JP3016511B1 - 超音波流速測定方法と装置 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 超音波の連続波を発信・受信して超音波伝播
時間を測定し、超音波伝播時間差法により流速を測定で
きるようにすることにある。 【解決手段】 流体中での超音波信号の伝播時間差を測
定して、流速を演算する装置及び方法であって、一対以
上のトランスデュ−サ部１、２が発信・受信する超音波
信号Ｓｓを、適宜の一定周波数から、他の周波数に周波
数変調される連続波とし、トランスデュ−サ部１または
２から超音波信号Ｓｓを発信させる発信測定信号ｓ４の
他の周波数への変調時点にしたがって発信時点ｔ１を設
定すると共に、超音波信号Ｓｓを受信したトランスデュ
−サ部２または１が発する受信測定信号ｓ７の他の周波
数への変調時点にしたがって受信時点ｔ２を設定し、発
信測定信号ｓ４及び受信測定信号ｓ７の他の周波数への
変調時点の検出を、同一の周波数変化検出器９で行う構
成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波で流体の流速
を測定する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、河川等の開水路の所定箇
所の流量を測定する代表的な方法には、所定箇所に於け
る断面積と、その断面部分に於ける流体の流速を測定す
れば良いことが知られており、その具体的な手段は、開
水路の幅方向に沿った仮想線を所定の間隔でいくつかの
区間に分割し、この各区間毎の中央に於いて種々の垂直
水深位置で例えばプロペラ式流速計で局部流速を測定
し、この垂直線上の平均流速を計算し、部分断面積との
積から分割区間毎に部分流量を求め、それらの総和を算
出することから行われていた。

【０００３】上記従来の手段の詳細は、本発明者、本出
願人が先に提案した特開平９−１８９５９０号公報の
「開水路用超音波流量測定装置及び方法」、或いは特開
平９−１９６７２７号公報の「河川流量測定装置及び方
法」に於ける従来説明で明らかにしている。

【０００４】そして、前記提案した発明は、水中に発射
した超音波の伝播時間が流速により変化することを利用
して流速を測定する装置として開発したものである。こ
の超音波を利用した流速測定手段は、従来から主として
使用されている前述したような機械式測定手段に較べ
て、流速分布を乱さない、微流速から高流速まで直
線性がある、流速成分がわかる、実時間測定がで
き、連続自動観測が可能、機械的動作部分がないので
保守が容易である、等の利点が挙げられている。

【０００５】この超音波を利用した流速測定手段の基本
的構成は、流速方向と一定の角度を形成し且つ距離Ｌの
間隔で配された対をなすトランスデュ−サ間で、一方の
トランスデュ−サから発射されるパルス状の超音波がそ
の発射した瞬間から、他方のトランスデュ−サがこのパ
ルスを受信する瞬間までの時間、即ち一方から他方、及
び他方から一方への、対をなすトランスデュ−サ間での
超音波の伝播時間を測定し、所定の演算により流速を測
るものである。

【０００６】処で、トランスデュ−サの原理上、超音波
を例えば矩形波のように完全な１パルスのみを発信する
ことは不可能で、実際には図４（ａ）の如く最初の３〜
４波で順次振幅が増大して最大となり、そこから数波で
徐々に減衰して収束されるので、結局数波から１０波程
度の音波が発信されてしまう。

【０００７】そこで、上記したトランスデュ−サがパル
スを受信する瞬間は、通常、超音波を受信したトランス
デュ−サの出力信号が或る一定のレベル（チェックレベ
ル）に達した時としているので、このレベルに達する波
になった時に始めて受信瞬間として検知し、この受信瞬
間と発射瞬間との時間差を超音波伝播時間としている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、パルス
状の超音波を発信・受信して流速を測定する装置には多
々の不都合な問題があって使用に限界があり、河川や大
人工開水路に於ける流速や流量測定に測定誤差が著しく
増加したり、測定不可能に至ることがあった。

【０００９】例えばこの不都合な問題の一つとして、超
音波のパルス波形の変形が挙げられる。即ち、どのよう
に理想的な超音波パルスを発信したとしても、超音波が
水中を伝播する際に、パルスの周波数スペクトルバンド
が広いためにパルスの高周波（higher harmonic ）成分
が早く減衰してしまい、パルス形状が変わると共に基本
波も大きく減衰してしまう。

