JP2608961B2 - 音波伝播時間測定方法 - Google Patents

音波伝播時間測定方法

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JP2608961B2
JP2608961B2 JP2027120A JP2712090A JP2608961B2 JP 2608961 B2 JP2608961 B2 JP 2608961B2 JP 2027120 A JP2027120 A JP 2027120A JP 2712090 A JP2712090 A JP 2712090A JP 2608961 B2 JP2608961 B2 JP 2608961B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、音波の伝播時間を利用して距離、流体流
速、厚さ、音速、温度等を求める装置の、音波時間測定
方法に関する。
〔従来の技術〕
第6図は音波の伝播時間を利用して流量を求める超音
波流量計の概略構成図、第7図は超音波の送受信のタイ
ミング図、第8図,第9図は受信波形図である。
第6図に示す超音波流量計は、内部を測定対象の流体
が流れる管31の管壁に設けられた電気・音響変換器32と
33の間で超音波を送受信し、超音波流量計変換器34によ
って音波の伝播時間を計測し、流体の線平均流速Vを求
めるものである。
この超音波流量計において、電気・音響変換器32から
電気・音響変換器33へ向けて超音波を出した場合の伝播
時間をt1、電気・音響変換器33から電気・音響変換器32
へ向けて超音波を出した場合の伝播時間をt2とすると、
管内を流れる流体の線平均流速Vはおよそ次式(1)で
表わされる。
ただし、 D:管31の内径 θ:管31から被測定流体への超音波入射角 c:被測定流体音速 τ:伝播時間測定回路中の、被測定流体内音波伝播時間
以外に要する伝播時間 ここで、第7図(1)のような送信波形はダンプトウ
ェーブと呼ばれ、時間計測に必要な超音波を必要な波数
だけ送信した後、不要な送信波形はできるだけ早く音響
的にダンプされている。したがって、電気・音響変換器
33には第7図(2)のような受信波形が得られる。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところで、第7図において、音波受信のタイミングを
得るには特公昭44−31284等の方法がある。ところが、
受信波形は常に同一レベル、同一形状であるとは限ら
ず、このためAGCやAPCを用いて様々な考案がなされてい
る。例えば特開昭61−59275等がそれである。
しかしながら、第7図のようなダンプトウェーブを用
いた通常の1周波数によるパルス法による送受信には以
下のような共通の欠点があり、その結果、測定誤差を生
んでしまう。(1)式においてτは、電気回路遅延τ
1、被測定流体以外の音波伝達部材の伝播時間τ2、信
号音波の最初の音波到達時刻からトリガ波が認知された
後、最初に0Vを横切るまでの時間τ3等である(トリガ
波の定義は、特開昭61−59275と同じ)。
τ3について特公昭44−31284のゼロクロス法を用い
て、第8図中のS1をトリガ波として計算すると下式
(2)のようになる。
ただし、fは信号とする音波の音波の周波数 τ3はこのようにして予め求めることができ、またτ
1、τ2についても種々の測定器によって求めることが
できるので、結局(1)式におけるτは予め定数として
計算式に入れることができる。
ところが、上記のようにτ3が求められるのは、トリ
ガ波としたS1が間違いなくS1であった時である。つま
り、トリガ波としたS1が本当はS2であったならば、τ3
となり、設定したτに誤差が生じてしまい、結局測定器
の指示値誤差になってしまう。トリガ波は、機器が自動
で判断したり、機器使用者がオシロスコープで目視によ
って判断したりするが、いずれの場合も、判断ミスの可
能性が存在する。
超音波流量計の場合、被測定配管や被側定流体、カッ
プリング剤等の音波伝達媒体や伝播経路によって、第8
図のような受信波形が第9図のようになることがある。
この時、機器やオシロスコープ観測者が、ノイズに埋も
れたS0やS1を発見できなければS2をS1と間違って判断し
てしまうことになり、その結果、上記のような誤差が生
じることになる。仮にノイズに埋もれたS0やS1を発見で
きたとしてもさらに以下のような問題がある。上記音波
伝達媒体や伝播経路による受信波形の変化は、受信波形
の形状についても影響する。第7図で定義したS0、S1
S2、S3・・・の各々の受信レベルの比S0:S1:S2:S3:・・
・が変化し、例えば第7図でS0:S1=1:10であったもの
