JP3251378B2 - 気体用超音波流量計 - Google Patents
気体用超音波流量計Info
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Description
り詳細には、気体用超音波流量計の超音波トランスデュ
ーサに付着して出力阻害を引き起こすミスト等を取り除
くためのミスト除去手段を有する気体用超音波流量計に
関する。
して斜めに横切る超音波を流れの順方向と逆方向とに送
受波して伝播時間差に基づいて流れを妨げずに流量計測
を可能とする代表的な流量計で、超音波が伝播するすべ
ての流体を測定できる特徴を有している。超音波流量計
の方式には多くの種類があるが、測定する流体の種類や
温度条件等により変化する超音波の伝播時間に影響され
ない周波数差方式が多用されている。超音波流量計と同
様に流れを妨げることない流量計として電磁流用計があ
るが、電磁流量計は、非導電性の流体を測定することは
できない。超音波流量計は、電磁流量計では測定できな
い非導電性の流体流量も測定できるので、より汎用性の
ある流量計ということができる。
気体流量測定には最適な流量計であるが気体用の超音波
トランスデューサは、圧電素子を駆動源としており、圧
電素子の厚み方向の振動に基づいて超音波を送受波する
ので、多くは超音波トランスデューサの振動面が直接測
定気体と接するように取り付けられている。このため、
超音波トランスューサの表面に配管内の錆等の微粒が付
着し、変換効率を阻害することが多い。特に、気温が低
下することによりミストが発生し、これと気体中の微粒
粉とが混合し、超音波トランスデューサの表面に付着し
て超音波の発生出力を低下させ、極端な場合計測不可能
になることがある。
流量計測するために超音波を送受波する時間以外の周期
あるいは信号低下等の異常が検知されたとき、超音波ト
ランスデューサに、この超音波トランスデューサを構成
する圧電素子の固有振動数に等しい周波数の電圧を印加
することより得られる超音波振動エネルギを利用して簡
単にダストミスト除去を行うことを目的とするものであ
る。
気体が流れる測定管と、該測定管を斜めに横切って超音
波を送受波する円板状の圧電素子板を駆動源とした超音
波トランスデューサと、該超音波トランスデューサから
所定時間毎に流れの順方向と逆方向に超音波を送受波し
て得られた周波数差から流量を検知する流量変換器と、
前記超音波を送受波している以外の時間内において前記
超音波トランスデューサを圧電素子径方向の共振周波数
と略等しい周波数で駆動するミスト除去電源とからなる
こと、或いは、(2)気体が流れる測定管と、該測定管
を斜めに横切って超音波を送受波する円板状の圧電素子
板を駆動源とした超音波トランスデューサと、該超音波
トランスデューサから超音波を流れの順方向と逆方向に
送受波したときの超音波の伝播時間差の関数として流量
を検知する流量変換器と、前記超音波トランスデューサ
から送受波される送受波信号の振幅を検出し、該送受波
信号と予め定められた正常な振幅値とを比較し、送受波
信号が正常か否かを判定する送受波信号異常判定手段
と、該送受波信号異常判定手段が正常と判断したときは
前記流量検知を継続し、異常と判断したときは前記流量
検知を所定時間停止するモード切換手段と、前記流量検
知が停止している所定時間において、前記超音波トラン
スデューサを圧電素子径方向の共振周波数と略等しい周
波数で駆動するミスト除去電源とからなること、更に
は、(3)前記(1)又は(2)において、前記ミスト
除去電源の電源周波数を前記圧電素子の厚み方向の共振
周波数を含まず、径方向の共振周波数を含む所定周波数
範囲における連続した周波数としたことを特徴とするも
のである。以下、本発明の実施例に基づいて説明する。
を説明するためのブロック図の一例であり、図中、1は
測定管、2、3は超音波トランスデューサ、4は流量変
換器、5は発振制御回路、6は同期回路、7は超音波パ
ルス発生器、8は切換回路、9は受信回路、10は時間
差電圧変換回路、11は分周回路、12、13はサンプ
ルホールド回路、14、15は積分回路、17、18は
電圧制御発振器(以下VCOと略称する)、19は変調
器、20は周波数−電圧変換回路、21はミスト除去電
源、22はミスト除去発振器、23は増幅器である。
る管体で、超音波トランスデューサ2,3が送受波され
る超音波が測定管1を斜めに横切るように取付けられて
いる。流量変換器4は、位相同期グループ(以下PLL
と略称する)を利用した周波数差から流量を求める公知
の流量演算回路4の一例であり、送受波信号が所定時間
間隔ごとに繰り返される周波数差方式の回路であれば、
回路内容は問わない。ミスト除去電源21は、ミスト除
去発振器22と増幅器23とからなり、ミスト除去発振
器22は超音波トランスデューサ2,3を構成する円板
状の圧電素子の径方向の固有振動数と略等しい周波数の
電圧を発信する発振器である。
は同一特性の圧電素子(図示せず)の厚み方向の振動を
