JPH0260967B2 - - Google Patents

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JPH0260967B2
JPH0260967B2 JP56124707A JP12470781A JPH0260967B2 JP H0260967 B2 JPH0260967 B2 JP H0260967B2 JP 56124707 A JP56124707 A JP 56124707A JP 12470781 A JP12470781 A JP 12470781A JP H0260967 B2 JPH0260967 B2 JP H0260967B2
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JP
Japan
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time
counter
oscillator
measured
signal
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JP56124707A
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Japanese (ja)
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JPS5827019A (en
Inventor
Yukio Nakagawa
Masaru Kono
Kazuteru Aragai
Kyoshi Saito
Norimasa Tamaoki
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0260967B2 publication Critical patent/JPH0260967B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • GPHYSICS
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    • G01F1/667Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G01F1/668Compensating or correcting for variations in velocity of sound

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超音波が被測定媒体中を伝搬する時
間を流れに対して順方向および逆方向について測
定して、その媒体流量を測定する超音波流量測定
装置に関し、更に詳しくは、超音波を伝搬させる
被測定媒体の温度変化による測定誤差を補償する
ようにした超音波流量測定装置に関するものであ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an ultrasonic flow measuring device that measures the medium flow rate by measuring the propagation time of ultrasonic waves in a medium to be measured in the forward and reverse directions with respect to the flow. More specifically, the present invention relates to an ultrasonic flow rate measuring device that compensates for measurement errors due to temperature changes in a medium to be measured through which ultrasonic waves are propagated.

従来周知の超音波流量測定装置の一例として、
電圧制御形発振器で発振される周波数fのパルス
信号をN個計数する時間と、流体中の超音波の伝
搬時間とを一致させるようにその電圧制御形発振
器の発振周波数fを制御する閉ループを構成し、
一方の振動子の発振と同期して、この周波数fの
パルスをN個計数するカウンタの出力を時間差検
出回路に入力し、他方、超音波受信信号をもこの
時間差検出回路に入力して、時間差を出力し、そ
の時間差が零となるように閉ループを構成したも
のである。このような従来の超音波流量測定装置
の一例を第1図に示す。図において、電圧制御形
発振回路10は、制御電圧の大きさによつてその
発振周波数が変化する2つの電圧制御形発振器
(以下VCOという)13および15を有してい
る。VCO13の発振出力信号21(周波数f1
とVCO15の発振出力信号23(周波数f2)と
を、スイツチ25で切り換えて、それによつて得
られる電圧制御形発振回路10の出力信号29を
パルス発生回路27に供給する。パルス発生回路
27は、信号29に同期してパルス信号31を発
生すると共に、計数開始信号33を発生する。こ
のパルス信号31に基づいて送信回路35はトラ
ンスジユーサ駆動信号37を発生する。
As an example of a conventionally known ultrasonic flow measuring device,
A closed loop is configured to control the oscillation frequency f of the voltage controlled oscillator so that the time for counting N pulse signals of frequency f oscillated by the voltage controlled oscillator matches the propagation time of the ultrasonic wave in the fluid. death,
In synchronization with the oscillation of one of the transducers, the output of a counter that counts N pulses of frequency f is input to the time difference detection circuit, and on the other hand, the ultrasonic reception signal is also input to this time difference detection circuit, and the time difference is A closed loop is constructed so that the time difference between the two outputs is zero. An example of such a conventional ultrasonic flow rate measuring device is shown in FIG. In the figure, a voltage controlled oscillator circuit 10 has two voltage controlled oscillators (hereinafter referred to as VCO) 13 and 15 whose oscillation frequency changes depending on the magnitude of a control voltage. Oscillation output signal 21 of VCO 13 (frequency f 1 )
and the oscillation output signal 23 (frequency f 2 ) of the VCO 15 are switched by a switch 25, and the resulting output signal 29 of the voltage-controlled oscillation circuit 10 is supplied to the pulse generation circuit 27. The pulse generating circuit 27 generates a pulse signal 31 in synchronization with the signal 29 and also generates a counting start signal 33. Based on this pulse signal 31, the transmitter circuit 35 generates a transducer drive signal 37.

2つのトランスジユーサ(振動子)41および
43は、スイツチ45の切換えによつて交互に供
給されるトランスジユーサ駆動信号37に応じ
て、一方は電気信号を音響信号(超音波45ある
いは47)に変換する送信側として、そして他方
はその音響信号を電気信号に変換する受信側とし
て働く。この音響信号を受信して得た電気信号
は、切換スイツチ51を介して受信信号53とし
て受信回路55に導入される。受信回路55は受
信信号53に応じて受波検出信号57を時間差検
出回路59に供給する。
Two transducers (vibrators) 41 and 43 convert an electrical signal into an acoustic signal (ultrasonic waves 45 or 47) in response to transducer drive signals 37 alternately supplied by switching a switch 45. one acts as a transmitter, converting the acoustic signal into an electrical signal, and the other acts as a receiver, converting the acoustic signal into an electrical signal. An electrical signal obtained by receiving this acoustic signal is introduced into a receiving circuit 55 as a received signal 53 via a changeover switch 51. The reception circuit 55 supplies a reception detection signal 57 to the time difference detection circuit 59 in response to the reception signal 53.

