JPH09243418A - 渦流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 音速等の環境の変化に起因して生じる誤差を
除去し得るように改良した渦流量計を提供するにある。 【解決手段】 管路内の流れに直角に配置された渦発生
体と、この渦発生体の後流側で流れと先の渦発生体に直
角方向の先の管路に固定された一対の送受波器と、基準
信号をベースとしてバースト波状に超音波を繰り返して
送出する超音波発振器と、一対の先の送受波器に対して
先の超音波を交互に切り換えて送出する切換手段と、先
の切換手段と連動して切り換えられて先の送受波器から
受信した受信信号を先の基準信号と位相比較して復調信
号を出力する位相比較手段と、先の切換手段と連動して
先の復調信号を交互にサンプル／ホールドする一対のサ
ンプル／ホールド手段と、このサンプル／ホールド手段
でホールドされた復調信号を差動演算して差動信号を出
力する差動演算手段と、この差動信号を用いて流量演算
を実行する流量演算手段とを具備するようにしたもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、渦発生体によって
生じるカルマン渦に超音波を放射して得られる超音波の
伝播速度の変化から流量を測定する渦流量計に係り、特
に、音速等の環境の変化に起因して生じる誤差を除去し
得るように改良した渦流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】渦発生体によって発生するカルマン渦が
測定流体中を伝播する超音波に与える位相変調を検出し
カルマン渦の生成を検知することにより流体の流量を測
定する渦流量計は知られている。

【０００３】しかしながら、測定流体中を伝播する超音
波の位相は、カルマン渦以外にも測定流体の温度変化等
の外的要因によっても変化をこうむるものである。そこ
で、この問題を解決するために、特開平１−２９２２１
２号が提案されている。

【０００４】ここに開示されている渦流量計について、
図３〜図７を用いてその概要を以下に説明する。図３は
この渦流量計の側断面図である。同図において、管路６
の内部の測定流体が左方から右方へ流れると、渦発生体
７により下流側にカルマン渦が発生する。

【０００５】図４は図３におけるＸ−Ｙ部で切り取った
横断面図および超音波源である発振器１、超音波送信器
９ａ、１０ａ、および各々の超音波を受信するための超
音波受信器９ｂ、１０ｂ、位相比較器１１を合わせて示
したものである。同図においては、測定流体は紙面に垂
直に紙面の表面から裏側に向かって流れる。

【０００６】また、図５には、管路６の取付孔６ａ、６
ｂ、６ｃ、６ｄに挿入固定された超音波送信器９ａ、超
音波受信器１０ｂ、超音波受信器９ｂ、および超音波送
信器１０ａの取付状態が示されている。

【０００７】各取付孔６ａ〜６ｄは管路６内の軸心Ｐに
向けて穿設されており、取付孔６ａと６ｃ、及び取付孔
６ｂと６ｄとが互いに同一直線上に設けられている。そ
して、一方の取付孔６ａ、６ｃを結ぶ線と、他方の取付
孔６ｂ、６ｄを結ぶ線とは、角度αの異なる向きで軸心
Ｐに向けて穿設されている。

【０００８】各超音波送信器９ａ、１０ａおよび超音波
受信器９ｂ、１０ｂは、その先端部９ａ₁、９ｂ₁、１０
ａ₁、１０ｂ₁が取付孔６ａ、６ｄ、６ｂ、６ｃに挿入さ
れ、管路６より外周に突出する大径部９ａ₂、９ｂ₂、１
０ａ₂、１０ｂ₂が取付ボルト（図示せず）により管路６
の外周に固着されている。

【０００９】なお、先端部９ａ₁、１０ａ₁、９ｂ₁、１
０ｂ₁は、管路６内を流れる測定流体に接して振動する
ので、各取付孔６ａ〜６ｄより若干小径となっており、
各先端部９ａ₁、１０ａ₁、９ｂ₁、１０ｂ₁は、各取付孔
６ａ〜６ｄ内に遊嵌状態に挿入されている。

