JPH063391B2 - 移動する媒体の流れの体積または質量の無接触測定装置 - Google Patents

移動する媒体の流れの体積または質量の無接触測定装置

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JPH063391B2
JPH063391B2 JP62199259A JP19925987A JPH063391B2 JP H063391 B2 JPH063391 B2 JP H063391B2 JP 62199259 A JP62199259 A JP 62199259A JP 19925987 A JP19925987 A JP 19925987A JP H063391 B2 JPH063391 B2 JP H063391B2
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01F1/712—Measuring the time taken to traverse a fixed distance using auto-correlation or cross-correlation detection means

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、２つの変換器を備え、該変換器の捕捉領域は
媒体の移動方向において互いにずらされておりかつ上記
変換器は、移動する媒体の不均質性が該媒体の空間的な
位置に依存して種種異なった重み関数に従って関連付け
られている電気信号を発生し、かつ上記２つの信号を相
関結合することにより測定値を形成する装置を備えてい
る、移動する媒体の流れの体積または質量の無接触測定
装置に関する。
従来の技術 この形式の公知の測定装置では、２つの変換器の出力信
号の時間的な相関関数の最大値に相応するずれ時間が求
められるが、このずれ時間は媒体の不均質性の、第１変
換器から第２変換器までの走行時間に等しい。変換器間
の間隔が既知の場合、走行時間から測定すべき速度を導
き出すことができる。速度値に、瞬時の流入体積に相応
する信号値を乗算することによって、流れの体積の測定
値が得られる。次いでこの測定値を媒体の密度と乗算す
ることによって、流れの質量が形成される。
発明が解決しようとする問題点 この測定方法には数多くの用途において不確さが伴な
う。その理由は測定結果が流れの断面形状に依存してお
り、かつ相互相関関数の最大値が顕著に現われない場合
が多く、よって最大値の場所を精確に特定できないから
である。別の無接触測定方法では流れの方向はわからず
かつ速度零および非常に低い速度の際に評価可能な指示
が行なわれない。それから流れの体積または質量を付加
的な流入体積についての情報を用いて速度から求めるの
ははん雑すぎ、そのために測定誤差を生じる新たな原因
にもなる。
本発明の課題は、速度がどんなであっても流れの断面形
状に無関係な精確な測定結果を発生しかつ測定領域が速
度零、非常に低い速度および移動方向の反転をも含んで
いる、冒頭に述べた形式の測定装置を提供することであ
る。
問題点を解決するための手段 本発明によればこの課題は、次のようにして解決され
る。即ち、２つの変換器の捕捉領域は、空間的な重み関
数の空間的な相互相関関数の、空間的なずれ零における
勾配が零ベクトルとは異なるように部分的にオーバラッ
プしており、かつ測定値は、上記２つの信号の時間的な
相互相関関数の、時間的なずれ零における勾配または上
記２つの信号の相互出力密度スペクトルの１次モーメン
トから導出される。
発明の作用および発明の効果 本発明は、所定の前提条件下において時間的な相互相関
関数の、時間的なずれ零における勾配が移動する媒体の
流れの体積乃至質量に対する尺度を成すという認識に基
いている。この測定値は時間的なずれ零において求めら
れるので、測定値は同じ場所に存在する不均質性から由
来する。これにより測定の際の不精確さに対する根本的
な原因が取り除かれる、更に本発明の流れの体積または
質量の無接触相関測定は、相互相関関数の最大値の位置
を求めることに基いている速度測定では行ない得ない場
合にも可能である。殊に、緩衝流入区間を設けずかつ例
えば測定個所を曲り管の後方に直接取り付けることもで
