JP2520911B2 - 流速/流量計 - Google Patents

流速/流量計

Info

Publication number
JP2520911B2
JP2520911B2 JP62174917A JP17491787A JP2520911B2 JP 2520911 B2 JP2520911 B2 JP 2520911B2 JP 62174917 A JP62174917 A JP 62174917A JP 17491787 A JP17491787 A JP 17491787A JP 2520911 B2 JP2520911 B2 JP 2520911B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
flow
flow velocity
fluid
ultrasonic
ultrasonic wave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP62174917A
Other languages
English (en)
Other versions
JPS6420416A (en
Inventor
俊道 酒井
進 斉藤
宏 山本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oval Engineering Co Ltd
Original Assignee
Oval Engineering Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Oval Engineering Co Ltd filed Critical Oval Engineering Co Ltd
Priority to JP62174917A priority Critical patent/JP2520911B2/ja
Publication of JPS6420416A publication Critical patent/JPS6420416A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP2520911B2 publication Critical patent/JP2520911B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、透光性のある流体の流れに向けて超音波を
発射して生ずる流体の粗密波を光検出して得られる光信
号の位相変化から流速を求める流速/流量計に関する。
[従来の技術] 超音波を利用した流速/流量計は、周知のように被測
定流体中に超音波を発射することにより、該超音波が流
体の流速とのベクトル和として変調されて生ずる現象を
利用して流速を求めるものである。このような原理を利
用した流速/流量計は、超音波を流体中に発射するだけ
で、非接触的に流体流れを乱すことなく計測できること
から工業計測の分野を初めとして河川、海洋の流れの測
定や医用として血流測定等に幅広く利用されている。
この超音波流量計に利用される流速計測方式として
は、超音波の伝播速度が流体の順流中と逆流中とで異な
ることを利用し、超音波の位相差、時間差、周波数差を
検出する方式や、超音波ビームが流れによって偏位する
ことを利用したビーム偏位法、さらにはドプラー効果を
利用し、超音波受波感度差、ドプラーシフト周波数を検
出する方式等がある。これらの超音波流速計測方式にお
いては、超音波の伝播速度を利用した伝播速度差法が最
も基本的なものである。
第4図を参照して従来の伝播速度差法の一例を説明す
る。同図において、流管1内に流速vの流体が矢印の方
向に流れている。流管1の壁面には、流管1の軸に対し
てθの角度をもって超音波を流れ方向に送波する超音波
送波器2、および流れと逆方向に向けて送波する他の超
音波送波器4が配設されている。さらに、両超音波送器
2および4から送波された超音波をそれぞれ受波する超
音波受波器3および5が、対応する送波器と対向して流
管1の壁管1の壁面に配設されている。超音波送波器2
および4は、図示しない超音波駆動源に接続され連続駆
動される。超音波送波器2から流れ方向に向けて発射さ
れた超音波の受波器3に到達する所要時間をt、超音波
送波器4から流れと逆方向に向けて発射された超音波の
受波器5に到達する時間をt′とすると、両時間はそれ
ぞれ次のように表わされる。
t=(D/Sinθ)・{1/(c+v・cosθ)} …(1) t′=(D/Sinθ)・{1/(c−v・cosθ)}…(2) ここで、cは超音波の伝播速度、vは平均流速で、通
常v《Cであるから、各々の超音波送受波器間の時間差
△tは、 Δt=t′−t≒(2D・cotθ/c2)v …(3) となり時間差Δtは流速vに比例する。この時間差Δt
は非常に小さいので、順逆両方向の受信波の位相差△φ
を測定することもある。超音波周波数をfとすると、位
相差△Φと流速vとの間には、つぎの関係が成立する。
△φ=2πf・Δt =(4πf・Dcotθ/c2)v …(4) [発明が解決しようとする問題点] 上記従来技術においては、流速に比例した時間差Δ