また、計数開始信号33によつて付勢されたカ
ウンタ61は電圧制御形発振回路10の出力信号
29を計数する。このカウンタ61は、その計数
状態が予め設定された数値Nになると、パルス出
力信号63を時間差検出回路59に供給し、しか
る後リセツトされる。時間差検出回路59は、両
信号57および63の時間差を検出し、その時間
差に応じた電圧の制御信号65を発生する。この
制御信号65は、スイツチ67で切り換えられ、
電圧制御形発振回路10内の両VCO13および
15のいずれか一方に導入されて、その発振周波
数f1あるいはf2を制御する。
Further, the counter 61 activated by the counting start signal 33 counts the output signal 29 of the voltage controlled oscillation circuit 10. When the counting state reaches a preset value N, this counter 61 supplies a pulse output signal 63 to the time difference detection circuit 59, and is then reset. The time difference detection circuit 59 detects the time difference between both signals 57 and 63, and generates a control signal 65 with a voltage corresponding to the time difference. This control signal 65 is switched by a switch 67,
It is introduced into either one of both VCOs 13 and 15 in the voltage controlled oscillation circuit 10 to control its oscillation frequency f 1 or f 2 .

第2図は、被測定流体の管路に両トランスジユ
ーサを取付けた状態を示し、また超音波の伝搬を
示す。図において、対向配置された一方の上流側
トランスジユーサ41から発射された超音波は、
それを管71内に斜めに伝搬されるプラスチツク
くさび73および管71を介して被測定流体75
へ伝搬し、再び管71の壁および別なプラスチツ
クくさび77を介して他方の下流側トランスジユ
ーサ43に伝搬する。この場合に、トランスジユ
ーサ41からトランスジユーサ43への超音波4
5の順方向伝搬時間T1は、 T1=D/cosθ/CW+Vsinθ (1) として与えられる。また、逆にトランスジユーサ
43からトランスジユーサ41への超音波47の
逆方向伝搬時間T2は、 T2=D/cosθ/CW−Vsinθ (2) として与えられる。ここで、Dは管71の内径、
CWは流体75が静止しているときにおけるその
流体75中の音速、Vは流体75の流速、θは超
音波が流体75中に入射する際の入射角である。
なお、ここでは、両くさび73,77および管7
1の管厚部を超音波が伝搬する時間は無視する。
FIG. 2 shows the state in which both transducers are attached to the pipe line of the fluid to be measured, and also shows the propagation of ultrasonic waves. In the figure, the ultrasonic waves emitted from one of the upstream transducers 41 disposed opposite to each other are as follows:
A plastic wedge 73 is propagated obliquely into a tube 71 and a fluid to be measured 75 is passed through the tube 71.
and again via the wall of tube 71 and another plastic wedge 77 to the other downstream transducer 43. In this case, the ultrasonic wave 4 is transmitted from the transducer 41 to the transducer 43.
The forward propagation time T 1 of 5 is given as T 1 =D/cosθ/C W +Vsinθ (1). Conversely, the reverse propagation time T 2 of the ultrasonic wave 47 from the transducer 43 to the transducer 41 is given as T 2 =D/cosθ/C W -Vsinθ (2). Here, D is the inner diameter of the tube 71,
C W is the sound velocity in the fluid 75 when the fluid 75 is stationary, V is the flow velocity of the fluid 75, and θ is the incident angle at which the ultrasonic wave enters the fluid 75.
Note that both wedges 73 and 77 and the pipe 7 are shown here.
The time it takes for the ultrasonic wave to propagate through the pipe thickness section 1 is ignored.

