JP3579853B2

JP3579853B2 - 超音波渦流量計

Info

Publication number: JP3579853B2
Application number: JP20920596A
Authority: JP
Inventors: 豊稲田
Original assignee: トキコテクノ株式会社
Priority date: 1996-07-19
Filing date: 1996-07-19
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2016-07-19
Also published as: JPH1038647A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を計測する超音波渦流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波渦流量計の一例として、図５に示す超音波渦流量計がある。図において、流体が流れる管１内には、渦発生柱２が設けられており、両側に交番的にカルマン渦を発生させるようになっている。管１には、超音波送・受信器３，４からなる超音波センサ５が設けられている。超音波送・受信器３，４は、管１内の渦発生領域を間にして相対向して管１の壁に取り付けられている。
【０００３】
超音波送・受信器３，４に接続して流量検出回路６が設けられている。流量検出回路６は、超音波送・受信器３，４間の超音波伝搬特性の変化に基づいて渦信号Ｕを求め、渦信号出力端子７から渦信号Ｕを出力する。
渦信号出力端子７は、フォトカプラ８を介して演算増幅器９の正相入力端子９ａに接続されている。
【０００４】
演算増幅器９の出力端子９ｃは、抵抗１０を介して電流制御回路を構成するＦＥＴ１１のゲート１１ａに接続されている。ＦＥＴ１１のドレイン１１ｂは、外部電源端子（以下、第１端子という。）１２に接続されている。ＦＥＴ１１のソース１１ｃは、外部機器接続用の端子（以下、第２端子という。）に、電流監視用抵抗Ｒ_ｆを介して分岐するように接続されている。
【０００５】
さらに、流量検出回路６には、外部電源端子（以下、第３端子という。）１６が接続されている。
前記第２端子１４は流量信号出力端子１８に接続され、第３端子１６には、接地されたＣＯＭ端子１９が接続されている。流量信号出力端子１８の一端側とＣＯＭ端子１９との間には、電圧変換用抵抗Ｒが介装されている。
第１端子１２は、例えば２４Ｖの一定電圧の直流電源２０の＋極に接続され、ＣＯＭ端子１９は直流電源２０の−極に接続されるようになっている。
【０００６】
第２端子１４からは、渦信号Ｕの電圧に対応する４〜２０ｍＡ（例えば流量０のとき４ｍＡ、最大流量のとき２０ｍＡ）の流量信号Ｄが出力されるようになっている。流量信号出力端子１８には、ディスプレイやレコーダ（図示省略）などが接続され、４〜２０ｍＡに対応するレンジ幅（０〜フルスケール）での表示を行ったり、プリントアウトするようになっている。
前記第１、第２、第３端子１２，１４，１６を含む流量検出回路６、演算増幅器９側の回路を、以下、便宜上、流量計回路２１といい、直流電源２０、ディスプレイ等と区別する。
【０００７】
この超音波渦流量計では、超音波送信器３を一定間隔で間欠的に駆動し、これにより、連続的に駆動する場合に必要とされる大きな消費電力を低減するようにしている。
【０００８】
なお、上述した超音波渦流量計では、第１、第２、第３線路１３，１５，１７を有する上述した３線式の流量計回路２１に代えて、第３線路１７を省略した２線式の流量計回路（図示省略）を採用することが望まれており、その改善のために流量計回路２１の消費電力の低減化を図ることがある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術では、流体の流量に関わらず超音波の間欠駆動間隔を一定にしている。一方、カルマン渦の発生周期を正確に検出するためには、カルマン渦の発生周波数に比して２倍以上の周波数で駆動する必要がある。すなわち、当該流量計で発生し得るカルマン渦の最高周波数は数ｋＨｚと大きいが、このような場合、超音波の駆動周波数は極めて大きなもの（すなわち、駆動周期は極めて短いもの）となり、消費電力の低減化が抑制されることになる。