【００１０】発信可能な超音波パルスは鐘形パルスで、
図４（ａ）のような形状であり、図４（ｂ）のような形
状のラジオパルスを発信することはできない。仮にラジ
オパルスを発信しても、上述したように減衰して結局は
鐘形のパルスになってしまう。

【００１１】従って、受信信号がこのような鐘形のパル
スであり、更に振幅が変化すると、図５に明らかにした
ように、受信の瞬間をチェックする時に、超音波の１〜
２周期程度の誤差が発生するのが一般的である。

【００１２】そして、超音波パルスを受信して増幅する
際、パルスの波形が歪曲されないように広帯域増幅器
（wide band amplifier ）を使用するので、幅広いスペ
クトルに渡って雑音も増幅され、特にパルス形状のノイ
ズが高効率に増幅され、前記チェックレベルに達して超
音波伝播時間測定に混乱をきたす危険がある。

【００１３】更には、前述した他の不都合な問題とし
て、流体の状態が超音波の受信瞬間のチェックに影響を
及ぼすことがある。即ち、一対のトランスデュ−サ間の
間隔Ｌが長かったり、流体の流れに様々な過流（vorte
x, eddy）が発生したり、浮遊粒子の濃度が変化した
り、また浮遊粒子濃度や水温の境界があると、超音波パ
ルスの屈折拡散度や吸収減衰度が著しく変化するので、
受信点に於ける超音波強度（音圧）が瞬時瞬時で激しく
脈動する。このため超音波が受信（到達）した瞬間をチ
ェックするのが難しくなり、超音波伝播時間測定誤差が
大きくなったり、または全波ともチェックレベルに達せ
ずに測定が不可能になる場合もあった。

【００１４】即ち前述したように、受信トランスデュ−
サの出力信号が或る一定のレベル（ＣＬ）に達する波と
なった時を受信瞬間としているので、図５から明らかな
ように、何番目の波がチェックレベル（ＣＬ）に達する
かによって超音波の１〜２周期程度の誤差が発生するこ
とになり、この誤差の発生要因として、上記したマクロ
過流、浮遊粒子、浮遊粒子濃度や水温の境界等によって
生じる超音波強度（音圧）の脈動が、挙げられる。

【００１５】逆に、受信トランスデュ−サの出力信号を
過剰増幅すると、本来チェックすべきでない波がチェッ
クレベルに達して１〜２周期程度早く検出してしまった
り、または全く無関係なノイズさえもチェックレベルに
達してしまい、受信瞬間と看做してしまうといった不都
合となる。

【００１６】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、超音波の連続波を
発信・受信して超音波伝播時間を測定し、超音波伝播時
間差法により流速を測定できるようにすることを目的と
する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明の請求項１に記載の超音波流速測定方法は、流体
中での超音波信号の伝播時間差を測定して、流速を演算
する方法であって、一対以上のトランスデュ−サ部が発
信・受信する超音波信号を、適宜の一定周波数から、他
の周波数に周波数変調される連続波とし、前記したトラ
ンスデュ−サ部の何れかから超音波信号を発信させる発
信測定信号の他の周波数への変調時点にしたがって発信
時点を設定すると共に、超音波信号を受信した他のトラ
ンスデュ−サ部が発する受信測定信号の他の周波数への
変調時点にしたがって受信時点を設定し、前記した発信
測定信号及び受信測定信号の他の周波数への変調時点の
検出を、同一の周波数変化検出器で行うことを特徴とす
る構成である。

【００１８】ここでは、超音波パルス信号の有無即ち受
信信号の振幅をもとにして発信・受信の瞬間をチェック
するものではなく、連続して超音波を発信させる発信測
定信号が他の周波数に変調した時点を発信時点として設
定すると共に、超音波受信測定信号が他の周波数に変調
した時点を受信時点に設定するものであるから、超音波
強度が過流、浮遊粒子、浮遊粒子濃度や水温境界等によ
って影響を受けても、測定誤差として表われることはな
い。

【００１９】即ち、周波数が変わった瞬間をチェックし
て伝播時間測定の起点と終点にするため、受信信号の振
幅が測定中にいかに変化・脈動しても超音波の伝播時間
に測定誤差が生じないのである。

