JPH0126492B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超音波によつて流体の流速、流量を
測定する装置に関するものである。

超音波による流速測定装置は既に数多く提案さ
れ、実用化されている。そこで従来行われている
超音波による流速測定の原理について説明する
と、第１図において、２つの超音波送受波器ａ，
ｂを被測定水路に流速方向にθなる角度をもたせ
てｌなる間隔で対向設置し、超音波を交互に送受
させると、超音波の送受の伝搬時間ｔは音速ｃと
水路の流速ｖにより決定される。従つてこの流速
は次のような方法により測定することができる。
ここで、超音波が超音波送受波器ａからｂへと送
受された場合を順方向、その反対を逆方向とす
る。

(1) 時間差方式の場合 超音波の順方向の送受時間t_abは、 t_ab＝ｌ／ｃ＋vcosθ 同様に逆方向の送受の伝搬時間t_baは、 t_ba＝ｌ／ｃ−vcosθ ここで、 Δt＝t_ba−t_ab≒2lvcosθ／c² ∴ ｖ＝c²／2lcosθ・Δt＝c²／2d・Δt 但しｄ＝lcosθ この場合、流速ｖは被測定水路巾に関係なく
ｄが一定であればΔtに比例して求めることが
でき、測定装置の定数を水路巾により調整する
必要がないが、音速ｃの水温等による変動を除
去する必要があり、演算装置等を使用しなけれ
ばならない。

(2) 周期差方式の場合 超音波を順方向へくり返し送受する場合のく
り返し周波数f_abは、 f_ab＝１／t_ab＝ｃ＋vcosθ／ｌ 同様に逆方向のくり返し周波数f_baは、 f_ba＝１／t_ba＝ｃ−vcosθ／ｌ ここで Δf＝f_ab−f_ba＝2vcosθ／ｌ ∴ ｖ＝ｌ／2cosθ・Δf この場合、水路巾が広い場合はf_ab、f_baが非
常に低い周波数となるため計測時間がかかり、
この間に音速が僅かに変動するとそれが誤差の
原因となることがあり、また、くり返して送受
を行う系の中に電気的、音響的に遅延時間があ
ると上記の式は更に複雑化する。

(3) 逆時間差方式の場合 この方式は前記方式の一つの応用であり、 １／t_ab−１／t_ba＝t_ba−t_ab／t_ab・t_ba＝Δt／t²
＝2vcosθ／ｌ ∴ ｖ＝ｌ／2cosθ・Δt／t² …(1) 但しｔ≒t_ab≒t_ba この方式においても、前記周期差方式の場合
と同様に音速の影響を除去し得ると共に電気
的、音響的遅延時間の影響をも除去し得る特徴
はあるが、演算処理を必要とし、装置が複雑と
なる欠点があつた。

本発明は、上記従来方式における欠点を解消
し、音速や電気的、音響的遅延時間の影響を除
去して簡単且つ高精度に流速、流量を測定する
ことのできる装置を提供しようとするものであ
る。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に
説明するに、第２図において、１ａ，１ｂは第１
図の場合と同様に対向配設せしめられた超音波送
受波器、２ａ，２ｂは超音波の送信回路及び受信
回路、３は送信回路２ａ及び受信回路２ｂを２つ
の超音波送受波器１ａ，１ｂに順、逆に切換接続
可能なスイツチ、４は制御回路であつて、該制御
回路４は、上記スイツチ３の切換えにより送、受
信回路２ａ，２ｂの接続方向を切換え、それによ
つて超音波を順方向及び逆方向にｎ回づつ交互に
くり返して送受し、そのそれぞれのくり返し送受
の開始及び終了のタイミングを出力すると共に、
第１〜第３の比較部５，６，７に図示しない発振
器からのクロツク周波数信号を入力させるもので
あり、該制御回路４に上記比較部５，６，７及び
平均化回路８が順次接続されている。上記比較部
５，６，７は、第３図に示すように、それぞれ２
つ一組の計数回路５ａ，５ｂ；６ａ，６ｂ；７
ａ，７ｂとこれらの計数回路の出力を比較する１
つの比較回路５ｃ，６ｃ，７ｃとからなり、また
平均化回路８は、計数回路８ａと、加減算回路８
ｂと、比較回路８ｃと、パルス発生器８ｄと、表
示器８ｅとを備え、これらの各回路は、比較回路
５ｃが計数回路５ｂと７ａ及び計数回路８ａに接
続され、また比較回路６ｃが計数回路６ｂと７ａ
に接続され、さらに比較回路７ｃが計数回路７ｂ
及び計数回路８ａに接続されている。

