JP3613621B2 - 渦流量計 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を計測する渦流量計に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の渦流量計の一例として、流体の流れる管内にカルマン渦を発生させる渦発生体を設け、超音波の送、受信機能を有する一対の超音波変換器を管路に設け、一対の超音波変換器のうち一方から他方に送信される超音波がカルマン渦に変調されることに基づいて流体の流量を計測するものがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した渦流量計では、一対の超音波変換器のうち一方の超音波変換器から送信された超音波の一部が、管壁を伝搬しカルマン渦に変調されずに他方の超音波変換器に入力され、良好な流量計測が阻害されることが起こり得た。すなわち、例えば管壁を伝搬した超音波の振幅が大きくて受信信号の振幅が大きくなっている場合、受信信号における流体を通過した(すなわち、カルマン渦により変調された)信号の成分の比率が相対的に小さくなるため、位相復調して流量を求めようとしても復調信号の振幅が小さくなり、良好な流量計測を果たせなくなってしまう。
【0004】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、管壁を伝搬する超音波の存否にかかわらず良好な流量計測を行うことができる渦流量計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】
請求項1に係る渦流量計の発明は、流体の流れる管内に設けられカルマン渦を発生させる渦発生体と、超音波の送、受信機能を有し前記カルマン渦発生領域を介して超音波を送受信するように配置された一対の超音波変換器と、前記一対の超音波変換器のうち一方の超音波変換器に駆動信号を出力して超音波を発生させる発振器と、前記駆動信号の周波数を調整する周波数調整器と、前記一対の超音波変換器のうち他方の超音波変換器からの信号を受けて渦信号として出力する渦信号検出器と、前記周波数調整器を制御する制御回路とからなり、前記制御回路は、前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が予め設定された基準振幅値以下の場合には前記駆動信号の周波数を変化させて前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が最大となるように前記周波数調整器を用いて前記駆動信号の周波数を調整し、前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が最大となるように調整された際に前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内に無い場合には、前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内となるように前記周波数調整器を用いて前記駆動信号の周波数を変化させることを特徴とする。
ここで、カルマン渦の周波数と振幅は流速に比例し、送信用超音波変換器で送信された超音波が管を伝搬せず全てカルマン渦を介して受信用超音波変換器に受信された場合、受信信号の周波数と振幅とは一定の対応関係がある。
【0006】
このように構成した渦流量計では、制御回路は、前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が予め設定された基準振幅値以下の場合には前記駆動信号の周波数を変化させて前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が最大となるように前記周波数調整器を用いて前記駆動信号の周波数を調整し、前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が最大となるように調整された際に前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内に無い場合には、前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内となるように前記周波数調整器を用いて前記駆動信号の周波数を変化させる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態の渦流量計を図1ないし図5に基づいて説明する。図1において、流体が流れる管1内には、カルマン渦を発生させる渦発生柱2が設けられている。管1内の渦発生領域を間にして、超音波の送、受信機能を有する一対の超音波変換器3,4が、管1に設けられている。
【0009】
一対の超音波変換器3,4のうち一方の超音波変換器(以下、送信用超音波変換器という。)3に発振回路5が接続されており、駆動信号Aを送信用超音波変換器3に出力して、送信用超音波変換器3の圧電振動体(図示省略)を振動させ超音波を発生させる。
【0010】
送信用超音波変換器3からの超音波が渦発生領域を通ってカルマン渦に変調されて他方の超音波変換器(以下、受信用超音波変換器という。)4に受信される。受信用超音波変換器4には、増幅器6を介して渦信号検出器7及び振幅検出器8が接続されている。