次に、第1図および第2図を参照して、流体7
5の流量測定について述べる。なお、この測定原
理は位相ロツクループを利用した周知なものであ
るので簡単に説明する。先ず、全ての切換スイツ
チ25,45,51および67をそれぞれ接点a
側に接続して順方向モードとする。この場合、電
圧制御形発振回路10から得られる周波数f1の出
力信号29に基づいて、超音波45の伝搬時間
T1は前述した(1)式で表わされる。またカウンタ
61の計数状態が設定値Nに達するまでの時間T
はN/f1である。この時間Tと先の伝搬時間T1
が所定の関係(この場合等しくする)となるよう
に、VCO13の発振周波数f1を帰還制御する位
相ロツクループを形成している。従つて、この系
が安定したら、N/f1=T1となるから、 f1=N(CW+Vsinθ)/D/cosθ (3) の関係が成立する。
Next, referring to FIGS. 1 and 2, the fluid 7
5. Flow rate measurement will be described. Note that this measurement principle is a well-known one that utilizes a phase lock loop, so it will be briefly explained. First, all the changeover switches 25, 45, 51, and 67 are connected to contact a.
Connect to the side for forward mode. In this case, the propagation time of the ultrasonic wave 45 is
T 1 is expressed by the above-mentioned equation (1). Also, the time T until the counting state of the counter 61 reaches the set value N
is N/f 1 . A phase lock loop is formed to feedback control the oscillation frequency f 1 of the VCO 13 so that this time T and the previous propagation time T 1 have a predetermined relationship (in this case, they are equal). Therefore, once this system is stabilized, N/f 1 =T 1 holds, so the relationship f 1 =N(C W +Vsin θ)/D/cos θ (3) holds true.

また、全ての切換スイツチ25,45,51お
よび67をそれぞれ接点b側に切換えて逆方向モ
ードとする。この場合も同様にして、前述した(2)
式で表わされる超音波47の伝搬時間T2とカウ
ンタ61が計数状態が設定値Nに達するまぜの時
間Tとが所定の関係(この場合等しくする)とな
るように、VCO15を含む位相ロツクループの
系が安定する。従つて、VCO15の発振周波数
f2は、 f2=N(CW−Vsinθ)/D/cosθ (4) として表わされる。
Further, all the changeover switches 25, 45, 51 and 67 are respectively switched to the contact b side to set the reverse direction mode. In this case as well, as mentioned above (2)
The phase lock loop including the VCO 15 is set so that the propagation time T 2 of the ultrasonic wave 47 expressed by the formula and the time T during which the counting state of the counter 61 reaches the set value N have a predetermined relationship (in this case, they are equal). The system becomes stable. Therefore, the oscillation frequency of VCO15
f 2 is expressed as f 2 =N(C W −Vsinθ)/D/cosθ (4).

これら両周波数の差Δf(=f1−f2)をとると、 Δf=2Nsinθ/D/cosθ・V=Nsin2θ/D・V(5
) として与えられる。従つて、入射角θが一定であ
れば周波数差Δfは流体75の流速Vのみの関数
として与えられるから、両信号21および23を
計数してそれら両周波数の差Δfを求めれば、そ
の値から流体75の流速Vが計算できる。従つ
て、被測定流体75の流量を測定することができ
る。
Taking the difference Δf (=f 1 − f 2 ) between these two frequencies, Δf=2Nsinθ/D/cosθ・V=Nsin2θ/D・V(5
) is given as Therefore, if the angle of incidence θ is constant, the frequency difference Δf is given as a function only of the flow velocity V of the fluid 75, so if both signals 21 and 23 are counted and the difference Δf between these two frequencies is found, then from that value, The flow velocity V of the fluid 75 can be calculated. Therefore, the flow rate of the fluid to be measured 75 can be measured.

しかしながら、このような流量測定装置では入
射角θの変化が無視できる範囲に限つて有効であ
る。例えば流体75の温度が大幅に変化するとこ
の入射角θの変化は無視できなくなり、特に管7
1の内径Dが小さくなればなる程この影響は大き
くなり、測定結果に大きく誤差を含むこととなる
欠点があつた。
However, such a flow rate measuring device is effective only within a range where changes in the incident angle θ can be ignored. For example, if the temperature of the fluid 75 changes significantly, this change in the angle of incidence θ cannot be ignored, especially in the tube 75.
The smaller the inner diameter D of 1, the greater this effect becomes, resulting in a drawback that the measurement results include large errors.

本発明の目的は、上述した欠点を解消するため
になされたもので、被測定媒体の温度が変化して
も、また被測定媒体の流路が小口径であつても、
被測定媒体の流量測定を誤差なく行う装置を提供
することにある。
An object of the present invention was to solve the above-mentioned drawbacks, and even if the temperature of the medium to be measured changes or the flow path of the medium to be measured has a small diameter,
An object of the present invention is to provide a device that measures the flow rate of a medium to be measured without error.

