JPH032247B2 - - Google Patents

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JPH032247B2
JPH032247B2 JP11640282A JP11640282A JPH032247B2 JP H032247 B2 JPH032247 B2 JP H032247B2 JP 11640282 A JP11640282 A JP 11640282A JP 11640282 A JP11640282 A JP 11640282A JP H032247 B2 JPH032247 B2 JP H032247B2
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JP
Japan
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ultrasonic
signal
propagation time
autocorrelation function
circuit
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JP11640282A
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Japanese (ja)
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JPS597217A (en
Inventor
Chuji Akyama
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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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

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は管路に対して斜めに対向配置された
超音波送受波器間で送受信される超音波の伝播時
間から前記管路内を流れる流体の流速、流量を求
める超音波流量計に係り、特に前記超音波送受波
器を駆動する送信信号を所定の変調信号で変調
し、これに応じて得られる受信信号および前記変
調信号に基づいてこの変調信号の自己相関関数を
求め、この自己相関関数を利用して前記流体の流
速、流量を求めるようにした超音波流量計に関す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention determines the flow rate and flow rate of fluid flowing in the pipe from the propagation time of ultrasonic waves transmitted and received between ultrasonic transducers arranged diagonally opposite to the pipe. It relates to an ultrasonic flowmeter, in particular, modulating the transmission signal that drives the ultrasonic transducer with a predetermined modulation signal, and calculating the autocorrelation function of this modulation signal based on the reception signal obtained in response to this and the modulation signal. The present invention relates to an ultrasonic flowmeter in which the autocorrelation function is used to determine the flow velocity and flow rate of the fluid.

第1図は超音波流量計の基本構成例を示す図で
あり、この図に示すように一方の超音波送受波器
1aの発した超音波パルスは管路2内の流体3中
を伝播して前記超音波送受波器1aと斜めに対向
して配置された他方の超音波送受波器1bで受信
される。ここで、管路2の管径をD、超音波パル
スの入射角をθ、流体3中の音速をC、流体3の
流速をVとすれば、超音波送受波器1aが超音波
パルスを発信してから、超音波送受波器1bがこ
の超音波パルスを受信するまでに要する時間T1
は、 T1=D/cosθ/C+V・sinθ ……(1) で与えられ、また逆に超音波送受波器1bの発し
た超音波パルスが超音波送受波器1aで受信され
るまでに要する時間T2は、 T2=D/cosθ/C−V・sinθ ……(2) で与えられる。そしてこれら(1)式および(2)式から
音速Cを消去し、流体3の流速Vを求めれば、 V=D/sin2θ・T2−T1/T1・T2 ……(3) となる。ここでこのような超音波流量計において
通常用いられている値として、D=100mm、θ=
22゜を(3)式に代入し、かつこの超音波流量計によ
つて測定される流体3の音速Cを1450m/s、流
速Vを1cm/sとすれば超音波パルスの伝播時間
差T1−T2は約8ps(8×10-12秒)となる。このよ
うに超音波流量計においては、超音波パルスの伝
播時間差T1−T2が非常に小さな値となるから超
音波パルスの正確な伝播時間測定が必要不可欠な
なものとなつている。
FIG. 1 is a diagram showing an example of the basic configuration of an ultrasonic flowmeter. As shown in this figure, ultrasonic pulses emitted by one ultrasonic transducer 1a propagate through the fluid 3 in the conduit 2. The received signal is received by the other ultrasonic transducer 1b, which is disposed diagonally opposite the ultrasonic transducer 1a. Here, if the pipe diameter of the conduit 2 is D, the incident angle of the ultrasonic pulse is θ, the sound velocity in the fluid 3 is C, and the flow velocity of the fluid 3 is V, then the ultrasonic transducer 1a transmits the ultrasonic pulse. The time required for the ultrasonic transducer 1b to receive this ultrasonic pulse after transmitting it T 1
is given by T 1 =D/cosθ/C+V・sinθ (1), and conversely, the time required for the ultrasonic pulse emitted by the ultrasonic transducer 1b to be received by the ultrasonic transducer 1a is The time T 2 is given by T 2 =D/cosθ/C−V·sinθ (2). Then, by eliminating the sound speed C from these equations (1) and (2) and finding the flow velocity V of fluid 3, we get: V=D/sin2θ・T 2 −T 1 /T 1・T 2 ……(3) Become. Here, the values normally used in such an ultrasonic flowmeter are D = 100 mm, θ =
Substituting 22° into equation (3), and assuming that the sound velocity C of the fluid 3 measured by this ultrasonic flowmeter is 1450 m/s and the flow velocity V is 1 cm/s, the propagation time difference of the ultrasonic pulses T 1 −T 2 is approximately 8 ps (8×10 −12 seconds). As described above, in an ultrasonic flowmeter, the difference in propagation time of ultrasonic pulses T 1 -T 2 is a very small value, so accurate measurement of propagation time of ultrasonic pulses is essential.

