JPH1019619A - 超音波流速測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】計測流体の上流側と下流側に送波器２、３及び
受波器２，３を配置し、前記各送受波器の超音波発信素
子に駆動パルスＰを印加して相互に超音波を発生送信す
ると共に、送信された超音波を相互に受波器で受信し、
各受信波Ｗ、Ｗ´の比較から求めた該超音波の伝搬時間
の差に基いて流速を測定する超音波流速測定方法におい
て、伝搬時間差の測定のための受信波到達タイミングを
精度良く確定でき、十分な測定精度を確保できる超音波
流速測定方法を提供する。 【解決手段】受信波Ｗ、Ｗ´における所定の波のピーク
値を監視するとともに、このピーク値が各受信波につい
て一定となるように、送信波の出力あるいは受信波の増
幅値を制御する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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測定方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ガスそ
の他の流体の流量を求めるに際し、まず流体の流速を連
続的ないし定期的に測定し、これに基いて流量を演算す
ることが行われている。このような流体の流速測定方法
の一つとして、超音波を利用した方法が知られている。

【０００３】かかる超音波流速測定方法の原理を、図６
にて説明すると次のとおりである。図６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。この管路（１）内には、流れ方向の上流側及び下
流側に、所定距離を隔てて送受波器（２）（３）が配置
されている。

【０００４】前記の各送受波器（２）（３）は送波器と
受波器を兼ねるもので、振動子からなる超音波発信兼受
信素子（図示略）を備えており、この超音波発信兼受信
素子がパルス発生回路（４）からの駆動パルスにより駆
動されて振動し、超音波を発生送信する一方、送信され
てきた超音波を受信して超音波発信兼受信素子が振動し
たときの受信波が増幅回路（５）から電気信号として出
力されるものとなされている。

【０００５】そして、上流側送受波器（２）から流れに
対して順方向に送信された超音波が下流側送受波器
（３）で受波されるまでの伝搬時間と、下流側送受波器
（３）から流れに対して逆方向に送信された超音波が上
流側送受波器（２）で受波されるまでの伝搬時間との差
は、流速に関係することから、この伝搬時間差を求める
ことにより流体の流速を測定するものとなされている。
なお、図６において、（６）は各送受波器（２）（３）
とパルス発生回路（４）及び増幅回路（５）の接続を切
替える切替回路であり、まずパルス発生回路（４）と上
流側の送受波器（２）、下流側の送受波器（３）と増幅
回路（５）を接続して、上流側から下流側への伝搬時間
を測定したのち、該切替回路（６）の作動によりパルス
発生回路（４）と下流側の送受波器（３）、上流側の送
受波器（２）と増幅回路（５）とが接続されるように切
替えて、下流側から上流側への伝搬時間を測定するもの
となされている。

【０００６】ところで、前記のパルス発生回路（４）か
らは、一般に複数個の矩形状パルスが超音波送信素子に
送られるが、これにより超音波送信素子は正弦波状に交
番振動して、該振動に応じた超音波を出力する。この超
音波の波形は、最初の駆動パルスによる振動に、第２、
第３の駆動パルスによる振動が重畳して、第１波よりも
第２波、第３波とピーク値が高くなったのち、やがてピ
ーク値が減衰していく振動波形を示す。従って、送受波
器（２）（３）により受信された受信波（Ｗ）（Ｗ´）
も、送信波の振動波形に対応して図２に示すように、第
１波（Ｗ１）（Ｗ１´）よりも第２波（Ｗ２）（Ｗ２
´）、第３波（Ｗ３）（Ｗ３´）とピーク値が高くなっ
たのち、やがてピーク値が減衰していく振動波形とな
る。

【０００７】而して、上記のような超音波の伝搬時間
は、受信波が一定の電圧レベルに達した時点を受信波の
到達タイミングとしてこれを検出し、送信波の発生から
前記受信波の到達タイミングまでの時間を測定すること
により求められている。例えば、第２波（Ｗ２）と交差
する基準電圧ＶR を設定し、受信波がこの基準電圧ＶR
に達した時点を受信波の到達タイミングとしていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、受信波
の波形は常時一定ではなく、流体の流速や流れによる乱
れ等によってその振幅が変化する。しかるに、振幅が変
化すると、受信波が基準電圧ＶR に達した時点も微妙に
変化するとともに、第２波（Ｗ２）（Ｗ２´）のピーク
値が基準電圧ＶR よりも低くなった場合には、第２波を
通り越して第３波（Ｗ３）（Ｗ３´）を捕捉することも
あり、従って受信波の到達タイミングの確定の信頼性に
欠け、ひいては十分な流速測定精度を確保することが困
難であるというような欠点があった。

