようになり、その結果式
(7)になる。
For example, if the phase difference Δψ 1 = 2.0 rad and the phase difference Δψ 2 = 2.2 rad,
Phase difference Δψ 1 'when measured at 0.5% and -0.5%
And Δψ 2 ′ are as shown in Expression (6), and as a result, Expression (7).

【0081】処が、仮に誤差が0なら、式(8)になる
ので、位相差の逆数の差の誤差は、式(9)となり、位
相差を±0.5%の誤差で測定しても、これらの逆数の
差の誤差は10%になることが理解できる
If the error is 0, equation (8) is obtained. Therefore, the error of the reciprocal of the phase difference becomes equation (9), and the phase difference is measured with an error of ± 0.5%. It can also be understood that the error of the difference between these reciprocals is 10%.

【0082】[0082]

【数9】 (Equation 9)

【0083】このように、音速cに従属しない位相差流
速測定法(式5)を実現するためには、上記位相差Δψ
1 と位相差Δψ2 とを精密に測定しなければならない。
As described above, in order to realize the phase difference flow velocity measuring method (Equation 5) that is independent of the sound speed c, the phase difference Δψ
1 and the phase difference Δψ 2 must be precisely measured.

【0084】また、測定しなければならないこれら位相
差Δψ1 と位相差Δψ2 は、数式(3)が示すように、
Lが大きいほど、音速cが低いほど、超音波の周波数f
が高いほど、π radよりはるかに大きくなるので、いづ
れにしても一般の位相差検出器を用いての測定は困難で
ある。
The phase difference Δψ 1 and the phase difference Δψ 2 which must be measured are expressed by the following equation (3).
The larger the L, the lower the sound velocity c, the more the frequency f of the ultrasonic wave
Is higher than π rad, the measurement using a general phase difference detector is difficult in any case.

【0085】勿論、L、c、vを与えられた場合、一般
の位相差検出器の測定範囲π radを超過しないような超
音波周波数fを算出することは可能である。例えば、内
径D=0.3 mの天然ガスパイプ管に於いて、c≒ 420m
/s、V=30m/s、α=45°、L=0.424 mの場合
に、位相差Δψ1 と位相差Δψ2 がπ radを超過しない
fは式(10)のようになる。
Of course, given L, c, and v, it is possible to calculate an ultrasonic frequency f that does not exceed the measurement range π rad of a general phase difference detector. For example, in a natural gas pipe having an inner diameter D = 0.3 m, c ≒ 420 m
In the case of /s,V=30m/s,α=45°,L=0.424 m, f the phase difference [Delta] [phi] 1 and the phase difference [Delta] [phi] 2 not exceed [pi rad is as Equation (10).

【0086】しかしながら実用面に於いては、この周波
数はパイプ管内でのノイズ周波数帯と一致してしまう
し、またこのように低周波な音波発振用トランスデュ−
サを小型に製作することも容易にはできない。逆に、ノ
イズ帯より著しく高い周波数としてf=40kHzを選択
するなら、上の例では式(11)のようになり、今度は
この76πを位相差検出器で測定することができないので
ある。
However, in practical use, this frequency coincides with the noise frequency band in the pipe pipe, and a low-frequency sound wave oscillation transducer is used.
It is not easy to manufacture a small-sized device. Conversely, if f = 40 kHz is selected as a frequency that is significantly higher than the noise band, the above example becomes as shown in equation (11), and this time, 76π cannot be measured by the phase difference detector.

【0087】[0087]

【数10】 (Equation 10)

【0088】これらの問題を解決するために、本発明で
は斜め下流方向と斜め上流方向に、周波数fC の搬送波
をこれより低い周波数fM の変調信号で振幅変調した超
音波を発信しながら、発・受信波間の搬送波と変調信号
の位相差を測定するようにしている。
In order to solve these problems, in the present invention, a carrier wave having a frequency f C is transmitted in an obliquely downstream direction and an obliquely upstream direction while transmitting an ultrasonic wave whose amplitude is modulated by a modulation signal having a lower frequency f M. The phase difference between the carrier and the modulated signal between the transmitted and received waves is measured.

【0089】先ず、発信波の変調信号と、斜め下流方向
及び斜め上流方向に伝播して受信され復調された変調信
号との位相差ΔψM1及び位相差ΔψM2の一般式を、式
(3)に基づき式(3’)の如く置く。ここでn1 、n
2 、a、bは何れも変数であり、n1 =n2 になる場合
もあるが、一般の位相差検出器が検出可能な位相差は、
πの整数倍部分を除いた残りの部分なので、n1 とn2
は整数、またaとbは1以下とする。
First, the general expressions of the phase difference Δψ M1 and the phase difference Δψ M2 between the modulated signal of the transmitted wave and the modulated signal propagated and received and demodulated in the obliquely downstream direction and the obliquely upstream direction are expressed by the following equation (3). Is placed as in equation (3 ') based on Where n 1 , n
2 , a, and b are all variables, and in some cases, n 1 = n 2. However, the phase difference that can be detected by a general phase difference detector is:
n 1 and n 2 are the remaining parts excluding the integral multiple of π.
Is an integer, and a and b are 1 or less.

【0090】そして、その流体に於いて想定される最大
及び最小の音速をcmax 及びcmin、最大流速測定範囲
の上限と下限をVmax とVmin とし、Vmax cosα=
ma x 、Vmin cosα=vmin 、とすれば、想定され
る位相差ΔψM1とΔψM2の夫々の最大値と最小値は、式
(3’)から式(12)の通りに表せる。
The maximum and minimum sound speeds assumed in the fluid are c max and c min , the upper and lower limits of the maximum flow velocity measurement range are V max and V min, and V max cos α =
v ma x, V min cosα = v min, and if the maximum and minimum values of each of the phase difference [Delta] [phi] M1 and [Delta] [phi] M2 envisioned, represented by the formula (3 ') according to Equation (12).

【0091】処が、一般の位相差検出器でΔψM1とΔψ
M2を有効に測定するためには、同検出器の有効な検出範
囲の最大値と最小値をbmax π、amax πとbmin π、
mi n π(勿論これ等は0より大きくπ以下)とした
時、ΔψM1とΔψM2毎に式(13)の条件が成り立てば
良い。
Here, a general phase difference detector detects Δψ M1 and Δψ M1.
In order to effectively measure M2 , the maximum and minimum values of the effective detection range of the detector should be b max π, a max π and b min π,
when the a mi n [pi (hereinafter course which like is greater than 0 [pi), the condition of equation (13) every [Delta] [phi] M1 and [Delta] [phi] M2 may be Naritate.

【0092】すると、ΔψM1とΔψM2に対応した式(1
4)を得るので、同式が示す数値範囲から変調周波数f
M を任意に選択する。
Then, the equation (1) corresponding to Δψ M1 and Δψ M2
4), the modulation frequency f
Select M arbitrarily.

【0093】[0093]

【数11】 [Equation 11]

【0094】このようにして、変調周波数fM を決定す
れば、式(12)から位相差ΔψM1とΔψM2の具体的変
化範囲(これはπを超えない)を求めることができるの
で、式(3’)に於ける整数n1 とn2 を算出すること
ができる。
When the modulation frequency f M is determined in this manner, the specific change range (which does not exceed π) of the phase differences Δψ M1 and Δψ M2 can be obtained from equation (12). The integers n 1 and n 2 in (3 ′) can be calculated.

【0095】上記したようにn1 πとn2 πを求めて既
知にすれば、位相差ΔψM1とΔψM2の絶対値がπを大き
く超えても、一般の位相差検出器でbπとaπだけ実際
に測定して、その結果に式(3’)に基づきn1 πとn
2 πを加算し、位相差ΔψM1と位相差ΔψM2を求めるこ
とが可能となる。
As described above, if n 1 π and n 2 π are obtained and known, even if the absolute values of the phase differences Δψ M1 and Δψ M2 greatly exceed π, bπ and aπ Is actually measured, and based on the result, n 1 π and n
Adding 2 [pi, it is possible to determine the phase difference [Delta] [phi] M1 and the phase difference [Delta] [phi] M2.