【0011】
渦信号検出器7は、受信用超音波変換器4が受信する信号(増幅器6の出力信号)Bと駆動信号Aとを比較して変調成分を取り出し、渦の発生周波数を示す渦信号Dを出力する。渦信号検出器7には出力回路9が接続されており、パルス状の渦信号を出力し、図示しない計測部がこの渦信号に基づいて流体の流量を求める。
【0012】
振幅検出器8は、増幅器6からの信号に対して包絡線検波を行って振幅検出を行うようになっており、検出したデータ(振幅信号)を演算器(制御回路)10に出力する。演算器10は、振幅信号とあらかじめ設定した基準振幅値とを比較し、振幅信号が基準振幅値以下の場合、周波数指令信号Eを発振回路5に出力して駆動信号Aの周波数を変化(スイープ)させてその送信用超音波変換器3が発生する振動を大きくさせる等の後述する図4に示す演算処理及び制御を行う。
【0013】
前記発振回路5は、図2に示すように基準発振器(発振器)11と、位相比較器12と、この位相比較器12と共に周波数調整器を構成する電圧制御発振器13と、分周器14とから大略構成されている。
【0014】
分周器14は、演算器10に接続されており、周波数指令信号Eを受け、この周波数指令信号Eと同等値の分周比Nを示す信号を位相比較器12に出力する。位相比較器12は、基準発振器11が発生する周波数fの基準信号と分周器14からの信号(分周比N)とが比較され、比較結果に基づいて電圧制御発振器13を制御して周波数Nfの信号を出力させる。この場合、基準信号の周波数をf、分周器14における信号分周比をNとすると、電圧制御発振器13の出力周波数はNfとなる。
分周器14における信号の分周比Nは、周波数指令信号Eの値に等しくなるようにされていることから、周波数指令信号Eにより電圧制御発振器13の出力周波数を制御できることになる。
【0015】
演算器10は、図3に示すように、渦信号検出器7から渦信号Dを入力して、周波数/電圧変換、振幅/電圧変換を行ってそれぞれ周波数データ、振幅データを出力する周波数/電圧変換器15、振幅/電圧変換器16と、渦信号Dの周波数−振幅基準データをあらかじめ格納している記憶回路17と、周波数データ、振幅データと周波数−振幅基準データとを比較し、比較結果に基づいて後述するように周波数指令信号Eを出力する判定回路18とから大略構成されている。前記記憶回路17には、後述するように駆動信号Aの振幅が周波数対応して格納されるようになっている(図4のステップS3)。
【0016】
ここで、カルマン渦の周波数は流速に比例し、カルマン渦の強さ(渦信号Dの振幅に対応する。)は流体密度及び流速の2乗に比例する関係があり、送信用超音波変換器3で送信された超音波が管1を伝搬せず全てカルマン渦を介して受信用超音波変換器4に受信された場合、渦信号Dの周波数と振幅とは例えば図5に示されるような一定の関係がある。前記記憶回路17には、図5の実線で示すような周波数−振幅基準データGが格納されている。そして、送信用超音波変換器3で送信された超音波の一部が管1を伝搬して受信用超音波変換器4に受信された場合、渦信号Dの周波数−振幅特性は実線で示される周波数−振幅基準データGからずれたものになる。本実施の形態では、周波数−振幅基準データGに比して振幅が大きいデータH、小さいデータJの範囲に入る場合を許容範囲とする一方、両データH,Jを超えるような場合、判定回路18は、超えた量に対応する内容の周波数指令信号Eを出力することになる。なお、前記超音波伝搬において、カルマン渦を介して受信される超音波の周波数が数十kHzであるのに対して、管壁伝搬超音波の周波数は数十Hzであることから、周波数指令信号Eにより周波数を数十Hzシフトして適正化を図るようにしている。
【0017】
以上のように構成された渦流量計の作用を、図4に基づいて説明する。
まず、駆動信号Aの振幅が一定値以上であるか否かを判定する(ステップS1)。
ステップS1でNOと判定すると、駆動信号Aの周波数を変化させ(ステップS2)、各周波数毎に駆動信号Aの振幅を格納する(ステップS3)。ステップS3に続いて、駆動信号Aの振幅が最大となる周波数(以下、基本周波数という。)を求め(ステップS4)、駆動信号Aの周波数を基本周波数にセットし(ステップS5)、ステップS6に処理を進める。このように、ステップS1ないしS5の処理を行うことにより、渦信号Dの振幅が低下したような場合に、最大振幅の渦信号Dが得られるように駆動信号Aを調整し、良好な流量計測を図るようにしている。
【0018】
また、ステップS1でYES と判定すると、ステップS6に処理を進める。
ステップS6では、渦信号Dの周波数−振幅特性が前記許容範囲に入っているか否かを判定する。ステップS6でYES と判定すると、処理をステップS1に戻って行う。
【0019】
ステップS6でNOと判定すると、周波数指令信号Eを出力し、位相比較器12、電圧制御発振器13を介して駆動信号Aの周波数を下げる(ステップS7)。続いて、渦信号Dの周波数−振幅特性が許容範囲に入っているかの判定を行う(ステップS8)。ステップS8でNOと判定するとステップS7に戻り、渦信号Dの周波数−振幅特性が許容範囲に入るまで、ステップS7,S8の処理を繰り返して行う。
【0020】