ところでこのような超音波パルスの伝播時間を
測定する方法として、従来シングアラウンド法
(あるいはPLL法)およびパルス伝播時間差法等
が知られている。これらシングアラウンド法、パ
ルス伝播時間差法はいずれも超音波パルスの伝播
時間からT1,T2を個別に求めるものであるが以
下に述べるような欠点を持つている。
By the way, conventionally known methods for measuring the propagation time of such ultrasonic pulses include the sing-around method (or PLL method) and the pulse propagation time difference method. Both the sing-around method and the pulse propagation time difference method calculate T 1 and T 2 individually from the propagation time of the ultrasonic pulse, but they have the following drawbacks.

() 測定に使用する超音波がパルス状である
ことから、超音波パルスの伝播経路中に気泡や
ゴミ等があると超音波パルスが減衰し伝播時間
の測定に誤差が生じる。
() Since the ultrasonic waves used for measurement are in the form of pulses, if there are bubbles or dust in the propagation path of the ultrasonic pulses, the ultrasonic pulses will be attenuated and errors will occur in the measurement of propagation time.

() 超音波を発生する超音波振動子は電圧を
印加された場合においてもすぐには振動しない
から、このような超音波振動子により得られる
超音波パルスは第2図に示すようにそのエンベ
ロープaがゆるやかなものとなる。このため、
伝播時間測定時に比較レベルlを設定し、超音
波パルスがこの比較レベルlを越えた時間を測
定して伝播時間を計測しているが、このような
測定ではエンベロープ変化等により比較レベル
lを最初に越えるパルス(特定波)の振幅が変
化すると、測定誤差を生じる。
() Since an ultrasonic transducer that generates ultrasonic waves does not vibrate immediately even when a voltage is applied, the ultrasonic pulse obtained by such an ultrasonic transducer has its envelope as shown in Figure 2. a becomes gradual. For this reason,
When measuring the propagation time, a comparison level l is set, and the time when the ultrasonic pulse exceeds this comparison level l is measured to measure the propagation time. If the amplitude of the pulse (specific wave) changes beyond , a measurement error will occur.

() またこのようなエンベロープ変化等によ
る測定誤差を除くために比較レベルlを低く設
定すると、ノイズ等の影響を受けやすくなるの
みならず、レベルhを有する超音波パルスの音
響エネルギーも無駄になる。
() Furthermore, if the comparison level l is set low in order to eliminate measurement errors due to such envelope changes, etc., not only will it be more susceptible to the effects of noise, etc., but the acoustic energy of the ultrasonic pulse with level h will also be wasted. .

() また立上りの鋭い超音波パルスを用いて
エンベロープ変化等による測定誤差除くために
は超音波振動子に瞬間的に高電圧を印加する必
要があるが、このためには回路の設計を工夫す
る必要がある。さらにこの場合、回路が複雑に
なると共に回路素子に高電圧が印加されるから
回路素子の信頼性が低下し、かつ高い電圧を用
いることから防爆の点でも好ましいものではな
い。
() Also, in order to eliminate measurement errors due to envelope changes using ultrasonic pulses with a sharp rise, it is necessary to instantaneously apply a high voltage to the ultrasonic transducer, but in order to do this, the circuit design must be devised. There is a need. Furthermore, in this case, the circuit becomes complicated and the reliability of the circuit elements is lowered because a high voltage is applied to the circuit elements, and since a high voltage is used, it is not preferable in terms of explosion protection.

一方、上述した測定方法と異なる測定法の1
つとして連続波を用いる位相差法も知られてい
るが、このような位相差法は以下に述べるよう
な欠点がある。
On the other hand, 1 measurement method different from the measurement method described above
A phase difference method using continuous waves is also known, but such a phase difference method has the following drawbacks.

() 連続波を用いて伝播時間を測定している
から、前記(3)式に示す伝播時間差T1−T2を求
めるための搬送波が必要であり、かつこの搬送
波の周波数変動により測定誤差が生じる。
() Since the propagation time is measured using a continuous wave, a carrier wave is required to obtain the propagation time difference T 1T 2 shown in equation (3) above, and measurement errors occur due to frequency fluctuations of this carrier wave. arise.

() さらに、前記(3)式にあるような超音波パ
ルスの伝播時間T1,T2を個々に求めることが
できない。
() Furthermore, the propagation times T 1 and T 2 of the ultrasonic pulses as shown in equation (3) above cannot be determined individually.