而して流速の測定に当つては、制御回路４によ
つて２つの送受波器１ａ，１ｂ間での超音波の送
受が順方向にｎ回くり返され、送受開始から一定
時間T₀が経過した後に今度は同様の送受が逆方
向ｎ回くり返される。第４図に示すタイムチヤー
トはこの状態を示すもので、同図においてt₁〜t₂
の間に順方向の送受がｎ回くり返して行われ、t₁
のスタートからT₀時間が経過した後のt₃〜t₄間に
逆方向の送受がｎ回くり返されることを示してい
る。従つて、順方向の送受に要した時間及び逆方
向の送受に要した時間はそれぞれt_ab及びt_baであ
り、またt₂〜t₄の時間はT₀＋（t_ba−t_ab）＝T₀＋Δt
である。

ここで、第３図において、第１の比較部５にお
ける計数回路５ａにクロツク周波数信号f_xをt₁か
らt₂までの時間即ちt_abの間入力して計数を行う
と、該計数回路においてn_x＝f_x・t_abなる計数値が
求められ、これが比較回路５ｃに入力される。

一方、計数回路５ｂには、クロツク周波数信号
f₁が入力されて順、逆方向の測定が１組終つた時
点t₄から計数が行われ、その計数値が比較回路５
ｃにおいて計数回路５ａの計数値n_xと比較される
が、それらが一致する迄の時間t₁′は、 t₁′＝n_x／f₁ であり、従つてこのくり返し周波数f₁′は、 f₁′＝１／t₁′＝f₁／n_x＝f₁／f_x・t_ab …(2) となる。また、上記計数回路５ｂは比較回路５ｃ
からの計数値の一致信号でリセツトされ、再び計
数を開始する。同様の作業を処理が完了する迄く
り返す。

また、第２の比較部６における計数回路６ａに
は、クロツク周波数信号f₀がt₂からt₄までの時間
即ちT₀＋（t_ba−t_ab）の間入力されてその計数が行
われるが、このとき計数回路６ａをオーバーフロ
ーしてT₀を除去すると、該計数回路６ａにはΔt
（＝t_ba−t_ab）に比例する計数値N₀が保持される。

即ち、 N₀＝Δt・f₀ …(3) である。

次に、計数回路６ｂにクロツク周波数信号f₂を
入力すると同時に第３の比較部７における計数回
路７ａに上記比較回路５ｃからのくり返し周波数
信号f₁′を入力してそれぞれt₄の時点から計数を開
始し、比較回路６ｃにおいて両計数回路６ａと６
ｂとの計数値が一致した時に計数を停止すると、
計数回路７ａに保持される計数値N₁は、 N₁＝f₁′・N₀／f₂＝f₁／f₂・N₀／n_x …(4) となる。

同様に、計数回路７ｂ及び計数回路８ａにクロ
ツク周波数信号f₂及びくり返し周波数信号f₁′各々
を入力して比較回路６ｃの一致信号が出力された
t₅の時点から計数を開始し、比較回路７ｃにおい
て計数回路７ａと７ｂの出力が一致したときt₆で
計数を停止すると、計数回路８ａに保持される計
数値N₂は、 N₂＝f₁′・N₁／f₂ となり、これに上記(2)、(3)、(4)式を代入すると、 N₂＝f²／₁・f₀／f²／₂・f²／_x・Δt／t²／_a…(5) となる。

ここで、前記(1)式から、 ｖ＝ｌ／2cosθ・Δt／t² （ｔ≒t_ab） であるので、これに(5)式におけるΔt／t² _abを代入
すると、 ｖ＝ｌ／2cosθ・f²／₂・f²／₁／f²／_x・f₀・N₂
…(6) となる。

上述した信号処理の順序は第４図のタイムチヤ
ートに示されている。

上記(6)式においてｌ／2cosθは水路への送受波
器の設置により決定されるものであり、またf² ₂・
f² _x／f² ₁・f₀は電子回路の設計時に決定される発振
器の周波数である。従つて、流速ｖとデータ回路
の計数値N₂とを１：１に設定すれば、流速ｖを
直読することができる。即ち、 f² ₂・f² _x・ｌ＝f² ₁・f₀・2cosθ に設定すればよい。

このように、４つの発振器の発振周波数を適当
に選定することにより流速の正確な測定を行うこ
とができる。

流量Ｑについては、水路の断面係数αを上記(6)
式に加えることによつて次の(7)式のようにして求
めることができる。

Ｑ＝α・ｖ・Ｓ（Ｈ）＝ｌ／2cosθ・f²／₂・f²／_x／f²
／₁・f₀・α・ N₂・Ｓ（Ｈ） …(7) ここで、Ｓ（Ｈ）は水位により変化する断面積
で、上記と同様の手法を用いて処理するか、ある
いは上記周波数の一つをＳ（Ｈ）に比例して可変
させることによつてＱの測定を行うようにすれば
よい。