t、位相差Δφを求めるために、超音波の送受波器を2
組必要とするが、これらの送受波器は、静的および動的
に同一のものが要求される。これらの特性を同一にする
ための調整は困難であるため、多くの送受波器の中から
同一特性のものを選択して装着するこが行われていた。
しかし、必ずしも同一特性のものが得られるとは限ら
ず、その選択にも手間がかかった。さらに、対をなす超
音波送受波器を、その取付位置および角度等の関係位置
が正しくなるように装着するためには熟練を要するとい
う問題もあった。
したがって、本発明の目的は、1個の超音波送波器を
用いて流速または流量が測定できる流速/流量計を提供
することにある。
[問題点を解決するための手段] 上記目的を達成するために、本発明は、透光性流体の
流れ方向に対して所定角度をもって超音波を発射して上
記流体に粗密波を作り、上記超音波の進行方向に対し直
交して照射される単色光の明暗変化として上記粗密波を
検出し、上記超音波の発射位置から上記明暗変化の検出
位置迄の区間に生ずる上記超音波の流体流れによる位相
又は周波数の変化量から流体の流速又は流量を求めるよ
うにしたものである。
[作用] 本発明は、上記従来技術の問題点が2組の超音波送受
波器(計4個の超音波素子)を必要とすることに起因し
て発生することに着目してなされたものである。すなわ
ち、超音波素子1個を内蔵する超音波送波器のみを流管
壁に角度θをもって装着し、超音波の連続波を従来同様
に流体に向けて発射し粗密波を作り、この粗密波を光学
的に検出する。この粗密波は流速に比例した移送変化を
持っているので、これを検出することにより流速を求め
ることができる。
さらに具体的には、透光性の被測定流体が流通する流
管管壁に、流管軸に対してθの角度で装着された超音波
送波器から発射された超音波の連続波は、流体に粗密波
を形成せしめるが、この粗密波は流速に比例して位相変
調されている。位相変調された流体の粗密波は、超音波
の進行方向に直交して単色光を照射することにより生ず
る流体の密度変化に伴う屈折率の変化、散乱等による光
量変化として検出される。超音波の検出位置における位
相変化量は超音波の伝播距離にも比例するので、検出位
置すなわち単色光の照射位置を予め定めておけば、検出
位置における流速に比例した位相差として流速検出され
る。流速が分かれば流管断面積が既知であるから流量も
算出される。
更に、超音波の粗密波の1ピッチ間の距離を正確に測
定することにより、温度密度等の変化による音速の影響
もなく、流速を演算して求めることができる他、質量流
量も求めることができる。
なお、本発明は、観測点における部分流速を求めるも
のであるから、観測位置を変えることにより、流管内を
流速分布を求めることもできる。
また、整流装置を完備させることにより、流速分布を
軸対照とすることができ、この場合にはレイノルズ数の
関数としての流速分布が知られているので、代表流速が
測定されることとなり、この代表流速により流量も求め
られる。
[実施例] 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
第1A図は本発明を適用した流管1の概略側面図、第1B
図は第1A図のM−M線からみた概略断面図である。内径
Dの流管1の壁面には、流れ方向に対してθの角度をも
って超音波送波器2が装着され、超音波が発射される。
超音波送波器2は駆動源(図示せず)により駆動され
る。超音波の伝播路に対して直交する、流管1の直径上
の壁面部に、取付筒16および17が開口固着される。取付
筒16の端部には単色光を発生する光源として例えばレー
ザダイオード6が装着されている。このレーザーダイオ
ード6から照射された単色光は、レンズ8により微小な
平行光線とされる。この平行光線は、超音波伝播路に直
交し、かつ、その中央を取り、取付筒16と対向する取付
筒17に装着されたレンズ9に入射する。この入射光は、
受光素子であるフォトトランジスタ7に集束され光電変
換される。
流管1の直径をD、超音波送波器2から流管1軸上の
検出位置Pまでの距離をL/2と、平均流速をv、検出位
置Pにおいて生じる超音波の位相差をφとすると、 平均流速v=0のときの位相差φは、 φ=πfD/(c・sinθ) …(5) 平均流速vのときの位相変化量Δφは、 Δφv=(πDf cotθ/c2)v …(6) ただし、v《c 式(5)、(6)から、つぎのように位相差φが求め
られる。
φ=φ−Δφ =πfD{(1/c・Sinθ)−(cotθ/c2)v} …(7) 音速cが一定であれば、式(7)の右辺第1項は定数
であるから、位相差φは平均流速vに比例する。
超音波を前述の如く発射した場合、流速の粗密波は定
点Pを連続して通過するので、定点Pにレーザ等の単色
光を照射すると、流体の粗密波による密度変化に伴っ
て、単色光には屈折等による明暗変化が生ずる。この明
暗変化を伴う単色光は、レンズ9によりフォトトランジ
スタ7に集光されて光電変換される。第1C図にこの電圧
波形を示す。波長λは次式で表わされる。
λ=(c+v・cosθ)/f …(8) 式(7)の位相差φは平均流速vに比例していること