この発明は上記の点に鑑み、前記()〜
()に示す欠点を除くことができると共に、超
音波パルスの伝播時間T1,T2を高い精度で求め
ることができる超音波流量計を提供するもので、
搬送信号を所定の変調信号で変調した被変調信号
で超音波送受波器の一方を駆動し、これにより得
られる超音波を超音波送受波器の他方で受信して
受信信号を得、この受信信号および前記変調信号
からこの変調信号の自己相関関数を求め、この自
己相関関数に基づいて流体の流速、流量を求める
ことを特徴としている。
In view of the above points, the present invention has been made in the above () to
The present invention provides an ultrasonic flowmeter that can eliminate the drawbacks shown in () and also that can determine the propagation times T 1 and T 2 of ultrasonic pulses with high accuracy.
One side of the ultrasonic transducer is driven by a modulated signal obtained by modulating the carrier signal with a predetermined modulation signal, and the resulting ultrasonic wave is received by the other side of the ultrasonic transducer to obtain a reception signal. The present invention is characterized in that an autocorrelation function of the modulated signal is determined from the signal and the modulated signal, and the flow rate and flow rate of the fluid are determined based on this autocorrelation function.

以下この発明の一実施例を図面にしたがつて説
明する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第3図はこの発明による超音波流量計の第1実
施例を示すブロツク図である。この図において、
4は一定周波数の搬送信号を発生する発振器であ
り、この発振器4の出力(搬送信号S1)は変調
器5に供給される。変調器5は変調信号発生器1
7からの変調信号S2に基づいて前記搬送信号S
1を変調(例えば、FM変調)するものであり、
この変調器5の出力(駆動信号S3)は送信回路
6に供給される。送信回路6は前記駆動信号S3
を増幅するものであり、この増幅動作により得ら
れた駆動電圧をスイツチ7を介して一方の超音波
送受波器1aに供給し、同超音波送受波器1aか
ら超音波を送信させる。一方、超音波送受波器1
bにより受信された超音波は同超音波送受波器1
bにより対応する受信信号に変換された後に、ス
イツチ7を介して受信回路8に供給される。受信
回路8は前記受信信号を増幅するものであり、こ
の受信回路8の出力(信号S4)は復調器9に供
給される。復調器9は前記信号S4を復調するも
のであり、この復調器9の出力(復調信号S5)
は演算器10に供給される。演算器10は前記変
調信号S2と復調信号S5とを乗算し、この乗算
結果の平均値を求めて変調信号S2の自己相関関
数を求めるものであり、この演算器10の演算結
果(流速)は出力端子11から出力される。す
なわちここで、前記変調信号S2をφ(t)とす
れば復調信号S5はφ(t−τ)で表わされるか
ら、演算器10で得られる自己相関関数Ψ(τ)
は、 Ψ(τ)= lim T→∞1/T∫T 0φ(t)・φ(t−τ)dt
……(4) となる。ここで、変調信号S2が、例えばクロツ
ク周期(疑似乱数を示すパラメータ)がt0、くり
返しを示す信号周期がNであるM系列の信号であ
れば、演算器10において得られる自己相関関数
Ψ(τ)は、時間差τが(k・N−1)・t0τ
(k・N+1)・t0の範囲にある時に、 Ψ(τ)=1−(1−1/N)・|τ−k・N・t0|/
t0 ……(5) 但し、kは整数。
FIG. 3 is a block diagram showing a first embodiment of an ultrasonic flowmeter according to the present invention. In this diagram,
Reference numeral 4 denotes an oscillator that generates a carrier signal of a constant frequency, and the output of this oscillator 4 (carrier signal S1) is supplied to a modulator 5. Modulator 5 is modulation signal generator 1
7 based on the modulated signal S2 from the carrier signal S
1 (for example, FM modulation),
The output of this modulator 5 (drive signal S3) is supplied to a transmitting circuit 6. The transmission circuit 6 receives the drive signal S3.
The drive voltage obtained by this amplification operation is supplied to one of the ultrasonic transducers 1a via the switch 7, and the ultrasonic transducers 1a transmit ultrasonic waves. On the other hand, ultrasonic transducer 1
The ultrasonic waves received by b are sent to the same ultrasonic transducer 1.
After being converted into a corresponding reception signal by b, the received signal is supplied to the reception circuit 8 via the switch 7. The receiving circuit 8 amplifies the received signal, and the output (signal S4) of this receiving circuit 8 is supplied to a demodulator 9. The demodulator 9 demodulates the signal S4, and the output of this demodulator 9 (demodulated signal S5)
is supplied to the arithmetic unit 10. The arithmetic unit 10 multiplies the modulated signal S2 and the demodulated signal S5, and calculates the average value of the multiplication results to obtain the autocorrelation function of the modulated signal S2.The arithmetic result (flow velocity) of this arithmetic unit 10 is It is output from the output terminal 11. That is, here, if the modulated signal S2 is φ(t), the demodulated signal S5 is expressed as φ(t-τ), so the autocorrelation function Ψ(τ) obtained by the calculator 10 is
is, Ψ(τ)=lim T→∞1/T∫ T 0 φ(t)・φ(t−τ)dt
...(4) becomes. Here, if the modulation signal S2 is, for example, an M-sequence signal whose clock period (parameter indicating a pseudo-random number) is t 0 and whose signal period indicating repetition is N, the autocorrelation function Ψ( τ), the time difference τ is (k・N−1)・t 0 τ
When in the range of (k・N+1)・t 0 , Ψ(τ)=1−(1−1/N)・|τ−k・N・t 0 |/
t 0 ...(5) However, k is an integer.