【０００９】この発明は、このような技術的背景に鑑み
てなされたものであって、受信波の到達タイミングを精
度良く確定でき、ひいては高精度な流速測定を可能とす
る超音波流速測定方法の提供を目的とする。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記目的を達成するた
めに、この発明は、計測流体の上流側と下流側にそれぞ
れ送波器及び受波器を配置し、前記各送波器の超音波発
信素子に駆動パルスを印加して相互に超音波を発生送信
するとともに、送信された超音波を相互に受波器で受信
し、各受信波の比較から求めた該超音波の伝搬時間の差
に基いて流速を測定する超音波流速測定方法において、
前記受信波における所定の波のピーク値を検出するとと
もに、このピーク値が各受信波について一定となるよう
に、送信波の出力あるいは受信波の増幅値を制御するこ
とを特徴とするものである。

【００１１】これにより、各受信波は振幅値が安定して
ほぼ同一の波形となり、受信波の到達タイミングが精度
良く安定的に確定される。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１はこの発明を実施するための
超音波流速測定装置を示すものである。図１において、
（１）は管路、（２）（３）は流れ方向の上流側及び下
流側に所定距離を隔てて配置された送受波器、（４）は
駆動パルスを発生するパルス発生回路、（５）は送受波
器（２）（３）で受信した受信波を出力する増幅回路、
（６）は各送受波器（２）（３）とパルス発生回路
（４）及び増幅回路（５）の接続を切替える切替回路で
あり、これらは図６に示したものと同じである。

【００１３】この実施形態では、受信側において、増幅
回路（５）からの受信波（Ｗ）を半波整流する半波整流
回路（７）と、半波整流回路の出力を積分する積分回路
（８）が設けられている。

【００１４】さらに、積分回路（８）の出力側には第１
比較回路（９）が設けられている。この第１比較回路
（９）は、積分回路（８）の出力と、基準電圧発生回路
（１０）からの基準電圧（ＶR ）を比較して、積分回路
（８）の出力が基準電圧に達すると予備信号を出力する
ものである。この実施形態では、第２波（Ｗ２）（Ｗ２
´）の立上がりに対応して積分出力が立ち上がる途中に
おいて積分出力が基準電圧（ＶR ）に達するように、該
基準電圧（ＶR ）が設定されている。

【００１５】（１１）は受信波（Ｗ）（Ｗ´）が０Ｖを
超えているときにゼロクロス信号を出力する第２比較回
路、（１２）は第１比較回路（９）及び第２比較回路
（１１）の信号が入力されるＡＮＤ回路である。第１比
較回路（９）からは、積分回路（８）の出力が基準電圧
ＶR に達したとき予備信号が出力され、第２比較回路
（１１）からは、受信波（Ｗ）（Ｗ´）が０Ｖを超えて
いるときにゼロクロス信号が出力されるから、ＡＮＤ回
路（１２）からは、積分回路（８）の出力が基準電圧Ｖ
R に達した直後における受信波のゼロクロス点において
信号が出力され、この信号が受信波到達信号として用い
られるものとなされている。

【００１６】（１３）はピークホールド回路であり、Ａ
ＮＤ回路（１２）から前記受信波到達信号が出力された
ときの積分回路の出力値を保持するものである。この実
施形態では、前述のとおり、受信波の第２波（Ｗ２）
（Ｗ２´）の立上がりに対応して積分出力が立ち上がる
途中において積分出力が基準電圧ＶR に達するから、Ａ
ＮＤ回路（１２）から受信波到達信号が出力された時点
では、積分回路（８）の出力は受信波の第２波（Ｗ２）
（Ｗ２´）のピーク値ＶP に対応する値となっており、
従ってこの値がピークホールド回路（１３）に保持され
るものとなされている。

【００１７】（１４）は制御回路である。この制御回路
（１４）は、前記ピークホールド回路（１３）の出力値
に応じて、増幅回路（５）の増幅値をフィードバック制
御するものである。具体的には、ピークホールド回路
（１３）の出力値が大きくなったときは、受信波の振幅
（ピーク値）が大きくなったと考えられることから、増
幅値を小さくし、逆に出力値が小さくなったときは増幅
値を大きくするように動作するものである。