【００１０】
また、一定間隔で間欠駆動する従来技術において、電力消費の削減のための方策として超音波の発振レベルを小さくすることが考えられる。しかし、この場合、受信信号レベルが低下してしまい、レベル低下を補償するために高倍率ゲイン回路を設ける必要等があり、電力消費の低減を図る上で、適切な改善策になり得ていないのが実情である。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、消費電力の低減化を適切に図ることができる超音波渦流量計を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、流体の流れる管内に設けられた渦発生体と、前記渦の発生領域を間にして相対向して配置される超音波送・受信器からなる超音波センサとを有し、前記超音波送・受信器間の超音波伝搬時間の変化に基づいて渦信号を求め、この渦信号から流体の流量を求める超音波渦流量計において、
前記超音波送信器を間欠的に駆動する駆動手段と、前記渦信号の周波数に比例して前記駆動手段による前記超音波送信器の駆動間隔を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態の超音波渦流量計を図１ないし図４に基づいて説明する。なお、図５に示す部材、部分と同等の部材、部分は同等の符号を付し、その説明は適宜、省略する。
【００１４】
図２において、超音波送・受信器３，４に接続して流量検出回路６が設けられている。流量検出回路６は、図１に示すように、超音波送信器３に接続したドライバ（駆動手段）２２と、ドライバ２２及び超音波受信器４に接続した渦信号検出器２３と、ドライバ２２に接続した駆動間隔制御器２４と、駆動間隔制御器２４を制御する流量−電圧変換器２５とから大略構成されている。
【００１５】
ドライバ２２は、図４に示すように、超音波送信器３に間欠的に駆動信号を出力して超音波送信器３に間欠的に超音波Ａを放射させる。超音波Ａは、渦発生柱２が発生するカルマン渦により影響されて伝搬時間経過後に、超音波受信器４に受信される。超音波受信器４に受信される信号を、便宜上、超音波Ｂとして示す。
渦信号検出器２３は、前記駆動信号、ひいては超音波送信器３が放射する超音波Ａと超音波受信器４が受信する超音波Ｂを比較し、その超音波伝搬特性の変化に基づいて、流体の流量に対応した周波数を有する渦信号Ｕを求め、この渦信号Ｕを渦信号出力端子７に出力する。
【００１６】
駆動間隔制御器２４は、流量−電圧変換器２５からの信号の電圧値に応じた大きさの周波数を出力し、この出力信号に基づいてドライバ２２の駆動間隔を制御する。この場合、流量が大きいときには駆動間隔を短くし、流量の小さいときには駆動間隔を長くしている。上述したように流量の小さいときに駆動間隔を長くするのは、小流量の状態においては発生するカルマン渦の周波数も低くなる（すなわち、周期が長くなる）ことに基づくものである。
流量−電圧変換器２５は、周波数−電圧変換器（図示省略）と係数器（図示省略）とから構成されており、渦信号Ｕの周波数を、この周波数に対応した大きさの電圧に変換し、更に、この電圧に係数をかけることにより、図３に示すように流量に比例した大きさの電圧の信号を、駆動間隔制御器２４に出力する。
【００１７】
渦信号出力端子７は演算増幅器９の正相入力端子９ａに接続されている。
演算増幅器９の出力端子９ｃは、抵抗を介して電流制御回路を構成するＦＥＴ１１のゲート１１ａに接続されている。このＦＥＴ１１の電流制御回路は、電流監視用抵抗Ｒ_ｆからのフィードバックにより、第２端子１４から出力される電流（４〜２０ｍＡ）の安定化を図るようにしている。なお、ＦＥＴ１１に代えて、トランジスタを用いて電流制御回路を構成するようにしてもよい。
【００１８】
ＦＥＴ１１のドレイン１１ｂは、第１端子１２に接続されている。ＦＥＴ１１のソース１１ｃは、第２端子１４に、電流監視用抵抗Ｒ_ｆを介して分岐するように接続されている。
【００１９】
第２端子１４には流量信号出力端子１８が接続されている。流量信号出力端子１８の一端側と接地側との間には、電圧変換用抵抗Ｒが介装されている。
第１端子１２は、例えば２４Ｖの一定電圧の直流電源２０の＋極に接続され、電圧変換用抵抗Ｒの接地側が直流電源２０の−極に接続されるようになっている。
