JPH0324607B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は位相差方式による超音波流量計にお
いて測定対象の流体温度、圧力変化による超音波
伝播速度の変化の影響を受けず、超音波送受信素
子の特性変化により生ずる位相ずれの影響を除去
するための補正方法に関する。

超音波を流量計として利用する場合、被測定流
体の流速とは無関係である超音波の伝播速度の影
響を受けない方式をとることは流量測定精度を向
上させるための一つの条件である。

超音波流量計におけるシングアランド方式は、
原理的に超音波伝播速度が介入されないので超音
波流量計としてこの方式は広く採用されてきた。
この方式は流れに対し一定角度で対向し配設され
た超音波送受信器間で、超音波の送信→受信→整
形→増巾→送信と自励発振させ、該自励発振周波
数が、流れに対して正方向と逆方向に超音波を発
信された場合には異なり、該周波数の差が流速に
比例することを利用したものである。この方式に
おいては自励発振周波数を決定する構成要素の中
に遅れ要素があると、これは誤差要因ともなるの
で、精度向上には応答性を高くする必要がある。

このために超音波の送受信素子は固有振動数の
高いものを使用するとともに、超音波信号は鋭い
パルスに整形送信することが必要条件となる。こ
のことのためにシングアランド方式は素子の選択
が問題であり、電気回路的にも高価となる。この
ようにしても超音波の伝播時間と遅れ時間との比
は、口径が小さくなる程小さくなり、流量計とし
て広範囲に適用させることは困難である。

これに対して位相差検出法は流れに対して正逆
になるように配設された２組の超音波送信器の送
信側を一定の周波数で駆動し、受信側で得られた
超音波信号の位相差が流速に比例することを利用
するものであるが、この方式においては原理的に
超音波の伝播速度が、この比例関係に介在するの
で音速が変化すると位相差も変化する。更に超音
波の送受信素子も、温度圧力等の環境条件の変化
により特性が変化し、このため位相ずれをもたら
すなど、不安定な要素が多く、加えて駆動する超
音波周波数は送受信素子の固有振動数を選ぶの
で、シングアランド方式の場合とは反対に最大位
相変化の時間と伝播時間との比は固定されるの
で、口径が大きくなると精度が低下するという問
題点があるため、位相差方式は流量計としては一
般に使用されていなかつた。

この発明は叙上の点に着目して成されたもので
超音波信号をそのまゝ用いないでその変調信号に
よる位相差法により流速を計測して流量を知るよ
うにした新規な位相差方式による超音波流量計に
関する。

すなわち、管路の管壁に二組の超音波発信素子
と超音波受信素子とを同一距離を以つて互いに流
れの方向に相対向して配設した超音波信号位相差
法において流速Ｖと位相差△φとの関係は、 Ｖ＝Co₂g（ｘ）／2Lcosθ・△φ／2π（） で表わされる。

ここに、Co：基準状態に於ける音速 Ｌ：超音波発信素子と受信素子との間の距離 ｇ（）：温度、圧力、密度などの−または複数
の補正要因の関数 θ：超音波発信素子と受信素子とを結ぶ超音波
経路と流れの方向との角度。

ｆ：変調信号の周波数 上式（）において基準状態における変調周波
数をoとして ＝og（） （） となるように変調信号の周波数を変化させる時
は、 （）式は（）式を代入して Ｖ＝Co₂g（ｘ）／2Log（ｘ）・cosθ
・△φ／2π＝Co₂／2Locosθ・△φ／2π（） となり流速Ｖは位相差△φだけの関数とすること
ができる。

この発明は叙上の位相差方法を用いて超音波信
号に変調周波数をかけると共に温度、圧力、密度
などの補正要因を補正量の関数として前記変調周
波数を変化させ、この信号を受信し復調して流速
ないしは流量信号を抽出したときに前記補正要因
をすべて除去した状態で得られるようにした超音
波流量計の補正方法を提供することにある。

以下にこの発明の一実施例を図面に示す回路図
について述べる。

なお、この実施例では補正要因を温度ｔに限つ
て説明する。

１，２は一対の超音波発信素子と受信素子３，
４は他の一対の超音波発信素子と受信素子で、そ
れぞれ所望の被計測流体が流れる管路５の外壁に
おいて流体の流れに沿つて互いに相対向する反対
方向に配設し、流体の流れる方向と角度θを保ち
かつ発信素子１，３と受信素子２，４とは所望の
距離L₂を保つものとする。

