JPH0783946A - 超音波流速計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 温度による音速変化の影響を無くし、簡易な
装置により高精度な流体流速の測定を可能とする。 【構成】 流速Ｖの計測流体中における受信波Ｆv と所
定の超音波信号Ｆ0 との位相差△φを、流体の流速Ｖ及
び基準温度と流体温度との差に基く音速変化分△Ｃ0 を
未知数として含んだ形で検出する手段６、流体と同一の
質及び同一の温度を有する無流速雰囲気中における受信
波Ｆ0 と送信波Ｆとの位相差△φ0 を、基準温度と流体
温度との差に基く音速変化分△Ｃ0 のみを未知数として
含んだ形で検出する手段７、これらの位相差△φ及び△
φ0 に基き、△Ｃ0 を消去して流体の流速Ｖを演算する
手段８を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波を利用してガ
スその他の流体の流速を測定する超音波流速計に関し、
特に位相差法を利用した超音波流速計に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスその他の流体の流量を求めるに際
し、まず流体の流速を測定し、これに基いて流量を演算
することが行われている。このような流体流速の測定
に、超音波が利用されることがある。

【０００３】即ち、超音波の送波器及び受波器を計測流
体中に配置したとき、送信波を流体流れと同一方向に伝
幡させたときの送受波器間の伝幡時間と、流体流れと逆
方向に伝幡させたときの伝幡時間との時間差△ｔは、 △ｔ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ）−Ｌ／（Ｃ＋Ｖ） …式 ただし Ｖ：求める流体速度 Ｌ：送受波器間の距離 Ｃ：超音波の音速 となる。

【０００４】上記式から、既知の値であるＬ、Ｃと、
計測した時間差△ｔの値から流速を求めることができ
る。しかし、△ｔは値が小さくこれを高精度に測定する
ことは極めて困難である。

【０００５】そこで、感度の良い位相差から流速Ｖを求
める位相差法が利用される。つまり、流体流れに対し
て、順、逆両方向に送信波を伝幡させたときの各受信波
の位相差を△φとすると、 △φ＝２πｆ△ｔ …式 であるから、△φを検出して、式より流速Ｖを求め
る方法である。なお、式において、ｆは送信波の周波
数である。

【０００６】このような位相差法を利用した従来の超音
波流速計の概略構成を図２に示す。同図において、（2
0）は内部を矢印方向に流速Ｖの流体が流れる管路であ
る。管路内には、２組の送受波器（21a ）（21b ）（22
a ）（22b ）が並設されている。一方の送受波器（21a
）（21b ）については、上流側に送波器（21a ）が、
下流側に受波器（21b ）が距離Ｌを隔てて対向配置され
ており、他方の送受波器（22a ）（22b ）については上
流側に受波器（22b ）が、下流側に送波器（22a ）が距
離Ｌを隔てて対向配置されている。

【０００７】また、前記各送波器（21a ）（22a ）に
は、送信波Ｆを発生送信する送信装置（23）が接続され
る一方、前記各受波器（21b ）（22b ）には受信装置
（24）が接続され、さらに送信装置（23）と受信装置
（24）とは位相差検出器（25）に接続されている。

【０００８】図２に示した従来の超音波流速計では、送
信装置（23）により送波器（21a ）（22a ）から流体流
れに対して順方向と逆方向に送信波Ｆが同時に送信され
る。送信波Ｆは、数波長遅延して受波器（21b ）（22b
）に受波され、受信装置（24）により増幅、波形整形
等の処理を施されたのち、受信波Ｆ1 、Ｆ2 として位相
差検出器（25）に入力される。位相差検出器（25）に
は、送信装置（23）からの送信波Ｆも入力されており、
この送信波Ｆと２つの受信波Ｆ1 、Ｆ2 との位相差△φ
1 、△φ2 が求められる。そして、△φ＝△φ2 −△φ
1 から、２つの受信波Ｆ1 、Ｆ2 の位相差△φが求めら
れる。そして、上記の、式より、△ｔを消去してＶ
が演算される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図２に示す
ような従来の超音波流速計では、流速Ｖの算出の基礎と
なる上記式における音速Ｃが、流体温度により著しく
変化するため、高精度な測定ができなかった。また、高
精度な測定を行うためには、音速Ｃの温度補正を行って
正確な値を求めることが必要であり、そのために装置が
複雑化し、演算も面倒であった。

