JPH0337523A - 流速計 - 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］ この発明は例えば管路内を流れる流体の流速を測定する
流速計、特に流体内に発生した超音波を検出することに
よって流速を測定するものに関する。

［従来の技術］ 管路内液体の流速測定については、「流量計測ハンドブ
ック」　（昭和５４年７月）日刊工業新聞社２６４頁「
その他の流量測定法」に開示されている。

これによると、管路内を流れる液体は渦や乱れにより液
体に剪断作用が働き流体内に広い周波数帯域の超音波が
発生し、この超音波を管路の外周面に装着された検出器
を用いて検出すると、その信号から流速測定が行えるこ
とが記述されている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の流速計では、管路内液体の剪断作用
によって発生する超音波のレベルが相対的に低いので、
検出器による受信信号レベルが小さく十分な信号対雑音
比が得られない。また、これら信号に基づく流速測定は
管路内液体の流れの有無の識別には利用できるが、流速
計として所定の直線性、安定性及び再現性がないので、
流速測定には実際に利用できないという問題点があった
。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
のであり、流体内に気泡を混入させてその気泡のつぶれ
により発生する超音波を検出することにより、信号対雑
音比の大きな信号にて直線性、安定性及び再現性の優れ
た流速測定ができる流速計を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る流速計は、管路向流体へ給気して流体内
へ気泡を発生させる気泡発生器と、気泡が混入された流
体内に配設され、流体の流れに対して不連続面を有する
障害物と、障害物の下流側の外周面に装着され、主とし
て流体内気泡のつぶれにより発生された超音波に感応す
る超音波検出器と、超音波検出器の受信信号から予め設
定された時間窓にて時間領域かつ制限された信号を出力
する信号変換器と、信号変換器からの所定周波数帯域内
の複数の超音波信号搬送周波数の平均値を算出し、流体
の速度を求める信号分析回路とを有するものである。

［作　用］ この発明においては、気泡が混入された流体内へ障害物
を配設したので、多数の気泡が障害物と衝突してつぶれ
、或いは再結合することなどによって流体内にレベルの
高い超音波が発生する。管路外周面に取付けられた超音
波検出器は流体内超音波レベルに比例した電気信号を出
力し、信号変換器及び信号分析回路によって流体内超音
波の搬送周波数の平均値が求められる。

流体内の気泡のつぶれにより発生する超音波信号の搬送
周波数は流速に対応して変化するので、その周波数の平
均値を求めることにより、流速の測定ができる。

流体内に人工的に気泡を混入して、且つ周囲環境による
妨害の影響を回避しているので、信号対雑音比の大きい
受信信号が得られ、直線性、安定性及び再現性の優れた
測定ができ、測定精度が向上できる。

［実施例コ この発明の一実施例を添付図面を参照して詳細に説明す
る。

第１図はこの発明の一実施例に係る流量計の構成図であ
り、第２図は第１図のＡ−Ａ断面図である。図において
、１は流体が流れる管路、２は気泡を発生させ流体内へ
気泡を混入させる気泡発生器である。３はニアコンプレ
ッサなどを用いて空気圧力を発生する圧力源、４は空気
圧力のレベルを調整する圧力調整弁、５は開閉弁、６は
管路１内壁面に設けられた泡出し器であり、これらは気
泡発生器２を構成している。７は気泡発生器２の下流側
の流体内に設けられた障害物、８は障害物７を管路１内
所定位置へ配置させる保持棒である。

９は流体内に発生した超音波を検出する超音波検出器で
あり、障害物７より下流側の管路１の外周面に装着され
ている。

１２は超音波検出器９の検出信号に基づいて流速を測定
する計測回路である。１３は増輻器、１４は超音波検出
器９からの受信信号の周波数帯域を制限するフィルタ、
１５は受信信号のクランプレベルを決めるしきい値設定
器、１Ｇはしきい値設定器器５による設定レベル以下の
受信信号をカットする比較器、１７は比較器１６からの
信号を時間軸に沿った窓を設けて時間領域を制限した信
号を出力する信号変換器、１８は所定周波数帯域の信号
を選択する信号選択器、１９は所定周期にて超音波信号
搬送周波数の平均値を算出する信号分析回路、２ｏは流
体速度を表示する指示器であり、これらは計測回路を構
成している。

上記のように構成された流速計においては、矢示の方向
に流れる管路１内流体には気泡発生器２出力が係合され
る。気泡発生器２はニアコンプレッサなどが用いられた
圧力源３からの加圧された空気を、圧力調整弁４や開閉
弁５を経由して、管路１内壁面に設けられ、表面に多数
の貫通孔を有する泡出し器６へ供給し、発生した多数の
気泡を流体内へ混入する。

流体に混入された気泡は、管路１内のほぼ中央位置へ保
持棒８にて固定され、流れに対して不連続面を有する障
害物７に衝突して、主として気泡がつぶれる際に流体内
に広い周波数帯域の超音波が発生する。第３図はその障
害物の例を示す外形図であり、（ａ）は円錐形、（ｂ）
は円柱形の障害物の例をそれぞれ示している。

気泡が障害物７に衝突すると流体内の音源となり、この
結果発生した超音波の信号周波数は流体の流速に比例す
る。流体内に発生した超音波は流体および管路１を伝搬
し、障害物７が内設された管路１の下流側外周面に装着
された超音波検出器９により受波され、超音波検出器９
からは広い周波数帯域の電気信号が出力される。

