JPH02311716A - 流量計量方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、液体の流量制御に用いて好適な高精度の流
量計量方法に関する。

「従来の技術」 第３図は従来の流量計量装置の構成を示すブロック図で
ある。同図において、１は被測定流体たる液体の流れる
バイブである。また、２ａおよび２ｂは超音波の送受信
が可能なトランスジューサであり、バイブｌにおける所
定間隔離れた２点に、互いに超音波信号による送受信を
行うことができるように対向配置されている。３は数Ｍ
　Ｈｚ程度の発振周波数を有する水晶発振器、４は増幅
器である。

ＳＷ、は２接点を有するスイッチである。水晶発振器３
の発振信号の出力光は、このスイッチＳＷ１の切り換え
により、トランスジューサ２ａ側あるいは２ｂ側に切り
換えられるようになっている。

また、スイッチＳＷ、も、スイッチＳＷＩと同様、２接
点を有するスイッチである。このスイッチＳＷ、の切り
換えにより、トランスジューサ２ａあるいは２ｂの受信
信号が選択されて増幅器４に入力されるようになってい
る。

５は水晶発振器３の発振出力Ｐ１と増幅器４の出力信号
Ｐ、との位相差を検出する排他的論理和回路である。ま
た、６は水晶発振器３の数十倍程度の発振周波数を有す
る水晶発振器である。７は水晶発振器６から出力される
クロック信号をカウントするアップダウンカウンタ、８
はこの装置全体の動作を制御するＣＰＵ（中央処理ユニ
ット）、９はタイミング調整用のフリップフロップであ
る。

ここで、アップダウンカウンタ７は、排他的論理和回路
５の出力信号Ｐ３によりアップダウンの動作が切り換え
られる。また、アップダウンカウンタ７のカウント値は
ＣＰＵ８に送られ、ＣＰＵ８によってバイブｌにおける
被測定流体の流速が演算される。また、ＣＰＵ８はスイ
ッチＳＷ１およびＳ　Ｗ　ｔの切り換えを行うと共に、
フリップフロップ９に制御信号Ｃ０ＮＴを送る。そして
、この制御信号Ｃ０ＮＴは、水晶発振器３の発振出力に
同期したタイミングで、アップダウンカウンタ７ヘリセ
ツト信号Ｒとして供給される。

以下、この流量計量装置の動作を説明する。まず、ＣＰ
Ｕ８によって、スイッチＳＷ１はトランスジューサ２ｂ
側に、スイッチＳＷ２はトランスジューサ２ａ側に切り
換えられる。この場合、水晶発振器３（例えば、発振周
波数ｆ、＝２ＭＨｚ）の発振出力Ｐ１は排他的論理和回
路５の一端に入力されると共にスイッチＳＷ、を介して
トランスジューサ２ｂへ入力される。そして、水晶発振
器３の発振出力に従って超音波が発生され、この超音波
がパイプＩ内の被測定流体を伝播する。そして、所定時
間を経て、超音波がトランスジューサ２ｂによって受信
されると、それに応じた電気信号が出力され、スイッチ
ＳＷ２を介し増幅器４によって増幅されて信号Ｐ、とな
って排他的論理和回路５に入力される。そして、排他的
論理和回路５によって水晶発振器３の発振出力Ｐ、と増
幅器４の出力信号Ｐ、との位相差に応じた位相差検出信
号Ｐ３か出力される。この位相差検出信号Ｐ３は、信号
Ｐ１と信号Ｐ、とが異なったレベルの期間、Ｈレベルと
なる。また、この信号Ｐ３がＨレベルとなる期間は、ト
ランスジューサ２ｂから出力された超音波がトランスジ
ューサ２ａに到達するまでの伝播遅延時間に応じて変化
する。第４図は信号Ｐ１、Ｐ、およびＰ３の位相関係を
例示した波形図である。