【００１０】この発明は、かかる技術的背景に鑑みてな
されたものであって、流体の温度による音速変化の影響
を無くし、簡易な装置により高精度な流体流速の測定を
可能とする超音波流速計の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、図１の符号を参照して示すと、送信波
Ｆが流速Ｖの計測流体中を伝幡する態様で、所定距離を
隔てて配置された第１の超音波送波器（2a）及び同受波
器（2b）と、送信波Ｆが、前記流体と同一の質及び同一
の温度を有する無流速雰囲気中を伝幡する態様で、所定
距離を隔てて配置された第２の超音波送波器（4a）及び
同受波器（4b）と、前記第１の超音波受波器（2b）での
受信波Ｆv と所定の超音波信号との位相差△φを、流体
の流速Ｖ及び基準温度と流体温度との差に基く音速変化
分△Ｃ0 を未知数として含んだ形で検出する第１の検出
手段（６）と、前記第２の超音波受波器（4b）での受信
波Ｆ0 と送信波Ｆとの位相差△φ0 を、基準温度と流体
温度との差に基く音速変化分△Ｃ0 のみを未知数として
含んだ形で検出する第２の検出手段（７）と、上記第１
及び第２検出手段により検出した位相差△φ及び△φ0
に基き、△Ｃ0 を消去して流体の流速Ｖを演算する手段
（８）とを備えたことを特徴とする超音波流速計を要旨
とするものである。

【００１２】また、望ましくは、第１の検出手段（６）
により検出される位相差△φが、第１の超音波受波器
（2b）での受信波Ｆv と、第２の超音波受波器（4b）で
の受信波Ｆ0 との位相差であり、該位相差△φが、受信
波Ｆv と受信波Ｆ0 との直接位相比較により検出される
ものとなされているのが良い。

【００１３】また、流体温度を検知する温度センサ
（９）が設けられるとともに、該温度センサにより、流
体温度が位相差△φ0 に関して送信波Ｆの一周期を越え
る温度であることが検知された場合には、位相差△φ0
に送信波の一周期分を加算した状態で流体の流速Ｖが演
算されるものとなすのが望ましい。

【００１４】

【作用】流速Ｖの計測流体中における受信波Ｆv と所定
の超音波信号Ｆ0 との位相差△φが、流体の流速Ｖ及び
基準温度と流体温度との差に基く音速変化分△Ｃ0 を未
知数として含んだ形で検出される。また、流体と同一の
質及び同一の温度を有する無流速雰囲気中における受信
波Ｆ0 と送信波Ｆとの位相差△φ0 が、基準温度と流体
温度との差に基く音速変化分△Ｃ0 のみを未知数として
含んだ形で検出さる。そして、これらの位相差△φ及び
△φ0 に基き、△Ｃ0 を消去して流体の流速Ｖが演算さ
れる。従って、超音波の音速Ｃが流体温度により変化し
ても、その変化分△Ｃ0 を考慮する必要はなくなる。

【００１５】

【実施例】次に、この発明の一実施例を、図１を参照し
つつ説明する。

【００１６】図１において、（１）は内部を矢印方向に
ガス等の流体が流れる管路である。管路（１）内には、
流れ方向の上流側に送波器（2a）が配置される一方、下
流側には距離Ｌを隔てて受波器（2b）が対向配置されて
いる。

【００１７】（３）は管路（１）と連通された基準槽で
ある。この基準槽（３）は、管路（１）を流れる流体と
同一の質及び同一の温度を有するとともに、流体流れの
存在しない無流速雰囲気に設定されている。そして、こ
の基準槽（３）内に、送波器（4a）と受波器（4b）が距
離Ｌを隔てて対向配置されている。