この場合、超音波検出器９に例えば２個の圧電振動子を
重合させその相加出力を得るバイモルフ構造を用いると
、広い周波数帯域に互り感度の高い検出が行える。更に
、管路１への超音波検出器９の取付面を平坦にし、且つ
音響遮断材などよりなる容器内に収納して、外部雑音を
抑制すれば、管路１内の低レベルの超音波が受信できる
。

第４図は超音波検出器受信波形の一例を示したタイムチ
ャートであり、気泡のつぶれにより発生する超音波はパ
ルス状をなしており、流体内へ気泡を混入しない時とく
らべて気泡の量が増加するので、気泡のつぶれによる超
音波が加わるためそのレベルが高くなる。

超音波検出器９の出力は計測回路１２へ加えられて、周
波数帯域の広い受信信号は高利得の増幅器１３にて増幅
された後、フィルタ１４により、電気雑音や低周波振動
などの可聴周波数帯域の妨害を避けた高い周波数帯域の
受信信号に制限される。例えば通過帯域が１０〜５０Ｈ
ｚの帯域制限のフィルタ１４を経て比較器１６へ加えら
れる。

比較器１６には別にしきい値設定器１５からスレシホー
ルドレベル信号が加えられ、しきい値以下のレベルの微
弱信号や雑音が除去される。比較器１６において一定の
スレシホールドレベル以上の選択された受信信号は、更
に、信号変換器１７にて時間軸に沿って設けられた時間
窓により、その信号波形は時間領域が制限を受ける。

信号レベルならびに時間窓の制限を受けた信号の周波数
スペクトラムは、その搬送周波数が所定の周波数帯域例
えば１０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚの帯域内の信号のみが信
号選択器１８にて選択される。上記結果により、超音波
信号はそのパルス幅と周期が高精度にて弁別される。弁
別された搬送周波数が僅かに異なる複数の超音波信号は
信号分析回路１９へ加えられ、所定時間内の搬送周波数
の平均値を算出することにより、超音波信号の平均周波
数の正確な値が得られる。即ち、超音波信号の周波数が
分析され、当該信号周波数は管路１内を流れる流体の流
速に対応して変わる。

しきい値レベルを所定の値にすることにより、流速に対
する受信信号の搬送周波数は直線状に対応し、比例関係
をなす周波数変化範囲は４００Ｈｚ以上であり、この周
波数変化を利用して十分な精度で流速測定ができる。そ
して、測定された流速は指示器２０に指示される。

上記のとおり管路１内を流れる測定流体内における気泡
のつぶれなどが音源となり流体内に超音波が発生するか
、これら超音波の周波数は測定流体の流速に応じて変化
し、流体内の超音波は管路１の外周面に取付けられた超
音波検出器９を用いて検出されるので機器構成が簡易化
される。また、気泡を混入し管路１内障害物７との衝突
により十分なレベルの超音波が発生し信号周波数が正し
く得られるので、再現性の高い安定した測定ができる。

更に、超音波検出器９は管路１の外周面に取り付けられ
るので、流体内温入物の付着などがなく検出器感度の劣
化が回避され、長期間安定した性能が得られる。

［発明の効果コ この発明は以上説明したとおり、流体内に多量の気泡を
混入させ、更にその気泡を障害物に衝突させて流体内に
高いレベルの超音波を発生させ、その超音波の周波数を
測定することで流体の速度を計測するようにしたので、
受信信号の信号対雑音比が改善され、計測における直線
性、安定性及び再現性が向上できる。また、超音波検出
器からの受信信号は電気雑音や低周波振動などの可聴周
波数帯域の妨害から回避でき、高い周波数帯域に　０ て安定した計測が行える。

更に、管路内題音波を受波するのみであるため電気測定
系が簡易化でき、また、超音波検出器は流体内温入物の
付着による影響を受けないので、検出器感度の劣化がな
く長期間安定した性能が得られ、保守点検が容易に行え
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る流量計の構成図、第
２図は第１図のＡ−Ａ断面図、第　３　図（ａ）　（ｂ
）は障害物の例を示す外形図、第４図は超音波検出器受
信波形の一例を示すタイムチャートである。 図において、１は管路、２は気泡発生器、３は圧力源、
４は圧力調整弁、５は開閉弁、６は泡出し器、７は障害
物、８は保持棒、９は超音波検出器、１２は計測回路、
１３は増幅器、１４はフィルタ、１５はしきい値設定器
、１６は比較器、１７は信号変換器、１８は信号選択器
、１９は、信号分析回路、２０は指示器である。 なお、図中同一符号は同一または相当部分を示１ す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 管路内を流れる流体へ給気して流体内に気泡を発生させ
   る気泡発生器と、 気泡が混入された流体内に配設され、流体の流れに対し
   て不連続面を有する障害物と、 前記障害物の下流側の管路外周面に装着され、主として
   流体内気泡のつぶれにより発生する超音波に感応する超
   音波検出器と、 前記超音波検出器の受信信号から予め設定された時間窓
   にて時間領域が制限された信号を出力する信号変換器と
   、 前記信号変換器からの所定周波数帯域内の複数の超音波
   信号の搬送周波数の平均値を算出し、流体の速度を求め
   る信号分析回路と を有することを特徴とする流速計。