【００２０】そして、この発信測定信号及び受信測定信
号の他の周波数への変調時点の検出は、同一の周波数変
化検出器で行っている。複数の周波数変化検出器を、仮
にいかに高精度で製造したとしても、夫々の機器に特有
の作動時間遅れや出力波立上り特性が生じてしまうこと
はやむを得ない。しかしながら、ここでは同一の周波数
変化検出器を用いているので、この周波数変化検出器に
固有の作動時間遅れや出力波立上り特性があっても、こ
れらは、発信測定信号の他の周波数への変調時点の検出
の際、及び受信測定信号の他の周波数への変調時点の検
出の際の、夫々につき生じるので、結局相殺されてしま
うのである。

【００２１】即ち、同一の周波数変化検出器で発信信号
と受信信号を複調するので、様々な現象によって発生す
る遅延時間に関する誤差が発生しないのである。

【００２２】次に、請求項２に記載の発明は、一対以上
の対向配置されたトランスデュ−サ部を発信側と受信側
とに切り換えるトランスデュ−サ切換スイッチ回路を有
し、流体中での一方のトランスデュ−サ部と他方のトラ
ンスデュ−サ部との間の超音波信号の伝播時間差から、
予め記憶した流速測定数式にしたがって流速を演算する
演算装置により流速を演算する装置であって、前記した
トランスデュ−サ部の何れかから連続した超音波信号を
発信させる発信測定信号を、適宜の一定周波数または周
波数変調された他の一定周波数で発信する周波数変調発
振器と、発信測定信号と受信測定信号を切り換え、一方
の信号だけを通過させる出力切換スイッチ回路と、前記
した周波数変調発振器に対する周波数変調動作指令と、
トランスデュ−サ切換スイッチ回路に対する切り換え動
作指令と、更に、出力切換スイッチ回路に対する切り換
え動作指令とを出力するコントロ−ル回路と、前記した
出力切換スイッチ回路を通過した発信測定信号及び受信
測定信号の他の一定周波数への変調時点を検出する周波
数変化検出器と、この周波数変化検出器で検出した両変
調時点の信号を受けて流体中の超音波の伝播時間を測定
する時間間隔測定装置と、から構成される。

【００２３】

【発明の実施の形態】先ず、本発明の装置を図１の回路
構成図に従って説明すると、水中で対向配置される一対
の超音波トランスデュ−サ部１、２は、夫々がトランス
デュ−サ切換スイッチ回路１４に接続されていて、或る
瞬間は一方の超音波トランスデュ−サ部１が超音波を発
信してその超音波を他方の超音波トランスデュ−サ部２
が受信し、また別の瞬間にはその逆となる。即ち、一対
のトランスデュ−サ部１、２を発信側と受信側とに切り
換えることができるようになっている。

【００２４】トランスデュ−サは、単体として超音波の
発信と受信を兼用させることもできるし、トランスデュ
−サ部として、例えばトランスデュ−サ部１に発信用と
受信用とを個別に配する構成としても良い。

【００２５】また、周波数変調発振器３は、トランスデ
ュ−サ部１または２から連続した超音波信号Ｓｓを発信
させる発信測定信号ｓ３を、適宜の一定周波数ｆ₁ また
は周波数変調された他の一定周波数ｆ₂ にして発信す
る。

【００２６】或る適宜の一定周波数ｆは、周波数変調す
ることにより共振周波数ｆ₀ にできるので、上記した一
定周波数ｆ₁ または他の一定周波数ｆ₂ を共振周波数に
して例えばｆ₁ ＋Δｆ＝ｆ₂ ＝ｆ₀ にすることもでき、
また、ｆ₁ ＋Δｆ／２＝ｆ₀＝ｆ₂ −Δｆ／２とするこ
とも可能である。以下の実施例では、ｆ₁ ＝ｆ、ｆ₂＝
ｆ₀ （共振周波数）として動作説明をする。

【００２７】そして周波数変調発振器３には、この周波
数変調発振器３に変調信号を加える矩形パルス発振器４
が接続されているが、ここでは、単安定パルス発振器
（oneshot multivibrator）でも良いし、更には矩形パ
ルス発振器４を後述するコントロール回路５で代用する
ことも可能である。

【００２８】次に、この矩形パルス発振器４にはコント
ロ−ル回路５が接続されており、さらにこのコントロ−
ル回路５には、出力切換スイッチ回路８と、前記したト
ランスデュ−サ切換スイッチ回路１４とが接続される。