から、この位相差φを検出することにより平均流速vを
求めることができる。
第2図に平均流速vを求める回路のブロック図を示
す。
同図ににおいて、送波器2は発進器(OSC)10で駆動
される。上述のように、超音波送波器2から発射される
超音波Sの作用により変調された単色光はフォトトラン
ジスタ7により位相差φに比例した電気信号に変換さ
れ、この電気信号は増幅器11により矩形波信号に変換さ
れてフェーズロックループ(PLL)回路20に入力され
る。このPLL回路20は、その入力信号に応じて、位相差
φに比例した流速に相当する直流信号を出力する。この
直流信号は増幅器19で増幅され指示回路21により流速指
示される。
PLL回路20は、周知の回路であり、基本的には、位相
比較器(PD)12、ローパスフィルタ(LPF)13、増幅器1
4、基準電圧源E0、比較回路15、および電圧制御発振器
(VCO)18から構成される閉ループをなす。
PLL回路20の動作を簡単に説明する。まず、増幅器11
からの矩形波信号とVCO18からの矩形波信号とは位相比
較器12で位相比較され、この比較により生じた差信号は
ローパスフィルタ13により直流電圧に変換される。この
直流電圧は増幅器14により直流増幅され、比較回路15に
より、発振器10の周波数に比例して定めされた基準電圧
E0と比較される。比較回路15により得られた偏差信号
は、VCO18に帰還入力される。このようにして増幅器14
の出力端に、位相差に比例した直流信号が得られる。
なお、第2図においては、フォトトランジスタ7で検
出された明暗信号を増幅しそのまま位相比較器12に入力
したが、適当に分周してから位相比較器12に入力するよ
うにしてもよい。また、上記実施例では、超音波の発射
方向を流れの順方向に向けているものについてのみ説明
したが、流れと逆方向に向けて発射してもよい。S/N比
の点からは順方向の方が望ましい。式(8)中に含まれ
ている超音波の伝播速度cは、同一流体では流体の温
度、密度の関数として変化し、特に、圧縮性流体では密
度に大きく依存して変化するので音速cは定数とみるこ
とができない場合がある。そのような場合には、被測定
流体に定められた温度、圧力等の音速のパラメータを検
出して補正することにより、正確な流速を定めることが
できる。
第3A図は、第1A図と同様に流管1の壁面に超音波波器
2を装着して流管1軸に対して任意角θ′で超音波を発
射した場合において位相差φと平均流速vとの関係式
(7)の中に含まれる音速cの変化を除いて平均流速v
を求める本発明の他の実施例を説明するためのものであ
る。
第3A図が第1A図と異なる点は、超音波の発射角θ′が
定められておらず、観測点がP1およびP2の2箇所に設け
られることである。超音波の発射点P0から第1の観測点
P1までの距離L1と、発射点P0から第2の観測点P2までの
距離L2が既知、かつ、ΔL=|L1−L2|が微小であれば、
両観測点での平均流速は等しいので、次式が成り立つ。
両観測点の位相差をそれぞれφ1とする。
φ=2πf{(L1/c)−(L1/c2)v・cosθ′} …
(9) φ=2πf{(L2/c)−(L2/c2)v・cosθ′} …
(10) ΔL=|L1−L2|、φおよびφが求められれば、式
(9)、(10)により、cまたはvも求まる。
第3B図は、超音波発射位置P0から観測点P1,P2までの
位相とΔLとの関係を示したグラフである。P1、P2点で
の観測は、例えばフォトダイオード6、レンズ8、レン
ズ9、フォトトランジスタ7を一体構造とした光学装置
を、サーボモータで駆動されるマイクロメータヘッドに
装着することにより行える。この構成により、フォトト
ランジスタ7から得られる光の明暗縞の位相差φに相当
するピッチΔLを求めて、これを上記式(9)、(10)
に代入して演算することにより、音速に影響されない平
均流速vまたは音速cを求めることができる。このよう
にして求められた音速cは温度、圧力の関数であること
から、温度、圧力のいずれか一方の物理量を測定するこ
とにより、流体の密度も求められ、流量と密度とを乗算
して質量流量を算出することも可能である。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、流速を検出す
るために、送波する超音波送波器は1個でよいので、従
来の複数素子の特性の場合、取付角の調整等、多くの工
数を必要とする作業が不要になり、経済的効果が高い。
【図面の簡単な説明】
第1A図および第1B図はそれぞれ本発明の第1実施例に係
る流管の概略側面図およびその断面図、第1C図は光電変
換された信号の波形図、第2図は流速測定回路のブロッ
ク図、第3A図は本発明の他の実施例にかかる流管の概略
側面図、第3B図は観測位置と位相との関係図、第4図は
従来の超音波流速/流量計の原理を説明するための説明
図である。 1……流管 2、4……超音波送波器 3、5……超音波受波器 6……レーザダイオード 7……フォトトランジスタ 8、9……レンズ 10……発振器 11、19……増幅器 20……PLL 21……指示回路