【0096】尚、その時々の流速vや音速cによって
は、n1 やn2 が+1或いは−1になる時もあるが、式
(14)が示す数値範囲のfM を用いれば、n1 やn2
はbπやaπの測定値と必ず1対1に対応するので、例
えばコンピュータソフトウェアによってbπやaπの測
定値からn1 やn2 を判定し、ΔψM1とΔψM2を確実に
求めることができる。
Note that, depending on the current flow velocity v and sound velocity c, n 1 and n 2 may be +1 or −1, but if f M in the numerical range shown by the equation (14) is used, n 1 or n 1 can be obtained. And n 2
Is always one-to-one with the measured values of bπ and aπ, so that, for example, the computer software can determine n 1 and n 2 from the measured values of bπ and aπ to reliably obtain Δψ M1 and Δψ M2 .

【0097】また、与えられた数値範囲に於いて、極力
大きなfM を選択した方が、例えばパイプ管内の雑音周
波数帯との乖離が大きくなり、安定したΔψM1、ΔψM2
の測定がより容易になる。
[0097] Also, in the numerical range given, [Delta] [phi] M1 is better to select the utmost large f M, for example, deviation of the noise frequency band of the pipe tube is increased, stable, [Delta] [phi] M2
Measurement becomes easier.

【0098】処で、上述のようにfM を大きく選択する
と、前記のようにbπやaπが範囲としてではなく絶対
値としてのπ(=0)を超えて、即ちπ数値の上下にわ
たって変化することがある。これに対し一般の位相差検
出器は、0 rad付近は精度が劣ることが多いので、この
ような場合は、bπやaπがπ(=0)を超えないよう
にfM を低めに選択し、更に必要に応じてamax =b
max =0.98、bmin =a min =0.2 程度に設計するのが
良い。
At this point, as described above, fM Select large
And bπ and aπ are not ranges but absolute
Beyond the value π (= 0), that is,
May change. On the other hand, general phase difference detection
Since the accuracy of the transmitter is often poor near 0 rad,
In such a case, bπ and aπ should not exceed π (= 0).
To fM Is selected lower, and if necessary, amax = B
max = 0.98, bmin = A min = 0.2
good.

【0099】bπやaπがπ(=0)を超えないように
なるためには、測定可能条件を示す式(12’)に於い
てn1 =const(コンスタント)、n2 =cons
tになれば良いので、具体的には式(15)を満足する
整数n1 とn2 を用いる。そしてこの時のfM を式(1
6)の数値範囲から決定する。
In order for bπ and aπ not to exceed π (= 0), in the equation (12 ′) showing the measurable condition, n 1 = const (constant) and n 2 = cons
Since t is sufficient, integers n 1 and n 2 that satisfy Expression (15) are specifically used. Then, f M at this time is expressed by equation (1)
Determined from the numerical range of 6).

【0100】尚、前述のように例えばamax =0.98、b
min =0.2 等、amax やbmin に余裕をつけて設計する
場合は、式(15、16)の不等号を厳密に守る必要は
なく、要はΔψM1とΔψM2の変化範囲がπ未満であれば
良いので、多少であれば数式の数値範囲を超えてn1
2 やfM を決定することも可能である。
As described above, for example, a max = 0.98, b
When designing with a margin for a max and b min , such as min = 0.2, it is not necessary to strictly observe the inequality sign of Expressions (15, 16). In short, the change range of Δψ M1 and Δψ M2 is less than π. It is better to have n 1 ,
It is also possible to determine the n 2 and f M.

【0101】[0101]

【数12】 (Equation 12)

【0102】更に、各種定数の種類を減らし、ソフトウ
ェアを簡素化するためにはΔψM1とΔψM2を通じてn1
=n2 =n=constにすれば良く、この場合には測
定可能式が実質式(12'')になるので、式(17)及
び式(18)によって整数nを選択し、fM を決定す
る。この場合も、amax やbmin の選定に応じて、数式
範囲を超えたnやfM を選択することも可能である。
Further, in order to reduce the types of various constants and simplify the software, n 1 is obtained through Δψ M1 and Δψ M2.
= N 2 = n = const. In this case, the measurable equation is substantially the equation (12 ″). Therefore, an integer n is selected by the equations (17) and (18), and f M is set to decide. Also in this case, it is possible to select n or f M beyond the range of the mathematical expression according to the selection of a max and b min .

【0103】[0103]

【数13】 (Equation 13)

【0104】一方、周波数fC の搬送波間の位相差Δψ
C1とΔψC2を式(3)に基づき式(3'')のように置く
が(ここでm1 、m2 は整数、βとγは1未満)、本発
明では周波数fC の搬送波を周波数fM の変調信号で振
幅変調して超音波を伝播させるものなので、式(3’)
と式(3'')より位相差ΔψC1、ΔψC2と、位相差Δψ
M1、ΔψM2の関係は式(19)とすることができ、その
結果、夫々求めた位相差ΔψM1、ΔψM2の値を式(1
9)に代入し、m1 とm2 を算出することができる。
On the other hand, the phase difference Δψ between the carrier waves of the frequency f C
C1 and [Delta] [phi] C2 and placed by the equation equation based on (3) (3 '') is (wherein m 1, m 2 is an integer, beta and γ is less than 1), the carrier frequency f C in the present invention Since the amplitude is modulated by the modulation signal of the frequency f M to propagate the ultrasonic wave, the equation (3 ′)
From equation (3 ″), the phase differences Δψ C1 and Δψ C2 and the phase difference Δψ
M1, the relationship of [Delta] [phi] M2 may be a formula (19), as a result, each of the obtained phase difference [Delta] [phi] M1, wherein a value of [Delta] [phi] M2 (1
Substituting into 9), m 1 and m 2 can be calculated.

【0105】[0105]

【数14】 [Equation 14]

【0106】そして、発信点に於ける搬送波と、斜め下
流方向及び斜め上流方向に伝播して受信された搬送波の
位相差のうち、一般の位相差検出器で検出可能なβπ及
びγπだけを測定し、この直接測定された結果に、m1
πとm2 πを加算すれば、発信時の搬送波位相と、斜め
下流方向及び斜め上流方向に伝播して受信された搬送波
位相との位相差ΔψC1及びΔψC2を求めることができ
る。そこでこれらを前記した位相差流速測定式に基づく
式(5’)に代入して流速Vを算出する。
Then, of the phase difference between the carrier at the transmission point and the carrier propagating in the obliquely downstream direction and the obliquely upstream direction, only βπ and γπ which can be detected by a general phase difference detector are measured. And this directly measured result contains m 1
By adding π and m 2 π, the phase differences Δ 求 め るC1 and Δψ C2 between the carrier phase at the time of transmission and the carrier phases propagated and received in the obliquely downstream and upstream directions can be obtained. Thus, the flow velocity V is calculated by substituting these into the equation (5 ′) based on the above-described phase difference flow velocity measurement equation.

【0107】処で、このような方法で位相差ΔψC1とΔ
ψC2を測定すると、それらの誤差δ Δψは、位相差検出
器の誤差δC に比べて数十分の一から数百分の一にも小
さくなる。即ち、式(14)の示す数値範囲から選択し
た周波数fM の変調信号を用いて、搬送波の役目をする
超音波を振幅変調して発信し、これが斜め下流方向と斜
め上流方向に伝播して受信され復調された変調信号を検
出して、発信点に於ける変調信号と受信して検出した変
調信号との位相差のうち一般の位相差検出器で検出でき
る部分ΔψMM1 とΔψMM2 を、一定の誤差δM で測定す
ると、式(20)のようになる。
Here, the phase difference ΔψC1And Δ
ψC2And their error δ ΔψIs the phase difference detection
Vessel error δC Tens to hundreds of times smaller than
It will be cheap. That is, select from the numerical range shown in equation (14).
Frequency fM Acts as a carrier using the modulated signal of
The ultrasonic wave is amplitude-modulated and transmitted.
To detect the demodulated signal that has been received and demodulated
Outgoing signal and the modulated signal
The general phase difference detector can detect the phase difference from the key signal.
Part ΔψMM1 And ΔψMM2 Is a constant error δM Measure with
Then, equation (20) is obtained.