【００１８】前記２つの送波器（2a）（4a）には、超音
波送信波Ｆを発生送信する送信装置（５）が接続されて
いる。また、管路（１）内の受波器（2b）及び基準槽
（３）内の受波器（4b）は第１の位相差検出器（６）に
接続され、受波器（2b）での受信波Ｆv と受波器（4b）
での受信波Ｆ0 の位相差△φが該位相差検出器（６）に
より検出されるものとなされている。

【００１９】また、基準槽（３）内の受波器（4b）はさ
らに第２の位相差検出器（７）にも接続されており、ま
たこの第２位相差検出器（７）には送信装置（５）から
の送信波Ｆも入力されている。従って、受波器（4b）で
の受信波Ｆ0 と送信波Ｆの位相差△φ0 が該位相差検出
器（７）により検出されるものとなされている。

【００２０】なお、図１では受波器（2b）（4b）による
受信波を増幅、波形整形するための受信装置は省略して
ある。

【００２１】（８）は演算装置であり、第１、第２の各
位相差検出器（６）（７）の出力やその他既知の設定
値、定数値を用いて流体流速Ｖを演算するものである。

【００２２】また管路（１）内には、サーミスタからな
る温度センサ（９）が設置されている。この温度センサ
（９）は、後述のように、流体温度が位相差△φ0 に関
して送信波Ｆの一周期を越える温度であるか否かを監視
するためのものである。

【００２３】次に、図１に示した超音波流速計を用い
て、流速Ｖを求める方法を説明する。まず、管路（１）
内及び基準槽（３）内の各送波器（2a）（4a）から、送
信装置（５）の送信波Ｆを送信し、それぞれ対応受波器
（2b）（4b）で受信させる。管路（１）内の受波器（2
b）での受信波Ｆv 及び基準槽（３）内の受波器（4b）
での受信波Ｆ0 は、適宜増幅、波形整形等の処理を施さ
れたのち、第１位相差検出器（６）に入力され、該位相
差検出器（６）によりその位相差△φが検出される。

【００２４】基準槽（３）内の受波器（4b）での受信波
Ｆ0 はまた、第２位相差検出器（７）にも入力され、該
受信波Ｆ0 と送信装置（５）からの送信波Ｆとの位相差
△φ0 が第２位相差検出器（７）により検出される。

【００２５】ところで、第１位相差検出器（６）により
検出された位相差△φは、管路（１）内の流速がＶ、基
準槽（３）内の流速が零であることを考慮すると、前記
、式より △φ＝２πｆ｛Ｌ／（Ｃ0 ＋△Ｃ0 ）−Ｌ／（Ｃ0 ＋△
Ｃ0 ＋Ｖ）｝…式 ただし Ｖ：求める流体速度 Ｌ：送受波器間の距離 Ｃ0 ：基準温度における超音波の音速 △Ｃ0 ：基準温度と流体温度との差に基く音速変化分 ｆ：送信波の周波数 となる。従って、△φは、流体流速Ｖ及び基準温度と流
体温度との差に基く音速変化分△Ｃ0 を未知数として含
んでいることになる。

【００２６】一方、第２位相差検出器（７）により検出
された位相差△φ0 は、受信波Ｆv、送信波Ｆともに流
体流速Ｖとは無関係であるから、基準温度と流体温度と
の差に基く音速変化分△Ｃ0 のみを未知数として含んだ
関数となる。即ち、 △φ0 ＝ｐ（△Ｃ0 ）あるいは△Ｃ0 ＝ｑ（△φ0 ）…
式 と表すことができる。従って、例えば基準温度（△Ｃ0
＝０）のときの△φ0 を求めておくこと等により、△Ｃ
0 と△φ0 の関係を一義的に定めることができる。

【００２７】上記式及び式から△Ｃ0 を消去する
と、流速Ｖは Ｖ＝ｒ（Ｌ、ｆ、Ｃ0 、△φ、△φ0 ） …式 で表されることになる。式において、送受波器（2a）
（2b）（4a）（4b）間の距離Ｌ、送信波Ｆの周波数ｆ、
基準温度における音速Ｃ0 は設定値あるいは既知の値で
あり、位相差△φ、△φ0 は各位相差検出器（６）
（７）による測定値であるから、これらの値を用いて演
算装置（８）により式が演算され、流体流速Ｖが求め
られる。