このような目的は、本発明によれば、被測定媒
体の流れに対して上流および下流に設置した一対
のトランスジユーサ、発振周波数が一定な第1発
振器、発振周波数が可変である第2発振器、カウ
ンタ、前記一対のトランスジユーサ間において前
記被測定媒体中を第1方向に超音波が伝搬する時
間と、前記第1発振器の出力信号を前記カウンタ
が設定値まで計数する時間とが所定の関係になる
ように前記カウンタの設定値を可変制御する第1
制御手段、前記第1方向とは反対の第2方向に超
音波が前記一対のトランスジユーサ間において前
記被測定媒体中に伝搬する時間と、前記第1制御
手段によつて制御されたカウンタの設定値まで該
カウンタが前記第2発振器の出力信号を計数する
時間とが所定の関係となるように前記第2発振器
の発振周波数を可変制御する第2制御手段、およ
び前記第1および第2発振器の両発振周波数に基
づいて前記被測定媒体の流量を測定する手段を具
えることによつて達成できる。
According to the present invention, this purpose is achieved by a pair of transducers installed upstream and downstream with respect to the flow of the medium to be measured, a first oscillator with a constant oscillation frequency, and a second oscillator with a variable oscillation frequency. , a counter, the time for the ultrasonic wave to propagate in the first direction in the medium to be measured between the pair of transducers, and the time for the counter to count the output signal of the first oscillator up to a set value are predetermined; A first step that variably controls the set value of the counter so that the relationship is
a control means, a time for the ultrasonic wave to propagate in the medium to be measured between the pair of transducers in a second direction opposite to the first direction; and a counter controlled by the first control means. a second control means for variably controlling the oscillation frequency of the second oscillator so that the time during which the counter counts the output signal of the second oscillator up to a set value has a predetermined relationship; and the first and second oscillators. This can be achieved by comprising means for measuring the flow rate of the medium to be measured based on both oscillation frequencies.

以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明す
る。
Hereinafter, the present invention will be explained in detail based on the drawings.

まず、本発明の基本原理を計算式によつて説明
する。
First, the basic principle of the present invention will be explained using calculation formulas.

(3)式および(4)式より f1+f2=2CW/D/cosθ・N …(6) の関係が成立する。 From equations (3) and (4), the relationship f 1 +f 2 =2C W /D/cosθ·N (6) holds true.

(6)式より、 1/D/cosθ=f1+f2/2CW・N …(7) (7)式を(5)式に代入する。 From equation (6), 1/D/cosθ=f 1 +f 2 /2C W ·N (7) Substitute equation (7) into equation (5).

Δf=2Nsinθ/D/cosθ・V=2Nsinθ/2CW・N(f
1+f2)・V =(f1+f2)sinθ/CW・V (8) ここで、両くさび73,77および管71の管
厚部における超音波伝搬速度をCSとして、スネル
の法則に従い、前述した(5)式の入射角θをくさび
中の角度φに置換すると、 sinθ/CW=sinφ/CS …(9) と表わせる。
Δf=2Nsinθ/D/cosθ・V=2Nsinθ/2C W・N(f
1 +f 2 )・V = (f 1 +f 2 ) sin θ/C W・V (8) Here, let C S be the ultrasonic propagation velocity in both wedges 73, 77 and the thick part of the tube 71, and apply Snell's law. Accordingly, by replacing the incident angle θ in equation (5) above with the angle φ in the wedge, it can be expressed as sinθ/C W =sinφ/C S (9).

この(9)式を(8)式に代入すると、 Δf=(f1+f2)sinφ/CS・V …(10) の関係が成立する。 When this equation (9) is substituted into equation (8), the relationship Δf=(f 1 +f 2 )sinφ/ CS ·V (10) is established.

いまここで、スネルの法則にもとずいて導出さ
れた上記式(10)式をみるに、くさび中の角度φの関
数として表される。sinφは送受波器に個有のもの
でほぼ一定と考えられ、かつ管厚部における超音
波伝搬速度CSは100℃の温度変化に対して数%の
変化を示すにすぎないものであるので式中の
sinφ/CCはほぼ一定に保たれるとみなすことが
できる。
Now, looking at the above equation (10) derived based on Snell's law, it is expressed as a function of the angle φ in the wedge. sinφ is unique to the transducer and is considered to be almost constant, and the ultrasonic propagation velocity C S in the thick part of the pipe only shows a change of a few percent with respect to a temperature change of 100°C. during the ceremony
It can be assumed that sinφ/C C is kept approximately constant.

これらのことから、(9)式中のf1+f2の項が流体
の温度に依存し、測定誤差を生じる大きな要因と
なつていることがわかる。
From these facts, it can be seen that the term f 1 +f 2 in equation (9) depends on the temperature of the fluid and is a major factor causing measurement errors.

したがつて、何らかの方法で、周波数和(f1
f2)をほぼ一定に保てば、Δfにおける温度依存性
をより小さくすることができる。本発明はかよう
な見地からなされたものであつて、以下のような
構成を採用することにより、実質的に周波数和が
ほぼ一定となるような形で、流速Vを求めること
ができるようにしたものである。
Therefore, in some way, the sum of frequencies (f 1 +
If f 2 ) is kept approximately constant, the temperature dependence of Δf can be made smaller. The present invention has been made from this point of view, and by adopting the following configuration, it is possible to obtain the flow velocity V in a manner such that the sum of frequencies is substantially constant. This is what I did.

