JPH0566142A - 相関流量計 - Google Patents
相関流量計Info
- Publication number
- JPH0566142A JPH0566142A JP3254450A JP25445091A JPH0566142A JP H0566142 A JPH0566142 A JP H0566142A JP 3254450 A JP3254450 A JP 3254450A JP 25445091 A JP25445091 A JP 25445091A JP H0566142 A JPH0566142 A JP H0566142A
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- JP
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- ultrasonic
- flow
- downstream
- upstream
- turbulence
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 流体の乱れを検知するセンサを超音波センサ
として、センサの数を２個として、安価で信頼性を高め
る。 【構成】 被測定流体の流通する流管１に介装した流量
計本体１の軸方向に、第１超音波素子３と第２超音波素
子４とを一定距離Ｌを隔てて配設し、発振器５を駆動し
て各々の超音波素子３と４から超音波を送波して反射面
２ａで反射させる。超音波の送波信号と反射信号とが重
畳しないように第１スイッチ８と第２スイッチ９とを同
時に開閉し、超音波の反射波信号に含まれる乱れ成分か
ら相関器１０により相互相関関数を求めて、流量演算し
て流量表示（１１）する。
として、センサの数を２個として、安価で信頼性を高め
る。 【構成】 被測定流体の流通する流管１に介装した流量
計本体１の軸方向に、第１超音波素子３と第２超音波素
子４とを一定距離Ｌを隔てて配設し、発振器５を駆動し
て各々の超音波素子３と４から超音波を送波して反射面
２ａで反射させる。超音波の送波信号と反射信号とが重
畳しないように第１スイッチ８と第２スイッチ９とを同
時に開閉し、超音波の反射波信号に含まれる乱れ成分か
ら相関器１０により相互相関関数を求めて、流量演算し
て流量表示（１１）する。
Description
【０００１】
【技術分野】本発明は、相関流量計に関し、より詳細に
は、超音波を送波する超音波送波素子と、送波した超音
波が流壁面で反射した超音波反射波を受波する超音波受
波素子とを同一の超音波素子として反射波に含まれる流
れの乱れ信号から流速または流量を求める相関流量計に
関する。
は、超音波を送波する超音波送波素子と、送波した超音
波が流壁面で反射した超音波反射波を受波する超音波受
波素子とを同一の超音波素子として反射波に含まれる流
れの乱れ信号から流速または流量を求める相関流量計に
関する。
【０００２】
【従来技術】流体の流速は、流管の所定区間を流体それ
自体が通過する時間で求められる。流体が流管内を流通
する場合は、レイノルズ数に応じた流速分布をもってい
るので、流体が通過する時間は流速分布をもって流れる
流速の平均値が所定区間を通過する時間である。而し
て、相関流量計は、流管内を定状で流れる流体が所定の
区間において乱れを保ったまま移動することを利用し、
流体が前記区間を通過する時間を計測する絶対流量計で
ある。すなわち、所定位置における流体に含まれる乱れ
を一つのマーカーとして、所定区間を距てた他の位置を
該乱れマーカーが通過する時間を求めるものである。こ
の時間は、所定区間の地方における乱れ関数の相互相関
関数が最大とする遅れ時間として求められる。
自体が通過する時間で求められる。流体が流管内を流通
する場合は、レイノルズ数に応じた流速分布をもってい
るので、流体が通過する時間は流速分布をもって流れる
流速の平均値が所定区間を通過する時間である。而し
て、相関流量計は、流管内を定状で流れる流体が所定の
区間において乱れを保ったまま移動することを利用し、
流体が前記区間を通過する時間を計測する絶対流量計で
ある。すなわち、所定位置における流体に含まれる乱れ
を一つのマーカーとして、所定区間を距てた他の位置を
該乱れマーカーが通過する時間を求めるものである。こ
の時間は、所定区間の地方における乱れ関数の相互相関
関数が最大とする遅れ時間として求められる。
【０００３】相互相関関数は、距離Ｌを隔てて配設され
た乱れセンサの出力関数ｘ(ｔ)とｙ(ｔ)との差を最小と
する時刻の差を求めるもので、最小二乗法の原理に基づ
いている。相互相関関数Ｒｘｙ(ｔ)は観測時間τにおい