きる。測定領域は原則的には制限されておらずかつ殊に
非常に緩慢な移動、停止状態および移動方向の反転も含
んでいる。
この測定原理の使用に対して前提となる条件は、次のよ
うな信号対を発生する変換器が使用されることである。
即ち２つの時間的にずれていない信号に統計学的に依存
した消失しない勾配が存在する信号対である。この条件
は、２つの変換器の捕捉領域が、空間的な重み関数の空
間的な相互相関関数の、空間的なずれ零における勾配が
零ベクトルとは異なるように部分的にオーバラップする
ようにしたとき、満たされる。この定義は、変換器の構
造によって定まる不変の幾何学上の特性、つまりそれぞ
れの変換器対に対して特徴的である特性のことである。
更に変換器は、変換器によって発生される信号の信号パ
ワが流入体積に依存するように形成されなければならな
い。しかしこの点は、部分的にオーバラップする捕捉領
域を形成するのに必要な既述の前提条件が満たされてい
る変換器においては実際にはそうなっているはずであ
る。
２つの信号の時間的な相互相関関数の、時間的なずれ零
における勾配は、これらの信号の相互出力密度スペクト
ルの１次モーメントに数学的に等価である。従って、い
ずれの値を計算するかどうかに差異は認められない。
本発明の有利な構成および実施例は、特許請求の範囲の
実施態様項に記載されている。
実施例 次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に説
明する。
第１図は、本発明をわかり易くするためにまず速度ｖで
導管１内を導管の軸線Ｚの方向において移動する媒体の
流れ体積または質量を測定するための、相関式無接触速
度測定の原理に基いている、従来の測定装置を略示す
る。導管１には、精確にわかっている中心間隔Ｄにおい
て２つの変換器W1およびW2が配設されている。これら変
換器は、移動する媒体の不均質性によって影響される電
気信号S1(t)乃至S2(t)を発生する。移動する媒体の種類
および特性に応じて、非常に種々異なった形式の利用可
能な不均質性があるが、いずれにせよその作用は常に、
それが音場または電磁界を発生するかまたはそれに影響
を及ぼすということに基いている。電磁界によって動作
する方法に対しては、高周波およびマイクロ波領域並び
にγ線までの光領域に及ぶ静電界の全体のスペクトルを
利用することができる。音場では、気体の場合の数キロ
ヘルツから流体の搬送媒体における１０MHzまたはそれ
を上回る有効な周波数領域がある。
通例各変換器はそれぞれ、媒体の不均質性によって影響
されたはずであるフィールドを発生する送信器と不均質
性によって影響されたフィールドに応答しかつフィール
ドの時間的な変化を再現する電気信号を発生する受信器
とから成っている。即ち第１図において変換器W1は送信
器T1と受信器R1とから成り、変換器W2は送信器T2と受信
器R2とから成る。それぞれ利用されるフィールドの形成
に応じて、送信器および受信器の構成は、当業者には公
知である。従って例えば光領域内にある電界を使用した
場合、各送信器は光源とし、各受信器はホト検出器とす
ることができる。超音波領域にある音場を使用した場
合、各送信器は超音波発生器であり、各受信器は超音波
受波器である。容量センサは静電界に対する送信器およ
び受信器を同時に形成する。
不均質性が能動的でありかつそれ自体が利用可能なフ
ィールドを発生するとき、送信器を省略することがで
き、その結果各変換器はそれぞれ受信器からのみ成る。
このことは例えば、不均質性が放射性の粒子によって形
成されており、この粒子のビームが変換器の受信器によ
って捕捉されかつ電気信号に変換される。
移動する媒体の不均質性それぞれは、変換器の捕捉領域
内にあるとき、前以って決められた空間的な重み関数に
従って変換器の出力信号に変換される。第１図の実施例
において変換器W1の捕捉領域は。Ｚ軸線の方向において
長さL1を有しかつＺ軸線に対して垂直方向において導管
１の横断面またはこの横断面の、変換器によって捕捉さ
れる部分を有する測定空間である。同様に変換器W2の捕
捉領域は、長さL2および相応の横断面を有する測定空間
である。通例、管横断面にわたって平均化された速度を
検出することに興味があるので、変換器を出来る限り、