【0108】そして、この測定値に、先に求めたn1 π
とn2 πを加算すれば、発・受信点間に於ける変調信号
の誤差を含んだ位相差は式(21)のようになり、この
ようにして求められた位相差ΔψM1’と位相差ΔψM2
にfC /(πfM )を掛けると、式(19)から周波数
C の搬送波間の位相差ΔψC1とΔψC2をπで割った値
になるので、前述のようにm1 、m2 を求める(式(1
9’))。
Then, the measured value is added to the previously obtained n 1 π
And n 2 π, the phase difference including the error of the modulated signal between the transmitting and receiving points becomes as shown in equation (21). The phase difference Δψ M1 ′ thus obtained is Phase difference Δψ M2 '
Is multiplied by f C / (πf M ), a value obtained by dividing the phase difference Δψ C1 and Δψ C2 between the carrier waves of the frequency f C from Equation (19) by π is given by m 1 and m 2 as described above. (Expression (1)
9 ')).

【0109】[0109]

【数15】 (Equation 15)

【0110】次いで、搬送波の位相差のうち、一般の位
相差検出器を用いて検知可能な部分ΔψCM1 とΔψCM2
を、一定の誤差δC で測定すれば式(22)のようにな
る。従って搬送波の誤差を含んだ位相差ΔψC1’とΔψ
C2’は式(23)になり、真の流速Vを一定の誤差を含
んで測定した流速V’は式(24)になる。
Next, the portions Δ 位相CM1 and Δψ CM2 of the phase difference of the carrier wave which can be detected by using a general phase difference detector.
Is measured with a constant error δ C , as shown in equation (22). Therefore, the phase difference Δψ C1 'and Δψ
C2 'is given by equation (23), and the flow rate V' obtained by measuring the true flow rate V with a certain error is given by equation (24).

【0111】処が、これら位相差ΔψC1’及びΔψC2
に生じる誤差δΔψは式(25)のようになり、m1
2 は≫1であり、逆にβとγとは<1.0 なので、δ
ΔψC1とδΔψC2がδC に比べてはるかに小さくなる。
つまり、前記した誤差δΔψが位相差検出器の誤差δC
に比べて著しく小さくなるのである。
The reason is that these phase differences Δψ C1 'and Δψ C2 '
The error δ Δψ that occurs in equation (25) is as shown in equation (25), m 1 and m 2 are ≫1, and β and γ are conversely <1.0.
ΔψC1 and [delta] Derutapusaishi2 much smaller compared to the [delta] C.
That is, the above-mentioned error δ Δψ is the error δ C of the phase difference detector.
It is significantly smaller than.

【0112】[0112]

【数16】 (Equation 16)

【0113】上述した本発明によると、LやVが大きく
て且つ音速cが低い場合に上記の位相差がπ radを大き
く超過しても、一般の位相差検出器で容易に流速を測定
することが可能になるばかりか、超音波(搬送波)の発
信波と受信波の位相差を精密に測定することができるの
で、音速測定が無用な位相差流速測定法が実現可能にな
る。
According to the present invention described above, when L and V are large and the sound velocity c is low, even if the phase difference greatly exceeds π rad, the flow velocity can be easily measured by a general phase difference detector. In addition to this, the phase difference between the transmitted wave and the received wave of the ultrasonic wave (carrier wave) can be precisely measured, so that the phase difference flow velocity measurement method that does not need the sound velocity measurement can be realized.

【0114】以下は、上記本発明の具体的な実施例と誤
差試算例である。口径300 mmのパイプ管で天然ガスの流
速を測定する場合、cmax = 450m/s、cmin = 420
m/s、L=0.424 m、Vmax cosα=30m/s、V
min cosα=0m/s、搬送超音波の周波数をfC
40kHzとしよう。
The following are specific examples of the present invention and examples of error calculation. When measuring the flow rate of natural gas with a pipe pipe having a diameter of 300 mm, c max = 450 m / s and c min = 420
m / s, L = 0.424 m, V max cos α = 30 m / s, V
min cos α = 0 m / s, and the frequency of the carrier ultrasonic wave is f C =
Let's say 40kHz.

【0115】ここでbmin =amin =0、bmax =a
max =1と置けば、式(14)からΔψM1とΔψM2の変
調信号周波数は式(26)の数値範囲から選択すること
になり、そこで仮にfを3962Hzと3449Hzに選択すれ
ば、これ等の変調信号でさえ前述したパイプ管内の雑音
周波数fM に比較して著しく高い周波数となる。
Here, b min = a min = 0, b max = a
If max = 1 is set, the modulation signal frequencies of Δψ M1 and Δψ M2 are selected from the numerical range of Expression (26) from Expression (14), and if f is selected to be 3962 Hz and 3449 Hz, these values can be obtained. The frequency of the modulated signal is significantly higher than the noise frequency f M in the pipe described above.

【0116】[0116]

【数17】 [Equation 17]

【0117】そして式(12)から位相差ΔψM1の変化
範囲は6.9995……π〜7.9994……π、また位相差ΔψM2
のそれは6.4994……π〜7.4993……πとなるので、n1
は整数6または7、n2 も6または7に限定され、且つ
いずれの変化範囲もπ未満なので、一般の位相差検出器
でbπとaπを測定すれば、これ等に対応したn1 とn
2 を特定することができる。その結果、式(3’)に基
づき位相差ΔψM1と位相差ΔψM2が得られるので、前述
の通り位相差ΔψC1とΔψC2を求め、流速Vが算出され
る。
[0117] The range of variation of the phase difference [Delta] [phi] M1 from equation (12) is 6.9995 ...... π~7.9994 ...... π, also the phase difference [Delta] [phi] M2
Is 6.4994 ... π to 7.4993 ... π, so n 1
Is an integer 6 or 7, n 2 is also limited to 6 or 7, and both ranges are less than π. Therefore, when bπ and aπ are measured by a general phase difference detector, n 1 and n corresponding to these are measured.
2 can be specified. As a result, the phase difference Δψ M1 and the phase difference Δψ M2 are obtained based on the equation (3 ′). Therefore, the phase differences Δψ C1 and Δψ C2 are obtained as described above, and the flow velocity V is calculated.

【0118】このようにして式(14)の数値範囲のf
M を任意に選択すれば本発明の方法を達成することがで
きるが、値の異なる二つのfM を選択するると測定シー
ケンスが多少複雑で装置コストも高額となり、また一般
の位相差検出器は0π付近の測定精度に不満がある。
As described above, f in the numerical range of the equation (14) is obtained.
The method of the present invention can be achieved by arbitrarily selecting M. However, if two values f M having different values are selected, the measurement sequence is somewhat complicated, the equipment cost is high, and a general phase difference detector is used. Is dissatisfied with the measurement accuracy near 0π.

【0119】そこで、本発明の汎用性と普及性を重視し
且つ一般の位相差検出器の不満点を配慮し、以下はn1
=n2 =n=const、また変調信号の周波数fM
始めとして他の定数もΔψ1 とΔψ2 に於いて等しくし
て、より簡易で低コストな方法を前提とした場合の誤差
試算例と装置構成例を述べる。
[0119] Therefore, in consideration dissatisfaction point versatility and emphasizing the spread of and generally of the phase difference detector of the present invention, the following n 1
= N 2 = n = const, and other constants including the frequency f M of the modulation signal are also equal in Δψ 1 and Δψ 2 , and the error is calculated based on a simpler and lower-cost method. An example of the device configuration will be described.