【００１８】次に、図１に示した装置を用いた超音波測
定方法を説明すると、流体の上流側の送受波器（２）か
ら所期する波形の送信波を送り、これを下流側の送受波
器（３）で受信し、図２に示すような受信波（Ｗ）を増
幅回路（５）を介して得る。この受信波（Ｗ）は、同図
に示すように、第１波（Ｗ１）よりも第２波（Ｗ２）、
第３波（Ｗ３）とピーク値が高くなったのち、やがてピ
ーク値が減衰していく振動波形となる。

【００１９】この受信波（Ｗ）は、半波整流回路（７）
によって半波整流され、図３に示すような正側極性の波
となり、さらにこれが積分回路（８）によって積分さ
れ、積分回路（８）の積分出力は図４のように、第１、
第２、第３…の半波に対応して順次ピーク値が大きくな
る階段状波形となる。

【００２０】次に、上記のような積分回路（８）の積分
出力と、基準電圧発生回路（１０）からの基準電圧ＶR
が第１比較回路（９）により比較される。この実施形態
では、基準電圧ＶR は、第２波（Ｗ２）の半波の立上が
りに対応して積分出力が立ち上がる途中の値に設定して
あるから、積分出力が第１波（Ｗ１）のピーク値を超え
第２波（Ｗ２）の立上がりに沿って上昇している途中で
基準電圧値ＶR に達することになる。そして、その時点
で比較回路（９）から予備信号が出力される。

【００２１】一方、増幅回路（５）で増幅された受信波
は第２比較回路（１１）にも入力され、該第２比較回路
（１１）でゼロボルトと比較され、第２比較回路（１
１）からはゼロクロス信号が出力される。

【００２２】そして、第１比較回路（９）からの予備信
号と第２比較回路（１１）からのゼロクロス信号はとも
にＡＮＤ回路（１２）に入力され、ＡＮＤ回路（１２）
からは、積分回路（８）の出力が基準電圧ＶR に達した
直後における受信波のゼロクロス点Ｔ１に同期して受信
波到達信号が出力され、この時点Ｔ１をもって受信波到
達タイミングが確定される。

【００２３】この受信波到達信号により、ピークホール
ド回路（１３）は積分回路（８）の出力値ＶP を保持す
る。保持された出力値は、受信波（Ｗ）における第２波
（Ｗ２）のピーク値に対応したものとなっている。そし
て、ピークホールド回路（１３）の出力値ＶP は制御回
路（１４）によって監視され、ピークホールド回路（１
３）の出力値ＶP が大きくなったときは、、増幅回路
（５）における増幅値を小さくし、逆に出力値ＶP が小
さくなったときは増幅値を大きくするように、増幅回路
（５）を制御する。

【００２４】こうして受信波到達信号及び制御すべき増
幅値を得たのちは、図示しないリセット回路で積分回路
（６）のコンデンサを放電させて、次の受信波の到来に
備える。

【００２５】次に、切替回路（６）により接続を切替
え、下流側の送受波器（３）から所期する波形の送信波
を送り、これを上流側の送受波器（２）で受信し、図２
に示すような受信波（Ｗ´）を増幅回路（５）を介して
得る。

【００２６】而して、増幅回路（５）は前述のとおり、
制御回路（１４）によって増幅値をコントロールされて
いるから、これが受信波（Ｗ´）に反映され受信波（Ｗ
´）における第２波（Ｗ２´）のピーク値が前記受信波
（Ｗ）とほぼ同じになり、ひいては受信波（Ｗ）と（Ｗ
´）の波形がほぼ同じとなる。そして、受信波（Ｗ）に
対してなされたと同じ動作が受信波（Ｗ´）に対しても
施され、ＡＮＤ回路（１２）からはＴ２のタイミングで
受信波（Ｗ´）に対する到達信号が出力される。

【００２７】２つの受信波（Ｗ）（Ｗ´）は、図２に示
すように、流体流速に応じて変化する伝搬時間差（位相
差）を生じており、この時間差は（Ｔ２−Ｔ１）とな
り、これを測定するとともに、これに基いて流体流速を
求め、さらに必要に応じて流量を求める。

【００２８】受信波（Ｗ´）に対しても、制御回路（１
４）によるピーク値の監視が行われるが、その結果は次
サイクルの受信波（Ｗ）に対して反映され、従って各受
信波の振幅が安定し受信波形はほぼ一定となる。このた
め、例えば第２波（Ｗ２）のピークが小さいために、第
２波ピーク値に対応する積分出力が基準電圧Ｖに達せ
ず、第３波の立上がりの途中でＶに達してこの時点を到
達タイミングとするような不都合を確実に防止すること
ができる。