すなわち、本発明にかかる超音波流量測定装置
は、第1発振器の周波数を一定(f1)に固定し、
その周波数f1をN個カウントする所要時間(N/f1) と流体中の超音波の順方向伝搬時間T1とが一致
するようにNをコントロールする順方向のループ
と、 発振周波数が可変である第2発振器の周波数f2
を前記方向のループで定められたN個だけカウン
トする所要時間(N/f2)と流体中の超音波の逆方 向伝搬時間T2とが一致するようにf2をコントロー
ルする逆方向のループと、から構成されている。
That is, the ultrasonic flow measurement device according to the present invention fixes the frequency of the first oscillator to a constant (f 1 ),
A forward loop that controls N so that the time required to count N times (N/f 1 ) of the frequency f 1 matches the forward propagation time T 1 of the ultrasonic wave in the fluid, and a variable oscillation frequency. The frequency of the second oscillator, f 2
A loop in the reverse direction that controls f 2 so that the time required to count N numbers determined by the loop in the aforementioned direction (N/f 2 ) matches the backward propagation time T 2 of the ultrasonic wave in the fluid. It consists of and.

ここで、(3)式を変形すると、 f1=NCW/D/cos0(1+V/CWsinθ)…(11) と表すことができ、 この(11)式と上述した(6)式とから次式(12)が得られ
る。
Here, by transforming equation (3), it can be expressed as f 1 =NC W /D/cos0 (1+V/C W sinθ)...(11), and this equation (11) and the above equation (6) can be expressed as The following equation (12) can be obtained from

f1=f1+f2/2(1+V/CWsinθ) …(12) さらに(12)式を変形すると f1+f2=f1=2/(1+V/CWsinθ) …(13) と表すことができる。 f 1 = f 1 + f 2 /2 (1 + V / C W sin θ) ... (12) Further transforming equation (12), f 1 + f 2 = f 1 = 2 / (1 + V / C W sin θ) ... (13) can be expressed.

上記(13)式をみるに、実際のVとCWとの間
にはV≫CW(Vnax=数m/s、CW=1000m/s程
度)という関係が成り立つておりV/CWsinθの項は 極めて小さいと考えられ、かつ本発明においては
f1を一定としているので、f1+f2がほぼ一定とな
る。
Looking at equation (13) above, the relationship holds between the actual V and C W : V≫C W (V nax = several m/s, C W = approximately 1000 m/s), and V/C The term W sinθ is considered to be extremely small, and in the present invention
Since f 1 is kept constant, f 1 + f 2 is almost constant.

以上の説明から、本発明においては、実質的に
周波数和(f1+f2)がほぼ一定に保持される。
From the above explanation, in the present invention, the frequency sum (f 1 +f 2 ) is held substantially constant.

第3図は本発明の一実施例を示す。ここで、第
1図と異なる点は、VCO13を一定周波数(例
えば2MHz)f11の発振器131に置換し、時間差
検出回路59を可変時間差検出回路591に置換
し、新たに制御器311、N設定器313および
中央演算処理装置(以下CPUと称す)315を
設けたことである。同一符号は同様な機能を有す
る回路等である。
FIG. 3 shows an embodiment of the invention. Here, the difference from FIG. 1 is that the VCO 13 is replaced with an oscillator 131 with a constant frequency (for example, 2 MHz) f 11 , the time difference detection circuit 59 is replaced with a variable time difference detection circuit 591, and a new controller 311, N setting This is because a processor 313 and a central processing unit (hereinafter referred to as CPU) 315 are provided. The same reference numerals indicate circuits having similar functions.

第4図に、第3図における可変時間差検出回路
591の一具体例を示す。ここで、受波検出信号
57およびカウンタ61の出力信号63を排他的
論理和ゲート401に供給し、このゲート401
の出力信号403で半導体スイツチ405のオ
ン、オフを制御する。このスイツチ405の一端
から抵抗器421(抵抗値R421)、抵抗器422
(抵抗値R422)および抵抗器423(抵抗値R423
のそれぞれを介して切換スイツチ441の接点
p,qおよびrのそれぞれに接続する。なお、こ
こで、R421>R422>R423とする。また、スイツチ
441の切換端子には一定の標準電圧−ESを供給
する。半導体スイツチ405の他端を演算増幅器
445の反転入力端子に接続し、この増幅器44
5の反転入力端子と出力端子との間に積分コンデ
ンサ447および放電用の開閉スイツチ449を
並列接続すると共に、この増幅器445の非反転
入力端子を接地する。
FIG. 4 shows a specific example of the variable time difference detection circuit 591 in FIG. 3. Here, the received wave detection signal 57 and the output signal 63 of the counter 61 are supplied to the exclusive OR gate 401.
The output signal 403 controls the on/off state of the semiconductor switch 405. From one end of this switch 405 to a resistor 421 (resistance value R 421 ), a resistor 422
(resistance value R 422 ) and resistor 423 (resistance value R 423 )
are connected to the contacts p, q, and r of the changeover switch 441, respectively, through the respective contacts p, q, and r. Here, it is assumed that R 421 > R 422 > R 423 . Further, a constant standard voltage -ES is supplied to the switching terminal of the switch 441. The other end of the semiconductor switch 405 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 445.
An integrating capacitor 447 and a discharge switch 449 are connected in parallel between the inverting input terminal and the output terminal of the amplifier 445, and the non-inverting input terminal of the amplifier 445 is grounded.