管横断面の一様な重み付けが実現されるように、構成し
ている。
第２図の波形図Ａは、変換器W1の空間的な重み関数g
1(Z)、即ち点状の不均質性の、Ｚ軸線に沿った変換器の
空間的な位置に依存した変換器W1の出力信号に対する作
用を、横軸Ｚの関数として理想化した形で示している。
点状の不均質性が変換器W1野捕捉領域の外にあるとき、
不均質性は出力信号に変換されず、かつ空間的な重み関
数g1(Z)は値０を有する。これに対して点状の不均質性
が変換器W1の捕捉領域にあるとき、不均質性は前以って
決められた、零とは異なる値を有する出力信号S1(t)に
変換されるので、全体の捕捉領域に対する空間的な重み
関数g1(Z)は、零とは異なった値をとる。
第２図の波形図Ｂも同じように変換器Ｗ２の空間的な重
み関数g2(Z)を示す。２つの変換器W1およびW2が同じに
構成されているとき、空間的な重み関数g2(Z)は、空間
的な重み関数g1(Z)と同じ波形を有するが、前者は後者
とは横軸Ｚとの関連における位置が異なっている点で相
異している。第１図における変換器の配置に相応して、
空間的な重み関数g1(Z)およびg2(Z)は互いに値Ｄだけず
れており、かつそれらの間に値Ｅを有するギャップがあ
る。
第２図の波形図Ｃは、空間的な重み関数g1(Z)およびg
2(Z)の空間的な相互相関関数Φ12(u)を示す。空間的な
相互相関関数は、次の数式を有する この式は、重み関数g2(z)の値が、空間的なずれｕだけ
ずれている、空間的な重み関数g1(z)の値と乗算されか
つこの積の、評価される領域Ｚにわたる平均値が形成さ
れることを、表わしている。空間的なずれｕの各値に対
して、空間的な相関関数の支持値が得られる。空間的な
ずれｚ＝０は、波形図ＡおよびＢの図示の、空間的な重
み関数の出力位置、即ち第１図の変換器W1およびW2の空
間的な位置に相応する。ｕの値の増大は、両方の重み関
数の相互に相関された値の相互のずれの低減に相応す
る。ｕ＝０の場合、相互相関関数は値零を有する。その
理由は必ず、それぞれの対の値の相互に乗算される両方
の値の少なくとも１つが零であるからである。ｕ＝Ｅに
おいて、両方の重み関数の零とは異なる部分の相互の重
畳が始まり、かつ相互相関関数は増加する。ｕ＝Ｄの所
で両方の重み関数g1(z)およびg2(z)は完全に一致し、か
つ空間的な相互相関関数はその最大値をとる。
空間的な重み関数g1(z)，g2(z)並びにそれらの相互相関
関数Φ12(u)は、変換器の幾何学形状によって規定され
かつ従ってその特性を表わすのに適している、変換器W1
およびW2の不変の特性量である。
変換器の、空間的な重み関数および空間的な相互相関関
数による上記特性量の表示は、それぞれの変換器の捕捉
領域が測定空間である場合に限定されない。この形式の
特性量の表示は、速度の測定のために利用される不均質
性が、移動する媒体の表面にありかつ変換器がその都度
媒体の所定の面領域を走査する場合にも当嵌る。これは
例えば、ローララインにおける巻取紙、帯状繊維または
薄板の速度測定の場合である。そのとき各変換器の捕捉
領域は空間ではなく、平面領域である。空間的な重み関
数およびその空間的な相関関数についてこれまで行って
きた考察は。この場合にも何ら制限されることなく当嵌
る。
第３図の波形図ＡおよびＢは、変換器W1，W2の出力信号
S1(t)およびS2(t)の時間経過を示す。これら信号の変動
は変換器の捕捉領域を通過する、移動する媒体の不均質
性から生じる。不均質性が第１変換器から第２変換器へ
の途上において少なくとも部分的に存在していることを
前提とすれば、不均質性が原因で生じる、両変換器の出
力信号の変動は、不均質性の、第１変換器から第２変換
器への走行時間に等しい時間間隔だけ相互にずれている
ある類似性を有している。この状態が、２つの信号の相
関結合による速度測定のために利用される。
第３図Ｃは、２つの信号S1(t)およびS2(t)の時間的な相
互相関関数R12(γ)を示す。時間的な相互相関関数は次
の数式を有する この式は、使号S2(t)の瞬時値が、ずれ時間τだけずれ
た、信号S1(t)の瞬時値と乗算されかつこの積の、観察
時間Ｔの領域にわたる平均値が形成されることを表わし
ている。τのそれぞれの値に対して、時間的な相互相関