【0120】先ず、位相差検出器の測定範囲は0〜π r
adであるが、充分に余裕のあるbmi n π=0.2 π、a
max π=0.98πにして、式(17)と式(18)からn
と変調信号周波数fM の選択範囲を求めると、夫々式
(27)と式(28)のようになるので、n=3を記録
すると共にfM =1830Hzに選択する。勿論、このfM
は式(14)が示す数値範囲であるし、また雑音周波数
帯より充分に高い。
First, the measurement range of the phase difference detector is 0 to π r
It is a ad, adequately ample b mi n π = 0.2 π, a
By setting max π = 0.98π, n is calculated from Expression (17) and Expression (18).
When the selection range of the modulation signal frequency f M is obtained, equations (27) and (28) are obtained, respectively. Therefore, n = 3 is recorded and f M = 1830 Hz is selected. Of course, this f M
Is within the numerical range indicated by the equation (14), and is sufficiently higher than the noise frequency band.

【0121】次に実際に、fM =1830Hzで振幅変調さ
れた超音波を斜め下流方向と斜め上流方向に伝播させて
受信信号を復調し、変調信号を検出して位相差ΔψM1
位相差ΔψM2とを測定するが、この時に流速がv=Vc
osα=20m/s、音速がc= 450m/sとすれば、真
の位相差ΔψM1と位相差ΔψM2は式(3’)から式(2
9)のようになる。ここでn=3は計算して記録したn
と一致している。
[0121] Next Indeed, demodulates the received signal by propagating an ultrasonic wave amplitude-modulated diagonally downstream direction and the oblique upstream direction f M = 1830Hz, the phase difference [Delta] [phi] M1 and the phase difference by detecting the modulated signal Δψ M2 is measured, and at this time, the flow velocity is v = Vc
Assuming that osα = 20 m / s and the sound velocity is c = 450 m / s, the true phase difference Δψ M1 and the phase difference Δψ M2 can be calculated from the equation (3 ′) using the equation (2).
It becomes like 9). Here, n = 3 is calculated and recorded n
Matches.

【0122】[0122]

【数18】 (Equation 18)

【0123】これに対し位相差検出器は、位相差を0.30
1787π=bπと0.60893 π=aπとして測定してしまう
が、この時に一定の誤差δM で測定し、δM =±1%と
すれば測定結果は式(30)のようになり、次の過程と
して式(19’)から、搬送波のm1 とm2 を式(3
1)で算出してm1 =72とm2 =78を記録しておく。
On the other hand, the phase difference detector sets the phase difference to 0.30.
1787π = bπ and thus measured as 0.60893 π = aπ but measured at constant error [delta] M at this time, δ M = ± 1% Tosureba measurement result is shown in Equation (30), the following processes From equation (19 ′), m 1 and m 2 of the carrier are calculated by equation (3).
Calculate in 1) and record m 1 = 72 and m 2 = 78.

【0124】[0124]

【数19】 [Equation 19]

【0125】搬送波の真の位相差ΔψC1とΔψC2は式
(3)から式(32)の如くであり、m1 =72とm2
78は、上記した式(31)のm1 とm2 に一致した。そ
して、ΔψCM1 =0.170213π、ΔψCM2 =0.883721πで
あるが、実際には位相差検出器がδC =±1%の誤差で
測定したとすれば、式(33)になる。これらに上記の
1 π=72πとm2 π=78πを加算すれば、本方法によ
って測定した位相差検出器の誤差を含んだ位相差Δ
ψC1’とΔψC2’は、式(34)のようになる。
The true phase differences Δψ C1 and Δψ C2 of the carrier are as shown in Equations (3) to (32), where m 1 = 72 and m 2 =
78 corresponded to m 1 and m 2 in the above formula (31). Then, Δψ CM1 = 0.170213π and Δψ CM2 = 0.883721π. However, if the phase difference detector actually measures with an error of δ C = ± 1%, the equation (33) is obtained. By adding m 1 π = 72π and m 2 π = 78π to these, the phase difference Δ including the error of the phase difference detector measured by this method is obtained.
ψ C1 'and Δψ C2 ' are as shown in Expression (34).

【0126】[0126]

【数20】 (Equation 20)

【0127】これらを前記した流速測定式(24)に代
入すれば、式(35)のような結果になる。真の流速は
Vcosα=20m/sなのに、実際に測定した結果は
V’cosα=19.97 m/sになり、流速測定誤差が−
0.15%になった。一般の位相差検出器で検出可能な位相
差ΔψMM1 とΔψMM2 、ΔψCM1 とΔψCM2 を±1%の
誤差で2回測定したにも拘らず、流速測定誤差は−0.15
%になるのである。この理由は式(36)に示すよう
に、ΔψC1とΔψC2の測定誤差が非常に小さくなったた
めである。
By substituting these into the flow velocity measurement equation (24), the result is as shown in equation (35). Although the true flow velocity is Vcosα = 20 m / s, the actual measurement result is V′cosα = 19.97 m / s, and the flow velocity measurement error is −
0.15%. Although the phase differences Δψ MM1 and Δψ MM2 , Δψ CM1 and Δψ CM2 that can be detected by a general phase difference detector were measured twice with an error of ± 1%, the flow velocity measurement error was −0.15.
%. The reason for this is that, as shown in equation (36), the measurement error of Δ よ うC1 and Δψ C2 has become very small.

【0128】ΔψCM1 (βπ)をδC =±1%の誤差で
測定したが、β/m1 =0.1702/72≒1/ 423なので、
式(25)からも理解されるように、式(36)の如く
Δψ C1の測定誤差が減少したのである。勿論、ΔψCM2
(γπ)を測定して得たΔψ C2についても同様である。
ΔψCM1 (Βπ) to δC = ± 1% error
Measured, β / m1 = 0.1702 / 72 ≒ 1/423,
As can be understood from Expression (25), as in Expression (36),
Δψ C1The measurement error has decreased. Of course, ΔψCM2 
Δψ obtained by measuring (γπ) C2The same applies to.

【0129】また、上記の例に於いては、位相差Δψ
MM1,2 (bπ、aπ)とΔψCM1,2 とを±1%の誤差で
測定したと仮定したが、位相差検出器の誤差は一般的に
±0.5%程である。
In the above example, the phase difference Δψ
MM1, 2 (bπ, aπ) was assumed [Delta] [phi] CM1, 2 and a were measured with ± 1% of error, but an error of the phase difference detector is generally about ± 0.5%.

【0130】このように本発明の位相差流速測定法は、
音速測定を要さずに、口径の大きなパイプ管において
も、且つ流速が大きくても、更に音速が低い気体であっ
ても、その流速を、雑音周波数fn ≪変調信号周波数f
M ≪搬送波周波数fC で安定して、また位相差検出器の
性能を超える精度で正確に測定することができる。
As described above, the phase difference flow velocity measuring method of the present invention
Without measuring the sound speed, even in a pipe with a large diameter and a gas having a high flow velocity or a lower sound velocity, the flow velocity is determined by the noise frequency f n ≪modulation signal frequency f
M ≪ It is possible to measure stably at the carrier frequency f C and accurately with an accuracy exceeding the performance of the phase difference detector.

【0131】本発明の位相差流速測定方法を実施する一
つの例として、図3に位相差流速測定装置のブロック図
を示した。同図に於いて、例えば河川の一方側に配置さ
れる受信専用のトランスデュ−サ部1と1’に対向し
て、他方側にこの場合には指向角の広い発信専用のトラ
ンスデュ−サ部2が配置される。発信専用のトランスデ
ュ−サ部2に対し、受信専用のトランスデュ−サ部1
は、距離Lをあけ且つL方向と流速方向が成す角度がα
になる斜め上流方向の一側方に、また受信専用のトラン
スデュ−サ部1’は、距離Lをあけ且つL方向と流速方
向が成す角度がαになる斜め下流方向の他側方に、夫々
対向する。
FIG. 3 shows a block diagram of a phase difference flow rate measuring device as one example of implementing the phase difference flow rate measuring method of the present invention. In the figure, for example, a transmission-only transducer having a wide directional angle is opposed to a reception-only transducer section 1 and 1 'arranged on one side of a river, for example. The unit 2 is arranged. The transmitting-only transducer unit 2 is connected to the receiving-only transducer unit 1.
Is given by a distance L and the angle between the L direction and the flow velocity direction is α
On the other side of the diagonal upstream direction, and the receiving-only transducer unit 1 ′ is separated by a distance L and on the other side of the diagonal downstream direction where the angle between the L direction and the flow velocity direction is α. They face each other.