となり、時時間差τが上記範囲外の時に、 Ψ(τ)=−1/N ……(6) となる。したがつて、このように変調信号S2を
選べば、この変調信号S2の自己相関関数Ψ(τ)
は第4図に示すような特性を示す。すなわちここ
で、クロツク周期t0、信号周期Nを、 (N−1)t0<T1<Nt0 ……(7) なる式を満すように選べば、測定によつて得られ
た自己相関関数Ψ(τ)の値および前記(5)式から
一方の超音波伝播時間T1を求めることができる。
When the time difference τ is outside the above range, Ψ(τ)=-1/N...(6). Therefore, if the modulation signal S2 is selected in this way, the autocorrelation function Ψ(τ) of this modulation signal S2
exhibits characteristics as shown in FIG. That is, if the clock period t 0 and signal period N are selected to satisfy the following equation (N-1) t 0 < T 1 < Nt 0 ...(7), the self One ultrasonic propagation time T 1 can be determined from the value of the correlation function Ψ(τ) and the above equation (5).

さらにこの例では、超音波伝播時間T1が前記
(7)式で示す範囲にあれば、(5)式から明らかなよう
にこの時の自己相関関数Ψ(T1)は変数Nt0−T1
に対し直線的に変化するから、自己相関関数Ψ
(T1)が求まれば、この自己相関関数Ψ(T1)か
ら超音波伝播時間T1を容易に求めることができ
る。また、自己相関関数Ψ(τ)は時間差τが0
〜(N−1)t0の範囲にある時にその値が−1/N と一定であり、(N−1)t0〜Nt0の範囲にある時
に大きな利得を持つ。このように、自己相関関数
Ψ(T1)は(N−1)t0のオフセツトを持つてい
るから、時間測定の精度を高めることができ、超
音波伝播時間T1を高い精度で求めることができ
る。またスイツチ7を切換えれば、上述した超音
波伝播時間T1と同様にして逆方向の超音波伝播
時間T2を求めることができる。
Furthermore, in this example, the ultrasound propagation time T 1 is
If it is within the range shown by equation (7), as is clear from equation (5), the autocorrelation function Ψ(T 1 ) at this time is the variable Nt 0 −T 1
Since it changes linearly with respect to Ψ, the autocorrelation function Ψ
Once (T 1 ) is determined, the ultrasonic propagation time T 1 can be easily determined from this autocorrelation function Ψ(T 1 ). Also, the autocorrelation function Ψ(τ) has a time difference τ of 0.
When the value is in the range of ~(N-1) t0 , the value is constant at -1/N, and when it is in the range of (N-1) t0 ~ Nt0 , it has a large gain. In this way, since the autocorrelation function Ψ(T 1 ) has an offset of (N-1)t 0 , the accuracy of time measurement can be improved, and the ultrasonic propagation time T 1 can be determined with high precision. Can be done. Furthermore, by switching the switch 7 , the ultrasonic propagation time T2 in the opposite direction can be determined in the same manner as the ultrasonic propagation time T1 described above.

次に、具体的な数値を用いてこの発明による超
音波流量計における積分期間Tについて考察す
る。まずこの発明においては、前記(4)式に示すよ
うに積分期間Tを無限大とすることにより変調信
号S2の自己相関関数を求めるようになつている
が、実際の積分は有限区間(有限期間)T0で行
なわれるからこの場合の自己相関関数Ψ′(τ)は
真値Ψ(τ)に対して誤差を持つものとなる。
Next, the integration period T in the ultrasonic flowmeter according to the present invention will be discussed using specific numerical values. First, in this invention, the autocorrelation function of the modulated signal S2 is determined by setting the integration period T to infinity as shown in equation (4) above, but the actual integration is performed over a finite interval (a finite period )T 0 , the autocorrelation function Ψ'(τ) in this case has an error with respect to the true value Ψ(τ).

以下この誤差と積分期間T0との関係について
述べる。
The relationship between this error and the integration period T 0 will be described below.

