JP3281259B2 - 管路内流体の測定装置 - Google Patents
管路内流体の測定装置Info
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、産業用プラント、
上下水道処理施設等の管路を用いて水等の流体を輸送す
る設備における測定装置として用いられ、管路内を流れ
る流体の速度および密度又は濃度を電磁波又は音波を利
用して測定する測定装置に関する。
上下水道処理施設等の管路を用いて水等の流体を輸送す
る設備における測定装置として用いられ、管路内を流れ
る流体の速度および密度又は濃度を電磁波又は音波を利
用して測定する測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、電磁波または音波を利用して被測
定流体の流速、密度または濃度の測定が行われていた。
例えば、音波を利用した流量計では、管路内を流れる流
体に対して音波を入射し、流体を通過する音波のドップ
ラー効果による伝搬速度変化を、音波の到達時間、位相
変化、又は周波数変化に変換して検出し、その検出結果
から流速を求めている。また、電磁波を利用した濃度計
では、管路内を流れる流体に対して電磁波を入射し、流
体の濃度に応じた複素誘電率変化に起因する基準信号と
の時間差、位相差、周波数差を検出して流体の密度また
は濃度を測定している。
定流体の流速、密度または濃度の測定が行われていた。
例えば、音波を利用した流量計では、管路内を流れる流
体に対して音波を入射し、流体を通過する音波のドップ
ラー効果による伝搬速度変化を、音波の到達時間、位相
変化、又は周波数変化に変換して検出し、その検出結果
から流速を求めている。また、電磁波を利用した濃度計
では、管路内を流れる流体に対して電磁波を入射し、流
体の濃度に応じた複素誘電率変化に起因する基準信号と
の時間差、位相差、周波数差を検出して流体の密度また
は濃度を測定している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
測定方法では流体の密度（又は濃度）及び速度の両方を
測定できるように構成するには、濃度計と流量計を別個
に設置する必要があり、大きな設置スペースが必要にな
ると共に、コストが増大する可能性があった。また、管
路内のパスに添った波動の積分結果しか測定できないた
め管路内の被測定物理量の分布を知ることができなかっ
た。
測定方法では流体の密度（又は濃度）及び速度の両方を
測定できるように構成するには、濃度計と流量計を別個
に設置する必要があり、大きな設置スペースが必要にな
ると共に、コストが増大する可能性があった。また、管
路内のパスに添った波動の積分結果しか測定できないた
め管路内の被測定物理量の分布を知ることができなかっ
た。
【０００４】本発明は、以上のような実情に鑑みてなさ
れたもので、電磁波あるいは音波を利用して管路内の流
体速度と密度あるいは濃度を同時に測定することがで
き、しかも管路内の被測定物理量の管路内分布まで測定
することのできる流体測定装置を提供することを目的と
する。
れたもので、電磁波あるいは音波を利用して管路内の流
体速度と密度あるいは濃度を同時に測定することがで
き、しかも管路内の被測定物理量の管路内分布まで測定
することのできる流体測定装置を提供することを目的と
する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために以下のような手段を講じた。請求項１に対
応する本発明は、管路内を流れる被測定流体に電磁波又
は音波を入射して該被測定流体の流速および密度又は濃
度を測定する測定装置において、プローブ波動を常時発
生させる第１の発振回路と、前記プローブ波動と周波数
の異なる所定パルス幅の励起波動を発生させる第２の発
振回路と、前記第１の発振回路で発生させたプローブ波
動を管路内に入射する出力部と、前記管路内を伝搬した
プローブ波動を受信すると共に前記第２の発振回路で発
生させた励起波動を管路内に出力する入出力部と、この
入出力部が受信した波動信号が入力し前記プローブ波動
の伝搬経路上を前記励起波動が伝搬する際の前記被測定
流体の非線形効果により発生する信号に対応した周波数
帯域を選択増幅する選択増幅部と、この選択増幅部から
出力された信号の周波数解析及びエンベロープ解析から
前記被測定流体の流速分布及び密度分布又は濃度分布を
計算する演算処理制御部とを備える。
成するために以下のような手段を講じた。請求項１に対
応する本発明は、管路内を流れる被測定流体に電磁波又
は音波を入射して該被測定流体の流速および密度又は濃
度を測定する測定装置において、プローブ波動を常時発
生させる第１の発振回路と、前記プローブ波動と周波数
の異なる所定パルス幅の励起波動を発生させる第２の発
振回路と、前記第１の発振回路で発生させたプローブ波
動を管路内に入射する出力部と、前記管路内を伝搬した
プローブ波動を受信すると共に前記第２の発振回路で発
生させた励起波動を管路内に出力する入出力部と、この
入出力部が受信した波動信号が入力し前記プローブ波動
の伝搬経路上を前記励起波動が伝搬する際の前記被測定
流体の非線形効果により発生する信号に対応した周波数
帯域を選択増幅する選択増幅部と、この選択増幅部から
出力された信号の周波数解析及びエンベロープ解析から
前記被測定流体の流速分布及び密度分布又は濃度分布を
計算する演算処理制御部とを備える。
【０００６】本発明によれば、出力部よりプローブ波動