【0132】符号13は周波数fC の搬送波発振器、符
号14は周波数fM の変調信号発振器であり、符号17
は振幅変調器、符号18は出力増幅器、符号19と1
9’は受信トランスデュ−サ部1と1’の受信増幅器、
符号20と20’は振幅変調信号の復調器であり、狭帯
域増幅器21と21’は復調器で復調された変調信号を
増幅する。
Reference numeral 13 denotes a carrier oscillator having a frequency f C , reference numeral 14 denotes a modulation signal oscillator having a frequency f M ,
Is an amplitude modulator, 18 is an output amplifier, 19 and 1
9 'is the receiving amplifier of the receiving transducer units 1 and 1',
Reference numerals 20 and 20 'denote demodulators for amplitude-modulated signals, and narrow-band amplifiers 21 and 21' amplify the modulated signals demodulated by the demodulators.

【0133】また、位相差検出器(phase diffrence di
scriminator )28と28’は変調信号に生じる位相差
のうち直接検出可能なΔψMM1,2 (bπ、aπ)を検出
し、飽和増幅器(amplifiier-limiter)30と30’は
振幅変調された信号(受信増幅器19と19’の出力)
を飽和増幅し、検出器31と31’は搬送波に生じる位
相差の有効検出部分ΔψCM1,2 (βπ、γπ)を検出す
る。
A phase difference detector (phase difference detector)
Scriminator) 28 and 28 'are directly detected detectable [Delta] [phi] MM1 of the phase difference caused modulated signal, 2 (bπ, aπ), saturated amplifier (amplifiier-limiter) 30 and 30' are amplitude modulated signal ( Outputs of receiving amplifiers 19 and 19 ')
The saturation amplifier, detector 31 and 31 'are effective detection portion [Delta] [phi] CM1 of phase difference caused in a carrier wave, 2 (βπ, γπ) detected.

【0134】符号29と29’は位相差調節器(phase
shifter )で、V=0の時に位相差検出器28と28’
及び検出器31と31’の出力が0になるように調節す
る役目をする。符号32は、本発明の方法によって位相
差ΔψC1とΔψC2を計算して流速を算出する演算装置で
ある。
Reference numerals 29 and 29 'denote phase difference adjusters (phase difference adjusters).
shifter), and when V = 0, the phase difference detectors 28 and 28 '
And adjusts the outputs of the detectors 31 and 31 'to zero. Reference numeral 32 denotes an arithmetic unit for calculating the flow velocity by calculating the phase differences Δψ C1 and Δψ C2 by the method of the present invention.

【0135】図3の各ブロックは次のように動作する。
振幅変調器17は、搬送波発振器13が発振する周波数
C の搬送用信号を変調信号発振器14が発振する周波
数f M の変調信号で振幅変調している。振幅変調された
信号は、出力増幅器18で増幅されて発信トランスデュ
−サ部2に印加されている。
Each block in FIG. 3 operates as follows.
The amplitude modulator 17 has a frequency at which the carrier oscillator 13 oscillates.
fC Of the carrier signal of the modulation signal oscillator 14
Number f M Amplitude modulation with the modulation signal of Amplitude modulated
The signal is amplified by output amplifier 18 and transmitted
-Is applied to the power supply unit 2.

【0136】発信トランスデュ−サ部2は、本例では発
信トランスデュ−サ部2を単一としているため、斜め下
流方向から斜め上流方向にわたる広い角度で振幅変調さ
れた超音波を発信する。受信トランスデュ−サ部1と
1’は、斜め上流方向と斜め下流方向に伝播してきた振
幅変調された超音波を受信しながら受信信号を発生す
る。
In this example, since the transmitting transducer unit 2 is a single transmitting transducer unit, the transmitting transducer unit 2 transmits an ultrasonic wave whose amplitude is modulated at a wide angle from an oblique downstream direction to an oblique upstream direction. The receiving transducer units 1 and 1 'generate a reception signal while receiving the amplitude-modulated ultrasonic waves propagating in the obliquely upstream direction and the obliquely downstream direction.

【0137】この受信信号は、fC ±fM 周波数帯域を
増幅する増幅器19と19’によって増幅されて、復調
器(detector)20と20’に入力され、この復調器2
0と20’で周波数fM の変調信号を復調・検出する。
そのうち一つの変調信号は、位相調節器29を通ってか
ら狭帯域増幅器21に、他の変調信号は直接狭帯域増幅
器21’に入力され、何れも増幅濾過(filtering )さ
れてから低周波位相差検出器28と28’に入力され
る。これら低周波位相差検出器28と28’の他の入力
端には、変調信号発振器14の発振信号が入力されてい
るので、低周波位相差検出器28と28’は、検出可能
な位相差ΔψMM2 と位相差ΔψMM1 を測定して演算装置
32に入力する。
The received signal is amplified by amplifiers 19 and 19 'for amplifying the frequency band of f C ± f M and input to demodulators (detectors) 20 and 20'.
0 20 'in demodulating and detecting the modulated signal of a frequency f M.
One of the modulation signals is input to the narrow-band amplifier 21 after passing through the phase adjuster 29, and the other modulation signal is directly input to the narrow-band amplifier 21 '. Input to detectors 28 and 28 '. Since the oscillation signal of the modulation signal oscillator 14 is input to the other input terminals of the low-frequency phase difference detectors 28 and 28 ', the low-frequency phase difference detectors 28 and 28' Δψ MM2 and the phase difference Δψ MM1 are measured and input to the arithmetic unit 32.

【0138】同時に、受信増幅器19と19’の出力信
号は、一方は位相差調節器29’を経てから、他方はそ
のまま飽和増幅器30と30’に入力されて飽和状態に
増幅、即ち弁別されてから、搬送波位相差検出器31と
31’に各々入力される。
At the same time, one of the output signals of the receiving amplifiers 19 and 19 'passes through the phase difference adjuster 29', and the other is directly input to the saturation amplifiers 30 and 30 'and amplified to a saturated state, that is, discriminated. Are input to the carrier phase difference detectors 31 and 31 ', respectively.

【0139】位相差検出器31と31’の他の入力端に
は搬送波発振器13の発振信号が入力されているので、
これらの出力には検出可能な位相差ΔψCM1 と位相差Δ
ψCM 2 の位相差信号が出力され、これらの位相差信号は
演算装置32に入力される。
Since the oscillation signal of the carrier oscillator 13 is input to the other input terminals of the phase difference detectors 31 and 31 ',
These outputs have a detectable phase difference Δψ CM1 and a phase difference Δ
ψ CM 2 phase difference signals are output, and these phase difference signals are input to the arithmetic unit 32.

【0140】演算装置32には、n、fM 、fC 、L、
cosα等の定数が記録されているので、前記した式
(3’、19)に従ってm1 とm2 を算出して式
(3'')によって搬送波の位相差ΔψC1とΔψC2を演算
し、式(5’)によって流速Vを算出するのである。
The arithmetic unit 32 includes n, f M , f C , L,
Since constants such as cos α are recorded, m 1 and m 2 are calculated in accordance with the above-described equation (3 ′, 19), and the phase difference Δψ C1 and Δψ C2 of the carrier are calculated by equation (3 ″). The flow velocity V is calculated by the equation (5 ').