このようにして、渦信号Dの周波数−振幅特性が許容範囲に入っていない場合に、演算器10は渦信号Dの周波数−振幅特性が周波数−振幅基準データGに基づいて設定された許容範囲に入るように位相比較器12、電圧制御発振器13を制御して基本周波数を有する駆動信号Aを出力させるので、仮に管1を超音波が伝搬しても最大振幅の渦信号Dが得られ、ひいては良好な流量計測を図ることができるようになる。また、受信信号に定在波が発生したとしてもこの定在波の影響による渦信号の振幅低下を防止し、良好な流量計測を図ることができる。
【0021】
なお、前記実施の形態では、渦信号Dの周波数−振幅特性に基づいて演算器10が位相比較器12、電圧制御発振器13を制御する場合を例にしたが、これに代えて、渦信号の振幅に基づいて位相比較器12、電圧制御発振器13を制御して基本周波数を有する駆動信号Aを出力させる制御回路を設けてもよい。
【0022】
また、送信用、受信用超音波変換器3,4のうち少なくとも一方の超音波変換器の温度を検出する温度検出器を設け、該温度検出器の温度信号に基づいて位相比較器12、電圧制御発振器13を制御する制御回路を設けてもよい。このように構成することにより送信用、受信用超音波変換器4の温度変化に伴う超音波送受信特性の悪化の改善を図ることができる。
【0023】
なお、前記発振回路5には、位相同期シンセサイザ回路を用いて構成することが可能であり、このように構成することにより、周波数の設定が容易に行えることになる。
【0024】
【発明の効果】
本発明によれば、前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が最大となるように調整された際に前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内に無い場合には、前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内となるように前記周波数調整器を用いて前記駆動信号の周波数を変化させるので、渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内に無い場合にも、渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内に収まるようになり、仮に管を超音波が伝搬しても、前記渦信号検出器から最大振幅の渦信号が得られ、ひいては良好な流量計測を図ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態の渦流量計を模式的に示す図である。
【図2】同渦流量計の発振回路を示すブロック図である。
【図3】同渦流量計の演算器を示すブロック図である。
【図4】同渦流量計の作用を説明するためのフローチャートである。
【図5】同渦流量計の渦信号の周波数−振幅基準データを示す図である。
【符号の説明】
1 管
2 渦発生柱
3 送信用超音波変換器
4 受信用超音波変換器
10 演算器
11 基準発振器
12 位相比較器
13 電圧制御発振器
Claims (1)
- 流体の流れる管内に設けられカルマン渦を発生させる渦発生体と、超音波の送、受信機能を有し前記カルマン渦発生領域を介して超音波を送受信するように配置された一対の超音波変換器と、前記一対の超音波変換器のうち一方の超音波変換器に駆動信号を出力して超音波を発生させる発振器と、前記駆動信号の周波数を調整する周波数調整器と、前記一対の超音波変換器のうち他方の超音波変換器からの信号を受けて渦信号として出力する渦信号検出器と、前記周波数調整器を制御する制御回路とからなり、
前記制御回路は、
前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が予め設定された基準振幅値以下の場合には前記駆動信号の周波数を変化させて前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が最大となるように前記周波数調整器を用いて前記駆動信号の周波数を調整し、
前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が最大となるように調整された際に前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内に無い場合には、前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内となるように前記周波数調整器を用いて前記駆動信号の周波数を変化させることを特徴とする渦流量計。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP32516195A JP3613621B2 (ja) | 1995-11-20 | 1995-11-20 | 渦流量計 |
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JPH09145430A JPH09145430A (ja) | 1997-06-06 |
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Family Applications (1)
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