を管路内流体に入射している状態で励起波動をほぼプロ
ーブ波動の伝搬経路と同一経路に入出力部より入射する
ことにより、被測定流体の非線形効果により信号が発生
し、プローブ波動と共に入出力部で受信される。プロー
ブ波動の伝搬経路上を励起波動が伝搬する際の被測定流
体の非線形効果により発生する信号に対応した周波数帯
域が設定されている選択増幅部に対して入出力部が受信
した波動信号を入力することにより、非線形効果により
発生した信号だけが選択増幅されて取り出される。選択
増幅部で選択増幅された信号が演算処理制御部へ与えら
れて周波数解析及びエンベロープ解析から被測定流体の
流速分布及び密度分布又は濃度分布が計算される。
を管路内流体に入射している状態で励起波動をほぼプロ
ーブ波動の伝搬経路と同一経路に入出力部より入射する
ことにより、被測定流体の非線形効果により信号が発生
し、プローブ波動と共に入出力部で受信される。プロー
ブ波動の伝搬経路上を励起波動が伝搬する際の被測定流
体の非線形効果により発生する信号に対応した周波数帯
域が設定されている選択増幅部に対して入出力部が受信
した波動信号を入力することにより、非線形効果により
発生した信号だけが選択増幅されて取り出される。選択
増幅部で選択増幅された信号が演算処理制御部へ与えら
れて周波数解析及びエンベロープ解析から被測定流体の
流速分布及び密度分布又は濃度分布が計算される。
【０００７】請求項２に対応する本発明は、管路内を流
れる被測定流体に電磁波又は音波を入射して該被測定流
体の流速および密度又は濃度を測定する測定装置におい
て、プローブ波動を常時発生させる第１の発振回路と、
前記プローブ波動と周波数の異なる所定パルス幅の励起
波動を発生させる第２の発振回路と、前記第１の発振回
路で発生させたプローブ波動を管路内に入射する出力部
と、前記管路内を伝搬したプローブ波動を受信すると共
に前記第２の発振回路で発生させた励起波動を管路内に
出力する入出力部と、この入出力部が受信した波動信号
が入力し前記プローブ波動の伝搬経路上を前記励起波動
が伝搬する際の前記被測定流体の非線形効果により発生
する信号に対応した周波数帯域を選択増幅する選択増幅
部と、この選択増幅部から出力された管路内速度分布に
よって周波数変調されている信号を復調して管路内の速
度分布を求める手段と、前記選択増幅部から出力された
管路内密度又は濃度分布によって振幅変調されている信
号を復調して管路内の密度又は濃度分布を求める手段と
を備える。
れる被測定流体に電磁波又は音波を入射して該被測定流
体の流速および密度又は濃度を測定する測定装置におい
て、プローブ波動を常時発生させる第１の発振回路と、
前記プローブ波動と周波数の異なる所定パルス幅の励起
波動を発生させる第２の発振回路と、前記第１の発振回
路で発生させたプローブ波動を管路内に入射する出力部
と、前記管路内を伝搬したプローブ波動を受信すると共
に前記第２の発振回路で発生させた励起波動を管路内に
出力する入出力部と、この入出力部が受信した波動信号
が入力し前記プローブ波動の伝搬経路上を前記励起波動
が伝搬する際の前記被測定流体の非線形効果により発生
する信号に対応した周波数帯域を選択増幅する選択増幅
部と、この選択増幅部から出力された管路内速度分布に
よって周波数変調されている信号を復調して管路内の速
度分布を求める手段と、前記選択増幅部から出力された
管路内密度又は濃度分布によって振幅変調されている信
号を復調して管路内の密度又は濃度分布を求める手段と
を備える。
【０００８】本発明によれば、出力部よりプローブ波動
を管路内流体に入射している状態で励起波動をプローブ
波動の伝搬経路と同一経路に入出力部より入射すること
により、被測定流体の非線形効果により信号が発生し、
プローブ波動と共に入出力部で受信される。非線形効果
により発生した信号はパス上の管路内速度分布によって
周波数変調されているので、この周波数変調されている
信号を復調することにより管路内の速度分布が求められ
る。また、非線形効果により発生した信号はパス上の管
路内濃度または密度分布によって振幅変調されているの
で、この振幅変調されている信号を復調することにより
管路内の密度または濃度分布が求められる。
を管路内流体に入射している状態で励起波動をプローブ
波動の伝搬経路と同一経路に入出力部より入射すること
により、被測定流体の非線形効果により信号が発生し、
プローブ波動と共に入出力部で受信される。非線形効果
により発生した信号はパス上の管路内速度分布によって
周波数変調されているので、この周波数変調されている
信号を復調することにより管路内の速度分布が求められ
る。また、非線形効果により発生した信号はパス上の管
路内濃度または密度分布によって振幅変調されているの
で、この振幅変調されている信号を復調することにより
管路内の密度または濃度分布が求められる。
【０００９】請求項３に対応する本発明は、管路内を流
れる被測定流体に電磁波又は音波を入射して該被測定流
体の流速および密度又は濃度を測定する測定装置におい
て、所定パルス幅のプローブ波動を発生させる第１の発
振回路と、前記プローブ波動と周波数の異なる励起波動
を常時発生する第２の発振回路と、この第２の発振回路
で発生させた励起波動を管路内に入射する出力部と、前
記管路内を伝搬した励起波動を受信すると共に前記第１
の発振回路で発生させたプローブ波動を管路内に出力す
る入出力部と、この入出力部が受信した波動信号が入力
し前記励起波動の伝搬経路上を前記プローブ波動が伝搬