一方、水晶発振器６（例えば発振周波数ｒ、＝５０　Ｍ
　［（ｚ）の発振出力はアップダウンカウンタ７によっ
てカウントされるようになっており、また、位相差検出
信号Ｐ３がＨレベルの期間はアップカウント、Ｌレベル
の期間はダウンカウントが行われるようになっている。

そして、ＣＰＵ８により、以下説明するように、アップ
ダウンカウンタ７のカウント動作の制御、およびカウン
ト値の処理が行われる。

まず、測定開始前の期間は、ＣＰＵ８によってカウント
制御信号ＣＯＮ　Ｔ　ｈ＜　Ｌレベルにされており、ア
ップダウンカウンタ７はリセットされている。そして、
測定開始時、ＣＰＵ８によってカウント制御信号ＣＯＮ
　Ｔ　ｈ＜　Ｈレベルとされると、この信号Ｃ０ＮＴが
信号Ｐ１の立ち上がりのタイミングでフリップフロップ
９を介してアップダウンカウンタ７に与えられる。そし
て、アップダウンカウンタ７はリセット解除され、アッ
プダウンカウンタ７によって水晶発振器６の発振出力の
カウントが行われる。そして、所定時間経過後にアップ
ダウンカウンタ７のカウント値がＣＰＵ８によって読み
取られる。

ここで、上述したように、信号Ｐ３の１周期Ｔ（第４図
）において、トＩレベルの期間ＴＷ（第４図）が長い程
、アップカウントの期間が長くなるので、読み取られる
カウント値は大きくなる。すなわち、カウント値Ｎｂａ
は、超音波がトランスジューサ２ｂからトランスジュー
サ２ａに伝播するのに要する伝播遅延時間に応じた大き
さとなり、このカウント値ＮｂａがＣＰＵＩによって読
み取られる。

次いでＣＰＵ８によって、スイッチＳＷｌがトランスジ
ューサ２ａ側に、スイッチＳ　Ｗ　ｔがトランスジュー
サ２ｂ側に切り換えられる。この結果、水晶発振器３の
発振出力Ｐ１はスイッチＳ　Ｗ　＋を介しトランスジュ
ーサ２ａに入力され、トランスジューサ２ａから出力さ
れた超音波がトランスジューサ２ｂによって受信され、
トランスジューサ２ｂの出力がスイッチＳＷ、を介し増
幅器４に入力されるようになる。そして、ＣＰＵ８によ
って上述と同様な制御が行われ、トランスジューサ２ａ
から出力された超音波がトランスジューサ２ｂに到達す
るのに要する伝播遅延時間に応じたカウント値Ｎａｂか
読み取られる。

第３図に示すように、被測定流体かトランスジューサ２
ａ側からトランスジューサ２ｂ側に向かう方向に流速ｖ
ｆで流れている場合、トランスジューサ２ａからトラン
スジューサ２ｂに向かう超音波の速度は流速ｖｆが０の
時よりも速くなり、逆にトランスジューサ２ｂからトラ
ンスジューサ２ａに向かう超音波の速度は流速ｖｆが０
の時よりも遅くなる。

そして、流速ｖｒが大きくなる程、カウント値Ｎｂａは
大きくなり、逆にカウント値Ｎａｂは小さくなる。

そして、ＣＰＵ８ではカウント値Ｎａｂとカウント値Ｎ
ｂａの差から流速ｖｒが演算される。

このように、この流量計量装置では、トランスジューサ
２ａから２ｂ方向の超音波の伝播速度およびそれとは逆
方向のトランスジューサ２ａから２ｂ方向の超音波の伝
播速度の差を検出することにより、被測定流体の流速が
演算される。