【００１０】また、取付孔６ａ〜６ｄが各々管路６の軸
心Ｐに向けて穿設されているので、各超音波送信器９
ａ、１０ａと超音波受信器９ｂ、１０ｂとは、軸心Ｐを
介して対向配置されている。従って、各超音波送信器９
ａ、１０ａから送出された超音波は、軸心Ｐで交叉して
超音波受信器９ｂ、１０ｂにより検知される。

【００１１】さらに、各超音波送信器９ａ、１０ａおよ
び超音波受信器９ｂ、１０ｂは管路６の軸心Ｐに向けて
対向配置されるので、その先端部９ａ₁、１０ａ₁、９ｂ
₁、１０ｂ₁の端面が管路６の内壁より大きく突出せずに
済む。すなわち、凹形状とされた管路６の内壁に対し
て、先端部９ａ₁、１０ａ₁、９ｂ₁、１０ｂ₁の端面が略
同一平面的となる。

【００１２】このため、測定流体は、各超音波送信器９
ａ、１０ａ、超音波受信器９ｂ、１０ｂおよび取付孔６
ａ〜６ｄによる影響を最小限に削減された状態で管路６
内を通過する。従って、カルマン渦の発生に対する影響
もより小さくなり、流量計測の制度の向上が可能とな
る。

【００１３】図６は渦発生体７によって測定流体中に生
成されるカルマン渦と超音波送信器９ａ、１０ａ、およ
び超音波受信器９ｂ、１０ｂとの位置関係を示す模式図
である。同図において、破線で示した矢印は超音波の伝
播方向を示しており、同図よりわかるように２つの超音
波の進行方向が逆向きとなっていて軸心Ｐで交叉してい
る。

【００１４】また、同図はカルマン渦１３ａが超音波送
信器９ａ、１０ａから送出される２つの超音波の伝播経
路を既に通過し、次のカルマン渦１３ｂが２つの超音波
の伝播経路にさしかかった時点での様子を示している。

【００１５】図７（Ａ）（Ｂ）は、カルマン渦が図６に
示すように２つの超音波の伝播経路を通過する際の２つ
の超音波ａおよびｂをパルス化した波形、並びに互いの
位相の関係を示している。

【００１６】図６において、超音波送信器９ａから送出
される超音波ａは、カルマン渦１３ｂがちょうど超音波
ａの進行方向と同じ方向の成分を持つことからその位相
は進むこととなり、一方、超音波送信器１０ａから送出
される超音波ｂは、その進行方向がカルマン渦１３ｂの
進行方向の成分と逆向きであることにより、その位相は
遅れることとなる。

【００１７】図６に示す状態からカルマン渦１３ｂが下
流に移動するにしたがって、超音波ａの位相の進み及び
超音波ｂの位相の遅れは共に減少し、カルマン渦の中心
付近が２つの超音波の伝播経路を通過する時点で、超音
波ａの位相の進み及び超音波ｂの位相の遅れは共になく
なる。

【００１８】以後、カルマン渦の後半部分が２つの超音
波の伝播経路を通過する際には、逆に超音波ａの位相は
遅れ、超音波ｂの位相は進む。このように１つのカルマ
ン渦が超音波の伝播経路を経過すると、超音波ａ、ｂの
位相差は、サイン波的に半周期分の変化をする。

【００１９】この超音波ａ、ｂの位相差の変化を検出す
ることによってカルマン渦の発生を検知することがで
き、更に単位時間当たりのカルマン渦をカウントするこ
とにより、測定流体の流速及び流量を計測することが可
能になる。

【００２０】このとき、２つの超音波ａ、ｂの位相差が
θになったとすると、位相比較器１１は、その位相差θ
に対応する電圧を出力端子１２に出力する。この場合、
測定流体の温度が変化すると、これに従って超音波が測
定流体中を伝播する際の位相も変化する。

【００２１】この場合、温度変化等の外的要因は２つの
超音波の伝播の仕方に対して同様の影響を及ぼすことと
なる。すなわち、一方の超音波に対して位相を遅らせる
ような変化が起こったとすれば、同様に逆方向に伝播す
る超音波も位相が遅れることとなる。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】以上のようにして、図
３〜図６に示す渦流量計は２対の超音波送信器９ａと超
音波受信器９ｂ、及び超音波送信器１０ａと超音波受信
器１０ｂを用いることにより、温度変化等の外的要因の
影響を除去することができる。