【００２８】なお、第２位相差検出器（７）により検出
された位相差△φ0 は、前述の通り、基準温度と流体温
度との差に基く音速変化分△Ｃ0 のみを未知数として含
んだ関数であり、△Ｃ0 は温度によって変化する。そし
て、△Ｃ0 の値が大きくなると位相差△φ0 が２πに近
づき、ついには２πを越えてしまい、実際の位相差と第
２位相差検出器（７）により検出される位相差△φ0 と
の間に２πのずれを生じてしまう。

【００２９】そこで、△φ0 が２πを越える温度を実験
等により予め把握しておくとともに、管路（１）内に設
置した温度センサ（９）により、流体温度が位相差△φ
0 に関して２πを越える温度であることが検知された場
合には、演算装置（８）により、位相差△φ0 に２πが
自動的に加算されて流体の流速Ｖが演算されるものとな
されている。

【００３０】なお、以上の実施例では、第１の超音波受
波器（2b）での受信波Ｆv と、第２の超音波受波器（4
b）での受信波Ｆ0 との位相差△φを、第１位相差検出
手段（６）により直接比較検出するものとしたが、図２
に示した従来例と同じく、第１の超音波受波器（2b）で
の受信波Ｆv と送信波Ｆとの位相差をまず検出し、この
位相差及び、第２の超音波受波器（4b）での受信波Ｆ0
と送信波Ｆとの位相差△φ0 を用いて、間接的に受信波
Ｆv 、Ｆ0 の位相差△φを求めるものとしても良い。し
かし、本実施例のように、第１、第２の超音波受波器
（2b）（4b）での受信波Ｆv 、Ｆ0 の位相差△φを直接
検出した方が、以下の理由により流速Ｖの計測範囲を拡
大できる点で好ましい。

【００３１】すなわち、位相差法では、最大位相差は２
πであり、これが最大測定範囲となるが、第１、第２の
超音波受波器（2b）（4b）での受信波Ｆv 、Ｆ0 と送信
波Ｆとの位相差をそれぞれ検出したうえで、受信波Ｆv
、Ｆ0 の位相差△φを測定する方法では、受信波Ｆv
と送信波Ｆとの位相差の変動要素に、超音波の音速変化
分△Ｃ0 と流体流速Ｖのいずれもが含まれることにな
る。しかも、音速変化分△Ｃ0 の方が流体流速Ｖの変化
分よりもはるかに大きいため、流体流速Ｖの許容変化範
囲即ち計測範囲は狭くならざるを得ない。これに対し
て、本実施例のように、受信波Ｆv 、Ｆ0 の位相差△φ
を直接検出する場合には、上記式からわかるように、
音速変化分△Ｃ0 が打ち消されることから、位相差△φ
が２πを越えるか否かは専ら流体流速Ｖに依存する。こ
のため、流体流速Ｖの許容変化範囲を大きく確保でき、
従って計測範囲を拡大できる。

【００３２】また、図示実施例では、第１、第２の超音
波受波器（2b）（4b）での受信波Ｆv 、Ｆ0 の位相差△
φを検出したが、図２に示す従来例のように、第１の超
音波送受波器（2a）（2b）を逆にしたものを並設し、流
体流れに対して順方向および逆方向に送信波を伝幡させ
たときの各受信波の位相差を検出するものとしても良
い。要は、流体の流速Ｖ及び基準温度と流体温度との差
に基く音速変化分△Ｃ0を未知数として含んだ形の位相
差△φが得られれば良い。

【００３３】また、第１、第２の各送波器（2a）（4a）
及び受波器（2b）（4b）は、これを管路（１）の内部あ
るいは基準槽（３）の内部に配置するものとしたが、管
路（１）の壁面あるいは基準槽（３）の壁面に位置をず
らして配置し、送信波を、管路（１）内あるいは基準槽
（３）内を斜めに横断する態様で伝幡させる構成として
も良い。