このように、計数回路８ａにおける計数値N₂
によつて流速及び流量を求めることができるが、
この計数値N₂の中には外部雑音や媒質の変動等
による異常データが含まれていることが多く、そ
れが測定精度に影響を及ぼすため、平均化回路８
によりこれらの異常データや局部的変動を除去し
てN₂を平均化する。即ち、上記計数値N₂は比較
回路８ｃに入力され、一方、加減算回路８ｂには
初期データN₃が記憶せしめられており、これが
比較回路８ｃに入力されると共に表示器８ｅで表
示されている。

而して、上記計数値N₂と初期データN₃とは比
較回路８ｃで比較され、N₂＞N₃なる場合には、
比較回路８ｃから加減算回路８ｂに加算指令が出
力されてパルス発生器８ｄからのパルスと初期デ
ータN₃とが加算され、初期データN₃が計数値N₂
に近似するようにパルス数に応じて１カウント又
は一定カウントづつ段階的に増大せしめられ、逆
にN₂＜N₃なる場合には、減算指令によりN₃がパ
ルスとの減算により段階的に減少せしめられ、こ
れによつてN₂に含まれているパルス状の異常デ
ータは除去される。従つて上記N₃を取出すこと
により異常データを含まない平均化されたデータ
を得ることができる。

以上詳述したように本発明によれば、極めて簡
単且つ確実に音速の補正を行うことができるばか
りでなく、電気的、音響的遅延時間の影響を除去
することができ、それによつて簡単且つ高精度に
流速、流量の測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は流速測定の原理を説明するための構成
図、第２図は本発明に係る測定装置のブロツク構
成図、第３図は比較部及び平均化回路の接続図、
第４図は流速測定時における信号処理の順序を示
すタイムチヤートである。 １ａ，１ｂ…超音波送受波器、２ａ…送信回
路、２ｂ…受信回路、３…スイツチ、４…制御回
路、５，６，７…比較部、５ａ，５ｂ，６ａ，６
ｂ，７ａ，７ｂ，８ａ…計数回路、５ｃ，６ｃ，
７ｃ，８ｃ…比較回路、８…平均化回路、８ｂ…
加減算回路、８ｄ…パルス発生器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 波測定水路を挾んで対向する２個の超音波送
   受波器と； 切換スイツチを介して上記送受波器に接続方向
   を切換可能に接続された超音波の送信回路及び受
   信回路と； 上記送信回路及び受信回路の接続方向を切換え
   ることにより送受波器を介して超音波の送受を順
   方向及び逆方向について１回または複数回くり返
   し行うと共に、そのくり返し送受の開始及び終了
   のタイミングを出力する制御回路と； ２個の計数回路とそれらの出力を比較する比較
   回路とを備え、上記制御回路から出力されるくり
   返し送受の開始及び終了のタイミングから順方向
   または逆方向のくり返し送受時間に逆比例した周
   波数を発生させる第１の比較部と； ２個の計数回路とそれらの出力を比較する比較
   回路とを備え、上記第１の比較部からのくり返し
   送受時間に逆比例した周波数をクロツクとして、
   順方向及び逆方向のくり返し送受終了の時間間隔
   を計数することにより流速、流量を求める第２、
   第３の比較部と； を備えたことを特徴とする超音波による流速、流
   量の測定装置。 ２ 波測定水路を挾んで対向する２個の超音波送
   受波器と； 切換スイツチを介して上記送受波器に接続方向
   を切換可能に接続された超音波の送信回路及び受
   信回路と； 上記送信回路及び受信回路の接続方法を切換え
   ることにより送受波器を介して超音波の送受を順
   方向及び逆方向について１回または複数回くり返
   し行うと共に、そのくり返し送受の開始及び終了
   のタイミングを出力する制御回路と； ２個の計数回路とそれらの出力を比較する比較
   回路とを備え、上記制御回路から出力されるくり
   返し送受の開始及び終了のタイミングから順方向
   または逆方向のくり返し送受時間に逆比例した周
   波数を発生させる第１の比較部と； ２個の計数回路とそれらの出力を比較する比較
   回路とを備え、上記第１の比較部からのくり返し
   送受時間に逆比例した周波数をクロツクとして、
   順方向及び逆方向のくり返し送受終了の時間間隔
   を計数することにより流速、流量を求める第２、
   第３の比較部と； 上記比較部によつて求められた流速、流量の瞬
   時値を計数する計数回路と、初期データを記憶す
   る加減算回路と、初期データを増減させるための
   パルスを発生するパルス発生器と、計数回路及び
   加減算回路の計数値を比較し、その大小に応じて
   初期データとパルス発生器からのパルスとを加減
   算することにより、初期データを所定カウントづ
   つ計数回路の計数値に近似させる比較回路とから
   なる平均化回路と； を備えたことを特徴とする超音波による流速、流
   量の測定装置。