する際の前記被測定流体の非線形効果により発生する信
号に対応した周波数帯域を選択増幅する選択増幅部と、
この選択増幅部から出力された信号の周波数解析及びエ
ンベロープ解析から前記被測定流体の流速分布及び密度
分布又は濃度分布を計算する演算処理制御部とを備え
る。
れる被測定流体に電磁波又は音波を入射して該被測定流
体の流速および密度又は濃度を測定する測定装置におい
て、所定パルス幅のプローブ波動を発生させる第１の発
振回路と、前記プローブ波動と周波数の異なる励起波動
を常時発生する第２の発振回路と、この第２の発振回路
で発生させた励起波動を管路内に入射する出力部と、前
記管路内を伝搬した励起波動を受信すると共に前記第１
の発振回路で発生させたプローブ波動を管路内に出力す
る入出力部と、この入出力部が受信した波動信号が入力
し前記励起波動の伝搬経路上を前記プローブ波動が伝搬
する際の前記被測定流体の非線形効果により発生する信
号に対応した周波数帯域を選択増幅する選択増幅部と、
この選択増幅部から出力された信号の周波数解析及びエ
ンベロープ解析から前記被測定流体の流速分布及び密度
分布又は濃度分布を計算する演算処理制御部とを備え
る。
【００１０】本発明によれば、出力部より励起波動を管
路内流体に入射している状態でプローブ波動をほぼ励起
波動の伝搬経路と同一経路に入出力部より入射すること
により、被測定流体の非線形効果により信号が発生し、
励起波動と共に入出力部で受信される。励起波動の伝搬
経路上をプローブ波動が伝搬する際の被測定流体の非線
形効果により発生する信号に対応した周波数帯域が設定
されている選択増幅部に対して入出力部が受信した波動
信号を入力することにより、非線形効果により発生した
信号だけが選択増幅されて取り出される。選択増幅部で
選択増幅された信号が演算処理制御部へ与えられて周波
数解析及びエンベロープ解析から被測定流体の流速分布
及び密度分布又は濃度分布が計算される。
路内流体に入射している状態でプローブ波動をほぼ励起
波動の伝搬経路と同一経路に入出力部より入射すること
により、被測定流体の非線形効果により信号が発生し、
励起波動と共に入出力部で受信される。励起波動の伝搬
経路上をプローブ波動が伝搬する際の被測定流体の非線
形効果により発生する信号に対応した周波数帯域が設定
されている選択増幅部に対して入出力部が受信した波動
信号を入力することにより、非線形効果により発生した
信号だけが選択増幅されて取り出される。選択増幅部で
選択増幅された信号が演算処理制御部へ与えられて周波
数解析及びエンベロープ解析から被測定流体の流速分布
及び密度分布又は濃度分布が計算される。
【００１１】請求項４に対応する本発明は、管路内を流
れる被測定流体に電磁波又は音波を入射して該被測定流
体の流速および密度又は濃度を測定する測定装置におい
て、所定パルス幅のプローブ波動を発生させる第１の発
振回路と、前記プローブ波動と周波数の異なる励起波動
を常時発生する第２の発振回路と、この第２の発振回路
で発生させた励起波動を管路内に入射する出力部と、前
記管路内を伝搬した励起波動を受信すると共に前記第１
の発振回路で発生させたプローブ波動を管路内に出力す
る入出力部と、この入出力部が受信した波動信号が入力
し前記励起波動の伝搬経路上を前記プローブ波動が伝搬
する際の前記被測定流体の非線形効果により発生する信
号に対応した周波数帯域を選択増幅する選択増幅部と、
この選択増幅部から出力された管路内速度分布によって
周波数変調されている信号を復調して管路内の速度分布
を求める手段と、前記選択増幅部から出力された管路内
密度又は濃度分布によって振幅変調されている信号を復
調して管路内の密度又は濃度分布を求める手段とを具備 本発明によれば、出力部より励起波動を管路内流体に入
射している状態でプローブ波動を励起波動の伝搬経路と
同一経路に入出力部より入射することにより、被測定流
体の非線形効果により信号が発生し、励起波動と共に入
出力部で受信される。非線形効果により発生した信号は
パス上の管路内速度分布によって周波数変調されている
ので、この周波数変調されている信号を復調することに
より管路内の速度分布が求められる。また、非線形効果
により発生した信号はパス上の管路内濃度または密度分
布によって振幅変調されているので、この振幅変調され
ている信号を復調することにより管路内の密度または濃
度分布が求められる。
れる被測定流体に電磁波又は音波を入射して該被測定流
体の流速および密度又は濃度を測定する測定装置におい
て、所定パルス幅のプローブ波動を発生させる第１の発
振回路と、前記プローブ波動と周波数の異なる励起波動
を常時発生する第２の発振回路と、この第２の発振回路
で発生させた励起波動を管路内に入射する出力部と、前
記管路内を伝搬した励起波動を受信すると共に前記第１
の発振回路で発生させたプローブ波動を管路内に出力す
る入出力部と、この入出力部が受信した波動信号が入力
し前記励起波動の伝搬経路上を前記プローブ波動が伝搬
する際の前記被測定流体の非線形効果により発生する信
号に対応した周波数帯域を選択増幅する選択増幅部と、
この選択増幅部から出力された管路内速度分布によって
周波数変調されている信号を復調して管路内の速度分布
を求める手段と、前記選択増幅部から出力された管路内
密度又は濃度分布によって振幅変調されている信号を復
調して管路内の密度又は濃度分布を求める手段とを具備 本発明によれば、出力部より励起波動を管路内流体に入
射している状態でプローブ波動を励起波動の伝搬経路と