駆動源とした超音波の送受波器である。超音波トランス
デューサ2,3は切換回路8のスイッチS2,S3を切換
えることにより送波と受波機能を換えることができる。
流量変換器4では、次のような動作が行われる。まず、
発振制御回路5から出力された超音波トランスデューサ
2,3の厚み方向の振動周波数と大きく異なる高周波の
クロックパルスが同期回路6に入力される。一方、同期
回路6には、クロックパルスの他に、スイッチS1で切
り換えられたVCO17とVCO18の周波数信号が交
互に入力され、同期回路6からはVCO17とVCO1
8と同期したスタートパルスが出力される。スタートパ
ルスは、超音波パルス発生回路7に入力して超音波パル
ス発生回路7からは超音波パルスが出力される。
を入力するために切換回路8のスイッチS5,S6,S7
及びS2,S3はa接点に接続されており、超音波パルス
発生回路7から出力した超音波パルスはスイッチS5,
S2を介して超音波トランスデューサ2を送波器として
駆動し、発生し伝播した超音波パルスを超音波トランス
デューサ3が受波する。また、スイッチS5,S6はa接
点に接続したままでスイッチS2とS3をb接点に切り換
えると、超音波トランスデューサ3が送波器となり超音
波トランスデューサ2は受波側に切り換えられ、超音波
トランスデューサ2と3との間で送受波が双方向に切り
換えられる。
超音波パルス信号はスイッチS6のa接点を介して受信
回路9に入力される。入力レベルが所定値に達すると受
信回路9から受信パルスが出力され、時間差変換回路1
0の一方側に入力される。また時間差変換回路10の他
方側の入力には分周回路11からの出力信号が入力され
る。
O18の何れかの発振周波数を入力し、他方には同期回
路6の同期信号からのスタート信号が入力される。分周
回路6からは同期回路6から出力されたスタート信号の
入力と同時に、VCO17又はVCO18からの周波数
信号が入力し、1/Nの分周信号を出力する。
音波パルスが送出されてから受信パルスまでの時間と、
VCO17又はVCO18の発振信号を1/Nに分周す
る時間差△Tに比例した電圧を出力し、これをサンプル
ホールド回路12,13に入力し、サンプルホールドさ
れる。すなわち、サンプルホールド回路12,13には
スイッチS1,S2,S3と連動して切り換えられるスイ
ッチS4を介してサンプルパルス16が交互に供給さ
れ、時間差電圧変換回路10の出力電圧がサンプルホー
ルドされる。この結果、サンプルホールド回路12に
は、超音波トランスデューサ2から3に音波が達する時
間とVCO17の発振信号を1/Nに分周した時間との
時間差△TAに対応した電圧がサンプルホールドされ
る。同様に、サンプルホールド回路13には、超音波が
超音波トランスデューサ3から2に達する時間とVCO
18の1/N分周信号との時間差△TBに対応した電圧
がサンプルホールドされる。
分回路14,15を介してVCO17,18の制御端子
に供給され双方の発振周波数を制御する。このとき、V
CO17の周波数をf1、VCO18の周波数をf2とす
るとVCO17およびVCO18は前記時間差△TA、
△TBを共に零とするように周波数f1およびf2を制御
する。
f2との差周波数△fが出力される。この差周波数△f
は、測定管内流速に比例した音速を含まない量であり、
この差周波数△fを周波数−電圧変換回路20に入力し
て流量信号を出力する。なお、以上の説明は、測定管1
に測定管1を斜めに横切るように配設した超音波トラン
スデューサ2,3が透過形の気体用超音波流量計につい
て行ったが、反射形の場合についても同じである。
にb接点に切換えると流量信号を出力する周波数−電圧
変換回路20の出力は接地され流量変換器4の動作は停
止し、同時に超音波トランスデューサ2にはミスト除去
電源21が接続される。次にスイッチS2,S3を共にb
接点に切り換えると、超音波トランスデューサ3のみに
ミスト除去電源21が印加される。
−インピーダンス特性の一例を示す図で、横軸に周波数
f、縦軸にインピーダンス|ZP|をとっている。超音波
トランスデューサ2,3には、前記のように円板形の圧
電素子が収納されている。円板形の圧電素子は、直径と
厚さとの比により定められる2つの共振周波数を有して
いる。一つは径方向の共振周波数fdで、他の共振周波
数は厚み方向の共振周波数fsであり、径方向の共振周
波数fdは基本周波数であり、厚み方向の共振周波数fs
よりも低く、インピーダンス|Z|は低い。厚み方向の共
振周波数fsは超音波発振に利用されるが、径方向の共
振周波数fdはミスト等の除去用に使用される。
印加のタイミングを示すタイムチャートで、最初、例え
ば、時間T1の期間において超音波トランスデューサ2
から順方向の送波信号Aが印加され、超音波トランスデ
ューサ3からT2時に受波信号ACが得られる。次にトラ
ンスデューサ3から時間T4の期間に逆方向の送波信号
Bが送波されるが、その間の期間T3においてスイッチ