関数の支持値が得られる。図示の実施例において相互相
関関数は、媒体の不均質性の、変換器W1から変換器W2へ
の走行時間に等しい所定のずれ時間τｍにおいて、従っ
て のときに、最大値をとる。
間隔Ｄが既知であればずれ時間τｍから直接、通例は媒
体の速度に等しい不均質性の速度Ｖが計算される。
相互相関関数を求めるために、信号S1(t)およびS2(t)は
信号処理回路２における必要な前処理後相関器４に供給
される。相関器４に接続されている評価回路５は、相互
相関関数を最大値について調べかつ走行時間に相応する
ずれ時間τｍを求め、そこから速度Ｖを計算することが
できる。有利には適当にプログラミングされたマイクロ
コンピユータが相関器４および評価回路５の機能を実施
する。この場合信号処理回路２は、ＡＤ変換器を含んで
おり、ＡＤ変換器がアナログ出力信号S1(t)およびS2(t)
を、マイクロコンピユータにおける処理に適しているデ
ジタル信号に変換する。
速度Ｖのみを測定すべきとき、評価回路５は信号S1(t)
およびS2(t)の相関に基いて既に速度測定値を指示する
ことができる。これに対して導管１を流れる媒体の体積
または質量を測定すべきとき、評価回路５は速度情報に
対してて付加的に更に流入体積（体積密度）Vrel、即ち
搬送体積ＶＴにおける搬送される媒体の体積ＶＭの比成
分についての情報を必要とする： 流入体積Ｖｒｅｌがわかれば、流れの体積、即ち移動
する媒体の、単位時間当りに搬送される体積が、次の式
からわかってくる： この場合移動する媒体の流れの質量、即ち単位時間当
りに搬送される媒体質量は、搬送される媒体の流れの体
積と密度ρとの積に等しい： 流入体積を求めるために、第１図の測定装置において導
管１に、流入体積に依存する信号S3(t)を発生する第３
変換器W3が取り付けられている。その場合評価回路５
は、求められた速度Ｖおよび信号S3(t)中に含まれてい
る、流入体積Ｖｒｅｌに関する情報から、上記式(5)お
よび(6)に従って流れの体積および／または流れの質
量が計算されかつ得られた測定値を送出することがで
きる。変換器W1およびW2が、その出力信号が流入体積に
依存するように構成されていれば、変換器W3を省略する
ことができかつ変換器W3の出力信号の代わりに、変換器
W1，W2の一方の出力信号を評価回路５に供給することが
できる。
第４図は、本発明が基礎としている原理を実施した相関
測定装置を第１図に相応した形で略示して示す。第１図
の装置に相応する構成部分および寸法に対しては、第１
図と同じ記号・番号が使用されている。第１図の装置と
の重要な差異は、２つの変換器W1およびW2野捕捉領域が
部分的にオーバラップしていることである。このこと
は、変換器を相応に構成することで実現しなければなら
ないが、第４図の略図では両方の変換器の送信器T1，T2
および受信器R1，Ｒ２が互いに部分的にオーバラップし
ていることで示されている。更に、第４図の測定装置に
おいては変換器Ｗ３または変換器W1,W2の一方の、評価
回路との相応の接続は省略される。
変換器W1,W2の捕捉領域の部分的なオーバラップの結果
として、第５図の波形図ＡおよびＢに図示された空間的
な重み関数g1(z)およびg2(z)も値Ｆだけ部分的にオーバ
ラップしてくる。従って第５図の波形図Ｃに図示の空間
的な相互相関関数Φ12(u)は、空間的なずれｕ＝０にお
いて零とは異なった値を有しかつ零ベクトルとは異なっ
ている勾配を有する。空間の相互相関関数は正の空間的
なずれｕ＝Ｄにおいてその最大値に達する。
第６図の波形図ＡおよびＢは、第４図の変換器Ｗ１乃至
Ｗ２から送出される信号S1(t)およびS2(t)の時間的な経
過を示している。これらの信号は基本的に、第１図の測
定装置の第３図に図示の信号S1(t)，S2(t)と同じ特性を
有する。
これに対して第６図の波形図Ｃに図示の、信号S1(t)お
よびS2(t)の時間的な相互相関関数R12(t′)は、第３図
の波形図Ｃの信号S1(t)およびS2(t)の時間的な相互相関
関数とは次の点が異なっている。即ち第６図では、ずれ
時間τ＝０のときに零とは異なった値を有しかつ零とは
異なった勾配を有する。この勾配は、時点τ＝０で引か
れる座標軸との交点において時間的な相互相関関数が作