が第8図ではS0:S1=1:1になっている。これは、様々な
位相の波形合成状態の変化等により起こるが、このよう
な場合、APCやAGCを使ってもS1をトリガ波とすることは
できない。つまり、S0:S1=1:1であるため、S1レベルを
増幅しても同時にS0レベルも増幅されるため、S1の波形
はトリガされずS0がトリガされてしまうからである。
本発明の目的は、受信波にノイズが混入したり、受信
波形の形状(レベル)が変っても、伝播時間測定のタイ
ミングを間違えることなく、正確な伝播時間測定を行な
うことがてきる音波伝播時間測定法を提供することであ
る。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の音波伝播時間測定方法は、 各々振幅が一定時間略一定で、中波数が相異なる2つ
以上の音波を同時に出し、周波数が最も大きい音波が正
から負、または負から正への予め定められた方向にゼロ
クロスする時点のうち、他の周波数の音波が正から負、
または負から正への予め定められた方向にゼロクロスす
る時点に最も近く、かつ時間的に最初に現われる時点を
送信側、受信側において検出し、これら時点をそれぞれ
伝播時間測定の開始、終了の基準時刻として音波の伝播
時間を測定する。
〔作 用〕 各々振幅が一定時間略一定で、周波数が相異なる2つ
以上の音波を用い、周波数が最も大きい音波が予め定め
られた方向にゼロクロスする時点のうち、他の周波数の
音波が正から負、または負から正への予め定められた方
向にゼロクロスする時点に最も近く、かつ時間的に最初
の時点を伝播時間測定の開始、終了の基準時間とするの
で、受信波にノイズが含まれていたり、受信波のレベル
が変化しても伝播時間のタイミングを誤認知するおそれ
がなくなる。
〔実施例〕
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
第1図は本発明の音波伝播時間測定方法が適用された
超音波流量計の一実施例のブロック図、第2図は第1図
中の発信基準値検知回路3の回路図、第3図は超音波送
受信波形図、第4図は送信波W1とW2を重畳して示す波形
図、第5図は第4図のA点近傍の拡大図である。
本実施例の超音波流量計は、第1送信波発信回路1
と、第2送信波発信回路2と、発信基準値検知回路3
と、電気・音響変換器4,5と、切替スイッチ6,7と、帯域
フィルタ8,9と、信号増幅器10,11と、発信基準波検知用
受信回路12と、ノイズゲート回路13と、伝播時間測定回
路14と、線平均流速を求める不図示の回路で構成されて
いる。
第1送信波発信回路1,第2送信波発信回路2はそれぞ
れ周波数f1,f2(<f1)の超音波信号W1,W2(第4図)を
送信する。ここで、W1は伝播時間測定用信号波、W2は伝
播時間測定用信号波W1の伝播時間測定基準点識別用信号
波である。電気・音響変換器4,5は電気信号と音響信号
の相互変換を行なう。切替スイッチ6は共通端子が第1
送信波発信回路1、第2送信波発信回路2に接続され、
切替端子が電気・音響変換器4,5に接続され、信号W1とW
2を電気・音響変換器4または5に入力する。切替スイ
ッチ7は共通端子が帯域フィルタ8と9に接続され、切
替端子が電気・音響変換器4,5に接続され、電気・音響
変換器4または5で電気信号に変換された信号波W1,W2
を含む信号をそれぞれ帯域フィルタ8,9に出力する。帯
域フィルタ8,9はそれぞれ信号波W1,W2を取り出し、それ
ぞれ信号増幅器10,11に出力する。信号増幅器10,11はそ
れぞれ信号波W1,W2を増幅する。発信基準検知回路3
は、信号波W1が正から負の方向へゼロクロスする時点A,
B,C,D,・・・のうち、信号波W2が正から負の方向へゼロ
クロスする時点に最も近い時点A(第4図)を検出する
回路で、第5図に示すように、信号波W1,W2の電位が接
地電位よりも下がったとき正電位のパルスを出力するコ
ンパレータ21,22と、コンパレータ22の出力パルスによ
りパルス幅PW1のパルスを出力する単安定マルチバイブ
レータ23と、コンパレータ21の出力パルスと単安定マル
チバイブレータ23の出力パルスの論理積をとるアンドゲ
ート24で構成され、アンドゲート24の出力はパルスは伝
播時間測定回路14に出力される。このように、単安定マ
ルチバイブレータ23を設けることにより、時点Aにおい
てのみ発信基準値検知回路3からパルスが出力され、時
点Aが識別される。発信基準波検知用受信回路12も同様
の構成で、信号増幅器10,11の出力から時点Aを検出す
る。この時点は発信基準値検知回路3で検出される時点
Aより当然のことながら、少なくとも電気・音響変換器