【００３４】

【発明の効果】この発明は、上述の次第で、流速Ｖの計
測流体中における受信波と所定の超音波信号との位相差
△φを、流体の流速Ｖ及び基準温度と流体温度との差に
基く音速変化分△Ｃ0 を未知数として含んだ形で検出
し、流体と同一の質及び同一の温度を有する無流速雰囲
気中における受信波と送信波との位相差△φ0 を、基準
温度と流体温度との差に基く音速変化分△Ｃ0 のみを未
知数として含んだ形で検出し、これらの位相差△φ及び
△φ0 に基き、△Ｃ0 を消去して流体の流速Ｖを演算す
るものである。従って、超音波の音速Ｃが流体温度によ
り変化しても、その変化分△Ｃ0 を考慮する必要はなく
なるうえ、流体流速Ｖはこの音速変化分△Ｃ0 を補正し
たものとして演算されるから、簡易な構成で高精度な流
速測定を行うことができる。

【００３５】また、請求項２に係る発明によれば、第
１、第２の超音波受波器での受信波の位相差が直接検出
されるから、装置の構成をさらに簡素化できるととも
に、流体流速Ｖの計測範囲を拡大できる効果がある。

【００３６】また、請求項３に係る発明によれば、流体
温度を検知する温度センサが設けられるとともに、該温
度センサにより、流体温度が第２の超音波受波器での受
信波と送信波との位相差に関して送信波の一周期を越え
る温度であることが検知された場合には、該位相差に送
信波の一周期分を加算した状態で流体の流速Ｖが演算さ
れるものとなされているから、第２の超音波受波器での
受信波と送信波との位相差が２πを越える音速変化を生
じても、確実に流体流速を測定することができ、温度変
化の激しい流体の流速測定に好適な超音波流速計となし
うる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】従来例を示すブロック図である。

【符号の説明】

2a、4a…送波器 2b、4b…受波器 ６…第１位相差検出器 ７…第２位相差検出器 ８…演算装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 送信波Ｆが流速Ｖの計測流体中を伝幡す
   る態様で、所定距離を隔てて配置された第１の超音波送
   波器（2a）及び同受波器（2b）と、 送信波Ｆが、前記流体と同一の質及び同一の温度を有す
   る無流速雰囲気中を伝幡する態様で、所定距離を隔てて
   配置された第２の超音波送波器（4a）及び同受波器（4
   b）と、 前記第１の超音波受波器（2b）での受信波Ｆv と所定の
   超音波信号との位相差△φを、流体の流速Ｖ及び基準温
   度と流体温度との差に基く音速変化分△Ｃ0 を未知数と
   して含んだ形で検出する第１の検出手段（６）と、 前記第２の超音波受波器（4b）での受信波Ｆ0 と送信波
   Ｆとの位相差△φ0 を、基準温度と流体温度との差に基
   く音速変化分△Ｃ0 のみを未知数として含んだ形で検出
   する第２の検出手段（７）と、 上記第１及び第２検出手段により検出した位相差△φ及
   び△φ0 に基き、△Ｃ0 を消去して流体の流速Ｖを演算
   する手段（８）とを備えたことを特徴とする超音波流速
   計。
2. 【請求項２】 第１の検出手段（６）により検出される
   位相差△φが、第１の超音波受波器（2b）での受信波Ｆ
   v と、第２の超音波受波器（4b）での受信波Ｆ0 との位
   相差であり、該位相差△φが、受信波Ｆv と受信波Ｆ0
   との位相比較から直接検出されるものとなされている請
   求項１に記載の超音波流速計。
3. 【請求項３】 流体温度を検知する温度センサ（９）が
   設けられるとともに、該温度センサにより、流体温度が
   位相差△φ0 に関して送信波Ｆの一周期を越える温度で
   あることが検知された場合には、位相差△φ0 に送信波
   の一周期分を加算した状態で流体の流速Ｖが演算される
   ものとなされている請求項１または２に記載の超音波流
   速計。