まず、自己相関関数Ψ′(τ)の期待値E
〔Ψ′(τ)〕は、 E〔Ψ′(τ)〕T0−t0/T0・Ψ(τ) ……(8) なる式で与えられ、かつこの時の分散Var
〔Ψ′(τ)〕は、 Var〔Ψ′(τ)〕1/T0Nt0 0Ψ2(τ)dτ 2N2+5N−4/3N2・t0/T0 ……(9) なる式で与えられる。したがつてここで、 |Ψ(τ)−E〔Ψ′(τ)〕|,√〔′(
)〕<
7×10-4/2とすれば、前記(8)式からt0/T0<3.5× 10-4が得られ、前記(9)式からt0/T0<8×10-8
得られる。したがつて積分期間T0は、 T0>t0/8×10-8 ……(10) となり、特に信号周期NがN=127の場合は、 T0>105・Tc ……(11) 但し、Tcは超音波伝播時間 となる。したがつてここで、管路2(第1図参
照)の管径をD=25mmとすれば積分期間T0は、 T0>1.8(SEC) ……(12) となる。この(12)C式から明らかなように積分期間
T0は十分小さく実用的な値である。
First, the expected value E of the autocorrelation function Ψ′(τ)
[Ψ′(τ)] is given by the formula E[Ψ′(τ)]T 0 −t 0 /T 0・Ψ(τ) ...(8), and the variance Var
[Ψ′(τ)] is Var[Ψ′(τ)]1/T 0Nt0 0 Ψ 2 (τ)dτ 2N 2 +5N−4/3N 2・t 0 /T 0 ……(9) It is given by Eq. Therefore, here, |Ψ(τ)−E[Ψ′(τ)]|,√[′(
)〕<
7×10 -4 /2, t 0 /T 0 <3.5×10 -4 is obtained from the above equation (8), and t 0 /T 0 <8×10 -8 is obtained from the above equation (9). can get. Therefore, the integration period T 0 is T 0 > t 0 /8×10 -8 ……(10), and especially when the signal period N is N=127, T 0 > 10 5・T c ……( 11) However, T c is the ultrasonic propagation time. Therefore, if the pipe diameter of pipe line 2 (see Fig. 1) is set to D = 25 mm, the integration period T 0 becomes T 0 >1.8 (SEC) (12). As is clear from this equation (12)C, the integration period
T 0 is a sufficiently small and practical value.

次に、具体的な数値を用いてこの発明による超
音波流量計で必要な分解能と従来の超音波流量計
で必要な分解能との差異について考案する。まず
従来の超音波流量計で必要とされる分解能につい
て述べる。従来の超音波流量計における超音波伝
播時間Tcは、前記(1)式および(2)式から Tc≒D/C・cosθ ……(13) 但し、V/C≪1 となる。また前記(3)式において、T2−T1=δTと
おけば、 δT=sin2θ/D・V・T1・T2 ≒sin2θ/D・V・T2 c ……(14) が得られる。したがつて、超音波伝播時間T1
T2を直接求める場合に必要な分解能δT/Tcは、 δT/Tc2V/C・sinθ ……(15) となる。ここで超音波の入射角θを22゜、流体3
中の音速Cを1450m/s、流体3の流速Vを1cm
とすれば(15)式に示す分解能δT/Tcは、 δT/Tc5×10-6 ……(16) となる。
Next, using specific numerical values, we will consider the difference between the resolution required for the ultrasonic flowmeter according to the present invention and the resolution required for a conventional ultrasonic flowmeter. First, we will discuss the resolution required for conventional ultrasonic flowmeters. The ultrasonic propagation time T c in the conventional ultrasonic flowmeter is calculated from the above equations (1) and (2) as T c ≈D/C·cosθ (13) where V/C≪1. Furthermore, in the above equation (3), if T 2 −T 1 = δT, then δT = sin2θ/D・V・T 1・T 2 ≒sin2θ/D・V・T 2 c ……(14) is obtained. . Therefore, the ultrasound propagation time T 1 ,
The resolution δT/T c required when determining T 2 directly is δT/T c 2V/C·sinθ (15). Here, the incident angle θ of the ultrasonic wave is 22°, and the fluid 3
The sound velocity C inside is 1450 m/s, and the flow velocity V of fluid 3 is 1 cm.
Then, the resolution δT/T c shown in equation (15) becomes δT/T c 5×10 -6 ...(16).

一方、この発明による超音波流量計において
は、超音波伝播時間Tcは、 TcNt0 ……(17) で与えられる。したがつて、この(17)式および
前記(13)式、(14)式から超音波伝播時間T1
T2を求める場合に必要な分解能δT/t0は、 δT/t02N・V/C・sinθ ……(18) となる。すなわち、この超音波流量計において
は、信号周期Nの分だけ必要な分解能を低くする
ことができる。例えば、信号周期NをN=127と
すると、この時の分解能δT/t0は、 δT/t07×10-4 ……(19) となる。
On the other hand, in the ultrasonic flowmeter according to the present invention, the ultrasonic propagation time T c is given by T c Nt 0 (17). Therefore, from this equation (17) and the above equations (13) and (14), the ultrasonic propagation time T 1 ,
The resolution δT/t 0 required to obtain T 2 is δT/t 0 2N·V/C·sinθ (18). That is, in this ultrasonic flowmeter, the required resolution can be lowered by the signal period N. For example, if the signal period N is N=127, the resolution δT/t 0 at this time is δT/t 0 7×10 -4 (19).

