JP2723291B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、超音波により流体の動きを計測する流体計
測用センサに係り、特に、流体中に発生する渦の周波数
から流量を計測する渦流量計に用いて好適な位相復調方
式の超音波センサに関するものである。

「従来の技術」 従来の流体計測用超音波センサの測定方式として、例
えば特公昭57−25141号に見られるように、発振器の信
号と、流体内を伝搬した受信信号とから、流体の動きを
位相変調量として検出するようにしたものがある。

第２図は超音波センサを用いたカルマン渦流量計の一
従来例を示すブロック図であって、この装置は、流体の
流れる管路１に渦発生体２が配設され、その後流側に超
音波発信器３と超音波受信器４とから成る超音波センサ
が配置された構成となっている。

前記超音波発信器３は、駆動回路５により駆動されて
管路１中に超音波を放射し、放射された超音波は管路１
中の流体の動き（本例では渦発生体２の後流に発生する
カルマン渦の流れ）によって位相変調を受けて前記超音
波受信器４で受信され、位相比較器６へ入力される。こ
の位相比較器６では、受信信号S2と発振器からの信号S1
との位相比較を行い、前記渦に起因する変調信号S3を取
り出す。

上記方式のセンサで使用される超音波の伝搬特性は、
媒質が液体か気体かによって異なるから、例えば気体の
流量を測定するセンサにおいては、超音波の減衰量が大
きいため送受信の確実さを考慮して比較的低い周波数を
選択し、また液体の流量を測定するセンサにおいては、
流速（流量）に対応して充分に大きな位相変調を生じさ
せるため、前記気体用の場合より高い周波数を選択する
のが一般的である。

すなわち前記渦による位相変調量φは、 但し、f:超音波周波数、D:管路内径 C:流体音速、V:渦の速度 なる式により表され、この式より、流体音速が大き
く、渦の速度が小さい場合（液体、例えば水中ではＣ＝
1500m/s、Ｖ＝0.1m/sでの計測が要求される。）渦によ
る位相変調量φは非常に小さくなり、これを確実に検出
するためには超音波周波数ｆを高くしなければならな
い。一方、周波数ｆが高いと、このセンサを気体等の超
音波が透過、伝搬しにくい流体に適用した場合、流体中
における減衰量が大きくなって、受信器に受信される超
音波信号のレベルが小さくなり、渦を検出することが不
可能となってしまう。また、低周波で充分な受信レベル
を得ようとして駆動電圧を高くすることは、火花の発生
などの可能性があって防爆上好ましくない。

「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、気体用、液体用に異なる周波数を用い
ると、使用周波数の高い液体用のセンサを気体用に用い
た場合、減衰量が大きくなって受信レベルが低くなり、
一方、使用周波数の低い気体用のセンサを液体用に用い
た場合、充分な大きさの位相変調を生じさせることがで
きないという問題がある。

したがって、従来の超音波センサには気体用、液体用
等用途により別々の仕様を適用することが必要となっ
て、汎用性に欠けるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、流体の物
理的性質にかかわらず正確に測定し得る超音波センサを
提供することを目的とするものである。

「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するため、本発明は、超音波センサに
設けられた位相比較器に入力される信号の経路に倍周回
路を設けるようにしたものである。

「作用」 上記構成であると、送受信の安定した低い周波数の超
音波を使用しながら、倍周により周波数を高めて大きな
位相変調信号を得て流体の動き（流れ）の信号を取り出
すことができる。

「実施例」 以下、第１図を参照して本発明の一実施例を説明す
る。なお、第２図と同じ機能の部分には同じ符号を付
け、説明を簡略化する。

この実施例の超音波センサは、発信信号S1および受信
信号S2をそれぞれ位相比較器６へ供給する経路にそれぞ
れ倍周器10を設け、切替スイッチ11によって、原信号S1
・S2、もしくは、前記原信号S1・S2を倍周化してなる倍
周信号S1′・S2′を前記位相比較器６を供給するように
した構成となっている。

上記倍周器10を用いることにより、発信器３から放射
されあるいは受信器４で受信される周波数より高い周波
数の信号を位相比較器６に供給して位相変調量φを算出
することができる。したがって、駆動信号超音波の周波
数を比較的低く設定しても充分なS/N比を持った流れの
状態を示す信号を得ることができ、気体等の超音波が透
過、伝搬しにくい流体においても、防爆上問題となるよ
うな高電圧で駆動する必要がない。

そして、流体の物理的性質や計測条件によって前記切
替スイッチ11を切替ることにより、倍周器10を通って倍
周信号S1′・S2′に変換して位相比較器６に供給するル
ート、あるいは、倍周器10を通さずに原信号S1・S2を直
接位相比較器６に供給するルートを選択して、流れの状
態を示す信号S3を出力することができる。

したがって、様々な広い範囲の流体に対して、安全
に、かつ特殊な回路を要することなく、安定した超音波
の透過、伝搬を行うことができると同時に、渦（流体の
動き）によって生じる位相変調が小さくなってしまうよ
うな流体条件や、計測条件においても、確実に検出し得
る位相変調量を得ることができる。

以上の実施例は、カルマン渦を検出すべく渦流量計に
適用した場合について説明したが、超音波の位相変調に
より、被測定流体の動き（流れ）を検出するようにした
すべてのセンサに同様の効果を生ずる。また、本実施例
は、位相比較器において受信器からの信号と、発振器の
信号とを位相比較する方法として説明したが、位相比較
を行うことにより、目的とする流体の動き（流れ）が検
出できれば、どのような信号の位相比較を行っても良
い。例えば、検出すべき流れに対して逆方向に伝搬する
２つの超音波の受信信号同志の位相比較を行っても良
い。

また、本実施例では倍周回路を通る経路とそうでない
経路とを切替えて使用するようにしたが、適用される流
体あるいは計測条件によって、切替スイッチを省略し、
常時倍周処理を行うようにしてもよい。

「発明の効果」 本発明によれば、広い範囲の流体に対して、安定な透
過、伝搬ができる低い周波数の超音波を使用し、かつ、
この信号を倍周処理した後に位相比較したから、「流
れ」による位相変調が非常に小さくなってしまうような
流体条件、計測条件においても確実に「流れ」の検出が
行なうことができ、したがって、 １つのセンサで多くの流体や計測方法に対応できる。

センサの感度を上げるために高い周波数の超音波を使
用せずにすむから、センサ駆動に高電圧を用いる必要が
なく、防爆等の対策上有利である。

低い周波数の超音波により、充分なS/N比の受信信号
が得られるから、高周波の場合に必要となる、S/N比の
悪い信号から信号分だけを取出し、増幅するような特別
な回路が不要となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波センサを用いた渦流量計のブロ
ック図、第２図は従来の超音波センサを用いた渦流量計
のブロック図である。 １……管路、２……渦発生体、３……超音波発振器、４
……超音波受信器、５……駆動回路、６……位相比較
器、S1……発信信号、S2…受信信号、S1′…倍周発信信
号、S2′……倍周受信信号、10……倍周器、11…切替ス
イッチ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】駆動回路により駆動されて被測定流体中へ
   超音波を放射する超音波発信器と、前記流体の動きによ
   って位相変調を受けた前記超音波を受信して電気信号に
   変換する超音波受信器と、前記受信器の受信信号を位相
   復調する位相復調器とからなる超音波センサにおいて、
   前記位相復調器へ信号を供給する経路中に倍周回路を設
   けたことを特徴とする超音波センサ。