4と5の間の伝播時間だけ遅れている。伝播時間測定回
路14は発信基準値検知回路3からパルスが出力される
と、伝播時間の測定を開始し、発信基準波検知信号受信
回路12からパルスが出力されるまでの時間をカウントす
る。なお、伝播時間測定回路14は時点Aと同じ状態の時
点I(第4図)を発信基準値検知回路3が検出してパル
スを出力するのを抑える制御信号を出力し、また切替ス
イッチ6,7を制御する。ノイズゲート回路13は、電気・
音響変換器4,5の一方から送信された超音波W1,W2が他方
の電気・音響変換器で受信され、時点Aを検知するまで
に、スレッショルドレベル以上のノイズが入り、このノ
イズを信号波と誤認知して発信基準波検知用受信回路12
が誤ったパルスを出力するのを防止するために、電気・
音響変換器4,5間の距離等から前もって予想されるおよ
その信号音波到達時刻までは発信基準波検知用受信回路
12の動作を停止させて伝播時間測定回路14にパルスを送
らないようにしている。このようなノイズゲート回路13
は、超音波流量計等においては、ごく一般的に用いられ
る信号処理テクニックの一種であるが、ノイズゲートが
解除された直後から受信波が入ってくるまでの間に、ス
レッショルドレベルを超えるレベルのノイズが入ってき
た場合、受信波として誤認知してしまう危険は残る。本
発明では、そのようはノイズに対しても誤認知すること
を防ぐことができる。さらに、万一上記のようなノイズ
をW1,W2のような周波数成分が2つとも持っている場
合、第3,第4,・・・の識別信号波を出していれば、より
確実に誤認知を防ぐことができる。
本実施例では、2周波の送信波を各々共振周波数の異
なる圧電素子(電気・音響変換器)に加え、受信側も同
様に各々共振周波数の異なる圧電素子で受ける場合の構
成例を示したが、1種類の広帯域電気・音響交換器を用
いて、振幅変調や周波数変調等、信号波を変調すること
によっても構成が可能である。
なお、本実施例もダンプトウェーブを用いているが、
パルスの立上がり部分は使用していない点が従来のダン
プトウェーブ使用のパルス法と異なっている。
本発明は、前述の超音波流量計に有効であるばかりで
なく、音波伝播時間測定を利用したあらゆる機器(例え
ば超音波距離計、超音波厚み計、音速測定器、測探機、
魚群探知機、CTスキャン等)に有効である。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明は、振幅が同じで、周波数
が相異なる2つ以上の音波を用い、周波数が最も大きい
音波のゼロクロスする時点のうちの特定の時点を音波伝
播時間の開始、終了の基準時刻とすることにより、受信
波にノイズが含まれたり、受信波の波形(レベル)が変
わっても、伝播時間測定のタイミングを誤認知するおそ
れがなくなるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の音波伝播時間測定方法が適用された超
音波流量計の一実施例のブロック図、第2図は第1図中
の発信基準値検知回路3の回路図、第3図は超音波送受
信波形図、第4図は送信波W1とW2を重畳して示す波形
図、第5図は第4図のA点近傍の拡大図、第6図は音波
の伝播時間を利用して流量を求める超音波流量計の概略
構成図、第7図は音波の送受信のタイミング図、第8
図,第9図は受信波形図である。 1……第1送信波発信回路、 2……第2送信波発信回路、 3……発信基準値検知回路、 4,5……電気・音響変換器、 6,7……切替スイッチ、 8,9……帯域フィルタ、 10,11……信号増幅器、 12……発信基準波検知用受信回路、 13……ノイズゲート回路、 14……伝播時間測定回路、 21,22……コンパレータ、 23……単安定マルチバイブレータ、 24……アンドゲート。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】音波の伝播時間を利用して、目的とする計
    測を行なう装置において、 各々振幅が一定時間略一定で、周波数が相異なる2つ以
    上の音波を同時に出し、周波数が最も大きい音波が正か
    ら負、または負から正への予め定められた方向にゼロク
    ロスする時点のうち、他の周波数の音波が正から負、ま
    たは負から正への予め定められた方向にゼロクロスする
    時点に最も近く、かつ時間的に最初に現われる時点を送
    信側、受信側において検出し、これら時点をそれぞれ伝
    播時間測定の開始、終了の基準時刻として音波の伝播時
    間を測定する音波伝播時間測定方法。
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