同一経路に入出力部より入射することにより、被測定流
体の非線形効果により信号が発生し、励起波動と共に入
出力部で受信される。非線形効果により発生した信号は
パス上の管路内速度分布によって周波数変調されている
ので、この周波数変調されている信号を復調することに
より管路内の速度分布が求められる。また、非線形効果
により発生した信号はパス上の管路内濃度または密度分
布によって振幅変調されているので、この振幅変調され
ている信号を復調することにより管路内の密度または濃
度分布が求められる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。 （第１の実施形態）図１は、第１の実施形態に係る流体
測定装置を示す図である。
て説明する。 （第１の実施形態）図１は、第１の実施形態に係る流体
測定装置を示す図である。
【００１３】この流体測定装置は、測定管１の内部を管
軸方向へ流れる被測定流体２の密度及び流速の双方を測
定可能に構成されている。第１の発振回路３で所定周波
数のプローブ波動を発生させる。第１の発振回路３は、
音波を使用する場合は水晶発振子で構成し、電磁波を使
用する場合はガンダイオードで構成し、光を使用する場
合はレーザダイオードで構成することができる。
軸方向へ流れる被測定流体２の密度及び流速の双方を測
定可能に構成されている。第１の発振回路３で所定周波
数のプローブ波動を発生させる。第１の発振回路３は、
音波を使用する場合は水晶発振子で構成し、電磁波を使
用する場合はガンダイオードで構成し、光を使用する場
合はレーザダイオードで構成することができる。
【００１４】測定管１には、第１の発振回路３で発生さ
せたプローブ波動を管路内へ入射するための出力部４が
設けられている。出力部４は、管路内に出力するプロー
ブ波動を制御するのに適合させたアンテナ、レンズ系な
どで構成され、プローブ波動を効率良く入射させるため
に波動インピーダンスを流体媒質とできる限り整合させ
るためのインピーダンス変換器が備えられている。音波
を使用する場合は、出力部４において電気／音波変換を
行う必要があるので、例えば磁気歪み効果又は圧電効果
を利用した電気／音響変換素子が備えられる。
せたプローブ波動を管路内へ入射するための出力部４が
設けられている。出力部４は、管路内に出力するプロー
ブ波動を制御するのに適合させたアンテナ、レンズ系な
どで構成され、プローブ波動を効率良く入射させるため
に波動インピーダンスを流体媒質とできる限り整合させ
るためのインピーダンス変換器が備えられている。音波
を使用する場合は、出力部４において電気／音波変換を
行う必要があるので、例えば磁気歪み効果又は圧電効果
を利用した電気／音響変換素子が備えられる。
【００１５】測定管１には、出力部４が管路内へ入射し
たプローブ波動を受信し得る場所に入出力部５が設けら
れている。入出力部５は、上記した出力部４と同様に構
成されている。入出力部５でプローブ波動を受信すると
共に第２の発振回路６が発生させた励起波動を管路内へ
入射する。
たプローブ波動を受信し得る場所に入出力部５が設けら
れている。入出力部５は、上記した出力部４と同様に構
成されている。入出力部５でプローブ波動を受信すると
共に第２の発振回路６が発生させた励起波動を管路内へ
入射する。
【００１６】第２の発振回路６は、上記した第１の発振
回路３と同様に構成されており、プローブ波動と異なる
周波数の励起波動を発生することができる。第２の発振
回路６が発生した励起波動をサーキュレータ７を介して
入出力部５に入力している。
回路３と同様に構成されており、プローブ波動と異なる
周波数の励起波動を発生することができる。第２の発振
回路６が発生した励起波動をサーキュレータ７を介して
入出力部５に入力している。
【００１７】サーキュレータ７は、入出力部５における
入出力信号の信号分離を行う部分である。このサーキュ
レータ７はファラデー回転を利用したものであり、第２
の発振回路６からの出力信号（励起波動）を入出力部５
の方向だけに伝搬し、逆に入出力部５からの信号はフィ
ルタ方向にのみ伝搬する。サーキュレータ７は、測定に
光を使用する場合は方向性結合器が必要となるが、音波
を使用する場合は必ずしも必要でない。
入出力信号の信号分離を行う部分である。このサーキュ
レータ７はファラデー回転を利用したものであり、第２
の発振回路６からの出力信号（励起波動）を入出力部５
の方向だけに伝搬し、逆に入出力部５からの信号はフィ
ルタ方向にのみ伝搬する。サーキュレータ７は、測定に
光を使用する場合は方向性結合器が必要となるが、音波
を使用する場合は必ずしも必要でない。
【００１８】入出力部５からサーキュレータ７へ入力し
てフィルタ方向に出力された信号を選択増幅部８に入力
している。選択増幅部８は、予め設定された周波数帯域
の信号を選択して増幅するフィルタとして機能する。選
択増幅部８は増幅対象が電気信号であればインダクタン
ス、コンデンサ、抵抗などの集中定数型の部品、又はス
トリップ線路、導波管などの分布定数型の部品からなる
フィルタで構成することができる。また、測定に光を使
用するの場合は選択増幅部８のフロントエンド部に光／
電気変換を行うためのフォトダイオードなどを配置して
電気信号に変換してから選択増幅部８に入力する。選択
増幅部８の出力信号をＡ／Ｄ変換部９でデジタル信号に
変換してから演算処理制御部１０へ入力している。
てフィルタ方向に出力された信号を選択増幅部８に入力