【００２９】図５はこの発明の他の形態を実施するため
の測定装置を示すものである。この実施形態では、制御
回路（１４）による制御を増幅回路（５）ではなく、送
信側のパルス発生回路（４）に対して行わせるものであ
る。これにより、送信素子の駆動電圧が増減制御され、
前記と同様の結果を得ることができる。

【００３０】なお、図５に示した実施形態において、図
１に示したものと同一構成部分については同一の名称、
符号を付し、その説明は省略する。

【００３１】以上の実施形態では、受信波（Ｗ）（Ｗ
´）における第２波（Ｗ２）（Ｗ２´）のピーク値を監
視した場合を示したが、他の波のピーク値を監視するも
のとしても良い。また、各受信波に対してピーク値を検
出し、これを直後の受信波に反映させるものとして説明
したが、ピーク値の検出を定期的に行い、その結果を複
数個の受信波に反映させるものとしても良い。また、流
速測定用受信波に先立って予備的な受信波を受信させ、
この予備的な受信波のピーク値を検出してその結果を流
速測定用受信波に反映させるようにして、これを測定の
たびに繰り返すものとしても良い。

【００３２】また、受信波到達タイミングを、積分出力
値が基準電圧ＶR に達した直後の受信波のゼロクロス点
に設定したが、受信波到達タイミングの設定はこれに限
定されることはなく、積分出力値が基準電圧ＶR に達し
たときをもって受信波到達タイミングを確定するものと
しても良い。また、受信波を半波整流することにより一
方の極性の波のみを積分した場合を示したが、受信波を
全波整流することにより、受信波の両極性の波を積分す
るものとしても良い。また、受信波到達タイミングを確
定するために、受信波の各波を積分するものとしたが、
積分することなく、受信波を直接基準値ＶR と比較する
ものとしても良い。さらにまた、流体流れの上流側と下
流側に各１個の送受波器（２）（３）を設け、切替回路
（６）で接続を切替えて、上流側から下流側への送信と
下流側から上流側への送信を順次的に行う場合を示した
が、上流側に送波器と受波器を別々に設けるとともに下
流側にもこれに対応して受波器と送波器を別々に設ける
ことにより、伝搬時間の測定を同時的に行うものとして
も良い。

【００３３】

【発明の効果】この発明は、上述の次第で、計測流体の
上流側と下流側にそれぞれ送波器及び受波器を配置し、
前記各送波器の超音波発信素子に駆動パルスを印加して
相互に超音波を発生送信するとともに、送信された超音
波を相互に受波器で受信し、各受信波の比較から求めた
該超音波の伝搬時間の差に基いて流速を測定する超音波
流速測定方法において、前記受信波における所定の波の
ピーク値を監視するとともに、このピーク値が各受信波
について一定となるように、送信波の出力あるいは受信
波の増幅値を制御することを特徴とするものであるか
ら、各受信波は振幅値が安定してほぼ同一の波形とな
る。このため、基準電圧によって受信波の所期する波を
確実に捕捉できるようになり、到達タイミングを精度良
く安定的に確定することができ、ひいては高精度な流速
測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の発明を実施するための超音波流速測
定装置の一例を示すブロック図である。

【図２】図１の装置の増幅回路から出力された２つの受
信波の波形図である。

【図３】同じく半波整流回路の出力波形図である。

【図４】同じく積分回路の出力波形図である。

【図５】この発明の他の実施形態を実施するための超音
波流速測定装置の一例を示すブロック図である。

【図６】従来方法を実施するための超音波流速測定装置
の一例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１…配管 ２、３…送受波器 ４…パルス発生回路 ５…増幅回路 ６…切替回路 ７…半波整流回路 ８…積分回路 ９…比較回路 １０…基準電圧発生回路 １３…ピークホールド回路 １４…制御回路 Ｗ、Ｗ´…受信波

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 冨田 明男 大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪 瓦斯株式会社内 (72)発明者 河野 明夫 大阪市東成区東小橋２丁目10番16号 関西 ガスメータ株式会社内 (72)発明者 中村 英司 大阪市東成区東小橋２丁目10番16号 関西 ガスメータ株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 計測流体の上流側と下流側にそれぞれ送
   波器及び受波器を配置し、前記各送波器の超音波発信素
   子に駆動パルスを印加して相互に超音波を発生送信する
   とともに、送信された超音波を相互に受波器で受信し、
   各受信波の比較から求めた該超音波の伝搬時間の差に基
   いて流速を測定する超音波流速測定方法において、 前記受信波における所定の波のピーク値を監視するとと
   もに、このピーク値が各受信波について一定となるよう
   に、送信波の出力あるいは受信波の増幅値を制御するこ
   とを特徴とする超音波流速測定方法。