「発明が解決しようとする課題」 ところで、上述した従来の流量計量装置において、測定
精度を上げるためには、水晶発振器６の発振周波数を高
くしなければならない。しかしながら、水晶発振器の発
振周波数は、技術的およびコスト的に見て限度があり（
通常、５０ＭＨｚ程度までの水晶発振器が用いられる）
、これ以上、発振周波数を高くすることは難しいという
問題があった。そして、水晶発振器６の発振周波数を高
くすることなく、精度を上げるには、アップダウンカウ
ンタ７のカウント期間を長くする必要があるが、この場
合、必然的に測定時間が長くなり、従って、流量計量装
置の応答性が悪くなるという問題があった。さらに従来
の流量計量装置は、２方向について、超音波の伝播速度
を検出する必要があるため、測定時間が長くなってしま
うという問題があった。

この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、流量
（流速）計１の精度か高く、かつ、応答性の良い流量計
量を行うことができる流量計量方法を提供することを目
的としている。

「課題を解決するための手段」 第１の発明は、被測定流体における超音波の伝播速度の
基準速度からのずれを検出することにより、該被測定流
体の移動速度を演算する流量計量方法において、発振器
の発振出力によって超音波を発生し、該超音波を前記被
測定流体に伝播させ、前記被測定流体の移動経路におけ
る所定位置から超音波を受信し、該受信信号と前記発振
出力との位相差を検出して該位相差を示す位相差検出信
号を発生し、前記位相差検出信号を該検出信号か示す該
位相差に応じたレベルのアナログ信号に変換することを
特徴としている。

また、第２の発明は、被測定流体に対して超音波を出力
すると共に、該被測定流体の移動経路の該移動方向に沿
って互いに隔たった２点で超音波を受信し、前記２点で
受信された各信号の位相と前記被測定流体へ出力した超
音波の位相との各位相差を検出し、前記各位相差から前
記被測定流体の流速を演算することを特徴としている。

また、第３の発明は、被測定流体に超音波を出力すると
共に、該被測定流体の移動経路の該移動方向に沿って互
いに隔たった２点で超音波を受信し、前記２点で受信さ
れた各信号の位相と前記被測定流体へ出力した超音波の
位相との各位相差を検出して、各位相差を示す各位相差
検出信号を出力し、前記各位相差検出信号が示す各位相
差の差に応じたレベルのアナログ信号に変換することを
特徴としている。

「作用」 上記第１の発明によれば、被測定流体の流速に応じて、
発振器の発振出力と受信された超音波との位相差が変化
し、該位相差を示す位相差検出信号が出力される。そし
て、位相差検出信号は該信号が示す位相差に応じたレベ
ルのアナログ信号に変換される。また、第２の発明によ
れば、被測定流体の移動経路の２点において受信された
超音波に基づいて２組の位相差検出信号が得られる。こ
れらの位相差検出信号が示す位相差の差は被測定流体の
流速に応じた開きとなる。従って、上記位相差の差から
流速が演算される。また、第３の発明によれば、被測定
経路の２点において検出された各位相差検出信号の位相
差の差に基づいて流速に応じたレベルのアナログ信号が
発生される。

「実施例」 以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する
。

第１図はこの発明の第１の実施例による流量計量装置の
構成を示すブロック図である。なお、同図において、前
述の第３図と対応する部分には同一の符号が付しである
。

第１図において、２０．２１ａおよび２１ｂはトランス
ジューサであり、被測定流体の流速ｖｆ力方向沿って２
１ｂ−２０→２１ａの順にパイプｌに配置される。ここ
で、トランスジューサ２０は送信専用であり、水晶発振
器３の発振出力Ｐ、に応じた超音波をパイプ１内の被測
定流体に出力する。

また、トランスジューサ２１ａおよび２１ｂは受信専用
であり、各々、トランスジューサ２０からの超音波を受
信することができるように、トランスジューサ２０に対
向配置される。