て、
た乱れセンサの出力関数ｘ(ｔ)とｙ(ｔ)との差を最小と
する時刻の差を求めるもので、最小二乗法の原理に基づ
いている。相互相関関数Ｒｘｙ(ｔ)は観測時間τにおい
て、
【０００４】
【数１】
【０００５】であらわされ、Ｒｘｙ(ｔ)を最大とする時
間τmを求めることに帰着する。
間τmを求めることに帰着する。
【０００６】従来、流れの乱れを検知するセンサとして
は多くの方式のものが採用されている。この方式として
静電容量式や熱式、および超音波方式などがあげられ
る。しかし、静電容量式は流管を対向して挟持するよう
に電極を配設するので、大口形になると電極の形状も大
きくなり、取り扱いにくく高価となり、熱式センサは流
れの中に挿入して使用するので小形で安価であるが、セ
ンサ自体が流れを乱し、該乱れ成分が相互相関関数の最
大値の検出精度を低下させ、流量精度を悪化させる。こ
れに対して、超音波方式は流体中に超音波を送波して乱
れ成分により変調された変調信号として、流体の乱れを
マーカーとして検知されるので、被測定流体に乱れ信号
を検知するための外乱を与えることがない長所を有して
いる。しかし、従来の超音波方式では超音波の送波器と
該送波器から送波された超音波の受波器とを対にして、
これを上流側と下流側とに配設するため高価となり、超
音波素子の数多い分だけ信頼度は低下し、特性を整合す
ることに手間を要した。
は多くの方式のものが採用されている。この方式として
静電容量式や熱式、および超音波方式などがあげられ
る。しかし、静電容量式は流管を対向して挟持するよう
に電極を配設するので、大口形になると電極の形状も大
きくなり、取り扱いにくく高価となり、熱式センサは流
れの中に挿入して使用するので小形で安価であるが、セ
ンサ自体が流れを乱し、該乱れ成分が相互相関関数の最
大値の検出精度を低下させ、流量精度を悪化させる。こ
れに対して、超音波方式は流体中に超音波を送波して乱
れ成分により変調された変調信号として、流体の乱れを
マーカーとして検知されるので、被測定流体に乱れ信号
を検知するための外乱を与えることがない長所を有して
いる。しかし、従来の超音波方式では超音波の送波器と
該送波器から送波された超音波の受波器とを対にして、
これを上流側と下流側とに配設するため高価となり、超
音波素子の数多い分だけ信頼度は低下し、特性を整合す
ることに手間を要した。
【０００７】
【目的】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされた
もので、流体の乱れを検知するセンサを超音波センサと
し、該超音波センサの数を最低の数である２個として、
安価で信頼性の高い相関流量計を提供することを目的と
するものである。
もので、流体の乱れを検知するセンサを超音波センサと
し、該超音波センサの数を最低の数である２個として、
安価で信頼性の高い相関流量計を提供することを目的と
するものである。
【０００８】
【構成】本発明は、上記目的を達成するために、（１）
流管の流れ方向に一定の距離を隔てて配設された上流側
および下流側の超音波素子と、該上流側と下流側との超
音波素子を同時に断続駆動し、流れに略垂直方向な超音
波を送波させる発振器と、該発振器の停止期間におい
て、流管壁からの超音波反射波を各々前記上流側および
下流側の超音波素子で受波し流れの乱れ信号を出力する
上流側および下流側の受波器と、該上流側および下流側
の受波器信号により相互相関関数を求め、前記２点間の
距離を相互相関関数が最大となる時間で除し、該除数に
より流速を求める相関関数計とより構成したことであ
り、更には（２）前記（１）において、前記上流側およ
び下流側の超音波素子を同時駆動する発振器の周波数を
各々異なるものとし、各々の受波器に互いに異なる側の
反射波を遮断する遮断フィルタを設けたことを特徴とし
たものである。以下、本発明の実施例に基づいて説明す
る。
流管の流れ方向に一定の距離を隔てて配設された上流側
および下流側の超音波素子と、該上流側と下流側との超
音波素子を同時に断続駆動し、流れに略垂直方向な超音
波を送波させる発振器と、該発振器の停止期間におい
て、流管壁からの超音波反射波を各々前記上流側および
下流側の超音波素子で受波し流れの乱れ信号を出力する
上流側および下流側の受波器と、該上流側および下流側
の受波器信号により相互相関関数を求め、前記２点間の
距離を相互相関関数が最大となる時間で除し、該除数に
より流速を求める相関関数計とより構成したことであ
り、更には（２）前記（１）において、前記上流側およ
び下流側の超音波素子を同時駆動する発振器の周波数を
各々異なるものとし、各々の受波器に互いに異なる側の