している。選択増幅部８は、予め設定された周波数帯域
の信号を選択して増幅するフィルタとして機能する。選
択増幅部８は増幅対象が電気信号であればインダクタン
ス、コンデンサ、抵抗などの集中定数型の部品、又はス
トリップ線路、導波管などの分布定数型の部品からなる
フィルタで構成することができる。また、測定に光を使
用するの場合は選択増幅部８のフロントエンド部に光／
電気変換を行うためのフォトダイオードなどを配置して
電気信号に変換してから選択増幅部８に入力する。選択
増幅部８の出力信号をＡ／Ｄ変換部９でデジタル信号に
変換してから演算処理制御部１０へ入力している。
【００１９】演算処理制御部１０は、前記デジタル化さ
れた信号を図示していないメモリに記憶すると共に、そ
のメモリから必要な情報を読出して後述する演算処理に
より管路内流体の速度分布及び密度分布を計算する。
れた信号を図示していないメモリに記憶すると共に、そ
のメモリから必要な情報を読出して後述する演算処理に
より管路内流体の速度分布及び密度分布を計算する。
【００２０】次に、以上のように構成された本実施形態
の動作について説明する。本実施形態では、プローブ波
動と励起波動の相互作用の管路内分布を入出力部５で時
系列信号として検出する。
の動作について説明する。本実施形態では、プローブ波
動と励起波動の相互作用の管路内分布を入出力部５で時
系列信号として検出する。
【００２１】まず、プローブ波動は周波数ｆｐで定常的
に一定振幅で出力部側から管路内に出力される。プロー
ブ波動の振幅は、管路内の流体媒質との相互作用が線形
現象とみなせる程度に小さな値に設定する。また、励起
波動はプローブ波動周波数とは異なる周波数ｆｅの短い
パルス幅で入出力部側から管路内に出力される。励起波
動の振幅は、流体媒質との非線形相互作用が期待できる
程度に大きい値に設定する。
に一定振幅で出力部側から管路内に出力される。プロー
ブ波動の振幅は、管路内の流体媒質との相互作用が線形
現象とみなせる程度に小さな値に設定する。また、励起
波動はプローブ波動周波数とは異なる周波数ｆｅの短い
パルス幅で入出力部側から管路内に出力される。励起波
動の振幅は、流体媒質との非線形相互作用が期待できる
程度に大きい値に設定する。
【００２２】演算処理制御部１０から第２の発振回路６
に対して励起波動を発生するように指令を与える。この
とき、すでに管路内には第１の発振回路３から発生して
出力部４より管路内に入射したプローブ波動が励起波動
の通過するパス上に定常的に存在している。
に対して励起波動を発生するように指令を与える。この
とき、すでに管路内には第１の発振回路３から発生して
出力部４より管路内に入射したプローブ波動が励起波動
の通過するパス上に定常的に存在している。
【００２３】第２の発振回路６から発生した励起波動が
入出力部５から管路内に入射して流体２中を伝搬すると
き、励起波動と流体媒質との非線形作用により伝搬経路
に存在する媒質の伝搬定数に応じた２次効果が発生す
る。電磁波の場合は複素誘電率、音波の場合は密度の影
響が２次効果に反映される。２次効果はプローブ波動の
存在によりプローブ波動と励起波動との周波数の和（ｆ
ａ＋ｆｅ）、及び差（ｆｅ−ｆａ）の周波数を持った信
号を発生する。
入出力部５から管路内に入射して流体２中を伝搬すると
き、励起波動と流体媒質との非線形作用により伝搬経路
に存在する媒質の伝搬定数に応じた２次効果が発生す
る。電磁波の場合は複素誘電率、音波の場合は密度の影
響が２次効果に反映される。２次効果はプローブ波動の
存在によりプローブ波動と励起波動との周波数の和（ｆ
ａ＋ｆｅ）、及び差（ｆｅ−ｆａ）の周波数を持った信
号を発生する。
【００２４】例えば、電磁波を使用する場合であれば、
その場の電界強度をＥ、非線形の電気感受率をｘ１，ｘ
２…とすると、電気分極Ｐは Ｐ＝εｏ（ｘ１・Ｅ＋ｘ２・ＥＥ＋…） となる。Ｅはプローブ波動と励起波動との和であり、Ｅ
Ｅの積の結果両周波数の和、差の信号が発生する。
その場の電界強度をＥ、非線形の電気感受率をｘ１，ｘ
２…とすると、電気分極Ｐは Ｐ＝εｏ（ｘ１・Ｅ＋ｘ２・ＥＥ＋…） となる。Ｅはプローブ波動と励起波動との和であり、Ｅ
Ｅの積の結果両周波数の和、差の信号が発生する。
【００２５】励起波動がプローブ波動の定常的に存在し
ているパス上を通過することによる非線形効果の結果発
生した信号は、プローブ波動の一部として入出力部５で
受信される。
ているパス上を通過することによる非線形効果の結果発
生した信号は、プローブ波動の一部として入出力部５で
受信される。
【００２６】ここで、入出力部５から入射した励起波動
が出力部４に近付くに従い、励起波動による非線形効果
で発生した信号が入出力部５に到達する時間は遅くな
る。このため、非線形効果の位置分布が励起波動の移動
により時系列信号に変換される。実際の励起波動は有限
幅の信号であるが、入出力部５に到達する非線形効果に
より発生する信号Ｓｎは、伝搬定数の位置分布Ｋと励起
波動Ｓｅとのコンボルーションとして下記のように表せ
る。
が出力部４に近付くに従い、励起波動による非線形効果
で発生した信号が入出力部５に到達する時間は遅くな
る。このため、非線形効果の位置分布が励起波動の移動
により時系列信号に変換される。実際の励起波動は有限
幅の信号であるが、入出力部５に到達する非線形効果に
より発生する信号Ｓｎは、伝搬定数の位置分布Ｋと励起
波動Ｓｅとのコンボルーションとして下記のように表せ
る。
【００２７】
【数１】
【００２８】従って、励起波動Ｓｅは既知であり、信号