４ａおよび４ｂは増幅器であり、トランスジューサ２１
ａおよび２１ｂの出力を、各々増幅し、信号Ｐａおよび
Ｐｂを各々出力する。５ａは信号Ｐｌと信号Ｐａの位相
差を検出する排他的論理和回路、５ｂは信号Ｐｌと信号
Ｐｂの位相差を検出する排他的論理和回路である。６ａ
および６ｂは各々抵抗ＲおよびコンデンサＣからなるロ
ーパスフィルタであり、これらを各々介し、排他的論理
和回路５ａの５ｂの出力がアナログ電圧ＸおよびＹとな
って出力される。ここで、ローパスフィルタ５ａおよび
５ｂの時定数ＣＲは、水晶発振器３の発振周期に比べて
十分に大きな値となっている。７ａおよび７ｂは電圧Ｘ
およびＹをＡ／Ｄ変換し、デジタル信号ＮＸおよびＮＹ
を各々出力するＡ／Ｄ変換器、８ａはデジタル信号ＮＸ
およびＮＹに基づいて被測定流体の流速を演算するＣＰ
Ｕである。

この構成によれば、信号Ｐ、とＰａとの位相差は、トラ
ンスジューサ２０を発した超音波がトランスジューサ２
１ａに到達するまでの伝播遅延時間に応じた値となり、
信号Ｐ、と信号Ｐｂとの位相差はトランスジューサ２０
を発した超音波がトランスジューサ２１ｂに到達するま
での伝播遅延時間に応じた値となる。そして、信号Ｐ１
とＰａのレベルの異なる期間のみ排他的論理和回路５ａ
の出力がＨレベルとなり、信号Ｐ１と信号Ｐｂのレベル
の異なる期間のみ排他的論理和回路５ｂの出力がＨレベ
ルとなる。

そして、排他的論理和回路５ａおよび５ｂの出力がロー
パスフィルタ６ａおよび６ｂを介すことにより、信号Ｐ
１およびＰａの位相差に応じたレベルのアナログ電圧Ｘ
と、信号Ｐ、およびＰｂの位相差に応じたレベルのアナ
ログ電圧Ｙとが得られる。そして、これらに対応したデ
ジタル信号ＮＸおよびＮＹがＣＰＵ８ａによって読み取
られる。流速ｖｆが大きくなる程、トランスジューサ２
０→２１ａ方向の超音波の伝播速度は速くなり、逆にト
ランスジューサ２０→２１ｂ方向の伝播速度は遅くなる
。従って、流速ｖｆか大きくなる程、データＮＸは小さ
くなり、データＮＹは大きくなる。ＣＰＵ８ａでは、デ
ータＮＸおよびＮＹの差に基づいて流速の演算が行われ
る。

第２図はこの発明の第２の実施例を示したものである。

同図において、６０は減算器であり、オペアンプ６１に
負帰還抵抗Ｒｆを接続すると共に、オペアンプ６１の負
入力端および正入力端に入力抵抗ＲａおよびＲｂを各々
接続してなる。また、Ｒａｄｊは減算器６０のオフセッ
ト調整用の可変抵抗であり、その摺動子がオペアンプ６
１の正入力端に接続される。本実施例では、第１図にお
けるローパスフィルタ６ａおよび６ｂの両方のアナログ
電圧の差を減算器６０によって求め、その差に相当する
アナログ電圧を得るものである。ここで、流速ｖｆが０
の時に減算器６０の出力レベルがＯＶとなるように、可
変抵抗Ｒａｄｊの調整を行う。このようにすることで、
流速ｖｆに応じたアナログ電圧が減算器６０の出力から
得られる。

なお、上記実施例では送信用トランスジューサが１つの
場合の例を示したが、送受信用トランスジューサを２組
用いて、互いに対向させて用いて６同様の効果がある。

「発明の効果」 以上説明したように、第１の発明によれば、発振器の発
振出力によって超音波を発生し、該超音波を被測定流体
に伝播させ、前記被測定流体の移動経路における所定位
置から超音波を受信し、該受信信号と前記発振出力との
位相差を検出して該位相差を示す位相差検出信号を発生
し、前記位相差検出信号を該検出信号が示す該位相差に
応じたレベルのアナログ信号に変換するようにしたので
、被測定流体の流速を、高精度、かつ、短時間で、測定
することができるという効果が得られる。