【００２３】しかしながら、以上のような渦流量計は２
対の超音波送信器と超音波受信器とを用いるためコスト
が上昇するという問題がある上に、各対の超音波送信器
と超音波受信器の特性を一致させる必要があり、面倒で
ある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するための構成として、管路内の流れに直角に配置
された渦発生体と、この渦発生体の後流側で流れと先の
渦発生体に直角方向の先の管路に固定された一対の送受
波器と、基準信号をベースとしてバースト波状に超音波
を繰り返して送出する超音波発振器と、一対の先の送受
波器に対して先の超音波を交互に切り換えて送出する切
換手段と、先の切換手段と連動して切り換えられて先の
送受波器から受信した受信信号を先の基準信号と位相比
較して復調信号を出力する位相比較手段と、先の切換手
段と連動して先の復調信号を交互にサンプル／ホールド
する一対のサンプル／ホールド手段と、このサンプル／
ホールド手段でホールドされた復調信号を差動演算して
差動信号を出力する差動演算手段と、この差動信号を用
いて流量演算を実行する流量演算手段とを具備するよう
にしたものである。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を用いて説明する。図１は本発明の１実施形態の構
成を示す構成図である。管路６、渦発生体７は、図４に
記載されたものと同一であり、その配置も図４に対応し
ている。

【００２６】送受波器２０、２１が配置されている位置
は、図３のＸ´−Ｙ´に対応する線上にあるが、図１の
場合は一対の送受波器２０、２１が流れと渦発生体７に
直角方向であって管路６の直径上に固定されている。

【００２７】超音波発振器２２は、基準信号発生回路２
３から出力されるタイミング信号Ｓ _T1に同期して、一定
振幅のバースト波状の超音波Ｖ_Bを所定間隔で一対のス
イッチ２４、２５の各切換端ａに送出する。超音波Ｖ_B
の周波数は、渦周波数に対して高い周波数を有してい
る。

【００２８】スイッチ２４、２５の各共通端ｃは、それ
ぞれ送受波器２０、２１に接続されており、スイッチ２
４、２５の各切換端ｂは、受信回路２６の入力端に接続
されている。

【００２９】スイッチ２４、２５は、基準信号発生回路
２３から出力されるタイミング信号Ｓ_T2により、互いに
相補的に、例えばスイッチ２４の共通端ｃが切換端ｂに
切り換えられているときは、他方のスイッチ２５は切換
端ａに切り換えられるように制御されている。

【００３０】受信回路２６から出力された超音波信号Ｖ
_Rは、位相比較回路２７に出力され、ここで基準信号発
生回路２３から出力される基準信号Ｖ_Sと比較されて検
波され復調信号Ｖ_Dとして出力される。

【００３１】この復調信号Ｖ_Dは、基準信号発生回路２
３から出力されるタイミング信号Ｓ_{T 3}により、スイッチ
２８、２９が互いに相補的に切り換えられて、ホールド
回路３０、３１に交互にホールドされ復調信号Ｖ_D1、Ｖ
_D2として出力される。

【００３２】復調信号Ｖ_D1、Ｖ_D2は、差動増幅器３２に
より差動演算がなされて差動信号Ｖ _D3として流量演算回
路３３に出力される。流量演算回路３３はこの差動信号
Ｖ_D3を用いて流量演算を実行して出力端３４に出力す
る。

【００３３】次に、以上のように構成された実施形態に
ついて図２に示す波形図を用いてその動作について説明
する。超音波発振器２２から超音波Ｖ_Bがスイッチ２４
或いは２５を介して送受波器２０と２１に交互に印加さ
れる。

【００３４】一方、超音波Ｖ_Bが印加されていない側の
送受波器からはスイッチ２５或いは２４を介して受信回
路２６に受信信号として入力され、受信回路２６から出
力された超音波信号Ｖ_Rは、位相比較回路２７に出力さ
れる。