６は超音波発振器、７は変調器、８は温度セン
サーで流体の温度を検出する。９は該温度センサ
ー８により検出された温度を補正要因として補正
量を発生できる補正関数発生器で、基準温度にお
ける変調周波数周oを定数として次段の変調信
号発生器１０により変調周波数が ＝o・ｇ（ｔ） となるように働かせて前記変調器７と接続させて
いる。

１１，１２は超音波受信素子２，４と接続され
るプリアンプ、１３，１４は同じく同上プリアン
プ１１，１２と接続される復調器、１５は位相差
を検出できる位相検波器、１６は低周波フイル
タ、を示し出力部１７より所望の流量信号を取り
出すことができる。

叙上の構成に基づいて作用を説明する。

超音波発信素子１，３より発信される超音波信
号は、超音波発振器６よりの超音波信号に、変調
器７により変調がかけられる。

すなわち、管路５中に設けた温度センサー８に
よつて補正関数発生器９でｇ（ｔ）が演算され、
変調信号発生器１０によつて＝o・ｇ（ｔ）の
変調信号が発生され、この変調信号により、前記
超音波信号に所望の変調をかけることができる。

この温度補正量によつて変調された超音波信号
はそれぞれ二個の超音波発信素子１，３により発
信されそれぞれ流体の流れに沿つて一方は流れに
従い他方は流れに逆らつて超音波受信素子２，４
によつて受信される。

この受信信号はプリアンプ１１，１２で増巾さ
れ復調器１３，１４で復調され、流量信号を含ん
だ変調信号として得られると共に位相検波器１５
により位相差△φが検出されて低周波フイルタ１
６により流量出力をその出力部１７から取り出す
ことができる。

この流量出力は、流速をＶとした場合、前述の
（）式で示したように位相差△φのみの関数と
して得られる。

この発明は叙上のように超音波信号に変調をか
け、必要とする温度、圧力、密度などの補正要因
による補正の関数によつ変調周波数を変化させる
ことにより、流速ないし流量信号を取り出す際の
複雑な補正処理が不要となり、しかも計測範囲に
適した変調周波数を任意に選べる等の利点を有す
る。

また、この発明によれば補正要因は前述したよ
うに温度は勿論のこと圧力、密度の必要数の併用
もでき、また関数も随意であり変調方法も周波数
変調、位相変調、振巾変調のいずれも問わない。

さらに、この発明によれば連続波は勿論のこと
パルス波、バースト波でも可能であるなどの効果
を有する。

尚叙上においては正しく受信超音波の位相差に
比例した流速を求めるため被測定流体内の超音波
の伝播速度の影響を除去する方法に関するもので
あり、得られた結果は容量流量である。しかるに
（）式における補正要因としての温度、圧力等
は被測定流体に関しては密度の変数であり、温
度、圧力を各々ｔ、ｐとすると密度ρに関し、 ρ＝ｈ（ｔ、ｐ） （） の関係が成立つ、従つて（）式は（）′の形
とする事ができる。

＝oｇ（ρ）／ρ＝oｇ（ｔ、ｐ）／ｈ（ｔ、ｐ
）（）′ この結果（）式は、 ρV＝Co₂／2Locosθ△φ／2π （）′ となり質量流量を求めることができる。即ち、補
正関数発生器６を圧力、温度、又は密度に関し、
（）′を満足する機能を与えることにより、質量
流量を簡単に求めることができる。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明の一実施例を示す位相差方式によ
る超音波流量計の回路図を示す。 １，３……超音波発信素子、２，４……超音波
受信素子、５……管路、６……超音波信号発振
器、７……変調器、８……温度センサ、９……補
正関数発生器、１０……変調信号発生器、１３，
１４……復調器、１５……位相検波器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超音波発振器と、該超音波発振器に接続した
   変調器と、該変調器に接続され被計測流体の管路
   の管壁に同一距離を以つて流れの方向に正逆相対
   向して配設した二組の超音波送信器と超音波受信
   器と、該それぞれの超音波受信器の信号を復調器
   と、該復調器の復調信号の位相差を検出する位相
   検波器と、前記管路内の被測定流体の状態量を検
   出する検出素子と、該検出素子に接続した補正関
   数発生器と、該補正関数発生器の出力に接続され
   前記変調器に入力される変調信号発生器とからな
   り、前記変調器の変調信号を被測定流体の基準状
   態における変調周波数を定数として被測定流体の
   状態を補正するようにしたことを特徴とする位相
   差方式による超音波流量計。