このように、この超音波流量計においては、タ
イムベース(クロツク周期)t0を必要な精度まで
分解すれば、比較的容易に必要精度で超音波伝播
時間T1,T2を求めることができる。
In this way, in this ultrasonic flowmeter, by decomposing the time base (clock period) t 0 to the required accuracy, the ultrasonic propagation times T 1 and T 2 can be determined with the required accuracy relatively easily. .

なおこの実施例においては伝播時間T1が(N
−1)t0<T1<N・t0となるように、すなわちこ
の伝播時間T1が変調信号S2の周期と一致する
ようにクロツク周期t0、信号周期Nの各値を設定
しているが、この伝播時間T1がNt0の任意の整数
倍付近にくるようにクロツク周期t0、信号周期N
の各値を設定しても良い。
Note that in this embodiment, the propagation time T 1 is (N
-1) Set the clock period t 0 and the signal period N so that t 0 < T 1 < N・t 0 , that is, the propagation time T 1 matches the period of the modulation signal S2. However, the clock period t 0 and the signal period N are adjusted so that this propagation time T 1 is around an arbitrary integer multiple of Nt 0 .
You may also set each value.

第5図はこの発明による超音波流量計の第2実
施例を示すブロツク図である。この図において、
12は発振器4により得られた搬送信号S1を変
調する変調器であり、この変調器12は端子13
を介して供給される変調信号S2aに基づいて搬
送信号S1をFM変調し、これにより得られた駆
動信号S3a(この駆動信号S3aは周波数high
の信号と周波数LOWの信号とが交互に組合わされ
たものである)を混変調回路14に供給すると共
に、送信回路6、スイツチ7を順次介して一方の
超音波送受波器1aに供給し、同超音波送受波器
1aから超音波を送信させる。一方、超音波流送
受波器1bにより受信された超音波はここで対応
する受信信号に変換された後に、スイツチ7、受
信回路8を順次介して混変調回路14に供給され
る。混変調回路14は前記駆動信号S3aと、前
記受信回路8を介して供給される信号S4aとを
混合するものであり、混合によつて得られたビー
ト信号S6をカウンタ15に供給する。ここで前
記駆動信号S3aが例えば第6図イに示すもので
あり、かつ信号S4aが同図ロに示すものであれ
ば、このビート信号S6の周波数は、駆動信号S
3aの周波数と信号S4aの周波数とが同じ時に
零、また異なる時にはhighLOWとなるから、カ
ウンタ15に供給されるビート信号S6は第6図
ハに示すものとなる。すなわち、カウンタ15に
はこれら駆動信号S3aと信号S4aとの位相差
(超音波伝播時間)T1および駆動信号S3の周波
数差highLOWに比例したパルス列のビート信号
S6が供給される。したがつて、カウンタ15の
計数結果は1−Ψ(T1)に比例するものとなり、
このカウンタ15の計数結果は演算器10aに供
給される。演算器10aは前記計数結果から超音
波伝播時間T1を求めると共に、この超音波伝播
時間T1とスイツチ7を切換えて得られる超音波
伝播時間T2とから流速Vを求めるものである。
FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention. In this diagram,
12 is a modulator that modulates the carrier signal S1 obtained by the oscillator 4, and this modulator 12 is connected to the terminal 13.
The carrier signal S1 is FM modulated based on the modulation signal S2a supplied via the drive signal S3a (this drive signal S3a has a frequency of high
and a signal with a frequency of LOW are alternately combined) to the intermodulation circuit 14, and also to one ultrasonic transducer 1a via the transmitting circuit 6 and the switch 7 in sequence, Ultrasonic waves are transmitted from the ultrasonic transducer 1a. On the other hand, the ultrasonic wave received by the ultrasonic wave transducer/receiver 1b is converted into a corresponding reception signal and then supplied to the intermodulation circuit 14 via the switch 7 and the reception circuit 8 in sequence. The cross-modulation circuit 14 mixes the driving signal S3a and the signal S4a supplied via the receiving circuit 8, and supplies the beat signal S6 obtained by the mixing to the counter 15. Here, if the drive signal S3a is, for example, as shown in FIG. 6A, and the signal S4a is as shown in FIG.
The beat signal S6 supplied to the counter 15 is as shown in FIG. 6C, since it is zero when the frequency of the signal S4a and the frequency of the signal S4a are the same, and high - LOW when they are different. That is, the counter 15 is supplied with a pulse train beat signal S6 proportional to the phase difference (ultrasonic propagation time) T1 between the drive signal S3a and the signal S4a and the frequency difference high - LOW of the drive signal S3. Therefore, the counting result of the counter 15 is proportional to 1-Ψ(T 1 ),
The count result of this counter 15 is supplied to the arithmetic unit 10a. The computing unit 10a determines the ultrasonic propagation time T 1 from the counting result, and also determines the flow velocity V from the ultrasonic propagation time T 1 and the ultrasonic propagation time T 2 obtained by switching the switch 7.