S5,S6およびS7がb接点に接続され、ミスト除去電
源22から径方向の共振周波数fdの駆動信号が印加さ
れる。これにより、超音波トランスデューサ2は、径方
向に大きい振幅で拡大・縮小を繰り返し、該超音波トラ
ンスデューサ3に付着したミスト等の付着物は、径方向
に振動して破断されて除去される。
サ3に付着したミスト等は、超音波トランスデューサ3
が逆方向に向けて時間T4の期間に送波され、時間T5の
期間で受波信号BCが得られた後に、時間T6の期間にお
いてスイッチS2,S5をb接点に切り換えることにより
除去される。
の他の実施例を説明するためのブロック図の一例であ
り、図中、24は送受波異常判別器、25,26はピー
クホールド回路、27,28は比較回路、29,30は
基準電圧、31は判別回路、32はモード切換回路、3
3はスイッチ切換信号、34は異常表示回路であり、図
1と同じ作用をする部分には図1と同一の参照番号を付
している。
4は図1と同じであり、ミスト除去電源21の印加時期
が送受波異常判別器24が異常信号を発信したときに限
られている。以下、図4の気体用超音波流量計のミスト
除去の原理に関して説明する。
回路のスイッチS2およびS3を切換えることにより、双
方的に送波器と受波器とが交互に切換えられる。送波パ
ルスは、切換えられた超音波トランスデューサ2か3の
何れかに超音波パルス発生回路7から超音波パルスが印
加される。この超音波パルスの波高値は一定に制御され
ているが、超音波トランスデューサ2又は3から送波さ
れる超音波が正常か異常かを判別する前提条件として、
正常な超音波パルスが印加されているか否かを判別しな
ければならない。超音波トランスデューサにミスト等が
付着すると、送波信号と受波信号は共に小さくなるの
で、受波パルスの波高値が正常か異常かは、超音波トラ
ンスデューサ2又は3或いは双方とも正常か異常かによ
り定められる。
ス発生回路7から出力される超音波パルスの波高値と、
受波パルスの波高値とが正常値であるか否かを判別して
判別信号を出力する回路である。
トランスデューサ2又は3に印加される超音波パルスの
波高値が正常か異常かを判別するために超音波パルスの
波高値をホールドする回路で、ホールドされた波高値
は、予め定められた基準電圧とを比較回路27によって
比較される。
の場合と同様に、ピークホールド回路26によりピーク
値を保持され、予め定められた基準電圧30と比較回路
28により比較される。
出力が異常と判断されたとき、判別回路31は異常あり
と判断し、超音波トランスデューサ2および/又は3の
超音波トランスデューサにミスト等の異物が付着し、送
波信号および/又は受波信号が小さくなったことを示
す。
号は、モード切換回路32に入力され、流量計測してい
る正常信号の場合は、図示の状態,スイッチS5,S6お
よびS7はa接点に接続しているが、異常信号の場合
は、モード切換回路からはスイッチ切換信号33が出力
され、スイッチS5,S6およびS7をa接点からb接点
に切換える。この結果、超音波トランスデューサ2には
ミスト除去電源21が接続される。このとき、スイッチ
S2とS3とは切換可能になっており、各々b接点に接続
することにより、超音波トランスデューサ3にもミスト
除去電源21が接続される。また、異常の場合、異常表
示回路34が作動し、異常であることを表示する。
から出力される。切換信号33によりスイッチS5,S6
およびS7がb接点に接続され、ミスト除去電源22か
ら径方向の共振周波数fdの駆動信号が印加される。こ
れにより、超音波トランスデューサ2は、径方向に大き
い振幅で拡大・縮小を繰り返し、該超音波トランスデュ
ーサ3に付着したミスト等の付着物は、径方向に振動し
て破断されて剥離除去される。超音波トランスデューサ
3に付着したミスト等は、スイッチS2,S3をb接点に
切換え、超音波パルスが逆方向に向けて送波することに
より、同様の作用により除去される。
力波形の他の実施例を示す図で、図1,図4において
は、超音波トランスデューサ2,3を径方向の共振周波
数fdのみで駆動したが、図においては、周波数が、例
えば、図2の周波数−インピーダンス特性において、径
方向の共振周波数fdを中心にして厚み方向の共振周波
数fsを含まない周波数の範囲で、連続して周波数が変
化する周波数を出力する電源としたものである。このこ
とにより、ミスト等の付着物がこの周波数範囲のある特
定の周波数に同期して、より完全にミスト等を除去する
ことができる。
と、(1)周波数差に基づく流量計測を行っている期間
を除いた期間において、測定気体に含まれるミストやダ
スト等の異物が付着した超音波トランスデューサに、該
超音波トランスデューサの圧電素子の径方向の共振周波
数の駆動電源を印加するという簡単な手段により、これ
らの付着物を取り除くことができるので長期安定した気
体流量を計測できる。(2)流量計測中、常に超音波パ
ルスおよび受波パルスの波高値を監視し続け、異常が発
生したときのみ流量計測を中止し、測定気体に含まれる