反射波を遮断する遮断フィルタを設けたことを特徴とし
たものである。以下、本発明の実施例に基づいて説明す
る。
【０００９】図１は、本発明の相関流量計における一実
施例を説明するための図で、図中、１は流管、２は流量
計本体、２ａは反射面、３は第１超音波素子、４は第２
超音波素子、５は発信器、６は第１増幅器、７は第２増
幅器、８は第１スイッチ、９は第２スイッチ、１０は相
関器、１１は表示器である。
施例を説明するための図で、図中、１は流管、２は流量
計本体、２ａは反射面、３は第１超音波素子、４は第２
超音波素子、５は発信器、６は第１増幅器、７は第２増
幅器、８は第１スイッチ、９は第２スイッチ、１０は相
関器、１１は表示器である。
【００１０】図示において、流量計本体２は被測定流体
が矢印Ｑ方向に流通する流管１に同軸に介装される。流
量計本体２には、軸方向に一定の距離Ｌを隔てて超音波
素子３,４が装着されている。該超音波素子３,４はＰＺ
Ｔ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の圧電素子からなり、発
振器５より１MHz〜１０MHzの高周波電圧を印加すること
により超音波を矢印Ｓ1,Ｓ2方向に送波し、逆に、超音
波を受波することにより該超音波に応じた信号が検知さ
れる。また、超音波振動子３,４は流れに垂直な方向、
すなわち流量計本体２の直径方向に超音波を略平行に送
波するように配設されており、Ｓ1,Ｓ2方向に送波され
た超音波は反射面２ａで反射されて、各々超音波素子３
および４に受波される。発振器５から発振する高周波信
号は、第１スイッチ８と第２スイッチ９とを同時にＯＮ
−ＯＦＦすることにより得られる超音波周波数のバース
ト信号で、超音波素子３および４の送波信号と受波信号
とは重畳しない時間幅を選んでいる。すなわち、バース
ト波の間隔は第１，第２スイッチをＯＦＦする時間で、
ＯＦＦ時間は超音波発振素子３,４から反射面２ａまで
の超音波伝播時間ｔの２倍以上を必要とする。
が矢印Ｑ方向に流通する流管１に同軸に介装される。流
量計本体２には、軸方向に一定の距離Ｌを隔てて超音波
素子３,４が装着されている。該超音波素子３,４はＰＺ
Ｔ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の圧電素子からなり、発
振器５より１MHz〜１０MHzの高周波電圧を印加すること
により超音波を矢印Ｓ1,Ｓ2方向に送波し、逆に、超音
波を受波することにより該超音波に応じた信号が検知さ
れる。また、超音波振動子３,４は流れに垂直な方向、
すなわち流量計本体２の直径方向に超音波を略平行に送
波するように配設されており、Ｓ1,Ｓ2方向に送波され
た超音波は反射面２ａで反射されて、各々超音波素子３
および４に受波される。発振器５から発振する高周波信
号は、第１スイッチ８と第２スイッチ９とを同時にＯＮ
−ＯＦＦすることにより得られる超音波周波数のバース
ト信号で、超音波素子３および４の送波信号と受波信号
とは重畳しない時間幅を選んでいる。すなわち、バース
ト波の間隔は第１，第２スイッチをＯＦＦする時間で、
ＯＦＦ時間は超音波発振素子３,４から反射面２ａまで
の超音波伝播時間ｔの２倍以上を必要とする。
【００１１】超音波反射信号は、被測定流体の流れの乱
れ成分を含んだ超音波変調信号で、流体の乱流成分に応
じて、振幅や周波数および位相が変化した成分が含まれ
ている。上流側の第１超音波振動子３で送波した反射波
は、再び該第１超音波振動子３で受波した流体の乱れ信
号をもった乱れ関数ｘ(ｔ)となるので、該乱れ関数ｘ
(ｔ)は定常流においては下流側の第２超音波振動子４に
達する時間τだけ遅れた流体の乱れ信号をもった乱れ関
数ｘ(ｔ−τ)が得られる。一方この時刻での第２超音波
振動子４の乱れ関数はｙ(ｔ)であるから、これらの乱れ
関数ｘ(ｔ−τ)，ｙ(ｔ)から（１）式に基づいて相互相
関関数Ｒｘｙ(ｔ)を演算して、両関数が最も近似する時
間τｍを求める。流速は前記一定距離Ｌを相互相関関数
Ｒｘｙ(ｔ)を最大とする遅れ時間τmで除算することに
より得られる。
れ成分を含んだ超音波変調信号で、流体の乱流成分に応
じて、振幅や周波数および位相が変化した成分が含まれ
ている。上流側の第１超音波振動子３で送波した反射波
は、再び該第１超音波振動子３で受波した流体の乱れ信
号をもった乱れ関数ｘ(ｔ)となるので、該乱れ関数ｘ
(ｔ)は定常流においては下流側の第２超音波振動子４に
達する時間τだけ遅れた流体の乱れ信号をもった乱れ関
数ｘ(ｔ−τ)が得られる。一方この時刻での第２超音波
振動子４の乱れ関数はｙ(ｔ)であるから、これらの乱れ