【００２９】出力切換スイッチ回路８は、前記した発信
測定信号ｓ４と受信測定信号ｓ７を切り換え、一方の信
号だけを通過させる。

【００３０】そしてコントロ−ル回路５は、矩形パルス
発振器４を経て前記した周波数変調発振器３に対する周
波数変調動作指令と、トランスデュ−サ切換スイッチ回
路１４に対する切り換え動作指令と、更に、出力切換ス
イッチ回路８に対する切り換え動作指令とを出力する機
能を果たす。

【００３１】前記した周波数変調発振器３とトランスデ
ュ−サ切換スイッチ回路１４との間には、周波数変調発
振器３の出力を、発信側用に設定されたトランスデュ−
サ部１または２に、増幅して印加する発信増幅器６が接
続され、また、出力切換スイッチ回路８とトランスデュ
−サ切換スイッチ回路１４との間には、受信側用に設定
されたトランスデュ−サ部２または１の出力信号を増幅
する受信増幅器７が接続される。

【００３２】尚、発信増幅器６と出力切換スイッチ回路
８との間には、信号を減衰する減衰器１３（attenuato
r）が接続配置される。

【００３３】一方、出力切換スイッチ回路８からは、更
に周波数変化検出器９、パルス成形器１０、時間間隔測
定装置１１、演算装置１２が順次接続される。また、周
波数変化検出器９はデジタル周波数計や位相差検知器を
含むものであるが、一般的なアナログ回路であるならば
周波数分別器（frequnce discriminator）や復調器であ
っても良い。

【００３４】周波数変化検出器９は、出力切換スイッチ
回路８からの発信測定信号ｓ４及び受信測定信号ｓ７の
他の一定周波数ｆ₀ への夫々の変調時点を単独で且つ兼
用して検出し、パルス信号を送り出すものであり、パル
ス成形器１０で周波数変化検出器９の上記出力電圧を短
いパルスに整形し、時間間隔測定装置１１は、周波数変
化検出器９で検出した両変調時点を示すパルス成形器１
０の短パルス信号を受けて流体中の超音波の伝播時間を
測定し、演算装置１２で、時間間隔測定装置１１の測定
結果から超音波の伝播時間差を求め、予め記憶した流速
測定数式にしたがって流速を演算する。

【００３５】次に、上述した構成の本発明の装置にあっ
て、トランスデュ−サ部１が発信側、トランスデュ−サ
部２が受信側になった瞬間の装置の動作を、本発明の装
置の動作タイミングチャ−トを示した図２によって説明
する。

【００３６】先ず、コントロ−ル回路５の出力である制
御信号ｓ１が、設定された周期で図２（Ａ）に示したよ
うな時間幅Ｔ１の長い矩形パルスとして変化すると、周
波数変調をさせるための電圧信号を発信する矩形パルス
発振器４では、このパルスの立上りエッジ（leading ed
ge）で時間幅Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）の長さのパルス図２
（Ｂ）を発生させる。

【００３７】即ち、コントロ−ル回路５と周波数変調発
振器３との間にこの矩形パルス発振器４を設けることに
より、立上り時点がコントロ−ル回路５の制御信号ｓ１
と同じで、且つこの制御信号ｓ１の時間幅Ｔ１よりも短
い時間幅Ｔ２の、変調用電圧信号である矩形波形の変調
信号ｓ２を、矩形パルス発振器４から周波数変調発振器
３に出力するのである。

【００３８】この時間幅Ｔ２のパルスは、周波数変調発
振器３で発信測定信号ｓ３の発振周波数を、例えばｆか
らｆ₀ ＝ｆ＋Δｆに変調する（図２（Ｃ））。

【００３９】尚、矩形パルス発振器４のパルスが立下が
れば再びｆの周波数に戻す。本例に於けるｆ₀ はトラン
スデュ−サ部１と２の共振周波数、Δｆは周波数偏差
（daviation ）である。即ち、時間幅Ｔ２のパルスの立
上りを、周波数変調発振器３に対する周波数変調開始信
号とし、立下がりを、周波数をｆに戻す信号とし、また
場合よっては後述する出力信号ｓ５を得た後であれば、
出力切換スイッチ回路８に対する切り換え動作信号とす
る。

【００４０】そしてこの周波数変調発信器３から出力さ
れた、トランスデュ−サ部１または２から連続した超音
波信号Ｓｓを発信させる発信測定信号ｓ３が、発信増幅
器６で増幅されて発信測定信号ｓ４’となり、トランス
デュ−サ切換スイッチ回路１４を通って、この瞬間の場
合トランスデュ−サ部１に印加されると、図２の（Ｄ）
に示したような連続波の超音波信号Ｓｓが発信され、流
体である水中を伝播し、他方のトランスデュ−サ部２で
受信されることになる。