る接線と水平線が成す角度αによって表わされる。
時間的な相互相関関数の最大値はこの場合もずれ時間τ
ｍ＝Ｄ／Ｖのところにありかつ第１図の装置の場合と同
様に、移動する媒体の速度の測定のために求めることが
できる。即ちその場合求められた最大値から、流入体積
に関する付加情報を用いて流れの体積および／または流
れの質量の測定値を導出することができる。しかし第４
図の測定装置の特殊な点は、流れの体積乃至流れの質量
の測定値が、時間的な相互相関関数の、ずれ時間τ＝０
のときの勾配から直接導出されることである。
この構成は、次の認識に基いている。即ちずれ時間τ＝
０における時間的な相互相関関数の勾配と媒体の瞬時の
流れの体積乃至流れの質量との間に一義的な、数学的に
定義可能な関係がある。第７図は、流入体積を一定とし
た場合、媒体の種々異なった速度V1,V2,V3に対して同一
の測定装置によって求められた時間的な相互相関関数を
示している。それから明らかなように、すべての相互相
関関数はτ＝０を通る縦軸と同一点で交わるが、そこで
は異なった勾配を有している。その際勾配は、速度が大
きくなればなる程、急になる、概括すれば、速度変化が
生じると相互相関関数は、アコーデオンの蛇腹のように
伸び縮みする。式（５）によれば、流れの体積は流入
体量Ｖｒｅｌを一定とした場合速度Ｖに比例するので、
第７図の特性曲線図において時間的な相互相関関数の、
時間的なずれ零のときの勾配は流れの体積に対する尺度
でありかつ一媒体の密度ρが既知であれば一式（６）に
従って流れの質量に対する尺度でもある。
相応に第８図は、速度を一定とした場合に種々異なった
流入体積に対する同一の測定装置によって求められた時
間的な相互相関関数を示している。この場合すべての相
互相関関数の最大値は、一定の速度に相応する同じずれ
時間τの所にあるが、流入体積に比例して相互相関関数
の値が大きくなっていく。従ってすべての相互相関関数
はこの場合もτ＝０を通る縦軸に種々異なった勾配をも
って交わるが、同じ点において交わらない。その際勾配
は、流入体積が大きくなればなる程、急峻になる。式
（５）によれば、速度Ｖが一定の場合流れの体積は流
入体積Ｖｒｅｌに比例するので、この場合も時間的なず
れ零における時間的な相互相関関数の勾配は、流れの体
積および流れの質量の流れに対する尺度である。
時間的な相互相関関数の、ずれ時間τ＝０における勾配
と流れの体積乃至流れの質量との間の同じ関係は、速度
および体積が同時に変化するときも成立つ。いづれの場
合においても流れの体積および／または流れの質量の測
定値は、時間的な相互相関関数の、時間的なずれ零にお
ける勾配から直接導き出すことができる。
流れの質量と時間的な相互相関関数の、時間的なずれ
零における勾配との間の数学的な関係は、次の式によっ
て表わされる： 上記式中において、 Φ12(0)：空間的な相互相関関数の、空間的なずれｕ＝
０での値： １２(0)：時間的な相互相関関数の、ずれ時間τ＝０
での勾配； Ｋ：較正係数（媒体の密度を考慮している）。
上記式（７）の右辺の第１係数は、第４図および第５図
に基いて説明したように、変換器の構成および配置から
決められる一度定めるべき幾何学的な項である。第２の
係数は、時間的な相互相関関数の、時間的なずれ零での
勾配を表わす。較正係数Ｋは、搬送される媒体の密度に
依存した、一度定めるべき係数である。
式（７）は流れの体積を測定するのにも有効であるが、
この場合較正係数Ｋが媒体の密度には依存しない点が相
異している。
式（７）からわかるように、測定値が時間的な相互相関
関数の、時間的なずれ零における勾配から直接導き出さ
れるのであって、第１図の測定装置におけるように、そ
の前に測定された速度から導き出されるのではないと
き、流れの質量および／または流れの体積を測定するた
めに、流入体積に依存しない付加的な情報が必要であ
る。このことは、第４図の測定装置の変換器Ｗ１乃至Ｗ
２から送出される信号S1(t)およびS2(t)に含まれている
流入についての情報が計算に自動的に入れられるという
こに基いている。
既述の測定装置の機能に対する重要な前提事項は、変換
器から送出される信号の信号出力が流入体積に比例して
いることである。しかもこのことは、第４図に略示され