また、第２の発明によれば、被測定流体に対して超音波
を出力すると共に、該被測定流体の移動経路の該移動方
向に沿って互いに隔たった２点で超音波を受信し、前記
２点で受信された各信号の位相と前記被測定流体へ出力
した超音波の位相との各位相差を検出し、前記各位相差
から前記被測定流体の流速を演算するようにしたので、
上記第１の発明と同様、被測定流体の流速を高精度で求
めることかできると共に、２組の経路の超音波の伝播速
度が同時に測定されるので、第１の発明よりさらに短時
間で流速を測定することができるという効果が得られる
。また、第３の発明は、被測定流体に超音波を出力する
と共に、該被測定流体の移動経路の該移動方向に沿って
互いに隔たった２点で超音波を受信し、前記２点で受信
された各信号の位相と前記被測定流体へ出力した超音波
の位相との各位相差を検出して、各位相差を示す各位相
差検出信号を出力し、前記各位相差検出信号が示す各位
相差の差に応じたレベルのアナログ信号に変換するよう
にしたので、上記第１および第２の発明と同様、被測定
流体の流速を、高精度、かつ、短時間で、測定すること
ができると共にさらに応答性が改善されるという効果が
得られる。

なお、上記実施例では送信用トランスジューサが１つの
場合の例を示したが、送受信用トランスジューサを２組
用いて、互いに対向させて用いても同様の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例による流量計量装置を
適用した流量計量装置のブロック図、第２図はこの発明
の第２の実施例による流量計量装置の構成を示すブロッ
ク図、第３図は従来の流量計量装置の構成を示すブロッ
ク図、第４図は第３図の装置の動作を説明する波形図で
ある。 １・・・・・・パイプ、２０，２１ａ、２　ｌｂ・・・
・・・トランスジューサ、３・・・・・・水晶発振器、
５　ａ、　５　ｂ・・・・・・排他的論理和回路、６ａ
、６ｂ・・・・・・ローパスフィルタ、７ａ。 ７ｂ・・・　Ａ／Ｄ変換器、８ａ・・・・・・ＣＰＵ、
６０・・・・・・減算器。 出顆人　　神鋼電機株式会社 ６ａ、６ｂ：ローバスフィルタ 第１図 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定流体における超音波の伝播速度の基準速度
   からのずれを検出することにより、該被測定流体の移動
   速度を演算する流量計量方法において、発振器の発振出
   力によって超音波を発生し、該超音波を前記被測定流体
   に伝播させ、 前記被測定流体の移動経路における所定位置から超音波
   を受信し、 該受信信号と前記発振出力との位相差を検出して該位相
   差を示す位相差検出信号を発生し、前記位相差検出信号
   を該検出信号が示す該位相差に応じたレベルのアナログ
   信号に変換することを特徴とする流量計量方法。
2. （２）被測定流体に対して超音波を出力すると共に、該
   被測定流体の移動経路の該移動方向に沿って互いに隔た
   った２点で超音波を受信し、 前記２点で受信された各信号の位相と前記被測定流体へ
   出力した超音波の位相との各位相差を検出し、 前記各位相差から前記被測定流体の流速を演算すること
   を特徴とする流量計量方法。
3. （３）被測定流体に超音波を出力すると共に、該被測定
   流体の移動経路の該移動方向に沿って互いに隔たった２
   点で超音波を受信し、 前記２点で受信された各信号の位相と前記被測定流体へ
   出力した超音波の位相との各位相差を検出して、各位相
   差を示す各位相差検出信号を出力し、 前記各位相差検出信号が示す各位相差の差に応じたレベ
   ルのアナログ信号に変換することを特徴とする請求項第
   １および第２記載の流量計量方法。