【0141】処で、例えば気体の質量流量測定のために
体積流量計を使用する場合には、気体の圧力と温度を別
に測定している。このような際に、仮に超音波位相差法
で流速を測定する流量計を使用すると、気体の圧力と温
度測定値を利用して音速cを算出することができるの
で、従来の位相差法(数式(h))でも流速や流量を測
定することができることになる。
When a volume flow meter is used for measuring the mass flow rate of a gas, the pressure and the temperature of the gas are separately measured. In such a case, if a flow meter that measures the flow velocity by the ultrasonic phase difference method is used, the sound velocity c can be calculated by using the measured values of the pressure and the temperature of the gas. The flow rate and the flow rate can also be measured by the equation (h).

【0142】しかしながら、パイプ管の口径が大きい場
合や流速が高い場合には、前述の通り発信・受信信号間
の位相差Δφ1 及びΔφ2 や両受信信号の位相差Δφが
πを超えてしまい、一般の位相差検出器で位相差を測定
することができない。そこで、本発明では周波数fC
搬送波を周波数fM の変調信号で振幅変調して超音波を
発信・受信・復調するが、この変調信号の位相差がπを
超えないようになっている。即ち、fM を式(37)の
数値範囲から決定する。
However, when the diameter of the pipe is large or when the flow velocity is high, as described above, the phase difference Δφ 1 and Δφ 2 between the transmitted and received signals and the phase difference Δφ between both received signals exceed π. However, the phase difference cannot be measured with a general phase difference detector. Therefore, in the present invention, the carrier wave of the frequency f C is amplitude-modulated with the modulation signal of the frequency f M to transmit, receive, and demodulate the ultrasonic wave. The phase difference of the modulation signal does not exceed π. That is, f M is determined from the numerical range of Expression (37).

【0143】従って、この変調信号で振幅変調した超音
波を斜め下流方向と斜め上流方向に伝播させ、各々の受
信信号を復調して変調信号を検出すれば、一般の位相差
検出器で位相差ΔφM を測定できる。処が本発明の手段
では式(38)が成立するので、搬送波受信信号間の位
相差ΔφC の整数部分の値mを算出する。
Therefore, if the ultrasonic wave amplitude-modulated by the modulated signal is propagated in the obliquely downstream direction and the obliquely upstream direction, and the received signal is demodulated and the modulated signal is detected, the phase difference can be detected by a general phase difference detector. Δφ M can be measured. Since the equation (38) holds in the means of the present invention, the value m of the integer part of the phase difference Δφ C between the carrier reception signals is calculated.

【0144】[0144]

【数21】 (Equation 21)

【0145】ここでaは1未満であり、整数mを記録し
ておく。aπ(<π)は、搬送波受信信号間の位相差と
して位相差検出器が測定する部分なので、実際に位相差
aπを測定して式(38)で位相差ΔφC を演算し、こ
れを流速測定式(h’)に代入して流速を算出するので
ある。
Here, a is less than 1, and an integer m is recorded. Since aπ (<π) is a part measured by the phase difference detector as the phase difference between the carrier reception signals, the phase difference aπ is actually measured, the phase difference Δφ C is calculated by the equation (38), and this is calculated as the flow rate The flow velocity is calculated by substituting into the measurement equation (h ′).

【0146】このようにして求められる位相差ΔφC
誤差δΔφC は、式(39)のようになる。即ち、δ
を位相差検出器の相対誤差とすると、位相差検出器
が測定したaπの絶対誤差はΔ=δ・aπとなる
ためである。処が、m>1、a<1.0 なので、δΔφC
≪δ になる。このため流速測定精度が高くなるので
ある。
[0146] error [delta] DerutafaiC of the thus obtained phase difference [Delta] [phi C is as shown in equation (39). That is, δ
This is because if aπ is the relative error of the phase difference detector, the absolute error of aπ measured by the phase difference detector is Δaπ = δaπ · aπ. Since m> 1, a <1.0, δ ΔφC
≪δ . For this reason, the accuracy of the flow velocity measurement is increased.

【0147】この方法で流速を測定する装置の例を図4
に示した。この図4での記号と動作は図3で示した実施
例と同様である。但し、流速演算装置32には、距離
L、cosα、fC とfM の数値が記録されているし、
式(38)、(h’)に従って流速を演算するようにな
っている。このような方法によれば、従来技術とは異な
り、ΔφM <πにすることが可能になり、またΔφC
πであっても一般の位相差検出器を使用でき、且つこの
位相差検出器自体の保有精度を超えて高精度化すること
が可能になる。
FIG. 4 shows an example of an apparatus for measuring the flow velocity by this method.
It was shown to. The symbols and operations in FIG. 4 are the same as those in the embodiment shown in FIG. However, the numerical values of the distance L, cos α, f C and f M are recorded in the flow velocity calculating device 32,
The flow velocity is calculated according to equations (38) and (h '). According to such a method, unlike the related art, Δφ M <π can be satisfied, and Δφ C
Even if it is π, a general phase difference detector can be used, and the accuracy can be improved beyond the possessed accuracy of the phase difference detector itself.

【0148】尚、請求項7の位相差法の実施例に於いて
は、図4の如くトランスデュ−サ部を配置し、受信トラ
ンスデュ−サ部1及び1’間の位相差Δφを測定した
が、トランスデュ−サ部2とトランスデュ−サ部1の間
の位相差をΔφ1 、トランスデュ−サ部2とトランスデ
ュ−サ部1’の間の位相差をΔφ2 として測定し、Δφ
=Δφ1 −Δφ2 によってトランスデュ−サ部1及び
1’間の位相差を導く方法もあり、この場合にも本発明
の作用と効果は同様に発揮する。
In the embodiment of the phase difference method according to the present invention, the transducer section is arranged as shown in FIG. 4 and the phase difference Δφ between the receiving transducer sections 1 and 1 ′ is measured. Although the trans du - service unit 2 and trans du - measuring the phase difference between the sub unit 1 'as the [Delta] [phi 2 - [Delta] [phi 1 the phase difference between the sub unit 1, trans du - service unit 2 and the transformer du , Δφ
= Δφ 1 −Δφ 2 may be used to derive a phase difference between the transducer sections 1 and 1 ′. In this case, the operation and effect of the present invention are similarly exhibited.

【0149】また、位相差Δψの方法や位相差Δφの方
法にあって、トランスデュ−サ部の配置は図3や図4に
限定されるものではなく、例えば従来技術を示す図6
(a)のように発信トランスデュ−サ部と受信トランス
デュ−サ部の対向する組み合わせを二組用いる方法、或
いは時間差法の例示に用いた図1や図5の如く同組み合
わせを一対として実施することも可能である。そして請
求項1から4に記載の伝播時間差法にあっては、逆に図
6(a)や(b)のようなトランスデュ−サ部の配置も
有り得る。
Further, in the method of the phase difference Δψ and the method of the phase difference Δφ, the arrangement of the transducer section is not limited to that shown in FIGS.
(A) A method using two sets of opposing combinations of a transmitting transducer part and a receiving transducer part, or the same combination as a pair as shown in FIGS. It is also possible. In the propagation time difference method according to claims 1 to 4, conversely, the arrangement of the transducer section as shown in FIGS. 6A and 6B may be possible.

【0150】更に、ここでは、発信トランスデュ−サ部
に印加する電気信号を用いて位相差測定の基準点とした
が、前述した伝播時間差法の実施例での場合と同様に、
この位相差法に於いてもこれに限定されるものではな
く、例えば発信トランスデュ−サ部の近傍に例えば第三
のトランスデュ−サ部を受信トランスデュ−サ部と距離
Lで配し、発信トランスデュ−サ部が流体中に発信した
超音波を直後に受信し、この受信信号を利用して位相差
測定の基準点としても良く、更なる高精度化が望める。
Further, here, the reference point for the phase difference measurement is set using the electric signal applied to the transmitting transducer unit. However, similar to the case of the above-described embodiment of the propagation time difference method,
The phase difference method is not limited to this. For example, a third transducer section is arranged near the transmitting transducer section at a distance L from the receiving transducer section. Ultrasonic waves transmitted by the transmitting transducer unit in the fluid are received immediately afterward, and the received signals may be used as a reference point for phase difference measurement, further improving the accuracy.