ているように、捕捉領域の部分的なオーバラップが実現
されるようになっている、広範囲に及ぶすべての変換器
に対して当嵌り、しかも変換器の形式（光学的、音響
的、電磁的、容量的等々）に無関係にである。
説明してきた動作態様に対して前提となる別のことは、
信号処理および相関の際に信号出力即ち振幅情報が消失
してはならない点である。即ち相関器４における相関は
“クリップされた（geklippten）”信号または純然たる
極性符号信号を用いて行ってはならない、純然たるアナ
ログ信号処理ではこの条件は通例満たされている、デジ
タル信号処理の場合、振幅情報は申し分のない分解能で
もって（ビット桁数）、デジタルコード語に変換されな
ければならない。
式（７）から、空間的な相互相関関数の勾配がなくては
ならぬことがわかる。その理由はそれが分母にあるから
である、この条件は、第４図および第５図に基いて説明
したように変換器の捕捉領域がオーバラップすることに
よってのみ満たされる。
時間的な相互相関関数を求めるために、第４図の測定装
置でも出力信号S1(t)およびS2(t)を信号処理回路２にお
ける前処理後、相関器４に供給することができる。相関
器は時間的な相互相関関数を計算する。しかし相関器４
にはこの場合、時間的な相互相関関数の、ずれ時間τ＝
０における勾配を求めかつそこから媒体の流れの体積乃
至質量を導き出す評価回路６が配属している。相関器４
および評価回路６は勿論この場合も適当にプログラミン
グされたマイクロコンピユータによって形成することが
できる。
変換器を、その捕捉領域がオーバラップするように構成
する可能性は数多くある、第９図および第１０図は、１
例としてプレクシガラス管１０内を流れる媒体の流れの
速度を測定するための光学的な測定装置を示す。変換基
板Ｗ１は送信器としての光源１１および受信器としての
ホトダイオード１２を有している。変換器Ｗ２は送信器
としての光源１３および受信器としてのホトダイオード
１４を有している。それぞれの変換器は、プレクシガラ
ス管１０のレンズ作用を考慮して、管横断面の出来るだ
け均一な重み付けが実現されるように構成されている。
２つの変換器の光軸は直角に交差する。第１０図が示す
ように、両変換器の光源１１，１３およびホトダイオー
ドは管軸線Ｚに沿って相互に多少ずらされているので、
その結果両変換器の捕捉領域がほぼ２分の１にわたりオ
ーバラップすることになる。わかり易くするために、光
源１１，１３およびホトダイオード１２，１４の、第１
０図における管軸線Ｚの方向における拡がりは誇張して
大きく示されている。捕捉領域のオーバラップはこの場
合、変換器の交差する配置によって実現される。
第９図には、変換器Ｗ１及びＷ２の出力信号S1(t)およ
びS2(t)が供給される２つの信号処理回路の構成も示さ
れている。それぞれの信号処理回路において所属の変換
器の出力信号はまず前置増幅器１５において増幅されか
つそれから高域フィルタ１６においてフイルタリングさ
れ、これにより信号の中間値が抑圧される。増幅器１７
においてもう一度増幅された各信号はＡＤ変換器１８に
供給され、そこで中間値のないアナログ信号からマイク
ロコンピユータにおける処理に適しているデジタル信号
に変換される。ＡＤ変換器１８には、第４図の相関器４
および評価回路６の機能を実施するマイクロコンピユー
タ１９が接続されている。
次のようにしても部分的にオーバラップする捕捉領域を
実現することができる。即ち各変換器をそれぞれ、複数
の変換器素子から構成し、以下に説明するようにそれを
別の変換器の変換器素子と交錯形成されるように接続す
るのである。第１１図はこの実施例として管２０を通っ
て流れる媒体の流れの体積および／または質量を測定す
るための容量性変換器を有する測定装置を示す。変換器
Ｗ１は５つの変換器素子２１，２２，２３，２４，２５
から成る。これら変換器素子はそれぞれ従来のように管
２０の周囲に２つづつ互いに反対側に直径方向に相対す
る電極によって形成されている。変換器素子２１，２
２，２３，２４，２５は、管軸線に沿って間隔をおいて
配設されているので、それらの間には隙間ができる。変
換器Ｗ２は同様に、管の軸線に沿って間隔をおいて配設
されている５つの変換器素子３１，３２，３３，３４，