【００２０】
第２端子１４からは、渦信号Ｕの電圧に対応する４〜２０ｍＡ（例えば流量０のとき４ｍＡ、最大流量のとき２０ｍＡ）の流量信号Ｄが出力されるようになっている。流量信号出力端子１８には、ディスプレイやレコーダ（図示省略）などが接続され、４〜２０ｍＡに対応するレンジ幅（０〜フルスケール）での表示を行ったり、プリントアウトするようになっている。
第１、第２端子１２，１４を含む流量検出回路６、演算増幅器９側の回路を、以下、便宜上、流量計回路２１といい、直流電源２０、ディスプレイ等と区別する。
【００２１】
前記流量検出回路６は、４〜２０ｍＡの２線式とされている。このように２線式（４〜２０ｍＡ）とした場合、流量検出回路６で必要とされる電力を、最小信号電流の４ｍＡが供給する。
【００２２】
上述したように構成した超音波渦流量計では、超音波送・受信器３，４間の超音波伝搬特性の変化に基づいて渦信号Ｕを求め、この渦信号Ｕの電圧に対応する４〜２０ｍＡの流量信号Ｄが出力され、流量信号出力端子１８に接続されるディスプレイ等に表示され、流体の流量を計測する。
この際、流量−電圧変換器２５が、渦信号Ｕの周波数をこの周波数に対応した大きさの電圧に変換し、流量に比例した大きさの電圧の信号を、駆動間隔制御器２４に出力し、駆動間隔制御器２４が、流量−電圧変換器２５からの信号の電圧値に応じた大きさの周波数を出力し、この出力信号に基づいてドライバ２２の駆動間隔を制御し、流量が大きいときには駆動間隔を短くし、流量の小さいときには駆動間隔を長くしている。
【００２３】
そして、上述したように流量−電圧変換器２５からの信号、ひいては渦信号Ｕの周波数に基づいてドライバ２２の駆動間隔を制御し、４ｍＡに相当する流量０のように流体の流量が小さいときには、ドライバ２２による超音波送信器３の駆動間隔が長くなるので、超音波Ａの放射に消費される電力が少なくなって、その分、消費電力が抑えられる。
【００２４】
また、超音波送信器３の駆動間隔を制御して、消費電力の低減を図るので、超音波Ａの発振レベルを小さくして電力消費を抑える従来技術に比して、該従来技術で必要とされる高倍率ゲイン回路を設けなくて済んで回路構成が簡易になり、ひいては超音波の受信信号の処理を容易に行えることになる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、超音波送・受信器間の超音波伝搬特性の変化に基づいて得られる渦信号、ひいては流体の流量に基づいて超音波送信器の駆動間隔を制御しているので、流体の流量が小さいときには駆動間隔を長くすることが可能となり、このように設定することにより、その分、超音波放射に消費される電力が少なくなって電力消費の低減化を図ることができる。
超音波送信器の駆動間隔を制御し、超音波の駆動レベルを小さくすることなく消費電力を低減できるので、超音波受信側に高倍率ゲイン回路を設けなくて済んで回路構成が簡易となり、ひいては、超音波受信信号の処理を容易に行えることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の超音波渦流量計を模式的に示す図である。
【図２】同超音波渦流量計の回路構成を模式的に示す図である。
【図３】同超音波渦流量計の流量−電圧変換器の変換特性を示す図である。
【図４】同超音波渦流量計の送、受信超音波、及び渦信号を対応して示す波形図である。
【図５】従来の超音波渦流量計の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１管
２渦発生柱
３超音波送信器
４超音波受信器
５超音波センサ
６流量検出回路
２２ドライバ
２４駆動間隔制御器

Claims

流体の流れる管内に設けられた渦発生体と、前記渦の発生領域を間にして相対向して配置される超音波送・受信器からなる超音波センサとを有し、前記超音波送・受信器間の超音波伝搬時間の変化に基づいて渦信号を求め、この渦信号から流体の流量を求める超音波渦流量計において、
前記超音波送信器を間欠的に駆動する駆動手段と、前記渦信号の周波数に比例して前記駆動手段による前記超音波送信器の駆動間隔を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする超音波渦流量計。