ミストやダスト等の異物が付着した超音波トランスデュ
ーサに、該超音波トランスデューサの圧電素子の径方向
の共振周波数の駆動電源を印加するという簡単な手段に
より、これらの付着物を取り除くことができるので長期
安定した気体流量を計測できる。また、(3)駆動周波
数を圧電素子の径方向の共振周波数を含み、厚み方向の
共振周波数を含まない所定範囲の周波数を連続して変化
させたので、特定な付着粒子を取り除くことができる。
ためのブロック図の一例である。
ダンス特性の一例を示す図である。
ミングを示すタイムチャートである。
例を説明するためのブロック図の一例である。
の実施例を示す図である。
量変換器、5…発振制御回路、6…同期回路、7…超音
波パルス発生器、8…切換回路、9…受信回路、10…
時間差電圧変換回路、11…分周回路、12,13…サ
ンプルホールド回路、14,15…積分回路、17,1
8…電圧制御発振器(以下VCOと略称する)、19…
変調器、20…周波数−電圧変換回路、21…ミスト除
去電源、22…ミスト除去発振器、23…増幅器、24
…送受波異常判別器、25,26…ピークホールド回
路、27,28…比較回路、29,30…基準電圧、3
1…判別回路、32…モード切換回路、33…スイッチ
切換信号、34…異常表示回路。
Claims (3)
- 【請求項1】 気体が流れる測定管と、該測定管を斜め
に横切って超音波を送受波する円板状の圧電素子板を駆
動源とした超音波トランスデューサと、該超音波トラン
スデューサから所定時間毎に流れの順方向と逆方向に超
音波を送受波して得られた周波数差から流量を検知する
流量変換器と、前記超音波を送受波している以外の時間
内において前記超音波トランスデューサを圧電素子径方
向の共振周波数と略等しい周波数で駆動するミスト除去
電源とからなることを特徴とする気体用超音波流量計。 - 【請求項2】 気体が流れる測定管と、該測定管を斜め
に横切って超音波を送受波する円板状の圧電素子板を駆
動源とした超音波トランスデューサと、該超音波トラン
スデューサから超音波を流れの順方向と逆方向に送受波
したときの超音波の伝播時間差の関数として流量を検知
する流量変換器と、前記超音波トランスデューサから送
受波される送受波信号の振幅を検出し、該送受波信号と
予め定められた正常な振幅値とを比較し、送受波信号が
正常か否かを判定する送受波信号異常判定手段と、該送
受波信号異常判定手段が正常と判断したときは前記流量
検知を継続し、異常と判断したときは前記流量検知を所
定時間停止するモード切換手段と、前記流量検知が停止
している所定時間において、前記超音波トランスデュー
サを圧電素子径方向の共振周波数と略等しい周波数で駆
動するミスト除去電源とからなることを特徴とする気体
用超音波流量計。 - 【請求項3】 前記ミスト除去電源の電源周波数を前記
圧電素子の厚み方向の共振周波数を含まず、径方向の共
振周波数を含む所定周波数範囲における連続した周波数
としたことを特徴とする請求項1又は2に記載の気体用
超音波流量計。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11101493A JP3251378B2 (ja) | 1993-04-13 | 1993-04-13 | 気体用超音波流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11101493A JP3251378B2 (ja) | 1993-04-13 | 1993-04-13 | 気体用超音波流量計 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH06300598A JPH06300598A (ja) | 1994-10-28 |
JP3251378B2 true JP3251378B2 (ja) | 2002-01-28 |
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JP11101493A Expired - Fee Related JP3251378B2 (ja) | 1993-04-13 | 1993-04-13 | 気体用超音波流量計 |
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JP4792653B2 (ja) * | 2001-04-20 | 2011-10-12 | パナソニック株式会社 | 流量計 |
JP2006038708A (ja) * | 2004-07-28 | 2006-02-09 | Ricoh Elemex Corp | 超音波流量計 |
-
1993
- 1993-04-13 JP JP11101493A patent/JP3251378B2/ja not_active Expired - Fee Related
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