【００４１】発信測定信号ｓ３がｆからｆ₀ に変調され
れば、これに応じて発信測定信号ｓ４’と更には超音波
信号Ｓｓも当然ｆ₀ に変調される。

【００４２】これと同時に、発信増幅器６から出力され
た発信測定信号ｓ４’は、減衰器１３と出力切換スイッ
チ回路８を通って周波数変化検出器９に入力されてい
る。

【００４３】周波数変化検出器９に入力された発信測定
信号ｓ４’の周波数がｆからｆ₀ に変化すると、その瞬
間に図２の（Ｅ）のような出力信号ｓ５が生じる。この
周波数変化検出器９の出力信号ｓ５は、パルス成形器１
０に入力されて図２の（Ｆ）のような短パルス信号ｓ６
に整形され、時間間隔測定装置１１に入力される。

【００４４】周波数変化検出器９の出力信号ｓ５が発生
した後、コントロ−ル回路５の時間幅Ｔ１の矩形パルス
制御信号ｓ１が立下がると、この立下がりエッジ（trai
lingedge）によって前述したように出力切換スイッチ回
路８が切り換わって、今度は受信用のトランスデュ−サ
部２と接続されている受信増幅器７の出力が出力切換ス
イッチ回路８を通って周波数変化検出器９の入力に接続
される。

【００４５】即ち、トランスデュ−サ部１から発信して
いる超音波信号Ｓｓが流体内を伝播してトランスデュ−
サ部２に至るので、トランスデュ−サ部２の出力信号
は、トランスデュ−サ切換スイッチ回路１４を通過して
受信測定信号ｓ７として、受信増幅器７で図２の（Ｇ）
のように増幅され、出力切換スイッチ回路８を通過して
前記の周波数変化検出器９に入力されるが、超音波信号
Ｓｓがｆからｆ₀ に変化すれば、この場合も図２の
（Ｈ）の出力信号ｓ８を得る。この出力信号ｓ８は図２
の（Ｉ）のように、パルス成形器１０を通って短パルス
信号ｓ９に整形される。

【００４６】このように図２の（Ｆ）と（Ｉ）に於ける
パルス成形器１０の短パルス信号ｓ６と短パルス信号ｓ
９が、順次時間間隔測定装置１１に入力され、１番目の
短パルス信号ｓ６は時間測定開始（start ）信号ｔ₁ に
なり、２番目の短パルス信号ｓ９は時間測定終了（sto
p）信号ｔ₂ の役目をするのであり、時間間隔測定装置
１１が測定した時間は、トランスデュ−サ部１からトラ
ンスデュ−サ部２まで超音波が伝播した時間ｔ₁₂にな
る。この時間ｔ₁₂の測定結果は、演算装置１２に伝達さ
れて記憶される。

【００４７】尚、パルス成形器１０は必須ではなく、周
波数変化検出器９のｓ５とｓ８を直接時間間隔測定装置
１１に入力して時間ｔ₁₂を求めることも可能である。ま
た、矩形パルス発振器４も必須要素ではなく、例えばコ
ントロ−ル回路５が発する時間幅Ｔ１の制御信号を直接
周波数変調発振器３に入力し、この立上りエッジで直接
発信測定信号ｓ３をｆ₀ に変調し、立ち下がりでｆへ戻
しても良い。

【００４８】さて、上述した経過が、トランスデュ−サ
部１からトランスデュ−サ部２までの超音波伝播時間ｔ
₁₂の測定であり、この後、コントロ−ル回路５によって
トランスデュ−サ切換スイッチ回路１４が切り換えられ
て、トランスデュ−サ部２が発信増幅器６に、またトラ
ンスデュ−サ部１は受信増幅器７に接続される。

【００４９】従って、今度は逆にトランスデュ−サ部２
が発信用、トランスデュ−サ部１が受信用となって、上
述と同様の過程を経て伝播時間ｔ₂₁が測定され、演算装
置１２に入力されると、演算装置１２は式（１）の演算
をして流速を算出するのである。