３５から成り、やはり変換器素子間には隙間ができる。
変換器Ｗ２の変換器素子３１および３２は、変換器Ｗ１
の変換器素子２３および２４乃至２４および２５の間の
隙間にあり、これにより両方の変換器Ｗ１及びＷ２の捕
捉領域の所望のオーバラップによって実現される。
両変換器それぞれに独自の変換器素子を備える代わり
に、同じ変換器素子の出力信号を種々様々な方法でまと
めて、両変換器のオーバラップする捕捉領域が実現され
るようにすることもできる。第１２図には、移動する媒
体の移動方向Ｚに沿って配設されておりかつ共通の１つ
の光源４０の光を受信するホトダイオード４１，４２，
４３，４４，４５，４６，４７，４８から成るアレイを
有する測定装置が図示されている。各ホトダイオードは
光源と接続されて変換器素子を形成しかつ移動する媒体
の不均質性によって影響される電気的な出力信号S41,S
42…Ｓ４８を送出する、ホトダイオードの出力側は、２
つの加算回路５１および５２の入力側に接続されてい
る。加算回路は、相関すべき２つの信号S1(t)およびS
2(t)を形成するためのホトダイオードの出力信号を異な
った極性評価によってまとめる。例えば信号S1(t)およ
びS2(t)は次のようにして形成することができる： S1(t)＝+S41+S42-S43-S44 +S45+S46-S47-S48 S2(t)＝-S41+S42+S43-S44 -S45+S46+47-S48 この仕方のオーバラップする捕獲領域の形成は、信号S1
(t)およびS2(t)が中間値がないので、高域フィルタを使
用する必要がないという利点を有する。更に、濃度の変
動の、測定結果に影響を及ぼす作用が抑圧される。ホト
ダイオードの代わりに、音響的、容量的または別の変換
器素子を使用しても同じ効果が得られる。
同時に２つの加算回路を用いて信号結合を行なう代わり
に、それを同じ加算回路を用いて時分割多重において行
なうこともできる。
それから、第１１図または第１２図の装置を用いて得ら
れる信号S1(t)およびS2(t)は、時間的な相互相関関数を
形成し、ずれ時間τ＝０でのその勾配を求めかつそこか
ら流れの容積および／または質量の測定値を導き出すた
めに、引続き既述の方法において処理することができ
る。
上記演算をマイクロコンピユータにおいて実施する代わ
りに、電気的な信号をハードウエア回路において直接処
理することによって結果を得るようにすることもでき
る。第１３図には、それに適した、２つの入力側６１お
よび６２を有するアナログ信号処理回路６０が図示され
ている。入力側には、先に説明した変換器装置のそれぞ
れからの出力信号S1(t)乃至S2(t)が供給される。入力側
６１に供給された出力信号S1(t)は、微分回路６３にお
いて時間に従って微分される、微分回路６３の出力側
は、乗算回路６４の一方の入力側に接続されている。乗
算回路の他方の入力側には信号S2(t)が供給される。乗
算回路６４の出力信号は低域フィルタ６５を介して指示
装置６９に供給される。
乗算回路６４における信号の乗算は、ずれ時間τ＝０に
おける相互相関関数の形成に相応し、その際信号S1(t)
の先行する微分のため結果は相互相関関数の勾配に直接
相応する。従って積分作用する低域フィルタ６５の出力
信号は、相互相関関数の、ずれ時間τ＝０における勾配
を表わしかつ指示装置６９において、それが相応の較正
係数Ｋを考慮して較正されていれば、測定すべき流れの
体積乃至質量を直接指示するために用いることができ
る。
正規化された相互相関関数の、ずれ時間τ＝０における
勾配には、信号S1(t)およびS2(t)の相互出力密度スペク
トルの１次モーメントが数学的に等価である。従ってマ
イクロコンピュータを次のようにプログラミングするか
乃至その代わりに使用されるハードウエア回路を次のよ
うに構成することもできる。即ち相互出力密度スペクト
ルの１次モーメントに相応する結果が得られるようにで
ある。それからこの値から流れの体積および／または質
量の測定値を、相互相関関数の、ずれ時間τ＝０におけ
る勾配からと同じ方法において導き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、導管における流れの体積または質量を無接触
相関測定するための公知の測定装置の概略図であり、第