第5図A〜Jは第3図の動作を示す信号波形図
である。
5A to 5J are signal waveform diagrams showing the operation of FIG. 3.

以下第3図〜第5図A〜Jを参照する。先ず、
制御器311からの制御信号321によつて切換
スイツチ441を接点qに接続する。また、N設
定器313を制御して、それに応じた設定信号3
23によつてカウンタ61の設定値NをN0に初
期設定する。次に、切換スイツチ25,45,5
1および67のそれぞれを接点a側に接続して順
方向モードする。この状態において、第1図に関
連して説明した順方向モードの場合と同様な動作
を行う。
Reference will be made to FIGS. 3 to 5 A to J below. First of all,
A control signal 321 from the controller 311 connects the changeover switch 441 to contact q. It also controls the N setter 313 to provide a corresponding setting signal 3.
23, the set value N of the counter 61 is initialized to N0 . Next, changeover switches 25, 45, 5
1 and 67 are connected to the contact a side for forward mode. In this state, the same operation as in the forward mode described in connection with FIG. 1 is performed.

すなわち、時刻t1にて順方向の超音波45を発
射すると共にカウンタ61が信号211の計数動
作を開始する。しかる後、時刻t2にて、カウンタ
61の計数状態が設定値N0になつたとする。そ
の後、時刻t3にて超音波45が受波されたものと
し、その場合の両信号57および63を第5図A
およびBに示す。時刻t2〜t3の間、ES(コンデン
サ447の容量値×R422)で定まる勾配τ1を有す
る積分出力信号65が得られる(第5図C参照)。
その積分電圧EI1が、時刻t3において基準値Er1
上まわつていれば、制御器311によつて制御信
号321を指令して切換スイツチ441を接点p
側に切り換える、もし、下まわつていればスイツ
チ441を接点r側に切り換える。
That is, at time t1 , the forward ultrasonic wave 45 is emitted and the counter 61 starts counting the signals 211. Assume that thereafter, at time t2 , the counting state of the counter 61 reaches the set value N0 . After that, it is assumed that the ultrasonic wave 45 is received at time t3 , and both signals 57 and 63 in that case are shown in FIG.
and shown in B. Between times t2 and t3 , an integrated output signal 65 having a slope τ1 determined by E S (capacitance value of capacitor 447×R 422 ) is obtained (see FIG. 5C).
If the integrated voltage E I1 exceeds the reference value E r1 at time t3 , the controller 311 commands the control signal 321 to switch the changeover switch 441 to the contact point P.
If it is turned down, switch the switch 441 to the contact r side.

切換スイツチ441が接点pに接続されている
状態で、再び順方向に超音波45を発射させる。
この場合における積分出力信号65の積分電圧
EI2の勾配τ2は小さくなるが、時刻t3の電圧EI2
いまだ基準値Er1より高い。そこで、制御器31
1から制御信号321によつてN設定器313を
制御し、それに応じて設定信号323によりカウ
ンタ61の設定値Nを1だけ大きくする。する
と、第5図Dにてカウンタ61の出力信号63を
示す如くその計数終了時刻t2が遅れる。他方、積
分勾配τ2は一定であるから、積分出力電圧EIの超
音波受波時刻t3における電圧値は低くなる。これ
らの動作を、時刻t3における積分出力電圧EIが基
準値Er1にほぼ等しくなるまで繰り返し、その得
られた積分出力信号65を第5図Eに示す。その
場合におけるカウンタ61の設定値をNC、積分
勾配τC、計数終了時刻をt21とする。
With the changeover switch 441 connected to the contact p, the ultrasonic wave 45 is emitted in the forward direction again.
The integrated voltage of the integrated output signal 65 in this case
Although the slope τ 2 of E I2 becomes smaller, the voltage E I2 at time t 3 is still higher than the reference value E r1 . Therefore, the controller 31
1, the N setter 313 is controlled by the control signal 321, and the set value N of the counter 61 is increased by 1 by the setting signal 323 accordingly. Then, as shown by the output signal 63 of the counter 61 in FIG. 5D, the counting end time t2 is delayed. On the other hand, since the integral gradient τ 2 is constant, the voltage value of the integral output voltage E I at the ultrasound reception time t 3 becomes low. These operations are repeated until the integrated output voltage E I at time t 3 becomes approximately equal to the reference value E r1 , and the obtained integrated output signal 65 is shown in FIG. 5E. In this case, the set value of the counter 61 is N C , the integral slope τ C , and the counting end time t 21 .