Ｓｎは測定により得られるので、上式より理論的には、
管路内において励起波動のパス上に存在する媒質の伝搬
定数の位置分布Ｋを求めることができる。
Ｓｎは測定により得られるので、上式より理論的には、
管路内において励起波動のパス上に存在する媒質の伝搬
定数の位置分布Ｋを求めることができる。
【００２９】入出力部５で受信されたプローブ波動は本
来の信号と非線形効果で発生した信号とが含まれてい
る。ここでは、プローブ波動と励起波動との周波数の差
を持つ信号を励起波動による非線形効果で発生した信号
として取り出す。このため選択増幅部８にて（ｆｅ−ｆ
ｐ）の周波数帯域を選択増幅して抽出し、位置分布情報
を持った時系列信号を取り出す。
来の信号と非線形効果で発生した信号とが含まれてい
る。ここでは、プローブ波動と励起波動との周波数の差
を持つ信号を励起波動による非線形効果で発生した信号
として取り出す。このため選択増幅部８にて（ｆｅ−ｆ
ｐ）の周波数帯域を選択増幅して抽出し、位置分布情報
を持った時系列信号を取り出す。
【００３０】選択増幅部８にて増幅された信号はＡ／Ｄ
変換部９でデジタル信号に変換されて演算処理制御部１
０に入力される。演算処理制御部１０はその周波数、位
相、振幅変化を測定し、流速、流体の密度、更に管路内
の体積流量、質量流量に変換して出力する。
変換部９でデジタル信号に変換されて演算処理制御部１
０に入力される。演算処理制御部１０はその周波数、位
相、振幅変化を測定し、流速、流体の密度、更に管路内
の体積流量、質量流量に変換して出力する。
【００３１】演算処理制御部１０での演算内容について
以下に説明する。非線形効果で発生する信号だけに着目
する。なお、出力部４と入出力部５の相対位置関係は、
図２に示すように管軸方向に所定距離ずれた位置関係を
持っているものとする。
以下に説明する。非線形効果で発生する信号だけに着目
する。なお、出力部４と入出力部５の相対位置関係は、
図２に示すように管軸方向に所定距離ずれた位置関係を
持っているものとする。
【００３２】流速の演算処理について説明する。一般
に、媒質中を伝搬する波動には、その媒質の移動に伴い
その場所における移動速度（流速）に対応したドップラ
ーシフトを受けて周波数シフトが生じることが知られて
いる。これはプローブ波動、励起波動とも同様である。
従って、プローブ波動及び励起波動の周波数は流速分布
を現す位置の関数ｆｐ（ｘ）、ｆｅ（ｘ）となる。本装
置では管路内における位置の分布が時系列信号に変換さ
れるため周波数の時間変化として速度分布が測定され
る。従って、選択増幅部８の信号の周波数分布を演算処
理部１０にて分析すればよい。また、選択増幅部８の出
力信号は流速分布を周波数変調した信号としてとらえる
ことができ、復調することによって流速分布を求めるこ
とも可能である。
に、媒質中を伝搬する波動には、その媒質の移動に伴い
その場所における移動速度（流速）に対応したドップラ
ーシフトを受けて周波数シフトが生じることが知られて
いる。これはプローブ波動、励起波動とも同様である。
従って、プローブ波動及び励起波動の周波数は流速分布
を現す位置の関数ｆｐ（ｘ）、ｆｅ（ｘ）となる。本装
置では管路内における位置の分布が時系列信号に変換さ
れるため周波数の時間変化として速度分布が測定され
る。従って、選択増幅部８の信号の周波数分布を演算処
理部１０にて分析すればよい。また、選択増幅部８の出
力信号は流速分布を周波数変調した信号としてとらえる
ことができ、復調することによって流速分布を求めるこ
とも可能である。
【００３３】流体密度の演算原理について説明する。流
体媒質の濃度は非線形効果の強さを決定する。すなわ
ち、濃度の分布は非線形効果で発生する信号に対して振
幅変調を与えることになる。従って、演算処理制御部１
０では選択増幅部８の出力信号の振幅変化を分析するこ
とによって濃度分布を測定することができる。また、選
択増幅部８の出力信号は濃度分布を振幅変調した信号と
してとらえることができ、復調することによって濃度分
布を計算することができる。
体媒質の濃度は非線形効果の強さを決定する。すなわ
ち、濃度の分布は非線形効果で発生する信号に対して振
幅変調を与えることになる。従って、演算処理制御部１
０では選択増幅部８の出力信号の振幅変化を分析するこ
とによって濃度分布を測定することができる。また、選
択増幅部８の出力信号は濃度分布を振幅変調した信号と
してとらえることができ、復調することによって濃度分
布を計算することができる。
【００３４】このように本実施形態によれば、管路内に
おける励起波動のパス上にプローブ波動を定常的に存在
させて、当該パス上を逆方向から励起波動を伝搬させる
ことにより非線形効果を生じさせ、非線形効果の結果発
生した信号を取り出して周波数分析及び振幅変化分析す
るようにしたので、周波数変調された速度分布を求める
ことができると共に振幅変調された濃度分布を求めるこ
とができる。
おける励起波動のパス上にプローブ波動を定常的に存在
させて、当該パス上を逆方向から励起波動を伝搬させる
ことにより非線形効果を生じさせ、非線形効果の結果発
生した信号を取り出して周波数分析及び振幅変化分析す
るようにしたので、周波数変調された速度分布を求める
ことができると共に振幅変調された濃度分布を求めるこ
とができる。
【００３５】（第２の実施形態）図３は第２の実施形態
に係る流体測定装置の構成が示されている。この流体測
定装置は、第２の発振回路１１から常時出力される励起