このように、2つの周波数highLOWを用いた
場合においても、カウンタ15の計数結果から等
価的に自己相関関数Ψ(τ)を求めることができ
る。またこの場合、混変調回路14に代えて周波
数比較器を用い、この周波数比較器の出力を積分
しても同様の測定結果が得られる。
In this way, even when two frequencies, high and low, are used, the autocorrelation function Ψ(τ) can be equivalently determined from the counting results of the counter 15. Furthermore, in this case, similar measurement results can be obtained by using a frequency comparator instead of the intermodulation circuit 14 and integrating the output of this frequency comparator.

第7図はこの発明による超音波流量計の第3実
施例を示すブロツク図である。なおこの図におい
て、第3図の各部と対応する部分には同一の符号
が付してある。この図において、16は回路校正
用のスイツチであり、このスイツチ16は所定の
時間間隔毎にあるいは任意のタイミングで、その
共通接点16aと接点16bとが接続される。こ
れにより、このスイツチ16を介して変調信号S
2が演算器10に供給され、この演算器10にお
いてこの時の自己相関関数Ψ(O)が求められる。
ここで、この変調信号S2が、例えば前述したM
系列信号である場合には自己相関関数Ψ(O)は
Ψ(O)=1となるから、このΨ(O)=1を用いて
演算器10を構成している自己相関関数演算回路
や積分回路等を較正することができる。
FIG. 7 is a block diagram showing a third embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention. In this figure, parts corresponding to those in FIG. 3 are given the same reference numerals. In this figure, 16 is a switch for circuit calibration, and the common contact 16a and the contact 16b of this switch 16 are connected at predetermined time intervals or at arbitrary timing. As a result, the modulated signal S is transmitted via this switch 16.
2 is supplied to the arithmetic unit 10, and the autocorrelation function Ψ(O) at this time is determined in the arithmetic unit 10.
Here, this modulation signal S2 is, for example, the above-mentioned M
In the case of a serial signal, the autocorrelation function Ψ(O) becomes Ψ(O)=1, so this Ψ(O)=1 is used to calculate the autocorrelation function calculation circuit and the integral Circuits etc. can be calibrated.

第8図はこの発明による超音波流量計の第4実
施例を示すブロツク図であり、この図において第
5図の各部と対応する部分には同一の符号が付し
てある。この図に示すように、この超音波流量計
においては、スイツチ18を切換えれば、混変調
回路13〜演算器10aを較正することができ
る。
FIG. 8 is a block diagram showing a fourth embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention, and in this figure, parts corresponding to those in FIG. 5 are given the same reference numerals. As shown in this figure, in this ultrasonic flowmeter, by switching the switch 18, the intermodulation circuit 13 to the arithmetic unit 10a can be calibrated.

また上述した第1〜第4の実施例においては、
変調信号としてM系列の信号を用いているが、こ
れを例えば平均剰余系列(L系列)、双子素数列、
バーガー系列、I系列等の周期的な擬似ランダム
信号あるいは正弦波信号にしても良い。なおこの
場合においても、これらの変調信号は全てその自
己相関関数が周期的に鋭いピークを持つから前述
した場合と同様、時間測定にオフセツトをかける
ことができる。
Furthermore, in the first to fourth embodiments described above,
An M-sequence signal is used as a modulation signal, but this can be used, for example, as an average remainder sequence (L sequence), a twin prime number sequence,
A periodic pseudo-random signal such as a Berger sequence or an I sequence or a sine wave signal may be used. In this case as well, since the autocorrelation functions of all these modulated signals have periodic sharp peaks, it is possible to apply an offset to the time measurement as in the case described above.

以上説明したようにこの発明による超音波流量
計は、搬送信号を所定の変調信号で変調して得ら
れる被変調信号で前記超音波送受波器の一方を駆
動し、これにより得られる超音波を前記超音波送
受波器の他方で受信させ、これにより得られる受
信信号および前記変調信号からこの変調信号の自
己相関関数を求め、この自己相関関数に基づいて
流体の流量を求めるようにしたので、以下に述べ
るような効果を得ることができる。
As explained above, the ultrasonic flowmeter according to the present invention drives one of the ultrasonic transducers with a modulated signal obtained by modulating a carrier signal with a predetermined modulation signal, and transmits the ultrasonic wave obtained thereby. The ultrasonic wave is received by the other side of the ultrasonic transducer, and an autocorrelation function of the modulation signal is determined from the received signal obtained thereby and the modulation signal, and the flow rate of the fluid is determined based on this autocorrelation function. The following effects can be obtained.