【0151】[0151]

【発明の効果】本発明にかかる方法によれば、超音波伝
播時間差法によって河川、大人工開水路、大口径のパイ
プ管での超音波伝播時間とその差を求めて、流速を確実
且つ正確に求めることができ、また、音速の変化が激し
くても音速に無関係に、そして位相差がπを大きく超え
る場合でも、流速を超音波位相差法で測定することがで
きるので、開水路や大・小口径のパイプ管に於いても高
流速流体の流速を精度高く測定することができる等、多
くの優れた作用効果を奏する。
According to the method of the present invention, the ultrasonic wave propagation time in a river, a large artificial open channel, or a large-diameter pipe pipe is determined by the ultrasonic wave propagation time difference method, and the flow velocity is reliably and accurately determined. The velocity can be measured by the ultrasonic phase difference method regardless of the speed of sound even if the speed of sound changes drastically and the phase difference greatly exceeds π. -Many excellent functions and effects can be achieved, such as being able to accurately measure the flow velocity of a high flow velocity fluid even in a small diameter pipe pipe.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の伝播時間差流速測定法の実施例を示す
ブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a method for measuring a propagation time difference flow velocity according to the present invention.

【図2】本発明の伝播時間差流速測定法のタイチムチャ
−ト図である。
FIG. 2 is a timing chart of the method of measuring the flow velocity of a transit time difference according to the present invention.

【図3】本発明の超音波位相差流速測定法の実施例を示
すブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of an ultrasonic phase difference flow velocity measuring method according to the present invention.

【図4】本発明の他の位相差法の実施例のブロック図で
ある。
FIG. 4 is a block diagram of another embodiment of the phase difference method of the present invention.

【図5】周知の超音波伝播時間差流速測定原理の説明図
である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of a well-known principle of measuring the ultrasonic propagation time difference flow velocity.

【図6】周知の超音波位相差流速測定原理の説明図であ
る。
FIG. 6 is an explanatory diagram of a well-known principle of ultrasonic phase difference flow velocity measurement.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、2;トランスデュ−サ部、3;スイッチ回路、4;
超音波パルス発振回路、5;受信増幅回路、6;短いパ
ルス信号を成形する回路、7;時間間隔測定装置、8;
流速演算装置、9;サイン波発振器、10;位相調節
器、11;受信増幅器、12;位相差検出器、13;超
音波搬送波発振器、14;変調信号発振器、15;0点
クロッシング回路、16;単安定パルス発振器、17;
振幅変調器、18;出力増幅器、19;増幅器、20;
復調器、21;狭帯域増幅器、22;0点クロッシング
回路、23;スイッチ回路、24;スイッチ回路、2
5;スイッチ回路、26;スイッチ制御装置、27;信
号減衰器、28;位相差検出器、29;位相差調節器、
30;飽和増幅器、31;位相差検出器、32;演算装
置。
1, 2; transducer section, 3; switch circuit, 4;
Ultrasonic pulse oscillation circuit, 5; reception amplification circuit, 6; short pulse signal shaping circuit, 7; time interval measurement device, 8;
Flow velocity calculating device, 9; sine wave oscillator, 10; phase adjuster, 11; receiving amplifier, 12; phase difference detector, 13; ultrasonic carrier wave oscillator, 14; modulation signal oscillator, 15; 0 point crossing circuit, 16; Monostable pulse oscillator, 17;
Amplitude modulator, 18; output amplifier, 19; amplifier, 20;
Demodulator, 21; narrow-band amplifier, 22; zero-point crossing circuit, 23; switch circuit, 24; switch circuit, 2
5; switch circuit; 26; switch control device; 27; signal attenuator; 28; phase difference detector; 29; phase difference adjuster;
30; Saturation amplifier, 31; Phase difference detector, 32;

フロントページの続き (72)発明者 ハクソー、チャン 大韓民国 キョンギ−ド ソンナン市 プ ンダン−グ ヤタップ−ドン チャンミマ ウル 102−1301 (72)発明者 伊藤 康夫 東京都杉並区宮前1−4−7 Fターム(参考) 2F035 DA14 DA15 DA19 DA23 DA24Continuing on the front page (72) Inventor Haksaw, Chang 102-1301, Pung-Dang-Gu-Tap-Dong-Chan-Mima-Uul, Song-nan, Republic of Korea (72) Inventor Yasuo Ito 1-4-7 Miyamae, Suginami-ku, Tokyo F-term ( Reference) 2F035 DA14 DA15 DA19 DA23 DA24