波動を出力部４へ送信し、第１の発振回路１２から出力
される一定幅のプローブ波動をサーキュレータ１３を介
して入出力部５へ送信するように構成している。但し、
この場合は常時振幅の大きい励起波動が管路内に入射し
ているため、常に非線形効果が発生しており、プローブ
波動が入射して発生した信号が明らかに選択増幅部１４
で区別ができるように十分な周波数差となるよう励起波
動とプローブ波動の周波数を設計しておく必要がある。
に係る流体測定装置の構成が示されている。この流体測
定装置は、第２の発振回路１１から常時出力される励起
波動を出力部４へ送信し、第１の発振回路１２から出力
される一定幅のプローブ波動をサーキュレータ１３を介
して入出力部５へ送信するように構成している。但し、
この場合は常時振幅の大きい励起波動が管路内に入射し
ているため、常に非線形効果が発生しており、プローブ
波動が入射して発生した信号が明らかに選択増幅部１４
で区別ができるように十分な周波数差となるよう励起波
動とプローブ波動の周波数を設計しておく必要がある。
【００３６】出力部４から管路内に常時入射している励
起波動のパス上を入出力部５から一定幅のプローブ波動
が伝搬すると、上記第１の実施形態と同様に被線形効果
による信号が発生して入出力部５で受信される。この受
信信号をサーキュレータ１３を通して選択増幅部１４に
入力して選択増幅した後、ＦＭ変調／復調回路１５で周
波数変調されている速度分布を復調してからＡ／Ｄ変換
部１６でデジタル信号に変換してから演算処理制御部１
７へ入力する。また、選択増幅部１４で選択増幅した信
号をＡＭ変調／復調回路１８で振幅変調されている濃度
分布を復調してからＡ／Ｄ変換部１９でデジタル信号に
変換してから演算処理制御部１７へ入力する。
起波動のパス上を入出力部５から一定幅のプローブ波動
が伝搬すると、上記第１の実施形態と同様に被線形効果
による信号が発生して入出力部５で受信される。この受
信信号をサーキュレータ１３を通して選択増幅部１４に
入力して選択増幅した後、ＦＭ変調／復調回路１５で周
波数変調されている速度分布を復調してからＡ／Ｄ変換
部１６でデジタル信号に変換してから演算処理制御部１
７へ入力する。また、選択増幅部１４で選択増幅した信
号をＡＭ変調／復調回路１８で振幅変調されている濃度
分布を復調してからＡ／Ｄ変換部１９でデジタル信号に
変換してから演算処理制御部１７へ入力する。
【００３７】このような本実施の形態によっても、上記
した第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることがで
きる。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形実施可能で
ある。
した第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることがで
きる。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形実施可能で
ある。
【００３８】
【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、電
磁波あるいは音波を利用して管路内の流体速度と密度あ
るいは濃度を同時に測定することができ、しかも管路内
の被測定物理量の管路内分布まで測定することのできる
流体測定装置を提供できる。
磁波あるいは音波を利用して管路内の流体速度と密度あ
るいは濃度を同時に測定することができ、しかも管路内
の被測定物理量の管路内分布まで測定することのできる
流体測定装置を提供できる。
【図１】本発明の第１の実施形態に係る流体測定装置の
全体構成図である。
全体構成図である。
【図２】第１の実施形態における出力部と入出力部との
配置関係を示す図である。
配置関係を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る流体測定装置の
全体構成図である。
全体構成図である。
【符号の説明】 １…測定管、２…被測定流体、３，１２…第１の発振回
路、４…出力部、５…入出力部、６，１１…第２の発振
回路、７，１３…サーキュレータ、８，１４…選択増幅
部、９，１６，１９…Ａ／Ｄ変換部、１０，１７…演算
処理制御部、１５…ＦＭ変調／復調回路、１８…ＡＭ変
調／復調回路。
路、４…出力部、５…入出力部、６，１１…第２の発振
回路、７，１３…サーキュレータ、８，１４…選択増幅
部、９，１６，１９…Ａ／Ｄ変換部、１０，１７…演算
処理制御部、１５…ＦＭ変調／復調回路、１８…ＡＭ変
調／復調回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01P 5/00 G01F 1/66 101 G01N 9/24
Claims (4)
- 【請求項１】 管路内を流れる被測定流体に電磁波又は
音波を入射して該被測定流体の流速および密度又は濃度
を測定する測定装置において、 プローブ波動を常時発生させる第１の発振回路と、前記
プローブ波動と周波数の異なる所定パルス幅の励起波動
を発生させる第２の発振回路と、前記第１の発振回路で
発生させたプローブ波動を管路内に入射する出力部と、
前記管路内を伝搬したプローブ波動を受信すると共に前
記第２の発振回路で発生させた励起波動を管路内に出力
する入出力部と、この入出力部が受信した波動信号が入
力し前記プローブ波動の伝搬経路上を前記励起波動が伝
搬する際の前記被測定流体の非線形効果により発生する