() 超音波送受波器をも含めた回路内の信号
が連続波であることからAGC(オートゲインコ
ントロール)がかけ易く、流体内の減衰の影響
を受けにくい。
() Since the signals in the circuit, including the ultrasonic transducer, are continuous waves, AGC (auto gain control) is easy to apply, and they are not affected by attenuation in the fluid.

(),() 変調としてFM変調等を用いれば
超音波振動子の立上り遅れ等に起因する検出ミ
スをなくすことができる。
(), () If FM modulation or the like is used as the modulation, it is possible to eliminate detection errors caused by the rise delay of the ultrasonic transducer.

() 回路内の信号が連続波であるから超音波
振動子の駆動電圧を低くしても大きな音響パワ
ーが得られると共に、送信回路も簡単になり、
回路の信頼性を向上させることができる。さら
にこの場合、低電圧であることから、防爆の点
でも有利である。
() Since the signal in the circuit is a continuous wave, large acoustic power can be obtained even if the drive voltage of the ultrasonic transducer is lowered, and the transmitter circuit is also simpler.
Circuit reliability can be improved. Furthermore, in this case, since the voltage is low, it is advantageous in terms of explosion protection.

() 超音波送受波器を駆動する搬送信号の周
波数が変動した場合においても測定値が変化し
ないから、搬送信号を発生する発振器を簡素化
することができる。なおこの場合、変調信号の
クロツク周期t0は測定精度に直接影響するか
ら、このクロツク周期t0を安定させる必要があ
るが、この場合水晶振動子等を用いれば良い。
() Even if the frequency of the carrier signal that drives the ultrasonic transducer changes, the measured value does not change, so the oscillator that generates the carrier signal can be simplified. In this case, since the clock period t 0 of the modulation signal directly affects the measurement accuracy, it is necessary to stabilize the clock period t 0 , but in this case, a crystal oscillator or the like may be used.

() 超音波伝播時間T1,T2を各々個別に求
めることができる。
() The ultrasonic propagation times T 1 and T 2 can be determined individually.

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

第1図は、一般的な超音波流量計の基本構成例
を示す図、第2図は第1図を説明するための波形
図、第3図はこの発明による超音波流量計の第1
実施例を示すブロツク図、第4図は第5図を説明
するための特性図、第5図はこの発明による超音
波流量計の第2実施例を示すブロツク図、第6図
は第5図を説明するための波形図、第7図はこの
発明による超音波流量計の第3実施例を示すブロ
ツク図、第8図はこの発明による超音波流量計の
第4実施例を示すブロツク図である。 1a,1b……超音波送受波器、2……管路、
3……流体、5,5a……変調器、9……復調
器、10,10a……演算器、14……混変調回
路、15……カウンタ。
FIG. 1 is a diagram showing an example of the basic configuration of a general ultrasonic flowmeter, FIG. 2 is a waveform diagram for explaining FIG. 1, and FIG.
A block diagram showing an embodiment, FIG. 4 is a characteristic diagram for explaining FIG. 5, FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention, and FIG. FIG. 7 is a block diagram showing a third embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention, and FIG. 8 is a block diagram showing a fourth embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention. be. 1a, 1b...Ultrasonic transducer, 2...Pipe line,
3... Fluid, 5, 5a... Modulator, 9... Demodulator, 10, 10a... Arithmetic unit, 14... Cross modulation circuit, 15... Counter.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 管路に対して斜めに対向配置された超音波送
受波器間で送受信される超音波の伝播時間から前
記管路内を流れる流体の流速、流量を求める超音
波流量計において、搬送信号を所定の変調信号で
変調した被変調信号で前記超音波送受波器の一方
を駆動し、これにより得られる超音波を前記超音
波送受波器の他方で受信して受信信号を得、この
受信信号および前記変調信号からこの変調信号の
自己相関関数を求め、この自己相関関数に基づい
て前記流体の流速、流量を求めることを特徴とす
る超音波流量計。
1. In an ultrasonic flowmeter that calculates the flow rate and flow rate of fluid flowing in a pipe from the propagation time of ultrasonic waves transmitted and received between ultrasonic transducers arranged diagonally opposite to the pipe, the carrier signal is One of the ultrasonic transducers is driven by a modulated signal modulated with a predetermined modulation signal, and the resulting ultrasonic wave is received by the other of the ultrasonic transducers to obtain a received signal. and an ultrasonic flowmeter characterized in that an autocorrelation function of the modulation signal is determined from the modulation signal, and a flow velocity and a flow rate of the fluid are determined based on this autocorrelation function.
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