【００３５】位相比較回路２７には、基準信号発生回路
２３から出力される基準信号Ｖ_Sが比較信号として入力
されてので、超音波信号Ｖ_Rはこの基準信号Ｖ_Sをベース
として復調され復調信号Ｖ_Dとして出力される。

【００３６】ここで、この復調信号Ｖ_Dはタイミング信
号Ｓ_T3により相補的に切換られるスイッチ２８、２９を
介して、ホールド回路３０、３１に交互に繰り返してホ
ールドされ、ホールド回路３０、３１から復調信号
Ｖ_D1、Ｖ_D2として出力される。

【００３７】この場合の復調信号Ｖ_D1の波形（図２
（Ａ））は、送受波器２０から送信して送受波器２１で
受信するタイミングにおいて、スイッチ２８を介してホ
ールド回路３０でホールドされて出力された復調信号を
示している。

【００３８】一方、復調信号Ｖ_D2の波形（図２（Ｂ））
は、送受波器２１から送信して送受波器２２で受信する
タイミングにおいて、スイッチ２９を介してホールド回
路３１でホールドされて出力された復調信号を示してい
る。

【００３９】いずれの復調信号Ｖ_D1、Ｖ_D2の波形（図２
（Ａ）、図２（Ｂ））の場合も、渦信号の他に、低周波
で変化する音速の変化に起因するノイズが重畳されてい
るケースが想定されている。

【００４０】これらの復調信号Ｖ_D1、Ｖ_D2は、差動増幅
器３２で差動演算がなされることにより、図２（Ｃ）に
示すように低周波のノイズが除去されて、差動信号Ｖ_D3
として流量演算回路３３に出力される。流量演算回路３
３はこの差動信号Ｖ_D3を用いて流量演算を実行して出力
端３４に出力する。

【００４１】

【発明の効果】以上、発明の実施の形態と共に具体的に
説明したように本発明によれば、超音波の送受信にバー
スト波を用い、一対の送受波器を交互に切り換えて復調
し、一対のホールド回路にホールドし、これ等のホール
ド信号の差を演算する構成としたので、簡単な構成で音
速等の環境変化の影響を低減することができ、さらにコ
ストの低減にも寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施の形態を示す構成図である。

【図２】図１に示す実施形態の動作を説明する波形図で
ある。

【図３】従来の渦流量計の側断面図である。

【図４】図１の横断面図に主要な回路を付加したブロッ
ク構成図である。

【図５】図３のＸ´−Ｙ´間で切り取った横断面図であ
る。

【図６】渦発生体とカルマン渦及び超音波送受波器との
関係を示した模式図である。

【図７】２つの超音波の位相の関係を説明するための波
形図である。

【符号の説明】

１ 超音波発振器 ６ 管路 ７ 渦発生体 ９ａ、１０ａ 超音波送信器 ９ｂ、１０ｂ 超音波受信器 ２０、２１ 送受波器 ２２ 超音波発振器 ２３ 基準信号発生回路 ２６ 受信回路 ２７ 位相比較回路 ３０、３１ ホールド回路 ３２ 差動増幅器 ３３ 流量演算回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 哲男 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 松永 義則 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管路内の流れに直角に配置された渦発生体
   と、この渦発生体の後流側で流れと前記渦発生体に直角
   方向の前記管路に固定された一対の送受波器と、基準信
   号をベースとしてバースト波状に超音波を繰り返して送
   出する超音波発振器と、一対の前記送受波器に対して前
   記超音波を交互に切り換えて送出する切換手段と、前記
   切換手段と連動して切り換えられて前記送受波器から受
   信した受信信号を前記基準信号と位相比較して復調信号
   を出力する位相比較手段と、前記切換手段と連動して前
   記復調信号を交互にサンプル／ホールドする一対のサン
   プル／ホールド手段と、このサンプル／ホールド手段で
   ホールドされた復調信号を差動演算して差動信号を出力
   する差動演算手段と、この差動信号を用いて流量演算を
   実行する流量演算手段とを具備することを特徴とする渦
   流量計。