【００５０】

【数１】

【００５１】ここで、Δｔ＝ｔ₂₁−ｔ₁₂、またｔ₁₂とｔ
₂₁は流速方向と一定の角度ψに配された一対のトランス
デュ−サ部間に於ける超音波伝播時間、Ｌは一対のトラ
ンスデュ−サ部間の距離であり、ｄ＝Ｌcos ψ、ｃは、
その流体に於ける音速である。

【００５２】前記した演算装置１２のメモリ回路には、
予め一対のトランスデュ−サ部１と２間の距離Ｌとｄ＝
Ｌcos ψを記憶させておくのは勿論であり、更にこの流
速測定装置を流量計に使用する場合は、測定された流速
Ｖと河川断面積等の諸データとから流量演算を行うこと
になる。

【００５３】このようにして第一回目の流速測定が終了
したならば、再びトランスデュ−サ切換スイッチ回路１
４を切り換えて、トランスデュ−サ部１と発信増幅器
６、及びトランスデュ−サ部２と受信増幅器７を接続
し、次の流速測定を開始する。

【００５４】処でここでは、一定周波数ｆ（ｆ₁ ）から
他の一定周波数ｆ₀ （ｆ₂ ）への変調開始点を発信時点
と受信時点に設定したが、これに限らず、ｆ₀ （ｆ₂ ）
からｆ（ｆ₁ ）に戻った時点を変調開始時点と看做し、
発信・受信時点の設定に利用することも可能である。

【００５５】上述した構成によれば、同一の周波数変化
検出器９で発信測定信号ｓ４’と受信測定信号ｓ７の周
波数変化時点を検出するので、図２の（Ｅ）（Ｆ）及び
図２の（Ｈ）（Ｉ）で示したように電子回路や周波数変
化検出器等における様々な過度現象によって発生する遅
延時間（delly time）τは、発信時または受信時に拘ら
ず等しくなるので、超音波伝播時間測定に際しこのτに
よって起因する誤差が発生することはない。

【００５６】そして、周波数がｆからｆ₀ ＝ｆ＋Δｆ
（ｆ₁ からｆ₂ ＝ｆ₁ ＋Δｆ）に変わった瞬間をチェッ
クし、その瞬間を伝播時間測定の起点ｔ₁ と終点ｔ₂ に
するため、受信信号が測定中にいかに脈動しても、超音
波伝播時間の測定誤差を招来しない。

【００５７】例えば図３の（ｂ）のように、受信信号を
飽和状態まで増幅して周波数変化検出器９に入力するこ
とも可能なので、受信信号がどんなに脈動しても良いの
である。勿論、この入力信号は、周波数変化検出器９の
許容最大入力電圧以下に抑制しなければならない場合も
あるので、その時は発信増幅器６の発信測定信号同様
に、減衰器１３’を通して周波数変化検出器９に入力す
れば良い。

【００５８】また、周波数変調波を連続して発信するの
で、受信信号を増幅するために広帯域増幅をする必要が
なく、ｆからｆ₀ （ｆ₁ からｆ₂ ）の割と狭い周波数帯
域で増幅すれば良く、更には必要に応じて限られた帯域
のパンドパスフィルタ−等も活用可能となり、ノイズレ
ベルを極めて小さくできるのは勿論である。

【００５９】図３の（ａ）に示した超音波信号の波形の
ように、周波数ｆが共振周波数ｆ₀＝ｆ＋Δｆになった
瞬間に直ちに超音波強度が高くなる訳ではないが、上述
のように受信増幅器７で飽和状態にまで増幅することも
可能であり、またパルスを利用する時のように信号の振
幅（amplitude ）で受信瞬間をチェックするのではない
ので、伝播時間の測定精度に何の影響もないのである。

【００６０】図３の（ａ）に於いて、周波数がｆの時の
信号の振幅ａ₁ と、周波数がｆ₀ の時の振幅ａ₂ との差
は、周波数変調差Δｆが大きいほど大きくなるが、Δｆ
／ｆ₀ ＝±０．１程度にすると、振幅ａ₁ と振幅ａ₂ と
は殆ど同じになり、その結果トランスデュ−サの電気と
超音波間の変換効率は、パルスで励振する場合に比べて
４〜６倍にも向上する。

【００６１】そして、ｆ₁ ＝ｆ₀ −Δｆ／２、ｆ₂ ＝ｆ
₀ ＋Δｆ／２とすれば、ａ₁ ＝ａ₂となり、変調時の変
換効率はやや下がるものの、ｆ₁ 時の効率はｆ時の効率
よりも向上する（図３の（ｃ）参照）。