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 流体流路内を斜めに横断する横断線上
に、複数のトランスデュ−サ部を所定間隔をあけて対向
配置し、斜め上流方向及び斜め下流方向に超音波を発信
・受信し、該超音波の夫々の伝播時間の差を測定して流
体の流速を測定する方法であって、 超音波が流体中を伝播する時に減衰度が脈動する最大の
周波数をfP 、該流体に於いて想定される最大音速をc
max 、超音波伝播距離をL、該距離Lの区間で想定され
る最大平均流速の距離L方向の成分をvmax 、超音波搬
送波の周波数をfC とした時、 変調信号の周波数fM を式(2)で選定し、該周波数f
M の変調信号で所定時間振幅変調した超音波を発信・受
信して、搬送波が発信側で振幅変調された或る瞬間か
ら、流体中を伝播した超音波を受信して該受信信号に含
まれる変調信号の前記に対応した或る瞬間までの時間を
測定して、流速Vを算出することを特徴とする流速測定
方法。 【数1】
1. A plurality of transducer sections are arranged opposite to each other at a predetermined interval on a transverse line obliquely crossing a fluid flow path, and transmit and receive ultrasonic waves in oblique upstream and oblique downstream directions. A method of measuring the difference between the propagation times of the ultrasonic waves to measure the flow velocity of the fluid, wherein the maximum frequency at which the attenuation pulsates when the ultrasonic waves propagate in the fluid is f P , The maximum sound velocity assumed in c
max , the ultrasonic wave propagation distance is L, the component of the maximum average flow velocity assumed in the section of the distance L in the distance L direction is v max , and the frequency of the ultrasonic carrier is f C, and the frequency f M of the modulation signal is The frequency f is selected by equation (2).
Transmits and receives an ultrasonic wave amplitude-modulated for a predetermined time with the modulation signal of M , and from a certain moment when the carrier wave is amplitude-modulated on the transmitting side, receives the ultrasonic wave propagated in the fluid and is included in the received signal. A flow velocity measuring method, comprising measuring a time until a certain moment corresponding to the above of the modulated signal and calculating a flow velocity V. (Equation 1)
【請求項2】 請求項1に於いて、発信時に、振幅変調
された信号を復調器に入力して変調信号を検出し、超音
波伝播時間測定開始時点(スタ−ト信号)とすると共
に、振幅変調された超音波が流体中を伝播後に受信され
た受信信号を前記復調器で復調して変調信号を検出し、
超音波伝播時間測定終了時点(ストップ信号)として、
超音波伝播時間を測定することを特徴とする流速測定方
法。
2. The method according to claim 1, wherein at the time of transmission, an amplitude-modulated signal is input to a demodulator to detect a modulated signal, and a start time of ultrasonic wave propagation time measurement (start signal) is set. Amplitude-modulated ultrasonic waves are demodulated by the demodulator to receive a received signal received after propagating in a fluid to detect a modulated signal,
As the end point of ultrasonic propagation time measurement (stop signal),
A flow velocity measuring method characterized by measuring an ultrasonic propagation time.
【請求項3】 変調開始時点を、常に変調信号の或る一
定な位相とすることを特徴とする請求項1または2に記
載の流速測定方法。
3. The flow velocity measuring method according to claim 1, wherein the modulation start time point is always a certain phase of the modulation signal.
【請求項4】 発信時に振幅変調された信号から検出し
て得た変調信号、及び振幅変調された超音波が流体中を
伝播後に受信された受信信号から検出して得た変調信号
の、夫々同一の位相を、スタ−ト信号及びストップ信号
とすることを特徴とする請求項1または2または3に記
載の流速測定方法。
4. A modulated signal obtained by detecting an amplitude-modulated signal at the time of transmission and a modulated signal obtained by detecting from a received signal received after an amplitude-modulated ultrasonic wave has propagated through a fluid, respectively. 4. The flow velocity measuring method according to claim 1, wherein the same phase is used as a start signal and a stop signal.
【請求項5】 流体流路内を斜めに横断する横断線上
に、複数のトランスデュ−サ部を所定間隔をあけて対向
配置し、斜め上流方向及び斜め下流方向に超音波を発信
・受信し、該超音波が流体中を伝播する際に生じる位相
の変化を測定して流体の流速を測定する方法であって、 斜め下流方向及び斜め上流方向に、周波数fC の超音波
搬送波を、周波数fMの変調信号で振幅変調して、発信
・受信した時、発信・受信点間に於いて生じる周波数f
C の超音波搬送波の位相差ΔψC1及びΔψC2を夫々測定
し、これ等と、超音波伝播距離L、及び流速方向とL線
方向が成す角度αから式(5’)によって、流体の流速
Vを測定することを特徴とする流速測定方法。 【数2】
5. A plurality of transducer sections are arranged opposite to each other at a predetermined interval on a transverse line obliquely crossing the inside of the fluid flow path, and transmit and receive ultrasonic waves in oblique upstream and oblique downstream directions. A method of measuring a change in phase that occurs when the ultrasonic wave propagates through a fluid to measure the flow velocity of the fluid, wherein an obliquely downstream direction and an obliquely upstream direction include an ultrasonic carrier having a frequency f C , and amplitude-modulated with a modulation signal f M, when the transmission and reception, the frequency f generated at between transmission and reception points
The phase difference Δψ C1 and Δψ C2 of the ultrasonic carrier wave of C are measured, respectively, and the flow velocity of the fluid is calculated from the ultrasonic propagation distance L and the angle α formed by the flow velocity direction and the L-line direction by the equation (5 ′). A method for measuring flow velocity, comprising measuring V. (Equation 2)
【請求項6】 請求項5にあって、超音波を斜め下流方
向と斜め上流方向に夫々伝播させたときに、発信・受信
点間に於いて、周波数fC の超音波搬送波及び周波数f
M の変調信号に生じる位相差を、各々、ΔψC1=m1 π
+βπとΔψ C2=m2 π+γπ、及び、ΔψM1=n1 π
+bπとΔψM2=n2 π+aπ(ここでm1 、m2 、n
1 、n2 は整数、β、γ、a、bは1以下)と置き、ま
た、該流体に於いて想定される最大及び最小の音速をc
max 及びcmin 、流速測定範囲の上限と下限の横断線方
向成分をvmax とvmin 、周波数fM の変調信号用位相
差検出器の測定範囲上限と下限をbmax 、amax とb
min 、amin 、超音波伝播距離をLとした時、 式(14)の数値範囲の変調周波数fM を選択し、これ
に対応したn1 とn2を式(3’、12)を参照して求
め、該周波数fM の変調信号で変調した超音波信号を発
信・受信し、該受信信号から周波数fM の変調信号を検
出しbπとaπを測定してΔψM1とΔψM2を求め、次に
式(19)を参照してm1 とm2 を決定すると共に、前
記受信信号からβπとγπを測定しΔψC1とΔψC2を求
めることを特徴とする流速測定方法。 【数3】
6. The method according to claim 5, wherein the ultrasonic waves are directed obliquely downstream.
Transmission and reception when transmitted in the forward and oblique upstream directions, respectively.
Between the points, the frequency fC Ultrasonic carrier and frequency f
M , The phase difference generated in the modulated signal of ΔψC1= M1 π
+ Βπ and Δψ C2= MTwo π + γπ and ΔψM1= N1 π
+ Bπ and ΔψM2= NTwo π + aπ (where m1 , MTwo , N
1 , NTwo Are integers, and β, γ, a, and b are 1 or less).
The maximum and minimum sound speeds assumed in the fluid are c
max And cmin , The upper and lower limits of the flow velocity measurement range
The directional component is vmax And vmin , Frequency fM Modulation signal phase
Set the upper and lower limits of the measurement range of the difference detector to bmax , Amax And b
min , Amin When the ultrasonic wave propagation distance is L, the modulation frequency f in the numerical range of Expression (14)M Select this
N corresponding to1 And nTwoWith reference to the equations (3 ', 12).
The frequency fM The ultrasonic signal modulated by the modulation signal of
Receive and receive, and from the received signal the frequency fM Modulation signal
Measure out bπ and aπM1And ΔψM2And then
Referring to equation (19), m1 And mTwo And decide before
Measure βπ and γπ from the received signal and calculate ΔψC1And ΔψC2Seeking
A method for measuring flow velocity, comprising: (Equation 3)
【請求項7】 流体流路内を斜めに横断する横断線上
に、複数のトランスデュ−サ部を所定間隔をあけて対向
配置し、斜め上流方向及び斜め下流方向に超音波を発信
・受信し、該超音波が流体中を伝播する際に生じる位相
の変化から流体の流速を測定する方法であって、 周波数fC の超音波搬送波を、周波数fM の変調信号で
振幅変調して、超音波を斜め上流方向と斜め下流方向に
夫々伝播させたときに、超音波搬送波の夫々の位相変化
の差ΔφC をΔφC =mπ+aπ(ここで、mは整数、
aは1以下)、また周波数fM の変調信号の夫々の位相
変化の差をΔφM と置くと共に、超音波伝播距離をL、
流速方向と横断線方向が成す角度をα、最小音速をc
min 、最大測定流速の横断線方向成分をvmax とした
時、 変調信号の周波数fM を式(37)の数値範囲に決定
し、該周波数fM の変調信号で振幅変調した超音波信号
を発信・受信して、該受信信号から周波数fM の変調信
号を検出して位相差ΔφM (<π)を測定し、該位相差
ΔφM と周波数f C 及び周波数fM の関係(式38)を
参照してmを決定すると共に、前記受信信号からaπを
測定して位相差ΔφC を求め、式(h’)の如く流速V
を算出することを特徴とする流速測定方法。 【数4】
7. On a transverse line obliquely crossing the inside of the fluid flow path
And a plurality of transducers facing each other with a predetermined interval
Arrange and emit ultrasonic waves in diagonally upstream direction and diagonally downstream direction
A phase that is received and occurs when the ultrasonic wave propagates through the fluid
A method for measuring the flow velocity of a fluid from the change inC The ultrasonic carrier of frequency fM With a modulated signal
Amplitude modulates ultrasonic waves in oblique upstream and oblique downstream directions
Each phase change of the ultrasonic carrier when propagated
Difference ΔφC Is ΔφC = Mπ + aπ (where m is an integer,
a is 1 or less) and the frequency fM Phase of each modulated signal
ΔφM And the ultrasonic propagation distance is L,
The angle between the flow velocity direction and the transverse line direction is α, and the minimum sound speed is c
min , The transverse component of the maximum measured flow velocitymax Made
Time, the frequency f of the modulation signalM In the numerical range of equation (37)
And the frequency fM Ultrasonic signal amplitude-modulated with the modulation signal of
Is transmitted and received, and the frequency fM Modulation signal
Signal and the phase difference ΔφM (<Π) and determine the phase difference
ΔφM And frequency f C And frequency fM (Equation 38)
With reference to m, aπ is calculated from the received signal.
Measure and phase difference ΔφC Is calculated, and the flow velocity V is calculated as in equation (h ').
A flow velocity measuring method characterized by calculating (Equation 4)
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