関数ｘ(ｔ−τ)，ｙ(ｔ)から（１）式に基づいて相互相
関関数Ｒｘｙ(ｔ)を演算して、両関数が最も近似する時
間τｍを求める。流速は前記一定距離Ｌを相互相関関数
Ｒｘｙ(ｔ)を最大とする遅れ時間τmで除算することに
より得られる。
【００１２】乱れ関数ｘ(ｔ−τ)とｙ(ｔ)とから相互相
関関数Ｒｘｙ(ｔ)を演算する相関器は周知であり、例え
ば、相互相関関数Ｒｘｙ(ｔ)を最大となる遅れ時間τm
を求めるために、（１）式に示した相互相関関数Ｒｘｙ
(ｔ)を遅れ時間τで微分する回路を構成して、微分値が
零となるようにするアナログ方式を適用してもよいが、
流量計測においては前記の如く乱流成分が多いため、第
１超音波素子３からの信号を第２超音波素子４からの信
号を、該信号値の平均値に対する大小をあらわす１,０
のデジタル信号に変換して第１超音波素子３の信号と第
２超音波素子４の信号との極性相関をとり、その相関係
数が最大となる遅延時間τmを求める極性相関係数を利
用するデジタル方式が有利である。しかし、相関器は本
発明の主題ではないので詳細な説明は省く。
関関数Ｒｘｙ(ｔ)を演算する相関器は周知であり、例え
ば、相互相関関数Ｒｘｙ(ｔ)を最大となる遅れ時間τm
を求めるために、（１）式に示した相互相関関数Ｒｘｙ
(ｔ)を遅れ時間τで微分する回路を構成して、微分値が
零となるようにするアナログ方式を適用してもよいが、
流量計測においては前記の如く乱流成分が多いため、第
１超音波素子３からの信号を第２超音波素子４からの信
号を、該信号値の平均値に対する大小をあらわす１,０
のデジタル信号に変換して第１超音波素子３の信号と第
２超音波素子４の信号との極性相関をとり、その相関係
数が最大となる遅延時間τmを求める極性相関係数を利
用するデジタル方式が有利である。しかし、相関器は本
発明の主題ではないので詳細な説明は省く。
【００１３】図２は、本発明の相関流量計における他の
実施例を説明するための図で、図中、１２は第１バンド
パスフィルタ、１３は第２バンドパスフィルタ、１４は
分周器で、図１と同じ作用をする部分には等しい符号を
付している。
実施例を説明するための図で、図中、１２は第１バンド
パスフィルタ、１３は第２バンドパスフィルタ、１４は
分周器で、図１と同じ作用をする部分には等しい符号を
付している。
【００１４】相互相関関数のピーク値の高さはセンサ間
の距離Ｌの大きさが小さい程高く、ピーク値での曲率が
小さくシャープである。反対に距離Ｌが大きいと相互相
関関数のピーク値は低くなり、ピーク値での曲率は大き
くブロードである。従って、ピーク値を高精度に検出す
るためには、距離Ｌを余り大きくはできない。超音波反
射波の放射角が大きくなるので、上流側と下流側との超
音波反射波が重畳する危険が大きい。図示の第１，第２
バンドパスフィルタ１２，１３は、上流側と下流側の反
射超音波の重畳を防ぐための遮断フィルタである。前記
のフィルタのバンド幅を重畳させないために、１／ｎ
（ｎは２以上の整数）の分周器１４が下流側の第２増幅
器の出力側に設けられている。なお、分周器１４の替り
に周波数の異なる他の発振器を設け、同時に駆動しても
よい。
の距離Ｌの大きさが小さい程高く、ピーク値での曲率が
小さくシャープである。反対に距離Ｌが大きいと相互相
関関数のピーク値は低くなり、ピーク値での曲率は大き
くブロードである。従って、ピーク値を高精度に検出す
るためには、距離Ｌを余り大きくはできない。超音波反
射波の放射角が大きくなるので、上流側と下流側との超
音波反射波が重畳する危険が大きい。図示の第１，第２
バンドパスフィルタ１２，１３は、上流側と下流側の反
射超音波の重畳を防ぐための遮断フィルタである。前記
のフィルタのバンド幅を重畳させないために、１／ｎ
（ｎは２以上の整数）の分周器１４が下流側の第２増幅
器の出力側に設けられている。なお、分周器１４の替り
に周波数の異なる他の発振器を設け、同時に駆動しても
よい。
【００１５】
【効果】以上の説明から明らかなように、本発明による
と、以下のような効果がある。 （１）請求項１に対応する効果： 定常流で流通する被
測定流体の流れを乱すことがない超音波による乱れ信号
を検知して相互相関を求める相関流量計において、超音
波センサを最低の数である２個のみとすることにより、
安価で信頼性の高い相関流量計とすることができる。 （２）請求項２に対応する効果： 上流側のセンサと下
流側のセンサとに超音波の反射波が重畳することがない
ので、相互相関関数を最大とする遅れ時間を正確に検知
することができる。
と、以下のような効果がある。 （１）請求項１に対応する効果： 定常流で流通する被
測定流体の流れを乱すことがない超音波による乱れ信号