【００６２】

【発明の効果】本発明にかかる超音波流速測定方法と装
置は上述した構成となっているので、周波数が変わった
瞬間をチェックして伝播時間測定の起点と終点にするた
め、受信信号の振幅が測定中にいかに変化・脈動しても
超音波の伝播時間に測定誤差が生ずることはなく、周波
数への変調時点の検出は、同一の周波数変化検出器で行
っているので、様々な現象によって発生する遅延時間に
起因する誤差が発生することもなく、一対以上のトラン
スデュ−サ間の間隔が数十ｍ〜数百ｍでも、また超音波
を拡散、減衰する様々な要因が流体内で発生しても、超
音波が相互各々の方向に伝播する時間を確実に測定する
ことができ、流速測定精度を高めることができるのであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる超音波流速測定方法と装置の回
路図である。

【図２】本発明にかかる回路の動作説明タイムチャート
である。

【図３】（ａ）は、超音波信号及び受信測定信号の波形
図、（ｂ）は、受信測定信号の飽和増幅波形図、（ｃ）
は、トランスデューサの対周波数効率特性図である。

【図４】一般的な超音波パルスの波形図である。

【図５】一般的な超音波パルスの波形図である。

【符号の説明】

１、２；トランスデューサ部、３；周波数変調発振器、
４；矩形パルス発振器、５；コントロール回路、６；発
信増幅器、７；受信増幅器、８；出力切換スイッチ回
路、９；周波数変化検出器、１０；パルス成形器、１
１；時間間隔測定装置、１２；演算装置、１３；減衰
器、１４；トランスデュ−サ切換スイッチ回路。

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 (56)参考文献 特開 昭59−7217（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−218618（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/66 101 G01P 5/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体中での超音波信号の伝播時間差を測
   定して、流速を演算する方法であって、 一対以上のトランスデュ−サ部（１）（２）が発信・受
   信する超音波信号（Ｓｓ）を、適宜の一定周波数から、
   他の周波数に周波数変調される連続波とし、 前記トランスデュ−サ部（１）または（２）から超音波
   信号（Ｓｓ）を発信させる発信測定信号（ｓ４）の他の
   周波数への変調時点にしたがって発信時点（ｔ１）を設
   定すると共に、前記超音波信号（Ｓｓ）を受信したトラ
   ンスデュ−サ部（２）または（１）が発する受信測定信
   号（ｓ７）の他の周波数への変調時点にしたがって受信
   時点（ｔ２）を設定し、 前記発信測定信号（ｓ４）及び受信測定信号（ｓ７）の
   他の周波数への変調時点の検出を、同一の周波数変化検
   出器（９）で行うことを特徴とする超音波流速測定方
   法。
2. 【請求項２】 一対以上の対向配置されたトランスデュ
   −サ部（１）（２）を発信側と受信側とに切り換えるト
   ランスデュ−サ切換スイッチ回路（１４）を有し、流体
   中での前記トランスデュ−サ部（１）とトランスデュ−
   サ部（２）との間の超音波信号の伝播時間差から、予め
   記憶した流速測定数式にしたがって流速を演算する演算
   装置（１２）により流速を演算する装置であって、 前記トランスデュ−サ部（１）または（２）から連続し
   た超音波信号（Ｓｓ）を発信させる発信測定信号（ｓ
   ４）を、適宜の一定周波数または周波数変調された他の
   一定周波数で発信する周波数変調発振器（３）と、 発信測定信号（ｓ４）と受信測定信号（ｓ７）を切り換
   え、一方の信号だけを通過させる出力切換スイッチ回路
   （８）と、 前記周波数変調発振器（３）に対する周波数変調動作指
   令と、前記トランスデュ−サ切換スイッチ回路（１４）
   に対する切り換え動作指令と、更に、前記出力切換スイ
   ッチ回路（８）に対する切り換え動作指令とを出力する
   コントロ−ル回路（５）と、 前記出力切換スイッチ回路（８）を通過した発信測定信
   号（ｓ４）及び受信測定信号（ｓ７）の他の一定周波数
   への変調時点を検出する周波数変化検出器（９）と、 該周波数変化検出器（９）で検出した両変調時点の信号
   を受けて流体中の超音波の伝播時間を測定する時間間隔
   測定装置（１１）と、 から成ることを特徴とする超音波流速測定装置。