信号に対応した周波数帯域を選択増幅する選択増幅部
と、この選択増幅部から出力された信号の周波数解析及
びエンベロープ解析から前記被測定流体の流速分布及び
密度分布又は濃度分布を計算する演算処理制御部とを具
備したことを特徴とする管路内流体の測定装置。 - 【請求項２】 管路内を流れる被測定流体に電磁波又は
音波を入射して該被測定流体の流速および密度又は濃度
を測定する測定装置において、 プローブ波動を常時発生させる第１の発振回路と、前記
プローブ波動と周波数の異なる所定パルス幅の励起波動
を発生させる第２の発振回路と、前記第１の発振回路で
発生させたプローブ波動を管路内に入射する出力部と、
前記管路内を伝搬したプローブ波動を受信すると共に前
記第２の発振回路で発生させた励起波動を管路内に出力
する入出力部と、この入出力部が受信した波動信号が入
力し前記プローブ波動の伝搬経路上を前記励起波動が伝
搬する際の前記被測定流体の非線形効果により発生する
信号に対応した周波数帯域を選択増幅する選択増幅部
と、この選択増幅部から出力された管路内速度分布によ
って周波数変調されている信号を復調して管路内の速度
分布を求める手段と、前記選択増幅部から出力された管
路内密度又は濃度分布によって振幅変調されている信号
を復調して管路内の密度又は濃度分布を求める手段とを
具備したことを特徴とする管路内流体の測定装置。 - 【請求項３】 管路内を流れる被測定流体に電磁波又は
音波を入射して該被測定流体の流速および密度又は濃度
を測定する測定装置において、 所定パルス幅のプローブ波動を発生させる第１の発振回
路と、前記プローブ波動と周波数の異なる励起波動を常
時発生する第２の発振回路と、この第２の発振回路で発
生させた励起波動を管路内に入射する出力部と、前記管
路内を伝搬した励起波動を受信すると共に前記第１の発
振回路で発生させたプローブ波動を管路内に出力する入
出力部と、この入出力部が受信した波動信号が入力し前
記励起波動の伝搬経路上を前記プローブ波動が伝搬する
際の前記被測定流体の非線形効果により発生する信号に
対応した周波数帯域を選択増幅する選択増幅部と、この
選択増幅部から出力された信号の周波数解析及びエンベ
ロープ解析から前記被測定流体の流速分布及び密度分布
又は濃度分布を計算する演算処理制御部とを具備したこ
とを特徴とする管路内流体の測定装置。 - 【請求項４】 管路内を流れる被測定流体に電磁波又は
音波を入射して該被測定流体の流速および密度又は濃度
を測定する測定装置において、 所定パルス幅のプローブ波動を発生させる第１の発振回
路と、前記プローブ波動と周波数の異なる励起波動を常
時発生する第２の発振回路と、この第２の発振回路で発
生させた励起波動を管路内に入射する出力部と、前記管
路内を伝搬した励起波動を受信すると共に前記第１の発
振回路で発生させたプローブ波動を管路内に出力する入
出力部と、この入出力部が受信した波動信号が入力し前
記励起波動の伝搬経路上を前記プローブ波動が伝搬する
際の前記被測定流体の非線形効果により発生する信号に
対応した周波数帯域を選択増幅する選択増幅部と、この
選択増幅部から出力された管路内速度分布によって周波
数変調されている信号を復調して管路内の速度分布を求
める手段と、前記選択増幅部から出力された管路内密度
又は濃度分布によって振幅変調されている信号を復調し
て管路内の密度又は濃度分布を求める手段とを具備した
ことを特徴とする管路内流体の測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11639396A JP3281259B2 (ja) | 1996-05-10 | 1996-05-10 | 管路内流体の測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11639396A JP3281259B2 (ja) | 1996-05-10 | 1996-05-10 | 管路内流体の測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09304419A JPH09304419A (ja) | 1997-11-28 |
| JP3281259B2 true JP3281259B2 (ja) | 2002-05-13 |
Family
ID=14685929
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11639396A Expired - Fee Related JP3281259B2 (ja) | 1996-05-10 | 1996-05-10 | 管路内流体の測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3281259B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003139722A (ja) * | 2001-11-01 | 2003-05-14 | Toshiba Corp | マイクロ波式濃度計 |
-
1996
- 1996-05-10 JP JP11639396A patent/JP3281259B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09304419A (ja) | 1997-11-28 |
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