２図は、第１図の測定装置の構成を特徴付けている空間
的な関数の波形図であり、第３図は、第１図の測定装置
の動作を特徴付けている時間的な関数の波形図であり、
第４図は、本発明の原理を具体化する、第１図の測定装
置を変形した実施例の概略図であり、第５図は、第２図
に相応する、第４図の測定装置に対する空間的な関数の
波形図であり、第６図は、第３図に相応する、第４図の
測定装置に対する時間的な関数の波形図であり、第７図
は、本発明の同じ測定装置によって、流入体積を一定と
した場合に種々異なった速度に対して得られる、複数の
時間的な相互相関関数を示す特性曲線図であり、第８図
は、本発明の同じ測定装置によって、速度を一定とした
場合に種々の流入体積に対して得られる、複数の時間的
な相互相関関数を示す特性曲線図であり、第９図は、本
発明の光学的な測定装置の概略図であり、第１０図は、
第９図の光学的な測定装置を側面から見た概略図であ
り、第１１図は、本発明の容量的な測定装置の概略図で
あり、第１２図は、ホトダイオードアレイを備えた本発
明の光学的な測定装置の回路略図であり、第１３図は、
本発明の測定装置において測定値を形成するためのアナ
ログ信号処理回路のブロック線図である。 Ｖ…媒体の移動速度、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，２１〜２５，
３１〜３５…変換器、１，２０…導管、２，６０…信号
処理回路、４…相関器、５，６…評価回路、１１，１
３，４０…光源、１２，１４，４１〜４８…ホトダイオ
ード、１５，１７…増幅器、１６，６５…フィルタ、１
８…ＡＤ変換器、５１，５２……加算回路。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】２つの変換器を備え、該変換器の捕捉領域
    は媒体の移動方向において互いにずらされておりかつ上
    記変換器は、移動する媒体の不均質性が該媒体の空間的
    な位置に依存して異なった重み関数に従って関連付けら
    れている電気的な信号を発生し、かつ上記２つの信号を
    相関結合することにより測定値を形成する装置を備えて
    いる、移動する媒体の流れの体積または質量の無接触測
    定装置において、 上記２つの変換器（Ｗ１．Ｗ２）の捕捉領域は、空間的
    な重み関数（ｇ１(Z)，ｇ２(Z)）の空間的な相互相関関
    数（Φ１２(u)））の、空間的なずれ零における勾配が
    零ベクトルとは異なるように部分的にオーバラップして
    おり、かつ上記測定値は、上記２つの信号S1(t),S2(t))
    の時間的な相互相関関数(R12(γ))の、時間的なずれ零
    における勾配または上記２つの信号S1(t),S2(t))の相互
    出力密度スペクトルの１次モーメントから導き出される
    ことを特徴とする移動する媒体の流れの体積または質量
    の無接触測定装置。
  2. 【請求項２】２つの変換器（１１，１２；１３，１４）
    は該変換器の軸線が交差するようにかつ相互にオーバラ
    ップするように媒体の移動方向において互いにずれて配
    設されている特許請求の範囲第１項記載の移動する媒体
    の流れの体積または質量の無接触測定装置。
  3. 【請求項３】各変換器（Ｗ１．Ｗ２）はそれぞれ、媒体
    の移動方向に沿って配設された複数の変換器素子（２１
    乃至２５；３１乃至３５）から成り、かつオーバラップ
    する捕捉領域を形成するために上記２つの変換器の変換
    器素子（２４，２５；３１，３２）は相互に交錯接続さ
    れている特許請求の範囲第１項記載の移動する媒体の流
    れの体積または質量の無接触測定装置。
  4. 【請求項４】２つの変換器（Ｗ１．Ｗ２）のオーバラッ
    プする捕捉領域は、媒体の移動方向に沿って配設された
    複数の変換器素子（４１乃至４８）の出力信号を種々異
    なってまとめることによって実現される特許請求の範囲
    第１項記載の移動する媒体の流れの体積または質量の無
    接触測定装置。
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