なお、切換スイツチ441を接点rに切り換え
てもなお受波時刻t3における積分出力電圧EIが基
準値Er1を下まわる場合には、カウンタ61の設
定値Nを1だけ減ずる。そして上述のような動作
を繰り返して最適な設定値NCを得る。
Note that even if the changeover switch 441 is switched to the contact r, if the integrated output voltage E I at the reception time t 3 is still lower than the reference value E r1 , the set value N of the counter 61 is decreased by 1. Then, the above-described operation is repeated to obtain the optimal set value N C.

次いで、切換スイツチ25,45,51および
67のそれぞれを接点b側に切り換えて逆方向モ
ードとする。この逆方向モードの動作は第1図に
関して述べた動作と同様である。
Next, each of the changeover switches 25, 45, 51, and 67 is switched to the contact b side to set the reverse direction mode. Operation in this reverse mode is similar to that described with respect to FIG.

すなわち、逆方向の超音波47を発射すると共
にVCO15の出力信号23(周波数f2)の計数
動作を開始する(時刻t1)。第5図Gの計数出力
信号63にて示す如く計数終了時刻t22で可変時
間差検出回路591は積分動作を開始し、第5図
Fの受波検出信号57にて示す如く受波時刻t32
で積分動作を終える。その積分出力信号65を第
5図Hに示す。なお、積分勾配は、順方向モード
の動作終了時点と同じ勾配τCである。積分終了時
(時刻t32)の積分出力電圧EIは基準値Er2を越す
と、その電圧EIを示す信号65によつてVCO1
5の発振周波数f2を低くする。すると、カウンタ
61の設定値NはNCのままであるから、次の逆
方向超音波47を発射した場合、計数終了時刻
t22は遅れる。かような周波数可変制御動作を、
超音波の受波時刻t32における積分電圧EIが基準
値Er2にほぼ等しくなるまで繰り返す。その場合
における計数出力信号63を第5図Iに示し、そ
の計数終了時点をt23として、積分出力信号65
を第5図Jに示す。
That is, while emitting ultrasonic waves 47 in the opposite direction, the counting operation of the output signal 23 (frequency f 2 ) of the VCO 15 is started (time t 1 ). The variable time difference detection circuit 591 starts the integration operation at the counting end time t 22 as shown by the count output signal 63 in FIG. 5G, and at the reception time t 32 as shown by the reception detection signal 57 in FIG.
The integral operation ends with . The integrated output signal 65 is shown in FIG. 5H. Note that the integral gradient is the same gradient τ C at the end of the operation in the forward mode. When the integrated output voltage E I at the end of integration (time t 32 ) exceeds the reference value E r2 , the signal 65 indicating the voltage E I outputs VCO1.
Lower the oscillation frequency f 2 of 5. Then, since the set value N of the counter 61 remains at N C , when the next backward ultrasonic wave 47 is emitted, the counting end time is
t22 will be late. Such frequency variable control operation,
This is repeated until the integrated voltage E I at the ultrasound reception time t 32 becomes approximately equal to the reference value E r2 . The counting output signal 63 in that case is shown in FIG.
is shown in Figure 5J.

上述説明における両基準値Er1およびEr2は、流
量測定装置としての標準状態に基づいて定められ
る。従つて、上述した手順を経れば、入射角θの
変化による誤差を補償したことになる。
Both reference values E r1 and E r2 in the above description are determined based on the standard state of the flow rate measuring device. Therefore, if the above-described procedure is followed, the error due to the change in the incident angle θ is compensated for.

そこで、CPU315によつてOSC131およ
びVCO15の両発振周波数f11およびf2を測定し
て、その周波数差Δf(=f11−f2)を求める。しか
る後、(5)式に基づいて、被測定流体75の流速V
を計算し、流量を求めることができる。
Therefore, the CPU 315 measures both the oscillation frequencies f 11 and f 2 of the OSC 131 and the VCO 15, and calculates the frequency difference Δf (=f 11 −f 2 ). After that, based on equation (5), the flow velocity V of the fluid to be measured 75 is determined.
can be calculated to determine the flow rate.