を検知して相互相関を求める相関流量計において、超音
波センサを最低の数である２個のみとすることにより、
安価で信頼性の高い相関流量計とすることができる。 （２）請求項２に対応する効果： 上流側のセンサと下
流側のセンサとに超音波の反射波が重畳することがない
ので、相互相関関数を最大とする遅れ時間を正確に検知
することができる。
【図１】 本発明の相関流量計における一実施例を説明
するための図である。
するための図である。
【図２】 本発明の相関流量計における他の実施例を説
明するための図である。
明するための図である。
１…流管、２…流量計本体、２ａ…反射面、３…第１超
音波素子、４…第２超音波素子、５…発信器、６…第１
増幅器、７…第２増幅器、８…第１スイッチ、９…第２
スイッチ、１０…相関器、１１…表示器。
音波素子、４…第２超音波素子、５…発信器、６…第１
増幅器、７…第２増幅器、８…第１スイッチ、９…第２
スイッチ、１０…相関器、１１…表示器。
Claims (2)
- 【請求項１】 流管の流れ方向に一定の距離を隔てて配
設された上流側および下流側の超音波素子と、該上流側
と下流側との超音波素子を同時に断続駆動し、流れに略
垂直方向な超音波を送波させる発振器と、該発振器の停
止期間において、流管壁からの超音波反射波を各々前記
上流側および下流側の超音波素子で受波し流れの乱れ信
号を出力する上流側および下流側の受波器と、該上流側
および下流側の受波器信号により相互相関関数を求め、
前記２点間の距離を相互相関関数が最大となる時間で除
し、該除数により流速を求める相関関数計とより構成し
たことを特徴とする相関流量計。 - 【請求項２】 前記上流側および下流側の超音波素子を
同時駆動する発振器の周波数を各々異なるものとし、各
々の受波器に互いに異なる側の反射波を遮断する遮断フ
ィルタを設けたことを特徴とする請求項１記載の相関流
量計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3254450A JPH0566142A (ja) | 1991-09-06 | 1991-09-06 | 相関流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3254450A JPH0566142A (ja) | 1991-09-06 | 1991-09-06 | 相関流量計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0566142A true JPH0566142A (ja) | 1993-03-19 |
Family
ID=17265185
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3254450A Pending JPH0566142A (ja) | 1991-09-06 | 1991-09-06 | 相関流量計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0566142A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1981001759A1 (en) * | 1979-12-12 | 1981-06-25 | Mitsubishi Electric Corp | Device for monitoring abnormality in sampled signals |
| JP2009229346A (ja) * | 2008-03-25 | 2009-10-08 | Tokyo Electric Power Co Inc:The | 流速測定装置および流速測定方法 |
-
1991
- 1991-09-06 JP JP3254450A patent/JPH0566142A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1981001759A1 (en) * | 1979-12-12 | 1981-06-25 | Mitsubishi Electric Corp | Device for monitoring abnormality in sampled signals |
| JP2009229346A (ja) * | 2008-03-25 | 2009-10-08 | Tokyo Electric Power Co Inc:The | 流速測定装置および流速測定方法 |
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