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】透光性流体の流れ方向に対して所定角度を
    もって超音波を発射して上記流体に粗密波を作り、上記
    超音波の進行方向に対し直交して照射される単色光の明
    暗変化として上記粗密波を検出し、上記超音波の発射位
    置から上記明暗変化の検出位置迄の区間に生ずる上記超
    音波の流体流れによる位相又は周波数の変化量から流体
    の流速又は流量を求めることを特徴とする流速/流量
    計。
JP62174917A 1987-07-15 1987-07-15 流速/流量計 Expired - Lifetime JP2520911B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP62174917A JP2520911B2 (ja) 1987-07-15 1987-07-15 流速/流量計

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP62174917A JP2520911B2 (ja) 1987-07-15 1987-07-15 流速/流量計

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS6420416A JPS6420416A (en) 1989-01-24
JP2520911B2 true JP2520911B2 (ja) 1996-07-31

Family

ID=15986968

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP62174917A Expired - Lifetime JP2520911B2 (ja) 1987-07-15 1987-07-15 流速/流量計

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2520911B2 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107505476B (zh) * 2017-09-06 2019-10-25 南通大学 一种直线距离上平均流体流速测量系统

Also Published As

Publication number Publication date
JPS6420416A (en) 1989-01-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3307730B2 (ja) 光学測定装置
US7466399B2 (en) Fiber optic flow sensing device and method
JP2000028406A (ja) 渦流センサ
JPH0823588B2 (ja) 基準位置から動いている再帰反射ターゲットの変位を測定する装置
US3542472A (en) Distance measuring apparatus
US5243397A (en) Distance measuring system
JP2520911B2 (ja) 流速/流量計
US20060132754A1 (en) Hand-held laser distance measuring device with a pulse reflection mixing method
KR101317630B1 (ko) 다차원 유속 측정을 위한 광 간섭 유속계
US4760743A (en) Acoustic scintillation liquid flow measurement
JPS61260113A (ja) 面傾斜角検出装置
JPS5981572A (ja) 速度センサ
US4397548A (en) Distance measuring system
JPH0518981A (ja) 気液二相流の計測装置
JPH0617841B2 (ja) 光フアイバ圧力・流速同時測定装置
JPH06289137A (ja) 光学式距離計
JPS5866881A (ja) 光波測量機
JPS5928273B2 (ja) 測距装置
US7714990B2 (en) Hand-held laser distance measuring device with a pulse reflection mixing method
JPS5983075A (ja) 速度センサ
JPH03194470A (ja) 流速測定装置
JPS5930233B2 (ja) 距離測定装置
JPS5812539B2 (ja) 光フアイバ装置
JPH0367195A (ja) 波動伝播を利用した大気の温度及び湿度測定方法及び装置
SU390356A1 (ru) Способ измерения толщины материалов

Legal Events

Date Code Title Description
R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

EXPY Cancellation because of completion of term
FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080517

Year of fee payment: 12