なお、第4図に示した如く抵抗器421,42
2,423の切換によつて積分勾配を変化させる
ようにしたが、これはカウンタ61の設定値Nが
デジタル的に変化するのでそのデジタル変化値の
幅を補間するためである。もし、発振器131お
よびVCO15の両周波数f11およびf2を極めて高
く(例えば1GHz)するならば、積分勾配を変え
る必要はない。
In addition, as shown in FIG. 4, resistors 421 and 42
The integral slope is changed by switching between 2 and 423. This is because the set value N of the counter 61 changes digitally, and the width of the digital change value is interpolated. If both frequencies f 11 and f 2 of oscillator 131 and VCO 15 are made very high (for example, 1 GHz), there is no need to change the integral slope.

以上詳述した如く、本発明によれば、被測定媒
体その他の温度変化に基づく誤差を補償して正確
な流量測定を行うことのできる超音波流量測定装
置が実現できる。
As described in detail above, according to the present invention, it is possible to realize an ultrasonic flow rate measuring device that can perform accurate flow rate measurement by compensating for errors caused by temperature changes in the medium to be measured and other factors.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来の超音波流量測定装置のブロツク
図、第2図は被測定流体の管路にトランスジユー
サを取付けた状態および超音波の伝搬路の説明
図、第3図は本発明の一実施例による超音波流量
測定装置のブロツク図、第4図は第3図の可変時
間差検出回路の一具体例を示すブロツク図、第5
図A〜Jは第3図の動作を説明するための各部信
号波形図である。 13,15…電圧制御形発振器、27…パルス
発生回路、35…送信回路、41,43…トラン
スジユーサ、55…受信回路、59…時間差検出
回路、61…カウンタ、71…管、75…流体、
131…発振器、311…制御器、315…中央
演算処理装置、591…可変時間差検出回路。
Fig. 1 is a block diagram of a conventional ultrasonic flow rate measuring device, Fig. 2 is an explanatory diagram of the state in which a transducer is attached to the pipe line of the fluid to be measured and the propagation path of the ultrasonic waves, and Fig. 3 is an illustration of the ultrasonic wave propagation path of the present invention. FIG. 4 is a block diagram of an ultrasonic flow rate measuring device according to an embodiment, and FIG. 4 is a block diagram showing a specific example of the variable time difference detection circuit of FIG. 3.
FIGS. A to J are signal waveform diagrams of various parts for explaining the operation of FIG. 3. DESCRIPTION OF SYMBOLS 13, 15... Voltage controlled oscillator, 27... Pulse generating circuit, 35... Transmitting circuit, 41, 43... Transducer, 55... Receiving circuit, 59... Time difference detection circuit, 61... Counter, 71... Tube, 75... Fluid ,
131... Oscillator, 311... Controller, 315... Central processing unit, 591... Variable time difference detection circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 被測定媒体の流れに対して上流および下流に
設置した一対のトランスジユーサ、発振周波数が
一定な第1発振器、発振周波数が可変である第2
発振器、カウンタ、前記一対のトランスジユーサ
間において前記被測定媒体中を第1方向に超音波
が伝搬する時間と、前記第1発振器の出力信号を
前記カウンタが設定値まで計数する時間とが所定
の関係になるように前記カウンタの設定値を可変
制御する第1制御手段、前記第1方向とは反対の
第2方向に超音波が前記一対のトランスジユーサ
間において前記被測定媒体中を伝搬する時間と、
前記第1制御手段によつて制御されたカウンタの
設定値まで該カウンタが前記第2発振器の出力信
号を計数する時間とが所定の関係となるように前
記第2発振器の発振周波数を可変制御する第2制
御手段、および前記第1および第2発振器の両発
振周波数に基づいて前記被測定媒体の流量を測定
する手段を具えたことを特徴とする超音波流量測
定装置。
1 A pair of transducers installed upstream and downstream with respect to the flow of the medium to be measured, a first oscillator with a constant oscillation frequency, and a second oscillator with a variable oscillation frequency.
An oscillator, a counter, a time for the ultrasonic wave to propagate in the medium to be measured in a first direction between the pair of transducers, and a time for the counter to count the output signal of the first oscillator to a set value are predetermined. a first control means for variably controlling the set value of the counter so that the relationship is such that the ultrasonic wave propagates in the medium to be measured between the pair of transducers in a second direction opposite to the first direction; and the time to
The oscillation frequency of the second oscillator is variably controlled so that the time required for the counter to count the output signal of the second oscillator up to the set value of the counter controlled by the first control means has a predetermined relationship. An ultrasonic flow rate measuring device comprising: second control means; and means for measuring the flow rate of the medium to be measured based on both the oscillation frequencies of the first and second oscillators.
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